JP3983440B2

JP3983440B2 - 溶剤回収における活性炭層の冷却方法

Info

Publication number: JP3983440B2
Application number: JP35213499A
Authority: JP
Inventors: 太起夫安達; 秀次郎石田; 篤徳石川
Original assignee: Tsukishima Kankyo Engineering Ltd
Current assignee: Tsukishima Kankyo Engineering Ltd
Priority date: 1999-11-08
Filing date: 1999-11-08
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2019-11-08
Also published as: JP2001129350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性炭に吸着した有機溶剤を水蒸気により脱着する溶剤回収方法に係わるものである。有機溶剤を使用する業界において、活性炭吸着を用いて有機溶剤を回収し、排出ガスの浄化に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
各種プラスチック製品、合成繊維、半導体の製造工程や磁気テープ工業等の各種操作に伴って発生する排ガス中に含まれる有機溶剤を回収する活性炭吸着法において、活性炭を充填した２基あるいはそれ以上の吸着槽を並列的に設け、吸着と脱着を交互に繰り返す固定床式溶剤回収装置、あるいは塔頂より活性炭を連続的に降下させて塔底より送り込まれる原ガスによりこの活性炭を流動させつつ溶剤の吸着を行わせ、塔下段で得られる吸着済の活性炭を別途設けられた脱着器において脱着を行わせる流動層式溶剤回収装置が公知である。これらの装置の吸着工程は大気圧下で行われ、脱着工程は水蒸気を使用して大気圧または減圧下で行われることが多い。
【０００３】
これらの従来方法のうち、大気圧脱着を行う２槽固定床式吸着装置を図４により説明する。図４において有機溶剤を含む原ガス１は、ブロワー２により吸着槽３−１または３−２のいずれか一方に送り込まれ、原ガス中の溶剤が固定床を形成する活性炭層４−１または４−２に吸着され、浄化された排ガスは大氣に放出される。例えば吸着槽３−１において吸着操作が行われているとすると、他方の吸着槽３−２は吸着を終了し、切替弁によって吸着から脱着に切替えられ、水蒸気Ｓが吹き込まれて吸着されていた溶剤は脱着されて水蒸気と共にガス状で排出される。この混合蒸気（脱着蒸気）は凝縮冷却器５に導かれ冷却によって全量凝縮される。この凝縮液の水と回収溶剤が相互に不溶の場合は、デカンター９において比重差により溶剤相と水相に分離し、水は排出し溶剤は回収する。また、両者が相互に一部または全部が溶け合う場合には、適宜蒸留塔（図示せず）へ送られ、水と溶剤の分離が行われる。
【０００４】
この方式では、脱着工程から吸着工程に切替えられた直後には吸着槽内は水蒸気で満たされており、また、槽内温度は脱着蒸気温度（一般に１００℃程度）にあり、吹き込まれる原ガス（一般に２０乃至４０℃前後）によって空筒部の水蒸気が排出されると共に、脱着操作時に吸着した水分の蒸発および原ガスへの顕熱移動により活性炭層が原ガス温度または原ガス中の吸着成分との熱的な平衡温度まで冷却される。
このため、特公昭５３−２２５４１号公報や特公昭５６−２９５７４号公報では、脱着工程から吸着工程に切り替えられた際に、脱着工程終了時の吸着槽内に残存している溶剤が系外へ排出されて、瞬間的に溶剤濃度が上がり大きな値を示す、いわゆる吹き抜けの事態を回避するために、前記の残存溶剤を含む気体を原ガスと混入させて処理する還流回路を設けて対処している。
【０００５】
前述のように活性炭を充填し活性炭層を設けた吸着槽は、吸着温度と脱着温度の間で加熱冷却が繰り返されるわけであるが、その熱移動は原ガスの顕熱、溶剤の吸・脱着熱、水蒸気の吸・脱着熱により行われ、この中で熱的に支配的な因子としては水蒸気の吸・脱着熱である。
また、物質の吸着特性としては、温度が高いほど吸着性が悪くなることが知られている。
従来の活性炭を用いる溶剤回収で、冷却工程を設けないケースでは、水蒸気による脱着工程から吸着工程に切替えられた初期には、活性炭層の温度が高く、水蒸気の蒸発による活性炭層の冷却が活発に行われる。このことにより吸着開始時には吸着剤の吸着能力が十分発揮されず、原ガス中の溶剤が吸着槽を通過し排気ガス中に検出されたり、排気口において多量の水蒸気白煙が発生する原因となっている。このような活性炭吸着装置からの白煙防止および吸着再開初期の溶剤の吹き抜けを防止するために、特公昭６３−２４７３４号公報では、脱着工程終了後の吸着槽内にキャリアーガスを導入して、吸着槽内の蒸気を凝縮冷却器を通して排気するように構成した溶剤回収装置が提案されている。
【０００６】
さらには、吸着開始初期には活性炭層の冷却および水分の脱着（蒸発）が原ガスの入り口側から起こるため、活性炭層内の水分吸着量に分布差が生じ、塩化メチレン、トルエン等その吸着性能が共存する水分に大きく影響を受けるような成分の場合には、過大な能力低下が発現するおそれがあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、脱着工程から吸着工程に移る際に発生する水蒸気白煙を低減すると共に、吸着工程初期の溶剤の吹き抜けを防止しようとするところにある。さらには、簡便な操作により、活性炭層内の冷却を均一化して、吸着能を効果的に回復・発現させるように意図したものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性炭を充填してある活性炭層を設けた吸着槽を用いて、原ガス中の有機溶剤を吸着させる吸着工程と前記吸着槽に大気圧下に水蒸気を導入し活性炭に吸着された有機溶剤を脱着する脱着工程を交互に繰り返す溶剤回収方法において、脱着工程終了後の吸着槽内を直ちに減圧状態にして活性炭層を冷却した後に、原ガスを導入して吸着工程を再開させることを特徴とする溶剤回収における活性炭層の冷却方法である。上記の活性炭層の冷却方法では、吸着槽内の圧力を０．２ａｔｍ以下とすることが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前記の目的を達成するため、脱着工程から吸着工程に移行する際の吸着槽内の物質移動および熱挙動について研究した結果、水蒸気脱着を利用した溶剤回収設備での熱の授受の大半は、水蒸気あるいは水分の吸・脱着熱であり、吸着工程初期の溶剤の吹き抜けは、活性炭層がいまだ十分に冷却されず吸着水分量が多い状態で溶剤を含んだガスが供給されること、吸着工程初期に発生する多量の水蒸気白煙は、吸着槽内の空筒部の水蒸気もさることながら脱着操作時に吸着した水分が活性炭から吸着熱を奪いながら脱着し活性炭層の温度を冷却する結果として排ガス中の水蒸気分圧が上昇し、排出口付近で外気により冷却され白煙となることを見出した。
【００１０】
単にこのことのみを解決するのであるならば、前述した特公昭６３−２４７３４号公報のごとくキャリアーガスとして空気あるいは窒素等の非凝縮性ガスを吸着槽に供給し、いわゆる空冷あるいは冷却工程を設け、排出する水蒸気および非凝縮ガスを含んだ排気ガスを冷却すれば実現可能である。
しかしながら、この場合には、排気ガスに非凝縮性ガスを含有しているため、冷却により発生する水蒸気ミストが細かく分離が不充分であること、活性炭層に溶剤が残留していた場合にはその一部が脱着し排出ガスに同伴してくるので、冷却のみでは十分な除去が困難な場合があること、活性炭層の冷却がガスの通過で行われるため十分な処理時間を設けないと層内の吸着水分に分布差ができ吸着が共存水分の影響を受けやすい物質の処理には好ましくないこと、活性炭層から奪う熱の一部が供給ガス温度の上昇に使用され、活性炭層が保有している熱の全てを吸着水分の脱着に利用できないこと等の問題があった。
【００１１】
このため、前記の問題を克服するための方法を検討し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は水蒸気脱着を終了した吸着槽内を真空発生機等を用いて直ちに減圧にし、空間部の水蒸気を吸引すると共に活性炭層に吸着していた水分を層内からほぼ均一に脱着し、かつ水分の吸着熱を脱着水分ガスに奪うことにより活性炭層を均一に冷却し、好ましい活性炭層温度にすると共に、排気口における水蒸気白煙を効果的に防止するようにしたものである。
また、吸着槽内を減圧にするための真空発生機等の能力を軽減するため、この減圧冷却の後に、空気あるいは窒素などの非凝縮性ガスを用いる冷却工程を併用してもよい。
【００１２】
吸着槽内の減圧の程度は目的の冷却温度によるが、水の活性炭への吸着熱がほぼ２４４０ｋＪ／ｋｇと水の蒸発潜熱とほぼ同様であり、また、吸着平衡は相対湿度に依存しているので活性炭層の温度は水の蒸気圧で与えられる温度のごく近傍で平衡する。従って目的操作温度に応じて減圧すればよいが、加熱程度にもよるが常圧蒸気脱着の場合、蒸気温度は１００℃ないしその若干上の温度であるからそれよりかなり低くなるように設定し、６０℃以下とすることが望ましいので、吸着槽内の圧力を０．２ａｔｍ以下とすることが望ましい。
また、冷却すべき活性炭層の温度の下限は、本質的には存在しないと考えられるが、設備的、経済的には、通常の原ガス温度である２０〜４０℃程度と考えればよいから、下限の圧力としては０．０２ａｔｍ程度である。
【００１３】
さらに、吸着槽内を減圧にするため真空発生機等の能力を低減するため、この減圧工程の後に、空気あるいは窒素等のガスを通過させ冷却することも有効である。例えば、吸着槽内を０．１９７ａｔｍに減圧し、活性炭層温度を約６０℃として、大半の蒸気を排出して冷却し、その後空気を導入し活性炭層の温度を３０〜４０℃まで冷却してから吸着工程に切替える。これにより必要な真空度は０．１９７ａｔｍであり、減圧操作のみで活性炭層温度を３０〜４０℃にするための減圧程度が０．０４２〜０．０７３ａｔｍであることに比べ、前記のように減圧操作とその後の空気あるいは窒素等のガスの通過を併用することで減圧度すなわち真空圧力を緩和することができる。
ただし、この場合には、活性炭層を冷却するために供給するガスが、非凝縮ガスであるので、その後の凝縮系の能力を十分にすることが望ましい。
【００１４】
次に本発明の実施態様を図面によって説明する。
図１は、本発明の内容を示す流れ図である。図１において、吸着槽３−１は脱着工程を終了した直後にあり、吸着槽３−２は吸着工程にあるとする。尚、この吸着設備では脱着工程と減圧工程の所要時間の和が吸着工程の所要時間に等しくなるように設定されている。
このとき吸着槽３−１は水蒸気で充満しており、常圧脱着の場合、ほぼ大気圧下にある。
このような状態にある吸着槽３−１内のガスを、真空ポンプ６により凝縮冷却器５のベントパイプを通して吸引し、吸着槽３−１内の圧力を所定圧力まで減圧する。吸着槽内を減圧にすることで、吸着槽内に充満していた水蒸気の大半と、脱着操作中に活性炭に吸着した水分が所定圧力に相当する吸着量まで脱着し、また、脱着による吸着熱の放出により活性炭の温度が水蒸気分圧に平衡する温度まで低下する。
使用する真空ポンプは、吸引するガスがほとんど凝縮性ガスであるので凝縮冷却器後流に設置することで小容量能力のものでよい。吸着槽内温度の低下は吸着槽内圧力の低下に追従し、目的が活性炭層の冷却であるので所定温度まで達すればよく、保持時間を長くする必要はない。減圧工程の時間としては、真空ポンプの能力にもよるが、５〜２０分程度で十分である。減圧による吸着水の脱着を利用して活性炭層の温度を下げるため、活性炭層の温度は均一に低下することになる。
この後、吸着槽３−１は原ガスが導入されて吸着工程に移り、同時に吸着槽３−２は水蒸気吹き込みによる脱着工程に移行する。吸着槽３−１が減圧工程により十分冷却された後に吸着工程に移るので、吸着ガス中の溶剤が吸着されずに排気ガス中に放出されるようなことは生じない。
【００１５】
【実施例】
直径４０ｍｍのカラムに活性炭を５００ｍｍの高さに充填した実験装置を用いて、水蒸気脱着を想定した１００℃の常圧水蒸気を十分通過させ所定温度になった後、従来法である空気流通（３０℃）による冷却を行った場合と、本発明の減圧（０．０４２ａｔｍ）による冷却を行った場合の活性炭層の温度変化を測定し、結果を図２に示した。尚、このときの温度測定は、活性炭層下底表面から５０ｍｍ（層下段）、活性炭層下底表面から２５０ｍｍ（層中段）、活性炭層下底表面から４５０ｍｍ（層上段）に設置した熱電対により行った。
比較例の従来法による結果を示す図２ｂに見られるように、空冷の場合、空気の入口側となる層下段（◆マーク）では、急速に温度が低下するが、空気の出口側となる層上段（▲マーク）では低下が穏やかであり、全体を入口温度程度までに冷却するには長時間を要することが判る。一方、本発明の減圧冷却による場合（図２ａ）は、全体が数分以内に均一に温度が低下した。さらに、これらの活性炭層の温度変化からは、本発明では急速かつ均一に温度が下がるが、従来の空冷の場合には、活性炭層内での残留水分が部位により相違することが認められ、吸着操作に変えた際に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００１６】
次に図１に基づく吸着設備により、塩化メチレン、エタノール溶剤含有ガスから溶剤の回収を行った。各工程の時間は、吸着工程９０分、水蒸気による脱着工程７５分、減圧冷却工程１５分である。減圧冷却工程では原ガス温度３５℃に相当する０．０５６ａｔｍまで減圧した。この繰返し操作における吸着操作時の排気ガス中の有機物総濃度を炭化水素計（ＴＨＣ計）を用いて測定し、従来の方法である減圧冷却工程を使用しない方法と比較して図３に示した。従来法の場合には、吸着工程への切替え直後に排気ガス中に吸着成分溶剤が２００〜５００ｐｐｍ程度検出されたが、本発明の場合には検知下限以下となった。また、従来吸着工程初期の排気口で発生していた多量の白煙も見られなかった。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、吸着工程への切替え初期における溶剤の吹き抜けがなくなり、このときの排気口における多量の水蒸気白煙の発生を防止できる。
単に吸着槽の冷却のみが目的であるならば減圧を用いずに、常温で空気等を通過させる方法でも可能であるが、供給ガスがキャリアーとしての効果を持ち、冷却初期のまだ活性炭層の温度が高いときに炭層の残留溶剤を脱着輸送する可能性があり、また、このガスは非凝縮ガスを含んでいるため十分な冷却を行わない限り水蒸気による白煙の防止は困難である。さらにもしも溶剤成分を含有していた場合には、溶剤は必ずガス分圧を持つので完全な除去回収は困難である。本発明の減圧冷却方式によれば発生するガス（蒸気）は凝縮性であるので容易にこれらを除くことができる。
さらに、回収の目的とする溶剤が、塩化メチレンのようにその吸着特性が共存水分に大きく影響を受ける場合には、活性炭層の残留水分のコントロールが吸着性能維持に重要であり、本発明の減圧冷却によれば脱着操作時に吸着した水分の均一な脱着が可能となる。
また、減圧に用いる真空発生機負荷の低減のために減圧操作と共に空冷等の操作を併用することは可能であり、この場合には減圧操作後に空冷操作を行う方が好ましく、吸着槽内の大半の水蒸気を減圧により抜き出し、その後常温の空気等の非凝縮性ガスによりさらに適切な温度まで冷却する。効果としては、減圧冷却単独により目的温度まで冷却する場合より若干劣るが、設備費、運転経費等勘案して選択できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による減圧冷却操作方式の溶剤回収フロー図
【図２】ａ本発明の減圧冷却による活性炭層内の温度変化を測定した結果の一例
ｂ比較例の空冷による活性炭層内の温度変化を測定した結果の一例
【図３】本発明法および従来法による吸着操作時の排ガス中の炭化水素濃度
【図４】従来法による溶剤回収設備フロー図である
【符号の説明】
１原ガス
２ガスブロワー
３−１，３−２吸着層
４−１，４−２活性炭層
５凝縮冷却器
６真空ポンプ
７中継層
８送液ポンプ
９デカンター
Ｓ水蒸気（スチーム）
Ｗ冷却水

Claims

活性炭を充填してある活性炭層を設けた吸着槽を用いて、原ガス中の有機溶剤を吸着させる吸着工程と前記吸着槽に大気圧下に水蒸気を導入し活性炭に吸着された有機溶剤を脱着する脱着工程を交互に繰り返す溶剤回収方法において、脱着工程終了後の吸着槽内を直ちに減圧状態にして活性炭層を冷却した後に、原ガスを導入して吸着工程を再開させることを特徴とする溶剤回収における活性炭層の冷却方法。
吸着槽内の圧力を０．２ａｔｍ以下とする請求項１記載の溶剤回収における活性炭層の冷却方法。
脱着工程終了後の吸着槽内を直ちに減圧状態にして活性炭層を冷却した後に、空気または窒素を吹き込む請求項１または２に記載の溶剤回収における活性炭層の冷却方法。