专利名称：变压吸附式气体分离方法和分离装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及变压吸附式气体分离方法和分离装置，详细来说，涉及从包含高附加值气体(例如氙气、氪气)的混合气体中分离回收高附加值气体的变压吸附式气体分离方法和分离装置。本申请基于2009年3月30日在日本申请的日本特愿2009-807M号主张优先权， 在此引用其内容。
背景技术：
在制造半导体集成电路、液晶面板、太阳能电池面板和磁盘等半导体产品的工艺中，广泛使用在稀有气体气氛中通过高频放电产生等离子体，由该等离子体进行半导体产品或显示装置的各种处理的装置。作为在这种处理中使用的稀有气体，以往使用氩气，但近年为了进行更高级的处理，正开始关注氪气或氙气。在电灯领域，对于电灯封入气体以往也使用氩气，但近年为了耗电降低、亮度提高，正开始使用氪气或氙气制造高附加值产品。另一方面，在医疗现场用于麻醉的气体也从以往的笑气开始关注无副作用的氙气。然而，氪气或氙气从在空气中的存在比和分离工艺的复杂度来说是极稀有且昂贵的气体，存在因其使用而成本显著增加的问题。为了使这种气体的使用在经济上成立，以高回收率分离回收使用后的稀有气体并循环使用变得极其重要。作为以高浓度、高回收率从包含高附加值气体的使用后的混合气体中分离回收高附加值气体的方法，有例如日本专利公开2006-61831号公报中提出的方法。该发明为通过变压吸附法(PSA法)进行的分离回收方法，具有图2所示的以下工序a e，按照预先制定的规定顺序进行这些工序。该发明的装置具备原料气体储存槽、储存易吸附组分的易吸附组分储存槽、储存难吸附组分的难吸附组分储存槽、压缩原料气体储存槽或易吸附组分储存槽的气体的压缩机、压缩易吸附组分储存槽的气体的压缩机、下部筒10BU1B和上部筒10UU1U的四个吸附筒和安装在规定地点的阀。(工序 a)向填充有对混合气体中的一种组分(易吸附性组分)表现出易吸附性，且对其它组分(难吸附性组分)表现出难吸附性的吸附剂的下部筒IOB和上部筒10U，将至少包含易吸附性组分和难吸附性组分、即包含两种以上组分的上述混合气体(原料气体、即被分离回收气体)由原料气体储存槽1导入上述下部筒10B。将从上述下部筒IOB流出的易吸附性组分减少的气体导入上部筒10U，使易吸附性组分吸附于下部筒IOB和上部筒IOU的上述吸附剂。通过下部筒IOB和上部筒IOU的难吸附性组分在与上述上部筒IOB连通的难吸附性组分储存槽3回收。并且，工序(a)结束时，易吸附性组分的吸附带未到达吸附筒上部。
(工序b)将储存易吸附性组分的易吸附性组分储存槽2的气体(易吸附性组分)导入吸附易吸附性组分的下部筒10B，并使残留在下部筒IOB的空隙的难吸附性组分导出到上部筒 10U,同时在上部筒IOU吸附从下部筒IOB流入的气体所包含的易吸附性组分。从上部筒 IOU排出的难吸附性组分回收并移入(e)工序结束后的上部筒11U。(工序 C)对下部筒IOB减压并使易吸附性组分从下部筒IOB的吸附剂解吸，在易吸附性组分储存槽2回收解吸的易吸附性组分。(工序d)对上部筒IOU减压并使上部筒IOU的吸附剂吸附的气体(易吸附性组分和难吸附性组分的混合)解吸，将解吸的气体导入下部筒10B，同时在原料气体储存槽1回收从下部筒IOB流出的气体(易吸附性组分和难吸附性组分的混合)。(工序 e)将工序(a)中在难吸附性组分储存槽3回收的难吸附性组分作为吹扫气体导入到减压的上部筒10U。从上部筒IOU流出的气体导入到下部筒10B。这样由上部筒IOU和下部筒IOB使易吸附性组分置换解吸，而在原料气体储存槽1回收从下部筒IOB流出的气体 (易吸附性组分和难吸附性组分的混合)。如此，以高浓度、高回收率同时回收易吸附性组分和难吸附性组分。在使用如以上所述的变压吸附式气体分离方法的分离回收高附加值气体的方法中，为了有效地回收易吸附性组分或难吸附性组分，很重要的一点是控制易吸附性组分的吸附带位置(高度)，以使在工序b结束时，下部筒IOB内由易吸附性组分吸附饱和，且在上部筒IOU易吸附性组分完全被吸附，即从上部筒IOU不流出易吸附性组分。例如对未导入易吸附性组分的上部筒IOU连续导入易吸附性组分时，在上部筒IOU的气体导入侧形成吸附带(adsorption band 正在吸附易吸附性组分的部分)。随着时间经过，吸附带接近上端， 另一方面，在气体导入侧形成接续吸附带产生的饱和带(易吸附性组分的吸附量饱和的部分)。因此，通常控制运转操作条件等，调节为在工序b中使下部筒IOB内由易吸附性组分饱和吸附，且在上部筒10U，易吸附性气体完全被吸附。然而，吸附剂的吸附性能具有温度依赖性。已知吸附剂的温度越低，气体对吸附剂的吸附量越增加。因此，运转中产生的轻微的周围环境温度、特别是吸附筒的周围环境温度变化而使吸附剂的温度发生变化时，由于工序b结束时的上部筒IOU和下部筒IOB中的易吸附性组分的吸附带位置移动，所以存在分离回收的易吸附性组分和难吸附性组分的回收纯度、 回收率降低的问题。在工序b结束的阶段，不优选难吸附性组分残留于下部筒，也不优选易吸附性组分从上部筒流出。吸附带是指应吸附组分的浓度分布急剧变化的拐点(带)。环境温度降低时，通常吸附于吸附剂的气体量增加，吸附筒内的易吸附性组分的吸附带行进速度降低。因而，运转操作条件等相同时，在工序b中难吸附性组分不从下部筒 IOB向上部筒IOU导出，而残留在下部筒IOB内，在工序c被易吸附性组分储存槽2回收。结果，回收的易吸附性组分的纯度和难吸附性组分的回收率降低。图3示出了经过规定时间而结束上述工序b时的、下部筒IOB和上部筒IOU内的易吸附组分的浓度分布。纵轴记载了易吸附组分的浓度，横轴使用了合计下部筒IOB和上部筒IOU的高度的总高度。图中示出了围绕装置的环境温度降低时的浓度分布变化。在该曲线图中，曲线A表示在某一基准温度A下的易吸附组分的浓度分布，曲线C 表示在比基准温度A更低的温度C下的易吸附组分的浓度分布。曲线A示出了使下部筒IOB内由易吸附性组分吸附饱和，且在上部筒IOU易吸附性组分完全被吸附的状态。曲线C示出了难吸附性组分未从下部筒IOB向上部筒IOU导出而残留在下部筒 IOB内的情况。另一方面，若环境温度上升，向吸附剂吸附的气体量降低，吸附筒内的易吸附性组分的吸附带行进速度上升，在工序b易吸附性组分到达上部筒IOU的最上部，所以回收的难吸附性组分的纯度和易吸附性组分的回收率降低。图4示出了经过规定时间而上述工序b结束时的下部筒IOB和上部筒IOU内的易吸附性组分的浓度分布。图中示出了环境温度上升时的浓度分布变化。在该曲线图中，曲线A表示在上述基准温度A下的易吸附性组分的浓度分布，曲线 B表示在比基准温度A更高的温度B下的易吸附组分的浓度分布。曲线B示出了工序b结束前，易吸附性组分到达上部筒IOU的最上部的情况。而且，在图3和4中，以对应基准温度A设定的运转操作条件等，在温度C或B下进行分离。为了防止这种由环境温度的变动引起的易吸附性组分和难吸附性组分的回收纯度和回收率的降低，得到整年稳定的分离性能，优选在设置有整个一年间固定控制温度的空调机器的室内设置分离装置。然而，这种设备需要初期费用，且在运转中需要庞大的能量，故成本增大。专利文献1 日本专利公开2006-061831号公报
发明内容
本发明为解决上述问题而作出，目的在于提供即使环境温度发生变化，也可维持不使分离回收的易吸附性组分和难吸附性组分的纯度和回收率降低，而且可抑制为此增加的成本的变压吸附式气体分离方法和分离装置。为了解决上述问题，本发明提供以下方面。本发明的第一方面为变压吸附式气体分离方法，为使用对包含至少两种组分的原料气体的至少一种组分具有易吸附性、对所述原料气体的至少一种组分具有难吸附性的吸附剂，通过填充了该吸附剂的吸附筒从原料气体中分离对所述吸附剂表现出易吸附性的组分和表现出难吸附性的组分的方法，其特征在于，将填充在所述吸附筒的吸附剂的温度保持在整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度以上的温度。优选第一方面的所述吸附筒由下部筒和上部筒构成，将上部筒的温度控制成低于下部筒的温度。
5
本发明的第二方面为变压吸附式气体分离装置，具备由填充了吸附剂的上部筒和下部筒构成的吸附筒，所述吸附剂对包含至少两种组分的原料气体的至少一种组分具有易吸附性，对所述原料气体的至少一种组分具有难吸附性，其特征在于，在所述上部筒和下部筒设置有将它们加温的加温装置，设置有控制该加温装置使得将填充在上部筒和下部筒内的吸附剂的温度保持在整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度以上的温度的温度控制装置。优选本发明第二方面的所述温度控制装置为将上部筒的温度控制成低于下部筒的温度的装置。根据本发明的变压吸附式气体分离方法和分离装置，即使气体分离装置周围的环境温度发生变化，吸附剂的温度也总是固定，其吸附特性不发生变化。其结果，吸附筒内的吸附带的位置不会从预定的位置变动。因此，能够以高纯度(高浓度)且高回收率从包含高附加值气体的原料气体中整年稳定地分离回收高附加值气体。此外，由于仅对吸附筒加温，所以消耗能量可限于最小限度，从而气体的回收成本降低。此外，通过将极稀少的昂贵的高附加值气体分离回收循环使用，从而经济性提高。
图1是表示使用本发明的变压吸附式气体分离方法的高附加值气体回收装置一例的结构简图。图2是表示使用现有的变压吸附式气体分离方法的高附加值气体回收工艺的图。图3是表示吸附筒内的易吸附性组分的浓度分布的示意图(环境温度下降时)。图4是表示吸附筒内的易吸附性组分的浓度分布的示意图(环境温度上升时)。图5是表示使用本发明的变压吸附式气体分离方法的高附加值气体回收装置一例的结构简图。
具体实施例方式以下说明本发明的例子，但本发明不仅限于这些例子。在不脱离发明的范围内，可进行数量、位置、大小、数值等的变更或追加。图1示出了使用本发明的变压吸附式气体分离方法的高附加值气体回收装置的一例。首先，说明图1的装置的简要结构。该高附加值气体回收装置具备将包含回收目标组分(目标组分)和至少一种以上的其它组分的混合气体作为原料气体储存的原料气体储存槽1、储存易吸附性组分的易吸附性组分储存槽2、储存难吸附性组分的难吸附性组分储存槽3、对原料气体储存槽1或易吸附性组分储存槽2内的气体进行压缩的压缩机4、对易吸附性组分储存槽2的气体进行压缩的压缩机5、下部筒IOB和11B、上部筒IOU和11U、对下部筒10B、IlB加温并保温的加温装置IOBH和11BH、以及对上部筒10U、1 IU加温并保温的加温装置IOUH和11UH。在本例中，吸附筒具备有上部筒和下部筒共计4个。此外，设置有温度控制装置X，使用温度计A等测定吸附剂的温度，控制这些加温装置10BH、11BH、10UH、11UH，将填充在上部筒和下部筒内的吸附剂的温度保持在整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度以上的温度。此外， 可具备测定周围温度的温度计B，也可具备万一周边温度超出设定的加温温度时，通知使用者周围温度超出设定温度的警报器、灯等装置C。在本发明中，环境温度的最高温度，可为包括装置的使用时和未使用时的最高温度，也可仅为使用时的最高温度。而且，用温度计或热电偶、测温电阻体、热敏电阻、放射温度计等测定吸附剂的温度的地点优选各吸附筒的吸附剂填充层内的中心、或相当于吸附剂填充层中心的高度的吸附筒外表面，但只要能够确认吸附筒内的吸附剂温度，则不限定其位置。在本发明中，回收目标组分可为易吸附性组分，也可为难吸附性组分，还可为二者。混合气体可为由双组分构成的气体或除此以外的气体。本发明可分离的易吸附性组分或难吸附性组分可任意选择，例如可举出氦、氖、氩、氪、氙等稀有气体类、氮气、氧气、氢气、 二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烷等烃类、六氟化硫、四氟化碳等全氟化碳类(PFCs)等。本发明中吸附剂也可任意选择，例如可举出沸石、氧化铝和活性炭等。符号Ll为将原料气体导入原料气体储存槽1的通路。符号L2为将原料气体储存槽1的气体向压缩机4导出的通路。符号L3为将易吸附性组分储存槽2的气体向压缩机4导出的通路。符号L4和L5为将来自压缩机4的气体导入下部筒IOB和IlB的通路。符号L6为将从上部筒IOU和IlU导出的气体导入难吸附性组分储存槽3的通路。符号L7为将难吸附性组分储存槽3内的难吸附性组分供给至装置系统外的通路。符号L8为将难吸附性组分储存槽3内的难吸附性组分作为交流吹扫气体导入上部筒IOU和IlU的通路。符号L9、LlO为将下部筒IOB和IlB内的气体送回至原料气体储存槽1或易吸附性组分储存槽2的通路。符号Lll为将下部筒IOB和IlB内的气体送回至原料气体储存槽1的通路。符号L12为将下部筒IOB和IlB内的气体送回至易吸附性组分储存槽2的通路。符号L13为将来自易吸附性组分储存槽2的易吸附性组分供给至装置系统外的通路。符号L14为在上部筒IOU和IlU之间进行均压的均压管道。下部筒10B、1 IB和上部筒10U、1 IU填充有对原料气体中的目标组分具有易吸附性或难吸附性，对目标组分以外的组分具有难吸附性或易吸附性的吸附剂。接着，利用图1说明本发明的变压吸附式气体分离方法的实施方式的一例。本实施方式的变压吸附式气体分离方法中对包含作为主要组分的氙气和作为其他主要组分的氖气时进行说明。而且，该气体中几乎不含氙气、氖气以外的气体。在下部筒10BU1B和上部筒10UU1U填充的吸附剂使用作为平衡分离型吸附剂的活性炭。活性炭具有作为平衡吸附量，氙气的吸附量多(易吸附性)、氖气的吸附量少(难吸附性)的性质。另外，下部筒10BU1B和上部筒10UU1U的加温装置10BH、11BH、10UH、IlUH通过温度控制装置进行温度控制使吸附筒内填充的吸附剂的温度长时间一定。S卩，将分离易吸附性组分和难吸附性组分的吸附筒的下部筒10B、11B、上部筒10UU1U的包含吸附剂填充层的中心的吸附筒外表面部分分别通过加温装置10BH、11BH、 10UHUIUH以一整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度以上的温度进行加热。例如一整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度为时，为30 300°C、优选30 80°C,更优选30 50°C范围内的固定温度，在分离装置的运转中总是对筒加温。对于控制的吸附筒内填充的吸附剂的温度，适于吸附剂填充层内中心温度的直接测定。然而，对于直接测定，插入吸附剂填充层的温度传感器会使吸附筒内的气体流动混乱，可能会破坏透过带。因此将不使吸附筒内的气体流动混乱，进而可容易测定的相当于吸附剂填充层中心的位置的吸附筒外表面温度视为与吸附剂温度相同。由此，通过控制吸附筒正中的外表面温度，可将吸附筒内的吸附剂温度控制为总是固定。而且，相当于吸附筒内的吸附剂填充层中心的位置的吸附筒外表面温度因条件而与吸附筒内部的吸附剂温度多少不同，但即使存在程度上的差异，只要吸附筒周围的环境温度对吸附剂筒内部的温度产生影响，本发明的效果是有效的。形成筒的材料可任意选择，通常可使用SUS316L、SUS304L等不锈钢、铬镍铁合金、 耐蚀耐热镍基合金等合金等。加温装置10BH、11BH、10UH、11UH的种类、大小、形状、配置等可根据需要选择。加热装置的优选例可举出覆套式电阻加热器等电阻式电加热器、将温水、 热风等作为介质的恒温装置、感应加热式加热器等。一整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度，若有在设置装置的场所经过一年以上测定的数据，则可基于此确定。或者有其它适当方法，也可使用其确定。例如，设置的场所在室内，且没有一年间的该室内的温度记录时，也可得到该地域的外部的年间最高温度信息，计算室外空气和室内的温度差，由外部最高温度加减上述温度差而算出。设置在室外时，也可通过调查该地区的室外空气的去年或数年的最高温度而得到最高值。若考虑每年最高温度发生变化，则加热优选在例如比去年的环境温度的最高温度至少高2°C以上， 优选在高5°C以上的温度下进行。例如，优选比环境温度的最高温度高5 50°C的范围内选择温度进行加热。进而，本发明优选将加温装置10BH、11BH、10UH、11UH控制为使上部筒10UU1U的温度低于下部筒10B、11B，优选上部筒10UU1U的温度比下部筒10BU1B低5°C以上的温度。在相同尺寸的情况下，与对下部筒10BU1B的吸附剂的气体吸附量相比，对温度低的上部筒10UU1U的吸附剂的气体吸附量增加。由此，与将下部筒10BU1B和上部筒10UU1U控制在相同温度时相比，在工序b 的下部筒10BU1B中的易吸附性组分的吸附饱和促进易吸附性组分的纯度提高和上部筒 10UU1U中的易吸附性组分的吸附量增加而能够实现易吸附性组分的回收率提高。若举出优选的控制例，则控制为使下部筒加热在30 80°C的范围，上部筒加热在25 75°C的范围，且上部筒的温度为比下部筒低5°C以上的温度。另外，为了预先对导入到下部筒10BU1B的气体进行加温，优选通过加热装置等以下部筒10BU1B的加温温度以上对原料气体储存槽1和易吸附性组分储存槽2、下部筒导入配管L4、L5进行加温，由此可实现易吸附性组分的纯度提高。本实施方式的气体分离方法由工序a、工序b、工序C、工序d、工序e和工序f六个工序构成。阀的开闭根据需要选择，但本实施例中，各工序中的阀Vl V15的开闭状态如表1所示进行操作。
表 权利要求
1.一种变压吸附式气体分离方法，为使用对包含至少两种组分的原料气体的至少一种组分具有易吸附性、对所述原料气体的至少一种组分具有难吸附性的吸附剂，通过填充了该吸附剂的吸附筒从原料气体中分离对所述吸附剂表现出易吸附性的组分和表现出难吸附性的组分的方法，其特征在于，将填充在所述吸附筒的吸附剂的温度保持在整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度以上的温度。
2.根据权利要求1所述的变压吸附式气体分离方法，其特征在于，所述吸附筒由下部筒和上部筒构成，将上部筒的温度控制成低于下部筒的温度。
3.一种变压吸附式气体分离装置，具备由填充了吸附剂的上部筒和下部筒构成的吸附筒，所述吸附剂对包含至少两种组分的原料气体的至少一种组分具有易吸附性，对所述原料气体的至少一种组分具有难吸附性，其特征在于，在所述上部筒和下部筒设置有将所述上部筒和下部筒加温的加温装置，设置有控制该加温装置使得将填充在上部筒和下部筒内的吸附剂的温度保持在整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度以上的温度的温度控制装置。
4.根据权利要求3所述的变压吸附式气体分离装置，其特征在于，所述温度控制装置为将上部筒的温度控制成低于下部筒的温度的装置。
全文摘要
本发明公开了一种使用对包含至少两种组分的原料气体的至少一种组分具有易吸附性、对所述原料气体的至少一种组分具有难吸附性的吸附剂，通过填充了该吸附剂的吸附筒从原料气体中分离对所述吸附剂表现出易吸附性的组分和表现出难吸附性的组分的方法，将填充在所述吸附筒的吸附剂的温度保持在整年变化的吸附筒周围的环境温度的最高温度以上的温度。
文档编号C01B23/00GK102365122SQ20108001382
公开日2012年2月29日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月30日
发明者山胁正也, 有村忠信, 石原良夫 申请人:大阳日酸株式会社