アルゴンガスの精製方法および精製装置
【課題】回収アルゴンガスに含有される不純物を、多くのエネルギーを要することなく除去して高純度のアルゴンガスを得ることができる実用的な精製方法と精製装置を提供する。
【解決手段】少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、及び窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する際に、アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素添加により１／２を超える値に設定する。次に、アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素及び水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する。次に、アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、及び水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる。その吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径0.35nm〜0.55nmの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いる。
【解決手段】少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、及び窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する際に、アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素添加により１／２を超える値に設定する。次に、アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素及び水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する。次に、アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、及び水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる。その吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径0.35nm〜0.55nmの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物として少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を含有する回収アルゴンガスを精製するのに適した方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、シリコン単結晶引上げ炉、セラミック焼結炉、製鋼用真空脱ガス設備、太陽電池用シリコンプラズマ溶解装置、多結晶シリコン鋳造炉のような設備においては、アルゴンガスが炉内雰囲気ガス等として使用されている。そのような設備から再利用のため回収されたアルゴンガスは、水素、一酸化炭素、空気などの混入により純度が低下している。そこで、回収されたアルゴンガスの純度を高めるため、不純物を吸着剤に吸着させることが行われている。さらに、そのような不純物の吸着を効率良く行うため、吸着処理の前処理として不純物中の酸素と可燃成分とを反応させることが提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１に開示された方法においては、アルゴンガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等の可燃成分を完全燃焼させるのに必要な化学量論量よりも僅かに少なくなるよう調節し、次に、一酸化炭素と酸素との反応よりも水素と酸素との反応を優先させるパラジウムまたは金を触媒として、アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素、水素等と反応させることで、一酸化炭素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、次に、アルゴンガスに含有される二酸化炭素と水を圧力スイング吸着法により常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、アルゴンガスに含有される一酸化炭素と窒素を温度スイング吸着法により−１０℃〜−５０℃の温度で吸着剤に吸着させている。
【０００４】
特許文献２に開示された方法においては、アルゴンガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等の可燃成分を完全燃焼させるのに十分な量とし、次に、パラジウム系の触媒を用いてアルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素、水素等と反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、次に、アルゴンガスに含有される二酸化炭素と水を圧力スイング吸着法により常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、アルゴンガスに含有される酸素と窒素を温度スイング吸着法により−１７０℃程度の温度で吸着剤に吸着させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４９６０７９号公報
【特許文献２】特許第３７３７９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の方法では、前処理の段階でアルゴンガスにおける一酸化炭素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、その後の吸着処理の段階で、二酸化炭素と水を常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、一酸化炭素と窒素を−１０℃〜−５０℃で吸着剤に吸着させている。しかし、そのような低温で一酸化炭素と窒素を吸着した吸着剤を再生する場合、一酸化炭素は窒素に比べて吸着剤から脱離させるのに多くのエネルギーを要することから工業的に不利である。
【０００７】
特許文献２に記載の方法では、前処理の段階で酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、その後の吸着処理の段階で、二酸化炭素と水を常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、酸素と窒素を−１７０℃程度の温度で吸着剤に吸着させている。しかし、−１７０℃程度という超低温での吸着処理を行うと冷却エネルギーが増大し、精製負荷が大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決できるアルゴンガスの精製方法および精製装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明方法は、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する方法であって、前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する工程と、次に、前記アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素および水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する工程と、次に、前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる工程とを備え、前記吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブとを用いることを特徴とする。
本発明によれば、アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素および水素と反応させ、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成することで、アルゴンガスにおける主な不純物を酸素、二酸化炭素、窒素、および水分とし、その酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる。その吸着剤として、合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いることで、常温での圧力スイング吸着法によりアルゴンガスにおける酸素、二酸化炭素、窒素、および水分の濃度を低減でき、温度スイング吸着法のような低温での不純物（主に窒素）の吸着を不要にできる。
前記触媒としては、アルミナ等に担持した白金系触媒を用いるのが好ましく、特に、ルテニウム触媒を用いるのが好ましい。ルテニウム触媒を用いることで、ルテニウム触媒以外の白金族触媒を用いる場合に比べて反応温度を低減でき、例えば２００℃以下にすることが可能になり、よりエネルギー消費を低減できる。なお、ルテニウム触媒を用いる反応を完結する上では反応温度を７０℃以上にするのが好ましい。
【００１０】
本発明装置は、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する装置であって、前記アルゴンガスが導入される反応器と、前記反応器に導入される前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する濃度調節装置と、前記反応器から流出する前記アルゴンガスが導入されるＰＳＡユニットとを備え、前記反応器内で前記アルゴンガスにおける酸素が一酸化炭素および水素と反応することで、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成されるように、前記反応器に触媒が充填され、前記ＰＳＡユニットにより、前記反応器から流出する前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分が、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着され、前記吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブとが用いられることを特徴とする。
本発明装置によれば本発明方法を実施できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回収アルゴンガスに含有される不純物を、多くのエネルギーを要することなく除去して高純度のアルゴンガスを得ることができる実用的な精製方法と精製装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るアルゴンガスの精製装置の構成説明図
【図２】本発明の実施形態に係るアルゴンガスの精製装置における圧力スイング吸着装置の構成説明図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に示すアルゴンガスの精製装置αは、例えば多結晶シリコン鋳造炉のようなアルゴンガス供給源１から供給される使用済アルゴンガスを回収し、再利用できるように精製するもので、加熱器２、反応器３、濃度調節装置７、冷却器４、およびＰＳＡユニット１０を備える。
【００１４】
供給源１から供給されるアルゴンガスは、図外フィルター等により除塵され、ブロワ等のガス送り手段（図示省略）を介して加熱器２に導入される。精製対象のアルゴンガスに含有される微量の不純物は少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素とされるが、二酸化炭素、炭化水素、水分等の他の不純物を含有していてもよい。精製されるアルゴンガスにおける不純物の濃度は特に限定されず、例えば５モルｐｐｍ〜４００００モルｐｐｍ程度とされる。加熱器２によるアルゴンガスの加熱温度は、反応器３における反応を完結するためには１５０℃以上にするのが好ましく、触媒の寿命短縮を防止する観点から３５０℃以下とするのが好ましい。
【００１５】
加熱器２により加熱されたアルゴンガスは反応器３に導入される。濃度調節装置７は、反応器３に導入されるアルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する。濃度調節装置７は、例えば、アルゴンガスにおける酸素モル濃度、一酸化炭素モル濃度、および水素モル濃度を測定する測定器と、酸素供給源と、酸素供給源から反応器３に到る流路を開閉するバルブ装置と、バルブ装置のコントローラを有するものにより構成できる。そのコントローラは、測定された酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度の和の１／２以下であるか否かを判断し、１／２以下である場合は１／２を超える値にするのに必要な酸素量に対応する制御信号をバルブ装置に送り、バルブ装置は制御信号に応じた量の酸素が供給されるように流路を開度調整する。反応器３に導入されるアルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度の和の１／２を超える場合、濃度調節は必要がないことから行われない。また、反応器３に導入されるアルゴンガスにおける酸素モル濃度が、常に一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度の和の１／２を超えるものである場合、濃度調節装置７を設けなくてもよい。なお、濃度調節装置７により酸素を添加する場合、アルゴンガスにおける酸素モル濃度を一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の０．５２５倍〜０．５５０倍の値にするのが好ましく、０．５２５倍以上とすることで一酸化炭素と水素を確実に低減でき、０．５５０倍以下とすることで酸素濃度が必要以上に高くなることはない。
【００１６】
反応器３に、酸素を水素および一酸化炭素と反応させる触媒が充填される。これにより、反応器３内でアルゴンガスにおける酸素が一酸化炭素および水素と反応することにより、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成される。反応器３に充填される触媒は、酸素を一酸化炭素および水素と反応させるものであれば特に限定されず、例えば、ルテニウム、白金、白金合金、パラジウム等をアルミナ等に担持した触媒を用いることができる。なお、多結晶シリコン鋳造炉等から回収されるアルゴンガスは可燃成分として炭化水素を含むが、そのモル濃度は水素と一酸化炭素の合計モル濃度の通常は１／１００以下である。よって、通常は一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２を僅かに超えるように酸素モル濃度を設定すれば、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成される。また、微量の炭化水素が残留しても圧力スイング吸着法により容易に吸着して除去できる。よって、炭化水素のために特に酸素濃度を調整する必要はない。
【００１７】
反応器３から流出するアルゴンガスは、冷却器７によって冷却された後にＰＳＡユニット１０に導入される。ＰＳＡユニット１０は、アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる。
【００１８】
ＰＳＡユニット１０は公知のものを用いることができる。例えば図２に示すＰＳＡユニット１０は２塔式であり、アルゴンガスを圧縮する圧縮機１２と、第１、第２吸着塔１３を有し、各吸着塔１３に吸着剤が充填されている。その吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトとカーボンモレキュラーシーブとが用いられ、そのカーボンモレキュラーシーブの細孔直径分布のピークは細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるものとされている。そのカーボンモレキュラーシーブとして市販品を採用でき、その場合は３Ａ型と呼ばれるものを用いることができる。各吸着塔１３においては、下部にカーボンモレキュラーシーブを、上部に合成ゼオライトを充填するのが好ましく、カーボンモレキュラーシーブと合成ゼオライトの充填比率および充填量は、不純物組成および精製純度に応じて適宜調整すればよい。
吸着塔１３の入口１３ａそれぞれは、切替バルブ１３ｂを介して原料配管１３ｆに接続され、切替バルブ１３ｃおよびサイレンサー１３ｅを介して大気中に接続され、切替バルブ１３ｄと下部均圧配管１３ｇを介して互いに接続される。反応器３から流出するアルゴンガスは、圧縮機１２により圧縮された後に原料配管１３ｆに到る。
吸着塔１３の出口１３ｋそれぞれは、切替バルブ１３ｌを介して流出配管１３ｏに接続され、切替バルブ１３ｍを介して洗浄配管１３ｐに接続され、切替バルブ１３ｎと上部均圧配管１３ｑを介して互いに接続される。
流出配管１３ｏは、並列配置された逆止弁１３ｒと切替バルブ１３ｓを介して均圧槽１４の入口に接続される。
均圧槽１４の出口は、吸着塔１３における吸着圧力を制御するための圧力調節バルブ１４ａを介して製品槽１５の入口に接続される。製品槽１５の出口配管１５ａを介して精製されたアルゴンガスが取り出される。
また、流出配管１３ｏと均圧槽１４は、流量制御バルブ１３ｕ、流量指示調節計１３ｖを介して洗浄配管１３ｐに接続され、吸着塔１３から流出した不純物濃度の低減されたアルゴンガスを、洗浄配管１３ｐを介して吸着塔１３に一定流量に調節して再び送ることが可能とされている。
【００１９】
ＰＳＡユニット１０の第１、第２吸着塔１３それぞれにおいて、吸着工程、均圧工程、脱着工程、洗浄工程、均圧工程、昇圧工程が順次行われる。
すなわち、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｂ、１３ｌのみが開かれることで、圧縮機１２により圧縮されたアルゴンガスが、切替バルブ１３ｂを介して第１吸着塔１３に導入される。その導入されたアルゴンガス中の少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分が吸着剤に吸着されることで、第１吸着塔１３においては吸着工程が行われる。第１吸着塔１３において不純物の含有率が低減されたアルゴンガスは、流出配管１３ｏを介して均圧槽１４に送られる。この際、第２吸着塔１３において、切替バルブ１３ｍ、１３ｃのみが開かれることで、第１吸着塔１３から流出配管１３ｏに送られたアルゴンガスの一部が、洗浄配管１３ｐ、流量制御バルブ１３ｕを介して第２吸着塔１３に送られ、第２吸着塔１３においては洗浄工程が行われる。
次に、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｂ、１３ｌが閉じられ、第２吸着塔１３において切替バルブ１３ｍ、１３ｃが閉じられ、切替バルブ１３ｎ、１３ｄが開かれることで、第１吸着塔１３と第２吸着塔１３において内部圧力の均一化を図る均圧工程が行われる。
次に、切替バルブ１３ｎ、１３ｄが閉じられ、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｃが開かれることで、吸着剤から不純物を脱着する脱着工程が第１吸着塔１３において行われ、脱着された不純物はガスと共にサイレンサー１３ｅを介して大気中に放出される。この際、第２吸着塔１３の切替バルブ１３ｂ、１３ｌと切替バルブ１３ｓが開かれることで、圧縮機１２により圧縮されたアルゴンガスが切替バルブ１３ｂを介して、均圧槽１４における不純物の含有率が低減されたアルゴンガスが切替バルブ１３ｓ、１３ｌを介して、第２吸着塔２３に導入され、第２吸着塔１３において昇圧工程が行われると共に吸着工程が開始される。
次に、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｍが開かれ、切替バルブ１３ｓが閉じられ、これにより、吸着工程が行われている第２吸着塔１３から流出配管１３ｏに送られたアルゴンガスの一部が、洗浄配管１３ｐ、流量制御バルブ１３ｕを介して第１吸着塔１３に送られ、第１吸着塔１３において洗浄工程が行われる。洗浄工程で用いられたガスは、切替バルブ１３ｃ、サイレンサー１３ｅを介して大気中に放出される。
次に、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｃ、１３ｍが閉じられ、第２吸着塔１３において切替バルブ１３ｂ、１３ｌが閉じられ、切替バルブ１３ｎ、１３ｄが開かれることで、第１吸着塔１３と第２吸着塔１３において内部圧力の均一化を図る均圧工程が行われる。
次に、切替バルブ１３ｎ、１３ｄが閉じられ、第１吸着塔１３の切替バルブ１３ｂ、１３ｌと切替バルブ１３ｓが開かれることで、圧縮機１２により圧縮されたアルゴンガスが切替バルブ１３ｂを介して、均圧槽１４における不純物の含有率が低減されたアルゴンガスが切替バルブ１３ｓ、１３ｌを介して、第１吸着塔１３に導入され、第１吸着塔１３において昇圧工程が行われると共に吸着工程が開始される。この際、第２吸着塔１３において切替バルブ１３ｃが開かれることで、吸着剤から不純物を脱着する脱着工程が第２吸着塔１３において行われ、不純物はガスと共にサイレンサー１３ｅを介して大気中に放出される。
上記の各工程が第１、第２吸着塔１３それぞれにおいて順次繰り返されることで、不純物含有率を低減されたアルゴンガスが均圧槽１４、圧力調節バルブ１４ａを介して製品槽１５に送られる。
なお、ＰＳＡユニット１０は図２に示すものに限定されず、例えば塔数は２以外、例えば３でも４でもよい。
【００２０】
上記実施形態によれば、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を含有するアルゴンガスを精製する際に、そのアルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２を超える値に設定した後に、そのアルゴンガスにおける酸素を、一酸化炭素および水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成している。これにより、アルゴンガスにおける主な不純物を酸素、二酸化炭素、窒素、および水分とし、その酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させている。その吸着剤として、合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いることで、常温での圧力スイング吸着法によりアルゴンガスにおける酸素、二酸化炭素、窒素、および水分の濃度を低減でき、温度スイング吸着法のような低温での不純物の吸着を不要にできる。
【実施例１】
【００２１】
上記精製装置αを用いてアルゴンガスの精製を行った。
アルゴンガスは不純物として酸素を５００モルｐｐｍ、水素を２０モルｐｐｍ、一酸化炭素を１８００モルｐｐｍ、窒素を１０００モルｐｐｍ、二酸化炭素を２０モルｐｐｍ、水分を２０モルｐｐｍそれぞれ含有するものを用いた。
そのアルゴンガスを標準状態で８．０Ｌ／ｍｉｎの流量で反応器３に導入し、さらに、そのアルゴンガスに酸素を標準状態で７．２８ｍＬ／ｍｉｎの流量で添加した。
反応器３に、アルミナ担持のルテニウム触媒（エヌ・イー・ケムキャット（株）製、０．５％ＲＵアルミナペレットＥＡ）を９６ｍＬ充填し、反応条件は温度２００℃、大気圧、空間速度５０００／ｈとした。反応器３から流出するアルゴンガスをＰＳＡユニット１０に導き、アルゴンガスにおける不純物含有率を低減した。
ＰＳＡユニット１０は２塔式で、各塔は呼び径３２Ａ、容量１Ｌの円筒状とした。各塔に吸着剤として、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にある円柱状成形炭のカーボンモレキュラーシーブ（クラレケミカル製ＧＮ−ＵＣ−Ｈ）と、ＬｉＸ型合成ゼオライト（東ソー製ＮＳＡ−７００）を、８０：２０の重量比で充填し、カーボンモレキュラーシーブを下部に合成ゼオライトを上部に配置した。圧力スイング吸着法を実施する際の操作条件は、吸着圧力０．８ＭＰａＧ、脱着圧力１０ｋＰａＧ、サイクルタイム８０ｓｅｃ／塔とし、均圧５ｓｅｃを実施した。
ＰＳＡユニット１０から流出する精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
なお、精製されたアルゴンガスにおける酸素濃度はＤＥＬＴＡ Ｆ社製微量酸素濃度計型式ＤＦ−１５０Ｅにより、一酸化炭素および二酸化炭素の濃度は島津製作所製GC-FIDを用いてメタナイザーを介して測定した。吸着剤の細孔直径分布は、日本ベル社製 Belsorp maxにより吸着質ガスを二酸化炭素として温度25度にて吸着量を測定してＨＫ法で計算して求めた。窒素濃度についてはＧＬscience 社製GC-PID、水分は露点計を用いて測定した。
【実施例２】
【００２２】
反応器３に、アルミナ担持のプラチナ触媒（エヌ・イー・ケムキャット（株）、ＤＡＳＨ−２２０触媒）を９６ｍＬ充填し、反応条件は温度３００℃、大気圧、空間速度５０００／ｈとした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【実施例３】
【００２３】
反応器３にアルミナ担持のパラジウム触媒（エヌ・イー・ケムキャット（株）、ＤＡＳＨ−２２０Ｄ触媒）を９６ｍＬ充填し、反応条件は温度２５０℃、大気圧、空間速度５０００／ｈとした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【実施例４】
【００２４】
酸素の添加流量を標準状態で１０．７ｍＬ／ｍｉｎにした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【実施例５】
【００２５】
圧縮機１２から流出するアルゴンガスの水分含有率を、圧縮機１２による圧縮後であって吸着塔１３への導入前に乾燥機による脱水操作により低減した。乾燥機として、アルゴンガスを加圧冷却して凝縮された水分を除去する冷凍式脱水装置を用い、−３５℃まで冷却して水分を除去した。他は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【比較例１】
【００２６】
ＰＳＡユニット１０で用いる吸着剤をカーボンモレキュラーシーブ（クラレケミカル製ＧＮ−ＵＣ−Ｈ）のみとした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【比較例２】
【００２７】
ＰＳＡユニット１０で吸着剤として用いる合成ゼオライトをＣａＸ型合成ゼオライト（東ソー製ＳＡ−６００Ａ）とした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【比較例３】
【００２８】
ＰＳＡユニット１０で用いる吸着剤を、細孔直径分布のピークが細孔直径０．６０ｎｍ〜０．７０ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブ（日本エンバイロ製Ｇ２Ｘ）のみとした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【比較例４】
【００２９】
ＰＳＡユニット１０で吸着剤として用いるカーボンモレキュラーシーブを、細孔直径分布のピークが細孔直径０．６０ｎｍ〜０．７０ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブ（日本エンバイロ製Ｇ２Ｘ）とした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
上記表１から、ＰＳＡユニット１０における吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いることで、常温での圧力スイング吸着法によりアルゴンガスにおける酸素、二酸化炭素、窒素、および水分の濃度を低減できることが確認され、また、乾燥機による脱水操作がなくても水分濃度を低減できることを確認できる。
【符号の説明】
【００３２】
α…精製装置、３…反応器、７…濃度調節装置、１０…ＰＳＡユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物として少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を含有する回収アルゴンガスを精製するのに適した方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、シリコン単結晶引上げ炉、セラミック焼結炉、製鋼用真空脱ガス設備、太陽電池用シリコンプラズマ溶解装置、多結晶シリコン鋳造炉のような設備においては、アルゴンガスが炉内雰囲気ガス等として使用されている。そのような設備から再利用のため回収されたアルゴンガスは、水素、一酸化炭素、空気などの混入により純度が低下している。そこで、回収されたアルゴンガスの純度を高めるため、不純物を吸着剤に吸着させることが行われている。さらに、そのような不純物の吸着を効率良く行うため、吸着処理の前処理として不純物中の酸素と可燃成分とを反応させることが提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１に開示された方法においては、アルゴンガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等の可燃成分を完全燃焼させるのに必要な化学量論量よりも僅かに少なくなるよう調節し、次に、一酸化炭素と酸素との反応よりも水素と酸素との反応を優先させるパラジウムまたは金を触媒として、アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素、水素等と反応させることで、一酸化炭素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、次に、アルゴンガスに含有される二酸化炭素と水を圧力スイング吸着法により常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、アルゴンガスに含有される一酸化炭素と窒素を温度スイング吸着法により−１０℃〜−５０℃の温度で吸着剤に吸着させている。
【０００４】
特許文献２に開示された方法においては、アルゴンガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等の可燃成分を完全燃焼させるのに十分な量とし、次に、パラジウム系の触媒を用いてアルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素、水素等と反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、次に、アルゴンガスに含有される二酸化炭素と水を圧力スイング吸着法により常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、アルゴンガスに含有される酸素と窒素を温度スイング吸着法により−１７０℃程度の温度で吸着剤に吸着させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４９６０７９号公報
【特許文献２】特許第３７３７９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の方法では、前処理の段階でアルゴンガスにおける一酸化炭素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、その後の吸着処理の段階で、二酸化炭素と水を常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、一酸化炭素と窒素を−１０℃〜−５０℃で吸着剤に吸着させている。しかし、そのような低温で一酸化炭素と窒素を吸着した吸着剤を再生する場合、一酸化炭素は窒素に比べて吸着剤から脱離させるのに多くのエネルギーを要することから工業的に不利である。
【０００７】
特許文献２に記載の方法では、前処理の段階で酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、その後の吸着処理の段階で、二酸化炭素と水を常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、酸素と窒素を−１７０℃程度の温度で吸着剤に吸着させている。しかし、−１７０℃程度という超低温での吸着処理を行うと冷却エネルギーが増大し、精製負荷が大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決できるアルゴンガスの精製方法および精製装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明方法は、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する方法であって、前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する工程と、次に、前記アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素および水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する工程と、次に、前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる工程とを備え、前記吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブとを用いることを特徴とする。
本発明によれば、アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素および水素と反応させ、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成することで、アルゴンガスにおける主な不純物を酸素、二酸化炭素、窒素、および水分とし、その酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる。その吸着剤として、合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いることで、常温での圧力スイング吸着法によりアルゴンガスにおける酸素、二酸化炭素、窒素、および水分の濃度を低減でき、温度スイング吸着法のような低温での不純物（主に窒素）の吸着を不要にできる。
前記触媒としては、アルミナ等に担持した白金系触媒を用いるのが好ましく、特に、ルテニウム触媒を用いるのが好ましい。ルテニウム触媒を用いることで、ルテニウム触媒以外の白金族触媒を用いる場合に比べて反応温度を低減でき、例えば２００℃以下にすることが可能になり、よりエネルギー消費を低減できる。なお、ルテニウム触媒を用いる反応を完結する上では反応温度を７０℃以上にするのが好ましい。
【００１０】
本発明装置は、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する装置であって、前記アルゴンガスが導入される反応器と、前記反応器に導入される前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する濃度調節装置と、前記反応器から流出する前記アルゴンガスが導入されるＰＳＡユニットとを備え、前記反応器内で前記アルゴンガスにおける酸素が一酸化炭素および水素と反応することで、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成されるように、前記反応器に触媒が充填され、前記ＰＳＡユニットにより、前記反応器から流出する前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分が、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着され、前記吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブとが用いられることを特徴とする。
本発明装置によれば本発明方法を実施できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回収アルゴンガスに含有される不純物を、多くのエネルギーを要することなく除去して高純度のアルゴンガスを得ることができる実用的な精製方法と精製装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るアルゴンガスの精製装置の構成説明図
【図２】本発明の実施形態に係るアルゴンガスの精製装置における圧力スイング吸着装置の構成説明図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に示すアルゴンガスの精製装置αは、例えば多結晶シリコン鋳造炉のようなアルゴンガス供給源１から供給される使用済アルゴンガスを回収し、再利用できるように精製するもので、加熱器２、反応器３、濃度調節装置７、冷却器４、およびＰＳＡユニット１０を備える。
【００１４】
供給源１から供給されるアルゴンガスは、図外フィルター等により除塵され、ブロワ等のガス送り手段（図示省略）を介して加熱器２に導入される。精製対象のアルゴンガスに含有される微量の不純物は少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素とされるが、二酸化炭素、炭化水素、水分等の他の不純物を含有していてもよい。精製されるアルゴンガスにおける不純物の濃度は特に限定されず、例えば５モルｐｐｍ〜４００００モルｐｐｍ程度とされる。加熱器２によるアルゴンガスの加熱温度は、反応器３における反応を完結するためには１５０℃以上にするのが好ましく、触媒の寿命短縮を防止する観点から３５０℃以下とするのが好ましい。
【００１５】
加熱器２により加熱されたアルゴンガスは反応器３に導入される。濃度調節装置７は、反応器３に導入されるアルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する。濃度調節装置７は、例えば、アルゴンガスにおける酸素モル濃度、一酸化炭素モル濃度、および水素モル濃度を測定する測定器と、酸素供給源と、酸素供給源から反応器３に到る流路を開閉するバルブ装置と、バルブ装置のコントローラを有するものにより構成できる。そのコントローラは、測定された酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度の和の１／２以下であるか否かを判断し、１／２以下である場合は１／２を超える値にするのに必要な酸素量に対応する制御信号をバルブ装置に送り、バルブ装置は制御信号に応じた量の酸素が供給されるように流路を開度調整する。反応器３に導入されるアルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度の和の１／２を超える場合、濃度調節は必要がないことから行われない。また、反応器３に導入されるアルゴンガスにおける酸素モル濃度が、常に一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度の和の１／２を超えるものである場合、濃度調節装置７を設けなくてもよい。なお、濃度調節装置７により酸素を添加する場合、アルゴンガスにおける酸素モル濃度を一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の０．５２５倍〜０．５５０倍の値にするのが好ましく、０．５２５倍以上とすることで一酸化炭素と水素を確実に低減でき、０．５５０倍以下とすることで酸素濃度が必要以上に高くなることはない。
【００１６】
反応器３に、酸素を水素および一酸化炭素と反応させる触媒が充填される。これにより、反応器３内でアルゴンガスにおける酸素が一酸化炭素および水素と反応することにより、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成される。反応器３に充填される触媒は、酸素を一酸化炭素および水素と反応させるものであれば特に限定されず、例えば、ルテニウム、白金、白金合金、パラジウム等をアルミナ等に担持した触媒を用いることができる。なお、多結晶シリコン鋳造炉等から回収されるアルゴンガスは可燃成分として炭化水素を含むが、そのモル濃度は水素と一酸化炭素の合計モル濃度の通常は１／１００以下である。よって、通常は一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２を僅かに超えるように酸素モル濃度を設定すれば、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成される。また、微量の炭化水素が残留しても圧力スイング吸着法により容易に吸着して除去できる。よって、炭化水素のために特に酸素濃度を調整する必要はない。
【００１７】
反応器３から流出するアルゴンガスは、冷却器７によって冷却された後にＰＳＡユニット１０に導入される。ＰＳＡユニット１０は、アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる。
【００１８】
ＰＳＡユニット１０は公知のものを用いることができる。例えば図２に示すＰＳＡユニット１０は２塔式であり、アルゴンガスを圧縮する圧縮機１２と、第１、第２吸着塔１３を有し、各吸着塔１３に吸着剤が充填されている。その吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトとカーボンモレキュラーシーブとが用いられ、そのカーボンモレキュラーシーブの細孔直径分布のピークは細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるものとされている。そのカーボンモレキュラーシーブとして市販品を採用でき、その場合は３Ａ型と呼ばれるものを用いることができる。各吸着塔１３においては、下部にカーボンモレキュラーシーブを、上部に合成ゼオライトを充填するのが好ましく、カーボンモレキュラーシーブと合成ゼオライトの充填比率および充填量は、不純物組成および精製純度に応じて適宜調整すればよい。
吸着塔１３の入口１３ａそれぞれは、切替バルブ１３ｂを介して原料配管１３ｆに接続され、切替バルブ１３ｃおよびサイレンサー１３ｅを介して大気中に接続され、切替バルブ１３ｄと下部均圧配管１３ｇを介して互いに接続される。反応器３から流出するアルゴンガスは、圧縮機１２により圧縮された後に原料配管１３ｆに到る。
吸着塔１３の出口１３ｋそれぞれは、切替バルブ１３ｌを介して流出配管１３ｏに接続され、切替バルブ１３ｍを介して洗浄配管１３ｐに接続され、切替バルブ１３ｎと上部均圧配管１３ｑを介して互いに接続される。
流出配管１３ｏは、並列配置された逆止弁１３ｒと切替バルブ１３ｓを介して均圧槽１４の入口に接続される。
均圧槽１４の出口は、吸着塔１３における吸着圧力を制御するための圧力調節バルブ１４ａを介して製品槽１５の入口に接続される。製品槽１５の出口配管１５ａを介して精製されたアルゴンガスが取り出される。
また、流出配管１３ｏと均圧槽１４は、流量制御バルブ１３ｕ、流量指示調節計１３ｖを介して洗浄配管１３ｐに接続され、吸着塔１３から流出した不純物濃度の低減されたアルゴンガスを、洗浄配管１３ｐを介して吸着塔１３に一定流量に調節して再び送ることが可能とされている。
【００１９】
ＰＳＡユニット１０の第１、第２吸着塔１３それぞれにおいて、吸着工程、均圧工程、脱着工程、洗浄工程、均圧工程、昇圧工程が順次行われる。
すなわち、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｂ、１３ｌのみが開かれることで、圧縮機１２により圧縮されたアルゴンガスが、切替バルブ１３ｂを介して第１吸着塔１３に導入される。その導入されたアルゴンガス中の少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分が吸着剤に吸着されることで、第１吸着塔１３においては吸着工程が行われる。第１吸着塔１３において不純物の含有率が低減されたアルゴンガスは、流出配管１３ｏを介して均圧槽１４に送られる。この際、第２吸着塔１３において、切替バルブ１３ｍ、１３ｃのみが開かれることで、第１吸着塔１３から流出配管１３ｏに送られたアルゴンガスの一部が、洗浄配管１３ｐ、流量制御バルブ１３ｕを介して第２吸着塔１３に送られ、第２吸着塔１３においては洗浄工程が行われる。
次に、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｂ、１３ｌが閉じられ、第２吸着塔１３において切替バルブ１３ｍ、１３ｃが閉じられ、切替バルブ１３ｎ、１３ｄが開かれることで、第１吸着塔１３と第２吸着塔１３において内部圧力の均一化を図る均圧工程が行われる。
次に、切替バルブ１３ｎ、１３ｄが閉じられ、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｃが開かれることで、吸着剤から不純物を脱着する脱着工程が第１吸着塔１３において行われ、脱着された不純物はガスと共にサイレンサー１３ｅを介して大気中に放出される。この際、第２吸着塔１３の切替バルブ１３ｂ、１３ｌと切替バルブ１３ｓが開かれることで、圧縮機１２により圧縮されたアルゴンガスが切替バルブ１３ｂを介して、均圧槽１４における不純物の含有率が低減されたアルゴンガスが切替バルブ１３ｓ、１３ｌを介して、第２吸着塔２３に導入され、第２吸着塔１３において昇圧工程が行われると共に吸着工程が開始される。
次に、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｍが開かれ、切替バルブ１３ｓが閉じられ、これにより、吸着工程が行われている第２吸着塔１３から流出配管１３ｏに送られたアルゴンガスの一部が、洗浄配管１３ｐ、流量制御バルブ１３ｕを介して第１吸着塔１３に送られ、第１吸着塔１３において洗浄工程が行われる。洗浄工程で用いられたガスは、切替バルブ１３ｃ、サイレンサー１３ｅを介して大気中に放出される。
次に、第１吸着塔１３において切替バルブ１３ｃ、１３ｍが閉じられ、第２吸着塔１３において切替バルブ１３ｂ、１３ｌが閉じられ、切替バルブ１３ｎ、１３ｄが開かれることで、第１吸着塔１３と第２吸着塔１３において内部圧力の均一化を図る均圧工程が行われる。
次に、切替バルブ１３ｎ、１３ｄが閉じられ、第１吸着塔１３の切替バルブ１３ｂ、１３ｌと切替バルブ１３ｓが開かれることで、圧縮機１２により圧縮されたアルゴンガスが切替バルブ１３ｂを介して、均圧槽１４における不純物の含有率が低減されたアルゴンガスが切替バルブ１３ｓ、１３ｌを介して、第１吸着塔１３に導入され、第１吸着塔１３において昇圧工程が行われると共に吸着工程が開始される。この際、第２吸着塔１３において切替バルブ１３ｃが開かれることで、吸着剤から不純物を脱着する脱着工程が第２吸着塔１３において行われ、不純物はガスと共にサイレンサー１３ｅを介して大気中に放出される。
上記の各工程が第１、第２吸着塔１３それぞれにおいて順次繰り返されることで、不純物含有率を低減されたアルゴンガスが均圧槽１４、圧力調節バルブ１４ａを介して製品槽１５に送られる。
なお、ＰＳＡユニット１０は図２に示すものに限定されず、例えば塔数は２以外、例えば３でも４でもよい。
【００２０】
上記実施形態によれば、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を含有するアルゴンガスを精製する際に、そのアルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２を超える値に設定した後に、そのアルゴンガスにおける酸素を、一酸化炭素および水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成している。これにより、アルゴンガスにおける主な不純物を酸素、二酸化炭素、窒素、および水分とし、その酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させている。その吸着剤として、合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いることで、常温での圧力スイング吸着法によりアルゴンガスにおける酸素、二酸化炭素、窒素、および水分の濃度を低減でき、温度スイング吸着法のような低温での不純物の吸着を不要にできる。
【実施例１】
【００２１】
上記精製装置αを用いてアルゴンガスの精製を行った。
アルゴンガスは不純物として酸素を５００モルｐｐｍ、水素を２０モルｐｐｍ、一酸化炭素を１８００モルｐｐｍ、窒素を１０００モルｐｐｍ、二酸化炭素を２０モルｐｐｍ、水分を２０モルｐｐｍそれぞれ含有するものを用いた。
そのアルゴンガスを標準状態で８．０Ｌ／ｍｉｎの流量で反応器３に導入し、さらに、そのアルゴンガスに酸素を標準状態で７．２８ｍＬ／ｍｉｎの流量で添加した。
反応器３に、アルミナ担持のルテニウム触媒（エヌ・イー・ケムキャット（株）製、０．５％ＲＵアルミナペレットＥＡ）を９６ｍＬ充填し、反応条件は温度２００℃、大気圧、空間速度５０００／ｈとした。反応器３から流出するアルゴンガスをＰＳＡユニット１０に導き、アルゴンガスにおける不純物含有率を低減した。
ＰＳＡユニット１０は２塔式で、各塔は呼び径３２Ａ、容量１Ｌの円筒状とした。各塔に吸着剤として、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にある円柱状成形炭のカーボンモレキュラーシーブ（クラレケミカル製ＧＮ−ＵＣ−Ｈ）と、ＬｉＸ型合成ゼオライト（東ソー製ＮＳＡ−７００）を、８０：２０の重量比で充填し、カーボンモレキュラーシーブを下部に合成ゼオライトを上部に配置した。圧力スイング吸着法を実施する際の操作条件は、吸着圧力０．８ＭＰａＧ、脱着圧力１０ｋＰａＧ、サイクルタイム８０ｓｅｃ／塔とし、均圧５ｓｅｃを実施した。
ＰＳＡユニット１０から流出する精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
なお、精製されたアルゴンガスにおける酸素濃度はＤＥＬＴＡ Ｆ社製微量酸素濃度計型式ＤＦ−１５０Ｅにより、一酸化炭素および二酸化炭素の濃度は島津製作所製GC-FIDを用いてメタナイザーを介して測定した。吸着剤の細孔直径分布は、日本ベル社製 Belsorp maxにより吸着質ガスを二酸化炭素として温度25度にて吸着量を測定してＨＫ法で計算して求めた。窒素濃度についてはＧＬscience 社製GC-PID、水分は露点計を用いて測定した。
【実施例２】
【００２２】
反応器３に、アルミナ担持のプラチナ触媒（エヌ・イー・ケムキャット（株）、ＤＡＳＨ−２２０触媒）を９６ｍＬ充填し、反応条件は温度３００℃、大気圧、空間速度５０００／ｈとした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【実施例３】
【００２３】
反応器３にアルミナ担持のパラジウム触媒（エヌ・イー・ケムキャット（株）、ＤＡＳＨ−２２０Ｄ触媒）を９６ｍＬ充填し、反応条件は温度２５０℃、大気圧、空間速度５０００／ｈとした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【実施例４】
【００２４】
酸素の添加流量を標準状態で１０．７ｍＬ／ｍｉｎにした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【実施例５】
【００２５】
圧縮機１２から流出するアルゴンガスの水分含有率を、圧縮機１２による圧縮後であって吸着塔１３への導入前に乾燥機による脱水操作により低減した。乾燥機として、アルゴンガスを加圧冷却して凝縮された水分を除去する冷凍式脱水装置を用い、−３５℃まで冷却して水分を除去した。他は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【比較例１】
【００２６】
ＰＳＡユニット１０で用いる吸着剤をカーボンモレキュラーシーブ（クラレケミカル製ＧＮ−ＵＣ−Ｈ）のみとした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【比較例２】
【００２７】
ＰＳＡユニット１０で吸着剤として用いる合成ゼオライトをＣａＸ型合成ゼオライト（東ソー製ＳＡ−６００Ａ）とした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【比較例３】
【００２８】
ＰＳＡユニット１０で用いる吸着剤を、細孔直径分布のピークが細孔直径０．６０ｎｍ〜０．７０ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブ（日本エンバイロ製Ｇ２Ｘ）のみとした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【比較例４】
【００２９】
ＰＳＡユニット１０で吸着剤として用いるカーボンモレキュラーシーブを、細孔直径分布のピークが細孔直径０．６０ｎｍ〜０．７０ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブ（日本エンバイロ製Ｇ２Ｘ）とした以外は実施例１と同様にしてアルゴンガスを精製した。その精製されたアルゴンガスの組成を以下の表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
上記表１から、ＰＳＡユニット１０における吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブを用いることで、常温での圧力スイング吸着法によりアルゴンガスにおける酸素、二酸化炭素、窒素、および水分の濃度を低減できることが確認され、また、乾燥機による脱水操作がなくても水分濃度を低減できることを確認できる。
【符号の説明】
【００３２】
α…精製装置、３…反応器、７…濃度調節装置、１０…ＰＳＡユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する方法であって、
前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する工程と、
次に、前記アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素および水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する工程と、
次に、前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる工程とを備え、
前記吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブとを用いるアルゴンガスの精製方法。
【請求項２】
前記触媒としてルテニウム触媒を用いる請求項１に記載のアルゴンガスの精製方法。
【請求項３】
少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する装置であって、
前記アルゴンガスが導入される反応器と、
前記反応器に導入される前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する濃度調節装置と、
前記反応器から流出する前記アルゴンガスが導入されるＰＳＡユニットとを備え、
前記反応器内で前記アルゴンガスにおける酸素が一酸化炭素および水素と反応することで、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成されるように、前記反応器に触媒が充填され、
前記ＰＳＡユニットにより、前記反応器から流出する前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分が、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着され、
前記吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブとが用いられるアルゴンガスの精製装置。
【請求項１】
少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する方法であって、
前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する工程と、
次に、前記アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素および水素と触媒を用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する工程と、
次に、前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる工程とを備え、
前記吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブとを用いるアルゴンガスの精製方法。
【請求項２】
前記触媒としてルテニウム触媒を用いる請求項１に記載のアルゴンガスの精製方法。
【請求項３】
少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する装置であって、
前記アルゴンガスが導入される反応器と、
前記反応器に導入される前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の１／２以下である場合は、酸素を添加することで１／２を超える値に設定する濃度調節装置と、
前記反応器から流出する前記アルゴンガスが導入されるＰＳＡユニットとを備え、
前記反応器内で前記アルゴンガスにおける酸素が一酸化炭素および水素と反応することで、酸素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成されるように、前記反応器に触媒が充填され、
前記ＰＳＡユニットにより、前記反応器から流出する前記アルゴンガスにおける少なくとも酸素、二酸化炭素、窒素、および水分が、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着され、
前記吸着剤として、ＬｉＸ型合成ゼオライトと、細孔直径分布のピークが細孔直径０．３５ｎｍ〜０．５５ｎｍの間にあるカーボンモレキュラーシーブとが用いられるアルゴンガスの精製装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１０１９７６（Ｐ２０１２−１０１９７６Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５１６０７（Ｐ２０１０−２５１６０７）
【出願日】平成２２年１１月１０日（２０１０．１１．１０）
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１０日（２０１０．１１．１０）
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
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