CN1482937A - 目标气体的分离方法和分离装置 - Google Patents

Abstract

一种使用填充有吸附剂的多个吸附单元，由混合气体中分离目标气体的方法，在各吸附单元反复进行包括如下工序的1个循环：向吸附单元(1)导入混合气体，由吸附剂吸附不要气体，再由吸附单元导出成品气体的工序；使不要气体由吸附剂脱吸的工序；清洗吸附单元的工序。吸附单元(1)具有附有成品气体出口(1d)的第1子单元(1a)和附有混合气体入口(1e)的第2子单元(1b)。在脱吸工序中，第1和第2子单元(1a、1b)呈非连通状态，第2子单元(1b)的混合气体入口(1e)呈开放状态。清洗工序包括通过使两子单元(1a、1b)处于连通状态，将第1子单元(1a)的第1残留气体导入第2子单元(1b)，从而清洗第2子单元(1b)的工序。

Description

目标气体的分离方法和分离装置

技术领域

本发明，涉及一种通过压力振动吸附法(PSA法)分离混合气体中的目标气体、例如氢气的方法，以及用于该方法的分离装置。

背景技术

近年来，在通过PSA法由混合气体得到氢气等目标气体的技术中，可较简单且较便宜地得到目标气体。因此，利用PSA法的目标气体的分离越来越普及。在通过PSA法的目标气体的分离中，通常，使用具有2～4座填充有吸附剂的吸附塔的PSA分离装置。各吸附塔反复进行包括吸附工序、脱吸工序、清洗工序、以及升压工序等一系列工序的循环。在吸附工序中，通过将混合气体导入吸附塔，使吸附塔内的吸附剂吸附含于混合气体中的不要气体，从而得到目标气体浓集的成品气体。在脱吸工序中，使吸附在吸附剂上的不要气体产生脱吸。在清洗工序中，由吸附塔排出残留在吸附塔内的气体。在升压工序中，提高吸附塔内的压力，为随后进行的吸附工序做准备。

图5是采用这种现有的PSA法实现氢气分离的方法的PSA分离装置Y的概要图。图6A～6C和图7A～7C为现有的使用PSA分离装置Y的PSA法的各步骤中的气体流动图。图8表示具有PSA分离装置Y的各吸附塔在各步骤中的状态。

PSA分离装置Y中，设有填充了吸附剂的第1～第3吸附塔1′～3′。这些吸附塔1′～3′具有混合气体入口1a′～3a′和成品气体出口1b′～3b′，并通过多支配管相互连接。在这些配管上设有阀9a～9r。当装置运转时，各阀9a～9r根据情况选择开闭状态，形成如图6A～6C及图7A～7C所示的气体流动状态。

在利用PSA分离装置Y由混合气体中分离氢气时，首先，第1步如图6A和图8所示，经混合气体入口1a′，向第1吸附塔1′导入含有氢气的混合气体G1′。在第1吸附塔1′内，因吸附剂的作用吸附并除去混合气体G1′中的不要气体，使氢气得到浓集的成品气体G2′经成品气体出口1b′由第1吸附塔1′排出。并且，在第1步中，首先进行吸附工序，由处于高压下的第3吸附塔3′经成品气体出口3b′导出残留气体G3′。该气体G3′经成品气体出口2b′，导入首先进行脱吸工序的第2吸附塔2′。这样，残留在第2吸附塔2′内的脱吸气体，作为排出气体G4′，经混合气体入口2a′，由第2吸附塔2′排出，对第2吸附塔2′进行清洗。

然后，在第2步中，如图6B和图8所示，在第1吸附塔1′中，紧接着第1步继续进行不要气体的吸附。不过，源自第1吸附塔1′的一部分成品气体G2′被输送到第2吸附塔2′，进行第2吸附塔2′的升压。第3吸附塔3′，通过使混合气体入口3a′向大气开放而减压，使不要气体由吸附剂脱吸。该脱吸气体的一部分，作为排出气体G4′，经混合气体入口3a′由第3吸附塔3′排出。

接着，在第3步中，如图6C和图8所示，第1吸附塔1′、第2吸附塔2′、及第3吸附塔3′分别进行与第1步中的第3吸附塔3′、第1吸附塔1′、及第2吸附塔2′相对应的工序。

接着，在第4步中，如图7A和图8所示，第1吸附塔1′、第2吸附塔2′、及第3吸附塔3′分别进行与第2步中的第3吸附塔3′、第1吸附塔1′、及第2吸附塔2′相对应的工序。

接着，在第5步中，如图7B和图8所示，第1吸附塔1′、第2吸附塔2′、及第3吸附塔3′分别进行与第1步中的第2吸附塔2′、第3吸附塔3′、及第1吸附塔1′相对应的工序。

接着，在第6步中，如图7C和图8所示，第1吸附塔1′、第2吸附塔2′、及第3吸附塔3′分别进行与第2步中的第2吸附塔2′、第3吸附塔3′、及第1吸附塔1′相对应的工序。

在吸附塔1′～3′中反复进行这样的一系列步骤1～6。

在这种现有的目标气体的分离方法中，通过完成了吸附工序的源自吸附塔1′～3′的气体G3′，进行对完成了脱吸工序的吸附塔1′～3′的清洗。在吸附塔1′～3′中，离各个混合气体入口1a′～3a′越近，吸附剂所吸附的不要气体量越多，存在于那里的气体的不要气体浓度也越高。即，在吸附塔1′～3′中，离各个成品气体出口1b′～3b′越近，不要气体的吸附量和浓度越低。

因此，例如在第1步中，由于从第3吸附塔3′导出的残留气体G3′的不要气体是从成品气体出口3b′排出，所以浓度随时间而增高。由于这样的气体G3′由第2吸附塔2′的成品气体出口2b′导入，所以第2吸附塔2′的成品气体出口2b′附近的不要气体浓度随时间增高。在第2步中，成品气体G2′由第1吸附塔1′经成品气体出口2b′被导入第2吸附塔2′并被升压，然后，在第3步中，混合气体G1′经混合气体入口2a′被导入第2吸附塔2′并进行吸附工序。

因此，在第2步中，在第2吸附塔2′内，成品气体出口2b′附近的不要气体浓度高的气体，被压入第2吸附塔2′的更内部，由吸附剂吸附。其结果最终导致在第3步第2吸附塔2′的吸附量，即吸附工序时不要气体的可吸附量降低。

因此，本发明目的在于，通过由混合气体中高效地分离出目标气体，提供能以高收率得到高纯度成品气体的目标气体的分离方法，以及用于该目的的分离装置。

发明内容

根据本发明的第1方面，提供了使用填充有吸附剂的多个吸附单元，由混合气体中分离目标气体的方法。在此方法中，由向所选的某一吸附单元中导入混合气体，使该混合气体中所含的不要气体吸附在吸附剂上，由吸附单元导出目标气体得到浓集的成品气体的吸附工序；使不要气体由吸附剂脱吸的脱吸工序；使用清洗气体，将残留在吸附单元的残留气体由吸附单元排出的清洗工序；和使吸附单元的内部压力上升的升压工序组成一个循环，在各吸附单元中反复进行。各吸附单元具有：具有导出成品气体的成品气体出口的、填充有第1吸附剂的第1子单元，具有导入混合气体的混合气体入口的、与第1子单元相连并填充有第2吸附剂的第2子单元，以及用于使第1子单元和第2子单元在呈连通状态和呈不连通状态间切换的切换装置。通过使第1子单元与第2子单元处于非连通状态，同时打开第2子单元的混合气体入口，进行脱吸工序。清洗工序包括，通过使第1子单元和第2子单元处于连通状态，将残留在第1子单元的第1残留气体作为清洗气体导入第2子单元，同时，经混合气体入口排出残留在该第2子单元的第2残留气体的、第2子单元清洗工序。

清洗工序优选为还包括，通过使进行该清洗工序的第1吸附单元的第1子单元和第2子单元处于连通状态，由进行吸附工序的第2吸附单元的第1子单元导出的成品气体被用作清洗气体导入第1吸附单元的第1子单元，同时，经第1吸附单元的第2子单元的混合气体入口排出残留在第1吸附单元的第1子单元和第2子单元的第3残留气体的、连续子单元清洗工序。

优选为，在连续子单元清洗工序中，第1吸附单元的第1子单元的内部最低压力为大气压以上、50kPa(表压)以下。

优选为，在吸附工序中，吸附单元内部的最高压力为100kPa(表压)以上。

第1子单元中第1吸附剂的填充体积优选为，吸附单元中第1吸附剂与第2吸附剂的合计填充体积的20～80％。

优选为，混合气体中含有作为目标气体的氢气。

优选为，混合气体中含有作为不要气体的CO2气体。

根据本发明的第2方面，提供了使用填充有吸附剂的多个吸附单元，由混合气体中分离目标气体的装置。此装置具有，使由向所选的某一吸附单元中导入混合气体，使该混合气体中所含的不要气体吸附在吸附剂上，由吸附单元导出目标气体得到浓集的成品气体的吸附工序；使不要气体由吸附剂脱吸的脱吸工序；使用清洗气体，将残留在吸附单元的残留气体由吸附单元排出的清洗工序；和使吸附单元的内部压力上升的升压工序组成的一个循环在各吸附单元中反复进行的结构。各吸附单元具有：具有导出成品气体的成品气体出口的填充有第1吸附剂的第1子单元，具有导入混合气体的混合气体入口的与第1子单元相连并填充有第2吸附剂的第2子单元，以及用于使第1子单元和第2子单元在处于连通状态和处于不连通状态间切换的切换装置。第1吸附剂及第2吸附剂为可吸附同一种不要气体的同一种类的吸附剂。

附图说明

图1为用于实现本发明的目标气体的分离方法的PSA分离装置的概要图。

图2表示含于具有图1所示PSA分离装置的第1和第2吸附单元中的各子单元在各步骤中的状态，以及各步骤中各阀的开闭状态。

图3A～3D表示与本发明的目标气体的分离方法中的步骤1～4相应的气体流动图。

图4A～4D为与图3D所示的步骤4后的步骤5～8相应的气体流动图。

图5为由现有的PSA法实现氢气分离的方法的PSA分离装置的概要图。

图6A～6C为与使用图5所示的PSA分离装置的现有PSA法中的步骤1～3相应的气体流动图。

图7A～7C为与图6C所示的步骤3后的步骤4～6相应的气体流动图。

图8表示具有图5所示的现有PSA分离装置的各吸附塔的各步骤的状态。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行具体说明。

图1是用于实现本发明的目标气体的分离方法的PSA分离装置X的概要图。如图1所示，PSA分离装置X具有第1吸附单元1和第2吸附单元2。第1吸附单元1具有第1子单元1a、第2子单元1b、以及连接它们的配管1c。在第1子单元1a和第2子单元1b中，分别设有第1吸附单元1的成品气体出口1d和混合气体入口1e。在配管1c上，还设有阀8f，用作可选择第1子单元1a和第2子单元1b处于连通状态或不连通状态的选择装置。同样，第2吸附单元2具有第1子单元2a、第2子单元2b、以及连接它们的配管2c。在第1子单元2a和第2子单元2b中，分别设有第2吸附单元2的成品气体出口2d和混合气体入口2e。在配管2c上，还设有阀8g，用作可选择第1子单元2a和第2子单元2b处于连通状态或不连通状态的选择装置。

在各子单元1a、1b、2a、2b中，填充有同一种类的吸附剂。各第1子单元1a、2a的吸附剂的填充体积，为在对应的吸附单元1、2中的吸附剂总填充体积的例如20～80％。

实际应用中的吸附剂是根据混合气体的组成决定的，更具体地，是根据应除去的不要气体种类决定的。例如，使用沸石分子筛(Ca5A型)以吸附一氧化碳气体、氮气等，使用碳分子筛以吸附二氧化碳气体、甲烷等，使用氧化铝以吸附水分。这些吸附剂，既可以单独使用，也可以多种并用。

本说明书中所述的同一种类的吸附剂，不是指必定组成相同的意思，而是指吸附对象或非吸附对象的气体成分为同一种类的吸附剂的意思。例如，作为一氧化碳、氮气等的吸附剂的Ca置换型沸石和Na置换型沸石，在本说明书中即为同一种类的吸附剂。另一方面，在本说明书中，氮吸附用沸石系吸附剂和二氧化碳气体吸附用碳系吸附剂，就不是同一种类的吸附剂。另外，例如在某一子单元中填充沸石系吸附剂，而在另一子单元中填充碳系吸附剂和沸石系共两种吸附剂时，含有通用于同一吸附单元所包含的两子单元中的吸附剂的情况也属于本说明书所述的同一种类的吸附剂的表现方式。

各吸附单元1、2通过混合气体供给用配管4a与混合气体供给部5相连，并通过成品气体回收用配管4b与成品气体回收部6相连，且通过脱吸气体回收用配管4c与脱吸气体回收部7相连。第1吸附单元1与第2吸附单元2，通过连接着设在各第1子单元1a、2a中的成品气体出口1d、2d的升压用配管4d而相互连接。在配管4a～4d中，设有阀8a～8e、8h～8k。

当PSA分离装置X的运转时，设置在配管4a～4d的阀8a～8e、8h～8k、以及设置在配管1c、2c中的阀8f、8g都分别切换到适当的开闭状态。这样，就可调整PSA分离装置X中的气体流动状态以及各吸附单元1、2内的压力。在各吸附单元1、2中，与阀8a～8k的切换状态相应地进行吸附工序、脱吸工序、清洗工序、升压工序这一系列工序。吸附工序在高压下进行，目的在于将不要气体吸附到吸附剂上。脱吸工序在低压下进行，目的在于使不要气体由吸附剂脱吸。在清洗工序中，通过浸轧使残留在单元内的脱吸气体等排出。在升压工序中，提高单元内的压力而为吸附工序做好准备。进行吸附工序的吸附单元1、2内的最高压力为，例如100kPa(表压)以上，优选为400～1000kPa(表压)。进行脱吸工序的吸附单元1、2内的最低压力为，例如大气压的程度。进行清洗工序的吸附单元1、2内的最低压力为，例如大气压以上、50kPa(表压)以下。

在本实施方式中，使用如上结构的PSA分离装置X就可由混合气体中除去不要气体，其结果是，就可形成由混合气体中分离出目标气体的结构。作为目标气体，典型例子可举出氢气，其它的则可举出氮气及氧气等。

以如图2所示的时间安排(步骤)在各吸附单元1、2或各子单元1a、1b、2a、2b中执行各工序。以图2所示的1～8步作为1个循环，反复进行这样的循环。图2表示各步骤中各阀8a～8k的开闭状态。图3A～3D和图4A～4D是对应于步骤1～8的气体流动图。

在第1步中，各阀8a～8k选择如图2所示的开闭状态，从而实现如图3A所示的气体流动状态。在第1吸附单元1中进行吸附工序，在第2吸附单元2中进行脱吸工序。

更具体地说，如图1和图3A所示，在第1吸附单元1中，第1子单元1a与第2子单元1b处于连通状态。第1子单元1a与成品气体回收部6连通。第2子单元1b与混合气体供给部5连通，源自混合气体供给部5的混合气体G1通过混合气体供给用配管4a供给。混合气体G1在第2子单元1b中除去一部分不要气体，经配管1c供给到第1子单元1a。在第1子单元1a中，进一步除去混合气体G1中所含的不要气体，并排出成品气体G2。成品气体G2经配管4b由成品气体回收部6回收。

在第2吸附单元2中，第1子单元2a和第2子单元2b处于非连通状态。第1子单元2a处于关闭状态，没有任何气体的出入。由于第1子单元2a首先进行吸附工序，所以第1子单元2a的内部维持着高压状态。而第2子单元2b与脱吸气体回收部7相通。由于第2子单元2b中首先进行吸附工序，所以其内部是高压，这样通过使其与脱吸气体回收部7处于连通状态，使第2子单元2b的内部减压。利用这种减压，使由吸附剂吸附的不要气体从吸附剂脱吸。脱吸气体的一部分，作为排出气体G3，经配管4c由脱吸气体回收部7回收。

由于第2子单元2b配置在第2吸附单元2中由其它步骤使混合气体G1被导入的一侧，因此，在第2吸附单元2中，大部分不要气体由第2子单元2b的吸附剂吸附。因此，若在第2子单元2b中进行不要气体的脱吸，则作为第2吸附单元2的全体，就能进行大部分不要气体的脱吸。因此，没必要在本工序中积极地进行第1子单元2a的脱吸。事实上，第1子单元2a中的不要气体的脱吸是在此后进行的清洗(浸轧)工序中进行的。

在第2步中，各阀8a～8k选择如图2所示的关闭状态，实现如图3B所示的气体流动状态。在第1吸附单元1中进行吸附工序，在第2吸附单元中进行清洗(浸轧)工序。

更具体地说，如图1和图3B所示，在第1吸附单元1中，进行与第1步的情形同样的吸附工序。在第2吸附单元2中，第1子单元2a和第2子单元2b处于连通状态。第2子单元2b与脱吸气体回收部7连通。由于第1子单元2a一直维持着首先进行的吸附工序中所持的高压状态，而第2子单元2b脱吸工序结束后处于低压状态，所以残留在第1子单元2a内部的气体，被供给到第2子单元2b。随着第1子单元2a的减压，不要气体由第1子单元2a的吸附剂脱吸。此不要气体也被供给到第2子单元2b。由第2子单元2b排出残留在其内部的气体。该排出气体G3经配管4c由脱吸气体回收部7回收。

残留在第1子单元2a的气体，是在首先进行的吸附工序中，由第2子单元2b除去大部分不要气体后得到的。因此，在本工序中，即使由第1子单元2a的吸附剂脱吸的不要气体混在该残留气体中，该残留气体仍具有不要气体浓度低的接近成品气体的组成。因此，即使第1子单元2a的残留气体通过完成了脱吸工序的第2子单元2b，一旦不要气体脱吸后，对于第2子单元2b的吸附剂，不要气体也不会再有更多量的吸附，使残存在第2子单元2b内的脱吸气体排出到外部。这样，就能适当地进行第2子单元2b的清洗。

另外，由于将远离第1子单元2a的成品气体出口2d的部位的残留气体到接近部位的残留气体，按该顺序向第2子单元2b供给，所以被导入第2子单元2b的残留气体使不要气体浓度随时间而减小，其结果为，第2子单元2b内部的不要气体浓度(分压)随时间而减小，从而促进不要气体由第2子单元2b的吸附剂脱吸。这样具有使第2子单元2b中的吸附剂的再生效率提高的优点。

在第3步中，各阀8a～8k选择如图2所示的开闭状态，实现如图3C所示的气体流动状态。在第1吸附单元1进行吸附工序，在第2吸附单元2进行清洗(浸轧)工序。

更具体地说，如图1和图3C所示，在第1吸附单元1中，第1子单元1a与第2子单元2b处于连通状态。第1子单元1a与成品气体回收部6相通，第2子单元1b与混合气体供给部5相通。通过第2子单元1b和第1子单元1a除去了不要气体的成品气体G2由第1子单元1a导出，在这一点上，与第1步和第2步相同。不过，在第3步中，第1子单元1 a还与第2吸附单元2的第1子单元2a相通，从而可将成品气体G2供给到第1子单元2b。

在第2吸附单元2中，第1子单元2a与第2子单元2b处于连通状态。第1子单元2a与第1吸附单元1的第1子单元1a相通，第2子单元2b与脱吸气体回收部7相通。由于第1吸附单元1的第1子单元1a处在进行吸附工序的中部，为高压，同时，第2吸附单元2的第1子单元2a首先放出残留气体而处于低压，所以，源自第1吸附单元1的第1子单元1a的成品气体G2被导入第2吸附单元2的第1子单元2a。该成品气体G2还经配管2c被导入第2子单元2b。

由于第2吸附单元2的第1子单元2a首先进行事实上的脱吸工序，所以内部有可能残存脱吸气体，但即使是这样，利用本步骤中的成品气体G2的导入，也可使脱吸气体由第1子单元2a排出，并被导入第2子单元2b。被导入第2子单元2b的气体，作为排出气体G3由第2子单元2b排出，经配管4c由脱吸气体回收部7回收。此时，即使通过第2步的清洗工序在第2子单元2b内仍残存有脱吸气体，该脱吸气体也将由第2子单元2b排出。

这样就进行了第2吸附单元2的第1和第2子单元2a、2b的内部清洗。由于用于清洗的清洗气体是不要气体浓度低的成品气体G2，所以在该清洗(浸轧)工序中，不需担心不要气体在各子单元2a、2b中发生再吸附。

并且，在第3步的清洗工序之前，由于在第2步也进行了通过源自第1子单元2a的残留气体对第2子单元2b的清洗，所以在第3步的清洗工序中只需少量清洗气体(成品气体G2)就足够了。其结果是，在各子单元2a、2b清洗时，能降低由各子单元2a、2b排出的成品气体量，或者可在不排出成品气体的情况下进行清洗工序。而且，通过在第2步中有效地利用第1子单元2a的残留气体、压力等，就能提高整体的清洗效率，其结果是能更确实地进行吸附剂的再生。

在第4步中，各阀8a～8k选择如图2所示的开闭状态，实现如图3D所示的气体流动状态。在第1吸附单元1中进行吸附工序，在第2吸附单元2中进行升压工序。

更具体地说，是如图1和图3D所示，与第3步的情形同样地，在第1吸附单元1进行由各子单元1a、1b对不要气体的吸附，以及向第2吸附单元2的第1子单元2a供给成品气体G2。

在第2吸附单元2中，第1子单元2a与第2子单元2b处于连通状态。第1子单元2a与第1吸附单元1的第1子单元1a连通。第2子单元2b与混合气体供给部5和脱吸气体回收部7都不连通。由于各子单元2a、2b在脱吸工序和清洗(浸轧)工序结束后呈低压，第2子单元2b只与第1子单元2a连通，因此，通过导入源自第1吸附单元1的成品气体G2，使第1和第2子单元2a、2b的内部压力上升。

在第5步～第8步中，各阀8a～8k选择如图2所示的开闭状态，实现如图4A～图4D所示的气体流动状态。在第1吸附单元1中，第1步～第4步进行与在第2吸附单元2中所进行的同样的工序，同时，在第2吸附单元2中，第1步～第4步进行与在第1吸附单元1中所进行的同样的工序。

更具体地说，对于第1吸附单元1，是在第5步中，如图4A所示，在第2子单元1b中进行不要气体的脱吸。在第6步中，如图4B所示，由第1子单元1a的残留气体对第2子单元1b进行清洗(浸轧)。在第7步中，如图4C所示，由成品气体G2进行第1和第2子单元1a、1b的清洗(浸轧)。在第8步中，如图4D所示，由成品气体G2进行第1和第2子单元1a、1b的升压。

对于在第4步完成升压工序的第2吸附单元2，在第5步～第8步中，如图4A～4D所示，进行吸附工序。在第7步和第8步中，成品气体G2的一部分被供给到第1吸附单元1的第1子单元1a。

通过反复进行上述一系列的第1步～第8步，在第1吸附单元1和第2吸附单元2中，可连续地由混合气体中分离出目标气体，得到目标气体浓集的成品气体。

在本发明中，如果着眼于第1吸附单元1，在吸附工序(第1步～第4步)，由第2子单元1b的混合气体入口1e导入混合气体G1，由第1子单元1a的成品气体出口1d导出成品气体G2。因此，在完成了吸附工序的第1吸附单元1，距成品气体出口1d越近的部位(第1子单元1a)不要气体的浓度越低。另一方面，距混合气体入口1e越近的部位(第2子单元1b)的吸附剂所吸附的不要气体量越多。并且，在脱吸工序(第5步)中，如果只开放第2子单元1b，第2子单元1b内的压力降低，不要气体由吸附剂脱吸，该气体被排出到第2子单元1b的外部。因此，在脱吸工序(第5步)中，第1吸附单元1由整体来看，由于只是不要气体吸附量多的部分被减压，这与一次性地进行第1吸附单元1全体的脱吸的情形相比，能进行高效的脱吸。

在清洗工序(第6步)中，目标气体浓度高的第1子单元1a与内部有一部分由吸附剂脱吸的脱吸气体滞留的第2子单元1b处于连通状态。与第2子单元1b首先完成脱吸工序(第5步)后处于低压相反，第1子单元1a完成吸附工序(第1～4步)后仍保持高压。因此，如果使第1子单元1a和第2子单元1b处于连通状态，则由于它们的压力差，存在于第1子单元1a内部的气体被导入第2子单元1b，滞留在第2子单元1b内的脱吸气体被排出到第2子单元1b的外部。并且，如果将脱吸气体排出到第2子单元1b的外部，将目标气体浓度高的气体导入第2子单元1b内，则第2子单元1b内的不要气体浓度(分压)减小。特别是由于从第1子单元1a，由远离成品气体出口1d侧至其近侧的残留气体被依次供给到第2子单元1b，所以随时间推移，供给到第2子单元1b的清洗气体的不要气体浓度降低，使第2子单元1b内不要气体分压能维持在较小值。结果具有促进在第2子单元1b内的不要气体从吸附剂上脱吸、提高第2子单元1b内的吸附剂的再生效率的优点。

而且，若通过源自第1子单元1a的清洗气体对第2子单元1b进行清洗，则成为以清洗前的第1子单元1a的不要气体浓度分布、即成品气体出口1d附近的浓度分布取代清洗后的第2子单元1b的不要气体浓度分布的状态。其结果是，该清洗工序结束后的第2子单元1b的内部，作为整体，不要气体浓度降低，如果通过只供给源自第1子单元1a的清洗气体完成清洗工序，则即使随后进行升压、吸附工序，混入成品气体中的不要气体量也会减少。在这种情况下，由于清洗前(吸附工序完成后)存在于第1子单元1a的目标气体由第1吸附单元排出的量减少，因此，能享受提高目标气体的产率这样的优点。

与第1吸附单元1一样，第2吸附单元2也能享受以上所叙述的优点。

另外，在本发明中，在吸附工序完成后的第1吸附单元中，继续进行第2子单元1b的脱吸(脱吸工序)和由第1子单元1a向第2子单元1b供给气体(清洗工序)。因此，向完成了脱吸工序的第1吸附单元1供给完成了吸附工序的第2吸附单元2的气体，进行第1吸附单元1的清洗，至少从第2子单元1b的净化观点来看，这不是必须的。其结果是，当构成通过PSA法能连续地得到成品气体的装置时，吸附单元的数目最低两个即可，因此可简化装置结构。在现有的方法中，如图5所示的装置Y，为了用一个吸附单元进行清洗工序的同时还能连续地进行目标气体的分离，就需要经减压的吸附单元，经清洗的吸附单元，用于确保气体分离的连续性以进行吸附工序、从而导出成品气体的吸附单元，合计3个单元。反之，如果如本发明所述，通过吸附单元间的气体移动进行清洗不是必须的，而是通过单一的吸附单元内的气体移动进行清洗，则由执行吸附工序的吸附单元和执行吸附剂的再生的吸附单元，合计两个吸附单元，就可确保气体分离的连续性。这样，如果适本发明的分离方法是适用的，则在可减少吸附单元的数目的同时，还可不需要清洗用配管，从而能减少阀的总数。其结果为简化了装置结构，还能使装置的控制变容易。

本发明能适用于由混合气体得到的各种目标气体，例如氢气、氮气、或者氧气的情形。特别适用于，使用含有作为目标气体的氢气的混合气体的情况，或者由含有作为杂质的二氧化碳气体的混合气体分离目标气体的情况。例如，可适用于，由组成为：氢气60～90体积％，二氧化碳气体(二氧化碳气体)10～40体积％，一氧化碳气体0～5体积％，甲烷气体0～5体积％，水蒸汽0～5体积％的混合气体中分离氢气的场合。

二氧化碳气体易于被各种各样的吸附剂吸附，一旦吸附则很难脱吸。因此，在清洗工序中，如果不能适当地除去二氧化碳气体，则二氧化碳气体以外的不要气体(例如甲烷)被吸附剂吸附的比例减小，氢气的收率降低。因此，本发明能适用于由含有作为不要气体的二氧化碳气体的混合气体中分离氢气的情况。并且，由于氢气是通过对例如甲醇、天然气等的热分解(水蒸汽改性)得到，所以在分离作为目标气体的氢气时，含有作为不要气体的二氧化碳气体多。这样的观点也能适用于本发明由含有二氧化碳气体的混合气体中分离氢气的情况。

在本实施方式中，吸附单元有两个，构成各吸附单元的子单元为2个。但本发明也适用于吸附单元为3个以上的情形，或构成各吸附单元的子单元是3个以上的情形。并且，当排出气体G3的毒性低时，对于PSA分离装置X，也可不另外设置脱吸气体回收部7，而将排出气体G3直接排放到大气中。

实施例

下面，和比较例一起说明本发明的实施例。

[实施例1]

在本实施例中，使用如图1所示的由两个吸附单元1、2构成的、各吸附单元1(2)具有两个子单元1a、1b(2a、2b)的PSA分离装置X。通过该PSA分离装置X，在下述条件下，反复进行由图2所示的第1～8步构成的1个循环，尝试由混合气体中分离氢气。

对于各吸附单元1(2)，在第1子单元1a(2a)中填充有作为吸附剂的沸石分子筛(Ca5A型)(商品名“5A8X12HP”：Union昭和(株)制)0.9升，在第2子单元1b(2b)中填充有作为吸附剂的沸石分子筛(Ca5A型)0.44升、以及碳分子筛(商品名“H₂-D55/2”：カポテツク(株)制)1.66升。作为混合气体，使用组成为氢气77.77体积％，二氧化碳气体(二氧化碳气体)19.62体积％，一氧化碳气体1体积％，氮气0.0008体积％，甲烷1.61体积％的混合气体。混合气体的供给量为851升/小时(标准状态换算)。在吸附工序中的吸附单元内的最高压力为850kPa(表压)，在脱吸工序中的吸附单元内的最低压力为6kPa(表压)。

其结果是，得到的成品气体的流量是503升/小时(标准状态换算)。成品气体的氢气纯度是99.999％。氢气的收率(相对于混合气体中的氢气量所回收的氢气的比例)为76％。

[比较例1]

在本比较例中，使用图4所示的由3个吸附塔1′～3′构成的、各吸附塔1′～3′未分离成多个子单元的PSA分离装置Y。通过该PSA分离装置Y，在下述条件下，反复进行由图8所示的步骤构成的循环，尝试由混合气体中分离氢气。

在各吸附塔1′～3′内，填充有作为吸附剂的沸石分子筛1.34升和碳分子筛1.66升(合计3.0升)。混合气体的供给量与实施例1相同。在吸附工序中的吸附塔1′～3′内的最高压力为850kPa(表压)，在脱吸工序中的吸附塔1′～3′内的最低压力为6kPa(表压)，在减压工序中各吸附塔1′～3′内的最终压力为350kPa(表压)。

其结果是，得到的成品气体的流量为503升/小时(标准状态换算)。成品气体的氢气纯度为99.999％。氢气的收率为76％。

若将实施例1和比较例1进行比较，则所得到的氢气的纯度和收率相同。尽管如此，在实施例1中两个吸附单元1、2的吸附剂的合计量为6升((0.9+2.1)×2)。与此相对，在比较例1中3个吸附塔1′～3′的吸附剂的合计量为9升(3×3)。即，在适用于实施例1的分离方法中，可用较少的吸附剂用量达到与目前同样的结果。

Claims (8)

1.一种目标气体的分离方法，使用填充有吸附剂的多个吸附单元，由混合气体中分离目标气体，其特征在于，

在各吸附单元，反复进行包括以下工序的1个循环：

向所选择的某一吸附单元内导入所述混合气体，由所述吸附剂吸附所述混合气体中所含的不要气体，再由所述吸附单元导出目标气体得到浓集的成品气体的吸附工序；

使所述不要气体由所述吸附剂脱吸的脱吸工序；

使用清洗气体，将残留在所述吸附单元内的残留气体从所述吸附单元排出的清洗工序；

使所述各吸附单元的内部压力上升的升压工序，

所述各吸附单元具有：

具有导出所述成品气体的成品气体出口的、填充有第1吸附剂的第1子单元；具有导入所述混合气体的混合气体入口的、与所述第1子单元相连并填充有第2吸附剂的第2子单元；以及使所述第1子单元与所述第2子单元在连通状态与不连通状态之间切换的切换装置，

通过使所述第1子单元和第2子单元处于非连通状态，同时打开所述第2子单元的所述混合气体入口，进行所述脱吸工序，

所述清洗工序包括：通过使所述第1子单元与第2子单元处于连通状态，将残留在所述第1子单元的第1残留气体作为所述清洗气体导入所述第2子单元，同时，将残留在所述第2子单元的第2残留气体经所述混合气体入口排出的、第2子单元的清洗工序。

2.如权利要求1所述的目标气体的分离方法，其特征在于，所述清洗工序还含有，使进行所述清洗工序的第1吸附单元中的第1子单元与第2子单元呈连通状态，将由进行所述吸附工序的第2吸附单元的第1子单元导出的所述成品气体作为所述清洗气体导入所述第1吸附单元的所述第1子单元，同时，经所述第1吸附单元中的所述第2子单元的所述混合气体的入口，排出残留在所述第1吸附单元中的第1子单元和所述第2子单元中的第3残留气体的连续子单元清洗工序。

3.如权利要求2所述的目标气体的分离方法，其特征在于，在所述连续子单元清洗工序中，所述第1吸附单元中的所述第1子单元的内部最低压力为大气压以上、50kPa(表压)以下。

4.如权利要求1所述的目标气体的分离方法，其特征在于，在所述吸附工序中，所述吸附单元内部的最高压力为100kPa(表压)以上。

5.如权利要求1所述的目标气体的分离方法，其特征在于，所述第1子单元中的所述第1吸附剂的填充体积为，所述吸附单元中所述第1吸附剂与所述第2吸附剂的合计填充体积的20～80％。

6.如权利要求1所述的目标气体的分离方法，其特征在于，所述混合气体中含有作为所述目标气体的氢气。

7.如权利要求1所述的目标气体的分离方法，其特征在于，所述混合气体中含有作为所述不要气体的二氧化碳气体。

8.一种目标气体的分离装置，使用填充有吸附剂的多个吸附单元，由混合气体中分离目标气体，其特征在于，

具有使各吸附单元反复进行包括以下工序的1个循环的结构：

向所选择的某一吸附单元内导入所述混合气体，由所述吸附剂吸附所述混合气体中所含的不要气体，再由所述吸附单元导出目标气体得到浓集的成品气体的吸附工序；

使所述不要气体由所述吸附剂脱吸的脱吸工序；

使用清洗气体，将残留在所述吸附单元内的残留气体从所述吸附单元排出的清洗工序；

使所述各吸附单元的内部压力上升的升压工序，

所述各吸附单元具有：

具有导出所述成品气体的成品气体出口的、填充有第1吸附剂的第1子单元；具有导入所述混合气体的混合气体入口的、与所述第1子单元相连并填充有第2吸附剂的第2子单元；以及使所述第1子单元与所述第2子单元在连通状态与不连通状态之间切换的切换装置，

所述第1吸附剂和所述第2吸附剂为可吸附同一种不要气体的同一种类的吸附剂。

Images