JP7289909B1

JP7289909B1 - 圧力変動吸着式ガス分離装置

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Publication number: JP7289909B1
Application number: JP2021214398A
Authority: JP
Inventors: 正也山脇
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-06-12
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: JP2023097967A

Abstract

【課題】高純度の易吸着成分を回収できる圧力変動吸着式ガス分離装置を提供する。【解決手段】１以上の成分に対して易吸着性を有し、他の成分に対して難吸着性を有する吸着剤を充填する吸着筒１０Ｂ，１０Ｕ，１１Ｂ，１１Ｕと、原料ガスを貯留する原料ガス貯留槽１と、易吸着性成分を貯留する易吸着成分貯留槽２と、分岐点Ｐにおいて第１～第３流路に分岐する流路と、流路に位置する圧縮機４と、第２流路Ｌ２に位置する第１開閉装置Ｖ１とを備え、第１開閉装置Ｖ１が分岐点Ｐ寄りに位置する、圧力変動吸着式ガス分離装置５０を選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力変動吸着式ガス分離装置に関する。

半導体集積回路、液晶パネル等の半導体製品を製造する工程では、希ガス雰囲気中で高周波放電によりプラズマを発生させ、該プラズマによって半導体製品もしくは表示装置の各種処理を行う装置が広く用いられている。このような処理において使用される希ガスとして、従来はアルゴンが用いられてきたが、近年はより高度な処理を行うためにクリプトンやキセノンが注目されている。しかし、クリプトンやキセノンは、原料となる空気中の存在比及び分離工程の複雑さから極めて希少で高価なガスであるため、使用済みの希ガスを回収し、再利用することが極めて重要となる。なお、希ガスを再利用するためには、少なくとも９９％以上の濃度が求められる。

ここで、キセノンやクリプトンを分離する装置としては、キセノンまたはクリプトンと、不純物である他成分とを含む原料ガスを、キセノンやクリプトンに対して易吸着性で、不純物である他成分に対して難吸着性の吸着剤を充填した吸着筒に流し、易吸着成分であるキセノンまたはクリプトンを吸着剤に吸着させ、難吸着成分である不純物をキセノンやクリプトンと分離するとともに、吸着剤に吸着したキセノンまたはクリプトンを吸着剤より脱離させて高濃度で回収する方法がある。

例えば、特許文献１には、直列に接続した２本の吸着筒（上部筒、下部筒）に原料ガス貯留槽の原料ガスを加圧して流し、易吸着成分であるキセノンまたはクリプトンを吸着し、難吸着成分である不純物を分離する工程ａと、易吸着成分貯留槽に充填されたキセノンまたはクリプトンを加圧して下部筒に導入し、これの空隙に残る難吸着成分である不純物を上部筒に導出し、上部筒において易吸着成分であるキセノンまたはクリプトンを吸着し、上部筒より難吸着成分である不純物を回収する工程ｂと、下部筒を減圧し、易吸着成分であるキセノンまたはクリプトンを吸着剤より脱離させて易吸着成分貯留槽に回収する工程ｃと、上部筒を減圧し、吸着剤に吸着した成分を脱離させて下部筒に導入し、さらに下部筒より流出したガスを原料ガス貯留槽に回収する工程ｄと、先に回収した難吸着成分である不純物を上部筒に導入し、易吸着成分であるキセノンまたはクリプトンを吸着剤より脱離させて下部筒に導入し、さらに下部筒より流出したガスを原料ガス貯留槽に回収する工程ｅとを備え、これらの工程ａ～ｅをシーケンスに従って順次行う分離方法が開示されている。

また、特許文献１には、吸着筒の下部筒に、原料ガス貯留槽の原料ガスを加圧して導入する流路と、易吸着成分貯留槽のガスを加圧して導入する流路と、上部筒と接続する流路と、原料ガス貯留槽に減圧して排出する流路と、易吸着成分貯留槽に減圧して排出する流路が位置し、各流路にガス流れを制御するバルブが設けられた装置が開示されている。そして、特許文献１に開示された装置では、下部筒とこれらの流路に設けられたバルブの間に、バルブを接続するために必要となる配管が設けられている。

特開２００６－６１８３１号公報

特許文献１に開示された分離方法及び装置には、以下の課題がある。
圧縮機は、工程ａで原料ガス貯留槽のガスを加圧し、工程ｂで易吸着成分貯留槽のキセノンまたはクリプトンを加圧する。ここで、易吸着成分貯留槽から圧縮機までの流路に、枝配管などの袋小路となる容積があれば、工程ａで流れた原料ガス貯留槽のガスが袋小路となる容積に残留し、工程ｂで加圧する易吸着成分貯留槽のキセノンまたはクリプトンに、袋小路となる容積に残留した原料ガス貯留槽のガスが混入する。原料ガス貯留槽のガスは高濃度の難吸着成分である不純物を含むため、工程ｂで加圧する易吸着成分貯留槽のキセノンまたはクリプトンに不純物が混入する。工程ｂで下部筒に導入するキセノンまたはクリプトンに不純物が含まれると、下部筒の空隙に残る不純物を上部筒に導出できず、下部筒に残留する。

そのため、工程ｃで不純物が残留するキセノンまたはクリプトンに残留する不純物が含まれたまま易吸着成分貯留槽に回収される。次の工程ｂで下部筒に導入するキセノンまたはクリプトンには不純物が含まれており、さらに袋小路となる容積に残留した不純物も加わることで、工程ｃで易吸着成分貯留槽に回収するキセノンまたはクリプトンに含まれる不純物濃度が増加する。
これらの工程を繰り返すことで、易吸着成分貯留槽に回収するキセノンまたはクリプトンの濃度は大きく低下してしまう。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高純度の易吸着成分を回収できる圧力変動吸着式ガス分離装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］２以上の成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着式ガス分離方法を用いて前記成分を分離し、回収する装置であって、
１以上の前記成分に対して易吸着性を有し、他の前記成分に対して難吸着性を有する吸着剤を充填する、１以上の吸着筒と、
前記原料ガスを貯留する原料ガス貯留槽と、
前記吸着筒から導出される易吸着性の前記成分を貯留する易吸着成分貯留槽と、
分岐点において、前記吸着筒と連通する第１流路と、前記原料ガス貯留槽と連通する第２流路と、前記易吸着成分貯留槽と連通する第３流路と、に分岐する流路と、
前記流路に位置する圧縮機と、
前記第２流路に位置する第１開閉装置と、を備え、
前記第１開閉装置が、前記分岐点寄りに位置する、圧力変動吸着式ガス分離装置。
［２］前記第１開閉装置の内部から前記分岐点までの前記第２流路の容積が、前記圧縮機が１分間に吸引するガス容積のそれぞれ１体積％以下である、［１］に記載の圧力変動吸着式ガス分離装置。
［３］前記第３流路に位置する第２開閉装置をさらに備え、
前記第２開閉装置が、前記分岐点寄りに位置する、［１］又は［２］に記載の圧力変動吸着式ガス分離装置。
［４］前記圧縮機が、前記第１流路の前記分岐点寄りに位置する、［１］乃至［３］のいずれかに記載の圧力変動吸着式ガス分離装置。
［５］前記圧縮機として、前記第２流路の前記第１開閉装置の一次側に位置する第１圧縮機と、前記第３流路の前記第２開閉装置の一次側に位置する第２圧縮機と、を有する、［３］に記載の圧力変動吸着式ガス分離装置。

本発明の圧力変動吸着式ガス分離装置は、高純度の易吸着成分を回収できる。

本発明の一実施形態である圧力変動吸着式ガス分離装置の概略構成図である。本発明の圧力変動吸着式ガス分離装置の変形例を示す概略構成図である。

なお、以下の説明において例示される図の寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

先ず、本発明の一実施形態である圧力変動吸着式ガス分離装置を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である圧力変動吸着式ガス分離装置５０の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の圧力変動吸着式ガス分離装置（以下、単に「ＰＳＡ装置」ともいう）５０は、２以上の成分を含有する原料ガスを貯留する原料ガス貯留槽１、易吸着性の成分（易吸着成分）を貯留する易吸着成分貯留槽２、難吸着性の成分（難吸着成分）を貯留する難吸着成分貯留槽３、圧縮機４、圧縮機５、下部筒１０Ｂ，１１Ｂ、上部筒１０Ｕ，１１Ｕの４つの吸着筒、経路Ｌ１～Ｌ１５、及び開閉弁Ｖ１～Ｖ１５を備えて、概略構成されている。本実施形態のＰＳＡ装置５０は、２以上の成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着式ガス分離方法を用いてこれらの成分を分離し、それぞれ高濃度のガス成分として回収する装置である。

原料ガス貯留槽１、易吸着成分貯留槽２、及び難吸着成分貯留槽３は、いずれも気体成分（原料ガス、易吸着成分、及び難吸着成分）を貯留することが可能な容器である。これらの容器の形状や大きさ（容量）は、特に限定されるものではなく、供給量、回収量等に応じて、適宜選択することができる。また、これらの容器の材質は、貯留する気体によって腐食しない材質であれば、特に限定されるものではない。

原料ガスは、２以上の成分を含有する混合ガスである。混合ガスとしては、２以上の気体成分を含有するものであれば、特に限定されない。このような混合ガスとしては、例えば、窒素ガスとキセノンとの２つの気体成分を含む混合ガスが挙げられる。

下部筒１０Ｂ、１１Ｂ、及び上部筒１０Ｕ、１１Ｕは、それぞれ筒状容器の内側の空間に吸着剤が充填された吸着筒である。これらの吸着筒の形状や大きさ（容量）は、特に限定されるものではなく、供給量、回収量等に応じて、適宜選択することができる。また、これらの吸着筒の材質は、貯留する気体によって腐食しない材質であれば、特に限定されるものではない。

下部筒１０Ｂ、１１Ｂ、及び上部筒１０Ｕ、１１Ｕには、それぞれ吸着剤が充填されている。吸着剤としては、原料ガス中の目的成分に対して易吸着性あるいは難吸着性を有し、目的成分以外の成分に対して難吸着性あるいは易吸着性を有するものであれば、特に限定されない。

例えば、原料ガスが窒素ガスとキセノンとの２つの気体成分を含む混合ガスである場合、吸着剤として活性炭を用いることができる。ここで、活性炭は、平衡吸着量としてキセノンの吸着量が多く（易吸着性）、窒素の吸着量が少ない（難吸着性）という性質を持つ。

経路Ｌ１～Ｌ１５は、上述した各構成にガスを導入、又は各構成からガスを導出するガス経路である。
経路Ｌ１は、原料ガスを原料ガス貯留槽１に導入する経路である。
経路（第２流路）Ｌ２は、一端が原料ガス貯留槽１に接続し、他端が分岐点Ｐにおいて経路Ｌ３及び経路Ｌ１５と接続する。すなわち、経路Ｌ２は、原料ガス貯留槽１のガスを圧縮機４へ導出するガス経路の一部である。
経路（第３流路）Ｌ３は、一端が易吸着成分貯留槽２に接続し、他端が分岐点Ｐにおいて経路Ｌ２及び経路Ｌ１５と接続する。すなわち、経路Ｌ３は、易吸着成分貯留槽２のガスを圧縮機４へ導出するガス経路の一部である。
経路Ｌ４、及び経路Ｌ５は、経路Ｌ１５から分岐し、圧縮機４からのガスを下部筒１０Ｂ、１１Ｂにそれぞれ導入するガス経路である。
経路Ｌ６は、経路Ｌ４、及び経路Ｌ５とそれぞれ合流し、上部筒１０Ｕ、１１Ｕより導出される難吸着成分を難吸着成分貯留槽３に導入するガス経路である。
経路Ｌ７は、難吸着成分貯留槽３から導出される難吸着成分を装置系外に排出するガス経路である。
経路Ｌ８は、難吸着成分貯留槽３から導出される難吸着成分を上部筒１０Ｕ、１１Ｕにそれぞれ導入するガス経路の一部である。

経路Ｌ９、Ｌ１０は、下部筒１０Ｂ、１１Ｂにそれぞれ接続され、下部筒１０Ｂ，１１Ｂからのガスを原料ガス貯留槽１に返送する経路である。
経路Ｌ１１、Ｌ１２は、下部筒１０Ｂ、１１Ｂにそれぞれ接続され、下部筒１０Ｂ，１１Ｂからのガスを易吸着成分貯留槽２に返送する経路である。
経路Ｌ１３は、易吸着成分貯留槽２に接続され、易吸着成分貯留槽２からの易吸着成分を装置系外に供給する経路である。
経路Ｌ１４は、上部筒１０Ｕと上部筒１１Ｕとの間に位置し、上部筒１０Ｕと上部筒１１Ｕとの間で均圧を行う均圧ラインである。

経路（第１流路）Ｌ１５は、一端が経路Ｌ４及び経路Ｌ５に分岐し、これらの経路Ｌ４及び経路Ｌ５を介して下部筒１０Ｂ、１１Ｂとそれぞれ連通するとともに、他端が分岐点Ｐにおいて経路Ｌ２及び経路Ｌ３と接続する。
本実施形態のＰＳＡ装置５０では、経路Ｌ２、Ｌ３及びＬ１５が、分岐点Ｐにおいて３方向に分岐する流路を構成する。

圧縮機４は、経路Ｌ１５に位置し、原料ガス貯留槽１から経路Ｌ２を介して経路Ｌ１５に導出される原料ガス、及び易吸着成分貯留槽２から経路Ｌ３を介して経路Ｌ１５に導出される易吸着成分のうち、いずれか一方を昇圧（圧縮）した後、経路Ｌ４又は経路Ｌ５を介して下部筒１０Ｂ又は下部筒１１Ｂに供給する。

圧縮機４は、経路Ｌ１５において分岐点Ｐ寄りに位置することが好ましい。ここで、圧縮機４が分岐点Ｐ寄りに位置するとは、圧縮機４と分岐点Ｐとの距離が短いことを言う。これにより、圧縮機４の一次側の経路Ｌ１５内の容積を低減できる。すなわち、圧縮機４から分岐点Ｐまでの間の経路に残留するガスを低減できる。

圧縮機４は、気体成分を昇圧（圧縮）できるものであれば、特に限定されない。このような圧縮機４としては、例えば、ダイアフラム式圧縮機が挙げられる。
また、圧縮機４の吐出量は、特に限定されるものではなく、気体成分の供給量、回収量等に応じて、適宜選択することができる。

圧縮機５は、経路Ｌ１３に位置し、易吸着成分貯留槽２から経路Ｌ１３に導出される易吸着成分を昇圧（圧縮）した後、装置系外に供給する。圧縮機５は、気体成分を昇圧（圧縮）できるものであれば、特に限定されない。このような圧縮機５としては、例えば、ダイアフラム式圧縮機が挙げられる。また、圧縮機５の吐出量は、特に限定されるものではなく、気体成分の供給量、回収量等に応じて、適宜選択することができる。

開閉弁Ｖ１～Ｖ１５は、経路Ｌ２～Ｌ１４にそれぞれ位置し、経路内の気体成分の流路を開放又は閉止する開閉装置である。
本実施形態のＰＳＡ装置５０では、これらの開閉弁のうち、経路Ｌ２に位置する開閉弁（第１開閉装置）Ｖ１が、分岐点Ｐ寄りに位置する。

ここで、開閉弁Ｖ１が分岐点Ｐ寄りに位置するとは、開閉弁Ｖ１と分岐点Ｐとの距離が短いことをいう。これにより、分岐点Ｐにおいて３方向に分岐する経路Ｌ２、経路Ｌ３、及び経路Ｌ１５のうち、開閉弁Ｖ１と分岐点Ｐとの間の経路内の容積を低減できる。すなわち、原料ガス貯留槽１から原料ガス（混合ガス）を圧縮機４に導出する際、開閉弁Ｖ１と分岐点Ｐとの間の経路内に残留するガス量を低減できる。

なお、開閉弁Ｖ１から分岐点Ｐまでの間の経路Ｌ２に残留するガスの量（残留ガス量）は、開閉弁Ｖ１から分岐点Ｐまでの経路Ｌ２を構成する配管の容積と、開閉弁Ｖ１の内部の容積との総和となる。
本実施形態のＰＳＡ装置５０では、開閉弁Ｖ１の内部から分岐点Ｐまでの経路Ｌ２の容積が、圧縮機４が１分間に吸引するガス容積の１体積％以下であることが好ましい。

また、本実施形態のＰＳＡ装置５０では、経路Ｌ３に位置する開閉弁（第２開閉装置）Ｖ２が、分岐点Ｐ寄りに位置することが好ましい。ここで、開閉弁Ｖ２が分岐点Ｐ寄りに位置するとは、開閉弁Ｖ２と分岐点Ｐとの距離が短いことをいう。
開閉弁Ｖ２から分岐点Ｐまでの間の経路Ｌ３に残留するガスの量（残留ガス量）は、開閉弁Ｖ２から分岐点Ｐまでの経路Ｌ３を構成する配管の容積と、開閉弁Ｖ２の内部の容積との総和となる。
本実施形態のＰＳＡ装置５０では、開閉弁Ｖ２の内部から分岐点Ｐまでの経路Ｌ３の容積が、圧縮機４が１分間に吸引するガス容積の１体積％以下であることが好ましい。

開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２は、ガス成分の流路となる配管に残留するガス量を低減することが可能であれば、特に限定されない。このような開閉弁としては、ボールバルブ、ロータリーバルブ、ベローズバルブ、ダイアフラムバルブ等が挙げられる。
これらは、開閉弁内の容積を小さくできるため、好ましい。
また、ボールバルブの中でも、三方流路切替式のボールバルブは、配管容積を極めて小さくできるため、より好ましい。
さらに、ベローズバルブやダイアフラムバルブの中でも、三方分流型や複数のバルブが一つのブロックで構成される二連三方弁等のブロック型は、配管容積を極めて小さくでき、バルブの駆動耐久性も優れるため、非常に好ましい。

次に、本実施形態の圧力変動吸着式ガス分離装置５０の運転方法について、説明する。
なお、以下の説明では、原料ガスとして、窒素ガスとキセノンとの２つの気体成分を含む混合ガスを用い、下部筒１０Ｂ、１１Ｂ、及び上部筒１０Ｕ、１１Ｕに充填する吸着剤として、平衡分離型吸着剤である活性炭を使用する場合を一例として説明する。

本実施形態のＰＳＡ装置５０の運転方法では、先ず、下部筒１０Ｂ及び上部筒１０Ｕにおいて、（１）吸着工程、（２）リンス工程、（３）下部筒減圧工程、（４）上部筒減圧工程、（５）パージ再生工程、及び（６）均圧加圧工程を行う。

（１）吸着工程
先ず、吸着工程では、開閉弁Ｖ２，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１２を閉止し、開閉弁Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ１４を開放して、原料ガス貯留槽１から導出される混合ガスを圧縮機４で圧縮した後、経路Ｌ１５，Ｌ４を介して、下部筒１０Ｂの下部に導入する。
ここで、下部筒１０Ｂと上部筒１０Ｕとは、開閉弁Ｖ５が開放されているため連通しており、ほぼ同様に圧力上昇する。
なお、原料ガス貯留槽１から導出される混合ガスは、経路Ｌ１から原料ガス貯留槽１に導入された原料ガスと、後述する上部筒減圧工程、及びパージ再生工程において下部筒１０Ｂもしくは１１Ｂから導出されたガスとの混合ガスである。

次いで、下部筒１０Ｂの下部に導入された混合ガスは、下部筒１０Ｂの上部に進むにつれて、キセノンが吸着剤に優先的に吸着され、気相中に窒素が濃縮される。濃縮された窒素は、下部筒１０Ｂの上部から上部筒１０Ｕの下部に導入され、上部筒１０Ｕにおいて、窒素中に含まれる微量のキセノンがさらに吸着剤に吸着される。上部筒１０Ｕの圧力が難吸着成分貯留槽３の圧力より高くなった後、上部筒１０Ｕにおいてさらに濃縮された窒素は、経路Ｌ６を介して、難吸着成分貯留槽３へ導出される。
なお、難吸着成分貯留槽３に貯留された窒素は、原料ガス中に含まれる窒素に応じた流量が経路Ｌ７から装置系外に排出され、残りの窒素が後述するパージ再生工程において向流パージガスとして使用される。

（２）リンス工程
次に、リンス工程では、開閉弁Ｖ１を閉止し、開閉弁Ｖ２を開放して、易吸着成分貯留槽２から導出されるキセノンを下部筒１０Ｂの下部に導入する。易吸着成分であるキセノンを下部筒１０Ｂに導入することで、下部筒１０Ｂの吸着剤の充填層に共吸着された窒素と、吸着剤の空隙に存在する窒素とを下部筒１０Ｂから上部筒１０Ｕへ押し出し、下部筒１０Ｂ内をキセノンで吸着飽和とする。次いで、開閉弁Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１４，Ｖ１５を閉止し、開閉弁Ｖ９を開放することで、上部筒１０Ｕの上部から導出された窒素は、経路Ｌ１４を介して上部筒１１Ｕに送られる。

（３）下部筒減圧工程
次に、下部筒減圧工程では、開閉弁Ｖ３、Ｖ５、Ｖ１０を閉止し、開閉弁Ｖ１２を開放する。これにより、上述した吸着工程及びリンス工程の間に下部筒１０Ｂに吸着されたキセノンは、下部筒１０Ｂと易吸着成分貯留槽２との差圧によって、経路Ｌ１１を介して易吸着成分貯留槽２へ回収される。易吸着成分貯留槽２に回収されたキセノンは、原料ガス中に含まれるキセノンに応じた流量が、圧縮機５によって加圧された後、経路Ｌ１３から製品として採取され、残りのキセノンが上述したリンス工程において並流パージガスとして使用される。
なお、下部筒減圧工程の間、開閉弁Ｖ５，Ｖ７，Ｖ９，Ｖ１４が閉止され、上部筒１０Ｕは休止状態となる。

ここで、本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、原料ガス貯留槽１と連通する経路（第２流路）Ｌ２に位置する開閉弁（第１開閉装置）Ｖ１が分岐点Ｐ寄りに位置しており、開閉弁Ｖ１の内部から分岐点Ｐまでの経路Ｌ２の容積が低減されている。これにより、吸着工程において開閉弁Ｖ１の内部から分岐点Ｐまでの経路Ｌ２に残存する混合ガス量が低減されるため、リンス工程において高純度のキセノンを下部筒１０Ｂに導入でき、下部筒１０Ｂ内を高純度のキセノンとすることができる。その結果、下部筒減圧工程において、易吸着成分であるキセノンを高純度で易吸着成分貯留槽２に回収できる。

（４）上部筒減圧工程
次に、上部筒減圧工程では、開閉弁Ｖ３，Ｖ７，Ｖ９，Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１４を閉止し、開閉弁Ｖ５、Ｖ１０を開放する。これにより、上述した下部筒減圧工程の間に休止していた上部筒１０Ｕと、減圧した下部筒１０Ｂとの差圧によって、上部筒１０Ｕ内のガスが下部筒１０Ｂに導入される。下部筒１０Ｂに導入されたガスは、下部筒１０Ｂ内をパージした後、下部筒１０Ｂから導出され、経路Ｌ１０を介して原料ガス貯留槽１に回収される。原料ガス貯留槽１に回収されたガスは、経路Ｌ１から導入される原料ガスと混合された後、上述した吸着工程において混合ガスとして使用される。

（５）パージ再生工程
次に、パージ再生工程では、開閉弁Ｖ３，Ｖ９，Ｖ１２，Ｖ１４を閉止し、開閉弁Ｖ５，Ｖ７，Ｖ１０を開放する。これにより、難吸着成分貯留槽３に貯留された窒素が、向流パージガスとして経路Ｌ８を介して上部筒１０Ｕの上方から導入される。上部筒１０Ｕに導入された窒素は、上部筒１０Ｕの下方に進むにつれて、吸着剤に吸着されたキセノンを置換脱着させる。吸着剤から脱着された比較的キセノンを多く含むガスは、上部筒１０Ｕから導出された後、下部筒１０Ｂ及び経路Ｌ１０を介して、原料ガス貯留槽１に回収される。原料ガス貯留槽１に回収されたガスは、上述した上部筒減圧工程と同様に、経路Ｌ１から導入される原料ガスと混合された後、上述した吸着工程において混合ガスとして使用される。
なお、向流パージガスとして、難吸着成分貯留槽３に貯留された窒素に代えて、上述した吸着工程において上部筒１０Ｕから導出された窒素を用い、パージ再生工程を行っている上部筒１０Ｕに直接導入してもよい。

（６）均圧加圧工程
次に、均圧加圧工程では、開閉弁Ｖ３，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１０，Ｖ１２，Ｖ１４，Ｖ１５を閉止し、開閉弁Ｖ９を開放する。ここで、下部筒１０Ｂ及び上部筒１０Ｕにおいて均圧加圧工程が行われる際、下部筒１１Ｂ及び上部筒１１Ｕにおいて上述したリンス工程が行われる。均圧加圧工程では、リンス工程が行われている上部筒１１Ｕから導出された窒素が、経路Ｌ１４を介して上部筒１０Ｕ及び下部筒１０Ｂに導入される。

なお、上述した「均圧加圧工程」から「吸着工程」に戻る際、開閉弁Ｖ１を開放し、開閉弁Ｖ２を閉止する。次いで、原料ガス貯留槽１から導出される混合ガスを圧縮機４で圧縮した後、経路Ｌ１５，Ｌ４を介して、下部筒１０Ｂの下部に導入する。

ここで、本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、易吸着成分貯留槽２と連通する経路（第３流路）Ｌ３に位置する開閉弁（第２開閉装置）Ｖ２が分岐点Ｐ寄りに位置しており、開閉弁Ｖ２の内部から分岐点Ｐまでの経路Ｌ３の容積が低減されている。これにより、上述したリンス工程において開閉弁Ｖ２の内部から分岐点Ｐまでの経路Ｌ３に残存するキセノン量が低減されるため、吸着工程において、混合ガス中のキセノン濃度を変動させることなく、原料ガス貯留槽１に貯留される混合ガスを下部筒１０に導入できる。

本実施形態のＰＳＡ装置５０では、下部筒１１Ｂ及び上部筒１１Ｕにおいても、下部筒１０Ｂ及び上部筒１０Ｕと同様に、上述した６つの工程を順次実施する。
ここで、一方の吸着筒（下部筒１０Ｂ及び上部筒１０Ｕ）において、「吸着工程」～「リンス工程」が行われている間、他方の吸着筒（下部筒１１Ｂ及び上部筒１１Ｕ）において、「下部筒減圧工程」～「パージ再生工程」～「均圧加圧工程」が行われる。
また、一方の吸着筒において、「下部筒減圧工程」～「パージ再生工程」～「均圧加圧工程」が行われている間、他方の吸着筒において、「吸着工程」～「リンス工程」が行われる。

本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、上述した６つの工程を、下部筒１０Ｂ及び上部筒１０Ｕと、下部筒１１Ｂ及び上部筒１１Ｕとの間で順次繰り返すことにより、窒素の濃縮とキセノンの濃縮とを連続的に行うことができる。

なお、本実施形態のＰＳＡ装置５０では、経路Ｌ１から原料ガス貯留槽１への原料ガスの導入、難吸着成分貯留槽３から経路Ｌ７を介しての窒素の排出、及び、易吸着成分貯留槽２から経路Ｌ１３を介してのキセノンの導出は、上述した工程に依らず連続的に行われる。

本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、原料ガスから高純度のキセノンを分離回収することができる。
なお、本実施形態のＰＳＡ装置５０で分離回収されるキセノンの純度としては、特に限定されるものではないが、９９体積％以上であることが好ましく、９９．９体積％以上であることがより好ましく、９９．９５体積％以上であることがさらに好ましい。

本実施形態のＰＳＡ装置５０は、半導体製品、あるいは表示装置の製造設備の一部として用いることができる。本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、製造設備から排出される排ガスを原料ガスとし、原料ガスに含まれるキセノンを分離回収した後、高純度のキセノンを製造設備に供給できる。

また、本実施形態のＰＳＡ装置５０を上述した製造設備の一部として用いる場合、キセノンを供給する必要がない状況や、原料ガス（すなわち、製造設備からの排ガス）が流入してこない状況が頻繁に起こり得る。このような場合、本実施形態のＰＳＡ装置５０では、難吸着成分貯留槽３から経路Ｌ７を介して排出される窒素、あるいは易吸着成分貯留槽２から経路Ｌ１３を介して導出されるキセノンを原料ガス貯留槽１に返送することで、常に製品ガス（キセノン）を供給できる状態を維持しながら供給停止状態とすることができる。

以上説明したように、本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、原料ガス貯留槽１と連通する経路（第２流路）Ｌ２に位置する開閉弁（第１開閉装置）Ｖ１が分岐点Ｐ寄りに位置する。これにより、開閉弁Ｖ１の内部から分岐点Ｐまでの経路Ｌ２の容積が低減されるため、経路中に残存するガス量を低減できる。したがって、本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、運転中に経路を切り替える際、キセノンへの不純物（原料ガス中のキセノン以外の成分）の混合量が低減され、高純度のキセノン（易吸着成分）を製品として分離回収できる。

また、本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、下部筒１０Ｂ及び下部筒１１Ｂと連通する経路（第１流路）Ｌ１５に位置する圧縮機４が分岐点Ｐ寄りに位置し、易吸着成分貯留槽２と連通する経路（第３経路）Ｌ３に位置する開閉弁（第２開閉装置）Ｖ２が分岐点Ｐ寄りに位置する。これにより、圧縮機４の一次側の経路Ｌ１５内の容積、及び開閉弁Ｖ２の内部から分岐点Ｐまでの経路Ｌ３の容積を低減でき、圧縮機４から分岐点Ｐまでの間の経路、並びに開閉弁Ｖ２から分岐点Ｐまでの間の経路に残留するガスを低減できる。したがって、本実施形態のＰＳＡ装置５０によれば、原料ガス貯留槽１から原料ガス（混合ガス）を圧縮機４に導出する際、あるいは、易吸着成分貯留槽２から易吸着成分（ガス）を圧縮機４に導出する際、圧縮機４、開閉弁Ｖ１、及び開閉弁Ｖ２で閉塞される経路内に残留するガス量をさらに低減できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。上述した実施形態のＰＳＡ装置５０では、下部筒１０Ｂ及び下部筒１１Ｂと連通する経路（第１流路）Ｌ１５に圧縮機４を備える構成を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、図２に示すように、第１流路Ｌ１５に位置する圧縮機４に代えて、流路（第２流路）Ｌ２の開閉弁（第１開閉弁）Ｖ１の一次側に位置する第１圧縮機４ａと、流路（第３流路）Ｌ３の開閉弁（第２開閉弁）Ｖ２の一次側に位置する第２圧縮機４ｂとをそれぞれ備える構成としてもよい。

以下、検証試験によって本発明の効果を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。

図１に示すＰＳＡ装置５０を用い、下表１に示すように開閉弁を制御して、原料ガスから製品ガスを分離回収した。
ＰＳＡ装置５０の構成は、以下の通りであった。
・下部筒（１０Ｂ、１１Ｂ）、上部筒（１０Ｕ、１１Ｕ）：ステンレス鋼８０Ａ（内径８３．１ｍｍ）、吸着剤充填高さ５００ｍｍ
・吸着剤：活性炭、各１．５ｋｇ充填
・圧縮機４：ダイアフラム式圧縮機（吐出量：２０Ｌ／ｍｉｎ）
・圧縮機５：ダイアフラム式圧縮機（吐出量：２Ｌ／ｍｉｎ）
（以下、すべて０℃、大気圧下）
・原料ガス：キセノン（Ｘｅ）＋窒素
・経路Ｌ１から原料ガス貯留槽１への原料ガスの導入量：２．０Ｌ／ｍｉｎ
・易吸着成分：キセノン
・易吸着成分貯留槽２から経路Ｌ１３への導出量：０．２Ｌ／ｍｉｎ
・難吸着成分：窒素
・難吸着成分貯留槽３から経路Ｌ７への導出量：１．８Ｌ／ｍｉｎ

＜検証試験１＞
経路Ｌ２に位置する開閉弁Ｖ１から分岐点Ｐまでの距離を変化させて、キセノンを分離回収した。配管容積を変更させて運転した。結果を表２に示す。

表２に示すように、試験例１～３によれば、経路Ｌ２の開閉弁Ｖ１から分岐点Ｐまでの容積が２００ｍ以下であり、圧縮機４が１分間に吸引するガスの容積の１％以下であるため、製品Ｘｅ濃度が９９体積％以上であった。
また、試験例１では、経路Ｌ２の開閉弁Ｖ１から分岐点Ｐまでの容積が１０ｍＬであり、圧縮機４が１分間に吸引するガスの容積の０．０５％以下であるため、製品Ｘｅ濃度が９９．９体積％以上であった。
これに対して、試験例４では、経路Ｌ２の開閉弁Ｖ１から分岐点Ｐまでの容積が５００ｍＬであり、圧縮機４が１分間に吸引するガスの容積の１％超（２．５％）であるため、製品Ｘｅ濃度が９９．９体積％未満（９４．５体積％）であった。

＜検証試験２＞
上述した検証試験１の試験例１において、さらに開閉弁Ｖ１としてダイアフラム式三方分流弁（フジキン社製メタルダイアフラムバルブ：ＦＰＲ－ＮＤＴＢ－７１－９．５２）を用いたところ、経路Ｌ２に設けられた開閉弁Ｖ１から分岐点Ｐまでの配管の総容積は５ｍＬであった。
表１の条件で運転した結果、製品Ｘｅ純度は、９９．９５％、Ｘｅ回収率は９９％であった。

１・・・原料ガス貯留槽
２・・・易吸着成分貯留槽
３・・・難吸着成分貯留槽
４、５・・・圧縮機
１０Ｂ、１１Ｂ・・・下部筒
１０Ｕ、１１Ｕ・・・上部筒
５０・・・圧力変動吸着式ガス分離装置（ＰＳＡ装置）
Ｖ１～Ｖ１５・・・開閉弁（開閉装置）
Ｌ１～Ｌ１５・・・経路（流路）

Claims

２以上の成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着式ガス分離方法を用いて前記成分を分離し、回収する装置であって、
１以上の前記成分に対して易吸着性を有し、他の前記成分に対して難吸着性を有する吸着剤を充填する、１以上の吸着筒と、
前記原料ガスを貯留する原料ガス貯留槽と、
前記吸着筒から導出される易吸着性の前記成分を貯留する易吸着成分貯留槽と、
分岐点において、前記吸着筒と連通する第１流路と、前記原料ガス貯留槽と連通する第２流路と、前記易吸着成分貯留槽と連通する第３流路と、に分岐する流路と、
前記第１～第３流路の少なくとも１つの流路に位置する圧縮機と、
前記第２流路に位置する第１開閉装置と、を備え、
前記第１流路に、前記易吸着成分貯留槽に前記吸着筒からのガスを返送する経路と、前記原料ガス貯留槽に前記吸着筒からのガスを返送する経路とがそれぞれ接続され、
前記第１開閉装置の内部から前記分岐点までの前記第２流路の容積が、前記圧縮機が１分間に吸引するガス容積の１体積％以下である場所に前記第１開閉装置が位置する、圧力変動吸着式ガス分離装置。
前記第３流路に位置する第２開閉装置をさらに備え、
前記第２開閉装置の内部から前記分岐点までの前記第３流路の容積が、前記圧縮機が１分間に吸引するガス容積の１体積％以下である場所に前記第２開閉装置が位置する、請求項１記載の圧力変動吸着式ガス分離装置。
前記圧縮機として、前記第２流路の前記第１開閉装置の一次側に位置する第１圧縮機と、前記第３流路の前記第２開閉装置の一次側に位置する第２圧縮機と、を有する、請求項２記載の圧力変動吸着式ガス分離装置。