JP2011177638A - 圧力スイング吸着法によるガス分離方法及びガス分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力スイング吸着法によるガス分離において、吸着時に発生する吸着熱や脱着時に発生する冷熱を有効利用することにより吸着剤の利用効率を高め、効率的なガス分離を行う。
【解決手段】 吸着工程と脱着工程が交互に行われる２基の吸着塔Ａ，Ｂを用い、各吸着塔Ａ，Ｂにおいて吸着剤と熱交換させた熱媒体を両吸着塔Ａ，Ｂ間で循環させ、この循環する熱媒体により、吸着工程で発生した吸着熱を回収して脱着工程にある吸着剤に与え、脱着工程で発生した冷熱を回収して吸着工程にある吸着剤を冷却する。吸着工程で発生する吸着熱と脱着工程で発生する冷熱を熱媒体で回収し、両工程で相互に有効利用し合うことにより、従来廃棄していた装置内の熱エネルギーを有効利用して、吸着剤の利用効率を向上させることができ、高いエネルギー効率でガス分離を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力スイング吸着法によって混合ガスから特定のガス成分を吸着・分離するためのガス分離方法とその実施に供されるガス分離装置に関する。

従来、混合ガスの分離方法として、圧力スイング吸着法が広く用いられている。この方法は、混合ガス中の１つ以上のガス成分に対して吸着力がある吸着剤を用い、この吸着剤が充填された吸着塔に混合ガスを導入して吸着剤と接触させ、当該ガス成分を吸着剤に吸着させる吸着工程と、吸着させたガス成分を塔内圧力を低下させることにより吸着剤から脱離させ、分離する脱着工程を繰り返し行うものである。
この圧力スイング吸着法は、混合ガスの分離方法として種々の分野で利用されているが、通常は、混合ガスから特定のガス成分を分離することにより、高純度のガスを製造する方法として利用されることが多い。圧力スイング吸着法により混合ガスから吸着・分離（製造）される高純度ガスとしては、例えば、水素、酸素、炭酸ガス、一酸化炭素などがある。

この圧力スイング吸着法による混合ガスの分離方法では、吸着工程で発生する反応熱（吸着熱）により吸着剤温度が上昇する。この温度上昇により、吸着剤の吸着容量が低下するという問題がある。一方、脱着工程では吸熱反応が生じて吸着剤温度が低下し、脱着量を低下させる問題がある。このような問題に対して従来法では、吸着工程に続くパージ工程で吸着熱を外部に放出するなど、精製ガスと同時に外部に排出するという精製プロセスを採っており、熱の有効利用が行われていなかった。
一方、温度変化を利用した物理吸着プロセスが知られており、このプロセスでは、吸着時は外部から冷熱を与えて温度を低下させて吸着を促進し、脱着時は外部から熱を与えることで脱着を促進し、それぞれの熱の授受を繰り返し行うことで、ガスの吸着脱着を行うものである。しかし、このプロセスは外部から熱を加えるものであり、エネルギー効率が悪い。

一方、特許文献１には、吸着工程での温度上昇を抑え、脱着工程での温度降下を抑えることを目的として、吸着工程と脱着工程が交互に行われる２基の吸着塔内に、それぞれ揮発性液体が入れられた熱交換チャンバーを設けるとともに、この両熱交換チャンバーの頂部間、底部間をそれぞれ導管で連通させ、吸着時には揮発性液体の蒸発により温度上昇を抑え、脱着時には揮発性液体の凝縮により温度降下を抑えるようにした技術が示されている。

特開平２−２６６１１号公報

特許文献１の技術は、揮発性液体の蒸発と凝縮を利用して吸熱時の温度上昇と脱着時の温度降下を抑えるものであるが、熱を積極的に外部に排出して効率低下を抑えようとする技術であり、したがって、吸着時に発生する吸着熱や脱着時に発生する冷熱を有効利用するものではなく、熱の有効利用を図るという観点が全くない。

したがって本発明の目的は、圧力スイング吸着法によるガス分離において、吸着時に発生する吸着熱や脱着時に発生する冷熱を有効利用することにより吸着剤の利用効率を高め、効率的なガス分離を行うことができる方法及び装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］内部に吸着剤が充填され、吸着工程と脱着工程が交互に行われる２基の吸着塔（Ａ），（Ｂ）を用い、圧力スイング吸着法により混合ガス中の１つ以上のガス成分を吸着・分離するガス分離方法であって、
各吸着塔（Ａ），（Ｂ）において吸着剤と熱交換させた熱媒体を両吸着塔（Ａ），（Ｂ）間で循環させ、この循環する熱媒体により、吸着工程で発生した吸着熱を回収して脱着工程にある吸着剤に与え、脱着工程で発生した冷熱を回収して吸着工程にある吸着剤を冷却することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。

［2］上記［1］のガス分離方法において、熱媒体が水又は水溶液であることを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［3］上記［1］又は［2］のガス分離方法において、熱媒体は、各吸着塔（Ａ），（Ｂ）の内部に原料ガス流れ方向に沿って設けられた熱交換用流路を通過することにより吸着剤と熱交換することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかのガス分離方法において、熱媒体は、吸着工程にある吸着塔内では、熱交換用流路内を原料ガス流れ方向と反対方向に流れ、脱着工程にある吸着塔内では、熱交換用流路内を原料ガス流れ方向（但し、吸着工程での原料ガス流れ方向）と同一方向に流れることを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。

［5］内部に吸着剤が充填され、吸着工程と脱着工程が交互に行われる２基の吸着塔（Ａ），（Ｂ）を備え、圧力スイング吸着法により混合ガス中の１つ以上のガス成分を吸着・分離するガス分離装置であって、
各吸着塔（Ａ），（Ｂ）の内部に、熱媒体を通過させるための熱交換用流路（１a），（１b）が原料ガス流れ方向に沿って設けられるとともに、両吸着塔（Ａ），（Ｂ）の原料ガス入口側における熱交換用流路（１a），（１b）の端部間が導管（２）で連絡され、濃縮ガス出口側における熱交換用流路（１a），（１b）の端部間が導管（３）で連絡されることにより、両吸着塔（Ａ），（Ｂ）間で熱媒体を循環させる循環路を形成し、該循環路内で熱媒体を正逆方向切り換え可能に循環させるためのポンプ機構を備えることを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離装置。

本発明によれば、吸着工程で発生する吸着熱と脱着工程で発生する冷熱を熱媒体で回収し、両工程で相互に有効利用し合うことにより、従来廃棄していた装置内の熱エネルギーを有効利用して吸着剤の利用効率を向上させることができ、高いエネルギー効率でガス分離を行うことができる。また、ガス吸着量が増加することから、従来技術に比べて設備をコンパクト化できる効果もある。

本発明のガス分離方法及び装置の一実施形態を示すもので、吸着塔Ａが吸着工程にあり、吸着塔Ｂが脱着工程にある状態を示す説明図 本発明のガス分離方法及び装置の一実施形態を示すもので、吸着塔Ａが脱着工程にあり、吸着塔Ｂが吸着工程にある状態を示す説明図 ゼオライト系の吸着剤ｘを用いてＣＯ_２の吸着を行う場合において、吸着工程と脱着工程で７００torr→１００torrの圧力変化を与えた際の比較例と本発明例の吸着特性を示すグラフ

図１及び図２は、本発明のガス分離方法及び装置の一実施形態を示すもので、吸着塔を縦断面した状態を模式的に示す説明図である。
本発明のガス分離装置は、内部に吸着剤が充填され、吸着工程と脱着工程が交互に行われる２基の吸着塔Ａ，Ｂを備え、圧力スイング吸着法により混合ガス中の１つ以上のガス成分を吸着・分離するものである。図１は吸着塔Ａが吸着工程にあり、吸着塔Ｂが脱着工程にある状態を、図２は吸着塔Ａが脱着工程にあり、吸着塔Ｂが吸着工程にある状態を、それぞれ示している。

各吸着塔Ａ，Ｂの内部の上部位置と下部位置には、ガスの通気が可能な仕切板４，５（分散板）が設けられ、この仕切板４，５の間に吸着剤ｘが充填され、ガス吸着部６（ガス吸着領域）を構成している。
仕切板５の下方の空間部は原料ガス流入部７（原料ガス流入領域）であり、この原料ガス流入部７には、開閉弁９を備えた原料ガス供給管８が接続されている。また、仕切板４の上方の空間部はガス流出部１０（ガス流出領域）であり、このガス流出部１０には、開閉弁１２を備えた濃縮ガス導出管１１と、開閉弁１４及びポンプ１５を備えた製品ガス導出管１３が、それぞれ接続されている。
前記仕切壁４，５は、ガス吸着部６内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する多孔板（例えば、金網やパンチングメタルなど）などで構成される。

各吸着塔Ａ，Ｂの内部（ガス吸着部６の内部）には、熱媒体ｅを通過させるための熱交換用流路１a，１bが原料ガス流れ方向に沿って設けられている。これら熱交換用流路１a，１bの設け方は任意であるが、吸着工程・脱着工程ともに、原料ガス入口（原料ガス流入部７）に近い方が反応性が高いので、熱交換を効率的に行うためには、本実施形態のように原料ガス流れ方向に沿って設けることが好ましい。この熱交換用流路１a，１bは、例えば、管状に設ける、プレートを用いてジャケット状に設けるなど、具体的な構造も任意である。
また、各熱交換用流路１a，１bは、連続した１本の流路で構成してもよいし、複数の並列した流路で構成し、この複数の流路をその両端側で合流させるような構造としてもよい。いずれにしても、熱交換用流路１a，１bには、それぞれ熱媒体の入口・出口となる２つの端部があり、上記のように各熱交換用流路１a，１bが複数の並列した流路で構成される場合には、両端側で合流した後の流路に熱媒体の入口・出口となる端部が設けられる。

前記熱交換用流路１a，１bの一方の端部間が導管２で連絡され、他方の端部間が導管３で連絡され、両吸着塔Ａ，Ｂ間で熱媒体ｅを循環させる循環路が形成されている。本実施形態では、両吸着塔Ａ，Ｂの原料ガス入口（原料ガス流入部７）側における熱交換用流路１a，１bの端部間が導管２で連絡され、濃縮ガス出口（ガス流出部１０）側における熱交換用流路１a，１bの端部間が導管３で連絡され、したがって、熱交換用流路１a，１bと導管２，３により、両吸着塔Ａ，Ｂ間で熱媒体ｅを循環させる循環路が形成されている。
さらに、上記循環路内で熱媒体ｅを正逆方向切り換え可能に循環させるためのポンプ機構１６が設けられている。このポンプ機構１６は、入側導管１７０と出側（吐出側）導管１７１を有するポンプ１７と、前記導管２，３の吸着塔Ａ寄りの位置からそれぞれ分岐し、前記入側導管１７０に接続される分岐管２００，３００と、前記導管２，３の吸着塔Ｂ寄りの位置からそれぞれ分岐し、前記出側導管１７１に接続される分岐管２０１，３０１と、以上の分岐管２００，２０１，３００，３０１にそれぞれ設けられる開閉弁１８，１９，２０，２１などから構成される。

以下、本発明のガス分離方法について説明する。
本発明のガス分離方法は、２基の吸着塔Ａ，Ｂで吸着工程と脱着工程を交互に行い、圧力スイング吸着法により混合ガス中の１つ以上のガス成分を吸着・分離するものであるが、各吸着塔Ａ，Ｂにおいて吸着剤ｘと熱交換させた熱媒体ｅを両吸着塔Ａ，Ｂ間で循環させ、この循環する熱媒体ｅにより、吸着工程で発生した吸着熱を回収して脱着工程にある吸着剤ｘに与え、脱着工程で発生した冷熱を回収して吸着工程にある吸着剤ｘを冷却する。このように、吸着工程で発生する吸着熱と脱着工程で発生する冷熱を熱媒体ｅで回収し、両工程で相互に有効利用し合うことにより、装置内の熱エネルギーを有効利用して、吸着剤の利用効率を向上させることができ、高いエネルギー効率でガス分離を行うことができる。
熱媒体ｅとしては、水や水溶液、油などの液体、蒸気などの気体、その他特殊な熱媒体など、任意の流体を用いることができるが、取り扱いや設備コストの観点から、水又は水溶液を用いることが好ましい。

図１及び図２に示す開閉弁９，１２，１４，１８〜２１は、白抜きのものが開状態、黒く塗りつぶしたものが閉状態であることを示す。
図１のように、吸着塔Ａが吸着工程にあり、吸着塔Ｂが脱着工程にある場合、吸着塔Ａでは、原料ガス（混合ガス）が原料ガス供給管８を通じてガス流入部７に導入される。このガス流入部７に導入された原料ガスは、仕切板５を通じてガス吸着部６に流入し、ここで原料ガス中の特定のガス成分が吸着剤ｘに吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、仕切板４を通じてガス流出部１０に流出した後、濃縮ガス導出管１１を通じて排出される。一方、吸着塔Ｂでは、ポンプ１５により塔内が減圧され、吸着されていたガス成分が吸着剤ｘから脱離し、このガス（製品ガス）はガス流出部１０を経由して製品ガス導出管１３を通じて排出される。

ポンプ機構１６の駆動により、熱媒体ｅは吸着塔Ａ，Ｂ間の循環路内を循環し、各吸着塔Ａ，Ｂ内の熱交換用流路１a，１bを通過することにより吸着剤ｘと熱交換するが、図１の場合には、ポンプ機構１６を構成する分岐管３００，３０１の開閉弁２０，２１が閉状態、分岐管２００，２０１の開閉弁１８，１９が開状態でポンプ１７が駆動する。これにより熱媒体ｅは、吸着工程にある吸着塔Ａでは、熱交換用流路１a内を原料ガス流れ方向と反対方向に流れ、脱着工程にある吸着塔Ｂでは、熱交換用流路１b内を原料ガス流れ方向（但し、吸着工程での原料ガス流れ方向）と同一方向に流れる。

吸着工程にある吸着塔Ａのガス吸着部６では、原料ガス入口（原料ガス流入部７）に近い側ほど吸着反応が早いので、特にこの付近から発生する吸着熱を、熱交換用流路１aを流れる熱媒体ｅで効率的に回収できる。この熱媒体ｅは、導管２を経由して脱着工程にある吸着塔Ｂの熱交換用流路１bに流れる。
脱着工程にある吸着塔Ｂのガス吸着部６では、原料ガス入口（原料ガス流入部７）に近い側ほど吸熱反応が大きいので、前記吸着工程で熱媒体ｅにより回収した熱をここで吸着剤ｘに与えることにより、脱着量を増大させることができる。熱交換用流路１bを流れる熱媒体ｅは、脱着工程で発生した冷熱を回収した後、導管３を経由して吸着塔Ａの熱交換用流路１aに流れ、吸着工程にある吸着剤ｘを冷却することにより、吸着量を増大させる。

次に、図２のように、吸着塔Ａが脱着工程に、吸着塔Ｂが吸着工程にそれぞれ切り替わった場合、各吸着塔Ａ，Ｂで上述したと同様のガス吸着・分離が行われるが、この場合には、ポンプ機構１６を構成する分岐管３００，３０１の開閉弁２０，２１が開状態、分岐管２００，２０１の開閉弁１８，１９が閉状態でポンプ１７が駆動する。これにより熱媒体ｅは、吸着工程にある吸着塔Ｂでは、熱交換用流路１b内を原料ガス流れ方向と反対方向に流れ、脱着工程にある吸着塔Ａでは、熱交換用流路１a内を原料ガス流れ方向（但し、吸着工程での原料ガス流れ方向）と同一方向に流れ、図１の場合と同様に、熱交換を効率的に行うことができる。
以上のように、２基の吸着塔Ａ，Ｂで吸着工程と脱着工程を交互に繰り返し行い、その都度、吸着塔Ａ，Ｂ間での熱媒体ｅの循環を正逆方向に切り換える。

図３は、従来法及び本発明法により、ゼオライト系の吸着剤を用いて原料ガス（燃焼排ガス等のようなＣＯ_２を含むガス）からＣＯ_２の吸着・分離を行う場合において、吸着工程と脱着工程で７００torr→１００torrの圧力変化を与えた際の吸着量を示したものである。図において、（i）、（ii）の各線は比較例（従来法）の吸着特性を示すもので、（i）は吸着工程・脱着工程での吸着剤温度が１０℃の場合の吸着特性、（ii）は吸着工程・脱着工程での吸着剤温度が３０℃の場合の吸着特性であり、いずれも吸着量は４０Ｎｍｌ／ｇ程度である。これに対して、本発明法により熱媒体によって約２０℃の熱回収を行ってガス分離を行うことにより、（iii）の線に示すような吸着特性が得られ、比較例（従来法）に較べて吸着量が１．７倍程度増加することになり、これにより、エネルギー効率を４０％以上改善することができる。

Ａ，Ｂ 吸着塔
１a，１b 熱交換用流路
２，３ 導管
４，５ 仕切板
６ ガス吸着部
７ 原料ガス流入部
８ 原料ガス供給管
９ 開閉弁
１０ ガス流出部
１１ 濃縮ガス導出管
１２ 開閉弁
１３ 製品ガス導出管
１４ 開閉弁
１５ ポンプ
１６ ポンプ機構
１７ ポンプ
１８，１９，２０，２１ 開閉弁
１７０ 入側導管
１７１ 出側導管
２００，２０１，３００，３０１ 分岐管
ｘ 吸着剤
ｅ 熱媒体

Claims (5)

1. 内部に吸着剤が充填され、吸着工程と脱着工程が交互に行われる２基の吸着塔（Ａ），（Ｂ）を用い、圧力スイング吸着法により混合ガス中の１つ以上のガス成分を吸着・分離するガス分離方法であって、
   各吸着塔（Ａ），（Ｂ）において吸着剤と熱交換させた熱媒体を両吸着塔（Ａ），（Ｂ）間で循環させ、この循環する熱媒体により、吸着工程で発生した吸着熱を回収して脱着工程にある吸着剤に与え、脱着工程で発生した冷熱を回収して吸着工程にある吸着剤を冷却することを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
2. 熱媒体が水又は水溶液であることを特徴とする請求項１に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
3. 熱媒体は、各吸着塔（Ａ），（Ｂ）の内部に原料ガス流れ方向に沿って設けられた熱交換用流路を通過することにより吸着剤と熱交換することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
4. 熱媒体は、吸着工程にある吸着塔内では、熱交換用流路内を原料ガス流れ方向と反対方向に流れ、脱着工程にある吸着塔内では、熱交換用流路内を原料ガス流れ方向（但し、吸着工程での原料ガス流れ方向）と同一方向に流れることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
5. 内部に吸着剤が充填され、吸着工程と脱着工程が交互に行われる２基の吸着塔（Ａ），（Ｂ）を備え、圧力スイング吸着法により混合ガス中の１つ以上のガス成分を吸着・分離するガス分離装置であって、
   各吸着塔（Ａ），（Ｂ）の内部に、熱媒体を通過させるための熱交換用流路（１a），（１b）が原料ガス流れ方向に沿って設けられるとともに、両吸着塔（Ａ），（Ｂ）の原料ガス入口側における熱交換用流路（１a），（１b）の端部間が導管（２）で連絡され、濃縮ガス出口側における熱交換用流路（１a），（１b）の端部間が導管（３）で連絡されることにより、両吸着塔（Ａ），（Ｂ）間で熱媒体を循環させる循環路を形成し、該循環路内で熱媒体を正逆方向切り換え可能に循環させるためのポンプ機構を備えることを特徴とする圧力スイング吸着法によるガス分離装置。

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