JP6611264B2 - ガス精製方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス精製方法及び装置に関し、詳しくは、吸着剤を充填した吸着塔の圧力を相対的に高い圧力とした吸着工程と相対的に低い圧力とした再生工程とに交互に切り換えてガス分離を行う圧力変動吸着分離法によってガスを精製する方法及び装置に関する。

主成分ガス中に含まれる不純物成分ガスを分離して主成分ガスを精製する方法として、圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ）が知られている。このＰＳＡは、不純物成分ガスを含む原料ガスを相対的に高い圧力で吸着塔の入口側から導入するとともに、吸着塔の出口側から精製ガスを導出する吸着工程と、吸着塔を相対的に低い圧力として吸着剤から不純物成分ガスを脱着させ、脱着した不純物成分ガスを吸着塔の入口側から導出する再生工程とを繰り返すことにより、不純物成分ガスを分離した精製ガスを得るようにしている。

再生工程では、吸着塔を減圧して吸着剤に吸着している不純物成分ガスを吸着剤から脱着させるとともに、吸着塔の出口側から精製ガスの一部を導入し、脱着した不純物成分ガス（脱着ガス）を吸着塔の入口側から導出することにより、吸着塔内から不純物成分ガスをパージして吸着剤が不純物成分ガスを吸着可能な状態になるように再生している（例えば、特許文献１参照。）。

また、吸着塔内からの不純物成分のパージを確実に行うため、再生工程の最終段階で、吸着塔内に精製ガスを再生ガスとして逆流させる再生パージ段階を行ったり、精製ガスの収率向上や動力費の低減を図るため、吸着工程と再生工程との間に均圧操作を挟んだり、吸着工程開始前に精製ガスを吸着塔内に導入して吸着塔内圧力を上昇させる充圧操作を行ったりすることも行われている。

国際公開２００８／０５６５７９号公報

前記再生パージ段階で吸着塔内から不純物成分ガスをパージする際に、パージ効果を十分に得るためには、過剰量の精製ガスを使用する必要があり、精製ガスの収率を低下させる要因となっている。また、一般に、原料ガス中には、複数の不純物成分ガスが含まれており、複数の不純物ガス成分のなかには、吸着剤に対する吸着力が相対的に強い強吸着成分ガスと、吸着力が相対的に弱い弱吸着成分ガスとがあり、強吸着成分ガスは、吸着塔入口側の吸着剤に多くが吸着され、弱吸着成分ガスは、吸着塔全体、特に出口側の吸着剤に多くが吸着された状態になる。前記再生工程で吸着塔から排出される脱着ガスは、強吸着成分ガスも弱吸着成分ガスも、何も利用することなく全量が系外に放出されている。

そこで本発明は、再生工程の初期に吸着塔から排出される脱着ガスを有効利用することにより、精製ガスの収率向上を図ることができるガス精製方法及び装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のガス精製方法は、吸着剤を充填した複数の吸着塔の圧力を相対的に高い圧力とした吸着工程と相対的に低い圧力とした再生工程とに交互に切り換えてガス分離を行う圧力変動吸着分離法によって主成分ガス中に不純物成分ガスを含む原料ガスを前記吸着塔の入口側から導入し、前記不純物成分ガスを前記吸着剤に吸着させて分離することにより、前記主成分ガスからなる精製ガスを前記吸着塔の出口側から導出するガス精製方法において、前記再生工程は、前記吸着工程を終了した一つの吸着塔内ガスを入口側から脱着ガスとして導出する脱着段階と、吸着工程を終了した他の吸着塔の脱着段階で導出した脱着ガスの少なくとも一部を、前記脱着段階を終了した一つの吸着塔のガス流れ方向中間部に導入して入口側から導出する脱着ガスパージ段階とを含んでいることを特徴としている。

さらに、本発明のガス精製方法は、前記脱着ガスパージ段階において、前記他の吸着塔から前記一つの吸着塔に導入する脱着ガスは、他の吸着塔内に充填されている吸着剤に対する吸着力が相対的に弱い弱吸着成分ガスを主成分としていること、前記脱着ガスパージ段階において、前記一つの吸着塔の入口側から導出されるガスは、一つの吸着塔内に充填されている吸着剤に対する吸着力が相対的に強い強吸着成分ガスを主成分としていること、前記脱着ガスパージ段階において、前記他の吸着塔の入口側から導出されるガスは、一つの吸着塔内の圧力を上昇させない流量に調節して一つの吸着塔内に導入することをそれぞれ特徴としている。

さらに、前記吸着塔を４塔備え、前記４塔の吸着塔は、各吸着塔それぞれに、吸着工程と、均圧操作における均圧減圧段階と、再生工程初期の脱着段階と、待機状態と、再生工程中期の脱着ガスパージ段階と、再生工程後期のガス併用パージ段階及び再生ガスパージ段階と、均圧操作における均圧昇圧段階と、充圧操作とを順次行って吸着工程に戻る一連の状態を繰り返し、第１吸着塔が前記吸着工程を行っている状態のときに、第２吸着塔は前記均圧減圧段階と前記脱着段階とを行い、第３吸着塔は、前記待機状態と前記脱着ガスパージ段階と前記ガス併用パージ段階と再生ガスパージ段階とを行い、第４吸着塔は前記均圧昇圧段階と充圧操作とを行うことを特徴としている。

また、本発明のガス精製装置は、吸着剤を充填した複数の吸着塔の圧力を相対的に高い圧力とした吸着工程と相対的に低い圧力とした再生工程とに交互に切り換えてガス分離を行う圧力変動吸着分離法によって主成分ガス中に不純物成分ガスを含む原料ガスを前記吸着塔の入口側から導入し、前記不純物成分ガスを前記吸着剤に吸着させて分離することにより、前記主成分ガスからなる精製ガスを前記吸着塔の出口側から導出するガス精製装置において、前記吸着塔は、前記再生工程で吸着塔から脱着ガスを導出する脱着ガス導出経路に、該脱着ガス導出経路を流れる脱着ガスの一部を他の吸着塔のガス流れ方向中間部に導入する脱着ガス導入経路の一端が接続されていることを特徴としている。

さらに、本発明のガス精製装置は、前記吸着剤が、前記吸着塔内のガス流れ方向に対して２種類の吸着剤が積層充填されており、前記脱着ガス導入経路の他端が、前記２種類の吸着剤の境界部に接続されていること、前記脱着ガス導入経路が、該脱着ガス導入経路内を流れるガス流量を調節する流量調節弁を備えていること、前記吸着塔を４塔有していることを特徴としている。

本発明によれば、吸着塔の再生工程を効率よく行うことができ、再生工程で使用する精製ガスの使用量を低減できるので、精製ガスの収率向上が図れ、運転コストの低減が図れる。

本発明のガス精製方法を実施可能な本発明のガス精製装置の一形態例を示す系統図である。 本発明のガス精製方法における吸着塔内の各種ガスの状態を示す説明図である。 本発明のガス精製方法を適用した４塔式ＰＳＡ装置における運転方法の一例を示すもので、第１吸着塔が吸着工程、第２吸着塔が均圧減圧段階、第３吸着塔が待機状態、第４吸着塔が均圧昇圧段階を行っている状態を示す説明図である。 同じく、第１吸着塔が吸着工程、第２吸着塔が脱着段階、第３吸着塔が脱着ガスパージ段階、第４吸着塔が充圧操作を行っている状態を示す説明図である。 同じく、第１吸着塔が吸着工程、第２吸着塔が脱着段階、第３吸着塔がガス併用パージ段階、第４吸着塔が充圧操作を行っている状態を示す説明図である。 同じく、第１吸着塔が吸着工程、第２吸着塔が脱着段階、第３吸着塔が再生ガスパージ段階、第４吸着塔が充圧操作を行っている状態を示す説明図である。 同じく、第１吸着塔が均圧減圧段階、第２吸着塔が待機状態、第３吸着塔が均圧昇圧段階、第４吸着塔が吸着工程を行っている状態を示す説明図である。 同じく、第１吸着塔が脱着段階、第２吸着塔が脱着ガスパージ段階、第３吸着塔が充圧操作、第４吸着塔が吸着工程を行っている状態を示す説明図である。 第１吸着塔が吸着工程を開始してから充圧操作を終えるまでの各弁の開閉切換ステップを示す図である。

図１は、本発明のガス精製方法を実施可能な本発明のガス精製装置の一形態例を示す系統図である。本形態例に示すガス精製装置は、吸着剤を充填した４つの吸着塔（第１吸着塔１０，第２吸着塔２０，第３吸着塔３０，第４吸着塔４０）を使用した４塔式の圧力変動吸着式ガス分離装置（ＰＳＡ装置）であって、各吸着塔の圧力を、相対的に高い圧力とした吸着工程と相対的に低い圧力とした再生工程とに、あらかじめ設定された順序及び時間で交互に切り換えることにより、主成分ガス中に不純物成分ガスを含む原料ガスから不純物成分ガスを分離し、高純度の主成分ガスからなる精製ガスを連続的に導出できるように形成している。また、吸着工程と再生工程とを切り換える際に一方の吸着塔から他方の吸着塔に塔内ガスを移動させる均圧操作及び吸着工程開始前の吸着塔に精製ガスを導入する充圧操作を行い、吸着塔内ガスの有効利用を図るとともに、吸着塔内の急激な圧力変動を抑制するようにしている。

各吸着塔１０，２０，３０，４０の原料ガス入口側（塔下部）には、入口弁１１Ｖ，２１Ｖ，３１Ｖ，４１Ｖを有する原料ガス入口経路１１，２１，３１，４１と、脱着ガス導出弁１２Ｖ，２２Ｖ，３２Ｖ，４２Ｖを有する脱着ガス導出経路１２，２２，３２，４２と、減圧排気弁１３Ｖ，２３Ｖ，３３Ｖ，４３Ｖを有する減圧排気経路１３，２３，３３，４３とが設けられている。

また、各吸着塔１１〜４１の精製ガス出口側（塔上部）には、出口弁１４Ｖ，２４Ｖ，３４Ｖ，４４Ｖを有する精製ガス出口経路１４，２４，３４，４４と、精製ガス導入弁１５Ｖ，２５Ｖ，３５Ｖ，４５Ｖを有する精製ガス導入経路１５，２５，３５，４５と、均圧弁１６Ｖ，２６Ｖ，３６Ｖ，４６Ｖを有する均圧経路１６，２６，３６，４６とが設けられている。

さらに、原料ガス入口経路１１，２１，３１，４１は、圧縮機５１を有する原料ガス導入経路５２にそれぞれ接続しており、減圧排気経路１３，２３，３３，４３は、真空ポンプ５３を有する真空排気経路５４にそれぞれ接続している。この真空排気経路５４における真空ポンプ５３の入口側には、ポンプ吸入弁５３Ｖとバイパス弁５５Ｖとによって排気経路を切り換えるためのバイパス経路５５が設けられている。また、脱着ガス導出経路１２，２２，３２，４２は、排気弁５６Ｖを有する排気経路５６に纏められている。一方、精製ガス出口経路１４，２４，３４，４４及び精製ガス導入経路１５，２５，３５，４５は、精製ガス貯槽５７を有する精製ガス導出経路５８にそれぞれ接続している。さらに、均圧経路１６，２６，３６，４６は、一つの均圧主経路５９にそれぞれ接続している。

そして、前記脱着ガス導出経路１２，２２，３２，４２からは、流量調節弁１７Ｖ，２７Ｖ，３７Ｖ，４７Ｖを有する脱着ガス導入経路１７，２７，３７，４７の一端がそれぞれ接続されており、脱着ガス導入経路１７，２７，３７，４７の他端は、各吸着塔１０，２０，３０，４０のガス流れ方向（上下方向）の中間部にそれぞれ接続されている。

また、各吸着塔１０，２０，３０，４０の内部には、不純物成分ガスを吸着するための第１吸着剤６１と第２吸着剤６２との２種類の吸着剤が積層充填されており、第１吸着剤６１と第２吸着剤６２との境界部６３に対応する位置に前記脱着ガス導入経路１７，２７，３７，４７の他端が配置されている。

第１吸着剤６１及び第２吸着剤６２は、主成分ガスの種類と吸着除去する不純物成分ガスの種類とに応じて選定されるものであって、例えば、都市ガス、アンモニア、有機ハイドライド（ＭＣＨ）、バイオガス、バイオマスなどを原料として製造される水素ガスを主成分ガスとし、水素ガス中に含まれる各種不純物成分ガスを分離、除去して水素ガスを精製する場合には、各吸着塔１０，２０，３０，４０の入口側に配置される第１吸着剤６１には、不純物成分ガスのなかのベンゼン、トルエンなどの有機物、有機溶剤、アンモニア、水分などを主に吸着除去するための活性アルミナや、椰子殻系又は石油系活性炭を使用することができ、各吸着塔１０，２０，３０，４０の出口側に配置される第２吸着剤６２には、炭化水素、無機ガスなどを主に吸着除去するためのＬｉ−Ｘ型、Ｃａ−Ｘ型、Ｎａ−Ｘ型、Ｃａ−Ａ型のゼオライトを使用することができる。この場合、ベンゼン、トルエン、アンモニア、水分などは、第１吸着剤６１に対する吸着力が相対的に強い強吸着成分ガスであり、炭化水素、無機ガスなどは、第１吸着剤６１に対する吸着力が相対的に弱い弱吸着成分ガスである。

図２は、本発明のガス精製方法において、吸着工程から再生工程にわたる吸着塔内の各主成分ガスの分布状態を示している。なお、以下の説明において、図１に示したガス精製装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、各図において、黒塗りの弁は閉弁状態、白抜きの弁は開弁状態を示し、各矢印はガスの流れ方向を示している。

まず、図２（ａ）に示す吸着工程では、一つの吸着塔、例えば第１吸着塔１０の下部の入口側に接続した原料ガス入口経路から所定の大気圧以上の吸着工程圧力、例えばゲージ圧で９００ｋＰａに昇圧された原料ガスＧが導入され、強吸着成分ガスＧＡが塔下部の吸着剤に吸着するとともに、弱吸着成分ガスＧＢが塔上部の吸着剤に吸着し、精製されたガス（精製ガス）ＧＣが塔上部の出口側に接続した精製ガス出口経路１４から導出されている。この吸着工程は、吸着剤が不純物成分で飽和する前に終了する。

図２（ｂ）は、第１吸着塔１０が再生工程初期の脱着段階を行い、他の吸着塔、例えば第２吸着塔２０が脱着段階終了後の脱着ガスパージ段階を行っている状態を示している。脱着段階にある第１吸着塔１０では、塔内ガスが塔下部の脱着ガス導出弁１２Ｖを通って脱着ガス導出経路１２に排出されることによる塔内圧力の低下に伴って吸着剤に吸着していた不純物成分ガスが脱着し、脱着ガスＧＤとなって第１吸着塔１０から導出されるとともに、脱着ガスの一部ＧＤｄが、脱着ガス導入経路２７に分流し、流量調節弁２７Ｖで流量調節されて脱着ガスパージ段階を行っている第２吸着塔２０のガス流れ方向中間部に導入される。

このときの第２吸着塔２０への脱着ガスの一部ＧＤｄの導入位置は、脱着段階終了後において塔内に低濃度で残留している残留強吸着成分ガスＧａの部分より僅かに上方に設定する。すなわち、脱着段階初期の第１吸着塔１０から導出される脱着ガスＧＤの大部分は、塔内圧力の低下による脱着速度が相対的に速い弱吸着成分ガスであることから、第１吸着塔１０からの脱着ガスの一部ＧＤｄを第２吸着塔２０内で強吸着成分ガスが残留している部分より上方に導入することにより、第１吸着塔１０からの脱着ガスの一部ＧＤｄによって第２吸着塔２０内の残留強吸着成分ガスＧａを第２吸着塔２０の塔下部から減圧排気経路３３に排気ガスＧＥとして塔外に導出することができ、吸着剤からの強吸着成分ガスＧＡの脱着を促進することができる。

また、第２吸着塔２０内における残留強吸着成分ガスＧａの部分より僅か上方に第１吸着塔１０からの脱着ガスの一部ＧＤｄを導入することにより、第１吸着塔１０からの脱着ガスＧＤに僅かに含まれている強吸着成分ガスＧＡが第２吸着塔２０の上方の吸着剤に再吸着することがなくなり、脱着ガスの一部ＧＤｄ中の強吸着成分ガスＧＡを第２吸着塔２０内の残留強吸着成分ガスＧａと一緒に第２吸着塔２０の下部から導出できるので、吸着剤からの不純物成分ガスの脱着及び排出を効果的に行うことができる。この脱着ガスパージ段階において第２吸着塔２０に導入される脱着ガスの一部ＧＤｄの主成分である弱吸着成分ガスは、吸着力が弱いため、第２吸着塔２０内の吸着剤に再吸着することはほとんどない。

脱着ガスパージ段階で脱着ガスの一部ＧＤｄを第２吸着塔２０に導入する際には、第２吸着塔２０内の圧力が上昇しないように、流量調節弁２７Ｖによって脱着ガスの一部ＧＤｄの流量を調節することで、第２吸着塔２０内の圧力上昇によって脱着ガスの一部ＧＤｄ中の強吸着成分ガスＧＡが第２吸着塔２０内の吸着剤に再吸着することを防止できる。また、脱着ガスパージには、脱着ガスＧＤの全量又は一部を流量調節して使用することが可能である。脱着ガスパージ段階は、第１吸着塔１０からの脱着ガスＧＤに含まれる強吸着成分ガスＧＡ量が、第２吸着塔２０内の吸着剤から脱着した強吸着成分ガスＧＡ量より増加する前に終了させる。

一方、第１吸着塔１０では、弱吸着成分ガスＧＢの大部分と、強吸着成分ガスＧＡの一部が脱着し、脱着ガスＧＤとして塔下部から導出されるので、第１吸着塔１０の塔内には、塔上部から順に、低濃度で残留した大量の弱吸着成分ガス（残留弱吸着成分ガスＧｂ）と、未だ高濃度で残る少量の弱吸着成分ガスＧＢと、低濃度で残留した少量の残留強吸着成分ガスＧａと、未だ高濃度で残る大量の強吸着成分ガスＧＡとが存在する状態になり、塔下部からの塔内ガスの排出が進むことにより、塔上半部からは弱吸着成分ガスＧＢのほとんどが脱着して排出され、塔下半部では強吸着成分ガスＧＡの脱着が進んで大部分が低濃度の残留強吸着成分ガスＧａとなる。

前記脱着ガスパージ段階で塔内から残留強吸着成分ガスＧａの大部分を排出し、より低濃度の残留強吸着成分ガスＧａ及び残留弱吸着成分ガスＧｂが塔内に残留する状態になったときに第２吸着塔２０の脱着ガスパージを終了する。そして、脱着ガスパージ段階の終了直前あるいは終了後 塔内圧力が大気圧あるいは大気圧以下になったときに、図２（ｃ）に示すように、第２吸着塔２０の出口側の精製ガス導入経路２５から精製ガスＧＣの一部を導入し、入口側の減圧排気経路３３から導出する精製ガスパージ段階を開始することにより、少量の精製ガスＧＣで、塔内に残留する残留強吸着成分ガスＧａ及び残留弱吸着成分ガスＧｂを排気ガスＧＥとして塔外に排出することができる。これにより、第２吸着塔２０内の吸着剤に吸着していた各種不純物成分ガスを脱着させて排出する第２吸着塔２０の再生工程が終了する。また、塔内圧力を大気圧以下、例えば絶対圧力で５〜２０ｋＰａ、好ましくは１０ｋＰａに減圧することにより、吸着剤からの不純物成分ガスの脱着をより確実に行うことができる。

このように、再生工程の初期において、脱着段階を行っている他の吸着塔から導出した脱着ガスの少なくとも一部を利用した脱着ガスパージ段階を行うことにより、塔内に残留する強吸着成分ガスの脱着、排出を効果的に行うことができ、脱着ガスパージ段階を行わず、脱着段階に続いて精製ガスパージ段階を行う従来の方法に比べ、再生工程後期の精製ガスパージ段階で使用する精製ガス量を少なくすることができる。例えば、精製ガスパージ段階で使用する精製ガス量を従来の半分以下に低減することが可能であり、精製ガスの回収率を従来の８０％程度から９０％程度にまで向上させることが可能となり、精製ガスの収率を大幅に向上させることができる。

次に、図１に示した４塔式の圧力変動吸着式ガス分離装置を使用して本発明方法を適用した運転方法の一例を、図３乃至図８を参照して説明する。なお、図３乃至図８では、ガスが流れている経路を太線で表し、ガスの流れ方向を矢印で示しており、ガスの流れに関係する主要部分にのみ符号を付している。

まず、図３は、第１吸着塔１０が吸着工程に切り換わり、第２吸着塔２０が吸着工程から再生工程に切り換わる際に行われる均圧操作の均圧減圧段階に切り換わり、第３吸着塔３０が再生工程前の待機状態であり、第４吸着塔４０が再生工程から吸着工程に切り換わる際に行われる均圧操作の均圧昇圧段階に切り換わった状態を示している。

吸着工程を開始した第１吸着塔１０では、圧縮機５１であらかじめ設定された圧力に昇圧された原料ガス、例えば、各種不純物成分ガスを含んだ水素ガスを主成分ガスとした原料ガスが、原料ガス導入経路５２、原料ガス入口経路１１、入口弁１１Ｖを通って塔下部に導入され、塔内に充填した第１吸着剤６１及び第２吸着剤６２に各種不純物成分ガスを吸着させて水素ガスから分離し、精製した水素ガスが塔上部から出口弁１４Ｖ、精製ガス出口経路１４に導出され、精製ガス導出経路５８を通って精製ガス貯槽５７に一時貯留された後、精製ガス貯槽５７内の水素ガスが充填場などの使用先に供給される。

均圧減圧段階に切り換わった第２吸着塔２０は、塔上部の均圧弁２６Ｖ、均圧経路２６を通して塔内に高圧状態で残留しているガス（水素ガス）が均圧主経路５９に導出されており、均圧昇圧段階に切り換わった第４吸着塔４０は、第２吸着塔２０から均圧主経路５９に導出されたガスが塔上部の均圧弁４６Ｖ、均圧経路４６を通して第４吸着塔４０内に導入される。これにより、第２吸着塔２０内は高圧状態から中間圧力に減圧し、第４吸着塔４０内は低圧状態から中間圧力に昇圧する。

図４は、第１吸着塔１０が吸着工程を継続し、第２吸着塔２０が均圧減圧操作から再生工程における脱着段階に切り換わり、第３吸着塔３０が待機状態から再生工程における脱着ガスパージ段階に切り換わり、第４吸着塔４０が均圧昇圧段階から充圧操作に切り換わった状態を示している。

第１吸着塔１０は、前記同様に、圧縮機５１で昇圧された原料ガスが原料ガス入口経路１１から塔下部に導入され、精製された水素ガスが塔上部から精製ガス出口経路１４に導出され、精製ガス導出経路５８を通って精製ガス貯槽５７に貯留されている。

均圧弁２６Ｖが閉じて脱着段階に切り換わった第２吸着塔２０では、塔内のガスが脱着ガス導出弁２２Ｖを通って脱着ガス導出経路２２に脱着ガスとして導出され、該脱着ガスの一部又は全量が、脱着ガス導入経路３７を通り、流量調節弁３７Ｖで流量調節された後、第３吸着塔３０のガス流れ方向中間部に形成された第１吸着剤６１と第２吸着剤６２との境界部６３に対応する位置に導入されるとともに、該第３吸着塔３０内のガスが減圧排気弁３３Ｖ、減圧排気経路３３を通り、排気ガスとして塔外に導出されることによって第３吸着塔３０の脱着ガスパージ段階が行われる。第３吸着塔３０から減圧排気経路３３を経て真空排気経路５４に導出される排気ガスの圧力が系外に排出可能な圧力を有している場合は、ポンプ吸入弁５３Ｖが閉じられてバイパス弁５５Ｖが開き、バイパス経路５５を通して排気ガス自身の圧力によって系外に排気される。

また、充圧操作に切り換わった第４吸着塔４０では、均圧弁４６Ｖが閉じて精製ガス導入弁４５Ｖが開き、精製ガス導出経路５８から精製された水素ガスの一部が精製ガス導入経路４５に分流して第４吸着塔４０に導入され、第４吸着塔４０内が吸着工程圧力に昇圧される。

図５は、第１吸着塔１０が前記吸着工程を、第２吸着塔２０が前記脱着段階を、第４吸着塔４０が前記充圧操作をそれぞれ継続しつつ、第３吸着塔３０が脱着ガスパージ段階を終了して再生ガスと脱着ガスとを併用したガス併用パージ段階に切り換わった状態を示している。

ガス併用パージ段階に切り換わった第３吸着塔３０では、精製ガス導入弁３５Ｖが開き、精製ガス導出経路５８を流れる精製された水素ガスの一部が精製ガス導入経路３５を通って第３吸着塔３０に導入される。同時に、バイパス弁５５Ｖが閉じてポンプ吸入弁５３Ｖが開き、真空排気経路５４を流れる排気ガスが、真空ポンプ５３に吸引されることにより、第３吸着塔３０内が減圧され、より低圧での吸着剤の再生が行われるとともに、吸着剤から脱着した不純物成分が、塔上部から導入される水素ガスと塔中間部に導入される脱着ガスとによって塔外に排出され、吸着剤の再生が促進される。

図６は、第１吸着塔１０が吸着工程を、第２吸着塔２０が脱着段階を、第４吸着塔４０が充圧操作をそれぞれ継続し、第３吸着塔３０が再生工程における脱着ガスパージ段階から再生ガスパージ段階に切り換わった状態を示している。

再生ガスパージ段階に切り換わった第３吸着塔３０では、流量調節弁３７Ｖが閉じられて脱着ガス導入経路３７からの脱着ガスの導入が終了し、精製ガス導入経路３５を通って第３吸着塔３０に導入される水素ガスを使用した再生ガスが塔内を流れ、減圧排気経路３３を介して真空ポンプ５３で吸引排気されることにより、第３吸着塔３０内に充填された両吸着剤６１，６２の再生処理が十分に進行し、第３吸着塔３０内が低圧の水素ガスで満たされた状態になる。

また、第３吸着塔３０への脱着ガスの導入が終了した第２吸着塔２０では、排気弁５６Ｖが開くことにより、脱着ガス導出経路２２に導出された脱着ガスが排気経路５６を通って系外に排気され、第２吸着塔２０内が略大気圧まで減圧されて両吸着剤６１，６２からの不純物成分の脱着が進行する。

図７は、第１吸着塔１０が吸着工程を終了して均圧操作の均圧減圧段階に切り換わり、第２吸着塔２０が再生工程における脱着段階を終了して待機状態になり、第３吸着塔３０が脱着ガスパージ段階から均圧操作における均圧昇圧段階に切り換わり、第４吸着塔４０が充圧操作から吸着工程に切り換わった状態を示している。

吸着工程が終了した第１吸着塔１０では、入口弁１１Ｖが閉じて原料ガスの導入が終了し、均圧弁１６Ｖが開くとともに、再生ガスパージ段階を終了した第３吸着塔３０では、精製ガス導入弁３５Ｖが閉じて再生ガスである水素ガスの導入が導入し、均圧弁３６Ｖが開く。これにより、吸着工程を終了した高圧状態の第１吸着塔１０内のガスが、再生ガスパージ段階を終了した低圧状態の第３吸着塔３０内に導入され、第１吸着塔１０では均圧減圧段階が行われて塔内に水素ガスが第３吸着塔３０内に導入され、第３吸着塔３０の均圧昇圧段階が行われ、第１吸着塔１０内の水素ガスが第３吸着塔３０内に回収されることにより、第１吸着塔１０及び第３吸着塔３０の内部圧力が、吸着工程圧力と再生工程圧力との間の中間圧力になる。

第２吸着塔２０では、塔上下の全ての弁が閉じられて待機状態になり、ポンプ吸入弁５３Ｖが閉じ、真空ポンプ５３による真空排気も終了する。一方、吸着工程に切り換わった第４吸着塔４０は、入口弁４１Ｖ及び出口弁４４Ｖが開き、圧縮機５１で昇圧された原料ガスが、原料ガス導入経路５２、原料ガス入口経路４１、入口弁４１Ｖを通って塔下部に導入され、第１吸着剤６１及び第２吸着剤６２に各種不純物成分ガスを吸着させることによって精製された水素ガスが、出口弁４４Ｖ、精製ガス出口経路４４、精製ガス導出経路５８を通って精製ガス貯槽５７に貯留される。

この図７に示す状態は、前記図３に示した状態と同様の状態であり、図７における第１吸着塔１０は図３における第２吸着塔２０と、図７における第２吸着塔２０は図３における第３吸着塔３０と、図７における第３吸着塔３０は図３における第４吸着塔４０と、図７における第４吸着塔４０は図３における第１吸着塔１０と、それぞれ同じ状態になっている。

図８は、第１吸着塔１０が均圧減圧段階から再生工程における脱着段階に切り換わり、第２吸着塔２０が待機状態から再生工程における脱着ガスパージ段階に切り換わり、第３吸着塔３０が均圧昇圧段階から充圧操作に切り換わり、第４吸着塔４０が吸着工程を継続している状態を示している。

均圧減圧段階で中間圧力に減圧した第１吸着塔１０では、脱着ガス導出弁１２Ｖが開くことによって塔内ガスが脱着ガス導出経路１２に導出される。同時に、脱着ガスパージ段階に切り換わった第２吸着塔２０では、流量調節弁２７Ｖがあらかじめ設定された流量になるような開度に開弁し、第１吸着塔１０から脱着ガス導出経路１２に導出された脱着ガスが、脱着ガス導入経路２７を通って第１吸着剤６１と第２吸着剤６２との境界部６３に導入される。これにより、第２吸着塔２０内のガスが減圧排気弁２３Ｖ、減圧排気経路２３、開弁状態のバイパス弁５５Ｖ、バイパス経路５５を通って系外に導出される。

均圧昇圧段階から充圧操作に切り換わった第３吸着塔３０では、均圧弁３６Ｖが閉じて精製ガス導入弁３５Ｖが開くことにより、吸着工程を継続している第４吸着塔４０から精製ガス出口経路４４に導出され、精製ガス導出経路５８を流れる吸着工程圧力の水素ガスの一部が精製ガス導入経路３５を通って第３吸着塔３０に導入され、第３吸着塔３０内が吸着工程圧力の水素ガスで満たされる。

この図８に示す状態は、前記図４に示した状態と同様の状態であり、図８における第１吸着塔１０は図４における第２吸着塔２０と、図８における第２吸着塔２０は図４における第３吸着塔３０と、図８における第３吸着塔３０は図４における第４吸着塔４０と、図８における第４吸着塔４０は図３における第１吸着塔１０と、それぞれ同じ状態になっており、以下、同様の状態が各吸着塔について繰り返されていく。

例えば、第１吸着塔１０においては、図３乃至図６に示す吸着工程を行った後、均圧操作における均圧減圧段階を経て再生工程に入り、再生工程における脱着段階を行って脱着ガスを他の吸着塔に供給し、待機状態を挟んで他の吸着塔からの脱着ガスを使用した脱着ガスパージ段階を行う。次いで、脱着ガスパージ状態を継続しつつ出口側から精製された水素ガス（再生ガス）を塔内に導入しながら塔内を真空排気するガス併用パージ段階を行った後、塔中間部への他の吸着塔からの脱着ガスの導入を停止し、再生ガスを塔内に流通させる再生ガスパージ段階を行うことによって再生工程を終了する。そして、吸着工程を終えた他の吸着塔との上部同士を連通させて均圧操作における均圧昇圧段階を経て水素ガスを塔内に導入して塔内を吸着工程圧力に昇圧する充圧操作を行う。

すなわち、各吸着塔は、吸着工程、均圧減圧段階、脱着段階、待機状態、脱着ガスパージ段階、ガス併用パージ段階、再生ガスパージ段階、均圧昇圧段階、充圧操作を行って吸着工程に戻る一連の状態を繰り返していくことになる。

図９は、第１吸着塔１０が吸着工程を開始してから充圧操作を終えるまでの各弁の開閉切換ステップを示す図であって、黒塗り部分が開弁状態を示している。但し、流量調節弁は流量調節状態である。このように、第１吸着塔が前記吸着工程を行っている状態のときに、第２吸着塔は前記均圧減圧段階と前記脱着段階とを行い、第３吸着塔は、前記待機状態と前記脱着ガスパージ段階と前記ガス併用パージ段階と再生ガスパージ段階とを行い、第４吸着塔は前記均圧昇圧段階と充圧操作とを行う状態に設定することにより、４塔の吸着塔のいずれか一つの吸着塔が吸着工程を行う状態にでき、原料ガスを連続的に精製することができる。

なお、吸着塔の設置数は任意であって２塔以上で実施可能であり、精製ガス導入経路は、精製ガス貯槽に接続するようにしてもよい。また、前記形態例に示す４塔式とすれば、精製ガスを連続して導出できるという利点を有しており、さらに、精製ガス貯槽を省略することが可能である。吸着剤の種類は、精製ガス及び不純物成分ガスの種類に応じて１種類以上を使用すればよく、吸着剤が１種類の場合、脱着ガスパージ段階における脱着ガスの導入位置は、吸着剤への藤生物成分ガスの吸着状態に応じて最適な位置を選定すればよい。また、各工程、各段階の切換時間は、精製ガスの必要量、吸着塔の容積、吸着工程と再生工程との圧力差、吸着剤の種類などの条件に応じて適宜設定することができる。

１０，２０，３０，４０…吸着塔、１１，２１，３１，４１…原料ガス入口経路、１１Ｖ，２１Ｖ，３１Ｖ，４１Ｖ…入口弁、１２，２２，３２，４２…脱着ガス導出経路、１２Ｖ，２２Ｖ，３２Ｖ，４２Ｖ…脱着ガス導出弁、１３，２３，３３，４３…減圧排気経路、１３Ｖ，２３Ｖ，３３Ｖ，４３Ｖ…減圧排気弁、１４，２４，３４，４４…精製ガス出口経路、１４Ｖ，２４Ｖ，３４Ｖ，４４Ｖ…出口弁、１５，２５，３５，４５…精製ガス導入経路、１５Ｖ，２５Ｖ，３５Ｖ，４５Ｖ…精製ガス導入弁、１６，２６，３６，４６…均圧経路、１６Ｖ，２６Ｖ，３６Ｖ，４６Ｖ…均圧弁、１７，２７，３７，４７…脱着ガス導入経路、１７Ｖ，２７Ｖ，３７Ｖ，４７Ｖ…流量調節弁、５１…圧縮機、５２…原料ガス導入経路、５３…真空ポンプ、５３Ｖ…ポンプ吸入弁、５４…真空排気経路、５５…バイパス経路、５５Ｖ…バイパス弁、５６…排気経路、５６Ｖ…排気弁、５７…精製ガス貯槽、５８…精製ガス導出経路、５９…均圧主経路、６１…第１吸着剤、６２…第２吸着剤、６３…境界部、Ｇ…原料ガス、ＧＡ…強吸着成分ガス、Ｇａ…残留強吸着成分ガス、ＧＢ…弱吸着成分ガス、ＧＣ…精製ガス、ＧＤ…脱着ガス、ＧＤｄ…一部の脱着ガス、ＧＥ…排気ガス

Claims (9)

1. 吸着剤を充填した複数の吸着塔の圧力を相対的に高い圧力とした吸着工程と相対的に低い圧力とした再生工程とに交互に切り換えてガス分離を行う圧力変動吸着分離法によって主成分ガス中に不純物成分ガスを含む原料ガスを前記吸着塔の入口側から導入し、前記不純物成分ガスを前記吸着剤に吸着させて分離することにより、前記主成分ガスからなる精製ガスを前記吸着塔の出口側から導出するガス精製方法において、前記再生工程は、前記吸着工程を終了した一つの吸着塔内ガスを入口側から脱着ガスとして導出する脱着段階と、吸着工程を終了した他の吸着塔の脱着段階で導出した脱着ガスの少なくとも一部を、前記脱着段階を終了した一つの吸着塔のガス流れ方向中間部に導入して入口側から導出する脱着ガスパージ段階とを含んでいることを特徴とするガス精製方法。
2. 前記脱着ガスパージ段階において、前記他の吸着塔から前記一つの吸着塔に導入する脱着ガスは、他の吸着塔内に充填されている吸着剤に対する吸着力が相対的に弱い弱吸着成分ガスを主成分としていることを特徴とする請求項１記載のガス精製方法。
3. 前記脱着ガスパージ段階において、前記一つの吸着塔の入口側から導出されるガスは、一つの吸着塔内に充填されている吸着剤に対する吸着力が相対的に強い強吸着成分ガスを主成分としていることを特徴とする請求項１又は２記載のガス精製方法。
4. 前記脱着ガスパージ段階において、前記他の吸着塔の入口側から導出されるガスは、前記一つの吸着塔内の圧力を上昇させない流量に調節して一つの吸着塔内に導入することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のガス精製方法。
5. 前記吸着塔を４塔備え、前記４塔の吸着塔は、各吸着塔それぞれに、吸着工程と、均圧操作における均圧減圧段階と、再生工程初期の脱着段階と、待機状態と、再生工程中期の脱着ガスパージ段階と、再生工程後期のガス併用パージ段階及び再生ガスパージ段階と、均圧操作における均圧昇圧段階と、充圧操作とを順次行って吸着工程に戻る一連の状態を繰り返し、第１吸着塔が前記吸着工程を行っている状態のときに、第２吸着塔は前記均圧減圧段階と前記脱着段階とを行い、第３吸着塔は、前記待機状態と前記脱着ガスパージ段階と前記ガス併用パージ段階と再生ガスパージ段階とを行い、第４吸着塔は前記均圧昇圧段階と充圧操作とを行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガス精製方法。
6. 吸着剤を充填した複数の吸着塔の圧力を相対的に高い圧力とした吸着工程と相対的に低い圧力とした再生工程とに交互に切り換えてガス分離を行う圧力変動吸着分離法によって主成分ガス中に不純物成分ガスを含む原料ガスを前記吸着塔の入口側から導入し、前記不純物成分ガスを前記吸着剤に吸着させて分離することにより、前記主成分ガスからなる精製ガスを前記吸着塔の出口側から導出するガス精製装置において、前記吸着塔は、前記再生工程で吸着塔から脱着ガスを導出する脱着ガス導出経路に、該脱着ガス導出経路を流れる脱着ガスの一部を他の吸着塔のガス流れ方向中間部に導入する脱着ガス導入経路の一端が接続されていることを特徴とするガス精製装置。
7. 前記吸着剤は、前記吸着塔内のガス流れ方向に対して２種類の吸着剤が積層充填されており、前記脱着ガス導入経路の他端は、前記２種類の吸着剤の境界部に接続されていることを特徴とする請求項６記載のガス精製装置。
8. 前記脱着ガス導入経路は、該脱着ガス導入経路内を流れるガス流量を調節する流量調節弁を備えていることを特徴とする請求項６又は７記載のガス精製装置。
9. 前記吸着塔を４塔有していることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載のガス精製装置。

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