JP7634762B1

JP7634762B1 - ネオン精製装置及びネオン精製方法

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Publication number: JP7634762B1
Application number: JP2024204287A
Authority: JP
Inventors: 祥一中川
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2024-11-22
Filing date: 2024-11-22
Publication date: 2025-02-21
Anticipated expiration: 2044-11-22

Abstract

【課題】ネオンを精製する効率性を向上可能なネオン精製装置及びネオン精製方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るネオン精製装置は、原料ガスから窒素及びアルゴンを吸着除去する第１吸着部と、前記第１吸着部で窒素及びアルゴンが吸着除去された前記原料ガスを冷却して冷却ガスとする冷却部と、前記冷却ガスから窒素及びアルゴンの一方又は両方を吸着除去する第２吸着部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ネオン精製装置及びネオン精製方法に関する。

従来から、ネオン、ヘリウム、窒素及び水素を含む原料ガスからネオンを精製するネオン精製装置が知られている。特許文献１にはこの種のネオン精製装置が開示されている。

特許文献１に記載のネオン精製装置は、水素を酸化する水素酸化部と、水分を吸着除去する水分除去部と、窒素を液化して除去する液化除去部と、低温吸着により残留窒素などを除去する除去部と、蒸留部と、を備える。

米国特許第１０７６７９２３号明細書

しかしながら、特許文献１に記載のネオン精製装置は、ネオンを精製する効率性の観点で、依然として改善の余地がある。

本発明は、ネオンを精製する効率性を向上可能なネオン精製装置及びネオン精製方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様としてのネオン精製装置は、
（１）
原料ガスから窒素及びアルゴンを吸着除去する第１吸着部と、
前記第１吸着部で窒素及びアルゴンが吸着除去された前記原料ガスを冷却して冷却ガスとする冷却部と、
前記冷却ガスから窒素及びアルゴンの一方又は両方を吸着除去する第２吸着部と、を備えるネオン精製装置、である。

本発明の１つの実施形態としてのネオン精製装置は、
（２）
前記第１吸着部が前記原料ガスから吸着除去するアルゴンの量は、前記第２吸着部が前記冷却ガスから吸着除去するアルゴンの量よりも多い、上記（１）に記載のネオン精製装置、である。

本発明の１つの実施形態としてのネオン精製装置は、
（３）
前記第１吸着部で窒素及びアルゴンが吸着除去された後の前記原料ガス中のアルゴンの濃度は、１０ｖｏｌｐｐｍ以下である、上記（１）又は（２）に記載のネオン精製装置、である。

本発明の１つの実施形態としてのネオン精製装置は、
（４）
前記第１吸着部に供給される前に、前記原料ガスにはアルゴンを含む酸素ガスが添加さ
れる、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載のネオン精製装置、である。

本発明の１つの実施形態としてのネオン精製装置は、
（５）
上記（１）～（４）のいずれか１つに記載のネオン精製装置を用いて行うネオン精製方法、である。

本発明によれば、ネオンを精製する効率性を向上可能なネオン精製装置及びネオン精製方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るネオン精製装置を示す図である。

以下、本発明に係るネオン精製装置及びネオン精製方法の実施形態について図面を参照して例示説明する。

図１は、本発明に係るネオン精製装置の一実施形態としてのネオン精製装置１００を示す図である。ネオン精製装置１００には、ネオン、ヘリウム、窒素及び水素を含む粗ネオンガスが供給される。ネオン精製装置１００は、この粗ネオンガスからネオンを精製する装置である。粗ネオンガスは、例えば、空気分離装置を用いて原料空気から酸素、窒素及びアルゴンを製造する際に、副産物として製造される。ネオン精製装置１００に供給される粗ネオンガスの主な組成は、一例として、ネオンが５０ｖｏｌ％、ヘリウムが１５ｖｏｌ％、水素が２ｖｏｌ％、残りが窒素である。ただし、粗ネオンガスの組成は上記に限定されるものではなく、粗ネオンガスを製造する空気分離装置の構成等によって異なってよい。

バッファー容器１は、粗ネオンガス供給ライン１０１から供給される粗ネオンガスと、ネオン精製装置１００のプロセスの一部で還流される還流ガスと、を受け入れ、これらが混合されたものを原料ガスとして貯留して保持するものである。還流ガスとしては、水分除去部６から排気されるガス、第１吸着部７から排気されるガス及び蒸留塔１３から排気されるガスが挙げられるが、これらに限定されない。なお、バッファー容器１は、還流ガスを受け入れず、粗ネオンガスのみを原料ガスとして貯留してもよい。また、ネオン精製装置１００は、バッファー容器１を備えなくてもよい。この場合、粗ネオンガス及び還流ガスは、例えば、粗ネオンガス供給ライン１０１内で混合され、原料ガスとされてよい。

バッファー容器１から排出された原料ガスは、圧縮機２によってプロセスに必要な圧力まで昇圧される。圧縮機２によって昇圧された原料ガスは、水素酸化部３に供給される。水素酸化部３に供給される原料ガスは、水素酸化部３に供給される前に加熱器によって加熱されてもよいし、水素酸化部３に供給されてから水素酸化部３が備える加熱器によって加熱されてもよい。また、水素酸化部３に供給される前に、原料ガスには酸素ガスが添加される。これにより、原料ガス中の水素と酸素が水素酸化部３において反応し、水素が酸化されることにより水分が生成される。なお、詳細は後述するが、酸素ガスには酸素に加えてアルゴンが含まれる。水素酸化部３は、水素と酸素との反応を促進する触媒を備える。本実施形態の水素酸化部３は水素酸化塔を含み、触媒は、水素酸化塔内に充填されている。触媒としては、白金、パラジウム、銅などが挙げられるが、これらに限定されない。水素酸化部３において触媒反応の反応熱により温度が上昇した原料ガスは、冷却器４に導入され、室温以下に冷却される。冷却器４によって冷却された原料ガスは常温気液分離器５に導入される。これにより、冷却器４での冷却により凝縮した水分が液相側に、それ以
外の成分が気相側に分離される。

常温気液分離器５で気相側に分離された原料ガスは水分除去部６に導入される。水分除去部６は、温度差により吸着と再生を繰り返す温度スイング吸着（TSA:Thermal Swing Adsorption）方式（以下、単に「ＴＳＡ方式」と記載する。）により、原料ガスから水分及び二酸化炭素を除去する装置である。

水分除去部６は吸着剤を備える。この吸着剤により、原料ガスから水分及び二酸化炭素が吸着除去される。水分除去部６で吸着除去される水分は、水素酸化部３において原料ガスに含まれる水素が酸素と反応して生成されたものである。また、水分除去部６で吸着除去される二酸化炭素は、水素酸化部３において、原料ガスに含まれる一酸化炭素が酸素と反応して生成されたものである。水分除去部６が備える吸着剤としては、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナなどが挙げられるが、これらに限定されない。

本実施形態の水分除去部６は少なくとも２つの吸着塔を備える。少なくとも２つの吸着塔それぞれには、上述の吸着剤が充填されている。ネオン精製装置１００の運転時には、少なくとも２つの吸着塔のうち、少なくとも１つの吸着塔で原料ガスから水分及び二酸化炭素を吸着除去する吸着工程が実行され、別の少なくとも１つの吸着塔で水分及び二酸化炭素を吸着剤から脱離させる再生工程が実行される。この吸着工程及び再生工程は、水分除去部６の少なくとも２つの吸着塔の間で切り替えて実行される。再生工程では、吸着剤からの水分及び二酸化炭素の脱離を促進するための再生ガスを水分除去部６に供給する。この再生ガスは、外部ヒータなどにより加熱した状態で水分除去部６に供給されてよい。

本実施形態のネオン精製装置１００は、ネオン精製装置１００の外部から水分除去部６に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給ライン１０３を備える。これにより、水分除去部６の再生工程において、乾燥ガスを再生ガスとして水分除去部６に供給することができる。乾燥ガスは、粗ネオンガスとは別に用意されたものであってよい。但し、再生ガスとして、後述するヘリウム除去部１１で原料ガスから分離除去されたヘリウムを主成分とする分離ガス、及び、後述する第１吸着部７に供給されたリンスガスと第１吸着部７から脱離した窒素等の脱離ガスとが混ざった状態の混合ガス、の少なくとも一方を用いてもよい。必要に応じて、水分除去部６で水分及び二酸化炭素が除去された原料ガスの一部を再生ガスとして用いることもできる。

水分除去部６の再生工程で吸着剤から脱離した水分及び二酸化炭素は、再生ガスと混合され、吸着工程と再生工程の切り替え時に発生するブローダウンガスと併せて、排気ライン１０４を通じて水分除去部６から排出される。この時、排気ライン１０４を通じて水分除去部６から排気されるガスの少なくとも一部は、ネオンの回収率を向上させるために還流ガスとしてバッファー容器１に供給されてもよい。また、排気ライン１０４を通じて水分除去部６から排気されるガスは、全て、ネオン精製装置１００の系外に排出されてもよい。

水分除去部６により水分及び二酸化炭素が除去された原料ガスは、第１吸着部７に供給される。第１吸着部７は、この原料ガスに含まれる窒素の大部分を除去する。第１吸着部７で吸着除去される窒素は、粗ネオンガスに含まれるものである。また、第１吸着部７は、窒素に加えて、アルゴンを原料ガスから吸着除去する。これにより、ネオン精製装置１００のネオンを精製する効率性を向上できる。以下、この詳細を説明する。

第１吸着部７に供給される原料ガスには、アルゴンが含まれている。このアルゴンは、第１吸着部７（より具体的には水素酸化部３）に供給される前の原料ガスに添加された酸素ガスに含まれるものである。具体的に、空気を液化蒸留して製造される、一般的な工業
プロセスで用いられる酸素ガスには、主成分である酸素に加えて、約２０００～４０００ｖｏｌｐｐｍのアルゴンが含まれている。このアルゴンは、水素酸化部３から水分除去部６までの間で原料ガスから除去されない。そのため、原料ガスは、アルゴンを含んだ状態で、第１吸着部７に供給される。第１吸着部７に供給される原料ガス中のアルゴンの濃度は、酸素ガス中のアルゴン濃度及び原料ガスへの酸素ガスの添加量等に依存するが、一般に約１０～５００ｖｏｌｐｐｍである。この原料ガス中のアルゴンは、コールドボックス２０内で固化してラインを閉塞するなどの不具合を発生させたり、製品ネオンの純度を低下させたりする要因となるため、プロセスの過程で原料ガスから十分に除去される必要がある。

詳細は後述するが、本実施形態のネオン精製装置１００は、原料ガスを冷却して冷却ガスとする冷却部としての第１熱交換器８と、冷却ガスから窒素及びアルゴンの一方又は両方を吸着除去する第２吸着部９と、を備える。また、冷却部としての第１熱交換器８には、極低温冷凍機２１から循環冷媒が供給される。ここで、第２吸着部９に供給される原料ガス中のアルゴンの量が多い場合、上述したような不具合の発生を抑制するため、第２吸着部９の吸着剤の量を増やし、第２吸着部９で原料ガスから吸着除去するアルゴンの量も多くする必要がある。しかしながら、第２吸着部９の吸着剤の量が増えると、吸着剤を含む第２吸着部９の吸着塔の体積も増加する。吸着塔の体積が増加すると、本実施形態の場合、コールドボックス２０の体積が増える。これにより、コールドボックス２０の表面積も増加し、外部からコールドボックス２０に侵入する侵入熱の量が増加する。その結果、コールドボックス２０内を低温の状態で維持するために、コールドボックス２０内の第１熱交換器８に循環冷媒を供給する極低温冷凍機２１の運転動力を増加させる必要が生じる。すなわち、第２吸着部９に供給される原料ガス中のアルゴンの量が増え、それに伴い第２吸着部９の吸着剤の量が増えると、極低温冷凍機２１の運転動力が増加し、ネオンを精製する効率性が低下するおそれがある。

これに対し、第１吸着部７は、窒素に加えて、アルゴンを原料ガスから吸着除去する。このような第１吸着部７があることで、第２吸着部９に冷却ガスが供給される前に、原料ガスからアルゴンを除去することができる。これにより、第２吸着部９に供給される冷却ガス中のアルゴンの量を減らすことができ、第２吸着部９の吸着剤の量を増加させる必要性の増大を抑制し、極低温冷凍機２１の運転動力が増加することを抑制できる。その結果、ネオンを精製する効率性を向上できる。

本実施形態の第１吸着部７が原料ガスから吸着除去するアルゴンの量は、第２吸着部９が冷却ガスから吸着除去するアルゴンの量よりも多い。具体的に、第１吸着部７は、原料ガスに含まれるアルゴンのうち、５０％以上のアルゴンを原料ガスから吸着除去することが好ましく、７０％以上のアルゴンを原料ガスから吸着除去することがより好ましく、９０％以上のアルゴンを原料ガスから吸着除去することが更に好ましい。このようにすることで、第２吸着部９に供給される冷却ガス中のアルゴンの量を十分に減らすことができ、極低温冷凍機２１の運転動力が増加することをより抑制できる。その結果、ネオンを精製する効率性をより向上できる。

上述したように、第２吸着部９に供給される冷却ガス中のアルゴンの量が多いと、極低温冷凍機２１の運転動力が増加し、ネオンを精製する効率性が低下するおそれがある。また、第２吸着部９に供給される冷却ガス中の窒素の量が多い場合も、アルゴンと同様の理由により、極低温冷凍機２１の運転動力が増加し、ネオンを精製する効率性が低下するおそれがある。そのため、ネオンを精製する効率性を向上する観点から、第１吸着部７で窒素及びアルゴンが吸着除去された後の原料ガス中の窒素及びアルゴンの濃度は、それぞれ、１０ｖｏｌｐｐｍ以下であることが好ましく、１ｖｏｌｐｐｍ以下であることがより好ましい。

なお、原料ガス中に酸素が含まれる場合は、第１吸着部７により、窒素及びアルゴンに加えて、酸素が原料ガスから除去されてもよい。この酸素は、第１吸着部７（より具体的には水素酸化部３）に供給される前の原料ガスに添加された酸素ガスに含まれるものである。具体的に、この酸素は、酸素ガスに含まれる酸素のうち、水素酸化部３、冷却器４及び水分除去部６によって原料ガスから取り除かれず、原料ガスに残留したものである。第２吸着部９に供給される冷却ガス中の酸素の量が多いと、アルゴン及び窒素と同様の理由により、極低温冷凍機２１の運転動力が増加し、ネオンを精製する効率性が低下するおそれがある。そのため、ネオンを精製する効率性を向上する観点から、第１吸着部７で窒素、アルゴン及び酸素が吸着除去された後の原料ガス中の酸素の濃度は、１０ｖｏｌｐｐｍ以下であることが好ましく、１ｖｏｌｐｐｍ以下であることがより好ましい。

本実施形態の第１吸着部７は、真空ポンプを用いた圧力スイングにより吸着と再生とを繰り返す圧力スイング吸着（VPSA:Vacuum Pressure Swing Adsorption）方式（以下、単に「ＶＰＳＡ方式」と記載する。）により、原料ガスから窒素を除去する装置である。ただし、第１吸着部７は、ＴＳＡ方式によるものであってもよく、真空ポンプを用いない圧力スイング吸着（PSA:Pressure Swing Adsorption）方式（以下、単に「ＰＳＡ方式」と記載する。）によるものであってもよい。

第１吸着部７は吸着剤を備える。第１吸着部７が備える吸着剤としては、ゼオライト、活性炭などが挙げられるが、これらに限定されない。本実施形態の第１吸着部７は、少なくとも２つの吸着塔を備える。これら少なくとも２つの吸着塔それぞれには上述の吸着剤が充填されている。第１吸着部７は、ネオンのロスを低減するために３つ以上の吸着塔を備えることが好ましい。ネオン精製装置１００の運転時には、少なくとも１つの吸着塔で原料ガスから窒素、アルゴン及び酸素を除去する吸着工程が実行され、別の少なくとも１つの吸着塔で吸着剤に吸着した窒素、アルゴン及び酸素を脱離させる再生工程が実行される。この吸着工程及び再生工程は、第１吸着部７の少なくとも２つの吸着塔の間で切り替えて実行される。また、ネオンの回収率を向上させるために、吸着工程の終了時に、吸着工程が実行されていた吸着塔の圧力を別の吸着塔に分配する均圧工程を行ってもよい。

本実施形態の第１吸着部７の吸着塔は、常温下で運転される、いわゆる常温吸着塔である。なお、本明細書において、「常温」とは、５～４０℃の範囲内の温度を指す。

ネオン精製装置１００では、除去の対象となる原料ガス中の不純物を効率的に除去するため、各工程の継続時間や吸着剤量を調整する。具体的に、本実施形態のネオン精製装置１００では、窒素及びアルゴンの両方の吸着に適した運転条件で第１吸着部７を運転する。より具体的には、第１吸着部７の吸着工程及び再生工程の継続時間を窒素及びアルゴンの両方の成分の除去に適した長さとする。また、第１吸着部７が備える吸着剤の量を窒素及びアルゴンの一方のみを除去する場合に必要な吸着剤の量以上とすることも考えられる。但し、第１吸着部７の運転条件は、上記に限定されず、ネオン精製装置の具体的な構成等に応じて適宜調整されてよい。

第１吸着部７で実行される再生工程は、脱圧工程、真空排気工程及び排気再生工程を含んでよい。脱圧工程は、吸着工程の後に、又は、吸着工程の後に均圧工程を行う場合は均圧工程の後に、吸着塔内に残る圧力を外部に放出する工程である。真空排気工程は、真空ポンプを用いて吸着塔の真空排気を行うことで吸着剤に吸着した窒素、アルゴン及び酸素を脱離させる工程である。また、排気再生工程は、真空ポンプによる吸着塔の真空排気を行いながら、吸着塔にリンスガスを流すことで窒素、アルゴン及び酸素の脱離をより促進する工程である。ここで、リンスガスに用いられるガスは窒素、アルゴン及び酸素を含まないガスが望ましい。本実施形態では、後述するヘリウム除去部１１で原料ガスから分離
除去された分離ガスが、リンスガス供給ライン１０５を通じてリンスガスとして第１吸着部７に供給される。ヘリウム除去部１１で原料ガスから分離除去された分離ガスは、ヘリウムを主成分とする。そのため、この分離ガスをリンスガスとして用いることで、ネオンのロスを抑制しつつ、第１吸着部７の再生工程を行うことができる。また、必要に応じて、第１吸着部７で窒素、アルゴン及び酸素が除去された原料ガスの一部や、ネオン精製装置１００の系外から供給される窒素、アルゴン及び酸素を含まないガスを、リンスガスとして第１吸着部７に供給することもできる。

上述したように、再生工程で第１吸着部７の吸着剤から脱離した窒素等の脱離ガスは、第１吸着部７に供給されたリンスガスと混合され、混合ガスとして第１吸着部７から排出される。なお、混合ガスには、脱圧工程で吸着塔から放出されるブローダウンガスが含まれてもよい。具体的に、混合ガスは、排気ライン１０６を通じて第１吸着部７から排出される。排気ライン１０６を通じて第１吸着部７から排出される混合ガスの少なくとも一部は、ネオンの回収率を向上させるために還流ガスとしてバッファー容器１に供給されてもよい。また、排気ライン１０６を通じて第１吸着部７から排出される混合ガスは、全て、ネオン精製装置１００の系外に排出されてもよい。

図１に示すように、ネオン精製装置１００は、コールドボックス２０を備える。ネオン精製装置１００を構成する各要素のうち、一部の要素は、コールドボックス２０内に配置されている。コールドボックス２０内は、極低温冷凍機２１からコールドボックス２０内の第１熱交換器８及び第２熱交換器１０に供給されている循環冷媒により、冷却されている。そのため、コールドボックス２０内に配置されている要素は、コールドボックス２０の外部に配置されている要素よりも低温の状態で維持される。具体的に、本実施形態のネオン精製装置１００では、第１熱交換器８、第２吸着部９、第２熱交換器１０、ヘリウム除去部１１、膨張弁１２、蒸留塔１３及びリボイラ１４がコールドボックス２０内に配置され、コールドボックス２０内に配置されていないバッファー容器１、圧縮機２、水素酸化部３、冷却器４、常温気液分離器５、水分除去部６及び第１吸着部７よりも低温の状態で維持される。

第１吸着部７により大部分の窒素が除去された原料ガスは、コールドボックス２０内の冷却部としての第１熱交換器８に導入される。原料ガスは、温流体として第１熱交換器８に導入され、第１熱交換器８によって、例えば４４Ｋから１００Ｋの間の温度まで冷却される。本明細書では、冷却部としての第１熱交換器８に導入される前の原料ガスと、冷却部としての第１熱交換器８で冷却された後の原料ガスと、を区別するため、冷却部としての第１熱交換器８で冷却された後の原料ガスを「冷却ガス」と記載する場合がある。本実施形態のネオン精製装置１００は、極低温冷凍機２１を備えている。第１熱交換器８には極低温冷凍機２１からの循環冷媒が供給される。極低温冷凍機２１の方式にはブレイトンサイクルを用いることが考えられるが、これに限定されない。循環冷媒としては、例えば、ヘリウム、ネオン、水素又はこれらのうちの複数を混合したガスを使用できる。

第１熱交換器８で冷却された冷却ガスである原料ガスは、第２吸着部９に導入される。第２吸着部９は、吸着剤を備え、冷却ガスである原料ガスから、第１吸着部７で除去されなかった窒素及びアルゴンの一方又は両方を吸着除去する。第２吸着部９に導入される原料ガスに酸素が含まれる場合は、第２吸着部９で酸素を吸着除去してもよい。第２吸着部９が備える吸着剤としてはゼオライト、活性炭が挙げられるが、これらに限定されない。第２吸着部９は、定期点検時など装置全体を常温に戻す際に再生処理を行うことで、その性能を維持することが可能なように設計されてもよい。また、第２吸着部９は、複数に分割して設けられてもよい。第２吸着部９から排出される原料ガス中の窒素、アルゴン及び酸素の濃度は、それぞれ、製品ネオンに求められる純度に応じて設定されてよいが、１００ｖｏｌｐｐｂ以下であることが好ましい。

第２吸着部９で窒素及びアルゴンの一方又は両方を除去された原料ガスは、第２熱交換器１０に導入される。原料ガスは、温流体として第２熱交換器１０に導入され、第２熱交換器１０により、例えば２５Ｋから４４Ｋの間の温度まで冷却される。第２熱交換器１０には第１熱交換器８を介して極低温冷凍機２１からの循環冷媒が供給される。なお、図１では極低温冷凍機２１の循環冷媒が、極低温冷凍機２１に対して直列に接続された第１熱交換器８及び第２熱交換器１０を循環する形態を図示している。但し、極低温冷凍機２１の循環冷媒は、極低温冷凍機２１に対して並列に接続された第１熱交換器８及び第２熱交換器１０を循環してもよい。また、第１熱交換器８及び第２熱交換器１０それぞれに対して個別に冷凍機が設けられていてもよい。

第２熱交換器１０で冷却された原料ガスは、ヘリウム除去部１１に導入される。ヘリウム除去部１１は、原料ガスからヘリウムを除去する。具体的に、本実施形態のヘリウム除去部１１は、原料ガスを、ネオンを主成分とする分離液と、ヘリウムを主成分とする分離ガスと、に分離する低温気液分離器である。ヘリウム除去部１１で原料ガスから分離除去された分離ガスは、リンスガス供給ライン１０５を通じてリンスガスとして第１吸着部７に供給される。

ヘリウム除去部１１で分離されたネオンを主成分とする分離液は、膨張弁１２に導入される。この分離液は、膨張弁１２によってジュール・トムソン膨張により減圧された後、蒸留塔１３の塔頂側に導入される。蒸留塔１３では、ヘリウム除去部１１でヘリウムを主成分とする分離ガスが分離除去された原料ガス、すなわち上述の分離液から更にヘリウムを除去する。具体的に、蒸留塔１３に原料ガスが供給されると、塔頂側にヘリウムを含むネオンガスが濃縮され、塔底側に９９ｖｏｌ％以上の高純度ネオンが濃縮される。この高純度ネオンは、蒸留塔１３の塔底側から抜き出され、圧縮機１５により圧縮されて製品ネオンとして取り出される。なお、製品ネオンが蒸留塔１３から液体で取り出される場合は、圧縮機１５の代わりに送液ポンプを用いてもよい。また、製品ネオンは、圧縮機１５を用いずに取り出されてもよい。蒸留塔１３には下降液を気化させて上昇ガスとするリボイラ１４が付帯されている。なお、蒸留塔１３は規則充填塔、不規則充填塔、棚段塔のいずれであってもよい。リボイラ１４の加熱方式としては、電気ヒータによる加熱方式、熱交換器を介した別の温流体による加熱方式などが挙げられるが、これらに限定されない。図１では図示されていないが、蒸留塔１３には上昇ガスを冷却して下降液とするコンデンサが付帯されていてもよい。また、本実施形態のネオン精製装置１００は、蒸留塔１３の塔頂から出るヘリウムを含む蒸留塔ガスをバッファー容器１に導入可能な蒸留塔ガス還流ライン１０７を備える。この蒸留塔ガスには８０ｖｏｌ％以上のネオンが含まれるため、蒸留塔ガスを還流することでネオンの回収率を向上できる。

次に、本発明に係るネオン精製方法の一実施形態としての、ネオン精製装置１００を用いるネオン精製方法について説明する。ネオン精製装置１００を用いるネオン精製方法によれば、第１吸着部７により、第２吸着部９に冷却ガスが供給される前に、原料ガスからアルゴンを除去することができる。これにより、第２吸着部９に供給される冷却ガス中のアルゴンの量を減らすことができ、極低温冷凍機２１の運転動力が増加することを抑制できる。その結果、ネオンを精製する効率性を向上できる。

本発明に係るネオン精製装置を用いた実施例について以下に説明する。

＜実施例１＞
実施例１では、図１に示すネオン精製装置１００を用いて、ネオンの精製を行った。まず、粗ネオンガス供給ライン１０１を通じてバッファー容器１に粗ネオンガスを供給した。粗ネオンガスの仕様は表１のとおりであった。

次いで、バッファー容器１の原料ガスを圧縮機２に導入した。圧縮機２では原料ガスを３０ｂａｒまで圧縮した。圧縮した原料ガスに０．１Ｎｍ^３／ｈの流量で酸素ガスを添加した。次いで、酸素ガスが添加された原料ガスを水素酸化部３へ供給した。水素酸化部３は外部ヒータにより加熱した。水素酸化部３により、原料ガス中の水素と酸素とを反応させて水に変換した。水素酸化部３から排出された原料ガスは、冷却器４を通過したのち、常温気液分離器５へ導入された。常温気液分離器５により、原料ガス中の大部分の水分が除去された。常温気液分離器５で水分が除去された原料ガスは水分除去部６に導入された。水分除去部６により、原料ガス中の水分及び二酸化炭素の濃度はそれぞれ１０ｖｏｌｐｐｂ未満となった。なお、水分除去部６は２塔式のＴＳＡ方式であり、一方の吸着塔で吸着工程が実行されている間、他方の吸着塔で再生工程が実行される。吸着工程及び再生工程は、２つの吸着塔の間で交互に切り替えて実行された。それぞれの吸着塔にはゼオライトを充填した。ネオン精製装置１００の系外から乾燥ガス供給ライン１０３を通じて、水分除去部６の再生ガスとして、乾燥した窒素ガスを１．５Ｎｍ^３／ｈの流量で水分除去部６に供給した。具体的に、この再生ガスは、２００℃まで加熱された状態で、水分除去部６の吸着塔に導入された。

水分除去部６で水分が除去された原料ガスの窒素濃度は２５ｖｏｌ％、アルゴン濃度は１００ｖｏｌｐｐｍ、酸素濃度は１０ｖｏｌｐｐｍであった。この原料ガスを第１吸着部７へ導入した。第１吸着部７は４塔式のＶＰＳＡ方式であり、１の吸着塔で吸着工程が実行されている間、別の１の吸着塔では再生工程、残る２の吸着塔では均圧工程が実行された（図１では２塔のみを図示しているが、実施例１では４塔式としている）。各吸着塔には吸着剤としてゼオライトを充填した。実施例１では２回の均圧工程により１０ｂａｒまで圧力を低下した後に脱圧を行い、真空排気工程で０．０５ｂａｒまで排気を行った。このときの脱圧工程と真空排気工程で排出されるガスを、ネオン精製装置１００の系外へ放出した。排気再生工程では、リンスガス供給ライン１０５を通じて、ヘリウム除去部１１で原料ガスから分離除去されたヘリウムを主成分とする分離ガスを、１．６Ｎｍ^３／ｈの流量でリンスガスとして第１吸着部７に供給した。第１吸着部７に供給されたリンスガスと第１吸着部７から脱離した窒素等の脱離ガスとが混ざった状態の混合ガスは、排気ライン１０６を介して系外に放出した。

第１吸着部７で窒素、アルゴン及び酸素が吸着除去された後の原料ガス中の窒素、アルゴン及び酸素の濃度はそれぞれ１０ｖｏｌｐｐｍ以下となった。この原料ガスをコールド
ボックス２０内の第１熱交換器８へ導入した。次いで、第１熱交換器８で６８Ｋまで冷却された原料ガスを、第２吸着部９へ導入した。第２吸着部９で窒素、アルゴン及び酸素が吸着除去された後の原料ガス中の窒素、アルゴン及び酸素の濃度はそれぞれ１０ｖｏｌｐｐｂ未満となった。この第２吸着部９にはゼオライトを充填した。窒素、アルゴン及び酸素の除去を１年間連続して実施するのに必要なゼオライトの充填容積は２０Ｌである。１年間連続運転した後は、第２吸着部９を常温に昇温した状態で、窒素、アルゴン及び酸素を含まないガスを第２吸着部９に流通して、第２吸着部９から窒素、アルゴン及び酸素を脱離させる。その後、第２吸着部９を冷却することで、第２吸着部９によって再び同様の窒素、アルゴン及び酸素の除去を行うことができる。

次いで、第２吸着部９で窒素、アルゴン及び酸素が吸着除去された原料ガスを第２熱交換器１０へ導入した。次いで、第２熱交換器１０で３１Ｋまで冷却された原料ガスをヘリウム除去部１１へ導入した。ヘリウム除去部１１で原料ガスから分離除去される分離ガスは、ネオンとヘリウムから成り、ヘリウムを８５ｖｏｌ％以上含んでいる。上述したように、この分離ガスを、リンスガス供給ライン１０５を通じてリンスガスとして第１吸着部７に供給した。次いで、ヘリウム除去部１１の液相側の液化ガスを膨張弁１２により３ｂａｒまで減圧したのち、蒸留塔１３の塔頂側へ導入した。蒸留塔１３での気液接触により、原料ガス中のネオンとヘリウムを蒸留分離した。蒸留塔１３は不規則充填物を充填した充填塔である。蒸留塔１３にはリボイラ１４が付帯されている。リボイラ１４は電気ヒータ式を採用した。蒸留塔１３の塔頂ガスはネオンを含んでいるため、蒸留塔ガス還流ライン１０７を通じてバッファー容器１に還流した。蒸留塔１３の塔底ではネオンが濃縮された。この濃縮されたネオンを、圧縮機１５を介して製品ネオンとして抜き出した。製品ネオンのネオン濃度は９９．９９ｖｏｌ％以上であった。製品ネオンの流量は４．１Ｎｍ^３／ｈであった。

ネオン精製装置１００は、寒冷源として極低温冷凍機２１を備える。この極低温冷凍機２１は、第１熱交換器８及び第２熱交換器１０に循環冷媒を供給した。極低温冷凍機２１にはブレイトンサイクル式を採用した。循環冷媒用の循環圧縮機にはターボ圧縮機を採用した。また、循環冷媒にはヘリウムガスを使用した。実施例１における極低温冷凍機２１の運転動力は２２ｋＷであった。

＜比較例１＞
比較例１では、実施例１と同様に、図１に示すネオン精製装置１００を用いて、ネオンの精製を行った。比較例１は、実施例１と比較して、第１吸着部７を、原料ガス中の窒素のみを除去するような運転条件で運転した点で、相違しており、その他の条件及び手順は共通している。そのため、ここでは、実施例１との相違点について主に説明する。

上述したように、比較例１では、第１吸着部７を、原料ガス中の窒素のみを除去するような運転条件で運転した。その結果、第１吸着部７を通過した原料ガス中の窒素濃度は１０ｖｏｌｐｐｍ以下、アルゴン濃度は１００ｖｏｌｐｐｍ、酸素濃度は１０ｖｏｌｐｐｍとなった。また、比較例１における極低温冷凍機２１の運転動力は２３ｋＷであった。

実施例１と比較例１との比較により、第１吸着部７で窒素に加えてアルゴンと酸素を除去することで、極低温冷凍機２１の運転動力を低減し、ネオンを精製する効率性を向上できることを確認できた。

本発明に係るネオン精製装置及びネオン精製方法は、上述した実施形態及び実施例に示す具体的な構成及び工程に限られず、特許請求の範囲を逸脱しない限り、種々の変形、変更、置換、組み合わせが可能である。

本発明はネオン精製装置及びネオン精製方法に関する。

１：バッファー容器
２：圧縮機
３：水素酸化部
４：冷却器
５：常温気液分離器
６：水分除去部
７：第１吸着部
８：第１熱交換器
９：第２吸着部
１０：第２熱交換器
１１：ヘリウム除去部
１２：膨張弁
１３：蒸留塔
１４：リボイラ
１５：圧縮機
２０：コールドボックス
２１：極低温冷凍機
１００：ネオン精製装置
１０１：粗ネオンガス供給ライン
１０３：乾燥ガス供給ライン
１０４：排気ライン
１０５：リンスガス供給ライン
１０６：排気ライン
１０７：蒸留塔ガス還流ライン

Claims

原料ガスから窒素及びアルゴンを吸着除去する第１吸着部と、
前記第１吸着部で窒素及びアルゴンが吸着除去された前記原料ガスを冷却して冷却ガスとする冷却部と、
前記冷却ガスから窒素及びアルゴンの一方又は両方を吸着除去する第２吸着部と、を備えるネオン精製装置。
前記第１吸着部が前記原料ガスから吸着除去するアルゴンの量は、前記第２吸着部が前記冷却ガスから吸着除去するアルゴンの量よりも多い、請求項１に記載のネオン精製装置。
前記第１吸着部で窒素及びアルゴンが吸着除去された後の前記原料ガス中のアルゴンの濃度は、１０ｖｏｌｐｐｍ以下である、請求項１又は２に記載のネオン精製装置。
前記第１吸着部に供給される前に、前記原料ガスにはアルゴンを含む酸素ガスが添加される、請求項１又は２に記載のネオン精製装置。
請求項１又は２に記載のネオン精製装置を用いて行うネオン精製方法。