JP4024347B2 - アルゴンの回収方法及び装置 - Google Patents
アルゴンの回収方法及び装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4024347B2 JP4024347B2 JP16875497A JP16875497A JP4024347B2 JP 4024347 B2 JP4024347 B2 JP 4024347B2 JP 16875497 A JP16875497 A JP 16875497A JP 16875497 A JP16875497 A JP 16875497A JP 4024347 B2 JP4024347 B2 JP 4024347B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- argon
- gas
- path
- exhaust gas
- boiling point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/08—Separating gaseous impurities from gases or gaseous mixtures or from liquefied gases or liquefied gaseous mixtures
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
- F25J2200/02—Processes or apparatus using separation by rectification in a single pressure main column system
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
- F25J2205/40—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using hybrid system, i.e. combining cryogenic and non-cryogenic separation techniques
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
- F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
- F25J2205/82—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a reactor with combustion or catalytic reaction
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
- F25J2210/04—Mixing or blending of fluids with the feed stream
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
- F25J2215/58—Argon
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
- F25J2245/58—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being argon or crude argon
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルゴンの回収方法及び装置に関し、詳しくは、半導体の基盤素材として使用されるシリコン単結晶のような単結晶を製造する単結晶製造炉から排出されるアルゴンを主成分とする排ガスから高純度アルゴンを回収するアルゴンの回収方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルゴンガスは、不活性な性質を有していることから、溶接用のシールドガスや金属の熱処理のための雰囲気ガスなどとして、各種産業分野で広く利用されている。そして、近年は、半導体の基板素材として使用されるシリコン単結晶のような単結晶を製造する単結晶製造炉では、高品質の単結晶を得るために高純度（９９．９９９容量％）のアルゴンガスを炉内雰囲気ガスとして使用している。したがって、このような単結晶製造炉からは、アルゴンを主成分とする排ガスが排出されるが、この排ガスの組成は、９９〜９９．９容量％がアルゴンであり、炉の雰囲気ガスとして使用された結果、酸化ケイ素，二酸化ケイ素、炭素等の粉塵が混入して同伴されるだけでなく、油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素等の様々な成分が不純物として微量ではあるが混入した状態になっている。
【０００３】
このような成分の排ガスからアルゴンを回収して再利用する方法は、従来から種々提案されており、例えば、特開昭６３−１８９７７４号公報，特開平１−２３０９７５号公報，特開平２−２７２２８８号公報，特開平２−２８２６８２号公報，特開平３−３９８８６号公報，特公平４−１２３９３号公報，特公平５−２９８３４号公報，特開平５−２５６５７０号公報，特開平９−７２６５６号公報等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、上述のような多種類にわたる不純物を効率よく除去することが困難であり、いまだ十分であるとはいえなかった。また、廃ガス量の変動に対しての配慮もほとんどなかった。したがって、効率よく経済的にアルゴンを回収することができる方法の出現が望まれていた。
【０００５】
そこで本発明は、アルゴンを主成分とし、粉塵，油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素，炭化水素等の様々な不純物成分を含む単結晶製造炉からの排ガスを精製して高純度のアルゴンを効率よく回収することができ、発生排ガス量の減少にも追随することができるアルゴンの回収方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のアルゴンの回収方法は、アルゴンを主成分とし、不純物として粉塵，油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素等を含む単結晶製造炉からの排ガス中のアルゴンを回収する方法であって、前記排ガスを圧縮するとともに前記粉塵等の固形分及び油分を除去する工程と、該排ガス中の酸素の反応に必要な化学量論量より過剰量の水素を添加して酸素を触媒反応で水に転換する工程と、水分及び二酸化炭素を吸着除去する工程と、精留分離によってアルゴンより低沸点の不純物を分離してアルゴンを回収する工程とを有するアルゴンの回収方法において、前記精留分離を、精留筒と凝縮器とを備えた深冷分離装置で行うにあたり、前記精留筒内に分離生成したアルゴンのガスを一定圧力に制御して抜き出し、精留筒内に分離した前記低沸点不純物が濃縮したガスを一定純度に制御して抜き出すか、あるいは、該低沸点不純物濃縮ガスの精留筒からの出口部の温度を一定温度に制御して抜き出し、前記凝縮器に注入する寒冷用液を精留筒筒底の液面を一定に制御して注入するとともに、該凝縮器で気化した寒冷用ガスを該凝縮器の液面を一定に制御して抜き出すことを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明のアルゴンの回収方法は、上記方法において、前記精留分離により回収したアルゴンガスの少なくとも一部、あるいは、精留分離により分離した低沸点不純物濃縮ガスの少なくとも一部を、前記圧縮前の排ガスに戻して合流させることを特徴としている。
【０００８】
本発明のアルゴンの回収装置は、アルゴンを主成分とし、不純物として粉塵，油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素等を含む単結晶製造炉からの排ガス中のアルゴンを回収する装置であって、前記粉塵等の固形分を除去する集塵手段と、排ガスを所用の圧力に圧縮する圧縮手段と、油分を除去する油除去手段と、水素を添加して酸素を触媒反応で水に転換する触媒反応手段と、水分と二酸化炭素とを吸着除去する吸着手段と、残存する不純物を含む排ガスを液化精留してアルゴンより低沸点の不純物とアルゴンとに分離する深冷分離手段と、該深冷分離手段で分離したアルゴンを回収して前記単結晶製造炉に供給する回収アルゴン供給経路とを備えるとともに、前記精留筒は、筒中段に排ガス導入経路が接続され、上部に外部寒冷液を導入して還流液を生成する凝縮器を有し、該凝縮器から前記低沸点不純物のガスを導出する低沸点不純物濃縮ガス導出経路と、筒下部からアルゴンガスを導出するアルゴン導出経路とを備えているアルゴンの回収装置において、前記アルゴンガス導出経路に設けた圧力検出手段からの信号で該経路に設けたアルゴン導出弁の開度を制御するアルゴン圧力制御手段と、前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路に設けたガス中の特定の成分を検出する分析手段からの信号で該経路に設けた低沸点不純物導出弁の開度を制御する低沸点不純物濃縮ガス純度制御手段あるいは前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路に設けた温度検出手段からの信号で該経路に設けた低沸点不純物導出弁の開度を制御する低沸点不純物濃縮ガス温度制御手段と、前記精留筒の底部に設けた液面計測手段からの信号で前記凝縮器に外部寒冷液を導入する経路に設けた外部寒冷液導入弁の開度を制御する精留筒液面制御手段と、前記凝縮器に設けた寒冷液面計測手段からの信号で該凝縮器で気化した寒冷用ガスを導出する経路に設けた気化ガス導出弁の開度を制御する凝縮器液面制御手段とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明のアルゴンの回収装置は、上記装置において、前記回収アルゴン供給経路と、前記圧縮手段より上流側の排ガス経路との間に、回収アルゴン供給経路から排ガス経路にアルゴンを戻すアルゴン戻し経路を設けたこと、前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路と、前記圧縮手段より上流側の排ガス経路との間に、低沸点不純物濃縮ガス導出経路から排ガス経路に低沸点不純物濃縮ガスを戻す低沸点不純物戻し経路を設けたことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一形態例を示す系統図である。このアルゴンの回収装置は、単結晶製造炉１、例えばシリコン単結晶製造炉から排出されるアルゴン含有排ガスを処理してアルゴンを高純度で回収するものであって、排ガス中の粉塵等の固形分を除去する集塵手段である集塵器２と、排ガスを所用の圧力に圧縮する圧縮手段である圧縮機３と、油分を除去する油除去手段である油除去筒４及び油フィルター５と、排ガスに水素を添加して酸素を触媒反応で水に転換する触媒反応手段である水素導入経路６及び触媒筒７と、水分と二酸化炭素とを吸着除去する吸着手段であるゼオライト等の吸着剤を充填した吸着筒８と、アルゴンより低沸点の不純物を液化精留によって分離除去する深冷分離手段である精留筒９とを備えている。
【００１１】
単結晶製造炉１からの排ガス、例えば、固形粉塵１５０ｍｇ／Ｎｍ3 ，水素２００体積ｐｐｍ，酸素１００体積ｐｐｍ，一酸化炭素２０００体積ｐｐｍ，二酸化炭素１００体積ｐｐｍ，窒素４００体積ｐｐｍ，油分１０体積ｐｐｍ及び飽和量の水分からなる不純物を含む排ガス３００Ｎｍ3 ／ｈは、単結晶製造炉１の運転圧力により必要に応じて設けられるブロワー１１で２０ｍｍＡｑ程度に昇圧した後、導管１２を経てガスホルダー１３に貯えられる。ガスホルダー１３内の排ガスは、導管１４により集塵器２に導入され、排ガス中に含まれる酸化ケイ素，二酸化ケイ素，炭素等の固形粉塵が除去されて導管１５に導出する。
【００１２】
次に、排ガスは、圧縮機３により、製品（高純度アルゴン）の圧力や以後の工程での処理に必要な圧力に圧縮される。例えば、５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇの製品を得るためには、排ガスを６．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮する。
【００１３】
圧縮された排ガスは、アフタークーラー１６，導管１７を通って油除去筒４に導入され、筒内に充填されている活性炭等により油分が除去され、さらに、油フィルター５に導入されてここでも油分が除去される。なお、油除去筒４及び油フィルター５は、排ガス中の油分の状況に応じていずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
【００１４】
粉塵及び油分を除去された排ガスは、導管１８から予熱用熱交換器１９，加熱器２０を経て所定温度、例えば１００〜３５０℃に加熱されて導管２１に導出し、水素導入経路６の導管２２から添加される水素と混合して触媒筒７に導入される。この触媒筒７には、パラジウムや白金等の触媒が充填されており、触媒筒７に導入された排ガス中の酸素と水素との反応が促進され、酸素分を水に転換することによって排ガス中から酸素分を除去する。
【００１５】
前記水素導入経路６から導入添加する水素量は、導管１８を流れる排ガス中の酸素を水に転換するために必要な化学量論量より過剰な量となるように、排ガス中に含まれている酸素分と水素分とを考慮して決められる。例えば、導管１８に酸素濃度計（ＱＯＩ）２３と流量計（ＦＩ）２４とを設けて触媒筒７に向かう排ガス中の酸素量を測定するとともに、触媒筒７を導出した導管２５に水素濃度計（ＱＨＩ）２６を設けて残留している水素量を測定し、測定した酸素量及び水素量に応じて水素導入経路６に設けた水素流量調節計（ＦＩＣ）２７により弁２７ａの開度を調節することにより、適量の水素を添加することができ、排ガス中の酸素分を効果的に除去することができる。
【００１６】
触媒筒７で酸素を水に転換することによって酸素分を除去した排ガスは、予熱用熱交換器１９で熱回収されて導管２５に導出し、冷却装置２８で約１０℃に冷却された後、吸着筒８に導入される。なお、冷却装置２８は、排ガスを冷却することにより吸着筒８での吸着効率を向上させて吸着筒８の小型化を図るためにに設けられるものであるが、状況によっては省略することもできる。
【００１７】
複数設けられた吸着筒８は、内部に充填した吸着剤によって水分や二酸化炭素を吸着除去する吸着工程と、吸着剤に吸着した水分や二酸化炭素を脱着する再生工程とを順次切り換えて行うもので、吸着筒８の前後に設けられた切換弁を所定の順序で開閉することにより、前記吸着工程と再生工程とに切り換えられる。
【００１８】
吸着筒８の内部には、水分や二酸化炭素を吸着除去する吸着剤としてゼオライト等が充填されており、排ガスを吸着筒８に通すことにより、排ガス中の水分や二酸化炭素が吸着除去される。
【００１９】
なお、吸着筒の再生工程は、導管２９から導入した再生ガス、例えば窒素ガスを再生加熱器３０で加熱して吸着筒８に導入し、吸着剤から水分や二酸化炭素を脱着する操作と、その後、再生加熱器３０を停止して吸着剤を冷却する操作とにより行われる。なお、再生ガスとしては、吸着工程を終えた排ガスの一部を、図１に破線で示す導管２９ａに分岐して用いることもできる。
【００２０】
上述のように、集塵器２，油除去筒４及び油フィルター５，触媒筒７，吸着筒８を経て導管３１に導出した排ガスは、アルゴンを主成分とし、アルゴンより低沸点の成分である一酸化炭素２０００体積ｐｐｍ，窒素４００体積ｐｐｍ及び触媒筒７で反応しなかった過剰の水素３００体積ｐｐｍを含んでおり、これらの低沸点成分をアルゴンから分離除去するため、精留筒９を備えたコールドボックス３２内に導入される。
【００２１】
コールドボックス３２内には、前記精留筒９の他、液化精留を行うために必要な主熱交換器３３や過冷器３４，凝縮器３５，リボイラー３６等が設けられるとともに、アルゴンを効率よく高純度で得るための各種制御機器が設けられている。
【００２２】
前記導管３１からコールドボックス３２内に流入した排ガスは、主熱交換器３３で後述の高純度アルゴン等の戻りガスと熱交換を行って所定温度に冷却され、導管３７を経て精留筒９の中段に導入される。精留筒９内に導入されたガスは、筒底部のリボイラー３６から上昇するガスと、筒頂部の凝縮器３５から流下する液との気液接触によって精留され、筒底部の高純度アルゴンと筒頂部の低沸点成分含有ガスとに分離する。
【００２３】
リボイラー３６の加熱源及び凝縮器３５の冷却源には、循環圧縮機３８によって圧縮されて循環する窒素が用いられる。循環圧縮機３８で１５．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮された窒素ガス１２００Ｎｍ3 ／ｈは、導管３９からコールドボックス３２内に導入され、主熱交換器３３で戻りガスと熱交換を行って所定温度に冷却された後、リボイラー３６に導入される。リボイラー３６に導入された窒素ガスは、筒底液と熱交換を行い、筒底液を蒸発させて上昇ガスを発生させるとともに、自身は凝縮して液化窒素となる。
【００２４】
リボイラー３６で生成した液化窒素は、導管４０に導出して過冷器３４で更に冷却された後、弁４１で８ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧して凝縮器３５に導入される。また、凝縮器３５には、寒冷を補うための液化窒素１０Ｎｍ3 ／ｈが導管４２から導入される。凝縮器３５に導入された液化窒素は、筒頂部のガスを凝縮させて流下液を生成させるとともに、自身は蒸発して再び窒素ガスとなる。この窒素ガスは、凝縮器３５から導管４３に導出され、過冷器３４，導管４４を経て主熱交換器３３で昇温して導管４５によりコールドボックス３２から導出し、導管４６を通って前記循環圧縮機３８に吸入されて循環する。なお、余剰となる窒素ガスは弁４７から放出され、起動時に不足する窒素ガスは弁４８から供給される。
【００２５】
精留筒９の下部からは、前記精留によって分離した高純度のアルゴンガス２９５Ｎｍ3 ／ｈが導管４９に抜き出され、主熱交換器３３で昇温して導管５０から導管５１，弁５２を経て回収され、高純度アルゴンガス（ＰＡｒ）として供給される。また、凝縮器３５からは、低沸点不純物成分が濃縮したガス５Ｎｍ3 ／ｈが導管５３に抜き出され、主熱交換器３３，導管５４，導管５５及び弁５６を通って放出される。放出される低沸点不純物濃縮ガスの組成は、例えば、アルゴン８３．８％，窒素２．４％，水素１．８％，一酸化炭素１２．０％である。
【００２６】
本発明は、基本的に上述のようにしてアルゴンを精製回収するものであるが、単結晶製造炉１では、炉の運転状況により、雰囲気ガスとして使用するアルゴンガスの使用量が変動することがある。この場合、単結晶製造炉１から排出される排ガスの流量や不純物濃度が変化する。このような場合においても、安定した状態でアルゴンの回収運転を継続する必要がある。
【００２７】
このため、前述のように、排ガス中の酸素を除去する触媒筒７では、排ガス中の酸素量を酸素濃度計２３と流量計２４とで測定することによって水素導入経路６の流量調節機構２７を制御し、さらに、触媒筒７から導出したガス中の水素濃度を水素濃度計２６で測定して流量調節機構２７の補正を行うようにしている。したがって、排ガス中の酸素量が変動しても水素量を確実に増減させることができるとともに、排ガス中に元から含まれている水素量の変動にも追従することができるので、酸素を確実に除去しながら、添加する水素量を必要最小限とすることができる。
【００２８】
一方、深冷分離手段においては、導管５０から導出する高純度アルゴンガスの圧力を一定に制御するための圧力調節計（ＰＩＣ）５７及び弁５７ａと、導管５４から導出する低沸点不純物濃縮ガス中の特定成分の純度を一定に制御するための純度調節計（ＱＩＣ）５８及び弁５８ａと、精留筒９の筒底液の液面を一定に制御するために導管４２から導入する液化窒素量を調節する液面調節計（ＬＩＣ）５９及び弁５９ａと、凝縮器３５から導管４３に導出する窒素ガス量を一定に制御するための液面調節計（ＬＩＣ）６０及び弁６０ａと、過冷器３４で冷却された液化窒素を減圧する前記弁４１を制御するための圧力調節計（ＰＩＣ）６１とが設けられている。なお、純度調節計５８で純度を測定する特定成分は、通常、低沸点不純物濃縮ガス中の大半を占めるアルゴンが対象となる。
【００２９】
このような各種調節計を設けて精留筒９を一定条件で運転することにより、排ガス量が減少した場合でも、高純度アルゴンを所定純度で回収することができる。例えば、排ガス量が減少して精留筒９内に導入されるガス量が減少すると、精留筒９内の圧力が低下することになるが、ここで圧力調節計５７が作動して弁５７ａを絞ることにより、精留筒９から導出するガス（高純度アルゴン）量が減少して精留筒９内が一定圧力に保たれる。同時に、低沸点不純物濃縮ガスの抜出し量が一定のままだと、該ガス中のアルゴン純度が上がるため、これを純度調節計５８が検出してアルゴン純度が一定になるように弁５８ａが絞られる。これにより、精留筒９が自動的に減量運転状態となる。さらに、この減量運転に伴って筒底部や凝縮器３５の液面が変動すると、両液面調節計５９，６０が作動して一定の液面になるように自動調節する。
【００３０】
なお、前記導管５４の純度調節計５８に代えて、精留筒９（凝縮器３５）から導管５３に導出する低沸点不純物成分含有ガスの温度を調節する温度調節計を設け、温度が一定になるように前記弁５８ａを制御してもよい。同様に、前記弁４１は、圧力調節計６１に代えて流量調節計で制御することができる。
【００３１】
上述の制御によってある程度までの減量は可能であるが、３０％以下の減量の場合、制御弁のサイジングにもよるが、制御性が悪くなることがあり、また、排ガスを圧縮する圧縮機３の容量や形式によっては、減量によりほとんど動力の下がらないものがあるため、このような場合には、以下に示す手段によって対処する。
【００３２】
すなわち、単結晶製造炉１からの排ガス量が減少したときに、前記高純度アルゴンガスが流れる導管５１からアルゴンガスの一部を循環導管６２に分岐して圧縮機３の吸入側の導管１５に戻したり、低沸点不純物濃縮ガスが流れる導管５４から該ガスの一部を循環導管６３に分岐して圧縮機３の吸入側の導管１５に戻したりする。このとき、圧縮機３の吸入側に戻して循環させるガスは、排ガスの減量幅に応じて高純度アルゴンガス及び低沸点不純物濃縮ガスのいずれか一方あるいは双方を任意に選定することができるが、減量幅が比較的小さい場合は、高純度アルゴンガスを優先することが好ましい。なお、各循環導管６２，６３を介して循環させるガス量は、前記弁５２，５６と、循環導管６２，６３にそれぞれ設けた弁６４，６５との開度を調節することにより行うことができ、排ガス量に対応させて自動的に行うことができる。
【００３３】
さらに、単結晶製造炉１から排ガスが排出されなくなった場合でも、高純度アルゴンガス及び低沸点不純物濃縮ガスの全量を戻して循環させることにより、精留塔９を全還流の状態で維持できるので、次に排ガスが増加したとき、回収するアルゴンの純度を劣化させることなく、自動的に回収することができる。
【００３４】
このように精留筒９から導出したガスを圧縮機３を循環させることにより、油除去筒４，油フィルター５，触媒筒７，吸着筒８における負荷を増大させることなく、精留筒９に導入するガス量をある程度の量以上に確保することができるので、制御性が悪化することがなくなり、排ガス量が大幅に減少した場合でも、安定した運転状態を自動的に継続させることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアルゴンの回収方法及び装置によれば、単結晶製造炉から排出されるガスからアルゴンを効率よく回収することができる。特に、低沸点不純物を分離する精留筒を一定条件で運転することにより、排ガス量が減少した場合でも所定純度のアルゴンが得られるとともに、放出されるアルゴン量の増加も抑えることができる。さらに、精留後のガスを圧縮機吸入側に戻して循環させることにより、排ガス量が大幅に減少したときにも、安定した運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…単結晶製造炉、２…集塵器、３…圧縮機、４…油除去筒、５…油フィルター、６…水素導入経路、７…触媒筒、８…吸着筒、９…精留筒、１１…ブロワー、１３…ガスホルダー、１６…アフタークーラー、１９…予熱用熱交換器、２０…加熱器、２３…酸素濃度計、２４…流量計、２６…水素濃度計、２７…水素流量調節計、２８…冷却装置、３２…コールドボックス、３３…主熱交換器、３４…過冷器、３５…凝縮器、３６…リボイラー、３８…循環圧縮機、５７…圧力調節計、５８…純度調節計、５９…液面調節計、６０…液面調節計、６１…圧力調節計、６２，６３…循環導管
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルゴンの回収方法及び装置に関し、詳しくは、半導体の基盤素材として使用されるシリコン単結晶のような単結晶を製造する単結晶製造炉から排出されるアルゴンを主成分とする排ガスから高純度アルゴンを回収するアルゴンの回収方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルゴンガスは、不活性な性質を有していることから、溶接用のシールドガスや金属の熱処理のための雰囲気ガスなどとして、各種産業分野で広く利用されている。そして、近年は、半導体の基板素材として使用されるシリコン単結晶のような単結晶を製造する単結晶製造炉では、高品質の単結晶を得るために高純度（９９．９９９容量％）のアルゴンガスを炉内雰囲気ガスとして使用している。したがって、このような単結晶製造炉からは、アルゴンを主成分とする排ガスが排出されるが、この排ガスの組成は、９９〜９９．９容量％がアルゴンであり、炉の雰囲気ガスとして使用された結果、酸化ケイ素，二酸化ケイ素、炭素等の粉塵が混入して同伴されるだけでなく、油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素等の様々な成分が不純物として微量ではあるが混入した状態になっている。
【０００３】
このような成分の排ガスからアルゴンを回収して再利用する方法は、従来から種々提案されており、例えば、特開昭６３−１８９７７４号公報，特開平１−２３０９７５号公報，特開平２−２７２２８８号公報，特開平２−２８２６８２号公報，特開平３−３９８８６号公報，特公平４−１２３９３号公報，特公平５−２９８３４号公報，特開平５−２５６５７０号公報，特開平９−７２６５６号公報等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、上述のような多種類にわたる不純物を効率よく除去することが困難であり、いまだ十分であるとはいえなかった。また、廃ガス量の変動に対しての配慮もほとんどなかった。したがって、効率よく経済的にアルゴンを回収することができる方法の出現が望まれていた。
【０００５】
そこで本発明は、アルゴンを主成分とし、粉塵，油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素，炭化水素等の様々な不純物成分を含む単結晶製造炉からの排ガスを精製して高純度のアルゴンを効率よく回収することができ、発生排ガス量の減少にも追随することができるアルゴンの回収方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のアルゴンの回収方法は、アルゴンを主成分とし、不純物として粉塵，油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素等を含む単結晶製造炉からの排ガス中のアルゴンを回収する方法であって、前記排ガスを圧縮するとともに前記粉塵等の固形分及び油分を除去する工程と、該排ガス中の酸素の反応に必要な化学量論量より過剰量の水素を添加して酸素を触媒反応で水に転換する工程と、水分及び二酸化炭素を吸着除去する工程と、精留分離によってアルゴンより低沸点の不純物を分離してアルゴンを回収する工程とを有するアルゴンの回収方法において、前記精留分離を、精留筒と凝縮器とを備えた深冷分離装置で行うにあたり、前記精留筒内に分離生成したアルゴンのガスを一定圧力に制御して抜き出し、精留筒内に分離した前記低沸点不純物が濃縮したガスを一定純度に制御して抜き出すか、あるいは、該低沸点不純物濃縮ガスの精留筒からの出口部の温度を一定温度に制御して抜き出し、前記凝縮器に注入する寒冷用液を精留筒筒底の液面を一定に制御して注入するとともに、該凝縮器で気化した寒冷用ガスを該凝縮器の液面を一定に制御して抜き出すことを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明のアルゴンの回収方法は、上記方法において、前記精留分離により回収したアルゴンガスの少なくとも一部、あるいは、精留分離により分離した低沸点不純物濃縮ガスの少なくとも一部を、前記圧縮前の排ガスに戻して合流させることを特徴としている。
【０００８】
本発明のアルゴンの回収装置は、アルゴンを主成分とし、不純物として粉塵，油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素等を含む単結晶製造炉からの排ガス中のアルゴンを回収する装置であって、前記粉塵等の固形分を除去する集塵手段と、排ガスを所用の圧力に圧縮する圧縮手段と、油分を除去する油除去手段と、水素を添加して酸素を触媒反応で水に転換する触媒反応手段と、水分と二酸化炭素とを吸着除去する吸着手段と、残存する不純物を含む排ガスを液化精留してアルゴンより低沸点の不純物とアルゴンとに分離する深冷分離手段と、該深冷分離手段で分離したアルゴンを回収して前記単結晶製造炉に供給する回収アルゴン供給経路とを備えるとともに、前記精留筒は、筒中段に排ガス導入経路が接続され、上部に外部寒冷液を導入して還流液を生成する凝縮器を有し、該凝縮器から前記低沸点不純物のガスを導出する低沸点不純物濃縮ガス導出経路と、筒下部からアルゴンガスを導出するアルゴン導出経路とを備えているアルゴンの回収装置において、前記アルゴンガス導出経路に設けた圧力検出手段からの信号で該経路に設けたアルゴン導出弁の開度を制御するアルゴン圧力制御手段と、前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路に設けたガス中の特定の成分を検出する分析手段からの信号で該経路に設けた低沸点不純物導出弁の開度を制御する低沸点不純物濃縮ガス純度制御手段あるいは前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路に設けた温度検出手段からの信号で該経路に設けた低沸点不純物導出弁の開度を制御する低沸点不純物濃縮ガス温度制御手段と、前記精留筒の底部に設けた液面計測手段からの信号で前記凝縮器に外部寒冷液を導入する経路に設けた外部寒冷液導入弁の開度を制御する精留筒液面制御手段と、前記凝縮器に設けた寒冷液面計測手段からの信号で該凝縮器で気化した寒冷用ガスを導出する経路に設けた気化ガス導出弁の開度を制御する凝縮器液面制御手段とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明のアルゴンの回収装置は、上記装置において、前記回収アルゴン供給経路と、前記圧縮手段より上流側の排ガス経路との間に、回収アルゴン供給経路から排ガス経路にアルゴンを戻すアルゴン戻し経路を設けたこと、前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路と、前記圧縮手段より上流側の排ガス経路との間に、低沸点不純物濃縮ガス導出経路から排ガス経路に低沸点不純物濃縮ガスを戻す低沸点不純物戻し経路を設けたことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一形態例を示す系統図である。このアルゴンの回収装置は、単結晶製造炉１、例えばシリコン単結晶製造炉から排出されるアルゴン含有排ガスを処理してアルゴンを高純度で回収するものであって、排ガス中の粉塵等の固形分を除去する集塵手段である集塵器２と、排ガスを所用の圧力に圧縮する圧縮手段である圧縮機３と、油分を除去する油除去手段である油除去筒４及び油フィルター５と、排ガスに水素を添加して酸素を触媒反応で水に転換する触媒反応手段である水素導入経路６及び触媒筒７と、水分と二酸化炭素とを吸着除去する吸着手段であるゼオライト等の吸着剤を充填した吸着筒８と、アルゴンより低沸点の不純物を液化精留によって分離除去する深冷分離手段である精留筒９とを備えている。
【００１１】
単結晶製造炉１からの排ガス、例えば、固形粉塵１５０ｍｇ／Ｎｍ3 ，水素２００体積ｐｐｍ，酸素１００体積ｐｐｍ，一酸化炭素２０００体積ｐｐｍ，二酸化炭素１００体積ｐｐｍ，窒素４００体積ｐｐｍ，油分１０体積ｐｐｍ及び飽和量の水分からなる不純物を含む排ガス３００Ｎｍ3 ／ｈは、単結晶製造炉１の運転圧力により必要に応じて設けられるブロワー１１で２０ｍｍＡｑ程度に昇圧した後、導管１２を経てガスホルダー１３に貯えられる。ガスホルダー１３内の排ガスは、導管１４により集塵器２に導入され、排ガス中に含まれる酸化ケイ素，二酸化ケイ素，炭素等の固形粉塵が除去されて導管１５に導出する。
【００１２】
次に、排ガスは、圧縮機３により、製品（高純度アルゴン）の圧力や以後の工程での処理に必要な圧力に圧縮される。例えば、５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇの製品を得るためには、排ガスを６．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮する。
【００１３】
圧縮された排ガスは、アフタークーラー１６，導管１７を通って油除去筒４に導入され、筒内に充填されている活性炭等により油分が除去され、さらに、油フィルター５に導入されてここでも油分が除去される。なお、油除去筒４及び油フィルター５は、排ガス中の油分の状況に応じていずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
【００１４】
粉塵及び油分を除去された排ガスは、導管１８から予熱用熱交換器１９，加熱器２０を経て所定温度、例えば１００〜３５０℃に加熱されて導管２１に導出し、水素導入経路６の導管２２から添加される水素と混合して触媒筒７に導入される。この触媒筒７には、パラジウムや白金等の触媒が充填されており、触媒筒７に導入された排ガス中の酸素と水素との反応が促進され、酸素分を水に転換することによって排ガス中から酸素分を除去する。
【００１５】
前記水素導入経路６から導入添加する水素量は、導管１８を流れる排ガス中の酸素を水に転換するために必要な化学量論量より過剰な量となるように、排ガス中に含まれている酸素分と水素分とを考慮して決められる。例えば、導管１８に酸素濃度計（ＱＯＩ）２３と流量計（ＦＩ）２４とを設けて触媒筒７に向かう排ガス中の酸素量を測定するとともに、触媒筒７を導出した導管２５に水素濃度計（ＱＨＩ）２６を設けて残留している水素量を測定し、測定した酸素量及び水素量に応じて水素導入経路６に設けた水素流量調節計（ＦＩＣ）２７により弁２７ａの開度を調節することにより、適量の水素を添加することができ、排ガス中の酸素分を効果的に除去することができる。
【００１６】
触媒筒７で酸素を水に転換することによって酸素分を除去した排ガスは、予熱用熱交換器１９で熱回収されて導管２５に導出し、冷却装置２８で約１０℃に冷却された後、吸着筒８に導入される。なお、冷却装置２８は、排ガスを冷却することにより吸着筒８での吸着効率を向上させて吸着筒８の小型化を図るためにに設けられるものであるが、状況によっては省略することもできる。
【００１７】
複数設けられた吸着筒８は、内部に充填した吸着剤によって水分や二酸化炭素を吸着除去する吸着工程と、吸着剤に吸着した水分や二酸化炭素を脱着する再生工程とを順次切り換えて行うもので、吸着筒８の前後に設けられた切換弁を所定の順序で開閉することにより、前記吸着工程と再生工程とに切り換えられる。
【００１８】
吸着筒８の内部には、水分や二酸化炭素を吸着除去する吸着剤としてゼオライト等が充填されており、排ガスを吸着筒８に通すことにより、排ガス中の水分や二酸化炭素が吸着除去される。
【００１９】
なお、吸着筒の再生工程は、導管２９から導入した再生ガス、例えば窒素ガスを再生加熱器３０で加熱して吸着筒８に導入し、吸着剤から水分や二酸化炭素を脱着する操作と、その後、再生加熱器３０を停止して吸着剤を冷却する操作とにより行われる。なお、再生ガスとしては、吸着工程を終えた排ガスの一部を、図１に破線で示す導管２９ａに分岐して用いることもできる。
【００２０】
上述のように、集塵器２，油除去筒４及び油フィルター５，触媒筒７，吸着筒８を経て導管３１に導出した排ガスは、アルゴンを主成分とし、アルゴンより低沸点の成分である一酸化炭素２０００体積ｐｐｍ，窒素４００体積ｐｐｍ及び触媒筒７で反応しなかった過剰の水素３００体積ｐｐｍを含んでおり、これらの低沸点成分をアルゴンから分離除去するため、精留筒９を備えたコールドボックス３２内に導入される。
【００２１】
コールドボックス３２内には、前記精留筒９の他、液化精留を行うために必要な主熱交換器３３や過冷器３４，凝縮器３５，リボイラー３６等が設けられるとともに、アルゴンを効率よく高純度で得るための各種制御機器が設けられている。
【００２２】
前記導管３１からコールドボックス３２内に流入した排ガスは、主熱交換器３３で後述の高純度アルゴン等の戻りガスと熱交換を行って所定温度に冷却され、導管３７を経て精留筒９の中段に導入される。精留筒９内に導入されたガスは、筒底部のリボイラー３６から上昇するガスと、筒頂部の凝縮器３５から流下する液との気液接触によって精留され、筒底部の高純度アルゴンと筒頂部の低沸点成分含有ガスとに分離する。
【００２３】
リボイラー３６の加熱源及び凝縮器３５の冷却源には、循環圧縮機３８によって圧縮されて循環する窒素が用いられる。循環圧縮機３８で１５．５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮された窒素ガス１２００Ｎｍ3 ／ｈは、導管３９からコールドボックス３２内に導入され、主熱交換器３３で戻りガスと熱交換を行って所定温度に冷却された後、リボイラー３６に導入される。リボイラー３６に導入された窒素ガスは、筒底液と熱交換を行い、筒底液を蒸発させて上昇ガスを発生させるとともに、自身は凝縮して液化窒素となる。
【００２４】
リボイラー３６で生成した液化窒素は、導管４０に導出して過冷器３４で更に冷却された後、弁４１で８ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに減圧して凝縮器３５に導入される。また、凝縮器３５には、寒冷を補うための液化窒素１０Ｎｍ3 ／ｈが導管４２から導入される。凝縮器３５に導入された液化窒素は、筒頂部のガスを凝縮させて流下液を生成させるとともに、自身は蒸発して再び窒素ガスとなる。この窒素ガスは、凝縮器３５から導管４３に導出され、過冷器３４，導管４４を経て主熱交換器３３で昇温して導管４５によりコールドボックス３２から導出し、導管４６を通って前記循環圧縮機３８に吸入されて循環する。なお、余剰となる窒素ガスは弁４７から放出され、起動時に不足する窒素ガスは弁４８から供給される。
【００２５】
精留筒９の下部からは、前記精留によって分離した高純度のアルゴンガス２９５Ｎｍ3 ／ｈが導管４９に抜き出され、主熱交換器３３で昇温して導管５０から導管５１，弁５２を経て回収され、高純度アルゴンガス（ＰＡｒ）として供給される。また、凝縮器３５からは、低沸点不純物成分が濃縮したガス５Ｎｍ3 ／ｈが導管５３に抜き出され、主熱交換器３３，導管５４，導管５５及び弁５６を通って放出される。放出される低沸点不純物濃縮ガスの組成は、例えば、アルゴン８３．８％，窒素２．４％，水素１．８％，一酸化炭素１２．０％である。
【００２６】
本発明は、基本的に上述のようにしてアルゴンを精製回収するものであるが、単結晶製造炉１では、炉の運転状況により、雰囲気ガスとして使用するアルゴンガスの使用量が変動することがある。この場合、単結晶製造炉１から排出される排ガスの流量や不純物濃度が変化する。このような場合においても、安定した状態でアルゴンの回収運転を継続する必要がある。
【００２７】
このため、前述のように、排ガス中の酸素を除去する触媒筒７では、排ガス中の酸素量を酸素濃度計２３と流量計２４とで測定することによって水素導入経路６の流量調節機構２７を制御し、さらに、触媒筒７から導出したガス中の水素濃度を水素濃度計２６で測定して流量調節機構２７の補正を行うようにしている。したがって、排ガス中の酸素量が変動しても水素量を確実に増減させることができるとともに、排ガス中に元から含まれている水素量の変動にも追従することができるので、酸素を確実に除去しながら、添加する水素量を必要最小限とすることができる。
【００２８】
一方、深冷分離手段においては、導管５０から導出する高純度アルゴンガスの圧力を一定に制御するための圧力調節計（ＰＩＣ）５７及び弁５７ａと、導管５４から導出する低沸点不純物濃縮ガス中の特定成分の純度を一定に制御するための純度調節計（ＱＩＣ）５８及び弁５８ａと、精留筒９の筒底液の液面を一定に制御するために導管４２から導入する液化窒素量を調節する液面調節計（ＬＩＣ）５９及び弁５９ａと、凝縮器３５から導管４３に導出する窒素ガス量を一定に制御するための液面調節計（ＬＩＣ）６０及び弁６０ａと、過冷器３４で冷却された液化窒素を減圧する前記弁４１を制御するための圧力調節計（ＰＩＣ）６１とが設けられている。なお、純度調節計５８で純度を測定する特定成分は、通常、低沸点不純物濃縮ガス中の大半を占めるアルゴンが対象となる。
【００２９】
このような各種調節計を設けて精留筒９を一定条件で運転することにより、排ガス量が減少した場合でも、高純度アルゴンを所定純度で回収することができる。例えば、排ガス量が減少して精留筒９内に導入されるガス量が減少すると、精留筒９内の圧力が低下することになるが、ここで圧力調節計５７が作動して弁５７ａを絞ることにより、精留筒９から導出するガス（高純度アルゴン）量が減少して精留筒９内が一定圧力に保たれる。同時に、低沸点不純物濃縮ガスの抜出し量が一定のままだと、該ガス中のアルゴン純度が上がるため、これを純度調節計５８が検出してアルゴン純度が一定になるように弁５８ａが絞られる。これにより、精留筒９が自動的に減量運転状態となる。さらに、この減量運転に伴って筒底部や凝縮器３５の液面が変動すると、両液面調節計５９，６０が作動して一定の液面になるように自動調節する。
【００３０】
なお、前記導管５４の純度調節計５８に代えて、精留筒９（凝縮器３５）から導管５３に導出する低沸点不純物成分含有ガスの温度を調節する温度調節計を設け、温度が一定になるように前記弁５８ａを制御してもよい。同様に、前記弁４１は、圧力調節計６１に代えて流量調節計で制御することができる。
【００３１】
上述の制御によってある程度までの減量は可能であるが、３０％以下の減量の場合、制御弁のサイジングにもよるが、制御性が悪くなることがあり、また、排ガスを圧縮する圧縮機３の容量や形式によっては、減量によりほとんど動力の下がらないものがあるため、このような場合には、以下に示す手段によって対処する。
【００３２】
すなわち、単結晶製造炉１からの排ガス量が減少したときに、前記高純度アルゴンガスが流れる導管５１からアルゴンガスの一部を循環導管６２に分岐して圧縮機３の吸入側の導管１５に戻したり、低沸点不純物濃縮ガスが流れる導管５４から該ガスの一部を循環導管６３に分岐して圧縮機３の吸入側の導管１５に戻したりする。このとき、圧縮機３の吸入側に戻して循環させるガスは、排ガスの減量幅に応じて高純度アルゴンガス及び低沸点不純物濃縮ガスのいずれか一方あるいは双方を任意に選定することができるが、減量幅が比較的小さい場合は、高純度アルゴンガスを優先することが好ましい。なお、各循環導管６２，６３を介して循環させるガス量は、前記弁５２，５６と、循環導管６２，６３にそれぞれ設けた弁６４，６５との開度を調節することにより行うことができ、排ガス量に対応させて自動的に行うことができる。
【００３３】
さらに、単結晶製造炉１から排ガスが排出されなくなった場合でも、高純度アルゴンガス及び低沸点不純物濃縮ガスの全量を戻して循環させることにより、精留塔９を全還流の状態で維持できるので、次に排ガスが増加したとき、回収するアルゴンの純度を劣化させることなく、自動的に回収することができる。
【００３４】
このように精留筒９から導出したガスを圧縮機３を循環させることにより、油除去筒４，油フィルター５，触媒筒７，吸着筒８における負荷を増大させることなく、精留筒９に導入するガス量をある程度の量以上に確保することができるので、制御性が悪化することがなくなり、排ガス量が大幅に減少した場合でも、安定した運転状態を自動的に継続させることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアルゴンの回収方法及び装置によれば、単結晶製造炉から排出されるガスからアルゴンを効率よく回収することができる。特に、低沸点不純物を分離する精留筒を一定条件で運転することにより、排ガス量が減少した場合でも所定純度のアルゴンが得られるとともに、放出されるアルゴン量の増加も抑えることができる。さらに、精留後のガスを圧縮機吸入側に戻して循環させることにより、排ガス量が大幅に減少したときにも、安定した運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…単結晶製造炉、２…集塵器、３…圧縮機、４…油除去筒、５…油フィルター、６…水素導入経路、７…触媒筒、８…吸着筒、９…精留筒、１１…ブロワー、１３…ガスホルダー、１６…アフタークーラー、１９…予熱用熱交換器、２０…加熱器、２３…酸素濃度計、２４…流量計、２６…水素濃度計、２７…水素流量調節計、２８…冷却装置、３２…コールドボックス、３３…主熱交換器、３４…過冷器、３５…凝縮器、３６…リボイラー、３８…循環圧縮機、５７…圧力調節計、５８…純度調節計、５９…液面調節計、６０…液面調節計、６１…圧力調節計、６２，６３…循環導管
Claims (7)
- アルゴンを主成分とし、不純物として粉塵，油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素等を含む単結晶製造炉からの排ガス中のアルゴンを回収する方法であって、前記排ガスを圧縮するとともに前記粉塵等の固形分及び油分を除去する工程と、該排ガス中の酸素の反応に必要な化学量論量より過剰量の水素を添加して酸素を触媒反応で水に転換する工程と、水分及び二酸化炭素を吸着除去する工程と、精留分離によってアルゴンより低沸点の不純物を分離してアルゴンを回収する工程とを有するアルゴンの回収方法において、前記精留分離を、精留筒と凝縮器とを備えた深冷分離装置で行うにあたり、前記精留筒内に分離生成したアルゴンのガスを一定圧力に制御して抜き出し、精留筒内に分離した前記低沸点不純物が濃縮したガスを一定純度に制御して抜き出すか、あるいは、該低沸点不純物濃縮ガスの精留筒からの出口部の温度を一定温度に制御して抜き出し、前記凝縮器に注入する寒冷用液を精留筒筒底の液面を一定に制御して注入するとともに、該凝縮器で気化した寒冷用ガスを該凝縮器の液面を一定に制御して抜き出すことを特徴とするアルゴンの回収方法。
- 前記精留分離により回収したアルゴンガスの少なくとも一部を、前記圧縮前の排ガスに戻して合流させることを特徴とする請求項１記載のアルゴンの回収方法。
- 前記精留分離により分離した低沸点不純物濃縮ガスの少なくとも一部を、前記圧縮前の排ガスに戻して合流させることを特徴とする請求項１記載のアルゴンの回収方法。
- アルゴンを主成分とし、不純物として粉塵，油分，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，酸素，水素，窒素等を含む単結晶製造炉からの排ガス中のアルゴンを回収する装置であって、前記粉塵等の固形分を除去する集塵手段と、排ガスを所用の圧力に圧縮する圧縮手段と、油分を除去する油除去手段と、水素を添加して酸素を触媒反応で水に転換する触媒反応手段と、水分と二酸化炭素とを吸着除去する吸着手段と、残存する不純物を含む排ガスを液化精留してアルゴンより低沸点の不純物とアルゴンとに分離する深冷分離手段と、該深冷分離手段で分離したアルゴンを回収して前記単結晶製造炉に供給する回収アルゴン供給経路とを備えるとともに、前記精留筒は、筒中段に排ガス導入経路が接続され、上部に外部寒冷液を導入して還流液を生成する凝縮器を有し、該凝縮器から前記低沸点不純物のガスを導出する低沸点不純物濃縮ガス導出経路と、筒下部からアルゴンガスを導出するアルゴン導出経路とを備えているアルゴンの回収装置において、前記アルゴンガス導出経路に設けた圧力検出手段からの信号で該経路に設けたアルゴン導出弁の開度を制御するアルゴン圧力制御手段と、前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路に設けたガス中の特定の成分を検出する分析手段からの信号で該経路に設けた低沸点不純物導出弁の開度を制御する低沸点不純物濃縮ガス純度制御手段と、前記精留筒の底部に設けた液面計測手段からの信号で前記凝縮器に外部寒冷液を導入する経路に設けた外部寒冷液導入弁の開度を制御する精留筒液面制御手段と、前記凝縮器に設けた寒冷液面計測手段からの信号で該凝縮器で気化した寒冷用ガスを導出する経路に設けた気化ガス導出弁の開度を制御する凝縮器液面制御手段とを備えていることを特徴とするアルゴンの回収装置。
- 前記低沸点不純物濃縮ガス純度制御手段に代えて、前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路に設けた温度検出手段からの信号で該経路に設けた低沸点不純物導出弁の開度を制御する低沸点不純物濃縮ガス温度制御手段を設けたことを特徴とする請求項４記載のアルゴンの回収装置。
- 前記回収アルゴン供給経路と、前記圧縮手段より上流側の排ガス経路との間に、回収アルゴン供給経路から排ガス経路にアルゴンを戻すアルゴン戻し経路を設けたことを特徴とする請求項４又は５記載のアルゴンの回収装置。
- 前記低沸点不純物濃縮ガス導出経路と、前記圧縮手段より上流側の排ガス経路との間に、低沸点不純物濃縮ガス導出経路から排ガス経路に低沸点不純物濃縮ガスを戻す低沸点不純物戻し経路を設けたことを特徴とする請求項４又は５記載のアルゴンの回収装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16875497A JP4024347B2 (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | アルゴンの回収方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16875497A JP4024347B2 (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | アルゴンの回収方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1111915A JPH1111915A (ja) | 1999-01-19 |
| JP4024347B2 true JP4024347B2 (ja) | 2007-12-19 |
Family
ID=15873821
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16875497A Expired - Lifetime JP4024347B2 (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | アルゴンの回収方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4024347B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160114598A (ko) | 2014-01-29 | 2016-10-05 | 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤 | 실리콘 단결정 제조장치로부터의 아르곤가스 회수정제방법 및 아르곤가스 회수정제장치 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102011050247B4 (de) * | 2011-05-10 | 2019-02-21 | Reicat Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Argon aus einem Gasgemisch |
| CN108721934B (zh) * | 2018-08-16 | 2024-04-12 | 青海黄河上游水电开发有限责任公司新能源分公司 | 精馏塔的全过程自动控制方法和系统 |
| CN113244766A (zh) * | 2020-02-10 | 2021-08-13 | 新特能源股份有限公司 | 一种单晶炉尾气净化回收系统及方法 |
-
1997
- 1997-06-25 JP JP16875497A patent/JP4024347B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160114598A (ko) | 2014-01-29 | 2016-10-05 | 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤 | 실리콘 단결정 제조장치로부터의 아르곤가스 회수정제방법 및 아르곤가스 회수정제장치 |
| US9890044B2 (en) | 2014-01-29 | 2018-02-13 | Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. | Method for recovering and purifying argon gas from silicon single crystal manufacturing apparatus and apparatus for recovering and purifying argon gas |
| DE112015000360B4 (de) | 2014-01-29 | 2022-02-03 | Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. | Verfahren zum Rückgewinnen und Reiningen von Argongas aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung und Vorrichtung zum Rückgewinnen und Reinigen von Argongas |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1111915A (ja) | 1999-01-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6123909A (en) | Method and apparatus for purification of argon | |
| JPH04222381A (ja) | 高純度アルゴンの製法 | |
| US5783162A (en) | Argon purification process | |
| JP2000088455A (ja) | アルゴンの回収精製方法及び装置 | |
| JP4024347B2 (ja) | アルゴンの回収方法及び装置 | |
| JPS63163771A (ja) | 一酸化炭素分離精製装置 | |
| JPH07133982A (ja) | 高純度アルゴンの製造方法及び装置 | |
| JP2782356B2 (ja) | アルゴンの回収方法 | |
| JPH11228116A (ja) | アルゴンの回収精製方法及び装置 | |
| JP3364724B2 (ja) | 高純度アルゴンの分離方法及びその装置 | |
| JP3325805B2 (ja) | 空気分離方法および空気分離装置 | |
| JP2939814B2 (ja) | メタン分離装置及び方法 | |
| JP3424100B2 (ja) | クリプトン及びキセノンの精製方法 | |
| JP4242507B2 (ja) | 超高純度ガスの製造方法及び製造装置 | |
| JP3256811B2 (ja) | クリプトン及びキセノンの精製方法 | |
| JP3297935B2 (ja) | 高純度アルゴンの分離方法及びその装置 | |
| JPH07270067A (ja) | 希ガスの精製方法 | |
| JP3466437B2 (ja) | 空気分離装置 | |
| JPH07127971A (ja) | アルゴンの分離装置 | |
| JP2001033155A (ja) | 空気分離装置 | |
| JPH0579754A (ja) | 高純度窒素の製造装置 | |
| JP3532466B2 (ja) | 空気分離装置 | |
| JP3467178B2 (ja) | 空気分離装置 | |
| JP3254523B2 (ja) | 窒素の精製方法及び装置 | |
| JPH02183789A (ja) | 超高純度窒素の製造方法及び装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040527 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061227 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070116 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070309 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070911 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071003 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101012 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101012 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101012 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111012 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111012 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121012 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121012 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121012 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131012 Year of fee payment: 6 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |