JP2012082080A - Argon refining method and argon refining apparatus - Google Patents

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Mitsuru Kishii
充 岸井
Hiroaki Sasano
広昭 笹野
Koichi Shima
康一 志摩
Nobuyuki Kitagishi
信之 北岸
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus suitable for obtaining high purity argon with a high recovery rate while reducing energy which gas purification takes.SOLUTION: The method includes: a PSA gas separation step which performs a cycle including: a pretreatment process which makes an argon gas Gcontaining impurity contact a ruthenium catalyst; an adsorption process which adsorbs the impurity of a gas Gwhich has passed through the pretreatment to an adsorbent by a PSA method, and derives a semi-purified gas Gin which argon has been enriched; a desorption process which desorbs the impurity from the adsorbent, and derives the gas inside a column; and a pressure equalization process which pressure-equalizes the internal pressure between an adsorption column which has passed through the adsorption process and the adsorption column which passed through the desorption process; and a TSA gas separation step which performs a cycle including: an adsorption process by a TSA method in which an adsorbent introduces the semi-purified gas Gin the state of a low temperature, and adsorbs the impurity to the adsorbent, and derives a purified gas Gfrom the semi-purified gas G; and a regeneration process which desorbs the impurity from the adsorbent while rising the temperature of the adsorbent, and derives the gas inside the column.

Description

本発明は、圧力変動吸着法および温度変動吸着法を利用してアルゴンを精製するための方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and an apparatus for purifying argon using a pressure fluctuation adsorption method and a temperature fluctuation adsorption method.

シリコン単結晶引き上げ炉や、セラミック焼結炉、製鋼用真空脱ガス炉、太陽電池用シリコンプラズマ溶解炉などにおける炉内雰囲気ガスとして、アルゴンが使用されることが多い。炉内雰囲気ガスとして使用されたアルゴンは、水素、一酸化炭素、空気(主に窒素と酸素)などの不純物の混入により純度が低下している。炉内雰囲気ガスとして使用されたアルゴンについては、再利用のため、混入した不純物を吸着剤に吸着させることによって精製される場合がある。さらに、そのような不純物の吸着を効率よく行うために、吸着処理の前処理として不純物中の酸素と可燃成分とを反応させることが提案されている(例えば、特許文献1,2を参照)。   Argon is often used as an atmospheric gas in a silicon single crystal pulling furnace, a ceramic sintering furnace, a vacuum degassing furnace for steel making, a silicon plasma melting furnace for solar cells, and the like. The purity of argon used as the atmosphere gas in the furnace is lowered due to mixing of impurities such as hydrogen, carbon monoxide, and air (mainly nitrogen and oxygen). The argon used as the furnace atmosphere gas may be purified by adsorbing the mixed impurities on the adsorbent for reuse. Furthermore, in order to efficiently adsorb such impurities, it has been proposed to react oxygen in the impurities with combustible components as pretreatment of the adsorption treatment (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特許文献1に開示された方法においては、アルゴンおよび不純物を含む混合ガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等の可燃成分を完全燃焼させるのに必要な化学量論量よりも僅かに少なくなるように調節する。次に、一酸化炭素と酸素との反応よりも水素と酸素との反応を優先させるパラジウムまたは金を触媒として、混合ガスにおける酸素を一酸化炭素、水素等と反応させることで、一酸化炭素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する。次いで、圧力変動吸着法(PSA法)によって混合ガスに含有される二酸化炭素と水を常温で吸着剤に吸着させて非吸着ガスを排出させる。しかる後に、温度変動吸着法(TSA法)によって上記の非吸着ガスに含有される一酸化炭素と窒素を−10℃〜−50℃の温度で吸着剤に吸着させ、ここで吸着されなかったガスを精製ガスとして取得している。このような低温で一酸化炭素と窒素を吸着した吸着剤を再生する場合、一酸化炭素は窒素に比べて吸着剤から脱離させるのにエネルギーを要することから工業的に不利である。   In the method disclosed in Patent Document 1, the amount of oxygen in the mixed gas containing argon and impurities is slightly less than the stoichiometric amount necessary for complete combustion of combustible components such as hydrogen and carbon monoxide. Adjust so that Next, by using palladium or gold, which gives priority to the reaction between hydrogen and oxygen over the reaction between carbon monoxide and oxygen, the oxygen in the mixed gas is reacted with carbon monoxide, hydrogen, etc. Carbon dioxide and water are produced in the state of remaining. Next, carbon dioxide and water contained in the mixed gas are adsorbed on the adsorbent at room temperature by the pressure fluctuation adsorption method (PSA method), and the non-adsorbed gas is discharged. Thereafter, carbon monoxide and nitrogen contained in the non-adsorbed gas are adsorbed on the adsorbent at a temperature of −10 ° C. to −50 ° C. by the temperature fluctuation adsorption method (TSA method), and the gas not adsorbed here. Is obtained as purified gas. When regenerating an adsorbent that adsorbs carbon monoxide and nitrogen at such a low temperature, carbon monoxide is industrially disadvantageous because it requires more energy to desorb from the adsorbent than nitrogen.

特許文献2に開示された方法においては、混合ガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等の可燃成分を完全燃焼させるのに十分な量とする。次に、パラジウム系の触媒を用いて混合ガスにおける酸素を一酸化炭素、水素等と反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する。次いで、混合ガスに含有される二酸化炭素と水を常温で吸着剤に吸着させて非吸着ガスを排出させる。しかる後に、TSA法によって上記の非吸着ガスに含有される酸素と窒素を−170℃程度の温度で吸着剤に吸着させ、ここで吸着されなかったガスを精製ガスとして取得している。TSA法(温度変動吸着法)で酸素を吸着するには吸着時のガスの温度を−170℃程度まで低下させる必要がある。すなわち、吸着処理の前処理で酸素を残留させるため、吸着処理の際の冷却エネルギーが増大し、精製負荷が大きくなるという問題がある。   In the method disclosed in Patent Document 2, the amount of oxygen in the mixed gas is set to an amount sufficient for complete combustion of combustible components such as hydrogen and carbon monoxide. Next, carbon dioxide and water are produced with oxygen remaining by reacting oxygen in the mixed gas with carbon monoxide, hydrogen, or the like using a palladium-based catalyst. Next, carbon dioxide and water contained in the mixed gas are adsorbed on the adsorbent at room temperature, and the non-adsorbed gas is discharged. Thereafter, oxygen and nitrogen contained in the non-adsorbed gas are adsorbed on the adsorbent at a temperature of about −170 ° C. by the TSA method, and the gas not adsorbed here is obtained as a purified gas. In order to adsorb oxygen by the TSA method (temperature fluctuation adsorption method), it is necessary to lower the gas temperature during adsorption to about -170 ° C. That is, since oxygen remains in the pretreatment of the adsorption treatment, there is a problem that the cooling energy during the adsorption treatment increases and the purification load increases.

特許第3496079号公報Japanese Patent No. 3496079 特許第3737900号公報Japanese Patent No. 3737900

本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、不純物を含むアルゴンガスを精製するにあたり、ガス精製に要するエネルギーを低減しつつ、高純度アルゴンを高回収率で得るのに適した方法および装置を提供することを課題としている。   The present invention has been conceived under such circumstances, and in purifying argon gas containing impurities, high purity argon can be obtained at a high recovery rate while reducing energy required for gas purification. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus suitable for the above.

本発明の第1の側面によって提供されるアルゴンの精製方法は、少なくとも酸素、一酸化炭素、水素および窒素を不純物として含むアルゴンガスからアルゴンを濃縮精製する方法であって、上記アルゴンガスをルテニウム触媒に接触させて当該アルゴンガスに含まれる一酸化炭素および水素を酸素と反応させることにより、二酸化炭素および水に変化させて当該一酸化炭素および水素を実質的に除去する前処理工程と、PSA吸着剤が充填された3塔以上のPSA吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記PSA吸着塔が相対的に高圧である状態にて、当該PSA吸着塔に、上記前処理工程を経て一酸化炭素および水素が除去された混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物を上記PSA吸着剤に吸着させ、当該PSA吸着塔からアルゴンが富化された準精製ガスを導出するPSA吸着工程、上記PSA吸着塔を減圧して上記PSA吸着剤から不純物を脱着させ、当該PSA吸着塔からガスを導出する脱着工程、上記PSA吸着塔に洗浄ガスを導入しつつ当該PSA吸着塔からガスを導出する洗浄工程、および、上記吸着工程を経たPSA吸着塔の内部圧力および上記洗浄工程を経たPSA吸着塔の内部圧力を均圧化するための均圧工程、を含むサイクルを繰り返し行う圧力変動式ガス分離工程と、TSA吸着剤が充填されたTSA吸着塔を用いて行う温度変動吸着法により、上記TSA吸着塔内の上記TSA吸着剤が低温の吸着温度にて、当該TSA吸着塔に上記準精製ガスを導入して当該準精製ガス中の不純物を上記TSA吸着剤に吸着させ、当該TSA吸着塔から、上記準精製ガスよりもアルゴンが富化された精製ガスを導出するTSA吸着工程、および上記TSA吸着塔内の上記TSA吸着剤を高温の温度へと昇温させつつ当該TSA吸着剤から不純物を脱着させて当該TSA吸着塔からオフガスを導出することにより当該TSA吸着剤を再生する再生工程、を含むサイクルを繰り返し行う温度変動吸着式ガス分離工程と、を含む。   The argon purification method provided by the first aspect of the present invention is a method for concentrating and purifying argon from an argon gas containing at least oxygen, carbon monoxide, hydrogen and nitrogen as impurities, wherein the argon gas is converted into a ruthenium catalyst. A pretreatment step of contacting carbon monoxide and hydrogen contained in the argon gas with oxygen to react with oxygen to change carbon dioxide and water to substantially remove the carbon monoxide and hydrogen, and PSA adsorption In the state where the PSA adsorption tower is at a relatively high pressure, the PSA adsorption tower is subjected to the pretreatment step by the pressure fluctuation adsorption method using three or more PSA adsorption towers filled with the agent. A mixed gas from which carbon oxides and hydrogen have been removed is introduced, and the impurities in the mixed gas are adsorbed on the PSA adsorbent, and are absorbed from the PSA adsorption tower. PSA adsorption step for deriving semi-purified gas enriched with gon, desorption step for desorbing impurities from the PSA adsorbent by depressurizing the PSA adsorption column, and deriving gas from the PSA adsorption column, PSA adsorption column In order to equalize the internal pressure of the PSA adsorption tower which passed through the washing process which introduce | transduces cleaning gas into the PSA adsorption tower which passed through the said adsorption process, and the PSA adsorption tower which passed through the said adsorption process The TSA adsorbent in the TSA adsorption tower is obtained by a pressure fluctuation type gas separation step in which a cycle including the pressure equalization step is repeated and a temperature fluctuation adsorption method using a TSA adsorption tower filled with the TSA adsorbent. At the low adsorption temperature, the semi-purified gas is introduced into the TSA adsorption tower so that impurities in the semi-purified gas are adsorbed on the TSA adsorbent, and from the TSA adsorption tower, A TSA adsorption process for deriving a purified gas enriched in argon from the semi-purified gas, and desorbing impurities from the TSA adsorbent while raising the TSA adsorbent in the TSA adsorption tower to a high temperature. And a temperature fluctuation adsorption type gas separation step in which a cycle including a regeneration step of regenerating the TSA adsorbent by deriving off-gas from the TSA adsorption tower is repeated.

好ましくは、上記前処理が施される前の上記混合ガスは、当該混合ガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2を超えるように調節される。   Preferably, the mixed gas before the pretreatment is adjusted such that the oxygen molar concentration in the mixed gas exceeds 1/2 of the sum of the molar concentration of carbon monoxide and the molar concentration of hydrogen.

好ましくは、上記圧力変動式ガス分離工程における上記均圧工程は、当該均圧工程の開始から途中までにおいて上記吸着工程を経たPSA吸着塔から第1ガスを導出して当該PSA吸着塔の内部圧力を吸着圧力より低い第1圧力とする第1均圧工程と、当該PSA吸着塔から第2ガスを導出して当該PSA吸着塔の内部圧力を上記第1圧力よりも低い第2圧力とする、上記第1均圧工程の後の第2均圧工程とを含み、上記第2均圧工程では、上記洗浄工程を経たPSA吸着塔に上記第2ガスを導入して当該PSA吸着塔の内部圧力を上記第2圧力まで昇圧し、上記第1均圧工程では、上記第2均圧工程を経て内部圧力が上記第2圧力まで昇圧されたPSA吸着塔に上記第1ガスを導入して当該PSA吸着塔の内部圧力を上記第1圧力まで昇圧する。   Preferably, the pressure equalization step in the pressure fluctuation type gas separation step is performed such that the first gas is led out from the PSA adsorption tower that has undergone the adsorption step from the start to the middle of the pressure equalization step and the internal pressure of the PSA adsorption column is increased. A first pressure equalizing step in which the first pressure is lower than the adsorption pressure, and the second gas is derived from the PSA adsorption tower and the internal pressure of the PSA adsorption tower is set to a second pressure lower than the first pressure. A second pressure equalization step after the first pressure equalization step, and in the second pressure equalization step, the second gas is introduced into the PSA adsorption tower that has undergone the washing step, and the internal pressure of the PSA adsorption tower is increased. In the first pressure equalizing step, the first gas is introduced into the PSA adsorption tower whose internal pressure has been increased to the second pressure through the second pressure equalizing step, and the PSA Increase the internal pressure of the adsorption tower to the first pressure That.

好ましくは、上記洗浄工程の後で且つ上記第2均圧工程の前に行われ、上記洗浄工程を経て相対的に低圧である状態のPSA吸着塔に対するガスの出入りを遮断することにより、当該PSA吸着塔内の上記PSA吸着剤からガスを脱着させて当該ガスを回収するための回収工程をさらに備える。   Preferably, the PSA is performed after the cleaning step and before the second pressure equalizing step, and by blocking gas flow into and out of the PSA adsorption tower in a relatively low pressure state after the cleaning step. A recovery step for recovering the gas by desorbing the gas from the PSA adsorbent in the adsorption tower is further provided.

好ましくは、上記PSA吸着剤は、カーボンモレキュラーシーブを含む。   Preferably, the PSA adsorbent includes a carbon molecular sieve.

好ましくは、上記TSA吸着塔は、その内部に上記TSA吸着剤が充填された吸着管を備え、上記TSA吸着工程では、液状冷媒を上記TSA吸着塔内に通流させることにより、上記TSA吸着剤を冷却し、上記再生工程では、液状熱媒を上記TSA吸着塔内に通流させることにより、上記TSA吸着剤を加熱する。   Preferably, the TSA adsorption tower is provided with an adsorption tube filled with the TSA adsorbent therein, and in the TSA adsorption step, the liquid refrigerant is passed through the TSA adsorption tower, thereby the TSA adsorbent. In the regeneration step, the TSA adsorbent is heated by passing a liquid heat medium through the TSA adsorption tower.

好ましくは、上記TSA吸着工程における上記吸着温度は、−50〜−10℃である。   Preferably, the adsorption temperature in the TSA adsorption step is −50 to −10 ° C.

本発明の第2の側面によって提供されるアルゴンの精製装置は、少なくとも酸素、一酸化炭素、水素および窒素を不純物として含むアルゴンガスからアルゴンを濃縮精製するための装置であって、上記アルゴンガスをルテニウム触媒に接触させて当該アルゴンガスに含まれる一酸化炭素および水素を酸素と反応させるための前処理装置と、PSA吸着剤が充填された3塔以上のPSA吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記PSA吸着塔が相対的に高圧である状態にて、当該PSA吸着塔に、上記前処理工程を経て一酸化炭素および水素が除去された混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物を上記PSA吸着剤に吸着させ、当該PSA吸着塔からアルゴンが富化された準精製ガスを導出するPSA吸着工程、上記PSA吸着塔を減圧して上記PSA吸着剤から不純物を脱着させ、当該PSA吸着塔からガスを導出する脱着工程、上記PSA吸着塔に洗浄ガスを導入しつつ当該PSA吸着塔からガスを導出する洗浄工程、および、上記吸着工程を経たPSA吸着塔の内部圧力および上記洗浄工程を経たPSA吸着塔の内部圧力を均圧化するための均圧工程、を含むサイクルを繰り返し行うように構成された圧力変動吸着式ガス分離装置と、TSA吸着剤が充填されたTSA吸着塔を用いて行う温度変動吸着法により、上記TSA吸着塔内の上記TSA吸着剤が低温の吸着温度にある状態にて、当該TSA吸着塔に上記準精製ガスを導入して当該準精製ガス中の不純物を上記TSA吸着剤に吸着させ、当該TSA吸着塔から、上記準精製ガスよりもアルゴンが富化された精製ガスを導出するTSA吸着工程、および上記TSA吸着塔内の上記TSA吸着剤を高温の温度へと昇温させつつ当該TSA吸着剤から不純物を脱着させて当該TSA吸着塔からオフガスを導出することにより当該TSA吸着剤を再生する再生工程、を含むサイクルを繰り返し行うように構成された温度変動吸着式ガス分離装置と、を備える。   An argon purification apparatus provided by the second aspect of the present invention is an apparatus for concentrating and purifying argon from an argon gas containing at least oxygen, carbon monoxide, hydrogen and nitrogen as impurities. Pressure fluctuation adsorption performed using a pretreatment device for contacting carbon monoxide and hydrogen contained in the argon gas with oxygen by contacting with a ruthenium catalyst and three or more PSA adsorption towers packed with a PSA adsorbent. In the state where the PSA adsorption tower is at a relatively high pressure, a mixed gas from which carbon monoxide and hydrogen have been removed through the pretreatment step is introduced into the PSA adsorption tower. A PSA adsorption process for adsorbing impurities on the PSA adsorbent and deriving a semi-purified gas enriched with argon from the PSA adsorption tower; Desorption step of desorbing impurities from the PSA adsorbent and deriving gas from the PSA adsorption tower, cleaning step of deriving gas from the PSA adsorption tower while introducing a cleaning gas into the PSA adsorption tower, and Pressure fluctuation adsorption gas separation configured to repeatedly perform a cycle including an internal pressure of the PSA adsorption tower that has undergone the adsorption process and a pressure equalization process for equalizing the internal pressure of the PSA adsorption tower that has undergone the washing process. The TSA adsorption tower is in a state where the TSA adsorbent in the TSA adsorption tower is at a low adsorption temperature by an apparatus and a temperature fluctuation adsorption method performed using a TSA adsorption tower filled with the TSA adsorbent. A semi-purified gas is introduced so that impurities in the semi-purified gas are adsorbed on the TSA adsorbent. A TSA adsorption step for deriving gas, and desorbing impurities from the TSA adsorbent while raising the TSA adsorbent in the TSA adsorption tower to a high temperature, thereby deriving off-gas from the TSA adsorption tower A temperature fluctuation adsorption gas separation device configured to repeatedly perform a cycle including a regeneration step of regenerating the TSA adsorbent.

本発明の第2の側面において、好ましくは、上記TSA吸着塔は、第1ガス通過口および第2ガス通過口を有し、当該第1および第2ガス通過口と連通し且つ上記TSA吸着剤が充填された吸着管を備え、上記温度変動吸着式ガス分離装置は、上記吸着管内の上記TSA吸着剤を冷却するために上記TSA吸着塔に供給される液状冷媒を保持するための冷媒貯槽と、上記吸着管内の上記TSA吸着剤を加熱するために前記TSA吸着塔に供給される液状熱媒を保持するための熱媒貯槽と、上記冷媒貯槽から上記TSA吸着塔に上記冷媒を供給するための第1の冷媒ラインと、上記TSA吸着塔から上記冷媒貯槽に上記冷媒を戻すための第2の冷媒ラインと、上記熱媒貯槽から上記TSA吸着塔に上記熱媒を供給するための第1の熱媒ラインと、上記TSA吸着塔から上記熱媒貯槽に上記熱媒を戻すための第2の熱媒ラインと、を備える。   In the second aspect of the present invention, preferably, the TSA adsorption tower has a first gas passage port and a second gas passage port, communicates with the first and second gas passage ports, and the TSA adsorbent. The temperature fluctuation adsorption gas separation device includes a refrigerant storage tank for holding a liquid refrigerant to be supplied to the TSA adsorption tower in order to cool the TSA adsorbent in the adsorption tube. A heating medium storage tank for holding a liquid heat medium supplied to the TSA adsorption tower for heating the TSA adsorbent in the adsorption pipe; and supplying the refrigerant from the refrigerant storage tank to the TSA adsorption tower. A first refrigerant line, a second refrigerant line for returning the refrigerant from the TSA adsorption tower to the refrigerant storage tank, and a first for supplying the heat medium from the heat medium storage tank to the TSA adsorption tower. With heat transfer line And a second heat medium line for returning the heat medium in the heat medium storage tank from the TSA adsorption tower.

本発明に係るアルゴン精製方法によれば、上述の前処理、圧力変動吸着法(PSA法)および温度変動吸着法(TSA法)を実行し、これによってアルゴンの高純度化を図るところ、高純度化されるアルゴン(精製ガス)を得るためのエネルギーを低減しつつ、高い回収率を達成しやすい。本方法の前処理においては、ルテニウム触媒を用いて上記アルゴンガスに不純物として含まれる一酸化炭素および水素を酸素と反応させる。ルテニウム触媒は、一酸化炭素や水素を反応させる能力が他の白金系触媒などよりも優れており、一酸化炭素および水素を完全に他の化合物に変成することができる。また、ルテニウム触媒によれば、反応に必要な雰囲気温度(反応温度)が他の触媒と比べて低温でよく、このことは、前処理におけるアルゴンガスの加熱ためのエネルギーの低減に資する。   According to the argon purification method of the present invention, the pretreatment, the pressure fluctuation adsorption method (PSA method), and the temperature fluctuation adsorption method (TSA method) described above are executed, whereby high purity of argon is achieved. It is easy to achieve a high recovery rate while reducing the energy for obtaining argon (purified gas). In the pretreatment of this method, carbon monoxide and hydrogen contained as impurities in the argon gas are reacted with oxygen using a ruthenium catalyst. The ruthenium catalyst has an ability to react with carbon monoxide and hydrogen over other platinum-based catalysts and the like, and can completely convert carbon monoxide and hydrogen into other compounds. Further, according to the ruthenium catalyst, the ambient temperature (reaction temperature) necessary for the reaction may be lower than that of the other catalyst, which contributes to the reduction of energy for heating the argon gas in the pretreatment.

また、本方法のPSA法によるガス精製においては、PSA吸着工程を終えたPSA吸着塔内のガスはアルゴン濃度が比較的に高い(準精製ガスと同程度)ところ、このようなアルゴン濃度の高いガスを、均圧工程において、洗浄工程を経た他のPSA吸着塔に導入することにより、PSA吸着工程に備えるべく当該他のPSA吸着塔の昇圧に供する。そのため、当該他のPSA吸着塔に導入される上記アルゴン濃度の高いガスは、装置外に排出されずに後のPSA吸着工程にて準精製ガスとして取り出され、次のTSA法によるガス精製に付される。したがって、本方法は、高純度アルゴンを高回収率で得るのに適している。   Further, in the gas purification by the PSA method of the present method, the gas in the PSA adsorption tower after the PSA adsorption step has a relatively high argon concentration (similar to the semi-purified gas), but such an argon concentration is high. In the pressure equalization process, the gas is introduced into another PSA adsorption tower that has undergone the cleaning process, so that the other PSA adsorption tower is pressurized to prepare for the PSA adsorption process. Therefore, the gas having a high argon concentration introduced into the other PSA adsorption tower is taken out as a semi-purified gas in the subsequent PSA adsorption step without being discharged out of the apparatus, and is subjected to gas purification by the next TSA method. Is done. Therefore, this method is suitable for obtaining high purity argon with a high recovery rate.

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。   Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.

本発明に係るアルゴン精製装置の全体概略構成図である。It is a whole schematic block diagram of the argon purification apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアルゴン精製装置の一部であるPSAガス分離装置の構成図である。It is a block diagram of the PSA gas separation apparatus which is a part of the argon purification apparatus which concerns on this invention. 図2に示すPSAガス分離装置にて実行されるPSAガス分離工程において、各PSA吸着塔で行われる工程(ステップ1〜9)の一例、および各ステップにおける各弁の開閉状態を示す図である。It is a figure which shows an example of the process (steps 1-9) performed by each PSA adsorption tower in the PSA gas separation process performed with the PSA gas separation apparatus shown in FIG. 2, and the open / close state of each valve in each step. . 図3に示すステップ1〜9におけるガス流れ状態を表す図である。It is a figure showing the gas flow state in steps 1-9 shown in FIG. 図3に示すステップ1〜9における各PSA吸着塔の内部圧力の変化を表す図である。It is a figure showing the change of the internal pressure of each PSA adsorption tower in steps 1-9 shown in FIG. 本発明に係るアルゴン精製装置の一部であるTSAガス分離装置の構成図である。It is a block diagram of the TSA gas separation apparatus which is a part of the argon purification apparatus which concerns on this invention. 図6に示すTSAガス分離装置にて実行されるTSAガス分離工程において、各TSA吸着塔で行われる工程(ステップ1〜6)、および各ステップにおける各弁の開閉状態を示す図である。It is a figure which shows the opening / closing state of each valve in each process (step 1-6) performed in each TSA adsorption tower in the TSA gas separation process performed with the TSA gas separation apparatus shown in FIG. 図2に示すPSAガス分離装置にて実行されるPSAガス分離工程において、各PSA吸着塔で行われる工程(ステップ1〜9)の他の例、および各ステップにおける各弁の開閉状態を示す図である。The PSA gas separation process performed by the PSA gas separation device shown in FIG. It is. 図8に示すステップ1〜9におけるガス流れ状態を表す図である。It is a figure showing the gas flow state in steps 1-9 shown in FIG. 図8に示すステップ1〜9における各PSA吸着塔の内部圧力の変化を表す図である。It is a figure showing the change of the internal pressure of each PSA adsorption tower in steps 1-9 shown in FIG. 本発明の実施例および比較例をまとめた表である。It is the table | surface which put together the Example and comparative example of this invention. 本発明の実施例および比較例をまとめた表である。It is the table | surface which put together the Example and comparative example of this invention.

以下、本発明の好ましい実施の形態として、アルゴンを含む原料ガスからアルゴンを濃縮分離する方法について、図面を参照して具体的に説明する。   Hereinafter, as a preferred embodiment of the present invention, a method for concentrating and separating argon from a source gas containing argon will be specifically described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係るアルゴン精製方法を実行するのに使用することができるアルゴン精製装置の概略構成を示している。アルゴン精製装置Xは、濃度調節装置1と、加熱器2と、反応器3と、冷却器4と、圧縮機5と、脱水機6と、ライン7と、吸着装置8とを備え、アルゴンを含む原料ガス(アルゴンガス)を供給しつつ連続的にアルゴンを精製することができるように構成されている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of an argon purification apparatus that can be used to execute the argon purification method according to the present embodiment. The argon purification device X includes a concentration adjusting device 1, a heater 2, a reactor 3, a cooler 4, a compressor 5, a dehydrator 6, a line 7, and an adsorption device 8. Argon can be continuously purified while supplying the source gas (argon gas) containing it.

原料ガスG0は、シリコン結晶引き上げ炉や、セラミック焼結炉、製鋼用真空脱ガス炉、太陽電池用シリコンプラズマ溶解炉などにおける炉内雰囲気ガスとして使用されて不純物が混入しているアルゴンであり、少なくとも一つの所定の炉(図示略)から連続的に又は断続的に排出されたものである。この排ガス(原料ガスG0)の排出流量や、圧力、組成は、炉で実施中の工程や炉の操業条件に応じて変動することが多く、急激に変動する場合もある。原料ガスG0は、図外のフィルター等(図示略)により防塵され、ブロア等のガス送り手段(図示略)を介して、原料ガス導入端E1を通じてライン7に導入される。原料ガスG0は、例えば、主成分としてアルゴンを含み、且つ、不純物として酸素、一酸化炭素、水素、窒素、および水を含む。また、二酸化炭素、炭化水素等の他の不純物を含む場合もある。主たる不純物は例えば窒素である。原料ガスG0における不純物の濃度は特に限定されず、例えば5モルppm〜40000モルppm(4モル%)程度とされるが、上記ガス送り手段によっては、空気が混入する場合があり、不純物濃度にして30モル%程度まで含有する場合もある。 The source gas G 0 is argon which is used as an atmosphere gas in a furnace in a silicon crystal pulling furnace, a ceramic sintering furnace, a vacuum degassing furnace for steel making, a silicon plasma melting furnace for solar cells, and the like, and impurities are mixed therein. , Discharged continuously or intermittently from at least one predetermined furnace (not shown). The discharge flow rate, pressure, and composition of the exhaust gas (raw material gas G 0 ) often vary depending on the process being performed in the furnace and the operating conditions of the furnace, and may vary rapidly. The source gas G 0 is dust-proofed by a filter (not shown) (not shown), and is introduced into the line 7 through the source gas introduction end E 1 via a gas feed means (not shown) such as a blower. The source gas G 0 includes, for example, argon as a main component and oxygen, carbon monoxide, hydrogen, nitrogen, and water as impurities. It may also contain other impurities such as carbon dioxide and hydrocarbons. The main impurity is, for example, nitrogen. The concentration of impurities in the raw material gas G 0 is not particularly limited, and is, for example, about 5 mol ppm to 40000 mol ppm (4 mol%), but depending on the gas feeding means, air may be mixed in, and the impurity concentration In some cases, it may be contained up to about 30 mol%.

濃度調節装置1、加熱器2、反応器3、冷却器4、圧縮機5、および脱水機6は、ライン7内において直列に配されている。濃度調節装置1は、必要に応じて原料ガスG0に酸素を添加するためのものであり、ライン7と連結されている。濃度調節装置1は、例えば、各不純物の濃度を測定する濃度分析計と、酸素貯留部と、開度や開状態時間を制御可能なバルブとを備え、当該バルブによって酸素貯留部からライン7へと必要に応じて供給される酸素の流量が制御される。このような濃度調節装置1は、反応器3に導入される原料ガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2以下である場合、原料ガスG0に所定量の酸素を添加する。酸素の添加により、反応器3に導入される原料ガスG0における酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2を超える値となるように調節される。 The concentration controller 1, the heater 2, the reactor 3, the cooler 4, the compressor 5, and the dehydrator 6 are arranged in series in the line 7. The concentration adjusting device 1 is for adding oxygen to the raw material gas G 0 as necessary, and is connected to the line 7. The concentration adjusting device 1 includes, for example, a concentration analyzer that measures the concentration of each impurity, an oxygen storage unit, and a valve that can control the opening degree and the open state time. The flow rate of supplied oxygen is controlled as necessary. Such a concentration control device 1 is provided in the raw material gas G 0 when the oxygen molar concentration in the raw material gas introduced into the reactor 3 is not more than ½ of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration. Add a fixed amount of oxygen. By adding oxygen, the oxygen molar concentration in the raw material gas G 0 introduced into the reactor 3 is adjusted to a value exceeding 1/2 of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration.

加熱器2は、反応器3に導入される前に原料ガスG0を昇温するためのものであり、例えば電気ヒータよりなる。加熱器2による原料ガスG0の加熱温度は、反応器3における反応を完結するために100℃以上にするのが好ましく、触媒の寿命短縮を防止する観点から300℃以下とするのが好ましい。 The heater 2 is for raising the temperature of the raw material gas G 0 before being introduced into the reactor 3, and is composed of, for example, an electric heater. The heating temperature of the raw material gas G 0 by the heater 2 is preferably 100 ° C. or higher in order to complete the reaction in the reactor 3, and is preferably 300 ° C. or lower from the viewpoint of preventing the catalyst life from being shortened.

反応器3は、原料ガスG0中の酸素を一酸化炭素および水素のそれぞれと反応させることにより二酸化炭素および水に変化させて、一酸化炭素および水素を実質的に除去するためのものである。反応器3には、下記の反応式(1)、(2)で表される転化反応を促進する触媒が充填されている。当該触媒としては、ルテニウム触媒を採用することができる。ルテニウム触媒は、一酸化炭素や水素を反応させる能力が他の白金系触媒よりも優れており、原料ガスG0中に不純物として含まれる一酸化炭素、水素を完全に他の化合物に変成できるので好ましい。また、ルテニウム触媒は、一酸化炭素と水素とを反応させてメタン化させる能力についても他の白金系触媒よりもはるかに優れており、ルテニウム触媒を用いれば、下記の反応式(3)で表される反応も促進される。したがって、このようなルテニウム触媒の使用は、原料ガスG0中に不純物として含まれる一酸化炭素、水素を他の化合物に完全に変成するうえで好ましい。実際に使用されるルテニウム触媒としては、ルテニウムをアルミナ等の担体により担持したものを用いることができる。また、反応器3に充填される触媒としては、ルテニウム触媒だけを用いてもよいが、ルテニウム触媒と他の白金系触媒(プラチナ触媒、パラジウム触媒など)の少なくとも1種類とを含む、複数種類からなる触媒を用いてもよい。 The reactor 3 is for substantially removing carbon monoxide and hydrogen by changing oxygen in the raw material gas G 0 to carbon dioxide and water by reacting with carbon monoxide and hydrogen, respectively. . The reactor 3 is packed with a catalyst that promotes the conversion reaction represented by the following reaction formulas (1) and (2). A ruthenium catalyst can be employed as the catalyst. Ruthenium catalyst is superior to other platinum-based catalysts in the ability to react with carbon monoxide and hydrogen, and carbon monoxide and hydrogen contained as impurities in source gas G 0 can be completely transformed into other compounds. preferable. The ruthenium catalyst is also far superior to other platinum-based catalysts in the ability to react carbon monoxide and hydrogen to methanation. If a ruthenium catalyst is used, the ruthenium catalyst is expressed by the following reaction formula (3). Reaction is also promoted. Therefore, the use of such a ruthenium catalyst is preferable for completely transforming carbon monoxide and hydrogen contained as impurities in the raw material gas G 0 into other compounds. As the ruthenium catalyst actually used, a ruthenium supported by a carrier such as alumina can be used. Moreover, as a catalyst with which the reactor 3 is filled, although only a ruthenium catalyst may be used, it is possible to use a plurality of types including a ruthenium catalyst and at least one other platinum-based catalyst (platinum catalyst, palladium catalyst, etc.). A catalyst may be used.

Figure 2012082080
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反応器3内に原料ガスG0が導入されると、触媒の作用により、原料ガスG0における酸素が一酸化炭素および水素と反応し、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成される。このようにして、実質的に一酸化炭素および水素が除去されたガスG1(混合ガス)が反応器3から導出される。なお、シリコン結晶引き上げ炉等から排出される原料ガスG0は可燃成分として炭化水素を含む場合もあるが、当該炭化水素のモル濃度は一酸化炭素と水素の合計モル濃度の通常は1/100以下である。よって、通常は濃度調節装置1により、原料ガスG0について一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2を僅かに超えるように酸素モル濃度を設定すれば、反応器3においては、炭化水素が燃焼により実質的に除去されて酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成される。また、反応器3を経たガスG1に炭化水素が残存した場合でも、後のPSAガス分離装置による吸着除去が容易である。したがって、濃度調節装置1による酸素モル濃度の調整に際しては、炭化水素の濃度を考慮する必要はない。 When the raw material gas G 0 is introduced into the reactor 3, oxygen in the raw material gas G 0 reacts with carbon monoxide and hydrogen by the action of the catalyst, and carbon dioxide and water are generated in a state where oxygen remains. . In this way, the gas G 1 (mixed gas) from which carbon monoxide and hydrogen have been substantially removed is led out from the reactor 3. The raw material gas G 0 discharged from a silicon crystal pulling furnace or the like may contain hydrocarbons as combustible components. The molar concentration of the hydrocarbon is usually 1/100 of the total molar concentration of carbon monoxide and hydrogen. It is as follows. Therefore, if the oxygen molar concentration is usually set by the concentration adjusting device 1 so that it slightly exceeds 1/2 of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration with respect to the raw material gas G 0 , Carbon dioxide and water are produced in a state where hydrocarbons are substantially removed by combustion and oxygen remains. Further, even if hydrocarbons remain in the gas G 1 that has passed through the reactor 3, it is easy to remove by adsorption by a subsequent PSA gas separation device. Therefore, it is not necessary to consider the hydrocarbon concentration when adjusting the oxygen molar concentration by the concentration adjusting device 1.

冷却器4は、反応器3から導出されたガスG1を冷却するためのものであり、例えば冷却水を冷却媒体とする熱交換器よりなる。冷却器4を経たガスG1の温度は、例えば20〜40℃程度とされる。なお、上記の加熱器2、反応器3、および冷却器4は、本発明方法の前処理工程を担う装置(以下、「前処理装置」という)である。前処理装置は、後段の吸着装置8にガスG1を供給する前に除去すべき不純物の種類や量に応じて、上記したのと異なる構成を採用してもよい。 The cooler 4 is for cooling the gas G 1 led out from the reactor 3, and is composed of, for example, a heat exchanger using cooling water as a cooling medium. The temperature of the gas G 1 that has passed through the cooler 4 is, for example, about 20 to 40 ° C. In addition, said heater 2, reactor 3, and cooler 4 are apparatuses (henceforth a "pretreatment apparatus") which bear the pretreatment process of this invention method. The pretreatment device may adopt a different configuration from that described above according to the type and amount of impurities to be removed before supplying the gas G 1 to the adsorption device 8 at the subsequent stage.

圧縮機5は、ライン7内を通流するガスG1を加圧しつつ後段の吸着装置8に向けて送り出すためのものである。 The compressor 5 is for sending the gas G 1 flowing through the line 7 toward the adsorption device 8 at the subsequent stage while pressurizing the gas G 1 .

脱水機6は、圧縮機5から供給されるガスG1について脱水操作を行い、当該ガスG1の水分含有率を低減するためのものである。脱水機6としては市販のものを用いればよく、例えばガスG1を加圧して吸着剤により水分を除去し、吸着剤を減圧下で再生させる加圧式脱水装置、ガスG1を加圧冷却して凝縮された水分を除去する冷凍式脱水装置、ガスG1に含まれる水分を脱水剤により除去し、脱水剤を加熱して再生させる加熱再生式脱水装置等を用いることができる。加熱再生式脱水装置が水分含有率を効果的に低減する上で好ましく、ガスG1における水分を約99%程度除去できるものがよい。なお、脱水機6は、反応器3から導出されるガスG1中の水分が少ない場合には必ずしも必要ではなく、後述するPSAガス分離装置10の3つの吸着塔11A,11B,11Cの下部にアルミナゲル等の脱水剤(吸着剤)を充填することにより、水分除去を十分に賄うことができる。反応器3から導出されるガスG1中の水分が多い場合とは、原料ガスG0に空気が混入した場合であり、例えば原料ガスG0に空気が20モル%混入すると、酸素が4モル%程度混じる。これを水素と反応させれば8モル%の水分が副生する。このような場合、脱水機6は必須である。空気の混入が1モル%以上の場合は脱水機6を用いた方がよい。 The dehydrator 6 is for dehydrating the gas G 1 supplied from the compressor 5 to reduce the moisture content of the gas G 1 . The dehydrator 6 may be used commercially available ones, for example, a gas G 1 pressing to remove moisture by adsorption agent, adsorbent pressurized dewatering apparatus for reproducing under reduced pressure, the gas G 1 and the pressurized cooling A refrigerating dehydrator that removes the condensed water, a heat regeneration dehydrator that removes moisture contained in the gas G 1 with a dehydrating agent, and regenerates the dehydrating agent by heating can be used. A heat regeneration type dehydrator is preferable for effectively reducing the moisture content, and is preferably capable of removing about 99% of the moisture in the gas G 1 . Note that the dehydrator 6 is not necessarily required when the moisture in the gas G 1 led out from the reactor 3 is small, and is disposed below the three adsorption towers 11A, 11B, and 11C of the PSA gas separation device 10 described later. By filling a dehydrating agent (adsorbent) such as alumina gel, moisture removal can be sufficiently provided. If the water in the gas G 1 derived from the reactor 3 is large and is a case where air in the raw material gas G 0 is mixed, for example, the raw material gas G 0 when air is mixed 20 mol%, oxygen 4 mol % Mixed. If this is reacted with hydrogen, 8 mol% of water is by-produced. In such a case, the dehydrator 6 is essential. When air mixing is 1 mol% or more, it is better to use the dehydrator 6.

吸着装置8は、直列的に配置された圧力変動吸着式ガス分離装置(PSAガス分離装置)10および温度変動吸着式ガス分離装置(TSAガス分離装置)20と、これらにつながるラインとを備えている。   The adsorption device 8 includes a pressure fluctuation adsorption gas separation device (PSA gas separation device) 10 and a temperature fluctuation adsorption gas separation device (TSA gas separation device) 20 arranged in series, and a line connected to these. Yes.

図2に示すように、PSAガス分離装置10は、3つの吸着塔11A,11B,11C(PSA吸着塔)と、ガス流路をなす複数のライン12〜17とを備え、脱水機6を経たガスG1から圧力変動吸着法(PSA法)を利用してアルゴンを濃縮分離することが可能なように構成されている。 As shown in FIG. 2, the PSA gas separation apparatus 10 includes three adsorption towers 11A, 11B, and 11C (PSA adsorption towers) and a plurality of lines 12 to 17 that form gas flow paths. Argon is concentrated and separated from the gas G 1 using a pressure fluctuation adsorption method (PSA method).

吸着塔11A,11B,11Cのそれぞれは、両端にガス通過口11a,11bを有し、ガス通過口11a,11bの間において、ガスG1に含まれる不純物を選択的に吸着するための吸着剤(PSA吸着剤)が充填されている。例えば、不純物たる窒素や、一酸化炭素、二酸化炭素を吸着するための吸着剤としては、ゼオライトを用いることができる。例えば、不純物たる酸素や二酸化炭素、メタンを吸着するための吸着剤としては、カーボンモレキュラーシーブを用いることができる。例えば、不純物たる水分を吸着するための吸着剤としては、アルミナゲルを用いることができる。一種類の吸着剤を吸着塔11A,11B,11C内に充填してもよいし、複数種類の吸着剤を吸着塔11A,11B,11C内にて積層させて充填してもよい。吸着塔11A,11B,11C内に充填する吸着剤の種類や数については、吸着塔11A,11B,11Cにて除去すべき不純物の種類および量に応じて決定する。本実施形態では、前処理を経たガスG1に含まれる酸素を効率よく除去するために、吸着剤としては、カーボンモレキュラーシーブが好適に用いられる。 Each of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C has gas passage ports 11a and 11b at both ends, and an adsorbent for selectively adsorbing impurities contained in the gas G 1 between the gas passage ports 11a and 11b. (PSA adsorbent) is filled. For example, zeolite can be used as an adsorbent for adsorbing nitrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide as impurities. For example, a carbon molecular sieve can be used as an adsorbent for adsorbing oxygen, carbon dioxide, and methane as impurities. For example, alumina gel can be used as an adsorbent for adsorbing moisture as impurities. One kind of adsorbent may be filled in the adsorption towers 11A, 11B, and 11C, or plural kinds of adsorbents may be stacked and filled in the adsorption towers 11A, 11B, and 11C. The type and number of adsorbents packed in the adsorption towers 11A, 11B, and 11C are determined according to the type and amount of impurities to be removed in the adsorption towers 11A, 11B, and 11C. In the present embodiment, the oxygen contained in the gas G 1 which has undergone a pretreatment in order to efficiently remove, as the adsorbent, carbon molecular sieve is preferably used.

吸着塔11A,11B,11Cのガス通過口11aは、分岐路12A,12B,12Cを介してライン12に接続されている。分岐路12A,12B,12Cには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁12a,12b,12cが設けられている。   The gas passage ports 11a of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C are connected to the line 12 via the branch paths 12A, 12B, and 12C. The branch paths 12A, 12B, and 12C are provided with automatic valves 12a, 12b, and 12c that can switch between an open state and a closed state.

吸着塔11A,11B,11Cのガス通過口11aはまた、分岐路13A,13B,13Cを介してオフガスライン13に接続されている。分岐路13A,13B,13Cには自動弁13a,13b,13cが設けられている。オフガスライン13の端部にはサイレンサ13dが設けられており、オフガスライン13の当該端部は、サイレンサ13dを介して大気中に開放している。   The gas passage ports 11a of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C are also connected to the off gas line 13 via the branch paths 13A, 13B, and 13C. Automatic valves 13a, 13b, and 13c are provided in the branch paths 13A, 13B, and 13C. A silencer 13d is provided at the end of the off-gas line 13, and the end of the off-gas line 13 is open to the atmosphere via the silencer 13d.

吸着塔11A,11B,11Cのガス通過口11aはさらに、分岐路14A,14B,14Cを介して下部均圧ライン14に接続されている。分岐路14A,14B,14Cには自動弁14a,14b,14cが設けられている。   The gas passage ports 11a of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C are further connected to the lower pressure equalization line 14 via branch paths 14A, 14B, and 14C. Automatic valves 14a, 14b, and 14c are provided in the branch paths 14A, 14B, and 14C.

吸着塔11A,11B,11Cのガス通過口11bは、分岐路15A,15B,15Cを介して準精製ガスライン15に接続されている。分岐路15A,15B,15Cには、自動弁15a,15b,15cが設けられている。準精製ガスライン15には、均圧槽15d、圧力調整弁15eが設けられている。圧力調整弁15eは、各吸着塔11A,11B,11C内を所望の吸着圧力とするように制御するためのものである。準精製ガスライン15の端部は、後述するTSAガス分離装置20のライン22aに接続されている。   The gas passage ports 11b of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C are connected to the semi-purified gas line 15 via the branch paths 15A, 15B, and 15C. Automatic valves 15a, 15b, and 15c are provided in the branch paths 15A, 15B, and 15C. The semi-purified gas line 15 is provided with a pressure equalizing tank 15d and a pressure adjusting valve 15e. The pressure regulating valve 15e is for controlling the inside of each adsorption tower 11A, 11B, 11C to a desired adsorption pressure. The end of the semi-purified gas line 15 is connected to a line 22a of a TSA gas separation device 20 described later.

吸着塔11A,11B,11Cのガス通過口11bはまた、分岐路16A,16B,16Cを介して洗浄ライン16に接続されている。分岐路16A,16B,16Cには自動弁16a,16b,16cが設けられている。洗浄ライン16は、準精製ガスライン15の途中に分岐状に接続されており、ガス通過口11bから導出される準精製ガスの一部を洗浄ガスとしていずれかの吸着塔に導入するためのものである。洗浄ライン16には、逆止弁16d、流量計16e、および流量制御弁16fが設けられている。   The gas passage ports 11b of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C are also connected to the cleaning line 16 via branch paths 16A, 16B, and 16C. Automatic valves 16a, 16b, and 16c are provided in the branch paths 16A, 16B, and 16C. The cleaning line 16 is branched in the middle of the semi-purified gas line 15 and is used for introducing a part of the semi-purified gas led out from the gas passage port 11b into any adsorption tower as a cleaning gas. It is. The cleaning line 16 is provided with a check valve 16d, a flow meter 16e, and a flow control valve 16f.

吸着塔11A,11B,11Cのガス通過口11bはさらに、分岐路17A,17B,17Cを介して上部均圧ライン17に接続されている。分岐路17A,17B,17Cには自動弁17a,17b,17cが設けられている。   The gas passage ports 11b of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C are further connected to the upper pressure equalization line 17 via branch paths 17A, 17B, and 17C. Automatic valves 17a, 17b, and 17c are provided in the branch paths 17A, 17B, and 17C.

上記構成のPSAガス分離装置10においては、ラインや分岐路に設けられた各自動弁の開閉状態を適宜切り替えることにより、各吸着塔11A,11B,11C内でのガスの流れ方向や圧力が調整される。PSAガス分離装置10を用いて行うPSAガス分離行工程では、吸着塔11A,11B,11Cのそれぞれにおいて、例えば、吸着工程と、脱着工程と、洗浄工程と、均圧工程とを含むサイクルが繰り返される。   In the PSA gas separation apparatus 10 configured as described above, the flow direction and pressure of the gas in the adsorption towers 11A, 11B, and 11C are adjusted by appropriately switching the open / closed state of each automatic valve provided in the line or branch path. Is done. In the PSA gas separation line process performed using the PSA gas separation apparatus 10, a cycle including, for example, an adsorption process, a desorption process, a cleaning process, and a pressure equalization process is repeated in each of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C. It is.

吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にあるいずれかの吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物(酸素、二酸化炭素、窒素、水など)を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔からアルゴンが富化された非吸着ガス(準精製ガス)を導出するための工程である。脱着工程は、例えば吸着工程を終えたいずれかの吸着塔を減圧して吸着剤から不純物を脱着させ、塔内のガスをオフガスとして塔外へ導出するための工程である。洗浄工程は、他の吸着塔から導出されたアルゴン濃度の高いガス(例えば準精製ガス)を洗浄ガスとして導入しつつ、塔内のガスをオフガスとして塔外へ導出するための工程である。均圧工程は、例えば吸着工程を終えたいずれかの吸着塔と洗浄工程を終えた他の吸着塔とを連通させ、両吸着塔内の圧力差により両吸着塔の間でガスの流れを生じさせて、両吸着塔の内部圧力を均圧化するための工程である。均圧工程では、当該均圧工程の開始時に相対的に高圧である吸着塔(吸着工程を終えた吸着塔)は降圧させられ、均圧工程の開始時に相対的に低圧である吸着塔(洗浄工程を終えた吸着塔)は昇圧させられる。   In the adsorption step, the mixed gas is introduced into any of the adsorption towers in a predetermined high pressure state, and impurities (oxygen, carbon dioxide, nitrogen, water, etc.) in the mixed gas are adsorbed by the adsorbent, This is a process for deriving non-adsorbed gas (semi-purified gas) enriched with argon from the adsorption tower. The desorption process is a process for depressurizing any of the adsorption towers that have completed the adsorption process to desorb impurities from the adsorbent, and leading out the gas in the tower to the outside as an off-gas. The cleaning process is a process for introducing the gas in the tower as an off-gas to the outside of the tower while introducing a gas having a high argon concentration (for example, semi-purified gas) derived from another adsorption tower as the cleaning gas. In the pressure equalization process, for example, one of the adsorption towers that have finished the adsorption process and the other adsorption tower that has finished the washing process are communicated, and a gas flow is generated between the two adsorption towers due to a pressure difference in the two adsorption towers. This is a step for equalizing the internal pressure of both adsorption towers. In the pressure equalization process, the adsorption tower that has a relatively high pressure at the start of the pressure equalization process (adsorption tower that has finished the adsorption process) is depressurized, and the adsorption tower that has a relatively low pressure at the start of the pressure equalization process (washing) The adsorption tower after finishing the process is pressurized.

本実施形態に係るアルゴン精製方法においては、PSAガス分離装置10を用いて混合ガスからアルゴンが富化された準精製ガスが分離される。具体的には、図3に示す態様で自動弁12a〜12c,13a〜13c,14a〜14c,15a〜15c,16a〜16c,17a〜17cを切り替えることにより、装置内において所望のガス流れ状態を実現し、例えば以下のステップ1〜9からなる1サイクルを繰り返すことができる。なお、図3では、各自動弁の開状態を○で表し且つ閉状態を×で表す。本方法の1サイクルにおいては、吸着塔11A,11B,11Cのそれぞれにて、吸着工程、第1均圧(減圧)工程、第2均圧(減圧)工程、脱着洗浄工程、第2均圧(昇圧)工程、待機、および第1均圧(昇圧)工程が行われる。図4は、ステップ1〜9におけるPSAガス分離装置10でのガスの流れ状態を模式的に表したものである。図5は、ステップ1〜9における各吸着塔11A,11B,11Cの内部圧力の変化を表す。   In the argon purification method according to the present embodiment, the semi-purified gas enriched with argon is separated from the mixed gas using the PSA gas separation device 10. Specifically, by switching the automatic valves 12a to 12c, 13a to 13c, 14a to 14c, 15a to 15c, 16a to 16c, and 17a to 17c in the mode shown in FIG. For example, one cycle consisting of the following steps 1 to 9 can be repeated. In FIG. 3, the open state of each automatic valve is represented by a circle and the closed state is represented by a cross. In one cycle of this method, in each of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C, an adsorption process, a first pressure equalization (decompression) process, a second pressure equalization (decompression) process, a desorption cleaning process, and a second pressure equalization ( A pressure increase) step, a standby, and a first pressure equalization (pressure increase) step are performed. FIG. 4 schematically shows the gas flow state in the PSA gas separation apparatus 10 in steps 1 to 9. FIG. 5 shows a change in the internal pressure of each adsorption tower 11A, 11B, 11C in steps 1-9.

ステップ1では、図3に示すように各自動弁の開閉状態が選択され、図4(a)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔11Aにて吸着工程が、吸着塔11Bにて第2均圧(昇圧)工程が、吸着塔11Cにて第2均圧(減圧)工程が行われる。   In step 1, the open / close state of each automatic valve is selected as shown in FIG. 3, the gas flow state as shown in FIG. 4A is achieved, and the adsorption process is performed in the adsorption tower 11A to the adsorption tower 11B. Thus, the second pressure equalization (pressure increase) step is performed in the adsorption tower 11C.

図3および図4(a)を参照するとよく理解できるように、ステップ1では、所定の高圧状態にある吸着塔11Aのガス通過口11a側にガスG1(混合ガス)が導入されて、当該ガスG1中の不純物(二酸化炭素、水、窒素など)が吸着塔11A内の吸着剤に吸着され、且つ、アルゴンが富化された準精製ガスG2が吸着塔11Aのガス通過口11b側から導出される。準精製ガスG2は、準精製ガスライン15を介してTSAガス分離装置20に向けて送出される。吸着塔11Bでは先に脱着洗浄工程が行われ、吸着塔11Cでは先に第1均圧(減圧)工程が行われる(図4(i)に示されるステップ9参照)。このため、ステップ1の開始時には、吸着塔11Bの内部圧力は脱着圧力と同程度の低い圧力である一方、吸着塔11Cの内部圧力は吸着塔11Bの内部圧力よりも高い圧力(第1圧力)となっている。したがって、ステップ1では、吸着塔11Cのガス通過口11a,11b両側からガスG4(第2ガス)が導出され、当該ガスG4は、ライン14,17を介して吸着塔11Bに導入される。これにより、吸着塔11Bの内部が昇圧する一方、吸着塔11Cの内部が降圧し、ステップ1の終了時には、両吸着塔11B,11Cの内部圧力は、いずれも第2圧力となる(図5参照)。 As can be well understood with reference to FIG. 3 and FIG. 4 (a), in step 1, gas G 1 (mixed gas) is introduced to the gas passage 11a side of the adsorption tower 11A in a predetermined high pressure state. Impurities (carbon dioxide, water, nitrogen, etc.) in the gas G 1 are adsorbed by the adsorbent in the adsorption tower 11A, and the semi-purified gas G 2 enriched with argon is on the gas passage 11b side of the adsorption tower 11A. Is derived from The semi-purified gas G 2 is sent to the TSA gas separation device 20 through the semi-purified gas line 15. In the adsorption tower 11B, the desorption cleaning process is performed first, and in the adsorption tower 11C, the first pressure equalization (decompression) process is performed first (see step 9 shown in FIG. 4 (i)). For this reason, at the start of step 1, the internal pressure of the adsorption tower 11B is a pressure as low as the desorption pressure, while the internal pressure of the adsorption tower 11C is higher than the internal pressure of the adsorption tower 11B (first pressure). It has become. Therefore, in step 1, the gas G 4 (second gas) is led out from both sides of the gas passage ports 11a and 11b of the adsorption tower 11C, and the gas G 4 is introduced into the adsorption tower 11B via the lines 14 and 17. . As a result, the inside of the adsorption tower 11B is increased in pressure, while the inside of the adsorption tower 11C is reduced in pressure, and at the end of step 1, the internal pressures of both the adsorption towers 11B and 11C both become the second pressure (see FIG. 5). ).

ステップ2では、図3に示すように各自動弁の開閉状態が選択され、図4(b)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔11Aにて吸着工程が、吸着塔11Bにて待機が、吸着塔11Cにて脱着洗浄工程が行われる。   In step 2, the open / close state of each automatic valve is selected as shown in FIG. 3, the gas flow state as shown in FIG. 4B is achieved, and the adsorption step is performed in the adsorption tower 11A to the adsorption tower 11B. Then, the desorption cleaning process is performed in the adsorption tower 11C.

図3および図4(b)を参照するとよく理解できるように、ステップ2では、吸着塔11Aにおいて、ステップ1から引き続き吸着工程が行われ、準精製ガスG2が導出される。吸着塔11Bについては、ガス通過口11a,11bのそれぞれに通じる分岐路12B,13B,14B,15B,16B,17Bに設けられた自動弁12b,13b,14b,15b,16b,17bがすべて閉じていることから、ガスの出入りが遮断されて待機状態とされる。吸着塔11Bの内部は、先のステップ1の終了時の第2圧力と略同一の圧力(第2圧力)に維持される。これとともに、ステップ2では、吸着塔11Aからの準精製ガスG2の一部が洗浄ライン16、流量制御弁16fを介して吸着塔11Cのガス通過口11b側に洗浄ガスとして導入される。吸着塔11Cでは、吸着剤から不純物が脱着しており、通過口11bから導入される洗浄ガスと入れ替わるようにしてガス通過口11a側からガスG5がオフガスとして導出される。このガスG5は、オフガスライン13およびサイレンサ13dを介して装置外(大気中)に排出される。 As can be well understood with reference to FIGS. 3 and 4B, in step 2, the adsorption step is continued from step 1 in the adsorption tower 11A, and the semi-purified gas G 2 is derived. As for the adsorption tower 11B, the automatic valves 12b, 13b, 14b, 15b, 16b, 17b provided in the branch paths 12B, 13B, 14B, 15B, 16B, 17B leading to the gas passage ports 11a, 11b are all closed. Therefore, the gas entry / exit is blocked and the apparatus enters a standby state. The inside of the adsorption tower 11B is maintained at substantially the same pressure (second pressure) as the second pressure at the end of the previous step 1. At the same time, in step 2, is introduced as a cleaning gas semi purified gas G 2 of part cleaning line 16, the gas passage holes 11b of the adsorption tower 11C through a flow control valve 16f from the adsorption tower 11A. In the adsorption tower 11C, impurities are desorbed from the adsorbent, and the gas G 5 is led out from the gas passage port 11a side as an off-gas so as to replace the cleaning gas introduced from the passage port 11b. The gas G 5 is discharged out of the apparatus via the offgas line 13 and silencer 13d (in the air).

ステップ3では、図3に示すように各自動弁の開閉状態が選択され、図4(c)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔11Aにて第1均圧(減圧)工程が、吸着塔11Bにて第1均圧(昇圧)工程が、吸着塔11Cにて脱着洗浄工程が行われる。   In step 3, the open / close state of each automatic valve is selected as shown in FIG. 3, and the gas flow state as shown in FIG. 4C is achieved, and the first equalization (decompression) step in the adsorption tower 11A. However, the first pressure equalization (pressure increase) process is performed in the adsorption tower 11B, and the desorption cleaning process is performed in the adsorption tower 11C.

先のステップ2において、吸着塔11Aでは吸着工程が行われ、吸着塔11Bでは待機状態とされる。このため、ステップ3の開始時には、吸着塔11Aの内部圧力は吸着圧力と同程度の高い圧力である一方、吸着塔11Bの内部圧力は吸着塔11Aの内部圧力よりも低い圧力(第2圧力)となっている。したがって、ステップ3では、吸着塔11Aのガス通過口11a,11b両側からガスG3(第1ガス)が導出され、当該ガスG3は、ライン14,17を介して吸着塔11Bに導入される。これにより、吸着塔11Bの内部が昇圧する一方、吸着塔11Aの内部が降圧し、ステップ3の終了時には、両吸着塔11A,11Bの内部圧力は、いずれも第1圧力となる(図5参照)。これとともに、ステップ3では、先のステップ2において吸着塔11Aから導出されて準精製ガスライン15に残存する準精製ガスG2が洗浄ライン16、流量制御弁16fを介して吸着塔11Cのガス通過口11b側に洗浄ガスとして導入される。吸着塔11Cでは、ステップ2から引き続き吸着剤から不純物が脱着しており、通過口11bから導入される洗浄ガスと入れ替わるようにしてガス通過口11a側からガスG5がオフガスとして導出される。このガスG5は、オフガスライン13およびサイレンサ13dを介して装置外に排出される。 In the previous step 2, the adsorption step is performed in the adsorption tower 11A, and the adsorption tower 11B is set in a standby state. For this reason, at the start of step 3, the internal pressure of the adsorption tower 11A is as high as the adsorption pressure, while the internal pressure of the adsorption tower 11B is lower than the internal pressure of the adsorption tower 11A (second pressure). It has become. Accordingly, in step 3, the gas G 3 (first gas) is led out from both sides of the gas passage ports 11a and 11b of the adsorption tower 11A, and the gas G 3 is introduced into the adsorption tower 11B through the lines 14 and 17. . As a result, the inside of the adsorption tower 11B is increased in pressure, while the inside of the adsorption tower 11A is reduced in pressure, and at the end of step 3, the internal pressures of both the adsorption towers 11A and 11B both become the first pressure (see FIG. 5). ). At the same time, in step 3, the semi-purified gas G 2 derived from the adsorption tower 11A in the previous step 2 and remaining in the semi-purified gas line 15 passes through the cleaning line 16 and the flow control valve 16f through the gas in the adsorption tower 11C. It is introduced as a cleaning gas into the mouth 11b side. In the adsorption tower 11C, and continues to desorb impurities from the adsorbent from step 2, gas G 5 is derived as off-gas as replaced with the cleaning gas introduced from the passage opening 11b from the gas passage openings 11a side. The gas G 5 is discharged out of the apparatus via the offgas line 13 and silencer 13d.

ステップ1〜3において、ステップ1〜2の吸着工程にある吸着塔11Aの内部の最高圧力(吸着圧力)は、例えば700〜800kPaGである。ステップ1の第2均圧工程の終了時点における吸着塔11B,11Cの内部の圧力(第2圧力)は、例えば200〜250kPaGである。ステップ2の待機状態にある吸着塔11Bの内部の圧力は、例えば200〜250kPaGである。ステップ3の第1均圧工程の終了時点における吸着塔11A,11Bの内部の圧力(第1圧力)は、例えば400〜450kPaGである。ステップ2〜3にわたる脱着洗浄工程にある吸着塔11Cの内部の最低圧力(脱着圧力)は、例えば0〜30kPaGである。   In Steps 1 to 3, the maximum pressure (adsorption pressure) inside the adsorption tower 11A in the adsorption process of Steps 1 and 2 is, for example, 700 to 800 kPaG. The pressure (second pressure) inside the adsorption towers 11B and 11C at the end of the second pressure equalizing step in Step 1 is, for example, 200 to 250 kPaG. The pressure inside the adsorption tower 11B in the standby state in Step 2 is, for example, 200 to 250 kPaG. The pressure (first pressure) inside the adsorption towers 11 </ b> A and 11 </ b> B at the end of the first pressure equalization process in Step 3 is, for example, 400 to 450 kPaG. The minimum pressure (desorption pressure) inside the adsorption tower 11C in the desorption cleaning process over steps 2 to 3 is, for example, 0 to 30 kPaG.

ステップ4〜6では、ステップ1〜3で吸着塔11Aにおいて行われたのと同様に、吸着塔11Bにおいて、図4(d)〜(f)に示すように吸着工程(ステップ4,5)、第1均圧(減圧)工程(ステップ6)が行われる。これとともに、ステップ4〜6では、ステップ1〜3で吸着塔11Bにおいて行われたのと同様に、吸着塔11Cにおいて、図4(d)〜(f)に示すように第2均圧(昇圧)工程、待機、第1均圧(昇圧)工程が行われる。これとともに、ステップ4〜6では、ステップ1〜3で吸着塔11Cにおいて行われたのと同様に、吸着塔11Aにおいて、図4(d)〜(f)に示すように第2均圧(減圧)工程(ステップ4)、脱着洗浄工程(ステップ5,6)が行われる。   In steps 4 to 6, as in the adsorption tower 11A in steps 1 to 3, in the adsorption tower 11B, as shown in FIGS. 4 (d) to (f), the adsorption process (steps 4 and 5), A first pressure equalization (decompression) step (step 6) is performed. At the same time, in steps 4 to 6, the second equalization (pressure increase) is performed in the adsorption tower 11C as shown in FIGS. 4 (d) to (f) in the same manner as in the adsorption tower 11B in steps 1 to 3. ) Step, standby, and first pressure equalization (pressure increase) step are performed. At the same time, in steps 4 to 6, the second equalization (decompression) is performed in the adsorption tower 11A as shown in FIGS. ) Process (step 4) and desorption cleaning process (steps 5 and 6).

ステップ7〜9では、ステップ1〜3で吸着塔11Aにおいて行われたのと同様に、吸着塔11Cにおいて、図4(g)〜(i)に示すように吸着工程(ステップ7,8)、第1均圧(減圧)工程(ステップ9)が行われる。これとともに、ステップ7〜9では、ステップ1〜3で吸着塔11Bにおいて行われたのと同様に、吸着塔11Aにおいて、図4(g)〜(i)に示すように第2均圧(昇圧)工程、待機、第1均圧(昇圧)工程が行われる。これとともに、ステップ7〜9では、ステップ1〜3で吸着塔11Cにおいて行われたのと同様に、吸着塔11Bにおいて、図4(g)〜(i)に示すように第2均圧(減圧)工程(ステップ7)、脱着洗浄工程(ステップ8,9)が行われる。   In Steps 7 to 9, in the same manner as in the adsorption tower 11A in Steps 1 to 3, the adsorption process (Steps 7 and 8) in the adsorption tower 11C as shown in FIGS. A first pressure equalization (decompression) step (step 9) is performed. At the same time, in Steps 7 to 9, in the same manner as that performed in the adsorption tower 11B in Steps 1 to 3, in the adsorption tower 11A, as shown in FIGS. ) Step, standby, and first pressure equalization (pressure increase) step are performed. At the same time, in steps 7 to 9, the second equalization (decompression) is performed in the adsorption tower 11B as shown in FIGS. ) Process (step 7) and desorption cleaning process (steps 8 and 9).

以上のようにして、PSAガス分離装置10からは、アルゴンが富化された準精製ガスG2が、TSAガス分離装置20に向けて送出され続ける。 As described above, the semi-purified gas G 2 enriched with argon is continuously sent from the PSA gas separation device 10 toward the TSA gas separation device 20.

次に、TSAガス分離装置20の具体的な構成について説明する。図6に示すように、TSAガス分離装置20は、吸着塔21A,21B(TSA吸着塔)と、ガス流路をなすライン22a〜22eと、熱交換器23Aと、クーラ23Bと、冷媒タンク23Cと、冷媒ポンプ23Dと、ブラインクーラ23Eと、熱媒タンク23Fと、熱媒ポンプ23Gと、冷媒流れ及び熱媒流れに係るライン24a〜24hとを備え、PSAガス分離装置10からの準精製ガスG2から、温度変動吸着法(TSA法)を利用してアルゴンを更に濃縮分離することが可能なように構成されたものである。 Next, a specific configuration of the TSA gas separation device 20 will be described. As shown in FIG. 6, the TSA gas separation apparatus 20 includes adsorption towers 21A and 21B (TSA adsorption towers), lines 22a to 22e forming gas flow paths, a heat exchanger 23A, a cooler 23B, and a refrigerant tank 23C. A refrigerant pump 23D, a brine cooler 23E, a heat medium tank 23F, a heat medium pump 23G, and lines 24a to 24h related to the refrigerant flow and the heat medium flow, and a semi-purified gas from the PSA gas separation device 10 From G 2 , the argon can be further concentrated and separated by using a temperature fluctuation adsorption method (TSA method).

吸着塔21A,21Bのそれぞれは、ガス通過口21a,21b、少なくとも一本の吸着管21c、二枚の管板21d、空間部21e,21fを有する。吸着管21cには、準精製ガスG2に含まれる不純物たる窒素を選択的に吸着するための吸着剤(TSA吸着剤)が充填されている。そのような吸着剤として、例えば、CaX型ゼオライト、Caモルデナイト型ゼオライト、およびLiX型ゼオライトを用いることができる。一種類の吸着剤を吸着管21c内に充填してもよいし、複数種類の吸着剤を吸着管21c内にて積層させて充填してもよい。このような吸着管21cは、塔内において管板21dに支持されており、吸着管21c内部と空間部21eないしガス通過口21a,21bとは連通している。また、空間部21eはガス流路の一部であり、空間部21fは、冷媒や熱媒を受容する部位であり、これら空間部21e,21fは管板21dによって仕切られている。 Each of the adsorption towers 21A and 21B has gas passage ports 21a and 21b, at least one adsorption tube 21c, two tube plates 21d, and space portions 21e and 21f. The suction pipe 21c, the adsorbent for selectively adsorbing the impurity serving nitrogen contained in the semi-purified gas G 2 (TSA adsorbent) is filled. As such an adsorbent, for example, CaX type zeolite, Ca mordenite type zeolite, and LiX type zeolite can be used. One type of adsorbent may be filled in the adsorption tube 21c, or a plurality of types of adsorbents may be stacked and filled in the adsorption tube 21c. Such an adsorption tube 21c is supported by a tube plate 21d in the tower, and the interior of the adsorption tube 21c communicates with the space 21e or the gas passage ports 21a and 21b. The space portion 21e is a part of the gas flow path, the space portion 21f is a portion that receives a refrigerant and a heat medium, and the space portions 21e and 21f are partitioned by a tube plate 21d.

TSAガス分離装置20には、精製ガス取出しライン30およびオフガスライン40が接続されている。精製ガス取出しライン30は、後述する各吸着塔21A,21Bのガス通過口21bから導出される精製ガスG6を回収するためのラインである。オフガスライン40は、後述する各吸着塔21A,21Bのガス通過口21aから導出されるオフガス(ガスG7)を装置外(大気中)に排出するためのものである。 A purified gas take-out line 30 and an off-gas line 40 are connected to the TSA gas separation device 20. The purified gas take-out line 30 is a line for recovering the purified gas G 6 led out from the gas passage ports 21b of the adsorption towers 21A and 21B described later. The off-gas line 40 is for discharging off-gas (gas G 7 ) led out from the gas passage ports 21a of the adsorption towers 21A and 21B described later to the outside of the apparatus (in the atmosphere).

ライン22aは、PSAガス分離装置10からの準精製ガスG2を吸着塔21A,21Bに供給するためのものであり、上述の準精製ガスライン15と、分岐路を介して吸着塔21A,21Bの各ガス通過口21aのそれぞれとを繋いでいる。 Line 22a is, adsorption column 21A quasi purified gas G 2 from the PSA gas separation apparatus 10 is for supplying the 21B, a semi-purified gas line 15 described above, the adsorption tower 21A via a branch passage, 21B The gas passage ports 21a are connected to each other.

ライン22bは、各吸着塔21A,21Bから導出される精製ガスG6の流路であり、精製ガス取出しライン30と、分岐路を介して吸着塔21A,21Bの各ガス通過口21bのそれぞれとを繋いでいる。 Line 22b is a flow path of the purified gas G 6 that each of the adsorption columns 21A, is derived from 21B, the purified gas extraction line 30, respectively the adsorption tower 21A, the gas passage holes 21b and 21B through a branch passage Are connected.

ライン22cは、ライン22b内を通流する精製ガスの一部を吸着塔21A,21Bに供給するためのものであり、ライン22bと、分岐路を介して吸着塔21A,21Bの各ガス通過口21bのそれぞれとを繋いでいる。   The line 22c is for supplying a part of the purified gas flowing through the line 22b to the adsorption towers 21A and 21B, and the gas passage ports of the adsorption towers 21A and 21B via the line 22b and the branch paths. 21b is connected to each other.

ライン22dは、各吸着塔21A,21Bから導出されるガスG7を装置外に排出するためのものであり、オフガスライン40と、分岐路を介して吸着塔21A,21Bの各ガス通過口21aのそれぞれとを繋いでいる。 Line 22d, each adsorption tower 21A, which is for discharging the gas G 7 derived from 21B to the outside of the apparatus, the offgas line 40, the adsorption tower 21A via a branch passage, the gas passage holes 21a of the 21B Are connected to each other.

ライン22eは、吸着塔21A,21Bを互いに接続するためのものであり、分岐路を介して吸着塔21Aのガス通過口21bと吸着塔21Bのガス通過口21bとを繋いでいる。   The line 22e is for connecting the adsorption towers 21A and 21B to each other, and connects the gas passage 21b of the adsorption tower 21A and the gas passage 21b of the adsorption tower 21B via a branch path.

熱交換器23Aは、PSAガス分離装置10の吸着塔11A,11B,11Cから導出され、準精製ガスライン15を介して供給された準精製ガスG2を冷却するためのものである。クーラ23Bは、熱交換器23Aを経た準精製ガスG2を冷却するためのものである。冷媒タンク23Cは、液状の冷媒M1を保持するためのものである。冷媒M1としては、例えば、エタノール水溶液、メタノール水溶液、塩化カルシウム水溶液、塩化メチレン、またはエチレングリコールを使用することができる。冷媒ポンプ23Dは、冷媒タンク23C内の冷媒M1をブラインクーラ23E側ないし吸着塔21A,21B側に送流するためのものである。ブラインクーラ23Eは、冷媒M1が吸着塔21A,21Bに至る前に当該冷媒M1を所定温度まで冷却するための、冷凍機付き冷媒冷却器である。熱媒タンク23Fは、液状の熱媒M2を保持し且つ熱媒M2を加熱するためのものである。熱媒タンク23Fには所定の加熱手段(図示略)が設けられている。熱媒M2としては、例えば、エタノール水溶液、メタノール水溶液、塩化カルシウム水溶液、塩化メチレン、またはエチレングリコールを使用することができる。本実施形態では、冷媒M1および熱媒M2は同種の液体である。熱媒ポンプ23Gは、熱媒タンク23F内の熱媒M2を吸着塔21A,21B側に送流するためのものである。 The heat exchanger 23A is for cooling the semi-purified gas G 2 derived from the adsorption towers 11A, 11B, and 11C of the PSA gas separation device 10 and supplied via the semi-purified gas line 15. The cooler 23B is for cooling the semi-purified gas G 2 that has passed through the heat exchanger 23A. The refrigerant tank 23C is for holding the liquid refrigerant M1. As the refrigerant M1, for example, an ethanol aqueous solution, a methanol aqueous solution, a calcium chloride aqueous solution, methylene chloride, or ethylene glycol can be used. The refrigerant pump 23D is for sending the refrigerant M1 in the refrigerant tank 23C to the brine cooler 23E side or the adsorption towers 21A and 21B side. The brine cooler 23E is a refrigerant cooler with a refrigerator for cooling the refrigerant M1 to a predetermined temperature before the refrigerant M1 reaches the adsorption towers 21A and 21B. The heat medium tank 23F is for holding the liquid heat medium M2 and heating the heat medium M2. The heating medium tank 23F is provided with predetermined heating means (not shown). As the heat medium M2, for example, an ethanol aqueous solution, a methanol aqueous solution, a calcium chloride aqueous solution, methylene chloride, or ethylene glycol can be used. In the present embodiment, the refrigerant M1 and the heat medium M2 are the same kind of liquid. The heat medium pump 23G is for sending the heat medium M2 in the heat medium tank 23F to the adsorption towers 21A and 21B side.

ライン24a,24bは、吸着塔21A,21Bへの冷媒供給用ラインであり、冷媒タンク23C、冷媒ポンプ23D、ブラインクーラ23Eを直列に連結し、且つ、吸着塔21A,21Bの空間部21fの下端側と連通可能に設けられている。   Lines 24a and 24b are lines for supplying refrigerant to the adsorption towers 21A and 21B. The refrigerant tanks 23C, the refrigerant pump 23D, and the brine cooler 23E are connected in series, and the lower ends of the space portions 21f of the adsorption towers 21A and 21B. It is provided so that it can communicate with the side.

ライン24c,24dは、吸着塔21A,21Bからの冷媒回収用ラインであり、吸着塔21A,21Bの空間部21fの上端側と連通可能であり且つ空間部21fの下端側と連通可能に、設けられている。また、ライン24c,24dは、冷媒タンク23Cに接続されている。   Lines 24c and 24d are lines for collecting the refrigerant from the adsorption towers 21A and 21B, and are provided so as to communicate with the upper end side of the space portion 21f of the adsorption towers 21A and 21B and to communicate with the lower end side of the space portion 21f. It has been. The lines 24c and 24d are connected to the refrigerant tank 23C.

ライン24e,24fは、吸着塔21A,21Bへの熱媒供給用ラインであり、熱媒タンク23Fおよび熱媒ポンプ23Gを直列に連結し、且つ、吸着塔21A,21Bの空間部21fの下端側と連通可能に設けられている。   Lines 24e and 24f are lines for supplying a heat medium to the adsorption towers 21A and 21B. The heat medium tank 23F and the heat medium pump 23G are connected in series, and the lower end side of the space portion 21f of the adsorption towers 21A and 21B. It can be communicated with.

ライン24g,24hは、吸着塔21A,21Bからの熱媒回収用ラインであり、吸着塔21A,21Bの空間部21fの上端側と連通可能であり且つ空間部21fの下端側と連通可能に、設けられている。また、ライン24g,24hは、熱媒タンク23Fに接続されている。   Lines 24g and 24h are lines for recovering the heat medium from the adsorption towers 21A and 21B, can communicate with the upper end side of the space part 21f of the adsorption towers 21A and 21B, and can communicate with the lower end side of the space part 21f. Is provided. The lines 24g and 24h are connected to the heat medium tank 23F.

ライン22a〜22e,24a〜24hには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な複数の自動弁25a〜25j,26a〜26hが設けられており、各自動弁25a〜25j,26a〜26hの開閉状態を適宜切り替えることにより、各吸着塔21A,21B内での流体の流れ方向や圧力が調整される。各吸着塔21A,21Bにおいては、自動弁25a〜25j,26a〜26hの切り替え状態に応じて、吸着工程(TSA吸着工程)、および再生工程を含むサイクルが繰り返される。吸着工程では、吸着管21c内が所定の高圧・低温状態にある吸着塔に準精製ガスG2を供給することにより当該準精製ガスG2中の不純物窒素を吸着管21c内の吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から、上記準精製ガスG2よりもアルゴンが富化された精製ガスG6を導出させる。再生工程では、吸着工程を終えた吸着塔内の圧力を低下させる減圧工程、吸着塔内の温度を上昇させる昇温操作を行い、吸着剤からの不純物の脱着、塔外への導出を高温・低圧下で行う加熱脱着工程、および吸着管21c内を降温させる冷却操作と吸着工程への準備として吸着管21c内の圧力を上昇させる昇圧操作とを同時に行う冷却昇圧工程が順次行われる。なお、吸着工程を行っている吸着塔においては、吸着管21c内の最高圧力(吸着圧力)は例えば0.4〜1MPaGとされ、吸着管21c内の吸着剤の最低温度(吸着温度)は例えば−50〜−10℃とされる。加熱脱着工程を行っている吸着塔においては、吸着管21c内の最低圧力(脱着圧力)は例えば大気圧程度とされ、吸着管21c内の吸着剤の最高温度(脱着温度)は例えば30〜50℃とされる。 The lines 22a to 22e and 24a to 24h are provided with a plurality of automatic valves 25a to 25j and 26a to 26h that can be switched between an open state and a closed state, and each of the automatic valves 25a to 25j and 26a. The flow direction and pressure of the fluid in the adsorption towers 21A and 21B are adjusted by appropriately switching the open / closed state of ˜26h. In each of the adsorption towers 21A and 21B, a cycle including an adsorption process (TSA adsorption process) and a regeneration process is repeated according to the switching state of the automatic valves 25a to 25j and 26a to 26h. In the adsorption step, the semi-purified gas G 2 is supplied to an adsorption tower in which the inside of the adsorption tube 21c is in a predetermined high pressure / low temperature state, thereby adsorbing impurity nitrogen in the semi-purified gas G 2 to the adsorbent in the adsorption tube 21c. Then, the purified gas G 6 enriched with argon rather than the semi-purified gas G 2 is derived from the adsorption tower. In the regeneration process, a decompression process that lowers the pressure in the adsorption tower after the adsorption process is performed, and a temperature raising operation that raises the temperature in the adsorption tower is performed to desorb impurities from the adsorbent and lead out of the tower A heat desorption process performed under a low pressure and a cooling pressure increasing process for simultaneously performing a cooling operation for lowering the temperature in the adsorption pipe 21c and a pressure increasing operation for increasing the pressure in the adsorption pipe 21c in preparation for the adsorption process are sequentially performed. In the adsorption tower performing the adsorption step, the maximum pressure (adsorption pressure) in the adsorption tube 21c is, for example, 0.4 to 1 MPaG, and the minimum temperature (adsorption temperature) of the adsorbent in the adsorption tube 21c is, for example, -50 to -10 ° C. In the adsorption tower performing the heat desorption step, the minimum pressure (desorption pressure) in the adsorption tube 21c is, for example, about atmospheric pressure, and the maximum temperature (desorption temperature) of the adsorbent in the adsorption tube 21c is, for example, 30 to 50. ℃.

本発明の実施形態においては、以上のように構成されたTSAガス分離装置20を用いて準精製ガスG2から精製ガスG6が分離される。各吸着塔21A,21Bでは図7に示すようなタイミング(ステップ)で各工程が行われ、ステップ1〜6を1サイクルとして、このようなサイクルが繰り返し行われる。なお、図7には、各ステップにおける各自動弁25a〜25j,26a〜26hの開閉状態を同時に示した。図7では、各自動弁の開状態を○で表し且つ閉状態を×で表す。 In the embodiment of the present invention, the purified gas G 6 is separated from the semi-purified gas G 2 using the TSA gas separation device 20 configured as described above. In each adsorption tower 21A, 21B, each process is performed at the timing (step) as shown in FIG. 7, and such a cycle is repeatedly performed by setting steps 1 to 6 as one cycle. FIG. 7 shows the open / closed states of the automatic valves 25a to 25j and 26a to 26h in each step at the same time. In FIG. 7, the open state of each automatic valve is represented by ◯ and the closed state is represented by ×.

ステップ1では、図7に示したように各自動弁の開閉状態が選択され、吸着塔21Aでは吸着工程が行われ、吸着塔21Bでは減圧工程(塔内の減圧、昇温)が行われている。   In step 1, the open / close state of each automatic valve is selected as shown in FIG. 7, the adsorption step is performed in the adsorption tower 21A, and the decompression step (decompression and temperature rise in the tower) is performed in the adsorption tower 21B. Yes.

より具体的には、ステップ1では、冷媒M1が、冷媒タンク23Cからライン24aを介して吸着塔21Aの空間部21fの下端側に供給される。この冷媒M1は、冷媒タンク23Cから冷媒ポンプ23Dによってポンプアップされてブラインクーラ23Eを通過して冷却されたものである。ブラインクーラ23Eによる冷媒M1の冷却温度は例えば−50〜−40℃である。これとともに、吸着塔21Aの空間部21fの上端側からライン24cを介して冷媒タンク23Cに冷媒M1が回収される。この冷媒M1は、冷媒タンク23Cに回収される前にクーラ23Bを通過し、準精製ガスG2を冷却するのに利用される。冷媒M1と準精製ガスG2の比熱の差が大きいので、クーラ23Bでは効率よく準精製ガスG2を冷却することができる。冷媒M1は、吸着塔21Aの空間部21fとブラインクーラ23Eとの間を巡回し、これにより、吸着塔21Aの吸着管21c内の吸着剤は冷却され続けて低温の吸着温度に維持される。吸着温度は低くとも−50℃とする。本実施形態では、吸着温度は例えば−35℃である。これとともに、吸着塔21Aのガス通過口21a側にライン22aを介して準精製ガスG2が導入されて、当該ガスG2中の不純物窒素を吸着塔21Aの吸着管21c内の吸着剤に吸着させ、且つ、準精製ガスG2よりもアルゴンが富化された精製ガスG6が吸着塔21Aのガス通過口21b側から導出される。精製ガスG6は、ライン22b、精製ガス取出しライン30を介して装置外へ取り出される。この精製ガスG6は、装置外に取り出される前に熱交換器23Aを通過し、準精製ガスG2を冷却するのに利用される。換言すると、精製ガスG6は、熱交換器23Aを通過する際に、相対的に高温な準精製ガスG2によって加熱される。吸着工程にある吸着塔21Aの吸着管21cの内部圧力は、0.01〜1MPaGの範囲である。 More specifically, in Step 1, the refrigerant M1 is supplied from the refrigerant tank 23C to the lower end side of the space portion 21f of the adsorption tower 21A via the line 24a. The refrigerant M1 is pumped up from the refrigerant tank 23C by the refrigerant pump 23D and cooled by passing through the brine cooler 23E. The cooling temperature of the refrigerant M1 by the brine cooler 23E is, for example, −50 to −40 ° C. At the same time, the refrigerant M1 is collected in the refrigerant tank 23C from the upper end side of the space portion 21f of the adsorption tower 21A via the line 24c. The refrigerant M1 passes through the cooler 23B before being collected in the refrigerant tank 23C, it is used to cool the semi-purified gas G 2. The difference in the specific heat of the refrigerant M1 and quasi purified gas G 2 is large, it is possible to cool the at cooler 23B efficiently quasi purified gas G 2. The refrigerant M1 circulates between the space portion 21f of the adsorption tower 21A and the brine cooler 23E, whereby the adsorbent in the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21A is continuously cooled and maintained at a low adsorption temperature. The adsorption temperature is at least −50 ° C. In this embodiment, the adsorption temperature is −35 ° C., for example. At the same time, the semi-purified gas G 2 is introduced to the gas passage 21a side of the adsorption tower 21A via the line 22a, and the impurity nitrogen in the gas G 2 is adsorbed to the adsorbent in the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21A. The purified gas G 6 enriched with argon than the semi-purified gas G 2 is led out from the gas passage port 21b side of the adsorption tower 21A. The purified gas G 6 is taken out of the apparatus through the line 22b and the purified gas take-out line 30. This purified gas G 6 passes through the heat exchanger 23A before being taken out of the apparatus, and is used to cool the semi-purified gas G 2 . In other words, the purified gas G 6 is heated by the relatively high temperature semi-purified gas G 2 when passing through the heat exchanger 23A. The internal pressure of the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21A in the adsorption process is in the range of 0.01 to 1 MPaG.

これとともに、熱媒M2が、熱媒ポンプ23Gによってポンプアップされて熱媒タンク23Fからライン24fを介して吸着塔21Bの空間部21fの下端側に供給される。熱媒タンク23F内では、熱媒M2は例えば45〜50℃に加熱されている。これとともに、吸着塔21Bの空間部21fの上端側からライン24hを介して熱媒タンク23Fに熱媒M2が回収される。熱媒M2は、吸着塔21Bの空間部21fと熱媒タンク23Fとの間を巡回し、これにより、吸着塔21Bの吸着管21c内の吸着剤は加熱されて昇温する。また、吸着塔21Bでは、先に吸着工程を行っていたことから、ステップ1の開始時に吸着管21cの内部は大気圧よりも高圧下にある(図7に示されるステップ6参照)。そして、吸着塔21Bの吸着管21c内のガスがガス通過口21a側から導出され、ライン22dを介してオフガスライン40に送り出される。これにより、吸着塔21Bの吸着管21cの内部は、所定の圧力まで減圧される。   At the same time, the heat medium M2 is pumped up by the heat medium pump 23G and supplied from the heat medium tank 23F to the lower end side of the space portion 21f of the adsorption tower 21B through the line 24f. In the heat medium tank 23F, the heat medium M2 is heated to 45 to 50 ° C., for example. At the same time, the heat medium M2 is recovered from the upper end side of the space 21f of the adsorption tower 21B to the heat medium tank 23F via the line 24h. The heat medium M2 circulates between the space portion 21f of the adsorption tower 21B and the heat medium tank 23F, whereby the adsorbent in the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21B is heated to raise the temperature. Further, since the adsorption tower 21B has previously performed the adsorption process, the interior of the adsorption tube 21c is at a pressure higher than the atmospheric pressure at the start of step 1 (see step 6 shown in FIG. 7). And the gas in the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21B is led out from the gas passage 21a side, and sent out to the off gas line 40 through the line 22d. Thereby, the inside of the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21B is depressurized to a predetermined pressure.

ステップ2では、図7に示したように各自動弁の開閉状態が選択され、吸着塔21Aでは吸着工程が行われ、吸着塔21Bでは加熱脱着工程が行われている。   In step 2, as shown in FIG. 7, the open / close state of each automatic valve is selected, the adsorption process is performed in the adsorption tower 21A, and the heat desorption process is performed in the adsorption tower 21B.

より具体的には、ステップ2では、吸着塔21Aにおいて、ステップ1から引き続き吸着工程が行われ、精製ガスG6が導出される。精製ガスG6は、熱交換器23Aを通過する際に、相対的に高温な準精製ガスG2によって加熱される。そして、加熱されたこの精製ガスG6は、一部がライン22b、精製ガス取出しライン30を介して装置外へ回収され、残りがパージガスとしてライン22cを介して吸着塔21Bに供給される。 More specifically, in step 2, the adsorption tower 21A, subsequently adsorption step is carried out from step 1, the purified gas G 6 is derived. The purified gas G 6 is heated by the relatively high temperature semi-purified gas G 2 when passing through the heat exchanger 23A. A part of the heated purified gas G 6 is recovered outside the apparatus via the line 22b and the purified gas take-out line 30, and the remainder is supplied as purge gas to the adsorption tower 21B via the line 22c.

これとともに、熱媒M2が、吸着塔21Bの空間部21fと熱媒タンク23Fとの間を巡回し、これにより、吸着塔21Bの吸着管21c内の吸着剤は加熱され続けて例えば40℃に至るまで昇温される。加熱脱着工程における吸着剤の最高温度は高くとも50℃とする。吸着塔21Bでは、先に減圧工程を終えて、吸着管21cの内部は高温・低圧下にあることから、吸着剤から不純物窒素が脱着する。また、これとともに、吸着塔21Bのガス通過口21b側に、吸着塔21Aから導出された精製ガスG6の一部がライン22cを介して導入されつつ、吸着塔21Bのガス通過口21a側から吸着管21c内のガスが導出される。これにより、吸着管21cの内部を洗浄することができる。さらに、吸着塔21Bに導入される精製ガスG6は熱交換器23Aで加熱されているため、吸着管21c内の吸着剤の昇温(加熱)に寄与する。吸着塔21Bのガス通過口21a側から導出されたガスG7は、ライン22dを介してオフガスライン40に送り出される。また、加熱脱着工程にある吸着塔21Bの吸着管21cの内部圧力は、吸着工程における吸着管21cの内部圧力より低い限りにおいて、大気圧から0.1MPaGの範囲である。 At the same time, the heat medium M2 circulates between the space portion 21f of the adsorption tower 21B and the heat medium tank 23F, whereby the adsorbent in the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21B continues to be heated to, for example, 40 ° C. The temperature is raised until The maximum temperature of the adsorbent in the heat desorption process is at most 50 ° C. In the adsorption tower 21B, the depressurization step is completed first, and the inside of the adsorption tube 21c is under high temperature and low pressure, so that impurity nitrogen is desorbed from the adsorbent. At the same time, a part of the purified gas G 6 derived from the adsorption tower 21A is introduced to the gas passage 21b side of the adsorption tower 21B through the line 22c, and from the gas passage 21a side of the adsorption tower 21B. The gas in the adsorption tube 21c is derived. Thereby, the inside of adsorption pipe 21c can be washed. Further, since the purified gas G 6 introduced into the adsorption tower 21B is heated by the heat exchanger 23A, it contributes to the temperature rise (heating) of the adsorbent in the adsorption pipe 21c. The gas G 7 derived from the gas passage 21a side of the adsorption tower 21B is sent out to the off gas line 40 via the line 22d. Further, the internal pressure of the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21B in the heat desorption process is in the range of atmospheric pressure to 0.1 MPaG as long as it is lower than the internal pressure of the adsorption pipe 21c in the adsorption process.

ステップ3では、図7に示したように各自動弁の開閉状態が選択され、吸着塔21Aでは吸着工程が行われ、吸着塔21Bでは冷却昇圧工程が行われている。   In step 3, as shown in FIG. 7, the open / close state of each automatic valve is selected, the adsorption process is performed in the adsorption tower 21A, and the cooling pressure increasing process is performed in the adsorption tower 21B.

より具体的には、ステップ3では、吸着塔21Aにおいて、ステップ2から引き続き吸着工程が行われ、精製ガスG6が導出される。この精製ガスG6は、一部がライン22b、精製ガス取出しライン30を介して装置外へ回収され、残りがパージガスとしてライン22eを介して吸着塔21Bに供給される。 More specifically, in step 3, the adsorption columns 21A, subsequently adsorption step is carried out from step 2, the purified gas G 6 is derived. A part of the purified gas G 6 is recovered outside the apparatus via the line 22b and the purified gas take-out line 30, and the remainder is supplied as purge gas to the adsorption tower 21B via the line 22e.

これとともに、冷媒M1が、冷媒タンク23Cからライン24bを介して吸着塔21Bの空間部21fの下端側に供給される。この冷媒M1は、冷媒タンク23Cから冷媒ポンプ23Dによってポンプアップされてブラインクーラ23Eを通過して冷却されたものである。これとともに、吸着塔21Bの空間部21fの上端側からライン24dを介して冷媒タンク23Cに冷媒M1が回収される。冷媒M1は、吸着塔21Bの空間部21fとブラインクーラ23Eとの間を巡回し、これにより、吸着塔21Bの吸着管21c内の吸着剤は冷却され続けて例えば−35℃(吸着温度)に至るまで降温される。これとともに、吸着塔21Bのガス通過口21b側に、吸着塔21Aから導出された精製ガスG6の一部がライン22eを介して導入される。これにより、吸着塔21Bの吸着管21c内部を昇圧することができる。さらに、吸着塔21Bへと導入される精製ガスG6は、吸着工程を経て低温であり且つ加熱されていないため、吸着塔21Bの吸着管21c内の吸着剤の冷却に寄与する。 At the same time, the refrigerant M1 is supplied from the refrigerant tank 23C to the lower end side of the space portion 21f of the adsorption tower 21B through the line 24b. The refrigerant M1 is pumped up from the refrigerant tank 23C by the refrigerant pump 23D and cooled by passing through the brine cooler 23E. At the same time, the refrigerant M1 is recovered from the upper end side of the space 21f of the adsorption tower 21B to the refrigerant tank 23C via the line 24d. The refrigerant M1 circulates between the space portion 21f of the adsorption tower 21B and the brine cooler 23E, whereby the adsorbent in the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21B continues to be cooled to, for example, -35 ° C. (adsorption temperature). The temperature is lowered. At the same time, a part of the purified gas G 6 led out from the adsorption tower 21A is introduced to the gas passage 21b side of the adsorption tower 21B through the line 22e. Thereby, the pressure inside the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21B can be increased. Further, since the purified gas G 6 introduced into the adsorption tower 21B is low in temperature and not heated through the adsorption process, it contributes to cooling of the adsorbent in the adsorption pipe 21c of the adsorption tower 21B.

ステップ4〜6では、ステップ1〜3で吸着塔21Aにおいて行われたのと同様に、吸着塔21Bにおいて吸着工程が行われる。これとともに、ステップ4〜6では、ステップ1〜3で吸着塔21Bにおいて行われたのと同様に、吸着塔21Aにおいて、減圧工程(ステップ4)、加熱脱着工程(ステップ5)、冷却昇圧工程(ステップ6)が行われる。   In steps 4 to 6, the adsorption step is performed in the adsorption tower 21B in the same manner as in the adsorption tower 21A in steps 1 to 3. At the same time, in steps 4 to 6, as in the adsorption tower 21B in steps 1 to 3, in the adsorption tower 21A, the depressurization step (step 4), the heat desorption step (step 5), and the cooling pressure increase step ( Step 6) is performed.

以上のようにして、TSAガス分離装置20では、吸着塔21A,21BのいずれかでTSA吸着工程が常時的に行われ、アルゴン精製装置Xから、高純度の精製ガスG6が回収され続ける。この精製ガスG6において、窒素は1モルppm未満の濃度にまで除去されている。 As described above, in the TSA gas separation device 20, the adsorption tower 21A, TSA adsorption step in one of 21B is always effected from the argon purification apparatus X, the purified gas G 6 of a high purity is continuously recovered. In this purified gas G 6 , nitrogen has been removed to a concentration of less than 1 mol ppm.

本実施形態のアルゴン精製方法では、前処理、PSA法およびTSA法を実行し、これによってアルゴンの高純度化を図るところ、高純度化されるアルゴン(精製ガスG6)を得るためのエネルギーを低減しつつ、高い回収率を達成しやすい。 In the argon purification method of the present embodiment, pretreatment, PSA method, and TSA method are executed to increase the purity of argon. As a result, energy for obtaining highly purified argon (purified gas G 6 ) is obtained. It is easy to achieve a high recovery rate while reducing.

本方法の前処理においては、原料ガスG0中の一酸化炭素および水素がすべて酸素と反応しうるように必要に応じて原料ガスG0中の酸素モル濃度が調節されたうえで、反応器3にてルテニウム触媒を用いて原料ガスの転化反応(上述の反応式(1)、(2)で表す)が行われる。ルテニウム触媒は、一酸化炭素や水素を反応させる能力が他の白金系触媒などよりも優れており、原料ガスG0中に不純物として含まれる一酸化炭素および水素を完全に他の化合物に変成することができる。また、ルテニウム触媒によれば、反応温度が他の触媒と比べて低温でよく、このことは、加熱器2における原料ガスG0の加熱ためのエネルギーの低減に資する。 In the pretreatment of this method, the oxygen molar concentration in the raw material gas G 0 is adjusted as necessary so that all the carbon monoxide and hydrogen in the raw material gas G 0 can react with oxygen, and then the reactor In step 3, a raw material gas conversion reaction (represented by the above reaction formulas (1) and (2)) is performed using a ruthenium catalyst. The ruthenium catalyst has an ability to react with carbon monoxide and hydrogen over other platinum-based catalysts and the like, and completely converts carbon monoxide and hydrogen contained as impurities in the raw material gas G 0 into other compounds. be able to. In addition, according to the ruthenium catalyst, the reaction temperature may be lower than that of other catalysts, which contributes to a reduction in energy for heating the raw material gas G 0 in the heater 2.

本方法のPSA法においては、例えば吸着工程を終えた吸着塔11A(11B,11C)内のガスはアルゴン濃度が比較的に高い(準精製ガスG2と同程度)ところ、このようなアルゴン濃度の高いガスを、均圧工程において、脱着洗浄工程を経た他の吸着塔11B,11Cに導入することにより、吸着工程に備えるべく当該他の吸着塔11B,11Cの昇圧に供する。そのため、当該他の吸着塔11B,11Cに導入される上記アルゴン濃度の高いガスは、装置外に排出されずに後の吸着工程にて準精製ガスG2として取り出され、次のTSAガス分離工程に付される。したがって、本方法は、高純度アルゴンを高回収率で得るのに適している。 In the PSA method of the present method, for example, the gas in the adsorption tower 11A (11B, 11C) that has finished the adsorption step has a relatively high argon concentration (similar to the semi-purified gas G 2 ). In the pressure equalization step, a high gas is introduced into the other adsorption towers 11B and 11C that have undergone the desorption and washing step, so that the other adsorption towers 11B and 11C are boosted in preparation for the adsorption step. Therefore, the other adsorption columns 11B, high above the argon concentration is introduced into the 11C gas is taken out as a quasi purified gas G 2 at the adsorption step after without being discharged out of the apparatus, following TSA gas separation process It is attached to. Therefore, this method is suitable for obtaining high purity argon with a high recovery rate.

また、本方法のPSA法において、均圧工程は、第1均圧工程と、第2均圧工程とを有する。例えば上記したステップ3,4(図3〜図5)を参照するとよく理解できるように、第1均圧工程では、吸着工程を経た吸着塔11Aにおいて均圧工程の開始から途中までアルゴン濃度の高いガスG3(第1ガス)を導出しつつ、当該第1ガスを吸着塔11Bに導入し、吸着塔11A,11Bの内部圧力を吸着圧力よりも低い第1圧力とする。第2均圧工程では、第1均圧(減圧)工程を終えた吸着塔11Aにおいてアルゴン濃度の高いガスG4(第2ガス)を導出しつつ、当該第2ガスを、脱着洗浄工程を終えた吸着塔11Cに導入し、吸着塔11B,11Cの内部圧力を、上記の第1圧力よりも低い第2圧力とする。これら第1均圧工程および第2均圧工程は、圧力差が比較的に少ない2つの吸着塔の間で行われ、第1均圧工程が行われる2つの吸着塔の組み合わせと、第2均圧工程が行われる2つの吸着塔の組み合わせとは異なる。このような第1均圧工程および第2均圧工程は、3塔以上の吸着塔を用いて行われるPSA法において、吸着塔間の圧力差に応じて生じるガス流れを工夫することにより実現可能であり、均圧工程において昇圧する吸着塔については、異なる他の2つの吸着塔から2段階でアルゴン濃度の高いガスG4,G3(第2ガスおよび第1ガス)が順次導入され、吸着圧力に比較的近い第1圧力まで昇圧される。その結果、アルゴン濃度の高いより多くのガスG4,G3(第2ガスおよび第1ガス)を、装置外に排出せずに準精製ガスG2として取り出すことができるので、アルゴンの回収率をより高めるうえで適している。 Further, in the PSA method of the present method, the pressure equalizing step includes a first pressure equalizing step and a second pressure equalizing step. For example, as can be understood with reference to steps 3 and 4 (FIGS. 3 to 5) described above, in the first pressure equalization process, the concentration of argon is high from the start of the pressure equalization process to the middle in the adsorption tower 11A that has undergone the adsorption process. While deriving the gas G 3 (first gas), the first gas is introduced into the adsorption tower 11B, and the internal pressure of the adsorption towers 11A and 11B is set to a first pressure lower than the adsorption pressure. In the second pressure equalizing step, the gas G 4 (second gas) having a high argon concentration is led out in the adsorption tower 11A after the first pressure equalizing (depressurizing) step, and the second gas is removed from the desorption cleaning step. Then, the internal pressure of the adsorption towers 11B and 11C is set to a second pressure lower than the first pressure. The first pressure equalizing step and the second pressure equalizing step are performed between two adsorption towers having a relatively small pressure difference, and the combination of the two adsorption towers in which the first pressure equalizing step is performed, It is different from the combination of two adsorption towers in which the pressure step is performed. Such a first pressure equalization step and a second pressure equalization step can be realized by devising a gas flow generated according to a pressure difference between the adsorption towers in the PSA method performed using three or more adsorption towers. As for the adsorption tower for increasing the pressure in the pressure equalization process, gases G 4 and G 3 (second gas and first gas) having a high argon concentration are sequentially introduced from the other two different adsorption towers in two stages and adsorbed. The pressure is increased to a first pressure that is relatively close to the pressure. As a result, more gases G 4 and G 3 (second gas and first gas) having a higher argon concentration can be taken out as semi-purified gas G 2 without being discharged out of the apparatus. Suitable for improving

本方法のPSA法においては、吸着塔11A,11B,11Cに充填される吸着剤(PSA吸着剤)として、カーボンモレキュラーシーブが用いられる。カーボンモレキュラーシーブは酸素の吸着能力に優れるので、PSA法によりガスG1(混合ガス)中の酸素をほぼ完全に除去することができ、後のTSA法において除去すべき不純物としては窒素だけでよい。すなわち、TSA法における吸着温度は、酸素を除去する場合は窒素を除去する場合に比べて極端に低温である必要があることころ、本方法ではTSA法にて除去すべき不純物が窒素だけであるため、TSAガス分離装置2での吸着工程における吸着剤(TSA吸着剤)の吸着温度を比較的に高い温度(−50〜−10℃)とすることができる。これにより、TSA法における不純物除去のための冷却エネルギーを低減することができる。 In the PSA method of this method, a carbon molecular sieve is used as an adsorbent (PSA adsorbent) filled in the adsorption towers 11A, 11B, and 11C. Since the carbon molecular sieve is excellent in oxygen adsorption ability, oxygen in the gas G 1 (mixed gas) can be almost completely removed by the PSA method, and nitrogen is the only impurity to be removed in the subsequent TSA method. . That is, the adsorption temperature in the TSA method needs to be extremely low when removing oxygen compared to removing nitrogen, and in this method, the only impurity to be removed by the TSA method is nitrogen. The adsorption temperature of the adsorbent (TSA adsorbent) in the adsorption step in the TSA gas separation device 2 can be set to a relatively high temperature (-50 to -10 ° C). Thereby, the cooling energy for removing impurities in the TSA method can be reduced.

また、本方法のTSA法においては、TSAガス分離装置20でのTSAサイクル時間を短縮化しやすい。本実施形態では、吸着剤の温度変動を伴うTSA法を実行するうえで、液状の冷媒M1および液状の熱媒M2を用いて吸着剤の温度変動を実現するからである。   Further, in the TSA method of the present method, the TSA cycle time in the TSA gas separation device 20 can be easily shortened. This is because, in the present embodiment, the temperature variation of the adsorbent is realized by using the liquid refrigerant M1 and the liquid heat medium M2 when executing the TSA method accompanied by the temperature variation of the adsorbent.

具体的には、TSA法における加熱脱着工程では、液状の熱媒M2を用いて吸着管21c内の吸着剤を加熱する。吸着剤が充填されている吸着管21cに液状の熱媒M2を接触させて、当該熱媒M2から吸着管21c内の吸着剤へと熱を供給することによって、吸着剤を加熱する。液状の熱媒M2は気体よりも比熱が相当程度に大きいので、TSA法において吸着剤を加熱するための媒体として気体を用いる場合よりも、本実施形態のように液状の熱媒M2を用いて吸着剤を加熱する場合の方が、吸着剤を所望の温度にまで早く昇温させることができる。これにより、短時間で加熱脱着工程を終了させることが可能である。加熱脱着工程時間の短縮化は、TSAサイクル時間の短縮化に資する。   Specifically, in the heat desorption process in the TSA method, the adsorbent in the adsorption pipe 21c is heated using the liquid heat medium M2. The adsorbent is heated by bringing the liquid heat medium M2 into contact with the adsorption tube 21c filled with the adsorbent and supplying heat from the heat medium M2 to the adsorbent in the adsorption tube 21c. Since the specific heat of the liquid heat medium M2 is considerably larger than that of the gas, the liquid heat medium M2 is used as in the present embodiment rather than the case of using the gas as the medium for heating the adsorbent in the TSA method. In the case of heating the adsorbent, the adsorbent can be heated to a desired temperature faster. Thereby, it is possible to complete the heat desorption process in a short time. Shortening the heat desorption process time contributes to shortening the TSA cycle time.

一方、冷却昇圧工程では、液状の冷媒M1を用いて吸着管21c内の吸着剤を冷却する。吸着剤が充填されている吸着管21cに液状の冷媒M1を接触させて、当該冷媒M1によって吸着管20c内の吸着剤から熱を奪うことによって、吸着剤を冷却する。液状の冷媒M1は気体よりも比熱が相当程度に大きいので、TSA法において吸着剤を冷却するための媒体として気体を用いる場合よりも、本実施形態のように液状の冷媒M1を用いて吸着剤を冷却する場合の方が、吸着剤を所望の温度にまで早く降温させることができる。これにより、短時間で冷却昇圧工程を終了させることが可能である。冷却昇圧工程時間の短縮化は、TSAサイクル時間の短縮化に資する。   On the other hand, in the cooling pressurization step, the adsorbent in the adsorption pipe 21c is cooled using the liquid refrigerant M1. The liquid refrigerant M1 is brought into contact with the adsorption pipe 21c filled with the adsorbent, and the adsorbent is cooled by removing heat from the adsorbent in the adsorption pipe 20c by the refrigerant M1. Since the liquid refrigerant M1 has a considerably larger specific heat than the gas, the adsorbent is obtained by using the liquid refrigerant M1 as in this embodiment, rather than using gas as a medium for cooling the adsorbent in the TSA method. In the case of cooling the adsorbent, the temperature of the adsorbent can be lowered to a desired temperature more quickly. Thereby, it is possible to complete the cooling and boosting step in a short time. The shortening of the cooling pressurization process time contributes to the shortening of the TSA cycle time.

本実施形態のアルゴン精製方法において、TSAガス分離装置20での吸着工程における吸着剤の吸着温度は、上述のように−50℃以上である。このような構成は、本方法を簡便に実施し、本方法の実施のための装置に要するコストを抑制する観点から好ましい。低くとも−50℃の吸着温度を実現する程度に冷媒M1を冷却することは、比較的入手が容易な冷却機等によって実現可能だからである。   In the argon purification method of this embodiment, the adsorption temperature of the adsorbent in the adsorption step in the TSA gas separation device 20 is −50 ° C. or higher as described above. Such a configuration is preferable from the viewpoint of simply carrying out the method and suppressing the cost required for the apparatus for carrying out the method. This is because cooling the refrigerant M1 to such an extent that at least an adsorption temperature of −50 ° C. is achieved can be realized by a relatively easily available cooling machine or the like.

次に、本発明に係るアルゴン精製方法の他の例について説明する。本実施形態のアルゴン精製方法は、PSA法における各吸着塔11A,11B,11Cで実行される工程(ステップ1〜9)について、上記実施形態で図3〜図5を参照して上述した方法と比べて一部変更が加えられたものである。   Next, another example of the argon purification method according to the present invention will be described. The argon purification method of the present embodiment is the same as the method described above with reference to FIGS. 3 to 5 in the above embodiment with respect to the steps (steps 1 to 9) executed in the respective adsorption towers 11A, 11B, and 11C in the PSA method. Some changes have been made.

図8は、図2を参照して上述したPSAガス分離装置10を用いて混合ガスからアルゴンが富化された準精製ガスを分離するために各吸着塔で行われる工程の他の例を示す。   FIG. 8 shows another example of steps performed in each adsorption tower to separate the semi-purified gas enriched with argon from the mixed gas using the PSA gas separation apparatus 10 described above with reference to FIG. .

本実施形態のPSA法おいては、図8に示す態様で自動弁12a〜12c,13a〜13c,14a〜14c,15a〜15c,16a〜16c,17a〜17cを切り替えることにより、装置内において所望のガス流れ状態を実現し、例えば以下のステップ1〜9からなる1サイクルを繰り返すことができる。なお、図8では、各自動弁の開状態を○で表し且つ閉状態を×で表す。本実施形態の1サイクルにおいては、吸着塔11A,11B,11Cのそれぞれにて、吸着工程、第1均圧(減圧)工程、第2均圧(減圧)工程、脱着洗浄工程、回収工程、第2均圧(昇圧)工程、待機、および第1均圧(昇圧)工程が行われる。すなわち、上記実施形態の第1均圧工程と並行して行われていた脱着洗浄工程(ステップ3の吸着塔11C、ステップ6の吸着塔11A、およびステップ9の吸着塔11B)に代えて、回収工程を実行する。図9は、図8に示すステップ1〜9におけるPSAガス分離装置10でのガスの流れ状態を模式的に表したものである。図10は、図8に示すステップ1〜9における各吸着塔11A,11B,11Cの内部圧力の変化を表す。   In the PSA method of this embodiment, the automatic valves 12a to 12c, 13a to 13c, 14a to 14c, 15a to 15c, 16a to 16c, and 17a to 17c are switched in the manner shown in FIG. For example, one cycle consisting of the following steps 1 to 9 can be repeated. In FIG. 8, the open state of each automatic valve is represented by ◯ and the closed state is represented by ×. In one cycle of the present embodiment, in each of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C, an adsorption process, a first pressure equalization (decompression) process, a second pressure equalization (decompression) process, a desorption cleaning process, a recovery process, Two pressure equalization (pressure increase) steps, standby, and a first pressure equalization (pressure increase) step are performed. That is, instead of the desorption cleaning process (the adsorption tower 11C in step 3, the adsorption tower 11A in step 6, and the adsorption tower 11B in step 9) performed in parallel with the first pressure equalization process in the above embodiment, the recovery is performed. Execute the process. FIG. 9 schematically shows the gas flow state in the PSA gas separation apparatus 10 in steps 1 to 9 shown in FIG. FIG. 10 shows a change in the internal pressure of each of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C in steps 1 to 9 shown in FIG.

回収工程では、例えばステップ3の吸着塔11Cに着目すると分かるように、吸着塔11Cのガス通過口11a,11bのそれぞれに通じる分岐路12C,13C,14C,15C,16C,17Cに設けられた自動弁12c,13c,14c,15c,16c,17cがすべて閉じていることから、ガスの出入りが遮断されている。また、図9および図10を参照すると理解できるように、先のステップ2では脱着洗浄工程がなされ、回収工程の開始時には吸着塔11Cの内部圧力は低い状態にあるが、回収工程(ステップ3)では、図10に示すように、吸着塔11Cの内部圧力が若干上昇する。回収工程時の内部圧力の上昇は、吸着剤に吸着されていたアルゴンが脱着されたことによると考えられる。アルゴンは不純物ガス成分に比べて吸着容量が小さく、吸着剤に吸着される量(吸着容量)そのものは少ない。その一方、様々な内部圧力状態における種々のガス成分の吸着容量の関係から、アルゴンについては、酸素や二酸化炭素などの他のガス成分に比べて脱着し難く、内部圧力が十分に低い状態にあるときの方が脱着し易い。回収工程時に脱着したガス(主にアルゴン)は、後に行われる吸着工程において準精製ガスG2として取り出される。したがって、PSA法において回収工程を実行する本実施形態は、アルゴンの回収率をより高めるうえで適している。 In the recovery process, for example, as can be seen by paying attention to the adsorption tower 11C in step 3, the automatic provided in the branch paths 12C, 13C, 14C, 15C, 16C, and 17C leading to the gas passage ports 11a and 11b of the adsorption tower 11C, respectively. Since all of the valves 12c, 13c, 14c, 15c, 16c, and 17c are closed, the gas entry and exit is blocked. Further, as can be understood with reference to FIGS. 9 and 10, the desorption cleaning process is performed in the previous step 2, and the internal pressure of the adsorption tower 11C is low at the start of the recovery process, but the recovery process (step 3). Then, as shown in FIG. 10, the internal pressure of the adsorption tower 11C slightly increases. The increase in internal pressure during the recovery process is thought to be due to the desorption of argon adsorbed on the adsorbent. Argon has a smaller adsorption capacity than the impurity gas component, and the amount adsorbed by the adsorbent (adsorption capacity) itself is small. On the other hand, due to the adsorption capacity of various gas components in various internal pressure states, argon is not easily desorbed compared to other gas components such as oxygen and carbon dioxide, and the internal pressure is sufficiently low. Sometimes it is easier to desorb. The gas (mainly argon) desorbed during the recovery process is taken out as semi-purified gas G 2 in the adsorption process performed later. Therefore, the present embodiment in which the recovery step is performed in the PSA method is suitable for further increasing the argon recovery rate.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲は上記した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るアルゴンの精製方法および精製装置の具体的な構成は、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々に変更が可能である。例えば、PSAガス分離装置10やTSAガス分離装置20のガス流路をなすラインの構成については、上記実施形態とは異なる構成を採用してもよい。上記実施形態においてPSAガス分離装置やTSAガス分離装置から装置外へ排出していたガス(上記実施形態におけるガスG5やガスG7)を、装置外に排出せずに、例えば回収用ラインを介して、濃度調節装置に導入される前の原料ガスに合流させてもよい。かかる構成によれば、精製ガスにおけるアルゴン回収率を高めることができる。PSAガス分離装置の吸着塔数については上記実施形態で示した3塔式だけに限定されるものではなく、4塔以上の場合でも同様の効果が期待できる。また、PSAガス分離装置やTSAガス分離装置においてそれぞれ実行される複数工程からなるサイクルについても、上記実施形態とは異なる態様とすることができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, the range of this invention is not limited to above-described embodiment. The specific configuration of the argon purification method and apparatus according to the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the invention. For example, a configuration different from that of the above embodiment may be adopted for the configuration of the lines forming the gas flow paths of the PSA gas separation device 10 and the TSA gas separation device 20. The gas discharged from the PSA gas separator or TSA gas separator in the above embodiment (gas G 5 or gas G 7 in the above embodiment) is not discharged outside the device, for example, a recovery line is provided. Then, the gas may be merged with the raw material gas before being introduced into the concentration adjusting device. According to this configuration, the argon recovery rate in the purified gas can be increased. The number of adsorption towers of the PSA gas separation device is not limited to the three-column type shown in the above embodiment, and the same effect can be expected even when there are four or more towers. Further, a cycle composed of a plurality of steps executed in each of the PSA gas separation device and the TSA gas separation device can also be set to a different aspect from the above embodiment.

〔実施例1〕
本実施例では、図面を参照して上述したアルゴン精製装置Xを用いて原料ガスG0(アルゴンガス)の精製を行った。
[Example 1]
In this example, the source gas G 0 (argon gas) was purified using the argon purification apparatus X described above with reference to the drawings.

原料ガス導入端E1を通じてアルゴン精製装置Xに供給される原料ガスG0は、不純物として酸素を500モルppm、水素を20モルppm、一酸化炭素を1800モルppm、窒素を1000モルppm、二酸化炭素を20モルppm、水分を20モルppmそれぞれ含有するものを用いた。この原料ガスG0を標準状態で8.0L/minの流量で反応器3に導入し、さらに、その原料ガスG0に酸素を標準状態で7.28mL/minの流量で添加した。 The source gas G 0 supplied to the argon purifier X through the source gas introduction end E1 is 500 mol ppm of oxygen, 20 mol ppm of hydrogen, 1800 mol ppm of carbon monoxide, 1000 mol ppm of nitrogen, carbon dioxide as impurities. Containing 20 mol ppm of water and 20 mol ppm of water were used. This raw material gas G 0 was introduced into the reactor 3 at a flow rate of 8.0 L / min in the standard state, and oxygen was added to the raw material gas G 0 at a flow rate of 7.28 mL / min in the standard state.

反応器3には、アルミナ担持のルテニウム触媒(商品名:RUA,ズードケミー触媒(株)製)を96mL充填し、反応器3内の反応条件については、温度を180℃、圧力を大気圧、空間速度を4500/hとした。反応器3から流出するガスG1(混合ガス)について、脱水機6により水分を除去し、吸着装置8(PSAガス分離装置10およびTSAガス分離装置20)により不純物を除去した。PSAガス分離装置10に導入されるガスG1における不純物の組成は、酸素が450モルppm、窒素が1000モルppm、水素が1モルppm未満、一酸化炭素が1モルppm未満、二酸化炭素が2000モルppm、水分が1モルppm未満であった。ガスG1の不純物の組成を図12の表に示した。 The reactor 3 is filled with 96 mL of an alumina-supported ruthenium catalyst (trade name: RUA, manufactured by Zude Chemie Catalysts), and the reaction conditions in the reactor 3 are as follows: temperature is 180 ° C., pressure is atmospheric pressure, space The speed was 4500 / h. In the gas G 1 (mixed gas) flowing out from the reactor 3, moisture was removed by the dehydrator 6, and impurities were removed by the adsorption device 8 (PSA gas separation device 10 and TSA gas separation device 20). The composition of the impurities in the gas G 1 introduced into the PSA gas separation apparatus 10 is 450 mol ppm for oxygen, 1000 mol ppm for nitrogen, less than 1 mol ppm for hydrogen, less than 1 mol ppm for carbon monoxide, and 2000 for carbon dioxide. The mol ppm and the water content were less than 1 mol ppm. The impurity composition of the gas G 1 is shown in the table of FIG.

PSAガス分離装置10は、吸着塔11A,11B,11Cを具備する3塔式とし、各吸着塔11A,11B,11Cには、PSA吸着剤として円柱状成形炭のカーボンモレキュラーシーブ(型番:GN−UC−H,クラレケミカル(株)製)を1L充填した。PSA法の操作条件は、吸着圧力を0.8MPaG、脱着圧力を10kPaG、サイクルタイムを80sec/塔とし、図8および図9に示されたステップからなるサイクルを繰り返した。すなわち、本実施例では、均圧工程については第1均圧工程および第2均圧工程を2段階で行い、第2均圧工程を5sec、第1均圧工程と並行して行われる回収工程を15sec実施した。   The PSA gas separation apparatus 10 is a three-column type equipped with adsorption towers 11A, 11B, and 11C, and each adsorption tower 11A, 11B, and 11C has a carbon molecular sieve (model number: GN-) of columnar formed coal as a PSA adsorbent. 1 L of UC-H, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd. was filled. The operating conditions of the PSA method were as follows: the adsorption pressure was 0.8 MPaG, the desorption pressure was 10 kPaG, the cycle time was 80 sec / column, and the cycle consisting of the steps shown in FIGS. 8 and 9 was repeated. That is, in the present embodiment, the first pressure equalization process and the second pressure equalization process are performed in two stages with respect to the pressure equalization process, the second pressure equalization process is performed for 5 seconds, and performed in parallel with the first pressure equalization process. For 15 seconds.

PSAガス分離装置10から流出する準精製ガスG2の組成は、アルゴンが99.9モル%以上、酸素が1モルppm未満、窒素が220モルppm、一酸化炭素が1モルppm未満、二酸化炭素が0モルppm、水分が1モルppm未満であった。また、準精製ガスG2におけるアルゴン回収率(PSAガス分離装置10に導入されるガスG1における100%濃度換算アルゴンに対する、取得される準精製ガスG2における100%濃度換算アルゴンの割合)は、55%であった。なお、各ガス成分の濃度測定は、酸素濃度については、微量酸素濃度計(型番:DF−150E,DELTA F社製)を用いて行い、一酸化炭素濃度については、ガス分析計(型番:GC−FID,島津製作所(株)製)を用いてメタナイザーを介して行い、二酸化炭素濃度についてはガス分析計(型番:GC−TCD,島津製作所(株)製)を用いて行い、窒素濃度については、ガス分析計(型番:GC−PID,ジーエルサイエンス(株)製)を用いて行い、水分については露点計を用いて行った。 The composition of the semi-purified gas G 2 flowing out from the PSA gas separation apparatus 10 is 99.9 mol% or more of argon, less than 1 mol ppm of oxygen, 220 mol ppm of nitrogen, less than 1 mol ppm of carbon monoxide, carbon dioxide Was 0 mol ppm, and the water content was less than 1 mol ppm. Further, the argon recovery rate in the semi-purified gas G 2 (ratio of 100% concentration-converted argon in the obtained semi-purified gas G 2 to 100% concentration-converted argon in the gas G 1 introduced into the PSA gas separation device 10) is 55%. The concentration of each gas component is measured using a trace oxygen concentration meter (model number: DF-150E, manufactured by Delta F) for the oxygen concentration, and the gas analyzer (model number: GC) for the carbon monoxide concentration. -FID, manufactured by Shimadzu Corporation) through a metanizer, carbon dioxide concentration is measured using a gas analyzer (model number: GC-TCD, manufactured by Shimadzu Corporation), and nitrogen concentration is measured The gas analyzer (model number: GC-PID, manufactured by GL Science Co., Ltd.) was used, and the moisture was measured using a dew point meter.

TSAガス分離装置20は、吸着塔21A,21Bを具備する2塔式とし、各吸着塔21A,21Bには、TSA吸着剤としてCaX型ゼオライト(型番:SA−600A,東ソー(株)製)を1.5L充填した。TSA法の操作条件は、吸着圧力を0.8MPaG、吸着温度を−35℃、脱着圧力を0.1MPaG、脱着温度を40℃とした。TSAガス分離装置20から流出する精製ガスG6中の窒素濃度は1モルppm未満となった。実施例1の結果を図11の表に示した。 The TSA gas separation apparatus 20 is a two-column type equipped with adsorption towers 21A and 21B. Each adsorption tower 21A and 21B is made of CaX zeolite (model number: SA-600A, manufactured by Tosoh Corporation) as a TSA adsorbent. Filled with 1.5 L. The operating conditions of the TSA method were an adsorption pressure of 0.8 MPaG, an adsorption temperature of −35 ° C., a desorption pressure of 0.1 MPaG, and a desorption temperature of 40 ° C. The nitrogen concentration in the purified gas G 6 flowing out from the TSA gas separation device 20 was less than 1 mol ppm. The results of Example 1 are shown in the table of FIG.

〔実施例2〕
本実施例においては、原料ガスG0の供給態様が実施例1と異なっており、これにともない、PSA法で使用する吸着剤の充填量、PSA法の操作条件、およびTSA法で用いる吸着剤の充填量を実施例1と異ならせた。
[Example 2]
In this example, the supply mode of the raw material gas G 0 is different from that of Example 1, and accordingly, the amount of adsorbent used in the PSA method, the operating conditions of the PSA method, and the adsorbent used in the TSA method The filling amount was different from that in Example 1.

本実施例で原料ガス導入端E1を通じてアルゴン精製装置Xに供給される原料ガスG0は、不純物として酸素を6モル%、水素を20モルppm、一酸化炭素を1800モルppm、窒素を24モル%、二酸化炭素を20モルppm、水分を20モルppmそれぞれ含有するものを用いた。この原料ガスG0を標準状態で8.0L/minの流量で反応器3に導入した。なお、原料ガスG0は、アルゴン精製装置Xに向けて送り出される過程で空気が混入したものであり、酸素濃度および窒素濃度が実施例1に比べて相当に高い。このため、原料ガスG0が原料ガス導入端E1を介してアルゴン精製装置Xに導入される時点で一酸化炭素および水素をすべて二酸化炭素および水に変成させるのに十分な酸素濃度となっており、酸素の添加は不要であった。 In this embodiment, the raw material gas G 0 supplied to the argon purifier X through the raw material gas introduction end E1 is 6 mol% oxygen, 20 mol ppm hydrogen, 1800 mol ppm carbon monoxide, and 24 mol nitrogen. %, 20 mol ppm of carbon dioxide, and 20 mol ppm of water were used. This raw material gas G 0 was introduced into the reactor 3 at a flow rate of 8.0 L / min in the standard state. The raw material gas G 0 is a mixture of air in the process of being sent out toward the argon purifier X, and the oxygen concentration and the nitrogen concentration are considerably higher than those in the first embodiment. For this reason, when the source gas G 0 is introduced into the argon purifier X through the source gas introduction end E1, the oxygen concentration is sufficient to transform all of carbon monoxide and hydrogen into carbon dioxide and water. Addition of oxygen was unnecessary.

PSAガス分離装置10の各吸着塔11A,11B,11Cに充填するPSA吸着剤については、実施例1と同じものを使用したが、その充填量を4Lとした。PSA法の操作条件は、吸着圧力を0.8MPaG、脱着圧力を10kPaG、サイクルタイムを120sec/塔とし、均圧工程については、第2均圧工程を5sec、第1均圧工程と並行して行われる回収工程を30sec実施した。TSAガス分離装置20の各吸着塔21A,21Bに充填するTSA吸着剤については、実施例1と同じものを使用したが、その充填量を15Lとした。その他の条件は、実施例1と同様とした。準精製ガスG2の組成およびアルゴン回収率を図11の表に示した。なお、精製ガスG6中の窒素濃度は1モルppm未満となった。 The same PSA adsorbent as that used in Example 1 was used for each of the adsorption towers 11A, 11B, and 11C of the PSA gas separation apparatus 10, but the filling amount was 4L. The operating conditions of the PSA method are as follows: the adsorption pressure is 0.8 MPaG, the desorption pressure is 10 kPaG, the cycle time is 120 sec / column, and the pressure equalization process is 5 sec in the second pressure equalization process, in parallel with the first pressure equalization process. The recovery process performed was performed for 30 seconds. The same TSA adsorbent as that used in Example 1 was used for the adsorption towers 21A and 21B of the TSA gas separation apparatus 20, but the filling amount was 15L. Other conditions were the same as in Example 1. The composition of the semi-purified gas G 2 and the argon recovery rate are shown in the table of FIG. The nitrogen concentration in the purified gas G 6 was less than 1 mol ppm.

〔実施例3〕
本実施例においては、PSA法にて回収工程を行わない以外は実施例1と同様にして原料ガスの精製を行った。すなわち、本実施例では、図3および図4に示されたステップからなるサイクルを繰り返した。準精製ガスG2の組成が酸素濃度1モルppm未満もしくは窒素濃度220モルppmとなる操作条件でガス分離操作を行った場合のアルゴン回収率を図11の表に示した。なお、精製ガスG6中の窒素濃度は1モルppm未満となった。
Example 3
In this example, the raw material gas was purified in the same manner as in Example 1 except that the recovery step was not performed by the PSA method. That is, in this example, the cycle consisting of the steps shown in FIGS. 3 and 4 was repeated. The table of FIG. 11 shows the argon recovery rate when the gas separation operation was performed under the operating conditions in which the composition of the semi-purified gas G 2 was an oxygen concentration of less than 1 mol ppm or a nitrogen concentration of 220 mol ppm. The nitrogen concentration in the purified gas G 6 was less than 1 mol ppm.

〔実施例4〕
本実施例においては、PSA法にて均圧工程を2段階ではなく1段階とした以外は実施例1と同様にして原料ガスの精製を行った。均圧工程を1段階とする本実施例では、図8および図9に示されたステップのうちステップ3,6,9が省略されるとともに、ステップ2,5,8における脱着洗浄工程を回収工程に置き換えたステップからなるサイクルを繰り返した。準精製ガスG2の組成が酸素濃度1モルppm未満もしくは窒素濃度220モルppmとなる操作条件でガス分離操作を行った場合のアルゴン回収率を図11の表に示した。なお、精製ガスG6中の窒素濃度は1モルppm未満となった。
Example 4
In this example, the raw material gas was purified in the same manner as in Example 1 except that the pressure equalization step was changed to one step instead of two steps by the PSA method. In this embodiment in which the pressure equalization process is one stage, steps 3, 6, and 9 are omitted from the steps shown in FIGS. 8 and 9, and the desorption cleaning process in steps 2, 5, and 8 is the recovery process. The cycle consisting of the steps replaced with was repeated. The table of FIG. 11 shows the argon recovery rate when the gas separation operation was performed under the operating conditions in which the composition of the semi-purified gas G 2 was an oxygen concentration of less than 1 mol ppm or a nitrogen concentration of 220 mol ppm. The nitrogen concentration in the purified gas G 6 was less than 1 mol ppm.

〔実施例5〕
本実施例においては、PSA法にて均圧工程を2段階ではなく1段階とし、且つ、回収工程を行わない以外は実施例1と同様にして原料ガスの精製を行った。本実施例では、図3および図4に示されたステップのうちステップ3,6,9が省略されたステップからなるサイクルを繰り返した。準精製ガスG2の組成が酸素濃度1モルppm未満もしくは窒素濃度220モルppmとなる操作条件でガス分離操作を行った場合のアルゴン回収率を図11の表に示した。なお、精製ガスG6中の窒素濃度は1モルppm未満となった。
Example 5
In this example, the source gas was purified in the same manner as in Example 1 except that the pressure equalization process was changed to one stage instead of two stages by the PSA method, and the recovery process was not performed. In this example, a cycle consisting of steps in which steps 3, 6, and 9 were omitted from the steps shown in FIGS. 3 and 4 was repeated. The table of FIG. 11 shows the argon recovery rate when the gas separation operation was performed under the operating conditions in which the composition of the semi-purified gas G 2 was an oxygen concentration of less than 1 mol ppm or a nitrogen concentration of 220 mol ppm. The nitrogen concentration in the purified gas G 6 was less than 1 mol ppm.

〔比較例1〕
本比較例においては、反応器3に充填する触媒を上記の実施例1と異ならせた。本比較例では、反応器3には、アルミナ担持のプラチナ触媒(商品名:DASH−220触媒,エヌ・イー ケムキャット(株)製)を96mL充填し、反応器3内の反応条件については、温度を180℃、圧力を大気圧、空間速度を4500/hとした。その他の条件は実施例1と同様にして原料ガスの精製を行った。PSAガス分離装置10に導入されるガスG1(反応器3および脱水機6を経たガス)の不純物の組成は、酸素が950モルppm、窒素が1000モルppm、水素が2モルppm未満、一酸化炭素が1410モルppm、二酸化炭素が560モルppm、水分が1モルppm未満であった。ガスG1の不純物の組成を図12の表に示した。本比較例では、PSA法を経た準精製ガスG2中の一酸化炭素濃度(200モルppm)も高かった。また、TSA法によるガス分離では、準精製ガスG2中の一酸化炭素が窒素よりも優先的に吸着され、吸着された当該一酸化炭素が脱着し難い。そのため、窒素の吸着除去量が実質的に減少し、TSA法を経て最終的に得られた精製ガスG6については、窒素が5モルppm、一酸化炭素が1モルppm残存しており、高純度のアルゴンを得ることができなかった。
[Comparative Example 1]
In this comparative example, the catalyst charged in the reactor 3 was different from that in Example 1 above. In this comparative example, the reactor 3 is filled with 96 mL of an alumina-supported platinum catalyst (trade name: DASH-220 catalyst, manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd.). Was 180 ° C., the pressure was atmospheric pressure, and the space velocity was 4500 / h. The other conditions were the same as in Example 1, and the raw material gas was purified. The composition of impurities in the gas G 1 (the gas that has passed through the reactor 3 and the dehydrator 6) introduced into the PSA gas separation apparatus 10 is 950 mol ppm for oxygen, 1000 mol ppm for nitrogen, less than 2 mol ppm for hydrogen, Carbon oxide was 1410 mol ppm, carbon dioxide was 560 mol ppm, and water was less than 1 mol ppm. The impurity composition of the gas G 1 is shown in the table of FIG. In this comparative example, the carbon monoxide concentration (200 mol ppm) in the semi-purified gas G 2 that was subjected to the PSA method was also high. In the gas separation by the TSA method, carbon monoxide in the semi-purified gas G 2 is preferentially adsorbed over nitrogen, and the adsorbed carbon monoxide is difficult to desorb. Therefore, the amount of nitrogen adsorbed and removed is substantially reduced, and the purified gas G 6 finally obtained through the TSA method has nitrogen remaining at 5 mol ppm and carbon monoxide at 1 mol ppm. Purity of argon could not be obtained.

〔比較例2〕
本比較例においては、反応器3内の温度を300℃とした以外は比較例1と同様にして原料ガスの精製を行った。PSAガス分離装置10に導入されるガスG1の不純物の組成を図12の表に示した。本比較例における準精製ガスG2および精製ガスG6のガス組成は、実施例1におけるものと同等であった。本比較例では、反応器3内の温度を300℃と高温にする必要があるので、加熱器2における原料ガスの加熱に要するエネルギーが実施例の場合と比べてかなり大きかった。
[Comparative Example 2]
In this comparative example, the raw material gas was purified in the same manner as in Comparative Example 1 except that the temperature in the reactor 3 was changed to 300 ° C. The composition of the impurities of the gas G 1 introduced into the PSA gas separation apparatus 10 is shown in the table of FIG. The gas compositions of the semi-purified gas G 2 and the purified gas G 6 in this comparative example were the same as those in Example 1. In this comparative example, since the temperature in the reactor 3 needs to be as high as 300 ° C., the energy required for heating the raw material gas in the heater 2 was considerably larger than in the example.

〔比較例3〕
本比較例においては、PSA法にて均圧工程を行わず、且つ、回収工程を行わない以外は実施例1と同様にして原料ガスの精製を行った。準精製ガスG2の組成が酸素濃度1モルppm未満もしくは窒素濃度220モルppmとなる操作条件でガス分離操作を行った場合のアルゴン回収率を図11の表に示した。なお、精製ガスG6中の窒素濃度は1モルppm未満となった。
[Comparative Example 3]
In this comparative example, the source gas was purified in the same manner as in Example 1 except that the pressure equalization step was not performed by the PSA method and the recovery step was not performed. The table of FIG. 11 shows the argon recovery rate when the gas separation operation was performed under the operating conditions in which the composition of the semi-purified gas G 2 was an oxygen concentration of less than 1 mol ppm or a nitrogen concentration of 220 mol ppm. The nitrogen concentration in the purified gas G 6 was less than 1 mol ppm.

本発明の実施例1〜5によれば、不純物がほぼ完全に除去された高純度のアルゴン(精製ガス)を取得することができる。このことは、ルテニウム触媒を用いた前処理を実施することにより、不純物たる一酸化炭素および水素がほぼ完全に二酸化炭素および水に変化し(一部はメタンに変化する場合もある)、不純物たる一酸化炭素および水素が実質的に除去されたことによると考えられる。また、図11に示された表の実施例1〜5および比較例3を、それぞれ対比すると理解できるように、PSA法において均圧工程を実施する場合は、均圧工程を実施しない場合と比べてアルゴンの回収率が高かった。均圧工程は1段よりも2段の方がアルゴン回収率が高く、また、PSA法にて回収工程を実施する場合は実施しない場合よりもアルゴン回収率が高かった。さらに、図12の表の比較例1に示すように、前処理においてルテニウム触媒の代わりにプラチナ触媒を用いた場合(反応器3内の温度は180℃)には、取得ガスにおけるアルゴンの純度はあまり高くなかった。このことは、前処理において一酸化炭素および水素が酸素と十分に反応しておらず、前処理後のガスに一酸化炭素や水素(特に一酸化炭素)が比較的に高い濃度で残存したことによると考えられる。   According to Examples 1 to 5 of the present invention, high-purity argon (purified gas) from which impurities are almost completely removed can be obtained. This is because the carbon monoxide and hydrogen, which are impurities, are almost completely changed to carbon dioxide and water (some may be changed to methane) by carrying out pretreatment using a ruthenium catalyst. It is thought that carbon monoxide and hydrogen were substantially removed. In addition, as can be understood by comparing Examples 1 to 5 and Comparative Example 3 in the table shown in FIG. 11, when the pressure equalizing step is performed in the PSA method, compared with the case where the pressure equalizing step is not performed. The argon recovery rate was high. In the pressure equalization process, the argon recovery rate in the second stage was higher than that in the first stage, and the argon recovery rate was higher when the recovery process was performed by the PSA method than when the recovery process was not performed. Furthermore, as shown in Comparative Example 1 in the table of FIG. 12, when a platinum catalyst is used instead of the ruthenium catalyst in the pretreatment (the temperature in the reactor 3 is 180 ° C.), the purity of argon in the obtained gas is It was not very expensive. This is because carbon monoxide and hydrogen did not sufficiently react with oxygen in the pretreatment, and carbon monoxide and hydrogen (especially carbon monoxide) remained at a relatively high concentration in the pretreated gas. It is thought that.

X アルゴン精製装置
1 濃度調節装置
2 加熱器
3 反応器
4 冷却器
5 圧縮機
6 脱水機
7 ライン
8 吸着装置
10 PSAガス分離装置
11A,11B,11C 吸着塔(PSA吸着塔)
12 ライン
13 オフガスライン
14 下部均圧ライン
15 準精製ガスライン
16 洗浄ライン
17 上部均圧ライン
20 TSAガス分離装置
21A,21B 吸着塔(TSA吸着塔)
21a ガス通過口(第1ガス通過口)
21b ガス通過口(第2ガス通過口)
21c 吸着管
22a〜22e ライン
23C 冷媒タンク
23F 熱媒タンク
24a〜24h ライン
30 精製ガス取出しライン
40 オフガスライン
M1 冷媒
M2 熱媒
X Argon purification device 1 Concentration control device 2 Heater 3 Reactor 4 Cooler 5 Compressor 6 Dehydrator 7 Line 8 Adsorber 10 PSA gas separation device 11A, 11B, 11C Adsorption tower (PSA adsorption tower)
12 Line 13 Off-gas line 14 Lower pressure equalization line 15 Semi-purified gas line 16 Washing line 17 Upper pressure equalization line 20 TSA gas separation devices 21A and 21B Adsorption tower (TSA adsorption tower)
21a Gas passage (first gas passage)
21b Gas passage (second gas passage)
21c Adsorption pipes 22a to 22e Line 23C Refrigerant tank 23F Heat medium tank 24a to 24h Line 30 Purified gas take-out line 40 Off-gas line M1 Refrigerant M2 Heat medium

Claims (9)

少なくとも酸素、一酸化炭素、水素および窒素を不純物として含むアルゴンガスからアルゴンを濃縮精製する方法であって、
上記アルゴンガスをルテニウム触媒に接触させて当該アルゴンガスに含まれる一酸化炭素および水素を酸素と反応させることにより、二酸化炭素および水に変化させて当該一酸化炭素および水素を実質的に除去する前処理工程と、
PSA吸着剤が充填された3塔以上のPSA吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記PSA吸着塔が相対的に高圧である状態にて、当該PSA吸着塔に、上記前処理工程を経て一酸化炭素および水素が除去された混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物を上記PSA吸着剤に吸着させ、当該PSA吸着塔からアルゴンが富化された準精製ガスを導出するPSA吸着工程、上記PSA吸着塔を減圧して上記PSA吸着剤から不純物を脱着させ、当該PSA吸着塔からガスを導出する脱着工程、上記PSA吸着塔に洗浄ガスを導入しつつ当該PSA吸着塔からガスを導出する洗浄工程、および、上記吸着工程を経たPSA吸着塔の内部圧力および上記洗浄工程を経たPSA吸着塔の内部圧力を均圧化するための均圧工程、を含むサイクルを繰り返し行う圧力変動式ガス分離工程と、
TSA吸着剤が充填されたTSA吸着塔を用いて行う温度変動吸着法により、上記TSA吸着塔内の上記TSA吸着剤が低温の吸着温度にて、当該TSA吸着塔に上記準精製ガスを導入して当該準精製ガス中の不純物を上記TSA吸着剤に吸着させ、当該TSA吸着塔から、上記準精製ガスよりもアルゴンが富化された精製ガスを導出するTSA吸着工程、および上記TSA吸着塔内の上記TSA吸着剤を高温の温度へと昇温させつつ当該TSA吸着剤から不純物を脱着させて当該TSA吸着塔からオフガスを導出することにより当該TSA吸着剤を再生する再生工程、を含むサイクルを繰り返し行う温度変動吸着式ガス分離工程と、を含む、アルゴン精製方法。
A method for concentrating and purifying argon from an argon gas containing at least oxygen, carbon monoxide, hydrogen and nitrogen as impurities,
The argon gas is brought into contact with the ruthenium catalyst, and the carbon monoxide and hydrogen contained in the argon gas are reacted with oxygen, whereby the carbon monoxide and hydrogen are substantially removed by changing to carbon dioxide and water. Processing steps;
In the state where the PSA adsorption tower is at a relatively high pressure by the pressure fluctuation adsorption method using three or more PSA adsorption towers packed with the PSA adsorbent, the pretreatment step is performed on the PSA adsorption tower. PSA adsorption for introducing a semi-purified gas enriched in argon from the PSA adsorption tower by introducing a mixed gas from which carbon monoxide and hydrogen have been removed and adsorbing impurities in the mixed gas to the PSA adsorbent Step, depressurizing the PSA adsorption tower to desorb impurities from the PSA adsorbent, and desorbing the gas from the PSA adsorption tower; introducing a cleaning gas into the PSA adsorption tower while removing gas from the PSA adsorption tower And a pressure equalization step for equalizing the internal pressure of the PSA adsorption tower that has undergone the adsorption step and the internal pressure of the PSA adsorption tower that has undergone the washing step. A pressure swing gas separation step for repeating the Le,
The semi-purified gas is introduced into the TSA adsorption tower at a low temperature by the TSA adsorbent in the TSA adsorption tower by a temperature fluctuation adsorption method performed using a TSA adsorption tower filled with the TSA adsorbent. A TSA adsorption step for adsorbing impurities in the semi-purified gas to the TSA adsorbent and deriving a purified gas enriched in argon from the semi-purified gas from the TSA adsorption tower; and in the TSA adsorption tower A regeneration step of regenerating the TSA adsorbent by desorbing impurities from the TSA adsorbent and deriving off-gas from the TSA adsorption tower while raising the TSA adsorbent to a high temperature. An argon purification method comprising: a temperature fluctuation adsorption gas separation step that is repeatedly performed.
上記前処理が施される前の上記混合ガスは、当該混合ガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2を超えるように調節される、請求項1に記載のアルゴン精製方法。   The mixed gas before the pre-treatment is adjusted such that the oxygen molar concentration in the mixed gas exceeds 1/2 of the sum of the molar concentration of carbon monoxide and the molar concentration of hydrogen. The argon purification method as described. 上記圧力変動式ガス分離工程における上記均圧工程は、当該均圧工程の開始から途中までにおいて上記吸着工程を経たPSA吸着塔から第1ガスを導出して当該PSA吸着塔の内部圧力を吸着圧力より低い第1圧力とする第1均圧工程と、当該PSA吸着塔から第2ガスを導出して当該PSA吸着塔の内部圧力を上記第1圧力よりも低い第2圧力とする、上記第1均圧工程の後の第2均圧工程とを含み、
上記第2均圧工程では、上記洗浄工程を経たPSA吸着塔に上記第2ガスを導入して当該PSA吸着塔の内部圧力を上記第2圧力まで昇圧し、
上記第1均圧工程では、上記第2均圧工程を経て内部圧力が上記第2圧力まで昇圧されたPSA吸着塔に上記第1ガスを導入して当該PSA吸着塔の内部圧力を上記第1圧力まで昇圧する、請求項1または2に記載のアルゴン精製方法。
The pressure equalization step in the pressure-variable gas separation step is a process in which the first gas is led out from the PSA adsorption tower that has undergone the adsorption step from the start to the middle of the pressure equalization step, and the internal pressure of the PSA adsorption tower is determined as the adsorption pressure. A first pressure equalizing step for lowering the first pressure, and a second gas derived from the PSA adsorption tower to set the internal pressure of the PSA adsorption tower to a second pressure lower than the first pressure. A second pressure equalization step after the pressure equalization step,
In the second pressure equalization step, the second gas is introduced into the PSA adsorption tower that has undergone the cleaning step, and the internal pressure of the PSA adsorption tower is increased to the second pressure.
In the first pressure equalizing step, the first gas is introduced into the PSA adsorption tower whose internal pressure has been increased to the second pressure through the second pressure equalizing step, and the internal pressure of the PSA adsorption tower is set to the first pressure. The argon purification method according to claim 1 or 2, wherein the pressure is increased to a pressure.
上記洗浄工程の後で且つ上記第2均圧工程の前に行われ、上記洗浄工程を経て相対的に低圧である状態のPSA吸着塔に対するガスの出入りを遮断することにより、当該PSA吸着塔内の上記PSA吸着剤からガスを脱着させて当該ガスを回収するための回収工程をさらに備える、請求項3に記載のアルゴン精製方法。   After the washing step and before the second pressure equalization step, the gas flow into and out of the PSA adsorption column in a relatively low pressure state is blocked through the washing step, thereby allowing the inside of the PSA adsorption column The argon purification method according to claim 3, further comprising a recovery step for recovering the gas by desorbing the gas from the PSA adsorbent. 上記PSA吸着剤は、カーボンモレキュラーシーブを含む、請求項1ないし4のいずれかに記載のアルゴン精製方法。   The argon purification method according to any one of claims 1 to 4, wherein the PSA adsorbent includes carbon molecular sieve. 上記TSA吸着塔は、その内部に上記TSA吸着剤が充填された吸着管を備え、
上記TSA吸着工程では、液状冷媒を上記TSA吸着塔内に通流させることにより、上記TSA吸着剤を冷却し、
上記再生工程では、液状熱媒を上記TSA吸着塔内に通流させることにより、上記TSA吸着剤を加熱する、請求項1ないし5のいずれかに記載のアルゴン精製方法。
The TSA adsorption tower includes an adsorption tube filled with the TSA adsorbent therein,
In the TSA adsorption process, the TSA adsorbent is cooled by passing a liquid refrigerant through the TSA adsorption tower,
The argon purification method according to any one of claims 1 to 5, wherein in the regeneration step, the TSA adsorbent is heated by passing a liquid heat medium through the TSA adsorption tower.
上記TSA吸着工程における上記吸着温度は、−50〜−10℃である、請求項1ないし6のいずれかに記載のアルゴン精製方法。   The argon purification method according to any one of claims 1 to 6, wherein the adsorption temperature in the TSA adsorption step is -50 to -10 ° C. 少なくとも酸素、一酸化炭素、水素および窒素を不純物として含むアルゴンガスからアルゴンを濃縮精製するための装置であって、
上記アルゴンガスをルテニウム触媒に接触させて当該アルゴンガスに含まれる一酸化炭素および水素を酸素と反応させるための前処理装置と、
PSA吸着剤が充填された3塔以上のPSA吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記PSA吸着塔が相対的に高圧である状態にて、当該PSA吸着塔に、上記前処理工程を経て一酸化炭素および水素が除去された混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物を上記PSA吸着剤に吸着させ、当該PSA吸着塔からアルゴンが富化された準精製ガスを導出するPSA吸着工程、上記PSA吸着塔を減圧して上記PSA吸着剤から不純物を脱着させ、当該PSA吸着塔からガスを導出する脱着工程、上記PSA吸着塔に洗浄ガスを導入しつつ当該PSA吸着塔からガスを導出する洗浄工程、および、上記吸着工程を経たPSA吸着塔の内部圧力および上記洗浄工程を経たPSA吸着塔の内部圧力を均圧化するための均圧工程、を含むサイクルを繰り返し行うように構成された圧力変動吸着式ガス分離装置と、
TSA吸着剤が充填されたTSA吸着塔を用いて行う温度変動吸着法により、上記TSA吸着塔内の上記TSA吸着剤が低温の吸着温度にある状態にて、当該TSA吸着塔に上記準精製ガスを導入して当該準精製ガス中の不純物を上記TSA吸着剤に吸着させ、当該TSA吸着塔から、上記準精製ガスよりもアルゴンが富化された精製ガスを導出するTSA吸着工程、および上記TSA吸着塔内の上記TSA吸着剤を高温の温度へと昇温させつつ当該TSA吸着剤から不純物を脱着させて当該TSA吸着塔からオフガスを導出することにより当該TSA吸着剤を再生する再生工程、を含むサイクルを繰り返し行うように構成された温度変動吸着式ガス分離装置と、を備える、アルゴン精製装置。
An apparatus for concentrating and purifying argon from an argon gas containing at least oxygen, carbon monoxide, hydrogen and nitrogen as impurities,
A pretreatment device for bringing the argon gas into contact with a ruthenium catalyst to react carbon monoxide and hydrogen contained in the argon gas with oxygen;
In the state where the PSA adsorption tower is at a relatively high pressure by the pressure fluctuation adsorption method using three or more PSA adsorption towers packed with the PSA adsorbent, the pretreatment step is performed on the PSA adsorption tower. PSA adsorption for introducing a semi-purified gas enriched in argon from the PSA adsorption tower by introducing a mixed gas from which carbon monoxide and hydrogen have been removed and adsorbing impurities in the mixed gas to the PSA adsorbent Step, depressurizing the PSA adsorption tower to desorb impurities from the PSA adsorbent, and desorbing the gas from the PSA adsorption tower; introducing a cleaning gas into the PSA adsorption tower while removing gas from the PSA adsorption tower And a pressure equalization step for equalizing the internal pressure of the PSA adsorption tower that has undergone the adsorption step and the internal pressure of the PSA adsorption tower that has undergone the washing step. A pressure swing adsorption gas separation apparatus configured to perform repeated Le,
In the state where the TSA adsorbent in the TSA adsorption tower is at a low adsorption temperature by the temperature fluctuation adsorption method performed using the TSA adsorption tower packed with the TSA adsorbent, the semi-purified gas is added to the TSA adsorption tower. And the TSA adsorption step for adsorbing impurities in the semi-purified gas to the TSA adsorbent and deriving a purified gas enriched in argon from the semi-purified gas from the TSA adsorption tower, and the TSA A regeneration step for regenerating the TSA adsorbent by desorbing impurities from the TSA adsorbent while deriving off-gas from the TSA adsorber while raising the TSA adsorbent in the adsorption tower to a high temperature. An argon purification device comprising: a temperature fluctuation adsorption gas separation device configured to repeatedly perform a cycle including the same.
上記TSA吸着塔は、第1ガス通過口および第2ガス通過口を有し、当該第1および第2ガス通過口と連通し且つ上記TSA吸着剤が充填された吸着管を備え、
上記温度変動吸着式ガス分離装置は、
上記吸着管内の上記TSA吸着剤を冷却するために上記TSA吸着塔に供給される液状冷媒を保持するための冷媒貯槽と、
上記吸着管内の上記TSA吸着剤を加熱するために前記TSA吸着塔に供給される液状熱媒を保持するための熱媒貯槽と、
上記冷媒貯槽から上記TSA吸着塔に上記冷媒を供給するための第1の冷媒ラインと、
上記TSA吸着塔から上記冷媒貯槽に上記冷媒を戻すための第2の冷媒ラインと、
上記熱媒貯槽から上記TSA吸着塔に上記熱媒を供給するための第1の熱媒ラインと、
上記TSA吸着塔から上記熱媒貯槽に上記熱媒を戻すための第2の熱媒ラインと、を備える、請求項8に記載のアルゴン精製装置。
The TSA adsorption tower includes a first gas passage port and a second gas passage port, and includes an adsorption pipe that is in communication with the first and second gas passage ports and filled with the TSA adsorbent,
The temperature fluctuation adsorption gas separator is
A refrigerant storage tank for holding liquid refrigerant supplied to the TSA adsorption tower to cool the TSA adsorbent in the adsorption pipe;
A heating medium storage tank for holding a liquid heating medium supplied to the TSA adsorption tower in order to heat the TSA adsorbent in the adsorption pipe;
A first refrigerant line for supplying the refrigerant from the refrigerant storage tank to the TSA adsorption tower;
A second refrigerant line for returning the refrigerant from the TSA adsorption tower to the refrigerant storage tank;
A first heat medium line for supplying the heat medium from the heat medium storage tank to the TSA adsorption tower;
The argon purification apparatus according to claim 8, further comprising: a second heat medium line for returning the heat medium from the TSA adsorption tower to the heat medium storage tank.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111139107A (en) * 2020-01-09 2020-05-12 万华化学集团股份有限公司 Regeneration method of molecular sieve of synthesis gas cooling box and gas distributor
WO2020237564A1 (en) * 2019-05-30 2020-12-03 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process and apparatus for the separation of a mixture of carbon monoxide, hydrogen and at least one acid gas

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