JP5679433B2 - Argon gas purification method and purification apparatus - Google Patents
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Description
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アルゴンガスを精製する方法と装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for purifying argon gas containing at least oxygen, hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen as impurities.
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、混入した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)。
For example, in equipment such as silicon single crystal pulling furnace, ceramic sintering furnace, vacuum degassing equipment for steel making, silicon plasma melting equipment for solar cells, polycrystalline silicon casting furnace, argon gas is used as atmosphere gas in the furnace Has been. The purity of argon gas collected for reuse from such facilities is reduced due to the incorporation of hydrogen, carbon monoxide, air, and the like. Therefore, in order to increase the purity of the recovered argon gas, the admixed impurities are adsorbed on the adsorbent. Furthermore, in order to efficiently adsorb such impurities, it has been proposed to react oxygen in the impurities with combustible components as a pretreatment of the adsorption treatment (see
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−10℃〜−50℃の温度で吸着剤に吸着させている。
In the method disclosed in
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の酸素の量を、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−170℃程度の温度で吸着剤に吸着させている。
In the method disclosed in
特許文献1に記載の方法では、アルゴンガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等を完全燃焼させるのに必要な化学量論量よりも少なくし、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触媒を用いている。そのため、その反応により水素の完全燃焼が図られると共に、未反応の一酸化炭素が積極的に残留される。しかし、微量の水素は吸着処理によっては除去困難であるが、アルゴンガスの用途においては水素の残留が許容される場合が少なくない。一方、一酸化炭素は触媒毒になると共にゼオライト等の一般的な吸着剤によっては二酸化炭素よりも吸着が困難である。すなわち、吸着処理の前段階において、残留させても問題の少ない水素の完全燃焼を図り、その一方で、触媒の機能を低下させるおそれがあって吸着が困難な一酸化炭素を積極的に残留させるという不合理な処理を行っている。
In the method described in
特許文献2に記載の方法では、アルゴンガスにおけるの酸素の量を、水素、一酸化炭素等を完全燃焼させるのに十分な量として、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、水素等と反応させている。そのため、その反応により水素、一酸化炭素等の完全燃焼が図られると共に、アルゴンガスの用途においては残留が問題とされる場合が多い酸素が積極的に残留される。しかし、上記のようにアルゴンガスの用途においては水素の残留が許容される場合が少なくない。一方、酸素を吸着するには吸着時の温度を−170℃程度まで低下させる必要がある。すなわち、吸着処理の前段階において、残留させても問題の少ない水素の完全燃焼を図り、その一方で、吸着処理の際の冷却エネルギーの増大により精製負荷が大きくなる酸素を積極的に残留させるという不合理な処理を行っている。
In the method described in
上記のような不合理な従来技術によれば、アルゴンガスの回収設備の管理費用や建設費用が増大するという問題がある。本発明は、そ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。 According to the above-mentioned unreasonable prior art, there is a problem that the management cost and the construction cost of the argon gas recovery facility increase. It is an object of the present invention to provide an argon gas purification method and a purification apparatus that can solve such problems of the prior art.
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を一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2未満、且つ、一酸化炭素モル濃度の1/2を超える値に設定し、前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度を設定する際に、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以上である場合は水素を添加し、酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度の1/2以下である場合は酸素を添加し、次に、水素と酸素との反応よりも一酸化炭素と酸素との反応を優先させる触媒を用い、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反応させることで、水素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、しかる後に、前記アルゴンガスにおける不純物の含有率を吸着剤を用いて低減し、前記触媒は白金を主成分として含むことを特徴とする。
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1/2未満に設定し、水素と酸素との反応よりも一酸化炭素と酸素との反応を優先させる触媒を用いてアルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素、水素と反応させている。これにより、残留させても問題の少ない水素を積極的に残留させ、吸着除去する場合は冷却エネルギーを増大させる酸素の完全燃焼を図ることができ、さらに、触媒機能を低下させるおそれがあって二酸化炭素よりも吸着困難な一酸化炭素を積極的に残留させる必要もない。これにより、精製設備の管理を容易にすると共にコンパクト化を図ることができ、エネルギー消費を低減できる。
本発明方法において水素と酸素との反応よりも一酸化炭素と酸素との反応を優先させるため、前記触媒は白金を主成分として含む。本発明方法において二酸化炭素、水、および窒素の吸着を効率良く行うため、前記アルゴンガスにおける不純物の含有率を吸着剤を用いて低減する際に、その不純物の中の少なくとも二酸化炭素と水を常温での圧力スイング吸着法により吸着した後に、その不純物の中の少なくとも窒素を−10℃〜−50℃でのサーマルスイング吸着法により吸着するのが好ましい。
The method of the present invention is a method for purifying an argon gas containing at least oxygen, hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen as impurities, wherein the oxygen molar concentration in the argon gas is calculated by combining the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration. When the oxygen molar concentration in the argon gas is set to a value less than 1/2 of the sum and exceeding 1/2 of the carbon monoxide molar concentration , the oxygen molar concentration is the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration. Hydrogen is added when it is ½ or more of the sum with the concentration, oxygen is added when the oxygen molar concentration is ½ or less of the carbon monoxide molar concentration, and then the reaction between hydrogen and oxygen Using a catalyst that prioritizes the reaction between carbon monoxide and oxygen, and reacting oxygen in the argon gas with carbon monoxide and hydrogen to produce carbon dioxide and water with hydrogen remaining, After that, the content ratio of impurities in the argon gas was reduced using an adsorbent, wherein the catalyst is characterized in that it comprises as a main component platinum.
According to the present invention, the oxygen molar concentration in the argon gas is set to less than ½ of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration, and the reaction between carbon monoxide and oxygen rather than the reaction between hydrogen and oxygen. Oxygen in argon gas is reacted with carbon monoxide and hydrogen using a catalyst that gives priority to the above. As a result, when hydrogen remains with little problem even if it is left and is adsorbed and removed, it is possible to achieve complete combustion of oxygen to increase the cooling energy, and further, the catalyst function may be deteriorated and carbon dioxide. There is no need to actively leave carbon monoxide, which is more difficult to adsorb than carbon. Thereby, management of the refinery facility can be facilitated and the size can be reduced, and energy consumption can be reduced.
To prioritize the reaction of carbon monoxide with oxygen than the reaction of hydrogen and oxygen in the method of the present invention, said catalyst including as a main component platinum. In order to efficiently adsorb carbon dioxide, water, and nitrogen in the method of the present invention, when reducing the content of impurities in the argon gas using an adsorbent, at least carbon dioxide and water in the impurities are at room temperature. It is preferable that at least nitrogen in the impurities is adsorbed by a thermal swing adsorption method at −10 ° C. to −50 ° C. after adsorption by the pressure swing adsorption method.
本発明方法においては、前記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の1/2を超える値に設定する。
これにより、触媒の機能を低下させるおそれのある一酸化炭素の完全燃焼を図ることができる。この場合、前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度を設定する際に、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以上である場合は水素を添加し、酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度の1/2以下である場合は酸素を添加する。これにより、酸素モル濃度を設定する際に一酸化炭素は添加されないので、一酸化炭素と水との反応副生成物がアルゴンガスの純度を低下させるのを防止できる。
本発明方法において、前記アルゴンガスにおける不純物の含有率を吸着剤を用いて低減した後に、その不純物の中の水素を除去することで前記アルゴンガスにおける水素濃度を低減してもよい。これにより、アルゴンガスにおける水素濃度を、吸着剤を用いて低減するよりもさらに低減することが要求される場合に対応できる。
In the process of the present invention, to set the oxygen molar concentration in the argon gas to a value greater than 1/2 of the carbon monoxide molar.
Thereby, complete combustion of carbon monoxide which may reduce the function of the catalyst can be achieved. In this case, when setting the oxygen molar concentration in the argon gas, hydrogen is added when the oxygen molar concentration is 1/2 or more of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration. If it is 1/2 or less of carbon monoxide molar you add oxygen. Thereby, since carbon monoxide is not added when setting oxygen molar concentration, it can prevent that the reaction by-product of carbon monoxide and water reduces the purity of argon gas.
In the method of the present invention, after reducing the content of impurities in the argon gas using an adsorbent, the hydrogen concentration in the argon gas may be reduced by removing hydrogen in the impurities. Thereby, it can respond to the case where it is requested | required that the hydrogen concentration in argon gas is further reduced rather than reducing using an adsorbent.
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を一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2未満、且つ、一酸化炭素モル濃度の1/2を超える値に設定する濃度調節装置と、前記反応器に接続される吸着装置とを備え、前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度を設定する際に、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以上である場合は水素が添加され、酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度の1/2以下である場合は酸素が添加され、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、水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、水素と酸素との反応よりも一酸化炭素と酸素との反応を優先させる触媒が前記反応器に充填され、前記吸着装置は、前記反応器から流出する前記アルゴンガスにおける不純物の含有率を低減するための吸着剤を有し、前記触媒は白金を主成分として含むことを特徴とする。
本発明装置によれば本発明方法を実施できる。
The apparatus of the present invention is an apparatus for purifying an argon gas containing at least oxygen, hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen as impurities, the reactor into which the argon gas is introduced, and the reactor that is introduced into the reactor A concentration controller for setting the oxygen molar concentration in the argon gas to a value less than 1/2 of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration and exceeding 1/2 of the carbon monoxide molar concentration; and the reactor When the oxygen molar concentration in the argon gas is set, when the oxygen molar concentration is ½ or more of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration, the hydrogen is it is added, if the oxygen molar concentration is 1/2 or less of carbon monoxide molar concentrations are added oxygen, the argon oxygen may react with carbon monoxide and hydrogen in the gas in the reactor The reactor is filled with a catalyst that gives priority to the reaction of carbon monoxide and oxygen over the reaction of hydrogen and oxygen so that carbon dioxide and water are generated in a state where hydrogen remains. may have a sorbent for reducing the content of impurities in the argon gas flowing out of the reactor, the catalyst is characterized in that it comprises as a main component platinum.
According to the apparatus of the present invention, the method of the present invention can be carried out.
本発明によれば、回収された不純物含有アルゴンガスの純度を合理的な精製処理により高めることで、精製用触媒の機能低下を防止し、精製負荷を低減し、回収設備の管理費用、建設費用の低減に貢献する方法と装置を提供できる。 According to the present invention, the purity of the recovered impurity-containing argon gas is increased by a rational purification process, so that the functional degradation of the purification catalyst is prevented, the purification load is reduced, and the management costs and construction costs of the recovery equipment are reduced. It is possible to provide a method and an apparatus that contribute to the reduction of the above.
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て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4、冷却器5、および吸着装置6を備える。
An argon gas refining device α shown in FIG. 1 is for purifying spent argon gas supplied from an argon
供給源α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、ガス送り手段としてブロワ7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、二酸化炭素や炭化水素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において一酸化炭素が触媒の活性点に吸着して水素と酸素の反応を阻害するのを防止する観点から200℃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300℃以下とするのが好ましい。
The argon gas supplied from the supply source α is dedusted by a filter (not shown) and introduced into the
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4は、加熱器2を介して反応器3に導入されるアルゴンガスにおける酸素モル濃度を一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2未満に設定する。本実施形態の濃度調節装置4は濃度測定器4a、水素供給源4b、水素量調整器4c、酸素供給源4d、酸素量調節器4e、及びコントローラ4fを有する。濃度測定器4aは、加熱器2に導入される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、水素モル濃度を測定し、その測定信号をコントローラ4fに送る。コントローラ4f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以上である場合は、1/2未満にするのに必要な水素量に対応する制御信号を水素量調整器4cに送り、測定された酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度の1/2以下である場合は、1/2を超えるようにするのに必要な酸素量に対応する制御信号を酸素量調節器4eに送る。水素量調整器4cは、水素供給源4bから反応器3へ到る流路を、制御信号に応じた量の水素が供給されるように開度調整する。酸素量調節器4eは、酸素供給源4dから反応器3へ到る流路を、制御信号に応じた量の酸素が供給されるように開度調整する。これにより、精製対象のアルゴンガスにおける酸素モル濃度の設定に際し、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以上である場合は水素が添加され、酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度の1/2以下である場合は酸素が添加される。
Argon gas heated by the
反応器3に、水素と酸素との反応よりも一酸化炭素と酸素との反応を優先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200℃〜300℃の温度下で反応することにより、水素が残留した状態で二酸化炭素と水が生成される。触媒は白金を主成分として含み、本実施形態ではアルミナにより担持された白金触媒が用いられる。触媒は白金に限定されず、例えば白金合金を用いてもよく、少量のパラジウム等の他成分を含んでもよい。
The
冷却器5は反応器3に接続され、反応器3から流出するアルゴンガスを40℃程度まで冷却する。冷却器5により冷却されたアルゴンガスが吸着装置6に導入される。
The
吸着装置6は、反応器3から流出するアルゴンガスにおける不純物の含有率を低減するための吸着剤を有する。本実施形態の吸着装置6は、アルゴンガスにおける不純物の吸着を常温での圧力スイング吸着法により行なうPSAユニット10と、−10℃〜−50℃でのサーマルスイング吸着法により行うTSAユニット20を有し、圧力スイング吸着法での吸着後にサーマルスイング吸着法による吸着を行う。
The
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4塔式であり、反応器3から流出するアルゴンガスを圧縮する圧縮機12と、4つの第1〜第4吸着塔13を有し、各吸着塔13に吸着剤が充填されている。その吸着剤としては二酸化炭素および水分の吸着に適したものが用いられ、例えば活性アルミナ、活性炭およびCaA型ゼオライトが用いられる。
圧縮機12は、各吸着塔13の入口13aに切替バルブ13bを介して接続される。吸着塔13の入口13aそれぞれは、切替バルブ13eおよびサイレンサー13fを介して大気中に接続される。
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13mに接続され、切替バルブ13nを介して昇圧配管13oに接続され、切替バルブ13pを介して均圧・洗浄出側配管13qに接続され、切替バルブ13rを介して均圧・洗浄入側配管13sに接続される。
流出配管13mは、圧力調節バルブ13tを介してTSAユニット20に接続され、TSAユニット20に導入されるアルゴンガスの圧力が一定とされる。
昇圧配管13oは、流量制御バルブ13u、流量指示調節計13vを介して流出配管13mに接続され、昇圧配管13oでの流量が一定に調節されることにより、TSAユニット20に導入されるアルゴンガスの流量変動が防止される。
均圧・洗浄出側配管13qと均圧・洗浄入側配管13sは、一対の連結配管13wを介して互いに接続され、各連結配管13wに切替バルブ13xが設けられている。
As the
The
Each of the
The
The booster pipe 13o is connected to the
The pressure equalizing / cleaning
PSAユニット10の第1〜第4吸着塔13それぞれにおいて、吸着工程、減圧I工程(洗浄ガス出工程)、減圧II工程(均圧ガス出工程)、脱着工程、洗浄工程(洗浄ガス入工程)、昇圧I工程(均圧ガス入工程)、昇圧II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と切替バルブ13lのみが開かれ、反応器3から供給されるアルゴンガスは圧縮機12から切替バルブ13bを介して第1吸着塔13に導入される。これにより、第1吸着塔13において導入されたアルゴンガス中の少なくとも二酸化炭素および水分が吸着剤に吸着されることで吸着工程が行われ、不純物の含有率が低減されたアルゴンガスが第1吸着塔13から流出配管13mを介してTSAユニット20に送られる。この際、流出配管13mに送られたアルゴンガスの一部は、昇圧配管13o、流量制御バルブ13uを介して別の吸着塔(本実施形態では第2吸着塔13)に送られ、第2吸着塔13において昇圧II工程が行われる。
次に、第1吸着塔13の切替バルブ13b、13lを閉じ、切替バルブ13pを開け、別の吸着塔(本実施形態では第4吸着塔13)の切替バルブ13rを開け、切替バルブ13xの中の1つを開ける。これにより、第1吸着塔13の上部の比較的不純物含有率の少ないアルゴンガスが、均圧・洗浄入側配管13sを介して第4吸着塔13に送られ、第1吸着塔13において減圧I工程が行われる。この際、第4吸着塔13においては切替バルブ13eが開かれ、洗浄工程が行われる。
次に、第1吸着塔13の切替バルブ13pと第4吸着塔13の切替バルブ13rを開けたまま、第4吸着塔13の切替バルブ13eを閉じることで、第1吸着塔13と第4吸着塔13の間において内部圧力が相互に均一、またはほぼ均一になるまで第4吸着塔13にガスの回収を実施する減圧II工程が行われる。この際、切替バルブ13xは場合に応じ2つとも開けてもよい。
次に、第1吸着塔13の切替バルブ13eを開け、切替バルブ13pを閉じることにより、吸着剤から不純物を脱着する脱着工程が行われ、不純物はガスと共にサイレンサー13fを介して大気中に放出される。
次に、第1吸着塔13の切替バルブ13rを開け、吸着工程を終わった状態の第2吸着塔13の切替バルブ13b、13lを閉じ、切替バルブ13pを開ける。これにより、第2吸着塔13の上部の比較的不純物含有率の少ないアルゴンガスが、均圧・洗浄入側配管13s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。第1吸着塔13において洗浄工程で用いられたガスは、切替バルブ13e、サイレンサー13fを介して大気中に放出される。この際、第2吸着塔13では減圧I工程が行われる。次に第2吸着塔13の切替バルブ13pと第1吸着塔13の切替バルブ13rを開けたまま第1吸着塔の切替バルブ13eを閉じることで昇圧I工程が行われる。この際、切替バルブ13xは場合に応じ2つとも開けてもよい。
しかる後に、第1吸着塔13の切替バルブ13rを閉じて一旦、工程の無い待機状態になる。これは、第4吸着塔13の昇圧II工程が完了するまで持続する。第4吸着塔13の昇圧が完了して、吸着工程が第3吸着塔13から第4吸着塔13に切り替わると、第1吸着塔の切替バルブ13nを開き、吸着工程にある別の吸着塔(本実施形態では第4吸着塔13)から流出配管13mに送られたアルゴンガスの一部が、昇圧配管13o、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において昇圧II工程が行われる。
上記の各工程が第1〜第4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TSAユニット20に連続して送られる。
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4以外でもよい。
In each of the first to fourth adsorption towers 13 of the
That is, only the switching
Next, the switching
Next, the switching
Next, a desorption process for desorbing impurities from the adsorbent is performed by opening the switching
Next, the switching
After that, the switching
The above steps are sequentially repeated in each of the first to fourth adsorption towers 13 so that the argon gas with a reduced impurity content is continuously sent to the
The
TSAユニット20は公知のものを用いることができる。例えば図3に示す本実施形態のTSAユニット20は2塔式であり、PSAユニット10から送られてくるアルゴンガスを予冷する熱交換型予冷器21と、予冷器21により冷却されたアルゴンガスを更に冷却する熱交換型冷却器22と、第1、第2吸着塔23、各吸着塔23を覆う熱交換機24を有する。熱交換部24は、吸着工程時には冷媒で吸着剤を冷却し、脱着工程時には熱媒で吸着剤を加熱する。各吸着塔23は、吸着剤が充填された多数の内管を有する。その吸着剤としては窒素の吸着に適したものが用いられ、例えばCaX型ゼオライトが用いられる。
冷却器22は、各吸着塔23の入口23aに切替バルブ23bを介して接続される。
吸着塔23の入口23aそれぞれは、切替バルブ23cを介して大気中に通じる。
吸着塔23の出口23eそれぞれは、切替バルブ23fを介して流出配管23gに接続され、切替バルブ23hを介して冷却・昇圧用配管23iに接続され、切替バルブ23jを介して洗浄用配管23kに接続される。
流出配管23gは予冷器21の一部を構成し、流出配管23gから流出する精製されたアルゴンガスによりPSAユニット10から送られてくるアルゴンガスが冷却される。流出配管23gから精製されたアルゴンガスが一次側圧力制御バルブ23lを介し流出される。
冷却・昇圧用配管23i、洗浄用配管23kは、流量計23m、流量制御バルブ23o、切替バルブ23nを介して流出配管23gに接続される。
熱交換機24は多管式とされ、吸着塔23を構成する多数の内管を囲む外管24a、冷媒供給源24b、冷媒用ラジエタ24c、熱媒供給源24d、熱媒用ラジエタ24eを有する。また、冷媒供給源24bから供給される冷媒を外管24a、冷媒用ラジエタ24cを介して循環させる状態と、熱媒供給源24dから供給される熱媒を外管24a、熱媒用ラジエタ24eを介して循環させる状態とに切り換えるための複数の切替バルブ24fが設けられている。さらに、冷媒用ラジエタ24cから分岐する配管により冷却器22の一部が構成され、冷媒供給源24bから供給される冷媒によりアルゴンガスが冷却器22において冷却され、その冷媒はタンク24gに還流される。
A known
The cooler 22 is connected to the
Each of the
Each of the
The
The cooling / pressurizing piping 23i and the cleaning
The
TSAユニット20の第1、第2吸着塔23それぞれにおいて、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、冷却工程、昇圧工程が順次行われる。
すなわち、TSAユニット20において、PSAユニット10から供給されるアルゴンガスは予冷器21、冷却器22において冷却された後に、切替バルブ23bを介して第1吸着塔23に導入される。この際、第1吸着塔23は熱交換機24において冷媒が循環することで−10℃〜−50℃に冷却される状態とされ、切替バルブ23c、23h、23jは閉じられ、切替バルブ23fは開かれ、アルゴンガスに含有される少なくとも窒素は吸着剤に吸着される。これにより、第1吸着塔23において吸着工程が行われ、不純物の含有率が低減された精製アルゴンガスが吸着塔23から一次側圧力制御バルブ23lを介して流出される。
第1吸着塔23において吸着工程が行われている間に、第2吸着塔23において脱着工程、洗浄工程、冷却工程、昇圧工程が進行する。
すなわち第2吸着塔23においては、吸着工程が終了した後、脱着工程を実施するため、切替バルブ23b、23fが閉じられ、切替バルブ23cが開かれる。これにより第2吸着塔23においては、不純物を含んだヘリウムガスが大気中に放出され、圧力がほぼ大気圧まで低下される。この脱着工程においては、第2吸着塔23で吸着工程時に冷媒を循環させていた熱交換部24の切替バルブ24fを閉状態に切り替えて冷媒の循環を停止させ、冷媒を熱交換部24から抜き出して冷媒供給源24bに戻す切替バルブ24fを開状態に切り替える。
次に、第2吸着塔23において洗浄工程を実施するため、第2吸着塔23の切替バルブ23c、23jと洗浄用配管23kの切替バルブ23nが開状態とされ、熱交換型予冷器21における熱交換により加熱された精製アルゴンガスの一部が、洗浄用配管23kを介して第2吸着塔23に導入される。これにより第2吸着塔23においては、吸着剤からの不純物の脱着と精製アルゴンガスによる洗浄が実施され、その洗浄に用いられたアルゴンガスは切替バルブ23cから不純物と共に大気中に放出される。この洗浄工程においては、第2吸着塔23で熱媒を循環させるための熱交換部24の切替バルブ24fを開状態に切り替える。
次に、第2吸着塔23において冷却工程を実施するため、第2吸着塔23の切替バルブ23jと洗浄用配管23kの切替バルブ23nが閉状態とされ、第2吸着塔23の切替バルブ23hと冷却・昇圧用配管23iの切替バルブ23nが開状態とされ、第1吸着塔23から流出する精製アルゴンガスの一部が冷却・昇圧用配管23iを介して第2吸着塔23に導入される。これにより、第2吸着塔23内を冷却した精製アルゴンガスは切替バルブ23cを介して大気中に放出される。この冷却工程においては、熱媒を循環させるための切替バルブ24fを閉じ状態に切り替えて熱媒循環を停止させ、熱媒を熱交換部24から抜き出して熱媒供給源24dに戻す切替バルブ24fを開状態に切り替える。熱媒の抜き出しの終了後に、第2吸着塔23で冷媒を循環させるための熱交換部24の切替バルブ24fを開状態に切り替え、冷媒循環状態とする。この冷媒循環状態は、次の昇圧工程、それに続く吸着工程の終了まで継続する。
次に、第2吸着塔23において昇圧工程を実施するため、第2吸着塔23の切替バルブ23cが閉じられ、第1吸着塔23から流出する精製アルゴンガスの一部が導入されることで第2吸着塔23の内部が昇圧される。この昇圧工程は、第2吸着塔23の内圧が第1吸着塔23の内圧とほぼ等しくなるまで継続される。昇圧工程が終了すれば、第2吸着塔23の切替バルブ23hと冷却・昇圧用配管23iの切替バルブ23nが閉じられ、これによって第2吸着塔23の全ての切替バルブ23b、23c、23f、23h、23jが閉じた状態となり、第2吸着塔23は次の吸着工程まで待機状態になる。
第2吸着塔23の吸着工程は第1吸着塔23の吸着工程と同様に実施される。第2吸着塔23において吸着工程が行われている間に、第1吸着塔23において脱着工程、洗浄工程、冷却工程、昇圧工程が第2吸着塔23におけると同様に進行される。
なお、TSAユニット20は図3に示すものに限定されず、例えば塔数は2以上、例えば3でも4でもよい。
In each of the first and second adsorption towers 23 of the
That is, in the
While the adsorption process is performed in the
That is, in the
Next, in order to carry out the cleaning process in the
Next, in order to perform the cooling process in the
Next, in order to perform the pressure increasing process in the
The adsorption process of the
Note that the
上記精製装置α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を一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2未満に設定し、次に、水素と酸素との反応よりも一酸化炭素と酸素との反応を優先させる触媒を用い、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反応させることで、水素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、しかる後に、そのアルゴンガスにおける不純物の含有率を吸着剤を用いて低減できる。これにより、残留させても問題の少ない水素を積極的に残留させ、吸着除去する場合は冷却エネルギーを増大させる酸素の完全燃焼を図ることができる。さらに、触媒機能を低下させるおそれがあって二酸化炭素よりも吸着困難な一酸化炭素を積極的に残留させる必要もない。これにより、精製設備の管理を容易にすると共にコンパクト化を図ることができ、エネルギー消費を低減できる。また、アルゴンガスにおける不純物の含有率を吸着剤を用いて低減する際に、その不純物の中の少なくとも二酸化炭素と水を常温での圧力スイング吸着法により吸着した後に、その不純物の中の少なくとも窒素を−10℃〜−50℃でのサーマルスイング吸着法により吸着するので、二酸化炭素、水、および窒素の吸着を効率良く行うことができる。また、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の1/2を超える値に設定することで、触媒の機能を低下させるおそれのある一酸化炭素の完全燃焼を図ることができる。さらに、アルゴンガスにおける酸素モル濃度を設定する際に、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以上である場合は水素を添加し、酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度の1/2以下である場合は酸素を添加することで、一酸化炭素は添加されないので、一酸化炭素と水との反応副生成物がアルゴンガスの純度を低下させるのを防止できる。 According to the purification apparatus α, when purifying argon gas containing at least oxygen, hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen, the oxygen molar concentration in the argon gas is the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration. Next, using a catalyst that prioritizes the reaction between carbon monoxide and oxygen over the reaction between hydrogen and oxygen, and reacting oxygen in the argon gas with carbon monoxide and hydrogen. Thus, carbon dioxide and water are produced with hydrogen remaining, and then the content of impurities in the argon gas can be reduced using an adsorbent. This makes it possible to achieve complete combustion of oxygen to increase the cooling energy in the case of actively remaining hydrogen with few problems even if it remains, and removing it by adsorption. Further, there is no need to positively leave carbon monoxide, which may lower the catalytic function and is more difficult to adsorb than carbon dioxide. Thereby, management of the refinery facility can be facilitated and the size can be reduced, and energy consumption can be reduced. Further, when reducing the content of impurities in the argon gas by using an adsorbent, after adsorbing at least carbon dioxide and water in the impurities by a pressure swing adsorption method at room temperature, at least nitrogen in the impurities Is adsorbed by a thermal swing adsorption method at −10 ° C. to −50 ° C., so that carbon dioxide, water, and nitrogen can be adsorbed efficiently. Further, by setting the oxygen molar concentration in the argon gas to a value exceeding 1/2 of the carbon monoxide molar concentration, it is possible to achieve complete combustion of carbon monoxide which may reduce the function of the catalyst. Furthermore, when setting the oxygen molar concentration in argon gas, if the oxygen molar concentration is more than half of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration, hydrogen is added and the oxygen molar concentration is When the carbon molar concentration is ½ or less, by adding oxygen, carbon monoxide is not added, so that the reaction by-product of carbon monoxide and water can be prevented from lowering the purity of the argon gas. .
上記精製装置αを用い、多結晶シリコン鋳造炉から回収された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窒素を3000モルppm、酸素を550モルppm、水素を200モルppm、一酸化炭素を1000モルppm、二酸化炭素を10モルppmそれぞれ含有する。アルゴンガスをブロワ7により0.05MPaGまで昇圧し、200Nm3 /hの流量で加熱器2に導入して250℃に温度制御し、反応器3に導入した。反応器3は直径400mm、長さ1 200mmの円筒状で、アルミナにより担持された白金触媒(NEケムキャット社製DASH‐220)を充填した。反応器3における反応により、アルゴンガスの不純物濃度は、窒素が3000モルppm、酸素が1モルppm以下、水素が100モルppm、一酸化炭素が1モルppm以下、二酸化炭素が1010モルppm、水分が100モルppmとなった。
そのアルゴンガスを水冷式のクーラーにより構成される冷却器5で40℃まで冷却した後に、圧縮機12を介してPSAユニット10の吸着塔13の一つに導入した。各吸着塔13は直径600mm、長さ1800mmの円筒状で、吸着剤としてCaA型ゼオライト(ユニオン昭和社製5AHP)を充填した。各吸着塔13においては、昇圧工程、吸着工程、洗浄工程、脱着工程の1サイクルを800秒で行なった。アルゴンガスは圧縮機12で0.8MPaGまで昇圧した。PSAユニット10から流出するアルゴンガスの流量は120Nm3 /hとなり、アルゴン中の不純物濃度は窒素が150モルppm、酸素が0.1モルppm以下、水素が100モルppm、一酸化炭素が0.5モルppm以下、水分と二酸化炭素が0.5モルppm以下となり、露点は−70℃以下となった。
PSAユニット10により精製されたアルゴンガスを、予冷器21、冷却器22において冷却した後に、TSAユニット20の一方の吸着塔23に導入した。各吸着塔23は直径900mm、長さ1500mmの円筒状で、その内部に吸着剤としてCaX型ゼオライト(東ソー社製SA600A)が充填された50本の内管を有する。熱交換機24により一方の内管を通るアルゴンガスを−35℃まで冷却し、他方の内管を通るアルゴンガスを40℃まで加熱した。TSAユニット20から流出するアルゴンガスの流量は110Nm3 /hとなり、アルゴン中の不純物濃度は、窒素が0.1モルppm以下、酸素が0.1モルppm以下、水素が110モルppm、一酸化炭素が0.5モルppm以下、二酸化炭素が0.5モルppm以下となり、露点は−70℃以下となり、実質的な不純物は水素のみとなった。
Using the purification apparatus α, the argon gas recovered from the polycrystalline silicon casting furnace was purified. Argon gas contains 3000 mol ppm of nitrogen, 550 mol ppm of oxygen, 200 mol ppm of hydrogen, 1000 mol ppm of carbon monoxide, and 10 mol ppm of carbon dioxide as impurities. The argon gas was pressurized to 0.05 MPaG by the blower 7 and introduced into the
The argon gas was cooled to 40 ° C. by a
The argon gas purified by the
本発明は上記実施形態や実施例に限定されるものではない。例えば、本発明により精製されたアルゴンガスにおける水素濃度を低減する必要がある場合、図1において破線で示すような水素除去装置30を設けてもよい。水素除去装置30は、例えばポリイミド膜のような水素透過性のあるガス分離膜によりアルゴンガスと水素を分離するものや、銅、ニッケルなどの金属酸化物を含んだ触媒が充填された反応器内で、その金属酸化物と反応させて水素を除去するもの等により構成できる。なお、金属酸化物と水素の反応により生成された水分は、例えば、触媒の下流側にアルミナゲルやゼオライトなどの吸湿剤を充填して除去される。水素除去装置30は、図1のようにTSAユニット20の下流に配置してもよいし、PSAユニット10とTSAユニット20との間に配置してもよい。これにより、アルゴンガスにおける不純物の含有率を吸着剤を用いて低減した後に、その不純物の中の水素を除去することでアルゴンガスにおける水素濃度を、吸着剤を用いて低減するよりもさらに低減でき、例えば1モルppm以下にできる。TSAユニット20の下流に、直径300mmの円筒状反応器を有する水素除去装置30を設け、その反応器に酸化銅を主成分とした触媒を充填し、上記実施例により精製されたアルゴンガスを通過させたところ、アルゴンガスの流量は110Nm3 /hとなり、アルゴン中の不純物濃度は、窒素が0.1モルppm以下、酸素が0.1モルppm以下、水素が0.5モルppm以下、一酸化炭素が0.5モルppm以下、二酸化炭素が0.5モルppm以下となり、露点は−70℃以下となり、水素の除去を確認できた。そのような水素除去装置30を設けることで、アルゴンガスに含有される水素の低減が要求される用途にも対応できる。
The present invention is not limited to the above embodiments and examples. For example, when it is necessary to reduce the hydrogen concentration in the argon gas purified according to the present invention, a
α…精製装置、3…反応器、4…濃度調節装置、6…吸着装置、10…PSAユニット、20…TSAユニット α ... purification device, 3 ... reactor, 4 ... concentration control device, 6 ... adsorption device, 10 ... PSA unit, 20 ... TSA unit
Claims (4)
前記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1/2未満、且つ、一酸化炭素モル濃度の1/2を超える値に設定し、
前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度を設定する際に、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以上である場合は水素を添加し、酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度の1/2以下である場合は酸素を添加し、
次に、水素と酸素との反応よりも一酸化炭素と酸素との反応を優先させる触媒を用い、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反応させることで、水素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成し、
しかる後に、前記アルゴンガスにおける不純物の含有率を吸着剤を用いて低減し、
前記触媒は白金を主成分として含むことを特徴とするアルゴンガスの精製方法。 A method for purifying argon gas containing at least oxygen, hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen as impurities,
The oxygen molar concentration in the argon gas is set to a value less than 1/2 of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration , and more than 1/2 of the carbon monoxide molar concentration ,
When setting the oxygen molar concentration in the argon gas, hydrogen is added if the oxygen molar concentration is ½ or more of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration, and the oxygen molar concentration is carbon monoxide. If it is less than half the molar concentration, add oxygen,
Next, using a catalyst that prioritizes the reaction between carbon monoxide and oxygen over the reaction between hydrogen and oxygen, the oxygen in the argon gas is reacted with carbon monoxide and hydrogen, leaving hydrogen remaining. Producing carbon dioxide and water,
Thereafter, the content of impurities in the argon gas is reduced using an adsorbent ,
The said catalyst contains platinum as a main component , The purification method of argon gas characterized by the above-mentioned .
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を一酸化炭素モル濃度と水素モル濃度との和の1/2未満、且つ、一酸化炭素モル濃度の1/2を超える値に設定する濃度調節装置と、
前記反応器に接続される吸着装置とを備え、
前記アルゴンガスにおける酸素モル濃度を設定する際に、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以上である場合は水素が添加され、酸素モル濃度が一酸化炭素モル濃度の1/2以下である場合は酸素が添加され、
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、水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、水素と酸素との反応よりも一酸化炭素と酸素との反応を優先させる触媒が前記反応器に充填され、
前記吸着装置は、前記反応器から流出する前記アルゴンガスにおける不純物の含有率を低減するための吸着剤を有し、
前記触媒は白金を主成分として含むことを特徴とするアルゴンガスの精製装置。 An apparatus for purifying argon gas containing at least oxygen, hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen as impurities,
A reactor into which the argon gas is introduced;
The oxygen molar concentration in the argon gas introduced into the reactor is set to a value less than 1/2 of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration , and more than 1/2 of the carbon monoxide molar concentration. A concentration adjusting device;
An adsorption device connected to the reactor,
When setting the oxygen molar concentration in the argon gas, hydrogen is added if the oxygen molar concentration is ½ or more of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration, and the oxygen molar concentration is carbon monoxide. If it is less than or equal to 1/2 the molar concentration, oxygen is added,
In the reactor, oxygen in the argon gas reacts with carbon monoxide and hydrogen, so that carbon dioxide and water are generated in a state where hydrogen remains, rather than carbon monoxide than the reaction between hydrogen and oxygen. The reactor is charged with a catalyst that prioritizes the reaction of oxygen with oxygen,
The suction device, have a sorbent for reducing the content of impurities in the argon gas flowing out of the reactor,
An apparatus for purifying argon gas, wherein the catalyst contains platinum as a main component .
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