JP4418313B2 - 充填層型熱交換型吸着装置及び該吸着装置を用いた所定吸着質濃度のガスを得る方法 - Google Patents

Description

本発明は、充填層型熱交換型吸着装置及び該吸着装置を用いた所定吸着質濃度のガスを得る方法に関し、特に吸着と脱着を交互に行う高密度低圧損失の吸着器を使用した充填層型熱交換型吸着装置及び該吸着装置を用いた大流量の被処理ガスから吸着熱の高い吸着質を吸着することにより所定吸着質濃度のガスを得る方法に関する。更に詳しくは、本発明は、被処理ガスが空気であり、吸着質が水分の場合にも有効に適用し得る充填層型熱交換型吸着装置及び該吸着装置を用いた所定吸着質濃度のガスを得る方法に関する。

充填層型吸着器は、大きく分けて圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）システム、温度スイング吸着（ＴＳＡ：Thermal Swing Adsorption）システムで使用されており、これらのシステムでは再生された充填層型吸着器に被処理ガスを流して吸着質を吸着させ、出口側に吸着質が出てくる（破過する）まで吸着操作を行い、再生工程へ移行する。

これらのシステムでは吸着剤の充填層を使用した吸着器が使用されているが、この吸着剤の充填層は、充填層内の圧力損失を押さえ、吸着の移動層を最短にするために、通常は縦長に設計されている。しかしながら、この充填層型吸着器は、吸着質の吸着熱が大きい場合、発生した吸着熱が除去されない限り非等温系吸着となり、充填層が破過するまでに吸着剤の静特性である吸着等温線で示される吸着量の数分の１程度しか吸着することができなかった。

すなわち、吸着過程では、吸着質が吸着されると、吸着熟の発生がある。しかしながら、この吸着熱が大きいと吸着剤及び被処理ガスの温度が上昇するので、吸着質ガスの飽和濃度が上昇することにより吸着質の相対圧力の低下を招くため、いわゆる"非等温系吸着状態"となってしまい、吸着質の吸着が進まなくなる。この吸着剤の温度上昇に使用される顕熱量は吸着質の吸着により発生した吸着熱量に相当し、このことが吸着質の吸着可能な量を限定している。このように限定される吸着質の吸着量は、吸着剤の温度上昇に使用される顕熱量相当のために非常に小さく、これが吸着器の性能を大きく制約している。

そこで、充填層型吸着器の吸着性能を向上させるために、吸着熱を充填層から取り除くことが考えられるが、この場合、通常は充填層と熱交換器とを一体化することで達成するようにしている。しかしながら、充填層と熱交換器とを一体化すると、その構造が複雑になり、吸着剤粒子径が小さくなって取り扱い難くなり、しかも吸着剤の充填量も大きく取れないために大型化することが困難であり、経済性もよくないという問題点が存在する。

一方、充填層型吸着器の吸着性能を向上させるためには、吸着剤の持つ吸着特性である吸着等温線から得られる平衡吸着量を低圧力損失下で迅速に得ることができればよい。吸着質の吸着速度は、吸着質分子の拡散速度、粒子境膜抵抗、細孔内拡散、表面拡散等が大きく影響している。液相吸着においては液相の熱容量が大きく吸着熟も小さいためにほぼ等温系の吸着として吸着等温線を用いて差し支えないが、空気中の水分吸着においては吸着熱が大きいので非等温系として取り扱わなければならない。そのため、吸着熱の粒子内伝熱、粒子表面境膜伝熱、空気への放射伝熱、対流伝熱が吸着速度に大きく影響し、実質的に充填層内からの吸着熱の排除の良否が吸着速度を律している。

すなわち、水分の除湿に用いる充填層型吸着器では、吸着初期には吸着熱が充填層内に滞留するために充填層の温度上昇が進むが、導入された空気が持ち出す熱の存在により吸着が進む状況となり、充填層の除熱の程度により吸着速度が定まってしまう。これを改善して吸着等温線で示される平衡吸着量に到達させるには、粒子内の熱伝導の改良、粒子表面からの伝熱促進が対策としてあげられる。

このような充填層型吸着器において、既存の吸着剤を用いて伝熱促進の最適化を計るには、吸着剤の粒子径を小さくすることによって粒子内伝熱距離を小さくできるため、粒子の外表面積を大きくすることで一応達成することが可能である。しかし、吸着剤の粒子径を小さくすると圧力損失が増大するので、良好な結果が得られない。

一方、充填層内に流入する空気の流速を上げても粒子境膜抵抗が低下するので吸着速度は良好となるが、これも圧力損失増大につながるので実施が困難である。また、熱交換器を充填層型吸着器の外部に設置した場合、充填層型吸着器で発生した吸着熱を排除するには、熱を同伴する熱媒に空気を用いることになるが、空気の顕熱容量が小さいので大量の空気の移動を余儀なくされる。このため通常の充填層型吸着器を使用して空気を循環熱交換して吸着性能の向上を計るには無理がある。

なお、従来から脱湿目的で、シリカゲルを活用した乾燥機、除湿機、ヒートポンプなどのシステムが多く開発され、理論的には、コンプレッサーを必要としない次世代の装置として注目されているものも存在するが、吸着剤の除湿能力に限界があるため、大量の空気の脱湿には適していなかった。更に、ＰＳＡ、ＴＳＡのような大量の空気の除湿などに用いる吸着器は、前述のように吸着により発生する吸着熱により非等温吸着現象が起きているため、吸着剤の持つ吸着能力を十分に発揮していない状況下での使用が余儀なくされていた。

また、オープン式吸着ヒートポンプの湿度スイング冷房の実用化には吸着器のコンパクト化、高性能化が必須条件となっていた。しかし、従来の充填層型吸着器では、吸着破過までの吸着量が大きく取れず、吸着移動層の体積を小さくするには充填層の高さを高くする必要から圧力損失が大きくなってしまい、大気圧下での吸着除湿用途では稼動させることができなかった。

一方、従来、大量の空気の除湿目的として、デシカントロ一ターを回転させることで空気中の水分を除去するものが使用されているが、このデシカントローターは、前述の充填層の場合と同様に、吸着熱が吸着量を制限しているために体積当たりの吸着能力が低く、コンパクト化は困難であった。（下記特許文献１又は２参照）

ところで、吸着器内で発生した吸着熱を吸着器より速やかに取り出して系外で熱交換するためには、充填層の高さを薄くして充填層による圧力損失を低下させ、空塔速度を上げると伝熱粒子境膜抵抗を下げることができるので、一応吸着性能の向上を計ることができる。この場合、脱着（再生）時に空気を充填層内に循環して熱交換することで充填層内で発生した吸着熱を系外へ速やかに取り出せば、等温系吸着を達成することができる。しかし、このようなシステムでは、充填層が薄層となるために充填層が広がり、吸着器内において体積当たりの吸着剤の充填量を十分に大きくできないことになる。

本発明者等は、別途充填層内へのガス導入孔を充填層内に張り巡らし、出口側に至っても同様にガス抜きの道を付けることにより、充填層の高密度充填を達成し得る吸着器が得られることを確認している。すなわち、本発明者等は、下記特許文献３に、
「吸着と脱着を交互に行う"吸着剤層を有する吸着装置"を用い、一方の吸着装置にガス状炭化水素を含む廃棄ガスを通過せしめ、該吸着装置内の吸着剤層にガス状炭化水素を吸着させ、実質的にガス状炭化水素を含まない廃棄ガスを大気中に放出し、その間に、他方の吸着装置を脱着に切り換え、該吸着装置内の吸着剤層に吸着したガス状炭化水素を、真空ポンプで吸引して離脱せしめ、パージ排ガスに移行させることから成る廃棄ガス中に含まれる希薄なガス状炭化水素の処理方法であって、前記パージ排ガスの全量もしくは大部分を被処理廃棄ガスに戻し、これによって、吸着剤層内の炭化水素濃度を高め、該吸着剤層が破過する前に脱着に切り換えることからなり、前記パージ排ガス中のガス状炭化水素の一部が液化した場合、該液状炭化水素を燃焼処理し、又は、産業廃棄物として無害化処理することからなる、廃棄ガス中に含まれる希薄なガス状炭化水素の処理方法を実施するための装置として、該装置中の前記"吸着剤層を有する吸着装置"が、吸着剤層を囲い、かつ、吸着剤層の外筒から吸着剤層に向けて横方向に廃棄ガスを通気できるコンポーネントを多重に内蔵する吸着装置からなることを特徴とする廃棄ガス中に含まれる希薄なガス状炭化水素の処理装置。」
の発明を開示している。

この発明によれば、大量の被処理気体を吸着剤層に通過させることが可能となり、同時に吸着剤層の再生時にパージガスを外部の熱交換器に循環させて吸着質を回収すると共に吸着剤層を冷却することにより等温系吸着に近い状況を作り出せるようになるというものである。

ここで、この下記特許文献３に開示されている発明で使用している吸着器を図４及び図５を用いて説明する。なお、図４は、下記特許文献３に開示されている吸着器の縦断面図であり、図５（ａ）は図４のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分拡大詳細図である。

この吸着器５０は、吸着剤層５１を充填した多孔性の外筒５２及び５３の二重円筒で構成される吸着塔５４が多重に、この例では四重に同心円状に配置されている。そして、吸着剤としては、粒径が０．４ｍｍのベンゼン蒸気でプレコートした破砕活性炭及び粒径が１．０ｍｍのＹ型合成ゼオライトが用いられ、図４及び図５（ｂ）に示すように、破砕活性炭５５の上部にＹ型合成ゼオライト５６を吸着塔５４に充填し、吸着剤層５１として実施に供されている。

そして、希薄なガス状炭化水素を含有する廃棄ガスは、別個の吸着器からのパージガと共に、吸着器５０に供給され、図４及び図５（ｂ）の矢印線に示すように、各吸着塔５４の間に侵入し、各吸着塔５４の間から各吸着塔５４内に充填された吸着剤層５１内を横方向に通過し、ガス状炭化水素が吸着剤層５１に吸着されて無害化された処理ガスが大気中に放出されるようになされている。

そして、この吸着器５０を用いた場合、従来から使用されている"塔式であって内部に密に吸着剤を使用した吸着装置"を使用したものと比すると、同じ大きさの吸着装置であってもより大量の廃棄ガスを処理して吸着質濃度がより低い無害化された廃棄ガスが得られるというものである。なお、図５及び図６には吸着剤層５１を縦に配置した縦置き充填層型コンポーネントの例を示したが、図７に示したような吸着剤層５１を横に配置した横置き充填層型コンポーネントも使用し得る。

特開２０００−０７０６５７号公報（段落［００１２］〜［００１８］、図１） 特開２００３−２０２１３６号公報（段落［０００２］〜［０００６］、［００１４］〜［００３３］、図１〜図８） 特開２００３−２０２１３６号公報（特許請求の範囲、段落［００１４］〜［００３３］、図２〜図４、図６）

しかしながら、上記特許文献３に開示された発明は、希薄な吸着質の吸着を目的としてシステム化されており、吸着熱の発生が少ない場合には有効であるが、本発明のような、例えば空気中の水分のように、被処理ガス中に含有されている吸着質量が多く、更に吸着質の吸着熱が高い場合には、そのまま適用することはできない。

本発明者等は、上述の従来技術の問題点を解決し、例えば空気中の水分のように含有されている吸着質の量が多く、更に吸着熱が高い場合にも適用でき、しかも小型でありながら大流量の被処理ガスを処理して所定吸着質濃度のガスを得ることができる吸着装置を得るべく種々実験を重ねた結果、空調制御用等の必ずしも水分等の吸着質の濃度の低いガスを得る必要がない場合には、薄層状の吸着剤層を内蔵した吸着器、例えば、上記特許文献３に開示されているような、吸着剤層を囲い、かつ、吸着剤層の外筒から吸着剤層に向けて横方向に被処理ガスを通気できるコンポーネントを多重に内蔵する吸着器を使用すると共に、吸着質を吸着させた後の被処理ガスを外部の熱交器により冷却して一部を前記吸着器に循環させると、熱交換器の出口より所定吸着質濃度のガスを得ることができることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。

即ち、上記特許文献３に開示されている発明では、希薄なガス状炭化水素を含有する廃棄ガスは別個の吸着器からのパージガと共に吸着器５０に供給され、ガス状炭化水素が吸着剤層５１で吸着されて無害化された廃棄ガスが大気中に放出されるようになされているが、このようなシステムに対して無害化された廃棄ガスをそのまま吸着器５０に循環を行うと希薄なガス状炭化水素を吸着することができないから、本発明は上記特許文献３に開示されている発明とは全く別の発明である。

加えて、通常の充填層型吸着器は被吸着質をできるだけ完全に吸着して出口で低濃度化を達成することを目的とするものであるのに対し、本発明では、吸着器において被吸着質を完全に吸着させることを目的とせず、ある程度の吸着能力を維持しながら総吸着質量を多くし、多量の予め定めた所定吸着質濃度のガスを得るものである点でも、従来の技術とは相違している。

従って、本発明の第１の目的は、被処理ガス中に含有されている吸着質量が多く、更に吸着質の吸着熱が高い場合にも有効な、所定吸着質濃度のガスを得るための高密度低圧損失の充填層型熱交換型吸着装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的は前記高密度低圧損失の充填層型熱交換型吸着装置を用いた所定吸着質濃度のガスを得る方法を提供することにある。

本発明の前記第１の目的は以下の構成により達成することができる。すなわち、本願の請求項１に記載の充填層型熱交換型吸着装置の発明は、
薄層状の吸着剤層を内蔵した吸着と脱着を交互に行う吸着器と、
前記吸着器の出口及び入口の間に接続された熱交換器と、
を備え、
前記吸着器の入口から導入される被処理ガス中の吸着質を前記吸着剤層により吸着させ、前記吸着器の出口より得られたガスを前記熱交換器を通して冷却し、前記熱交換器より得られたガスの一部を前記吸着器の入口へ循環させると共に残部を所定吸着質濃度のガスとして得るようにしたことを特徴とする。

この充填層型熱交換型吸着装置では、吸着器における吸着剤層の厚さを薄くして吸着剤層における圧力損失を低下させ、空塔速度を上げることで伝熱粒子境膜抵抗を下げ、この吸着器の出口より得られたガスを熱交換して冷却した後に吸着器に循環することで発生吸着熱を系外へ速やかに取り出し等温系吸着を達成するものである。

即ち、この充填層型熱交換型吸着装置では、吸着器における吸着剤層の厚さが薄くなっているため、空塔速度が大きくなると吸着移動層が長くなるので、吸着開始時点より吸着破過状態となるが、吸着開始時点では吸着剤の吸着量が低いために吸着器の出口より吸着質濃度が低いガスが得られ、時間の経過と共に吸着剤との間に等温平衡状態が確保されつつ吸着器の出口より得られるガス中の吸着質濃度はゆっくりと上昇する。

この状態で吸着器の出口より得られたガスをそのまま循環すると、吸着熱の排除ができないため、吸着器の吸着能力が劣化する。そのため、循環流路に循環するガスを冷却する熱交換器を設けることにより、吸着器の吸着能力を維持することが可能となり、この熱交換器の能力ないし循環するガスの流量を制御することにより熱交換器の出口より得られるガス中の吸着質濃度を所定値に維持することが可能となる。

また、本願の請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の充填層型熱交換型吸着装置において、前記吸着器は、薄層状の吸着剤層を囲いかつ該吸着剤層の外筒から吸着剤層に向けて横方向又は縦方向にガスを通気できるコンポーネントを多重に有する筒型コンポーネント、箱型コンボーネント又はハニカム型コンポーネントを含むことを特徴とする。

また、本願の請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は２に記載の充填層型熱交換型吸着装置において、前記吸着器の入口から導入される被処理ガスの流量及び前記熱交換器より得られた所定吸着質濃度のガスの流量を等しくしたことを特徴とする。

また、本願の請求項４に記載の発明は、前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の充填層型熱交換型吸着装置において、前記吸着器の入口へ循環させる前記熱交換器より得られたガスの流量を前記吸着器の入口から導入される被処理ガスの流量よりも大きくしたことを特徴とする。

また、本願の請求項５に記載の発明は、前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の充填層型熱交換型吸着装置において、前記吸着器を複数個使用し、一個の吸着器で被処理ガス中の吸着質を吸着させている間に他の吸着器では吸着されている吸着質を脱着させることを特徴とする。

また、本願の請求項６に記載の発明は、前記請求項１〜５の何れかに記載の充填層型熱交換型吸着装置において、前記被処理ガスが空気であり、前記吸着質が水分であることを特徴とする。

更に、本願発明の上記第２の目的は以下の構成により達成し得る。すなわち、本願の請求項７に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法の発明は、薄層状の吸着剤層を内蔵した吸着と脱着を交互に行う吸着器を用い、被処理ガスを前記吸着器に通過させて被処理ガス中の吸着質を吸着させた後、前記吸着器の外部に設置した熱交換器に通して冷却することにより処理ガスを得、前記処理ガスの一部を前記吸着器に循環し、前記処理ガスの残部として所定吸着質濃度のガスを得る方法であることを特徴とする。

また、本願の請求項８に記載の発明は、前記請求項７に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法において、前記被処理ガスの流量と所定吸着質濃度のガスの流量を等しくしたことを特徴とする。

また、本願の請求項９に記載の発明は、前記請求項７又は８に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法において、前記循環するガスの流量を前記被処理ガスの流量よりも大きくしたことを特徴とする。

また、本願の請求項１０に記載の発明は、前記請求項７〜９のいずれか１項に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法において、前記循環するガスの温度を徐々に冷却することにより処理ガス中の吸着質濃度を所定値に制御するようにしたことを特徴とする。

また、本願の請求項１１に記載の発明は、前記請求項１０に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法において、前記熱交換器の冷却水の水温を制御して前記循環するガスの温度を徐々に冷却することを特徴とする。

また、本願の請求項１２に記載の発明は、前記請求項１０に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法において、前記熱交換器に循環するガスの流量を制御して前記循環するガスの温度を徐々に冷却することを特徴とする。

また、本願の請求項１３に記載の発明は、前記請求項７〜１２のいずれか１項に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法において、前記吸着器を複数個使用し、一個の吸着器で被処理ガス中の吸着質を吸着させている間に他の吸着器では吸着されている吸着質を脱着させるようにして連続的に所定吸着質濃度のガスを得るようにしたことを特徴とする。

更に、本願の請求項１４に記載の発明は、前記請求項７〜１４のいずれか１項に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法において、前記被処理ガスが空気であり、前記吸着質が水分であることを特徴とする。

本願発明は上記構成を備えることにより以下のような優れた効果を奏する。すなわち、請求項１に記載の充填層型熱交換型吸着装置によれば、吸着器における吸着剤層の厚さが薄いので、吸着剤層における圧力損失が小さく、そのため駆動動力の低減、多量の被処理ガスの処理、吸着単位容量の増大を計ることができる。また、簡単な構成であるために小型充から大型まで種々のスケールの充填層型熱交換型吸着装置に適用することができる。

加えて、請求項１に記載の充填層型熱交換型吸着装置によれば、吸着剤層内で発生した吸着熱を系外へ速やかに取り出すことができるため、吸着剤層内で等温系吸着を達成することができ、吸着器の脱着（再生）が必要となるまでに多量の被処理ガスを処理して吸着質の吸着量を多くすることが可能となり、また、熱交換器の出口より被処理ガス中の吸着質を完全に除去したガスが得られる訳ではないが、濃度の低い所定吸着質濃度のガスを得ることができ、乾燥機、除湿器、オープン吸着ヒートポンプ、高濃度有機ガスの吸着等に使用することができるようになる。

また、請求項２に記載の充填層型熱交換型吸着装置によれば、吸着剤の充填量を多くしながらも低圧力損失を達成できるので、再生が必要となるまでに多量の被処理ガス中を処理することが可能となる。しかも、縦型及び横型の種々の構成のコンポーネントを使用することができるので、充填層型熱交換型吸着装置の用途、スケール等に応じたシステムの設計、吸着能力の選択等が簡単にできるようになる。

また、請求項３に記載の充填層型熱交換型吸着装置によれば、被処理ガス量と循環ガス量とを別個に独立して制御することができるため、被処理ガス量の制御、熱交換器の出口から得られるガスの温度や吸着質の濃度を容易に変更することができるようになる。

また、請求項４に記載の充填層型熱交換型吸着装置によれば、吸着剤層において発生した吸着熱を多量の循環ガスにより多量に系外へ持ち出すことができるので、吸着熱の大きな吸着質の吸着や高濃度の吸着質を含む被処理ガスに対しても適用が可能となる。

また、本願の請求項５に記載の充填層型熱交換型吸着装置によれば、吸着器の吸着能力が落ちても、再生された別の吸着器に切換えることにより、連続的に吸着処理を行うことができるようになる。

また、請求項６に記載の充填層型熱交換型吸着装置によれば、空気の除湿を目的とする場合、空気中の水分を完全に吸着・除去ないしは低濃度かつ微量の水分を吸着して除湿を完全に行う必要はなく、ある程度の除湿能力を維持し、総吸着容量を多くすればよいから、本願発明の充填層型熱交換型吸着装置を適用すると特に効果が顕著に表れる。この場合、熱交換器の出口より環境温度程度の低湿空気を得た後、水分を加湿することにより更に冷却することができるので、冷房をも行うことができるようになる。

本発明の充填層型熱交換型吸着装置を空調用途に用いる場合、必要な除湿状態は絶対湿度が１０ｇ／ｋｇ程度であるから、この値に達するまでには、例えばシリカゲルＡ型であれば、吸着量１５ｗｔ％程度に相当し、ＰＳＡ法やＴＳＡ法を採用した場合の吸着量２〜５ｗｔ％に比較し飛躍的に増大する。

更に、請求項７に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法によれば、吸着器における圧力損失を小さくすることができるので低駆動動力で所定吸着質濃度のガスを得ることができる。しかも、小型の吸着器であっても、吸着剤層内で発生した吸着熱を系外へ速やかに取り出すことができるため、吸着剤層内で等温系吸着を達成することができ、吸着剤層における吸着質の吸着量を多くすることが可能となり、吸着器の再生が必要となるまでに多量の被処理ガスを処理して多量の所定吸着質濃度のガスを得ることができるようになる。

また、請求項８に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法によれば、被処理ガス量と循環ガス量とを別個に独立して制御することができるため、被処理ガス量の制御、熱交換器の出口から得られるガスの温度や吸着質の濃度を容易に変更することができるようになる。

また、請求項９に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法によれば、吸着剤層において発生した吸着熱を多量の循環ガスにより多量に系外へ持ち出すことができるので、吸着熱の大きな吸着質の吸着や高濃度の吸着質を含む被処理ガスに対しても適用が可能となる。

また、請求項１０に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法によれば、循環するガスの温度制御を行わないと、吸着開始時点では吸着剤の吸着量が低いために熱交換器の出口より吸着質濃度が低いガスが得られ、時間の経過と共に充填層の吸着剤と等温平衡状態が確保されつつ処理ガス中の吸着質濃度はゆっくりと上昇するが、循環するガスの温度を徐々に冷却することにより処理ガス中の吸着質濃度を所望の値に維持することができるようになる。

また、請求項１１に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法によれば熱交換器の冷却水の流量を制御することで、また、請求項１２に記載の定吸着質濃度のガスを得る方法によれば熱交換器に循環するガスの流量を制御して前記循環するガスの温度を徐々に冷却することで、循環するガスの温度を徐々に冷却することができるから、処理ガス中の吸着質濃度を所望の値に維持することができるようになる。

また、請求項１３に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法によれば、吸着器の吸着能力が落ちても、再生された別の吸着器に切換えることにより、連続的に処理ガス中の吸着質濃度を所望の値に維持することができるようになる。

また、請求項１４に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法によれば、多量の空気を処理して多量の所定湿度及び所定温度に維持された空気を得ることができるので、空調用途に最適となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例及び比較例を用い、必要に応じて図面を参照して詳細に説明するが、以下に示す実施例は本発明の技術思想を具体化するための充填層型熱交換型吸着装置及び該吸着装置を用いた所定吸着質濃度のガスを得る方法を例示するものであって、本発明をこの充填層型熱交換型吸着装置及び該吸着装置を用いた所定吸着質濃度のガスを得る方法に特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれるものに等しく適用し得るものである。

なお、図１は実施例及び比較例の検証のために使用した薄層状の吸着剤層を内蔵した充填層型熱交換型吸着装置の概略図であり、図２は図１の吸着器の薄層状の吸着剤層の形状を説明する図である。

まず、実施例及び比較例の検証のために使用した充填層型熱交換型吸着装置１０の概略を図１を用いて説明する。この充填層型熱交換型吸着装置１０は、吸着器１１と、送風フアン１２と、水冷熱交換器１３と、循環ガス流量調節ダンパー１４_１及び１４_２とを備え、吸着器１１にはガス導入配管１５及び循環ガス流量調節ダンパー１４_１を経て被処理ガスが導入され、吸着器１１において所定成分を吸着されたガスは送風ファン１２により吸引され、配管１６を経て水冷熱交換器１３へ導入されるようになっている。水冷熱交換器１３は、冷却水入口配管１７及び冷却水出口配管１８を備えており、周知の構成のものである。

水冷熱交換器１３で熱交換処理されたガスは、循環ガス流量調節ダンパー１４_１及び１４_２を制御することにより、そのままガス出口配管１９から処理済ガスとして取り出したり、或いは一部を循環ガス配管２０を経て吸着器１１に循環すると共に残部を処理済ガスとしてガス出口配管１９から取り出すことができるように構成にされている。

そして、吸着器１１の入口及びガス出口配管１９には、それぞれ吸着器１１に導入される被処理ガスの温度及びガス出口配管１９中の処理剤ガスの温度を測定するために温度計Ｔ_１及びＴ_５が設けられており、また、吸着器１１の吸着剤層２１には、その温度分布を測定するために、底面、中央部及び上面にそれぞれ温度計Ｔ_２〜Ｔ_４が設けられている。更に、ガス導入配管１５、ガス出口配管１９及び循環ガス配管２０には、それぞれこれらの管路を流れるガスの流量を測定するためのガス流量計Ｆ_１〜Ｆ_３が設けられ、更に出口ガス配管１９には出口ガス中の湿度を測定するための湿度計Ｈが設けられている。これらの温度計Ｔ_１〜Ｔ_５、ガス流量計Ｆ_１〜Ｆ_３及び湿度計Ｈとしてはそれぞれ市販の周知のものをそのまま用いた。

吸着器１１内に設ける吸着剤層２１の構成としては、吸着剤層２１における圧力損失を減少させると共に空塔速度を上げるために、薄層状とし、被処理ガス中の吸着質を吸着器中の吸着剤で吸着処理した後に水冷熱交換器で冷却した後のガスを、一部循環する場合（実施例）と循環しない場合（比較例）との作用・効果の差異を調べた。なお、本発明における「薄層状」とは底面の幅ないし直径よりも高さが低い状態を示すが、臨界的なものではない。

吸着剤層２１としては、被処理ガスとして空気を使用し、空気中の水分を吸着させるために、粒径１．７ｍｍ〜４．０ｍｍの球状Ａ型シリカゲル（富士シリシア化学株式会社製）を予め８０℃、相対湿度ＲＨ３％（絶対湿度１０ｇ／ｋｇ）の空気で加熱再生したものを０．７ｋｇ使用し、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示したように、吸着器１１内に、２２０ｍｍ×１９０ｍｍ×２００ｍｍの大きさとなるように充填して使用した。

実施例としては、ガス入口配管１５から導入する空気の条件を、温度：２５℃、絶対湿度：１２ｇ／ｋｇ、流量：２５ｍ^３／ｈとし、水冷熱交換器１３の冷却水の温度を２５℃に設定し、出口配管１９から取り出される出口ガス流量を２５ｍ^３／ｈ、循環ガス流量を循環ガス流量調節ダンパー１４_１及び１４_２を調節することによって出口ガス流量／循環ガス流量の比が０．７／１となるようにし、ガス入口配管１５及びガス出口配管１９内の空気の温度及び湿度を測定すると共に、吸着剤層２１内の下段、中段及び上段の３点の温度測定を行った。測定結果を図３に示す。なお、この場合の吸着剤層２１内の空塔速度は０．３９ｍ／ｓであり、吸着剤層２１における圧力損失は２４ｍｍＨ_２Ｏ（０．２３５ｋＰａ）であった。

［比較例］
比較例としては、入口ガス入口配管１５から導入する空気の条件、水冷熱交換器１３の冷却水の温度及び出口配管１９から取り出される出口ガス流量のそれぞれについては実施例の場合と同一とし、更に循環ガス流量調節ダンパー１４_１及び１４_２を調節することによって循環ガス流量を「０」、すなわちガスの循環を行わないで実施例１の場合と同様に測定を行った。結果を図４に示す。なお、この場合、ガスの循環を行わない分だけ吸着剤層２１内を通過するガスの流量は減少するために、空塔速度及び圧力損失は小さくなり、空塔速度は０．１７ｍ^３／ｓ、圧力損失は４ｍｍＨｇ（０．０３９ｋＰａ）となった。

図３及び図４に示す結果から以下のことがわかる。すなわち、実施例においては、吸着剤層２１内の温度は、稼働開始直後は約３２℃まで上昇したが、その後徐々に低下し、約１０分後には入口空気温度に近い温度で吸着操作が進み、等温系吸着をほぼ達成している結果が得られた。同じく、出口空気の絶対湿度は、稼働開始より約５分間の間に急激に２ｇ／ｋｇまで低下するが、その後は徐々に上昇しだし、約５５分後には絶対湿度５ｇ／ｋｇとなり、６０分後には約５．２ｇ／ｋｇとなった。湿度スイング冷房に必要な除湿空気の絶対湿度は数ｇ／ｋｇ程度であることから、出口空気絶対湿度として５ｇ／ｋｇを仮に基準値とすれば、実施例では稼働開始から５５分の間、基準値を達成することができたことになる。

一方、比較例では、吸着剤層２１の温度は、稼働開始直後より急激に温度が上昇して約４５℃に達したが、その後は入口空気が持ち出す熱により除々に低下した。また出口空気の絶対湿度は、稼働開始より約３分間の間は急に５ｇ／ｋｇまで低下するが、その後は徐々に上昇しだし、６０分後には約８．５ｇ／ｋｇとなった。結局、比較例では前述の出口空気絶対湿度として５ｇ／ｋｇの基準値を実質的に達成することができなかったことになる。

このような実施例及び比較例における作用・効果の差異は次のような原因によるものと思われる。すなわち、吸着過程において、シリカゲルが水蒸気を吸着する際に発生する吸着熱により吸着剤及び被処理ガスの温度上昇を招き、吸着質（水蒸気）の相対圧力の低下が起こる。したがって、循環熱交換による吸着熱除去を行った実施例では、循環ガスの流量が多いために吸着剤層２１から持ち出される吸着熱が多いため、等温系吸着が進行するのに対し、その循環操作を行わない比較例では、いわゆる非等温系吸着状態で吸着操作が進行するため、吸着剤であるシリカゲルの吸着能力を十分に発揮させることができないことになる。

前記実施例及び比較例では充填層２１の高さを同一として吸着操作を行ったため、充填層２１内の圧力損失は循環熱交換を行った実施例の方が大きい値を示しているが、比較例の場合で循環熱交換を行わず実施例と同等の除湿空気を得るために必要な充填層高さは数十倍となることが予想され、この場合の充填層圧力損失は莫大となることが容易に予想される。

すなわち、本発明による循環熱交換を行う充填層型熱交換型吸着装置を使用すると、同一圧力損失ではより大量の空気を処理してより大量の脱湿された空気を得ることができることがわかる。この場合、出口配管１９より得られる空気の絶対湿度は時間の経過と共に徐々に増加しているが、熱交換器１３の出口のガスの温度が徐々に低下するように制御すると、出口配管１９より得られる空気の絶対湿度を所定の一定値に制御することが可能である。この熱交換器１３の出口のガスの温度は、熱交換器１３を通る冷却水の流量や温度、循環ガスの流量等を制御することにより制御することができる。

このように、本発明の本発明の充填層型熱交換型吸着装置を使用すると絶対湿度の低い空気が得られるから、この絶対湿度の低い空気に対して加湿することにより、水の気化熱の影響で空気の温度を下げることができるので、冷房用としても使用することが可能となる。

なお、前記実施例では充填層型熱交換型吸着装置を外気の脱湿用として用いた例を示したが、高濃度有機ガスの処理等、発生する吸着熱が大きなガスの処理に対しても有効であることは当業者にとり自明であろう。また、前記実施例では外気の脱湿工程のみを実施した例を示したが、吸着器を複数個組み合わせ、吸着工程にある吸着器が破過する前に脱着工程（再生工程）に移行すると共に、別の再生された吸着器に切換える用にすれば、連続的に被処理ガスを吸着処理するようになすことができる。

更に、前期実施例及び比較例では、薄層状の吸着剤層を内蔵した吸着層を用いた例を示したが、同じく薄層状の吸着剤層を使用し、この薄層状の吸着剤層を囲いかつ該吸着剤層の外筒から吸着剤層に向けて横方向にガスを通気できるコンポーネントを多重に有する筒型コンポーネント、箱型コンボーネント又はハニカム型コンポーネントを有する吸着器を使用すれば、吸着剤の充填量を多くしながらも低圧力損失を達成できるので、再生が必要となるまでに多量の被処理ガス中を処理することが可能となる。

実施例及び比較例の検証のために使用した充填層型熱交換型吸着装置の概略図である。 実施例及び比較例で使用した吸着器を示し、図２（ａ）は吸着剤層の模式的な斜視図、図２（ｂ）は模式的な横断面図である。 実施例における各所の温度、湿度の経時変化の測定結果を示すである。 比較例における各所の温度、湿度の経時変化の測定結果を示すである。 従来の吸着器の縦断面図である。 図６（ａ）は図４のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分拡大詳細図である。 横置き充填層型コンポーネントの例を示す図である。

符号の説明

１０ 充填層型熱交換型吸着装置
１１ 吸着器
１２ 送風フアン
１３ 熱交換器
１４_１，１４_２ 循環ガス量調節ダンパー
１５ ガス導入配管
１６ 配管
１７ 冷却水入口配管
１８ 冷却水出口配管
１９ ガス出口配管
２０ 循環ガス配管
２１ 吸着剤層
Ｔ_１〜Ｔ_３ 温度計
Ｆ_１〜Ｆ_３ 流量計
Ｈ 湿度計

Claims (14)

1. 薄層状の吸着剤層を内蔵した吸着と脱着を交互に行う吸着器と、
   前記吸着器の出口及び入口の間に接続された熱交換器と、
   を備え、
   前記吸着器の入口から導入される被処理ガス中の吸着質を前記吸着剤層により吸着させ、前記吸着器の出口より得られたガスを前記熱交換器を通して冷却し、前記熱交換器より得られたガスの一部を前記吸着器の入口へ循環させると共に残部を所定吸着質濃度のガスとして得るようにした充填層型熱交換型吸着装置。
2. 前記吸着器は、薄層状の吸着剤層を囲いかつ該吸着剤層の外筒から吸着剤層に向けて横方向又は縦方向にガスを通気できるコンポーネントを多重に有する筒型コンポーネント、箱型コンボーネント又はハニカム型コンポーネントを含むことを特徴とする請求項１の充填層型熱交換型吸着装置。
3. 前記吸着器の入口から導入される被処理ガスの流量及び前記熱交換器より得られる所定吸着質濃度のガスの流量を等しくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の充填層型熱交換型吸着装置。
4. 前記吸着器の入口へ循環させる前記熱交換器より得られたガスの流量を前記吸着器の入口から導入される被処理ガスの流量よりも大きくしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の充填層型熱交換型吸着装置。
5. 前記吸着器を複数個使用し、一個の吸着器で被処理ガス中の吸着質を吸着させている間に他の吸着器では吸着されていた吸着質を脱着させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充填層型熱交換型吸着装置。
6. 前記被処理ガスが空気であり、前記吸着質が水分であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の充填層型熱交換型吸着装置。
7. 薄層状の吸着剤層を内蔵した吸着と脱着を交互に行う吸着器を用い、被処理ガスを前記吸着器に通過させて被処理ガス中の吸着質を吸着させた後、前記吸着器の外部に設置した熱交換器に通して冷却することにより処理ガスを得、前記処理ガスの一部を前記吸着器に循環し、前記処理ガスの残部として所定吸着質濃度のガスを得る方法。
8. 前記被処理ガスの流量及び所定吸着質濃度のガスの流量を等しくしたことを特徴とする請求項７に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法。
9. 前記循環するガスの流量を前記被処理ガスの流量よりも大きくしたことを特徴とする請求項７又は８に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法。
10. 前記循環するガスの温度を徐々に冷却することにより前記処理ガス中の吸着質濃度を所定値に制御するようにしたことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法。
11. 前記熱交換器の冷却水の水温を制御して前記循環するガスの温度を徐々に冷却することを特徴とする請求項１０に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法。
12. 前記熱交換器に循環するガスの流量を制御して前記循環するガスの温度を徐々に冷却することを特徴とする請求項１０に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法。
13. 前記吸着器を複数個使用し、一個の吸着器で被処理ガス中の吸着質を吸着させている間に他の吸着器では吸着されていた吸着質を脱着させるようにして連続的に所定吸着質濃度のガスを得るようにしたことを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法。
14. 前記被処理ガスが空気であり、前記吸着質が水分であることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の所定吸着質濃度のガスを得る方法。

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