特許 7047968 ガス分取システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-28

(45)【発行日】2022-04-05

(54)【発明の名称】ガス分取システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 30/80 20060101AFI20220329BHJP

   G01N 30/54 20060101ALI20220329BHJP

   B01J 20/283 20060101ALI20220329BHJP

   G01N 30/84 20060101ALI20220329BHJP

   B01J 20/10 20060101ALI20220329BHJP

【ＦＩ】

G01N30/80 B

G01N30/80 E

G01N30/54 F

B01J20/283

G01N30/84 J

B01J20/10 D

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021501531

(86)(22)【出願日】2019-08-06

(86)【国際出願番号】 JP2019030865

(87)【国際公開番号】W WO2020170472

(87)【国際公開日】2020-08-27

【審査請求日】2021-05-18

(31)【優先権主張番号】P 2019027074

(32)【優先日】2019-02-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100205981

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 大輔

(72)【発明者】

【氏名】村田 匡

(72)【発明者】

【氏名】西下 満

(72)【発明者】

【氏名】安居 茂夫

【審査官】高田 亜希

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６３－２０４１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１６７９１０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１０８９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０４７５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３６５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５４４７５５６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３０／００ －３０／９６

Ｂ０１Ｊ ２０／２８１－２０／２９２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料ガス中に含まれる成分を分離するための分離カラムと、
前記分離カラムの入口に流体的に接続され、前記分離カラムへ試料ガスを供給するための試料ガス供給部と、
前記分離カラムの出口に流体的に接続され、前記分離カラムから流出したガス中の成分を検出する検出器と、
前記試料ガス中の目的成分を第１温度以下の条件で吸着させ、吸着させた前記目的成分を前記第１温度よりも高い第２温度以上の条件で離脱させる性質を有する吸着材が内部に充填された捕集管と、
前記捕集管の冷却及び加熱を行なって前記捕集管の温度を調節するための温度調節部と、
前記捕集管の前記吸着材から離脱した前記目的成分を回収するための回収容器と、
前記検出器から流出した流体が前記捕集管を通過するように前記捕集管を前記検出器の出口に接続した第１状態と前記捕集管を前記回収容器に接続した第２状態のいずれかの状態に切り替えるための切替機構と、を備え、
前記捕集管の温度を前記第１温度以下にするとともに前記切替機構を前記第１状態にして前記検出器から流出した流体中の前記目的成分を前記捕集管に導くことで前記目的成分を前記吸着材に吸着させ、前記切替機構を前記第２状態にして前記目的成分を前記吸着材に吸着させた前記捕集管を前記第２温度以上にすることで前記目的成分を前記回収容器に回収するように構成され、
前記試料ガス供給部、前記温度調節部及び前記切替機構の動作を制御し、前記捕集管の温度を前記第１温度以下にするとともに前記切替機構を前記第１状態にし、前記試料ガス供給部から所定量の試料ガスを前記分離カラムへ供給し、前記分離カラムで他の成分から分離された前記目的成分のみを含むガスを前記捕集管へ導いて前記目的成分を前記吸着材に吸着させる吸着動作を実行するように構成された吸着動作部を備えており、
前記試料ガス供給部、前記温度調節部及び前記切替機構の動作を制御し、前記吸着動作の後で、前記切替機構を前記第２状態にして前記目的成分を前記吸着材に吸着させた前記捕集管を前記第２温度以上にして前記目的成分を前記回収容器に回収する回収動作を実行するように構成された回収動作部を備えており、
前記吸着動作部は、前記吸着動作を複数回にわたって実行するように構成され、
前記回収動作部は、複数回の前記吸着動作が終了した後で前記回収動作を実行するように構成されている、ガス分取システム。

【請求項2】

前記捕集管を複数備え、
前記切替機構は、前記第１状態において複数の前記捕集管のうちいずれか１つを前記検出器の出口に接続するように構成されている、請求項１に記載のガス分取システム。

【請求項3】

前記吸着材はシリカゲルである、請求項１に記載のガス分取システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス分取システムに関する。

【背景技術】

【0002】

有機合成反応などで得られた混合ガス中の目的成分を高純度で取り出すために、一般的には精密蒸留装置が用いられる。しかしながら、精密蒸留装置による一度の精製で得られる精製ガスの量は１ｇ以下である。また、ガスはハンドリングが難しいため、高精度な精製を実現することは容易ではない。

【0003】

また、ガスクロマトグラフを利用して試料に含まれる成分を分取することも提案されている（特許文献１参照。）。特許文献１において提案されている装置では、分離カラムから溶出した目的成分を超低温にして液化させ、容器に捕集するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１１－２１８５２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のように、分離カラムから溶出した目的成分を液化させて容器に捕集する構成では、液化物によって系が塞がれる可能性があり、目的成分の安定的な分取ができない虞がある。

【0006】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、目的成分を高効率かつ安定的に分取することが可能なガス分取システムを提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係るガス分取システムは、試料ガス中に含まれる成分を分離するための分離カラムと、前記分離カラムの入口に流体的に接続され、前記分離カラムへ試料ガスを供給するための試料ガス供給部と、前記分離カラムの出口に流体的に接続され、前記分離カラムから流出したガス中の成分を検出する検出器と、前記試料ガス中の目的成分を第１温度以下の条件で吸着させ、吸着させた前記目的成分を前記第１温度よりも高い第２温度以上の条件で離脱させる性質を有する吸着材が内部に充填された捕集管と、前記捕集管の冷却及び加熱を行なって前記捕集管の温度を調節するための温度調節部と、前記捕集管の前記吸着材から離脱した前記目的成分を回収するための回収容器と、前記検出器から流出した流体が前記捕集管を通過するように前記捕集管を前記検出器の出口に接続した第１状態と前記捕集管を前記回収容器に接続した第２状態のいずれかの状態に切り替えるための切替機構と、を備え、前記捕集管の温度を前記第１温度以下にするとともに前記切替機構を前記第１状態にして前記検出器から流出した流体中の前記目的成分を前記捕集管に導くことで前記目的成分を前記吸着材に吸着させ、前記切替機構を前記第２状態にして前記目的成分を前記吸着材に吸着させた前記捕集管を前記第２温度以上にすることで前記目的成分を前記回収容器に回収するように構成されている。

【発明の効果】

【0008】

本発明のガス分取システムによれば、前記捕集管の温度を前記第１温度以下にするとともに前記切替機構を前記第１状態にして前記検出器から流出した流体中の前記目的成分を前記捕集管に導くことで前記目的成分を前記吸着材に吸着させ、前記切替機構を前記第２状態にして前記目的成分を前記吸着材に吸着させた前記捕集管を前記第２温度以上にすることで前記目的成分を前記回収容器に回収するように構成されているので、目的成分を高効率かつ安定的に分取することが可能なガス分取システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】ガス分取システムの一実施例を示す概略構成図である。

【図2】同実施例において試料ガスを分離カラムに導入する際の状態を示す概略構成図である。

【図3】同実施例において目的成分を捕集管に捕集する際の状態を示す概略構成図である。

【図4】同実施例の動作の一例を示すフローチャートである。

【図5】ガス分取システムの他の実施例を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

ガス分取システムの実施例について、図面を参照しながら説明する。

【0011】

図１に示されているように、ガス分取システムの一実施例は、主として、試料ガス供給部２、分離カラム４、検出器６、捕集管８、温度調節部１０、回収容器１２、切替バルブ１４及び制御装置１６を備えている。

【0012】

試料ガス供給部２は、分離カラム４へ試料ガスを供給するためのものであって、切替バルブ１８、試料ガス源２０、ストップバルブ２２、計量管２４、ポンプ２６、ストップバルブ２８、フローコントローラ３０及び３２を備えている。切替バルブ１８は、１－６のポートを有する６ポート２ポジションバルブであり、ポート１－２間、３－６間及び４－５間を流体連通させた第１状態（図１の状態）、又は、ポート１－６間、２－５間及び３－４間を流体連通させた第２状態（図２及び図３の状態）のいずれか一方の状態に切り替えられる。切替バルブ１８のポート１には分離カラム４の入口が接続され、ポート２にはフローコントローラ３０を介してキャリアガス源が接続されており、ポート３にはストップバルブ２２を介して試料ガス源２０が接続されており、ポート４にはストップバルブ２８を介してポンプ２６が接続されており、ポート５には計量管２４の一端が接続され、ポート６には計量管２４の他端が接続されている。

【0013】

試料ガス供給部２は、切替バルブ１８を第１状態（図１の状態）、ストップバルブ２２及び２８を開にした状態でポンプ２６により試料ガス２０を吸引することで、計量管２４内に試料ガスを充填し、その後、切替バルブ１８を第２状態（図２及び図３の状態）にしてキャリアガスを計量管２４へ導入することで、計量管２４内に充填された試料ガスを分離カラム４へ供給する。この実施例において、計量管２４の内部容量は１００ｍＬ以上である。すなわち、試料ガス供給部２は、一度に１００ｍＬ以上の試料ガスを分離カラム４へ供給することができる。

【0014】

分離カラム４は、試料ガス供給部２により供給される試料ガスを成分ごとに分離するためのものである。この実施例では、試料ガス供給部２が一度に１００ｍＬ以上の試料ガスを分離カラム４へ供給するものである（通常のガスクロマトグラフの分離カラムへの試料ガスの供給量は０．５～５ｍＬ程度）ため、分離カラム４として、そのような大容量の試料ガスを分離することができるように、通常のガスクロマトグラフに使用される分離カラムよりも内径及び長さの大きいカラムが使用されている。具体的には、通常のガスクロマトグラフであれば３ｍｍ程度の内径を有する分離カラムが使用されるが、この実施例の分離カラム４は６ｍｍ以上の内径を有する。また、分離カラム４の長さを６ｍｍ程度と通常のガスクロマトグラフのものよりも長くしてカラムのヘッド圧を高めることで、分離効率を向上させている。これにより、１００ｍＬ以上もの大容量の試料ガスの分離を実現することができる。

【0015】

また、試料ガスが有機フロン系ガスである場合、分離カラム４の充填剤としては、ジビニールベンゼン、エチルビニールベンゼン及びエチレングリコールジメタアクリレートの共重合体の充填剤（例えば、Ｐｏｒａｐａｋ Ｎ、Ｓａｎｐａｋ Ｘ（共にジーエルサイエンス株式会社の商品））を用いることができる。

【0016】

分離カラム４の出口は検出器６の入口に接続されている。この実施例では、検出器６として熱伝導度検出器（ＴＣＤ）が用いられている。分離カラム４とは別に抵抗カラム３４が設けられている。抵抗カラム３４の一端はフローコントローラ３２を介してキャリアガス源に接続されており、抵抗カラム３４の他端も検出器６に接続されている。抵抗カラム３４を流れたキャリアガスは参照ガスとして検出器６のセルを通過する。

【0017】

なお、図示は省略されているが、分離カラム４及び抵抗カラム３４はカラムオーブン内に収容されており、分離カラム４及び抵抗カラム３４の温度が分析条件として設定された温度に調節される。

【0018】

切替バルブ１４は、１－６のポートを有する６ポート２ポジションバルブである。切替バルブ１４のポート１には検出器６の出口が接続され、ポート２は大気開放され、ポート３にはストップバルブ３６を介して回収容器１２が接続され、ポート４は閉鎖され、ポート５には捕集管８の一端が接続され、ポート６には捕集管８の他端が接続されている。切替バルブ１４は、捕集管８を検出器６の出口に流体的に接続した第１状態（図３の状態）、及び捕集管８を回収容器１２に流体的に接続した第２状態（図１及び図２の状態）のいずれか一方の状態に切り替える切替機構を構成する。

【0019】

捕集管８の内部には、第１温度（例えば、０℃）以下の条件において目的成分を吸着させ、第２温度（例えば、１００℃）以上の条件において目的成分を離脱させる性質をもつ吸着材が充填されている。目的成分がフロン系ガス又は代替フロン系ガスである場合、吸着材としてシリカゲルを用いることができる。また、目的成分がクリプトンなど希ガス元素である場合には、吸着材として活性炭を用いることができる。

【0020】

温度調節部１０は捕集管８の温度を所望の温度に調節するためのものである。この実施例では、温度調節部１０として、不凍液を設定された温度に調節する機能を有する恒温水槽（例えば、ネオクールバス（ヤマト科学株式会社の製品））を用いることができる。また、捕集管８の温度を高温（例えば、１００℃以上）に加熱する必要がある場合には、温度調節部１０として分離カラム４を加熱するためのカラムオーブンを用いることができる。

【0021】

制御装置１６は、試料ガス供給部２（切替バルブ１８、ストップバルブ２２、ポンプ２６、ストップバルブ２８、フローコントローラ３０及び３２）、温度調節部１０、切替バルブ１４及びストップバルブ３６の動作制御を行なう。検出器６の検出信号は制御装置１６に取り込まれる。制御装置１６は、専用のコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータによって実現することができる。

【0022】

制御装置１６は、吸着動作部３８及び回収動作部４０を備えている。吸着動作部３８及び回収動作部４０は、制御装置１６に設けられている中央演算装置（ＣＰＵ）が所定のプログラムを実行することにより得られる機能である。

【0023】

吸着動作部３８は、分離カラム４において他の成分から分離された試料ガス中の目的成分を捕集管８の吸着材に吸着させる吸着動作を実行するように構成されている。吸着動作とは、試料ガス供給部２から分離カラム４へ試料ガスを供給し、分離カラム４にて他の成分から分離された目的成分のみを含むガスを捕集管８へ導くように、検出器６の検出信号に基づいて切替バルブ１４を第１状態（図３の状態）と第２状態（図２の状態）との間で切り替える動作である。このとき、捕集管８の温度を第１温度以下（例えば、０℃）にまで冷却し、捕集管８内の吸着材に目的成分を吸着させる。吸着動作部３８は、このような吸着動作を所定回数だけ繰り返し実行するように構成されている。

【0024】

回収動作部４０は、所定回数の吸着動作が終了した後、切替バルブ１４を第２状態（図２の状態）にするとともにストップバルブ３６を開にし、捕集管８を第２温度以上（例えば、１００℃）にまで加熱する回収動作を実行するように構成されている。この回収動作により、捕集管８の吸着材に吸着されていた目的成分が吸着材から離脱し、回収容器１２に回収される。

【0025】

図１から図３とともに図４のフローチャートを用いて、この実施例の動作について説明する。

【0026】

まず、吸着動作部３８が吸着動作を実行する（ステップ１０１～１０４）。吸着動作では、切替バルブ１８を図１の状態にして計量管２４内に試料ガスを充填する（ステップ１０１）。その後、切替バルブ１８を図２の状態に切り替え、計量管２４内に充填した試料ガスを分離カラム４へ導入する（ステップ１０２）。吸着動作部３８は、検出器６の検出信号を確認しながら、分離カラム４から溶出した各成分のうちの目的成分が切替バルブ１４に到達するまでは、切替バルブ１４を第２状態（図２の状態）にしておき、目的成分が切替バルブ１４に到達したタイミングで切替バルブ１４を第１状態（図３の状態）に切り替え、目的成分のみを含むガスを捕集管８に導き、目的成分を吸着材に吸着させる（ステップ１０３）。吸着動作部３８はこの吸着動作を所定回数だけ繰り返し実行する（ステップ１０４）。

【0027】

所定回数の吸着動作が終了した後、回収動作部４０が回収動作を実行する（ステップ１０５）。回収動作では、切替バルブ１４（切替機構）を第２状態（図２の状態）にするとともにストップバルブ３６を開にし、捕集管８を第２温度以上の温度（例えば、１００℃）に加熱して吸着材から目的成分を離脱させ、回収容器１２に回収する（ステップ１０５）。

【0028】

なお、図５に示されているように、複数の捕集管８ａ、８ｂ及び８ｃと複数の回収容器１２ａ、１２ｂ及び１２ｃをシステムに組み込み、より大量の目的成分を分取することができるようにしてもよい。図５の構成では、切替機構として切替バルブ１４ａ、１４ｂ及び１４ｃを備えており、切替バルブ１４ａ、１４ｂ及び１４ｃの状態によって、捕集管８ａ、８ｂ及び８ｃのうちのいずれか１つを検出器６の出口に接続した状態（第１状態）と、捕集管８ａ、８ｂ及び８ｃをそれぞれ回収容器１２ａ、１２ｂ及び１２ｃに接続した状態（第２状態）にすることができる。

【0029】

以上において説明した実施例は本発明に係るガス分取システムの実施形態を例示したに過ぎない。本発明に係るガス分取システムの実施形態は以下のとおりである。

【0030】

本発明に係るガス分取システムの一実施形態では、試料ガス中に含まれる成分を分離するための分離カラム（４）と、前記分離カラム（４）の入口に流体的に接続され、前記分離カラム（４）へ試料ガスを供給するための試料ガス供給部（２）と、前記分離カラム（４）の出口に流体的に接続され、前記分離カラム（４）から流出したガス中の成分を検出する検出器（６）と、前記試料ガス中の目的成分を第１温度以下の条件で吸着させ、吸着させた前記目的成分を前記第１温度よりも高い第２温度以上の条件で離脱させる性質を有する吸着材が内部に充填された捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）と、前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）の冷却及び加熱を行なって前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）の温度を調節するための温度調節部（１０）と、前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）の前記吸着材から離脱した前記目的成分を回収するための回収容器（１２；１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）と、前記検出器（６）から流出した流体が前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）を通過するように前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）を前記検出器（６）の出口に接続した第１状態と前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）を前記回収容器（１２；１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）に接続した第２状態のいずれかの状態に切り替えるための切替機構（１４；１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）と、を備え、前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）の温度を前記第１温度以下にするとともに前記切替機構（１４；１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）を前記第１状態にして前記検出器（６）から流出した流体中の前記目的成分を前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）に導くことで前記目的成分を前記吸着材に吸着させ、前記切替機構（１４；１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）を前記第２状態にして前記目的成分を前記吸着材に吸着させた前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）を前記第２温度以上にすることで前記目的成分を前記回収容器（１２；１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）に回収するように構成されている。

【0031】

本発明に係るガス分取システムの上記実施形態の第１態様では、前記試料ガス供給部（２）、前記温度調節部（１０）及び前記切替機構（１４；１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）の動作を制御し、前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）の温度を前記第１温度以下にするとともに前記切替機構（１４；１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）を前記第１状態にし、前記試料ガス供給部（２）から所定量の試料ガスを前記分離カラム（４）へ供給し、前記分離カラム（４）で他の成分から分離された前記目的成分のみを含むガスを前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）へ導いて前記目的成分を前記吸着材に吸着させる吸着動作を実行するように構成された吸着動作部（３８）を備えている。このような態様により、目的成分を捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）内の吸着材へ吸着させる吸着動作を自動的に実行することができる。

【0032】

上記第１態様において、前記試料ガス供給部（２）、前記温度調節部（１０）及び前記切替機構（１４；１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）の動作を制御し、前記吸着動作の後で、前記切替機構（１４；１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）を前記第２状態にして前記目的成分を前記吸着材に吸着させた前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）を前記第２温度以上にして前記目的成分を前記回収容器（１２；１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）に回収する回収動作を実行するように構成された回収動作部を備えていてもよい。そうすれば、捕集容器（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）内の吸着材に吸着させた目的成分を回収容器（１２；１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）に回収する回収動作を自動的に実行することができる。

【0033】

上記の場合、前記吸着動作部（３８）は、前記吸着動作を複数回にわたって実行するように構成され、前記回収動作部（４０）は、複数回の前記吸着動作が終了した後で前記回収動作を実行するように構成されているようにしてもよい。これにより、大量の目的成分の分取を自動的に実行することができる。

【0034】

また、本発明に係るガス分取システムの上記実施形態の第２態様では、前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）を複数備え、前記切替機構（１４；１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）は、前記第１状態において複数の前記捕集管（８；８ａ；８ｂ；８ｃ）のうちいずれか１つを前記検出器（６）の出口に接続するように構成されている。このような態様により、吸着材に吸着させることができる目的成分の量を増大させることができ、より大量の目的成分の分取が可能となる。この第２態様は上記第１態様と組み合わせることができる。

【0035】

また、本発明に係るガス分取システムの上記実施形態の第３態様では、前記吸着材はシリカゲルである。この第３態様は上記第１態様及び第２態様と自由に組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0036】

２ 試料ガス供給部
４ 分離カラム
６ 検出器
８，８ａ，８ｂ，８ｃ 捕集管
１０ 温度調節部
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 回収容器
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 切替バルブ（切替機構）
１６ 制御装置
１８ 切替バルブ
２０ 試料ガス源
２２，２８，３６ ストップバルブ
２４ 計量管
２６ ポンプ
３０，３２ フローコントローラ
３４ 抵抗カラム
３８ 吸着動作部
４０ 回収動作部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】