(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上から順に、第一上部空間部、上部精留部、中間精留部、下部精留部及び第一下部空間部を備えた第一の精留塔と、
第二上部空間部、精留部及び第二下部空間部を備えた第二の精留塔と、
原料となる空気を冷媒との間接熱交換により冷却して下部精留部の下部へ供給する主熱交換器と、
第一上部空間部に溜まった高純度窒素ガスを導入して冷却し、凝縮した高純度液体窒素を上部精留部の上部へ還流液として供給するとともに、未凝縮ガスを系外へ排出する窒素凝縮器と、
高純度液体窒素を還流液の一部として上部精留部の上部へ供給する高純度液体窒素供給配管と、
第一下部空間部に溜まった酸素リッチ液体空気を導入して減圧し、発生した酸素リッチ廃ガスを窒素凝縮器へ冷媒として供給する第一の膨張弁と、
中間精留部と下部精留部の間から還流液の一部を抜き出して減圧し、前記第一の膨張弁の下流側で前記酸素リッチ廃ガスに合流させる第二の膨張弁と、
窒素凝縮器で冷媒として使用された後、排出された前記酸素リッチ廃ガスを前記主熱交換器へ冷媒として供給する酸素リッチ廃ガス配管と、
上部精留部と中間精留部の間から還流液の一部を超高純度液体窒素として回収する超高純度窒素払出し配管と、
中間精留部と下部精留部の間から還流液の一部を抜き出して減圧し、発生した気液混合物を第二精留塔の精留部の上部へ供給する第三の膨張弁と、
第二下部空間部に設置され、第二下部空間部に溜まった液体を加熱して、その一部を気化させるリボイラと、
第二上部空間部に溜まったガスを系外へ排出する廃ガス配管と、
第二下部空間部に溜まった液体を超高純度液体酸素として回収する超高純度酸素払出し配管と、
を備えたことを特徴とする超高純度窒素及び酸素の製造装置。
【請求項２】
上から順に、第一上部空間部、上部精留部、中間精留部、下部精留部及び第一下部空間部を備えた第一の精留塔と、
第二上部空間部、精留部及び第二下部空間部を備えた第二の精留塔と、
原料となる空気を冷媒との間接熱交換により冷却して下部精留部の下部へ供給する主熱交換器と、
第一上部空間部に溜まった高純度窒素ガスを導入して冷却し、凝縮した高純度液体窒素を上部精留部の上部へ還流液として供給するとともに、未凝縮ガスを系外へ排出する窒素凝縮器と、
第一下部空間部に溜まった酸素リッチ液体空気を導入して減圧し、発生した酸素リッチ廃ガスを窒素凝縮器へ冷媒として供給する第一の膨脹弁と、
中間精留部と下部精留部の間から還流液の一部を抜き出して減圧し、前記第一の膨張弁の下流側で前記酸素リッチ廃ガスに合流させる第二の膨張弁と、
窒素凝縮器で冷媒として使用された後、排出された前記酸素リッチ廃ガスを減圧して温度降下させ、前記主熱交換器へ冷媒として供給する膨張タービンと、
上部精留部と中間精留部の間から還流液の一部を超高純度液体窒素として回収する超高純度窒素払出し配管と、
中間精留部と下部精留部の間から還流液の一部を抜き出して減圧し、発生した気液混合物を第二精留塔の精留部の上部へ供給する第三の膨張弁と、
第二下部空間部に設置され、第二下部空間部に溜まった液体を加熱して、その一部を気化させるリボイラと、
第二上部空間部に溜まったガスを系外へ排出するガス排出配管と、
第二下部空間部に溜まった液体の一部を超高純度液体酸素として回収する超高純度酸素払出し配管と、
を備えたことを特徴とする超高純度窒素及び酸素の製造装置。
【請求項３】
第四の膨張弁を備え、この第四の膨張弁に前記超高純度窒素払出し配管を介して超高純度液体窒素を導入して減圧し、発生した超高純度窒素ガスを前記窒素凝縮器へ冷媒の一部として供給した後、製品として系外へ供給することを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超高純度窒素及び酸素の製造装置。
【請求項４】
前記リボイラは、前記第一下部空間部から原料空気の一部を温熱源として導入し、冷却されて凝縮した原料空気を前記第一下部空間部へ戻すことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超高純度窒素及び酸素の製造装置。
【請求項５】
前記リボイラは、前記第一上部空間部から高純度窒素ガスの一部を温熱源として導入し、冷却されて凝縮した高純度液体窒素を還流液の一部として前記上部精留部の上部へ供給することを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超高純度窒素及び酸素の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気を原料として精留塔を使用して超高純度の窒素及び超高純度の酸素を同時に製造する超高純度窒素及び酸素の製造装置に係り、特に、半導体製造プロセスで使用される、不純物としての酸素濃度１０ｐｐｂ以下の超高純度窒素、及び純度９９．９９９９９５％以上の超高純度酸素の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に、特開平５−２９６６５１号公報に記載された従来の超高純度窒素及び酸素の製造装置のフローシートを示す。図中、５４は第一の精留塔、５５は第二の精留塔、５６は第三の精留塔、５７は第四の精留塔、５８は窒素凝縮器、５３は主熱交換器、５９は膨張タービンを表す。
【０００３】
原料空気は、圧縮された後、二酸化炭素及び水分が除去され、主熱交換器５３で冷却されて一部が液化した状態で、第一の精留塔５４の下部空間部５４ｅに導入される。下部空間部５４ｅへ導入された原料空気の内、液相部分は下部空間部５４ｅの底部に溜まり、気相部分は第一の精留塔５４の中を上昇し、下部精留部５４ｄ、中間精留部５４ｃ及び上部精留部５４ｂを順次、通過しながら、上方から流れ下る液体窒素を主体とする還流液との向流接触を行う。これによって、気相中の酸素及び主として酸素よりも高沸点の成分（炭化水素、クリプトン、キセノン等）が還流液の中に吸収され、他方、還流液中の窒素及び主として窒素よりも低沸点の成分（ネオン、水素、ヘリウム等）が気化して気相中に放出される。この結果、上部空間部５４ａには低沸点成分を含む高純度窒素ガスが溜まり、下部空間部５４ｅには高沸点成分を含む酸素リッチ液体空気が溜まる。
【０００４】
上部空間部５４ａに溜まった高純度窒素ガスは、窒素凝縮器５８に導入されて冷却され、凝縮した高純度液体窒素は還流液として再び上部精留部５４ｂへ供給され、一方、低沸点成分が濃縮された未凝縮ガスは系外へ排出される。
【０００５】
下部空間部５４ｅに溜まった酸素リッチ液体空気の一部は、膨張弁６１に導入され、ここで減圧されて低温の酸素リッチ廃ガスとなり、冷媒として窒素凝縮器８に導入される。窒素凝縮器５８から排出された酸素リッチ廃ガスは、更に、膨張タービン５９に導入され、主熱交換器５３で冷媒として使用された後、系外へ排出される。
【０００６】
窒素凝縮器５８で凝縮され上部精留部５４ｂへ供給された液体窒素は、上部精留部５４ｂを流れ下りながら、上昇する窒素を主体とするガスと向流接触して、残留する低沸点成分を更に放出して超高純度液体窒素となって、上部精留部５４ｂと中間精留部５４ｃの間に設けられた貯溜部５４ｇに溜まる。その一部は、超高純度液体窒素として抜き出され、膨張弁６３で減圧され、熱交換の後、超高純度窒素ガスの製品として系外へ供給され、残りは、更に、還流液として中間精留部５４ｃを流れ下る。
【０００７】
下部空間部５４ｅに溜まった酸素リッチ液体空気の他の一部は、膨張弁６２に導かれ、ここで減圧されて部分的に気化して気液混合物となり、第二の精留塔５５の精留部５５ｂの上部へ供給される。この内、気相部分は上部空間部５５ａに溜まり、液相部分は還流液として精留部５５ｂを流れ下り、下方から上昇する気体と向流接触して、低沸点成分を放出し、酸素濃度を高めて下部空間部５５ｃに溜まる。下部空間部５５ｃにはリボイラ７１が設置されていて、下部空間部５５ｃに溜まった液体を加熱して、酸素とともに酸素よりも低沸点の成分（アルゴン、一酸化炭素、窒素等）を選択的に気化させて精留部５５ｂを上昇させる。この結果、下部空間部５５ｃには高沸点成分を含む液体酸素が、上部空間部５５ａには酸素、窒素及び低沸点の成分を含むガスが溜まり、それぞれ、塔底部あるいは塔頂部から系外へ排出される。
【０００８】
第二の精留塔の下部空間部５５ｃの液面よりも上部の気相部分に溜まった酸素ガスは、第三の精留塔５６の下部空間部５６ｃへ供給される。供給された酸素ガスは精留部５６ｂを上昇しながら、還流液（高純度液体酸素）と向流接触して、高沸点成分が還流液中に吸収されると同時に、還流液中の酸素の一部が気化する。第三精留塔５６の上部空間部５６ａには凝縮器８１が設置され、上部空間５６ａに溜まったガス（高純度酸素）を冷却して凝縮し、前記の還流液として精留部５６ｂへ供給する。この結果、下部空間部５６ｃには微量の高沸点成分を含んだ液体酸素が溜まり、上部空間部５６ａには微量の低沸点成分を含む高純度酸素ガスが溜まる。下部空間部５６ｃに溜まった高沸点成分を含む液体酸素は、第二の精留塔の下部空間部に戻される。
【０００９】
上部空間部５６ａに溜まった高純度酸素ガスは、第四の精留塔５７の上部精留部５７ｂと下部精留部５７ｄの中間部５７ｃに供給される。供給された高純度酸素ガスは上部精留部５７ｂを上昇しながら、還流液（高純度液体酸素）と向流接触して、酸素が還流液中に吸収されると同時に、還流液中の低沸点成分が気化する。第三精留塔５７の上部空間部５７ａには凝縮器８２が設置され、上部空間５７ａに溜まったガス（高純度酸素）を冷却して凝縮し、前記の還流液として上部精留部５７ｂへ供給する。一方、下部空間部５７ｅにはリボイラ７２が設置され、下部空間部５７ｅに溜まった液体（超高純度液体酸素）を加熱して、酸素とともに酸素よりも低沸点の成分を選択的に気化させて下部精留部５７ｄ及び上部精留部５７ｂを順次、上昇させて、還流液（高純度液体酸素）と向流接触させる。この結果、下部空間部５７ｅには超高純度液体酸素が、上部空間部５７ａには低沸点成分が濃縮された酸素ガスが溜まる。上部空間部５７ａに溜まった酸素ガスは、塔頂部から系外へ排出され、下部空間部５７ｅに溜まった超高純度液体酸素は製品として回収されて系外へ供給される。
【００１０】
なお、特開昭６１−１０５０８８号公報には二基の精留塔を使用して窒素ガス（９９．９７％）及び超高純度酸素ガス（９９．９９８％）を製造する方法が記載されている。この方法では、原料空気が第一の精留塔の底部へ供給され、第一の精留塔の精留部の下端から１平衡ステージ上方から抜き出された酸素富化液体空気が第二の精留塔の頂部に供給され、窒素富化ガスが第一の精留塔の頂部付近から回収されるとともに、超高純度酸素ガスが第二の精留塔の精留部の下端から１平衡ステージ上方から回収される（同公報第２図）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特開平５−２９６６５１号公報に記載された装置は、原料空気の液化と精留のみによって超高純度の窒素及び超高純度の酸素を一つの装置から製造できる利点を備えているが、精留塔が四基必要となり、配管系統が複雑になるとともに、凝縮器、リボイラ等も複数設置され運転条件も複雑になっている。また、特開昭６１−１０５０８８号公報に記載された方法は、超高純度窒素を同時に得る方法ではない。
【００１２】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、より単純な構成を用いて超高純度の窒素及び超高純度の酸素を同時に製造することができる装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の超高純度窒素及び酸素の製造装置は、
上から順に、第一上部空間部、上部精留部、中間精留部、下部精留部及び第一下部空間部を備えた第一の精留塔と、
第二上部空間部、精留部及び第二下部空間部を備えた第二の精留塔と、
原料となる空気を冷媒との間接熱交換により冷却して下部精留部の下部へ供給する主熱交換器と、
第一上部空間部に溜まった高純度窒素ガスを導入して冷却し、凝縮した高純度液体窒素を上部精留部の上部へ還流液として供給するとともに、未凝縮ガスを系外へ排出する窒素凝縮器と、
高純度液体窒素を還流液の一部として上部精留部の上部へ供給する高純度液体窒素供給配管と、
第一下部空間部に溜まった酸素リッチ液体空気を導入して減圧し、発生した酸素リッチ廃ガスを窒素凝縮器へ冷媒として供給する第一の膨張弁と、
中間精留部と下部精留部の間から還流液の一部を抜き出して減圧し、前記第一の膨張弁の下流側で前記酸素リッチ廃ガスに合流させる第二の膨張弁と、
窒素凝縮器で冷媒として使用された後、排出された前記酸素リッチ廃ガスを前記主熱交換器へ冷媒として供給する酸素リッチ廃ガス配管と、
上部精留部と中間精留部の間から還流液の一部を超高純度液体窒素として回収する超高純度窒素払出し配管と、
中間精留部と下部精留部の間から還流液の一部を抜き出して減圧し、発生した気液混合物を第二精留塔の精留部の上部へ供給する第三の膨張弁と、
第二下部空間部に設置され、第二下部空間部に溜まった液体を加熱して、その一部を気化させるリボイラと、
第二上部空間部に溜まったガスを系外へ排出する廃ガス配管と、
第二下部空間部に溜まった液体を超高純度液体酸素として回収する超高純度酸素払出し配管と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
以下に、この装置を使用して超高純度の窒素及び超高純度の酸素を同時に製造するプロセスについて説明する。
主熱交換器で冷媒との間接熱交換により冷却された原料空気は、第一の精留塔の下部精留部の下方へ供給される。供給された原料空気は、第一の精留塔の中を上昇し、下部精留部、中間精留部び上部精留部を順に通過しながら、上方から流れ下る液体窒素を主体とする還流液（後述）との向流接触を行う。これによって、気相中の酸素及び主として酸素よりも高沸点の成分（炭化水素、クリプトン、キセノン等）が還流液の中に吸収され、他方、還流液中の窒素及び主として窒素よりも低沸点の成分（ネオン、水素、ヘリウム等）が気化して気相中に放出される。この結果、第一上部空間部には低沸点成分を含む高純度窒素ガスが溜まり、第一下部空間部には高沸点成分を含む酸素リッチ液体空気が溜まる。
【００１５】
第一上部空間部に溜まった高純度窒素ガスは、窒素凝縮器に導入されて冷却され、凝縮した高純度液体窒素は、還流液として再び上部精留部の上部へ供給され、一方、低沸点成分が濃縮された非凝縮ガスは系外へ排出される。また、還流液の一部として、系外から高純度液体窒素が高純度液体窒素供給配管を介して第一の精留塔の上部精留部の上部へ供給される。
【００１６】
第一下部空間部に溜まった酸素リッチ液体空気は、第一の膨張弁に導入されて減圧され、低温の酸素リッチ廃ガスとなり、冷媒として上記の窒素凝縮器に導入される。窒素凝縮器において冷媒として使用された酸素リッチ廃ガスは、更に、酸素リッチ廃ガス配管を介して主熱交換器へ供給され、原料空気を冷却する冷媒として使用された後、系外へ排出される。
【００１７】
窒素凝縮器で凝縮された高純度液体窒素、及び系外から上部精留部の上部へ供給された高純度液体窒素は、還流液として上部精留部を流れ下りながら、上昇する窒素を主体とするガスと向流接触して残留する低沸点成分を更に放出し、上部精留部と中間精留部の間に入る。ここで、その一部は超高純度液体窒素の製品として超高純度窒素払出し配管を介して回収され、残りは還流液として更に中間精留部を流れ下る。還流液の一部は、更に中間精留部と下部精留部の間からも抜き出され、残りは下部精留部を流れ下って原料空気中の高沸点成分を吸収し、第一下部空間部に溜まる。
【００１８】
中間精留部と下部精留部の間から抜き出された上記の還流液は、高沸点成分を含まない液体空気となっている。この還流液は、更に二系統に分岐され、その一方は第二の膨張弁に導入され、もう一方は第三の膨張弁に導入される。第二の膨張弁に導入された還流液は、減圧された後、第一の膨張弁の下流側で前記の酸素リッチ廃ガスに合流され、冷媒として窒素凝縮器に導入される。これにより、第一の精留塔の下部精留部の中を流れ下る還流液の量を必要最小限の値に調節し、その結果、第二の精留塔に導入される前記液体空気中の酸素濃度高めることができる。
【００１９】
第三の膨張弁に導入された還流液は、減圧され部分的に気化して気液混合物となり、第二の精留塔の精留部の上部へ供給される。この内、気相部分は上部空間部に溜まり、液相部分は還流液として精留部を流れ下り、下方から上昇する気体との向流接触により低沸点成分を放出して、酸素濃度を高めて下部空間部に溜まる。下部空間部にはリボイラが設置されていて、下部空間部に溜まった液体を加熱して、酸素とともに酸素よりも低沸点の成分（アルゴン、一酸化炭素、窒素等）を選択的に気化させて精留部を上昇させる。この結果、上部空間部には酸素よりも低沸点の成分を含む窒素ガスが溜まり、頂部から廃ガス配管を介して系外へ排出され、下部空間部には超高純度液体酸素が溜まり、製品として超高純度酸素払出し配管を介して回収される。
【００２０】
なお、上記の装置では、装置の運転に必要な冷熱源として、系外から還流液の一部として導入した高純度液体窒素の冷熱を利用しているが、これに代わって、系内で冷熱を発生させることもできる。この場合には、膨張タービンを設置し、窒素凝縮器で冷媒として使用された後、排出された酸素リッチ廃ガスをこの膨張タービンで減圧して温度降下させ、前記主熱交換器に原料空気を冷却するための冷媒として供給する。
【００２１】
また、第四の膨張弁を設置することにより超高純度液体窒素の冷熱を回収することもできる。この場合には、前記超高純度窒素払出し配管を介してこの第四の膨張弁に超高純度液体窒素を導入して減圧し、発生した低温の超高純度窒素ガスを前記窒素凝縮器で冷媒の一部として使用した後、製品として系外へ供給する。
【００２２】
また、第二の精留塔の第二下部空間部に設置されたリボイラの温熱源として、原料空気を利用することができる。この場合には、第一下部空間部から原料空気の一部をリボイラに温熱源として導入した後、冷却されて凝縮した原料空気を前記第一下部空間部へ戻す。
【００２３】
このほか、第二の精留塔の第二下部空間部に設置されたリボイラの温熱源として、第一の精留塔の第一上部空間部に溜まった高純度窒素ガスを利用することもできる。この場合には、第一上部空間部から高純度窒素ガスの一部を前記リボイラに温熱源として導入した後、冷却されて凝縮した高純度液体窒素を還流液の一部として上部精留部へ供給する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（例１）
図１に、本発明に基づく超高純度窒素及び酸素の製造装置の一例のフローシートを示す。図中、５は主熱交換器、６は第一の精留塔、７は第二の精留塔、８は窒素凝縮器、１１は第一上部空間部、１２は上部精留部、１３は中間精留部、１４は下部精留部、１５は第一下部空間部、２１は第二上部空間部、２２は精留部、２３は第二下部空間部、２４はリボイラ、３１は第一の膨張弁、３２は第二の膨張弁、３３は第三の膨張弁、３４は第四の膨張弁、３５は第五の膨張弁、４０は断熱容器、１００は高純度液体窒素供給配管、１０９は超高純度窒素払出し配管、１１０は超高純度酸素払出し配管、１１７は酸素リッチ廃ガス配管、１１８は廃ガス配管を表す。
【００２５】
第一の精留塔６は、上から順に、第一上部空間部１１、上部精留部１２、中間精留部１３、下部精留部１４及び第一下部空間部１５を備えるとともに、上部精留部１１の上方に還流液を貯溜する貯溜部１６、上部精留部１１と中間精留部１３の間に還流液を貯溜する上部貯溜部１７、中間精留部１３と下部精留部１４の間に還流液を貯溜する下部貯溜部１８を備えている。第二の精留塔７は、第二上部空間部２１、精留部２２及び第二下部空間部２３を備えている。主熱交換器５内の原料空気の通過経路の出側は、配管１０５を介して下部空間部１５に接続されている。
【００２６】
窒素凝縮器８の導入側は、配管１０６を介して第一上部空間２１の頂部に接続され、排出側は、配管１０７を介して貯溜部１６に接続されている。配管１０７の途中には、高純度液体窒素を系外から還流液の一部として供給する高純度液体窒素供給配管１００が接続されている。また、窒素凝縮器８の排出側には、気液分離器（図示せず）を介して非凝縮ガスを系外へ排出する配管１１９も接続されている。
【００２７】
窒素凝縮器８の第一の冷媒供給側は、配管１０８を介して第一下部空間部１５の底部に接続され、配管１０８の途中には第一の膨脹弁３１が設けられている。窒素凝縮器８の第一の冷媒排出側は、酸素リッチ廃ガス配管１１７を介して主熱交換器５に接続され、酸素リッチ廃ガス配管１１７の途中には第五の膨脹弁３５が設けられている。窒素凝縮器８の第二の冷媒供給側は、超高純度窒素払出し配管１０９を介して上部貯溜部１７に接続され、超高純度窒素払出し配管１０９の途中には第四の膨張弁３４が設けられている。窒素凝縮器８の第二の冷媒排出側は、配管１１１を介して主熱交換器５に接続されている。
【００２８】
下部貯溜部１８は、配管１２４を介して第一の膨張弁３１の下流側に接続され、配管１２４の途中には第二の膨張弁３２が設けられている。更に、下部貯溜部１８は、配管１１４を介して第二の精留塔７の精留部２２の上部に接続され、配管１１４の途中には第三の膨張弁３３が設けられている。
【００２９】
第二の精留塔７の第二下部空間部２３にはリボイラ２４が設置され、リボイラ２４の加熱用媒体の供給側は、配管１１５を介して第一下部空間部１５に接続され、リボイラ２４の加熱用媒体の排出側は、配管１１６を介して第一下部空間部１５に接続されている。第二上部空間部２１の頂部は、廃ガス配管１１８を介して酸素リッチ廃ガス配管１１７の途中に接続されている。第二下部空間部２３には、超高純度酸素払出し配管１１０が接続されている。
【００３０】
なお、以上の第一の精留塔６、第二の精留塔７、窒素凝縮器８、主熱交換器５及び付帯する配管及び弁などは、共通の断熱容器４０の中に収容されている。
以下に、この装置を使用して超高純度の窒素及び超高純度の酸素を製造するプロセスについて説明する。
【００３１】
原料空気は、フィルタ（図示せず）で除塵後、圧縮器１で圧力約８．４ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮される。次いで、酸化触媒が充填された一酸化炭素・水素コンバータ２に導入され、そこで原料空気中に含まれる水素、一酸化炭素及び炭化水素等が酸化され、冷凍機３で冷却された後、除炭・乾燥ユニット４ａあるいは４ｂで二酸化炭素及び水分が除去される。この後、主熱交換器５に導入され、そこで冷媒との間接熱交換により温度約−１６７℃まで冷却され、一部が液化した状態で、配管１０５を通って第一精留塔６の下部精留部１４の下側へ供給される。
【００３２】
第一精留塔６へ供給された原料空気の内、液相部分は第一下部空間部１５の底に溜まり、気相部分は第一精留塔６の中を上昇し、下部精留部１４、中間精留部１３及び上部精留部１２を順次、通過しながら、上方から流れ下る液体窒素を主体とする還流液との向流接触を行う。これによって、気相中の酸素及び主として酸素よりも高沸点の成分（メタン、クリプトン、キセノン等）が還流液の中に溶け込み、他方、還流液中の窒素及び窒素よりも低沸点の成分（ネオン、水素、ヘリウム等）が気化して気相中に放出される。この結果、第一上部空間部１１には低沸点成分を含む高純度窒素ガスが溜まり、第一下部空間部１５には高沸点成分を含む酸素リッチ液体空気が溜まる。
【００３３】
第一上部空間部１１に溜まった低沸点成分を含む高純度窒素ガスは、配管１０６を介して窒素凝縮器８に導入され、冷媒（後述）との間接熱交換により冷却され凝縮する。凝縮した高純度液体窒素は、配管１０７を通って還流液として上部精留部１２の上部の貯溜部１６へ戻され、一方、低沸点成分が濃縮された非凝縮ガスは、気液分離器及び配管１１９を通って系外へ排出される。
【００３４】
また、高純度液体窒素が、系外から高純度液体窒素供給配管１００を介して配管１０７の途中に導入され、上部精留部１２の上方に設けられた貯溜部１６へ供給される。この高純度液体窒素は、還流液の一部として使用されるとともに、精留プロセスに必要な冷熱源として利用される。
【００３５】
第一下部空間部１５の底部に溜まった温度約−１６８℃の酸素リッチ液体空気は、配管１０８を介して第一の膨張弁３１に導入され、ここで圧力約３．２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧され、上記の冷媒として窒素凝縮器８へ供給される。窒素凝縮器８から排出された温度約−１７５℃の酸素リッチ廃ガスは、更に、第五の膨張弁３５において０．３ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧され、酸素リッチ廃ガス配管１１７を通って主熱交換器５に導入され、ここで冷媒として原料空気の冷却に使用され、更に、除炭・乾燥ユニット４ａあるいは４ｂの再生用のガスとして使用された後、系外へ排出される。
【００３６】
窒素凝縮器８において凝縮された高純度液体窒素、及び系外から高純度液体窒素供給配管１００を介して供給された高純度液体窒素は、上部精留部１２の上方の貯溜部１６に導入され、更に、上部精留部１２を流れ下りながら、上昇する窒素を主体とするガスと向流接触して、残留する低沸点成分を更に放出し、超高純度液体窒素となって、上部精留部１２と中間精留部１３の間に設けられた上部貯溜部１７に溜まる。超高純度液体窒素の一部は、貯溜部１７から超高純度窒素払出し配管１０９を介して抜き出されて第四の膨脹弁３４に導入され、残りは、還流液として更に中間精留部１３を流れ下る。
【００３７】
第四の膨脹弁３４に導入された超高純度液体窒素は、減圧され、圧力約６．８ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ、温度約−１７３℃の超高純度窒素ガスとなり、上記の冷媒の一部として窒素凝縮器８へ供給される。窒素凝縮器８から排出された超高純度窒素ガスは、更に、配管１１１を介して主熱交換器５に導入され、ここで冷媒の一部として原料空気の冷却に使用された後、配管１１３を介して超高純度窒素ガスの製品として系外へ供給される。
【００３８】
中間精留部１３と下部精留部１４の間に設けられた下部貯溜部１８に溜まった還流液は、高沸点成分を含まない液体空気となっている。その一部は、更に下部精留部１４を流れ下り、原料空気中の高沸点成分を吸収して第一下部空間部に溜まり、残部は、下部貯溜部１８から配管１２４及び配管１１４の二つの系統に分けられて抜き出される。配管１２４を介して抜き出された還流液は、第二の膨張弁３２に導入され、そこで圧力約３．２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧された後、第一の膨張弁３１の下流側で前記の酸素リッチ廃ガスに合流され、窒素凝縮器８に導入される。
【００３９】
一方、配管１１４を介して抜き出された還流液は、第三の膨張弁３３に導入され、そこで圧力約０．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧され、部分的に気化して温度約−１９０℃の気液混合物となり、第二精留塔７の精留部２２の上部へ導入される。この内、気相部分は第二上部空間部２１に溜まり、液相部分は還流液として精留部２２を流れ下り、下方から上昇する気体との向流接触により低沸点成分を放出して、酸素濃度を高めて第二下部空間部２３に溜まる。第二下部空間部２３にはリボイラ２４が設置されていて、第一下部空間部１５から配管１１５を介して原料空気を温熱源として導入して、第二下部空間部２３に溜まった液体を加熱し、酸素とともに酸素よりも低沸点の成分（アルゴン、一酸化炭素、窒素等）を選択的に気化させて精留部２２を上昇させる。リボイラ２４で温熱源として使用された原料空気は、凝縮した後、配管１１６を介して第一下部空間部１５に戻される。
【００４０】
この結果、第二上部空間部２１には酸素よりも低沸点の成分を含む窒素ガスが溜まり、第二下部空間部２３には超高純度液体酸素が溜まる。第二上部空間部２１に溜まった窒素ガスは、頂部から廃ガス配管１１８を介して抜き出され、酸素リッチ廃ガス配管１１７に合流後、冷媒として主熱交換器５に導入される。一方、第二下部空間部２３に溜まった超高純度液体酸素は、製品として超高純度酸素払出し配管１１０を介して回収される。
【００４１】
（例２）
図２に、本発明に基づく超高純度窒素及び酸素の製造装置の他の例のフローシートを示す。図中、５０は膨張タービンを表す。この例では、膨張タービン５０の入側は、配管１２１を介して主熱交換器５の途中に設けられた酸素リッチ廃ガス取出し口に接続され、膨張タービン５０の出側は、配管１２２を介して主熱交換器５の冷媒導入口に接続されている。なお、上記の様に構成した場合、系外から高純度液体窒素を冷熱源（兼還流液の一部）として導入する必要はない。従って、図１の高純度液体窒素供給配管１００に相当する配管は無く、また、廃ガス配管１１８は配管１２２の途中に合流している。その他については、図１と同様な構成となっている。
【００４２】
第一下部空間部１５の底に溜まった温度約−１６８℃の酸素リッチ液体空気は、配管１０８を介して第一の膨張弁３１に導入され、ここで圧力約３．２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧されて、冷媒として窒素凝縮器８へ供給される。また、下部貯溜部１８から配管１２４を介して抜き出された還流液は、第二の膨張弁３２に導入され、そこで圧力約３．２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧された後、第一の膨張弁３１の下流側で前記の酸素リッチ廃ガスに合流して、窒素凝縮器８へ供給される。窒素凝縮器８から排出された酸素リッチ廃ガスは、酸素リッチ廃ガス配管１１７を通って温度約−１７５℃で主熱交換器５に導入された後、主熱交換器５の途中から温度約−１５０℃で取り出されて、配管１２１を介して膨張タービン５０に導入される。膨張タービン５０において、圧力約０．３ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧され、温度約−１８０℃に温度降下した酸素リッチ廃ガスは、配管１２２を通って再び主熱交換器５に導入され、原料空気の冷却に使用される。
【００４３】
上記の様に、酸素リッチ廃ガスを廃棄する配管の途中に膨張タービン５０を設置することによって、装置の運転に必要な冷熱を系内で賄うことが可能になるので、系外から冷熱源（兼還流液の一部）として高純度液体窒素を供給する必要が無くなる。
【００４４】
（例３）
図３に、本発明に基づく超高純度窒素及び酸素の製造装置の他の例のフローシートを示す。この例では、第二の精留塔７の第二下部空間部２３に設置されたリボイラ２４の加熱用媒体の供給側は、配管１３１を介して、高純度窒素ガスを第一の精留塔６の第一上部空間部２１から窒素凝縮器８へ送る配管１０６の途中に接続され、リボイラ２４の加熱用媒体の排出側は、配管１３２を介して高純度液体窒素供給配管１００の途中に接続されている。
【００４５】
第一上部空間部１１から配管１３１を介して取出された高純度窒素ガスの一部は、リボイラ２４で温熱源として使用されて冷却され、凝縮した高純度液体窒素は、配管１３２、高純度液体窒素供給配管１００及び配管１０７を順に通って上部精留部１２の上方の貯溜部１６へ戻され、還流液の一部として使用される。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に基づく装置では、第一の精留塔の内部の精留部を三段に区分して、上部精留部と中間精留部の間から超高純度の液体窒素を回収するとともに、中間精留部と下部精留部の間から高沸点成分を含まない液体空気を回収する。この高沸点成分を含まない液体空気の一部を、減圧した後、第二の精留塔の頂部に供給し、精留部の底部に設けられたリボイラによって気化されたガスと向流接触させて低沸点成分を分離し、第二の精留塔の底部から超高純度の液体酸素を回収する。また、前記液体空気の残部を、減圧した後、冷媒の一部として窒素凝縮器へ導入する。これにより、第一の精留塔の下部精留部の中を流れ下る還流液（高沸点成分の分離に使用される）の量を必要最小限の値に調節し、その結果、第二の精留塔に導入される前記液体空気中の酸素濃度高めることができる。
以上により、二基の精留塔を用いた比較的簡易な装置によって、超高純度の液体窒素及び適量の超高純度の液体酸素を同時に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく超高純度窒素及び酸素の製造装置の一例を示す図。
【図２】本発明に基づく超高純度窒素及び酸素の製造装置の他の例を示す図。
【図３】本発明に基づく超高純度窒素及び酸素の製造装置の他の例を示す図。
【図４】従来の超高純度窒素及び酸素の製造装置の一例を示す図。
【符号の説明】
１・・・圧縮機、２・・・一酸化炭素・水素コンバータ、３・・・冷凍器、４ａ、４ｂ・・・除炭乾燥塔、５・・・主熱交換器、６・・・第一の精留塔、７・・・第二の精留塔、８・・・窒素凝縮器、１１・・・第一上部空間部、１２・・・上部精留部、１３・・・中間精留部、１４・・・下部精留部、１５・・・第一下部空間部、２１・・・第二上部空間部、２２・・・精留部、２３・・・第二下部空間部、２４・・・リボイラ、３１・・・第一の膨張弁、３２・・・第二の膨張弁、３３・・・第三の膨張弁、３４・・・第四の膨張弁、３５・・・第五の膨張弁、４０・・・断熱容器、５０・・・膨張タービン、６０・・・流量調整弁、１００・・・高純度窒素供給配管、１０８・・・配管、１０９・・・超高純度窒素払出し配管、１１０・・・超高純度酸素払出し配管、１１７・・・酸素リッチ廃ガス配管、１１８・・・廃ガス配管、１２４・・・配管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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