JP3676464B2

JP3676464B2 - 精製装置

Info

Publication number: JP3676464B2
Application number: JP33357695A
Authority: JP
Inventors: 明吉野; 鼎士渡部; 洋実木山; 篤宮本; 耕治田中
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: JPH09173757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子工業等の高純度窒素ガスが使用される分野で用いられる窒素ガスの精製装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子工業では、極めて多量の窒素ガスが使用されている。このような窒素ガスは、液化窒素タンクから液化窒素を取り出し、蒸発器を通して気化させたのち、パージ用やシール用の窒素ガスとして使用されている。原料とされる液化窒素は、一般に、深冷空気分離プラントによって製造されているが、上記深冷空気分離プラントで製造された液化窒素中には、不純物としてｐｐｍオーダーの酸素や一酸化炭素が含まれている。これら微量の酸素および一酸化炭素は、電子工業で製造される半導体製品の歩留りを著しく低下させるため、極めて高純度の窒素ガスを使用することが要求される。このため、上記蒸発器から得られる窒素ガスを、さらに精製装置を通すことにより窒素ガス中の酸素や一酸化炭素を除去することが行われる。
【０００３】
このような精製装置として、例えば、図１に示すものが用いられている。図において、１１は液化窒素を貯留する液化窒素タンクであり、この液化窒素タンク１１の中の液化窒素には、不純物としてＯ₂やＣＯが含まれている。液化窒素タンク１１から取り出された液化窒素は、蒸発器８により気化されたのち、熱回収熱交換器１によって予熱される。このＯ₂およびＣＯを含む窒素ガスは、ヒーター２で約１５０℃まで加熱されたのち反応筒３に導入される。この反応筒３には、Ｐｄ触媒が充填されており、窒素ガス中のＯ₂とＣＯを反応させてＣＯ₂を生成させる。この反応筒３から送出された窒素ガスには、反応で生成したＣＯ₂と未反応の残存Ｏ₂が含まれており、この窒素ガスは、上記熱回収熱交換器１および冷却器４により常温まで冷却されたのち、脱酸素筒５に送入される。この脱酸素筒５には、Ｎｉ剤が充填され、上記未反応の残存Ｏ₂が、上記Ｎｉ剤と反応してＮｉＯが生成されることにより除去されるようになっている。この脱酸素筒５から送出された窒素ガスは、内部にモレキュラーシーブが充填された吸着筒６に導入され、上記反応筒３で生成されたＣＯ₂が吸着除去され、高純度窒素ガスに精製される。この吸着筒６から送出された高純度窒素ガスは、取出路９から製品窒素ガスとして取り出されて使用に供される。一方、この精製装置において、上記脱酸素筒５および吸着筒６は、つぎのようにして再生される。すなわち、上記吸着筒６を再生する場合には、精製された製品窒素ガスの一部を、取出路９から弁２２を介して再生ガス用配管２４に取り出し、ヒーター７により約２５０℃に加熱したのち、弁２１ｃ，２１ｄを介して吸着筒６内を逆方向に通過させる。これにより、モレキュラーシーブに吸着されたＣＯ₂が放出されて除去される。また、脱酸素筒５を再生する場合には、再生用ガスとしてＨ₂を使用し、このＨ₂を弁２３を介して再生ガス用配管２４に送入し、ヒーター７により加熱したのち、脱酸素筒５内を通過させる。これにより、脱酸素筒５内部に生じたＮｉＯをＮｉに還元することが行われる。再生が終了したのちの再生用ガスは、弁２１ａ，２１ｂを介して排ガス用パイプ２７から排出される。そして、上記脱酸素筒５および吸着筒６は、それぞれ２組づつ備えられており、弁１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄおよび弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを操作することにより、精製と再生とを一定時間（例えば８時間）毎に切り換えて使用される。
【０００４】
ところが、上記精製装置では、液化窒素を蒸発器８で気化させたのち、この気化された窒素ガスを一旦ヒーター２で加熱して反応筒３で反応させ、再び冷却器４で冷却してから脱酸素筒５および吸着筒６で不純物を吸着，除去させるという非常に複雑な工程となっている。このため、反応筒３，脱酸素筒５，吸着筒６，ヒーター２および冷却器４等構成する機器が多く、装置全体が大型で、設備費も高くなる。また、不純物の除去に高温反応を利用した反応筒３を用いているとともに、吸着筒６および脱酸素筒５の再生にも加熱した再生ガスを使用するため、装置自体を高温運転しなければならず、設備費やランニングコストが高くなるうえ、高温下において制御機器が誤作動するおそれもある。また、超低温の液化窒素を不純物除去のためにわざわざ加熱するため、エネルギー的な無駄が多く、効率が悪いという問題がある。さらに、原料として使用される液化窒素中にＯ₂が殆ど含まれていない場合や、ＣＯに比べてＯ₂が少ない場合には、ＣＯ濃度を所定値以下に低減することができず、製品窒素ガスの純度が悪くなるという問題がある。しかも、吸着筒６の再生と脱酸素筒５の再生とを別々に行う必要があるため再生作業も煩雑である。そのうえ、脱酸素筒５を再生するための再生用ガスとしてＨ₂を用いるため、ランニングコストが高くなるという問題もある。また、Ｈ₂により脱酸素筒５を再生した後には、再び製品窒素ガスによって上記Ｈ₂をパージしなければならず、再生作業に非常に手間がかかるうえ、このときのパージが不十分であった場合には、Ｈ₂が装置内に残存し、結果的に製品窒素ガスの純度が悪くなるという問題も生じる。
【０００５】
そこで、簡略な設備で窒素ガスを精製するために、実公平３−５１３０９号公報に示すような液化窒素蒸発装置が提案され、すでに実用化されている。この装置は、図２に示すように、液化窒素貯槽３０から液化窒素蒸発器３１，３２に液化窒素が送入され、この液化窒素蒸発器３１，３２で液化窒素の気化と不純物の除去とが行われるようになっている。上記液化窒素蒸発器３１，３２は、その内部に設けられた熱交換パイプ３１ａ，３２ａの一部が吸着部３１ｂ，３２ｂに形成されている。この吸着部３１ｂ，３２ｂには、超低温（液化窒素の沸点〔−１９６℃〕近傍およびそれより高温域〔例えば−１５０℃〕）において酸素および一酸化炭素を選択的に吸着する合成ゼオライトが充填されている。そして、熱交換パイプ３１ａ，３２ａの入口側から送入された液化窒素は、この熱交換パイプ３１ａ，３２ａ内での気化の過程において、吸着部３１ｂ，３２ｂを通過し、内部の合成ゼオライトにより、不純酸素および一酸化炭素が選択的に吸着除去されて高純度の状態となる。この高純度窒素ガスは、上記熱交換パイプ３１ａ，３２ａ出口側から送出され、共通取出路３３から取り出される。一方、上記吸着部３１ｂ，３２ｂの再生は、上記共通取出路３３から高純度窒素ガスの一部を、逆止弁３４ａ，３５ａが設けられた接続路３４，３５に取り出し、液化窒素蒸発器３１，３２内を逆流させて吸着部３１ｂ，３２ｂ内の合成ゼオライトの再生を行う。そして、弁３６，３７，３８，３９を操作して、２個一組の液化窒素蒸発器３１，３２で交互に精製と再生とを一定時間毎に切り換えて使用される。４０は排出弁であり、再生中に液化窒素蒸発器３１，３２を逆流して送出された再生用の窒素ガスを放出するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この液化窒素蒸発装置では、流体である液化窒素の温度管理ができないため、製品窒素ガスの使用量の変動や外気温の変化により、液化窒素蒸発器３１，３２内の流量が変動すると、内部を流れる流体（液化窒素もしくは窒素ガス、あるいはそれらの混合流体）の温度が変化する。したがって、この温度変化にともない合成ゼオライトの吸着能力も変化するため、製品窒素ガスの純度が変動するという問題がある。特に、流量が小さい場合には、液化窒素蒸発器３１，３２内の温度が高くなって合成ゼオライトの吸着能力が悪くなり、製品窒素ガスの純度も低下する傾向がある。また、再生状態では液化窒素蒸発器３１，３２内は常温であるため、再生状態から精製状態に切り換えた場合には、吸着部３１ｂ，３２ｂ内が所定の低温まで冷却され合成ゼオライトの吸着能力が回復するまでのいわゆるクールダウンに、長時間を要するという問題がある。特に、流量が小さい場合には、所定温度まで充分冷却されるまでの間は、酸素および一酸化炭素が吸着されず製品に混入され、製品窒素ガスの純度が悪くなるという問題がある。
【０００７】
この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、装置自体が小形で、ランニングコストが安く、しかも、常に高純度の製品窒素ガスが得られる精製装置の提供をその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明の精製装置は、液化窒素を気化させて製品窒素ガスとして取り出す際に不純物を除去する精製装置であって、液化窒素の一部を気化させる蒸発器と、この蒸発器で気化された窒素ガスと液体のままの液化窒素を混合して一定温度の超低温窒素ガスを生成する混合器と、この混合器で生成した超低温窒素ガスを超低温のまま吸着剤中に通し酸素および一酸化炭素を吸着除去する吸着筒と、この吸着筒で酸素および一酸化炭素が除去された高純度窒素ガスを常温まで加温する熱交換器と、この熱交換器で加温された常温の製品窒素ガスの一部を上記吸着筒に吸着剤の再生ガスとして導入する再生ガス導入パイプと、製品窒素ガスを取り出す取出路と、上記高純度窒素ガスの一部を放出する放出弁とを備えているという構成をとる。
【０００９】
すなわち、この精製装置は、一定温度の超低温窒素ガスが超低温のままで吸着剤中に通されるため、吸着剤は、常に一定温度に冷却された状態で、酸素および一酸化炭素を選択的に吸着することができる。したがって、常に高純度の製品窒素ガスが得られるようになり、従来のように製品窒素ガスの純度が低下したりばらついたりすることがない。また、超低温域においての吸着剤のガス吸着容量は、常温時の数十倍から数百倍であり、非常に優れた吸着能が発揮されるため、常温吸着のものに比べて吸着剤の充填量を大幅に減らすことができ、結果的に吸着筒自体を非常に小形化することが可能となる。しかも、再生の際に再生ガスを２００℃以上に加熱する必要がなく、少なくとも常温以下（−５０℃）の再生温度で充分に吸着物の除去が可能で、しかも大気からのヒートリーク等による吸着筒の加温によっても再生することが可能である。このように、この発明は、超低温窒素ガスを超低温のまま吸着剤中に通すようにしており、吸着剤の低温時の性能を最大限に活用するため、エネルギー効率が非常に良くなる。また、加熱装置等も不要で、装置自体がさらに小形になるとともに、設備自体も安価になり、しかもランニングコストが安くなる。さらに、高純度窒素ガスの一部を放出する放出弁を備えていることから、再生後に上記放出弁から高純度窒素ガスの一部を放出させ、吸着筒内を所定の低温まで充分冷却してから製品窒素ガスを取り出すことができるため、従来のように、パージが不十分で製品窒素ガスの純度が悪くなるようなことがない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【００１１】
図３は、この発明の実施形態を示す精製装置である。図において、１１は液化窒素を貯留する液化窒素タンクである。２２は上記液化窒素タンクから液化窒素を送出する送出パイプであり、この送出パイプ２２は、液化窒素を気化させて窒素ガスとして送る窒素ガス用パイプ２２ａと、液化窒素を液体のまま送る液化窒素用パイプ２２ｂとに分岐している。１２は上記窒素ガス用パイプ２２ａに設けられ、液化窒素タンク２２から送出される液化窒素を気化させる蒸発器である。１９は上記窒素ガス用パイプ２２ａから送入される窒素ガスと、液化窒素用パイプ２２ｂから送入される液化窒素とが混合され、超低温の窒素ガスが生成される混合器である。１５は上記混合器１９に設けられた温度計であり、コントローラー１６を介して上記窒素ガス用パイプ２２ａおよび液化窒素用パイプ２２ｂに設けられたコントロール弁１３，１４を開閉操作するようになっている。１７は超低温において酸素および一酸化炭素に対する選択吸着能を有する吸着剤（例えば、モレキュラーシーブ）が充填された２個一組の吸着筒である。２５は取出路であり、弁２３ｃ，２３ｄを介して吸着筒１７から送出される高純度の製品窒素ガスが取り出される。１８は上記取出路２５に設けられ、高純度窒素ガスを常温まで加温する熱交換器である。２６は上記取出路２５から分岐するように設けられ、上記熱交換器１８で加温された常温窒素ガスを再生ガスとして弁２４ｃ，２４ｄを介して吸着筒１７に送入する再生ガス用パイプである。２７は吸着筒１７の再生が終了した再生ガス（排ガス）を弁２４ａ，２４ｂを介して排出する排ガスパイプである。２０は再生に使われた吸着筒１７が、精製に切り換えられたのち、混合器１９から送入される超低温窒素ガスにより、所定の低温に冷却されるまで製品窒素ガスを放出するための放出弁である。２１は吸着筒１７に設けられ、吸着筒１７内の温度を確認するための温度計である。なお、上記２個一組の吸着筒１７は、弁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄおよび弁２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを操作することにより、精製と再生とを一定時間（例えば２４時間）毎に切り換えて使用されるようになっている。
【００１２】
上記構成において、窒素ガスの精製はつぎのようにして行われる。すなわち、まず、液化窒素タンク１１に貯留された液化窒素は、送出パイプ２２から送出され、その一部が窒素ガス用パイプ２２ａに取り出され、蒸発器１２により気化され、窒素ガスとなってコントロール弁１３を介して混合器１９に送入される。また、残りの液化窒素は、液体のまま液化窒素用パイプ２２ｂからコントロール弁１４を介して混合器１９に送入される。ついで、この混合器１９において、窒素ガス用パイプ２２ａから送入された窒素ガスと、液化窒素用パイプ２２ｂから送入された液化窒素とが混合されて超低温の窒素ガスが生成される。この超低温窒素ガスは、温度計１５により常時その温度が測定され、その測定結果に基づいてコントローラー１６を介して上記コントロール弁１３，１４が開閉操作され、窒素ガスと液化窒素との混合比が調節されることにより所定の一定温度が保たれる。この一定温度の超低温窒素ガスは、弁２３ａ，２３ｂを介して吸着筒１７に送入され、超低温のままで吸着剤中を通過させることにより、不純物であるＯ₂およびＣＯが選択的に吸着除去される。この吸着筒１７で不純物が除去された高純度窒素ガスは、弁２３ｃ，２３ｄを介して熱交換器１８に送られ、常温まで加温されたのち、取出路２５から取り出され、使用に供される。一方、上記吸着筒１７の再生は、つぎのようにして行われる。すなわち、まず、熱交換器１８で常温まで加温された高純度窒素ガスの一部を、再生ガス用パイプ２６に取り出し、弁２４ｃ，２４ｄを介して吸着筒１７内を逆方法に通過させ、内部の吸着剤に吸着されたＯ₂，ＣＯを除去する。再生の終了した排ガスと、放出されたＯ₂およびＣＯは、弁２４ａ，２４ｂを介して排ガス用パイプ２７から排出される。再生が終了した吸着筒１７は、弁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄおよび弁２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの操作により、再生状態から精製状態に切り換えられるが、精製状態に切り換えられた直後は、放出弁２０を開いて製品窒素ガスを放出させ、吸着筒１７内が混合器１９から送入される超低温窒素ガスによって所定の低温まで充分冷却されて吸着剤の吸着能力が回復してから、製品窒素ガスを取出路２５に送るようにしている。これにより、切り換え時の製品窒素ガスの純度低下を防止するようになっている。
【００１３】
このように、この発明の精製装置では、吸着剤が常に一定温度に冷却された状態で、Ｏ₂およびＣＯを選択的に吸着することができるため、常に高純度の製品窒素ガスが得られるようになる。また、超低温域において吸着剤が非常に優れた吸着能を発揮するため、吸着筒１７自体を非常に小形化することが可能となる。しかも、再生の際に再生ガスを加熱する必要がなく、吸着剤の低温時の性能を最大限に活用するため、エネルギー効率が非常に良くなる。また、加熱装置も不要で、装置自体がさらに小形化するとともに、設備自体も安価になり、ランニングコストも安くなる。さらに、高純度窒素ガスの一部を放出する放出弁２０を備え、再生後精製に切り換えた際に、この放出弁２０から高純度窒素ガスの一部を放出させることにより、吸着筒１７内を所定の低温まで充分冷却してから製品窒素ガスを取り出すことができるため、製品窒素ガスの純度が悪くなるようなことがない。
【００１４】
なお、この発明の精製装置において、２種類の吸着剤を使用し、吸着筒１７内に、酸素吸着用の吸着剤として４Ａ型ゼオライトを充填するとともに、一酸化炭素吸着用の吸着剤として５Ａまたは１３Ｘ型ゼオライトを充填するようにしてもよい、このようにすることにより、製品窒素ガスの純度をさらに向上させることができるようになる。
【００１５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の精製装置によれば、吸着剤は、常に高純度の製品窒素ガスが得られるようになり、製品窒素ガスの純度が低下したりばらついたりすることがない。また、吸着筒自体を非常に小形化することが可能となる。しかも、エネルギー効率が非常に良くなる。また、加熱装置等も不要で、装置自体がさらに小形になるとともに、設備自体も安価になり、しかもランニングコストが安くなる。さらに、高純度窒素ガスの一部を放出する放出弁を備えていることから、再生後に、上記放出弁から高純度窒素ガスの一部を放出させ、吸着筒内を所定の低温まで充分冷却してから製品窒素ガスを取り出すことができ、製品窒素ガスの純度が低下することがない。
【００１６】
つぎに、実施例について説明する。
【００１７】
【実施例】
図３に示す精製装置において、吸着筒１７に充填する吸着剤として、Ｏ₂用に４Ａ型ゼオライト、ＣＯ用に選択吸着のより大きな５Ａまたは１３Ｘ型ゼオライトを２種類使用し、混合器１９で生成される超低温窒素ガスの温度が−１５０℃以下になるように、混合器１９での窒素ガスと液化窒素との混合比を調節し、窒素ガスの精製を行った。このとき、２台の吸着筒１７は、４８時間毎に精製と再生とを切り換えて使用した。また、再生状態から、精製状態への切り換えの際には、放出弁２０から製品窒素ガスを放出し、吸着筒１７内が充分冷却されてから（−１５０℃まで）製品窒素ガスを取り出すようにした。
【００１８】
上記のようにして窒素ガスの精製を行った結果、製品窒素ガス中のＯ₂およびＣＯの濃度は、ともに０．０５ｐｐｍ以下であり、高純度の製品窒素ガスが得られた。また、製品窒素ガスの濃度の低下やばらつき等の問題も生じなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例を示す説明図である。
【図２】他の従来例を示す説明図である。
【図３】この発明の精製装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１２蒸発器
１７吸着筒
１８熱交換器
１９混合器
２０放出弁
２５取出路
２６再生ガス用パイプ

Claims

液化窒素を気化させて製品窒素ガスとして取り出す際に不純物を除去する精製装置であって、液化窒素の一部を気化させる蒸発器と、この蒸発器で気化された窒素ガスと液体のままの液化窒素を混合して一定温度の超低温窒素ガスを生成する混合器と、この混合器で生成した超低温窒素ガスを超低温のまま吸着剤中に通し酸素および一酸化炭素を吸着除去する吸着筒と、この吸着筒で酸素および一酸化炭素が除去された高純度窒素ガスを常温まで加温する熱交換器と、この熱交換器で加温された常温の製品窒素ガスの一部を上記吸着筒に吸着剤の再生ガスとして導入する再生ガス導入パイプと、製品窒素ガスを取り出す取出路と、上記高純度窒素ガスの一部を放出する放出弁とを備えた精製装置。
吸着剤が、超低温において酸素および一酸化炭素に対する選択吸着能を有する吸着剤である請求項１記載の精製装置。
吸着筒に、酸素吸着用吸着剤と、一酸化炭素吸着用吸着剤の２種類の吸着剤が充填された請求項１記載の精製装置。