JPS60232472A

JPS60232472A - 高純度窒素ガスの製法

Info

Publication number: JPS60232472A
Application number: JP8908984A
Authority: JP
Inventors: 明吉野
Original assignee: Daido Sanso Co Ltd
Current assignee: Daido Sanso Co Ltd
Priority date: 1984-05-02
Filing date: 1984-05-02
Publication date: 1985-11-19
Also published as: JPS6152389B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕この発明は極めて高純度の窒素ガスを安価かつ安定に供
給しうる高純度窒素ガスの製法に関するものである。

（背景技術）電子工業では極めて多量の窒素ガスが使用されているが
、部品精度維持向上の観点から窒素ガスの純度について
厳しい要望をだしてきている。

窒素ガスは、従来、空気を原料とし、これを圧縮器で圧
縮したのち、吸着筒に入れて炭酸ガスおよび水分を除去
し、さらに熱交換器を通して冷媒と熱交換させて冷却し
、ついで精留塔で深冷液化分離して製品窒素ガスを製造
し、これを前記の熱交換器を通して富温近傍に昇温させ
るという深冷液化方式により製造されている。しかしな
がら、このようにして製造される製品窒素ガスには、酸
素が不純分として混在しているため、これをそのまま電
子工業等に使用することは不都合なことが多い。不純酸
素の除去方法としては、■ｐｔ触媒を使用し窒素ガス中
に微量の水素を添加し、不純酸素と２００℃程度の温度
雰囲気中で反応させて水にして除去する方法および■Ｎ
ｉ触媒を使用し、窒素ガス中の不純酸素を２００℃程度
の温度雰囲気においてＮｉ触媒と接触させＮｉ＋１７２
０２−＋Ｎ　ｉ　Ｏの反応を起こさせて除去する方法が
ある。しかしながら、これらの方法は、いずれも窒素ガ
スを高温にして触媒と接触させなければならないため、
その装置を、超低温系である窒素ガス製造装置中には組
み込めない。したがって、窒素ガス製造装置とは別個に
精製装置を設置しなければならず、全体が大形になると
いう欠点がある。

そのうえ、前記■の方法では、水素の添加量の調整に高
精度が要求され、不純酸素量と丁度反応するだけの量の
水素を添加しないと、酸素が残存したり、また添加した
水素が残存して不純分となってしまうため、操作に熟練
を要するという問題がある。また、前記■の方法では、
不純酸素との反応で生じたＮｉＯの再生（Ｎｉ＋Ｈ２０
Ｎｉ＋Ｈ２０）をする必要が生じ、再生用Ｈ２ガス設備
が必要となって精製費の上昇を招いていた。したがって
、これらの改善が強く望まれていた。

また、従来の深冷液化方式は、圧縮器で圧縮された圧縮
空気を冷却するための熱交換器の冷媒冷却用に、膨張タ
ービンを用い、これを、精留塔内に溜る液体空気（深冷
液化分離により低沸点の窒素はガスとして取り出され、
残部が酸素リッチな液体空気となって溜る）から蒸発し
たガスの圧力で駆動するようになっている。ところが、
膨張タービンは回転速度が極めて大（数万回／分）であ
るため、負荷変動（製品窒素ガスの取出量の変化）に対
するきめこまかな追従運転が困難である。

したがって、製品窒素ガスの取出量の変化に応して膨張
タービンに対する蒸発液体空気の供給量を正確に変化さ
せ圧縮空気を當時一定温度に冷却することが困難である
。その結果、得られる製品窒素ガスの純度がばらつき、
ひんばんに純度の低いものがつくりだされるという問題
があった。また、このものは高速回転するため機械構造
上高精度が要求され、かつ高価であり、機構が複雑なた
め故障が生しやすいという難点を有している。

このため、近年、このような膨張タービンを除去したＰ
ＳＡ方式による窒素ガスの製造方法が開発された。この
ＰＳＡ方式による例を第１図に示す。図において、１は
空気取入口、２は空気圧縮器、３はアフタークーラー、
３ａは冷却水供給路、４は油水セパレーク−である。５
は第１の吸着槽、６は第２の吸着槽であり、■１および
■２は空気作動弁で、空気圧縮器２によって圧縮された
空気を弁作用により吸着槽５または６に送り込む。

■３およびｖ４は真空弁であり、吸着槽５または６内を
真空ポンプ６ａの作用により真空状態にする。６ｂは真
空ポンプ６ａに冷却水を供給する冷却パイプ、６Ｃはサ
イレンサー、６ｄはその排気パイプである。Ｖ５　、Ｖ
６　、Ｖ７および■９は空気作動弁である。７は製品槽
であり、パイプ８により吸着槽５．６に接続されている
。７ａは製品窒素ガス取出しパイプ、７ｂは不純物分析
計、７Ｃは流量計である。

このＰＳＡ方式は、空気圧縮器２により空気を圧縮し、
この空気圧縮器２に付随するアフタークーラー３によっ
て、圧縮された空気を冷却してセパレーター４で凝縮水
を除去し、空気作動弁■１または■２を経由させて吸着
槽５または６に送入する。２基の吸着槽５，６はそれぞ
れ酸素吸着用のカーボンモレキュラシーブを内蔵してお
り、これらの吸着槽５，６にはプレッシャースイング方
式により一分間毎に交互に圧縮空気が送り込まれる。こ
の場合、圧縮空気が送り込まれていない吸着槽６　（５
）は真空ポンプ６ａの作用により内部が真空状態にされ
る。すなわち、空気圧縮器２により圧縮された空気は、
一方の吸着槽５　（６）内に入りカーボンモレキュラシ
ーブによってそのなかの酸素量を吸着除去され、窒素ガ
スとなって弁ｖ５．ｖ７．ｖ９を経て製品槽７内に送ら
れパイプ７ａから取り出される。この時、他方の吸着槽
６（５）は、空気圧縮器２からの空気が弁■２の閉成に
よって遮断され、かつ弁Ｖ４の開成によって内部が真空
ポンプ６ａにより真空吸引される。

その結果、カーボンモレキュラシーブに吸着された酸素
が吸引除去されカーボンモレキュラシーブが再生される
。このようにして、吸着槽５，６から交互に窒素ガスが
製品槽７に送られ製品窒素ガスが連続的に得られる。こ
のように、このＰＳＡ方式は、カーボンモレキュラシー
ブが酸素を選択的に吸着するという特性を利用して窒素
ガスを製造するため、安価に窒素ガスを得ることができ
る。しかしながら、前記のように、２基の吸着槽５．６
に一分間毎に交互に圧縮空気を送り、それと同時に、他
方の吸着槽内を真空吸引するため、弁が多数必要になる
とともに、弁操作も煩雑になり故障が多発しゃずいとい
う欠点を有している。そのため、２個１組の吸着槽５．
６を２組設け、１組を予備としなければならない。この
ようにＰＳＡ方式による製造装置も多数の弁に起因する
故障の発生が多く、もう一式予備の設備を必要とすると
いうのが実情である。したがって、高純度な窒素ガスを
安価かつ安定的に製造しうる窒素ガスの製法の開発が望
まれていた。

〔発明の目的〕

この発明は、極めて高純度の窒素ガスを安価かつ安定に
供給しうる高純度窒素ガスの製法の提供をその目的とす
るものである。

〔発明の開示〕

上記の目・的を達成するため、この発明は、原料空気を
圧縮したのち炭酸ガスと水を除去し、ついで熱交換器で
冷媒と熱交換させて冷却したのち、凝縮器を内蔵する精
留塔内に導入し、圧縮空気中の酸素等高沸点成分を液化
して窒素を気体のまま残し、これを製品窒素ガスとして
送出する高純度窒素ガスの製法であって、精留塔内蔵凝
縮器もしくは熱交換器の寒冷源として、液体アルゴン、
液体ヘリウム、液体水素および液体酸素からなる群から
選ばれた一つを用いるものである。

つぎに、この発明を実施例にもとづいて説明する。

第２図はこの発明の一実施例を示している。図において
、９は空気圧縮器、１０はドレン分離器、１１はフロン
冷却器、１２は２個１組の吸着筒である。吸着筒１２は
内部にモレキュラシーブが充填されていて空気圧縮器９
により圧縮された空気中のＨ，ＯおよびＣＯ２を吸着除
去する作用をする。１３は第１の熱交換器であり、吸着
筒１２によりＨ，ＯおよびＣＯ２が吸着除去された圧縮
空気が送り込まれる。１４は第２の熱交換器であり、第
１の熱交換器１３を経た圧縮空気が送り込まれる。１５
は塔頂が、凝縮器２１ａを有する分縮器部２１になって
いる精留塔であり、第１および第２の熱交換器１３．１
４により超低温に冷却された圧縮空気をさらに冷却し、
その一部を液化して底部に溜め、窒素のみを気体状態で
取り出すようになっている。すなわち、第１および第２
の熱交換器１３．１４を経て超低温（約−１７０℃）に
冷却された圧縮空気は、パイプ１７により精留塔１５の
塔部２２の底部から取り込まれる。この塔部２２内には
、凝４ｉｉ器２２ａが配設されており、液体酸素貯槽２
３から導入路パイプ２４ａを介して送入される液体酸素
を寒冷源とし、その気化により生じる冷熱によって、塔
部２２の下部から取り込まれ塔部２２内を上昇する過程
で精留棚を経て精留されることにより得られた窒素ガス
の一部を液化し還流液として流下させる作用をする。２
４ｂは放出路パイプで、凝縮器２２ａ内において寒冷と
しての作用を終えて気化した気化液体酸素を、第２およ
び第１の熱交換器１４．１３を経由させて熱交換させた
のち系外に放出する作用をする。この系外に放出された
気化液体酸素は、他系列の装置の酸素源等として利用さ
れる。凝縮器２１ａを内蔵する分縮器部２１は、仕切板
２０によって精留塔１５の塔部２２と区切られており、
塔部２２よりも減圧状態になっている。この塔部２２よ
りも減圧されている分縮器部２１には、精留塔１５の塔
部底部の貯留液体空気（Ｎ２５０〜７０％、０．３０〜
５０％）１８が膨張弁１９ａ付きパイプ１９を経て送り
込まれ、気化して内部温度を液体窒素の沸点以下の温度
に冷却する。

分縮器部２１内の凝縮器２１ａには、精留塔塔部２２の
上部に溜る窒素ガスがパイプ２１ｂを介して送り込まれ
て冷却液化されパイプ２１Ｃを通って精留塔塔部２２内
の液体窒素溜め２１ｄ内に流下する。この流下液体窒素
は、塔部２２の底部から上昇する圧縮空気と向流的に接
触し、その高沸点骨を液化落下させる。２５は液面針で
あり、分縮器部２１内の液体空気の液面に応してバルブ
２６を制御し液体酸素貯槽２３からの液体酸素の供給量
を制御する。２７は精留塔塔部２２の上部に溜った窒素
ガスを取り出す取出パイプで、超低温の窒素ガスを第２
．第１の熱交換器１４．１３内に案内し、そこに送り込
まれる圧縮空気と熱交換させて常温にしメインパイプ２
８に送り込む作用をする。この場合、精留塔塔部２２の
最上部には、窒素ガスと共に、沸点の低いＨｅ（−２６
９°Ｃ）、Ｈ２（−２５３℃）が溜るため、取出パイプ
２７は、塔部２２の最上部より下側に開口しており、Ｈ
ｅ、Ｈ２の混在しない純窒素ガスのみを取り出すように
なっている。２９は分縮器部２１内の気化液体空気を第
２および第１の熱交換器１４．１３に送り込むパイプで
あり、２９ａはその保圧弁である。第２および第１の熱
交換器１４．１３で熱交換（圧縮空気の冷却）を終えた
気化液体空気は第１の熱交換器１３から矢印Ａのように
放出されるようになっている。なお、３２は不純物分析
計であり、メインパイプ２８に送り出される製品窒素ガ
スの純度を分析し、純度の低いときは、弁３４．３４ａ
を作動させて製品窒素ガスを矢印Ｂのように外部に投棄
する作用をする。

この装置は、つぎのようにして製品窒素ガスを製造する
。すなわち、空気圧縮器９により空気を圧縮し、ドレン
分離器１０により圧縮された空気中の水分を除去してフ
ロン冷却器１１により冷却し、その状態で吸着筒１２に
送り込み、空気中のＨ２ＯおよびＣＯ２を吸着除去する
。ついで、Ｈ２Ｏ，ＣＯ□が吸着除去された圧縮空気を
第１の熱交換器１３および第２の熱交換器１４に送り込
んで超低温に冷却し、その状態で精留塔塔部２２の下部
内に投入する。そして、投入圧縮空気を、凝縮器２２ａ
および液体窒素溜め２１ｄからの溢流液体窒素と接触さ
せて冷却し、窒素と酸素の沸点の差（酸素の沸点−１８
３℃、窒素の沸点−１９６℃）を利用して、圧縮空気中
の高沸点成分である酸素を液化し、窒素を気体のまま取
出パイプ２７から取り出して第１の熱交換器１３に送り
込み、常温近くまで昇温させメインパイプ２８から製品
窒素ガスとして送り出す。この場合、液体酸素貯槽２３
内の液体酸素は、凝縮器２２ａの寒冷源として作用し、
それ自身は気化して放出路パイプ２４ｂから、他系列の
装置まで送られ原料酸素として利用される。

なお、液体酸素貯槽から、液体酸素を、上記凝縮器２２
ａに代えて、熱交換器１３．１４に送入して圧縮空気を
冷却するようにしてもよい。

第３図は他の実施例を示している。

すなわち、この高純度窒素ガスの一製法は、取出パイプ
２７に、超低温において酸素および一酸化炭素を選択的
に吸着する吸着剤内蔵の酸素吸着筒４０を設けるととも
に、第１および第２の熱交換器１３．１４ならびに精留
塔１５を１点鎖線で示す真空保冷面内に収容し真空断熱
している。それ以外の部分は第２図の装置と実質的に同
しであるから相当部分に同一符号を付して説明を省略す
る。

上記吸着剤としては、例えば３人、４人もしくは５人の
細孔径をもつ合成ゼオライ）３Ａ、４Ａもしくは５Ａ（
モレキュラーシーブ３Ａ、４Ａ。

５Ａ、ユニオンカーバイト社製）が用いられる。

この合成ゼオライ）３Ａ、４Ａ、５Ａは、それぞれ第４
図に示すように、超低温における酸素および一酸化炭素
（第４図では示していないが同図の０２曲線と同様の曲
線を示す）に対する優れた選択吸着性を有している。し
たがって、精留塔塔部２２の上部空間から排出された窒
素ガス中の上記不純分が除去される。また、この装置は
、精留塔１５を真空断熱しているため、精留精度の向上
効果が得られる。したがって、この効果と前記吸着剤の
吸着効果との相乗作用により、製品窒素ガスの純度が一
層向上するようになる。

なお、上記の実施例では、液体酸素貯槽２３内の液体酸
素を用いて精留塔塔部２２内の凝縮器２２ａを冷却して
いるが、液体酸素に代えて、液体アルゴンを用いてもよ
いし、液体ヘリウムを用いてもよい。また液体水素を用
いてもよいのである。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明は、液体アルゴン、液体ヘリウ
ム、液体水素または液体酸素の蒸発時の冷熱を利用して
精留塔もしくは熱交換器内に送り込まれた圧縮空気を冷
却し、圧縮空気の一部（主として酸素分）を液化分離し
て窒素を気体のまま残し、これを製品窒素ガスとして送
り出すようにするため、例えば酸素ガスと窒素ガスの双
方が必要な場合には、液体酸素を精留塔凝縮器の寒冷源
として用いることにより、酸素ガスと窒素ガスの双方を
製造しうる。これに対、して、従来は、液体酸素等を、
熱交換器を通し大気と熱交換させて気化し、これを製品
酸素ガス等として使用しており、液体酸素等の気化時に
生じる冷熱は大気中に放出されていたのであるが、この
発明によれば、大気中に放出されていた上記冷熱を有効
利用して窒素ガスを製造するため、安価に製品窒素ガス
を得ることができるのである。また、この発明によれば
、膨張タービンを用いず、液状であるため供給量を細か
く開部できる液体酸素等を圧縮空気の寒冷源として用い
るため、負荷変動（製品窒素ガスの取出量の変化）に対
するきめこまかな追従が可能となり、純度が安定してい
て高い窒素ガスを製造しうるようになる。すなわち、こ
の発明によれば不純酸素量が０．３　ｐｐｍ以下の高純
度窒素ガスが得られるのに対して従来の深冷液化方式の
ものでは不純酸素量ｓ　ｐｐｍのものが得られるにすぎ
ないのであり、ＰＳＡ方式では不純酸素量１１０００ｐ
ｐのものしか得られない（よってＰＳＡ方式では精製器
を別に設けている）のである。そのうえ、この発明によ
れば、故障の発生しやすい膨張タービンを用いず、また
ＰＳＡ方式のように多数の弁を要しないためこの発明を
実施する装置には故障が殆ど生じない。したがって、Ｐ
ＳＡ方式のように、２個１組の吸着槽を予備にもう１組
設けるというようなことは全く不要になり設備費も節約
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の説明図、第２図はこの発明の一実施例
の構成図、第３図は他の実施例の構成図、第４図はそれ
に用いる合成ゼオライトの特性曲線図である。９・・・空気圧縮器　１２・・・吸着筒　１３．１４・
・・熱交換器　１５・・・精留塔　１７・・・パイプ　
１８・・・液体空気　２１・・・分縮器部　２１ａ・・
・凝縮器　２ｆｄ・・・液体窒素溜め　２２・・・塔部
　２２ａ・・・凝縮器　２３・・・液体酸素貯槽　２４
ａ・・・導入路パイプ２４ｂ・・・放出路パイプ　２７
・・・取出パイプ　２８・・・メインパイプ特許出願人　大同酸素株式会社代理人　弁理士　西　藤　征　彦

Claims

【特許請求の範囲】

（１）原料空気を圧縮したのち炭酸ガスと水を除去し、
ついで熱交換器で冷媒と熱交換させて冷却したのち、凝
縮器を内蔵する精留塔内に導入し、圧縮空気中の酸素等
高沸点成分を液化して窒素を気体のまま残し、これを製
品窒素ガスとして送出する高純度窒素ガスの製法であっ
て、精留塔内蔵凝縮器もしくは熱交換器の寒冷源として
、液体アルゴン、液体ヘリウム、液体水素および液体酸
素からなる群から選ばれた一つを用いることを特徴とす
る高純度窒素ガスの製法。