(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素，窒素を主要成分とし、除去対象不純物として少なくとも水，二酸化炭素，一酸化炭素及び水素を含むガスを精製する方法であって、被精製ガス中に水が含まれる段階で、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にする工程を行い、次いで水分の吸着除去工程を行った後、二酸化炭素の吸着除去工程を行い、その後、水素を酸化して水として吸着除去する水素除去工程を行うことを特徴とするガス精製方法。
【請求項２】
酸素，窒素を主要成分とし、不純物として少なくとも水，二酸化炭素，一酸化炭素及び水素を含むガスを精製する装置であって、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にするための触媒を充填した触媒層，水を吸着するための水分吸着剤を充填した乾燥剤層，二酸化炭素を吸着除去するための二酸化炭素吸着剤を充填した二酸化炭素吸着剤層、水素を酸化して水を生成する触媒及び生成した水分を吸着除去するため水分吸着剤からなる水素除去剤を充填した水素除去層を被精製ガスの流入方向から順に配列したことを特徴とするガス精製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス精製方法及び装置に関し、詳しくは、酸素，窒素を主要成分とし、除去対象不純物として少なくとも水，二酸化炭素，一酸化炭素及び水素を含むガスを精製する方法及び装置であって、特に、深冷分離装置の前処理として行うガスの精製、すなわち、原料空気中に含まれる微量の水素や一酸化炭素を酸化し、水や二酸化炭素として吸着除去することにより原料空気を精製する前処理装置に適したガス精製方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、高純度ガスの需要が増え続けており、特に窒素については、エレクトロニクス産業、とりわけ半導体製造プロセスで大量に使用されることから、可能な限り高い純度で供給することが求められている。エレクトロニクス分野で利用される窒素は、窒素ガス中の化学的に活性な不純物、例えば酸素，水，二酸化炭素，水素，一酸化炭素，炭化水素類を極限まで除去することが必要である。
【０００３】
窒素ガスを空気から分離するには、深冷分離法がガスの生産規模及びガスの純度の点で適当であるが、深冷分離法において蒸留により前述の全ての不純物が窒素と分離されるわけではない。水及び二酸化炭素は、多くの場合、原料空気の供給系で吸着によって除去される。水素は、空気中に含まれる量が極微量であるため、蒸留で分離することは可能であるが、少なからぬ量の窒素のロスを伴うし、気液平衡関係から、精留塔を更に一塔設置する必要がある。また、一酸化炭素については、沸点が窒素と近いため、蒸留による窒素との分離は困難である。
【０００４】
このような技術的問題から、水素，一酸化炭素の除去については、いくつかの方法が提案されてきた。特公平５−６５７８２号公報には、最高１９０℃の加温条件下で、水素，一酸化炭素を共存する酸素と反応させて水，二酸化炭素とした後、深冷分離装置に通常設置される、いわゆる前処理装置によって水，二酸化炭素を除去することが開示されている。この方法では、水素，一酸化炭素の酸化反応に好適な温度とするため、圧縮熱により８０〜１５０℃に昇温した原料空気を、熱交換器，加熱器を通して更に加熱した後、触媒筒に通して水素，一酸化炭素を酸化する。この方法は、原料空気の加温に際して圧縮熱の利用，熱交換器による熱回収等、装置の効率化を図ってはいるが、加熱用電力，熱交換器等の機器等の変動費，固定費の上昇は避けられなかった。
【０００５】
一方、特開平４−２１９１１１号公報には、深冷分離装置の水，二酸化炭素除去用の前処理装置である吸着器内を、乾燥剤−触媒−二酸化炭素吸着剤の３層構造とし、原料空気中の水，二酸化炭素と水素，一酸化炭素除去とを同時に実施することが開示されている。この方法でも、水素，一酸化炭素は、酸化により水，二酸化炭素となって吸着除去されるが、原料空気温度は、５〜５０℃とされており、加温の必要がない。
【０００６】
また、既存の前処理用吸着器内に触媒を充填するため、水素，一酸化炭素を酸化するための触媒筒を新たに設置する必要がないというメリットもある。しかし、吸着器内の乾燥剤と二酸化炭素吸着剤との間に触媒を充填したことは、吸着剤の再生にとって少なからぬ影響がある。すなわち、加熱再生（ＴＳＡ）では、再生工程で最も熱量を必要とする乾燥剤の手前（再生ガス流入経路から見て）に触媒が充填されているため、加熱のための必要熱量の増加及び再生用ガス量の増加が避けられない。また、圧力変動吸着法（ＰＳＡ）では、再生用熱量の問題はないが、吸着器容積の増大によるパージガス量の増加や吸着器切換え操作による原料空気のロスが生じる。
【０００７】
そこで本発明は、加熱用電力や熱交換器等の機器にかかる変動費や固定費の上昇、及び、パージガス量の増加，原料空気のロス等を防止することができ、効率よく水素や一酸化炭素を除去することができるガス精製方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のガス精製方法は、酸素，窒素を主要成分とし、除去対象不純物として少なくとも水，二酸化炭素，一酸化炭素及び水素を含むガスを精製する方法であって、被精製ガス中に水が含まれる段階で、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にする工程を行い、次いで水分の吸着除去工程を行った後、二酸化炭素の吸着除去工程を行い、その後、水素を酸化して水として吸着除去する水素除去工程を行うことを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明のガス精製装置は、酸素，窒素を主要成分とし、不純物として少なくとも水，二酸化炭素，一酸化炭素及び水素を含むガスを精製する装置であって、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にするための触媒を充填した触媒層，水を吸着するための水分吸着剤を充填した乾燥剤層，二酸化炭素を吸着除去するための二酸化炭素吸着剤を充填した二酸化炭素吸着剤層、水素を酸化して水を生成する触媒及び生成した水分を吸着除去するため水分吸着剤からなる水素除去剤を充填した水素除去層を被精製ガスの流入方向から順に配列したことを特徴としている。
【００１０】
なお、前記一酸化炭素を酸化するための触媒は、細孔直径が１１０オングストローム以下の細孔を実質的に含まないアルミナ担体上に、白金又はパラジウムと共に、鉄，コバルト，ニッケル，マンガン，銅，クロム，スズ，鉛及びセリウムの少なくとも一種を担持させた触媒であることが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のガス精製装置の一形態例を空気液化分離装置の前処理装置に適用した一例を示す系統図である。このガス精製装置は、被精製ガスの流れ方向から順に、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にするための触媒を充填した触媒層Ａ，水を吸着するための水分吸着剤を充填した乾燥剤層Ｂ，二酸化炭素を吸着除去するための二酸化炭素吸着剤を充填した二酸化炭素吸着剤層Ｃ、水素を触媒で酸化して水にして吸着除去するための触媒と水分吸着剤とを充填した水素除去層Ｄを配列したものである。
【００１２】
前記触媒層Ａに充填される触媒は、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にすることができる触媒であればよいが、細孔直径が１１０オングストローム以下の細孔を実質的に含まないアルミナ担体上に、白金又はパラジウムと共に、鉄，コバルト，ニッケル，マンガン，銅，クロム，スズ，鉛，セリウムからなる群から選んだ少なくとも一種を担持させたものを用いることが好ましい。被精製ガスは、原料由来の水分を保持したまま触媒層Ａに入り、含有する一酸化炭素を酸化する工程が行われて二酸化炭素が生成する。
【００１３】
前記乾燥剤層Ｂに充填される水分吸着剤としては、シリカゲル，活性アルミナ，ゼオライトを、それぞれ単独であるいは混合して用いることができる。被精製ガスは、この乾燥剤層Ｂを通過することにより、含有する水分を吸着除去する工程が行われて高度に乾燥した状態になる。
【００１４】
前記二酸化炭素吸着剤層Ｃに充填される二酸化炭素吸着剤としては、各種ゼオライトが好適であり、具体的には、Ｃａ−Ａ型，Ｎａ−Ｘ型，Ｃａ−Ｘ型あるいはＡ型／Ｘ型ゼオライトを、単一あるいは複数の金属イオンによりイオン交換した吸着剤を、単独あるいは複数組み合わせて用いることができる。被精製ガスは、この二酸化炭素吸着剤層Ｃを通過することにより、含有する二酸化炭素を吸着除去する工程が行われて高度に精製された状態になる。
【００１５】
前記水素除去層Ｄにおいて用いられる水素酸化触媒は、パラジウムや白金が最適であり、活性アルミナあるいはゼオライトを担体としてパラジウム及び／又は白金を０．２５〜１．０重量％担持したものが好適である。また、生成した水を吸着除去する吸着剤（乾燥剤）としては、前記乾燥剤層Ｂと同様のシリカゲル，活性アルミナ，ゼオライトを用いることができる。これらの乾燥剤は、触媒と共に混合充填してもよく、触媒を充填した層の下流側にこれらを充填するようにしてもよい。さらに、水素を酸化する前記触媒を、前述のように活性アルミナやゼオライトに担持させることにより、触媒を担持した担体自体で生成した水分を吸着除去することができる。
【００１６】
前記水素除去層Ｄによって含有する水素を除去する工程は、水素を酸化することによって生じた水を高度に除去するため、水素酸化触媒の担体としてゼオライトを用いることが好ましく、二酸化炭素の影響を避けるため、二酸化炭素吸着剤層Ｃの後段、すなわち、前記各工程を終えた後の最終工程で行う。
【００１７】
このように、被精製ガスの流入方向から順に、一酸化炭素を酸化するための触媒，水分を吸着除去するための乾燥剤及び二酸化炭素を吸着除去するための二酸化炭素吸着剤を配置し、さらに、水素を酸化するとともに生成した水分を除去するための触媒及び水分吸着剤からなる水素除去剤を配置することにより、触媒による一酸化炭素，水素の酸化と、反応の結果生じた水，二酸化炭素及び原料由来の水，二酸化炭素の吸着除去が一連の操作として結合され、効率的なガス精製が可能となる。
【００１９】
図１において、一方の充填槽１ａが精製操作を行っており、他方の充填槽１ｂが再生操作を行っている場合、圧縮機で圧縮されたガス（原料空気）は、アフタークーラー，水分離器を経てライン２から原料ガス入口弁３ａを経て充填槽１ａに流入する。このときの原料空気の温度は、例えば、５〜５０℃である。
【００２０】
充填槽１ａに流入した原料空気は、最初の触媒層Ａを通過する際に、含有する一酸化炭素が触媒の作用によって空気中の酸素と反応し、酸化されて二酸化炭素となる。次に、乾燥剤層Ｂを通過する際に、原料空気中に含まれている水分が吸着除去され、二酸化炭素吸着剤層Ｃを通過する際に、原料空気中に元から含まれている二酸化炭素と、前記触媒層Ａで生成した二酸化炭素とが吸着除去される。さらに、最後の水素除去層Ｄを通過する際に、含有する水素が触媒の作用によって空気中の酸素と反応し、酸化されて水になるとともに、生成した水が触媒の担体等に吸着除去される。
【００２１】
このようにして充填槽１ａで精製された原料空気は、充填槽出口端から流出し、精製ガス出口弁４ａ，ライン５を通って深冷分離系６に流入する。深冷分離系６において製品とならなかったガスは、再生用ガスとしてライン７、弁８ｂを通って充填槽１ｂへ導かれる。充填槽１ｂにおける各層Ａ〜Ｄは、再生操作前に行われた精製操作において、水素除去層Ｄは、水素の酸化反応の結果生じた水を触媒担体に吸着しており、二酸化炭素吸着剤層Ｃは、二酸化炭素を吸着してほぼ破過直前の状態にある。また、乾燥剤層Ｂは、水を吸着しており、これまた破過直前の状態にある。触媒層Ａにあっては、一酸化炭素酸化のための触媒機能のみを行っており、特に状態の変化はない。
【００２２】
このような状態で再生操作に入ると、再生用ガスは、加熱器９で必要な温度（例えば１５０〜２５０℃）に加熱されて充填槽１ｂに入り、各層に熱を与え、かつ、加熱の結果脱着した水，二酸化炭素を含んで弁１０ｂ、ライン１１を通って大気へ流出する。各層が必要なだけ昇温され、水，二酸化炭素の脱着が十分行われたら加熱を停止し、引き続き再生用ガスを流して加温された各処理層を冷却する。また、再生操作の後半には、精製ガスの一部を用いた再加圧操作が行われ、次の精製操作に入る準備が終了する。
【００２３】
充填槽１ａの精製操作は、該充填槽１ａで精製された空気中の水，二酸化炭素の濃度が許容される範囲に有る間継続され、破過が起こる前に充填槽１ａにおける精製操作が打ち切られて充填槽１ａが再生操作に切換えられるとともに、充填槽１ｂが精製操作に切換えられる。そして、充填槽１ａ，１ｂを用いた精製，再生操作は、一定時間毎に切換えられ、それぞれの槽が精製，再生を交互に繰り返すことにより、連続的に原料空気の精製が行われる。
【００２４】
上述のように、一酸化炭素を酸化するための触媒層Ａを原料空気の流れ方向に対して最上流部に設置したことにより、水，二酸化炭素吸着除去用吸着剤、即ち乾燥剤層Ｂ及び二酸化炭素吸着剤層Ｃの再生操作は、触媒層Ａの存在を何ら考慮することなく実施できる。前述したように、触媒層Ａの触媒は、精製工程の実施によって何らの状態変化を起こさないため、このようなことが可能となる。
【００２５】
すなわち、触媒層Ａを乾燥剤層Ｂと二酸化炭素吸着剤層Ｃとの中間位置に設けた場合には、乾燥剤層Ｂの再生操作において、触媒層Ａの加熱が行われた後に乾燥剤層Ｂの加熱が行われるという余分な動力を要するが、上記のように配置することにより、乾燥剤層Ｂと二酸化炭素吸着剤層Ｃとが連続しているので、中間部における熱ロスがなくなり、乾燥剤層Ｂを効率よく加熱できる。
【００２６】
また、水素除去層Ｄでは、水素の酸化が行われるだけだから、そのために必要な触媒は極めて限られた量であるから、ほとんど影響はない。
【００２７】
【実施例】
不純物として下記の量を含む原料空気を、図２に示す精製装置の充填槽１に送って精製を行った。
0003634115.tif 000002
【００２８】
前記原料空気を一定流量で流し、充填槽出口において露点，二酸化炭素，水素，一酸化炭素を測定した。測定には、鏡面式露点計，赤外線分析計，還元ガス検知式ガスクロマトグラフをそれぞれ使用した。測定結果を図３に示す。
【００２９】
図３に示すように、一酸化炭素は、測定した時間内全てにおいて検出されなかった。水素は、水の破過とともに次第に濃度が上昇した。二酸化炭素は、本装置の場合は約１８０分で破過した。
【００３０】
これらの結果から、各層の充填量を適切に設定することにより、図１に示した系統での連続的な精製，再生プロセスの実施が可能であることが判った。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス精製方法及び装置によれば、常温で水素，一酸化炭素を酸化し、被精製ガス中に元から含まれている水，二酸化炭素とともに除去できるとともに、再生操作を効率よく行うことができ、再生用ガス量あるいは加熱用電力量の削減ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス精製装置の一形態例を空気液化分離装置の前処理装置に適用した一例を示す系統図である。
【図２】実施例で使用した精製装置の充填槽を示す概略図である。
【図３】実施例の測定結果を示すもので、水素，二酸化炭素及び水の濃度変化を示す図である。
【符号の説明】
Ａ…触媒層、Ｂ…乾燥剤層、Ｃ…二酸化炭素吸着剤層、Ｄ…水素除去層
１，１ａ，１ｂ…充填槽、３ａ…原料ガス入口弁、４ａ…精製ガス出口弁、６…深冷分離系、９…加熱器
【図１】
0003634115.tif 000003
【図２】
0003634115.tif 000004
【図３】
0003634115.tif 000005