JP2012051753A - Method and apparatus for purifying gas - Google Patents
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Abstract
【課題】窒素ガスまたは希ガスからなる原料ガス中の炭化水素類、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および水を除去して精製する際に、精製装置のコンパクト化が可能であり、高価な触媒の充填量を低減でき、精製コストを削減できるようにする。
【解決手段】原料ガスを触媒に接触させて二酸化炭素と水を生成する工程と、前記触媒に接触させた後の前記原料ガスを水分吸着剤に接触させることにより水を除去する工程と、前記水を除去した後の前記原料ガスをニッケル触媒に接触させることにより反応残渣の酸素を除去する工程と、前記酸素を除去した後の前記原料ガスを、ナトリウムが0.1〜10wt%含有されたアルミナに接触させることにより二酸化炭素を除去する工程と、を具備してなることを特徴とするガスの精製方法を採用する。
【選択図】なし[PROBLEMS] To purify by removing hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water in a raw material gas composed of nitrogen gas or rare gas, and to make the purification apparatus compact and expensive. It is possible to reduce the filling amount of a simple catalyst and reduce the purification cost.
A step of bringing a raw material gas into contact with a catalyst to generate carbon dioxide and water, a step of bringing the raw material gas after being brought into contact with the catalyst into contact with a moisture adsorbent, and removing water. The step of removing oxygen of the reaction residue by bringing the raw material gas after removing water into contact with a nickel catalyst, and the raw material gas after removing the oxygen, contained 0.1 to 10 wt% of sodium. And a step of removing carbon dioxide by contacting with alumina, and employing a gas purification method.
[Selection figure] None
Description
本発明は、半導体製造などに用いられる窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス中に含まれる炭化水素類、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および水を除去して、精製する方法とその装置に関する。 The present invention relates to a method for purifying by removing hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water contained in an inert gas such as nitrogen gas and argon gas used in semiconductor production and the like. Relates to the device.
半導体製造工程においては窒素ガス、アルゴンガスなどの高純度不活性ガスが必要とされている。これらの不活性ガスは、一般に、深冷式空気分離装置で製造されるが、深冷式空気分離装置で製造された不活性ガス中には、ppm〜ppbレベルのメタン、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、水などが不純物として含まれている。 In a semiconductor manufacturing process, a high purity inert gas such as nitrogen gas or argon gas is required. These inert gases are generally produced by a cryogenic air separation device, and in the inert gas produced by the cryogenic air separation device, ppm to ppb levels of methane, hydrogen, and carbon monoxide. , Carbon dioxide, oxygen, water, etc. are contained as impurities.
しかし、近年の半導体の高集積化に伴い、半導体製造工程で使用される不活性ガス中の不純物濃度はppb以下であることが望まれている。このため、不活性ガスの原料ガスを更に精製することが必要とされているが、原料ガス中に含まれる炭化水素類を効率よく除去することは困難であった。 However, with the recent high integration of semiconductors, it is desired that the impurity concentration in the inert gas used in the semiconductor manufacturing process is ppb or less. For this reason, it is necessary to further purify the inert gas source gas, but it has been difficult to efficiently remove hydrocarbons contained in the source gas.
また、近年の半導体工場の大規模化に伴い、不活性ガスの使用量も大幅に増加している。これに伴い、大型の不活性ガス精製設備の導入が進められているが、半導体の熾烈な価格競争に伴い、不活性ガス精製設備のコストダウンが強く望まれている。 In addition, with the recent increase in the size of semiconductor factories, the amount of inert gas used has increased significantly. Along with this, the introduction of large-sized inert gas purification equipment is being promoted, but with the intense price competition of semiconductors, it is strongly desired to reduce the cost of the inert gas purification equipment.
このように、原料ガス中の微量の不純物を除去して精製する方法としては、特許文献1が知られている。この特許文献1には、炭化水素類、一酸化炭素、酸素および水素を、触媒により炭酸ガスおよび水に転換した後に、酸素を触媒層で除去し、二酸化炭素を第一吸着層で除去し、水分を第二吸着層で除去する方法が提案されている。しかし、この方法では、触媒と原料ガスとの反応により多量の水分が発生するため、その影響で触媒層における酸素の除去効率が低下する問題があった。 As described above, Patent Document 1 is known as a method for purifying by removing a small amount of impurities in the raw material gas. In Patent Document 1, hydrocarbons, carbon monoxide, oxygen and hydrogen are converted into carbon dioxide gas and water by a catalyst, then oxygen is removed by a catalyst layer, carbon dioxide is removed by a first adsorption layer, A method of removing moisture with a second adsorption layer has been proposed. However, in this method, since a large amount of water is generated by the reaction between the catalyst and the raw material gas, there is a problem in that the oxygen removal efficiency in the catalyst layer is lowered due to the influence.
また、原料ガスを精製する他の方法としては、特許文献2に、ジルコニウムゲッターを用いた不純物の除去方法が提案されている。
しかし、ジルコニウムゲッターは高価かつ再生不可であるため、この方法は、多量の原料ガスの精製には適当ではない。
As another method for purifying the source gas,
However, since zirconium getters are expensive and cannot be regenerated, this method is not suitable for refining a large amount of source gas.
また、特許文献3には、原料ガス中の酸素と一酸化炭素を還元金属により除去し、次いで、二酸化炭素と水をゼオライト等の吸着剤により除去する方法が開示されている。この方法では、不純物吸着後の還元金属を水素ガスで再生することができるため、還元金属の再利用が可能である。
しかし、原料ガス中の二酸化炭素分圧がppbレベルの場合、ゼオライトの二酸化炭素吸着量は非常に少なくなる。そのため、多量の不活性ガスを精製する場合には多量のゼオライトが必要となり、装置が大型化するとともにコストアップの要因になる。
Patent Document 3 discloses a method in which oxygen and carbon monoxide in a raw material gas are removed with a reducing metal, and then carbon dioxide and water are removed with an adsorbent such as zeolite. In this method, since the reduced metal after the adsorption of impurities can be regenerated with hydrogen gas, the reduced metal can be reused.
However, when the carbon dioxide partial pressure in the raw material gas is at the ppb level, the amount of carbon dioxide adsorbed by the zeolite becomes very small. Therefore, when purifying a large amount of inert gas, a large amount of zeolite is required, which increases the size of the apparatus and increases the cost.
また、特許文献4には、原料ガス中の二酸化炭素を酸化亜鉛により除去したのち、酸素と一酸化炭素をニッケル触媒または銅触媒により除去し、さらに水を合成ゼオライトにより除去する方法が開示されている。
この精製方法では、一酸化炭素と酸素をニッケル触媒により除去する際、その触媒作用により、微量の二酸化炭素が発生する。このため、触媒作用で発生した二酸化炭素を再び吸着させるための合成ゼオライトを多量に充填する必要がある。この結果、吸着塔が大きくなり、不活性ガス精製設備のコストアップとなる。
In this purification method, when carbon monoxide and oxygen are removed by a nickel catalyst, a trace amount of carbon dioxide is generated by the catalytic action. Therefore, it is necessary to fill a large amount of synthetic zeolite for adsorbing again the carbon dioxide generated by the catalytic action. As a result, the adsorption tower becomes large, and the cost of the inert gas purification equipment increases.
また、特許文献5と特許文献6には、原料ガス中の二酸化炭素をアルミナにより除去する方法が開示されている。いずれの方法も、アルカリ金属、土類金属をアルミナに含有させることで、アルミナの二酸化炭素吸着量を増加させることができる。しかし、いずれの方法も空気中の二酸化炭素、すなわち400ppm程度の高濃度の二酸化炭素の除去を対象にしており、低濃度の二酸化炭素を吸着処理する知見はない。さらに、400ppm程度の高濃度二酸化炭素の吸着処理においては、アルミナよりゼオライトの方が二酸化炭素を多く吸着する。このため、従来の精製装置においては、ゼオライトが二酸化炭素の吸着剤として主に使用されていた。
また、上記の先行発明方法においては、いずれも多量の原料ガスを精製するためにはそのぶん大きい吸着塔が必要である。また、吸着剤が高価であるため、製造コストが高くなる。このため、多量の不活性ガスを効率的に精製する方法が望まれている。 In the above-described prior invention methods, in order to purify a large amount of raw material gas, a relatively large adsorption tower is required. Further, since the adsorbent is expensive, the manufacturing cost is increased. For this reason, a method for efficiently purifying a large amount of inert gas is desired.
本発明における課題は、窒素ガスまたは希ガスからなる原料ガス中の炭化水素類、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および水を除去して精製する際に、精製装置のコンパクト化が可能であり、高価な触媒の充填量を低減でき、精製コストを削減できるようにすることにある。 The problem in the present invention is that the purification device can be made compact when removing hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water in the raw material gas composed of nitrogen gas or rare gas. In other words, it is possible to reduce the filling amount of an expensive catalyst and reduce the purification cost.
かかる課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、窒素ガスまたは希ガスからなる原料ガス中の炭化水素類、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および水を除去するガスの精製方法であって、前記原料ガスを触媒に接触させて、前記炭化水素類、水素および一酸化炭素を酸化性ガスと反応させることにより二酸化炭素と水を生成する工程と、前記触媒に接触させた後の前記原料ガスを水分吸着剤に接触させることにより水を除去する工程と、前記水を除去した後の前記原料ガスをニッケル触媒に接触させることにより反応残渣の酸素を除去する工程と、前記酸素を除去した後の前記原料ガスを、ナトリウムが0.1〜10wt%含有されたアルミナに接触させることにより二酸化炭素を除去する工程と、を具備してなることを特徴とするガスの精製方法である。
To solve this problem,
The invention according to claim 1 is a gas purification method for removing hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water in a raw material gas comprising nitrogen gas or a rare gas, wherein the raw material gas is Contacting the catalyst with the hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide to react with an oxidizing gas to produce carbon dioxide and water; and the raw material gas after contacting the catalyst with the moisture adsorbent A step of removing water by contacting the substrate, a step of removing oxygen of a reaction residue by contacting the raw material gas after removing the water with a nickel catalyst, and the raw material gas after removing the oxygen And a step of removing carbon dioxide by bringing it into contact with alumina containing 0.1 to 10 wt% of sodium.
請求項2にかかる発明は、前記触媒に反応させる炭化水素類、水素および一酸化炭素の量に対して、化学量論的に酸化できる量以上の酸化性ガスが前記原料ガス中に含まれていない場合、酸化性ガスを、前記炭化水素類、水素および一酸化炭素を化学量論的に酸化できる以上の量になるまで前記原料ガスに供給した後に、前記原料ガスを前記触媒に接触させることを特徴とする請求項1に記載のガスの精製方法である。 According to a second aspect of the present invention, the source gas contains an oxidizing gas in an amount that can be stoichiometrically oxidized relative to the amount of hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide to be reacted with the catalyst. If not, the oxidizing gas is supplied to the source gas until the amount of the hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide can be stoichiometrically oxidized, and then the source gas is brought into contact with the catalyst. The method for purifying a gas according to claim 1, wherein:
請求項3にかかる発明は、前記原料ガス中の二酸化炭素の分圧が19Pa以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のガスの精製方法である。
The invention according to claim 3 is the gas purification method according to
請求項4にかかる発明は、前記ニッケル触媒の体積換算の充填量をVa(L)とし、前記アルミナの体積換算の充填量をVb(L)とした際に、これらの充填量比(Va/Vb)が、Va/Vb<1の関係を満たす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ガスの精製方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, when the volume conversion filling amount of the nickel catalyst is Va (L) and the volume conversion filling amount of the alumina is Vb (L), a ratio of these filling amounts (Va / L The gas purification method according to any one of claims 1 to 3, wherein Vb) satisfies a relationship of Va / Vb <1.
請求項5にかかる発明は、前記触媒が、活性アルミナ、珪藻土、活性炭のいずれか1つもしくは2以上からなる担体に、Pt,Pd,Ru,Ag,Cu,Mnのいずれか1つもしくは2以上が0.01〜5wt%担持されてなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のガスの精製方法である。 The invention according to claim 5 is characterized in that the catalyst is any one or more of Pt, Pd, Ru, Ag, Cu, Mn on a support made of any one or more of activated alumina, diatomaceous earth, and activated carbon. The method for purifying a gas according to any one of claims 1 to 4, wherein 0.01 to 5 wt% is supported.
請求項6にかかる発明は、前記酸化性ガスが酸素であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のガスの精製方法である。
The invention according to
請求項7にかかる発明は、前記炭化水素類がメタンであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のガスの精製方法である。
The invention according to
請求項8にかかる発明は、窒素ガスまたは希ガスからなる原料ガス中の炭化水素類、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および水を除去するガス精製装置であって、触媒を充填した触媒塔と、前記触媒塔の下流側に設けられ、前記原料ガスの流入側から流出側に向けて、水分吸着剤、ニッケル触媒およびナトリウム含有アルミナをこの順序によって充填してなる吸着塔と、を備えることを特徴とするガス精製装置である。
The invention according to
本発明のガスの精製方法によれば、窒素ガスまたは希ガスからなる原料ガスを触媒と接触させることにより、予め原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素を、酸化性ガスと反応させて二酸化炭素と水に転換することができる。このため、触媒接触を用いない従来の精製方法と異なり、原料ガス中の炭化水素類を二酸化炭素および水として除去することができる。
また、触媒に接触させた後の原料ガスを水分吸着剤に接触させることにより、原料ガス中の水を除去することができる。このため、水分吸着剤の下流側に設けられたニッケル触媒の、水による機能低下を防ぐことができる。また、水素および一酸化炭素を酸化性ガスと反応させるため、反応残渣の酸素のみをニッケル触媒により除去することができる。このため、ニッケル触媒の充填量は反応残渣の酸素のみを除去可能な量であればよく、従来の方法よりも充填量を減少させることができる。
また、従来のゼオライトは二酸化炭素の吸着量が少ないので、Ni触媒で二酸化炭素も吸着させていたが、ナトリウム含有アルミナは二酸化炭素の吸着量が多いので、Ni触媒は酸素だけを吸着するのに必要な量を充填するだけで済み、充填量を大幅に削減することが出来る。
この結果、高価なニッケル触媒の充填量は減少し、安価なナトリウム含有活性アルミナの充填量が増加する。このため、不活性ガスの製造コストを低減するとともに、精製装置のコンパクト化を実現することができる。
According to the gas purification method of the present invention, the hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide in the raw material gas are reacted with the oxidizing gas in advance by bringing the raw material gas consisting of nitrogen gas or rare gas into contact with the catalyst. Can be converted to carbon dioxide and water. Therefore, unlike conventional purification methods that do not use catalyst contact, hydrocarbons in the raw material gas can be removed as carbon dioxide and water.
Moreover, the water in raw material gas can be removed by making the raw material gas after making it contact with a catalyst contact a water | moisture-content adsorption agent. For this reason, it is possible to prevent the nickel catalyst provided on the downstream side of the moisture adsorbent from deteriorating its function due to water. Moreover, since hydrogen and carbon monoxide are reacted with the oxidizing gas, only oxygen in the reaction residue can be removed by the nickel catalyst. For this reason, the filling amount of the nickel catalyst may be an amount capable of removing only oxygen of the reaction residue, and the filling amount can be reduced as compared with the conventional method.
In addition, since the conventional zeolite has a small amount of carbon dioxide adsorption, the Ni catalyst has also adsorbed carbon dioxide, but the sodium-containing alumina has a large amount of carbon dioxide adsorption, so the Ni catalyst only adsorbs oxygen. It is only necessary to fill the required amount, and the filling amount can be greatly reduced.
As a result, the filling amount of the expensive nickel catalyst decreases, and the filling amount of the inexpensive sodium-containing activated alumina increases. For this reason, the manufacturing cost of the inert gas can be reduced, and the purification apparatus can be made compact.
また、触媒に反応させる炭化水素類、水素および一酸化炭素の量に対して、化学量論的に酸化できる量以上の酸化性ガスが原料ガス中に含まれていない場合に、酸化性ガスを、炭化水素類、水素および一酸化炭素を化学量論的に酸化できる以上の量になるまで前記原料ガスに供給することが好ましい。これにより、原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素を全て二酸化炭素と水に転換することができる。そのため、水素および一酸化炭素を除去するためのニッケル触媒が不要となり、ニッケル触媒の充填量増加を抑えることができる。 In addition, when the source gas does not contain oxidizing gas in an amount higher than that stoichiometrically oxidized with respect to the amount of hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide to be reacted with the catalyst, the oxidizing gas is added. It is preferable to supply the source gas until hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide are in a quantity that can be stoichiometrically oxidized. Thereby, all the hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide in the raw material gas can be converted into carbon dioxide and water. Therefore, a nickel catalyst for removing hydrogen and carbon monoxide becomes unnecessary, and an increase in the amount of nickel catalyst can be suppressed.
また、酸素を除去した後の原料ガス中の二酸化炭素の分圧は19Pa以下であることが好ましい。ナトリウム含有活性アルミナは、二酸化炭素の分圧が19Pa以下である場合に、ゼオライト触媒よりも効率よく二酸化炭素を除去することができる。このため、ナトリウム含有活性アルミナの充填量を減少させることができ、精製装置のコンパクト化を実現することができる。 The partial pressure of carbon dioxide in the raw material gas after removing oxygen is preferably 19 Pa or less. Sodium-containing activated alumina can remove carbon dioxide more efficiently than a zeolite catalyst when the partial pressure of carbon dioxide is 19 Pa or less. For this reason, the filling amount of sodium-containing activated alumina can be reduced, and the refinement apparatus can be made compact.
また、ニッケル触媒の体積換算の充填量をVa(L)とし、アルミナの体積換算の充填量をVb(L)とした際に、これらの充填量比(Va/Vb)が、Va/Vb<1の関係を満たすことが望ましい。高価なニッケル触媒よりも安価なアルミナの充填量比を多くすることにより、不活性ガスの製造コストを低減することができる。 Further, when the filling amount in terms of volume of the nickel catalyst is Va (L) and the filling amount in terms of volume of the alumina is Vb (L), the filling amount ratio (Va / Vb) is Va / Vb < It is desirable to satisfy the relationship of 1. The production cost of the inert gas can be reduced by increasing the packing ratio of alumina that is less expensive than the expensive nickel catalyst.
また、触媒は、活性アルミナ、珪藻土、活性炭のいずれか1つもしくは2以上からなる担体に、Pt,Pd,Ru,Ag,Cu,Mnのいずれか1つもしくは2以上が0.01〜5wt%担持されてなることが好ましい。このような触媒を用いることにより、炭化水素類を効率的に酸化性ガスと反応させることができる。 The catalyst is supported by 0.01 to 5 wt% of one or more of Pt, Pd, Ru, Ag, Cu, and Mn on a support made of one or more of activated alumina, diatomaceous earth, and activated carbon. It is preferable that By using such a catalyst, hydrocarbons can be efficiently reacted with an oxidizing gas.
また、酸化性ガスは酸素であることが好ましい。酸素は安価で扱いやすく、また、炭化水素類、水素および一酸化炭素との反応性に優れているため、原料ガスとの反応を好適に行うことができる。 The oxidizing gas is preferably oxygen. Oxygen is inexpensive and easy to handle, and has excellent reactivity with hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide, and thus can be suitably reacted with the source gas.
本発明のガス精製装置によれば、触媒を充填した触媒塔を備えることにより、原料ガス中の炭化水素類を除去することが可能となる。また、触媒塔の下流側に、原料ガスの流入側から流出側に向けて、水分吸着剤、ニッケル触媒およびナトリウム含有アルミナをこの順序によって充填してなる吸着塔が設けられていることにより、水、反応残渣の酸素、二酸化炭素を順次除去することができる。このため、反応残渣の酸素のみがニッケル触媒により除去され、ニッケル触媒の充填量を従来の方法よりも減少させることができる。 According to the gas purification apparatus of the present invention, it is possible to remove hydrocarbons in the raw material gas by providing the catalyst tower filled with the catalyst. In addition, an adsorption tower formed by packing a moisture adsorbent, a nickel catalyst, and sodium-containing alumina in this order from the inflow side to the outflow side of the raw material gas is provided on the downstream side of the catalyst tower. The oxygen and carbon dioxide in the reaction residue can be removed sequentially. For this reason, only oxygen of the reaction residue is removed by the nickel catalyst, and the filling amount of the nickel catalyst can be reduced as compared with the conventional method.
また、ナトリウム含有活性アルミナは、従来用いられていたゼオライト触媒よりも効率よく二酸化炭素を除去することができるため、Ni触媒で二酸化炭素を除去する必要が無く触媒の量を大幅に減少できる。
このため、高価なニッケル触媒の充填量が抑えられ、不活性ガスの製造コスト低減と精製装置のコンパクト化を実現することができる。
In addition, sodium-containing activated alumina can remove carbon dioxide more efficiently than a conventionally used zeolite catalyst, so there is no need to remove carbon dioxide with a Ni catalyst, and the amount of catalyst can be greatly reduced.
For this reason, the filling amount of the expensive nickel catalyst can be suppressed, and the manufacturing cost of the inert gas can be reduced and the refinement apparatus can be made compact.
以下、本発明を適用したガス精製装置1について、これを用いたガスの精製方法とともに図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の一実施形態として図1に示すガス精製装置1の構成について説明する。
このガス精製装置1は、窒素ガスまたは希ガスからなる原料ガス中の炭化水素類、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および水を除去するための装置である。
また、ガス精製装置1は、図1に示すように、触媒が充填された触媒塔2と、この触媒塔2の下流側に設けられた吸着塔3Aおよび3Bとを備えて概略構成されている。以下、各構成について詳細を説明する。
Hereinafter, a gas purification apparatus 1 to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings together with a gas purification method using the same.
First, the structure of the gas purification apparatus 1 shown in FIG. 1 is demonstrated as one Embodiment of this invention.
This gas purification apparatus 1 is an apparatus for removing hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water in a raw material gas composed of nitrogen gas or rare gas.
Further, as shown in FIG. 1, the gas purification apparatus 1 is schematically configured to include a
触媒塔2は、原料ガス中に含まれる不純物である炭化水素類、水素および一酸化炭素を触媒によって水と二酸化炭素とに分解して除去するためのユニットである。より具体的には、触媒塔2の上流側には、原料ガス供給源G1が設けられており、この原料ガス供給源G1から経路L1に設けられた熱交換機4を経た原料ガスが触媒塔2内に供給される。また、この触媒塔2内には触媒が充填されている。また、触媒塔2の外周には、触媒塔2を加熱するためのヒーター2aが設けられている。
The
原料ガスは、上述したように窒素ガスまたは希ガスからなり、不純物として1ppm〜10ppmの濃度の炭化水素類、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および水を含んでいる。
ここで、触媒塔2における処理対象となる炭化水素類としては、特に限定されるものではないが、例えば、メタン、エタンなどのアルカンやベンゼンなどの芳香族炭化水素が挙げられる。特に、メタンは大気中の含有量が多いため、処理対処となることが多い。
The raw material gas is made of nitrogen gas or rare gas as described above, and contains hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water at a concentration of 1 ppm to 10 ppm as impurities.
Here, the hydrocarbons to be treated in the
触媒は、原料ガスと接触することにより、原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素と、酸化性ガスである酸素とを反応させて水と二酸化炭素に分解するためのものである。
このような触媒としては、例えば、活性アルミナ、珪藻土、活性炭のいずれか1つもしくは2以上からなる担体に、Pt,Pd,Ru,Ag,Cu,Mnのいずれか1つもしくは2以上が0.01〜5wt%担持されるものが挙げられる。また、触媒はここに挙げたものに限られず、同様の機能を有するものであれば、他のものを用いてもかまわない。このような触媒を用いることにより、原料ガス中の炭化水素類を効率的に酸素と反応させることができる。
The catalyst is for contacting hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide in the raw material gas with oxygen, which is an oxidizing gas, to decompose into water and carbon dioxide by contacting with the raw material gas.
As such a catalyst, for example, one or more of Pt, Pd, Ru, Ag, Cu, and Mn is 0 or more on a support made of one or more of activated alumina, diatomaceous earth, and activated carbon. Examples include those supported by 01 to 5 wt%. The catalyst is not limited to those listed here, and other catalysts may be used as long as they have the same function. By using such a catalyst, hydrocarbons in the raw material gas can be efficiently reacted with oxygen.
触媒塔2の上流側には、酸化性ガス供給源G2が設けられている。この酸化性ガス供給源G2は、経路L2に設けられた弁V1の開閉により、酸化性ガスを原料ガスに供給できるように構成されている。また、原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素の量に対して、化学量論的に酸化できる量以上の酸化性ガスが原料ガス中に含まれていない場合に、酸化性ガス供給源G2から酸化性ガスが供給されるように構成されている。このため、原料ガス中の酸化性ガスの量が不十分であっても、原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素を化学量論的に酸化できる以上の量になるまで、酸化性ガスを原料ガスに供給することができる。
An oxidizing gas supply source G2 is provided on the upstream side of the
酸化性ガスは、原料ガス中の炭化水素類を完全燃焼させることが可能なガスであれば、特に限定されるものではない。このようなガスとしては、例えば、酸素、オゾンなどの、酸素の同素体が挙げられる。これらの中でも、特に酸素が取り扱いの面で好ましい。 The oxidizing gas is not particularly limited as long as it is a gas capable of completely burning hydrocarbons in the raw material gas. Examples of such a gas include allotropes of oxygen such as oxygen and ozone. Among these, oxygen is particularly preferable in terms of handling.
吸着塔3Aおよび3Bは、触媒塔2から導出された原料ガス中に含まれる、水、反応残渣の酸素および二酸化炭素を除去するためのユニットである。また、吸着塔3Aと吸着塔3Bは同じ構成となっている。
より具体的には、吸着塔3A内と吸着塔3B内には、原料ガスの流入側(底部)から流出側(上部)に向けて、水分吸着剤層6、ニッケル触媒層7、アルミナ層8がこの順で積層充填されている。また、吸着塔3Aおよび3Bは、弁V2〜V9の開閉により、原料ガスおよび再生ガス供給源G4から供給される水素ガスの流れを切り替え可能に構成されている。また、吸着塔3Aおよび3Bの外周には、吸着塔3Aおよび3Bを加熱するためのヒーター3c、3dがそれぞれ設けられている。
Adsorption towers 3A and 3B are units for removing water, reaction residue oxygen and carbon dioxide contained in the raw material gas derived from
More specifically, in the adsorption tower 3 </ b> A and the adsorption tower 3 </ b> B, the
水分吸着剤層6は、原料ガスと接触することにより原料ガス中の水を吸着するための水分吸着剤である。水分吸着剤としては、たとえば活性アルミナ、シリカゲル、合成ゼオライトのいずれか1つもしくは2以上を用いることができる。また、水分吸着剤は、ここに挙げたものに限定されず、原料ガス中の水を吸着する機能を有するものであれば、他のものを用いても構わない。
The
ニッケル触媒層7は、原料ガスと接触することにより原料ガス中の反応残渣の酸素を除去するために設けられている。具体的には、ニッケル触媒層7には、水素による還元処理を施して再使用できるニッケル触媒が充填されている。このようなニッケル触媒としては、たとえば活性アルミナ、珪藻土、活性炭などの担体にニッケル金属を10〜90wt%担持してなる触媒が用いられる。
The
アルミナ層8は、原料ガスと接触することにより原料ガス中の二酸化炭素を除去するために設けられている。具体的には、アルミナ層8には、ナトリウムを0.1〜10wt%含むγ−アルミナが充填されている。このように、ナトリウム含有活性アルミナがアルミナ層8に充填されていることにより、Ni触媒は酸素だけを吸着するのに必要な量を充填するだけで済み、充填量を大幅に削減することが出来る。
The
また、ニッケル触媒の体積換算の充填量をVa(L)とし、アルミナの体積換算の充填量をVb(L)とした際に、これらの充填量比(Va/Vb)が、Va/Vb<1の関係を満たすことが望ましい。ニッケル触媒よりもアルミナの方が安価であるため、アルミナの充填量比をニッケル触媒より多くすることにより、ガス精製装置1の製造コストを低減することができる。 Further, when the filling amount in terms of volume of the nickel catalyst is Va (L) and the filling amount in terms of volume of the alumina is Vb (L), the filling amount ratio (Va / Vb) is Va / Vb < It is desirable to satisfy the relationship of 1. Since alumina is cheaper than nickel catalyst, the production cost of the gas purifier 1 can be reduced by increasing the alumina filling amount ratio than the nickel catalyst.
また、吸着塔3Aおよび3Bには、触媒塔2から導出され、熱交換器4および冷却器5を経た原料ガスが供給される。その際、原料ガスは吸着塔3Aまたは3Bのいずれか一方に供給されるように構成されている。また、吸着塔3Aおよび3Bの上部側には、再生ガス供給源G4から経路L7、弁V10および経路L8を経た水素ガスが吸着塔3Aまたは3Bのいずれか他方に供給されるように構成されている。
The adsorption towers 3A and 3B are supplied with the raw material gas which is led out from the
また、吸着塔3Aおよび3Bの上部側の経路L5には、不活性ガス排出部G3が設けられており、吸着塔3Aまたは3Bによって精製された不活性ガスが排出される。また、経路L5から経路L8と弁V11を経た不活性ガスが吸着塔3Aまたは3Bに供給されるように構成されている。また、吸着塔3Aおよび3Bの底部側の経路L6には、排気ガス排出部G5が設けられており、排気ガスが排出される。
Further, an inert gas discharge part G3 is provided in the path L5 on the upper side of the adsorption towers 3A and 3B, and the inert gas purified by the
なお、図1では、吸着塔3A内の底部から上部に向けて水分吸着剤層6、ニッケル触媒層7、アルミナ層8が積層充填されているが、原料ガスの流入側から流出側に向けての順序が同じになるように、配置を逆に変えても構わない。すなわち、吸着塔3A内の配置を逆にすることにより、吸着塔3Aの上部から底部にかけて原料ガスを流すことが可能な、ダウンフロー構造としてもかまわない。
In FIG. 1, the
本実施形態のガス精製装置1によれば、触媒を充填した触媒塔2を備えることにより、原料ガス中の炭化水素類を除去することが可能となる。また、触媒塔2の下流側に、原料ガスの流入側から流出側に向けて、水分吸着剤、ニッケル触媒およびナトリウム含有アルミナをこの順序によって充填してなる吸着塔3A、3Bが設けられていることにより、水、反応残渣の酸素、二酸化炭素を順次除去することができる。このため、反応残渣の酸素のみがニッケル触媒により除去され、ニッケル触媒の充填量を従来の方法よりも減少させることができる。また、ナトリウム含有活性アルミナは、従来、二酸化炭素除去用の触媒として用いられていたゼオライト触媒よりも効率よく二酸化炭素を除去することができるため、二酸化炭素除去に必要な触媒(ニッケル触媒)の量を大幅に減少することができる。
このため、高価なニッケル触媒の充填量が抑えられ、不活性ガスの製造コスト低減と、ガス精製装置1のコンパクト化を実現することができる。
According to the gas purification apparatus 1 of this embodiment, it is possible to remove hydrocarbons in the raw material gas by providing the
For this reason, the filling amount of the expensive nickel catalyst can be suppressed, and the manufacturing cost of the inert gas can be reduced and the gas purification device 1 can be made compact.
次いで、本実施形態のガス精製方法について、図面を用いて説明する。本実施形態のガス精製方法(吸着工程)は、原料ガスを触媒に接触させて、炭化水素類、水素および一酸化炭素を酸化性ガスと反応させることにより二酸化炭素と水を生成する工程と、触媒に接触させた後の原料ガスを水分吸着剤に接触させることにより水を除去する工程と、水を除去した後の原料ガスをニッケル触媒に接触させることにより反応残渣の酸素を除去する工程と、酸素を除去した後の原料ガスを、ナトリウムが0.1〜10wt%含有されたアルミナに接触させることにより二酸化炭素を除去する工程と、から概略構成されている。 Next, the gas purification method of this embodiment will be described with reference to the drawings. The gas purification method (adsorption process) of the present embodiment is a process of generating carbon dioxide and water by bringing a raw material gas into contact with a catalyst and reacting hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide with an oxidizing gas, A step of removing water by bringing the raw material gas after contact with the catalyst into contact with a moisture adsorbent; and a step of removing oxygen in the reaction residue by bringing the raw material gas after removal of water into contact with the nickel catalyst; , And a step of removing carbon dioxide by bringing the source gas after removing oxygen into contact with alumina containing 0.1 to 10 wt% of sodium.
まず、図1に示すように、原料ガス供給源G1から原料ガスを経路L1に導入する。このとき、原料ガスとしては、たとえば深冷式空気分離装置により製造したものや、コールドエバポレータータンク(超低温液化ガス貯槽)に貯蔵したものを用いることができる。 First, as shown in FIG. 1, the source gas is introduced into the path L1 from the source gas supply source G1. At this time, as the source gas, for example, a gas produced by a cryogenic air separation device or a gas stored in a cold evaporator tank (ultra low temperature liquefied gas storage tank) can be used.
ここで、原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素の量に対して、化学量論的に酸化できる量以上の酸化性ガスが原料ガス中に含まれていない場合には、酸化性ガスを経路L2に導入することが好ましい。なお、酸化性ガスは、原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素を化学量論的に酸化できる以上の量になるまで供給することが好ましい。また、酸化性ガスとしては、酸素を用いることが好ましい。 Here, if the source gas does not contain an oxidizing gas that is more than stoichiometrically oxidizable with respect to the amount of hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide in the source gas, It is preferable to introduce gas into the path L2. Note that the oxidizing gas is preferably supplied until the amount of the hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide in the raw material gas exceeds the stoichiometric amount. Moreover, it is preferable to use oxygen as the oxidizing gas.
これにより、酸化性ガスは経路L1内で原料ガスと混合され、熱交換器4を経て、ヒーター2aで加熱された触媒塔2に流入する。このとき、原料ガスおよび酸化性ガスの温度が十分でない場合は、熱交換器4より適宜加熱することができる。
Thus, the oxidizing gas is mixed with the raw material gas in the path L1, passes through the
この後、原料ガスは触媒塔2内の触媒に接触し、原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素が酸化性ガスと反応する。このとき、過剰の酸素は反応せず、反応残渣の酸素として原料ガス中に残留する。また、この反応により、二酸化炭素と水が生成される。これにより、この段階における原料ガス中の不純物は、二酸化炭素、水および反応残渣の酸素のみとなる。
Thereafter, the raw material gas contacts the catalyst in the
この後、原料ガスは、経路L3に設けられた熱交換器4および冷却器5、経路L4、弁V2を経て吸着塔3Aに導入する。このとき、原料ガスの温度が高すぎる場合には、熱交換器4および冷却器5により適宜温度を調整すればよい。このとき、原料ガスを吸着塔3Aと吸着塔3Bのどちらに導入させても構わないが、ここでは吸着塔3Aに原料ガスを導入させた場合について説明する。
Thereafter, the raw material gas is introduced into the
吸着塔3Aに導入された原料ガスは、まず水分吸着剤層6に流入する。ここで原料ガスは水分吸着剤に接触し、水分が吸着、除去される。
The source gas introduced into the adsorption tower 3 </ b> A first flows into the
次いで、水分吸着剤層6から流出した原料ガスは、ニッケル触媒層7へ流入する。ここで、原料ガスはニッケル触媒に接触し、反応残渣の酸素が吸着、除去される。
Next, the raw material gas flowing out from the
次いで、ニッケル触媒層7から流出した原料ガスは、アルミナ層8へ流入する。ここで、原料ガスはナトリウム含有活性アルミナに接触し、二酸化炭素が吸着、除去される。このとき、ナトリウム含有活性アルミナに接触する前の段階における原料ガス中の二酸化炭素の分圧は19Pa以下であることが望ましい。図2に示すように、ナトリウム含有活性アルミナは、原料ガス中の二酸化炭素の分圧が19Pa以下の場合にゼオライト触媒よりも効率よく二酸化炭素を除去することができる。そのため、原料ガス中の二酸化炭素の分圧を予め19Pa以下としておくことにより、二酸化炭素を効率的に吸着、除去することができる。なお、図2は、ゼオライトとアルミナの二酸化炭素吸着量を比較したグラフである。また、図2における二酸化炭素吸着量の測定は、定容量式ガス吸着量測定装置を用いて、温度を25℃に一定にするとともに圧力を任意に設定して行ったものである。
このように、原料ガス中の二酸化炭素を効率的に除去できるため、Ni触媒は酸素のみを吸着する量を充填すれば良く、Ni触媒の充填量を減少することができる。
Next, the raw material gas flowing out from the
Thus, since carbon dioxide in the raw material gas can be efficiently removed, the Ni catalyst only needs to be filled with an amount that adsorbs only oxygen, and the filling amount of the Ni catalyst can be reduced.
この後、原料ガスは、弁V8、経路L5を経て、不活性ガス排出部G3より精製ガス(不活性ガス)として導出される。このとき、不活性ガスの不純物(炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素および水)の濃度は0.1ppbレベル以下となっている。 Thereafter, the raw material gas is led out as purified gas (inert gas) from the inert gas discharge part G3 via the valve V8 and the path L5. At this time, the concentration of impurities (hydrocarbon, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water) of the inert gas is 0.1 ppb level or less.
次いで、吸着塔3Aにおける再生工程について説明する。
まず、吸着塔3Aにおいて吸着工程を行った後、弁V2〜V9を開閉操作して、原料ガスおよび水素ガスの流れを切り替える。これにより、吸着塔3Aは再生工程に入り、吸着塔3Bは吸着工程に入る。
Next, the regeneration step in the
First, after performing the adsorption process in the
次いで、再生ガス供給源G4から水素ガスを経路L7に導入する。これにより、水素ガスは経路L8中で、精製後の不活性ガスの一部と混合され、水素濃度1〜5vol%の混合ガスとなる。次いで、前記混合ガスを吸着塔3Aの上部側に導入する。これにより混合ガスは、アルミナ層8、ニッケル触媒層7、水分吸着剤層6を順次通過する。
Next, hydrogen gas is introduced into the path L7 from the regeneration gas supply source G4. As a result, the hydrogen gas is mixed with a part of the purified inert gas in the path L8 to become a mixed gas having a hydrogen concentration of 1 to 5 vol%. Next, the mixed gas is introduced to the upper side of the
このとき、吸着塔3Aはヒーター3cにより加熱されている。このため、アルミナ層8に吸着されている二酸化炭素、ニッケル触媒層7に吸着されている酸素、水分吸着剤層6に吸着されている水分などの不純物が、ヒーター3cによる加熱と混合ガスの作用により順次脱着する。これにより、混合ガスに前記不純物が混合し、経路L6を経て排気ガス排出部G5から排気ガスとして排出される。
このようにして再生を終えた吸着塔3Aは、次の吸着工程を待つことになる。
At this time, the
The
また、吸着塔3Aにおける再生工程の間、吸着塔3Bに導入された原料ガスは、前述した工程と同様に不純物が吸着され、不活性ガスとして不活性ガス排出部G3から排出される。この詳細については前述した吸着塔3Aにおける吸着工程と同様であるため、説明を省略する。
Further, during the regeneration step in the
本実施形態のガスの精製方法によれば、原料ガスを触媒と接触させることにより、予め原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素を、酸化性ガスと反応させて二酸化炭素と水に転換することができる。このため、触媒接触を用いない従来の精製方法と異なり、原料ガス中の炭化水素類を二酸化炭素および水として除去することができる。
また、触媒に接触させた後の原料ガスを水分吸着剤に接触させることにより、原料ガス中の水を除去することができる。このため、水分吸着剤の下流側に設けられたニッケル触媒の、水による機能低下を防ぐことができる。また、水素および一酸化炭素を酸化性ガスと反応させるため、反応残渣の酸素のみをニッケル触媒により除去することができる。このため、ニッケル触媒の充填量は反応残渣の酸素のみを除去可能な量であればよく、従来のガスの精製方法よりも充填量を減少させることができる。
According to the gas purification method of the present embodiment, by bringing the raw material gas into contact with the catalyst, hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide in the raw material gas are reacted with the oxidizing gas in advance to form carbon dioxide and water. Can be converted. Therefore, unlike conventional purification methods that do not use catalyst contact, hydrocarbons in the raw material gas can be removed as carbon dioxide and water.
Moreover, the water in raw material gas can be removed by making the raw material gas after making it contact with a catalyst contact a water | moisture-content adsorption agent. For this reason, it is possible to prevent the nickel catalyst provided on the downstream side of the moisture adsorbent from deteriorating its function due to water. Moreover, since hydrogen and carbon monoxide are reacted with the oxidizing gas, only oxygen in the reaction residue can be removed by the nickel catalyst. For this reason, the filling amount of the nickel catalyst only needs to be an amount capable of removing only oxygen in the reaction residue, and the filling amount can be reduced as compared with the conventional gas purification method.
また、触媒に反応させる炭化水素類、水素および一酸化炭素の量に対して、化学量論的に酸化できる量以上の酸化性ガスが原料ガス中に含まれていない場合に、酸化性ガスを、炭化水素類、水素および一酸化炭素を化学量論的に酸化できる以上の量になるまで原料ガスに供給することにより、原料ガス中の炭化水素類、水素および一酸化炭素を全て二酸化炭素と水に転換することができる。そのため、水素および一酸化炭素を除去するためのニッケル触媒が不要となる。
このため、高価なニッケル触媒の充填量を減少させることができ、不活性ガスの製造コストを低減することができる。
In addition, when the source gas does not contain oxidizing gas in an amount higher than that stoichiometrically oxidized with respect to the amount of hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide to be reacted with the catalyst, the oxidizing gas is added. The hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide in the source gas are all converted to carbon dioxide by supplying the source gas until the amount of hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide can be oxidized stoichiometrically. Can be converted to water. Therefore, a nickel catalyst for removing hydrogen and carbon monoxide becomes unnecessary.
For this reason, the filling amount of an expensive nickel catalyst can be reduced, and the manufacturing cost of an inert gas can be reduced.
また、原料ガス中の二酸化炭素の分圧を19Pa以下とすることにより、二酸化炭素をナトリウム含有活性アルミナにより効率より除去することができる。このため、Ni触媒の充填量を減少させることができる。
以上により、吸着塔3A(3B)内の触媒(ニッケル触媒、ナトリウム含有活性アルミナ)の含有量を減少できる。このため、ガス精製装置1のコンパクト化を実現することができる。
Further, by setting the partial pressure of carbon dioxide in the raw material gas to 19 Pa or less, carbon dioxide can be efficiently removed by sodium-containing activated alumina. For this reason, the filling amount of the Ni catalyst can be reduced.
As described above, the content of the catalyst (nickel catalyst, sodium-containing activated alumina) in the
以下に、本発明のガスの精製方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。 Hereinafter, the gas purification method of the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
はじめに、内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、アルミナ坦持のPd触媒を400mm充填して触媒塔2とした。また、内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、厚さ100mmのゼオライト層からなる水分吸着剤層6(MS5A)、厚さ50mmのニッケル触媒層7(N112)、厚さ250mmのナトリウムを重量比で5.8%含むアルミナ層8を、原料ガス流入側から流出側にかけて順に形成して吸着塔3Aとした。
Example 1
First, a
まず、吸着塔3Aの各層を以下の条件で再生した。
初めに、水素濃度2vol%を含む窒素を吸着塔3Aに、経路L7および経路L8を経て流量2Nm3/時間で3時間導入するとともに、ヒーター3cにより200℃に加熱した。次いで、窒素を吸着塔3Aに流量2Nm3/時間で流したのちに、吸着塔3Aを冷却した。
First, each layer of the
First, nitrogen containing a hydrogen concentration of 2 vol% was introduced into the
次いで、吸着工程を行った。
まず、1ppm−メタン、1ppm−水素、1ppm−一酸化炭素、0.5ppm−二酸化炭素、4ppm−酸素、2.6ppm−水分を含む窒素を原料ガスとして、圧力100PaG、温度400℃、流量15Nm3/時間の条件で触媒塔2に導入した。その後、熱交換器4および冷却器5により、原料ガスの温度を25℃まで冷却し、吸着塔3Aに導入した。
吸着塔3Aへの原料ガス導入開始後、50時間経過した時点で、酸素が第1破過成分として検出された。
Next, an adsorption process was performed.
First, 1 ppm-methane, 1 ppm-hydrogen, 1 ppm-carbon monoxide, 0.5 ppm-carbon dioxide, 4 ppm-oxygen, 2.6 ppm-nitrogen containing moisture is used as a raw material gas, pressure 100 PaG, temperature 400 ° C., flow rate 15 Nm 3. / Hour was introduced into the
Oxygen was detected as the first breakthrough component when 50 hours had elapsed after the start of introduction of the raw material gas into the
(実施例2)
内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、アルミナ坦持のPt触媒を400mm充填して触媒塔2とした。また、内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、上方から厚さ100mmのゼオライト層からなる水分吸着剤層6((MS5A)、厚さ50mmのニッケル触媒層7(N112)、厚さ250mmのナトリウムを重量比で5.8%含むアルミナ層8を、原料ガス流入側から流出側にかけて順に形成して吸着塔3Aとした。
(Example 2)
A
次いで、吸着塔3Aを実施例1と同様の条件で再生した後、実施例1と同様の条件で吸着工程を行った。
触媒塔2および吸着塔3Aへの原料ガス導入開始後、49時間経過した時点で、酸素が第1破過成分として検出された。
Next, after the
Oxygen was detected as the first breakthrough component when 49 hours had elapsed after starting the introduction of the raw material gas into the
(比較例1)
内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、上方から厚さ100mmのゼオライト層からなる水分吸着剤層6(MS5A)、厚さ200mmのニッケル触媒層7(N112)、厚さ250mmのナトリウムを重量比で5.8%含むアルミナ層8を、原料ガス流入側から流出側にかけて順に形成して吸着塔3Aとした。次いで、再生工程を以下の条件で行った。
(Comparative Example 1)
In a stainless steel cylinder with an inner diameter of 100 mm, a moisture adsorbent layer 6 (MS5A) consisting of a zeolite layer with a thickness of 100 mm, a nickel catalyst layer 7 (N112) with a thickness of 200 mm, and sodium with a thickness of 250 mm in weight ratio. An
初めに、水素濃度2vol%の窒素を200℃に加熱し、吸着塔3Aに、経路L7および経路L8を経て流量2Nm3/時間で3時間流した。次いで、窒素を200℃に加熱し、吸着塔3Aに流量2Nm3/時間で3時間流した。
こののち、1ppm−メタン、1ppm−水素、1ppm−一酸化炭素、0.5ppm−二酸化炭素、4ppm−酸素、2.6ppm−水分を含む窒素を原料ガスとして、圧力100PaG、温度25℃、流速(空塔速度)26.5cm/秒、流量15Nm3/時間の条件で吸着塔3Aに導入した。
導入開始直後よりメタンが1ppm検出され、さらに47時間経過した時点で、水素が第1破過成分として検出された。
First, nitrogen having a hydrogen concentration of 2 vol% was heated to 200 ° C., and passed through the
After that, nitrogen containing 1 ppm-methane, 1 ppm-hydrogen, 1 ppm-carbon monoxide, 0.5 ppm-carbon dioxide, 4 ppm-oxygen, 2.6 ppm-water is used as a raw material gas, pressure 100 PaG, temperature 25 ° C., flow rate ( It was introduced into the
Immediately after the start of introduction, 1 ppm of methane was detected, and when 47 hours had passed, hydrogen was detected as the first breakthrough component.
(比較例2)
内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、アルミナ坦持のPd触媒を400mm充填して触媒塔2とした。また、内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、厚さ50mmのニッケル触媒層6(N112)、厚さ100mmのゼオライト層からなる水分吸着剤層7(MS5A)、厚さ250mmのナトリウムを重量比で5.8%含むアルミナ層8を、原料ガス流入側から流出側にかけて順に形成して吸着塔3Aとした。
(Comparative Example 2)
A
次いで、吸着塔3Aを実施例1と同様の条件で再生した後、実施例1と同様の組成の原料ガスを同様に条件で触媒塔2と吸着塔3Aに導入した。触媒塔2および吸着塔3Aへの原料ガス導入開始後、40時間経過した時点で、酸素が第1破過成分として検出された。
Next, after the
(比較例3)
内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、アルミナ坦持のPd触媒を400mm充填して触媒塔2とした。また、内径100mmのステンレス鋼製円筒内に、上方から厚さ100mmのゼオライト層からなる水分吸着剤層6(MS5A)、厚さ50mmのニッケル触媒層7(N112)、厚さ250mmのアルミナ層8を、原料ガス流入側から流出側にかけて順に形成して吸着塔3Aとした。
(Comparative Example 3)
A
次いで、吸着塔3Aを実施例1と同様の条件で再生した後、実施例1と同様の組成の原料ガスを同様に条件で触媒塔2と吸着塔3Aに導入した。触媒塔2および吸着塔3Aへの原料ガス導入開始後、27時間経過した時点で、二酸化炭素が第1破過成分として検出された。
Next, after the
各実施例、比較例の触媒・吸着剤の充填量と、実験による破過成分と破過時間を表1に纏めた。 Table 1 summarizes the packing amounts of the catalyst and the adsorbent of each Example and Comparative Example, and the breakthrough components and breakthrough time obtained through experiments.
実施例1と比較例1とから、触媒塔2の触媒により炭化水素類(メタン)、水素、一酸化炭素と酸素を反応させることで、メタンが除去されたことがわかる。さらに、触媒塔2で予め原料ガスを反応させることにより、ニッケル触媒への負荷は、酸素のみとなるため、ニッケル触媒の充填量を大幅に減らすことができる。(比較例1では、ニッケル触媒へ水素、一酸化炭素、酸素の負荷がかかるため、ニッケル触媒の充填量を4倍にしても水素の破過が47時間で始まった。)
From Example 1 and Comparative Example 1, it can be seen that methane was removed by reacting hydrocarbons (methane), hydrogen, carbon monoxide and oxygen with the catalyst of the
また、実施例1と比較例2とから、水分吸着剤層6をニッケル触媒層7の上流側に形成することで、ニッケル触媒層7での酸素吸着量が増加することがわかる。
Further, it can be seen from Example 1 and Comparative Example 2 that when the
また、実施例1と比較例3とから、ナトリウムを含むアルミナを使用すると、アルミナの充填量を大幅に減らしても、不活性ガス中から二酸化炭素が検出されないことがわかる。 Moreover, it can be seen from Example 1 and Comparative Example 3 that when alumina containing sodium is used, carbon dioxide is not detected in the inert gas even if the filling amount of alumina is greatly reduced.
(実施例3)
二酸化炭素分圧1Paの条件下で、ナトリウム含有量を変えてアルミナの二酸化炭素吸着量を測定した。この結果、ナトリウム含有量0.1wt%、1.6wt%、5.8wt%、9.8wt%のアルミナの二酸化炭素吸着量がそれぞれ38,50,60,65mmmol/kgであったのに対し、ナトリウム含有量が0.1wt%以下のアルミナの二酸化炭素吸着量はそれぞれ28mmol/kgであった。この結果を、図3に、横軸をナトリウム含有量、縦軸を二酸化炭素吸着量としたグラフを示す。なお、図3に示す二酸化炭素吸着量の測定は、定容量式ガス吸着量測定装置を用いて、温度25℃、圧力1Paに設定して行った。
図3のグラフより、ナトリウムを含有するアルミナの二酸化炭素吸着能力が、ナトリウムを含有しないアルミナより高いことが判る。
(Example 3)
Under the condition of carbon dioxide partial pressure of 1 Pa, the amount of carbon dioxide adsorbed on alumina was measured by changing the sodium content. As a result, the carbon dioxide adsorption amounts of alumina having a sodium content of 0.1 wt%, 1.6 wt%, 5.8 wt%, and 9.8 wt% were 38, 50, 60, and 65 mmol / kg, respectively. The carbon dioxide adsorption amount of alumina having a sodium content of 0.1 wt% or less was 28 mmol / kg. FIG. 3 is a graph showing the results, with the horizontal axis representing sodium content and the vertical axis representing carbon dioxide adsorption. In addition, the measurement of the carbon dioxide adsorption amount shown in FIG. 3 was performed by setting a temperature of 25 ° C. and a pressure of 1 Pa using a constant capacity gas adsorption amount measuring device.
From the graph of FIG. 3, it can be seen that the carbon dioxide adsorption ability of alumina containing sodium is higher than that of alumina not containing sodium.
1…ガス精製装置、2…触媒塔、3A,B…吸着塔、6…水分吸着剤層、7…ニッケル触媒層、8…アルミナ層、G1…原料ガス供給源、G2…酸化性ガス供給源、G3…不活性ガス排出部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas purification apparatus, 2 ... Catalyst tower, 3A, B ... Adsorption tower, 6 ... Moisture adsorbent layer, 7 ... Nickel catalyst layer, 8 ... Alumina layer, G1 ... Raw material gas supply source, G2 ... Oxidizing gas supply source , G3 ... inert gas discharge part
Claims (8)
前記原料ガスを触媒に接触させて、前記炭化水素類、水素および一酸化炭素を酸化性ガスと反応させることにより二酸化炭素と水を生成する工程と、
前記触媒に接触させた後の前記原料ガスを水分吸着剤に接触させることにより水を除去する工程と、
前記水を除去した後の前記原料ガスをニッケル触媒に接触させることにより反応残渣の酸素を除去する工程と、
前記酸素を除去した後の前記原料ガスを、ナトリウムが0.1〜10wt%含有されたアルミナに接触させることにより二酸化炭素を除去する工程と、を具備してなることを特徴とするガスの精製方法。 A gas purification method for removing hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water in a raw material gas consisting of nitrogen gas or rare gas,
Producing carbon dioxide and water by contacting the source gas with a catalyst and reacting the hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide with an oxidizing gas;
Removing the water by contacting the raw material gas after contacting the catalyst with a moisture adsorbent;
Removing oxygen of the reaction residue by contacting the raw material gas after removing the water with a nickel catalyst;
A step of removing carbon dioxide by contacting the raw material gas after removing the oxygen with alumina containing 0.1 to 10 wt% of sodium, and purifying the gas Method.
酸化性ガスを、前記炭化水素類、水素および一酸化炭素を化学量論的に酸化できる以上の量になるまで前記原料ガスに供給した後に、前記原料ガスを前記触媒に接触させることを特徴とする請求項1に記載のガスの精製方法。 When the source gas does not contain oxidizing gas in an amount that can be stoichiometrically oxidized relative to the amount of hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide to be reacted with the catalyst,
An oxidizing gas is supplied to the source gas until the amount of the hydrocarbon, hydrogen and carbon monoxide is stoichiometrically oxidized, and then the source gas is brought into contact with the catalyst. The method for purifying a gas according to claim 1.
触媒を充填した触媒塔と、
前記触媒塔の下流側に設けられ、前記原料ガスの流入側から流出側に向けて、水分吸着剤、ニッケル触媒およびナトリウム含有アルミナをこの順序によって充填してなる吸着塔と、を備えることを特徴とするガス精製装置。 A gas purifier for removing hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and water in a raw material gas consisting of nitrogen gas or rare gas,
A catalyst tower packed with a catalyst;
An adsorption tower provided downstream of the catalyst tower and filled with a moisture adsorbent, a nickel catalyst, and sodium-containing alumina in this order from the inflow side to the outflow side of the raw material gas. Gas purifier.
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