JP2016150869A - Method for producing hydrogen chloride - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、塩化水素の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing hydrogen chloride.
塩化水素は多くの化学産業で使用されており、重要な工業中間原料である。特に、半導体原料に用いられる塩化水素は高純度のものが要求されている。塩化水素の製造方法としては、化学設備での合成反応で副生される塩化水素を含む排ガスからの分離・濃縮による方法、または、塩素と水素から塩化水素を直接合成する方法が挙げられる。 Hydrogen chloride is used in many chemical industries and is an important industrial intermediate material. In particular, high purity hydrogen chloride is required for semiconductor raw materials. Examples of the method for producing hydrogen chloride include a method by separation / concentration from exhaust gas containing hydrogen chloride by-produced by a synthesis reaction in a chemical facility, or a method of directly synthesizing hydrogen chloride from chlorine and hydrogen.
塩素と水素から塩化水素を合成する方法としては、バーナーを用いた燃焼法が知られている。燃焼法は、合成後のガスに残る未反応塩素を低減するために、一般的に水素過剰条件で燃焼が行われる。そのため、合成後のガス中には、過剰に加えた分の水素が存在する。さらに、水素以外の不純物として、原料の塩素や水素由来の、窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、臭素、炭化水素、水分や、燃焼しきれずに微量に残存した塩素など、が含まれ得ることが知られており、塩化水素の高純度化の阻害要因となっている。 As a method for synthesizing hydrogen chloride from chlorine and hydrogen, a combustion method using a burner is known. In the combustion method, in order to reduce unreacted chlorine remaining in the gas after synthesis, combustion is generally performed under hydrogen-excess conditions. For this reason, excessive hydrogen is present in the synthesized gas. Furthermore, impurities other than hydrogen may include nitrogen, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, bromine, hydrocarbons, moisture, chlorine remaining in trace amounts without being burned, etc., derived from chlorine and hydrogen as raw materials. It is known that this is an obstacle to the high purity of hydrogen chloride.
高純度塩化水素を得る方法について、例えば、特許文献1,2に開示されている。特許文献1においては、バーナー燃焼後の塩化水素含有ガスに純水を加えて塩酸にすることで、バーナー燃焼後の微量の塩素と、過剰に加えた水素を取り除く方法が開示されている。この方法では、塩素や水素を有意に取り除くことは可能であるが、その後、高純度塩化水素を得るためには、共沸点混合物である塩酸中の水分を除去する必要があり、大きなエネルギーが必要となるという問題があった。特許文献2においては、純水を加えないプロセスとして、酸素および水分を除去した塩素と水素を用い、バーナー燃焼後に蒸留を行うことで水素を除去し、高純度塩化水素を得る方法が開示されている。しかしながらこの方法では、燃焼点火時に空気を入れる必要があるため、バーナー燃焼中生成した水分、および反応しきれなかった塩素が残存するという問題があった。
For example,
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、不純物を効率的に除去し、高純度の塩化水素を得るのに適した塩化水素の製造方法を提供することを主たる課題としている。 The present invention has been conceived under such circumstances, and mainly aims to provide a method for producing hydrogen chloride suitable for efficiently removing impurities and obtaining high-purity hydrogen chloride. It is an issue.
本発明によって提供される塩化水素の製造方法は、塩素と水素から、水素過剰条件でバーナー燃焼装置により塩化水素を合成する合成工程と、上記合成工程を経た、塩化水素を含む混合ガスの不純物の一部を、吸着剤を用いて除去する吸着除去工程と、上記吸着除去工程を経た粗塩化水素ガスに含まれる不純物の少なくとも一部をPSA法により除去する圧力変動吸着式ガス分離工程と、を含む。 The method for producing hydrogen chloride provided by the present invention includes a synthesis step of synthesizing hydrogen chloride from chlorine and hydrogen using a burner combustion apparatus under an excess hydrogen condition, and impurities in a mixed gas containing hydrogen chloride after the synthesis step. An adsorption removal step of removing a part using an adsorbent, and a pressure fluctuation adsorption gas separation step of removing at least part of impurities contained in the crude hydrogen chloride gas that has undergone the adsorption removal step by the PSA method. Including.
好ましくは、上記吸着除去工程に用いられる上記吸着剤は、活性炭、ゼオライト、および非ゼオライト系多孔質酸性酸化物からなる群より選択される1または複数で構成される。 Preferably, the adsorbent used in the adsorption removal step is composed of one or more selected from the group consisting of activated carbon, zeolite, and non-zeolite porous acidic oxide.
好ましくは、上記圧力変動吸着式ガス分離工程では、塩化水素を選択的に吸着するPSA吸着剤が充填された複数のPSA吸着塔を用いて、上記PSA吸着塔が相対的に高圧である状態にて、上記PSA吸着塔に上記粗塩化水素ガスを導入して当該粗塩化水素ガス中の塩化水素を上記PSA吸着剤に吸着させ、当該PSA吸着塔から非吸着ガスを排出する吸着工程と、上記PSA吸着塔に上記粗塩化水素ガスよりも塩化水素濃度が高い洗浄ガスを導入し、当該PSA吸着塔から洗浄オフガスを排出する洗浄工程と、上記PSA吸着塔内を減圧して上記PSA吸着剤から塩化水素を脱着させ、当該PSA吸着塔から塔内ガスを排出させる脱着工程と、を含むサイクルを繰り返し行い、上記脱着工程において上記PSA吸着塔から排出される上記塔内ガスを精製ガスとして取得する。 Preferably, in the pressure fluctuation adsorption gas separation step, a plurality of PSA adsorption towers filled with a PSA adsorbent that selectively adsorbs hydrogen chloride are used to bring the PSA adsorption tower into a relatively high pressure state. An adsorption step of introducing the crude hydrogen chloride gas into the PSA adsorption tower, adsorbing hydrogen chloride in the crude hydrogen chloride gas to the PSA adsorbent, and discharging non-adsorbed gas from the PSA adsorption tower; A cleaning gas having a hydrogen chloride concentration higher than that of the crude hydrogen chloride gas is introduced into the PSA adsorption tower, and a cleaning off-gas is discharged from the PSA adsorption tower. A desorption step of desorbing hydrogen chloride and discharging the gas in the tower from the PSA adsorption tower is repeated, and the above-mentioned exhausted from the PSA adsorption tower in the desorption step Obtaining an inner gas as a purification gas.
好ましくは、上記PSA吸着剤は、ゼオライト、および非ゼオライト系多孔質酸性酸化物からなる群より選択される1または複数で構成される。 Preferably, the PSA adsorbent is composed of one or more selected from the group consisting of zeolite and non-zeolitic porous acidic oxide.
好ましくは、上記洗浄工程において上記PSA吸着塔に導入する上記洗浄ガスの導入量を、上記PSA吸着塔内の吸着剤充填領域における空隙容積で除した値が、1.85以上である。 Preferably, a value obtained by dividing the introduction amount of the cleaning gas introduced into the PSA adsorption tower in the cleaning step by the void volume in the adsorbent packed region in the PSA adsorption tower is 1.85 or more.
好ましくは、上記合成工程の前に、不純物を含む原料塩素から、沸点が塩素よりも低い低沸点成分を蒸留によって除去する蒸留工程を備える。 Preferably, before the synthesis step, a distillation step of removing low-boiling components having lower boiling points than chlorine from raw material chlorine containing impurities by distillation is provided.
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.
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る塩化水素の製造方法を実行するのに使用することができる塩化水素製造システムXの概略構成を示している。塩化水素製造システムXは、貯留タンク1と、蒸留塔2と、気化器3と、バーナー燃焼装置4と、吸着装置5と、圧力変動吸着式ガス分離装置(PSAガス分離装置)6と、これらに接続される配管と、を備え、原料塩素および原料水素を供給しつつ連続的に塩化水素を製造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 a hydrogen chloride production system X that can be used to carry out the method for producing hydrogen chloride according to the present invention. The hydrogen chloride production system X includes a
貯留タンク1は、原料塩素たる液化塩素を貯留するためのものである。貯留タンク1内の液化塩素の純度は日本ソーダ工業会規格「JSIA05−1998 液化塩素Cl2」に準ずるものであればよく、好ましくは99.4vol.%以上である。原料塩素に含まれる主な不純物は、窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、塩化水素、臭素、水分、炭化水素(主にメタン)である。貯留タンク1の上部には、開閉弁101を設けた配管201が接続されている。貯留タンク1に液化塩素を貯留する状態において、貯留タンク1には気相部が存在している。この気相部においては、塩素(沸点−34℃)よりも沸点の低い低沸点成分が濃縮されている。気相部の低沸点成分の不純物濃度が濃い場合は、開閉弁101を開き、配管201を通じてガスを放出する。これにより、貯留タンク1内の気相部の不純物濃度を下げることができる。貯留タンク1の材質は、耐圧性および耐腐食性を有する容器であればよい。貯留タンク1は、断熱したうえで室温下で用いてもよいし、ジャケットを設置して温度を安定させてもよい。例えば、室温25℃とした場合は、貯留タンク1の内部圧力は0.65MPaG程度である。
The
貯留タンク1に液化塩素を補充する際、例えば塩素運搬車両の容器内にある液化塩素を、追い出しガス(例えば窒素)を用いて追い出す。追い出しガスは、その一部が液相部(液化塩素)に溶けこみ、液化塩素に同伴して貯留タンク1内に入る。したがって、窒素を用いて液化塩素を補充する場合、貯留タンク1の内容物は、窒素が余分に含まれることにより、液化塩素の規格純度よりも純度が下がることがある。
When the
貯留タンク1の下部には、配管202が接続されている。配管202は、貯留タンク1から排出される液化塩素を蒸留塔2に送出するための流路である。配管202の下流側端は、蒸留塔2に接続されている。配管202には、開閉弁102および流量調整器301が設けられている。貯留タンク1から排出される液化塩素は、配管202、開閉弁102を通り、流量調整器301より流量が調整されて、蒸留塔2に導入される。
A
蒸留塔2は、その構造や蒸留方式が限定されるものではないが、好ましくは連続蒸留で行われる。蒸留塔2の内部は、温度が5℃〜10℃程度に保たれ、圧力が0.3〜0.4MPaG(ゲージ圧)程度に保たれる。蒸留塔2の塔頂部において低沸点成分(ガス)が、塔下部において精製塩素(液化塩素)が、凝集する。蒸留塔2の塔頂部には配管203が接続されており、当該配管203には、凝縮器410、開閉弁103、圧力調節器401、および流量調整器302が設けられている。塔頂部の低沸点成分を多く含んだガスは、配管203を通り、凝縮器410を通過した後に圧力調節器401により減圧され、流量調整器302により流量が調整されて外部に排出される。凝縮器410の下部には、配管204が接続されている。配管204は、凝縮器410内の液成分を蒸留塔2へ還流させるためのものである。塔頂部より排出される塩素の割合は、運転される還流比の割合にもよるが、蒸留塔2への供給量に対して、好ましくは5%程度、より好ましくは10%程度である。
Although the structure and distillation system of the distillation column 2 are not limited, it is preferably performed by continuous distillation. The inside of the distillation column 2 is maintained at a temperature of about 5 ° C. to 10 ° C. and a pressure of about 0.3 to 0.4 MPaG (gauge pressure). Low boiling point components (gas) are aggregated at the top of the distillation column 2 and purified chlorine (liquefied chlorine) is aggregated at the bottom of the column. A
蒸留塔2における蒸留(蒸留工程)により、窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素(主にメタン)の低沸点成分が、ほぼ完全に除去される。蒸留を経た液化塩素の不純物濃度は、好ましくは10vol.ppm以下、より好ましくは1vol.ppm以下である。 By distillation (distillation step) in the distillation column 2, low boiling point components of nitrogen, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, and hydrocarbons (mainly methane) are almost completely removed. The impurity concentration of liquefied chlorine after distillation is preferably 10 vol. ppm or less, more preferably 1 vol. ppm or less.
蒸留塔2の塔下部には配管205が接続されており、配管205には加熱器420が設けられている。配管205の下流側端は、気化器3に接続されている。塔下部においては、低沸点成分が有意に除去された液化塩素が得られる。塔下部の液化塩素は、配管205を通り、加熱器420を通過した後に気化器3へ導入される。加熱器420の上部には、配管206が接続されている。配管206は、加熱器420内のガス成分を蒸留塔2へ戻すためのものである。
A
なお、使用する原料塩素(貯留タンク1内の液化塩素)が上記の規格純度を満たしている場合は、原料塩素の蒸留による精製を省略してもよい。 In addition, when the raw material chlorine to be used (liquefied chlorine in the storage tank 1) satisfies the above specified purity, purification by distillation of the raw material chlorine may be omitted.
気化器3は、液化塩素を加熱して気化するものである。気化器3においては、液化塩素の全量気化または一部気化がなされる。気化器3の上部には配管207が接続されており、当該配管207には、開閉弁104、圧力調節器402、および流量調整器303が設けられている。配管207の下流側端は、バーナー燃焼装置4に接続されている。気化器3の下部には配管208が接続されており、当該配管208には、開閉弁105、圧力調節器403、および流量調整器304が接続されている。
The vaporizer 3 heats and vaporizes liquefied chlorine. In the vaporizer 3, all or some of the liquefied chlorine is vaporized. A
気化器3において、液化塩素を全量気化する場合、開閉弁105を閉じた状態で運転される。全量気化の場合、気化器3の内部温度は例えば40〜50℃に保たれる。一部気化を行う場合は、気化器3内の液化塩素が配管210、開閉弁105、圧力調節器403を通り、流量調整器304によって流量が調整されて排出される。ここで、気化器3に導入される液化塩素(少量の不純物を含む)に対して配管208を通じて排出される液化塩素の割合は、好ましくは2%程度、より好ましくは5%程度である。配管208を通じて液化塩素を排出する操作により、万一、液化塩素中に高沸点成分(たとえば、C5,C6等の炭化水素成分)が微量に含まれている場合であっても、当該高沸点成分を除去することができる。また、臭素成分の濃度を下げることもできる。
In the vaporizer 3, when all the liquefied chlorine is vaporized, the vaporizer 3 is operated with the on-off
全量気化または一部気化により得られた塩素ガスは、配管207、開閉弁104、圧力調節器402を通り、圧力が0.02MPaGに調整され、かつ流量調整器303によって流量が調整され、バーナー燃焼装置4へ導入される。
Chlorine gas obtained by full or partial vaporization passes through the
バーナー燃焼装置4は、塩素と水素を燃焼させることにより塩化水素を合成するものである。バーナー燃焼装置4には、流量調整器305を設けた配管209が接続されており、この配管209を介して原料水素がバーナー燃焼装置4に供給される。原料水素は、一般的な高圧ガス容器に充填されたものを購入して使用してもよいし、例えば、メタノールまたはメタン改質などにより発生させた水素を精製して使用してもよい。一般的な水素の精製方法としては、圧力変動吸着法(PSA法)が広く知られている。使用する原料水素の純度は、好ましくは99.9vol.%、より好ましくは99.999vol.%以上である。原料塩素と同様に、窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素(主にメタン)の低沸点成分が、ほぼ完全に除去された水素ガスが配管209を通り、圧力が0.02MPaGに調整され、かつ流量調整器305により流量が調整され、バーナー燃焼装置4へ導入される。バーナー燃焼装置4へ導入される水素中の不純物成分の濃度は、好ましくは10vol.ppm以下、より好ましくは1vol.ppm以下である。
The burner combustion device 4 synthesizes hydrogen chloride by burning chlorine and hydrogen. A
バーナー燃焼装置4において、塩素と水素が燃焼されて塩化水素となる(合成工程)。燃焼に供される水素と塩素の比率(水素/塩素)は、好ましくは1.1程度であり、より好ましくは1.2以上である。このように塩素よりも水素を過剰にするのは、塩素の残留を抑制するためである。また、バーナー燃焼装置4における燃焼温度は、例えば1200〜1400℃程度に保たれる。 In the burner combustion apparatus 4, chlorine and hydrogen are combusted to form hydrogen chloride (synthesis process). The ratio of hydrogen to chlorine used for combustion (hydrogen / chlorine) is preferably about 1.1, more preferably 1.2 or more. The reason why hydrogen is made excessive as compared with chlorine is to suppress the residual of chlorine. Moreover, the combustion temperature in the burner combustion apparatus 4 is maintained at about 1200 to 1400 ° C., for example.
バーナー燃焼装置4は、例えばグラファイト製であり、腐食性ガスである塩化水素に晒されても十分使用できるものである。バーナー燃焼装置4の下部(出口付近)には熱交換器が内蔵されており、バーナー燃焼装置4の出口から排出されるガスは40℃〜45℃に冷却される。またバーナー燃焼装置4からの排出ガスの圧力は0.03MPaG程度である。 The burner combustion device 4 is made of, for example, graphite, and can be sufficiently used even when exposed to hydrogen chloride, which is a corrosive gas. A heat exchanger is built in the lower part of the burner combustion device 4 (near the outlet), and the gas discharged from the outlet of the burner combustion device 4 is cooled to 40 ° C to 45 ° C. The pressure of the exhaust gas from the burner combustion device 4 is about 0.03 MPaG.
バーナー燃焼装置4から排出されるガスは、バーナー燃焼により合成された塩化水素と、他の不純物(成分)とを含む混合ガスである。バーナー燃焼装置4の点火時に空気を使用するので、バーナー燃焼装置4の内部に酸素(水素と反応して水となる)と窒素が混入する。バーナー燃焼装置4から排出される混合ガス中の主な不純物は、残留塩素、過剰水素、窒素、臭素、水分となる。バーナー燃焼装置4の下部出口には、配管210が接続されている。バーナー燃焼装置4から排出される混合ガスは、配管210を介して吸着装置5に送出される。
The gas discharged from the burner combustion device 4 is a mixed gas containing hydrogen chloride synthesized by burner combustion and other impurities (components). Since air is used when the burner combustion device 4 is ignited, oxygen (reacts with hydrogen to become water) and nitrogen are mixed in the burner combustion device 4. Main impurities in the mixed gas discharged from the burner combustion device 4 are residual chlorine, excess hydrogen, nitrogen, bromine, and moisture. A
吸着装置5は、バーナー燃焼装置4から送られた混合ガス中の不純物を、吸着剤を用いて除去するものである。図2に示すように、本実施形態において、吸着装置5は、第1吸着装置部51と、第2吸着装置部52とを含んで構成される。
The adsorption device 5 removes impurities in the mixed gas sent from the burner combustion device 4 using an adsorbent. As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the adsorption device 5 includes a first
第1吸着装置部51は、2つの吸着塔53A,53Bと、ガス流路をなす配管61〜69を備えている。吸着塔53A,53Bの各々は、両端にガス通過口54,55を有し、ガス通過口54,55の間において、混合ガス中の塩素および臭素を選択的に吸着するための吸着剤が充填されている。吸着塔53A,53Bに充填される吸着剤は、例えば活性炭であり、より好ましくはヤシ殻活性炭である。
The first
吸着塔53Aのガス通過口54には、開閉弁61aを設けた配管61が接続されている。吸着塔53Bのガス通過口54には、開閉弁62aを設けた配管62が接続されている。配管61,62は、配管210に対して分岐状に繋がっている。これら配管61,62のそれぞれの中間には、配管63の両端が接続されている。配管63には、開閉弁63a,63bが設けられている。配管63には、開閉弁63a,63bの間において分岐状に配管64が接続されている。
A
吸着塔53Aのガス通過口55には、開閉弁65aを設けた配管65が接続されている。吸着塔53Bのガス通過口55には、開閉弁66aを設けた配管66が接続されている。配管65,66は、配管67に対して分岐状にに繋がっている。これら配管65,66のそれぞれの中間には、配管68の両端が接続されている。配管68には、開閉弁68a,68bが設けられている。配管68には、開閉弁68a,68bの間において分岐状に配管69が接続されている。
A
吸着塔53A,53Bにおいては、いずれか一方にバーナー燃焼装置4からの混合ガスを通流させ、他方に再生ガスを通流させる。そして、吸着塔53A,53Bにおいては、混合ガスおよび再生ガスの通流を交互に切り替えて行う。具体的には、配管210を介して第1吸着装置部51に混合ガスが送られると、当該混合ガスは、配管61(62)を通って吸着塔53A(53B)に通気される。吸着塔53A(53B)により、塩素および臭素が除去され、吸着塔53A(53B)を通過したガスは、配管65(66)を通り、配管67を介して第2吸着装置部52に送られる。開閉弁61a,62a,63a,63b,65a,66a,68a,68bは、吸着塔53A,53Bのいずれか一方にのみ混合ガスを通流させるように、各々の開閉状態が選択される。
In the adsorption towers 53A and 53B, the mixed gas from the burner combustion device 4 is allowed to flow through one of them, and the regeneration gas is allowed to flow through the other. In the adsorption towers 53A and 53B, the mixed gas and the regeneration gas are switched alternately. Specifically, when the mixed gas is sent to the
また、バーナー燃焼装置4からの混合ガスの通流を行っていない吸着塔53B(53A)には、配管69,68を通じて、例えば加熱した再生ガス(窒素あるいは高純度塩化水素など)を通流させる。再生ガスを流すことにより、塔内の吸着剤については、先に行っていた混合ガスの通流により吸着された塩素や臭素成分が脱着し、当該吸着剤を再生させることができる。吸着塔53B(53A)を流れて当該吸着塔53B(53A)から排出されたガス(再生オフガス)は、配管64を介して外部に放出される。吸着塔53A,53Bの再生時の温度(再生温度)は、好ましくは100℃以上であり、より好ましくは150℃以上である。吸着塔53A,53Bの材質にステンレスを使用する場合には、再生温度を250℃程度まで上げることが可能であるが、腐食防止のためにグラスライニングを施した場合には、材質保護の観点から再生温度を150℃程度とするのが好ましい。
Further, for example, heated regeneration gas (such as nitrogen or high-purity hydrogen chloride) is passed through the
第2吸着装置部52は、2つの吸着塔56A,56Bと、ガス流路をなす配管71〜78を備えている。吸着塔56A,56Bの各々は、両端にガス通過口57,58を有し、ガス通過口57,58の間において、第1吸着装置部51を経たガス中の水分を選択的に吸着するための吸着剤が充填されている。吸着塔56A,56Bに充填される吸着剤は、例えばゼオライト、および非ゼオライト系多孔質酸性酸化物からなる群より選択される1または複数で構成され、より好ましくはハイシリカゼオライトである。
The second
吸着塔56Aのガス通過口57には、開閉弁71aを設けた配管71が接続されている。吸着塔56Bのガス通過口57には、開閉弁72aを設けた配管72が接続されている。配管71,72は、配管67に対して分岐状にに繋がっている。これら配管71,72のそれぞれの中間には、配管73の両端が接続されている。配管73には、開閉弁73a,73bが設けられている。配管73には、開閉弁73a,73bの間において分岐状に配管74が接続されている。
A
吸着塔56Aのガス通過口58には、開閉弁75aを設けた配管75が接続されている。吸着塔56Bのガス通過口58には、開閉弁76aを設けた配管76が接続されている。配管75,76は、配管211に対して分岐状にに繋がっている。これら配管75,76のそれぞれの中間には、配管77の両端が接続されている。配管77には、開閉弁77a,77bが設けられている。配管77には、開閉弁77a,77bの間において分岐状に配管78が接続されている。
A
吸着塔56A,56Bにおいては、いずれか一方に第1吸着装置部51からの混合ガスを通流させ、他方に再生ガスを通流させる。そして、吸着塔56A,56Bにおいては、混合ガスおよび再生ガスの通流を交互に切り替えて行う。具体的には、配管67を介して第2吸着装置部52に混合ガスが送られると、当該混合ガスは、配管71(72)を通って吸着塔56A(56B)に通気される。吸着塔56A(56B)により、水分が除去され、吸着塔56A(56B)を通過したガスは、配管75(76)を通り、配管211を介してPSAガス分離装置6に送られる。開閉弁71a,72a,73a,73b,75a,76a,77a,77bは、吸着塔56A,56Bのいずれか一方にのみ混合ガスを通流させるように、各々の開閉状態が選択される。
In the adsorption towers 56 </ b> A and 56 </ b> B, the mixed gas from the
また、第1吸着装置部51からの混合ガスの通流を行っていない吸着塔56B(56A)には、配管78,77を通じて、例えば加熱した再生ガス(窒素あるいは高純度塩化水素など)を通流させる。再生ガスを流すことにより、塔内の吸着剤については、先に行っていた混合ガスの通流により吸着された水分が脱着し、当該吸着剤を再生させることができる。吸着塔56B(56A)を流れて当該吸着塔56B(56A)から排出されたガス(再生オフガス)は、配管74を介して外部に放出される。吸着塔56A,56Bの再生時の温度(再生温度)は、好ましくは100℃以上であり、より好ましくは150℃以上である。吸着塔56A,56Bの材質にステンレスを使用する場合には、再生温度を250℃程度まで上げることが可能であるが、腐食防止のためにグラスライニングを施した場合には、材質保護の観点から再生温度を150℃程度とするのが好ましい。
Further, for example, a heated regeneration gas (such as nitrogen or high-purity hydrogen chloride) is passed through the
図3に示すように、PSAガス分離装置6は、吸着塔10A,10B,10C(PSA吸着塔)と、圧縮機21と、真空ポンプ22と、配管31〜36とを備え、塩化水素を含むガス(粗塩化水素ガス)から圧力変動吸着法(PSA法)を利用して塩化水素を濃縮分離することが可能なように構成されている。粗塩化水素ガスについては、吸着装置5(第1吸着装置部51および第2吸着装置部52)を経たガスであり、塩素、臭素および水分が有意に除去されている。この粗塩化水素ガスには、主成分である塩化水素の他に、不純物としての水素および窒素が含まれる。
As shown in FIG. 3, the PSA gas separation device 6 includes adsorption towers 10A, 10B, and 10C (PSA adsorption tower), a
吸着塔10A,10B,10Cの各々は、両端にガス通過口11,12を有し、ガス通過口11,12の間において、粗塩化水素ガス中の塩化水素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。具体的には、吸着塔10A,10B,10Cの各々の内部には、例えば多孔板(図示略)によって区画された空間領域が形成されており、当該領域にPSA吸着剤が充填される。塩化水素を選択的に吸着するためのPSA吸着剤としては、例えば、ゼオライト(合成および天然ゼオライト)が挙げられる。ゼオライトとしてはA型、X型、Y型、L型、ZSM型、モルデナイトなどが挙げられ、好ましくはY型ゼオライトまたはハイシリカ型ゼオライトが用いられる。この他に用いられるPSA吸着剤としては、アルミナなどの非ゼオライト系多孔質酸性酸化物が挙げられる。これらのPSA吸着剤は、添加剤などを加える必要はなく、一般的に市販され、容易に入手できるものである。上記したPSA吸着剤は、単独で使用しても、複数種を併用してもよい。
Each of the adsorption towers 10A, 10B, and 10C has
圧縮機21は、粗塩化水素ガスを吸着塔10A,10B,10Cに圧送するためのものである。真空ポンプ22は、吸着塔10A,10B,10Cの内部を減圧するためのものである。
The
配管31は、吸着装置5を経た粗塩化水素ガスが流れる配管211に接続された主幹路31’、および、吸着塔10A,10B,10Cの各ガス通過口11側に各々が接続された分枝路31A,31B,31Cを有する。主幹路31’には、圧縮機21が設けられている。分枝路31A,31B,31C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31a,31b,31cが付設されている。
The
配管32は、ガス排出端E1を有する主幹路32’、および、吸着塔10A,10B,10Cの各ガス通過口12側に各々が接続された分枝路32A,32B,32Cを有する。分枝路32A,32B,32C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32a,32b,32cが付設されている。
The
配管33は、ガス排出端E2を有する主幹路33’、および、吸着塔10A,10B,10Cの各ガス通過口12側に各々が接続された分枝路33A,33B,33Cを有する。分枝路33A,33B,33C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33a,33b,33cが付設されている。
The
配管34は、真空ポンプ22が付設された主幹路34’、および、吸着塔10A,10B,10Cの各ガス通過口11側に各々が接続された分枝路34A,34B,34Cを有する。分枝路34A,34B,34C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34a,34b,34cが付設されている。主幹路34’は、その下流側に製品ガス取り出し端E3を有する。
The
配管35は、配管34の主幹路34’に接続された主幹路35’、および、吸着塔10A,10B,10Cの各ガス通過口11側に各々が接続された分枝路35A,35B,35Cを有する。分枝路35A,35B,35C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35a,35b,35cが付設されている。主幹路35’には、流量調整弁35d(流量調整手段)が付設されている。
The
配管36は、配管33の主幹路33’と配管31の主幹路31’との間を連結している。配管36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36aが付設されている。配管36は、いずれかの吸着塔(10A,10B,10C)から排出される後述の洗浄オフガスを、配管31の主幹路31’に送り、当該主幹路31’を流れる粗塩化水素ガスに添加するためのものである。なお、この配管36を具備しない構成としてもよく、図3においては、配管36および自動弁36aを点線で表している。
The
上記のような構成を有するPSAガス分離装置6を使用して、圧力変動吸着式ガス分離工程(PSAガス分離工程)を実行することができる。PSAガス分離装置6の稼働時において、自動弁31a〜31c,32a〜32c,33a〜33c,34a〜34c,35a〜35c,36a、および流量調整弁35dを適宜切り替えることにより、装置内において所望のガスの流れ状態を実現し、以下のステップ1〜3からなる1サイクルを繰り返すことができる。本方法の1サイクルにおいては、吸着塔10A,10B,10Cの各々にて、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程が行われる。図4は、ステップ1〜3におけるPSAガス分離装置6でのガスの流れ状態を模式的に表したものである。
Using the PSA gas separation device 6 having the above-described configuration, a pressure fluctuation adsorption gas separation process (PSA gas separation process) can be performed. When the PSA gas separation device 6 is in operation, the
ステップ1では、図4(a)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔10Aにて吸着工程が、吸着塔10Bにて脱着工程が、吸着塔10Cにて洗浄工程が行われる。ステップ1の各工程の操作時間は、例えば120秒とされる。
In
図3および図4(a)を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ1では、粗塩化水素ガスが配管31を介して吸着塔10Aのガス通過口11側に導入される。吸着工程にある吸着塔10A内は所定の高圧状態に維持されており、粗塩化水素ガス中の塩化水素が吸着塔10A内のPSA吸着剤に吸着され、且つ、吸着塔10Aのガス通過口12側から塩化水素濃度の低い非吸着ガスが排出される。この非吸着ガスは、配管32を介してガス排出端E1から装置外へ排出される。より詳細には、吸着工程における非吸着ガスの組成は、経時的に変化する。吸着工程の初期においては、非吸着ガスにおける塩化水素濃度は相対的に低い。吸着工程が進むにつれて、PSA吸着剤の塩化水素に対する吸着量が飽和状態に近づき、塩化水素の吸着量が低下していくので、非吸着ガスの組成は粗塩化水素ガスの組成に近づいていく。
As can be well understood with reference to FIGS. 3 and 4A together, in
ここで、吸着塔10Aに導入される粗塩化水素ガスにおける塩化水素濃度について、特に制限はないが、好ましくは80vol.%以上、より好ましくは95vol.%以上である。吸着工程にある吸着塔10Aの内部圧力(吸着圧力)は、例えば0〜1MPaGであり、好ましくは0〜0.07MPaGである。
Here, the hydrogen chloride concentration in the crude hydrogen chloride gas introduced into the
吸着塔10Bについては、先に洗浄工程を行っていたから(図4(c)に示されるステップ3参照)、ステップ1の開始時には、後述の塩化水素濃度が高い洗浄ガスによって不純物である水素・窒素が置換されており、塔内に残存するガスの不純物濃度が低くなっている。ステップ1では、吸着塔10Bの内部が真空ポンプ22により減圧されて、吸着塔10B内のPSA吸着剤から塩化水素が脱着され、吸着塔10Bのガス通過口11側から塔内ガス(主に脱着ガス)が排出される。この排出されたガスは、配管34、および真空ポンプ22を介して製品ガス取出し端E3から装置外に取り出される。脱着工程にある吸着塔10Bの内部圧力(脱着圧力)は、例えば−0.1〜−0.01MPaGであり、好ましくは−0.1〜−0.05MPaGである。
Since the adsorbing
これとともに、ステップ1では、後述のステップ3(吸着工程)を既に経ている吸着塔10Cのガス通過口11側に対し、真空ポンプ22を通過した吸着塔10Bからのガスの一部が配管35および流量調整弁35dを介して洗浄ガスとして導入されつつ、吸着塔10Cのガス通過口12側から洗浄オフガスが排出される。この洗浄オフガスは、配管33を介してガス排出端E2から装置外へ排出される。このようなステップ1では、吸着塔10Bから排出されるガスによって吸着塔10Cが清浄化される。
At the same time, in
ここで、吸着塔10Cに導入する洗浄ガスの量については、当該洗浄ガスの量を、吸着塔内の吸着剤充填領域における空隙容積で除した値が1.85以上となるように調整され、好ましくは当該除した値が2.0以上となるように調整される。なお、上記の「吸着塔内の吸着剤充填領域」とは、吸着塔内において多孔板等によって区画された、吸着剤を充填可能な空間領域のことである。「吸着剤充填領域における空隙容積」とは、吸着剤充填領域において、充填された吸着剤が占める領域以外の空間容積であり、主に吸着剤と吸着剤の間(吸着剤の粒どうしの間)の空間容積によって占められる。一定容積である吸着剤充填領域の全体に粒状の吸着剤を充填する場合において、吸着剤の粒自体の形状やサイズによって、「吸着剤充填領域における空隙容積」は変化しうる。
Here, the amount of the cleaning gas introduced into the
ステップ2では、図4(b)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔10Aにて洗浄工程が、吸着塔10Bにて吸着工程が、吸着塔10Cにて脱着工程が行われる。即ち、ステップ2では、ステップ1で吸着塔10Aにおいて行われたのと同様に、吸着塔10Bにおいて、吸着工程が行われる。これとともに、ステップ2では、ステップ1で吸着塔10Bにおいて行われたのと同様に、吸着塔10Cにおいて、脱着工程が行われる。これとともに、ステップ2では、ステップ1で吸着塔10Cにおいて行われたのと同様に、吸着塔10Aにおいて、洗浄工程が行われる。
In step 2, the gas flow state as shown in FIG. 4B is achieved, and the cleaning process is performed in the
ステップ3では、図4(c)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔10Aにて脱着工程が、吸着塔10Bにて洗浄工程が、吸着塔10Cにて吸着工程が行われる。即ち、ステップ3では、ステップ1で吸着塔10Aにおいて行われたのと同様に、吸着塔10Cにおいて、吸着工程が行われる。これとともに、ステップ3では、ステップ1で吸着塔10Bにおいて行われたのと同様に、吸着塔10Aにおいて、脱着工程が行われる。これとともに、ステップ3では、ステップ1で吸着塔10Cにおいて行われたのと同様に、吸着塔10Bにおいて、洗浄工程が行われる。
In step 3, the gas flow state as shown in FIG. 4C is achieved, and the desorption process is performed in the
そして、以上に説明したステップ1〜3が吸着塔10A,10B,10Cの各々において繰り返し行われることにより、吸着塔10A,10B,10Cのいずれかに粗塩化水素ガスが連続的に導入され、且つ塩化水素濃度の高いガス(製品ガス)が連続的に取得される。なお、ステップ1〜3からなる1サイクルを繰り返し行う際の吸着塔10A,10B,10Cの内部温度については、季節に応じた温度変化を考慮し、0〜40℃程度であれば問題はない。
Then, Steps 1 to 3 described above are repeatedly performed in each of the adsorption towers 10A, 10B, and 10C, whereby the crude hydrogen chloride gas is continuously introduced into any of the adsorption towers 10A, 10B, and 10C, and Gas with high hydrogen chloride concentration (product gas) is continuously acquired. In addition, about the internal temperature of
本実施形態のPSAガス分離工程において、吸着塔10A,10B,10Cの各々において実行されるPSA法による1サイクルについて、吸着工程の後、且つ脱着工程の前に、洗浄工程を行う。洗浄工程にあるいずれかの吸着塔(10A,10B,10C)に導入される洗浄ガスは、脱着工程にある他のいずれかの吸着塔(10A,10B,10C)から排出されたガスの一部である。当該ガス(洗浄ガス)は、吸着剤から脱着した塩化水素が主であり、塩化水素濃度が高い。上記洗浄ガスの塩化水素濃度は、例えば99.9vol.%以上であり、条件によっては99.99vol.%以上の場合もある。 In the PSA gas separation process of the present embodiment, a cleaning process is performed after the adsorption process and before the desorption process for one cycle by the PSA method executed in each of the adsorption towers 10A, 10B, and 10C. The cleaning gas introduced into any of the adsorption towers (10A, 10B, 10C) in the cleaning process is part of the gas discharged from any of the other adsorption towers (10A, 10B, 10C) in the desorption process It is. The gas (cleaning gas) is mainly hydrogen chloride desorbed from the adsorbent and has a high hydrogen chloride concentration. The hydrogen chloride concentration of the cleaning gas is, for example, 99.9 vol. % Or more, depending on conditions, 99.99 vol. It may be more than%.
洗浄工程においては、吸着剤の一部の細孔内や、吸着剤と吸着剤との間の隙間の空間に残存していた不純物が、洗浄ガスの導入により例えば99.9vol.%の純度の塩化水素で置き換えられる。そして、洗浄工程において導入する洗浄ガスの量よりも、その後の脱着工程において、塔内を減圧して塔内ガスを回収するときにPSA吸着剤から脱着する純塩化水素の量のほうがはるかに多い。このため、脱着工程の開始時において塔内に残存する原料組成のガス(粗塩化水素ガス)に含まれる不純物成分は十分に希釈され、最終的に純度99.99vol.%以上の高純度の塩化水素ガス(製品ガス)が回収される。 In the cleaning step, impurities remaining in a part of the pores of the adsorbent or in the space between the adsorbent and the adsorbent are introduced into the adsorbent by, for example, 99.9 vol. % Pure hydrogen chloride. Then, in the subsequent desorption step, the amount of pure hydrogen chloride desorbed from the PSA adsorbent when the pressure in the column is reduced and the column gas is recovered in the subsequent desorption step is much larger than the amount of cleaning gas introduced in the cleaning step. . For this reason, the impurity component contained in the raw material composition gas (crude hydrogen chloride gas) remaining in the tower at the start of the desorption step is sufficiently diluted to finally have a purity of 99.99 vol. % Of high-purity hydrogen chloride gas (product gas) is recovered.
洗浄工程において吸着塔10A,10B,10Cに導入する洗浄ガスの量は、上述のように、当該洗浄ガス量を、吸着塔10A,10B,10C内の吸着剤充填領域における空隙容積で除した値が1.85以上、好ましくは2.0以上とされる。このように、洗浄ガス量/吸着剤充填領域における空隙容積、の比率が1.85以上とすることにより、塔内に残存していた原料組成のガス(粗塩化水素ガスであり、不純物としての水素・窒素を含む)が適切に洗浄ガスに置き換えられるとともに、吸着剤の表面に吸着された微量の不純物成分(主に水素)や吸着剤の細孔内に残存していた不純物成分も塔外に排出されるものと考えられる。その結果、後の脱着工程において回収される製品ガスにおける塩化水素濃度を所望の高純度とすることができる。なお、上記空隙容積は、吸着剤の形状や充填方法によって変化するが、以下の計算式によって容易に算出することできる。
<空隙容積を求める計算式:(1)空隙容積=吸着剤充填領域の容積−吸着剤充填領域で吸着剤が占める体積、(2)空隙容積=吸着剤充填領域の容積−吸着剤の単位質量当たりの体積×吸着剤の充填質量>
As described above, the amount of the cleaning gas introduced into the adsorption towers 10A, 10B, and 10C in the cleaning step is a value obtained by dividing the amount of the cleaning gas by the void volume in the adsorbent filling region in the adsorption towers 10A, 10B, and 10C. Is 1.85 or more, preferably 2.0 or more. Thus, by setting the ratio of the cleaning gas amount / the void volume in the adsorbent packed region to 1.85 or more, the gas of the raw material composition remaining in the tower (crude hydrogen chloride gas, as impurities) (Including hydrogen and nitrogen) are appropriately replaced with cleaning gas, and trace impurity components (mainly hydrogen) adsorbed on the surface of the adsorbent and impurity components remaining in the pores of the adsorbent Is considered to be discharged. As a result, the hydrogen chloride concentration in the product gas recovered in the subsequent desorption step can be set to a desired high purity. The void volume varies depending on the shape of the adsorbent and the filling method, but can be easily calculated by the following calculation formula.
<Calculation formula for obtaining void volume: (1) void volume = volume of adsorbent filling region−volume occupied by adsorbent in adsorbent filling region, (2) void volume = volume of adsorbent filling region−unit mass of adsorbent Volume per adsorbent x mass of adsorbent>
上記した洗浄ガス量/吸着剤充填領域における空隙容積の比率について、特に上限は設けないが、実用上の観点から上記比率を極端に大きな値にするのは適切でない。即ち、洗浄ガス量/吸着剤充填領域における空隙容積、の比率が過大になると、洗浄ガス量が必要以上に増えることになり、洗浄工程の所要時間が延びる。その結果、1サイクルの時間(サイクルタイム)が長くなり、製品ガスの生産効率(単位時間当たりの製品ガスの取得量)が低下するので、好ましくない。 There is no particular upper limit on the ratio of the cleaning gas amount / the void volume in the adsorbent filling region, but it is not appropriate to make the ratio extremely large from a practical viewpoint. That is, if the ratio of the cleaning gas amount / the void volume in the adsorbent filling region becomes excessive, the cleaning gas amount increases more than necessary, and the time required for the cleaning process is extended. As a result, the time for one cycle (cycle time) becomes longer, and the production efficiency of product gas (the amount of product gas obtained per unit time) is lowered, which is not preferable.
洗浄工程にある吸着塔に導入される洗浄ガスの量は上記のように調整されるが、洗浄工程にある吸着塔に導入する洗浄ガスの単位時間当たりの流量および導入時間についても、流量調整弁35dを操作することによって適宜調整することができる。脱着工程にある吸着塔から排出されるガスが製品ガスとして回収され、その排出ガス(製品ガス)の一部が洗浄ガスとして利用されるが、脱着工程において塔外に排出される製品ガスの塩化水素濃度は、経時的に変化する。脱着工程の初期においては予め塔内に残存するガスが排出されるので塩化水素濃度が相対的に低く、脱着工程が進むにつれて、吸着剤から脱着されたガスが排出されるので、塩化水素濃度が高くなっていく。このようなことから、製品ガス全体の純度を高める観点によると、脱着工程の開始から途中の時点まで排出されるガスを洗浄ガスとして利用するのが好ましい。 The amount of cleaning gas introduced into the adsorption tower in the cleaning process is adjusted as described above, but the flow rate adjusting valve is also used for the flow rate per unit time and the introduction time of the cleaning gas introduced into the adsorption tower in the cleaning process. It can be appropriately adjusted by operating 35d. The gas discharged from the adsorption tower in the desorption process is recovered as product gas, and a part of the exhaust gas (product gas) is used as cleaning gas, but the chlorination of the product gas discharged outside the tower in the desorption process The hydrogen concentration changes over time. In the initial stage of the desorption process, the gas remaining in the tower is discharged in advance, so the hydrogen chloride concentration is relatively low. As the desorption process proceeds, the gas desorbed from the adsorbent is discharged, so the hydrogen chloride concentration is It gets higher. For this reason, from the viewpoint of increasing the purity of the entire product gas, it is preferable to use the gas discharged from the start of the desorption process to the middle point as the cleaning gas.
脱着工程の開始から途中の時点まで排出されるガスを洗浄ガスとして利用する場合、図4を参照して上述した各ステップ1〜3において、洗浄工程については、これと並行して行う脱着工程の開始から途中の時点まで行い、その後引き続いて行う脱着工程が終了するまでは、洗浄工程を行っていた吸着塔のガスの出入りを遮断して待機させればよい。
In the case where the gas discharged from the start of the desorption process to the middle point is used as the cleaning gas, in each of the
図5は、洗浄工程の後、脱着工程に切り替わるまでの間に待機工程が挿入される場合における、PSAガス分離装置6での1サイクルのガスの流れ状態を模式的に表したものである。待機工程は、図4に示したステップ1,2,3の各々の直後にステップ1’,2’,3’として挿入される。
FIG. 5 schematically shows a gas flow state of one cycle in the PSA gas separation device 6 when a standby process is inserted after the cleaning process and before the desorption process is switched. The standby process is inserted as steps 1 ', 2', 3 'immediately after each of
ステップ1’では、図5(b)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔10Aにてステップ1に引き続き吸着工程が、吸着塔10Bにてステップ1に引き続き脱着工程が、吸着塔10Cにてステップ1での洗浄工程の後の待機工程が行われる。ステップ2’では、図5(d)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔10Aにてステップ2での洗浄工程の後の待機工程が、吸着塔10Bにてステップ2に引き続き吸着工程が、吸着塔10Cにてステップ2に引き続き脱着工程が行われる。ステップ3’では、図5(f)に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔10Aにてステップ3に引き続き脱着工程が、吸着塔10Bにてステップ3での洗浄工程の後の待機工程が、吸着塔10Cにてステップ3に引き続き吸着工程が行われる。
In
上述のように、粗塩化水素ガスにおける塩化水素濃度は、好ましくは80vol.%以上、より好ましくは95vol.%以上とされる。粗塩化水素ガスにおける水素濃度(不純物ガス成分の濃度)が高い場合、回収したい高純度の塩化水素ガスになるまでの、洗浄ガスの導入量が増え、洗浄工程の所要時間が延びることにより製品ガスの生産効率が著しく低下するため好ましくない。また、洗浄ガスの導入量が増えることに伴い、洗浄ガスを流す時間が長くなると、設備の運転効率が下がるので好ましくない。 As described above, the hydrogen chloride concentration in the crude hydrogen chloride gas is preferably 80 vol. % Or more, more preferably 95 vol. % Or more. If the hydrogen concentration (impurity gas component concentration) in the crude hydrogen chloride gas is high, the amount of cleaning gas introduced until the high-purity hydrogen chloride gas to be recovered increases, and the time required for the cleaning process increases, resulting in an increase in the product gas. This is not preferable because the production efficiency is significantly reduced. In addition, if the time for which the cleaning gas is supplied becomes longer as the introduction amount of the cleaning gas increases, the operation efficiency of the facility is lowered, which is not preferable.
洗浄工程にある吸着塔から排出される洗浄オフガスについては、当該洗浄オフガス中の不純物濃度(水素濃度)が粗塩化水素ガスにおける水素濃度よりも低い。このため、洗浄オフガスをガス排出端E2から装置外へ排出するのに代えて、配管36の自動弁36aを開状態にし、洗浄オフガスを、配管36を介して配管31側の粗塩化水素ガスに添加してリサイクルしてもよい。このように洗浄オフガスを原料ガス系にリサイクルすれば、装置外へ排出するガスの量が減少するので、回収される製品ガス全体の収率改善を図ることができる。なお、配管36を流れる洗浄オフガスの圧力が配管31を流れる粗塩化水素ガスの圧力よりも低くなる場合、配管36に、配管31に向けて洗浄オフガスを圧送するための圧縮機(図示略)を設けてもよい。
For the cleaning offgas discharged from the adsorption tower in the cleaning process, the impurity concentration (hydrogen concentration) in the cleaning offgas is lower than the hydrogen concentration in the crude hydrogen chloride gas. Therefore, instead of discharging the cleaning off-gas from the gas discharge end E2 to the outside of the apparatus, the
また、塩化水素は腐食作用が特に高く、水分があると吸着塔10A,10B,10Cの材料の劣化が進む。そのため、吸着塔10A,10B,10Cは、使用前に不活性ガスで十分に置換し、水分濃度が1000vol.ppm以下、好ましくは100vol.ppm以下に保たれるのがよい。必要に応じて、圧縮機21の上流側に脱水機(図示略)を設置してもよい。
In addition, hydrogen chloride has a particularly high corrosive action, and the presence of moisture causes deterioration of the materials of the adsorption towers 10A, 10B, and 10C. Therefore, the adsorption towers 10A, 10B, and 10C are sufficiently substituted with an inert gas before use, and the water concentration is 1000 vol. ppm or less, preferably 100 vol. It should be kept below ppm. A dehydrator (not shown) may be installed on the upstream side of the
真空ポンプ22により高純度の塩化水素ガス(製品ガス)が回収され、その一部が洗浄ガスとして使用されるが、洗浄ガス供給時の圧力変動を抑えるために、真空ポンプ22の下流側にバッファタンク(図示略)を設置し、当該バッファタンク内に製品ガスを一時的に貯留してもよい。
A high-purity hydrogen chloride gas (product gas) is recovered by the
上記のように、吸着塔10A,10B,10Cで実行される吸着工程、洗浄工程、および脱着工程においては、各塔の内部圧力が適宜変動させられるが、圧力変動とともに塔内の温度を変動させてもよい。 As described above, in the adsorption process, the washing process, and the desorption process executed in the adsorption towers 10A, 10B, and 10C, the internal pressure of each tower is appropriately changed, but the temperature in the tower is changed along with the pressure fluctuation. May be.
本実施形態の塩化水素の製造方法においては、塩素と水素から、水素過剰条件でバーナー燃焼装置4により塩化水素を合成する工程(合成工程)と、合成工程を経た、塩化水素を含む混合ガスの不純物の一部を、吸着装置5にて吸着剤を用いて除去する工程(吸着除去工程)と、吸着除去工程を経た粗塩化水素ガスに含まれる不純物の少なくとも一部を、PSAガス分離装置6により除去する工程(圧力変動吸着式ガス分離工程)と、を実行する。これら一連の工程を実行することにより、高純度の塩化水素ガス(製品ガス)が得られる。 In the hydrogen chloride production method of the present embodiment, a step of synthesizing hydrogen chloride from chlorine and hydrogen by the burner combustion device 4 under an excess hydrogen condition (synthesis step), and a mixed gas containing hydrogen chloride that has undergone the synthesis step A step of removing a part of the impurities by using the adsorbent in the adsorption device 5 (adsorption removal step), and at least a part of the impurities contained in the crude hydrogen chloride gas that has undergone the adsorption removal step, the PSA gas separation device 6 And a step of removing by pressure (pressure fluctuation adsorption type gas separation step). By executing these series of steps, high-purity hydrogen chloride gas (product gas) can be obtained.
本実施形態においては、バーナー燃焼装置4にて塩化水素を合成する前に、不純物を含む液化塩素(原料塩素)を蒸留し、沸点が塩素よりも低い低沸点成分を蒸留によって除去する。蒸留を経ることにより、液化塩素の不純物濃度は、例えば10vol.ppm以下、あるいは1vol.ppm以下まで有意に低減する。このような構成によれば、バーナー燃焼後(塩化水素の合成後)の工程(吸着除去工程および圧力変動吸着式ガス分離工程)の装置の負荷を大幅に減らすことが可能となる。 In this embodiment, before synthesizing hydrogen chloride with the burner combustion apparatus 4, liquefied chlorine (raw material chlorine) containing impurities is distilled, and low-boiling components having a boiling point lower than that of chlorine are removed by distillation. Through the distillation, the impurity concentration of liquefied chlorine is, for example, 10 vol. ppm or less, or 1 vol. Significantly reduced to ppm or less. According to such a configuration, it is possible to greatly reduce the load on the apparatus after the burner combustion (after the synthesis of hydrogen chloride) (adsorption removal process and pressure fluctuation adsorption gas separation process).
バーナー燃焼後の工程(吸着除去工程および圧力変動吸着式ガス分離工程)では、吸着により実質的に全ての不純物の除去が行われる。このような吸着プロセスによる精製方法は、蒸留プロセスと比較してコスト競争力がある。また、高圧ガス保安法の観点から見ると、高圧ガスの対象として高圧ガス保安法の適用を受けるのは、貯留タンク1、蒸留設備(蒸留塔2)および気化設備(気化器3)のみであり、バーナー燃焼装置4から下流は一般のガス設備としての法対応のみで設置することができる。
In the process after the burner combustion (adsorption removal process and pressure fluctuation adsorption gas separation process), substantially all impurities are removed by adsorption. Such a purification method using an adsorption process is cost competitive as compared to a distillation process. From the viewpoint of the high-pressure gas safety law, only the
上記の一連の工程により製造された塩化水素ガス(製品ガス)の用途は特に限定されない。純度99.99%以上程度の高純度の塩化水素ガスであれば、半導体原料工程に供給してもよい。また、例えば圧縮器または凝縮器により圧縮または液化し、高圧ガス容器に充填してもよいし、蓄積タンクに保管してもよい。 The use of hydrogen chloride gas (product gas) produced by the above series of steps is not particularly limited. Any high-purity hydrogen chloride gas having a purity of about 99.99% or more may be supplied to the semiconductor material process. Moreover, it may be compressed or liquefied by, for example, a compressor or a condenser, filled in a high-pressure gas container, or stored in a storage tank.
以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本発明に係る塩化水素の製造方法を実行する塩化水素製造システムにおける各部の構成も種々に変更可能である。PSAガス分離装置6おけるガス流路をなす配管の構成については、上記実施形態とは異なる構成を採用してもよい。PSA吸着塔の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、2塔以下、或いは4塔以上の場合でも同様の効果が期待できる。 While specific embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. For example, the structure of each part in the hydrogen chloride production system for executing the method for producing hydrogen chloride according to the present invention can be variously changed. A configuration different from that of the above-described embodiment may be adopted for the configuration of the piping forming the gas flow path in the PSA gas separation device 6. The number of PSA adsorption towers is not limited to the three-column type shown in the above embodiment, and the same effect can be expected even when there are two or less towers or four or more towers.
〔実施例1〕
上記した塩化水素製造システムXを用いて塩化水素を製造した。原料塩素濃度、原料水素濃度および得られた塩化水素の濃度を表1に示した。本実施例では、貯留タンク1の温度が室温(25℃)に、蒸留塔2は、温度が10℃、圧力が0.4MPaGの条件に保たれ、気化器3では全量気化を行った。原料水素は市販の高純度水素を使用した。バーナー燃焼装置4の燃焼比率は水素/塩素=1.1で燃焼した。第1吸着装置部51の吸着塔53A,53B(脱塩素、脱臭素塔)には、活性炭(クラレ製、クラレGG)を積層した。第2吸着装置部52の吸着塔56A,56B(脱水塔)には、ハイシリカゼオライト(東ソー製、640HOD1A)を積層した。PSAガス分離装置6の吸着塔10A,10B,10C(PSA吸着塔)には、ハイシリカゼオライト(東ソー製、385HUD1C)を積層し、吸着圧力が0.1MPaG、洗浄ガス量/吸着剤充填領域における空隙容積=2.2、脱着圧力が−0.09MPaGの運転条件でPSA法によるガス分離を行った。
[Example 1]
Hydrogen chloride was produced using the above-described hydrogen chloride production system X. Table 1 shows the raw material chlorine concentration, the raw material hydrogen concentration, and the obtained hydrogen chloride concentration. In this example, the temperature of the
表1には、原料塩素(不純物を含む)、原料水素(不純物を含む)、蒸留工程を経た後の原料塩素、バーナー燃焼(合成工程)を行った後の混合ガス、吸着除去工程を経た後(脱塩素・臭素後、および脱水後)の粗塩化水素ガス、およびPSAガス分離工程後(脱水素・脱窒素後)の製品ガス、のそれぞれにおける各成分濃度を表す。表1に示したように、本装置を使用することで、各工程において不純物成分が有意に除去され、99.999vol.%以上の高純度の塩化水素(製品ガス)が得られる。 Table 1 shows raw material chlorine (including impurities), raw material hydrogen (including impurities), raw material chlorine after the distillation process, mixed gas after burner combustion (synthesis process), and after the adsorption removal process Respective component concentrations in the crude hydrogen chloride gas (after dechlorination / bromine and after dehydration) and the product gas after the PSA gas separation step (after dehydrogenation / denitrogenation) are shown. As shown in Table 1, by using this apparatus, impurity components are significantly removed in each step, and 99.999 vol. % Of high-purity hydrogen chloride (product gas) can be obtained.
X 塩化水素製造システム
1 貯留タンク
2 蒸留塔
3 気化器
4 バーナー燃焼装置
5 吸着装置
6 PSAガス分離装置(圧力変動吸着式ガス分離装置)
10A,10B,10C 吸着塔(PSA吸着塔)
11,12 ガス通過口
21 圧縮機
22 真空ポンプ
31〜36 配管
31’,32’,33’,34’,35’ 主幹路
31A〜31C,32A〜32C,33A〜33C,34A〜34C,35A〜35C
分枝路
31a〜31c,32a〜32c,33a〜33c,34a〜34c,35a〜35c,36a 自動弁
35d 流量調整弁
51 第1吸着装置部
52 第2吸着装置部
53A,53B 吸着塔
54,55 ガス通過口
56A,56B 吸着塔
57,58 ガス通過口
61〜69 配管
61a,62a,63a,63b,65a,66a,68a,68b 開閉弁
71〜78 配管
71a,72a,73a,73b,75a,76a,77a,77b 開閉弁
101〜105 開閉弁
201〜211 配管
301〜305 流量調整器
401〜403 圧力調節器
410 凝縮器
420 加熱器
X Hydrogen
10A, 10B, 10C adsorption tower (PSA adsorption tower)
11, 12
Claims (6)
上記合成工程を経た、塩化水素を含む混合ガスの不純物の一部を、吸着剤を用いて除去する吸着除去工程と、
上記吸着除去工程を経た粗塩化水素ガスに含まれる不純物の少なくとも一部をPSA法により除去する圧力変動吸着式ガス分離工程と、を含む、塩化水素の製造方法。 A synthesis process for synthesizing hydrogen chloride from chlorine and hydrogen using a burner combustion device under hydrogen-excess conditions;
An adsorption removal step of removing a part of the impurities of the mixed gas containing hydrogen chloride through the synthesis step using an adsorbent;
A pressure fluctuation adsorption gas separation step of removing at least a part of impurities contained in the crude hydrogen chloride gas that has undergone the adsorption removal step by a PSA method.
上記PSA吸着塔が相対的に高圧である状態にて、上記PSA吸着塔に上記粗塩化水素ガスを導入して当該粗塩化水素ガス中の塩化水素を上記PSA吸着剤に吸着させ、当該PSA吸着塔から非吸着ガスを排出する吸着工程と、上記PSA吸着塔に上記粗塩化水素ガスよりも塩化水素濃度が高い洗浄ガスを導入し、当該PSA吸着塔から洗浄オフガスを排出する洗浄工程と、上記PSA吸着塔内を減圧して上記PSA吸着剤から塩化水素を脱着させ、当該PSA吸着塔から塔内ガスを排出させる脱着工程と、を含むサイクルを繰り返し行い、
上記脱着工程において上記PSA吸着塔から排出される上記塔内ガスを精製ガスとして取得する、請求項1または2に記載の塩化水素の製造方法。 In the pressure fluctuation adsorption gas separation step, a plurality of PSA adsorption towers filled with a PSA adsorbent that selectively adsorbs hydrogen chloride are used.
In a state where the PSA adsorption tower is at a relatively high pressure, the crude hydrogen chloride gas is introduced into the PSA adsorption tower so that hydrogen chloride in the crude hydrogen chloride gas is adsorbed on the PSA adsorbent, and the PSA adsorption is performed. An adsorption step of discharging non-adsorbed gas from the column, a cleaning step of introducing a cleaning gas having a hydrogen chloride concentration higher than the crude hydrogen chloride gas into the PSA adsorption column, and discharging a cleaning off-gas from the PSA adsorption column; Depressurizing the inside of the PSA adsorption tower to desorb hydrogen chloride from the PSA adsorbent, and repeatedly performing a cycle including a desorption process of discharging the gas in the tower from the PSA adsorption tower,
The method for producing hydrogen chloride according to claim 1 or 2, wherein the gas in the tower discharged from the PSA adsorption tower in the desorption step is obtained as a purified gas.
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