JPH10122740A - 高純度酸素の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な装置構成で高純度酸素を経済的に製造
できるとともに、高純度窒素も同時に製造することが可
能な高純度酸素の製造方法及び装置を提供する。 【解決手段】 圧縮，精製，冷却した原料空気を上部に
凝縮器１１を有する窒素精留塔１０の下部に導入して液
化精留分離を行い、塔上部の窒素ガスと塔下部の酸素富
化液化空気とに分離し、窒素精留塔の中間部から流下液
の一部を導出し、下部にリボイラー２１を有する酸素精
留塔２０の上部に導入して精留分離を行い、酸素精留塔
の上部から排ガスを導出するとともに、下部から高純度
酸素を導出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高純度酸素の製造
方法及び装置に関し、詳しくは、窒素，アルゴン，炭化
水素等の不純物含有量が極めて少ない高純度酸素を製造
する方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
半導体工場においては、窒素、アルゴン、炭化水素等の
不純物をｐｐｍオーダー以下まで除去した高純度酸素の
需要が高まっている。このような高純度酸素は、一般の
深冷空気液化分離法による酸素製造装置で製造した純度
９９．７〜９９．８％の酸素ガスあるいは液化酸素を精
製することにより得られるが、この方法の一つとして、
液化酸素を原料として精留方式により精製する方法が提
案されている（特開平４−１３９００４号公報参照）。
この方法は、設備コストが低廉で超高純度の酸素が得ら
れるものの、液化酸素を原料とすることや、循環窒素圧
縮機の消費動力が大きいことなどから、経済的に酸素を
精製することが困難であった。

【０００３】また、実公昭６１−４２０７０号公報に
は、単精留塔を用いた窒素製造装置に副精留塔等の若干
の付加設備を設けることにより、本来の製品窒素と同時
に、酸素も製造することができる空気分離装置が開示さ
れている。しかし、この装置は、酸素の純度の点で、従
来の酸素製造装置と同等であり、高純度酸素を得るため
には、上述の精製方法等により別途精製する必要があっ
た。

【０００４】さらに、半導体工場では、高純度窒素も必
要とされており、高純度窒素の製造装置を設置する例が
増えている。

【０００５】そこで本発明は、簡単な装置構成で高純度
酸素を経済的に製造できるとともに、高純度窒素も同時
に製造することが可能な高純度酸素の製造方法及び装置
を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高純度酸素の製造方法は、圧縮，精製，冷
却した原料空気を上部に凝縮器を有する窒素精留塔の下
部に導入して液化精留分離を行い、塔上部の窒素ガスと
塔下部の酸素富化液化空気とに分離し、該窒素精留塔の
中間部から流下液の一部を導出して下部にリボイラーを
有する酸素精留塔の上部に導入して精留分離を行い、該
酸素精留塔の上部から排ガスを導出するとともに、下部
から高純度酸素を導出することを特徴としている。

【０００７】さらに、本発明方法は、前記窒素精留塔の
塔下部から導出した酸素富化液化空気の少なくとも一部
を、前記リボイラーに導入して加熱源とすることを特徴
とし、前記窒素精留塔の前記流下液の導出部又は該導出
部より下方から流下液の一部を導出し、該窒素精留塔の
下部精留部の少なくとも一部をバイパスさせて該窒素精
留塔の下部に再導入することを特徴としている。

【０００８】また、本発明の高純度酸素の製造装置は、
塔上部に凝縮器を有する窒素精留塔と、塔下部にリボイ
ラーを有する酸素精留塔とを備え、窒素精留塔は、塔下
部に、圧縮，精製，冷却した原料空気の導入経路と、該
塔での精留分離により分離した酸素富化液化空気の導出
経路とを有し、塔上部に、精留分離により分離した窒素
ガスの導出経路と、前記凝縮器で凝縮した液化窒素の導
入経路とを有し、塔中間部に、塔内の流下液の一部を導
出する流下液導出経路を有しており、前記酸素精留塔
は、塔上部に、前記窒素精留塔からの流下液導出経路に
接続する経路と、該塔での精留分離により分離した排ガ
スの導出経路とを有し、塔下部に、精留分離により分離
した液化酸素の一部を導出する液化酸素導出経路と、前
記リボイラー蒸発した酸素ガスの導入経路とを有してい
ることを特徴としている。

【０００９】さらに、本発明装置は、前記窒素精留塔
が、単精留塔を用いた空気液化分離装置における単精留
塔であること、あるいは、上部塔及び下部塔からなる複
精留塔を用いた空気液化分離装置の下部塔であることを
特徴とし、また、前記窒素精留塔の流下液導出経路の下
方に、流下液が該窒素精留塔の下部精留部の少なくとも
一部をバイパスするバイパス経路を設けたことを特徴と
している。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照して
さらに詳細に説明する。図１は、本発明の高純度酸素の
製造装置の一例を示す系統図であって、単精留塔を用い
た空気液化分離装置に高純度酸素製造用の酸素精留塔を
付加した例を示している。

【００１１】この酸素製造装置は、通常の深冷空気液化
分離法による窒素製造装置の単精留塔と同様の窒素精留
塔１０に、酸素精留塔２０を付加した形態のものであっ
て、窒素精留塔１０の上部には凝縮器１１が設けられる
とともに、酸素精留塔２０の下部にはリボイラー２１が
設けられている。

【００１２】また、窒素精留塔１０の塔下部には、圧
縮，精製，冷却した原料空気が導入される原料空気導入
経路１２と、窒素精留塔１０での精留分離により塔下部
に分離した酸素富化液化空気を導出する酸素富化液化空
気導出経路１３とが設けられ、塔上部には、該窒素精留
塔１０での精留分離により塔上部に分離した窒素ガスを
導出する窒素ガス導出経路１４と、凝縮器１１で凝縮し
た液化窒素を還流液として導入する液化窒素導入経路１
５とが設けられている。さらに、窒素精留塔１０の塔中
間部には、塔内の流下液の一部を導出する流下液導出経
路１６が設けられるとともに、該中間部の流下液の一部
を塔下部にバイパスさせるバイパス経路１７が設けられ
ている。

【００１３】前記酸素精留塔２０の塔上部には、前記窒
素精留塔１０からの流下液導出経路１６に弁２２を介し
て接続する酸素原料導入経路２３と、該酸素精留塔２０
での精留分離により塔上部に分離した排ガスを導出する
排ガス導出経路２４とが設けられ、塔下部には、精留分
離により分離した液化酸素の一部を導出する液化酸素導
出経路２５と、前記リボイラー２１で蒸発した酸素ガス
を酸素精留塔２０の上昇ガスとして導入する酸素ガス導
入経路２６とが設けられている。

【００１４】次に、図１に基づいて高純度酸素を製造す
る方法を説明する。まず、圧縮機により所定圧力に圧縮
され、吸着器等で含有する二酸化炭素や水分等を除去し
て精製された原料空気は、経路３１から主熱交換器３２
に導入され、戻りガスとの熱交換により所定温度まで冷
却される。主熱交換器３２を導出した圧縮，精製，冷却
後の原料空気は、前記原料空気導入経路１２を通って窒
素精留塔１０の下部に導入される。

【００１５】窒素精留塔１０に導入された原料空気は、
通常の精留分離操作により塔上部の窒素ガスと塔下部の
酸素富化液化空気とに分離する。窒素精留塔１０の下部
の酸素富化液化空気は、酸素富化液化空気導出経路１３
に導出された後、一部が前記リボイラー２１に分岐して
リボイラー２１の加熱源となり、自身は過冷却される。
なお、リボイラー２１に導入する酸素富化液化空気量
は、リボイラー２１で必要とする熱量に応じて任意に設
定することができ、窒素精留塔１０から導出した酸素富
化液化空気の全量をリボイラー２１に導入してもよい。

【００１６】リボイラー２１を導出した過冷却酸素富化
液化空気と、酸素富化液化空気導出経路１３の残部の酸
素富化液化空気とは、それぞれ減圧弁３３，３４で所定
圧力まで減圧された後、経路３５に合流して前記凝縮器
１１に冷却源として導入され、自身は蒸発気化して酸素
富化空気となる。この酸素富化空気は、凝縮器１１から
経路３６に導出され、一部が経路３７から主熱交換器３
２に導入されて中間温度まで昇温した後、経路３８を介
して膨張タービン３９に導入される。膨張タービン３９
で断熱膨張して寒冷を発生した酸素富化空気は、経路３
６から経路４０に分岐して弁４１を通った酸素富化空気
と経路４２に合流し、主熱交換器３２に原料空気冷却源
として導入され、常温まで温度上昇して経路４３から排
出される。

【００１７】一方、窒素精留塔１０の上部から窒素ガス
導出経路１４に導出された窒素ガスは、その一部が経路
４４に分岐し、主熱交換器３２で原料空気と熱交換を行
い、常温まで温度上昇して経路４５から製品窒素ガスと
して採取される。また、窒素ガスの残部は、窒素ガス導
出経路１４から経路４６に分岐して凝縮器１１に導入さ
れ、前記酸素富化液化空気により冷却されて液化し、液
化窒素となって液化窒素導入経路１５から窒素精留塔１
０の上部に戻され、窒素精留塔１０の還流液となる。

【００１８】そして、窒素精留塔１０内の精留部を流下
する流下液の一部は、塔中間部で前記流下液導出経路１
６とバイパス経路１７とに、それぞれ弁２２及び弁１８
で流量調節されて抜き出され、バイパス経路１７に抜き
出された流下液は、塔下部の精留部１０ａをバイパスし
て塔下部に再導入され、酸素富化液化空気に混合する。

【００１９】前記流下液導出経路１６に導出された流下
液は、酸素原料として前記酸素原料導入経路２３から酸
素精留塔２０の上部に導入され、酸素精留塔２０内を流
下する。酸素精留塔２０では、この流下液と前記リボイ
ラー２１から酸素ガス導入経路２６を介して導入される
上昇ガスとで精留操作が行われ、塔上部に水素，窒素，
アルゴン等の低沸点成分が濃縮し、塔下部に高純度の液
化酸素が分離する。この液化酸素は、液化酸素導出経路
２５に導出されて一部が経路４７から製品液化酸素とし
て採取され、残部は経路４８により前記リボイラー２１
に導入されて蒸発し、上昇ガスとして酸素ガス導入経路
２６から酸素精留塔２０の下部に導入される。

【００２０】また、酸素精留塔２０の上部に濃縮した水
素，窒素，アルゴン等の低沸点成分は、排ガス中に同伴
されて排ガス導出経路２４に導出され、弁４９を介して
前記酸素富化空気の経路４２に合流し、主熱交換器３２
を経て経路４３から排出される。

【００２１】このようにして酸素精留塔２０の下部から
液化酸素導出経路２５及び経路４７を介して取出される
製品液化酸素は、窒素精留塔１０のメタン等の高沸点成
分をほとんど含んでいない流下液を酸素原料として用い
ているため、製品液化酸素中のメタン等の高沸点成分を
１０ｐｐｂ以下にすることができるとともに、水素，窒
素，アルゴン等の低沸点成分も酸素精留塔２０での精留
操作により分離することができるので、これらの含有量
も１０ｐｐｂ以下にすることができる。なお、流下液導
出経路１６の位置は、窒素精留塔１０から導出する流下
液中の高沸点成分含有量と酸素量とにより適宜に設定す
ることができる。

【００２２】さらに、酸素精留塔２０への酸素原料の導
入にポンプ等を必要とせず、また、リボイラー２１の加
熱源として窒素精留塔１０から導出した酸素富化液化空
気の一部を利用することにより、別の加熱源を用意する
必要がないため、酸素精留塔２０の運転を、新たな動力
を全く必要とせずに行うことができ、経済的に高純度酸
素を得ることができる。

【００２３】また、窒素精留塔１０の流下液導出経路１
６より下方の精留部１０ａでは、流下液の一部が流下液
導出経路１６に抜き取られることから、該精留部１０ａ
の還流比が低下するが、この部分にバイパス経路１７を
設けて流下液をバイパスさせ、精留部１０ａの還流比を
さらに低下させることにより、上昇ガス中の酸素濃度を
維持しながらメタン等の高沸点成分の量のみを減少させ
ることができ、流下液導出経路１６から抜き出す流下液
中の酸素量を増加させるとともに、高沸点成分の量を低
減させることができる。これにより、酸素精留塔２０に
導入する酸素原料の酸素濃度が増加し、酸素精留塔２０
における導入液量に対する高純度酸素の収率を向上させ
ることができ、同時に高沸点成分の含有量もさらに低減
させることができる。

【００２４】なお、本形態例では、凝縮器１１及びリボ
イラー２１は、それぞれ窒素精留塔１０及び酸素精留塔
２０に対して外置き型を採用しているが、それぞれ塔内
設置型、即ち液浸漬型であってもよい。

【００２５】図２は、本発明装置の第２形態例を示す系
統図であって、上部塔５１及び下部塔５２からなる複精
留塔５３を用いた空気液化分離装置に高純度酸素製造用
の酸素精留塔２０を付加した例を示している。

【００２６】すなわち、複精留塔５３における下部塔５
２は、前記単精留塔と同様に、塔下部の原料空気導入経
路５４から導入された原料空気を精留分離して塔上部に
窒素ガスを、塔下部に酸素富化液化空気を分離するもの
であるから、この下部塔５２を窒素精留塔として利用す
ることができる。

【００２７】したがって、下部塔５２の中間部に流下液
導出経路１６を設けて酸素精留塔２０に接続するととも
に、該中間部と塔下部との間にバイパス経路１７を設け
ることにより、前記同様に、酸素精留塔２０の下部から
高沸点成分及び低沸点成分をそれぞれ１０ｐｐｂ以下に
した高純度液化酸素を高収率で得ることができる。

【００２８】なお、酸素精留塔２０の作用は、前記同様
であるから、前記図１に示す形態例における構成要素と
同一の構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明
は省略する。また、複精留塔５３の作用も周知であるか
ら、主要構成要素にのみ符号を付してその詳細な説明は
省略する。すなわち、図２において、５５は主熱交換
器、５６は膨張タービン、５７は主凝縮蒸発器（下部塔
に対しては凝縮器となる）、５８は過冷器、５９，６
０，６１は減圧弁、６２は通常濃度の酸素ガスを導出す
る経路、６３は窒素ガスを導出する経路、６４は上部塔
５１及び酸素精留塔２０からの排ガスを導出する経路で
ある。

【００２９】このように複精留塔５３の下部塔５２を窒
素精留塔として使用し、塔中間部の流下液の一部を酸素
原料として酸素精留塔２０に導入することにより、動力
費を増加させずに高純度の液化酸素を得ることができ
る。

【００３０】

【実施例】図１に示した構成の酸素製造装置において、
８ｋｇ／ｃｍ² Ｇに圧縮して精製後、−１６６．６℃に
冷却した原料空気６０５０Ｎｍ³ ／ｈを、下部精留部１
０ａが５０段、上部精留部が１００段の窒素精留塔１０
に導入した。下部精留部１０ａの上方から流下液導出経
路１６に４００Ｎｍ³ ／ｈの流下液を導出し、酸素原料
として酸素精留塔２０に導入した。また、リボイラー２
１には、窒素精留塔１０から導出した酸素富化液化空気
３３００Ｎｍ³ ／ｈの内の３２００Ｎｍ³ ／ｈを導入し
た。

【００３１】その結果、窒素精留塔１０の上部からは、
圧力７．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇの製品窒素ガス２３５０Ｎｍ
³ ／ｈが得られ、酸素精留塔２０の下部からは圧力１．
０ｋｇ／ｃｍ² Ｇの製品高純度液化酸素３５Ｎｍ³ ／ｈ
が得られた。製品窒素ガス中の酸素含有量は１０ｐｐｂ
以下であり、製品高純度液化酸素中の不純物は、メタ
ン，アルゴン，窒素，水素のいずれもが１０ｐｐｂ以下
であった。

【００３２】また、この状態でバイパス経路１７に３０
０Ｎｍ³ ／ｈの流下液を流して下部精留部１０ａをバイ
パスさせたところ、窒素精留塔１０から酸素精留塔２０
に導入する流下液（酸素原料）の酸素濃度が２２％から
２８％に上昇し、製品高純度液化酸素の採取量は、不純
物含有量が同じで４０Ｎｍ³ ／ｈに増加した。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高純度酸
素の製造方法及び装置によれば、酸素精留塔等の若干の
設備を付加するだけで、経済的に高純度酸素を製造する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の高純度酸素製造装置の一形態例を示
す系統図である。

【図２】 本発明の高純度酸素製造装置の他の形態例を
示す系統図である。

【符号の説明】

１０…窒素精留塔、１１…凝縮器、１２…原料空気導入
経路、１３…酸素富化液化空気導出経路、１４…窒素ガ
ス導出経路、１５…液化窒素導入経路、１６…流下液導
出経路、１７…バイパス経路、２０…酸素精留塔、２１
…リボイラー、２３…酸素原料導入経路、２４…排ガス
導出経路、２５…液化酸素導出経路、２６…酸素ガス導
入経路、３２…主熱交換器、３３，３４…減圧弁、３９
…膨張タービン、５１…上部塔、５２…下部塔、５３…
複精留塔、５４…原料空気導入経路、５５…主熱交換
器、５６…膨張タービン、５７…主凝縮蒸発器、５８…
過冷器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮，精製，冷却した原料空気を上部に
   凝縮器を有する窒素精留塔の下部に導入して液化精留分
   離を行い、塔上部の窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空
   気とに分離し、該窒素精留塔の中間部から流下液の一部
   を導出して下部にリボイラーを有する酸素精留塔の上部
   に導入して精留分離を行い、該酸素精留塔の上部から排
   ガスを導出するとともに、下部から高純度酸素を導出す
   ることを特徴とする高純度酸素の製造方法。
2. 【請求項２】 前記窒素精留塔の塔下部から導出した酸
   素富化液化空気の少なくとも一部を、前記リボイラーに
   導入して加熱源とすることを特徴とする請求項１記載の
   高純度酸素の製造方法。
3. 【請求項３】 前記窒素精留塔の前記流下液の導出部又
   は該導出部より下方から流下液の一部を導出し、該窒素
   精留塔の下部精留部の少なくとも一部をバイパスさせて
   該窒素精留塔の下部に再導入することを特徴とする請求
   項１記載の高純度酸素の製造方法。
4. 【請求項４】 塔上部に凝縮器を有する窒素精留塔と、
   塔下部にリボイラーを有する酸素精留塔とを備え、窒素
   精留塔は、塔下部に、圧縮，精製，冷却した原料空気の
   導入経路と、該塔での精留分離により分離した酸素富化
   液化空気の導出経路とを有し、塔上部に、精留分離によ
   り分離した窒素ガスの導出経路と、前記凝縮器で凝縮し
   た液化窒素の導入経路とを有し、塔中間部に、塔内の流
   下液の一部を導出する流下液導出経路を有しており、前
   記酸素精留塔は、塔上部に、前記窒素精留塔からの流下
   液導出経路に接続する経路と、該塔での精留分離により
   分離した排ガスの導出経路とを有し、塔下部に、精留分
   離により分離した液化酸素の一部を導出する液化酸素導
   出経路と、前記リボイラーで蒸発した酸素ガスの導入経
   路とを有していることを特徴とする高純度酸素の製造装
   置。
5. 【請求項５】 前記窒素精留塔は、単精留塔を用いた空
   気液化分離装置の単精留塔であることを特徴とする請求
   項４記載の高純度酸素の製造装置。
6. 【請求項６】 前記窒素精留塔は、上部塔及び下部塔か
   らなる複精留塔を用いた空気液化分離装置の下部塔であ
   ることを特徴とする請求項４記載の高純度酸素の製造装
   置。
7. 【請求項７】 前記窒素精留塔は、前記流下液導出経路
   の下方に、流下液が該窒素精留塔の下部精留部の少なく
   とも一部をバイパスするバイパス経路を有していること
   を特徴とする請求項４記載の高純度酸素の製造装置。