説明

二酸化炭素回収精製方法及びシステム

【課題】供給先から二酸化炭素(CO2)を回収して精製し、油分などの有機物や水分が取り除かれた高純度の二酸化炭素を再供給できる方法及びシステムを提供する。
【解決手段】二酸化炭素回収精製システムは、供給先である二酸化炭素使用装置50から回収した流体に含まれる不純物とCO2とを分離するための気液分離器16と、気液分離器16の出口からのCO2から不純物を吸着除去する相互に直列に接続された吸着塔A1,A2と吸着塔A2からのCO2を凝縮して液体CO2を生成する凝縮器18と、凝縮器18内において液体状態であるCO2を必要に応じてさらに精製した後、二酸化炭素使用装置50に供給する。さらに、吸着塔A1,A2間を流れるCO2をサンプリングして不純物を測定する分析部30を備え、分析部30での分析結果に応じて吸着塔A1,A2への通気を停止し、吸着塔A1内の吸着材に対する再生処理を実行する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、供給先から二酸化炭素を回収して精製し、精製した二酸化炭素を必要に応じてさらに精製した後、供給先に供給する二酸化炭素回収精製方法及びシステムに関し、特に、半導体デバイス製造をはじめとする電子部品の製造工程などにおいて使用できる超高純度の二酸化炭素を供給先に供給できる方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
二酸化炭素(CO2)は、気体状態で各種の用途に用いられるほか、液体状態あるいは超臨界状態で、例えば、洗浄や乾燥などの工程に使用される。近年では半導体デバイスの製造における洗浄工程においても液体CO2や超臨界CO2の使用が提案されている。半導体デバイス製造などにおいて液体CO2や超臨界CO2を使用する場合には、不純物量を極めて少なくし高純度に精製した液体CO2や超臨界CO2を供給する必要がある。また、半導体デバイス製造プロセスなどにおいて使用したCO2については、これを回収して精製し、再び同じ製造プロセスに対して供給するようにすることが求められている。
【0003】
特許文献1は、超臨界CO2あるいは液体CO2を用いた洗浄装置あるいは乾燥装置からCO2を回収して精製し、洗浄装置において再びそのCO2を利用できるようにした再生回収装置を開示している。特許文献1に示される再生回収装置は、回収した流体CO2の圧力を降下させて不純物を液相側に残す気液分離機構と、気液分離機構からの気体CO2を液化して精製する液化精製機構と、気液分離機構と液化精製機構との間に配置されたミスト分離機構やフィルタと、を備えている。
【0004】
ところで、半導体デバイス製造プロセスで用いられる洗浄装置や乾燥装置から回収されるCO2には、水分や油分、揮発性の不純物が含まれ、特に、イソプロピルアルコール(IPA)などのアルコール類が含まれる。特許文献1の再生回収装置は、難揮発性のパーティクルやミストなどを効率よく取り除くことができるが、IPAに代表される揮発性のアルコールをCO2から除去することに関して必ずしも適したものではない。
【0005】
不純物を取り除いてCO2を精製する技術として各種のものが知られている。例えば、特許文献2は、CO2中の硫化カルボニル(COS)、リン含有化合物、ケイ素含有化合物及び非メタン炭化水素などの不純物を混合金属酸化物に吸着させて除去する技術を開示している。特許文献3は、CO2中から水分、含酸素化合物、芳香族化合物及び含イオウ化合物を除去するために、Yゼオライトと乾燥剤とを吸着材として充填した吸着塔に対してCO2ガスを通すこと、2台の吸着塔を並列に設け、一方の吸着塔で不純物の吸着除去処理を行っているときに他方の吸着塔の再生を行うことを開示している。特許文献4は、イオウ化合物、含酸素化合物及び炭化水素などの不純物をCO2から除去して精製CO2を生成するために、種々の精製ユニットにCO2を通すことと、精製後のCO2について分析を行うことを開示されている。特許文献5は、水分、炭化水素及びイオウ化合物をCO2から除去するために、乾燥剤とYゼオライトと活性炭とを吸着材として単一の容器に充填して構成された吸着塔にCO2を通すことを開示している。
【0006】
吸着材を用いて不純物を吸着除去する方法は、二酸化炭素の精製方法として一般的であるから、供給先から回収したCO2を精製して供給先に供給する際に、水分や油分、揮発性の不純物などを取り除くために吸着材を用いることは十分に考えられることである。しかしながら吸着材には、これ以上吸着を行うと後段に不純物が漏れてしまうことになる限界があるので、この限界に至る前までにCO2の通気を停止しないと、精製後のCO2に不純物が混入するといった不具合が生じる。そこで、例えば、限界に至らないと想定される一定時間の経過でもって通気を停止するか、あるいは、精製後のCO2に要求される値に対して安全側のしきい値を設定した上で、吸着材を通過した後のCO2の分析を行い、しきい値を超えた場合に、後段に不純物が漏れてしまう限界が近いと判断して、通気を停止する。この場合、厳密に要求値を満足させるためには吸着材が限界に至るかなり前にCO2の通気を停止する必要があり、通気の停止後には吸着材の再生処理や交換を行うことから、吸着材の吸着容量を有効に使い切れない、という課題が生じる。また、想定を超えて入口不純物濃度が一時的に上昇した場合には、精製されたCO2に要求される値が満たされなくなるおそれもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2005−281016号公報
【特許文献2】特表2006−502957号公報
【特許文献3】特表2009−506967号公報
【特許文献4】特表2009−512612号公報
【特許文献5】特表2009−504383号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
半導体デバイス製造プロセスから回収した二酸化炭素を精製して再びその半導体デバイス製造プロセスに供給するようにした技術についてはこれまでもいくつか提案がある。そのような技術において、回収した二酸化炭素に含まれる水分、油分あるいは揮発性不純物などを除去するためには、吸着材を使用することが現実的であると考えられる。しかしながら、吸着材を用いる場合にはその吸着材の吸着可能量を十分に生かしきれない、という問題点が生じ、このため、イニシャルコストや再生頻度の上昇にともなうランニングコストなどの上昇につながっている。
【0009】
本発明の目的は、供給先から二酸化炭素を回収して精製し、精製された二酸化炭素を必要に応じてさらに精製した後、供給先に再び供給する二酸化炭素回収精製方法及びシステムであって、二酸化炭素中のパーティクル、水分、油分及び揮発性の不純物を容易に低減できて、かつ、吸着材の吸着容量を十分に活用できる方法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の二酸化炭素回収精製システムは、二酸化炭素の供給先から二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を精製して再供給する二酸化炭素回収精製システムであって、供給先から回収した流体に含まれる不純物と二酸化炭素とを分離する気液分離器と、気液分離器の出口から流出する気相状態の二酸化炭素を凝縮して液体状態の二酸化炭素を生成する凝縮器と、凝縮器内で液体状態である二酸化炭素を直接もしくは最終的に供給先に供給する供給ラインと、気液分離器の出口から凝縮器までの精製ラインに設けられ、精製ラインを流れる気相状態の二酸化炭素から不純物を吸着除去する相互に直列接続された複数の吸着部と、複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして不純物を測定する分析部と、を備えることを特徴とする。
【0011】
本発明の二酸化炭素回収精製方法は、二酸化炭素の供給先から二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を精製して再供給する二酸化炭素回収精製方法であって、供給先から回収した流体に含まれる不純物と二酸化炭素とを気液分離器において分離する工程と、気液分離器の出口から流れ出る気体状態の二酸化炭素を凝縮器により凝縮して液体状態の二酸化炭素とする工程と、前記凝縮器内で液体状態である二酸化炭素を直接もしくは最終的に供給先に送出する工程と、気液分離器の出口から凝縮器までのライン上の位置で、相互に直列接続された複数の吸着部に気相状態の二酸化炭素を通気することにより、気相状態の二酸化炭素から不純物を吸着除去する不純物除去工程と、複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして不純物を測定する分析工程と、分析工程での測定結果に応じて複数の吸着部への二酸化炭素の通気状態を制御する制御工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
回収した流体に含まれる不純物と二酸化炭素を分離する気液分離器と気化した二酸化炭素を凝縮させる凝縮器との間の位置に、相互に直列に接続された複数の吸着部を設け、さらに、複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして不純物を測定できるようにすることにより、サンプリング位置より上流側の吸着部が、これ以上吸着を行わせると後段に不純物が漏れるという限界に到達したことを検出できる。上流側の吸着部がこの限界に達した時点では、サンプリング位置より下流側の吸着部はほとんど不純物を吸着していないので、不純物は確実に下流側の吸着部で吸着除去でき、このため、上流側の吸着部に関しては後段に不純物が漏れる限界まで使用できるようになってその吸着容量を有効に使い切ることができる。また、下流側の吸着部については吸着負荷が小さくてメンテナンス期間を極めて長く設定することができるから、全体として見て吸着材を有効に使用でき、かつ、後段への不純物汚染を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の第1の実施形態の二酸化炭素回収精製システムの構成を示す図である。
【図2】第2の実施形態の二酸化炭素回収精製システムの構成を示す図である。
【図3】第3の実施形態の二酸化炭素回収精製システムの構成を示す図である。
【図4】吸着部と弁との配置関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明に基づく二酸化炭素回収精製システムは、二酸化炭素使用装置である供給先から回収した流体に含まれる不純物と二酸化炭素(CO2)とを分離する気液分離器と、気液分離器から流出する気体状態のCO2を凝縮させる凝縮器と、を備えてCO2を精製するシステムであって、気液分離器の出口と凝縮器の入口との間であってCO2が気相状態で流れる位置に少なくとも2段の吸着部を直列に配置し、かつ、直列接続された複数の吸着部の相互間の接続位置においてそこを流れるCO2をサンプリングしてCO2中の不純物濃度を測定する分析部とを設けたものである。凝縮器によって液化されたCO2は、二酸化炭素使用装置において再度使用することができる。二酸化炭素使用装置は、例えば、半導体デバイス製造プロセスで使用される洗浄装置や乾燥装置などである。
【0015】
この二酸化炭素回収精製システムには複数の吸着部が設けられるが、それぞれに同一種類の吸着材を充填するなどして、各吸着部によって吸着除去される不純物成分が同じであるようにする。除去しようとする不純物成分に応じて吸着部に充填すべき吸着材を選定することになるが、回収精製したCO2の供給先である二酸化炭素使用装置が何であるかによって、回収されたCO2に含まれる水分や有機物の量、有機物の種類が異なるから、二酸化炭素使用装置に応じて吸着材を選択することが好ましい。一般的に公知なものとして、水分除去用の吸着材には、ゼオライト、モレキュラーシーブス、活性アルミナ、シリカゲルなどを用いることができ、イソプロピルアルコール(IPA)などの有機物除去用の吸着材には活性炭、モレキュラーシーブス、ハイシリカゼオライトなどを用いることができる。水分除去用、有機物除去用を問わず、これらの吸着材は、その使用前に、十分に低水分管理されたドライガスを通すことによって、それらの吸着材内の水分を予め除去しておくことが好ましい。
【0016】
気液分離器から凝縮器に向けて気体状態でCO2を流すと、二酸化炭素使用装置から回収されたCO2に含まれていた水分や油分、揮発性の不純物は、直列に接続された吸着部のうち、上流側の吸着部すなわち気液分離器側の吸着部でまず吸着除去される。この段階では、分析部での分析結果には、不純物成分は現れず、また、下流側の吸着部すなわち凝縮器側の吸着部はまだ何も吸着していない。そのうちに上流側の吸着部内の吸着材が、それ以上吸着させると後段に不純物が漏れるという限界に達し、その結果、分析部での分析結果に不純物成分が現れるようになる。そうしたら、少なくとも上流側の吸着部に対するCO2の通気を停止し、上流側の吸着部に対して再生処理や吸着材の交換などを行う。このとき、上流側の吸着部から不純物が漏れ出しているが、漏れ出した不純物は、下流側の吸着部によって吸着除去されるので、二酸化炭素使用装置には到達しない。また、下流側の吸着部に不純物成分が流入するのは、不純物が漏れ出すこととなる限界に上流側の吸着部が達したことを検出してから通気を停止するまでのわずかな間であるから、下流側の吸着部の吸着容量はほとんど消費されない。下流側の吸着部については、限界に対してまだ余裕のあると想定される期間で再生処理あるいは交換を行う必要があるが、そもそも下流側の吸着部には不純物成分がほとんど流入しないので、再生処理あるいは交換を行うまでの期間を極めて長く設定することができる。上流側の吸着部については吸着容量の限界まで使い切って再生あるいは交換を行うことを繰り返し、下流側の吸着部については極めて長い期間にわたってそのままで使用できることから、本発明に基づく二酸化炭素回収精製システムでは、全体として、吸着材を有効に利用でき、かつ、二酸化炭素使用装置側への不純物汚染を防ぐことができる。
【0017】
供給先から回収したCO2にはさまざまな不純物が混ざっていることが多く、そのような不純物としては、例えばIPAなどが挙げられる。供給先から不純物として回収されたIPAは、気液分離器の内部で液相として蓄積され、適時にこの液相分をパージ(排出)することによって系外に排出される。一方、CO2は気相状態で気液分離器を出て吸着工程に向かうため、IPAとの分離が可能である。
【0018】
また、二酸化炭素使用装置から回収されたCO2に含まれる金属微粒子などの難揮発性のパーティクルも、気液分離器内の液相部に蓄積されるため、IPA同様、系外に排出される。また、システム内に適宜に配置されたフィルタによっても除去され、それにより、二酸化炭素使用装置側へのこれらのパーティクル類による汚染も防がれる。
【0019】
なお、供給先から回収されるCO2は、液体のまま気液分離器に供給されることもあり、そのような場合には、加温などの方法によって気液分離器において気化させればよい。
【0020】
吸着部としては、例えば、塔状の容器内に吸着材を充填してその容器内を気体が流通するようにした吸着塔を用いることができるが、吸着材を保持し吸着材に対して気体を通気できるようにした構成のものであれば、他の形態のものも使用することができる。以下では、吸着部として吸着塔が用いられるものとして説明を行う。
【0021】
図1は、本発明の第1の実施形態の二酸化炭素回収精製システムの構成を示している。この二酸化炭素回収精製システムは、供給先である二酸化炭素使用装置50に対してCO2を供給するものであって、その二酸化炭素使用装置50から使用済みのCO2を回収して精製し、精製したCO2を二酸化炭素使用装置50に再度供給するようにしたものである。なおここでは二酸化炭素回収精製システムから供給先にCO2を直接供給し、供給先から直接回収することとしているが、必要に応じてさらなる精製装置や回収装置などを介しても構わない。
【0022】
図1に示す二酸化炭素回収精製システムは、精製した二酸化炭素を二酸化炭素使用装置50に供給するために、高純度液体CO2を一時的に貯える貯槽11と、貯槽11の出口に設けられたポンプ12と、ポンプ12の出口に設けられたフィルタ13と、を備えており、ポンプ12によってCO2が二酸化炭素使用装置50に供給される。ポンプ12には発塵のおそれがあるので、フィルタ13によりポンプ12で発生したパーティクル類を除去するようにしている。
【0023】
また二酸化炭素回収精製システムは、二酸化炭素使用装置50から回収したCO2を精製するために、回収した流体に含まれる不純物とCO2とを気液分離によって分離する気液分離器16と、気液分離器16の気相側の出口に接続した吸着塔A1と、吸着塔A1に対して直列に接続された吸着塔A2と、吸着塔A2の出口に接続したフィルタ17と、フィルタから17から流れ出た気体CO2を凝縮する凝縮器18と、を備えており、凝縮器18で液化したCO2が高純度液体CO2として上述した貯槽11に貯えられるようになっている。貯槽11には、不純物成分として混入している他の低沸点成分(例えば空気)などを外部に強制的に排出(ブロー)するための弁22も設けられている。なお、凝縮器18から貯槽11、ポンプ12及びフィルタ13を経て二酸化炭素使用装置50に向かうラインが、CO2の供給ラインである。貯槽11は必ずしも設けなくてもよい。例えば、凝縮器18自体が液体CO2を保持する機能を有する場合には、貯槽11を設ける必要はない。
【0024】
気液分離器16としては、液相側出口と液相側出口に設けられた弁23を有し、弁23を介して液相成分を排出(ブロー)できるものを用いる。
【0025】
上流側の吸着塔A1と下流側の吸着塔A2には、同一組成の吸着材が充填されており、同一の不純物成分を除去できるようになっている。ただし、同一の不純物を除去できるのであれば、吸着塔A1とA2は必ずしも同一組成の吸着材を充填する必要はない。吸着塔A1と吸着塔A2との接続点からサンプリングラインが分岐し、このサンプリングラインに対し、CO2中の不純物成分のサンプリング分析を行う分析部30が設けられている。分析部30は、吸着塔での吸着除去の対象となる不純物成分(例えば、水分、油分あるいはIPA)が何であるかに応じ、その不純物成分を検出して定量できるように構成されている。二酸化炭素使用装置50が半導体デバイス製造プロセスにおける洗浄装置や乾燥装置である場合には、回収CO2中にIPAが不純物として多く含まれる。気液分離器16において大部分のIPAは分離除去されるが、一部はCO2とともに気相中に含まれるので、吸着塔での除去が必要となる。吸着材としてはIPAを吸着除去できるものを使用し、分析部30としてはIPAの検出と定量を行うことができるものを用いることが好ましい。
【0026】
二酸化炭素使用装置50から回収されたCO2は、気液分離器16に供給される。供給先から回収される流体にIPAなどが含まれる場合、IPAは気液分離器16の内部で液相として蓄積され、適時に液相分をパージ(排出)することによって、IPAは系外に排出される。一方CO2は気相状態で気液分離器16を出て吸着工程に向かうため、IPAとの分離が可能である。また、CO2中の難揮発性であったり液体CO2に分散したり溶け込みやすいパーティクルは、気液分離器16においてほとんどが気相側に移行しないので、気液分離器16から流出する気体CO2からは除去されることになる。これらのパーティクルは液相側に残留するので、気液分離器16の液相側排出口に設けられている弁23を開放することにより、系外に排出(パージ)することができる。気液分離器16からの気体CO2は、次に、吸着塔A1に流入し、ここで、吸着塔での除去目的とする不純物(水分、油分及び揮発性の不純物)が除去され、次に吸着塔A2に流入し、さらに、フィルタ17を介して凝縮器18に供給されて液化され、液体CO2として貯槽11に供給される。フィルタ17は、気液分離器16で除去しきれなかったパーティクルや、吸着塔A1,A2で発生したパーティクルを除去する。この結果、貯槽11には、気液分離器16及びフィルタ17によって難揮発性のパーティクルが除去され、吸着塔A1によって除去目的とする不純物(水分、油分あるいは揮発性の不純物)が除去された高純度の液体CO2が貯えられることになる。この高純度の液体CO2は、上述したように、ポンプ12により二酸化炭素使用装置50に供給される。
【0027】
この二酸化炭素回収精製システムでは、気液分離器16から吸着塔A1,A2及びフィルタ17を介して凝縮器18に気体CO2が流れることによって、CO2の精製処理がなされることになる。そこで、気液分離器16から凝縮器18までのラインを精製ラインと呼ぶ。
【0028】
CO2の精製処理を行っていると、吸着塔A1に吸着された不純物量が徐々に増加し、やがて、吸着塔A1がこれ以上吸着させると不純物が漏れ出すという限界に達して吸着塔A1がブレークする。分析部30は、サンプリングラインを介し、吸着塔A1と吸着塔A2を流れるCO2をサンプリングして不純物濃度を常時あるいは逐一監視しており、不純物濃度があるしきい値を超えた場合に、吸着塔A1が限界に達したと判定する。吸着塔A1が限界に達したことが検出されたら、精製ライン内でのCO2の流通を停止することにより吸着塔A1,A2へのCO2の通気を速やかに停止し、次に、図示破線で示すように、再生ガス源41からの再生ガスがヒータ43を介して吸着塔A1を通過し再生排ガス42として排出されるようにラインの切り替えを行う。そして、ヒータ43で加熱された再生ガスを吸着塔A1に通気し、吸着塔A1に吸着されていた不純物を脱離させて系外に排出することによって、吸着塔A1内の吸着材の再生処理を行う。このとき、吸着塔A1内での再生ガスの流れの方向は、本来のCO2の流れの方向とは逆方向になるようにする方が好ましい。再生処理が完了したら、速やかにラインを元に戻し、吸着塔A1,A2にCO2を通気させ、精製処理を再開する。吸着塔A1の再生処理を行う代わりに、吸着塔A1自体の交換あるいは吸着塔A1内の吸着材の交換を行ってもよい。また、再生ガス源41からの再生ガスを吸着塔A1と吸着塔A2の間ではなく、吸着塔A2の後段、もしくは、その双方から供給するなどして、吸着塔A2の再生処理も一緒に行ってもよい。
【0029】
分析部30での分析におけるサンプリング時間間隔や分析結果が出るまでに要する時間などのために、不純物が漏れ出すこととなる限界に吸着塔A1が達してからそのことが判明するまでに多少のタイムラグ(時間差)が生じる可能性がある。しかしながら、吸着塔A1の下流側には吸着塔A2が設けられており、そのタイムラグ内に吸着塔A1から流出した不純物成分は吸着塔A2によって確実に吸着され除去されるので、二酸化炭素使用装置50側に不純物が流出することはない。また、再生処理を行っている期間中は、気液分離器16から凝縮器18に向かうCO2の流れを停止しているため、この期間中に不純物が二酸化炭素使用装置50側に流出することもない。
【0030】
吸着塔A2の吸着負荷は吸着塔A1に比べてはるかに小さいので、吸着塔A2については、安全を見越してまだ十分な吸着容量を有しているであろうと想定される期間で定期的に再生処理または交換を行えばよい。図1に示す二酸化炭素回収精製システムでは、吸着塔A1に関しては限界に到達してから再生処理あるいは交換を行うことが可能であるので、全体として、吸着材を有効に利用できる。
【0031】
図2は、本発明の第2の実施形態の二酸化炭素回収精製システムを示している。
【0032】
図1に示したシステムでは、吸着塔A1の再生処理を行っている期間中は気液分離器16から凝縮器18へのCO2の流れを停止しなければならないので、高純度CO2の精製も停止することになり、供給先である二酸化炭素使用装置50への連続的なCO2の供給も行えなくなる。そこで図2に示した二酸化炭素回収精製システムでは、直列接続されている吸着塔A1及びA2をバイパスするようにもう1つの吸着塔Bを設け、吸着塔A1に対して再生処理または交換を行っている期間中は、気液分離器16からの気体CO2が吸着塔Bを介してフィルタ17に供給されるようにしている。吸着塔Bには、吸着塔A1,A2に充填されているものと同じ吸着材が充填されているが同一の不純物を吸着する充填材であれば、それに限らない。
【0033】
図2に示した二酸化炭素回収精製システムでは、通常の動作時には、気液分離器16からの気体CO2が吸着塔A1,A2を通り、吸着塔Bを通らないようにして、CO2の精製処理を実行する。分析部30は吸着塔A1出口でのCO2に含まれる不純物を順次あるいは逐一監視しており、不純物量がしきい値を超えた場合に、不純物が漏れ出す限界に吸着塔A1が達したと判定する。吸着塔A1が限界に達したことが検出されたら、吸着塔A1,A2へのCO2の通気を停止し、その代わりに気液分離器16からのCO2が吸着塔Bを通ってフィルタ17に流れるように速やかにラインを切り替え、さらに、次に、図示破線で示すように、再生ガス源41からの再生ガスがヒータ43を介して吸着塔A1を通過し再生排ガス42として排出されるようにラインの切り替えを行う。そして、吸着塔Bを介したCO2の流通を維持しながら、ヒータ43で加熱された再生ガスを吸着塔A1に通気し、吸着塔A1に吸着されていた不純物を脱離させて系外に排出することによって、吸着塔A1内の吸着材の再生処理を行う。このとき、吸着塔A1内での再生ガスの流れの方向は、本来のCO2の流れの方向とは逆方向になるようにする方が好ましいが、それに限るものではない。再生処理が完了したら、速やかにラインを元に戻して吸着塔Bへの通気を停止し、吸着塔A1,A2にCO2を通気させる。吸着塔A1の再生処理を行う代わりに、吸着塔A1自体の交換あるいは吸着塔A1内の吸着材の交換を行ってもよい。また、再生ガス源41の設置場所を吸着塔A1と吸着塔A2の間ではなく、吸着塔A2の後段に設置、もしくは、その双方に設置するなどして、吸着塔A2の再生処理も一緒に行ってもよい。
【0034】
分析部30での分析におけるサンプリング時間間隔や分析結果が出るまでに要する時間などのために、不純物が漏れ出す限界に吸着塔A1が達してからそのことが判明するまでに多少のタイムラグが生じる可能性がある。しかしながら、吸着塔A1の下流側には吸着塔A2が設けられており、そのタイムラグ内に吸着塔A1から流出した不純物成分は吸着塔A2によって確実に吸着され除去されるので、二酸化炭素使用装置50側に不純物が流出することはない。また、吸着塔A1の再生処理を行っている期間中は、吸着塔BにCO2を通気することによってCO2の精製処理は継続して実行されており、全体のプロセスを中断することなく連続的に精製CO2を二酸化炭素使用装置50も供給し続けることができる。
【0035】
吸着塔A2の吸着負荷は吸着塔A1に比べてはるかに小さく、また、吸着塔Bは、吸着塔A1の再生期間中にのみ使用されるので、吸着塔A2,Bについては、安全を見越してまだ十分な吸着容量を有しているであろうと想定される期間で定期的に再生処理または交換を行えばよい。図2に示す二酸化炭素回収精製システムでは、吸着塔A1に関しては不純物が漏れ出す限界に到達してから再生処理あるいは交換を行うことが可能であるので、全体として、吸着材を有効に利用できる。
【0036】
図3は、本発明の第3の実施形態の二酸化炭素回収精製システムを示している。
【0037】
図2に示した二酸化炭素回収精製システムでは、吸着塔A1の再生処理を行っているときには吸着塔BにCO2を通気してCO2の精製処理を継続して行っているが、吸着塔A1の再生処理に時間がかかるような場合には、吸着塔Bでの不純物の吸着量が多くなって、想定していたものよりも早く吸着塔Bの吸収限界に到達するおそれがある。そこで図3に示した二酸化炭素回収精製システムでは、吸着塔Bの代わりに、直列接続された吸着塔B1及び吸着塔B2を設け、さらに、吸着塔B1,B2の接続点にもサンプリングラインを接続して、吸着塔B1の出口での不純物濃度を分析部30によって分析できるようにしている。また再生ガス源41から再生ガスは吸着塔B1にも供給できるようにし、吸着塔A1,B1に対して交互に再生処理を行えるようにしている。また、再生ガス源41からの再生ガスを吸着塔A2、B2後段からも供給するなどして、吸着塔A2、B2の再生処理も一緒に行ってもよい。さらには、再生ガス源41からの再生ガスを吸着塔A1、B1と吸着塔A2、B2の間ではなく、吸着塔A2、B2の後段、もしくは、その双方から供給するなどして、吸着塔A2、B2の再生処理も一緒に行ってもよい。
【0038】
以下の説明において、吸着塔A1,A2をまとめて吸着ラインAと呼び、吸着塔B1,B2をまとめて吸着ラインBと呼ぶ。
【0039】
初期状態において吸着ラインAにCO2を通気するか吸着ラインBにCO2を通気するかは任意に選択できるが、ここでは、気液分離器16からの気体CO2が吸着ラインAを通るが吸着ラインBを通らないものとする。この状態でCO2の精製処理を継続すると、吸着塔A1の出口での不純物濃度が高くなって、やがてしきい値を超える。しきい値を超えたら、不純物が漏れ出す限界に吸着塔A1が達したと判定し、吸着ラインAすなわち吸着塔A1,A2へのCO2の通気を停止し、その代わりに気液分離器16からのCO2が吸着ラインBを通ってフィルタ17に流れるように速やかにラインを切り替える。そして、再生ガス源41からヒータ43を介して再生ガスを吸着塔A1を通気し、吸着塔A1の再生処理を行う。このとき、CO2の精製処理は、吸着ラインBを介して行われている。吸着塔A1の再生処理が終了しても、引き続いて吸着ラインBにCO2を通気する。そのうち、吸着塔B1が限界に達して吸着塔B1の出口での不純物濃度が高くなり、そのことが分析部30で検出される。
【0040】
吸着塔B1が限界に達したことが検出されたら、今度は、吸着ラインBへのCO2の通気を停止し、その代わりに気液分離器16からのCO2が吸着ラインAを通ってフィルタ17に流れるように速やかにラインを切り替える。そして、再生ガス源41からヒータ43を介して再生ガスを吸着塔B1を通気し、吸着塔B1の再生処理を行う。このとき、CO2の精製処理は、吸着ラインAを介して行われている。吸着塔B1の再生処理が終了しても、引き続いて吸着ラインAにCO2を通気する。これで初期状態に戻ったわけであるから、これ以後は、上記の動作を繰り返し、吸着ラインA,Bに交互にCO2を通気し、通気していないタイミングで吸着塔A1あるいは吸着塔B1に対する再生処理を行う。
【0041】
図4は、図3に示した二酸化炭素回収精製システムにおいて吸着ラインA,B間でのラインの切り替えや吸着塔A1,A2の再生処理のためのラインの切り替えを説明するための図であり、吸着塔A1,A2,B1,B2とこれらに接続する弁AV1〜AV8を示している。気液分離器16からのラインと吸着塔A1,B1の入口との間にそれぞれ弁AV1,AV3が設けられ、吸着塔A2,B2の出口からフィルタ17との間にそれぞれ弁AV2,AV4が設けられている。吸着塔A1,B1の入口には、再生排ガス42を排出するための弁AV7,AV8が設けられている。再生ガス源41から供給されてヒータ43で加熱された再生ガスを出口側から吸着塔A1,B1に供給するために、ヒータ43と吸着塔A1,B1との間にそれぞれ弁AV5,AV6が設けられている。
【0042】
次に、これらの弁AV1〜AV8の開閉制御について説明する。図3に示す二酸化炭素回収精製システムの動作は、以下のステップ1〜4にまとめることができる。ステップ1では、吸着ラインAで通常の吸着運転を行い、吸着ラインBには通気させない。ステップ1において、不純物が漏れ出す限界に吸着塔A1が達したことを検出したら、ステップ2に移行し、ステップ2では、吸着ラインBで通常の吸着運転を行い、同時に吸着塔A1の再生処理を実行する。吸着塔A1の再生処理が完了したらステップ3に移行し、ステップ3では、吸着ラインBで通常の吸着運転を行い、吸着ラインAには通気させない。その後、吸着塔B1が限界に達したことを検出したら、ステップ4に移行し、ステップ4では、吸着ラインAで通常の吸着運転を行い、同時に吸着塔B1の再生処理を実行する。吸着塔B1の再生処理が完了したら最初のステップ1に戻る。表1は、このようなステップ1〜4を実施するための弁の開閉制御を示している。
【0043】
【表1】

【0044】
図3に示したシステムでは、分析部30での分析におけるサンプリング時間間隔や分析結果が出るまでに要する時間などのために、吸着塔A1または吸着塔B1が限界に達してからそのことが判明するまでに多少のタイムラグが生じる可能性がある。しかしながら、吸着塔A1,B1の下流側にはそれぞれ吸着塔A2,B2が設けられており、そのタイムラグ内に吸着塔A1、B1から流出した不純物成分は吸着塔A2,B2によって確実に吸着され除去されるので、二酸化炭素使用装置50側に不純物が流出することはない。また、吸着ラインAと吸着ラインBとにCO2が交互に通気されるようにすることによってCO2の精製処理は継続して実行されており、全体のプロセスを中断することなく連続的に精製CO2を二酸化炭素使用装置50も供給し続けることができる。
【0045】
吸着塔A2,B2の吸着負荷は吸着塔A1,B1に比べてはるかに小さいので、吸着塔A2,B2については、安全を見越してまだ十分な吸着容量を有しているであろうと想定される期間で定期的に再生処理または交換を行えばよい。図3に示す二酸化炭素回収精製システムでは、吸着塔A1,B1に関しては、不純物が漏れ出す限界に到達してから再生処理あるいは交換を行うことが可能であるので、全体として、吸着材を有効に利用できる。
【符号の説明】
【0046】
11 貯槽
12 ポンプ
13,17 フィルタ
16 気液分離器
18 凝縮器
22,23 弁
30 分析部
41 再生ガス源
42 再生排ガス
43 ヒータ
50 二酸化炭素使用装置
A1,A2,B,B1,B2 吸着塔
AV1〜AV8 弁

【特許請求の範囲】
【請求項1】
二酸化炭素の供給先から二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を精製して再供給する二酸化炭素回収精製システムであって、
前記供給先から回収した流体に含まれる不純物と二酸化炭素とを分離する気液分離器と、
前記気液分離器の出口から流出する気相状態の二酸化炭素を凝縮して液体状態の二酸化炭素を生成する凝縮器と、
前記凝縮器内で液体状態である二酸化炭素を直接もしくは最終的に供給先に供給する供給ラインと、
前記気液分離器の出口から前記凝縮器までの精製ラインに設けられ、該精製ラインを流れる気相状態の二酸化炭素から不純物を吸着除去する相互に直列接続された複数の吸着部と、
前記複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして前記不純物を測定する分析部と、
を備えることを特徴とする、二酸化炭素回収精製システム。
【請求項2】
前記分析部での測定結果に応じて前記複数の吸着部への二酸化炭素の通気状態が制御される、請求項1に記載の二酸化炭素回収精製システム。
【請求項3】
前記直列接続された複数の吸着部に対し、さらに並列に1つ以上の吸着部が設けられている、請求項1または2に記載の二酸化炭素回収精製システム。
【請求項4】
前記直列接続された複数の吸着部のうち少なくとも前記二酸化炭素の流れにおける末端に位置する吸着部以外の吸着部に対して再生ガスを供給する配管と、前記再生ガスを前記精製ラインの外に排出するための配管とを備える、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の二酸化炭素回収精製システム。
【請求項5】
前記直列接続された複数の吸着部を第1の吸着ラインとして、前記第1の吸着ラインに対して並列に前記第1の吸着ラインからは独立した第2の吸着ラインが設けられ、
前記第2の吸着ラインは、二酸化炭素から前記不純物を吸着除去する相互に直列接続された複数の吸着部を有し、
前記分析部は、前記第2の吸着ラインの複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素もサンプリングして前記不純物を測定する、請求項1に記載の二酸化炭素回収精製システム。
【請求項6】
前記第1の吸着ラインの前記複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして前記不純物を測定した結果と、前記第2の吸着ラインの前記複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして前記不純物を測定した結果とに応じて、前記第1及び第2の吸着ラインに対する通気状態が制御される、請求項5に記載の二酸化炭素回収精製システム。
【請求項7】
前記第1の吸着ラインの複数の吸着部のうち少なくとも前記二酸化炭素の流れにおける末端に位置する吸着部以外の吸着部に対して再生ガスを供給する配管と、前記第2の吸着ラインの複数の吸着部のうち少なくとも前記二酸化炭素の流れにおける末端に位置する吸着部以外の吸着部に対して再生ガスを供給する配管と、前記再生ガスを前記精製ラインの外に排出するための配管とを備える、請求項5または6に記載の二酸化炭素回収精製システム。
【請求項8】
二酸化炭素の供給先から二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を精製して再供給する二酸化炭素回収精製方法であって、
前記供給先から回収した流体に含まれる不純物と二酸化炭素とを気液分離器において分離する工程と、
前記気液分離器の出口から流れ出る気体状態の二酸化炭素を凝縮器により凝縮して液体状態の二酸化炭素とする工程と、
前記凝縮器内で液体状態である二酸化炭素を直接もしくは最終的に前記供給先に送出する工程と、
前記気液分離器の出口から前記凝縮器までのライン上の位置で、相互に直列接続された複数の吸着部に気相状態の二酸化炭素を通気することにより、前記気相状態の二酸化炭素から不純物を吸着除去する不純物除去工程と、
前記複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして前記不純物を測定する分析工程と、
前記分析工程での測定結果に応じて前記複数の吸着部への二酸化炭素の通気状態を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする、二酸化炭素回収精製方法。
【請求項9】
前記制御工程において前記複数の吸着部への二酸化炭素の通気を停止したときに、前記直列接続された複数の吸着部に対して並列に設けられた吸着部に対して二酸化炭素を通気する、請求項8に記載の二酸化炭素供給精製方法。
【請求項10】
前記制御工程において前記複数の吸着部への二酸化炭素の通気を停止したときに、直列接続された複数の吸着部のうち少なくとも前記二酸化炭素の流れにおける末端に位置する吸着部以外の吸着部に対して再生ガスを供給して当該吸着部を再生する工程を備える、請求項8または9に記載の二酸化炭素供給精製方法。
【請求項11】
前記直列接続された複数の吸着部を第1の吸着ラインとして、前記不純物除去工程において、第1の吸着ラインと、前記第1の吸着ラインに対して並列に前記第1の吸着ラインから独立して設けられ二酸化炭素から前記不純物を吸着除去する相互に直列接続された複数の吸着部を有する第2の吸着ラインとに交互に二酸化炭素を通気する工程であり、
前記分析工程において、前記第2の吸着ラインの複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素もサンプリングして前記不純物を測定し、
前記制御工程において、前記第1の吸着ラインの前記複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして前記不純物を測定した結果と、前記第2の吸着ラインの前記複数の吸着部の相互間の接続位置の少なくとも1つを流れる二酸化炭素をサンプリングして前記不純物を測定した結果とに応じて、前記第1及び第2の吸着ラインに対する通気状態を制御する、請求項8に記載の二酸化炭素回収精製方法。
【請求項12】
前記制御工程において前記第1の吸着ラインへの二酸化炭素の通気を停止したときに、前記第1の吸着ラインの複数の吸着部のうち少なくとも前記二酸化炭素の流れにおける末端に位置する吸着部以外の吸着部に対して再生ガスを供給して当該吸着部を再生し、前記制御工程において前記第2の吸着ラインへの二酸化炭素の通気を停止したときに、前記第2の吸着ラインの複数の吸着部のうち少なくとも前記二酸化炭素の流れにおける末端に位置する吸着部以外の吸着部に対して再生ガスを供給して当該吸着部を再生する工程を備える、請求項11に記載の二酸化炭素供給精製方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−87017(P2013−87017A)
【公開日】平成25年5月13日(2013.5.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−228955(P2011−228955)
【出願日】平成23年10月18日(2011.10.18)
【出願人】(000004400)オルガノ株式会社 (606)
【出願人】(000187149)昭和電工ガスプロダクツ株式会社 (60)
【Fターム(参考)】