JPS6124969A - 高純度窒素ガス製造装置 - 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】 〔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製造装置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、これを圧縮機で圧
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常温近傍に昇温させ
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Ｎ　ｉ＋　１
　／　２０２−＋Ｎ’　ｆ　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（ＮｉＯ＋Ｈ２
→Ｎｉ十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、圧縮機で圧縮された圧縮
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
するきめ細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じ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常
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、頻繁に純度の低
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、機構が複雑なため特別に養成した要
員が必要という難点を有している。すなわち、膨張ター
ビンは高速回転部を有するため、上記のような諸問題を
生じるのであり、このような高速回転部を有する膨張タ
ービンの除去に対して強い要望があった。

〔発明の目的〕

この発明は、膨張タービンや精製装置を用いることなく
高純度の窒素ガスを製造できる装置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、この発明の高純度窒素ガス
製造装置は、外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧
縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空
気中の炭酸ガスと水とを除去する除去手段と、液体アル
ゴン、液体ヘリウム、液体水素、液体酸素および液化石
油ガスからなる群から選択された一種の低温液化ガスを
貯蔵する°低温液化ガス貯蔵手段と、上記除去手段を経
た圧縮空気を超低温に冷却する熱交換手段と、この熱交
換手段により超低温に冷却された圧縮空気の一部を液化
して内部に溜め窒素のみを気体として保持する精留塔と
、この精留塔に内蔵された凝縮器と、上記低温液化ガス
貯蔵手段内の低温液化ガスを圧縮空気液化用の寒冷源と
して上記凝縮器内に導く第１の導入路と、上記低温液化
ガス貯蔵手段内の低温液化ガスを寒冷源として上記熱交
換手段に導く第２の導入路と、上記精留塔内に保持され
ている気化窒素を製品ガスとして上記精留塔より取り出
す取出路と、上記凝縮器内において寒冷源としての作用
を終えて気化した低温液化ガスを系外に放出する第１の
放出路と、上記熱交換手段内において寒冷源としての作
用を終えて気化した低温液化ガスを系外に放出する第２
の放出路を備えているという構成をとるものである。

つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳しく説明する
。

第１図は発明の一実施例を示している。図において、９
は空気圧縮機、１０はドレン分離器、１１はフロン冷却
器、１２は２１１１１組の吸着筒である。吸着筒１２は
内部にモレキュラーシーブが充填されていて空気圧縮機
９により圧縮された空気中のＨ２ＣおよびＣＯ２を吸着
除去する作用をする。８はＨ２Ｃ，Ｃｏ２を吸着除去さ
れた圧縮空気を送る圧縮空気供給パイプである。１３は
第１の熱交換器であり、吸着筒１２によりＨ２Ｃ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は塔頂部が分縮器２１ａを
内蔵する分縮器部２１になっており、それより下が凝縮
器２２ａを内蔵する塔部２２になっている窒素精留塔で
あり、第１および第２の熱交換器１３．１４により超低
温に冷却されパイプ１７を経て送り込まれる圧縮空気を
さらに冷却し、その一部を液化し液体空気■８として塔
部２２の底部に溜め、窒素のみを気体状態で塔部２２．
の上部天井部に溜めるようになっている。２３は液体酸
素貯槽であり、内部の液体酸素（高純度品）を、第１の
導入路パイプ２４ａを経て精留塔の塔部２２内の凝縮器
２２ａに送入し、塔部２２内に供給される圧縮空気の寒
冷源にするとともに、第２の導入路パイプ２４ｂを経て
第２および第１の熱交換器１４．１３へ送り込み、熱交
換器１４．１３中に送り込まれる圧縮空気と熱交換させ
、それを超低温に冷却するようになっている。この場合
、液体酸素自身は凝縮器２２ａや熱交換器１４．１３に
おける熱交換により気化し常温ガスとなり第１および第
２の放出路パイプ２４’　　ａ、２４’　　ｂを経て系
外に放出される。この系外に放出される気化液体酸素は
他系列の装置の酸素源等として利用される。ここで前記
精留塔１５についてより詳しく説明すると、上記精留塔
１５は仕切板２うによって分縮器部２１と塔部２２とに
区切られており、塔部２２にはその下部から圧縮空気が
送入され、塔内を上昇してゆく過程で精留棚により精留
されて高沸魚骨である酸素が液化除去され、塔部２２の
上部において窒素ガスが得られるようになる。塔部２２
内に配設された凝縮器２２ａは、この塔部上部の窒素ガ
スの一部を液化し還流液として流下させる作用をする。

他方、上記分縮器部２１内の分縮器２１ａには、塔部２
２の上部に溜る窒素ガスの一部がパイプ２１ｂを介して
送入される。この分縮器部２１ＦｋＪ！才、塔部２２内
よりも減圧状態になっており、塔部２２の底部の貯留液
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よう
になっている。この冷却により、塔部２２の上部から分
縮器部２１内に送入された窒素ガスが液化する。精留塔
塔部２２の上部側の部分には、上記分縮器部２１の分縮
器２１ａで生成した液体窒素がパイプ２１Ｃを通って流
下供給され、前記凝縮器２２ａの作用により生じた液体
窒素還流液と共に塔部２２内を下方に流下し、前記のよ
うに、塔部２２の底部から上昇する圧縮空気と向流的に
接触し冷却してその一部を液化するようになっている。

この過程で前記のように圧縮空気中の高沸点成分は液化
されて塔部２２の底部に溜り、低沸点成分の窒素ガスが
塔部２２の上部に溜る。２７は精留塔塔部２２の上部天
井部に溜った窒素ガスを製品窒素ガスとして取り出す取
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２８に送り込む作用
をする。この場合、精留塔塔部２２内における最上部に
は、窒素ガスとともに、沸点の低いＨｅ（−２６９℃）
、Ｈ２（−２５３℃）が溜りやすいため、取出パイプ２
７は、塔部２２の最上部よりかなり下側に開口しており
、Ｈｅ、Ｈ２の混在しない純窒素ガスのみを製品窒素ガ
スとして取り出すようになっている。２９は分縮器部２
１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。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のように外部に逃気する作用をする。

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、空気圧縮機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ＣＯ□を吸着除去する
。ついで、Ｈ２Ｏ，ＣＯ２が吸着除去された圧縮空気を
、液体酸素貯槽２３から第２の導入路パイプ２４ｂを経
て送り込まれる液体酸素および精留塔１５からパイプ２
７を経て送り込まれる製品窒素ガス等によって冷やされ
ている第１．第２の熱交換器１３゜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。ついで、この投入圧縮空気を、凝縮器２２ａの
冷却作用によって生じた液体窒素還流液および液体窒素
溜め２１ｄからの溢流液体窒素と接触させて冷却し、一
部を液化して塔部２２の底部に液体空気１８として溜め
る。この過程において、窒素と酸素の沸点の差（酸素の
沸点−１８３℃、窒素の沸点−１９６℃）により、圧縮
空気中の高沸点成分である酸素を液化し、窒素が気体の
まま残る。ついで、この気体のまま残った窒素を取出パ
イプ２７から取り出して第２および第１の熱交換器１４
．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。他方、精留塔塔
部２２の下部に溜った液体空気１８については、これを
分縮器部２１内に送り込み分縮器２１ａを冷却させる。

この冷却により、精留塔塔部２２の上部から分縮器２１
ａに送入された窒素ガスが液化して、前記精留塔塔部２
２内の還流液となり、パイプ２１ｃを経て精留塔２２に
戻る。そして、分縮器２１ａを冷却し終えた液体空気１
８は、気化しパイプ２９により第２および第１の熱交換
器１４．１３に送られ、その熱交換器１４．１３を冷や
したのち、空中に放出される。なお、液体酸素貯槽２３
から第１の導入路パイプ２４ａを経由して精留塔塔部２
２の凝縮器２２ａ内に送り込まれた液体酸素は、圧縮空
気液化用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２４′　ａから系外に放出される。また、液
体酸素貯槽２３から第２の導入路パイプ２４ｂを経由し
て第２および第１の熱交換器１４．１３に送り込まれた
液体酸素は、熱交換器冷却用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２４′　ｂから系外に放
出される。このように、液体酸素貯槽２３の液体酸素は
、凝縮器２２ａおよび熱交換器１４．１３の冷媒として
の作用を終えたのち、系外に放出され、他系列の装置の
寒冷源等として利用される。

第２図は他の実施例を示している。すなわち、この実施
例は、製品窒素ガスを取り出す取出パイプ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剤る吸
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を一点
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１図の装置と実質的に同じであるから
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ト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。

この合成ゼオライト３Ａ、４Ａ、５Ａは、それぞれ第３
図に示すように、超低温における酸素および一酸化炭素
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１
５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。

第３図は第１図の装置に酸素精留塔を付加した実施例を
示している。図において、４０は酸素精留塔で、液体空
気供給パイプ４１によって窒素精留塔１５の分縮器部２
１の底部と連通しており、分縮器部２１内に送り込まれ
た液体空気を、ヘッド差を利用して取り込み、沸点の差
によりそのなかの窒素分を気化除去し酸素を液体の状態
で底部に溜める作用をする。４２は気化状態の不用液体
窒素を、気化液体空気放出用のパイプ２９内に送り込み
、気化液体空気に混合して放出する放出パイプである。

４３は酸素精留塔４０の底部に溜った液体酸素を取り出
す取出パイプで第２の熱交換器１４を経由させ、そこで
分岐パイプ９′から送り込まれた圧縮空気と熱交換させ
昇温ガス化して製品窒素ガス取出パイプ４４内に送り込
むようになっている。４５は第２の熱交換器１４からパ
イプ１７まで延びる圧縮空気移送用パイプであり、その
中間部が酸素精留塔４０内番こ位置して底部に溜った液
体酸素を加熱してその一部を気化させ、パイプ４１から
塔４０内に流下する液体空気と向流的に接触させて精留
効率を向上させるようになっている。それ以外の部分は
第１図の装置と同じである。

この装置は、窒素ガス採取後の酸素リッチな液体空気１
８を窒素精留塔１５の分縮器部２１を介して酸素精留塔
４０に供給し、液体空気１８中の残存窒素を気化除去し
て液体酸素をつくり、これを熱交換器１４で気化して製
品酸素ガスを製造するため、高純度の製品酸素ガスを効
率よく得ることができる。すなわち、この装置は、高純
度の窒素ガスのみならず、高純度の酸素ガスも効率よく
得ることができるのである。

なお、第３図の装置は、酸素精留塔４０と窒素精留塔１
５の分縮器部２１とを、放出パイプ４２を気化液体放出
パイプ２９に接続することにより連通状態にしているが
、第４図に示すように、放出パイプ４２を気化液体空気
放出パイプ２９に接続せずに独立させてもよい。このよ
うにすることにより、酸素精留塔４０と窒素精留塔１５
とが相互に独立した状態になるため、窒素精留塔１５の
窒素ガス製造量に殆ど影響されることなく酸素ガスの製
造量の増減を図ることができるようになる。

第５図は、第１図の装置の気化液体空気放出用のパイプ
２９の開放端に複数個の窒素吸着筒４０′〜４２′を設
け、気化液体空気から酸素ガスを得る実施例を示してい
る。図において、４０’、４１’、４２’はそれぞれ内
部にＮ２を選択的に吸着する吸着剤（合成ゼオライト：
モレキュラーシーブ）が充填されている吸着筒で、それ
ぞれその入口が、弁４０ｂ、４１ｂ、４２ｂを備えた流
入路４０ａ、４１ａ、４２ａを介して上記放出パイプ２
９に接続されている。４４′は真空ポンプで、吸引路４
３′および弁４０ｃ、４１ｃ、４２ｃを介して上記吸着
筒４０’　、４１’　、４２’の入口に接続されている
。４０ｄ、４１ｄ、４２ｄは、それぞれ上記吸着筒４０
’　、４１’　、４２’の出自に接続されている取出路
で、それぞれ弁４０ｅ、４１ｅ、４２ｅを備えている。

これらの取出路４０ｄ、４１ｄ、４２ｄは、製品窒素ガ
ス取出路４５′を介して緩衝タンク４６′に接続されて
いる。上記吸着筒４０’　、４１’　、４２’　は、そ
のなかの１個が吸着に使用され、その間残るものが真空
ポンプ４４′の真空吸引による再生作用を受け、ついで
再生されたものの１個が吸着に使用され、先に吸着作動
をしていたものが再生作用を受ける。これを繰り返して
連続吸着作動するようになっている。なお、２５は液面
計、２６はそれに制御される弁である。それ以外の部分
は第１の装置と実質的に同しである。

この装置は、窒素ガス採取後の酸素リッチな液体空気１
８を窒素精留塔１５の分縮器部２１に供給して凝縮器２
１ａを冷し、そこで気化した酸素リッチな液体空気をそ
のまま大気中に放出するのではなく、吸着筒４０’　、
　　（４１’　）、　　（４２’）に入れて残存窒素を
吸着除去し製品酸素ガスを製造するため、高純度の製品
酸素ガスを効率よく得ることができる。すなわち、この
装置も、高純度の窒素ガスのみならず、高純度の酸素ガ
スも効率よく得ることができるのである。

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および熱交
換器１３，１．４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。さらに、液化
プロパン、液化メタン、液化エタン、液化ブタン等の液
化石油ガスを用いても、上記の実施例と同様の効果を得
られる゛ことができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の高純度窒素ガス製造装置は、
液体アルゴン、液体ヘリウム、液体水素、液体酸素また
は液化石油ガスの蒸発時の冷熱を利用して精留塔内蔵の
凝縮器および熱交換器を冷却し、圧縮原料空気の一部（
主として酸素量）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ため、液体アルゴ
ン、液体ヘリウム等の冷熱の有効利用を実現でき、製品
窒素ガスのコストを引き下げることができる。また、こ
の発明の装置によれば、膨張タービンを用いず、液状で
あるため供給量を細かく調節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）に対するきめ細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、この発明の装置によれば、不純酸素量
が０．１　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２ｐｐ
ｍのものが得られるにすぎないのである。したがって、
この発明の装置によれば、従来の精製装置が不要になる
。そのうえ、この発明の装置は、保全が難しく、高価な
膨張タービンを用いないため、保安要員も不要になり、
またコストが安くなるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成図、第２図は他の実
施例の構成図、第３図はさらに他の実施冷の構成図、第
４図はその変形例の説明図、第５図は他の実施例の構成
図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮手段
   と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の
   炭酸ガスと水とを除去する除去手段と、液体アルゴン、
   液体ヘリウム、液体水素、液体酸素および液化石油ガス
   からなる群から選択された一種の低温液化ガスを貯蔵す
   る低温液化ガス貯蔵手段と、上記除去手段を経た圧縮空
   気を超低温に冷却する熱交換手段と、この熱交換手段に
   より超低温に冷却された圧縮空気の一部を液化して内部
   に溜め窒素のみを気体として保持する精留塔と、この精
   留塔に内蔵された凝縮器と、上記低温液化ガス貯蔵手段
   内の低温液化ガスを圧縮空気液化用の寒冷源として上記
   凝縮器内に導く第１の導入路と、上記低温液化ガス貯蔵
   手段内の低温液化ガスを寒冷源として上記熱交換手段に
   導く第２の導入路と、上記精留塔内に保持されている気
   化窒素を製品ガスとして上記精留塔より取り出す取出路
   と、上記凝縮器内において寒冷源としての作用を終えて
   気化した低温液化ガスを系外に放出する第１の放出路と
   、上記熱交換手段内において寒冷源としての作用を終え
   て気化した低温液化ガスを系外に放出する第２の放出路
   を備えていることを特徴とする高純度窒素ガス製造装置
   。