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JP5846641B2 - Helium gas purification method and purification apparatus - Google Patents

Helium gas purification method and purification apparatus Download PDF

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JP5846641B2 JP2012148308A JP2012148308A JP5846641B2 JP 5846641 B2 JP5846641 B2 JP 5846641B2 JP 2012148308 A JP2012148308 A JP 2012148308A JP 2012148308 A JP2012148308 A JP 2012148308A JP 5846641 B2 JP5846641 B2 JP 5846641B2
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Description

本発明は、例えば光ファイバーの製造工程での使用後に回収されるヘリウムガスのように、不純物として少なくとも水素、一酸化炭素、窒素および酸素を含有するヘリウムガスを精製するのに適した方法と装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus suitable for purifying helium gas containing at least hydrogen, carbon monoxide, nitrogen and oxygen as impurities, such as helium gas recovered after use in an optical fiber manufacturing process. .

例えば光ファイバーの線引き工程で使用され、使用後に大気中に放散されたヘリウムガスを回収して再利用する場合がある。そのような回収ヘリウムガスは、光ファイバーの線引き工程において混入する水素、一酸化炭素、使用後に大気中に放散されることで混入する空気由来の窒素、酸素等を不純物として含有することから、精製して純度を高める必要がある。   For example, there is a case where helium gas used in the optical fiber drawing process and diffused into the atmosphere after use is recovered and reused. Such recovered helium gas is refined because it contains impurities such as hydrogen, carbon monoxide, and air-derived nitrogen, oxygen, etc. that are mixed by being released into the atmosphere after use. It is necessary to increase the purity.

そこで、精製前のヘリウムガスに含有される不純物を、液体窒素を冷熱源とした深冷操作により液化除去し、残余の微量不純物を吸着剤により吸着除去する方法が知られている(特許文献1参照)。また、精製前のヘリウムガスに水素を添加し、その水素を不純物である空気成分の酸素と反応させることで水分を生成し、その水分を除去した後に、膜分離手段により残りの不純物を除去する方法が知られている(特許文献2参照)。さらに、精製前のヘリウム等の希ガスに含有される不純物を、合金ゲッターと接触させることで除去する方法が知られている(特許文献3参照)。さらに、精製前のヘリウムガスに水素を添加し、次に、ヘリウムガス中の酸素と水素との第1反応により水を生成し、次に脱水操作によりヘリウムガスの水分含有率を低減し、次に、酸素を必要に応じて添加することでヘリウムガス中の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を超える値に設定し、次に、ヘリウムガス中の酸素を一酸化炭素および水素と反応させる第2反応により二酸化炭素と水を生成し、しかる後に、ヘリウムガスにおける酸素、窒素、二酸化炭素および水を、圧力スイング吸着法およびサーマルスイング吸着法により吸着剤に吸着させる吸着工程を行うことが知られている(特許文献4参照)。   Therefore, a method is known in which impurities contained in the helium gas before purification are liquefied and removed by a deep cooling operation using liquid nitrogen as a cold heat source, and remaining trace impurities are adsorbed and removed by an adsorbent (Patent Document 1). reference). In addition, hydrogen is added to the helium gas before purification, and the hydrogen is reacted with oxygen as an air component as an impurity to generate moisture. After removing the moisture, the remaining impurities are removed by the membrane separation means. A method is known (see Patent Document 2). Furthermore, a method is known in which impurities contained in a rare gas such as helium before purification are removed by contacting with an alloy getter (see Patent Document 3). Furthermore, hydrogen is added to the helium gas before purification, then water is generated by the first reaction between oxygen and hydrogen in the helium gas, and then the moisture content of the helium gas is reduced by dehydration operation. In addition, the oxygen molar concentration in the helium gas is set to a value exceeding 1/2 of the sum of the carbon monoxide molar concentration and the hydrogen molar concentration by adding oxygen as necessary, and then in the helium gas. Carbon dioxide and water are produced by a second reaction in which oxygen is reacted with carbon monoxide and hydrogen, and then oxygen, nitrogen, carbon dioxide and water in helium gas are adsorbed by pressure swing adsorption method and thermal swing adsorption method. It is known to perform an adsorption process for adsorbing to a liquid (see Patent Document 4).

特開平10−311674号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-31174 特開2003−246611号公報JP 2003-246611 A 特開平4−209710号公報JP-A-4-209710 特開2012−31049号公報JP 2012-31049 A

特許文献1に記載の方法においては、液体窒素による深冷操作が必要であるため冷却エネルギーが増大し、ヘリウムガスの回収メリットが小さくなる。   In the method described in Patent Document 1, since a deep cooling operation with liquid nitrogen is necessary, the cooling energy is increased and the merit of recovering helium gas is reduced.

特許文献2に記載の方法においては、膜分離モジュールが必要になるため設備コストが高くなるため、ヘリウムガスの回収メリットが小さくなる。また、特許文献2に記載の方法においては、精製対象のヘリウムガスへの水素添加により酸素を除去しているが、水素の十分な除去は考慮されておらず、光ファイバー素材のような水素により劣化が進む材料に対して悪影響を及ぼすおそれがある。   In the method described in Patent Document 2, since a membrane separation module is required, the equipment cost is increased, and the merit of recovering helium gas is reduced. Further, in the method described in Patent Document 2, oxygen is removed by adding hydrogen to the helium gas to be purified, but sufficient removal of hydrogen is not taken into consideration, and deterioration is caused by hydrogen such as an optical fiber material. There is a risk of adversely affecting the material on which the material travels.

特許文献3に記載の方法においては、合金ゲッターの能力が小さいことから、不純物濃度がppmオーダーの低純度であるヘリウムガスを超高純度にする場合にしか利用できず、多くの不純物が混入する場合は直接利用できない。   In the method described in Patent Document 3, since the ability of the alloy getter is small, it can be used only when ultra-high purity helium gas having an impurity concentration of the ppm order is low, and many impurities are mixed. If not available directly.

特許文献4に記載の方法においては、水素添加後のヘリウムガスにおける酸素量が水素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも少な過ぎると、多くの一酸化炭素が酸素と反応することなくヘリウムガス中に残留する。この場合、一酸化炭素は有毒であることから、第2反応により酸素と結合するまでヘリウムガスの取り扱いが難しくなる。一方、水素添加後のヘリウムガスにおける酸素量が水素と一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多くなり過ぎると、第2反応後においてもヘリウムガス中に残留する酸素量が多くなり、後の吸着工程における酸素の吸着負荷が増大する。そのため、第1反応前の水素添加量と、第2反応前の酸素添加量とを適正な値とするために、両反応それぞれの前にヘリウムガスの分析を行って酸素と水素を添加する必要があり、精製操作が繁雑になる。   In the method described in Patent Document 4, if the amount of oxygen in the helium gas after hydrogenation is too small than the stoichiometric amount necessary to react with all of hydrogen, a large amount of carbon monoxide reacts with oxygen. Without remaining in helium gas. In this case, since carbon monoxide is toxic, it becomes difficult to handle helium gas until it is combined with oxygen by the second reaction. On the other hand, if the amount of oxygen in the helium gas after hydrogen addition becomes too much than the stoichiometric amount necessary for reacting with all of hydrogen and carbon monoxide, the oxygen remaining in the helium gas even after the second reaction. The amount increases, and the oxygen adsorption load in the subsequent adsorption step increases. Therefore, in order to set the hydrogen addition amount before the first reaction and the oxygen addition amount before the second reaction to appropriate values, it is necessary to analyze the helium gas and add oxygen and hydrogen before each reaction. This makes the refining operation complicated.

また、特許文献4に記載の方法においては、第1反応と第2反応との間に脱水操作が行われる。そうすると、各反応は通常250℃程度で実行され、一方、脱水操作は通常ヘリウムガスを室温まで冷却した後に実行される。そのため、第1反応の際に加熱されたヘリウムガスを脱水操作のために一旦冷却した後に第2反応のために再度加熱する必要があり、エネルギー消費量が増大する。さらに、精製対象のヘリウムガスを連続的に供給して処理するためには、第1反応を実行するための反応領域を有する反応容器と、第2反応を実行するための反応領域を有する反応容器とを個別に設け、両反応容器の間に脱水装置を設ける必要があり、設備が大型化してコストが増大する。   Further, in the method described in Patent Document 4, a dehydration operation is performed between the first reaction and the second reaction. Then, each reaction is usually performed at about 250 ° C., while the dehydration operation is usually performed after cooling the helium gas to room temperature. Therefore, the helium gas heated in the first reaction needs to be once cooled for the dehydration operation and then heated again for the second reaction, which increases energy consumption. Further, in order to continuously supply and process helium gas to be purified, a reaction vessel having a reaction region for executing the first reaction and a reaction vessel having a reaction region for executing the second reaction Are separately provided, and a dehydrator is required between both reaction vessels, which increases the size of the equipment and increases the cost.

本発明は、上記ような従来技術の問題を解決できるヘリウム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。   An object of the present invention is to provide a method and apparatus for purifying helium gas that can solve the above-described problems of the prior art.

本発明方法は、不純物として少なくとも水素、一酸化炭素、窒素、および酸素を含有し、当初含有される酸素の量は、当初含有される水素および一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多いヘリウムガスを精製するに際し、前記ヘリウムガスに当初から含有される水素および一酸化炭素を、触媒を用いて当初から含有される酸素と反応させる第1反応工程と、前記第1反応工程の実行により前記ヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量未満の水素を、前記ヘリウムガスに添加する水素添加工程と、前記第1反応工程の実行により前記ヘリウムガスに残留する酸素を、触媒を用いて前記水素添加工程において添加された水素と反応させる第2反応工程と、前記第2反応工程の実行後における前記ヘリウムガスの水分含有率を、脱水操作により低減する脱水工程と、前記脱水操作後に前記ヘリウムガスに残留する少なくとも二酸化炭素、窒素および酸素を、圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる圧力スイング吸着工程とを備えることを特徴とする。
本発明により精製されるヘリウムガスにおいては、当初含有される酸素量が当初含有される水素および一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多い。よって、ヘリウムガスに当初含有される水素および一酸化炭素と、当初含有される酸素の一部とを、第1反応工程により水と二酸化炭素に変成できる。第1反応工程の実行によりヘリウムガスに残留する酸素と、水素添加工程において添加される水素とを、第2反応工程により水に変成できる。その添加される水素量は、第1反応工程の実行によりヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量未満であるので、第2反応工程の実行後にヘリウムガスに水素が残留するのを防止できる。これにより、ヘリウムガスの不純物濃度の分析やガス添加を、第1反応工程前に行うことなく第2反応工程前にのみ行うだけで、第1反応工程後に多くの一酸化炭素が残留するのを防止され、且つ、吸着工程前に多くの酸素が残留するのを防止されるので、精製操作を簡単化できる。また、吸着法によってはヘリウムガスから分離するのが困難な水素を、吸着工程の前にヘリウムガスから除去できる。第2反応工程により生成された水を脱水操作によりヘリウムガスから除去することで、ヘリウムガスの水分含有率が低減されるので、後の吸着工程における水分の吸着負荷を低減できる。
The method of the present invention contains at least hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, and oxygen as impurities, and the amount of oxygen initially contained is the chemistry required to react with all of the initially contained hydrogen and carbon monoxide. When purifying a helium gas larger than the stoichiometric amount, a first reaction step of reacting hydrogen and carbon monoxide originally contained in the helium gas with oxygen contained from the beginning using a catalyst; and A hydrogen addition step of adding less than the stoichiometric amount of hydrogen necessary to react with all of the oxygen remaining in the helium gas by performing one reaction step; and a step of performing the first reaction step. A second reaction step in which oxygen remaining in the helium gas is reacted with hydrogen added in the hydrogen addition step using a catalyst; and the helium after the second reaction step is performed. A dehydration step for reducing the moisture content of the sulfur gas by a dehydration operation, and a pressure swing adsorption step for adsorbing at least carbon dioxide, nitrogen and oxygen remaining in the helium gas after the dehydration operation to an adsorbent by a pressure swing adsorption method; It is characterized by providing.
In the helium gas purified by the present invention, the amount of oxygen initially contained is greater than the stoichiometric amount necessary to react with all of the initially contained hydrogen and carbon monoxide. Therefore, hydrogen and carbon monoxide initially contained in the helium gas and part of the oxygen initially contained can be converted into water and carbon dioxide by the first reaction step. The oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step and the hydrogen added in the hydrogen addition step can be converted to water by the second reaction step. Since the amount of hydrogen added is less than the stoichiometric amount necessary to react with all of the oxygen remaining in the helium gas by performing the first reaction step, hydrogen is added to the helium gas after performing the second reaction step. Can be prevented from remaining. As a result, the analysis of the impurity concentration of helium gas and the gas addition are not performed before the first reaction step, but only before the second reaction step, so that a large amount of carbon monoxide remains after the first reaction step. Since it is prevented and a large amount of oxygen remains before the adsorption step, the purification operation can be simplified. Also, hydrogen, which is difficult to separate from helium gas depending on the adsorption method, can be removed from helium gas before the adsorption step. By removing the water generated in the second reaction step from the helium gas by a dehydration operation, the moisture content of the helium gas is reduced, so that the moisture adsorption load in the subsequent adsorption step can be reduced.

前記水素添加工程において添加する水素量を、前記第1反応工程の実行により前記ヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量の95%以上100%未満とするのが好ましい。これにより、ヘリウムガスにおける酸素の大部分を第2反応工程により水素と反応させ、吸着工程においてはヘリウムガス中に僅かに残留する酸素を吸着すれば足りる。   The amount of hydrogen added in the hydrogen addition step is 95% or more and less than 100% of the stoichiometric amount necessary for reacting with all of the oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step. preferable. Thus, most of the oxygen in the helium gas is allowed to react with hydrogen in the second reaction step, and in the adsorption step, it is sufficient to adsorb a slight amount of oxygen remaining in the helium gas.

前記脱水工程を、前記第2反応工程の実行後に前記ヘリウムガスを冷却することで実行するのが好ましい。本発明によれば脱水操作は第2反応工程の後に行うので、これにより脱水操作のために一旦冷却したヘリウムガスを再度加熱する必要がなく、エネルギー消費量を低減できる。   The dehydration step is preferably performed by cooling the helium gas after the second reaction step. According to the present invention, since the dehydration operation is performed after the second reaction step, it is not necessary to reheat the helium gas once cooled for the dehydration operation, and the energy consumption can be reduced.

前記吸着剤として活性アルミナ、ゼオライト系吸着剤、およびカーボンモレキュラシーブを用い、活性アルミナに二酸化炭素を吸着させた後にゼオライト系吸着剤に窒素を吸着させるのが好ましい。活性アルミナが二酸化炭素を吸着することで、ゼオライト系吸着剤による窒素吸着効果の低下を防止でき、ヘリウムガスから窒素を効果的に除去できる。   Preferably, activated alumina, zeolite-based adsorbent, and carbon molecular sieve are used as the adsorbent, and after adsorbing carbon dioxide on activated alumina, nitrogen is adsorbed on the zeolite-based adsorbent. Since the activated alumina adsorbs carbon dioxide, it is possible to prevent a decrease in the nitrogen adsorption effect by the zeolite-based adsorbent and to effectively remove nitrogen from the helium gas.

前記圧力スイング吸着工程の後に、前記ヘリウムガスに残留する窒素と酸素を、−10℃〜−50℃でのサーマルスイング吸着法により吸着剤に吸着させるサーマルスイング吸着工程を備えるのが好ましい。これにより、ヘリウムガスにおける窒素と酸素の含有率を更に低減できる。   After the pressure swing adsorption step, it is preferable to provide a thermal swing adsorption step in which nitrogen and oxygen remaining in the helium gas are adsorbed on the adsorbent by a thermal swing adsorption method at −10 ° C. to −50 ° C. Thereby, the content rate of nitrogen and oxygen in helium gas can further be reduced.

本発明装置は、不純物として少なくとも水素、一酸化炭素、窒素、および酸素を含有し、当初含有される酸素の量は、当初含有される水素および一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多いヘリウムガスを精製する装置であって、前記ヘリウムガスを加熱する加熱器と、水素と一酸化炭素を酸素と反応させるための触媒が充填される第1反応領域と、水素を酸素と反応させるための触媒が充填される第2反応領域と、前記第1反応領域と前記第2反応領域との接続領域とを有する反応装置と、水素供給源と、ヘリウムガスの酸素濃度を求める分析器と、求めた酸素濃度に応じて前記水素供給源から供給される水素量を調整する水素量調整器を有する水素添加装置と、脱水装置と、前記脱水装置に接続される吸着装置とを備える。前記反応装置に、前記加熱器に接続されるガス導入口と、前記脱水装置に接続されるガス流出口と、前記分析器に接続されるガス抽出口と、前記水素供給源に前記水素量調整器を介して接続される水素添加口とが設けられる。前記反応装置に前記ガス導入口から導入された前記ヘリウムガスが、前記第1反応領域、前記接続領域、前記第2反応領域を順に通過した後に前記ガス流出口から流出するように、前記ガス導入口、前記第1反応領域、前記接続領域、前記第2反応領域、および前記ガス流出口が配置される。前記ガス抽出口は、前記接続領域におけるヘリウムガスを抽出できる位置に配置され、前記水素添加口は、前記第1反応領域の通過後に前記第2反応領域に導入されるヘリウムガスに水素を添加できる位置に配置される。前記水素添加口から前記ヘリウムガスに添加される水素量が、前記第1反応領域での反応により前記ヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量未満となるように、前記分析器により求められた前記接続領域における前記ヘリウムガスの酸素濃度に応じて、前記水素供給源から供給される水素量が前記水素量調整器により調整される。前記ガス流出口から流出する前記ヘリウムガスの水分含有率が脱水操作により低減されるように、前記脱水装置が前記ガス流出口に接続される。前記吸着装置は、前記ヘリウムガスにおける少なくとも二酸化炭素、窒素および酸素を、圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる圧力スイング吸着ユニットを有する。
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 contains at least hydrogen, carbon monoxide, nitrogen and oxygen as impurities, and the amount of oxygen initially contained is the chemistry necessary to react with all of the initially contained hydrogen and carbon monoxide. An apparatus for purifying helium gas larger than a stoichiometric amount, a heater for heating the helium gas, a first reaction region filled with a catalyst for reacting hydrogen and carbon monoxide with oxygen, hydrogen A reaction apparatus having a second reaction region filled with a catalyst for reacting oxygen with oxygen, a connection region between the first reaction region and the second reaction region, a hydrogen supply source, and an oxygen concentration of helium gas A hydrogen adding device having a hydrogen amount adjusting device for adjusting the amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply source according to the determined oxygen concentration, a dehydrating device, and an adsorption device connected to the dehydrating device And with . The reaction apparatus has a gas inlet connected to the heater, a gas outlet connected to the dehydrator, a gas extraction port connected to the analyzer, and the amount of hydrogen adjusted to the hydrogen supply source And a hydrogen addition port connected through a vessel. The gas introduction so that the helium gas introduced from the gas introduction port into the reaction apparatus flows out from the gas outlet after sequentially passing through the first reaction region, the connection region, and the second reaction region. A mouth, the first reaction region, the connection region, the second reaction region, and the gas outlet are disposed. The gas extraction port is disposed at a position where helium gas can be extracted in the connection region, and the hydrogen addition port can add hydrogen to the helium gas introduced into the second reaction region after passing through the first reaction region. Placed in position. The amount of hydrogen added to the helium gas from the hydrogen addition port is less than the stoichiometric amount necessary to react with all of the oxygen remaining in the helium gas by the reaction in the first reaction region. The amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply source is adjusted by the hydrogen amount adjuster according to the oxygen concentration of the helium gas in the connection region determined by the analyzer. The dehydrator is connected to the gas outlet so that the moisture content of the helium gas flowing out from the gas outlet is reduced by the dehydration operation. The adsorption device includes a pressure swing adsorption unit that adsorbs at least carbon dioxide, nitrogen and oxygen in the helium gas to an adsorbent by a pressure swing adsorption method.
According to the apparatus of the present invention, the method of the present invention can be implemented.

本発明装置において、前記反応装置は単一の反応容器を有し、前記反応容器内に前記第1反応領域、接続領域、および第2反応領域が設けられているのが好ましい。これにより、第1反応工程と第2反応工程とを単一の反応容器内で実行でき、設備をコンパクトにしてコストを低減できる。   In the apparatus of the present invention, it is preferable that the reaction apparatus has a single reaction vessel, and the first reaction region, the connection region, and the second reaction region are provided in the reaction vessel. Thereby, a 1st reaction process and a 2nd reaction process can be performed in a single reaction container, an installation can be made compact and cost can be reduced.

本発明によれば、ヘリウムガスにおける不純物含有率を、低コストでコンパクトな設備により、大きな精製エネルギーを要することなく効果的、効率的に低減し、高純度にヘリウムガスを精製できる実用的な方法と装置を提供できる。   According to the present invention, a practical method capable of purifying helium gas with high purity by effectively and efficiently reducing the impurity content in helium gas without requiring a large amount of purification energy with low-cost and compact equipment. And equipment can be provided.

本発明の実施形態に係るヘリウムガスの精製装置の構成説明図Structure explanatory drawing of the refiner | purifier of helium gas which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施形態に係るヘリウムガスの精製装置における圧力スイング吸着ユニットの構成説明図Structure explanatory drawing of the pressure swing adsorption | suction unit in the refiner | purifier of helium gas which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施形態に係るヘリウムガスの精製装置におけるサーマルスイング吸着ユニットの構成説明図Structure explanatory drawing of the thermal swing adsorption | suction unit in the refiner | purifier of helium gas which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施形態に係るヘリウムガスの精製装置における反応装置の変形例を示す図The figure which shows the modification of the reaction apparatus in the refiner | purifier of helium gas which concerns on embodiment of this invention

図1に示すヘリウムガスの精製装置αは、供給源1から供給されるヘリウムガスを精製対象とするもので、加熱器2、反応装置3、水素添加装置4、脱水装置5、および吸着装置9を備える。   A helium gas purification apparatus α shown in FIG. 1 is for purifying helium gas supplied from a supply source 1, and includes a heater 2, a reaction apparatus 3, a hydrogenation apparatus 4, a dehydration apparatus 5, and an adsorption apparatus 9. Is provided.

供給源1から連続的に供給される精製対象のヘリウムガスは、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6を介して加熱器2に導入される。精製対象のヘリウムガスは、ヘリウム(He)の他に不純物として少なくとも水素(H2 )、一酸化炭素(CO)、窒素(N2 )、および酸素(O2 )を含有し、これら不純物以外の不純物を微量含有していてもよい。精製対象のヘリウムガスに当初含有される不純物の濃度は、1vol%〜50vol%であるのが好ましい。 The to-be-purified helium gas continuously supplied from the supply source 1 is removed by a filter (not shown) and introduced into the heater 2 through a gas feed means 6 such as a blower. The helium gas to be purified contains at least hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), nitrogen (N 2 ), and oxygen (O 2 ) as impurities in addition to helium (He). A trace amount of impurities may be contained. The concentration of impurities initially contained in the helium gas to be purified is preferably 1 vol% to 50 vol%.

精製対象のヘリウムガスは、例えば光ファイバーの線引き工程での使用後に大気中に放散されたヘリウムガスを回収したようなものである場合、空気由来の不純物である酸素および窒素を他の不純物よりも多量に含有する。この場合、精製対象のヘリウムガスにおける空気濃度は10〜50モル%であって通常20〜40モル%であり、水素濃度および一酸化炭素濃度はそれぞれ数十モルppm程度である。よって、精製対象のヘリウムガスに当初含有される酸素の量は、当初含有される水素および一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多くなる。すなわち、当初含有される酸素のモル濃度は、当初含有される水素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度の和の1/2を超える。精製対象のヘリウムガスに不純物として含有される水素と一酸化炭素は、空気に微小量含有されるものを含むが、主には空気由来でなく、ヘリウムガスの使用環境において混入するものである。例えば、光ファイバーの線引き工程での使用後に大気中に放散されたヘリウムガスを回収した場合、線引き工程において混入する水素および一酸化炭素と、回収時に混入する空気由来の窒素および酸素以外に、その空気由来の二酸化炭素や炭化水素等の無視できる程の微量の不純物を精製対象のヘリウムガスは含有する。なお、精製対象のヘリウムガスは、空気が混入した場合はアルゴン(Ar)を含有するが、空気中のアルゴンの含有率は酸素と窒素に比べて低く、また、精製されたヘリウムガスの用途が不活性ガスとしての特性を利用するものである場合はアルゴンで代替えできることから、アルゴンは不純物として捉えることなく無視してよい。   If the helium gas to be purified is, for example, recovered from the helium gas released into the atmosphere after use in the optical fiber drawing process, oxygen and nitrogen, which are impurities derived from the air, are larger than other impurities. Contained. In this case, the air concentration in the helium gas to be purified is 10 to 50 mol% and is usually 20 to 40 mol%, and the hydrogen concentration and the carbon monoxide concentration are each about several tens mol ppm. Thus, the amount of oxygen initially contained in the helium gas to be purified is greater than the stoichiometric amount required to react with all of the initially contained hydrogen and carbon monoxide. That is, the molar concentration of oxygen initially contained exceeds 1/2 of the sum of the molar concentration of hydrogen initially contained and the molar concentration of carbon monoxide. Hydrogen and carbon monoxide contained as impurities in the helium gas to be purified include those contained in minute amounts in air, but are not mainly derived from air but are mixed in the environment in which helium gas is used. For example, when helium gas that has been released into the atmosphere after use in an optical fiber drawing process is recovered, the air other than hydrogen and carbon monoxide mixed in the drawing process and nitrogen and oxygen derived from the air mixed in the recovery process. The helium gas to be purified contains a negligible amount of impurities such as carbon dioxide and hydrocarbons derived from it. The helium gas to be purified contains argon (Ar) when mixed with air, but the argon content in the air is lower than that of oxygen and nitrogen. Argon can be ignored without being regarded as an impurity because it can be replaced with argon when utilizing the characteristics as an inert gas.

精製対象のヘリウムガスは、加熱器2により加熱された後に反応装置3に導入される。加熱器2によるヘリウムガスの加熱温度は、反応装置3においてルテニウム(Ru)を触媒として用いる場合、反応装置3における反応温度が150℃以上になるように設定するのが反応を完結させるために好ましく、一方、触媒の寿命短縮を防止する観点からは反応温度が250℃以下となるように設定するのが好ましく、エネルギー消費を低減する観点から反応温度が200℃以下となるように設定するのがより好ましい。反応装置3においてパラジウム(Pd)を含む触媒を用いる場合、反応装置3における反応温度が200℃〜300℃になるようにヘリウムガスの加熱温度を設定するのが好ましい。   The helium gas to be purified is heated by the heater 2 and then introduced into the reaction apparatus 3. The heating temperature of the helium gas by the heater 2 is preferably set so that the reaction temperature in the reaction device 3 is 150 ° C. or higher when ruthenium (Ru) is used as a catalyst in the reaction device 3 in order to complete the reaction. On the other hand, it is preferable to set the reaction temperature to be 250 ° C. or lower from the viewpoint of preventing shortening of the catalyst life, and from the viewpoint of reducing energy consumption, the reaction temperature is set to be 200 ° C. or lower. More preferred. When a catalyst containing palladium (Pd) is used in the reactor 3, it is preferable to set the heating temperature of the helium gas so that the reaction temperature in the reactor 3 is 200 ° C to 300 ° C.

本実施形態の反応装置3は、単一の塔状の反応容器3aを有し、反応容器3aの内部に第1反応領域3Aと第2反応領域3Bと接続領域3Cが設けられている。第1反応領域3Aに、水素と一酸化炭素を酸素と反応させるための触媒が充填される。第2反応領域3Bに、水素を酸素と反応させるための触媒が充填される。両反応領域3A、3Bに充填される触媒は、相異なるものとしてもよいが、本実施形態では同一のものが充填される。例えば、両反応領域3A、3Bにルテニウム、パラジウム、白金などの貴金属触媒が充填され、特に低温度で反応可能なルテニウム触媒が充填されるのが好ましい。触媒はアルミナ等に担持したものが用いられる。第1反応領域3Aと第2反応領域3Bとの間が接続領域3Cとされる。接続領域3Cには触媒を充填しなくてもよいが、本実施形態では、両反応領域3A、3Bに充填されるのと同一の触媒が接続領域3Cに充填される。   The reaction apparatus 3 of this embodiment has a single tower-shaped reaction vessel 3a, and a first reaction region 3A, a second reaction region 3B, and a connection region 3C are provided inside the reaction vessel 3a. The first reaction zone 3A is filled with a catalyst for reacting hydrogen and carbon monoxide with oxygen. The second reaction zone 3B is filled with a catalyst for reacting hydrogen with oxygen. The catalysts filled in the reaction regions 3A and 3B may be different from each other, but the same catalyst is filled in this embodiment. For example, it is preferable that both reaction regions 3A and 3B are filled with a noble metal catalyst such as ruthenium, palladium, or platinum, particularly a ruthenium catalyst that can react at a low temperature. A catalyst supported on alumina or the like is used. A connection region 3C is defined between the first reaction region 3A and the second reaction region 3B. Although it is not necessary to fill the connection area 3C with a catalyst, in the present embodiment, the same catalyst as that filled in both the reaction areas 3A and 3B is filled in the connection area 3C.

反応容器3aに、ガス導入口3b、ガス流出口3c、ガス抽出口3d及び水素添加口3eが設けられている。ガス導入口3bに加熱器2が接続され、加熱された精製対象のヘリウムガスが反応装置3にガス導入口3bから導入される。反応容器3aの一端から順にガス導入口3b、第1反応領域3A、接続領域3C、第2反応領域3B、及びガス流出口3cが配置され、ガス流出口3cは反応容器3aの他端に位置する。例えば、ガス導入口3bとガス流出口3cとの中央付近に接続領域3Cが配置される。これにより、ガス導入口3bから反応装置3に導入されたヘリウムガスは、第1反応領域3A、接続領域3C、第2反応領域3Bをこの順序で通過した後に、ガス流出口3cから流出する。ガス抽出口3dは、接続領域3Cにおけるヘリウムガスを抽出できる位置に配置され、本実施形態では接続領域3Cに通じるように配置される。水素添加口3eは、第1反応領域3Aの通過後に第2反応領域3Bに導入されるヘリウムガスに水素を添加できる位置に配置され、本実施形態では第2反応領域3Bと接続領域3Cとの境界近傍に通じるよう配置される。   The reaction vessel 3a is provided with a gas inlet 3b, a gas outlet 3c, a gas extraction port 3d, and a hydrogen addition port 3e. The heater 2 is connected to the gas inlet 3b, and the heated helium gas to be purified is introduced into the reactor 3 from the gas inlet 3b. A gas inlet 3b, a first reaction region 3A, a connection region 3C, a second reaction region 3B, and a gas outlet 3c are arranged in this order from one end of the reaction vessel 3a, and the gas outlet 3c is located at the other end of the reaction vessel 3a. To do. For example, the connection region 3C is arranged near the center between the gas inlet 3b and the gas outlet 3c. As a result, the helium gas introduced into the reaction device 3 from the gas inlet 3b flows out of the gas outlet 3c after passing through the first reaction region 3A, the connection region 3C, and the second reaction region 3B in this order. The gas extraction port 3d is disposed at a position where helium gas can be extracted in the connection region 3C, and is disposed so as to communicate with the connection region 3C in the present embodiment. The hydrogen addition port 3e is disposed at a position where hydrogen can be added to the helium gas introduced into the second reaction region 3B after passing through the first reaction region 3A. In this embodiment, the second reaction region 3B and the connection region 3C It arrange | positions so that it may lead to the boundary vicinity.

加熱器2により加熱されたヘリウムガスは、ガス導入口3bから第1反応領域3Aに到る。これにより、ヘリウムガスに当初から含有される水素および一酸化炭素を、触媒を用いて当初から含有される酸素と反応させる第1反応工程が実行される。この際、第1反応領域3Aに至ったヘリウムガスに、当初から含有されていた不純物以外の不純物を添加する必要はない。第1反応工程により、ヘリウムガスに当初から含有される水素および一酸化炭素と、当初から含有される酸素の一部とが、水と二酸化炭素に変成される。第1反応工程の実行によってもヘリウムガスには酸素が残留するので、第1反応工程の実行によりヘリウムガスに含有される主な不純物は、窒素、酸素、二酸化炭素、水となる。   The helium gas heated by the heater 2 reaches the first reaction region 3A from the gas inlet 3b. Thereby, the 1st reaction process which makes hydrogen and carbon monoxide contained from the beginning in helium gas react with oxygen contained from the beginning using a catalyst is performed. At this time, it is not necessary to add impurities other than impurities originally contained in the helium gas reaching the first reaction region 3A. By the first reaction step, hydrogen and carbon monoxide originally contained in the helium gas and a part of oxygen contained from the beginning are converted into water and carbon dioxide. Even when the first reaction step is executed, oxygen remains in the helium gas. Therefore, main impurities contained in the helium gas by the first reaction step are nitrogen, oxygen, carbon dioxide, and water.

水素添加装置4は、ガス抽出口3dと水素添加口3eを介して反応装置3に接続される。すなわち水素添加装置4は、例えば高圧水素ボンベにより構成される水素供給源4aと、ヘリウムガスの酸素濃度を求める分析器4bと、分析器4bにより求めた酸素濃度に応じて水素供給源4aから供給される水素量を調整する水素量調整器4cを有する。分析器4bはガス抽出口3dに接続され、ガス抽出口3dから抽出された接続領域3Cにおけるヘリウムガスの酸素濃度を求める。水素供給源4aは水素量調整器4cを介して水素添加口3eに接続される。水素量調整器4cは、例えば水素供給源4aと水素添加口3eとを接続する配管の開度を流量制御バルブ等により調整することで、水素供給源4aから供給される水素量を分析器4bにより求められた酸素濃度に応じて調整する。この調製により、ヘリウムガスに水素添加口3eから添加される水素量が、第1反応領域3Aでの反応によりヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量未満とされる。これにより、第1反応工程の実行によりヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量未満の水素を、水素添加装置4によりヘリウムガスに添加する水素添加工程が実行される。本実施形態では、水素添加工程においてヘリウムガスに添加する水素量は、第1反応工程の実行によりヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量の95%以上100%未満とされる。すなわち、この水素添加によりヘリウムガスにおける水素モル濃度は酸素モル濃度の1.9倍以上、2倍未満とされる。   The hydrogen addition device 4 is connected to the reaction device 3 through a gas extraction port 3d and a hydrogen addition port 3e. That is, the hydrogen adding device 4 is supplied from the hydrogen supply source 4a according to the hydrogen supply source 4a configured by, for example, a high-pressure hydrogen cylinder, the analyzer 4b for obtaining the oxygen concentration of the helium gas, and the oxygen concentration obtained by the analyzer 4b. A hydrogen amount adjuster 4c for adjusting the amount of hydrogen produced. The analyzer 4b is connected to the gas extraction port 3d, and obtains the oxygen concentration of helium gas in the connection region 3C extracted from the gas extraction port 3d. The hydrogen supply source 4a is connected to the hydrogen addition port 3e via the hydrogen amount regulator 4c. The hydrogen amount adjuster 4c adjusts the amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply source 4a by, for example, adjusting the opening of a pipe connecting the hydrogen supply source 4a and the hydrogen addition port 3e with a flow control valve or the like. It adjusts according to the oxygen concentration calculated | required by. By this preparation, the amount of hydrogen added to the helium gas from the hydrogen addition port 3e is made less than the stoichiometric amount necessary for reacting with all of the oxygen remaining in the helium gas by the reaction in the first reaction region 3A. The As a result, a hydrogen addition step of adding less than the stoichiometric amount of hydrogen necessary to react with all of the oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step to the helium gas is executed. The In the present embodiment, the amount of hydrogen added to the helium gas in the hydrogen addition step is 95% or more and 100% of the stoichiometric amount necessary to react with all of the oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step. Less than. That is, by this hydrogenation, the hydrogen molar concentration in helium gas is set to 1.9 times or more and less than 2 times the oxygen molar concentration.

第2反応領域3Bにおいて、第1反応工程の実行によりヘリウムガスに残留する酸素を、触媒を用いて水素添加工程において添加された水素と反応させる第2反応工程が実行され、その反応した酸素と水素が水に変成される。第2反応工程の実行によりヘリウムガスに含有される主な不純物は、第1反応工程の実行後と同様に窒素、酸素、二酸化炭素、水であるが、酸素含有量は減少する。なお、第1反応領域3Aの大きさは、第1反応工程により水素と一酸化炭素を酸素と十分に反応させることができるように、実験的に定めればよい。また、第2反応領域3Bの大きさは、水素添加口3eから添加された水素を第2反応工程により酸素と十分に反応させることができるように、実験的に定めればよい。接続領域3Cの大きさは、第1反応工程の実行後におけるヘリウムガスを分析のために抽出でき、また、水素添加口3eから添加された水素が第1反応領域3Aに到ることがないように、実験的に定めればよい。   In the second reaction region 3B, a second reaction step is performed in which oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step is reacted with hydrogen added in the hydrogen addition step using a catalyst, and the reacted oxygen and Hydrogen is transformed into water. The main impurities contained in the helium gas by the execution of the second reaction step are nitrogen, oxygen, carbon dioxide, and water as in the case of the execution of the first reaction step, but the oxygen content decreases. Note that the size of the first reaction region 3A may be determined experimentally so that hydrogen and carbon monoxide can sufficiently react with oxygen in the first reaction step. The size of the second reaction region 3B may be determined experimentally so that the hydrogen added from the hydrogen addition port 3e can be sufficiently reacted with oxygen by the second reaction step. The size of the connection region 3C is such that helium gas after the execution of the first reaction step can be extracted for analysis, and hydrogen added from the hydrogen addition port 3e does not reach the first reaction region 3A. In addition, it may be determined experimentally.

脱水装置5として、本実施形態では第1脱水装置5aと、第1脱水装置5aに接続される第2脱水装置5bを有する。第1脱水装置5aは、反応装置3のガス流出口3cに接続される。第1脱水装置5aにより、ガス流出口3cから流出する第2反応工程の実行後におけるヘリウムガスの水分含有率を、脱水操作により低減する脱水工程が実行される。本実施形態の第1脱水装置5aは、第2反応後におけるヘリウムガスを冷却することで脱水工程を実行する。すなわち、ガス流出口3cから流出するヘリウムガスの温度は通常200℃〜350℃であるので、これを室温程度、例えば0℃〜40℃まで冷却機等によって冷却し、凝縮された水を気水分離器等により系外に排出する。なお、ヘリウムガスに含有される二酸化炭素の一部は、凝縮された水に溶解するので、脱水操作によりヘリウムガスから除去できる。   In this embodiment, the dehydrating device 5 includes a first dehydrating device 5a and a second dehydrating device 5b connected to the first dehydrating device 5a. The first dehydrator 5a is connected to the gas outlet 3c of the reactor 3. A dehydration step is performed by the first dehydrator 5a to reduce the moisture content of the helium gas after the second reaction step that flows out from the gas outlet 3c by a dehydration operation. The first dehydrator 5a of the present embodiment performs the dehydration step by cooling the helium gas after the second reaction. That is, since the temperature of the helium gas flowing out from the gas outlet 3c is usually 200 ° C. to 350 ° C., it is cooled to about room temperature, for example, 0 ° C. to 40 ° C. with a cooler or the like, and the condensed water is Discharge out of the system with a separator. Note that part of the carbon dioxide contained in the helium gas is dissolved in the condensed water and can be removed from the helium gas by a dehydration operation.

第1脱水装置5aにより、ヘリウムガスにおける水分量を冷却後の温度における飽和水蒸気量まで低減できる。第2脱水装置5bは、ヘリウムガスにおける水分量を、その温度における飽和水蒸気量未満まで低減するもので、例えば加熱再生式脱水器、加圧式脱水器、冷凍式脱水器により構成できる。第2脱水装置5bにより、ヘリウムガスの水分含有率を数百ppm未満まで低減することが可能になる。なお、脱水装置5はヘリウムガスの水分含有率を低減できれば構成は限定されず、例えば第1、第2脱水装置5a、5bの中の何れか一方のみを有するものでもよいが、後の圧力スイング吸着工程は通常は常温で実行されるため、ヘリウムガスを冷却することで脱水するのが好ましい。また、圧力スイング吸着工程で用いられる活性アルミナ等の吸着剤は水分を優先的に吸着するので、脱水装置5によりヘリウムガスの水分含有率を可及的に低減し、活性アルミナ等の吸着剤の二酸化炭素吸着性能低下を防止するのが好ましく、そのため第1、第2脱水装置5a、5bを備えるのが好ましい。   The first dehydrator 5a can reduce the amount of water in the helium gas to the amount of saturated water vapor at the temperature after cooling. The second dehydrator 5b reduces the amount of water in the helium gas to less than the saturated water vapor amount at that temperature, and can be constituted by, for example, a heat regeneration dehydrator, a pressure dehydrator, or a refrigeration dehydrator. The second dehydrator 5b can reduce the moisture content of the helium gas to less than several hundred ppm. The configuration of the dehydrating device 5 is not limited as long as the moisture content of the helium gas can be reduced. For example, the dehydrating device 5 may include only one of the first and second dehydrating devices 5a and 5b. Since the adsorption step is usually performed at room temperature, it is preferable to dehydrate by cooling the helium gas. Further, since the adsorbent such as activated alumina used in the pressure swing adsorption process preferentially adsorbs moisture, the moisture content of the helium gas is reduced as much as possible by the dehydrator 5, and the adsorbent such as activated alumina is reduced. It is preferable to prevent a decrease in carbon dioxide adsorption performance, and therefore it is preferable to include the first and second dehydrators 5a and 5b.

吸着装置9は脱水装置5に接続され、第2脱水装置5bに接続されるPSAユニット(圧力スイング吸着ユニット)10と、PSAユニット10に接続されるTSAユニット(サーマルスイング吸着ユニット)20を有する。脱水装置5による脱水操作後に、ヘリウムガスに残留する少なくとも二酸化炭素、窒素および酸素を、圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる圧力スイング吸着工程がPSAユニット10により実行される。さらにPSAユニット10は、脱水装置5による脱水操作後にヘリウムガスに残留する水分も吸着する。PSAユニット10により、ヘリウムガスにおける二酸化炭素および水の含有率を例えば1モルppm未満まで低減し、窒素含有率と酸素含有率を例えば1モルppm程度まで低減できる。圧力スイング吸着工程の後に、ヘリウムガスに残留する窒素を、−10℃〜−50℃でのサーマルスイング吸着法により吸着剤に吸着させるサーマルスイング吸着工程がTSAユニット20により実行される。さらにTSAユニット20は、圧力スイング吸着工程の後にヘリウムガスに残留する酸素も吸着する。TSAユニット20により、ヘリウムガスにおける窒素含有率、酸素含有率をそれぞれ例えば1モルppm未満まで低減できる。   The adsorption device 9 is connected to the dehydration device 5 and has a PSA unit (pressure swing adsorption unit) 10 connected to the second dehydration device 5 b and a TSA unit (thermal swing adsorption unit) 20 connected to the PSA unit 10. After the dehydration operation by the dehydrator 5, the PSA unit 10 executes a pressure swing adsorption process in which at least carbon dioxide, nitrogen and oxygen remaining in the helium gas are adsorbed on the adsorbent by the pressure swing adsorption method. Furthermore, the PSA unit 10 also adsorbs moisture remaining in the helium gas after the dehydration operation by the dehydrator 5. The PSA unit 10 can reduce the content of carbon dioxide and water in the helium gas to, for example, less than 1 mol ppm, and reduce the nitrogen content and the oxygen content to, for example, about 1 mol ppm. After the pressure swing adsorption process, the TSA unit 20 executes a thermal swing adsorption process in which nitrogen remaining in the helium gas is adsorbed to the adsorbent by a thermal swing adsorption method at −10 ° C. to −50 ° C. Furthermore, the TSA unit 20 also adsorbs oxygen remaining in the helium gas after the pressure swing adsorption process. The TSA unit 20 can reduce the nitrogen content and the oxygen content in the helium gas to, for example, less than 1 mol ppm.

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、脱水装置5から流出するヘリウム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、窒素、および酸素の吸着に適したものが用いられ、例えば、活性アルミナ、ゼオライト系吸着剤、およびカーボンモレキュラシーブを、吸着塔に予め定めた順序で積層して充填する。ゼオライト系吸着剤としてはX型ゼオライトが好ましい。これら吸着剤の積層順は、ヘリウムガスの導入側から順に活性アルミナ、ゼオライト系吸着剤、カーボンモレキュラシーブとするか、あるいは、活性アルミナ、カーボンモレキュラシーブ、ゼオライト系吸着剤とするのが好ましい。ヘリウムガスに含まれる窒素が多い場合はゼオライト系吸着剤を多く用い、酸素が多い場合はカーボンモレキュラシーブを多く用いるのが好ましい。活性アルミナがヘリウムガスの導入側において主に二酸化炭素を吸着することで、その後のゼオライト系吸着剤による窒素吸着効果の低下を防止できる。これら吸着剤の充填量の容量比は、例えば活性アルミナ:X型ゼオライト:カーボンモレキュラシーブを2〜3:7〜4:1〜3とする。第2反応工程においてヘリウムガスに残留する酸素の多くを水素と反応させることで、PSAユニット10による酸素吸着負荷を低減し、吸着塔13を小型化できる。   As the PSA unit 10, a known unit can be used. For example, the PSA unit 10 shown in FIG. 2 is a four-column type, and has a compressor 12 for compressing helium gas flowing out from the dehydrator 5 and four first to fourth adsorption towers 13. Adsorbent is filled. As the adsorbent, those suitable for adsorption of carbon dioxide, nitrogen, and oxygen are used. For example, activated alumina, zeolite-based adsorbent, and carbon molecular sieve are stacked and packed in an adsorption tower in a predetermined order. . X-type zeolite is preferred as the zeolite-based adsorbent. These adsorbents are preferably laminated in order from the helium gas introduction side, activated alumina, zeolite-based adsorbent, and carbon molecular sieve, or activated alumina, carbon molecular sieve, and zeolite-based adsorbent. When the nitrogen contained in the helium gas is large, it is preferable to use a large amount of zeolitic adsorbent, and when the amount of oxygen is large, it is preferable to use a large amount of carbon molecular sieve. Since the activated alumina mainly adsorbs carbon dioxide on the helium gas introduction side, it is possible to prevent the nitrogen adsorption effect from being lowered by the zeolite adsorbent thereafter. The volume ratio of the amounts of these adsorbents to be filled is, for example, activated alumina: X-type zeolite: carbon molecular sieve is set to 2-3: 7-4: 1-3. By causing most of the oxygen remaining in the helium gas to react with hydrogen in the second reaction step, the oxygen adsorption load by the PSA unit 10 can be reduced, and the adsorption tower 13 can be downsized.

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に導入されるヘリウム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に導入されるヘリウム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。
The compressor 12 is connected to the inlet 13a of each adsorption tower 13 via the switching valve 13b.
Each of the inlets 13a of the adsorption tower 13 is connected to the atmosphere via a switching valve 13e and a silencer 13f.
Each of the outlets 13k of the adsorption tower 13 is connected to the outflow pipe 13m via the switching valve 13l, connected to the boosting pipe 13o via the switching valve 13n, and connected to the pressure equalization / washing outlet side pipe 13q via the switching valve 13p. Connected to the pressure equalization / cleaning inlet side pipe 13s through the switching valve 13r.
The outflow pipe 13m is connected to the TSA unit 20 via the pressure control valve 13t, and the pressure of the helium gas introduced into the TSA unit 20 is constant.
The booster pipe 13o is connected to the outflow pipe 13m via the flow rate control valve 13u and the flow rate indicating controller 13v, and the flow rate in the booster pipe 13o is adjusted to be constant, so that helium gas introduced into the TSA unit 20 is controlled. Flow rate fluctuation is prevented.
The pressure equalizing / cleaning outlet side pipe 13q and the pressure equalizing / cleaning inlet side pipe 13s are connected to each other via a pair of connecting pipes 13w, and a switching valve 13x is provided in each connecting pipe 13w.

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。第1吸着塔13を基準に各工程を説明する。
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、脱水装置5から供給されるヘリウムガスは圧縮機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ヘリウムガス中の少なくとも二酸化炭素、窒素および酸素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ヘリウムガスが第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に送られたヘリウムガスの一部は、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を開き、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を開き、切替バルブ13xの中の1つを開く。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ヘリウムガスが、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を開いたまま、第4吸着塔13の切替バルブ13eを閉じる。これにより、第1吸着塔13と第4吸着塔13の内部圧力が均一、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つとも開いてもよい。
次に、第1吸着塔13の切替バルブ13eを開き、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を開き、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を開く。これによって、第2吸着塔13の上部の比較的不純物含有率の少ないヘリウムガスが、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を開いたまま第1吸着塔13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つとも開いてもよい。
しかる後に、第1吸着塔13の切替バルブ13rを閉じる。これにより、一旦は工程の無い待機状態になる。この状態は、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、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を開く。これにより、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に送られたヘリウムガスの一部が、昇圧配管13o、流量制御バルブ13uを介して第1吸着塔13に送られることで、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ヘリウムガスが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、例えば2でも3でもよい。
In each of the first to fourth adsorption towers 13 of the PSA unit 10, an adsorption process, a reduced pressure I process (cleaning gas outflow process), a reduced pressure II process (equal pressure gas outflow process), a desorption process, a cleaning process (cleaning gas input process) The step-up I step (equal pressure gas entering step) and the step-up II step are sequentially performed. Each step will be described with reference to the first adsorption tower 13.
That is, only the switching valve 13b and the switching valve 13l are opened in the first adsorption tower 13, and the helium gas supplied from the dehydrator 5 is introduced from the compressor 12 into the first adsorption tower 13 through the switching valve 13b. As a result, at least carbon dioxide, nitrogen, and oxygen in the helium gas introduced in the first adsorption tower 13 are adsorbed by the adsorbent, so that the adsorption process is performed, and the helium gas with the reduced impurity content is the first. 1 is sent from the adsorption tower 13 to the TSA unit 20 through the outflow pipe 13m. At this time, a part of the helium gas sent to the outflow pipe 13m is sent to another adsorption tower (second adsorption tower 13 in the present embodiment) via the boosting pipe 13o and the flow rate control valve 13u, and the second adsorption. In the tower 13, a pressure increase II step is performed.
Next, the switching valves 13b and 13l of the first adsorption tower 13 are closed, the switching valve 13p is opened, the switching valve 13r of another adsorption tower (the fourth adsorption tower 13 in the present embodiment) is opened, and the switching valve 13x is opened. Open one of the. Thereby, the helium gas having a relatively small impurity content in the upper part of the first adsorption tower 13 is sent to the fourth adsorption tower 13 via the pressure equalization / washing inlet side pipe 13 s, and the reduced pressure I in the first adsorption tower 13. A process is performed. At this time, in the fourth adsorption tower 13, the switching valve 13e is opened, and a cleaning process is performed.
Next, the switching valve 13e of the fourth adsorption tower 13 is closed while the switching valve 13p of the first adsorption tower 13 and the switching valve 13r of the fourth adsorption tower 13 are open. As a result, the decompression II step is performed in which the fourth adsorption tower 13 recovers the gas until the internal pressures of the first adsorption tower 13 and the fourth adsorption tower 13 become uniform or substantially uniform. At this time, the two switching valves 13x may be opened depending on circumstances.
Next, a desorption process for desorbing impurities from the adsorbent is performed by opening the switching valve 13e of the first adsorption tower 13 and closing the switching valve 13p. The impurities are released into the atmosphere together with the gas through the silencer 13f. The
Next, the switching valve 13r of the first adsorption tower 13 is opened, the switching valves 13b and 13l of the second adsorption tower 13 in the state where the adsorption process is finished are closed, and the switching valve 13p is opened. As a result, helium gas having a relatively small impurity content in the upper part of the second adsorption tower 13 is sent to the first adsorption tower 13 via the pressure equalization / washing inlet side pipe 13s, and the first adsorption tower 13 performs the washing step. Is done. The gas used in the cleaning process in the first adsorption tower 13 is released into the atmosphere through the switching valve 13e and the silencer 13f. At this time, a reduced pressure I step is performed in the second adsorption tower 13.
Next, the step-up I process is performed by closing the switching valve 13e of the first adsorption tower 13 with the switching valve 13p of the second adsorption tower 13 and the switching valve 13r of the first adsorption tower 13 open. At this time, the two switching valves 13x may be opened depending on circumstances.
After that, the switching valve 13r of the first adsorption tower 13 is closed. Thereby, it will be in the standby state without a process once. This state continues until the step-up II process of the fourth adsorption tower 13 is completed. When the pressurization of the fourth adsorption tower 13 is completed and the adsorption process is switched from the third adsorption tower 13 to the fourth adsorption tower 13, the switching valve 13n of the first adsorption tower is opened. As a result, part of the helium gas sent to the outflow pipe 13m from another adsorption tower (the fourth adsorption tower 13 in the present embodiment) in the adsorption process is first passed through the booster pipe 13o and the flow rate control valve 13u. By being sent to the adsorption tower 13, the step-up II process is performed in the first adsorption tower 13.
The above steps are sequentially repeated in each of the first to fourth adsorption towers 13, so that helium gas with a reduced impurity content is continuously sent to the TSA unit 20.
The PSA unit 10 is not limited to the one shown in FIG. 2, and the number of towers may be other than 4, for example, 2 or 3, for example.

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から送られてくるヘリウムガスを予冷する熱交換型予冷器21と、予冷器21により冷却されたヘリウム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を覆う熱交換部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と酸素の吸着に適したものが用いられる。窒素吸着用の吸着剤としては、例えばカルシウム(Ca)またはリチウム(Li)でイオン交換されたゼオライト系吸着剤を用いるのが好ましく、さらに、イオン交換率70%以上とするのが特に好ましく、比表面積600m2 以上とするのが特に好ましい。酸素吸着用の吸着剤としてはカーボンモレキュラシーブを用い、窒素吸着用のゼオライト系吸着剤と積層状にして吸着塔23に充填するのが好ましい。   A known TSA unit 20 can be used. For example, the TSA unit 20 shown in FIG. 3 is a two-column type, and a heat exchange type precooler 21 that precools the helium gas sent from the PSA unit 10 and heat that further cools the helium gas cooled by the precooler 21. The heat exchanger 24 that covers the exchange-type cooler 22, the first and second adsorption towers 23, and the respective adsorption towers 23 is provided. The heat exchanging unit 24 cools the adsorbent with a refrigerant during the adsorption process, and heats the adsorbent with a heat medium during the desorption process. Each adsorption tower 23 has a large number of inner tubes filled with an adsorbent. As the adsorbent, those suitable for adsorption of nitrogen and oxygen are used. As the adsorbent for nitrogen adsorption, for example, a zeolite adsorbent ion-exchanged with calcium (Ca) or lithium (Li) is preferably used, and an ion exchange rate of 70% or more is particularly preferable. A surface area of 600 m @ 2 or more is particularly preferable. As an adsorbent for oxygen adsorption, carbon molecular sieve is preferably used and is stacked with a zeolite adsorbent for nitrogen adsorption and packed into the adsorption tower 23.

TSAユニット20における冷却器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を介して第2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ヘリウムガスによりPSAユニット10から送られてくるヘリウムガスが冷却される。流出配管23gから精製されたヘリウム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。
熱交換部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で構成される。冷媒供給源24bは冷媒を−10℃〜−50℃に冷却する冷凍機を含み、熱媒供給源24dは熱媒を室温まで加熱するヒーターを含み、冷凍機およびヒーターは市販の工業製品を利用するのがコスト的に好ましい。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ヘリウムガスが冷却器22において冷却され、その冷媒はタンク24gに還流される。
The cooler 22 in the TSA unit 20 is connected to the inlet 23a of each adsorption tower 23 via a switching valve 23b.
Each of the inlets 23a of the adsorption tower 23 communicates with the atmosphere via the switching valve 23c.
Each of the outlets 23e of the adsorption tower 23 is connected to the outflow pipe 23g via the switching valve 23f, is connected to the cooling / pressure-increasing pipe 23i via the switching valve 23h, and is connected to the second cleaning pipe 23k via the switching valve 23j. Connected to.
The outflow pipe 23g constitutes a part of the precooler 21, and the helium gas sent from the PSA unit 10 is cooled by the purified helium gas flowing out from the outflow pipe 23g. The purified helium gas flows out from the outflow pipe 23g through the primary pressure control valve 23l.
The cooling / pressurizing piping 23i and the cleaning piping 23k are connected to the outflow piping 23g via a flow meter 23m, a flow control valve 23o, and a switching valve 23n.
The heat exchanging unit 24 is a multi-tube type, and includes an outer tube 24a surrounding a large number of inner tubes constituting the adsorption tower 23, a refrigerant supply source 24b, a refrigerant radiator 24c, a heat medium supply source 24d, and a heat medium radiator 24e. Is done. The refrigerant supply source 24b includes a refrigerator that cools the refrigerant to −10 ° C. to −50 ° C., the heat medium supply source 24d includes a heater that heats the heat medium to room temperature, and the refrigerator and heater use commercially available industrial products. It is preferable in terms of cost. In addition, the refrigerant supplied from the refrigerant supply source 24b is circulated through the outer pipe 24a and the refrigerant radiator 24c, and the heat medium supplied from the heat medium supply source 24d is supplied to the outer pipe 24a and the heat medium radiator 24e. A plurality of switching valves 24f are provided for switching to a state of circulation through the switching valves 24f. Further, a part of the cooler 22 is constituted by a pipe branched from the refrigerant radiator 24c, the helium gas is cooled in the cooler 22 by the refrigerant supplied from the refrigerant supply source 24b, and the refrigerant is returned to the tank 24g. .

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から供給されるヘリウムガスは予冷器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は熱交換部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、ヘリウムガスに含有される少なくとも窒素と酸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ヘリウムガスが第1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、例えば製品タンク(図示省略)に送られる。
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ヘリウムガスの一部が、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ヘリウムガスによる洗浄が実施され、その洗浄に用いられたヘリウムガスは切替バルブ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から流出する精製ヘリウムガスの一部が冷却・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内を冷却した精製ヘリウムガスは切替バルブ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から流出する精製ヘリウム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 TSA unit 20, an adsorption process, a desorption process, a cleaning process, a cooling process, and a pressure increasing process are sequentially performed.
That is, in the TSA unit 20, the helium gas supplied from the PSA unit 10 is cooled in the precooler 21 and the cooler 22, and then introduced into the first adsorption tower 23 via the switching valve 23b. At this time, the first adsorption tower 23 is cooled to −10 ° C. to −50 ° C. by circulating the refrigerant in the heat exchanging section 24, the switching valves 23c, 23h, and 23j are closed, and the switching valve 23f is Open and at least nitrogen and oxygen contained in the helium gas are adsorbed by the adsorbent. As a result, an adsorption step is performed in the first adsorption tower 23, and purified helium gas in which the impurity content is reduced flows out from the first adsorption tower 23 via the primary pressure control valve 23l, for example, a product tank (illustrated). (Omitted).
While the adsorption process is performed in the first adsorption tower 23, the desorption process, the cleaning process, the cooling process, and the pressure increasing process are performed in the second adsorption tower 23.
That is, in the second adsorption tower 23, the switching valves 23b and 23f are closed and the switching valve 23c is opened to perform the desorption process after the adsorption process is completed. Thereby, in the second adsorption tower 23, helium gas containing impurities is released into the atmosphere, and the pressure is reduced to almost atmospheric pressure. In this desorption process, the switching valve 24f of the heat exchanging section 24 that has circulated the refrigerant in the second adsorption tower 23 during the adsorption process is switched to the closed state to stop the circulation of the refrigerant, and the refrigerant is extracted from the heat exchanging section 24. The switching valve 24f that returns to the refrigerant supply source 24b is switched to the open state.
Next, in order to carry out the cleaning process in the second adsorption tower 23, the switching valves 23c, 23j of the second adsorption tower 23 and the switching valve 23n of the cleaning pipe 23k are opened, and the heat in the heat exchange type precooler 21 is heated. Part of the purified helium gas heated by the exchange is introduced into the second adsorption tower 23 via the cleaning pipe 23k. Thereby, in the second adsorption tower 23, desorption of impurities from the adsorbent and cleaning with purified helium gas are performed, and the helium gas used for the cleaning is released into the atmosphere together with the impurities from the switching valve 23c. In this cleaning step, the switching valve 24f of the heat exchange unit 24 for circulating the heat medium in the second adsorption tower 23 is switched to the open state.
Next, in order to perform the cooling process in the second adsorption tower 23, the switching valve 23j of the second adsorption tower 23 and the switching valve 23n of the cleaning pipe 23k are closed, and the switching valve 23h of the second adsorption tower 23 The switching valve 23n of the cooling / pressurizing pipe 23i is opened, and a part of the purified helium gas flowing out from the first adsorption tower 23 is introduced into the second adsorption tower 23 through the cooling / pressurizing pipe 23i. As a result, the purified helium gas that has cooled the inside of the second adsorption tower 23 is released into the atmosphere through the switching valve 23c. In this cooling process, the switching valve 24f for circulating the heat medium is switched to the closed state to stop the circulation of the heat medium, and the switching valve 24f that extracts the heat medium from the heat exchange unit 24 and returns it to the heat medium supply source 24d is provided. Switch to the open state. After completion of the extraction of the heat medium, the switching valve 24f of the heat exchanging unit 24 for circulating the refrigerant in the second adsorption tower 23 is switched to the open state to set the refrigerant circulation state. This refrigerant circulation state continues until the end of the next pressurization step and the subsequent adsorption step.
Next, in order to perform the pressure increasing process in the second adsorption tower 23, the switching valve 23c of the second adsorption tower 23 is closed, and a part of the purified helium gas flowing out from the first adsorption tower 23 is introduced. The inside of the two adsorption tower 23 is pressurized. This pressure increasing process is continued until the internal pressure of the second adsorption tower 23 becomes substantially equal to the internal pressure of the first adsorption tower 23. When the pressure increasing process is completed, the switching valve 23h of the second adsorption tower 23 and the switching valve 23n of the cooling / pressure increasing pipe 23i are closed, whereby all the switching valves 23b, 23c, 23f, 23h of the second adsorption tower 23 are closed. , 23j are closed, and the second adsorption tower 23 is in a standby state until the next adsorption step.
The adsorption process of the second adsorption tower 23 is performed in the same manner as the adsorption process of the first adsorption tower 23. While the adsorption process is performed in the second adsorption tower 23, the desorption process, the washing process, the cooling process, and the pressure increasing process are performed in the first adsorption tower 23 in the same manner as in the second adsorption tower 23.
The TSA unit 20 is not limited to the one shown in FIG. 3, and the number of towers may be 2 or more, for example, 3 or 4.

上記精製装置αによる精製対象のヘリウムガスにおいては、当初含有される酸素量が当初含有される水素および一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多い。よって、加熱器2により加熱された精製対象のヘリウムガスを、反応装置3の第1反応領域3Aに導入することで、当初含有される水素および一酸化炭素と、当初含有される酸素の一部とを、第1反応工程により水と二酸化炭素に変成できる。第1反応工程の実行によりヘリウムガスに残留する酸素と、水素添加装置4によりヘリウムガスに添加される水素とを、第2反応領域3Bにおける第2反応工程により水に変成できる。水素添加装置4により添加される水素量は、第1反応工程の実行によりヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量未満であるので、第2反応工程の実行後にヘリウムガスに水素が残留するのを防止できる。これにより、ヘリウムガスの不純物濃度の分析やガス添加を、第1反応工程前に行うことなく第2反応工程前にのみ行うだけで、第1反応工程後に多くの一酸化炭素が残留するのが防止され、且つ、吸着工程前に多くの酸素が残留するのが防止されるので、精製操作を簡単化できる。上記実施形態では、水素添加装置4により添加する水素量は、ヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量の95%以上100%未満であるので、ヘリウムガスにおける酸素の大部分を第2反応工程により水素と反応させ、吸着工程においてはヘリウムガス中に僅かに残留する酸素を吸着すれば足りる。また、吸着法によってはヘリウムガスから分離するのが困難な水素を、吸着工程の前にヘリウムガスから除去できる。また、第1反応工程と第2反応工程とを単一の反応容器3a内で実行でき、設備をコンパクトにしてコストを低減できる。第2反応工程により生成された水は、脱水装置5による脱水操作によりヘリウムガスから除去される。これによりヘリウムガスの水分含有率が低減されるので、後の吸着工程における吸着装置9による水分の吸着負荷を低減できる。また、脱水工程を第2反応工程の実行後にヘリウムガスを冷却することで実行するので、脱水操作のために一旦冷却したヘリウムガスを再度加熱する必要がなく、エネルギー消費量を低減できる。また、圧力スイング吸着工程の後にサーマルスイング吸着法によりヘリウムガスに残留する窒素と酸素を吸着剤に吸着させることで、ヘリウムガスにおける窒素と酸素の含有率を更に低減できる。   In the helium gas to be purified by the purification apparatus α, the amount of oxygen initially contained is larger than the stoichiometric amount necessary to react with all of the initially contained hydrogen and carbon monoxide. Therefore, by introducing the helium gas to be purified heated by the heater 2 into the first reaction region 3A of the reaction device 3, hydrogen and carbon monoxide initially contained, and part of the oxygen initially contained Can be transformed into water and carbon dioxide by the first reaction step. The oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step and the hydrogen added to the helium gas by the hydrogen addition device 4 can be converted to water by the second reaction step in the second reaction region 3B. Since the amount of hydrogen added by the hydrogen adding device 4 is less than the stoichiometric amount required to react with all of the oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step, after the execution of the second reaction step Hydrogen can be prevented from remaining in the helium gas. Thus, the analysis of the impurity concentration of helium gas and the gas addition are performed only before the second reaction step without being performed before the first reaction step, and a large amount of carbon monoxide remains after the first reaction step. In addition, since a large amount of oxygen is prevented from remaining before the adsorption step, the purification operation can be simplified. In the above embodiment, the amount of hydrogen added by the hydrogenation device 4 is 95% or more and less than 100% of the stoichiometric amount necessary to react with all of the oxygen remaining in the helium gas. Most of this is reacted with hydrogen in the second reaction step, and in the adsorption step, it is sufficient to adsorb a little residual oxygen in the helium gas. Also, hydrogen, which is difficult to separate from helium gas depending on the adsorption method, can be removed from helium gas before the adsorption step. Further, the first reaction step and the second reaction step can be performed in a single reaction vessel 3a, and the equipment can be made compact and the cost can be reduced. The water produced by the second reaction step is removed from the helium gas by the dehydration operation by the dehydrator 5. As a result, the moisture content of the helium gas is reduced, so that the moisture adsorption load by the adsorption device 9 in the subsequent adsorption process can be reduced. Moreover, since the dehydration step is performed by cooling the helium gas after the second reaction step, it is not necessary to reheat the helium gas once cooled for the dehydration operation, and the energy consumption can be reduced. Further, the nitrogen and oxygen content in the helium gas can be further reduced by adsorbing the nitrogen and oxygen remaining in the helium gas to the adsorbent by the thermal swing adsorption method after the pressure swing adsorption process.

図4は、反応装置3の変形例を示す。上記実施形態との相違は、反応装置3は第1反応容器3a′、第2反応容器3b′、及び第1反応容器3a′と第2反応容器3b′を接続する配管3c′を有する。第1反応容器3a′内が第1反応領域3Aとされ、第2反応容器3b′内が第2反応領域3Bとされ、配管3c′内が接続領域3Cとされ、接続領域3Cには触媒が充填されない。水素添加口3eは接続領域3Cに通じるように配置される。他は上記実施形態と同様とされる。   FIG. 4 shows a modification of the reaction device 3. The difference from the above embodiment is that the reaction apparatus 3 has a first reaction vessel 3a ′, a second reaction vessel 3b ′, and a pipe 3c ′ for connecting the first reaction vessel 3a ′ and the second reaction vessel 3b ′. The inside of the first reaction vessel 3a ′ is a first reaction region 3A, the inside of the second reaction vessel 3b ′ is a second reaction region 3B, the inside of the pipe 3c ′ is a connection region 3C, and a catalyst is contained in the connection region 3C. Not filled. The hydrogen addition port 3e is disposed so as to communicate with the connection region 3C. The rest is the same as in the above embodiment.

上記精製装置αを用いてヘリウムガスの精製を行った。なお、本実施例ではTSAユニット20は用いなかった。また、反応装置3は変形例に記載のものを用いた。
精製対象のヘリウムガスは、光ファイバーの線引き工程での使用後に大気中に放散されたものを回収したもので、不純物として窒素を23.43モル%、酸素を6.28モル%、水素を50モルppm、一酸化炭素を30モルppm、二酸化炭素を50モルppm、メタンを2モルppm、水分を20モルppmそれぞれ含有するものを用いた。なお、精製対象のヘリウムガスはアルゴンを含むが無視するものとする。
そのヘリウムガスを加熱器2で加熱後に、標準状態で3.31L/minの流量で反応装置3に導入した。第1反応容器3a′に、アルミナ担持のルテニウム触媒を45mL充填し、第1反応容器3a′における反応条件は温度190℃、空間速度5000/hとした。
第1反応容器3a′から流出するヘリウムガスの酸素濃度を分析し、酸素の全てと反応して水を生成させるのに必要な化学量論量の98%の水素を水素添加装置4からヘリウムガスに添加した。第2反応容器3b′に第1反応容器3a′と同じ触媒を150mL充填し、第2反応容器3b′における反応条件は第1反応容器3a′におけるのと同一とした。
第2反応容器3b′から流出するヘリウムガスを第1脱水装置5aにより25℃まで冷却し、液化した水をヘリウムガスから除去した。これにより、ヘリウムガスの水分含有率を25℃飽和(全圧を大気圧とした場合、約3%)まで低減した。次に、第2脱水装置5bとして用いた脱水用活性アルミナの充填塔にヘリウムガスを導入し、水分量を95ppmまで低減した。第2脱水装置5bの充填塔へは活性アルミナ(住友化学製KHD−24)を250mL充填した。
第2脱水装置5bから流出するヘリウムガスの不純物の含有率を吸着装置9により低減した。PSAユニット10は4塔式とし、各塔に吸着剤としてガス導入側から順に活性アルミナ(住友化学製KHD−24)、LiX型ゼオライトモレキュラシーブ(東ソー製NSA−700)、カーボンモレキュラシーブ(クラレケミカル製GN−UC−H)を、積層して合計1.25L充填した。これら吸着剤の容量比は、活性アルミナ:ゼオライトモレキュラシーブ:カーボンモレキュラシーブ=25:65:10とした。PSAユニット10における吸着圧力は0.9MPa、脱着圧力は0.03MPa、サイクルタイムは250秒に設定した。
PSAユニット10から流出する精製されたヘリウムガスにおける不純物の組成は以下の通りであった。
酸素1.0モルppm、窒素1.2モルppm、水素1モルppm未満、一酸化炭素1モルppm未満、二酸化炭素1モルppm未満、メタン1モルppm未満、水分1モルppm未満であった。なお、精製対象のヘリウムガスが含有するアルゴンは無視した。
ここで、ヘリウムガスの酸素濃度はTeledyne社製微量酸素濃度計型式311を用い、メタン濃度は島津製作所製GC−FIDを用い、一酸化炭素および二酸化炭素の濃度は同じく島津製作所製GC−FIDを用いてメタナイザーを介して測定した。水素濃度はGL Science社製GC−PIDを用いて測定した。窒素濃度は島津製作所製GC−PDDを用いて測定した。水分はGEセンシング・ジャパン社製の露点計DEWMET−2を用いて測定した。
Helium gas was purified using the purification apparatus α. In this embodiment, the TSA unit 20 was not used. The reactor 3 used was the one described in the modification.
The helium gas to be purified is recovered from what was released into the atmosphere after use in the optical fiber drawing process. As impurities, nitrogen was 23.43 mol%, oxygen was 6.28 mol%, and hydrogen was 50 mol. One containing 30 mol ppm of carbon, 30 mol ppm of carbon monoxide, 50 mol ppm of carbon dioxide, 2 mol ppm of methane, and 20 mol ppm of water was used. Note that the helium gas to be purified contains argon but is ignored.
The helium gas was heated by the heater 2 and then introduced into the reactor 3 at a flow rate of 3.31 L / min in a standard state. The first reaction vessel 3a ′ was filled with 45 mL of an alumina-supported ruthenium catalyst, and the reaction conditions in the first reaction vessel 3a ′ were a temperature of 190 ° C. and a space velocity of 5000 / h.
The oxygen concentration of the helium gas flowing out from the first reaction vessel 3a ′ is analyzed, and 98% of the stoichiometric amount of hydrogen required to generate water by reacting with all the oxygen is supplied from the hydrogenation device 4 to the helium gas. Added to. The second reaction vessel 3b ′ was filled with 150 mL of the same catalyst as the first reaction vessel 3a ′, and the reaction conditions in the second reaction vessel 3b ′ were the same as those in the first reaction vessel 3a ′.
The helium gas flowing out from the second reaction vessel 3b ′ was cooled to 25 ° C. by the first dehydrator 5a, and the liquefied water was removed from the helium gas. As a result, the water content of the helium gas was reduced to 25 ° C. saturation (about 3% when the total pressure was atmospheric pressure). Next, helium gas was introduced into the packed column of dehydrated activated alumina used as the second dehydrator 5b, and the water content was reduced to 95 ppm. The packed column of the second dehydrator 5b was packed with 250 mL of activated alumina (KHD-24 manufactured by Sumitomo Chemical).
The content of helium gas impurities flowing out from the second dehydrator 5b was reduced by the adsorption device 9. The PSA unit 10 is a four-column type, and activated alumina (KHD-24 manufactured by Sumitomo Chemical), LiX-type zeolite molecular sieve (NSA-700 manufactured by Tosoh Corporation), and carbon molecular sieve (GN manufactured by Kuraray Chemical) are used as adsorbents in the respective columns. -UC-H) was stacked and filled with a total of 1.25 L. The volume ratio of these adsorbents was activated alumina: zeolite molecular sieve: carbon molecular sieve = 25: 65: 10. The adsorption pressure in the PSA unit 10 was set to 0.9 MPa, the desorption pressure was set to 0.03 MPa, and the cycle time was set to 250 seconds.
The composition of impurities in the purified helium gas flowing out from the PSA unit 10 was as follows.
It was oxygen 1.0 mol ppm, nitrogen 1.2 mol ppm, hydrogen less than 1 mol ppm, carbon monoxide less than 1 mol ppm, carbon dioxide less than 1 mol ppm, methane less than 1 mol ppm, and moisture less than 1 mol ppm. Argon contained in the helium gas to be purified was ignored.
Here, the oxygen concentration of the helium gas is a Teledyne micro oxygen concentration meter model 311, the methane concentration is GC-FID manufactured by Shimadzu Corporation, and the concentrations of carbon monoxide and carbon dioxide are GC-FID manufactured by Shimadzu Corporation. And measured through a methanizer. The hydrogen concentration was measured using GC-PID manufactured by GL Science. The nitrogen concentration was measured using GC-PDD manufactured by Shimadzu Corporation. The moisture was measured using a dew point meter DEWMET-2 manufactured by GE Sensing Japan.

PSAユニット10の各塔に充填する吸着剤の容量比を、活性アルミナ:ゼオライトモレキュラシーブ:カーボンモレキュラシーブ=25:60:15とした。他は実施例1と同様にしてヘリウムガスを精製した。
PSAユニット10から流出する精製されたヘリウムガスにおける不純物の組成は以下の通りであった。
酸素1モルppm未満、窒素1.3モルppm、水素1モルppm未満、一酸化炭素1モルppm未満、二酸化炭素1モルppm未満、水分1モルppm未満。
The volume ratio of the adsorbent packed in each column of the PSA unit 10 was activated alumina: zeolite molecular sieve: carbon molecular sieve = 25: 60: 15. Otherwise, helium gas was purified in the same manner as in Example 1.
The composition of impurities in the purified helium gas flowing out from the PSA unit 10 was as follows.
Less than 1 mol ppm of oxygen, 1.3 mol ppm of nitrogen, less than 1 mol ppm of hydrogen, less than 1 mol ppm of carbon monoxide, less than 1 mol ppm of carbon dioxide, less than 1 mol ppm of water.

PSAユニット10から流出する精製されたヘリウムガスを、TSAユニット20を用いて更に精製した。TSAユニット20は2塔式とし、各吸着塔に吸着剤としてCaX型ゼオライトモレキュラシーブ(東ソー製SA−600A)を1.2L、カーボンモレキュラシーブを0.3Lそれぞれ充填した。TSAユニット20における吸着圧力は0.8MPaG、脱着圧力は0.03MPaG、吸着温度はー35℃、脱着温度は40℃とした。
TSAユニット20から流出する精製されたヘリウムガスにおける不純物の組成は以下の通りであった。
酸素1モルppm未満、窒素1 モルppm未満、水素1モルppm未満、一酸化炭素1モルppm未満、二酸化炭素1モルppm未満、メタン1モルppm未満、水分1モルppm未満。
The purified helium gas flowing out from the PSA unit 10 was further purified using the TSA unit 20. The TSA unit 20 is a two-column type, and each adsorption tower is filled with 1.2 L of CaX type zeolite molecular sieve (SA-600A manufactured by Tosoh Corporation) and 0.3 L of carbon molecular sieve as an adsorbent. The adsorption pressure in the TSA unit 20 was 0.8 MPaG, the desorption pressure was 0.03 MPaG, the adsorption temperature was −35 ° C., and the desorption temperature was 40 ° C.
The composition of impurities in the purified helium gas flowing out of the TSA unit 20 was as follows.
Less than 1 mol ppm of oxygen, less than 1 mol ppm of nitrogen, less than 1 mol ppm of hydrogen, less than 1 mol ppm of carbon monoxide, less than 1 mol ppm of carbon dioxide, less than 1 mol ppm of methane, and less than 1 mol ppm of water.

第2脱水装置5bとして用いた脱水用活性アルミナの充填塔への活性アルミナの充填量を実施例1の2倍とし、PSAユニット10の各塔に充填する吸着剤として活性アルミナを用いず、ゼオライトモレキュラシーブを1.0L、カーボンモレキュラシーブを0.25Lそれぞれ充填した。他は実施例1と同様にしてヘリウムガスを精製した。
PSAユニット10から流出する精製されたヘリウムガスにおける不純物の組成は以下の通りであった。
酸素1.2モルppm、窒素1.4モルppm、水素1モルppm未満、一酸化炭素1モルppm未満、二酸化炭素1モルppm未満、水分1モルppm未満。
The amount of activated alumina packed in the packed column of activated alumina for dehydration used as the second dehydrator 5b is double that in Example 1, and activated alumina is not used as the adsorbent to be packed in each column of the PSA unit 10, and zeolite 1.0 L of molecular sieve and 0.25 L of carbon molecular sieve were filled. Otherwise, helium gas was purified in the same manner as in Example 1.
The composition of impurities in the purified helium gas flowing out from the PSA unit 10 was as follows.
Oxygen 1.2 mol ppm, nitrogen 1.4 mol ppm, hydrogen less than 1 mol ppm, carbon monoxide less than 1 mol ppm, carbon dioxide less than 1 mol ppm, moisture less than 1 mol ppm.

比較例1Comparative Example 1

脱水装置5によるヘリウムガスの水分低減を行うことなくヘリウムガスを精製した。他は実施例1と同様とした。
PSAユニット10から流出する精製されたヘリウムガスにおける不純物の組成は以下の通りであった。
酸素1.9モルppm、窒素200ppm、水素1ppm未満、一酸化炭素1ppm未満、二酸化炭素1ppm未満、水分1ppm未満。
The helium gas was purified without reducing the water content of the helium gas by the dehydrator 5. Others were the same as in Example 1.
The composition of impurities in the purified helium gas flowing out from the PSA unit 10 was as follows.
Oxygen 1.9 mol ppm, nitrogen 200 ppm, hydrogen less than 1 ppm, carbon monoxide less than 1 ppm, carbon dioxide less than 1 ppm, moisture less than 1 ppm.

本発明は上記実施形態、変形例、実施例に限定されない。例えば、本発明により精製されるヘリウムガスは、光ファイバーの線引き工程での使用後に大気中に放散されたヘリウムガスを回収したものに限定されず、不純物として少なくとも水素、一酸化炭素、窒素、および酸素を含有し、当初含有される酸素の量が、当初含有される水素および一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多いものであればよい。また、サーマルスイング吸着法による吸着は必須ではなく、精製装置はTSAユニットを備えていなくてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, modifications, and examples. For example, the helium gas purified according to the present invention is not limited to the recovered helium gas released into the atmosphere after use in the optical fiber drawing process, and at least hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, and oxygen as impurities In which the amount of oxygen initially contained is greater than the stoichiometric amount required to react with all of the initially contained hydrogen and carbon monoxide. Further, the adsorption by the thermal swing adsorption method is not essential, and the purification apparatus may not include the TSA unit.

α…精製装置、2…加熱器、3…反応装置、3A…第1反応領域、3B…第2反応領域、3C…接続領域、3a…反応容器、3b…ガス導入口、3c…ガス流出口、3d…ガス抽出口、3e…水素添加口、4…水素添加装置、4a…水素供給源、4b…分析器、4c…水素量調整器、5…脱水装置、9…吸着装置、10…圧力スイング吸着ユニット   α ... purification device, 2 ... heater, 3 ... reaction device, 3A ... first reaction zone, 3B ... second reaction zone, 3C ... connection zone, 3a ... reaction vessel, 3b ... gas inlet, 3c ... gas outlet 3d ... Gas extraction port, 3e ... Hydrogen addition port, 4 ... Hydrogen addition device, 4a ... Hydrogen supply source, 4b ... Analyzer, 4c ... Hydrogen amount regulator, 5 ... Dehydration device, 9 ... Adsorption device, 10 ... Pressure Swing adsorption unit

Claims (7)

不純物として少なくとも水素、一酸化炭素、窒素、および酸素を含有し、当初含有される酸素の量は、当初含有される水素および一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多いヘリウムガスを精製するに際し、
前記ヘリウムガスに当初から含有される水素および一酸化炭素を、触媒を用いて当初から含有される酸素と反応させる第1反応工程と、
前記第1反応工程の実行により前記ヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量未満の水素を、前記ヘリウムガスに添加する水素添加工程と、
前記第1反応工程の実行により前記ヘリウムガスに残留する酸素を、触媒を用いて前記水素添加工程において添加された水素と反応させる第2反応工程と、
前記第2反応工程の実行後における前記ヘリウムガスの水分含有率を、脱水操作により低減する脱水工程と、
前記脱水操作後に前記ヘリウムガスに残留する少なくとも二酸化炭素、窒素および酸素を、圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる圧力スイング吸着工程とを備えることを特徴とするヘリウムガスの精製方法。
Contains at least hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, and oxygen as impurities, and the amount of oxygen initially contained is greater than the stoichiometric amount required to react with all of the initially contained hydrogen and carbon monoxide. When purifying a lot of helium gas,
A first reaction step of reacting hydrogen and carbon monoxide originally contained in the helium gas with oxygen contained from the beginning using a catalyst;
A hydrogenation step of adding less than the stoichiometric amount of hydrogen required to react with all of the oxygen remaining in the helium gas by performing the first reaction step;
A second reaction step in which oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step is reacted with hydrogen added in the hydrogen addition step using a catalyst;
A dehydration step of reducing the water content of the helium gas after the execution of the second reaction step by a dehydration operation;
A method of purifying helium gas, comprising: a pressure swing adsorption step of adsorbing at least carbon dioxide, nitrogen and oxygen remaining in the helium gas after the dehydration operation to an adsorbent by a pressure swing adsorption method.
前記水素添加工程において添加する水素量を、前記第1反応工程の実行により前記ヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量の95%以上100%未満とする請求項1に記載のヘリウムガスの精製方法。   The amount of hydrogen added in the hydrogen addition step is 95% or more and less than 100% of a stoichiometric amount necessary for reacting with all of the oxygen remaining in the helium gas by the execution of the first reaction step. 2. The method for purifying helium gas according to 1. 前記脱水工程を、前記第2反応工程の実行後に前記ヘリウムガスを冷却することで実行する請求項1又は2に記載のヘリウムガスの精製方法。   The method for purifying helium gas according to claim 1, wherein the dehydration step is performed by cooling the helium gas after the second reaction step. 前記吸着剤として活性アルミナ、ゼオライト系吸着剤、およびカーボンモレキュラシーブを用い、活性アルミナに二酸化炭素を吸着させた後にゼオライト系吸着剤に窒素を吸着させる請求項1〜3の中の何れか1項に記載のヘリウムガスの精製方法。   The activated alumina, the zeolitic adsorbent, and the carbon molecular sieve are used as the adsorbent, and after adsorbing carbon dioxide on the activated alumina, nitrogen is adsorbed on the zeolitic adsorbent. The purification method of helium gas as described. 前記圧力スイング吸着工程の後に、前記ヘリウムガスに残留する窒素と酸素を、−10℃〜−50℃でのサーマルスイング吸着法により吸着剤に吸着させるサーマルスイング吸着工程を備える請求項1〜4の中の何れか1項に記載のヘリウムガスの精製方法。   5. The thermal swing adsorption step of adsorbing nitrogen and oxygen remaining in the helium gas to an adsorbent by a thermal swing adsorption method at −10 ° C. to −50 ° C. after the pressure swing adsorption step. The method for purifying helium gas according to any one of the above. 不純物として少なくとも水素、一酸化炭素、窒素、および酸素を含有し、当初含有される酸素の量は、当初含有される水素および一酸化炭素の全てと反応するのに必要な化学量論量よりも多いヘリウムガスを精製する装置であって、
前記ヘリウムガスを加熱する加熱器と、
水素と一酸化炭素を酸素と反応させるための触媒が充填される第1反応領域と、水素を酸素と反応させるための触媒が充填される第2反応領域と、前記第1反応領域と前記第2反応領域との接続領域とを有する反応装置と、
水素供給源と、ヘリウムガスの酸素濃度を求める分析器と、求めた酸素濃度に応じて前記水素供給源から供給される水素量を調整する水素量調整器を有する水素添加装置と、
脱水装置と、
前記脱水装置に接続される吸着装置とを備え、
前記反応装置に、前記加熱器に接続されるガス導入口と、前記脱水装置に接続されるガス流出口と、前記分析器に接続されるガス抽出口と、前記水素供給源に前記水素量調整器を介して接続される水素添加口とが設けられ、
前記反応装置に前記ガス導入口から導入された前記ヘリウムガスが、前記第1反応領域、前記接続領域、前記第2反応領域を順に通過した後に前記ガス流出口から流出するように、前記ガス導入口、前記第1反応領域、前記接続領域、前記第2反応領域、および前記ガス流出口が配置され、
前記ガス抽出口は、前記接続領域におけるヘリウムガスを抽出できる位置に配置され、前記水素添加口は、前記第1反応領域の通過後に前記第2反応領域に導入されるヘリウムガスに水素を添加できる位置に配置され、
前記水素添加口から前記ヘリウムガスに添加される水素量が、前記第1反応領域での反応により前記ヘリウムガスに残留する酸素の全てと反応するのに必要な化学量論量未満となるように、前記分析器により求められた前記接続領域における前記ヘリウムガスの酸素濃度に応じて、前記水素供給源から供給される水素量が前記水素量調整器により調整され、
前記ガス流出口から流出する前記ヘリウムガスの水分含有率が脱水操作により低減されるように、前記脱水装置が前記ガス流出口に接続され、
前記吸着装置は、前記ヘリウムガスにおける少なくとも二酸化炭素、窒素および酸素を、圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させる圧力スイング吸着ユニットを有することを特徴とするヘリウムガスの精製装置。
Contains at least hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, and oxygen as impurities, and the amount of oxygen initially contained is greater than the stoichiometric amount required to react with all of the initially contained hydrogen and carbon monoxide. An apparatus for purifying a large amount of helium gas,
A heater for heating the helium gas;
A first reaction region filled with a catalyst for reacting hydrogen and carbon monoxide with oxygen; a second reaction region filled with a catalyst for reacting hydrogen with oxygen; the first reaction region; A reaction device having a connection region with two reaction regions;
A hydrogen supply device having a hydrogen supply source, an analyzer for determining an oxygen concentration of helium gas, and a hydrogen amount adjuster for adjusting an amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply source according to the determined oxygen concentration;
A dehydrator,
An adsorption device connected to the dehydration device,
The reaction apparatus has a gas inlet connected to the heater, a gas outlet connected to the dehydrator, a gas extraction port connected to the analyzer, and the amount of hydrogen adjusted to the hydrogen supply source And a hydrogen addition port connected through a vessel,
The gas introduction so that the helium gas introduced from the gas introduction port into the reaction apparatus flows out from the gas outlet after sequentially passing through the first reaction region, the connection region, and the second reaction region. A mouth, the first reaction region, the connection region, the second reaction region, and the gas outlet are disposed;
The gas extraction port is disposed at a position where helium gas can be extracted in the connection region, and the hydrogen addition port can add hydrogen to the helium gas introduced into the second reaction region after passing through the first reaction region. Placed in position,
The amount of hydrogen added to the helium gas from the hydrogen addition port is less than the stoichiometric amount necessary to react with all of the oxygen remaining in the helium gas by the reaction in the first reaction region. The amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply source is adjusted by the hydrogen amount adjuster according to the oxygen concentration of the helium gas in the connection region determined by the analyzer,
The dehydrator is connected to the gas outlet so that the moisture content of the helium gas flowing out of the gas outlet is reduced by a dehydration operation;
The said adsorption | suction apparatus has a pressure swing adsorption | suction unit which adsorb | sucks at least carbon dioxide, nitrogen, and oxygen in the said helium gas to an adsorbent by a pressure swing adsorption method, The refinement | purification apparatus of helium gas characterized by the above-mentioned.
前記反応装置は単一の反応容器を有し、前記反応容器内に前記第1反応領域、接続領域、および第2反応領域が設けられている請求項6に記載のヘリウムガスの精製装置。   The helium gas purification apparatus according to claim 6, wherein the reaction apparatus has a single reaction vessel, and the first reaction region, the connection region, and the second reaction region are provided in the reaction vessel.
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CN106082150A (en) * 2016-06-02 2016-11-09 中国工程物理研究院材料研究所 One is used for preparing high-purity3the device of He and preparation high-purity3the method of He
CN106315527B (en) * 2016-08-11 2019-04-30 四川空分设备(集团)有限责任公司 High hydrogeneous raw helium extracts high-pure helium process for refining
CN107096250B (en) * 2017-04-28 2019-02-15 东营黄蓝知识产权运营管理有限公司 High-purity chemical products purification system
CN108394878B (en) * 2018-04-09 2019-03-05 西安保埃罗环保科技有限公司 A kind of hydrogeneous helium tail gas purification Helium process
CN112978692B (en) * 2021-03-04 2022-08-05 北京高麦克仪器科技有限公司 780 helium purifier
CN115274171A (en) * 2022-07-18 2022-11-01 华能核能技术研究院有限公司 Helium gas purification system and operation method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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