[发明专利]氦气的纯化方法和纯化装置

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、至少含有氢、一氧化碳、烃和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。所述回收氦气含有例如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、以及来源于回收时使用的油密封旋转真空泵的烃、油分作为杂质，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装置除去残留的杂质(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)。

现有技术文献

专利文献

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，无法直接用于混入大量杂质的情况。此外，将含有几十%的空气且来源于回收中使用的油密封旋转真空泵的烃的含量不是ppm级而是几百～几千ppm的氦气纯化为高纯度并回收的方法还不存在。

本发明的方法用于纯化氦气，所述氦气至少含有氢、一氧化碳、烃和来源于空气的氮和氧作为杂质，其含有的氧的量比与含有的全部氢、一氧化碳和烃反应所需要的量更多，本发明的方法具有以下的工序。

本发明中，作为第一工序，通过活性炭吸附除去氦气中的烃。由此，可以通过使纯化对象的氦气中的碳数多的烃吸附在活性炭上而除去。

例如，将氦气送至填充了活性炭的活性炭塔。氦气含有油分时，理想的是通过穿过油过滤器从而除去油分后再穿过活性炭塔。碳数少的烃不被活性炭吸附。因此，从活性炭塔出来的氦气含有例如约30％左右的空气和一氧化碳、二氧化碳、氢以及碳数为1～6的烃作为杂质。

作为第二工序，使用第一反应用催化剂使所述氦气中的氧与所述氦气中的氢、一氧化碳和没有被所述活性炭吸附的烃反应。

由此，氦气中残留的碳数少的烃通过与使用第一反应用催化剂的氧的反应转变成水和二氧化碳。此时，由于氦气中没有添加氢，可以防止由水的大量生成引起的反应温度下降从而促进反应。

为了使烃和氧充分反应，需要使反应温度为300～400℃。因此，使用在高温下的反应性、耐久性好的钯或铑作为第一反应用催化剂。反应温度理想的是350℃以上。

通过将氦气送至填充了钯催化剂或铑催化剂的第一反应器内，氢被转变成水、一氧化碳被转变为二氧化碳、烃被转变为水和二氧化碳，氧残留。

作为第三工序，按照不使所述氦气中的氢摩尔浓度为氧摩尔浓度的2倍以上的条件在所述氦气中添加氢。

这样的情况下，理想的是分析氦气中的残留氧量并添加氢以使氢的摩尔比比氦气中残留的全部氧与氢反应所需要的理论摩尔比略少。

由此，可以防止使用后面的第二反应催化剂后氢残留。

作为第四工序，使用第二反应用催化剂使所述氦气中的氧和氢反应。由此，在使氧残留的状态下生成水。

由此，由于可以降低氦气中的残留氧量，因此可以减少其后为了使用第三反应用催化剂使残留氧反应所添加的一氧化碳添加量。即，可以减少价高且毒性较高的一氧化碳的添加量。

由于使用第二反应用催化剂的反应温度以100～300℃为宜，因此使用钯、铂或铑作为第二反应用催化剂。

该反应后，氦气中含有氮、水、二氧化碳和残留氧。

作为第五工序，使用脱水装置降低所述氦气中的水分含有率。