JP5686527B2 - Recovery method of residual gas - Google Patents
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Description
本発明は、残存ガスの回収方法に関するものである。 The present invention relates to a method for recovering residual gas.
現在、半導体分野に用いられる特殊ガスには、モノシラン、モノゲルマン、アルシン、ホスフィン、セレン化水素等の水素化物系ガスを代表として様々なガスが存在する。これらのガスのうち、モノシラン、モノゲルマン、アルシン、ホスフィン、セレン化水素等は、毒性、可燃性が強く、非常に取り扱いが難しいガスである。 Currently, there are various types of special gases used in the semiconductor field, typically hydride gases such as monosilane, monogermane, arsine, phosphine, and hydrogen selenide. Of these gases, monosilane, monogermane, arsine, phosphine, hydrogen selenide and the like are highly toxic and flammable gases and are very difficult to handle.
特に、水素化物系ガスは、それ自身で高純度ガスとして用いられるが、水素、ヘリウム等のガスで希釈された混合ガスとしても広く用いられている。 In particular, the hydride-based gas is used as a high purity gas by itself, but is also widely used as a mixed gas diluted with a gas such as hydrogen or helium.
ここで、例えば、水素等で希釈された混合ガスは、その混合ガスを使用する設備の直近で水素と特殊ガスとに分離し、特殊ガスのみをガス使用設備に送ることで安全に利用できることが知られている。 Here, for example, a mixed gas diluted with hydrogen or the like can be safely used by separating it into hydrogen and special gas in the immediate vicinity of the equipment using the mixed gas, and sending only the special gas to the gas using equipment. Are known.
一般に、特殊ガスはボンベ(シリンダー)に充填されるが、特殊ガスの種類によっては、希釈されない純ガスよりも希釈混合ガスの方が、特殊ガス自身の充填量が多い場合があることが知られている。 Generally, special gas is filled in a cylinder (cylinder), but depending on the type of special gas, it is known that the special gas itself may have a larger filling amount than the pure gas that is not diluted. ing.
希釈混合ガスが充填された使用済みのシリンダーを返却する場合には、残存ガスとしてシリンダー内に多少のガスを残したまま返却されることが一般的である。この残存ガスを希釈するガスと特殊ガスとに分離して回収することで、高価な特殊ガスを再利用することができるし、残存ガスの処理費用も低減することができる。 When returning a used cylinder filled with a diluted mixed gas, the cylinder is generally returned as a residual gas while leaving some gas in the cylinder. By separating and recovering the residual gas into the gas for diluting and the special gas, the expensive special gas can be reused and the processing cost of the residual gas can be reduced.
一方分離回収しない場合は、シリンダーに残ったまま返却された残存ガスは、全て適切な除害処理を行なった後、大気に放出されている。
残存ガスの処理としては、例えば、国内で生産していないキセノン、クリプトン等のガスは希釈して大気放出されている。モノシラン、モノゲルマン、アルシン、ホスフィン、セレン化水素に代表されるような毒性、可燃性のあるガスも適切な除害処理を行い、希釈して大気放出されている。
On the other hand, when not separated and recovered, the remaining gas returned while remaining in the cylinder is discharged to the atmosphere after all appropriate detoxification treatment has been performed.
As the treatment of the residual gas, for example, xenon, krypton, etc. that are not produced domestically are diluted and released into the atmosphere. Toxic and flammable gases such as monosilane, monogermane, arsine, phosphine, and hydrogen selenide are also subjected to appropriate detoxification treatment, diluted and released into the atmosphere.
ここで、昨今の環境問題の関心の高まりから希少な特殊ガスはリサイクルし、毒性、可燃性の強い特殊ガスは安全に除害処理することが企業の社会的責任として求められている。 Here, due to the recent increase in interest in environmental problems, it is required as a corporate social responsibility that rare special gases are recycled and special gases that are highly toxic and flammable are safely removed.
例えば、日本国内で生産していないような希少なガスであるキセノン、クリプトンといったこれらの準純ガスの場合には、比較的簡単にその残ガスを回収することができる。ヘリウム等で希釈混合されているガスの場合には、希釈ガスと特殊ガスとに分離処理する手間を考えると、回収が行われていないのが現状である。 For example, in the case of these semi-pure gases such as xenon and krypton which are rare gases that are not produced in Japan, the residual gas can be recovered relatively easily. In the case of a gas that is diluted and mixed with helium or the like, the current situation is that the recovery is not performed in view of the time for separating the diluted gas and the special gas.
モノシラン、モノゲルマンなどの水素化物系のガスの場合も同様な問題がある。また、分離回収をせずに、安全かつ適切に除害処理を行う場合においても、特に水素で希釈混合されたガスの場合には、これらのガスを燃焼除害装置、乾式除害装置等で除害処理を行うと、水素の影響により燃焼熱、反応熱が多く発生し、除害装置の負担になるだけでなく、安全性に不安、コストもかかるといった問題もあった。 Similar problems occur in the case of hydride gases such as monosilane and monogermane. Moreover, even when performing safe and appropriate removal treatment without separation and recovery, especially in the case of gases diluted and mixed with hydrogen, these gases can be removed with a combustion removal device, a dry removal device, etc. When the detoxification treatment is performed, combustion heat and reaction heat are generated due to the influence of hydrogen, which not only imposes a burden on the detoxification device, but also has problems such as safety concerns and cost.
シリンダーに残ったまま返却された残存ガスの分離回収しない処理としては、残存ガス放出及び真空引きの作業に要する人手を多幅に減らすために自動化した設備(特許文献1参照)、常温で液化であるガスの残存ガスを放出処理する設備(特許文献2,3参照)などが挙げられる。
As a process that does not separate and recover the residual gas that has been returned while remaining in the cylinder, an automated facility (see Patent Document 1) is used to reduce the labor required for releasing the residual gas and evacuation. A facility for releasing a residual gas of a certain gas (see
また、ガス使用設備にて使用したガスを回収処理する方法としては、この使用したガスを一旦ガスバックなどに貯めて、それを回収処理設備のある場所に輸送し、そこで回収処理する設備及び方法(特許文献4参照)、もしくはガス使用設備の直近にガス回収処理設備を設置し、そこで使用したガスを回収処理する設備及び方法(特許文献4〜7参照)などが挙げられる。 In addition, as a method of recovering and processing the gas used in the gas using facility, the used gas is temporarily stored in a gas bag or the like, transported to a place where the recovery processing facility is located, and then recovered and processed there. (Refer to patent documents 4) Or the equipment and method (refer patent documents 4-7) which install gas recovery processing equipment in the immediate vicinity of gas use equipment, and collect and process the gas used there are mentioned.
さらに、分離膜を用いた混合ガスを分離する方法としては、ポリイミド膜、ポリアラミド膜、ポリスルホン膜などを用いて水素化物系ガスと水素、ヘリウムなどとに分離する方法(特許文献8〜10参照)などが挙げられる。
Furthermore, as a method of separating the mixed gas using the separation membrane, a method of separating the hydride-based gas from hydrogen, helium, etc. using a polyimide membrane, a polyaramid membrane, a polysulfone membrane or the like (see
しかしながら、上述した先行技術には、特にシリンダーガスに残ったまま返却された混合ガスの残存ガスを回収する方法については何ら開示されていなかった。 However, the above-described prior art has not disclosed any method for recovering the residual gas of the mixed gas that is returned while remaining in the cylinder gas.
本発明では、シリンダーに残存する混合ガスを効率良く分離回収することで、より適切な除害処理やリサイクルを行うことが可能な残存ガスの回収方法を提供することを目的とする。特に、水素化物ガスが水素やヘリウム等で希釈混合された混合ガスの分離回収を安全かつ簡便に行うことを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for recovering a residual gas that can be more appropriately detoxified and recycled by efficiently separating and recovering the mixed gas remaining in the cylinder. In particular, it is an object to separate and recover a mixed gas in which a hydride gas is diluted and mixed with hydrogen, helium or the like safely and easily.
請求項1に記載の発明は、使用済みのシリンダーに残存する成分濃度が10%以上である分子径の大きなガス成分と分子径の小さなガス成分との混合ガスを、分子ふるい作用を有する気体分離膜を備える分離膜モジュールに供給し、前記混合ガスを前記分子径の小さなガス成分と前記分子径の大きなガス成分とに分離した後、前記分子径の小さなガス成分と前記分子径が大きなガス成分とをそれぞれ回収する残存ガスの回収方法であって、
前記分子径の大きなガス成分が、アルシン、ホスフィン、セレン化水素、モノシラン、モノゲルマンからなる水素化物系ガスのうち、いずれか1つ又は2以上からなり、
前記分離膜モジュールが、
前記気体分離膜が収納された密閉容器の、当該気体分離膜の未透過側の空間と連通するように設けられた未透過ガス排出口を閉止し、当該気体分離膜の透過側の空間と連通するように設けられた透過ガス排出口を開放した状態で、ガス供給口を開放して前記密閉容器内に分子径が小さなガス成分と分子径が大きなガス成分とが含まれる混合ガスを供給し、充圧する第1の過程と、
前記混合ガスの供給開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記ガス供給口を閉止して前記混合ガスの供給を停止し、当該状態を保持する第2の過程と、
前記保持状態の開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を開放して当該未透過ガス排出口から前記分子径の大きなガス成分を含む混合ガスを回収する第3の過程と、
前記回収開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を閉止する第4の過程と、からなる運転サイクルを連続的に繰り返すことを特徴とするガスを分離して残存ガスを回収する残存ガスの回収方法である。
According to the first aspect of the present invention, a gas separation having a molecular sieving action is performed on a mixed gas of a gas component having a large molecular diameter and a gas component having a small molecular diameter that has a component concentration of 10% or more remaining in a used cylinder. is supplied to the separation membrane module comprising a membrane, a small gas component and after separation in a large gas component of the molecular size, a small gas component and the molecular size of large gas component of the molecular diameters of the molecular diameters of the mixed gas A residual gas recovery method for recovering
The gas component having a large molecular diameter is composed of any one or two or more of hydride gases composed of arsine, phosphine, hydrogen selenide, monosilane, monogermane,
The separation membrane module is
Close the non-permeate gas outlet provided in the sealed container containing the gas separation membrane so as to communicate with the space on the non-permeate side of the gas separation membrane, and communicate with the space on the permeate side of the gas separation membrane. In a state where the permeated gas discharge port provided is opened, the gas supply port is opened to supply a mixed gas containing a gas component having a small molecular diameter and a gas component having a large molecular diameter into the sealed container. A first process of charging,
When a predetermined time has elapsed from the start of the supply of the mixed gas or when the inside of the sealed container reaches a predetermined pressure, the gas supply port is closed to stop the supply of the mixed gas, and the state is maintained. The second process,
When a predetermined time has elapsed from the start of the holding state or when the inside of the sealed container has reached a predetermined pressure, the gas having a large molecular diameter is opened from the non-permeated gas discharge port. A third step of recovering the mixed gas containing the components;
When a predetermined time has elapsed from the start of the recovery or when the inside of the closed container reaches a predetermined pressure, an operation cycle consisting of a fourth process of closing the non-permeate gas outlet is continuously repeated. This is a residual gas recovery method for separating the gas and recovering the residual gas.
請求項2に記載の発明は、使用済みのシリンダーに残存する成分濃度が10%以上である分子径の大きなガス成分と分子径の小さなガス成分との混合ガスを、分子ふるい作用を有する気体分離膜を備える分離膜モジュールに供給し、前記混合ガスを前記分子径の小さなガス成分と前記分子径の大きなガス成分とに分離した後、前記分子径の小さなガス成分と前記分子径が大きなガス成分とをそれぞれ回収する残存ガスの回収方法であって、
前記分子径の大きなガス成分が、アルシン、ホスフィン、セレン化水素、モノシラン、モノゲルマンからなる水素化物系ガスのうち、いずれか1つ又は2以上からなり、
2以上の前記分離膜モジュールを並列に接続し、
1つの分離膜モジュールを、
前記気体分離膜が収納された密閉容器の、当該気体分離膜の未透過側の空間と連通するように設けられた未透過ガス排出口を閉止し、当該気体分離膜の透過側の空間と連通するように設けられた透過ガス排出口を開放した状態で、ガス供給口を開放して前記密閉容器内に分子径が小さなガス成分と分子径が大きなガス成分とが含まれる混合ガスを供給し、充圧する第1の過程と、
前記混合ガスの供給開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記ガス供給口を閉止して前記混合ガスの供給を停止し、当該状態を保持する第2の過程と、
前記保持状態の開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を開放して当該未透過ガス排出口から前記分子径の大きなガス成分を含む混合ガスを回収する第3の過程と、
前記回収開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を閉止する第4の過程と、からなる運転サイクルを連続的に繰り返して運転し、
他の分離膜モジュールを、1つの前記分離膜モジュールの前記運転サイクルに対して所定の間隔ずつずらした運転サイクルでそれぞれ運転することを特徴とするガスを分離して残存ガスを回収する残存ガスの回収方法である。
According to the second aspect of the present invention, a gas separation having a molecular sieving action is performed on a mixed gas of a gas component having a large molecular diameter and a gas component having a small molecular diameter that has a component concentration of 10% or more remaining in a used cylinder. is supplied to the separation membrane module comprising a membrane, a small gas component and after separation in a large gas component of the molecular size, a small gas component and the molecular size of large gas component of the molecular diameters of the molecular diameters of the mixed gas A residual gas recovery method for recovering
The gas component having a large molecular diameter is composed of any one or two or more of hydride gases composed of arsine, phosphine, hydrogen selenide, monosilane, monogermane,
Connecting two or more separation membrane modules in parallel;
One separation membrane module
Close the non-permeate gas outlet provided in the sealed container containing the gas separation membrane so as to communicate with the space on the non-permeate side of the gas separation membrane, and communicate with the space on the permeate side of the gas separation membrane. In a state where the permeated gas discharge port provided is opened, the gas supply port is opened to supply a mixed gas containing a gas component having a small molecular diameter and a gas component having a large molecular diameter into the sealed container. A first process of charging,
When a predetermined time has elapsed from the start of the supply of the mixed gas or when the inside of the sealed container reaches a predetermined pressure, the gas supply port is closed to stop the supply of the mixed gas, and the state is maintained. The second process,
When a predetermined time has elapsed from the start of the holding state or when the inside of the sealed container has reached a predetermined pressure, the gas having a large molecular diameter is opened from the non-permeated gas discharge port. A third step of recovering the mixed gas containing the components;
When a predetermined time has elapsed from the start of the recovery or when the inside of the sealed container reaches a predetermined pressure, an operation cycle consisting of a fourth process of closing the unpermeated gas discharge port is continuously repeated. Drive,
Other separation membrane module, one of the separation membrane the remaining gas of the gas, characterized in that the driving respectively the operating cycle operating cycle shifted by a predetermined interval to recover separated by residual gas module It is a collection method.
請求項3に記載の発明は、前記気体分離膜が、シリカ膜、ゼオライト膜、炭素膜のいずれかであることを特徴とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の残存ガスの回収方法である。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、前記分子径の小さなガス成分が、水素、ヘリウムのいずれか一つ又は2以上の混合物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の残存ガスの回収方法である。
Invention according to
本発明の残存ガスの回収方法によれば、返却されたシリンダーに残存する混合ガスを、効率良く分離回収することができる。これにより、適切な除害処理やリサイクルを簡便に行うことができる。 According to the residual gas recovery method of the present invention, the mixed gas remaining in the returned cylinder can be efficiently separated and recovered. Thereby, suitable detoxification processing and recycling can be performed simply.
<第1の実施形態>
以下、本発明を適用した第1の実施形態について、図1及び図2を用いて詳細に説明する。
本発明を適用した第1の実施形態である残存ガスの回収方法に用いられる回収装置の一例を図1に示す。なお、この回収装置の例では、分離膜モジュールの一例として炭素膜モジュールが用いられている。また、この炭素膜モジュールでは、気体分離膜として炭素膜が用いられている。
<First Embodiment>
Hereinafter, a first embodiment to which the present invention is applied will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
An example of a recovery apparatus used in the residual gas recovery method according to the first embodiment to which the present invention is applied is shown in FIG. In this example of the recovery device, a carbon membrane module is used as an example of the separation membrane module. In this carbon membrane module, a carbon membrane is used as a gas separation membrane.
図1に示すように、本実施形態の回収装置31は、分離回収対象となる混合ガスが残存するシリンダー21と、混合ガスを分離する炭素膜モジュール20と、分離されたガス成分を回収する回収設備24,25とを備えて概略構成されている。
As shown in FIG. 1, the
具体的には、シリンダー21と炭素膜モジュール20に設けられた供給口3とは、混合ガス供給経路L1によって接続されている。この混合ガス供給経路L1には、減圧弁22と流量計23とが配設されている。これにより、シリンダー21内に残存する混合ガスを、圧力及び流量を制御しながら炭素膜モジュール20に供給可能とされている。
Specifically, the
また、炭素膜モジュール20に設けられた透過ガス排出口4と回収設備24とは、透過ガス回収経路L4によって接続されている。これにより、炭素膜モジュール20によって分離された透過ガス成分を回収設備24に回収することができる。
Further, the
また、炭素膜モジュール20に設けられた未透過ガス排出口5と回収設備25とは、未透過ガス回収経路L2によって接続されている。これにより、炭素膜モジュール20によって分離された未透過ガス成分を回収設備25に回収することができる。
Further, the
さらに、炭素膜モジュール20に設けられた掃引ガス供給口8は、図示略の掃引ガス供給源と接続されている。これにより、炭素膜モジュール内に掃引ガスを供給可能とされている。
Furthermore, the sweep
図2に示すように、炭素膜モジュール20は、密閉容器6とこの密閉容器6内に設けられた炭素膜ユニット(気体分離膜)2とから概ね構成されている。
As shown in FIG. 2, the
密閉容器6は、中空円筒状であって、内部の空間に炭素膜ユニット2が収納されている。また、密閉容器6の長手方向の一方の端部にはガス供給口3が設けられ、他方の端部には未透過ガス排出口5が設けられている。さらに、その密閉容器6の周面には、密閉容器6の周面には、透過ガス排出口4と掃引ガス供給口8とが設けられている。
The sealed
炭素膜ユニット2は、気体分離膜である多数本の中空糸状炭素膜2a…と、これら中空糸状炭素膜2a…の両端部をそれぞれ束ねて固定する一対の樹脂壁7とから構成されている。樹脂壁7は、接着剤などを使用して密閉容器6の内壁に密封固着されている。また、一対の樹脂壁7には、中空糸状炭素膜2a…の開口部がそれぞれ形成されている。
The
密閉容器6内は、一対の樹脂壁7によって第1の空間11、第2の空間12、第3の空間13の3つの空間に分割されている。第1の空間11は、ガス供給口3が設けられた密閉容器6の一方の端部と樹脂壁7との間の空間であり、第2の空間12は密閉容器6の周面と一対の樹脂壁7との間の空間であり、第3の空間13は未透過ガス排出口5が設けられた密閉容器6の他方の端部と樹脂壁7との間の空間である。
また、第1の空間11には圧力計14aが、第2の空間12には圧力計14bが、第3の空間13には圧力計14cがそれぞれ設けられており、内部の圧力を計測可能とされている。
The inside of the sealed
In addition, a
ガス供給口3は、密閉容器6内の第1の空間11と連通するように設けられている。また、ガス供給口3には、開閉バルブ3aが設けられている。そして、開閉バルブ3aを開放することにより、混合ガス供給経路L1からガス供給口3を介して第1の空間11内に混合ガスを供給可能とされている。
The
未透過ガス排出口5は、密閉容器6内の第3の空間13と連通するように設けられている。また、未透過ガス排出口5には、開閉バルブ5aと背圧弁15とが設けられている。そして、開閉バルブ5aを開放することにより、未透過ガス排出口5を介して第3の空間13から未透過ガス回収経路L2に未透過ガスを排出可能とされている。
The non-permeated
透過ガス排出口4及び掃引ガス供給口8は、密閉容器6内の第2の空間12と連通するように設けられている。また、透過ガス排出口4には開閉バルブ4aが、掃引ガス供給口8には開閉バルブ8aがそれぞれ設けられている。そして、開閉バルブ4aを開放することにより、透過ガス排出口4を介して第2の空間12から透過ガス回収経路L4に透過ガスを排出可能とされている。一方、開閉バルブ8aを開放することにより、掃引ガス供給経路L3から掃引ガス供給口8を介して第2の空間12に掃引ガスを供給可能とされている。
The permeate
中空糸状炭素膜2a・・・の一端は、一方の樹脂壁7に固定されるとともに開口し、他端は他方の樹脂壁7に固定されるとともに開口している。これにより、中空糸状炭素膜2a…が一方の樹脂壁7で固定される部分において、中空糸状炭素膜2a…の一方の開口部は、第1の空間11と通じており、他方の開口部は第3の空間13と通じている。これにより、第1の空間11と第3の空間13とは、中空糸状炭素膜2a・・・の内部空間を介して連通される。これに対して、第1の空間11と第2の空間12とは炭素膜ユニット2を介して連通される。
One end of the hollow fiber-
中空糸状炭素膜2a…は、有機高分子膜を形成した後、焼結することで作製される。例えば、有機高分子であるポリイミドを任意の溶媒に溶かし製膜原液を作製し、また、この製膜原液の溶媒とは混合するがポリイミドに対しては非溶解性の溶媒を用意する。ついで、二重管構造の中空糸紡糸ノズルの周縁部環状口から前記製膜原液を、同紡糸ノズルの中央部円状口から前記溶媒を、それぞれ同時に凝固液中に押し出し、中空糸状に成形し、有機高分子膜を製造する。次に、得られた有機高分子膜を不融化処理後に炭化させて炭素膜とする。
The hollow fiber-
炭素膜は、炭素膜のみで使用されること以外に、多孔質支持体に塗布されたもの、炭素膜以外の気体分離膜に塗布されたものなど、最適な形態を選んで使用される。多孔質支持体には、セラミック系のアルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、ゼオライト、金属系のフィルタなどがあげられる。支持体に塗布することは、機械的強度の向上、炭素膜製造の簡素化などの効果がある。 The carbon membrane is used by selecting an optimal form such as a carbon membrane coated only on a porous support and a carbon membrane coated on a gas separation membrane other than the carbon membrane. Examples of the porous support include ceramic-based alumina, silica, zirconia, magnesia, zeolite, and metal-based filters. Application to the support has effects such as improvement of mechanical strength and simplification of carbon film production.
本実施形態では、気体分離膜を定常状態で分離操作を行うときに用いる。これに対して、後述する第2及び第3実施形態のように、PSAのように圧力スイングさせて使用する場合には、圧力スイングに対して良好な安定性を持つ、すなわち機械強度が従来よりも優れていることが気体分離膜に求められる。
したがって、本発明では、一般的な高分子膜の気体分離膜よりは、シリカ膜、ゼオライト膜、炭素膜のような無機膜の気体分離膜を用いることが好ましい。
In the present embodiment, the gas separation membrane is used when performing a separation operation in a steady state. On the other hand, as in the second and third embodiments to be described later, when the pressure swing is used like PSA, it has a good stability against the pressure swing, that is, the mechanical strength is higher than the conventional one. Is also required for gas separation membranes.
Therefore, in the present invention, it is preferable to use an inorganic gas separation membrane such as a silica membrane, a zeolite membrane or a carbon membrane rather than a general polymer membrane gas separation membrane.
なお、炭素膜の原料となる有機高分子には、ポリイミド(芳香族ポリイミド)、ポリフェニレンオキサイド(PPO)、ポリアミド(芳香族ポリアミド)、ポリプロピレン、ポリフルフリルアルコール、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、フェノール樹脂、セルロース、リグニン、ポリエーテルイミド、酢酸セルロースなどがあげられる。 The organic polymer used as the raw material for the carbon film includes polyimide (aromatic polyimide), polyphenylene oxide (PPO), polyamide (aromatic polyamide), polypropylene, polyfurfuryl alcohol, polyvinylidene chloride (PVDC), phenol resin, Examples thereof include cellulose, lignin, polyetherimide, and cellulose acetate.
以上の炭素膜の原料のうち、ポリイミド(芳香族ポリイミド)、酢酸セルロース、ポリフェニレンオキサイド(PPO)については、中空糸状である炭素膜の成形が容易である。特に高い分離性能を有するのは、ポリイミド(芳香族ポリイミド)、ポリフェニレンオキサイド(PPO)である。さらには、ポリフェニレンオキサイド(PPO)はポリイミド(芳香族ポリイミド)に比べ安価である。 Among the above carbon film materials, polyimide (aromatic polyimide), cellulose acetate, and polyphenylene oxide (PPO) can be easily formed into a hollow fiber carbon film. Polyimide (aromatic polyimide) and polyphenylene oxide (PPO) have particularly high separation performance. Furthermore, polyphenylene oxide (PPO) is less expensive than polyimide (aromatic polyimide).
次に、図1に示す回収装置31を用いた、本実施形態の残存ガスの回収方法について説明する。
本実施形態の残存ガスの回収方法は、シリンダー21に残存する混合ガスを、分子ふるい作用を有する分離膜を備える分離膜モジュールに連続的に供給し、混合ガスを分子径の小さなガス成分と分子径の大きなガス成分とに分離した後、分子径の小さなガス成分と分子径が大きなガス成分とをそれぞれ回収設備24,25に回収する方法である。本実施形態では、分離膜モジュールを、分子ふるい作用を有する炭素膜モジュール20とし、分離対象となる混合ガスを希釈ガスと水素化物系ガスとの混合ガスとした場合について説明する。ここで、分子ふるい作用とは、ガスの分子径と分離膜の細孔径の大きさにより、混合ガスが分子径の小さいガスと分子径の大きいガスとに分離される作用である。
Next, the residual gas recovery method of this embodiment using the
In the method for recovering a residual gas according to this embodiment, the mixed gas remaining in the
本実施形態の分離回収の対象とするガスは、モノシラン、モノゲルマン、アルシン、ホスフィン、セレン化水素などの水素化物系ガス、あるいはキセノン、クリプトンなどの希ガスに代表されるような特殊ガスのうち、これらが水素やヘリウム等の希釈ガスによって希釈混合された混合ガスである。 The gas to be separated and recovered in this embodiment is a hydride gas such as monosilane, monogermane, arsine, phosphine, hydrogen selenide, or a special gas typified by a rare gas such as xenon or krypton. These are mixed gases diluted and mixed with a diluent gas such as hydrogen or helium.
ここで、水素やヘリウム等の希釈ガスは、比較的分子径の小さなガス成分であり、モノシラン、モノゲルマン等の水素化物系ガスやキセノン、クリプトン等の希ガスは、比較的分子径の大きなガス成分に分類することができる。 Here, a dilution gas such as hydrogen or helium is a gas component having a relatively small molecular diameter, and a hydride gas such as monosilane or monogerman, or a rare gas such as xenon or krypton is a gas having a relatively large molecular diameter. Can be classified into components.
すなわち、分離回収の対象となる混合ガスは、分子径の小さなガス成分と分子径の大きなガス成分との2以上の混合物である。これらの間に分子径の差があればどんなガス成分の組み合わせでも良い。これらの分子径の差が大きければ大きいほど分離操作にかかる処理時間を短くすることができる。 That is, the mixed gas to be separated and recovered is a mixture of two or more of a gas component having a small molecular diameter and a gas component having a large molecular diameter. Any combination of gas components may be used as long as there is a difference in molecular diameter between them. The greater the difference between these molecular diameters, the shorter the processing time for the separation operation.
混合ガス中の分子径の小さなガス成分としては、分子径が3Å以下のようなガス成分を用いることが好ましい。これに対して、混合ガス中の分子径の大きなガス成分には、分子径が3Åよりも大きい、好ましくは4Å以上、さらに好ましくは5Å以上のガス成分がよい。 As the gas component having a small molecular diameter in the mixed gas, it is preferable to use a gas component having a molecular diameter of 3 mm or less. On the other hand, the gas component having a large molecular diameter in the mixed gas is preferably a gas component having a molecular diameter larger than 3 mm, preferably 4 mm or larger, more preferably 5 mm or larger.
混合ガスは2成分系に限られず、複数のガス成分を混合したものでもよい。各ガス成分を分離膜の透過側、未透過側どちらかに十分に分離するためには、分子径の大きなガス成分群と分子径の小さなガス成分群とに大きく分類されることが好ましい。そして、炭素膜の細孔径が分子径の大きなガス成分群の分子径と分子径の小さなガス成分群の分子径との間にあればよい。なお、炭素膜の細孔径は炭化時の焼成温度を変えることで調整することができる。 The mixed gas is not limited to a two-component system, and may be a mixture of a plurality of gas components. In order to sufficiently separate each gas component on either the permeation side or the non-permeation side of the separation membrane, it is preferable that the gas components are largely classified into a gas component group having a large molecular diameter and a gas component group having a small molecular diameter. The pore diameter of the carbon film may be between the molecular diameter of the gas component group having a large molecular diameter and the molecular diameter of the gas component group having a small molecular diameter. The pore diameter of the carbon film can be adjusted by changing the firing temperature during carbonization.
また、シリンダー21中に残存する残存ガスは、通常1MPaG以下であることが多い。本実施形態の残存ガスの回収方法では、この残存ガスを炭素膜ユニット2に供給するとともに、炭素膜モジュール20の後段に設置された背圧弁15により適切な分離回収圧力に保持し、炭素膜モジュール20の未透過側と透過側との圧力差をガス成分の分子が移動する駆動源として利用することで分子ふるい作用がなされて、混合ガスの分離を行う。
Further, the residual gas remaining in the
次に、図2に示す炭素膜モジュール20を用いたガス分離操作について説明する。
具体的には、図2に示すように、先ず、炭素膜の高圧側(未透過側)にあたる未透過ガス排出口5に設けられた開閉バルブ5aを開放し、背圧弁15を調整圧力に設定する。そして、混合ガス供給口3の開閉バルブ3aを開放して、低圧状態から所定の圧力に達するまで混合ガスを炭素膜モジュール20内に供給・充圧する。この際、炭素膜モジュール20の低圧側(透過側)の掃引ガス供給口8の開閉バルブは閉止し、透過ガス排出口4の開放バルブ4aは開放する。これにより、未透過側(第1の空間11)に供給された混合ガスから分子径の小さなガス成分のみを選択・優先的に炭素膜モジュール20の低圧側(第2の空間12)に透過させて透過ガス排出口4より排出することができる。一方、分子径の大きなガス成分を多く含む混合ガスは、未透過ガス排出口5から排出することができる。
Next, a gas separation operation using the
Specifically, as shown in FIG. 2, first, the open /
ここで、シリンダー21から炭素膜モジュール20に混合ガスを供給していくと、シリンダー21の圧力が低下する。この場合には、必要に応じて炭素膜モジュール20の透過側を真空に引く、もしくは掃引ガス供給口8から掃引ガスを供給することによって、供給側(未透過側)の圧力が大気圧近くになっても効率よく分離回収を行うことができる。
Here, when the mixed gas is supplied from the
このような炭素膜モジュール20を用いた分離濃縮操作により、分子径の大きなガス成分、例えばモノシラン等の水素化物系ガスやキセノン等の希ガスは分離膜の未透過側に濃縮分離される。一方、分子径の小さなガス成分、例えば水素やヘリウム等の希釈ガス成分は分離膜の透過側から連続的に回収される。
By the separation and concentration operation using such a
濃縮分離されたモノシランやキセノン等のガス成分は、後段に設置された回収設備25に導入される。そして、ガスの性質に応じて、そのまま容器に回収、冷却して液化回収、圧縮機等を使用したガス回収等によって適切に回収される。
Concentrated and separated gas components such as monosilane and xenon are introduced into a
一方、透過側の回収設備24に回収される水素やヘリウム等のガス成分についても同様に、適切な回収方法によって回収される。
On the other hand, gas components such as hydrogen and helium recovered by the permeation-
なお、回収設備24に回収されたガス、回収設備25に回収されたガスは、それぞれの目的に応じて除害処理やリサイクルが行われる。
The gas recovered in the
以上説明したように、本実施形態の残存ガスの回収方法によれば、返却されたシリンダー21に残存する混合ガスを、効率良く分離回収することができる。これにより、適切な除害処理やリサイクルを簡便に行うことができる。
As described above, according to the residual gas recovery method of the present embodiment, the mixed gas remaining in the returned
また、本実施形態では、シリンダー21から炭素膜モジュール20に連続的に残存ガスを供給する構成であるため、非常に簡便な操作によって残存ガスを分離回収することが可能となる。
In the present embodiment, since the remaining gas is continuously supplied from the
<第2の実施形態>
次に、本発明を適用した第2の実施形態について説明する。本実施形態では、第1の実施形態の残存ガスの回収方法とは異なる構成となっている。このため、図3、図4を用いて本実施形態の残存ガスの回収方法について説明する。本実施形態の残存ガスの回収に用いる回収装置及び炭素膜モジュールについては、第1の実施形態と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment to which the present invention is applied will be described. This embodiment has a different configuration from the residual gas recovery method of the first embodiment. Therefore, the residual gas recovery method of this embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. About the collection | recovery apparatus and carbon membrane module which are used for collection | recovery of the residual gas of this embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component as 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted.
図3に示す本実施形態の残存ガスの回収方法に用いる回収装置32は、図1に示す第1の実施形態における回収装置31とは、炭素膜モジュール1を用いる点が異なっている。
また、図4に示すように、本実施形態に用いる炭素膜モジュール1は、第1実施形態における炭素膜モジュール20において、未透過ガス排出口5の後段に設ける背圧弁15に換えて、流量計9を設置する点で異なっている。
The
As shown in FIG. 4, the
ここで、分離膜に係る圧力制御の方法として、第1の実施形態の残存ガスの回収方法のように連続的に膜分離を行う場合には、分離膜の未透過側の出口に背圧弁15等を設置することでそれを行うことが一般的である。
Here, as a pressure control method related to the separation membrane, when continuous membrane separation is performed as in the residual gas recovery method of the first embodiment, a
これに対して、本実施形態では、後述するように回分式によるガス分離を行なうため、分離膜の圧力制御のために背圧弁を特に設ける必要がない。図3に示すように、本実施形態の炭素膜モジュール1では、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを閉じることにより、気体分離膜(炭素膜ユニット2)の圧力制御を行なうことができる。
気体分離膜の未透過側に保持された未透過ガスを取り出す場合、未透過ガス排出口5に流量計9等を設けて、適切な一定流量で未透過ガスを取り出すことが好ましい。未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを一気(一度)に開放して、未透過ガス流量を制御せずに未透過ガスを取り出してしまうと、分離膜に大きな損傷を与える可能性がある。
On the other hand, in the present embodiment, as will be described later, since batch-type gas separation is performed, it is not particularly necessary to provide a back pressure valve for controlling the pressure of the separation membrane. As shown in FIG. 3, in the
When taking out the non-permeate gas held on the non-permeate side of the gas separation membrane, it is preferable to provide a
次に、図3に示す回収装置32を用いた、本実施形態の残存ガスの回収方法について説明する。
本実施形態の残存ガスの回収方法は、シリンダー21から炭素膜モジュール20に連続的に混合ガスを供給する第1の実施形態とは異なる方法によってガス分離を行なうものである。
Next, the residual gas recovery method of the present embodiment using the
The residual gas recovery method of the present embodiment performs gas separation by a method different from the first embodiment in which a mixed gas is continuously supplied from the
本実施形態の残存ガスの回収方法では、炭素膜モジュール1について、以下の第1〜第4の過程からなる運転サイクルを連続的に繰り返して運転する。
In the residual gas recovery method of the present embodiment, the
(第1の過程)
先ず、第1の過程である供給過程では、炭素膜ユニット2が収納された密閉容器6の、第3の空間13(気体分離膜の未透過側の空間)と連通するように設けられた未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを閉止し、第2の空間12(気体分離膜の透過側の空間)と連通するように設けられた透過ガス排出口4の開閉バルブ4aを開放した状態で、ガス供給口3の開閉バルブ3aを開放して混合ガス供給経路L1から密閉容器6内に混合ガスを供給して充圧する。
(First process)
First, in the supply process, which is the first process, an unsealed
第1の過程では、ガス供給口3から密閉容器6内へ混合ガスが制御された流量で(例えば一定流量等)供給される。ここで、密閉容器6の未透過側である未透過ガス排出口5が閉止されているため、一定流量で混合ガスを供給すると第1の空間11の圧力(供給圧力)が上昇する。これに連れて、密閉容器6内の炭素膜ユニット2の未透過側である第3の空間13内の圧力(未透過圧力)も上昇する。
一方、密閉容器6の透過側である透過ガス排出口4は開放されているため、第2の空間12の圧力(透過圧力)は変化しない。また、混合ガス中の希釈ガスが炭素膜ユニット2を透過して第2の空間12に移動し、透過ガス排出口4から透過ガス排出経路L4へと排出されるため、透過流量は増加した後に一定となる。
なお、上記供給圧力は圧力計14aで、未透過圧力は圧力計14cで、透過圧力は圧力計14bで、それぞれ計測する。
In the first process, the mixed gas is supplied from the
On the other hand, since the permeate
The supply pressure is measured with a
なお、第1の過程の所要時間(T1)は、特に限定されるものではなく、密閉容器6の体積(V)、炭素膜ユニット2の性能(P,S)、混合ガスの供給流量(F)及び充填圧(A)等の各条件に応じて適宜選択することができる。
The time required for the first process (T 1 ) is not particularly limited, and the volume (V) of the
ここで、密閉容器の6の体積(V)が大きくなると密閉容器6に供給する混合ガス量が増え、かつ、混合ガスの供給流量が変わらなければ、第1の過程の所要時間が長くなる。また、供給する混合ガス量が増えるため、分離後の回収量が増加する。
Here, if the volume (V) of the
充填圧(A)が高くなると、密閉容器6に供給される混合ガス量が増え、かつ、混合ガスの供給流量が変わらなければ、第1の過程の所要時間は長くなる。また、供給する混合ガス量が増えるため、分離後の回収量が増加する。但し、充填圧が高すぎると炭素膜ユニット2に破損等のダメージを与える恐れがあるため、充填圧は1MPaG以下であることが好ましい。さらに、本発明の分離対象物である水素化物ガスの場合には、あまり圧力を上げないことが安全面に関して好ましいため、0.5MPaG以下とすることがより好ましく、0.2MPaG以下とすることがさらに好ましい。
As the filling pressure (A) increases, the amount of mixed gas supplied to the sealed
炭素膜ユニット2の性能(透過成分の透過速度)(P)は、炭素膜ユニット2を構成する炭素膜2aを通過する成分の透過速度を表す。例えば透過成分が水素の場合には、水素の透過速度が大きければ所要時間が長くなる。これは、充圧と同時に水素が抜けていくためである。
The performance of the carbon membrane unit 2 (permeation rate of the permeation component) (P) represents the permeation rate of the component that passes through the
炭素膜ユニット2の性能(分離性能)(S)は、炭素膜ユニット2を構成する炭素膜を透過する成分と透過しない成分(残留成分)とに分離する性能を表す。例えば透過成分が水素、残留成分がモノシランの場合には、水素とモノシランとに対する分離性能が大きければ所要時間は短くなる。これは、モノシランが炭素膜ユニット2を構成する炭素膜を透過せずに残留するため、すなわちモノシランの透過速度が小さいことになるため、それだけ早く充圧されることによる。
The performance (separation performance) (S) of the
また、供給流量(F)が大きければ所要時間は短くなるが、炭素膜ユニット2に破損等のダメージを与える恐れがあるため、線速度:10cm/sec以下で供給することが好ましく、線速度:1cm/sec以下とすることがより好ましい。但し、炭素膜2aに対してガス流れが直接当たらないように抵抗板や拡散板などを導入した場合には、この限りではない。
Further, if the supply flow rate (F) is large, the required time is shortened. However, since there is a risk of damage such as breakage to the
以上説明した各条件から第1の過程の所要時間(T1)は下記式(1)のように関係づけられる。
T1∝(V×A×P)/(S×F) ・・・(1)
From the above-described conditions, the required time (T 1 ) of the first process is related as shown in the following formula (1).
T 1 ∝ (V × A × P) / (S × F) (1)
例えば、後述する実施例に示した膜面積1114cm2(膜性能:水素の透過速度=5×10−5cm3(STP)/cm2/sec/cmHg、(水素/モノシランの分離係数)=約5000)の炭素膜ユニットが十分に密に備わった密閉容器の場合であれば、モノシラン10%、水素90%の混合ガスを流量150sccmで供給した場合には、約7分間で充填値が0.2MPaGに達することとなる。 For example, the membrane area 1114 cm 2 (membrane performance: hydrogen permeation rate = 5 × 10 −5 cm 3 (STP) / cm 2 / sec / cmHg, (hydrogen / monosilane separation factor) = approximately shown in the examples described later. In the case of a closed container having a carbon membrane unit of 5000) sufficiently dense, when a mixed gas of 10% monosilane and 90% hydrogen is supplied at a flow rate of 150 sccm, the filling value becomes 0. It will reach 2 MPaG.
(第2の過程)
次に、第2の過程である分離過程では、混合ガスの供給開始から所定時間が経過したとき又は密閉容器6内の圧力(供給圧力あるいは未透過圧力)が所定の圧力に到達したときに、ガス供給口3の開閉バルブ3aを閉止して混合ガスの供給を停止し、この状態を保持する。
これにより、炭素膜ユニット2の未透過側(第1及び第3の空間11,13)に供給された混合ガスから、分子径の小さなガス成分である希釈ガスのみを選択的・優先的に分離膜の低圧側(第2の空間12)に透過させるとともに、分子径の大きなガス成分である水素化物系ガスを未透過側に残留させることが可能となる。
(Second process)
Next, in the separation process, which is the second process, when a predetermined time has elapsed since the start of the supply of the mixed gas, or when the pressure in the sealed container 6 (supply pressure or non-permeation pressure) reaches a predetermined pressure, The open /
As a result, only the dilution gas, which is a gas component having a small molecular diameter, is selectively and preferentially separated from the mixed gas supplied to the non-permeate side (first and
第2の過程では、ガス供給口3から密閉容器6内への混合ガスの供給が停止されるため、供給流量は0となる。このとき、密閉容器6の未透過側であるガス供給口3及び未透過ガス排出口5の開閉バルブ3a,5aを閉止しているが、混合ガス中の希釈ガスが炭素膜ユニット2を透過して透過ガス排出口4から透過ガス排出経路L4へと排出されるため、供給圧力及び未透過圧力が徐々に低下する。
一方、密閉容器6の透過側である透過ガス排出口4は開放されており、第2の空間12の圧力(透過圧力)には変化がない。しかしながら、透過ガス排出口4から透過ガス排出経路L4へと排出される希釈ガスの透過流量は徐々に減少する。
In the second process, the supply flow rate becomes zero because the supply of the mixed gas from the
On the other hand, the
なお、第2の過程の所要時間(T2)は、特に限定されるものではなく、密閉容器6の体積(V)、充填圧(A)、分離終了の所定の圧力(排出圧ともいう、B)、炭素膜ユニット2の性能(P,S)及び供給ガスの組成(Z)に応じて適宜選択することができる。
The time required for the second process (T 2 ) is not particularly limited, and the volume (V) of the sealed
ここで、密閉容器の6の体積(V)、充填圧(A)、炭素膜ユニット2の性能(分離性能)(S)については、第1の過程で説明した通りである。
炭素膜ユニット2の性能(透過成分の透過速度)(P)は、例えば透過成分が水素の場合には、透過速度が大きければ所要時間が短くなる。これは、水素が早く抜けていくためである。
Here, the volume (V), the filling pressure (A), and the performance (separation performance) (S) of the
The performance of the carbon membrane unit 2 (permeation rate of the permeation component) (P) is shorter when the permeation rate is higher, for example, when the permeation component is hydrogen. This is because hydrogen escapes quickly.
排出圧(B)が高ければ第2の過程の所要時間が短くなる。但し、理想的な排出圧に比べて高い圧力であると十分に分離されず、回収ガスの純度が高純度なもの又は高濃度に濃縮されたものにはならない。 If the discharge pressure (B) is high, the time required for the second process is shortened. However, if the pressure is higher than the ideal discharge pressure, the pressure is not sufficiently separated, and the purity of the recovered gas does not become high purity or high concentration.
供給ガスの組成(Z)はガス組成を表す指標で、透過ガス成分量/残留ガス成分量である。この指標(Z)が大きい場合には、透過ガス成分の分圧が小さいため、排出圧(B)が小さくなる。 The composition (Z) of the supply gas is an index representing the gas composition and is the amount of permeated gas component / the amount of residual gas component. When this index (Z) is large, the partial pressure of the permeate gas component is small, so the discharge pressure (B) is small.
以上説明した各条件から第2の過程の所要時間(T2)は下記式(2)のように関係づけられる。
T2∝(V×A)/(B×P×S) ・・・(2)
From the above-described conditions, the time required for the second process (T 2 ) is related as shown in the following formula (2).
T 2 ∝ (V × A) / (B × P × S) (2)
さらに、排出圧(B)は、下記式(3)のように関係づけられる。
排出圧(B)∝1/(F×Z) ・・・(3)
Further, the discharge pressure (B) is related as shown in the following formula (3).
Discharge pressure (B) ∝1 / (F × Z) (3)
ここで、混合ガスの供給流量(F)が大きければ、排出圧(B)が小さくなる。これは、混合ガスの供給流量(F)が大きければ、より早く充填圧に達するため第1の過程で分離される割合が小さくなり、第2の過程でほとんどが分離されることを意味する。
一方、混合ガスの供給流量(F)が小さければ、排出圧(B)が大きくなる。これは混合ガスの供給流量(F)が小さいことで、第1の過程で十分に分離されるとともに、残留ガス成分でほぼ充填圧に達するので、充填圧(A)と排出圧(B)との差が小さくなることを意味する。
Here, if the supply flow rate (F) of the mixed gas is large, the discharge pressure (B) is small. This means that if the supply flow rate (F) of the mixed gas is large, the filling pressure is reached sooner, so that the ratio of separation in the first process becomes small, and most of the separation is separated in the second process.
On the other hand, if the supply flow rate (F) of the mixed gas is small, the discharge pressure (B) increases. This is because the supply flow rate (F) of the mixed gas is small, and it is sufficiently separated in the first process and almost reaches the filling pressure with the residual gas component, so the filling pressure (A) and the discharge pressure (B) This means that the difference between is small.
例えば、後述する実施例に示した膜面積1114cm2(膜性能:水素の透過速度=5×10−5cm3(STP)/cm2/sec/cmHg、(水素/モノシランの分離係数)=約5000)の炭素膜ユニットが十分に密に備わった密閉容器に、充圧値0.2MPaGでモノシラン10%、水素90%の混合ガスが充圧された場合には、約5分間で排出圧0.12MPaGに達することとなる。 For example, the membrane area 1114 cm 2 (membrane performance: hydrogen permeation rate = 5 × 10 −5 cm 3 (STP) / cm 2 / sec / cmHg, (hydrogen / monosilane separation factor) = approximately shown in the examples described later. When a mixed gas of 10% monosilane and 90% hydrogen is charged at a charging pressure value of 0.2 MPaG into a sealed container having a carbon membrane unit of 5000) sufficiently dense, the discharge pressure is 0 in about 5 minutes. It will reach 12 MPaG.
(第3の過程)
次に、第3の過程である排出過程では、保持状態の開始から所定時間が経過したとき又は密閉容器6内(すなわち未透過側である第1の空間11及び第3の空間13)が所定の圧力に到達したときに、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを開放して当該未透過ガス排出口5から水素化物系ガスを含む混合ガスを排出して回収する。
これにより、炭素膜モジュール1に供給した混合ガス中の水素化物系ガス濃度よりも濃縮された(高純度化された)水素化物系ガスを含む混合ガスが得られることになる。
(Third process)
Next, in the discharging process, which is the third process, when a predetermined time has elapsed from the start of the holding state, or the inside of the sealed container 6 (that is, the
As a result, a mixed gas containing a hydride-based gas concentrated (purified) than the hydride-based gas concentration in the mixed gas supplied to the
ここで、密閉容器6内(すなわち未透過側である第1の空間11及び第3の空間13)が所定の圧力に到達したときとは、高圧側である供給圧力及び未透過圧力の低下が止まったことを示す。すなわち、高圧側に供給された混合ガスのうち、希釈ガスが全て炭素膜2aを透過して濃縮された水素化物系ガスを含む混合ガスのみが高圧側に保持されたことを示す。
したがって、第3の過程において、密閉容器6内の未透過側の圧力の低下が停止したときに、分子径が小さなガス成分の分離が完了したと判断することができる。
Here, when the inside of the sealed container 6 (that is, the
Therefore, in the third process, it can be determined that the separation of the gas component having a small molecular diameter has been completed when the pressure drop on the non-permeate side in the sealed
第3の過程では、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aの開放と同時に、未透過ガスの流量が上昇する。それと同時に、未透過側の空間である第1及び第3の空間11,13の供給圧力及び未透過圧力が徐々に減少する。
一方、第2の空間12の圧力(透過圧力)には変化がなく、透過ガス排出口4からの希釈ガスの透過流量の値は非常に小さい。
In the third process, the flow rate of the non-permeate gas increases simultaneously with the opening of the opening /
On the other hand, there is no change in the pressure (permeation pressure) in the
なお、第3の過程の所要時間(T3)は、特に限定されるものではなく、密閉容器6の体積(V)、排出圧(B)及び排出ガスの流量(排出流量ともいう、G)に応じて適宜選択することができる。
ここで、密閉容器6の体積(V)については第1の過程で説明した通りである。
排出圧(B)が高ければ第3の過程の所要時間が長くなる。これは、残留ガス成分量が増えているためである。
The time required for the third process (T 3 ) is not particularly limited, and the volume (V), discharge pressure (B), and exhaust gas flow rate (also referred to as discharge flow rate, G) of the sealed
Here, the volume (V) of the sealed
The higher the discharge pressure (B), the longer the time required for the third process. This is because the amount of residual gas components is increasing.
排出流量(G)が大きければ第3の過程の所要時間が短くなるが炭素膜ユニット2に破損等のダメージを与える恐れがある。そのため、線速度:10cm/sec以下で供給することが好ましく、線速度:1cm/sec以下とすることがより好ましい。但し、炭素膜2aに対してガス流れが直接当たらないように抵抗板や拡散板などを導入した場合には、この限りではない。
If the discharge flow rate (G) is large, the time required for the third process is shortened, but the
以上説明した各条件から第3の過程の所要時間(T3)を表現すると、下記式(4)のように関係づけられる。
T4∝(V×B)/(G) ・・・(4)
When the required time (T 3 ) of the third process is expressed from each condition described above, it is related as shown in the following formula (4).
T 4 ∝ (V × B) / (G) (4)
例えば、後述する実施例に示した膜面積1114cm2(膜性能:水素の透過速度=5×10−5cm3(STP)/cm2/sec/cmHg、(水素/モノシランの分離係数)=約5000)の炭素膜ユニットが十分に密に備わった密閉容器に、排出圧0.12MPaGから約100sccmで排出する場合には、約2分間で0MPaGに達することとなる。 For example, the membrane area 1114 cm 2 (membrane performance: hydrogen permeation rate = 5 × 10 −5 cm 3 (STP) / cm 2 / sec / cmHg, (hydrogen / monosilane separation factor) = approximately shown in the examples described later. In the case of discharging from a discharge pressure of 0.12 MPaG to about 100 sccm into a sealed container having a sufficiently dense carbon membrane unit of 5000), the pressure reaches 0 MPaG in about 2 minutes.
(第4の過程)
次に、水素化物系ガスを含む混合ガスの回収開始から所定時間が経過したとき又は密閉容器6内(すなわち未透過側である第1の空間11及び第3の空間13)が所定の圧力に到達したときに、未透過ガス排出口5の開閉バルブ5aを閉止する。これにより、第1の過程の開始直前の状態に戻ることとなる。
(Fourth process)
Next, when a predetermined time has elapsed from the start of the recovery of the mixed gas containing the hydride-based gas, or the inside of the sealed container 6 (that is, the
なお、本発明の気体分離装置の運転方法における運転サイクルの所要時間(T)を、上述した各過程の所要時間によって表現すると下記式(5)のように表すことができる。
T=T1+T2+T3 ・・・(5)
In addition, when the required time (T) of the operation cycle in the operation method of the gas separation device of the present invention is expressed by the required time of each process described above, it can be expressed as the following formula (5).
T = T 1 + T 2 + T 3 (5)
本実施形態の残存ガスの回収方法では、炭素膜モジュール1を、このような第1〜第4の過程の分離操作(以下、「回分操作」という)からなる運転サイクルを連続的に繰り返す(このような方式を「回分式」という)ことを特徴としている。
このような回分操作により、分子径の大きな水素化物系ガスは、第1及び第2の過程において炭素膜ユニット2の高圧側(炭素膜の未透過側)に濃縮分離され、第3の過程で回収される。一方、分子径の小さな水素、ヘリウム等の希釈ガスは、炭素膜ユニット2の低圧側(炭素膜の透過側)から第1〜第4の過程において連続的に回収される。
In the residual gas recovery method of the present embodiment, the
By such batch operation, the hydride gas having a large molecular diameter is concentrated and separated on the high pressure side (carbon membrane non-permeation side) of the
ところで、上述の第1の実施形態の残存ガスの回収方法において、例えば、分離膜である炭素膜に分子径の小さな水素90%、分子径の大きなモノシラン10%の混合ガスを連続的に供給した場合(連続式のガス分離方法)、透過側では水素がほぼ100%となり、未透過側ではモノシランが約60%(水素40%)の分離性能であった。 By the way, in the residual gas recovery method of the first embodiment described above, for example, a mixed gas of 90% hydrogen with a small molecular diameter and 10% monosilane with a large molecular diameter is continuously supplied to a carbon membrane as a separation membrane. In the case (continuous gas separation method), the separation performance was about 100% hydrogen on the permeate side and about 60% monosilane (40% hydrogen) on the non-permeate side.
これに対して、回分式のガス分離方法を用いた本実施形態の残存ガスの回収方法によれば、透過側において水素がほぼ100%、未透過側においてモノシランが約90%以上(水素10%以下)の分離性能で分離操作を行うことができる。 In contrast, according to the residual gas recovery method of the present embodiment using a batch type gas separation method, hydrogen is approximately 100% on the permeate side and monosilane is approximately 90% or more on the non-permeate side (10% hydrogen). The separation operation can be performed with the following separation performance.
以上説明したように、本実施形態の残存ガスの回収方法によれば、上述した第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、回分式のガス分離方法を用いた構成となっているため、第1の実施形態よりも少ない膜面積で十分な分離性能を持って操作を行うことが可能となる。
As described above, according to the residual gas recovery method of the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained.
Further, in this embodiment, since a configuration using a batch type gas separation method is used, it is possible to perform an operation with a sufficient separation performance with a smaller membrane area than in the first embodiment.
<第3の実施形態>
次に、本発明を適用した第3の実施形態について説明する。本実施形態では、第1及び第2の実施形態の残存ガスの回収方法とは一部が異なる構成となっている。本実施形態の残存ガスの回収に用いる回収装置及び炭素膜モジュールについては、第1及び第2の実施形態と同一の構成部分については同じ符号を付すると共に説明を省略する。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment to which the present invention is applied will be described. This embodiment has a configuration that is partially different from the residual gas recovery method of the first and second embodiments. About the collection | recovery apparatus and carbon membrane module which are used for collection | recovery of the residual gas of this embodiment, about the same component as 1st and 2nd embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
第1及び第2の実施形態の回収装置31、32が炭素膜モジュールを単独で使用しているのに対して、本実施形態の残存ガスの回収方法に用いる回収装置33は、図5に示すように2つの炭素膜モジュール1A,1Bからなる炭素膜モジュールユニット10を用いる点で異なっている。また、第1及び第2の実施形態の回収装置31、32がシリンダー21を一つ接続しているのに対して、第3の実施形態の回収装置33は2つ接続している点で異なっている。
Whereas the
図6に示すように、本実施形態に用いる炭素膜モジュールは、2つの炭素膜モジュール1A、1Bが経路L1〜L4から分岐された経路L1A〜L4A及び経路L1B〜L4Bによって並列に接続された炭素膜モジュールユニット10を構成している。
As shown in FIG. 6, the carbon membrane module used in the present embodiment is a carbon in which two
次に、上述の炭素膜モジュールユニット10を備えた回収装置33を用いた、本実施形態の残存ガスの回収方法について説明する。
本実施形態の残存ガスの回収方法では、先ず、並列に接続された炭素膜モジュールのうち、例えば炭素膜モジュール1Aについて、上述の第2実施形態において説明した第1〜第4の過程からなる運転サイクルを連続的に繰り返して運転する。
Next, the residual gas recovery method of the present embodiment using the
In the residual gas recovery method of the present embodiment, first, among the carbon membrane modules connected in parallel, for example, the
次に、並列に接続された他方の炭素膜モジュール1Bを、一方の炭素膜モジュール1Aの運転サイクルに対して所定の間隔だけずらした同一の運転サイクルで運転する。
具体的には、2つの炭素膜モジュールを並列に接続する場合には、炭素膜モジュール1Bの運転サイクルの位相を炭素膜モジュール1Aに対して1/2周期ずらすことが好ましい。
さらに、2つの炭素膜モジュールを並列に接続し、運転サイクルを1/2周期ずらして運転する場合には、上記式(5)において、T1=1/2T、すなわち、T1=T2+T3の関係とすることが好ましい。
Next, the other
Specifically, when two carbon membrane modules are connected in parallel, it is preferable to shift the phase of the operation cycle of the
Further, when two carbon membrane modules are connected in parallel and the operation cycle is shifted by 1/2 period, in the above formula (5), T 1 = 1 / 2T, that is, T 1 = T 2 + T The relationship of 3 is preferable.
なお、シリンダー21Aから先に炭素膜モジュールユニット10に混合ガスを供給し、このシリンダー21Aの残圧が少なくなったら、シリンダー21Bへと切り替えることにより、混合ガスを連続的に炭素膜モジュールユニット10へと供給することができる。また、回収が完了したシリンダー21Aを取り外して、次のシリンダーを取り付けることができる。
When the mixed gas is supplied to the carbon
以上説明したように、本実施形態の残存ガスの回収方法によれば、上述した第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、2つの炭素膜モジュールを並列に接続した炭素膜モジュールユニットを用いた構成となっているため、回収装置33全体として連続的な分離操作を行うことが可能となる。
As described above, according to the residual gas recovery method of the present embodiment, the same effects as those of the second embodiment described above can be obtained.
Moreover, in this embodiment, since it becomes the structure using the carbon membrane module unit which connected two carbon membrane modules in parallel, it becomes possible to perform continuous isolation | separation operation as the collection |
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述の第3実施形態の回収装置33では、2つの炭素膜モジュールを並列に接続しているが、特に限定されるもではなく、3つ以上の炭素膜モジュールを並列に接続してもよい。また、2つ以上の炭素膜モジュールを直列に接続して中ユニットを形成し、これを2以上並列に接続した形態としてもよい。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the
複数の炭素膜モジュールを並列に接続して、回分式により連続的な分離操作を行う際には、1サイクルの所要時間(T)を第1の過程の所要時間(T1)で徐した値以上の整数値(N)が必要な分離膜モジュールの数である。
N≧T/T1 ・・・(6)
When a plurality of carbon membrane modules are connected in parallel and a continuous separation operation is performed by a batch system, the time required for one cycle (T) is a value obtained by grading the time required for the first process (T 1 ). The above integer value (N) is the number of required separation membrane modules.
N ≧ T / T 1 (6)
複数の炭素膜モジュールを並列に接続して、回分式により連続的な分離操作を行う際には、T1=1/2Tにできない場合もある。
この場合、第3の過程の所要時間(T3)は、未透過ガス排出口から混合ガスを回収する過程に必要な時間に、気体分離膜装置が回分方式により連続的な分離操作を行えるための調整時間を加えることによる。
When a plurality of carbon membrane modules are connected in parallel and a continuous separation operation is performed by a batch method, T 1 = 1 / 2T may not be achieved.
In this case, since the time required for the third process (T 3 ) is a time required for the process of recovering the mixed gas from the non-permeated gas discharge port, the gas separation membrane apparatus can perform a continuous separation operation by a batch method. By adding the adjustment time.
前記調整時間は以下のようにして決定する。
例えば、T1=3、T2=20、T3=5、T=28の場合、式(6)よりN≧9.333・・・であり、炭素膜モジュール数は10となる。
The adjustment time is determined as follows.
For example, when T 1 = 3, T 2 = 20, T 3 = 5, and T = 28, N ≧ 9.333... From Equation (6), and the number of carbon membrane modules is 10.
1番目の炭素膜モジュールで第1の過程が終了すると、順次、2番目、3番目・・・の炭素膜モジュールで第1の過程が開始する。最後の10番目の炭素膜モジュールで第1の過程が開始して1分後に、1番目の炭素膜モジュールの1サイクルが終了する。ここで、10番目の炭素膜モジュールはまだ第1の過程の途中なので、1番目の炭素膜モジュールのT3に調整時間(待機時間)を2分設けることで、気体分離膜装置が回分方式により連続的な分離操作が行える。
2番目以降の炭素膜モジュールも1番目の炭素膜モジュールと同様に調整時間を加味する。
When the first process is completed in the first carbon membrane module, the first process is sequentially started in the second, third,. One cycle after the first process starts in the last tenth carbon membrane module, one cycle of the first carbon membrane module ends. Since 10-th of the middle of the carbon membrane module is still the first step, the adjustment time to the first of T 3 carbon membrane module (the waiting time) by providing 2 minutes, the gas separation membrane device batchwise Continuous separation operation can be performed.
Similarly to the first carbon membrane module, the second and subsequent carbon membrane modules also take adjustment time into account.
希釈混合ガスが充填された使用済みのシリンダーを返却する場合には、残ガスとしてシリンダー内に多少のガスを残したまま返却されることが一般的である。返却されたときのシリンダー圧力(残存ガス圧力)は、希釈混合ガスの使用用途、希釈ガス、希釈されるガス種類によってまちまちである。高くても1MPaG、通常0.5MPaG程度の残ガス圧力であることが一般である。 When returning a used cylinder filled with a diluted mixed gas, it is generally returned as a residual gas with some gas left in the cylinder. When returned, the cylinder pressure (residual gas pressure) varies depending on the intended use of the diluted mixed gas, the diluted gas, and the type of gas to be diluted. Generally, the residual gas pressure is at most 1 MPaG, usually about 0.5 MPaG.
本実施形態の残存ガスの回収方法は、残存ガス圧力そのものが分離膜にて分離するための操作圧力となる。このため、残存ガス圧力が高い時には非常に効率よく分離すること、優れた分離性能で分離することが可能である。しかし、残存ガス圧力が低下してくると効率よく分離することができにくくなり、分離性能の低下をもたらす。 In the residual gas recovery method of the present embodiment, the residual gas pressure itself becomes an operation pressure for separation by the separation membrane. For this reason, when the residual gas pressure is high, it is possible to perform separation very efficiently and separation with excellent separation performance. However, when the residual gas pressure decreases, it becomes difficult to perform separation efficiently, resulting in a decrease in separation performance.
残存ガス圧力の観点から連続式のガス分離方法と回分式のガス分離方法とを比較すれば、後者より前者のほうが残存ガス圧力の影響を大きく受ける。後者にも少なからず影響があるが、全行程に対して第2の工程が占める割合を大きくする(第2の工程の所要時間をある程度長くなるようにする)ことで、分離性能を維持することができる。
前者は大きく影響を受けるものの、流量計9を使って、背圧の低下に応じて供給ガス(未透過ガス)流量を減少させることで、分離性能をなるだけ維持するようにすることは可能である。
If the continuous gas separation method and the batch type gas separation method are compared from the viewpoint of the residual gas pressure, the former is more influenced by the residual gas pressure than the latter. Although the latter has a considerable influence, maintaining the separation performance by increasing the proportion of the second step in the entire process (by increasing the time required for the second step to some extent). Can do.
Although the former is greatly affected, it is possible to maintain the separation performance as much as possible by reducing the flow rate of the supply gas (unpermeated gas) according to the decrease in the back pressure using the
本発明の残存ガスの回収方法において、炭素膜モジュールの上記分離操作を行う温度(操作温度)は特に限定されるものではなく、分離膜の分離性能に応じて適宜設定することが可能である。ここでいう操作温度は、分離膜モジュールの周辺操作を想定しており、−20℃〜120℃の温度範囲が適切とされる。操作温度を高くすると、透過流量を増大させることができるとともに、回分操作の処理時間を短くすることも可能となる。 In the residual gas recovery method of the present invention, the temperature (operation temperature) for performing the above-described separation operation of the carbon membrane module is not particularly limited, and can be appropriately set according to the separation performance of the separation membrane. The operating temperature here assumes peripheral operation of the separation membrane module, and a temperature range of −20 ° C. to 120 ° C. is appropriate. When the operation temperature is increased, the permeate flow rate can be increased and the processing time of the batch operation can be shortened.
本発明の残存ガスの回収方法において、(炭素膜ユニットの高圧側の)圧力(操作圧力)は特に限定されるものではなく、分離膜の分離性能に応じて適宜設定することが可能である。具体的には、炭素膜モジュールへ供給されるガスの圧力は、支持体を使用すれば1MPaG以上に設定することが可能であり、通常は0.5MPaG程度の圧力が保持される。この支持体は炭素膜が圧壊しないようにする部材である。操作圧力を高くすれば透過流量を増大させることができ、回分操作の処理時間を短くすることも可能となる。 In the residual gas recovery method of the present invention, the pressure (operating pressure) (on the high pressure side of the carbon membrane unit) is not particularly limited, and can be set as appropriate according to the separation performance of the separation membrane. Specifically, the pressure of the gas supplied to the carbon membrane module can be set to 1 MPaG or more if a support is used, and normally a pressure of about 0.5 MPaG is maintained. This support is a member that prevents the carbon film from being crushed. If the operation pressure is increased, the permeate flow rate can be increased, and the processing time of the batch operation can be shortened.
また、上述の第2及び第3の実施形態では、図4に示す炭素膜モジュール1において、炭素膜ユニット2の低圧側(透過側)である第2の空間12は、真空に引くことが好ましい。第2の空間12を真空に引くことは、炭素膜ユニット2の高圧側(未透過側)と炭素膜ユニット2の低圧側(透過側)との圧力差を大きくする効果もあるが、炭素膜ユニット2の高圧側(未透過側)と分離膜ユニット2の低圧側(透過側)との圧力比を特に大きくすることができる。なお、分離膜による分離性能には、圧力差、圧力比、どちらも大きいことが好ましいが、分離性能に対しては圧力比のほうが影響を与える。
In the second and third embodiments described above, in the
また、図4に示す炭素膜モジュール1において、炭素膜ユニット2の低圧側(透過側)に掃引ガスを流すことも、真空に引くのと同様な効果が得られる。掃引ガス供給口8の開閉バルブを開放して、第2の空間12内に掃引ガスを所定の流量で供給する。
なお、掃引ガスは、透過ガスと同じ成分(すなわち、混合ガスの希釈成分)とすることで透過側のガスも効率良く回収することができる。また、掃引ガスとして、透過ガス排出口4から回収した透過したガスの一部を利用してもよい。
Further, in the
The sweep gas is the same component as the permeate gas (that is, a diluted component of the mixed gas), so that the gas on the permeate side can be efficiently recovered. Further, a part of the permeated gas recovered from the permeated
本発明の残存ガスの回収方法において、混合ガスの炭素膜モジュール1,20への供給形態としては、例えば上記のような中空糸状の場合には、中空糸状の分離膜の中に高圧のガスを供給する場合(芯側供給)と、中空糸状の分離膜の周りに高圧のガスを供給する場合(外側供給)の二通りのパターンが考えられるが、図2及び図4に示すように芯側供給の方が分離性能を向上させて運転することができるために好ましい。
In the residual gas recovery method of the present invention, the mixed gas is supplied to the
本発明の残存ガスの回収方法において、1つの炭素膜モジュール1あたりのガス処理量を増やすためには膜面積を増やす(中空糸状の炭素膜の場合には本数を増やす)、第2の空間12の容積を減らす等方法がある。後者の場合、ガスと分離膜とを十分に接触させるために、空間内の構造を工夫したりミキサーを加えたりする必要がある。
In the method for recovering residual gas of the present invention, in order to increase the gas throughput per one
以下、具体例を示す。ただし、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 Specific examples are shown below. However, the present invention is not limited to the following examples.
(参考例1)
図2に示す分離膜モジュールを用いて、残存ガスの回収(連続式のガス分離)を行なった。
( Reference Example 1)
Recovery of residual gas (continuous gas separation) was performed using the separation membrane module shown in FIG.
下記のような条件で分離膜モジュールに混合ガスを連続的に供給した。また、未透過側及び透過側のガス組成をそれぞれ測定した。なお、体積濃度測定は、熱伝導度検出器を備えるガスクロマトグラフィー(GC−TCD)を使用した。結果を表1に示す。 The mixed gas was continuously supplied to the separation membrane module under the following conditions. Moreover, the gas composition of the non-permeation | transmission side and the permeation | transmission side was measured, respectively. In addition, the gas concentration (GC-TCD) provided with a thermal conductivity detector was used for the volume concentration measurement. The results are shown in Table 1.
(分離膜モジュール)
・中空糸状炭素膜チューブ
・前記チューブの総表面積:1114cm2
・25℃に保持
(混合ガス)
・混合ガス組成:モノシラン 10.3体積%
:水素 89.7体積%
(操作条件)
・供給ガス流量:前記混合ガスを約150sccm
・残存ガス初期圧力:0.2MPaG
・透過側圧力:−0.088MPaG(真空ポンプやバキュームジェネレータ−等を利用)
・背圧弁:残存ガス圧力に応じてその圧力と同等もしくはそれよりは若干低い値に設定。
(Separation membrane module)
-Hollow fiber carbon membrane tube-Total surface area of the tube: 1114 cm 2
・ Hold at 25 ℃ (mixed gas)
-Gas composition: Monosilane 10.3% by volume
: Hydrogen 89.7% by volume
(Operating conditions)
-Supply gas flow rate: about 150 sccm of the mixed gas
-Residual gas initial pressure: 0.2 MPaG
-Permeation pressure: -0.088MPaG (uses vacuum pump, vacuum generator, etc.)
・ Back pressure valve: Set to a value that is equal to or slightly lower than the pressure depending on the residual gas pressure.
図7に示すように、残存ガス圧力が十分にある初期(0.2MPaG)の時は、未透過ガス中のモノシラン(SiH4)濃度を約60vol.%まで濃縮できた。一方、残存ガス圧力が0.05MPaGの時は、未透過ガス中のモノシラン(SiH4)濃度は30vol.%の濃縮となった。 As shown in FIG. 7, at the initial stage (0.2 MPaG) where the residual gas pressure is sufficiently high, the monosilane (SiH 4 ) concentration in the non-permeated gas is about 60 vol. % Could be concentrated. On the other hand, when the residual gas pressure is 0.05 MPaG, the concentration of monosilane (SiH 4 ) in the non-permeated gas is 30 vol. % Concentration.
(実施例2)
図4に示す分離膜モジュールを用いて、残存ガスの回収(回分式のガス分離)を行なった。
(Example 2)
Using the separation membrane module shown in FIG. 4, the residual gas was recovered (batch type gas separation).
下記のような条件で分離膜モジュールに混合ガスを回分式で供給して、3サイクル行った。その結果、残存ガス圧力(充填圧)0.2MPaGの場合、排出圧0.12MPaGとなり、1サイクルの所要時間の内訳は、第1の過程(供給過程)約7分間、第2の過程(分離過程)約5分間、第3の過程(排出過程)約2分間となった。
また、残存ガス圧力(充填圧)0.05MPaGの場合、排出圧0.02MPaGとなり、1サイクルの所要時間としては、第1の過程(供給過程)約2分間、第2の過程(分離過程)約5分間、第3の過程(排出過程)約1分間となった。
The mixed gas was supplied batchwise to the separation membrane module under the following conditions, and three cycles were performed. As a result, when the residual gas pressure (filling pressure) is 0.2 MPaG, the exhaust pressure is 0.12 MPaG, and the breakdown of the time required for one cycle is about 7 minutes for the first process (supply process) and the second process (separation). Process) It took about 5 minutes and the third process (discharge process) was about 2 minutes.
Further, when the residual gas pressure (filling pressure) is 0.05 MPaG, the discharge pressure is 0.02 MPaG, and the required time for one cycle is the first process (supply process) for about 2 minutes and the second process (separation process). The third process (discharge process) took about 1 minute for about 5 minutes.
また、未透過側及び透過側のガス組成をそれぞれ測定した。なお、体積濃度測定は、熱伝導度検出器を備えるガスクロマトグラフィー(GC−TCD)を使用した。結果を表1に示す。 Moreover, the gas composition of the non-permeation | transmission side and the permeation | transmission side was measured, respectively. In addition, the gas concentration (GC-TCD) provided with a thermal conductivity detector was used for the volume concentration measurement. The results are shown in Table 1.
(分離膜モジュール)
・中空糸状炭素膜チューブ
・前記チューブの総表面積:1114cm2
・25℃に保持
(混合ガス)
・混合ガス組成:モノシラン 10.3体積%
:水素 89.7体積%
(操作条件)
・供給ガス流量:前記混合ガスを約150sccm
・残ガス初期圧力:0.2MPaG
・透過側圧力:−0.088MPaG(真空ポンプやバキュームジェネレータ−等を利用)
・背圧弁:残存ガス圧力に応じてその圧力と同等もしくはそれよりは若干低い値に設定。
・排出ガス流量:約100sccmもしくはそれ以下
(Separation membrane module)
-Hollow fiber carbon membrane tube-Total surface area of the tube: 1114 cm 2
・ Hold at 25 ℃ (mixed gas)
-Gas composition: Monosilane 10.3% by volume
: Hydrogen 89.7% by volume
(Operating conditions)
-Supply gas flow rate: about 150 sccm of the mixed gas
-Residual gas initial pressure: 0.2 MPaG
-Permeation pressure: -0.088MPaG (uses vacuum pump, vacuum generator, etc.)
・ Back pressure valve: Set to a value that is equal to or slightly lower than the pressure depending on the residual gas pressure.
・ Exhaust gas flow rate: about 100 sccm or less
図8に示すように、残存ガス圧力が十分にある初期(0.2MPaG)の時は、未透過ガス中のモノシラン(SiH4)濃度を約87.5vol.%まで濃縮できた。一方、図9に示すように、残存ガス圧力がほぼ0である(0.05MPaG)時は、未透過ガス中のモノシラン(SiH4)濃度は78.6vol.%の濃縮となった。 As shown in FIG. 8, when the residual gas pressure is sufficiently high (0.2 MPaG), the concentration of monosilane (SiH 4 ) in the non-permeated gas is about 87.5 vol. % Could be concentrated. On the other hand, as shown in FIG. 9, when the residual gas pressure is approximately 0 (0.05 MPaG), the monosilane (SiH 4 ) concentration in the non-permeated gas is 78.6 vol. % Concentration.
全所要時間は、残存ガス圧力0.2MPaGの時は14分間、残存ガス圧力0.05MPaGの時は8分間であった。 The total time required was 14 minutes when the residual gas pressure was 0.2 MPaG and 8 minutes when the residual gas pressure was 0.05 MPaG.
回収量は、残存ガス圧力が0.2MPaGの時は91.7cc、残存ガス圧力が0.05MPaGの時は22ccであった。 The recovered amount was 91.7 cc when the residual gas pressure was 0.2 MPaG, and 22 cc when the residual gas pressure was 0.05 MPaG.
表1に示すように、参考例1と実施例2とを比較する。回分式のガス分離を行なった実施例2では、連続式のガス分離を行なった参考例1よりも未透過ガス組成中のモノシラン濃度を大きく向上させることができた。
As shown in Table 1, Reference Example 1 and Example 2 are compared. In Example 2 in which batch-type gas separation was performed, the monosilane concentration in the non-permeated gas composition could be greatly improved as compared with Reference Example 1 in which continuous gas separation was performed.
また、特にシリンダー残圧が低下した場合でも、実施例2の回分式であれば、未透過ガス組成中のモノシラン濃度を大きく高めることができた。 In particular, even when the cylinder residual pressure decreased, the monosilane concentration in the non-permeated gas composition could be greatly increased with the batch system of Example 2.
一方、総排出流量(モノシラン量としては総排出量×未透過ガス中モノシラン濃度)が実施例2の場合は少ない。総排出量を維持したい場合は、分離膜モジュールを複数並列接続して分離回収を行えばよい。時間はかかるが回分式のガス分離を連続的に行うことで総排出量を維持することが可能である。 On the other hand, the total discharge flow rate (the total discharge amount × the monosilane concentration in the non-permeated gas) is small in Example 2. In order to maintain the total discharge amount, a plurality of separation membrane modules may be connected in parallel and separated and recovered. Although it takes time, it is possible to maintain the total discharge by continuously performing batch-type gas separation.
本発明は、少ない膜面積、少ない分離膜モジュール数でも高い気体分離性能を発揮してガス分離を行うことが可能な気体分離装置の運転方法に関するものである。特に、分子径の大きなガス成分と分子径の小さなガス成分(水素、ヘリウム等)を分離する場合に非常に利用可能性がある。 The present invention relates to a method of operating a gas separation apparatus that can perform gas separation with high gas separation performance even with a small membrane area and a small number of separation membrane modules. In particular, it is very useful when separating a gas component having a large molecular diameter and a gas component having a small molecular diameter (hydrogen, helium, etc.).
1(1A,1B),20…炭素膜モジュール(分離膜モジュール)
2…炭素膜ユニット(分離膜ユニット)
2a…中空糸状炭素膜(気体分離膜)
3…ガス供給口
3a…開閉バルブ
4…透過ガス排出口
4a…開閉バルブ
5…未透過ガス排出口
5a…開閉バルブ
6…密閉容器
7…樹脂壁
8…掃引ガス供給口
8a…開閉バルブ
9…流量計
10…炭素膜モジュールユニット
11…第1の空間
12…第2の空間
13…第3の空間
14a,14b,14c…圧力計
15…背圧弁(減圧弁)
31,32,33…回収装置
1 (1A, 1B), 20 ... carbon membrane module (separation membrane module)
2. Carbon membrane unit (separation membrane unit)
2a: hollow fiber carbon membrane (gas separation membrane)
3 ...
31, 32, 33 ... recovery device
Claims (4)
前記分子径の大きなガス成分が、アルシン、ホスフィン、セレン化水素、モノシラン、モノゲルマンからなる水素化物系ガスのうち、いずれか1つ又は2以上からなり、
前記分離膜モジュールが、
前記気体分離膜が収納された密閉容器の、当該気体分離膜の未透過側の空間と連通するように設けられた未透過ガス排出口を閉止し、当該気体分離膜の透過側の空間と連通するように設けられた透過ガス排出口を開放した状態で、ガス供給口を開放して前記密閉容器内に分子径が小さなガス成分と分子径が大きなガス成分とが含まれる混合ガスを供給し、充圧する第1の過程と、
前記混合ガスの供給開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記ガス供給口を閉止して前記混合ガスの供給を停止し、当該状態を保持する第2の過程と、
前記保持状態の開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を開放して当該未透過ガス排出口から前記分子径の大きなガス成分を含む混合ガスを回収する第3の過程と、
前記回収開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を閉止する第4の過程と、からなる運転サイクルを連続的に繰り返すことを特徴とするガスを分離して残存ガスを回収する残存ガスの回収方法。 Supply a mixed gas of a gas component having a large molecular diameter and a gas component having a small molecular diameter with a component concentration of 10% or more remaining in a used cylinder to a separation membrane module having a gas separation membrane having a molecular sieving action. after separating the mixed gas into a large gas component of the molecular diameters small gas component of the molecular diameter, the recovery of the residual gas in which the molecular diameter as small gas component of the molecule diameter to recover a large gas component respectively A method,
The gas component having a large molecular diameter is composed of any one or two or more of hydride gases composed of arsine, phosphine, hydrogen selenide, monosilane, monogermane,
The separation membrane module is
Close the non-permeate gas outlet provided in the sealed container containing the gas separation membrane so as to communicate with the space on the non-permeate side of the gas separation membrane, and communicate with the space on the permeate side of the gas separation membrane. In a state where the permeated gas discharge port provided is opened, the gas supply port is opened to supply a mixed gas containing a gas component having a small molecular diameter and a gas component having a large molecular diameter into the sealed container. A first process of charging,
When a predetermined time has elapsed from the start of the supply of the mixed gas or when the inside of the sealed container reaches a predetermined pressure, the gas supply port is closed to stop the supply of the mixed gas, and the state is maintained. The second process,
When a predetermined time has elapsed from the start of the holding state or when the inside of the sealed container has reached a predetermined pressure, the gas having a large molecular diameter is opened from the non-permeated gas discharge port. A third step of recovering the mixed gas containing the components;
When a predetermined time has elapsed from the start of the recovery or when the inside of the closed container reaches a predetermined pressure, an operation cycle consisting of a fourth process of closing the non-permeate gas outlet is continuously repeated. A residual gas recovery method for separating the gas characterized by the above and recovering the residual gas.
前記分子径の大きなガス成分が、アルシン、ホスフィン、セレン化水素、モノシラン、モノゲルマンからなる水素化物系ガスのうち、いずれか1つ又は2以上からなり、
2以上の前記分離膜モジュールを並列に接続し、
1つの分離膜モジュールを、
前記気体分離膜が収納された密閉容器の、当該気体分離膜の未透過側の空間と連通するように設けられた未透過ガス排出口を閉止し、当該気体分離膜の透過側の空間と連通するように設けられた透過ガス排出口を開放した状態で、ガス供給口を開放して前記密閉容器内に分子径が小さなガス成分と分子径が大きなガス成分とが含まれる混合ガスを供給し、充圧する第1の過程と、
前記混合ガスの供給開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記ガス供給口を閉止して前記混合ガスの供給を停止し、当該状態を保持する第2の過程と、
前記保持状態の開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を開放して当該未透過ガス排出口から前記分子径の大きなガス成分を含む混合ガスを回収する第3の過程と、
前記回収開始から所定時間が経過したとき又は前記密閉容器内が所定の圧力に到達したときに、前記未透過ガス排出口を閉止する第4の過程と、からなる運転サイクルを連続的に繰り返して運転し、
他の分離膜モジュールを、1つの前記分離膜モジュールの前記運転サイクルに対して所定の間隔ずつずらした運転サイクルでそれぞれ運転することを特徴とするガスを分離して残存ガスを回収する残存ガスの回収方法。 Supply a mixed gas of a gas component having a large molecular diameter and a gas component having a small molecular diameter with a component concentration of 10% or more remaining in a used cylinder to a separation membrane module having a gas separation membrane having a molecular sieving action. after separating the mixed gas into a large gas component of the molecular diameters small gas component of the molecular diameter, the recovery of the residual gas in which the molecular diameter as small gas component of the molecule diameter to recover a large gas component respectively A method,
The gas component having a large molecular diameter is composed of any one or two or more of hydride gases composed of arsine, phosphine, hydrogen selenide, monosilane, monogermane,
Connecting two or more separation membrane modules in parallel;
One separation membrane module
Close the non-permeate gas outlet provided in the sealed container containing the gas separation membrane so as to communicate with the space on the non-permeate side of the gas separation membrane, and communicate with the space on the permeate side of the gas separation membrane. In a state where the permeated gas discharge port provided is opened, the gas supply port is opened to supply a mixed gas containing a gas component having a small molecular diameter and a gas component having a large molecular diameter into the sealed container. A first process of charging,
When a predetermined time has elapsed from the start of the supply of the mixed gas or when the inside of the sealed container reaches a predetermined pressure, the gas supply port is closed to stop the supply of the mixed gas, and the state is maintained. The second process,
When a predetermined time has elapsed from the start of the holding state or when the inside of the sealed container has reached a predetermined pressure, the gas having a large molecular diameter is opened from the non-permeated gas discharge port. A third step of recovering the mixed gas containing the components;
When a predetermined time has elapsed from the start of the recovery or when the inside of the sealed container reaches a predetermined pressure, an operation cycle consisting of a fourth process of closing the unpermeated gas discharge port is continuously repeated. Drive,
Other separation membrane module, one of the separation membrane the remaining gas of the gas, characterized in that the driving respectively the operating cycle operating cycle shifted by a predetermined interval to recover separated by residual gas module Collection method.
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