[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

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，在所述氦气中添加氢，接着利用催化剂使所述氦气中的氧与氢反应，从而生成水，接着通过脱水操作来降低所述氦气的水分含有率，接着，当所述氦气中的氧摩尔浓度在一氧化碳摩尔浓度与氢摩尔浓度之和的1/2以下时，通过添加氧来将其设定为高于1/2的值，接着利用催化剂使所述氦气中的氧与一氧化碳和氢反应，从而以残留有氧的状态生成二氧化碳和水，接着使用沸石类吸附剂和碳类吸附剂，通过变压吸附法至少吸附所述氦气中的杂质中的氧、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。

根据本发明，通过使氦气中的氧与所添加的氢反应而生成水，接着通过脱水操作来降低氦气的水分含有率。藉此，可降低氦气的氧含有率。此外，通过进行脱水操作，可抑制一氧化碳与水反应而副产氢的现象，并且可减小后续的吸附工序中的水分吸附负荷。然后，根据本发明，将氦气中的氧摩尔浓度设定为高于一氧化碳摩尔浓度与氢摩尔浓度之和的1/2的值后，使氧与一氧化碳和氢反应，以残留有氧的状态生成二氧化碳和水。藉此，氦气的主要杂质成为氮、氧、二氧化碳和少量的水，可减少一氧化碳和氢，因此可防止一氧化碳与水反应而副产氢的现象，并且可应对要求减少氢的情况。另外，在脱水操作后，可使氦气中所含的氧的摩尔浓度达到略高于一氧化碳摩尔浓度与氢摩尔浓度之和的1/2左右的值。因此，利用变压吸附法使氧吸附于碳类吸附剂，可容易地降低氧浓度。藉此，可在后续的变温吸附法中省去氧的吸附，可将杂质的吸附温度提高至高于吸附氧时的温度。此外，可通过使用变压吸附法中的沸石类吸附剂来提高氮的吸附效果，因此可减小后续的变温吸附法中的氮吸附负荷。因此，即使在吸附处理的预处理中使氧残留，也不会增大冷却能量，可提高氦气的回收率和纯度。

较好的是通过如上所述在所述氦气中添加氢，从而使所述氦气中的氢摩尔浓度达到氧摩尔浓度的1.9倍～2.1倍的值。通过使该氢摩尔浓度达到氧摩尔浓度的1.9倍以上，氦气中的大部分氧与所添加的氢反应而生成水，因此氦气中的大部分氧被除去，所生成的水通过后续的脱水操作被除去。因此，在该脱水操作后，可在不与一氧化碳和氢反应的情况下减少残留氧的量，减小吸附工序中的氧和水分的吸附负荷，可抑制未反应的一氧化碳与水反应而副产氢的现象。通过使该氢摩尔浓度在氧摩尔浓度的2.1倍以下，氦气中的氢浓度不会过高。

本发明中，从高效地吸附氮和氧的方面考虑，较好的是使变压吸附法中使用的沸石类吸附剂的容量大于碳类吸附剂的容量。此时，更好的是将沸石分子筛和碳分子筛以9∶1～7∶3的容量比层叠后使用。