JP2003246611A

JP2003246611A - ヘリウム精製装置

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Publication number: JP2003246611A
Application number: JP2002049043A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Haruna; 一生春名; Masakuni Miyake; 正訓三宅
Original assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2003-09-02
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP4058278B2

Abstract

(57)【要約】【課題】回収された精製前のヘリウムが不純物として１
０容量％以上の空気を含む場合、すなわち原料ガス中の
酸素濃度が２容量％以上の濃度であっても高純度のヘリ
ウムを精製する技術を提供すること。【解決手段】不純物として少なくとも窒素、アルゴンお
よび酸素を合計で１０容量％以上含む混合ガスからヘリ
ウムを精製する装置であって、ガス圧縮機と、水素供給
によって不純物酸素ガスから水分を生成する反応手段
と、この反応手段によって生成した水分を除去するため
の脱湿手段と、分離膜により酸素以外の不純物を除去す
る膜分離手段を備えたヘリウムガス精製装置において、
脱湿手段の再生ガスと脱湿手段の入口ガスの一部とをリ
サイクルガスとして圧縮機の入口側に回収するととも
に、反応手段入口ガス中の酸素濃度が設定容量％以下と
なるように前記リサイクルガス量を制御するための手段
を備えたことを特徴とするヘリウム精製装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘリウム精製装置
に関する。さらに詳しくは、ヘリウムを含む混合ガスか
ら不純物を除去し、ヘリウムを精製する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウムは、冷却剤としての用途があ
る。ガス状ヘリウムは、光ファイバーを製造する際の冷
却剤としての用途が最も多い。液体ヘリウムは、超伝導
体マグネットの冷却用として使用されている。このよう
な用途に使用されるヘリウムは不具合なく冷却剤として
の役割を果たせるように、高純度に精製しておく必要が
ある。

【０００３】ヘリウムは高価なガスであるので冷却剤と
して使用された後、回収精製しリサイクルすると有効で
ある。例えば、光ファイバー製造時の冷却剤として使用
された場合には、不純物として空気が１０容量％以上混
入してしまう。したがって、使用後のヘリウムの再利用
を考慮した場合、窒素や酸素を多く含むヘリウムガスを
高純度に精製する技術が必要となる。

【０００４】ヘリウムを精製する技術としては、例え
ば、特開平２−１５７１０１号公報に記載された発明の
ように、ヘリウムガスを９０容量％以上含有しており、
しかも酸素ガスを少量含有する原料ガスを反応器でまず
酸素を水分に転化し、次いで、吸着装置で水分を除去
し、最後に高分子膜を内臓する分離膜モジュールを１個
以上直列に並べてヘリウムを９９％以上に精製する方法
がある。しかしながら、この技術は原料ガスがヘリウム
ガスを９０容量％以上含有していることが必要で、ヘリ
ウムガスが９０容量％以下、すなわち１０容量％以上の
空気（いいかえれば２容量％以上の酸素）を含む場合に
は適用することが困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、回収された
精製前のヘリウムが不純物として１０容量％以上の空気
を含む場合、すなわち原料ガス中の酸素濃度が２容量％
以上の濃度であっても高純度のヘリウムを精製する技術
を提供することを課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記した課題を解決する
為、本発明では次の技術的手段を講じている。すなわ
ち、本発明により提供されるヘリウム精製装置は、不純
物として少なくとも窒素、アルゴンおよび酸素を合計で
１０容量％以上含む混合ガスからヘリウムを精製する装
置であって、ガス圧縮機と、水素供給によって不純物酸
素ガスから水分を生成する反応手段と、この反応手段に
よって生成した水分を除去するための脱湿手段と、分離
膜により酸素以外の不純物を除去する膜分離手段を備え
たヘリウムガス回収精製装置において、脱湿手段の再生
ガスと脱湿手段の入口ガスの一部とをリサイクルガスと
して圧縮機の入口側に回収するとともに、反応手段入口
ガス中の酸素濃度が設定容量％以下となるように前記リ
サイクルガス量を制御するための手段を備えたことを特
徴としている。

【０００７】ヘリウム中に、例えば、不純物として１０
容量％以上の空気を含む回収ヘリウムを混合ガスとして
用いた場合、反応手段によって高濃度の酸素を水素供給
により触媒を用いて反応除去することになる。その場
合、水素と高濃度の酸素との発熱反応で反応温度が触媒
の耐熱温度以上に達するのを防止する必要がある。本発
明においては、その手段として、既に反応が終了して酸
素が除去された、酸素を含有しない脱湿装置の入口ガス
の一部と脱湿装置の再生ガスを原料系にリサイクルさ
せ、ヘリウムの回収を行なうとともに、そのリサイクル
ガスで回収ヘリウム中の高濃度酸素を希釈し、反応手段
入口ガス中の酸素濃度が設定容量％以下となるようにリ
サイクルガス量を制御する点に特徴を有している。

【０００８】反応手段は、少なくとも１つの反応槽を備
えており、反応槽が複数の場合、それぞれに水素ガスが
個別に供給されて、酸素ガスから水分含有ガスを生成可
能なものとして構成するのが好ましい。この場合、複数
の反応槽は、直列配置し、それぞれの反応槽においてガ
ス中の酸素濃度として３容量％以下に相当する酸素を添
加水素との反応で水に転化させることで除去することが
好ましい。

【０００９】各反応槽には、例えば、酸素と水素との反
応のための触媒が充填される。触媒としては、白金やパ
ラジウムをアルミナに担持したものが使用されるが、そ
の耐熱温度は約５００℃である。反応槽に導入される原
料ガスの酸素濃度が１容量％の場合、反応温度は約１６
０℃上昇する。したがって一つの反応槽で処理できる原
料ガスの酸素濃度は最大で３容量％、安全をみて２容量
％が好ましい。したがって、反応槽を直列に配置するこ
とにより、２槽の場合は少なくとも４容量％、３槽の場
合は少なくとも６容量％の酸素濃度の原料ガスの処理が
可能となる。

【００１０】したがって、反応槽の数に応じて反応手段
入口ガスの酸素濃度を所定の濃度以下に維持する必要が
ある。例えば、２層の反応槽を直列で用いる場合、第１
槽に導入される原料ガスの酸素濃度は、２〜４容量％の
任意の値に設定されればよい。この場合、第１段目の反
応槽で２容量％に相当する酸素が水に転化され、残りの
酸素は第２段目の反応槽で水に転化される。

【００１１】本発明においては、反応手段入口ガスの酸
素濃度は、脱湿手段入口ガスの一部と脱湿手段の再生ガ
スとをリサイクルガスとして原料系に混合させる際、そ
の流量を制御することによって調節される。この場合、
再生ガス量は脱湿手段がＴＳＡ法（熱変動吸着法）かＰ
ＳＡ法（圧力変動吸着法）かによって異なるが、再生ガ
スだけで酸素濃度を制御するには量的に不十分であるの
で、脱湿手段の入口ガスの一部をリサイクルすることに
よって酸素濃度を制御することができる。このとき脱湿
手段の再生ガスは、窒素を系外へ排出する場合以外は全
量リサイクルされるので、再生ガス中に含まれるヘリウ
ムが全量回収でき、ヘリウムの損失を１００％防ぐこと
が出来る。再生ガスの中に含まれる水分は入口部の圧縮
機によって圧縮された後、クーラーで冷却されドレン水
として排出される。この結果、水分を液体として抜き出
すことでヘリウムの損失をほぼ完璧に防ぐことが出来
る。

【００１２】また、反応手段においては複数の直列に配
した反応槽で酸素濃度を２容量％以下ずつ小刻みに、そ
して段階的に水素と反応させることによって酸素量に見
合う水素の添加量に精度をもたせることができるので、
過剰な水素を添加することなく酸素を完全に水分に転化
することができる。

【００１３】脱湿手段としては例えば冷却法、ＴＳＡ法
（熱変動吸着法）、あるいはＰＳＡ法（圧力変動吸着
法）等があげられる。冷却法は冷凍機を用いて水分を含
んだガスを５〜１０℃まで冷却して水分を凝縮除去する
方法であるが、例えば、９．８×１０^５Ｐａ未満の加圧
下で冷却しても露点は、−２５℃程度までしか除湿でき
ない。

【００１４】ＴＳＡ法やＰＳＡ法の脱湿手段では、例え
ば水分の吸着能の高い脱湿剤を保持した脱湿槽を備えて
おり、前記脱湿槽内の温度（ＴＳＡ法）または圧力（Ｐ
ＳＡ法）を変動させることにより、前記脱湿剤において
水分を吸着する状態と前記脱湿剤において吸着した水分
を脱着する状態とを選択するように構成される。

【００１５】ＴＳＡ法やＰＳＡ法は吸着剤を再生する
時、処理ガス量の約２０容量％以上の脱着ガスを再生ガ
スとして放出する。この再生ガス中には多量のヘリウム
が含まれているのでこのガスを前記反応手段の原料ガス
に希釈ガスとして利用すれば原料ガスの酸素濃度を低下
させることができると共に脱湿手段でのヘリウムの損失
をほぼ完璧に防止することができる。

【００１６】ＴＳＡ法やＰＳＡ法はゼオライトやアルミ
ナ等の吸着剤を使用するので露点は、−６０℃以下にま
で到達させることができる。したがって、ヘリウムを光
ファイバー製造時の冷却剤に使用するような湿分を嫌う
場合にはＴＳＡ法やＰＳＡ法を採用することが好まし
い。この脱湿手段において吸着剤としてＣａＡ型もしく
はＣａＸ型等のゼオライトを用いれば水分と同時に窒素
も除去でき、ＴＳＡ法（熱変動吸着法）やＰＳＡ法（圧
力変動吸着法）の再生操作末期に時間を制限してこの窒
素を系外へ排出すれば後段の膜分離手段への窒素負荷を
軽減することができる。特に、水分に加えて窒素を除去
したい場合はＴＳＡ法よりＰＳＡ法の方が好ましく、ゼ
オライトについてはＣａ型がＮａ型より窒素をより多く
吸着能を有しているので適している。

【００１７】膜分離手段は、分離対象ガスをヘリウム濃
縮ガスと除去ガスとに分離する膜分離モジュールにより
構成される。膜分離手段では、既に上流側で酸素と水分
が除去されているので窒素とアルゴンを除去すればよ
い。既に反応手段と脱湿手段において、回収ヘリウムガ
ス中の酸素と水分は完全に取り除かれているのでヘリウ
ムからアルゴンや窒素を非透過ガスとして除去するのは
容易である。また、ＰＳＡ法による脱湿手段において窒
素が一部除去されておれば膜分離手段での窒素除去はよ
り容易になる。

【００１８】したがって、反応手段と脱湿手段を上流側
に設けることによって膜分離手段においてガス分離膜モ
ジュールでヘリウムからアルゴンと窒素を除去し、ヘリ
ウムを回収率８０％以上で回収することが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について、図面を参照して具体的に説明する。図１に
示したヘリウム精製装置Ｘは、空気が混合したヘリウム
（回収ヘリウム）からヘリウムを精製することを目的と
して構成されたものであり、反応装置１、脱湿装置２、
および膜分離装置３を備えている。

【００２０】反応装置１は、酸素を除去することを目的
として構成されており、図１には触媒を充填した２基の
反応槽７、１０を用いる例が示されている。反応槽７、
１０に対しては水素供給用配管３０、３１を介して水素
ガスが供給される。反応槽７、１０内では、酸素含有ガ
スと反応槽７、１０に供給された水素ガスとの反応によ
り水が生成され、反応槽７、１０から水分含有ガスが排
出される。触媒としては白金やパラジウムが用いられ、
これらの触媒は、例えば、アルミナ等の無機物担体に担
持された状態で反応槽７、１０に保持される。

【００２１】反応槽７には、後述の方法で酸素濃度が２
〜４容量％に制御された原料ガスが供給される。反応槽
７の入口部では、２容量％の酸素濃度に相当する水素が
添加され最大約３２０℃の温度上昇がおこる。この温度
上昇幅は、触媒の耐熱温度が約５００℃であることと、
金属材料の熱による強度を考慮して適当な温度幅であ
る。この高温になったガスは、クーラー８で冷却された
後ドレンセパレーター９で反応により生成した水分が冷
却ドレン化されて外部へ排出される。さらに、未反応の
酸素が、反応槽１０で同じように水分に転化される。酸
素と水素の反応で生成した水分は、クーラー１１で冷
却、ドレン化されてドレンセパレーター１２から排出さ
れる。

【００２２】脱湿装置２は、主として水分を除去するこ
とを目的として構成されており、２つの脱湿槽１３を有
している。各脱湿槽１３には、例えば、ゼオライトのよ
うな脱湿剤が保持されており、槽内の温度変動により、
水分を吸着する状態と水分を脱着する状態とを選択する
ように構成される（ＴＳＡ法）。もちろん、槽内の圧力
変動により、水分を吸着する状態と水分を脱着する状態
とを選択するように構成してもよい（ＰＳＡ法）。この
脱湿装置２では、切り替え弁２１および切り替え弁２２
を操作することにより、各脱湿槽１３における吸着状態
と脱着状態とがタイミングをずらして行われ、これによ
り脱湿装置２の全体としては連続的に脱湿できるように
構成されている。脱着を行っている脱湿槽１３において
は、その脱着ガスが圧縮機４の入口部へとリサイクルさ
れる。脱着ガスは、脱湿装置２の入口ガスの一部と混合
されリサイクルガスとして回収され、さらに回収ヘリウ
ムと混合され原料ガスとして反応装置１に供給される。
原料ガスは、９．８×１０ ^５Ｐａまで圧縮機４で圧縮さ
れた後、クーラー５で冷却され、ドレンセパレーター６
で水分を除去した後反応槽７に導入される。ここで、反
応槽７に導入される原料ガスの酸素濃度を酸素濃度計１
５で測定し、その測定値に連動させて制御弁１６を制御
することによりリサイクルガスの量を調節し、原料ガス
の酸素濃度が設定値（例えば反応槽が１槽の場合は２容
量％以下、２槽の場合は２〜４容量％、３槽の場合は４
〜６容量％）となるように制御される。

【００２３】本発明においては、空気を１０容量％以上
含有する回収ヘリウムを精製の対象としているが、空気
の割合が１０〜２０容量％の場合、すなわち、酸素濃度
が２〜４容量％の場合には、原料ガスの酸素濃度を２容
量％以下に設定することにより１槽の反応槽で処理する
ことが可能となる。また、回収ヘリウムが２０〜３０容
量％の空気を含有している場合、すなわち、酸素濃度が
４〜６容量％の場合には、原料ガスの酸素濃度を２〜４
容量％に設定することにより２槽の反応槽で処理しても
よいし、酸素濃度を２容量％以下に設定することにより
１槽の反応槽で処理することも可能である。このよう
に、回収ヘリウムに含まれる空気の割合に応じて反応槽
入り口ガスの酸素濃度を適宜設定し、それに応じた数の
反応槽を設置することにより、１０容量％以上、好まし
くは９０容量％以下の空気を含む回収ヘリウムから高い
回収率で高純度にヘリウムを精製することができる。

【００２４】膜分離装置３は、主として窒素およびアル
ゴンを除去することを目的として構成されており、膜分
離モジュール１４を有している。膜分離モジュール１４
は、例えば、中空糸状の分離膜（図示略）を有してお
り、分離対象ガスがモジュールの内部に供給される。分
離膜を透過したヘリウムは精製ヘリウムとなって製品と
なる。一方、窒素やアルゴンに富んだ非透過ガスはオフ
ガスとなって排出されるが、特に分離膜のエレメントと
なっている中空糸は、例えば、ポリイミド、ポリスルホ
ン、酢酸セルロース等の高分子材料で構成されており、
不純ガスである窒素やアルゴンを最も透過させにくいた
めこれらは非透過ガスとなって簡単に排出される。

【００２５】

【実施例】このような効果を確認すべく、本発明者ら
は、ヘリウム精製装置Ｘに対して表１に示した条件の原
料ガスを供給しヘリウムの精製を試みた。その結果を表
１に同時に示した。この実施例では反応装置１の反応槽
は２槽とし、反応槽入口の原料ガスの酸素濃度を３容量
％に設定し、脱湿装置２は水分のみを除去する為の装置
としてＴＳＡ法を採用した。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、不純物として１０容量
％以上の濃度の窒素、アルゴンおよび酸素を含む混合ガ
スから高い回収率で高純度にヘリウムを精製することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関するヘリウム精製装置の一例を示す
概略構成図である。

【符号の説明】

Ｘヘリウム精製装置１反応装置（反応手段）２脱湿装置（脱湿手段）３膜分離装置（膜分離手段）４圧縮機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不純物として少なくとも窒素、アルゴンお
よび酸素を合計で１０容量％以上含む混合ガスからヘリ
ウムを精製する装置であって、ガス圧縮機と、水素供給
によって不純物酸素ガスから水分を生成する反応手段
と、この反応手段によって生成した水分を除去するため
の脱湿手段と、分離膜により酸素以外の不純物を除去す
る膜分離手段を備えたヘリウムガス精製装置において、
脱湿手段の再生ガスと脱湿手段の入口ガスの一部とをリ
サイクルガスとして圧縮機の入口側に回収するととも
に、反応手段入口ガス中の酸素濃度が設定容量％以下と
なるように前記リサイクルガス量を制御するための手段
を備えたことを特徴とするヘリウム精製装置。
【請求項２】前記反応手段は、少なくとも１つの反応槽
を備えており、反応槽が複数の場合、それぞれに水素ガ
スが個別に供給されて、酸素ガスから水分含有ガスを生
成可能とされており、前記複数の反応槽は、直列配置さ
れ、それぞれの反応槽においてガス中の酸素濃度として
３容量％以下に相当する酸素を添加水素との反応で水に
転化させる請求項１に記載のヘリウム精製装置。