JP4234598B2 - 吸着によりガスを処理するための、特に大気を清浄するための方法及び装置 - Google Patents

吸着によりガスを処理するための、特に大気を清浄するための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、（ａ）被処理ガスを圧縮する工程、
（ｂ）工程（ａ）からくる被処理ガスを、吸着段階における吸着器中を流す工程、及び
（ｃ）再生流体の流れを、再生段階内の吸着段階における吸着器中を流す工程
を具備し、
（ｃ１）吸着器再生段階の第１の部分中、一方において工程（ａ）からくる被処理ガスと、他方において再生流体流との間の熱交換が、工程（ａ）からくる工程（ｂ）のための被処理ガスを冷却するために、かつ工程（ｃ）のための再生流体を加熱するために、熱交換器内で確立され、
（ｃ２）吸着器再生段階の第１の部分中、工程（ｃ１）の熱交換を行わせることなく、再生流体が吸着器中を流され、
（ｄ）工程（ｃ２）中に、被処理ガスの補助冷却が行われる、
型の吸着によるガスの処理装置及びプロセスに関する。
この型の方法は、ＵＳ−Ａ−５ ５９３ ４７５において公知である。
この発明は、特に上流による大気の分離に適用され、この分離は、後の空気を冷却する工程のための空気圧縮工程、及び熱交換器内のアイス及び／又はドライアイスの形成を防止するために吸着器中を流れる水及び二酸化炭素を空気から離脱させる工程を備える。
問題とされるガス処理プロセスが、まれに行われるのではなく、繰り返され、或いは連続して行われるときには、吸着器は定期的に再生されなければならない。
この目的のため、吸着器中を流される再生ガスを用いることは公知である。少なくとも２つの吸着器が使用され、それらは吸着段階と再生段階の間を交互に切替えられる。
目的とされる用途では、極低温蒸留は、乾燥した、脱炭素化された廃ガスを生じ、その結果、吸着器を再生可能である。
再生流体の利用可能な平均流量は、制限される。再生流体の消費を意図的に制限することが望ましい。
吸着器中を流す前に、例えば、電気的加熱手段又は乾燥スチームにより加熱することにより再生流体の再生を改善することも知られている。
しかし、この解決法は、高価であり、エネルギーを消費する。
加熱ガスの量及び処理品質についての同様の結果をもって、エネルギ消費量及び／又は再生流体消費量を減少するために、ＥＰ−Ａ−０ ４５６ ５７５は、圧縮ガスと吸着器のための再生流体との間の熱交換がある上述の型のプロセスを提案している（図３）。
本発明の目的は、２つの連続工程で再生を実施可能とするために、この公知のプロセスを改善することにある。２つの連続工程の１つは、加熱された再生流体を用い、更に熱交換を加えない工程であり、他の工程は、加熱されない再生流体を用いるものである。
この目的のため、本発明の主題は、再生流体が吸着器中を通過させられる前に、補助熱注入により工程（ｃ１）からくる再生流体を付加的に加熱する工程を更に含むことを特徴とする、上述の型の処理プロセスである。
このプロセスの他の特徴によると：
−前記補助冷却工程（ｄ）は、補助冷源により被処理ガスを冷却することからなる；
−前記補助冷却工程（ｄ）は、吸着器を通過した冷却流体流の少なくとも一部により、被処理ガスを冷却することからなる；
−前記補助冷却は、熱交換器内で行われる；
−前記冷却は、熱交換器の外側で行われる；
−被処理ガス及び再生流体の流れは、前記補助冷却工程（ｄ）中、熱交換器内に維持される；
−本プロセスは更に、被処理ガスが吸着器中を通過させられる前に、工程（ｃ１）からくる被処理ガスを付加的に冷却する工程を更に含む；
被処理ガスは大気（空気）であり、工程（ｂ）の機能は、工程（ａ）からくる被処理空気から水及び二酸化炭素をストリップすることであり、前記プロセスは、その成分及び廃ガスの少なくとも１つを生成するために蒸留により工程（ｂ）からくる空気を分離する追加の工程を含み、前記廃ガスは前記冷却流を形成する。
本発明の主題はまた、
その吐出側が吸着器の吸着段階中に少なくとも１つの吸着器の入口に接続されるように設計されている、被処理ガスを圧縮するためのコンプレッサー、
吸着器の再生段階中に吸着器中に再生ガスを流す手段、及び
再生モードにおいて吸着器に入る再生流体を加熱する手段
を備え、
前記加熱手段は、冷却流体をコンプレッサーから来るガスと間接的熱交換させるように設計された熱交換器を備え、本装置は、更に、熱交換器を通過することなく再生モードで吸着器に再生流体を送るための分岐手段、及び前記分岐手段が作動するときに被処理ガスを冷却するための補助冷却手段を具備し、
前記加熱手段は、更に、再生流体に対する追加の加熱を実施するように設計された補助熱源（１４）を備えることを特徴とする、吸着によりガスを処理するための装置でもある。
図１に示す装置１は、コンプレッサー２、熱交換器３及び吸着ユニット４を具備する。第１のライン５は、コンプレッサー２を交換器３及び吸着ユニット４と連結し、被処理ガスのための回路を形成する。前記ラインは、コンプレッサー２により引かれた被処理ガスがコンプレッサー２により排出され、次いで交換器３へ、更に吸着ユニット４へと導く。再生流体を輸送することを目的とする第２のライン６は、交換器３を吸着ユニット４と連結する。それは、再生流体が最初に交換器３に、次いで吸着ユニット４を通過するように配置されている。
吸着ユニット４は、同一の第１及び第２の吸着器７及び８、及び切替え装置（図示せず）を備える。切替え装置は、第１の位置では、一方において吸着モードで動作する第１の吸着器７を、第１のラインに連結し、他方において、第２の吸着器８を第２のライン６に連結し、この第２の吸着器８は、そこを通過する再生流体により再生させられる。切替え装置の第２の位置では、これら２つの吸着器７及び８は切替えられ、第１の吸着器７は再生モードであり、一方、第２の吸着器８は活性吸着モードである。
もちろん、吸着ユニット４は、２つを越える吸着器を有していてもよい。また、１つのみの吸着器を有していてもよく、そのとき、吸着によりガスを処理するための装置は、連続的に動作するために、少なくとも１つの緩衝容積を備えている。
図１では、吸着ユニット４は、切替え装置がその第１の位置にあるときを示されている。
有利なことに、交換器３は、図１に示すように向流型である。
更に、２つのガスを間接熱交換関係とするための、この交換器３は、ろう付けプレート型であるのが有用である。
再生流体は、最初に交換器３を、次いで吸着ユニット４を通過するように、第２のライン６を流れる。
ここに記載する吸着によりガスを処理するための装置１は、連続的に動作することを意図するものである。
被処理ガスは、コンプレッサー２の取入れ口に相当する、被処理ガスのための入口９を通して装置１に入る。被処理ガスは、次いで、コンプレッサー２により圧縮され、その結果、温度上昇を被る。そのとき、その温度は、再生流体入口１０を通して処理装置１に入る再生流体の温度以上である。
被処理ガス及び再生流体は、次いで、それぞれ別々に交換器３中を流れ、その間、再生流体を加熱し、同時に被処理ガスを冷却するように、向流間接熱交換関係に供される。
交換器３から出ると、被処理ガス及び再生ガスは、それぞれ別々に、２つの異なる入口を通って吸着ユニット４内に流入する。吸着ユニット４の中では、被処理ガス及び再生流体は、切替え装置の位置に応じて、２つの吸着器７及び８の一方を通る。被処理ガスが流れる吸着器は、活性であり、被処理ガス中に存在する少なくとも１つの特定成分を吸着するように、吸着モードで動作する。同時に、再生流体が流れる吸着器は、吸着段階で被処理ガスの流れの方向に関し向流で、それ自体再生される。
その後の工程では、２つの吸着器７及び８は、切替え装置により切替えられ、そのため吸着モードにある吸着器は再生され、一方、再生モードにある吸着器は活性になり、そこを流れる被処理ガス中の少なくとも１つの特定成分を吸着する。
知られているように、そのため、少なくとも２つの吸着器は、連続操作を可能とする。
処理されたガスは、２つの吸着器の１つを通過した後、処理されたガスの出口１１を通して、処理装置１から出る。そこでは、処理されたガスは、圧縮され、吸着されて精製された状態で利用し得る。
再生ガスについては、符号１２において、処理装置１から排出される。図２に示すガス処理装置１’は、既に説明した図１に示すものとほぼ同一の部材を備える。
交換器３のみが、以下に説明するトリプルフロー交換器３’と置換されている。本発明のこれら２つの実施例についての部材の説明のためには、同一の参照符号が付されている。これらの共通の部材は、いずれの場合も、相互に同様に配置されている。
この装置は、更に、再生流体を加熱するための追加の加熱手段１３を備えている。
これは、再生流体が、全吸着／再生サイクルのコースにわたって、吸着器の完全な再生のためには、被処理ガスとの不十分な熱交換により加熱される場合を証明しているからである。第１の解決法は、再生流体の流量を増加させることである。或いは、また第１の解決法に加えて、再生流体の再生は、追加の加熱手段１３を用いて増加してもよい。
トリプルフロー交換器３’は、交換器３と置換している。
追加の加熱手段１３は、回路１５により熱交換器３’の熱部分に連結された補助熱源１４、例えば電気熱源を備えている。回路１５は、補助熱源１４と熱交換器３’との間の熱伝導流体の流れのための閉鎖ループを形成する。
（図示しない）手段が、回路１５内の熱伝導流体を輸送する。図示するように、向流交換器として動作させるために、交換器３’中の熱伝導流体の流れが、再生流体の流れと反対の方向であるのが有利である。
図２に示すトリプルフロー交換器３’の構造は、再生流体が、第１に、冷部１０３’において被処理ガスとの向流熱交換により加熱され、次いで第２に、熱部２０３’において熱伝導流体との向流熱交換により加熱されるようなものである。
この別の実施例は、図１の処理装置１の動作を複製しているが、被処理ガスとの熱交換により加熱された後、その温度を更に上昇させるため、その結果、再生性を増加させるために、再生流体が追加の加熱手段１３との更なる熱交換を行う追加の工程を備えている。この目的に対し、加熱手段１４は、所定量の熱を熱伝導流体に伝達し、その熱量をトリプルフロー交換器３’内の再生流体に伝達する。
変形例として、加熱手段１４は、再生流体をトリプルフロー交換器３’に送り、次いで図１に示す型の単純な熱交換器３に戻す第２のライン６に配置されてもよい。
加えて、以上説明した２つの実施例の一方又は他方には、被処理ガスを冷却するための追加の冷却手段を設けてもよい。この手段は、図１及び２の３Ａ及び３Ａ’において破線で示されているように、熱交換器３又は３’の間に配置されているのが有利である。このように得られた、被処理ガスを冷却する追加の工程は、吸着効果を促進する。
図３は、特に酸素を製造するための、極低温空気分離装置を模式的に示す。この分離装置は、上流に、図１に示す処理装置を備え、この処理装置は、コールドボックス１６と呼ばれているものに接続されている。
前記コールドボックス１６は、向流熱交換ライン１７及びダブル蒸留塔１８を備えている。ダブル蒸留塔１８は、その中間圧塔に空気を供給するための入口１９、酸素ガス生成物出口２０、及び廃ガス（不純物を含む窒素）のための出口２１を有し、前記出口は、その低圧塔に設けられている。入口１９及び出口２０及び２１は、交換器１７の冷端部において、ライン２２，２３，２３Ａにより空気出口２４、酸素入口２５及び廃ガス入口２６にそれぞれ連結される。
処理装置１の入口９は、大気取入れ口に連結される。圧縮された、ドライの脱カーボン化された空気を排出する、この同じ装置１の出口１１は、出口２４と連通する交換器１７の熱端部において、交換器１７の入口の１つに連結されている。
２３を介してダブル塔から出る廃ガスは、知られているように、多少過圧であり、廃ガスが所定の数の部材を通過することを許容し、その圧力は、ガスが最終的に大気に放出されるまで減少する。交換器１７を出ると、廃ガスは、それが乾燥しており、脱カーボン化され、圧抜きされている限り、再生ガスの品質を有する。このように、廃ガスが逃げる交換器１７の出口は、処理装置１の再生ガスのライン１０に連結されており、廃ガスは、再生流体として使用される。この地点において、廃ガスは、コンプレッサーを出る空気の温度よりも低い温度にあることに留意すべきである。このように、廃ガスは交換器を通過するに従って加熱され、その再生性を増加させる効果を有する。
処理装置１の動作は、その後、変化しないままである。
説明した極低温空気分離装置内の流体の流れは、コンプレッサー２により生成された駆動圧力により生ずる。
コンプレッサーの後の被処理ガスの流路に吸着器を配置することにより、この被処理ガスが圧縮されるので、吸着効果が促進される。しかし、この圧縮による被処理ガスの温度上昇は、吸着効率を減少させる効果を有するであろう。
その目的が、一方において再生流体の温度を上昇させることであり、他方において被処理ガスの温度を低下させることである熱交換器を導入することにより、２つの方法で、吸着／再生サイクルの効率を特に安価に増加させることが可能である。これは、再生流体の温度の上昇が吸着器の再生を促進し、熱交換器３の通過中の被処理ガスの冷却により吸着効率が改善されるためである。
変形例として、交換器３，３’は、クロス流交換器であってもよく、これは、配管施工及び／又はヘッド損失及び／又は凝縮物の排出の最適化を可能とする。
図４は、２つの態様で、図２の処理装置とは異なる、本発明の処理装置を示す。
第１に、冷部１０３’は、補助冷却回路２７を備えており、補助冷却回路２７は、外部冷源２８によりそれ自体冷却される。この回路では、冷却流体は、被処理ガスと向流で流れる。
第２に、ライン１０は、交換器３’の冷端部におけるその入口前にバルブ２９を備え、このバルブの上流に分岐３０を備える。この分岐３０は、吸着器７及び８の一方又は他方の上部開口部につながっており、バルブ３１を備えている。
再生モードにある吸着器（この場合、吸着器８）に熱再生流体が流れなければならないとき、バルブ３１が閉ざされ、バルブ２９が開かれ、冷却回路２７が使用出来ない状態にあり、加熱回路１３は使用可能な状態にある。そのとき、動作は、図２で記載されたものと同一である。
吸着器８の再生のその後の局面において、吸着器８には、冷再生流体が流されなければならないとき、再生流体がライン３０を通して吸着器に直接流入するように、バルブ２９及び３１は逆にされる。
同時に、加熱回路が閉ざされ、冷却回路２７が使用に供される。このように、交換器３’中を流れる圧縮空気を冷却するのは、冷却回路である。
この方法において、交換器３’の熱的動作は殆ど変化せず、そのため、特に交換器がろう付けアルミニウム板を備える型のものであるならば、熱疲労効果を減少させる。
図５に示す実施例は、冷却回路２７が省略されていること、及び交換器３’の上流で出発し、その下流で再出現する、ライン５の分岐３２に冷源２８が取り付けられていることにおいて、これまでの実施例とは異なる。この分岐にはバルブ３３が取り付けられており、交換器３’の冷端部と分岐３２の出口との間のライン５に加えられている。加えて、ライン３５はライン６から配管されている。ライン３５及び６にそれぞれ設けられているバルブ３６及び３７は、交換器３’から来る再生流体を再生モードにある吸着器又は排出点のいずれかに向けるために使用される。
このように、再生モードにある吸着器８’を通して流れるのが冷再生流体であるとき、バルブ３４は閉ざされ、一方、空気が冷源２８により冷却されるような場合には、バルブ３３が開かれる。図４の場合のように交換器の熱疲労を減少させる同一の利点を達成するために、冷再生流体による吸着器８の再生中に、少量の被処理ガス及び再生流体は、交換器３’中に保持される。再生流体は、バルブ３６及び３７を操作することにより、ライン３５を通して排出される。
図６に示す実施例は、第１に部材２８，３２，３３及び３４が省略されていることにより、第２にライン１２を、交換器３’の冷却流体通路の冷端部に接続するライン３８を加えたことにおいて、これまでの実施例とは異なる。このライン３８には、バルブ３９が取付けられており、ライン３５の下流のライン１２には、バルブ４０が設けられている。
この実施例では、再生モードにある吸着器８を通して流れるのが冷再生流体であるとき、バルブ４０は閉ざされ、吸着器を出る再生流体が交換器３を流れるような場合には、バルブ３９が開かれる。上述したように、この流れは、圧縮された被処理ガスを冷却するのに役立ち、圧縮された被処理ガスは、次いでライン３５を通して排出される。
図４及び５の場合と同様に、これは交換器における熱的疲労効果を減少させる。
図４〜６では、装置は、再生流体を加熱するための追加の加熱手段１３を備えている。
これは、吸着／再生サイクルの全コースにわたって、吸着器の再生のためには不十分に、再生流体が被処理ガスとの熱交換により加熱される場合を証明しているためである。第１の解決法は、再生流体の流量を増加することからなる。別の解決法として、又は第１の解決法に加えて、前記加熱手段１３を用いることにより、再生流体の再生性が増加される。
三方流交換器３’は、図１における交換器３と置き換わる。
追加の加熱手段１３は、回路１５により熱交換器３’に接続された補助熱源１４、例えば電気的熱源を備える。回路１５は、前記補助熱源１４と熱交換器３’との間の熱伝達流体の流れのための閉ループを形成する。
ある手段（図示せず）が、回路１５内の熱伝達流体を移動させる。有利なことに、図示するように、交換器３’中の熱伝達流体の流れは、向流交換器として動作するために、再生流体の流れと反対の方向にある。
図４〜６に示す三方流交換器３’の構成は、再生流体が、第１に、交換器の冷部分１０３’において被処理ガスとの向流熱交換により加熱され、第２に、交換器の熱部分２０３’において熱伝達流体との向流熱交換により加熱されるようなものである。
図３に示すＥＰ−Ａ−０ ４５６ ５７５に記載されているものと類似の装置を模式的に示す図。 この装置の新規な変形例を模式的に示す図。 図１の装置を組み込む極低温空気分離装置を模式的に示す図。 本発明による装置の別の実施例を模式的に示す図。 本発明による装置の別の実施例を模式的に示す図。 本発明による装置の別の実施例を模式的に示す図。
符号の説明
１・・・装置、２・・・コンプレッサー、３・・・熱交換器、４・・・吸着ユニット、５・・・第１のライン、６・・・第２のライン、７・・・第１の吸着器、８・・・第２の吸着器、９・・・被処理ガスのための入口、１０・・・再生流体入口、１１・・・入口、１２・・・出口。

Claims (13)

  1. （ａ）被処理ガスを圧縮する工程、
    （ｂ）工程（ａ）からくる被処理ガスを、吸着段階における吸着器中を流す工程、及び
    （ｃ）再生流体の流れを、再生段階における吸着器中を流す工程
    を具備し、
    （ｃ１）吸着器の再生段階の第１の段階中、一方において工程（ａ）からくる被処理ガスと、他方において再生流体流との間の熱交換が、工程（ａ）からくる工程（ｂ）のための被処理ガスを冷却するために、かつ工程（ｃ）のための再生流体を加熱するために、熱交換器内で確立され、
    （ｃ２）吸着器の再生段階の第１の段階中、工程（ｃ１）の熱交換を行わせることなく、再生流体が吸着器中を流され、
    （ｄ）工程（ｃ２）中に、被処理ガスの補助冷却が行われる、
    型の吸着器（７，８）における吸着によりガスを処理するプロセスにおいて、
    前記補助冷却工程（ｄ）は、吸着器を通過した再生流体流の少なくとも一部により、被処理ガスを冷却することからなり、再生流体が吸着器（７，８）中を通過させられる前に、補助熱注入により工程（ｃ１）からくる再生流体を付加的に加熱する工程を更に含むことを特徴とする、ガスを処理するプロセス。
  2. 前記補助冷却工程（ｄ）は、補助冷源（２８）により被処理ガスを冷却することからなることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
  3. 前記補助冷却は、熱交換器（３’）において行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロセス。
  4. 前記冷却は、熱交換器（３’）の外側で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロセス。
  5. 前記被処理ガス及び再生流体の流れは、前記補助冷却工程（ｄ）中、熱交換器（３’）内に維持されることを特徴とする請求項４に記載のプロセス。
  6. 更に、被処理ガスが吸着器（７，８）中を通過させられる前に、工程（ｃ１）からくる被処理ガスを付加的に冷却する工程を更に含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプロセス。
  7. 前記被処理ガスは大気であり、工程（ｂ）の機能は、工程（ａ）からくる被処理空気から水及び二酸化炭素をストリップすることであり、前記プロセスは、その成分及び廃ガスの少なくとも１つを生成するために蒸留により工程（ｂ）からくる空気を分離する追加の工程を含み、前記廃ガスは前記再生流を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプロセス。
  8. その吐出側が吸着器（７，８）の吸着段階中に、少なくとも１つの吸着器（７，８）の入口に接続されるように設計されている、被処理ガスを圧縮するためのコンプレッサー（２）、
    吸着器（７，８）の再生段階中に吸着器（７，８）中に再生ガスを流す手段、及び
    再生モードにおいて吸着器（７，８）に入る再生流体を加熱する手段
    を備え、
    前記加熱手段は、再生流体をコンプレッサーから来るガスと間接的熱交換させるように設計された熱交換器（３，３’）を備え、装置は、更に、熱交換器（３’）を通過することなく再生モードで吸着器（７，８）に再生流体を送るための分岐手段（３０）、及び前記分岐手段（３０）が作動するときに被処理ガスを冷却するための補助冷却手段（２８，３８）を具備し、
    前記加熱手段は、更に、再生流体に対する追加の加熱を実施するように設計された補助熱源（１４）を備え、
    前記補助冷却手段は、前記流体が再生モードにある吸着器（７，８）を通過した後、再生流体を熱交換器（３’）に戻す戻しライン（３８）を備えることを特徴とする、吸着によりガスを処理するための装置。
  9. 前記補助冷却手段は、熱交換器（３’）の少なくとも冷源（２８）を備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 前記補助冷却手段は、被処理ガスのための、コンプレッサー（２）の吐出側からの分岐（３２）を備え、この分岐（３２）は、前記吸着器に入る再生流体を加熱する手段への入口と出口の間に設けられ、補助冷源（２８）を備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  11. 前記補助熱源（１４）は、熱交換器（３’）の熱部分のための追加の熱を提供するように設計されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  12. 被処理ガスを冷却するための追加の冷却手段（３Ａ，３Ｂ）を更に具備し、これら手段は、熱交換器（３，３’）と吸着器（７，８）との間に配置されていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の装置。
  13. コンプレッサー（２）から出発して吸着器（７，８）までのアセンブリーが、蒸留により空気の構成成分の少なくとも１つを生成する空気分離装置の上流に配置されていること、吸着器（７，８）は被処理空気から水及び二酸化炭素をストリップするように仕組まれていること、及び再生流体は、この分離装置により生成された廃ガスから形成されることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の装置。
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