JP5490394B2 - ガス浄化装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガス浄化装置及び方法に関する。特に、排ガス中に含まれる有機溶剤の回収や、排ガス中の有害・悪臭物質の除去を目的とするガスの浄化装置及び浄化方法に関する。
従来、工場などから排出されるガス中の有害・悪臭物質や有機溶剤等の溶剤成分を固体吸着剤粒子を用いて吸着除去し、ガスを浄化するとともに溶剤成分を回収するためのガス浄化装置（ガス処理装置）が知られている。
（特許文献１）には、ガス処理装置の被処理ガス吸着部に固体吸着剤粒子を連続的に供給し、被処理ガス吸着部で溶剤成分を吸着させた吸着剤粒子を、重力により吸着剤再生部へ流下させつつ吸着剤粒子を再生し、再生された吸着剤粒子を再び被処理ガス吸着部に供給することによって吸着剤粒子を連続的に循環使用するガス処理装置が開示されている。この吸着剤再生部には、非凝縮性ガスが供給され、吸着剤粒子から脱離した溶剤成分を同伴して凝縮分離器に導くことにより溶剤成分を分離、回収している。
上記のように、吸着剤再生部が重力移動層を形成している装置では、吸着剤再生部の上部において、脱離した化学物質が重力により下降する吸着剤の表面で凝縮し、その結果、吸着剤の流動が阻害されるという問題があった。吸着剤の流動不良により、吸着剤の再生が不十分となり、排ガス中の化学物質の除去率を低下させると同時に、高温状態にある吸着剤再生部に外部から空気が侵入し易くなり、安全性の面でも問題があった。
さらに、吸着剤に吸着している化学物質、特に酢酸エチルなどの分解しやすい化学物質は、加熱による熱履歴が長すぎると、分解（加水分解）を引き起こし、回収された化学物質に分解生成物が混入するという問題があった。
そこで本発明は、上記従来の状況に鑑み、重力で下降する吸着剤の表面における化学物質の凝縮を抑制し、吸着剤の流動を安定化させ、吸着剤の再生を良好に行うガス浄化装置及び方法を提供することを目的とする。さらに、酢酸エチル等の化学物質の分解を抑制し、高純度の化学物質を回収可能なガス浄化装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、化学物質を吸着剤に吸着させる吸着部と、その後に続く脱離部との間に、脱離部を通過した化学物質を含む非凝縮性ガスと接触する吸着剤を所定の温度に維持するための吸着剤温度制御部を新たに設けた装置によって上記課題を解決可能であることを見出した。すなわち、本発明に係るガス浄化装置及び方法は以下の通りである。
（１）化学物質を含むガスを吸着剤と接触させ、該化学物質を吸着剤に吸着させる吸着部と、該吸着部を経て移動層を形成しながら下降する吸着剤に対し非凝縮性ガスを向流接触させることによって化学物質を吸着剤から脱離させる脱離部とを備え、さらに吸着部と脱離部との間に、下降する吸着剤を、脱離部を通過した化学物質を含む非凝縮性ガスの露点〜露点＋５０℃の温度に維持するための吸着剤温度制御部を備えるガス浄化装置。
（２）吸着剤温度制御部が、下降する吸着剤を、脱離部を通過した化学物質を含む非凝縮性ガスの露点＋２０℃〜露点＋５０℃の温度に維持するものである上記（１）に記載のガス浄化装置。
（３）露点が、ＮＲＴＬ式により求めた活量係数に基づいて計算される上記（１）又は（２）に記載のガス浄化装置。
（４）化学物質を含むガスを吸着剤と接触させ、該化学物質を吸着剤に吸着させる吸着工程と、該吸着工程を経て移動層を形成しながら下降する吸着剤に対し非凝縮性ガスを向流接触させることによって化学物質を吸着剤から脱離させる脱離工程とを有し、さらに吸着工程と脱離工程との間に、下降する吸着剤を、脱離工程を経た後の化学物質を含む非凝縮性ガスの露点〜露点＋５０℃の温度に維持するための吸着剤温度制御工程を有するガス浄化方法。
（５）吸着剤温度制御工程が、下降する吸着剤を、脱離工程を経た後の化学物質を含む非凝縮性ガスの露点＋２０℃〜露点＋５０℃の温度に維持するものである上記（４）に記載のガス浄化方法。
（６）露点が、ＮＲＴＬ式により求めた活量係数に基づいて計算される上記（４）又は（５）に記載のガス浄化方法。
本発明によれば、脱離部を通過してくる化学物質を含むガスと接触する吸着剤の温度をガスの性状に応じた所定の温度に維持するための吸着剤温度制御部を備えたことにより、吸着剤表面での化学物質の凝縮が抑制され、吸着剤の流動が安定するので、吸着剤の再生が十分に行われ、化学物質の除去率を高い値に維持することができる。
さらに、酢酸エチル等の分解しやすい化学物質であっても、熱による分解を抑制することができ、高い純度で化学物質を分離・回収することができる。したがって、従来例えば３つの蒸留塔を用いて行っていた回収溶剤の精製工程が、例えば酢酸エチルの場合には不純物である酢酸の分離塔を省略し、脱水蒸留塔及び酢酸エチル精製塔の２塔のみで行うことができる。
以下、実施の形態に基づき本発明を詳細に説明する。
図１に、本発明に係るガス浄化装置の一実施形態を示す。このガス浄化装置１は、吸着剤に原ガス中の化学物質を吸着させる吸着部Ａと、ガスシール部Ｂと、吸着剤に非凝縮性ガスを向流接触させて化学物質を脱離させる脱離部Ｄと、ガスシール部Ｅとを備え、さらに吸着部Ａと脱離部Ｄとの間に、流下する吸着剤を所定温度に維持するための吸着剤温度制御部Ｃを備える。ここで、非凝縮性ガスとは、０℃１気圧において気体の物質をいい、例として窒素、酸素、塩化水素、空気等が挙げられる。
図１に、本発明に係るガス浄化装置の一実施形態を示す。このガス浄化装置１は、吸着剤に原ガス中の化学物質を吸着させる吸着部Ａと、ガスシール部Ｂと、吸着剤に非凝縮性ガスを向流接触させて化学物質を脱離させる脱離部Ｄと、ガスシール部Ｅとを備え、さらに吸着部Ａと脱離部Ｄとの間に、流下する吸着剤を所定温度に維持するための吸着剤温度制御部Ｃを備える。ここで、非凝縮性ガスとは、０℃１気圧において気体の物質をいい、例として窒素、酸素、塩化水素、空気等が挙げられる。
塔体の中心には、気流搬送管２を配設し、吸着剤Ｋを搬送ガスＧｂによって塔体の下部から上部の吸着部Ａへ搬送することにより、吸着剤Ｋの循環路を形成している。
この気流搬送管２は、必ずしも塔体内に配設する必要はない。
この気流搬送管２は、必ずしも塔体内に配設する必要はない。
吸着部Ａには、多段の多孔板３が備えられ、吸着剤Ｋが多孔板３上で流動層高１５〜２０ｍｍの流動層を形成し、各段を流動移動しながら逐次下段に落下する。溶剤成分等の化学物質を含む原ガスＧが、吸着部Ａの下方から塔体内に導入され、流下する吸着剤Ｋと均一に接触しながら上昇する。この間、原ガスＧ中の化学物質は吸着剤Ｋに吸着され、浄化された原ガスＧは塔体の上部から大気中へ放出される。
このような吸着剤としては、活性炭等の各種の吸着剤を用いることができるが、特に、粒径が比較的小さく、真球性及び硬度が高い球状の活性炭粒子が、流動性に優れ、また吸着速度が大きいため好ましく用いられる。例として、株式会社クレハ社製の球状活性炭「Ｇ−ＢＡＣ」が挙げられる。
化学物質を吸着した吸着剤Ｋは、ガスシール部Ｂに導入され、吸着剤温度制御部Ｃを通って下部の脱離部Ｄへ移動する。脱離部Ｄは、例えばシェル＆チューブ型熱交換器５から構成され、吸着剤Ｋがチューブ内を重力で移動層を形成しながら流下し、シェル側から水蒸気Ｈ等で間接加熱するようになっている。流下する吸着剤Ｋは、脱離部Ｄの下部から導入される窒素や空気等の非凝縮性ガスＧａと向流接触し、それによって吸着していた化学物質が脱離する。
脱離した化学物質を伴う非凝縮性ガスＧａは、脱離部Ｄを出てコンデンサ６へ導入され、そこで化学物質が冷却液化されて回収される。また、化学物質が回収された非凝縮性ガスＧａは再び系内で循環使用される。
化学物質が脱離した吸着剤Ｋは、気流搬送管２内を搬送ガスＧｂによって塔体の上部へ搬送され、再び吸着部Ａに供給される。
本発明は、脱離部Ｄで脱離した化学物質が、ガスシール部Ｂを通過してくる吸着剤Ｋの表面で凝縮することを防止するため、吸着部Ａと脱離部Ｄとの間に吸着剤温度制御部Ｃを備えることを特徴とする。吸着剤温度制御部Ｃは、例えば脱離部Ｄの上部に流下する吸着剤Ｋを所定温度に維持できるように配置された加熱器７と、脱離部Ｄの上部に流下する吸着剤の温度を測定できる温度検出器（図示せず）とから構成することができる。
加熱器７は、脱離部Ｄの上部に流下する吸着剤Ｋを、脱離部Ｄから上昇してくる化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの露点〜露点＋５０℃の範囲に維持するように設定される。好ましくは露点＋２０℃〜露点＋５０℃の範囲に維持するように設定される。例えば酢酸エチルを７モル％含み、水が７５モル％である窒素ガスの場合には、露点が９２℃であるので、露点〜露点＋５０℃の範囲は９２〜１４２℃となる。
吸着剤の温度が化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの露点より低い場合には、吸着剤Ｋの表面で化学物質が凝縮し、その結果、吸着剤の流動が阻害されるため不適である。また、露点＋５０℃より高い場合には、化学物質が分解する場合があり、液化・回収した化学物質の純度が低下する可能性があり、またコンデンサ６での非凝縮性ガスＧａの冷却のためのエネルギー消費が増大するため好ましくない。
化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの露点は、そのガスの湿度、及び化学物質の濃度によって変動する。ガス浄化装置には、上記の非凝縮性ガスＧａの湿度及び化学物質濃度を測定するための測定部を適宜設けて、化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの組成を測定し、その露点を求める。求められた露点に基づいて、流下する吸着剤温度の制御目標値を設定する。
露点は気液平衡の実験により求められるが、計算によって求めることもできる。計算による方法は、化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの気相の組成に対して、液相の活量係数を用いた気液平衡の式：
なお、活量係数は、２液相を形成する溶液にも適用できる式としてRenonとPrausnitsが提案したＮＲＴＬ式（下記（３））を用いて求めることが好ましい。
以上のようなガス浄化装置１により、工場などから排出されるガス中の化学物質、例えばトルエン、キシレン、ＭＥＫ、フェノール、ナフタレン、ＩＰＡその他の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）成分や、肥料等の悪臭物質を高い効率で除去し、排ガスを浄化することができる。
図１の実施形態では、吸着部、吸着剤温度制御部、及び脱離部が１つの塔体に設けられた例を示したが、これ以外にも、例えば吸着部と吸着剤温度制御部及び脱離部とを別々の塔体として構成しても良い。一例として、吸着部と脱離部とを別々の塔体とし、これを気流搬送管で連結し、吸着剤を、吸着部から脱離部、脱離部から吸着部へと循環させる構成を挙げることができる。この場合、吸着剤温度制御部を構成する加熱器は、吸着部から脱離部への気流搬送管、又は脱離部の上部のガスシール部に配設することができる。
次に、実施例により本発明を詳細に説明する。
（実施例１、比較例１〜２）
図１に示すような吸着部、脱離部、及び吸着剤温度制御部を有するガス浄化装置を用いて、酢酸エチルを含む原ガスの浄化を行った。吸着剤としては、株式会社クレハ製の球状活性炭Ｇ−ＢＡＣを用いた。また、流下する吸着剤に向流接触させる非凝縮性ガスとしては窒素ガスを用いた。吸着剤温度制御部は、図１のように抵抗発熱体による加熱器７と、加熱器７を通過した流下吸着剤の温度を測定する温度検出器（図示せず）とによって構成した。また、化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの露点は、気液平衡の実験により求めた。各例における流下吸着剤の温度は表１に示す通りである。また、化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの組成をモル分率として示した。
（実施例１、比較例１〜２）
図１に示すような吸着部、脱離部、及び吸着剤温度制御部を有するガス浄化装置を用いて、酢酸エチルを含む原ガスの浄化を行った。吸着剤としては、株式会社クレハ製の球状活性炭Ｇ−ＢＡＣを用いた。また、流下する吸着剤に向流接触させる非凝縮性ガスとしては窒素ガスを用いた。吸着剤温度制御部は、図１のように抵抗発熱体による加熱器７と、加熱器７を通過した流下吸着剤の温度を測定する温度検出器（図示せず）とによって構成した。また、化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの露点は、気液平衡の実験により求めた。各例における流下吸着剤の温度は表１に示す通りである。また、化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの組成をモル分率として示した。
実験の結果、表１中の比較例２に示すように、流下吸着剤の温度が酢酸エチルを含む非凝縮性ガスの露点（９２℃）に満たない場合は、吸着剤の流動が不安定となった。また、比較例１に示すように、流下吸着剤温度を露点＋５０℃より高く設定した場合は、実施例１に比べて回収した酢酸エチル中の酢酸濃度が大幅に増加し、回収物の純度が低下することが明らかとなった。
（実施例２、比較例３〜４）
酢酸エチルに代えて酢酸ｎ−プロピルを含む原ガスを用い、化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの露点を計算により求めた以外は、上記実施例１と同様にして浄化を行った。
酢酸エチルに代えて酢酸ｎ−プロピルを含む原ガスを用い、化学物質を含む非凝縮性ガスＧａの露点を計算により求めた以外は、上記実施例１と同様にして浄化を行った。
実験の結果、表２中の比較例４に示すように、流下吸着剤温度が酢酸ｎ−プロピルを含む非凝縮性ガスの露点（９５℃）に満たない場合は、吸着剤の流動が不安定となった。また、比較例３に示すように、流下吸着剤温度を露点＋５０℃より高く設定した場合は、実施例２に比べて回収した酢酸ｎ−プロピル中の酢酸濃度が大幅に増加し、回収物の純度が低下することが明らかとなった。
（実施例３、比較例５〜６）
酢酸ｎ−プロピルに代えてＭＥＫ（メチルエチルケトン）を含む原ガスを用いた以外は、上記実施例２と同様にして浄化を行った。
酢酸ｎ−プロピルに代えてＭＥＫ（メチルエチルケトン）を含む原ガスを用いた以外は、上記実施例２と同様にして浄化を行った。
実験の結果、表３中の比較例６に示すように、流下吸着剤温度がＭＥＫを含む非凝縮性ガスの露点（９５℃）に満たない場合は、吸着剤の流動が不安定となった。また、比較例５に示すように、流下吸着剤温度を露点＋５０℃より高く設定した場合は、実施例３に比べて回収したＭＥＫ中の不純物濃度が大幅に増加することが明らかとなった。
（実施例４、比較例７〜８）
酢酸ｎ−プロピルに代えてシクロヘキサノンを含む原ガスを用いた以外は、上記実施例２と同様にして浄化を行った。
酢酸ｎ−プロピルに代えてシクロヘキサノンを含む原ガスを用いた以外は、上記実施例２と同様にして浄化を行った。
実験の結果、表４中の比較例８に示すように、流下吸着剤温度がシクロヘキサノンを含む非凝縮性ガスの露点（９９℃）に満たない場合は、吸着剤の流動が不安定となった。また、比較例７に示すように、流下吸着剤温度を露点＋５０℃より高く設定した場合は、実施例４に比べて回収したシクロヘキサノン中の不純物濃度が大幅に増加することが明らかとなった。
（実施例５、比較例９〜１０）
酢酸ｎ−プロピルに代えてＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）を含む原ガスを用いた以外は、上記実施例２と同様にして浄化を行った。
酢酸ｎ−プロピルに代えてＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）を含む原ガスを用いた以外は、上記実施例２と同様にして浄化を行った。
実験の結果、表５中の比較例１０に示すように、流下吸着剤温度がＤＭＦを含む非凝縮性ガスの露点（１０１℃）に満たない場合は、吸着剤の流動が不安定となった。また、比較例９に示すように、流下吸着剤温度を露点＋５０℃より高く設定した場合は、実施例５に比べて回収したＤＭＦ中の不純物濃度が大幅に増加することが明らかとなった。
１ ガス浄化装置
２ 気流搬送管
３ 多孔板
５ シェル＆チューブ型熱交換器
６ コンデンサ
７ 加熱器
Ａ 吸着部
Ｂ ガスシール部
Ｃ 吸着剤温度制御部
Ｄ 脱離部
Ｅ ガスシール部
Ｇ 原ガス
Ｇａ 非凝縮性ガス
Ｇｂ 搬送ガス
Ｈ 水蒸気
Ｋ 吸着剤
２ 気流搬送管
３ 多孔板
５ シェル＆チューブ型熱交換器
６ コンデンサ
７ 加熱器
Ａ 吸着部
Ｂ ガスシール部
Ｃ 吸着剤温度制御部
Ｄ 脱離部
Ｅ ガスシール部
Ｇ 原ガス
Ｇａ 非凝縮性ガス
Ｇｂ 搬送ガス
Ｈ 水蒸気
Ｋ 吸着剤
Claims (8)
- 化学物質を含むガスを吸着剤と接触させ、該化学物質を吸着剤に吸着させる吸着部と、該吸着部を経て移動層を形成しながら下降する吸着剤に対し非凝縮性ガスを向流接触させることによって化学物質を吸着剤から脱離させる脱離部とを備え、さらに吸着部と脱離部との間に、下降する吸着剤を、脱離部を通過した化学物質を含む非凝縮性ガスの露点〜露点＋５０℃の温度に維持するための吸着剤温度制御部を備えるガス浄化装置。
- 吸着剤温度制御部が、下降する吸着剤を、脱離部を通過した化学物質を含む非凝縮性ガスの露点＋２０℃〜露点＋５０℃の温度に維持するものである請求項１に記載のガス浄化装置。
- 露点が、ＮＲＴＬ式により求めた活量係数に基づいて計算される請求項１又は２に記載のガス浄化装置。
- 化学物質が、酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、トルエン、キシレン、フェノール、ナフタレン又はイソプロパノールを含む請求項１〜３のいずれかに記載のガス浄化装置。
- 化学物質を含むガスを吸着剤と接触させ、該化学物質を吸着剤に吸着させる吸着工程と、該吸着工程を経て移動層を形成しながら下降する吸着剤に対し非凝縮性ガスを向流接触させることによって化学物質を吸着剤から脱離させる脱離工程とを有し、さらに吸着工程と脱離工程との間に、下降する吸着剤を、脱離工程を経た後の化学物質を含む非凝縮性ガスの露点〜露点＋５０℃の温度に維持するための吸着剤温度制御工程を有するガス浄化方法。
- 吸着剤温度制御工程が、下降する吸着剤を、脱離工程を経た後の化学物質を含む非凝縮性ガスの露点＋２０℃〜露点＋５０℃の温度に維持するものである請求項５に記載のガス浄化方法。
- 露点が、ＮＲＴＬ式により求めた活量係数に基づいて計算される請求項５又は６に記載のガス浄化方法。
- 化学物質が、酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、トルエン、キシレン、フェノール、ナフタレン又はイソプロパノールを含む請求項５〜７のいずれかに記載のガス浄化方法。
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