JP2000313605A - 圧力スイング吸着装置におけるオフガス流量制御方法 - Google Patents

圧力スイング吸着装置におけるオフガス流量制御方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】水素精製用3塔式圧力スイング吸着装置におい
て、オフガス貯蔵タンクの内圧変動を抑えるとともに、
該圧力スィング吸着装置の性能低下を防止する。 【解決手段】オフガス貯蔵タンクを有する水素精製用の
3塔式圧力スイング吸着装置において、各吸着塔におけ
るブローダウン工程時のオフガス発生量を可能な限り一
定とするために、オフガス貯蔵タンクの上流側バルブの
開度を段階的に、または直線的に開けて行くことを特徴
とするブローダウン工程時のオフガス流量の制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、オフガス貯蔵タン
クを有する水素精製用の3塔式圧力スイング吸着装置に
おけるブローダウン工程時のオフガス流量の制御方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】水素は不飽和結合への水素添加用、酸水
素炎用その他各種用途に供される基礎原料であり、燃料
電池用の燃料としても利用される。水素の工業的製造方
法としては、水の電解法、石炭やコークスのガス化法、
液体燃料のガス化法、ガス体燃料の変成法、コークス炉
ガスの液化分離法、メタノールやアンモニアの分解法な
ど各種の方法が知られている。
【0003】このうち例えばガス体燃料の変成法は、通
常、天然ガスや都市ガス等の炭化水素ガスの水蒸気改質
により行われる。水蒸気改質法では改質器が用いられ、
炭化水素ガスが接触反応により改質ガスへ変えられる。
触媒としてはNi系、Ru系等の適当な触媒が使用され
る。得られる改質ガスには主成分である水素のほか、C
O、CO2等の副生成分や余剰H2O、また未改質の炭化
水素が含まれている。このため、改質ガスを例えば燃料
電池にそのまま使用したのでは電池性能を阻害してしま
う。
【0004】例えば、燃料電池のうちリン酸型燃料電池
(PAFC)で用いる水素ガス中のCOは1%、固体高
分子型燃料電池(PEFC)では100ppmが限度で
あり、これらを越えると電池性能が著しく劣化する。し
たがって改質ガスは、燃料電池へ導入する前に精製し、
それら副生成分を除去しておく必要がある。また不飽和
結合への水素添加用或いは酸水素炎用の水素は通常ボン
ベに詰めたものが使用されており、その純度は5N以上
が要求されている。
【0005】そのような高純度の水素を得るための水素
精製法の一つとして圧力スイング吸着法(PSA法)が
ある。圧力スイング吸着法では、不純物を吸着剤相に加
圧下で吸着させて分離し、常圧付近まで減圧して吸着不
純物を脱着させる。このうち3塔式圧力スイング吸着法
においては、吸着、減圧、均圧、ブローダウン、パー
ジ、均圧、昇圧等の諸工程が繰り返されるが、ブローダ
ウン工程及びパージ工程ではオフガスが発生する。
【0006】図1は3塔式圧力スイング吸着装置におけ
る各吸着塔の工程フロー及び運転シーケンスの概略を示
す図である。図1中、上部の図は下部の図(表)におけ
るステップ1から3までの工程を示し、また下部の図
(表)には、各工程の進行に伴う各吸着塔における圧力
変化を示している。改質ガス等の水素含有原料ガスはA
塔に供給され、ここでH2O、CO2、CO、CH4 等の
不純物の吸着が行われ、吸着されない水素が精製水素
(製品水素)となる。
【0007】その間、B塔では減圧、均圧、ブローダウ
ン工程が行われ、C塔ではパージ、均圧、昇圧工程が行
われる。このうちC塔におけるパージから昇圧まで工程
は、この段階でのB塔におけるように減圧からブローダ
ウンまでの工程を経た後の工程である。原料ガスの供給
は、A塔において不純物が飽和して破過する前に、自動
的にC塔に切り替えられる。この時点でA塔は減圧、均
圧、ブローダウン工程へ切り替えられ、またB塔はパー
ジ、均圧、昇圧工程へ切り替えられる。以降、これら工
程を順次自動的に繰り返して連続的に操作される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上の工程において、
ブローダウン工程時のオフガスは、加圧下で吸着した不
純物を常圧付近まで減圧して脱着させる工程で発生し、
オフガス導管(オフガスライン)を介してオフガス貯蔵
タンクへ蓄えられる。ところで、従来、オフガス発生工
程ではオフガスラインのバルブ開度を全開、またはある
開度に固定している。しかし、このようにオフガスライ
ンに配置されたバルブ開度を固定しておくと、この工程
の始めから終わりまでの間、圧力差に応じてオフガス発
生量が大きく変化し、オフガス貯蔵タンクの内圧も変化
する。このためタンクのオフガスを水素製造用改質器の
バーナへ供給するとガス流量が変動し、燃焼状態が不安
定となる。
【0009】図2は上記状態を模式的に示した図であ
る。図2(a)のようにオフガスラインに配置されたバ
ルブ開度を固定しておくと、図2(b)のようにオフガ
スがオフガス貯蔵タンクに蓄積され、圧力も大きく変化
する。このようなオフガス貯蔵タンクの圧力上昇は、吸
着塔のブローダウン工程時の圧力上昇をまねき、ひいて
は圧力スィング吸着の性能を低下させる原因となる。ま
たオフガス貯蔵タンクのオフガスを水素製造用の改質器
の燃料として使用すると、タンク内圧の変動によって、
バーナの燃焼状態が不安定となる。
【0010】上記のような問題を回避するためには、オ
フガス貯蔵タンクの内圧変化を可及的に抑制する必要が
あり、このためにはタンク容量を大きくせざるを得な
い。そこで、本発明者等は、吸着塔におけるブローダウ
ン工程時の減圧圧力の上昇を防いで圧力スィング吸着の
性能を低下させず、しかもタンク容量を大きくすること
なく、オフガス貯蔵タンクの圧力変化を可及的に抑制す
る上でのそれら問題点を解決すべく追求、検討した結
果、オフガス貯蔵タンクの上流側のオフガス調整バルブ
の開度を段階的に、もしくは直線的に開けて行くことに
より解決できることを見い出した。
【0011】すなわち、本発明は、圧力スイング吸着装
置において、オフガスラインすなわちオフガス貯蔵タン
クの上流側のオフガス調整バルブの開度を段階的に、も
しくは直線的に開けて行くことにより、オフガス発生量
を可能な限り一定とし、これによりオフガス貯蔵タンク
の圧力変動を抑えることができるブローダウン工程時の
オフガス流量の制御方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、(1)オフガ
ス貯蔵タンクを有する水素精製用の3塔式圧力スイング
吸着装置において、各吸着塔におけるブローダウン工程
時に、オフガス貯蔵タンクの上流側バルブの開度を段階
的に開けて行くことを特徴とするブローダウン工程時の
オフガス流量の制御方法を提供し、また本発明は、
(2)オフガス貯蔵タンクを有する水素精製用の3塔式
圧力スイング吸着装置において、各吸着塔におけるブロ
ーダウン工程時に、オフガス貯蔵タンクの上流側バルブ
の開度を直線的に開けて行くことを特徴とするブローダ
ウン工程時のオフガス流量の制御方法を提供する。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明においては、圧力スイング
吸着装置の操作時において、各吸着塔におけるブローダ
ウン工程時において、各吸着塔に連結されたオフガス貯
蔵タンクの上流側バルブの開度を段階的に開けて行く
か、または直線的に開けて行くようにする。これにより
各吸着塔におけるオフガス発生量を可能な限り一定と
し、吸着塔の減圧圧力の上昇を防ぐことができ、圧力ス
ィング吸着の性能低下を防止できるだけでなく、オフガ
ス貯蔵タンクの圧力変動を抑えることができる。
【0014】図3は本発明においてオフガス貯蔵タンク
の上流側バルブの開度を段階的に開けて行った状態を模
式的に示した図、図4は本発明においてオフガス貯蔵タ
ンクの上流側バルブの開度を直線的に開けて行った状態
を模式的に示した図である。図3(a)、図4(a)の
ようにオフガスラインに配置されたバルブ開度を段階的
に、または直線的に開けて行くと、図3(b)、図4
(b)のようにオフガス貯蔵タンクの内圧変動を小さく
することができる。
【0015】これによって、従来におけるように、バル
ブ開度が固定されている場合に生じる吸着塔でのブロー
ダウン工程時の減圧圧力の上昇を防ぎ、圧力スィング吸
着装置における性能を低下をなくすることができる。ま
た、オフガス貯蔵タンクの内圧変動を少なくできること
により、オフガス貯蔵タンクからのオフガスを圧力変動
を少なくして排出できるため、オフガスを水素製造用改
質器の燃料として使用するに際して改質器バーナの燃焼
状態を悪化させることがない。
【0016】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく
説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないこと
はもちろんである。図5は実施例において使用した装置
の概略を示す図である。本実施例では定常状態となった
時点での操作例を示し、比較例として、弁Y(すなわち
オフガス貯蔵タンクの上流側バルブ)の開度を一定とし
た場合を併せて記載している。
【0017】各吸着塔A、B、Cに混合床として活性
炭、ゼオライトを充填した。原料ガスとして都市ガスを
水蒸気改質する改質器からCO変成器を経て得られる改
質ガスを用いた。改質器は概略バーナを備える加熱部と
改質部からなり、加熱部からの熱(ΔH)が改質部に供
給され、改質部で都市ガスが接触反応により改質ガスへ
変えられる。図中、Tはオフガス貯蔵タンク、Fはバー
ナ燃料ガス導管、Kはバーナ燃焼用空気導管である。な
お、図中CO変成器の記載は省略している。
【0018】原料ガスすなわち改質ガスは、水素を主成
分とし、CO、CH4、CO2、N2などが含まれてお
り、温度は20〜40℃の範囲である。各吸着塔A〜C
における吸着時間は200〜300sec、減圧及びパ
ージ時間は80〜120sec、ブローダウン時間は6
0〜110sec、均圧時間は15〜40secの範囲
とした。また吸着時の圧力は4〜9.9kg/cm2G、
減圧時の圧力は2〜6kg/cm2G、均圧時の圧力は1
〜5kg/cm2G、ブローダウン時の圧力は0〜2kg
/cm2G、昇圧時の圧力は4〜9.9kg/cm2Gの範
囲で実施した。
【0019】《実施例1》(1)A塔での吸着工程、B
塔での減圧工程、C塔でのパージ工程のステップから、
(2)A塔での吸着工程、B塔での均圧工程、C塔での
均圧工程のステップを経た後、(3)A塔での吸着工
程、B塔でのブローダウン工程、C塔での昇圧工程のス
テップを実施した。
【0020】上記(3)のステップにおいては、(2)
のステップの後、同じくA塔での吸着操作を続けなが
ら、弁B4を開から閉に切り替え、弁B5を閉から開へ
切り替えてB塔での均圧工程をブローダウン工程へ切り
替えるとともに、弁W、C4を開から閉に切り替え、弁
W、C3を開としてC塔での均圧工程を精製水素による
昇圧工程へ切り替えた。
【0021】ここで、比較例として、B塔でのブローダ
ウン工程からのオフガスは、弁Yの開度を一定としてオ
フガスタンクへ供給した。このため、B塔でのブローダ
ウン工程における減圧圧力が上昇し、またオフガス貯蔵
タンクのタンク内圧力は図2(b)のように上昇(最大
0.12MPa)した後、下降(最低0.018MP
a)した。この間、オフガス貯蔵タンク中のオフガスを
改質器の燃料として供給したが、改質器におけるバーナ
の燃焼状態を不安定にし悪化させてしまった。
【0022】そこで、本発明により、弁Yの開度を図3
(a)のように段階的に上げて行ったところ、B塔での
ブローダウン工程における減圧圧力の上昇はなく、また
オフガス貯蔵タンクの内圧は図3(b)のようにほぼ一
定値(平均0.023MPa)を保持した。この間、オフ
ガス貯蔵タンク中のオフガスを改質器の燃料として供給
したが、改質器におけるバーナの燃焼状態に変化はなか
った。
【0023】次いで、A塔での吸着操作をC塔での吸着
操作に切り替え、上記(1)〜(3)と同様にして順次操作
し、A塔でのブローダウン時に、弁Yの開度を図3
(a)のように段階的に上げて行ったところ、オフガス
貯蔵タンク中のタンク内圧力は図3(b)のようにほぼ
一定値を維持した。この間、オフガス貯蔵タンク中のオ
フガスを改質器の燃料として供給したが、改質器におけ
るバーナの燃焼状態に変化はなかった。
【0024】さらに、C塔での吸着操作をB塔での吸着
操作に切り替え、上記と同様にしてC塔でのブローダウ
ン時に、弁Yの開度を図3(a)のように段階的に上げ
て行ったところ、上記と同様の結果が得られた。こうし
て各吸着塔でのブローダウン工程時に、各吸着塔の減圧
圧力の上昇を防ぐことができ、オフガス貯蔵タンクの内
圧をほぼ一定値に維持することができた。
【0025】《実施例2》実施例1と同様にして、各吸
着塔でのブローダウン工程時に弁Yの開度を図4(a)
のように直線的に上げて行ったところ、各吸着塔の減圧
圧力の上昇はなく、またオフガス貯蔵タンク中のタンク
内圧力は図4(b)のようにほぼ一定値を維持すること
ができた。この間、オフガス貯蔵タンク中のオフガスを
改質器の燃料として供給したが、改質器におけるバーナ
の燃焼状態に変化はなかった。
【0026】
【発明の効果】本発明のブローダウン工程時のオフガス
流量の制御方法によれば、水素精製用の3塔式圧力スイ
ング吸着装置において、オフガス貯蔵タンクの内圧変動
を抑えるとともに、該圧力スィング吸着装置の性能低下
を防止できる。また、オフガス貯蔵タンクからのオフガ
スを圧力変動を少なくして排出できるため、オフガスを
水素製造用改質器の燃料として使用するに際して改質器
バーナの燃焼状態を悪化させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】3塔式圧力スイング吸着装置における各吸着塔
の工程フロー及び運転シーケンスの概略を示す図。
【図2】従来におけるオフガスラインに配置されたバル
ブ開度とオフガス貯蔵タンクの圧力状態を示す図。
【図3】本発明によるオフガスラインに配置されたバル
ブ開度とオフガス貯蔵タンクの圧力状態を示す図。
【図4】本発明によるオフガスラインに配置されたバル
ブ開度とオフガス貯蔵タンクの圧力状態を示す図。
【図5】実施例において使用した装置の概略を示す図。
【符号の説明】
A〜C 吸着塔 T オフガス貯蔵タンク F バーナ燃料ガス導管 K バーナ燃焼用空気導管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 俊泰 神奈川県横浜市都筑区茅ヶ崎東1ー1 (72)発明者 淵 昌彦 神奈川県横浜市港北区日吉5ー15ー10 (72)発明者 藤木 広志 千葉県市川市市川2ー15ー5ー205 (72)発明者 日下 亮平 神奈川県横浜市青葉区奈良町1670ー25 (72)発明者 鎌倉 幸弘 東京都八王子市小宮町1064ー15 (72)発明者 中村 晴彦 神奈川県横浜市旭区白根4ー28ー1 (72)発明者 宮島 秀樹 神奈川県横浜市鶴見区東寺尾5ー2ー10 Fターム(参考) 4D012 CA07 CB16 CD07 CE01 CF02 CH05 CJ02 4G040 FA02 FB04 FB05 FB06 FC03 FE01 5H027 AA04 AA06 BA01 BA16 MM01

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】オフガス貯蔵タンクを有する水素精製用の
    3塔式圧力スイング吸着装置において、各吸着塔におけ
    るブローダウン工程時に、オフガス貯蔵タンクの上流側
    バルブの開度を段階的に開けて行くことを特徴とするブ
    ローダウン工程時のオフガス流量の制御方法。
  2. 【請求項2】オフガス貯蔵タンクを有する水素精製用の
    3塔式圧力スイング吸着装置において、各吸着塔におけ
    るブローダウン工程時に、オフガス貯蔵タンクの上流側
    バルブの開度を直線的に開けて行くことを特徴とするブ
    ローダウン工程時のオフガス流量の制御方法。
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