JP2013194004A - 溶解アセチレンの精製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置構成で溶解アセチレン中に含まれる各種不純物を除去して高純度のアセチレンを得ることができる溶解アセチレンの精製方法を提供する。
【解決手段】溶解アセチレンボンベから導出した純度が９８．０〜９９．９容量％であって、不純物として少なくとも濃度が１ｐｐｍ以上の二酸化炭素を含む溶解アセチレンを、少なくとも活性アルミナを主成分とする吸着剤に接触させて前記二酸化炭素を吸着除去し、前記溶解アセチレンに含まれる二酸化炭素の濃度を１ｐｐｍ未満にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶解アセチレンの精製方法に関し、特に、溶解アセチレンボンベから取り出した溶解アセチレンに含まれる不純物を除去して溶解アセチレンを精製する方法に関する。

アセチレンは、溶接・溶断用などをはじめとする各種用途に用いられており、各使用先へのアセチレンの供給は、一般に、アセトンやＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（以下、ＤＭＦという）等の溶媒を珪酸カルシウム等の無機多孔性物質に含浸させた固形マスを詰めた容器にアセチレンを圧縮充填し、アセチレンを前記溶媒に溶解した状態とした溶解アセチレンボンベにより行われている。溶解アセチレンボンベから取り出されるアセチレン（以下、溶解アセチレンという）には、前記溶媒に溶解する空気成分、前記無機多孔性物質に吸着する空気成分、さらに、前記溶媒自体が不純物として混入しているため、溶解アセチレンの純度は、９８．０〜９９．９容量％程度となっている。

一方、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）や、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）単結晶を製造するプロセスでは、これらの物質中の炭素源としてアセチレンが利用されており、これらの用途に使用するアセチレンには、不純物の極めて少ない高純度なアセチレンが要求されている。このため、溶解アセチレンを精製して高純度のアセチレンを得る技術として、溶解アセチレンに同伴する溶媒を活性炭で除去する方法（例えば、特許文献１参照。）や、溶解アセチレンボンベの上部気相に残留する空気成分不純物を含むガスを一定量放出後、溶解アセチレン中に含まれる溶媒を活性炭で吸着除去し、微量水分及び極微量の二酸化炭素などの不純物をモレキュラーシーブスで吸着除去する方法（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。

特開昭６２−２８５９８８号公報 特許第４３１４０１５号公報

しかし、特許文献１に記載された方法は、溶解アセチレン中に含まれる溶媒を除去するためのものであり、溶解アセチレン中に含まれる空気成分の除去に関する記載はない。また、特許文献２に記載された方法では、活性炭及びモレキュラーシーブスで溶媒や空気成分をある程度吸着除去した後、苛性ソーダ塔などを用いた精製工程を行わなければ、十分に高純度なアセチレンを得ることができず、精製工程が複雑であり、初期コストだけでなく、保守に要するコストも大きくなる、さらに、苛性ソーダ塔では、強アルカリ性で腐食性を有する水酸化ナトリウムを使用するため、取り扱いが面倒で、安全性への配慮も必要であった。

そこで本発明は、簡単な装置構成で溶解アセチレン中に含まれる各種不純物を除去して高純度の溶解アセチレンを得ることができる溶解アセチレンの精製方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の溶解アセチレンの精製方法は、溶解アセチレンボンベから導出した純度が９８．０〜９９．９容量％であって、不純物として少なくとも濃度が１ｐｐｍ以上の二酸化炭素を含む溶解アセチレンを、少なくとも活性アルミナを主成分とする吸着剤に接触させて前記二酸化炭素を吸着除去し、前記溶解アセチレンに含まれる二酸化炭素の濃度を１ｐｐｍ未満にすることを特徴としている。

さらに、本発明の溶解アセチレンの精製方法は、前記溶解アセチレンの流れ方向に対して上流側に活性炭を主成分とする第１の吸着剤を配置するとともに、該第１の吸着剤の流れ方向下流側に活性アルミナを主成分とする第２の吸着剤を配置すること、前記不純物を含む溶解アセチレンと前記吸着剤との接触温度がアセチレンの液化温度から常温までの範囲であること、前記溶解アセチレンを前記溶解アセチレンボンベから導出する際に、前記溶解アセチレンボンベ内の気相ガスを系外に排出することを特徴としている。

本発明の溶解アセチレンの精製方法によれば、溶解アセチレンボンベから導出した溶解アセチレンに含まれる不純物、特に、濃度が１ｐｐｍ以上の二酸化炭素を少なくとも活性アルミナを主成分とする吸着剤に吸着させて除去し、二酸化炭素の濃度を１ｐｐｍ未満にすることにより、取り扱いが容易な吸着剤を使用した吸着操作のみで溶解アセチレンを精製することができる。これにより、簡単な装置構成の精製装置で溶解アセチレンを精製することができ、初期コストや保守コストを低減することができる。

本発明の溶解アセチレンの精製方法を適用した精製装置の一例を示す説明図である。 実施例３における吸着剤の種類とアセチレン供給量と精製後の溶解アセチレン中の二酸化炭素との関係を示す図である。 実施例３における吸着剤の種類とアセチレン供給量と精製後の溶解アセチレン中のＤＭＦとの関係を示す図である。

本形態例に示す溶解アセチレンの精製装置は、溶解アセチレンボンベ１１から導出した溶解アセチレン中の不純物を、吸着器１２に充填した吸着剤により吸着除去して溶解アセチレンを精製するものであって、溶解アセチレンボンベ１１から吸着器１２に至る溶解アセチレン供給経路Ｌ１には、溶解アセチレンボンベ１１内のアセチレン充填圧力を計測する圧力計１３と、溶解アセチレンボンベ１１から導出した溶解アセチレンの圧力をあらかじめ設定された圧力に減圧する減圧弁１４と、逆火を防止するための乾式安全器１５とが設けられている。

また、吸着器１２の入口側に設けられた入口弁１６の上流側には、溶解アセチレン供給経路Ｌ１から供給される溶解アセチレンを系外に排出するための第１排気弁１７を備えた第１排気経路Ｌ２が設けられており、吸着器１２の出口側には、吸着器１２から導出した精製された溶解アセチレン（精製アセチレン）を使用先１８に供給するための供給弁１９を備えた精製アセチレン供給経路Ｌ３と、吸着器１２から導出したガスを系外に排出するための第２排気弁２０を備えた第２排気経路Ｌ４が設けられている。

吸着器１２に充填する吸着剤は、モレキュラーシーブスや活性アルミナ、あるいは、これらの混合物を使用できるが、特に活性アルミナを使用することにより、溶解アセチレン中の不純物である空気成分の二酸化炭素を効率よく除去することができる。さらに、吸着器１２に充填する吸着剤を、溶解アセチレンの流れ方向に対して上流側に活性炭を主とした第１の吸着剤を配置し、該第１の吸着剤の流れ方向下流側に活性アルミナを主とした第２の吸着剤を配置した状態とすることにより、第１の吸着剤の活性炭で溶解アセチレン中の不純物である溶媒を吸着除去することができるとともに、第２の吸着剤の活性アルミナで前記二酸化炭素を除去することができる。なお、第１の吸着剤と第２の吸着剤とは、別の吸着容器内に充填して直列に配置してもよく、一つの吸着容器内に層状に配置してもよい。

また、吸着器１２に充填した吸着剤は、一般的に温度が低いほど吸着能力が増大するため、適宜な冷却手段によって吸着剤を冷却することにより、溶解アセチレン中の不純物を効率よく除去することができる。吸着剤の冷却温度は、アセチレンの液化温度を考慮して下限温度は−８０℃とし、通常は、−８０℃から常温（５〜３５℃）の範囲に設定することが好ましい。吸着器１２における溶解アセチレンの通過速度（線速度：ＬＶ）は、１ｃｍ／秒から１ｍ／秒の範囲が適当であり、特に、１〜２０ｃｍ／秒までの範囲に設定することにより、不純物の除去効率を向上させることができる。

次に、本形態例に示す精製装置を使用して溶解アセチレンボンベ１１から導出した溶解アセチレンを精製して使用先１８に供給する手順を説明する。まず、溶解アセチレンボンベ１１から溶解アセチレン供給経路Ｌ１に導出した溶解アセチレンの圧力を、減圧弁１４で使用先１８に供給する圧力に応じた圧力、通常は、０．０３〜０．６０ＭＰａ（ゲージ圧、以下同じ）程度に減圧する。減圧後の溶解アセチレンは、乾式安全器１５を通って吸着器１２の入口側に供給される。

溶解アセチレンボンベ１１では、アセトン、ＤＭＦなどの溶媒への溶解性が低い成分は、ボンベ内の固形マスを構成する無機多孔性物質に吸着された状態で存在し、溶解アセチレンボンベ１１内の圧力変動に伴って無機多孔性物質から脱着し、溶解アセチレンボンベ１１の気相部に多くが存在していることがある。したがって、溶解アセチレンボンベ１１から最初に取り出した溶解アセチレンには、溶媒への溶解性が低い成分、例えば、空気中の水素、窒素、酸素、一酸化炭素、メタンが不純物として含まれていることがあるため、供給開始時には、吸着器１２の入口弁１６を閉じ、第１排気弁１７を開いて溶媒への溶解性が低い不純物成分を多く含む溶解アセチレンボンベ１１の気相部のガスを第１排気経路Ｌ２から系外に排出する。

あらかじめ設定された量の溶解アセチレンを排出して溶解性が低い不純物成分を排除した後、第１排気弁１７を閉じるとともに入口弁１６を開き、溶解アセチレン供給経路Ｌ１から供給される溶解アセチレンを吸着器１２に導入する。吸着器１２内に空気成分などの不純物が存在しているおそれがある場合は、吸着器１２に溶解アセチレンの導入を開始したときに、供給弁１９を閉じた状態で第２排気弁２０を開き、吸着器１２の出口側に導出したガスを第２排気経路Ｌ４から系外に排出することにより、吸着器１２内に存在していた不純物成分を排除することができる。

一方、前記溶媒への溶解性が比較的高い成分、例えば、空気中の二酸化炭素や水分は、固形マスの溶媒中に溶解した状態になっているため、溶解アセチレンボンベ１１から溶解アセチレンを取り出す際に、溶媒中から蒸発するアセチレンと共に蒸発して溶解アセチレンに混入した状態となるため、溶解アセチレン供給経路Ｌ１から吸着器１２に導入される溶解アセチレン中に不純物として存在することになる。

吸着器１２に導入された溶解アセチレン中の二酸化炭素や水分は、吸着器１２に充填されているモレキュラーシーブスや活性アルミナを含む吸着剤に吸着して溶解アセチレン中から除去される。また、溶解アセチレンボンベ１１内で蒸発した溶媒成分が溶解アセチレン中に含まれている場合も、モレキュラーシーブスや活性アルミナを含む吸着剤で溶媒成分を吸着することにより、溶解アセチレン中から溶媒成分を除去することができる。

このように、吸着器１２に充填したモレキュラーシーブスや活性アルミナを含む吸着剤と溶解アセチレンとを接触させ、溶解アセチレン中の不純物を吸着剤に吸着除去させて精製された高純度の精製アセチレンは、第２排気弁２０を閉じた状態で供給弁１９を開くことにより、精製アセチレン供給経路Ｌ３を通して使用先１８に供給される。

また、前述したように、溶解アセチレンの流れ方向上流側に、溶媒の吸着能力が高い活性炭を主とした第１の吸着剤を配置し、流れ方向下流側に、二酸化炭素及び水分の吸着能力が高い活性アルミナを主とした第２の吸着剤を配置することにより、溶解アセチレン中の溶媒成分を、活性炭を主とした第１の吸着剤によって効果的に吸着除去することができ、活性アルミナを主とした第２の吸着剤の負担を軽減して二酸化炭素や水分、特に二酸化炭素の吸着除去を、活性アルミナを主とした第２の吸着剤で効果的に行うことができる。

これにより、一般的に使用されている溶解アセチレンボンベから供給される純度が９８．０〜９９．９容量％の溶解アセチレンを高純度に精製することができ、特に、溶媒に溶解しやすい二酸化炭素を１ｐｐｍ以上の濃度で含んでいる場合でも、精製後の高純度アセチレン中の二酸化炭素の濃度を１ｐｐｍ未満に低減することができる。

さらに、溶解アセチレンの精製操作を開始する際、気相部のガスを第１排気経路Ｌ２から系外に排出し、吸着器１２から導出したガスを第２排気経路Ｌ４から外部に排出する予備操作を行うことにより、吸着器１２で高純度に精製された溶解アセチレンを使用先１８に確実に供給することができる。

以下、本発明を実施例及び比較例により、さらに詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。なお、不純物の測定には、ガスクロマトグラフ及び／又はフーリエ変換型赤外分光装置（ＦＴ−ＩＲ）を用いた。

＜比較例１＞
溶解アセチレンを７．０ｋｇ充填した溶媒にアセトンを用いた溶解アセチレンボンベから導出した純度が９８．０容量％の溶解アセチレンに含まれる不純物の濃度を測定した結果を表１に示す。

＜実施例１＞
図１に示す溶解アセチレン精製装置において、比較例１で用いた溶解アセチレンボンベから導出した溶解アセチレンを０．０５ＭＰａに減圧し、第１の吸着剤としてヤシ殻活性炭（日本エンバイロケミカル製 粒状白鷺）２０ｇ（４７ｍｌ）と第２の吸着剤として活性アルミナ（ＤＫＳＨ製 グレードＤ２ ５ｍｍ成型）２０ｇ（２４ｍｌ）とを層状に充填した吸着器１２に流速（線速度、以下同じ）１０ｃｍ／秒、温度２５℃で導入し、第１の吸着剤、第２の吸着剤の順に溶解アセチレンガスを接触させた。

吸着器１２から精製アセチレン供給経路Ｌ３に導出した精製後の溶解アセチレン中の不純物濃度を測定した結果を表１に示す。

実施例１の結果から、第１の吸着剤としてヤシ殻活性炭を、第２の吸着剤として活性アルミナをそれぞれ使用し、第１吸着剤、第２吸着剤の順で接触させることにより、溶解アセチレン中の二酸化炭素、水分、アセトンの濃度を低減できることがわかる。

＜比較例２＞
溶解アセチレンを５．１ｋｇ充填した溶媒にＤＭＦを用いた溶解アセチレンボンベから導出した純度が９９．６容量％の溶解アセチレンに含まれる不純物の濃度を測定した結果を表２に示す。

＜実施例２＞
実施例１と同じ方法で吸着剤に溶解アセチレンガスを接触させ、吸着器１２から精製アセチレン供給経路Ｌ３に導出した精製後の溶解アセチレン中の不純物濃度を測定した結果を表２に示す。

実施例２の結果から、第１の吸着剤としてヤシ殻活性炭を、第２の吸着剤として活性アルミナをそれぞれ使用し、第１吸着剤、第２吸着剤の順で接触させることにより、溶解アセチレン中の二酸化炭素、水分、ＤＭＦの濃度を低減できることがわかる。

＜実施例３＞
図１に示す溶解アセチレン精製装置において、不純物として二酸化炭素を２０ｐｐｍ、ＤＭＦを１０００ｐｐｍ含む溶解アセチレンを溶解アセチレンボンベから導出して０．０５ＭＰａに減圧し、吸着剤としてヤシ殻活性炭（日本エンバイロケミカル製 粒状白鷺）２０ｇ（４７ｍｌ）を充填した吸着器１２に流速１０ｃｍ／秒、温度２５℃で導入した。

また、不純物として二酸化炭素を２０ｐｐｍ、ＤＭＦを１０００ｐｐｍ含む溶解アセチレンを溶解アセチレンボンベから導出して０．０５ＭＰａに減圧し、吸着剤として活性アルミナ（ＤＫＳＨ製 グレードＤ２ ５ｍｍ成型）２０ｇ（２４ｍｌ）を充填した吸着器１２に流速１０ｃｍ／秒、温度２５℃で導入させた。

さらに、不純物として二酸化炭素を２０ｐｐｍ、ＤＭＦを１０００ｐｐｍ含む溶解アセチレンを溶解アセチレンボンベから導出して０．０５ＭＰａに減圧し、ヤシ殻活性炭（日本エンバイロケミカル製 粒状白鷺）２０ｇ（４７ｍｌ）を第１の吸着剤、活性アルミナ（ＤＫＳＨ製 グレードＤ２ ５ｍｍ成型）２０ｇ（２４ｍｌ）を第２の吸着剤とし、溶解アセチレンが第１の吸着剤、第２の吸着剤の順に接触するように充填した吸着器１２に流速１０ｃｍ／秒、温度２５℃で導入した。

また、不純物として二酸化炭素を２０ｐｐｍ、ＤＭＦを１０００ｐｐｍ含む溶解アセチレンを溶解アセチレンボンベから導出して０．０５ＭＰａに減圧し、ヤシ殻活性炭（日本エンバイロケミカル製 粒状白鷺）２０ｇ（４７ｍｌ）を第１の吸着剤、モレキュラーシーブ４Ａ（東ソー製 ＭＳ４Ａ）２０ｇ（２９ｍｌ）を第２の吸着剤とし、溶解アセチレンが第１の吸着剤、第２の吸着剤の順に接触するように充填した吸着器１２に流速１０ｃｍ／秒、温度２５℃で導入した。

各吸着剤の充填条件において、それぞれの吸着器１２から精製アセチレン供給経路Ｌ３に導出した精製後の溶解アセチレン中の二酸化炭素を測定した結果を図２に、ＤＭＦを測定した結果を図３にそれぞれ示す。

図２の結果から、ヤシ殻活性炭は二酸化炭素濃度を低減させることができず、活性アルミナ及びモレキュラーシーブス４Ａは二酸化炭素濃度を低減できることがわかる。さらに、モレキュラーシーブス４Ａに比べて活性アルミナがより効果的に二酸化炭素濃度を低減できることがわかる。また、図３の結果から、ヤシ殻活性炭及び活性アルミナはＤＭＦ濃度を低減できることがわかる。さらに、活性アルミナに比べてヤシ殻活性炭がより効果的にＤＭＦ濃度を低減できることがわかる。この実施例３の結果から、溶解アセチレン中の二酸化炭素濃度の低減には活性アルミナ及びモレキュラーシーブス４Ａが有効であり、溶解アセチレン中のＤＭＦ濃度の低減にはヤシ殻活性炭及び活性アルミナが有効であることがわかる。

さらに、溶解アセチレン中の二酸化炭素濃度及びＤＭＦ濃度の低減にはヤシ殻活性炭を第１の吸着剤、活性アルミナを第２の吸着剤として、溶解アセチレンを第１の吸着剤、第２の吸着剤の順に接触させることがより有効であることがわかる。

＜実施例４＞
図１に示す溶解アセチレン精製装置において、比較例２で用いた溶解アセチレンボンベの気相部のガスを第１排気経路Ｌ２から０．０５ＭＰａに減圧し、０．７Ｌ／ｍｉｎの一定流量かつ常温下で４００Ｌ系外に排出する予備排気操作を行った。

この予備排気操作を行った溶解アセチレンボンベを用い、第１の吸着剤としてヤシ殻活性炭（日本エンバイロケミカル製 粒状白鷺）２０ｇ（４７ｍｌ）と第２の吸着剤として活性アルミナ（ＤＫＳＨ製 グレードＤ２ ５ｍｍ成型）８０ｇ（２４ｍｌ）とを混合せずに積層して使用し、溶解アセチレンボンベから導出した溶解アセチレンを、０．０５ＭＰａに減圧するとともに流速１０ｃｍ／秒、温度２５℃として第１の吸着剤、第２の吸着剤の順に接触させた。

吸着器１２に導入される前（精製前）の溶解アセチレン中の不純物濃度と、吸着器１２から導出された（精製後）の溶解アセチレン中の不純物濃度とを表３に示す。

実施例４の結果から、溶解アセチレンボンベの気相部のガスを系外に排出後、第１の吸着剤としてヤシ殻活性炭を、第２の吸着剤として活性アルミナを使用することにより、溶解アセチレン中の水素、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水分、ＤＭＦといった不純物の濃度を低減できることがわかる。さらに、溶媒にアセトンを用いた溶解アセチレンボンベを使用した場合でも、実施例４と同様の方法を用いることで、溶解アセチレン中の水素、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水分、アセトンの濃度を低減できる。

１１…溶解アセチレンボンベ、１２…吸着器、１３…圧力計、１４…減圧弁、１５…乾式安全器、１６…入口弁、１７…第１排気弁、１８…使用先、１９…供給弁、２０…第２排気弁、Ｌ１…溶解アセチレン供給経路、Ｌ２…第１排気経路、Ｌ３…精製アセチレン供給経路、Ｌ４…第２排気経路

Claims (4)

1. 溶解アセチレンボンベから導出した純度が９８．０〜９９．９容量％であって、不純物として少なくとも濃度が１ｐｐｍ以上の二酸化炭素を含む溶解アセチレンを、少なくとも活性アルミナを主成分とする吸着剤に接触させて前記二酸化炭素を吸着除去し、前記溶解アセチレンに含まれる二酸化炭素の濃度を１ｐｐｍ未満にする溶解アセチレンの精製方法。
2. 前記溶解アセチレンの流れ方向に対して上流側に活性炭を主成分とする第１の吸着剤を配置するとともに、該第１の吸着剤の流れ方向下流側に活性アルミナを主成分とする第２の吸着剤を配置する請求項１記載の溶解アセチレンの精製方法。
3. 前記不純物を含む溶解アセチレンと前記吸着剤との接触温度がアセチレンの液化温度から常温までの範囲である請求項１又は２記載の溶解アセチレンの精製方法。
4. 前記溶解アセチレンを前記溶解アセチレンボンベから導出する際に、前記溶解アセチレンボンベ内の気相ガスを系外に排出する請求項１乃至３に記載の溶解アセチレンの精製方法。

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