JP5932425B2

JP5932425B2 - 易吸着成分濃度の平滑化方法及び装置

Info

Publication number: JP5932425B2
Application number: JP2012067547A
Authority: JP
Inventors: 泉　順; 順泉
Original assignee: Adsorption Technology Industries Co Ltd
Current assignee: Adsorption Technology Industries Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP2013198845A

Description

本発明は吸着方法に関し、詳しくは、吸着剤が充填された吸着塔を流れる流体の該吸着塔の出口における易吸着成分の濃度の変動を平滑化することを特徴とする吸着方法に関する。

本発明に関連して現在最もよく使用されている易吸着成分を含有しかつ濃度が変動する流体中のＶＯＣの処理法を、工場排ガスに含有するＶＯＣのオゾン反応による酸化分解法を引用して背景技術を説明する。
工場排ガスに含有するエチレン濃度が工場の操作により５分間は、１，０００ｐｐｍ（Ｃ１換算で）濃度で放出され、残る５５分間は１００ｐｐｍで放出されるとして、排ガス量が１，０００ｍ^３Ｎ／ｈとすると、エチレンの効率のよい処理法としては、オゾンによるエチレンの酸化分解が有効である。
この化学反応は、Ｃ_２Ｈ_４＋２Ｏ_３→２ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏで表される。
この時、エチレンのオゾンによる分解装置によるエチレンの酸化分解は、化学量論的に進行するので、オゾン／ＶＯＣ＝１でオゾンを供給すれば良いので、オゾン濃度が１，０００ｐｐｍになるように供給する必要のある事となる。このため本分解法のために、オゾン発生量２．２ｋｇ／ｈの非常に大きなオゾン発生器を準備する必要がある。
このように処理対象ガスが総量としてはそれほど大きな量ではなくても、比較的短時間集中して高濃度の処理対象ガスが放出されることは、産業界では時として起こる事象である。

Adsorption and decomposition of water-dissolved ozone on high silica zeolites. Water Res. 2004 Jan ;38:159-65 14630113 [Pubmed] [Scholar] (平成16年1月) Hirotaka Fujita , Jun Izumi , Masaki Sagehashi , Takao Fujii , Akiyoshi Sakoda Decomposition of trichloroethene on ozone-adsorbed high silica zeolites. Water Res. 2004 Jan ;38:166-72 14630114 [Pubmed] [Scholar](平成16年1月) Hirotaka Fujita , Jun Izumi , Masaki Sagehashi , Takao Fujii , Akiyoshi Sakoda Ozonation of Drinking Water without Bromate Formation Using High Silica ZeolitesAIChE2004 Annual Meeting, Austin, TX, USA, Nov. 7-12, 2004(平成16年11月)Akiyoshi SAKODA, Kenji SHIRAISHI1, Hirotaka FUJITA, Takao FUJII, Masaki SAGEHASHI, and Jun IZUMI

本発明に関連して、社会生活、産業分野、工業分野で、処理流体の総量はそれほど大きく変動しなくても、比較的短時間集中して高濃度の処理対象ガスが放出されることは、産業界では時として起こる事象である。この場合は処理設備を処理対象ガスの上限最高濃度で設計することから、予想外に非経済的な装置または方法を採用せざるを得ないこととなる。

本発明によれば、吸着剤が充填されている吸着塔に、濃度が変動する易吸着成分を含有する流体を供給して、易吸着成分を吸着剤に吸着させる吸着方法であって、流体の流れ方向に対する前記吸着塔の断面を２個以上に分割して、断面ごとの流れ方向の吸着剤の充填を異なる充填量として、断面ごとの易吸着成分の滞留時間に差異を生じさせ、それによって、吸着塔出口の流体の易吸着成分の濃度の変動を平滑化することを特徴とする上記吸着方法および装置が提供される。

発明の効果を具体的に説明するため、先述の１，０００ｍ^３Ｎ／ｈの工場排ガス中のトルエンのオゾン吸着反応によるトルエン処理について説明する。ここで、工場排ガスにトルエンが含まれており、１時間に１回５分間だけ１，０００ｐｐｍ（Ｃ１換算で）のトルエンを放出し、残る５５分間は１００ｐｐｍ放出するとする。ここで高シリカゼオライトハニカムに、トルエンとオゾンをオゾン／トルエン濃度比を１／１にして供給すると、オゾン吸着反応により、トルエンは水と二酸化炭素に完全に分解される。このためオゾン発生器のオゾン発生量は、最高トルエン濃度１，０００ｐｐｍに対応することとなり、オゾン発生器容量は２．２ｋｇ−オゾン／ｈが必要となる。ここで本発明を適用して、トルエン吸着剤で充填された４個の吸着塔に、１，０００ｍ^３Ｎ／ｈのガスを２５０ｍ^３Ｎ／ｈに分割して供給する。ここで１個の吸着塔は直径４２ｃｍ、高さ２ｍであり、充填するトルエン吸着剤としては、ＵＳＹ（超安定Ｙ型ゼオライト）ハニカムが試用されている。
トルエン吸着剤の充填量は、１個目では直径４２ｃｍ×高さ５０ｃｍ、２個目では直径４２ｃｍ×高さ１００ｃｍ、３個目では直径４２ｃｍ×高さ１５０ｃｍ、４個目では直径４２ｃｍ×高さ１７５ｃｍとする。ここに１，０００ｍ^３Ｎ／ｈの排ガスを４分割して、２５０ｍ^３Ｎ／ｈずつ供給すると、１，０００ｐｐｍのトルエンのピークは吸着塔内を５．５ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動し、高さ５０ｃｍの吸着塔では、塔流入１５分後に塔出口から流過し、高さ１００ｃｍの吸着塔では、塔流入３０分後に塔出口から流過し、高さ１５０ｃｍの吸着塔では、塔流入４５分後に塔出口から流過し、高さ２００ｃｍの吸着塔では、塔流入６０分後に塔出口から流過する。このため分割された排ガスを再び統合して１，０００ｍ^３／ｈとすると、出口トルエン濃度は、ピーク濃度が２５０ｐｐｍに低下し、ピーク時間は１，０００ｐｐｍのピーク流入後、１５、３０、４５、６０分後となる。このため、オゾン発生器容量は０．５３ｋｇ／ｈに低減される。従ってピーク濃度の平滑化に対しては塔数が多いほど有効であり、ここで易吸着成分の時間を遅延させるための必要層高は、クロマトグラフのリテンションタイムの計算式により予想される。
計算式は、tR=tR0(1+KVs/Vm)であり、式中記号は、
tR：保持時間
tR0：溶媒がカラムを通過するのに要する時間
Ｋ：分配係数（移動相中濃度CA、固定相中濃度CBとするとＫ＝CA/CBで表されます。）
Ｖｓ：固定相容積
Ｖｍ：移動相容積
であり、塔数と層高を設定することで希望する濃度の平滑化を得ることが出来る。例証では、吸着塔を分割したが、１個の吸着塔の断面を流体流れ方向に分割して、各断面の吸着剤充填量を変更して、ピーク濃度を平滑化することも可能である。
なお本発明に使用する流体は、気体でも、液体でも使用可能であり、ピーク濃度を構成する成分が易吸着成分であれば、易吸着成分を吸着剤して、広く濃度を平滑化する方法と装置を提供することが出来る。

本発明の方法の一実施態様を実施するフローを示す概略図である。

気体中、易吸着成分の濃度の変動を平滑化する方法において、易吸着成分として炭素化合物、硫黄化合物、窒素化合物、酸素化合物、ハロゲン化合物とし、液体中の、易吸着成分の濃度の変動を平滑化する方法において、易吸着成分として炭素化合物、硫黄化合物、窒素化合物、酸素化合物、ハロゲン化合物、陽イオン、陰イオンとし、使用する吸着塔は、充填量の違う吸着塔を複数個使用する方法と、１個の吸着塔を分割して長手方向充填量に差異をつける方法がある。

次に図面を参照して本発明の処理装置を説明する。図１に易吸着成分を含有しかつ濃度が変動する流体を吸着塔に供給するに当たり、吸着剤を充填した吸着塔に該流体を供給することとして、吸着塔の流れ方向断面を２個以上に分割し、断面ごとの流れ方向の吸着剤の充填を異なる充填量として、断面ごとの易吸着成分の滞留時間に差異を生じさせ、それによって、吸着塔出口の該流体の易吸着成分の濃度の変動を平滑化する方法について説明する。

主プラントから排出される、１，０００ｍ^３Ｎ／ｈの工場排ガス中にトルエンが含まれており、１時間に１回５分間だけ１，０００ｐｐｍ（Ｃ１換算で）まで濃度上昇するトルエンを放出し、残る５５分間は１００ｐｐｍを放出している。この流体を流路１から、４個の流路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに各２５０ｍ^３Ｎ／ｈに分岐して、トルエン吸着剤４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄで充填された４個の吸着塔３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに供給する。ここで１個の吸着塔３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは直径４２ｃｍ、高さ２ｍであり、充填するトルエン吸着剤４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとしては、ＵＳＹ（超安定Ｙ型ゼオライト）ハニカムが使用されている。

トルエン吸着剤４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの充填量は、１個目４ａでは直径４２ｃｍ×高さ２００ｃｍ、２個目４ｂでは直径４２ｃｍ×高さ１７５ｃｍ、３個目４ｃでは直径４２ｃｍ×高さ１００ｃｍ、４個目４ｄでは直径４２ｃｍ×高さ５０ｃｍとする。ここに１，０００ｍ^３Ｎ／ｈの排ガスを流路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄで４分割して、２５０ｍ^３Ｎ／ｈづつ供給すると、１，０００ｐｐｍのトルエンのピークは吸着塔内を５．５ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動し、高さ５０ｃｍの吸着塔３ｄでは、塔流入１５分後に塔出口から流過し、高さ１００ｃｍの吸着塔３ｃでは、塔流入３０分後に塔出口から流過し、高さ１５０ｃｍの吸着塔３ｂでは、塔流入４５分後に塔出口から流過し、高さ２００ｃｍの吸着塔３ａでは、塔流入６０分後に塔出口流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから流過する。

このため分割された排ガスを流路６で再び統合して１，０００ｍ^３／ｈとすると、出口トルエン濃度は、ピーク濃度が２５０ｐｐｍに低下し、ピーク時間は１，０００ｐｐｍのピーク流入後、１５、３０、４５、６０分後となる。この時の必要オゾン発生器７からの必要オゾン容量は０．５３ｋｇ／ｈとなる。本発明を使用しない場合はピークトルエン濃度１，０００ｐｐｍに対応するオゾンが必要であり、従来は２．２ｋｇ／ｈのオゾン発生量が必要である。ここで高シリカゼオライトハニカム１０に、トルエンとオゾンをオゾン／トルエン濃度比を１／１に混合するように流路８からオゾンを供給すると、オゾン吸着反応器９では、トルエンは水と二酸化炭素に完全に分解される。このためオゾン発生器７のオゾン発生量は、最高トルエン濃度２５０ｐｐｍに対応することとなり、オゾン発生器容量は０．５３ｋｇ−オゾン／ｈで充分となる。

表１に本発明の易吸着成分の濃度平滑化装置の仕様を示す。

表２に本発明の易吸着成分の濃度平滑化装置の後段に設置するオゾン吸着反応器の仕様を示す。

以下実施例により本発明をさらに具体的に説明する。

主プラントから排出される、１，０００ｍ^３Ｎ／ｈの工場排ガス中にトルエンが含まれており、１時間の最高トルエン濃度は、１，０００ｐｐｍ（Ｃ１換算で）まで上昇しており、１時間のトルエン平均濃度は１００ｐｐｍである。この流体を流路１から、４個の流路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに各２５０ｍ^３Ｎ／ｈに分岐して、トルエン吸着剤４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄで充填された４個の吸着塔３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに供給する。ここで１個の吸着塔３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは直径４２ｃｍ、たかさ２ｍであり、充填するトルエン吸着剤４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとしては、ＵＳＹ（超安定Ｙ型ゼオライト）ハニカムが使用されている。

トルエン吸着剤４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの充填量は、１個目４ａでは直径４２ｃｍ×高さ２００ｃｍ、２個目４ｂでは直径４２ｃｍ×高さ１７５ｃｍ、３個目４ｃでは直径４２ｃｍ×高さ１００ｃｍ、４個目４ｄでは直径４２ｃｍ×高さ５０ｃｍとする。ここに１，０００ｍ^３Ｎ／ｈの排ガスを流路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄで４分割して、２５０ｍ^３Ｎ／ｈづつ供給すると、トルエンのピークは吸着塔内を５．５ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動し、高さ５０ｃｍの吸着塔３ｄでは、塔流入から１５分遅れて塔出口から流過し、高さ１００ｃｍの吸着塔３ｃでは、塔流入から３０分遅れて塔出口から流過し、高さ１５０ｃｍの吸着塔３ｂでは、塔流入から４５分遅れて塔出口から流過し、高さ２００ｃｍの吸着塔３ａでは、塔流入から６０分遅れて塔出口流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから流過する。

このため分割された排ガスを流路６で再び統合して１，０００ｍ^３／ｈとすると、出口トルエン濃度は、ピーク濃度が２００〜２５０ｐｐｍに低下する。この時の必要オゾン発生器７からの必要オゾン容量は０．５３ｋｇ／ｈとなる。本発明を使用しない場合はピークトルエン濃度１，０００ｐｐｍに対応するオゾンが必要であり、従来は２．２ｋｇ／ｈのオゾン発生量が必要である。ここで高シリカゼオライトハニカム１０に、トルエンとオゾンをオゾン／トルエン濃度比を１／１に混合するように流路８からオゾンを供給すると、オゾン吸着反応器９では、トルエンは水と二酸化炭素に完全に分解される。第１実施例では吸着反応器９のハニカム９のＳＶ値を２，０００としてトルエン分解を行い出口トルエン濃度が２５ｐｐｍ以下に分解されていることが確認された。このためオゾン発生器７のオゾン発生量は、最高トルエン濃度２５０ｐｐｍに対応することとなり、オゾン発生器容量は０．５３ｋｇ−オゾン／ｈで充分となる。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口ガス量１，０００ｍ^３Ｎ／ｈ、吸着塔個数４個、入口ガス中易吸着成分として硫化水素、最高硫化水素濃度１，０００ｐｐｍ、平均硫化水素濃度１００ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理ガスが流過すると最高硫化水素濃度２５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は１００ｐｐｍで流過した。
後段に設置したオゾン吸着反応器でＳＯ_２に酸化して処理した。この時のオゾン吸着反応器での硫化水素からＳＯ_２への転換効率は９０％程度であった。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口ガス量１，０００ｍ^３Ｎ／ｈ、吸着塔個数４個、入口ガス中易吸着成分としてアンモニア、最高アンモニア濃度１，０００ｐｐｍ、平均アンモニア濃度１００ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理ガスが流過すると最高アンモニア濃度２５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は１００ｐｐｍで流過した。
後段に設置したオゾン吸着反応器で窒素に分解して処理した。この時のオゾン吸着反応器でのアンモニアから窒素への転換効率は９０％程度であった。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口ガス量１０ｍ^３Ｎ／ｈ、吸着塔個数４個、入口ガス中易吸着成分としてオゾン、最高オゾン濃度１０ｖｏｌ％、平均オゾン濃度３ｖｏｌ％、易吸着成分吸着剤として塩酸処理したシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を２５、５０、７５、１００ｃｍとして処理ガスが流過すると最高オゾン濃度５ｖｏｌ％、１時間の平均濃度は３ｖｏｌ％で流過した。
これはオゾン発生器での発生オゾン濃度が変動する場合の、オゾン濃度安定化に極めて有効である。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口ガス量１，０００ｍ^３Ｎ／ｈ、吸着塔個数４個、入口ガス中易吸着成分としてトリクロロエチレン、最高トリクロロエチレン濃度１，０００ｐｐｍ、平均トリクロロエチレン濃度１００ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理ガスが流過すると最高トリクロロエチレン濃度２５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は１００ｐｐｍで流過した。
後段に設置したオゾン吸着反応器で水分、ＣＯ_２、ＨＣｌに分解して処理した。この時のオゾン吸着反応器でのトリクロロエチレンから水分、ＣＯ_２、ＨＣｌへの転換効率は９０％程度であった。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口処理液量１，０００ｋｇ／ｈ、吸着塔個数４個、入口液中易吸着成分としてイソプロピルアルコール(以下ＩＰＡ)、最高ＩＰＡ濃度１，０００ｐｐｍ、平均ＩＰＡ濃度１００ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理液が流過すると最高ＩＰＡ濃度２５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は１００ｐｐｍで流過した。
後段に設置したオゾン吸着反応器でＩＰＡは、水分、ＣＯ_２に分解して処理した。この時のオゾン吸着反応器でのＩＰＡから水分、ＣＯ_２への転換効率は９０％程度であった。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口処理液量１，０００ｋｇ／ｈ、吸着塔個数４個、入口液中易吸着成分として硫化水素、最高硫化水素濃度１，０００ｐｐｍ、平均硫化水素濃度１００ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理液が流過すると最高硫化水素濃度２５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は１００ｐｐｍで流過した。
後段に設置したオゾン吸着反応器で硫化水素は、水分、ＳＯ_２に分解して処理した。この時のオゾン吸着反応器での硫化水素から水分、ＣＯ_２への転換効率は９０％程度であった。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口処理液量１，０００ｋｇ／ｈ、吸着塔個数４個、入口液中易吸着成分としてアンモニア、最高アンモニア濃度１，０００ｐｐｍ、平均アンモニア濃度１００ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理液が流過すると最高硫化水素濃度２５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は１００ｐｐｍで流過した。
後段に設置したオゾン吸着反応器でアンモニアは、水分、窒素に分解して処理した。この時のオゾン吸着反応器でのアンモニアから水分、窒素への転換効率は９０％程度であった

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口処理液量１，０００ｋｇ／ｈ、吸着塔個数４個、入口液中易吸着成分としてオゾン、最高オゾン濃度１００ｐｐｍ、平均オゾン濃度４０ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理液が流過すると最高オゾン５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は４０ｐｐｍで流過した。
本発明を使用することで、溶存オゾン濃度の高度な平均化が可能となる。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口処理液量１，０００ｋｇ／ｈ、吸着塔個数４個、入口液中易吸着成分としてトリクロロエチレン、最高トリクロロエチレン濃度１，０００ｐｐｍ、平均トリクロロエチレン濃度１００ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用し、４個の吸着塔の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理液が流過すると最高トリクロロエチレン濃度２５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は１００ｐｐｍで流過した。
後段に設置したオゾン吸着反応器でトリクロロエチレンは、水分、ＣＯ_２、ＨＣｌに分解して処理した。この時のオゾン吸着反応器でのトリクロロエチレンから水分、ＣＯ_２、ＨＣｌへの転換効率は９０％程度であった。

本発明の易吸着成分濃度平滑装置を使用して、入口処理液量１，０００ｋｇ／ｈ、入口液中易吸着成分としてトリクロロエチレン、最高トリクロロエチレン濃度１，０００ｐｐｍ、平均トリクロロエチレン濃度１００ｐｐｍ、易吸着成分吸着剤としてシリカライトを使用するに際し、４個の吸着塔を使用する代わりに、１個の吸着塔を流れ方向に４分割して、分割した４個の吸着層の層高を５０、１００、１５０、２００ｃｍとして処理液が流過すると最高トリクロロエチレン濃度２５０ｐｐｍ、１時間の平均濃度は１００ｐｐｍで流過した。
後段に設置したオゾン吸着反応器でトリクロロエチレンは、水分、ＣＯ_２、ＨＣｌに分解して処理した。この時のオゾン吸着反応器でのトリクロロエチレンから水分、ＣＯ_２、ＨＣｌへの転換効率は９０％程度であった

本発明は、濃度変動のある易吸着成分を含有する流体に対し、易吸着成分吸着剤を使用することで高効率に濃度変動を平滑化する吸着法による易吸着成分濃度変動の平滑化に関する。

流路 ―――１、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、６、８、１１
吸着塔―――３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ
トルエン吸着塔―――４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ
オゾン発生器―――７
オゾン吸着反応器―――９
高シリカゼオライトハニカム―――１０

Claims

吸着剤が充填されている吸着塔に、濃度が変動する易吸着成分を含有する流体を供給して、易吸着成分を吸着剤に吸着させる吸着方法であって、流体の流れ方向に対する前記吸着塔の断面を２個以上に分割して、断面ごとの流れ方向の吸着剤の充填を異なる充填量として、断面ごとの易吸着成分の滞留時間に差異を生じさせ、それによって、吸着塔出口の流体中の易吸着成分の濃度の変動を平滑化する方法。
流体が気体である、請求項１に記載の方法。
流体が液体である、請求項１に記載の方法。
易吸着成分が炭素化合物、硫黄化合物、窒素化合物、酸素化合物、又はハロゲン化合物である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。