JP5861177B2

JP5861177B2 - 有機溶剤の脱着方法および有機溶剤の脱着装置

Info

Publication number: JP5861177B2
Application number: JP2011228859A
Authority: JP
Inventors: 高野　善一; 善一高野; 佐藤　俊彦; 俊彦佐藤; 将博田中; 博和杉森
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: JP2013086024A

Description

本発明は、活性炭やゼオライト等の吸着剤に吸着された有機溶剤を脱着して回収するための有機溶剤の脱着方法および有機溶剤の脱着装置の技術分野に関するものである。

一般に、トルエン、酢酸エチル、メチルエチルケトン、ジクロロメタン、クロロベンゼン、ノルマルプロピルアルコール、イソプロピルアルコール等の揮発性の高い有機溶剤は、化学工場、塗装工場、印刷工場、薬品工場、半導体製造工場、精密機械製造工場等の各種施設において、反応、抽出、コーティング、脱脂洗浄等の各種工程で溶剤として広く用いられている。この様な揮発性の高い有機溶剤がガス化して大気中に排出されると、光化学オキシダントや浮遊粒子状物質の要因になり、そこで、ガス化した有機溶剤を回収（除去）するための回収システムが必要とされる。
前記回収システムとしては、従来から、ガス化した有機溶剤を活性炭やゼオライト等の吸着剤に吸着させる一方、該有機溶剤が吸着された吸着剤から有機溶剤を脱着することで、吸着剤を繰り返して利用できるようにしたものが知られている。さらにこの様な回収システムにおいて、吸着剤から有機溶剤を脱着するにあたり、加熱した空気や窒素ガス等のドライガスをキャリアガスとして吸着剤に供給して脱着する方法が知られているが、この様なドライガスを用いた脱着は、脱着率、つまり、吸着剤からの有機溶剤の除去率があまり高くないという問題を有している。このため、ドライガスを用いた脱着では、未脱着有機溶剤が吸着剤に残存してしまうことになって、脱着後の吸着剤を用いて再度吸着しようとしたときに、吸着量が低下するという問題がある。
そこで従来、吸着剤から有機溶剤を脱着するにあたり、ドライガスに換えて過熱水蒸気をキャリアガスとして脱着槽に供給して脱着する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この過熱水蒸気を用いた脱着は、過熱水蒸気の温度や圧力、流量等を適切に設定することで高い脱着率が得られことが確認されている。

特開２０１１−１２５８００号公報

しかしながら、前記過熱水蒸気を用いた脱着では、脱着された有機溶剤ガスと、キャリアとして用いた多量の水蒸気とが混合ガスとなって脱着槽から排出される。そして、この有機溶剤ガスと水蒸気との混合ガスを凝縮し、比重分離等により有機溶剤と凝縮水とに分離して回収した場合に、該回収した凝縮水中には多少なりとも有機溶剤が混入しており、このため、回収した凝縮水からさらに混入している有機溶剤を分離して除去するための除去処理を行なわないと、回収した凝縮水をそのまま外部に排出できないことになる。この凝縮水から有機溶剤を除去するための除去処理は、凝縮水量が多いほど、つまり、脱着に用いた過熱水蒸気の量が多いほど大規模な除去処理が必要であって困難であるという問題があり、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、有機溶剤を吸着した吸着剤から前記有機溶剤を脱着するための脱着方法であって、該脱着方法は、前記吸着剤にドライガスを供給して脱着する第一脱着工程と、該第一脱着工程で脱着された吸着剤に過熱水蒸気を供給して更に脱着する第二脱着工程とを備えたものであり、前記第一脱着工程で供給されるドライガスは、加熱されたドライガスであり、該加熱されたドライガスは、第二脱着工程で供給される過熱水蒸気を熱媒として加熱されるものであることを特徴とする有機溶剤の脱着方法である。
請求項２の発明は、有機溶剤を吸着した吸着剤から前記有機溶剤を脱着するための脱着装置であって、該脱着装置は、前記有機溶剤を吸着した吸着剤が充填される脱着槽と、該脱着槽にドライガスを供給するドライガス供給手段と、脱着槽に過熱水蒸気を供給する過熱水蒸気供給手段と、前記ドライガスを供給して脱着する第一脱着工程の後に過熱水蒸気を供給して脱着する第二脱着工程を行なうべく脱着槽へのドライガス、過熱水蒸気の供給を切換える切換え手段とを備えて構成されると共に、前記ドライガス供給手段は、脱着槽に供給されるドライガスを加熱する加熱器を含むと共に、該加熱器は、過熱水蒸気供給手段が発生する過熱水蒸気を熱媒としてドライガスを加熱する構成であることを特徴とする有機溶剤の脱着装置である。

請求項１または２の発明とすることにより、ドライガスを用いた第一脱着工程では脱着されずに吸着剤に残存している有機溶剤を、過熱水蒸気を用いた第二脱着工程によって確実に脱着できることになって、高い脱着率を確保できる。しかも、過熱水蒸気を用いた第二脱着工程は、ドライガスを用いて脱着された後の活性炭に対して行なわれるため、過熱水蒸気の使用量を大幅に低減することができる。この結果、脱着後の有機溶剤ガスと水蒸気との混合ガスを凝縮したときに生じる凝縮水が大幅に少なくなり、該凝縮水に混入する有機溶剤を除去するための除去処理を小規模にできることになって、除去処理の容易化、コスト低減に大きく貢献できる。
そのうえ第二脱着工程に用いられる過熱水蒸気を有効利用して第一脱着工程に用いられるドライガスを加熱できることになって、ドライガス加熱用の熱源を別途必要とせず、装置の兼用化、省エネルギー化が図れる。

脱着装置のフローを示す図である。予備実験例の実験結果を示す表図である。実施例の実験結果を示す表図である。比較例の実験結果を示す表図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１は、脱着装置のフローを示す図であるが、該図１において、１は脱着槽であって、該脱着槽１には、有機溶剤が吸着された活性炭（本発明の吸着剤に相当する）が充填されている。

また、２は前記脱着槽１の上流側に設けられるブロアであって、該ブロア２から圧送されたドライガス（本実施の形態では空気）は、加熱器３によって加熱されてから前記脱着槽１に供給される。この場合に、加熱器３から脱着槽１に至る配管４には第一開閉弁５が配されており、該第一開閉弁５によって、脱着槽１へのドライガスの供給の開閉を行なえるようになっている。尚、脱着槽１に供給されるドライガスの温度及び流量は、活性炭に吸着された有機溶剤の特性や吸着量等に応じて適宜設定される。また、前記ブロア２及び加熱器３は、本発明のドライガス供給手段を構成する。さらに、本発明のドライガスとは、空気、或いは水分を除去した空気、或いは窒素等の不活性ガス、或いは空気と不活性ガスとの混合ガス等の低水分状態のガスをいう。

さらに、６は前記ブロア２と並列する状態で脱着槽１の上流側に設けられる過熱水蒸気発生装置（本発明の過熱水蒸気供給手段に相当する）であって、該過熱水蒸気発生装置６は、１００℃を越える過熱水蒸気（例えば、２００℃〜３５０℃の水蒸気）を発生して前記脱着槽１に供給する。この場合に、過熱水蒸気発生装置６から脱着槽１に至る配管７には開度量調整可能な第二開閉弁８が配設されており、該第二開閉弁８によって、過熱水蒸気発生装置６から脱着槽１への過熱水蒸気の供給の開閉、及び供給される過熱水蒸気の圧力の調整を行なえるようになっている。尚、脱着槽１に供給される過熱水蒸気の温度及び流量は、活性炭に吸着された有機溶剤の特性や吸着量等に応じて適宜設定される。

ここで、前記加熱器３は、過熱水蒸気発生装置６で発生した過熱水蒸気を熱媒として、ブロア２から圧送されたドライガスを加熱する構成になっている。この場合に、過熱水蒸気発生装置６から加熱器３に至る配管９には開度量調整可能な第三開閉弁１０が配設されており、該第三開閉弁１０によって、過熱水蒸気発生装置６から加熱器３への過熱水蒸気の供給の開閉、及び供給される加熱水蒸気の圧力の調整を行なえるようになっている。

そして、前記脱着槽１に充填された活性炭を脱着するにあたり、まず、第一脱着工程として、ブロア２から圧送されて加熱器３により加熱されたドライガスをキャリアガスとして脱着槽１に供給して、活性炭に吸着された有機溶剤を脱着する。このドライガスを用いた第一脱着工程は、脱着槽１の出口側に接続された濃度センサ１１（例えば、ガスクロマトグラフィー）により測定される有機溶剤濃度が、予め設定される設定濃度以下まで低下した時点で終了させる。或いは、予め設定される設定時間経過後に終了させる。該第一脱着工程を終了させる設定時間、或いは設定濃度は、活性炭に吸着された有機溶剤の特性や吸着量等に応じて設定されるが、本実施の形態では、脱着前の吸着量に対して第一脱着工程で７０％〜９０％程度の脱着が行なわれるように、設定時間或いは設定濃度が設定されている。

続いて、第二脱着工程として、過熱水蒸気発生装置６で発生された過熱水蒸気を脱着槽１に供給して、前記第一脱着工程でドライガスにより脱着された活性炭から更に有機溶剤を脱着する。この過熱水蒸気を用いた第二脱着工程は、脱着槽１の出口側に接続された温度センサ１２により測定されるガス温度が、予め設定される設定温度を越えた時点で終了させる。該第二脱着工程を終了させる設定温度は、活性炭に吸着された有機溶剤の沸点に応じて、該沸点よりも高い温度（例えば、有機溶剤の沸点よりも１０℃高い温度）が設定される。これは、脱着中においては、脱着槽１の出口側温度が有機溶剤の沸点近傍に保持される（脱着中は、有機溶剤の気化熱により過熱水蒸気の温度が低下してバランスするためと推論される）一方、脱着終了後は、脱着槽１の出口側温度が過熱水蒸気の供給温度近くまで急激に上昇することが実験により確認されているためである。

而して、活性炭から有機溶剤を脱着する脱着工程として、まず、ドライガスを用いた第一脱着工程が行なわれ、続けて、過熱水蒸気を用いた第二脱着工程が行なわれる。そして、ドライガスを用いた第一脱着工程によって、活性炭から大部分（例えば、吸着量の７０％〜９０％）の有機溶剤が脱着され、続けて行なわれる過熱水蒸気を用いた第二脱着工程によって、第一脱着工程で脱着されずに活性炭に残存している有機溶剤の殆ど（例えば、第一脱着工程での脱着分も含めて吸着量の９９％〜略１００％）が確実に脱着されるようになっている。尚、第一脱着工程中は、加熱器３から脱着槽１に至る配管４に配設の第一開閉弁５が開き、過熱水蒸気発生装置６から脱着槽１に至る配管７に配設の第二開閉弁８が閉じるように制御され、また、第二脱着工程中は、第一開閉弁５が閉じ第二開閉弁８が開くように制御され、これにより、第一脱着工程ではドライガスが脱着槽１に供給され、また、第二脱着工程では過熱水蒸気が脱着槽１に供給されることになるが、これら第一開閉弁５および第二開閉弁８は、本発明の脱着槽へのドライガス、過熱水蒸気の供給を切換える切換え手段に相当する。また、前記脱着槽１、ブロア２及び加熱器３（ドライガス供給手段）、過熱水蒸気発生装置６（過熱水蒸気供給手段）、第一開閉弁５及び第二開閉弁８（切換え手段）は、本発明の脱着装置を構成する。

一方、１３は前記脱着槽１の下流側に設けられる予冷凝縮器であって、該予冷凝縮器１３は、工業用水を冷媒として、脱着槽１から排出された混合ガスを冷却する。該脱着槽１から排出される混合ガスは、第一脱着工程においては活性炭から脱着された有機溶剤ガスとドライガスとの混合ガスであり、また、第二脱着工程においては活性炭から脱着された有機溶剤ガスと水蒸気との混合ガスであるが、これら混合ガスが予冷凝縮器１３によって冷却されることによって、有機溶剤ガスおよび水蒸気の一部が液化する。そして、該液化された有機溶剤および凝縮水は凝縮液タンク１４にトラップされた後、比重分離器、蒸留分離器等の分離器１５により有機溶剤と凝縮水とに分離されて、それぞれ有機溶剤回収タンク１６、凝縮水回収タンク１７に回収される。

さらに、１８は前記凝縮液タンク１４の下流側に設けられる低温凝縮器であって、該低温凝縮器１８は、前記予冷凝縮器１３によって液化されなかった混合ガスを、冷却器１９によって冷却された低温（例えば、−５℃〜５℃）の冷媒を用いて冷却して液化する。そして、該低温凝縮器１８によって液化された凝縮液は、有機溶剤と凝縮水と分離されて、それぞれ有機溶剤回収タンク２０、凝縮水回収タンク２１に回収される。尚、凝縮器としては、前記低温凝縮器１８に代えて、加圧深冷型の凝縮器等を用いることもできる。

ここで、前記凝縮水回収タンク１７、２１に回収された凝縮水は、若干の有機溶剤を含有している。該有機溶剤を含有している凝縮水は、有機溶剤を除去する除去処理を行なった後に排水される。また、低温凝縮器１８から排出されるガスは、必要に応じて活性炭等の吸着剤に吸着させて有機溶剤を除去処理してから、外部に排気される。

叙述の如く構成された本実施の形態において、脱着装置は、有機溶剤を吸着した活性炭が充填される脱着槽１と、該脱着槽１に加熱されたドライガスを供給するブロア２および加熱器３と、脱着槽１に過熱水蒸気を供給する過熱水蒸気発生装置６と、脱着槽１へのドライガス、過熱水蒸気の供給を切換えるための第一、第二開閉弁５、８とを備えている。そして、脱着槽１に充填された活性炭を脱着する場合には、まず、活性炭に加熱されたドライガスを供給して脱着する第一脱着工程が行なわれ、その後に、前記第一工程で脱着された活性炭に過熱水蒸気を供給して更に脱着する第二脱着工程が行なわれることになる。

而して、ドライガスを用いた第一脱着工程の後に、過熱水蒸気を用いた第二脱着工程が行なわれることになり、これにより、ドライガスを用いた第一脱着工程では脱着されずに活性炭に残存している有機溶剤を、過熱水蒸気を用いた第二脱着工程によって確実に脱着できることになって、高い脱着率を確保できる。しかも、過熱水蒸気を用いた第二脱着工程は、ドライガスを用いて脱着された後の活性炭に対して行なわれるため、ドライガスを用いた脱着を行なわずに過熱水蒸気を用いた脱着のみを行なう場合と比して、過熱水蒸気の使用量を大幅に低減することができる。この結果、脱着後の有機溶剤ガスと水蒸気との混合ガスを凝縮したときに生じる凝縮水を大幅に少なくすることができ、よって、凝縮水から有機溶剤を除去するための除去処理を小規模にすることができて、除去処理の容易化、コスト低減に大きく貢献できる。

しかもこのものにおいて、第一脱着工程に用いられるドライガスを加熱するための加熱器３は、過熱水蒸気発生装置６が発生する過熱水蒸気を熱媒としているから、第二脱着工程に用いられる過熱水蒸気を有効利用して第一脱着工程に用いられるドライガスを加熱できることになって、ドライガス加熱用の熱源を別途必要とせず、装置の兼用化、省エネルギー化が図れる。

次に、本発明の有用性を確認するための予備実験例、実施例、比較例の各実験について、以下に具体的に記載する。これら予備実験例、実施例、比較例の各実験に用いた装置は、前述した脱着装置を実用化レベルよりも小型化したものであって、同一の符号を附すと共に、各装置の説明は省略する。また、これらの実験において、脱着槽１に充填される吸着剤としては活性炭を用い、該活性炭の１３．８ｋｇに有機溶剤としてトルエン（Ｃ_６Ｈ_５ＣＨ_３）２．９０ｋｇを吸着させ、該トルエンを吸着した活性炭からトルエンを脱着させる実験を行った。

＜予備実験例＞
予備実験として、本発明の第一脱着工程の脱着率が高くなる条件を検討するために、ドライガスの温度、風量をパラメータとして、ドライガスのみによる脱着を行なった。この場合に、ブロア２および加熱器３は、図２の実験Ｎｏ１−１〜Ｎｏ１−６に示す温度、風量の加熱空気を脱着槽１に供給するように設定した。この加熱空気による脱着は、脱着時間１時間で終了させた。その結果を図２に示すが、この予備実験で脱着率が最も高いのは実験Ｎｏ１−３（脱着量２．６６ｋｇ、脱着率９１％）であり、そこで、該実験Ｎｏ１−３の条件（加熱空気の温度２０７℃、風量８００Ｌ／分）を、後述する実施例の第一脱着工程の条件として採用することにした。尚、実験Ｎｏ１−３の条件で脱着時期を１時間以上しても、トルエンの脱着量は殆ど増加しないことを実験により確認した。

＜実施例＞
本発明の実施例として、ドライガスを用いた第一脱着工程の後に、過熱水蒸気を用いた第二工程を行なった。この場合に、第一脱着工程において、ブロア２および加熱器３は、２０７℃、８００Ｌ／分（予備実験の実験Ｎｏ１−３の条件）の加熱空気を脱着槽１に供給するように設定すると共に、第一脱着工程は、脱着時間１時間で終了させた。前述した予備実験の結果から、第一脱着工程が終了した時点でのトルエンの脱着量は２．６６ｋｇであり、脱着率は９１％である。また、第二脱着工程において、過熱水蒸気発生装置６は、図３の実験Ｎｏ２−１〜Ｎｏ２−３に示す温度、蒸気量の過熱水蒸気を脱着槽１に供給するように設定すると共に、第二脱着工程は、脱着槽１の出口側温度が１２０℃（トルエンの沸点１１０℃よりも１０℃高い温度）を越えた時点で終了させた。その結果を図３に示すが、第二脱着工程で要した脱着時間は、実験Ｎｏ２−１は３５分、実験Ｎｏ２−２は３１分、実験Ｎｏ２−３は２５分である。また、実験Ｎｏ２−１〜Ｎｏ２−３の何れにおいても、第二脱着工程が終了した時点でのトルエンの脱着量（第一脱着工程で脱着された分を含む）は２．９０ｋｇであり、脱着率は１００％であった。
これにより、加熱空気（ドライガス）を用いた第一脱着工程の後に、過熱水蒸気を用いた第二脱着工程を行なうことによって、高い脱着率（実施例では１００％）で脱着できることが確認された。この実施例で用いた過熱水蒸気の総量は、計算上、実験Ｎｏ２−１では２５ｋｇ（（４３ｋｇ／時間）×３５分＝２５ｋｇ）、実験Ｎｏ２−２では２２ｋｇ（（４３ｋｇ／時間）×３１分＝２２ｋｇ）、実験Ｎｏ２−３では２０ｋｇ（（４７ｋｇ／時間）×２５分＝２０ｋｇ）である。

＜比較例＞
比較例として、ドライガスによる脱着を行なわずに、過熱水蒸気による脱着のみを行なった。この場合に、過熱水蒸気発生装置６は、図４の実験Ｎｏ３−１〜Ｎｏ３−３に示す温度、蒸気量の過熱水蒸気を脱着槽１に供給するように設定したが、該実験Ｎｏ３−１〜Ｎｏ３−３で設定した過熱水蒸気の温度、蒸気量は、前記実施例の実験Ｎｏ２−１〜Ｎｏ２−３で設定した過熱水蒸気の温度、蒸気量とそれぞれ同一である。また、この過熱水蒸気による脱着は、実施例と同様に、脱着槽１の出口側温度が１２０℃（トルエンの沸点１１０℃よりも１０℃高い温度）を越えた時点で終了させた。その結果を図４に示すが、比較例で要した脱着時間は、実験Ｎｏ３−１は９１分、実験Ｎｏ３−２は８０分、実験Ｎｏ３−３は６５分である。また、実験Ｎｏ３−１〜Ｎｏ３−３の何れにおいても、トルエンの脱着量（第一脱着工程で脱着された分を含む）は２．９ｋｇであり、脱着率は１００％であった。また、この比較例で用いた過熱水蒸気の総量は、計算上、実験Ｎｏ３−１では６５ｋｇ（（４３ｋｇ／時間）×９１分＝６５ｋｇ）、実験Ｎｏ３−２では５７ｋｇ（（４３ｋｇ／時間）×５７分＝５７ｋｇ）、実験Ｎｏ３−３では５１ｋｇ（（４７ｋｇ／時間）×６５分＝５１ｋｇ）である。
このことから、過熱水蒸気による脱着のみを行なう比較例では、前記実施例と同様に、高い脱着率で脱着することはできるものの、実施例と比して、多量（約２．６倍）の過熱水蒸気を必要とすることが確認され、これにより、本発明が実施された実施例では、比較例と比して過熱水蒸気の使用量を大幅に低減できることが確認された。

尚、前記実施例では、第一脱着工程で、該第一脱着工程で脱着できる最大量まで脱着し、第二脱着工程で残りの分を脱着するように設定した。この様にした場合には、第二脱着工程で脱着する残りの脱着量が最小となるため、過熱水蒸気の使用量を最大限低減できることになるが、これに限定されることなく、第一、第二の各工程で脱着する脱着量の割合は、第一、第二の各脱着工程で使用するエネルギーや水処理にかかるコスト等を総合的に考慮して適宜設定することができる。

例えば、ドライガスによる第一脱着工程を、脱着効率の比較的高い時点で終了させるように設定することもできる。つまり、第一脱着工程の脱着効率（時間あたりの脱着量）は、脱着開始直後は高いが、脱着時間が経過するにつれて低下する。このため、第一脱着工程で脱着できる最大量まで脱着すると、脱着効率の低い状態での脱着時間が長くなって、省エネルギー化に反してしまう惧れがある。そこで、第一脱着工程は、脱着効率の比較的高い時点（例えば、吸着量の７０％まで脱着した時点）で終了させ、残りを第二脱着工程で脱着するように設定しても良い。この場合においても、ドライガスを用いた脱着を行なわずに過熱水蒸気を用いた脱着のみを行なう場合と比して、過熱水蒸気の使用量を大幅に低減することができるのは勿論である。

本発明は、活性炭やゼオライト等の吸着剤に吸着された有機溶剤を脱着する場合に利用できる。

１脱着槽
２ブロア
３加熱器
５第一開閉弁
６過熱水蒸気発生装置
８第二開閉弁

Claims

有機溶剤を吸着した吸着剤から前記有機溶剤を脱着するための脱着方法であって、該脱着方法は、前記吸着剤にドライガスを供給して脱着する第一脱着工程と、該第一脱着工程で脱着された吸着剤に過熱水蒸気を供給して更に脱着する第二脱着工程とを備えたものであり、前記第一脱着工程で供給されるドライガスは、加熱されたドライガスであり、該加熱されたドライガスは、第二脱着工程で供給される過熱水蒸気を熱媒として加熱されるものであることを特徴とする有機溶剤の脱着方法。
有機溶剤を吸着した吸着剤から前記有機溶剤を脱着するための脱着装置であって、該脱着装置は、前記有機溶剤を吸着した吸着剤が充填される脱着槽と、該脱着槽にドライガスを供給するドライガス供給手段と、脱着槽に過熱水蒸気を供給する過熱水蒸気供給手段と、前記ドライガスを供給して脱着する第一脱着工程の後に過熱水蒸気を供給して脱着する第二脱着工程を行なうべく脱着槽へのドライガス、過熱水蒸気の供給を切換える切換え手段とを備えて構成されると共に、前記ドライガス供給手段は、脱着槽に供給されるドライガスを加熱する加熱器を含むと共に、該加熱器は、過熱水蒸気供給手段が発生する過熱水蒸気を熱媒としてドライガスを加熱する構成であることを特徴とする有機溶剤の脱着装置。