JP7115433B2

JP7115433B2 - ガス分離装置およびガス分離方法

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Publication number: JP7115433B2
Application number: JP2019139415A
Authority: JP
Inventors: 教文小宅; 靖樹廣田; 崇史山内
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: JP2021020178A

Description

本発明は、ガス分離装置およびガス分離方法に関する。

特定のガスを吸着する吸着剤を用いて、複数の成分を含む混合ガスから特定のガスを分離するガス分離装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたガス分離装置では、吸着剤が充填されている吸着塔内が複数の仕切りによって複雑な形状に分けられている。複雑な形状の吸着塔内に混合ガスを通過させることにより、吸着剤の利用率を向上させている。特許文献２に記載されたスイング吸着方法では、２つの吸着塔を接続することにより、上流側の吸着塔から流出した混合ガスが下流側の吸着塔へと供給される。特許文献３に記載されたガス分離装置は、吸着塔内の吸着材を流動させることによって、吸着剤の利用率を向上させている。

特開昭６１－２０９０２５号公報特表２０１４－５１２２５９号公報国際公開第２００７／０６９６０５号

しかしながら、特許文献１に記載されたガス分離装置では、吸着塔内の複雑な形状であるため、製造時のコスト上昇および混合ガス供給時の圧力損失の上昇が発生するおそれがある。また、吸着塔内に吸着剤が充填されていない空間があるため、内包する吸着剤の量に対して吸着塔が大きくなるおそれがある。特許文献２には、スイング吸着方法の一例が開示されるに留まり、当該方法を実施するための具体的な構成が開示されていない。特許文献３に記載されたガス分離装置では、吸着塔内の吸着剤を流動させるためのエネルギーが別途必要になる。また、吸着塔内で吸着剤を流動させるため、流動する吸着剤が吸着塔に機械的なダメージを及ぼすおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、吸着塔の巨大化を抑制した上で、吸着性能の向上、および、混合ガス供給時の圧力損失の低減を実現することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。ガス分離装置であって、混合ガスに含まれる１以上の特定のガスを吸着可能な吸着剤を有する複数の吸着塔と、前記吸着塔への前記混合ガスの供給と、前記複数の吸着塔間の接続と、を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記複数の吸着塔のうちの第１の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔とは異なる第２の吸着塔に供給されるように、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第１の吸着塔へと前記混合ガスを供給する第１吸着制御を行い、前記混合ガスが前記第１の吸着塔に供給されてから予め設定された切替時間が経過した場合に、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔との接続を切り離した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する第２吸着制御を行い、前記第２吸着制御において、前記第２の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔および前記第２の吸着塔とは異なる第３の吸着塔に供給されるように、前記第２の吸着塔と前記第３の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、前記ガス分離装置は、さらに、前記第１の吸着塔の上流側と、前記第２の吸着塔の上流側と、前記第３の吸着塔の上流側とをそれぞれ接続する上流側流路と、前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の下流側とをそれぞれ接続する下流側流路と、前記上流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１上流バルブと、前記上流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２上流バルブと、前記上流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３上流バルブと、前記下流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１下流バルブと、前記下流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２下流バルブと、前記下流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３下流バルブと、前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の上流側とを接続する第１流路と、前記第１流路の接続を開閉する第１直列バルブと、前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の上流側とを接続する第２流路と、前記第２流路の接続を開閉する第２直列バルブと、を備え、前記制御部は、前記第１吸着制御において、前記第１上流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを開き、前記第２上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給し、前記第２吸着制御において、前記第２上流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを開き、前記第１上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給し、前記第１流路の少なくとも一部と、前記第２流路の少なくとも一部とは、同一の配管部材を用いて形成されている、ガス分離装置。ガス分離装置であって、混合ガスに含まれる１以上の特定のガスを吸着可能な吸着剤を有する複数の吸着塔と、前記吸着塔への前記混合ガスの供給と、前記複数の吸着塔間の接続と、を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記複数の吸着塔のうちの第１の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔とは異なる第２の吸着塔に供給されるように、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第１の吸着塔へと前記混合ガスを供給する第１吸着制御を行い、前記混合ガスが前記第１の吸着塔に供給されてから予め設定された切替時間が経過した場合に、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔との接続を切り離した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する第２吸着制御を行い、前記第２吸着制御において、前記第２の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔および前記第２の吸着塔とは異なる第３の吸着塔に供給されるように、前記第２の吸着塔と前記第３の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、前記第２の吸着塔は、ガスが入出可能な２つの第１ガス入出口と第２ガス入出口とを有し、前記制御部は、前記第１吸着制御において、前記第１ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、前記第２吸着制御において、前記第２ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する、ガス分離装置。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ガス分離装置が提供される。このガス分離装置は、混合ガスに含まれる１以上の特定のガスを吸着可能な吸着剤を有する複数の吸着塔と、前記吸着塔への前記混合ガスの供給と、前記複数の吸着塔間の接続と、を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記複数の吸着塔のうちの第１の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔とは異なる第２の吸着塔に供給されるように、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第１の吸着塔へと前記混合ガスを供給する第１吸着制御を行い、前記混合ガスが前記第１の吸着塔に供給されてから予め設定された切替時間が経過した場合に、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔との接続を切り離した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する第２吸着制御を行う。

この構成によれば、第１吸着制御において、第１の吸着塔と第２の吸着塔とが直列に接続されているため、第２の吸着塔の出口から特定のガスが漏れにくい。すなわち、この形態のガス分離装置は、システムサイズの巨大化を抑制した上で、特定のガスに対して高い吸着性能を有する。ここで、吸着された特定のガスを各吸着塔から脱離させる場合に、吸着塔内に脱離のためのガスが通過する方向に沿う吸着長さは短いほど好ましい。この形態のガス分離装置は、特定のガスの吸着時に第１の吸着塔と第２の吸着塔とを接続させることにより、吸着長さを長くしている。一方で、脱離時には、第１の吸着塔と第２の吸着塔との接続を切り離すことにより、１つの吸着塔の吸着長さを短くできる。このため、ガス分離装置における脱離時の性能を低下させずに吸着時の性能を向上させることができる。また、この形態のガス分離装置は、第２吸着制御において、切替時間が経過すると、特定のガスを多く吸着している第１の吸着塔を切り離す。このため、第１の吸着塔と比較して特定のガスの吸着量の少ない第２の吸着塔に対して、直接、混合ガスを供給できる。この結果、ガス分離装置は、第２吸着制御時に、混合ガスが各吸着塔内を流れる際の圧力損失を低減できる。

（２）上記態様のガス分離装置において、さらに、前記第２の吸着塔から排出される前記混合ガス中の前記特定のガスを検出するガスセンサを備え、前記制御部は、前記ガスセンサにより検出された前記特定のガスが所定の流量を超えた場合に、前記切替時間が経過したと判定してもよい。
この構成によれば、所定の流量を超える特定のガスがガス分離装置から排出されることを抑制でき、各吸着塔は、混合ガスに含まれる特定のガスを効率的に吸着できる。

（３）上記形態のガス分離装置において、さらに、前記第２の吸着塔の温度を検出する温度センサを備え、前記制御部は、前記温度センサにより検出された前記第２の吸着塔の温度が所定の温度を超えた場合に、前記切替時間が経過したと判定してもよい。
第２の吸着塔の温度は、特定のガスを吸着剤が吸着した際の吸着熱によって変化する。そのため、第２の吸着塔の温度変化に基づいて、第２の吸着塔内の吸着剤が吸着している特定のガスの量を推定でき、結果として、第２の吸着塔の温度から特定のガスが漏れ出すまでの時間を推定できる。この構成によれば、制御部は、第２の吸着塔から特定のガスが漏れ出すまでの時間よりも短い時間を切替時間として設定することにより、各吸着塔内の吸着剤は、混合ガスに含まれる特定のガスを効率的に吸着できる。

（４）上記態様のガス分離装置において、前記制御部は、前記第２吸着制御において、前記第２の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔および前記第２の吸着塔とは異なる第３の吸着塔に供給されるように、前記第２の吸着塔と前記第３の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給してもよい。
この構成によれば、特定のガスの吸着量が多い第１の吸着塔を切り離すことによって第１の吸着塔に混合ガスを流入させた際の圧力損失の増加を抑制する。さらに、第２の吸着塔の下流側に再生済みの第３の吸着塔を直列接続することにより、ガス分離装置は、各吸着塔における連続的な特定のガスの吸着を実行できる。

（５）上記態様のガス分離装置において、さらに、前記第１の吸着塔の上流側と、前記第２の吸着塔の上流側と、前記第３の吸着塔の上流側とをそれぞれ接続する上流側流路と、前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の下流側とをそれぞれ接続する下流側流路と、前記上流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１上流バルブと、前記上流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２上流バルブと、前記上流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３上流バルブと、前記下流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１下流バルブと、前記下流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２下流バルブと、前記下流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３下流バルブと、前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の上流側とを接続する第１流路と、前記第１流路の接続を開閉する第１直列バルブと、前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の上流側とを接続する第２流路と、前記第２流路の接続を開閉する第２直列バルブと、を備え、前記制御部は、前記第１吸着制御において、前記第１上流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを開き、前記第２上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給し、前記第２吸着制御において、前記第２上流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを開き、前記第１上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給してもよい。
この構成によれば、制御部が第１～第３上流バルブ、第１～第３下流バルブ、第１，第２直列バルブの開閉を制御することにより、各吸着塔で行われる吸着や脱離などの各工程を簡単に切り替えることができる。

（６）上記態様のガス分離装置において、前記第１流路の少なくとも一部と、前記第２流路の少なくとも一部とは、同一の配管部材を用いて形成されていてもよい。
この構成によれば、別工程の制御が行われている場合でも同一の配管部材を利用することにより、混合ガスが通る配管の数を減らせる。これにより、ガス分離装置のシステムサイズが大きくなることを抑制できる。

（７）上記形態のガス分離装置において、前記第２の吸着塔は、ガスが入出可能な２つの第１ガス入出口と第２ガス入出口とを有し、前記制御部は、前記第１吸着制御において、前記第１ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、前記第２吸着制御において、前記第２ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給してもよい。
この構成によれば、各吸着塔において、第１吸着制御に混合ガスが流れる方向と、第２吸着制御に混合ガスが流れる方向とを反対の向きにした場合に、第１の吸着塔における第２ガス入出口から排出される混合ガスを第２の吸着塔の第１ガス入出口に戻す配管が不要になる。この結果、ガス分離装置の吸着性能を向上させた上で、ガス分離装置のシステムサイズを小さくできる。

（８）上記形態のガス分離装置において、前記複数の吸着塔は、温度スイング法を用いて供給される前記特定のガスを吸着してもよい。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガス分離装置、ガス吸着装置、およびこれらを備える装置およびシステム、およびガス分離方法、ガス吸着方法、およびこれらシステムや方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態としてのガス分離装置の概略ブロック図である。各吸着塔で行われる工程の変化を説明するための表である。１つの吸着塔で行われるガス分離方法のフローチャートである。３つの吸着塔の排ガス中の二酸化炭素濃度の時間推移を表すグラフである。各吸着塔が吸着している二酸化炭素の量を表す説明図である。各吸着塔が吸着している二酸化炭素の量を表す説明図である。各吸着塔が吸着している二酸化炭素の量を表す説明図である。吸着剤利用率の説明するためのグラフである。比較例のガス分離装置の概略ブロック図である。比較例１の各吸着塔で行われる工程の変化を説明するための表である。第１実施形態と比較例とにおける吸着剤利用率についてのグラフである。比較例２のガス分離装置の概略ブロック図である。第１実施形態のガス分離装置の概略ブロック図である。第２実施形態のガス分離装置の概略ブロック図である。第３実施形態のガス分離装置の概略斜視図である。第４実施形態のガス分離装置の概略斜視図である。変形例の吸着塔で行われるガス分離方法のフローチャートである。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態としてのガス分離装置１００の概略ブロック図である。ガス分離装置１００は、窒素（Ｎ₂）および二酸化炭素（ＣＯ₂）を含む混合ガスＧＳが供給され、５つの吸着塔１０～２０を用いて窒素と二酸化炭素をと分離する装置である。

図１に示されるように、ガス分離装置１００は、混合ガスＧＳに含まれる二酸化炭素を吸着可能な吸着剤を有する複数の吸着塔１０～５０と、各吸着塔１０～５０を接続する各流路ＦＰＵ，ＦＰＤ，ＦＰ１～ＦＰ５と、流路ＦＰ１～ＦＰ５のそれぞれを流れる混合ガスＧＳ中の二酸化炭素の流量を検出する各センサＳ１～Ｓ５と、各流路ＦＰＵ，ＦＰＤ，ＦＰ１～ＦＰ５の接続を開閉する各バルブＶＵ１～ＶＵ５，ＶＤ１～ＶＤ５，ＶＶ１～ＶＶ５と、各バルブＶＵ１～ＶＵ５，ＶＤ１～ＶＤ５，ＶＶ１～ＶＶ５の開閉を制御する制御部７０と、を備えている。各吸着塔１０～５０の形状は、同じであり、内部に空間を形成している略円柱状である。各吸着塔１０～５０の内部空間には、複数の球状の吸着剤が充填されている。吸着剤としては、例えば、ゼオライト、多孔体にアミンを担持させた個体吸収材を採用できる。

各吸着塔１０～５０を接続する流路として、図１に示されるように、各吸着塔１０～５０の上流側を接続する上流側流路ＦＰＵと、各吸着塔１０～５０の下流側を接続する下流側流路ＦＰＤと、吸着塔１０の上流側と吸着塔２０の下流側とを接続する第１流路ＦＰ１と、吸着塔２０の下流側と吸着塔３０の上流側とを接続する第２流路ＦＰ２と、吸着塔３０の下流側と吸着塔４０の上流側とを接続する第３流路ＦＰ３と、吸着塔４０の下流側と吸着塔５０の上流側とを接続する第４流路ＦＰ４と、吸着塔５０の下流側と吸着塔１０の上流側とを接続する第５流路ＦＰ５と、が存在している。

図１に示されるように、センサＳ１は、第１流路ＦＰ１を流れる混合ガスＧＳ中の二酸化炭素の流量を検出する。センサＳ２～Ｓ５のそれぞれも、センサＳ１と同じように、各流路ＦＰ２～ＦＰ５を流れる混合ガスＧＳ中の二酸化炭素の流量を検出する。各流路ＦＰＵ，ＦＰＤ，ＦＰ１～ＦＰ５の接続を開閉するバルブとして、上流側流路ＦＰＵと各吸着塔１０～５０との接続を開閉する上流側バルブＶＵ１～ＶＵ５と、下流側流路ＦＰＤと各吸着塔１０～５０との接続を開閉する下流側バルブＶＤ１～ＶＤ５と、各流路ＦＰ１～ＦＰ５の接続を開閉する直列バルブＶＶ１～ＶＶ５と、が存在している。

制御部７０は、図示されていない、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、を備えている。ＣＰＵがＲＯＭに格納されているコンピュータプログラムをＲＡＭに展開して実行することにより、制御部７０は、各種機能を実行する。制御部７０は、各バルブＶＵ１～ＶＵ５，ＶＤ１～ＶＤ５，ＶＶ１～ＶＶ５の開閉を制御することにより、各吸着塔１０～５０で上流側吸着工程、下流側吸着工程、冷却工程、脱離工程、および余熱工程のいずれかの工程が実行されるように制御する。

制御部７０は、予め設定された切替時間Ｔｃが経過すると、各吸着塔１０～５０で実行する工程を変化させる。本実施形態の切替時間Ｔｃは、過去データから、上流側吸着工程が行われている各吸着塔１０～５０から二酸化炭素が漏れ出さない時間に設定されている。なお、制御部７０は、切替時間Ｔｃが経過する前に、下流側吸着工程が行われている吸着塔２０の下流側に配置されたセンサＳ２により検出された二酸化炭素の流量が所定の流量を超えた場合には、切替時間Ｔｃが経過したと判定し、吸着塔１０～５０を次の工程へと変化させる。

図２は、各吸着塔１０～５０で行われる工程の変化を説明するための表である。図２に示されるように、各吸着塔１０～５０では、上流側吸着、余熱、脱離、冷却、下流側吸着の順で各工程が行われる。本実施形態では、吸着塔１０～５０は、温度スイング法（Thermal Swing Adsorption：ＴＳＡ）を用いて供給される混合ガスＧＳから、各工程の温度変化によって二酸化炭素を分離する。図１に示される状態では、制御部７０がバルブＶＵ１，ＶＶ１，ＶＤ２を開き、かつ、その他のバルブＶＵ２～ＶＵ５，ＶＶ２～ＶＶ５，ＶＤ２～ＶＤ５を閉じる。この場合に、吸着塔１０に混合ガスＧＳが供給され、制御部７０は、吸着塔１０で上流側吸着工程を行う。これと同時に、制御部７０は、吸着塔２０で下流側吸着工程を行い、吸着塔３０で冷却工程を行い、吸着塔４０で脱離工程を行い、吸着塔５０で余熱工程を行う。

制御部７０は、図１に示される状態の上流側吸着工程および下流側吸着工程において、吸着塔１０と吸着塔２０とを直列に接続した状態で、図１の太線で示されるように、吸着塔１０に混合ガスを供給し、吸着塔１０の排ガスを吸着塔２０へと供給する。この場合に、吸着塔１０は第１の吸着塔として機能し、吸着塔２０は第２の吸着塔として機能し、制御部７０は第１吸着制御を行っている。

制御部７０は、第１吸着工程後の余熱工程において、吸着塔５０への混合ガスＧＳの供給を停止した状態で放置する。同時に、制御部７０は、余熱工程後の脱離工程において、吸着塔４０への混合ガスＧＳの供給を停止した状態で、吸着塔４０を加熱する。吸着塔４０が加熱されると、吸着塔４０内の吸着材が吸着していた二酸化炭素が脱離する。脱離した二酸化炭素は、図１の破線で示されるようにガス分離装置１００に接続されたタンクなどに回収される。制御部７０は、脱離工程後の冷却工程において、吸着塔３０を冷却する。なお、以降では、上流側吸着工程および下流側吸着工程を、合わせて「吸着工程」とも呼ぶ。また、余熱工程、脱離工程、および冷却工程を、合わせて「再生工程」とも呼ぶ。

図２に示されるように、制御部７０は、吸着塔１０の処理を上流側吸着工程から余熱工程へと変化させた場合に、吸着塔２０の処理を下流側吸着工程から上流側吸着工程へと変化させ、かつ、吸着塔３０の処理を冷却工程から下流側吸着工程へと変化させる。換言すると、制御部７０は、吸着塔１０が上流側吸着工程に変化して切り替え時間が経過すると、吸着塔１０と吸着塔２０との直列接続を切り離す。このときに、制御部７０は、吸着塔２０の排ガスが吸着塔３０に供給されるように、吸着塔２０と吸着塔３０とを直列に接続した状態で、吸着塔２０に混合ガスＧＳを供給する。この場合に、吸着塔３０は第３の吸着塔として機能し、制御部７０は第２吸着制御を開始する。第１吸着制御および第２吸着制御において、上流側バルブＶＵ１～ＶＵ３は、第１上流バルブ、第２上流バルブ、第３上流バルブのそれぞれとして機能する。また、下流側バルブＶＤ１～ＶＤ３は、第１下流バルブ、第２下流バルブ、第３下流バルブのそれぞれとして機能する。また、直列バルブＶＶ１は、第１直列バルブとして機能し、直列バルブＶＶ２は、第２直列バルブとして機能する。

図３は、１つの吸着塔２０で行われるガス分離方法のフローチャートである。図３に示されるように、ガス分離方法のフローチャート（以降では、単に「ガス分離フロー」とも言う）では、制御部７０は、バルブＶＵ１，ＶＶ１，ＶＤ２を開き、かつ、その他のバルブＶＵ２～ＶＵ５，ＶＶ２～ＶＶ５，ＶＤ２～ＶＤ５を閉じた状態で混合ガスＧＳを吸着塔１０に供給することにより、吸着塔２０で下流側吸着工程が行われる（ステップＳ１）。切替時間Ｔｃが経過すると、制御部７０は、開いていたバルブＶＵ１，ＶＶ１，ＶＤ２を閉じ、かつ、閉じていたバルブＶＵ２，ＶＶ２，ＶＤ３を開いた状態で吸着塔２０に混合ガスＧＳを供給することにより、吸着塔２０で上流側吸着工程が行われる（ステップＳ２）。切替時間Ｔｃが経過すると、制御部７０は、開いていたバルブＶＵ２，ＶＶ２，ＶＤ３を閉じ、かつ、閉じていたバルブＶＵ３，ＶＶ３，ＶＤ４を開き、吸着塔２０で余熱工程が行われる（ステップＳ３）。吸着塔２０での余熱工程の実行時に、制御部７０は、図２の表に示されるように、吸着塔３０と吸着塔４０とを直列に接続した状態で、吸着塔３０に混合ガスＧＳを供給する。

ステップＳ３の処理開始から切替時間Ｔｃが経過すると、制御部７０は、開いていたバルブＶＵ３，ＶＶ３，ＶＤ４を閉じ、かつ、閉じていたバルブＶＵ４，ＶＶ４，ＶＤ５を開き、吸着塔２０で脱離工程が行われる（ステップＳ４）。吸着塔２０での脱離工程の実行時に、制御部７０は、吸着塔４０と吸着塔５０とを直列に接続した状態で、吸着塔４０に混合ガスＧＳを供給する。切替時間Ｔｃが経過すると、制御部７０は、開いていたバルブＶＵ４，ＶＶ４，ＶＤ５を閉じ、かつ、閉じていたバルブＶＵ５，ＶＶ５，ＶＤ１を開き、吸着塔２０で冷却工程が行われる（ステップＳ５）。吸着塔２０での冷却工程の実行時に、制御部７０は、吸着塔５０と吸着塔１０と直列に接続した状態で、吸着塔５０に混合ガスＧＳを供給する。

ステップＳ５の処理後に、制御部７０は、ガス分離フローを終了するか否かを判定する（ステップＳ６）。判定方法としては、例えば、キーボード等の操作部を用いた作業者による終了の入力受付などである。制御部７０は、ガス分離フローを終了しないと判断した場合には（ステップＳ６：ＮＯ）、ステップＳ１以降の処理を繰り返す。制御部７０は、ガス分離フローを終了すると判定した場合には（ステップＳ６：ＹＥＳ）、ガス分離方法を終了する。

図４は、３つの吸着塔１０～３０の排ガス中の二酸化炭素濃度の時間推移を表すグラフである。図５から図７までの各図は、各吸着塔１０～３０が吸着している二酸化炭素の量を表す説明図である。図４には、各吸着塔１０～３０の再生工程が完了した状態で、吸着塔１０から順番に上流側吸着工程が行われた場合において、各吸着塔１０～３０の排ガス中に含まれる二酸化炭素濃度の時間推移を表す曲線Ｃ₁₀～Ｃ₃₀が示されている。なお、図４では、吸着塔４０，５０に混合ガスＧＳが供給される時刻のグラフを省略している。図５には、図４における時刻Ｔ１～Ｔ３のそれぞれにおいて、各吸着塔１０～３０が吸着している二酸化炭素の量がハッチングのドットの濃淡で表されている。濃いハッチングほど、二酸化炭素をより多く吸着していることを表している。

図４に示される時刻Ｔ１は、混合ガスＧＳが供給されている吸着塔１０から二酸化炭素が漏れ出す時刻である。時刻Ｔ１に、図５に示されるように、吸着塔１０内の出口付近の吸着剤は、入口付近の吸着剤と異なり、まだ二酸化炭素を吸着する余地がある。吸着塔１０から漏れ出した二酸化炭素は、吸着塔１０の下流側に直列に接続された吸着塔２０により吸着される。吸着塔１０内の吸着剤が吸着可能な二酸化炭素の全量に対して、時刻Ｔ１において吸着塔１０が吸着している二酸化炭素の量の比率である吸着剤利用率Ｋは、および６５パーセント（％）である。

図４の曲線Ｃ₁₀として示されるように、吸着塔１０から漏れ出す二酸化炭素の量は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて、時間の経過と共に増加する。なお、時刻Ｔ２は、吸着塔１０と吸着塔２０との直列接続を切り離して、吸着塔２０と吸着塔３０とを直列接続した状態で、吸着塔２０に混合ガスＧＳを供給し始めた時刻である。図６に示されるように、時刻Ｔ２において、吸着塔１０の吸着剤利用率Ｋは９８％であり、吸着塔２０が二酸化炭素を吸着している状態である。

図４の曲線Ｃ₂₀として示されるように、吸着塔２０から漏れ出す二酸化炭素の量は、曲線Ｃ₁₀の変化と同じように、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて、時間の経過と共に増加する。なお、時刻Ｔ３は、吸着塔２０と吸着塔３０との直列接続を切り離して、吸着塔３０と吸着塔４０とを直列接続した状態で、吸着塔３０に混合ガスＧＳを供給し始めた時刻である。図７に示されるように、時刻Ｔ３における吸着塔２０の状態は、時刻Ｔ１における吸着塔１０の状態と同じである。なお、第１実施形態における各工程の切替時間Ｔｃは、下流側吸着工程が行われている吸着塔から二酸化炭素が漏れ出すまでの時間、すなわち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間として設定されている。

図８は、吸着剤利用率Ｋの説明するためのグラフである。図８には、吸着塔１０に一定濃度の混合ガスＧＳが供給され続けた場合に、図４の曲線Ｃ₁₀が示されている。図５に示されるように、吸着塔１０から二酸化炭素が漏れ出した後でも吸着塔１０は二酸化炭素を吸着可能である。そのため、図８に示されるように、吸着塔１０について、時刻Ｔ１までに吸着される二酸化炭素の量Ａ、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までに吸着される二酸化炭素の量Ｂ、および時刻ｔまでに吸着される二酸化炭素の量Ｌ（ｔ）を定義すると、吸着剤利用率Ｋは、下記式（１）のように表される。
Ｋ＝Ｌ（ｔ）／（Ａ＋Ｂ）・・・（１）
図６および図７を比較することにより、吸着塔１０から二酸化炭素が漏れ出しても、吸着塔１０は、まだ二酸化炭素を吸着可能であることがわかる。そのため、吸着塔１０の吸着剤利用率Ｋを上昇させるためには、吸着塔１０から二酸化炭素が漏れ出しても、吸着塔１０へと混合ガスＧＳを供給し続けることが好ましい。

図９は、比較例１のガス分離装置１００ｘの概略ブロック図である。図９に示されるように、比較例１のガス分離装置１００ｘは、図１に示される第１実施形態のガス分離装置１００と比較して、４つの吸着塔１０ｘ～４０ｘを備えること、一の吸着塔の下流側と他の吸着塔の上流側とを接続する流路ＦＰ１～ＦＰ５を備えないこと、流路ＦＰ１～流路ＦＰ５の接続を開閉するバルブＶＶ１～ＶＶ５を備えないこと、およびセンサＳ１～Ｓ５を備えないことが異なる。そのため、比較例１のガス分離装置１００ｘについて、第１実施形態のガス分離装置１００と異なる点について説明し、同じ構成についての説明を省略する。

図１０は、比較例１の各吸着塔１０ｘ～４０ｘで行われる工程の変化を説明するための表である。比較例１の制御部７０ｘは、各バルブＶＵ１～ＶＵ４，ＶＤ１～ＶＤ４の開閉を制御することにより、図１０に示されるように、各吸着塔１０ｘ～４０ｘに対して吸着工程、余熱工程、脱離工程、および冷却工程を順番に実行させる。図９および図１０に示されるように、比較例１では、第１実施形態と異なり、吸着工程時に１つの吸着塔に混合ガスＧＳが供給される。そのため、比較例１の制御部７０ｘは、図８に示されるように、各吸着塔１０ｘ～４０ｘ内の吸着剤がまだ二酸化炭素を吸着可能な状態で、吸着工程である各吸着塔１０ｘ～４０ｘを次の余熱工程へと切り替えている。なお、比較例１における各工程の切替時間は、吸着過程が行われている吸着塔から二酸化炭素が漏れ出さないように、第１実施形態の切替時間Ｔｃよりも短い時間に設定されている。

図１１は、第１実施形態と比較例１とにおける吸着剤利用率Ｋについてのグラフである。図１１には、横軸に混合ガスＧＳの流量を取った場合に、第１実施形態のガス分離装置１００の吸着剤利用率Ｋが折れ線Ｌ１で示され、比較例１のガス分離装置１００ｘの吸着剤利用率Ｋが折れ線Ｌ２で示されている。図１１に示されるように、第１実施形態の吸着剤利用率Ｋは、いずれの混合ガスＧＳの流量でも、比較例１の吸着剤利用率Ｋよりも高い。すなわち、第１実施形態のガス分離装置１００は、比較例１のガス分離装置１００ｘよりも高い吸着性能を有している。なお、第１実施形態および比較例１の吸着剤利用率Ｋが混合ガスＧＳの流量が増えるにつれて減少する理由は、流量が増えると吸着剤による二酸化炭素の吸着が十分に行われずに、二酸化炭素が吸着塔１０～５０から漏れ出すためである。

図１２は、比較例２のガス分離装置１００ｙの概略ブロック図である。比較例２のガス分離装置１００ｙでは、図９に示される比較例２のガス分離装置１００ｘと比較して、略円柱状の各吸着塔１０ｙ～４０ｙにおける長手方向の長さが、各吸着塔１０ｘ～４０ｘの長手方向の長さの２倍である点が異なる。換言すると、比較例２の各吸着塔１０ｙ～４０ｙは、第１実施形態の各吸着塔１０～５０の２倍の二酸化炭素を吸着できる。一方で、比較例２の各吸着塔１０ｙ～４０ｙでは、加熱および冷却のための時間や消費エネルギーが大きくなる。例えば、二酸化炭素を吸着していない吸着剤に対しても加熱および冷却のエネルギーが必要になる。

図１３は、第１実施形態のガス分離装置１００の概略ブロック図である。図１３のブロック図は、図１に対して、直列に接続された吸着塔１０と吸着塔２０とを１つの吸着塔６０としてみなしたブロック図です。そのため、図１３では、図１に示されている下流側バルブＶＤ１，センサＳ１，第１流路ＦＰ１，直列バルブＶＶ１，上流側バルブＶＵ２の図示が省略されている。図１３に示される吸着塔６０は、図１２に示される比較例２の吸着塔１０ｙと同じ二酸化炭素の量を吸着できる。一方で、各吸着塔１０～５０の再生工程は、直列に接続されていない状態で行われるため、再生工程のための時間や消費エネルギーは、比較例２よりも小さくなる。

以上説明したように、第１実施形態のガス分離装置１００では、吸着塔１０と吸着塔２０とが直列に接続された状態で、上流側吸着工程が行われている吸着塔１０に混合ガスＧＳが供給される。切替時間Ｔｃが経過すると、吸着塔１０が切り離された後に、吸着塔２０に混合ガスＧＳが供給される。すなわち、第１実施形態のガス分離装置１００では、比較例１のように１つの吸着塔１０ｘに混合ガスＧＳが供給されるガス分離装置１００ｘと比較して、２つの吸着塔１０，２０が直列に接続されている分だけ、吸着塔２０の出口から二酸化炭素が漏れにくい。その結果、ガス分離装置１００は、比較例１のガス分離装置１００ｘと比較して、高い吸着性能を有する。ここで、脱離工程では、吸着塔１０内の入口付近の吸着剤から脱離した二酸化炭素が、吸着塔１０内の下流側の吸着剤に再び吸着されるおそれがあるため、吸着塔１０の長手方向の長さは短いほど好ましい。第１実施形態のガス分離装置１００は、比較例２のように全ての吸着塔１０ｙ～４０ｙの長手方向に沿う長さが長くなったわけではないため、各工程を通して必要な時間および消費エネルギーを抑制できる。また、第１実施形態のガス分離装置１００は、切替時間Ｔｃが経過すると、上流側吸着工程の吸着塔１０と下流側吸着工程の吸着塔２０とを切り離す。このため、吸着塔１０と比較して二酸化炭素の吸着量の少ない吸着塔２０に対して、直接、混合ガスＧＳを供給できる。この結果、ガス分離装置１００は、比較例２のガス分離装置１００ｙと比較して、混合ガスＧＳが吸着塔１０～５０内を流れる際の圧力損失を低減できる。

また、第１実施形態の制御部７０は、下流側吸着工程が行われている吸着塔の下流側に配置されたセンサにより検出された二酸化炭素の流量が所定の流量を超えた場合に、切替時間Ｔｃが経過したと判定する。そのため、所定量を超える二酸化炭素がガス分離装置１００から漏れ出すことを抑制でき、吸着塔１０～５０は、混合ガスＧＳに含まれる二酸化炭素を効率的に吸着できる。

また、第１実施形態の制御部７０は、吸着塔１０が上流側吸着工程の状態で切り替え時間が経過すると、吸着塔１０と吸着塔２０との直列接続を切り離し、吸着塔２０と吸着塔３０とを直列に接続した状態で吸着塔２０に混合ガスＧＳを供給する。そのため、第１実施形態のガス分離装置１００では、二酸化炭素の吸着量が多い吸着塔１０を切り離すことによって吸着塔１０による圧力損失の増加を抑制する。さらに、吸着塔２０の下流側に再生済みの吸着塔３０を直列接続することにより、ガス分離装置１００は、連続的な二酸化炭素の吸着工程を実行できる。

また、第１実施形態のガス分離装置１００は、図１に示されるように、下流側流路ＦＰＤと上流側流路ＦＰＵとを接続する流路ＦＰ１～ＦＰ５と、各流路ＦＰ１～ＦＰ５の接続を開閉する直列バルブＶＶ１～ＶＶ５とを備えている。制御部７０は、吸着塔１０で上流側吸着工程が行われている場合に、バルブＶＵ１，ＶＶ１，ＶＤ２を開き、かつ、その他のバルブＶＵ２～ＶＵ５，ＶＶ２～ＶＶ５，ＶＤ２～ＶＤ５を閉じる。制御部７０は、吸着塔１０が余熱工程に移行した場合に、開いていたバルブＶＵ１，ＶＶ１，ＶＤ２を閉じ、かつ、閉じていたバルブＶＵ２，ＶＶ２，ＶＤ３を開く。そのため、第１実施形態の制御部７０が各バルブＶＵ１～ＶＵ５，ＶＤ１～ＶＤ５，ＶＶ１～ＶＶ５の開閉を制御することにより、各吸着塔１０～５０で行われる各工程を簡単に切り替えることができる。

＜第２実施形態＞
図１４は、第２実施形態のガス分離装置１００ａの概略ブロック図である。図１４に示されるように、第２実施形態のガス分離装置１００ａでは、第１実施形態のガス分離装置１００と比較して、吸着塔の数が４つに減っている点が異なる。第２実施形態の制御部７０ａは、図１の状態において、第１実施形態における吸着塔２０で行われる下流側吸着工程と、吸着塔３０で行われる冷却工程とを合わせて、図１４に示される吸着塔２０ａで実行する。そのため、第２実施形態では、吸着塔の数が減るため、ガス分離装置１００ａの吸着性能を向上させた上で、ガス分離装置１００ａのシステムサイズを抑制できる。

＜第３実施形態＞
図１５は、第３実施形態のガス分離装置１００ｂの概略斜視図である。図１５に示されるように、第３実施形態のガス分離装置１００ｂでは、第２実施形態のガス分離装置１００ａと比較して、上流側吸着工程が行われている吸着塔の排ガスが通る直列流路ＰＦ１０と、各流路ＦＰＵ，ＦＰＤ，ＦＰ１０の接続を開閉する各バルブＶＵ１～ＶＵ４，ＶＤ１～ＶＤ４，ＶＶ１１～ＶＶ１８とが異なる。そのため、第３実施形態では、第２実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成についての説明を省略する。

第３実施形態の制御部７０ｂは、各バルブＶＵ１～ＶＵ４，ＶＤ１～ＶＤ４，ＶＶ１１～ＶＶ１８の開閉を制御する。これにより、各吸着塔１０～４０では、上流側吸着工程、下流側吸着工程、余熱工程、および脱離工程のいずれかが行われる。図１５に示されるように、上流側バルブＶＵ１～ＶＵ４および直列バルブＶＶ１１～ＶＶ１４は、制御部７０ｂの制御により、上流側流路ＦＰＵと直列流路ＰＦ１０との接続を開閉する。同じように、下流側バルブＶＤ１～ＶＤ４および直列バルブＶＶ１５～ＶＶ１８は、制御部７０ｂの制御により、下流側流路ＦＰＤと直列流路ＰＦ１０との接続を開閉する。

図１５の状態では、上流側バルブＶＵ１，直列バルブＶＶ１２，ＶＶ１５，および下流側バルブＶＤ２が開き、その他のバルブが閉じている。この結果、図１５の太い実線で示されるように、上流側吸着工程が行われている吸着塔１０に混合ガスＧＳが供給される。その後、吸着塔１０の排ガスが直列流路ＰＦ１０を通って吸着塔２０へと供給され、吸着塔２０の排ガス（Ｎ₂）がガス分離装置１００ｂの外部へと排出される。このような各バルブＶＵ１～ＶＵ４，ＶＤ１～ＶＤ４，ＶＶ１１～ＶＶ１８の制御が行われることにより、直列流路ＰＦ１０は、上流側吸着工程が行われる各吸着塔１０～４０の排ガスが通過する配管部材として機能する。換言すると、吸着塔１０の下流側と吸着塔２０の上流側とをつなぐ流路と、吸着塔２０の下流側と吸着塔３０の上流側とをつなぐ流路とは、同一の直列流路ＰＦ１０である。

以上説明したように、第３実施形態の直列流路ＰＦ１０は、各吸着塔１０～４０の下流側と上流側とを接続するために共通で用いられる配管部材である。そのため、混合ガスＧＳが通る配管の数を減らせるため、ガス分離装置１００ｂのシステムサイズが大きくなることを抑制できる。

＜第４実施形態＞
図１６は、第４実施形態のガス分離装置１００ｃの概略斜視図である。図１６に示されるように、第４実施形態のガス分離装置１００ｃでは、第３実施形態のガス分離装置１００ｂと比較して、各吸着塔１０～４０の上流側の共有流路ＰＦ２１と各吸着塔１０～４０の下流側の下流側流路ＦＰＤとが接続していないこと、直列バルブＶＶ１５～ＶＶ１８を備えていないこと、および、各吸着塔１０～４０において上流側吸着工程と下流側吸着工程とが行われる場合に混合ガスＧＳが流れる向きが反対になることが異なる。そのため、第４実施形態では、第３実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成についての説明を省略する。

図１６に示される状態において、第４実施形態の制御部７０ｃは、上流側吸着工程が行われている吸着塔１０に共有流路ＰＦ２１側から混合ガスＧＳを供給し、かつ、下流側吸着工程が行われている吸着塔２０に下流側流路ＦＰＤ側から吸着塔１０の排ガスを供給するように、各バルブＶＵ１～ＶＵ４，ＶＤ１～ＶＤ４，ＶＶ１１～ＶＶ１４の開閉を制御する。具体的には、制御部７０ｃは、上流側バルブＶＵ１，下流側バルブＶＤ１，ＶＤ２，直列バルブＶＶ１２を開き、その他のバルブを閉じる。この結果、図１６の太い実線で示されるように、上流側吸着工程が行われている吸着塔１０のガス入出口１０ｉから混合ガスＧＳが供給され、吸着塔１０のガス入出口１０ｏから排ガスが漏れ出す。そして、下流側吸着工程が行われている吸着塔２０のガス入出口２０ｏにガス入出口１０ｏからの排ガスが供給され、吸着塔２０のガス入出口２０ｉから排ガス（Ｎ₂）漏れ出して、排ガスがガス分離装置１００ｃの外部へと排出される。すなわち、各吸着塔１０～４０で上流側吸着工程が行われている場合には、各吸着塔１０～４０の上流側流路ＦＰＵ側に位置するガス入出口（第２ガス入出口）１０ｉ～４０ｉから混合ガスＧＳが供給される。また、各吸着塔１０～４０で下流側吸着工程が行われている場合には、各吸着塔１０～４０の下流側流路ＦＰＤ側に位置するガス入出口（第１ガス入出口）１０ｏ～４０ｏから上流側吸着工程を経た排ガスが供給される。

以上説明したように、第４実施形態のガス分離装置１００ｃでは、各吸着塔１０～４０において、上流側吸着工程が実行される場合に混合ガスＧＳが流れる方向と、下流側吸着工程が実行される場合に排ガスが流れる方向とを反対の向きにしている。この場合に、上流側流路ＦＰＵに接続している共有流路ＰＦ２１と、下流側流路ＦＰＤとを接続する流路が不要になる。そのため、ガス分離装置１００ｃの吸着性能が向上させた上で、ガス分離装置１００ｂのシステムサイズを小さくできる。

＜実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
上記第１実施形態から第４実施形態で示されたガス分離装置１００～１００ｃは、一例であり、ガス分離装置１００～１００ｃの構成および形状等については種々変形可能である。ガス分離装置１００～１００ｃは、２つ以上の吸着塔を備えていればよく、例えば、３つの吸着塔を備えていてもよいし、６つ以上の吸着塔を備えていてもよい。各吸着塔の形状は、同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。各吸着塔の形状は、略円柱状の形状でなくてもよく、直方体状であってもよいし、長手軸に沿って断面が変化してもよいし、長手軸が直線ではなく曲がっていてもよい。各吸着塔が有する吸着剤は、異なる材質や形状を有していてもよいし、各吸着塔は、複数種類の吸着剤を有していてもよい。各吸着塔が有する吸着剤の量が吸着塔ごとに異なっていてもよい。

ガス分離装置１００～１００ｃは、各吸着塔が二酸化炭素を吸着することにより、混合ガスＧＳから二酸化炭素を分離したが、ガス分離装置に供給される混合ガスおよびガス分離装置によって分離される特定のガスについては種々変形可能である。例えば、上記実施形態の混合ガスに窒素および二酸化炭素以外のガスが含まれていてもよい。また、他の実施形態のガス分離装置は、窒素および二酸化炭素を含まない混合ガスから、二酸化炭素および窒素とは異なる特定のガスを分離してもよい。混合ガスおよび分離される特定のガスの組み合わせについては、周知の組み合わせを適用できる。周知の組み合わせに応じて、吸着剤、吸着塔、および特定のガスを検出するセンサが適宜選択されればよい。

上記実施形態のガス分離装置１００～１００ｃは、排ガスに含まれる二酸化炭素の量を検出する各センサを備えていたが、備えていなくてもよい。この場合に、例えば、制御部７０～７０ｃが、供給される混合ガスＧＳの流量などに応じて各工程の切替時間Ｔｃを調整することにより、ガス分離装置１００～１００ｃの外部へと二酸化炭素が漏れ出すことを抑制できる。

上記実施形態における各センサＳ１～Ｓ５は、二酸化炭素の量を検出するセンサではなく、各吸着塔１０～５０の温度を検出する温度センサとして機能してもよい。この場合に、制御部７０は、温度センサにより検出された各吸着塔の温度が所定の温度を超えると、切替時間Ｔｃが経過したと判定してもよい。各吸着塔１０～５０内の吸着剤は、二酸化炭素を吸着すると、吸着熱により温度が変化する。そのため、各吸着塔１０～５０内（例えば出口付近）の温度変化に基づいて、各吸着塔１０～５０内の吸着剤が吸着している二酸化炭素の量を推定できる。結果として、各吸着塔１０～５０内の温度から、各吸着塔１０～５０から二酸化炭素が漏れ出すまでの時間を推定できる。そのため、制御部７０は、各吸着塔１０～５０から二酸化炭素が漏れ出すまでの時間よりも短い時間を切替時間Ｔｃとして設定することにより、吸着塔１０～５０は、混合ガスＧＳに含まれる二酸化炭素を効率的に吸着できる。なお、ガス分離装置１００は、二酸化炭素の量を検出するセンサと、温度センサとの両方を備えており、制御部７０は、２種類のセンサの検出値を用いて、切替時間Ｔｃが経過したか否かを判定してもよい。例えば、制御部７０は、２種類のセンサの内の一方の検出値が所定値を超えた場合に、切替時間Ｔｃが経過したと判定してもよい。

［変形例２］
上記実施形態では、２つの吸着塔（例えば、図１の吸着塔１０，２０）が直列に接続された状態で、上流側の吸着塔１０に混合ガスＧＳが供給され、下流側の吸着塔２０に吸着塔１０の排ガスが供給されたが、直列に接続される吸着塔の数などについては、種々変形可能である。例えば、３つ以上の吸着塔が直列に接続されてもよい。第１実施形態の変形例では、３つの吸着塔１０，２０，３０が、この順番で直列に接続されてもよい。この場合に、切替時間Ｔｃが経過して、吸着塔１０が直列接続から切り離されて余熱工程に移行し、新たに直列に接続された吸着塔２０，３０，４０の内の吸着塔２０に混合ガスＧＳが供給されてもよい。この場合に、吸着塔１０は第１の吸着塔として機能し、吸着塔２０および吸着塔３０が第２の吸着塔として機能している。本明細書における直列に接続された状態とは、直接的に直列に接続された状態に加えて、直列に接続された２つの吸着塔間に他の吸着塔が配置された間接的に直列に接続された状態も含んでいる。そのため、変形例における吸着塔３０も第２の吸着塔としてみなすことができる。複数の吸着塔が直列に接続されることによって、下流側に位置する吸着塔には、上流側に位置する吸着塔からの排ガスが供給される。これにより、各吸着塔の吸着性能が向上し、混合ガスＧＳが各吸着塔内を流れる際の圧力損失を低減できる。

また、１つ以上の吸着塔で上流側吸着工程が行われ、当該複数の吸着塔の排ガスが１つ以上の吸着塔に供給されてもよい。例えば、第３実施形態（図１５）の変形例として、吸着塔１０と、吸着塔３０とで、同時に上流側吸着工程が行われ、吸着塔１０および吸着塔３０の排ガスが、直列流路ＰＦ１０を介して下流側吸着工程が行われる吸着塔２０に供給されてもよい。この場合に切替時間Ｔｃが経過すると、吸着塔１０，３０と吸着塔２０との直列接続が解除されて、吸着塔１０，３０では余熱工程が行われる。この場合に、吸着塔１０，３０は、第１の吸着塔として機能し、吸着塔２０は第２の吸着塔として機能している。

上記実施形態の制御部７０～７０ｃは、切替時間Ｔｃが経過すると、各吸着塔で行われる工程を切り替えたが、工程切替の制御については種々変形可能である。例えば、制御部は、切替時間Ｔｃが経過すると、上流側吸着工程が行われていた第１の吸着塔を切り離し、下流側吸着工程が行われていた第２の吸着塔の下流側に再生済みの第３の吸着塔を接続せずに、第２の吸着塔単体に混合ガスＧＳを供給してもよい。また、制御部は、各吸着塔で別々の工程を実行せずに、同じ工程を行われてもよい。例えば、４つの吸着塔の内、２つの吸着塔で上流側吸着工程が実行され、残り２つの吸着塔で下流側吸着工程が行われてもよい。この場合に、余熱工程などの他の工程は、２つの組み合わせの計４つの吸着工程で同じ工程順で行われてもよい。また、上流側吸着工程と下流側吸着工程とが行われる各吸着塔の数は、１対１で対応していなくてもよく、例えば、１つの吸着塔で上流側吸着工程が行われると共に２つの吸着塔で下流側吸着工程が行われてもよい。

図１７は、変形例の吸着塔１０，２０で行われるガス分離方法のフローチャートである。上記第１実施形態では、図３に示されるように、１つの吸着塔２０で順番に実行される各工程について説明したが、ガス分離装置１００が行う最低限の工程を含むガス分離フローについて説明する。図１７に示されるように、変形例のガス分離フローでは、初めに、制御部６０によって第１供給工程が行われる（ステップＳ１１）。第１供給工程では、第１実施形態と同じように、吸着塔１０の排ガスが吸着塔２０に供給されるように吸着塔１０と吸着塔２０とが直列に接続された状態で、吸着塔１０に混合ガスＧＳが供給される。第１供給工程後に、切替時間Ｔｃが経過すると、吸着塔１０と吸着塔２０との接続を切り離した状態で、吸着塔２０に混合ガスＧＳが供給される第２供給工程が行われ（ステップＳ１２）、変形例のガス分離フローが終了する。すなわち、この変形例のように、直列接続された複数の吸着塔に混合ガスＧＳが供給された後に、上流側吸着工程の吸着塔が切り離され、吸着塔が直列接続されていない状態で１つの吸着塔に混合ガスＧＳが供給されてもよい。

上記実施形態の各吸着塔では、温度スイング法（ＴＳＡ）を用いた二酸化炭素の分離が行われたが、温度スイング法以外の方法によって分離が行われてもよい。例えば、圧力スイング法（Pressure Swing Adsorption：ＰＳＡ）、および、圧力および温度スイング吸着（pressure and temperature adsoreption：ＰＴＳＡ）が用いられてもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１０～６０…吸着塔（第１の吸着塔，第２の吸着塔，第３の吸着塔）
１０ｘ～４０ｘ，１０ｙ～４０ｙ…吸着塔
１０ｉ～４０ｉ…ガス入出口（第２ガス入出口）
１０ｏ～４０ｏ…ガス入出口（第１ガス入出口）
７０，７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｘ，７０ｙ…制御部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｘ，１００ｙ…ガス分離装置
Ｃ₁₀～Ｃ₃₀…曲線
ＦＰ１…第１流路
ＦＰ２…第２流路
ＦＰ３…第３流路
ＦＰ４…第４流路
ＦＰ５…第５流路
ＦＰＤ…下流側流路
ＦＰＵ…上流側流路
ＧＳ…混合ガス
Ｋ…吸着剤利用率
ＰＦ１０…直列流路
ＰＦ２１…共有流路
Ｓ１～Ｓ５…センサ（ガスセンサ、温度センサ）
Ｔ１～Ｔ３…時刻
Ｔｃ…切替時間
ＶＤ１～ＶＤ５…下流側バルブ（第１下流バルブ、第２下流バルブ、第３下流バルブ）
ＶＵ１～ＶＵ５…上流側バルブ（第１上流バルブ、第２上流バルブ、第３上流バルブ）
ＶＶ１～ＶＶ５，ＶＶ１１～ＶＶ１８…直列バルブ（第１直列バルブ、第２直列バルブ）

Claims

ガス分離装置であって、
混合ガスに含まれる１以上の特定のガスを吸着可能な吸着剤を有する複数の吸着塔と、
前記吸着塔への前記混合ガスの供給と、前記複数の吸着塔間の接続と、を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記複数の吸着塔のうちの第１の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔とは異なる第２の吸着塔に供給されるように、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第１の吸着塔へと前記混合ガスを供給する第１吸着制御を行い、
前記混合ガスが前記第１の吸着塔に供給されてから予め設定された切替時間が経過した場合に、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔との接続を切り離した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する第２吸着制御を行い、
前記第２吸着制御において、前記第２の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔および前記第２の吸着塔とは異なる第３の吸着塔に供給されるように、前記第２の吸着塔と前記第３の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、
前記ガス分離装置は、さらに、
前記第１の吸着塔の上流側と、前記第２の吸着塔の上流側と、前記第３の吸着塔の上流側とをそれぞれ接続する上流側流路と、
前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の下流側とをそれぞれ接続する下流側流路と、
前記上流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１上流バルブと、
前記上流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２上流バルブと、
前記上流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３上流バルブと、
前記下流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１下流バルブと、
前記下流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２下流バルブと、
前記下流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３下流バルブと、
前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の上流側とを接続する第１流路と、
前記第１流路の接続を開閉する第１直列バルブと、
前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の上流側とを接続する第２流路と、
前記第２流路の接続を開閉する第２直列バルブと、
を備え、
前記制御部は、
前記第１吸着制御において、前記第１上流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを開き、前記第２上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給し、
前記第２吸着制御において、前記第２上流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを開き、前記第１上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給し、
前記第１流路の少なくとも一部と、前記第２流路の少なくとも一部とは、同一の配管部材を用いて形成されている、ガス分離装置。
請求項１に記載のガス分離装置であって、
前記第２の吸着塔は、ガスが入出可能な２つの第１ガス入出口と第２ガス入出口とを有し、
前記制御部は、
前記第１吸着制御において、前記第１ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、
前記第２吸着制御において、前記第２ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する、ガス分離装置。
ガス分離装置であって、
混合ガスに含まれる１以上の特定のガスを吸着可能な吸着剤を有する複数の吸着塔と、
前記吸着塔への前記混合ガスの供給と、前記複数の吸着塔間の接続と、を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記複数の吸着塔のうちの第１の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔とは異なる第２の吸着塔に供給されるように、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第１の吸着塔へと前記混合ガスを供給する第１吸着制御を行い、
前記混合ガスが前記第１の吸着塔に供給されてから予め設定された切替時間が経過した場合に、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔との接続を切り離した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する第２吸着制御を行い、
前記第２吸着制御において、前記第２の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔および前記第２の吸着塔とは異なる第３の吸着塔に供給されるように、前記第２の吸着塔と前記第３の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、
前記第２の吸着塔は、ガスが入出可能な２つの第１ガス入出口と第２ガス入出口とを有し、
前記制御部は、
前記第１吸着制御において、前記第１ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、
前記第２吸着制御において、前記第２ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する、ガス分離装置。
請求項３に記載のガス分離装置であって、さらに、
前記第１の吸着塔の上流側と、前記第２の吸着塔の上流側と、前記第３の吸着塔の上流側とをそれぞれ接続する上流側流路と、
前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の下流側とをそれぞれ接続する下流側流路と、
前記上流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１上流バルブと、
前記上流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２上流バルブと、
前記上流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３上流バルブと、
前記下流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１下流バルブと、
前記下流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２下流バルブと、
前記下流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３下流バルブと、
前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の上流側とを接続する第１流路と、
前記第１流路の接続を開閉する第１直列バルブと、
前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の上流側とを接続する第２流路と、
前記第２流路の接続を開閉する第２直列バルブと、
を備え、
前記制御部は、
前記第１吸着制御において、前記第１上流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを開き、前記第２上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給し、
前記第２吸着制御において、前記第２上流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを開き、前記第１上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給する、ガス分離装置。
請求項４に記載のガス分離装置であって、
前記第１流路の少なくとも一部と、前記第２流路の少なくとも一部とは、同一の配管部材を用いて形成されている、ガス分離装置。
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のガス分離装置であって、さらに、
前記第２の吸着塔から排出される前記混合ガス中の前記特定のガスを検出するガスセンサを備え、
前記制御部は、前記ガスセンサにより検出された前記特定のガスが所定の流量を超えた場合に、前記切替時間が経過したと判定する、ガス分離装置。
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のガス分離装置であって、さらに、
前記第２の吸着塔の温度を検出する温度センサを備え、
前記制御部は、前記温度センサにより検出された前記第２の吸着塔の温度が所定の温度を超えた場合に、前記切替時間が経過したと判定する、ガス分離装置。
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のガス分離装置であって、
前記複数の吸着塔は、温度スイング法を用いて供給される前記特定のガスを吸着する、ガス分離装置。
ガス分離方法であって、
混合ガスに含まれる１以上の特定のガスを吸着可能な吸着剤を有する複数の吸着塔のうちの第１の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔と異なる第２の吸着塔に供給されるように、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第１の吸着塔へと前記混合ガスを供給する第１供給工程と、
前記混合ガスが前記第１の吸着塔に供給されてから予め設定された切替時間が経過した場合に、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔との接続を切り離した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する第２供給工程と、を備え、
前記第２供給工程は、前記第２の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔および前記第２の吸着塔とは異なる第３の吸着塔に供給されるように、前記第２の吸着塔と前記第３の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、
前記第１供給工程は、
前記第１の吸着塔の上流側と、前記第２の吸着塔の上流側と、前記第３の吸着塔の上流側と、をそれぞれ接続する上流側流路と前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１上流バルブを開き、
前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の下流側とをそれぞれ接続する下流側流路と前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２下流バルブを開き、
前記第１の吸着塔の下流側と、前記第２の吸着塔の上流側とを接続する第１流路の接続を開閉する第１直列バルブを開き、かつ、
前記上流側流路と、前記第２の吸着塔との接続を開閉する第２上流バルブを閉じ、
前記上流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３上流バルブを閉じ、
前記下流側流路と、前記第１の吸着塔との接続を開閉する第１下流バルブを閉じ、
前記下流側流路と、前記第３の吸着塔との接続を開閉する第３下流バルブを閉じ、
前記第２の吸着塔の下流側と、前記第３の吸着塔の上流側とを接続する第２流路の接続を開閉する第２直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給し、
前記第２供給工程では、
前記第２上流バルブ、前記第３下流バルブ、および前記第２直列バルブを開き、かつ、
前記第１上流バルブ、前記第３上流バルブ、前記第１下流バルブ、前記第２下流バルブ、および前記第１直列バルブを閉じた状態で、前記混合ガスを前記上流側流路に供給し、
前記第１流路の少なくとも一部と、前記第２流路の少なくとも一部とは、同一の配管部材を用いて形成されている、ガス分離方法。
ガス分離方法であって、
混合ガスに含まれる１以上の特定のガスを吸着可能な吸着剤を有する複数の吸着塔のうちの第１の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔と異なる第２の吸着塔に供給されるように、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第１の吸着塔へと前記混合ガスを供給する第１供給工程と、
前記混合ガスが前記第１の吸着塔に供給されてから予め設定された切替時間が経過した場合に、前記第１の吸着塔と前記第２の吸着塔との接続を切り離した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する第２供給工程と、を備え、
前記第２供給工程は、前記第２の吸着塔から排出された前記混合ガスが、前記複数の吸着塔のうちの前記第１の吸着塔および前記第２の吸着塔とは異なる第３の吸着塔に供給されるように、前記第２の吸着塔と前記第３の吸着塔とを直列に接続した状態で、前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、
前記第２の吸着塔は、ガスが入出可能な２つの第１ガス入出口と第２ガス入出口とを有し、
前記第１供給工程は、前記第１ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給し、
前記第２供給工程は、前記第２ガス入出口から前記第２の吸着塔に前記混合ガスを供給する、ガス分離方法。