(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物として少なくとも酸素を含むヘリウムガスを密閉容器から連続的に抜き出し、ガス分離膜を透過させることによってヘリウムガスを精製し、前記密閉容器に循環回収させるヘリウムガスの回収精製方法において、その不純物として少なくとも酸素を含むヘリウムガスを、回収精製初期から末期にわたり、前記密閉容器から一定流量で抜き出すと共に一定圧力に加圧して前記ガス分離膜に導入し、且つ、前記ガス分離膜における非透過ガス中に含まれる酸素濃度が一定となるように非透過ガス流量を制御することで、その非透過ガス流量を回収精製初期から末期にわたり次第に減少させることを特徴とするヘリウムガスの回収精製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気などの不純ガスを含むヘリウムから不純物を除去し、ヘリウムガスを回収精製する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムは、従来冷却剤として用いられている。例えば、ガス状ヘリウムは、光ファイバーを製造する際の冷却剤として、また、液状のヘリウムは、超伝導マグネットの冷却用として利用されている。
【０００３】
一方、最近では水素に次ぐ比重の軽い不活性なガスである利点を生かしてバルーンや、通信・放送、地球観測用の飛行船の気球に充填使用されるようになっている。飛行船の気球には通常９９％以上の高濃度のヘリウムガスが充填されるが、飛行の時間経過とともに気球中への大気の漏れ込みによってヘリウム濃度が数％程度低下し、飛行船の性能が低下するおそれがある。従って、気球中のヘリウム濃度が例えば９５％程度に低下した場合、ヘリウムガスを回収し、高純度に精製して再充填する必要がある。
【０００４】
空気などの不純ガスを含むヘリウムガスを回収し、高純度のヘリウムガスに精製する操作方法として、特開平２−１５７１０１号には選択透過性の高分子分離膜を内蔵する分離膜モジュールとデオキソ反応装置と吸着装置を組み合わせる方法が開示されている。一方、特開平４−２８０８０６号、特開平４−２９３５１２号、特公平５−８０２４２号、特公平６−２４６０４号には分離膜法とＰＳＡ法との組み合わせによる方法が開示されている。しかしながら、これらの方法は、ＰＳＡ装置などの大型の設備を必要とする上操作方法も複雑であり、例えば、前記の飛行船のヘリウムガスを回収し精製する方法としては適当とは言い難い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＰＳＡなどの大型装置を必要とせず、操作方法がシンプルで高いヘリウムガス回収率を得ることができるヘリウムガス回収精製方法を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明では次の技術的手段を講じている。すなわち、本発明のヘリウムガスの回収精製方法は、不純物として少なくとも酸素を含むヘリウムガスを密閉容器から連続的に抜き出し、ガス分離膜を透過させることによってヘリウムガスを精製し、前記密閉容器に循環回収させるヘリウムガスの回収精製方法において、その不純物として少なくとも酸素を含むヘリウムガスを、回収精製初期から末期にわたり、前記密閉容器から一定流量で抜き出すと共に一定圧力に加圧して前記ガス分離膜に導入し、且つ、前記ガス分離膜における非透過ガス中に含まれる酸素濃度が一定となるように非透過ガス流量を制御することで、その非透過ガス流量を回収精製初期から末期にわたり次第に減少させることを特徴としている。
【０００７】
本発明においては、ヘリウムガス回収精製装置をコンパクトにする為に圧縮機を１基とし、槽類をなくして、ガス分離膜だけを使用することで装置をシンプル化している。そして、非透過ガス中の酸素濃度を測定してガス量を制御することにより、非透過ガスが最少量のガス量となるようにし高いヘリウムガス回収率が継続して得られるようにしている。また、ヘリウムガスの回収精製後の製品ヘリウムガスはそのまま使用先へと循環させるようにし、ヘリウムガスの置換速度を速くするために、槽類をなくしヘリウムガスが回収精製系内で滞留しないようにしている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、例えば、約５０００ｍ３の容量を有する飛行船の気球中のヘリウムガスを再利用するために回収精製する方法を例に具体的に説明する。飛行船の気球には、９９％以上の純度の高いヘリウムガスが充填されておりこの飛行船を成層圏プラットフォームとして滞空させると大気中の空気や水分が気球にもれ込み気球中のヘリウムガスの純度が９５％以下にまで低下する。図１には、空気を不純ガスとして含む気球中のヘリウムガスを回収精製するための本発明に係るプロセスの概略を示すフロー図を示す。
【０００９】
まず、不純ガスとして５％の空気を含み、純度が９９％から９５％に低下した気球中のヘリウムガスを回収ガスとして１００ｍ３／ｈで気球１から連続的に抜き出す。この回収ガスを原料ガスとし圧縮機２で１．１ＭＰａ未満、例えば１．０５ＭＰａの圧力にまで加圧する。加圧されたヘリウムガスは、圧縮機出口部のクーラー３で冷却されガス中の水分がドレンセパレーター４で凝縮し、ドレン化して系外へ排出される。このとき圧縮機の出口圧力を圧力計６で検出し、常時一定圧力で１．１ＭＰａ未満となるように圧力制御され、過剰のガスはリサイクル弁５を通じて圧縮機の入り口側へ戻される。なお、圧縮機で加圧冷却された水分は凝縮してドレン化できるが、それ以上の水分は除去できない為必要であれば別途冷凍式のドライヤーか、もしくは熱再生方式のドライヤーをクーラー出口部に設置して水分を更に除いてもよい。
【００１０】
脱湿された原料ガスは次にガス分離膜モジュール７に導入され、透過し易いヘリウムガスと微量の水分だけが優先的に中空糸状の分離膜内を透過し、透過側へ回収される。ここで用いられるガス分離膜は、たとえばポリイミド、ポリスルホン、酢酸セルロースなどの高分子材料により構成されている。このガス分離膜モジュールは、内径が０．１〜０．５ｍｍの中空糸状に成型された分離膜が束状になってモジュール内に組み込まれている。ヘリウム分子は窒素や酸素分子に比べてはるかに分離膜内を拡散しやすい為、中空糸の外部より加圧した場合は内部へ、内部より加圧した場合は外部へと透過していく。透過したヘリウムガスは９９．５％以上の高純度なガスとなってモジュールより排出され、そのまま気球に送り込まれる。
【００１１】
本発明においては、このガス分離膜モジュール７でヘリウムガスを分離する際に、前記ガス分離膜における非透過ガス中に含まれる酸素濃度が一定となるように非透過ガス流量を制御することを特徴としている。すなわち、ヘリウムガスをガス分離膜モジュール７で分離する際に非透過ガス中の酸素濃度を酸素濃度計８で測定し、その濃度がたとえば１０％で一定となるように、減圧弁９で一定圧に減圧された後制御弁１０で流量を制御する。
【００１２】
ここで、例えば、回収精製初期の５％の空気を含むヘリウムガスを１００ｍ３／ｈでガス分離膜モジュール７に導入する場合、透過側へ透過するヘリウムの純度を９９．５％とすると、非透過ガス中に含まれる酸素濃度を１０％にするためには非透過ガスの流量を９．６ｍ３／ｈに制御すればよいことになる。一方、透過側へと透過した純度９９．５％のヘリウムガスは、精製ガス（透過ガス）となって９０．４ｍ３／ｈで気球１に循環される。気球には、ガス分離膜モジュールより非透過ガスとして廃棄された９．６ｍ３／ｈに相当する高純度ヘリウムガスをボンベより別途補充する。
【００１３】
このようにして気球内が精製ガスおよび新しく供給されたヘリウムガスによって置換されていき、気球内のヘリウム濃度が上昇する。従って、例えば回収精製中期において３％の空気を含むヘリウムガスを１００ｍ３／ｈでガス分離膜モジュール７に導入する場合、透過側へ透過するヘリウムの純度を９９．５％とすると、非透過ガスの流量を５．３ｍ３／ｈに制御すれば非透過ガス中に含まれる酸素濃度は１０％と一定に保持されることになる。
【００１４】
このようにして最終的に気球が、精製された９９．５％以上の濃度の高純度なヘリウムガスで完全に置換されるとガス分離膜の非透過ガス量は限りなく０となり、そのときの瞬間ヘリウムガス回収率は１００％となる。したがって、回収初期に気球より抜き出される原料ガス中のヘリウムガス濃度が９５％の場合、ガス分離膜モジュールでの瞬間ヘリウムガス回収率は約９５％であり、気球内でヘリウムガスがピストンフローとして置換されていったと仮定すると、５０００／１００＝５０時間後に置換は完了し、ヘリウムガスの合計回収率は９７．５％になる。
【００１５】
図２にピストンフローで理想的に新しいガスに入れ替わった場合の、回収精製経過時間に応じたガス分離膜入り口の原料ガス量、原料ガス中のヘリウムガス濃度、精製ガス量（透過ガス量）、非透過ガス量、ヘリウムガス回収率の時間変化の様子を表わした。この結果から、ヘリウムガスのトータルの回収率として回収精製ガス量や回収精製時間に無関係に回収初期に得られるヘリウムガス回収率と１００％の回収率とほぼ中間値の値を得ることが出来ることがわかる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、飛行船の気球に充填されている高純度なヘリウムガスが大気のもれこみによってその濃度が、例えば、９９％から９５％へと４％低下したような場合、その空気を取り除く為の方法として好適に利用される。すなわち、本発明で用いられるガス分離膜はゼオライトのような吸着剤と比べると比較的純度の高い、特にヘリウムガスのような透過性の良いガスを精製する場合には高い分離能を発揮する。その操作方法もゼオライトを用いたＰＳＡ操作のようにガス流れの切り替えが不要な為可動部を必要とせず機械的寿命が長い。
【００１７】
また、ヘリウムガスを気球のような使用先から連続的に回収精製する場合、非透過ガス中の不純ガス濃度，例えば酸素濃度を測定しながら流量制御するとヘリウムガスが気球と回収精製装置の間を循環することで原料ガスの純度が上昇していくので廃棄ガス量が次第に減少していく。したがって非透過ガス中の不純ガス濃度が一定になるようにガス量を制御していくとヘリウムガスの回収率を高く維持しつづけることができる。
【００１８】
本発明によれば、不純ガスとして空気を含むヘリウムガスからコンパクトな装置と簡便な操作で９９．５％以上の純度の高いヘリウムガスを操作時間に関係なく高い回収率で回収、精製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヘリウムガス回収精製方法の一例を示す概略フローである。
【図２】本発明に係るヘリウムガス回収精製の時間経過をグラフ化したものである。
【符号の説明】
１  気球
２  圧縮機
３  クーラー
４  ドレンセパレーター
５  リサイクル弁
６  圧力計
７  ガス分離膜モジュール
８  酸素濃度計
９  減圧弁
１０  制御弁
【図１】
0004044339.tif 000002
【図２】
0004044339.tif 000003