JP4674199B2 - Psa装置 - Google Patents
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Description
このようなPSA装置は、特定成分を選択的に吸着可能且つ当該特定成分に対する吸着量が圧力上昇に伴って増加する吸着材を吸着塔に充填して備え、原料ガスを高圧で吸着塔に通過させて当該原料ガスから特定成分を吸着材に吸着させて除去する吸着工程と、パージガスを低圧で吸着塔に通過させて吸着材から特定成分を脱離させて当該吸着材を再生する脱離工程とを、交互に繰り返し実行するように構成されている。そして、この種のPSA装置は、例えば、炭化水素、水素、有機化合物などの有価ガスを含む原料ガスから二酸化炭素などの不純物を吸着除去したり、工場等から排出される排ガスからVOC(揮発性有機化合物)などの有害物質を除去したりするものとして利用される。
尚、この外層は、液状の媒体中にて上記マイクロカプセルを含む蓄熱体を合成した後に、その蓄熱体のスラリーに上記親水性樹脂を加え、スプレードライなどの公知の乾燥方法によりマイクロカプセルを覆う被膜状に形成することができる。
図3及び図4に示すように、PSA装置100は、蓄熱体4と吸着材6とからなる潜熱蓄熱吸着材7を、吸着塔30内に充填して備え、その吸着材6の圧力増減に伴う特定成分に対する吸着量の変化を利用して、例えば炭化水素、水素、有機化合物などの有価ガスを含む原料ガスから二酸化炭素などの特定成分を吸着材6に吸着させて分離して、有価ガスが濃縮された製品ガスを得るように構成されている。
また、上記蓄熱体4は、図1に示すように、温度変化に応じて潜熱の吸収及び放出を生じる相変化物質1がマイクロカプセル2に封入されたものとして構成されており、かかる相変化物質1の相変化により温度変動を抑制しながら放熱及び吸熱を行うことができる。また、この蓄熱体4は、図2に示すように、適宜バインダーにより円柱状の成形蓄熱材5に成形された状態で、吸着材6と共に吸着塔30の中に充填されている。
即ち、原料ガスがチャージライン21を通じて吸着塔30に圧送されるとともに、当該吸着塔30から流出した製品ガスが回収ライン22を通じて払い出される。
また、上記回収ライン22には、上流側から順に、開閉弁26と、上流側に背圧を付加する背圧弁29とが配置されている。
また、上記回収ライン22における開閉弁26の上流側には、例えば他端側が大気開放された排気ライン24が開閉弁28を介して接続されている。
吸着力の強い物質を排気する場合は真空ポンプを使用して排気する構成としてもよい。
そして、第1吸着室C1に、チャージライン21が接続され、第3吸着室C3に回収ライン22が接続されている。
即ち、原料ガスの通過方向に沿って最も上流側にある第1吸着室C1には、吸着材6に対する蓄熱体4の混合割合を最も高くし、言い換えれば、吸着材6の混合割合を最も低くしてある。
また、原料ガスの通過方向に沿って上記第1吸着室C1よりも下流側にある第2吸着室C2には、上記第1吸着室C1よりも蓄熱体4の混合割合を低くし、言い換えれば、上記第1吸着室C1よりも吸着材6の混合割合を高くしてある。
更にまた、原料ガスの通過方向に沿って上記第2吸着室C2よりも下流側にある第3吸着室C3には、蓄熱体4の混合割合を最も低くし、言い換えれば、吸着材6の混合割合を最も高くしてある。尚、この第3吸着室C3において、吸着材6の吸熱及び発熱が許容範囲内であり温度変動が問題にならない場合などにおいて、蓄熱体4を充填することなく、吸着材6のみを充填するようにしても構わない。
なお、上記吸着材6は、吸着対象の特定成分に応じて適宜選定することができる。
すると、吸着塔30の下流側が背圧弁29側に接続されることから、吸着塔30内の圧力が1〜950KPa程度と高圧になる。すると、吸着塔30内では、原料ガスに含まれる二酸化炭素などの特定成分が吸着材6に吸着され、吸着塔30から回収ライン22を通じて高濃度の有価ガスからなる製品ガスが払い出されることになる。この時、蓄熱体4の相変化物質1の相変化により吸着材6の発熱反応により生じた熱量が吸収されるため、吸着塔30内の温度上昇を抑制し吸着材6の吸着性能が低下することを防止する。
また、上記外層3が緻密な状態で上記マイクロカプセル2の外表面に被覆されていることで、マイクロカプセル2の透過現象が抑制されることになる。
従って、相変化物質1がマイクロカプセル2から漏れ出して吸着材6の細孔を閉塞することが良好に抑制され、吸着材6の吸着性能が長期間に亘って維持される。
マイクロカプセル2の表面が外層3で被覆された蓄熱体4は、以下のように製造することができる。
先ず、メラミン粉末5gに37%ホルムアルデヒド水溶液6.5gと水10gを加え、pHを8に調整した後、約70℃〜80℃までの温度で加熱し、メラミン−ホルムアルデヒド初期縮合物水溶液を得る。
また、pHを4.5に調整したスチレン無水酸共重合体のナトリウム塩水溶液100g中に、相変化物質1として、n−ヘキサデカン70gを溶解した混合液を激しく攪拌しながら添加し、粒径が約7μm程度になるまで乳化させる。
次に、この乳化液に、上記メラミン−ホルムアルデヒド初期縮合物水溶液を加え、70℃で2時間攪拌した後、pHを9に調整してカプセル化を行う。この結果、メラミン樹脂からなるマイクロカプセル2内にn−ヘキサデカンの相変化物質1を封入してなる蓄熱体4のスラリーを得ることができる。
このように粒状の成形蓄熱材5や吸着材6の大きさを適宜調節することによって、両者の間に適切な間隙が確保され、吸着・脱離性能の維持することができるとともに、PSA装置100において原料ガスが通過する際の圧力損失を低減できる。また、吸着材6の外表面が粉末状の蓄熱体4によって覆われることがなくなるため、原料ガスが吸着材6に触れる面積を適度に確保することができ、吸着材6の吸着・脱離性能をあますことなく発揮させることができる。
かかる評価試験では、PSA装置において、原料ガス(二酸化炭素:35%、メタン:65%)を用い、その原料ガスを、マスフローコントローラーにより一定の流量に調整した後に、二酸化炭素を選択的に吸着可能且つ当該二酸化炭素に対する吸着量が圧力上昇に伴って増加する吸着材である活性炭を充填した吸着塔に圧送する吸着工程を実行し、原料ガスから二酸化炭素を除去した製品ガスを取り出す形態で試験を行った。
また、上記吸着塔内に上述したような吸着材の他に蓄熱材を10vol%充填した場合(実施例)と、上記吸着塔内に吸着材のみを充填した場合(比較例)とについて、吸着塔内の温度、及び、製品ガスにおける二酸化炭素濃度を計測し、それら計測結果の原料ガスの積算流量に増加に伴う変化状態を観察した。
尚、この吸着工程での吸着塔内の圧力は1〜950KPa程度である。
即ち、上記実施例が、上記比較例と比較して、吸着塔に蓄熱体を充填していることで破過流量が約30%増加し、吸着性能が向上しているといえる。
まず、実施例としてマイクロカプセルの表面をポリビニルアルコール(以下、PVAと略称する)で被覆した蓄熱体を成形してなる成形蓄熱材を製作し、比較例としてマイクロカプセルの表面をPVAなどで被覆していない蓄熱体を成形してなる成形蓄熱材とを製作した。
そして、PVA装置での吸着工程と脱離工程とを繰り返して実行することを想定して、実施例及び比較例の夫々の成形蓄熱材に対して、温度を45℃から5℃まで低下させた後再度45℃に上昇させるという温度変化を繰り返し行い、このような温度変化を所定回数繰り返す毎に、実施例及び比較例の夫々の成形蓄熱材の蓄熱量を測定して、当該蓄熱量の繰り返し回数に対する変化状態を観察した。
一般に、成形蓄熱材の蓄熱量は、温度変化の繰り返し回数の増加に伴うマイクロカプセルの破壊により相変化物質が外部へ漏れ出す虞があるため、熱履歴回数が増加するにつれて減少する場合がある。
即ち、実施例の成形蓄熱材では、マイクロカプセルを被覆するPVAが、マイクロカプセルの破壊による相変化物質の外部への漏れ出しを良好に抑制していることがわかる。
実施例としてマイクロカプセルの表面をPVAで被覆した蓄熱体を成形してなる成形蓄熱材と活性炭からなる吸着材とを混合した潜熱蓄熱吸着材を製作し、比較例としてマイクロカプセルの表面をPVAなどで被覆していない蓄熱体を成形してなる成形蓄熱材と同吸着材とを混合した潜熱蓄熱吸着材を製作した。
そして、PVA装置での吸着工程と脱離工程とを繰り返して実行することを想定して、実施例及び比較例の夫々の潜熱蓄熱吸着材に対して、温度を45℃から5℃まで低下させた後再度45℃に上昇させるという温度変化を繰り返し行い、このような温度変化を1000回繰り返して実行し、その後、PSA装置に夫々の潜熱蓄熱型吸着材を充填して、メタン65%と二酸化炭素35%の原料ガスを通気して、メタンの分離性能評価を行った。
(イ)上記実施形態では、PSA装置の吸着塔内に蓄熱体と吸着材とを一体成形した潜熱蓄熱吸着材を充填する構成を説明したが、別に、吸着塔内に蓄熱体と吸着材とを別体で充填しても構わない。
後加熱処理は、蓄熱体4のカプセル化処理後、すなわち、相変化物質1を乳化して、所望の疎水性樹脂に対応する初期縮合物を添加し、形成中の蓄熱体4を初期加熱温度(通常70℃〜80℃以下の温度)で初期加熱処理し、乾燥して固体化して蓄熱体4を完成した後に、この完成した蓄熱体4に対して再加熱温度(通常100℃以上の温度で、具体的には100℃〜140℃)で再加熱する再加熱処理である。この再加熱処理と、本願にいう外層3による被覆に関しては、その前後関係を問うものではない。
この再加熱処理により、蓄熱体4の外層であるマイクロカプセル2を構成する疎水性樹脂の未反応基同士の重合反応がより進行し重合度が向上して、より緻密で、より強度の高いマイクロカプセル2を得ることができる。具体的には、完成した蓄熱体4のスラリーを乾燥させて粉末状の蓄熱体4を製造し、この粉末状の蓄熱体4に後加熱処理を施すことにより、緻密、且つ強度の高いマイクロカプセル2を有する蓄熱体4を得ることができる。また、粉末状の蓄熱体4を第1バインダーにより成形蓄熱材5として、この成形蓄熱材5に含まれる蓄熱体4を後加熱処理してもよく、また、成形蓄熱材5と吸着材6とを第2バインダーにより一体成形した潜熱蓄熱吸着材7に含まれる蓄熱体4を後加熱処理してもよい。
2:マイクロカプセル
3:外層
4:蓄熱体
6:吸着材
7:潜熱蓄熱吸着材
8:架橋剤
11:ケーシング
12:断熱材
30:吸着塔
100:PSA装置
Claims (10)
- 温度変化に応じて潜熱の吸収及び放出を生じる相変化物質がマイクロカプセルに封入された蓄熱体と吸着材とを吸着塔に充填して備え、
前記吸着材の圧力増減に伴う特定成分に対する吸着量の変化を利用して原料ガスに含まれる前記特定成分を前記吸着材に吸着させて分離するPSA装置であって、
前記マイクロカプセルの表面が、樹脂からなる外層により被覆処理されていることを特徴とするPSA装置。 - 前記マイクロカプセルが疎水性樹脂からなることを特徴とする請求項1に記載のPSA装置。
- 前記疎水性樹脂が初期加熱温度により加熱してカプセル化する初期加熱処理されることにより完成され、
前記初期加熱温度より高い再加熱温度で再加熱処理されていることを特徴とする請求項2に記載のPSA装置。 - 前記外層が親水性樹脂からなることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のPSA装置。
- 前記親水性樹脂がポリビニルアルコールであることを特徴とする請求項4に記載のPSA装置。
- 前記ポリビニルアルコールが架橋剤により架橋されていることを特徴とする請求項5に記載のPSA装置。
- 前記架橋剤が、アミン化合物、アルデヒド化合物、メチロール化合物、エポキシ化合物、イソシアネート化合物、金属塩から選択されるいずれか一種類以上であることを特徴とする請求項6に記載のPSA装置。
- 前記外層が前記マイクロカプセルを構成する高分子化合物の未反応基と反応する基を有することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のPSA装置。
- 前記吸着塔内において、前記原料ガスの通過方向に沿って前記蓄熱体と前記吸着材との混合割合を変化させていることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載のPSA装置。
- 前記吸着塔が断熱構造を有することを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載のPSA装置。
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