專利名稱：氣體的分離純化方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明是關于氣體的分離純化方法及其裝置，更詳細地說是關于回收高價的氣體進行純化的方法及裝置，尤其，為了回收再利用在半導體制造裝置等中作為保護氣體使用的高價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，以下述的方法進行運轉，該方法是，在將成為處理對象的基片等送入處理室時，在該處理室內預先形成氮氣氣氛，在進行等離子處理時刻，僅使稀有氣體或者有助于和稀有氣體反應的氣體流動，通過高頻放電產生等離子體，進行處理，接著，使氮氣流動，使室內凈化，與此同時取出基片。作為有助于反應的氣體，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，并且分離過程復雜，因而價格極高，在使用這樣的氣體的過程中，以使用過的氣體的回收、純化、循環使用為前提，才稱做具有經濟性。
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氣組成，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，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、氮氣、二氧化碳、水分等的混合氣體。此時，為了再利用氙，必須去除該混合氣體中的氮氣或二氧化碳等。
關于通過壓力變動吸附分離(PSA)過程，回收純化來自混合氣體的特定成分的現有技術，例如在文獻“Pressure Swing Adsorption，1994 VCH Publishers Inc.，D.M.Ruthven，S.Farooq，K.S.Knaebel共著”的6章中，涉及廣泛范圍地進行了解說。
在該文獻的6.5節中，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。在該文獻的表6.2中記載了，4塔式氫PSA純化系統的試驗條件和性能數據。根據該試驗條件和性能數據公開了，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，在該文獻的6.6節中解說了，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過程的性能數據。根據該性能數據公開了以往的二氧化碳氣PSA過程中，甚至比較低的純度的約99％的制品濃度時，二氧化碳的回收率，即使在高的情況下，也才是72％左右。
此外，在該文獻的6.7節中解說了，從在填筑地產生的氣體中回收甲烷的PSA過程。根據該過程公開了，以往的甲烷回收PSA，在想要得到90％以上的回收率時，制品中的甲烷濃度是89％。
另一方面，日本特開平6-182133號公報公開了，稀有氣體的高收率回收純化方法及裝置。該發明是關于氦的回收純化的發明，將來自以往廢棄的PSA過程的排氣混合到原料氣體中，一邊循環利用，一邊回收氦，因此得到高收率。但是，在該發明中，形成原料混合氣體的分批處理，因此不能進行連續的原料混合氣體的處理。
另外，在日本國特開平10-273307號公報中公開了，“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個碳原子的烴。最好通過膜分離、凝縮、吸附、吸收、結晶化、或者這些組合，從流出物分離稀有氣體流。”此外，在日本國特開平11-157814號公報中公開了，關于向含有從稀有氣體使用設備排出的稀有氣體的排氣的回收系的送進和排出的轉換的方法。但是，作為關于回收后的純化方法，該發明不過公開了“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號公報中公開了，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號公報中公開了，從聚烯烴制造裝置的脫逸氣體，通過PSA過程回收低級烴類的方法。在該發明中，為了得到高的回收率，進行在原料氣體中混合凈化排氣的循環操作。但是，按照該發明的實施方式，低級烴類濃度99.9％時的回收率是約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地回收混合氣體中的特定成分的方法及裝置。另外，關于氪和氙公布的數據也極少。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℃的吸附數據。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行回收的方法，例如在特開平3-12212號公報中已有描述，在該公報中記載的了，以吸附-洗凈-解析的3個過程作為主要過程，從空氣分離回收氮氣的方法。
如果以關于上述的氪的吸附數據為基礎來考慮，活性炭系吸附劑，相對是雜質成分的氮氣的吸附量，保持十分大的氪吸附量，因此認為可以使用特開平3-12212號公報的方法。但是，在該號公報中記載的方法，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中，充分提高經濟性是困難的。尤其關于利用氮氣使半導體制造裝置等的室內凈化，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，回收高價的稀有氣體，作為以往技術提起的上述現有技術不能解決，正期待新技術的開發。
這樣，在以往的半導體制造裝置等中，以氪或者氙等高價的氣體作為保護氣體使用后，向外部放出，因此存在保護氣體的成本顯著地提高的問題。另外，從半導體制造裝置的室回收該高價的稀有氣體，存在利用PSA過程，不能以高純度、而且以95％以上的高回收率、更高技術的99％以上的高回收率連續地回收的問題。
因此，本發明的目的在于提供，以含有作為半導體制造裝置等的保護氣體使用的氪或氙等高價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的氣體的氣體分離純化方法及其裝置。
另外，本發明的方法，利用上述的平衡型壓力變動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，使平衡型壓力變動吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出，同時利用前述速度型壓力變動吸附分離法將在平衡型壓力變動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吸附分離法中的上述易吸附成分向上述平衡型壓力變動吸附分離法中循環，進行再分離。
而且，利用上述速度型壓力變動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吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集，同時利用上述平衡型壓力變動吸附分離法將該速度型壓力變動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吸附分離法中的上述易吸附成分向上述速度型壓力變動吸附分離法中循環，進行再分離。
此外，利用前述速度型壓力變動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吸附分離法中的上述易吸附成分作為排氣放出，同時利用上述平衡型壓力變動吸附分離法將該速度型壓力變動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吸附分離法中的上述難吸附成分向上述速度型壓力變動吸附分離法循環，進行再分離。
另外，利用上述平衡型壓力變動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吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出，同時使該平衡型壓力變動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吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集，同時將平衡型壓力變動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吸附分離法和上述速度型壓力變動吸附分離法，上述該平衡型壓力變動吸附分離法中的上述易吸附成分和上述速度型壓力變動吸附分離法的上述易吸附成分與升壓前的原料氣體混合。
本發明的裝置是以含有高價的氣體的混合氣體作為原料氣體，利用壓力變動吸附分離裝置將上述高價的氣體分離純化的裝置，作為上述壓力變動吸附分離裝置，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吸附分離裝置。
另外，本發明的氣體的分離純化裝置，在前段設置上述平衡型壓力變動吸附分離裝置和在后段設置上述速度型壓力變動吸附分離裝置進行串聯組合，同時在前段的上述平衡型壓力變動吸附分離裝置中，設置使該平衡型壓力變動吸附分離裝置中的難吸附成分作為排氣導出的路徑，以及將該平衡型壓力變動吸附分離裝置中的易吸附成分導入后段的上述速度型壓力變動吸附分離裝置中的路徑，在后段的上述速度型壓力變動吸附分離裝置中，設置使該速度型壓力變動吸附分離裝置中的難吸附成分作為制品氣體導出的路徑，以及使該速度型壓力變動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吸附分離裝置的原料氣體供給側循環的路徑。
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吸附分離裝置和上述速度型壓力變動吸附分離裝置供給的路徑、將上述平衡型壓力變動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。上述高價的氣體是氪和氙的至少任一種。
按照本發明，從以像氪和氙那樣的高價的氣體作為保護氣體使用的半導體制造裝置等中排出的混合氣體中的高價的氣體，可以以高純度、高回收率效率良好地回收，因此能夠使在半導體制造裝置中的保護氣體的成本顯著地降低。
圖2是活性炭中的氪、氙和氮氣的吸附等溫線圖。
圖3是沸石4A中的氪和氮氣的吸附等溫線圖。
圖4是表示沸石4A中的氪和氮氣的吸附速度的圖。
圖5是表示本發明的氣體分離純化裝置的第2方式例的系統圖。
圖6是表示本發明的氣體分離純化裝置的第3方式例的系統圖。
圖7是表示本發明的氣體分離純化裝置的第4方式例的系統圖。
圖8是表示本發明的氣體分離純化裝置的第5方式例的系統圖。
圖9是表示本發明的氣體分離純化裝置的第6方式例的系統圖。
該氣體分離純化裝置是用于回收，分離純化作為高價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吸附分離裝置20。
上述平衡型壓力變動吸附分離裝置10具有填充以氪或氙作為易吸附成分、以氮氣作為難吸附成分的吸附劑，例如填充活性炭的數個吸附筒11a、11b和用于將原料氣體壓縮至規定的吸附壓力的壓縮機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、設置在規定的位置的數個閥。
另外，上述速度型壓力變動吸附分離裝置20具有填充以氪或氙作為難吸附成分、以氮氣作為易吸附成分的吸附劑，例如填充Na-A型沸石或碳分子篩的數個吸附筒21a、21b和用于將導入氣體壓縮至規定的吸附壓力的壓縮機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、設置在規定的位置的數個閥。
在此，說明以氪和氮氣的混合氣體作為原料氣體，作為平衡型壓力變動吸附分離裝置10的吸附劑，作為速度型壓力變動吸附分離裝置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氣分離，使氪純化的次序。在兩個裝置中，最初規定為吸附筒11a、21a分別進行吸附過程。
首先，在平衡型壓力變動吸附分離裝置10中，從原料氣體導入路徑引導入的用壓縮機12升壓至規定壓力的原料氣體，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，氮氣(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先被活性炭吸附，是難吸附的難吸附成分的氮氣從吸附筒11a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，另一個吸附筒11b進行再生過程，吸附氣體從再生閥15b放出，流向速度型壓力變動吸附分離裝置20的壓縮機22的吸入側(一次側)路徑33。
再者，在吸附過程、再生過程的切換時，和通常的PSA過程相同地可以進行使用具有均壓閥16a、16b的均壓路徑17的均壓操作，或進行在再生過程時從筒出口側導入的凈化氣體的凈化再生操作。
在吸附筒11a內的活性炭吸附氪的吸附量達到極限，從筒出口流出氪之前，入口閥13a、13b，出口閥14a、14b，再生閥15a、15b進行切換開閉，兩吸附筒11a、11b的過程進行切換，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，由于筒內的壓力降低，被活性炭吸附的氪發生解析，因此在再生過程中從吸附筒向路徑33導出的氣體，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22升壓至規定的壓力后，通過入口閥23a流入處于吸附過程的吸附筒21a。此時，在路徑33中，可以預先設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)和氮氣(N2)是相同程度，但如圖4的吸附速度測定結果所示，與氮氣(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氣被沸石4A優先吸附，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被二次純化氣體導出路徑34導出。被該二次純化氣體導出路徑34導出的氣體作為制品氪暫時貯存在制品貯存槽35中后，通過制品導出路徑36事先供給使用。圖4中的縱標度表示以某一溫度中的平衡吸附量作為1時的吸附可能殘量。
吸附筒21a進行吸附過程時，吸附筒21b進行再生過程。該再生過程，通過打開再生閥25b，使吸附筒21b內的氣體向二次排氣導出路徑37放出來進行。即使在此，在吸附過程、再生過程的切換時，和通常的PSA過程同樣地可以進行使用具有均壓閥26a、26b的均壓路徑27的均壓操作，或在再生過程時從筒出口側導入凈化氣體的凈化再生操作。
在吸附筒21a內的沸石4A的氮氣吸附量達到極限、從筒出口流出氮氣之前，入口閥23a、23b，出口閥24a、24b，再生閥25a、25b進行切換開閉，兩吸附筒21a、21b的過程進行切換，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，由于筒內的壓力降低，不僅放出從沸石4A解析的氮氣，而且存在于筒內的一次純化氣體也流出，因而對于在該速度型壓力變動吸附分離裝置20中排出的二次排氣來說，成為含有相當量的氪的狀態。因此，被二次排氣導出路徑37放出的二次排氣向壓縮機12的一次側循環和原料氣體混合，在上述平衡型壓力變動吸附分離裝置10中進行再分離，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，保持與時間同時增加的傾向，因此通過調整在規定的吸附過程時間之間取出的難吸附成分的量，可以調整作為從最終的二次純化氣體導出路徑34采集的制品氪中包含的雜質的氮氣量，因而可以同時考慮制品氪要求的純度和經濟性，決定吸附過程時間或難吸附成分導出量。
圖5是表示本發明的氣體分離純化裝置的第2方式例的系統圖。在以下的說明中，對于和上述第1方式例的構成要素相同的構成要素來說，附以同一的符號，省略詳細的說明。
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吸附分離裝置10和速度型壓力變動吸附分離裝置20的氣體分離純化裝置，示出在速度型壓力變動吸附分離裝置20的壓縮機22的一次側路徑33中設置原料氣體導入路徑41的例子。即，是在前段和后段分別組合速度型壓力變動吸附分離裝置20和平衡型壓力變動吸附分離裝置10的氣體分離純化裝置。
來自原料氣體導入路徑41的原料氣體，用壓縮機22壓縮而導入速度型壓力變動吸附分離裝置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氣，難吸附成分的氪從純化氣體導出路徑34a經制品貯槽35，通過制品導出路徑36使用前供給使用。
而且，從該速度型壓力變動吸附分離裝置20被一次排氣導出路徑37a導出的一次排氣，用壓縮機12壓縮而導入平衡型壓力變動吸附分離裝置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氣，難吸附成分的氮氣從排氣放出路徑32a排出。
另一方面，在平衡型壓力變動吸附分離裝置10的再生過程中，從再生閥15a、15b導出的二次純化氣體，通過路徑37b，流入壓縮機22的一次側路徑33，和從上述原料氣體導入路徑41導入的原料氣體混合后，被導入速度型壓力變動吸附分離裝置20進行再分離。
圖6是表示本發明的氣體分離純化裝置的第3方式例的系統圖，是和上述第1方式例同樣地組合平衡型壓力變動吸附分離裝置10和速度型壓力變動吸附分離裝置20，與此同時，在2個方向使原料氣體導入路徑51分岔，在平衡型壓力變動吸附分離裝置10的壓縮機12的一次側連接其中的一個路徑52，在速度型壓力變動吸附分離裝置20的壓縮機22的一次側連接另一個路徑53的氣體分離純化裝置。
即，原料氣體的一部分與從路徑52流過二次排氣導出路徑37與二次排氣合流后，用壓縮機12壓縮而導入平衡型壓力變動吸附分離裝置10中，殘留部分的原料氣體通過路徑53、與流過壓縮機22的一次側路徑33的一次純化氣體，即和平衡型壓力變動吸附分離裝置10的易吸附成分合流后，用壓縮機22壓縮而導入速度型壓力變動吸附分離裝置20中。速度型壓力變動吸附分離裝置20中的易吸附成分，從二次排氣路徑37混合到路徑52的原料氣體中進行再循環。
圖7是表示本發明的氣體分離純化裝置的第4方式例的系統圖，組合平衡型壓力變動吸附分離裝置10和速度型壓力變動吸附分離裝置20，對兩吸附分離裝置10、20，形成由1臺壓縮機61供給氣體，與此同時，在該壓縮機61的一次側設置緩沖槽62，在該緩沖槽62上分別連接原料氣導入路徑63、在平衡型壓力變動吸附分離裝置10的再生過程中導出的氣體的流過路徑64、在速度型壓力變動吸附分離裝置20的再生過程中導出的氣體的流過路徑65，以混合這些氣體的狀態形成從壓縮機61壓送。
即，從原料氣體導入路徑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61吸引，通過路徑66導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出的氣體通過上述路徑64、65向緩沖槽62循環進行再分離。利用像這樣的形成，就能夠削減壓縮機的設置臺數。
圖8是表示本發明的氣體分離純化裝置的第5方式例的系統圖，與上述第1方式例相反，示出在原料氣體供給側前段、后段組合速度型壓力變動吸附分離裝置20和平衡型壓力變動吸附分離裝置10，同時以平衡型壓力變動吸附分離裝置10中的易吸附成分作為制品而采集的例子。
在本方式例中，由從原料氣體導入路徑71導入的氪、氮氣混合氣體組成的原料氣體，在速度型壓力變動吸附分離裝置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導出，導入該氣體衡型壓力變動吸附分離裝置10中。此時，在吸附過程中導出的一次純化氣體以規定的吸附壓力導出，因而不用壓縮機升壓，就能夠導入平衡型壓力變動吸附分離裝置10中。
在平衡壓力變動吸附分離裝置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被二次純化氣體導出路徑39導出，從制品貯槽35、通過制品導出路徑36使用前供給使用。
另外，從處于平衡壓力變動吸附分離裝置10的吸附過程的吸附筒導出的氣體，從出口閥14a、14b被二次排氣路徑37導出，向壓縮機22的一次側循環，而和原料氣體混合，在速度型壓力變動吸附分離裝置20中進行再分離。于是，從速度型壓力變動吸附分離裝置20的再生過程的吸附筒、通過再生閥25a、25b導出的氣體(氮氣)，通過一次排氣放出路徑32放出。
再者，從二次排氣導出路徑37向速度型壓力變動吸附分離裝置20循環的二次排氣，用設置在二次排氣導出路徑37中的壓縮機(未圖示)壓縮后可以導入速度型壓力變動吸附分離裝置20。另外，在制品導出路徑36中，根據需要可以設置壓送氪用的壓縮機。
在上述第2～第5方式例中，各壓力變動吸附分離裝置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，連續地分離氪和氮氣，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，可例示出氪和氮氣的混合氣體，但在氙和氮氣的混合氣體時也可以同樣地進行分離回收。也可以包括氪和氙兩者。而且，在本發明中作為能夠分離純化的高價的氣體，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，即作為高價的氣體以外的氣體，和上述的氮氣同樣地也能夠從高價的氣體中分離出氧、水分、一氧化碳、二氧化碳、氫、烴類。另外，原料氣體的導入位置，根據成為原料氣體的混合氣體之組成或流量等條件，可以適當地選擇。此外，也可以適當地選擇各壓力變動吸附分離裝置的構成，例如也可以采用3筒以上的多筒式。
圖9是表示本發明的氣體分離純化裝置的第6方式例的系統圖，是表示在組合平衡型壓力變動吸附分離裝置10和速度型壓力變動吸附分離裝置20的前段設置前處理用分離裝置80的示例的系統圖。
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，來自原料氣體導入路徑31的原料氣體，在用壓縮機12壓縮后，導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吸附分離裝置10和速度型壓力變動吸附分離裝置20循環，被二次純化氣體導出路徑34導出。被該二次純化氣體導出路徑34導出的氣體，作為制品氙暫時貯存在制品貯槽35中后，從制品導出路徑36使用前供給使用。
像這樣，在前處理用分離裝置80中通過預先去除水分或二氧化碳、除此之外的雜質成分等，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內。再者，設置前處理用分離裝置80的氣體分離純化裝置的構成是任意的，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％、氮氣48.5％的混合氣體作為原料氣體，以流量2L/min(流量〔L/min〕是0℃、1個氣壓換算值，以下相同)導入。其結果，濃度97％的氮氣以1L/min從平衡型壓力變動吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導出路徑34，以1L/min采集濃度99.9％的氪。此時，流過二次排氣導出路徑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％、氮氣70％的混合氣體作為原料氣體，以2L/min導入。其結果，濃度99.9％的氮氣以1.4L/min從平衡型壓力變動吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導出路徑34，以0.6L/min采集濃度99.99％的氪。此時，流過二次排氣導出路徑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％、氮氣30％的混合氣體作為原料氣體，以2L/min導入。其結果，濃度99.9％的氮氣以0.6L/min從平衡型壓力變動吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導出路徑34，以1.4L/min采集濃度99.99％的氪。此時，流過二次排氣導出路徑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％、氮氣50％的混合氣體作為原料氣體，以2L/min導入。其結果，濃度99.9％的氮氣以1.0L/min從平衡型壓力變動吸附分離裝置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％、氮氣50％的混合氣體作為原料氣體，以2L/min導入。其結果，濃度99.9％的氮氣以1.0L/min從平衡型壓力變動吸附分離裝置10的一次排氣放出路徑32放出，從二次純化氣體導出路徑34，以1.0L/min采集濃度99.99％的氪。
權利要求
1.氣體的分離純化方法，它是以含有高價的氣體的混合氣體作為原料氣體、利用壓力變動吸附分離法進行分離純化的方法，作為上述壓力變動吸附分離法，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吸附分離法，分離純化上述高價的氣體。
2.根據權利要求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吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出，同時利用上述速度型壓力變動吸附分離法將平衡型壓力變動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.根據權利要求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吸附分離法中的上述易吸附成分向上述平衡型壓力變動吸附分離法中循環，進行再分離。
4.根據權利要求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吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集，同時利用上述平衡型壓力變動吸附分離法將該速度型壓力變動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吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出。
5.根據權利要求4所述的氣體的分離純化方法，其中，使該平衡型壓力變動吸附分離法中的上述易吸附成分向上述速度型壓力變動吸附分離法中循環，進行再分離。
6.根據權利要求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吸附分離法中的上述易吸附成分作為排氣放出，同時利用上述平衡型壓力變動吸附分離法將該速度型壓力變動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.根據權利要求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吸附分離法中的上述難吸附成分向上述速度型壓力變動吸附分離法中循環，進行再分離。
8.根據權利要求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吸附分離法中的上述難吸附成分作為排氣放出，同時使該平衡型壓力變動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吸附分離法中的上述難吸附成分作為制品氣體采集，同時使該速度型壓力變動吸附分離法中的上述易吸附成分和上述原料氣體混合。
9.根據權利要求1所述的氣體的分離純化方法，其中，上述原料氣體進行升壓，分別供給上述平衡型壓力變動吸附分離法和上述速度型壓力變動吸附分離法，上述平衡型壓力變動吸附分離法中的上述易吸附成分和上述速度型壓力變動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，它是以含有高價的氣體的混合氣體作為原料氣體、利用壓力變動吸附分離裝置分離純化上述高價的氣體的裝置，作為上述壓力變動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吸附分離裝置。
11.根據權利要求10所述的氣體的分離純化裝置，其中，在前段設置上述平衡型壓力變動吸附分離裝置，和在后段設置速度型壓力變動吸附分離裝置進行串聯組合，同時在前段的上述平衡型壓力變動吸附分離裝置中設置使該平衡型壓力變動吸附分離裝置中的難吸附成分作為排氣導出的路徑，以及將該平衡型壓力變動吸附分離裝置中的易吸附成分導入后段的上述速度型壓力變動吸附分離裝置中的路徑，在后段的上述速度型壓力變動吸附分離裝置中，設置使該速度型壓力變動吸附分離裝置中的難吸附成分作為制品氣體導出的路徑，以及使該速度型壓力變動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吸附分離裝置的原料氣體供給側循環的路徑。
12.根據權利要求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吸附分離裝置和上述速度型壓力變動吸附分離裝置的路徑，將上述平衡型壓力變動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吸附分離裝置供給的原料空氣中的路徑。
13.根據權利要求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吸附分離裝置，作為吸附劑使用活性炭。
14.根據權利要求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.根據權利要求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體制造裝置等的保護氣體使用的氪或氙等高價的氣體的氣體分離純化方法。在以含有高價的氣體的混合氣體為原料氣體，利用壓力變動吸附分離法將上述高價的氣體分離純化的方法中，作為上述壓力變動吸附分離法，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吸附分離法，將上述高價的氣體分離純化。
文檔編號B01D53/047GK1404413SQ01805349
公開日2003年3月19日 申請日期2001年10月19日 優先權日2000年10月20日
發明者川井雅人, 中村章寬, 長坂徹, 林田茂 申請人:日本酸素株式會社