JP4378483B2 - 湿潤ガスの除湿方法及びその除湿システム - Google Patents

Description

本発明は、トリチウム化水蒸気等の湿潤ガスの除湿方法及び除湿システムに関するものであり、該湿潤ガスに含まれる水分を効率的に取り除こうとするものである。

空気中に含まれるトリチウム（三重水素）を除去する従来の一般的な手法としては、該トリチウムを酸化させて水の形態に変換すべくトリチウム化水蒸気とし、その後に該水蒸気を吸湿剤で吸着、除去するのが普通であった。

ところで、上記のような吸湿剤を用いる従来の手法は、吸湿剤の吸着水量の増加に従い除湿性能が低下するため、吸湿剤を定期的に乾燥して再生することが不可欠で、とくに、連続的な処理を行なうためには、かかる吸湿剤を備えた設備を複数用意しておくことが必要で設備コストの上昇、ランニングコストの上昇が避けられない状況にあった。

上記のような従来の問題を解消するものとして近年に至っては、水蒸気選択透過性の高分子透過膜を備えた除湿システム（除湿装置）を利用した技術が利用させるようになってきた（例えば、特許文献1参照）。
特許第3731052号公報

かかる除湿システムは、トリチウム化水蒸気等の湿潤ガスを長期間安定して乾燥処理することが可能でシステムの簡素化、コンパクト化を図る点で極めて有用なものとされていた。しかしながら、この除湿システムは、定常運転状態に至るまでに多少の時間を要することからこの点に関するさらなる改良の余地が残されていた。

本発明の課題は、トリチウム化水蒸気の如き湿潤ガスの除湿処理を行いそれに含まれる水分を効率的に回収、除去できる新規な除湿方法及びそのシステムを提案するところにある。

本発明は、湿潤ガスを、水蒸気選択透過性の高分子透過膜を備えパージガスの吹き込みにより高湿潤ガスの排出を可能とする除湿器、吸湿剤を備えた吸着塔に導入、通過させることによって該湿潤ガス中に含まれる水分を選択的に取り除く除湿処理を施すに当たり、
前記湿潤ガスを、除湿器に導入、通過させ、その出側において排出されるガスの露点を計測し、その計測値が目標値よりも高い場合にのみ、排出されたガスをさらに吸着塔に導入、通過させることを特徴とする湿潤ガスの除湿方法である。

上記の構成になる除湿方法においては、前記除湿器から排出されたガスの露点が目標値に維持された状態でそのガスの一部を、吸着塔の出側から入側に向けて吹き込むことにより吸着塔内の吸湿剤を乾燥、再生することができる。排出されたガス（乾燥ガス）の露点は、湿潤ガスのガス圧力、除湿器に供給するパージガスのガス流量、除湿器から排出される高湿潤ガスのガス圧力の少なくとも１つをパラメータとして制御を行うことができる。

また、本発明は、湿潤ガスを、水蒸気選択透過性の高分子透過膜を備えパージガスの吹き込みにより高湿潤ガスの排出を可能とする除湿器、さらに吸湿剤を備えた吸着塔に順次に導入、通過させることによって該湿潤ガス中に含まれる水分を選択的に取り除くに当たり、
前記湿潤ガスを、前記除湿器に導入、通過させるとともに該除湿器より排出されたガスをさらに前記吸着塔に常時導入、通過させて除湿処理を行う場合につき、該除湿器及び吸着塔の各出側において排出されたガスの露点をそれぞれ計測し、その計測値から算出される該ガス中の水分濃度を基にして該吸着塔の処理能力の指標となる水分負担量（W）を下記式によって求め、この求められた水分負担量（W）を評価して、前記吸着塔における処理能力が低下したと判断された場合には、前記吸着塔の出側から排出されるガスの露点が前記除湿器の出側におけるガスの露点より高くなるように、湿潤ガスのガス圧力、除湿器に供給するパージガスのガス流量、除湿器から排出される高湿潤ガスのガス圧力の少なくとも1つをパラメータとして制御することにより該除湿器の出側におけるガスの露点を、前記目標とする露点よりも低くすることを特徴とする湿潤ガスの除湿方法である。
記
水分負担量W（ｇ）＝F×{（A _入側 −A _出側 ）／１００}×T×６0×１８／２２．４
F ：通気ガスの流量（リットル／分）
A _入側 ：吸着塔の入側（除湿器の出側）の露点から算出されるガス中の水
分濃度（容積％）
A _出側 ：吸着塔の出側の露点から算出されるガス中の水分濃度（容積％）
T ：通気時間

前記湿潤ガスは、例えば、トリチウム化水蒸気を対象とする。

さらに、本発明は、高分子透過膜を備えパージガスの吹き込みにより高湿潤ガスの排出を可能とする除湿器と、吸湿剤を備えた吸着塔とを配列し、湿潤ガスを、該除湿器若しくは除湿器及び吸着塔に導入、通過させて該湿潤ガス中に含まれる水分を選択的に除去する除湿システムであって、
前記除湿器の出側経路は、該除湿器から排出されるガスを下流に向けて直接送給する排気経路と、この排気経路から分岐して該ガスを吸着塔に導入、通過させて下流に送給する排気経路とを形成する少なくとも2経路からなり、
前記除湿器の入側経路に、湿潤ガスを除湿器に向けて送り込む圧縮機と、この圧縮機によって送り込まれた湿潤ガスを冷却するアフタークーラを設け、
前記除湿器とその除湿器の出側経路及び入側経路にそれぞれ、除湿器から排出されたガスの一部をパージガスとして除湿器内に吹き込むパージガス供給用バイパス経路と、除湿器内にて生成された高湿潤ガスをパージガスとともに圧縮機の上流側の入側経路に送給する高湿潤ガス供給用バイパス経路を連結してなる、ことを特徴とするトリチウム化水蒸気を含んだ湿潤ガスの除湿システムである。

上記の構成になる除湿システムにおいては、前記パージガス供給用バイパス経路はその入側端を、吸着塔の出側経路に連結することができる。

前記吸着塔に関しては、その入側経路と高湿潤ガス供給用バイパス経路との間に、吸着塔の出側経路から吹き込んだガスを排出する吸湿剤の乾燥、再生用バイパス経路を設置するのが好ましい。

除湿処理の開始直後は、高分子透過膜を備えた除湿器と、吸湿剤を備えた吸着塔とを併用して湿潤ガスの除湿を行ない、除湿処理が定常状態に移行したのちは、該除湿器単独での処理を行なうことができるので設備の大型化を抑制しつつ迅速かつ効率のよい処理が可能となる。

除湿器から排出されたガス（乾燥ガス）が目標の露点に維持された状態においては、そのガスの一部を吸着塔の出側から入側に向けて吹き込むことで吸湿剤を迅速に乾燥、再生することが可能であり、ランニングコストの軽減を図ることができる。

以下、図面を用いて本発明をより具体的に説明する。
図1は本発明に従う除湿システムの実施の形態を模式的に示したものである。図における1は高分子透過膜（例えば、中空糸状ポリイミド膜等）を備えた除湿器、2は除湿器1の入側経路、3は除湿器1の出側経路、4は吸湿剤（例えば、モレキュラシーブ等）を備えた吸着塔である。

上記除湿器1の出側経路3は、除湿器1から排出されるガス（以下、乾燥ガスという）を下流（排気ダクト等）に向けて直接送給する排気経路3aと、この排気経路3aの途中から分岐して該乾燥ガスを吸着塔4に導入、通過させて下流に送給する排気経路3b（3b_１は入側経路、3b_２は出側経路とする）との2経路からなっている。

また、5は入側経路2に配置され、湿潤ガスを除湿器に向けて送り込む圧縮機、6は圧縮機5によって送り込まれた湿潤ガスを冷却するアフタークーラである。アフタークーラ6は湿潤ガスを通過させることで該ガス中に含まれる水分を回収する。

7は除湿器1とその出側経路3との間に配置されたパージガス供給用バイパス経路である。このバイパス経路7は除湿器1から排出された乾燥ガスの一部をパージガスとして除湿器1に吹き込む（除湿器1内の高分子透過膜Sの外方に導入される）もので、流量計q_１が配置される。また、8は除湿器1とその入側経路2との間に配置された高湿潤ガス排出用バイパス経路である。このバイパス経路8は、湿潤ガスを除湿器1に導入、通過させて高分子透過膜Sにより除去された水分を含む高湿潤ガスをパージガスとともに圧縮機5の上流側の入側経路2へ送給する経路を形成するもので、流量計q_２が配置される。

さらに、9a〜9dは湿潤ガスの除湿状況（運転状況）に応じて各経路を開閉するためのバルブ、10、11は除湿にかかるガスの乾燥度合を表示するための露点計である。

上記の構成になる除湿システムにおいて、除湿器1の出側あるいは吸着塔4の出側における乾燥ガスの露点は、除湿器1内に吹き込むパージガスの流量、除湿器1へ供給する除湿ガスの供給圧力あるいは除湿器1から排出された高湿潤ガスの圧力等を適宜調整することによって制御する。

除湿器1の出側における乾燥ガスの実測露点と目標とする露点との偏差を制御指標として除湿器1内に吹き込むパージガスの流量を、偏差が最小となるように最適制御するには、ヒーターの温度制御等に一般的に適用されるPID制御法（フィードバック制御の一種）を適用することができる。

上記の構成になる除湿システムにおいて、該除湿システムが定常（運転）状態にあるとき（バルブ9a、9b、9cは開、バルブ9dは閉）は、目標露点と露点計10による実測露点が一致しており、この場合は除湿器1のみを使用した除湿処理が行なわれることとなり、除湿器1から排出された乾燥ガスは排気経路3aと通って下流へと送給され排気ダクトを通して大気放出されることになる。一方、起動直後においては、除湿器1のみの除湿処理では、目標露点に到達するまでに長時間を要することとなるので除湿器1から排出されたガスを吸着塔4に導入、通過させる（バルブ9a、9b、9dは開、バルブ9cは閉）。

除湿システムの起動直後において除湿器1から排出された乾燥ガスを吸着塔4に導入、通過させると短時間のうちに目標露点に到達させることができ効率的な除湿処理が可能となる。

吸着塔4への乾燥ガスの導入は、除湿器1の出側に配置される露点計10の実測値が目標露点に達するまで行われ、それ以降は定常運転状態となるので、除湿器1のみによる除湿処理に切り替える。

除湿器１のみの除湿処理においては、その処理能力が低下してくると、それに伴い露点計10の実測値が増加傾向を示し目標とする露点を上回る可能性がある。このとき、パージガスの流量を増加させるか、湿潤ガスの供給圧力を高くするか、あるいは高湿潤ガス排出用バイパス経路８の圧力を低下させることにより除湿器１における処理能力を回復させることができる。

図2は本発明の実施に用いて好適な除湿システムの他の実施の形態を示した図である。図において12は吸着塔4の入側経路3b_１と高湿潤ガス排出用バイパス経路8とをつなぐバイパス経路、13は排気経路3aと排気経路3bの出側経路3b_２とをつなぐバイパス経路である。

除湿器1から排出された乾燥ガスの露点が目標値に維持された定常運転状態（バルブ9a〜9cは開、9d、9e、9fは閉）においては、排気経路3aと排気経路3bのうちの出側経路3b_２との間に配置されたバイパス経路13を通して乾燥ガスの一部を、吸着塔4の出側から入側に向けて吹き込むことができ（バルブ9eを開）、これにより吸着塔4内の吸湿剤を乾燥、再生することが可能となる。この際、吹き込みにかかる乾燥ガスは、バイパス経路12を通して高湿潤ガス排出用バイパス経路8へと排出される。

図3は本発明に従う除湿方法の実施に用いて好適な除湿システムのさらに他の実施の形態を模式的に示したものである。

かかるシステムは、湿潤ガスを除湿器1、吸着塔4に順次に導入、通過させて除湿処理を行なう場合の構成例である。

この除湿システムは、図３に示すように、湿潤ガスの除湿処理に際して除湿器1の出側に配置された露点計10にて該除湿器1から排出された乾燥ガスの露点を計測し、その計測結果に従い該除湿器1の出側において排出された乾燥ガスの露点が少なくとも目標とする露点を達成するよう制御を行うものである。

除湿器1の出側及び吸着塔4の各出側で計測された排出ガスの露点をそれぞれ計測し、その計測値から算出される該ガス中の水分濃度を基にして該吸着塔4の処理能力の指標となる水分負担量(W)を後述する式によって求め、この求められた水分負担量（W）を評価して、吸着塔4における処理能力が低下したと判断された場合には、除湿器１の出側における乾燥ガスの露点を目標とする露点よりも低くし、吸着塔4の出側から排出される乾燥ガスの露点が、除湿器１の出側から排出される乾燥ガスの露点よりも高くなるようにすることで該吸着塔4の吸湿剤を乾燥、再生する。

かかる構成の除湿システムは、除湿器1から排出された乾燥ガスを吸着塔4に常時導入、通過させるタイプのシステムであって、湿潤ガスの除湿処理を行ないつつ、吸着塔4の吸湿剤を乾燥、再生することができるだけでなく、上掲図1に示したものに比較して経路を開閉する弁の制御系を簡略化できる利点がある。

吸着塔4の水分負担量W（ｇ）は、例えば、吸着塔4の入側、出側の露点から算出されるガス中の水分濃度（容積％）をA_入側、A_出側、通気ガスの流量をFリットル／分、通気時間をT時間とした場合に、
W＝F×{（A_入側−A_出側）/100}×T×60×18/22.4
により求めることができ、この値で評価することができる。

図4は、パージガス供給用バイパス経路7の入側端（パージガスの導入端）7aを吸着塔4の出側経路3b_２に連結した構成のものである。

かかる構成の除湿システムは、上掲図3に示した除湿システムと同様の要領にて除湿処理を行なうことができるが、より乾燥されたガスをパージガスとして使用できるため、除湿器1を定常運転状態に到達させるための時間を短縮することができるとともに、パージガスのガス流量を少なくできる利点がある。

上掲図1〜4に示した各構成の除湿システムは、何れにおいても露点が−70°C以下になるような高乾燥状態を長期にわたって維持できるものであって、各構成の除湿システムを適宜組み合わせることも可能で、これにより単一の除湿システムによりあらゆる状況に対応した除湿処理が可能となる。

湿潤ガスは、如何なる種類の湿潤ガスに対しても適用可能でるが、とくに、従来、乾燥処理が困難であったトリチウム化水蒸気等の除湿処理に有用である。

PID制御により除湿器1と吸着塔4の切り替え運転制御を行なう場合のフローチャートを図5に示す。

高分子透過膜として中空糸状ポリイミド膜モジュール（宇部興産製：UMシリーズ）を備えた処理能力が100リットル/分になる除湿器を使用して、供給圧力が0.6MPa（abs）、供給水蒸気量が600〜700ppmの条件で湿潤ガスの除湿処理を施して湿潤ガスに含まれる水分の回収を行なった場合（比較例）と、上掲図1〜4に示したような構成になる除湿システム（除湿器は比較例と同じ、吸着塔は吸着剤としてモレキュラーシーブ4Aを使用し、図1のものを適合例1、図2に表示のものを適合例2、図3に表示のものを適合例3、図4に表示のものを適合例4とする）を使用し、下記の条件でそれぞれ湿潤ガスの除湿処理を行なった場合につき、目標露点に至るまでの時間、連続運転可能時間について比較調査した。

適合例1の運転条件
吸着塔として吸着剤（モレキュラーシーブ4A）100ｇを充填したカラムを適用。停止状態から−70°Cへの制御運転を繰り返し、吸着塔出側露点の変化を測定。
適合例2の運転条件
吸着塔として吸着剤（モレキュラーシーブ4A）100ｇを充填したカラムを適用。吸着塔の出側露点が−70°Cを超えた状態から−90°Cの乾燥空気による吸着剤の再生特性を評価。
適合例3の運転条件
吸着塔として吸着剤（モレキュラーシーブ4A）100ｇを充填したカラムを適用。停止状態から−70°Cへの制御運転を1回実施し、その後、吸着塔出側露点の経時変化を測定。
適合例4の運転条件
吸着塔として吸着剤（モレキュラーシーブ4A）100ｇを充填したカラムを適用。停止状態から−70°C、−80°C、−90°Cへの制御運転時の目標露点到達時間を比較測定。

その結果、比較例（従来方式）による除湿処理では、目標露点到達時間が−70°Cの場合には約5時間程度、−90°Cの場合には10時間以上かかることが確認された。これに対して、適合例1〜４では、通気直後から目標露点以下の乾燥空気が生成された。とくに適合例1では、停止状態から−70°Cへの制御運転を5回繰り返しても、吸着塔出側の露点は−70°C以下に維持されることが判明した。

また、適合例2では、−90°Cでの吸着剤の再生運転を10時間継続することにより吸着塔出側の露点を−80°C以下にできることが確認でき、適合例3では約800時間経過まで吸着塔の出側における露点が−70°C以下に維持されることが確認でき、さらに適合例4では適合例3で得られた結果の他、目標とする露点への到達時間が従来に比較して半減できることが確認できた。

なお、上記の特性は吸着剤の使用量を100ｇとした時の例であり、その量は使用条件に応じて増減させることが可能であり、上記の結果にのみ限られるものではない。

湿潤ガスに含まれる水分を長期にわたり効率的に回収、除去できる除湿方法及びシステムが提供できる。

本発明に従う除湿システムの実施の形態を模式的に示した図である。 本発明に従う除湿システムの他の実施の形態を模式的に示した図である。 本発明に従う除湿システムの他の実施の形態を模式的に示した図である。 本発明に従う除湿システムのさらに他の実施の形態を模式的に示した図である。 PID制御により運転制御を行なう場合のフローチャートを示した図である。

符号の説明

1 除湿器
2 入側経路
3 出側経路
3a 排気経路
3b 排気経路
4 吸着塔
5 圧縮機
6 アフタークーラ
7 パージガス供給用バイパス経路
8 高湿潤ガス排出用バイパス経路
9a〜9f 開閉バルブ
10 露点計
11 露点計
12 バイパス経路
13 バイパス経路

Claims (8)

1. 湿潤ガスを、水蒸気選択透過性の高分子透過膜を備えパージガスの吹き込みにより高湿潤ガスの排出を可能とする除湿器、吸湿剤を備えた吸着塔に導入、通過させることによって該湿潤ガス中に含まれる水分を選択的に取り除く除湿処理を施すに当たり、
   前記湿潤ガスを、除湿器に導入、通過させ、その出側において排出されるガスの露点を計測し、その計測値が目標値よりも高い場合にのみ、排出されたガスをさらに吸着塔に導入、通過させることを特徴とする湿潤ガスの除湿方法。
2. 前記除湿器から排出されたガスの露点が目標値に維持された状態でそのガスの一部を、吸着塔の出側から入側に向けて吹き込むことにより吸着塔内の吸湿剤を乾燥、再生する、請求項1記載の除湿方法。
3. 露点は、湿潤ガスのガス圧力、除湿器に供給するパージガスのガス流量、除湿器から排出される高湿潤ガスのガス圧力の少なくとも1つをパラメータとして制御を行なうものである、請求項1又は2に記載の除湿方法。
4. 湿潤ガスを、水蒸気選択透過性の高分子透過膜を備えパージガスの吹き込みにより高湿潤ガスの排出を可能とする除湿器、さらに吸湿剤を備えた吸着塔に順次に導入、通過させることによって該湿潤ガス中に含まれる水分を選択的に取り除くに当たり、
   前記湿潤ガスを、前記除湿器に導入、通過させるとともに該除湿器より排出されたガスをさらに前記吸着塔に常時導入、通過させて除湿処理を行う場合につき、該除湿器及び吸着塔の各出側において排出されたガスの露点をそれぞれ計測し、その計測値から算出される該ガス中の水分濃度を基にして該吸着塔の処理能力の指標となる水分負担量（W）を下記式によって求め、この求められた水分負担量（W）の評価により前記吸着塔における処理能力が低下したと判断された場合には、前記吸着塔の出側から排出されるガスの露点が前記除湿器の出側におけるガスの露点より高くなるように、湿潤ガスのガス圧力、除湿器に供給するパージガスのガス流量、除湿器から排出される高湿潤ガスのガス圧力の少なくとも１つをパラメータとして制御することにより該除湿器の出側におけるガスの露点を、前記目標とする露点よりも低くすることを特徴とする湿潤ガスの除湿方法。
   記
   水分負担量W（g）＝F×{（A _入側 −A _出側 ）／100}×T×60×18／22.4
   F ：通気ガスの流量（リットル／分）
   A _入側 ：吸着塔の入側（除湿器の出側）の露点から算出されるガス中の水
   分濃度（容積％）
   A _出側 ：吸着塔の出側の露点から算出されるガス中の水分濃度（容積％）
   T ：通気時間
5. 前記湿潤ガスが、トリチウム化水蒸気である、請求項1〜4の何れかに記載の除湿方法。
6. 高分子透過膜を備えパージガスの吹き込みにより高湿潤ガスの排出を可能とする除湿器と、吸湿剤を備えた吸着塔とを配列し、湿潤ガスを、該除湿器若しくは除湿器及び吸着塔に導入、通過させて該湿潤ガス中に含まれる水分を選択的に除去する除湿システムであって、
   前記除湿器の出側経路は、該除湿器から排出されるガスを下流に向けて直接送給する排気経路と、この排気経路から分岐して該ガスを吸着塔に導入、通過させて下流に送給する排気経路とを形成する少なくとも2経路からなり、
   前記除湿器の入側経路に、湿潤ガスを除湿器に向けて送り込む圧縮機と、この圧縮機によって送り込まれた湿潤ガスを冷却するアフタークーラを設け、前記除湿器とその除湿器の出側経路及び入側経路にそれぞれ、除湿器から排出されたガスの一部をパージガスとして除湿器内に吹き込むパージガス供給用バイパス経路と、除湿器内にて生成された高湿潤ガスをパージガスとともに圧縮機の上流側の入側経路に送給する高湿潤ガス排出用バイパス経路を連結してなる、ことを特徴とする湿潤ガスの除湿システム。
7. 前記パージガス供給用バイパス経路は、吸着塔の出側経路につながる入側端を有する、請求項6に記載の湿潤ガスの除湿システム。
8. 前記吸着塔は、その入側経路と高湿潤ガス供給用バイパス経路との間に、吸着塔の出側経路から吹き込んだガスを排出する吸湿剤の乾燥、再生用バイパス経路を有する、請求項6又は7に記載の湿潤ガスの除湿システム。

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