(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給空気の極低温精製によって超高純度窒素及び超高純度酸素を生成するための方法であって、
（Ａ）第１供給空気を主コラム内へ通し、主コラム内で該第１供給空気を極低温精製によって酸素富化液体と窒素豊富蒸気に分離する工程と、
（Ｂ）第２供給空気を補助コラム内へ通し、補助コラムは主コラムよりも低い圧力で作動され、補助コラム内で該第２供給空気を極低温精製によって窒素富化蒸気と酸素豊富液体に分離する工程と、
（Ｃ）前記補助コラムから引き出された窒素富化蒸気を濃縮し、得られた窒素富化液体を前記主コラムの上方部分内へ通す工程と、
（Ｄ）前記補助コラムからの酸素豊富液体又は主コラムからの酸素富化液体をストリッピングコラムの上方部分内へ通し、該酸素豊富液体又は酸素富化液体を上昇流蒸気に向流関係で接触させて該ストリッピングコラム内を下方へ流下させて該ストリッピングコラムの下方部分内に超高純度酸素を生成させる工程と、
（Ｅ）酸素富化液体の一部分を窒素豊富蒸気との間接熱交換によって蒸発させて酸素富化蒸気を生成する工程と、
（Ｆ）前記超高純度酸素の一部分を酸素富化蒸気の一部分との間接熱交換によって蒸発させて前記上昇流蒸気を生成する工程と、
（Ｇ）前記超高純度酸素の他の一部分を超高純度酸素生成物として回収する工程と、
（Ｈ）窒素豊富蒸気を超高純度窒素生成物として回収する工程と、
から成る超高純度窒素及び超高純度酸素生成方法。
【請求項２】
前記工程（Ｄ）において、酸素豊富液体は、補助コラムの供給空気導入部位より高い中間部位から引き出されることを特徴とする請求項１に記載の超高純度窒素及び超高純度酸素生成方法。
【請求項３】
前記工程（Ｄ）において、酸素富化液体は、主コラムの供給空気導入部位より高い下方部位から引き出されることを特徴とする請求項１に記載の超高純度窒素及び超高純度酸素生成方法。
【請求項４】
前記主コラムから酸素富化流体を前記補助コラム内へ通す工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の超高純度窒素及び超高純度酸素生成方法。
【請求項５】
前記補助コラムから前記窒素富化液体の一部分を回収する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の超高純度窒素及び超高純度酸素生成方法。
【請求項６】
供給空気の極低温精製によって超高純度窒素及び超高純度酸素を生成するための装置であって、
（Ａ）頂部凝縮器、及び、供給空気を導入するための導入手段を有する主コラムと、
（Ｂ）頂部凝縮器、及び、供給空気を導入するための導入手段を有し、主コラムよりも低い圧力で作動される補助コラムと、
（Ｃ）底部リボイラーを有するストリッピングコラムと、
（Ｄ）前記主コラムの下方部分から該主コラムの頂部凝縮器へ酸素富化液体を送るための液体搬送手段、及び、該主コラムの頂部凝縮器から前記ストリッピングコラムの底部リボイラーへ酸素富化液体を送るための液体搬送手段と、
（Ｅ）前記補助コラムの上方部分から該補助コラムの頂部凝縮器へ窒素富化蒸気を送るための蒸気搬送手段、及び、該補助コラムの頂部凝縮器から前記主コラムの上方部分へ窒素富化液体を送るための液体搬送手段と、
（Ｆ）前記主コラムと補助コラムの少なくとも一方から前記ストリッピングコラムの上方部分へ酸素豊富液体又は酸素富化液体を送るための液体搬送手段と、
（Ｇ）前記ストリッピングコラムの下方部分から超高純度酸素を回収するための回収手段、及び、前記主コラムの上方部分から超高純度窒素を回収するための回収手段と、
から成る超高純度窒素及び超高純度酸素生成装置。
【請求項７】
前記補助コラムの頂部凝縮器から該主コラムの上方部分へ窒素富化液体を送るための前記液体搬送手段は、液体ポンプを含むことを特徴とする請求項６に記載の超高純度窒素及び超高純度酸素生成装置。
【請求項８】
前記主コラムの下方部分から補助コラムの下方部分内へ酸素富化液体を送るための液体搬送手段を含むことを特徴とする請求項６に記載の超高純度窒素及び超高純度酸素生成装置。
【請求項９】
前記主コラムの頂部凝縮器から補助コラムの下方部分内へ酸素富化蒸気を送るための蒸気搬送手段を含むことを特徴とする請求項６に記載の超高純度窒素及び超高純度酸素生成装置。
【請求項１０】
供給空気を前記補助コラム内へ導入するための前記導入手段は、ターボ膨張機を含むことを特徴とする請求項６に記載の超高純度窒素及び超高純度酸素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素及び酸素を生成するために供給空気を極低温精製する技術に関し、特に、エレクトロニクス産業において必要とされるような超高純度窒素及び酸素の生成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体やその他の電子部品の製造におけるように汚染物に極めて敏感な製造工程においては、超高純度窒素、特に高い圧力の超高純度窒素を必要とする。高純度窒素は、供給空気の極低温精製によって効率的に生成することができる。近年、そのような製造工程において超高純度窒素と共に超高純度酸素をも使用する必要性が生じてきている。超高純度酸素は、超高純度窒素を生成するための慣用の極低温精製プラントを用いて生成することができるが、そのような方式は、超高純度窒素の回収率を低下させ、在来の超高純度窒素生成装置に比べて、生成される窒素の単位量当たりのパワー消費量を増大させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、超高純度窒素及び超高純度酸素を生成することができ、しかも、従来周知のシステムでは避けられなかった窒素回収率の低下及びパワー消費量の増大という欠点を軽減することができる極低温精製方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、供給空気の極低温精製によって超高純度窒素及び超高純度酸素を生成するための方法であって、
（Ａ）第１供給空気を主コラム内へ通し、主コラム内で第１供給空気を極低温精製によって酸素富化液体と窒素豊富蒸気に分離する工程と、
（Ｂ）第２供給空気を補助コラム内へ通し、補助コラムは主コラムよりも低い圧力で作動され、補助コラム内で第２供給空気を極低温精製によって窒素富化蒸気と酸素豊富液体に分離する工程と、
（Ｃ）前記補助コラムから引き出された窒素富化蒸気を濃縮し、得られた窒素富化液体を前記主コラムの上方部分内へ通す工程と、
（Ｄ）前記補助コラムからの酸素豊富液体又は主コラムからの酸素富化液体をストリッピングコラムの上方部分内へ通し、該該酸素豊富液体又は酸素富化液体を上昇流蒸気に向流関係で接触させて該ストリッピングコラム内を下方へ流下させて該ストリッピングコラムの下方部分内に超高純度酸素を生成させる工程と、
（Ｅ）酸素富化液体の一部分を窒素豊富蒸気との間接熱交換によって蒸発させて酸素富化蒸気を生成する工程と、
（Ｆ）前記超高純度酸素の一部分を酸素富化蒸気の一部分との間接熱交換によって蒸発させて前記上昇流蒸気を生成する工程と、
（Ｇ）前記超高純度酸素の他の一部分を超高純度酸素生成物として回収する工程と、
（Ｈ）窒素豊富蒸気を超高純度窒素生成物として回収する工程と、
から成る超高純度窒素及び超高純度酸素生成方法を提供する。
【０００５】
本発明は、又、供給空気の極低温精製によって超高純度窒素及び超高純度酸素を生成するための装置であって、
（Ａ）頂部凝縮器、及び、供給空気を導入するための導入手段を有する主コラムと、
（Ｂ）頂部凝縮器、及び、供給空気を導入するための導入手段を有し、主コラムよりも低い圧力で作動される補助コラムと、
（Ｃ）底部リボイラーを有するストリッピングコラムと、
（Ｄ）前記主コラムの下方部分から該主コラムの頂部凝縮器へ酸素富化液体を送るための液体搬送手段、及び、該主コラムの頂部凝縮器から前記ストリッピングコラムの底部リボイラーへ酸素富化液体を送るための液体搬送手段と、
（Ｅ）前記補助コラムの上方部分から該補助コラムの頂部凝縮器へ窒素富化蒸気を送るための蒸気搬送手段、及び、該補助コラムの頂部凝縮器から前記主コラムの上方部分へ窒素富化液体を送るための液体搬送手段と、
（Ｆ）前記主コラムと補助コラムの少なくとも一方から前記ストリッピングコラムの上方部分へ酸素豊富液体又は酸素富化液体を送るための液体搬送手段と、
（Ｇ）前記ストリッピングコラムの下方部分から超高純度酸素を回収するための回収手段、及び、前記主コラムの上方部分から超高純度窒素を回収するための回収手段と、
から成る超高純度窒素及び超高純度酸素生成装置を提供する。
【０００６】
ここでいう、「コラム」とは、蒸留又は分留塔又は帯域、即ち、空気等の流体混合物の分離を行うために液相と蒸気相とを向流関係で接触させる接触コラム（分離コラム又は精留コラムともいう）又は帯域のことである。流体混合物の分離は、例えば、コラム内に設置された一連の上下に離隔したトレー又はプレート及び、又は配向パッキング（互いに、かつ、コラムの軸線に対して特定の向きに配向されたパッキング部材）及び、又は不規則なパッキング部材（不規則に配置されたパッキング部材）等の気液接触部材上で蒸気相と液相を接触させることによって行われる。このような蒸留コラムの詳細については、Ｒ．Ｈ．ペリー、Ｃ．Ｈ．チルトン編「ケミカルエンジニアのハンドブック」第５版、米国ニューヨーク・マックグロー−ヒル・ブック・カンパニー刊、セクション１３「連続蒸留工程」を参照されたい。
【０００７】
気液（蒸気／液体）接触分離法は、各成分の蒸気圧の差に依存している。蒸気圧の高い（又は揮発性の高い又は沸点の低い）成分は、蒸気相として濃縮しようとするのに対して、蒸気圧の低い（又は揮発性の低い又は沸点の高い）成分は、液相として濃縮しようとする。
「蒸留」とは、液体混合物を加熱することにより高揮発性成分を蒸気相として濃縮させ、その結果として揮発性の低い成分を液相として濃縮させる分離プロセスである。
【０００８】
「部分的凝縮」又は「部分凝縮」とは、気体を完全にではなく不完全に凝縮することをいい、ここでは、蒸気混合物を冷却することにより蒸気相中の高揮発性成分を濃縮し、その結果として液相中の低揮発性成分を濃縮する分離プロセスを意味する。「少くとも部分的に凝縮させる」とは、「部分的に凝縮させる」ないしは「完全に凝縮させる」という意味である。
【０００９】
「精留」又は「連続蒸留」とは、蒸気相と液相を向流接触関係で処理することによって次々に行われる部分蒸発と部分凝縮とを組合せた分離プロセスである。蒸気相と液相との向流接触は、一般に断熱プロセスであり、両相間の積分（段階的）接触であってもよく、あるいは、微分（連続的）接触であってもよい。
精留の原理を利用して混合物を分離するための分離装置は、精留コラムとも、蒸留コラムとも、あるいは、分留コラムとも称される。
極低温精留とは、少くとも一部分が１５０°Ｋ以下の低い温度で実施される精留プロセスのことである。
【００１０】
ここでいう「間接熱交換」とは、２つの流体流れを互いに物理的に接触又は混合させることなく熱交換関係にもたらすことである。
ここでいう「頂部凝縮器」とは、コラム頂部の蒸気からコラムの下向き流れ液体を創生する熱交換器のことである。
ここでいう「底部リボイラー」とは、コラム底部の液体からコラムの上向き流れ（上昇流）蒸気を創生する熱交換器（再沸器）のことである。
【００１１】
「ターボ膨脹」及び「ターボ膨脹機」とは、高圧ガスの流れをタービンに通して膨脹させガスの圧力と温度を低下させて冷凍を創生すること、及び、そのための機械のことである。
ここでいう「上方部分」及び「下方部分」とは、それぞれ、コラムの上下方向中間点より上の部分及び下の部分のことをいう。
【００１２】
ここでいう「ストリッピングコラム」とは、液体下降流に対して、その液体から揮発性成分を分離して蒸気内に取り込むのに十分な量の上昇流蒸気で作動されるコラムのことであり、上昇流蒸気は、上に行くにつれて漸進的にその蒸気内の揮発性成分が豊富になる。
【００１３】
ここで、「超高純度窒素」とは、少なくとも９９．９９モル％の窒素濃度を有し、含有酸素濃度が１．０ｐｐｍ未満、好ましくは０．１ｐｐｍ未満である流体をいう。
ここで、「超高純度酸素」とは、少なくとも９９．９９モル％の酸素濃度を有する流体をいう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施においては、主コラムの圧力より低い圧力で作動する補助コラムは、超高純度酸素ストリッピングコラムの作動からは切り離される（ストリッピングコラムの作動とは独立して作動にされる）。なぜなら、ストリッピングコラムは、主コラムからの流体によってリボイル（再沸騰）されるからである。それによって、補助コラムを一層低い圧力で作動させることができ、従って、補助コラムからの、そして最終的に系全体からの窒素の回収率を改善することができる。
【００１５】
図１を参照して説明すると、供給空気１は、第１供給空気２と第２供給空気３に分割される。第１供給空気２は、主熱交換器４内で戻り流流体との間接熱交換によって冷却され、その冷却された第１供給空気流５は、主コラム６の下方部分内へ通される。他方、第２供給空気３は、圧縮機７に通されることによって圧縮され、その圧縮された第２供給空気流８は、主熱交換器４の一部分を通して通流させることによって冷却される。この冷却された圧縮第２供給空気流９は、ターボ膨脹機１０に通すことによってターボ膨張され、このターボ膨張された第２供給空気流１１は、補助コラム１２の下方部分内へ通される。
【００１６】
主コラム６は、９５〜１８０ｐｓｉａ（ｌｂ／ｉｎ2絶対圧）の範囲内の圧力で作動している。主コラム６内において第１供給空気は、極低温精製によって酸素富化液体と窒素豊富蒸気とに分離される。酸素富化液体は、主コラム６の下方部分から液体流１３として抽出され、主熱交換器４の一部分を通して通流されることによって過冷却される。次いで、この過冷却された酸素富化液体１４は、主コラムの頂部凝縮器１５の沸騰側へ通される。一方、窒素豊富蒸気は、主コラムの上方部分から窒素豊富蒸気流１６として引き出され、頂部凝縮器１５の凝縮側へ通され、そこで酸素富化液体との間接熱交換によって凝縮されて窒素豊富液体となり、相手の酸素富化液体は一部蒸発せしめられる。得られた窒素豊富液体の流れは、主コラムの上方部分へ還流１８として戻される。一方、系からは、主コラムの頂部凝縮器１５から流れ１９として引き出され、その一部分２０は、補助コラム１２の下方部分内へ通される。
【００１７】
補助コラム１２は、主コラム６の作動圧力より低い、４５〜６５ｐｓｉａ（ｌｂ／ｉｎ2絶対圧）の範囲内の圧力で作動している。補助コラム１２へ供給されてきた供給空気は、補助コラム内において極低温精製によって窒素富化蒸気と酸素豊富液体とに分離される。酸素豊富液体は、補助コラム１２の下方部分から液体流２１として引き出され、補助コラム１２の頂部凝縮器２２の沸騰側へ通される。補助コラム１２の頂部凝縮器２２の沸騰側へは、主コラムの頂部凝縮器１５からも酸素富化液体流２３が通される。更に、補助コラム１２の頂部凝縮器２２の沸騰側へは、又、後述する超高純度酸素ストリッピングコラム３５の底部リボイラー４１から引き出された第３の液体も通される。
【００１８】
一方、補助コラム１２の頂部凝縮器２２の凝縮側へは、補助コラムの上方部分から窒素富化蒸気が通され、そこで、頂部凝縮器２２の沸騰側に通された上記各液体との間接熱交換によって凝縮されて窒素富化液体となる。得られた窒素富化液体の流れ２６は、頂部凝縮器２２から引き出され、その一部分２７は、補助コラム１２へ還流として戻される。窒素富化液体流２６の他の一部分（第２部分）２８は、液体ポンプ２９に通すことによって昇圧され、得られた高圧の窒素富化液体３０は、主コラム６の上方部分へ圧送される。所望ならば、窒素富化液体３０の一部分３１を液体窒素生成物として回収することができる。
【００１９】
補助コラム１２から主コラム６へ窒素富化液体を送ることにより、主コラム６内の液体の量を増大させ、それによって、主コラム６内に高い回収率で、かつ、超高純度の窒素豊富蒸気を生成することを可能にする。窒素豊富蒸気１６の一部分３２は、主熱交換器４に通すことによって加温され、超高純度窒素生成物流３３として回収される。
【００２０】
酸素豊富液体の一部分は、補助コラム１２の下方部分から液体流３４として引き出され、超高純度酸素ストリッピングコラム３５の上方部分、好ましくは頂部内へストリッピングコラム供給物（液体）として送られる。ストリッピングコラム３５で得られる超高純度酸素生成物４２にメタン、クリプトン、キセノン等の重質の汚染物（不純物）、即ち、酸素より揮発性の低い成分が含まれないようにするために、ストリッピングコラム３５への液体供給物は、そのような重質の汚染物を含有していないものとすべきである。その目的は、ストリッピングコラム３５への供給物を補助コラム１２の中間部位、例えば、補助コラム１２への供給空気の導入部位より高い部位から引き出すことによって達成される。ストリッピングコラムへ供給された液体供給物は、ストリッピングコラム３５内を上昇流蒸気と向流関係をなして接触せしめられて流下し、その過程においてストリッピングコラム供給物中の窒素やアルゴン等の比較的揮発性の高い成分は、流下する液体から剥離されて上昇流蒸気内へ取り込まれてストリッピングコラム３５の頂部から廃蒸気流３６として排出され、ストリッピングコラム３５の下方部分内には超高純度酸素流体が生成される。廃蒸気流３６は、補助コラム１２の頂部凝縮器２２からの蒸気流３７と合流されて廃流３８となる。廃流３８は、主熱交換器４に通すことによって加温され、流れ３９として系から排出される。
【００２１】
主コラムの頂部凝縮器１５からの酸素富化蒸気流１９の一部分４０は、ストリッピングコラム３５の底部リボイラー４１へ送られ、そこで、ストリッピングコラムの下方部分内の超高純度酸素液体との間接熱交換によって凝縮されて酸素富化液体となる。相手方の超高純度酸素液体の一部分は、蒸発せしめられてストリッピングコラム３５内を上昇する前記上昇蒸気流となる。凝縮した酸素富化液体は、先に述べたように、底部リボイラー４１から流れ２４として頂部凝縮器２２へ送られる。超高純度酸素流体の残りの部分は、ストリッピングコラムの下方部分から超高純度酸素生成物４２として蒸気及び、又は液体の形で回収される。図１の実施形態は、超高純度酸素生成物を液体流れ４２として回収する場合を示す。
【００２２】
図２及び３は、それぞれ、本発明の別の実施形態を示す。図２及び３において図１に示されたものと同じ要素は同じ参照番号で示されており、説明を繰り返さない。
【００２３】
図２を参照して説明すると、図２の実施形態ではストリッピングコラム３５への酸素含有供給物は、図１の実施形態の場合のように補助コラム１２からではなく、主コラム６の下方部分の供給空気導入部位より高い部位から引き出される。主コラム６の下方部分から引き出された酸素富化液体は、液体流５０として引き出され、ストリッピングコラム３５の上方部分内へストリッピングコラム供給物として導入される。
【００２４】
図３に示された実施形態では、酸素富化流体が、主コラム６から流れ５１として補助コラム１２へ追加の供給物として送られる。補助コラム１２からの酸素豊富液体は、図１の実施形態の場合と同様に、補助コラム１２からストリッピングコラム３５内へストリッピングコラム供給物として導入される。
【００２５】
叙上のように、本発明によれば、超高純度窒素と超高純度酸素の両方を高回収率で生成することができる。
【００２６】
以上、本発明を実施形態に関連して説明したが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形状に限定されるものではなく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の極低温精製装置の好ましい一実施形態の概略図である。
【図２】図２は、本発明の極低温精製装置の別の好ましい実施形態の概略図である。
【図３】図３は、本発明の極低温精製装置の更に別の好ましい実施形態の概略図である。
【符号の説明】
１；供給空気
２；第１供給空気
３；第２供給空気
４；主熱交換器
５；冷却された第１供給空気流
６；主コラム
７；圧縮機
８；圧縮された供給空気流
９；圧縮され冷却された供給空気流
１０；ターボ膨脹機
１１；ターボ膨張された供給空気流
１２；補助コラム
１３；酸素富化液体流
１４；酸素富化液体
１５；頂部凝縮器
１６；窒素豊富蒸気流
１８；還流
１９；酸素富化蒸気流
２２；頂部凝縮器
２６；窒素富化液体流
２９；液体ポンプ
３０；窒素富化液体
３３；超高純度窒素生成物流
３５；ストリッピングコラム
３６；廃蒸気流
３８；廃流
４１；底部リボイラー
４２；超高純度酸素生成物
【図１】
0003545629.tif 000002
【図２】
0003545629.tif 000003
【図３】
0003545629.tif 000004