JP6965198B2

JP6965198B2 - 気体精製装置及び気体精製方法

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Publication number: JP6965198B2
Application number: JP2018066772A
Authority: JP
Inventors: 孝文富岡; 宏之武井; 浩人平野
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
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Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2021-11-10
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Description

本発明は、気体精製装置及び気体精製方法に関する。

工業ガスの製造において、複数の種類のガス成分を含む混合ガスを精製して製品ガスを得る装置として、圧力変動吸着方式の装置（ＰＳＡ装置）が知られている。ＰＳＡ装置を用いて複数の種類のガス成分を含む混合ガスの各成分を分離して精製する場合、除去対象となる成分の種類に合わせて、複数の種類の吸着剤が使用されることがある。

複数の種類のガス成分を含む混合ガスを精製する技術として、複数の種類の吸着剤が内部で積層されている吸着塔を用いる技術が知られている（特許文献１）。
特許文献１には、主吸着剤、次に副吸着剤の順に積層した吸着塔を有する圧力スイング吸着装置が開示されている。特許文献１に記載の圧力スイング吸着装置では、主吸着剤が一酸化炭素を優先して吸着し、副吸着剤が水素以外の残部ガス成分を吸着する。さらに主吸着剤及び副吸着剤の脱着処理では、吸着塔内を吸引することで吸着した成分を吸着剤から脱離させている。

特開２０１２−１２６３５号公報

複数の種類のガス成分を含む混合ガスは、強吸着成分と呼ばれる化合物を含むことがある。強吸着成分とは、吸着剤に対する吸着力が強いガス成分である。強吸着成分を混合ガスが含む場合、吸着剤から強吸着成分が脱離しにくく、通常のＰＳＡ装置の再生工程では、吸着剤の吸着能が回復しにくい。
そのため、特許文献１に記載の圧力スイング吸着装置のように、吸引ポンプを用いて吸着塔内を減圧するだけでは、強吸着成分が吸着剤から脱離しにくい。このように、特許文献１に記載の圧力スイング吸着装置にあっては、吸着剤の吸着能が再生工程で回復しにくいため、製品ガスの純度が低下するおそれがある。したがって、通常のＰＳＡ装置は強吸着成分を含む混合ガスの精製に適用しにくいという問題を有している。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、強吸着成分を含む混合ガスの精製に適用可能であり、製品ガスを高純度で精製できる気体精製装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］第１の気体と第２の気体と第３の気体とを含む原料ガスから、圧力変動吸着方式で製品ガスを精製する気体精製装置であって、前記第３の気体を吸着する第１の吸着剤を有する第１の吸着塔と、前記第２の気体を吸着する第２の吸着剤を有する第２の吸着塔と、前記第１の吸着塔の二次側と前記第２の吸着塔の一次側とを接続し、前記第１の気体及び前記第２の気体が流れる接続ラインと、前記第２の吸着塔の二次側と接続され、前記第１の気体が流れる第１の導出ラインと、前記第１の導出ラインと接続され、前記第１の気体が流れる複数の再生ガスラインと、を備え、前記第３の気体は、第１の成分と第２の成分とを少なくとも含み、前記第１の吸着剤は、前記第１の成分を吸着する第１の吸着層と、前記第２の成分を吸着する第２の吸着層とを少なくとも有し、前記第１の吸着層と前記第２の吸着層とが、前記第１の吸着塔の一次側から二次側の順に第１の吸着塔内で積層され、各吸着層に吸着している各成分の種類に合わせて前記第１の気体の温度を調節しながら、前記第１の気体を各前記吸着層の二次側に供給するように、各前記再生ガスラインが、前記第１の吸着塔と接続される、気体精製装置。
［２］各前記第２の吸着塔の一次側と接続され、前記第２の気体が流れる第２の導出ラインと、前記第２の導出ラインに設けられ、前記第２の吸着剤から前記第２の気体を脱離させる吸引手段と、をさらに備える、［１］の気体精製装置。
［３］各前記吸着層の二次側に位置する部分の前記第１の吸着塔に、前記第１の気体が導入される複数の導入口がそれぞれ形成され、各前記導入口と各前記再生ガスラインとが接続される、［１］又は［２］の気体精製装置。
［４］複数の前記再生ガスラインの少なくとも一つが、前記第１の気体の温度を調節する温度調節器を有する、［１］〜［３］いずれかの気体精製装置。
［５］前記第１の気体と前記第２の気体との組み合わせが、プロパンとプロペンとの組み合わせであり、前記第１の成分が、トルエン、ベンゼン、アセトン、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、水蒸気からなる群より選ばれる少なくとも１種であり、前記第２の成分が窒素、酸素、アルゴン、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種である、［１］〜［４］いずれかの気体精製装置。
［６］［１］〜［５］いずれかの気体精製装置を用いる圧力変動吸着方式の気体精製方法であって、前記第１の吸着剤を再生する際に、前記第１の導出ラインに前記第１の気体を導出し、各前記吸着層に吸着している前記各成分の種類に合わせて前記第１の気体の温度を調節しながら、前記第１の気体を各前記吸着層の二次側に供給する、気体精製方法。
［７］前記第２の吸着層の二次側に前記第１の気体を供給した後に、前記第１の吸着層の二次側に前記第１の気体を供給する、［６］の気体精製方法。

本発明によれば、強吸着成分を含む混合ガスの精製に適用可能であり、製品ガスを高純度で精製できる気体精製装置を提供できる。

本発明を適用した一実施形態である第１の実施形態に係る気体精製装置の構成の一例を示す模式図である。図１の気体精製装置の関連技術に係る気体精製装置の構成の一例を示す模式図である。図１の気体精製装置の関連技術に係る気体精製装置の構成の一例を示す模式図である。

本明細書における下記の用語の意味は以下の通りである。
「ＰＳＡ」は、ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎの略である。本明細書では圧力変動吸着方式を「ＰＳＡ方式」と記し、ＰＳＡ方式で気体を精製する装置を「ＰＳＡ装置」と記す。
吸着剤の「再生」とは、除去対象成分が吸着された吸着剤を再び除去対象成分が吸着され得る状態に戻すことを意味する。
「再生ガス」とは、再生の対象となる吸着剤を有する吸着塔に、吸着剤を再び除去対象成分が吸着され得る状態に戻すために供給される気体を意味する。
「再生排ガス」とは、再生の対象となる吸着剤を有する吸着塔から排出される気体であり、吸着剤の再生に使用された気体を意味する。
「強吸着成分」とは、吸着剤に対する吸着力が相対的に強いガス成分を意味する。
「弱吸着成分」とは、吸着剤に対する吸着力が相対的に弱いガス成分を意味する。

以下、本発明を適用した一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。

＜気体精製装置＞
本実施形態の気体精製装置は、第１の気体と第２の気体と第３の気体とを含む原料ガスから、第２のガスを製品ガスとして精製する装置である。
第１の気体、第２の気体は特に限定されない。第１の気体、第２の気体の具体例としては、エタン、エチレン、プロパン、プロペン、ブタン、ブテン等の炭化水素が例示される。

第１の気体と第２の気体の組合せとしては、前記の具体例から、少なくとも２種以上を選択できる。これらのなかから、化学的性質又は物理的性質が似ている化合物同士の組合せを選択しても、本発明の効果を得ることができる。化学的性質又は物理的性質が似ている化合物の組合せとしては、エタン及びエチレンの組合せ、プロパン及びプロペンの組合せ、ブタン及びブテンの組合せ等が例示される。

第３の気体は、第１の成分と第２の成分とを少なくとも含む。第３の気体は、第１の成分及び第２の成分以外の他の成分を含んでもよい。
第１の成分、第２の成分及び他の成分としては、窒素、酸素、アルゴン、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種の弱吸着成分；トルエン、ベンゼン、アセトン、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、水蒸気からなる群より選ばれる少なくとも１種の強吸着成分等が例示される。

第３の気体における第１の成分と第２の成分の組合せとしては、前記の具体例から、少なくとも１種以上を選択できる。これらのなかでも、第１の成分と第２の成分の組合せとしては、前記の強吸着成分から１つ以上と前記の弱吸着成分から１つ以上との組み合わせを選択することができる。第３の気体が、少なくとも１つの強吸着成分を含む場合でも、本発明の効果を得ることができる。
以下の実施形態においては、原料ガスがプロパン（第１の気体）及びプロペン（第２の気体）を含み、第３の気体が第１の成分としてブチルアルコールを、第２の成分として二酸化炭素を含み、製品ガスとしてプロペンを回収する場合を一形態例として説明する。

本実施形態の気体精製装置は、ＰＳＡ装置である。そのため、以下の実施形態においては、一般的なＰＳＡ装置が備える脱圧ライン及び均圧ライン並びにこれらの各ラインに設けられる開閉弁等の構成（即ち、本発明の特徴との関連性が低い構成）に関する説明を省略し、図示を省略する。

図１は、本実施形態に係る気体精製装置１０の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、気体精製装置１０は、原料ガスの供給源１と第１のＰＳＡユニット２と第２のＰＳＡユニット３と吸引ポンプ４と冷却器５と原料ラインＬ１と接続ラインＬ２と第１の導出ラインＬ３と第２の導出ラインＬ４と第１の再生ガスラインＬ５と第２の再生ガスラインＬ６と再生排ガスラインＬ７とを備える。

図１に示す気体精製装置１０においては、原料ガスが第１のＰＳＡユニット２に供給され、プロパンとプロペンとを含む気体が後述の第２の吸着塔３ａの一次側に供給されている。また、第２の吸着塔３ａの二次側からプロパンが第１の導出ラインＬ３に導出されている。そして、後述の第２の吸着塔３ｂの一次側からプロペンが導出されている。
以下に気体精製装置１０の各構成要素に関して詳しく説明を行う。

原料ラインＬ１は、第１のＰＳＡユニット２に原料ガスを供給するためのラインである。原料ラインＬ１は、第１のＰＳＡユニット２の一次側（上流側）と接続される。
第１のＰＳＡユニット２は、原料ガスから第３の気体（本形態例では二酸化炭素とブチルアルコールとを含む混合気体である。）を除去する。第１のＰＳＡユニット２は、第１の吸着塔２ａ，２ｂを有する。第１の吸着塔２ａ，２ｂは、中空円筒状である。第１の吸着塔２ａ，２ｂは内部に第１の吸着剤を有する。

第１の吸着剤は第３の気体を吸着する。本実施形態では第１の吸着塔２ａ内の第１の吸着剤は、第１の吸着層６ａと第２の吸着層７ａとを少なくとも有する。同様に第１の吸着塔２ｂ内の第１の吸着剤は、第１の吸着層６ｂと第２の吸着層７ｂとを少なくとも有する。第１の吸着塔２ａ内の第１の吸着剤は、第３の気体の構成成分の種類の数に応じて、第１の吸着層６ａ及び第２の吸着層７ａ以外に、さらに吸着層を有してもよい。同様に第１の吸着塔２ｂ内の第１の吸着剤は、第３の気体の構成成分の種類の数に応じて、第１の吸着層６ｂ及び第２の吸着層７ｂ以外に、さらに吸着層を有してもよい。

第１の吸着層６ａ，６ｂは、第１の成分（本形態例ではブチルアルコールである。以下、「ブチルアルコール」と記す。）を吸着する。第１の吸着層６ａ，６ｂの具体例としては、活性炭、ゼオライト、活性アルミナ、アミン担持アルミナ、シリカゲル、シリカアルミナ、マイクロ又はメソポーラス樹脂系吸着剤等が例示される。これらは一種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
第２の吸着層７ａ，７ｂは、第２の成分（本形態例では二酸化炭素である。以下、「二酸化炭素」と記す。）を吸着する。第２の吸着層７ａ，７ｂの具体例としては、分子篩炭（ＭＳＣ）、ゼオライト等が例示される。これらは一種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

第１の吸着層６ａと第２の吸着層７ａとは、第１の吸着塔２ａの一次側から二次側の順に第１の吸着塔２ａ内で積層されている。同様に第１の吸着層６ｂと第２の吸着層７ｂとは、第１の吸着塔２ｂの一次側から二次側の順に第１の吸着塔２ｂ内で積層されている。

第１の吸着層６ａ，６ｂと第２の吸着層７ａ，７ｂとの積層の順序は、ブチルアルコール（第１の成分）と二酸化炭素（第２の成分）との吸着の順序によって決定できる。例えば、本形態例のように、第３の気体がブチルアルコールのような強吸着成分を含む場合、第１の吸着塔２ａ，２ｂの一次側にブチルアルコールを吸着する第１の吸着層６ａ，６ｂを積層することが好ましい。この場合、二次側に第２の吸着層７ａ，７ｂを積層することで、ブチルアルコール、二酸化炭素の順に原料ガスから除去される。その結果、強吸着成分が二次側の第２の吸着層７ａ，７ｂに到達しにくくなり、第２の吸着層７ａ，７ｂの吸着能が低下しにくく、製品ガス（プロペン）の純度がさらに高くなる。

第１の吸着塔２ａ，２ｂにおいて、第１の吸着層６ａ，６ｂが占める容積Ｖ_１と第２の吸着層７ａ，７ｂが占める容積Ｖ_２との比（Ｖ_１：Ｖ_２）は、１：９〜３：７が好ましい。Ｖ_１：Ｖ_２が１：９〜３：７であると、ブチルアルコール及び二酸化炭素がさらに効果的に除去され、製品ガスの純度がさらによくなる。

第１の吸着層６ａ，６ｂの二次側に位置する部分の第１の吸着塔２ａ，２ｂの側面には、導入口８ａ，８ｂが形成されている。導入口８ａは第１の再生ガスラインＬ５の分岐した端部（分岐ラインＬ５ａ）と接続される。導入口８ｂは第１の再生ガスラインＬ５の分岐した端部（分岐ラインＬ５ｂ）と接続される。導入口８ａ，８ｂには第１の再生ガスラインＬ５からプロパンが導入される。導入口８ａ，８ｂを経由することで、第１の吸着層６ａ，６ｂを再生する再生ガスとして、プロパンを第１の吸着層６ａ，６ｂの二次側に供給できる。

第１の吸着層７ａ，７ｂの二次側に位置する部分の第１の吸着塔２ａ，２ｂの上面には、導入口９ａ，９ｂが形成されている。導入口９ａは第２の再生ガスラインＬ６の分岐した端部（分岐ラインＬ６ａ）と接続される。導入口９ｂは第２の再生ガスラインＬ６の分岐した端部（分岐ラインＬ６ｂ）。導入口９ａ，９ｂには第２の再生ガスラインＬ６からプロパンが導入される。導入口９ａ，９ｂを経由することで、第２の吸着層７ａ，７ｂを再生する再生ガスとして、プロパンを第２の吸着層７ａ，７ｂの二次側に供給できる。

接続ラインＬ２は、プロパン（本形態例ではプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）である。以下、「プロパン」と記す。）と第２の気体（本形態例ではプロペン（Ｃ_３Ｈ_６）である。以下、「プロペン」と記す。）とを含む気体を第１のＰＳＡユニット２から第２のＰＳＡユニット３に導出するためのラインである。接続ラインＬ２は、第１のＰＳＡユニット２の二次側（下流側）と第２の吸着塔３ａ，３ｂの一次側（上流側）とを接続する。具体的には、接続ラインＬ２は、第１の端部が第１のＰＳＡユニット２の二次側と接続され、分岐した第２の端部が第２の吸着塔３ａ，３ｂの一次側のそれぞれと接続される。

第２のＰＳＡユニット３は、プロパンとプロペンとを分離する。第２のＰＳＡユニット３は第２の吸着塔３ａと第２の吸着塔３ｂとを有する。第２の吸着塔３ａ，３ｂは基本的に同じ構成であり、中空円筒状である。第２の吸着塔３ａ，３ｂは内部に第２の吸着剤（図示略）を有する。本形態例においては、第２の吸着剤はプロペンを吸着できる形態であれば特に限定されない。第２の吸着剤としては、ゼオライト、銀イオン担持活性炭等を含む吸着剤が好ましい。

第２の吸着塔３ａ，３ｂでプロペンが第２の吸着剤に吸着されることにより、プロパンとプロペンとを含む気体からプロペンが除去可能である。プロペンの第２の吸着剤への吸着反応は発熱反応である。そのため、プロペンが第２の吸着剤に吸着すると、第２の吸着塔３ａ，３ｂの二次側から導出されるプロパンを主に含む気体（以下、単に「プロパン」と記す。）の温度が上昇する。すなわち、第２の吸着塔３ａ，３ｂの二次側から導出された後のプロパンの温度は、第２の吸着塔３ａ，３ｂに導入される前の温度と比較して相対的に高くなる。

第１の導出ラインＬ３は、第２のＰＳＡユニット３の二次側から導出されるプロパンが流れるラインである。第１の導出ラインＬ３は、分岐した第１の端部が第２の吸着塔３ａ，３ｂのそれぞれの二次側と接続され、第２の端部（後述の接続点ｄ２）が第２の再生ガスラインＬ６と接続される。
第１の導出ラインＬ３は、第１の再生ガスラインＬ５及び第２の再生ガスラインＬ６と接続されている。具体的に第１の導出ラインＬ３は、接続点ｄ１で第１の再生ガスラインＬ５と接続され、接続点ｄ２で第２の再生ガスラインＬ６と接続される。

第２の導出ラインＬ４は、第２のＰＳＡユニット３の一次側から導出されるプロペンが流れるラインである。第２の導出ラインＬ４は、分岐した第１の端部が第２の吸着塔３ａ，３ｂの一次側のそれぞれと接続され、第２の端部が図示略の製品ガスタンクと接続されている。第２の導出ラインＬ４には、吸引ポンプ４が設けられている。図示略の製品ガスタンクには、プロペンが製品ガスとして貯蔵される。

吸引ポンプ４は第２の吸着剤にプロペンが吸着されている状態において、第２の吸着剤からプロペンを脱離させる吸引手段の一例である。これにより、第２のＰＳＡユニット３によって分離されたプロパンの一部を第２の吸着剤の再生ガスとして第２の吸着塔３ａ，３ｂ内に供給せずに、第２の吸着剤からプロペンを脱離させることができる。吸引ポンプ４としては真空ポンプが好ましい。

第１の再生ガスラインＬ５及び第２の再生ガスラインＬ６は、第１の吸着剤を再生する再生ガスとしてプロパンが流れるラインである。第１の再生ガスラインＬ５及び第２の再生ガスラインＬ６は、第１の導出ラインＬ３からそれぞれ分岐されている。
第１の再生ガスラインＬ５は、第１の端部が接続点ｄ１で第１の導出ラインＬ３と接続され、第２の端部が分岐ラインＬ５ａと分岐ラインＬ５ｂとに分岐される。第１の再生ガスラインＬ５の分岐した第２の端部のそれぞれは、導入口８ａ，８ｂと接続される。
第２の再生ガスラインＬ６は、第１の端部が接続点ｄ２で第１の導出ラインＬ３と接続され、第２の端部が分岐ラインＬ６ａと分岐ラインＬ６ｂとに分岐される。第２の再生ガスラインＬ６は、冷却器５を有する。第２の再生ガスラインＬ６の分岐した第２の端部のそれぞれは、導入口９ａ，９ｂと接続される。

第１の再生ガスラインＬ５及び第２の再生ガスラインＬ６に第１の導出ラインＬ３から導入されるプロパンは、第２の吸着塔３ａ，３ｂの二次側から導出されるプロパンである。第２の吸着塔３ａ，３ｂから導出されるプロパンは、吸着反応の発熱により加温され、相対的に温度が高い。よって第１の再生ガスラインＬ５は、相対的に温度の高いプロパンを導入口８ａ，８ｂを介して第１の吸着層６ａ，６ｂの二次側に供給可能である。

第１の吸着層６ａ，６ｂに供給されるプロパンの温度は、ブチルアルコール（第１の成分）の脱離に適した温度Ｔ_１に調節される。温度Ｔ_１は特に限定されないが、例えば、５０〜２５０℃とすることができる。温度Ｔ_１の調整は、例えば第２の吸着塔３ａ，３ｂ内の第２の吸着剤の量の調整で行ってもよい。

冷却器５は、第２の吸着層７ａ，７ｂに再生ガスとして供給されるプロパンを冷却する。よって、第２の再生ガスラインＬ６は、相対的に温度の低いプロパンを導入口９ａ，９ｂを介して第２の吸着層７ａ，７ｂの二次側に供給可能である。
第２の吸着層７ａ，７ｂに供給されるプロパンの温度は、二酸化炭素（第２の成分）の脱離に適した温度Ｔ_２に調節される。温度Ｔ_２は特に限定されないが、例えば、０〜４５℃とすることができる。温度Ｔ_２の調整は、冷却器５で行うことができる。
なお、冷却器５は、第２の再生ガスラインＬ６内のプロパンの温度を調節する温度調節器の一例である。

このように、第１の再生ガスラインＬ５及び第２の再生ガスラインＬ６は、各成分（ブチルアルコール及び二酸化炭素）の種類に合わせてプロパンの温度を調節する。第１の再生ガスラインＬ５及び第２の再生ガスラインＬ６は、各成分の脱離に適した温度に調節されたプロパンを第１の吸着層６ａ，６ｂと第２の吸着層７ａ，７ｂとのそれぞれの二次側に供給するように、第１の吸着塔２ａ，２ｂと接続される。

再生排ガスラインＬ７は、第１の吸着塔２ａ，２ｂから再生排ガスを排出するためのラインである。再生排ガスラインＬ７は、第１の吸着塔２ａ，２ｂの一次側と接続される。

（作用効果）
以上説明した気体精製装置１０にあっては、第１の再生ガスラインＬ５と第２の再生ガスラインＬ６とを備え、各吸着層に吸着している各成分の種類に合わせてプロパンの温度を調節しながら、各吸着層の二次側に供給可能な構成を採用している。そのため、各吸着層から脱離させる各成分の脱離に適した温度で各吸着層の再生を行うことができる。その結果、強吸着成分が第１の吸着層に吸着しても、各吸着層の再生が容易であるから、吸着能が回復しやすくなり、製品ガスの純度がよくなる。

気体精製装置１０によれば、プロパンを第１の吸着剤を再生する再生ガスとして、第１の吸着塔２ａ，２ｂに供給できるため、製品ガスとして貯蔵されるプロペンを第１の吸着剤の再生に使用する必要がなくなる。よって、製品ガスであるプロペンの収率が高くなり、さらに高収率でプロペンを精製できる。

気体精製装置１０は、第１のＰＳＡユニット２と第２のＰＳＡユニット３とを備えるため、第３の気体を第１のＰＳＡユニット２で確実に除去した後に、第２のＰＳＡユニット３でプロパンとプロペンとを分離できる。その結果、プロペンの純度が高くなり、高純度でプロペンを精製できる。
気体精製装置１０は吸引ポンプ４を備えるため、第２のＰＳＡユニット３によって分離されたプロパンの一部を第２の吸着塔３ａ，３ｂ内に供給せずに、第２の吸着剤からプロペンを脱離させることができる。そのため、製品ガスであるプロペンにプロパンが混入しにくくなる。その結果、プロペンの純度が高くなり、高純度でプロペンを精製できる。

気体精製装置１０は冷却器５を備えるため、第２の吸着層７ａ，７ｂの再生の際に、過度に第１の吸着塔２ａ，２ｂの温度が上がりにくく、第１の吸着塔２ａ，２ｂを二酸化炭素の除去に適した温度に維持しやすい。そのため、二酸化炭素の除去効率がよくなり、製品ガスであるプロペンの純度がさらに高くなる。

以下、気体精製装置１０の比較対象として、関連技術のＰＳＡ装置について説明する。図２は、気体精製装置１０の関連技術に係る気体精製装置１００の構成の一例を示す模式図である。図２に示すように、気体精製装置１００は、第１の再生ガスラインＬ５を備えない点以外は、気体精製装置１０と同様の構成を備える。ただし、図２においては簡略化のため、第１の吸着塔２ａ，２ｂ及び第２の再生ガスラインＬ６の分岐した各端部（分岐ラインＬ６ａ，Ｌ６ｂ）の図示を省略している。

図２に示す気体精製装置１００においては、原料ガスが第１のＰＳＡユニット２に供給されている。また、第２の吸着塔３ａの二次側からプロパンが第１の導出ラインＬ３に導出されている。そして、第２の吸着塔３ｂの一次側からプロペンが導出されている。

第２の吸着塔３ａ内でプロペンの吸着反応が起き、吸着反応にともなう熱が発生する。その結果、第２の吸着塔３ａから導出されるプロパンの温度が高くなる。
一方で第２の吸着層７ａ，７ｂにおける二酸化炭素の脱離は、脱離効率の点から、相対的に低い温度下で行われる。そこで、冷却器５によって第２の再生ガスラインＬ６内の温度を下げる必要がある。

ところが、第１の吸着層６ａ，６ｂにおけるブチルアルコールの脱離は、脱離効率の点から、相対的に高い温度下で行われる。そのため、第２の吸着層７ａ，７ｂの脱離効率に合わせてプロパンを冷却器５で冷却し、第１の吸着層６ａ，６ｂの二次側にそのまま供給すると、ブチルアルコールの脱離効率が低下するおそれがある。よって、気体精製装置１００においては、第１の吸着層６ａ，６ｂの吸着能が回復しにくく、製品ガスの純度が低下するおそれがある。

なお、第２の吸着層７ａ，７ｂの脱離効率に合わせてプロパンを冷却し、さらに第１の吸着層６ａ，６ｂを相対的に低温でも脱離可能な吸着層に置換することも考えられる。しかし、このような吸着層の置換を行うと、製品ガスの純度を高くするために、置換後の吸着層の使用量を多くする必要が生じ、吸着塔が大型化し、コストが増大する。

図３は、気体精製装置１０の関連技術に係る気体精製装置２００の構成の一例を示す模式図である。図３に示すように、気体精製装置２００は、下記の点以外は気体精製装置１０と同様の構成を備える。
・第１の再生ガスラインＬ５を備えない点。
・非再生式の除去器３０を備える点。
・第１のＰＳＡユニット２が第１のＰＳＡユニット２０に置換されている点。

図２に示す気体精製装置１００においては、原料ガスが第１のＰＳＡユニット２０に供給されている。また、第２の吸着塔３ａの二次側からプロパンが第１の導出ラインＬ３に導出されている。そして、第２の吸着塔３ｂの一次側からプロペンが導出されている。

第１のＰＳＡユニット２０は図示略の第１の吸着塔を有する。第１のＰＳＡユニット２０においては、第１の吸着塔は、第１のＰＳＡユニット２における第１の吸着塔２ａ，２ｂと異なり、第１の吸着層６ａ，６ｂ及び第３の吸着層７ａ，７ｂを有さない。そして、第１のＰＳＡユニット２０においては、第１の吸着塔は、二酸化炭素の吸着剤を吸着塔内に有する。
非再生式の除去器３０は、ブチルアルコール等の強吸着成分を除去する。非再生式であるため、一度ブチルアルコールが除去器３０内に吸着すると、脱離が困難である。

除去器３０は非再生式であるため、ブチルアルコール等の強吸着成分が吸着し、吸着能が低下すると、新品の除去器３０と取り換える必要がある。強吸着成分の含有量が原料ガス１００体積％に対し、０．１％未満程度であれば、年間の維持コストも増大しにくく、気体精製装置２００は、強吸着成分を含む原料ガスの精製に適用可能であるが、強吸着成分の含有量が原料ガス１００体積％に対し、０．１％以上であると、年間の維持コストが増大する。
これに対し、気体精製装置１０は強吸着成分に適した温度でプロパンを第１の吸着層に供給することで、第１の吸着層の再生を可能としているため、低コストで製品ガスを製造できる。

＜気体精製方法＞
以下、上述した気体精製装置１０を用いる本実施形態の気体精製方法について説明する。本実施形態の気体精製方法は、ＰＳＡ方式の気体精製方法である。そのため、以下の実施形態においては、一般的な（即ち、本発明の特徴との関連性が低い）ＰＳＡ方式の気体精製方法で行われる脱圧及び均圧等の操作に関する説明を省略する。

以下に示す実施形態では、原料ガスを第１の吸着塔２ｂに供給し、第１の吸着層６ｂにブチルアルコールを吸着させ、第２の吸着層７ｂに二酸化炭素を吸着させ、第１の吸着塔２ｂから第２の吸着塔３ｂにプロパン及びプロペンを供給し、第２の吸着塔３ｂ内にプロペンを吸着させた後を一例として、説明する。
即ち、以下の実施形態では、第１の吸着塔２ａで第３の気体の吸着工程が行われ、第１の吸着塔２ｂで第１の吸着剤の再生工程が行われている。そして、第２の吸着塔３ａでプロペンの吸着工程が行われ、第２の吸着塔３ｂでプロペンの脱離による回収工程が行われている。

以下、図１を参照しながら本実施形態の気体精製方法について説明する。図１中、矢印の向きは、気体が流れている方向を意味する。

本実施形態の気体精製方法では、原料ガスを第１の吸着塔２ａに供給し、第１の吸着層６ａにブチルアルコールを吸着させ、第１の吸着層６ｂに二酸化炭素を吸着させる。これにより、原料ガスから第３の気体が除去される。
次いで、プロパンとプロペンとを含む気体を第１の吸着塔２ａから接続ラインＬ２に導出し、プロパン及びプロペンを第２の吸着塔３ａに供給する。そして、第２の吸着塔３ａ内の図示略の第２の吸着剤にプロペンを吸着させる。これにより、プロパンとプロペンとが分離される。なお、第２の吸着塔３ｂ内では、図示略の第２の吸着剤からプロペンがプロペンを脱離させている。

本実施形態では、第１の吸着塔２ｂ内の第１の吸着剤を再生する際に、第１の導出ラインＬ３にプロパンを導出する。これにより、第１の導出ラインＬ３に導出されるプロパンの温度が、プロペンの吸着反応による発熱の影響で第２の吸着塔３ａに導入される前の温度と比較して相対的に高くなる。その後、第１の導出ラインＬ３内のプロパンは、接続点ｄ１で第１の再生ガスラインＬ５に導出される。第１の導出ラインＬ３内のプロパンは、接続点ｄ２で第２の再生ガスラインＬ６に導出される。

まず、第２の再生ガスラインＬ６内の相対的に高温のプロパンは、冷却器５によって冷却され、相対的に温度が低くなる。このように第２の再生ガスラインＬ６内では、第２の吸着層７ｂに吸着する二酸化炭素の脱離温度に合わせて、プロパンの温度が調整される。
その後、第２の再生ガスラインＬ６内の相対的に低温のプロパンが、分岐ラインＬ６ｂを経由し、導入口９ｂを介し、第２の吸着層７ｂの二次側に供給される。これにより、第２の吸着層７ｂに吸着している二酸化炭素が脱離に適した温度下で脱離する。脱離した二酸化炭素は、プロパンとともに第２の吸着層７ｂから第１の吸着層６ｂに向かって流れ、再生排ガスラインＬ７にプロパンとともに導出される。

次いで、第１の再生ガスラインＬ５内の相対的に高温のプロパンは、分岐ラインＬ５ｂを経由し、導入口８ｂを介し、第１の吸着層６ｂの二次側に供給される。これにより、第１の吸着層６ｂに吸着しているブチルアルコールが脱離し、再生排ガスラインＬ７にプロパンとともに導出される。
ここで、第１の再生ガスラインＬ５内のプロパンは、相対的に高温であり、その温度は、第１の吸着層６ｂに吸着するブチルアルコールの脱離温度に近い。すなわち、第１の再生ガスラインＬ５内のプロパンは、すでに第１の導出ラインＬ３への導出によって、第１の吸着層６ｂに吸着するブチルアルコールの脱離温度に合わせて、調節済であることが多い。そのため、本実施形態では、さらなるプロパンの冷却又は加熱等の温度調節を行っても、行わなくてもよい。

このように、本実施形態では、第１の吸着層６ｂ及び第２の吸着層７ｂにそれぞれ吸着している各成分の種類に合わせて、プロパンの温度を調節しながら、プロパンを第１の吸着層６ｂ及び第２の吸着層７ｂのそれぞれの二次側に供給する。第１の吸着層６ｂにおける各成分の脱離時の圧力は特に限定されない。前記圧力は例えば大気圧とすることができる。

（作用効果）
以上説明した本実施形態の気体精製方法では、気体精製装置１０を用い、各吸着層に吸着している各成分の種類に合わせてプロパンの温度を調節しながら、プロパンを各吸着層の二次側に供給するため、原料ガスが強吸着成分を含む場合でも、強吸着成分が吸着剤から脱離しやすい。このように、本実施形態にあっては、第１の吸着層６ｂの吸着能が再生工程で回復しやすいため、製品ガスの純度が高くなる。したがって、気体精製装置１０は強吸着成分を含む混合ガスの精製に適用可能である。

さらに本実施形態では、第２の吸着層７ｂの二次側にプロパンを供給した後に、第１の吸着層６ｂの二次側にプロパンを供給している。これにより、相対的に温度が低いプロパンで第２の吸着層７ｂの二酸化炭素が脱離した後に、脱離した二酸化炭素とプロパンを含む再生排ガスが第１の吸着層６ｂを通過する。この際に、二酸化炭素とプロパンを含む再生排ガスが若干量のブチルアルコールを脱離する効果が期待できる。そのため、第１の吸着層６ｂに吸着しているブチルアルコールの一部が相対的に温度の低いプロパンで脱離した後に、相対的に温度が高いプロパンを第１の吸着層６ｂの二次側にプロパンを供給できるようになる。その結果、さらにブチルアルコールが脱離しやすくなり、製品ガスの高純度化を期待できる。

以上説明した本実施形態では、第２の吸着塔３ａでプロペンの吸着反応が起き、第２の吸着塔３ａから導出されるプロパンを第１の吸着塔２ａ，２ｂの再生ガスとして使用する場合を一例として説明した。当然ながら、第２の吸着塔３ｂでプロペンの吸着反応が起き、第２の吸着塔３ｂから導出されるプロパンを第１の吸着塔２ａ，２ｂの再生ガスとして使用する場合でも、同様の作用効果が得られる。
他にも、第２の吸着塔３ａは、スチーム等の外部熱源により加温されてもよい。この場合において、第２の吸着塔３ａから導出されるプロパンを第１の吸着塔２ａ，２ｂの再生ガスとして使用しても、同様の作用効果が得られる。

以上、一実施形態に係る気体精製装置１０を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。気体精製装置１０は、その他の様々な形態で実施可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
例えば、接続ラインＬ２、第１の再生ガスラインＬ５、第２の再生ガスラインＬ６のそれぞれには、各ラインを流れる気体の流量の変動を抑制して安定化させることを目的とし、気体を貯蔵するタンクが設けられてもよい。

なお、他の実施形態においては、複数の再生ガスラインの数は、第３の気体の構成成分の数に応じて決定してもよい。この場合、第１の吸着塔における吸着層の数も、第３の気体の構成成分の数に応じて決定される。すなわち、複数の再生ガスラインの数及び吸着層の数は、第３の気体の構成成分の数に応じて決定可能である。第３の気体の構成成分の数が３以上である場合、積層の順番は、第３の気体の構成成分の中から除去する順番に応じて選択できる。

＜実施例＞
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。

（略号）
Ｖ_Ｌ４：第２のＰＳＡユニット３における製品ガス（プロペン）の流量［Ｎｍ^３／ｈ］。
Ｐ_Ｌ２：第１のＰＳＡユニット２の吸着時の圧力［ｋＰａＧ］。
Ｔ_Ｌ５：第１の再生ガスラインＬ５内のプロパンの温度［℃］。
Ｔ_Ｌ６：冷却器５の二次側の第２の再生ガスラインＬ６内のプロパンの温度［℃］。
Ｖ_Ｌ５：第１の再生ガスラインＬ５内のプロパンの流量［Ｎｍ^３／ｈ］。
Ｖ_{Ｌ６ａ，Ｌ６ｂ}：第２の再生ガスラインＬ６の分岐した各端部（分岐ラインＬ６ａ，Ｌ６ｂ）内のプロパンの流量［Ｎｍ^３／ｈ］。
「Ｖ_１：Ｖ_２」：第１の吸着塔内で、第１の吸着層が占める容積Ｖ_１と第２の吸着層が占める容積Ｖ_２との比。
ｔ_１：第２の再生ガスラインＬ６から第１の供給塔へのプロパンの供給時間［秒間］。
ｔ_２：第１の再生ガスラインＬ５から第１の供給塔へのプロパンの供給時間［秒間］。

（実施例１）
実施例１では気体精製装置１０を用いて、ＰＳＡ方式で原料ガスを精製し、プロペンを製品ガスとして回収した。実施例１で使用した原料ガスは、プロパンを４５体積％、プロペンを２５体積％、ブチルアルコールを５体積％、二酸化炭素を２５体積％含んでいた。
実施例１ではまず、原料ガスを第１のＰＳＡユニット２に供給し、ブチルアルコールと二酸化炭素とを除去した。第１のＰＳＡユニット２では、第１の吸着層６ａ，６ｂとしてシリカアルミナを使用し、第２の吸着層７ａ，７ｂとしてＭＳＣ（分子篩活性炭）を使用した。第１のＰＳＡユニット２における第１の吸着塔の吸着と脱離の切替時間は、１８０秒とした。
次いで、第２のＰＳＡユニット３にプロパン及びプロペンを供給し、プロパンとプロペンとを分離した。第２のＰＳＡユニット３におけるプロペンの吸着温度は１５０℃とした。第２のＰＳＡユニット３では、第２の吸着剤としてゼオライトを使用した。
その後、本実施形態で説明した方法に従い、第１の吸着層及び第２の吸着層の再生を行い、表１に示す条件下でプロペンを製品ガスとして第２の導出ラインＬ４から回収した。なお、実施例１では、第１の吸着塔におけるブチルアルコールと二酸化炭素との脱離は、大気圧下で行った。

（比較例１）
比較例１では気体精製装置１００を用いた以外は、実施例１と同様にし、表１に示す条件下でプロペンを製品ガスとして回収した。なお比較例１でも、第１の吸着塔におけるブチルアルコールと二酸化炭素との脱離は、大気圧下で行った。

実施例１では、製品ガス中の不純物の濃度が３９体積％であったのに対し、比較例１では、４９体積％であった。この結果から実施例１では比較例１より効果的に第１の吸着層及び第２の吸着層の再生を行うことができ、プロペンを高純度で精製できたことが示唆された。

本発明の気体精製装置及び気体精製方法は、例えば、複数の炭化水素を含む有機物と無機物とを含む混合物から、高濃度の炭化水素ガスを高回収率で回収する技術として産業上利用可能である。

１…原料ガスの供給源、２，２０…第１のＰＳＡユニット、２ａ，２ｂ…第１の吸着塔、３…第２のＰＳＡユニット、３ａ，３ｂ…第２の吸着塔、４…吸引ポンプ、５…冷却器、６ａ，６ｂ…第１の吸着層、７ａ，７ｂ…第２の吸着層、８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ…導入口、１０，１００，２００…気体精製装置、３０…除去器、Ｌ１…原料ライン、Ｌ２…接続ライン、Ｌ３…第１の導出ライン、Ｌ４…第２の導出ライン、Ｌ５…第１の再生ガスライン、Ｌ６…第２の再生ガスライン、Ｌ７…再生排ガスライン、ｄ１，ｄ２…接続点

Claims

第１の気体と第２の気体と第３の気体とを含む原料ガスから、圧力変動吸着方式で製品ガスを精製する気体精製装置であって、
前記第３の気体を吸着する第１の吸着剤を有する第１の吸着塔と、
前記第２の気体を吸着する第２の吸着剤を有する第２の吸着塔と、
前記第１の吸着塔の二次側と前記第２の吸着塔の一次側とを接続し、前記第１の気体及び前記第２の気体が流れる接続ラインと、
前記第２の吸着塔の二次側と接続され、前記第１の気体が流れる第１の導出ラインと、
前記第１の導出ラインと接続され、前記第１の気体が流れる複数の再生ガスラインと、
を備え、
前記第３の気体は、第１の成分と第２の成分とを少なくとも含み、
前記第１の吸着剤は、前記第１の成分を吸着する第１の吸着層と、前記第２の成分を吸着する第２の吸着層とを少なくとも有し、
前記第１の吸着層と前記第２の吸着層とが、前記第１の吸着塔の一次側から二次側の順に第１の吸着塔内で積層され、
各吸着層に吸着している各成分の種類に合わせて前記第１の気体の温度を調節しながら、前記第１の気体を各前記吸着層の二次側に供給するように、各前記再生ガスラインが、前記第１の吸着塔と接続され、
前記第１の気体と前記第２の気体との組み合わせが、プロパンとプロペンとの組み合わせであり、
前記第１の成分が、トルエン、ベンゼン、アセトン、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、水蒸気からなる群より選ばれる少なくとも１種であり、
前記第２の成分が窒素、酸素、アルゴン、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種である、気体精製装置。
各前記第２の吸着塔の一次側と接続され、前記第２の気体が流れる第２の導出ラインと、
前記第２の導出ラインに設けられ、前記第２の吸着剤から前記第２の気体を脱離させる吸引手段と、
をさらに備える、請求項１に記載の気体精製装置。
各前記吸着層の二次側に位置する部分の前記第１の吸着塔に、前記第１の気体が導入される複数の導入口がそれぞれ形成され、
各前記導入口と各前記再生ガスラインとが接続される、請求項１又は２に記載の気体精製装置。
複数の前記再生ガスラインの少なくとも一つが、前記第１の気体の温度を調節する温度調節器を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の気体精製装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の気体精製装置を用いる圧力変動吸着方式の気体精製方法であって、
前記第１の吸着剤を再生する際に、前記第１の導出ラインに前記第１の気体を導出し、
各前記吸着層に吸着している前記各成分の種類に合わせて前記第１の気体の温度を調節しながら、前記第１の気体を各前記吸着層の二次側に供給する、気体精製方法。
前記第２の吸着層の二次側に前記第１の気体を供給した後に、前記第１の吸着層の二次側に前記第１の気体を供給する、請求項５に記載の気体精製方法。