專利名稱：氣體的分離純化方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于氣體的分離純化方法及其裝置，更詳細(xì)地說是關(guān)于回收高價(jià)的氣體進(jìn)行純化的方法及裝置，尤其，為了回收再利用在半導(dǎo)體制造裝置等中作為保護(hù)氣體使用的高價(jià)的氪或氙等稀有氣體的最合適的氣體分離純化方法及其裝置。
這樣的處理裝置，以下述的方法進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，該方法是，在將成為處理對象的基片等送入處理室時(shí)，在該處理室內(nèi)預(yù)先形成氮?dú)鈿夥?，在進(jìn)行等離子處理時(shí)刻，僅使稀有氣體或者有助于和稀有氣體反應(yīng)的氣體流動(dòng)，通過高頻放電產(chǎn)生等離子體，進(jìn)行處理，接著，使氮?dú)饬鲃?dòng)，使室內(nèi)凈化，與此同時(shí)取出基片。作為有助于反應(yīng)的氣體，例如在等離子體氧化處理中添加若干量的氧。
作為在這樣的處理中使用的稀有氣體，以往主要使用氦，但近年來，作為更高度的用途，離子化潛能低的氪或氙正受到注意。
氪或氙，空氣中的存在比本身極小，并且分離過程復(fù)雜，因而價(jià)格極高，在使用這樣的氣體的過程中，以使用過的氣體的回收、純化、循環(huán)使用為前提，才稱做具有經(jīng)濟(jì)性。
含有成為分離純化對象的稀有氣體的混合氣體，主要由稀有氣體和氮?dú)饨M成，在等離子體氧化中，成為含有若干量的氧的混合氣體。另外，在等離子化學(xué)汽相淀積中追加金屬氫化合物系氣體，在活性離子蝕刻中追加鹵化碳系氣體。而且，作為微量的雜質(zhì)，也含有水分、一氧化碳、二氧化碳、氫、烴類等。
另外，氙和固定量的氧(通常約30％)混合，作為麻醉氣體使用的用途也正受到注意。成為該場合的分離純化的對象的混合氣體，是來自患者的呼出氣體，除氙以外，是含有氧、氮?dú)?、二氧化碳、水分等的混合氣體。此時(shí)，為了再利用氙，必須去除該混合氣體中的氮?dú)饣蚨趸嫉取?br> 關(guān)于通過壓力變動(dòng)吸附分離(PSA)過程，回收純化來自混合氣體的特定成分的現(xiàn)有技術(shù)，例如在文獻(xiàn)“Pressure Swing Adsorption，1994 VCH Publishers Inc.，D.M.Ruthven，S.Farooq，K.S.Knaebel共著”的6章中，涉及廣泛范圍地進(jìn)行了解說。
在該文獻(xiàn)的6.5節(jié)中，解說了從各種混合氣體回收、純化氫的4塔式PSA過程。該氫PSA過程利用氫比混合氣體中的其他成分難以顯著吸附的性質(zhì)。在該文獻(xiàn)的表6.2中記載了，4塔式氫PSA純化系統(tǒng)的試驗(yàn)條件和性能數(shù)據(jù)。根據(jù)該試驗(yàn)條件和性能數(shù)據(jù)公開了，以往的氫PSA過程，如果想要得到99.9％以上的高的制品(氫)濃度，氫回收率就不到80％。
另外，在該文獻(xiàn)的6.6節(jié)中解說了，從燃燒排出氣回收、純化二氧化碳的4塔式PSA過程。在該文獻(xiàn)的表6.4中記載了，從燃燒排出氣回收、純化二氧化碳的PSA過程的性能數(shù)據(jù)。根據(jù)該性能數(shù)據(jù)公開了以往的二氧化碳?xì)釶SA過程中，甚至比較低的純度的約99％的制品濃度時(shí)，二氧化碳的回收率，即使在高的情況下，也才是72％左右。
此外，在該文獻(xiàn)的6.7節(jié)中解說了，從在填筑地產(chǎn)生的氣體中回收甲烷的PSA過程。根據(jù)該過程公開了，以往的甲烷回收PSA，在想要得到90％以上的回收率時(shí)，制品中的甲烷濃度是89％。
另一方面，日本特開平6-182133號(hào)公報(bào)公開了，稀有氣體的高收率回收純化方法及裝置。該發(fā)明是關(guān)于氦的回收純化的發(fā)明，將來自以往廢棄的PSA過程的排氣混合到原料氣體中，一邊循環(huán)利用，一邊回收氦，因此得到高收率。但是，在該發(fā)明中，形成原料混合氣體的分批處理，因此不能進(jìn)行連續(xù)的原料混合氣體的處理。
另外，在日本國特開平10-273307號(hào)公報(bào)中公開了，“用凈化氣體使室凈化，由此生成含有稀有氣體和凈化氣體的氣體狀流出物，為了再使用從室中回收。凈化氣體最好選自氫、蒸汽、氨、二氧化碳、一氧化碳、氧和具有2～6個(gè)碳原子的烴。最好通過膜分離、凝縮、吸附、吸收、結(jié)晶化、或者這些組合，從流出物分離稀有氣體流?！贝送?，在日本國特開平11-157814號(hào)公報(bào)中公開了，關(guān)于向含有從稀有氣體使用設(shè)備排出的稀有氣體的排氣的回收系的送進(jìn)和排出的轉(zhuǎn)換的方法。但是，作為關(guān)于回收后的純化方法，該發(fā)明不過公開了“可以使用吸附式或者膜分離方式，但使用鈦、釩、鋯、鎳等金屬或合金的收氣劑式純化裝置是合適的。”在日本國特開2000-171589號(hào)公報(bào)中公開了，作為放射性稀有氣體的回收方法，使用天然沸石的氪和/或氙的回收法。但是，該發(fā)明公開了氦氣體中的稀有氣體的吸附量，而沒有公開除此之外的解析、回收、再使用。
在日本國特開2000-26319號(hào)公報(bào)中公開了，從聚烯烴制造裝置的脫逸氣體，通過PSA過程回收低級(jí)烴類的方法。在該發(fā)明中，為了得到高的回收率，進(jìn)行在原料氣體中混合凈化排氣的循環(huán)操作。但是，按照該發(fā)明的實(shí)施方式，低級(jí)烴類濃度99.9％時(shí)的回收率是約90％，10％成為未回收。
像這樣，過去還沒有通過PSA過程，以高純度、以95～99％以上的高回收率連續(xù)地回收混合氣體中的特定成分的方法及裝置。另外，關(guān)于氪和氙公布的數(shù)據(jù)也極少。例如，在Journal of Colloid andInterface Science，Vol.29，No.1，January 1969中記載的了，活性炭和沸石5A對氪的25℃的吸附數(shù)據(jù)。如果按照此，可以判斷活性炭系吸附劑的吸附量比沸石5A多。以易吸附成分作為高純度的制品進(jìn)行回收的方法，例如在特開平3-12212號(hào)公報(bào)中已有描述，在該公報(bào)中記載的了，以吸附-洗凈-解析的3個(gè)過程作為主要過程，從空氣分離回收氮?dú)獾姆椒ā?br> 如果以關(guān)于上述的氪的吸附數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來考慮，活性炭系吸附劑，相對是雜質(zhì)成分的氮?dú)獾奈搅?，保持十分大的氪吸附量，因此認(rèn)為可以使用特開平3-12212號(hào)公報(bào)的方法。但是，在該號(hào)公報(bào)中記載的方法，在制品的高純度化中使用多量的洗凈氣體，因此不能期望制品的高回收率。
即，以往的方法，在處理像氪、氙的稀有氣體的系統(tǒng)中，充分提高經(jīng)濟(jì)性是困難的。尤其關(guān)于利用氮?dú)馐拱雽?dǎo)體制造裝置等的室內(nèi)凈化，或者是利用真空泵通過吸引而回收的混合氣體，該混合氣體中包含的稀有氣體是如上述的氪或者氙，而且從其含有濃度大概是25～75％的混合氣體中分離純化上述稀有氣體，回收高價(jià)的稀有氣體，作為以往技術(shù)提起的上述現(xiàn)有技術(shù)不能解決，正期待新技術(shù)的開發(fā)。
這樣，在以往的半導(dǎo)體制造裝置等中，以氪或者氙等高價(jià)的氣體作為保護(hù)氣體使用后，向外部放出，因此存在保護(hù)氣體的成本顯著地提高的問題。另外，從半導(dǎo)體制造裝置的室回收該高價(jià)的稀有氣體，存在利用PSA過程，不能以高純度、而且以95％以上的高回收率、更高技術(shù)的99％以上的高回收率連續(xù)地回收的問題。
因此，本發(fā)明的目的在于提供，以含有作為半導(dǎo)體制造裝置等的保護(hù)氣體使用的氪或氙等高價(jià)的的氣體的混合氣體為原料，利用PSA過程能夠效率良好地回收高價(jià)的氣體的氣體分離純化方法及其裝置。
另外，本發(fā)明的方法，利用上述的平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體分離成易吸附成分和難吸附成分，使平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出，同時(shí)利用前述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法將在平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分分離成易吸附成分和難吸附成分，將在該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集。尤其，使上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分向上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中循環(huán)，進(jìn)行再分離。
而且，利用上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體分離成易吸附成分和難吸附成分，將該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集，同時(shí)利用上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法將該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分分離成易吸附成分和難吸附成分，使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出。尤其，使上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分向上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中循環(huán)，進(jìn)行再分離。
此外，利用前述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體分離成易吸附成分和難吸附成分，使該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分作為排氣放出，同時(shí)利用上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法將該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分分離成上述易吸附成分和難吸附成分，使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分作為制品氣體采集。尤其，使上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分向上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法循環(huán)，進(jìn)行再分離。
另外，利用上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體的一部分分離成易吸附成分和難吸附成分，使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出，同時(shí)使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分和上述原料氣體混合，利用上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體的殘留部分分離成易吸附成分和難吸附成分，使該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集，同時(shí)將平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分和上述原料氣體混合。尤其，使上述原料氣體升壓，分別供給上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法和上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法，上述該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分和上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法的上述易吸附成分與升壓前的原料氣體混合。
本發(fā)明的裝置是以含有高價(jià)的氣體的混合氣體作為原料氣體，利用壓力變動(dòng)吸附分離裝置將上述高價(jià)的氣體分離純化的裝置，作為上述壓力變動(dòng)吸附分離裝置，具備基于平衡吸附量差使氣體成分分離的平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置，及基于吸附速度差使氣體成分分離的速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置。
另外，本發(fā)明的氣體的分離純化裝置，在前段設(shè)置上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置和在后段設(shè)置上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置進(jìn)行串聯(lián)組合，同時(shí)在前段的上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中，設(shè)置使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的難吸附成分作為排氣導(dǎo)出的路徑，以及將該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的易吸附成分導(dǎo)入后段的上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的路徑，在后段的上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中，設(shè)置使該速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的難吸附成分作為制品氣體導(dǎo)出的路徑，以及使該速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的易吸附成分向前段的上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置的原料氣體供給側(cè)循環(huán)的路徑。
此外，具備使上述原料氣體分岔，分別向上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置和上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置供給的路徑、將上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的易吸附成分混合在供給上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的原料空氣中的路徑、以及將上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的易吸附成分混合在供給上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的原料空氣中的路徑。
另外，上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置，作為吸附劑使用活性炭。上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置，作為吸附劑使用Na-A型沸石或者碳分子篩。上述高價(jià)的氣體是氪和氙的至少任一種。
按照本發(fā)明，從以像氪和氙那樣的高價(jià)的氣體作為保護(hù)氣體使用的半導(dǎo)體制造裝置等中排出的混合氣體中的高價(jià)的氣體，可以以高純度、高回收率效率良好地回收，因此能夠使在半導(dǎo)體制造裝置中的保護(hù)氣體的成本顯著地降低。
圖2是活性炭中的氪、氙和氮?dú)獾奈降葴鼐€圖。
圖3是沸石4A中的氪和氮?dú)獾奈降葴鼐€圖。
圖4是表示沸石4A中的氪和氮?dú)獾奈剿俣鹊膱D。
圖5是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第2方式例的系統(tǒng)圖。
圖6是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第3方式例的系統(tǒng)圖。
圖7是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第4方式例的系統(tǒng)圖。
圖8是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第5方式例的系統(tǒng)圖。
圖9是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第6方式例的系統(tǒng)圖。
該氣體分離純化裝置是用于回收，分離純化作為高價(jià)的氣體的氪或氙的裝置，它具備基于平衡吸附量差使氣體成分分離的平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10，以及基于吸附速度差使氣體成分分離的速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20。
上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10具有填充以氪或氙作為易吸附成分、以氮?dú)庾鳛殡y吸附成分的吸附劑，例如填充活性炭的數(shù)個(gè)吸附筒11a、11b和用于將原料氣體壓縮至規(guī)定的吸附壓力的壓縮機(jī)12，以及用于將上述吸附筒11a、12b切換成吸附過程和再生過程、設(shè)置在規(guī)定的位置的數(shù)個(gè)閥。
另外，上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20具有填充以氪或氙作為難吸附成分、以氮?dú)庾鳛橐孜匠煞值奈絼?，例如填充Na-A型沸石或碳分子篩的數(shù)個(gè)吸附筒21a、21b和用于將導(dǎo)入氣體壓縮至規(guī)定的吸附壓力的壓縮機(jī)22，以及用于將上述吸附筒21a、22b切換成吸附過程和再生過程、設(shè)置在規(guī)定的位置的數(shù)個(gè)閥。
在此，說明以氪和氮?dú)獾幕旌蠚怏w作為原料氣體，作為平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的吸附劑，作為速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20的吸附劑，分別使用活性炭、Na-A型沸石，借此將原料氣體中的氪和氮?dú)夥蛛x，使氪純化的次序。在兩個(gè)裝置中，最初規(guī)定為吸附筒11a、21a分別進(jìn)行吸附過程。
首先，在平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10中，從原料氣體導(dǎo)入路徑引導(dǎo)入的用壓縮機(jī)12升壓至規(guī)定壓力的原料氣體，通過入口閥13a流入吸附筒11a。填充在吸附筒11a、11b中的活性炭，如圖2的吸附等溫線(溫度298K)所示，氮?dú)?N2)比氪(Kr)或氙(X2)難吸附，因此是流入吸附筒11a中的原料氣體中的易吸附成分的氪優(yōu)先被活性炭吸附，是難吸附的難吸附成分的氮?dú)鈴奈酵?1a的出口端、通過出口閥14a向一次排氣放出路徑32放出。在此期間，另一個(gè)吸附筒11b進(jìn)行再生過程，吸附氣體從再生閥15b放出，流向速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20的壓縮機(jī)22的吸入側(cè)(一次側(cè))路徑33。
再者，在吸附過程、再生過程的切換時(shí)，和通常的PSA過程相同地可以進(jìn)行使用具有均壓閥16a、16b的均壓路徑17的均壓操作，或進(jìn)行在再生過程時(shí)從筒出口側(cè)導(dǎo)入的凈化氣體的凈化再生操作。
在吸附筒11a內(nèi)的活性炭吸附氪的吸附量達(dá)到極限，從筒出口流出氪之前，入口閥13a、13b，出口閥14a、14b，再生閥15a、15b進(jìn)行切換開閉，兩吸附筒11a、11b的過程進(jìn)行切換，吸附筒11a成為再生過程，而吸附筒11b成為吸附過程。
再生過程在中，由于筒內(nèi)的壓力降低，被活性炭吸附的氪發(fā)生解析，因此在再生過程中從吸附筒向路徑33導(dǎo)出的氣體，成為將氪濃縮的氣體(一次純化氣體)。
該一次純化氣體用壓縮機(jī)22升壓至規(guī)定的壓力后，通過入口閥23a流入處于吸附過程的吸附筒21a。此時(shí)，在路徑33中，可以預(yù)先設(shè)置用于使一次純化氣體的濃度或流量均勻化的緩沖槽。
所謂填充在吸附筒21a、21b中的Na-A型沸石，即沸石4A，如圖3的吸附等溫線所示，吸附量，氪(Kr)和氮?dú)?N2)是相同程度，但如圖4的吸附速度測定結(jié)果所示，與氮?dú)?N2)相比，氪(Kr)或氙(Xe)吸附速度慢(氙吸附速度極慢，因此在圖4中成為欄外)，因此是流入吸附筒21a中的一次純化氣體中的吸附速度快、吸附容易的易吸附成分的氮?dú)獗环惺?A優(yōu)先吸附，是吸附速度慢難以被沸石4A吸附的難吸附成分的氪從吸附筒21a的出口端、通過出口閥24被二次純化氣體導(dǎo)出路徑34導(dǎo)出。被該二次純化氣體導(dǎo)出路徑34導(dǎo)出的氣體作為制品氪暫時(shí)貯存在制品貯存槽35中后，通過制品導(dǎo)出路徑36事先供給使用。圖4中的縱標(biāo)度表示以某一溫度中的平衡吸附量作為1時(shí)的吸附可能殘量。
吸附筒21a進(jìn)行吸附過程時(shí)，吸附筒21b進(jìn)行再生過程。該再生過程，通過打開再生閥25b，使吸附筒21b內(nèi)的氣體向二次排氣導(dǎo)出路徑37放出來進(jìn)行。即使在此，在吸附過程、再生過程的切換時(shí)，和通常的PSA過程同樣地可以進(jìn)行使用具有均壓閥26a、26b的均壓路徑27的均壓操作，或在再生過程時(shí)從筒出口側(cè)導(dǎo)入凈化氣體的凈化再生操作。
在吸附筒21a內(nèi)的沸石4A的氮?dú)馕搅窟_(dá)到極限、從筒出口流出氮?dú)庵埃肟陂y23a、23b，出口閥24a、24b，再生閥25a、25b進(jìn)行切換開閉，兩吸附筒21a、21b的過程進(jìn)行切換，吸附筒21a成為再生過程，而吸附筒21b成為吸附過程。
在再生過程中，由于筒內(nèi)的壓力降低，不僅放出從沸石4A解析的氮?dú)猓掖嬖谟谕矁?nèi)的一次純化氣體也流出，因而對于在該速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20中排出的二次排氣來說，成為含有相當(dāng)量的氪的狀態(tài)。因此，被二次排氣導(dǎo)出路徑37放出的二次排氣向壓縮機(jī)12的一次側(cè)循環(huán)和原料氣體混合，在上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10中進(jìn)行再分離，由此可以將二次排氣中的氪回收到一次純化氣體中。
再者，在兩壓力變動(dòng)吸附分離裝置10、20中，在吸附過程中包含在從吸附筒流出的難吸附成分中的易吸附成分的濃度，保持與時(shí)間同時(shí)增加的傾向，因此通過調(diào)整在規(guī)定的吸附過程時(shí)間之間取出的難吸附成分的量，可以調(diào)整作為從最終的二次純化氣體導(dǎo)出路徑34采集的制品氪中包含的雜質(zhì)的氮?dú)饬?，因而可以同時(shí)考慮制品氪要求的純度和經(jīng)濟(jì)性，決定吸附過程時(shí)間或難吸附成分導(dǎo)出量。
圖5是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第2方式例的系統(tǒng)圖。在以下的說明中，對于和上述第1方式例的構(gòu)成要素相同的構(gòu)成要素來說，附以同一的符號(hào)，省略詳細(xì)的說明。
在本方式例中所示的氣體分離純化裝置是組合與上述第1方式例相同的平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10和速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20的氣體分離純化裝置，示出在速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20的壓縮機(jī)22的一次側(cè)路徑33中設(shè)置原料氣體導(dǎo)入路徑41的例子。即，是在前段和后段分別組合速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20和平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的氣體分離純化裝置。
來自原料氣體導(dǎo)入路徑41的原料氣體，用壓縮機(jī)22壓縮而導(dǎo)入速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20中，利用填充在該裝置20的吸附筒21a、21b中的沸石4A分離難吸附成分的氪和易吸附成分的氮?dú)?，難吸附成分的氪從純化氣體導(dǎo)出路徑34a經(jīng)制品貯槽35，通過制品導(dǎo)出路徑36使用前供給使用。
而且，從該速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20被一次排氣導(dǎo)出路徑37a導(dǎo)出的一次排氣，用壓縮機(jī)12壓縮而導(dǎo)入平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10中，利用填充在該裝置10的吸附筒11a、11b中的活性炭分離一次排氣中的易吸附成分的氪和難吸附成分的氮?dú)猓y吸附成分的氮?dú)鈴呐艢夥懦雎窂?2a排出。
另一方面，在平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的再生過程中，從再生閥15a、15b導(dǎo)出的二次純化氣體，通過路徑37b，流入壓縮機(jī)22的一次側(cè)路徑33，和從上述原料氣體導(dǎo)入路徑41導(dǎo)入的原料氣體混合后，被導(dǎo)入速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20進(jìn)行再分離。
圖6是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第3方式例的系統(tǒng)圖，是和上述第1方式例同樣地組合平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10和速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20，與此同時(shí)，在2個(gè)方向使原料氣體導(dǎo)入路徑51分岔，在平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的壓縮機(jī)12的一次側(cè)連接其中的一個(gè)路徑52，在速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20的壓縮機(jī)22的一次側(cè)連接另一個(gè)路徑53的氣體分離純化裝置。
即，原料氣體的一部分與從路徑52流過二次排氣導(dǎo)出路徑37與二次排氣合流后，用壓縮機(jī)12壓縮而導(dǎo)入平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10中，殘留部分的原料氣體通過路徑53、與流過壓縮機(jī)22的一次側(cè)路徑33的一次純化氣體，即和平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的易吸附成分合流后，用壓縮機(jī)22壓縮而導(dǎo)入速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20中。速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20中的易吸附成分，從二次排氣路徑37混合到路徑52的原料氣體中進(jìn)行再循環(huán)。
圖7是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第4方式例的系統(tǒng)圖，組合平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10和速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20，對兩吸附分離裝置10、20，形成由1臺(tái)壓縮機(jī)61供給氣體，與此同時(shí)，在該壓縮機(jī)61的一次側(cè)設(shè)置緩沖槽62，在該緩沖槽62上分別連接原料氣導(dǎo)入路徑63、在平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的再生過程中導(dǎo)出的氣體的流過路徑64、在速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20的再生過程中導(dǎo)出的氣體的流過路徑65，以混合這些氣體的狀態(tài)形成從壓縮機(jī)61壓送。
即，從原料氣體導(dǎo)入路徑63流入緩沖槽62的原料氣體和從路徑64、65流入的氣體混合，被壓縮機(jī)61吸引，通過路徑66導(dǎo)入處于各吸附分離裝置10、20的吸附過程的吸附筒中。另外，從處于各吸附分離裝置10、20的再生過程的吸附筒導(dǎo)出的氣體通過上述路徑64、65向緩沖槽62循環(huán)進(jìn)行再分離。利用像這樣的形成，就能夠削減壓縮機(jī)的設(shè)置臺(tái)數(shù)。
圖8是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第5方式例的系統(tǒng)圖，與上述第1方式例相反，示出在原料氣體供給側(cè)前段、后段組合速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20和平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10，同時(shí)以平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10中的易吸附成分作為制品而采集的例子。
在本方式例中，由從原料氣體導(dǎo)入路徑71導(dǎo)入的氪、氮?dú)饣旌蠚怏w組成的原料氣體，在速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20中對沸石4A是難吸附成分的氪，在吸附過程中從出口閥24a、24b被一次純化氣體路徑38導(dǎo)出，導(dǎo)入該氣體衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10中。此時(shí)，在吸附過程中導(dǎo)出的一次純化氣體以規(guī)定的吸附壓力導(dǎo)出，因而不用壓縮機(jī)升壓，就能夠?qū)肫胶庑蛪毫ψ儎?dòng)吸附分離裝置10中。
在平衡壓力變動(dòng)吸附分離裝置10中，對活性炭是易吸附成分的氪，在再生過程中從吸附筒、通過再生閥15a、15b被二次純化氣體導(dǎo)出路徑39導(dǎo)出，從制品貯槽35、通過制品導(dǎo)出路徑36使用前供給使用。
另外，從處于平衡壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的吸附過程的吸附筒導(dǎo)出的氣體，從出口閥14a、14b被二次排氣路徑37導(dǎo)出，向壓縮機(jī)22的一次側(cè)循環(huán)，而和原料氣體混合，在速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20中進(jìn)行再分離。于是，從速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20的再生過程的吸附筒、通過再生閥25a、25b導(dǎo)出的氣體(氮?dú)?，通過一次排氣放出路徑32放出。
再者，從二次排氣導(dǎo)出路徑37向速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20循環(huán)的二次排氣，用設(shè)置在二次排氣導(dǎo)出路徑37中的壓縮機(jī)(未圖示)壓縮后可以導(dǎo)入速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20。另外，在制品導(dǎo)出路徑36中，根據(jù)需要可以設(shè)置壓送氪用的壓縮機(jī)。
在上述第2～第5方式例中，各壓力變動(dòng)吸附分離裝置10、20都和上述第1方式例相同地將吸附筒11a、11b、21a、21b切換成吸附過程和再生過程，連續(xù)地分離氪和氮?dú)?，將原料氣體中的氪分離純化。
再者，在上述各方式例中，作為最簡單的原料氣體組成，可例示出氪和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，但在氙和氮?dú)獾幕旌蠚怏w時(shí)也可以同樣地進(jìn)行分離回收。也可以包括氪和氙兩者。而且，在本發(fā)明中作為能夠分離純化的高價(jià)的氣體，還包括純度高的同位素，例如可舉出，1H2、D2、3He、13CO、C18O2、C17O2、18O2、17O2、H218O2、H217O2、D2O、15N2、15N2O、15NO、15NO2等。
另外，作為一次排氣放出的氣體，即作為高價(jià)的氣體以外的氣體，和上述的氮?dú)馔瑯拥匾材軌驈母邇r(jià)的氣體中分離出氧、水分、一氧化碳、二氧化碳、氫、烴類。另外，原料氣體的導(dǎo)入位置，根據(jù)成為原料氣體的混合氣體之組成或流量等條件，可以適當(dāng)?shù)剡x擇。此外，也可以適當(dāng)?shù)剡x擇各壓力變動(dòng)吸附分離裝置的構(gòu)成，例如也可以采用3筒以上的多筒式。
圖9是表示本發(fā)明的氣體分離純化裝置的第6方式例的系統(tǒng)圖，是表示在組合平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10和速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20的前段設(shè)置前處理用分離裝置80的示例的系統(tǒng)圖。
本方式例，例如像從患者的呼氣中分離純化作為麻醉氣體使用的氙的情況下，適合于處理供給氣體分離純化裝置的混合氣體(原料氣體)中含有較多量的水分或二氧化碳的氣體。
前處理用分離裝置80是具有一對吸附筒81a、81b、入口閥82a、82b、出口閥83a、83b、再生氣體入口閥84a、84b、再生氣體出口閥85a、85b的前處理用分離裝置，在吸附筒81a、81b內(nèi)填充去除水分和二氧化碳的吸附劑，例如沸石或碳分子篩等，以便例如利用溫度變動(dòng)吸附分離法形成分離原料氣體中的水分和二氧化碳。
即，來自原料氣體導(dǎo)入路徑31的原料氣體，在用壓縮機(jī)12壓縮后，導(dǎo)入前處理用分離裝置80中，在該前處理用分離裝置80中去除水分和二氧化碳后，依次向氣體分離純化裝置的平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10和速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置20循環(huán)，被二次純化氣體導(dǎo)出路徑34導(dǎo)出。被該二次純化氣體導(dǎo)出路徑34導(dǎo)出的氣體，作為制品氙暫時(shí)貯存在制品貯槽35中后，從制品導(dǎo)出路徑36使用前供給使用。
像這樣，在前處理用分離裝置80中通過預(yù)先去除水分或二氧化碳、除此之外的雜質(zhì)成分等，能夠防止在各種吸附劑中容易吸附的水分等積累在氣體分離純化裝置的系統(tǒng)內(nèi)。再者，設(shè)置前處理用分離裝置80的氣體分離純化裝置的構(gòu)成是任意的，例如，可以是上述第1～第5方式例中的任何方式。
在該氣體分離純化裝置中，以氪51.5％、氮?dú)?8.5％的混合氣體作為原料氣體，以流量2L/min(流量〔L/min〕是0℃、1個(gè)氣壓換算值，以下相同)導(dǎo)入。其結(jié)果，濃度97％的氮?dú)庖?L/min從平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導(dǎo)出路徑34，以1L/min采集濃度99.9％的氪。此時(shí)，流過二次排氣導(dǎo)出路徑37的二次排氣，氪濃度是43％，流量是約4L/min。
在該氣體分離純化裝置中，以氪30％、氮?dú)?0％的混合氣體作為原料氣體，以2L/min導(dǎo)入。其結(jié)果，濃度99.9％的氮?dú)庖?.4L/min從平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導(dǎo)出路徑34，以0.6L/min采集濃度99.99％的氪。此時(shí)，流過二次排氣導(dǎo)出路徑37的二次排氣，氪濃度是37％，流量是約9.4L/min。
在該氣體分離純化裝置中，以氪70％、氮?dú)?0％的混合氣體作為原料氣體，以2L/min導(dǎo)入。其結(jié)果，濃度99.9％的氮?dú)庖?.6L/min從平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導(dǎo)出路徑34，以1.4L/min采集濃度99.99％的氪。此時(shí)，流過二次排氣導(dǎo)出路徑37的二次排氣，氪濃度是80％，流量是約6L/min。
在該氣體分離純化裝置中，以氪50％、氮?dú)?0％的混合氣體作為原料氣體，以2L/min導(dǎo)入。其結(jié)果，濃度99.9％的氮?dú)庖?.0L/min從平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導(dǎo)出路徑34，以1.0L/min采集濃度99.99％的氪。
在該氣體分離純化裝置中，以氪50％、氮?dú)?0％的混合氣體作為原料氣體，以2L/min導(dǎo)入。其結(jié)果，濃度99.9％的氮?dú)庖?.0L/min從平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導(dǎo)出路徑34，以1.0L/min采集濃度99.99％的氪。
權(quán)利要求
1.氣體的分離純化方法，它是以含有高價(jià)的氣體的混合氣體作為原料氣體、利用壓力變動(dòng)吸附分離法進(jìn)行分離純化的方法，作為上述壓力變動(dòng)吸附分離法，通過組合基于平衡吸附量差分離氣體成分的平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法和基于吸附速度差分離氣體成分的速度型壓力變動(dòng)吸附分離法，分離純化上述高價(jià)的氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體的分離純化方法，其中，利用上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體分離成易吸附成分和難吸附成分，使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出，同時(shí)利用上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法將平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分分離成易吸附成分和難吸附成分，以該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體的分離純化方法，其中，使上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分向上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中循環(huán)，進(jìn)行再分離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體的分離純化方法，其中，利用上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體分離成易吸附成分和難吸附成分，以該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集，同時(shí)利用上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法將該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分分離成易吸附成分和難吸附成分，使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體的分離純化方法，其中，使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分向上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中循環(huán)，進(jìn)行再分離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體的分離純化方法，其中，利用上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體分離成易吸附成分和難吸附成分，使該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分作為排氣放出，同時(shí)利用上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法將該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分分離成易吸附成分和難吸附成分，以該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分作為制品氣體采集。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣體的分離純化方法，其中，使上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分向上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中循環(huán)，進(jìn)行再分離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體的分離純化方法，其中，利用上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體的一部分分離成易吸附成分和難吸附成分，使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出，同時(shí)使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分和上述原料氣體混合，利用上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法將上述原料氣體的殘留部分分離成易吸附成分和難吸附成分，以該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集，同時(shí)使該速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分和上述原料氣體混合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體的分離純化方法，其中，上述原料氣體進(jìn)行升壓，分別供給上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法和上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法，上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分和上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離法中的上述易吸附成分與升壓前的原料氣體混合。
10.氣體的分離純化裝置，它是以含有高價(jià)的氣體的混合氣體作為原料氣體、利用壓力變動(dòng)吸附分離裝置分離純化上述高價(jià)的氣體的裝置，作為上述壓力變動(dòng)吸附分離裝置具備基于平衡吸附量差分離氣體成分的平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置和基于吸附速度差分離氣體成分的速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的氣體的分離純化裝置，其中，在前段設(shè)置上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置，和在后段設(shè)置速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置進(jìn)行串聯(lián)組合，同時(shí)在前段的上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中設(shè)置使該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的難吸附成分作為排氣導(dǎo)出的路徑，以及將該平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的易吸附成分導(dǎo)入后段的上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的路徑，在后段的上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中，設(shè)置使該速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的難吸附成分作為制品氣體導(dǎo)出的路徑，以及使該速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的易吸附成分向前段的上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置的原料氣體供給側(cè)循環(huán)的路徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的氣體的分離純化裝置，其中，具備使上述原料氣體分岔，分別供給的上述上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置和上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置的路徑，將上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的易吸附成分混合在向上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置供給的原料空氣中的路徑，以及將上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置中的易吸附成分混合在向上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置供給的原料空氣中的路徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的氣體的分離純化裝置，其中，上述平衡型壓力變動(dòng)吸附分離裝置，作為吸附劑使用活性炭。
14.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的氣體的分離純化裝置，其中，上述速度型壓力變動(dòng)吸附分離裝置，作為吸附劑使用Na-A型沸石或碳分子篩。
15.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的氣體的分離純化裝置，其中，上述高價(jià)的氣體是氪和氙中的至少任一種。
全文摘要
是利用PSA過程能夠效率良好地回收作為半導(dǎo)體制造裝置等的保護(hù)氣體使用的氪或氙等高價(jià)的氣體的氣體分離純化方法。在以含有高價(jià)的氣體的混合氣體為原料氣體，利用壓力變動(dòng)吸附分離法將上述高價(jià)的氣體分離純化的方法中，作為上述壓力變動(dòng)吸附分離法，通過組合基于平衡吸附量差分離氣體成分的平衡壓力型變動(dòng)吸附分離法和基于吸附速度差分離氣體成分的速度型壓力變動(dòng)吸附分離法，將上述高價(jià)的氣體分離純化。
文檔編號(hào)B01D53/047GK1404413SQ01805349
公開日2003年3月19日 申請日期2001年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月20日
發(fā)明者川井雅人, 中村章寬, 長坂徹, 林田茂 申請人:日本酸素株式會(huì)社