WO2019187810A1 - 精製ガスの製造装置および精製ガスの製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a purified gas production apparatus and a purified gas production method.
- Patent Document 1 discloses a purification method for removing impurities such as oxygen and moisture contained in an inert gas such as helium by using a getter metal such as a zirconium-vanadium binary alloy. is doing.
- Patent Document 2 discloses that oxygen is removed from an inert gas by bringing an inert gas containing oxygen and moisture as impurities into contact with a getter agent mainly composed of nickel or the like under heating conditions. It is disclosed that the purified gas is produced by removing the moisture remaining in the inert gas after adsorption at room temperature.
- purified gas refers to a gas in which the concentration of impurities contained in the raw material gas is reduced.
- the getter metal such as zirconium-vanadium binary alloy used in the method for producing purified gas disclosed in Patent Document 1 has a problem that it is expensive.
- the method for producing purified gas disclosed in Patent Document 2 requires a step of cooling the raw material gas to room temperature between the step of removing oxygen in the raw material gas and the step of removing moisture from the raw material gas. Become. That is, it is necessary to provide a cooling means between the equipment for removing oxygen in the raw material gas and the equipment for removing moisture in the raw material gas. Moreover, when performing a continuous operation, the zeolite tower for removing a water
- An object of the present invention is to provide a refined gas production apparatus and a refined gas production method in which, when the raw material gas contains at least moisture and oxygen as impurities, the reduction of the amount of hydrogen in the refined gas and the reduction in the number of equipment are compatible. Is to provide.
- the present invention provides a purified gas production apparatus and a purified gas production method described below.
- a purification tower for removing at least moisture and oxygen in the raw material gas and obtaining a purified gas is provided.
- the purification tower includes a first region and a second region, and the first region includes the raw material gas.
- the purified gas which is a region for adsorbing and removing at least moisture therein, and wherein the second region is a region for removing at least oxygen in the source gas that has passed through the first region to obtain a purified gas.
- Manufacturing equipment is a region for adsorbing and removing at least moisture therein.
- a reactor a connection path for connecting the reactor and the purification tower, a first connection path for introducing the raw material gas from the reactor to the purification tower, and the reaction [1] to [1] to [2], a connection path for connecting a reactor to the purification tower, and a second connection path for returning the purified gas led out from the purification tower to the reactor. 4].
- the manufacturing apparatus according to any one of 4).
- the method further includes introducing the gas derived from the reactor into the purification tower as the source gas, and introducing the purified gas derived from the purification tower into the reactor.
- the production method according to any one of [9].
- the purified gas manufacturing apparatus and the purified gas manufacturing method satisfy both the suppression of the amount of hydrogen in the purified gas and the reduction in the number of equipment. Can be provided.
- FIG. 1 is a schematic view showing an example of the configuration of an apparatus for producing purified gas according to the present invention.
- the purified gas production apparatus 100 includes purification towers (first purification tower 1 and second purification tower 2) for removing at least moisture and oxygen in the raw material gas and obtaining purified gas.
- the purification tower includes a first region (1A, 2A) and a second region (1B, 2B).
- the first region (1A, 2A) is a region for adsorbing and removing at least moisture in the source gas.
- the second region (1B, 2B) is a region for removing the at least oxygen in the raw material gas that has passed through the first region (1A, 2A) to obtain a purified gas.
- FIG. 1 shows an example of two purification towers
- the purification tower may be one tower or three or more towers. From the viewpoint of continuously operating the purification tower, it is desirable that the purification tower is two or more.
- the first purification tower 1 is used for producing purified gas
- the second purification tower 2 is regenerated as described later. It can be regenerated with gas.
- the 2nd purification tower 2 is regenerated, the 2nd purification tower 2 can be used for manufacture of purified gas, and the 1st purification tower 1 can be regenerated with regeneration gas mentioned below. That is, it is possible to continuously produce purified gas.
- the first purification tower 1 is described as a purification tower.
- the first purification tower 1 includes a first region 1A and a second region 1B.
- the first region 1A is a region for adsorbing and removing at least moisture in the source gas.
- the second region 1B is a region for obtaining purified gas by removing at least oxygen in the raw material gas that has passed through the first region 1A.
- the source gas contains at least moisture and oxygen as impurities.
- the source gas may contain, for example, nitrogen (N 2 ) and a rare gas as main components.
- main component means a component (gas) having the largest volume content among components (gas) constituting the source gas
- rare gas means helium (He), neon.
- One of (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe) is shown.
- the source gas may include a plurality of the above gases.
- the first region 1A is a region for adsorbing at least moisture in the source gas.
- the first region 1A preferably includes a dehumidifying agent. It is considered that at least moisture in the raw material gas is more effectively adsorbed by the first region 1A containing the dehumidifying agent.
- the dehumidifying agent may be any agent that can adsorb at least water in the raw material gas.
- the dehumidifying agent should not be particularly limited.
- the dehumidifying agent may be, for example, alumina gel or synthetic zeolite (Molecular Sieves).
- alumina gel and synthetic zeolite Molecular Sieves
- the second region 1B is a region for obtaining purified gas by removing at least oxygen in the raw material gas that has passed through the first region 1A.
- the second region 1B preferably contains a getter agent.
- the getter agent By including the getter agent in the second region 1B, it is considered that oxygen in the source gas that has passed through the first region 1A is more effectively removed. In addition, since moisture in the raw material gas is adsorbed and removed in the first region 1A, it is expected that even if the second region 1B contains a getter agent, a trace amount of hydrogen is suppressed in the purified gas. Is done.
- getter agent refers to a substance having an action of removing at least oxygen from a source gas.
- the getter agent should not be particularly limited.
- a substance capable of removing at least oxygen from the source gas can be used as a getter agent.
- the getter agent may be one in which a metal such as copper is supported on a carrier such as silica, alumina, zeolite, or activated carbon. That is, the getter agent may contain copper. Since copper is inexpensive and easily available, it is expected that the running cost of the purified gas production apparatus 100 can be reduced. When a getter agent contains copper, it is thought that oxygen is removed by reaction of following formula (1).
- the source gas may be a gas introduced from a reactor (not shown).
- the purified gas may be a gas led out to a reactor (not shown). That is, the purified gas production apparatus 100 according to the present invention is a connection path for connecting the reactor and the first purification tower 1, and is the first for introducing the raw material gas from the reactor to the first purification tower 1.
- One connection path (not shown) may be provided. Further, it is a connection path for connecting a reactor (not shown) and the first purification column 1 for returning the purified gas derived from the first purification column 1 to the reactor (not shown). You may further have a 2nd connection path (not shown).
- the purified gas production apparatus 100 preferably includes a regeneration gas supply path L1 for supplying regeneration gas for regenerating the first region 1A and the second region 1B.
- the regeneration gas preferably includes heated nitrogen and hydrogen.
- the first region 1A can be regenerated by the heated nitrogen.
- the second region 1B can be regenerated by hydrogen.
- the purified gas production apparatus 100 preferably includes a heater 60 for heating nitrogen. Hydrogen can be mixed with heated nitrogen and heated.
- ⁇ Production method of purified gas> The method for producing purified gas according to the present invention includes introducing a source gas into a purification tower including a first region and a second region (source gas introduction step).
- the source gas from which oxygen has been removed in the second region is derived as a purified gas (purified gas deriving step).
- purified gas deriving step a purified gas from which oxygen has been removed in the second region.
- the source gas may contain, for example, nitrogen and a rare gas as main components.
- the definitions of the main component and the rare gas are as described above.
- the source gas may be a gas derived from a reactor (not shown).
- the source gas may be introduced into the first purification tower 1 after being boosted to a predetermined pressure by a booster (not shown).
- the source gas may be introduced into the first purification column 1 after being reduced in pressure to a predetermined pressure by a pressure reducing valve (not shown).
- This step is a step of adsorbing and removing at least moisture in the source gas introduced by the source gas introduction step in the first region 1A.
- the moisture in the source gas can be removed by adsorption with, for example, a dehumidifying agent contained in the first region 1A.
- Dehumidifying agents that can be used are as described above.
- This step may be performed, for example, at a pressure of 0.1 MaG or more and 0.9 MPaG or less, for example, a temperature of 10 ° C. or more and 40 ° C. or less.
- Oxygen in the source gas can be removed, for example, by a getter agent contained in the second region 1B.
- the getter agent that can be used and the mechanism of oxygen removal by the getter agent are as described above.
- Purified gas is produced by removing at least oxygen in the raw material gas from which moisture has been adsorbed and removed.
- moisture in the raw material gas is adsorbed and removed in the moisture adsorption and removal process, it is expected that a small amount of hydrogen will be contained in the purified gas when producing purified gas using a getter agent. Is done.
- This step may be performed, for example, at a pressure of 0.1 MaG or more and 0.9 MPaG or less, for example, a temperature of 10 ° C. or more and 40 ° C. or less. That is, the moisture adsorption removal step and the oxygen removal step can be performed under the same pressure and temperature conditions. Since no pressure adjusting means or temperature adjusting means is required when shifting from the moisture adsorption removing process to the oxygen removing process, a reduction in the number of equipment is expected.
- ⁇ Purified gas derivation process This step is a step of deriving the purified gas produced by the oxygen removal step.
- the purified gas may be pressurized to a predetermined pressure by a booster (not shown) according to the required working pressure.
- the purified gas may be depressurized to a predetermined pressure by a pressure reducing valve (not shown) according to the required working pressure.
- the purified gas may be introduced into the reactor, for example.
- ⁇ Regeneration method of purification tower> The first purification tower 1 and the second purification tower 2 can be regenerated with a regeneration gas.
- the regeneration method of the second purification tower 2 desirably includes a depressurization step, a heating step, a heating regeneration step, a cooling step, a purge step, a pressure reduction step, and a both-column operation step.
- each step will be described.
- the valves operated in the regeneration of the second purification column 2 are V21 to V25, V60, and V61.
- the valves of the first purification column 1 have V11 and V15 open (OPEN), and V12 to V14 closed (CLOSE).
- This step is a step of releasing the gas in the second purification tower 2 to the vent and depressurizing the pressure in the second purification tower 2 to near atmospheric pressure by opening V24 and closing other valves. is there. By depressurizing the second purification column 2 to near atmospheric pressure, it becomes easy to desorb moisture adsorbed in the first region 2A, and in addition, a regeneration gas is introduced into the second purification column 2 in a process described later.
- the depressurization step may be performed until the pressure in the second purification column 2 reaches substantially atmospheric pressure.
- This step is a step performed after the depressurization step. In this step, V23, V24, and V60 are opened, the other valves are closed, the nitrogen gas heated by the heater 60 is circulated through the second purification tower 2, and the second purification tower 2 is heated. is there.
- the temperature of the nitrogen gas at the outlet of the heater 60 may be, for example, 120 ° C. or higher and 220 ° C. or lower.
- the heating process may be performed until the temperature of the first region 2A and the second region 2B reaches about 120 ° C.
- This step is a step performed after the heating step.
- V23, V24, V60, and V61 are opened, the other valves are closed, and nitrogen gas and hydrogen gas (that is, regeneration gas) heated by the heater 60 are circulated to the second purification tower 2.
- nitrogen gas and hydrogen gas (that is, regeneration gas) heated by the heater 60 are circulated to the second purification tower 2.
- regenerating the first region 2A and the second region 2B It is desirable that the temperature of the first region 2A and the second region 2B during this step is maintained at about 120 ° C. to 220 ° C. It is considered that the first region 2A is regenerated by the nitrogen gas heated by the heater 60. It is considered that the second region 2B is regenerated by the hydrogen gas introduced through V61.
- the heating regeneration process may be performed from 0.5 hours to 3 hours after the regeneration gas is introduced into the second purification column 2.
- the time required for the heating regeneration step can be appropriately adjusted according to the amount of water in the source gas, the amount of oxygen in the source gas, the capacity of the second purification tower 2, the temperature of the regeneration gas, and the like.
- ⁇ Cooling process ⁇ This step is a step performed after the heating regeneration step. In this step, V23, V24, and V60 are opened, other valves are closed, nitrogen gas at room temperature is circulated through the second purification tower 2, and the second purification tower 2 is cooled. For example, the cooling process may be performed until the temperatures of the first region 2A and the second region 2B reach room temperature.
- This step is a step performed after the cooling step.
- V22 and V24 are opened, other valves are closed, purified gas is introduced from the first purification column 1 to the second purification column 2, and the second purification column 2 is purged with the purified gas. It is.
- the purge process may be performed until 5 to 20 minutes have elapsed since the start of purging of the second purification column 2 using the purified gas.
- the time required for the purge step can be appropriately adjusted depending on the capacity of the second purification column 2.
- ⁇ Return pressure process> This step is a step performed after the purge step.
- V22 is opened, the other valves are closed, purified gas is introduced from the first purification column 1 to the second purification column 2, and the pressure of the second purification column 2 is increased.
- the return pressure process may be performed until the pressure of the second purification tower 2 reaches the operating pressure of the second purification tower 2.
- the operating pressure of the second purification tower 2 may be, for example, 0.1 MaG or more and 0.9 MPaG or less.
- both tower operation process >>
- This step is a step performed after the decompression step.
- V21 and V25 are opened, the other valves are closed, and purified gas is produced by the first purification column 1 and the second purification column 2. This step may be performed, for example, for 5 minutes to 20 minutes.
- the purified gas can be produced using the second purification tower 2.
- the first purification tower 1 can be regenerated by the above-described depressurization process, heating process, heating regeneration process, cooling process, purge process, pressure recovery process, and both tower operation process.
- the purified gas production apparatus 100 includes two purification towers, so that one tower is used for removing impurities in the raw material gas (that is, production of the purified gas), and the other purification tower is regenerated during that time. can do. That is, it is possible to continuously produce purified gas.
- Table 1 below shows the positions of V21 to V25, V60, and V61 in each step.
- Example 1 An apparatus having the configuration shown in FIG. 1 was prepared. Water and oxygen contained in the raw material gas containing helium as a main component was removed under the following conditions, and a purified gas was produced. Thereafter, the amounts of oxygen, moisture, and hydrogen in the purified gas were measured. [NL] represents the gas volume [L] converted to the standard state. (Production conditions for purified gas) Source gas flow rate: 300 NL / min, Oxygen concentration in source gas: 10 vol.
- Example 2 to Example 9 As shown in Table 1 below, a purified gas was produced in the same manner as in Example 1 except that the main component of the source gas, the oxygen concentration in the source gas, the dew point of the source gas, and the like were changed. . In Examples 3 to 6, the values are simulation values. It is considered that the simulation value and the data collected in the actual machine almost coincide.
- Comparative Example 1 In the 1st refinement
- the gas led out from the reactor was introduced into the first purification tower 1 as a raw material gas.
- oxygen in the raw material gas was removed by the getter agent.
- Moisture contained in the source gas that has passed through the second region 1B was adsorbed and removed by the dehumidifying agent in the first region 1A.
- purified gas was produced.
- the amounts of oxygen, moisture, and hydrogen contained in the purified gas produced in each example and each comparative example were measured by gas chromatography (trade name: “GC2014ATF” (obtained from Shimadzu Corporation). Is shown in Table 2 below.
- the amount of hydrogen in the purified gas was 0.1 vol. It was suppressed to ppm or less.
- the amount of hydrogen in the purified gas was 0.5 vol. The value was as high as ppm. That is, a purification tower including a first region that is a region for removing at least moisture in the source gas by adsorption, and a second region for removing at least oxygen in the source gas that has passed through the first region to obtain a purified gas. It was shown that the purified gas produced by the production apparatus equipped with the hydrogen content is suppressed.
- the first region and the second region are included in one purification tower. Therefore, if there are at least two purification towers, continuous operation can be performed. Moreover, it was not necessary to provide a cooling means between the first region and the second region.
- the amount of hydrogen in the purified gas is suppressed, it is considered that no equipment for removing hydrogen in the purified gas is required. That is, when the raw material gas contains at least moisture and oxygen as impurities, a purified gas manufacturing apparatus and a purified gas manufacturing method are provided, in which both the amount of hydrogen in the purified gas is reduced and the number of equipment is reduced. It was shown that.
- the first region may contain a dehumidifying agent
- the second region may contain a getter agent
- the getter agent may contain copper
- the raw material gas may contain one or more gases selected from the group consisting of nitrogen and rare gases.
- the refined gas production apparatus is a connection path for connecting the reactor and the reactor to the purification tower, and the first connection for introducing the raw material gas from the reactor to the purification tower. It is shown that the apparatus may further comprise a connection path for connecting the reactor and the reactor to the purification tower, and a second connection path for returning the purified gas led out from the purification tower to the reactor. It was.
- Comparative Example 1 the amount of hydrogen in the purified gas was larger than that in Examples. Since the source gas containing moisture and oxygen was introduced into the second region containing the getter agent, it is considered that a small amount of hydrogen was contained in the purified gas.
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Abstract
原料ガス中の少なくとも水分および酸素を除去し精製ガスを得るための精製塔を備え、精製塔は第1領域および第2領域を含み、第1領域は原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域であり、第2領域は第1領域を経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し精製ガスを得るための領域である精製ガスの製造装置ならびに、原料ガスを、第1領域および第2領域を含む精製塔に導入すること、第1領域において原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去すること、第2領域において第1領域にて水分が吸着除去された原料ガス中の少なくとも酸素を除去すること、第2領域にて酸素が除去された原料ガスを精製ガスとして導出することを含む精製ガスの製造方法が提供される。
Description
本発明は、精製ガスの製造装置および精製ガスの製造方法に関する。
特開平5-4809号公報(特許文献1)は、ヘリウム等の不活性ガスに含まれる酸素や水分等の不純物を、ジルコニウム-バナジウム二元合金等のゲッター金属を用いて除去する精製方法を開示している。
特開平7-31877号公報(特許文献2)は、不純物として酸素および水分を含む不活性ガスを、ニッケル等を主成分とするゲッター剤と加熱条件下において接触させることにより不活性ガスから酸素を除去し、その後不活性ガスに残存する水分を常温において吸着除去し、精製ガスを製造することを開示している。
本発明者らは、不活性ガス中の酸素をゲッター剤を用いて除去することにより精製ガスを製造することを試みた。その結果、メカニズムは不明であるが、不活性ガス中に不純物として水分も含まれている場合には、精製ガス中に微量の水素が含まれるという新たな知見を得た。すなわち、特許文献1や特許文献2に開示される精製方法を用いた場合、原料ガスに不純物として水分が含まれている場合には、精製ガス中に微量の水素が含まれると考えられる。そのため、精製ガス中の水素を除去する設備を新たに設ける必要があり得る。なお、本明細書において「精製ガス」とは、原料ガス中に含まれる不純物の濃度が低減されたガスを示す。
加えて、特許文献1において開示される精製ガスの製造方法に用いられるジルコニウム-バナジウム二元合金等のゲッター金属は、高価であるという問題もあった。
また、特許文献2において開示される精製ガスの製造方法は、原料ガス中の酸素を除去する工程と原料ガスから水分を除去する工程との間に、原料ガスを常温まで冷却する工程が必要となる。すなわち、原料ガス中の酸素を除去するための設備と原料ガス中の水分を除去するための設備との間に、冷却手段を設ける必要があった。また、連続運転を行う際には、水分を除去するためのゼオライト塔および酸素を除去するためのゲッター塔が、それぞれ2塔、合計4塔必要であった。すなわち、機器点数が多いため、初期投資額や当該機器のメンテナンスに要する費用等、コストの削減に改善の余地があった。
本発明の目的は、原料ガスが不純物として少なくとも水分および酸素を含む際に、精製ガス中の水素量の抑制と、機器点数の削減とが両立された精製ガスの製造装置および精製ガスの製造方法を提供することにある。
本発明は、以下に示す精製ガスの製造装置および精製ガスの製造方法を提供する。
[1] 原料ガス中の少なくとも水分および酸素を除去し、精製ガスを得るための精製塔を備え、前記精製塔は、第1領域および第2領域を含み、前記第1領域は、前記原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域であり、前記第2領域は、前記第1領域を経た前記原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である、精製ガスの製造装置。
[1] 原料ガス中の少なくとも水分および酸素を除去し、精製ガスを得るための精製塔を備え、前記精製塔は、第1領域および第2領域を含み、前記第1領域は、前記原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域であり、前記第2領域は、前記第1領域を経た前記原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である、精製ガスの製造装置。
[2] 前記第1領域は、脱湿剤を含み、前記第2領域は、ゲッター剤を含む、[1]に記載の製造装置。
[3] 前記ゲッター剤は、銅を含む、[2]に記載の製造装置。
[4] 前記原料ガスは、窒素および希ガスからなる群より選択される一種以上のガスを含む、[1]~[3]のいずれかに記載の製造装置。
[4] 前記原料ガスは、窒素および希ガスからなる群より選択される一種以上のガスを含む、[1]~[3]のいずれかに記載の製造装置。
[5] 反応器と、前記反応器と前記精製塔とを接続するための接続路であって、前記反応器から前記精製塔へ前記原料ガスを導入するための第1接続路と、前記反応器と前記精製塔とを接続するための接続路であって、前記精製塔から導出される前記精製ガスを前記反応器へ戻すための第2接続路と、を更に備える、[1]~[4]のいずれかに記載の製造装置。
[6] 原料ガスを、第1領域および第2領域を含む精製塔に導入すること、前記第1領域において、前記原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去すること、前記第2領域において、前記第1領域にて水分が吸着除去された前記原料ガス中の少なくとも酸素を除去すること、前記第2領域にて酸素が除去された前記原料ガスを、精製ガスとして導出すること、を含む、精製ガスの製造方法。
[7] 前記第1領域は、脱湿剤を含み、前記第2領域は、ゲッター剤を含む、[6]に記載の製造方法。
[8] 前記ゲッター剤は、銅を含む、[7]に記載の製造方法。
[9] 前記原料ガスは、窒素および希ガスからなる群より選択される一種以上のガスを含む、[6]~[8]のいずれかに記載の製造方法。
[9] 前記原料ガスは、窒素および希ガスからなる群より選択される一種以上のガスを含む、[6]~[8]のいずれかに記載の製造方法。
[10] 反応器から導出されたガスを、前記原料ガスとして前記精製塔に導入すること、および、前記精製塔から導出された前記精製ガスを、前記反応器に導入すること、を更に含む、[6]~[9]のいずれかに記載の製造方法。
本発明によれば、原料ガスが不純物として少なくとも水分および酸素を含む際に、精製ガス中の水素量の抑制と、機器点数の削減とが両立された精製ガスの製造装置および精製ガスの製造方法を提供することができる。
以下、実施の形態を示しながら、本発明について詳細に説明する。
<精製ガスの製造装置>
図1は、本発明に係る精製ガスを製造するための装置構成の一例を示す概略図である。精製ガスの製造装置100は、原料ガス中の少なくとも水分および酸素を除去し、精製ガスを得るための精製塔(第1精製塔1および第2精製塔2)を備える。精製塔は、第1領域(1A,2A)および第2領域(1B,2B)を含む。第1領域(1A,2A)は、原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域である。第2領域(1B,2B)は、第1領域(1A,2A)を経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である。
<精製ガスの製造装置>
図1は、本発明に係る精製ガスを製造するための装置構成の一例を示す概略図である。精製ガスの製造装置100は、原料ガス中の少なくとも水分および酸素を除去し、精製ガスを得るための精製塔(第1精製塔1および第2精製塔2)を備える。精製塔は、第1領域(1A,2A)および第2領域(1B,2B)を含む。第1領域(1A,2A)は、原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域である。第2領域(1B,2B)は、第1領域(1A,2A)を経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である。
図1においては精製塔が2塔の例が示されているが、精製塔は1塔であってもよいし、3塔以上であってもよい。精製塔を連続運転する観点からは、精製塔は2塔以上であることが望ましい。たとえば図1に示すように製造装置100が第1精製塔1と第2精製塔2とを含む場合、第1精製塔1を精製ガスの製造に使用し、第2精製塔2を後述する再生ガスにて再生することができる。第2精製塔2が再生されれば、第2精製塔2を精製ガスの製造に使用し、第1精製塔1を後述する再生ガスにて再生することができる。すなわち、精製ガスの製造を連続して行うことができる。なお、以下の説明では、精製塔として第1精製塔1が説明される。
<精製塔>
第1精製塔1は、第1領域1Aおよび第2領域1Bを含む。第1領域1Aは、原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域である。第2領域1Bは、第1領域1Aを経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である。
《原料ガス》
原料ガスは、不純物として少なくとも水分および酸素を含む。原料ガスは、主成分として、たとえば窒素(N2)および希ガス等を含んでもよい。本明細書において「主成分」とは、原料ガスを構成する成分(ガス)のうち、最も体積含有量が多い成分(ガス)を意味し、「希ガス」とは、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、およびキセノン(Xe)のいずれかを示す。原料ガスは、上記のガスを複数含んでもよい。
《第1領域》
第1領域1Aは、原料ガス中の少なくとも水分を吸着するための領域である。第1領域1Aは、脱湿剤を含むことが望ましい。第1領域1Aが脱湿剤を含むことにより、原料ガス中の少なくとも水分がより効果的に吸着されるものと考えられる。
<精製塔>
第1精製塔1は、第1領域1Aおよび第2領域1Bを含む。第1領域1Aは、原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域である。第2領域1Bは、第1領域1Aを経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である。
《原料ガス》
原料ガスは、不純物として少なくとも水分および酸素を含む。原料ガスは、主成分として、たとえば窒素(N2)および希ガス等を含んでもよい。本明細書において「主成分」とは、原料ガスを構成する成分(ガス)のうち、最も体積含有量が多い成分(ガス)を意味し、「希ガス」とは、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、およびキセノン(Xe)のいずれかを示す。原料ガスは、上記のガスを複数含んでもよい。
《第1領域》
第1領域1Aは、原料ガス中の少なくとも水分を吸着するための領域である。第1領域1Aは、脱湿剤を含むことが望ましい。第1領域1Aが脱湿剤を含むことにより、原料ガス中の少なくとも水分がより効果的に吸着されるものと考えられる。
脱湿剤は、原料ガス中の少なくとも水分を吸着できる剤であればよい。脱湿剤は特に制限されるべきではない。脱湿剤は、たとえばアルミナゲルや合成ゼオライト(モレキュラシーブス)等であってもよい。たとえばアルミナゲルと合成ゼオライト(モレキュラシーブス)とを組み合わせて脱湿剤として用いてもよい。
《第2領域》
第2領域1Bは、第1領域1Aを経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である。第2領域1Bは、ゲッター剤を含むことが望ましい。第2領域1Bがゲッター剤を含むことにより、第1領域1Aを経た原料ガス中の酸素がより効果的に除去されるものと考えられる。また、第1領域1Aにおいて原料ガス中の水分が吸着除去されているため、第2領域1Bがゲッター剤を含んでいても、精製ガス中に微量の水素が含まれることが抑制されると期待される。
《第2領域》
第2領域1Bは、第1領域1Aを経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である。第2領域1Bは、ゲッター剤を含むことが望ましい。第2領域1Bがゲッター剤を含むことにより、第1領域1Aを経た原料ガス中の酸素がより効果的に除去されるものと考えられる。また、第1領域1Aにおいて原料ガス中の水分が吸着除去されているため、第2領域1Bがゲッター剤を含んでいても、精製ガス中に微量の水素が含まれることが抑制されると期待される。
本明細書において「ゲッター剤」とは、原料ガスから少なくとも酸素を除去する作用を有する物質を示す。ゲッター剤は特に制限されるべきではない。原料ガスから少なくとも酸素を除去する作用を有し得る物質は、ゲッター剤として用い得る。ゲッター剤は、たとえばシリカ、アルミナ、ゼオライト、活性炭等の担体に銅等の金属が担持されたものであり得る。すなわち、ゲッター剤は銅を含んでもよい。銅は安価で入手しやすいため、精製ガスの製造装置100のランニングコストが低減され得ると期待される。ゲッター剤が銅を含む場合、下記式(1)の反応により酸素が除去されると考えられる。
[式1]
2Cu+O2 → 2CuO ・・・(1)
ゲッター剤が銅を含む場合、たとえば150℃程度の加熱条件下で水素とゲッター剤とを反応させることにより、下記式(2)の反応により銅が還元されると考えられる。すなわち、ゲッター剤を再生することができる。再生されたゲッター剤は、再度原料ガスから少なくとも酸素を除去するために用い得る。
2Cu+O2 → 2CuO ・・・(1)
ゲッター剤が銅を含む場合、たとえば150℃程度の加熱条件下で水素とゲッター剤とを反応させることにより、下記式(2)の反応により銅が還元されると考えられる。すなわち、ゲッター剤を再生することができる。再生されたゲッター剤は、再度原料ガスから少なくとも酸素を除去するために用い得る。
[式2]
CuO+H2 → Cu+H2O ・・・(2)
《その他の構成1》
原料ガスは、反応器(図示せず)より導入されるガスであってもよい。また、精製ガスは、反応器(図示せず)に導出されるガスであってもよい。すなわち本発明に係る精製ガスの製造装置100は、反応器と第1精製塔1とを接続するための接続路であって、反応器から第1精製塔1へ原料ガスを導入するための第1接続路(図示せず)を有してもよい。また、反応器(図示せず)と第1精製塔1とを接続するための接続路であって、第1精製塔1から導出される精製ガスを反応器(図示せず)へ戻すための第2接続路(図示せず)を更に有してもよい。
《その他の構成2》
本発明に係る精製ガスの製造装置100は、第1領域1Aおよび第2領域1Bを再生するための再生ガスを供給するための、再生ガス供給路L1を含むことが望ましい。再生ガスは、加熱された窒素、および水素を含むことが望ましい。加熱された窒素により、第1領域1Aが再生され得る。水素により、第2領域1Bが再生され得る。精製ガスの製造装置100は、窒素を加熱するためのヒータ60を備えることが望ましい。水素は、加熱された窒素と混合され、昇温され得る。
<精製ガスの製造方法>
本発明に係る精製ガスの製造方法は、原料ガスを第1領域および第2領域を含む精製塔に導入すること(原料ガス導入工程)を含む。第1領域において、原料ガス中の少なくとも水分が吸着除去される(水分吸着除去工程)。第2領域において、第1領域にて水分が吸着除去された原料ガス中の少なくとも酸素が除去される(酸素除去工程)。第2領域にて酸素が除去された原料ガスは、精製ガスとして導出される(精製ガス導出工程)。以下図1を参照して、第1精製塔1が使用されていると仮定し、精製ガスの製造方法の各工程について説明する。
《原料ガス導入工程》
本工程は、原料ガスを第1領域1Aおよび第2領域1Bを含む第1精製塔1に導入する工程である。原料ガスは、少なくとも水分および酸素を含む限り、特に限定されない。原料ガスは、主成分として、たとえば窒素および希ガス等を含んでもよい。主成分および希ガスの定義は、上述の通りである。原料ガスは、反応器(図示せず)から導出されるガスであってもよい。原料ガスは、昇圧機(図示せず)により所定の圧力まで昇圧されてから第1精製塔1に導入されてもよい。原料ガスは、減圧弁(図示せず)により所定の圧力まで減圧されてから第1精製塔1に導入されてもよい。
《水分吸着除去工程》
本工程は、第1領域1Aにおいて原料ガス導入工程により導入された原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去する工程である。原料ガス中の水分は、たとえば第1領域1Aに含まれる脱湿剤により吸着除去され得る。用い得る脱湿剤は、上述の通りである。本工程は、たとえば0.1MaG以上0.9MPaG以下の圧力で行われてもよく、たとえば10℃以上40℃以下の温度で行われてもよい。
《酸素除去工程》
本工程は、第1領域1Aにて水分が吸着除去された原料ガス中の少なくとも酸素を第2領域1Bにおいて除去する工程である。原料ガス中の酸素は、たとえば第2領域1Bに含まれるゲッター剤により除去され得る。用い得るゲッター剤およびゲッター剤による酸素除去のメカニズムは、上述の通りである。水分が吸着除去された原料ガス中の少なくとも酸素が除去されることにより、精製ガスが製造される。また、水分吸着除去工程において原料ガス中の水分が吸着除去されているため、ゲッター剤を用いた精製ガスの製造の際に、精製ガス中に微量の水素が含まれることが抑制されると期待される。
CuO+H2 → Cu+H2O ・・・(2)
《その他の構成1》
原料ガスは、反応器(図示せず)より導入されるガスであってもよい。また、精製ガスは、反応器(図示せず)に導出されるガスであってもよい。すなわち本発明に係る精製ガスの製造装置100は、反応器と第1精製塔1とを接続するための接続路であって、反応器から第1精製塔1へ原料ガスを導入するための第1接続路(図示せず)を有してもよい。また、反応器(図示せず)と第1精製塔1とを接続するための接続路であって、第1精製塔1から導出される精製ガスを反応器(図示せず)へ戻すための第2接続路(図示せず)を更に有してもよい。
《その他の構成2》
本発明に係る精製ガスの製造装置100は、第1領域1Aおよび第2領域1Bを再生するための再生ガスを供給するための、再生ガス供給路L1を含むことが望ましい。再生ガスは、加熱された窒素、および水素を含むことが望ましい。加熱された窒素により、第1領域1Aが再生され得る。水素により、第2領域1Bが再生され得る。精製ガスの製造装置100は、窒素を加熱するためのヒータ60を備えることが望ましい。水素は、加熱された窒素と混合され、昇温され得る。
<精製ガスの製造方法>
本発明に係る精製ガスの製造方法は、原料ガスを第1領域および第2領域を含む精製塔に導入すること(原料ガス導入工程)を含む。第1領域において、原料ガス中の少なくとも水分が吸着除去される(水分吸着除去工程)。第2領域において、第1領域にて水分が吸着除去された原料ガス中の少なくとも酸素が除去される(酸素除去工程)。第2領域にて酸素が除去された原料ガスは、精製ガスとして導出される(精製ガス導出工程)。以下図1を参照して、第1精製塔1が使用されていると仮定し、精製ガスの製造方法の各工程について説明する。
《原料ガス導入工程》
本工程は、原料ガスを第1領域1Aおよび第2領域1Bを含む第1精製塔1に導入する工程である。原料ガスは、少なくとも水分および酸素を含む限り、特に限定されない。原料ガスは、主成分として、たとえば窒素および希ガス等を含んでもよい。主成分および希ガスの定義は、上述の通りである。原料ガスは、反応器(図示せず)から導出されるガスであってもよい。原料ガスは、昇圧機(図示せず)により所定の圧力まで昇圧されてから第1精製塔1に導入されてもよい。原料ガスは、減圧弁(図示せず)により所定の圧力まで減圧されてから第1精製塔1に導入されてもよい。
《水分吸着除去工程》
本工程は、第1領域1Aにおいて原料ガス導入工程により導入された原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去する工程である。原料ガス中の水分は、たとえば第1領域1Aに含まれる脱湿剤により吸着除去され得る。用い得る脱湿剤は、上述の通りである。本工程は、たとえば0.1MaG以上0.9MPaG以下の圧力で行われてもよく、たとえば10℃以上40℃以下の温度で行われてもよい。
《酸素除去工程》
本工程は、第1領域1Aにて水分が吸着除去された原料ガス中の少なくとも酸素を第2領域1Bにおいて除去する工程である。原料ガス中の酸素は、たとえば第2領域1Bに含まれるゲッター剤により除去され得る。用い得るゲッター剤およびゲッター剤による酸素除去のメカニズムは、上述の通りである。水分が吸着除去された原料ガス中の少なくとも酸素が除去されることにより、精製ガスが製造される。また、水分吸着除去工程において原料ガス中の水分が吸着除去されているため、ゲッター剤を用いた精製ガスの製造の際に、精製ガス中に微量の水素が含まれることが抑制されると期待される。
本工程は、たとえば0.1MaG以上0.9MPaG以下の圧力で行われてもよく、たとえば10℃以上40℃以下の温度で行われてもよい。すなわち、水分吸着除去工程と酸素除去工程とは、同一の圧力および温度条件で行い得る。水分吸着除去工程から酸素除去工程に移行する際に圧力調整手段や温度調整手段を要しないため、機器点数の削減が期待される。
《精製ガス導出工程》
本工程は、酸素除去工程により製造された精製ガスを導出する工程である。精製ガスは、要求される使用圧力に応じて昇圧機(図示せず)により所定の圧力まで昇圧されてもよい。精製ガスは、要求される使用圧力に応じて減圧弁(図示せず)により所定の圧力まで減圧されてもよい。精製ガスは、たとえば反応器に導入されてもよい。
<精製塔の再生方法>
第1精製塔1および第2精製塔2は、再生ガスにより再生し得る。以下、第2精製塔2の再生方法について説明する。第2精製塔2の再生方法は、脱圧工程、加熱工程、加熱再生工程、冷却工程、パージ工程、復圧工程、および両塔運転工程を含むことが望ましい。以下、各工程について説明する。第2精製塔2の再生で操作するバルブはV21~V25、V60、およびV61である。なお、第1精製塔1のバルブは、V11およびV15が開(OPEN)とされ、V12~V14が閉(CLOSE)とされている。
《脱圧工程》
本工程は、V24を開とし、その他のバルブを閉とすることにより、第2精製塔2内のガスをベントに放出し、第2精製塔2内の圧力を大気圧近くまで脱圧する工程である。第2精製塔2が大気圧近くまで脱圧されることにより、第1領域2Aに吸着された水分の脱着が容易になることに加え、後述の工程において再生ガスを第2精製塔2に導入する際に、再生ガスの昇圧手段を省略し得る。たとえば、第2精製塔2内の圧力が略大気圧に達するまでを脱圧工程としてもよい。
《加熱工程》
本工程は、脱圧工程の後に行われる工程である。本工程においては、V23、V24、およびV60を開とし、その他のバルブを閉とし、ヒータ60により加熱された窒素ガスを第2精製塔2に流通させ、第2精製塔2を加熱する工程である。ヒータ60出口の窒素ガスの温度は、たとえば120℃以上220℃以下であってもよい。たとえば、第1領域2Aおよび第2領域2Bの温度が約120℃~220℃に達するまでを加熱工程としてもよい。
《加熱再生工程》
本工程は、加熱工程の後に行われる工程である。本工程においては、V23、V24、V60、およびV61を開とし、その他のバルブを閉とし、ヒータ60により加熱された窒素ガス、および水素ガス(すなわち、再生ガス)を第2精製塔2に流通させ、第1領域2Aおよび第2領域2Bを再生する工程である。本工程中の第1領域2Aおよび第2領域2Bの温度は、約120℃~220℃に保たれることが望ましい。ヒータ60により加熱された窒素ガスにより、第1領域2Aが再生されると考えられる。V61を介して導入された水素ガスにより、第2領域2Bが再生されると考えられる。たとえば、再生ガスを第2精製塔2に導入してから0.5時間~3時間が経過するまでを加熱再生工程としてもよい。加熱再生工程に要する時間は、原料ガス中の水分量、原料ガス中の酸素量、第2精製塔2の容量、および再生ガスの温度等に応じて適宜調整され得る。
《冷却工程》
本工程は、加熱再生工程の後に行われる工程である。本工程においては、V23、V24、およびV60を開とし、その他のバルブを閉とし、常温の窒素ガスを第2精製塔2に流通させ、第2精製塔2を冷却する工程である。たとえば、第1領域2Aおよび第2領域2Bの温度が常温に達するまでを冷却工程としてもよい。
《パージ工程》
本工程は、冷却工程の後に行われる工程である。本工程においては、V22およびV24を開とし、その他のバルブを閉とし、精製ガスを第1精製塔1から第2精製塔2に導入し、第2精製塔2を精製ガスにてパージする工程である。たとえば、精製ガスによる第2精製塔2のパージを開始してから5分~20分が経過するまでをパージ工程としてもよい。パージ工程に要する時間は、第2精製塔2の容量により適宜調整され得る。
《復圧工程》
本工程は、パージ工程の後に行われる工程である。本工程においては、V22を開とし、その他のバルブを閉とし、精製ガスを第1精製塔1から第2精製塔2に導入し、第2精製塔2を昇圧する工程である。たとえば、第2精製塔2の圧力が第2精製塔2の運転圧力に達するまでを復圧工程としてもよい。第2精製塔2の運転圧力は、たとえば0.1MaG以上0.9MPaG以下であってもよい。
《両塔運転工程》
本工程は、復圧工程の後に行われる工程である。本工程においては、V21およびV25を開とし、その他のバルブを閉とし、第1精製塔1および第2精製塔2により精製ガスを製造する工程である。本工程は、たとえば5分~20分行われてもよい。両塔運転工程を経た後、第2精製塔2を用いた精製ガスの製造が行い得る。第1精製塔1は、前述の脱圧工程、加熱工程、加熱再生工程、冷却工程、パージ工程、復圧工程、および両塔運転工程により再生され得る。
《精製ガス導出工程》
本工程は、酸素除去工程により製造された精製ガスを導出する工程である。精製ガスは、要求される使用圧力に応じて昇圧機(図示せず)により所定の圧力まで昇圧されてもよい。精製ガスは、要求される使用圧力に応じて減圧弁(図示せず)により所定の圧力まで減圧されてもよい。精製ガスは、たとえば反応器に導入されてもよい。
<精製塔の再生方法>
第1精製塔1および第2精製塔2は、再生ガスにより再生し得る。以下、第2精製塔2の再生方法について説明する。第2精製塔2の再生方法は、脱圧工程、加熱工程、加熱再生工程、冷却工程、パージ工程、復圧工程、および両塔運転工程を含むことが望ましい。以下、各工程について説明する。第2精製塔2の再生で操作するバルブはV21~V25、V60、およびV61である。なお、第1精製塔1のバルブは、V11およびV15が開(OPEN)とされ、V12~V14が閉(CLOSE)とされている。
《脱圧工程》
本工程は、V24を開とし、その他のバルブを閉とすることにより、第2精製塔2内のガスをベントに放出し、第2精製塔2内の圧力を大気圧近くまで脱圧する工程である。第2精製塔2が大気圧近くまで脱圧されることにより、第1領域2Aに吸着された水分の脱着が容易になることに加え、後述の工程において再生ガスを第2精製塔2に導入する際に、再生ガスの昇圧手段を省略し得る。たとえば、第2精製塔2内の圧力が略大気圧に達するまでを脱圧工程としてもよい。
《加熱工程》
本工程は、脱圧工程の後に行われる工程である。本工程においては、V23、V24、およびV60を開とし、その他のバルブを閉とし、ヒータ60により加熱された窒素ガスを第2精製塔2に流通させ、第2精製塔2を加熱する工程である。ヒータ60出口の窒素ガスの温度は、たとえば120℃以上220℃以下であってもよい。たとえば、第1領域2Aおよび第2領域2Bの温度が約120℃~220℃に達するまでを加熱工程としてもよい。
《加熱再生工程》
本工程は、加熱工程の後に行われる工程である。本工程においては、V23、V24、V60、およびV61を開とし、その他のバルブを閉とし、ヒータ60により加熱された窒素ガス、および水素ガス(すなわち、再生ガス)を第2精製塔2に流通させ、第1領域2Aおよび第2領域2Bを再生する工程である。本工程中の第1領域2Aおよび第2領域2Bの温度は、約120℃~220℃に保たれることが望ましい。ヒータ60により加熱された窒素ガスにより、第1領域2Aが再生されると考えられる。V61を介して導入された水素ガスにより、第2領域2Bが再生されると考えられる。たとえば、再生ガスを第2精製塔2に導入してから0.5時間~3時間が経過するまでを加熱再生工程としてもよい。加熱再生工程に要する時間は、原料ガス中の水分量、原料ガス中の酸素量、第2精製塔2の容量、および再生ガスの温度等に応じて適宜調整され得る。
《冷却工程》
本工程は、加熱再生工程の後に行われる工程である。本工程においては、V23、V24、およびV60を開とし、その他のバルブを閉とし、常温の窒素ガスを第2精製塔2に流通させ、第2精製塔2を冷却する工程である。たとえば、第1領域2Aおよび第2領域2Bの温度が常温に達するまでを冷却工程としてもよい。
《パージ工程》
本工程は、冷却工程の後に行われる工程である。本工程においては、V22およびV24を開とし、その他のバルブを閉とし、精製ガスを第1精製塔1から第2精製塔2に導入し、第2精製塔2を精製ガスにてパージする工程である。たとえば、精製ガスによる第2精製塔2のパージを開始してから5分~20分が経過するまでをパージ工程としてもよい。パージ工程に要する時間は、第2精製塔2の容量により適宜調整され得る。
《復圧工程》
本工程は、パージ工程の後に行われる工程である。本工程においては、V22を開とし、その他のバルブを閉とし、精製ガスを第1精製塔1から第2精製塔2に導入し、第2精製塔2を昇圧する工程である。たとえば、第2精製塔2の圧力が第2精製塔2の運転圧力に達するまでを復圧工程としてもよい。第2精製塔2の運転圧力は、たとえば0.1MaG以上0.9MPaG以下であってもよい。
《両塔運転工程》
本工程は、復圧工程の後に行われる工程である。本工程においては、V21およびV25を開とし、その他のバルブを閉とし、第1精製塔1および第2精製塔2により精製ガスを製造する工程である。本工程は、たとえば5分~20分行われてもよい。両塔運転工程を経た後、第2精製塔2を用いた精製ガスの製造が行い得る。第1精製塔1は、前述の脱圧工程、加熱工程、加熱再生工程、冷却工程、パージ工程、復圧工程、および両塔運転工程により再生され得る。
以上のとおり、精製ガスの製造装置100が2つの精製塔を備えることにより、1塔を原料ガス中の不純物の除去(すなわち、精製ガスの製造)に使用し、その間に他の精製塔を再生することができる。すなわち、精製ガスの製造を連続して行うことができる。以下の表1には、各工程における、V21~V25、V60、およびV61のポジションが示されている。
以下、実施例を示して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
<精製ガスの製造>
《実施例1》
図1に記載の構成を有する装置が用意された。下記の条件にて主成分としてヘリウムを含有する原料ガス中に含まれる水分および酸素を除去し、精製ガスが製造された。その後、精製ガス中の酸素、水分、および水素量が測定された。なお、[NL]は、標準状態に換算したガスの体積[L]を表している。
(精製ガスの製造条件)
原料ガス流量:300NL/min、
原料ガス中の酸素濃度:10vol.ppm、
原料ガスの露点:-20℃、
精製塔吸着圧力:0.2MPaG、
精製塔吸着温度:20℃、
ゲッター剤:[酸化亜鉛:酸化アルミニウム:酸化銅=約45:約12:約43(質量比)]、
脱湿剤:商品名:「F-9」(東ソー(株)より入手)。
(精製ガスの製造)
反応器から導出されたガスが原料ガスとして第1精製塔1に導入された。第1精製塔1内の第1領域1Aにおいて、原料ガス中の水分が脱湿剤により吸着除去された。第1領域1Aを経た原料ガスに含まれる酸素が、第2領域1Bにおいてゲッター剤により除去された。これにより、精製ガスが製造された。精製ガスは、上記反応器に導入された。
《実施例2~実施例9》
下記表1に示されるように、原料ガスの主成分、原料ガス中の酸素濃度、および原料ガスの露点等が変更されたことを除いては、実施例1と同様に精製ガスが製造された。なお、実施例3~実施例6においては、シミュレーション値である。当該シミュレーション値と実機において採取されるデータとは、ほぼ一致するものと考えられる。
《比較例1》
図1に示される第1精製塔1において、第1領域1Aと第2領域1Bとが入れ替えられた。反応器から導出されたガスが原料ガスとして第1精製塔1に導入された。第1精製塔1内の第2領域1Bにおいて、原料ガス中の酸素がゲッター剤により除去された。第2領域1Bを経た原料ガスに含まれる水分が、第1領域1Aにおいて脱湿剤により吸着除去された。これにより、精製ガスが製造された。
<評価>
各実施例および各比較例において製造された精製ガスに含まれる酸素、水分、および水素量が、ガスクロマトグラフィー(商品名:「GC2014ATF」((株)島津製作所より入手)により測定された。結果は以下の表2に示されている。
<精製ガスの製造>
《実施例1》
図1に記載の構成を有する装置が用意された。下記の条件にて主成分としてヘリウムを含有する原料ガス中に含まれる水分および酸素を除去し、精製ガスが製造された。その後、精製ガス中の酸素、水分、および水素量が測定された。なお、[NL]は、標準状態に換算したガスの体積[L]を表している。
(精製ガスの製造条件)
原料ガス流量:300NL/min、
原料ガス中の酸素濃度:10vol.ppm、
原料ガスの露点:-20℃、
精製塔吸着圧力:0.2MPaG、
精製塔吸着温度:20℃、
ゲッター剤:[酸化亜鉛:酸化アルミニウム:酸化銅=約45:約12:約43(質量比)]、
脱湿剤:商品名:「F-9」(東ソー(株)より入手)。
(精製ガスの製造)
反応器から導出されたガスが原料ガスとして第1精製塔1に導入された。第1精製塔1内の第1領域1Aにおいて、原料ガス中の水分が脱湿剤により吸着除去された。第1領域1Aを経た原料ガスに含まれる酸素が、第2領域1Bにおいてゲッター剤により除去された。これにより、精製ガスが製造された。精製ガスは、上記反応器に導入された。
《実施例2~実施例9》
下記表1に示されるように、原料ガスの主成分、原料ガス中の酸素濃度、および原料ガスの露点等が変更されたことを除いては、実施例1と同様に精製ガスが製造された。なお、実施例3~実施例6においては、シミュレーション値である。当該シミュレーション値と実機において採取されるデータとは、ほぼ一致するものと考えられる。
《比較例1》
図1に示される第1精製塔1において、第1領域1Aと第2領域1Bとが入れ替えられた。反応器から導出されたガスが原料ガスとして第1精製塔1に導入された。第1精製塔1内の第2領域1Bにおいて、原料ガス中の酸素がゲッター剤により除去された。第2領域1Bを経た原料ガスに含まれる水分が、第1領域1Aにおいて脱湿剤により吸着除去された。これにより、精製ガスが製造された。
<評価>
各実施例および各比較例において製造された精製ガスに含まれる酸素、水分、および水素量が、ガスクロマトグラフィー(商品名:「GC2014ATF」((株)島津製作所より入手)により測定された。結果は以下の表2に示されている。
<結果>
上記表2に示されるように、実施例は精製ガス中の水素量が0.1vol.ppm以下に抑制されていた。対して、比較例1においては精製ガス中の水素量が0.5vol.ppmという高い値であった。すなわち、原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域である第1領域と、第1領域を経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し精製ガスを得るための第2領域とを含む精製塔を備えた製造装置により製造された精製ガスは、水素含有量が抑制されていることが示された。
上記表2に示されるように、実施例は精製ガス中の水素量が0.1vol.ppm以下に抑制されていた。対して、比較例1においては精製ガス中の水素量が0.5vol.ppmという高い値であった。すなわち、原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域である第1領域と、第1領域を経た原料ガス中の少なくとも酸素を除去し精製ガスを得るための第2領域とを含む精製塔を備えた製造装置により製造された精製ガスは、水素含有量が抑制されていることが示された。
本発明においては、1つの精製塔内に第1領域と第2領域とが含まれている。そのため、少なくとも2塔の精製塔があれば、連続運転を行い得る。また、第1領域と第2領域との間に冷却手段を設けることを要しなかった。加えて、精製ガス中の水素量が抑制されているため、精製ガス中の水素を除去するための設備も要さないと考えられる。すなわち、原料ガスが不純物として少なくとも水分および酸素を含む際に、精製ガス中の水素量の抑制と、機器点数の削減とが両立された精製ガスの製造装置および精製ガスの製造方法が提供されることが示された。
実施例の結果から、第1領域は脱湿剤を含み、第2領域はゲッター剤を含んでもよく、ゲッター剤は銅を含んでもよいことが示された。
実施例の結果から、原料ガスは、窒素および希ガスからなる群より選択される一種以上のガスを含んでもよいことが示された。
実施例の結果から、精製ガスの製造装置は、反応器と、反応器と精製塔とを接続するための接続路であって、反応器から精製塔へ原料ガスを導入するための第1接続路と、反応器と精製塔とを接続するための接続路であって、精製塔から導出される精製ガスを反応器へ戻すための第2接続路とを更に備えてもよいことが示された。
比較例1は、精製ガス中の水素量が実施例と比して多かった。水分および酸素を含む原料ガスをゲッター剤を含む第2領域に導入したため、精製ガス中に微量の水素が含まれたものと考えられる。
今回開示された実施例および実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
1 第1精製塔、2 第2精製塔、60 ヒータ、1A,2A 第1領域、1B,2B 第2領域、V11,V12,V13,V14,V15,V21,V22,V23,V24,V25,V60,V61 バルブ。
Claims (10)
- 原料ガス中の少なくとも水分および酸素を除去し、精製ガスを得るための精製塔を備え、
前記精製塔は、第1領域および第2領域を含み、
前記第1領域は、前記原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去するための領域であり、
前記第2領域は、前記第1領域を経た前記原料ガス中の少なくとも酸素を除去し、精製ガスを得るための領域である、
精製ガスの製造装置。 - 前記第1領域は、脱湿剤を含み、
前記第2領域は、ゲッター剤を含む、
請求項1に記載の製造装置。 - 前記ゲッター剤は、銅を含む、請求項2に記載の製造装置。
- 前記原料ガスは、窒素および希ガスからなる群より選択される一種以上のガスを含む、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の製造装置。
- 反応器と、
前記反応器と前記精製塔とを接続するための接続路であって、前記反応器から前記精製塔へ前記原料ガスを導入するための第1接続路と、
前記反応器と前記精製塔とを接続するための接続路であって、前記精製塔から導出される前記精製ガスを前記反応器へ戻すための第2接続路と、を更に備える、
請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の製造装置。 - 原料ガスを、第1領域および第2領域を含む精製塔に導入すること、
前記第1領域において、前記原料ガス中の少なくとも水分を吸着除去すること、
前記第2領域において、前記第1領域にて水分が吸着除去された前記原料ガス中の少なくとも酸素を除去すること、
前記第2領域にて酸素が除去された前記原料ガスを、精製ガスとして導出すること、を含む、
精製ガスの製造方法。 - 前記第1領域は、脱湿剤を含み、
前記第2領域は、ゲッター剤を含む、
請求項6に記載の製造方法。 - 前記ゲッター剤は、銅を含む、請求項7に記載の製造方法。
- 前記原料ガスは、窒素および希ガスからなる群より選択される一種以上のガスを含む、請求項6~請求項8のいずれか1項に記載の製造方法。
- 反応器から導出されたガスを、前記原料ガスとして前記精製塔に導入すること、
および、
前記精製塔から導出された前記精製ガスを、前記反応器に導入すること、
を更に含む、請求項6~請求項9のいずれか1項に記載の製造方法。
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