(57)【要約】【課題】  窒素ガスを原料として超高純度窒素を効率よく採取できる超高純度窒素製造装置及び方法を提供する。【解決手段】  水素、一酸化炭素及び酸素を含み、水蒸気及び二酸化炭素を含まない原料窒素ガスを昇圧する工程と、原料窒素ガス中の水素及び一酸化炭素を除去する工程と、原料窒素ガスを冷却する工程と、冷却した原料窒素ガスを精留塔で超高純度窒素ガスと高沸点成分が濃縮した液化ガスとに分離する工程と、超高純度窒素ガスと液化ガスとを熱交換させて液化ガスを廃ガスとし、超高純度窒素ガスを還流液とする工程と、超高純度窒素ガスの一部を製品超高純度窒素ガスとして導出する工程と、超高純度窒素ガスの残部を昇圧して循環窒素ガスとする工程と、循環窒素ガスを冷却する工程と、冷却した循環窒素ガスで液化ガスを気化して上昇ガスを得る工程と、液化した循環液化窒素を精留塔上部に導入する工程とを含む。【選択図】  図１
2005076985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素又は一酸化炭素を０．１体積ｐｐｍ以上含むとともに不純物としての酸素を含み、水蒸気及び二酸化炭素を実質的に含まない原料窒素ガスを圧縮、精製、冷却して低温液化精留することにより、水素、一酸化炭素及び酸素濃度を１０体積ｐｐｂ以下とした超高純度窒素を製造する装置において、原料窒素ガスを昇圧する原料窒素圧縮機と、昇圧した原料窒素ガス中の水素を水に、一酸化炭素を二酸化炭素に転換可能で、かつ、生成した水及び二酸化炭素を吸着可能なガス処理剤を用いたガス精製設備と、精製した原料窒素ガス及び循環窒素ガスと超高純度窒素ガス及び廃ガスとを熱交換させて原料窒素ガス及び循環窒素ガスを露点近くまで冷却するとともに超高純度窒素ガス及び廃ガスを常温まで昇温する熱交換器と、露点近くまで冷却された原料窒素ガスを超高純度窒素ガスと高沸点成分が濃縮した液化ガスとに精留分離する精留塔と、該精留塔の塔底部に設けられて高沸点成分が濃縮した前記液化ガスを気化させる蒸化器と、前記精留塔頂部の超高純度窒素ガスの一部を液化して精留塔の還流液を得るための凝縮器と、精留塔頂部から抜き出した前記超高純度窒素ガスの残部を前記熱交換器で常温付近まで昇温してその一部を製品超高純度窒素ガスとして導出する製品超高純度窒素ガス導出経路と、前記熱交換器で常温付近まで昇温した超高純度窒素ガスの残部を昇圧して循環窒素ガスとする循環窒素圧縮機と、前記熱交換器で露点近くまで冷却した循環窒素ガスを前記蒸化器に導入する経路と、該蒸化器で精留塔底部の前記液化ガスを気化させることにより液化した循環液化窒素を減圧して前記精留塔の上部に導入する経路と、高沸点成分が濃縮した前記液化ガスを精留塔の底部から抜き出して減圧後に前記凝縮器に導入する経路と、凝縮器で前記超高純度窒素ガスの一部を液化させることによって前記液化ガスが気化した廃ガスを前記熱交換器で常温まで昇温して排出する廃ガス排出経路とを備えていることを特徴とする超高純度窒素製造装置。
【請求項２】
前記凝縮器は、その気化側流路に、寒冷補給用の液化窒素を導入する経路を備えていることを特徴とする請求項１記載の超高純度窒素製造装置。
【請求項３】
前記廃ガス排出経路は、廃ガスの少なくとも一部を断熱膨張させて寒冷を発生する膨張タービンを備えていることを特徴とする請求項１記載の超高純度窒素製造装置。
【請求項４】
前記製品超高純度窒素ガスとなる前記超高純度窒素ガスを、前記精留塔の頂部から数段下の精留段から抜き出すことを特徴とする請求項１記載の超高純度窒素製造装置。
【請求項５】
水素又は一酸化炭素を０．１体積ｐｐｍ以上含むとともに不純物としての酸素を含み、水蒸気及び二酸化炭素を実質的に含まない原料窒素ガスを圧縮、精製、冷却して低温液化精留することにより、水素、一酸化炭素及び酸素濃度を１０体積ｐｐｂ以下とした超高純度窒素を製造する方法において、原料窒素ガスを昇圧する工程と、昇圧した原料窒素ガス中の水素を水に、一酸化炭素を二酸化炭素に転換可能で、かつ、生成した水及び二酸化炭素を吸着可能なガス処理剤により原料窒素ガスを精製する工程と、精製した原料窒素ガスを露点近くまで冷却する工程と、露点近くまで冷却した原料窒素ガスを精留塔の下部に導入して精留塔頂部の超高純度窒素ガスと精留塔底部の高沸点成分が濃縮した液化ガスとに精留分離する工程と、精留塔頂部の超高純度窒素ガスの一部と精留塔底部から抜き出して減圧した液化ガスとを熱交換させることにより液化ガスを気化させて廃ガスを生成するとともに超高純度窒素ガスを液化させて精留塔の還流液を得る工程と、精留塔頂部の前記超高純度窒素ガスの残部を精留塔から抜き出して常温付近まで昇温し、その一部を製品超高純度窒素ガスとして導出する工程と、常温付近まで昇温した超高純度窒素ガスの残部を昇圧して循環窒素ガスとする工程と、該循環窒素ガスを露点近くまで冷却する工程と、露点近くまで冷却した循環窒素ガスにより前記精留塔底部の高沸点成分が濃縮した液化ガスを気化させて精留塔の上昇ガスを得るとともに循環窒素ガスを液化して循環液化窒素を得る工程と、該循環液化窒素を減圧して精留塔の上部に導入する工程と、前記廃ガスを常温まで昇温して排出する工程とを有し、前記精製した原料窒素ガスの冷却及び前記循環窒素ガスの冷却と、前記超高純度窒素ガスの昇温及び前記廃ガスの昇温とを同時に行うことを特徴とする超高純度窒素製造方法。
【請求項６】
前記精留塔の還流液を得る工程は、前記超高純度窒素ガスを液化させるための寒冷源の一部として寒冷補給用の液化窒素を外部から導入することを特徴とする請求項５記載の超高純度窒素製造方法。
【請求項７】
前記廃ガスを常温まで昇温して排出する工程は、廃ガスの少なくとも一部を断熱膨張させて寒冷を発生する工程を含んでいることを特徴とする請求項５記載の超高純度窒素製造方法。
【請求項８】
前記製品超高純度窒素ガスとなる前記超高純度窒素ガスは、前記精留塔の頂部から数段下の精留段から抜き出すことを特徴とする請求項５記載の超高純度窒素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高純度窒素製造装置及び方法に関し、詳しくは、水素又は一酸化炭素を０．１体積ｐｐｍ以上含むとともに不純物としての酸素を含み、水蒸気及び二酸化炭素を実質的に含まない窒素ガスを原料として水素、一酸化炭素及び酸素濃度を１０体積ｐｐｂ以下とした超高純度窒素を製造する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導休製造分野においては、ＬＳＩの高集積度化に伴い、水素、一酸化炭素及び酸素の各濃度が１０体積ｐｐｂ以下の超高純度窒素ガスの需要が高まってきている。工業的に多くの窒素ガスを製造するためには、空気の低温精留分離が一般的である。通常、原料の空気には、ｐｐｍオーダーの水素及び一酸化炭素が混入しており、超高純度窒素を製造するためには、原料空気に混入している水素及び一酸化炭素を除去する必要がある。
【０００３】
水素は、その沸点が窒素よりも低く、通常の精留操作では分離されず、その大部分は窒素ガスに同伴される。一方、一酸化炭素は、沸点が窒素と同程度なので、経済的に精留分離することは困難である。そこで従来は、主に以下の方法で水素や一酸化炭素を含まない超高純度窒素を製造していた。
【０００４】
第一の方法は、高温触媒による方法である。この方法は、原料空気を圧縮機で所定の圧力まで圧縮した後、その圧縮熱、加熱器等を利用して加熱し、原料空気中の水素及び一酸化炭素を触媒で酸化して除去する方法である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
第二の方法は、精留塔の塔頂パージを用いる方法である。この方法は、精留塔頂部に水素等の低沸点成分を濃縮パージする精留段を設け、製品とする超高純度窒素を頂部から数段下の精留段から採取する方法である（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
第三の方法は、常温触媒を用いる方法である。この方法は、原料空気中に含まれる水蒸気、二酸化炭素を吸着除去する吸着剤の下流に常温で活性のある触媒を設置し、この触媒によって原料空気中に微量に含まれる水素及び一酸化炭素を酸化除去する方法である（例えば、特許文献３参照、特許文献４参照。）。
【０００７】
このように、従来技術でも水素及び一酸化炭素を含まない超高純度窒素の製造は可能であったが、装置価格、装置の運転費用及びその効果の点で改善の余地があった。その改善策の一つは、他装置からの窒素ガスを原料として超高純度窒素を製造する方法である。例えば、国内外の多くの製鉄所では、多量の工業ガスが用いられており、同時に多量の不純窒素ガスが廃ガスとして大気放出されている。この放出されている不純窒素ガスには、不純物としてパーセントレベルからｐｐｍレベルの酸素や微量の水素及び一酸化炭素が含まれているが、通常の大気組成に比較して窒素組成が高いので、超高純度窒素を製造するための原料ガスとしては、空気を用いるより有利である。
【０００８】
前記不純窒素ガスを原料として超高純度窒素を製造する方法として、原料窒素ガスに酸素ガスを添加し、前述した高温触媒を用いて原料窒素ガス中の水素、一酸化炭素を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。この方法には、系外から酸素を導入して原料窒素ガス中の水素、一酸化炭素の酸化に用いること、廃ガス中に含まれる未反応酸素を原料窒素ガスに再度導入すること、製品とする超高純度窒素を精留塔頂部から数段下から採取することなどが含まれている。
【０００９】
しかし、この方法では、原料窒素ガスに元々混入していた酸素及び別途加えた酸素を除去する必要があるため、精留塔に必要な段数が増えるという不都合があり、さらに、原料窒素ガスに含まれる水素、一酸化炭素を除去するために、加熱器、充填塔、冷却器、乾燥器が必要であり、装置の設置面積の低減が困難である。また、乾燥器の再生には、原料ガス、循環ガスを用いているが、乾燥器の再生のたびに装置は減量運転となり、装置の安定性に問題がある。
【００１０】
加えて、窒素凝縮器の温度差を確保するため、気液分離器は大気圧近くの圧力にする必要がある。したがって、原料窒素ガスが中圧で得られる場合には、未反応酸素を含む廃ガスを原料窒素ガスに再導入するために廃ガスを昇圧する必要があり、原料窒素ガスが中圧で得られることのメリットを充分に生かすことができない。しかも、触媒反応用の酸素供給源を別途確保する必要もある。
【００１１】
また、別の方法として、空気を原料として前段の低圧塔で粗純度の窒素を採取した後、この粗純度の窒素を原料として後段の中圧塔で超高純度窒素を採取する方法も提案されている（例えば、特許文献６参照、特許文献７参照。）。この方法では、単精留装置に比較して装置規模が大きくなる問題がある。また、超高純度窒素の圧力は、複精留塔が成立する圧力であり、超高純度窒素に必要な圧力が低圧であっても動力を削減することができない。
【００１２】
例えば、特許文献６の説明では、原料空気の圧力を３．８ａｔａ（３７３ｋＰａ）としており、通常の空気分離装置に比較して低圧としているが、このために原料空気中から除去すべき水蒸気量が大幅に増加し、原料空気を精製するための吸着器が大型となる。また、原料空気圧力を高くすれば吸着器は小型化されるが、凝縮器を成立させるために中圧精留塔の運転圧力をさらに高くする必要があり、動力原単位が上昇してしまう。
【００１３】
さらに、この場合も、粗精製窒素ガスに含まれる水素、一酸化炭素の除去のために、加熱器、充填塔、冷却器、乾燥器が別途必要であり、装置の設置面積の低減が困難である。また、二組の乾燥器の再生ガスが必要になり、それによって製品収率の上限が決まってしまうという問題もある。
【特許文献１】特開平３−１７０７８６号公報
【特許文献２】特開昭６０−１４２１８３号公報
【特許文献３】特開２００１−４６８７８号公報
【特許文献４】特開２００２−７９０３２号公報
【特許文献５】特開平６−５８６６３号公報
【特許文献６】特開平９‐３３１６６号公報
【特許文献７】特開平６−１０９３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の超高純度窒素の製造方法、製造装置では、いずれの場合も、数多くの機器を必要とするために、装置価格が高く、また、装置を設置するために大きな面積が必要であり、運転費用も高くなっている。
【００１５】
そこで本発明は、他の空気分離装置等から得られる窒素ガスを原料として水素、一酸化炭素を極微量にまで除去した超高純度窒素を効率よく低コストで採取することができ、装置価格の低減、装置設置面積の削減、動力原単位の低減、運転性の向上等を図れる超高純度窒素製造装置及び方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の超高純度窒素製造装置は、水素又は一酸化炭素を０．１体積ｐｐｍ以上含むとともに不純物としての酸素を含み、水蒸気及び二酸化炭素を実質的に含まない原料窒素ガスを圧縮、精製、冷却して低温液化精留することにより、水素、一酸化炭素及び酸素濃度を１０体積ｐｐｂ以下とした超高純度窒素を製造する装置において、原料窒素ガスを昇圧する原料窒素圧縮機と、昇圧した原料窒素ガス中の水素を水に、一酸化炭素を二酸化炭素に転換可能で、かつ、生成した水及び二酸化炭素を吸着可能なガス処理剤を用いたガス精製設備と、精製した原料窒素ガス及び循環窒素ガスと超高純度窒素ガス及び廃ガスとを熱交換させて原料窒素ガス及び循環窒素ガスを露点近くまで冷却するとともに超高純度窒素ガス及び廃ガスを常温まで昇温する熱交換器と、露点近くまで冷却された原料窒素ガスを超高純度窒素ガスと高沸点成分が濃縮した液化ガスとに精留分離する精留塔と、該精留塔の塔底部に設けられて高沸点成分が濃縮した前記液化ガスを気化させる蒸化器と、前記精留塔頂部の超高純度窒素ガスの一部を液化して精留塔の還流液を得るための凝縮器と、精留塔頂部から抜き出した前記超高純度窒素ガスの残部を前記熱交換器で常温付近まで昇温してその一部を製品超高純度窒素ガスとして導出する製品超高純度窒素ガス導出経路と、前記熱交換器で常温付近まで昇温した超高純度窒素ガスの残部を昇圧して循環窒素ガスとする循環窒素圧縮機と、前記熱交換器で露点近くまで冷却した循環窒素ガスを前記蒸化器に導入する経路と、該蒸化器で精留塔底部の前記液化ガスを気化させることにより液化した循環液化窒素を減圧して前記精留塔の上部に導入する経路と、高沸点成分が濃縮した前記液化ガスを精留塔の底部から抜き出して減圧後に前記凝縮器に導入する経路と、凝縮器で前記超高純度窒素ガスの一部を液化させることによって前記液化ガスが気化した廃ガスを前記熱交換器で常温まで昇温して排出する廃ガス排出経路とを備えていることを特徴としている。
【００１７】
さらに、本発明の超高純度窒素製造装置は、前記凝縮器の気化側流路に寒冷補給用の液化窒素を導入する経路を備えていること、前記廃ガス排出経路に廃ガスの少なくとも一部を断熱膨張させて寒冷を発生する膨張タービンを備えていること、前記製品超高純度窒素ガスとなる超高純度窒素ガスを精留塔の頂部から数段下の精留段から抜き出すことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の超高純度窒素製造方法は、水素又は一酸化炭素を０．１体積ｐｐｍ以上含むとともに不純物としての酸素を含み、水蒸気及び二酸化炭素を実質的に含まない原料窒素ガスを圧縮、精製、冷却して低温液化精留することにより、水素、一酸化炭素及び酸素濃度を１０体積ｐｐｂ以下とした超高純度窒素を製造する方法において、原料窒素ガスを昇圧する工程と、昇圧した原料窒素ガス中の水素を水に、一酸化炭素を二酸化炭素に転換可能で、かつ、生成した水及び二酸化炭素を吸着可能なガス処理剤により原料窒素ガスを精製する工程と、精製した原料窒素ガスを露点近くまで冷却する工程と、露点近くまで冷却した原料窒素ガスを精留塔の下部に導入して精留塔頂部の超高純度窒素ガスと精留塔底部の高沸点成分が濃縮した液化ガスとに精留分離する工程と、精留塔頂部の超高純度窒素ガスの一部と精留塔底部から抜き出して減圧した液化ガスとを熱交換させることにより液化ガスを気化させて廃ガスを生成するとともに超高純度窒素ガスを液化させて精留塔の還流液を得る工程と、精留塔頂部の前記超高純度窒素ガスの残部を精留塔から抜き出して常温付近まで昇温し、その一部を製品超高純度窒素ガスとして導出する工程と、常温付近まで昇温した超高純度窒素ガスの残部を昇圧して循環窒素ガスとする工程と、該循環窒素ガスを露点近くまで冷却する工程と、露点近くまで冷却した循環窒素ガスにより前記精留塔底部の高沸点成分が濃縮した液化ガスを気化させて精留塔の上昇ガスを得るとともに循環窒素ガスを液化して循環液化窒素を得る工程と、該循環液化窒素を減圧して精留塔の上部に導入する工程と、前記廃ガスを常温まで昇温して排出する工程とを有し、前記精製した原料窒素ガスの冷却及び前記循環窒素ガスの冷却と、前記超高純度窒素ガスの昇温及び前記廃ガスの昇温とを同時に行うことを特徴としている。
【００１９】
さらに、本発明の超高純度窒素製造方法は、前記精留塔の還流液を得る工程は超高純度窒素ガスを液化させるための寒冷源の一部として寒冷補給用の液化窒素を外部から導入すること、前記廃ガスを常温まで昇温して排出する工程は廃ガスの少なくとも一部を断熱膨張させて寒冷を発生する工程を含んでいること、前記製品超高純度窒素ガスとなる超高純度窒素ガスは精留塔の頂部から数段下の精留段から抜き出すことを特徴としている。
【００２０】
なお、本発明における原料窒素ガスは、前述のように、水素又は一酸化炭素を０．１体積ｐｐｍ以上含むとともに不純物としての酸素を含み、水蒸気及び二酸化炭素を実質的に含まない窒素ガスである。このような原料窒素ガスは、空気分離装置から排出される廃ガスや不純窒素ガス等であり、窒素組成が大気中の窒素組成よりも多いガスを想定している。したがって、廃ガス、製品窒素ガス、不純窒素ガス等のガスの呼称の違いに依らず、前記条件を満たす全てのガスを本発明の原料窒素ガスとして用いることができる。また、実質的に水蒸気及び二酸化炭素を含まないということは、原料窒素ガス中の水蒸気、二酸化炭素の組成が、一般的な深冷空気分離装置の前処理設備で処理された状態と同程度であることを意味する。したがって、設計条件によって異なるが、一般的な組成は、数ｐｐｍのオーダーあるいはそれ以下である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、装置価格の低減、装置設置面積の削減、動力原単位の低減、運転性の向上等を図ることができ、他の空気分離装置等からの窒素ガスを原料として水素、一酸化炭素を極微量にまで除去した超高純度窒素を効率よく低コストで採取することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の超高純度窒素製造装置の第１形態例を示す系統図である。この超高純度窒素製造装置は、原料窒素ガスを昇圧するための原料窒素圧縮機１１と、該原料窒素圧縮機１１で昇圧した原料窒素ガスを精製するためのガス精製設備１２と、該ガス精製設備１２で精製された原料窒素ガスを露点近くまで冷却するための熱交換器１３と、該熱交換器１３で露点近くまで冷却された原料窒素ガスを精留分離するための精留塔１４と、該精留塔１４の塔底液を気化させるための蒸化器１５と、該精留塔１４の塔頂ガスを液化させるための凝縮器１６と、超高純度窒素ガスの一部を昇圧して循環させるための循環窒素圧縮機１７とを備えている。
【００２３】
以下、原料窒素ガスから超高純度窒素ガスを採取する手順に基づいて本発明装置及び本発明方法を更に詳細に説明する。まず、深冷空気分離装置２１等から経路２２に排出され、その一部が経路２３に分岐した原料窒素ガスは、原料窒素圧縮機１１で規定の圧力に昇圧され、アフタークーラー２４で常温に冷却された後、経路２５を通ってガス精製設備１２に導入される。
【００２４】
ガス精製設備１２は、ガス処理剤を充填した一対の反応筒２６ａ，２６ｂを備えている。このガス精製設備１２には、反応筒２６ａ，２６ｂを切換使用するため、反応筒入口側に入口弁２７ａ，２７ｂ及び再生出口弁２８ａ，２８ｂを、反応筒出口側に出口弁２９ａ、２９ｂ及び再生入口弁３０ａ，３０ｂをそれぞれ設けており、これらの弁を所定の順序で開閉することによって原料窒素ガスの精製処理を連続して行えるようにしている。
【００２５】
反応筒内のガス処理剤は、原料窒素ガス中の水素を水に、一酸化炭素を二酸化炭素に転換可能で、かつ、生成した水及び二酸化炭素を吸着可能なガス処理剤を用いている。このガス処理剤としては、例えば、特開２００１−４６８７８号公報に記載されているように、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム及びこれらの酸化物からなる群より選ばれる少なくとも一種を、アルミナ、チタニア、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、酸化錫等の無機多孔性物質に担持してなる触媒を、ゼオライトのような吸着剤の表面に形成したものが好適である。このようなガス処理剤を使用することにより、水素や一酸化炭素の酸化と同時に、生成した水及び二酸化炭素を吸着除去できるので、従来のように、加熱器、充填塔、冷却器、乾燥器といった複数の機器を用いる必要がなくなり、一つの機器のみで対応が可能となることから、装置の設置面積を低減することが可能となる。
【００２６】
さらに、二酸化炭素及び水蒸気を実質的に含まない窒素ガスを原料としているので、原料窒素ガス中の水蒸気及び二酸化炭素を除去する必要がなく、これらを除去するためのアルミナゲルやゼオライト等も不要となる。これにより、原料として空気を用いる場合に比べて水素、一酸化炭素を除去するガス精製設備１２の小型化が可能となる。同時に、アルミナゲルやゼオライト等を再生する処理もなくなるため、再生ガス率の低減、再生エネルギーの低減が可能となる。すなわち、製品収率を上昇させても、ガス精製設備１２の再生に支障はなく、装置の定常運転が可能となる。
【００２７】
また、一般に、原料窒素ガス中の水素、一酸化炭素の組成は微量であるから、酸化反応により発生する水、二酸化炭素も微量である。したがって、前述のようなガス処理剤を使用せずに、水素、一酸化炭素を酸化するための触媒の下流に、酸化反応により生成した水、二酸化炭素を吸着除去するための吸着剤を別途設置することも可能である。
【００２８】
ガス精製設備１２で精製された原料窒素ガスは、経路３１を通ってコールドボックス３２内に流入し、熱交換器１３に導入される。この熱交換器１３では、原料窒素ガス及び後述の循環窒素ガスと超高純度窒素ガス及び廃ガスとが熱交換を行い、原料窒素ガス及び循環窒素ガスが露点近くまで冷却されるとともに、超高純度窒素ガス及び廃ガスが常温まで昇温する。
【００２９】
冷却された原料窒素ガスは、経路３３を通って精留塔１４に導入される。この精留塔１４は、塔底部に前記蒸化器１５を、塔頂部に前記凝縮器１６を有するものであって、原料窒素ガスは、蒸化器１５で気化したガスと共に上昇ガスとなり、凝縮器１６で液化した超高純度液化窒素及び後述する循環液化窒素からなる還流液と前記上昇ガスとの向流接触によって精留分離が進み、精留塔頂部には超高純度窒素ガス（塔頂ガス）が生成し、精留塔底部には、原料窒素ガスに含まれていた酸素等の高沸点成分が濃縮された液化ガス（塔底液）が生成する。また、この精留塔１４は、空気に比べて窒素組成が多い原料窒素ガスを精留分離するものであるから、空気を原料とする精留塔に比較して段数を大きく削減することができる。
【００３０】
精留塔底部の液化ガス(塔底液)は、経路３４に抜き出され、減圧弁３５で規定の圧力に減圧された後、前記凝縮器１６に冷流体として導入される。この凝縮器１６では、減圧後の液化ガスと精留塔頂部から抜き出された超高純度窒素ガスの一部とが熱交換を行い、液化ガスが気化して廃ガスＷＧを生成する。この廃ガスＷＧは、凝縮器１６から経路３６に抜き出されて前記熱交換器１３に導入され、前記原料窒素ガス及び循環窒素ガスと熱交換を行って常温に昇温した後、コールドボックス３２を出て経路３７から排出され、その一部がガス精製設備１２の再生ガスとして用いられる。
【００３１】
一方、精留頭頂部の超高純度窒素ガス（塔頂ガス）は、経路３８に抜き出された後、一部が経路３９に、残部が経路４０に分岐する。経路３９に分岐した超高純度窒素ガスの一部は、前記凝縮器１６に導入され、前記液化ガスとの熱交換により液化して超高純度液化窒素となる。この超高純度液化窒素は、凝縮器１６から経路４１に抜き出され、その大部分が精留頭頂部に還流液として導入される。また、超高純度液化窒素の一部は、経路４１から分岐した経路４２及び弁４３により製品超高純度液化窒素ＰＬＮとして採取することができる。
【００３２】
経路４０に分岐した超高純度窒素ガスは、前記熱交換器１３に導入され、前記原料窒素ガス及び循環窒素ガスと熱交換を行って常温に昇温した後、経路４４を通ってコールドボックス３２から導出される。経路４４の常温の超高純度窒素ガスは、一部が経路４５を通って製品超高純度窒素ガスＰＧＮとして採取され、残部の超高純度窒素ガスは、経路４６に分岐して窒素循環系統を流れる循環窒素ガスとなる。
【００３３】
循環窒素ガスは、前記循環窒素圧縮機１７により規定の圧力に昇圧され、アフタークーラー４７で常温に冷却された後、経路４８を通って再びコールドボックス３２に入り、熱交換器１３に導入されて超高純度窒素ガス及び廃ガスと熱交換を行い、露点近くまで冷却される。冷却された循環窒素ガスは、経路４９を経て前記蒸化器１５に温流体として導入される。蒸化器１５に導入された循環窒素ガスは、前記塔底液と熱交換を行い、塔底液の一部を気化させて上昇ガスを生成するとともに、循環窒素ガス自身は液化して循環液化窒素となる。生成した循環液化窒素は、経路５０を通り、減圧弁５１で精留塔頂部圧力に見合う圧力に減圧された後、経路５２を通って精留塔頂部に導入され、精留塔１４を下降する還流液の一部となる。
【００３４】
また、装置の運転に必要な寒冷を補給するため、凝縮器１６の気化側流路に流入する前記液化ガスの経路３４の減圧弁３５の二次側に、外部から寒冷補給用の液化窒素ＬＮを注入する液化窒素経路５３及び注入量を調節する弁５４が設けられている。この液化窒素の注入位置は任意であるが、減圧弁３５の二次側で減圧後の液化ガスに寒冷補給用の液化窒素を注入することにより、液化窒素を注入するための圧力を低くすることができ、液化窒素ポンプ等の消費エネルギーを節約することができる。このとき、一般の液化窒素には、不純物として水素、一酸化炭素が含まれていることがあるため、超高純度窒素ガスを採取するための経路や機器に液化窒素を注入すること避けるべきである。
【００３５】
図２は、本発明の超高純度窒素製造装置の第２形態例を示す系統図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例で示した超高純度窒素製造装置における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。また、ガス精製設備１２は、記載を簡略化している。
【００３６】
本形態例では、装置の運転に必要な寒冷を補給するため、前記液化窒素注入用の経路５３に代えて、廃ガスの少なくとも一部を断熱膨張させて寒冷を発生する膨張タービン６１を使用している。前記凝縮器１６から経路３６に抜き出された廃ガスは、熱交換器１３の上流で経路６２と経路６３とに分岐し、経路６２に分岐した廃ガスが熱交換器１３に導入されて中間温度まで昇温した後、経路６４を通って膨張タービン６１に導入される。膨張タービン６１で膨張降温して経路６５に流出した低温低圧の廃ガスは、前記経路６３に分岐して減圧弁６６で減圧した廃ガスと合流した後、熱交換器１３に導入されて常温に昇温し、コールドボックス３２を出て経路３７から廃ガスＷＧとして排出される。
【００３７】
図３は、本発明の超高純度窒素製造装置の第３形態例を示す系統図である。本形態例は、原料窒素ガスに、水素以外の非凝縮ガス、例えばネオンやヘリウム等が混入している場合に、これらの非凝縮ガスが製品超高純度窒素ガスに混入することを回避する例を示している。
【００３８】
すなわち、製品超高純度窒素ガスとなる前記超高純度窒素ガスを、精留塔１４の頂部から抜き出さずに、精留塔頂部から数段下、例えば、２〜５段程度の頂部精留段７１の下に設けた経路７２から製品超高純度窒素ガスＰＧＮとなる超高純度窒素ガスを抜き出すようにしている。また、製品超高純度液化窒素ＰＬＮを抜き出す経路７３も精留段７１の下に設けている。精留塔頂部には、非凝縮ガスが濃縮した塔頂ガスを抜き出し、その大部分を前記前記凝縮器１６に導入して還流液を得るための経路７４と、一部の塔頂ガスを昇温後にパージガスＰＧとして排出するための経路７５とを設けている。このように、非凝縮ガスが濃縮した塔頂ガスを抜き出して大気にパージするとともに、頂部から数段下の精留段から製品となる超高純度窒素ガスを採取することにより、製品超高純度窒素ガス中への非凝縮ガスの濃縮を低減させることができる。
【００３９】
各形態例に記載したように、本発明では、超高純度窒素ガスの一部を循環窒素ガスとして使用する窒素循環系統を設けたことにより、精留塔１４の製品収率を更に向上させるようにしている。ここで、従来の空気を原料ガスとする超高純度窒素の製造装置・方法においても、窒素による循環プロセスの付加によって製品収率を改善することが可能であるが、空気を原料とする場合は、塔底液中の酸素組成が４０〜５０％になるため、この塔底液を気化させるためには、蒸化器に導入する循環窒素の圧力を８００ｋＰａ程度まで高める必要があり、循環窒素圧縮機の消費エネルギーが多大なものとなってしまう。
【００４０】
これに対し、本発明の場合は、原料窒素ガスの酸素組成が空気より少なく、塔底液中の酸素組成が少ないため、蒸化器１５に導入する循環窒素ガスに必要な圧力を従来に比較して低くすることができるので、循環窒素圧縮機１７の消費エネルギーを削減して動力原単位を改善することができる。さらに、窒素ガスを原料とする従来の超高純度窒素の製造装置・方法と比較して製品収率を大きく改善できるとともに、動力原単位を大幅に改善することが可能となる。
【００４１】
また、製品収率の改善により、同一量の製品超高純度窒素ガスを採取する場合には、原料窒素圧縮機やガス精製設備、熱交換器、精留塔等の各機器の処理量が減少することになるので、これらの機器や配管等の小型化が可能となる。特に、水素、一酸化炭素の除去に用いる触媒には、白金、金等の貴金属が含まれており、価格が非常に高いものであるが、必要触媒総量が少なくなることによって装置価格の低減が図れる。
【実施例】
【００４２】
実施例１
図１に示す構成の超高純度窒素製造装置を使用して製品超高純度窒素ガスを採取する運転のシミュレーションを行った。原料窒素ガスの組成は、酸素濃度が２％、水素濃度が１０ｐｐｍ、一酸化炭素濃度が５ｐｐｍ、残部が窒素とした。また、原料窒素ガス量は８１００Ｎｍ３／ｈ、製品超高純度窒素ガスの採取量は７５００Ｎｍ３／ｈ、圧力は２５８ｋＰａ（絶対圧、以下同じ）に設定した。表１に主要経路におけるガスの流量、圧力、温度及び酸素濃度を示す。なお、製品超高純度窒素ガス中の酸素濃度、水素濃度、一酸化炭素濃度は、それぞれ１０体積ｐｐｂ未満である。また、製品超高純度液化窒素は採取していない。
【表１】
2005076985.tif 000003
【００４３】
比較例１
図４に示す構成の超高純度窒素製造装置を使用した。この超高純度窒素製造装置は、空気を原料として超高純度窒素ガスを製造するものであって、原料空気圧縮機１０１、ガス精製設備１０２、熱交換器１０３、精留塔１０４、凝縮器１０５、寒冷補給用液化窒素注入経路１０６、減圧弁１０７及びこれらを接続する経路からなり、精留塔１０４の塔頂部から導出した超高純度窒素ガスの一部を経路１０８から製品超高純度窒素ガスＰＧＮとして採取している。この装置を用いて、７５００Ｎｍ３／ｈ、２００ｋＰａの製品超高純度窒素ガスを採取する運転のシミュレーションを行った。
【００４４】
比較例２
図５に示す構成の超高純度窒素製造装置を使用した。この超高純度窒素製造装置は、比較例１の装置に、循環圧縮機１１１、蒸化器１１２、減圧弁１１３を有する窒素循環系統を付加したものであって、経路１０８を流れる超高純度窒素ガスの一部を循環窒素圧縮機１１１、熱交換器１０３、蒸化器１１２、減圧弁１１３を通して精留塔１０４の頂部に循環させるようにしている。この装置を用いて、７５００Ｎｍ３／ｈ、２００ｋＰａの製品超高純度窒素ガスを採取する運転のシミュレーションを行った。
【００４５】
比較例３
図６に示す構成の超高純度窒素製造装置を使用した。この超高純度窒素製造装置は、深冷空気分離装置２１からの廃窒素ガス（酸素濃度２％、水素濃度１０ｐｐｍ、一酸化炭素濃度５ｐｐｍ、残部窒素）を原料として超高純度窒素ガスを製造するものであって、原料窒素圧縮機１２１、ガス精製設備１２２、熱交換器１２３、精留塔１２４、凝縮器１２５、寒冷補給用液化窒素注入経路１２６、減圧弁１２７、製品超高純度液化窒素採取経路１２８及びこれらを接続する経路からなり、精留塔１２４の塔頂部から導出した超高純度窒素ガスの一部を経路１２９から製品超高純度窒素ガスとして採取している。
【００４６】
すなわち、本比較例装置は、本発明装置に設けられている窒素循環系統を備えていないものである。この装置を用いて、７５００Ｎｍ３／ｈ、２００ｋＰａの製品超高純度窒素ガスを採取する運転のシミュレーションを行った。なお、経路１２８からの製品超高純度液化窒素は採取していない。
【００４７】
実施例２
図１に示す構成の超高純度窒素製造装置を使用し、７５００Ｎｍ３／ｈ、２００ｋＰａの製品超高純度窒素ガスを採取する運転のシミュレーションを行った。原料窒素ガスは、比較例３と同じ深冷空気分離装置２１からの廃窒素ガスとした。
【００４８】
比較例１〜３及び実施例２の計算結果をまとめて表２に示す。表２において、所用動力及び触媒量は、比較例１の数値を１００とした場合の比率で示している。また、原料空気及び原料窒素は共に原料ガス、循環窒素圧縮機は循環圧縮機、製品超高純度窒素ガスは製品ガスとして表記している。
【表２】
2005076985.tif 000004
【００４９】
比較例４
図７に示す構成の超高純度窒素製造装置を使用した。この超高純度窒素製造装置は、空気を原料として超高純度窒素ガスを製造するものであって、原料空気圧縮機２０１、ガス精製設備２０２、熱交換器２０３、精留塔２０４、凝縮器２０５、寒冷補給用の膨張タービン２０６、減圧弁２０７及びこれらを接続する経路からなり、精留塔２０４の塔頂部から導出した超高純度窒素ガスの一部を経路２０８から製品超高純度窒素ガスとして採取している。この装置を用いて、７５００Ｎｍ３／ｈ、７００ｋＰａの製品超高純度窒素ガスを採取する運転のシミュレーションを行った。なお、経路２０９からの製品超高純度液化窒素は採取していない。
【００５０】
比較例５
図８に示す構成の超高純度窒素製造装置を使用した。この超高純度窒素製造装置は、深冷空気分離装置２１からの廃窒素ガス（酸素濃度２％、水素濃度１０ｐｐｍ、一酸化炭素濃度５ｐｐｍ、残部窒素）を原料として超高純度窒素ガスを製造するものであって、原料窒素圧縮機２１１、ガス精製設備２１２、熱交換器２１３、精留塔２１４、凝縮器２１５、寒冷補給用の膨張タービン２１６、減圧弁２１７及びこれらを接続する経路からなり、精留塔２１４の塔頂部から導出した超高純度窒素ガスの一部を経路２１８から製品超高純度窒素ガスとして採取している。
【００５１】
すなわち、本比較例装置は、前記比較例３と同様に、本発明装置に設けられている窒素循環系統を備えていないものである。この装置を用いて、７５００Ｎｍ３／ｈ、７００ｋＰａの製品超高純度窒素ガスを採取する運転のシミュレーションを行った。なお、経路２１９からの製品超高純度液化窒素は採取していない。
【００５２】
実施例３
図２に示す構成の超高純度窒素製造装置を使用し、７５００Ｎｍ３／ｈ、７００ｋＰａの製品超高純度窒素ガスを採取する運転のシミュレーションを行った。原料窒素ガスは、比較例５と同じ深冷空気分離装置２１からの廃窒素ガスとした。
【００５３】
比較例４，５及び実施例３の計算結果をまとめて表３に示す。なお、表３の表記は表２と同様である。
【表３】
2005076985.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、ＬＳＩ等を製造する半導休製造分野に供給するための超高純度窒素の製造に利用することにより、超高純度窒素の製造コストを低減し、これによってＬＳＩ等の製造コストの削減も図れる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の超高純度窒素製造装置の第１形態例を示す系統図である。
【図２】本発明の超高純度窒素製造装置の第２形態例を示す系統図である。
【図３】本発明の超高純度窒素製造装置の第３形態例を示す系統図である。
【図４】比較例１で使用した超高純度窒素製造装置の系統図である。
【図５】比較例２で使用した超高純度窒素製造装置の系統図である。
【図６】比較例３で使用した超高純度窒素製造装置の系統図である。
【図７】比較例４で使用した超高純度窒素製造装置の系統図である。
【図８】比較例５で使用した超高純度窒素製造装置の系統図である。
【符号の説明】
【００５６】
１１…原料窒素圧縮機、１２…ガス精製設備、１３…熱交換器、１４…精留塔、１５…蒸化器、１６…凝縮器、１７…循環窒素圧縮機、２１…深冷空気分離装置、２６ａ，２６ｂ…反応筒、３２…コールドボックス、３５…減圧弁、５３…液化窒素経路、６１…膨張タービン、７１…頂部精留段
【図１】
2005076985.tif 000006
【図２】
2005076985.tif 000007
【図３】
2005076985.tif 000008
【図４】
2005076985.tif 000009
【図５】
2005076985.tif 000010
【図６】
2005076985.tif 000011
【図７】
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【図８】
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