JP5875548B2 - ガス分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、混合ガスに含まれる利用対象のガス成分（以下、「目的ガス成分」と称する）を効率的に分離することができる方法に関するものである。

複数のガス成分を有する混合ガスから目的ガス成分を分離する場合、混合ガスを吸着剤（数ｍｍφの球形状あるいは数ｍｍφ×数ｍｍ長のペレット状であることが多い）が充填された容器（以下、「吸着塔」と称する）に流通させる操作が行われる。その際、例えば混合ガスが成分Ａおよび成分Ｂの二成分からなり、目的ガス成分をＡとすると、ガス成分Ａを吸着剤に吸着させる場合と、目的ガス成分ではないガス成分Ｂを吸着剤に吸着させる場合がありうる（以下、吸着剤に吸着させるガス成分を「吸着ガス成分」と称する）。

いずれの場合においても、吸着塔に混合ガスを流通させ続けると、吸着剤は吸着ガス成分で飽和して分離能力を失う。そのため、混合ガスの流通を一旦停止し、吸着剤を新しいものに交換するか、何らかの方法により吸着剤から吸着ガス成分を脱着させて、吸着剤の吸着能力を回復（「再生」とも呼ぶ）させる操作が必要となる。

ここで、吸着ガス成分が利用対象ではないガス成分Ｂであって、混合ガスに含まれる成分Ｂの量が利用対象のガス成分Ａに比べて相対的に微量（ｐｐｍオーダー）である場合には、吸着剤に吸着する量が少ないため、例えば１年以上の長期に亘って吸着剤を使用することが可能である。そのような場合には、吸着剤を交換することにより対処できる。

一方、ガス成分ＡおよびＢの双方ともに数体積％〜数十体積％の濃度を有する場合には、吸着剤に吸着するガス成分の量が双方ともに多いため、吸着剤の交換による再生では、吸着剤の交換を頻繁に行う必要があり、吸着剤のコストも大きくなる。よって、吸着剤の交換とは別の再生操作が必要となる。

そのため、混合ガスから目的ガス成分を分離する際には、吸着剤に吸着ガス成分を吸着させる操作（以下、「吸着工程」と称する）と、吸着剤から吸着ガス成分を脱着させて吸着剤を再生する操作（以下、「脱着工程」と称する）とを繰り返し行う。こうして混合ガスから目的ガス成分を分離する方法として、吸着剤の温度変化で行う温度スイング吸着法（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ，ＴＳＡ法）、ガスの圧力変化で行う圧力スイング吸着法（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ，ＰＳＡ法）、圧力および温度をともに変化させるＰＴＳＡ法（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ，ＰＴＳＡ法）、さらには脱着時に減圧するＶＰＳＡ法（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ，ＶＰＳＡ法）がある。

これらの方法のうち、ＴＳＡ法は吸着剤の加熱と除熱に時間を要するため、除湿や揮発性有機化合物等の微量成分の除去といった、比較的長時間で運転する用途に限定される傾向にある。これに対して、処理対象の混合ガスに含まれる各成分の濃度が数体積％〜数十体積％のオーダーを有する多成分ガスの分離（「バルク分離」とも称される）には、吸着工程と脱着工程を短時間で切り替えることによって、吸着剤使用量の相対的な増大を避けることのできるＰＳＡ法やＶＰＳＡ法が用いられるのが主流である。

ところで、より少ない吸着剤を効率的に使用するためには、吸着工程においては、より多くの吸着ガス成分を吸着剤に吸着させるのが望ましく、逆に、脱着工程においては、より多くの吸着ガス成分を吸着剤から脱着させることが望ましい。図１は、ＰＳＡ法における混合ガスの圧力と吸着剤に吸着する吸着ガス成分の吸着量との関係を示す図である。図１（ａ）に示すように、吸着剤への吸着ガス成分の吸着量は、吸着塔に導入する混合ガスの圧力が高いほど多くなる傾向があるとともに、吸着量は温度に依存し、吸着剤の温度が上昇するにつれて吸着量は少なくなる傾向にある。

例えば、吸着剤の温度が吸着工程および脱着工程の双方においてＴ_２である場合、図１（ｂ）に示すように、吸着工程および脱着工程により混合ガスから分離される吸着ガス成分の量Ｑは、温度Ｔ_２に対する混合ガスの圧力と吸着量との関係に基づいて、吸着工程における混合ガスの圧力Ｐ_Ａと脱着工程における混合ガスの圧力Ｐ_Ｄとの差で決定される。

しかしながら、実際のガス分離処理においては、吸着工程において、吸着ガス成分が吸着剤に吸着する際には、吸着エネルギー（以下、「吸着熱」と称する）が放出されるために吸着剤の温度が上昇し（例えばＴ_２からＴ_３に）、図１（ｃ）に示すように、吸着剤への吸着ガス成分の吸着量が少なくなる方向に働く。

一方、脱着工程において、吸着ガス成分が吸着剤から脱着する際には、吸着熱を吸収するために吸着剤の温度が低下し（例えばＴ_２からＴ_１に）、図１（ｃ）に示すように、吸着剤からの吸着ガス成分の吸着量は多くなり、脱着量が減る方向に働く。これらの結果、実際のガス分離処理においては、吸着剤に吸脱着させて分離することのできる吸着ガス成分の量Ｑは、図１（ｂ）に示した、吸着剤の温度が一定であった場合に比べて相対的に少なくなる問題がある。さらに、脱着工程における吸着剤の温度低下は、吸着ガス成分の脱着速度を遅くさせることになり、脱着工程の所要時間が延びてプロセス全体の所要時間も長くなってしまうことも問題となっていた。

このような背景の下、特許文献１には、多数の吸着塔を１つの同一の水槽内に入れて互いに伝熱関係にさせて、吸着工程において発生した熱を脱着工程にある吸着塔に伝熱させることにより、吸着工程と脱着工程における温度変化を低減する技術について記載されている。

特開平７−１７８３０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、吸着工程において発生した熱を、吸着塔等の構造物を介して脱着工程にある吸着塔の吸着剤に伝えているため、伝熱に時間がかかるうえに、吸着剤の性能も向上しない。

このように、従来技術では、混合ガスに含まれる目的ガス成分を依然として効率的に分離することができず、この問題を解決する方途の提案が希求されていた。
そこで、本発明の目的は、混合ガスに含まれる目的ガス成分を効率的に分離することができるガス分離方法を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。実際のガス分離処理においては、上述のように、吸着工程においては吸着剤の温度が低い方が吸着性能が高いにもかかわらず、吸着熱のために吸着剤の温度が上昇し、脱着工程においては吸着剤の温度が高い方が脱着性能が高いにも関わらず、吸着熱を吸収するために吸着剤の温度が低下する。
仮に、吸着工程にある吸着塔において発生した吸着熱を脱着工程にある吸着塔に効率的に伝達させることができれば、吸着工程にある吸着塔に充填された吸着剤の温度を低下させて吸着量を増加させ、脱着工程にある吸着塔に充填された吸着剤の温度を上昇させて、脱着量を増加させることができる。
しかしながら、特許文献１に記載された技術をはじめとして、異なる吸着塔の間で、吸着工程において発生した吸着熱を脱着工程にある吸着塔の吸着剤に速やかに伝達することは、現実的には困難である。
そこで、発明者らは、吸着工程において発生した吸着熱を脱着工程にある吸着塔の吸着剤に与える別の方途について鋭意検討した。その結果、複数の隣接するガス分離室を有し、隣接するガス分離室が気密性を有するとともに隣接するガス分離室間で熱を伝える仕切部材で仕切られ、該仕切部材の両面に目的ガス成分を吸着する吸着剤層を有する吸着塔において、混合ガスを吸着剤層に接触させて目的ガス成分を吸着剤層に吸着させる吸着工程と、吸着剤層に吸着した目的ガス成分からなる脱着ガスを脱着させる脱着工程とからなり、それぞれの工程を、吸着塔における隣接する２つのガス分離室の内、一方のガス分離室において吸着工程を行うと同時に、他方のガス分離室において脱着工程を行い、吸着工程と脱着工程を交互に繰り返すことが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）圧力スイング吸着法により混合ガスから目的ガス成分を分離するに際し、前記混合ガスを前記吸着剤層に接触させて前記目的ガス成分を前記吸着剤層に吸着させる吸着工程と、前記吸着剤層に吸着した目的ガス成分からなる脱着ガスを脱着させる脱着工程と、を交互に繰り返す方法であって、複数の隣接するガス分離室を有し、隣接するガス分離室が気密性を有するとともに前記隣接するガス分離室間で熱を伝える仕切部材で仕切られ、該仕切部材の両面に前記目的ガス成分を吸着する吸着剤層を有する吸着塔において、前記隣接する２つのガス分離室の内、一方のガス分離室において前記吸着工程を行うと同時に、他方のガス分離室において前記脱着工程を行い、前記仕切部材を通して、吸着工程側から脱着工程側に熱を伝えて吸着工程側の吸着剤層の温度上昇および脱着工程側の吸着剤層の温度低下を抑制し、前記吸着剤層の厚さが５０μm以下であることを特徴とするガス分離方法。

（２）前記脱着工程の脱着速度に合わせて吸着工程で導入する混合ガス流量を定めることを特徴とする前記（１）に記載のガス分離方法。

（３）ガス分離室の温度変化をモニターして、温度変化が小さくなる様に、吸着工程で導入する混合ガスの流量を制御することを特徴とする前記（１）に記載のガス分離方法。

（４）前記仕切部材が熱伝導率５０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上である金属または炭素材料の板であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のガス分離方法。

（５）前記吸着剤層は、前記仕切部材の上に形成された、金属または炭素材料からなる多孔質材の層の表面に吸着剤を担持したことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載のガス分離方法。

本発明によれば、複数のガス分離室の各々において、吸着工程および脱着工程のうち、隣接するガス分離室とは異なる工程が行われ、また、隣接するガス分離室は高い熱伝導率を有する仕切部材で仕切られるため、吸着工程において発生した吸着熱を脱着工程にある隣接するガス分離室の吸着剤層に速やかに伝達させて、混合ガスに含まれる目的ガス成分を効率的に分離することができる。

混合ガスの圧力と吸着ガス成分の吸着剤への吸着量との関係を示す図である。 （ａ）本発明に係るガス分離方法に用いる吸着塔の模式図、および（ｂ）この吸着塔におけるガス分離処理の工程表である。 本発明に係るガス分離方法に用いる吸着塔の内部を複数のガス分離室に仕切る仕切部材を示す図である。 本発明に係るガス分離方法に用いる吸着塔の一例を示す図である。 本発明に係るガス分離方法に用いる吸着塔における箱部材積層体の構成を説明する図である。 ガス分離室に支持体を有する箱部材積層体を説明する図である。 本発明に係るガス分離方法に用いる吸着塔の別の例を示す図である。 （ａ）プレート積層体の積層構造、および（ｂ）ガスの流通方向を説明する図である。 本発明に係るガス分離方法に用いるガス分離装置の一例を示す図である。 本発明に係るガス分離方法に用いるガス分離装置によるガス分離操作を説明する図である。 本発明に係るガス分離方法に用いるガス分離装置によるガス分離操作を説明する図である。 本発明に係るガス分離方法に用いるガス分離装置の別の例を示す図である。 本発明の発明例１に係るガス分離方法における吸着剤の温度変化を示す図である。 本発明の発明例２に係るガス分離方法における混合ガス導入流量を示す図である。 本発明の発明例２に係るガス分離方法における吸着剤の温度変化を示す図である。 本発明の比較例に係るガス分離方法における吸着剤の温度変化を示す図である。 隣接するガス分離室間での吸着熱の流れを説明する図である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図２（ａ）は、本発明に係るガス分離方法に用いる吸着塔の模式図を示しており、図２（ｂ）はこの吸着塔におけるガス分離処理の工程表を示している。図２（ａ）に示した吸着塔１は、筐体１１と、該筐体１１の内部に、少なくとも１つの仕切部材１２とを備え、この仕切部材１２は、筐体１１の内部を複数のガス分離室（図示例では４つのガス分離室１４ａ〜１４ｄ）に仕切る。本発明に係る吸着塔１は、図３（ａ）に示すように、仕切部材１２は、該仕切部材１２に隣接する２つのガス分離室間で熱を伝え、該仕切部材１２の両面に吸着剤層１３が形成されている。そして、図２（ｂ）の工程表に示すように、混合ガスを吸着剤層１３に接触させて目的ガス成分を吸着剤層１３に吸着させる吸着工程と、吸着剤層１３に吸着した目的ガス成分からなる脱着ガスを脱着させる脱着工程とを、吸着塔１における隣接する２つのガス分離室の内、一方のガス分離室において前記吸着工程を行うと同時に、他方のガス分離室において前記脱着工程を行い、前記吸着工程と前記脱着工程を交互に繰り返すように構成されている。その結果、吸着塔１は、吸着工程で供給する混合ガスおよび脱着工程で脱着させる、目的ガス成分からなる脱着ガスの２種類のガスの内、一方のガスを流通させるガス分離室に隣接するガス分離室には他方のガスを流通させる、２系統のガス流路を有する。このような構成により、一方のガス分離室（例えば１４ａおよび１４ｃ）において吸着工程を行なう際に、隣接するガス分離室（例えば１４ｂおよび１４ｄ）では脱着工程を行い、際に吸着工程側において発生した吸着熱を、仕切部材１２を通して脱着工程側に伝えることにより、吸着工程側のガス分離室１４の温度上昇を抑制するとともに脱着工程側のガス分離室（例えば１４ｂおよび１４ｄ）の温度低下を抑制することができる。
なお、図には示されていないが、各ガス分離室１４ａ〜１４ｄに混合ガスを供給し、吸着塔１の内部から吸着剤層１３に吸着されなかった成分からなる吸着オフガスを排気する配管や自動弁等が適切に接続されている。

仕切部材１２としては、熱伝導性の高い材料からなることが好ましく、その熱伝導率は５０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上であることがより好ましい。この仕切部材１２としては、例えば金属や炭素材料を用いることができる。

上述のように、仕切部材１２の両面には、混合ガスに含まれる目的ガス成分を吸着する吸着剤からなる吸着剤層１３が形成されている。この吸着剤層１３の形成は、具体的には、仕切部材１２の表面に吸着剤を塗布または接着等することにより行うことができる。例えば、仕切部材１２の両面に吸着剤を塗布する場合には、吸着剤を微粉化したものをバインダーとともにスラリー化して、塗布後に乾燥および焼成する。また、電気化学的な方法やＣＶＤ法により、仕切部材１２上に吸着剤を成長させて吸着剤層１３を形成することもできる。吸着剤としては、吸着するガス種類に応じて、ゼオライト等の公知の吸着剤を適宜選定すればよい。吸着剤の熱伝導性は通常あまり高くないことから、吸着剤層１３の厚みは５０μｍ以下とすることが好ましい。

さらに、図３（ｂ）に示すように、仕切部材１２の表面に多孔質層１５を設け、吸着剤を多孔質層１５の表面に配置して吸着剤層１３を形成することがより好ましい。これにより、図３（ｃ）に示すように、仕切部材１２の表面により多くの吸着剤を保持することができる。この多孔質層１５は、高表面積かつ高熱伝導性を有する材料からなることが好ましく、仕切部材１２と同様に、その熱伝導率は５０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上であることがより好ましい。多孔質層１５としては、ステンレスやニッケル、銅、アルミニウム等を用いることができる。

本発明においては、複数のガス分離室１４ａ〜１４ｄの各々において、ガス分離処理の吸着工程と脱着工程のうち、隣接するガス分離室において異なる工程が行われるように構成される。そのため、例えばガス分離室１４ａで吸着工程を行っている場合には、隣接するガス分離室１４ｂでは脱着工程が行われることになる。同様に１４ｃでは吸着工程、１４ｄでは脱着工程が行われる。このように構成することにより、吸着塔１は、吸着工程で供給する混合ガスおよび脱着工程で脱着させる、目的ガス成分からなる脱着ガスの内、一方のガスを流通させるガス分離室に隣接するガス分離室には他方のガスを流通させる、２系統のガス流路を有することになるのである。これにより、吸着工程にあるガス分離室において発生した吸着熱は、熱伝導性の高い仕切部材１２を介して、脱着工程にある隣接するガス分離室の吸着剤層１３に速やかに伝達することができ、混合ガスから目的ガス成分を効率的に分離することができる。

次に、本発明のガス分離方法に用いる吸着塔のより具体的な構造の例を示す。なお、本発明は、ここにおいて説明されるものと同等の機能を有していればよく、特定の形状に限定されない。図４は、本発明に従う吸着塔の一例を示す図である。ここで、図４（ａ）は吸着塔の上面図を、図４（ｂ）は鳥瞰図を示している。この図に示した吸着塔２は、筐体２１の内部に直方体形状の複数の箱部材を積層させた箱部材積層体２２を備え、箱部材積層体２２に混合ガスを流通させる２本のガス導入管２３ａおよび２３ｂと、箱部材積層体２２から吸着オフガスを排出する２本のガス排出管２４ａおよび２４ｂとを有する。

図５（ａ）および（ｂ）に箱部材積層体２２の形状の例を示す。図５（ａ）では、箱部材２５は上面２５ａ、下面２５ｂおよび対向する１対の側面２５ｄおよび２５ｆが板材で構成され、他の１対の側面２５ｃおよび２５ｅが開口している。図５（ｂ）では、１対の側面２５ｄおよび２５ｆが開口している。箱部材積層体２２は、図５（ａ）および（ｂ）に示すような、直方体形状を有する複数の箱部材２５を、図５（ｃ）に示すように、複数の箱部材２５の隣接部において、上面２５ａおよび底面２５ｂが密着するように、図５（ａ）および（ｂ）の箱部材２５を交互に積層させ、さらに図５（ｄ）に示すように、箱部材２５の上面２５ａおよび２５ｂの内部２６側の表面に吸着剤を配置して吸着剤層２７を形成したものである。ここで、複数の箱部材２５の少なくとも上面２５ａおよび底面２５ｂは熱を伝える部材からなり、接する上面２５ａおよび底面２５ｂの対が図２に示した仕切部材１２をなし、箱部材２５の内部２６側に吸着剤層２７が形成されており、図３における吸着材層１３に対応する。

また、４つの側面２５ｃ〜２５ｆの内の対向する２つの側面（図５（ａ）においては２５ｃおよび２５ｅ、図５（ｂ）においては２５ｄおよび２５ｆ）が開口しており、これらの開口の一方から混合ガスが内部２６に導入され、他方から吸着オフガスが排出される。図５（ａ）に示した構造においては、開口２５ｃから混合ガスが導入され、開口２５ｆから吸着オフガスが排出される。この箱部材積層体２２においては、開口の向き（すなわち、混合ガスが流通する向き）が、箱部材積層体２２の積層された箱部材２５間で交互に異なるように構成する。例えば、図５（ｄ）に示した箱部材積層体２２は、１０個の箱部材２５を積層させたものであるが、内部２６ａで吸着工程が行われる場合には、内部２６ｂでは脱着工程が行われる。このように、箱部材２５の開口の向きが交互に異なれば、吸着側および脱着側となるガス分離室の開口が揃って、流通させるガスをガス導入管２３、ガス排出管２４にまとめやすい構造となる。しかし、このような積層構造とせずに、開口する側面の向きを全ての箱部材２５について同一にし、積層方向に１つおきの箱部材２５の内部２６においてガス流路が同一になるように箱部材積層体２２の外部に適切に配管してもよい。

図４の吸着塔２における複数の箱部材２５の各々の内部２６は、図２に示した吸着塔１におけるガス分離室１４をなす。また、複数の箱部材２５の積層方向に隣接する箱部材間で接する上面２５ａおよび底面２５ｂの内部２６側の表面に吸着剤層２７が形成されており、上面２５ａおよび底面２５ｂの対が仕切部材１２をなす。ここで、箱部材２５の厚さが厚いとガス分離室（箱部材２５の内部２６）の容積当りの吸着剤量が少なく、ガス分離が非効率となるため、薄い箱部材を多数積層させるのが好ましい。

このような箱部材積層体２２を筐体２１の内部に収容し、シール部材２８を図４（ａ）および（ｃ）に示すように配置することにより、ガス導入管２３ｂから混合ガスをガス導入管２３ｂ側に面した開口を持つ箱部材２５の内部（例えば２６ａ）に導入し、混合ガスに含まれる目的ガス成分を吸着剤層２７に吸着させ、ガス排出管２４ａからガス排出管側に面した開口を持つ箱部材２５の内部（例えば２６ｂ）の吸着剤層２７から吸着したガス成分を脱着させて目的ガス成分を分離することができる。

上述のように、箱部材積層体２２においては、開口を有する側面の向きが箱部材積層体２２の積層方向に隣接する箱部材間で互いに異なるように構成されているため、２本のガス導入管２３のうちの一方（例えば、２３ａ）から導入された混合ガスは、積層体２２を構成する複数の箱部材２５のうち、積層方向の１つおきに箱部材２５の内部２６に導入され、他方（例えば、２３ｂ）から導入された混合ガスは、一方（例えば、２３ａ）から導入されなかった箱部材２５の内部２６に導入されることになる。

このような構成を有することにより、吸着塔２においては、積層方向に隣接する箱部材内において、吸着工程および脱着工程のうち、互いに異なる工程を同時に行うことができるようになり、吸着工程にある箱部材２５の内部で発生した吸着熱を、仕切部材を構成する上面２５ａおよび下面２５ｂを介して、脱着工程にある隣接する箱部材２５の上面２５ａおよび下面２５ｂの内部２６側の表面に形成された吸着剤層２７に伝達させることができ、目的ガス成分の分離を効率的に行うことができる。

この吸着塔２において、吸着工程および脱着工程における内部２６の圧力変化による箱部材２５の変形を防ぐために、箱部材２５の内部２６に、箱部材２５の上面２５ａを支持する支持体を設け、箱部材２５の内部２６における混合ガスの流路を保持するようにすることもできる。この支持体の個数や形状等は、上面２５ａを支持して混合ガスの流路を保持できるように適切に選択することができる。例えば、図６（ａ）に示すように、箱部材２５の内部２６に、波形構造を有する支持体２９を波形構造の波の方向を混合ガスの流通方向を横切るように配置し、図６（ｂ）に示した吸着塔２を構成することができる。このように構成することにより、ガスの流通を妨げることなく、箱部材２５の変形を防止することができる。また、支持体２９を高い熱伝導性を有する材料で構成し、その両面に吸着剤を塗布して吸着剤層を形成したり、あるいは吸着剤が表面に配された多孔質材を貼り付けたりしてもよい。

図７は、本発明に従うガス分離方法に用いる吸着塔の別の例を示す図である。この図に示した吸着塔３は、筐体３１の内部に、プレート積層体３２を備え、吸着塔３の内部に混合ガスを供給する２つのガス導入口３３（３３ａおよび３３ｂ）と、吸着塔３の内部から吸着オフガスを排出する２つのガス排出口３４（３４ａおよび３４ｂ）とを有する。

筐体３１の内部収容されたプレート積層体３２は、図７（ｂ）および（ｃ）に示すように、熱伝導性の高い材料からなり、４つの角部にガスを流通させるガス流通孔３５ａ〜３５ｄを有する矩形の仕切プレート３５と、４つのガス流通孔３５ａ〜３５ｄのうちの互いに対角に位置する２つを囲む無端の帯状のシール部材３６とを積層させたものである。ここで、シール部材３６は、隣接する仕切プレートとの間で、図２に示した吸着塔１におけるガス分離室に対応する空間３７を区画する。

仕切プレート３５は、その両面に吸着剤層３８が形成されており、従って、この仕切プレート３５は、図２に示した吸着塔１における仕切部材１２をなす。

シール部材３６は、４つのガス流通孔３５ａ〜３５ｄのうちの互いに対角に位置する２つを囲み、該シール部材３６を挟む２枚の仕切プレートとの間で、図２に示した吸着塔１のガス分離室１４をなす空間３７を区画する。ここで、シール部材３６により囲まれる２つのガス流通孔の対は、積層方向に隣接するガス分離室間で互いに異なるようにする。例えば、図８（ａ）の右側の仕切プレート上の右側のシール部材３６は、ガス流通孔３５ａおよび３５ｃを囲むのに対して、図８（ａ）の左側の仕切プレート上の右側のシール部材３６は、ガス流通孔３５ｂおよび３５ｄを囲むようにする。その結果、図８（ｂ）に示すように、隣接する空間３７ではガスの流通方向が異なることになる。

このようなプレート積層体３２を筐体３１の内部に収容し、最上部の仕切プレート３５の４つのガス流通孔３５ａおよび３５ｂにガス導入口３３ａおよび３３ｂをそれぞれ接続し、ガス流通孔３５ｃおよび３５ｄにガス排出口３４ａおよび３４ｂをそれぞれ接続することにより、ガス導入口３３（例えば、３３ａ）から導入された混合ガスが仕切プレート３５のガス流通孔（例えば、３５ａ）を介して空間３７に導入され、仕切プレート３５の表面に配置された吸着剤層３８に混合ガスに含まれる目的ガス成分を吸着させ、吸着オフガスをガス流通孔（例えば、３５ｃ）を介してガス排出口３４（例えば、３４ａ）から外部に排出し、混合ガスに含まれる目的ガス成分を分離することができる。

より詳細には、プレート積層体３２においては、シール部材３６により囲まれるガス流通孔の対が積層方向に隣接するガス分離室間で互いに異なるように構成されているため、２つのガス導入口３３のうちの一方（例えば、３３ａ）から導入された混合ガスは、仕切プレート３５とシール部材３６により区画される複数の空間３７のうち、積層方向に１つおきの空間３７に導入され、他方（例えば、３３ｂ）から導入された混合ガスは、一方（例えば、３３ａ）から導入されなかった空間３７に導入されることになる。

このような構成を有することにより、吸着塔３においては、積層方向に隣接する箱部材内において、吸着工程および脱着工程のうち、互いに異なる工程を同時に行うことができるようになり、吸着工程にある空間３７の内部で発生した吸着熱を、仕切プレート３５を介して、脱着工程にある隣接する空間３７側の表面に形成された吸着剤層３８に伝達させることができ、混合ガスに含まれる目的ガス成分を効率的に分離することができる。

以上の吸着塔を用いることにより、吸着側の吸着剤の温度上昇および脱着側の温度低下を抑制し、混合ガスから目的ガス成分を効率的に分離することができる。

続いて、本発明に従うガス分離方法に用いるガス分離装置について説明する。図９は、本発明に係るガス分離装置の一例を示す図である。この装置５０は、図４に示した吸着塔２を吸着塔５２として備えるガス分離装置であって、混合ガスＧ_０を吸着塔５２に供給する、ブロアや圧縮ポンプ等の送風手段５１と、吸着剤層２７に吸着されたガス成分を脱着させて回収する、真空ポンプ等の排気手段５３とを備える。また、ガス導入管２３ａおよび２３ｂから混合ガスＧ_０を吸着塔内に導入し、ガス排出管２４ａおよび２４ｂから、吸着剤層２７に吸着されなかったガスである吸着オフガスが排出できるように、配管、自動弁ＡＶ１〜ＡＶ６および背圧弁ＢＰＶが構成されている。

この装置５０を使用したガスの分離操作について、図１０および図１１を参照して説明する。まず、図１０を参照すると、混合ガスＧ_０は、送風手段５１によって送風され、自動弁ＡＶ１を介して吸着塔５２の内部（ガス分離室）２６に流通させられる。この時のガスの圧力は自動弁ＡＶ３の下流にある背圧弁ＢＰＶにより制御され、一定圧以上では吸着剤層２７に吸着しなかった非吸着成分ガスが吸着オフガスＧ_１として排出される。

これと同時に、排気手段５３によって自動弁ＡＶ５を介して吸着剤層２７に吸着していたガス成分が脱着されて、目的ガス成分からなる脱着ガスＧ_２として排出される。この時に、吸着工程にあるガス分離室の吸着剤層２７の熱が、隣接する箱部材２５の上面２５ａおよび下面２５ｂを介して脱着工程にある隣接するガス分離室にある吸着剤層２７に伝達される。

吸着工程にあるガス分離室内の吸着剤層２７にガス成分がある程度吸着して性能が低下した時点で、図１０から図１１へとバルブの開閉を切り替える。図１１においては、混合ガスＧ_０は、送風手段１によって送風され、自動弁ＡＶ４を介して吸着塔５２のガス分離室に流通させられる。この時のガスの圧力は自動弁ＡＶ３の下流にある背圧弁ＢＰＶにより制御され、一定圧以上では吸着剤に吸着しなかった非吸着成分ガスが吸着オフガスＧ_１として排出される。

これと同時に、排気手段５３によって自動弁ＡＶ２を介して吸着剤層２７に吸着していたガス成分が脱着されて脱着ガスＧ_２として排出される。この時に、吸着工程にあるガス分離室の吸着熱が、箱部材２５の上面２５ａおよび下面２５ｂを介して脱着工程にある隣接するガス分離室にある吸着剤層２７に伝達される。

このように、ガス分離装置を構成する複数のガス分離室の各々において、吸着工程および脱着工程のうち、隣接するガス分離室とは互いに異なる工程を同時に行うことができ、吸着工程にあるガス分離室において発生した吸着熱を、仕切部材を介して脱着工程にあるガス分離室の吸着剤層に伝達させて、混合ガスから目的ガス成分を効率的に分離することができる。

また、図１０および図１１では混合ガスＧ₀を吸着塔５２に導入する流量は送風手段５１の能力によって決まり、同様に脱着ガスＧ₂の流量は排気手段５３の能力で決まる。そのため、吸着工程にあるガス分離室において混合ガスＧ₀に含まれる吸着ガス成分が吸着剤に吸着する量と、脱着工程にあるガス分離室において吸着ガス成分が脱着する量が同じでない場合には、吸着による発熱量と脱着による抜熱量が一致しないために吸着剤の温度が変化してしまう可能性がある。

温度変化幅が大きくなると、吸着工程にあるガス分離室では、温度が高い時に吸着剤に吸着されずに吸着塔を通り抜ける吸着ガス成分の比率が増加するため、分離効率が低下する。また、脱着工程にあるガス分離室では、温度が低くなった場合に吸着ガス成分の脱着速度が低下して同様に分離効率が低下する。

そこで、吸着工程において吸着塔に導入する原料である混合ガス流量を、隣接するガス分離室での脱着速度に合わせて変化させることができれば、ガス分離室の温度変化をさらに抑制することが可能である。なお、温度変化挙動は吸着剤の性能やガス流量、脱着工程でのガス分離室の圧力などの条件によって変化するため、脱着工程の条件（脱着速度）に合わせて吸着工程で導入する混合ガス流量を定めれば良い。

図１２は、混合ガスの流量を変化させて上記温度変化を抑制する本発明のガス分離方法に使用する分離装置を示している。この装置６０において、混合ガスＧ_０は送風手段６１によって自動弁ＡＶ１あるいはＡＶ４を通って吸着塔６２に導入されるが、それぞれの自動弁と吸着塔との間に流量計Ｆ１およびＦ４を設けられている。混合ガスの流量は、自動弁ＡＶ１およびＡＶ４の開度によって変更することが可能であるため、プログラムによって、脱着速度が大きい時間は自動弁の開度を大きく設定して混合ガスの流量を大きくし、脱着速度が小さい時間は自動弁の開度を小さく設定して混合ガスの流量を小さくし、混合ガスの流量を時間で変化するように設定すれば吸着工程における温度変化をさらに抑制することが可能である。

さらに具体的には、まず、混合ガスの流量を一定とした条件で吸着および脱着工程を実施して温度変動プロファイルを得た後、温度が上昇傾向にある時間帯で流量を抑制し、温度が下降傾向にある時間帯では流量を増加するよう設定して吸着および脱着工程を実施する。それによって温度プロファイルが変化するため、さらに同様な調整を繰り返して温度変動がより安定するよう設定するのが望ましい。

また、これらの調整が自動的に行われるようにプログラムを組み込むことも可能である。

以下、本発明の実施例について説明し、本発明の効果を示す。なお、以下の実施例により本発明の範囲は限定されない。

（発明例１）
１ｍｍの板厚の金属で成型した箱型のステンレス製容器（内面が縦２５ｃｍ×横２５ｃｍ×高さ２ｃｍ）、および、ステンレス製粒子と樹脂粒子の混合材を成型焼結して作製した多孔質金属板（縦２５ｃｍ×横２５ｃｍ×厚０．７ｃｍ、比重：０．７ｇ／ｃｍ^３、表面積／体積比：１００００ｍ^−１、孔径：２００μｍ）を用意し、金属製容器の上下両面に多孔質金属板を貼り付けた。これを図５（ｄ）に示すように、開口を有する側面、つまりガスの流通方向が互いに直交するように１０層積層させた。積層体を、微粉砕Ｎａ置換されたＹ型ゼオライト粉末をバインダーとともに懸濁させた水溶液に浸漬して、積層体を構成する金属製容器の内部（ガス分離室）に塗布し、積層体外面に塗布された吸着剤を除去した後に、２００℃で５時間乾燥、３００℃で２４時間焼成した。ゼオライト塗布前後の積層体の重量変化から、積層体を構成する金属製容器の内部に塗布された吸着剤の量は２６７ｇであり、これより計算される平均塗布厚みは４７μｍであった。

上述のように作製したガス分離装置を用いて、混合ガスから二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを分離する処理を行った。その際、混合ガスとしては、ＣＯ_２：２２体積％、Ｎ_２：７８体積％の組成を有するガスを使用し、複数のガス分離室の各々において、吸着工程および脱着工程のうち、隣接するガス分離室とは異なる工程が行われるようにガスの流れを自動弁で制御して混合ガスからＣＯ_２ガスを分離する処理を行った。また、混合ガスは、７ｍｏｌ／ｋｇ−吸着剤／１００ｓｅｃで吸着塔内を流通させ、吸着側の圧力は２００ｋＰａとなるように背圧弁を調整し、脱着側の圧力は５ｋＰａまで真空ポンプで減圧した。また、吸着剤の温度変化を測定できるように吸着塔容器のガス導入口から熱電対を挿入して吸着剤に接触させて、上記ガス分離操作中の温度変化も測定した。温度変化は周期的な挙動を示した。温度変化を図１３に示す。グラフの横軸は工程の開始時間を０ｓｅｃとした。温度は２２〜２８℃の間で変化し、０〜４０ｓｅｃ／１００〜１４０ｓｅｃでは吸着速度が脱着速度より高いため、温度は上昇傾向を示した。一方、４０〜７０ｓｅｃ／１４０〜１７０ｓｅｃでは吸着速度が脱着速度より低いため、温度は下降傾向を示した。７０〜１００ｓｅｃ／１７０〜２００ｓｅｃでは吸着速度と脱着速度がほぼバランスするが脱着速度は徐々に低下するので、温度は漸減から漸増傾向となった。全体での温度変化幅は６℃であった。真空ポンプの排気側で９９体積％濃度のＣＯ_２ガスが７２％の回収率で得られた。

（発明例２）
発明例のガス分離装置を使用し、同じ組成の混合ガスを使用し、図１４に示すように、混合ガスの吸着塔への導入流量を上記発明例１での一定流量で導入する場合を１として、時間０〜４０ｓｅｃまでを流量０．１５、４０〜７０ｓｅｃまでを流量２．３、７０〜１００ｓｅｃを流量1と変化させた。温度変化を図１５に示す。グラフの横軸は吸着工程の開始時間を０ｓｅｃとした。温度は２４．５〜２５．５℃の間で変化し、温度変化幅は１．０℃であった。９９体積％濃度のＣＯ_２ガスが７５％の回収率で得られた。

（比較例）
発明例のガス分離装置を使用し、同じ組成の混合ガスを使用し、全てのガス分離室において同じ工程が行われるようにガスの流れを自動弁で制御して混合ガスからＣＯ_２ガスを分離する処理を行った。その他、原料である混合ガス流通量および吸着、脱着工程における圧力は上記発明例と同じ条件とした。その結果、温度変化を図１６に示す。グラフの横軸は吸着工程の開始時間を０ｓｅｃとした。０〜１００ｓｅｃは吸着工程にあたり、ガス分離装置には混合ガスは一定流量で導入される。そして、吸着剤に吸着するガスの量も混合ガス中の吸着するガスの比率に応じて吸着剤に吸着するために、吸着熱の発生は吸着工程を通してほぼ一定となり、図１６の時間のように直線的に温度が上昇した。一方、１００〜２００ｓｅｃの脱着工程では、排気手段によってガス分離室内部のガスが排気され、ガス分離室内の圧力が低下するに従って脱着するガスの量も変化する。脱着工程は１００〜２００ｓｅｃであるが、１００〜１４０ｓｅｃではガス分離室内に残留したガスが排気され、ガス分離室の圧力がある程度低下するまでは脱着するガス量はそれほど多くない。１４０〜１７０ｓｅｃでは脱着するガス量が最も多くなり、１７０〜２００ｓｅｃでは脱着するガス量は徐々に減少する。そのため、ガス成分の脱着による吸熱にともなう温度変化は図１６の時間１００〜２００ｓｅｃのような非直線的に温度が下降する傾向を示した。結果として、温度は１９〜３１℃の間で変化し、温度変化幅は１２℃であった。９９体積％濃度のＣＯ_２ガスが５８％の回収率で得られた。このように、本発明によって温度変化が抑制されることでガスの回収率が向上し、混合ガスから所定のガス成分を効率的に分離できることが分かる。

１，２，３，５２，６２ 吸着塔
１１，２１，３１ 筐体
１２ 仕切部材
１３，２７，３８ 吸着剤
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ ガス分離室
１５ 多孔質層
２２ 箱部材積層体
２３，２３ａ，２３ｂ ガス導入管
２４，２４ａ，２４ｂ ガス排出管
２５ 箱部材
２５ａ 上面
２５ｂ 下面
２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ 側面
２６ 内部
２８，３６ シール部材
２９ 支持体
３２ プレート積層体
３３，３３ａ，３３ｂ ガス導入口
３４，３４ａ，３４ｂ ガス排出口
３５ 仕切プレート
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ ガス流通孔
３７ 空間
５０，６０ ガス分離装置
５１，６１ 送風手段
５３，６３ 排気手段
１０１ 吸着ガス分子
Ｇ_０ 混合ガス
Ｇ_１ 吸着オフガス
Ｇ_２ 脱着ガス
ＡＶ１，ＡＶ２，ＡＶ３，ＡＶ４，ＡＶ５，ＡＶ６ 自動弁
Ｆ１，Ｆ４ 流量計
ＢＶＰ 背圧弁

Claims (5)

1. 圧力スイング吸着法により混合ガスから目的ガス成分を分離するに際し、前記混合ガスを前記吸着剤層に接触させて前記目的ガス成分を前記吸着剤層に吸着させる吸着工程と、前記吸着剤層に吸着した目的ガス成分からなる脱着ガスを脱着させる脱着工程と、を交互に繰り返す方法であって、複数の隣接するガス分離室を有し、隣接するガス分離室が気密性を有するとともに前記隣接するガス分離室間で熱を伝える仕切部材で仕切られ、該仕切部材の両面に前記目的ガス成分を吸着する吸着剤層を有する吸着塔において、前記隣接する２つのガス分離室の内、一方のガス分離室において前記吸着工程を行うと同時に、他方のガス分離室において前記脱着工程を行い、前記仕切部材を通して、吸着工程側から脱着工程側に熱を伝えて吸着工程側の吸着剤層の温度上昇および脱着工程側の吸着剤層の温度低下を抑制し、前記吸着剤層の厚さが５０μm以下であることを特徴とするガス分離方法。
2. 前記脱着工程の脱着速度に合わせて吸着工程で導入する混合ガス流量を定めることを特徴とする請求項１に記載のガス分離方法。
3. ガス分離室の温度変化をモニターして、温度変化が小さくなる様に、吸着工程で導入する混合ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載のガス分離方法。
4. 前記仕切部材が熱伝導率５０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上である金属または炭素材料の板であ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方法。
5. 前記吸着剤層は、前記仕切部材の上に形成された、金属または炭素材料からなる多孔質材の層の表面に吸着剤を担持した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方法。

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