氦气的纯化方法及纯化装置制造方法及图纸

本发明专利技术通过有效地降低回收氦气的杂质含有率，从而提供能以低成本将氦气纯化至高纯度的方法和装置。对至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气进行纯化时，使氦气中的氧、氢和一氧化碳反应，使氧残留而生成二氧化碳和水。接着，通过添加氢使氢摩尔浓度达到高于氧摩尔浓度的2倍的值，使氧与氢反应，使氢残留而生成水。接着，在进行脱水操作后，使氦气中的氢与金属氧化物反应，从而生成水。接着，通过使用沸石类吸附剂的变压吸附法至少吸附杂质中的氮、二氧化碳和水，然后通过-10℃～-50℃的变温吸附法至少吸附氮。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及适合于对例如在光纤的制造工序中使用后回收的氦气之类的至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气进行纯化的方法和装置。
技术介绍
对于例如在光纤的拉丝工序中使用、使用后散发至大气中的氦气，有时将其回收再利用。上述回收氦气含有在光纤的拉丝工序中混入的氢、一氧化碳、通过使用后散发至大气中而混入的来源于空气的氮和氧等作为杂质，因此需要进行纯化来提高纯度。于是，已知如下方法通过以液氮作为制冷源的的深冷操作将纯化前的氦气中所含的杂质液化除去，通过吸附剂将残余的微量杂质吸附除去(参照专利文献1)。还已知如下方法在纯化前的氦气中添加氢，使该氢与作为杂质的空气成分中的氧反应而生成水分， 除去该水分后通过膜分离方法除去残留的杂质(参照专利文献2)。还已知如下方法使纯化前的氦等稀有气体中所含的杂质与合金吸气剂接触，从而将其除去(参照专利文献3)。专利文献1 日本专利特开平10-311674号公报专利文献2 日本专利特开2003-246611号公报专利文献3 日本专利特开平4-209710号公报
技术实现思路
专利文献1记载的方法中，因为需要用液氮进行深冷操作，所以冷却能量增大；专利文献2记载的方法中，因为需要膜分离模块，所以设备成本高；任一种方法的氦气的回收收益均较小。此外，专利文献2记载的方法中，通过在作为纯化对象的氦气中添加氢来除去氧，但并未考虑到氢的充分除去，可能会对光纤原材料之类的会因氢而导致劣化加剧的材料造成不良影响。专利文献3记载的方法中，因为合金吸气剂的的能力小，所以只能用于将杂质浓度为PPm级的低纯度氦气纯化至超高纯度的情况，无法直接用于混入较多杂质的情况。本专利技术的方法的特征在于，对至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气进行纯化时，利用催化剂使所述氦气中的氧、氢、及一氧化碳反应，从而以残留有氧的状态生成二氧化碳和水，接着添加氢，使所述氦气中的氢摩尔浓度达到高于氧摩尔浓度的2倍的值，接着利用催化剂使所述氦气中的氧与氢反应，从而以残留有氢的状态生成水，接着通过脱水操作来降低所述氦气的水分含有率，接着使所述氦气中的氢与金属氧化物反应，从而生成水，接着，通过使用沸石类吸附剂的变压吸附法至少吸附所述氦气中的杂质中的氮、二氧化碳和水，然后通过-10°C -50°C的变温吸附法至少吸附所述氦气中的杂质中的氮。根据本专利技术，首先利用催化剂使氦气中所含的作为杂质的氧的一部分、氢及一氧化碳反应，以残留有氧的状态生成二氧化碳和水。藉此，氦气中的氢和一氧化碳与氧反应， 因而被除去。接着，使氦气中的氧与所添加的氢反应，从而以残留有氢的状态生成水。该氢的添加量与理论上和氦气中的所有氧反应所需的氢量相比略有过量，藉此通过与氧的反应可减少残留的氢量。接着，通过脱水操作来降低氦气的水分含有率。藉此，氦气中的氧和水被除去，可减小水分的吸附负荷。接着使氦气中的氢与金属氧化物反应，从而生成水。该氢与金属氧化物的反应在进行反应之前实施了脱水操作，因此可防止反应被水分抑制。藉此， 氦气中的氢被除去，可应对要求减少氢的情况。此外，氦气的主要杂质为氮、少量的二氧化碳和少量的水。因此，可容易地通过变压吸附法降低二氧化碳浓度和水分含有率。因为可通过在该变压吸附法中使用沸石类吸附剂来提高氮的吸附效果，所以可减小后续的变温吸附法中的氮吸附负荷。而且，因为可无需采用变温吸附法来吸附氧，所以可将杂质的吸附温度提高至高于吸附氧时的温度。因此，可在不增大吸附处理时的冷却能量的情况下提高氦气的回收率和纯度。本专利技术的装置是对至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气进行纯化的装置，其特征在于，包括第一反应器，该第一反应器中导入有所述氦气；第二反应器，该第二反应器中导入有从所述第一反应器流出的氦气；氢浓度调节装置，该氢浓度调节装置通过添加氢将导入所述第二反应器中的所述氦气中的氢摩尔浓度设定为高于氧摩尔浓度的2倍的值；脱水机，该脱水机通过进行脱水操作来降低从所述第二反应器流出的所述氦气的水分含有率；第三反应器，该第三反应器中导入有通过所述脱水机降低了水分含有率的所述氦气；吸附装置，该吸附装置与所述第三反应器连接；在所述第一反应器中填充有催化剂，使得在所述第一反应器内所述氦气中的氧、氢和一氧化碳发生反应，从而生成水和二氧化碳，在所述第二反应器中填充有催化剂，使得在所述第二反应器内所述氦气中的氧与氢反应，从而以残留有氢的状态生成水，在所述第三反应器中填充有金属氧化物，使得在所述第三反应器内所述氦气中的氢发生氧化而生成水，所述吸附装置具有PSA 单元和TSA单元，该PSA单元通过使用沸石类吸附剂的变压吸附法至少吸附从所述第三反应器流出的所述氦气中的杂质中的氮、二氧化碳和水，该TSA单元通过-10°C -50°C的变温吸附法至少吸附所述氦气中的杂质中的氮。如果采用本专利技术的装置，则可实施本专利技术的方法。利用本专利技术，可在无需大量的纯化能量的情况下有效地降低至少混入有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气中的杂质含有率，从而提供能以低成本将氦气纯化至高纯度的实用的方法和装置。附图说明图1是本专利技术的实施方式的氦气纯化装置的结构说明图。图2是本专利技术的实施方式的氦气纯化装置中的变压吸附装置的结构说明图。图3是本专利技术的实施方式的氦气纯化装置中的变温吸附装置的结构说明图。符号的说明α 纯化装置，2 加热器，3 第一反应器，4 第二反应器，5 氢浓度调节装置，6 脱水机，7 第三反应器，9 吸附装置，10 :PSA单元，20 :TSA单元具体实施例方式图1所示的氦气纯化装置α包括作为纯化对象的氦气的供给源1、加热器2、第一反应器3、第二反应器4、氢浓度调节装置5、脱水机6、第三反应器7、冷却器8、吸附装置 9。从供给源1供给的作为纯化对象的氦气通过未图示的过滤器等除尘，经由鼓风机等气体输送单元(省略图示)导入加热器2。作为纯化对象的氦气被认为至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质，但也可以含有其它微量杂质。本专利技术中，作为纯化对象的氦气中所含的作为杂质的氢和一氧化碳包括在空气中微量含有的氢和一氧化碳，但主要并非来源于空气，而是在氦气的使用环境中混入。例如，将在光线的拉丝工序中使用后散发至大气中的氦气回收的情况下，氦气中除了含有在拉丝工序中混入的氢和一氧化碳以及回收时混入的来源于空气的氮和氧以外，还含有来源于该空气的二氧化碳和烃等可以忽略的程度的微量杂质。作为纯化对象的氦气中混入有空气的情况下会含有氩，但因为空气中的氩的含量低于氧和氮，且经纯化的氦气的用途利用了作为惰性气体的特性的情况下可以用氩气代替，所以可以不将氩作为杂质而忽略它。被纯化的氦气中的杂质的浓度无特别限定，例如为1摩尔％ 60摩尔％左右。为了使各反应器3、4、7中的反应进行完全，用加热器2对氦气加热的温度较好为250°C以上，从防止催化剂的寿命缩短的角度来看，所述温度较好为400°C以下。经加热器2加热的氦气被导入第一反应器3。第一反应器3中填充有使氧与氢和一氧化碳反应的催化剂。藉此，第一反应器3内的氦气中所含的氧、氢和一氧化碳发生反应，从而以残留有氧的状态生成水和二氧化碳。填充于第一反应器3中的催化剂只要使氧与氢和一氧化碳反应即可，无特别限定，可使用例如将钼、钼合本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种氦气的纯化方法，其特征在于，对至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气进行纯化时，利用催化剂使所述氦气中的氧、氢及一氧化碳反应，从而以残留有氧的状态生成二氧化碳和水，接着添加氢，使所述氦气中的氢摩尔浓度达到高于氧摩尔浓度的２倍的值，接着利用催化剂使所述氦气中的氧与氢反应，从而以残留有氢的状态生成水，接着通过脱水操作来降低所述氦气的水分含有率，接着使所述氦气中的氢与金属氧化物反应，从而生成水，接着，通过使用沸石类吸附剂的变压吸附法至少吸附所述氦气中的杂质中的氮、二氧化碳和水，然后通过－１０℃～－５０℃的变温吸附法至少吸附所述氦气中的杂质中的氮。

【技术特征摘要】
2010.07.08 JP 2010-1558231.一种氦气的纯化方法，其特征在于，对至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气进行纯化时， 利用催化剂使所述氦气中的氧、氢及一氧化碳反应，从而以残留有氧的状态生成二氧化碳和水，接着添加氢，使所述氦气中的氢摩尔浓度达到高于氧摩尔浓度的2倍的值， 接着利用催化剂使所述氦气中的氧与氢反应，从而以残留有氢的状态生成水， 接着通过脱水操作来降低所述氦气的水分含有率， 接着使所述氦气中的氢与金属氧化物反应，从而生成水，接着，通过使用沸石类吸附剂的变压吸附法至少吸附所述氦气中的杂质中的氮、二氧化碳和水，然后通过-10°C -50°C的变温吸附法至少吸附所述氦气中的杂质中的氮。2.一种氦气的纯化装置，该装置是对至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气进行纯化的装置，其特征在于，包括第一反应器，该第一反应器中导入有所述氦气； 第二反应器，该第二反应器中导入有从所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：北岸信之，三宅正训，坂本纯一，
申请(专利权)人：住友精化株式会社，
类型：发明
国别省市：JP