JPH0624604B2 - 軽質ガス精製装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ヘリウム（Ｈｅ）もしくは水素（Ｈ_２）な
どの軽質ガスを含む混合ガスから水分（Ｈ_２Ｏ）、二酸
化炭素（ＣＯ_２）および空気成分などの不純物を除去し
てＨｅもしくはＨ_２を精製回収する装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来、軽質ガス精製装置としては低温吸着法による精製
装置、凝固法による精製装置、分離膜法と圧力スイング
吸着法との組合せによる精製装置（例えば特開昭６１−
１２７６０９号公報参照）などが知られている。これら
のうち、低温吸着法による精製装置や凝固法による精製
装置では不純物の吸着や凝固に寒冷を必要とするため
に、分離膜法と圧力スイング吸着法との組分せによる精
製装置が常温操作をすることができる点で理想的なもの
と考えられている。

上記分離膜法と圧力スイング吸着法との組合せによる精
製装置は、第２図に示すように気体分離膜精製手段２ａ
と圧力スイング吸着手段４ａとを直列接続したものであ
る。この精製装置において、原料ガス供給管路１２ａか
ら供給される原料ガスは原料ガス圧縮機１０ａによって
加圧され、この加圧された原料ガスを前処理塔７のいず
れかの吸着塔７１，７２に通すことにより原料ガスから
Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２成分を除去し、残りのガスを導入管
２０ａを介して気体分離膜精製手段２ａに導入する。こ
の導入された原料ガスのうち分離膜２１ａに対して不透
過性を示すＯ_２やＮ_２などの不純成分は排出管２３ａか
ら系外に放出され、透過性を示す軽質ガス（Ｈｅ）など
からなる処理済みガス（以下単に半製品ガスという）は
出口側の分離配管２２ａに流れる。

上記半製品ガスは圧縮機１０ｂによって再び加圧されて
圧力スイング吸着手段４ａのいずれかの吸着塔４１ａ，
４２ａに供給される。この吸着塔４１ａ，４２ａでは上
記半製品ガス中の不純成分が活性炭などの吸着剤に吸着
され、残りのＨｅ成分が回収管路４３ａを通して製品タ
ンク６ａに回収される。

吸着塔４１ａ，４２ａ内の吸着剤の不純成分吸着能力が
飽和に達した時には、製品タンク６ａ内の製品ガスをパ
ージ用ガスとてパージ用ガス供給管路４４ａから吸着塔
４１ａ，４２ａに逆送させることにより上記不純成分を
パージし、不純成分を含むパージガス（以下単に循環用
ガスという）はパージガス循環用管路４５ａを通して原
料ガス供給管路１２ａに戻されて再利用される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の精製装置においては、気体分離膜精製手段２
ａからの半製品ガスと圧力スイング吸着手段４ａからの
循環用ガスとはいずれも常圧に近いために、上記半製品
ガスの圧力スイング吸着手段４ａへの供給、循環用ガス
の気体分離膜精製手段２ａへの供給に際しては、それぞ
れの経路に圧縮機１０ａ，１０ｂを設け、これらの圧縮
機１０ａ，１０ｂに通すことにより調圧もしくは加圧す
る必要がある。また上記循環用ガスは圧力スイング吸着
手段４ａから間欠的に排出されるために、パージガス循
環用管路４５ａにはガス圧を均圧化するための緩衝手段
（図示せず）を別に設ける必要がある。このため上記圧
縮機１０ａ，１０ｂや緩衝手段などの分だけ装置の構成
が複雑となる。

また上記装置を連続運転させるには、複数の圧縮機１０
ａ，１０ｂの入口側および出口側のガス圧を装置全体の
運転状況に合せて数多くの制御機器によってコントロー
ルしなければならず、複雑な制御系や圧力制御操作が要
求されている。

そこで、運転操作および制御を容易化するために、圧縮
機として原料ガス圧縮機の１つだけ用い、この原料ガス
圧縮機によって加圧される原料ガスを気体分離膜精製手
段と圧力スイング吸着手段とに分岐して供給されるよう
に管路構成するとともに、気体分離膜精製手段からの半
製品ガスを原料ガス圧縮機の入口側に循環させて原料ガ
ス中の軽質ガス濃度および軽質ガス量を高めるように装
置を構成することが考えられる。

ところが、この場合においてもＨ_２ＯやＣＯ_２の除去は
前処理塔で吸着させることにより行われる。したがって
前処理塔の２つの吸着塔について吸着および再生の２工
程に切換え運転操作する必要があるとともに、この前処
理塔の分だけ装置も複雑化する。

この発明は、このような従来の欠点を解消するためにな
されたものであり、簡易な構成で、かつ運転操作を容易
に行うことができ、しかも従来と同様に高い純度および
回収率で精製することができる軽質ガス精製装置を提供
することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明では原料ガス圧縮
機と、気体分離膜精製手段と、圧力スイング吸着手段
と、フロンガス冷凍機とを有し、上記原料ガス圧縮機の
出口側は気体分離膜精製手段の入口側と、圧力スイング
吸着手段の入口側とに分岐して接続され、上記気体分離
膜精製手段の透過ガスの出口側と圧力スイング吸着手段
のパージガスの排出側とは原料ガス圧縮機の入口側の原
料ガス導入部と合流するように接続され、上記フロンガ
ス冷凍機は上記原料ガス圧縮機と圧力スイング吸着手段
との間に介在されているとともに、圧力スイング吸着手
段には水分、空気および二酸化炭素を選択的に吸着する
吸着剤が充填されているように構成した。

〔作用〕

上記構成によれば、従来装置においては前処理塔によっ
て除去されていたＨ_２ＯおよびＣＯ_２については、Ｈ_２
Ｏはフロンガス冷却機および圧力スイング吸着手段に充
填されているＨ_２Ｏを対象とした吸着剤によって、ま
た、ＣＯ_２は気体分離膜精製手段および圧力スイング吸
着手段に充填されているＣＯ_２を対象とした吸着剤によ
ってそれぞれ除去される。なお、空気については通常上
記双方の吸着剤で吸着除去される。

これによって上記前処理塔を省略することができるた
め、装置を簡易に構成することができるとともに、前処
理塔に要していた煩雑な切換え操作を行わなくてもよ
く、操業の簡素化が実現する。

このように本発明は二段構えで、しかも、フロンガス冷
凍機→圧力スイング吸着手段、という順序で軽質ガス中
に含まれている不純物を除去するように構成されている
ため、特に不純物の内のＨ_２Ｏに関しては、フロンガス
冷却機のみによっては到底到達することができない低い
濃度になるまで軽質ガス中のＨ_２Ｏを除去することが可
能になる。

〔実施例〕

第１図において、原料ガス供給管路１には原料ガス圧縮
機１０が設けられ、この原料ガス圧縮機１０の出口側原
料ガス供給管路１１は２つの分岐管１１１，１１２に分
岐され、一方の分岐管１１１は気体分離膜精製手段２の
入口側、他方の分岐管１１２はフロンガス冷凍機３を介
して圧力スイング吸着手段４の入口側とそれぞれ接続さ
れている。

気体分離膜精製手段２の分離膜２１は、Ｈｅを選択的に
透過し、ＣＯ_２および空気成分などは透過しにくい性質
を有するもので、例えば酢酸セルロース膜、ポリイミド
膜もしくはポリスルフォン酸膜などによって形成されて
いる。

上記分離膜２１を挟んで透過ガスの出口側は分離配管２
２によって原料ガス圧縮機１０入口側の入口側原料ガス
供給管路１２と合流するように接続され、これによって
分離膜２１を透過したＨｅ成分からなる半製品ガス（透
過ガス）は上記分離配管２２を通して入口側原料ガス供
給管路１２内の原料ガスと合流される。また上記分離膜
２１を透過しない不純成分は排出管２３から系外へ放出
されるようにしている。

フロンガス冷凍機３は、一般のフロン系冷媒（例えばＲ
−１２）を用いた汎用的な冷凍機であり、除去するＨ_２
Ｏが氷結しないように例えば５℃程度の温度に調整さ
れ、またドレンはオートドレンによって除去されるよう
に構成している。

圧力スイング吸着手段４は、２塔の吸着塔４１，４２か
らなり、これらの吸着塔４１，４２内にはＨ_２Ｏ除去用
の第１の吸着剤５１として例えば合成ゼオライト、ＣＯ
_２および空気成分除去用の第２の吸着剤５２として例え
ば活性炭が下部入口側から順に２層に分けて充填されて
いる。上記合成ゼオライトと活性炭とは、合成ゼオライ
トが１に対して活性炭を例えば３の割合で充填されてい
る。

上記吸着塔４１，４２の上部出口側は回収管路４３によ
って製品タンク６と接続され、これにより吸着塔４１，
４２で原料ガス中の不純成分が吸着除去された残りのＨ
ｅ成分が製品タンク６に回収されるようにしている。ま
たこの製品タンク６と上記吸着塔４１，４２の上部出口
側とはパージ用ガス供給管路４４によって互いに接続さ
れ、これにより製品タンク６内の回収Ｈｅ（製品ガス）
がパージ用ガスとして吸着塔４１，４２に逆送され、こ
の製品ガスによって吸着剤５１，５２に吸着された不純
成分が脱着されるようにしている。

吸着塔４１，４２の下部入口側と入口側原料ガス供給管
路１２とはパージガス循環用管路４５によって互いに接
続され、これによって吸着塔４１，４２内のパージガス
が上記パージガス循環用管路４５を通して入口側原料ガ
ス供給管路１２の原料ガスと合流するようにしている。

なお、上記吸着塔４１，４２への分岐管１１２からの原
料ガスの供給、回収管路４３を通した製品タンク６への
Ｈｅ成分の回収、パージ用ガス供給管路４４からの製品
ガスの供給、およびパージガス循環用管路４５を通した
パージガスの排出などは４つの３方弁４６，４７，４
８，４９の開閉操作によって切換え操作が行なわれるよ
うにしている。

また原料ガス圧縮機１０によって加圧された原料ガス
は、気体分離膜精製手段２側の分岐管１１１に対して例
えば１０〜４０％程度、圧力スイング吸着手段４側の分
岐管１１２に対して例えば９０〜６０％程度の供給比率
となるように分配される。この分配調節をするには、圧
力調整、流量調整および濃度調整などにより自動制御を
行えばよく、第１図に示す装置では気体分離膜精製手段
２側に濃度調整、圧力スイング吸着手段４側に流量調
整、原料ガス圧縮機１０側に圧力調整の自動制御手段
（図示せず）がそれぞれ設けられ、これらの自動制御に
より分配調節が行なわれている。

上記構成の軽質ガス精製装置において、原料ガス圧縮機
１０によって加圧された原料ガスが所定の供給比率で２
つの分岐管１１１，１１２に分配され、この原料ガスは
分岐管１１１を通して気体分離膜精製手段２、分岐管１
１２を通してフロンガス冷凍機３および圧力スイング吸
着手段４にそれぞれ供給される。

気体分離膜精製手段２に供給された原料ガスのうち分離
膜２１を透過しないＣＯ_２や空気成分は排出管２３を通
して放出され、上記分離膜２１を透過するＨｅ成分は分
離配管２２を通して入口側原料ガス供給管路１２に戻さ
れる。これによって原料ガス圧縮機１０に取入れられる
原料ガスのＨｅガス濃度やＨｅガス量が元の原料ガスよ
りも増加する。

分岐管１１２を通してフロンガス冷凍機３に供給された
原料ガスは、その原料ガス中のＨ_２Ｏが凝縮除去され、
所定量になればオートドレンにより排出される。このフ
ロンガス冷凍機３を通ることによりＨ_２Ｏが除去された
原料ガスは圧力スイング吸着手段４の吸着塔４１，４２
にその下部入口側から導入され、この吸着塔４１，４２
では第１の吸着剤によって上記原料ガス中のＨ_２Ｏがさ
らに吸着除去されるとともに、第２の吸着剤によってＣ
Ｏ_２や空気成分が吸着除去される。これにより導入され
た原料ガスは不純物濃度がほぼ１０ppm 以下、露点がほ
ぼ−７０℃以下になるように精製され、吸着されずに残
ったＨｅ成分が回収管路４３を通して製品タンク６に回
収される。この製品タンク６内の製品ガスは製品ガス取
出し管６１を通して取出され、例えば超電導磁石冷却用
のＨｅ液化冷媒装置などに循環されて使用される。

吸着剤５１，５２の不純物吸着能力が飽和に達した時に
は、製品タンク６の製品ガスがパージ用ガス供給管路４
４を通して吸着塔４１，４２に逆送され、この製品ガス
によって上記不純物がパージされる。このパージガスは
パージガス循環用管路４５を通して入口側原料ガス供給
管路１２に戻されて原料ガスの一部として再利用され
る。

なお上記パージ工程は間欠的に行なわれるので、入口側
原料ガス供給管路１２内を流通するガス量に変動を生じ
ることになる。ところが、この入口側原料ガス供給管路
１２には一定量で供給される原料ガスと、気体分離膜精
製手段２から戻される半製品ガスとによって比較的多量
のガスが定常的に供給されるので、上記パージガスによ
るガス量変動は比較的小さく、原料ガス圧縮機１０の圧
縮能力に大きな影響を与えることはない。

このように第１図に示す軽質ガス精製装置では、原料ガ
ス中のＨ_２Ｏがフロンガス冷凍機３と圧力スイング吸着
手段４の吸着塔４１，４２内の第１の吸着剤によって、
またＣＯ_２が上記吸着塔４１，４２内の第２の吸着剤に
よってそれぞれ確実に除去されるために、第２図に示す
従来装置における前処理塔７を省略することができる。
またフロンガス冷凍機３には原料ガスを単に通すだけで
の操作でよく、しかもこのフロンガス冷凍機３は汎用的
なもので構成することができるために、精製装置を従来
装置と比べて簡易に構成することができ、その操作も上
記前処理塔７の操作が省略される分だけ従来装置に比べ
て容易に行うことができる。しかも得られる製品ガスは
従来装置と同様のＨｅ純度および回収率を維持すること
ができる。

原料ガスとしてＨｅが９８容量％、空気成分、Ｈ_２Ｏ、
ＣＯ_２などの不純物の合計が２容量％の混合ガスを用い
て第１図に示す軽質ガス精製装置により精製試験を行っ
た結果、Ｈｅ純度９９．９９９％、露点−７５℃のＨｅ
ガスを９９．５％の回収率で得ることができた。

なお上記実施例ではフロンガス冷凍機３を分岐管１１２
上に設けているが、このフロンガス冷凍機３を設ける位
置は原料ガス圧縮機１０と圧力スイング吸着手段４との
間であればよく、例えば上記フロンガス冷凍機３を分岐
前の出口側原料ガス供給管路１１上に設けてもよい。

また上記実施例においては、第１の吸着剤と第２の吸着
剤とが２層に分けて吸着塔４１，４２内に充填されてい
るが、これに限らず、例えば上記第１の吸着剤と第２の
吸着剤とを互いに混合し、この混合された２種類の吸着
剤を上記吸着塔４１，４２内に充填してもよい。さらに
２種類の吸着剤を用いずに、１種類の吸着剤（例えば合
成ゼオライト）を吸着塔４１，４２内に充填し、この１
種類の吸着剤によってＨ_２Ｏ、ＣＯ_２および空気成分の
吸着を行なわすようにしてもよい。

また上記実施例ではＨｅを含む混合ガスからＨｅを精製
する場合について説明したが、Ｈｅの他にＨ_２もＨｅと
同様の性状を有するために、Ｈ_２を含む混合ガスからＨ
_２を精製する場合にもこの発明の精製装置を適用するこ
とができる。

〔発明の効果〕

この発明の軽質ガス精製装置によれば、従来装置では前
処理塔によって除去されていたＨ_２ＯとＣＯ_２とについ
て、Ｈ_２Ｏは汎用機器であるフロンガス冷凍機および圧
力スイング吸着手段の吸着剤、ＣＯ_２は上記圧力スイン
グ吸着手段の吸着剤によってそれぞれ確実に除去するこ
とができるので、上記前処理塔を省略することができ、
これによって装置を簡易に構成することができるととも
に、前処理塔の切換え操作などを省略することができ、
運転操作を容易に行うことができる。しかも従来と同様
に高い純度および回収率で精製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の説明図、第２図は従来の軽
質ガス精製装置の説明図である。 ２……気体分離膜精製手段、３……フロンガス冷凍機、
４……圧力スイング吸着手段、１０……原料ガス圧縮
機、１２……入口側原料ガス供給管路（原料ガス導入
部）、５１，５２……吸着剤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料ガス圧縮機と、気体分離膜精製手段
   と、圧力スイング吸着手段と、フロンガス冷凍機とを有
   し、上記原料ガス圧縮機の出口側は気体分離膜精製手段
   の入口側と、圧力スイング吸着手段の入口側とに分岐し
   て接続され、上記気体分離膜精製手段の透過ガスの出口
   側と圧力スイング吸着手段のパージガスの排出側とは原
   料ガス圧縮機の入口側の原料ガス導入部と合流するよう
   に接続され、上記フロンガス冷凍機は上記原料ガス圧縮
   機と圧力スイング吸着手段との間に介在されているとと
   もに、圧力スイング吸着手段には水分、空気および二酸
   化炭素を選択的に吸着する吸着剤が充填されていること
   を特徴とする軽質ガス精製装置。