JPH0432685B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水素ガスまたはヘリウムガス中に含ま
れる窒素ガス、一酸化炭素ガス、メタンガスなど
の不純ガスを深冷吸着法によつて除去するガス精
製装置に関し、さらに詳しくは吸着筒に内蔵され
たシーズヒーターによる直接加熱によつて、吸着
剤の再生が行われるガス精製装置に関する。

近年、半導体産業、原子力産業などにおける水
素ガス、ヘリウムガスなどの需要が増大して来た
が、これらの分野で使用されるガスは極めて高純
度であることが要求される。

〔従来技術〕

このため窒素ガス、一酸化炭素ガス、メタンガ
スなどの不純ガスを含む水素ガスまたはヘリウム
ガスを精製して高純度ガスを得るための手段の一
つとして深冷吸着法を利用した種々のガス精製装
置が用いられており、たとえば特開昭54−42370、
特開昭55−7565などがある。これらの装置は主に
吸着筒、液体窒素容器、断熱容器および熱交換器
などによつて構成され、深冷によるガスの吸着精
製と、加熱による吸着剤の再生とが交互に繰返し
て行われる。すなわち、ガスの精製時には液体窒
素で冷却されている吸着筒内に不純ガスを含む水
素ガスまたはヘリウムガスを流すことにより、不
純ガスが吸着剤に吸着され高純度の精製ガスが取
り出される。また、吸着剤の再生時には液体窒素
を抜き出した後、加熱された空気、窒素などで吸
着筒を外側から加熱しながら再生用ガス（精製ガ
ス）を吸着筒内に流すことにより、一旦吸着され
た不純ガスが脱着除去される。

〔解決しようとする問題点〕

しかしながら、再製時にこのような加熱ガスを
用いる従来の装置ではガスを加熱する場合の加熱
効率が極めて低いこと、加熱ガスによつて吸着筒
を外側から加熱するため伝熱効率が低いこと、お
よび加熱ガスを循環するためのブロワー配管およ
びこれらの保温などが必要であることなど種々の
欠点があつた。また、露出されたニクロム線など
を使用した電気ヒーターで吸着剤を直接加熱する
ことは、吸着剤が局部加熱される惧れがあるこ
と、吸着筒が真空断熱容器内に収容された場合に
は真空層を貫通し、かつ極低温にさらされること
からリード線の外部への取り出しおよびその材質
選定が困難なこと、ヒーターの絶縁性が悪く、し
かも寿命が短いことなど種々の問題があり、実用
化できなかつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは従来装置の欠点を改善し、ガスの
精製と吸着剤の再生サイクルにおける冷却および
加熱に要するエネルギーの損失を著しく減少させ
ることができ、しかも小型化されたガス精製装置
を得るべく吸着剤の電気加熱による再生に着目
し、鋭意研究を続けた結果本発明に到達した。

すなわち、本発明は深冷吸着法によるガス精製
装置において、外筒容器および内筒容器によつて
２重構造とされ、該内筒容器には１または複数の
吸着筒が収容され、該吸着筒の少くとも１つには
シーズヒーターが内蔵されたことを特徴とするガ
ス精製装置である。

本発明において使用される吸着筒の形状には特
に制限はないが円筒形であることが好ましい。こ
れらの吸着筒は単独で用いられてもよく、また複
数の吸着筒が配管で直列に連結されて用いられて
もよい。

本発明において吸着筒に充填される吸着剤とし
ては活性炭、モレキユラーシーブおよびゼオライ
トなどがあるが、不純ガスに対する吸着性能の良
さから、就中活性炭が好ましい。

本発明において吸着筒に内蔵されるヒーター
は、いわゆるシーズヒーターであればよく、たと
えばニツケル・クロム線などの電熱線が金属シー
ス内に収納され、シース内空間部には高純度の酸
化マグネシウムなどの無機絶縁粉末が強固に充填
され、端子部はシリコン系シール剤あるいはエポ
キシ樹脂などで完全にシールされたヒーター（い
わゆるマイクロヒーターも包含される。以下同
様）である。このようなシーズヒーター以外の電
熱ヒーターでは吸着剤の局部加熱、真空放電、絶
縁不良、電熱線の断線などが生じ易く、実用に耐
える装置を得ることはできない。

またシーズヒーターの端子部から装置外部へ導
かれるリード線も金属細管内でシーズヒーターに
おけると同様な無機絶縁粉末によつて固定され、
かつ、金属細管とともに折曲げ可能な柔軟性を具
備したものが用いられる。

吸着筒に内蔵されるシーズヒーターの数は吸着
筒の大きさ、要求される加熱量などによつて異な
り、一概に特定はできないが、円筒状の吸着筒に
ついてその内径がたとえば100mm以下では１〜３
本である。なお、複数の吸着筒が配管によつて直
列に連結されている場合には通常は再生用ガスの
少くとも最上流側に位置する吸着筒にシーズヒー
ターが内蔵される。勿論他の吸着筒にもシーズヒ
ーターを内蔵させることもできる。また吸着剤の
局部加熱をさらに防止し、吸着剤全体に対する伝
熱効率を高めるために吸着筒内部に放熱板を設け
ることが好ましい。放熱板はシーズヒーターの熱
を吸着剤に効率よく伝えるものであればその形状
および数には特に制限はないが、たとえば複数枚
の長方形の金属板を用い、それぞれの一方の長辺
はシーズヒーターまたはヒーター鞘に接し、各放
熱板は放射状に設けられてもよい。また中央にシ
ーズヒーターまたはヒーターの鞘を通すための孔
の他、ガスを自由に通過させるための孔が適宜数
穿設された複数枚の金属円板をそれぞれ水平に
し、吸着筒内で上下方向に間隔をあけて設けられ
てもよい。

本発明において吸着筒は真空断熱によつて外界
と遮断されているが、外筒容器および内筒容器に
よつて２重構造とされ、外筒容器の内周面と内筒
容器の外周面との間は全周にわたつて空間有し、
この空間は真空状態を保つことができるよう気密
構造とされている。外筒容器および内筒容器は筒
状であればその形状には特に制限はないが、円筒
状であることが好ましい。外筒容器の内周面と内
筒容器の外周面で挟まれた空間は装置の運転時に
は常に真空状態とされる。内筒容器内には１また
は複数の吸着筒が収容されており、吸着筒はガス
の精製時には内筒容器内に供給された液体窒素
（以下LN₂と記す）によつて外側から冷却される。
また、吸着剤の再生時には内筒容器からLN₂が抜
き出され、吸着筒内に再生用ガスを流しながら、
吸着筒に内蔵されたシーズヒーターにより吸着剤
を加熱することによつて、吸着されていた不純ガ
スが脱着除去されるが、この再生時には内筒容器
内をも真空状態に保つことが好ましい。

本発明において精製時および再生時の熱効率を
さらに高めるために吸着筒に供給されるガスと吸
着筒から出るガスとの熱交換器を設けることが好
ましい。熱交換器を設ける場所には特に制限はな
く、たとえば、(1)内筒容器のLN₂液面の上方空間
部、(2)外筒容器の内周面と内筒容器の外周面との
間の空間部、および(3)外筒容器の外部、が挙げら
れる。これらの中でも(2)が好ましい。さらに内筒
容器内において原料ガスの冷却効率を高めるた
め、吸着筒への原料ガス供給管の一部を蛇管また
は冷却フイン付配管などの予冷管とすることもで
きる。

次に図面によつて本発明をさらに具体的に説明
する。

第１図イおよびロはそれぞれシーズヒーターが
内蔵された吸着筒の縦断面図および横断端面図で
あり、第２図イおよびロはそれぞれ第１図とは異
る態様の吸着筒の縦断面図および横断端面図であ
る。

第１図においてガスの入口１および出口２を有
する円筒状の容器本体３の内部に、金属細管で保
護されたリード線４が接続された棒状のシーズヒ
ーター５がその発熱部が吸着剤６の充填層に埋ま
るように容器本体３と同心的に設けられ、シーズ
ヒーター５は容器本体３の上端７において容器本
体３と溶接により気密に固定されている。シーズ
ヒーター５の側面周囲には複数枚の長方形の放熱
板８，…，８がそれぞれ１方の長辺をシーズヒー
ター５に接し、他方の長辺が容器本体の内周面に
向けて放射状に配置せしめられ、残る空間部には
吸着剤６が充填されて吸着筒とされている。

第２図においてガス入口１および出口２を有す
る円筒状の容器本体３の内部に直接シーズヒータ
ー５を設ける代りに、シーズヒーター５が着脱自
在に収納され、かつ一端が閉じられた円筒状のヒ
ーター鞘１０が容器本体３と同心的に設けられ、
ヒーター鞘１０は容器本体３の上端７において容
器本体３と溶接により気密に固定され、ヒーター
鞘１０の側面周囲に放熱板８，…，８が放射状に
配置せしめられている他は第１図で示されたと同
様な吸着筒である。

第３図は単一の吸着筒が用いられた本発明のガ
ス精製装置の原理を示すための縦断面図であり、
第４図は複数の吸着筒が用いられた本発明のガス
精製装置の原理を示すための縦断面図であり、第
５図は第４図において内筒容器および外筒容器が
円筒状とされたガス精製装置の横断端面図であ
る。

第３図において内筒容器１１の内部には第１図
または第２図で示されたと同様な吸着筒９が収容
され、内筒容器１１は外筒容器１２内に収納さ
れ、かつ内筒容器１１の外周面と外筒容器１２の
内周面で挟まれた空間には円筒状の熱交換器１３
が設けられている。原料ガス供給管１４および精
製ガス抜出管１５はそれぞれ装置外部から外筒容
器１２の壁を貫通し、熱交換器１３を介し、さら
に内筒容器１１の壁を貫通して吸着筒９の入口１
および出口２と接続せしめられている。またLN₂
供給管１６およびLN₂抜出管１７はそれぞれ外筒
容器１２の壁を貫通して内筒容器１１に接続せし
められている。これらの配管はいずれも貫通部に
おいて溶接および管継手によつて気密に固定され
ている。なお、原料ガス供給管１４は内筒容器１
１内においてその一部が蛇管１８とされている。
金属細管で保護されたリード線４は内筒容器１１
および外筒容器１２それぞれの壁を順次貫通して
外部へ導かれ、それぞれの貫通部において継手１
９および２０によつて気密に固定されている。ガ
スの精製時にはLN₂供給管１６から内筒容器１１
の内部にLN₂が供給され、吸着筒９はこのLN₂に
浸されて外側から冷却される。原料ガスは原料ガ
ス供給管１４により熱交換器１３および蛇管１８
を順次経由して冷却され、吸着筒９の内部に供給
され、不純ガスが吸着除去され、精製ガスとして
熱交換器１３を経由して精製ガス抜出管１５より
外部に出る。吸着剤の再生時には内筒容器１１か
らLN₂抜出管１７によつてLN₂が抜出され、さら
に真空ポンプ（図示されていない）により、内筒
容器１１内部が真空とされ、シーズヒーター５に
通電して吸着剤を加熱しながら再生用ガス（精製
ガス）が精製時とは逆の経路で流されることによ
り吸着されていた不純ガスは脱着除去される。

第４図においてシーズヒーター５が内蔵されて
いる吸着筒９が４筒およびシーズヒーター５が内
蔵されていない吸着筒９′が３筒それぞれ交互に
連絡配管２１，…，２１で直列に連結されて用い
られた以外は第３図で示されたと同様な構造のガ
ス精製装置である。

ガスの精製時にはLN₂供給管１６から内筒容器
１１の内部にLN₂が供給され、吸着筒９，９′，
…，９′，９がそれぞれこのLN₂に浸されて外側
から冷却される。原料ガスは原料ガス供給管１４
により熱交換器１３および蛇管１８を順次経由し
て冷却され、吸着筒９，９′，…，９，９それぞ
れの連結の順にその内部を通過せしめられること
により不純ガスが吸着除去され、精製ガスとして
熱交換器１３を経由して精製ガス抜出管１５から
外部に排出される。吸着剤の再生時には内筒容器
１１からLN₂抜出管１７によつてLN₂を抜出し、
さらに真空ポンプ（図示されていない）により、
内筒容器１１内部を真空とし、シーズヒーター
５，…，５に通電して再生用ガス（精製ガス）を
精製時とは逆の経路で流すことにより吸着されて
いた不純ガスは脱着除去される。

第５図において円筒状の外筒容器１２と円筒状
の内筒容器１１とは互に同心的に設けられ、その
内部には吸着筒９，９′，…，９′，９が収容さ
れ、吸着筒９，９′，…，９′，９はそれぞれ連絡
配管２１，…，２１によつて直列に連結され、内
筒容器１１の外周面と外筒容器１２の内周面との
間の空間部には円筒状の熱交換器１３が配設され
て、外観的にはほゞ円筒形のガス精製装置とされ
ている。

〔発明の効果〕

本発明のガス精製装置は従来の装置に比べて次
のような優れた特徴を有している。

１ 吸着剤の再生時、加熱されたガスによる間接
加熱と異り、加熱効率がきわめて高い。

２ 吸着剤の再生時、内筒容器の内部をも真空に
することができガス伝導による熱エネルギーの
ロスが小さい。

３ ガスを外部加熱するための加熱炉、ブロワ
ー、配管ならびにこれらの保温も不要であり、
従つて装置が小型化できると共にシール材、バ
ルブなどの耐熱仕様が緩やかになり、設備費が
低減される。

実施例 装置： 第４図および第５図で示されたと同様な装置に
おいて、７筒の吸着筒、それぞれの容器本体の材
質SUS304、寸法89.1mmφ×1000mmＨ×２mmｔと
し、このうちシーズヒーターが内蔵された４筒に
はそれぞれ第２図で示されたと同様な構造のもの
を用いた。すなわち４筒それぞれについてヒータ
ー鞘として材質SUS304、寸法19mmφ×1000mmＨ
×1.2mmｔ、シーズヒーターとして200V、500W、
寸法16mmφ×1050mm、発熱部の長さ800mm、放
熱板として材質SUS304、寸法30mm×200mm×１
mmｔの板16枚を使用した。また７筒の吸着筒のそ
れぞれにはヤシ殻活性炭を５ずつ充填した。内
筒容器は寸法318.5mmφ×1400mmＨ×４mmｔ、外
筒容器は寸法600mmφ×1600mmＨ×４mmｔであり、
金属細管で保護されたリード線は内筒容器および
外筒容器それぞれの壁を貫通させてスライダツク
に接続し、それぞれの貫通部はスエージロツク継
手（米、スエージロツク社製）で固定した。

この装置を用いてガスの精製および吸着剤の再
生を行つた。

ガスの精製： 内筒容器の外周面と外筒容器の内周面との間の
空間を真空状態（0.1Torr）に保ち、内筒容器に
LN₂を供給して吸着筒を−196℃に冷却しながら
原料ガス供給管より窒素ガス330ppm、一酸化炭
素ガス70ppm、メタンガス70ppmを含む原料水素
ガスを流速20Nm³／hrで供給し、精製を10日間続
けた。この間に得られた精製水素ガスをTCDお
よびFID型ガスクロマトグラスによつて分析した
結果窒素ガス、一酸化炭素ガスおよびメタンガス
はいずれも検出されなかつた。これら不純ガスの
検出下限は窒素ガス1ppm、一酸化炭素0.1ppm、
メタンガス0.05ppmである。

吸着剤の再生： 次に原料水素ガスの供給を停止し、吸着剤の再
生を行つた。内筒容器のLN₂を抜き出した後、室
温の乾燥窒素ガスを内筒容器に流して昇温した。
内筒容器内の温度が−50℃まで上昇したとき窒素
ガスを止め、内筒容器内を0.1Torrの真空とし
た。スライダツクを操作して各吸着筒のシーズヒ
ーターそれぞれに0.5Aの電流を流し始め、徐々
に電流値を増し2.0Aとすると同時に吸着剤の再
生用ガスとして精製水素ガスを常圧で精製ガス抜
出管から、精製時とは逆の経路で始めの1hrに1N
m³流した。シーズヒーターが内蔵された吸着筒内
の温度はさらに上昇をつゞけ、10℃になつたとき
に、精製水素ガスを流速3Nm³／hrで2hr流した。
その後、吸着筒内の温度はさらに上昇をつゞけ
180℃に達した。こゝでシーズヒーターの電流を
1.8Aに下げたが0.5hr後に吸着筒内の温度は210℃
に達して、ほゞ一定となつた。このときシーズヒ
ーターが内蔵されていない吸着筒内の温度は190
℃であつた。この状態で再生用ガスの流速を1N
m³／hrに下げ、3.5hr再生を続けた。この間シー
ズヒーターが内蔵されていない吸着筒内の温度は
205℃でほゞ一定値を示した。

こゝで再生を終了し、電流を切り、内側容器内
の真空を破つて室温の窒素ガスを流して冷却する
ことにより2hr後に吸着筒内の温度は120℃に下つ
た。この間に要した全電力消費量は7KWHであ
り、精製水素ガスの消費量は12Nm³であつた。引
続き水素ガスの精製を行つた結果前記と同様な結
果が得られた。

比較例 実施例と同様に水素ガスの吸着精製を行つた
後、条件を次の様に変更して吸着剤の再生を行つ
た。

すなわち吸着筒にシーズヒーターを内蔵させる
代りに外筒容器の外部に電気炉とブロワーを設
け、420℃に加熱された電気炉で窒素ガスを加熱
しながら内筒容器との間を循環させて吸着筒を加
熱した。また再生用ガスとして500℃に加熱され
た別の加熱炉で精製水素ガスを加熱して吸着筒内
に流した。

〔吸着剤の再生〕

まず内筒容器内のLN₂を抜き出した後、室温の
乾燥窒素ガスを内筒容器に流して、内筒容器が０
℃に昇温したとき上記の加熱窒素ガス循環系に接
続し、1hrで吸着筒内の温度を100℃に昇温させ
た。窒素ガスの循環を続けながら500℃に調節さ
れた電気炉で加熱された精製水素ガスを実施例に
おけると同じ経路で流速1.5Nm³／hrで吸着筒内
に流してたところ4hrで200℃に達した。窒素ガス
加熱用電気炉の調節温度を400℃に下げて、さら
に3.5hr続けた。

吸着剤の再生に要した電力消費量は循環ブロワ
ーの駆動電力を除いて、38KWHであり、精製水
素ガスの消費量は12Nm³であつた。引続き水素ガ
スの精製を行つたところ実施例における精製と同
様な結果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図イおよびロは、それぞれシーズヒーター
が内蔵された吸着筒の縦断面図および横断端面図
であり、第２図イおよびロはそれぞれ第１図とは
異る態様の吸着筒の縦断面図および横断端面図で
あり、第３図は単一の吸着筒が用いられた本発明
のガス精製装置の原理を示すための縦断面図であ
り、第４図は複数の吸着筒が用いられた本発明の
ガス精製装置の原理を示すための縦断面図であ
り、第５図は第４図における円筒状とされたガス
精製装置の横断端面図である。 図において、１……入口、２……出口、３……
容器本体、４……金属細管で保護されたリード
線、５……シーズヒーター、６……吸着剤、７…
…上端、８……放熱板、９および９′……吸着筒、
１０……ヒーター鞘、１１……内筒容器、１２…
…外筒容器、１３……熱交換器、１４……原料ガ
ス供給管、１５……精製ガス抜出管、１６……
LN₂供給管、１７……LN₂抜出管、１８……蛇
管、１９および２０継手ならびに２１……連絡配
管である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 深冷吸着法によるガス精製装置において、外
   筒容器および内筒容器によつて２重構造とされ、
   該内筒容器には１または複数の吸着筒が収容さ
   れ、該吸着筒の少くとも１つにはシーズヒーター
   が内蔵されたことを特徴とするガス精製装置。