(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを有する高圧精留塔と、その高圧精留塔へ微量不純物を含む酸素を導く導入経路と、精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを有する低圧精留塔と、前記高圧精留塔の上部から高純度の酸素を導出し弁を介して前記低圧精留塔へ導く移送経路と、前記低圧精留塔の下部から超高純度の酸素を導出する導出経路と、
前記高圧精留塔のリボイラの加温部にリサイクルガスを供給し、液化したリサイクルガスを減圧後に前記高圧精留塔のコンデンサの冷媒貯留部に供給し、気化したリサイクルガスを前記低圧精留塔のリボイラの加温部に供給し、液化したリサイクルガスを減圧後に前記低圧精留塔のコンデンサの冷媒貯留部に供給し、気化したリサイクルガスを熱交換器に導いて加温した後、リサイクル圧縮機で圧縮してから前記熱交換器に導いて冷却し、これを前記高圧精留塔のリボイラの加温部に供給して循環させるリサイクル経路とを備えた超高純度酸素の製造装置。
【請求項２】
前記高圧精留塔の運転圧力が、前記低圧精留塔の運転圧力よりも０．０５〜０．１５ＭＰａ高い圧力に設定されている請求項１記載の超高純度酸素の製造装置。
【請求項３】
精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを有する高圧精留塔と、精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを有する低圧精留塔とを用いて、微量不純物を含む酸素を前記高圧精留塔で精留を行って、その高圧精留塔の上部から高純度の酸素を導出した後、その高純度の酸素を弁を介して前記低圧精留塔へ導いて更に精留を行い、その精留部の下部又は該下部よりもリボイラ側から超高純度の酸素を製出するために、
前記高圧精留塔のリボイラの加温部にリサイクルガスを供給し、液化したリサイクルガスを減圧後に前記高圧精留塔のコンデンサの冷媒貯留部に供給し、気化したリサイクルガスを前記低圧精留塔のリボイラの加温部に供給し、液化したリサイクルガスを減圧後に前記低圧精留塔のコンデンサの冷媒貯留部に供給し、気化したリサイクルガスを熱交換器に導いて加温した後、リサイクル圧縮機で圧縮してから前記熱交換器に導いて冷却し、これを前記高圧精留塔のリボイラの加温部に供給して循環させる超高純度酸素の製造方法。
【請求項４】
前記高圧精留塔の運転圧力が、前記低圧精留塔の運転圧力よりも０．０５〜０．１５ＭＰａ高い圧力に設定されている請求項３記載の超高純度酸素の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量不純物を含む酸素を２塔の精留塔を用いて分離精製することにより、超高純度の酸素を製造する超高純度酸素の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の半導体工業等の分野においては、超高純度の酸素、具体的には純度９９．９９９９％程度の酸素の需要が増大しているが、一般的な空気分離装置による酸素製造方法では、純度９９．５〜９９．９％程度の酸素しか得られず、前記需要に応じ得るような超高純度の酸素は得られない。そこで、上記純度の液体酸素を原料とし、高沸点不純物と低沸点不純物を分離すべく、２塔の精留塔を用いて精製することで、当該酸素中に含まれる炭化水素、アルゴン、窒素等の微量不純物を除去する方法が知られている。
【０００３】
例えば、特開平２−１５０６８６号公報には、微量不純物を含む酸素を、精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを具備する第１精留塔へ導き、精留を行って、該精留部の下部側から高純度の酸素を製出した後、該高純度の酸素を、精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを具備する第２精留塔へ導き、精留を行って、該精留部の上部側から超高純度の酸素を製出する超高純度酸素製造方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平２−２８２６８３号公報には、微量不純物を含む酸素を、上記と同様の第１精留塔へ導き、精留を行って、該精留部の上部側から高純度の酸素を製出した後、該高純度の酸素を上記と同様の第２精留塔へ導き、精留を行って、該精留部の下部側から超高純度の酸素を製出する超高純度酸素製造方法において、各々の精留塔のコンデンサ及びリボイラに寒冷源及び熱源を供給すべく窒素を圧縮、膨張させながらリサイクルさせるリサイクル経路を並列に設けた装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにリサイクル経路を並列に設ける場合、リサイクル窒素流量は、各々の精留塔の必要還流比により決定されるため、必要リサイクル窒素流量の合計が装置全体に必要なリサイクル窒素流量となる。そして、リサイクル圧縮機の電力消費量は、その処理量及び圧縮比の対数に比例するため、上記の並列に設けたリサイクル経路では、エネルギー効率の低下により電力消費量が大きくなっていた。
【０００６】
一方、原料酸素中に低沸点不純物として含まれるアルゴンは、沸点（大気圧下）が−１８６℃と酸素の沸点（−１８３℃）に近く、しかも一般的にアルゴンは高沸点不純物より含有量がはるかに多い。このため、２塔の精留塔を用いて酸素を分離精製しようとすると、低沸点不純物を分離除去する精留塔と、高沸点不純物を分離除去する精留塔とにおいて、リボイラ及びコンデンサの熱量バランスなどが大きく相違する。従って、この熱量バランスの相違を利用して、電力消費量を少なくするための工夫が望まれる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、２塔の精留塔の熱量バランスの相違を利用して、超高純度の酸素を熱エネルギー的に有利に効率良く製造することができる超高純度酸素の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の超高純度酸素の製造装置は、精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを有する高圧精留塔と、その高圧精留塔へ微量不純物を含む酸素を導く導入経路と、精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを有する低圧精留塔と、前記高圧精留塔の上部から高純度の酸素を導出し弁を介して前記低圧精留塔へ導く移送経路と、前記低圧精留塔の下部から超高純度の酸素を導出する導出経路と、前記高圧精留塔のリボイラの加温部にリサイクルガスを供給し、液化したリサイクルガスを減圧後に前記高圧精留塔のコンデンサの冷媒貯留部に供給し、気化したリサイクルガスを前記低圧精留塔のリボイラの加温部に供給し、液化したリサイクルガスを減圧後に前記低圧精留塔のコンデンサの冷媒貯留部に供給し、気化したリサイクルガスを熱交換器に導いて加温した後、リサイクル圧縮機で圧縮してから前記熱交換器に導いて冷却し、これを前記高圧精留塔のリボイラの加温部に供給して循環させるリサイクル経路とを備えたことを特徴とする。ここで、超高純度の酸素とは、純度９９．９９％以上のものを指す。
【０００９】
上記において、前記高圧精留塔の運転圧力は、前記低圧精留塔の運転圧力よりも０．０５〜０．１５ＭＰａ高い圧力に設定されていることが好ましい。
【００１０】
一方、本発明の超高純度酸素の製造方法は、精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを有する高圧精留塔と、精留部の上方にコンデンサを下方にリボイラを有する低圧精留塔とを用いて、微量不純物を含む酸素を前記高圧精留塔で精留を行って、その高圧精留塔の上部から高純度の酸素を導出した後、その高純度の酸素を弁を介して前記低圧精留塔へ導いて更に精留を行い、その精留部の下部又は該下部よりもリボイラ側から超高純度の酸素を製出するために、前記高圧精留塔のリボイラの加温部にリサイクルガスを供給し、液化したリサイクルガスを減圧後に前記高圧精留塔のコンデンサの冷媒貯留部に供給し、気化したリサイクルガスを前記低圧精留塔のリボイラの加温部に供給し、液化したリサイクルガスを減圧後に前記低圧精留塔のコンデンサの冷媒貯留部に供給し、気化したリサイクルガスを熱交換器に導いて加温した後、リサイクル圧縮機で圧縮してから前記熱交換器に導いて冷却し、これを前記高圧精留塔のリボイラの加温部に供給して循環させることを特徴とする。
【００１１】
上記において、前記高圧精留塔の運転圧力が、前記低圧精留塔の運転圧力よりも０．０５〜０．１５ＭＰａ高い圧力に設定されていることが好ましい。
【００１２】
［作用効果］
本発明の製造方法及び製造装置によると、前述した熱量バランスの相違を利用して、２塔独立の精留塔にリサイクル経路を直列に設けてあるため、２塔独立の精留塔にリサイクル経路を並列に設ける場合と比較して、必要リサイクル窒素流量を少なくでき（圧縮比の増加も殆どない）、リサイクル圧縮機の電力消費量を軽減することができる。つまり、低圧精留塔のリボイラに必要な圧力で、高圧精留塔のコンデンサから必要なリサイクル窒素を供給できるように、高圧精留塔の運転圧力を設定し、高圧精留塔のリボイラが十分作動する圧力でリサイクル窒素を供給してやれば、全体の窒素リサイクル量を並列リサイクル経路の場合の低圧精留塔のリサイクル量と同じ量にすることができる。これは同時に高圧精留塔の理論段数の低減にもつながる。
【００１３】
また、前記高圧精留塔の運転圧力が、前記低圧精留塔の運転圧力よりも０．０５〜０．１５ＭＰａ高い圧力に設定されている場合、高圧精留塔と低圧精留塔の各々のリボイラとコンデンサに対して、十分な熱量の授受が行えるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の超高純度酸素の製造装置の一例を示す概略構成図である。
【００１５】
本発明において、原料となる微量不純物を含む酸素は、通常、液体酸素として供給される。本発明は、特に空気分離装置によって製造された液体酸素等又はそれと同様の組成を有するものを原料とする場合が好適であり、その場合の微量不純物としては、メタン（含有量約１００ｐｐｍ）、アルゴン（含有量約０．４％）、窒素（含有量約１０ｐｐｍ）などが挙げられる。
【００１６】
図１に示すように、液体酸素は弁Ｖ１を介して経路Ｌ１より高圧精留塔３０に供給されるが、液体酸素は図示してない空気分離装置や液体酸素貯槽などから供給される。また、本発明の製造装置で除去しにくい成分や、塵等の固体成分などの不純物を除去するための予備精製装置を経由して供給してもよい。
【００１７】
高圧精留塔３０の内部には、精留部３４が設けられており、精留部３４の型式には、棚段式や充填式等があり、いずれの型式も採用できる。精留部３４では、下降する還流液と上昇する蒸気とが気液接触しながら、蒸発と凝縮を繰り返すことで、精留部３４の下側ほど高沸点不純物が、上側ほど製品及び低沸点不純物が濃縮される。
【００１８】
高圧精留塔３０の塔頂部には、コンデンサ３３が設けられている。本実施形態では、熱交換部が冷媒貯留部３３ａに浸漬された構造のコンデンサ３３を採用している。コンデンサ３３では冷媒貯留部３３ａの冷媒を冷却源として、高圧精留塔３０の塔頂ガスの一部を凝縮させて、還流液とする。
【００１９】
高圧精留塔３０の塔底にはリボイラ３２が設けられており、経路Ｌ１１より導入する熱媒により、塔底液の一部を蒸発させてリボイルガスを生成する。塔底液には高沸点不純物が濃縮されていくため、連続的又は間欠的にに経路Ｌ６から塔底液を抜き出して、弁Ｖ３を介して放出するのが好ましい。
【００２０】
一方、本発明では、高圧精留塔３０の精留部３４の上部から高純度の酸素を導出し、弁Ｖ２を介して低圧精留塔４０へ導く移送経路Ｌ２，Ｌ３が設けられている。本実施形態では、精留部３４の上部にて、還流液の一部が抜き出されることで、高純度の酸素が液体として導出される。
【００２１】
弁Ｖ２では、適当な圧力や流量の調節を行うことができる。本発明では、上記のようにして原料酸素を高圧精留塔３０で精製した後、得られた高純度酸素を低圧精留塔４０に導いて更に精製を行う。その際、本実施形態では移送経路Ｌ２により高純度の液体酸素を導出するので、酸素ガスを導出する場合と比較して、高圧精留塔３０でリボイル熱量は小さくできる。このような場合には、後述のバイパス経路Ｌ２６に設けた弁Ｖ２３によって、過剰なリボイルガスは直接低圧精留塔４０のリボイラ４２に導入し、各塔の熱量バランスを調整することも可能である。
【００２２】
低圧精留塔４０には、移送経路Ｌ３の供給部より塔底側（下側）に精留部４１ａが設けられ、塔頂側（上側）に精留部４１ｂが設けられている。精留部４１（４１ａ，４１ｂ）の型式には、棚段式や充填式等があり、いずれの型式も採用できるが、特に低圧精留塔４０の精留部４１ａ，４１ｂは充填式とするのが好ましい。これにより圧力損失を低減してより低い圧力で運転を行うことができる。
【００２３】
移送経路Ｌ３より導入された酸素は、高圧精留塔３０の場合と同様に、低圧精留塔４０内の精留部４１をガス成分が上昇しつつ、下降する還流液と気液接触しながら、蒸発と凝縮を繰り返すことで、精留部４１ａ，４１ｂの上側ほど低沸点不純物が、下側ほど製品が濃縮される。このため、低圧精留塔４０の塔底部のリボイラ４２の製品貯留部４２ｃから、経路Ｌ４を介して製品を抜き出すことで、超高純度の製品酸素を製出することができる。
【００２４】
経路Ｌ４は弁Ｖ６を介して、製品貯槽などに製品を供給することができる。製品貯槽としては、圧力調節機構を有するもの等を採用することができる。例えば、経路Ｌ４は弁Ｖ６を介して接続された製品貯槽が、蒸発器と圧力調節弁とを備えた圧力調節機構を有する場合、この製品貯槽からは製品液体酸素を略一定圧で供給することができる。製品となる超高純度酸素は、不純物濃度が１〜１００ｐｐｂ以下まで精製することができる。なお、このような製品貯槽内の蒸発酸素ガスを別の経路を経由して低圧精留塔４０の精留部４１ａの下方などに戻すことも可能である。
【００２５】
一方、低圧精留塔４０の塔頂にはコンデンサ４３が設けられており、経路Ｌ２５より導入する冷媒により、塔頂ガスの一部を液化させて還流液を生成する。コンデンサ４３には経路Ｌ７が接続されており、濃縮されない低沸点成分を含む塔頂ガスを抜き出して、熱交換器２１で冷熱を回収した後、弁Ｖ１０を介して排出ガスとして排出する。
【００２６】
本発明のリサイクル経路では、図１に示すように、高圧精留塔３０のリボイラ３２の加温とコンデンサ３３の冷却、並びに低圧精留塔４０のリボイラ４２の加温とコンデンサ４３の冷却とを行うことができる。本実施形態では、当該リサイクル経路により窒素をリサイクルさせる例を示すが、空気等をリサイクルさせてもよい。
【００２７】
まず、高圧精留塔３０のリボイラ３２の加温部３２ｂに窒素ガスを供給して自身を液化させ、液化した液体窒素を弁Ｖ２１を有する経路Ｌ２１，Ｌ２２により、高圧精留塔３０のコンデンサ３３の冷媒貯留部３３ａに供給する。弁Ｖ２１では液面、流量の調整や圧力の調整（減圧）が行われる。次いで、コンデンサ３３で気化した窒素ガスは、経路Ｌ２３により低圧精留塔４０のリボイラ４２の加温部４２ｂに供給される。ここで液化した液体窒素を弁Ｖ２４を有する経路Ｌ２５により、低圧精留塔４０のコンデンサ４３の冷媒貯留部４３ａに供給する。弁Ｖ２２では液面、流量の調整や圧力の調整（減圧）が行われる。
【００２８】
コンデンサ４３で気化した窒素ガスは、経路Ｌ１３により熱交換器２１に導かれ、熱交換にて加温される。熱交換器２１からの窒素ガスは経路Ｌ１４を経由してリサイクル圧縮機２２で圧縮される。圧縮された窒素ガスは、経路Ｌ１５を経由して熱交換器２１に再び導かれ、熱交換にて自身が冷却される。これをリボイラ３２の加温部３２ｂに供給して循環させる。
【００２９】
上記のリサイクル経路については、弁Ｖ２３を有するバイパス経路Ｌ２６を設けて、弁Ｖ２３によって、各塔の熱量バランスを調整することも可能である。このような熱量バランスの調整手段を持つことにより、特に、起動時の各塔の精留バランスを容易に取ることができる。
【００３０】
次に、以上の装置における、各部の圧力の関係について説明する。本発明では、前述した理由より、高圧精留塔３０の運転圧力が、低圧精留塔４０の運転圧力よりも０．０５〜０．１５ＭＰａ高い圧力に設定されていることが好ましい。
【００３１】
具体的には、低圧精留塔４０内の圧力は、大気圧〜０．１ＭＰａで運転するのが好ましく、高圧精留塔３０内の圧力は、０．０５〜０．２ＭＰａで運転するのが好ましい。リサイクル圧縮機２２の入口側と出口側の圧力は、精留塔の運転圧にもよるが、前者が大気圧付近〜０．２５ＭＰａであり、後者が０．５５〜０．８ＭＰａであることが好ましい。上記のような運転条件によると、リサイクル流量が２塔独立の精留塔に並列のリサイクル経路を設けた従来法では、製品酸素量の１０〜１５倍必要であったのに対し、本発明では７〜１０倍に削減でき、電力消費量を約３０％低減することができる。
【００３２】
［他の実施形態］
以下、本発明の他の実施の形態について説明する。
【００３３】
（１）前述の実施形態では、コンデンサとして、冷媒貯留部に熱交換部が浸漬され、その熱交換部にガスを供給する連通管と液体及び残部ガスを排出する連通管とを設けた構造を採用する例を示したが、本発明では、これと異なる構造のコンデンサを採用することも可能である。例えば、図２に示すように、下方空間から連通する連通路自体が熱交換部を構成して、その連通路の上方から液化しなかった残部ガスを抜き出す構造（シェルアンドチューブ型）を採用することができる。この場合にも、冷媒貯留部３３ａには前述の実施形態と同様に冷媒が供給される。
【００３４】
この実施形態のように、高圧精留塔３０の頂部から酸素ガスを導出させ、低圧精留塔の下部から超高純度液体酸素を導出させる場合、高圧精留塔３０では原料として導入した液体酸素を気化させるため、リボイル熱量が不足し易くなり、また低圧精留塔４０では、導入した酸素ガスを液化させるためコンデンサ部の寒冷の不足が生じ易くなる。従って、図２に示すように、弁Ｖ２５を有するバイパス経路Ｌ２８を設けるのが有効になる。
【００３５】
つまり、このバイパス経路Ｌ２８によって、高圧精留塔３０のコンデンサ３３に導く液化リサイクルガスと、低圧精留塔４０のリボイラ４２に導くリサイクルガスとの量を相対的に少なくすることで、上記の如き、高圧精留塔３０で熱量不足や低圧精留塔４０での寒冷不足を解消することができる。具体的には、リサイクル経路による循環において、バイパス経路Ｌ２８に設けた弁Ｖ２５の開度を調整することで、バイパス経路Ｌ２８の流量を調節して上記のリボイル熱量不足やコンデンサ部の寒冷不足に対応すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超高純度酸素の製造装置の一例を示す概略構成図
【図２】本発明の超高純度酸素の製造装置の他の例を示す概略構成図
【符号の説明】
２１        熱交換器
２２        リサイクル圧縮機
３０        高圧精留塔
３２        リボイラ
３３        コンデンサ
３４        精留部
４０        低圧精留塔
４１        精留部
４２        リボイラ
４３        コンデンサ
Ｖ２        弁
Ｌ１        導入経路
Ｌ２〜Ｌ３  移送経路
Ｌ４        導出経路
【図１】
0003929799.tif 000002
【図２】
0003929799.tif 000003