[发明专利]氦气的纯化方法及纯化装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。上述回收氦气中含有作为杂质的在光纤的拉丝工序中混入的氢、一氧化碳、由于使用后散发至大气中而混入的来源于空气的氮和氧等，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

发明内容

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。

本发明的方法是对至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质且其氧含量大于氢含量及一氧化碳含量的氦气进行纯化的方法，该方法的特征是，在所述氦气中添加氢，使得该氦气中的氢含量大于氧含量的同时使氧摩尔浓度超过氢摩尔浓度和一氧化碳摩尔浓度之和的1/2，然后以钌或钯作为催化剂使所述氦气中的氧与氢及一氧化碳反应，从而以残留有氧的状态生成二氧化碳和水，接着使用脱水装置减少所述氦气的水分含有率，再在所述氦气中添加一氧化碳，使得该氦气中的一氧化碳摩尔浓度超过氧摩尔浓度的2倍，然后以钌或钯作为催化剂使所述氦气中的氧与一氧化碳反应，从而以残留有一氧化碳的状态生成二氧化碳，接着用吸附剂通过变压吸附法至少吸附所述氦气中的一氧化碳、二氧化碳和水。

根据本发明，作为纯化对象的氦气中的氧含量大于氢及一氧化碳的含量时，通过添加氢，以残留有氧的状态进行生成二氧化碳和水的反应，从而减少氧含量。藉此，使该残留的氧与添加的一氧化碳反应而以一氧化碳残留的状态生成二氧化碳时，可减少一氧化碳的添加量。即，能够减少价高且毒性较高的一氧化碳的添加量。

另外，通过在所含的氧量大于氢量的作为纯化对象的氦气添加氢而使氢含量大于氧含量，但由于使氧摩尔浓度超过氢摩尔浓度和一氧化碳摩尔浓度之和的1/2，因此可除去氢。另外，通过在各反应中使用钌或钯作为催化剂，并且利用脱水装置5减少氦气的水分含有率，可防止由一氧化碳和水蒸汽生成氢的水性气体转移反应(日文：水性ガスシフト反応)。藉此，很难通过吸附法从氦气分离出的氢无残留，使氦气的主要杂质变为氮、二氧化碳、水及残留的微量的一氧化碳，可用于要求减少氢的场合。

而且，不需要氧的吸附，用吸附剂通过变压吸附法至少吸附二氧化碳、一氧化碳及水即可，因此不用增加冷却能量。此外，作为纯化对象的氦气中的氧浓度高时，通过氧和氢的反应生成大量的水分，但通过利用脱水装置减少水分含有率，可减少水分对吸附剂的吸附负荷，从而提高氦气的回收率及纯度。

作为以残留有氧的状态生成二氧化碳和水的所述反应中的催化剂，以及以残留有一氧化碳的状态生成二氧化碳的所述反应中的催化剂，优选分别使用钌，且各反应温度在200℃以下。通过使用钌作为催化剂，可将各反应温度控制在200℃以下，因此可减少能耗。

优选使用气液分离器(加压冷却气体后除去凝缩的水分的冷冻式脱水装置)来降低所述氦气中的水分含有率。另外，也可使用通过吸附剂从经加压的气体除去水分后在减压下使吸附剂再生的加压式脱水装置，或者通过脱水剂除去气体所含的水分后加热脱水剂使其再生的加热再生式脱水装置等。