JP5074433B2 - 水素除去装置 - Google Patents
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Description
この発明は、ヘリウム液化機に付設され、液化ヘリウムの循環使用後に回収されたヘリウムガス中に不純物として含まれる水素を除去するための水素除去装置に関する。
ヘリウム液化機によって製造された液化ヘリウムは、極低温用冷却媒体などとして使用された後に回収され、再度ヘリウム液化機において液化され、循環使用されるようになっているが、回収されたヘリウムガス中には、不純物、例えば酸素、窒素などが含まれることがあり、再液化に際しては、予めこれを除去して精製する必要があり、ヘリウム液化機には、低温精製装置が付設されていることが多い。
このようなヘリウム液化機としては、例えば「超伝導・低温工学ハンドブック」オーム社刊、１９９３年、第２３４頁、図４．１３８に記載されているものなどが知られている。
このようなヘリウム液化機としては、例えば「超伝導・低温工学ハンドブック」オーム社刊、１９９３年、第２３４頁、図４．１３８に記載されているものなどが知られている。
図３は、この種のヘリウム液化機の一例を示すもので、図３中、二点鎖線で包囲した部分が低温精製装置である。図３中、上述の二点鎖線で包囲した低温精製装置以外は、ヘリウム液化機本体部分である。
このヘリウム液化機本体部分は、熱交換器２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、膨張タービン２８、２９、ＪＴ（ジュールトムソン）弁３０、液化ヘリウム貯槽３１、バッファータンク３２、圧縮機３３を備えた周知の構成のものであり、その動作については説明を省略する。
図３中の低温精製装置の部分を図４および図５に拡大して示す。この低温精製装置では、ヘリウムの精製運転とヘリウム精製に使用した熱交換器の再生運転を交互に行うようになっている。
図４、図５では、ヘリウム低温精製装置の熱交換器ＨＸ１０、ＨＸ１１、ＨＸ１２を実用装置での配置を模擬して示しており、３基の熱交換器ＨＸ１０〜ＨＸ１２がいずれも立設状態で並んで設けられており、各熱交換器のガス流路の向きが鉛直方向に沿うようになっている。
図４、図５では、ヘリウム低温精製装置の熱交換器ＨＸ１０、ＨＸ１１、ＨＸ１２を実用装置での配置を模擬して示しており、３基の熱交換器ＨＸ１０〜ＨＸ１２がいずれも立設状態で並んで設けられており、各熱交換器のガス流路の向きが鉛直方向に沿うようになっている。
なお、図４および図５では、図３に示した熱交換器ＨＸ９を省略している。
図４は、このヘリウム低温精製装置の精製運転の状態を示す。
不純ヘリウムガスは、図示されていないヘリウム回収精製系により、水分が除去された高圧となっており、図３での減圧弁Ｖ１により精製運転に応じた圧力２〜３ＭＰａ・Ｇとされて、弁Ｖ２から低温精製装置に導入される。
図４は、このヘリウム低温精製装置の精製運転の状態を示す。
不純ヘリウムガスは、図示されていないヘリウム回収精製系により、水分が除去された高圧となっており、図３での減圧弁Ｖ１により精製運転に応じた圧力２〜３ＭＰａ・Ｇとされて、弁Ｖ２から低温精製装置に導入される。
弁Ｖ２からの不純物を含む不純ヘリウムガスは、熱交換器ＨＸ１０、ＨＸ１１、ＨＸ１２を順次通過し、ここにおいて戻り低温ガスと熱交換して冷却される。
このとき含まれる不純物は、熱交換器ＨＸ１１の低温部および不純物濃度によっては熱交換器ＨＸ１２の温度の高い部分で凝縮し、液化した不純物が熱交換器ＨＸ１１〜ＨＸ１２よりも鉛直方向下方に配置された気液分離器ＬＶに重力によって自然流入して、ここで分離除去される。
このとき含まれる不純物は、熱交換器ＨＸ１１の低温部および不純物濃度によっては熱交換器ＨＸ１２の温度の高い部分で凝縮し、液化した不純物が熱交換器ＨＸ１１〜ＨＸ１２よりも鉛直方向下方に配置された気液分離器ＬＶに重力によって自然流入して、ここで分離除去される。
このようにして不純物量が少なくなった不純ヘリウムガスは、熱交換器ＨＸ１２の低温部に向かうにつれ、不純物は凝縮、凝固し、凝縮分は重力により落下して気液分離器ＬＶに流れ、凝固分は熱交換器ＨＸ１２の壁面に付着して除去される。
このように不純物が除去された精製ヘリウムガスは、熱交換器ＨＸ１２を出て弁Ｖ３を経由し、弁Ｖ７により流量調節されて導入される高純度の低温ヘリウムガスと合流する。
このように不純物が除去された精製ヘリウムガスは、熱交換器ＨＸ１２を出て弁Ｖ３を経由し、弁Ｖ７により流量調節されて導入される高純度の低温ヘリウムガスと合流する。
合流した不純物を含まない高純ヘリウムガスは、熱交換器ＨＸ１２、ＨＸ１１、ＨＸ１０と流れ、不純ヘリウムガスと熱交換し、図３に示した熱交換器ＨＸ９で常温まで昇温され、弁Ｖ４を経由して液化機の低圧側に至り、プロセスガスとして液化される。
気液分離器ＬＶで分離された液化不純物は、気液分離器ＬＶ内の液化不純物の液面レベルに応じて自動開閉する弁Ｖ５により系外に排出される。
冷却のための低温ヘリウムガスは、熱交換器ＨＸ１２の冷端部の温度を一定とするように弁Ｖ７によりその流量が制御されており、不純ヘリウムガスの流量は、熱交換器ＨＸ１２の不純ガス出口側での圧力が一定となるように弁Ｖ２により制御されている。
冷却のための低温ヘリウムガスは、熱交換器ＨＸ１２の冷端部の温度を一定とするように弁Ｖ７によりその流量が制御されており、不純ヘリウムガスの流量は、熱交換器ＨＸ１２の不純ガス出口側での圧力が一定となるように弁Ｖ２により制御されている。
精製された高純度ヘリウムガスは、図３に示すヘリウム液化機本体において液化されて液体ヘリウム貯槽３１に蓄えられるとともに、液化プロセスの余剰ガスとしてバッファータンク３２に貯蔵される。
余剰ガスとしてバッファータンク３２に高純ヘリウムガスを貯蔵する理由は、この低温精製装置が連続的に精製運転されるのではなく、再生運転を必要とするため、その間、液化運転を続行できるだけの高純ヘリウムガスが必要となるためである。
余剰ガスとしてバッファータンク３２に高純ヘリウムガスを貯蔵する理由は、この低温精製装置が連続的に精製運転されるのではなく、再生運転を必要とするため、その間、液化運転を続行できるだけの高純ヘリウムガスが必要となるためである。
高純ヘリウムガスを外部からボンベなどにより供給することは可能であるが、不純ヘリウムガスを精製して液化することを目的としている装置であるため、外部からの高純ヘリウムガスの供給なしに、低温精製装置を運転しながら液化運転を連続的に行う必要があり、このためにも、バッファータンク３２に高純ヘリウムガスを貯蔵している。
なお、上記説明は、不純ヘリウムガスが十分ある場合について述べているが、不純ヘリウムガスがなくなり、低温精製装置の運転を継続することができない場合には、高純ヘリウムガスを供給して液化運転を行うことは言うまでもない。
なお、上記説明は、不純ヘリウムガスが十分ある場合について述べているが、不純ヘリウムガスがなくなり、低温精製装置の運転を継続することができない場合には、高純ヘリウムガスを供給して液化運転を行うことは言うまでもない。
図５は、再生運転状態を示す。弁Ｖ９より液化プロセスからの常温高圧ヘリウムガスが低温精製装置に導入される。この常温高圧ガスは、熱交換器ＨＸ１０、ＨＸ１１、ＨＸ１２の精製運転時の高純ヘリウムガス流路を通過する。不純ヘリウムガス流路には弁Ｖ１０を経由して少量のガスをパージガスとして供給し、弁Ｖ６より図示しないガスバッグに回収する。
この再生操作により低温精製装置の一連の熱交換器ＨＸ１０〜ＨＸ１２が加温され、不純ヘリウムガス流路側の伝熱壁面に付着している酸素、窒素、水素などからなる不純物固体が融解し、それらの不純物を含むヘリウムガスとなる。このガスは弁Ｖ１０から供給されたパージガスとともに熱交換器ＨＸ１２〜ＨＸ１０を経由して弁Ｖ６から再生排ガスとしてガスバッグに回収される。また、熱交換器ＨＸ１０〜ＨＸ１２を加温した高純ヘリウムガスは弁Ｖ８、熱交換器ＨＸ９を経て液化プロセスの低圧ガス側に送られる。
この再生運転の間は、先に述べたように貯蔵されたバッファータンク３２内の高純ヘリウムガスを使って液化運転は継続され、精製運転時とは逆に、該バッファータンクの圧力は減少していく。
再生運転が終了すれば、熱交換器ＨＸ１０〜ＨＸ１２を再冷却した後、精製運転を再開する。以降、この運転パターンが繰り返され、バッチ式の低温精製装置であっても、不純物を含むヘリウムガスを精製処理し、液化運転を連続的に行えることになる。
この再生運転の間は、先に述べたように貯蔵されたバッファータンク３２内の高純ヘリウムガスを使って液化運転は継続され、精製運転時とは逆に、該バッファータンクの圧力は減少していく。
再生運転が終了すれば、熱交換器ＨＸ１０〜ＨＸ１２を再冷却した後、精製運転を再開する。以降、この運転パターンが繰り返され、バッチ式の低温精製装置であっても、不純物を含むヘリウムガスを精製処理し、液化運転を連続的に行えることになる。
このような低温精製装置を使うことで、回収された不純ヘリウムガス中の酸素、窒素などを除去することができるが、沸点の低い水素は、除去されず、ヘリウムの循環使用に伴って、不純ヘリウムガス中に濃縮され、不純ヘリウムガス中の水素含有量が増加する。
このため、低温精製器内部に凝固する水素が多くなるため、低温精製器内部で閉塞を生じ、圧力損失が増加するため頻繁に再生運転を行う必要が生じる。
このため、低温精製器内部に凝固する水素が多くなるため、低温精製器内部で閉塞を生じ、圧力損失が増加するため頻繁に再生運転を行う必要が生じる。
また、水素が低温精製器を通過して冷媒原料となるヘリウムガスに混入し、ヘリウム液化装置や被冷却物体内で閉塞を起こし故障の原因となるなどの悪影響を引き起こすため、不純ヘリウムガス中からできるだけ水素を除去し、低温精製器では酸素、窒素など沸点及び融点温度が比較的高いガス成分を除去することが好ましい。
不純ヘリウムガス中の水素を除去する方法として、冷却した吸着剤または加温したゲッター剤に不純ヘリウムガスを接触させ不純物を吸着させる方法があるが、この方法で冷却もしくは加温源が必要になり、さらに、除去装置を保冷または保温する必要があるため装置が複雑かつ大型となり、微量の水素の濃縮を防止するためには費用、装置規模共に大きくならざるを得なかった。
「超伝導・低温工学ハンドブック」オーム社刊、１９９３年、第２３４〜２３５頁
本発明における課題は、ヘリウム液化機において循環使用されて回収された不純ヘリウムガス中の水素を低費用で、小規模装置により簡便に除去できるようにすることにある。
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、不純物として少なくとも水素を含むヘリウムガスを回収し、精製後、再液化するための低温精製装置を備えたヘリウム液化機に付設される水素除去装置であって、
この水素除去装置はゲッター剤が充填された水素除去筒を備え、この水素除去筒に前記回収されたヘリウムガスを常温で供給し、水素除去筒から導出され水素が除去されたヘリウムガスを前記低温精製装置に送るようにしたことを特徴とする水素除去装置である。
請求項１にかかる発明は、不純物として少なくとも水素を含むヘリウムガスを回収し、精製後、再液化するための低温精製装置を備えたヘリウム液化機に付設される水素除去装置であって、
この水素除去装置はゲッター剤が充填された水素除去筒を備え、この水素除去筒に前記回収されたヘリウムガスを常温で供給し、水素除去筒から導出され水素が除去されたヘリウムガスを前記低温精製装置に送るようにしたことを特徴とする水素除去装置である。
請求項２にかかる発明は、不純物として少なくとも水素を含むヘリウムガスを回収し、精製後、再液化するための低温精製装置を備えたヘリウム液化機に付設される水素除去装置であって、
この水素除去装置はゲッター剤が充填された水素除去筒を備え、この水素除去筒に前記低温精製装置からの水素を含むヘリウムからなる再生排ガスを常温で供給し、水素除去筒から導出され水素が除去されたヘリウムガスを前記低温精製装置に送るようにしたことを特徴とする水素除去装置である。
この水素除去装置はゲッター剤が充填された水素除去筒を備え、この水素除去筒に前記低温精製装置からの水素を含むヘリウムからなる再生排ガスを常温で供給し、水素除去筒から導出され水素が除去されたヘリウムガスを前記低温精製装置に送るようにしたことを特徴とする水素除去装置である。
請求項３にかかる発明は、前記ゲッター剤が、銀またはパラジウムが担持されたゼオライトあるいは酸化パラジウムであることを特徴とする請求項１または２記載の水素除去装置である。
本発明によれば、不純ヘリウムガス中の水素をゲッター剤により常温で除去しているので、水素を簡単に効率よく除去でき、しかも除去の際に機器を加熱あるいは冷却する必要がなく電力費が不要となり、装置構成が簡素になって設備費用も少なくなる。
図１は、本発明の水素除去装置の一例を示す概略構成図であり、図中符号５１は低圧回収ガス配管、５２はガスバッグ、５３は回収ガス圧縮機、５４はヘリウム乾燥器、５５は不純ガスカードル、５６は高圧不純ガス供給配管、５７は減圧弁、５８は水素除去筒を示す。
不純ヘリウムガスは、低圧ガス回収配管５１を通って、ガスバッグ５２に回収される。この不純ヘリウムガスは、ヘリウム液化機から送り出された液化ヘリウムが使用先において、冷却媒体などとして使用され、回収されるまでに混入する酸素、窒素等の空気成分に加え、微量の微量の水素が含まれるもので、圧力が大気圧程度のものである。
不純ヘリウムガスは、低圧ガス回収配管５１を通って、ガスバッグ５２に回収される。この不純ヘリウムガスは、ヘリウム液化機から送り出された液化ヘリウムが使用先において、冷却媒体などとして使用され、回収されるまでに混入する酸素、窒素等の空気成分に加え、微量の微量の水素が含まれるもので、圧力が大気圧程度のものである。
ガスバッグ５２の容量一杯まで不純ヘリウムガスが回収されると、回収ガス圧縮機５３が起動し、不純ヘリウムガスを圧力１４〜２０ＭＰａ程度に圧縮し、圧縮された不純ヘリウムガスはヘリウム乾燥器５４を通過して水分を取り除かれる。
ヘリウム乾燥器５４を通過した不純ヘリウムガスは、不純ヘリウムカードル５５に一旦気体状態で貯留される。
ヘリウム液化機の低温精製器６１が起動すると、温度約０〜４０℃、圧力２〜２０ＭＰａの不純ヘリウムガスが不純ヘリウムカードル５５から高圧不純ガス供給配管５６を経て、低温精製器６１へ導入される。低温精製器６１では、上述のようにして、不純ヘリウムガス中の窒素、酸素などの不純物が除去される。
ヘリウム乾燥器５４を通過した不純ヘリウムガスは、不純ヘリウムカードル５５に一旦気体状態で貯留される。
ヘリウム液化機の低温精製器６１が起動すると、温度約０〜４０℃、圧力２〜２０ＭＰａの不純ヘリウムガスが不純ヘリウムカードル５５から高圧不純ガス供給配管５６を経て、低温精製器６１へ導入される。低温精製器６１では、上述のようにして、不純ヘリウムガス中の窒素、酸素などの不純物が除去される。
高圧不純ガス供給配管５６には、枝分かれした分岐管５９が接続されており、この分岐管５９には減圧弁５７を介して水素除去筒５８が接続されている。
この水素除去筒５８の内部には、水素を捕捉するゲッター剤が充填されており、水素除去筒５８を不純ヘリウムガスが通過することで、不純ヘリウムガス中の微量の水素が除去される。
前記ゲッター剤には、銀またはパラジウムが担持されたゼオライトあるいは酸化パラジウムが用いられ、具体的にはＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｃ．から商品名「ＩＯＮＥＸ−ｔｙｐｅ Ａｇ４００」で市販されているものなどが用いられる。
この種のゲッター剤では、その表面に水素分子が接近すると銀、パラジウムが触媒として機能し、ゼオライトを構成している酸素原子と水素原子を結合させて水を生成する。この水はゼオライト格子中にトラップされ、吸着されることで水素を除去できる。酸化パラジウムにおいても同様にパラジウムが触媒として機能し、酸素と結合させて水とする機能が発揮されて水素が除去される。
この水素除去筒５８の内部には、水素を捕捉するゲッター剤が充填されており、水素除去筒５８を不純ヘリウムガスが通過することで、不純ヘリウムガス中の微量の水素が除去される。
前記ゲッター剤には、銀またはパラジウムが担持されたゼオライトあるいは酸化パラジウムが用いられ、具体的にはＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｃ．から商品名「ＩＯＮＥＸ−ｔｙｐｅ Ａｇ４００」で市販されているものなどが用いられる。
この種のゲッター剤では、その表面に水素分子が接近すると銀、パラジウムが触媒として機能し、ゼオライトを構成している酸素原子と水素原子を結合させて水を生成する。この水はゼオライト格子中にトラップされ、吸着されることで水素を除去できる。酸化パラジウムにおいても同様にパラジウムが触媒として機能し、酸素と結合させて水とする機能が発揮されて水素が除去される。
水素除去筒５８から導出された不純ヘリウムガスには、水素以外の酸素、窒素などの不純物が含まれている。この不純ヘリウムガスは、低圧回収ガス配管５１に送られ、再度ガスバッグ５２に回収され、回収ガス圧縮機５３、ヘリウム乾燥器５４、不純ガスカードル５５、高圧不純ガス供給配管５６を経てその一部が低温精製装置６１に送られる。
この実施形態では、水素除去筒５８が高圧不純ガス供給配管５６から分岐された分岐管５９に設置された減圧弁５７の２次側に接続されているため、低温精製器６１が起動しているか否かに関わらず、任意の期間中不純ヘリウムガスを水素除去筒５８に導入することができ、不純ヘリウムガスを循環させて水素除去を継続することができ、低温精製装置６１に送られる不純ヘリウムガス中の水素量が低減し、これにより回収系統内に水素が濃縮することを防止できる。
また、低温精製器６１の処理流量よりも少ない流量で長時間精製を続けることが可能であるとともに、大気温付近の常温で運用するため、装置構成が単純でコンパクトになる効果がある。
また、低温精製器６１の処理流量よりも少ない流量で長時間精製を続けることが可能であるとともに、大気温付近の常温で運用するため、装置構成が単純でコンパクトになる効果がある。
なお、本実施形態では、水素除去筒５８の設置場所を高圧不純ヘリウム供給配管５６から分岐された分岐管５９に設置された減圧弁５７の２次側としているが、水素除去筒５８は水素除去するべき不純ヘリウムガスに常温で接触できる位置に設置すればよく、位置を限定するものではない。
図２は、本発明の水素除去装置の他の例を示す概略構成図であり、図１に示した例と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この実施形態では、低温精製装置６１を再生運転する際に低温精製装置６１から排出される再生排ガスを抜き出し、この再生排ガスを管５９から減圧弁５７を介して水素除去筒５８に送り込むようになっている。
この実施形態では、低温精製装置６１を再生運転する際に低温精製装置６１から排出される再生排ガスを抜き出し、この再生排ガスを管５９から減圧弁５７を介して水素除去筒５８に送り込むようになっている。
低温精製装置６１の再生運転に際しては、図５に示すように、液化プロセスからの常温高圧ヘリウムガスが弁Ｖ９から一連の熱交換器ＨＸ１０〜ＨＸ１２に送られ、これら熱交換器を加温し、弁Ｖ８、熱交換器ＨＸ９を経て液化プロセスの低圧ガス側に送られる。一方、熱交換器の不純ヘリウムガス流路側の伝熱面に凝固して付着している酸素、窒素、水素などの不純物が昇華、沸騰してガス化し、これらの不純物を含むヘリウムガスが弁Ｖ１０から供給されたパージガスとともに熱交換器ＨＸ１２〜ＨＸ１０を経由して弁Ｖ６から再生排ガスとしてガスバッグに回収される。
この再生排ガスには、したがって不純物として酸素、窒素の他水素が大量に含まれていることになり、最も不純物としての水素が濃縮された状態となっている。このため、循環使用されるヘリウム中に不純物として含まれる水素のみを極めて効率よく水素除去筒５８で除去できることになる。
この再生排ガスには、したがって不純物として酸素、窒素の他水素が大量に含まれていることになり、最も不純物としての水素が濃縮された状態となっている。このため、循環使用されるヘリウム中に不純物として含まれる水素のみを極めて効率よく水素除去筒５８で除去できることになる。
水素除去筒５８から導出されるガスは、水素分は除去されて含有されていないが、酸素、窒素などの不純物が存在するヘリウムガスとなり、この不純ヘリウムガスは、ガスバッグ５２、回収ガス圧縮機５３、ヘリウム乾燥器５４、不純ガスカードル５５、高圧不純ガス供給配管５６を経て低温精製装置６１に送られる。
なお、低圧不純ガス供給配管５１には回収された不純ヘリウムガスが送られる点は先の例と同様であり、ここに送られた不純ヘリウムガス中の水素も結局前記再生排ガスに含まれることになって、同様に除去される。
なお、低圧不純ガス供給配管５１には回収された不純ヘリウムガスが送られる点は先の例と同様であり、ここに送られた不純ヘリウムガス中の水素も結局前記再生排ガスに含まれることになって、同様に除去される。
５１・・低圧回収ガス配管、５２・・ガスバッグ、５３・・回収ガス圧縮機、５４・・ヘリウム乾燥器、５５・・不純ガスカードル、５６・・高圧不純ガス供給配管、５７・・減圧弁、５８・・水素除去筒、５９・・分岐管、６１・・低温精製装置。
Claims (3)
- 不純物として少なくとも水素を含むヘリウムガスを回収し、精製後、再液化するための低温精製装置を備えたヘリウム液化機に付設される水素除去装置であって、
この水素除去装置はゲッター剤が充填された水素除去筒を備え、この水素除去筒に前記回収されたヘリウムガスを常温で供給し、水素除去筒から導出され水素が除去されたヘリウムガスを前記低温精製装置に送るようにしたことを特徴とする水素除去装置。 - 不純物として少なくとも水素を含むヘリウムガスを回収し、精製後、再液化するための低温精製装置を備えたヘリウム液化機に付設される水素除去装置であって、
この水素除去装置はゲッター剤が充填された水素除去筒を備え、この水素除去筒に前記低温精製装置からの水素を含むヘリウムからなる再生排ガスを常温で供給し、水素除去筒から導出され水素が除去されたヘリウムガスを前記低温精製装置に送るようにしたことを特徴とする水素除去装置。 - 前記ゲッター剤が、銀またはパラジウムが担持されたゼオライトあるいは酸化パラジウムであることを特徴とする請求項１または２記載の水素除去装置。
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