JP2005349332A - Method for separating gas and its apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for separating gases and its apparatus which can effectively remove impurities from the exhaust gases discharged from a semiconductor production device using krypton, xenon, and neon as atmospheric gases and can recycle the krypton and other gases for reuse. <P>SOLUTION: In separating and removing impure components in a mixture gas containing at least one type of krypton, xenon and neon, a denitration step for converting nitrogen oxide into nitrogen and steam, a 1st adsorption separation step wherein the gas finished by the denitration step is made to contact with a 1st adsorbent whose readily adsorbable gas components are ammonia and steam thereby to adsorb and separate the ammonia and the water vapor, a 2nd adsorption separation step for bringing the gas finished with the 1st adsorption separation step in contact with a 2nd adsorbent whose readily adsorbable gas components are krypton, xenon and neon thereby to discharge the impurity components difficult for the 2nd adsorbent to adsorb, and a desorption/recovery step for desorbing and recovering the gas components adsorbed by the 2nd adsorbent in the 2nd adsorption separation step from the 2nd adsorbent, are performed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ガスの分離方法及び装置に関し、詳しくは、クリプトン、キセノン及びネオンの少なくとも1種を含む混合ガス中の不純物成分、特に、窒素酸化物、アンモニア、酸素、窒素、水素、ヘリウム、水蒸気といった微量不純物を除去し、前記クリプトンやキセノン、ネオンを再利用可能な状態まで分離精製する方法及び装置に関する。   The present invention relates to a gas separation method and apparatus, and more specifically, impurity components in a mixed gas containing at least one of krypton, xenon and neon, particularly nitrogen oxide, ammonia, oxygen, nitrogen, hydrogen, helium, water vapor. It is related with the method and apparatus which remove | eliminate such trace impurities, and isolate | separate and refine | purify the said krypton, xenon, and neon to the state which can be reused.

半導体集積回路、液晶パネル、太陽電池及びそのパネル、磁気ディスク等の半導体製品を製造する工程では、不活性ガス雰囲気中でプラズマを発生させ、該プラズマによって半導体製品又は表示装置の各種処理を行う製造設備が広く用いられている。このような処理において、従来は、ヘリウムやアルゴンが不活性ガスとして用いられてきたが、近年は、より高度な処理を行うため、クリプトンやキセノン、ネオンを使用した処理が注目されている。   In the process of manufacturing a semiconductor product such as a semiconductor integrated circuit, a liquid crystal panel, a solar cell and its panel, a magnetic disk, etc., manufacturing is performed in which plasma is generated in an inert gas atmosphere and the semiconductor product or display device is processed by the plasma. Equipment is widely used. Conventionally, helium or argon has been used as an inert gas in such processing, but in recent years, processing using krypton, xenon, or neon has attracted attention in order to perform more advanced processing.

クリプトンやキセノン、ネオンは、空気中の存在比及び分離工程の複雑さから極めて高価なガス(以下、これらのガスを高付加価値ガスという)であり、このような高付加価値ガスを使用するプロセスを経済的に成立させるためには、使用済みの排ガス中から高付加価値ガスを高回収率で分離精製し、循環再利用することが必須条件である。さらに、回収した高付加価値ガスの不純物濃度は、100ppm以下の高純度が望まれる。   Krypton, xenon, and neon are extremely expensive gases (hereinafter, these gases are referred to as high value-added gases) due to the abundance ratio in the air and the complexity of the separation process, and processes using such high value-added gases. In order to establish the economy economically, it is indispensable to separate and purify high value-added gas from used exhaust gas at a high recovery rate and to recycle it. Furthermore, the impurity concentration of the recovered high value-added gas is desired to have a high purity of 100 ppm or less.

ここで、分離精製の対象となる高付加価値ガスを含む排ガスは、雰囲気ガスである高付加価値ガスと半導体製造設備の真空排気手段に導入される窒素又はアルゴンとが主要ガス成分となった混合ガスの状態となっている。排ガス中のその他の成分としては、半導体の製造目的に応じて添加されるガス成分が含まれる。例えば、プラズマ酸化であれば酸素が含まれ、プラズマ窒化や酸窒化であれば、酸素、窒素、水素、アンモニア、窒素酸化物が含まれる。基体の冷却にヘリウムを使用している場合は、ヘリウムも含まれることになる。   Here, the exhaust gas containing the high value-added gas to be separated and refined is a mixture in which the high-value-added gas, which is an atmospheric gas, and nitrogen or argon introduced into the vacuum exhaust means of the semiconductor manufacturing facility are the main gas components. It is in a gas state. Other components in the exhaust gas include gas components that are added depending on the purpose of manufacturing the semiconductor. For example, oxygen is included in plasma oxidation, and oxygen, nitrogen, hydrogen, ammonia, and nitrogen oxide are included in plasma nitriding and oxynitriding. If helium is used for cooling the substrate, helium is also included.

以下、半導体製造装置の工程と、各工程時に排出されるガス成分について、さらに詳細に説明する。まず、プラズマ処理の対象となる基体を挿入する前のチャンバ内は、窒素、アルゴン等のパージガスを通気しながら真空排気することで清浄な窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気とされる。その後、基体が処理チャンバ内に挿入されるが、清浄な窒素又はアルゴン雰囲気を保持するために、窒素又はアルゴンの通気と真空排気は継続される。   Hereinafter, the process of a semiconductor manufacturing apparatus and the gas component discharged | emitted at each process are demonstrated in detail. First, the inside of the chamber before inserting the substrate to be subjected to plasma processing is made a clean nitrogen atmosphere or argon atmosphere by evacuating while purging a purge gas such as nitrogen or argon. The substrate is then inserted into the processing chamber, but nitrogen or argon venting and evacuation is continued to maintain a clean nitrogen or argon atmosphere.

次いで、チャンバ内に流通しているガスが窒素又はアルゴンから高付加価値ガスを含む雰囲気ガスに切り替わり、処理チャンバ内が高付加価値ガス雰囲気になった後、プラズマ処理を開始させる。したがって、プラズマ処理中にチャンバから排気されるガスは、主に高付加価値ガスで占められることになるが、製造目的に応じて添加されたガス成分及び反応副生成物も含まれる。   Next, after the gas flowing in the chamber is switched from nitrogen or argon to an atmosphere gas containing a high value-added gas, and the inside of the processing chamber becomes a high value-added gas atmosphere, plasma processing is started. Therefore, the gas exhausted from the chamber during the plasma processing is mainly occupied by high-value-added gas, but also includes gas components and reaction byproducts added depending on the manufacturing purpose.

プラズマ処理終了後、半導体製造装置では、高周波印加を停止してプラズマを停止させる。このとき、流通ガスが高付加価値ガスから窒素又はアルゴンに切り替わり、その後基体が取り出される。したがって、この間に排気されるガスは、窒素又はアルゴンが主要ガス成分となるが、系内に残存している高付加価値ガスも含まれる可能性がある。   After the plasma processing is completed, the semiconductor manufacturing apparatus stops the plasma by stopping the high frequency application. At this time, the flow gas is switched from the high added value gas to nitrogen or argon, and then the substrate is taken out. Therefore, the gas exhausted during this period may contain nitrogen or argon as a main gas component, but may also include high value-added gas remaining in the system.

また、処理チャンバと真空排気システムとの間では、真空排気システムからの不純物の逆拡散を防止するために、工程に関わらず窒素又はアルゴンが通気される。この逆拡散防止用の窒素又はアルゴンは、処理チャンバから排気されたガスと共に排気される。さらに、大気巻き込み防止用として真空ポンプの軸受け部にも窒素又はアルゴンが通気される。この窒素又はアルゴンの一部は、真空排気系内部に流入し、上述のガスと一緒に排気される。   In addition, nitrogen or argon is vented between the processing chamber and the vacuum exhaust system regardless of the process in order to prevent back diffusion of impurities from the vacuum exhaust system. The reverse diffusion preventing nitrogen or argon is exhausted together with the gas exhausted from the processing chamber. Further, nitrogen or argon is also vented to the bearing portion of the vacuum pump for preventing air entrainment. A part of this nitrogen or argon flows into the vacuum exhaust system and is exhausted together with the gas described above.

混合ガスから目的とするガス成分を分離精製する方法として、圧力変動吸着分離(PSA)法が広く知られている。例えば、空気を原料として酸素を製品として得る場合には、ゼオライトを吸着剤として用い、加圧下で空気を流通させることで易吸着性ガス成分である窒素を吸着剤に吸着固定させ、難吸着成分である酸素を製品として採取する。次いで、吸着剤層を空気の流通工程(吸着工程)より十分に低い圧力条件下におけば、吸着剤に吸着されていた窒素が脱着する。相対的に高い圧力での吸着工程と相対的に低い圧力での再生工程とを繰り返すPSA操作は、短時間での吸着−再生の切り替えが可能なため、吸着剤当たりの製品発生量を高めやすく、装置をコンパクトにし易いという利点を有している。   A pressure fluctuation adsorption separation (PSA) method is widely known as a method for separating and purifying a target gas component from a mixed gas. For example, when air is used as a raw material to obtain oxygen as a product, zeolite is used as an adsorbent, and air is circulated under pressure to adsorb and fix nitrogen, which is an easily adsorbable gas component, to the adsorbent. Oxygen is collected as a product. Next, if the adsorbent layer is placed under a pressure condition sufficiently lower than the air circulation step (adsorption step), the nitrogen adsorbed on the adsorbent is desorbed. The PSA operation that repeats the adsorption process at a relatively high pressure and the regeneration process at a relatively low pressure is capable of switching between adsorption and regeneration in a short time, so it is easy to increase the amount of product generated per adsorbent. This has the advantage that the device can be easily made compact.

また、原料ガス中の微量不純物を除去する方法としては、温度変動吸着分離(TSA)法が広く知られている。例えば、深冷空気分離装置では、原料空気中の微量成分である水分や二酸化炭素を除去するため、TSA法を用いた前処理装置が用いられている。この前処理装置では、活性アルミナやゼオライト等の吸着剤充填層に空気を通気させることにより、易吸着性ガス成分である水や二酸化炭素等の不純物を吸着除去している。吸着飽和に達した吸着剤は、加温されたパージガスを流通させることで容易に再生できる。   As a method for removing trace impurities in the source gas, a temperature fluctuation adsorption separation (TSA) method is widely known. For example, in the cryogenic air separation device, a pretreatment device using the TSA method is used to remove moisture and carbon dioxide, which are trace components in the raw material air. In this pretreatment device, impurities such as water and carbon dioxide, which are easily adsorbable gas components, are adsorbed and removed by allowing air to pass through an adsorbent packed bed of activated alumina or zeolite. The adsorbent that has reached adsorption saturation can be easily regenerated by circulating a heated purge gas.

半導体製造装置等で使用された高付加価値ガスを再利用するためには、回収した混合ガス中に含まれる微量の不純物、反応副生成物、パージガス等の不要なガス成分を取り除く必要がある。混合ガス中の不要ガス成分を除去するには、上述の従来技術の組み合わせでもある程度は達成できる。例えば、アンモニア、窒素酸化物、水分(水蒸気)等の微量なガス成分であれば、ゼオライト等の吸着剤を用いたTSA法によって吸着除去できる(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003−342010号公報
In order to reuse the high value-added gas used in a semiconductor manufacturing apparatus or the like, it is necessary to remove unnecessary gas components such as trace impurities, reaction byproducts, and purge gas contained in the collected mixed gas. The removal of unnecessary gas components in the mixed gas can be achieved to some extent even by the combination of the above-described conventional techniques. For example, if it is a trace gas component such as ammonia, nitrogen oxide, moisture (water vapor), it can be adsorbed and removed by the TSA method using an adsorbent such as zeolite (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-342010 A

しかしながら、従来の組み合わせでは、ヘリウム及び水素の分離が困難であったために、前記特許文献1に記載の発明では、水素を除去する方法として、水素を酸素の存在下で水素酸化触媒反応により水蒸気に転化し、次いで水蒸気を吸着剤で除去しなければならなかった。しかし、水素を処理するだけのためにパラジウム触媒等を用いた触媒筒及び水蒸気を除去するためのTSA法を利用した吸着筒を追加する必要があるだけでなく、装置系外から酸素を供給する必要があるなど、装置構成が複雑になるという問題があった。また、その他の分離方法として、膜分離法を利用することも考えられるが、何れにしても、装置構成が複雑になり、装置コストの上昇、設置スペースの増大は避けられなかった。   However, since it was difficult to separate helium and hydrogen in the conventional combination, in the invention described in Patent Document 1, as a method for removing hydrogen, hydrogen was converted into water vapor by a hydrogen oxidation catalytic reaction in the presence of oxygen. Conversion and then water vapor had to be removed with the adsorbent. However, it is not only necessary to add a catalyst cylinder using a palladium catalyst or the like and only an adsorption cylinder using the TSA method for removing water vapor only to treat hydrogen, but oxygen is supplied from outside the system. There is a problem that the device configuration becomes complicated, such as necessity. As another separation method, it is conceivable to use a membrane separation method, but in any case, the configuration of the apparatus becomes complicated, resulting in an increase in apparatus cost and an increase in installation space.

そこで本発明は、クリプトン、キセノン、ネオンの少なくとも1種類の高付加価値ガスを雰囲気ガスとして用いる半導体製品又は表示装置の製造設備から排出される排ガスから高付加価値ガスを分離精製して循環再利用するにあたり、排ガス中に含まれる窒素酸化物、アンモニア、酸素、窒素、水素、ヘリウム、水蒸気のような微量不純物を効率良く除去し、さらに、高付加価値ガスを高回収率で連続的に分離精製して循環再利用することが可能なガス分離方法及び装置を提供することを目的としている。   Accordingly, the present invention separates and recycles high-value-added gas from exhaust gas discharged from semiconductor product or display device manufacturing equipment that uses at least one kind of high-value-added gas of krypton, xenon, or neon as an atmospheric gas, and recycles it In doing so, it efficiently removes trace impurities such as nitrogen oxides, ammonia, oxygen, nitrogen, hydrogen, helium, and water vapor contained in the exhaust gas, and continuously separates and purifies high value-added gas with high recovery. An object of the present invention is to provide a gas separation method and apparatus that can be recycled and reused.

上記目的を達成するため、本発明のガスの分離方法は、クリプトン、キセノン及びネオンの少なくとも1種を含む混合ガス中の不純物成分を分離除去するガスの分離方法において、前記混合ガスにおける不純物成分である窒素酸化物を還元性物質の存在下で脱硝触媒反応により窒素と水蒸気とに転化する脱硝工程と、アンモニア及び水蒸気を易吸着性ガス成分とする第1吸着剤に前記脱硝工程後のガスを接触させて不純物であるアンモニア及び水蒸気を前記第1吸着剤に吸着させて該ガス中から分離する第1吸着分離工程と、クリプトン、キセノン及びネオンを易吸着性ガス成分とする第2吸着剤に前記第1吸着分離工程後のガスを接触させ、前記第2吸着剤に対して難吸着性の不純物成分を排出する第2吸着分離工程と、該第2吸着分離工程で前記第2吸着剤に吸着したガス成分を該第2吸着剤から脱着させて回収する脱着回収工程とを含むことを特徴としている。   To achieve the above object, the gas separation method of the present invention is a gas separation method for separating and removing an impurity component in a mixed gas containing at least one of krypton, xenon, and neon. A denitration step of converting a certain nitrogen oxide into nitrogen and water vapor by a denitration catalytic reaction in the presence of a reducing substance, and a gas after the denitration step to a first adsorbent containing ammonia and water vapor as easily adsorbable gas components The first adsorbing / separating step in which ammonia and water vapor as impurities are adsorbed on the first adsorbent and separated from the gas, and the second adsorbent containing krypton, xenon and neon as easily adsorbable gas components. A second adsorptive separation step of contacting the gas after the first adsorptive separation step and discharging impurity components that are difficult to adsorb to the second adsorbent; In is characterized in that it comprises a desorption recovery step of recovering by desorbing the adsorbed gas components in the second adsorbent from the second adsorbent.

さらに、本発明のガスの分離方法は、前記脱着回収工程で回収したガスを、クリプトン、キセノン及びネオンを難吸着性ガス成分とする第3吸着剤に接触させ、該第3吸着剤に対して易吸着性のガス成分を吸着分離する第3吸着分離工程を行うことを特徴とし、特に、前記第3吸着分離工程で第3吸着剤に吸着したガス成分を第3吸着剤から脱着させ、脱着したガス成分を該第3吸着分離工程に導入されるガスに循環混合することを特徴としている。加えて、前記脱硝工程の前段に、前記混合ガスにおける不純物成分であるアンモニアと窒素酸化物とを脱硝触媒により反応させて窒素及び水蒸気に転化させることにより、アンモニア及び窒素酸化物の少なくともいずれか一方を混合ガス中から除去する触媒反応工程を行うことを特徴としている。   Furthermore, in the gas separation method of the present invention, the gas recovered in the desorption recovery step is brought into contact with a third adsorbent containing krypton, xenon and neon as difficult adsorbing gas components, A third adsorptive separation step for adsorbing and separating easily adsorbable gas components is performed, and in particular, the gas component adsorbed on the third adsorbent in the third adsorptive separation step is desorbed from the third adsorbent and desorbed. The gas component is circulated and mixed with the gas introduced into the third adsorptive separation step. In addition, at the front stage of the denitration step, ammonia and nitrogen oxide, which are impurity components in the mixed gas, are reacted with a denitration catalyst to be converted into nitrogen and water vapor, whereby at least one of ammonia and nitrogen oxide is obtained. It is characterized by carrying out a catalytic reaction step of removing from the mixed gas.

また、本発明のガスの分離装置は、クリプトン、キセノン及びネオンの少なくとも1種を含む混合ガス中の不純物成分を分離除去するガスの分離装置において、窒素酸化物を還元性物質の存在下で窒素と水蒸気とに転化する脱硝触媒を充填した脱硝触媒反応手段と、アンモニア及び水蒸気を易吸着性ガス成分とする第1吸着剤を充填した第1吸着分離手段と、クリプトン、キセノン及びネオンを易吸着性ガス成分とする第2吸着剤を充填した第2吸着分離手段と、前記脱硝触媒反応手段の入口側に接続された還元性物質添加経路と、前記脱硝触媒反応手段の出口側から導出したガスを第1吸着筒の入口側に導入する第1導入経路と、前記第1吸着剤に吸着しなかったガス成分を前記第1吸着筒の出口側から導出して前記第2吸着分離手段の入口側に導入する第1導出経路及び第2導入経路と、前記第2吸着剤に吸着しなかったガス成分を第2吸着分離手段の出口側から導出する第2導出経路と、前記第2吸着剤に吸着したガス成分を第2吸着剤から脱着させて第2吸着分離手段の入口側から回収する回収経路とを備えていることを特徴としている。   Further, the gas separation apparatus of the present invention is a gas separation apparatus for separating and removing an impurity component in a mixed gas containing at least one of krypton, xenon and neon, wherein nitrogen oxides are removed from nitrogen in the presence of a reducing substance. Denitration catalyst reaction means packed with a denitration catalyst that converts it into water and steam, first adsorption separation means filled with a first adsorbent containing ammonia and water vapor as easily adsorbable gas components, and easy adsorption of krypton, xenon and neon A second adsorbing / separating means filled with a second adsorbent as a reactive gas component, a reducing substance addition path connected to the inlet side of the denitration catalyst reaction means, and a gas derived from the outlet side of the denitration catalyst reaction means Is introduced into the inlet side of the first adsorption cylinder, and the gas component not adsorbed on the first adsorbent is led out from the outlet side of the first adsorption cylinder to enter the second adsorption separation means. A first lead-out path and a second lead-in path that are introduced to the side, a second lead-out path that leads out a gas component that has not been adsorbed by the second adsorbent from the outlet side of the second adsorption separation means, and the second adsorbent And a recovery path for recovering from the inlet side of the second adsorption separation means by desorbing the gas component adsorbed on the second adsorbent.

さらに、本発明のガスの分離装置は、クリプトン、キセノン及びネオンを難吸着性ガス成分とする第3吸着剤を充填した第3吸着分離手段を備えるとともに、第2吸着分離手段から前記回収経路に回収したガスを前記第3吸着分離手段の入口側に導入する第3導入経路と、前記第3吸着剤に吸着しなかったガス成分を前記第3吸着筒の出口側から導出する第3導出経路とを備えていることを特徴とし、前記第3吸着分離手段は、前記第3吸着剤に吸着したガス成分を第3吸着剤から脱着させて第3吸着筒の入口側から導出し、該第3吸着分離手段に導入されるガスに循環合流させる循環経路を備えていることを特徴としている。さらに、前記脱硝触媒反応手段の前段に、前記混合ガスにおける不純物成分であるアンモニアと窒素酸化物とを脱硝触媒により反応させて窒素及び水蒸気に転化させる触媒反応手段を備えていることを特徴としている。   Further, the gas separation apparatus of the present invention includes a third adsorption separation unit filled with a third adsorbent containing krypton, xenon and neon as a hardly adsorbable gas component, and is provided from the second adsorption separation unit to the recovery path. A third introduction path for introducing the recovered gas to the inlet side of the third adsorption separation means, and a third lead-out path for deriving the gas component not adsorbed by the third adsorbent from the outlet side of the third adsorption cylinder And the third adsorption separation means desorbs the gas component adsorbed on the third adsorbent from the third adsorbent and derives it from the inlet side of the third adsorption cylinder. 3 It is characterized by having a circulation path that circulates and joins the gas introduced into the adsorption separation means. Furthermore, a catalyst reaction means for reacting ammonia and nitrogen oxides, which are impurity components in the mixed gas, with a denitration catalyst and converting them into nitrogen and water vapor is provided upstream of the denitration catalyst reaction means. .

本発明によれば、クリプトン、キセノン、ネオンの少なくとも1種類の高付加価値ガスを含む混合ガスから窒素酸化物、アンモニア、酸素、窒素、水素、ヘリウム、水蒸気のような不純物を効率よく分離除去することができる。しかも、分離装置全体の設備コストや運転コストを削減することができる。特に、本発明では、高付加価値ガスを使用した半導体の処理工程、例えば、酸化工程、窒化工程、酸窒化工程の各種工程から排出される様々な組成の高付加価値ガス混合排ガスから不純物成分を確実に分離除去することができ、不純物分離後の高付加価値ガスを半導体製造装置の雰囲気ガスとして再利用可能な状態で回収することができる。   According to the present invention, impurities such as nitrogen oxide, ammonia, oxygen, nitrogen, hydrogen, helium, and water vapor are efficiently separated and removed from a mixed gas containing at least one kind of high value added gas such as krypton, xenon, and neon. be able to. In addition, the equipment cost and operation cost of the entire separation device can be reduced. In particular, in the present invention, impurity components are extracted from high-value-added gas mixed exhaust gas having various compositions discharged from various processes of a semiconductor process using a high-value-added gas, for example, an oxidation process, a nitriding process, and an oxynitriding process. It can be reliably separated and removed, and the high value-added gas after impurity separation can be recovered in a reusable state as the atmospheric gas of the semiconductor manufacturing apparatus.

図1は本発明のガス分離装置の一形態例を示す系統図、図2は半導体製造装置の一例を示す系統図である。このガス分離装置は、クリプトン、キセノン及びネオンの少なくとも1種を雰囲気ガスとして使用する半導体製造装置11から排出される排ガス中に含まれる不純物成分を分離除去するとともに、雰囲気ガスとして再利用可能な状態に精製した混合ガスを回収できるように形成されている。   FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of the gas separation apparatus of the present invention, and FIG. 2 is a system diagram showing an example of a semiconductor manufacturing apparatus. This gas separation apparatus separates and removes impurity components contained in the exhaust gas discharged from the semiconductor manufacturing apparatus 11 that uses at least one of krypton, xenon, and neon as an atmospheric gas, and can be reused as an atmospheric gas. It is formed so that the mixed gas purified can be recovered.

このガス分離装置における主要な機器として、ガス流れの上流側から順に、脱硝工程を行う脱硝触媒反応手段21と、主としてアンモニア及び水蒸気を吸着させて分離する第1吸着分離工程を行う第1吸着分離手段31と、クリプトン、キセノン及びネオンを吸着させて水素やヘリウムを分離する第2吸着分離工程を行う第2吸着分離手段41とを備えている。   As main equipment in this gas separation device, a denitration catalyst reaction means 21 that performs a denitration process in order from the upstream side of the gas flow, and a first adsorption separation that performs a first adsorption separation process that mainly adsorbs and separates ammonia and water vapor. Means 31 and second adsorptive separation means 41 for performing a second adsorptive separation step of adsorbing krypton, xenon and neon to separate hydrogen and helium are provided.

さらに、第2吸着分離手段41の後段には、第2吸着分離手段41で回収したガスを更に精製する第3吸着分離工程を行う第3吸着分離手段51が設けられ、脱硝触媒反応手段21の前段には、アンモニア又は窒素酸化物を除去する触媒反応工程を行う触媒反応手段61が設けられている。   Further, a third adsorption separation means 51 for performing a third adsorption separation step for further purifying the gas recovered by the second adsorption separation means 41 is provided at the subsequent stage of the second adsorption separation means 41, and the denitration catalyst reaction means 21 In the previous stage, a catalytic reaction means 61 for performing a catalytic reaction step for removing ammonia or nitrogen oxide is provided.

図2に示すように、半導体製造装置11は、ガスパネル12からガス供給経路13を通して処理チャンバ14内に所定のガスを供給し、処理チャンバ14内を所定の雰囲気として基体の処理を行うものであって、処理チャンバ14の排気経路15には、前述のように、処理状態に応じた組成の排ガスが排出される。排気経路15には、処理チャンバ14からガスを吸引するためのブースターポンプ16、ブースターポンプ16から吐出された排ガスをガス分離装置に送るための回収用バックポンプ17、ブースターポンプ16から吐出された排ガスを系外に排出するための排気側バックポンプ18が設けられている。   As shown in FIG. 2, the semiconductor manufacturing apparatus 11 supplies a predetermined gas into the processing chamber 14 from the gas panel 12 through the gas supply path 13, and processes the substrate with the processing chamber 14 in a predetermined atmosphere. Thus, as described above, exhaust gas having a composition corresponding to the processing state is discharged to the exhaust path 15 of the processing chamber 14. In the exhaust path 15, a booster pump 16 for sucking gas from the processing chamber 14, a recovery back pump 17 for sending exhaust gas discharged from the booster pump 16 to the gas separation device, and exhaust gas discharged from the booster pump 16 An exhaust-side back pump 18 is provided for discharging the gas from the system.

各ポンプ16,17,18には、不純物の逆拡散や大気の巻き込みを防止するためのシールガスを導入するシールガス導入部16a,17a,18aがそれぞれ設けられており、ガス導入部16a,17aからは窒素又はアルゴンが、ガス導入部18aからは窒素がそれぞれ導入されている。   The pumps 16, 17 and 18 are provided with seal gas introduction portions 16a, 17a and 18a for introducing a seal gas for preventing back diffusion of impurities and entrainment of the atmosphere, respectively, and the gas introduction portions 16a and 17a. Nitrogen or argon is introduced from the gas, and nitrogen is introduced from the gas introduction part 18a.

回収用バックポンプ17に吸入された排ガス、すなわち、雰囲気ガスとして用いられたクリプトン、キセノン及びネオンの内の少なくとも1種のガス、パージガスとして用いられた窒素又はアルゴン、ポンプに導入された窒素やアルゴン、そして、基体処理用に添加されたガス及び処理中に反応又は分解により発生したガス、例えば、窒素酸化物、アンモニア、水素、酸素、窒素、水蒸気、二酸化炭素、ヘリウム等を不純物として含む混合ガスからなる排ガスは、回収用バックポンプ17から排ガス回収経路19を通ってガス分離装置に導入される。   Exhaust gas sucked into the recovery back pump 17, that is, at least one of krypton, xenon and neon used as the atmospheric gas, nitrogen or argon used as the purge gas, nitrogen or argon introduced into the pump Gases added for substrate processing and gases generated by reaction or decomposition during processing, for example, mixed gas containing nitrogen oxide, ammonia, hydrogen, oxygen, nitrogen, water vapor, carbon dioxide, helium, etc. as impurities The exhaust gas consisting of is introduced from the recovery back pump 17 through the exhaust gas recovery path 19 into the gas separation device.

なお、雰囲気ガスには、クリプトン、キセノン、ネオンのような高付加価値ガスを単独で用いるほか、これらの混合ガス、さらに、これらとアルゴンとを所定の割合で混合したガスを用いることがある。本発明では、高付加価値ガスとアルゴンとを混合して雰囲気ガスとして用いるときには、この高付加価値ガスとアルゴンとの混合ガスも高付加価値ガスとみなす。高付加価値ガスとアルゴンとを混合した雰囲気ガスを用いた場合は、排ガス中にアルゴンが相当量含まれていることになる。また、各ポンプ16,17,18にシールガスとして窒素を導入している場合には、相当量の窒素も含まれている。   As the atmospheric gas, a high value-added gas such as krypton, xenon, or neon may be used alone, or a mixed gas thereof or a gas obtained by mixing these with argon at a predetermined ratio may be used. In the present invention, when a high value-added gas and argon are mixed and used as an atmospheric gas, the mixed gas of the high value-added gas and argon is also regarded as a high value-added gas. When an atmosphere gas in which a high value-added gas and argon are mixed is used, a considerable amount of argon is contained in the exhaust gas. In addition, when nitrogen is introduced as a sealing gas into each pump 16, 17, and 18, a considerable amount of nitrogen is also included.

ガス分離装置に導入された排ガスは、最初に触媒反応手段61に導入されて触媒反応工程が行われる。この触媒反応手段61は、反応筒62内に脱硝触媒を充填したものであって、脱硝触媒に排ガスを接触させることにより、排ガス中に含まれる窒素酸化物及びアンモニアとを反応させてこれらの少なくともいずれか一方を排ガス中から除去する。前記脱硝触媒には、一般的に市販されているものを使用することができ、反応温度は、触媒の種類や使用量、窒素酸化物及びアンモニアの濃度や排ガスの流量等の各種操作条件に応じて好適な温度に設定すればよいが、通常は250℃以上、好ましくは300℃程度である。また、触媒反応温度への加熱には、反応筒62の入口部に加熱器を設けて筒内に流入する排ガスを加熱してもよく、反応筒62にヒーター等の加熱手段を設けるようにしてもよい。   The exhaust gas introduced into the gas separation device is first introduced into the catalytic reaction means 61 to perform the catalytic reaction step. The catalyst reaction means 61 is a reactor in which a denitration catalyst is filled in a reaction cylinder 62. By contacting exhaust gas with the denitration catalyst, nitrogen oxide and ammonia contained in the exhaust gas are reacted to at least these. Either one is removed from the exhaust gas. A commercially available catalyst can be used as the denitration catalyst, and the reaction temperature depends on various operating conditions such as the type and amount of catalyst used, the concentration of nitrogen oxides and ammonia, and the flow rate of exhaust gas. However, it is usually 250 ° C. or higher, preferably about 300 ° C. For heating to the catalytic reaction temperature, a heater may be provided at the inlet of the reaction tube 62 to heat the exhaust gas flowing into the tube, and the reaction tube 62 may be provided with heating means such as a heater. Also good.

反応筒62に流入した排ガス中に共存する窒素酸化物とアンモニアとは、所定温度で脱硝触媒と接触することにより、窒素酸化物である一酸化二窒素(NO)、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO)とアンモニアとが反応してそれぞれ窒素と水蒸気とに転化する。 Nitrogen oxides and ammonia coexisting in the exhaust gas flowing into the reaction cylinder 62 come into contact with the denitration catalyst at a predetermined temperature, so that the nitrogen oxides are dinitrogen monoxide (N 2 O) and nitrogen monoxide (NO ), Nitrogen dioxide (NO 2 ) and ammonia react to convert to nitrogen and water vapor, respectively.

3NO+2NH → 4N+3H
6NO+4NH → 5N+6H
6NO+8NH → 7N+12H
3N 2 O + 2NH 3 → 4N 2 + 3H 2 O
6NO + 4NH 3 → 5N 2 + 6H 2 O
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O

このとき、排ガス中にアンモニアと酸素とが共存している場合には、アンモニアと酸素との反応も同時に生じて窒素及び水蒸気に転化する。   At this time, when ammonia and oxygen coexist in the exhaust gas, a reaction between ammonia and oxygen also occurs at the same time and is converted into nitrogen and water vapor.

3O+4NH → 2N+6H3O 2 + 4NH 3 → 2N 2 + 6H 2 O

さらに、触媒反応手段61に流入する前に窒素酸化物とアンモニアとが反応して硝酸アンモニウムが生成していた場合は、この硝酸アンモニウムも最終的に窒素と水蒸気とに転化される。   Further, when the nitrogen oxide and ammonia react to generate ammonium nitrate before flowing into the catalyst reaction means 61, the ammonium nitrate is finally converted into nitrogen and water vapor.

NHNO+NO → NO+N+2H
NO+NH → N+2/3H
NO+NO+2NH → N+3H
NH 4 NO 3 + NO → NO 2 + N 2 + 2H 2 O
NO + NH 3 → N 2 + 2 / 3H 2 O
NO + NO 2 + 2NH 3 → N 2 + 3H 2 O

これらの触媒反応は、排ガス中に窒素酸化物とアンモニアとが共存しているとき、硝酸アンモニウムが既に生成しているとき、アンモニアと酸素とが共存しているときの少なくともいずれか一つの条件を満たしたときに発生し、例えば、排ガスにアンモニアが全く含まれていないときには、硝酸アンモニウムも生成しないので、これらの触媒反応は発生せず、不要な工程となるが、半導体製造装置11での処理が特定されていない場合には、排ガス中に窒素酸化物とアンモニアとが共存する可能性があるため、装置最上流部に設けておくことが好ましい。   These catalytic reactions satisfy at least one of the conditions when nitrogen oxides and ammonia coexist in the exhaust gas, when ammonium nitrate is already formed, and when ammonia and oxygen coexist. For example, when ammonia is not included in the exhaust gas, ammonium nitrate is not generated. Therefore, these catalytic reactions do not occur and are unnecessary steps, but the processing in the semiconductor manufacturing apparatus 11 is specified. If not, nitrogen oxides and ammonia may coexist in the exhaust gas, so it is preferable to provide them at the most upstream part of the apparatus.

排ガス中に窒素酸化物とアンモニアとが共存しているときには、前記触媒反応によっていずれか一方が消滅した時点で触媒反応は終了する。例えば、窒素酸化物がアンモニアより多く含まれているときには、アンモニアが消滅した時点で余剰の窒素酸化物を残した状態で触媒反応は終了する。また、アンモニアが窒素酸化物より多く含まれているときには、窒素酸化物が消滅した時点で余剰のアンモニアを残した状態で触媒反応は終了する。但し、排ガス中に窒素酸化物が全く含まれていない状態でも、排ガス中にアンモニアと酸素とが共存していれば、両者の反応は発生する。なお、排ガス中に酸素と水素とが共存している場合には、酸素と水素との反応によって水蒸気が発生する。   When nitrogen oxides and ammonia coexist in the exhaust gas, the catalytic reaction ends when one of them disappears due to the catalytic reaction. For example, when nitrogen oxide is contained in a larger amount than ammonia, the catalytic reaction ends with the excess nitrogen oxide remaining when ammonia disappears. Further, when ammonia is contained in a larger amount than nitrogen oxide, the catalytic reaction is completed with excess ammonia remaining when the nitrogen oxide disappears. However, even if ammonia and oxygen coexist in the exhaust gas even when the exhaust gas does not contain any nitrogen oxides, both reactions occur. Note that when oxygen and hydrogen coexist in the exhaust gas, water vapor is generated by the reaction of oxygen and hydrogen.

このような触媒反応手段61を設けて排ガス中の窒素酸化物及びアンモニアの少なくともいずれか一方を除去する触媒反応工程を行うことにより、触媒反応手段61より下流側で窒素酸化物とアンモニアとが反応して硝酸アンモニウムを生成することを防止できる。   By providing such a catalyst reaction means 61 and performing a catalyst reaction step of removing at least one of nitrogen oxide and ammonia in the exhaust gas, nitrogen oxide and ammonia react on the downstream side of the catalyst reaction means 61. Thus, ammonium nitrate can be prevented from being produced.

すなわち、半導体製造装置11から排出される排ガス中に窒素酸化物、特に二酸化窒素とアンモニアとが共存している場合、排ガスが流れる配管中で二酸化窒素とアンモニアとが反応して硝酸アンモニウムが生成し、配管壁面や弁等の機器内面に固形物として付着、堆積し、排ガス配管が閉塞したり、機器の動作を阻害するおそれがある。   That is, when nitrogen oxides, particularly nitrogen dioxide and ammonia coexist in the exhaust gas discharged from the semiconductor manufacturing apparatus 11, the nitrogen dioxide and ammonia react in the pipe through which the exhaust gas flows to produce ammonium nitrate, There is a risk of depositing and accumulating as solid matter on the inner wall of equipment such as piping wall surfaces and valves, which may block the exhaust gas piping or hinder the operation of the equipment.

このため、従来は、硝酸アンモニウムの液化点を超える170℃以上、あるいは、硝酸アンモニウムの分解温度である210℃以上に配管や機器を加熱し、排ガス配管の閉塞や機器の動作不良が発生しないようにしていた。しかし、弁や計器類を含めた排ガス配管系全体を常に加温している必要があるだけでなく、弁等も耐熱仕様にする必要があり、さらに、断熱構造を採用するなど、設備コストや運転コストが大幅に上昇するといった問題があった。   For this reason, conventionally, piping and equipment are heated to 170 ° C. or higher, which exceeds the liquefying point of ammonium nitrate, or 210 ° C. or higher, which is the decomposition temperature of ammonium nitrate, to prevent clogging of exhaust gas piping and malfunction of equipment. It was. However, not only the entire exhaust gas piping system, including valves and instruments, need to be always heated, but the valves, etc. must also be heat-resistant, and the equipment cost and There was a problem that the operating cost increased significantly.

これに対し、排ガス回収経路19に触媒反応手段61を設置して窒素酸化物及びアンモニアの少なくともいずれか一方を除去することにより、触媒反応手段61から下流側の配管系で硝酸アンモニウムが生成することがなくなるので、配管や機器を加熱する必要がなくなる。特に、反応筒62を可能な限り半導体製造装置11の近くに設けることにより、排ガス中に窒素酸化物とアンモニアとが共存している場合でも、硝酸アンモニウムの生成に起因する不都合を避けるために加熱が必要な排ガス回収経路19を短くすること、あるいは、加熱手段を省略又は簡略化することが可能となり、配管系の加熱に要するコスト上昇を最小限に抑えることができる。   On the other hand, by installing the catalyst reaction means 61 in the exhaust gas recovery path 19 and removing at least one of nitrogen oxides and ammonia, ammonium nitrate may be generated in the piping system downstream from the catalyst reaction means 61. This eliminates the need to heat piping and equipment. In particular, by providing the reaction cylinder 62 as close to the semiconductor manufacturing apparatus 11 as possible, even when nitrogen oxides and ammonia coexist in the exhaust gas, heating is performed in order to avoid inconvenience due to the generation of ammonium nitrate. It is possible to shorten the required exhaust gas recovery path 19 or to omit or simplify the heating means, and it is possible to minimize the cost increase required for heating the piping system.

触媒反応手段61から出口径路63に導出した排ガスは、脱硝触媒反応手段21の入口経路22を通り、該脱硝触媒反応手段21の入口側に接続された還元性物質添加経路23から添加される還元性物質、例えば水素やアンモニアと混合した状態で脱硝触媒反応手段21に導入されて脱硝工程が行われる。入口経路22には、流量計(マスフローメーター)22Fが設けられて流量が計測されており、還元性物質添加経路23には流量調節計(マスフローコントローラー)23Fが設けられて還元性物質の流量(添加量)が調節され、窒素酸化物を転化させて除去するのに十分な量の還元性物質を添加するように形成されている。   The exhaust gas led out from the catalyst reaction means 61 to the outlet path 63 passes through the inlet path 22 of the denitration catalyst reaction means 21 and is reduced through the reducing substance addition path 23 connected to the inlet side of the denitration catalyst reaction means 21. The denitration catalyst reaction means 21 is introduced in the state of being mixed with an active substance such as hydrogen or ammonia, and the denitration process is performed. The inlet path 22 is provided with a flow meter (mass flow meter) 22F to measure the flow rate, and the reducing substance addition path 23 is provided with a flow rate controller (mass flow controller) 23F to reduce the flow rate of the reducing substance ( The amount of reducing substance added is sufficient to convert and remove nitrogen oxides.

脱硝触媒反応手段21は、脱硝触媒反応筒24内に脱硝触媒を充填したものであって、脱硝触媒には、前記反応筒62に使用した脱硝触媒と同じものを同じようにして用いることができ、加熱も同じようにしてできる。還元性物質として水素を排ガスに添加したときには、下記に示す脱硝触媒反応により、排ガス中に含まれる一酸化二窒素(NO)、一酸化窒素(NO)及び二酸化窒素(NO)を、それぞれ窒素と水蒸気とに転化する。また、酸素が含まれているときには、酸素と水素との反応も同時に発生する。 The denitration catalyst reaction means 21 is a denitration catalyst reaction cylinder 24 filled with a denitration catalyst, and the same denitration catalyst as that used in the reaction cylinder 62 can be used in the same manner as the denitration catalyst. Heating can be done in the same way. When hydrogen is added to the exhaust gas as a reducing substance, dinitrogen monoxide (N 2 O), nitrogen monoxide (NO), and nitrogen dioxide (NO 2 ) contained in the exhaust gas are removed by the denitration catalytic reaction shown below. Converted to nitrogen and water vapor, respectively. In addition, when oxygen is contained, a reaction between oxygen and hydrogen occurs simultaneously.

2NO+2H → N+2H
2NO+4H → N+4H
O+H → N+H
+2H → 2H
2NO + 2H 2 → N 2 + 2H 2 O
2NO 2 + 4H 2 → N 2 + 4H 2 O
N 2 O + H 2 → N 2 + H 2 O
O 2 + 2H 2 → 2H 2 O

この脱硝触媒反応手段21による脱硝工程は、排ガス中に窒素酸化物が全く含まれていない場合には不要な工程であるが、前述のように、半導体製造装置11での処理が特定されていない場合には、排ガス中に窒素酸化物が含まれている可能性があり、窒素酸化物は、通常の吸着分離では排ガス中から分離除去することが困難であるから、僅かでも窒素酸化物が含まれている場合があることを考慮して分離装置上流側に設けておく必要がある。   The denitration process by the denitration catalyst reaction means 21 is an unnecessary process when the nitrogen gas is not included in the exhaust gas, but the process in the semiconductor manufacturing apparatus 11 is not specified as described above. In some cases, nitrogen oxides may be contained in the exhaust gas, and it is difficult to separate and remove nitrogen oxides from the exhaust gas by ordinary adsorption separation. Therefore, it is necessary to provide it upstream of the separation device.

脱硝触媒反応手段21で窒素酸化物を除去し、さらに、酸素が含まれている場合には酸素もある程度除去した状態で脱硝筒出口径路25に導出された排ガスは、第1圧縮機25Cにより第1吸着分離手段31の第1導入経路32に送り出され、第1導入経路32を通って第1吸着分離手段31に導入され、この第1吸着分離手段31でアンモニアや水蒸気を除去する第1吸着分離工程が行われる。   Nitrogen oxides are removed by the denitration catalyst reaction means 21, and when oxygen is contained, the exhaust gas led to the denitration cylinder outlet path 25 in a state where oxygen is also removed to some extent is removed by the first compressor 25C. The first adsorption separation means 31 is sent to the first introduction path 32 and is introduced into the first adsorption separation means 31 through the first introduction path 32, and the first adsorption separation means 31 removes ammonia and water vapor. A separation step is performed.

第1吸着分離手段31は、一対の第1吸着筒33a,33b内に、アンモニア及び水蒸気を易吸着性ガス成分とする第1吸着剤を充填し、TSA操作によってアンモニア及び水蒸気を分離除去するものであって、相対的に低い温度で行う吸着工程で第1吸着剤にアンモニア及び水蒸気を吸着させることによって排ガス中からアンモニア及び水蒸気を除去し、相対的に高い温度で行う再生工程で第1吸着剤に吸着しているアンモニア及び水蒸気を第1吸着剤から脱着させて第1吸着剤を再生するように形成されている。なお、排ガス中に二酸化炭素が含まれている場合は、この二酸化炭素も第1吸着剤に吸着して同時に排ガス中から分離除去される。   The first adsorbing / separating means 31 fills a pair of first adsorbing cylinders 33a and 33b with a first adsorbent containing ammonia and water vapor as easily adsorbing gas components, and separates and removes ammonia and water vapor by TSA operation. In the adsorption process performed at a relatively low temperature, ammonia and water vapor are removed from the exhaust gas by adsorbing ammonia and water vapor to the first adsorbent, and the first adsorption is performed in a regeneration process performed at a relatively high temperature. The first adsorbent is regenerated by desorbing ammonia and water vapor adsorbed on the adsorbent from the first adsorbent. When carbon dioxide is contained in the exhaust gas, the carbon dioxide is also adsorbed on the first adsorbent and simultaneously separated and removed from the exhaust gas.

前記第1吸着筒33a,33bには、両第1吸着筒33a,33bを吸着工程と再生工程とに切換使用するための入口側経路34a,34bと、出口側経路35a,35b及び再生経路36a,36bとがそれぞれ設けられている。さらに、入口側経路34a,34bには、各第1吸着筒33a,33bの再生工程時に排出されるガスを系外に排気するための排気経路37が設けられ、出口側経路35a,35bには、吸着工程で第1吸着剤に吸着しなかったガス成分を導出する第1導出経路38が設けられ、再生経路36a,36bには再生工程で使用する再生ガスを導入するための再生ガス導入経路39が設けられている。なお、図示は省略するが、第1吸着分離手段31の各経路には、両第1吸着筒33a,33bを吸着工程と再生工程とに交互に切り換えるための弁がそれぞれ設けられている。   The first adsorption cylinders 33a and 33b include an inlet side path 34a and 34b, an outlet side path 35a and 35b, and a regeneration path 36a for switching the first adsorption cylinders 33a and 33b between the adsorption process and the regeneration process. , 36b are provided. Further, the inlet-side paths 34a and 34b are provided with an exhaust path 37 for exhausting gas discharged during the regeneration process of the first adsorption cylinders 33a and 33b to the outside of the system, and the outlet-side paths 35a and 35b have The first deriving path 38 for deriving the gas component that has not been adsorbed by the first adsorbent in the adsorption process is provided, and the regeneration gas introduction path for introducing the regeneration gas used in the regeneration process is provided in the regeneration paths 36a and 36b. 39 is provided. Although not shown in the drawing, each path of the first adsorption separation means 31 is provided with a valve for alternately switching the first adsorption cylinders 33a and 33b between the adsorption process and the regeneration process.

前記第1吸着剤としては、活性炭、シリカゲル、各種ゼオライト等を使用することができ、特に、カリウムイオン交換A型ゼオライトは、水蒸気及びアンモニアだけでなく、二酸化炭素も十分に吸着する能力を有しながら、高付加価値ガスをほとんど吸着しないという性質を有しているので、これを吸着剤として採用することにより、高付加価値ガスの回収をより効率よく行うことができる。   As the first adsorbent, activated carbon, silica gel, various zeolites and the like can be used. In particular, potassium ion exchange type A zeolite has the ability to sufficiently adsorb not only water vapor and ammonia but also carbon dioxide. However, since it has the property of hardly adsorbing the high value-added gas, the high value-added gas can be recovered more efficiently by adopting this as an adsorbent.

第1吸着分離手段31において、例えば、図1において左側の一方の第1吸着筒33aが吸着工程を行っている場合、前記脱硝筒出口径路25に導出されて第1圧縮機25Cから送り出された排ガスは、第1導入経路32から入口側経路34aを通って第1吸着筒33aに導入され、排ガス中の水蒸気やアンモニア、二酸化炭素が第1吸着剤に吸着されて分離除去される。水蒸気やアンモニア、二酸化炭素が除去された排ガスは、出口側経路35aから第1導出経路38に導出する。   In the first adsorption / separation means 31, for example, when the first adsorption cylinder 33a on the left side in FIG. 1 is performing the adsorption process, the first adsorption / separation means 31 is led out to the denitration cylinder outlet path 25 and sent out from the first compressor 25C. The exhaust gas is introduced from the first introduction path 32 through the inlet side path 34a into the first adsorption cylinder 33a, and water vapor, ammonia, and carbon dioxide in the exhaust gas are adsorbed by the first adsorbent and separated and removed. The exhaust gas from which water vapor, ammonia, and carbon dioxide have been removed is led out to the first lead-out path 38 from the outlet side path 35a.

他方の第1吸着筒33bでは再生工程が行われており、所定温度に加温された再生ガスが再生ガス導入経路39から再生経路36bを通して第1吸着筒33b内に導入され、第1吸着剤を加温することによって水蒸気やアンモニア、二酸化炭素を脱着させ、入口側経路34bから排気経路37を通して系外に排出する。両第1吸着筒33a,33bは、前記各経路に設けられている弁をあらかじめ設定されたタイミングで開閉することによって吸着工程と再生工程とに交互に切換えられ、排ガス中の水蒸気、アンモニア、二酸化炭素の吸着除去を連続的に行う。   The regeneration process is performed in the other first adsorption cylinder 33b, and the regeneration gas heated to a predetermined temperature is introduced from the regeneration gas introduction path 39 into the first adsorption cylinder 33b through the regeneration path 36b, and the first adsorbent. Is heated to desorb water vapor, ammonia and carbon dioxide, and are discharged out of the system from the inlet side passage 34b through the exhaust passage 37. Both the first adsorption cylinders 33a and 33b are alternately switched between the adsorption process and the regeneration process by opening and closing the valves provided in the respective paths at a preset timing, and thereby the water vapor, ammonia, dioxide in the exhaust gas. Continuous adsorption and removal of carbon.

第1吸着分離手段31で水蒸気及びアンモニア、更に二酸化炭素が除去された排ガスは、排ガス中に元から不純物として含まれている水素及びヘリウムに加えて前記脱硝工程で添加された水素を含み、シールガスとして用いた窒素やアルゴン、高付加価値ガス以外の雰囲気ガス成分としてのアルゴン等を含んだ状態となる。   The exhaust gas from which water vapor, ammonia, and carbon dioxide have been removed by the first adsorptive separation means 31 includes hydrogen added in the exhaust gas as impurities and helium in addition to hydrogen added in the denitration step, Nitrogen and argon used as the gas, argon as an atmospheric gas component other than the high value-added gas, and the like are included.

第1吸着分離手段31の吸着工程で第1導出経路38に導出された排ガスは、第1バッファタンク38Bを介して第2吸着分離手段41の第2導入経路42に流入し、第2圧縮機42C,第2バッファタンク42Bを通って第2吸着分離手段41に導入され、脱着回収工程を含む第2吸着分離工程が行われる。   The exhaust gas led out to the first lead-out path 38 in the adsorption step of the first adsorption separation means 31 flows into the second introduction path 42 of the second adsorption separation means 41 via the first buffer tank 38B, and the second compressor 42C and the 2nd buffer tank 42B are introduced into the 2nd adsorption separation means 41, and the 2nd adsorption separation process including a desorption recovery process is performed.

第2吸着分離手段41は、一対の第2吸着筒43a,43b内に、高付加価値ガス(クリプトン、キセノン及びネオン)を易吸着性ガス成分とする第2吸着剤を充填し、該第2吸着剤に対して難吸着成分である水素及びヘリウムをPSA操作によって分離除去するものであって、相対的に高い圧力で行う吸着工程で第2吸着剤に高付加価値ガスを吸着させるとともに、第2吸着剤に吸着しなかった水素及びヘリウムを吸着筒から排出することによって排ガス中から除去し、相対的に低い圧力で行う再生工程で第2吸着剤に吸着している高付加価値ガスを脱着させるとともに、出口側からパージガスを吸着筒43a,43b内に導入して高付加価値ガスを回収するとともに第2吸着剤を再生するように形成されている。   The second adsorption separation means 41 fills a pair of second adsorption cylinders 43a and 43b with a second adsorbent containing a high value-added gas (krypton, xenon and neon) as an easily adsorbable gas component. Hydrogen and helium, which are difficult-to-adsorb components with respect to the adsorbent, are separated and removed by PSA operation. In the adsorption process performed at a relatively high pressure, the second adsorbent adsorbs the high value-added gas, (2) Hydrogen and helium that have not been adsorbed by the adsorbent are removed from the exhaust gas by discharging from the adsorption cylinder, and the high value-added gas adsorbed by the second adsorbent is desorbed in a regeneration process performed at a relatively low pressure. In addition, the purge gas is introduced into the adsorption cylinders 43a and 43b from the outlet side to collect the high added value gas and to regenerate the second adsorbent.

前記第2吸着筒43a,43bには、両第2吸着筒43a,43bを吸着工程と再生工程とに切換使用するための入口側経路44a,44bと、出口側経路45a,45b及びパージガス入口経路46a、46bとがそれぞれ設けられている。さらに、入口側経路44a,44bには、各第2吸着筒の再生工程時に排出される高付加価値ガスを回収するための回収経路47及び第1バッファタンク38Bに循環させるための第1循環経路48が設けられ、出口側経路45a,45bには、吸着工程で第1吸着剤に吸着しなかった水素やヘリウムを、第3バッファタンク49Bから流量調節計(マスフローコントローラー)49Fを介して排出する第2導出経路49と、再生工程で使用するパージガスを流量調節計(マスフローコントローラー)50Fを介して第3バッファタンク49Bに導入するためのパージガス導入経路50とが設けられている。なお、図示は省略するが、第2吸着分離手段41の各経路には、両第2吸着筒43a,43bを吸着工程と再生工程とに交互に切り換えるための弁がそれぞれ設けられている。   The second adsorption cylinders 43a and 43b include an inlet side path 44a and 44b, an outlet side path 45a and 45b, and a purge gas inlet path for switching the second adsorption cylinders 43a and 43b between the adsorption process and the regeneration process. 46a and 46b are provided. Further, the inlet-side paths 44a and 44b include a recovery path 47 for recovering the high value-added gas discharged during the regeneration process of the second adsorption cylinders and a first circulation path for circulating it to the first buffer tank 38B. 48 is provided, and hydrogen and helium that have not been adsorbed by the first adsorbent in the adsorption process are discharged from the third buffer tank 49B through the flow rate controller (mass flow controller) 49F to the outlet-side paths 45a and 45b. A second lead-out path 49 and a purge gas introduction path 50 for introducing purge gas used in the regeneration process into the third buffer tank 49B via a flow rate controller (mass flow controller) 50F are provided. Although not shown, each path of the second adsorption / separation means 41 is provided with a valve for alternately switching both the second adsorption cylinders 43a and 43b between the adsorption process and the regeneration process.

前記第2吸着剤には、平衡分離型吸着剤である活性炭を使用することが好ましい。この活性炭は、PSA操作の吸着工程のような比較的高圧下での平衡吸着量として高付加価値ガスの吸着量が多く(易吸着性)、窒素の吸着量が少なく(難吸着性)、水素及びヘリウムをほとんど吸着しないという特性を有しており、前記排ガス中の水素、ヘリウム、窒素を分離除去するのに最適である。   For the second adsorbent, it is preferable to use activated carbon which is an equilibrium separation type adsorbent. This activated carbon has a large amount of high value-added gas adsorption (easy adsorption), a small amount of nitrogen adsorption (difficult adsorption), hydrogen as an equilibrium adsorption amount under relatively high pressure as in the adsorption process of PSA operation, hydrogen In addition, it has the property of hardly adsorbing helium, and is optimal for separating and removing hydrogen, helium and nitrogen in the exhaust gas.

また、パージガス導入経路50から導入するパージガスとしては、水素及びヘリウムを含まないガス、後段の第3吸着分離手段51で容易に分離可能で除去対象不純物が少ないガス、例えば高純度アルゴンや高純度窒素、高純度酸素等を使用することができるが、通常は、第2吸着分離手段41で処理するガス中に比較的多量に存在するガス、例えば、雰囲気ガスとして高付加価値ガスとアルゴンとの混合ガスを用いている場合には高純度アルゴンを使用することが好ましい。なお、PSA操作を適当に設定することにより、前記条件に該当しないガスをパージガスとして使用することも可能であるが、最終的な高付加価値ガスの回収効率が低下したり、不純物が混入したりすることがあるので好ましくない。   The purge gas introduced from the purge gas introduction path 50 is a gas that does not contain hydrogen and helium, or a gas that can be easily separated by the third adsorption separation means 51 in the subsequent stage and has few impurities to be removed, such as high-purity argon or high-purity nitrogen. High-purity oxygen or the like can be used, but usually a gas present in a relatively large amount in the gas to be treated by the second adsorptive separation means 41, for example, a mixture of a high value-added gas and argon as an atmospheric gas When using gas, it is preferable to use high purity argon. By appropriately setting the PSA operation, it is possible to use a gas not corresponding to the above conditions as a purge gas, but the recovery efficiency of the final high value-added gas is reduced or impurities are mixed. This is not preferable.

第2吸着分離手段41において、例えば、図1において左側の一方の第2吸着筒43aが吸着工程を行っている場合、前記第1吸着分離手段31から第1導出経路38に導出された排ガスは、第2導入経路42の第2圧縮機42Cで所定の吸着工程圧力に昇圧され、第2バッファタンク42Bから入口側経路44aを通って一方の第2吸着筒43a内に導入され、排ガス中の高付加価値ガスが第2吸着剤に吸着されて筒内に保持され、第2吸着剤に吸着しなかった水素やヘリウム、第2吸着剤に吸着し難い窒素やアルゴンが出口側経路45aから導出され、第3バッファタンク49B、流量調節計49Fを通って第2導出経路49から排出される。   In the second adsorption / separation means 41, for example, when one of the second adsorption cylinders 43a on the left side in FIG. 1 is performing an adsorption process, the exhaust gas led out from the first adsorption / separation means 31 to the first lead-out path 38 is The pressure is increased to a predetermined adsorption process pressure by the second compressor 42C of the second introduction path 42, and is introduced from the second buffer tank 42B through the inlet-side path 44a into the one second adsorption cylinder 43a, and in the exhaust gas. High value-added gas is adsorbed by the second adsorbent and held in the cylinder, and hydrogen and helium that have not been adsorbed by the second adsorbent, and nitrogen and argon that are difficult to adsorb by the second adsorbent are led out from the outlet side passage 45a. Then, the gas is discharged from the second lead-out path 49 through the third buffer tank 49B and the flow rate controller 49F.

他方の第2吸着筒43bでは、脱着回収工程を含む再生工程が行われており、第2吸着筒43b内が所定の再生工程圧力に減圧されて第2吸着剤に吸着している高付加価値ガスが脱着するとともに、第3バッファタンク49B内のガスの一部がパージガスとしてパージガス入口経路46bから第2吸着筒43b内に導入され、第2吸着剤から脱着した高付加価値ガスを入口側経路44bから導出させる。このとき、第3バッファタンク49Bには、パージガス導入経路50から流量調節計50Fを介して水素やヘリウムを含まないガスが導入されており、吸着工程で一方の第2吸着筒43aから導出されるガスよりも水素やヘリウムの含有量が少ないガスがパージガスとして他方の第2吸着筒43bに導入されている。   In the other second adsorption cylinder 43b, a regeneration process including a desorption recovery process is performed, and the high value added that the inside of the second adsorption cylinder 43b is reduced to a predetermined regeneration process pressure and adsorbed on the second adsorbent. While the gas is desorbed, a part of the gas in the third buffer tank 49B is introduced into the second adsorption cylinder 43b from the purge gas inlet path 46b as the purge gas, and the high added value gas desorbed from the second adsorbent is introduced into the inlet side path. 44b. At this time, a gas not containing hydrogen or helium is introduced into the third buffer tank 49B from the purge gas introduction path 50 via the flow rate controller 50F, and is led out from one second adsorption cylinder 43a in the adsorption process. A gas having a lower hydrogen or helium content than the gas is introduced into the other second adsorption cylinder 43b as a purge gas.

この再生工程において、再生工程開始直後は、第2吸着筒43b内の第2吸着剤に吸着されていないガス、すなわち、水素、ヘリウム、窒素等の高付加価値ガス以外の難吸着性ガスが含まれているガスが第2吸着筒43bから入口側経路44bに導出されるので、このときに導出されたガスは、第1循環経路48を通して圧力の低い第1バッファタンク38Bに循環させている。また、再生工程終了直前に第2吸着筒43bから入口側経路44bに導出されるガスも、第3バッファタンク49Bから第2吸着筒43bに導入されたパージガスが、第2吸着剤から脱着した高付加価値ガスと共に入口側経路44bに導出される可能性があるので、このときに入口側経路44bに導出されるガスも第1循環経路48を通して第1バッファタンク38Bに循環させている。   In this regeneration process, immediately after the start of the regeneration process, a gas that is not adsorbed by the second adsorbent in the second adsorption cylinder 43b, that is, a non-adsorptive gas other than a high value-added gas such as hydrogen, helium, and nitrogen Since the extracted gas is led out from the second adsorption cylinder 43b to the inlet side path 44b, the gas led out at this time is circulated through the first circulation path 48 to the first buffer tank 38B having a low pressure. Further, the gas led out from the second adsorption cylinder 43b to the inlet side path 44b immediately before the end of the regeneration process is also high when the purge gas introduced from the third buffer tank 49B to the second adsorption cylinder 43b is desorbed from the second adsorbent. Since there is a possibility that the gas is led to the inlet side path 44b together with the added value gas, the gas led to the inlet side path 44b at this time is also circulated to the first buffer tank 38B through the first circulation path 48.

このように、再生工程開始直後、終了直前に入口側経路44bに導出されるガスを第1バッファタンク38Bに循環させ、中間段階の脱着回収工程で入口側経路44bに導出されるガスのみを回収経路47に回収することにより、水素、ヘリウム、窒素等の不純物成分を含むガスを第1バッファタンク38Bに循環させ、前記排ガスと合流させて第2吸着分離手段41で再び処理することにより、高付加価値ガスの回収率向上及び純度向上を図ることができる。   In this way, the gas led out to the inlet side path 44b immediately after the start of the regeneration process and just before the end is circulated to the first buffer tank 38B, and only the gas led out to the inlet side path 44b in the intermediate desorption recovery process is recovered. By collecting in the path 47, a gas containing impurity components such as hydrogen, helium, nitrogen, etc. is circulated to the first buffer tank 38B, merged with the exhaust gas, and processed again by the second adsorption separation means 41. The recovery rate and purity of the added value gas can be improved.

両第2吸着筒43a,43bは、前記各経路に設けられている弁をあらかじめ設定されたタイミングで開閉することによって吸着工程と再生工程とに交互に切換えられ、排ガス中の水素やヘリウム、窒素の分離除去を連続的に行う。第2吸着分離手段41の再生工程における中間段階で回収経路47に導出された排ガスの組成は、パージガスとして使用した窒素やアルゴンが高付加価値ガスに混合した状態となっており、その他のガス成分はほとんど除去された状態となっている。この排ガスは、回収経路47から第4バッファタンク47Bに回収され、第3吸着分離手段51の第3導入経路52、第3圧縮機52C、第5バッファタンク52Bを通って第3吸着分離手段51に導入され、第3吸着分離工程が行われる。   Both the second adsorption cylinders 43a and 43b are alternately switched between the adsorption process and the regeneration process by opening and closing the valves provided in the respective paths at a preset timing, and hydrogen, helium, nitrogen in the exhaust gas. Are continuously removed. The composition of the exhaust gas led to the recovery path 47 in the intermediate stage in the regeneration process of the second adsorption separation means 41 is in a state where nitrogen or argon used as the purge gas is mixed with the high value-added gas, and other gas components Is almost removed. The exhaust gas is recovered from the recovery path 47 to the fourth buffer tank 47B, and passes through the third introduction path 52, the third compressor 52C, and the fifth buffer tank 52B of the third adsorption / separation means 51. And the third adsorptive separation step is performed.

第3吸着分離手段51は、一対の第3吸着筒53a、53b内に、高付加価値ガスを難吸着性ガス成分とし、窒素や酸素を難吸着性ガス成分とする第3吸着剤を充填し、該第3吸着剤に対して易吸着性ガス成分である窒素や酸素をPSA操作によって分離除去するものであって、相対的に高い圧力で行う吸着工程で窒素や酸素を第3吸着剤に吸着させるとともに、第3吸着剤に吸着しなかった高付加価値ガスを第3吸着筒53a、53bから回収することによって高付加価値ガスと窒素や酸素とを分離し、相対的に低い圧力で行う再生工程で第3吸着剤に吸着している窒素や酸素を脱着させて第3吸着剤を再生するように形成されている。   The third adsorption / separation means 51 fills a pair of third adsorption cylinders 53a and 53b with a third adsorbent having a high added value gas as a hardly adsorbable gas component and nitrogen or oxygen as a hardly adsorbable gas component. , Nitrogen and oxygen which are easily adsorbable gas components to the third adsorbent are separated and removed by PSA operation, and nitrogen and oxygen are converted into the third adsorbent in an adsorption process performed at a relatively high pressure. The high value-added gas that has not been adsorbed by the third adsorbent is recovered from the third adsorption cylinders 53a and 53b by separating the high value-added gas from nitrogen and oxygen, and is performed at a relatively low pressure. The third adsorbent is regenerated by desorbing nitrogen and oxygen adsorbed on the third adsorbent in the regeneration step.

第3吸着筒53a、53bには、両第3吸着筒53a、53bを吸着工程と再生工程とに切換使用するための入口側経路54a、54bと、出口側経路55a、55b及びパージガス入口経路56a,56bとがそれぞれ設けられている。さらに、入口側経路54a、54bには、各第3吸着筒53a、53bの再生工程時に導出されるガスを排気又は前記第4バッファタンク47Bに循環させるための排気循環経路57,57aが設けられ、出口側経路55a、55bには、吸着工程で第3吸着剤に吸着しなかったガス、すなわち、高付加価値ガスを第6バッファタンク58Bを介して導出する第3導出経路58が設けられている。なお、図示は省略するが、第3吸着分離手段51の各経路には、両第3吸着筒53a、53bを吸着工程と再生工程とに交互に切り換えるための弁がそれぞれ設けられている。   In the third adsorption cylinders 53a and 53b, the inlet side paths 54a and 54b, the outlet side paths 55a and 55b, and the purge gas inlet path 56a for switching and using the third adsorption cylinders 53a and 53b between the adsorption process and the regeneration process. , 56b, respectively. Further, the inlet-side paths 54a and 54b are provided with exhaust circulation paths 57 and 57a for exhausting or circulating the gas derived during the regeneration process of the third adsorption cylinders 53a and 53b to the fourth buffer tank 47B. The outlet-side passages 55a and 55b are provided with a third lead-out route 58 for leading the gas that has not been adsorbed by the third adsorbent in the adsorption step, that is, the high value-added gas through the sixth buffer tank 58B. Yes. Although not shown, each path of the third adsorption separation means 51 is provided with a valve for alternately switching the third adsorption cylinders 53a and 53b between the adsorption process and the regeneration process.

さらに、前記第4バッファタンク47Bには、高付加価値ガス導入源71から導入弁72Vを介して第4バッファタンク47Bに高付加価値ガスを導入する高付加価値ガス導入経路72と、第3圧縮機52Cから吐出されたガスの一部を抜き出して第4バッファタンク47Bに循環させる第1分析経路73と、第6バッファタンク58B内のガスの一部を抜き出して第4バッファタンク47Bに循環させる第2分析経路74とが設けられ、第1分析経路73及び第2分析経路74には、第1分析計73A及び第2分析計74Aがそれぞれ設けられ、第1分析計73Aの分析結果に基づいて前記導入弁72Vを開閉制御するように形成している。   Further, the fourth buffer tank 47B has a high-value-added gas introduction path 72 for introducing the high-value-added gas from the high-value-added gas introduction source 71 to the fourth buffer tank 47B via the introduction valve 72V, and a third compression. A part of the gas discharged from the machine 52C is extracted and circulated to the fourth buffer tank 47B, and a part of the gas in the sixth buffer tank 58B is extracted and circulated to the fourth buffer tank 47B. The second analysis path 74 is provided, and the first analysis path 73 and the second analysis path 74 are provided with a first analyzer 73A and a second analyzer 74A, respectively, and are based on the analysis result of the first analyzer 73A. The inlet valve 72V is controlled to open and close.

第3吸着分離手段51で使用する第3吸着剤には、速度分離型吸着剤であるゼオライト4A(Na−A型ゼオライト)を使用することが好ましい。このゼオライト4Aは、比較的分子径の大きい高付加価値ガスに比べて高付加価値ガスより分子径の小さい窒素や酸素を吸着しやすいという特性を有している。この特性は、一般に速度分離型と呼ばれる分離特性であり、適当な吸着時間を選定すれば、窒素や酸素を選択的に吸着させながら、高付加価値ガスを吸着させない状態にすることが可能である。   As the third adsorbent used in the third adsorptive separation means 51, it is preferable to use zeolite 4A (Na-A type zeolite) which is a speed separation type adsorbent. This zeolite 4A has a characteristic that it easily adsorbs nitrogen and oxygen having a molecular diameter smaller than that of a high value-added gas as compared with a high value-added gas having a relatively large molecular diameter. This characteristic is a separation characteristic generally referred to as a speed separation type. If an appropriate adsorption time is selected, it is possible to selectively adsorb nitrogen and oxygen while preventing high value-added gas from being adsorbed. .

第3吸着分離手段51において、例えば、図1において左側の一方の第3吸着筒53aが吸着工程を行っている場合、前記第2吸着分離手段41から回収経路47に導出されたガスは、第3導入経路52の第3圧縮機52Cで所定の吸着工程圧力に昇圧され、第5バッファタンク52Bから入口側経路54aを通って一方の第3吸着筒53a内に導入され、ガス中の窒素や酸素が第3吸着剤に吸着されて筒内に保持され、第3吸着剤に吸着しなかった高付加価値ガスが出口側経路55aから第6バッファタンク58Bに導出される。   In the third adsorption separation means 51, for example, when the one third adsorption cylinder 53a on the left side in FIG. 1 is performing an adsorption process, the gas led out from the second adsorption separation means 41 to the recovery path 47 is The pressure is increased to a predetermined adsorption process pressure by the third compressor 52C in the third introduction path 52, introduced into the third adsorption cylinder 53a from the fifth buffer tank 52B through the inlet-side path 54a, Oxygen is adsorbed by the third adsorbent and held in the cylinder, and the high value-added gas that has not been adsorbed by the third adsorbent is led to the sixth buffer tank 58B from the outlet side passage 55a.

他方の第3吸着筒53bでは再生工程が行われており、第3吸着筒53b内を所定の再生工程圧力に減圧して第3吸着剤に吸着している窒素や酸素を脱着させるとともに、第6バッファタンク58内の高付加価値ガスの一部をパージガス入口経路56bからパージガスとして導入し、第3吸着剤から脱着した窒素や酸素を入口側経路54bを通して排気循環経路57に導出させる。   In the other third adsorption cylinder 53b, a regeneration process is performed. The inside of the third adsorption cylinder 53b is reduced to a predetermined regeneration process pressure to desorb nitrogen and oxygen adsorbed on the third adsorbent, 6 A part of the high added value gas in the buffer tank 58 is introduced as a purge gas from the purge gas inlet path 56b, and nitrogen and oxygen desorbed from the third adsorbent are led to the exhaust circulation path 57 through the inlet side path 54b.

この再生工程において、再生工程の開始直後には、第3吸着筒53b内の第3吸着剤に吸着されていないガス、すなわち、高付加価値ガスを多く含むガスが排気循環経路57に導出されるので、このときに導出されたガスは、前記第4バッファタンク47Bに循環回収される。また、再生工程終了直前に第3吸着筒53bから排気循環経路57に導出されるガスも、第6バッファタンク58Bから第3吸着筒53bに導入されたパージガスが、第3吸着剤から脱着した窒素や酸素と共に排気循環経路57に導出される可能性があるので、このときに排気循環経路57に導出されるガスも第4バッファタンク47Bに循環回収するようにしている。   In this regeneration process, immediately after the start of the regeneration process, a gas that is not adsorbed by the third adsorbent in the third adsorption cylinder 53b, that is, a gas containing a large amount of high value-added gas is led to the exhaust circulation path 57. Therefore, the gas derived at this time is circulated and collected in the fourth buffer tank 47B. Further, the gas led out from the third adsorption cylinder 53b to the exhaust circulation path 57 just before the end of the regeneration process is also the nitrogen in which the purge gas introduced from the sixth buffer tank 58B to the third adsorption cylinder 53b is desorbed from the third adsorbent. Since there is a possibility of being led to the exhaust circulation path 57 together with oxygen, the gas led to the exhaust circulation path 57 at this time is also circulated and collected in the fourth buffer tank 47B.

このように、再生工程開始直後及び終了直前に排気循環経路57に導出される高付加価値ガス含有ガスを第4バッファタンク47Bに循環回収して再処理を行い、中間段階で排気循環経路57に導出されるガスを経路57aから系外に排出することにより、高付加価値ガスの回収率向上を図ることができる。   In this way, the high value-added gas-containing gas led out to the exhaust circulation path 57 immediately after the start of the regeneration process and immediately before the end is circulated and recovered in the fourth buffer tank 47B and reprocessed. By discharging the derived gas out of the system from the path 57a, it is possible to improve the recovery rate of the high value-added gas.

両第3吸着筒53a、53bは、前記各経路に設けられている弁をあらかじめ設定されたタイミングで開閉することによって吸着工程と再生工程とに交互に切換えられ、ガス中の窒素や酸素の吸着除去を連続的に行う。第3吸着筒53a、53bの吸着工程で第6バッファタンク58Bに導出されたガスは、これまでの各工程で、排ガス中から窒素酸化物、アンモニア、水素、酸素、窒素、水蒸気、二酸化炭素、ヘリウム等の不純物が100ppm以下まで除去され、雰囲気ガスとして使用可能な状態の高付加価値ガスとなっている。   Both third adsorption cylinders 53a and 53b are alternately switched between an adsorption process and a regeneration process by opening and closing valves provided in the respective paths at a preset timing, and adsorb nitrogen and oxygen in the gas. Removal is performed continuously. The gas led to the sixth buffer tank 58B in the adsorption process of the third adsorption cylinders 53a and 53b is nitrogen oxide, ammonia, hydrogen, oxygen, nitrogen, water vapor, carbon dioxide, Impurities such as helium are removed to 100 ppm or less, and it is a high value-added gas that can be used as an atmospheric gas.

なお、雰囲気ガスとして高付加価値ガスとアルゴンとの混合ガスを使用するときには、第2吸着分離手段41のパージガスとしてアルゴンを使用することにより、第6バッファタンク58B内のガスを高付加価値ガスとアルゴンとの混合ガスにすることができる。このときの高付加価値ガスとアルゴンとの組成比は、高付加価値ガス導入経路72からの高付加価値ガスの導入量を制御することによって所定の組成比に調節することができる。   When a mixed gas of high value-added gas and argon is used as the atmospheric gas, the gas in the sixth buffer tank 58B is changed to high value-added gas by using argon as the purge gas of the second adsorption separation means 41. It can be a mixed gas with argon. At this time, the composition ratio between the high value-added gas and argon can be adjusted to a predetermined composition ratio by controlling the amount of high value-added gas introduced from the high value-added gas introduction path 72.

第6バッファタンク58B内のガス(高付加価値ガス)は、その一部が分析のために前記第2分析経路74に抜き出され、第2分析計74Aで組成分析が行われた後、第4バッファタンク47Bに循環する。第6バッファタンク58Bから第3導出経路58に導出された高付加価値ガスは、流量調節計(マスフローコントローラー)58Fで流量調節されて精製器75に導入され、この精製器75で更に高度に精製された後、前記ガスパネル12から前記半導体製造装置11に供給されて循環再利用される。   A part of the gas (high value-added gas) in the sixth buffer tank 58B is extracted to the second analysis path 74 for analysis and subjected to composition analysis by the second analyzer 74A. Circulates to 4 buffer tank 47B. The high value-added gas led out from the sixth buffer tank 58B to the third lead-out path 58 is flow-regulated by a flow rate controller (mass flow controller) 58F and introduced into the purifier 75, and further refined by the purifier 75. Then, the gas is supplied from the gas panel 12 to the semiconductor manufacturing apparatus 11 and recycled.

また、半導体製造装置11に高付加価値ガスを供給しない待機中には、流量調節計(マスフローコントローラー)76Fから高付加価値ガス循環経路76を通して第1バッファタンク38B及び第4バッファタンク47Bに高付加価値ガスを循環させるようにしている。   Further, during the standby period when the high-value-added gas is not supplied to the semiconductor manufacturing apparatus 11, the high-value-added gas is added to the first buffer tank 38B and the fourth buffer tank 47B from the flow controller 76F through the high-value-added gas circulation path 76 The value gas is circulated.

前記精製器75には、チタン、バナジウム、ジルコニウム、鉄、ニッケル等の金属あるいは合金を用いたゲッター式精製器が好適に用いられ、この精製器75で高付加価値ガスを精製することによって高付加価値ガス中に極微量に残存していた不純物の濃度を更に減少させることができる。   For the purifier 75, a getter type purifier using a metal or an alloy such as titanium, vanadium, zirconium, iron, nickel, or the like is preferably used. The concentration of impurities remaining in a trace amount in the value gas can be further reduced.

本形態例に示すように、触媒反応手段61、脱硝触媒反応手段21、第1吸着分離手段31、第2吸着分離手段41及び第3吸着分離手段51をこの順に配置し、触媒反応工程、脱硝工程、第1吸着分離工程、第2吸着分離工程及び第3吸着分離工程を順次行うことにより、プラズマ酸化、プラズマ窒化、プラズマ酸窒化等の処理を行う半導体製造装置11から排出される混合ガス(排ガス)に最大で数%の単位で含まれると想定される窒素酸化物、アンモニア、水素、酸素、窒素、水蒸気、二酸化炭素、ヘリウム等の不純物を100ppm以下に除去したて高付加価値ガスを効率よく分離回収することができる。   As shown in this embodiment, the catalyst reaction means 61, the denitration catalyst reaction means 21, the first adsorption separation means 31, the second adsorption separation means 41, and the third adsorption separation means 51 are arranged in this order, and the catalyst reaction step, the denitration process, The mixed gas discharged from the semiconductor manufacturing apparatus 11 that performs processing such as plasma oxidation, plasma nitridation, and plasma oxynitridation by sequentially performing the steps, the first adsorption separation step, the second adsorption separation step, and the third adsorption separation step. Efficient high value-added gas by removing impurities such as nitrogen oxides, ammonia, hydrogen, oxygen, nitrogen, water vapor, carbon dioxide, helium, etc. It can be separated and recovered well.

したがって、本形態例に示す分離装置は、一つの半導体製造装置で酸化、窒化、酸窒化の各工程を行うときの排ガスを処理する場合や、酸化、窒化、酸窒化の各工程は別の半導体製造装置で行うが、排ガスはまとめて排出する場合に対応可能であり、酸化、窒化、酸窒化の各工程のいずれか一つの工程しか行わない場合でも、この構成のガス分離装置を設置しておくことにより、半導体製造装置における処理工程の追加や変更にもそのまま対応することができる。   Therefore, in the separation apparatus shown in this embodiment, when one process for oxidizing, nitriding, and oxynitriding is performed in one semiconductor manufacturing apparatus, each process for oxidizing, nitriding, and oxynitriding is a separate semiconductor. Although it is performed by the manufacturing equipment, it is possible to deal with exhaust gas being discharged together, even if only one of the oxidation, nitriding, and oxynitriding processes is performed, a gas separation device of this configuration is installed. Therefore, it is possible to directly cope with the addition or change of the processing steps in the semiconductor manufacturing apparatus.

なお、排ガス中に窒素酸化物とアンモニアとが共存する可能性が全くないときには、触媒反応手段61を省略することが可能である。また、雰囲気ガスとして高付加価値ガスとアルゴンとの混合ガスを使用するとともに、各ポンプのシールガスや第2吸着分離手段41のパージガスにアルゴンを使用し、排ガス中の不純物酸素や不純物窒素を脱硝触媒反応手段21、第1吸着分離手段31及び第2吸着分離手段41で分離除去できるときには、第3吸着分離手段51を省略することが可能である。   When there is no possibility that nitrogen oxides and ammonia coexist in the exhaust gas, the catalytic reaction means 61 can be omitted. In addition, a mixed gas of high-value-added gas and argon is used as the atmospheric gas, and argon is used as a seal gas for each pump and a purge gas for the second adsorption / separation means 41 to denitrify impurity oxygen and impurity nitrogen in the exhaust gas. When the catalyst reaction means 21, the first adsorption separation means 31 and the second adsorption separation means 41 can separate and remove, the third adsorption separation means 51 can be omitted.

本発明のガス分離装置の一形態例を示す系統図である。It is a systematic diagram which shows one example of the gas separation apparatus of this invention. 半導体製造装置の一例を示す系統図である。It is a systematic diagram which shows an example of a semiconductor manufacturing apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

11…半導体製造装置、12…ガスパネル、13…ガス供給経路、14…処理チャンバ、15…排気経路、16…ブースターポンプ、17…回収用バックポンプ、18…排気側バックポンプ、16a,17a,18a…シールガス導入部、19…排ガス回収経路、21…脱硝触媒反応手段、22…入口経路、22F…流量計(マスフローメーター)、23…還元性物質添加経路、23F…流量調節計(マスフローコントローラー)、24…脱硝触媒反応筒、25…脱硝筒出口径路、25C…第1圧縮機、31…第1吸着分離手段、32…第1導入経路、33a,33b…第1吸着筒、34a,34b…入口側経路、35a,35b…出口側経路、36a,36b…再生経路、37…排気経路、38…第1導出経路、38B…第1バッファタンク、39…再生ガス導入経路、41…第2吸着分離手段、42…第2導入経路、42B…第2バッファタンク、42C…第2圧縮機、43a,43b…第2吸着筒、44a,44b…入口側経路、45a,45b…出口側経路、46a、46b…パージガス入口経路、47…回収経路、47B…第4バッファタンク、48…第1循環経路、49…第2導出経路、49B…第3バッファタンク、49F…流量調節計(マスフローコントローラー)、50…パージガス導入経路、50F…流量調節計(マスフローコントローラー)、51…第3吸着分離手段、52…第3導入経路、52B…第5バッファタンク、52C…第3圧縮機、53a、53b…第3吸着筒、54a、54b…入口側経路、55a、55b…出口側経路、56a,56b…パージガス入口経路、57,57a…排気循環経路、58…第3導出経路、58B…第6バッファタンク、58F…流量調節計(マスフローコントローラー)、61…触媒反応手段、62…反応筒、63…出口径路、71…高付加価値ガス導入源、72…高付加価値ガス導入経路、72V…導入弁、73…第1分析経路、73A…第1分析計、74…第2分析経路、74A…第2分析計、75…精製器、76…高付加価値ガス循環経路、76F…流量調節計(マスフローコントローラー)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Semiconductor manufacturing apparatus, 12 ... Gas panel, 13 ... Gas supply path, 14 ... Processing chamber, 15 ... Exhaust path, 16 ... Booster pump, 17 ... Collection | recovery back pump, 18 ... Exhaust side back pump, 16a, 17a, 18a ... seal gas introduction part, 19 ... exhaust gas recovery route, 21 ... denitration catalyst reaction means, 22 ... inlet route, 22F ... flow meter (mass flow meter), 23 ... reducing substance addition route, 23F ... flow rate controller (mass flow controller) ), 24 ... Denitration catalyst reaction cylinder, 25 ... Denitration cylinder outlet path, 25C ... First compressor, 31 ... First adsorption separation means, 32 ... First introduction path, 33a, 33b ... First adsorption cylinder, 34a, 34b ... Inlet side path, 35a, 35b ... Outlet side path, 36a, 36b ... Regeneration path, 37 ... Exhaust path, 38 ... First lead-out path, 38B ... First buffer tank 39 ... regeneration gas introduction path, 41 ... second adsorption separation means, 42 ... second introduction path, 42B ... second buffer tank, 42C ... second compressor, 43a, 43b ... second adsorption cylinder, 44a, 44b ... Inlet side path, 45a, 45b ... Outlet side path, 46a, 46b ... Purge gas inlet path, 47 ... Recovery path, 47B ... Fourth buffer tank, 48 ... First circulation path, 49 ... Second outlet path, 49B ... Third Buffer tank, 49F ... flow rate controller (mass flow controller), 50 ... purge gas introduction path, 50F ... flow rate controller (mass flow controller), 51 ... third adsorption separation means, 52 ... third introduction path, 52B ... fifth buffer tank , 52C ... third compressor, 53a, 53b ... third adsorption cylinder, 54a, 54b ... inlet side path, 55a, 55b ... outlet side path, 56a, 56b ... Gas gas inlet path, 57, 57a ... exhaust circulation path, 58 ... third outlet path, 58B ... sixth buffer tank, 58F ... flow rate controller (mass flow controller), 61 ... catalytic reaction means, 62 ... reactor cylinder, 63 ... outlet 71: High value-added gas introduction source, 72 ... High value-added gas introduction path, 72V ... Introduction valve, 73 ... First analysis path, 73A ... First analyzer, 74 ... Second analysis path, 74A ... Second Analyzer, 75 ... Purifier, 76 ... High value-added gas circulation path, 76F ... Flow controller (mass flow controller)

Claims (8)

クリプトン、キセノン及びネオンの少なくとも1種を含む混合ガス中の不純物成分を分離除去するガスの分離方法において、前記混合ガスにおける不純物成分である窒素酸化物を還元性物質の存在下で脱硝触媒反応により窒素と水蒸気とに転化する脱硝工程と、アンモニア及び水蒸気を易吸着性ガス成分とする第1吸着剤に前記脱硝工程後のガスを接触させて不純物であるアンモニア及び水蒸気を前記第1吸着剤に吸着させて該ガス中から分離する第1吸着分離工程と、クリプトン、キセノン及びネオンを易吸着性ガス成分とする第2吸着剤に前記第1吸着分離工程後のガスを接触させ、前記第2吸着剤に対して難吸着性の不純物成分を排出する第2吸着分離工程と、該第2吸着分離工程で前記第2吸着剤に吸着したガス成分を該第2吸着剤から脱着させて回収する脱着回収工程とを含むことを特徴とするガスの分離方法。   In a gas separation method for separating and removing an impurity component in a mixed gas containing at least one of krypton, xenon, and neon, nitrogen oxides that are impurity components in the mixed gas are subjected to a denitration catalytic reaction in the presence of a reducing substance. A denitration step for converting nitrogen and water vapor, and a first adsorbent containing ammonia and water vapor as easily adsorbing gas components are brought into contact with the gas after the denitration step so that ammonia and water vapor as impurities are brought into the first adsorbent. A first adsorptive separation step of adsorbing and separating from the gas; a gas after the first adsorptive separation step is brought into contact with a second adsorbent containing krypton, xenon and neon as easily adsorbable gas components; A second adsorptive separation step for discharging impurity components that are difficult to adsorb to the adsorbent; and a gas component adsorbed on the second adsorbent in the second adsorptive separation step. The method of separating gases, characterized in that it comprises a desorption recovery step of recovering by al desorption. 前記脱着回収工程で回収したガスを、クリプトン、キセノン及びネオンを難吸着性ガス成分とする第3吸着剤に接触させ、該第3吸着剤に対して易吸着性のガス成分を吸着分離する第3吸着分離工程を行うことを特徴とする請求項1記載のガスの分離方法。   The gas recovered in the desorption recovery step is brought into contact with a third adsorbent containing krypton, xenon and neon as hardly adsorbable gas components, and an easily adsorbable gas component is adsorbed and separated from the third adsorbent. The gas separation method according to claim 1, wherein three adsorption separation steps are performed. 前記第3吸着分離工程で第3吸着剤に吸着したガス成分を第3吸着剤から脱着させ、脱着したガス成分を該第3吸着分離工程に導入されるガスに循環混合することを特徴とする請求項2記載のガスの分離方法。   The gas component adsorbed on the third adsorbent in the third adsorption separation step is desorbed from the third adsorbent, and the desorbed gas component is circulated and mixed with the gas introduced into the third adsorption separation step. The gas separation method according to claim 2. 前記脱硝工程の前段に、前記混合ガスにおける不純物成分であるアンモニアと窒素酸化物とを脱硝触媒により反応させて窒素及び水蒸気に転化させることにより、アンモニア及び窒素酸化物の少なくともいずれか一方を混合ガス中から除去する触媒反応工程を行うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のガスの分離装置。   Prior to the denitration step, ammonia and nitrogen oxide, which are impurity components in the mixed gas, are reacted with a denitration catalyst and converted into nitrogen and water vapor, whereby at least one of ammonia and nitrogen oxide is mixed gas The gas separation device according to any one of claims 1 to 3, wherein a catalytic reaction step of removing the catalyst from the inside is performed. クリプトン、キセノン及びネオンの少なくとも1種を含む混合ガス中の不純物成分を分離除去するガスの分離装置において、窒素酸化物を還元性物質の存在下で窒素と水蒸気とに転化する脱硝触媒を充填した脱硝触媒反応手段と、アンモニア及び水蒸気を易吸着性ガス成分とする第1吸着剤を充填した第1吸着分離手段と、クリプトン、キセノン及びネオンを易吸着性ガス成分とする第2吸着剤を充填した第2吸着分離手段と、前記脱硝触媒反応手段の入口側に接続された還元性物質添加経路と、前記脱硝触媒反応手段の出口側から導出したガスを第1吸着筒の入口側に導入する第1導入経路と、前記第1吸着剤に吸着しなかったガス成分を前記第1吸着筒の出口側から導出して前記第2吸着分離手段の入口側に導入する第1導出経路及び第2導入経路と、前記第2吸着剤に吸着しなかったガス成分を第2吸着分離手段の出口側から導出する第2導出経路と、前記第2吸着剤に吸着したガス成分を第2吸着剤から脱着させて第2吸着分離手段の入口側から回収する回収経路とを備えていることを特徴とするガスの分離装置。   In a gas separation apparatus for separating and removing impurity components in a mixed gas containing at least one of krypton, xenon and neon, a denitration catalyst for converting nitrogen oxides into nitrogen and water vapor in the presence of a reducing substance is packed. Denitration catalyst reaction means, first adsorption separation means filled with a first adsorbent containing ammonia and water vapor as easily adsorbing gas components, and a second adsorbent containing krypton, xenon and neon as easily adsorbing gas components The second adsorbing / separating means, the reducing substance addition path connected to the inlet side of the denitration catalyst reaction means, and the gas led out from the outlet side of the denitration catalyst reaction means are introduced to the inlet side of the first adsorption cylinder. A first introduction path, a first extraction path for introducing a gas component that has not been adsorbed by the first adsorbent from the outlet side of the first adsorption cylinder, and introducing the gas component to the inlet side of the second adsorption separation unit; An introduction path, a second lead-out path for deriving a gas component not adsorbed on the second adsorbent from the outlet side of the second adsorption separation means, and a gas component adsorbed on the second adsorbent from the second adsorbent A gas separation device comprising a recovery path that is desorbed and recovered from the inlet side of the second adsorption separation means. クリプトン、キセノン及びネオンを難吸着性ガス成分とする第3吸着剤を充填した第3吸着分離手段を備えるとともに、前記第2吸着分離手段から前記回収経路に回収したガスを前記第3吸着分離手段の入口側に導入する第3導入経路と、前記第3吸着剤に吸着しなかったガス成分を前記第3吸着筒の出口側から導出する第3導出経路とを備えていることを特徴とする請求項5記載のガスの分離装置。   A third adsorbing / separating means filled with a third adsorbent containing krypton, xenon and neon as difficult adsorbing gas components; A third introduction path for introducing the gas component that has not been adsorbed by the third adsorbent from the outlet side of the third adsorption cylinder. The gas separation device according to claim 5. 前記第3吸着分離手段は、前記第3吸着剤に吸着したガス成分を第3吸着剤から脱着させて第3吸着筒の入口側から導出し、該第3吸着分離手段に導入されるガスに循環合流させる循環経路を備えていることを特徴とする請求項6記載のガスの分離装置。   The third adsorptive separation means desorbs the gas component adsorbed on the third adsorbent from the third adsorbent, leads out from the inlet side of the third adsorption cylinder, and supplies the gas introduced into the third adsorptive separation means. The gas separation device according to claim 6, further comprising a circulation path for circulating and joining. 前記脱硝触媒反応手段の前段に、前記混合ガスにおける不純物成分であるアンモニアと窒素酸化物とを脱硝触媒により反応させて窒素及び水蒸気に転化させる触媒反応手段を備えていることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項記載のガスの分離装置。   2. The catalyst reaction means for reacting ammonia and nitrogen oxide, which are impurity components in the mixed gas, with a denitration catalyst and converting them into nitrogen and water vapor in a stage preceding the denitration catalyst reaction means. The gas separator according to any one of 5 to 7.
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