JP3841792B2

JP3841792B2 - 空気分離装置における前処理方法およびそれに用いる装置

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Publication number: JP3841792B2
Application number: JP2004043365A
Authority: JP
Inventors: 嘉昭裏久保; 有幸藤本; 耕治田中; 俊一高橋
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JP2004209474A

Description

本発明は、原料空気中の不純物（Ｈ₂Ｏ・ＣＯ₂等）を除去するために用いられる空気分離装置における前処理方法およびそれに用いる装置に関するものである。

従来から、空気分離装置において、原料空気中の不純物（Ｈ₂Ｏ・ＣＯ₂等）を除去する前処理装置として、ＰＳＡ方式またはＴＳＡ方式の２塔式交互切替タイプ吸着除去装置が用いられている。その中でも、ＴＳＡ方式が、プロセスの圧力変動が少なく、切替時間が長いという理由で、ほとんどの装置に採用されている。

しかしながら、上記の両方式には、つぎのような問題がある。すなわち、ＰＳＡ方式は、吸着剤の各圧力における吸着容量の差を利用して不純物（Ｈ₂Ｏ・ＣＯ₂等）を除去する方式である。このため、運転圧力と再生圧力に大きな差があるほど、吸着剤の単位重量当たりの吸着容量が多くなる。当然、ある装置を設計した場合に、圧力差が大きいほど、吸着剤の総量を減らすことができる。また、圧力が高いほど、原料空気中の飽和水分量が低下するため、総吸着容量が減り、これに伴い吸着剤の総量を減らすことができる。

一方、吸着した吸着剤は再生を行う必要がある。この吸着剤の再生は、空気分離装置においては、通常、精留塔等の分離器より発生した製品以外の排ガスを利用して行っている。現在のところ、原料空気圧力が０．５ＭＰａ以下であると、精製のための吸着剤が多量に必要とされるのに対し、それを再生する排ガス量が不足しており、システムとして成り立っていない。

また、ＴＳＡ方式は、吸着剤の各温度における吸着容量の差を利用して不純物（Ｈ₂Ｏ・ＣＯ₂等）を除去する方式である。このため、運転温度と再生温度に大きな差があるほど、吸着剤の単位重量当たりの吸着容量が多くなる。当然、ある装置を設計した場合に、温度差が大きいほど、吸着剤の総量を減らすことができる。また、圧力が高いほど、原料空気中の飽和水分量が低下するため、総吸着容量が減り、これに伴い吸着剤の総量を減らすことができる。

一方、ＴＳＡ方式においても、吸着した吸着剤は再生を行う必要があるが、ＰＳＡ方式と同様の事情で、原料空気圧力が０．５ＭＰａ以下であると、システムとして成り立っていない。そこで、原料空気圧力が０．５ＭＰａ以下である場合には、前段に冷却手段（通常は、冷凍機）を設け、この冷却手段により原料空気を５℃程度に冷却して原料空気中の水分をある程度除去し、総吸着量を減らすことにより、システムを成立させている。

以上のように、０．５ＭＰａ以下の原料空気中の不純物を精製する場合に、ＰＳＡ方式では無理であり、ＴＳＡ方式では前段に冷却手段を設ける必要がある。ところが、冷凍機は回転機器を持つ機械設備であるために機械故障のリスクを常に持っている。また、１年の周期で必ずメンテナンスを実施しなければ、故障の確率が増大する。しかも、冷凍機は、原料空気の出口温度が一定となるように制御されているが、冷凍機に対する負荷は季節によって大きく変化する（その変化幅は５０〜１００％程度である）ため、その調整は困難を極めている。さらに、冷凍機の最も一般的な冷媒はフロンガスであるが、このフロンガスは、世界的な環境の問題から全廃の方向に進行中である。また、代替ガスとしてのアンモニア等は設備費が増大し、漏洩による危険性が高い。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、冷凍機を削除することのできる空気分離装置における前処理方法およびそれに用いる装置の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、原料空気中の主に水分を吸着して除湿する第１の吸着装置と、この第１の吸着装置による吸着除湿によって昇温した原料空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由した原料空気中の主に炭酸ガスと水分とを吸着して除去する第２の吸着装置とを備えた空気分離装置に関し、上記両吸着装置の再生工程において、第２の吸着装置での再生工程を第１の吸着装置での再生工程より所定時間早め、かつ第２の吸着装置を再生した加温再生ガスを第１の吸着装置に供給するようにした空気分離装置における前処理方法を第１の要旨とし、原料空気中の主に水分を吸着して除湿する第１の吸着装置と、この第１の吸着装置による吸着除湿によって昇温した原料空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由した原料空気中の主に炭酸ガスと水分とを吸着して除去する第２の吸着装置とを備えた空気分離装置に関し、上記両吸着装置の再生工程において、第２の吸着装置での再生工程を第１の吸着装置での再生工程より所定時間早め、かつ第２の吸着装置を再生した加温再生ガスを第１の吸着装置に供給するように構成した空気分離装置における前処理装置を第２の要旨とする。

すなわち、本発明の空気分離装置における前処理方法は、原料空気中の主に水分を吸着して除湿する第１の吸着装置と、この第１の吸着装置による吸着除湿によって昇温した原料空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由した原料空気中の主に炭酸ガスと水分とを吸着して除去する第２の吸着装置とを備えた空気分離装置に関し、上記両吸着装置の再生工程において、第２の吸着装置での再生工程を第１の吸着装置での再生工程より所定時間早め、かつ第２の吸着装置を再生した加温再生ガスを第１の吸着装置に供給するようにしている。このように、本発明では、第２の吸着装置の前段に設けた第１の吸着装置により、原料空気中の主に水分を除去することができ、従来例の冷凍機を削除することができる。また、本発明の空気分離装置における前処理装置でも、同様の効果を奏する。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１は本発明の前処理装置の一実施の形態を示すフローシートである。この実施の形態では、Ａは原空圧縮機であり、図２に示すように、外部より取り入れた原料空気を清浄化するフィルター１と、第１圧縮機２と、第１圧縮機２を経た原料空気を冷却水（３２℃以下）により４０℃程度に冷却するインタークーラー３と、第２圧縮機４と、第２圧縮機４を経た原料空気と再生ガス（精留塔〔図示せず〕等の分離器で発生した排ガス）とを熱交換させて原料空気を降温させるとともに再生ガスを昇温（３０→１１０℃）させる排熱回収器５と、排熱回収器５を経た原料空気を冷却水（３２℃以下）により４０℃以下に冷却するアフタークーラー６とを備えている。図において、８は再生ガスを排熱回収器５に供給するパイプであり、９は排熱回収器５を経た再生ガスを後述する第２吸着ユニットＥの第２再生ヒーター２７に供給するパイプである。

Ｂは原空冷却器ユニットであり、図２に示すように、アフタークーラー６を経た原料空気を冷却水（３２℃以下）により３４℃以下に冷却する第１原空冷却器（第１の熱交換器）１０と、第１原空冷却器１０による冷却によって発生した凝縮水を分離するミストセパレーター１１と、後述する空気処理設備Ｄの原空熱交換器２０で降温した原料空気を冷却水（３２℃以下）により３４℃以下に冷却する第２原空冷却器（第２の熱交換器）１２とを備えている。図において、７は原空圧縮機Ａのインタークーラー３，アフタークーラー６および原空冷却器ユニットＢの第１原空冷却器１０，第２原空冷却器１２に冷却水（３２℃以下）を供給するパイプであり、１３はミストセパレーター１１を経た原料空気を後述する第１吸着ユニットＣの第１吸着塔１５もしくは第２吸着塔１６に供給するパイプであり、２３は原空熱交換器２０を経た原料空気を第２原空冷却器１２に供給するパイプであり、２４は第２原空冷却器１２を経た原料空気を後述する第２吸着ユニットＥの第１吸着塔２５もしくは第２吸着塔２６に供給するパイプである。

Ｃは第１吸着ユニットであり、図３に示すように、ＴＳＡ方式による２塔交互切替式の第１吸着塔１５，第２吸着塔１６と、第１再生ヒーター１７とを備えている。上記両吸着塔１５，１６には、水分の吸着容量が大きい活性アルミナ等の吸着剤が充填されており、精製工程では、ミストセパレーター１１を経た原料空気中の水分を露点−２０℃以下まで、ＣＯ₂を３００ｐｐｍ程度に吸着除去する。一方、第１再生ヒーター１７では、第２吸着ユニットＥの第１吸着塔２５もしくは第２吸着塔２６を経た再生ガスを１７０℃程度に加熱する。図において、１８は第１吸着ユニットＣの第１吸着塔１５もしくは第２吸着塔１６を経た原料空気を原空熱交換器２０に供給するパイプであり、１９は再生ガスを外部に放出する放出弁１９ａ付きパイプであり、２８は第２吸着ユニットＥの第１吸着塔２５もしくは第２吸着塔２６を経た再生ガスを第１再生ヒーター１７に供給するパイプである。このパイプ２８は、後述するバイパスパイプ３０，バイパス弁３０ａによりバイパスされた再生ガスを第１吸着ユニットＣの第１吸着塔１５もしくは第２吸着塔１６に供給する作用もする。

Ｄは空気処理設備であり、図４に示すように、第１吸着ユニットＣの第１吸着塔１５もしくは第２吸着塔１６を経た原料空気（入口ガス）と後述する触媒塔２２を経た原料空気（出口ガス）とを熱交換させて入口ガスを加温させるとともに出口ガスを降温させる原空熱交換器２０と、原空熱交換器２０により加温された原料ガス（上記入口ガス）を後述する触媒塔（空気処理塔）２２での酸化反応温度まで再加温させる（この再加温は、原空熱交換器２０の温端ロスおよび外部放熱分を補うために行う）原空ヒーター２１と、原空ヒーター２１により再加温された原料空気中のＣＯおよびＨ₂を酸化反応しそれぞれＣＯ₂およびＨ₂Ｏに変化させる触媒塔２２とを備えている。この触媒塔２２での一般的な酸化反応温度は、水素除去目的の場合に１６０〜２８０℃であり、ＣＯ除去目的の場合に９０〜１６０℃である。この実施の形態では、導入する原料空気中に触媒毒が殆ど無く、反応の活性の高い乾燥状態であるため、触媒塔２２での酸化反応温度を一般的な反応温度に対して５０〜１００℃程度に低く設定することができる。

Ｅは第２吸着ユニットであり、図３に示すように、ＴＳＡ方式による２塔交互切替式の第１吸着塔２５，第２吸着塔２６と、第２再生ヒーター２７とを備えている。上記両吸着塔２５，２６には、ＣＯ₂の吸着容量が大きい合成ゼオライト等の吸着剤が充填されており、精製工程では、第２原空冷却器１２を経た原料空気中の水分を露点−７０℃以下まで、ＣＯ₂を１ｐｐｍ以下まで吸着除去する。また、従来のＴＳＡ方式により吸着除去していたアセチレン等の炭化水素も同様に吸着除去する。一方、第２再生ヒーター２７では、排熱回収器５を経由した再生ガスを２１０℃程度に加熱する。図において、２９は冷却工程において再生ガスを第２吸着ユニットＥの第１吸着塔２５もしくは第２吸着塔２６に直接供給する切換弁２９ａ付きパイプであり、３０は再生ガスをバイパスしてパイプ２８に供給するバイパス弁３０ａ付きバイパスパイプであり、３１は原料空気（精製ガス）を精留塔等の分離器に送るパイプである。

上記構成において、つぎのようにして、精製および再生を行う。すなわち、精製工程では、原空圧縮機Ａの圧縮機２，４により圧縮した原料空気をアフタークーラー６により４０℃以下に冷却する。ついで、アフタークーラー６により冷却した原料空気を原空冷却器ユニットＢの第１原空冷却器１０の冷却水により３４℃以下に冷却し、この冷却により発生した凝縮水をミストセパレーター１１により原料空気から分離する。このとき、凝縮時に凝縮水に溶け込んだ原料空気中の大半の代表的な触媒毒であるＳＯ_Xも、凝縮水とともに原料空気から分離される。つぎに、ミストセパレーター１１を経由した原料空気を第１吸着ユニットＣの精製工程の第１吸着塔１５もしくは第２吸着塔１６（以下、精製塔という）に供給し、ここで原料空気中の水分を露点−２０℃以下まで、ＣＯ₂を３００ｐｐｍ程度に吸着除去する。このとき、ミストセパレーター１１での凝縮水分離時に一部残っていたＳＯ_Xも、水分とともに吸着されるか、もしくは、活性アルミナ等と反応し、除去される。また、水分吸着により吸着熱が発生し、５〜３０℃程度原料空気が温度上昇する。

つぎに、精製塔１５（１６）を経た原料空気を空気処理設備Ｄの原空熱交換器２０に供給し、触媒塔２２を経た原料空気と熱交換して加温したのち、原空ヒーター２１により酸化反応温度まで再加温し触媒塔２２に供給する。この触媒塔２２では、原料空気中のＣＯおよびＨ₂を酸化反応し、それぞれＣＯ₂およびＨ₂Ｏに変化させる。つぎに、触媒塔２２を経た原料空気を再度原空熱交換器２０に供給し、精製塔１５（１６）を経た原料空気と熱交換して降温したのち、第２原空冷却器１２の冷却水により３４℃以下に冷却する。そののち、第２原空冷却器１２を経た原料空気（水分：露点−２０℃以下，ＣＯ₂：３５０〜４００ｐｐｍ，温度３４℃以下）を第２吸着ユニットＥの精製工程の第１吸着塔２５もしくは第２吸着塔２６（以下、精製塔という）に供給し、ここで水分：露点−７０℃以下，ＣＯ₂：１ｐｐｍ以下まで精製する。このとき、アセチレン等の炭化水素も同様に吸着除去する。なお、原料空気を第２原空冷却器１２で冷却することなく、第２吸着ユニットＥの精製塔２５（２６）に供給する場合には、吸着温度が高く、吸着剤のＣＯ₂を吸着する吸着容量が半減することになる。そして、第２吸着ユニットＥの精製塔２５（２６）を経た原料空気（精製ガス）をパイプ３１により精留塔に送る。

一方、再生工程では、再生ガスを原空圧縮機Ａの排熱回収器５に供給し、ここで圧縮機４の圧縮熱を回収して加熱する（３０→１００℃）。ついで、排熱回収器５を経た再生ガスを第２再生ヒーター２７により２１０℃程度に加熱したのち、第２吸着ユニットＥの再生工程の第２吸着塔２６もしくは第１吸着塔２５（以下、再生塔という）に供給し加熱する。この実施の形態では、再生ガスを効率よく利用するために、第２吸着ユニットＥでの精製工程，再生工程（加熱工程＋冷却工程）を第１吸着ユニットＣでの精製工程，再生工程（加熱工程＋冷却工程）より１時間早める（図５参照）。

第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）が加熱工程の初期１時間は、第１吸着ユニットＣが切替中であるため、パイプ２８中の再生塔２６（２５）使用済み再生ガスをパイプ１９，放出弁１９ａにより放出する。すなわち、再生ガスとして、分離器で発生した排ガスを使用しているため、再生ガス量を変動させることは分離器の圧力等の制御に外乱を与えることになる。これを防止するために、この実施の形態では、再生ガスが必要でない場合に（切替時に）、同一量を外部に放出している。

第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）の加熱工程の１時間経過後、第１吸着ユニットＣの第２吸着塔１６もしくは第１吸着塔１５は加熱工程に入る。この加熱工程では、再生塔２６（２５）を加熱した再生ガスは第１再生ヒーター１７により１７０℃程度に再加熱されたのち、上記加熱工程の第２吸着塔１６もしくは第１吸着塔１５（以下、再生塔という）を加熱する。なお、第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）が加熱工程に入ったとき、この再生塔２６（２５）の加温のために再生ガスは熱量を消費し、再生塔２６（２５）の塔出口では常温の状態となっているが、加熱工程の約１時間経過後には、次第に再生塔２６（２５）の塔本体が加温され、上記再生塔２６（２５）の塔出口での再生ガスの温度も上昇を始める。第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）の加熱工程は、上記再生塔２６（２５）の塔出口での再生ガスが温度上昇を始めた時間にスタートする。

つぎに、第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）の加熱工程終了後、冷却工程に入る。この冷却工程は、パイプ２９，切換弁２９ａにより、再生ガスを直接再生塔２６（２５）に導入して行う。第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）が冷却工程に入ったとき、この再生塔２６（２５）の冷却のために再生ガスは高温の状態となっている。そして、この高温の状態で再生ガスが第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）に供給される。それ以降も第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）が常温になるまでは、第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）が加熱工程であるために、第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）において加熱に使用された熱はほとんど第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）の加熱に再利用される。このように、両吸着ユニットＣ，Ｅの切替時間を１時間遅らせることにより、再生熱の回収を効率的に行うことができる。また、両吸着ユニットＣ，Ｅの切替を同時に行わないことにより、精製ガスラインの圧力変動を低減することができる。

第２吸着ユニットＥの再生塔２６（２５）の冷却工程終了１時間前に、第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）は冷却工程を開始する。その時点では、再生塔２６（２５）使用済み再生ガスの温度はほぼ常温となっているため、第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）の冷却に支障はない。なお、第１再生ヒーター１７は作動停止の状態になっている。そして、第２吸着ユニットＥは冷却工程終了後に、切替工程に入る。そのとき、第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）は冷却工程を続けているために、バイパスパイプ３０，バイパス弁３０ａ，パイプ２８により再生ガスを直接第１吸着ユニットＣの再生塔１６（１５）に送る。以上のようなプロセスにより、非常に効率良く、前処理装置を運転することができる。また、切替工程には、昇圧・並列・脱圧工程があり、精製は連続的に行われる。

このように、上記実施の形態では、従来例における冷凍機を省略することができる。また、第１吸着ユニットＣを水分精製用（粗精製）とし、第２吸着ユニットＥを水分精製用（精密精製）とＣＯ₂精製用としているため、第１吸着ユニットＣの両吸着塔１５，１６およびは第２吸着ユニットＥの両吸着塔２５，２６の吸着剤の充填量を低減することができる。しかも、第１および第２の吸着ユニットＣ，Ｅに分離したことにより、第２吸着ユニットＥで再生に使用した再生ガスを第１ユニットＣの再生に使用することができる。さらに、両吸着ユニットＣ，Ｅの工程を１時間ずらすことにより、第２吸着ユニットＥの再生に利用した熱を第１吸着ユニットＣの再生にほとんど回収することができ、省エネルギーを実現することができる。

なお、上記実施の形態と同様の設備を、アルゴンガス・ヘリウムガス等の使用済みガスの回収精製装置において、混入した水分やＣＯ₂の除去装置として、設計することができる。

また、上記実施の形態では、再生工程において、再生ガスとして、分離器で発生した排ガスを用いているが、第２吸着ユニットＥの両吸着塔２５，２６の塔出口の精製ガスを用いてもよい。また、上記実施の形態では、再生ガスを排熱回収器５に導入しているが、この排熱回収工程は省エネルギーのための工程であり、必要不可欠なものではない。また、上記実施の形態では、切替時間を１時間に設定しているが、１時間に限定するものではない。

本発明の前処理装置のフローシートを示す図である。上記フローシートの要部を示す図である。上記フローシートの要部を示す図である。上記フローシートの要部を示す図である。精製工程および再生工程の説明図である。

符号の説明

１２第２原空冷却器
１５第１吸着塔
１６第２吸着塔
２５第１吸着塔
２６第２吸着塔
Ｃ第１吸着ユニット
Ｅ第２吸着ユニット

Claims

原料空気中の主に水分を吸着して除湿する第１の吸着装置と、この第１の吸着装置による吸着除湿によって昇温した原料空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由した原料空気中の主に炭酸ガスと水分とを吸着して除去する第２の吸着装置とを備えた空気分離装置に関し、上記両吸着装置の再生工程において、第２の吸着装置での再生工程を第１の吸着装置での再生工程より所定時間早め、かつ第２の吸着装置を再生した加温再生ガスを第１の吸着装置に供給するようにしたことを特徴とする空気分離装置における前処理方法。
原料空気中の主に水分を吸着して除湿する第１の吸着装置と、この第１の吸着装置による吸着除湿によって昇温した原料空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由した原料空気中の主に炭酸ガスと水分とを吸着して除去する第２の吸着装置とを備えた空気分離装置に関し、上記両吸着装置の再生工程において、第２の吸着装置での再生工程を第１の吸着装置での再生工程より所定時間早め、かつ第２の吸着装置を再生した加温再生ガスを第１の吸着装置に供給するように構成したことを特徴とする空気分離装置における前処理装置。