JP2017177067A - 圧力変動吸着式ガス製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の吸着塔1に接続されたオフガス排出路4における雑ガスが精製対象ガスに較べて速く透過する分離膜9Aを備える膜分離部9の上流側に、オフガスを貯留するオフガスタンクTと、オフガスを昇圧して膜分離部9に供給する昇圧部10とが設けられ、分離膜9Aを透過しないリサイクルガスを原料ガス供給路3に返送するリサイクルガス返送路11が設けられ、運転制御部が、オフガスの排出流量を、脱着工程を行うごとに吸着塔1から排出されるオフガス量と吸着塔1が脱着工程を開始してから別の吸着塔1が脱着工程を開始するまでの間にオフガスタンクTから排出されるオフガス量とを等しくする流量にするように、オフガス調整部MRを調整するように構成されている。
【選択図】図1
Description
前記原料ガス供給路を通して供給される前記原料ガスから前記雑ガスを吸着して前記精製対象ガス排出路を通して前記精製対象ガスを排出する吸着工程、及び、前記オフガス排出路を通して前記雑ガスを排出する脱着工程を含む運転サイクルを、位相を異ならせて順次行う運転制御部が設けられ、
前記オフガス排出路に、前記雑ガスを前記精製対象ガスに較べて速く透過する分離膜を備える膜分離部が設けられ、
前記分離膜を透過しないリサイクルガスを前記原料ガス供給路に返送するリサイクルガス返送路が設けられた圧力変動吸着式ガス製造装置に関する。
特許文献1においては、原料ガスとして、精製対象ガスとしての水素を含み、雑ガスとして、二酸化酸素やメタンを含む水素含有ガスが記載されている。
前記原料ガス供給路を通して供給される前記原料ガスから前記雑ガスを吸着して前記精製対象ガス排出路を通して前記精製対象ガスを排出する吸着工程、及び、前記オフガス排出路を通して前記雑ガスを排出する脱着工程を含む運転サイクルを、位相を異ならせて順次行う運転制御部が設けられ、
前記オフガス排出路に、前記雑ガスを前記精製対象ガスに較べて速く透過する分離膜を備える膜分離部が設けられ、
前記分離膜を透過しないリサイクルガスを前記原料ガス供給路に返送するリサイクルガス返送路が設けられたものであって、その特徴構成は、
前記オフガス排出路における前記膜分離部よりも上流側に、前記脱着工程において前記オフガス排出路を通して排出されるオフガスを貯留するオフガスタンクと、当該オフガスタンクに貯留された前記オフガスを前記膜分離部での膜分離のために昇圧して前記膜分離部に供給する昇圧部とが設けられ、
前記オフガスタンクから排出されるオフガスの排出流量を調整するオフガス調整部が設けられ、
前記運転制御部が、前記オフガスの排出流量を、前記脱着工程を行うごとに前記吸着塔から排出されるオフガス量と前記吸着塔が脱着工程を開始してから別の吸着塔が前記脱着工程を開始するまでの間に前記オフガスタンクから排出されるオフガス量とを等しくする流量にするように、前記オフガス調整部を調整する点にある。
つまり、オフガスをオフガスタンクに一旦貯留して、貯留したオフガスを昇圧部にて昇圧して膜分離部に供給するものであるから、オフガスをオフガスタンクの内部に十分な低圧で貯留させることができるため、脱着工程を良好に行うことができる。
前記運転制御部が、前記圧力センサの検出情報に基づいて、前記オフガスの排出流量を、繰り返し増減する前記オフガスタンクの内部圧の極小値を設定圧力に維持する流量にするように、前記オフガス調整部を調整する点にある。
これに対して、吸着時間を変更調整した直後においては、吸着時間を変更調整する前に吸着工程を行った吸着塔からオフガスが排出されることになるから、吸着塔から排出されるオフガス量は、吸着時間を変更調整した直後から変化することがない。
前記運転制御部が、前記オフガスタンクの排出流量を増加側に補正した場合には前記原料ガス供給量を減少側に補正し、前記排出流量を減少側に補正した場合には前記原料ガス供給量を増加側に補正すべく、前記原料ガス調整部を調整する点にある。
そして、オフガスの排出流量を減少側に補正した場合には、原料ガス供給量を増加側に補正することにより、精製対象ガスの精製量の低下を抑制する。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(圧力変動吸着式ガス製造装置の全体構成)
本実施形態においては、原料ガスGが、精製対象ガスとしてメタンを40%以上含み、雑ガスとして二酸化炭素等を含むバイオガスであり、雑ガスが、吸着塔1の吸着材に吸着され、メタンを80%以上含有するメタンガスが製品ガスHとして吸着塔1から排出されるように構成されている。
圧縮機2には、供給圧を設定値(例えば、750kPaG)に維持するための背圧弁2Aが設けられている。
原料ガス調整部MGは、マスフローコントローラを用いて構成されるものであって、原料ガス供給路3を流れる原料ガスGの流量を検出し、検出した流量が後述する運転制御部F(図2参照)から指令される目標流量になるように、原料ガスGの流量を制御するように構成されている。尚、マスフローコントローラの詳細は周知であるので、本実施形態では詳細な説明を省略する。
原料ガス供給路3における圧縮機2の下流側には、原料ガスGの精製対象ガスの濃度であるメタンガス濃度(原料ガス中メタン濃度)を検出する原料側濃度センサSGが設けられている。
そして、4つの吸着塔1の夫々に対応して、製品ガス送出路5を開閉する製品ガス送出弁A2、B2、C2、D2、及び、塔連通路7を開閉する連通断続弁A4、B4、C4、D4が設けられている。
ちなみに、製品ガス送出路5には、製品ガスHの精製対象ガスの濃度であるメタンガス濃度(製品ガス中メタン濃度)を検出する製品側濃度センサSHが設けられている。
昇圧ポンプ10には、供給圧を設定目標値(例えば、780kPaG)に維持するためのポンプ背圧弁10Aが設けられている。
また、オフガスタンクTから排出されるオフガスの排出流量を調整するオフガス調整部MRが、リサイクルガスの流量を目標流量に制御する形態で、リサイクルガス返送路11設けられている。
つまり、運転制御部Fは、オフガスタンクTの内部圧(以下オフガスタンク圧と呼称)を検出する圧力センサ14の検出情報に基づいて、目標流量を指令するように構成されており、その詳細は後述する。
図2に示すように、圧力変動吸着式ガス製造装置の運転を制御する運転制御部Fが設けられ、運転制御部Fが原料ガス供給弁A1〜D1、製品ガス送出弁A2〜D2、連通断続弁A4〜D4、及び、オフガス排出弁A5〜D5を制御することにより、4つの吸着塔1の夫々が、図3の表に示す運転サイクルを行うように構成されている。
4つの吸着塔1のうち、A塔を代表して、運転サイクルについて説明する。
尚、吸着均圧ABにおける「AB」の意味は、先に記載の高圧側のA塔の内部ガスを後に記載の低圧側のB塔に供給することを意味するものであり、以下同様である。
ステップ5においては、A塔に関連する全ての弁を閉じて待機する。
ステップ12及び13においては、A塔に関連する全ての弁を閉じて待機する。
ステップ16においては、A塔及びD塔の連通断続弁A4及びD4を開いて、D塔の内部ガスをA塔に供給する昇圧用終段均圧工程に相当する吸着均圧DAを行う。ちなみに、この昇圧用終段均圧工程においては、原料ガス供給弁A1、製品ガス送出弁A2及びオフガス排出弁A5を閉じる。
換言すれば、運転制御部Fが、4つの吸着塔1の夫々について、位相を異ならせる状態で、吸着工程、降圧用均圧工程、脱着工程、昇圧用均圧工程からなる運転サイクルを順次実行するように構成されている。
ちなみに、ステップ1、ステップ5、ステップ9、及び、ステップ13のステップ時間は、吸着工程を実行する吸着時間を変更調整するための吸着時間補正値Xに相当する時間であり、後述の如く、吸着時間補正値Xを補正することにより、吸着工程を実行する吸着時間が変更調整されるように構成されている。
尚、原料ガスの目標供給量は、原料ガスGのメタン濃度等、原料ガスGの種類に応じて実験的に求められている。
運転制御部Fが、原料側濃度センサSGの検出情報に基づいて、吸着工程を行う吸着時間を変更調整するように構成されている。
本実施形態においては、ステップ1の時間、ステップ5の時間、ステップ9の時間、及び、ステップ13の時間に対応する吸着時間補正値Xを、一挙に増減調整するように構成されている。
そして、圧力変動吸着式ガス製造装置の運転開始時には、吸着時間補正値Xを予め設定した初期値(例えば、100秒)として運転を開始し、その後、吸着塔1の夫々にて吸着工程を行うごとに、そのサイクル中の原料ガス中メタン濃度の平均値である平均原料ガス中メタン濃度が求められる。尚、平均原料ガス中メタン濃度は、設定時間(例えば、500ms)ごとに原料側濃度センサSGの検出情報をサンプリングし、サンプリングした検出値の平均値を求めることになる。
運転制御部Fが、リサイクルガスの流量を、脱着工程を行うごとに吸着塔1から排出されるオフガス量と吸着塔1が脱着工程を開始してから別の吸着塔1が脱着工程を開始するまでにオフガスタンクTから排出されるオフガス量とを等しくする流量にするように、オフガス調整部MRを調整するように構成されている。
リサイクルガス量=オフガス量‐膜透過ガス量--------(1)
そして、上記(1)式の関係が維持されていると、オフガスタンク圧は、図6に示すように、適正な最低圧(極小値)と適正な最高圧とを維持しながら、増加と減少を繰り返すことになる。
また、リサイクルガス量が、「オフガス量‐膜透過ガス量」よりも多いと、図8に示すように、オフガスタンク圧が漸次小さくなり、オフガスタンクTのオフガスタンク圧が過少(負圧)となって、昇圧ポンプ10を損傷する等の不都合を生じる虞がある。
その結果、図9に示すように、リサイクルガスの目標流量の補正により、オフガスタンク圧の最低圧(極小値)が目標圧力(例えば、2kPaG)に近づくように構成されている。
尚、圧力変動吸着式ガス製造装置の立ち上げ運転時においても、運転制御部Fが、上述の如く、差圧Ptに基づいて補正流量を求めながら目標流量を設定し、設定した目標流量をオフガス調整部MRに指令する形態で実施してもよい。
運転制御部Fは、上述の如く、吸着工程を行う吸着時間を変更調整した場合には、その変更調整に合わせて、オフガス調整部MRに指令する目標流量を変更して、リサイクルガス流量をフィードフォワード的に変更するように構成されている。
これに対して、吸着時間を変更調整した直後においては、吸着時間を変更調整する前に吸着工程を行った吸着塔1からオフガスが排出されるため、吸着塔1から排出されるオフガス量は、吸着時間を変更調整した直後から変化することがない。
例えば、図11に示すように、吸着時間を減少側に変更すると、リサイクルガス流量が不足するために、オフガスタンク圧が漸次増加することになる。
基準時間は、吸着塔1の夫々からオフガスが排出される周期、換言すれば、1つの吸着塔1からのオフガスの排出が開始されてから次の吸着塔1がオフガスの排出を開始するまでの間に対応する時間である。
また、図示は省略するが、吸着時間を増加側に変更すると、リサイクルガス流量が減少されることになり、オフガスタンク圧の減少が抑制されることになる。
運転制御部Fが、上述の「リサイクルガス流量の補正制御」により、リサイクルガス流量を増加又は減少させた場合には、リサイクルガス流量の増加分又は減少分に応じた量を減少又は増加させた原料ガスの供給量の目標量を、原料ガス調整部MGに指令することにより、吸着塔1に供給される原料ガスの供給量を補正するように構成されている。
次に、圧力変動吸着式ガス製造装置の第2実施形態を説明するが、この第2実施形態は、上記第1実施形態における「吸着時間の調整制御」の別実施形態を示すものであって、基本的な構成は上記第1実施形態と同様であるから、以下の説明においては、上記第1実施形態と異なる点を詳述する。
そして、圧力変動吸着式ガス製造装置の運転開始時には、吸着時間補正値Xを予め設定した初期値(例えば、100秒)として運転を開始し、その後、吸着塔1の夫々にて吸着工程を行うサイクルごとに、そのサイクル中の製品ガス中メタン濃度の平均値である平均原料ガス中メタン濃度を求める。尚、平均製品ガス中メタン濃度は、設定時間(例えば、500ms)ごとに製品側濃度センサSHの検出情報をサンプリングし、サンプリングした検出値の平均値を求めることになる。
その後、2回目以降のサイクルの吸着工程を終了したときには、平均製品ガス中メタン濃度と図13の関係とに基づいて、工程補正値を求め、求めた工程補正値と以前のサイクルの吸着工程を終了したときに求めた工程補正値の全てを加えた積算値を求め、その積算値を初期値(例えば、100秒)に加えた値を、次の吸着工程における新たな吸着時間補正値Xとするように構成されている。
続く、経過吸着工程数y+3〜y+6についても同様である。
特に、製品ガス中メタンガス濃度に基づいて吸着時間を補正する場合には、吸着工程を行う吸着時間を減少側に変更調整したときに、リサイクルガス流量が不足して、オフガスタンク圧が増加すると、吸着塔1の脱着工程(減圧)における脱着条件が悪化して、雑ガスを適正通り脱着させることができない結果、再度、吸着時間を減少側に変更調整されることが繰り返されて、吸着時間が極端に減少され、かつ、リサイクルガスの流量が極端に増加するという、制御不能な異常状態を現出する虞があるが、「リサイクルガス流量の補正制御」を行うことにより、このような異常状態の現出を抑制できる。
特に、製品ガス中メタンガス濃度に基づいて吸着時間を補正する場合には、リサイクルガス流量を増加して、吸着塔1に供給される雑ガス量が増加して、製品ガスHのメタン濃度が低下すると、それに伴って、再度吸着時間を減少補正し、リサイクル流量を増加することが繰り返されて、製品ガスHのメタン濃度が低下する状態が続く異常事態は生じる虞があるが、「原料ガスの供給補正制御」を行うことにより、このような異常事態の発生を抑制できる。
次に、圧力変動吸着式ガス製造装置の第3実施形態を説明するが、この第3実施形態は、上記第1実施形態における「吸着時間の調整制御」の別実施形態を示すものであって、基本的な構成は上記第1実施形態と同様であるから、以下の説明においては、上記第1実施形態と異なる点を詳述する。
そして、圧力変動吸着式ガス製造装置の運転開始時には、吸着時間補正値Xを予め設定した初期値(例えば、100秒)として運転を開始する。
その後、吸着塔1の夫々にて吸着工程を行うサイクルごとに、そのサイクル中の原料ガス中メタン濃度の平均値である平均原料ガス中メタン濃度、及び、そのサイクル中の製品ガス中メタン濃度の平均値である平均原料ガス中メタン濃度を求める。
そして、図17に示すように、現在の吸着時間補正値Xに対して、直前のサイクルの吸着工程に対応する原料ガスGに関する工程補正値、及び、直前のサイクルの吸着工程に対応する製品ガスに関する工程補正値を以前のサイクルの吸着工程を終了したときに求めた製品ガスに関する工程補正値に積算値を加えた値を、次の吸着工程における新たな吸着時間補正値Xとするように構成されている。
続く、サイクルy+3〜y+6についても同様である。
特に、製品ガス中メタンガス濃度に基づいて吸着時間を補正する場合には、吸着工程を行う吸着時間を減少側に変更調整したときに、リサイクルガス流量が不足して、オフガスタンク圧が増加すると、吸着塔1の脱着工程(減圧)における脱着条件が悪化して、雑ガスを適正通り脱着させることができない結果、再度、吸着時間を減少側に変更調整されることが繰り返されて、吸着時間が極端に減少され、かつ、リサイクルガスの流量が極端に増加するという、制御不能な異常状態を現出する虞があるが、「リサイクルガス流量の補正制御」を行うことにより、このような異常状態の現出を抑制できる。
特に、製品ガス中メタンガス濃度に基づいて吸着時間を補正する場合には、リサイクルガス流量を増加して、吸着塔1に供給される雑ガス量が増加して、製品ガスHのメタン濃度が低下すると、それに伴って、再度吸着時間を減少補正し、リサイクル流量を増加することが繰り返されて、製品ガスHのメタン濃度が低下する状態が続く異常事態は生じる虞があるが、「原料ガスの供給補正制御」を行うことにより、このような異常事態の発生を抑制できる。
次に、その他の別実施形態を列記する。
(1)上記第1〜第3実施形態においては、オフガスタンクTから排出されるオフガスの排出流量を調整するオフガス調整部MRを、膜分離部9の下流側箇所に設けるようにしたが、昇圧ポンプ10と膜分離部9との間に相当する箇所にオフガス調整部MRを設置する形態で実施してもよい。
また、オフガス排出路4を吸着塔1に接続する箇所は、吸着塔1における精製対象ガス排出路5が接続される端部側や、吸着塔1における長手方向の中間部に接続させるようにしてもよく、要は、オフガス排出路5を吸着塔1に接続すればよい。
3 原料ガス供給路
4 オフガス排出路
5 精製対象ガス排出路(製品ガス送出路)
9A 分離膜
9 膜分離部
11 リサイクルガス返送路
12 オフガス調整部
14 圧力センサ
15 原料ガス調整部
F 運転制御部
G 原料ガス(バイオガス)
H 製品対象ガス(製品ガス)
T オフガスタンク
Claims (5)
- 精製対象ガス及びそれ以外の雑ガスを含む原料ガスから前記雑ガスを吸着する吸着材を充填させた形態で、且つ、原料ガス供給路を一端側に接続し、精製対象ガス排出路を他端側に接続し、かつ、オフガス排出路を接続させた形態で設けた複数の吸着塔の夫々について、
前記原料ガス供給路を通して供給される前記原料ガスから前記雑ガスを吸着して前記精製対象ガス排出路を通して前記精製対象ガスを排出する吸着工程、及び、前記オフガス排出路を通して前記雑ガスを排出する脱着工程を含む運転サイクルを、位相を異ならせて順次行う運転制御部が設けられ、
前記オフガス排出路に、前記雑ガスを前記精製対象ガスに較べて速く透過する分離膜を備える膜分離部が設けられ、
前記分離膜を透過しないリサイクルガスを前記原料ガス供給路に返送するリサイクルガス返送路が設けられた圧力変動吸着式ガス製造装置であって、
前記オフガス排出路における前記膜分離部よりも上流側に、前記脱着工程において前記オフガス排出路を通して排出されるオフガスを貯留するオフガスタンクと、当該オフガスタンクに貯留された前記オフガスを前記膜分離部での膜分離のために昇圧して前記膜分離部に供給する昇圧部とが設けられ、
前記オフガスタンクから排出されるオフガスの排出流量を調整するオフガス調整部が設けられ、
前記運転制御部が、前記オフガスの排出流量を、前記脱着工程を行うごとに前記吸着塔から排出されるオフガス量と前記吸着塔が脱着工程を開始してから別の吸着塔が前記脱着工程を開始するまでの間に前記オフガスタンクから排出されるオフガス量とを等しくする流量にするように、前記オフガス調整部を調整する圧力変動吸着式ガス製造装置。 - 前記オフガスタンクの内部圧を検出する圧力センサが設けられ、
前記運転制御部が、前記圧力センサの検出情報に基づいて、前記オフガスの排出流量を、繰り返し増減する前記オフガスタンクの内部圧の極小値を設定圧力に維持する流量にするように、前記オフガス調整部を調整する請求項1記載の圧力変動吸着式ガス製造装置。 - 前記運転制御部が、前記原料ガスの精製対象ガスの濃度及び前記吸着塔から排出される前記精製対象ガスの濃度の少なくとも一方に基づいて、前記吸着工程を行う吸着時間を変更し、かつ、前記吸着時間を変更した場合には、前記オフガスタンクの排出流量を、前記吸着時間を変更する前に前記吸着塔から排出されたオフガス量と前記吸着時間を変更した後において前記吸着塔が脱着工程を開始してから別の吸着塔が前記脱着工程を開始するまでの間に前記オフガスタンクから排出されるオフガス量とを等しくする流量に補正すべく、前記オフガス調整部を調整する請求項2記載の圧力変動吸着式ガス製造装置。
- 前記原料ガス供給路を通して前記吸着塔に供給する原料ガス供給量を調整する原料ガス調整部が設けられ、
前記運転制御部が、前記オフガスタンクの排出流量を増加側に補正した場合には前記原料ガス供給量を減少側に補正し、前記排出流量を減少側に補正した場合には前記原料ガス供給量を増加側に補正すべく、前記原料ガス調整部を調整する請求項3記載の圧力変動吸着式ガス製造装置。 - 前記原料ガスが、前記精製対象ガスとしてのメタンを40%以上含有するメタン含有ガスであり、前記精製対象ガス排出路を通して排出される前記精製対象ガスが、メタンを80%以上含有する製品ガスである請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧力変動吸着式ガス製造装置。
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