(57)【要約】【課題】粗アルゴンガス中の酸素濃度が一時的に上昇した際にも、反応器内の温度を上限値以下に保つような、再循環ガスおよびリサイクルブロワーの不要な、アルゴンガスの精製装置およびその精製方法を提供する。【解決手段】、深冷空気分離設備におけるアルゴンガスの精製装置であって、粗アルゴンガスに水素を添加して燃焼させて酸素を取り除く反応器を直列に複数配置したことを特徴とする、アルゴンガスの精製装置が提供され、各反応器において上限値以下に保った量の水素を添加し、繰り返し燃焼させていくことで最終的には過不足なく水素と酸素を燃焼させ、精製アルゴンガスを得ることが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
深冷空気分離設備におけるアルゴンガスの精製装置であって、粗アルゴンガスに水素を添加して燃焼させて酸素を取り除く反応器を直列に複数配置したことを特徴とする、アルゴンガスの精製装置。
【請求項２】
各反応器の入口に酸素濃度計を設けたことを特徴とする、請求項１に記載のアルゴンガスの精製装置。
【請求項３】
各反応器の入口に、前記酸素濃度計の測定値に基いて制御される水素流量コントローラーを備えた水素添加機構を設けたことを特徴とする、請求項２に記載のアルゴンガスの精製装置。
【請求項４】
深冷空気分離設備におけるアルゴンガスの精製方法であって、直列に複数配置された反応器に粗アルゴンガスを順に流し、少なくとも２以上の反応器において水素を添加して燃焼させることで粗アルゴンガスから酸素を取り除くことを特徴とする、アルゴンガスの精製方法。
【請求項５】
前記直列に複数配置された反応器において、最後に燃焼させる反応器では粗アルゴンガスに含まれる酸素を全て燃焼させるために必要な量の水素を添加して燃焼させることを特徴とする、請求項４に記載のアルゴンガスの精製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルゴンガスの精製装置およびその精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
深冷空気分離設備におけるアルゴンガスの精製方法としては、深冷空気分離設備の粗アルゴン塔から導出された粗アルゴンガスに水素を添加し、触媒を用いて粗アルゴンガス中の酸素を水素とともに燃焼させて水を生成し、それを乾燥させて酸素を取り除く方法が一般的に行われている。その際、設備の損傷を防ぐと同時に、触媒が壊れてしまうのを防ぐ観点から、水素を添加し、燃焼させて粗アルゴンガス中の酸素を取り除く反応器の温度を、所定の温度以下に抑える必要がある。一方、水素量が十分な場合は、反応器内の温度は粗アルゴンガス中の酸素濃度および粗アルゴンガス流量によって決定される。即ち、酸素濃度の高い祖アルゴンガスが流入した場合、その酸素濃度に比例した水素を添加すると、反応器での燃焼温度が上限値以上に上がってしまう恐れがある。
【０００３】
上記問題点を防ぎ、反応器に流入する粗アルゴンガスの酸素濃度を下げるために、従来は、反応器において酸素が取り除かれ精製された、酸素濃度の低い粗アルゴンガスを再循環ガスとして反応器入口より再度流入させ、反応器に流入する粗アルゴンガスの酸素濃度を下げるという方法がとられていた（特許文献１参照）。その際、粗アルゴンガスを再循環させるためにリサイクルブロワーを設置する必要があった。前記従来のアルゴンガス精製装置の基本構成を図１に概略的に示す。
【０００４】
深冷空気分離設備の粗アルゴン塔１より導出され、アルゴンガス精製装置２に流入した粗アルゴンガスは、流量計３０および弁３１を備えた流量コントローラー３を通って反応器４へと流入する。このとき、反応器４に流入する粗アルゴンガスの酸素濃度は酸素濃度計５により測定され、その測定値が水素流量コントローラー６に入力される。そして、流入粗アルゴン量及び該粗アルゴンガス中の酸素濃度から算出される流入酸素量に見合った量の水素が、水素添加機構７より反応器４へ添加される。そして、反応器４において酸素と水素が燃焼反応し、粗アルゴンガス中の酸素が水となる。そして、冷却器８で冷却され、乾燥機９にて水分を除去されて、精製アルゴンガスとなり、残留酸素および水素濃度を酸素・水素濃度計１０によって測定した後、アルゴンガス精製装置２より生産物として、系外に出される。
【０００５】
しかし、設備または燃焼反応に用いる触媒の損傷を防ぐために、反応器４には設備上の運転温度に上限値があり、運転中の温度がその上限値を超える前に、運転を自動的に止めるように、上限トリップ温度が設定されており、処理能力を超える、酸素濃度の高い粗アルゴンガスが短時間に多量に流入した場合、アルゴンガス精製装置２のトリップが働き、設備運転停止を引き起こす恐れがある。そこで、反応器４に流入する粗アルゴンの酸素濃度が高い場合を想定して、リサイクルブロワー１１と流量コントローラー３によって構成される粗アルゴンガス再循環機構１２を設け、反応器４を通過後の粗アルゴンガスの一部を反応器４へ再循環させ、反応器中の酸素濃度を下げることとしている。
【特許文献１】特開２００４−３４５８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、従来のアルゴンガス精製装置では、粗アルゴンガスを再循環させるためのリサイクルブロワー１１を設置することが必要であった。しかしながら、回転機器であるリサイクルブロワー１１は故障等のトラブルを発生させる懸念があり、定期的なメンテナンスも行わなければならなかった。また、リサイクルブロワー１１のトラブル時や停止時には、再循環ガスの反応器４への供給がなくなってしまうため、反応器４内の温度が上限値を上回り、その結果、アルゴンガス精製装置２のトリップが発生してしまう恐れがある。また、その際、再循環ガスの反応器への供給がなくなった状態で反応器の温度を上限値以下に保つためには、粗アルゴン塔から流す粗アルゴンの流量を減少させることが必要となる。その結果、精製アルゴンガスの減産を招いてしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、再循環ガスおよびリサイクルブロワーを用いずに反応器内の温度を上限値以下に保つことができるアルゴンガスの精製装置およびその精製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、深冷空気分離設備におけるアルゴンガスの精製装置であって、粗アルゴンガスに水素を添加して燃焼させて酸素を取り除く反応器を直列に複数配置したことを特徴とする、アルゴンガスの精製装置が提供される。
【０００９】
また、各反応器の入口に酸素濃度計を設けてもよい。
【００１０】
さらに、各反応器の入口に、前記酸素濃度計の測定値に基いて制御される水素流量コントローラーを備えた水素添加機構を設けてもよい。
【００１１】
また、本発明の別の観点によれば、深冷空気分離設備におけるアルゴンガスの精製方法であって、直列に複数配置された反応器に粗アルゴンガスを順に流し、少なくとも２以上の反応器において水素を添加して燃焼させることで粗アルゴンガスから酸素を取り除くことを特徴とする、アルゴンガスの精製方法が提供される。
【００１２】
前記直列に複数配置された反応器において、最後に燃焼させる反応器では粗アルゴンガスに含まれる酸素を全て燃焼させるために必要な量の水素を添加して燃焼させることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反応器内の温度を設備上限値以下に保つために、各反応器に添加する水素量を制限する一方で、粗アルゴンガスを複数の反応器において繰り返し燃焼させていくことで、最終的には過不足なく水素と酸素を燃焼反応させることが可能となる。各反応器には、所定の量以下の水素しか添加しないため、各反応器において許容範囲以上に温度が上がることを防止できる。また、粗アルゴンガスの再循環は必要なく、故障等の恐れのあるリサイクルブロワーの設置も不必要になる。また、添加する水素量が所定の量以下であるため、粗アルゴンガスの流量の制御も不必要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１５】
図２は本発明の実施の形態にかかるアルゴンガス精製装置２０の基本構成を模式的に表したものである。深冷空気分離設備の粗アルゴン塔１から供給された粗アルゴンガスを流す流路２５に、複数の反応器４が直列に配置されている。なお、以下の実施の形態においては、反応器４が３つ設けられている場合を例として示す。
【００１６】
各反応器４の入口側には、各反応器４に入る粗アルゴンガスの酸素濃度ａを測定する酸素濃度計５および各反応器４に水素を添加する水素添加機構７がそれぞれ設けられている。各反応器４の入口側において、酸素濃度計５で粗アルゴンガスの酸素濃度ａが測定され、その測定値ａが水素流量コントローラー６に入力される。そして、水素添加機構７に備えられた弁３１の開閉が調整されることによって水素添加機構７から添加される水素量ｂが制御される構成となっている。
【００１７】
この場合、水素添加機構７によって各反応器４に添加される水素量ｂの制御は、反応器４に入る粗アルゴンガスの酸素濃度ａと、各反応器４について設定されている上限温度ｃに基いて、次のようにして行われる。即ち、反応器４に入る粗アルゴンの酸素濃度ａが測定されると、当該酸素濃度ａで粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’を添加して反応器４内で燃焼反応させた場合に、その燃焼温度ｔが、反応器４の上限温度ｃを超えてしまうかどうかが判定される。
【００１８】
ここで、当該酸素濃度ａで粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’を添加しても、燃焼温度ｔが上限温度ｃを超えてしまわない場合は（ｃ≧ｔとなる場合は）、当該酸素濃度ａで粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’が添加される。即ち、水素量ｂは粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’に等しくなるように制御される。
【００１９】
一方、当該酸素濃度ａで粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’を添加すると、燃焼温度ｔが上限温度ｃを超えてしまう場合は（ｃ＜ｔとなる場合は）、そのまま水素量ｂ’で水素を添加して反応器４で燃焼反応させてしまうと、上限温度ｃを超えることにより、反応器４の破損を生じてしまう。そこで、粗アルゴンガス中の酸素全部を燃焼させると、燃焼温度ｔが上限温度ｃを超えてしまう場合は（ｃ＜ｔとなる場合は）、水素量ｂは、粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’よりも少ない水素量に制御される。この場合の水素量ｂは、粗アルゴンガス中に含まれている酸素の一部のみを燃焼させることにより、燃焼温度ｔが、反応器４の上限温度ｃを超えないような範囲内に設定される。このように粗アルゴンガス中に含まれている酸素の一部のみを燃焼させる水素量ｂは、燃焼温度ｔが、反応器４の上限温度ｃを超えない範囲内で最大値に設定しても良いが、安全性等を考慮して、反応器４の上限温度ｃを超えない範囲内で最大値よりも小さく設定しても良い。
【００２０】
各反応器４の出口側には冷却器８が設けられ、燃焼後のガスが冷却される。また、流路２５の最下流には乾燥機９および酸素・水素濃度計１０が設けられている。
【００２１】
以上のように構成されたアルゴンガスの精製装置２０において、粗アルゴン塔１から供給された粗アルゴンガスが、流路２５を通って１番目の反応器４、２番目の反応器４、３番目の反応器４を順次流れる。そして、各反応器４において、粗アルゴンガス中の酸素は、流入直前に添加された水素とともに燃焼反応し、その結果、粗アルゴンガス中の酸素が除去されることとなる。
【００２２】
ここで、一例として、上記３つの反応器４を備えたアルゴンガス精製装置２０において、１番目の反応器４と２番目の反応器４においては、粗アルゴンガスの酸素濃度ａがまだ高く、粗アルゴンガス中の酸素全部を燃焼させてしまうと反応器４の上限温度ｃを超えてしまうため、これら１番目の反応器４と２番目の反応器４では、水素添加機構７から添加される水素量ｂが反応器４の上限温度ｃを超えない範囲内に制御され、一方、３番目の反応器４においては、すでに１番目の反応器４と２番目の反応器４で酸素が燃焼に消費されたことにより、粗アルゴンガスの酸素濃度ａが十分に低くなっており、粗アルゴンガス中の酸素全部を燃焼させても反応器４の上限温度ｃを超えないため、３番目の反応器４では、水素添加機構７から添加される水素量ｂが粗アルゴンガス中に含まれる酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’に等しくなるように制御される場合を説明する。
【００２３】
先ず、粗アルゴンガスが１番目の反応器４に流入する。その際、１番目の反応器４に流入する粗アルゴンガスの酸素濃度ａが酸素濃度計５で測定され、水素流量コントローラー６に入力される。この場合、１番目の反応器４に流入する時点では、まだ粗アルゴンガスの酸素濃度ａが高い状態であり、粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’を添加すると、１番目の反応器４での燃焼温度ｔが上限温度ｃを超えてしまう（ｃ＜ｔ）。そこで、１番目の反応器４では、水素流量コントローラー６により弁３１の開度を小さくするように制御され、水素添加機構７から添加される水素量ｂは、粗アルゴンガス中に含まれる酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’よりも小さく、反応器４の上限温度ｃを超えない範囲内に設定される。こうして、所定の水素量ｂに設定された水素が粗アルゴンガスと一緒に反応器４内に流入されて、１番目の反応器４内において、粗アルゴンガス中に含まれている酸素の一部と水素が燃焼反応を行う。その結果、１番目の反応器４における燃焼反応の燃焼温度ｔは、上限温度ｃを超えない範囲内の温度に抑えられる。
【００２４】
こうして、１番目の反応器４における燃焼反応を経た粗アルゴンガスは、冷却器８において冷却された後、次に、２番目の反応器４に流入する。その際、同様に、２番目の反応器４に流入する粗アルゴンガスの酸素濃度ａが酸素濃度計５で測定され、水素流量コントローラー６に入力される。この場合、２番目の反応器４に流入する時点においても、まだ粗アルゴンガスの酸素濃度ａが高い状態であり、粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’を添加すると、２番目の反応器４での燃焼温度ｔが上限温度ｃを超えてしまう（ｃ＜ｔ）。そこで、２番目の反応器４でも、水素流量コントローラー６により弁３１の開度を小さくするように制御され、水素添加機構７から添加される水素量ｂは、粗アルゴンガス中に含まれる酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’よりも小さく、反応器４の上限温度ｃを超えない範囲内に設定される。こうして、所定の水素量ｂに設定された水素が粗アルゴンガスと一緒に反応器４内に流入されて、２番目の反応器４内において、粗アルゴンガス中に含まれている酸素の一部と水素が燃焼反応を行う。その結果、２番目の反応器４における燃焼反応の燃焼温度ｔも、上限温度ｃを超えない範囲内の温度に抑えられる。
【００２５】
こうして、１番目の反応器４および２番目の反応器４における燃焼反応を経た粗アルゴンガスは、冷却器８において冷却された後、次に、３番目の反応器４に流入する。その際、同様に、３番目の反応器４に流入する粗アルゴンガスの酸素濃度ａが酸素濃度計５で測定され、水素流量コントローラー６に入力される。この場合、既に１番目の反応器４および２番目の反応器４における燃焼反応を経ていることにより、３番目の反応器４に流入する時点においては、既に粗アルゴンガスの酸素濃度ａが十分に低くなっており、粗アルゴンガス中に含まれている酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’を添加しても、３番目の反応器４での燃焼温度ｔは上限温度ｃを超えることがない状態になっている（ｃ≧ｔ）。そこで、３番目の反応器４においては、水素流量コントローラー６により弁３１の開度を大きくするように制御され、水素添加機構７から添加される水素量ｂは、粗アルゴンガス中に含まれる酸素全部を燃焼させるのに必要な水素量ｂ’と等しく設定される。こうして、所定の水素量ｂに設定された水素が粗アルゴンガスと一緒に反応器４内に流入され、３番目の反応器４内において、粗アルゴンガス中に残っていた酸素の全部と水素が燃焼反応を行う。この場合、既に粗アルゴンガスの酸素濃度ａが十分に低くなっているので、３番目の反応器４における燃焼反応の燃焼温度ｔも、上限温度ｃを超えない範囲内の温度に抑えられる。
【００２６】
こうして、粗アルゴンガスは、最終的に３番目の反応器４で残りの酸素の全部が水素と燃焼反応され、冷却器８において冷却された後、乾燥機９において水分を取り除かれ、酸素・水素濃度計１０での最終チェックを経た後、精製アルゴンガスとなって、生産物として系外に出される。
【００２７】
以上のように、このアルゴンガス精製装置２０にあっては、３つの反応器４において粗アルゴンガス中の酸素を繰り返し燃焼反応させていくことで、最終的には、粗アルゴンガス中の酸素を全部燃焼反応させて除去することが可能となる。また、各反応器４には、水素流量コントローラー６の制御によって燃焼温度ｔが上限温度ｃを超えない範囲内でしか水素しか添加しないため、各反応器４において許容範囲以上に温度が上がることを防止できる。また、従来のように粗アルゴンガスの再循環は必要なく、故障等の恐れのあるリサイクルブロワーの設置も不必要になる。さらに、各反応器４に対する粗アルゴンガスの流量制御も不必要となる。その結果、設備の故障等による減産を回避できるアルゴンガス精製装置２０が実現されることとなり、安定して精製アルゴンを得ることができる。
【００２８】
以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００２９】
例えば、上記実施の形態では、３つの反応器４を設けた例を示したが、反応器４の数は２つでもよく、あるいは４つ以上でも良い。反応器４の数は、アルゴンガス精製装置２０に投入される粗アルゴンガスの酸素濃度の変動範囲、増減等に応じて適宜決定することが好ましい。また、各反応器４に添加される水素量ｂは、例えば上流側に位置する反応器４では相対的に多くし、下流側に位置する反応器４では相対的に少なくしても良い。あるいは、各反応器４に添加される水素量ｂは、例えば上流側に位置する反応器４では相対的に少なくし、下流側に位置する反応器４では相対的に多くしても良い。また、各反応器４に添加される水素量ｂは、例えば均等に設定しても良い。
【００３０】
また、例えば、水素を取り除くための機構等をアルゴン精製装置２０内に設けてもよい。また、上記の実施の形態では深冷空気分離設備における粗アルゴン塔から流入した粗アルゴンガスを精製するための装置として本発明を適応したが、半導体製造設備等から排出される不純アルゴンガス等の精製を行う際にも本発明は適応可能である。
【実施例】
【００３１】
従来例として、図１に示される従来のアルゴンガス精製装置に、酸素を３．５vol％以下の割合で含む粗アルゴンガスを粗アルゴン塔から１５００Ｎｍ３／ｈの一定の流量で流入させた。反応器の設計温度および、反応器内部の燃焼触媒を壊さないための温度として、反応器内の燃焼における上限トリップ温度は５３０℃に設定した。そのため、反応器内での粗アルゴンガスの酸素濃度が２．０vol％以下程度となるように、酸素濃度の低い粗アルゴンガスをリサイクルブロワーによって反応器に流入させた。この従来例では、リサイクルブロワーを停止させると、反応器内の燃焼温度は５３０℃を超えてしまい、トリップが発生してしまうので、やむなく粗アルゴン塔から流入させる粗アルゴンガスの流入量を約８５０Ｎｍ３／ｈまで抑制させる必要が生じた。その結果、精製アルゴンガスの生産量が減少してしまった。
【００３２】
一方、本発明例として、図２で説明したアルゴンガス精製装置に、酸素を３．５vol％以下の割合で含む粗アルゴンガスを粗アルゴン塔から１５００Ｎｍ３／ｈの一定の流量で流入させた。反応器の設計温度および、反応器内部の燃焼触媒を壊さないための温度として、反応器内の燃焼における上限トリップ温度は上記同様５３０℃に設定した。そして複数設けた各反応器には、燃焼温度が上限温度を超えないように、粗アルゴンガス中の酸素濃度約１．０vol％程度の場合に粗アルゴンガス中の酸素を全部燃焼させることができる水素量に相当する量で、水素添加機構から水素を添加した。粗アルゴンガス中の酸素を取り除くために複数設ける反応器を本実施例では３つとした。
【００３３】
その結果、本発明例では、酸素および水素濃度計において、実用上十分に酸素が取り除かれたと判断しうる、酸素および水素濃度の低い精製アルゴンガスを得ることができた。また、各反応器内の燃焼温度も上限温度（５３０℃）以下に維持できた。さらに、本発明例では、粗アルゴンガス再循環機構（リサイクルブロワー）を省略でき、また、粗アルゴンガスの流入量を抑制する必要も生じなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、粗アルゴン塔から流入した粗アルゴンガスや半導体製造設備等から排出される不純アルゴンガス等の精製に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のアルゴンガス精製装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるアルゴンガス精製装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…粗アルゴン塔
２…従来のアルゴン精製装置
３…流量コントローラー
４…反応器
５…酸素濃度計
６…水素流量コントローラー
７…水素添加機構
８…冷却器
９…乾燥器
１０…酸素・水素濃度計
１１…リサイクルブロワー
１２…粗アルゴン再循環機構
２０…アルゴン精製装置
２５…流路
３０…流量計
３１…弁
【図１】
2009234868.tif 000003
【図２】
2009234868.tif 000004