(57)【要約】  少なくとも２種類の成分を含む原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する易吸着性と、前記原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する難吸着性と、を有する吸着剤を用い、この吸着剤を充填した吸着筒によって原料ガスから前記吸着剤に対して易吸着性を示す成分と難吸着性を示す成分を分離する方法であって、前記吸着筒に充填された吸着剤の温度を、年間を通して変化する吸着筒の周囲の環境温度の最高温度以上の温度に保持する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２種類の成分を含む原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する易吸着性と、前記原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する難吸着性と、を有する吸着剤を用い、
この吸着剤を充填した吸着筒によって原料ガスから前記吸着剤に対して易吸着性を示す成分と難吸着性を示す成分を分離する方法であって、
前記吸着筒に充填された吸着剤の温度を、年間を通して変化する吸着筒の周囲の環境温度の最高温度以上の温度に保持することを特徴とする圧力変動吸着式ガス分離方法。
【請求項２】
前記吸着筒が下部筒と上部筒とから構成され、上部筒の温度を下部筒の温度未満に制御することを特徴とする請求項１に記載の圧力変動吸着式ガス分離方法。
【請求項３】
少なくとも２種類の成分を含む原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する易吸着性と、前記原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する難吸着性と、を有する吸着剤を充填した上部筒および下部筒からなる吸着筒を備えた圧力変動吸着式ガス分離装置であって、
前記上部筒および下部筒にこれらを加温する加温装置を設け、
この加温装置を制御して、上部筒および下部筒内に充填された吸着剤の温度を年間を通して変化する吸着筒の周囲の環境温度の最高温度以上の温度に保持する温度制御装置を設けたことを特徴とする圧力変動吸着式ガス分離装置。
【請求項４】
前記温度制御装置が、上部筒の温度を下部筒の温度未満に制御するものであることを特徴とする請求項３に記載の圧力変動吸着式ガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力変動吸着式ガス分離方法および分離装置に関し、詳しくは、高付加価値ガス（例えば、キセノン、クリプトン）を含む混合ガスから高付加価値ガスを分離回収する圧力変動吸着式ガス分離方法および分離装置に関する。
本願は、２００９年３月３０日に、日本に出願された特願２００９−８０７５４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路、液晶パネル、太陽電池パネル、及び磁気ディスク等の半導体製品を製造する工程では、希ガス雰囲気中で高周波放電によりプラズマを発生させ、該プラズマによって半導体製品もしくは表示装置の各種処理を行う装置が広く用いられている。【０００３】
このような処理において使用される希ガスとして、従来はアルゴンが用いられてきたが、近年はより高度な処理を行うためにクリプトンやキセノンが注目されてきている。
ランプ分野においてもランプ封入ガスに、従来はアルゴンが用いられてきたが、近年は消費電力低減や輝度向上のために、クリプトンやキセノンを使用して、高付加価値品が製造されてきている。
一方、医療現場においても麻酔に用いるガスとして、従来の笑気ガスから副作用のないキセノンが注目されてきている。【０００４】
しかし、クリプトンやキセノンは、空気中の存在比および分離工程の複雑さから極めて希少で高価なガスであり、その使用によってコストが著しく増大する問題があった。
このようなガスを使用することを経済的に成り立たせるためには、使用済みの希ガスを高回収率で分離回収して循環使用することが極めて重要となる。【０００５】
高付加価値ガスを含む使用済み混合ガスから、高付加価値ガスを、高濃度、高回収率で分離回収する方法としては、例えば特開２００６−６１８３１号公報に提案されたものがある。
この発明は、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）による分離回収方法であって、図２に示すような以下の工程ａ〜ｅを有し、これらの工程をあらかじめ定められた所定のシーケンスに従って行う方法である。この発明の装置は、原料ガス貯留槽と、易吸着成分を貯留する易吸着成分貯留槽と、難吸着成分を貯留する難吸着成分貯留槽と、原料ガス貯留槽あるいは易吸着成分貯留槽のガスを圧縮する圧縮機と、易吸着成分貯留槽のガスを圧縮する圧縮機と、下部筒１０Ｂ、１１Ｂ、上部筒１０Ｕ、１１Ｕの４つの吸着筒、及び所定の場所に備えられたバルブを備えている。【０００６】
（工程ａ）
混合ガス中の１成分（易吸着性成分）に対して易吸着性を示し、かつ、他成分（難吸着性成分）に対して難吸着性を示す吸着剤を充填した下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕとに、易吸着性成分と難吸着性成分とを少なくとも含む、すなわち２種以上の成分を含む前記混合ガス（原料ガス、すなわち被分離回収ガス）を、原料ガス貯留槽１から前記下部筒１０Ｂに導入する。前記下部筒１０Ｂから流出した易吸着性成分が減少したガスを、上部筒１０Ｕとに導入させ、易吸着性成分を下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕの前記吸着剤に吸着させる。下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕを通過した難吸着性成分は前記上部筒１０Ｕに連通した難吸着性成分貯留槽３に回収する。なお工程（ａ）の終了時に、易吸着性成分の吸着帯は吸着筒上部に達っしていない。
（工程ｂ）
易吸着性成分を貯蔵する易吸着性成分貯留槽２のガス（易吸着性成分）を、易吸着性成分が吸着した下部筒１０Ｂへ導入して、下部筒１０Ｂの空隙に残留する難吸着性成分を上部筒１０Ｕに導出させるとともに、上部筒１０Ｕでは下部筒１０Ｂから流入したガスに含まれる易吸着性成分を吸着させる。上部筒１０Ｕから排出される難吸着性成分は回収して、（ｅ）工程を終了した上部筒１１Ｕへと移動させる。【０００７】
（工程ｃ）
下部筒１０Ｂを減圧して下部筒１０Ｂの吸着剤から易吸着性成分を脱着させ、脱着した易吸着性成分を易吸着性成分貯留槽２に回収する。
（工程ｄ）
上部筒１０Ｕを減圧して、上部筒１０Ｕの吸着剤に吸着したガス（易吸着性成分と難吸着性成分の混合）を脱着させ、脱着したガスを下部筒１０Ｂに導入するとともに、下部筒１０Ｂから流出したガス(易吸着性成分と難吸着性成分の混合)を、原料ガス貯留槽１に回収する。【０００８】
（工程ｅ）
工程（ａ）で難吸着性成分貯留槽３に回収した難吸着性成分を、パージガスとして、減圧した上部筒１０Ｕに導入する。上部筒１０Ｕから流出したガスを下部筒１０Ｂに導入する。このように上部筒１０Ｕと下部筒１０Ｂから易吸着性成分を置換脱着させて、下部筒１０Ｂから流出するガス（易吸着性成分と難吸着性成分の混合)を原料ガス貯留槽１に回収する。
このようにして、易吸着性成分と難吸着性成分とを高濃度、高回収率で同時に回収される。【０００９】
以上に述べたような圧力変動吸着式ガス分離方法を用いた、高付加価値ガスを分離回収する方法においては、易吸着性成分や難吸着性成分を効率良く回収する為には、（工程ｂ）が終了する時に、下部筒１０Ｂ内を易吸着性成分で吸着飽和にさせ、かつ、上部筒１０Ｕで易吸着性成分が完全に吸着されるように、すなわち、上部筒１０Ｕから易吸着性成分が流出しないように、易吸着性成分の吸着帯位置（高さ）のコントロールが重要である。例えば易吸着性成分が導入されていない上部筒１０Ｕに易吸着性成分が連続して導入されると、上部筒１０Ｕのガス導入側に、吸着帯（（adsorption  band：易吸着性成分が吸着されつつある部分）が形成される。時間がたつにつれ吸着帯は上端に向かい、一方ガス導入側には、吸着帯に続いて発生する飽和帯（易吸着性成分の吸着量が飽和した部分）が形成される。
このため、通常は運転操作条件等を制御して、（工程ｂ）において、下部筒１０Ｂ内を易吸着性成分で吸着飽和にさせ、かつ、上部筒１０Ｕで易吸着性成分が完全に吸着されるよう調整する。【００１０】
ところで、吸着剤の吸着性能は温度依存性がある。吸着剤の温度が低いほど吸着剤へのガスの吸着量は増加することが知られている。
このため、運転中に生じる僅かな周囲の環境温度、特に吸着筒の周囲の環境温度、が変化してその結果、吸着剤の温度が変化すると、（工程ｂ）が終了する時の、上部筒１０Ｕと下部筒１０Ｂにおける易吸着性成分の吸着帯位置が移動してしまうことにより、分離回収される易吸着性成分と難吸着性成分との回収純度、回収率が低下する問題がある。（工程ｂ）が終了した段階で、下部筒に難吸着性成分が残留していることは好ましくないし、上部筒から易吸着性成分が流出している事も好ましくない。
吸着帯とは、吸着すべき成分の濃度分布が急激に変化する変曲点（帯）を言う。【００１１】
環境温度が低下すると、一般に吸着剤に吸着するガス量が増加して、吸着筒内での易吸着性成分の吸着帯進行速度が低下する。よって運転操作条件等が同じであると、（工程ｂ）で難吸着性成分が下部筒１０Ｂから上部筒１０Ｕへ導出されずに下部筒１０Ｂ内に残留してしまい、（工程ｃ）で易吸着性成分貯留槽２に回収されてしまう。この結果、回収される易吸着性成分の純度および難吸着性成分の回収率が低下する。【００１２】
図３は、所定の時間が経過して前記工程ｂを終了した時の、下部筒１０Ｂおよび上部筒１０Ｕ内における易吸着成分の濃度分布を示す。縦軸に易吸着成分の濃度が記載され、横軸には下部筒１０Ｂおよび上部筒１０Ｕの高さを合計したものが使用されている。図には、装置を取り巻く環境温度が低下した場合の濃度分布の変化を示している。
このグラフにおいて、曲線Ａはある基準温度Ａでの易吸着成分の濃度分布を示しており、曲線Ｃは基準温度Ａよりも低温の温度Ｃでの易吸着成分の濃度分布を示している。
曲線Ａでは、下部筒１０Ｂ内を易吸着性成分で吸着飽和にさせ、かつ、上部筒１０Ｕでは易吸着性成分が完全に吸着された状態を示している。【００１３】
曲線Ｃでは、難吸着性成分が下部筒１０Ｂから上部筒１０Ｕへ導出されずに下部筒１０Ｂ内に残留していることを示している。【００１４】
一方、環境温度が上昇すると、吸着剤へ吸着するガス量が低下して吸着筒内の易吸着性成分の吸着帯進行速度が上昇し、（工程ｂ）で易吸着性成分が上部筒１０Ｕ最上部まで到達してしまうため、回収される難吸着性成分の純度および易吸着性成分の回収率が低下する。【００１５】
図４は、所定の時間が経過して前記工程ｂが終了した時の、下部筒１０Ｂおよび上部筒１０Ｕ内における易吸着性成分の濃度分布を示す。図には、環境温度が上昇した場合の濃度分布の変化が示されている。
このグラフにおいて、曲線Ａは前記基準温度Ａでの易吸着性成分の濃度分布を示しており、曲線Ｂは基準温度Ａよりも高温の温度Ｂでの易吸着性成分の濃度分布を示している。
曲線Ｂでは、工程ｂが終了する前に、易吸着性成分が上部筒１０Ｕ最上部まで到達してしまうことを示している。
なお図３と４においては、基準温度Ａに対応して設定された運転操作条件等で、温度ＣやＢで分離が行われている。【００１６】
このような環境温度の変動に起因する易吸着性成分と難吸着性成分との回収純度、及び回収率の低下を防止して、年間を通して安定した分離性能を得るためには、好ましくは１年間を通して、温度を一定に制御する空調機器が設置された室内に分離装置を設置すればよい。しかしそのような設備は、初期費用、またランニングに膨大なエネルギーが必要であり、コストが嵩む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００６―０６１８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、前述の問題を解決するためになされたものであり、環境温度が変化しても、分離回収される易吸着性成分および難吸着性成分の純度及び回収率を低下させることなく維持でき、しかもこのためのコスト増加を抑えることができる、圧力変動吸着式ガス分離方法および分離装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
かかる課題を解決するため、本発明は以下の態様を提供する。
本発明の第一の態様は、
少なくとも２種類の成分を含む原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する易吸着性と、前記原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する難吸着性と、を有する吸着剤を用い、この吸着剤を充填した吸着筒によって原料ガスから前記吸着剤に対して易吸着性を示す成分と難吸着性を示す成分を分離する方法であって、
前記吸着筒に充填された吸着剤の温度を、年間を通して変化する吸着筒の周囲の環境温度の最高温度以上の温度に保持することを特徴とする圧力変動吸着式ガス分離方法である。
第一の態様は、前記吸着筒が下部筒と上部筒とから構成され、上部筒の温度を下部筒の温度未満に制御すること事が好ましい。【００２０】
本発明の第二の態様は、少なくとも２種類の成分を含む原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する易吸着性と、前記原料ガスの少なくとも１種類の成分に対する難吸着性と、を有する吸着剤を充填した上部筒および下部筒からなる吸着筒を備えた圧力変動吸着式ガス分離装置であって、
前記上部筒および下部筒にこれらを加温する加温装置を設け、
この加温装置を制御して、上部筒および下部筒内に充填された吸着剤の温度を年間を通して変化する吸着筒の周囲の環境温度の最高温度以上の温度に保持する温度制御装置を設けたことを特徴とする圧力変動吸着式ガス分離装置である。
本発明の第二の態様は、前記温度制御装置が、上部筒の温度を下部筒の温度未満に制御する事が好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の圧力変動吸着式ガス分離方法および分離装置によれば、ガス分離装置の周囲の環境温度が変化しても、吸着剤の温度は常に一定となり、その吸着特性が変化することがなくなる。その結果、吸着筒内での吸着帯の位置が想定した位置から変動することがなくなる。このため、高付加価値ガスを含む原料ガスから高付加価値ガスを、高純度（高濃度）かつ高回収率で、年間を通して安定的に分離回収することができる。
また、吸着筒のみを加温するため、消費エネルギーは最小限にとどめることが可能でガスの回収コスト低減につながる。
また、極めて希少な高価な高付加価値ガスを分離回収して循環使用することにより、経済性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の圧力変動吸着式ガス分離方法を用いた高付加価値ガス回収装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】従来の圧力変動吸着式ガス分離方法を用いた高付加価値ガス回収工程を示す図である。
【図３】吸着筒内の易吸着性成分の濃度分布を示す模式図（環境温度低下時）である。
【図４】吸着筒内の易吸着性成分の濃度分布を示す模式図（環境温度上昇時）である。
【図５】本発明の圧力変動吸着式ガス分離方法を用いた高付加価値ガス回収装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本発明の例を説明するが、本発明はこれら例のみに限定されない。発明を逸脱しない範囲で数や位置や大きさや数値などの変更や追加をする事ができる。
図１は、本発明の圧力変動吸着式ガス分離方法を用いた高付加価値ガス回収装置の一例を示す。
まず、図１の装置の概略構成を説明する。
この高付加価値ガス回収装置は、回収目的である成分（目的成分）と、少なくとも１種類以上のその他の成分と、を含む混合ガスを原料ガスとして貯留する原料ガス貯留槽１と、易吸着性成分を貯留する易吸着性成分貯留槽２と、難吸着性成分を貯留する難吸着性成分貯留槽３と、原料ガス貯留槽１のガスあるいは易吸着性成分貯留槽２内のガスを圧縮する圧縮機４と、易吸着性成分貯留槽２のガスを圧縮する圧縮機５と、下部筒１０Ｂおよび１１Ｂと、上部筒１０Ｕおよび１１Ｕと、下部筒１０Ｂ、１１Ｂを加温および保温する加温装置１０ＢＨおよび１１ＢＨと、上部筒１０Ｕ、１１Ｕを加温および保温する加温装置１０ＵＨおよび１１ＵＨとを備えている。本例において、吸着筒は上部筒と下部筒とで合計４つ備えられている。また、温度計Ａなどを用いて吸着剤の温度を測定し、これら加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨを制御して、上部筒および下部筒内に充填された吸着剤の温度を年間を通して変化する吸着筒の周囲の環境温度の最高温度以上の温度に保持する温度制御装置Ｘが設けられている。また周囲の温度を測定する温度計Ｂを備えてもよく、万が一にも周辺温度が設定した加温温度を超える場合には、使用者に周囲温度が設定温度を超えた事を知らせるアラームやライトなどの装置Ｃを備えてもよい。本発明において環境温度の最高温度とは、装置が使用されている時とされていない時を含めての最高温度であってもよいし、使用されている時のみの最高温度であってもよい。なお、温度計や熱電対、測温抵抗体、サーミスタ、放射温度計などによって吸着剤の温度を測定する地点は、各吸着筒の吸着剤充填層内の中心、または吸着剤充填層の中心に相当する高さの吸着筒外表面が望ましいが、吸着筒内の吸着剤温度が確認できるのであればその位置は限定しない。
本発明において、回収目的である成分は、易吸着性成分であっても、難吸着性成分であっても、その両方であっても良い。混合ガスは二成分からなるガスや、それ以外のガスであっても良い。本発明で分離できる易吸着性成分や難吸着性成分は任意に選択でき、例えば  ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガス類、窒素、酸素、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、エタンなどのハイドロカーボン類、六フッ化硫黄、四フッ化炭素などのパーフルオロカーボン類（PFCs）、などが挙げられる。本発明では吸着剤も任意で選択することができ、例えば  ゼオライト、アルミナ、及び活性炭などが挙げられる。
【００２４】
符号Ｌ１は、原料ガスを原料ガス貯留槽１に導入する経路である。
符号Ｌ２は、原料ガス貯留槽１のガスを圧縮機４へ導出する経路である。
符号Ｌ３は、易吸着性成分貯留槽２のガスを圧縮機４へ導出する経路である。
符号Ｌ４及びＬ５は、圧縮機４からのガスを下部筒１０Ｂ及び１１Ｂに導入する経路である。
符号Ｌ６は、上部筒１０Ｕ及び１１Ｕからの導出されるガスを難吸着性成分貯留槽３に導入する経路である。
符号Ｌ７は、難吸着性成分貯留槽３内の難吸着性成分を装置系外に供給する経路である。
【００２５】
符号Ｌ８は、難吸着性成分貯留槽３内の難吸着性成分を交流パージガスとして上部筒１０Ｕ及び１１Ｕに導入する経路である。
符号Ｌ９，Ｌ１０は、下部筒１０Ｂ及び１１Ｂ内のガスを原料ガス貯留槽１あるいは易吸着性成分貯留槽２に返送する経路である。
符号Ｌ１１は、下部筒１０Ｂ及び１１Ｂ内のガスを原料ガス貯留槽１に返送する経路である。
符号Ｌ１２は、下部筒１０Ｂ及び１１Ｂ内のガスを易吸着性成分貯留槽２に返送する経路である。
符号Ｌ１３は、易吸着性成分貯留槽２からの易吸着性成分を、装置系外に供給する経路である。
符号Ｌ１４は、上部筒１０Ｕと１１Ｕとの間で均圧を行う均圧ラインである。
【００２６】
下部筒１０Ｂ、１１Ｂおよび上部筒１０Ｕ、１１Ｕは、原料ガス中の目的成分に対して易吸着性あるいは難吸着性を有し、目的成分以外の成分に対して難吸着性成分あるいは易吸着性を有する吸着剤が充填される。
【００２７】
次に、図１を用いて、本発明の圧力変動吸着式ガス分離方法の実施形態の一例を説明する。この実施形態の圧力変動吸着式ガス分離方法では、主要成分であるキセノンと、その他の主要成分としてネオンが含まれている場合について説明する。なおこのガスにはキセノンやネオン以外のガスは殆ど含まれない。
【００２８】
下部筒１０Ｂ、１１Ｂおよび上部筒１０Ｕ、１１Ｕに充填される吸着剤としては、平衡分離型吸着剤である活性炭を使用する。
活性炭は、平衡吸着量としてキセノンの吸着量が多く（易吸着性）、ネオンの吸着量が少ない（難吸着性）という性質をもつ。
また、下部筒１０Ｂ、１１Ｂおよび上部筒１０Ｕ、１１Ｕの加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨは、温度制御装置により吸着筒内に充填された吸着剤の温度を常時一定になるように温度制御される。
【００２９】
すなわち、易吸着性成分と難吸着性成分を分離する吸着筒の下部筒１０Ｂ、１１Ｂ、上部筒１０Ｕ、１１Ｕの、吸着剤充填層の中心を含む吸着筒外表面部分を、それぞれ加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨにより、１年間を通して変化する吸着筒の周囲の環境温度の最高温度以上の温度で加熱する。例えば１年間を通して変化する、吸着筒の周囲の環境温度の最高温度が２８℃であれば、３０〜３００℃、望ましくは３０〜８０℃、よりこの好ましくは、３０〜５０℃、の範囲内の一定温度であり、分離装置の運転中は筒は常時加温される。
制御する吸着筒内に充填された吸着剤温度は、吸着剤充填層内中心温度の直接測定が適している。しかし直接測定は吸着剤充填層に挿入した温度センサーが吸着筒内のガス流れを乱し、破過帯が崩れる可能性がある。吸着筒内のガス流れを乱さず、さらに容易に測定できる吸着剤充填層の中心に相当する位置の吸着筒外表面温度を、吸着剤温度と同じものとみなす。これにより吸着筒の真ん中の外表面温度を制御することによって、吸着筒内の吸着剤の温度を常時一定に制御する。
なお条件によっては、吸着筒内の吸着剤充填層の中心に相当する位置の吸着筒外表面温度が、吸着筒内部の吸着剤温度と多少異なることもあるが、程度の差はあっても、吸着筒の周囲の環境温度が吸着剤筒内部の温度に影響を与える限り、本発明の効果は有効である。
筒を形成する材料は任意に選択でき、一般には、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４Lなどのステンレス鋼、インコネル、ハステロイ等の合金などが使用される。加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨの、種類、大きさ、形や配置などは必要に応じて選択してよい。加熱装置の好ましい例を挙げれば、マントルヒーターなどの抵抗式電気ヒーター、温水、温風などを媒体とした恒温装置、誘導加熱式ヒーターなどが挙げられる。
１年間を通して変化する吸着筒の周囲の環境温度の最高温度は、装置が設置される場所で１年以上にわたって測定されたデーターがあればそれに基づいて決定できる。あるいはその他の適当な方法があればそれを用いて決定しても良い。例えば、設置される場所が室内で、一年にわたるその室内での温度記録が無い場合には、その地域での外の年間最高温度の情報を得て、外気と室内での温度差を計算し、外の最高温度から前記温度差を増減させて割り出しても良い。室外に設置する場合にはその地区の外気の前年あるいは数年の最高温度を調べることによって最高値を得ても良い。年毎に最高温度が変化する場合を考慮すると、加熱は、例えば前年の環境温度の最高温度から少なくとも２℃以上高い事が好ましく、  ５℃以上高い温度で行われる事が好ましい。例えば、環境温度の最高温度から      ５〜５０℃高い範囲内から、温度を選択して加熱する事も好ましい。  
【００３０】
さらに本発明では、上部筒１０Ｕ、１１Ｕの温度を、下部筒１０Ｂ、１１Ｂの温度未満、望ましくは上部筒１０Ｕ、１１Ｕの温度を下部筒１０Ｂ、１１Ｂの温度より５℃以上低い温度とするように、加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨを制御することが好ましい。同じサイズの場合、下部筒１０Ｂ、１１Ｂの吸着剤へのガスの吸着量と比較して、温度の低い上部筒１０Ｕ、１１Ｕの吸着剤へのガスの吸着量は増加する。
これにより、下部筒１０Ｂ、１１Ｂと上部筒１０Ｕ、１１Ｕとを同一温度に制御する時と比べ、工程ｂでの下部筒１０Ｂ、１１Ｂにおける易吸着性成分の吸着飽和の促進による易吸着性成分の純度向上と上部筒１０Ｕ、１１Ｕにおける易吸着性成分の吸着量増加とによる、易吸着性成分の回収率向上を図ることができる。好ましい制御の例を挙げれば、下部筒は３０〜８０℃の範囲に加熱され、上部筒は２５〜７５℃の範囲内に加熱され、かつ上部筒の温度が下部筒よりも５℃以上低い温度であるように制御される。
【００３１】
また、下部筒１０Ｂ、１１Ｂへ導入するガスを予め加温する目的で、原料ガス貯留槽１および易吸着性成分貯留槽２、下部筒導入配管Ｌ４、Ｌ５を、加熱装置などにより、下部筒１０Ｂ、１１Ｂの加温温度以上で加温することが望ましく、これにより易吸着性成分の純度向上を図ることができる。
【００３２】
この実施形態でのガス分離方法は、工程ａ、工程ｂ、工程ｃ、工程ｄ、工程ｅ、及び工程ｆの６工程で構成されている。バルブの開閉は必要に応じて選択されるが、本実施例では、各工程におけるバルブＶ１〜Ｖ１５の開閉状態は、表１に表示するように操作される。  
【００３３】
【表１】
2010116623.tif 000003
【００３４】
以下、本発明の分離装置による分離の各工程を、吸着筒１０Ｂ、１０Ｕを用いた分離に着目して説明する。なお本装置では、同時に吸着筒１１Ｂと１１Ｕを用いた分離も同時に進行している。
（工程ａ）
原料ガス貯留槽１からの原料ガスを経路Ｌ２を介し圧縮機４に送り圧縮して、経路Ｌ４を介して、下部筒１０Ｂに供給する。
下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕとの間は、バルブＶ５が開放されており流通可能であるため、下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕは、ほぼ同様に圧力上昇する。なお、原料ガス貯留槽１内の原料ガスは、経路Ｌ１から導入された原料ガス、あるいはこの原料ガスと後述する工程ｄ及び工程ｅで下部筒１０Ｂから排出されるガスとの混合ガスである。
【００３５】
工程（ａ）で下部筒１０Ｂに供給された原料ガスは、下部筒１０Ｂの下部から上部に進むとともに、原料ガス中のキセノンが優先的に下部筒１０Ｂの吸着剤に吸着されて、その結果ネオンが濃縮される。濃縮されたネオンは、下部筒１０Ｂから流出し上部筒１０Ｕに導入される。上部筒１０Ｕでは、ネオン中に含まれる微量のキセノンがさらに上部筒１０Ｕの吸着剤に吸着されて、ネオンがさらに濃縮される。
【００３６】
上部筒１０Ｕの圧力が難吸着性成分貯留槽３の圧力より高くなった後、上部筒１０Ｕ中の濃縮されたネオンは、経路Ｌ６を介して、難吸着性成分貯留槽３へ導出される。難吸着性成分貯留槽３内のネオンは、供給された原料ガス中に含まれるネオンの流量に応じた流量が、経路Ｌ７から装置系外に排出され、残りのガスは工程ｅにおける向流パージガスとして使用される。
【００３７】
（工程ｂ）
バルブＶ１を閉止、バルブＶ２を開放することで、下部筒１０Ｂに導入するガスを易吸着性成分貯留槽２のキセノンに変更する。易吸着性成分貯留槽２からのキセノンを下部筒１０Ｂに導入することによって、下部筒１０Ｂの吸着剤充填層に共吸着されたネオンと、吸着剤空隙に存在するネオンとを上部筒１０Ｕへ押し出し、下部筒１０Ｂ内をキセノンで吸着飽和とする。下部筒１０Ｂより導出するキセノンは上部筒１０Ｕにおいて吸着される。
上部筒１０Ｕにおいて濃縮されたネオンは、工程（ｂ）でＶ９とＶ６が開放されたことに起因して、経路Ｌ１４を介して上部筒１１Ｕ、又は上部筒１１Ｕと下部筒１１Ｂに導出する。
【００３８】
（工程ｃ）
工程ｂの後、バルブＶ２，Ｖ３、Ｖ５、Ｖ９は閉止され、バルブＶ１１，Ｖ１２は開放された状態にする。これにより工程ａ〜工程ｂの間に下部筒１０Ｂに吸着されたキセノンは、下部筒１０Ｂと易吸着性成分貯留槽２との差圧によって、経路Ｌ９、Ｌ１２を介して、易吸着性成分貯留槽２へ回収される。
易吸着性成分貯留槽２に回収されたキセノンは、供給された原料ガス中に含まれるキセノンに応じた流量が圧縮機５によって加圧されて、経路Ｌ１３から製品として採取される。残りのキセノンは並流パージガスとして工程ｂで使用される。
この間、上部筒１０Ｕは、バルブＶ５、Ｖ７、Ｖ９、Ｖ１４が閉止されていることにより休止状態となる。
【００３９】
（工程ｄ）
工程ｃの後、バルブＶ１１を閉止し、バルブＶ５、Ｖ１０を開放する。すると、工程ｃで休止していた上部筒１０Ｕと減圧を行った下部筒１０Ｂとの間に圧力差が生じることから、上部筒１０Ｕ内のガスは下部筒１０Ｂに流入する。
下部筒１０Ｂに流入したガスは、下部筒１０Ｂ内をパージするとともに、流出したガスが経路Ｌ９、Ｌ１１を介して、原料ガス貯留槽１に回収される。原料ガス貯留槽１に回収されたガスは、経路Ｌ１から導入される原料ガスと再び混合されて、工程ａで下部筒１０Ｂや１１Ｂに再び供給される。
【００４０】
（工程ｅ）
工程ｄの後バルブＶ１４を開放すると、難吸着性成分貯留槽３に貯留されたネオンは、向流パージガスとして、経路Ｌ８を介して、上部筒１０Ｕに導入される。上部筒１０Ｕに導入されたネオンは、吸着筒１０Ｕの下部へ進むにつれて、吸着していたキセノンを置換脱離させる。
脱離されたキセノンを比較的多く含んだガスは、下部筒１０Ｂ、経路Ｌ９、Ｌ１１を介して、原料ガス貯留槽１に回収される。原料ガス貯留槽１に回収されたガスは、工程ｄと同様に、経路Ｌ１から導入される原料ガスと混合されて、工程ａを施される下部筒１０Ｂや１１Ｂに再び供給される。
（工程ｆ）
バルブＶ１０、Ｖ１２、Ｖ１４を閉止し、バルブＶ９を開放する。工程ｂを行っている上部筒１１Ｕにおいて濃縮されたネオンが経路Ｌ１４を介して上部筒１０Ｕに導入される。上部筒１１Ｕに導入されるガスはネオン濃度が高いため、上部筒１０Ｕの吸着剤充填層に共吸着されたキセノンを下部筒１０Ｂへ押し下げる。
この後、工程（ａ）を行う事ができる。
【００４１】
以上説明した６つの工程を、下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕと、下部筒１１Ｂと上部筒１１Ｕとで順次繰り返し行うことで、ネオンの濃縮とキセノンの濃縮とを連続的に行うことができる。
【００４２】
表１に示すように、下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕで（工程ａ）〜（工程ｂ）を行っている間、下部筒１１Ｂと上部筒１１Ｕでは（工程ｃ）〜（工程ｆ）が行われる。
一方で、下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕで、（工程ｃ）〜（工程ｆ）が行われている間、下部筒１１Ｂと上部筒１１Ｕとでは（工程ａ）〜（工程ｂ）が行われる。
【００４３】
以下、具体例を示す。
図１に示す圧力変動吸着式ガス分離装置により、キセノンとネオンを含む混合ガスを原料ガスとして、キセノンを分離する実験（比較例及び実施例）を行った。なおこのガスにはキセノンとネオン以外はほとんど含まれない。
【００４４】
（比較例１）
図１に示す圧力変動吸着式ガス分離装置において、下部筒１０Ｂ、１１Ｂおよび上部筒１０Ｕ、１１Ｕの概略形状は、内径８３．１ｍｍの円筒状の容器で、充填高さを６００ｍｍとした。吸着剤として活性炭をそれぞれ１．４ｋｇ充填した。
圧縮機４と圧縮機５は、それぞれ２０Ｌ／ｍｉｎ、０．２Ｌ／ｍｉｎ（流量（Ｌ／ｍｉｎは０℃、１気圧換算値であり、以下同じ。）の容量のものを使用した。
本装置はサイクルタイム６００秒で運転されて、各工程の時間は表２に示したタイムシーケンスで行った。ただし加温装置による加熱は行われなかった。
【００４５】
原料ガス貯留槽１に導入される原料ガスの流量は２．２Ｌ／ｍｉｎで、ガス濃度はキセノン約９容量％、ネオン約９１容量％である。また、易吸着性成分貯留槽２より採取されるキセノン流量は０．２Ｌ／ｍｉｎ、難吸着性成分貯留槽２より採取されるネオン流量は２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４６】
【表２】
2010116623.tif 000004
【００４７】
上記運転条件で、加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨによる制御を行わないで、環境温度を２５℃で一定にして約２４時間の連続運転を行った。その結果、経路Ｌ７から導出されるネオン濃度、経路Ｌ１３から導出されるキセノン濃度がほぼ一定に落ち着いて、循環定常状態に達することを確認した。
【００４８】
この循環定常状態で、経路Ｌ７から導出されたネオン中のキセノン濃度と、経路Ｌ１３から導出されたキセノン中のネオン濃度ともに、わずか約５０ｐｐｍであった。これは、ネオン濃度とキセノン濃度ともに約９９．９９５％であり、ネオン回収率は約９９．９９９５％、キセノン回収率は約９９．９５％であることを示す。
【００４９】
（比較例２）
比較例１の後、比較例１と同様に加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨで制御しないで、今度は環境温度を２０℃で一定にして約２４時間の連続運転を行った。経路Ｌ７から導出されるネオン濃度、経路Ｌ１３から導出されるキセノン濃度がほぼ一定に落ち着いて、循環定常状態に達することを確認した。
【００５０】
この循環定常状態で、経路Ｌ７から導出されたネオン中のキセノン濃度は約３０ｐｐｍ、経路Ｌ１３から導出されたキセノン中のネオン濃度は約５％となった。これは、ネオン濃度が約９９．９９７％、キセノン濃度が約９５％であり、ネオン回収率は約９９．５％、キセノン回収率は約９９．９７％であることを示す。
【００５１】
（比較例３）
比較例２の後、比較例１と同様に加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨで制御しないで、今度は環境温度を３０℃で一定にして約２４時間の連続運転を行った。ネオン中のキセノン濃度はわずか約１００ｐｐｍ、キセノン中のネオン濃度はわずか約４０ｐｐｍとなった。これは、ネオン濃度が約９９．９９％、キセノン濃度が約９９．９９６％であり、ネオン回収率は約９９．９９９６％、キセノン回収率が約９９．９％であることを示す。
【００５２】
（実施例）
比較例では使用しなかった加温装置１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨを用い、各吸着筒の吸着剤充填層中心に相当する高さの吸着筒表面温度を３５℃に設定し、比較例と同様の運転を行った。環境温度２０℃、２５℃、３０℃いずれの場合も、経路Ｌ７から導出されたネオン中のキセノン濃度は約２００ｐｐｍ、経路Ｌ１３から導出されたキセノン中のネオン濃度は約４０ｐｐｍであり一定であった。これは、ネオン濃度が約９９．９８％、キセノン濃度が約    ９９．９９６％であり、ネオン回収率は約９９．９９９６％、キセノン回収率が約９９．８％であることを示す。
【００５３】
以上より、環境温度の変化にかかわらず、ネオン及びキセノンの純度、回収率を維持できることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
半導体製造装置等で使用される高付加価値ガスを低コストで循環使用するための圧力変動吸着式ガス分離方法および装置に適用される。
環境温度の変化に由来して吸着剤の温度が変化しても、分離される易吸着性成分および難吸着性成分の純度及び回収率を低下させることなく維持できる、圧力変動吸着式ガス分離方法および分離装置の提供を目的とする。
【符号の説明】
【００５５】
１    原料ガス貯留槽、
２    易吸着性成分貯留槽、
３    難吸着性成分貯留槽、
４、５  圧縮機
１０Ｂ、１１Ｂ    下部筒、
１０Ｕ、１１Ｕ    上部筒、
１０ＢＨ、１１ＢＨ、１０ＵＨ、１１ＵＨ    加温装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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