JP3711595B2

JP3711595B2 - 吸着エレメント

Info

Publication number: JP3711595B2
Application number: JP25918495A
Authority: JP
Inventors: 学浅野; 知伸松浦; 利夫宇野; 松弘木村
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: JPH0966213A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、吸着操作によるガス又は蒸気成分の分離に用いられる吸着エレメントの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の工場では、溶剤又はその他の有害成分を含有する空気又はその他のガスが発生するため、発生ガスから溶剤等を除去して浄化することが環境対策上重要であり、また、各種混合ガスから稀薄な成分を分離除去あるいは回収することも重要なプロセスである。こうしたガス成分の分離には吸着操作が特に有効であり、従来から多くの分野で応用されてきた。吸着操作では、分離すべき成分を吸着剤に吸着させ、その後吸着剤に水蒸気を吹き込むことにより吸着された成分を脱着、回収し、脱着によって再生された吸着剤を再び吸着に供することが一般に行われている。
【０００３】
しかしながら、この方法では脱着時に多量の水蒸気の凝縮水による廃水が生じたり、水蒸気との接触により回収成分の分解が促進されたりする問題点があり、したがって、近年吸着処理操作においては、このような水蒸気の直接吹き込み以外の脱着方法が望まれている。
脱着には、主として吸着剤の加熱による加熱脱着と、吸着時よりも圧力を下げる減圧脱着とがあるが、いずれの方法においても、脱着に必要な脱着潜熱を吸着剤に与えることが必要であり、そのための加熱手段が不可欠である。
【０００４】
水蒸気吹き込みによらない脱着方法としては、従来、水蒸気の代りに加熱ガスを通す方法、吸着剤層をマイクロ波等の電磁波で直接加熱する方法、あるいは活性炭等の吸着剤層に水蒸気加熱管、シートヒーター等を埋め込む方法等があるが、一般によく実施される加熱ガス通流方式では、脱着した成分が加熱ガスによって希釈されるので、濃縮度に限界があり、ガスの濃縮は可能であるが回収までは困難な場合がある。
また、電磁波加熱方式では、電磁波発生装置のコストが高く、また、吸着剤の均一な加熱が困難な場合がある。
【０００５】
また、吸着剤層にヒーターを埋め込む方式は以前から見受けられ、例えば特公平２−４８２８７、特開平１−２４２１２１及び２６６８３２、特開平４−３４１３１６及び３４１３１７にも開示されている。しかしながら、一般に吸着剤は多孔性で熱伝達が悪いために、このような間接加熱方法では脱着のための加熱に長時間を要する上に均一な加熱が難しいのが通例であり、連続吸脱着方式の場合には、脱着期間の吸着容量を確保するために多量の吸着剤を要するので、装置が大型化して製作コストがかさむという問題点があった。
このように、いずれの方式もそれぞれ種々の問題点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、吸着剤に水蒸気を直接接触させることなく吸着剤を加熱あるいは冷却する方式として、吸着剤層に伝熱体を埋め込む方式を採用し、この方式の前記問題点を解決した、しかも構造及び製作が簡単で熱効率のよい吸着エレメントを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは研究の結果、伝熱体が挿入された吸着剤層を有する吸着エレメントにおいて、伝熱体に接触させて伝熱媒体を挿入した構造の吸着エレメントを採用することにより、より具体的には、ガスを円筒の半径方向に通流させるために吸着剤層を芯材の回りに円筒状に形成し、この吸着剤層に伝熱体を同心円状に１列または複数列挿入し、かつその伝熱体列に接触させて伝熱媒体が挿入されている構造の吸着エレメントを採用することにより、前記の課題を解決することができたものである。
【０００８】
ここで、伝熱体とは、一定の形状を有する加熱・冷却手段を意味し、例えば管状で管の内部に熱媒流体を流す方式の伝熱管、ニクロム線のようにそれ自体発熱する加熱線等が用いられるが、加熱と冷却の両方に使用できる点で伝熱管が好ましい。また、伝熱媒体とは、伝熱体の熱を吸着剤に伝達する働きをする手段を意味し、例えば金網が、熱伝導性がよく、吸脱着ガスの圧力損失が少ない点で好ましい。
【０００９】
本発明の態様としては、吸着剤層中に互いに接触した伝熱体と伝熱媒体とを予め埋め込んだ吸着エレメントを製作し、用意した容器内にこのエレメントを１基又は複数基装着したものを吸着塔として用いるのが一般的であるが、それ以外に、直接吸着剤を充填した吸着塔の吸着剤層に、互いに接触した伝熱体と伝熱媒体を埋め込んでもよい。
吸着剤層の形態としては、円筒状でガスを半径方向に沿って通流させるようにしたのもが、吸着エレメントの単位体積当たりのガスの通流断面積を大きくできるので効率的である。その場合、適当な芯材の回りに吸着剤層を円筒状に配し、その吸着剤層に伝熱体及びそれと接した伝熱媒体を同心円状に１列又は複数列挿入する。
【００１０】
本発明の吸着エレメントの概念図を図１に示す。
吸着剤層２に伝熱体３及びこれと接触した伝熱媒体４が埋設されている様が概念的に示されている。
【００１１】
本発明の吸着エレメントの実施態様の一例を図２に示す。
一対の円盤状の端板５が、その中心付近で円筒状の芯材６の両端にそれぞれ固定されて配置される。この芯材は吸着エレメントの芯をなし、この回りに吸着剤であるシート状活性炭素繊維が巻き上げられて積層され、吸着剤層２が円筒状に形成される。そして、吸着剤層の一定厚さ毎に、伝熱体として加熱・冷却用の伝熱管列７が同心円の円周状に挿入される。これらの伝熱管列は、図２に示すように１本の伝熱管を一定のピッチで蛇行させ、さらに吸着剤層の周面に沿うように予め加工（プレファブ）されている。これらの伝熱管列に接して伝熱媒体としての金網４が挿入される。金網は伝熱管列の両面すなわち内周側と外周側にそれぞれ伝熱管と接して設けられている。
【００１２】
実際には、一定の厚さまで活性炭フェルト等のシート状活性炭素繊維を積層し、その上に先ず金網を巻き、そして金網に接して伝熱管を円周状に周回配置し、その上からさらに金網を先と同様に巻く。その外側にさらにシート状活性炭素繊維を積層する。これら伝熱管列は、全体の吸着剤層の厚さに応じて必要な段数設けられる。
このようにして、一定の厚さの吸着剤層と伝熱管列を有する吸着エレメントが形成される。
【００１３】
この吸着エレメントにおいて、ガスは外周面から芯材に向かって、あるいはその逆方向に、いずれも半径方向に流通させる。
伝熱体及びそれに接した伝熱媒体は、通常円筒状の吸着剤層に埋め込むように挿入されるが、一部は芯材のすぐ外側、すなわち吸着剤層の最内層面に設けられることもある。これは、脱着再生用のパージガスを円筒吸着剤層の内層から外層に向かって通流させる場合、特に内層側での加熱脱着をより一層有効にするためである。また、このような場合、芯材自身を伝熱体及びそれに接した伝熱媒体で構成することにより、一層簡単な構造にすることもできる。
【００１４】
伝熱体及び伝熱媒体を吸着剤層に挿入する場合、一般的には構造が複雑になって制作が困難になり、また、その結果吸着剤の交換も困難になるのが通例であるが、本発明では、前述のように、ある厚さの吸着剤層を形成した後プレファブされた伝熱管と金網をセットし、その上にさらに吸着剤層を形成することを必要回数繰り返す態様を取ることにより、伝熱体及びこれと接する伝熱媒体を吸着剤層に埋め込む作業が極めて容易になり、比較的簡単に伝熱性のよい吸着剤層を有する吸着エレメントそ製作することができる。
【００１５】
また、図３に示すように、シート状活性炭素繊維８と金網４を重ねてスパイラル状に巻き上げ、一定に厚さのところでプレファブされた伝熱体３をセットし、さらに重ねたシート状活性炭素繊維と金網を巻き上げ、シート状活性炭素繊維と金網が交互に積層された吸着剤層を有する吸着エレメントを形成する態様も好ましい。この場合、巻き上げ時のシート状活性炭素繊維と金網の枚数を調節することにより伝熱媒体の挿入比率を変えることができる。
【００１６】
本発明で用いられる吸着剤は、活性炭が一般的であるが、それ以外でも、ゼオライト、活性アルミナ、シリカゲル等、気体状物質を吸着するものであれば制限なく使用できる。また、吸着剤の形態としては、粒状あるいは繊維状等が用いられるが、シート状活性炭素繊維が最も好ましい。
活性炭素繊維は、吸着速度が他の吸着剤に比べて非常に大きく、吸着剤の利用効率が高くなるため、装置がコンパクトになり、また、シート状活性炭素繊維を使用することにより吸着剤層の充填密度の管理が容易となり、極めて性能特性の均一な吸着エレメントの製作が可能となる。本発明の吸着エレメントの好ましい吸着剤層の構造としては、吸着剤としてシート状活性炭素繊維を用い、これを芯の周囲にシートの張力を調整しながらスパイラル状に巻き上げることにより、一定の充填密度で任意の厚みの吸着剤層を簡単に形成できる。
【００１７】
シート状活性炭素繊維としては、フェルト状のものが最も一般的かつ安価であるが、他に織物状、編物状あるいは組物状等、通気性を有するシート状で、かつ巻き上げた場合にその形状が保持できる強度があれば、いずれも使用可能である。特に織物状あるいは編物状組織は、シート状活性炭素繊維のかさ密度を上げることができ、単位体積当たりの吸着容量を大きくできるので、吸着装置全体をコンパクトにすることができる。
シート状活性炭素繊維としてフェルト状のものを使用する場合には、例えば厚さ３ｍｍ、目付け１００ｇ／ｍ^２のフェルトを１５〜２０ｃｍの厚さに巻き上げて吸着剤層を形成する。
【００１８】
吸着剤層中に挿入する伝熱体は、吸着剤層を加熱、又は加熱及び冷却するためのもので、一般的には内部を熱媒流体が流通する金属製の伝熱管が使用される。吸着剤層の脱着再生時には、加熱用の熱媒流体として通常スチームが使用され、また、吸着時及び脱着再生後の吸着剤層の冷却時には、スチームに代えて冷却水を通流する。また、伝熱管として外部との熱交換を図るヒートパイプを応用してもよい。さらに、単に加熱のみでよい場合には、伝熱体として電熱ヒーターを使用することもできる。
伝熱体の材質は、熱伝導性および耐蝕性の点から銅が一般的に使用されるが、その他ステンレス、黄銅等も使用可能である。
【００１９】
伝熱体に接して設けられる伝熱媒体は、伝熱体から吸着剤層への熱伝導を均一かつ迅速にするためのものであり、その目的からして、材質は熱伝導性のよい銅、ステンレス等が適するが、銅が最も好ましい。
また、その構造としては、金網状、パンチングプレート、金属細線をウエブ状に加工したもの等が挙げられる。金網を使用する場合は、熱伝導性の点からは線径が太く目開きの細かいものが適するが、熱容量及び通気抵抗を考慮する必要もあり、その他製作時の作業性等も勘案して適当な構造のものが選択される。一般的には、１〜２０メッシュ、好ましくは４〜１８メッシュ、より好ましくは８〜１６メッシュのものを使用する。２０メッシュを越えると圧力損失が無視できなくなる。圧力損失の面からは１８メッシュ以下が好ましく、より好ましくは１６メッシュ以下である。また、５メッシュ未満では目的とする伝熱効果が得られない。
【００２０】
本発明の吸着エレメントは、例えば図４のフローで示すような溶剤回収用吸着装置に使用される。ここで吸着エレメント１は吸着塔９（９Ａ及び９Ｂ）に組み込まれている。
２基の吸着塔のうち一方が被処理ガス中の溶剤を吸着する吸着工程にある間、他方の吸着塔は吸着した溶剤を加熱及び減圧状態で脱着し凝縮回収する脱着工程にあり、各吸着塔でこれらの工程が交互に繰り返される。溶剤が可燃性の場合は、脱着工程はＮ_２ガス雰囲気下で行われ、凝縮器での未凝縮ガスは被処理ガスにリサイクルされる。
【００２１】
【実施例】
図４のフローで示される装置を用いて、溶剤（イソプロピルアルコール）２０００ｐｐｍを含む２５℃、５０ＲＨ％の空気を５Ｎｍ^３／分の割合で処理した。吸着塔内の吸着剤は活性炭素繊維のフェルトからなり、厚さ３ｍｍ、目付け１００ｇ／ｍ^２のフェルトをスパイラル状に積層して、内径１００ｍｍ、外径４００ｍｍ及び高さ４５０ｍｍの円筒型とし、伝熱管は芯材付近、直径１６０ｍｍ及び２８０ｍｍの位置に挿入し、伝熱管の内周側及び外周側に、線径１．６ｍｍで２メッシュのＳＵＳの金網、線径０．８ｍｍで４メッシュの銅の金網、線径０．８ｍｍで８メッシュの銅の金網又は線径０．８ｍｍで１６メッシュの銅の金網を挿入した。吸着剤層内での処理ガスの平均流速を約０．３ｍ／秒とし、１サイクルの吸着時間を１５分とした。
【００２２】
まず最初に、溶剤含有空気を吸着塔に送って吸着エレメントに通流し、清浄になった空気は大気中に排出する。（吸着工程）
吸着工程終了後、吸着塔内を減圧排気した後、キャリアガスとしてＮ_２ガスをパージしながらの伝熱管に１５０℃、５ｋｇ／ｃｍ^２圧のスチームを通して加熱する。脱着時の塔内の減圧度は５０Ｔｏｒｒとした。
上記４種類の金網を使用した場合、及び金網を使用しない場合（比較例）の、吸着剤層からの溶剤除去率及び吸着剤層の平均温度を測定した。結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】

（表中の＃は、メッシュ数を示す）
【００２４】
金網を使用した場合はいずれも、使用しない場合に比べて吸着剤層の平均温度が高く、溶剤除去率が優れている。なお、表には示されていないが、吸着剤層中の温度の均一性の点でも、金網を使用した場合の方が著しく優れていることが確認されており、この点も溶剤除去率の改善に寄与しているものと思われる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の吸着エレメントは、吸着剤に直接水蒸気を接触させないため大量の排水を生じることがなく、また、伝熱効果が優れているため吸着剤層を効率よく加熱又は冷却することができ、その結果、ガス中の溶剤等を効率よく除去し、また濃縮回収することができる。さらに、構造が簡単で製作も容易である。
【００２６】
既述のように、吸着剤層中に伝熱体を挿入する試みは従来から行われてきたが、多孔質の吸着剤は熱伝導性が極めて悪いため、伝然体の加熱・冷却作用が及ぶのは伝熱体の極く近傍に限られ、その結果、吸着剤の昇温あるいは冷却は不均一で時間がかかり、脱着の効率は悪く、こうした方法を用いた吸着装置の性能もよくないのが通例であった。
本発明の吸着エレメントは、伝熱体に接して金網等の熱伝導のよい伝熱媒体を吸着剤層中に挿入することによって、伝熱体の伝熱面積が飛躍的に増加したのと同様の極めて良好な伝熱効果が得られる。
このような効果は、常圧下での脱着時はもちろんのこと、特に減圧下での脱着において著しい効果を発揮する。すなわち減圧下では、吸着剤自身の熱伝導の悪さに加えて、もう１つの熱伝達媒体であるガス自身が希薄になることによる熱伝達の悪さが重なるため、本発明の吸着エレメントによる伝熱促進効果が顕著に現れるものと思われる。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】（（１ａ）及び（１ｂ））
本発明の吸着エレメントの概念図であり、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は吸着剤層の組立図である。
【図２】（（２ａ）、（２ｂ）及び（２ｃ））
本発明の吸着エレメントの実施態様の１つである円筒型吸着エレメントを示す図で、（ａ）は全体図、（ｂ）は吸着剤層内部の組立図、（ｃ）は半径方向の断面図である。
【図３】本発明の吸着エレメントのもう１つの実施態様であるシート状活性炭素繊維と金網を重ねてスパイラル状に巻き上げた構造の吸着剤層の例を示す。
【図４】本発明の吸着エレメントを用いて溶剤回収を行なう装置のフロー例を示す。
【符号の説明】
１．吸着エレメント２．吸着剤３．伝熱体４．金網
５．端板６．芯材７．伝熱管８．シート状活性炭素繊維
９（９Ａ及び９Ｂ）．吸着塔１０．ファン１１．減圧ポンプ
１２．凝縮機１３．溶剤回収タンク１４．被処理ガス１５．クリーンガス１６．スチーム１７．Ｎ_２ガス

Claims

吸着剤層に伝熱体及びこれに接触させて伝熱媒体がともに挿入されている吸着エレメントであって、伝熱体が、内部に熱媒流体を通すことができる伝熱管で構成され、また、伝熱媒体が金網であることを特徴とする吸着エレメント。
ガスを円筒の半径方向に通流させるために吸着剤層が芯材の回りに円筒状に形成され、伝熱体が同心円状に１列または複数列挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の吸着エレメント。
吸着剤が活性炭素繊維であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吸着エレメント。
いずれもシート状の吸着剤及び伝熱媒体が、重ねてスパイラル状に巻上げられ、吸着剤層と伝熱媒体層が交互に積層された構造に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の吸着エレメント。
伝熱体が、吸着剤層の中に埋設される以外に、芯材の回りに直接配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の吸着エレメント。
芯材が、伝熱体及びこれに接触する伝熱媒体で構成されていることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の吸着エレメント。