JP3560004B2

JP3560004B2 - 水分・炭酸ガスの除去方法及び装置

Info

Publication number: JP3560004B2
Application number: JP29076495A
Authority: JP
Inventors: 守光中村; 藤田　　淳; 繁生遠山; 雅人川井
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1995-11-09
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2015-11-09
Also published as: JPH09133461A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水分・炭酸ガスの除去方法及び装置に関し、詳しくは、深冷空気分離装置の原料空気中に含まれる水分・炭酸ガスを除去する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素，窒素等の空気成分を製品として製造する深冷空気分離装置では、深冷部分において水分・炭酸ガスが固化するのを防止するため、原料空気を液化温度付近まで冷却する前に、原料空気中に含まれる水分・炭酸ガスを除去するようにしている。従来は、図３に示すように、空気取入口１から吸入して圧縮機２で所定圧力まで圧縮した原料空気を、アフタークーラーあるいは空気分離装置本体部（コールドボックス）３から導出した排ガスと熱交換させる熱交換器４で４０℃程度に冷却した後、さらにフロン冷凍機５で５〜１０℃まで冷却して吸着器６に導入し、該吸着器６内に充填した吸着剤で前記水分・炭酸ガスを吸着除去するようにしていた。
【０００３】
上記吸着器６としては、例えば、切換使用される複数の吸着筒を有する温度変動吸着式吸着器が用いられ、１０〜２０℃の低温域で吸着工程が、１５０℃程度の高温域で再生工程が行われる。吸着剤の再生工程は、前記熱交換器４から導出した排ガスを加熱器７で所定温度に加熱して再生工程中の吸着筒に導入することにより行われる。
【０００４】
前記吸着器６には、一般に、水分を除去する吸着剤として活性アルミナが、炭酸ガスを除去する吸着剤としてゼオライトが、それぞれ用いられている。また、吸着剤の再生方式には二つの方法があり、再生ガス量を少なくしたい場合には温度変動式プロセス（ＴＳＡ）が、再生ガスを比較的多量に利用できるときには圧力変動式プロセス（ＰＳＡ）が、それぞれ用いられている。
【０００５】
このような吸着分離方式で空気中の水分・炭酸ガスを除去する方法において、吸着現象は温度依存性を有しているため、吸着操作温度が高いと吸着量は低下し、反対に温度が低いと吸着量は増加する。一方、原料空気中には、約４００ｐｐｍの炭酸ガスと空気温度に対応した水分（水蒸気）とが含まれており、炭酸ガス濃度は、空気温度にかかわらず略一定であるが、水分量は、空気の飽和水分量の関係から、空気温度が高くなると飛躍的に増加する。
【０００６】
このため、従来は、前述のように吸着器６に導入する前の原料空気をフロン冷凍機５で冷却して水分量を減らすようにしているが、近年、環境保護の立場から、各種フロンの使用を全廃しようとする動きが高まってきている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、吸着器６に導入する原料空気温度をフロン冷凍機５で５〜１０℃に冷却することにより、例えばＴＳＡ式の吸着器では、４時間毎に吸着工程／再生工程の切換え操作を行う装置で連続的な水分・炭酸ガスの除去が可能である。このとき、再生ガス温度は、通常約１５０℃、再生ガス率（再生ガス量／原料空気量）はおよそ２０％となる。
【０００８】
一方、フロンの使用を停止した場合、上記フロン冷凍機５を使用することができなくなることから、アフタークーラーあるいは前記熱交換器４を出た約４０℃の空気をそのまま吸着器６に導入して水分・炭酸ガスを除去しなければならないため、このような性能を有する吸着器の開発が課題となっていた。
【０００９】
しかし、空気温度が１０℃から４０℃になると、空気に含まれる水分量が約６倍に増加するため、これを除去するための水分除去用の吸着剤、例えば活性アルミナは、６倍以上の量が必要になる。ところが、吸着剤の再生条件として、吸着剤を１５０℃以上に加熱することが必要であるが、吸着剤量が増加すると、熱容量から明らかなように、吸着剤の量と加熱のための必要熱量とが比例することから、再生ガス量を吸着剤量に比例して増加させなければ、一定の加熱条件を満足させることができない。
【００１０】
すなわち、水分除去用の吸着剤の量が６倍になると、従来の再生ガス率２０％も６倍にしなければならず、１００％以上の再生ガス率となって製品が全く取れないということになってしまう。したがって、従来の条件下では、原料空気温度が４０℃ではＴＳＡ法で水分・炭酸ガスを除去する装置を設計することはできなかった。
【００１１】
そこで本発明は、フロン冷凍機で冷却しなくても原料空気中の水分・炭酸ガスを吸着法により十分に除去することができる水分・炭酸ガスの除去方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の水分・炭酸ガスの除去方法は、深冷空気分離装置の原料空気中に含まれる水分・炭酸ガスを吸着工程と再生工程とを行う吸着剤により吸着除去する方法において、圧縮機で圧縮後にアフタークーラーで冷却した原料空気を、回転式除湿機で予備乾燥して含有する水分の一部を除去した後、前記吸着剤により原料空気中の水分・炭酸ガスを吸着除去するとともに、前記再生工程で吸着剤を再生した後の再生ガスを、前記回転式除湿機の再生ガスとして用いることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の水分・炭酸ガスの除去装置は、深冷空気分離装置の原料空気を所定圧力に圧縮する圧縮機と、圧縮後の原料空気を冷却水により冷却するアフタークーラーと、原料空気中に含まれる水分・炭酸ガスを吸着剤により吸着除去する吸着器とを備えた水分・炭酸ガスの除去装置において、前記アフタークーラーと吸着器との間に、原料空気中に含まれる水分の一部を除去する回転式除湿機を設置するとともに、吸着剤再生後の再生ガスを前記回転式除湿機の再生操作部に導入する配管を設けたことを特徴としている。
【００１４】
さらに、本発明は、前記回転式除湿機は、回転軸線方向に空気通路を有するエレメントに、金属塩化物，金属硫酸塩，シリカあるいは金属シリケートを単独又は複数組合わせて担持あるいは含浸させた除湿機であって、前記エレメントを回転させることにより除湿操作と再生操作とを連続的に行って空気を除湿するものであること、前記吸着器及び回転式除湿機に使用する再生ガスの量が原料空気に対して１０〜５０％の範囲であること、前記吸着器が温度変動吸着式吸着器あるいは圧力変動吸着式吸着器であることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。図１は、本発明の水分・炭酸ガスの除去装置を適用した深冷空気分離装置の前処理設備の一例を示すもので、図２は、本発明で使用する回転式除湿機の一例を示すものである。なお、前記図３に示す従来装置と同一構成要素のものには同一符号を付して説明する。
【００１６】
図１に示す深冷空気分離装置の前処理設備は、空気取入口１から吸入した原料空気を所定圧力に圧縮する圧縮機２と、圧縮後の原料空気を冷却水により冷却するアフタークーラー４ａと、原料空気中に含まれる水分・炭酸ガスを吸着剤により吸着除去する吸着器６と、アフタークーラー４ａと吸着器６との間に設けられた回転式除湿機１１とを備えたもので、原料空気中の水分を回転式除湿機１１と吸着器６とにより、また、炭酸ガスを吸着器６により、それぞれ除去するように形成したものである。
【００１７】
上記回転式除湿機１１は、図２に示すように、回転軸線方向に空気通路を有するハニカム状エレメント又はコルゲート状積層板エレメントからなる除湿ドラム１２を有するものであって、該除湿ドラムをモーター（図示せず）により所定速度で回転させ、前記ハニカム状又はコルゲート状積層板エレメントを除湿操作部１２ａと再生操作部１２ｂとに順次位置させ、除湿操作部１２ａで原料空気の除湿操作を、再生操作部１２ｂで再生ガスによる再生（乾燥）操作を、それぞれ行って連続的に除湿操作を行うように形成したものである（特公平１−２５６１４号公報，特公平５−８１８３１号公報，特開平３−６８４１５号公報等参照）。
【００１８】
回転式除湿機１１のエレメントは、ハニカム又はコルゲート状積層板形成材料である波板状の基材、例えば、ガラス繊維，セラミックス繊維又はその混合物を主成分とする無機繊維紙に、塩化リチウム，塩化マグネシウム等の金属塩化物、硫酸アルミニウム，硫酸ナトリウム，硫酸マグネシウム等の金属硫酸塩、シリカ，シリカエロゲル，金属シリケート等の水分吸収機能を有する物質を担持あるいは含浸させ、基材をドラム状に巻回したものであって、例えば、前記特公平１−２５６１４号公報に記載された製造法により製造されたものを使用することができる。
【００１９】
また、エレメントの再生ガスは、加熱器１３により所定温度、例えば４０〜６０℃に加温されて再生操作部１２ｂに導入され、再生操作後に送風機１４により排出される。なお、除湿操作部１２ａと再生操作部１２ｂとの割合は、処理量，再生ガス量やその加熱温度等に応じて任意に設定することが可能であり、例えば全体の２／３を除湿操作部１２ａとすればよい。
【００２０】
このような回転式除湿機１１は、出口空気の露点が安定していること、空気流量や圧力に変動がないこと、構造が簡単で運転保守が容易であること、ハニカム又はコルゲート状積層板構造であるために圧力損失がほとんど無いことなどの多くの利点を有しており、その構成を工夫することにより、高度の除湿を行うことは可能ではあるが、一般に、深冷空気分離装置で要求されるような高度の精製レベルを達成することは経済的に困難であり、このような用途に実際に用いられたことはなかった。また、深冷空気分離装置で水分と同時に除去しなければならない炭酸ガスに対する除去機能は有していない。
【００２１】
一方、吸着器６の吸着剤による水分・炭酸ガスの除去においては、吸着剤の種類を選択することによって、例えば活性アルミナやシリカゲルで水を、ゼオライトで炭酸ガスを選択的に吸着除去することができる。このとき、原料空気の温度が低い条件では、前述のように、吸着剤を使い分けることで容易に水分・炭酸ガスを吸着除去できるが、空気温度が高くなると、飽和水分量が飛躍的に増えるために、水分の吸着除去を経済的に行うことは困難であった。炭酸ガスは、空気温度が上昇した場合、前記吸着剤の特性から単位重量当たりの吸着量は減少するが、本質的に空気中の炭酸ガス量が変わるわけではないので、ゼオライトによる炭酸ガスの吸着除去は、高温の空気に対しても有効であることは変わりない。
【００２２】
したがって、処理する原料空気の条件が変わって原料空気の温度が高くなった場合には、水分の除去と炭酸ガスとの除去とを別に考えて使い分けることにより、装置としての経済性を大幅に向上させることができる。
【００２３】
図１において、空気取入口１から吸入された原料空気は、圧縮機２で所定の圧力に圧縮された後、アフタークーラー４ａで常温の冷却水と熱交換を行い、圧縮熱を除去されて４０℃程度の温度に冷却される。このアフタークーラー４ａでの冷却により凝縮した水分は、ドレンとして排出される。
【００２４】
アフタークーラー４ａを出た４０℃，水分飽和の原料空気は、回転式除湿機１１の除湿操作部１２ａに導入されることにより、前記水分吸収機能を有する物質に接触して水分が吸収され、大部分の水分が除去される。ここで予備的に−１０〜−４０℃の露点まで水分を除去された原料空気は、水冷却器１５に導入されて水分除去により上昇した分の温度を除去された後、吸着器６の入口弁を介して吸着剤が充填された吸着筒に導入される。この吸着筒は、複数器で構成され、一方の吸着筒が吸着工程を行っているとき、他方の筒は吸着剤の再生工程が行われる。
【００２５】
吸着器６で原料空気中の炭酸ガス及び残存する水分を吸着除去された原料空気は、出口弁を介して導出され、配管１６からコールドボックスに送られて周知の深冷分離操作により窒素や酸素等に分離される。
【００２６】
なお、吸着筒には、通常、原料空気入口側に水分除去用の吸着剤（乾燥剤）を、出口側に炭酸ガス除去用の吸着剤を充填するが、回転式除湿機１１でにおいてかなりの程度まで乾燥が進んでいるため、必ずしも乾燥剤を用いる必要はなく、ゼオライトのみでも水分を十分に吸着除去することが可能である。
【００２７】
吸着器６の吸着剤の再生は、吸着剤を加熱することによる吸着量の低下を利用したいわゆる加熱再生法（温度変動式プロセス：ＴＳＡ）か、高い圧力で行う吸着工程に対して大気圧あるいは減圧下で再生を行う圧力変動式再生法（圧力変動式プロセス：ＰＳＡ）のいずれかで行われる。
【００２８】
図１に示す装置構成は、加熱再生法を行う例を示すもので、通常は、コールドボックスから導出される排ガスを再生ガスとして用いる。この再生ガスは、水分を全く含まないガスであり、吸着器６及び回転式除湿機１１の再生用に使用するガスとして最適である。
【００２９】
配管１７に導出されて前記再生ガスとして使用される排ガスは、まず、加熱器７で１５０℃程度の所定温度に加熱された後、原料空気の流れとは逆方向に、再生入口弁から吸着筒に導入されて吸着剤を加熱し、吸着工程で吸着した炭酸ガスや水分を脱着させて吸着剤を再生する。吸着剤再生後の再生ガスは、配管１８に導出され、必要に応じて加熱器１３（図２参照）で加熱された後、回転式除湿機１１の再生操作部１２ｂに導入され、エレメントを乾燥させて配管１９から排出される。
【００３０】
また、吸着器６の再生工程後半は、再生後の吸着剤を吸着操作温度に冷却する段階であるが、このときの再生ガスは、加熱器７を通らずにバイパス弁７ａを経て吸着筒に導入され、吸着剤冷却後に、必要に応じて加熱器１３で加熱されて回転式除湿機１１の再生ガスとして用いられる。
【００３１】
なお、排ガスにある程度の圧力がある場合は、回転式除湿機１１の送風機１４を省略することができる。また、回転式除湿機１１の再生ガスとしては、大気を送風機１４で吸引して用いることもできるが、大気は水分を含んでいるため、前述のように、コールドボックスから導出される排ガスを使用することが好ましい。
【００３２】
このように、吸着器６の前段に回転式除湿機１１を設置して原料空気の予備乾燥を行うことにより、従来と略同様の吸着器構成で十分に原料空気中の水分・炭酸ガスを連続して除去することが可能となり、フロン冷凍機を使用した場合に比べてコストの削減も図れる。
【００３３】
【実施例】
アフタークーラーを導出した圧力５ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ，温度４０℃，含有水分量７５ｇ／ｋｇ，含有炭酸ガス量４００ｐｐｍの原料空気を処理して水分・炭酸ガスの除去を行った。吸着器は２筒式で、サイクルタイムは４時間，再生ガス率は原料空気に対して２０％，再生温度は１５０℃とした。また、回転式除湿機の再生ガスは、吸着器再生後のガスを最低４０℃にして使用した。
【００３４】
その結果、回転式除湿機出口の空気露点は−４０℃（含有水分量０．０１５ｇ／ｋｇ、１２６．６ｐｐｍ）となり、吸着器出口の空気露点は−７０℃（含有水分量４．０９×１０^−７ｇ／ｋｇ、２．５８ｐｐｍ）以下，含有炭酸ガス量は１ｐｐｍ以下となった。この結果から、フロン冷凍機を使用せずに、深冷空気分離装置の原料空気中に含まれる水分・炭酸ガスを十分に除去できることがわかる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多くの水分を含む空気から水分及び炭酸ガスを効率良く除去することができ、フロンを使用した冷凍機を用いることなく、深冷空気分離装置用原料空気の高度な精製を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した深冷空気分離装置の前処理設備の一例を示す系統図である。
【図２】回転式除湿機の一例を示す説明図である。
【図３】深冷空気分離装置の従来の前処理設備の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
２…圧縮機、４ａ…アフタークーラー、６…吸着器、７…加熱器、１１…回転式除湿機、１２…除湿ドラム、１２ａ…除湿操作部、１２ｂ…再生操作部、１３…加熱器、１４…送風機

Claims

深冷空気分離装置の原料空気中に含まれる水分・炭酸ガスを吸着工程と再生工程とを行う吸着剤により吸着除去する方法において、圧縮機で圧縮後にアフタークーラーで冷却した原料空気を、回転式除湿機で予備乾燥して含有する水分の一部を除去した後、前記吸着剤により原料空気中の水分・炭酸ガスを吸着除去するとともに、前記再生工程で吸着剤を再生した後の再生ガスを、前記回転式除湿機の再生ガスとして用いることを特徴とする水分・炭酸ガスの除去方法。
前記回転式除湿機は、回転軸線方向に空気通路を有するエレメントに、金属塩化物，金属硫酸塩，シリカあるいは金属シリケートを単独又は複数組合わせて担持あるいは含浸させた除湿機であって、前記エレメントを回転させることにより除湿操作と再生操作とを連続的に行って空気を除湿するものであることを特徴とする請求項１記載の水分・炭酸ガスの除去方法。
前記吸着剤及び回転式除湿機に使用する再生ガスの量は、原料空気に対して１０〜５０％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の水分・炭酸ガスの除去方法。
前記回転式除湿機の再生ガスは、加熱された状態で用いられることを特徴とする請求項１記載の水分・炭酸ガスの除去方法。
前記吸着剤は、温度変動式プロセスで再生することを特徴とする請求項１記載の水分・炭酸ガスの除去方法。
前記吸着剤は、圧力変動式プロセスで再生することを特徴とする請求項１記載の水分・炭酸ガスの除去方法。
深冷空気分離装置の原料空気を所定圧力に圧縮する圧縮機と、圧縮後の原料空気を冷却水により冷却するアフタークーラーと、原料空気中に含まれる水分・炭酸ガスを吸着剤により吸着除去する吸着器とを備えた水分・炭酸ガスの除去装置において、前記アフタークーラーと吸着器との間に、原料空気中に含まれる水分の一部を除去する回転式除湿機を設置するとともに、吸着剤再生後の再生ガスを前記回転式除湿機の再生操作部に導入する配管を設けたことを特徴とする水分・炭酸ガスの除去装置。
前記回転式除湿機は、回転軸線方向に空気通路を有するエレメントに、金属塩化物，金属硫酸塩，シリカあるいは金属シリケートを単独又は複数組合わせて担持あるいは含浸させた除湿機であって、前記エレメントを回転させることにより除湿操作と再生操作とを連続的に行って空気を除湿するものであることを特徴とする請求項７記載の水分・炭酸ガスの除去装置。