JP2012005920A - 圧力スイング吸着法によるガス分離方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】混合ガス流路を直列に繋げた複数の吸着塔で吸着工程(A)が行われるようにするとともに、各吸着塔で行われる工程は、吸着工程(A)のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程(a)から上流側の吸着工程(a)に順次移行し、最上流側の吸着工程(a)を経てパージ工程(B)、脱着工程(C)に順次移行した後、吸着工程(A)のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程(a)に移行するサイクルからなるようにし、且つ、パージ工程(B)にある吸着塔から排出されるガスg1を、吸着工程(A)が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われる吸着塔x2に導入する。
【選択図】図1
Description
混合ガスから特定のガス成分を分離する方法として、圧力スイング吸着法(以下、PSA法という)によるものがあり、製鉄所においても利用されている。このPSA法は、吸着剤に対するガス成分の吸着量がガス種およびその分圧によって異なることを利用した分離方法であるため、吸着剤に特定のガス成分を吸着させる工程(一般に「吸着工程」と呼ばれる)および吸着したガスを吸着剤から脱着させて吸着剤を再生させる工程(一般に「脱着工程」と呼ばれる)においてガスを加圧あるいは減圧することが必要になり、PSA法の設備で消費される動力の大半はこのガスの加減圧によるものである。
このような課題に対して、特許文献1には、吸着剤に目的ガス成分(吸着しようとするガス成分)をできるだけ多く吸着させるために、吸着工程が行われる複数の吸着塔の混合ガス(原ガス)流路を直列に繋ぎ、1基の吸着塔ではオフガスとして損失してしまう目的ガス成分を後段の吸着塔で吸着するようにした方法が提案されている。
[1]4基以上の吸着塔を有するガス分離設備において、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法であって、
下記(イ)〜(ハ)の条件を満足するように吸着工程(A)、パージ工程(B)および脱着工程(C)をそれぞれ行うとともに、パージ工程(B)にある吸着塔から排出されるガス(g1)を、吸着工程(A)が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われる吸着塔(x2)に導入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。
(イ)ガス分離設備が有する吸着塔の数をn基とした場合、(n−2)基の吸着塔において吸着工程(A)が行われ、残りの2基の吸着塔において、パージ工程(B)と脱着工程(C)がそれぞれ行われる。
(ロ)吸着工程(A)では、(n−2)基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程(a)がそれぞれ行われる。
(ハ)各吸着塔で行われる工程は、吸着工程(A)のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程(a)から上流側の吸着工程(a)に順次移行し、最上流側の吸着工程(a)を経てパージ工程(B)、脱着工程(C)に順次移行した後、再び吸着工程(A)のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程(a)に移行するサイクルからなる。
[3]上記[1]または[2]のガス分離方法において、吸着塔(x2)を通過したガス(g1)を、その下流側で吸着工程(a)が行われる吸着塔に順に導入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、吸着工程(A)が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程(a)が行われる吸着塔(x1)に加圧された混合ガスを導入し、該吸着塔(x1)での吸着工程(a)が終了した後、次工程であるパージ工程(B)に移行する前に、吸着塔(x1)内を減圧し、この減圧の際に吸着塔(x1)から排出されるガス(g2)を、混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われた吸着塔(x2)に導入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。
[5]上記[4]のガス分離方法において、吸着塔(x2)を通過したガス(g2)を、その下流側で吸着工程(a)が行われた吸着塔に順に導入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。
[6]上記[1]〜[5]のいずれかのガス分離方法において、混合ガスが高炉ガスであり、高炉ガスから二酸化炭素および/または一酸化炭素を分離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。
(イ)ガス分離設備が有する吸着塔の数をn基とした場合、(n−2)基の吸着塔において吸着工程(A)が行われ、残りの2基の吸着塔において、パージ工程(B)と脱着工程(C)がそれぞれ行われる。
(ロ)吸着工程(A)では、(n−2)基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程(a)がそれぞれ行われる。
(ハ)各吸着塔で行われる工程は、吸着工程(A)のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程(a)から上流側の吸着工程(a)に順次移行し、最上流側の吸着工程(a)を経てパージ工程(B)、脱着工程(C)に順次移行した後、再び吸着工程(A)のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程(a)に移行するサイクルからなる。
例えば、高炉ガスから二酸化炭素や一酸化炭素を吸着分離する場合においては、吸着工程(A)を大気圧+α程度の圧力で行い、脱着工程(C)を大気圧より低い圧力で行うのが一般的である。その理由は、脱着時の減圧圧力がなるべく低いほうが目的ガス成分の濃度および回収率が高くなるからである。
各吸着塔において上記のような工程が順繰りに行われることにより、混合ガス(原ガス)を連続的に処理して目的ガス成分を分離回収する。
なお、以下に説明する図では、各吸着塔でのガス導入・排出は、ガスが塔下部から導入され、塔内を通過した後、塔上部から排出されるようになっているが、ガス導入・排出方向はこれに限られるものではない。
図2によれば、吸着塔x1、x2では未だ目的ガス成分の吸着は飽和濃度に到達していないが、吸着塔x3ではほぼ飽和濃度に到達している。このように複数段階の吸着工程(a)を経ることにより、吸着剤への目的ガス成分の吸着量を飽和濃度にまで高めることができるために吸着剤の利用効率が良くなり、効率的な目的ガス成分の回収が可能になる。
図4は、図1(iv)の場合を例に、その一実施形態を示している。図において、6は真空ポンプである。図4(I)に示すように、吸着塔2で脱着工程(C)が行われ、その回収ガスの一部が吸着塔1に送られてパージ工程(B)が行われる。そして、そのパージ排ガスg1が、吸着工程(A)が行われる吸着塔3〜5のうち混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われる「吸着塔x2」、すなわち吸着塔4に導入される。吸着塔4を通過したパージ排ガスg1は、さらにその下流側で吸着工程(a)が行われる吸着塔、すなわち吸着塔3(吸着塔x3)に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。このパージ工程(B)が終了後、図4(II)に示すように、混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定された吸着塔5(吸着塔x1)、吸着塔4(吸着塔x2)、吸着塔3(吸着塔x3)で吸着工程(a)が行われる。
このような好ましい実施形態では、吸着塔x1での吸着工程(a)が終了した後、次工程であるパージ工程(B)に移行する前に、吸着塔x1内をパージ工程を行うための圧力まで減圧(自然放圧または真空ポンプなどによる減圧)する必要があるが、その減圧の際に吸着塔x1から排出されるガスg2を、混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われた吸着塔x2(すなわち、次の吸着工程(A)において、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程(a)が行われる吸着塔)に導入する。
図5(I)に示されるように、吸着工程(A)が行われる吸着塔5〜3のうち混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程(a)が行われる吸着塔5(x1)に対して、圧縮機7(またはブロワ)で加圧された混合ガスを導入することにより吸着工程(A)が行われる。吸着塔5(x1)での吸着工程(a)が終了した後、次工程であるパージ工程(B)に移行する前に、図5(II)に示されるように、吸着塔5内をパージ工程を行うための圧力まで減圧し(なお、この実施形態では自然放圧による減圧であるが、真空ポンプなどで減圧してもよい)、その減圧の際に吸着塔5(x1)から排出されるガスg2を、混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われた吸着塔4(x2)に導入する。この吸着塔4(x2)を通過したガスg2は、さらにその下流側で吸着工程(a)が行われた吸着塔、すなわち吸着塔3(x3)に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。しかる後、図5(III)に示されるように、吸着塔5がパージ工程(B)に移行し、そのパージ排ガスg1が、次の吸着工程(A)が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われる吸着塔3(x2)に導入される。この吸着塔3(x2)を通過したパージ排ガスg1は、さらにその下流側で吸着工程(a)が行われる吸着塔、すなわち吸着塔2(x3)に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。
図6は図4(I)の状態であり、脱着工程(C)にある吸着塔2からの回収ガスの一部が吸着塔1に送られてパージ工程(B)が行われ、そのパージ排ガスg1が、吸着工程(A)が行われる吸着塔のうち混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われる吸着塔4に導入される。この吸着塔4を通過したパージ排ガスg1は、さらにその下流側で吸着工程(a)が行われる吸着塔3に導入された後、吸着排ガスとして系外に排出される。図7は図4(II)の状態であり、吸着塔1でのパージ工程(B)が終了後、混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定された吸着塔5、吸着塔4、吸着塔3で吸着工程(A)が行われ、吸着塔2では引き続き脱着工程(C)が行われる。
なお、本発明の実施に供されるガス分離設備は、4基以上の吸着塔を備えるものであればよく、吸着塔の数は任意である。
4基の吸着塔を備えたPSA法によるガス分離装置(試験装置)を用い、高炉ガスを模擬した原ガス(二酸化炭素:22vol%、一酸化炭素:23vol%、窒素:52vol%、水素:3vol%)から二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
この比較例の吸着工程では、2基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程がそれぞれ行われるようにした。各吸着塔内(内径40mmφ×高さ500mm)には、X型ゼオライト(東ソー(株)製「ゼオラムF−9」)を500g充填した。1回の各工程での時間は、吸着工程:210秒、パージ工程:50秒(160秒間待機状態)、脱着工程:210秒とした。原ガス量は3.9NL/分とし、圧力110kPaにて吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が99vol%以上となるように調整した。脱着工程における最終圧力は7kPaとした。この比較例では、二酸化炭素の回収率は75vol%であった。
4基の吸着塔を備えたPSA法によるガス分離装置(試験装置)を用い、比較例1と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、1回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程(B)は吸着工程(A)の前に実施し、そのパージ排ガスg1を、混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程(a)が行われる吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程(B)で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が99vol%以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は79vol%であった。
5基の吸着塔を備えたPSA法によるガス分離装置(試験装置)を用い、高炉ガスを模擬した原ガス(二酸化炭素:22vol%、一酸化炭素:23vol%、窒素:52vol%、水素:3vol%)から二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
この比較例の吸着工程では、3基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程がそれぞれ行われるようにした。各吸着塔内(内径40mmφ×高さ500mm)には、X型ゼオライト(東ソー(株)製「ゼオラムF−9」)を500g充填した。1回の各工程での時間は、吸着工程:210秒、パージ工程:95秒(115秒間待機状態)、脱着工程:210秒とした。原ガス量は8.4NL/分とし、圧力150kPaにて吸着塔に導入した。
本実施例では、パージ工程で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が99vol%以上となるように調整した。脱着工程における最終圧力は10kPaとした。この比較例では、二酸化炭素の回収率は60vol%であった。
5基の吸着塔を備えたPSA法によるガス分離装置(試験装置)を用い、比較例2と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、1回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程(B)は吸着工程(A)の前に実施し、そのパージ排ガスg1を、混合ガス流れ方向で最上流側から二番目の吸着工程(a)が行われる吸着塔に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg1は、さらにその下流側で吸着工程(a)が行われる吸着塔に導入された。
本実施例では、パージ工程(B)で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が99vol%以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は64vol%であった。
5基の吸着塔を備えたPSA法によるガス分離装置(試験装置)を用い、比較例2と同様の原ガスから二酸化炭素を分離回収する試験を行った。
各吸着塔の構成、1回の各工程での時間、原ガス量、脱着圧力は比較例と同様にしたが、パージ工程(B)は吸着工程(A)の前に実施し、そのパージ排ガスg1を、混合ガス流れ方向で最上流側から二番目の吸着工程(a)が行われる吸着塔に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg1は、さらにその下流側で吸着工程(a)が行われる吸着塔に導入された。
さらに、吸着工程(a)終了後、次の工程であるパージ工程(B)に移行する前の吸着塔を減圧(自然放圧)し、その減圧で吸着塔から排出されたガスg2を、最上流側から二番目の吸着工程(a)が行われた吸着塔(すなわち、次の吸着工程(A)において最上流側の吸着工程(a)が行われる吸着塔)に導入した。この吸着塔を通過したパージ排ガスg1は、さらにその下流側で吸着工程(a)が行われた吸着塔に導入された。
本実施例では、パージ工程(B)で導入するガス量は、回収ガスの二酸化炭素濃度が99vol%以上となるように調整した。この発明例では、二酸化炭素の回収率は67vol%であった。
6 真空ポンプ
7 圧縮機
8 背圧弁
x1,x2,x3 吸着塔
Claims (6)
- 4基以上の吸着塔を有するガス分離設備において、圧力スイング吸着法により混合ガスから特定のガス成分を分離する方法であって、
下記(イ)〜(ハ)の条件を満足するように吸着工程(A)、パージ工程(B)および脱着工程(C)をそれぞれ行うとともに、パージ工程(B)にある吸着塔から排出されるガス(g1)を、吸着工程(A)が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われる吸着塔(x2)に導入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。
(イ)ガス分離設備が有する吸着塔の数をn基とした場合、(n−2)基の吸着塔において吸着工程(A)が行われ、残りの2基の吸着塔において、パージ工程(B)と脱着工程(C)がそれぞれ行われる。
(ロ)吸着工程(A)では、(n−2)基の吸着塔の混合ガス流路が直列に繋がるように流路が設定され、混合ガスが各吸着塔を順に通過することにより、各吸着塔において吸着工程(a)がそれぞれ行われる。
(ハ)各吸着塔で行われる工程は、吸着工程(A)のうち混合ガス流れ方向で下流側の吸着工程(a)から上流側の吸着工程(a)に順次移行し、最上流側の吸着工程(a)を経てパージ工程(B)、脱着工程(C)に順次移行した後、再び吸着工程(A)のうち混合ガス流れ方向で最下流側の吸着工程(a)に移行するサイクルからなる。 - (n−2)基の吸着塔において吸着工程(A)を行う前に、パージ工程(B)にある吸着塔から排出されるガス(g1)を吸着塔(x2)に導入す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。
- 吸着塔(x2)を通過したガス(g1)を、その下流側で吸着工程(a)が行われる吸着塔に順に導入することを特徴とする請求項1または2に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
- 吸着工程(A)が行われる吸着塔のうち、混合ガス流れ方向で最上流側の吸着工程(a)が行われる吸着塔(x1)に加圧された混合ガスを導入し、該吸着塔(x1)での吸着工程(a)が終了した後、次工程であるパージ工程(B)に移行する前に、吸着塔(x1)内を減圧し、この減圧の際に吸着塔(x1)から排出されるガス(g2)を、混合ガス流れ方向で最上流側から2番目の吸着工程(a)が行われた吸着塔(x2)に導入す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。
- 吸着塔(x2)を通過したガス(g2)を、その下流側で吸着工程(a)が行われた吸着塔に順に導入することを特徴とする請求項4に記載の圧力スイング吸着法によるガス分離方法。
- 混合ガスが高炉ガスであり、高炉ガスから二酸化炭素および/または一酸化炭素を分離することを特徴とする請求項1〜5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。
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