JP2014226617A

JP2014226617A - ガス精製装置とガス精製方法

Info

Publication number: JP2014226617A
Application number: JP2013109027A
Authority: JP
Inventors: 進石田; Susumu Ishida
Original assignee: Maezawa Industries Inc
Current assignee: Maezawa Industries Inc
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-12-08

Abstract

【課題】性能低下を来すことなく効率的に被吸着ガスを吸着して排出する。
【解決手段】ガス精製装置は、第一吸着塔４Ａと第二吸着塔４Ｂを備え、原料ガスから二酸化炭素ガスを吸着して精製ガスを分離精製する。リング状の第一吸着塔４Ａの内周面に円筒状の第二吸着塔４Ｂを配設し、第一吸着塔４Ａの内周面と第二吸着塔４Ｂの外周面を接触面１１として面接触させる。一方の吸着塔で二酸化炭素ガスを吸着剤に吸着すると共に、他方の吸着塔で吸着剤に吸着された二酸化炭素ガスを排出し、交互に切り替えて二酸化炭素ガスの吸着と二酸化炭素ガスの排出を繰り返す。しかも、一方の吸着塔で二酸化炭素ガスを吸着する際に発生する吸着熱を、接触面１１を介して、二酸化炭素ガスを排出する他方の吸着塔に熱伝導させて温度を上昇させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、原料混合ガスから障害となるガス成分をＶＰＳＡ（Vacuum Pressure Swing Adsorption）方式またはＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式等によって分離除去して所要のガスを精製するようにしたガス精製装置とガス精製方法に関する。

従来、原料混合ガスから特定のガス成分を分離回収する装置として、種々のガス精製装置が提案されている。
例えば特許文献１に記載された発明では混合ガス中の水分除去方法が提案されている。この方法では、炭酸ガスを含む原料混合ガスを冷却し、回転式連続再生除湿装置を通過させて原料混合ガス中の水分を除去し、回転式連続再生除湿装置の再生用ガスとして圧力振動式ガス吸着分離における吸着工程時に排出される非吸着ガスを加熱して用いることを特徴としている。

ところで、ガス精製等に用いる従来のガス精製装置として、図８に示すＶＰＳＡ装置１００は、原料ガスを供給する原料ガスタンク１０１と、原料ガスから特定のガスを除く他のガス成分を被吸着ガスとして吸着するための吸着剤を充填した２塔の吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂと、各吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂで吸着されない特定のガスを精製ガスとして取り出して充填する精製ガスタンク１０２とが設けられている。更に吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂの吸着剤に吸着された被吸着ガスを排出（放出）させた後に貯留させる排ガスタンク１０３を備えている。
そして、２塔の吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂの一方で原料ガスから被吸着ガスを吸着処理すると共に他方で吸着剤に吸着された被吸着ガスを排出処理し、交互に吸着と排出の工程を切り替えて運転することで精製ガスを分離するようにしている。

このＶＰＳＡ装置１００では、吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂ内の圧力が高いときに被吸着ガスの吸着量が多く、圧力が低いときには被吸着ガスの吸着量が少ない特性を利用して、圧力を変動させて原料ガス中の特定の成分ガスを精製するようにしている。
なお、ガス精製装置の代表的なものとして、空気中の酸素を濃縮するＰＳＡ装置やバイオガス中のメタンガスを濃縮するＶＰＳＡ装置がある。被吸着ガスを排出する際、真空に近い圧力まで下げる方式をＶＰＳＡ方式といい、大気圧程度の下で排出する方式をＰＳＡ方式といって区別する場合がある。

上述した従来のＶＰＳＡ装置１００では、例えばメタン濃度約６０％、二酸化炭素濃度約４０％のメタンバイオガスを原料ガスとして、２塔の吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂで二酸化炭素ガスを吸着及び排出させることで、吸着されない濃度の高いメタンガスを精製ガスとして得ている。この場合、２塔の吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂにおいて交互に行われる吸着と排出に伴う温度変化を示すと、図９に示すように、吸着時には吸着塔の温度が上昇し、排出時には吸着塔の温度が低下し、交互に温度が昇降する。

特公平７−１０８３６８号公報

ところで、ＶＰＳＡ装置１００において、吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂ内に設けた活性炭やゼオライト等の吸着剤では、ガス吸着時に吸着熱が発生し、排出時には熱を吸収する特性を有している。そのため、被吸着ガス吸着時には温度が低いほど有利であるが、吸着により温度が上昇する欠点がある。逆に、被吸着ガス排出時には温度が高いほど有利であるが、排出によって温度が低下するという欠点がある。
また従来のＶＰＳＡ装置１００は、吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂにおける吸着熱と排出熱の範囲は理論上は同じであり、メタンバイオガスでは１５℃〜４０℃の温度変化を繰り返している。そして、温度変化は、吸着剤による被吸着ガスの吸着力が強いほど、被吸着ガスの濃度が高いほど、吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂの放熱量が少ないほど、大きくなる傾向がある。しかも、吸着塔１０４Ａ，１０４Ｂがより大型化すると放熱量が減少し、中心部と周辺部との間で大きな温度変化を伴うため吸着剤による被吸着ガスの吸着及び排出の性能低下を来すおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、性能低下を来すことなく効率的に被吸着ガスを吸着して排出できるようにしたガス精製装置とガス精製方法を提供することを目的とする。

本発明によるガス精製装置は、原料ガスから被吸着ガスを吸着して精製ガスを分離精製するガス精製装置において、第一吸着塔と第二吸着塔とを備え、第一吸着塔と第二吸着塔の一方で被吸着ガスを吸着剤によって吸着すると共に他方で吸着剤に吸着された被吸着ガスを排出して、交互に被吸着ガスの吸着と被吸着ガスの排出を行い、一方の吸着塔で被吸着ガスを吸着する際に発生する吸着熱を被吸着ガスを排出する他方の前記吸着塔に熱伝導させる伝熱手段を備えたことを特徴とする。
本発明によるガス精製装置によれば、第一吸着塔と第二吸着塔の一方に供給される原料ガスから被吸着ガスを吸着剤で吸着する際に発生する吸着熱を、伝熱手段を介して他方の吸着塔に熱伝達させることで一方の吸着塔の温度を低下させて被吸着ガスの吸着量を増大させることができ、他方の吸着塔では吸着剤に吸着された被吸着ガスを排出することで熱が吸収されて温度低下するが、伝熱手段を介して伝達された吸着熱によって温度を上昇させることができて被吸着ガスの排出を増大させることができる。そのため、一方の吸着塔で発生する吸着熱を他方の吸着塔に伝達することで相殺することができ、第一吸着塔と第二吸着塔において交互に行われる被吸着ガスの吸着と吸着済みの被吸着ガスの排出を効率よく行い、原料ガスから高濃度の精製ガスを精製できる。

また、第一吸着塔の内側に第二吸着塔が配設されて一体化されていることが好ましい。
第一吸着塔と第二吸着塔を内側と外側に配設して一体化することで、伝熱手段を介して容易に一方の吸着塔の吸着熱を他方の吸着塔に熱伝導して相殺できる。

また、第二吸着塔は複数に分割されて第一吸着塔内に分散して配設されていてもよい。
第二吸着塔を複数に分散して第一吸着塔内に配設することで、一方の吸着塔で発生する吸着熱を他方の吸着塔にスムーズに熱伝導できる。

また、伝熱手段は、第一吸着塔の内面と第二吸着塔の外面との接触面であってもよい。
第一吸着塔と第二吸着塔の接触面を通して吸着熱を一方から他方の吸着塔に熱伝導させることができる。

また、伝熱手段は、第一吸着塔と第二吸着塔の内部にそれぞれ伝熱体が配設されていると共に伝熱体同士が接続されて循環路を構成し、循環路内には循環可能な伝熱媒体が配設されていてもよい。
第一吸着塔と第二吸着塔の内部にそれぞれ設けられた中空の伝熱体同士を循環路として接続させ、循環路の内部に伝熱媒体を循環させることで、一方の吸着塔で発生する吸着熱を循環路の伝熱媒体を介して移送することで温度低下させると共に、被吸着ガスを排出させる他方の吸着塔に伝熱媒体を介して熱伝導させて温度を上昇させることで、被吸着ガスの吸着と排出の効率を向上できる。

また、伝熱手段は、第一吸着塔と第二吸着塔を収容すると共に内部に伝熱媒体を充填した伝熱容器であってもよい。
伝熱容器内において一方の吸着塔で発生する吸着熱を伝熱媒体を介して他方の吸着塔に熱伝導して相殺できる。

また、伝熱手段は、第一吸着塔と第二吸着塔を連結すると共に内部に伝熱媒体を充填した伝熱容器であってもよい。
この場合も、一方の吸着塔で発生する吸着熱を伝熱容器内の伝熱媒体を介して他方の吸着塔に熱伝導して相殺できる。

また、第一吸着塔と第二吸着塔の内部には内部の温度変化を低減させる伝熱部材が配設されていることが好ましい。
第一吸着塔と第二吸着塔内で被吸着ガスの吸着による吸着熱や排出による熱冷却が生じた場合、第一吸着塔と第二吸着塔が大型化すると内部の温度がばらついて不均一になり易いが、伝熱部材によって熱伝導することで温度変化を低減させることができる。

また、伝熱部材は、第一吸着塔及び第二吸着塔内に設けた中央の伝熱体から外周面まで放射状に延びる伝熱板を備えた放射状伝熱板、または伝熱板が格子状に配列された格子状伝熱板を備えていてもよい。
放射状伝熱板または格子状伝熱板によって、各吸着塔内部の温度をより均一に調整することができる。

本発明によるガス精製方法は、原料ガスから被吸着ガスを吸着して精製ガスを分離精製するガス精製方法において、一方の吸着塔内の吸着剤で被吸着ガスを吸着すると共に他方の吸着塔内の吸着剤で吸着した被吸着ガスを排出することを、両方の吸着塔で交互に繰り返して行い、一方の吸着塔で被吸着ガスを吸着する際に発生する吸着熱を、伝熱手段を介して、被吸着ガスを排出する際に熱を吸収する他方の吸着塔に熱伝導するようにしたことを特徴とする。
本発明によるガス精製方法によれば、一方の吸着塔に供給される原料ガスから被吸着ガスを吸着剤で吸着する際に発生する吸着熱を、伝熱手段を介して、他方の吸着塔に熱伝達させることで一方の吸着塔の温度を低下させて被吸着ガスの吸着量を増大でき、また、他方の吸着塔では吸着剤に吸着された被吸着ガスを排出することで熱が吸収されて温度低下するが、伝熱手段を介して伝達された吸着熱によって温度を上昇できて被吸着ガスの排出を増大させる。そのため、一方の吸着塔で発生する吸着熱を他方の吸着塔で熱を吸収することで相殺することができ、両方の吸着塔において交互に行われる被吸着ガスの吸着と吸着済みの被吸着ガスの排出とを効率よく行い、原料ガスから高濃度の精製ガスを精製できる。

本発明によるガス精製装置及びガス精製方法によれば、一方の吸着塔で発生する熱を他方の吸着塔に供給して吸収させることで熱量を相殺させることができ、一方の吸着塔の温度を低下させて被吸着ガスの吸着効率を向上させ、他方の吸着塔の温度を上昇させることで被吸着ガスの排出効率を向上させることができる。そのため、効率的な被吸着ガスの吸着と排出を交互に行うことができるため原料ガスから高濃度の精製ガスを効率的に精製できる。

本発明の第一実施形態によるガス精製装置の基本構成を示す図である。第一実施形態による第一及び第二吸着塔の構成を示す図である。本発明の第二実施形態による第一及び第二吸着塔の構成を示す図である。本発明の第三実施形態による第一及び第二吸着塔の構成を示す図である。本発明の第四実施形態による第一及び第二吸着塔の構成を示す図である。本発明の第五実施形態による第一及び第二吸着塔の構成を示す図である。本発明の第六実施形態による第一及び第二吸着塔の構成を示す図である。一般的なガス精製装置の構成を示す図である。図８に示すガス精製装置において第一吸着塔と第二吸着塔の温度変化を示すグラフである。

以下、本発明の第一実施形態によるガス精製装置について図１及び図２を参照して説明する。
図１に示すガス精製装置１は、原料ガス、例えばバイオガス中のメタンガスを濃縮するＶＰＳＡ装置である。このガス精製装置１は、例えばメタンガス（濃度６０％）と二酸化炭素ガス（濃度４０％）を含む原料ガスを、管路２を通して原料ガスタンク３から第一吸着塔４Ａと第二吸着塔４Ｂに選択的に供給し、各吸着塔４Ａ，４Ｂで吸着されないメタン濃度の高いメタンガスを精製ガスとして管路２を通して精製ガスタンク５に貯留する構成を有している。

第一吸着塔４Ａと第二吸着塔４Ｂ内には二酸化炭素を吸着するための活性炭やゼオライト等の吸着剤がそれぞれ充填されており、これらの吸着剤に吸着された二酸化炭素ガスである被吸着ガスは吸着剤から排出されて管路２を通して排ガスタンク６に貯留可能とされている。そして、第一吸着塔４Ａと第二吸着塔４Ｂの処理工程において、二酸化炭素ガスを吸着剤で吸着する一方の吸着塔は圧力を高く設定し、吸着剤で吸着された二酸化炭素ガスを排出（脱気、放出）する他方の吸着塔は圧力を比較的低く設定することで、吸着と排出の処理工程を切り替えるものとする。

そして、管路２は各吸着塔４Ａ，４Ｂの上流側で分岐されて各吸着塔４Ａ，４Ｂに接続され、更に合流した後で排ガスタンク６に接続されている。各吸着塔４Ａ，４Ｂの下流側にそれぞれ接続された各管路２はそれぞれ分岐された後で合流して精製ガスタンク５に接続する構成を備えている。各吸着塔４Ａ，４Ｂの上流側と下流側の管路２にはバルブ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄとバルブ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄがそれぞれ取り付けられている。

次に本第一実施形態における２塔の吸着塔４Ａ，４Ｂについて図２により説明する。
第一吸着塔４Ａは熱伝導性の良い金属からなるリング状に形成されている。その内周面には第二吸着塔４Ｂが熱伝導性の良い金属からなる略円筒状に形成され、第一吸着塔４Ａと略同心状に配設されて一体化されている。そのため、第一吸着塔４Ａの内周面と第二吸着塔４Ｂの外周面とが接触面１１として面接触しており、相互の熱伝導性が高い。
第一吸着塔４Ａの上下部には管路２との連結部９がそれぞれ取り付けられ、第二吸着塔４Ｂの上下部には管路２との連結部１０がそれぞれ取り付けられている。これら２塔の吸着塔４Ａ，４Ｂは中心軸線Ｏに直交する水平断面において同一の断面積を有しており、充填された吸着剤の充填量が略等しくなっている。
しかも、第一吸着塔４Ａ、第二吸着塔４Ｂや連結部９、１０は互いの熱伝導性を良くするために鉄、ステンレス、アルミニウム、銅等の金属を使用することができる。どのような材質を使用するかは対象となる原料ガスの性状を考慮して選定すればよい。

本実施形態によるガス精製装置１は上述の構成を備えており、次にこのガス精製装置１を用いたガス精製方法について説明する。
原料ガスタンク３から原料ガスが管路２を通して第一及び第二吸着塔４Ａ，４Ｂに供給され、例えばバルブ７ａ、７ｃ、７ｄが開、バルブ７ｂが閉とされた場合には第一吸着塔４Ａに原料ガスが供給される。すると、第一吸着塔４Ａ内では供給される原料ガスのうち被吸着ガスである二酸化炭素ガスが吸着剤によって吸着され、メタンガスは吸着されないため高濃度となって第一吸着塔４Ａの下流側の管路２を通して精製ガスタンク５に充填される。そして、第一吸着塔４Ａ内で二酸化炭素ガスが吸着剤に吸着される際に発熱して吸着熱を発生する。

一方、第二吸着塔４Ｂでは管路２のバルブ８ａ、８ｃ、８ｄが閉、バルブ８ｂが開とされ、第二吸着塔４Ｂ内の吸着剤に吸着された被吸着ガスである二酸化炭素ガスが放出され、バルブ８ｂを介して排ガスタンク６に送られる。このとき、第二吸着塔４Ｂ内では二酸化炭素ガスが排出されることで冷却され温度が低下する。
そして、第一吸着塔４Ａで発生した吸着熱が接触面１１を介して第一吸着塔４Ａの内周面から第二吸着塔４Ｂの外周面に伝達されて熱交換する。これによって、第一吸着塔４Ａでは吸着熱を奪われるため温度が低下して二酸化炭素ガスの吸着量が増大し、第二吸着塔４Ｂでは冷却された吸着剤の温度が第一吸着塔４Ａから伝達される吸着熱によって上昇するため吸着剤に吸着された二酸化炭素ガスの放出量が増大する。

こうして、第一及び第二吸着塔４Ａ，４Ｂによって原料ガス中の二酸化炭素ガスの吸着と排出を行うことで、第一吸着塔４Ａ内の吸着剤の吸着量が飽和に近い状態または所定の大きさ以上になると、バルブ７ａ〜８ｄとバルブ８ａ〜８ｄの開閉を切り換えて第一吸着塔４Ａでは吸着剤から二酸化炭素ガスの排出を行う。これと同時に、第二吸着塔４Ｂには原料ガスを供給して二酸化炭素ガスを吸着剤で吸着することでメタンガスの濃度を高濃度にして排出し、精製ガスとして管路２を通して精製ガスタンク５に充填する。

そして、第二吸着塔４Ｂで発生した吸着熱を接触面１１を通して第一吸着塔４Ａ内に熱伝導することで、第二吸着塔４Ｂの温度を低下させて吸着量を増大させ、第一吸着塔４Ａでは吸着熱の熱伝導を受けて吸着剤の温度を上昇させて二酸化炭素の放出量を増大させる。
このようにして、第一及び第二吸着塔４Ａ，４Ｂで交互に原料ガス中の二酸化炭素ガスの吸着と排出を行うと共に、吸着熱を二酸化炭素ガスの吸着を行う一方の吸着塔から放出を行う他方の吸着塔に伝達することで、吸着と放出の処理効率を向上させることができる。

上述のように本第一実施形態によるガス精製装置１とガス精製方法によれば、第一及び第二吸着塔４Ａ，４Ｂで交互に原料ガス中の二酸化炭素ガスの吸着と排出を繰り返して行うと共に、一方の吸着塔において二酸化炭素ガスの吸着によって生じる吸着熱を接触面１１を介して他方の吸着塔に熱伝導することで温度を低下させて二酸化炭素ガスの吸着を促進させる。そして、接触面１１から伝達される吸着熱によって、他方の吸着塔における吸着剤の温度を上昇させて二酸化炭素ガスの排出を促進させることができるので、被吸着ガスである二酸化炭素ガスの吸着と放出の処理効率を向上できる。これによって、より高濃度のメタンガスを精製ガスとして得ることができる。
しかも、第一吸着塔４Ａと第二吸着塔４Ｂの中心軸線Ｏに直交する断面積が略同一で吸着剤の充填量が等しいため、第一吸着塔４Ａと第二吸着塔４Ｂにおける二酸化炭素ガスの吸着量と放出量を略同一にできる。

なお、本発明は上述の第一実施形態によるガス精製装置１に限定されることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本発明の他の実施形態や変形例について説明するが、上述の実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。

図３は本発明の第二実施形態によるガス精製装置１における第一吸着塔１２Ａと第二吸着塔１２Ｂを示すものである。本第二実施形態によるガス精製装置１において、第一実施形態と同様に第一吸着塔１２Ａはリング状に形成され、第二吸着塔１２Ｂはその内周面に円筒状に形成されて接触面１１を介して一体化されている。第一及び第二吸着塔１２Ａ，１２Ｂ内にはそれぞれ二酸化炭素ガスを吸着するための吸着剤が充填されており、更に平面視で格子状をなす複数の伝熱板１３、１４が中心軸線Ｏ方向に延びている。

ここで、第一吸着塔１２Ａと第二吸着塔１２Ｂが大型化した場合、第一吸着塔１２Ａと第二吸着塔１２Ｂの内部の中央と外周側や上部と下部とで温度差が生じると、吸着剤による二酸化炭素ガスの吸着率と吸着された二酸化炭素ガスの排出率に差がでてしまい、精製されるメタンガス濃度にバラツキが生じることがある。
これに対し、本第二実施形態によるガス精製装置１では、第一吸着塔１２Ａと第二吸着塔１２Ｂ内に格子状の伝熱板１３、１４がそれぞれ配設されているため熱伝導性が高い。そのため、第一吸着塔１２Ａと第二吸着塔１２Ｂの内部の中央と外周側や上部と下部で温度差が生じることが抑制されてほぼ同一温度に調整される。しかも、一方の吸着塔において二酸化炭素ガスの吸着によって生じる吸着熱を、接触面１１を介して他方の吸着塔に熱伝導することで、二酸化炭素ガスの排出で低下する温度を上昇させるため、二酸化炭素ガスの吸着と排出効率を向上できる。
そのため、第一吸着塔１２Ａ及び第二吸着塔１２Ｂに充填した吸着材による二酸化炭素ガスの吸着量と放出量がほぼ同一になりバランス良く高濃度のメタンガスを得ることができる。

なお、第二実施形態によるガス精製装置１の変形例として、伝熱板１３，１４は中心軸線Ｏ方向だけでなく中心軸線Ｏに直交する方向にも格子状に配設されていてもよい。この場合にはより一層、第一吸着塔１２Ａ及び第二吸着塔１２Ｂの内部の温度を均一に制御できる。

次に図４により、本発明の第三実施形態によるガス精製装置１について説明する。
本第三実施形態によるガス精製装置１では、図４に示すように、比較的大径の円筒状に形成された第一吸着塔１６Ａ内に比較的小径の円筒状の第二吸着塔１６Ｂが複数（図では５本）に分割されて互いに分離して配設されている。複数の第二吸着塔１６Ｂは第一吸着塔１６Ａ内に均等に分散されて接触面１１を介して第一吸着塔１６Ａと一体に配設されている。しかも、第一及び第二吸着塔１６Ａ，１６Ｂの中心軸線Ｏに直交する断面積の総和と第一吸着塔１６Ａの断面積とが等しく吸着剤の充填量が略等しいことが好ましい。
本第三実施形態によるガス精製装置１においても、第一吸着塔１６Ａと第二吸着塔１６Ｂとの間の熱伝導性を高めることができるため、二酸化炭素ガスの吸着効率と排出効率を向上させて高濃度のメタンガスを効率的に得ることができる。

次に図５により、本発明の第四実施形態によるガス精製装置１について説明する。
本第四実施形態によるガス精製装置１は、第一吸着塔１８Ａと第二吸着塔１８Ｂとが分離して並列に配設されている。そして、第一吸着塔１８Ａの中心軸線Ｏ上に中空の筒状をなす伝熱体１９が取り付けられ、第二吸着塔１８Ｂの中心軸線Ｏ上にも中空の筒状をなす伝熱体２０が取り付けられている。

また、これら伝熱体１９，２０の上端部同士と下端部同士をそれぞれ接続させる上部連結管２１と下部連結管２２とが設けられ、閉ループをなすこれら伝熱体１９，２０及び上下部連結管２１，２２からなる流路は循環路２３を構成し、この循環路２３内を流動する熱伝導性の高い熱媒体として例えば不凍液が配設されている。上部連結管２１と下部連結管２２の一方にはポンプＰが取り付けられ、不凍液を強制的に循環させるようになっている。
しかも、第一吸着塔１８Ａには中央の伝熱体１９と外周面を連結する複数の伝熱板２４が放射状に配列されている。同様に、第二吸着塔１８Ｂにも中央の伝熱体２０と外周面を連結する複数の伝熱板２４が放射状に配列されている

本第四実施形態によるガス精製装置１によれば、一方の吸着塔１８Ａの吸着剤によって二酸化炭素ガスを吸着することで吸着熱を発生し、この吸着熱は伝熱体１９から循環路２３を循環する不凍液を介して他方の吸着塔１８Ｂの伝熱体２０に熱伝導させることで他方の吸着塔１８Ｂ内の吸着剤の温度を上昇させて二酸化炭素の排出を促進できる。
しかも、第一及び第二吸着塔１８Ａ，１８Ｂにおける中心軸線Ｏ上の伝熱体１９，２０から外周面に向けて放射状に複数の伝熱板２４を配列したから、各吸着塔１８Ａ，１８Ｂ内の温度を均一に制御できるため、各吸着剤による二酸化炭素ガスの吸着と排出を安定して均等に行うことができる。

次に図６により、本発明の第五実施形態によるガス精製装置１について説明する。
本第五実施形態によるガス精製装置１では、図６に示すように、第一吸着塔１８Ａと第二吸着塔１８Ｂとが分離して並列に配設されている。そして、第一吸着塔１８Ａの中心軸線Ｏ上に棒状で熱伝導性の良い金属等からなる伝熱体２６が取り付けられ、第二吸着塔１８Ｂの中心軸線Ｏ上にも棒状で熱伝導性の良い金属等からなる伝熱体２６が取り付けられている。
しかも、第一吸着塔１８Ａには中央の伝熱体２６と外周面とを連結する複数の伝熱板２４が放射状に配列されている。同様に、第二吸着塔１８Ｂにも中央の伝熱体２６と外周面とを連結する複数の伝熱板２４が放射状に配列されている。そして、これら第一及び第二吸着塔１８Ａ、１８Ｂを囲う伝熱容器２７が設けられ、この伝熱容器２７内には熱媒体として例えば不凍液が充填されている。

そのため、本第五実施形態によるガス精製装置１によれば、一方の吸着塔の吸着剤によって原料ガスの二酸化炭素ガスを吸着することで吸着熱を発生し、この吸着熱は吸着塔１８Ａの外周面を覆う伝熱容器２７の不凍液を介して他方の吸着塔に熱伝導され、他方の吸着塔１８Ｂ内の吸着剤の温度を上昇させて吸着された二酸化炭素の排出を促進できる。
しかも、第一及び第二吸着塔１８Ａ，１８Ｂにおける中心軸線Ｏ上の伝熱体２６，２６から外周面に向けて放射状に複数の伝熱板２４を配列したから、各吸着塔１８Ａ，１８Ｂ内の温度を均一に制御できるため、各吸着剤による二酸化炭素ガスの吸着と排出を安定して均等に行うことができる。

次に図７により、本発明の第六実施形態によるガス精製装置１について説明する。
図７に示す第六実施形態によるガス精製装置１では、第五実施形態と同様に、第一吸着塔１８Ａと第二吸着塔１８Ｂとが分離して並列に配設され、第一及び第二吸着塔１８Ａ、１８Ｂの中心軸線Ｏ上に棒状の伝熱体２６、２６がそれぞれ取り付けられている。しかも、第一及び第二吸着塔１８Ａ、１８Ｂには各伝熱体２６と外周面とを連結する複数の伝熱板２４が放射状に配列されている。
そして、これら第一及び第二吸着塔１８Ａ、１８Ｂの円筒状の外周面のうち、互いに対向する半周の側面を連結する例えば金属製の伝熱容器２９が設けられ、この伝熱容器２９内には熱媒体として例えば不凍液が充填されている。

本第六実施形態によるガス精製装置１によれば、第一及び第二吸着塔１８Ａ，１８Ｂの半周分の側面同士を覆う伝熱容器２９内に不凍液を充填したから、第五実施形態と比較して熱伝導効率は若干劣るが、第一及び第二吸着塔１８Ａ，１８Ｂにおける伝熱体２６，２６及び放射状の伝熱板２４によって各吸着塔１８Ａ，１８Ｂ内の温度を均一に制御できるため、不凍液を介して一方の吸着塔の吸着熱を他方の吸着塔に伝達させることができて、各吸着剤による二酸化炭素ガスの吸着と排出を安定して均等に行うことができる。

なお、上述した各実施形態によるガス精製装置及びガス精製方法では、原料ガスを構成するバイオガスにおいて、第一及び第二吸着塔の各吸着剤で吸着され且つ排出される二酸化炭素ガスは被吸着ガスを構成し、原料ガスから二酸化炭素ガスを可能な限り除去した高濃度のメタンガスは精製ガスを構成する。しかしながら、本発明において、原料ガスはバイオガスに限定されるものではなく複数種のガス成分を含む適宜の混合ガスを用いることができる。また、被吸着ガスも二酸化炭素ガスに限定されず、対応する吸着力の大きい吸着剤を選択することで各種の被吸着ガスを適用できる。また、精製ガスは吸着剤で吸着された被吸着ガス以外の残存成分のガスであり、必ずしもメタンガス等の単一成分のガスに限定されない。

また、上述した各実施形態によるガス精製装置１では、二酸化炭素ガスの吸着時間と排出時間が同等であるために、二酸化炭素ガスの吸着と排出を行う第一吸着塔４Ａ、１２Ａ，１６Ａ、１８Ａと第二吸着塔４Ｂ、１２Ｂ，１６Ｂ、１８Ｂを１塔づつ２塔設けた２塔方式を採用した。しかしながら、二酸化炭素ガスの吸着時間と排出時間の比が異なる場合には、二酸化炭素ガスの吸着と排出を１塔：２塔で行う３塔方式や１塔：３塔で行う４塔方式等を採用してもよい。

なお、第一実施形態から第三実施形態における第一吸着塔４Ａ、１２Ａ、１６Ａの内周面と第二吸着塔４Ｂ、１２Ｂ，１６Ｂの外周面とは互いに接触して熱伝導する接触面１１が、一方の吸着塔の吸着熱を他方の吸着塔に熱伝導する伝熱手段を構成する。また、第四実施形態における循環路２３、第五及び第六実施形態における伝熱容器２７、２９も同様に伝熱手段を構成する。
また、上述した各実施形態では、第一吸着塔４Ａ、１２Ａ、１６Ａ、１８Ａや第二吸着塔４Ｂ、１２Ｂ，１６Ｂ、１８Ｂはリング状や円筒形状に形成したが、これに限定されることなく多角形枠状や多角形筒状等、適宜の形状を採用できる。
なお、本発明によるガス精製装置は、上述したＶＰＳＡ装置だけでなく、空気中の酸素を濃縮するＰＳＡ装置等にも適用できる。

１ガス精製装置
２管路
４Ａ、１２Ａ，１６Ａ、１８Ａ第一吸着塔
４Ｂ、１２Ｂ，１６Ｂ、１８Ｂ第二吸着塔
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、バルブ
１１接触面
１９、２０、２６伝熱体
２１，２２連結管
２３循環路
２４伝熱板
２７、２９伝熱容器

Claims

原料ガスから被吸着ガスを吸着して精製ガスを分離精製するガス精製装置において、
第一吸着塔と第二吸着塔とを備え、
前記第一吸着塔と第二吸着塔の一方で被吸着ガスを吸着剤によって吸着すると共に他方で吸着剤に吸着された被吸着ガスを排出して、交互に被吸着ガスの吸着と被吸着ガスの排出を行い、
一方の前記吸着塔で被吸着ガスを吸着する際に発生する吸着熱を被吸着ガスを排出する他方の前記吸着塔に熱伝導させる伝熱手段を備えたことを特徴とするガス精製装置。
前記第一吸着塔の内側に前記第二吸着塔が配設されて一体化されている請求項１に記載されたガス精製装置。
前記第二吸着塔は複数に分割されて前記第一吸着塔内に分散して配設されている請求項１に記載されたガス精製装置。
前記伝熱手段は、前記第一吸着塔の内面と前記第二吸着塔の外面との接触面である請求項１から３のいずれか１項に記載されたガス精製装置。
前記伝熱手段は、前記第一吸着塔と第二吸着塔の内部にそれぞれ伝熱体が配設されていると共に前記伝熱体同士が接続されて循環路を構成し、該循環路内には循環可能な伝熱媒体が配設された請求項１に記載されたガス精製装置。
前記伝熱手段は、前記第一吸着塔と第二吸着塔を収容すると共に内部に伝熱媒体を充填した伝熱容器である請求項１に記載されたガス精製装置。
前記伝熱手段は、前記第一吸着塔と第二吸着塔を連結すると共に内部に伝熱媒体を充填した伝熱容器である請求項１に記載されたガス精製装置。
前記第一吸着塔と第二吸着塔の内部には内部の温度変化を低減させる伝熱部材が配設されている請求項１から７のいずれか１項に記載されたガス精製装置。
前記伝熱部材は、前記第一吸着塔及び第二吸着塔内に設けた中央の伝熱体から外周面まで放射状に延びる伝熱板を備えた放射状伝熱板、または伝熱板が格子状に配列された格子状伝熱板を備えた請求項８に記載されたガス精製装置。
原料ガスから被吸着ガスを吸着して精製ガスを分離精製するガス精製方法において、
一方の吸着塔内の吸着剤で被吸着ガスを吸着すると共に他方の吸着塔内の吸着剤で吸着した被吸着ガスを排出することを、両方の前記吸着塔で交互に繰り返して行い、
一方の前記吸着塔で被吸着ガスを吸着する際に発生する吸着熱を、伝熱手段を介して、被吸着ガスを排出する際に熱を吸収する他方の前記吸着塔に熱伝導するようにしたことを特徴とするガス精製方法。