JP2006239692A - 圧力スゥイング吸着プロセス及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低い吸着圧力と、床間相互作用を生じない吸着技法を使用して、所定の、実質的に一定の生成物純度、即ち、変動範囲がプラスマイナス１０％である所望の生成物純度での、ＣＯ２のような重量成分を多成分ガス混合物から回収するための改良ＰＳＡ法及び装置を提供することである。
【解決手段】 送給物ガスが吸着体４の入口端４Ａに提供され、吸着体の出口端４Ｂからの軽量成分の排出物が圧力タンク６に収集され、引き続き、再加圧ガスとして再使用され、吸着体の出口端４Ｂからの並流のブローダウンガスが真空タンク９に収集され、引き続き、パージガスとして再使用され、真空ポンプ１１の排気側からライン１２を通して重量成分富化された生成物が回収される。
【選択図】図１

Description

本発明は多成分ガス混合物内の、より強く吸着されたガス成分を回収するための改良圧力スゥイング吸着方法及び装置に関し、詳しくは、窒素、酸素、水素、メタン、一酸化炭素のような、より弱く吸着された成分を含む流れから二酸化炭素を回収するための方法及び装置に関する。

高純度液体二酸化炭素（９９．９９＋％）は、一般に、９５％を越える二酸化炭素（ＣＯ２とも表記する）を含有するガス流れを直接液化することによって生成される。こうした高濃度の供給源は、アンモニア合成のような化学プロセスからの副産物流れとして直接入手することができる。その結果、二酸化炭素液化プラントの場所は、伝統的に、そうした供給源の位置及び入手性に基づいて決められていた。
二酸化炭素の顧客の多くは９９．９９＋％純度の液化ＣＯ２を必要としない。ｐＨ制御及び炭酸塩製造の如き用途は純度範囲が８０〜９０％のガス状ＣＯ２を使用して有効に作動させることができる。低純度のガス状ＣＯ２を必要とする現場では、入手可能な低濃度ＣＯ２供給源、即ち、代表的には２０％未満である代替ＣＯ２の供給源をしばしば有している。結局、低等級供給源、例えばボイラーからの煙道ガスその他の燃焼性供給源から、現場で経済的にＣＯ２を製造可能とする新規な技術に対する可能性がある。

低濃度及び中間濃度の供給源からＣＯ２を回収するための様々な方法が知られている。多成分ガス流れからのＣＯ２を液体吸着材中に化学的に吸着させ、これを加熱して溶液からＣＯ２を抜き取る方法が、９９＋％純度でのガス状ＣＯ２を回収するために使用される。様々な液体アミン、あるいは炭酸カリウムを吸着媒体として使用することができる。こうした方法の主な欠点は、吸着材を熱的に再生するために相当なエネルギーを要すること及び、多成分ガス流れ中に中庸量の酸素が生じた場合に吸着材の容量が減少することである。
膜分離法もＣＯ２回収のために使用可能であるが、膜分離法ではＣＯ２のための中庸の透過性を実現するための高い送給圧力がしばしば要求される。煙道ガスのような低濃度供給源から高純度のＣＯ２を製造するためには、高価な多段膜プロセスが必要となる。

圧力スゥイング吸着分離法（ＰＳＡ法とも称する）は、ＣＯ２回収のためのその他の方法と比較して大きな利益をもたらすことが見込まれる。かくして、ＰＳＡ法は、特に、移送コストが高くなる、あるいはＣＯ２液化のための魅力的な原材料を入手することができないような場合に、より伝統的なＣＯ２液化法及び液体ＣＯ２移送法と比較して、ＣＯ２の集中コスト及び供給コストを引き下げる可能性がある。ＰＳＡ法の主要な利点には、様々な純度でのＣＯ２製造に対する融通性もある。吸着及び脱着の各圧力を、その他のプロセスパラメータと共に、特定用途のために所望される最小の生成物純度を生じるように調節することができる。これにより、高純度生成物を必要としない場合の電力要件を減少することが出来るようになる。液体吸着法の場合、電力消費量を同様に低下させるのは困難である。なぜなら、吸着材を熱的に除去すると生成物純度は常に９９＋％となるからである。ＰＳＡ法では、吸着法が必要とするような、再生のためのためのスチームのような高温のエネルギー源を必要としない。その結果、ＰＳＡ法は、立地上、スチームを入手できないかあるいは高コストである場合には魅力的な代替法である。一般に、吸着分離法は信頼性があり、特に、ガス相の純度が９９＋％を上回る必要がない場合において、ＣＯ２回収のための融通性があり且つ低コスト化をもたらし得る方法である。

煙道ガス、石灰窯排ガス、水素プラントテールガスその他の供給源からＣＯ２を製造する場合、単数あるいは複数の一次吸着材の機能は、ＣＯ２を選択的に吸収しつつ、それよりも軽い成分を通過させることである。典型的には、ＣＯ２よりも強く吸着される水が出現し得るものの、そうした水は吸着材の前処理層内で有効に除去され得る。従って、ＰＳＡ法を使用してＣＯ２を製造する際には、重量成分を回収するための有効な方法、つまり、多成分混合物中に強く吸着された成分を回収するための有効な方法が必要となる。

低濃度供給源からＣＯ２を製造する方法を含む、重量成分を回収するための数多くのＰＳＡ法が従来から説明されている。例えば、米国特許第４，５９９，０９４号、第４，７２３，９６６号、第４，８１０，２５６号、第４，８４０，６４７号、第４，８９２，５６５号、第４，９６３，３３９号、第５，０２６，４０６号、第５，０３２，１５０号、第５，２４８，３２２号、第５，３５４，３４６号、第５，３７０，７２８号、第５，４１５，６８３号、第５，６６９，９６０号を参照されたい。重量成分を回収するための最も一般的な用途は、ゼオライト吸着材を使用する窒素（Ｎ２とも表記する）／酸素（Ｏ２とも表記する）分離法、ゼオライト、活性炭、シリカゲルその他の吸着材を使用する、ＣＯ２／Ｎ２、ＣＯ２／メタン（ＣＨ４とも表記する）、ＣＯ２／水素（Ｈ２とも表記する）の各分離法である。従来法は、代表的には、送給物を圧縮して吸着圧力を高圧化し、排気することにより重量成分生成物を回収し、回収した重量成分を洗浄することに依存している。従来法では、代表的には、多重床を使用することで設備の連続利用を確保し、サージタンクを使用することで生成物の流れ及び純度上の変動を抑制する。重量成分回収法のための、あるいは、軽量成分回収法を重量成分回収法と組み合わせた従来法を、３つの一般的な部類、即ち、通常サイクルと、逆サイクルと、還流サイクルと、に分けることができる。通常サイクルでは吸着は高圧下に生じ、パージ及び重量成分生成物のパージ及び回収は低圧下に実施される。逆サイクルでは吸着は低圧下に生じ、パージが高圧下に実施される。還流サイクルでの吸着体には、通常床部分と、逆転床部分とが含まれ、軽量及び重量の各成分はこれらの床の間部分を還流される。

還流サイクルの利益は、軽量及び重量の各成分の生成物を高純度且つ高回収率下に回収することができる点である。しかしながら、この方法はエネルギー集約的であり、しかも、軽量成分を回収したくない場合には魅力がない。逆サイクルは高純度下に重量成分生成物を回収するために使用することができるものの、所要電力消費量は相当なものとなる。通常サイクルは電力消費量こそ少ないものの、重量成分生成物の純度はサイクル中に変動する。逆サイクルには、水その他の重い成分を、送給物が主たる吸着容器に入る前に分離容器内に除去する必要があるという欠点もある。従来のＰＳＡ法の各サイクルは斯界に良く知られている。基本サイクルの第１段階は吸着であり、多成分の送給ガスが高い吸着圧力下に吸着体に通される。この第１段階中、より選択的に吸着された成分が吸着材に保持され、一方、ガス相は、より弱く選択的に吸着された成分で富化される。代表的には、吸着段階は、物質移動前面が吸着体出口に達する以前に終了される。吸着段階後、吸着体が向流でのブローダウン及びあるいは排気を介して減圧される。圧力が減少するに従い、ガス相は重量成分富化される。減圧段階中に発生するガスの少なくとも一部分が重量成分生成物として取り出される。減圧段階後、吸着体が吸着圧力に再加圧され、サイクルが反復される。基本サイクルは、吸着段階及び減圧段階の間に重量成分生成物を使用して床を洗浄する段階を含むように改変することができる。これにより、吸着体から非吸着ガスの一部分が押し退けられ、重量成分生成物の回収量が増大する。基本サイクルには、サイクルを反復する以前に吸着材を一段と再生させるための、中間圧力あるいは低圧力下でのパージも含まれ得る。

ガス状ＣＯ２のための、考え得る現場用途の多くは比較的小規模、例えば、１日当たりのＣＯ２含有生成物量が３０トン未満のものである。日産量が１〜５トンの現場ＣＯ２プラントもあり得る。こうした小規模プラントが、プロセスを、簡単で、信頼性があり、プロセスフローシートの複雑化が最小化され、かくして、資本コストが最小化されることを必要化する。プラント規模が小さくなるに従い、比較的中庸の資本支出及び固定費でさえも製造単価をかなり増大させ得る。４つ以上の床及び関連する弁を使用する従来法に関する資本コスト上のペナルティはプラント規模が非常に小さい場合には著しいものとなる。高価なサージタンクを使用して生成物純度の変動を押さえるとプロセスに余分なコスト上乗せされる。多くの従来法においてそうであるように、高圧力下での吸着が、大量の軽量（廃棄）成分の圧縮を必要化し、それが、希釈ガス混合物、例えば、６〜１０％のＣＯ２を含有する燃焼煙道ガスからのＣＯ２回収に際しての特定のエネルギー経費を追加する。つまり、結局は廃棄物として廃棄される煙道ガスの９０％を圧縮するエネルギーが消費される。

ＣＯ２のための代表的な従来法は、ゼオライト１３ＸあるいはＢＰＬ活性炭といった吸着材に依存する。煙道ガスのような低濃度供給源からＣＯ２を回収するためにゼオライト１３Ｘのような比較的強力な吸着材を使用する利点は、送給物内のＣＯ２分圧が低い場合でさえも、ＣＯ２のための相当な容量が確保されるということである。またその欠点は、再生のために非常に低い圧力が必要となることである。ＢＰＬ活性炭はＣＯ２に対する吸着力がずっと弱く、従って、脱着条件はそのように厳しくはない。しかしながら、ＢＰＬ活性炭は、ＣＯ２との相互作用が弱くしかも非特異的であることにより、煙道ガスのような低濃度供給源に対してはその実用性は低い。煙道ガス送給条件下において、ＢＰＬ活性炭におけるＮ２及びＣＯ２の平衡負荷はほぼ同一であり、吸着選択性は結局低下してしまう。この分離効率の低さが、プロセス上達成し得る純度及び回収量を厳しく制限する。

解決しようとする課題は、低い吸着圧力と、床間相互作用を生じない吸着技法を使用して、所定の、実質的に一定の生成物純度、即ち、変動範囲がプラスマイナス１０％である所望の生成物純度での、ＣＯ２のような重量成分を多成分ガス混合物から回収するための改良ＰＳＡ法及び装置を提供することである。
解決しようとする他の課題は、資本コスト及び運転コストが、従来の、特に小規模用途のための従来技法よりも少ないそうした方法及び装置を提供することである。
解決しようとする更に他の課題は、特定の断熱的分離係数及び動的ＣＯ２負荷特性を有するゼオライトを内部の吸着材として使用することにより、多成分ガス混合物からＣＯ２を回収するための改良ＰＳＡ法を提供することである。

本発明に従えば、多成分ガス混合物から重量ガス成分、例えば、ＣＯ２を回収するための圧力スゥイング吸着法（ＰＳＡ法）が提供される。
本方法には、
（１）多成分ガス混合物を、所望の運転条件（即ち、所定の吸着温度及び吸着圧力）下に維持された少なくとも１つの吸着体の入口及びこの吸着体を貫いて送給し、ガス混合物の重量成分を吸着体内の吸着材（吸着床あるいは床とも称する）上に吸着させ、ガス混合物の軽量成分富化された単数あるいは複数の排出物を吸着体出口から除去し、軽量成分富化された排出物の少なくとも１部分を、吸着体出口と連通する圧力帯域内に維持すること、

（２）軽量成分富化された排出物の一部分を、吸着圧力未満の圧力に維持され且つ同時に吸着体と連通する真空帯域中に吸着体出口を通して並流的にブローダウンガスとして通し、脱着されたガスを、吸着体入口を通して、向流的排気によって吸着体から除去し、それにより、吸着体をその出口から並流的に減圧すると同時にその入口から向流的に減圧し、かくして、向流での排気流れ中の重量成分生成物の濃度を実質的に増大させることなく、吸着体入口からボイドスペースガスを除去すること、
（３）吸着体出口を通しての軽量成分富化された排出物のブローダウン流れを停止させる一方で、吸着体入口を通しての向流的な排気を継続し、それにより、吸着体をその内部圧力が真空帯域における圧力未満となるまで減圧し、前記並流的な排出流れ中における重量成分の濃度が所定濃度に達するまで重量成分の脱着を継続させること、

（４）真空帯域から床出口に流れるブローダウンガスの流れを、パージガスとして吸着体を向流的に通過させ、同時に、吸着体入口からの向流的排気を継続し、それにより、生成物流れを重量ガス成分富化し及び回収し、前記重量ガス成分が、パージガス流れを、生成物排出物の圧力及び純度が初期において一定に維持され、次いで、生成物排出物流れにおける一定純度を維持するための減圧段階が誘起されるように制御することにより、所定の一定純度下に生成されるようにすること、
（５）仮に、真空帯域から排出される全てのブローダウンガスの流れを段階（４）におけるパージガスとして使用しない場合、随意的に、吸着体の入口からの流れを停止させ、残留するブローダウンガスを吸着体の出口内に通し、それにより、真空帯域内及び吸着体の圧力を等化し且つ部分的に吸着体を再加圧すること、

（６）軽量成分富化された排出物の一部分を吸着体の出口に通し、それにより、吸着体を部分的に再加圧すること、
（７）多成分ガス混合物の追加部分を吸着体の入口に通し、それにより、吸着体をその吸着圧力に再加圧すること、
（８）以上の各段階を反復し、一定純度の、重量成分を含有する生成物流れを生成すること、

本発明のＰＳＡ法及び装置は、約６０％までのＣＯ２を含有するガス流れ、例えば、より弱く吸着された軽量成分、例えば窒素、酸素、水素、メタン及びあるいは一酸化炭素のようなものを含む、煙道ガス、石灰窯排ガスあるいは水素プラントテールガスのようなガス流れから、ＣＯ２のような重量成分を回収するための経済的システムを提供するものであるのが好ましい。そのように利用された場合、本発明の方法はほぼ大気圧力、即ち、２気圧未満、好ましくは約１〜１．５気圧の圧力下に望ましく実施される。その他の用途には、空気からの窒素回収、天然ガスからの重水素回収、空気からの酸素回収が含まれる。

上述したように、煙道ガスのような、送給物供給源となり得るものには、最小でも６〜１０％のＣＯ２が含まれ得る。結局、高圧下での吸着が、軽量成分を大量に圧縮する必要性を生じさせる。送給物流れ中の軽量成分が重要な生成物ではない場合、圧縮はエネルギー節約上最小化されるべきである。
本発明の方法では、送給物の圧縮は最小量においてのみ必要であり、それが、装置における圧力降下の問第を解消する。しかも、以下に説明するように、使用する吸着体は、送給物濃度の且つ吸着圧力に近い大気圧下の重量成分に対する動的容量及び選択性を最大化するように選択される。最後に、重量成分富化した生成物流れによる部分的な並流排斥を使用して重量成分の回収量を増大すると共に連続生成を提供する、以下に説明するようなサイクルにおいて、ガスの排斥量は最小化され、かくして、電力消費量は一段と低減される。電力消費量が低減されることにより、圧縮エネルギーを回収するために従来の多くのシステムで使用された等化技法の必要性が排除される。

本発明では、軽量成分富化した排出物を吸着体の出口から外側の真空帯域中にブローダウンガスとして排気する一方で、吸着体入口から排気流れを除去する（段階（２））ことによる、吸着体の並流／向流での同時的な減圧を更に使用することにより、重量成分生成物からボイドスペースガスが排出される。従来サイクルの減圧段階の初期においては、床入口端部位置のボイドスペース内での重量成分濃度は送給物濃度と同じである。圧力が減少するに従い、床入口位置でのガス相内の重量成分濃度はその初期値から増大し始める。減圧の初期期間中、排出されるガスは重量成分で富化されるが、これは生成物等級のものではない。この問第を解決するために、吸着段階完了後に吸着床を重量成分で洗浄して低等級のガスを床から排斥し、そして後、排斥した排出物を使用して別の吸着体を再加圧することにより、そうした運転から圧力エネルギーを回収する必要があった。本発明ではこの問第は、吸着体の圧力及び流れを、混合損失を最小化するように制御する排出プロトコルによって、あるいは、減圧開始以前に初期純度を上げるために重量成分生成物を使用しての向流的な部分洗浄を使用する段階により最小化される。後者の段階は、生成物をして廃棄に際して即座に回収可能ならしめ、それにより、床入口端部からの廃棄物排出の必要性を排除する。

重要なことに、真空帯域からのブローダウンガスを吸着体にパージ流れとして向流的に戻して通す一方、吸着体からの排出流れを除去し続けること（段階（４））により制御されたパージが確立される。この制御されたパージは、重量成分生成物を吸着体入口に向けて移動させるために作用するのみならず、更には、パージ中に生成物流れの一定純度を維持するために圧力を制御下に低下させるために使用することができる。減圧中に代表的に生じる重量成分純度の変動は、かくして排除され、そうした変動をならすための大型のサージ容器に対する必要性が除去される。

本発明の更に好ましい様相において、段階（４）で回収した生成物流れの少なくとも一部分が吸着体の入口に再循環されて吸着体入口位置でのガス混合物の並流方向での排斥において作用し、それにより、重量成分、例えばＣＯ２の入口濃度を生成物流れの所望の純度に増大させる。排斥ガスの必要最小量は、送給物及び生成物の純度次第であり、この最小量の排斥ガスは、所望の生成物純度条件とのコンプライアンスを保証するために、且つまた、関連する必然的な電力消費量を最小化させるために提供される。

従来の多くのプロセスでは、サイクル運転を効率化するために、吸着体どうしを相互作用させて等化プロセスあるいはパージプロセスを行うための、代表的には３つ以上の同じ吸着体を必要とする。その結果、こうしたプロセスのための多重吸着体及び関連する弁に関する資本コストは相当なものとなる。本発明によれば、床の相互作用を排除することによって吸着体及び切替弁の必要数が減少される。圧力タンク及び真空タンクが、再加圧とパージガスとを提供し、低圧下の吸着が、圧力エネルギー回収のための等化の必要性を排除する。かくして、本発明の方法を、単一の吸着体を使用して開始し、あるいは好ましくは、独立した、しかしシーケンス的に作動自在の２つの吸着体を使用して開始し、真空設備を連続利用することが可能となる。

結局、本発明の装置様相によれば、多成分ガス混合物の送給物ガス供給源から重量ガス成分を回収するためのＰＳＡ装置であって、
（１）入口端及び出口端を有し、ガス混合物の重量成分を単数あるいは複数の軽量成分に関して選択的に吸着することのできる吸着材の層を組み込んだ吸着体と、
（２）吸着体を通してのガス流れを確立するための、吸着体を通しての圧力降下に打ち勝つための手段と、
（３）吸着体からの軽量成分富化された排出物を受け、受けた排出物を吸着体出口に送るための、吸着体の出口端と連通する圧力タンクと、

（４）吸着体からの軽量成分富化された排出物の更に別の部分を受け、受けた排出物部分をブローダウンガスとして吸着体の出口端を通して吸着体に送るための、吸着体の出口端と連通する真空タンクと、
（５）圧力タンク及び真空タンクを吸着体の出口端との連通状態に選択的に配置し、吸着体を減圧及び再加圧するための出口弁手段と、
（６）脱着排出物を吸着体から抜き出すための脱着排出物抜き出し手段と、
（７）送給物ガス供給源と脱着排出物抜き出し手段とを吸着体の入口端との連通状態に選択的に配置し、それにより、吸着体の入口端からの生成物流れに対するガス混合物の送給及び除去を容易化するための入口弁手段と、
（８）出口弁手段と入口弁手段とを向流的に作動させ、真空タンクからの、ブローダウンガスとしての軽量成分富化された排出物の吸着体への送給を容易化し、また、吸着体からの排出物流れ及び生成物流れの除去を容易化し、それにより、吸着体を、その出口端から並流的に減圧すると同時に、その入口端から向流的に減圧させるための制御手段と、
を含むＰＳＡ装置が提供される。

説明したように、本発明の装置は、吸着体の再加圧及びパージを容易化するための、吸着体の出口端と連通する圧力タンク及び真空タンクと、脱着排出物抜き出し手段、例えば、重量成分富化された排出物及び生成物流れを除去するために吸着体の入口端と連通する真空ポンプと共に、単一の吸着体を使用することができる。この装置を使用することにより、生成物純度、生成物圧力あるは生成物流量の変動を減衰させるための大型で高価なサージタンクを設置する必要性を排除し、それにより、ＰＳＡ法を実施することに伴う資本コスト及びエネルギー消費量が低減する。本発明のそうした装置は、複数の吸着体及び、吸着体間の相互作用を実施するための比較的複雑な切替手段に対する必要性を排除するものであるが、本発明に従えば、段階的シーケンス下に吸着体の入口端から生成物を連続的に流動させるために作動する、独立作動自在の一対の吸着体を使用するのが好ましい。あるいは、さほど好ましくはないが、吸着体を通して複数の送給物流れ部分を同時に送り、それらを平行作用させることもできる。何れにせよ、２つの吸着体を使用することで任意の回転設備（圧縮機及び真空ポンプ）の利用が可能となり、かくして、容量は増大し、効率は高まる。

本発明の他の様相に従えば、多成分ガス混合物からＣＯ２を選択的に回収するための方法であって、特定の吸着体内で実質的に大気圧下にＣＯ２を吸着することを含む方法が提供される。本方法には、約−２３．１〜１７６．８°Ｃ（約２５０〜４５０°Ｋ）、より好ましくは約２６．８〜１２６．８°Ｃ（３００〜４００°Ｋ）の送給条件、即ち、吸着温度下に、且つ、約９０〜２００ｋＰａの吸着圧力下に吸着床にガス混合物を吸着させること、吸着体を大気圧力以下に減圧して床からＣＯ２を脱着し、実質的に一定純度下に床からＣＯ２含有生成物を回収すること、が含まれ、吸着体が、約１以上の、好ましくは２以上の断熱分離係数ΔＣＯ２／ΔＮ２と、プロセス運転条件下での少なくとも０．１ｍｏｌ／ｋｇのＣＯ２ダイナミックローディングとを有する。

吸着体をこうしたプロセス条件に適応させることにより、吸着体の効率改善による更なる資本コスト低下がもたらされる。大きな作用容量と、好ましい低い圧力運転範囲での選択性とは、所定の製造量のために必要な吸着体数を低減させるために臨界的なものである。ゼオライトＮａＹ及びゼオライトＮａＸ（２．０）は、石灰窯排ガス、水素プラントテールガスその他の、窒素、酸素、水素、メタン、一酸化炭素といったより弱く吸着された成分を含む供給源からＣＯ２を製造するための、小さい床寸法係数を提供する吸着体の例である。吸着体数のそれ以上の低減は、浅い吸着床及び短いサイクル時間を使用する運転により実現される。これにより、吸着体の生産性が増大し、必要であれば、サージ容器の寸法を最小化して流量変動を減衰させることもできる。

（発明の実施の形態）
上述したように、本発明は多成分ガス混合物中の、より強く吸着されたガス成分を、そうした成分とともに混合された、より弱く吸着された成分から分離することにより回収することを指向するものである。都合上、より強く吸着されたガス成分を“重量”成分と称し、より弱く吸着された成分を“軽量”成分と称する。更に、以下の説明では、煙道ガス、石灰窯ブローダウンガス及び或は酸素プラントテールガスのような、窒素、酸素、水素、メタン、一酸化炭素及び或はその他の軽量成分を含有するガス混合物の重量成分としてのＣＯ２の回収に対して主に参照がなされる。しかしながら、本発明はそうした多成分ガス混合物からのＣＯ２回収を主な目的とするものの、その目的はＣＯ２の回収あるいは任意の送給物ガス供給源からのＣＯ２分離に限定されるものではない。斯くして、本発明の方法及び装置を、より選択的に吸着された成分が所望の生成物である任意の多数の成分を分離するために使用することが可能である。そうした分離には、これに限るものではないが、窒素選択性吸着材を使用しての空気からの窒素回収、酸素選択性吸着材を使用しての空気からの酸素回収、ＣＯ選択性吸着材を使用しての合成ガスからの一酸化炭素回収、そして、酸素選択性吸着材あるいはアルゴン選択性吸着材の何れかを使用しての酸素／アルゴン分離が含まれる。当業者には、本発明の方法の条件を特定の関心物質分離のために適応されることを認識されよう。

例：単一床システム（図１〜４）
本発明の基本的な装置の重要な構成要素が図１に示される。図示される最も基本的な実施例において、単一の吸着体４が使用され、吸着体４には、単数あるいは複数の好適な吸着材から成る単数あるいは複数の床が組み込まれ、入口端４Ａと、出口端４Ｂとを有している。吸着体の入口端４Ａは、２方切替弁３を介して、送給ライン１から吸着体に多成分ガス混合物を供給するための送給物ブロワ２に結合され、２方切替弁１０を介して、吸着体を排気して大気圧以下の圧力とするため及びライン１２を通して生成物流れを回収するための真空ポンプ１１に結合される。送給物ブロワ２は、送給物ガスを、システムを通る際の圧力降下に打ち勝ち、それにより、周囲の、大気圧よりも若干高い圧力下にガス状の送給物ガスを提供する程度においてのみ、圧縮するのが好ましい。送給物ブロワ２は、送給物ガスがシステムのΔＰに打ち勝つに十分な圧力下に供給される場合には排除され得る。

吸着体の出口端４Ｂは、２方切替弁５を介して圧力タンク６に結合され、この圧力タンクからの排出物は、ライン７を通して、それ以降の生成物流れとして回収されるべく除去され得、あるいは通気され、あるいは、出口端４Ｂは制御弁８を介して真空タンク９に結合される。圧力タンク６は周囲圧力あるいはそれ以上の圧力のガスを収蔵するために使用され、真空タンク９は、周囲圧力以下のガスを収蔵するために使用される。圧力タンクは、ほぼ周囲圧力下に作動する様々な容量の容器であるのが好ましい。
運転に際し、送給物ガスが吸着体４の入口端４Ａに提供され、吸着体の出口端４Ｂからの軽量成分の排出物が圧力タンク６に収集され、引き続き、再加圧ガスとして再使用され、吸着体の出口端４Ｂからの並流で排気されるブローダウンガスが真空タンク９に収集され、引き続き、パージガスとして再使用され、真空ポンプ１１の排気側からライン１２を通して重量成分富化された生成物が回収される。軽量成分の排出物の一部分あるいは全ては圧力タンク６に収集される。軽量成分の幾分かを、システムに戻すことなく、ライン７を通して廃棄物として排出することができる。２方切替弁３、１０、５は、吸着体４をして、送給物ブロワ２、真空ポンプ１１、圧力タンク６の夫々と交互に連通可能ならしめる。制御弁８は、吸着体４と真空タンク９との間の流れを制御するために使用される。

図１に示す単一床システムは、図２に示す基本サイクル段階を実施するに際して使用するのに適している。
図２の段階（１）の間、送給物ガスはライン１を通して送給物ブロワ２の入口側に送られる。２方切替弁３が開放され、送給物ブロワ２の出口からの流れが吸着体４の入口端４Ａに向けて流動する。吸着体４の出口端４Ｂからの排出物は２方切替弁５を通して圧力タンク６に入る。前記排出物の少なくとも一部分が圧力タンク６に貯蔵される。排出物のこの部分は、ライン７を通してシステムから排出される。

かくして、多成分ガス混合物の送給物が吸着圧力下に吸着体の入口端に送られ、吸着材によって重量成分が選択的に保持され、ガス相が単数あるいは複数の軽量成分で富化され、吸着体の出口端からの軽量成分の排出物の少なくとも一部分が、段階（１）の間に圧力タンク内に収集され且つ保持される。

段階（２）の間、２方切替弁３及び５を閉じ、制御弁８を開放して真空タンク９への流入を許容し、２方切替弁１０を開放して真空ポンプ１１への流入を許容することにより、並流排気による減圧及び向流排気による減圧が同時に実施される。段階（２）の間、真空ポンプ１１からの排出物はライン１２において回収され、初期においては、廃棄物として排出されあるいは送給物と共に再利用される。この段階（２）において、吸着体は出口端から並流的にそして入口端から向流的に同時に減圧され、床の圧力が、並流的な減圧のための駆動力を真空タンクに提供し、床の圧力及び真空ポンプが、向流的な減圧のための駆動力を提供する。並流排気されたガスは、引き続きパージガスとして使用するために、周囲圧力以下の圧力下に真空タンクに収集される。向流排出されたガスは、主に、吸着体の入口端からの送給物組成でのボイドスペースガスを構成し、初期においては排出されあるいは送給物と共に再利用され得る。向流排気されるガスにおける重量成分富化は、ブローダウンガスの向流流れ及び並流流れを注意深く均衡させることにより最小化される。

段階（３）では、制御弁８を閉じ、２方切替弁１０を開放状態に保持することにより向流排気が継続される。かくして、真空タンクから吸着体の出口端に向かう流れが停止され、真空ポンプを使用しての向流排気が、重量成分生成物の純度が生成物の最小純度条件と合致し、吸着体の圧力が、真空タンクの圧力以下となるまで継続される。この向流排気されたガスは重量成分富化され、廃棄物として排気するかあるいは送給物と共に再利用することができる。

生成物生成を開始する段階（４）では、吸着体４の圧力は真空タンク９における圧力以下である。制御弁８が開放され、真空タンク９から吸着体４に流動するパージ流れを制御するために使用される。２方切替弁１０は開放状態に維持され、真空ポンプ１１を通しての、ライン１２への生成物回収を許容する。かくして、重量成分生成物が吸着体の入口端から除去され、一方、低圧のパージガスが真空タンクから吸着体の出口端に送られる。パージ速度は、制御弁を、圧力及び生成物純度が初期に一定に保たれるように制御することにより制御される。生成物純度が低下し始めると、パージ速度は吸着体の圧力が低下するに従い減少し、その一方で、生成物純度を一定に維持する。段階（４）に引き続き、床は吸着圧力に再加圧される。

段階（５）では、真空タンク９に十分なガスが残留している場合、このガスを使用して床を部分的に再加圧する。段階（５）の間、２方切替弁１０を閉じ、制御弁８を完全に解放し、それにより、真空タンク９と吸着体４との圧力と等化する。段階（２）で貯蔵した正確な量のガスを段階（４）でパージガスとして使用することにより、この段階（５）を排除するのが理想的である。必要であれば、この段階（５）で、真空タンクからの並流的な減圧で使用した、並流排気されるガスの残りを使用して、吸着体をその出口端から向流的に部分的に減圧する。段階（４）及び段階（５）は、必要であれば、真空タンクを引き続く各段階で必要な低圧に戻すために作用する。
段階（６）では、２方切替弁５を開放し、一方、制御弁８及び２方切替弁１０を閉じることにより、軽量成分の排出物を使用しての部分再加圧が実現される。段階（１）の間に圧力タンク６に貯蔵された軽量成分の排出物が吸着体４を再加圧する。かくして、圧力タンクからの軽量成分を使用しての、吸着体の出口端４Ｂ位置での向流的な部分再加圧が実施される。

最終段階（７）では、吸着体が吸着圧力に再加圧される。２方切替弁５が閉鎖され、２方切替弁３が開放され、それにより、送給物ガスの吸着体４への流入が許容される。かくして、吸着体は、吸着体の入口端４Ａに送られる送給物ガスを使用して、並流方向において吸着圧力に再加圧される。再加圧の最後にサイクルシーケンスが完了され、次いで、引き続くサイクルが段階（１）において開始される。

本発明の別の実施例では、プロセスサイクルの一部分の間に、重量成分生成物を使用しての並流排斥が使用される。この場合、吸着体に引き続き送給するために重量成分生成物の一部を収集するための追加的なタンクが必要である。並流排斥のための装置の重要な構成要素が図３に例示される。ＶＰＳＡシステムの、図１に例示する実施例の類似要素１〜１２に相当する要素が番号２１〜３２で示される。更に、吸着体２４から回収した生成物流れを使用しての並流的な部分洗浄を提供するために重量成分貯蔵タンク３３が設けられる。重量成分貯蔵タンク３３は真空ポンプ３１の排出側に結合され、送給物ブロワ２２の入口側に結合した排出ライン３４及び再利用ライン３５を有している。弁３６は２方切替弁であり、並流排斥の間開放されることにより、排斥ガスの、送給物ブロワ２２の入口側への流入を許容する。弁３７は２方切替弁であり、並流排斥の間、送給物ガスの流れを停止させるために使用される。並流排斥のための排斥ガスは、真空ポンプの排出圧力がシステムにおける圧力降下に打ち勝つに十分高い場合には、送給物ブロワ２２を通過することなく吸着体２４の入口に直接送られ得る。

かくして、真空ポンプの排出側から回収した重量成分生成物の一部分は、重量成分貯蔵タンク内に一時保存され、次いで、サイクルのその後の段階中に送給物ブロワの吸引側に送られる。重量成分貯蔵タンクは、概略周囲圧力下に作動され、可変容量を有する容器である。重量成分生成物の一部分のみが吸着体に戻して再利用され、残余の重量成分生成物部分は生成物としてシステムから除去される。

図３には、図４に示す並流排斥サイクルで使用するために好適な単一床システムが示される。段階（１）の間、送給物ガス２１は弁３７を通して送給物ブロワ２２の入口側に送られる。２方切替弁２３が開放され、送給物ブロワ２２の出口からの流れの、吸着体２４の入口端２４Ａへの流入が許容される。吸着体２４の出口端２４Ｂからの排出物は２方切替弁２５を通して送られ、圧力タンク２６に流入する。吸着体からの排出物の少なくとも一部分が圧力タンク２６内に貯蔵され、排出物の残余部分が、ライン２７を通してシステムから除去される。かくして、多成分ガス混合物の送給物が吸着圧力下に吸着体の入口に送られ、その間、重量成分が吸着材により選択的に吸着され、ガス相は単数あるいは複数の軽量成分で富化される。吸着体の出口端からの軽量成分の排出物の少なくとも一部分はこの段階中に圧力タンク内に収集され且つ維持される。

段階（２）では、ライン３５及び弁３６を通して、重量成分貯蔵タンク３３からの生成物を送給物ブロワ２２の入口側に送ることにより、重量成分を使用しての部分的な並流洗浄が実施される。弁２３及び２５は開放状態に維持され、弁３７が閉鎖される。吸着体２４からの排出物の一部分あるいは全てが圧力タンク２６に貯蔵され、排出物のこの部分が、ライン２７を通してシステムから除去される。かくして、重量成分生成物が重量成分貯蔵タンクから吸着体の入口端に送られる。これにより、軽量成分を相当量含有する非吸着性のガスの一部分が吸着体の入口端から排斥され、入口端位置でのガス相の重量成分濃度が所望の最小生成物純度に増大する。排斥ガス量は、引き続く減圧の間に床の入口端から回収される重量成分の濃度が最小生成物純度以下に低下しないように選択する。吸着体の出口端からの排出物の一部分あるいは全ては、この段階（２）の間に圧力タンク内に貯蔵され得る。

段階（３）では、弁２３及び２５を閉じ、制御弁２８を開放して真空タンク２９への流入を許容し、２方切替弁３０を開放して真空ポンプ３１への流入を許容することにより、並流的な減圧及び向流的な減圧が同時に実施される。この段階（３）の間、真空ポンプ３１からの排出物はライン３２を介して重量成分貯蔵タンク３３に送られる。引き続く並流排斥のために保持されない生成物部分がライン３４を通してシステムから除去される。この段階（３）では、吸着体はその出口端から並流的に減圧され、同時に、その入口端から向流的に減圧され、床の圧力が、並流的な減圧のための駆動力を真空タンクに提供し、床圧力及び真空ポンプが、向流的な減圧のための動力を提供する。並流的な減圧のためのガスは、引き続きパージガスとして使用するための、周囲圧力以下の圧力下に真空タンク内に収集され、向流的な減圧のためのガスは重量成分生成物として回収される。

段階（４）では、制御弁２８を閉じ、一方、弁３０を開放状態に維持することで、向流的な減圧が継続される。制御弁２８は、吸着体における圧力が、真空タンクにおける圧力以下の所定水準に達するまで閉じたままとされる。この向流的な減圧のための向流排気ガスは重量成分生成物として回収される。
一定純度の生成物を製造する段階（５）の開始時点において、吸着体２４における圧力は真空タンク２９における圧力以下である。制御弁２８は開放され、真空タンク２９から吸着体に流入する流れを制御するために使用される。弁３０は開放状態のままとされ、それにより、生成物を、真空ポンプ３１を通してライン３２に回収可能とする。この段階において、吸着体の入口端からの重量成分生成物は回収され、一方、真空タンクからの低圧のパージガスが吸着体２４の出口端に送られる。パージ速度は、圧力及び生成物純度が初期において一定に維持されるように制御弁を制御することにより制御される、生成物純度が低下するとパージ速度が減少され、それにより、一定の生成物純度を回復し且つ維持するために吸着体における圧力が降下する。

段階（５）に引き続き段階（６）において吸着体が部分的に再加圧され得る。段階（３）の間に真空タンク２９に貯蔵された、並流的な減圧で使用した並流排気ガスの全てが段階（５）の間にパージガスとして使用されなかった場合、この並流排気ガスの残余部分を段階（６）において吸着体を部分的に再加圧するために使用することができる。段階（６）の間、弁３０を閉じ、制御弁２８を完全に解放し、真空タンク２９と吸着体２４との圧力を等化する。しかしながら、段階（３）で貯蔵したガスの正確な量を段階（５）におけるパージガスとして使用し、段階（６）を排除し得るようにするのが理想的である。

段階（７）では、弁２５を開放し、制御弁２８及び弁３０を閉じることにより、軽量成分の排出物を使用しての部分的な再加圧が実現される。圧力タンク２６に段階（１）の間に貯蔵された軽量成分の排出物が吸着体２４を再加圧する。サイクルの最終段階（８）に、吸着圧力への再加圧が実施される。弁２５が閉鎖され、弁２が開放され、それにより、送給物ガスの吸着体２４への流入が許容される。かくして、吸着体は送給物圧縮機から吸着体入口端に送られる送給物ガスを使用して並流方向で作動圧力に再加圧される。
再加圧の最後において、サイクルシーケンスが完了され、次いで、引き続くサイクルが段階（１）において開始される。

例：２床システム（図５及び図６）
独立して作動自在の２つの同一の吸着体を使用する、本発明のＰＳＡシステムの好ましい実施例が図５及び図６に示される。２つの吸着体を通して多成分ガス混合物がシーケンス的に送られ、吸着／脱着の各運転が、各吸着体から回収された生成物流れが結合され、所望純度の重量ガス成分を含有する生成物流れの連続流れを提供するような段階的シーケンス下に実施される。各吸着体は、圧力タンク、真空タンク、送給物圧縮機、真空ポンプと交互に相互作用する。サイクル中において、吸着体どうしが直接相互作用することはない。

２床装置の重要な構成要素が図５に例示される。構成要素４１〜４８、及び５０〜５３は吸着体列Ａの各構成要素であり、図１の単一床装置の構成要素１〜１２に相当する。構成要素５４〜５８は、吸着体列Ａと共にサイクル化された第２の吸着体列Ｂを表す（かくして、構成要素５４〜５８は構成要素４３〜４５、４８及び５１に夫々相当する）。真空タンク５０と、各吸着体列Ａ及びＢ間のブローダウンガスの流れ及びパージ流れを制御するための制御弁４９がシステムに組み込まれる。
図５の基本的な２床装置の各床のためのプロセスサイクル段階は、図１及び図２における単一床におけるそれと同じである。第１の吸着体のためのサイクルは、表Ｉに示すように、第２の吸着体に関して位相をずらして運転される。

吸着体列Ａがサイクルの段階（５）、（６）、（７）及び（１）を実行し、一方、吸着体列Ｂがサイクルの段階（２）、（３）、（４）を実行するように均衡させるのが好ましい。これにより、吸着体のための休止時間を排除し、回転する設備の一段と効率的な利用が可能な、容量が増大された、均衡化されたサイクルが提供される。もし、随意的な等化段階（５）が不要であれば、サイクルを、真空ポンプが連続的に運転されるように均衡化することができる。そうでない場合、吸着体と真空サージタンクとの間における同時的な相互作用を防止するために、段階（５）に必要な時間と等しい休止時間が必要である。

図６に示す、本発明における最も好ましい実施例では、２つの吸着体と、重量成分生成物を使用した並流洗浄とが使用される。各吸着体は、図３及び図４で説明した単一床の吸着体に対すると同じサイクル運転を受ける。各吸着体は、圧力タンク、真空タンク、送給物圧縮機及び真空ポンプと交互に相互作用する。やはり、サイクルの間において吸着体どうしが直接的に相互作用することはない。２つの吸着体を並流洗浄と共に運転することにより、重量成分生成物の連続製造が可能となるのみならず、ローテーション設備を一段と効率的に利用することが可能となり、結局、最良のプロセス効率と、最高の製造容量とを入手することができる。

並流排斥を使用する２床装置の重要な構成要素が図６に示される。構成要素６１〜７８は図５に示す基本的な２床装置における構成要素４１〜５８に相当する。追加的な、重量成分貯蔵タンク７９がライン７３を通して真空ポンプ７２からの排出物を受け、並流排斥（洗浄）のための、送給物ブロワ６２の内側と連通する除去ライン８０及び再利用ライン８１が設けられている。構成要素７２、７３及び７９〜８３は、夫々、図３に示す並流排斥を使用する単一床装置の要素３１〜３７に相当し、図３の装置に関して説明したと同じ様式下に作動する。

図６の、並流排斥を使用する２床装置における各吸着体のためのプロセスサイクルの各段階は、図３及び図４に示す単一床のためのそれと同じである。一方の省のためのサイクルは表ＩＩに示すように、他方の容器に関して位相をずらして作動される。

吸着体列Ａがサイクルの段階（６）、（７）、（８）及び（１）、（２）を実行するし、一方、吸着体列Ｂがサイクルの段階（３）、（４）、（５）を実行するように均衡させるのが好ましい。これにより、均衡化されたサイクル運転が提供され、吸着体のための休止時間が排除され、ローテーション設備の一段と効率的な利用が可能とされ、重量成分生成物の連続製造が提供される。もし、随意的な等化段階（６）が不要であれば、サイクルを、真空ポンプが連続的に運転されるように均衡化することができる。そうでない場合、吸着体と真空サージタンクとの間における同時的な相互作用を防止するために、段階（６）のために必要な時間に等しい休止時間が必要である。上述の基本サイクルと比較した場合、並流排斥サイクルによれば、一段と高い処理量及び一段と高純度の生成物が提供され得る。これは、処理量及び生成物純度が通常は反比例するものであることから見て驚くべき結果である。
２床運転は、真空設備の連続利用が提供されることから好ましいものである。部分的な並流排斥を使用しての２床運転は、真空設備の連続利用と、重量成分生成物の連続製造とが提供されることに加え、処理量が高まることから特に好ましいものである。

使用される吸着材（図７〜図９）
本発明を実施する上で有益な吸着材には、例えば、米国特許第２，８８２，２４３号及び２，８８２，２４４号に記載されるような既知の形式のモレキュラシーブ吸着材、例えば、ゼオライトＡ、Ｘ及びＹタイプが含まれる。
使用される単数あるいは複数の吸着材は、吸着圧力、温度、組成の夫々の下での吸着材上の重量成分における動的負荷の度合いと、多成分ガス混合物から回収するべき重量成分と、単数あるいは複数の軽量成分との間における吸着／脱着サイクルの終了時点での分離の度合いとを共に最大化するように選択される。吸着材を、現在出願中の、１９９７年４月１７日に出願した出願番号第０８／８３７，４１１号に記載されるように、単一吸着床に、あるいは多層吸着床に設けることができる。

最も好まし吸着体形態には、前処理した層に、使用する単数あるいは複数の吸着体における主たる吸着材層を加えたものが含まれる。各層には１つ以上の吸着材が含まれ得る。前処理層は供給物入口に最も近い位置に位置付けられ、送給物流れから所望されざる汚染物を除去する目的がある。代表的な汚染物には、水、ＳＯｘ、ＮＯｘその他の、強く吸着される種のものが含まれる。当業者には、ゼオライト、活性アルミナ、シリカゲルのみならずその他の好適な吸着材が前処理帯域で使用されることを認識されよう。前処理帯域は、送給物流れに汚染物が含まれない場合には無くすことができる。

最も好ましい吸着圧力は、周囲圧力に近い圧力あるいは、それよりも若干高い圧力であり、そうすることによって、特に、送給物中の重量成分の濃度が低い場合における電力消費量が減少する。好ましい脱着圧力は大気圧力以下の圧力である。最も好ましい脱着圧力は、送給物中の重量成分の分圧以下の圧力である。
燃焼煙道ガス、石灰窯排ガス、水素プラントテールガス、その他の供給源からＣＯ２を製造するためには、単数あるいは複数の一次吸着材は、ＣＯ２を選択的に吸着する一方で、軽量成分を通過させる必要がある。ＣＯ２は、その他の多くの永久ガスと比べて大抵の多孔質吸着材に強く吸着するが、吸着の強さは極めて変動し易い。

図７には、幾つかの吸着材上にＣＯ２を吸着させるための、概略２７°Ｃ（３００°Ｋ）での純粋成分等温線が表されている。これらの等温線は、固形の吸着材とＣＯ２との、弱い（例えばアルミナ上での）〜非常に強い（例えば、ゼオライト５Ａ上での）相互作用の度合いの変化を実証するものである。吸着の強さは、主に、低い圧力下での等温線の傾斜によって示される。ゼオライト５Ａの場合、２０ｋＰａでの釣り合い負荷は、２００ｋＰａでの釣り合い負荷のおよそ９０％である。ゼオライト５Ａにおけるような傾斜のきつい等温線では、適切にＣＯ２を脱着し、吸着及び脱着の各段階間でのＣＯ２作用容量あるいは動的負荷を良好なものとするためには、脱着圧力を非常に低くする必要がある。高圧力下での負荷の微変動は送給物の圧縮を妨げる。低圧力下での傾斜がそれほどきつくない等温線では送給物の圧縮はより容易となる。

サイクル的なＰＳＡ法における吸着体の性能は、強く保持された成分及び弱く保持された成分における動的負荷の比との関連性が強い。この比は断熱分離係数として算出されるが、最も正確には、吸着及び脱着の各段階の終了時点での吸着床における軽量成分及び重量成分の負荷を積分することによるプロセスシミュレーションの結果から算出される。この分離係数の妥当な平衡近似化は等温線から直接行うことができる。先ず、送給物、ガス混合物の温度と、吸着終了時の圧力及びガス相組成、脱着終了時の圧力及びガス相組成を選択する。これらの条件を指定した後、実験あるいは簡略化したエネルギーバランスの反復解法（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）により、各吸着体のための相当する断熱的な温度上昇を決定する。断熱的分離係数分析の適用は、前述の、現在出願中の、１９９７年４月１７日に出願した出願番号第０８／８３７，４１１号に記載される。
煙道ガスからＣＯ２を回収するために本発明を実施するに際して使用する最も好ましい吸着圧力は、廃棄物ガスの無用な圧縮を最小化するために、周囲圧力に近い圧力である。吸着材は、標準的な真空装置を使用して６ｋＰａもの低い圧力下に経済的に排気され得るので、最小の脱着圧力値が選択される。ＣＯ２が１２％、Ｎ２が８８％である組成の送給物が代表的な煙道ガス流れとして選択される。本分析上選択された、ＣＯ２の所望の生成物純度は８８％であった。

上述の係数に基づく断熱分離係数分析の結果が図８に示される。この結果には、関心を持たれそうな様々な吸着材のための、吸着段階終了時点での床における温度の関数としての、断熱的な平衡分離係数の近似変化が示される。各吸着材は、吸着及び脱着の各檀家遺憾で生じる異なる熱的スゥイング（ΔＴ）により特徴付けられる。ゼオライトＮａＹは、中庸の容量と、ＣＯ２に対する選択性とを有するが、中庸条件下に再生され得、従来の吸着材に勝る著しい改良をもたらす。約５６．８°Ｃ（３３０°Ｋ）の送給物温度下において、ゼオライトＮａＹのための分離係数はＢＰＬ活性炭のそれの約４倍である。中庸の送給物温度（約７６．８°Ｃ（３５０°Ｋ）までの）下において、ゼオライトＮａＹは、従来からの他の吸着材に勝るＣＯ２選択性を示す。

供給源と、ＣＯ２ＰＳＡプラントの煙道ガスあるいはその他の多成分ガス混合物の送給物に対する距離的な近さに基づき、煙道ガスを高温下に入手することができる。ＣＯ２のためには、等温線の傾斜がそれほどきつくなく、より直線的であることから、吸着温度が上昇する程、強い吸着材が好ましい。高温（約９６．８°Ｃ（３７０°Ｋ）以上の）では、ゼオライト１３Ｘの性能はゼオライトＮａＹのそれを上回り得るが、ゼオライトＮａＸ（２．０）あるいは、二酸化珪素（ＳｉＯ２とも表記する）／酸化アルミニューム（Ａｌ２Ｏ３とも表記する）比が２．０に等しいＮａＸゼオライトは、ゼオライト１３ＸあるいはＮａＸ（２．５）と比較して実質的な性能改善をもたらすことがわかる。Ｓｉ／Ａｌ比のずっと低い追加的なカチオンサイトでは、ＮａＸ（２．０）が、ＣＯ２のための著しく大きい容量と、高い分離係数とを提供する。約７６．８°Ｃ（３５０°Ｋ）以上の温度では、図８に示されるように、ＮａＸ（２．０）が、従来の上述のその他の吸着材と比較して優れていることがわかる。

断熱分離係数は、吸着材の選択性を特徴付けるものであり、また、プロセスサイクル条件を使用して達成することのできる純度及び回収の相関的測定値（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅ）を与えるものである。吸着及び脱着の各段階間でのＣＯ２負荷の変動は、吸着材の生産性の相関的測定値を提供する。言い換えると、所定のＣＯ２製造速度のために必要な吸着材量（床寸法係数と称する）を決定する。異なる吸着材を使用した場合におけるこうした動的負荷の変動が図９に示される。低い温度ではゼオライトＮａＹの動的負荷は最も高く、従って、床寸法係数は最小となる。ずっと高い温度ではゼオライトＮａＸ（２．０）が、最小の床寸法係数を提供する。床寸法係数が小さいほど、吸着材料及び吸着材寸法を減少させることが可能であり、それにより、従来技術と比較してのコスト低下が可能となる。

上述したように、本発明を実施する上で有益な、吸着材のこうした特徴は、プロセスの吸着及び脱着の各段階における、ガス中の重量成分及び軽量成分の圧力、温度、そして組成に基づくものである。ＣＯ２回収において、吸着温度が約２６．８〜１２６．８°Ｃ（３００〜４００°Ｋ）、吸着圧力が約９０〜２００ｋＰａ下での、断熱分離係数、即ち、ΔＣＯ２／ΔＮ２の値が約２以上であり、ＣＯ２の動的負荷が０．１ｍｏｌ／ｋｇを上回るゼオライト吸着材を使用するのが好ましい。

ＣＯ２回収のための２つの最も好ましい吸着材は、ゼオライトＮａＹとゼオライトＮａＸ（２．０）である。これらの吸着材は、従来伝統的に使用されてきた吸着材を上回る著しい潜在性を示す。代表的な煙道ガス供給物のためには、ゼオライトＮａＹは、中庸の吸着温度（約６６．８°Ｃ（３４０°Ｋ）未満）において、最高の分離係数と最高のＣＯ２作用容量とを有する。もっと高い温度ではＮａＸ（２．０）は高い分離係数を示し、一方、比較的高いＣＯ２作用容量を維持する。これらの吸着材は、本発明のＰＳＡ法その他の、圧力スゥイング、真空スゥイング、あるいは真空／圧力スゥイングの、窒素、酸素、水素、メタン、あるいは一酸化炭素のような、様々の弱く吸着された成分を使用して混合物からＣＯ２を回収するための各プロセスにおいて、主たる吸着材として使用することができる。

例
シミュレーション及びパイロットプラント実験を使用して、本発明のＣＯ２を回収するためのプロセス及び吸着材の性能を証明した。

例１及び２
代表例には、ゼオライトＮａＹを使用して、１２％のＣＯ２及び８８％のＮ２を含有する煙道ガスから約８８％のＣＯ２生成物を、回収することが含まれる。２床基本サイクル及び２床並流排斥サイクルのためのミュレーション結果が以下の表ＩＩＩに示される。基本サイクルでは、６６％の回収率での生成物純度８０％が得られた。回収率は、ここでは、生成物として回収される、供給物中のＣＯ２部分として定義される。この実験のための、一日当たりのメートルトン当たりのゼオライトＮａＹが約１５４．６ｋｇ（３４１ポンド）、含有ＣＯ２生成物（ｌｂ／ｍｔｐｄ）である床寸法係数（ＢＳＦ）が達成された。本発明の２床並流排斥サイクルを使用することによって更に高い回収率と生産性とが入手された。並流排斥を使用する場合、生成物回収率は７５％に増大し、一方、ＢＳＦは約１４４．７ｋｇ（３１９ポンド）に低下した。

例３及び４
追加例には、ＣＯ２を５４％、ＣＨ４を１６％、Ｈ２を３０％含有する水素プラントテールガスから約９２％のＣＯ２生成物を回収するためのプロセスにおいて、ゼオライトＮａＹを使用することが含まれる。２床基本サイクル及び２床並流排斥サイクルのためのシミュレーション結果が以下の表ＩＶに示される。基本サイクルによって、８７％の回収率下に９２％ＣＯ２生成物が生成された。床寸法係数は約１０３．４ｋｇ（２２８ｌｂ）／ｍｔｐｄであった。２床並流排斥サイクルを使用することによって更に高い回収率と、若干高い生産性とが得られた。このサイクルの場合、生成物回収率は９２％に増大し、一方、床寸法係数は約１０２．９ｋｇ（２２７ｌｂ）ｍｔｐｄと、基本的には変わらなかった。

以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。かくして、本発明の方法は、２つの吸着体及び１つ以上の任意の所望形状の、即ち、一定容積の貯蔵タンクあるいは圧力タンクを使用して行うのが好ましいが、２つ以上の吸着体及び多数の貯蔵タンクを使用して行うことができる。更には、本発明において、吸着体を貫く軸流れ、半径流れ、横断方向流れその他の流れ模様をしようすることができる。個々の吸着体に関して、各吸着体が、その他の成分、例えば水蒸気を吸着するための任意の前処理層無しで、あるいはそうした前処理層を１つ以上有する状態の何れかにおいて、多数の主たる吸着材を含むことができる。また、各吸着材層が、単一の吸着材あるいは２つ以上の吸着材の混合体を含むことができる。

更に、周囲圧力に近い吸着圧力下に好ましく運転されるが、吸着圧力を大気圧力あるいはそれ以上の圧力とすることができる。同様に、最小脱着圧力を、大気圧あるいはそれ以下の圧力とすることができる。
本発明をゼオライトＮａＹの使用に関して限定して説明したが、ゼオライトＮａＸ（２．０）その他の任意の特定の吸着材をＣＯ２回収のための主たる吸着材として使用することができる。これらのプロセスを、別の吸着材を１つ以上の主たる吸着材層に配分した状態において、ＣＯ２回収のために使用することができる。ＣＯ２回収のための吸着材を評価及び選択するために使用する断熱的分離係数法は一般的なものであり、他の多成分分離に対しても等しく適用することができる。

本発明は、多成分の送給物流れからＣＯ２を回収することを主に指向するものであるが、ここに開示された概念をその他の多くの分離のために適用することができる。かくして、ここに開示したプロセスを、より選択的に吸着される成分が所望の生成物であるところの好適な吸着材を任意に組み合わせにおいて、その他の多成分分離のために使用することができる。その他の多成分分離には、これに限定するものではないが、窒素選択性吸着材を用いての空気からの窒素回収、酸素選択性吸着材を使用しての空気からの酸素回収、ＣＯ選択性吸着剤を使用しての合成ガスからの一酸化炭素回収、そして、酸素選択性あるいはアルゴン選択性の何れかの吸着材を使用しての酸素あるいはアルゴン分離が含まれる。また、本発明を、軽量生成物及び重量生成物の両方を共生産するために、例えば、富化Ｎ２及び富化ＣＯ２を煙道ガスから、あるいは富化Ｎ２及び酸素を空気から共生産するために使用することができる。
従って、本発明の特定の特徴を、都合上のみにおいて１つ以上の図面に示し、あるいは例示したが、そうした特徴を本発明に従い、その他の特徴と組み合わせることができる。当業者には、本発明を実施する上で使用することのできる、また、請求の範囲内に含まれるその他の実施例を認識されよう。

（発明の効果）
低い吸着圧力と、床間相互作用を生じない吸着技法を使用して、所定の、実質的に一定の生成物純度、即ち、変動範囲がプラスマイナス１０パーセントである所望の生成物純度での、ＣＯ２のような重量成分を多成分ガス混合物から回収するための改良ＰＳＡ法及び装置が提供される。
資本コスト及び運転コストが、従来の、特に小規模用途のための従来技法よりも少ないそうした方法及び装置が提供される。
特定の断熱的分離係数及び動的ＣＯ２負荷特性を有するゼオライトを内部の吸着材として使用することにより、多成分ガス混合物からＣＯ２を回収するための改良ＰＳＡ法が提供される。

本発明の単一床ＰＳＡ装置のある実施例の流れダイヤグラム図である。 図１の装置を使用する、本発明のＰＳＡ法の基本サイクルシーケンスの例示図である。 重量成分生成物を、プロセス処理サイクル部分中に吸着体の入口に送給するための並流排斥システムを取り入れた、本発明の単一床ＰＳＡ装置の別の実施例の流れダイヤグラム図である。 図３の並流での排斥システムのためのサイクルシーケンスの例示図である。 ２床ＰＳＡ装置の実施例の概略流れダイヤグラム図である。 ２床／並流排斥を使用する本発明の好ましい実施例の概略流れダイヤグラム図である。 種々の吸着体のための異なる圧力下でのＣＯ２吸着等温線のグラフである。 異なる吸着温度下での種々の吸着体のための断熱分離係数の変動を示すグラフである。 異なる吸着温度下での種々の吸着体のＣＯ２の動的負荷（ΔＣＯ２）の変動をあらわグラフである。

符号の説明

４ 吸着体
４Ａ 入口端
４Ｂ 出口端
１ 送給ライン
２ 送給物ブロワ
３、５、１０、 ２方切替弁
６ 圧力タンク
９ 真空タンク
８ 制御弁
１１ 真空ポンプ

Claims (2)

1. 重量ガス成分と１つ以上の軽量ガス成分とを含む多成分ガス混合物から重量成分を回収するための圧力スゥイング吸着法であって、
   （１）多成分ガス混合物を、少なくとも１つの吸着体の入口及びこの吸着体を貫いて吸着圧力で送給し、ガス混合物の重量成分を吸着体内部の吸着材上に吸着させ、ガス混合物の、単数あるいは複数の軽量成分富化された排出物を吸着体出口を通して吸着体から除去し、軽量成分富化された排出物流れの少なくとも１部分を、吸着体出口と連通する圧力帯域内に維持すること、
   （２）軽量成分富化された排出物流れの一部分を、吸着圧力未満の圧力に維持され且つ吸着体と連通する真空帯域中に、吸着体出口を通して並流的にブローダウンし、同時に、脱着されたガスを、吸着体入口を通して、向流的排気によって吸着体から除去し、それにより、吸着体をその出口から並流的に減圧し且つ入口から向流的に減圧すること、
   （３）吸着体出口を通してブローダウンされる軽量成分富化された排出物の流れを停止させる一方で、吸着体入口からの前記脱着されたガスの向流的な排気を継続し、それにより、吸着体をその内部圧力が真空帯域における圧力未満となるまで減圧すること、
   （４）吸着体出口を通してブローダウンされる軽量成分富化された排出物の流れを、真空帯域から吸着体出口に流れるパージガスとして吸着体出口及び吸着体を貫いて向流的に通過させ、それにより、重量ガス成分富化された生成物流れを回収すること、
   （５）真空帯域からの排気ガス流れを停止させ、前記圧力帯域からの前記軽量成分富化された排出物流れを吸着体出口に通し、それにより、吸着体を部分的に再加圧すること、
   （６）多成分ガス混合物の追加部分を吸着体の入口に通し、それにより、吸着体の再加圧を完了すること、
   （７）上記各段階を反復し、重量成分を含有する一定純度の生成物流れを生成すること、
   を含む圧力スゥイング吸着法。
2. 重量ガス成分と少なくとも１つの軽量ガス成分とを含む多成分ガス混合物中の重量ガス成分を回収するための圧力スゥイング吸着を実施するための装置であって、
   （１）入口端及び出口端を有し、ガス混合物の重量成分を前記少なくとも１つの軽量成分に関して選択的に吸着することのできる吸着材の層を組み込んだ少なくとも１つの吸着体と、
   （２）ガス混合物を吸着体中に及び吸着体中を通して送るための、吸着体の入口端と連通する送給物ブロワと、
   （３）吸着体からの軽量成分富化された排出物を受け、受けた排出物を吸着体の出口端に送るための、吸着体の出口端と連通する圧力タンクと、
   （４）吸着体からの軽量成分富化された排出物の更に別の部分を受け、受けた排出物部分をブローダウンガスとして吸着体の出口端を通して吸着体に送るための、吸着体の出口端と連通する真空タンクと、
   （５）圧力タンク及び真空タンクを吸着体の出口端との連通状態に選択的に配置し、吸着体を減圧及び再加圧するための出口弁手段と、
   （６）送給物ブロワから独立し且つ吸着体の入口端と連通する真空ポンプにして、予め決定された一定濃度での、ガス混合物の重量成分を含有する生成物流れを回収するための真空ポンプと、
   （７）送給物ブロワと真空ポンプとを吸着体の入口端との連通状態に選択的に配置し、それにより、吸着体の入口端へのガス混合物の送給及び吸着体の入口端からの生成物流れの除去を容易化するための入口弁手段と、
   （８）出口弁手段と入口弁手段とを向流的に作動させ、真空タンクからの、ブローダウンガスとしての軽量成分富化された排出物の、吸着体への送給を容易化し、また、吸着体からの排出物流れの除去を容易化し、それにより、吸着体を、その出口端から並流的に減圧し、同時に、その入口端から向流的に減圧させるための制御手段と、
   を含む装置。

Images