JP2005320221A - 窒素ガスの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の、窒素ガスの製造に関しては、ＰＳＡ方式の場合、装置が大形となり、電磁弁等の装置のメンテナンスに難点があり、膜分離方式の場合、窒素ガス純度は９５〜９９．９％程度となるため、高純度のニーズには適せず、深冷分離方式の場合、９９．９９９％以上の高純度の窒素ガスが得られるが、大規模な設備が必要であった。
【解決手段】 純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置に於いて、酸素富化ガス３０１、３０５を排除し圧縮空気より酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出す窒素ガス製造装置２０、９０と、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体にその気体より圧力の高い水素ガスを送り込み混合ガスを作り出す流量調整弁３２を付設した水素ガス発生装置３０と、混合ガスの酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に含まれている酸素ガスと水素ガスから水を作り出す反応を促進させる触媒槽４０と、発生した水蒸気を冷却する冷却装置５０を配設したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒素ガスの製造方法および製造装置に関する技術であって、更に詳細に述べると、金属加工や、ハンダ付けや、射出成形に際してのやけ防止や、食品の貯蔵に使用する等酸素ガスの少ない純度の高い窒素ガスを容易に安価に作り出す技術に関するものである。

従来、窒素ガスの製造方法および製造装置に関する技術としては、ＰＳＡ方式と膜分離方式と深冷分離方式の３種類が一般的であった。

その中で、ＰＳＡ方式は、Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ、の略称を意味していて、圧縮空気を活性炭の一種である吸着材に通し、高圧力下で特定のガスを吸着し低圧力下で特定のガスを吐き出すという吸着材の特性を利用して、圧縮空気から酸素ガス等を吸着することで窒素ガスを分離する方式である。 この場合、ヒートレス・ドライヤと同様の原理をもち、装置は２筒式で膜分離式よりも大形となり、電磁弁などのメンテナンス負荷もかかっていた。 尚、窒素ガス純度は通常９９〜９９．９９９９％程度であった。

一方、膜分離方式は、圧縮空気を中空糸状の高分子膜である中空糸膜内に送り込み、圧縮空気に含まれている各ガス成分の膜に対する透過量の差を利用して窒素ガスを分離する方式である。 この場合には、ＰＳＡ方式よりも小形でメンテナンス負荷も小さい反面、窒素ガス純度は９５〜９９．９％程度であるため、高純度のニーズに対しては適していなかった。

また、深冷分離方式は、大量と高純度のニーズ向けのもので、空気を冷却して分離生成していた。例えば、空気を−１９０℃前後にした場合には、窒素の沸点は−１９５．８℃であり酸素の沸点は−１８３．０℃であるので、酸素は分離出来る。 この場合、９９．９９９％以上の高純度の窒素ガスが得られるが、大規模な設備が必要であった。 一方、供給は、タンクローリーによる搬送の他、大口ユーザーの工場敷地内や隣接地にプラントを設置してパイピングする方式も採られていた。

しかしながら、このような従来の、窒素ガスの製造方法および製造装置に関しては、以下に示すような課題があった。

まず、ＰＳＡ方式の場合、装置が大形となり、電磁弁等の装置のメンテナンスに難点があった。

次に、膜分離方式の場合、窒素ガス純度は９５〜９９．９％程度となるため、高純度のニーズには適しなかった。

最後に、深冷分離方式の場合、９９．９９９％以上の高純度の窒素ガスが得られるが、大規模な設備が必要であった。

本発明は、純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法に於いて、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体または圧縮空気に、水素ガスを添加して混合ガスとし、前記混合ガスを触媒４１に接触させることによって前記水素ガスと前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体または前記圧縮空気に含まれている酸素ガスを反応させ水を作り出すことで前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体または前記圧縮空気の中に含まれた前記酸素ガスの含有を０％または０％に近い比較的純度の高い窒素ガスにしたことを特徴とし、更には、各ガス成分の膜に対する透過量の差を利用する分離膜２０または高圧力下で特定のガスを吸着し低圧力下で特定のガスを吐き出すＰＳＡ方式による装置９０に圧縮空気を送り込むことにより、酸素富化ガス３０１、３０５を排除し前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出すことを特徴とし、更には、前記分離膜２０に前記圧縮空気を送り込むに際しては前記圧縮空気を加熱することを、または前記ＰＳＡ方式による装置９０に前記圧縮空気を送り込むに際しては前記ＰＳＡ方式による装置９０を加熱することを特徴とし、更には、前記圧縮空気を加熱するに際しては、または前記ＰＳＡ方式による装置９０を加熱するに際しては、前記混合ガスを前記触媒４１に接触させることによって発生した反応熱を使用することを特徴とし、更には、前記混合ガスを前記触媒４１に接触させた後に、発生した前記比較的純度の高い窒素ガスを冷却して水を分離することを特徴とし、更には、前記触媒４１は、アルミナを母材とし、その表面にオングストローム単位のＰｄを付着させたものであることを特徴とし、更には、前記比較的純度の高い窒素ガスを冷却して後、前記比較的純度の高い窒素ガスが水素ガス分離膜８０を経由することにより、水素富化ガス３０３を排除して純度の高い窒素ガス３０４を作り出すことを特徴とし、更には、前記混合ガスを前記触媒４１に接触させた後に前記酸素ガスの濃度を測定し、前記水素ガスの流量を調整することによって前記酸素ガスの含有を設定された０％に近い値とするようにしたことを特徴とし、更には、前記混合ガスを前記触媒４１に接触させた後に前記酸素ガスと前記水素ガスの濃度を測定し、前記水素ガスの流量を調整することによって酸素ガスの含有を０％にし且つ前記水素ガスの含有を設定された０％に近い値とするようにしたことを特徴とすることによって、上記課題を解決したのである。

また本発明は、純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置に於いて、酸素富化ガス３０１、３０５を排除し圧縮空気より酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出す窒素ガス製造装置２０、９０と、前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体より圧力の高い水素ガスを送り込み混合ガスを作り出す流量調整弁３２を付設した水素ガス発生装置３０と、前記混合ガスの前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に含まれている酸素ガスと前記水素ガスから水を作り出す反応を促進させる触媒槽４０と、発生した水蒸気を冷却する冷却装置５０を配設したことを特徴とし、更には、前記窒素ガス製造装置２０、９０は、各ガス成分の膜に対する透過量の差を利用する分離膜２０または高圧力下で特定のガスを吸着し低圧力下で特定のガスを吐き出すＰＳＡ方式による装置９０であることを特徴とし、更には、前記分離膜２０の上流に前記圧縮空気を加熱する加熱装置１０を、または前記ＰＳＡ方式による装置９０に加熱手段１１０を配設したことを特徴とし、更には、前記加熱装置１０または前記加熱手段１１０は、前記混合ガスを前記触媒槽４０を通過させることによって発生する反応熱を使用する目的で前記触媒槽４０と温水配管２３１と冷水配管２３２で接続したことを特徴とし、更には、前記冷却装置５０の下流に、前記水蒸気からドレン水を分離する気液分離器６０を配設し、前記気液分離器６０に、前記ドレン水が一定量溜まると前記ドレン水を排出するドレントラップ６２を形成し、前記気液分離器６０の下流に、水素富化ガス３０３を排除して純度の高い窒素ガス３０４を作り出す水素ガス分離膜８０を配設したことを特徴とし、更には、前記触媒槽４０の下流に、酸素ガスの濃度を測定する酸素濃度計８１を位置させ、前記酸素濃度計８１からの酸素ガス濃度信号２１１の受信と、酸素ガスの０％に近い値の設定と、前記流量調整弁３２に対し前記酸素ガス濃度信号２１１の値が前記酸素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には流量増加の微調整指示信号２１３の送信を行なう制御装置７０を配設したことを特徴とし、更には、前記触媒槽４０の下流に、酸素ガスの濃度を測定する酸素濃度計８１と水素ガスの濃度を測定する水素濃度計８３を位置させ、前記酸素濃度計８１からの酸素ガス濃度信号２１１の受信と、前記水素濃度計８３からの水素ガス濃度信号２１２の受信と、水素ガスの０％に近い値の設定と、前記流量調整弁３２に対し前記酸素ガス濃度信号２１１の値が０％で前記水素ガス濃度信号２１２の値が前記水素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には流量減少の微調整指示信号２１３の送信を行なう制御装置７０を配設したことを特徴とすることによって、上記課題を解決したのである。

以上の説明から明らかなように、本発明によって、以下に示すような効果をあげることが出来る。

第一に、圧縮空気に水素ガスを添加して混合ガスとし、その混合ガスを触媒に接触させることによって水素ガスと圧縮空気の中に含まれた酸素ガスを反応させ水を作り出すことで発生した比較的純度の高い窒素ガスに含まれる酸素ガスの含有を０％に近いものにすることが、必要な際には０％にすることも可能になった。 しかも、安価で容易に達成出来た。

第二に、発生した高温の水蒸気を含む比較的純度の高い窒素ガスを冷却し、水や各種の異物を気液分離器のフィルターエレメントによって除去することで、乾燥した塵埃の無い比較的純度の高い窒素ガスを作り出すことが可能となった。

第三に、この装置の場合、圧縮空気は当然のことながら、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出すＰＳＡ方式によるものでも膜分離方式によるものでも深冷分離方式によるものでも、その他の方式によるものでも全てに対応が可能であった。

第四に、ＰＳＡ方式による場合には、ＰＳＡ方式による装置を加熱し、膜分離方式による場合には、分離膜に流入する圧縮空気を加熱することによって、酸素ガスを排除する効果が格段に向上した。

第五に、ＰＳＡ方式による装置を加熱したり、分離膜に流入する圧縮空気を加熱することを、水素ガスと酸素ガスを含む窒素ガスを中心とする混合ガスが触媒に接触させ発生する熱を使用することによって、無駄に廃棄されるエネルギーを有効に活用することが可能となった。

第六に、装置全体の最下流に水素ガス分離膜を位置させることで、不純物としての水素ガスを更に除去することが可能となった。

第七に、触媒に接触させた後の酸素ガス濃度を確認しながら水素ガス発生装置からの水素ガスの流量を調整することによって、水素ガスの含有を０％にして酸素ガスの含有を０％に近いものにすることが、容易に可能となった。

第八に、触媒に接触させた後の酸素ガス濃度と水素ガス濃度を確認しながら水素ガス発生装置からの水素ガスの流量を調整することによって、酸素ガスの含有を０％にして水素ガスの含有を０％に近いものにすることが、容易に可能となった。

以下、本発明による窒素ガスの製造方法および製造装置の実施の形態を、図面と共に詳細に説明する。
ここで、図１は、本発明の分離膜による場合の全体図であり、図２は、本発明の分離膜をＰＳＡ方式による装置にした場合の部分的な図である。

（第一実施例）
図１に見られるように、２０１は圧縮空気配管であり、圧縮空気が流れるようになっている。 この場合、圧縮空気は、具体的に図示していないが、エアーコンプレッサによって作られている。

ここで、圧縮空気配管２０１は、加熱装置１０と、圧縮空気配管２０２と、分離膜２０による窒素ガス製造装置２０と、窒素ガス配管２０３と、触媒槽４０と、窒素ガス配管２０４と、冷却装置５０と、窒素ガス配管２０５と、気液分離器６０と、窒素ガス配管２０６と、水素ガス分離膜８０と、窒素ガス配管２０７に記載の順に接続し、乾燥した清浄な純度の高い窒素ガス３０４を作り出すことが可能となっている。

この場合、加熱装置１０は、加熱装置本体１０ａとヒータ１０ｂと電源１３に接続したヒータ配線１１，１２によって構成されている。 そして、加熱装置本体１０ａは、外側の加熱室１０ｃと内側の室が隔離された状態の二重の構造になっていて、内側の室にはヒータ１０ｂが配設されていて、入口１０ｘから入った圧縮空気がヒータ１０ｂによって加熱され出口１０ｙから圧縮空気配管２０２に流出するようになっている。 所で、ヒータ１０ｂとしては、ニクロム線やその他の電気的な方法が考えられる。

また、図１に示した以外に、ヒータ１０ｂとして、ガスを燃焼させたり、水蒸気によるもの等が考えられる。 更に、ヒータ１０ｂとしては、加熱装置本体１０ａの内部に配設する以外の方法として、加熱装置本体１０ａの外側にニクロム線を配設して電流を流す方式でも良いし、加熱装置１０の外部を高温の炎や水蒸気で加熱する等、各種の方法等が色々と考えられる。

尚、加熱装置本体１０ａの外側の加熱室１０ｃと内側の室が隔離された状態の二重の構造になっている理由は、外側の加熱室１０ｃに温水配管２３１と冷水配管２３２を接続し、後で述べる触媒槽４０で発生した熱を冷却装置５０で水を媒介させることで熱交換し、その水を循環させることによって加熱に使用する為に形成したものである。 従って、加熱装置１０としては、ヒータ１０ｂだけのもの、加熱室１０ｃだけのもの、ヒータ１０ｂと加熱室１０ｃの両方を形成したもの等の色々な構成が考えられる。

次に、窒素ガス発生装置２０は図１では分離膜２０を意図したものであり、ポリエステル製で何千ものストロー状の中空糸が束ねられたものより形成され、中空糸の内部に圧縮空気を通すことで、それぞれのガスが固有に持っている中空糸の膜の透過スピードの違いを利用し、空気中に最も多く含まれている窒素ガスを残存させることで分離する装置である。

また、圧縮空気を構成しているガスが中空糸の膜を透過するスピードは、早く放出するガスと放出しにくいガスがあり、残ったガスが窒素ガスということになる。 特に、中空糸の膜がポリエステル製の場合、水蒸気が一番透過しやすく、以下水素ガスやヘリウムガスが続き、最後に酸素ガスとアルゴンガスと窒素ガスが一番透過しにくく、その中でも窒素ガスが一番透過しにくいガスということで、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体が残存し作り出される訳である。

更に、分離膜２０を経由した圧縮空気は、アルゴンガスを含んだ酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体が窒素ガス配管２０３に送り込まれるようになっている。 従って、分離膜２０からは、酸素ガスを中心とする酸素富化ガス３０１が排除されるようになっている。

一方、圧縮空気が分離膜２０を経由する際には、温度が変化する場合には、温度が高い程分離の性能は向上して窒素ガスの純度が高くなり、温度が変化しない場合には、圧縮空気の圧力と時間、即ち流量によって、発生する窒素ガスの純度は左右される。 従って、上流で圧縮空気を加熱する加熱装置１０を設けることは、窒素ガスと酸素ガスの分離の性能を向上させる上で非常に有効なのである。

尚、中空糸の膜としては、ポリエステルの他に、ポリオレフィンやポリプロピレン等の樹脂も考えられる。

所で、窒素ガス配管２０３には、酸素濃度計配管２２１と、水素ガス配管２２２と、分離膜２０直後の窒素ガス配管２０３を流れる酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体の圧力を測定する圧力計２３が接続している。 この場合、酸素濃度計配管２２１には、その途中に手動によって開閉可能な開閉弁２２が、端末には酸素濃度計２１が接続して、窒素ガス配管２０３の酸素ガス濃度が測定可能となっている。

加えて、水素ガス配管２２２には、その途中に手動によって開閉可能な開閉弁３５と窒素ガス配管２０３の側から端末の側に気体が逆流するのを防止する逆止弁３４と水素ガスの圧力を測定する圧力計３３と水素ガスの流量を調整可能な流量調整弁３２と気体を減圧することが可能な減圧弁３１が、端末には水素ガス発生装置３０が接続して、水素ガスが供給可能となっている。

尚、水素ガス発生装置３０に関しては、図１に於いては水素ボンベを考えているが、電気分解による水素ガス発生装置や、その他に水素吸蔵合金による水素ガス発生装置を使用しても構わない。

ここで、窒素ガス配管２０３では、酸素ガスが僅かに混入した９７〜９９．８％程度の酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体と水素ガスが合流し混合ガスとなって触媒槽４０に送り込まれるようになっている。

一方、触媒槽４０には触媒４１が充填されていて、混合ガスが通過すると
Ｏ_２＋２Ｈ_２→２Ｈ_２Ｏ＋反応熱
に見られる反応を行ないながら反応熱を発生する。 この場合、触媒４１としては、１例として大きさが３．２ｍｍφ×３．２ｍｍＨである円筒状のアルミナの表面にオングストローム単位のＰｄを付着させたものである。 但し、大きさに関しては、実際に使用している一例を示したものでこの物に限定される訳では無い。 また、形状に関しても、円筒に限らず球でも構わない。 従って、触媒槽４０の下流に在る窒素ガス配管２０４には、温度の高い湿った比較的純度の高い窒素ガスが流れて来る。

そこで、窒素ガス配管２０４の接続している冷却装置５０では、その内側に気体を通過させる通気管５０ａを形成していて、通気管５０ａの外側に冷却水が流れる様になっている。 尚、冷却装置５０には、冷却水としての冷水が冷水配管２３２より流入し、水蒸気や窒素ガス等によって加熱された温水が温水配管２３１より排出するようになっている。更に、温水配管２３１と冷水配管２３２は加熱装置１０の加熱室１０ｃに接続して、冷却装置５０で受け取った熱を加熱装置１０で使用可能となっている。

更に、冷却装置５０に於いて冷却され湿った比較的純度の高い窒素ガスは、窒素ガス配管２０５を経由して気液分離器６０に送り込まれる。 この場合、気液分離器６０は、冷却することによって露化した水分を分離することを目的としているのである。 尚、気液分離器６０は、フィルターエレメント６０ａと、入口６０ｘに接続した流入路６０ｇと出口６０ｙに接続した流出路６０ｈを形成した本体６０ｂと、カバー６０ｃより構成されている。

従って、気液分離器６０は、その目的を達成する為に、内部の中央に気体が流れる際の障害となりかつ異物を分離するフィルターエレメント６０ａを配設することで水分の分離を促進させ、下部にはドレン水３０２を流すドレン配管２２３を接続し、ドレン配管２２３の途中には、開閉弁６１とドレントラップ６２を配設し、ドレントラップ６２によって気液分離器６０にドレン水が一定量溜まったり、一定時間経過する毎に溜まったドレン水３０２を排出するようにしているのである。

尚、冷却装置５０と気液分離器６０に関しては、一体に構成された冷凍式エアードライヤを含めヒートレスエアードライヤー等のその他の方式のものを使用することも十分考えられる。

この様にして、気液分離器６０で処理された、乾燥した状態の比較的純度の高い窒素ガスは、窒素ガス配管２０６に送り込まれるのである。 但し、ここでの窒素ガスには、時には微量の水素ガスが含まれている場合もある。

さて、窒素ガス配管２０６の途中には、酸素濃度計配管２２４と水素濃度計配管２２５が接続している。 この場合、酸素濃度計配管２２４には、その途中に手動によって開閉可能な開閉弁８２が、その先には酸素濃度計８１が接続して、窒素ガス配管２０６の酸素ガス濃度が測定可能となっている。 また、水素濃度計配管２２５には、その途中に手動によって開閉可能な開閉弁８４が、その先には水素濃度計８３が接続して、窒素ガス配管２０６の水素ガス濃度が測定可能となっている。

更に、酸素濃度計８１と水素濃度計８３の両者は制御装置７０に接続していて、制御装置７０に酸素ガス濃度信号２１１と水素ガス濃度信号２１２を送ることが可能となっている。 加えて、流量調整弁３２は制御装置７０に接続していて、制御装置７０から微調整指示信号２１３を受けることが可能となっている。 また、制御装置７０は、酸素ガスの０％に近い値の設定や、水素ガスの０％に近い値の設定や、各種の数値の比較を可能としているのである。

一方、窒素ガス配管２０６は、水素ガス分離膜８０に接続している。 この場合、水素ガス分離膜８０は、分離膜２０と同じ構造であり機能を持っている。 但し、水素ガス分離膜８０は、水素ガスを中心に除去する為に設けたもので、ガスが分離膜８０を構成している中空糸の膜を透過するスピードとして、早く放出するガスと放出しにくいガスがあり、残ったガスが窒素ガスということになる。

特に、中空糸の膜がポリエステル製の場合には、水蒸気が一番透過しやすく、以下水素ガスやヘリウムガスが続き、最後に酸素ガスとアルゴンガスと窒素ガスが一番透過しにくく、その中でも窒素ガスが一番透過しにくいガスということで残存する訳であり、この場合は、水素富化ガス３０３に見られるように水蒸気と水素ガスを除去することを目的としている。

最後に、水素ガス分離膜８０からは、乾燥した清浄な純度の高い窒素ガス３０４が窒素ガス配管２０７より送り出されるようになっている。 そして、窒素ガス配管２０７の途中には、水素濃度計配管２２６が接続していて、その途中には手動によって開閉可能な開閉弁８６が、その先には水素濃度計８５が接続して、窒素ガス配管２０７の水素ガスの濃度が測定可能となっている。

尚、本発明による純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置に於いては、加熱装置１０と窒素ガス製造装置２０を構成しない、圧縮空気と水素ガスの混合ガスを直接に触媒槽４０に送り込むような方式も考えられる。
また、水素ガス分離膜８０と窒素ガス配管２０７を構成しない装置も考えられる。

本発明による、窒素ガスの製造方法および製造装置は前述したように構成されており、以下に、その動作について説明する。

先ず、最上流のエアーコンプレッサによって作り出された流量１ｍ^３／ｍｉｎで圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧縮空気を、圧縮空気を加熱する加熱装置１０を経由して分離膜２０である窒素ガス製造装置２０に送り込む。 すると、分離膜２０に接続している窒素ガス配管２０３には、酸素濃度計２１で確認すると、純度が９７％程度の酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体が流れていることを確認することが出来る。 この場合、不純ガスの大半は酸素ガスであり、少量のアルゴンガスを含んでいるものであると言う事が出来る。

尚、窒素ガス製造装置２０による窒素ガス濃度は９７％程度であるということにこだわる必要は無く、流量を調整することによっては９８％、９９％、９９．９％等色々の場合が考えられる。 当然のことながら、窒素ガス濃度が高い程、以降に述べる触媒槽４０での水を作る反応で水素ガスの量が少なくて済むことになる。

一方、水素ガス発生装置３０からは、圧力８ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の水素ガスを酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に合流させ、窒素ガスと酸素ガスと水素ガスを中心とする混合ガスを触媒槽４０に送り込むようにしている。 この場合、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体より水素ガスの方の圧力を高くしている理由は、窒素ガス配管２０３を流れる酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に水素ガス発生装置３０からの水素ガスが合流して混合ガスとするためには、当然のことながら水素ガスの圧力を高くしなければ合流して流れていかないためである。

ところで、触媒槽４０に於いては、混合ガスを通過させることによって、触媒の働きで混合ガスに含まれている酸素ガスと水素ガスから水を作り出す反応を容易に達成することが出来るのである。 その際、反応に際して、かなりの反応熱を発生する。

この場合、理論的には同じ圧力で同じ温度の酸素ガスと水素ガスを反応させた場合には、体積比で１：２の割合で反応させると両者過不足なく完全に水となることは一般的に知られている。

ここで、触媒槽４０よりの窒素ガスは、水蒸気を多く含み湿った比較的純度の高い窒素ガスとなっている。 また、冷却装置５０と気液分離器６０を経由させ、ドレン水３０２をドレントラップ６２より排除することで、完全に乾燥した塵埃の少ない比較的純度の高い窒素ガスとして取り出すことが可能となるのである。

尚、触媒槽４０の下流では、酸素濃度計８１によって酸素ガスの濃度を測定し、その結果を酸素ガス濃度信号２１１として制御装置７０に送っているのである。 一方、制御装置７０には酸素ガスの０％に近い値の設定がされていて、酸素ガス濃度信号２１１の値と比較して酸素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には、流量増加の微調整指示信号２１３を水素ガス配管２２２の途中に位置している流量調整弁３２に送って水素ガスの供給量を増加させている。

そして、酸素ガスの０％に近い値の設定より小さい値の場合には、流量減少の微調整指示信号２１３を水素ガス配管２２２の途中に位置している流量調整弁３２に送って水素ガスの供給量を減少させている。

従って、この場合の窒素ガス配管２０６を流れる窒素ガスには、不純物として酸素ガスを含んでいて水素ガスを含んでいない比較的純度の高い窒素ガスである為に窒素ガス配管２０６の下流には水素ガス分離膜８０を接続する必要は無い。 尚、この場合の酸素ガスの０％に近い値の設定に関しては、特定の値に限定される訳ではなく幅を持った値でも構わない。

また、別の方法として、触媒槽４０の下流では、酸素濃度計８１によって酸素ガスの濃度を測定し、その結果を酸素ガス濃度信号２１１として、水素濃度計８３によって水素ガスの濃度を測定し、その結果を水素ガス濃度信号２１２として制御装置７０に送っているのである。 一方、制御装置７０には水素ガスの０％に近い値の設定がされていて、酸素ガス濃度信号２１１の値と比較してその値が０％で且つ水素ガス濃度信号２１２の値と比較して水素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には、流量減少の微調整指示信号２１３を水素ガス配管２２２の途中に位置している流量調整弁３２に送って水素ガスの供給量を減少させている。

そして、酸素ガス濃度信号２１１の値と比較してその値が０％で且つ水素ガス濃度信号２１２の値と比較して水素ガスの０％に近い値の設定より小さい値の場合と、酸素ガス濃度信号２１１の値と比較してその値が０％以上の値の場合には、流量増加の微調整指示信号２１３を水素ガス配管２２２の途中に位置している流量調整弁３２に送って水素ガスの供給量を増加させている。

従って、この場合の窒素ガス配管２０６を流れる窒素ガスには、不純物として酸素ガスを含んでいいないで水素ガスを含んでいる比較的純度の高い窒素ガスである為に窒素ガス配管２０６の下流には水素ガス分離膜８０を接続することが大切である。 この場合も、水素ガスの０％に近い値の設定に関しては、特定の値に限定される訳ではなく幅を持った値でも構わない。

何れにしても、下流である窒素ガス配管２０６の途中の位置に配設された、酸素濃度計８１と水素濃度計８３によって酸素ガスや水素ガスの濃度を確認しながら、水素ガスや酸素ガスの濃度の何れかが０％になるように、且つ０％で無い方の何れかが０％に近い値になるように水素ガスの流量を調整することは可能である。 その場合、９９．９９９９％の窒素ガス濃度も十分可能である。 尚、酸素濃度計８１と水素濃度計８３の配設する位置に関しては、図１では窒素ガス配管２０６に配設しているが、窒素ガス配管２０４や窒素ガス配管２０５の何れの位置に配設しても構わない。

ここで、実態としては、酸素ガスと水素ガス両者の濃度を完全に０％にする為には非常に微細な水素ガス流量の調整を必要としている。 しかしながら、食品の貯蔵等に於いて窒素ガスを使用する場合には、酸素ガスが０％でさえあれば水素ガスがわずかに含まれていても問題ないということから、酸素ガスの濃度が０％で水素ガスがわずかに存在する様な流量調整をすることも考えられる。 そしてその場合には、非常に容易に達成出来るのである。 一方、必要に応じて水素ガスが０％でさえあれば酸素ガスが僅かに含まれていても問題ないということも考えられる。

その結果として、酸素ガスの濃度が０％でまたは水素ガスの濃度が０％で９９．９９９９％の窒素ガス濃度のものが達成できるのである。

尚、圧縮空気を加熱装置１０や窒素ガス製造装置２０を経由させないで触媒槽４０に送り込む場合に関しては、水素ガスの使用量は多くなるが、処理としては同じ内容になるので省略する。

（第二実施例）
図２に見られるように、第二実施例が図１の第一実施例と異なる点は、第一実施例が、圧縮空気配管２０１と加熱装置１０と圧縮空気配管２０２と分離膜２０と窒素ガス配管２０３の構成であるのに比較してみた場合、第二実施例が、圧縮空気配管２０１と乾燥装置１２０と圧縮空気配管２０８とＰＳＡ方式による装置９０と窒素ガス配管２０３の構成になっていることである。

ここで、ＰＳＡ方式による装置９０に関しては、窒素ガスを作り出す窒素ガス製造装置９０であり、窒素ガス濃度が通常９９〜９９．９９９９％程度ということを除いては、分離膜２０と概ね同等の働きをするものと考えて良い。

所で、ＰＳＡ方式による装置９０は、高圧力下で特定のガスを吸着し低圧力下で特定のガスを吐き出す吸着材を収納した第一吸着槽９１と第二吸着槽９２から構成されていて、加えて開閉の動作を定められた順序で自動的に行なう電磁弁９３、９４、９５、９６、９７、９８、９９と、流量を変化させる第一絞り弁１０１と第二絞り弁１０２と、装置内配管２４１、２４２、２４３、２４４、２４５、２４６、２４７、２４８、２４９、２５０、２５１、２５２、２５３、２５４、２５５、２５６、２５７、２５８、２５９、２６０と、排気管２６１より構成されているのである。

更に詳細に述べると、圧縮空気配管２０１に続いて乾燥装置１２０と圧縮空気配管２０８が接続し、更に圧縮空気配管２０８に接続して、装置内配管２４１、２４６が分岐しているのである。 また、装置内配管２５４、２５９が一体になって窒素ガス配管２０３に接続しているのである。

その間で、装置内配管２４１は、電磁弁９３と装置内配管２４２と装置内配管２４３と第一吸着槽９１と装置内配管２５１と第一絞り弁１０１と装置内配管２５２と装置内配管２５３と電磁弁９８と装置内配管２５４に、記載の順に接続しているのである。

また、装置内配管２４６は、電磁弁４４と装置内配管２４７と装置内配管２４８と第二吸着槽槽９２と装置内配管２５６と第二絞り弁１０２と装置内配管２５７と装置内配管２５８と電磁弁９９と装置内配管２５９に、記載の順に接続しているのである。

更に、装置内配管２４２と装置内配管２４３の接続部に装置内配管２４４を接続し、装置内配管２４７と装置内配管２４８の接続部に装置内配管２４９を接続し、装置内配管２４４は、電磁弁９５と装置内配管２４５と装置内配管２５０と電磁弁９６と装置内配管２４９に、記載の順に接続し、装置内配管２４５と装置内配管２５０の接続部に排気管２６１を接続しているのである。

一方、装置内配管２５２と装置内配管２５３の接続部に装置内配管２５４を接続し、装置内配管２５７と装置内配管２５８の接続部に装置内配管２６０を接続し、装置内配管２５５は、電磁弁４７と装置内配管２６０に、記載の順に接続しているのである。

尚、第一吸着槽９１と第二吸着槽９２には、酸素吸着容量及び酸素と窒素の吸着速度差が大きく、加圧下において短時間のうちに酸素を優先的に吸収することで空気より窒素ガスを分離出来、常圧に戻すことにより吸着した酸素を容易に脱着することが出来る活性炭の一種を収納しているのである。

また、第一吸着槽９１と第二吸着槽９２の外周には、蛇管より成る加熱手段１１０を配設し、冷却装置５０との間に温水配管２３１と冷水配管２３２とを接続することで、触媒槽４０で発生した熱を冷却装置５０に於いて水を介して伝達することが可能となっているのである。 この場合、図２に具体的に図示していないが、加熱手段１１０の熱源として、電気によるものやガスによるものや蒸気によるものを図２に示した温水配管２３１や冷水配管２３２とは別に考えても良いし、両者を共に使用しても構わない。

本発明による、窒素ガスの製造方法および製造装置は前述したように構成されており、以下に、その動作について説明する。

この場合、エアーコンプレッサから圧縮空気配管２０１迄の作動に関しては、第一実施例と同じであり、次の乾燥装置１２０では、エアーコンプレッサによって作り出された圧縮空気を乾燥させることによって、下流に配設されているＰＳＡ方式による装置９０が効果的に長期間の間作動することを目的としている。

一方、ＰＳＡ方式による装置９０では、酸素吸着容量及び酸素と窒素の吸着速度が大きい活性炭の一種である吸着材を収納した第一吸着槽９１と第二吸着槽９２を構成することで、高圧下では酸素ガスを吸着し低圧下では酸素ガスを吐き出すという吸着材の特性を利用して圧縮空気から窒素ガスを分離抽出している。

従って、吸着材を収納した第一吸着槽９１と第二吸着槽９２において、電磁弁９３、９４、９５、９６、９７、９８、９９の働きによって加圧作用（高圧化）と減圧作用（低圧化）を交互に繰り返し運転することで、圧縮空気から窒素ガスだけを高濃度に分離抽出して供給することが出来るのである。

この場合、第一吸着槽９１は圧縮空気を供給することによって加圧し、第二吸着槽９２は常圧下まで減圧することで、第一吸着槽９１の吸着材では、吸着初期に多量の酸素ガスを吸着する特性と高圧力下で吸着量が大きい特性によって、高濃度の窒素ガスを窒素ガス配管２０３に送り出し、第二吸着槽９２の吸着材では、吸着されている酸素ガスを分離離脱させることによって、酸素ガスを中心とする気体を排気管２６１から排出するようになっている。

この様にして、第一吸着槽９１と第二吸着槽９２を交互に加圧と減圧の運転を繰り返すことによって、連続的に大量の窒素ガスを供給することが出来るようになっているのである。 尚、交互に加圧と減圧の運転をするには、装置内配管２４１、２４２、２４３、２４４、２４５、２４６、２４７、２４８、２４９、２５０、２５１、２５２、２５３、２５４、２５５、２５６、２５７、２５８、２５９、２６０の途中に配設された電磁弁９３、９４、９５、９６、９７、９８、９９を開閉することによって成されるが、周知の技術であるのでここでは詳細については省略する。

また、第一吸着槽９１と第二吸着槽９２の直ぐ下流には第一絞り弁１０１と第二絞り弁１０２を配設しているが、その目的とする所は、第一吸着槽９１と第二吸着槽９２を流れる圧縮空気の流量を変化調整することによって、季節的な要因や配管抵抗や第一吸着槽９１と第二吸着槽９２の大きさの違い等の装置の微妙な違いによる窒素ガス濃度の違いやばらつきを、窒素ガスの濃度が高くなりばらつきが小さいように調整することで濃度の高い窒素ガスを得るために設けたものである。 但し、第一絞り弁１０１と第二絞り弁１０２の位置に関しては、第一吸着槽９１と第二吸着槽９２の下流に位置している必要は無く、上流に位置させても構わない。

この様にして、９９．９％程度の濃度を確保した酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体は、窒素ガス配管２０３を経由して水素ガスを合流させて混合ガスとなり触媒槽４０に送り込まれる。

次に、触媒槽４０に送り込まれた酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体は、比較的純度の高い窒素ガスとなって、冷却装置５０と、気液分離器６０と、必要に応じて水素ガス分離膜８０を経由するが、共に動作に関しては、第一実施例に同じであるので省略する。

但し、第一実施例の分離膜２０で作り出した濃度が９９．５％の酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体と違って、ＰＳＡ方式による装置９０で作り出した酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体は、濃度が９９．９％程度である為に９９．９９９％以上の窒素濃度は容易に確保出来る。

尚、第一吸着槽９１と第二吸着槽９２の外周に配設した蛇管より成る加熱手段１１０と冷却装置５０との間を温水配管２３１と冷水配管２３２とを接続することで、触媒槽４０で発生した熱を冷却装置５０に於いて水を介して伝達することで、ＰＳＡ方式による装置９０を加熱することが可能となっているのである。 この事によって、効率的に窒素ガスを作り出すことが出来るようになったのである。 この場合、加熱の方法としては、電気によるものやガスによるものや蒸気によるものを別に考えても良いし、一緒に加えても構わない。

本発明の分離膜による場合の全体図 本発明の分離膜をＰＳＡ方式による装置にした場合の部分的な図

符号の説明

１０・・・・・・・加熱装置
１０ａ・・・・・・加熱装置本体
１０ｂ・・・・・・ヒータ
１０ｃ・・・・・・加熱室
１０ｘ・・・・・・入口
１０ｙ・・・・・・出口
１１・・・・・・・ヒータ配線
１２・・・・・・・ヒータ配線
１３・・・・・・・電源
２０・・・・・・・窒素ガス製造装置（分離膜）
２１・・・・・・・酸素濃度計
２２・・・・・・・開閉弁
２３・・・・・・・圧力計
３０・・・・・・・水素ガス発生装置
３１・・・・・・・減圧弁
３２・・・・・・・流量調整弁
３３・・・・・・・圧力計
３４・・・・・・・逆止弁
３５・・・・・・・開閉弁
４０・・・・・・・触媒槽
４１・・・・・・・触媒
５０・・・・・・・冷却装置
５０ａ・・・・・・通気管
６０・・・・・・・気液分離器
６０ａ・・・・・・フィルターエレメント
６０ｂ・・・・・・本体
６０ｃ・・・・・・カバー
６０ｇ・・・・・・流入路
６０ｈ・・・・・・流出路
６０ｘ・・・・・・入口
６０ｙ・・・・・・出口
６１・・・・・・・開閉弁
６２・・・・・・・ドレントラップ
７０・・・・・・・制御装置
８０・・・・・・・水素ガス分離膜
８１・・・・・・・酸素濃度計
８２・・・・・・・開閉弁
８３・・・・・・・水素濃度計
８４・・・・・・・開閉弁
８５・・・・・・・水素濃度計
８６・・・・・・・開閉弁
９０・・・・・・・窒素ガス製造装置（ＰＳＡ方式による装置）
９１・・・・・・・第一吸着槽
９２・・・・・・・第二吸着槽
９３・・・・・・・電磁弁
９４・・・・・・・電磁弁
９５・・・・・・・電磁弁
９６・・・・・・・電磁弁
９７・・・・・・・電磁弁
９８・・・・・・・電磁弁
９９・・・・・・・電磁弁
１０１・・・・・・第一絞り弁
１０２・・・・・・第二絞り弁
１１０・・・・・・加熱手段
１２０・・・・・・乾燥装置
２０１・・・・・・圧縮空気配管
２０２・・・・・・圧縮空気配管
２０３・・・・・・窒素ガス配管
２０４・・・・・・窒素ガス配管
２０５・・・・・・窒素ガス配管
２０６・・・・・・窒素ガス配管
２０７・・・・・・窒素ガス配管
２０８・・・・・・圧縮空気配管
２１１・・・・・・酸素ガス濃度信号
２１２・・・・・・水素ガス濃度信号
２１３・・・・・・微調整指示信号
２２１・・・・・・酸素濃度計配管
２２２・・・・・・水素ガス配管
２２３・・・・・・ドレン配管
２２４・・・・・・酸素濃度計配管
２２５・・・・・・水素濃度計配管
２２６・・・・・・水素濃度計配管
２３１・・・・・・温水配管
２３２・・・・・・冷水配管
２４１・・・・・・装置内配管
２４２・・・・・・装置内配管
２４３・・・・・・装置内配管
２４４・・・・・・装置内配管
２４５・・・・・・装置内配管
２４６・・・・・・装置内配管
２４７・・・・・・装置内配管
２４８・・・・・・装置内配管
２４９・・・・・・装置内配管
２５０・・・・・・装置内配管
２５１・・・・・・装置内配管
２５２・・・・・・装置内配管
２５３・・・・・・装置内配管
２５４・・・・・・装置内配管
２５５・・・・・・装置内配管
２５６・・・・・・装置内配管
２５７・・・・・・装置内配管
２５８・・・・・・装置内配管
２５９・・・・・・装置内配管
２６０・・・・・・装置内配管
２６１・・・・・・排気管
３０１・・・・・・酸素富化ガス
３０２・・・・・・ドレン水
３０３・・・・・・水素富化ガス
３０４・・・・・・純度の高い窒素ガス
３０５・・・・・・酸素富化ガス

Claims (16)

1. 純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法に於いて、酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体または圧縮空気に、水素ガスを添加して混合ガスとし、前記混合ガスを触媒（４１）に接触させることによって前記水素ガスと前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体または前記圧縮空気に含まれている酸素ガスを反応させ水を作り出すことで前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体または前記圧縮空気の中に含まれた前記酸素ガスの含有を０％または０％に近い比較的純度の高い窒素ガスにしたことを特徴とする窒素ガスの製造方法。
2. 各ガス成分の膜に対する透過量の差を利用する分離膜（２０）または高圧力下で特定のガスを吸着し低圧力下で特定のガスを吐き出すＰＳＡ方式による装置（９０）に圧縮空気を送り込むことにより、酸素富化ガス（３０１、３０５）を排除し前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出すことを特徴とする請求項１に記載の窒素ガスの製造方法。
3. 前記分離膜（２０）に前記圧縮空気を送り込むに際しては前記圧縮空気を加熱することを、または前記ＰＳＡ方式による装置（９０）に前記圧縮空気を送り込むに際しては前記ＰＳＡ方式による装置（９０）を加熱することを特徴とする請求項２に記載の窒素ガスの製造方法。
4. 前記圧縮空気を加熱するに際しては、または前記ＰＳＡ方式による装置（９０）を加熱するに際しては、前記混合ガスを前記触媒（４１）に接触させることによって発生した反応熱を使用することを特徴とする請求項３に記載の窒素ガスの製造方法。
5. 前記混合ガスを前記触媒（４１）に接触させた後に、発生した前記比較的純度の高い窒素ガスを冷却して水を分離することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒素ガスの製造方法。
6. 前記触媒（４１）は、アルミナを母材とし、その表面にオングストローム単位のＰｄを付着させたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒素ガスの製造方法。
7. 前記比較的純度の高い窒素ガスを冷却して後、前記比較的純度の高い窒素ガスが水素ガス分離膜（８０）を経由することにより、水素富化ガス（３０３）を排除して純度の高い窒素ガス（３０４）を作り出すことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒素ガスの製造方法。
8. 前記混合ガスを前記触媒（４１）に接触させた後に前記酸素ガスの濃度を測定し、前記水素ガスの流量を調整することによって前記酸素ガスの含有を設定された０％に近い値とするようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒素ガスの製造方法。
9. 前記混合ガスを前記触媒（４１）に接触させた後に前記酸素ガスと前記水素ガスの濃度を測定し、前記水素ガスの流量を調整することによって酸素ガスの含有を０％にし且つ前記水素ガスの含有を設定された０％に近い値とするようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の窒素ガスの製造方法。
10. 純度の高い窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造装置に於いて、酸素富化ガス（３０１、３０５）を排除し圧縮空気より酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体を作り出す窒素ガス製造装置（２０、９０）と、前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体より圧力の高い水素ガスを送り込み混合ガスを作り出す流量調整弁（３２）を付設した水素ガス発生装置（３０）と、前記混合ガスの前記酸素ガスを不純物として含んでいる窒素ガスを中心とする気体に含まれている酸素ガスと前記水素ガスから水を作り出す反応を促進させる触媒槽（４０）と、発生した水蒸気を冷却する冷却装置（５０）を配設したことを特徴とする窒素ガスの製造装置。
11. 前記窒素ガス製造装置（２０、９０）は、各ガス成分の膜に対する透過量の差を利用する分離膜（２０）または高圧力下で特定のガスを吸着し低圧力下で特定のガスを吐き出すＰＳＡ方式による装置（９０）であることを特徴とする請求項１０に記載の窒素ガスの製造装置。
12. 前記分離膜（２０）の上流に前記圧縮空気を加熱する加熱装置（１０）を、または前記ＰＳＡ方式による装置（９０）に加熱手段（１１０）を配設したことを特徴とする請求項１１に記載の窒素ガスの製造装置。
13. 前記加熱装置（１０）または前記加熱手段（１１０）は、前記混合ガスを前記触媒槽（４０）を通過させることによって発生する反応熱を使用する目的で前記触媒槽（４０）と温水配管（２３１）と冷水配管（２３２）で接続したことを特徴とする請求項１２に記載の窒素ガスの製造装置。
14. 前記冷却装置（５０）の下流に、前記水蒸気からドレン水を分離する気液分離器（６０）を配設し、前記気液分離器（６０）に、前記ドレン水が一定量溜まると前記ドレン水を排出するドレントラップ（６２）を形成し、前記気液分離器（６０）の下流に、水素富化ガス（３０３）を排除して純度の高い窒素ガス（３０４）を作り出す水素ガス分離膜（８０）を配設したことを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれか１項に記載の窒素ガスの製造装置。
15. 前記触媒槽（４０）の下流に、酸素ガスの濃度を測定する酸素濃度計（８１）を位置させ、前記酸素濃度計（８１）からの酸素ガス濃度信号（２１１）の受信と、酸素ガスの０％に近い値の設定と、前記流量調整弁（３２）に対し前記酸素ガス濃度信号（２１１）の値が前記酸素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には流量増加の微調整指示信号（２１３）の送信を行なう制御装置（７０）を配設したことを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれか１項に記載の窒素ガスの製造装置。
16. 前記触媒槽（４０）の下流に、酸素ガスの濃度を測定する酸素濃度計（８１）と水素ガスの濃度を測定する水素濃度計（８３）を位置させ、前記酸素濃度計（８１）からの酸素ガス濃度信号（２１１）の受信と、前記水素濃度計（８３）からの水素ガス濃度信号（２１２）の受信と、水素ガスの０％に近い値の設定と、前記流量調整弁（３２）に対し前記酸素ガス濃度信号（２１１）の値が０％で前記水素ガス濃度信号（２１２）の値が前記水素ガスの０％に近い値の設定より大きい値の場合には流量減少の微調整指示信号（２１３）の送信を行なう制御装置（７０）を配設したことを特徴とする請求項１０ないし請求項１４のいずれか１項に記載の窒素ガスの製造装置。

Images