JP3936867B2 - 電気的に加熱した活性炭素繊維布要素によるガスの選択的吸着および脱離 - Google Patents

Description

【０００１】
（説明）
本発明の分野はガス流処理である。
（背景技術）
様々な産業プロセスは汚染物質蒸気およびガスを発生する。これらの蒸気およびガスは、大気中への汚染物質の放出を防止するために処理する必要がある。他の産業は最終生成物、例えば塗料を含むガスを生成する。最終生成物の再捕獲は、製造工程の歩留りを増加する。これらおよび他の用途に役立つようにガス流を処理するために様々な工程が開発されてきた。各々がガス流からガスを除去しようとしている。
【０００２】
吸着は特に有用な技術である。吸着は広範囲のガス流成分を除去する。吸着プロセスは吸着ステップおよび脱離ステップを含む。吸着ステップ中にガス流を粒状活性炭またはゼオライトの形の吸着剤に接触させる。ガスは分子の吸引力のため、吸着剤の炭素またはゼオライトの表面に付着する。吸着されたガスは脱離ステップ中に回収される。それらは一般的に圧力を低下することによって、または温度を上昇することによって放出される。温度を上昇させる一般的な方法は、蒸気の噴射による。従来のプロセスでは、回収された吸着ガスはしばしば燃焼され、あるいは吸着／脱離ユニットからの脱離流の下流の冷凍ユニットを通して液体に変換される。
【０００３】
他の回収技術としては物質の置換、熱酸化、膜濾過、吸収、および凝縮がある。吸着技術は、その広範な適用性、比較的低い所用エネルギ、および再捕獲されたガス流成分を回収するその能力のため、有利である。吸着はまた選択性をも提供する。異なる温度では異なるガスが吸着剤の炭素またはゼオライト表面に吸着するので、吸着中に吸着／脱離ユニットの温度を制御することができる場合に、選択性が得られる。活性炭素繊維布（ＡＣＦＣ）を吸着剤として使用することにより、選択性はよりよく制御されるようになり、それは吸着にも追加の改善を生み出した。
【０００４】
ＡＣＦＣは、従来の吸着剤の２倍の吸着力を持つ。それは揮発性有機汚染物質の高速捕獲を、ガス流中の該汚染物質の濃度が低い場合でも可能にする。ＡＣＦＣは無灰であり、それは有機化合物を含むケトンおよびアルケンなどの蒸気との反応を阻止する。今日まで使用されているＡＣＦＣプロセスは、上述の吸着／脱離プロセスのモデルに従っており、ＡＣＦＣフェルトがゼオライトまたは粒状炭素の床の代わりになる。
（発明の要約）
さらなる改善が本発明によって実現される。本発明では、吸着／脱離ユニットが１つまたはそれ以上の長尺中空ＡＣＦＣ要素を含む。ＡＣＦＣ要素（単数または複数）の幾何学的形状構成は、選択ガス流組成分（単数または複数）の吸着が可能になる温度まで該要素を電流によって加熱することを可能にする充分な電気抵抗値を該要素が持つように設計する。幾何学的形状はまた、ガス流がＡＣＦＣ要素に浸透することも可能にする。筐体はＡＣＦＣ要素を収容し、ガス流を要素内に向かわせてガスポートを通して筐体に流入させかつそこから流出させるように構成する。要素を電流によって所望の温度に加熱する能力は、選択的吸着の簡単な実現を可能にする。吸着ステップの後、要素（単数または複数）の温度を変化させてさらに脱離を可能にする。
【０００５】
本発明の実施形態では、被吸着物（脱離された組成分）を気相で筐体から除去する。特に好ましい実施形態では、要素を備えた筐体が液体凝縮出口をも含み、脱離された組成分を吸着および脱離に使用される同一ユニットから直接液体として回収する。脱離中のガス流量が低い場合、脱離された組成分は非絶縁性チャンバの壁で冷却されて凝縮物を形成し、それがチャンバから液体として除去される。したがって、そのようなユニットを組み込んだシステムは、吸着／脱離ユニットの下流の別個の冷却ユニットを省いてもなお液体回収を達成することができる。脱離中にＡＣＦＣを局所的に電気加熱することにより、脱離チャンバ内を全体として特定の温度に維持する必要が無くなり、こうして脱離チャンバ内の過飽和脱離組成分の縮合冷却が可能になる。
【０００６】
好ましい構造では、ガス流が筐体内のＡＣＦＣ要素内に入り、ＡＣＦＣを通してＡＣＦＣの周囲の筐体容積内に向けられる。ガス流は通過して第２ＡＣＦＣ要素内に入り、次いで筐体から出る。２つのＡＣＦＣ要素は電気的に直列に接続する。この構造はチャンバのガス流入および流出を複数にして反復可能である。ＡＣＦＣ要素への絶縁電気供給は筐体を金属製にすることを可能にし、それは凝縮を促進するのに有利である。
【０００７】
本発明の他の特徴、目的および利点は、詳細な説明および図面を参照することにより、通常の熟練者には明らかになるであろう。
（発明を実施する最適な形態）
今、図１を参照すると、本発明の好ましい吸着ユニット１０が示されている。吸着中に、ガス流はポート１４を通して筐体１２内に入り、長尺中空ＡＣＦＣ要素１６の端１５に向けられる。長尺中空要素１６は一端２０にキャップ２２がかぶせられる。こうして流れはＡＣＦＣ要素１６に浸透して、ＡＣＦＣ要素１６が含まれる筐体１２の主容量２４内に入るように向けられる。好ましい図１の実施形態では、端２８が筐体１２の別のポート３０に接続されることを除いては同様に構成された第２ＡＣＦＣ要素２６に浸透するように向けられる。反対側の端３２はキャップ２２がかぶせられ、ガス流をＡＣＦＣ要素２６に浸透してポート３０に向かわせるのに役立つ。
【０００８】
筐体１２の両端は、ポート１４およびポート３０の周りを絶縁キャップ３４によって密閉することが好ましい。絶縁キャップ３４は筐体１２からの電流を電気的に絶縁するのに役立ち、その伝熱特性による凝縮を促進する金属ハウジングを可能にする。金属はまた、従来のガラス製およびセラミック製ユニットに比較して、よりスケーラブルかつ費用効果が高く容易に使用できるユニットを形成する。電気接続が絶縁キャップを通してＡＣＦＣ要素１６およびＡＣＦＣ要素２６に対して達成され、ＡＣＦＣ要素１６およびＡＣＦＣ要素２６もキャップ２２を通して電気的に接続される。ＡＣＦＣ要素１６および要素２６の相対的に小さい断面に比較した長尺性は各要素に抵抗をもたらし、複数のＡＣＦＣ要素が電気的に直列に接続されたところではさらに増加する。ＡＣＦＣ要素１６および２６の形状は重要ではないが、図示した円筒形は形成しやすい。要素１６および２６のＡＣＦＣ材は層化することができ、あるいは、流体の流動に抵抗しかつガスの浸透を可能にするのに適した厚さの単片に形成することができる。得られる抵抗の目的は、ガス流中の所望の成分の吸着にとって充分な温度へのＡＣＦＣ要素１６およびＡＣＦＣ要素２６の電気的加熱を可能にすることである。電源の調整により温度を調整し、したがって優れた温度選択性を提供し、異なる組成分は異なる温度で吸着するので異なる組成分を選択的に吸着する能力を提供する。異なる温度に加熱された一連のユニットまたは要素を使用して、異なる組成分を順次除去することができる。長さと断面と材料の性質との間の周知の関係から、本発明の個々のＡＣＦＣ要素またはそのような要素の直列結合の電気抵抗が決定される。
【０００９】
ＡＣＦＣ要素の温度を監視するために、熱電対３６を使用することができる。吸着を達成してある成分をガス流から除去する温度まで要素が加熱されたときに、ガス流はＡＣＦＣ要素内に向けられる。脱離中、吸着された物質の高速脱離を可能にする充分な電力がＡＣＦＣ要素に印加され、筐体１２の内部表面に沿って凝縮が引き起こされる。筐体の側面は、ガラスまたは金属など、優れた伝熱特性を持つ非絶縁材であることが好ましい。筐体の壁をパイレックス（登録商標）ガラスで形成した実験規模の吸着ユニットで、凝縮が実証された。次いで脱離された物質は液体として筐体１２から液体出口３８を介して除去される。脱離中のガス流量は冷却および脱離物質の凝縮を可能にするのに充分に低くなければならない。脱離／凝縮中は不活性ガス（例えば窒素）を使用して、吸着ユニット１０をパージする。離脱中の低流量の不活性ガスは、吸着中のガス流と反対方向に流れることが好ましい。逆流は、ＡＣＦＣ要素から高沸点の組成分をパージするのに役立つ。不活性ガスは吸着ユニット１０内の空気から酸素を排除して、脱離中に酸化が発生するのを防止する。
【００１０】
変形例の吸着ユニット１０ａを図１Ｂに示す。ユニット１０ａは４個のＡＣＦＣ要素１６_１、１６_２、１６_３および１６_４を含む。流動は示す通りであり、４個のＡＣＦＣ要素は電気的に直列であり、したがって他の電気的接続機構を使用することができる。他の多くのＡＣＦＣ要素構成が当業者には明らかであり、本発明の範囲内である。
【００１１】
代替例の好ましい吸着ユニット１０ｂを図２に示し、それは図１の液体出口３８が欠如しているだけである。ここでは脱離された物質は気体として除去され、したがって図２に係る装置では、流量および温度条件は、脱離された物質の脱離中の凝縮を防止するように維持される。
【００１２】
しかし、最も好ましい本発明の実施形態は液体出口を含む。そのような装置は、吸着剤の高速かつ効率的な再生を可能にし、かつ１つの制御容量内で（筐体１２によって画定される）被吸着物質全部の凝縮を可能にする。吸着システムでは、被吸着物質を吸着ユニットから液体として抽出する能力により、非吸着物質を液体の形に変換するために吸着ユニットの下流に別個の冷凍を含める必要が省かれる。そのようなシステムを図３に示す。
【００１３】
一般的なシステムでは、脱離の結果としてガス流が吸着ユニットから出力されるので、液体の回収を可能にするためには、出口の下流に別個の冷凍を必要とする。出口３８からの直接液体回収を可能にする本発明の吸着ユニット１０を使用することにより、冷凍要素の必要性が除去される。液体の被吸着物質は液体貯蔵器４０内に直接流入する。公益電力網への接続またはその他の適切な手段を含むことができる電源４２は、吸着ユニット１０内のＡＣＦＣ要素の制御された加熱を実現するために制御可能であり、ガス流ネットワーク４４は制御されたガス流量を吸着ユニット１０へ、およびそこから送り出す。
【００１４】
ガス流ネットワーク４４に形成されたリサイクルループは、吸着ユニット１０または回収液体貯蔵器４０から放出される低流量飽和Ｎ_２ガス流のリサイクルおよび捕捉を可能にする。リサイクルループは蒸気捕捉効率を改善し、ガス流をさらに処理するための補助装置（例えば燃焼装置または吸着器）の使用を無くする。
【００１５】
本発明の様々な実施形態を図示し説明したが、当該技術分野の通常の熟練者には他の変化例、置換例、および代替例が明らかであることを理解されたい。そのような変化例、置換例、および代替例は、請求の範囲から決定すべき本発明の精神および範囲から逸脱することなく形成することができる。
【００１６】
本発明の様々な特徴は請求の範囲に記載する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａは脱離中に直接液体回収を達成する本発明の好ましい吸着ユニットの略図、図１Ｂは本発明の変形例の好ましい吸着ユニットの略図である。
【図２】 図２は脱離中の気相回収を達成する本発明の代替例の好ましい吸着ユニットの略図である。
【図３】 図３は図１Ａの吸着ユニットのように本発明に係る直接液体回収を達成する吸着ユニットを含む本発明のシステムの略図である。

Claims (1)

1. 少なくとも１つの活性炭素繊維要素を含む吸着ユニットのための吸着および回収方法であって、
   加熱するのに充分な電気抵抗を示す活性炭素繊維要素を電流により加熱するステップと、
   前記活性炭素繊維要素が、ガス流の少なくとも１つの組成分を選択的に吸着するために加熱されたときに、前記ガス流を前記活性炭素繊維要素に浸透するように向かわせるステップと、
   電流により前記活性炭素繊維の温度を不活性ガス流の存在下で脱離の温度に制御することによって、被吸着組成分を脱離させるステップと、
   前記不活性ガス流を制御して、前記活性炭素繊維要素を収容した筐体の内部表面に脱離組成分を凝縮させるステップと、
   液相の脱離組成分を含む凝縮物を前記筐体から回収するステップとを含む方法。

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