JP5372607B2 - ヘリウム精製方法およびヘリウム精製装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力変動吸着法を利用してヘリウムを精製するための方法および装置に関する。

光ファイバー線引炉における冷却用の炉内雰囲気ガスや、金属熱処理炉内にて熱処理後の金属を冷却するためのガスとして、ヘリウムが採用される場合がある。気球および飛行船等のための浮揚ガスとして、ヘリウムが採用される場合が多い。また、ＭＲＩ装置用の冷却用液体や、超伝導物質について超伝導現象を発現させるために当該物質を冷却するのに使用される液体として、ヘリウムが採用されることも多い。例えばこれらの用途で使用されたヘリウムは、不純物の混入により純度が低下する。ガスとして使用されたヘリウム、および、使用された液体ヘリウムから気化したヘリウムについては、再利用のため、回収されて圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）によって精製される方法が、提案されている。ＰＳＡ法によるヘリウムの精製技術については、例えば下記の特許文献１，２に記載されている。

特開平１−２６６８３１号公報 特開２００３−１９２３１５号公報

例えば光ファイバー線引炉や金属熱処理炉などから排出される、ヘリウムを主成分として含む使用済みガス、の排出流量や不純物組成は、変動を伴うことが多い。そのため、当該排出ガスを連続的に精製処理するためには、当該排出ガスの流量変動や組成変動に対応可能な処理システムを構築する必要がある。しかしながら、ＰＳＡ法を実行するためのＰＳＡ装置においては、当該装置に供給される原料ガスの有意な流量変動（即ち負荷変動）に対応するのは、困難である。また、ＰＳＡ装置は、原料ガスの組成変動に対応するのも不得手である。

また、例えば光ファイバー線引炉などから排出される、ヘリウムを主成分として含む使用済みガス、のヘリウム濃度は、５０vol％以下と比較的低い場合が多い。従来の技術においては、このようなヘリウム濃度領域にある粗ヘリウムガスについて、ＰＳＡ法によって精製しつつ、高い回収率を達成することは、困難である。

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、ＰＳＡ法を利用して高純度ヘリウムを高収率で得るのに適したヘリウム精製方法およびヘリウム精製装置を提供することを、目的とする。

本発明の第１の側面によるとヘリウム精製方法が提供される。本方法においては、ヘリウムを含む混合ガスを貯留槽に取り込み、また、貯留槽から、吸着剤が充填された吸着塔に向けて、混合ガスを供給する。そして、吸着工程および脱着工程を含むサイクルを、吸着塔において繰り返し行う。吸着工程では、吸着塔内が相対的に高圧である状態において、当該吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物を吸着剤に吸着させ、且つ、ヘリウムが富化された精製ガスを当該吸着塔から導出する。脱着工程では、吸着塔内を降圧して吸着剤から不純物を脱着させ、且つ、当該吸着塔からガスを導出する。また、脱着工程は、当該脱着工程の開始から途中までにおいて吸着塔から第１ガスを導出する第１脱着工程と、吸着塔から第２ガスを導出する、第１脱着工程の後の第２脱着工程とを含み、第１ガスを貯留槽に導入する。本方法においては、単一の吸着塔を使用してもよいし、複数の吸着塔を併用してもよい。

本方法では、吸着塔において、上述の吸着工程および脱着工程を含む圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を実行し、これによって混合ガス中のヘリウムの富化ないし高純度化を図る。混合ガスについては、貯留槽に一旦取り込んだうえで、当該貯留槽から、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔に向けて供給する。貯留槽に取り込まれることとなる原料ガスたる混合ガスがその流量や組成に変動を伴う場合であっても、流量変動や組成変動は、当該混合ガスが貯留槽に一旦取り込まれて貯留および混合されることにより、当該貯留槽から導出される混合ガスにおいては緩和ないし抑制される（このような流量変動や組成変動の緩和ないし抑制の観点から、貯留槽のガス収容用容積は可変であるのが好ましい）。そのため、本方法によると、ヘリウムの精製にあたりＰＳＡ法を利用するものであっても、原料ガスの流量変動や組成変動に対応しやすい。

加えて、本方法によると、高純度化されるヘリウムについて、高い収率を達成しやすい。本方法においては、上述の脱着工程中に吸着塔から導出され続けるガス（オフガス）のうち、ヘリウム濃度が相対的に高いオフガスを貯留槽に戻し、当該オフガスをＰＳＡ法による再度のヘリウム富化に供することができるからである（貯留槽がオフガスを受け入れるときに当該貯留槽と連通する吸着塔（脱着工程中）の内部圧力（脱着圧力）が不当に上昇するのを回避するという観点からも、貯留槽のガス収容用容積は可変であるのが好ましい）。脱着工程にある吸着塔から導出されるオフガスの不純物含有率は、脱着工程の開始以降、漸次的に上昇する傾向にあるところ、本方法においては、当該オフガスの不純物含有率が充分に低い期間は、オフガス（第１ガス）を貯留槽に導入する第１脱着工程を行い、オフガスの不純物含有率が一定以上である期間は、オフガス（第２ガス）を系外に排出する第２脱着工程を行うことが可能である。

以上のように、本発明の第１の側面に係るヘリウム精製方法は、ＰＳＡ法を利用して高純度ヘリウムを高収率で得るのに適する。

本発明の第１の側面において、第１脱着工程から第２脱着工程への切替えタイミングは、第１ガスのヘリウム濃度に基づいて決定するのが好ましい。このような構成は、取得される精製ガスのヘリウムの濃度および収率について最適化を図るうえで好ましい。

本発明の第２の側面によるとヘリウム精製方法が提供される。本方法においては、ヘリウムを含む混合ガスを貯留槽に取り込み、また、貯留槽から、吸着剤が充填された複数の吸着塔に向けて、混合ガスを供給する。そして、吸着工程、減圧工程、脱着工程、洗浄工程、および昇圧工程を含むサイクルを、吸着塔において繰り返し行う。吸着工程では、吸着塔内が相対的に高圧である状態にて、当該吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物を吸着剤に吸着させ、且つ、ヘリウムが富化された精製ガスを当該吸着塔から導出する。減圧工程では、吸着塔内を降圧して当該吸着塔からガスを導出する。脱着工程では、吸着塔内を降圧して吸着剤から不純物を脱着させ、且つ、当該吸着塔からガスを導出する。洗浄工程では、吸着塔に洗浄ガスを導入し、且つ、当該吸着塔からガスを導出する。洗浄工程の洗浄ガスは、減圧工程にある吸着塔から導出されたガスである。洗浄工程は、当該洗浄工程の開始から途中までにおいて吸着塔から第１ガスを導出する第１洗浄工程と、当該吸着塔から第２ガスを導出する、第１洗浄工程の後の第２洗浄工程とを含み、第２ガスを貯留槽に導入する。昇圧工程では、吸着塔内の圧力を上昇させる。

本方法では、各吸着塔において、上述の吸着工程、減圧工程、脱着工程、洗浄工程、および昇圧工程を含むＰＳＡ法を実行し、これによって混合ガス中のヘリウムの富化ないし高純度化を図る。混合ガスについては、貯留槽に一旦取り込んだうえで、当該貯留槽から、ＰＳＡ法を実行するための各吸着塔に向けて供給する。貯留槽に取り込まれることとなる原料ガスたる混合ガスがその流量や組成に変動を伴う場合であっても、流量変動や組成変動は、当該混合ガスが貯留槽に一旦取り込まれて貯留および混合されることにより、当該貯留槽から導出される混合ガスにおいては緩和ないし抑制される（このような流量変動や組成変動の緩和ないし抑制の観点から、貯留槽のガス収容用容積は可変であるのが好ましい）。そのため、本方法によると、ヘリウムの精製にあたりＰＳＡ法を利用するものであっても、原料ガスの流量変動や組成変動に対応しやすい。

加えて、本方法によると、高純度化されるヘリウムについて、高い収率を達成しやすい。本方法においては、上述の洗浄工程中に吸着塔から導出され続けるガス（パージガス）のうち、ヘリウム濃度が相対的に高いパージガスを貯留槽に導入し、当該パージガスをＰＳＡ法によるヘリウム富化に供することができるからである（貯留槽がパージガスを受け入れるときに当該貯留槽と連通する吸着塔（洗浄工程中）の内部圧力（洗浄圧力）が不当に上昇するのを回避するという観点からも、貯留槽のガス収容用容積は可変であるのが好ましい）。洗浄工程にある吸着塔から導出されるパージガスの不純物含有率は、洗浄工程の開始以降、漸次的に低下する傾向にあるところ、本方法においては、パージガスの不純物含有率が充分に低下するまで、パージガス（第１ガス）を系外に排出する第１洗浄工程を行い、パージガスの不純物含有率が充分に低下した以降に、パージガス（第２ガス）を貯留槽に導入する第２洗浄工程を行うことが可能である。

以上のように、本発明の第２の側面に係るヘリウム精製方法は、ＰＳＡ法を利用して高純度ヘリウムを高収率で得るのに適する。

本発明の第２の側面において、第１洗浄工程から第２洗浄工程への切替えタイミングは、第１ガスのヘリウム濃度に基づいて決定するのが好ましい。このような構成は、取得される精製ガスのヘリウムの濃度および収率について最適化を図るうえで好ましい。

本発明の第２の側面において、好ましくは、脱着工程は、当該脱着工程の開始から途中までにおいて吸着塔から第３ガスを導出する第１脱着工程と、当該吸着塔から第４ガスを導出する、第１脱着工程の後の第２脱着工程とを含み、第３ガスを貯留槽に導入する。このような構成においては、高純度ヘリウムを高収率で得るのに資する。本方法においては、上述の脱着工程中に吸着塔から導出され続けるガス（オフガス）のうち、ヘリウム濃度が相対的に高いオフガスを貯留槽に戻し、当該オフガスをＰＳＡ法による再度のヘリウム富化に供することができるからである。脱着工程にある吸着塔から導出されるオフガスの不純物含有率は、脱着工程の開始以降、漸次的に上昇する傾向にあるところ、本方法においては、当該オフガスの不純物含有率が充分に低い期間は、オフガス（第３ガス）を貯留槽に導入する第１脱着工程を行い、オフガスの不純物含有率が一定以上である期間は、オフガス（第４ガス）を系外に排出する第２脱着工程を行うことが可能である。

本発明の第２の側面において、第１脱着工程から第２脱着工程への切替えタイミングは、第３ガスのヘリウム濃度に基づいて決定するのが好ましい。このような構成は、取得される精製ガスのヘリウムの濃度および収率について最適化を図るうえで好ましい。

好ましくは、減圧工程は、当該減圧工程の開始から途中までにおいて吸着塔から第５ガスを導出する第１減圧工程と、当該吸着塔から第６ガスを導出する、第１減圧工程の後の第２減圧工程とを含み、第５ガスを洗浄ガスとして洗浄工程にある吸着塔に導入し、第６ガスを昇圧工程にある吸着塔に導入する。減圧工程にある吸着塔から導出されるガスのヘリウム濃度は比較的高いところ、このような構成によると、減圧工程にある吸着塔から導出されるガスを利用して他の吸着塔にて洗浄工程および昇圧工程を効率よく行うことができる。すなわち、このような構成によると、複数の吸着塔のそれぞれにて行われる工程を有機的に利用して、ヘリウム精製のためのＰＳＡ法を効率よく行うことが可能なのである。

好ましくは、脱着工程にある吸着塔の内部の最低圧力を０％とし且つ吸着工程にある吸着塔の内部の最高圧力を１００％とする場合、第１減圧工程の終了時における吸着塔の内部の第１中間圧力は３５〜８０％の範囲にあり、且つ、第２減圧工程の終了時における吸着塔の内部の第２中間圧力は第１中間圧力より小さい限りにおいて１５〜５０％の範囲にある。このような構成は、洗浄工程および昇圧工程を効率よく行うのに資する。

好ましくは、昇圧工程は、第２減圧工程にある吸着塔から導出された第６ガスを昇圧対象の吸着塔に導入する第１昇圧工程と、当該吸着塔に精製ガスを導入する、第１昇圧工程の後の第２昇圧工程とを含む。このような構成は、昇圧工程およびその後の吸着工程を各吸着塔にて効率よく行ううえで好適である。

本発明の第１および第２の側面において、好ましくは、脱着工程にある吸着塔の内部の最低圧力は大気圧以上である。このような構成においては、吸着塔にて脱着工程を行うにあたり、真空ポンプなどの積極的減圧手段を必ずしも使用する必要はない。また、真空ポンプなどの積極的減圧手段を必ずしも使用する必要のないこのような構成は、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔ないしＰＳＡ装置が、貯留槽からの混合ガスの流量変動（即ち、装置に対する負荷変動）に対応するうえで、好適である。

好ましくは、貯留槽から吸着塔に向けて供給する混合ガスの流量は、吸着塔にて吸着工程が開始する時に更新する。このような構成は、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔ないしＰＳＡ装置に対する負荷を軽減するうえで好適である。

第１の好ましい実施の形態では、貯留槽における貯留量について上側設定量および当該上側設定量より小さい下側設定量を設定する。そのうえで、貯留槽からの混合ガス供給流量の更新時において、貯留槽内の混合ガスの貯留量が上側設定量以上である場合、混合ガス供給流量を増大し、貯留槽内の混合ガスの貯留量が上側設定量を下回り且つ下側設定量を上回る場合、混合ガス供給流量を変更せず、貯留槽内の混合ガスの貯留量が下側設定量以下である場合、混合ガス供給流量を低減する。このような構成は、貯留槽に取り込まれることとなる原料ガスたる混合ガスの流量変動に貯留槽が対応するとともに、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔ないしＰＳＡ装置に対する負荷変動を軽減して負荷の安定化を図るうえで好適である。

第２の好ましい実施の形態では、貯留槽における貯留量について上側設定量および当該上側設定量より小さい下側設定量を設定し、且つ、混合ガス供給流量の更新時より前に貯留槽に取り込まれる混合ガスの流量（例えば所定期間内の平均流量）を得て基準流量とする。そのうえで、貯留槽からの混合ガス供給流量の更新時において、貯留槽内の混合ガスの貯留量が上側設定量以上である場合、基準流量より大きな流量を混合ガス供給流量とし、貯留槽内の混合ガスの貯留量が上側設定量を下回り且つ下側設定量を上回る場合、基準流量を混合ガス供給流量とし、貯留槽内の混合ガスの貯留量が下側設定量以下である場合、基準流量より小さな流量を混合ガス供給流量とする。このような構成は、貯留槽に取り込まれることとなる原料ガスたる混合ガスの流量変動に貯留槽が対応するとともに、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔ないしＰＳＡ装置に対する負荷変動を軽減して負荷の安定化を図るうえで好適である。

好ましくは、混合ガスを吸着塔に供給する前に、貯留槽からの混合ガスに対して、当該混合ガスに含まれる不純物の少なくとも一部を除去または変成するための前処理を施す。このような構成は、高純度ヘリウムを得るうえで好適である。また、前処理を施す前に貯留槽にガスを一旦貯留する本構成は、混合ガスに含まれる所定の不純物の除去または変成のための前処理を、安定して行い、従って効率的に行ううえでも、好適である。流量変動および組成変動が緩和された貯留槽からの混合ガスに対して前処理を施す本構成においては、前処理に対する負荷が安定しやすいからである。

好ましくは、前処理は複数段に分けて行う。例えば、混合ガスに含まれる不純物の少なくとも一部を除去または変成するうえで当該混合ガスに施すべき前処理に発熱反応が含まれる場合、前処理を複数段に分けて行うという構成は、当該前処理において、過度の温度上昇を防止して反応温度を適正範囲内に制御するうえで好ましい。

混合ガスがヘリウムに加えて少なくとも酸素および水素を含む場合には、好ましくは、前処理は、酸素と水素とを反応させて水を生じさせる第１処理と、酸素を一酸化炭素と反応させて二酸化炭素を生じさせる、第１処理の後に行う第２処理とを含む。このような構成は、混合ガスがヘリウムに加えて酸素および水素を含む場合に当該酸素および水素の除去または低濃度化を図るうえで好適である。第１処理では、水素に対して過剰量の酸素が存在する条件下で水素を酸素と反応させると、混合ガス中の水素を相当程度に低濃度化することが可能である（即ち、混合ガスから水素を実質的に除去することが可能である）。第２処理では、酸素に対して過剰量の一酸化炭素が存在する条件下で酸素を一酸化炭素と反応させると、混合ガス中の酸素を相当程度に低濃度化することが可能である（即ち、混合ガスから酸素を実質的に除去することが可能である）。したがって、本構成によると、例えば、混合ガスに対して必要に応じて所定量の酸素や水素を添加して酸素と水素の存在比を調整したうえで、第１処理にて、水素に対して所定過剰量の酸素が存在する条件下で水素を酸素と反応させて水を生じさせることによって水素除去を行うことができ、その後に、混合ガスに対して所定量の一酸化炭素を添加したうえで、第２処理にて、酸素に対して所定過剰量の一酸化炭素が存在する条件下で酸素を一酸化炭素と反応させて二酸化炭素を生じさせることによって酸素除去を行うことができる。このような本構成によると、混合ガスが不純物として酸素および水素を含む場合において、ヘリウム精製に適した吸着剤を使用して行うＰＳＡ法によっては除去されにくい水素および酸素を共に前処理（第１処理，第２処理）にて除去したうえで、ヘリウム精製に適した吸着剤を使用して行うＰＳＡ法によって除去しやすい一酸化炭素および二酸化炭素をＰＳＡ法にて除去することができる。このような本構成は、ヘリウムを高純度化するうえで好ましい。

また、混合ガスがヘリウム、酸素、および水素に加えて一酸化炭素を含む場合には、前処理は、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素を生じさせる、第１処理より前に行う第３処理を、更に含むのが好ましい。一酸化炭素が第１処理の反応を阻害する場合には、このような構成を採用するのが好ましい。第３処理では、一酸化炭素に対して過剰量の酸素が存在する条件下で一酸化炭素を酸素と反応させると、混合ガス中の一酸化炭素を相当程度に低濃度化することが可能である（即ち、混合ガスから一酸化炭素を実質的に除去することが可能である）。したがって、本構成によると、例えば、混合ガスに対して必要に応じて所定量の酸素を添加したうえで、第３処理にて、一酸化炭素に対して所定過剰量の酸素が存在する条件下で一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素を生じさせることによって一酸化炭素除去を行うことができ、混合ガスに対して必要に応じて所定量の酸素や水素を添加して酸素と水素の存在比を調整したうえで、第１処理にて、水素に対して所定過剰量の酸素が存在する条件下で水素を酸素と反応させて水を生じさせることによって水素除去を行うことができ、その後に、混合ガスに対して所定量の一酸化炭素を添加したうえで、第２処理にて、酸素に対して所定過剰量の一酸化炭素が存在する条件下で酸素を一酸化炭素と反応させて二酸化炭素を生じさせることによって酸素除去を行うことができる。このような本構成によると、混合ガスが不純物として酸素、水素、および一酸化炭素を含む場合において、第１処理の反応の阻害因子となり得る一酸化炭素を当該第１処理の前に除去した後に、ヘリウム精製に適した吸着剤を使用して行うＰＳＡ法によっては除去されにくい水素および酸素を共に前処理（第１処理，第２処理）にて除去したうえで、ヘリウム精製に適した吸着剤を使用して行うＰＳＡ法によって除去しやすい二酸化炭素をＰＳＡ法にて除去することができる。このような本構成は、ヘリウムを高純度化するうえで好ましい。

本発明の第３の側面によるとヘリウム精製装置が提供される。本装置は、第１ガス通過口および第２ガス通過口を有し当該第１および第２ガス通過口の間において吸着剤が充填された吸着塔と、ヘリウムを含む混合ガスを吸着塔に供給するより前に貯留するための貯留槽と、貯留槽から吸着塔の第１ガス通過口側に混合ガスを供給可能に貯留槽および吸着塔の間を連結する第１ラインと、吸着塔の第１ガス通過口側に接続され且つガス排出端を有する第２ラインと、第２ラインおよび貯留槽を連結する第３ライン（リサイクルライン）とを備える。このような構成を具備する本装置によると、本発明の第１の側面に係る上述のヘリウム精製方法を適切に実行することが可能である。

本発明の第３の側面において、貯留槽は、可変なガス収容用容積を有する。このような構成は、第１の側面に係るヘリウム精製方法に関して上述したように、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔ないしＰＳＡ装置に向けて供給される混合ガスの流量変動や組成変動を緩和ないし抑制するという観点や、貯留槽がオフガスを受け入れるときに当該貯留槽と連通する吸着塔（脱着工程中）の内部圧力（脱着圧力）が不当に上昇するのを回避するという観点から、好ましい。

本発明の第４の側面によるとヘリウム精製装置が提供される。本装置は、第１ガス通過口および第２ガス通過口を有し当該第１および第２ガス通過口の間において吸着剤が充填された複数の吸着塔と、ヘリウムを含む混合ガスを吸着塔に供給するより前に貯留するための貯留槽と、貯留槽から各吸着塔の第１ガス通過口側に混合ガスを供給可能に貯留槽および各吸着塔の間を連結する第１ラインと、ガス排出端を有する主幹路、および、吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の第１ガス通過口側に接続された複数の分枝路、を有する第２ラインと、主幹路、および、吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の第２ガス通過口側に接続された複数の分枝路、を有する第３ラインと、第２ラインおよび貯留槽を連結する第４ライン（リサイクルライン）とを備える。このような構成を具備する本装置によると、本発明の第１の側面に係る上述のヘリウム精製方法および第２の側面に係る上述のヘリウム精製方法を、適切に実行することが可能である。

本発明の第４の側面において、貯留槽は、可変なガス収容用容積を有する。このような構成は、第１または第２の側面に係るヘリウム精製方法に関して上述したように、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔ないしＰＳＡ装置に向けて供給される混合ガスの流量変動や組成変動を緩和ないし抑制するという観点や、貯留槽がパージガスを受け入れるときに当該貯留槽と連通する吸着塔（洗浄工程中）の内部圧力（洗浄圧力）が不当に上昇するのを回避するという観点、貯留槽がオフガスを受け入れるときに当該貯留槽と連通する吸着塔（脱着工程中）の内部圧力（脱着圧力）が不当に上昇するのを回避するという観点から、好ましい。

本発明の第３および第４の側面に係るヘリウム精製装置は、好ましくは、貯留槽における貯留量を検知するための手段と、貯留槽から吸着塔に向けて供給する混合ガスの流量を制御するための手段とを更に備える。このような構成は、上述の第１の好ましい実施の形態に係る混合ガス供給流量の更新を実行するうえで、好適である。

本発明の第３および第４の側面に係るヘリウム精製装置は、好ましくは、貯留槽における貯留量を検知するための手段と、貯留槽から吸着塔に向けて供給する混合ガスの流量を制御するための手段と、貯留槽に供給される混合ガスの流量を検知するための手段とを更に備える。このような構成は、上述の第２の好ましい実施の形態に係る混合ガス供給流量の更新を実行するうえで、好適である。

好ましくは、混合ガスに含まれる不純物の少なくとも一部を除去または変成するための前処理系が第１ラインに設けられている。このような構成は、高純度ヘリウムを得るうえで好適である。また、ガスを一旦貯留するための貯留槽を前処理系の前に具備する本構成は、混合ガスに含まれる所定の不純物を除去または変成するための前処理を、安定して行い、従って効率的に行ううえでも、好適である。流量変動が緩和された貯留槽からの混合ガスが前処理系に供されることとなる本構成においては、前処理系に対する負荷が安定しやすいからである。

好ましくは、前処理系は、前処理を複数段に分けて行うための複数の処理槽を含む。例えば、混合ガスに含まれる不純物の少なくとも一部を除去または変成するうえで当該混合ガスに施すべき前処理に発熱反応が含まれる場合、前処理を複数段に分けて行うための複数の処理槽を前処理系が含むという構成は、当該前処理において、過度の温度上昇を防止して反応温度を適正範囲内に制御するうえで好ましい。

混合ガスがヘリウムに加えて少なくとも酸素および水素を含む場合には、好ましくは、前処理系は、酸素と水素とを反応させて水を生じさせる第１処理を実行するための第１処理槽と、第１処理の後に酸素を一酸化炭素と反応させて二酸化炭素を生じさせる第２処理を実行するための第２処理槽とを含む。このような構成は、混合ガスがヘリウムに加えて酸素および水素を含む場合に当該酸素および水素の除去または低濃度化を図るうえで好適である。

また、混合ガスがヘリウム、酸素、および水素に加えて一酸化炭素を含む場合には、前処理系は、第１処理より前に一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素を生じさせる第３処理を実行するための第３処理槽を更に含むのが好ましい。一酸化炭素が第１処理の反応を阻害する場合には、このような構成を採用するのが好ましい。

本発明に係るヘリウム精製装置の全体概略構成を表す。 図１に示すヘリウム精製装置の一部たる貯留系の構成を表す。 図１に示すヘリウム精製装置の一部たる前処理系の構成を表す。 図１に示すヘリウム精製装置の一部たるＰＳＡ系の構成を表す。 図４に示すＰＳＡ装置が実行するＰＳＡ法のステップ１〜５について、各吸着塔で行われる工程、並びに、図４に示すＰＳＡ装置の各自動弁およびリサイクルラインの自動弁の開閉状態を示す表である。 図４に示すＰＳＡ装置が実行するＰＳＡ法のステップ６〜１０について、各吸着塔で行われる工程、並びに、図４に示すＰＳＡ装置の各自動弁およびリサイクルラインの自動弁の開閉状態を示す表である。 図４に示すＰＳＡ装置が実行するＰＳＡ法のステップ１１〜１５について、各吸着塔で行われる工程、並びに、図４に示すＰＳＡ装置の各自動弁およびリサイクルラインの自動弁の開閉状態を示す表である。 図４に示すＰＳＡ装置が実行するＰＳＡ法のステップ１〜５におけるガス流れ状態を表す。 図４に示すＰＳＡ装置が実行するＰＳＡ法のステップ６〜１０におけるガス流れ状態を表す。 図４に示すＰＳＡ装置が実行するＰＳＡ法のステップ１１〜１５におけるガス流れ状態を表す。 実施例における原料ガスおよび精製ガスの仕様を示す表である。

図１は、本発明に係るヘリウム精製装置Ｙの全体概略構成を表す。ヘリウム精製装置Ｙは、貯留系１と、前処理系２と、ＰＳＡ系３と、リサイクルライン４とを備え、ヘリウムを含む原料ガスＧ₀を回収しつつ連続的にヘリウムを精製することが可能なように構成されている。

原料ガスＧ₀は、光ファイバー線引炉や金属熱処理炉などから排出された、ヘリウムを主成分として含むガスであり、少なくとも一つの所定の箇所（図示略）から連続的に又は断続的に排出されたものである。この排ガス（原料ガスＧ₀）の排出流量や、圧力、組成は変動し得るものであり、急激に変動する場合もある。原料ガスＧ₀は、ヘリウムに加え、不純物として窒素、酸素、一酸化炭素、および水素を含む。主たる不純物は例えば窒素である。原料ガスＧ₀の排出流量（即ち、ヘリウム精製装置Ｙへの原料ガスＧ₀の供給流量）は、例えば１０〜１００Ｎｍ³／ｈである。

ヘリウム精製装置Ｙの一部をなす貯留系１は、図１および図２に示すように、ガスホルダ１０、除塵器１１、昇圧ブロア１２、流量計１３、貯留量検知計１４、濃度分析計１５、流量制御部１６、および、原料ガス導入端Ｅ１を有するライン１７を備えてなる。除塵器１１、流量計１３、ガスホルダ１０、昇圧ブロア１２、および流量制御部１６は、ライン１７内において、直列に配されている。

ガスホルダ１０は、ヘリウムを含む混合ガス（原料ガスＧ₀を含む）を一旦貯留するための貯留槽である。また、本実施形態では、ガスホルダ１０は、そのガス収容用の容積が可変に構成されている。容積が可変のガスホルダ１０は、例えば、内部空間が拡縮可能な袋体によってガス貯留空間が形成されたものである。当該袋体は、例えば樹脂製袋体または布製袋体である。ガスホルダ１０の最大容積は例えば７０〜１００ｍ³である。ガスホルダ１０の可変容積については、上側設定値Ｖ_Hおよび下側設定値Ｖ_Lが設定されている。上側設定値Ｖ_Hは、例えば６０〜９０ｍ³である。下側設定値Ｖ_Lは、例えば１０〜４０ｍ³である。

除塵器１１は、炉からの排ガスである原料ガスＧ₀に含まれることの多い粉塵や金属粉等の固形成分を、原料ガスＧ₀から除去するためのものである。このような除塵器１１は、ガスホルダ１０の上流側に配され、例えば所定の除塵フィルタを有してなる。

昇圧ブロア１２は、ガスホルダ１０の下流側に配されてガスホルダ１０に原料ガスＧ₀を取り込むように稼働するためのものである。昇圧ブロア１２が稼働することにより、ガスホルダ１０内のガス貯留空間に負圧が作用して、原料ガスＧ₀がガスホルダ１０へ適当に流入することとなる。また、昇圧ブロア１２が稼働することにより、ガスホルダ１０からガスＧ₁が導出され、当該ガスＧ₁は前処理系２に向けて送出される。

流量計１３は、炉からの排ガスである原料ガスＧ₀がガスホルダ１０へと流入する流量を計測するためのものである。貯留量検知計１４は、ガスホルダ１０ないしそのガス貯留空間に貯留されているガスの貯留量を計測するためのものである。

濃度分析計１５は、ガスホルダ１０および昇圧ブロア１２を経たガスＧ₁に含まれる各不純物の濃度を測定するためのものである。濃度分析計１５において、ガスＧ₁に含まれる例えば窒素、酸素、一酸化炭素、および水素のそれぞれの濃度が測定される。

流量制御部１６は、前処理系２などの後段へと供給するガスＧ₁の流量を制御するためのものである。このような流量制御部１６は、例えば、開度を制御可能なバルブよりなる。

ヘリウム精製装置Ｙの一部をなす前処理系２は、後段のＰＳＡ系３において実行される圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）によっては除去しにくい不純物をガスＧ₁から除去するためのものである。ＰＳＡ法によってヘリウムを精製する際に当該ＰＳＡ法によっては除去しにくい不純物としては、酸素および水素が挙げられる。また、酸素は、精製後のヘリウムを再利用する際に有害であることが多いので、除去の必要性が高い。前処理系２は、図１および図３に示すように、前処理槽２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ、予熱器２１、冷却器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ、酸素供給量制御部２３、水素供給量制御部２４、一酸化炭素供給量制御部２５、温度計２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ、流量制御部２７Ａ，２７Ｂ、酸素濃度分析計２８、ライン２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ，２９Ｄ、およびバイパスライン２９ｂ，２９ｃを備えてなる。前処理槽２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、ガス経路上、直列に連結されている。

前処理槽２０Ａは、ガスＧ₁中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成して実質的に除去するための転化反応槽であり（一酸化炭素は、後段の前処理槽２０Ｂに充填される触媒にとっての触媒毒となる場合がある）、入口端２０ａおよび出口端２０ｂを有する。前処理槽２０Ａには、下記の反応式（１）で表される転化反応を促進する触媒が充填されている。当該触媒としては、例えば、プラチナ系触媒やパラジウム系触媒などの貴金属系触媒を採用することができる。

前処理槽２０Ｂは、前処理槽２０Ａにおける処理を経て前処理槽２０Ａの出口端２０ｂから導出されたガスＧ₁中の酸素および水素を水に変化させて低濃度化または実質的に除去するための転化反応槽であり、入口端２０ａおよび出口端２０ｂを有する。前処理槽２０Ｂには、下記の反応式（２）で表される転化反応を促進する触媒が充填されている。当該触媒としては、例えば、プラチナ系触媒やパラジウム系触媒などの貴金属系触媒を採用することができる。

前処理槽２０Ｃは、前処理槽２０Ｂにおける処理を経て前処理槽２０Ｂの出口端２０ｂから導出されたガスＧ₁中の酸素を一酸化炭素と反応させて酸素を低濃度化または実質的に除去するための転化反応槽であり、入口端２０ａおよび出口端２０ｂを有する。前処理槽２０Ｃには、上記の反応式（１）で表される転化反応を促進する触媒が充填されている。当該触媒としては、例えば、プラチナ系触媒やパラジウム系触媒などの貴金属系触媒を採用することができる。

予熱器２１は、前処理槽２０Ａに至る前にガスＧ₁を昇温するためのものであり、例えば電気ヒータよりなる。酸素供給量制御部２３は、図外の酸素貯留部と連結され、且つ、前処理槽２０Ａの入口端２０ａに接続するライン２９Ａと連結されている。このような酸素供給量制御部２３は、酸素貯留部からライン２９Ａへと必要に応じて供給される酸素の流量を制御するためのものであり、例えば、開度や開状態時間を制御可能なバルブよりなる。温度計２６Ａは、前処理槽２０Ａに導入される前のガスＧ₁の温度を測定するためのものである。

冷却器２２Ａは、前処理槽２０Ａにおける処理を経て前処理槽２０Ａの出口端２０ｂから導出されたガスＧ₁を冷却するためのものであり、ライン２９Ｂに設けられている。このような冷却器２２Ａは、例えば、冷却水を冷却媒体とする熱交換器よりなる。この冷却器２２Ａとライン上並列するようにバイパスライン２９ｂが設けられており、当該バイパスライン２９ｂには、流量制御部２７Ａが設置されている。流量制御部２７Ａは、例えば、開度や開状態時間を制御可能なバルブよりなる。水素供給量制御部２４は、図外の水素貯留部と連結され、且つ、ライン２９Ｂと連結されている。このような水素供給量制御部２４は、水素貯留部からライン２９Ｂへと必要に応じて供給される水素の流量を制御するためのものであり、例えば、開度や開状態時間を制御可能なバルブよりなる。温度計２６Ｂは、前処理槽２０Ｂに導入される前のガスＧ₁の温度を測定するためのものである。

冷却器２２Ｂは、前処理槽２０Ｂにおける処理を経て前処理槽２０Ｂの出口端２０ｂから導出されたガスＧ₁を冷却するためのものであり、ライン２９Ｃに設けられている。このような冷却器２２Ｂは、例えば、冷却水を冷却媒体とする熱交換器よりなる。この冷却器２２Ｂとライン上並列するようにバイパスライン２９ｃが設けられており、当該バイパスライン２９ｃには、流量制御部２７Ｂが設置されている。流量制御部２７Ｂは、例えば、開度や開状態時間を制御可能なバルブよりなる。一酸化炭素供給量制御部２５は、図外の一酸化炭素貯留部と連結され、且つ、ライン２９Ｃと連結されている。このような一酸化炭素供給量制御部２５は、一酸化炭素貯留部からライン２９Ｃへと必要に応じて供給される一酸化炭素の流量を制御するためのものであり、例えば、開度や開状態時間を制御可能なバルブよりなる。酸素濃度分析計２８は、ライン２９Ｃを流れるガスＧ₁に一酸化炭素が添加される前にガスＧ₁の酸素濃度を測定するためのものである。温度計２６Ｃは、前処理槽２０Ｃに導入される前のガスＧ₁の温度を測定するためのものである。

冷却器２２Ｃは、前処理槽２０Ｃにおける処理を経て前処理槽２０Ｃの出口端２０ｂから導出されたガスＧ₁を冷却するためのものであり、ライン２９Ｄに設けられている。このような冷却器２２Ｃは、例えば、冷却水を冷却媒体とする熱交換器よりなる。

本実施形態における前処理系２は、上述のように三段の転化反応槽を具備するものであるが、ＰＳＡ系３にガスＧ₁を供する前に当該ガスＧ₁から除去すべき不純物の種類および量に応じて、前処理系２を、所定の一段の転化反応槽を具備するものとして構成してもよいし、所定の二段の転化反応槽を具備するものとして構成してもよいし、所定の四段以上の転化反応槽を具備するものとして構成してもよい。或は、ＰＳＡ系３にガスＧ₁を供する前に当該ガスＧ₁から除去すべき不純物がない場合は、前処理系２を設けなくてもよい。

ヘリウム精製装置Ｙの一部をなすＰＳＡ系３は、図１および図４に示すように、ＰＳＡ装置３０を備えてなる。ＰＳＡ装置３０は、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃと、昇圧機３２と、ライン３３〜３６と、ヘリウム濃度分析計３７とを備え、前処理系２からのガスＧ₁（ヘリウムを含む）から圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用してヘリウムを濃縮分離することが可能なように構成されている。

吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれは、両端にガス通過口３１ａ，３１ｂを有し、ガス通過口３１ａ，３１ｂの間において、ガスＧ₁に含まれる不純物を選択的に吸着するための吸着剤が充填されている。例えば、不純物たる窒素や一酸化炭素を吸着するための吸着剤としては、合成ゼオライトを用いることができる。例えば、不純物たる二酸化炭素を吸着するための吸着剤としては、カーボンモレキュラーシーブ（ＣＭＳ）を用いることができる。例えば、不純物たる水分を吸着するための吸着剤としては、アルミナゲルを用いることができる。一種類の吸着剤を吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ内に充填してもよいし、複数種類の吸着剤を吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ内にて積層させて充填してもよい。吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ内に充填する吸着剤の種類や数については、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにて除去すべき不純物の種類および量に応じて決定する。

昇圧機３２は、ガス吸入口３２ａおよびガス送出口３２ｂを有する。ガス吸入口３２ａは、前処理系２におけるライン２９Ｄと連結されている。このような昇圧機３２は、ガス吸入口３２ａから吸引したガスＧ₁をガス送出口３２ｂから吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに向けて供給ないし送り出すためのものであり、例えば圧縮機である。

ライン３３は、昇圧機３２のガス送出口３２ｂに接続された主幹路３３’、および、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの各ガス通過口３１ａ側にそれぞれ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。

ライン３４は、精製ガス導出端Ｅ２を有する主幹路３４’、および、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの各ガス通過口３１ｂ側にそれぞれ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。

ライン３５は、主幹路３５’、および、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの各ガス通過口３１ｂ側にそれぞれ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。

ライン３６は、ガス排出端Ｅ３を有する主幹路３６’、および、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの各ガス通過口３１ａ側にそれぞれが接続された分枝路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃを有する。分枝路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ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，３６ｂ，３６ｃが付設されている。

ヘリウム濃度分析計３７は、ライン３６ないし主幹路３６’を流れるガスのヘリウム濃度を測定するためのものである。ヘリウム濃度分析計３７としては、例えば、熱伝導率計を含んで構成されるものを採用することができる。

本実施形態におけるＰＳＡ系３ないしＰＳＡ装置３０は、上述のように三塔の吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを具備するものであるが、ＰＳＡ系３を、所定の一塔の吸着塔を具備するものとして構成してもよいし、所定の二塔の吸着塔を具備するものとして構成してもよいし、所定の四塔以上の吸着塔を具備するものとして構成してもよい。

ヘリウム精製装置Ｙの一部をなすリサイクルライン４は、図１に示すように、ＰＳＡ系３ないしＰＳＡ装置３０における上述のライン３６の、ヘリウム濃度分析計３７より下流側の箇所と、貯留系１における上述のガスホルダ１０とを連結する。リサイクルライン４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４ａが付設されている。このようなリサイクルライン４は、ＰＳＡ装置３０における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの各ガス通過口３１ａ側から排出される所定のガスを、ガスホルダ１０に戻すためのものである。

以上のような構成を有するヘリウム精製装置Ｙを使用して、本発明に係るヘリウム精製方法を実行することができる。

貯留系１では、昇圧ブロア１２が稼働して、ライン１７の原料ガス導入端Ｅ１から原料ガスＧ₀が受け入れられる。受け入れられた原料ガスＧ₀は、除塵器１１を通過することによって所定の固形成分が除去されて、流量計１３にて流量が計測された後、ガスホルダ１０に取り込まれる。ガスホルダ１０には、ＰＳＡ系３からの所定のガスも取り込まれる。ガスホルダ１０におけるガス貯留空間の容積は上述のように可変であるところ、ガスホルダ１０ないしそのガス貯留空間に貯留されているガスの貯留量が貯留量検知計１４によって計測される。そして、ガスホルダ１０からはガスＧ₁が導出される。ガスＧ₁については、濃度分析計１５によって各不純物の濃度が測定される。濃度分析計１５によって測定される例えば酸素濃度をＸ₁とし、例えば一酸化炭素濃度をＸ₂とし、例えば水素濃度をＸ₃とする。また、ガスＧ₁については、流量制御部１６によって流量が調節される。ガスＧ₁の流量は、ＰＳＡ系３における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのいずれかが後述の吸着工程を開始する時（吸着塔切替時）に更新される。具体的には、ガスＧ₁の流量は、例えば次のようにして更新される。

まず、流量計１３によって計測される原料ガスＧ₀の流量について、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの一つが後述の吸着工程を開始する時（吸着塔切替時）までの所定時間（例えば１０秒間）の平均流量が、基準流量として求められる。次に、求められた平均流量（基準流量）が、装置全体について想定ないし設定される負荷流量範囲すなわち流量制御部１６の流量制御範囲（例えば０〜１５０Ｎｍ³／ｈ）に対する割合（α％）に換算される。この割合（α％）を利用して、ガスＧ₁について次に設定されるべき流量が算出される。例えば、吸着塔切替時に貯留量検知計１４によって計測されるガスホルダ１０のガス貯留量が上述の上側設定値Ｖ_H以上である場合、α％にβ％が加算され、流量制御部１６の流量制御範囲（例えば０〜１５０Ｎｍ³／ｈ）の（α＋β）％の流量が算出され、この算出流量がガスＧ₁の次の流量として採用される。例えば、吸着塔切替時に貯留量検知計１４によって計測されるガスホルダ１０のガス貯留量が上述の下側設定値Ｖ_L以下である場合、α％からβ％が差し引かれ、流量制御部１６の流量制御範囲（例えば０〜１５０Ｎｍ³／ｈ）の（α−β）％の流量が算出され、この算出流量がガスＧ₁の次の流量として採用される。例えば、吸着塔切替時に貯留量検知計１４によって計測されるガスホルダ１０のガス貯留量が、上側設定値Ｖ_Hを下回り且つ下側設定値Ｖ_Lを上回る場合、流量制御部１６の流量制御範囲（例えば０〜１５０Ｎｍ³／ｈ）のα％の流量が算出され、この算出流量がガスＧ₁の次の流量として採用される。ガスＧ₁についてこのようにして更新された流量は、次の吸着塔切替時まで流量制御部１６によって維持されることとなる。

流量更新におけるパラメータたるβの値は、原料ガスＧ₀の流量について予め把握可能な限りにおける変動量や変動時間に応じて設定することができる。βの値を適切に選択することにより、ガスホルダ１０内のガス貯留量の変動を抑制することができ、ガスホルダ１０から供給されるガスＧ₁の流量が安定化される。これにより、後段の前処理系２およびＰＳＡ系３に対する、ガスＧ₁の流量変化等に伴う負荷変動を軽減して、負荷の安定化を図ることができる。

流量制御部１６にて流量制御を受けるガスＧ₁は、前処理系２に供される。前処理系２では、ガスＧ₁は、順次、前処理槽２０Ａにて一酸化炭素が除去され（一段目処理）、前処理槽２０Ｂにて酸素濃度および水素濃度が低下され或は酸素および水素が除去され（二段目処理）、前処理槽２０Ｃにて酸素濃度が低下され或は酸素が除去される（三段目処理）。具体的には、前処理槽２０Ａでは、上述のように、反応式（１）で表される転化反応によってガスＧ₁中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成して実質的に除去する。前処理槽２０Ｂでは、上述のように、反応式（２）で表される転化反応によってガスＧ₁中の酸素および水素を水に変化させて低濃度化または実質的に除去する。前処理槽２０Ｃでは、上述のように、反応式（１）で表される転化反応によってガスＧ₁中の酸素を低濃度化または実質的に除去する。

前処理槽２０ＡにガスＧ₁が導入される前に、ガスＧ₁の温度は調節される。具体的には、ガスＧ₁は、ライン２９Ａにおいて、温度計２６Ａによって測定される温度が例えば１００〜１５０℃となるように予熱器２１を通過する際に昇温される。これにより、前処理槽２０Ａにおける反応温度は例えば２５０℃以下とされる。上記反応式（１）で表される転化反応を促進するうえでは、前処理槽２０Ａにおける反応温度は１００℃以上であるのが好ましい。前処理槽２０Ａにおいてメタンが生ずる反応を充分に抑制するうえでは、前処理槽２０Ａにおける反応温度は２５０℃以下であるのが好ましい。

前処理槽２０ＡにガスＧ₁が導入される前に、ガスＧ₁には、酸素供給量制御部２３の稼働によって必要に応じて所定量の酸素が添加される。酸素添加量は、上述の濃度分析計１５によって測定された酸素濃度Ｘ₁および一酸化炭素濃度Ｘ₂に基づいて決定される。上記反応式（１）で表される転化反応を促進して前処理槽２０Ａにて充分に一酸化炭素を除去するためには、前処理槽２０Ａに導入されるガスＧ₁に含まれる酸素は、前処理槽２０Ａに導入されるガスＧ₁に含まれる一酸化炭素の１.１〜１.５倍当量であるのが好ましい。前処理槽２０Ａでは、上述のように、上記反応式（１）で表される転化反応が生じ、ガスＧ₁中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成されて実質的に除去される。

前処理槽２０Ａの後、ガスＧ₁が前処理槽２０Ｂに導入される前に、ガスＧ₁の温度は調節される。具体的には、メインラインであるライン２９Ｂに設けられた冷却器２２Ａを通過するガスとバイパスライン２９ｂを通過するガスとの流量比を調整することにより、温度計２６Ｂによって測定される温度が例えば５０〜６０℃となるように、前処理槽２０Ｂに導入される前のガスＧ₁の温度は調節される。流量比の調整は、流量制御部２７Ａが稼働することによって行われる。このような手法により、前処理槽２０Ｂにおける反応温度は例えば１００〜３５０℃とされる。上記反応式（２）で表される転化反応を促進するうえでは、前処理槽２０Ｂにおける反応温度は１００〜３５０℃であるのが好ましい。また、前段の前処理槽２０Ａにおいて、水素と酸素の反応により副生成物として水が発生する場合が想定されるところ、水分は前処理槽２０Ｂ内の触媒の活性阻害要因となり得るため、前処理槽２０Ｂに導入されるガスＧ₁の温度は、露点温度（例えば５０℃）以上であるのが好ましい。

前処理槽２０ＢにガスＧ₁が導入される前に、ガスＧ₁には、水素供給量制御部２４の稼働によって必要に応じて所定量の水素が添加される。水素添加量は、上述の濃度分析計１５によって測定された酸素濃度Ｘ₁、一酸化炭素濃度Ｘ₂、および水素濃度Ｘ₃、並びに、前処理槽２０Ａ前に添加された酸素量に基づいて決定される。上記反応式（２）で表される転化反応は発熱反応であるところ、前処理槽２０Ｂに導入されるガスＧ₁に含まれる酸素は、前処理槽２０Ｂにおける反応温度が３５０℃を超えない程度の量であるのが好ましい。前処理槽２０Ｂでは、上述のように、上記反応式（２）で表される転化反応が生じ、ガスＧ₁中の酸素および水素が水に変えられて低濃度化または実質的に除去される。

前処理槽２０Ｂの後、ガスＧ₁が前処理槽２０Ｃに導入される前に、ガスＧ₁の温度は調節される。具体的には、メインラインであるライン２９Ｃに設けられた冷却器２２Ｂを通過するガスとバイパスライン２９ｃを通過するガスとの流量比を調整することにより、温度計２６Ｃによって測定される温度が例えば１００〜１５０℃となるように、前処理槽２０Ｃに導入される前のガスＧ₁の温度は調節される。流量比の調整は、流量制御部２７Ｂが稼働することによって行われる。このような手法により、前処理槽２０Ｃにおける反応温度は例えば２５０℃以下とされる。上記反応式（１）で表される転化反応を促進するうえでは、前処理槽２０Ｃにおける反応温度は１００℃以上であるのが好ましい。前処理槽２０Ｃにおいてメタンが生ずる反応を充分に抑制するうえでは、前処理槽２０Ｃにおける反応温度は２５０℃以下であるのが好ましい。

前処理槽２０ＣにガスＧ₁が導入される前に、酸素濃度分析計２８によってガスＧ₁の酸素濃度が測定されたうえで、一酸化炭素供給量制御部２５の稼働によって必要量の一酸化炭素がガスＧ₁に添加される。一酸化炭素添加量は、酸素濃度分析計２８によって測定された酸素濃度に基づいて決定される。前処理槽２０Ｃでは、上述のように、反応式（１）で表される転化反応によってガスＧ₁中の酸素を低濃度化または実質的に除去する。上記反応式（１）で表される転化反応を促進して前処理槽２０Ｃにて充分に酸素を除去するためには、前処理槽２０Ｃに導入されるガスＧ₁に含まれる一酸化炭素は、前処理槽２０Ｃに導入されるガスＧ₁に含まれる酸素の１.１〜１.５倍当量であるのが好ましい。ヘリウム精製装置Ｙによって精製されるヘリウムから酸素を除去する場合において、前処理槽２０Ｂにて充分に酸素を除去できる場合には、前処理槽２０Ｃおよびその直前に配される温度調節手段等については必ずしも設けなくてもよい。

前処理槽２０Ｃを経た後、ガスＧ₁は、冷却器２２Ｃを通過することによって温度調節される。冷却器２２Ｃを通過した後のガスＧ₁の温度は例えば２０〜４０℃である。

前処理系２において所定の前処理を受けたガスＧ₁は、ＰＳＡ系３に供される。ＰＳＡ系３およびリサイクルライン４では、ＰＳＡ装置３０の駆動時において、図５から図７に示す態様で自動弁３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３５ａ〜３５ｃ，３６ａ〜３６ｄ，４ａを切替えることにより、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１〜１５からなる１サイクルを繰り返すことができる（図５から図７では、各自動弁の開状態を○で表し且つ閉状態を×で表す）。本方法の１サイクルにおいては、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれにて、吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、第１脱着工程、第２脱着工程、第１洗浄工程、第２洗浄工程、第１昇圧工程、および第２昇圧工程が行われる。図８は、ステップ１〜５におけるＰＳＡ装置３０でのガスの流れ状態を表す。図９は、ステップ６〜１０におけるＰＳＡ装置３０でのガスの流れ状態を表す。図１０は、ステップ１１〜１５におけるＰＳＡ装置３０でのガスの流れ状態を表す。

ステップ１では、図５に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ昇圧機３２が作動することにより、図８（ａ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔３１Ａにて吸着工程が、吸着塔３１Ｂにて第１洗浄工程が、吸着塔３１Ｃにて第１減圧工程が行われる。

図４および図８（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、所定の高圧状態にある吸着塔３１Ａのガス通過口３１ａ側にガスＧ₁が導入されて、当該ガスＧ₁中の不純物（窒素，一酸化炭素，二酸化炭素，水など）を吸着塔３１Ａ内の吸着剤に吸着させ、且つ、ヘリウムが富化された精製ガスＧ₂が吸着塔３１Ａのガス通過口３１ｂ側から導出される。精製ガスＧ₂は、ライン３４を介して精製ガス導出端Ｅ２から装置外へ取り出される。これとともに、ステップ１では、後述のステップ１１〜１５（吸着工程）を経た吸着塔３１Ｃの内部が降圧されて、吸着塔３１Ｃのガス通過口３１ｂ側からガスＧ₃が導出される。このガスＧ₃は、ライン３５を介して吸着塔３１Ｂへと導かれる。これとともに、ステップ１では、後述のステップ１５（第２脱着工程）を経た吸着塔３１Ｂのガス通過口３１ｂ側に吸着塔３１ＣからのガスＧ₃が洗浄ガスとして導入されつつ、吸着塔３１Ｂのガス通過口３１ａ側からガスＧ₃’（パージガス）が導出される。このガスＧ₃’は、ライン３６を介してガス排出端Ｅ３から装置外へ排出される。

第１洗浄工程にある吸着塔３１Ｂから導出されるガスＧ₃’の不純物含有率は、第１洗浄工程の開始以降、漸次的に低下する傾向にある（即ち、吸着塔３１Ｂから導出されるガスＧ₃’のヘリウム濃度は、第１洗浄工程の開始以降、漸次的に上昇する傾向にある）ところ、ステップ１を終了するタイミング、即ち、吸着塔３１Ｂについて第１洗浄工程から第２洗浄工程へと切替えるタイミングは、ライン３６ないし主幹路３６’を流れるガスＧ₃’のヘリウム濃度に基づいて決定することができる（第１手法）。ライン３６を流れるガスＧ₃’のヘリウム濃度は、ヘリウム濃度分析計３７によって測定することができる。ステップ１を終了するタイミングは、例えば、ヘリウム濃度分析計３７によって測定されるガスＧ₃’のヘリウム濃度が所望値に達した時点とする。

或は、ステップ１を終了するタイミングは、吸着塔３１Ｂにて行われている第１洗浄工程の開始からの時間に基づいて決定してもよい（第２手法）。具体的には、所定条件において、第１洗浄工程の開始からの時間と、吸着塔３１ＢからのガスＧ₃’のヘリウム濃度との関係を予め調べておき、ガスＧ₃’のヘリウム濃度が上昇して所望のヘリウム濃度Ｘ₄に至るのに要する時間（第１洗浄工程の開始からの時間）を予測時間として導出したうえで、当該予測時間が経過した時点でステップ１を終了してもよい。

或は、ステップ１を終了するタイミングは、一つ前のサイクルにおけるステップ１の実行時間を基準にして、当該前サイクルの当該ステップ１に係るガスＧ₃’のヘリウム濃度に基づいて決定してもよい（第３手法）。具体的には、一つ前のサイクルにおいて吸着塔３１Ｂにて第１脱着工程（前サイクルのステップ１）を行った際、当該第１脱着工程の実行時間Ｔ₁と当該第１脱着工程終了時点のガスＧ₃’のヘリウム濃度Ｘ₄’とを取得する。そして、当該ヘリウム濃度Ｘ₄’と、第２手法に関して上述した所望のヘリウム濃度Ｘ₄とを比較する。Ｘ₄＜Ｘ₄’である場合には、本ステップ１が実行される時間をＴ₁−ｔ₁として、前サイクルのステップ１の実行時間Ｔ₁よりも短くする。Ｘ₄＞Ｘ₄’である場合には、本ステップ１が実行される時間をＴ₁＋ｔ₂として、前サイクルのステップ１の実行時間Ｔ₁よりも長くする。ｔ₁は例えば１〜３秒であり、ｔ₂は例えば１〜３秒である。本手法を採用する場合、最初のサイクルのステップ１の終了タイミングに関しては、上述の第２手法における予測時間を採用するのがよい。ヘリウム濃度分析計３７によるヘリウム濃度測定に比較的長時間を要するために上記第１手法では適切なタイミングでステップ１を終了できない場合には、このような第３手法を採用するのが好ましい。

ステップ１の終了後、ステップ２では、図５に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ昇圧機３２が作動することにより、図８（ｂ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔３１Ａにて吸着工程が、吸着塔３１Ｂにて第２洗浄工程が、吸着塔３１Ｃにて第１減圧工程が行われる。

図４および図８（ｂ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ２では、吸着塔３１Ａにおいて、ステップ１から引き続き吸着工程が行われ、精製ガスＧ₂が導出される。これとともに、ステップ２では、吸着塔３１Ｃにおいて、ステップ１から引き続き第１減圧工程が行われる。これとともに、ステップ２では、ステップ１から引き続いて吸着塔３１Ｂのガス通過口３１ｂ側に吸着塔３１ＣからのガスＧ₃が洗浄ガスとして導入されつつ、吸着塔３１Ｂのガス通過口３１ａ側からガスＧ₃”（パージガス）が導出される。このガスＧ₃”は、ライン３６およびリサイクルライン４を介してガスホルダ１０へと導入されて、ガスホルダ１０に貯留される。

ステップ３では、図５に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ昇圧機３２が作動することにより、図８（ｃ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔３１Ａにて吸着工程が、吸着塔３１Ｂにて第１昇圧工程が、吸着塔３１Ｃにて第２減圧工程が行われる。

図４および図８（ｃ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ３では、吸着塔３１Ａにおいて、ステップ２から引き続き吸着工程が行われ、精製ガスＧ₂が導出される。これとともに、ステップ３では、吸着塔３１Ｃにおいて、ステップ２から引き続いて吸着塔３１Ｃの内部が降圧されて、吸着塔３１Ｃのガス通過口３１ｂ側からガスＧ₄が導出される。このガスＧ₄は、ライン３５を介して吸着塔３１Ｂへと導かれる。これとともに、ステップ３では、吸着塔３１Ｂのガス通過口３１ｂ側に吸着塔３１ＣからのガスＧ₄が昇圧ガスとして導入されて、吸着塔３１Ｂの内部が昇圧される。

ステップ４では、図５に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ昇圧機３２が作動することにより、図８（ｄ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔３１Ａにて吸着工程が、吸着塔３１Ｂにて第２昇圧工程が、吸着塔３１Ｃにて第１脱着工程が行われる。

図４および図８（ｄ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ４では、吸着塔３１Ａにおいて、ステップ３から引き続き吸着工程が行われ、精製ガスＧ₂が導出される。精製ガスＧ₂の一部は吸着塔３１Ｂへと導かれる。これとともに、ステップ４では、吸着塔３１Ｂのガス通過口３１ｂ側に吸着塔３１Ａからの精製ガスＧ₂が昇圧ガスとして導入されて、吸着塔３１Ｂの内部が昇圧される。これとともに、ステップ４では、吸着塔３１Ｃの内部が降圧されて、吸着塔３１Ｃ内の吸着剤から不純物が脱着され、吸着塔３１Ｃのガス通過口３１ａ側からガスＧ₅（オフガス）が導出される。このガスＧ₅は、ライン３６およびリサイクルライン４を介してガスホルダ１０へと導入されて、ガスホルダ１０に貯留される。

第１脱着工程にある吸着塔３１Ｃから導出されるガスＧ₅の不純物含有率は、第１脱着工程の開始以降、漸次的に上昇する傾向にある（即ち、吸着塔３１Ｃから導出されるガスＧ₅のヘリウム濃度は、第１脱着工程の開始以降、漸次的に低下する傾向にある）ところ、ステップ４を終了するタイミング、即ち、吸着塔３１Ｃについて第１脱着工程から第２脱着工程へと切替えるタイミングは、ライン３６ないし主幹路３６’を流れるガスＧ₅のヘリウム濃度に基づいて決定することができる（第１手法）。ライン３６を流れるガスＧ₅のヘリウム濃度は、ヘリウム濃度分析計３７によって測定することができる。ステップ４を終了するタイミングは、例えば、ヘリウム濃度分析計３７によって測定されるガスＧ ₅ のヘリウム濃度が所望値に達した時点とする。

或は、ステップ４を終了するタイミングは、吸着塔３１Ｃにて行われている第１脱着工程の開始からの時間に基づいて決定してもよい（第２手法）。具体的には、所定条件において、第１脱着工程の開始からの時間と、吸着塔３１ＣからのガスＧ₅のヘリウム濃度との関係を予め調べておき、ガスＧ₅のヘリウム濃度が低下して所望のヘリウム濃度Ｘ₅に至るのに要する時間（第１脱着工程の開始からの時間）を予測時間として導出したうえで、当該予測時間が経過した時点でステップ４を終了してもよい。

或は、ステップ４を終了するタイミングは、一つ前のサイクルにおけるステップ４の実行時間を基準にして、当該前サイクルの当該ステップ４に係るガスＧ₅のヘリウム濃度に基づいて決定してもよい（第３手法）。具体的には、一つ前のサイクルにおいて吸着塔３１Ｃにて第１脱着工程（前サイクルのステップ４）を行った際、当該第１脱着工程の実行時間Ｔ₂と当該第１脱着工程終了時点のガスＧ₅のヘリウム濃度Ｘ₅’とを取得する。そして、当該ヘリウム濃度Ｘ₅’と、第２手法に関して上述した所望のヘリウム濃度Ｘ₅とを比較する。Ｘ₅＜Ｘ₅’である場合には、本ステップ４が実行される時間をＴ₂＋ｔ₁として、前サイクルのステップ４の実行時間Ｔ₂よりも長くする。Ｘ₅＞Ｘ₅’である場合には、本ステップ４が実行される時間をＴ₂−ｔ₂として、前サイクルのステップ４の実行時間Ｔ₂よりも短くする。ｔ₁は例えば１〜３秒であり、ｔ₂は例えば１〜３秒である。本手法を採用する場合、最初のサイクルのステップ４の終了タイミングに関しては、上述の第２手法における予測時間を採用するのがよい。ヘリウム濃度分析計３７によるヘリウム濃度測定に比較的長時間を要するために上記第１手法ではステップ４を適切なタイミングで終了できない場合には、このような第３手法を採用するのが好ましい。

ステップ４の終了後、ステップ５では、図５に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ昇圧機３２が作動することにより、図８（ｅ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔３１Ａにて吸着工程が、吸着塔３１Ｂにて第２昇圧工程が、吸着塔３１Ｃにて第２脱着工程が行われる。

図４および図８（ｅ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ５では、吸着塔３１Ａにおいて、ステップ４から引き続き吸着工程が行われ、精製ガスＧ₂が導出される。精製ガスＧ₂の一部は吸着塔３１Ｂへと導かれる。これとともに、ステップ５では、吸着塔３１Ｂにおいて、ステップ４から引き続いて内部が昇圧される。これとともに、ステップ５では、ステップ４から引き続いて吸着塔３１Ｃの内部が降圧されて、吸着塔３１Ｃ内の吸着剤から不純物が更に脱着され、吸着塔３１Ｃのガス通過口３１ａ側からガスＧ₆（オフガス）が導出される。このガスＧ₆は、ライン３６を介してガス排出端Ｅ３から装置外へ排出される。

ステップ１〜５において、吸着工程にある吸着塔３１Ａの内部の最高圧力は、例えば７００〜２０００ｋＰａ（ゲージ圧）である。ステップ１の第１洗浄工程の終了時点における吸着塔３１Ｃの内部の圧力は、例えば３００〜１５００ｋＰａ（ゲージ圧）である。ステップ１〜２にわたる第１減圧工程の終了時点における吸着塔３１Ｃの内部の圧力（第１中間圧力）は、例えば２００〜１２００ｋＰａ（ゲージ圧）である。ステップ３の第２減圧工程の終了時点における吸着塔３１Ｃの内部の圧力（第２中間圧力）は、例えば１００〜１０００ｋＰａ（ゲージ圧）である。ステップ４の第１脱着工程の終了時点における吸着塔３１Ｃの内部の圧力は、例えば５０〜５００ｋＰａ（ゲージ圧）である。ステップ５の第２脱着工程の終了時点における吸着塔３１Ｃの内部の圧力は、例えば０〜３０ｋＰａ（ゲージ圧）である。

ステップ６〜１０では、ステップ１〜５で吸着塔３１Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔３１Ｂにおいて、図９に示すように吸着工程が行われる。これとともに、ステップ６〜１０では、ステップ１〜５で吸着塔３１Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔３１Ｃにおいて、図９に示すように第１洗浄工程（ステップ６）、第２洗浄工程（ステップ７）、第１昇圧工程（ステップ８）、および第２昇圧工程（ステップ９〜１０）が行われる。これとともに、ステップ６〜１０では、ステップ１〜５で吸着塔３１Ｃにおいて行われたのと同様に、吸着塔３１Ａにおいて、図９に示すように第１減圧工程（ステップ６〜７）、第２減圧工程（ステップ８）、第１脱着工程（ステップ９）、および第２脱着工程（ステップ１０）が行われる。

ステップ６を終了するタイミング（即ち、吸着塔３１Ｃについて第１洗浄工程から第２洗浄工程へと切替えるタイミング）の決定手法としては、ステップ１の終了タイミングに関して上述した第１手法、第２手法、または第３手法を採用することができる。また、ステップ９を終了するタイミング（即ち、吸着塔３１Ａについて第１脱着工程から第２脱着工程へと切替えるタイミング）の決定手法としては、ステップ４の終了タイミングに関して上述した第１手法、第２手法、または第３手法を採用することができる。

ステップ１１〜１５では、ステップ１〜５で吸着塔３１Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔３１Ｃにおいて、図１０に示すように吸着工程が行われる。これとともに、ステップ１１〜１５では、ステップ１〜５で吸着塔３１Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔３１Ａにおいて、図１０に示すように第１洗浄工程（ステップ１１）、第２洗浄工程（ステップ１２）、第１昇圧工程（ステップ１３）、および第２昇圧工程（ステップ１４〜１５）が行われる。これとともに、ステップ１１〜１５では、ステップ１〜５で吸着塔３１Ｃにおいて行われたのと同様に、吸着塔３１Ｂにおいて、図１０に示すように第１減圧工程（ステップ１１〜１２）、第２減圧工程（ステップ１３）、第１脱着工程（ステップ１４）、および第２脱着工程（ステップ１５）が行われる。

ステップ１１を終了するタイミング（即ち、吸着塔３１Ａについて第１洗浄工程から第２洗浄工程へと切替えるタイミング）の決定手法としては、ステップ１の終了タイミングに関して上述した第１手法、第２手法、または第３手法を採用することができる。また、ステップ１４を終了するタイミング（即ち、吸着塔３１Ｂについて第１脱着工程から第２脱着工程へと切替えるタイミング）の決定手法としては、ステップ４の終了タイミングに関して上述した第１手法、第２手法、または第３手法を採用することができる。

以上のようにして、ＰＳＡ系３ないしＰＳＡ装置３０からは、ヘリウムが富化された精製ガスＧ₂が取り出され続ける。

ヘリウム精製装置Ｙを使用して行う以上のヘリウム精製方法では、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれにおいて、上述のような吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、第１脱着工程、第２脱着工程、第１洗浄工程、第２洗浄工程、第１昇圧工程、および第２昇圧工程を含むＰＳＡ法を実行し、これによって混合ガスたるガスＧ₁中のヘリウムの富化を図る。ガスＧ₁は、上述の原料ガスＧ₀、ガスＧ₃”、およびガスＧ₅をガスホルダ１０に一旦取り込んだうえで、当該ガスホルダ１０から、ＰＳＡ法を実行するためのＰＳＡ系３ないしＰＳＡ装置３０（吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを含む）に向けて供給されたものである。ガスホルダ１０に取り込まれる原料ガスＧ₀がその流量や、圧力、組成に変動を伴う場合であっても、流量変動や、圧力変動、組成変動は、当該原料ガスＧ₀がガスホルダ１０に一旦取り込まれて貯留および混合されることにより、当該ガスホルダ１０から導出されるガスＧ₁においては抑制される。そのため、本方法によると、ヘリウムの富化にあたりＰＳＡ法を利用するものであっても、原料ガスＧ₀の流量変動や、圧力変動、組成変動に対応しやすい。

加えて、本方法によると、精製ガスＧ₂（高純度化されたヘリウム）について、高い収率を達成しやすい。その理由は次のとおりである。

第一に、本方法においては、上述の脱着工程（第１脱着工程，第２脱着工程）にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃから導出され続けるガス（オフガス）のうち、ヘリウム濃度が相対的に高いオフガス（ガスＧ₅）をガスホルダ１０に導入し、当該オフガスをＰＳＡ法による再度のヘリウム富化に供することができるからである。吸着工程にて吸着剤に吸着された不純物（例えば、窒素や、一酸化炭素、二酸化炭素など）は、脱着工程において吸着剤から脱着するところ、当該脱着工程においては、塔内圧力が低下するにつれて、単位圧力当りの不純物脱着量は大きくなる。そのため、脱着工程にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃから導出されるオフガスの不純物含有率は、脱着工程の開始以降、漸次的に上昇する傾向にある。本方法においては、当該オフガスの不純物含有率が充分に低い期間は、オフガス（ガスＧ₅）をガスホルダ１０に導入する第１脱着工程を行い、オフガスの不純物含有率が一定以上である期間は、オフガス（ガスＧ₆）を系外に排出する第２脱着工程を行うことが可能である。

第二に、本方法においては、上述の洗浄工程（第１洗浄工程，第２洗浄工程）にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃから導出され続けるガス（パージガス）のうち、ヘリウム濃度が相対的に高いパージガス（ガスＧ₃”）をガスホルダ１０に導入し、当該パージガスをＰＳＡ法によるヘリウム富化に供することができるからである。洗浄工程が進むほど吸着剤が清浄化されるので、洗浄工程にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃから導出されるパージガスの不純物含有率は、洗浄工程の開始以降、漸次的に低下する傾向にある。本方法においては、パージガスの不純物含有率が充分に低下するまで、パージガス（ガスＧ₃’）を系外に排出する第１洗浄工程を行い、パージガスの不純物含有率が充分に低下した以降に、パージガス（ガスＧ₃”）をガスホルダ１０に導入する第２洗浄工程を行うことが可能である。

以上のように、本発明に係るヘリウム精製方法は、ＰＳＡ法を利用して高純度ヘリウムを高収率で得るのに適する。

本方法で使用するガスホルダ１０のガス収容用容積は、上述のように可変である。このような構成は、ガスホルダ１０に取り込まれることとなる原料ガスＧ₀、ガスＧ₃”、およびガスＧ₅の流量変動（特に原料ガスＧ₀の流動変動）や圧力変動にガスホルダ１０が対応するうえで、好適である。また、本構成は、ガスホルダ１０がガス₃”（パージガス）を受け入れるときに当該ガスホルダ１０と連通する吸着塔（洗浄工程中）の内部圧力が不当に上昇するのを回避するという観点からも、好ましい。加えて、本構成は、ガスホルダ１０がガス₅（オフガス）を受け入れるときに当該ガスホルダ１０と連通する吸着塔（脱着工程中）の内部圧力が不当に上昇するのを回避するという観点からも、好ましい。

本方法では、上述のように、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれの減圧工程は、当該減圧工程の開始から途中までにおいて当該吸着塔からガスＧ₃を導出する第１減圧工程と、当該吸着塔からガスＧ₄を導出する、第１減圧工程の後の第２減圧工程とを含み、ガスＧ₃を洗浄ガスとして洗浄工程にある他の吸着塔に導入し、ガスＧ₄を第１昇圧工程にある他の吸着塔に導入する。減圧工程にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃから導出されるガスのヘリウム濃度は比較的高いところ、このような構成によると、減圧工程にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃから導出されるガスを利用して他の吸着塔にて洗浄工程および昇圧工程を効率よく行うことができる。すなわち、このような構成によると、複数の吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれにて行われる工程を有機的に利用して、ヘリウム富化のためのＰＳＡ法を効率よく行うことが可能である。

本方法では、脱着工程（第１脱着工程，第２脱着工程）にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の最低圧力を０％とし且つ吸着工程にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の最高圧力を１００％とする場合、第１減圧工程の終了時における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の第１中間圧力は３５〜８０％の範囲にあり、且つ、第２減圧工程の終了時における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の第２中間圧力は第１中間圧力より小さい限りにおいて１５〜５０％の範囲にあるのが好ましい。このような構成は、洗浄工程および昇圧工程を効率よく行うのに資する。

本方法では、昇圧工程は、上述のように、第２減圧工程にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの一つから導出されたガスＧ₄を昇圧対象の吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの一つに導入する第１昇圧工程と、当該吸着塔に精製ガスＧ₂を導入する、第１昇圧工程の後の第２昇圧工程とを含む。このような構成は、昇圧工程およびその後の吸着工程を各吸着塔において効率よく行ううえで好適である。

本方法では、ＰＳＡ法を実行するにあたり、脱着工程（第１脱着工程，第２脱着工程）にある吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部を降圧するうえで真空ポンプを使用しない。そのため、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の最低圧力は大気圧以上である。このような構成は、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１ＣないしＰＳＡ装置３０が、ガスホルダ１０からのガスＧ₁の流量変動（即ち、装置に対する負荷変動）に対応するうえで、好適である。

本方法では、ガスホルダ１０からＰＳＡ系３ないし吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに向けて供給するガスＧ₁の流量は、上述のように、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにて吸着工程が開始する時に更新する。このような構成は、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔ないしＰＳＡ装置に対する負荷を軽減するうえで好適である。

本方法では、ガスホルダ１０における貯留量について、上述のように、上側設定量Ｖ_Hおよび下側設定量Ｖ_Lを設定し、且つ、ガスＧ₁供給流量の更新時より前にガスホルダ１０に取り込まれる原料ガスＧ₀の平均流量を得て基準流量とする。そのうえで、本方法では、ガスＧ₁供給流量の更新時において、上述のように、ガスホルダ１０内のガス貯留量が上側設定量Ｖ_H以上である場合、基準流量より大きな流量をガスＧ₁供給流量とし、ガスホルダ１０内のガス貯留量が上側設定量Ｖ_Hを下回り且つ下側設定量Ｖ_Lを上回る場合、基準流量をガスＧ₁供給流量とし、ガスホルダ１０内のガス貯留量が下側設定量Ｖ_L以下である場合、基準流量より小さな流量をガスＧ₁供給流量とする。このような手法においては、ガスＧ₁供給流量の更新時において、ガスホルダ１０内のガス貯留量が上側設定量Ｖ_H以上である場合、ガスＧ₁供給流量を増大し、ガスホルダ１０内のガス貯留量が上側設定量Ｖ_Hを下回り且つ下側設定量Ｖ_Lを上回る場合、ガスＧ₁供給流量を変更せず、ガスホルダ１０内のガス貯留量が下側設定量Ｖ_L以下である場合、ガスＧ₁供給流量を低減する場合がある。以上のような構成は、ガスホルダ１０に取り込まれることとなる原料ガスＧ₀、ガスＧ₃”、およびガスＧ₅の流量変動（特に原料ガスＧ₀の流動変動）にガスホルダ１０が対応するとともに、前処理系２や、ＰＳＡ法を実行するためのＰＳＡ装置３０ないし吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ、に対する負荷変動を軽減して負荷の安定化を図るうえで好適である。前処理系２での前処理に含まれる上記反応式（１）で表される転化反応および上記反応式（２）で表される転化反応は、いずれも発熱反応であるところ、前処理系２に対する負荷変動が軽減されて負荷の安定化が図られることは、当該発熱反応について過度の温度上昇を防止して反応温度を適正範囲内に制御するうえで好ましい。

本方法では、ガスＧ₁をＰＳＡ系３の吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに供給する前に、ガスホルダ１０からのガスＧ₁に対して、当該ガスＧ₁に含まれる不純物の少なくとも一部を除去または変成するための前処理を前処理系２において施す。このような構成は、高純度ヘリウムを得るうえで好適である。

本方法では、前処理系２にてガスＧ₁に施すべき前処理を、上述のように複数段（一段目〜三段目処理）に分けて行う。一段目処理および三段目処理における上記反応式（１）で表される転化反応、並びに、二段目処理における上記反応式（２）で表される転化反応は、いずれも発熱反応であるところ、前処理を複数段に分けて行うという構成は、当該前処理に含まれる発熱反応について過度の温度上昇を防止して反応温度を適正範囲内に制御するうえで好ましい。

本方法では、前処理系２の前処理槽２０Ａにおいて、上述のように、一酸化炭素に対して過剰量の酸素が存在する条件下で一酸化炭素を酸素と反応させることによって一酸化炭素除去を行うことができる。このような一酸化炭素除去は、後段の前処理槽２０Ｂに充填される触媒にとって一酸化炭素が触媒毒となる場合において、前処理槽２０Ｂ内の転化反応を適切に生じさせるうえで好ましい。

本方法では、前処理系２の前処理槽２０Ｂにおいて、上述のように、水素に対して過剰量の酸素が存在する条件下で水素を酸素と反応させて水を生じさせることによって水素除去を行うことができる。これとともに、本方法では、前処理槽２０Ｃにおいて、上述のように、酸素に対して過剰量の一酸化炭素が存在する条件下で酸素を一酸化炭素と反応させて二酸化炭素を生じさせることによって酸素除去を行うことができる。そして、本方法では、前処理系２にて発生した二酸化炭素や添加された一酸化炭素を、ＰＳＡ系３で実施されるＰＳＡ法によってガスＧ₁から除去することができる。このように、本方法によると、ヘリウム精製に適した吸着剤を使用して行うＰＳＡ法によっては除去されにくい水素および酸素を共に前処理系２（ＰＳＡ系３の前）にて除去したうえで、ヘリウム精製に適した吸着剤を使用して行うＰＳＡ法によって除去しやすい一酸化炭素および二酸化炭素をＰＳＡ系３にて除去することができ、従って、ヘリウムを適切に高純度化することができる。

本方法では、前処理系２の後においてガスＧ₁を吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに供給する前に、昇圧機３２によってガスＧ₁を昇圧する。このような構成は、ガスＧ₁について前処理系２にて前処理を施したうえで適切にＰＳＡ法を実行するうえで好適である。

図１から図４に示すヘリウム精製装置Ｙを使用して、所定の原料ガスＧ₀からヘリウムを濃縮分離した。本実施例における原料ガスＧ₀は、光ファイバー線引炉から排出されたガスであり、精製対象ガスたるヘリウムを含む。当該原料ガスＧ₀の仕様を、図１１の表に掲げる。

本実施例では、貯留系１において、ガスホルダ１０に原料ガスＧ₀を取り込みつつ、ガスホルダ１０からガスＧ₁を後段（前処理系２，ＰＳＡ系３）に向けて供給し続け、ガスＧ₁の流量について、ＰＳＡ系３における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのいずれかが吸着工程を開始する時（吸着塔切替時）に更新した。本実施例で使用したガスホルダ１０は、内部空間が拡縮可能な袋体によってガス貯留空間が形成されたものであり、当該袋体は、ポリエチレンフィルム（内層）とポリウレタンフィルム（中間層）とウルトラハイバリアフィルム（外層）とからなる多層フィルム（商品名：ガスホルダー膜，株式会社ダイゾー製）よりなる。使用したガスホルダ１０の最大容積は１００ｍ³である。また、ガスＧ₁の流量については、上述した手法において、具体的には次のように更新した。

まず、流量計１３によって計測される原料ガスＧ₀の流量について、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの一つが吸着工程を開始する時（吸着塔切替時）までの１０秒間の平均流量を基準流量として求めた。次に、求められた平均流量（基準流量）を、流量制御部１６の流量制御範囲である０〜１５０Ｎｍ³／ｈに対する割合（α％）に換算した。この割合（α％）を利用して、ガスＧ₁について次に設定されるべき流量を算出した。具体的には、吸着塔切替時に貯留量検知計１４によって計測されるガスホルダ１０のガス貯留量が、ガスホルダ１０について設定した上側設定値８０ｍ³以上である場合には、α％に５％を加算し、流量制御部１６の流量制御範囲である０〜１５０Ｎｍ³／ｈの（α＋５）％の流量を算出し、この算出流量をガスＧ₁の次の流量として採用した。吸着塔切替時に貯留量検知計１４によって計測されるガスホルダ１０のガス貯留量が下側設定値２０ｍ³以下である場合には、α％から５％を差し引き、流量制御部１６の流量制御範囲である０〜１５０Ｎｍ³／ｈの（α−５）％の流量を算出し、この算出流量をガスＧ₁の次の流量として採用した。また、吸着塔切替時に貯留量検知計１４によって計測されるガスホルダ１０のガス貯留量が、上側設定値８０ｍ³を下回り且つ下側設定値２０ｍ³を上回る場合には、流量制御部１６の流量制御範囲である０〜１５０Ｎｍ³／ｈのα％の流量を算出し、この算出流量をガスＧ₁の次の流量として採用した。ガスＧ₁について以上のようにして更新した流量は、次の吸着塔切替時まで維持した。

本実施例では、前処理系２において、以下の条件でガスＧ₁に対して前処理を行った。前処理槽２０Ａ内の触媒としては、プラチナ系触媒を採用した。前処理槽２０Ａに導入される前のガスＧ₁については、温度を１５０℃に調節し、前処理槽２０Ａにて充分に一酸化炭素が除去されるように、酸素供給量制御部２３の稼働によって一酸化炭素に対して１.１倍当量の酸素を添加した。前処理槽２０Ｂ内の触媒としては、パラジウム系触媒を採用した。前処理槽２０Ｂに導入される前のガスＧ₁については、温度を１１０℃に調節し、ガスＧ₁の酸素濃度が約２％低下するように、水素供給量制御部２４の稼働によって所定量の水素を添加した。前処理槽２０Ｃ内の触媒としては、プラチナ系触媒を採用した。前処理槽２０Ｃに導入される前のガスＧ₁については、温度を２２０℃に調節し、前処理槽２０Ｃにて充分に酸素が除去されるように、一酸化炭素供給量制御部２５の稼働によって酸素に対して１.１倍当量の一酸化炭素を添加した。前処理槽２０Ｃの後の冷却器２２Ｃでは、ガスＧ₁を３０〜４０℃に冷却した。

本実施例では、ＰＳＡ系３ないしＰＳＡ装置３０において、図８から図１０に示すように吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、第１脱着工程、第２脱着工程、第１洗浄工程、第２洗浄工程、第１昇圧工程、および第２昇圧工程からなる１サイクルを吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにおいて繰り返した。本実施例において使用したＰＳＡ装置３０の吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれは円筒形状（内径２００ｍｍ，内寸高さ１５００ｍｍ）を有する。各吸着塔内には、吸着剤として、ＣａＡ型合成ゼオライトとアルミナゲルとを積層して充填した。アルミナゲルは、各吸着塔の上述のガス通過口３１ａ側にて塔内容積の５％を占める。ＣａＡ型合成ゼオライトは、各吸着塔の上述のガス通過口３１ｂ側にて塔内容積の９５％を占める。

本実施例では、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれにおいて、ステップ１，６，１１を８０秒間、ステップ２，７，１２を５０秒間、ステップ３，８，１３を３０秒間、ステップ４，９，１４を８０秒間、ステップ５，１０，１５を３０秒間行った。すなわち、本実施例では、吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれにおいて、吸着工程を２７０秒間、第１減圧工程を１３０秒間、第２減圧工程を３０秒間、第１脱着工程を８０秒間、第２脱着工程を３０秒間、第１洗浄工程を８０秒間、第２洗浄工程を５０秒間、第１昇圧工程を３０秒間、第２昇圧工程を１１０秒間行った。吸着工程における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の最高圧力は８００ｋＰａ（ゲージ圧）とし、脱着工程（第１脱着工程，第２脱着工程）における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の最低圧力は大気圧とした。また、第１減圧工程の終了時点における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の圧力（第１中間圧力）は４００ｋＰａ（ゲージ圧）とし、第２減圧工程の終了時点における吸着塔３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの内部の圧力（第２中間圧力）は２００ｋＰａ（ゲージ圧）とした。

本実施例では、ステップ１，６，１１を終了するタイミングの決定手法として、ステップ１の終了タイミングに関して上述した第２手法を採用した。具体的には、第１洗浄工程にある吸着塔からのガスＧ₃’のヘリウム濃度が上昇して２０vol％に至るのに要する時間を８０秒として導出したうえで、上述のように第１洗浄工程の開始から８０秒後に第２洗浄工程へと切替えることとした。また、本実施例では、ステップ４，９，１４を終了するタイミングの決定手法として、ステップ４の終了タイミングに関して上述した第２手法を採用した。具体的には、第１脱着工程にある吸着塔からのガスＧ₅のヘリウム濃度が低下して２５vol％に至るのに要する時間を８０秒として導出したうえで、上述のように第１脱着工程の開始から８０秒後に第２脱着工程へと切替えることとした。

以上のような条件で行った本実施例において取得した精製ガスＧ₂について、ヘリウム純度は９９.９９９vol％であり、ヘリウム回収率は約８５％であった。取得した精製ガスＧ₂の仕様を図１１の表に掲げる。

Ｙ ヘリウム精製装置
１ 貯留系
２ 前処理系
３ ＰＳＡ系
４ リサイクルライン
１０ ガスホルダ
１２ 昇圧ブロア
１３ 流量計
１４ 貯留量検知計
１５ 濃度分析計
１６ 流量制御部
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 前処理槽
２３ 酸素供給量制御部
２４ 水素供給量制御部
２５ 一酸化炭素供給量制御部
２８ 酸素濃度分析計
２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ，２９Ｄ ライン
３０ ＰＳＡ装置
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ 吸着塔
３１ａ，３１ｂ ガス通過口
３２ 昇圧機
３３，３４，３５，３６ ライン
３７ ヘリウム濃度分析計

Claims (21)

1. ヘリウムを含む混合ガスを貯留槽に取り込み、
   前記貯留槽から、吸着剤が充填された吸着塔に向けて、前記混合ガスを供給し、
   前記吸着塔内が相対的に高圧である状態にて、当該吸着塔に前記混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物を前記吸着剤に吸着させ且つヘリウムが富化された精製ガスを当該吸着塔から導出する吸着工程と、前記吸着塔内を降圧して前記吸着剤から前記不純物を脱着させ且つ当該吸着塔からガスを導出する脱着工程と、を含むサイクルを前記吸着塔において繰り返し行い、
   前記脱着工程は、当該脱着工程の開始から途中までにおいて前記吸着塔から第１ガスを導出する第１脱着工程と、前記吸着塔から第２ガスを導出する、前記第１脱着工程の後の第２脱着工程とを含み、前記第１ガスを前記貯留槽に導入する、ヘリウム精製方法であって、
   前記貯留槽から前記吸着塔に向けて供給する前記混合ガスの流量は、前記吸着塔にて前記吸着工程が開始する時に更新することを特徴とする、ヘリウム精製方法。
2. 前記第１脱着工程から前記第２脱着工程への切替えタイミングは、前記第１ガスのヘリウム濃度に基づいて決定する、請求項１に記載のヘリウム精製方法。
3. ヘリウムを含む混合ガスを貯留槽に取り込み、
   前記貯留槽から、吸着剤が充填された複数の吸着塔から選択された吸着塔に向けて、前記混合ガスを供給し、
   吸着塔内が相対的に高圧である状態にて、当該吸着塔に前記混合ガスを導入して当該混合ガス中の不純物を前記吸着剤に吸着させ且つヘリウムが富化された精製ガスを当該吸着塔から導出する吸着工程と、吸着塔内を降圧して当該吸着塔からガスを導出する減圧工程と、吸着塔内を降圧して前記吸着剤から前記不純物を脱着させ且つ当該吸着塔からガスを導出する脱着工程と、吸着塔に洗浄ガスを導入し且つ当該吸着塔からガスを導出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる昇圧工程と、を含むサイクルを前記複数の吸着塔のそれぞれにおいて繰り返し行い、
   前記洗浄工程の前記洗浄ガスは、前記減圧工程にある吸着塔から導出されたガスであり、
   前記洗浄工程は、当該洗浄工程の開始から途中までにおいて吸着塔から第１ガスを導出する第１洗浄工程と、当該吸着塔から第２ガスを導出する、前記第１洗浄工程の後の第２洗浄工程とを含み、前記第２ガスを前記貯留槽に導入する、ヘリウム精製方法であって、
   前記貯留槽から前記吸着塔に向けて供給する前記混合ガスの流量は、前記吸着塔にて前記吸着工程が開始する時に更新することを特徴とする、ヘリウム精製方法。
4. 前記第１洗浄工程から前記第２洗浄工程への切替えタイミングは、前記第１ガスのヘリウム濃度に基づいて決定する、請求項３に記載のヘリウム精製方法。
5. 前記脱着工程は、当該脱着工程の開始から途中までにおいて吸着塔から第３ガスを導出する第１脱着工程と、当該吸着塔から第４ガスを導出する、前記第１脱着工程の後の第２脱着工程とを含み、前記第３ガスを前記貯留槽に導入する、請求項３または４に記載のヘリウム精製方法。
6. 前記第１脱着工程から前記第２脱着工程への切替えタイミングは、前記第３ガスのヘリウム濃度に基づいて決定する、請求項５に記載のヘリウム精製方法。
7. 前記減圧工程は、当該減圧工程の開始から途中までにおいて吸着塔から第５ガスを導出する第１減圧工程と、当該吸着塔から第６ガスを導出する、前記第１減圧工程の後の第２減圧工程とを含み、前記第５ガスを前記洗浄ガスとして前記洗浄工程にある吸着塔に導入し、前記第６ガスを前記昇圧工程にある吸着塔に導入する、請求項３から６のいずれか一つに記載のヘリウム精製方法。
8. 前記脱着工程にある吸着塔の内部の最低圧力を０％とし且つ前記吸着工程にある吸着塔の内部の最高圧力を１００％とする場合、前記第１減圧工程の終了時における吸着塔の内部の第１中間圧力は３５〜８０％の範囲にあり、且つ、前記第２減圧工程の終了時における吸着塔の内部の第２中間圧力は前記第１中間圧力より小さい限りにおいて１５〜５０％の範囲にある、請求項７に記載のヘリウム精製方法。
9. 前記昇圧工程は、前記第２減圧工程にある吸着塔から導出された前記第６ガスを昇圧対象の吸着塔に導入する第１昇圧工程と、当該吸着塔に前記精製ガスを導入する、前記第１昇圧工程の後の第２昇圧工程とを含む、請求項７または８に記載のヘリウム精製方法。
10. 前記脱着工程にある吸着塔の内部の最低圧力は大気圧以上である、請求項１から９のいずれか一つに記載のヘリウム精製方法。
11. 前記混合ガスを前記吸着塔に供給する前に、前記貯留槽からの前記混合ガスに対して、当該混合ガスに含まれる不純物の少なくとも一部を除去または変成するための前処理を施す、請求項１から１０のいずれか一つに記載のヘリウム精製方法。
12. 前記前処理は複数段に分けて行う、請求項１１に記載のヘリウム精製方法。
13. 前記混合ガスは、前記ヘリウムに加えて少なくとも酸素および水素を含み、
    前記前処理は、酸素と水素とを反応させて水を生じさせる第１処理と、酸素を一酸化炭素と反応させて二酸化炭素を生じさせる、前記第１処理より後に行う第２処理とを含む、請求項１２に記載のヘリウム精製方法。
14. 前記混合ガスは一酸化炭素を含み、
    前記前処理は、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素を生じさせる、前記第１処理より前に行う第３処理を更に含む、請求項１３に記載のヘリウム精製方法。
15. 請求項１又は２に記載のヘリウム精製方法を実施するためのヘリウム精製装置であって、
    第１ガス通過口および第２ガス通過口を有し当該第１および第２ガス通過口の間において吸着剤が充填された吸着塔と、
    ヘリウムを含む混合ガスを前記吸着塔に供給するより前に貯留するための貯留槽と、
    前記貯留槽から前記吸着塔の前記第１ガス通過口側に前記混合ガスを供給可能に前記貯留槽および前記吸着塔の間を連結する第１ラインと、
    前記吸着塔の前記第１ガス通過口側に接続され且つガス排出端を有する第２ラインと、
    前記第２ラインおよび前記貯留槽を連結する第３ラインと、を備えるヘリウム精製装置。
16. 請求項３から１４のいずれか一つに記載のヘリウム精製方法を実施するためのヘリウム精製装置であって、
    第１ガス通過口および第２ガス通過口を有し当該第１および第２ガス通過口の間において吸着剤が充填された複数の吸着塔と、
    ヘリウムを含む混合ガスを前記吸着塔に供給するより前に貯留するための貯留槽と、
    前記貯留槽から各吸着塔の前記第１ガス通過口側に前記混合ガスを供給可能に前記貯留槽および前記各吸着塔の間を連結する第１ラインと、
    ガス排出端を有する主幹路、および、前記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の前記第１ガス通過口側に接続された複数の分枝路、を有する第２ラインと、
    主幹路、および、前記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の前記第２ガス通過口側に接続された複数の分枝路、を有する第３ラインと、
    前記第２ラインおよび前記貯留槽を連結する第４ラインと、を備えるヘリウム精製装置。
17. 前記貯留槽は、可変なガス収容用容積を有する、請求項１５または１６に記載のヘリウム精製装置。
18. 前記混合ガスに含まれる不純物の少なくとも一部を除去または変成するための前処理を実行する前処理系が前記第１ラインに設けられている、請求項１５から１７のいずれか一つに記載のヘリウム精製装置。
19. 前記前処理系は、前記前処理を複数段に分けて行うための複数の処理槽を含む、請求項１８に記載のヘリウム精製装置。
20. 前記混合ガスは、前記ヘリウムに加えて少なくとも酸素および水素を含み、
    前記前処理系は、酸素と水素とを反応させて水を生じさせる第１処理を実行するための第１処理槽と、前記第１処理より後に酸素を一酸化炭素と反応させて二酸化炭素を生じさせる第２処理を実行するための第２処理槽とを含む、請求項１９に記載のヘリウム精製装置。
21. 前記混合ガスは一酸化炭素を含み、
    前記前処理系は、前記第１処理より前に一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素を生じさせる第３処理を実行するための第３処理槽を更に含む、請求項２０に記載のヘリウム精製装置。

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