JP2011230035A - Gas separation method - Google Patents

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Yuzuru Miyazawa
譲 宮澤
Yoko Aomura
洋子 青村
Yoshihiko Kobayashi
芳彦 小林
Kenji Haratani
賢治 原谷
Yoshinori Yoshimune
美紀 吉宗
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas separation method for separating a gaseous mixture including a hydride gas while keeping a high recovery rate and condensing the hydride gas to high purity.SOLUTION: The gas separation method comprises: a first process of closing an unpermeated gas discharge port of a closed vessel in which a gas separation membrane is stored, supplying the gaseous mixture into the closed vessel by opening a gas supply port and charging pressure while a permeated gas discharge port is opened; a second process of closing the gas supply port to stop the supply of the gaseous mixture when a predetermined time elapses from the start of supplying the gaseous mixture or the inside of the closed vessel reaches a predetermined pressure, and maintaining the state; a third process of opening the unpermeated gas discharge port to recover the hydride gas when a predetermined time elapses from the start of retaining state or the inside of the closed vessel reaches a predetermined pressure; and a fourth process of closing the unpermeated gas discharge port when a predetermined time elapses from the start of recovery or the inside of the closed vessel reaches a predetermined pressure. The first to fourth processes are continuously repeated.

Description

本発明は、ガス分離方法に関するものである。   The present invention relates to a gas separation method.

現在、半導体分野に用いられる特殊ガスには、モノシラン、モノゲルマン、アルシン、ホスフィン、セレン化水素等の水素化物系ガスを代表として様々なガスが存在する。これらのガスのうち、モノシラン、モノゲルマン、アルシン、ホスフィン、セレン化水素等は、毒性、可燃性が強く、非常に取り扱いが難しいガスである。   Currently, there are various types of special gases used in the semiconductor field, typically hydride gases such as monosilane, monogermane, arsine, phosphine, and hydrogen selenide. Of these gases, monosilane, monogermane, arsine, phosphine, hydrogen selenide and the like are highly toxic and flammable gases and are very difficult to handle.

特に、水素化物系ガスは、それ自身で高純度ガスとして用いられるが、水素、ヘリウム等のガスで希釈された混合ガスとしても広く用いられている。   In particular, the hydride-based gas is used as a high purity gas by itself, but is also widely used as a mixed gas diluted with a gas such as hydrogen or helium.

ここで、例えば、水素等で希釈された混合ガスは、その混合ガスを使用する設備の直近で水素と特殊ガスとに分離し、特殊ガスのみをガス使用設備に送ることで安全に利用できることが知られている。   Here, for example, a mixed gas diluted with hydrogen or the like can be safely used by separating it into hydrogen and special gas in the immediate vicinity of the equipment using the mixed gas, and sending only the special gas to the gas using equipment. Are known.

一般に、特殊ガスはボンベ(シリンダー)に充填されるが、特殊ガスの種類によっては、希釈されない純ガスよりも希釈混合ガスの方が、特殊ガス自身の充填量が多い場合があることが知られている。
また、希釈混合ガスが充填された使用済みのシリンダーを返却する場合には、残ガスとしてシリンダー内に多少のガスを残したまま返却されることが一般的である。この残ガスを希釈するガスと特殊ガスとに分離して回収することで、高価な特殊ガスを再利用することができるし、残ガスの処理費用も低減することができる。
Generally, special gas is filled in a cylinder (cylinder), but depending on the type of special gas, it is known that the special gas itself may have a larger filling amount than the pure gas that is not diluted. ing.
When returning a used cylinder filled with a diluted mixed gas, the cylinder is generally returned as a residual gas while leaving some gas in the cylinder. By separating and recovering the residual gas into a diluting gas and a special gas, the expensive special gas can be reused, and the processing cost of the residual gas can be reduced.

一方、ガス分離技術としては、吸着剤や金属触媒による吸着や反応等を利用したガス分離方法、精留(液化精製)や固化精製による相変化を利用した分離方法、気体分離膜による分子径の違いを利用した分離方法などが存在する。   On the other hand, gas separation technologies include gas separation methods using adsorption and reaction with adsorbents and metal catalysts, separation methods using phase change by rectification (liquefaction purification) and solidification purification, and molecular diameters by gas separation membranes. There are separation methods that use the differences.

これらの分離方法のうち、気体分離膜によるガス分離技術は、優れた省エネ効果のある分離技術として注目を浴びている。   Among these separation methods, a gas separation technique using a gas separation membrane is attracting attention as an excellent energy-saving separation technique.

気体分離膜によるガス分離技術は、基本的な動力としては昇圧を行うための圧縮機程度であり、その省エネ性はPSA(吸着や反応等を利用したガス分離方法)、精留(相変化を利用した分離方法)と比較しても期待できるものである。また、気体分離膜によるガス分離技術は、分離膜の透過側を真空に引くことで分離操作を行うことができるため、十分な供給圧力を得難い低蒸気圧ガスにも対応できるし、自然発火性ガスや自己分解性ガスも安全に分離操作が可能であり、金属の触媒作用により分解しやすいガスや金属と反応しやすいガスでも対応が可能である。その他、駆動機器が少なくトラブルフリーでメンテナンスが不要、高濃度の不純物の分離を行う際もPSAでいう再生などの運転を追加する必要がない、などの利点がある。   Gas separation technology using gas separation membranes is about a compressor for boosting as basic power, and its energy-saving performance is PSA (gas separation method using adsorption or reaction), rectification (phase change). Compared to the separation method used, this can be expected. In addition, gas separation technology using a gas separation membrane can perform the separation operation by pulling the permeate side of the separation membrane to a vacuum, so it can handle low vapor pressure gas, which is difficult to obtain a sufficient supply pressure, and is pyrophoric. Gas and self-decomposable gas can also be safely separated, and it is possible to cope with gas that is easily decomposed by the catalytic action of metal or gas that easily reacts with metal. In addition, there are advantages such that there are few driving devices, no trouble is required, maintenance is unnecessary, and it is not necessary to add an operation such as regeneration in the PSA even when high-concentration impurities are separated.

気体分離膜を利用したガスの分離技術としては、ポリイミド膜あるいはポリアラミド膜を使用したガスの分離技術(特許文献1〜4参照)、ポリスルホン膜を使用したガスの分離技術(特許文献5参照)、特殊なシリカ膜あるいはアルミナ膜を使用したガスの分離技術(特許文献6参照)、蒸留膜あるいは浸透気化膜を使用したガスの分離技術(特許文献7参照)などが挙げられる。   As a gas separation technique using a gas separation membrane, a gas separation technique using a polyimide membrane or a polyaramid membrane (see Patent Documents 1 to 4), a gas separation technique using a polysulfone membrane (see Patent Document 5), Examples include gas separation technology using a special silica membrane or alumina membrane (see Patent Document 6), gas separation technology using a distillation membrane or a pervaporation membrane (see Patent Document 7), and the like.

また、気体分離膜を利用したガスの分離技術として、炭素膜を使用したガスの分離技術(特許文献8参照)が知られており、炭素膜の製造方法に関する技術も開示されている(特許文献9〜11参照)。   Further, as a gas separation technique using a gas separation membrane, a gas separation technique using a carbon membrane (see Patent Document 8) is known, and a technique related to a carbon membrane manufacturing method is also disclosed (Patent Document). 9-11).

特開平7−171330号公報JP-A-7-171330 特開2002−308608号公報JP 2002-308608 A 特開2005−154203号公報JP 2005-154203 A 特開2003−37104号公報JP 2003-37104 A 特許第2615265号公報Japanese Patent No. 2615265 特許第3477517号公報Japanese Patent No. 3477517 特開2005−60225号公報JP 2005-60225 A 特開2008−238357号公報JP 2008-238357 A 特許第2914972号Patent No. 2914972 特開平10−52629号公報JP-A-10-52629 特開2006−231095号公報JP 2006-231095 A

しかしながら、前記特許文献8で例示されている炭素膜を使用したガスの分離技術は、炭素膜を使用したppmレベルの微量不純物を除去する精製目的のものであり、高い回収率であることが知られているが、希釈混合されたガスから水素化物系ガス等の特殊ガスを分離する方法は示されていない。さらには、これらの特殊ガスが半導体材料として用いられる場合、希釈混合されたガス中の特殊ガスの濃度よりも高濃度に濃縮することが要求されるようになってきた。   However, the gas separation technique using the carbon membrane exemplified in Patent Document 8 is for the purpose of purification using the carbon membrane to remove trace level impurities at the ppm level, and is known to have a high recovery rate. However, a method for separating a special gas such as a hydride-based gas from a diluted gas is not shown. Furthermore, when these special gases are used as semiconductor materials, it has been required to concentrate them to a concentration higher than the concentration of the special gas in the diluted and mixed gas.

本発明は、反応性が高く腐食性が強い半導体材料ガスである水素化物系ガスを含む混合ガスを水素化物系ガスと希釈ガスとに分離して、高い回収率を維持しつつ、水素化物系ガスを高純度に濃縮することが可能なガス分離方法を提供することを目的とする。   The present invention separates a mixed gas containing a hydride-based gas, which is a highly reactive and highly corrosive semiconductor material gas, into a hydride-based gas and a dilution gas, and maintains a high recovery rate while maintaining a high recovery rate. An object of the present invention is to provide a gas separation method capable of concentrating gas with high purity.

請求項1に記載の発明は、分子ふるい作用を有する気体分離膜を用いて、分子径が3Å以下の希釈ガスと水素化物系ガスとの混合ガス中から前記希釈ガスを分離し、前記水素化物系ガスを濃縮するガス分離方法であって、
前記気体分離膜が収容された密閉容器の、当該気体分離膜の未透過側の空間と連通するように設けられた未透過ガス排出口を閉止し、当該気体分離膜の透過側の空間と連通するように設けられた透過ガス排出口を開放した状態で、ガス供給口を開放して前記密閉容器内に前記混合ガスを供給し、充圧する第1の過程と、
前記混合ガスの供給開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記ガス供給口を閉止して前記混合ガスの供給を停止し、当該状態を保持する第2の過程と、
前記保持状態の開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を開放して当該未透過ガス排出口から水素化物系ガスを回収する第3の過程と、
前記回収開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を閉止する第4の過程と、を備え、
前記第1〜第4の過程を連続的に繰り返すことを特徴とするガス分離方法である。
The invention according to claim 1 uses the gas separation membrane having a molecular sieving action to separate the dilution gas from a mixed gas of a dilution gas having a molecular diameter of 3 mm or less and a hydride-based gas, and the hydride A gas separation method for concentrating a system gas,
Close the non-permeate gas outlet provided in the sealed container containing the gas separation membrane so as to communicate with the space on the non-permeate side of the gas separation membrane, and communicate with the space on the permeate side of the gas separation membrane. In a state where the permeated gas discharge port provided to open is opened, the first step of opening the gas supply port, supplying the mixed gas into the sealed container, and charging it,
When a predetermined time has elapsed from the start of the supply of the mixed gas or when the inside of the sealed container reaches a predetermined pressure, the gas supply port is closed to stop the supply of the mixed gas, and the state is maintained. The second process,
When a predetermined time has elapsed from the start of the holding state or when the inside of the sealed container has reached a predetermined pressure, the non-permeate gas discharge port is opened and the hydride gas is recovered from the non-permeate gas discharge port. A third process to
A fourth step of closing the non-permeated gas discharge port when a predetermined time has elapsed from the start of recovery or when the inside of the sealed container has reached a predetermined pressure,
The gas separation method is characterized in that the first to fourth steps are continuously repeated.

請求項2に記載の発明は、前記気体分離膜が、中空糸状又は管状の炭素膜であることを特徴とする請求項1に記載のガス分離方法である。
請求項3に記載の発明は、前記水素化物系ガスが、アルシン、ホスフィン、セレン化水素、モノシラン、モノゲルマンのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項1又は2に記載のガス分離方法である。
The invention according to claim 2 is the gas separation method according to claim 1, wherein the gas separation membrane is a hollow fiber-like or tubular carbon membrane.
The invention described in claim 3 is characterized in that the hydride-based gas is any one of arsine, phosphine, hydrogen selenide, monosilane, and monogermane. This is a gas separation method.

本発明のガス分離方法によれば、分子ふるい作用を持つ気体分離膜を用いて、高い回収率を維持しつつ、従来よりも水素化物系ガスを高純度にする又は高濃度に濃縮することが可能となる。   According to the gas separation method of the present invention, using a gas separation membrane having a molecular sieving action, it is possible to maintain a high recovery rate and to make a hydride gas higher in purity or concentrated in a higher concentration than in the past. It becomes possible.

本発明のガス分離方法に用いる気体分離膜の一例である炭素膜モジュールを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the carbon membrane module which is an example of the gas separation membrane used for the gas separation method of this invention. 図1に示す炭素膜モジュールにおけるA−A’断面図である。It is A-A 'sectional drawing in the carbon membrane module shown in FIG. 本発明のガス分離方法における回分操作のタイミングチャートの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the timing chart of batch operation in the gas separation method of this invention.

以下、本発明を実施する形態の一例として、気体分離膜として炭素膜を用いた場合について、図1〜図3を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, the case where a carbon membrane is used as a gas separation membrane will be described in detail with reference to FIGS.

本発明のガス分離方法に用いられる気体分離膜モジュールの一例である炭素膜モジュールを図1及び図2に示した。図1において、符号1は炭素膜モジュールを示す。この炭素膜モジュール1は、密閉容器6とこの密閉容器6内に設けられた炭素膜ユニット2とから概ね構成されている。   The carbon membrane module which is an example of the gas separation membrane module used for the gas separation method of this invention was shown in FIG.1 and FIG.2. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a carbon membrane module. The carbon membrane module 1 is generally composed of a sealed container 6 and a carbon membrane unit 2 provided in the sealed container 6.

密閉容器6は、中空円筒状であって、内部の空間に炭素膜ユニット2が収容されている。また、密閉容器6の長手方向の一方の端部にはガス供給口3が設けられ、他方の端部には未透過ガス排出口5が設けられている。さらに、その密閉容器6の周面には、透過ガス排出口4と掃引ガス供給口8とが設けられている。   The sealed container 6 has a hollow cylindrical shape, and the carbon membrane unit 2 is accommodated in an internal space. A gas supply port 3 is provided at one end in the longitudinal direction of the sealed container 6, and an unpermeated gas discharge port 5 is provided at the other end. Further, a permeate gas discharge port 4 and a sweep gas supply port 8 are provided on the peripheral surface of the sealed container 6.

炭素膜ユニット2は、多数本の中空糸状炭素膜(気体分離膜)2a…と、これら中空糸状炭素膜2a…の両端部をそれぞれ束ねて固定する一対の樹脂壁7とから構成されている。樹脂壁7は、接着剤などを使用して密閉容器6の内壁に密封固着されている。
図2は、図1に示す炭素膜モジュール1におけるA−A’断面図であり、密閉容器6内における樹脂壁7の表面構造を図示している。樹脂壁7には、中空糸状炭素膜2a…の開口部が形成されている。
The carbon membrane unit 2 is composed of a large number of hollow fiber-like carbon membranes (gas separation membranes) 2a, and a pair of resin walls 7 that bind and fix both ends of the hollow fiber-like carbon membranes 2a. The resin wall 7 is hermetically fixed to the inner wall of the sealed container 6 using an adhesive or the like.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in the carbon membrane module 1 shown in FIG. 1, and illustrates the surface structure of the resin wall 7 in the sealed container 6. The resin wall 7 is formed with openings of hollow fiber-like carbon membranes 2a.

密閉容器6内は、一対の樹脂壁7によって第1の空間11、第2の空間12、第3の空間13の3つの空間に分割されている。第1の空間11は、ガス供給口3が設けられた密閉容器6の一方の端部と樹脂壁7との間の空間であり、第2の空間12は密閉容器6の周面と一対の樹脂壁7との間の空間であり、第3の空間13は未透過ガス排出口5が設けられた密閉容器6の他方の端部と樹脂壁7との間の空間である。   The inside of the sealed container 6 is divided into three spaces of a first space 11, a second space 12, and a third space 13 by a pair of resin walls 7. The first space 11 is a space between one end of the sealed container 6 provided with the gas supply port 3 and the resin wall 7, and the second space 12 is paired with the peripheral surface of the sealed container 6. The third space 13 is a space between the resin wall 7 and the resin wall 7. The third space 13 is a space between the other end of the sealed container 6 provided with the non-permeated gas discharge port 5 and the resin wall 7.

ガス供給口3は、密閉容器6内の第1の空間11と連通するように設けられている。また、ガス供給口3には、開閉バルブ3aが設けられている。そして、開閉バルブ3aを開放することにより、ガス供給口3を介して密閉容器6の外側から第1の空間11内に混合ガスを供給可能とされている。   The gas supply port 3 is provided so as to communicate with the first space 11 in the sealed container 6. The gas supply port 3 is provided with an open / close valve 3a. Then, by opening the on-off valve 3a, the mixed gas can be supplied into the first space 11 from the outside of the sealed container 6 through the gas supply port 3.

未透過ガス排出口5は、密閉容器6内の第3の空間13と連通するように設けられている。また、未透過ガス排出口5には、開閉バルブ5aが設けられている。そして、開閉バルブ5aを開放することにより、未透過ガス排出口5を介して第3の空間13から密閉容器6の外側に未透過ガスを排出可能とされている。   The non-permeated gas discharge port 5 is provided so as to communicate with the third space 13 in the sealed container 6. Further, an opening / closing valve 5 a is provided at the non-permeated gas discharge port 5. Then, by opening the on-off valve 5a, the non-permeated gas can be discharged from the third space 13 to the outside of the sealed container 6 through the non-permeated gas discharge port 5.

透過ガス排出口4及び掃引ガス供給口8は、密閉容器6内の第2の空間12と連通するように設けられている。また、透過ガス排出口4には開閉バルブ4aが、掃引ガス供給口8には開閉バルブ8aがそれぞれ設けられている。そして、開閉バルブ4aを開放することにより、透過ガス排出口4を介して第2の空間12から密閉容器6の外側に透過ガスを排出可能とされている。一方、開閉バルブ8aを開放することにより、掃引ガス供給口8を介して密閉容器6の外側から第2の空間12に掃引ガスを供給可能とされている。   The permeate gas discharge port 4 and the sweep gas supply port 8 are provided so as to communicate with the second space 12 in the sealed container 6. The permeate gas discharge port 4 is provided with an open / close valve 4a, and the sweep gas supply port 8 is provided with an open / close valve 8a. Then, by opening the on-off valve 4a, the permeated gas can be discharged from the second space 12 to the outside of the sealed container 6 through the permeated gas discharge port 4. On the other hand, by opening the on-off valve 8a, the sweep gas can be supplied to the second space 12 from the outside of the sealed container 6 through the sweep gas supply port 8.

中空糸状炭素膜2a・・・の一端は、一方の樹脂壁7に固定されるとともに開口し、他端は他方の樹脂壁7に固定されるとともに開口している。これにより、中空糸状炭素膜2a…が一方の樹脂壁7で固定される部分において、中空糸状炭素膜2a…の一方の開口部は、第1の空間11と通じており、他方の開口部は第3の空間13と通じている。これにより、第1の空間11と第3の空間13とは、中空糸状炭素膜2a・・・の内部空間を介して連通される。これに対して、第1の空間11と第2の空間12とは炭素膜ユニット2を介して連通される。   One end of the hollow fiber-like carbon membrane 2a... Is fixed to one resin wall 7 and opened, and the other end is fixed to the other resin wall 7 and opened. Thereby, in the part where hollow fiber-like carbon membrane 2a ... is fixed by one resin wall 7, one opening part of hollow fiber-like carbon membrane 2a ... is connected with the 1st space 11, and the other opening part is It communicates with the third space 13. Thereby, the 1st space 11 and the 3rd space 13 are connected via the internal space of hollow fiber-like carbon membrane 2a .... On the other hand, the first space 11 and the second space 12 communicate with each other via the carbon membrane unit 2.

中空糸状炭素膜2a…は、有機高分子膜を形成した後、焼結することで作製される。例えば、有機高分子であるポリイミドを任意の溶媒に溶かし製膜原液を作製し、また、この製膜原液の溶媒とは混合するがポリイミドに対しては非溶解性の溶媒を用意する。ついで、二重管構造の中空糸紡糸ノズルの周縁部環状口から前記製膜原液を、同紡糸ノズルの中央部円状口から前記溶媒を、それぞれ同時に凝固液中に押し出し、中空糸状に成形し、有機高分子膜を製造する。次に、得られた有機高分子膜を不融化処理後に炭化させて炭素膜とする。   The hollow fiber-like carbon film 2a is formed by forming an organic polymer film and then sintering it. For example, a film-forming stock solution is prepared by dissolving polyimide, which is an organic polymer, in an arbitrary solvent, and a solvent that is insoluble in polyimide is prepared by mixing with the solvent of the film-forming stock solution. Next, the film-forming stock solution is extruded from the circumferential annular port of the hollow fiber spinning nozzle having a double-pipe structure, and the solvent is simultaneously extruded into the coagulating liquid from the central circular port of the spinning nozzle to form a hollow fiber shape. Manufacturing organic polymer membranes. Next, the obtained organic polymer film is carbonized after being infusibilized to form a carbon film.

炭素膜は、炭素膜のみで使用されること以外に、多孔質支持体に塗布されたもの、炭素膜以外の気体分離膜に塗布されたものなど、最適な形態を選んで使用される。多孔質支持体には、セラミック系のアルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、ゼオライト、金属系のフィルタなどがあげられる。支持体に塗布することは、機械的強度の向上、炭素膜製造の簡素化などの効果がある。   The carbon membrane is used by selecting an optimal form such as a carbon membrane coated only on a porous support and a carbon membrane coated on a gas separation membrane other than the carbon membrane. Examples of the porous support include ceramic-based alumina, silica, zirconia, magnesia, zeolite, and metal-based filters. Application to the support has effects such as improvement of mechanical strength and simplification of carbon film production.

特に本発明では、通常は定常状態で分離操作を行う気体分離膜を、後述するPSAのように圧力スイングさせて使用する。そのため、気体分離膜としては、圧力スイングに対して良好な安定性を持つ、すなわち機械強度が従来よりも優れていることが求められる。したがって、本発明では、一般的な高分子膜の気体分離膜よりは、シリカ膜、ゼオライト膜、炭素膜のような無機膜の気体分離膜を用いることが好ましい。   In particular, in the present invention, a gas separation membrane that normally performs a separation operation in a steady state is used with a pressure swing as in PSA described later. Therefore, the gas separation membrane is required to have good stability against pressure swing, that is, mechanical strength is superior to the conventional one. Therefore, in the present invention, it is preferable to use an inorganic gas separation membrane such as a silica membrane, a zeolite membrane or a carbon membrane rather than a general polymer membrane gas separation membrane.

なお、炭素膜の原料となる有機高分子には、ポリイミド(芳香族ポリイミド)、ポリフェニレンオキサイド(PPO)、ポリアミド(芳香族ポリアミド)、ポリプロピレン、ポリフルフリルアルコール、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、フェノール樹脂、セルロース、リグニン、ポリエーテルイミド、酢酸セルロースなどがあげられる。   The organic polymer used as the raw material for the carbon film includes polyimide (aromatic polyimide), polyphenylene oxide (PPO), polyamide (aromatic polyamide), polypropylene, polyfurfuryl alcohol, polyvinylidene chloride (PVDC), phenol resin, Examples thereof include cellulose, lignin, polyetherimide, and cellulose acetate.

以上の炭素膜の原料のうち、ポリイミド(芳香族ポリイミド)、酢酸セルロース、ポリフェニレンオキサイド(PPO)については、中空糸状である炭素膜の成形が容易である。特に高い分離性能を有するのは、ポリイミド(芳香族ポリイミド)、ポリフェニレンオキサイド(PPO)である。さらには、ポリフェニレンオキサイド(PPO)はポリイミド(芳香族ポリイミド)に比べ安価である。   Among the above carbon film materials, polyimide (aromatic polyimide), cellulose acetate, and polyphenylene oxide (PPO) can be easily formed into a hollow fiber carbon film. Polyimide (aromatic polyimide) and polyphenylene oxide (PPO) have particularly high separation performance. Furthermore, polyphenylene oxide (PPO) is less expensive than polyimide (aromatic polyimide).

次に、図1に示す炭素膜モジュール1を用いたガス分離方法について説明する。ここで、分子ふるい作用とは、ガスの分子径と気体分離膜の細孔径の大きさにより、分子径の小さいガスと分子径の大きいガスが分離される作用である。   Next, a gas separation method using the carbon membrane module 1 shown in FIG. 1 will be described. Here, the molecular sieving action is an action in which a gas having a small molecular diameter and a gas having a large molecular diameter are separated according to the molecular diameter of the gas and the pore diameter of the gas separation membrane.

本発明のガス分離方法は、分子ふるい作用を有する炭素膜を用いて、希釈ガスと水素化物系ガスとの混合ガスから希釈ガスと水素化物系ガスとを分離し、水素化物系ガスを濃縮するガス分離方法である。   The gas separation method of the present invention separates a dilution gas and a hydride gas from a mixed gas of a dilution gas and a hydride gas using a carbon membrane having a molecular sieving action, and concentrates the hydride gas. This is a gas separation method.

分離濃縮の対象となる混合ガスは、分子径の小さなガス成分と分子径の大きなガス成分とを2種以上混合させたものである。これらガス成分の間に分子径の差があればどんなガス成分の組み合わせでも良い。これらの分子径の差が大きければ大きいほど分離操作にかかる処理時間を短くすることができる。   The mixed gas to be separated and concentrated is a mixture of two or more gas components having a small molecular diameter and gas components having a large molecular diameter. Any combination of gas components may be used as long as there is a difference in molecular diameter between these gas components. The greater the difference between these molecular diameters, the shorter the processing time for the separation operation.

混合ガス中の希釈ガスは、分子径の小さなガス成分であることが多く、例えば、水素、ヘリウムのような分子径が3Å以下のようなガス成分を用いることが好ましい。これに対して、混合ガス中の水素化物系ガスは、分子径の大きなガス成分であることが多く、例えば、アルシン、ホスフィン、セレン化水素、モノシラン、モノゲルマンのような分子径が3Åよりも大きい、好ましくは4Å以上、さらに好ましくは5Å以上のガス成分である。   The dilution gas in the mixed gas is often a gas component having a small molecular diameter. For example, it is preferable to use a gas component having a molecular diameter of 3 mm or less, such as hydrogen or helium. On the other hand, the hydride gas in the mixed gas is often a gas component having a large molecular diameter. For example, the molecular diameter of arsine, phosphine, hydrogen selenide, monosilane, monogermane is larger than 3 mm. The gas component is large, preferably 4 mm or more, more preferably 5 mm or more.

混合ガスとしては、2成分系に限られず、複数のガス成分を混合したものでもよいが、各ガス成分を炭素膜の透過側、未透過側どちらかに十分に分離するためには、分子径の大きなガス成分群と分子径の小さなガス成分群とに大きく分類されることが好ましい。そして、炭素膜の細孔径が分子径の大きなガス成分群の分子径と分子径の小さなガス成分群の分子径との間にあればよい。なお、炭素膜の細孔径は、炭化時の焼成温度を変えることで調整することができる。   The mixed gas is not limited to the two-component system, and may be a mixture of a plurality of gas components. However, in order to sufficiently separate each gas component on either the permeation side or the non-permeation side of the carbon membrane, the molecular diameter It is preferable that the gas component group is largely classified into a gas component group having a large molecular weight and a gas component group having a small molecular diameter. The pore diameter of the carbon film may be between the molecular diameter of the gas component group having a large molecular diameter and the molecular diameter of the gas component group having a small molecular diameter. The pore diameter of the carbon film can be adjusted by changing the firing temperature during carbonization.

本発明のガス分離方法は、具体的には、以下の第1〜第4の過程の操作を連続的に繰り返すことを特徴とする。   Specifically, the gas separation method of the present invention is characterized in that operations of the following first to fourth steps are continuously repeated.

(第1の過程)
先ず、第1の過程である供給過程では、炭素膜ユニット2が収容された密閉容器6の、第3の空間13(炭素膜の未透過側の空間)と連通するように設けられた未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを閉止し、第2の空間12(炭素膜の透過側の空間)と連通するように設けられた透過ガス排出口4の開閉バルブ4aを開放した状態で、ガス供給口3の開閉バルブ3aを開放して密閉容器6内に混合ガスを供給して充圧する。
(First process)
First, in the supply process which is the first process, the non-permeation provided so as to communicate with the third space 13 (the space on the non-permeate side of the carbon film) of the sealed container 6 in which the carbon film unit 2 is accommodated. With the open / close valve 5a of the permeate gas exhaust port 4 provided so as to communicate with the second space 12 (the space on the permeation side of the carbon membrane) being closed, the open / close valve 5a of the gas exhaust port 5 is closed. The open / close valve 3a of the supply port 3 is opened, and the mixed gas is supplied into the sealed container 6 to be charged.

図3に示すように、第1の過程では、ガス供給口3から密閉容器6内へ混合ガスが一定の流量で供給される。ここで、密閉容器6の未透過側である未透過ガス排出口5が閉止されているため、一定流量で混合ガスを供給すると第1の空間11の圧力(供給圧力)が上昇する。これに連れて、密閉容器6内の炭素膜ユニット2の未透過側である第3の空間13内の圧力(未透過圧力)も上昇する。
これに対して、密閉容器6の透過側である透過ガス排出口4は開放されているため、第2の空間12の圧力(透過圧力)は変化しない。また、混合ガス中の希釈ガスが炭素膜ユニット2を透過して第2の空間12に移動し、透過ガス排出口4から排出されるため、透過流量は一時的に増加した後に一定となる。
As shown in FIG. 3, in the first process, the mixed gas is supplied from the gas supply port 3 into the sealed container 6 at a constant flow rate. Here, since the non-permeate gas discharge port 5 on the non-permeate side of the sealed container 6 is closed, the pressure (supply pressure) of the first space 11 rises when the mixed gas is supplied at a constant flow rate. Accordingly, the pressure (non-permeation pressure) in the third space 13 on the non-permeation side of the carbon membrane unit 2 in the sealed container 6 also increases.
On the other hand, since the permeate gas discharge port 4 on the permeate side of the sealed container 6 is open, the pressure (permeate pressure) in the second space 12 does not change. Further, since the dilution gas in the mixed gas passes through the carbon membrane unit 2 and moves to the second space 12 and is discharged from the permeated gas discharge port 4, the permeate flow rate becomes constant after increasing temporarily.

なお、第1の過程の所要時間(T)は、特に限定されるものではなく、密閉容器6の体積(V)、炭素膜ユニット2の性能(P、S)、混合ガスの供給流量(F)及び充填圧等(A)の各条件に応じて適宜選択することができる。 The time required for the first process (T 1 ) is not particularly limited, and the volume (V) of the sealed container 6, the performance of the carbon membrane unit 2 (P, S), the supply flow rate of the mixed gas ( F) and filling pressure and the like (A) can be selected as appropriate.

密閉容器6の体積(V)が大きくなると密閉容器6に供給する混合ガス量が増え、かつ、混合ガスの供給流量が変わらなければ、第1の過程の所要時間が長くなる。また、供給する混合ガス量が増えるため、分離後の回収量が増加する。   If the volume (V) of the sealed container 6 is increased, the amount of mixed gas supplied to the sealed container 6 is increased, and the time required for the first process is increased unless the supply flow rate of the mixed gas is changed. Further, since the amount of gas mixture to be supplied increases, the recovered amount after separation increases.

充填圧(A)を高くすると、密閉容器6に供給する混合ガス量が増え、かつ、混合ガスの供給流量が変わらなければ、第1の過程の所要時間は長くなる。また、供給する混合ガス量が増えるため、分離後の回収量が増加する。但し、充填圧が高すぎると炭素膜ユニット2に破損等のダメージを与える恐れがあるため、1MPaG以下であることが好ましい。さらに、本発明の分離対象物である水素化物ガスの場合には、あまり圧力を上げないことが安全面に関して好ましいため、0.5MPaG以下とすることがより好ましく、0.2MPaG以下とすることがさらに好ましい。   If the filling pressure (A) is increased, the amount of mixed gas supplied to the sealed container 6 increases and the time required for the first process becomes longer if the supply flow rate of the mixed gas does not change. Further, since the amount of gas mixture to be supplied increases, the recovered amount after separation increases. However, if the filling pressure is too high, the carbon membrane unit 2 may be damaged or the like. Furthermore, in the case of the hydride gas which is the separation object of the present invention, it is preferable not to raise the pressure so much in terms of safety, so that it is more preferably 0.5 MPaG or less, and 0.2 MPaG or less. Further preferred.

炭素膜ユニット2の性能(透過成分の透過速度)(P)は、炭素膜2aを透過する成分の透過速度を表す。例えば透過成分が水素で未透過成分がモノシランの場合には、水素の透過速度が大きければ所要時間が長くなる。これは、充圧と同時に水素が抜けていくため、未透過成分であるモノシランで充圧しなければならないからである。   The performance (permeation rate of permeation component) (P) of the carbon membrane unit 2 represents the permeation rate of the component that permeates the carbon membrane 2a. For example, when the permeation component is hydrogen and the non-permeation component is monosilane, the required time becomes longer if the hydrogen permeation rate is high. This is because hydrogen escapes at the same time as charging, and therefore it must be charged with monosilane, which is an impermeable component.

炭素膜ユニット2の性能(分離性能)(S)は、炭素膜2aを透過する成分と透過しない成分(残留成分)とに分離する性能を表す。例えば透過成分が水素、残留成分がモノシランの場合には、水素とモノシランとに対する分離性能が優れていれば所要時間は短くなる。これは、モノシランが炭素膜2aを透過せずに残留するため、すなわちモノシランの透過速度が小さいことになるため、それだけ早く充圧されることによる。   The performance (separation performance) (S) of the carbon membrane unit 2 represents the performance of separation into a component that permeates the carbon membrane 2a and a component that does not permeate (residual component). For example, when the permeation component is hydrogen and the residual component is monosilane, the required time is shortened if the separation performance for hydrogen and monosilane is excellent. This is because the monosilane remains without permeating the carbon film 2a, that is, the permeation rate of the monosilane is small, so that the pressure is increased as much as possible.

混合ガスの供給流量(F)が大きければ所要時間は短くなるが、炭素膜ユニット2に破損等のダメージを与える恐れがあるため、線速度:10cm/sec以下で供給することが好ましく、線速度:1cm/sec以下とすることがより好ましい。但し、炭素膜2aに対してガス流れが直接当たらないように抵抗板や拡散板などを導入した場合には、この限りではない。   If the supply flow rate (F) of the mixed gas is large, the required time is shortened. However, since there is a risk of damage to the carbon membrane unit 2, it is preferable to supply at a linear velocity of 10 cm / sec or less. : 1 cm / sec or less is more preferable. However, this is not the case when a resistance plate or a diffusion plate is introduced so that the gas flow does not directly hit the carbon film 2a.

以上説明した各条件から第1の過程の所要時間(T)は下記式(1)のように関係づけられる。
∝(V×A×P)/(S×F) ・・・(1)
From the above-described conditions, the required time (T 1 ) of the first process is related as shown in the following formula (1).
T 1 ∝ (V × A × P) / (S × F) (1)

例えば、後述する実施例に示した膜面積1114cm(膜性能:水素の透過速度=5×10−5cm(STP)/cm/sec/cmHg、(水素/モノシランの分離係数)=約5000)の炭素膜ユニット2が十分に密に備わった密閉容器の場合であれば、モノシラン10%、水素90%の混合ガスを流量150sccmで供給した場合には、約7分間で充填圧が0.2MPaGに達することとなる。 For example, the membrane area 1114 cm 2 (membrane performance: hydrogen permeation rate = 5 × 10 −5 cm 3 (STP) / cm 2 / sec / cmHg, (hydrogen / monosilane separation factor) = approximately shown in the examples described later. In the case of a closed container in which the carbon membrane unit 2 of 5000) is sufficiently dense, when a mixed gas of 10% monosilane and 90% hydrogen is supplied at a flow rate of 150 sccm, the filling pressure is 0 in about 7 minutes. .2 MPaG will be reached.

(第2の過程)
次に、第2の過程である分離過程では、混合ガスの供給開始から所定時間が経過したとき又は密閉容器6内の圧力(供給圧力あるいは未透過圧力)が所定の圧力に到達したときに、ガス供給口3の開閉バルブ3aを閉止して混合ガスの供給を停止し、この状態を保持する。
これにより、炭素膜ユニット2の未透過側(第1及び第3の空間11,13)に供給された混合ガスから、分子径の小さなガス成分である希釈ガスのみを選択的・優先的に炭素膜ユニット2の低圧側(第2の空間12)に透過させるとともに、分子径の大きなガス成分である水素化物系ガスを未透過側に残留させることが可能となる。
(Second process)
Next, in the separation process, which is the second process, when a predetermined time has elapsed since the start of the supply of the mixed gas, or when the pressure in the sealed container 6 (supply pressure or non-permeation pressure) reaches a predetermined pressure, The open / close valve 3a of the gas supply port 3 is closed to stop the supply of the mixed gas, and this state is maintained.
As a result, from the mixed gas supplied to the non-permeate side (first and third spaces 11 and 13) of the carbon membrane unit 2, only the dilution gas that is a gas component having a small molecular diameter is selectively and preferentially carbonized. It is possible to allow the hydride gas, which is a gas component having a large molecular diameter, to remain on the non-permeating side while allowing the membrane unit 2 to pass through to the low pressure side (second space 12).

図3に示すように、第2の過程では、ガス供給口3から密閉容器6内への混合ガスの供給が停止されるため、供給流量は0となる。このとき、密閉容器6の未透過側であるガス供給口3及び未透過ガス排出口5の開閉バルブ3a,5aを閉止しているが、透過ガス排出口4は開放されており、混合ガス中の希釈ガスが炭素膜ユニット2を透過して透過ガス排出口4から排出されるため、第1の空間11の圧力(供給圧力)及び第3の空間13の圧力(未透過圧力)が徐々に低下する。
一方、密閉容器6の透過側である透過ガス排出口4は開放されており、第2の空間12の圧力(透過圧力)には変化がない。しかしながら、透過ガス排出口4から排出される希釈ガスの透過流量は徐々に低下する。
As shown in FIG. 3, in the second process, since the supply of the mixed gas from the gas supply port 3 into the sealed container 6 is stopped, the supply flow rate becomes zero. At this time, the open / close valves 3a and 5a of the gas supply port 3 and the non-permeate gas discharge port 5 on the non-permeate side of the sealed container 6 are closed, but the permeate gas discharge port 4 is open and is in the mixed gas. Gas passes through the carbon membrane unit 2 and is discharged from the permeate gas discharge port 4, so that the pressure in the first space 11 (supply pressure) and the pressure in the third space 13 (non-permeation pressure) gradually descend.
On the other hand, the permeate gas outlet 4 on the permeate side of the sealed container 6 is open, and the pressure (permeate pressure) in the second space 12 does not change. However, the permeate flow rate of the dilution gas discharged from the permeate gas discharge port 4 gradually decreases.

なお、第2の過程の所要時間(T)は、特に限定されるものではなく、密閉容器6の体積(V)、充填圧(A)、分離終了の所定の圧力(排出圧ともいう、B)、炭素膜ユニット2の性能(P,S)及び供給ガスの組成(Z)に応じて適宜選択することができる。 The time required for the second process (T 2 ) is not particularly limited, and the volume (V) of the sealed container 6, the filling pressure (A), the predetermined pressure at the end of separation (also referred to as discharge pressure, B), can be appropriately selected according to the performance (P, S) of the carbon membrane unit 2 and the composition (Z) of the supply gas.

ここで、密閉容器の6の体積(V)、充填圧(A)、炭素膜ユニット2の性能(分離性能)(S)については、第1の過程で説明した通りである。   Here, the volume (V), the filling pressure (A), and the performance (separation performance) (S) of the carbon membrane unit 2 are as described in the first step.

炭素膜ユニット2の性能(透過成分の透過速度)(P)は、例えば透過成分が水素の場合には、透過速度が大きければ所要時間が短くなる。これは、水素が早く抜けていくためである。   The performance of the carbon membrane unit 2 (permeation rate of the permeation component) (P) is shorter when the permeation rate is higher, for example, when the permeation component is hydrogen. This is because hydrogen escapes quickly.

排出圧(B)が高ければ第2の過程の所要時間が短くなる。但し、理想的な排出圧に比べて高い圧力であると十分に分離されず、回収ガスの純度が高純度なもの又は高濃度に濃縮されたものにはならない。   If the discharge pressure (B) is high, the time required for the second process is shortened. However, if the pressure is higher than the ideal discharge pressure, the pressure is not sufficiently separated, and the purity of the recovered gas does not become high purity or high concentration.

供給ガスの組成(Z)はガス組成を表す指標で、透過ガス成分量/残留ガス成分量である。   The composition (Z) of the supply gas is an index representing the gas composition and is the amount of permeated gas component / the amount of residual gas component.

以上説明した各条件から第2の過程の所要時間(T)は下記式(2)のように関係づけられる。
∝(V×A)/(B×P×S) ・・・(2)
From the above-described conditions, the time required for the second process (T 2 ) is related as shown in the following formula (2).
T 2 ∝ (V × A) / (B × P × S) (2)

さらに、排出圧(B)は、下記式(3)のように関係づけられる。
排出圧(B)∝1/(F×Z) ・・・(3)
Further, the discharge pressure (B) is related as shown in the following formula (3).
Discharge pressure (B) ∝1 / (F × Z) (3)

ここで、混合ガスの供給流量(F)が大きければ、式(3)より排出圧(B)が小さくなる。これは、混合ガスの供給流量(F)が大きければ、より早く充填圧に達するため第1の過程で分離される割合が小さくなり、第2の過程でほとんどが分離されることを意味する。
一方、混合ガスの供給流量(F)が小さければ、排出圧(B)が大きくなる。これは、混合ガスの供給流量(F)が小さいことで、第1の過程で十分に分離されるとともに、残留ガス成分でほぼ充填圧に達するので、充填圧(A)と排出圧(B)との差が小さくなることを意味する。
Here, if the supply flow rate (F) of the mixed gas is large, the discharge pressure (B) becomes smaller than the equation (3). This means that if the supply flow rate (F) of the mixed gas is large, the filling pressure is reached sooner, so that the ratio of separation in the first process becomes small, and most of the separation is separated in the second process.
On the other hand, if the supply flow rate (F) of the mixed gas is small, the discharge pressure (B) increases. This is because the mixed gas supply flow rate (F) is small, so that it is sufficiently separated in the first process and almost reaches the filling pressure with the residual gas component, so the filling pressure (A) and the discharge pressure (B). This means that the difference between and becomes smaller.

この指標(Z)が大きい場合には、透過ガス成分の分圧が小さいため、排出圧(B)が小さくなる。   When this index (Z) is large, the partial pressure of the permeate gas component is small, so the discharge pressure (B) is small.

例えば、後述する実施例に示した膜面積1114cm(膜性能:水素の透過速度=5×10−5cm(STP)/cm/sec/cmHg、(水素/モノシランの分離係数)=約5000)の炭素膜ユニット2が十分に密に備わった密閉容器に、充填圧0.2MPaGでモノシラン10%、水素90%の混合ガスが充圧された場合には、約5分間で排出圧0.12MPaGに達することとなる。 For example, the membrane area 1114 cm 2 (membrane performance: hydrogen permeation rate = 5 × 10 −5 cm 3 (STP) / cm 2 / sec / cmHg, (hydrogen / monosilane separation factor) = approximately shown in the examples described later. When a gas mixture of 10% monosilane and 90% hydrogen is charged in a sealed container having a carbon membrane unit 2 of 5000) sufficiently densely at a filling pressure of 0.2 MPaG, the discharge pressure is reduced to 0 in about 5 minutes. It will reach 12 MPaG.

(第3の過程)
次に、第3の過程である排出過程では、保持状態の開始から所定時間が経過したとき又は密閉容器6内(すなわち未透過側である第1の空間11及び第3の空間13)が所定の圧力に到達したときに、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを開放して当該未透過ガス排出口5から水素化物系ガスを含む混合ガスを排出して回収する。
これにより、炭素膜モジュール1に供給した混合ガス中の水素化物系ガス濃度よりも濃縮された(高純度化された)水素化物系ガスを含む混合ガスが得られることになる。
(Third process)
Next, in the discharging process, which is the third process, when a predetermined time has elapsed from the start of the holding state, or the inside of the sealed container 6 (that is, the first space 11 and the third space 13 on the non-permeable side) is predetermined. When this pressure is reached, the on-off valve 5a of the non-permeate gas discharge port 5 is opened, and the mixed gas containing the hydride-based gas is discharged from the non-permeate gas discharge port 5 and recovered.
As a result, a mixed gas containing a hydride-based gas concentrated (purified) than the hydride-based gas concentration in the mixed gas supplied to the carbon membrane module 1 is obtained.

図3に示すように、第3の過程では、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aの開放と同時に、未透過流量が上昇する。それと同時に、未透過側の空間である第1及び第3の空間11,13の供給圧力及び未透過圧力が徐々に低下する。
一方、第2の空間12の圧力(透過圧力)には変化がなく、透過ガス排出口4からの希釈ガスの透過流量の値は非常に小さい。
As shown in FIG. 3, in the third process, the non-permeate flow rate increases simultaneously with the opening of the opening / closing valve 5 a of the non-permeate gas discharge port 5. At the same time, the supply pressure and the non-permeation pressure of the first and third spaces 11 and 13 that are the non-transmission side space gradually decrease.
On the other hand, there is no change in the pressure (permeation pressure) in the second space 12, and the value of the permeate flow rate of the dilution gas from the permeate gas discharge port 4 is very small.

なお、第3の過程の所要時間(T)は、特に限定されるものではなく、密閉容器6の体積(V)、排出圧(B)及び排出ガスの流量(排出流量ともいう、G)に応じて適宜選択することができる。
ここで、密閉容器6の体積(V)については第1の過程で説明した通りである。
The time required for the third process (T 3 ) is not particularly limited, and the volume (V), discharge pressure (B), and exhaust gas flow rate (also referred to as discharge flow rate, G) of the sealed container 6 is not limited. It can be selected as appropriate according to the conditions.
Here, the volume (V) of the sealed container 6 is as described in the first step.

排出圧(B)が高ければ第3の過程の所要時間が長くなる。これは、残留ガス成分量が増えているためである。   The higher the discharge pressure (B), the longer the time required for the third process. This is because the amount of residual gas components is increasing.

排出流量(G)が大きければ第3の過程の所要時間が短くなるが炭素膜ユニット2に破損等のダメージを与える恐れがある。そのため、線速度:10cm/sec以下で供給することが好ましく、線速度:1cm/sec以下とすることがより好ましい。但し、炭素膜2aに対してガス流れが直接当たらないように抵抗板や拡散板などを導入した場合には、この限りではない。   If the discharge flow rate (G) is large, the time required for the third process is shortened, but the carbon membrane unit 2 may be damaged. For this reason, the linear velocity is preferably supplied at 10 cm / sec or less, and more preferably at a linear velocity of 1 cm / sec or less. However, this is not the case when a resistance plate or a diffusion plate is introduced so that the gas flow does not directly hit the carbon film 2a.

以上説明した各条件から第3の過程の所要時間(T)は下記式(4)のように関係づけられる。
∝(V×B)/(G) ・・・(4)
From the above-described conditions, the time required for the third process (T 3 ) is related as shown in the following formula (4).
T 3 ∝ (V × B) / (G) (4)

例えば、後述する実施例に示した膜面積1114cm(膜性能:水素の透過速度=5×10−5cm(STP)/cm/sec/cmHg、(水素/モノシランの分離係数)=約5000)の炭素膜ユニット2が十分に密に備わった密閉容器に、排出圧0.12MPaGから約100sccmで排出する場合には、約2分間で0MPaGに達することとなる。 For example, the membrane area 1114 cm 2 (membrane performance: hydrogen permeation rate = 5 × 10 −5 cm 3 (STP) / cm 2 / sec / cmHg, (hydrogen / monosilane separation factor) = approximately shown in the examples described later. In the case of discharging from a discharge pressure of 0.12 MPaG to about 100 sccm in a closed container provided with a carbon film unit 2 of 5000), the pressure reaches 0 MPaG in about 2 minutes.

(第4の過程)
次に、水素化物系ガスを含む混合ガスの回収開始から所定時間が経過したとき又は密閉容器6内(すなわち未透過側である第1の空間11及び第3の空間13)が所定の圧力に到達したときに、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを閉止する。これにより、第1の過程の開始直前の状態に戻ることとなる。
(Fourth process)
Next, when a predetermined time has elapsed from the start of the recovery of the mixed gas containing the hydride-based gas, or the inside of the sealed container 6 (that is, the first space 11 and the third space 13 on the non-permeate side) is maintained at a predetermined pressure. When reaching, the open / close valve 5a of the non-permeate gas outlet 5 is closed. As a result, the state immediately before the start of the first process is restored.

本発明のガス分離方法は、このような第1〜第4の過程の分離操作(以下、「回分操作」という)を連続的に繰り返す(このような方式を「回分式」という)ことを特徴としている。
このような回分操作により、分子径の大きな水素化物系ガスは、第1及び第2の過程において炭素膜ユニット2の高圧側(炭素膜の未透過側)に濃縮分離され、第3の過程で回収される。一方、分子径の小さな水素、ヘリウム等の希釈ガスは、炭素膜ユニット2の低圧側(炭素膜の透過側)から第1〜第4の過程において連続的に回収される。
The gas separation method of the present invention is characterized by continuously repeating such separation operations in the first to fourth steps (hereinafter referred to as “batch operation”) (such a method is referred to as “batch method”). It is said.
By such batch operation, the hydride gas having a large molecular diameter is concentrated and separated on the high pressure side (carbon membrane non-permeation side) of the carbon membrane unit 2 in the first and second processes, and in the third process. Collected. On the other hand, dilution gases such as hydrogen and helium having a small molecular diameter are continuously recovered in the first to fourth processes from the low-pressure side (carbon membrane permeation side) of the carbon membrane unit 2.

なお、本発明のガス分離方法における1サイクルの所要時間(T)を上述した各過程の所要時間によって表現すると下記式(5)のように表すことができる。
T=T+T+T ・・・(5)
In addition, when the time (T) required for one cycle in the gas separation method of the present invention is expressed by the time required for each process described above, it can be expressed as the following formula (5).
T = T 1 + T 2 + T 3 (5)

ところで、従来のガス分離方法において、例えば、気体分離膜として炭素膜に分子径の小さな水素90%、分子径の大きなモノシラン10%の混合ガスを連続的に供給した場合(連続式ガス分離方法)、透過側では水素がほぼ100%となり、未透過側ではモノシランが約60%(水素40%)の分離性能であった。   By the way, in the conventional gas separation method, for example, when a mixed gas of 90% hydrogen having a small molecular diameter and 10% monosilane having a large molecular diameter is continuously supplied to a carbon membrane as a gas separation membrane (continuous gas separation method). On the permeate side, hydrogen was almost 100%, and on the non-permeate side, monosilane was about 60% (hydrogen 40%).

これに対して、本発明の回分式ガス分離方法によれば、透過側において水素がほぼ100%、未透過側においてモノシランが約90%以上(水素10%以下)の分離性能で分離操作を行うことができる。   On the other hand, according to the batch type gas separation method of the present invention, the separation operation is performed with a separation performance of about 100% hydrogen on the permeate side and about 90% or more monohydrogen (10% or less hydrogen) on the non-permeate side. be able to.

また、気体分離膜として通常の高分子膜を用いた場合では、分子径が4Å程度以上であってもある程度の透過が生じてしまう。しかし、本発明のガス分離方法に用いる炭素膜の場合であれば分子径が4Å程度以上ではほとんど透過せず、さらに分子径が大きくなればさらに透過しない。このように、高分子膜よりも炭素膜のほうが、分子ふるい作用の効果が期待できる。
加えて、炭素膜は、他の分子ふるい作用を持つゼオライト膜、シリカ膜と比べても耐薬品性が優れており、腐食性の強い半導体分野に用いられる特殊ガスの分離には適している。
さらに、炭素膜を中空糸状に成形することで、平膜状、螺旋巻状と比べて、膜モジュールコンパクトに設計することができる。
In addition, when a normal polymer membrane is used as the gas separation membrane, a certain degree of permeation occurs even if the molecular diameter is about 4 mm or more. However, in the case of the carbon membrane used in the gas separation method of the present invention, it hardly penetrates when the molecular diameter is about 4 mm or more, and further does not permeate when the molecular diameter becomes larger. Thus, a carbon film can be expected to have an effect of molecular sieving rather than a polymer film.
In addition, the carbon membrane has better chemical resistance than other zeolite membranes and silica membranes having molecular sieving action, and is suitable for the separation of special gases used in the highly corrosive semiconductor field.
Furthermore, by forming the carbon membrane into a hollow fiber shape, the membrane module can be designed more compactly than a flat membrane shape or a spiral wound shape.

本発明の回分式ガス分離方法において、上記分離操作を行う温度(操作温度)は特に限定されるものではなく、要求される気体分離膜の分離性能に応じて適宜設定することが可能である。ここでいう操作温度は、炭素膜モジュール1の周辺温度を想定しており、−20℃〜120℃の温度範囲が適切とされる。操作温度を高くすると、透過流量を増大させることができるとともに、回分操作の処理時間を短くすることも可能となる。   In the batch type gas separation method of the present invention, the temperature at which the separation operation is performed (operation temperature) is not particularly limited, and can be appropriately set according to the required separation performance of the gas separation membrane. The operating temperature here is assumed to be the ambient temperature of the carbon membrane module 1, and a temperature range of −20 ° C. to 120 ° C. is appropriate. When the operation temperature is increased, the permeate flow rate can be increased and the processing time of the batch operation can be shortened.

本発明の回分式ガス分離方法において、(炭素膜ユニット2の高圧側の)圧力(操作圧力)は特に限定されるものではなく、要求される気体分離膜の分離性能に応じて適宜設定することが可能である。具体的には、炭素膜モジュール1へ供給されるガスの圧力は、支持体を使用すれば1MPaG以上に設定することが可能であり、通常は0.5MPaG程度の圧力が保持される。この支持体は中空糸状炭素膜2a…が圧壊しないようにする部材である。操作圧力を高くすれば透過流量を増大させることができ、回分操作の処理時間を短くすることも可能となる。   In the batch type gas separation method of the present invention, the pressure (operating pressure) (on the high pressure side of the carbon membrane unit 2) is not particularly limited, and is appropriately set according to the required separation performance of the gas separation membrane. Is possible. Specifically, the pressure of the gas supplied to the carbon membrane module 1 can be set to 1 MPaG or more if a support is used, and normally a pressure of about 0.5 MPaG is maintained. This support is a member that prevents the hollow fiber-like carbon membrane 2a ... from being crushed. If the operation pressure is increased, the permeate flow rate can be increased, and the processing time of the batch operation can be shortened.

圧力を制御するために、従来の連続式ガス分離方法では、未透過ガス排出口5に背圧弁等を設置する。
これに対して、本発明の回分式ガス分離方法では、操作圧力を制御するために背圧弁を特に設ける必要がない。図1に示した例では、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを閉じることにより、操作圧力を制御することができる。未透過側に保持された未透過ガスを取り出すとき、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを一気に(一度に)開放してしまうと気体分離膜である炭素膜に大きな損傷を与える可能性がある。このため、未透過ガス排出口5に流量計9等を設けて、一定流量で未透過ガスを取り出すことが好ましい。
In order to control the pressure, in the conventional continuous gas separation method, a back pressure valve or the like is installed at the non-permeated gas discharge port 5.
On the other hand, in the batch type gas separation method of the present invention, it is not necessary to provide a back pressure valve in order to control the operation pressure. In the example shown in FIG. 1, the operating pressure can be controlled by closing the open / close valve 5 a of the non-permeated gas discharge port 5. When the non-permeated gas held on the non-permeate side is taken out, if the opening / closing valve 5a of the non-permeate gas discharge port 5 is opened at once (at a time), there is a possibility that the carbon membrane as the gas separation membrane may be seriously damaged. is there. For this reason, it is preferable to provide a flow meter 9 or the like at the non-permeate gas outlet 5 and take out the non-permeate gas at a constant flow rate.

また、図1に示す炭素膜モジュール1において、炭素膜ユニット2の低圧側(透過側)である第2の空間12は、真空に引くことが好ましい。第2の空間12を真空に引くことは、炭素膜ユニット2の高圧側(未透過側)と炭素膜ユニット2の低圧側(透過側)との圧力差を大きくする効果もあるが、炭素膜ユニット2の高圧側(未透過側)と炭素膜ユニット2の低圧側(透過側)との圧力比を特に大きくすることができる。なお、気体分離膜による分離性能には、圧力差、圧力比、どちらも大きいことが好ましいが、分離性能に対しては圧力比のほうが影響を与える。   Moreover, in the carbon membrane module 1 shown in FIG. 1, it is preferable that the 2nd space 12 which is the low voltage | pressure side (permeation | transmission side) of the carbon membrane unit 2 is evacuated. Pulling the second space 12 to a vacuum also has the effect of increasing the pressure difference between the high-pressure side (non-permeation side) of the carbon membrane unit 2 and the low-pressure side (permeation side) of the carbon membrane unit 2. The pressure ratio between the high pressure side (non-permeation side) of the unit 2 and the low pressure side (permeation side) of the carbon membrane unit 2 can be particularly increased. Note that both the pressure difference and the pressure ratio are preferably large for the separation performance by the gas separation membrane, but the pressure ratio has an influence on the separation performance.

また、図1に示す炭素膜モジュール1において、炭素膜ユニット2の低圧側(透過側)に掃引ガスを流すことも、真空に引くのと同様な効果が得られる。掃引ガス供給口8の開閉バルブを開放して、第2の空間12内に掃引ガスを所定の流量で供給する。
なお、掃引ガスは、透過ガスと同じ成分(すなわち、混合ガスの希釈成分)とすることで透過側のガスも効率良く回収することができる。また、掃引ガスとして、透過ガス排出口4から回収した透過したガスの一部を利用してもよい。
Further, in the carbon membrane module 1 shown in FIG. 1, flowing a sweeping gas to the low pressure side (permeation side) of the carbon membrane unit 2 can provide the same effect as that of drawing a vacuum. The open / close valve of the sweep gas supply port 8 is opened, and the sweep gas is supplied into the second space 12 at a predetermined flow rate.
The sweep gas is the same component as the permeate gas (that is, a diluted component of the mixed gas), so that the gas on the permeate side can be efficiently recovered. Further, a part of the permeated gas recovered from the permeated gas discharge port 4 may be used as the sweep gas.

本発明の回分式ガス分離方法において、混合ガスの炭素膜モジュール1への供給形態としては、例えば上記のような中空糸状の場合には、中空糸状の炭素膜の中に高圧のガスを供給する場合(芯側供給)と、中空糸状の炭素膜の周りに高圧のガスを供給する場合(外側供給)の二通りのパターンが考えられるが、図1に示すように芯側供給の方が分離性能を向上させて運転することができるために好ましい。   In the batch type gas separation method of the present invention, as a supply form of the mixed gas to the carbon membrane module 1, for example, in the case of the hollow fiber shape as described above, a high-pressure gas is supplied into the hollow fiber carbon membrane. Two patterns are conceivable: the case (core side supply) and the case of supplying high pressure gas around the hollow fiber carbon membrane (outside supply), but the core side supply is separated as shown in FIG. It is preferable because it can be operated with improved performance.

本発明の回分式ガス分離方法において、1つの炭素膜モジュール1あたりのガス処理量を増やすためには膜面積を増やす(中空糸状の炭素膜の場合には本数を増やす)、第2の空間12の容積を減らす等がある。後者の場合、ガスと炭素膜とを十分に接触させるために、空間内の構造を工夫したりミキサーを加えたりする必要がある。   In the batch type gas separation method of the present invention, in order to increase the gas throughput per one carbon membrane module 1, the membrane area is increased (in the case of a hollow fiber-like carbon membrane, the number is increased), the second space 12. Reduce the volume of the. In the latter case, it is necessary to devise the structure in the space or add a mixer in order to bring the gas and the carbon film into sufficient contact.

以下、具体例を示す。ただし、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   Specific examples are shown below. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
図1に示す炭素膜モジュールを用いて、回分式のガス分離を行なった。
Example 1
Batch-type gas separation was performed using the carbon membrane module shown in FIG.

下記のような条件で炭素膜モジュールに混合ガスを回分式で供給して、3サイクル行った。その結果、排出圧が0.12MPaGとなった。1サイクルの所要時間の内訳は、第1の過程(供給過程)約7分間、第2の過程(分離過程)約5分間、第3の過程(排出過程)約2分間となった。また、未透過側及び透過側のガス組成をそれぞれ測定した。なお、体積濃度測定は、熱伝導度検出器を備えるガスクロマトグラフィー(GC−TCD)を使用した。結果を表1に示す。
(炭素膜モジュール)
・中空糸状炭素膜チューブ
・前記チューブの総表面積:1114cm
・25℃に保持
(混合ガス)
・混合ガス組成:モノシラン 10.3体積%
:水素 89.7体積%
(操作条件)
・供給ガス流量:前記混合ガスを約150sccm
・充填圧:0.2MPaG
・透過側圧力:−0.088MPaG(真空ポンプまたはバキュームジェネレータ等を利用)
・排出ガス流量:約100sccm
The mixed gas was supplied batchwise to the carbon membrane module under the following conditions, and three cycles were performed. As a result, the discharge pressure was 0.12 MPaG. The breakdown of the time required for one cycle was about 7 minutes for the first process (supply process), about 5 minutes for the second process (separation process), and about 2 minutes for the third process (discharge process). Moreover, the gas composition of the non-permeation | transmission side and the permeation | transmission side was measured, respectively. In addition, the gas concentration (GC-TCD) provided with a thermal conductivity detector was used for the volume concentration measurement. The results are shown in Table 1.
(Carbon membrane module)
-Hollow fiber carbon membrane tube-Total surface area of the tube: 1114 cm 2
・ Hold at 25 ℃ (mixed gas)
-Gas composition: Monosilane 10.3% by volume
: Hydrogen 89.7% by volume
(Operating conditions)
-Supply gas flow rate: about 150 sccm of the mixed gas
-Filling pressure: 0.2 MPaG
-Permeation side pressure: -0.088 MPaG (using vacuum pump or vacuum generator, etc.)
・ Exhaust gas flow rate: Approximately 100 sccm

(比較例1)
図1に示す炭素膜モジュールを用いて、連続式のガス分離を行なった。
(Comparative Example 1)
Continuous gas separation was performed using the carbon membrane module shown in FIG.

下記のような条件で炭素膜モジュールに混合ガスを連続式で供給して、未透過側及び透過側のガス組成をそれぞれ測定した。なお、体積濃度測定は、熱伝導度検出器を備えるガスクロマトグラフィー(GC−TCD)を使用した。結果を表1に示す。
(炭素膜モジュール)
・中空糸状炭素膜チューブ
・前記チューブの総表面積:1114cm
・25℃に保持
(混合ガス)
・混合ガス組成:モノシラン 10.3体積%
:水素 89.7体積%
(操作条件)
・供給ガス流量:前記混合ガスを約150sccm
・排出圧:0.2MPaG(流量計9ではなく背圧弁を使用)
・透過側圧力:−0.088MPaG(真空ポンプまたはバキュームジェネレータ等を利用)
・排出ガス流量:約100sccm
The mixed gas was continuously supplied to the carbon membrane module under the following conditions, and the gas composition on the non-permeation side and the permeation side was measured. In addition, the gas concentration (GC-TCD) provided with a thermal conductivity detector was used for the volume concentration measurement. The results are shown in Table 1.
(Carbon membrane module)
-Hollow fiber carbon membrane tube-Total surface area of the tube: 1114 cm 2
・ Hold at 25 ℃ (mixed gas)
-Gas composition: Monosilane 10.3% by volume
: Hydrogen 89.7% by volume
(Operating conditions)
-Supply gas flow rate: about 150 sccm of the mixed gas
・ Discharge pressure: 0.2MPaG (use back pressure valve instead of flow meter 9)
-Permeation side pressure: -0.088 MPaG (using vacuum pump or vacuum generator, etc.)
・ Exhaust gas flow rate: Approximately 100 sccm

(実施例2)
・供給流量を約200sccmとし、それ以外の条件を実施例1と同じ条件で、回分操作によるガス分離を行った。結果を表1に示す。
(Example 2)
-Gas separation by batch operation was performed under the same conditions as in Example 1 except that the supply flow rate was about 200 sccm. The results are shown in Table 1.

(実施例3)
・供給流量を約100sccmとし、それ以外の条件を実施例1と同じ条件で、回分操作によるガス分離を行った。結果を表1に示す。
(Example 3)
-Gas separation by batch operation was performed under the same conditions as in Example 1 except that the supply flow rate was about 100 sccm. The results are shown in Table 1.

(実施例4)
・充填圧を0.1MPaGとし、それ以外の条件を実施例1と同じ条件で、回分操作によるガス分離を行った。結果を表1に示す。
Example 4
-Gas separation by batch operation was performed under the same conditions as in Example 1 except that the filling pressure was 0.1 MPaG. The results are shown in Table 1.

(実施例5)
・実施例1の条件において、第2の過程を約4分間になるようにして回分操作によるガス分離を行った。結果を表1に示す。
(Example 5)
-Gas separation by batch operation was performed under the conditions of Example 1 so that the second step was about 4 minutes. The results are shown in Table 1.

Figure 2011230035
Figure 2011230035

表1に示すように、実施例1〜5と比較例1とを比較すると、回分式のガス分離を行なった実施例1〜5では、連続式のガス分離を行なった比較例1よりも未透過ガス組成中のモノシラン濃度を高くすることができた。   As shown in Table 1, when Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 are compared, Examples 1 to 5 in which batch-type gas separation is performed are less than Comparative Example 1 in which continuous gas separation is performed. The monosilane concentration in the permeate gas composition could be increased.

実施例1と実施例5を比較すると、第2の過程の時間を十分に取った実施例1の方が未透過ガス組成中のモノシラン濃度を高くすることができた。   When Example 1 and Example 5 were compared, the monosilane concentration in the non-permeated gas composition could be increased in Example 1 in which the time of the second process was sufficiently taken.

実施例1と実施例2、実施例3、実施例4を比較すると、どれも同程度に未透過ガス組成中のモノシラン濃度を高くすることができた。但し、未透過ガスの回収量および1サイクルの所要時間にそれぞれ違いが出た。所要時間は短く、回収量は多く、未透過ガス中のモノシラン濃度は高い条件が最も好ましい。しかし、所要時間と回収量はトレードオフの関係にあることも考慮して、各条件を最適化することが望ましい。   When Example 1 was compared with Example 2, Example 3, and Example 4, the monosilane concentration in the unpermeated gas composition could be increased to the same extent. However, there was a difference in the amount of unpermeated gas recovered and the time required for one cycle. Most preferably, the time required is short, the amount recovered is large, and the monosilane concentration in the unpermeated gas is high. However, it is desirable to optimize each condition in consideration of the trade-off relationship between the required time and the collected amount.

上記結果の通り、連続式ガス分離による濃縮と回分式ガス分離による濃縮とを比較すれば、回分式ガス分離による濃縮の方が連続式ガス分離による濃縮より高い濃度に濃縮することができることを確認した。
また、回分式ガス分離の第1の過程の所要時間に応じて、第2の過程の所要時間を十分に取るようにガス分離の各条件を最適化することによって、さらに高い濃度に濃縮することができることを確認した。
As shown above, if concentration by continuous gas separation is compared with concentration by batch gas separation, it is confirmed that concentration by batch gas separation can be concentrated to a higher concentration than concentration by continuous gas separation. did.
Further, according to the time required for the first process of batch gas separation, the gas separation is optimized to optimize the gas separation conditions so that the time required for the second process is sufficient. I confirmed that I was able to.

本発明は、分子ふるい作用を持つ気体分離膜を用いて半導体製造向けの水素化物系ガスを分離する装置、設備に適用することができる。特に、水素化物系ガス等の分子径の大きなガス成分と、水素やヘリウム等の分子径の小さなガス成分とを分離する装置、設備に適用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to an apparatus and equipment for separating a hydride gas for semiconductor manufacturing using a gas separation membrane having a molecular sieving action. In particular, the present invention can be applied to an apparatus and equipment for separating a gas component having a large molecular diameter such as a hydride-based gas and a gas component having a small molecular diameter such as hydrogen or helium.

1…炭素膜モジュール(分離膜モジュール)
2…炭素膜ユニット(分離膜ユニット)
2a…中空糸状炭素膜(気体分離膜)
3…ガス供給口
3a…開閉バルブ
4…透過ガス排出口
4a…開閉バルブ
5…未透過ガス排出口
5a…開閉バルブ
6…密閉容器
7…樹脂壁
8…掃引ガス供給口
8a…開閉バルブ
9…流量計
11…第1の空間
12…第2の空間
13…第3の空間
1. Carbon membrane module (separation membrane module)
2. Carbon membrane unit (separation membrane unit)
2a: hollow fiber carbon membrane (gas separation membrane)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Gas supply port 3a ... Open / close valve 4 ... Permeate gas discharge port 4a ... Open / close valve 5 ... Non-permeate gas discharge port 5a ... Open / close valve 6 ... Sealed container 7 ... Resin wall 8 ... Sweep gas supply port 8a ... Open / close valve 9 ... Flow meter 11 ... first space 12 ... second space 13 ... third space

Claims (3)

分子ふるい作用を有する気体分離膜を用いて、分子径が3Å以下の希釈ガスと水素化物系ガスとの混合ガス中から前記希釈ガスを分離し、前記水素化物系ガスを濃縮するガス分離方法であって、
前記気体分離膜が収容された密閉容器の、当該気体分離膜の未透過側の空間と連通するように設けられた未透過ガス排出口を閉止し、当該気体分離膜の透過側の空間と連通するように設けられた透過ガス排出口を開放した状態で、ガス供給口を開放して前記密閉容器内に前記混合ガスを供給し、充圧する第1の過程と、
前記混合ガスの供給開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記ガス供給口を閉止して前記混合ガスの供給を停止し、当該状態を保持する第2の過程と、
前記保持状態の開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を開放して当該未透過ガス排出口から水素化物系ガスを回収する第3の過程と、
前記回収開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を閉止する第4の過程と、を備え、
前記第1〜第4の過程を連続的に繰り返すことを特徴とするガス分離方法。
A gas separation method using a gas separation membrane having a molecular sieving action to separate the dilution gas from a mixed gas of a dilution gas having a molecular diameter of 3 mm or less and a hydride gas, and concentrate the hydride gas. There,
Close the non-permeate gas outlet provided in the sealed container containing the gas separation membrane so as to communicate with the space on the non-permeate side of the gas separation membrane, and communicate with the space on the permeate side of the gas separation membrane. In a state where the permeated gas discharge port provided to open is opened, the first step of opening the gas supply port, supplying the mixed gas into the sealed container, and charging it,
When a predetermined time has elapsed from the start of the supply of the mixed gas or when the inside of the sealed container reaches a predetermined pressure, the gas supply port is closed to stop the supply of the mixed gas, and the state is maintained. The second process,
When a predetermined time has elapsed from the start of the holding state or when the inside of the sealed container has reached a predetermined pressure, the non-permeate gas discharge port is opened and the hydride gas is recovered from the non-permeate gas discharge port. A third process to
A fourth step of closing the non-permeated gas discharge port when a predetermined time has elapsed from the start of recovery or when the inside of the sealed container has reached a predetermined pressure,
A gas separation method, wherein the first to fourth steps are continuously repeated.
前記気体分離膜が、中空糸状又は管状の炭素膜であることを特徴とする請求項1に記載のガス分離方法。   The gas separation method according to claim 1, wherein the gas separation membrane is a hollow fiber-like or tubular carbon membrane. 前記水素化物系ガスが、アルシン、ホスフィン、セレン化水素、モノシラン、モノゲルマンのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項1又は2に記載のガス分離方法。   The gas separation method according to claim 1 or 2, wherein the hydride gas is any one of arsine, phosphine, hydrogen selenide, monosilane, and monogermane.
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