JP6067368B2 - 吸着材の再生装置、吸着材の再生方法、二酸化炭素精製装置、および二酸化炭素精製方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着材の再生装置、吸着材の再生方法、二酸化炭素精製装置、および二酸化炭素精製方法に関する。

二酸化炭素（ＣＯ₂）は、気体状態で様々な用途に使用されるほか、液体状態あるいは超臨界状態で、例えば、洗浄や乾燥などの工程に使用されている。近年では、半導体デバイスの製造プロセスにおける洗浄工程を、液体ＣＯ₂や超臨界ＣＯ₂を用いて行うことが提案されている。

半導体デバイスの製造プロセスにおいて液体ＣＯ₂や超臨界ＣＯ₂を使用するためには、ユースポイント（例えば洗浄装置）に対して、不純物量が極めて少なく高純度に精製された液体ＣＯ₂や超臨界ＣＯ₂を連続的に供給する必要がある。例えば、特許文献１には、循環精製型の流体供給システムが開示されている。このシステムでは、液体ＣＯ₂を気化させ、そのＣＯ₂ガスを凝縮させて再び液体ＣＯ₂にする循環系が用いられ、この循環系内でＣＯ₂の気化と凝縮とを繰り返すことによってＣＯ₂の純度が高められている。

一方、半導体デバイスの製造プロセスでは、ユースポイントで使用されたＣＯ₂を回収して精製し、同じ製造プロセスで再利用することも求められている。例えば、特許文献２には、洗浄装置や乾燥装置で使用された超臨界ＣＯ₂または液体ＣＯ₂を回収して再生させる再生回収装置が開示されている。

ところで、上述のような循環系では、ガスボンベなどのＣＯ₂供給源から、循環系内にＣＯ₂が随時供給されるが、ＣＯ₂供給源からのＣＯ₂には、水分、油分、または揮発性不純物などが含まれている。また、半導体デバイス製造プロセスで用いられる洗浄装置や乾燥装置から回収されるＣＯ₂にも、同様の不純物質が含まれている。特許文献１に記載の流体供給システムや特許文献２に記載の再生回収装置では、気液分離手段やフィルタなどの濾過手段などを用いてＣＯ₂の精製が行われているが、これらの手段だけでは、上述の不純物質を十分に除去することが困難である。

そこで、ＣＯ₂に含まれる、水分、油分、または揮発性不純物などの不純物質を確実に除去し、高純度のＣＯ₂を精製する方法として、吸着材を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。この方法では、除去対象物質や処理条件などにより吸着材を適宜選択することで、さまざまな不純物質を除去することが可能となる。

ただし、吸着材の吸着能力には限界があり、吸着能力が限界に近づいたり、吸着量が一定以上になったりすると、ＣＯ₂に含まれる不純物質を十分に取り除くことができなくなる。そのため、吸着量が一定以上になった時点で、吸着材の再生を行う必要がある。このような吸着材の再生方法として、例えば、特許文献５には、吸着材が充填された吸着塔に、不活性ガスを再生ガスとして導入する方法が開示されている。

特開２００６−３２６４２９号公報 特開２００５−２８１０１６号公報 特表２００９−５０６９６７号公報 特表２００９−５０４３８３号公報 特開２００３−１１７３３９号公報

上述した再生方法のように、吸着材を再生するために吸着塔に再生ガスを導入した場合、吸着材の再生後、吸着塔には再生ガス（不活性ガス）が残存した状態となる。この状態で吸着処理を再開させると、吸着塔に残存した不活性ガスが精製ガス中に含まれてしまい、所望の純度が得られなくなる。したがって、吸着処理を再開する前に、吸着塔内に残存した不活性ガスを精製ガスで一旦置換する必要がある。その際に、吸着材によっては、精製ガスが吸着したときに発熱を伴うものがある。この場合、吸着材の再生工程終了後、吸着処理を再開する前には、吸着材を冷却する必要が生じる。

吸着材を冷却する方法としては、吸着材が十分に冷却するまで冷却ガスを吸着塔に流通させることが考えられるが、このためには大量の冷却ガスを消費することになり、コストへの影響が大きくなる。また、発熱した吸着材を放熱により再冷却するには、かなりの時間が必要となり、時間的ロスが問題となる。

そこで、本発明の目的は、吸着材の再生後、吸着処理を再開する際に発生し得る吸着能力の低下を、コストアップや時間的ロスを招くことなく抑制することである。

上述した目的を達成するために、本発明の吸着材の再生装置は、被精製ガスである二酸化炭素に含まれる不純物質を吸着させる、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、および活性炭の少なくとも１つを含む吸着材の再生装置であって、吸着材が充填された吸着塔に再生ガスを供給する再生ガス供給手段と、吸着塔に供給される再生ガスおよび吸着塔のいずれかを加熱する加熱手段と、吸着塔に置換ガスである二酸化炭素を供給する置換ガス供給手段と、吸着塔に供給された置換ガスを、吸着塔を含む循環経路に沿って循環させるガス循環手段と、循環経路に沿って循環する置換ガスを冷却する冷却手段と、ガス排出弁を介して吸着塔に接続され、吸着塔に供給された再生ガスまたは置換ガスを排出するためのガス排出ラインと、ガス戻り弁を介して吸着塔に接続され、循環経路を形成するガス戻りラインと、加熱手段により加熱した再生ガスを吸着塔に供給するか、または、加熱手段により加熱した吸着塔に再生ガスを供給しながら、吸着塔に供給された再生ガスをガス排出ラインから排出することで、吸着材を再生した後、吸着塔に置換ガスを供給して、循環経路に沿って、置換ガスの少なくとも一部を冷却しながら循環させる制御手段と、を有している。

また、本発明の吸着材の再生方法は、被精製ガスである二酸化炭素に含まれる不純物質を吸着させる、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、および活性炭の少なくとも１つを含む吸着材の再生方法であって、吸着材が充填された吸着塔に再生ガスを加熱して供給し、加熱した再生ガスを吸着塔に流通させるか、または、吸着塔を加熱し、加熱した吸着塔に再生ガスを流通させながら、吸着塔を流通した再生ガスを外部に排出することで、吸着材を再生するステップと、吸着材を再生した後、吸着塔に置換ガスである二酸化炭素を供給し、吸着塔内に残存する再生ガスを置換ガスで置換するステップと、吸着塔を含む循環経路に沿って、置換ガスの少なくとも一部を冷却しながら循環させるステップと、を含んでいる。

また、本発明の二酸化炭素精製装置は、被精製ガスである二酸化炭素に含まれる不純物質を吸着させる、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、および活性炭の少なくとも１つを含む吸着材が充填された吸着塔と、吸着材を再生するための再生装置と、を有する吸着装置を備え、再生装置が、吸着塔に再生ガスを供給する再生ガス供給手段と、吸着塔に供給される再生ガスおよび吸着塔のいずれかを加熱する加熱手段と、吸着塔に置換ガスである二酸化炭素を供給する置換ガス供給手段と、吸着塔に供給された置換ガスを、吸着塔を含む循環経路に沿って循環させるガス循環手段と、循環経路に沿って循環する置換ガスを冷却する冷却手段と、ガス排出弁を介して吸着塔に接続され、吸着塔に供給された再生ガスまたは置換ガスを排出するためのガス排出ラインと、ガス戻り弁を介して吸着塔に接続され、循環経路を形成するガス戻りラインと、加熱手段により加熱した再生ガスを吸着塔に供給するか、または、加熱手段により加熱した吸着塔に再生ガスを供給しながら、吸着塔に供給された再生ガスをガス排出ラインから排出することで、吸着材を再生した後、吸着塔に置換ガスを供給して、置換ガスの少なくとも一部を冷却しながら循環させる制御手段と、を有している。

また、本発明の二酸化炭素精製方法は、被精製ガスである二酸化炭素に含まれる不純物質を吸着させる、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、および活性炭の少なくとも１つを含む吸着材の再生方法を含み、再生方法が、吸着材が充填された吸着塔に再生ガスを加熱して供給し、加熱した再生ガスを吸着塔に流通させるか、または、吸着塔を加熱し、加熱した吸着塔に再生ガスを流通させながら、吸着塔を流通した再生ガスを外部に排出することで、吸着材を再生するステップと、吸着材を再生した後、吸着塔に置換ガスである二酸化炭素を供給し、吸着塔内に残存する再生ガスを置換ガスで置換するステップと、吸着塔を含む循環経路に沿って、置換ガスの少なくとも一部を冷却しながら循環させるステップと、を含んでいる。

このような装置および方法では、吸着塔を含む循環経路に沿って置換ガスを冷却しながら循環させることが可能となる。これにより、置換ガスが吸着材に吸着したときに発熱を伴う場合であっても、吸着材を迅速に冷却することができる。また、冷却のための置換ガスを無駄にすることがないため、コストアップのおそれもない。

以上、本発明によれば、吸着材の再生後、吸着処理を再開する際に発生し得る吸着能力の低下を、コストアップや時間的ロスを招くことなく抑制することができる。

本発明が適用される二酸化炭素精製装置を備えた二酸化炭素循環供給システムの構成例を示す概略図である。 本発明の一実施形態における吸着装置を示す概略図である。 本実施形態の吸着材再生装置における吸着材の第１の再生方法を示すフローチャートである。 本実施形態の吸着材再生装置における吸着材の第２の再生方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

本発明は、二酸化炭素（ＣＯ₂）に含まれる不純物質、特に、水分、油分、または揮発性不純物などを吸着させて除去するための吸着装置、およびそれを備えた二酸化炭素精製装置に好適に適用される。このような二酸化炭素精製装置としては、半導体デバイスの製造プロセスにおける二酸化炭素精製装置、特に、ＣＯ₂を循環させながら精製し、精製したＣＯ₂をユースポイントに供給する循環精製装置や、ユースポイントにおいて使用されたＣＯ₂を回収して粗精製を行う回収精製装置が挙げられる。

図１は、本発明が適用される二酸化炭素精製装置を備えた、半導体デバイス製造プロセスのＣＯ₂供給システムの構成例を示す概略図である。以下では、ユースポイントとして、半導体デバイスの洗浄装置を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、半導体デバイスの乾燥装置であってもよい。

ＣＯ₂供給システム１は、ユースポイントとしての洗浄装置２に高純度のＣＯ₂を供給するシステムであり、ＣＯ₂を循環させながら精製し、精製したＣＯ₂を洗浄装置２に供給する循環精製装置３と、洗浄装置２で使用されたＣＯ₂を回収して粗精製を行う回収精製装置４と、を有している。回収精製装置４により粗精製されたＣＯ₂は、循環精製装置３へと送られ、そこで最終的に洗浄装置２に供給可能な高純度のＣＯ₂に精製されるようになっている。また、ＣＯ₂供給システム１は、循環精製装置３にＣＯ₂を供給するための、ガスボンベなどのＣＯ₂供給源５が設けられている。

循環精製装置３は、液体ＣＯ₂を気化させる蒸発器、気化したＣＯ₂ガスを再び液化する凝縮器、および液化した液体ＣＯ₂を貯留する貯槽（いずれも図示せず）などから構成された循環ライン３ａを有している。循環ライン３ａには、液体ＣＯ₂やＣＯ₂ガスに含まれる微粒子を除去するための複数のフィルタ（図示せず）が設けられている。洗浄装置（ユースポイント）２には、フィルタを通過した後の液体ＣＯ₂が、循環ライン３ａから分岐して供給されるようになっている。また、ＣＯ₂供給源５からのＣＯ₂は、循環ライン内の凝縮器に供給されるようになっている。蒸発器の代わりに、液体ＣＯ₂を気化させる他の手段が設けられていてもよい。

一方、回収精製装置４は、洗浄装置２から回収されたＣＯ₂中の不純物の一部を場合によっては液化した上で分離除去する気液分離器、分離されたＣＯ₂ガスを再び液化する凝縮器、および液化した液体ＣＯ₂を貯留する貯槽（いずれも図示せず）などから構成された回収ライン４ａを有している。回収ライン４ａには、液体ＣＯ₂やＣＯ₂ガスに含まれる微粒子を除去するための複数のフィルタ（図示せず）が設けられている。回収ライン４ａは、フィルタを通過した後の液体ＣＯ₂が循環精製装置３の蒸発器に供給されるように、循環精製装置３の蒸発器の前段に接続されている。

さらに、循環精製装置３の循環ライン３ａおよび回収精製装置４の回収ライン４ａには、それぞれ、ＣＯ₂に含まれる不純物質、特に、水分、油分、または揮発性不純物などを吸着させて除去するための吸着装置６，７が設けられている。吸着装置６，７は、循環精製装置３では蒸発器の後段に、回収精製装置４では気液分離器の後段にそれぞれ設けられ、蒸発器で気化されるか、気液分離器で粗精製されたＣＯ₂ガスに含まれる不純物質を吸着材に吸着させて精製するようになっている。これらの吸着装置６，７に本発明が適用される。

図２は、本発明が適用される吸着装置の一実施形態を示す概略図である。なお、精製装置３および回収精製装置４のそれぞれの吸着装置６，７の基本的な構成は同じであり、図２に示す構成をいずれの吸着装置６，７も含んでいる。

図２を参照すると、吸着装置１０は、ＣＯ₂に含まれる不純物質を吸着させる吸着材が充填された吸着塔１１と、精製されるＣＯ₂ガスを吸着塔に導入するための被精製ガス導入ライン１２と、吸着塔１１で精製されたＣＯ₂ガスを排出するための精製ガス排出ライン１３と、を有している。被精製ガス導入ライン１２は、上流側が蒸発器や気液分離器（図示せず）に接続され、精製されるＣＯ₂ガスを吸着塔に導入するようになっている。精製ガス排出ライン１３は、下流側がフィルタ（図示せず）に接続され、精製されたＣＯ₂ガスをフィルタを介して凝縮器に供給するようになっている。

吸着塔１１に充填される吸着材としては、ＣＯ₂に含まれる、水分、油分、または揮発性不純物などが吸着するものであればよく、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭などが挙げられる。例えば、回収精製装置４の吸着装置７で用いられる場合、洗浄装置２から回収されるＣＯ₂には、特にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などのアルコール類が含まれている。その場合、吸着材としては、ゼオライト、活性アルミナ、活性炭が好適に用いられる。

さらに、吸着装置１０は、吸着材を再生するための吸着材再生装置２０を有している。

吸着材再生装置（以下、単に「再生装置」ともいう）２０は、吸着塔１１に、後述する再生ガスまたは置換ガスを導入するためのガス導入ライン２１と、吸着塔に導入された再生ガスまたは置換ガスを排出するためのガス排出ライン２２と、を有している。ガス排出ライン２２には、ガス排出弁２２ａが設けられている。

また、再生装置２０は、再生ガスを供給する再生ガス供給ライン２３と、置換ガスを供給する置換ガス供給ライン２４とを有している。再生ガス供給ライン２３および置換ガス供給ライン２４は、それぞれ再生ガス供給弁２３ａおよび置換ガス供給弁２４ａを介して、ガス導入ライン２１に接続されている。再生ガス供給弁２３ａおよび置換ガス供給弁２４ａの開閉を切り替えることで、再生ガスおよび置換ガスのいずれかを、吸着塔１１に選択的に導入することができる。

再生ガス供給ライン２３は、ボンベなどの再生ガス供給源（図示せず）から再生ガスを供給するようになっている。本実施形態では、再生ガスとして、窒素（Ｎ₂）ガスが用いられる。しかしながら、これに限定されることはなく、アルゴンガスなどの他の不活性ガスを用いることもできる。また、再生ガス供給ライン２３には、再生ガスを加熱するためのヒーター（加熱手段）２５が設けられている。

一方、置換ガスの導入は、後述するように、吸着材を再生するために吸着塔１１に導入された再生ガスを置換するために、吸着塔１１によるＣＯ₂精製工程（吸着処理）を再開する前に行われる。したがって、本実施形態では、置換ガスとして、当該吸着塔１１で精製されるガス、すなわちＣＯ₂ガスが用いられる。また、同様の理由で、置換ガス（ＣＯ₂ガス）の純度は、できるだけ高純度であることが好ましく、例えば、吸着処理の再開後の通常運転により得られる高純度ＣＯ₂ガス、すなわち精製ガス排出ライン１３から排出されるＣＯ₂ガスの純度と同等かそれ以上であることが好ましい。そのため、置換ガス供給ライン２４は、精製ガス排出ライン１３に接続されていてよく、あるいは、より高純度のＣＯ₂ガスの供給源に接続されていてよい。

また、再生装置２０は、吸着塔１１から排出された再生ガスまたは置換ガスを吸着塔１１に戻すためのガス戻りライン２６を有している。ガス戻りライン２６は、ガス排出弁２２ａの上流側のガス排出ライン２２と、ガス導入ライン２１とを接続し、これにより、吸着塔１１を含む閉じた循環経路３０が形成されることになる。さらに、再生装置２０は、ガス戻りライン２６に設けられ、再生ガスまたは置換ガスを循環経路３０に沿って循環させる循環ポンプ（ガス循環手段）２７と、同様にガス戻りライン２６に設けられ、循環経路３０内を循環する再生ガスまたは置換ガスを冷却する冷却装置（冷却手段）２８と、を有している。冷却装置２８は、循環ポンプ２７の上流側に設けられているが、循環するガスを冷却するようになっていればよく、循環ポンプ２７の下流側に設けられていてもよい。また、ガス戻りライン２６には、ガス戻り弁２６ａが設けられている。

さらに、再生装置２０は、以下に示す再生方法に従って、再生装置２０による吸着材の再生動作を制御するコントローラ（制御手段）２９を有している。

次に、本実施形態の吸着材再生装置において実施される吸着材の２つの再生方法について説明する。

（第１の再生方法）
図３は、本実施形態の吸着材再生装置における吸着材の第１の再生方法を示すフローチャートである。

第１の再生方法は、被精製ガス導入ライン１２から吸着塔１１への被精製ガス（ＣＯ₂ガス）の供給を停止し、吸着塔１１によるＣＯ₂精製工程を停止した後、開始される。このとき、再生装置２０の全ての弁２２ａ、２３ａ，２４ａ，２６ａは、閉止されている。

まず、吸着材の再生工程を行う。具体的には、再生ガス供給弁２３ａを開放するとともに、ガス排出弁２２ａを開放して、再生ガス供給ライン２３から吸着塔１１に再生ガス（Ｎ₂ガス）を供給する（ステップＳ１）。それと同時に、ヒーター２５を作動させ、再生ガスを２３０℃まで加熱する（ステップＳ２）。すなわち、加熱した再生ガスを吸着塔１１に流通させることで、吸着材を加熱し、吸着材に吸着した不純物質を脱着させる。このとき脱着した不純物質は、再生ガスと共に、ガス排出ライン２２を介して外部へ排出される。

一定時間、加熱した再生ガスを吸着塔１１に流通させた後、ヒーター２５による再生ガスの加熱を停止して（ステップＳ３）、吸着材の再生工程を終了する。この終了時点は、ガス排出ライン２２に設けられた濃度計などにより、排出される再生ガスに含まれる除去対象物質の濃度を測定することで、判断することもできる。その後、再生ガスの吸着塔１１への供給は継続して行い、徐々に冷却する再生ガスで吸着塔１１を通気することにより、吸着材を冷却する。

その後、ガス排出弁２２ａおよび再生ガス供給弁２３ａを閉止し、吸着塔１１への再生ガスの供給を停止する（ステップＳ４）。そして、ガス戻り弁２６ａを開放した後、循環ポンプ２７を作動させ、吸着塔１１を含む循環経路３０に沿って再生ガスを循環させる（ステップＳ５）。それと同時に、冷却装置２８を作動させて再生ガスを冷却し（ステップＳ６）、再生ガスを冷却しながら循環させることにより、吸着材をさらに冷却する。

吸着材が所定の温度まで低下したら、再生ガスの循環および冷却を停止する（ステップＳ７）。具体的には、冷却した再生ガスの循環を一定時間行った後、あるいは、吸着塔１１に設けられた温度計により吸着材の温度を測定し、その測定値が所定値を下回った場合に、循環ポンプ２７および冷却装置２８の運転を停止し、ガス戻り弁２６ａを閉止する。

再生ガスの循環を停止した後も、再生ガスは吸着塔１１内に残存した状態となる。この状態で吸着塔１１によるＣＯ₂精製工程を再開させると、吸着塔１１に残存した再生ガスが精製ガス（ＣＯ₂ガス）中に含まれてしまい、所望の純度が得られなくなる。したがって、ＣＯ₂精製工程の再開前に、吸着塔１１内に残存した再生ガスを高純度のＣＯ₂ガスで置換する置換工程が必要となる。

このために、置換ガス供給弁２４ａおよびガス排出弁２２ａを開放して、置換ガス供給ライン２４から吸着塔１１に置換ガス（高純度ＣＯ₂ガス）を供給する（ステップＳ８）。これにより、吸着材に吸着していた再生ガス（Ｎ₂ガス）は、高純度ＣＯ₂ガスにより置換され、ガス排出ライン２２を介して外部へ排出される。その結果、ＣＯ₂精製工程の再開後に、再生ガスが精製ガス中に含まれてしまうことを防止することができる。

置換ガスの流通により吸着塔１１内の再生ガスがほぼすべて置換された後で、置換ガス供給弁２４ａおよびガス排出弁２２ａを閉止して、吸着塔１１への置換ガスの供給を停止する（ステップＳ９）。具体的には、置換ガスを一定時間流通させた後、あるいは、ガス排出ライン２２に設けられた濃度計などにより測定された、排出される置換ガスに含まれる再生ガスの濃度が所定濃度を下回った場合に、吸着塔１１への置換ガスの供給を停止する。

こうして、第１の再生方法は終了し、被精製ガス導入ライン１２から吸着塔１１への被精製ガス（ＣＯ₂ガス）の供給を再開して、吸着塔１１によるＣＯ₂精製工程を再開する。

以上、第１の再生方法によれば、再生ガスを冷却循環させることで、再生工程により高温状態となった吸着材を迅速に冷却することができる。このとき、冷却のための再生ガスを無駄にすることがないため、コストアップのおそれもない。

（第２の再生方法）
吸着材によっては、ＣＯ₂ガスそのものが吸着したときに発熱を伴うものがある。例えば、吸着材が吸着塔に充填されているとすると、吸着塔のサイズや構造、吸着塔へのＣＯ₂ガスの供給量にもよるが、吸着材がゼオライトの場合には５０〜１３０℃程度、吸着材が活性炭の場合には４０〜６０℃程度まで、それぞれ塔内温度が上昇することがある。そのような吸着材を用いた場合、次のような問題が生じる可能性がある。すなわち、例えば第１の再生方法の置換工程のように再生ガスをＣＯ₂ガスで置換すると、吸着材にＣＯ₂ガスそのものが吸着し、冷却された吸着材が再び高温状態となってしまう。この問題に対して、吸着材が十分に冷却するまで置換ガスを吸着塔に流通させることも考えられるが、そのためには大量の置換ガス、すなわち大量の高純度ＣＯ₂ガスを消費することになり、コストへの影響が大きくなる。また、発熱した吸着材を放熱により再冷却するには、かなりの時間が必要となり、時間的ロスが問題となる。

第２の再生方法は、このような問題に対処するためのものであり、上述のような吸着材を用いた場合に特に有効である。

以下、図４に示すフローチャートに沿って、本実施形態の吸着材再生装置における吸着材の第２の再生方法について説明する。

第２の再生方法は、第１の再生方法と同様に、被精製ガス導入ライン１２から吸着塔１１への被精製ガス（ＣＯ₂ガス）の供給を停止し、吸着塔１１によるＣＯ₂精製工程を停止した後、開始される。このとき、再生装置２０の全ての弁２２ａ、２３ａ，２４ａ，２６ａは、閉止されている。

まず、吸着材の再生工程を行う。具体的には、再生ガス供給弁２３ａを開放するとともに、ガス排出弁２２ａを開放して、再生ガス供給ライン２３から吸着塔１１に再生ガス（Ｎ₂ガス）を供給する（ステップＳ１１）。それと同時に、ヒーター２５を作動させ、再生ガスを２３０℃まで加熱する（ステップＳ１２）。
すなわち、加熱した再生ガスを吸着塔１１に流通させることで、吸着材を加熱し、吸着材に吸着した不純物質を脱着させる。このとき脱着した不純物質は、再生ガスと共に、ガス排出ライン２２を介して外部へ排出される。

一定時間、加熱した再生ガスを吸着塔１１に流通させた後、ヒーター２５による再生ガスの加熱を停止して（ステップＳ１３）、吸着材の再生工程を終了する。この終了時点は、ガス排出ライン２２に設けられた濃度計などにより、排出される再生ガスに含まれる除去対象物質の濃度を測定することで、判断することもできる。その後、再生ガスの吸着塔１１への供給は継続して行い、徐々に冷却する再生ガスで吸着塔１１を通気することにより、吸着材を冷却する。

その後、再生ガス供給弁２３ａを閉止し、吸着塔１１への再生ガスの供給を停止する（ステップＳ１４）。次いで、置換ガス供給弁２４ａを開放し、置換ガス供給ライン２４から吸着塔１１に置換ガス（高純度ＣＯ₂ガス）を供給する（ステップＳ１５）。このとき、ガス排出弁２２ａは開放されており、吸着塔１１の内部に残存した再生ガス（Ｎ₂ガス）は、高純度ＣＯ₂ガスにより置換され、ガス排出ライン２２を介して外部へ排出される。

高純度ＣＯ₂ガスの流通により吸着塔１１内の再生ガスがほぼすべて置換された後で、ガス排出弁２２ａおよび置換ガス供給弁２４ａを閉止して、吸着塔１１への高純度ＣＯ₂ガスの供給を停止する（ステップＳ１６）。具体的には、高純度ＣＯ₂ガスを一定時間流通させた後、吸着塔１１への置換ガスの供給を停止する。あるいは、ガス排出ライン２２に設けられた濃度計により、排出される高純度ＣＯ₂ガスに含まれる再生ガスの濃度を測定し、その濃度が所定濃度を下回った場合、もしくは、排出される高純度ＣＯ₂ガスの濃度が所定濃度を上回った場合に、吸着塔１１への置換ガスの供給を停止する。

このとき、吸着塔１１内の吸着材には、置換ガスである高純度ＣＯ₂ガスが吸着した状態となる。そのため、吸着材として、上述したような吸着材が使用されている場合、吸着材は発熱することになる。この発熱を抑制するために、置換ガス（高純度ＣＯ₂ガス）の冷却循環を行う。具体的には、ガス戻り弁２６ａを開放した後、循環ポンプ２７を作動させ、吸着塔１１を含む循環経路３０に沿って高純度ＣＯ₂ガスを循環させる（ステップＳ１７）。それと同時に、冷却装置２８を作動させて高純度ＣＯ₂ガスを冷却し（ステップＳ１８）、高純度ＣＯ₂ガスを冷却しながら循環させる。これにより、置換工程において高純度ＣＯ₂ガスが吸着することで発生した上述の吸着材の発熱を除去することができる。

高純度ＣＯ₂ガスの冷却循環を一定時間行った後、あるいは、吸着塔１１に設けられた温度計により吸着材の温度を測定し、その測定値が所定値を一定時間下回った場合に、循環ポンプ２７および冷却装置２８の運転を停止する。その後、ガス戻り弁２６ａを閉止し、高純度ＣＯ₂ガスの循環および冷却を停止する（ステップＳ１９）。

ステップＳ１５において、吸着材に吸着している再生ガスの一部が排出されない等の理由により、再生ガスが完全には置換されない可能性があり、その場合には、ステップＳ１９まで実行した後でも、再生ガスが吸着塔１１の内部に残存してしまう可能性がある。そのため、吸着塔１１内の再生ガスを確実に外部へ排出するために、ステップＳ１５〜１９を繰り返し実行することもできる。

こうして、第２の再生方法は終了し、被精製ガス導入ライン１２から吸着塔１１への被精製ガス（ＣＯ₂ガス）の供給を再開して、吸着塔１１によるＣＯ₂精製工程を再開する。

以上、第２の再生方法によれば、置換ガス（高純度ＣＯ₂ガス）が吸着材に吸着したときに発熱を伴う場合であっても、置換ガスを冷却循環させることで、吸着材を迅速に冷却することができる。このとき、冷却のための置換ガスを無駄にすることがないため、コストアップのおそれもない。

なお、上述した実施形態では、吸着装置には１つの吸着塔が設けられていたが、複数の吸着塔が設けられていてもよい。その場合、吸着塔同士は、直列、並列、またはそれらの任意の組み合わせで接続されていてよい。また、それぞれの吸着塔に吸着材再生装置が設けられていてもよく、あるいは、複数の吸着塔に対して１つの吸着材再生装置が設けられていてもよい。

また、上述した実施形態では、再生ガス供給ラインおよび置換ガス供給ラインは共に、ガス導入ラインに接続され、ガス導入ラインを介して吸着塔に接続されていたが、それぞれ吸着塔に直接接続されていてもよい。同様に、ガス戻りラインも、吸着塔を含む閉じた循環経路を形成するようになっていればよく、ガス導入ラインとガス排出ラインとに接続する代わりに、吸着塔に直接接続されていてもよい。

また、再生ガスおよび置換ガスの吸着塔への供給には、吸着塔の上部に接続された精製ガス排出ラインを利用することもできる。すなわち、ガス導入ラインが、吸着塔にではなく、精製ガス排出ラインに接続されていてよく、あるいは、再生ガス供給ラインおよび置換ガス供給ラインが、ガス導入ラインに接続される代わりに、それぞれ精製ガス排出ラインに接続されていてよい。この場合、ガス戻りラインは、精製ガス排出ラインに接続することができる。同様に、再生ガスおよび置換ガスの外部への排出には、吸着塔の下部に接続された被精製ガス導入ラインを利用することができる。すなわち、ガス排出ラインが、吸着塔にではなく、被精製ガス導入ラインに接続されていてよく、この場合、ガス戻りラインも、被精製ガス導入ラインに接続されていてよい。

さらに、上述した実施形態では、加熱した再生ガスを吸着塔に流通させることで、吸着材の再生工程を行っていたが、再生ガスを加熱する代わりに、吸着塔を加熱し、加熱した吸着塔に再生ガスを流通させることで、吸着材を再生するようになっていてもよい。この場合、ヒーターなどの加熱手段は、吸着塔そのものを加熱するようになっていればよく、例えば、吸着塔の外面を覆うように設けられていてもよい。なお、吸着材の再生工程終了後、吸着塔の加熱を停止した後にも、再生ガスの吸着塔への供給を継続して行うのは、再生ガスを加熱する場合と同様である。

１ ＣＯ₂供給システム
２ 洗浄装置
３ 循環精製装置
４ 回収精製装置
５ ＣＯ₂供給源
１０ 吸着装置
１１ 吸着塔
１２ 被精製ガス導入ライン
１３ 精製ガス排出ライン
２０ 吸着材再生装置
２１ ガス導入ライン
２２ ガス排出ライン
２２ａ ガス排出弁
２３ 再生ガス供給ライン
２３ａ 再生ガス供給弁
２４ 置換ガス供給ライン
２４ａ 置換ガス供給弁
２５ ヒータ
２６ ガス戻りライン
２６ ガス戻り弁
２７ 循環ポンプ
２８ 冷却装置
３０ 循環経路

Claims (13)

1. 被精製ガスである二酸化炭素に含まれる不純物質を吸着させる、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、および活性炭の少なくとも１つを含む吸着材の再生装置であって、
   前記吸着材が充填された吸着塔に再生ガスを供給する再生ガス供給手段と、
   前記吸着塔に供給される前記再生ガスおよび前記吸着塔のいずれかを加熱する加熱手段と、
   前記吸着塔に置換ガスである二酸化炭素を供給する置換ガス供給手段と、
   前記吸着塔に供給された前記置換ガスを、前記吸着塔を含む循環経路に沿って循環させるガス循環手段と、
   前記循環経路に沿って循環する前記置換ガスを冷却する冷却手段と、
   ガス排出弁を介して前記吸着塔に接続され、前記吸着塔に供給された前記再生ガスまたは前記置換ガスを排出するためのガス排出ラインと、
   ガス戻り弁を介して前記吸着塔に接続され、前記循環経路を形成するガス戻りラインと、
   前記加熱手段により加熱した前記再生ガスを前記吸着塔に供給するか、または、前記加熱手段により加熱した前記吸着塔に前記再生ガスを供給しながら、前記吸着塔に供給された前記再生ガスを前記ガス排出ラインから排出することで、前記吸着材を再生した後、前記吸着塔に前記置換ガスを供給して、前記循環経路に沿って、前記置換ガスの少なくとも一部を冷却しながら循環させる制御手段と、
   を有する、吸着材の再生装置。
2. 前記制御手段は、前記加熱手段を作動させて前記再生ガスを前記吸着塔に供給した後、前記加熱手段の作動を停止して前記再生ガスを前記吸着塔に供給する、請求項１に記載の吸着材の再生装置。
3. 前記不純物質が、水分、油分、および揮発性不純物の少なくとも１つを含む、請求項１または２に記載の吸着材の再生装置。
4. 前記被精製ガスである二酸化炭素を前記吸着材で処理して得られる二酸化炭素が、半導体デバイス製造プロセスで使用されるか、あるいは、半導体デバイス製造プロセスで使用された二酸化炭素が、前記被精製ガスとして前記吸着塔に供給される、請求項１から３のいずれか１項に記載の吸着材の再生装置。
5. 前記置換ガスである二酸化炭素の純度が、前記被精製ガスである二酸化炭素を前記吸着材で処理して得られる二酸化炭素の純度と同等以上である、請求項１から４のいずれか１項に記載の吸着材の再生装置。
6. 被精製ガスである二酸化炭素に含まれる不純物質を吸着させる、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、および活性炭の少なくとも１つを含む吸着材の再生方法であって、
   前記吸着材が充填された吸着塔に再生ガスを加熱して供給し、該加熱した再生ガスを前記吸着塔に流通させるか、または、前記吸着塔を加熱し、該加熱した吸着塔に前記再生ガスを流通させながら、前記吸着塔を流通した前記再生ガスを外部に排出することで、前記吸着材を再生するステップと、
   前記吸着材を再生した後、前記吸着塔に置換ガスである二酸化炭素を供給し、前記吸着塔内に残存する前記再生ガスを前記置換ガスで置換するステップと、
   前記吸着塔を含む循環経路に沿って、前記置換ガスの少なくとも一部を冷却しながら循環させるステップと、
   を含む、吸着材の再生方法。
7. 前記再生ガスを前記置換ガスで置換する前に、前記再生ガスを前記吸着塔に供給しながら、前記再生ガスまたは前記吸着塔の前記加熱を停止するステップをさらに含む、請求項６に記載の吸着材の再生方法。
8. 前記被精製ガスである二酸化炭素を前記吸着材で処理して得られる二酸化炭素が、半導体デバイス製造プロセスで使用されるか、あるいは、半導体デバイス製造プロセスで使用された二酸化炭素が、前記被精製ガスとして前記吸着塔に供給される、請求項６または７に記載の吸着材の再生方法。
9. 前記置換ガスで置換するステップが、前記被精製ガスである二酸化炭素を前記吸着材で処理して得られる二酸化炭素の純度と同等以上の純度の二酸化炭素を前記吸着塔に供給することを含む、請求項６から８のいずれか１項に記載の吸着材の再生方法。
10. 被精製ガスである二酸化炭素に含まれる不純物質を吸着させる、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、および活性炭の少なくとも１つを含む吸着材が充填された吸着塔と、前記吸着材を再生するための再生装置と、を有する吸着装置を備えた二酸化炭素精製装置であって、
    前記再生装置が、
    前記吸着塔に再生ガスを供給する再生ガス供給手段と、
    前記吸着塔に供給される前記再生ガスおよび前記吸着塔のいずれかを加熱する加熱手段と、
    前記吸着塔に置換ガスである二酸化炭素を供給する置換ガス供給手段と、
    前記吸着塔に供給された前記置換ガスを、前記吸着塔を含む循環経路に沿って循環させるガス循環手段と、
    前記循環経路に沿って循環する前記置換ガスを冷却する冷却手段と、
    ガス排出弁を介して前記吸着塔に接続され、前記吸着塔に供給された前記再生ガスまたは前記置換ガスを排出するためのガス排出ラインと、
    ガス戻り弁を介して前記吸着塔に接続され、前記循環経路を形成するガス戻りラインと、
    前記加熱手段により加熱した前記再生ガスを前記吸着塔に供給するか、または、前記加熱手段により加熱した前記吸着塔に前記再生ガスを供給しながら、前記吸着塔に供給された前記再生ガスを前記ガス排出ラインから排出することで、前記吸着材を再生した後、前記吸着塔に前記置換ガスを供給して、前記循環経路に沿って、前記置換ガスの少なくとも一部を冷却しながら循環させる制御手段と、
    を有する、二酸化炭素精製装置。
11. 前記制御手段は、前記加熱手段を作動させて前記再生ガスを前記吸着塔に供給した後、前記加熱手段の作動を停止して前記再生ガスを前記吸着塔に供給する、請求項１０に記載の二酸化炭素精製装置。
12. 被精製ガスである二酸化炭素に含まれる不純物質を吸着させる、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、および活性炭の少なくとも１つを含む吸着材の再生方法を含む二酸化炭素精製方法であって、
    前記再生方法が、
    前記吸着材が充填された吸着塔に再生ガスを加熱して供給し、該加熱した再生ガスを前記吸着塔に流通させるか、または、前記吸着塔を加熱し、該加熱した吸着塔に前記再生ガスを流通させるとともに、該流通させた再生ガスを外部に排出することで、前記吸着材を再生するステップと、
    前記吸着材を再生した後、前記吸着塔に置換ガスである二酸化炭素を供給し、前記吸着塔内に残存する前記再生ガスを前記置換ガスで置換するステップと、
    前記吸着塔を含む循環経路に沿って、前記置換ガスの少なくとも一部を冷却しながら循環させるステップと、
    を含む、二酸化炭素精製方法。
13. 前記置換ガスで置換するステップが、前記被精製ガスである二酸化炭素を前記吸着材で処理して得られる二酸化炭素の純度と同等以上の純度の二酸化炭素を前記吸着塔に供給することを含む、請求項１２に記載の二酸化炭素精製方法。

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