JPH0777385A - 高純度アルゴンの分離方法及びその装置 - Google Patents

高純度アルゴンの分離方法及びその装置

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JPH0777385A JP16176893A JP16176893A JPH0777385A JP H0777385 A JPH0777385 A JP H0777385A JP 16176893 A JP16176893 A JP 16176893A JP 16176893 A JP16176893 A JP 16176893A JP H0777385 A JPH0777385 A JP H0777385A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 液化精留分離により高純度アルゴンを分離採
取する際の装置構成の簡略化とともに、採取するアルゴ
ンの高純度化と収率の向上を図れる高純度アルゴンの分
離方法及びその装置を提供する。 【構成】 粗アルゴン塔３から導出した粗アルゴンを、
まず、脱窒素塔５５に導入して窒素を精留分離し、次い
で脱酸素塔６４に導入して酸素を精留分離する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高純度アルゴンの分離
方法及びその装置に関し、詳しくは、空気を原料として
酸素，窒素，アルゴン等の成分ガスを精留分離により分
離して採取する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２は、従来の空気深冷分離法による高
純度アルゴン採取方法の一例を示すものである。複精留
塔１の低圧塔（上部塔）の中段から実質的に酸素を主成
分とし、アルゴン５〜１５％、窒素微量の原料ガスが導
管２に抜き出され、粗アルゴン塔３下部に導入される。
該粗アルゴン塔３の上部には、凝縮器４が設けられてお
り、前記複精留塔１の中圧塔（下部塔）下部から抜き出
され、膨張弁５で低圧となった液体空気が導管６から寒
冷源として導入されている。この結果、粗アルゴン塔３
を上昇した原料ガスは、前記凝縮器４で液化して還流液
となり、塔内を上昇する前記原料ガスとで液化精留が行
われ、該塔頂部からアルゴン９０％以上、酸素数％以
下、窒素数％以下の組成の粗アルゴンが導管７に抜き出
される。一方、粗アルゴン塔３の底部からは、液体酸素
が管８により上部塔へ戻され、凝縮器４で液体空気が気
化したガスは、管９により上部塔に導入される。
【０００３】管７に導出した前記粗アルゴンは、熱交換
器１０を通り、戻りガスを冷却して略大気温度となり、
管１１から貯槽及び緩衝を兼ねるガスホルダー１２を経
て圧縮機１３に送られる。圧縮機１３で後の工程に必要
な圧力に圧縮された粗アルゴンガスは、管１４に吐出さ
れ、水素供給設備１５から管１６を介して粗アルゴン中
の酸素分を酸素・水素反応によって除去するのに十分な
水素が添加された後、触媒筒１７に導入される。該触媒
筒１７には、酸素・水素反応を促進する触媒が充填され
ており、この結果、粗アルゴン中の酸素は、添加された
水素と速かに反応して水が生成される。生成した水を含
む粗アルゴンガスは、冷却された後に管１８により水分
離器１９に送られ、さらに管２０を介して切換式乾燥器
２１に導入される。この乾燥工程で、前記生成した水分
を除去した粗アルゴンガスは、管２２で熱交換器１０に
導かれ、冷却されて管２３から高純アルゴン塔２４の中
段に導入される。
【０００４】上記高純アルゴン塔２４の下部には、前記
複精留塔１の下部塔から管２５を介して供給される中圧
窒素を加熱源としたリボイラー２６が設けられ、上部に
は凝縮器３１が設けられている。この凝縮器３１には、
前記リボイラー２６で凝縮液化した後、弁２７で膨張し
て管２８から供給される液体窒素と複精留塔１の下部塔
から管２９，弁３０を介して供給される液体窒素とが供
給されている。この高純アルゴン塔２４は、前記管２３
から導入された粗アルゴンを精留し、塔頂部に窒素・水
素の混合ガスを分離して管３２から排出するとともに、
塔底部に高純度液体アルゴンを分離するもので、該高純
度液体アルゴンは、管３３を介して採取される。
【０００５】なお、管３４は、凝縮器３１で寒冷を与え
た結果気化した窒素ガスの排出管であり、複精留塔１の
上部塔頂部から導出される窒素ガスの管３５と合流す
る。
【０００６】以上の説明から明らかなように、従来の高
純度アルゴン採取方法は、脱酸素工程で危険な水素を使
用すること、また、それに付随する乾燥工程等によって
設備，配管等が複雑となり、かつ操作が繁雑であること
などの欠点があった。さらに近年の装置の大型化に伴な
い、前記欠点は益々増大することは明らかであり、その
解決が望まれていた。
【０００７】一方、粗アルゴン中の酸素を、水素を用い
ずに除去してアルゴンを精製する方法が、特公昭５２−
４１２３５号公報に開示されている。図３は、該公報に
記載された方法を実施する工程を示すものであって、粗
アルゴン塔３から管１０１に抜き出したアルゴン９０％
以上，酸素，窒素それぞれ数％の粗アルゴンは、含有す
る酸素を除去するため、脱酸素塔１０２に導入される。
この脱酸素塔１０２には、精留作用を働かせるため、底
部にリボイラー１０３，頂部に凝縮器１０４がそれぞれ
設けられており、その間の精留部は、沸点差が小さく精
留分離が困難な酸素とアルゴンとを精留分離するため、
数十段に及ぶ多段として精留作用が十分行なわれるよう
に形成されるとともに、それによって生ずる圧力抵抗に
対するための加圧手段１０５を該脱酸素塔１０２の前段
に配置している。
【０００８】前記リボイラー１０３は、複精留塔１の下
部塔からの中圧窒素ガスを管１０７で供給して形成され
ており、また頂部の凝縮器１０４には、リボイラー１０
３で液化した中圧窒素を、脱酸素塔１０２内でアルゴン
が固化しないように温度を維持するため、弁１０８で膨
張させて適正圧力に調整後、管１０９を介して供給して
いる。さらに、この凝縮器１０４には、複精留塔１の下
部塔から液体窒素を弁１１０で上記同様に適正な圧力に
調整した後、管１１１を介して供給している。この結
果、前記脱酸素塔１０２の上部から酸素含有量が数ｐｐ
ｍ以下で、窒素数％を含むアルゴン９５％程度の精製ア
ルゴンが管１１２に抜き出され、高純アルゴン塔２４に
送られる。
【０００９】上記高純アルゴン塔２４は、図２のものと
同様であり、その底部に、複精留塔１の下部塔から抜き
出された中圧窒素が管２５で供給されてリボイラー２６
を形成し、上部には該リボイラー２６で凝縮液化した液
体窒素が管２８，弁２７を経て供給されるとともに、前
記脱酸素塔１０２の凝縮器１０４に送られている複精留
塔１の下部塔からの液体窒素の一部が分岐管２９を経て
弁３０で調圧されて送られ、凝縮器３１が形成されてい
る。
【００１０】高純アルゴン塔２４で精留の結果、該塔頂
部よりアルゴンを少量含む窒素ガスが管３２から排出さ
れ、底部からは高純度液体アルゴンが管３３を介して採
取される。一方、凝縮器３１で気化した窒素ガスは、管
３４により排出され、前記脱酸素塔１０２の凝縮器１０
４で気化して排出管１１４に排出された窒素ガスと共に
複精留塔１の上部塔頂部から導出される窒素ガスの管３
５と合流し、採取される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上記脱酸素塔を用いた
方法によれば、酸素含有量が数ｐｐｍ程度のアルゴンを
採取することが可能であるが、近年の各種ガスの高純度
化の要望は、アルゴンガスにおいても酸素含有量１ｐｐ
ｍ以下の値が望まれており、半導体産業向けのアルゴン
では、酸素含有量をｐｐｂのオーダーに近づけようとし
ている。加えて、原料空気中のアルゴンに対する収率
は、８０〜９０％台が要求されており、高純度化，高効
率化の要望が一層強くなってきている。
【００１２】収率を下げずに高純度アルゴン中の酸素含
有量を減らすため、精留段数を増加することは極めて通
常的な方法であるが、このためには、精留段の増加によ
る圧力損失に対処する必要がある。また、還流比を増加
させて同様の効果を得るためには、脱酸素塔のリボイラ
ーと凝縮器の容量の増加が必要になるが、脱酸素塔のリ
ボイル源と凝縮器の冷却源には、通常、下部塔からのガ
ス窒素と液体窒素を利用しているため、これらガス窒素
及び液体窒素の使用量が増加すると、下部塔から上部塔
へ供給される還流液量が減少して上部塔の精留分離効果
を悪化させることになり、空気分離装置全体としての分
離効果を悪化させることになる。
【００１３】また、上記従来の方法では、アルゴンを濃
縮する粗アルゴン塔３，加圧手段１０５，酸素を分離す
る脱酸素塔１０２，高純アルゴン塔（窒素を分離する脱
窒素塔）２４の順に配設されているので、最終の高純ア
ルゴン塔における適切な操作圧力を得るためには、前段
の脱酸素塔の圧力を、それに見合う圧力、すなわち、圧
力損失分を補う高さを持った圧力に設定する必要があ
り、沸点差が小さな酸素とアルゴンとを精留分離する脱
酸素塔には不利な条件となっていた。
【００１４】そこで本発明は、空気を原料として液化精
留分離により高純度アルゴンを分離採取する際の装置構
成の簡略化とともに、高純度化と収率の向上とが図れ、
特に脱酸素塔の所用理論段数や還流比の点で従来よりも
効率の良い運転を行うことができる高純度アルゴンの分
離方法及びその装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高純度アルゴンの分離方法は、空気を圧
縮，精製，冷却し、複精留塔で液化精留して酸素，窒素
を採取するとともに、高純度アルゴンを採取する空気液
化分離による高純度アルゴンの分離方法において、前記
複精留塔から導出したアルゴン含有ガスを粗アルゴン塔
に導入して精留を行い、少量の窒素及び酸素を含む粗ア
ルゴンとし、次いで該粗アルゴンを脱窒素塔に導入して
精留し、塔頂部から窒素を分離導出した後、該脱窒素塔
底部から導出した脱窒素粗アルゴンを脱酸素塔に導入し
て精留し、塔底部から酸素を分離導出するとともに、塔
頂部から高純度アルゴンを採取することを特徴としてい
る。
【００１６】また、本発明の高純度アルゴンの分離装置
は、圧縮，精製，冷却した空気を液化精留して酸素，窒
素に分離する複精留塔と、該複精留塔上部塔中部から導
出されるアルゴン含有ガスを精留して少量の窒素及び酸
素を含む粗アルゴンを得る粗アルゴン塔と、該粗アルゴ
ン塔頂部から導出された粗アルゴンを精留して塔頂部か
ら窒素を分離導出する脱窒素塔と、該脱窒素塔の塔底部
から導出された脱窒素粗アルゴンを精留して塔底部から
酸素を分離導出するとともに、塔頂部から高純度アルゴ
ンを採取する脱酸素塔とを備えたことを特徴としてい
る。
【００１７】
【作 用】上記のように、粗アルゴン中に含まれる窒素
及び酸素を分離して高純度アルゴンを採取するに際し
て、酸素を分離する脱酸素塔の上流側に窒素を分離する
脱窒素塔を設け、先に窒素を分離するように構成するこ
とにより、脱酸素塔の操作圧力を低くすることができ、
酸素の分離を効率よく行うことができる。また、窒素
は、アルゴン及び酸素との沸点差が大きく、圧力が多少
高くても十分に除去することができるので、後段の脱酸
素塔の圧力に応じて任意の圧力に設定することができ
る。
【００１８】
【実施例】本発明の一実施例を図１に基づいて説明す
る。なお、前記従来例と同一要素のものには同一符号を
付して、その詳細な説明は省略する。粗アルゴン塔３の
頂部から圧力約１．１ａｔａで管５１に抜き出された液
体粗アルゴンは、加圧手段である加圧筒（液柱加圧器）
５２で自身の液ヘッドにより、１．７〜２．０ａｔａに
昇圧した後、管５３，弁５４を介して脱窒素塔５５の中
段に導入される。この脱窒素塔５５の底部には、複精留
塔１の下部塔から抜き出された中圧窒素が管５６を介し
て供給されるリボイラー５７が設けられ、頂部には該リ
ボイラー５７で液化した液化窒素が管５８，弁５９を介
して導入される凝縮器６０が設けられている。
【００１９】上記脱窒素塔５５は、前記管５３から供給
される粗アルゴンを精留し、塔頂部に窒素を分離して管
６１から導出するとともに、塔底部の管６２に脱窒素液
体粗アルゴンを導出する。
【００２０】上記脱窒素液体粗アルゴンは、管６２から
弁６３を経て脱酸素塔６４の中段に導入される。この脱
酸素塔６４の頂部には、複精留塔１の下部塔から管６５
に抜き出された中圧液体窒素及び前記脱窒素塔５５のリ
ボイラーで液化して管６６に分岐した液化窒素が供給さ
れる凝縮器６７が設けられ、塔底部には、該凝縮器６７
で気化し、熱交換器６８で昇温した後、循環圧縮機６９
で昇圧し、アフタークーラー７０及び前記熱交換器６８
で降温した窒素ガスが供給されるリボイラー７１が設け
られている。このリボイラー７１で液化した液化窒素
は、弁７２で降圧して前記管６５の中圧液体窒素に合流
する。また、前記脱窒素塔５５の凝縮器６０及び上記脱
酸素塔６４の凝縮器６７で気化した窒素ガスは、管７
３，弁７４あるいは管７５，弁７６を介して複精留塔１
の上部塔頂部から導出される窒素ガスの管３５と合流す
る。
【００２１】そして、上記脱酸素塔６４での精留によ
り、塔底部に酸素が分離して管７７から導出され、塔頂
部に分離した高純度アルゴンは、管７８から採取され
る。この管７７に導出された酸素は、前記複精留塔１に
戻すようにしても良い。
【００２２】このように粗アルゴン中の窒素を最初に分
離して除去し、次に酸素を分離するように構成すること
により、脱酸素塔６４の操作圧力をアルゴンと酸素とを
精留分離するのに適した圧力にすることができる。すな
わち、従来は、脱酸素塔の次に脱窒素塔（高純アルゴン
塔）を配置していたので、脱酸素塔の操作圧力は、次の
脱窒素塔の操作圧力によりその最低圧力が制限されてい
たが、本発明では、先に窒素を分離しているので、この
ような制限がなくなり、低圧、例えば、１．１ａｔａ程
度に脱酸素塔６４の操作圧力を設定することができる。
したがって、沸点差が小さいアルゴンと酸素とを最適な
条件で精留分離することができ、酸素含有量１ｐｐｍ以
下の高純度アルゴンを得られるだけでなく、所要理論段
数や還流比の点でも有利になり、装置の小型化や動力削
減も図れる。
【００２３】さらに、脱酸素塔６４を、その精留部に規
則あるいは不規則充填材を充填した充填塔とすることに
より、精留操作時の圧力損失を低減でき、例えば、酸素
量を１ｐｐｍ以下まで除去するには、粗アルゴン塔３と
合わせて理論段数が１５０段以上必要となることから、
このような圧力損失が小さい充填塔を用いることによ
り、操作圧力を更に低くすることができ、経済的な運転
を行うことができる。
【００２４】一方、脱窒素塔５５における精留は、沸点
差が大きい窒素とアルゴン及び酸素を分離するものであ
るから、脱酸素塔６４に対して十分に高い圧力で運転し
ても窒素を容易に分離することができる。さらに、本実
施例に示すように、粗アルゴン塔３と脱窒素塔５５との
位置関係を考慮するとともに、加圧手段として液柱加圧
器５２を使用することにより、加圧のための動力を必要
としない利点も生じる。
【００２５】なお、各凝縮器及びリボイラーの冷却源，
加熱源は任意であり、冷却源としては、下部塔下部から
導出した液体空気を用いることも可能であり、装置外か
ら液体窒素等の寒冷源を導入するようにしてもよい。ま
た、加熱源としても、下部塔下部から導出した空気ある
いは空気類似組成ガス、さらには下部塔導入前の原料空
気の一部等を使用することが可能である。これらの冷却
源及び加熱源に用いる液やガスは、この空気液化分離装
置に設定される製品の種類や形態，量等に応じて適宜に
選定することができ、複精留塔の下部塔，上部塔の精留
操作条件等に応じて適宜最適な種類の液やガスを用いる
ことにより、あるいは、当該装置以外の装置からこれら
を導入することにより、高純度アルゴン，酸素，窒素等
の収率を損なうことなく効率のよい運転を行うことがで
きる。例えば、液製品を採取する空気分離装置で寒冷発
生のための循環系統を備えている場合は、その系統に冷
却源，加熱源を組み込むことも可能である。
【００２６】いずれの液やガスを冷却源あるいは加熱源
に用いるとしても、凝縮器に導入する冷却源の温度，流
量及びリボイラーに導入する加熱源の温度，流量を調節
することにより、脱酸素塔における還流比を最適な状態
に設定することができ、これにより、脱酸素塔から採取
するアルゴン中の酸素含有量を１ｐｐｍ以下にすること
が可能である。
【００２７】上記のように、本実施例においては、脱酸
素塔から採取する高純度アルゴン中の酸素量を１ｐｐｍ
以下にすることが可能であるが、更にｐｐｂオーダーま
で酸素量を低減する必要がある場合には、脱酸素塔の後
段に酸素を吸着する吸着剤を充填した吸着筒を配設した
り、ゲッターを充填した反応筒を配設し、脱酸素塔から
導出した高純度アルゴンをこれらの吸着筒あるいは反応
筒で処理することにより、酸素量を更に低減することが
できる。なお、この場合、脱酸素塔から導出する高純度
アルゴン中の酸素量は、１ｐｐｍ以下にすることなく数
ｐｐｍでもよい。これは、この程度の酸素含有量であれ
ば、水素を連続的に添加しての触媒反応による脱酸方法
ではなく、吸着剤あるいはゲッターで十分に脱酸するこ
とが可能であるからである。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の高純度ア
ルゴンの分離方法及びその装置によれば、前段で窒素を
分離し、後段で酸素を分離するようにしたので、酸素を
分離する脱酸素塔の操作圧力を、アルゴンと酸素とを精
留操作で分離するのに適した低圧にすることができ、精
留操作のみでアルゴン中の酸素量を効率よく分離除去す
ることができ、採取する高純度アルゴン中の酸素量を１
ｐｐｍ以下にすることができる。また、水素ガスを用い
ないので安全性が向上するだけでなく、設備の簡略化も
図ることができ、設備コストの低減と運転コストの低減
が図れる。特に脱酸素塔を充填塔で形成することによ
り、圧力損失を小さくできるので、酸素をより効率よく
分離除去することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す高純度アルゴンの分
離装置の系統図である。
【図２】 従来の高純度アルゴン採取装置の一例を示す
系統図である。
【図３】 同じく従来の高純度アルゴン採取装置を示す
系統図である。
【符号の説明】
１…複精留塔、３…粗アルゴン塔、４，６０，６７…凝
縮器、５２…液柱加圧器、５５…脱窒素塔、５７，７１
…リボイラー、６４…脱酸素塔
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年１０月１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高純度アルゴンの分離
方法及びその装置に関し、詳しくは、空気を原料として
酸素，窒素，アルゴン等の成分ガスを精留分離により分
離して採取する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は、従来の空気深冷分離法による高
純度アルゴン採取方法の一例を示すものである。複精留
塔１の低圧塔（上部塔）の中段から実質的に酸素を主成
分とし、アルゴン５〜１５％、窒素微量の原料ガスが導
管２に抜き出され、粗アルゴン塔３下部に導入される。
該粗アルゴン塔３の上部には、凝縮器４が設けられてお
り、前記複精留塔１の中圧塔（下部塔）下部から抜き出
され、膨張弁５で低圧となった液体空気が導管６から寒
冷源として導入されている。この結果、粗アルゴン塔３
を上昇した原料ガスは、前記凝縮器４で液化して還流液
となり、塔内を上昇する前記原料ガスとで液化精留が行
われ、該塔頂部からアルゴン９０％以上、酸素数％以
下、窒素数％以下の組成の粗アルゴンが導管７に抜き出
される。一方、粗アルゴン塔３の底部からは、液体酸素
が管８により上部塔へ戻され、凝縮器４で液体空気が気
化したガスは、管９により上部塔に導入される。
【０００３】管７に導出した前記粗アルゴンは、熱交換
器１０を通り、戻りガスを冷却して略大気温度となり、
管１１から貯槽及び緩衝を兼ねるガスホルダー１２を経
て圧縮機１３に送られる。圧縮機１３で後の工程に必要
な圧力に圧縮された粗アルゴンガスは、管１４に吐出さ
れ、水素供給設備１５から管１６を介して粗アルゴン中
の酸素分を酸素・水素反応によって除去するのに十分な
水素が添加された後、触媒筒１７に導入される。該触媒
筒１７には、酸素・水素反応を促進する触媒が充填され
ており、この結果、粗アルゴン中の酸素は、添加された
水素と速かに反応して水が生成される。生成した水を含
む粗アルゴンガスは、冷却された後に管１８により水分
離器１９に送られ、さらに管２０を介して切換式乾燥器
２１に導入される。この乾燥工程で、前記生成した水分
を除去した粗アルゴンガスは、管２２で熱交換器１０に
導かれ、冷却されて管２３から高純アルゴン塔２４の中
段に導入される。
【０００４】上記高純アルゴン塔２４の下部には、前記
複精留塔１の下部塔から管２５を介して供給される中圧
窒素を加熱源としたリボイラー２６が設けられ、上部に
は凝縮器３１が設けられている。この凝縮器３１には、
前記リボイラー２６で凝縮液化した後、弁２７で膨張し
て管２８から供給される液体窒素と複精留塔１の下部塔
から管２９，弁３０を介して供給される液体窒素とが供
給されている。この高純アルゴン塔２４は、前記管２３
から導入された粗アルゴンを精留し、塔頂部に窒素・水
素の混合ガスを分離して管３２から排出するとともに、
塔底部に高純度液体アルゴンを分離するもので、該高純
度液体アルゴンは、管３３を介して採取される。
【０００５】なお、管３４は、凝縮器３１で寒冷を与え
た結果気化した窒素ガスの排出管であり、複精留塔１の
上部塔頂部から導出される窒素ガスの管３５と合流す
る。
【０００６】以上の説明から明らかなように、従来の高
純度アルゴン採取方法は、脱酸素工程で危険な水素を使
用すること、また、それに付随する乾燥工程等によって
設備，配管等が複雑となり、かつ操作が繁雑であること
などの欠点があった。さらに近年の装置の大型化に伴な
い、前記欠点は益々増大することは明らかであり、その
解決が望まれていた。
【０００７】一方、粗アルゴン中の酸素を、水素を用い
ずに除去してアルゴンを精製する方法が、特公昭５２−
４１２３５号公報に開示されている。図４は、該公報に
記載された方法を実施する工程を示すものであって、粗
アルゴン塔３から管１０１に抜き出したアルゴン９０％
以上，酸素，窒素それぞれ数％の粗アルゴンは、含有す
る酸素を除去するため、脱酸素塔１０２に導入される。
この脱酸素塔１０２には、精留作用を働かせるため、底
部にリボイラー１０３，頂部に凝縮器１０４がそれぞれ
設けられており、その間の精留部は、沸点差が小さく精
留分離が困難な酸素とアルゴンとを精留分離するため、
数十段に及ぶ多段として精留作用が十分行なわれるよう
に形成されるとともに、それによって生ずる圧力抵抗に
対するための加圧手段１０５を該脱酸素塔１０２の前段
に配置している。
【０００８】前記リボイラー１０３は、複精留塔１の下
部塔からの中圧窒素ガスを管１０７で供給して形成され
ており、また頂部の凝縮器１０４には、リボイラー１０
３で液化した中圧窒素を、脱酸素塔１０２内でアルゴン
が固化しないように温度を維持するため、弁１０８で膨
張させて適正圧力に調整後、管１０９を介して供給して
いる。さらに、この凝縮器１０４には、複精留塔１の下
部塔から液体窒素を弁１１０で上記同様に適正な圧力に
調整した後、管１１１を介して供給している。この結
果、前記脱酸素塔１０２の上部から酸素含有量が数ｐｐ
ｍ以下で、窒素数％を含むアルゴン９５％程度の精製ア
ルゴンが管１１２に抜き出され、高純アルゴン塔２４に
送られる。
【０００９】上記高純アルゴン塔２４は、図３のものと
同様であり、その底部に、複精留塔１の下部塔から抜き
出された中圧窒素が管２５で供給されてリボイラー２６
を形成し、上部には該リボイラー２６で凝縮液化した液
体窒素が管２８，弁２７を経て供給されるとともに、前
記脱酸素塔１０２の凝縮器１０４に送られている複精留
塔１の下部塔からの液体窒素の一部が分岐管２９を経て
弁３０で調圧されて送られ、凝縮器３１が形成されてい
る。
【００１０】高純アルゴン塔２４で精留の結果、該塔頂
部よりアルゴンを少量含む窒素ガスが管３２から排出さ
れ、底部からは高純度液体アルゴンが管３３を介して採
取される。一方、凝縮器３１で気化した窒素ガスは、管
３４により排出され、前記脱酸素塔１０２の凝縮器１０
４で気化して排出管１１４に排出された窒素ガスと共に
複精留塔１の上部塔頂部から導出される窒素ガスの管３
５と合流し、採取される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上記脱酸素塔を用いた
方法によれば、酸素含有量が数ｐｐｍ程度のアルゴンを
採取することが可能であるが、近年の各種ガスの高純度
化の要望は、アルゴンガスにおいても酸素含有量１ｐｐ
ｍ以下の値が望まれており、半導体産業向けのアルゴン
では、酸素含有量をｐｐｂのオーダーに近づけようとし
ている。加えて、原料空気中のアルゴンに対する収率
は、８０〜９０％台が要求されており、高純度化，高効
率化の要望が一層強くなってきている。
【００１２】収率を下げずに高純度アルゴン中の酸素含
有量を減らすため、精留段数を増加することは極めて通
常的な方法であるが、このためには、精留段の増加によ
る圧力損失に対処する必要がある。また、還流比を増加
させて同様の効果を得るためには、脱酸素塔のリボイラ
ーと凝縮器の容量の増加が必要になるが、脱酸素塔のリ
ボイル源と凝縮器の冷却源には、通常、下部塔からのガ
ス窒素と液体窒素を利用しているため、これらガス窒素
及び液体窒素の使用量が増加すると、下部塔から上部塔
へ供給される還流液量が減少して上部塔の精留分離効果
を悪化させることになり、空気分離装置全体としての分
離効果を悪化させることになる。
【００１３】また、上記従来の方法では、アルゴンを濃
縮する粗アルゴン塔３，加圧手段１０５，酸素を分離す
る脱酸素塔１０２，高純アルゴン塔（窒素を分離する脱
窒素塔）２４の順に配設されているので、最終の高純ア
ルゴン塔における適切な操作圧力を得るためには、前段
の脱酸素塔の圧力を、それに見合う圧力、すなわち、圧
力損失分を補う高さを持った圧力に設定する必要があ
り、沸点差が小さな酸素とアルゴンとを精留分離する脱
酸素塔には不利な条件となっていた。
【００１４】そこで本発明は、空気を原料として液化精
留分離により高純度アルゴンを分離採取する際の装置構
成の簡略化とともに、高純度化と収率の向上とが図れ、
特に脱酸素塔の所用理論段数や還流比の点で従来よりも
効率の良い運転を行うことができる高純度アルゴンの分
離方法及びその装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高純度アルゴンの分離方法は、空気を圧
縮，精製，冷却し、複精留塔で液化精留して酸素，窒素
を採取するとともに、高純度アルゴンを採取する空気液
化分離による高純度アルゴンの分離方法において、前記
複精留塔から導出したアルゴン含有ガスを粗アルゴン塔
に導入して精留を行い、少量の窒素及び酸素を含む粗ア
ルゴンとし、次いで該粗アルゴンを脱窒素塔に導入して
精留し、塔頂部から窒素を分離導出した後、該脱窒素塔
底部から導出した脱窒素粗アルゴンを脱酸素塔に導入し
て精留し、塔底部から酸素を分離導出するとともに、塔
頂部から高純度アルゴンを採取することを特徴としてい
る。
【００１６】また、本発明の高純度アルゴンの分離装置
は、圧縮，精製，冷却した空気を液化精留して酸素，窒
素に分離する複精留塔と、該複精留塔上部塔中部から導
出されるアルゴン含有ガスを精留して少量の窒素及び酸
素を含む粗アルゴンを得る粗アルゴン塔と、該粗アルゴ
ン塔頂部から導出された粗アルゴンを精留して塔頂部か
ら窒素を分離導出する脱窒素塔と、該脱窒素塔の塔底部
から導出された脱窒素粗アルゴンを精留して塔底部から
酸素を分離導出するとともに、塔頂部から高純度アルゴ
ンを採取する脱酸素塔とを備えたことを特徴としてい
る。
【００１７】
【作 用】上記のように、粗アルゴン中に含まれる窒素
及び酸素を分離して高純度アルゴンを採取するに際し
て、酸素を分離する脱酸素塔の上流側に窒素を分離する
脱窒素塔を設け、先に窒素を分離するように構成するこ
とにより、脱酸素塔の操作圧力を低くすることができ、
酸素の分離を効率よく行うことができる。また、窒素
は、アルゴン及び酸素との沸点差が大きく、圧力が多少
高くても十分に除去することができるので、後段の脱酸
素塔の圧力に応じて任意の圧力に設定することができ
る。
【００１８】
【実施例】本発明の一実施例を図１に基づいて説明す
る。なお、前記従来例と同一要素のものには同一符号を
付して、その詳細な説明は省略する。粗アルゴン塔３の
頂部から圧力約１．１ａｔａで管５１に抜き出された液
体粗アルゴンは、加圧手段である加圧筒（液柱加圧器）
５２で自身の液ヘッドにより、１．７〜２．０ａｔａに
昇圧した後、管５３，弁５４を介して脱窒素塔５５の中
段に導入される。この脱窒素塔５５の底部には、複精留
塔１の下部塔から抜き出された中圧窒素が管５６を介し
て供給されるリボイラー５７が設けられ、頂部には該リ
ボイラー５７で液化した液化窒素が管５８，弁５９を介
して導入される凝縮器６０が設けられている。
【００１９】上記脱窒素塔５５は、前記管５３から供給
される粗アルゴンを精留し、塔頂部に窒素を分離して管
６１から導出するとともに、塔底部の管６２に脱窒素液
体粗アルゴンを導出する。
【００２０】上記脱窒素液体粗アルゴンは、管６２から
弁６３を経て脱酸素塔６４の中段に導入される。この脱
酸素塔６４の頂部には、複精留塔１の下部塔から管６５
に抜き出された中圧液体窒素及び前記脱窒素塔５５のリ
ボイラーで液化して管６６に分岐した液化窒素が供給さ
れる凝縮器６７が設けられ、塔底部には、該凝縮器６７
で気化し、熱交換器６８で昇温した後、循環圧縮機６９
で昇圧し、アフタークーラー７０及び前記熱交換器６８
で降温した窒素ガスが供給されるリボイラー７１が設け
られている。このリボイラー７１で液化した液化窒素
は、弁７２で降圧して前記管６５の中圧液体窒素に合流
する。また、前記脱窒素塔５５の凝縮器６０及び上記脱
酸素塔６４の凝縮器６７で気化した窒素ガスは、管７
３，弁７４あるいは管７５，弁７６を介して複精留塔１
の上部塔頂部から導出される窒素ガスの管３５と合流す
る。
【００２１】そして、上記脱酸素塔６４での精留によ
り、塔底部に酸素が分離して管７７から導出され、塔頂
部に分離した高純度アルゴンは、管７８から採取され
る。この管７７に導出された酸素は、前記複精留塔１に
戻すようにしても良い。
【００２２】このように粗アルゴン中の窒素を最初に分
離して除去し、次に酸素を分離するように構成すること
により、脱酸素塔６４の操作圧力をアルゴンと酸素とを
精留分離するのに適した圧力にすることができる。すな
わち、従来は、脱酸素塔の次に脱窒素塔（高純アルゴン
塔）を配置していたので、脱酸素塔の操作圧力は、次の
脱窒素塔の操作圧力によりその最低圧力が制限されてい
たが、本発明では、先に窒素を分離しているので、この
ような制限がなくなり、低圧、例えば、１．１ａｔａ程
度に脱酸素塔６４の操作圧力を設定することができる。
したがって、沸点差が小さいアルゴンと酸素とを最適な
条件で精留分離することができ、酸素含有量１ｐｐｍ以
下の高純度アルゴンを得られるだけでなく、所要理論段
数や還流比の点でも有利になり、装置の小型化や動力削
減も図れる。
【００２３】さらに、脱酸素塔６４を、その精留部に規
則あるいは不規則充填材を充填した充填塔とすることに
より、精留操作時の圧力損失を低減でき、例えば、酸素
量を１ｐｐｍ以下まで除去するには、粗アルゴン塔３と
合わせて理論段数が１５０段以上必要となることから、
このような圧力損失が小さい充填塔を用いることによ
り、操作圧力を更に低くすることができ、経済的な運転
を行うことができる。
【００２４】一方、脱窒素塔５５における精留は、沸点
差が大きい窒素とアルゴン及び酸素を分離するものであ
るから、脱酸素塔６４に対して十分に高い圧力で運転し
ても窒素を容易に分離することができる。さらに、本実
施例に示すように、粗アルゴン塔３と脱窒素塔５５との
位置関係を考慮するとともに、加圧手段として液柱加圧
器５２を使用することにより、加圧のための動力を必要
としない利点も生じる。
【００２５】なお、各凝縮器及びリボイラーの冷却源，
加熱源は任意であり、冷却源としては、下部塔下部から
導出した液体空気を用いることも可能であり、装置外か
ら液体窒素等の寒冷源を導入するようにしてもよい。ま
た、加熱源としても、下部塔下部から導出した空気ある
いは空気類似組成ガス、さらには下部塔導入前の原料空
気の一部等を使用することが可能である。これらの冷却
源及び加熱源に用いる液やガスは、この空気液化分離装
置に設定される製品の種類や形態，量等に応じて適宜に
選定することができ、複精留塔の下部塔，上部塔の精留
操作条件等に応じて適宜最適な種類の液やガスを用いる
ことにより、あるいは、当該装置以外の装置からこれら
を導入することにより、高純度アルゴン，酸素，窒素等
の収率を損なうことなく効率のよい運転を行うことがで
きる。例えば、液製品を採取する空気分離装置で寒冷発
生のための循環系統を備えている場合は、その系統に冷
却源，加熱源を組み込むことも可能である。
【００２６】いずれの液やガスを冷却源あるいは加熱源
に用いるとしても、凝縮器に導入する冷却源の温度，流
量及びリボイラーに導入する加熱源の温度，流量を調節
することにより、脱酸素塔における還流比を最適な状態
に設定することができ、これにより、脱酸素塔から採取
するアルゴン中の酸素含有量を１ｐｐｍ以下にすること
が可能である。
【００２７】上記のように、本実施例においては、脱酸
素塔から採取する高純度アルゴン中の酸素量を１ｐｐｍ
以下にすることが可能であるが、更にｐｐｂオーダーま
で酸素量を低減する必要がある場合には、脱酸素塔の後
段に酸素を吸着する吸着剤を充填した吸着筒を配設した
り、ゲッターを充填した反応筒を配設し、脱酸素塔から
導出した高純度アルゴンをこれらの吸着筒あるいは反応
筒で処理することにより、酸素量を更に低減することが
できる。なお、この場合、脱酸素塔から導出する高純度
アルゴン中の酸素量は、１ｐｐｍ以下にすることなく数
ｐｐｍでもよい。これは、この程度の酸素含有量であれ
ば、水素を連続的に添加しての触媒反応による脱酸方法
ではなく、吸着剤あるいはゲッターで十分に脱酸するこ
とが可能であるからである。
【００２８】例えば、図２は、上記のようにして得た高
純度アルゴンをさらに精製する装置の一例を示す系統図
であって、前記脱酸素塔６４から管７８に導出した高純
度液化アルゴンを反応筒８１に導入し、該高純度アルゴ
ン中に微量に残存する酸素を除去し、さらにアルゴンの
高純度化しようとするものである。
【００２９】脱酸素塔６４から管７８に導出した高純度
液化アルゴンは、加圧筒８２で自身の液ヘッドにより、
約１．６ａｔａに加圧されて気化器８３に導入され、管
８４から導入される窒素ガス等の温流体と熱交換して気
化する。気化器８３で気化した高純度アルゴンガスは、
熱交換器８５で反応筒８１を導出した超高純度アルゴン
ガスと熱交換を行って昇温し、さらに加熱器８６で反応
筒８１の処理温度、例えば１５０〜３５０℃に加熱され
た後、反応筒８１に導入される。
【００３０】反応筒８１には、銅やニッケル系のゲッタ
ーが充填されており、該反応筒８１に導入された高純度
アルゴンガス中の微量酸素が、例えば１〜１０ｐｐｍ程
度から０．２ｐｐｍ程度、あるいは条件次第ではｐｐｂ
オーダーまで除去される。なお、反応筒８１に代えて、
モレキュラシーブスＭＳ４Ａ，ＭＳ５Ａ又はカーボンモ
レキュラシーブス等の吸着剤を充填した吸着筒を設置
し、酸素を吸着により除去することも可能である。
【００３１】反応筒８１で酸素成分が除去された超高純
度アルゴンガスは、管８７を通って前記熱交換器８５で
前記高純度アルゴンガスと熱交換して降温した後、液化
窒素等を寒冷源として用いた液化器８８に導入され、液
化して超高純度液化アルゴンとなり、管８９から採取さ
れる。
【００３２】また、本実施例では、気化器８３でアルゴ
ンを気化させる温流体及び液化器８８でアルゴンを液化
させる冷流体として窒素を用いている。すなわち、気化
器８３には、管８４を介して循環窒素系等から導出され
た中圧の窒素ガスが導入されており、該気化器８３で液
化アルゴンを気化させることにより液化した液化窒素
は、弁９１で膨張した後、複精留塔の下部塔から管９２
に導出され、弁９３で膨張した液化窒素と合流して液化
器８８に導入される。この気化器８８でアルゴンを液化
することにより気化した窒素ガスは、管９４に導出さ
れ、その一部は管９５を経て循環窒素系に戻され、一部
は管９６から弁９７を介して上部塔を導出した窒素ガス
に合流する。
【００３３】なお、脱酸素塔６４から導出する高純度ア
ルゴンがガスの場合には、上記気化器８３や液化器８８
を設ける必要はなく、反応筒８１等を通過させるのに十
分な圧力に昇圧し、必要な温度に昇温するだけでよい。
また、吸着筒を用いる場合には、この昇温操作も省略す
ることができ、昇圧操作には、ポンプやブロワー等も使
用することができる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の高純度ア
ルゴンの分離方法及びその装置によれば、前段で窒素を
分離し、後段で酸素を分離するようにしたので、酸素を
分離する脱酸素塔の操作圧力を、アルゴンと酸素とを精
留操作で分離するのに適した低圧にすることができ、精
留操作のみでアルゴン中の酸素量を効率よく分離除去す
ることができ、採取する高純度アルゴン中の酸素量を１
ｐｐｍ以下にすることができる。また、水素ガスを用い
ないので安全性が向上するだけでなく、設備の簡略化も
図ることができ、設備コストの低減と運転コストの低減
が図れる。特に脱酸素塔を充填塔で形成することによ
り、圧力損失を小さくできるので、酸素をより効率よく
分離除去することが可能になる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す高純度アルゴンの分
離装置の系統図である。
【図２】 高純度アルゴンをさらに精製する装置の一例
を示す系統図である。
【図３】 従来の高純度アルゴン採取装置の一例を示す
系統図である。
【図４】 同じく従来の高純度アルゴン採取装置を示す
系統図である。
【符号の説明】 １…複精留塔、３…粗アルゴン塔、４，６０，６７…凝
縮器、５２…液柱加圧器、５５…脱窒素塔、５７，７１
…リボイラー、６４…脱酸素塔，８１…反応筒
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】追加
【補正内容】
【図４】

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気を圧縮，精製，冷却し、複精留塔で
    液化精留して酸素，窒素を採取するとともに、高純度ア
    ルゴンを採取する空気液化分離による高純度アルゴンの
    分離方法において、前記複精留塔から導出したアルゴン
    含有ガスを粗アルゴン塔に導入して精留を行い、少量の
    窒素及び酸素を含む粗アルゴンとし、次いで該粗アルゴ
    ンを脱窒素塔に導入して精留し、塔頂部から窒素を分離
    導出した後、該脱窒素塔底部から導出した脱窒素粗アル
    ゴンを脱酸素塔に導入して精留し、塔底部から酸素を分
    離導出するとともに、塔頂部から高純度アルゴンを採取
    することを特徴とする高純度アルゴンの分離方法。
  2. 【請求項２】 圧縮，精製，冷却した空気を液化精留し
    て酸素，窒素に分離する複精留塔と、該複精留塔上部塔
    中部から導出されるアルゴン含有ガスを精留して少量の
    窒素及び酸素を含む粗アルゴンを得る粗アルゴン塔と、
    該粗アルゴン塔頂部から導出された粗アルゴンを精留し
    て塔頂部から窒素を分離導出する脱窒素塔と、該脱窒素
    塔の塔底部から導出された脱窒素粗アルゴンを精留して
    塔底部から酸素を分離導出するとともに、塔頂部から高
    純度アルゴンを採取する脱酸素塔とを備えたことを特徴
    とする高純度アルゴンの分離装置。
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