(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、炭化水素、油分および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する方法であって、
前記アルゴンガスにおける炭化水素の一部と油分とを活性炭に吸着させ、
次に、前記アルゴンガスにおける酸素量が、前記アルゴンガスにおける水素、一酸化炭素、および炭化水素の全てと反応するのに必要な設定量を超えるか否かを判定し、
前記アルゴンガスにおける酸素量が前記設定量以下である場合、前記設定量を超えるように酸素を添加し、
次に、前記アルゴンガスにおける一酸化炭素、水素、および炭化水素と酸素とを、第１反応用触媒としてロジウムを用いて反応させることで、酸素が残留された状態で二酸化炭素と水を生成し、
次に、前記アルゴンガスにおける一酸化炭素量が、その残留された酸素の全てと反応するのに必要な設定量を超えるように、一酸化炭素を添加し、
次に、前記アルゴンガスにおける酸素と一酸化炭素とを、第２反応用触媒としてルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物を用いて反応させることで、一酸化炭素が残留された状態で二酸化炭素を生成し、
次に、前記アルゴンガスにおける少なくとも一酸化炭素、二酸化炭素、水、および窒素を、圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させるアルゴンガスの精製方法。
【請求項２】
前記第１反応用触媒を用いた反応と前記第２反応用触媒を用いた反応との間において、前記アルゴンガスにおける水分含有率を、脱水装置を用いた脱水処理により低減させる請求項１に記載のアルゴンガスの精製方法。
【請求項３】
前記圧力スイング吸着法のために用いる前記吸着剤として、活性アルミナとＸ型ゼオライトとを用いる請求項１または２に記載のアルゴンガスの精製方法。
【請求項４】
前記活性アルミナと前記Ｘ型ゼオライトとを、層状にして配置し、前記活性アルミナと前記Ｘ型ゼオライトとの重量比を５／９５〜３０／７０にする請求項３に記載のアルゴンガスの精製方法。
【請求項５】
前記圧力スイング吸着法による吸着の後に、前記アルゴンガスにおける窒素を、−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請求項１〜４の中の何れかに記載のアルゴンガスの精製方法。
【請求項６】
少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、炭化水素、油分および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する装置であって、
前記アルゴンガスが導入される活性炭吸着塔と、
前記活性炭吸着塔から流出するアルゴンガスが導入される第１反応器と、
前記第１反応器に導入されるアルゴンガスに酸素を添加可能な酸素供給器と、
前記第１反応器から流出するアルゴンガスが導入される第２反応器と、
前記第２反応器に導入されるアルゴンガスに一酸化炭素を添加可能な一酸化炭素供給器と、
前記第２反応器から流出するアルゴンガスが導入される吸着装置とを備え、
前記活性炭吸着塔に、前記アルゴンガスにおける炭化水素の一部と油分を吸着する活性炭が収容され、
前記第１反応器に、前記アルゴンガスにおける一酸化炭素、水素、および炭化水素と酸素とを反応させる第１反応用触媒として、ロジウムが収容され、
前記第２反応器に、前記アルゴンガスにおける酸素と一酸化炭素とを反応させる第２反応用触媒として、ルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物が収容され、
前記吸着装置は、前記アルゴンガスにおける少なくとも一酸化炭素、二酸化炭素、水、および窒素を圧力スイング吸着法により吸着するＰＳＡユニットを有することを特徴とするアルゴンガスの精製装置。
【請求項７】
前記第１反応器と前記第２反応器との間に、前記第１反応器から流出するアルゴンガスにおける水分含有率を低減する脱水装置が設けられている請求項６に記載のアルゴンガスの精製装置。
【請求項８】
前記吸着装置は、前記ＰＳＡユニットから流出する前記アルゴンガスにおける窒素を、−１０℃〜−５０℃でのサーマルスイング吸着法により吸着するＴＳＡユニットを有する請求項６または７に記載のアルゴンガスの精製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物として少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、炭化水素、油分および窒素を含有するアルゴンガスを精製する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、シリコン単結晶引上げ炉、セラミック焼結炉、製鋼用真空脱ガス設備、太陽電池用シリコンプラズマ溶解装置、多結晶シリコン鋳造炉のような設備においては、アルゴンガスが炉内雰囲気ガス等として使用されている。そのような設備から再利用のため回収されたアルゴンガスは、水素、一酸化炭素、空気などの混入により純度が低下している。そこで、回収されたアルゴンガスの純度を高めるため、混入した不純物を吸着剤に吸着させることが行われている。さらに、そのような不純物の吸着を効率良く行うため、吸着処理の前処理として、不純物中の酸素と可燃成分とを反応させて二酸化炭素と水に変性させることが提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１に開示された方法においては、まず、アルゴンガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等の可燃成分を完全燃焼させるのに必要な化学量論量よりも僅かに少なくなるよう調節している。次に、一酸化炭素と酸素との反応よりも水素と酸素との反応を優先させるパラジウムまたは金を触媒として、アルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素、水素等と反応させ、これにより、一酸化炭素のみが残留された状態で二酸化炭素と水を生成している。次に、アルゴンガスに含有される二酸化炭素と水を常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、アルゴンガスに含有される一酸化炭素と窒素を−１０℃〜−５０℃の温度で吸着剤に吸着させている。
【０００４】
特許文献２に開示された方法においては、アルゴンガスにおける酸素の量を、水素、一酸化炭素等の可燃成分を完全燃焼させるのに十分な量とし、次に、パラジウム系の触媒を用いてアルゴンガスにおける酸素を一酸化炭素、水素等と反応させることで、酸素が残留された状態で二酸化炭素と水を生成している。次に、アルゴンガスに含有される二酸化炭素と水を常温で吸着剤に吸着させ、しかる後に、アルゴンガスに含有される酸素と窒素を−１７０℃程度の温度で吸着剤に吸着させている。
【０００５】
特許文献３に開示された方法においては、単結晶製造炉等から排出されるアルゴンガスに油分が含有される場合、その油分を活性炭等が入った油除去筒、油除去フィルターを用いて除去している。次に、触媒筒に導入されたアルゴンガス中の酸素を添加水素と反応させて水に転化している。次に、吸着筒に導入されたアルゴンガス中の水と二酸化炭素を吸着除去し、しかる後に精留操作によって精製している。
【０００６】
特許文献４に開示された方法においては、一酸化炭素、水素、酸素、窒素を不純物として含むアルゴンガスを精製するため、アルゴンガスにおける一酸化炭素と水素を酸素と反応させることで、一酸化炭素を残存させた状態で二酸化炭素と水を生成している。次に、アルゴンガスにおける二酸化炭素、水、窒素および一酸化炭素を１０〜５０℃で吸着剤に吸着させ、その吸着剤を１５０〜４００℃で再生している。また、アルゴンガスにおける窒素を吸着するため、吸着剤として銅イオン交換ＺＳＭ−５型ゼオライト（銅イオン交換率１２１％）を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３４９６０７９号公報
【特許文献２】特許第３７３７９００号公報
【特許文献３】特開２０００−８８４５５号公報
【特許文献４】特開２００６−１１１５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の方法では、前処理の第１段階の反応において、アルゴンガス中に一酸化炭素が残留された状態で二酸化炭素と水を生成している。しかし、アルゴンガスに含有される炭化水素が多い場合、反応温度を高くする必要があるため一酸化炭素も酸素と反応してしまい、一酸化炭素を残留させることが困難である。そのため、後の常温下での吸着処理では水素を吸着除去できないため、アルゴンガス中に水素が残留し、アルゴンガスを高純度に精製できないという問題がある。
【０００９】
特許文献２に記載の方法では、前処理の段階でアルゴンガスに不純物として含まれる酸素の量を、水素、一酸化炭素等を完全燃焼させるのに十分な量とすることで、酸素が残留された状態で二酸化炭素と水を生成している。しかし、その後に、この残留した酸素を吸着するには吸着時の温度を−１７０℃程度まで低下させる必要がある。すなわち、吸着処理の前処理の段階で酸素を残留させるため、吸着処理の際の冷却エネルギーが増大し、精製負荷が大きくなるという問題がある。
【００１０】
特許文献３に記載の方法では、アルゴンガスに含有される油分を活性炭に吸着させることで除去している。しかし、アルゴンガスを回収する際に、例えば気密性保持等のためにオイルを用いる油回転真空ポンプのような機器を使用する場合、オイルが熱分解した炭化水素成分が発生する。そのような炭化水素成分は、オイル除去用ミストセパレーターがあっても、ミストセパレーターを抜けてしまう。そうすると、アルゴンガスに含有される油分に由来する炭化水素は、メタンが数十ｐｐｍ以上、炭素数２〜６の炭化水素（Ｃ２〜Ｃ６）が炭素数１の炭化水素（Ｃ１）換算で数百ｐｐｍ以上と非常に多くなる。メタンは活性炭に吸着されず、炭素数２〜６の炭化水素も殆ど活性炭に吸着されることなく触媒筒を抜けることから、その後の精留負荷が増大するという欠点がある。
【００１１】
特許文献４は、アルゴンガスに含有される油分や、油分の分解により副生される炭化水素の除去については何ら開示していない。
【００１２】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決できるアルゴン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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明方法は、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、炭化水素、油分および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する方法であって、前記アルゴンガスにおける炭化水素の一部と油分とを活性炭に吸着させ、次に、前記アルゴンガスにおける酸素量が、前記アルゴンガスにおける水素、一酸化炭素、および炭化水素の全てと反応するのに必要な設定量を超えるか否かを判定し、前記アルゴンガスにおける酸素量が前記設定量以下である場合、前記設定量を超えるように酸素を添加し、次に、前記アルゴンガスにおける一酸化炭素、水素、および炭化水素と酸素とを、第１反応用触媒としてロジウムを用いて反応させることで、酸素が残留された状態で二酸化炭素と水を生成し、次に、前記アルゴンガスにおける一酸化炭素量が、その残留された酸素の全てと反応するのに必要な設定量を超えるように、一酸化炭素を添加し、次に、前記アルゴンガスにおける酸素と一酸化炭素とを、第２反応用触媒としてルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物を用いて反応させることで、一酸化炭素が残留された状態で二酸化炭素を生成し、次に、前記アルゴンガスにおける少なくとも一酸化炭素、二酸化炭素、水、および窒素を、圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着させることを特徴とする。
本発明によれば、アルゴンガスに含有される油分は活性炭により吸着され、さらに、油分に由来する炭化水素の一部も活性炭により吸着され、特に炭素数が1 〜６以外の炭化水素が活性炭により効果的に吸着される。これにより、アルゴンガスにおける炭化水素量を低減することで、後工程において炭化水素と酸素との反応により生成される水と二酸化炭素の量を低減し、その後の吸着負荷を軽減できる。
また、アルゴンガス中の水素、一酸化炭素、および炭化水素と酸素とを、第１反応用触媒としてロジウムを用いて反応させることで、過剰な酸素が残留された状態で二酸化炭素と水が生成される。第１反応用触媒として用いられるロジウムは耐熱性が良く反応性が高いので、アルゴンガスがメタンのような低級炭化水素を多く含む場合、反応温度を高くして十分に反応を進行させ、アルゴンガスにおける炭化水素を効果的に低減できる。
その残留酸素と新たに添加された一酸化炭素とを、第２反応用触媒としてルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物を用いて反応させることで、一酸化炭素が残留された状態で二酸化炭素が生成される。これによりアルゴンガス中の酸素が除去される。第２反応用触媒としてルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物を用いることで、水と一酸化炭素との反応を抑制して水素生成を抑制できる。これにより、圧力スイング吸着法による吸着処理の前処理の段階において、吸着処理では除去困難な水素がアルゴンガスに残留するのを防止できるので、アルゴンガスを高純度に精製することが可能になる。さらに、圧力スイング吸着法による吸着処理の前処理の段階でアルゴンガスから酸素を除去できるので、精製負荷を低減し、不純物を効果的に除去できる。
【００１４】
本発明装置は、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、炭化水素、油分および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを精製する装置であって、前記アルゴンガスが導入される活性炭吸着塔と、前記活性炭吸着塔から流出するアルゴンガスが導入される第１反応器と、前記第１反応器に導入されるアルゴンガスに酸素を添加可能な酸素供給器と、前記第１反応器から流出するアルゴンガスが導入される第２反応器と、前記第２反応器に導入されるアルゴンガスに一酸化炭素を添加可能な一酸化炭素供給器と、前記第２反応器から流出するアルゴンガスが導入される吸着装置とを備え、前記活性炭吸着塔に、前記アルゴンガスにおける炭化水素の一部と油分を吸着する活性炭が収容され、前記第１反応器に、前記アルゴンガスにおける一酸化炭素、水素、および炭化水素と酸素とを反応させる第１反応用触媒として、ロジウムが収容され、前記第２反応器に、前記アルゴンガスにおける酸素と一酸化炭素とを反応させる第２反応用触媒として、ルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物が収容され、前記吸着装置は、前記アルゴンガスにおける少なくとも一酸化炭素、二酸化炭素、水、および窒素を圧力スイング吸着法により吸着するＰＳＡユニットを有することを特徴とする。
本発明装置によれば本発明方法を実施できる。
【００１５】
本発明方法においては、前記第１反応用触媒を用いた反応と前記第２反応用触媒を用いた反応との間において、前記アルゴンガスにおける水分含有率を、脱水装置を用いた脱水処理により低減させるのが好ましい。
これにより、第２反応用触媒としてルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物を用いることで水素生成を抑制できることに加え、より確実に水素生成を防止できる。すなわち、第２反応用触媒を用いた反応前に脱水装置を用いてアルゴンガスにおける水分量を低減することで、水分量の絶対値が低くなることで、水分量の絶対値によって変化してしまう有効な反応温度の変化が抑制されるので、反応温度の制御をより確実に行うことができる。さらに、アルゴンガスにおける水分量を低減することで、触媒の負荷となる一酸化炭素と水の反応が抑制され、触媒の負荷が低減されるので、触媒が安定して作用できるようになる。よって、負荷変動によりアルゴンガスにおける酸素と一酸化炭素と水の濃度が変動しても、一酸化炭素と水の反応を抑制するように確実に対応できるようになり、確実に水素の発生を防止することができる。脱水装置として、例えば脱水剤として活性アルミナを充填した塔を２基有するものを用い、一方の塔の活性アルミナにより脱水処理を行っている間に他方の塔の活性アルミナを再生するのが好ましい。
この場合、本発明装置において、前記第１反応器と前記第２反応器との間に、前記第１反応器から流出するアルゴンガスにおける水分含有率を低減する脱水装置が設けられているのが好ましい。脱水装置としては、冷凍機や脱湿剤を充填したカラム等を用いることができる。
【００１６】
本発明においては、前記圧力スイング吸着法のために用いる前記吸着剤として、活性アルミナとＸ型ゼオライトとを用いるのが好ましい。
吸着剤として活性アルミナを用いることで水分および二酸化炭素の吸着および脱着ができるので、Ｘ型ゼオライトによる一酸化炭素、窒素および炭化水素の吸着効果を高くできる。すなわち、二酸化炭素はＸ型ゼオライトからの脱着が比較的困難であり、Ｘ型ゼオライトの吸着効果を低減させる。吸着効果を高めるためにＰＳＡユニットに充填するＸ型ゼオライトを増やすと、昇圧用の圧縮機等の能力も大きくしなければならないことから、ＰＳＡユニットが大型化して効率が低下するという問題がある。これに対し、活性アルミナにより二酸化炭素を吸着することで、Ｘ型ゼオライトの吸着効果を高くできる。これにより、吸着装置による吸着処理の前段階においてアルゴンガスに炭化水素が残留したとしても、ＰＳＡユニットを大型することなく炭化水素を圧力スイング吸着法により吸着剤に効果的に吸着させることができる。
しかも、圧力スイング吸着法による一酸化炭素と窒素の吸着効果を高くできるので、圧力スイング吸着法による吸着の後に、アルゴンガスにおける窒素を、−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ことなく、アルゴンガスを低エネルギーで高純度に精製できる。
この場合、活性アルミナのＸ型ゼオライトに対する重量比が小さくなると窒素、炭化水素の吸着破過時間が短くなり、大きくなると吸着破過時間が長くなる。好ましくは、前記活性アルミナと前記Ｘ型ゼオライトとを、層状にして配置し、前記活性アルミナと前記Ｘ型ゼオライトとの重量比を５／９５〜３０／７０にする。これにより、前記アルゴンガスにおける炭化水素を、前記圧力スイング吸着法により前記吸着剤に効果的に吸着させることができる。活性アルミナとしては、脱湿用として使用されるもので、比表面積が２７０ｍ2 ／ｇ以上であるものが好ましい。Ｘ型ゼオライトとしては、例えばＬｉ−Ｘ型、Ｃａ−Ｘ型を用いることができるが、Ｌｉ−Ｘ型が特に好ましい。
【００１７】
本発明方法においては、前記圧力スイング吸着法による吸着の後に、前記アルゴンガスにおける窒素を、−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のが好ましい。
アルゴンガスにおける窒素濃度は圧力スイング吸着法による吸着のみで低減可能であるが、サーマルスイング吸着法による吸着を併用することで、圧力スイング吸着法を実施するためのＰＳＡユニットの負荷を低減し、精製前のアルゴンガスにおける不純物濃度の変動に対応し、確実に不純物を除去できる。これにより、精製後におけるアルゴンガスの純度をより高めることができる。また、サーマルスイング吸着法による吸着処理の前処理段階においてアルゴンガスから酸素を除去でき、さらに圧力スイング吸着法で一酸化炭素を除去できるので、サーマルスイング吸着法による吸着処理の際の冷却エネルギーを低減できる。さらに、サーマルスイング吸着法による吸着処理の前処理段階においてアルゴンガスから炭化水素を除去できるので、サーマルスイング吸着法のために用いる吸着剤の再生時に、窒素以外のものを吸着剤から脱離させる必要がなく、再生エネルギーを低減できる。
この場合、本発明装置における前記吸着装置は、前記ＰＳＡユニットから流出する前記アルゴンガスにおける窒素を、−１０℃〜−５０℃でのサーマルスイング吸着法により吸着するＴＳＡユニットを有するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アルゴンガスの不純物含有率を吸着処理の前処理段階で低減することにより、吸着処理の負荷を低減し、精製に要するエネルギーを少なくし、回収したアルゴンガスを高純度に精製でき、さらに、アルゴンガスが炭化水素および油分を含む場合にも効果的に対応できる実用的な方法と装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るアルゴンガスの精製装置の構成説明図
【図２】本発明の実施形態に係るアルゴンガスの精製装置におけるＰＳＡユニットの構成説明図
【図３】本発明の実施形態に係るアルゴンガスの精製装置におけるＴＳＡユニットの構成説明図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すアルゴンガスの精製装置αは、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコン鋳造炉のようなアルゴンガス供給源１から供給される使用済アルゴンガスを、回収して再利用できるように精製する。精製装置αは、フィルター２、活性炭吸着塔３、加熱器４、第１反応器５ａと第２反応器５ｂを有する反応装置５、切替弁６ａ〜６ｃを有する脱水装置６、吸着装置７、酸素供給器８、一酸化炭素供給器９、冷却器Ｃ、および製品タンクＴを備える。
【００２１】
精製前のアルゴンガスに含有される微量の不純物は、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、炭化水素、油分および窒素とされるが、二酸化炭素、水等の他の不純物を含有していてもよい。精製前のアルゴンガスにおける不純物の濃度は特に限定されず、例えば５モルｐｐｍ〜８００００モルｐｐｍ程度とされる。
【００２２】
供給源１から供給されるアルゴンガスは、例えば油回転真空ポンプ（図示省略）により回収され、フィルター２（例えばＣＫＤ社製ＡＦ１０００P ）によって除塵された後に、先ず活性炭吸着塔３に導入される。活性炭吸着塔３に、アルゴンガスにおける炭化水素の一部と油分を吸着する活性炭が収容される。
【００２３】
炭化水素の一部と油分が活性炭に吸着された後のアルゴンガスにおける酸素量が、そのアルゴンガスにおける水素、一酸化炭素、および炭化水素の全てと反応するのに必要な酸素の設定量を超えるか否かが判定される。その酸素の設定量は、本実施形態では、そのアルゴンガスにおける水素、一酸化炭素、および炭化水素の全てと反応するのに必要な酸素の化学量論量とされる。
【００２４】
アルゴンガスに含有される炭化水素の種類に応じて、炭化水素を完全燃焼させるのに必要な酸素量は異なる。よって上記判定は、アルゴンガスに含有される不純物の組成と濃度を予め実験により求めた上で行うのが好ましい。例えば、アルゴンガスに含有される炭化水素がメタンである場合、アルゴンガスにおける水素、一酸化炭素、およびメタンが酸素と反応し、水と二酸化炭素を生成する時の反応式は以下の通りである。
Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
ＣＯ＋1/2 Ｏ2 →ＣＯ2 
ＣＨ4 ＋２Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
この場合、アルゴンガスにおける酸素モル濃度が水素モル濃度の1/２と一酸化炭素モル濃度の1/２とメタンモル濃度の２倍との和に等しい値を超えるか否かにより、アルゴンガスにおける酸素量が上記化学量論量を超えるか否かを判定すればよい。もちろん、アルゴンガスに含有される炭化水素はメタンに限定されるものではなく、また、２種類以上の炭化水素が含有されていてもよい。
【００２５】
その酸素の設定量は、上記化学量論量である必要はなく、上記化学量論量以上であればよい。例えば、上記化学量論量の１．０５倍〜２．０倍の値にするのが好ましく、１．０５倍以上とすることでアルゴンガスにおける酸素を水素、一酸化炭素、および炭化水素と確実に反応させることができ、２．０倍以下とすることで酸素濃度が必要以上に高くなるのを防止できる。
【００２６】
アルゴンガスにおける酸素量が上記設定量以下である場合、上記設定量を超えるようにアルゴンガスに酸素が酸素供給器８によって添加される。アルゴンガスにおける酸素量が上記設定量を超える場合、酸素添加を行う必要はない。すなわち精製装置αは、アルゴンガスにおける酸素量が上記設定量を超える場合は、そのアルゴンガスを直接に精製し、また、その酸素量が上記設定量以下の場合は、その設定量を超えるように酸素が添加された後のアルゴンガスを精製する。第１反応器５ａに導入されるアルゴンガスに酸素を添加可能な酸素供給器８を設けることで、アルゴンガスにおける酸素量が上記設定量以下である場合、上記設定量を超えるようにアルゴンガスに酸素を添加できる。
【００２７】
酸素供給器８は、例えば流量制御弁を有する高圧酸素容器のような、第１反応器５ａへのアルゴンガスの導入流量に応じた流量で酸素を添加可能なものにより構成できる。なお、その酸素供給前に、第１反応器５ａに導入されるアルゴンガスをサンプリングするためのサンプリングラインを設け、そのサンプリングラインに酸素分析計（例えばＧＥセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ社製ＤＥ−１５０ε）、水素分析ガスクロマトグラフィー（例えばＧＬｓｃｉｅｎｃｅ社製ＧＣ−ＰＤＤ）、一酸化炭素分析計（例えば富士電機システムズ社製ＺＲＥ）および全炭化水素分析計（例えば堀場社製ＦＩＡ−５１０) を設け、また、第２反応器５ｂに導入される前のアルゴンガスのサンプリングラインに酸素分析計および一酸化炭素分析計を設けるのが好ましい。これによって、アルゴンガスにおける不純物組成を連続的に監視することで、より確実に微過剰の酸素を添加できる。
【００２８】
活性炭吸着塔３から流出するアルゴンガスは、加熱器４を介して第１反応器５ａに導入される。加熱器４によるアルゴンガスの加熱温度は、第１反応器５ａにおける反応を完結するためには２００℃以上にするのが好ましく、触媒の寿命短縮を防止する観点から４００℃以下とするのが好ましい。
【００２９】
第１反応器５ａ内でアルゴンガスにおける一酸化炭素、水素、および炭化水素と酸素とが反応することで、酸素が残留された状態で二酸化炭素と水が生成されるように、第１反応器５ａに第１反応用触媒としてロジウム（Ｒｈ）が収容される。アルゴンガスがメタンのような低級炭化水素を多く含む場合、十分に反応が進行するように反応温度を３００℃以上にするのが好ましい。よって、耐熱性が良く、反応性の高いロジウムをアルミナに担持した触媒を用いるのが好ましい。一酸化炭素、水素、および炭化水素を酸素と反応させる触媒としてはパラジウム等を用いることも可能であるが、ロジウムはパラジウム等よりも耐熱性があり、本条件下での耐熱温度の一例としてパラジウムは５００℃〜６００℃、プラチナ（Ｐｔ）は５００℃〜６００℃、ルテニウム（Ｒｕ）は３５０℃〜４００℃程度であるのに対しロジウムは７００℃〜８００℃程度であり、長期使用した場合の耐久性にも優れる。そのようなロジウム触媒を用いることで、アルゴンガスにおける炭化水素を第１反応器５ａにおいて効果的に低減できる。
【００３０】
脱水装置６は、第１反応器５ａと第２反応器５ｂとの間に設けられ、第１反応器５ａから流出するアルゴンガスにおける水分含有率を低減できる。本実施形態では、第１反応器５ａから流出するアルゴンガスは、脱水装置６を介して、又は直接に、第２反応器５ｂに導入される。すなわち、第１反応器５ａと脱水装置６を接続する配管が切替弁６ａにより開閉され、第１反応器５ａと第２反応器５ｂを接続する配管が切替弁６ｂにより開閉され、脱水装置６と第２反応器５ｂを接続する配管が切替弁６ｃにより開閉される。第１反応器５ａから流出するアルゴンガスは、切替弁６ａ、６ｃを開いて切替弁６ｂを閉じることで脱水装置６を介して２反応器５ｂに導入され、切替弁６ａ、６ｃを閉じて切替弁６ｂを開くことで第２反応器５ｂに直接に導入される。これにより、第１反応器５ａから流出するアルゴンガスを脱水装置６に導入させる必要がないときは、第１反応器５ａから流出するアルゴンガスを直接に第２反応器５ｂに導入させることが可能とされている。
【００３１】
脱水装置６の構成は、第１反応用触媒を用いた反応と後述の第２反応用触媒を用いた反応との間において、アルゴンガスにおける水分含有率を脱水処理により低減させることができれば限定されない。例えば、アルゴンガスを加圧して吸着剤によりアルゴンガス中の水分を吸着し、その吸着剤を減圧下で再生させる加圧式脱水装置、アルゴンガスを加圧冷却することで凝縮される水分を除去する冷凍式脱水装置、アルゴンガスに含まれる水分を脱水剤により除去し、その脱水剤を加熱して再生させる加熱再生式脱水装置等を、脱水装置６として用いることができる。
【００３２】
脱水装置６または第１反応器５ａから流出して第２反応器５ｂに導入されるアルゴンガスに、一酸化炭素供給器９によって一酸化炭素が添加される。添加された一酸化炭素はアルゴンガスと共に第２反応器５ｂに導入される。この一酸化炭素の添加により、第２反応器５ｂに導入されるアルゴンガスにおける一酸化炭素量が、そのアルゴンガスにおける残留酸素の全てと反応するのに必要な設定量を超えるものとされる。この一酸化炭素の設定量は、本実施形態では、そのアルゴンガスにおける酸素の全てと反応するのに必要な一酸化炭素の化学量論量とされる。この場合、アルゴンガスにおける一酸化炭素モル濃度が、第１反応器５ａ出口で計測される酸素モル濃度の２倍を超えることにより、アルゴンガスにおける一酸化炭素量が上記化学量論量を超える。
【００３３】
その一酸化炭素の設定量は、上記化学量論量である必要はなく、上記化学量論量以上であればよい。例えば、上記化学量論量の１．０５倍〜２．０倍の値にするのが好ましく、１．０５倍以上とすることでアルゴンガスにおける一酸化炭素を残留酸素と確実に反応させて残留酸素を消費でき、２．０倍以下とすることで残留する一酸化炭素濃度が必要以上に高くなるのを防止できる。
【００３４】
一酸化炭素供給器９は、例えば流量制御弁を有する高圧一酸化炭素容器のような、第２反応器５ｂへのアルゴンガスの導入流量に応じた流量で一酸化炭素を添加可能なものにより構成できる。なお、その一酸化炭素の供給前に、第２反応器５ｂに導入されるアルゴンガスをサンプリングするためのサンプリングラインを設け、そのサンプリングラインに酸素分析計および一酸化炭素分析計を設け、また、第２反応器５ｂから流出して吸着装置７に導入される前のアルゴンガスのサンプリングラインに一酸化炭素分析計を設けるのが好ましい。これにより、アルゴンガスにおける不純物組成を連続的に監視することで、より確実に微過剰の一酸化炭素を添加できる。
【００３５】
第２反応器５ｂ内でアルゴンガスにおける酸素と一酸化炭素とが反応することで、一酸化炭素が残留された状態で二酸化炭素が生成されるように、第２反応器５ｂに第２反応用触媒としてルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム、又はこれらの混合物が収容される。そのルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物をアルミナに担持するのが好ましい。
【００３６】
第２反応器５ｂにおける反応温度が高くなる程に、一酸化炭素と水との反応により水素が発生し易くなり、一方、反応温度が低くなる程に、一酸化炭素が第２反応用触媒の働きを阻害する被毒現象により酸素と一酸化炭素との反応が妨げられる。また、第２反応器５ｂに導入されるアルゴンガスにおける残留酸素濃度が高い程に、一酸化炭素の添加量を多くし、酸素と一酸化炭素との反応を促進する必要がある。一方、一酸化炭素の添加量が多い程に、一酸化炭素と水との反応により水素が発生し易くなり、一酸化炭素が第２反応用触媒の働きを阻害し易くなる。よって、第２反応器５ｂにおけるアルゴンガスの酸素濃度、一酸化炭素濃度、および反応温度は、精製を行う上で好適な条件を得られる範囲に制限するのが好ましい。例えば、反応温度が５０℃未満では酸素と一酸化炭素との反応性が低下し、１３０℃以上では一酸化炭素と水との反応により水素が発生し易くなる。そのため、反応温度を５０℃〜１３０℃とし、一酸化炭素のモル濃度を酸素モル濃度の２．１倍〜２．４倍あるいは３０００モルｐｐｍ以下とし、酸素のモル濃度を１０００モルｐｐｍ以下とするのが好ましい。
【００３７】
第２反応器５ｂから流出するアルゴンガスは、冷却器Ｃによって冷却されることで水分を低減された後に吸着装置７に到る。吸着装置７は、ＰＳＡユニット１０とＴＳＡユニット２０を有する。
【００３８】
ＰＳＡユニット１０は、アルゴンガスにおける少なくとも一酸化炭素、二酸化炭素、水、および窒素を、常温での圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着する。冷却器Ｃによって冷却されたアルゴンガスはＰＳＡユニット１０に導入される。これにより、第１反応器５ａにおいて生成された二酸化炭素と水、および、第２反応器５ｂにおいて生成された二酸化炭素と残留する一酸化炭素が、アルゴンガスに当初から含有されていた窒素と共にＰＳＡユニット１０において吸着剤に吸着される。また、ＰＳＡユニット１０に導入されるアルゴンガスに炭化水素が残留する場合、その炭化水素を吸着することもできる。
【００３９】
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、第２反応器５ｂから流出するアルゴン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。その吸着剤は、一酸化炭素、二酸化炭素、水、および窒素を吸着できるものとされ、本実施形態では活性アルミナとＸ型ゼオライトとが用いられ、Ｘ型ゼオライトとしてはＬｉ−Ｘ型やＣａ−Ｘ型の合成ゼオライトが好ましい。活性アルミナとＸ型ゼオライトの各吸着塔１３における配置は特に限定されず、例えば層状にして交互に配置してもよい。活性アルミナとＸ型ゼオライトとの重量比は５／９５〜３０／７０にするのが好ましい。２層状にして交互に配置する場合、アルゴンガスの流れの上流に活性アルミナを配置し、下流にＸ型ゼオライトを配置するのが好ましい。
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を介して製品タンクＴに接続される。
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、製品タンクＴに導入されるアルゴン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。
【００４０】
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を基準に各工程を以下の通り説明する。
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、第２反応器５ｂから供給されるアルゴンガスは圧縮機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アルゴンガス中の少なくとも窒素、一酸化炭素、二酸化炭素および水分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アルゴンガスが第１吸着塔１３から流出配管１３ｍを介して製品タンクＴに送られる。この際、流出配管１３ｍに送られたアルゴンガスの一部は、昇圧配管１３ｏ、流量制御バルブ１３ｕを介して第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、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アルゴンガスが、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アルゴンガスが、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、吸着工程にある第４吸着塔１３から流出配管１３ｍに送られたアルゴンガスの一部が、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アルゴンガスが製品タンクＴ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。
【００４１】
ＰＳＡユニット１０において吸着剤に吸着されなかった窒素を含むアルゴンガスがＴＳＡユニット２０に導入される。ＴＳＡユニット２０は、アルゴンガスにおける窒素を、−１０℃〜−５０℃でのサーマルスイング吸着法により吸着剤に吸着する。
【００４２】
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から送られてくるアルゴンガスを予冷する熱交換型予冷器２１と、予冷器２１により冷却されたアルゴン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の吸着に適したものが用いられ、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Ｘ型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 ／ｇ以上とするのが特に好ましい。
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アルゴンガスによりＰＳＡユニット１０から送られてくるアルゴンガスが冷却される。流出配管２３ｇから精製されたアルゴンガスが切替バルブ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。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アルゴンガスが冷却器２２において冷却され、その冷媒はタンク２４ｇに還流される。
【００４３】
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から供給されるアルゴンガスは予冷器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は熱交換機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、アルゴンガスに含有される少なくとも窒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アルゴンガスが吸着塔２３から切替バルブ２３ｌを介して流出され、製品タンクＴ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、不純物を含んだアルゴン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アルゴンガスの一部が、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アルゴンガスによる洗浄が実施され、その洗浄に用いられたアルゴンガスは切替バルブ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から流出する精製アルゴンガスの一部が冷却・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内を冷却した精製アルゴンガスは切替バルブ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から流出する精製アルゴン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。
【００４４】
上記精製装置αによれば、少なくとも酸素、水素、一酸化炭素、炭化水素、油分および窒素を不純物として含有するアルゴンガスを回収して精製する際に、アルゴンガスに含有される油分を活性炭により吸着する。さらに、油分に由来する炭化水素の一部も活性炭により吸着でき、特に炭素数が1 〜６以外の炭化水素を活性炭により効果的に吸着できる。次に、アルゴンガスにおける酸素量が、アルゴンガスにおける水素、一酸化炭素、および炭化水素の全てと反応するのに必要な酸素の設定量を超えるか否かを判定し、その酸素量が前記設定量以下である場合は設定量を超えるように酸素を添加する。しかる後に、アルゴンガスにおける一酸化炭素、水素、および炭化水素と酸素とを、第１反応用触媒としてロジウムを用いて反応させることで、酸素を残留させた状態で二酸化炭素と水を生成する。これにより、アルゴンガスにおける主な不純物は二酸化炭素、水、酸素、および窒素とされる。次に、アルゴンガスにおける一酸化炭素量が、その残留された酸素の全てと反応するのに必要な設定量を超えるように、一酸化炭素を添加する。しかる後に、アルゴンガスにおける酸素と一酸化炭素とを、第２反応用触媒としてルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物を用いて反応させることで、一酸化炭素が残留された状態で二酸化炭素を生成する。これにより、アルゴンガス中の主な不純物は水、一酸化炭素、二酸化炭素および窒素とされる。しかる後に、アルゴンガスにおける一酸化炭素、二酸化炭素、水、および窒素が、圧力スイング吸着法により吸着剤に吸着され、アルゴンガスから除去される。
【００４５】
すなわち精製装置αは、油分と炭素数が1 〜６以外の炭化水素を活性炭により効果的に吸着することにより、アルゴンガスにおける炭化水素量を低減する。これにより、後の炭化水素と酸素との反応により生成される水と二酸化炭素の量を低減すると共に、後の吸着装置７における吸着負荷を軽減できる。また、第１反応用触媒として用いられるロジウムは、耐熱性が良く反応性が高いので、アルゴンガスがメタンのような低級炭化水素を多く含む場合、反応温度を高くして十分に反応を進行させ、アルゴンガスにおける炭化水素を効果的に低減できる。さらに、第２反応用触媒としてルテニウム、ロジウム、又はこれらの混合物を用いることで、水と一酸化炭素との反応を抑制して水素が生じるのを防止できる。よって、吸着装置７による吸着処理では除去困難な水素がアルゴンガスに残留するのを防止できるので、アルゴンガスを高純度に精製することが可能になる。また、吸着装置７による吸着処理の前処理段階においてアルゴンガスから酸素を除去できるので、精製負荷を低減し、吸着装置７により不純物を効果的に除去できる。さらに、圧力スイング吸着法のために用いる吸着剤として活性アルミナとＸ型ゼオライトとを用いることで、アルゴンガスにおける水分および二酸化炭素の吸着および脱着を活性アルミナにより行い、Ｘ型ゼオライトによる一酸化炭素、窒素および炭化水素の吸着効果を高くできる。これにより、吸着装置７による吸着処理の前段階においてアルゴンガスに炭化水素が残留したとしても、ＰＳＡユニット１０を大型化することなく、炭化水素を圧力スイング吸着法により吸着剤に効果的に吸着させることができる。
【００４６】
また、上記精製装置αによれば、第１反応用触媒を用いた反応と第２反応用触媒を用いた反応との間において、アルゴンガスにおける水分含有率を、脱水装置を用いた脱水処理により低減させることができる。これにより、確実に水と一酸化炭素との反応を抑制して水素の発生を防止できる。
【００４７】
さらに上記精製装置αによれば、圧力スイング吸着法による不純物の吸着の後に、アルゴンガスにおける窒素を、−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ことができる。このようにサーマルスイング吸着法による吸着を併用することで、ＰＳＡユニット１０の負荷を低減し、精製前のアルゴンガスにおける不純物濃度の変動に対応し、確実に不純物を除去できる。よって、精製後におけるアルゴンガスの純度をより高めることができる。また、サーマルスイング吸着法による吸着処理の前処理段階においてアルゴンガスから酸素を除去でき、さらに圧力スイング吸着法で一酸化炭素を除去できるので、サーマルスイング吸着法による吸着処理の際の冷却エネルギーを低減できる。さらに、サーマルスイング吸着法による吸着処理の前処理段階においてアルゴンガスから炭化水素を除去できるので、サーマルスイング吸着法のために用いる吸着剤の再生時に、窒素以外のものを吸着剤から脱離させる必要がなく、再生エネルギーを低減できる。しかも、ＰＳＡユニット１０における吸着剤として活性アルミナとＸ型ゼオライトを用いることで窒素の吸着効果を高めることができるので、ＴＳＡユニット２０における窒素の吸着負荷を低減し、回収されたアルゴンガスをより高純度に精製できる。
【実施例１】
【００４８】
上記精製装置αを用いてアルゴンガスの精製を行った。精製前のアルゴンガスは不純物として酸素を２００モルｐｐｍ、水素を５０モルｐｐｍ、一酸化炭素を１０００モルｐｐｍ、窒素を７５０モルｐｐｍ、二酸化炭素を６０モルｐｐｍ、水分を５００モルｐｐｍ、炭化水素としてメタンを２０モルｐｐｍ、Ｃ２〜Ｃ６の炭化水素をＣ１の炭化水素換算で３２モルｐｐｍ、油分を４．５ｇ／ｍ3 それぞれ含有した。このアルゴンガスを標準状態で４．０Ｌ／ｍｉｎの流量で活性炭吸着塔３に導入した。活性炭吸着塔３は呼び径３２Ａのパイプ状とし、日本エンバイロケミカルズ製ＧＸ６／８成型炭を１０Ｌ充填した。
次に、活性炭吸着塔３から流出するアルゴンガスに酸素供給器８から酸素を３．２ｍｌ／ｍｉｎの流量で添加して、第１反応器５ａに導入した。第１反応器５ａにおいては、アルミナ担持のロジウム（ＮＥケムキャット製０．５％アルミナペレット）を６０ｍＬ充填し、反応条件は温度３５０℃、大気圧、空間速度４０００／ｈとした。この場合、アルゴンガスにおいて酸素は、水素、一酸化炭素、および炭化水素と反応させるのに必要な理論値の約１．６倍含まれている。第１反応器５ａから流出するアルゴンガスに一酸化炭素供給器９から一酸化炭素を３．６ｍｌ／ｍｉｎの流量で添加して第２反応器５ｂに導入した。この場合、アルゴンガスにおいて一酸化炭素は、残存酸素を消費するのに必要な理論値の約１．２倍含まれる。第２反応器５ｂにおいては、アルミナ担持のルテニウム触媒（スードケミー社製ＲＵＡ３ＭＭ）を６０ｍｌ充填し、反応条件は温度１１０℃、大気圧、空間速度４０００/ ｈとした。
第２反応器５ｂから流出するアルゴンガスを冷却し、その不純物含有率を吸着装置７により低減した。ＰＳＡユニット１０は４塔式とし、各塔は呼び径３２Ａ、長さ１ｍのパイプ状とし、各塔に吸着剤として活性アルミナ（住友化学製ＫＨＤ−２４）を１０ｗｔ％、Ｌｉ−Ｘ型ゼオライト（東ソー製ＮＳＡ−７００）を９０ｗｔ％充填した。ＰＳＡユニット１０の操作条件は、吸着圧力０．８ＭＰａＧ、脱着圧力１０ｋＰａＧ、サイクルタイム４００ｓｅｃ／塔とし、均圧１５ｓｅｃを実施した。ＴＳＡユニット２０は２塔式とし、各塔に吸着剤としてＣａ−Ｘ型ゼオライト（東ソー製ＳＡ−６００Ａ）を１．２５Ｌ充填し、吸着圧力は０．８ＭＰａＧ、吸着温度は−３５℃、脱着圧力は０．１ＭＰａＧ、脱着温度は４０℃とした。
この場合の第１反応器５ａの出口、第２反応器５ｂの出口、ＰＳＡユニット１０の出口、およびＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、後記の表１に示す通りであった。表１における炭化水素の組成は、メタン濃度とＣ２〜Ｃ６炭化水素のＣ１炭化水素換算濃度との合計を示す。
また、活性炭吸着塔３の出口でのアルゴンガスの組成は以下の通りであった。
・活性炭吸着塔出口
水素：５０モルｐｐｍ、酸素：２００モルｐｐｍ、窒素：７５０モルｐｐｍ、一酸化炭素：１０００モルｐｐｍ、二酸化炭素：６０モルｐｐｍ、メタン：２０モルｐｐｍ、Ｃ２〜Ｃ６炭化水素：Ｃ１炭化水素換算で３０モルｐｐｍ、水分：５００モルｐｐｍ、油分：０．１ｇ／ｍ3 未満
なお、精製されたアルゴンガスにおける酸素濃度はＧＥセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ社製酸素分析計ＤＥ−１５０εにより測定し、一酸化炭素および二酸化素の濃度はメタナイザーを介して島津製作所製ＧＣ−ＦＩＤを用いて測定し、水素濃度についてはＧＬｓｃｉｅｎｃｅ社製ＧＣ−ＰＤＤにより測定し、窒素濃度はラウンドサイエンス社製微量窒素分析計ＰＥＳ−２０００型により測定し、炭化水素濃度は島津製作所製ＧＣ−ＦＩＤにより測定し、油分についてはＣＫＤ製フィルタＶＦＡ１０００のフィルタリングの増量からの計算により求め、水分はＧＥセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ社製露点計ＤＥＷＭＥＴ−２を用いて測定した。
【実施例２】
【００４９】
第２反応器５ｂにおいて用いる触媒をアルミナ担持のロジウム（ＮＥケムキャット製０．５％アルミナペレット）とした。その他は実施例１と同じ条件でアルゴンガスを精製した。
この場合の第１反応器５ａの出口、第２反応器５ｂの出口、ＰＳＡユニット１０の出口、およびＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、表１に示す通りであった。
【比較例１】
【００５０】
第１反応器５ａにおいて用いる触媒をアルミナ担持の白金（ＮＥケムキャット製ＤＡＳＨ−２２０）とし、第２反応器５ｂにおいて用いる触媒をアルミナ担持の白金（ＮＥケムキャット製ＤＡＳＨ−２２０）とした。また、ＰＳＡユニット１０の各吸着塔に吸着剤としてＬｉ−Ｘ型ゼオライトのみを充填した。その他は実施例１と同じ条件でアルゴンガスを精製した。
この場合の第１反応器５ａの出口、第２反応器５ｂの出口、ＰＳＡユニット１０の出口、およびＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、表１に示す通りであった。
【００５１】
【表１】
0005745434.tif 000002
【実施例３】
【００５２】
第１反応器５ａから流出するアルゴンガスを標準状態で４．０Ｌ／ｍｉｎの流量で脱水装置６に導入した。脱水装置６は、呼び径３２Ａのパイプ状とし、活性アルミナ（住友化学製ＫＨＤ−２４）を８Ｌ充填した。脱水装置６から流出するアルゴンガスに一酸化炭素供給器９から一酸化炭素を３．６ｍｌ／ｍｉｎの流量で添加して第２反応器５ｂに導入した。この場合、アルゴンガスにおいて一酸化炭素は、残存酸素を消費するのに必要な理論値の約１．２倍含まれる。その他は実施例１と同じ条件でアルゴンガスを精製した。
この場合の第１反応器５ａの出口、第２反応器５ｂの出口、ＰＳＡユニット１０の出口、およびＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、表２に示す通りであった。
【実施例４】
【００５３】
第１反応器５ａから流出するアルゴンガスを標準状態で４．０Ｌ／ｍｉｎの流量で脱水装置６に導入した。脱水装置６は、呼び径３２Ａのパイプ状とし、活性アルミナ（住友化学製ＫＨＤ−２４）を８Ｌ充填した。脱水装置６から流出するアルゴンガスに一酸化炭素供給器９から一酸化炭素を３．６ｍｌ／ｍｉｎの流量で添加して第２反応器５ｂに導入した。この場合、アルゴンガスにおいて一酸化炭素は、残存酸素を消費するのに必要な理論値の約１．２倍含まれる。その他は実施例２と同じ条件でアルゴンガスを精製した。
この場合の第１反応器５ａの出口、第２反応器５ｂの出口、ＰＳＡユニット１０の出口、およびＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、表２に示す通りであった。
【比較例２】
【００５４】
第１反応器５ａから流出するアルゴンガスを標準状態で４．０Ｌ／ｍｉｎの流量で脱水装置６に導入した。脱水装置６は、呼び径３２Ａのパイプ状とし、活性アルミナ（住友化学製ＫＨＤ−２４）を８Ｌ充填した。脱水装置６から流出するアルゴンガスに一酸化炭素供給器９から一酸化炭素を３．６ｍｌ／ｍｉｎの流量で添加して第２反応器５ｂに導入した。この場合、アルゴンガスにおいて一酸化炭素は、残存酸素を消費するのに必要な理論値の約１．２倍含まれる。その他は比較例１と同じ条件でアルゴンガスを精製した。
この場合の第１反応器５ａの出口、第２反応器５ｂの出口、ＰＳＡユニット１０の出口、およびＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、表２に示す通りであった。
【００５５】
【表２】
0005745434.tif 000003
【比較例３】
【００５６】
吸着処理の前処理を行うことなく、ＰＳＡユニット１０とＴＳＡユニット２０を用いて吸着処理のみでアルゴンガスの精製を行った。精製前のアルゴンガスは不純物として一酸化炭素を５０００モルｐｐｍ、窒素を５０００モルｐｐｍ、二酸化炭素を１モル％含有した。ＰＳＡユニット１０は４塔式とし、各塔は呼び径３２Ａ、長さ１ｍのパイプ状とし、各塔に吸着剤として活性アルミナ（住友化学製ＫＨＤ−２４）を１０ｗｔ％とＣａ−Ａ型ゼオライト（ＵＯＰ製５Ａ−ＨＰ）を９０ｗｔ％充填した。ＰＳＡユニット１０の操作条件は、吸着圧力０．８ＭＰａＧ、脱着圧力１０ｋＰａＧ、サイクルタイム７１０ｓｅｃ／塔とし、均圧１５ｓｅｃの条件でアルゴンガスを精製した。ＴＳＡユニット２０は２塔式とし、各塔に吸着剤としてＣａ−Ｘ型ゼオライト（東ソー製ＳＡ−６００Ａ）を１．２５Ｌ充填し、吸着圧力は０．８ＭＰａＧ、吸着温度は−３５℃、脱着圧力は０．１ＭＰａＧ脱着温度は４０℃とした。
この場合のＰＳＡユニット１０の出口とＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、表３に示す通りであった。また、ＰＳＡユニット１０の出口でのアルゴンガスの回収率は６５．３％であった。
【比較例４】
【００５７】
ＰＳＡユニット１０の各吸着塔に吸着剤として活性アルミナ（住友化学製ＫＨＤ−２４）を３０ｗｔ％とＬｉ−Ｘ型ゼオライト（東ソー製ＮＳＡ−７００）を７０ｗｔ％充填しサイクルタイムを１０００ｓｅｃ／塔とした。その他は比較例３と同じ条件でアルゴンガスを精製した。
この場合のＰＳＡユニット１０の出口とＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、表３に示す通りであった。また、ＰＳＡユニット１０の出口でのアルゴンガスの回収率は７５．２％であった。
【比較例５】
【００５８】
ＰＳＡユニット１０の各吸着塔に吸着剤として活性アルミナ（住友化学製ＫＨＤ−２４）を１０ｗｔ％とＬｉ−Ｘ型ゼオライト（東ソー製ＮＳＡ−７００）を９０ｗｔ％充填しサイクルタイムを７７０ｓｅｃ／塔とした。その他は比較例３と同じ条件でアルゴンガスを精製した。
この場合のＰＳＡユニット１０の出口とＴＳＡユニット２０の出口におけるアルゴンガスの不純物組成は、表３に示す通りであった。また、ＰＳＡユニット１０の出口でのアルゴンガスの回収率は６９％であった。
【００５９】
【表３】
0005745434.tif 000004
【００６０】
上記各実施例および各比較例から以下の点を確認できる。
第１反応器５ａにおいてロジウム触媒を用いることで炭化水素を効果的に反応させ、第２反応器５ｂにおいてルテニウム又はロジウム触媒を用いることで水素が生じるのを防止できることを確認できる。
圧力スイング吸着法のために用いる吸着剤を活性アルミナとＸ型ゼオライトとすることで、炭化水素を効果的に吸着できることを確認できる。
実施例１、２から、ＰＳＡユニット１０の出口のアルゴンガスの窒素濃度が十分に低減され、回収したアルゴンガスを高純度に精製できることを確認できる。また、ＴＳＡユニット２０の出口でのアルゴンガスの窒素濃度がより低減されることを確認できる。
比較例５におけるＰＳＡユニット１０の出口でのアルゴンガスの窒素濃度は、比較例４におけるＰＳＡユニット１０の出口でのアルゴンガスの窒素濃度よりも低いが、比較例５では比較例４よりもサイクルタイムが短いため、廃棄されるアルゴンガスが多くアルゴンガスの回収率が低下する。一方、比較例４および比較例５におけるＴＳＡユニット２０の出口でのアルゴンガスの窒素濃度は、同じように低減される。よって、ＴＳＡユニットを併用することで、ＰＳＡユニットの負荷を低減できることを確認できる。
比較例３、５から、圧力スイング吸着法のために用いる吸着剤を活性アルミナとＬｉ−Ｘ型ゼオライトとすることで、活性アルミナとＣａ−Ａ型ゼオライトを用いる場合よりも精製後におけるアルゴンガスの窒素濃度を低減できることを確認できる。さらに比較例４、５から、吸着処理のみで精製を行った場合でも、アルゴンガスの窒素濃度を十分に低減できることを確認できる。
【００６１】
本発明は上記の実施形態や実施例に限定されるものではない。例えば、アルゴンガスの回収に使用される機器は、油回転真空ポンプのようなオイルを用いる機器に限定されず、例えばオイルレス真空ポンプを用いてもよい。また、アルゴンガスの純度の要求に応じてＴＳＡユニットをなくしてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
α…精製装置、３…活性炭吸着塔、５…反応装置、５ａ…第１反応器、５ｂ…第２反応器、６…脱水装置、７…吸着装置、８…酸素供給器、９…一酸化炭素供給器、１０…ＰＳＡユニット、２０…ＴＳＡユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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