JPH09264666A - 窒素・酸素製造システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一酸化炭素を含まない高純度の液体窒素を、
一酸化炭素除去用触媒の使用量を可及的に少なくして経
済的に製造することができる窒素・酸素製造システムを
提供する。 【解決手段】 原料空気１を精留塔１９により窒素と酸
素とに精留，分離させ、精留塔１９における低圧塔２１
の頂部から採取した製品窒素ガス４の一部である液体窒
素原料４ａを、圧縮機３６，３７，３８ａで３段階に亘
って圧縮昇圧させた上、熱交換器４０，膨張弁４１，気
液分離器４２を通過させることにより液化させて、液体
窒素４ｆを製造する。このとき、一段目の圧縮機３６を
通過した液体窒素原料４ｂは、触媒塔４５ａ，４５ｂの
一方を選択的に通過させることにより、ニッケル触媒４
６と接触して一酸化炭素を吸着除去された上で、一酸化
炭素を含まない高純度窒素ガス４ｃとして二段目の圧縮
機３７に導入される。

Description

【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
酸素及び窒素を精留により製造する窒素・酸素製造シス
テムであって、特に、製品窒素として窒素ガス及び液体
窒素を得ることができる窒素・酸素製造システムに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の窒素・酸素製造システムは、一
般に、精留塔を備えた空気分離装置により原料空気を精
留，分離することによって窒素ガスと酸素ガス（又は液
体酸素）とを製造すると共に、空気分離装置で得られた
窒素ガスの一部を液体窒素製造装置により凝縮液化する
ことによって液体窒素を製造するように構成されてい
る。

【０００３】すなわち、空気分離装置は、原料空気を、
これに本来的に含まれる二酸化炭素及び水分を吸着装置
により吸着除去した上、沸点近くまで冷却して精留塔に
導入し、精留塔における精留作用により、製品ガスであ
る窒素ガスと酸素ガス（又は液体酸素）とを得るように
構成されている。また、液体窒素製造装置は、液体窒素
原料として空気分離装置により得られた製品窒素ガスの
一部を使用するものであり、空気分離装置から導入され
た液体窒素原料を複数の圧縮機により段階的に昇圧させ
た上、液化点近くまで冷却し、膨張，気液分離させるこ
とにより、製品窒素である液体窒素を製造するように構
成されている。

【０００４】ところで、液体窒素は、近時、半導体製造
分野等において使用されることが多いため、一般に、高
純度であることが要求されている。これに対して、精留
塔で得られる製品窒素ガスについては、その用途上、液
体窒素のように高純度であることは要求されていない
し、その必要性も少ない。すなわち、窒素ガスは、これ
を製品として供与されたユーザにおいて、必要に応じて
適宜に高純度となすことができるものであるから、液体
窒素と異なって、製造段階で高純度なものとしておく必
要性は少ない。

【０００５】しかるに、精留塔から採取される製品窒素
ガスの一部を液体窒素原料として使用する上記システム
にあって、液体窒素製造装置により得られた液体窒素は
一酸化炭素を含んでいるため、半導体製造分野等におけ
る如く高純度であることが要求される用途には使用する
ことができない。すなわち、窒素と一酸化炭素とは沸点
が近似する（窒素が−１９５．８℃であるのに対し、一
酸化炭素は−１９１．５℃である）ため、標準型の精留
塔における精留作用によっては両者を完全に分離するこ
とが極めて困難である。したがって、空気分離装置から
採取される製品窒素ガスには一酸化炭素が含まれている
（一般に、０．５〜１．５ｍｏｌｐｐｍの一酸化炭素が
含まれている）ことになり、その結果、これを原料とす
る液体窒素にも当然に一酸化炭素が含まれることにな
る。

【０００６】そこで、従来の窒素・酸素製造システムに
あっては、精留塔に供給する原料空気から予め一酸化炭
素を酸化除去しておくことによって、一酸化炭素を殆ど
含まない高純度の液体窒素を得るようにすることが提案
されている。すなわち、上記した吸着装置の入口側に、
白金，パラジウム等の貴金属触媒を装填した触媒塔を具
備する一酸化炭素酸化装置を設けて、原料空気を触媒塔
内において貴金属触媒と接触させることにより、これに
含まれる一酸化炭素を酸素との反応により二酸化炭素に
転化させ、この二酸化炭素を原料空気に本来的に含まれ
ている二酸化炭素（及び水分）と共に前記吸着装置で吸
着除去するようにするのである。

【０００７】このようにして、一酸化炭素を含まない原
料空気を精留塔に供給させるようにすれば、精留塔から
一酸化炭素を殆ど含まない高純度の製品窒素ガスを得る
ことができる。その結果、かかる製品窒素ガスの一部を
原料として液体窒素製造装置で得られる液体窒素は、一
酸化炭素を殆ど含まない高純度のものとなり、高純度で
あることが要求される半導体製造分野等においても好適
に使用することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような一
酸化炭素酸化装置を設けておく場合には、精留塔から採
取される窒素ガスの大半が、上記した如く高純度である
ことを要求されない又は必要とされない製品窒素ガスと
して使用されるものであるにも拘わらず、当該窒素ガス
の極く一部を原料として得られる液体窒素を一酸化炭素
を含まない高純度のものとしておくために、製品窒素ガ
ス及び液体窒素原料を含めたすべての精留生成物の原料
である空気から一酸化炭素を除去しておくことは、一酸
化炭素除去用触媒つまり一酸化炭素酸化用触媒である高
価な貴金属触媒の使用量が必要以上に多くなり、甚だ不
経済であり無駄である。このため、従来の窒素・酸素製
造システムにあっては、半導体製造分野等において必要
とされる高純度の液体窒素を経済的に製造することがで
きないでいるのが実情である。

【０００９】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たもので、一酸化炭素を含まない高純度の液体窒素を、
一酸化炭素除去用触媒の使用量を可及的に少なくして経
済的に製造することができる窒素・酸素製造システムを
提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の窒素・酸素製造システムは、原料空気を窒素と酸素
とに精留，分離する空気分離装置と、空気分離装置で得
られた窒素ガスの一部を液体窒素原料として液体窒素を
製造する液体窒素製造装置と、空気分離装置から液体窒
素製造装置に導入された液体窒素原料に含まれる一酸化
炭素を触媒の作用により吸着除去する液体窒素原料精製
装置と、を具備するものである。

【００１１】かかる窒素・酸素製造システムにあって
は、液体窒素原料精製装置が、ニッケル触媒を装填した
触媒塔を具備するものであり、液体窒素原料に含まれる
一酸化炭素をニッケル触媒との接触により吸着除去させ
るものであることが好ましい。また、液体窒素製造装置
が、これに導入された液体窒素原料を複数段に亘って昇
圧させる複数の圧縮機を具備するものであり、液体窒素
原料精製装置が、一段目の圧縮機の出口部と二段目の圧
縮機の入口部との間に介装されていることが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図４に基づいて具体的に説明する。

【００１３】本発明に係る窒素・酸素製造システムは、
図１に示す如く、空気分離装置１１と液体窒素製造装置
１２と液体窒素原料精製装置１３とを具備してなる。

【００１４】空気分離装置１１は、図１及び図２に示す
如く、原料空気１をエアフィルタ１４，圧縮機１５，水
洗塔１６，吸着装置１７，主熱交換器１８を順次通過さ
せた上で精留塔１９に導入して、精留塔１９において窒
素と酸素とに精留，分離させることにより、製品ガスと
しての窒素ガス４及び酸素ガス７ａを得るように構成さ
れている。

【００１５】すなわち、原料空気１は、エアフィルタ１
４で濾過された上、圧縮機１５により適当圧力（吸着装
置１７による吸着作用に必要な圧力（一般に、５ｋｇ／
ｃｍ ² Ｇ程度））に昇圧されると共に水洗塔１６で冷却
（一般に、１０℃以下）された後、吸着装置１７に導入
される。吸着装置１７は、ゼオライト等の吸着剤を装填
した一対の吸着塔１７ａ，１７ａからなり、原料空気１
を一方の吸着塔１７ａに導入させて吸着剤と接触させる
ことにより、原料空気１に含有されている不要成分であ
る水分及び二酸化炭素を吸着除去するようになってい
る。この吸着装置１７にあっては、一方の吸着塔１７ａ
が吸着工程を行なっている間において、他方の吸着塔１
７ａが後述する再生用パージガス５の導入により吸着剤
の再生工程を行なうようになっており、かかる吸着工程
と再生工程とを両吸着塔１７ａ，１７ａの間で一定サイ
クル毎に交互に繰り返して行なうように工夫されてい
る。

【００１６】そして、吸着装置１７を通過した原料空気
１は、主熱交換器１８において沸点近くまで冷却された
上で、精留塔１９に導入される。なお、主熱交換器１８
は、原料空気１を後述する如く精留塔１９から導出され
る低温ガス（製品窒素ガス４等）との熱交換により冷却
する内部寒冷方式のものである。

【００１７】精留塔１９は、図２に示す如く、これに導
入される原料空気１の圧力と同等の適当内圧（５ｋｇ／
ｃｍ² Ｇ程度）で操作される下部塔たる高圧塔２０と、
これより低圧とした適当内圧（０．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇ程
度）で操作される上部塔たる低圧塔２１と、両塔２０，
２１間に介装された主凝縮蒸発器２２とを具備して、原
料空気１を次のように精留，分離する。すなわち、主熱
交換器１８を通過した原料空気１は高圧塔２０の下部に
導入されて、高圧塔２０内を上昇する間に、高圧塔２０
の上部から供給された還流液体窒素３ａとの向流接触に
より窒素濃度を高められていき、高圧塔２０の上部に至
ったものは酸素含有量の低い窒素ガス２となる。この窒
素ガス２は、高圧塔２０の上部から主凝縮蒸発器２２に
導入され、低圧塔２１の底部に滞留する液体酸素７との
熱交換により冷却凝縮されて、液体窒素３となる。この
液体窒素３は、その一部が上記還流液体窒素３ａとして
高圧塔２０の上部に還流されると共に、熱交換器２３を
通過して低圧塔２１の上部に導入される。

【００１８】一方、高圧塔２０内にその上部から供給さ
れた還流液体窒素３ａは、上記した如く、高圧塔２０内
を上昇してくる空気成分と向流接触しつつ下降していく
が、その間に空気との接触により酸素濃度を高められ
て、高圧塔２０の底部に液体空気６（酸素濃度は、一般
に３５〜４０％程度である）となって滞留される。この
液体空気６の一部６ａは、高圧塔２０の底部から熱交換
器２３を通過した上、低圧塔２１の中間部に供給され
る。なお、精留塔１９には、粗アルゴン塔２４，高純ア
ルゴン塔２５，ブロワ２６，乾燥塔２７，タンク２８等
からなるアルゴン精製装置が付設されていて、低圧塔２
１の中間部に濃縮滞留するアルゴン等を再精製し、液体
アルゴン８としてタンク２８に回収，貯蔵するように工
夫されている。

【００１９】而して、低圧塔２１の中間部に供給された
液体空気６ａのうち上昇成分は、低圧塔２１の上部から
供給された還流液体窒素３との向流接触により窒素濃度
を高めつつ上昇して、低圧塔２１の頂部では酸素濃度の
極めて低い窒素ガス４となる。この窒素ガス４は、低圧
塔２１の頂部から採取されて主熱交換器１８により常温
とされた上、製品窒素ガス供給路３０から圧縮機３１を
経て、製品窒素ガスとして所定の被供給箇所（コンビナ
ート等）に供給される。なお、低圧塔２１の上部から
は、頂部に向かって上昇する窒素ガスの一部（頂部に到
達した製品窒素ガス４より酸素濃度は高い）５を採取し
て、この窒素ガス５を主熱交換器１８及び加熱器５ａ，
５ａを通過させた上で、再生用パージガスとして再生工
程にある吸着塔１７ａに導入させるようになっている。
また、高圧塔２０の上部から採取されて主凝縮蒸発器２
２に導入される窒素ガス２の一部２ａは、主熱交換器１
８を通過した後、膨張タービン３２の制動部３２ａで昇
圧されると共に該タービン３２のタービン部３２ｂで膨
張されて寒冷を発生させた上で、低圧塔２１の頂部から
主熱交換器１８に向かう窒素ガス４に混入される。な
お、図１及び図２において３２´は熱交換器である。

【００２０】一方、低圧塔２１の中間部に供給された液
体空気６ａのうち下降成分は、低圧塔２１内を酸素濃度
を高めつつ下降していき、低圧塔２１の下部では酸素ガ
ス７ａとなり、更に液体酸素７となって低圧塔２１の底
部に滞留することになる。そして、低圧塔２１の下部か
ら採取された酸素ガス７ａは、主熱交換器１８を通過し
て常温化された上、製品酸素ガス供給路３３から圧縮機
３４を経て、製品酸素ガスとして所定の被供給箇所に供
給される。なお、低圧塔２１の下部から採取される酸素
ガス７ａには、低圧塔２１の底部に滞留する液体酸素７
から揮散する（主凝縮蒸発器２２を通過する窒素ガス２
との熱交換等によって蒸発する）酸素ガスも含まれる。

【００２１】液体窒素製造装置１２は、図１及び図３に
示す如く、低圧塔２１の頂部から採取された製品窒素ガ
ス４の一部４ａを液体窒素原料として液体窒素４ｆを製
造するものであり、第１〜第３圧縮機３６，３７，３８
ａと第１及び第２膨張タービン３８，３９と熱交換器４
０と膨張弁４１と気液分離器４２と液体窒素タンク４３
とを具備すると共に、後述する如く液体窒素原料精製装
置１３を組み込んでなるものである。

【００２２】すなわち、液体窒素製造装置１２には、製
品窒素ガス供給路３０に分岐接続された液体窒素原料導
入路３５から製品窒素ガス４の一部である液体窒素原料
４ａが導入されるが、この液体窒素原料たる窒素ガス４
ａは、まず、直列配置された第１〜第３圧縮機３６，３
７，３８ａにより３段階に亘って順次圧縮，昇圧され
る。一般的には、第１圧縮機３６により５〜６ｋｇ／ｃ
ｍ² Ｇ程度まで昇圧され、次いで第２圧縮機３７により
３２ｋｇ／ｃｍ² Ｇ程度まで昇圧され、最終的に第３圧
縮機３８ａにより４９ｋｇ／ｃｍ² Ｇ程度まで昇圧され
る。なお、この例では、第３圧縮機３８ａとして、後述
する寒冷発生用の第１膨張タービン３８の制動部を使用
している。

【００２３】そして、第３圧縮機３８ａを通過した窒素
ガス４ｅは、熱交換器４０により液化点近くまで深冷さ
れた上、膨張弁４１により膨張（ジュール・トムソン膨
張）されると共に気液分離器４２により気体分と分離さ
れて、製品窒素たる液体窒素４ｆとして気液分離器４２
から液体窒素タンク４３に回収，貯蔵される。

【００２４】ところで、この例では、熱交換器４０を内
部寒冷方式のものとしており、第２圧縮機３７を通過し
て第３圧縮機３８ａに向かう窒素ガス４ｄの一部４ｇ
を、第２膨張タービン３９の制動部３９ａで圧縮，昇圧
させた上、第１及び第２膨張タービン３８，３９のター
ビン部３８ｂ，３９ｂで膨張させて寒冷４ｈを発生さ
せ、これを熱交換器４０に供給するように工夫してあ
る。なお、熱交換器４０を通過した窒素ガス４ｈは第２
圧縮機３７の入口側ラインに返戻されるようになってい
る。

【００２５】液体窒素原料精製装置１３は、図３及び図
４に示す如く、第１圧縮機３６の出口部と第２圧縮機３
７の入口部との間に、触媒４６を装填した一対の触媒塔
４５ａ，４５ｂを並列状に介装したもので、第１圧縮機
３６を通過した窒素ガス４ｂを、選択された触媒塔４５
ａ（又は触媒塔４５ｂ）を通過して、第２圧縮機３７に
導入させるようになっている。触媒４６としては、窒素
ガス中の一酸化炭素を吸着除去できるものであればよ
く、ニッケル，鉄等のベースメタル触媒を任意に使用す
ることができるが、一般には、対象窒素ガスが低圧塔２
１の頂部から採取された酸素濃度の極めて低い窒素ガス
４であることから、一酸化炭素の吸着除去作用に酸化の
ための酸素の共存を必要とせず且つ吸着操作及び再生操
作を容易に実施できるニッケル触媒（例えば、ニッケル
含有量：４７ｗｔ％，径：３ｍｍ，長さ：３ｍｍの円柱
ペレット状のもの）を使用することが好ましい。

【００２６】而して、第１圧縮機３６を通過した窒素ガ
ス４ｂは、一方の触媒塔４５ａに導入されて、該触媒塔
４５ａ内をこれに装填されたニッケル触媒４６に接触し
つつ通過し、この間において、ニッケル触媒４６との接
触により一酸化炭素が吸着除去されるようになってい
る。同時に、窒素ガス４ｂに含まれている微量の酸素も
吸着除去される。かかるニッケル触媒４６による一酸化
炭素の吸着除去メカニズムは、化学量論比からすると大
幅に一酸化炭素の配位数が少ないニッケルカルボニル類
似化合物として、ニッケル触媒表面に化学吸着されるこ
とによるものと考えられる。ところで、ニッケル触媒４
６による一酸化炭素の吸着除去を効果的に行なうために
は、触媒塔４５ａに導入される窒素ガスの圧力及び温度
を適切に制御する必要があるが、温度については触媒塔
４５ａに付設したヒータ（図示せず）により制御する
（一般には、常温〜４０℃程度に制御しておくことが好
ましい）ようになっている。一方、圧力については、一
般に、５〜６ｋｇ／ｃｍ² Ｇとしておくことが好ましい
が、この例では、液体窒素原料４ａが圧縮機３６，３
７，３８ａにより複数段に亘って昇圧され、一段目の圧
縮機である第１圧縮機３６による昇圧条件が上記した吸
着除去に必要な圧力条件に合致することから、触媒塔４
５ａに導入させる窒素ガスの昇圧手段を格別設けず、第
１圧縮機３６で昇圧された窒素ガス４ｂをそのまま触媒
塔４５ａに導入させるようにしている。なお、窒素ガス
４ｂは、触媒塔４５ａ（又は触媒塔４５ｂ）内を０．３
ｍ／ｓｅｃ程度の線速度で通過しつつニッケル触媒４６
に接触するようにしておくことが好ましい。

【００２７】したがって、液体窒素原料精製装置１３に
よれば、第１圧縮機３６を通過した窒素ガス４ｂを一酸
化炭素を除去した高純度の窒素ガス４ｃに精製した上
で、第２圧縮機３７に導入させることができ、つまり第
２圧縮機３７以降の液体窒素製造ラインにおいてはかか
る高純度の窒素ガスが流れることになり、最終的に一酸
化炭素を含まない高純度の液体窒素４ｆを得ることがで
きる。

【００２８】ところで、「ニッケル触媒４６による一酸
化炭素の吸着除去が、上記した如く、ニッケルカルボニ
ル類似化合物としてニッケル触媒表面に化学吸着される
ことによると考えられること」及び「液体窒素原料４ａ
つまり触媒塔４５ａに導入される窒素ガス４ｂは、低圧
塔２１の頂部から採取された酸素濃度の極めて低いもの
ではあるが、微量の酸素を含有しているものであるた
め、この微量の酸素がニッケル触媒４６と反応して酸化
ニッケルを生成すること」から、一酸化炭素の吸着除去
作用を長期に亘って良好に維持しておくためには、吸着
機能が低下したニッケル触媒４６を再生することが必要
となる。そこで、この例では、一方の触媒塔４５ａ（又
は触媒塔４５ｂ）において吸着工程を行なっている間
に、他方の触媒塔４５ｂ（又は触媒塔４５ａ）における
ニッケル触媒４６を再生し、かかる吸着工程と再生工程
とを両触媒塔４５ａ，４５ｂの間で一定時間毎に交互に
繰り返して行なうように工夫してある。

【００２９】すなわち、一方の触媒塔４５ａにおいて吸
着工程を行なっている間においては、触媒塔４５ａから
第２圧縮機３７に向かう高純度窒素ガス４ｃの一部４´
ｃを、水素供給装置４７により所定量（１％程度）の水
素ガスを混入させた還元ガスとした上で、再生用パージ
ガスとして他方の触媒塔４５ｂに供給させて、この触媒
塔４５ｂのニッケル触媒４６を適当な温度条件下（一般
に、１５０〜２００℃）で再生する。すなわち、ニッケ
ル触媒４６の表面を還元状態に再生するのである。この
とき、再生用パージガスとして上記した精製ガス４ｃ以
外のものを使用することも可能であるが、一酸化炭素が
含まれるものは使用できないことから、精製ガス４ｃを
利用するのが再生作用上のみならず再生機構の小型化，
簡略化を図る上からも好ましい。そして、一定時間が経
過すると、窒素ガス４ｂを再生済みの触媒塔４５ｂに導
入させると共に、パージガス４´ｃを吸着工程後の触媒
塔４５ａに供給させる。爾後、かかる吸着工程と再生工
程との切り換えを一定時間毎に繰り返して行なう。な
お、吸着工程と再生工程との切り換えは、装置ラインに
設けた弁ないしヒータ等をシーケンスプログラム装置に
より制御することにより自動的に行なうことができる
が、その切り換え時期はタイマにより設定しても、触媒
塔出口に設置した一酸化炭素濃度センサによる窒素ガス
４ｃ中の一酸化炭素濃度に応じて制御するようにして
も、何れでもよい。また、再生処理済みのバージガス４
´ｃは冷却器４８で適当温度に冷却された上で、系外に
排出される。また、図示していないが、精製ガスライン
等には必要に応じてフィルタ，流量計等が設けられる。

【００３０】このように、上記した窒素・酸素製造シス
テムにあっては、液体窒素製造装置１２及びこれに組み
込んだ液体窒素原料精製装置１３により、一酸化炭素
（及び酸素）を除去した液体窒素原料４ａ，４ｂ，４ｃ
…から液体窒素４ｆを製造するようにしているから、半
導体製造分野等において必要とされる高純度の液体窒素
を確実に得ることができる。しかも、液体窒素４ｆを製
造するに必要な液体窒素原料４ａ，４ｂ，４ｃ…が、精
留塔１９で得られる製品窒素ガス４の一部であって、原
料空気１に比して極めて少量（例えば、原料空気の１／
１０程度）であることから、冒頭で述べた如く一酸化炭
素酸化装置（及び吸着装置）により原料空気全量から一
酸化炭素を除去する場合に比して、一酸化炭素除去に必
要とされる触媒使用量を大幅に削減することができ、液
体窒素４ｆを含む製品窒素，酸素の製造を極めて経済的
に行なうことができる。

【００３１】なお、本発明は上記した実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範
囲において、適宜に改良，変更することができる。例え
ば、本発明は、上記した内部寒冷方式のシステムに適用
される他、外部寒冷方式のシステムにも好適に適用する
ことができる。また、各装置１１，１２，１３の構成も
任意である。さらに、液体窒素原料精製装置１３は、液
体窒素製造装置１２に組み込むことなく、これに至る液
体窒素原料４ａの導入ラインに配設するようにしてもよ
い。

【００３２】

【実施例】上記した窒素・酸素製造システムを使用し
て、次のような条件で液体窒素４ｆを製造した。すなわ
ち、吸着装置１７により水分，二酸化炭素を除去した７
４０００Ｎｍ³ ／ｈ，５ｋｇ／ｃｍ² Ｇの原料空気１を
主熱交換器１８で沸点近くまで冷却して高圧塔２０に導
入し、高圧塔２０内を５ｋｇ／ｃｍ² Ｇに且つ低圧塔２
１内０．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇに保持つつ、原料空気１を精
留塔１９により窒素と酸素とに精留分離して、低圧塔２
１の頂部から０．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇの窒素ガス４を３６
０００Ｎｍ³ ／ｈ採取し、この窒素ガス４を主熱交換器
１０で常温（２８℃）とした上で、その一部４ａを第１
圧縮機３６に導入させた。このとき、第１圧縮機３６に
導入させた窒素ガス４ａの量は７３００Ｎｍ³ ／ｈであ
り、これに含まれる不純成分である一酸化炭素及び酸素
の濃度は、一酸化炭素：１ｍｏｌｐｐｍ，酸素：０．０
１ｍｏｌｐｐｍであった。

【００３３】そして、この窒素ガス４ａを第１圧縮機３
６により５．８ｋｇ／ｃｍ² Ｇに圧縮，昇圧させると共
に、常温近くまで（２８℃）で冷却させた上で、円柱ペ
レット状のニッケル触媒４６（Ｎｉ含有量：４７ｗｔ
％，径：３ｍｍ，長さ：３ｍｍ）を充填させた触媒塔４
５ａに導入させ、触媒塔４５ａ内を線速度０．３ｍ／ｓ
ｅｃで通過させて、ニッケル触媒４６との接触により一
酸化炭素及び酸素を吸着除去させた。

【００３４】次いで、触媒塔４５ａを通過した窒素ガス
４ｃ（他方の触媒塔４５ｂの再生用パージガスとして使
用する窒素ガス４´ｃを除く）を第２圧縮機３７により
３２ｋｇ／ｃｍ² Ｇに圧縮，昇圧させ、更に第３圧縮機
である第１膨張タービン３８の制動部３８ａにより４９
ｋｇ／ｃｍ² Ｇまで圧縮，昇圧させた上、熱交換器４０
により液化点近くまで深冷させた後、膨張弁４１及び気
液分離器４２を通過させることにより、気体換算で７０
００Ｎｍ³ ／ｈの液体窒素４ｆを得た。

【００３５】このとき、気液分離器４２から液体窒素タ
ンク４３へと流下する液体窒素４ｆを、還元ガス分析計
（トレース・アナリティカル社製のＲＧＡ−５型）によ
り連続的に測定したところ、一酸化炭素は定量限界値で
ある０．００１ｍｏｌｐｐｍ以下を持続した。また、日
立東京エレクトロニクス社製のＡＰＩ−ＭＳを使用して
酸素分析したところ、酸素濃度は０．００１ｍｏｌｐｐ
ｍ以下であった。このことから、高純度の液体窒素４ｆ
が得られることが確認された。

【００３６】ところで、比較例として、上記窒素・酸素
製造システムから液体窒素原料精製装置１２を取り外し
て、第１圧縮機３６の出口部と第２圧縮機３７の入口部
とを直結すると共に、吸着装置１７の上流側ラインに、
冒頭で述べた一酸化炭素酸化装置（貴金属触媒を装填し
た触媒塔を備えたもの）を組み込んで、上記したと同一
の条件で同一量の液体窒素を得た。この比較例において
は、実施例と同等の高純度液体窒素を得るために、実施
例の場合に比して極めて多量の貴金属触媒を必要とし
た。具体的には、実施例におけるニッケル触媒４６の使
用量の略１０倍であった。このことは、比較例では、一
酸化炭素を吸着除去する対象ガスが７４０００Ｎｍ³ ／
ｈの原料空気であって、実施例における当該対象ガスで
ある窒素ガスの量（７３００Ｎｍ³ ／ｈ）の約１０倍と
なっていることからも、容易に理解できるであろう。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明からも理解できるように、請
求項１の発明によれば、一酸化炭素を含まない高純度の
液体窒素を、ニッケル触媒等の一酸化炭素除去用触媒を
多量に必要とすることなく、極めて経済的に製造するこ
とができる。しかも、触媒使用量が少ないことから、触
媒塔を含む液体窒素原料精製装置を可及的に小型化する
ことができ、延いては窒素・酸素製造システム全体を冒
頭で述べた如く原料空気全量を対象とする一酸化炭素酸
化装置を設ける場合に比して大幅に小型化することがで
きる。

【００３８】また、請求項２の発明によれば、液体窒素
原料が酸素濃度の低いものである等、液体窒素原料の性
状に拘わらず、一酸化炭素を効果的に吸着除去し得て、
高純度の液体窒素を効率よく製造することができる。

【００３９】さらに、請求項３の発明によれば、一酸化
炭素を効果的に吸着除去するために必要な昇圧手段とし
て、液体窒素製造装置の一部（一段目の圧縮機であり、
具体的には上記した第１圧縮機３６）を利用することか
ら、格別の昇圧手段を必要とせず、液体窒素原料精製装
置ないし窒素・酸素製造システムをより小型化，簡略化
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る窒素・酸素製造システムの一例を
示す系統図である。

【図２】図１の要部（空気分離装置）の拡大図である。

【図３】図１の要部（液体窒素製造装置及び液体窒素原
料精製装置）の拡大図である。

【図４】図３の要部（液体窒素原料精製装置）の詳細図
である。

【符号の説明】

１…原料空気、４…製品窒素ガス、４ａ，４ｂ…一酸化
炭素を含有する窒素ガス（液体窒素原料）、４ｃ，４
ｄ，４ｅ…一酸化炭素を吸着除去された窒素ガス（液体
窒素原料）、４ｆ…液体窒素、７ａ…製品酸素ガス、１
１…空気分離装置、１２…液体窒素製造装置、１３…液
体窒素原料精製装置、３６…第１圧縮機（一段目の圧縮
機）、３７…第２圧縮機（二段目の圧縮機）、４５ａ，
４５ｂ…触媒塔、４６…ニッケル触媒。

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【手続補正書】

【提出日】平成８年４月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】

【実施例】上記した窒素・酸素製造システムを使用し
て、次のような条件で液体窒素４ｆを製造した。すなわ
ち、吸着装置１７により水分，二酸化炭素を除去した７
４０００Ｎｍ³ ／ｈ，５ｋｇ／ｃｍ² Ｇの原料空気１を
主熱交換器１８で沸点近くまで冷却して高圧塔２０に導
入し、高圧塔２０内を５ｋｇ／ｃｍ² Ｇに且つ低圧塔２
１内０．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇに保持つつ、原料空気１を精
留塔１９により窒素と酸素とに精留分離して、低圧塔２
１の頂部から０．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇの窒素ガス４を３６
０００Ｎｍ³ ／ｈ採取し、この窒素ガス４を主熱交換器
１８で常温（２８℃）とした上で、その一部４ａを第１
圧縮機３６に導入させた。このとき、第１圧縮機３６に
導入させた窒素ガス４ａの量は７３００Ｎｍ³ ／ｈであ
り、これに含まれる不純成分である一酸化炭素及び酸素
の濃度は、一酸化炭素：１ｍｏｌｐｐｍ，酸素：０．０
１ｍｏｌｐｐｍであった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 毅 茨城県行方郡潮来町日の出３−２−35 (72)発明者 松崎 寛 茨城県行方郡潮来町日の出５−６−14

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料空気を窒素と酸素とに精留，分離す
   る空気分離装置と、空気分離装置で得られた窒素ガスの
   一部を液体窒素原料として液体窒素を製造する液体窒素
   製造装置と、空気分離装置から液体窒素製造装置に導入
   された液体窒素原料に含まれる一酸化炭素を触媒の作用
   により吸着除去する液体窒素原料精製装置と、を具備す
   ることを特徴とする窒素・酸素製造システム。
2. 【請求項２】 液体窒素原料精製装置が、ニッケル触媒
   を装填した触媒塔を具備するものであり、液体窒素原料
   に含まれる一酸化炭素をニッケル触媒との接触により吸
   着除去させるものであることを特徴とする、請求項１に
   記載する窒素・酸素製造システム。
3. 【請求項３】 液体窒素製造装置が、これに導入された
   液体窒素原料を複数段に亘って昇圧させる複数の圧縮機
   を具備するものであり、液体窒素原料精製装置が、一段
   目の圧縮機の出口部と二段目の圧縮機の入口部との間に
   介装されていることを特徴とする、請求項１又は請求項
   ２に記載する窒素・酸素製造システム。