JPS61163105A - 高純度窒素の製造方法 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、低温吸着により混合物を分離する方法に係り
、特に窒素、酸素、アルゴンの混合ガスから低温吸着法
により高純度の窒素を分＠製造する方法に関するもので
ある。

〔発明の背景〕

従来、一般に高純度の窒素濃度は９９．９９９〜９９．
９９９９％であったが、最近は更に高純度の窒素が要求
されるようになり、その濃度は９９．９９９９％以上に
まで達するようになった。高純度の窒素を製造するには
、一般に空気を液化して精留分離する深冷分離法がある
。窒素を製造する深冷分離装置には大別して二通り方法
があり、第１に窒素と同時に酸素、アルゴンを製造でき
る複式精留塔方式によるもの、第２に窒素のみを製造す
る単式精留塔方式によるもの、０２１１類の装置に°分
類される。窒素はこれら深冷分離装置の精留塔の上部に
分離され、ガス、または液の状態で外部に取出される。

これらの深冷分離による方法での分離は窒素、酸素、ア
ルゴンの気液平衡の差を利用して行うため、製造される
窒素の純度は精留塔内に組込まれている、例えば精留皿
の段数によつて定まる。このため、より高純度の窒素を
製造するには精留皿の段数を増加する必要がある。しか
しながら、精留により窒素の純度を９９．９９９〜９９
．９９９９−から９９．９９９９チ以上にするには、更
に数十段の精留皿が必要となる。このことは精留塔の大
形化に結びつき、災にはＩＪ＆置装体も大形となり設備
費の増加、あるいは運転費の面からも不経済となろ。

また、最近では空気を液化させることなｑ１手軽に窒素
を得る方法として、原料である空気を直接、吸着剤を充
填した吸着塔に導いて、常温による吸着より、前記原料
空気より酸素、アルゴンを吸着除去して窒素を分離製造
する装置が開発されているが、製造される窒素の純度は
９９チ前後であり、高純度の窒素は製造することはでき
ない。

更ニ吸着による分離の分野では、人型ゼオライトの低温
での吸着特性を利用したアルゴンの分離方法が提案され
ているが（特公昭５５−１６０８８号、特開昭５８−１
８７７７５号）、これらの方法は低温の窒素、酸素、ア
ルゴンの混合ガスを入型ゼオライトの吸着剤を利用して
吸着、脱着を行い混合ガス中の酸素、窒素を吸着除去し
てアルゴンを分離製造するものであり、吸着剤の低温で
の吸着特性を利用した窒素の分離製造に関するものでは
ない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、経済的に高純度の窒素を製造すること
のできる高純度窒素の製造方法を提供することである。

〔発明の概要〕

本発明は、窒素中に酸素やアルゴンが含まれる低純度窒
素を原料ガスとし、ＫＮ料ガスを一１００℃〜−２００
℃の低濃度で吸着剤特にＡ型ゼオライトを充填した吸着
器に導入し、低温吸着によす該原料ガス中の酸素および
アルゴンを吸着除去し、高純度の窒素を得る工程と、Ｗ
ｉＥ吸着器薯こ脱着ガスを供給し、Ｗ記吸着器内に吸着
されている酸素およびアルゴンを脱着させ、脱着した酸
素およびアルゴンを該脱着ガスと共に外部に放出して前
記吸着器を再生する工程とにようて高純度の窒素を製造
することを特徴とする。

不純物の吸着除去に用いられる吸着剤、中でも入型ゼオ
ライトは、低温になるに従い吸着特性が著るしく異なる
。すなわち、窒素、酸素、アルゴンの吸着量は、０℃〜
−１００℃付近までは窒素が最も多く、次いでＭ：に、
　アルゴンの順となる。

しかし、−１００℃以下の温度においては、低温になる
に従い酸素の吸着量が急増するのに対し、窒素の吸着量
は低温になるに従い急減する。アルゴンの吸着量は、−
１５０℃程度までは低温になるに従い急増し、それ以下
では減少する。この発明は、吸着剤の低温での吸着特性
を利用し、窒素の吸着量が低曵、反対に酸素およびアル
ゴンの吸着量が高い温度範囲一１００℃〜−２００℃を
利用して低温吸着を行なりて酸素およびアルゴンを吸着
除去し、純度の高い窒素を得るようにしたものである。

〔発明の実施例〕

前記したごと曵、深冷分離により窒素を製造するＭ置に
は、複式精留塔方式によるもの、単式精留塔方式による
もの、の二通りがある。こ二では、後者によりて得られ
た窒素中に酸素、アルゴンを含む低純度窒素より高純度
の窒素を製造する場合を例にとり、更に吸着剤を＾型ゼ
オライトを例にとり説明する。以下、図面を参照して二
の発明の詳細な説明する。第１図は、この発明による高
純度の窒素の製造方法に用いられる製造装荷の一例を示
すものである。二点鎖線で囲りた部分０００が低温領域
であり、破線で囲った部分１１１が高純度窒素を製造す
る装置である。

圧縮され、冷却された原料空気ガスは、導管１０１より
精留塔１の下部に導入され、上昇ガスとなし、前記上昇
ガスを凝縮器２で液化し、還流液となし、１ｉｒｌｅ上
昇ガスと前記還流液とを精留塔内の精留皿３で気液接触
させ、精留塔の上部に９９゜９９９〜９９．９９９９％
の純度の窒素を分離精製する。分離された窒素は、ガス
あるいは液体として導管１０２および１０３より外部に
取出される。一方、より純度の高い窒素を製造するには
、精留塔の上部に分離された低温の窒素を導管２０１よ
り取出す。この低温の窒素は１例えば純度９９．９９〜
９９．９９９９’ｌの窒素であり、微量の酸素とアルゴ
ンが混入している。以下、この窒素を低純度窒素という
。低純度窒素は、−１００℃〜−２００℃の範囲の温度
で、Ａ型ゼオライトを充填した吸着器４または５に導入
される。導管および吸着器は、予め低純度窒素と同程度
の温度に冷却されている。吸着器４に低純度窒素が導入
される場合について考えると、導管２０１より取出され
た低純度窒素は切換弁ｌＯを通りて導管２０２より吸着
器４に導入される。低純度の窒素は、この吸着器４内に
充填された吸着剤を通過することによって、低純度窒素
中に含まれる微意の酸素、アルゴンが吸着剤に吸着除去
され、より高純度の窒素（例えば−９９，９９９９チ以
上）となり、導管２０３．切換弁Ｕ、導管２０４を通り
て導出される。吸着器４内に充填された吸着剤が酸素、
アルゴンで飽和するまえに、吸着器は切換えられる。す
なわち、低純度窒素は、導管３０１．弁ｍを通つて、吸
着器５に導入され、上記と同様の酸素およびアルゴンの
吸着除去が行なわれ、高純度の窒素は弁３１．導管３０
２゜導管２０４を通って導出される。

吸着器５による吸着が開始されると、吸着器４は脱着工
程に入り、外部からの常温のかつ乾燥した脱着ガス、例
えば窒素ガスあるいは空気等によりＡ型ゼオライトに吸
着された酸素、アルゴンを脱着除去する。導管５００よ
り弁間、導管５０１．２０２を通７て吸着器４に導入さ
れた常温の前記脱着ガスは、吸着器４内に充填されてい
る吸着剤の温度を常温まで回復させ、吸着剤に吸着され
ていた酸素、アルゴンを脱着し、導管２０３　、５０２
．切換弁５１を通り、導管５０３より外部に放出し、脱
着工程を終える。以上のサイクルを繰返すことにより、
連続して窒素、酸素、アルゴンの混合物より、酸素。

アルゴンを除去し、高純度の窒素を製造することができ
る。

吸着器に導入される低純度窒素中に含まれろ酸素、アル
ゴンの量は微量である。したがって、λ型ゼオライトが
酸素、アルゴンで飽和になるまでには長時間を要す。こ
のため、吸着器の切替えは長時間のサイクル（設計仕様
によつて異なるが１週間ないし数か月のサイクル）で済
み、吸着器の切替えによる煩雑性は少ない。

つぎに第２図を参照して低温吸着による本発明の高純度
の窒素の製造方法の原理を説明する。

第２図のグラフはＡ型ゼオライトの０〜−２００℃の温
度範囲における窒素、酸素、アルゴンの吸着特性を示し
たものであり、横軸に温度を、縦軸に１空洞当りの吸着
分子量を示したものである。

このグラフから明らかなように、人型ゼオライトの低温
での吸着特性は、−１００℃を境としてそれ以上とそれ
以下で大きく異なりている。−１００℃〜−２００℃の
範囲において、窒素の吸着量はターなり、酸素、アルゴ
ンの吸着量は多い。特に温度が一１３０℃〜−２００℃
の範囲では、酸素の吸着量が著しｑ大きく１次いでアル
ゴンとなり、窒素の吸着量は著しく低い。したがつて、
低温での窒素、酸素、アルゴンの混合物を一１００℃〜
−２００℃、好ましくは一１３０℃〜−２００℃、更に
好ましくは一１４０℃〜−１７０℃の温度でＡ型ゼオラ
イトを充填した吸着器に流せば。

先ず、酸素が１次いでアルゴンが多く吸着され、窒素は
ほとんど吸着されずにそのまま吸着器より導出される。

したがって、窒素、酸素、アルゴンの混合物より酸素、
アルゴンを除去した高純度の窒素を分離製造することが
できる。

深冷分離装置を用いて高純度の窒素を製造するには、精
留塔内の例えば精留皿の段数を大幅に増加する必要があ
るため、分離装置が大形となり、それに伴ない装置の設
備費、および運転費が嵩み、不経済になるという欠点が
めったが、上述した実施例によれば吸着器の追加のみで
、高純度の窒素を連続的に製造することができ、また精
留塔を大形化する必要がないため、よりコンパクトな分
離装置を提供できる。

Ｎ３図は本発明の他の実施例を示すものである。

第３図において、窒素中に酸素やアルゴンを含む不純窒
素ガスが液体として存在する場合、この液体を存在せし
めろ容器（図示せず）から導管６００により導出された
液体は、必要に応じポンプω等で圧送され、熱交換器６
１に導入され、外部から導管６０３より導入される熱源
と間接熱交換を行い、窒素、酸素、アルゴンの混合ガス
となる。このガスを第１の実施例で述べたＡ型ゼオライ
トを充填した吸着器より成る高純度窒素を製造する装置
１１１に導入すれば、前記吸着器内の吸着剤により酸素
、アルゴンが吸着除去され、導管２０４より高純度窒素
ガスが得られる。

第４図は本発明の他の実施例を示すもので、窒素、酸素
、アルゴンの混合物が液体として存在し。

高純度の窒素を液体で製造するものである。前記混合物
の液体を存在せしめる容器（図示せず）から導管７００
により導出された前記混合物の液体は、必要に応じポン
プ四等で圧送され、人型ゼオライトを充填した吸着器よ
り成る高純度窒素を製造する１ａｊｌｌｌに液体として
導入され、同装置により前記混合液より酸素、アルゴン
を吸着除去し、導管２０４より高純度の液体窒素を製造
するものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、経済的に有利に高
緯度の窒素を製造する二とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１８１の実施例である高純度窒素を製
造する装置の一例を示す図、第２図は吸着剤である人型
ゼオライトの低温での酸素、アルゴン、窒素の吸着特性
を示した図、第３図および第４図は本発明の他の実施例
を示す図である。 ０００・・・・・・低温領域、１１１・・・・・・高純
度窒素製造装置、１・・−・・精留塔、４，５・・・・
・・吸着器、１０１〜５０３・・−・・導管、ｌＯ〜５
１・・・・・・切替弁、（イ）、７０・・・・・・ポン
プ、６１・・−・・熱交換器 才２■ ；＼ 温度（ｒ：）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸素やアルゴンが含まれる低純度窒素を原料ガスと
   し、該原料ガスを−１００℃〜−２００℃の低温度で吸
   着剤を充填した吸着器に導入し、低温吸着により該混合
   ガス中の酸素およびアルゴンを吸着除去し、高純度の窒
   素を得る工程と、前記吸着器に脱着ガスを供給し、前記
   吸着器内に吸着されている酸素およびアルゴンを脱着さ
   せ、脱着した酸素およびアルゴンは該脱着ガスと共に外
   部に放出して前記吸着器を再生する工程とによって高純
   度の窒素を製造することを特徴とする高純度窒素の製造
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の製造方法において、前
   記原料ガスは、空気から窒素を分離製造する深冷分離措
   置によって製造された窒素富裕ガスであることを特徴と
   する高純度窒素の製造方法。 ３、特許請求の範囲第１項記載の製造方法において、前
   記原料ガスは、容器内に貯蔵された液化窒素ガスである
   ことを特徴とする高純度窒素の製造方法。