JP2685766B2 - 水素ガスの精製方法および装置 - Google Patents
水素ガスの精製方法および装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は水素ガスの精製方法および装置に関し、さら
に詳細には水素ガス中に含有される酸素、水および炭酸
ガスなどの不純物を除去することによって高純度の精製
水素ガスを得るための水素ガスの精製方法および装置に
関する。 半導体製造プロセスなどでは水素ガスが多量に使用さ
れているが、近年、半導体の高度集積化の急速な進展と
ともに水素ガスも極めて高純度であることが強く要求さ
れつつある。 〔従来の技術〕 水素ガス中に不純物として含有される少量の酸素、水
分および炭酸ガスなどを除去し、精製水素ガスを得る方
法としては、Ni、Cuなどの触媒により酸素を水に転換す
る反応工程とゼオライトなどの吸着剤による水分および
炭酸ガスなどを吸着除去する吸着精製工程とを組み合わ
せた方法が知られている。この場合には吸着剤について
は不純物の吸着量が増加すると吸着剤の再生が必要とな
るため、ガスの精製を連続的におこなうためには少なく
とも２系列の吸着筒を設け、これらを順次切り替えて使
用する必要があり、例えば第４図のフローシートで示す
ような装置が使用される。 第４図において、Ni、Cuなどの触媒が充填された反応
筒31の入口32および出口33は原料ガスの供給路34および
反応ガスの流路35とそれぞれ接続されている。一方、ゼ
オライトなどの吸着剤層が充填され、かつヒーター36が
取り付けられた吸着筒ＡおよびＢの入口はそれぞれ流路
38aおよび38bと接続され、流路38aおよび38bの他端は分
岐してその一方は開閉弁V1aおよびV1bをそれぞれ介して
反応ガスの流路35と、また他方は開閉弁V2aおよびV2bを
それぞれ介して再生排ガスの放出路37と接続されてい
る。さらに吸着筒ＡおよびＢの出口は流路41aおよび41b
と接続され、流路41aおよび41bの他端は分岐してその一
方は開閉弁V3aおよびV3bをそれぞれ介して精製ガスの抜
出路39に、また他方は開閉弁V4aおよびV4bをそれぞれ介
して再生用の精製自己ガスの供給路40に接続されてい
る。供給路34から反応筒31に入った原料水素ガスは触媒
と接触することにより水素ガス中に含有される酸素ガス
は水素ガスと反応して水に転換され、接触後の水素ガス
は出口33から反応ガスの流路35に出る。反応ガスの吸着
精製は吸着筒ＡおよびＢを交互に切替えて使用すること
により連続的に行われる。例えばＡ筒が精製工程のとき
には開閉弁V1aおよびV3aが開かれて反応筒31を出たガス
は流路35からV1aおよび流路38aを経て吸着筒Ａに入り、
吸着剤と接触することにより、水分および他の不純物が
吸着除去されて精製され、精製水素ガスは流路41a、開
閉弁V3aおよび抜出路39を経て抜出される。この間、吸
着筒Ｂでは吸着剤の再生が行われるが、先ずヒーター36
により吸着剤が加熱された状態で開閉弁V2bおよびV4bが
開かれて再生用の精製自己ガス（精製水素ガスの一部）
はV4bおよび流路41bを経て、吸着筒Ｂに入る。ここで吸
着剤に吸着された水分および炭酸ガスなどの不純物は加
熱によって離脱し、精製自己ガスとともに流路38bおよ
び開閉弁V2bを経て再生排ガスとして放出路37から放出
される。 第５図は吸着筒ＡおよびＢにおける精製工程および再
生工程を時系列的に示した図である。第５図においてＡ
筒で吸着精製が続けられる間にＢ筒では精製自己ガスに
よる吸着剤の加熱再生が行われるが、再生は比較的短時
間で終了するので、その後は待機状態となり、Ａ筒にお
ける吸着精製が終了した時点で吸着精製工程に切替えら
れ、代わってＡ筒が再生工程に入る。 このような装置における吸着精製工程から再生工程へ
の切替および再生工程における加熱と再生用の精製自己
ガスの流通などはシーケンサーなどにより、予め設定さ
れた時間に基づいてヒーターおよび各開閉弁を操作し自
動的におこなわれるのが一般的となっている。 ガスの吸着精製及び吸着剤の再生における各工程時間
はガス中に含有される不純物の濃度、ガス流量および吸
着筒の大きさなどによって異なり一概に特定できない
が、通常は吸着精製工程に対し、吸着剤の再生工程は短
いため、再生済の吸着筒は次の吸着精製工程への切り替
えまでの間、比較的長時間待機状態となる。 例えば、吸着精製工程の50〜100時間に対し、精製自己
ガスによる再生工程は５〜10時間、待機時間は45〜90時
間程度とされる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 半導体の高度集積化が進み、サブイクロン級の超LSI
の製造プロセスなどに対処し、超高純度の精製ガスを得
るため、これらの精製装置においても吸着筒壁の微細な
クラックなどに滞留するような極く微量の不純ガスです
ら無視できなくなり、これらの混入を防止するために内
壁を研磨したり、その他のガスの滞留部を少なくするた
めに配管の分岐部を短くするなどの処置が行われてい
る。しかしながら、このような処置を行っても不純物の
混入は未だ完全に防止されず、特に吸着筒の切替当初に
おいて不純物濃度が増加する傾向が強く、高純度ガスを
連続的に安定して得られないという問題点があった。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明者らはこれらの問題点を解決し、不純物の混入
がなく、極めて高純度の精製ガスが連続的に安定して得
られるとともに運転効率の優れた精製方法及び装置を得
るべく鋭意研鑚を重ねた結果、装置に四方切替弁を用い
るとともに精製工程への切替前に再生済で待機中の吸着
筒の精製自己ガスによる再掃気を行うことにより、これ
らの目的を達成し得ることを見出し、本発明に到達し
た。 すなわち本発明は、 （１）触媒が充填された反応筒内に水素ガスを通し、該
水素ガス中に不純物として含有される酸素ガスを水に転
換させる反応工程と、吸着剤が充填された少なくとも２
系列の吸着筒を順次切り替えて使用し、反応筒から出た
ガスの吸着剤による吸着精製工程および精製自己ガスに
よる吸着剤の加熱再生工程とを繰り返すことによって水
素ガスを連続的に精製する水素ガス精製方法において、 吸着精製中の吸着筒における吸着精製工程の進行率が少
なくとも70％を超え、かつ該吸着精製工程が終了するま
での間に、吸着剤の再生が終り、精製工程への切り替え
に備えて待機中の精製筒内を精製自己ガスによって再掃
気することを特徴とする水素ガスの精製方法、及び （２）水素ガス中に不純物として含有される酸素ガスを
水に転換するための触媒が充填された反応筒１と、該反
応筒１から導かれた水素ガス中の不純物を除去するため
の吸着剤が充填された２系列の吸着筒ＡおよびＢを有す
る水素ガスの精製装置において、 ブロック状の本体に４ヶの開閉弁部が内蔵されて一体化
構造とされ、該開閉弁部それぞれのガスの出入口の一方
が隣接する開閉弁部のガスの出入口の一方を互いに共通
とされた４ヶ所の出入口を有する四方切替弁V1及びV2
と、 精製筒ＡおよびＢの入口6aおよび6bと前記四方切替弁V1
のガス出入口NaおよびNbとをそれぞれ接続する流路10a
および10bと、ガスの出入口Ncと反応筒１の出口３とを
接続する流路５と、ガスの出入口Ndと接続された再生排
ガスの放出路11と、 吸着筒ＡおよびＢの出口8aおよび8bと前記四方切替弁V2
のガスの出入口NaおよびNbとをそれぞれ接続する流路12
aおよび12bと、出入口Ndと接続された精製ガスの抜出路
13と、該抜出路13から分枝して出入口Ncに接続された再
生用精製自己ガスの供給路14とを備えてなることを特徴
とする水素ガスの精製装置である。 本発明を図面によって具体的に例示して説明する。第
１図は本発明の装置の例を示すフローシートであり、第
２図イおよびロはそれぞれ異なる態様の四方切替弁の原
理を示す断面図であり、第３図は本発明の方法を時系列
的に示した図である。 第１図において、Ni、Cuなどの触媒が充填された反応
筒１の入口２および出口３は流量検出端F1が取り付けら
れた原料ガスの供給路４および反応ガスの流路５とそれ
ぞれ接続されている。一方、頭部に原料ガスの入口６、
および吸着剤層を貫通して底部に至る導管７が接続され
た精製ガスの出口８を有し、かつヒーター９が配設され
た二系列の精製筒ＡおよびＢの入口6aおよび6bは、流路
10aおよび10bによって四方切替弁V1の出入口NaおよびNb
とそれぞれ接続されている。また四方切替弁V1の出入口
NcおよびNdには反応ガスの流路５および再生排ガスの放
出路11がそれぞれ接続されている。また吸着筒Ａおよび
Ｂの出口8aおよび8bは流路12aおよび12bによって四方切
替弁V2の出入口NaおよびNbとそれぞれ接続されている。
さらに四方切替弁V2の出入口NdおよびNcには精製ガスの
抜出路13および抜出路13から分枝し、かつ圧力計P1、ニ
ードル弁V3および流量計F2が設けられた再生用の精製自
己ガスの供給路14がそれぞれ接続されている。 本発明で使用される四方切替弁V1およびV2はブロック
状の本体に４ケの開閉弁部が内蔵されて一体化構造とさ
れるとともに４ケ所のガスの出入口を有し、各開閉弁部
のガスの出入口の一方がそれぞれ隣接する開閉弁部のガ
スの出入口の一方と互いに共通とされた構造のものであ
る。第２図はこれらを具体的に例示したものであり、イ
およびロはそれぞれ異なる態様の構造の四方切替弁を原
理的に示した断面図である。 第２図イにおいて直方体状の本体20の内部に弁座21、内
弁22および弁軸23を有し、かつ本体20の外部のアクチュ
エーター24に接続されてなる４ケの開閉弁部Va、Vb、Vc
およびVdがそれぞれ互いに対象となる配置で設けられて
いる。それぞれのアクチュエーター24は圧縮空気の入口
25が設けられたシリンダー26、弁軸23と接続されたピス
トン27およびスプリング28を有し、ピストン27がこのス
プリング28により弁座21方向に押しつけられることによ
り開閉弁部はいずれも常時閉とされている。本体20の内
部においては、開閉弁部VaとVbについては出入口Nc、Va
とVcについては出入口Na、VaとVdについては出入口Nb、
VcとVdについては出入口Ndがそれぞれ隣接する開閉弁部
同士の共通の出入口として設けられている。それぞれの
開閉弁部はアクチュエーター24に入口25から圧縮空気を
供給し、ピストン27をスプリング28に抗して移動させる
ことによって開状態とすることができる。開閉弁部Vaが
開くと出入口NaとNc、Vbが開くとNbとNc、Vcが開くとNa
とNd、Vdが開くとNbとNdがそれぞれ連通し、ガスを所定
の流路に切り替えて流すことができる。 第２図ロは第２図イにおいて同形式の開閉弁部を４ケ設
けた代わりに互いにスライドし得る内側弁軸および外側
弁軸を用いて２連式としたもの２組を合わせた構造とさ
れたものである。 上下２室に仕切られ、それぞれの室が圧縮空気の入口2
5、ピストン27およびスプリング28を有するシリンダー2
6とされた２連式のアクチュエーター24の下部シリンダ
ー26Xのピストン27Xは内弁22Xを有する外側弁軸23Xと接
続され、上部シリンダー26Yのピストン27Yは内弁22Yを
有する内側弁軸23Yとそれれ接続されている。 ピストン27Xはスプリング28Xによって上方に押し上げら
れ、ピストン27Yはスプリング28Yによって下方に押し下
げられることによってそれぞれの開閉弁部は常時閉とさ
れている。シリンダー26Xに圧縮空気を供給することに
よりピストン27Xはスプリング28Xに抗して押し下げられ
開閉弁部VaまたはVbが開かれる。たシリンダー26Yに圧
縮空気を供給することによりピストン27Yはスプリング2
8Yに抗して押し上げられて開閉弁部VcまたはVdが開かれ
る。それぞれの開閉弁部が開かれて連通する出入口につ
いては第２図イで説明したと同様である。 このような四方切替弁を使用することにより、第１図に
おける四方切替弁V1では開閉弁部Vaが開くと流路10aと
流路５、開閉弁部Vbが開くと流路10bと流路５、開閉弁
部Vcが開くと流路10aと放出路11、開閉弁部Vdが開くと
流路10bと放出路11がそれぞれ連通し、また四方切替弁V
2では開閉弁部Vaが開くと流路12aと供給路14、開閉弁部
Vbが開くと流路12bと供給路14、開閉弁部Vcが開くと流
路12aと抜出路13、開閉弁部Vdが開くと流路12bと抜出路
13がそれぞれ連通する。 原料ガスの供給路４の流量検出端F1、ヒーター９の電
源、各開閉弁部のそれぞれは信号線によって流量積算お
よびシーケンスタイマー機能を有する制御部と接続され
ている（信号線および制御部については図示していな
い）。 〔作用〕 第３図に示した如く吸着筒Ａで水素ガスの吸着精製が
行われる間に吸着筒Ｂでは精製自己ガスによる吸着剤の
加熱再生が行われる。 本例では吸着筒の切替および再生済で待機中の吸着筒の
再掃気の開始は原料水素ガスの流量積算値に対応する吸
着精製工程の進行率にもとづいて操作され、その他の工
程における各開閉弁の操作および加熱操作はそれぞれ予
め設定された時間にもとづいて行われる。 水素ガスの精製は四方切替弁V1の開閉弁部Vaおよび四
方切替弁V2の開閉弁部Vcを開くことによって開始され
る。原料ガスは供給路４から反応筒１に入り触媒と接触
することにより水素ガス中の酸素ガスは水素ガスと反応
して水に転換され、接触後のガス（反応ガス）は出口３
から反応ガスの流路５、四方切替弁V1の開閉弁部Va、お
よび流路10aを経由して入口6aから吸着筒Ａに入り、吸
着剤と接触して水および炭酸ガスが吸着除去されて筒底
に至り、ここで反転して導管７を通って出口8aに達し、
さらに流路12aおよび四方切替弁V2の開閉弁部Vcを経由
し、抜出路13から精製ガスとして抜出される。ガスは分
岐管などのデッドスペースが全くない流路を流れながら
精製が続けられる。一方、制御部では流量検出端F1より
伝達される信号による原料ガスの流量積算が続けられ、
吸着筒切替までの積算流量にもとづく吸着精製の進行率
が所定の値（例えば95％）に達すると制御部から吸着筒
Ｂにおける再掃気を開始するための操作信号が伝達され
る。吸着筒Ａにおけるガスの吸着精製はさらに続けら
れ、その積算流量が所定の値（進行率100％）に達する
と制御部より吸着筒をＡからＢに切替えるための信号が
伝達される。ここで四方切替弁V1の開閉弁部Vaおよび四
方切替弁V2の開閉弁部Vcが閉じられると同時にV1の開閉
弁部VbおよびV2の開閉弁Vbが開かれて、吸着筒Ｂによる
ガスの吸着精製が開始され、吸着筒Ａは再生工程に入
る。 一方、吸着筒Ａでガスの吸着精製が行われている間に
吸着筒Ｂでは吸着剤の精製自己ガスによる加熱再生が行
われる。 時間設定された制御部からの信号により吸着筒Ｂがヒー
ター９で加熱され、続いて四方向切替弁V1の開閉弁部Vd
および四方切替弁V2の開閉弁部Vbがそれぞれ開かれる。
再生用の精製自己ガスはニードル弁V3によって流量調節
されながら、四方切替弁V2の開閉弁部Vbおび流路12bを
経由して出口8bから吸着筒Ｂに入り導管７を通って予熱
されながら筒底に至る。再生用の精製自己ガスはここで
反転して上昇し、吸着剤から離脱した水および炭酸ガス
などの不純物を同伴し、吸着筒Ｂ内を掃気しながら、入
口6bに達し、再生用排ガスとして流路10b、四方切替弁V
1の開閉弁部Vdを経由し、再生排ガスの放出路11から放
出される。この状態で吸着剤の加熱再生が所定の時間続
けられる。吸着剤の再生終了後、加熱は停止され、さら
に精製自己ガスによる吸着筒Ｂ内の掃気、冷却が所定の
時間続けられた後、先ず四方切替弁V1の開閉弁部Vdが閉
じられることにより吸着筒Ｂの系内は精製自己ガスによ
って均圧化される。次いで四方切替弁V2の開閉弁部Vbが
閉じられてそのまま待機状態に入る。一方、吸着筒Ａに
おける精製が進み、原料ガスの流量積算値にもとづく吸
着精製工程の進行率が再掃気をおこなうための所定の値
に達した時点で制御部から吸着筒Ｂ内を再掃気するため
の信号が伝達される。四方切替弁V1の開閉弁部Vdおよび
四方切替弁V2の開閉弁部Vbが開かれることにより吸着筒
Ｂ内の精製自己ガスによる再掃気が所定の時間続けられ
る。次いで吸着筒Ｂ内は精製自己ガスによって再度均圧
状態とされ、吸着精製工程への切替に備えられる。四方
切替弁V1およびV2の使用により、分岐管などガスが滞留
し易いデッドスペースがなく、この再掃気によって研磨
によっても完全に除去できない筒壁の微細なクラックな
どに残存し、吸着剤が再生済で待機中の吸着筒内空間に
拡散し混入すると推定される不純物が完全に除かれる。 本発明においては吸着精製工程の吸着精製の進行率が
少なくとも70％を超え、かつ該工程が終了するまでの間
に吸着剤が再生済で吸着精製工程への切替に備えて待機
中の精製筒内の精製自己ガスによる再掃気が行われる。
ここで吸着精製工程の進行率とは一方の精製筒における
吸着精製工程の開始から終了までのガスの積算流量に対
する各時点までの積算流量の比率（％）、又は吸着精製
工程を開始してから終了までの所要時間に対する各時点
までの所要時間の比率（％）として定義される。 再掃気および均圧化に要する時間は吸着筒の形状、大
きさ、再生用の精製自己ガスの流量などによって異な
り、一概に特定できないが実用上、通常は30〜120分程
度とされる。再掃気の開始時期はこれらの時間を考慮し
吸着筒の切替直前に終了するよう設定することが好まし
い。 再掃気および吸着筒の切替は予め設定した時間又は積
算流量のいずれにもとづいてもよいが、精製工程におけ
るガスの流量変動があっても総処理量を常に一定にする
ことができる点で積算流量にもとづく方法が好ましい。 本発明において使用される四方切替弁はブロック状の
本体内に４ケの開閉弁部が内蔵され、かつ各開閉弁部の
ガスの出入口の一方がそれぞれ隣接する開閉弁部のガス
の出入口の一方と互いに共通とされた４ケ所のガスの出
入口を有し、全体として一体化構造とされたものであ
る。このような四方切替弁は第２図イおよびロで例示さ
れた構造原理に基づき従来公知の加工技術により比較的
容易に得ることができる。 本発明で使用される吸着筒の構造には特に制限はない
が、配管距離の短縮および再生時の精製自己ガスの予熱
効果などを考慮し、第１図で示したように吸着剤層を貫
通し、筒底部に至る導管を設けることによってガスの入
口および出口の両者共に吸着筒いずれか一方の端にまと
めて配置した形態とすることが好ましい。 〔発明の効果〕 本発明の方法によれば、吸着精製工程への切替前に再
掃気を行うことによって待機中に筒壁などから拡散混入
すると推定される極く微量の不純物をも除去でき、本発
明の装置によれば四方切替弁の使用により、配管分岐部
などのガスの滞留するデッドスペースがなく、系内の掃
気が確実に行われるので、吸着筒の切替当初から極めて
純度の高い精製水素ガスを安定して得ることができる。
に詳細には水素ガス中に含有される酸素、水および炭酸
ガスなどの不純物を除去することによって高純度の精製
水素ガスを得るための水素ガスの精製方法および装置に
関する。 半導体製造プロセスなどでは水素ガスが多量に使用さ
れているが、近年、半導体の高度集積化の急速な進展と
ともに水素ガスも極めて高純度であることが強く要求さ
れつつある。 〔従来の技術〕 水素ガス中に不純物として含有される少量の酸素、水
分および炭酸ガスなどを除去し、精製水素ガスを得る方
法としては、Ni、Cuなどの触媒により酸素を水に転換す
る反応工程とゼオライトなどの吸着剤による水分および
炭酸ガスなどを吸着除去する吸着精製工程とを組み合わ
せた方法が知られている。この場合には吸着剤について
は不純物の吸着量が増加すると吸着剤の再生が必要とな
るため、ガスの精製を連続的におこなうためには少なく
とも２系列の吸着筒を設け、これらを順次切り替えて使
用する必要があり、例えば第４図のフローシートで示す
ような装置が使用される。 第４図において、Ni、Cuなどの触媒が充填された反応
筒31の入口32および出口33は原料ガスの供給路34および
反応ガスの流路35とそれぞれ接続されている。一方、ゼ
オライトなどの吸着剤層が充填され、かつヒーター36が
取り付けられた吸着筒ＡおよびＢの入口はそれぞれ流路
38aおよび38bと接続され、流路38aおよび38bの他端は分
岐してその一方は開閉弁V1aおよびV1bをそれぞれ介して
反応ガスの流路35と、また他方は開閉弁V2aおよびV2bを
それぞれ介して再生排ガスの放出路37と接続されてい
る。さらに吸着筒ＡおよびＢの出口は流路41aおよび41b
と接続され、流路41aおよび41bの他端は分岐してその一
方は開閉弁V3aおよびV3bをそれぞれ介して精製ガスの抜
出路39に、また他方は開閉弁V4aおよびV4bをそれぞれ介
して再生用の精製自己ガスの供給路40に接続されてい
る。供給路34から反応筒31に入った原料水素ガスは触媒
と接触することにより水素ガス中に含有される酸素ガス
は水素ガスと反応して水に転換され、接触後の水素ガス
は出口33から反応ガスの流路35に出る。反応ガスの吸着
精製は吸着筒ＡおよびＢを交互に切替えて使用すること
により連続的に行われる。例えばＡ筒が精製工程のとき
には開閉弁V1aおよびV3aが開かれて反応筒31を出たガス
は流路35からV1aおよび流路38aを経て吸着筒Ａに入り、
吸着剤と接触することにより、水分および他の不純物が
吸着除去されて精製され、精製水素ガスは流路41a、開
閉弁V3aおよび抜出路39を経て抜出される。この間、吸
着筒Ｂでは吸着剤の再生が行われるが、先ずヒーター36
により吸着剤が加熱された状態で開閉弁V2bおよびV4bが
開かれて再生用の精製自己ガス（精製水素ガスの一部）
はV4bおよび流路41bを経て、吸着筒Ｂに入る。ここで吸
着剤に吸着された水分および炭酸ガスなどの不純物は加
熱によって離脱し、精製自己ガスとともに流路38bおよ
び開閉弁V2bを経て再生排ガスとして放出路37から放出
される。 第５図は吸着筒ＡおよびＢにおける精製工程および再
生工程を時系列的に示した図である。第５図においてＡ
筒で吸着精製が続けられる間にＢ筒では精製自己ガスに
よる吸着剤の加熱再生が行われるが、再生は比較的短時
間で終了するので、その後は待機状態となり、Ａ筒にお
ける吸着精製が終了した時点で吸着精製工程に切替えら
れ、代わってＡ筒が再生工程に入る。 このような装置における吸着精製工程から再生工程へ
の切替および再生工程における加熱と再生用の精製自己
ガスの流通などはシーケンサーなどにより、予め設定さ
れた時間に基づいてヒーターおよび各開閉弁を操作し自
動的におこなわれるのが一般的となっている。 ガスの吸着精製及び吸着剤の再生における各工程時間
はガス中に含有される不純物の濃度、ガス流量および吸
着筒の大きさなどによって異なり一概に特定できない
が、通常は吸着精製工程に対し、吸着剤の再生工程は短
いため、再生済の吸着筒は次の吸着精製工程への切り替
えまでの間、比較的長時間待機状態となる。 例えば、吸着精製工程の50〜100時間に対し、精製自己
ガスによる再生工程は５〜10時間、待機時間は45〜90時
間程度とされる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 半導体の高度集積化が進み、サブイクロン級の超LSI
の製造プロセスなどに対処し、超高純度の精製ガスを得
るため、これらの精製装置においても吸着筒壁の微細な
クラックなどに滞留するような極く微量の不純ガスです
ら無視できなくなり、これらの混入を防止するために内
壁を研磨したり、その他のガスの滞留部を少なくするた
めに配管の分岐部を短くするなどの処置が行われてい
る。しかしながら、このような処置を行っても不純物の
混入は未だ完全に防止されず、特に吸着筒の切替当初に
おいて不純物濃度が増加する傾向が強く、高純度ガスを
連続的に安定して得られないという問題点があった。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明者らはこれらの問題点を解決し、不純物の混入
がなく、極めて高純度の精製ガスが連続的に安定して得
られるとともに運転効率の優れた精製方法及び装置を得
るべく鋭意研鑚を重ねた結果、装置に四方切替弁を用い
るとともに精製工程への切替前に再生済で待機中の吸着
筒の精製自己ガスによる再掃気を行うことにより、これ
らの目的を達成し得ることを見出し、本発明に到達し
た。 すなわち本発明は、 （１）触媒が充填された反応筒内に水素ガスを通し、該
水素ガス中に不純物として含有される酸素ガスを水に転
換させる反応工程と、吸着剤が充填された少なくとも２
系列の吸着筒を順次切り替えて使用し、反応筒から出た
ガスの吸着剤による吸着精製工程および精製自己ガスに
よる吸着剤の加熱再生工程とを繰り返すことによって水
素ガスを連続的に精製する水素ガス精製方法において、 吸着精製中の吸着筒における吸着精製工程の進行率が少
なくとも70％を超え、かつ該吸着精製工程が終了するま
での間に、吸着剤の再生が終り、精製工程への切り替え
に備えて待機中の精製筒内を精製自己ガスによって再掃
気することを特徴とする水素ガスの精製方法、及び （２）水素ガス中に不純物として含有される酸素ガスを
水に転換するための触媒が充填された反応筒１と、該反
応筒１から導かれた水素ガス中の不純物を除去するため
の吸着剤が充填された２系列の吸着筒ＡおよびＢを有す
る水素ガスの精製装置において、 ブロック状の本体に４ヶの開閉弁部が内蔵されて一体化
構造とされ、該開閉弁部それぞれのガスの出入口の一方
が隣接する開閉弁部のガスの出入口の一方を互いに共通
とされた４ヶ所の出入口を有する四方切替弁V1及びV2
と、 精製筒ＡおよびＢの入口6aおよび6bと前記四方切替弁V1
のガス出入口NaおよびNbとをそれぞれ接続する流路10a
および10bと、ガスの出入口Ncと反応筒１の出口３とを
接続する流路５と、ガスの出入口Ndと接続された再生排
ガスの放出路11と、 吸着筒ＡおよびＢの出口8aおよび8bと前記四方切替弁V2
のガスの出入口NaおよびNbとをそれぞれ接続する流路12
aおよび12bと、出入口Ndと接続された精製ガスの抜出路
13と、該抜出路13から分枝して出入口Ncに接続された再
生用精製自己ガスの供給路14とを備えてなることを特徴
とする水素ガスの精製装置である。 本発明を図面によって具体的に例示して説明する。第
１図は本発明の装置の例を示すフローシートであり、第
２図イおよびロはそれぞれ異なる態様の四方切替弁の原
理を示す断面図であり、第３図は本発明の方法を時系列
的に示した図である。 第１図において、Ni、Cuなどの触媒が充填された反応
筒１の入口２および出口３は流量検出端F1が取り付けら
れた原料ガスの供給路４および反応ガスの流路５とそれ
ぞれ接続されている。一方、頭部に原料ガスの入口６、
および吸着剤層を貫通して底部に至る導管７が接続され
た精製ガスの出口８を有し、かつヒーター９が配設され
た二系列の精製筒ＡおよびＢの入口6aおよび6bは、流路
10aおよび10bによって四方切替弁V1の出入口NaおよびNb
とそれぞれ接続されている。また四方切替弁V1の出入口
NcおよびNdには反応ガスの流路５および再生排ガスの放
出路11がそれぞれ接続されている。また吸着筒Ａおよび
Ｂの出口8aおよび8bは流路12aおよび12bによって四方切
替弁V2の出入口NaおよびNbとそれぞれ接続されている。
さらに四方切替弁V2の出入口NdおよびNcには精製ガスの
抜出路13および抜出路13から分枝し、かつ圧力計P1、ニ
ードル弁V3および流量計F2が設けられた再生用の精製自
己ガスの供給路14がそれぞれ接続されている。 本発明で使用される四方切替弁V1およびV2はブロック
状の本体に４ケの開閉弁部が内蔵されて一体化構造とさ
れるとともに４ケ所のガスの出入口を有し、各開閉弁部
のガスの出入口の一方がそれぞれ隣接する開閉弁部のガ
スの出入口の一方と互いに共通とされた構造のものであ
る。第２図はこれらを具体的に例示したものであり、イ
およびロはそれぞれ異なる態様の構造の四方切替弁を原
理的に示した断面図である。 第２図イにおいて直方体状の本体20の内部に弁座21、内
弁22および弁軸23を有し、かつ本体20の外部のアクチュ
エーター24に接続されてなる４ケの開閉弁部Va、Vb、Vc
およびVdがそれぞれ互いに対象となる配置で設けられて
いる。それぞれのアクチュエーター24は圧縮空気の入口
25が設けられたシリンダー26、弁軸23と接続されたピス
トン27およびスプリング28を有し、ピストン27がこのス
プリング28により弁座21方向に押しつけられることによ
り開閉弁部はいずれも常時閉とされている。本体20の内
部においては、開閉弁部VaとVbについては出入口Nc、Va
とVcについては出入口Na、VaとVdについては出入口Nb、
VcとVdについては出入口Ndがそれぞれ隣接する開閉弁部
同士の共通の出入口として設けられている。それぞれの
開閉弁部はアクチュエーター24に入口25から圧縮空気を
供給し、ピストン27をスプリング28に抗して移動させる
ことによって開状態とすることができる。開閉弁部Vaが
開くと出入口NaとNc、Vbが開くとNbとNc、Vcが開くとNa
とNd、Vdが開くとNbとNdがそれぞれ連通し、ガスを所定
の流路に切り替えて流すことができる。 第２図ロは第２図イにおいて同形式の開閉弁部を４ケ設
けた代わりに互いにスライドし得る内側弁軸および外側
弁軸を用いて２連式としたもの２組を合わせた構造とさ
れたものである。 上下２室に仕切られ、それぞれの室が圧縮空気の入口2
5、ピストン27およびスプリング28を有するシリンダー2
6とされた２連式のアクチュエーター24の下部シリンダ
ー26Xのピストン27Xは内弁22Xを有する外側弁軸23Xと接
続され、上部シリンダー26Yのピストン27Yは内弁22Yを
有する内側弁軸23Yとそれれ接続されている。 ピストン27Xはスプリング28Xによって上方に押し上げら
れ、ピストン27Yはスプリング28Yによって下方に押し下
げられることによってそれぞれの開閉弁部は常時閉とさ
れている。シリンダー26Xに圧縮空気を供給することに
よりピストン27Xはスプリング28Xに抗して押し下げられ
開閉弁部VaまたはVbが開かれる。たシリンダー26Yに圧
縮空気を供給することによりピストン27Yはスプリング2
8Yに抗して押し上げられて開閉弁部VcまたはVdが開かれ
る。それぞれの開閉弁部が開かれて連通する出入口につ
いては第２図イで説明したと同様である。 このような四方切替弁を使用することにより、第１図に
おける四方切替弁V1では開閉弁部Vaが開くと流路10aと
流路５、開閉弁部Vbが開くと流路10bと流路５、開閉弁
部Vcが開くと流路10aと放出路11、開閉弁部Vdが開くと
流路10bと放出路11がそれぞれ連通し、また四方切替弁V
2では開閉弁部Vaが開くと流路12aと供給路14、開閉弁部
Vbが開くと流路12bと供給路14、開閉弁部Vcが開くと流
路12aと抜出路13、開閉弁部Vdが開くと流路12bと抜出路
13がそれぞれ連通する。 原料ガスの供給路４の流量検出端F1、ヒーター９の電
源、各開閉弁部のそれぞれは信号線によって流量積算お
よびシーケンスタイマー機能を有する制御部と接続され
ている（信号線および制御部については図示していな
い）。 〔作用〕 第３図に示した如く吸着筒Ａで水素ガスの吸着精製が
行われる間に吸着筒Ｂでは精製自己ガスによる吸着剤の
加熱再生が行われる。 本例では吸着筒の切替および再生済で待機中の吸着筒の
再掃気の開始は原料水素ガスの流量積算値に対応する吸
着精製工程の進行率にもとづいて操作され、その他の工
程における各開閉弁の操作および加熱操作はそれぞれ予
め設定された時間にもとづいて行われる。 水素ガスの精製は四方切替弁V1の開閉弁部Vaおよび四
方切替弁V2の開閉弁部Vcを開くことによって開始され
る。原料ガスは供給路４から反応筒１に入り触媒と接触
することにより水素ガス中の酸素ガスは水素ガスと反応
して水に転換され、接触後のガス（反応ガス）は出口３
から反応ガスの流路５、四方切替弁V1の開閉弁部Va、お
よび流路10aを経由して入口6aから吸着筒Ａに入り、吸
着剤と接触して水および炭酸ガスが吸着除去されて筒底
に至り、ここで反転して導管７を通って出口8aに達し、
さらに流路12aおよび四方切替弁V2の開閉弁部Vcを経由
し、抜出路13から精製ガスとして抜出される。ガスは分
岐管などのデッドスペースが全くない流路を流れながら
精製が続けられる。一方、制御部では流量検出端F1より
伝達される信号による原料ガスの流量積算が続けられ、
吸着筒切替までの積算流量にもとづく吸着精製の進行率
が所定の値（例えば95％）に達すると制御部から吸着筒
Ｂにおける再掃気を開始するための操作信号が伝達され
る。吸着筒Ａにおけるガスの吸着精製はさらに続けら
れ、その積算流量が所定の値（進行率100％）に達する
と制御部より吸着筒をＡからＢに切替えるための信号が
伝達される。ここで四方切替弁V1の開閉弁部Vaおよび四
方切替弁V2の開閉弁部Vcが閉じられると同時にV1の開閉
弁部VbおよびV2の開閉弁Vbが開かれて、吸着筒Ｂによる
ガスの吸着精製が開始され、吸着筒Ａは再生工程に入
る。 一方、吸着筒Ａでガスの吸着精製が行われている間に
吸着筒Ｂでは吸着剤の精製自己ガスによる加熱再生が行
われる。 時間設定された制御部からの信号により吸着筒Ｂがヒー
ター９で加熱され、続いて四方向切替弁V1の開閉弁部Vd
および四方切替弁V2の開閉弁部Vbがそれぞれ開かれる。
再生用の精製自己ガスはニードル弁V3によって流量調節
されながら、四方切替弁V2の開閉弁部Vbおび流路12bを
経由して出口8bから吸着筒Ｂに入り導管７を通って予熱
されながら筒底に至る。再生用の精製自己ガスはここで
反転して上昇し、吸着剤から離脱した水および炭酸ガス
などの不純物を同伴し、吸着筒Ｂ内を掃気しながら、入
口6bに達し、再生用排ガスとして流路10b、四方切替弁V
1の開閉弁部Vdを経由し、再生排ガスの放出路11から放
出される。この状態で吸着剤の加熱再生が所定の時間続
けられる。吸着剤の再生終了後、加熱は停止され、さら
に精製自己ガスによる吸着筒Ｂ内の掃気、冷却が所定の
時間続けられた後、先ず四方切替弁V1の開閉弁部Vdが閉
じられることにより吸着筒Ｂの系内は精製自己ガスによ
って均圧化される。次いで四方切替弁V2の開閉弁部Vbが
閉じられてそのまま待機状態に入る。一方、吸着筒Ａに
おける精製が進み、原料ガスの流量積算値にもとづく吸
着精製工程の進行率が再掃気をおこなうための所定の値
に達した時点で制御部から吸着筒Ｂ内を再掃気するため
の信号が伝達される。四方切替弁V1の開閉弁部Vdおよび
四方切替弁V2の開閉弁部Vbが開かれることにより吸着筒
Ｂ内の精製自己ガスによる再掃気が所定の時間続けられ
る。次いで吸着筒Ｂ内は精製自己ガスによって再度均圧
状態とされ、吸着精製工程への切替に備えられる。四方
切替弁V1およびV2の使用により、分岐管などガスが滞留
し易いデッドスペースがなく、この再掃気によって研磨
によっても完全に除去できない筒壁の微細なクラックな
どに残存し、吸着剤が再生済で待機中の吸着筒内空間に
拡散し混入すると推定される不純物が完全に除かれる。 本発明においては吸着精製工程の吸着精製の進行率が
少なくとも70％を超え、かつ該工程が終了するまでの間
に吸着剤が再生済で吸着精製工程への切替に備えて待機
中の精製筒内の精製自己ガスによる再掃気が行われる。
ここで吸着精製工程の進行率とは一方の精製筒における
吸着精製工程の開始から終了までのガスの積算流量に対
する各時点までの積算流量の比率（％）、又は吸着精製
工程を開始してから終了までの所要時間に対する各時点
までの所要時間の比率（％）として定義される。 再掃気および均圧化に要する時間は吸着筒の形状、大
きさ、再生用の精製自己ガスの流量などによって異な
り、一概に特定できないが実用上、通常は30〜120分程
度とされる。再掃気の開始時期はこれらの時間を考慮し
吸着筒の切替直前に終了するよう設定することが好まし
い。 再掃気および吸着筒の切替は予め設定した時間又は積
算流量のいずれにもとづいてもよいが、精製工程におけ
るガスの流量変動があっても総処理量を常に一定にする
ことができる点で積算流量にもとづく方法が好ましい。 本発明において使用される四方切替弁はブロック状の
本体内に４ケの開閉弁部が内蔵され、かつ各開閉弁部の
ガスの出入口の一方がそれぞれ隣接する開閉弁部のガス
の出入口の一方と互いに共通とされた４ケ所のガスの出
入口を有し、全体として一体化構造とされたものであ
る。このような四方切替弁は第２図イおよびロで例示さ
れた構造原理に基づき従来公知の加工技術により比較的
容易に得ることができる。 本発明で使用される吸着筒の構造には特に制限はない
が、配管距離の短縮および再生時の精製自己ガスの予熱
効果などを考慮し、第１図で示したように吸着剤層を貫
通し、筒底部に至る導管を設けることによってガスの入
口および出口の両者共に吸着筒いずれか一方の端にまと
めて配置した形態とすることが好ましい。 〔発明の効果〕 本発明の方法によれば、吸着精製工程への切替前に再
掃気を行うことによって待機中に筒壁などから拡散混入
すると推定される極く微量の不純物をも除去でき、本発
明の装置によれば四方切替弁の使用により、配管分岐部
などのガスの滞留するデッドスペースがなく、系内の掃
気が確実に行われるので、吸着筒の切替当初から極めて
純度の高い精製水素ガスを安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の装置のフローシートであり、第２図イ
およびロは本発明の装置に使用される四方切替弁の断面
図であり、第３図は本発明の方法を時系列的に示した図
であり、第４図は従来の装置のフローシートであり、第
５図は従来の方法を時系列的に示した図である。 図面の各記号は以下の通りである。 ＡおよびＢ…吸着筒、１…反応筒、10a,10b,12a,12bお
よび５…流路、４および14…供給路、11…放出路、13…
抜出路 V1およびV2…四方切替弁
およびロは本発明の装置に使用される四方切替弁の断面
図であり、第３図は本発明の方法を時系列的に示した図
であり、第４図は従来の装置のフローシートであり、第
５図は従来の方法を時系列的に示した図である。 図面の各記号は以下の通りである。 ＡおよびＢ…吸着筒、１…反応筒、10a,10b,12a,12bお
よび５…流路、４および14…供給路、11…放出路、13…
抜出路 V1およびV2…四方切替弁
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．触媒が充填された反応筒内に水素ガスを通し、該水
素ガス中に不純物として含有される酸素ガスを水に転換
させる反応工程と、吸着剤が充填された少なくとも２系
列の吸着筒を順次切り替えて使用し、反応筒から出たガ
スの吸着剤による吸着精製工程および精製自己ガスによ
る吸着剤の加熱再生工程とを繰り返すことによって水素
ガスを連続的に精製する水素ガス精製方法において、 吸着精製中の吸着筒における吸着清掃工程の進行率が少
なくとも70％を超え、かつ該吸着精製工程が終了するま
での間に、吸着剤の再生が終り、精製工程への切り替え
に備えて待機中の精製筒内を精製自己ガスによって再掃
気することを特徴とする水素ガスの精製方法。 ２．水素ガス中に不純物として含有される酸素ガスを水
に転換するための触媒が充填された反応筒と、該反応筒
から導かれた水素ガス中の不純物を除去するための吸着
剤が充填された２系列の第１及び第２の精製筒を有する
水素ガスの精製装置において、 ブロック状の本体に４ヶの開閉弁部が内蔵されて一体化
構造とされ、該開閉弁部のガスの出入口の一方が隣接す
る開閉弁部のガスの出入口を有する、第１及び第２の四
方切替弁と、 前記第１の精製筒の入口と前記第１の四方弁の第１のガ
ス出入口とを接続する流路と、 前記第２の精製筒の入口とこの第１の四方弁の第２のガ
ス出入口とを接続する流路と、 この第１の四方切替弁の第３のガス出入口と前記反応筒
の出口とを接続する流路と、 この第１の四方切替弁の第４のガス出入口と接続された
再生排ガスの放出路と、 前記第１の精製筒の出口と前記第２の四方切替弁の第１
のガス出入口とを接続する流路と、 前記第２の精製筒のガス出口とこの第２の四方切替弁の
第２のガス出入口とを接続する流路と、 この第２の四方切替弁の第３のガス出入口に接続された
精製ガスの放出路と、 この放出路から分岐して前記第２の四方切替弁の第４の
ガス出入口に接続された再生用精製自己ガスの供給路
と、 を備えてなることを特徴とする水素ガスの精製装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62271640A JP2685766B2 (ja) | 1987-10-29 | 1987-10-29 | 水素ガスの精製方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62271640A JP2685766B2 (ja) | 1987-10-29 | 1987-10-29 | 水素ガスの精製方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01115801A JPH01115801A (ja) | 1989-05-09 |
| JP2685766B2 true JP2685766B2 (ja) | 1997-12-03 |
Family
ID=17502868
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62271640A Expired - Fee Related JP2685766B2 (ja) | 1987-10-29 | 1987-10-29 | 水素ガスの精製方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2685766B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101347195B1 (ko) * | 2012-08-24 | 2014-01-15 | 황철용 | 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4771668B2 (ja) * | 2004-03-31 | 2011-09-14 | 大阪瓦斯株式会社 | 水素製造方法とその装置 |
| CN116351219B (zh) * | 2023-05-31 | 2023-11-03 | 杭州欧迈克动力设备有限公司 | 分段再生节能微热吸附式干燥机 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS619244A (ja) * | 1984-06-25 | 1986-01-16 | 松下電器産業株式会社 | 電撃式防虫装置 |
| JPS6329724Y2 (ja) * | 1986-03-20 | 1988-08-09 |
-
1987
- 1987-10-29 JP JP62271640A patent/JP2685766B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101347195B1 (ko) * | 2012-08-24 | 2014-01-15 | 황철용 | 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01115801A (ja) | 1989-05-09 |
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