JP5600336B2 - ガス分離装置およびガス分離方法 - Google Patents
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Description
上記課題を解決するために、参考発明のガス分離装置は、少なくとも一部が、常温よりも高温もしくは低温の雰囲気に曝される吸着塔と、前記吸着塔内に複数の物質を含有する混合ガスを供給する混合ガス供給部と、前記吸着塔内に設けられ、所定の圧力および温度環境下で前記混合ガスに接触すると、当該混合ガスに含有される物質を吸着して、混合ガス中の物質を分離する吸着剤と、前記混合ガスから前記吸着剤に吸着された物質が取り除かれた分離ガスを前記吸着塔から排出する分離ガス排出部と、前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着した吸着ガスを吸着剤から脱着させて当該吸着塔から排出する吸着ガス排出部と、を備え、前記吸着塔には、前記吸着剤よりも前記混合ガスの供給方向の上流側および下流側の双方に配され、前記混合ガス供給部から当該吸着塔内に供給される混合ガス、前記分離ガス排出部によって当該吸着塔内から排出される分離ガス、および、前記吸着ガス排出部によって当該吸着塔から排出される吸着ガスが通過する蓄熱体が設けられていることを特徴とする。
参考発明についての記載は、以上である。
上記課題を解決するために、本発明の他のガス分離装置は、少なくとも一部が、常温よりも高温の雰囲気に曝される吸着塔と、前記吸着塔の一端側もしくは他端側から該吸着塔内に複数の物質を含有する混合ガスを供給する混合ガス供給部と、前記吸着塔内に設けられ、所定の圧力および温度環境下で前記混合ガスに接触すると、当該混合ガスに含有される物質を吸着して、混合ガス中の物質を分離する吸着剤と、前記混合ガスから前記吸着剤に吸着された物質が取り除かれた分離ガスを前記吸着塔の前記一端側もしくは前記他端側から排出する分離ガス排出部と、前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着した吸着ガスを吸着剤から脱着させて当該吸着塔内から排出する吸着ガス排出部と、前記吸着剤よりも前記混合ガスの供給方向の上流側および下流側の双方に配され、前記混合ガス供給部から当該吸着塔内に供給される混合ガス、前記分離ガス排出部によって当該吸着塔内から排出される分離ガス、および、前記吸着ガス排出部によって当該吸着塔内から排出される吸着ガスが通過する蓄熱体と、前記混合ガス供給部を制御して前記吸着塔内へ混合ガスを供給する供給処理、前記分離ガス排出部を制御して前記吸着塔内から分離ガスを排出する分離ガス排出処理、および、前記吸着ガス排出部を制御して前記吸着塔内から吸着ガスを排出する吸着ガス排出処理を時系列に行うガス分離処理を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記供給処理において、前記混合ガス供給部を制御して、前記吸着塔の一端側および他端側のうち、前回の分離ガス排出処理において前記分離ガスを排出した側から、前記混合ガスを供給させることで、該前回の分離ガス排出工程において前記蓄熱体に保持させた該分離ガスが有する熱を、該混合ガスに付与させ、前記分離ガス排出処理において、前記分離ガス排出部を制御して、前記吸着塔における、前回の分離ガス排出処理で分離ガスを排出した側と異なる側から分離ガスを排出させることで、該分離ガスが有する熱を前記蓄熱体に保持させることを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明の他のガス分離方法は、少なくとも一部が、常温よりも高温の雰囲気に曝される吸着塔内に設けられた吸着剤に、所定の圧力および温度環境下で混合ガスを接触させることにより、当該混合ガスに含有される物質を吸着剤に吸着させ、混合ガス中の物質を分離するガス分離方法であって、前記吸着塔内に供給される混合ガス、当該吸着塔内から排出される分離ガス、および、当該吸着塔内から排出される吸着ガスが通過する蓄熱体が、該吸着剤よりも該混合ガスの供給方向の上流側および下流側の双方に配されており、前記吸着塔内に前記混合ガスを供給する供給工程と、前記吸着塔内を前記所定の圧力および温度環境に維持し、前記混合ガスに含有される物質を吸着剤に吸着させる吸着工程と、前記混合ガスから前記吸着剤に吸着された物質が取り除かれた分離ガスを前記吸着塔内から排出する分離ガス排出工程と、前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着した吸着ガスを吸着剤から脱着させて当該吸着塔内から排出する吸着ガス排出工程と、を繰り返し行い、前記供給工程において、前記吸着塔の一端側および他端側のうち、前回の分離ガス排出工程において前記分離ガスを排出した側から、前記混合ガスを供給することで、該前回の分離ガス排出工程において前記蓄熱体に保持させた該分離ガスが有する熱を、該混合ガスに付与させ、前記分離ガス排出工程において、前記吸着塔における、前回の分離ガス排出工程で分離ガスを排出した側と異なる側から分離ガスを排出することで、該分離ガスが有する熱を前記蓄熱体に保持させることを特徴とする。
図1は、第1の実施形態のガス分離装置100を説明するための図である。本実施形態のガス分離装置100は、PSA法を利用したガス分離装置であるが、以下では空気から酸素および窒素をそれぞれ分離する構成を例に挙げて説明する。
続いて、ガス分離装置100を用いたガス分離方法について説明する。図2は、ガス分離方法の処理の流れを説明するためのフローチャートであり、図3は、ガス分離方法の各工程におけるバルブの開閉状態を説明するための図である。
図4は、第1吸着工程S210の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
不図示の制御手段は、混合ガス供給部120を駆動し、バルブ124aを開状態とし(図3参照)、吸着塔110a内へ空気を供給する(供給処理)。つまり、常温の空気は、蓄熱体160aを通って、吸着剤130へ到達することとなる。
そして、制御手段は、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P1(例えば、100kPa〜200kPa)以上となったか否かを判定する。制御手段は、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P1以上となるまで(S210−2におけるNO)、供給工程S210−1を遂行する。制御手段が供給処理を遂行し、吸着塔110a内を所定の圧力P1まで昇圧している間に、空気中の酸素を吸着剤130に吸着させる。一方、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P1以上となると(S210−2におけるYES)、混合ガス供給部120を停止させ、後述する分離ガス排出工程S210−3へと処理を移行する。
吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P1以上となると(S210−2におけるYES)、制御手段は、バルブ124aを閉状態とし、バルブ144bを開状態とする(図3参照)。これにより、分離ガス排出部140は、空気から吸着剤130に吸着された酸素が取り除かれた窒素を吸着塔110aから排出する(分離ガス排出処理)。つまり、高温(250℃〜900℃)の窒素は、蓄熱体160bを通って排出されることとなり、常温の蓄熱体160bは、かかる高温の窒素によって加熱されることになる。一方、常温の蓄熱体160bによって高温の窒素を冷却することができる。そして、吸着塔110aから排出された窒素は、窒素タンク146に送出されることとなる。
そして、制御手段は、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P2(例えば、60kPa)未満となったか否かを判定する。制御手段は、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P2未満となるまで(S210−4におけるNO)、分離ガス排出工程S210−3を遂行する。一方、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P2未満となると(S210−4におけるYES)、第1吸着工程S210が終了したとみなし、後述する第1再生工程S220へと処理を移行する。
図5は、第1再生工程S220の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
上述した分離ガス排出判定工程S210−4において、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P2未満となると(S210−4におけるYES)、制御手段は、バルブ144bを閉状態とし、バルブ154aを開状態とするとともに(図3参照)、吸着ガス排出部150を駆動する。これにより、吸着塔110a内が減圧されて吸着剤130に吸着した酸素が吸着剤130から脱着し、当該吸着塔110aから酸素が排出される(吸着ガス排出処理)。つまり、高温(250℃〜900℃)の酸素は、蓄熱体160aを通って排出されることとなり、常温の蓄熱体160aは、かかる高温の酸素によって加熱されることになる。一方、常温の蓄熱体160aによって高温の酸素を冷却することができる。そして、吸着塔110aから排出された酸素は、酸素タンク156に送出されることとなる。
そして、制御手段は、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P3(例えば、2kPa〜20kPa)未満となったか否かを判定する。制御手段は、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P3未満となるまで(S220−2におけるNO)、吸着ガス排出工程S220−1を遂行する。一方、吸着塔110a内の圧力Pが所定の圧力P3未満となると(S220−2におけるYES)、第1再生工程S220が終了したとみなし、制御手段は、バルブ154aを閉状態として(図3参照)、後述する第2吸着工程S230へと処理を移行する。
制御手段は、図4に示す吸着処理を遂行する。なお、ここでは、図4の吸着処理のうち、ステップS210−1およびステップS210−3において、制御手段が開閉するバルブが異なる点以外は、上記したとおりであるため、制御手段によるバルブの開閉制御について詳述し、その他の詳細な説明は省略する。
制御手段は、図5に示す再生処理を遂行する。なお、ここでは、図5の再生処理のうち、ステップS220−1において、制御手段が開閉するバルブが異なる点以外は、上記したとおりであるため、制御手段によるバルブの開閉制御について詳述し、その他の詳細な説明は省略する。
上述した第1の実施形態において、ガス分離装置100の吸着塔110は、中心軸が略直線である円筒形状に構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、吸着塔の形状に限定はない。第2の実施形態では、他の形状の吸着塔を有するガス分離装置300について説明する。
110、310 …吸着塔
120 …混合ガス供給部
130 …吸着剤
140 …分離ガス排出部
150 …吸着ガス排出部
160 …蓄熱体
312、314 …延在部
320 …折り返し部
Claims (9)
- 少なくとも一部が、常温よりも高温もしくは低温の雰囲気に曝される吸着塔と、
前記吸着塔の一端側もしくは他端側から該吸着塔内に複数の物質を含有する混合ガスを供給する混合ガス供給部と、
前記吸着塔内に設けられ、所定の圧力および温度環境下で前記混合ガスに接触すると、当該混合ガスに含有される物質を吸着して、混合ガス中の物質を分離する吸着剤と、
前記混合ガスから前記吸着剤に吸着された物質が取り除かれた分離ガスを前記吸着塔の前記一端側もしくは前記他端側から排出する分離ガス排出部と、
前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着した吸着ガスを吸着剤から脱着させて当該吸着塔内から排出する吸着ガス排出部と、
前記吸着剤よりも前記混合ガスの供給方向の上流側および下流側の双方に配され、該吸着剤から外部への熱の流出、および、外部から該吸着剤への熱の流入を低減するとともに、前記混合ガス供給部から当該吸着塔内に供給される混合ガス、前記分離ガス排出部によって当該吸着塔内から排出される分離ガス、および、前記吸着ガス排出部によって当該吸着塔内から排出される吸着ガスが通過する蓄熱体と、
前記混合ガス供給部を制御して前記吸着塔内へ混合ガスを供給する供給処理、前記分離ガス排出部を制御して前記吸着塔内から分離ガスを排出する分離ガス排出処理、および、前記吸着ガス排出部を制御して前記吸着塔内から吸着ガスを排出する吸着ガス排出処理を時系列に行うガス分離処理を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記供給処理において、前記混合ガス供給部を制御して、前記吸着塔の一端側および他端側のうち、前回の分離ガス排出処理において前記分離ガスを排出した側から、前記混合ガスを供給させ、
前記分離ガス排出処理において、前記分離ガス排出部を制御して、前記吸着塔における、前回の分離ガス排出処理で分離ガスを排出した側と異なる側から分離ガスを排出させることを特徴とするガス分離装置。 - 少なくとも一部が、常温よりも高温の雰囲気に曝される吸着塔と、
前記吸着塔の一端側もしくは他端側から該吸着塔内に複数の物質を含有する混合ガスを供給する混合ガス供給部と、
前記吸着塔内に設けられ、所定の圧力および温度環境下で前記混合ガスに接触すると、当該混合ガスに含有される物質を吸着して、混合ガス中の物質を分離する吸着剤と、
前記混合ガスから前記吸着剤に吸着された物質が取り除かれた分離ガスを前記吸着塔の前記一端側もしくは前記他端側から排出する分離ガス排出部と、
前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着した吸着ガスを吸着剤から脱着させて当該吸着塔内から排出する吸着ガス排出部と、
前記吸着剤よりも前記混合ガスの供給方向の上流側および下流側の双方に配され、前記混合ガス供給部から当該吸着塔内に供給される混合ガス、前記分離ガス排出部によって当該吸着塔内から排出される分離ガス、および、前記吸着ガス排出部によって当該吸着塔内から排出される吸着ガスが通過する蓄熱体と、
前記混合ガス供給部を制御して前記吸着塔内へ混合ガスを供給する供給処理、前記分離ガス排出部を制御して前記吸着塔内から分離ガスを排出する分離ガス排出処理、および、前記吸着ガス排出部を制御して前記吸着塔内から吸着ガスを排出する吸着ガス排出処理を時系列に行うガス分離処理を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記供給処理において、前記混合ガス供給部を制御して、前記吸着塔の一端側および他端側のうち、前回の分離ガス排出処理において前記分離ガスを排出した側から、前記混合ガスを供給させることで、該前回の分離ガス排出処理において前記蓄熱体に保持させた該分離ガスが有する熱を、該混合ガスに付与させ、
前記分離ガス排出処理において、前記分離ガス排出部を制御して、前記吸着塔における、前回の分離ガス排出処理で分離ガスを排出した側と異なる側から分離ガスを排出させることで、該分離ガスが有する熱を前記蓄熱体に保持させることを特徴とするガス分離装置。 - 前記制御手段は、
1回のガス分離処理において、前記吸着塔の一端側から前記分離ガスを排出し、前記吸着塔の他端側から前記吸着ガスを排出することを特徴とする請求項1または2に記載のガス分離装置。 - 前記蓄熱体は、所定の圧力および前記吸着剤よりも常温に近い温度環境下で前記混合ガスに接触すると、当該混合ガスに含有される物質を吸着して、混合ガスの物質を分離することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のガス分離装置。
- 前記吸着塔は、
直線状に延在する複数の延在部と、2つの延在部を接続する湾曲形状もしくは屈曲形状の折り返し部と、を有する管状部材で構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のガス分離装置。 - 前記複数の延在部は、互いに平行に配置されており、
前記混合ガスの供給方向の上流側および下流側に配される2つの蓄熱体は、2つの延在部にそれぞれ設けられるとともに、該延在部における前記折り返し部が接続される端部と反対の端部に配置されていることを特徴とする請求項5記載のガス分離装置。 - 前記吸着剤は、酸素を吸着するペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のガス分離装置。
- 少なくとも一部が、常温よりも高温もしくは低温の雰囲気に曝される吸着塔内に設けられた吸着剤に、所定の圧力および温度環境下で混合ガスを接触させることにより、当該混合ガスに含有される物質を吸着剤に吸着させ、混合ガス中の物質を分離するガス分離方法であって、
前記吸着剤から外部への熱の流出、および、外部から該吸着剤への熱の流入を低減するとともに、当該吸着塔内に供給される混合ガス、当該吸着塔内から排出される分離ガス、および、当該吸着塔内から排出される吸着ガスが通過する蓄熱体が、該吸着剤よりも該混合ガスの供給方向の上流側および下流側の双方に配されており、
前記吸着塔内に前記混合ガスを供給する供給工程と、
前記吸着塔内を前記所定の圧力および温度環境に維持し、前記混合ガスに含有される物質を吸着剤に吸着させる吸着工程と、
前記混合ガスから前記吸着剤に吸着された物質が取り除かれた分離ガスを前記吸着塔内から排出する分離ガス排出工程と、
前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着した吸着ガスを吸着剤から脱着させて当該吸着塔内から排出する吸着ガス排出工程と、
を繰り返し行い、
前記供給工程において、前記吸着塔の一端側および他端側のうち、前回の分離ガス排出工程において前記分離ガスを排出した側から、前記混合ガスを供給し、
前記分離ガス排出工程において、前記吸着塔における、前回の分離ガス排出工程で分離ガスを排出した側と異なる側から分離ガスを排出させることを特徴とするガス分離方法。 - 少なくとも一部が、常温よりも高温の雰囲気に曝される吸着塔内に設けられた吸着剤に、所定の圧力および温度環境下で混合ガスを接触させることにより、当該混合ガスに含有される物質を吸着剤に吸着させ、混合ガス中の物質を分離するガス分離方法であって、
前記吸着塔内に供給される混合ガス、当該吸着塔内から排出される分離ガス、および、当該吸着塔内から排出される吸着ガスが通過する蓄熱体が、該吸着剤よりも該混合ガスの供給方向の上流側および下流側の双方に配されており、
前記吸着塔内に前記混合ガスを供給する供給工程と、
前記吸着塔内を前記所定の圧力および温度環境に維持し、前記混合ガスに含有される物質を吸着剤に吸着させる吸着工程と、
前記混合ガスから前記吸着剤に吸着された物質が取り除かれた分離ガスを前記吸着塔内から排出する分離ガス排出工程と、
前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着した吸着ガスを吸着剤から脱着させて当該吸着塔内から排出する吸着ガス排出工程と、
を繰り返し行い、
前記供給工程において、前記吸着塔の一端側および他端側のうち、前回の分離ガス排出工程において前記分離ガスを排出した側から、前記混合ガスを供給することで、該前回の分離ガス排出工程において前記蓄熱体に保持させた該分離ガスが有する熱を、該混合ガスに付与させ、
前記分離ガス排出工程において、前記吸着塔における、前回の分離ガス排出工程で分離ガスを排出した側と異なる側から分離ガスを排出することで、該分離ガスが有する熱を前記蓄熱体に保持させることを特徴とするガス分離方法。
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