CN103596661B - 目标气体分离方法和目标气体分离装置 - Google Patents

Abstract

从混合气体中浓缩分离目标气体的方法，使用填充有吸附剂的至少3个吸附塔实施。该方法中，在各吸附塔中反复进行包括吸附工序、清洗工序和脱附工序的循环，其中，该吸附工序是将混合气体导入吸附塔，使吸附剂吸附混合气体中的目标气体，从该吸附塔中导出非吸附气体的工序；该清洗工序是将清洗气体导入吸附塔，从该吸附塔导出清洗废气的工序；该脱附工序是对吸附塔内减压，使目标气体从吸附剂脱附，从该吸附塔导出脱附气体的工序。通过循环，在任意吸附塔中不断地进行吸附工序。实施脱附工序的脱附工序时间比实施吸附工序的吸附工序时间长。

Description

目标气体分离方法和目标气体分离装置

技术领域

本发明涉及用于利用变压吸附法（以下，称为“PSA法”），从包含例如二氧化碳或者一氧化碳等目标气体的混合气体中浓缩分离目标气体的方法和装置。

背景技术

二氧化碳是地球温室效应问题的主要原因气体，作为地球温室效应的对策，伴随以燃料消耗量或二氧化碳排出量的削减等为目的的节能技术，期望二氧化碳的分离回收或固定化技术的早期实用化。另一方面，由炼铁厂副产的例如热风炉气体、转炉气体、转炉燃烧气体等为包含较多二氧化碳的混合气体。从这样的炼铁厂副产气体等含有二氧化碳的混合气体中能够浓缩分离二氧化碳。

另一方面，一氧化碳作为聚碳酸酯或机动车部件（内板等）用途的聚氨酯等高功能树脂材料的原料、或者作为乙酸或醛类等化学产品的原料，在化工厂被广泛利用。甲醇、LPG、重油、焦炭等的分解气体和炼铁厂副产的转炉气体等为包含较多一氧化碳的混合气体。从这样的转炉气体等含有一氧化碳的混合气体，能够浓缩分离一氧化碳，该一氧化碳能够作为上述化学品原料有效地利用。

作为用于从包含二氧化碳或者一氧化碳等目标气体的混合气体中浓缩分离该目标气体的方法，已知有PSA法。该方法使用填充有选择性吸附目标气体（例如二氧化碳或者一氧化碳）的吸附剂的多个吸附塔。利用PSA法的现有的目标气体分离方法中，通过吸附塔，例如实施吸附工序、清洗工序、脱附工序。吸附工序中，将作为原料气体的包含目标气体的混合气体导入吸附塔，使吸附剂吸附该混合气体中的目标气体，并且从该吸附塔导出非吸附气体。清洗工序中，对于吸附塔，流通目标气体纯度高的气体作为清洗气体，从该吸附塔导出清洗废气。脱附工序中，通过将吸附塔内减压到规定压力，使目标气体从吸附剂脱附，将主要包含该目标气体的吸附气体导出到塔外。通过脱附工序从吸附塔导出的脱附气体，作为纯度提高后的目标气体取得。脱附工序中吸附塔内的减压操作，例如通过真空泵等减压手段进行。利用PSA法的目标气体的分离中，在各个吸附塔反复进行包括上述吸附工序、清洗工序和脱附工序的循环。利用PSA法的二氧化碳、一氧化碳等目标气体的分离方法，例如在下述的专利文献1、2中有记载。

炼铁厂中副产大量的气体，因此，以炼铁厂副产气体为原料进行的气体分离，也需要处理大量的气体。因此，在利用PSA法的气体分离的情况下，用于实施PSA法的装置存在大规模化的趋势。作为用于实现PSA用的装置的小型化的方法，例如可以举出缩短由吸附工序、清洗工序、脱附工序构成的1个循环的时间（循环时间，cycle time）。从效率化的观点出发，希望在使一个吸附塔中依次交替上述3个工序而构成一个循环的基础上，用3个以上的吸附塔，并行吸附工序、清洗工序和脱附工序来实施。例如，在使用3个吸附塔，并行吸附工序、清洗工序和脱附工序来实施的情况下，能够在吸附工序中在任一个吸附塔中连续导入原料气体。这种情况下，如果能够缩短各工序的交替的间隔，就能够缩短循环时间。当循环时间被缩短，各个分配到一个吸附塔中用于进行吸附工序、脱附工序的时间（吸附工序时间=脱附工序时间=循环时间的1/3）也会缩短。当吸附工序时间被缩短，就能够将吸附剂的吸附转效时间（Breakthrough time）设定得短，因此，吸附剂的填充量较少就足够，作为结果，既能够连续处理原料气体又能够实现装置的小型化。

但是，PSA法中，作为高纯度目标气体回收脱附气体的情况下，脱附工序中使用真空泵的减压操作，将吸附塔内降低到规定压力需要一定的时间。因此，短时间的减压操作，无法使得吸附塔内降低到规定的压力，有可能造成目标气体的分离性能变差。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特公平2-39928号公报

专利文献2：日本特公昭61-37968号公报

发明内容

本发明为在这样的情况下思考得出的，其课题在于，提供一种适于在利用PSA法从例如包含二氧化碳或一氧化碳等目标气体的混合气体中取得高纯度的目标气体时，能够防止目标气体的分离性能恶化并且通过小型的装置结构能够有效分离回收目标气体的方法和装置。

本发明的第一方面所提供的目标气体分离方法，为使用填充有选择性吸附目标气体的吸附剂的至少3个吸附塔，从上述包含目标气体的混合气体中浓缩分离上述目标气体的方法，该目标气体分离方法中，在各个上述吸附塔中反复进行包括吸附工序、清洗工序和脱附工序的循环，该吸附工序为将上述混合气体导入吸附塔，使上述吸附剂吸附该混合气体中的上述目标气体，从该吸附塔中导出非吸附气体的工序；该清洗工序为将清洗气体导入吸附塔中，从该吸附塔导出清洗废气的工序；该脱附工序为对吸附塔内进行减压，使上述目标气体从上述吸附剂脱附，从该吸附塔导出脱附气体的工序，通过将上述混合气体连续地导入任意吸附塔，经过上述循环在任意吸附塔中不断地进行上述吸附工序，并且上述脱附工序从开始到结束的脱附工序时间比上述吸附工序从开始到结束的吸附工序时间长。

本方法中，经过一个循环在任意吸附塔中不断地进行吸附工序，并且脱附工序时间比吸附工序时间长。由此，一个循环中的规定时间中，不同的2个以上的吸附塔并行进行脱附工序。如此，在多个吸附塔并行实施脱附工序，由此，能够确保脱附工序时间为一定时间，并且能够缩短循环时间。伴随着循环时间的缩短，吸附工序时间也缩短，因此，如果原料气体的供给方式相同，则能够将吸附剂的吸附转效时间设定得较短，吸附剂的填充量较少就足够。其结果，能够缩小吸附塔的内部容积，能实现包括吸附塔的用于实施变压吸附法（PSA法）的装置的小型化。因此，本方法适于在利用PSA法从包含目标气体的原料气体中分离取得高纯度的目标气体时，防止目标气体的分离性能的恶化并且实现与PSA法的实施相关的装置的小型化。

优选上述清洗工序从开始到结束的清洗工序时间，比上述吸附工序时间短，一个吸附塔中的上述吸附工序包括：从上述清洗工序结束后的该脱附工序的开始，到处于上述吸附工序的其他吸附塔中的该吸附工序结束为止，从上述一个吸附塔导出第一脱附气体的第一脱附工序；和从上述一个吸附塔导出第二脱附气体在上述第一脱附工序之后的第二脱附工序。

优选上述一个吸附塔中的上述第二脱附工序，与处于上述吸附工序的另外的吸附塔中的该吸附工序并行进行。

优选上述清洗工序中，将经由用于贮存目标气体的缓冲容器后的上述第一脱附气体作为上述清洗气体导入清洗对象的吸附塔。

优选上述清洗工序中，经由上述缓冲容器后的上述第二脱附气体也作为上述清洗气体导入清洗对象的吸附塔。

优选上述第一脱附工序中，通过用于对上述吸附塔内进行减压的第一减压单元对该吸附塔内进行减压，上述第二脱附工序中，通过用于对上述吸附塔内进行减压的第二减压单元对该吸附塔内进行减压。

优选上述第二脱附工序中，从该第二脱附工序开始到途中，也通过上述第一减压单元对上述吸附塔内进行减压。

本发明第二方面所提供的目标气体分离装置，为从包含目标气体的混合气体浓缩分离上述目标气体的装置，具备：具有第一气体通过口和第二通过口，在该第一和第二气体通过口之间填充有选择性吸附目标气体的吸附剂的至少3个吸附塔；用于贮存目标气体的缓冲容器；对上述吸附塔的内部进行减压的第一减压单元和第二减压单元；包括具有混合气体导入端的主干路、和在每个上述吸附塔设置的与该吸附塔的上述第一气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第一配管；包括具有非吸附气体导出端的主干路、和在每个上述吸附塔设置的与该吸附塔的上述第二气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第二配管；包括具有清洗废气导出端的主干路、和在每个上述吸附塔设置的与该吸附塔的上述第二气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第三配管；包括与上述第一减压单元连接的主干路、和在每个吸附塔设置的与该吸附塔的上述第一气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第四配管；将上述第一减压单元和上述缓冲容器之间连接的第五配管；以及包括与上述缓冲容器连接并且附加设置有开关阀的主干路、和在每个上述吸附塔设置的与该吸附塔的上述第一气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第六配管；包括与上述第二减压单元连接的主干路、和在每个上述吸附塔设置的与该吸附塔的上述第一气体通过口侧连接的并且附加设置有开关阀的多个支路的第七配管。根据本装置，能够合适地实施本发明的第一方面的目标气体分离方法。

本发明的第二方面，优选具备将上述第五配管和上述第二减压单元之间连接的第八配管。

本发明的其他特征和优点，参照附图通过以下详细的说明能够更明了。

附图说明

图1为能够用于实施本发明的第一实施方式的目标气体分离方法的气体分离装置的概略结构图。

图2为表示第一实施方式的目标气体分离方法的各步骤中，各吸附塔中进行的工序、作为利用各减压单元进行的减压操作的对象的吸附塔和图1所示的气体分离装置的各自动阀的开闭状态的表。

图3为表示第一实施方式的目标气体分离方法的步骤1～6中气体流动状态的图。

图4为能够用于实施本发明的第二实施方式的目标气体分离方法的气体分离装置的概略结构图。

图5为表示第二实施方式的目标气体分离方法的各步骤中，各吸附塔中进行的工序、作为利用各减压单元进行的减压操作的对象的吸附塔和图4所示的气体分离装置的各自动阀的开闭状态的表。

图6为表示第二实施方式的目标气体分离方法的步骤1～6中气体流动状态的图。

图7为能够用于实施比较例的目标气体分离方法的气体分离装置的概略结构图。

图8为表示比较例的目标气体分离方法的各步骤中，各吸附塔中进行的工序、作为利用各减压单元进行的减压操作的对象的吸附塔和图7所示的气体分离装置的各自动阀的开闭状态的表。

图9为表示比较例的目标气体分离方法的步骤1～6中气体流动状态的图。

具体实施方式

以下，参照附图，具体说明本发明的优选实施方式。

图1表示能够用于实施本发明的第一实施方式的目标气体分离方法的气体分离装置X1的概略结构。为了利用PSA法从包含目标气体的规定原料气体中浓缩分离目标气体，气体分离装置X1具备吸附塔10A、10B、10C、真空泵21、22、缓冲罐23和配管31～39。作为目标气体的例子，可以列举二氧化碳和一氧化碳。作为目标气体为二氧化碳时的原料气体的例子，可以列举热风炉气体、转炉气体、转炉燃烧气体等炼铁厂副产气体。炼铁厂副产气体根据需要实施水分去除、硫化合物去除等前处理之后作为原料气体使用。作为目标气体为一氧化碳时的原料气体的例子，例如可以举出转炉气体。热风炉气体为原料气体的情况下的组成（体积浓度），例如二氧化碳为26～28%、氮为73～74%。转炉燃料气体为原料气体的情况下的组成，例如，二氧化碳为32～36%、氮为65～68%。转炉气体为原料气体的情况下的组成，例如二氧化碳为15～16%、一氧化碳为65～66%、氮为19～20%。

吸附塔10A、10B、10C各自在两端具有气体通过口11、12，气体通过口11、12之间，填充有用于选择性吸附原料气体中的目标气体的吸附剂。作为吸附剂，在目标气体为二氧化碳的情况下，能够采用椰子壳类或煤类等活性炭。另外，在目标气体为一氧化碳的情况下，作为吸附剂，例如能够采用在活性炭或活性氧化铝等构成的载体的细孔中载持有CuCl和CuCl₂等铜化合物的吸附剂。

真空泵21、22用于对吸附塔10A、10B、10C的内部减压。缓冲罐23为用于暂时贮存被分离取得的目标气体的容器。

配管31包括：具有原料气体导入端E1的主干路31'、和分别与吸附塔10A、10B、10C的各气体通过口11侧连接的支路31A、31B、31C。在支路31A、31B、31C附加设置有能够在开状态和闭状态之间切换的自动阀31a、31b、31c。虽然没有图示，但是在配管31的主干路31'，可以设置用于将原料气体压送到吸附塔10A、10B、10C的鼓风机或压缩机。

配管32包括：具有气体排出端E2的主干路32'、和分别与吸附塔10A、10B、10C的各气体通过口12侧连接的支路32A、32B、32C。在支路32A、32B、32C附加设置有能够在开状态和闭状态之间切换的自动阀32a、32b、32c。

配管33包括：具有气体排出端E3的主干路33'、和分别与吸附塔10A、10B、10C的各气体通过口12侧连接的支路33A、33B、33C。在支路33A、33B、33C附加设置有能够在开状态和闭状态之间切换的自动阀33a、33b、33c。

配管34包括：与真空泵21连接的主干路34'、和分别与吸附塔10A、10B、10C的各气体通过口11侧连接的支路34A、34B、34C。在支路34A、34B、34C附加设置有能够在开状态和闭状态之间切换的自动阀34a、34b、34c。

配管35连接在真空泵21与缓冲罐23之间。

配管36包括：与缓冲罐23连接的主干路36'、和分别与吸附塔10A、10B、10C的各气体通过口11侧连接的支路36A、36B、36C。在支路36A、36B、36C附加设置有能够在开状态和闭状态之间切换的自动阀36a、36b、36c。此外，在主干路36'附加设置有能够在开状态和闭状态之间切换的自动阀36d。虽然未图示，在配管36的主干路36'，可以设置后述的用于将清洗气体压送到吸附塔10A、10B、10C的鼓风机或压缩机。

配管37包括：与真空泵22连接的主干路37'、和分别与吸附塔10A、10B、10C的各气体通过口11侧连接的支路37A、37B、37C。在支路37A、37B、37C附加设置有能够在开状态和闭状态之间切换的自动阀37a、37b、37c。

配管38与真空泵22连接，并且具有目标气体取出端E4。

配管39与配管36的主干路36'连接，并且具有目标气体取出端E5。在配管39附加设置有流量调节阀39a。

使用具有以上结构的气体分离装置X1，能够实施本发明的第一实施方式的目标气体分离方法。具体来说，气体分离装置X1驱动时，通过以图2所示的方式切换自动阀31a～31c、32a～32c、33a～33c、34a～34c、36a～36d、37a～37c，在装置内实现所期望的气体的流动状态，能够反复进行以下的步骤1～6构成的1个循环。第一实施方式的目标气体分离方法的1个循环中，通过各个吸附塔10A、10B、10C，进行吸附工序、清洗工序、第一脱附工序和第二脱附工序。图2（后述的图5和图8也同样）中，各自动阀的开状态以○表示，闭状态用×表示。此外，图2（后述的图5和图8也同样）中，表示各工序中，作为利用真空泵21、22进行的减压操作的对象的吸附塔，将作为减压操作的对象的吸附塔不存在的情况表示为×。图3（a）～（f）表示步骤1～6中气体分离装置X1的气体的流动状态。

步骤1中，如图2的步骤1的栏中所示，选择自动阀31a～37c的开闭状态。其结果，通过真空泵22的动作，达到如图3（a）所示的气体流动状态，通过吸附塔10A进行吸附工序，通过吸附塔10B进行第二脱附工序，通过吸附塔10C进行清洗工序。

结合图1和图3（a）进行参照则能够更容易理解，步骤1中，原料气体通过具有原料气体导入端E1的配管31和气体通过口11导入吸附塔10A，该原料气体中的目标气体（例如二氧化碳或者一氧化碳）吸附在吸附塔10A内的吸附剂中，通过吸附塔10A的气体通过口12导出非吸附气体。非吸附气体通过配管32，从气体排出端E2排出到分离装置X1外。着眼于步骤1中的吸附塔10B，该吸附塔10B首先进行第一脱附工序（参照图3（f）所示的步骤6），步骤1开始时，塔内减压到规定的中间压力。从该状态开始，步骤1中，吸附塔10B由真空泵22进一步减压，目标气体从吸附塔10B内的吸附剂脱附，通过吸附塔10B的气体通过口11导出脱附气体（第二脱附气体）。第二脱附气体通过配管37和真空泵22导入配管38，从目标气体取出端E4取出到分离装置X1外。着眼于步骤1中的吸附塔10C，对于已经经过后述的步骤6（吸附工序）的吸附塔10C，通过配管36和气体通过口11将缓冲罐23内的第一脱附气体作为清洗气体导入，并且，通过该吸附塔10C的气体通过口12导出清洗废气。清洗废气通过配管33从气体排出端E3排出到分离装置X1外。其结果，步骤1中，通过第一脱附气体将吸附塔10C清洁化。

步骤2中，如图2的步骤2的栏中所示，选择自动阀31a～37c的开闭状态。其结果，通过真空泵21、22的动作，达到如图3（b）所示的气体流动状态，通过吸附塔10A继续进行吸附工序，通过吸附塔10B继续进行第二脱附工序，通过吸附塔10C进行第一脱附工序。

结合图1和图3（b）进行参照则能够更容易理解，步骤2中，从步骤1继续经由原料气体导入端E1被取入配管31的原料气体通过气体通过口11导入吸附塔10A，并且通过吸附塔10A的气体通过口12导出非吸附气体。着眼于步骤2中的吸附塔10B，从步骤1继续通过真空泵22将吸附塔10B减压，使目标气体从吸附塔10B内的吸附剂脱附，通过吸附塔10B的气体通过口11导出脱附气体（第二脱附气体）。着眼于步骤2中的吸附塔10C，步骤1（清洗工序）已经结束的吸附塔10C通过真空泵21减压，使目标气体从吸附塔10C内的吸附剂脱附，通过吸附塔10C的气体通过口11导出脱附气体（第一脱附气体）。第一脱附气体，通过配管34、真空泵21和配管35，导入缓冲罐23。缓冲罐23内的第一脱附气体，通过配管36并通过配管39的目标气体取出端E5，能够适当地取出到目标气体分离装置X1外。

上述步骤1、2中处于吸附工序的吸附塔10A的内部的最高压力，例如为0～30kPa（表压：以下相同）。步骤2中，第一脱附工序结束时的吸附塔10C的内部压力（中间压力）例如为-94～-68kPa。此外，步骤2中，第二脱附工序结束时的吸附塔10B的内部压力（最低压力）例如为-99～-87kPa。

步骤3、4中，与步骤1、2中吸附塔10A相同，吸附塔10B中进行吸附工序。步骤3、4中吸附塔10C，与步骤1、2中吸附塔10B相同，进行第二脱附工序。步骤3、4中吸附塔10A，与步骤1、2中吸附塔10C相同，进行清洗工序（步骤3）和第一脱附工序（步骤4）。

步骤5、6中，与步骤1、2中在吸附塔10A进行的同样，在吸附塔10C中进行吸附工序。步骤5、6中吸附塔10A，与步骤1、2中吸附塔10B同样，进行第二脱附工序。步骤5、6中吸附塔10B，与步骤1、2中吸附塔10C同样，进行清洗工序（步骤5）和第一脱附工序（步骤6）。

以上说明的步骤1～6在吸附塔10A、10B、10C的各自中反复进行，由此，在吸附塔10A、10B、10C的任意一个中连续导入原料气体，连续取得目标气体浓度高的脱附气体。

第一实施方式的目标气体分离方法中，从适当地维持目标气体的分离性能的观点出发，脱附工序中的减压操作，必须要实施到使吸附塔的内部达到规定的压力为止。脱附工序中使用真空泵21、22的减压操作，将吸附塔的内部降低到规定压力需要一定程度的时间。虽然也受到原料气体的供应量和需要分离取得的目标气体的目标纯度影响，但脱附工序从开始到结束的时间（脱附工序时间）例如为200秒。

另一方面，清洗工序中，对结束了脱附工序的吸附塔，导入目标气体纯度高的脱附气体（第一脱附气体）作为清洗气体，由此，挤出吸附工序结束时在吸附塔内残留的目标气体纯度低的气体，将吸附塔内利用清洗气体置换。因此，如果将清洗工序从开始到结束的时间（清洗工序时间）相对延长，则分离取得的目标气体的纯度增高，而另一方面目标气体的产量降低。基于该理由，清洗工序时间比吸附工序从开始到结束的时间（吸附工序时间）短。清洗工序时间例如为120秒。

如果清洗工序时间比吸附工序时间短，当与步骤的切换同时开始吸附工序和清洗工序时，则清洗工序先结束。第一实施方式中，例如着眼于步骤1、2中的吸附塔10A、10C能够理解，结束了清洗工序的吸附塔10C中，在处于吸附工序的吸附塔10A中的吸附工序结束以前，进行第一脱附工序。吸附塔10C中，接着步骤2的步骤3、4中，还进行脱附工序（第二脱附工序）。步骤3、4的吸附塔10C中的第二脱附工序，与处于吸附工序的吸附塔10B（结束了之前的步骤2中的第二脱附工序）中的吸附工序并行进行。

如上所述，吸附塔10C在步骤1进行清洗工序，在步骤2～4进行脱附工序（第一脱附工序和第二脱附工序）。在此，在脱附工序时间为200秒、清洗工序时间为120秒的情况下，着眼于吸附塔10C，步骤1～4的经过时间（清洗工序和脱附工序的合计时间）为320秒。而且，步骤1～4的经过时间，与步骤1、2中吸附塔10A的吸附工序时间和步骤3、4中吸附塔10B的吸附工序时间的合计（即，吸附工序时间的2倍）一致，因此，吸附工序时间为160秒。

反复进行包括吸附工序、清洗工序和脱附工序的循环的3塔式的通常的PSA气体分离，例如，使通过循环连续进行的吸附工序的切换的时间与脱附工序的切换的时间一致。因此，如果脱附工序时间为200秒，则吸附工序时间也分配200秒，由吸附工序、清洗工序和脱附工序构成的1个循环的时间（循环时间）为600秒。

与此相对，第一实施方式的目标气体分离方法中，即使作为脱附工序时间同样确保200秒，吸附工序时间（160秒）也比现有的吸附工序时间（200秒）短，循环时间能够缩短到480秒。原料气体的供给方式如果相同，当缩短吸附工序时间时，则能够将吸附剂的吸附转效时间设定得更短，吸附剂的填充量较少就足够。其结果，能够缩小吸附塔的内部容积，能够实现包括吸附塔的气体分离装置X1的小型化。例如，当循环时间从600秒缩短到480秒，缩短为80%，就能够期待与这种比例相匹配的程度的气体分离装置X1的小型化。因此，第一实施方式，利用PSA法从包含目标气体的原料气体中分离取得高纯度的目标气体时，通过将脱附工序时间确保一定时间（例如200秒），能够防止目标气体的分离性能的恶化并且实现气体分离装置X1的小型化。

第一实施方式的目标气体分离方法中，步骤2、4、6，在不同的两个吸附塔中并行进行脱附工序。这样通过在多个吸附塔中并行实施脱附工序（第一脱附工序和第二脱附工序）能够充分确保脱附工序时间，并且进行循环时间的缩短。例如，步骤2中，吸附塔10B中，从步骤1继续进行第二脱附工序，并且在吸附塔10C中进行第一脱附工序。在此，吸附塔10B中的第二脱附工序中的减压操作，由真空泵22承担，吸附塔10C中的第一脱附工序中的减压操作，由真空泵21承担。如此能够理解，并行实施脱附工序的第一实施方式的目标气体分离方法能够通过具备2个真空泵21、22的气体分离装置X1适当地实现。

根据第一实施方式的目标气体分离方法，第一脱附工序中从吸附塔导出的目标气体纯度高的第一脱附气体，暂时贮存在缓冲罐23中。另外，清洗工序中，缓冲罐23内的第一脱附气体作为清洗气体导入清洗对象的吸附塔。在清洗工序之后的脱附工序（第一脱附工序）的开始时刻，吸附塔内的空隙部充满气体（主要是清洗气体），因此，在脱附工序的初期（第一脱附工序）从吸附塔导出的气体量比较多。因此，经由缓冲罐23第一脱附气体作为清洗气体使用，由此，能够稳定供给清洗气体。

图4表示能够用于实施本发明的第二实施方式的目标气体分离方法的气体分离装置X2的概略结构。为了利用变压吸附法（PSA法）从包含目标气体的规定的原料气体中浓缩分离目标气体，气体分离装置X2具备吸附塔10A、10B、10C、真空泵21、22、缓冲罐23和配管31～37、38''、39。气体分离装置X2，在代替配管38使用配管38''这点上，与上述的气体分离装置X1不同。

配管38''将真空泵22和配管35之间连接。另外，配管35与缓冲罐23连接。因此，配管38''在使真空泵22与缓冲罐23连通这点上，与上述气体分离装置X1中的具有目标气体取出端E4的配管38不同。其他方面，气体分离装置X2的结构与气体分离装置X1的结构相同。

使用具有以上结构的气体分离装置X2，能够实施本发明的第二实施方式的目标气体分离方法。具体来说，气体分离装置X2驱动时，通过以图5所示的方式，切换自动阀31a～31c、32a～32c、33a～33c、34a～34c、36a～36d、37a～37c，在装置内实现所期望的气体流动状态，能够反复进行包括以下的步骤1～6的1个循环。第二实施方式的目标气体分离方法的1个循环中，吸附塔10A、10B、10C的各自中，进行吸附工序、清洗工序、第一脱附工序、第二脱附前期工序和第二脱附后期工序。图6（a）～（f）表示步骤1～6中气体分离装置X2的气体流动状态。

步骤1中，如图5的步骤1的栏所示，选择自动阀31a～37c的开闭状态。其结果，通过真空泵21、22动作，达到图6（a）所示的气体流动状态，通过吸附塔10A进行吸附工序，通过吸附塔10B进行第二脱附前期工序，通过吸附塔10C进行清洗工序。

结合图5和图6（a）进行参照能够更容易理解，步骤1中，原料气体通过具有原料气体导入端E1的配管31和气体通过口11导入吸附塔10A，该原料气体中的目标气体（例如二氧化碳或者一氧化碳）吸附在吸附塔10A内的吸附剂中，通过吸附塔10A的气体通过口12，导出非吸附气体。非吸附气体通过配管32从气体排出端E2排出到分离装置X2外。着眼于步骤1中的吸附塔10B，该吸附塔10B先进行第一脱附工序（参照图6（f）所示的步骤6），然后步骤1开始时，塔内减压到规定的中间压力。从该状态开始，吸附塔10B通过真空泵21、22进一步减压，目标气体从吸附塔10B内的吸附剂脱附，通过吸附塔10B的气体通过口11导出脱附气体（第二脱附气体）。第二脱附气体通过配管34、真空泵21和配管35，导入缓冲罐23，并且通过配管37、真空泵22、配管38''和配管35也导入缓冲罐23。着眼于步骤1中的吸附塔10C，对于已经经过后述的步骤6（吸附工序）的吸附塔10C，通过配管36和气体通过口11导入缓冲罐23内的第一脱附气体和第二脱附气体作为清洗气体，并且通过吸附塔10C的气体通过口12导出清洗废气。清洗废气通过配管33，从气体排出端E3排出到目标气体分离装置X2外。其结果，步骤1通过第一脱附气体和第二脱附气体对吸附塔10C清洁化。另外，步骤1中，缓冲罐23内的第一脱附气体和第二脱附气体，通过配管36，通过配管39的目标气体取出端E5，能够适当地取出到目标气体分离装置X2外。

步骤2，如图5的步骤2的栏所示，选择自动阀31a～37c的开闭状态。其结果，通过真空泵21、22的动作，达到图6（b）所示的气体流动状态，通过吸附塔10A继续进行吸附工序，通过吸附塔10B进行第二脱附后期工序，通过吸附塔10C进行第一脱附工序。

结合图5和图6（b）进行参考能够更容易理解，步骤2中，从步骤1继续经由原料气体导入端E1被取入配管31的原料气体通过气体通过口11导入吸附塔10A，并且通过吸附塔10A的气体通过口12导出非吸附气体。着眼于步骤2中的吸附塔10B，从步骤1继续通过真空泵22将吸附塔10B减压，使目标气体从吸附塔10B内的吸附剂脱附，通过吸附塔10B的气体通过口11侧，导出脱附气体（第二脱附气体）。第二脱附气体通过配管37、真空泵22、配管38''和配管35，导入缓冲罐23。着眼于步骤2中的吸附塔10C，已经结束步骤1（清洗工序）的吸附塔10C通过真空泵21减压，使目标气体从吸附塔10C内的吸附剂脱附，通过吸附塔10C的气体通过口11导出脱附气体（第一脱附气体）。第一脱附气体通过配管34、真空泵21、配管35，导到缓冲罐23。缓冲罐23内的第一脱附气体和第二脱附气体通过配管36，从配管39的目标气体取出端E5能够适当取出到目标气体分离装置X1外。

上述步骤1、2中，处于吸附工序的吸附塔10A的内部的最高压力，例如为0～300kPa。步骤2中，第一脱附工序结束时的吸附塔10C的内部压力（中间压力）例如为-94～-68kPa。另外，步骤2中，第二脱附后期工序结束时的吸附塔10B的内部压力（最低压力）例如为-99～-87kPa。

步骤3、4与步骤1、2中吸附塔10A同样，在吸附塔10B中，进行吸附工序。步骤3、4中吸附塔10C，与步骤1、2中吸附塔10B同样，进行第二脱附前期工序（步骤3）和第二脱附后期工序（步骤4）。步骤3、4中吸附塔10A，与步骤1、2中吸附塔10C同样，进行清洗工序（步骤3）和第一脱附工序（工序4）。

步骤5、6与步骤1、2中吸附塔10A中进行的同样，在吸附塔10C中进行吸附工序。步骤5、6中吸附塔10A，与步骤1、2中吸附塔10B同样，进行第二脱附前期工序（步骤3）和第二脱附后期工序（步骤4）。步骤5、6中吸附塔10B与步骤1、2中吸附塔10C同样，进行清洗工序（步骤5）和第一脱附工序（步骤6）。

以上说明的步骤1～6，在吸附塔10A、10B、10C的各自中反复进行，由此，原料气体连续导入吸附塔10A、10B、10C中的任一个，连续取得目标气体浓度高的脱附气体。

如参考图5和图6（a）～（f）能够更好理解的那样，第二实施方式的目标气体分离方法中，步骤2、4、6在不同的两个吸附塔中并行进行脱附工序。如此，在多个吸附塔并行实施脱附工序（第一脱附工序和第二脱附后期工序），由此，与使用上述气体分离装置X1进行的气体分离的情况相同，能够确保充分的脱附工序时间，并且缩短循环时间。因此，利用PSA法从包含目标气体的原料气体中分离取得高纯度的目标气体时，能够防止目标气体分离性能的恶化，并且实现气体分离装置X2的小型化。

第二实施方式的目标气体分离方法中，第二脱附工序包括从该第二脱附工序开始到途中的第二脱附前期工序（步骤1、3、5）和该第二脱附前期工序之后进行的第二脱附后期工序（步骤2、4、6）。第二脱附前期工序中，作为减压操作的对象的吸附塔，在真空泵22的基础上还通过真空泵21减压。即，第二脱附前期工序中的减压操作，由真空泵21、22两者承担。由此，处于第二脱附前期工序的吸附塔的内部能够充分减压，容易到达目标的内部压力。因此，第二脱附前期工序中，在真空泵22的基础上还通过真空泵21对作为减压操作的对象的吸附塔进行减压的本方法，由于提高了目标气体的产量而优选。

此外，通过真空泵21也承担第二脱附前期工序中的减压操作，真空泵21在一个循环中连续工作。上述第一实施方式的方法，如参照图2和图3（a）～（f）能够理解的那样，真空泵21在步骤1、3、5中停止，只在步骤2、4、6间歇地工作。在使真空泵21间歇地工作的情况下，例如由于旋转机械达到稳定运转状态需要一定程度的时间，所以切换步骤的控制不容易进行。与此相对，使真空泵21连续工作的本方法，容易进行步骤的切换控制。

第二实施方式的目标气体分离方法中，除了第一脱附工序中从吸附塔导出的第一脱附气体，第一脱附工序后的第二脱附工序中从吸附塔导出的第二脱附气体，也暂时贮存在缓冲罐23中。而且，清洗工序中，缓冲罐23内的第一脱附气体和第二脱附气体作为清洗气体导入清洗对象的吸附塔。在清洗工序后的脱附工序的开始时刻，在吸附塔内的空隙部残留有微量的杂质气体，该杂质气体从处于脱附工序的吸附塔10A、10B、10C中与目标气体一起导出。由于脱附工序中从吸附塔10A、10B、10C导出的气体（脱附气体）的杂质气体含有率，从该吸附工序开始以后，逐渐降低，所以从处于第二脱附工序的吸附塔10A、10B、10C导出的气体（第二脱附气体）的杂质气体含有率充分降低。因此，第二脱附气体也作为清洗气体使用的本方法，适于得到高纯度的目标气体。

以上，说明了本发明的具体实施方式，但是本发明不限于此，在不脱离发明的思想的范围内能够进行各种各样的变更。例如，实施本发明的目标气体分离方法的装置中的形成气体流路的配管的结构，可以采用与上述实施方式不同的结构。吸附塔的数目也不仅仅限于上述实施方式表示的3塔式，4塔以上的情况下也能够期待同样的效果。另外，只要通过利用PSA法进行气体分离，能够分离取得由吸附剂选择性吸附的易吸附成分，以一氧化碳和二氧化碳以外的易吸附气体作为目标气体，就能够应用本发明。

实施例

接着，通过实施例和比较例说明本发明的优点。

[实施例1]

使用具有图1所示的概略结构的气体分离装置X1，在吸附塔10A、10B、10C中反复进行图2和图3（a）～（f）所示的吸附工序、清洗工序、第一脱附工序、第二脱附工序构成的1个循环，从规定的原料气体，浓缩分离作为目标气体的二氧化碳。实施例1的二氧化碳分离方法，相当于上述第一实施方式的目标气体分离方法。

本实施例中使用的气体分离装置X1的吸附塔10A、10B、10C的各自具有圆筒形状（内径70mm、内部尺寸高度500mm）。各吸附塔内，填充活性炭2.0dm³。使用的原料气体是具有相当于作为炼铁厂副产气体之一的热风炉气体的组成（二氧化碳26vol%、氮74vol%）的模拟混合气体。以1Nm³/h（“N”表示标准状态，以下相同）的流量向气体分离装置X1连续供给该原料气体。本实施例，在吸附塔10A、10B、10C的各自中，吸附工序进行160秒，清洗工序进行120秒，第一脱附工序进行40秒，第二脱附工序进行160秒。由此，脱附工序时间（第一脱附工序和第二脱附工序的合计时间）为200秒。各工序构成的1个循环的循环时间为480秒。吸附工序中吸附塔10A、10B、10C内部的最高压力为100kPa，脱附工序（第二脱附工序）中吸附塔10A、10B、10C的内部的最低压力为-90kPa（表压）。

在该条件下进行的本实施例中浓缩分离得到的气体，二氧化碳的纯度为99.9vol%，作为杂质的氮的含有率为0.1vol%，取得气体量为0.156Nm3/h。取得气体中二氧化碳的回收率为60%。

[实施例2]

使用具有图4所示的概略结构的气体分离装置X2，在吸附塔10A、10B、10C中反复进行图5和图6所示的吸附工序、脱附工序、第一脱附工序、第二脱附前期工序和第二脱附后期工序构成的1个循环，由此，从规定的原料中，浓缩分离作为目标气体的一氧化碳。实施例2的一氧化碳分离方法，相当于上述第二实施方式的目标气体分离方法。

本实施例中使用的气体分离装置X2的吸附塔10A、10B、10C的各自具有圆筒形状（内径70mm、内部尺寸高度500mm）。各吸附塔内，填充载持有氯化铜（CuCl）的活性炭（氯化铜的载持量为20wt%）2.0dm³。使用的原料气体是具有相当于作为炼铁厂副产气体之一的转炉气体的组成（一氧化碳65vol%、二氧化碳15vol%、氮20vol%）的模拟混合气体。以1Nm³/h的流量向气体分离装置X2连续供给该原料气体。本实施例中，在吸附塔10A、10B、10C的各自中，吸附工序进行200秒，清洗工序进行80秒，第一脱附工序进行120秒，第二脱附前期工序进行80秒，第二脱附后期工序进行120秒。由此，脱附工序时间（第一脱附工序、第二脱附前期工序和第二脱附后期工序的合计时间）为320秒。各工序构成的1个循环的循环时间为600秒。吸附工序中吸附塔10A、10B、10C内部的最高压力为10kPa（表压），脱附工序（第二脱附后期工序）中吸附塔10A、10B、10C的内部的最低压力为-90kPa。

这样的条件下进行的本实施例中浓缩分离得到的气体，一氧化碳纯度为99.95vol%，作为杂质的二氧化碳的含有率为300volppm，氮的含有率为200volppm，取得气体量为0.52Nm³/h。取得气体中一氧化碳的回收率为80%。

[比较例1]

使用具有图7所示的概略结构的气体分离装置X3，从规定的原料气体中浓缩分离作为目标气体的二氧化碳。为了利用PSA法从包含目标气体的规定原料气体中浓缩分离目标气体，气体分离装置X3具备：吸附塔10A、10B、10C、真空泵21和配管31～34、36''、39。气体分离装置X3，与图1所示的气体分离装置X1类似，但是不具备气体分离装置X1中的真空泵22、缓冲罐23和配管35、37、38，此外，代替配管36具备配管36''，这些点与上述气体分离装置X1不同。即，气体分离装置X3只具备1个真空泵21，配管36''具有与真空泵21连接的主干路36'。

比较例1中，以图8所示的方式切换自动阀31a～31c、32a～32c、33a～33c、34a～34c、36a～36d，由此，在装置内实现所期望的流动状态，在吸附塔10A、10B、10C中反复进行步骤1～6（吸附工序、清洗工序、待机和脱附工序）构成的1个循环，由此，从规定的原料气体中浓缩分离作为目标气体的二氧化碳。图9（a）～（f）表示步骤1～6中气体分离装置X3中的气体的流动状态。

比较例1中使用的吸附剂，与上述实施例1中的种类相同且填充量也相同。使用的原料气体为与实施例1相同的组成。比较例1中，脱附工序为单一操作，该点与脱附工序由第一脱附工序和第二脱附工序构成的实施例1不同。导入处于清洗工序的吸附塔中的清洗气体，由处于脱附工序的其他吸附塔中导出的一部分脱附气体提供。比较例1的脱附工序时间，与实施例1相同为200秒。另外，比较例1中，如从图8和图9（a）～（f）能够理解的那样，吸附工序的切换的时间和脱附工序的切换的时间一致，因此，吸附工序时间，与脱附工序时间相同需要200秒。清洗工序时间为120秒，清洗工序后直到脱附工序的待机时间为80秒。由此，由各工序构成的1个循环的循环时间为600秒。

上述实施例1中的循环时间为480秒，与此相对，比较例1中设定为600秒，因此，对气体分离装置X3，以480秒÷600秒=80%量的0.8Nm³/h的流量持续供给原料气体，吸附工序中吸附塔10A、10B、10C的内部的最高压力和脱附工序中吸附塔10A、10B、10C的内部的最低压力与实施例1相同。

在该条件下进行的比较例1中浓缩分离得到的气体，二氧化碳纯度为99.9vol%，作为杂质的氮的含有率为0.1vol%，取得气体量为0.1248Nm³/h。取得气体中二氧化碳的回收率为60%。比较例1中取得气体中二氧化碳的纯度、回收率与实施例1相同，但是在相同尺寸的吸附塔10A、10B、10C中能够导入的原料气体量从1Nm³/h降低到0.8Nm³/h（相对于实施例1的80%的量）。

[比较例2]

使用具有图7所示的概略结构的气体分离装置X3，在吸附塔10A、10B、10C中反复进行图8和图9（a）～（f）所示的吸附工序、清洗工序、待机和脱附工序构成的1个循环，由此，从规定的原料气体中浓缩分离作为目标气体的一氧化碳。

比较例2中使用的吸附剂，与上述实施例2的种类相同且填充量也相同。使用的原料气体，与实施例2相同组成。本比较例中，脱附工序为单一操作，这一点与脱附工序由第一脱附工序、第二脱附前期脱附工序和第二脱附后期工序构成的实施例2不同。导入处于清洗工序的吸附塔中的清洗气体，由处于脱附工序的其他吸附塔中导出的一部分脱附气体提供。本比较例的脱附工序时间，与实施例2相同为320秒。此外，本比较例中，如从图8和图9能够理解的那样，吸附工序的切换的时间和脱附工序的切换的时间一致，因此，吸附工序时间与脱附工序时间相同需要320秒。清洗工序时间为80秒，清洗工序后直到脱附工序的待机时间为240秒。由此，各工序构成的1个循环的循环时间为960秒。

上述实施例2中的循环时间为600秒，与此相对，本比较例中设定为960秒，因此，对气体分离装置X3，以600秒÷960秒=62.5%量的0.625Nm³/h的流量持续供给原料气体。吸附工序的吸附塔10A、10B、10C的内部的最高压力和脱附工序中吸附塔10A、10B、10C的内部的最低压力与实施例2相同。

这样条件下进行的本比较例中浓缩分离得到的气体，一氧化碳的纯度为99.95vol%，作为杂质的二氧化碳的含有率为300volppm，氮的含有率为200volppm，取得气体量为0.325Nm³/h。取得气体中的一氧化碳的回收率为80%。本比较例中，取得气体中一氧化碳的纯度、回收率与实施例2相同，但是在相同尺寸的吸收塔10A、10B、10C中能够导入的原料气体量从1Nm³/h降低到0.625Nm³/h（相对于实施例2为62.5%的量）。

Claims (11)

1.一种目标气体分离方法，其特征在于：

其为使用填充有选择性吸附目标气体的吸附剂的至少3个吸附塔，从包含所述目标气体的混合气体中浓缩分离所述目标气体的方法，

该目标气体分离方法中，在各个所述吸附塔中反复进行包括吸附工序、清洗工序和脱附工序的循环，其中，该吸附工序是将所述混合气体导入吸附塔，使所述吸附剂吸附该混合气体中的所述目标气体，从该吸附塔中导出非吸附气体的工序；该清洗工序是将清洗气体导入吸附塔中，从该吸附塔导出清洗废气的工序；该脱附工序是对吸附塔内进行减压，使所述目标气体从所述吸附剂脱附，从该吸附塔导出脱附气体的工序，

通过将所述混合气体连续地导入任意的吸附塔，经过所述循环在任意的吸附塔中，不断地进行所述吸附工序，

并且，所述脱附工序从开始到结束的脱附工序时间比所述吸附工序从开始到结束的吸附工序时间长。

2.如权利要求1所述的目标气体分离方法，其特征在于：

所述清洗工序从开始到结束的清洗工序时间，比所述吸附工序时间短，

一个吸附塔中的所述脱附工序包括：从所述清洗工序结束后的该脱附工序开始，到处于所述吸附工序的其他吸附塔中的该吸附工序结束为止，从所述一个吸附塔导出第一脱附气体的第一脱附工序；和从所述一个吸附塔导出第二脱附气体在所述第一脱附工序之后的第二脱附工序。

3.如权利要求2所述的目标气体分离方法，其特征在于：

所述一个吸附塔中的所述第二脱附工序，与处于所述吸附工序的另外的吸附塔中的该吸附工序并行进行。

4.如权利要求2所述的目标气体分离方法，其特征在于：

所述清洗工序中，将经由用于贮存目标气体的缓冲容器后的所述第一脱附气体作为所述清洗气体导入清洗对象的吸附塔。

5.如权利要求3所述的目标气体分离方法，其特征在于：

所述清洗工序中，将经由用于贮存目标气体的缓冲容器后的所述第一脱附气体作为所述清洗气体导入清洗对象的吸附塔。

6.如权利要求4所述的目标气体分离方法，其特征在于：

所述清洗工序中，经由所述缓冲容器后的所述第二脱附气体也作为所述清洗气体导入清洗对象的吸附塔。

7.如权利要求5所述的目标气体分离方法，其特征在于：

所述清洗工序中，经由所述缓冲容器后的所述第二脱附气体也作为所述清洗气体导入清洗对象的吸附塔。

8.如权利要求2～7中任一项所述的目标气体分离方法，其特征在于：

所述第一脱附工序中，通过用于对所述吸附塔内进行减压的第一减压单元对该吸附塔内进行减压，

所述第二脱附工序中，通过用于对所述吸附塔内进行减压的第二减压单元对该吸附塔内进行减压。

9.如权利要求8所述的目标气体分离方法，其特征在于：

所述第二脱附工序中，从该第二脱附工序开始到途中，也通过所述第一减压单元对所述吸附塔内进行减压。

10.一种目标气体分离装置，为通过权利要求1～7中任一项所述的目标气体分离方法，从包含目标气体的混合气体中浓缩分离所述目标气体的装置，其特征在于，具备：

具有第一气体通过口和第二通过口，在该第一和第二气体通过口之间填充有选择性吸附目标气体的吸附剂的至少3个吸附塔；

用于贮存目标气体的缓冲容器；

对所述吸附塔的内部进行减压的第一减压单元和第二减压单元；

包括具有混合气体导入端的主干路、和在每个所述吸附塔设置的与该吸附塔的所述第一气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第一配管；

包括具有非吸附气体导出端的主干路、和在每个所述吸附塔设置的与该吸附塔的所述第二气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第二配管；

包括具有清洗废气导出端的主干路、和在每个所述吸附塔设置的与该吸附塔的所述第二气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第三配管；

包括与所述第一减压单元连接的主干路、和在每个吸附塔设置的与该吸附塔的所述第一气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第四配管；

将所述第一减压单元和所述缓冲容器之间连接的第五配管；

包括与所述缓冲容器连接并且附加设置有开关阀的主干路、和在每个所述吸附塔设置的与该吸附塔的所述第一气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第六配管；和

包括与所述第二减压单元连接的主干路、和在每个所述吸附塔设置的与该吸附塔的所述第一气体通过口侧连接并且附加设置有开关阀的多个支路的第七配管。

11.如权利要求10所述的目标气体分离装置，其特征在于：

具备将所述第五配管和所述第二减压单元之间连接的第八配管。