JP2001054716A - ガス成分の分離除去または回収する方法および装置 - Google Patents

ガス成分の分離除去または回収する方法および装置

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JP2001054716A JP11233350A JP23335099A JP2001054716A JP 2001054716 A JP2001054716 A JP 2001054716A JP 11233350 A JP11233350 A JP 11233350A JP 23335099 A JP23335099 A JP 23335099A JP 2001054716 A JP2001054716 A JP 2001054716A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 危険性の高いガスを含有する混合ガスを、回
収再利用または分離除去の目的で、危険性の高いガスと
それ以外のガスとに分離する。 【解決手段】 一つの吸着塔の入口に吸着剤に対する親
和性の弱いガス成分Aと、強いガス成分Cとを含む原料
ガス、および/または他の吸着塔より流出するA成分と
C成分の混合ガスを供給し、出口よりA成分またはC成
分の富化画分を抜き出し、これと並行して他の吸着塔に
脱着用ガスDを供給し、A成分とC成分との混合ガスを
抜き出し、循環ラインを介して他の吸着塔入口に導き、
さらに並行して第3の吸着塔に、脱着用ガスD、および
/またはA成分とC成分との混合ガスを供給してA成分
またはC成分の富化画分を抜き出す。以上の各操作とと
もに、A成分とC成分の吸着帯の移動に合わせて原料ガ
ス及び脱着ガスDの供給口、A成分やC成分の抜き出し
口を流れの下流側に吸着塔1塔分ずつ移動させる擬似移
動操作をも行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、三重水素(T)の
ように放射性を有するガス、ダイオキシンのように人体
に極めて強い毒性を示すガス、あるいは水素(H)のよ
うに空気中に漏れでることにより非常に爆発の危険性の
高いガス、そしてまた炭酸ガスやメタンガス、PFCガ
ス等の地球温暖化を促進するため放出を防止せねばなら
ない種々の意味で危険性の高いガスを含有する混合ガス
を、回収再利用または分離除去の目的で、危険性の高い
ガスとそれ以外のガスとに分離する方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来の危険性ガスの分離技術について列
記する:
【0003】・コンパウンドクライオポンプ法 10-7〜10-8Torrの超真空下で液体ヘリウム温度
(−269℃)に冷却した板を2枚用意し、一方の板の
表面には吸着剤を貼付しておく。三重水素を含む水素同
位体とヘリウムの混合ガスを最初に吸着剤を貼付してい
ない板と接触させると水素同位体はヘリウムより沸点が
高いため、この板の上で凝縮する。ヘリウムはこの板を
通過して吸着剤を貼付した板に到達し、吸着剤に吸着さ
れる。この方法は、高真空下で行われるために1気圧付
近でのガス処理に比較して処理ガスの体積が相対的に膨
大となり、其れに伴いガスを吸着させる冷却板の表面積
も格段に大きくしなければならず、吸着装置全体が極め
て大げさな形状になるという欠点がある。
【0004】・圧力スウィング吸着(Pressure
Swing Adsorptionより以降PSAと
略す)による方法 種々の混合ガスを分離する手法として、PSAによる方
法が広く行われている。この方法は、例えば水素の精製
の場合、モレキュラーシーブを吸着剤としてカラムに充
填しておき、水素と、炭酸ガスやメタンガス等の水素よ
り大きな分子構造を有するガスの混合した原料ガスを1
0〜20気圧程度に加圧した状態で吸着塔に供給して水
素を吸着させ、その他のガスを系外へ排出した後に圧力
を下げ、常圧もしくは減圧して水素を脱着させて、高純
度の水素を得る方法で、吸着剤への吸着量が対象成分の
分圧によって変化することを利用している。この方法は
吸脱着の吸着量の差を大きく取るために、吸着工程で高
圧にすることが必要である。このため、系外への漏れに
は非常に注意する必要が有り、高圧にすることで危険性
の増す対象に本来適していない。
【0005】・気体分離膜による方法 水素同位体やヘリウムは、高分子膜等への透過性が非常
に大きいガスであるため、酸素や窒素あるいは炭化水素
等とは透過性の差により分離することができる。しか
し、水素同位体とヘリウムのように、ほぼ同程度の透過
性を有している対象を分離することは困難である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】以上に述べたように従
来の方法は何れも欠点を有していて、外部に漏れると危
険性を有する成分を含有する原料ガスを、危険性ガスの
画分とそれ以外の画分に分離するに適した方法とは、危
険性ガスを完全に分離することのできる高度な分離性能
を有し、装置規模が実現不可能なほどに膨大でなく、分
離操作に高圧であることを必要とせず、しかも大量処理
に向く連続処理が可能な方法であることが望ましい。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の新規な特徴は、外部に漏れると危険性を有
する成分を含有する原料ガスを、危険性ガスの画分とそ
れ以外の画分に分離する方法であって、吸着剤を充填し
た3個以上の吸着塔を用い、この各吸着塔出口とこの系
内の任意の吸着塔入口とを配管で連結した循環ラインを
有する吸着塔群に対し、(1)一つの吸着塔の入口から
吸着剤に対する親和性の弱いガス成分Aと、吸着剤に対
する親和性の強いガス成分Cとを含む原料ガスおよび/
または他の吸着塔より流出するA成分とC成分の混合ガ
スを供給するとともに、この吸着塔の出口よりA成分ま
たはC成分が富化された画分を抜き出し、(2)これと
並行して他の吸着塔入口に原料ガスに含まれるA、Cと
は異なる脱着用ガスDを供給し、この吸着塔出口からA
成分とC成分混合ガスを抜き出し、この混合ガスを循環
ラインを介して他の吸着塔入口に導き、(3)さらに並
行して第3の吸着塔入口より、脱着用ガスDおよび/ま
たはA成分とC成分の混合ガスを供給してこの吸着塔出
口からA成分またはC成分の富化された画分を抜き出
す。以上3つの吸着塔の各操作とともに、C成分とA成
分の吸着帯の移動にあわせて原料ガス及び脱着ガスDの
供給口、A成分やC成分の抜き出し口を流れの下流側に
吸着塔1塔分ずつ移動させる吸着剤の擬似移動操作をも
適宜行うことを特徴とする擬似移動層による特定なガス
成分の分離方法である。吸着塔に原料ガスを供給した際
に吸着塔からA成分、C成分が分離して回収できるの
は、吸着塔中で、吸着剤に対する親和力の小さいA成分
は速く移動し、親和力の大きいC成分は遅く移動するた
めに、A成分とC成分の塔から出て来る時間がずれるか
らである。
【0008】この方法は分離対象ガスによって様々な条
件を付け加えて実施することが可能である。例えば、系
外に漏れる事が許されないガスを分離する場合、系内の
圧力が大気圧以下で行う条件を付け加えることができ
る。
【0009】この場合、各区画からのガスの排出を真空
ポンプによって行うことができる。
【0010】また、ある吸着塔から流出した混合ガスを
他の吸着塔に供給するとき、流量と圧力を制御すること
により循環ラインにポンプを設置しない運転方法をとる
ことができる。
【0011】そして、この方法の大きな特徴であるが、
成分Aまたは成分Cのうちどちらかの成分の抜き出しを
行わないで、系内に対象とする成分を溜め込む運転を暫
く行った後、系内のガス組成と原料ガスの組成を大きく
変化させた後に抜き出す、濃縮運転操作を行うこともで
きる。
【0012】
【実施例】次に本発明を実施例により更に具体的に説明
するが、本発明はその要旨を逸脱しない限り以下の実施
例に限定されるものでないことは当然である。図1は本
発明の方法を実施するための擬似移動層式分離装置の構
成概要の1例を示したものである。図1において、1〜
4は各々同一の吸着剤が充填された吸着塔であり、各吸
着塔1〜4の出口には、混合ガスの抜き出し弁1b〜4
bを介して配管13Bが連結されており、この配管は原
料ガス配管13fに繋がっている。配管13Bには、真
空ポンプ14Bが設置されているが、このポンプは運転
条件を工夫することにより取り外すことができる。原料
ガス配管13fは、吸着塔1〜4のそれぞれの入口に、
原料ガス入口弁1f〜4fを介して連結されている。
【0013】また脱着用ガス配管13Dも、吸着塔1〜
4のそれぞれの入口に、供給弁1D〜4Dを介して連結
されている。また吸着塔1〜4の出口側には、A画分の
抜き出し弁1a〜4aのそれぞれを介してA成分ガスの
抜き出し配管13Aが、またC画分の抜き出し弁1c〜
4cを介してC画分の抜き出し配管13Cが、連結され
ている。そして13A及び13Cのそれぞれの配管中
に、ガスを抜き出すための真空ポンプ14A及び14C
が設置されており、この真空ポンプのそれぞれは、図示
しない制御装置により流量が制御されている。また原料
ガスの供給弁1f〜4f、脱着ガスの供給弁1D〜4D
および各ガスの抜き出し弁1a〜4a、1b〜4b、1
c〜4cは、図示しない制御装置によってその開閉が適
宜に切換えられるようになっている。図1の装置の操作
について、図3のタイムスケジュールの工程1−1〜1
−4を例として説明すると、次のとおりである。 (1)一つの吸着塔1に、供給弁1Dを通して脱着用ガ
スDを供給しながら、その供給弁1fを通して、吸着剤
に対する親和性の弱いガス成分Aと吸着剤に対する親和
性の強いガス成分Cとを含む原料ガスを、原料ガス配管
13fから供給する。更にこの吸着塔1に、第3の吸着
塔3の抜き出し弁3b及び/または第4の吸着塔4の抜
き出し弁4bから流出するA成分とC成分の混合ガス
を、循環配管13Bを介して供給する。そして、吸着塔
1の抜き出し弁1aから、A成分が富化された画分を抜
き出し、配管13Aを介して真空ポンプ14Aにより回
収するか、または吸着塔1の抜き出し弁1cから、C成
分が富化された画分を抜き出し配管13Cを介して真空
ポンプ14Cにより回収する。 (2)これと並行して、第2の吸着塔2に、供給弁2D
から原料ガスに含まれるA成分、C成分とは異なる脱着
用ガスDを、脱着用ガス配管13Dを介して供給する。
そしてこの吸着塔2の抜き出し弁2cからC成分が富化
された画分を抜き出し、配管13Cを介して真空ポンプ
14Cにより回収する。 (3)さらに並行して第3の吸着塔3に、供給弁3Dを
通して脱着用ガスDを供給し、この吸着塔3の抜き出し
弁3bからA成分とC成分の混合ガスを抜き出し、この
混合ガスを循環配管13B及び供給弁1fを介して吸着
塔1に導入するか、または抜き出し弁3cからC成分の
富化されたC画分を抜き出し、配管13Cを介して真空
ポンプ14Cにより回収する。 (4) さらに並行して第4の吸着塔4に供給弁4Dを
通して脱着用ガスDを供給し、この吸着塔4の抜き出し
弁4aからA成分の富化されたA画分を抜き出すか、ま
たは抜き出し弁4aからA成分とC成分の混合ガスを抜
き出し、この混合ガスを循環配管13B及び供給弁1f
を介して吸着塔1に導入する。 このようにして、4つの吸着塔の各操作とともに、A成
分とC成分の吸着帯の移動に合わせて原料ガス及び脱着
ガスの供給口、A成分、C成分及び混合ガスの抜き出し
口を吸着塔1塔分ずつ次の塔に移動させる移動操作を行
う。なお、(1)における脱着用ガスDの供給は希釈な
どの必要に応じて行えば良く、必要のない場合はDの供
給は停止していてよい。また、各吸着塔から抜き出され
た混合ガスの供給は原料ガスの供給を一時停止しても行
っても良い。
【0014】図2には「特開平9−239227号公
報」に記載の発明を実施するための擬似移動層式分離装
置の構成概要の1例を本発明との比較の為に示した。図
2において、1〜4は各々同一の吸着剤が充填された吸
着塔であり、各吸着塔1〜4の間は、それぞれ遮断弁5
〜7を有する配管9〜11により流体が流通も遮断も可
能に連結されていると共に、最後段の吸着塔4の後端は
最前段の吸着塔1の前端に遮断弁8を有する配管12を
介して連結されている。また吸着塔間の連結配管に設け
られた遮断弁5〜8は図示しない制御装置によって開閉
制御される。
【0015】吸着塔1〜4の入口側に連結された配管1
2と、9〜11には、吸着剤に対する親和性の弱いガス
成分Aと吸着剤に対する親和性の強いガス成分Bとを含
む原料ガスの供給弁1f〜4fのそれぞれを介して原料
ガスの供給配管13fが、また脱着用ガスの供給弁1D
〜4Dのそれぞれを介して脱着用ガスの供給配管13D
が連結されている。また吸着塔1〜4の出口側に連結さ
れている配管9〜12には、A画分の抜き出し弁1a〜
4aのそれぞれを介してA成分ガスの抜き出し配管13
Aが、またB画分の抜き出し弁1c〜4cを介してB画
分の抜き出し配管13C、さらにA成分とB成分の混合
ガスの抜き出し弁1b〜4bを介してこのガスの循環配
管13Bが接続されている。そして13A〜13Cのそ
れぞれの配管中に、ガスを抜き出すための真空ポンプ1
4A〜14Cが設置されており、この真空ポンプのそれ
ぞれは、図示しない制御装置により流量が制御されてい
る。また原料ガスの供給弁1f〜4fと脱着ガスの供給
弁1D〜4Dおよび各ガスの抜き出し弁1a〜4a、1
b〜4b、1c〜4cは、図示しない制御装置によって
その開閉が適宜に切換えられるようになっている。
【0016】図1と図2を比べれば明らかなように、図
1は、図2にある9〜12の各吸着塔間を繋ぐ接続配管
とその配管中に設置される遮断弁5〜8が無く極めて簡
略化された装置である。図1は、本発明の方法を実施す
るために設けられた分離装置の構成概要の1例であっ
て、図1に記載の装置に代えて、図4のように吸着塔の
数やこれに応じて供給弁、抜き出し弁の数を分離の目的
となる純度や回収率によって変化させることができるこ
とはいうまでもない。又、本発明の図4の装置の操作に
ついて、図5のタイムスケジュールの工程1−1〜1−
4を例として説明すると、次のとおりである。 (1)一つの吸着塔1に、供給弁1Dを通して脱着用ガ
スDを供給しながら、その供給弁1fを通して、吸着剤
に対する親和性の弱いガス成分Aと吸着剤に対する親和
性の強いガス成分Cとを含む原料ガスを、原料ガス配管
13fから供給する。更にこの吸着塔1に、第3の吸着
塔3の抜き出し弁3bから流出するA成分とC成分の混
合ガスを、循環配管13Bを介して供給する。そして、
吸着塔1の抜き出し弁1aから、A成分が富化された画
分を抜き出し、配管13Aを介して真空ポンプ14Aに
より回収するか、または吸着塔1の抜き出し弁1cか
ら、C成分が富化された画分を抜き出し配管13Cを介
して真空ポンプ14Cにより回収する。 (2)これと並行して、第2の吸着塔2に、供給弁2D
から原料ガスに含まれるA成分、C成分とは異なる脱着
用ガスDを、脱着用ガス配管13Dを介して供給する。
そしてこの吸着塔2の抜き出し弁2cからC成分が富化
された画分を抜き出し、配管13Cを介して真空ポンプ
14Cにより回収する。 (3)さらに並行して第3の吸着塔3に、供給弁3Dを
通して脱着用ガスDを供給し、この吸着塔3の抜き出し
弁3bからA成分とC成分の混合ガスを抜き出し、この
混合ガスを循環配管13B及び供給弁1fを介して吸着
塔1に導入するか、または抜き出し弁3cからC成分の
富化されたC画分を抜き出し、配管13Cを介して真空
ポンプ14Cにより回収する。このようにして、3つの
吸着塔の各操作とともに、A成分とC成分の吸着帯の移
動に合わせて原料ガス及び脱着ガスの供給口、A成分、
C成分及び混合ガスの抜き出し口を吸着塔1塔分ずつ次
の塔に移動させる移動操作を行う。 (第1実施例)図1に記載の装置を用いて、表1に記載
の原料ガスを図3のタイムスケジュールに記載の工程を
繰り返し行うことによって分離し、表2に記載の処理ガ
スを得た。図1に示した装置は、吸着剤としてモレキュ
ラーシーブ5Aを使用し、脱着用ガスとしてアルゴン
(Ar)を使用した。本発明の分離例においては、ヘリ
ウム(He)が吸着剤に対して親和力の弱いA成分であ
り、水素(H2)が吸着剤に対して親和力の強いC成分
である。4本の吸着塔はそれぞれ内径20mm、充填層
長3000mmで、吸着剤を合計3768ml充填し、
分離操作を繰り返し行った。本発明の方法により、水素
とヘリウムの分離を従来の方法より極めて簡易で、しか
も高度の分離性能で達成することができた。
【表1】
【表2】
【0017】(第2実施例)図4に記載の装置を用い
て、表3に記載の原料ガスを図5のタイムスケジュール
に記載の工程を繰り返し行うことによって分離し、表4
に記載の処理ガスを得た。図1に示した装置は、吸着剤
としてモレキュラーシーブ5Aを使用し、脱着用ガスと
してアルゴン(Ar)を使用した。本分離例において
は、ヘリウム(He)が吸着剤に対して親和力の弱いA
成分であり、重水素(D2)が吸着剤に対して親和力の
強いC成分である。3本の吸着塔はそれぞれ内径20m
m、充填層高3000mmで、吸着剤を合計2826m
l充填し、分離操作を繰り返し行った。本発明の方法に
より、重水素とヘリウムの分離を従来の方法より極めて
簡易で、しかも高度な性能で達成することができた。
【表3】
【表4】
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、危険性の高いガスの分
離を吸着剤の利用効率の良い擬似移動層式分離装置で連
続的に行うことができるため、分離装置を小型化でき、
大量処理の用途に用いても装置の設備費の低減化を達成
することができる。本発明の別なる効果は、分離性能が
極めて高いため、完全分離の用途に用いることができ、
吸着工程で圧力を高くする必要がないことである。この
ため極めて危険性の高いガスを分離する場合でも、系内
の圧力を大気圧以下に保ったままで分離操作が行えるた
め、安全性の高い分離方法になることである。本発明の
他の効果は、擬似移動層方式の装置の特性で脱着用ガス
の使用量を少なくできることである。このために分離対
象成分が脱着用ガスによって希釈される程度が極めて軽
微となることである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例を示した構成概要図であ
る。
【図2】 本発明の先願の一実施例を示した構成概要図
である。
【図3】 本発明による水素(H2)とヘリウム(H
e)の分離のためのタイムスケジュールである。
【図4】 本発明の一実施例を示した構成概要図であ
る。
【図5】 本発明による重水素(D2)とヘリウム(H
e)の分離のためのタイムスケジュールである。
【符号の説明】
1 吸着塔 2 吸着塔 3 吸着塔 4 吸着塔 1a 抜き出し弁 2a 抜き出し弁 3a 抜き出し弁 4a 抜き出し弁 1b 抜き出し弁 2b 抜き出し弁 3b 抜き出し弁 4b 抜き出し弁 1c 抜き出し弁 2c 抜き出し弁 3c 抜き出し弁 4c 抜き出し弁 1f 供給弁 2f 供給弁 3f 供給弁 4f 供給弁 5 遮断弁 6 遮断弁 7 遮断弁 8 遮断弁 9 配管 10 配管 11 配管 12 配管 13A 抜き出し配管 13B 循環配管 13C 抜き出し配管 13f 供給配管 14A 真空ポンプ 14B 真空ポンプ 14C 真空ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹澤 貞光 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の1 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 増田 隆之 東京都江東区新砂1丁目2番8号 オルガ ノ株式会社内 Fターム(参考) 4D012 CA14 CB16 CB18 CD03 CD07 CE01 CE03 CF02 CF03 CF04 CF05 CG01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外部に漏れると危険性を有する成分を含
    有する原料ガスを、危険性ガスの画分とそれ以外の画分
    に分離する方法であって、吸着剤を充填した3個以上の
    吸着塔を用い、この各吸着塔出口とこの系内の任意の吸
    着塔入口とを配管で連結した循環ラインを有する吸着塔
    群に対し、 (1)一つの吸着塔の入口から吸着剤に対する親和性の
    弱いガス成分Aと、吸着剤に対する親和性の強いガス成
    分Cとを含む原料ガス、および/または他の吸着塔より
    流出するA成分とC成分の混合ガスを供給するととも
    に、この吸着塔の出口よりA成分またはC成分が富化さ
    れた画分を抜き出し、 (2)これと並行して他の吸着塔入口に原料ガスに含ま
    れるA、Cとは異なる脱着用ガスDを供給し、この吸着
    塔出口からA成分とC成分との混合ガスを抜き出し、こ
    の混合ガスを循環ラインを介して他の吸着塔入口に導
    き、 (3)さらに並行して第3の吸着塔入口より、脱着用ガ
    スD、および/またはA成分とC成分との混合ガスを供
    給してこの吸着塔出口からA成分またはC成分の富化さ
    れた画分を抜き出す 以上3つの吸着塔の各操作とともに、C成分とA成分の
    吸着帯の移動に合わせて原料ガス及び脱着ガスDの供給
    口、A成分やC成分の抜き出し口を流れの下流側に吸着
    塔1塔分ずつ移動させる吸着剤の擬似移動操作をも適宜
    行うことを特徴とする擬似移動層による特定なガス成分
    の分離方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、系内の圧力が大気圧
    以下であることを特徴とする特定なガス成分の分離方
    法。
  3. 【請求項3】 請求項1〜2において、第1及び第3の
    各区画からのガスの排出が真空ポンプによって行なわれ
    ることを特徴とする特定なガス成分の分離方法。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3において、循環ライン中に
    ポンプを設置しないことを特徴とするガス成分の分離方
    法。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4において、成分Aまたは成
    分Cのうちどちらかの成分の抜き出しを行わない工程を
    有することを特徴とするガス成分の分離方法。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至5に記載のいずれかの方法
    を行う装置において、吸着剤が充填された3個以上の吸
    着塔を設け、各吸着塔の出口に混合ガスの抜き出し弁を
    介して循環配管を連結し、この配管を任意の吸着塔入口
    に入口弁を介して連結し、原料ガス配管を吸着塔のそれ
    ぞれの入口に原料ガス入口弁を介して連結し、脱着用ガ
    ス配管を吸着塔のそれぞれの入口に脱着ガス供給弁を介
    して連結し、吸着塔のそれぞれの出口側に、A画分の抜
    き出し弁のそれぞれを介してA成分ガスの抜き出し配管
    を連結し、C画分の抜き出し弁のそれぞれを介してC画
    分の抜き出し配管を連結し、A画分及びC画分のそれぞ
    れの配管中にガスを抜き出すための真空ポンプを配置
    し、この真空ポンプのそれぞれを制御装置により流量制
    御を行い、原料ガスの供給弁と脱着ガスの供給弁および
    各ガスの抜き出し弁を制御装置によってその開閉が適宜
    に切替ることを特徴とするガス分離装置。
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