氦精制方法及氦精制装置 【技术领域】
本发明涉及利用变压吸附法精制氦的方法及装置。背景技术 作为光纤拉丝炉的冷却用的炉内气氛气体、 及在金属热处理炉内冷却热处理后的 金属的气体， 有时采用氦。 作为用于气球及飞船等的漂浮气体， 大多采用氦。 另外， 作为 MRI 装置用的冷却用液体、 及超导物质为体现超导现象而冷却该物质所使用的液体， 也大多采 用氦。 例如， 在这些用途中使用的氦因杂质混入而纯度降低。 关于作为气体使用的氦以及从 所使用的液体氦而汽化得到的氦， 为了再利用而进行回收， 并提出了通过变压吸附法 (PSA 法 ) 来精制的方法。 关于利用 PSA 法精制氦的技术， 例如， 在下述专利文献 1、 2 中有所记载。
专利文献 1 ： ( 日本 ) 特开平 1-266831 号公报
专利文献 2 ： ( 日本 ) 特开 2003-192315 号公报
例如， 从光纤拉丝炉及金属热处理炉等中排放的含有氦为主要成分的使用过的气 体的排出流量及杂质成分大多带有变动。 因此， 为了连续地对该排放气体进行精制处理， 需 要构筑可与该排放气体的流量变动及成分变动对应的处理系统。 但是， 在执行 PSA 法的 PSA 装置中， 难以与供给到该装置的原料气体的显著的流量变动 ( 即负荷变动 ) 相对应。另外， PSA 装置也不擅长与原料气体的成分变动相对应。
另外， 例如， 从光纤拉丝炉等中排出的含有氦为主要成分的使用过的气体的氦浓 度大多比较低， 为 50vol％以下。 在现有技术中， 对于这种氦浓度范围内的粗氦气， 难以利用 PSA 法精制且实现高回收率。
发明内容 本发明就是鉴于这种情况而开发的， 其目的在于， 提供一种适合利用 PSA 法以高 收率得到高纯度氦的氦精制方法及氦精制装置。
根据本发明的第一方面， 提供一种氦精制方法。 在本方法中， 将含有氦的混合气体 输入到贮存槽， 另外， 从贮存槽向充填有吸附剂的吸附塔供给混合气体。而且， 在吸附塔内 重复进行包括吸附工序及解吸工序的循环。在吸附工序中， 在吸附塔内为相对高压的状态 下， 向该吸附塔内导入混合气体， 将该混合气体中的杂质吸附于所述吸附剂， 且将氦富化后 的精制气体从该吸附塔中导出。在解吸工序中， 将吸附塔内降压， 从吸附剂中解吸杂质， 且 从该吸附塔中导出气体。另外， 解吸工序包括在从该解吸工序的开始到中途从吸附塔中导 出第一气体的第一解吸工序、 和从吸附塔中导出第二气体的、 第一解吸工序之后的第二解 吸工序， 将第一气体导入贮存槽。在本方法中， 既可以使用单一的吸附塔， 也可以并用多个 吸附塔。
在本方法中， 在吸附塔内， 执行包括上述的吸附工序及解吸工序的变压吸附法 (PSA 法 )， 由此实现混合气体中的氦的富化或高纯度化。对于混合气体而言， 暂时输入到贮 存槽之后， 再从该贮存槽向用于执行 PSA 法的吸附塔供给。即使在输入到贮存槽的作为原
料气体的混合气体在其流量及成分上带有变动的情况下， 流量变动及成分变动也通过将该 混合气体暂时输入到贮存槽贮存及混合， 从而在从该贮存槽中导出的混合气体中得到缓和 或抑制 ( 从这种流量变动及成分变动的缓和或抑制的观点出发， 贮存槽的气体收容用容积 优选可变 )。因此， 根据本方法， 当进行氦的精制时， 即使利用 PSA 法， 也容易与原料气体的 流量变动及成分变动相对应。
此外， 根据本方法， 对于被高纯度化的氦而言， 容易实现高收率。 其理由在于， 在本 方法中， 能够将在上述解吸工序中从吸附塔中持续导出的气体 ( 排放气体 ) 中、 氦浓度相对 高的排放气体返回到贮存槽， 将该排放气体供给由 PSA 法进行的再度的氦富化 ( 从贮存槽 接收排放气体时避免与该贮存槽连通的吸附塔 ( 解吸工序中 ) 的内部压力 ( 解吸压力 ) 不 正当地上升的观点出发， 贮存槽的气体收容用容积也优选可变 )。 当从处于解吸工序的吸附 塔中导出的排放气体的杂质含有率在解吸工序开始以后处于逐渐上升的趋势时， 在本方法 中， 在该排放气体的杂质含有率充分低的期间内， 可以进行将排放气体 ( 第一气体 ) 导入贮 存槽的第一解吸工序， 在排放气体的杂质含有率为规定以上的期间内， 可以进行将排放气 体 ( 第二气体 ) 排出到系统外的第二解吸工序。
如上所述， 本发明第一方面的氦精制方法适合利用 PSA 法以高收率得到高纯度 氦。 在本发明的第一方面中， 从第一解吸工序向第二解吸工序切换的时机优选基于第 一气体的氦浓度而决定。 这种构成在对所获得的精制气体的氦浓度及收率实现最佳化方面 是优选的。
根据本发明的第二方面， 提供一种氦精制方法。 在本方法中， 将含有氦的混合气体 输入到贮存槽， 另外， 从贮存槽向充填有吸附剂的多个吸附塔供给混合气体， 而且， 在吸附 塔内重复进行包括吸附工序、 减压工序、 解吸工序、 清洗工序、 及增压工序的循环。 在吸附工 序中， 在吸附塔内为相对高压的状态下， 向该吸附塔内导入混合气体， 将该混合气体中的杂 质吸附于吸附剂， 且将氦富化后的精制气体从该吸附塔中导出。 在减压工序中， 将吸附塔内 降压， 从该吸附塔中导出气体。 在解吸工序中， 将吸附塔内降压， 从吸附剂中解吸杂质， 且从 该吸附塔中导出气体。在清洗工序中， 向吸附塔导入清洗气体， 且从该吸附塔中导出气体。 清洗工序的清洗气体为从处于减压工序的吸附塔中导出的气体。 清洗工序包括在从该清洗 工序的开始到中途从吸附塔中导出第一气体的第一清洗工序、 和从该吸附塔中导出第二气 体的、 第一清洗工序之后的第二清洗工序， 将第二气体导入贮存槽。在增压工序中， 使吸附 塔内的压力上升。
在本方法中， 在各吸附塔内， 执行包括上述的吸附工序、 减压工序、 解吸工序、 清洗 工序、 及增压工序的 PSA 法， 由此实现混合气体中的氦的富化或高纯度化。对于混合气体而 言， 暂时输入到贮存槽之后， 再从该贮存槽向用于执行 PSA 法的各吸附塔供给。即使在输入 到贮存槽的作为原料气体的混合气体在其流量及成分上带有变动的情况下， 流量变动及成 分变动也通过将该混合气体暂时输入到贮存槽贮存及混合， 从而在从该贮存槽中导出的混 合气体中得到缓和或抑制 ( 从这种流量变动及成分变动的缓和或抑制的观点出发， 贮存槽 的气体收容用容积优选可变 )。因此， 根据本方法， 当进行氦的精制时， 即使利用 PSA 法， 也 容易与原料气体的流量变动及成分变动相对应。
此外， 根据本方法， 对于被高纯度化的氦而言， 容易实现高收率。 其理由在于， 在本
方法中， 能够将在上述的清洗工序中从吸附塔中持续导出的气体 ( 净化气体 ) 中氦浓度相 对高的净化气体导入贮存槽， 将该净化气体供给由 PSA 法进行的再度的氦富化 ( 从贮存槽 接收净化气体时避免与该贮存槽连通的吸附塔 ( 清洗工序中 ) 的内部压力 ( 清洗压力 ) 不 正当地上升的观点出发， 贮存槽的气体收容用容积也优选可变 )。 当从处于清洗工序的吸附 塔中导出的净化气体的杂质含有率在清洗工序开始以后处于逐渐降低的趋势时， 在本方法 中， 直到净化气体的杂质含有率充分降低， 都可以进行将净化气体 ( 第一气体 ) 排出到系统 外的第一清洗工序， 在净化气体的杂质含有率充分降低以后， 可以进行将净化气体 ( 第二 气体 ) 导入贮存槽的第二清洗工序。
如上所述， 本发明第二方面的氦精制方法适合利用 PSA 法以高收率得到高纯度 氦。
在本发明的第二方面中， 从第一清洗工序向第二清洗工序切换的时机优选基于第 一气体的氦浓度而决定。 这种构成在对所获得的精制气体的氦浓度及收率实现最佳化方面 是优选的。
在本发明的第二方面中， 优选的是， 解吸工序包括在从该解吸工序的开始到中途 从吸附塔中导出第三气体的第一解吸工序、 和从该吸附塔中导出第四气体的、 第一解吸工 序之后的第二解吸工序， 将第三气体导入贮存槽。在这种构成中， 有助于以高收率得到高 纯度氦。 其理由在于， 在本方法中， 能够将在上述的解吸工序中从吸附塔中持续导出的气体 ( 排放气体 ) 中氦浓度相对高的排放气体返回到贮存槽， 将该排放气体供给由 PSA 法进行的 再度的氦富化。 当从处于解吸工序的吸附塔中导出的排放气体的杂质含有率在解吸工序开 始以后处于逐渐上升的趋势时， 在本方法中， 在该排放气体的杂质含有率充分低的期间内， 可以进行将排放气体 ( 第三气体 ) 导入贮存槽的第一解吸工序， 在排放气体的杂质含有率 为规定以上的期间内， 可以进行将排放气体 ( 第四气体 ) 排出到系统外的第二解吸工序。 在本发明的第二方面中， 从第一解吸工序向第二解吸工序切换的时机优选基于第 三气体的氦浓度来决定。 这种构成在对所获得的精制气体的氦的浓度及收率实现最佳化方 面是优选的。
优选的是， 减压工序包括在从该减压工序的开始到中途从吸附塔中导出第五气体 的第一减压工序、 和从该吸附塔中导出第六气体的、 第一减压工序之后的第二减压工序， 将 第五气体作为清洗气体导入处于清洗工序的吸附塔， 将第六气体导入处于增压工序的吸附 塔。 当从处于减压工序的吸附塔中导出的气体的氦浓度比较高时， 根据这种构成， 就能够利 用从处于减压工序的吸附塔中导出的气体， 在其他的吸附塔内高效地进行清洗工序及增压 工序。即， 根据这种构成， 就能够有机地利用在多个吸附塔的各塔内进行的工序， 高效地进 行用于氦精制的 PSA 法。
优选的是， 在将处于解吸工序的吸附塔的内部的最低压力设定为 0％、 且将处于吸 附工序的吸附塔的内部的最高压力设定为 100％的情况下， 第一减压工序结束时的吸附塔 的内部的第一中间压力在 35 ～ 80％的范围内， 且第二减压工序结束时的吸附塔的内部的 第二中间压力比第一中间压力小， 在 15 ～ 50％的范围内。 这种构成有助于高效地进行清洗 工序及增压工序。
优选的是， 增压工序包括将从处于第二减压工序的吸附塔中导出的第六气体导入 增压对象的吸附塔的第一增压工序、 和向该吸附塔导入精制气体的、 第一增压工序之后的
第二增压工序。 这种构成在各吸附塔内高效地进行增压工序及其后的吸附工序方面是适合 的。
在本发明的第一及第二方面中， 优选的是， 处于解吸工序的吸附塔的内部的最低 压力为大气压以上。 在这种构成中， 当在吸附塔内进行解吸工序时， 不必一定使用真空泵等 明确的减压装置。这种不必一定使用真空泵等明确的减压装置的构成在用于执行 PSA 法的 吸附塔或 PSA 装置与来自贮存槽的混合气体的流量变动 ( 即， 对装置的负荷变动 ) 相对应 方面是适合的。
优选的是， 从贮存槽向吸附塔供给的混合气体的流量在吸附塔内开始吸附工序时 进行更新。这种构成在减轻对用于执行 PSA 法的吸附塔或 PSA 装置的负荷方面是适合的。
在第一优选的实施方式中， 关于贮存槽的贮存量， 设定上侧设定量及比该上侧设 定量小的下侧设定量。 并且， 在来自贮存槽的混合气体供给流量的更新时， 在贮存槽内的混 合气体的贮存量为上侧设定量以上的情况下， 将混合气体供给流量增大， 在贮存槽内的混 合气体的贮存量小于上侧设定量且大于下侧设定量的情况下， 不变更混合气体供给流量， 在贮存槽内的混合气体的贮存量为下侧设定量以下的情况下， 将混合气体供给流量降低。 这种构成在贮存槽与输入到贮存槽的作为原料气体的混合气体的流量变动的对应方面， 并 且在减轻对用于执行 PSA 法的吸附塔或 PSA 装置的负荷变动而实现负荷的稳定化方面是适 合的。 在第二优选的实施方式中， 关于贮存槽的贮存量， 设定上侧设定量及比该上侧设 定量小的下侧设定量， 且在混合气体供给流量的更新之前得到输入到贮存槽的混合气体的 流量 ( 例如， 规定期间内的平均流量 ) 作为基准流量。并且， 在来自贮存槽的混合气体供给 流量的更新时， 在贮存槽内的混合气体的贮存量为上侧设定量以上的情况下， 以比基准流 量大的流量作为混合气体供给流量， 在贮存槽内的混合气体的贮存量小于上侧设定量且大 于下侧设定量的情况下， 以基准流量作为混合气体供给流量， 在贮存槽内的混合气体的贮 存量为下侧设定量以下的情况下， 以比基准流量小的流量作为混合气体供给流量， 这种构 成在贮存槽与输入到贮存槽的作为原料气体的混合气体的流量变动的对应上， 并且在减轻 对用于执行 PSA 法的吸附塔或 PSA 装置的负荷变动而实现负荷的稳定化方面是适合的。
优选的是， 在将混合气体供给到吸附塔之前， 对来自贮存槽的混合气体， 实施用于 将该混合气体中所含的杂质的至少一部分除去或转化的前处理。 这种构成在得到高纯度氦 方面是适合的。 另外， 在实施前处理之前将气体暂时贮存于贮存槽的本构成， 在稳定而高效 地进行混合气体中所含的规定杂质的除去或转化的前处理方面也是适合的。其理由在于， 在对缓和了流量变动及成分变动的来自贮存槽的混合气体实施前处理的本构成中， 容易稳 定对前处理的负荷。
优选的是， 前处理优选分多段来进行。 例如， 在将混合气体所含的杂质的至少一部 分除去或转化方面， 在要对该混合气体实施的前处理中包括放热反应的情况下， 分多段进 行前处理， 这种构成在该处理中防止过度的温度上升并将反应温度控制在适当范围内方面 是优选的。
在混合气体除含有氦以外还至少含有氧及氢的情况下， 优选前处理包括使氧和氢 发生反应生成水的第一处理、 和使氧与一氧化碳发生反应生成二氧化碳的、 第一处理之后 进行的第二处理。这种构成在混合气体除含有氦以外还至少含有氧及氢的情况下， 在实现
该氧及氢的除去或低浓度化方面是适合的。在第一处理中， 若在相对于氢存在过剩量的氧 的条件下使氢与氧发生反应， 则可以将混合气体中的氢相当程度地低浓度化 ( 即， 可以从 混合气体中将氢实质上除去 )。 在第二处理中， 若在相对于氧存在过剩量的一氧化碳的条件 下使氧与一氧化碳发生反应， 则可以将混合气体中的氧相当程度地低浓度化 ( 即， 可以从 混合气体中将氧实质上除去 )。 因此， 根据本构成， 例如， 在对混合气体根据需要添加规定量 的氧及氢并调节氧和氢的存在比之后， 在第一处理中， 通过在相对于氢存在规定过剩量的 氧的条件下， 使氢与氧发生反应生成水， 能够进行氢的除去 ； 其后， 在对混合气体添加了规 定量的一氧化碳之后， 在第二处理中， 通过在相对于氧存在规定过剩量的一氧化碳的条件 下， 使氧与一氧化碳发生反应生成二氧化碳， 能够进行氧的除去。根据这样的本构成， 在混 合气体含有氧及氢作为杂质的情况下， 可以在将难以通过使用适合氦精制的吸附剂进行的 PSA 法而除去的氢及氧一同在前处理 ( 第一处理、 第二处理 ) 中除去之后， 再用 PSA 法将容 易通过使用适合氦精制的吸附剂进行的 PSA 法而除去的一氧化碳及二氧化碳除去。这样的 本构成在将氦高纯度化方面是优选的。
另外， 在混合气体含有氦、 氧、 及氢以外还含有一氧化碳的情况下， 前处理优选还 包括使一氧化碳与氧发生反应生成二氧化碳的、 在第一处理之前进行的第三处理。在一氧 化碳阻碍第一处理的反应的情况下， 优选采用这种构成。 在第三处理中， 在相对于一氧化碳 存在过剩量的氧的条件下使一氧化碳与氧发生反应时， 可以将混合气体中的一氧化碳相当 程度地低浓度化 ( 即， 可以从混合气体中将一氧化碳实质上除去 )。因此， 根据本构成， 例 如， 在对混合气体根据需要添加规定量的氧之后， 在第三处理中， 通过在相对于一氧化碳存 在过剩量的氧的条件下， 使一氧化碳与氧发生反应生成二氧化碳， 能够进行一氧化碳的除 去； 在对混合气体根据需要添加规定量的氧及氢并调节氧和氢的存在比之后， 在第一处理 中， 通过在相对于氢存在规定过剩量的氧的条件下， 使氢与氧发生反应生成水， 能够进行氢 的除去 ； 其后， 在对混合气体添加了规定量的一氧化碳之后， 在第二处理中， 通过在相对于 氢存在规定过剩量的一氧化碳的条件下， 使氧与一氧化碳发生反应生成二氧化碳， 能够进 行氧的除去。 根据这种构成， 在混合气体含有氧、 氢、 及一氧化碳作为杂质的情况下， 能够在 该第一处理之前将可能成为第一处理的反应的阻碍因素的一氧化碳除去之后， 在将难以通 过使用适合氦精制的吸附剂进行的 PSA 法而除去的氢及氧一同在前处理 ( 第一处理、 第二 处理 ) 中除去之后， 再用 PSA 法将容易通过使用适合氦精制的吸附剂进行的 PSA 法而除去 的二氧化碳除去。这样的本构成在将氦高纯度化方面是优选的。
根据本发明的第三方面， 提供一种氦精制装置。本装置具备 ： 吸附塔， 其具有第一 气体通过口及第二气体通过口， 在该第一及第二气体通过口之间充填有吸附剂 ； 贮存槽， 其 用于将含有氦的混合气体在供给到吸附塔之前进行贮存 ； 第一管道， 其连接贮存槽及吸附 塔之间， 可以从贮存槽向吸附塔的第一气体通过口侧供给混合气体 ； 第二管道， 其连接于吸 附塔的第一气体通过口侧， 且具有气体排出端 ； 第三管道 ( 再循环管道 )， 其连接第二管道 和贮存槽。根据具备这种构成的本装置， 可以适当地执行本发明第一方面的上述氦精制方 法。
在本发明的第三方面中， 贮存槽具有可变的气体收容用容积。 这种构成， 如关于第 一方面的氦精制方法所述， 从缓和或抑制向用于执行 PSA 法的吸附塔或 PSA 装置供给的混 合气体的流量变动及成分变动的观点、 以及在贮存槽接收排放气体时避免与该贮存槽连通的吸附塔 ( 解吸工序中 ) 的内部压力 ( 解吸压力 ) 不正当地上升的观点出发， 是优选的。
根据本发明的第四方面， 提供一种氦精制装置。本装置具备 ： 多个吸附塔， 其具有 第一气体通过口及第二气体通过口， 在该第一及第二气体通过口之间充填有吸附剂 ； 贮存 槽， 其用于将含有氦的混合气体在供给到吸附塔之前进行贮存 ； 第一管道， 其连接贮存槽和 各吸附塔之间， 可以从贮存槽向各吸附塔的第一气体通过口侧供给混合气体 ； 第二管道， 其 具有具备气体排出端的主干路、 以及设置在每一吸附塔并连接于该吸附塔的第一气体通过 口侧的多个分支路 ； 第三管道， 其具有主干路、 以及每一吸附塔都设置并连接于该吸附塔的 第二气体通过口侧的多个分支路 ； 第四管道 ( 再循环管道 )， 其连接第二管道和贮存槽。根 据具备这种构成的本装置， 可以适当地执行本发明第一方面的上述氦精制方法及第二方面 的上述氦精制方法。
在本发明的第四方面中， 贮存槽具有可变的气体收容用容积。 这种构成， 如关于第 一或第二方面的氦精制方法所述， 从缓和或抑制向用于执行 PSA 法的吸附塔或 PSA 装置供 给的混合气体的流量变动及成分变动的观点、 在贮存槽接收排放气体时避免与该贮存槽连 通的吸附塔 ( 清洗工序中 ) 的内部压力 ( 清洗压力 ) 不正当地上升的观点、 以及在贮存槽 接收排放气体时避免与该贮存槽连通的吸附塔 ( 解吸工序中 ) 的内部压力 ( 解吸压力 ) 不 正当地上升的观点出发， 是优选的。 本发明第三及第四方面的氦精制装置中， 优选的是， 还具备用于检测储存槽的贮 存量的装置、 和用于控制从贮存槽向吸附塔供给的混合气体的流量的装置。这种构成在执 行上述第一优选的实施方式的混合气体供给流量的更新方面是适合的。
本发明第三及第四方面的氦精制装置优选还具备用于检测储存槽的贮存量的装 置、 用于控制从贮存槽向吸附塔供给的混合气体的流量的装置、 和用于检测向贮存槽供给 的混合气体的流量的装置。 这种构成在执行上述第二优选的实施方式的混合气体供给流量 的更新方面是适合的。
优选的是， 用于将混合气体中所含的杂质的至少一部分除去或转化的前处理系统 设置于第一管道。这种构成在得到高纯度氦方面是适合的。另外， 在前处理系统之前具备 用于暂时贮存气体的贮存槽的本构成， 在稳定而高效地进行用于将混合气体中所含的规定 的杂质除去或转化的前处理方面也是适合的。其理由在于， 在将缓和了流量变动的来自贮 存槽的混合气体供前处理系统的本构成中， 容易稳定对前处理系统的负荷。
优选的是， 前处理系统包含用于分多段进行前处理的多个处理槽。 例如， 在将混合 气体所含的杂质的至少一部分除去或转化方面， 在要对该混合气体实施的前处理中包含放 热反应的情况下， 前处理系统包括用于分多段进行前处理的多个处理槽， 这种构成在该前 处理中防止过度的温度上升并将反应温度控制在适当范围内方面是优选的。
在混合气体除含有氦以外还至少含有氧及氢的情况下， 优选的是， 前处理系统包 括： 第一处理槽， 其用于执行使氧和氢发生反应生成水的第一处理 ； 第二处理槽， 其用于在 第一处理之后执行使氧与一氧化碳发生反应生成二氧化碳的第二处理。 这种构成在混合气 体除含有氦以外还含有氧及氢的情况下， 实现该氧及氢的除去或低浓度化方面是适合的。
另外， 在混合气体除含有氦、 氧及氢以外还含有一氧化碳的情况下， 前处理系统优 选还包含第三处理槽， 该第三处理槽用于在第一处理之前执行使一氧化碳与氧发生反应生 成二氧化碳的第三处理。在一氧化碳阻碍第一处理的反应的情况下， 优选采用这种构成。
附图说明 图 1 表示本发明的氦精制装置的整体概要构成 ；
图 2 表示图 1 所示的氦精制装置的一部分的贮存系统的构成 ；
图 3 表示图 1 所示的氦精制装置的一部分的前处理系统的构成 ；
图 4 表示图 1 所示的氦精制装置的一部分的 PSA 系统的构成 ；
图 5 是对于图 4 所示的 PSA 装置执行的 PSA 法的步骤 1 ～ 5， 表示在各吸附塔内进 行的工序、 以及图 4 所示的 PSA 装置的各自动阀及再循环管道的自动阀的开闭状态的表 ；
图 6 是对于图 4 所示的 PSA 装置执行的 PSA 法的步骤 6 ～ 10， 表示在各吸附塔内进 行的工序、 以及图 4 所示的 PSA 装置的各自动阀及再循环管道的自动阀的开闭状态的表 ；
图 7 是对于图 4 所示的 PSA 装置执行的 PSA 法的步骤 11 ～ 15， 表示在各吸附塔 内进行的工序、 以及图 4 所示的 PSA 装置的各自动阀及再循环管道的自动阀的开闭状态的 表；
图 8 表示图 4 所示的 PSA 装置执行的 PSA 法的步骤 1 ～ 5 中的气体流动状态 ；
图 9 表示图 4 所示的 PSA 装置执行的 PSA 法的步骤 6 ～ 10 中的气体流动状态 ；
图 10 表示图 4 所示的 PSA 装置执行的 PSA 法的步骤 11 ～ 15 中的气体流动状态 ； 图 11 是表示实施例中的原料气体及精制气体的规格的表， 是一种汇总表。 符号说明 Y 氦精制装置 1 贮存系统 2 前处理系统 3 PSA 系统 4 再循环管道 10 储气罐 12 增压鼓风机 13 流量计 14 贮存量检测仪 15 浓度分析仪 16 流量控制部 20A、 20B、 20C 前处理槽 23 氧供给量控制部 24 氢供给量控制部 25 一氧化碳供给量控制部 28 氧浓度分析仪 29A、 29B、 29C、 29D 管道 30 PSA 装置 31A、 31B、 31C 吸附塔 31a、 31b 气体通过口 32 增压机33、 34、 35、 36 管道 37 氦浓度分析仪具体实施方式
图 1 表示本发明的氦精制装置 Y 的整体概要构成。氦精制装置 Y 构成为具备贮存 系统 1、 前处理系统 2、 PSA 系统 3 和再循环管道 4， 可以回收含有氦的原料气体 G0， 且连续地 精制氦。
原料气体 G0 为从光纤拉丝炉及金属热处理炉等中排出的、 含有氦作为主要成分的 气体， 至少从一个规定的部位 ( 图示略 ) 连续地或间断地排出。该废气 ( 原料气体 G0) 的 排出流量、 压力、 成分会变动， 有时还会急剧地变动。原料气体 G0 除含有氦以外， 作为杂质， 还含有氮、 氧、 一氧化碳及氢。主要的杂质为例如氮。原料气体 G0 的排出流量 ( 即， 向氦精 3 制装置 Y 供给的原料气体 G0 的供给流量 ) 例如为 10 ～ 100Nm /h。
如图 1 及图 2 所示， 构成氦精制装置 Y 的一部分的贮存系统 1 具备储气罐 10、 除尘 器 11、 增压鼓风机 12、 流量计 13、 贮存量检测仪 14、 浓度分析仪 15、 流量控制部 16、 及具有 原料气体导入端 E1 的管道 17。除尘器 11、 流量计 13、 储气罐 10、 增压鼓风机 12 及流量控 制部 16 在管道 17 内串联地配置。 储气罐 10 为用于暂时贮存含有氦的混合气体 ( 包含原料气体 G0) 的贮存槽。另 外， 在本实施方式中， 储气罐 10 构成为其气体收容用的容积可变。容积可变的储气罐 10 例 如由可缩放内部空间的袋体形成气体贮存空间。该袋体例如为树脂制袋体或布制袋体。储 气罐 10 的最大容积例如为 70 ～ 100m3。关于储气罐 10 的可变容积， 设定有上侧设定值 VH 3 及下侧设定值 VL。上侧设定值 VH 例如为 60 ～ 90m 。下侧设定值 VL 例如为 10 ～ 40m3。
除尘器 11 用于将作为来自炉的废气的原料气体 G0 中大多含有的粉尘及金属粉等 固体成分从原料气体 G0 中除去。这种除尘器 11 配置于储气罐 10 的上游侧， 例如， 具有规 定的除尘过滤器。
增压鼓风机 12 配置于储气罐 10 的下游侧， 以将原料气体 G0 输入到储气罐 10 的 方式进行运转。通过增压鼓风机 12 运转， 负压会作用于储气罐 10 的气体贮存空间， 原料气 体 G0 就会适当地流向储气罐 10。另外， 通过增压鼓风机 12 的运转， 从储气罐 10 中导出气 体 G1， 该气体 G1 向前处理系统 2 输送。
流量计 13 用于计测作为来自炉的废气的原料气体 G0 流入储气罐 10 的流量。贮 存量检测仪 14 用于计测储气罐 10 或其气体贮存空间所贮存的气体的贮存量。
浓度分析仪 15 用于测定经过储气罐 10 及增压鼓风机 12 的气体 G1 所含的各种杂 质的浓度。在浓度分析仪 15 中， 测定气体 G1 所含的例如氮、 氧、 一氧化碳及氢等各自的浓 度。
流量控制部 16 用于控制向前处理系统 2 等后部供给的气体 G1 的流量。这种流量 控制部 16 例如由可控制开度的阀构成。
构成氦精制装置 Y 的一部分的前处理系统 2 用于将不易通过后部的 PSA 系统 3 执 行的变压吸附法 (PSA 法 ) 而除去的杂质从气体 G1 中除去。在利用 PSA 法精制氦时， 作为不 易通过该 PSA 法除去的杂质， 可以举出氧及氢。另外， 氧大多在再利用精制后的氦时是有害 的物质， 因此很有必要除去。如图 1 及图 3 所示， 前处理系统 2 具备前处理槽 20A、 20B、 20C、
预热器 21、 冷却器 22A、 22B、 22C、 氧供给量控制部 23、 氢供给量控制部 24、 一氧化碳供给量 控制部 25、 温度计 26A、 26B、 26C、 流量控制部 27A、 27B、 氧浓度分析仪 28、 管道 29A、 29B、 29C、 29D、 及旁通管道 29b、 29c。前处理槽 20A、 20B、 20C 在气体路径上串联地连结。
前处理槽 20A 为用于将气体 G1 中的一氧化碳变成二氧化碳而实质上除去的转化 反应槽 ( 一氧化碳有时成为对于充填于后部的前处理槽 20B 的催化剂而言的催化剂毒物 )， 具有入口端 20a 及出口端 20b。在前处理槽 20A 内充填有促进下述反应式 (1) 所示的转化 反应的催化剂。 作为该催化剂， 可以采用例如铂系催化剂及钯系催化剂等贵金属系催化剂。
前处理槽 20B 为用于将经过前处理槽 20A 的处理而从前处理槽 20A 的出口端 20b 导出的气体 G1 中的氧及氢变成水而将其低浓度化或实质上除去的转化反应槽， 具有入口端 20a 及出口端 20b。在前处理槽 20B 内充填有促进下述反应式 (2) 所示的转化反应的催化 剂。作为该催化剂， 可以采用例如铂系催化剂及钯系催化剂等贵金属系催化剂。
前处理槽 20C 为用于将经过前处理槽 20B 的处理而从前处理槽 20B 的出口端 20b 导出的气体 G1 中的氧与一氧化碳反应而将氧低浓度化或将其实质上除去的转化反应槽， 具 有入口端 20a 及出口端 20b。在前处理槽 20C 内充填有促进上述反应式 (1) 所示的转化反 应的催化剂。作为该催化剂， 可以采用例如铂系催化剂及钯系催化剂等贵金属系催化剂。
预热器 21 用于将气体 G1 在到达前处理槽 20A 之前升温， 例如， 由电加热器构成。 氧供给量控制部 23 与图外的氧贮存部连结， 且与连接于前处理槽 20A 的入口端 20a 的管道 29A 连结。 这种氧供给量控制部 23 用于控制从氧贮存部根据需要向管道 29A 供给的氧的流 量， 例如， 由可控制开度及开启状态时间的阀构成。温度计 26A 用于测定导入前处理槽 20A 之前的气体 G1 的温度。
冷却器 22A 用于将经过前处理槽 20A 的处理从前处理槽 20A 的出口端 20b 导出的 气体 G1 冷却， 设置于管道 29B。这种冷却器 22A 例如由以冷却水为冷却介质的换热器构成。 以与该冷却器 22A 在管道上并联的方式设有旁通管道 29b， 在该旁通管道 29b 上设有流量控 制部 27A。流量控制部 27A 例如由可控制开度及开启状态时间的阀构成。氢供给量控制部 24 与图外的氢贮存部连结， 且与管道 29B 连结。 这种氢供给量控制部 24 用于控制从氢贮存 部根据需要供给到管道 29B 的氢的流量， 例如， 由可控制开度及开启状态时间的阀构成。温 度计 26B 用于测定导入前处理槽 20B 之前的气体 G1 的温度。
冷却器 22B 用于将经过前处理槽 20B 的处理从前处理槽 20B 的出口端 20b 导出的 气体 G1 冷却， 设置于管道 29C。这种冷却器 22B 例如由以冷却水为冷却介质的换热器构成。 以与该冷却器 22B 在管道上并联的方式设有旁通管道 29c， 在该旁通管道 29c 上设有流量 控制部 27B。流量控制部 27B 例如由可控制开度及开启状态时间的阀构成。一氧化碳供给 量控制部 25 与图外的一氧化碳贮存部连结， 且与管道 29C 连结。这种一氧化碳供给量控制 部 25 用于控制从一氧化碳贮存部根据需要供给到管道 29C 的一氧化碳的流量， 例如， 由可 控制开度及开启状态时间的阀构成。氧浓度分析仪 28 在向流过管道 29C 的气体 G1 中添加
一氧化碳之前测定气体 G1 的氧浓度。温度计 26C 用于测定导入前处理槽 20C 之前的气体 G1 的温度。
冷却器 22C 用于将经过前处理槽 20C 的处理从前处理槽 20C 的出口端 20b 导出的 气体 G1 冷却， 设置于管道 29D。这种冷却器 22C 例如由以冷却水为冷却介质的换热器构成。
如上所述， 本实施方式的前处理系统 2 具备三段转化反应槽， 但也可以根据在向 PSA 系统 3 供给气体 G1 之前要从该气体 G1 中除去的杂质的种类及量， 而将前处理系统 2 构 成为具备规定的一段转化反应槽， 也可以构成为具备规定的二段转化反应槽， 还可以构成 为具备规定的四段以上的转化反应槽。或者， 在向 PSA 系统 3 供给气体 G1 之前没有要从该 气体 G1 中除去的杂质的情况下， 也可以不设前处理系统 2。
如图 1 及图 4 所示， 构成氦精制装置 Y 的一部分的 PSA 系统 3 构成为具备 PSA 装 置 30。 PSA 装置 30 具备吸附塔 31A、 31B、 31C、 增压机 32、 管道 33 ～ 36、 氦浓度分析仪 37， 可 以利用变压吸附法 (PSA 法 )， 从来自前处理系统 2 的气体 G1( 含有氦 ) 中， 将氦浓缩分离。
吸附塔 31A、 31B、 31C 分别在两端具有气体通过口 31a、 31b， 在气体通过口 31a、 31b 之间充填有用于选择性地吸附气体 G1 所含的杂质的吸附剂。例如， 作为用于吸附作为杂质 的氮及一氧化碳的吸附剂， 可以使用合成沸石。 例如， 作为用于吸附作为杂质的二氧化碳的 吸附剂， 可以使用碳分子筛 (CMS)。 例如， 作为用于吸附作为杂质的水分的吸附剂， 可以使用 氧化铝凝胶。可以将一种吸附剂充填于吸附塔 31A、 31B、 31C 内， 也可以将多种吸附剂层叠 而充填于吸附塔 31A、 31B、 31C 内。关于向吸附塔 31A、 31B、 31C 内充填的吸附剂的种类及数 量， 根据要在吸附塔 31A、 31B、 31C 内除去的杂质的种类及量来决定。
增压机 32 具有气体吸入口 32a 及气体输出口 32b。气体吸入口 32a 与前处理系统 2 的管道 29D 连结。这种增压机 32 用于将从气体吸入口 32a 吸引的气体 G1 从气体输出口 32b 向吸附塔 31A、 31B、 31C 供给或输出， 例如为压缩机。
管道 33 具有连接于增压机 32 的气体输出口 32b 的主干路 33′、 及分别连接于吸 附塔 31A、 31B、 31C 的各气体通过口 31a 侧的分支路 33A、 33B、 33C。在分支路 33A、 33B、 33C 上附设有可以在开启状态和关闭状态之间进行切换的自动阀 33a、 33b、 33c。
管道 34 具有具备精制气体导出端 E2 的主干路 34′、 及分别连接于吸附塔 31A、 31B、 31C 的各气体通过口 31b 侧的分支路 34A、 34B、 34C。在分支路 34A、 34B、 34C 上附设有 可以在开启状态和关闭状态之间进行切换的自动阀 34a、 34b、 34c。
管道 35 具有主干路 35′、 及分别连接于吸附塔 31A、 31B、 31C 的各气体通过口 31b 侧的分支路 35A、 35B、 35C。在分支路 35A、 35B、 35C 上附设有可以在开启状态和关闭状态之 间进行切换的自动阀 35a、 35b、 35c。
管道 36 具有具备气体排出端 E3 的主干路 36 ′、 及分别连接于吸附塔 31A、 31B、 31C 的各气体通过口 31a 侧的分支路 36A、 36B、 36C。在分支路 36A、 36B、 36C 上附设有可以 在开启状态和关闭状态之间进行切换的自动阀 36a、 36b、 36c。
氦浓度分析仪 37 用于测定在管道 36 或主干路 36′内流动的气体的氦浓度。 作为 氦浓度分析仪 37， 例如， 可以采用构成为包含热导率仪的浓度分析仪。
如上所述， 本实施方式的 PSA 系统 3 或 PSA 装置 30 具备三个吸附塔 31A、 31B、 31C， 但也可以将 PSA 系统 3 构成为具备规定的一个吸附塔， 也可以构成为具备规定的二个吸附 塔， 还可以构成为具备规定的四个以上的吸附塔。如图 1 所示， 构成氦精制装置 Y 的一部分的再循环管道 4 将 PSA 系统 3 或 PSA 装 置 30 的上述管道 36 的、 氦浓度分析仪 37 更下游侧的部位、 与贮存系统 1 的上述储气罐 10 连结。在再循环管道 4 上附设有可以在开启状态和关闭状态之间进行切换的自动阀 4a。这 种再循环管道 4 用于使从 PSA 装置 30 的吸附塔 31A、 31B、 31C 的各气体通过口 31a 侧排出 的规定的气体返回到储气罐 10。
使用具有如上构成的氦精制装置 Y， 可以执行本发明的氦精制方法。
在贮存系统 1 中， 增压鼓风机 12 运转， 从管道 17 的原料气体导入端 E1 接收原料 气体 G0。接收到的原料气体 G0 通过除尘器 11 除去规定的固体成分， 由流量计 13 计测了流 量之后， 输入到储气罐 10。来自 PSA 系统 3 的规定的气体也输入到储气罐 10。当储气罐 10 的气体贮存空间的容积如上所述可变时， 贮存于储气罐 10 或其气体贮存空间的气体的 贮存量由贮存量检测仪 14 计测。而且， 从储气罐 10 中导出气体 G1。关于气体 G1， 由浓度分 析仪 15 测定各种杂质的浓度。将由浓度分析仪 15 测定的例如氧浓度设为 X1， 将例如一氧 化碳浓度设为 X2， 将例如氢浓度设为 X3。另外， 关于气体 G1， 由流量控制部 16 调节流量。在 PSA 系统 3 的吸附塔 31A、 31B、 31C 中的任一个塔开始后述的吸附工序时 ( 吸附塔切换时 )， 气体 G1 的流量进行更新。具体而言， 气体 G1 的流量例如按下面的方式进行更新。 首先， 对于由流量计 13 计测的原料气体 G0 的流量而言， 求出直到吸附塔 31A、 31B、 31C 的一个塔开始后述的吸附工序时 ( 吸附塔切换时 ) 的规定时间 ( 例如， 10 秒钟 ) 的平 均流量作为基准流量。其次， 将所求出的平均流量 ( 基准流量 ) 换算成相对于装置整体假 定或设定的负荷流量范围即流量控制部 16 的流量控制范围 ( 例如， 0 ～ 150Nm3/h) 的比例 (α％ )。利用该比例 (α％ )， 对气体 G1 计算出接下来要设定的流量。例如， 在吸附塔切 换时由贮存量检测仪 14 计测的储气罐 10 的气体贮存量为上述的上侧设定值 VH 以上的情 况下， 将 α％加上 β％， 计算出流量控制部 16 的流量控制范围 ( 例如， 0 ～ 150Nm3/h) 的 (α+β)％的流量， 采用该计算流量作为气体 G1 接下来的流量。例如， 在吸附塔切换时由贮 存量检测仪 14 计测的储气罐 10 的气体贮存量为上述的下侧设定值 VL 以下的情况下， 将 3 α％减去 β％， 计算出流量控制部 16 的流量控制范围 ( 例如， 0 ～ 150Nm /h) 的 (α-β)％ 的流量， 采用该计算流量作为气体 G1 接下来的流量。 例如， 在吸附塔切换时由贮存量检测仪 14 计测的储气罐 10 的气体贮存量小于上侧设定值 VH 且大于下侧设定值 VL 的情况下， 计算 3 出流量控制部 16 的流量控制范围 ( 例如， 0 ～ 150Nm /h) 的 α％的流量， 采用该计算流量 作为气体 G1 接下来的流量。对于气体 G1 而言， 这样所更新的流量直到切换至下一吸附塔时 都由流量控制部 16 来维持。
作为流量更新时的参数的 β 值， 对于原料气体 G0 的流量而言， 可以根据可事先掌 握的限度的变动量及变动时间来设定。通过适当地选择 β 值， 能够抑制储气罐 10 内的气 体贮存量的变动， 由储气罐 10 供给的气体 G1 的流量得以稳定化。由此， 能够减轻气体 G1 的 流量变化对后段的前处理系统 2 及 PSA 系统 3 带来的负荷变动， 能够实现负荷的稳定化。
受流量控制部 16 的流量控制的气体 G1 供给到前处理系统 2。在前处理系统 2 中， 气体 G1 被依次在前处理槽 20A 内除去一氧化碳 ( 第一段处理 )、 在前处理槽 20B 内使氧浓 度及氢浓度降低或除去氧及氢 ( 第二段处理 )、 在前处理槽 20C 内使氧浓度降低或除去氧 ( 第三段处理 )。 具体而言， 在前处理槽 20A 内， 如上所述， 通过反应式 (1) 所示的转化反应， 使气体 G1 中的一氧化碳变成二氧化碳而实质上除去。在前处理槽 20B 内， 如上所述， 通过
反应式 (2) 所示的转化反应， 使气体 G1 中的氧及氢变成水而实质上除去。在前处理槽 20C 内， 如上所述， 通过反应式 (1) 所示的转化反应， 使气体 G1 中的氧低浓度化或将其实质上除 去。
在气体 G1 导入前处理槽 20A 之前， 调节气体 G1 的温度。具体而言， 气体 G1 在管道 29A 上通过预热器 21 时被升温， 以使其由温度计 26A 测定的温度为例如 100 ～ 150℃。由 此， 前处理槽 20A 的反应温度采用例如 250℃以下。 在促进上述反应式 (1) 所示的转化反应 后， 前处理槽 20A 的反应温度优选为例如 100℃以上。 在充分抑制前处理槽 20A 内产生甲烷 的反应上， 前处理槽 20A 的反应温度优选为例如 250℃以下。
在气体 G1 导入前处理槽 20A 之前， 通过氧供给量控制部 23 的运转， 根据需要， 向 气体 G1 中添加规定量的氧。氧添加量基于由上述的浓度分析仪 15 测得的氧浓度 X1 及一氧 化碳浓度 X2 来决定。为了促进上述反应式 (1) 所示的转化反应， 并在前处理槽 20A 内充分 地除去一氧化碳， 导入前处理槽 20A 的气体 G1 所含的氧优选为导入前处理槽 20A 的气体 G1 所含的一氧化碳的 1.1 ～ 1.5 倍当量。在前处理槽 20A 内， 如上所述， 发生上述反应式 (1) 所示的转化反应， 将气体 G1 中的一氧化碳变成二氧化碳而实质上除去。
在前处理槽 20A 之后， 在气体 G1 导入前处理槽 20B 之前， 调节气体 G1 的温度。具 体而言， 调节通过设置于主管道即管道 29B 的冷却器 22A 的气体和通过旁通管道 29b 的气 体的流量比， 由此来调节导入前处理槽 20B 之前的气体 G1 的温度， 以使其由温度计 26B 测 定的温度为例如 50 ～ 60℃。流量比的调节通过流量控制部 27A 的运转来进行。通过这种 方法， 前处理槽 20B 的反应温度成为例如 100 ～ 350℃。在促进上述反应式 (2) 所示的转 化反应时， 前处理槽 20B 的反应温度优选为 100 ～ 350℃。另外， 当假定在前段的前处理槽 20A 内通过氢和氧的反应产生水作为副生成物时， 水分会成为阻碍前处理槽 20B 内的催化 剂活性的主要原因， 因此导入前处理槽 20B 的气体 G1 的温度优选为露点温度 ( 例如 50℃ ) 以上。
在气体 G1 导入前处理槽 20B 之前， 通过氢供给量控制部 24 的运转， 根据需要， 向气 体 G1 中添加规定量的氢。氢添加量基于由上述的浓度分析仪 15 测得的氧浓度 X1、 一氧化 碳浓度 X2 及氢浓度 X3、 以及在前处理槽 20A 之前所添加的氧量来决定。当上述反应式 (2) 所示的转化反应为放热反应时， 导入前处理槽 20B 的气体 G1 所含的氧优选为前处理槽 20B 的反应温度不超过 350℃左右的量。在前处理槽 20B 内， 如上所述， 发生上述反应式 (2) 所 示的转化反应， 使气体 G1 中的氧及氢变成水而低浓度化或将其实质上除去。
在前处理槽 20B 之后， 在气体 G1 导入前处理槽 20C 之前， 调节气体 G1 的温度。具 体而言， 调节通过设置于主管道即管道 29C 的冷却器 22B 的气体和通过旁通管道 29c 的气 体的流量比， 由此来调节导入前处理槽 20C 之前的气体 G1 的温度， 以使其由温度计 26C 测 定的温度为例如 100 ～ 150℃。流量比的调节通过流量控制部 27B 的运转来进行。通过这 种方法， 前处理槽 20C 的反应温度成为例如 250℃以下。 在促进上述反应式 (1) 所示的转化 反应上， 前处理槽 20C 的反应温度优选为 100℃以上。 在充分抑制前处理槽 20C 内产生甲烷 的反应上， 前处理槽 20C 的反应温度优选为例如 250℃以下。
在气体 G1 导入前处理槽 20C 之前， 在由氧浓度分析仪 28 测定了的气体 G1 的氧浓 度之后， 通过一氧化碳供给量控制部 25 的运转， 向气体 G1 中添加必要量的一氧化碳。一氧 化碳添加量基于由氧浓度分析仪 28 测定的氧浓度来决定。在前处理槽 20C 内， 如上所述，通过反应式 (1) 所示的转化反应， 使气体 G1 中的氧低浓度化或将其实质上除去。为了促进 上述反应式 (1) 所示的转化反应， 并在前处理槽 20C 内充分地除去氧， 导入前处理槽 20C 的 气体 G1 所含的一氧化碳优选为导入前处理槽 20C 的气体 G1 所含的氧的 1.1 ～ 1.5 倍当量。 在从由氦精制装置 Y 精制的氦中除去氧的情况下， 在前处理槽 20B 内能够充分地除去氧的 情况下， 也可以不必设置前处理槽 20C 及配置于其之前的温度调节装置等。
在经过前处理槽 20C 之后， 气体 G1 通过冷却器 22C， 由此进行温度调节。通过冷却 器 22C 之后的气体 G1 的温度为例如 20 ～ 40℃。
在前处理系统 2 中接受了规定的前处理的气体 G1 供给到 PSA 系统 3。在 PSA 系 统 3 及再循环管道 4 中， 在 PSA 装置 30 驱动时， 通过以图 5 ～图 7 所示的形式切换自动阀 33a ～ 33c、 34a ～ 34c、 35a ～ 35c、 36a ～ 36d、 4a， 可以在装置内实现所希望的气体的流动 状态， 重复由下面的步骤 1 ～ 15 构成的一个循环 ( 在图 5 ～图 7 中， 用○表示各自动阀的 开启状态， 且用 × 表示关闭状态 )。 在本方法的一个循环中， 在吸附塔 31A、 31B、 31C 的各塔 内， 进行吸附工序、 第一减压工序、 第二减压工序、 第一解吸工序、 第二解吸工序、 第一清洗 工序、 第二清洗工序、 第一增压工序及第二增压工序。图 8 表示步骤 1 ～ 5 的 PSA 装置 30 中的气体流动状态。图 9 表示步骤 6 ～ 10 的 PSA 装置 30 中的气体流动状态。图 10 表示 步骤 11 ～ 15 的 PSA 装置 30 中的气体流动状态。
在步骤 1 中， 如图 5 所示选择各自动阀的开闭状态， 且增压机 32 进行工作， 由此来 实现图 8(a) 所示的气体流动状态， 在吸附塔 31A 内进行吸附工序， 在吸附塔 31B 内进行第 一清洗工序， 在吸附塔 31C 内进行第一减压工序。
一并参照图 4 及图 8(a) 可以很好地理解， 在步骤 1 中， 向处于规定的高压状态的 吸附塔 31A 的气体通过口 31a 侧导入气体 G1， 将该气体 G1 中的杂质 ( 氮、 一氧化碳、 二氧化 碳、 水等 ) 吸附于吸附塔 31A 内的吸附剂， 且氦富化后的精制气体 G2 从吸附塔 31A 的气体 通过口 31b 侧导出。精制气体 G2 经由管道 34 从精制气体导出端 E2 输出到装置外。与此 同时， 在步骤 1 中， 经过后述的步骤 11 ～ 15( 吸附工序 ) 的吸附塔 31C 的内部被降压， 从吸 附塔 31C 的气体通过口 31b 侧导出气体 G3。该气体 G3 经由管道 35 导入吸附塔 31B。与此 同时， 在步骤 1 中， 来自吸附塔 31C 的气体 G3 作为清洗气体被导入经过后述的步骤 15( 第 二解吸工序 ) 的吸附塔 31B 的气体通过口 31b 侧， 且从吸附塔 31B 的气体通过口 31a 侧导 出气体 G3′ ( 净化气体 )。该气体 G3′经由管道 36 从排出端 E3 排出到装置外。
当从处于第一清洗工序的吸附塔 31B 中导出的气体 G3′的杂质含有率在第一清洗 工序开始以后处于逐渐降低的趋势 ( 即， 从吸附塔 31B 中导出的气体 G3′的氦浓度在第一 清洗工序开始以后处于逐渐上升的趋势 ) 时， 步骤 1 结束的时机、 即在吸附塔 31B 中从第一 清洗工序切换到第二清洗工序的时机可以基于流过管道 36 或主干路 36′的气体 G3′的氦 浓度来决定 ( 第一方法 )。流过管道 36 的气体 G3′的氦浓度可以通过氦浓度分析仪 37 进 行测定。步骤 1 结束的时机例如设定为由氦浓度分析仪 37 测定的气体 G3′的氦浓度达到 所希望的值的时间点。
或者， 步骤 1 结束的时机也可以基于从吸附塔 31B 中进行的第一清洗工序开始起 计的时间来决定 ( 第二方法 )。具体而言， 也可以在规定条件下， 事先调查好第一清洗工序 开始起计的时间与来自吸附塔 31B 的气体 G3′的氦浓度的关系， 且导出气体 G3′的氦浓度 上升到所希望的氦浓度 X4 所需要的时间 ( 第一清洗工序开始起计的时间 ) 作为预测时间之后， 在经过了该预测时间的时间点结束步骤 1。
或者， 步骤 1 结束的时机也可以以一个上一循环的步骤 1 的执行时间为基准， 并基 于该上一循环的该步骤 1 的气体 G3′的氦浓度来决定 ( 第三方法 )。 具体而言， 在一个上一 循环中， 在吸附塔 31B 内进行第一解吸工序 ( 上一循环的步骤 1) 时， 获得该第一解吸工序 的执行时间 T1 和该第一解吸工序结束时间点的气体 G3′的氦浓度 X4′。然后， 将该氦浓度 X4′与第二方法相关的上述所希望的氦浓度 X4 进行比较。在 X4 ＜ X4′的情况下， 将本步骤 1 执行的时间设定为 T1-t1， 比上一循环的步骤 1 的执行时间 T1 短。在 X4 ＞ X4′的情况下， 将本步骤 1 执行的时间设定为 T1+t2， 比上一循环的步骤 1 的执行时间 T1 长。t1 为例如 1 ～ 3 秒， t2 为例如 1 ～ 3 秒。在采用本方法的情况下， 关于最初的循环的步骤 1 的结束时机， 可以采用上述第二方法的预测时间。由于以氦浓度分析仪 37 测定氦浓度需要较长时间， 因 此在采用上述第一方法不能以适当的时机结束步骤 1 的情况下， 优选采用这种第三方法。
步骤 1 结束后， 在步骤 2 中， 如图 5 所示选择各自动阀的开闭状态， 且增压机 32 进 行工作， 由此来实现图 8(b) 所示的气体流动状态， 在吸附塔 31A 内进行吸附工序， 在吸附塔 31B 内进行第二清洗工序， 在吸附塔 31C 内进行第一减压工序。
一并参照图 4 及图 8(b) 可以很好地理解， 在步骤 2 中， 在吸附塔 31A 内， 接着步骤 1 进行吸附工序， 导出精制气体 G2。与此同时， 在步骤 2 中， 在吸附塔 31C 内， 接着步骤 1 进 行第一减压工序。与此同时， 在步骤 2 中， 接着步骤 1 向吸附塔 31B 的气体通过口 31b 侧导 入来自吸附塔 31C 的气体 G3 作为清洗气体， 且从吸附塔 31B 的气体通过口 31a 侧导出气体 G3″ ( 净化气体 )。该气体 G3″经由管道 36 及再循环管道 4 导入储气罐 10， 贮存于储气罐 10。
在步骤 3 中， 如图 5 所示选择各自动阀的开闭状态， 且增压机 32 进行工作， 由此来 实现图 8(c) 所示的气体流动状态， 在吸附塔 31A 内进行吸附工序， 在吸附塔 31B 内进行第 一增压工序， 在吸附塔 31C 内进行第二减压工序。
一并参照图 4 及图 8(c) 可以很好地理解， 在步骤 3 中， 在吸附塔 31A 内， 接着步骤 2 进行吸附工序， 导出精制气体 G2。与此同时， 在步骤 3 中， 在吸附塔 31C 内， 接着步骤 2 将 吸附塔 31C 的内部降压， 从吸附塔 31C 的气体通过口 31b 侧导出气体 G4。该气体 G4 经由管 道 35 导入吸附塔 31B。与此同时， 在步骤 3 中， 向吸附塔 31B 的气体通过口 31b 侧导入来自 吸附塔 31C 的气体 G4 作为增压气体， 吸附塔 31B 的内部被增压。
在步骤 4 中， 如图 5 所示选择各自动阀的开闭状态， 且增压机 32 进行工作， 由此来 实现图 8(d) 所示的气体流动状态， 在吸附塔 31A 内进行吸附工序， 在吸附塔 31B 内进行第 二增压工序， 在吸附塔 31C 内进行第一解吸工序。
一并参照图 4 及图 8(d) 可以很好地理解， 在步骤 4 中， 在吸附塔 31A 内， 接着步骤 3 进行吸附工序， 导出精制气体 G2。精制气体 G2 的一部分导入吸附塔 31B。与此同时， 在步 骤 4 中， 向吸附塔 31B 的气体通过口 31b 侧导入来自吸附塔 31A 的精制气体 G2 作为增压气 体， 吸附塔 31B 的内部被增压。与此同时， 在步骤 4 中， 吸附塔 31C 的内部被降压， 从吸附塔 31C 内的吸附剂中解吸杂质， 从吸附塔 31C 的气体通过口 31a 侧导出气体 G5( 排放气体 )。 该气体 G5 经由管道 36 及再循环管道 4 导入储气罐 10， 贮存于储气罐 10。
当从处于第一解吸工序的吸附塔 31C 中导出的气体 G5 的杂质含有率在第一解吸 工序开始以后处于逐渐上升的趋势 ( 即， 从吸附塔 31C 中导出的气体 G5 的氦浓度在第一解吸工序开始以后处于逐渐降低的趋势 ) 时， 步骤 4 结束的时机、 即吸附塔 31C 从第一解吸工 序切换到第二解吸工序的时机可以基于流过管道 36 或主干路 36′的气体 G5 的氦浓度来决 定 ( 第一方法 )。流过管道 36 的气体 G5 的氦浓度可以通过氦浓度分析仪 37 进行测定。步 骤 4 结束的时机例如设定为由氦浓度分析仪 37 测定的气体 G3′的氦浓度达到所希望的值 的时间点。
或者， 步骤 4 结束的时机也可以基于从吸附塔 31C 中进行的第一解吸工序开始起 计的时间来决定 ( 第二方法 )。具体而言， 也可以在规定条件下， 事先调查好第一解吸工序 开始起计的时间与来自吸附塔 31C 的气体 G5 的氦浓度的关系， 且导出气体 G5 的氦浓度降低 到所希望的氦浓度 X5 所需要的时间 ( 第一解吸工序开始起计的时间 ) 作为预测时间之后， 在经过了该预测时间的时间点结束步骤 4。
或者， 步骤 4 结束的时机也可以以一个上一循环的步骤 4 的执行时间为基准， 并基 于该上一循环的该步骤 4 的气体 G5 的氦浓度来决定 ( 第三方法 )。 具体而言， 在一个上一循 环中， 在吸附塔 31C 内进行第一解吸工序 ( 上一循环的步骤 4) 时， 获得该第一解吸工序的 执行时间 T2 和该第一解吸工序结束时间点的气体 G5 的氦浓度 X5′。然后， 将该氦浓度 X5′ 与第二方法相关的上述的所希望的氦浓度 X5 进行比较。在 X5 ＜ X5′的情况下， 将本步骤 4 执行的时间设定为 T2+t1， 比上一循环的步骤 4 的执行时间 T2 长。在 X5 ＞ X5′的情况下， 将 本步骤 4 执行的时间设定为 T2-t2， 比上一循环的步骤 4 的执行时间 T2 短。t1 为例如 1 ～ 3 秒， t2 为例如 1 ～ 3 秒。在采用本方法的情况下， 关于最初的循环的步骤 4 的结束时机， 可 以采用上述第二方法的预测时间。由于以氦浓度分析仪 37 测定氦浓度需要较长时间， 因此 在采用上述第一方法不能以适当的时机结束步骤 4 的情况下， 优选采用这种第三方法。
步骤 4 结束后， 在步骤 5 中， 如图 5 所示选择各自动阀的开闭状态， 且增压机 32 进 行工作， 由此来实现图 8(e) 所示的气体流动状态， 在吸附塔 31A 内进行吸附工序， 在吸附塔 31B 内进行第二增压工序， 在吸附塔 31C 内进行第二解吸工序。
一并参照图 4 及图 8(e) 可以很好地理解， 在步骤 5 中， 在吸附塔 31A 内， 接着步骤 4 进行吸附工序， 导出精制气体 G2。精制气体 G2 的一部分导入吸附塔 31B。与此同时， 在步 骤 5 中， 在吸附塔 31B 内， 接着步骤 4 将内部增压。与此同时， 在步骤 5 中， 接着步骤 4 将吸 附塔 31C 的内部降压， 从吸附塔 31C 内的吸附剂中进一步解吸杂质， 从吸附塔 31C 的气体通 过口 31a 侧导出气体 G6( 排放气体 )。该气体 G6 经由管道 36 从气体排出端 E3 排出到装置 外。
在步骤 1 ～ 5 中， 处于吸附工序的吸附塔 31A 的内部的最高压力为例如 700 ～ 2000kPa( 表压 )。步骤 1 的第一清洗工序的结束时间点的吸附塔 31C 的内部压力为例如 300 ～ 1500kPa( 表压 )。步骤 1 ～ 2 的第一减压工序的结束时间点的吸附塔 31C 的内部压 力 ( 第一中间压力 ) 为例如 200 ～ 1200kPa( 表压 )。步骤 3 的第二减压工序的结束时间 点的吸附塔 31C 的内部压力 ( 第二中间压力 ) 为例如 100 ～ 1000kPa( 表压 )。步骤 4 的 第一解吸工序的结束时间点的吸附塔 31C 的内部压力为例如 50 ～ 500kPa( 表压 )。步骤 5 的第二解吸工序的结束时间点的吸附塔 31C 的内部压力为例如 0 ～ 30kPa( 表压 )。
在步骤 6 ～ 10 中， 与步骤 1 ～ 5 中在吸附塔 31A 内进行的工序同样地， 如图 9 所 示， 在吸附塔 31B 内进行吸附工序。与此同时， 在步骤 6 ～ 10 中， 与步骤 1 ～ 5 中在吸附塔 31B 内进行的工序同样地， 如图 9 所示， 在吸附塔 31C 内进行第一清洗工序 ( 步骤 6)、 第二清洗工序 ( 步骤 7)、 第一增压工序 ( 步骤 8) 及第二增压工序 ( 步骤 9、 10)。与此同时， 在 步骤 6 ～ 10 中， 与步骤 1 ～ 5 中在吸附塔 31C 内进行的工序同样地， 如图 9 所示， 在吸附塔 31A 内进行第一减压工序 ( 步骤 6、 7)、 第二减压工序 ( 步骤 8)、 第一解吸工序 ( 步骤 9) 及 第二解吸工序 ( 步骤 10)。
作为步骤 6 结束的时机 ( 即， 吸附塔 31C 从第一清洗工序切换到第二清洗工序的 时机 ) 的决定方法， 可以采用步骤 1 的结束时机相关的上述的第一方法、 第二方法或第三方 法。另外， 作为步骤 9 结束的时机 ( 即， 吸附塔 31A 从第一解吸工序切换到第二解吸工序的 时机 ) 的决定方法， 可以采用步骤 4 的结束时机相关的上述的第一方法、 第二方法或第三方 法。
在步骤 11 ～ 15 中， 与步骤 1 ～ 5 中在吸附塔 31A 内进行的工序同样地， 如图 10 所 示， 在吸附塔 31C 内进行吸附工序。与此同时， 在步骤 11 ～ 15 中， 与步骤 1 ～ 5 中在吸附 塔 31B 内进行的工序同样地， 如图 10 所示， 在吸附塔 31A 内进行第一清洗工序 ( 步骤 11)、 第二清洗工序 ( 步骤 12)、 第一增压工序 ( 步骤 13) 及第二增压工序 ( 步骤 14 ～ 15)。与 此同时， 在步骤 11 ～ 15 中， 与步骤 1 ～ 5 中在吸附塔 31C 内进行的工序同样地， 如图 10 所 示， 在吸附塔 31B 内进行第一减压工序 ( 步骤 11 ～ 12)、 第二减压工序 ( 步骤 13)、 第一解 吸工序 ( 步骤 14) 及第二解吸工序 ( 步骤 15)。
作为步骤 11 结束的时机 ( 即， 吸附塔 31A 从第一清洗工序切换到第二清洗工序的 时机 ) 的决定方法， 可以采用步骤 1 的结束时机相关的上述的第一方法、 第二方法或第三方 法。另外， 作为步骤 14 结束的时机 ( 即， 吸附塔 31B 从第一解吸工序切换到第二解吸工序 的时机 ) 的决定方法， 可以采用步骤 4 的结束时机相关的上述的第一方法、 第二方法或第三 方法。
如上所述， 从 PSA 系统 3 或 PSA 装置 30 中持续输出氦富化后的精制气体 G2。
在使用氦精制装置 Y 进行的以上的氦精制方法中， 在吸附塔 31A、 31B、 31C 各塔内 执行包括上述这种吸附工序、 第一减压工序、 第二减压工序、 第一解吸工序、 第二解吸工序、 第一清洗工序、 第二清洗工序、 第一增压工序及第二增压工序的 PSA 法， 由此实现作为混合 气体的气体 G1 中的氦的富化。气体 G1 在将上述的原料气体 G0、 气体 G3″及气体 G5 暂时输 入到储气罐 10 之后， 再从该储气罐 10 向用于执行 PSA 法的 PSA 系统 3 或 PSA 装置 30( 包 括吸附塔 31A、 31B、 31C) 供给。 即使在输入到储气罐 10 的原料气体 G0 的流量、 压力、 成分带 有变动的情况下， 流量变动、 压力变动、 成分变动也通过该原料气体 G0 暂时输入到储气罐 10 而将其贮存及混合， 在从该储气罐 10 中导出的气体 G1 中得到抑制。因此， 根据本方法， 即 使在氦富化时利用 PSA 法， 也容易与原料气体 G0 的流量变动、 压力变动、 成分变动相对应。
此外， 根据本方法， 对于精制气体 G2( 高纯度化的氦 ) 而言， 容易实现高的收率。 其 理由如下所述。
第一， 在本方法中， 可以将从处于上述的解吸工序 ( 第一解吸工序、 第二解吸工 序 ) 的吸附塔 31A、 31B、 31C 中持续导出的气体 ( 排放气体 ) 中氦浓度相对高的排放气体 ( 气体 G5) 导入储气罐 10， 且将该排放气体供给由 PSA 法进行的再度氦富化。当吸附工序 中吸附于吸附剂的杂质 ( 例如 ： 氮、 一氧化碳、 二氧化碳等 ) 在解吸工序中从吸附剂中解吸 时， 在该解吸工序中， 平均每单位压力的杂质解吸量随着塔内压力降低而增大。因此， 从处 于解吸工序的吸附塔 31A、 31B、 31C 中导出的排放气体的杂质含有率在解吸工序开始以后处于逐渐上升的趋势。 在本方法中， 在该排放气体的杂质含有率充分低的期间内， 可以进行 将排放气体 ( 气体 G5) 导入储气罐 10 的第一解吸工序， 在该排放气体的杂质含有率为规定 以上的期间内， 可以进行将排放气体 ( 气体 G6) 排出到系统外的第二解吸工序。
第二， 在本方法中， 可以将从处于上述的清洗工序 ( 第一清洗工序、 第二清洗工 序 ) 的吸附塔 31A、 31B、 31C 中持续导出的气体 ( 净化气体 ) 中氦浓度相对高的净化气体 ( 气体 G3″ ) 导入储气罐 10， 且将该净化气体供给由 PSA 法进行的氦富化。由于清洗工序 越进展， 吸附剂越净化， 因此从处于清洗工序的吸附塔 31A、 31B、 31C 中导出的净化气体的 杂质含有率在清洗工序开始以后处于逐渐降低的趋势。在本方法中， 直到净化气体的杂质 含有率充分降低， 都可以进行将净化气体 ( 气体 G3′ ) 排出到系统外的第一清洗工序， 在净 化气体的杂质含有率充分降低以后， 可以进行将净化气体 ( 气体 G3″ ) 导入储气罐 10 的第 二清洗工序。
如上所述， 本发明的氦精制方法适合利用 PSA 法以高收率得到高纯度氦。
本方法使用的储气罐 10 的气体收容用容积如上所述是可变的。这种构成在储气 罐 10 与输入到储气罐 10 的原料气体 G0、 气体 G3″、 及气体 G5 的流量变动 ( 尤其是原料气体 G0 的流量变动 ) 及压力变动相对应方面是适合的。 另外， 从在储气罐 10 中接收气体 G3″ ( 净 化气体 ) 时避免与该储气罐 10 连通的吸附塔 ( 清洗工序中 ) 的内部压力不正当地上升的 观点出发， 本构成也是优选的。此外， 从在储气罐 10 中接收气体 G5( 排放气体 ) 时避免与 该储气罐 10 连通的吸附塔 ( 解吸工序中 ) 的内部压力不正当地上升的观点出发， 本构成也 是优选的。
在本方法中， 如上所述， 吸附塔 31A、 31B、 31C 各塔的减压工序包括从该减压工序 开始到中途时从该吸附塔中导出气体 G3 的第一减压工序、 和从该吸附塔中导出气体 G4 的、 第一减压工序之后的第二减压工序， 将气体 G3 作为清洗气体导入处于清洗工序的另一吸附 塔， 将气体 G4 导入处于第一增压工序的另一吸附塔。当从处于减压工序的吸附塔 31A、 31B、 31C 中导出的气体的氦浓度比较高时， 根据这种构成， 利用从处于减压工序的吸附塔 31A、 31B、 31C 中导出的气体， 可以在另一吸附塔内高效地进行清洗工序及增压工序。即， 根据这 种构成， 可以有机地利用在多个吸附塔 31A、 31B、 31C 各塔内进行的工序， 高效地进行用于 氦富化的 PSA 法。
在本方法中， 在将处于解吸工序 ( 第一解吸工序、 第二解吸工序 ) 的吸附塔 31A、 31B、 31C 内部的最低压力设定为 0％、 且将处于吸附工序的吸附塔 31A、 31B、 31C 内部的最高 压力设定为 100％的情况下， 第一减压工序结束时的吸附塔 31A、 31B、 31C 内部的第一中间 压力优选在 35 ～ 80％的范围内， 且第二减压工序结束时的吸附塔 31A、 31B、 31C 内部的第二 中间压力比第一中间压力小， 优选在 15 ～ 50％的范围内。 这种构成有助于高效地进行清洗 工序及增压工序。
在本方法中， 如上所述， 增压工序包括将从处于第二减压工序的吸附塔 31A、 31B、 31C 的一个塔中导出的气体 G4 导入增压对象的吸附塔 31A、 31B、 31C 的一个塔内的第一增压 工序、 和向该吸附塔导入精制气体 G2 的、 第一增压工序之后的第二增压工序。这种构成在 各吸附塔中高效地进行增压工序及其后的吸附工序方面是适合的。
在本方法中， 当执行 PSA 法时， 在将处于解吸工序 ( 第一解吸工序、 第二解吸工序 ) 的吸附塔 31A、 31B、 31C 的内部降压时， 不使用真空泵。因此， 吸附塔 31A、 31B、 31C 的内部的最低压力为大气压以上。这种构成在用于执行 PSA 法的吸附塔 31A、 31B、 31C 或 PSA 装置 30 与来自储气罐 10 的气体 G1 的流量变动 ( 即， 对装置的负荷变动 ) 相对应方面是适合的。
在本方法中， 如上所述， 从储气罐 10 向 PSA 系统 3 或吸附塔 31A、 31B、 31C 供给的 气体 G1 的流量在吸附塔 31A、 31B、 31C 内开始吸附工序时进行更新。这种构成在减轻对用 于执行 PSA 法的吸附塔或 PSA 装置的负荷方面是适合的。
在本方法中， 对于储气罐 10 的贮存量而言， 如上所述， 设定上侧设定值 VH 及下侧 设定值 VL， 且在气体 G1 的供给流量更新时提前得到输入到储气罐 10 的原料气体 G0 的平均 流量作为基准流量。并且， 在本方法中， 在气体 G1 的供给流量更新时， 如上所述， 在储气罐 10 内的气体贮存量为上侧设定值 VH 以上的情况下， 以大于基准流量的流量为气体 G1 的供 给流量 ； 在储气罐 10 内的气体贮存量小于上侧设定值 VH 且大于下侧设定值 VL 的情况下， 以 基准流量为气体 G1 的供给流量 ； 在储气罐 10 内的气体贮存量为下侧设定值 VL 以下的情况 下， 以小于基准流量的流量为气体 G1 的供给流量。在这种方法中， 在气体 G1 的供给流量更 新时， 有时在储气罐 10 内的气体贮存量为上侧设定值 VH 以上的情况下， 增大气体 G1 的供给 流量 ； 在储气罐 10 内的气体贮存量小于上侧设定值 VH 且大于下侧设定值 VL 的情况下， 不变 更气体 G1 的供给流量 ； 在储气罐 10 内的气体贮存量为下侧设定值 VL 以下的情况下， 降低气 体 G1 的供给流量。 以上这种构成在储气罐 10 与输入到储气罐 10 的原料气体 G0、 气体 G3″、 及气体 G5 的流量变动 ( 尤其是原料气体 G0 的流量变动 ) 相对应方面， 并且在减轻对前处理 系统 2、 及用于执行 PSA 法的 PSA 装置 30 或吸附塔 31A、 31B、 31C 的负荷变动而实现负荷的 稳定化方面， 是适合的。当前处理系统 2 的前处理包含的上述反应式 (1) 所示的转化反应 及上述反应式 (2) 所示的转化反应都为放热反应时， 减轻对前处理系统 2 的负荷变动而实 现负荷的稳定化， 对该放热反应防止过度的温度上升并将反应温度控制在适当范围内方面 是优选的。
在本方法中， 在气体 G1 供给到 PSA 系统 3 的吸附塔 31A、 31B、 31C 之前， 对来自储 气罐 10 的气体 G1， 在前处理系统 2 中， 实施用于将该气体 G1 所含的杂质的至少一部分除去 或转化的前处理。这种构成在得到高纯度氦方面是适合的。
在本方法中， 如上所述， 将在前处理系统 2 中要对气体 G1 实施的前处理分为多段 ( 第一段～第三段 ) 来进行。当第一段处理及第三段处理中的上述反应式 (1) 所示的转化 反应、 以及第二段处理中的上述反应式 (2) 所示的转化反应都为放热反应时， 将前处理分 为多段而进行的构成在对于该前处理包含的放热反应防止过度的温度上升并将反应温度 控制在适当范围内方面是优选的。
在本方法中， 如上所述， 在前处理系统 2 的前处理槽 20A 中， 在相对于一氧化碳存 在过剩量的氧的条件下， 通过使一氧化碳与氧发生反应， 可以进行一氧化碳的除去。 这种一 氧化碳的除去， 在一氧化碳对于充填在后部的前处理槽 20B 内的催化剂而言成为催化剂毒 物的情况下适当地发生前处理槽 20B 内的转化反应方面， 是优选的。
在本方法中， 如上所述， 在前处理系统 2 的前处理槽 20B 中， 在相对于氢存在过剩 量的氧的条件下， 通过使氢和氧发生反应生成水， 可以进行氢的除去。与此同时， 在本方法 中， 如上所述， 在前处理槽 20C 中， 在相对于氧存在过剩量的一氧化碳的条件下， 通过使氧 和一氧化碳发生反应生成二氧化碳， 可以进行氧的除去。而且， 在本方法中， 利用由 PSA 系 统 3 实施的 PSA 法， 可以将前处理系统 2 中产生的二氧化碳及所添加的一氧化碳从气体 G1中除去。这样， 根据本方法， 可以在将难以通过使用适合氦精制的吸附剂进行的 PSA 法而除 去的氢及氧一同在前处理系统 2 中 (PSA 系统 3 之前 ) 除去之后， 将容易通过使用适合氦精 制的吸附剂进行的 PSA 法而除去的一氧化碳及二氧化碳在 PSA 系统 3 中除去， 因而， 能够将 氦适当地高纯度化。
在本方法中， 在前处理系统 2 之后， 在将气体 G1 供给到吸附塔 31A、 31B、 31C 之前， 由增压机 32 将气体 G1 增压。这种构成在对气体 G1 在前处理系统 2 中实施了前处理之后适 当地执行 PSA 法方面是适合的。
实施例
使用图 1 ～图 4 所示的氦精制装置 Y， 从规定的原料气体 G0 中将氦浓缩分离。本 实施例的原料气体 G0 为从光纤拉丝炉中排出的气体， 含有作为精制对象气体的氦。该原料 气体 G0 的规格登载在图 11 的表中。
在本实施例中， 在贮存系统 1 中， 向储气罐 10 输入原料气体 G0， 且从储气罐 10 向 后段 ( 前处理系统 2、 PSA 系统 3) 持续供给气体 G1， 关于气体 G1 的流量， 在 PSA 系统 3 的吸 附塔 31A、 31B、 31C 中的任一塔开始吸附工序时 ( 吸附塔切换时 ) 进行了更新。本实施例使 用的储气罐 10 由可缩放内部空间的袋体形成气体贮存空间， 该袋体由聚乙烯膜 ( 内层 )、 聚 氨酯膜 ( 中间层 ) 和超隔离膜 (ultra barrier film)( 外层 ) 构成的多层薄膜 ( 商品名 ： ガスホルダ一膜 ( 储气罐膜 )， 株式会社 Daizo 生产 ) 构成。使用的储气罐 10 的最大容积 3 为 100m 。另外， 关于气体 G1 的流量， 在上述的方法中， 具体地进行了如下更新。
首先， 对于由流量计 13 计测的原料气体 G0 的流量而言， 求出直到吸附塔 31A、 31B、 31C 中的一个塔开始吸附工序时 ( 吸附塔切换时 ) 的 10 秒钟的平均流量为作基准流量。然 后， 将所求出的平均流量 ( 基准流量 ) 换算为相对于流量控制部 16 的流量控制范围即 0 ～ 150Nm3/h 的比例 (α％ )。利用该比例 (α％ )， 对气体 G1 计算出接下来要设定的流量。具 体而言， 在吸附塔切换时由贮存量检测仪 14 计测的储气罐 10 的气体贮存量为对储气罐 10 设定的上侧设定值 80m3 以上的情况下， 将 α％加上 5％， 计算出流量控制部 16 的流量控制 3 范围即 0 ～ 150Nm /h 的 (α+5)％的流量， 采用该计算出的流量作为气体 G1 接下来的流量。 在吸附塔切换时由贮存量检测仪 14 计测的储气罐 10 的气体贮存量为下侧设定值 20m3 以 下的情况下， 将 α％减去 5 ％， 计算出流量控制部 16 的流量控制范围即 0 ～ 150Nm3/h 的 (α-5)％的流量， 采用该计算出的流量作为气体 G1 接下来的流量。 另外， 在吸附塔切换时由 3 贮存量检测仪 14 计测的储气罐 10 的气体贮存量小于设定值 80m 且大于下侧设定值 20m3 的情况下， 计算出流量控制部 16 的流量控制范围即 0 ～ 150Nm3/h 的 α％的流量， 采用该计 算出的流量作为气体 G1 接下来的流量。气体 G1 进行了上述更新的流量一直维持到下一吸 附塔切换时。
在本实施例中， 在前处理系统 2 中， 在以下条件下对气体 G1 进行了前处理。作为 前处理槽 20A 内的催化剂， 采用铂系催化剂。对于导入前处理槽 20A 之前的气体 G1， 将温度 调节到 150℃， 通过氧供给量控制部 23 的运转， 添加相对于一氧化碳 1.1 倍当量的氧， 以使 在前处理槽 20A 内充分地除去一氧化碳。作为前处理槽 20B 内的催化剂， 采用钯系催化剂。 对于导入前处理槽 20B 之前的气体 G1， 将温度调节到 110℃， 通过氢供给量控制部 24 的运 转， 添加规定量的氢， 以使气体 G1 的氧浓度降低约 2％。作为前处理槽 20C 内的催化剂， 采 用铂系催化剂。对于导入前处理槽 20C 之前的气体 G1， 将温度调节到 220℃， 通过一氧化碳供给量控制部 25 的运转， 添加相对于氧 1.1 倍当量的一氧化碳， 以使在前处理槽 20C 内充 分地除去氧。在前处理槽 20C 之后的冷却器 22C 中， 将气体 G1 冷却到 30 ～ 40℃。
在本实施例中， 在 PSA 系统 3 或 PSA 装置 30 中， 如图 8 ～图 10 所示， 在吸附塔 31A、 31B、 31C 中重复由吸附工序、 第一减压工序、 第二减压工序、 第一解吸工序、 第二解吸工序、 第一清洗工序、 第二清洗工序、 第一增压工序及第二增压工序构成的一个循环。本实施例 中使用的 PSA 装置 30 的吸附塔 31A、 31B、 31C 各塔具有圆筒形状 ( 内径 ： 200mm、 内部高度 ： 1500mm)。在各吸附塔内， 作为吸附剂， 层叠充填有 CaA 型合成沸石和氧化铝凝胶。氧化铝 凝胶在各吸附塔的上述气体通过口 31a 侧， 占塔内容积的 5％。CaA 型合成沸石在各吸附塔 的上述气体通过口 31b 侧， 占塔内容积的 95％。
在本实施例中， 在吸附塔 31A、 31B、 31C 各塔中， 将步骤 1、 6、 11 进行 80 秒， 将步骤 2、 7、 12 进行 50 秒， 将步骤 3、 8、 13 进行 30 秒， 将步骤 4、 9、 14 进行 80 秒， 将步骤 5、 10、 15 进 行 30 秒。即， 在本实施例中， 在吸附塔 31A、 31B、 31C 各塔中， 将吸附工序进行 270 秒， 将第 一减压工序进行 130 秒， 将第二减压工序进行 30 秒， 将第一解吸工序进行 80 秒， 将第二解 吸工序进行 30 秒， 将第一清洗工序进行 80 秒， 将第二清洗工序进行 50 秒， 将第一增压工序 进行 30 秒， 将第二增压工序进行 110 秒。处于吸附工序的吸附塔 31A、 31B、 31C 内部的最高 压力设定为 800kPa( 表压 )， 处于解吸工序 ( 第一解吸工序、 第二解吸工序 ) 的吸附塔 31A、 31B、 31C 内部的最低压力设定为大气压。另外， 第一减压工序结束的时间点的吸附塔 31A、 31B、 31C 的内部压力 ( 第一中间压力 ) 设定为 400kPa( 表压 )， 第二减压工序结束的时间点 的吸附塔 31A、 31B、 31C 的内部压力 ( 第二中间压力 ) 设定为 200kPa( 表压 )。
在本实施例中， 作为步骤 1、 6、 11 结束的时机的决定方法， 采用步骤 1 的结束时机 相关的上述的第二方法。具体而言， 将来自处于第一清洗工序的吸附塔的气体 G3′的氦浓 度上升到 20vol％所需要的时间导出为 80 秒之后， 如上所述， 在第一清洗工序开始 80 秒后， 切换到第二清洗工序。另外， 在本实施例中， 作为步骤 4、 9、 14 结束的时机的决定方法， 采用 步骤 4 的结束时机相关的上述的第二方法。具体而言， 将来自处于第一解吸工序的吸附塔 的气体 G5 的氦浓度降低到 25vol％所需要的时间导出为 80 秒之后， 如上所述， 在第一解吸 工序开始 80 秒后， 切换到第二解吸工序。
在上述的条件下进行的本实施例中获得的精制气体 G2， 氦浓度为 99.999vol％， 氦 回收率为约 85％。所获得的精制气体 G2 的规格登载在图 11 的表中。