JP5500650B2 - アルゴンガスの精製方法および精製装置 - Google Patents
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Description
本発明によれば、アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素および水素と反応させ、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成することで、アルゴンガスにおける主な不純物を酸素、二酸化炭素、窒素、および水分とし、その酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる。その吸着剤として、合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径0.35nm〜0.55nmの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いることで、常温での圧力スイング吸着法によりアルゴンガスにおける酸素、二酸化炭素、窒素、および水分の濃度を低減でき、温度スイング吸着法のような低温での不純物(主に窒素)の吸着を不要にできる。
前記触媒としてルテニウム触媒を用いることで、ルテニウム触媒以外の白金族触媒を用いる場合に比べて反応温度を低減でき、200℃以下にすることが可能になり、よりエネルギー消費を低減できる。なお、ルテニウム触媒を用いる反応を完結する上では反応温度を70℃以上にするのが好ましい。
本発明装置によれば本発明方法を実施できる。
吸着塔13の入口13aそれぞれは、切替バルブ13bを介して原料配管13fに接続され、切替バルブ13cおよびサイレンサー13eを介して大気中に接続され、切替バルブ13dと下部均圧配管13gを介して互いに接続される。反応器3から流出するアルゴンガスは、圧縮機12により圧縮された後に原料配管13fに到る。
吸着塔13の出口13kそれぞれは、切替バルブ13lを介して流出配管13oに接続され、切替バルブ13mを介して洗浄配管13pに接続され、切替バルブ13nと上部均圧配管13qを介して互いに接続される。
流出配管13oは、並列配置された逆止弁13rと切替バルブ13sを介して均圧槽14の入口に接続される。
均圧槽14の出口は、吸着塔13における吸着圧力を制御するための圧力調節バルブ14aを介して製品槽15の入口に接続される。製品槽15の出口配管15aを介して精製されたアルゴンガスが取り出される。
また、流出配管13oと均圧槽14は、流量制御バルブ13u、流量指示調節計13vを介して洗浄配管13pに接続され、吸着塔13から流出した不純物濃度の低減されたアルゴンガスを、洗浄配管13pを介して吸着塔13に一定流量に調節して再び送ることが可能とされている。
すなわち、第1吸着塔13において切替バルブ13b、13lのみが開かれることで、圧縮機12により圧縮されたアルゴンガスが、切替バルブ13bを介して第1吸着塔13に導入される。その導入されたアルゴンガス中の少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分が吸着剤に吸着されることで、第1吸着塔13においては吸着工程が行われる。第1吸着塔13において不純物の含有率が低減されたアルゴンガスは、流出配管13oを介して均圧槽14に送られる。この際、第2吸着塔13において、切替バルブ13m、13cのみが開かれることで、第1吸着塔13から流出配管13oに送られたアルゴンガスの一部が、洗浄配管13p、流量制御バルブ13uを介して第2吸着塔13に送られ、第2吸着塔13においては洗浄工程が行われる。
次に、第1吸着塔13において切替バルブ13b、13lが閉じられ、第2吸着塔13において切替バルブ13m、13cが閉じられ、切替バルブ13n、13dが開かれることで、第1吸着塔13と第2吸着塔13において内部圧力の均一化を図る均圧工程が行われる。
次に、切替バルブ13n、13dが閉じられ、第1吸着塔13において切替バルブ13cが開かれることで、吸着剤から不純物を脱着する脱着工程が第1吸着塔13において行われ、脱着された不純物はガスと共にサイレンサー13eを介して大気中に放出される。この際、第2吸着塔13の切替バルブ13b、13lと切替バルブ13sが開かれることで、圧縮機12により圧縮されたアルゴンガスが切替バルブ13bを介して、均圧槽14における不純物の含有率が低減されたアルゴンガスが切替バルブ13s、13lを介して、第2吸着塔23に導入され、第2吸着塔13において昇圧工程が行われると共に吸着工程が開始される。
次に、第1吸着塔13において切替バルブ13mが開かれ、切替バルブ13sが閉じられ、これにより、吸着工程が行われている第2吸着塔13から流出配管13oに送られたアルゴンガスの一部が、洗浄配管13p、流量制御バルブ13uを介して第1吸着塔13に送られ、第1吸着塔13において洗浄工程が行われる。洗浄工程で用いられたガスは、切替バルブ13c、サイレンサー13eを介して大気中に放出される。
次に、第1吸着塔13において切替バルブ13c、13mが閉じられ、第2吸着塔13において切替バルブ13b、13lが閉じられ、切替バルブ13n、13dが開かれることで、第1吸着塔13と第2吸着塔13において内部圧力の均一化を図る均圧工程が行われる。
次に、切替バルブ13n、13dが閉じられ、第1吸着塔13の切替バルブ13b、13lと切替バルブ13sが開かれることで、圧縮機12により圧縮されたアルゴンガスが切替バルブ13bを介して、均圧槽14における不純物の含有率が低減されたアルゴンガスが切替バルブ13s、13lを介して、第1吸着塔13に導入され、第1吸着塔13において昇圧工程が行われると共に吸着工程が開始される。この際、第2吸着塔13において切替バルブ13cが開かれることで、吸着剤から不純物を脱着する脱着工程が第2吸着塔13において行われ、不純物はガスと共にサイレンサー13eを介して大気中に放出される。
上記の各工程が第1、第2吸着塔13それぞれにおいて順次繰り返されることで、不純物含有率を低減されたアルゴンガスが均圧槽14、圧力調節バルブ14aを介して製品槽15に送られる。
なお、PSAユニット10は図2に示すものに限定されず、例えば塔数は2以外、例えば3でも4でもよい。
アルゴンガスは不純物として酸素を500モルppm、水素を20モルppm、一酸化炭素を1800モルppm、窒素を1000モルppm、二酸化炭素を20モルppm、水分を20モルppmそれぞれ含有するものを用いた。
そのアルゴンガスを標準状態で8.0L/minの流量で反応器3に導入し、さらに、そのアルゴンガスに酸素を標準状態で7.28mL/minの流量で添加した。
反応器3に、アルミナ担持のルテニウム触媒(エヌ・イー・ケムキャット(株)製、0.5%RUアルミナペレットEA)を96mL充填し、反応条件は温度200℃、大気圧、空間速度5000/hとした。反応器3から流出するアルゴンガスをPSAユニット10に導き、アルゴンガスにおける不純物含有率を低減した。
PSAユニット10は2塔式で、各塔は呼び径32A、容量1Lの円筒状とした。各塔に吸着剤として、細孔直径分布のピークが細孔直径0.35nm〜0.55nmの間にある円柱状成形炭のカーボンモレキュラーシーブ(クラレケミカル製GN−UC−H)と、LiX型合成ゼオライト(東ソー製NSA−700)を、80:20の重量比で充填し、カーボンモレキュラーシーブを下部に合成ゼオライトを上部に配置した。圧力スイング吸着法を実施する際の操作条件は、吸着圧力0.8MPaG、脱着圧力10kPaG、サイクルタイム80sec/塔とし、均圧5secを実施した。
PSAユニット10から流出する精製されたアルゴンガスの組成を以下の表1に示す。
なお、精製されたアルゴンガスにおける酸素濃度はDELTA F社製微量酸素濃度計型式DF−150Eにより、一酸化炭素および二酸化炭素の濃度は島津製作所製GC-FIDを用いてメタナイザーを介して測定した。吸着剤の細孔直径分布は、日本ベル社製 Belsorp maxにより吸着質ガスを二酸化炭素として温度25度にて吸着量を測定してHK法で計算して求めた。窒素濃度についてはGLscience 社製GC-PID、水分は露点計を用いて測定した。
Claims (2)
- 少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する方法であって、
前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2以下である場合は、酸素を添加することで1/2を超える値に設定する工程と、
次に、前記アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素および水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する工程と、
次に、前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる工程とを備え、
前記吸着剤として、LiX型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径0.35nm〜0.55nmの間にあるカーボンモレキュラーシーブとを用い、
前記触媒としてルテニウム触媒を用い、
前記ルテニウム触媒を用いる際の反応温度を70℃以上、200℃以下とし、
精製されるアルゴンガスの純度を99.999%以上にするアルゴンガスの精製方法。 - 請求項1に記載のアルゴンガスの精製方法を実施するために用いられる精製装置であって、
少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する装置であって、
前記アルゴンガスが導入される反応器と、
前記反応器に導入される前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2以下である場合は、酸素を添加することで1/2を超える値に設定する濃度調節装置と、
前記反応器から流出する前記アルゴンガスが導入されるPSAユニットとを備え、
前記反応器内で前記アルゴンガスにおける酸素が一酸化炭素および水素と反応することで、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成されるように、前記反応器にルテニウム触媒が充填され、
前記PSAユニットにより、前記反応器から流出する前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分が、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着され、
前記吸着剤として、LiX型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径0.35nm〜0.55nmの間にあるカーボンモレキュラーシーブとが用いられるアルゴンガスの精製装置。
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