JP7236888B2 - 真空脱着式揮発性有機化合物回収装置の運用方法 - Google Patents

Description

この発明は、揮発性有機化合物を含むガスを排出する前に、ガスから揮発性有機化合物を処理する装置に関する。

工場から発生する排ガスには、そのまま大気中に排出すると問題を起こす溶剤などの揮発性有機化合物が含まれる場合がある。この場合、排ガスを大気中に排出する前に、含有している揮発性有機化合物を処理しなければならない。その方法として、活性炭等の吸着剤を内蔵した吸着塔で、排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を吸着剤に吸着させ、ガス中の濃度を低減させて大気へ排出する。

その後、吸着剤に吸着された揮発性有機化合物を脱離させて、吸着塔を再利用可能にする。この脱離作業をしている間は当然に吸着ができないため、通常は複数の吸着塔を並列に設置し、一つの吸着塔が吸着をしている間に、他の吸着塔で脱離を行うという工程を循環して運用する。

吸着剤から揮発性有機化合物を脱離させる方法としては、加熱した水蒸気を接触して脱離させる方法や（例えば特許文献１）、吸着塔を真空吸引して脱離させる方法（例えば特許文献２）などがある。

吸着塔の吸着剤に吸着させた揮発性有機化合物を真空吸引により脱着させる場合の運用例を図４を用いて説明する。吸着塔１１ａ、１１ｂ（まとめて１１という）が二基並列に設けられ、それぞれの内部には揮発性有機化合物である溶剤を吸着する吸着剤が充填された吸着剤収容部１２ａ，１２ｂ（まとめて１２という）が設けられている。吸着塔１１ａ，１１ｂの上部には、内部へ揮発性有機化合物含有ガスＡを導入する導入口バルブ２１ａ，２１ｂと、塔内の気体を真空吸引するための吸引口バルブ２３ａ，２３ｂが設けられている。一方、吸着塔１１ａ，１１ｂの下部には、溶剤を吸着された後の処理後ガスＢが排出される排出口バルブ２２ａ，２２ｂが設けてある。排出口バルブ２２ａ，２２ｂの先には原ガスブロワ１６が設けてある。原ガスブロワ１６によって生じた圧力により、揮発性有機化合物含有ガスＡは吸着塔１１ａ、１１ｂに導入され、処理後ガスＢが排出される。一方、吸引口バルブ２３ａ，２３ｂの先には真空ポンプ１７が設けてあり、脱離された溶剤のガスを含む減圧された有機化合物同伴ガスＤが真空吸引される。真空吸引されて大気圧に戻された高濃度ガスＥは、コンデンサ１８ｂで冷却水Ｇにより冷却される。これにより、高濃度ガスＥに含まれた溶剤は液化した回収有機化合物Ｆとして回収される。

それぞれの導入口バルブ２１ａ，２１ｂ（まとめて２１という）、排出口バルブ２２ａ，２２ｂ（まとめて２２という）、吸引口バルブ２３ａ，２３ｂ（まとめて２３という）は、独立して開閉可能である。これらを、吸着を行う吸着塔１１と、脱離を行う吸着塔１１とで切り替える。吸着を担当する方の吸着塔１１では、導入口バルブ２１と排出口バルブ２２とが開放され、吸引口バルブ２３が閉鎖される。導入口２１から導入された揮発性有機化合物含有ガスＡは吸着剤収容部１２の吸着剤に溶剤を吸収されて、溶剤含有量を抑制され、原ガスブロワ１６から大気へ放出される。一方、脱離して再生させている方の吸着塔１１では、導入口バルブ２１と排出口バルブ２２とが閉鎖され、吸引口バルブ２３が開放される。吸着塔１１内は減圧されて、吸着剤収容部１２の吸着剤に吸着していた溶剤が脱離されて吸引され、コンデンサ１８ｂで凝縮されて回収される。

当然のことながら、吸着塔１１の吸着能力を十全に再生させるためには、十分に揮発性有機化合物を脱離させる必要がある。そのためには減圧させる真空ポンプ１７には十分な能力が求められる。

特開２０１４－１６８７４１号公報 特開平６－６３３５０号公報

しかしながら、脱離開始時には吸着塔内の圧力は大気圧であり、真空ポンプから排気されるガス量は開始直後に極端に大きくなる。このピークのガス量を処理可能とするには、処理能力が特に大きなコンデンサを設置しなければならなかった。だが、ピークを経過した後はそれほど大きな処理能力を必要としないため、コンデンサの運用能力には無駄が多かった。

そこでこの発明は、減圧によって脱離させる揮発性有機化合物の処理装置において、処理に必要な負荷を低減させることを目的とする。

この発明は、
揮発性有機化合物を吸着する活性炭を充填する吸着剤収容部を有する吸着塔により、揮発性有機化合物含有ガスの揮発性有機化合物濃度を前記活性炭に吸着させることで減少させ、
吸着後は前記吸着塔内の気体を真空ポンプにより吸引して減圧させることで前記活性炭から前記揮発性有機化合物を脱離させる揮発性有機化合物処理装置を運用するにあたり、
前記吸着塔と前記真空ポンプとの間に、通過風量が異なる二本以上のルートを有する並列区間を設け、
それぞれのルートには独立して動作可能な弁を有し、
前記脱離を開始する際に、比較的通過風量が小さな前記ルートの弁を開放させた後に、比較的通過風量が大きな前記ルートの弁を開放させる運用方法により、上記の課題を解決したのである。

これは次のような新たな知見に基づくものである。吸着を終えた吸着塔について脱離を開始するにあたって、まず比較的通過風量が小さな前記ルートの弁を開放させると、吸着塔内が緩やかに減圧され始める。比較的通過風量が小さなとは、後から開放させる比較的通過風量が大きなルートに比べて小さいことをいい、バルブなどで調整する。概ね、比率にして１／３以下に小さいことが望ましい。

通過風量が小さなルートのみ開放された場合、通過風量が大きなルートが開放された場合と比べて、脱離開始直後に真空ポンプに導入されるガスの体積は同じでも、吸着塔から供給されるガスの質量は減るので、真空ポンプの出口で大気圧に戻した段階での体積は減少することになる。すると、コンデンサが処理しなければならないガス量を抑制することができる。その上で、吸着塔内の圧力がある程度低下した段階で比較的通過風量が大きな前記ルートの弁を開放させると、真空ポンプに導入されるガスの体積は増大するが、既に圧力が低下しているため、真空ポンプの出口で大気圧に戻すと体積は大幅に縮小することになる。このため、真空ポンプの出口から排出されたコンデンサが処理しなければならないガス量の増加が抑制できる。このタイミングは、コンデンサに入る風量を１／ｎに抑えようとする場合、圧力が大気圧の１／ｎまで下がった段階で切り替えるとよい。

単に、従来よりも通過風量が小さなルートのみで吸引すると、コンデンサへの負荷を抑えることができる代わりに、吸着塔内を十分に減圧させるために必要な時間がかかりすぎてしまう。この発明にかかる運用方法では、まず比較的通過風量が小さなルートで吸引して最初にコンデンサが処理する気体のピーク量を抑制する。その後所定の時間が経過した後に、比較的通過風量が大きなルートで吸引することで十分に減圧できるまでにかかる時間を抑制する。また、あらかじめ比較的通過風量が小さなルートで減圧させておくと、比較的通過風量が大きなルートを開放しても、コンデンサに到達するガス量の増大は十分に抑えることができる。

コンデンサの入口に供給されるガス量と、コンデンサが有する必要がある伝熱面積とは比例関係にあり、ピーク時の風量を１／ｎにすれば、コンデンサが必要とする伝熱面積も１／ｎに抑制することができる。

この発明により、揮発性有機化合物の脱離に必要とするコンデンサの処理能力を抑制でき、運用上の負荷及びコストを下げ、揮発性有機化合物の処理を従来よりも省エネルギーで行うことができる。

この発明にかかる運用方法を実行する揮発性有機化合物処理装置の構成例図 ２基の吸着塔でこの発明にかかる運用方法を実行する吸着と脱着の状態遷移図 （ａ）脱離開始時点の吸引口付近の構成図、（ｂ）メイン側吸引口を開いた時点の構成図 従来の真空吸引による脱離を実行する揮発性有機化合物処理装置の構成例図

以下、この発明の実施形態を説明する。この発明は、揮発性有機化合物含有ガスの濃度を低減させて大気中へ排出可能とし、その分の揮発性有機化合物を吸着剤に吸着させる揮発性有機化合物の処理装置１０の運用方法である。この処理装置１０で吸着を行う吸着塔１１は吸着剤として活性炭を有し、吸着された揮発性有機化合物は真空ポンプ１７で減圧されることで吸着剤から脱離させて、吸着剤を繰り返し利用できる。脱離させた揮発性有機化合物は凝縮して回収する。図１はこれらの一連のサイクルを行う処理装置１０の全体像の例を示す。

この発明にかかる運用方法で運用する処理装置で処理する揮発性有機化合物とは、常圧で加熱することで気体になり得る有機化合物であり、特に常温で液体であるものが吸着処理しやすい。例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の炭素数が１～８程度のアルコール、トルエン、ベンゼンなどの芳香族有機化合物などの、炭化水素系の溶剤が挙げられる。

個々の吸着塔１１（１１ａ，１１ｂ）は角形又は円筒形であり、装置内部には、揮発性有機化合物を吸着し、真空吸引にて脱着できる吸着剤を充填させた吸着剤収容部１２を設けてある。この吸着剤としては、粒状活性炭を用いることができる。吸着塔１１の内部を上下方向に通過するためには、必ず吸着剤収容部１２を通過しなければならない。吸着剤収容部１２の底面と上面はどちらも吸着塔１１内に格納されている。このような吸着塔１１が並列に複数基設けられている。図１の例では２基の吸着塔１１ａ，１１ｂを記載しているが、２基に限定されるものではなく、３基以上でもよい。

吸着塔１１の吸着剤収容部１２より上端側には、揮発性有機化合物含有ガスＡの導入口１３が設けてあり、原ガスブロワ１６によって生じた圧力によって揮発性有機化合物含有ガスＡが導入される。吸着剤収容部１２より下端側には、揮発性有機化合物が吸着剤に吸着されることでその濃度が低下した処理後ガスＢの排出口１４が設けてある。排出口１４は大気中へ放出するものである。

また、揮発性有機化合物を脱着した有機化合物同伴ガスＤを減圧吸引するための吸引口１５が、吸着剤収容部１２の上端よりも上端側に設けてある。この吸引口１５から有機化合物同伴ガスＤが搬送される。

有機化合物同伴ガスＤは、真空ポンプ１７によって吸引されることで、減圧した状態で真空ポンプ１７に到達する。真空ポンプ１７の出口からは大気圧に戻って容積が小さくなった高濃度ガスＥが排出される。この高濃度ガスＥはコンデンサ１８ａに供給されて冷却水Ｇにより冷却される。冷却により有機化合物同伴ガスＤに含まれていた揮発性有機化合物を分離回収する（回収有機化合物Ｆ）。

それぞれの吸着塔１１への入口及び出口にはバルブを設けてある。すなわち、導入口１３ａ，１３ｂには導入口バルブ２１ａ，２１ｂを、排出口１４ａ，１４ｂには排出口バルブ２２ａ，２２ｂを、それぞれ設けてある。

一方、吸引口１５から先は複数本に分岐し、並列区間が設けられ、真空ポンプ１７より手前で合流している。並列区間を構成する分岐したそれぞれのルートは、通過する風量が異なるように調整されている。図では吸着塔１１ａ，１１ｂごとに、２本に分岐している。分岐したうち、時間あたりの通過風量が比較的大きな方の経路をメインルート、比較的小さな方の経路をサブルートと呼ぶ。メインルートにはメインルートバルブ２３ａ，２３ｂを設け、サブルートにはサブルートバルブ２４ａ，２４ｂを設けてある。

前記メインルートと前記サブルートの時間あたりの通過風量の比率は２０：１～３：１であることが好ましく、１０：１～５：１であるとより好ましい。３：１よりも比が小さいと、脱離開始直後にピークとなるコンデンサ１８ａが処理すべき処理量を低減させる効果が十分に発揮されず、コンデンサ１８ａに要求される処理能力が十分に抑制できない。一方、２０：１よりも比が大きいと、前記サブルートを先行して開放させることで吸着塔１１内をある程度減圧させるために必要な時間が掛かりすぎてしまい、他方の吸着塔の吸着が終わるまでに脱離が完了しなかったり、減圧が不十分なまま前記メインルートを開放しなければならなくなってコンデンサ１８ａが処理すべき処理量のピークが十分に低減させられないおそれがある。

なお、前記ルートが３本以上に分岐している場合には、後述する開放順に２番目になるルートと１番目になるルートとの通過風量の比率が前記の範囲であると好ましい。

上記の通過風量の比率を調整する手法としては、例えば前記サブルートに通過風量を調整できる通過風量調整バルブ２５ａ，２５ｂを設け、これを調整することで上記の範囲に調整することができる。

この発明にかかる揮発性有機化合物処理装置の運用方法について、図２に示すシーケンス図と、図３に示す状態図を用いて説明する。まず、吸着塔１１ａで吸着を開始する際には（Ｓ１０１）、導入口バルブ２１ａと、排出口バルブ２２ａを開放し、吸引口１５ａのサブルートバルブ２４ａ、メインルートバルブ２３ａは閉鎖する。吸着が終わったら導入口バルブ２１ａと、排出口バルブ２２ａを一旦閉鎖すると同時に、吸着塔１１ｂで吸着を開始する（Ｓ１０２）。次に、吸着塔１１ａでは脱離を開始する（Ｓ１０３～）。このとき、まずサブルートバルブ２４ａを開放し、メインルートバルブ２３ａは閉鎖したままとする（Ｓ１０３）。このときの状態を図３（ａ）に示す。サブルートのみ開放されているため、通過風量が制限されており、吸着塔１１ａの中の減圧は緩やかに進行する。これにより、コンデンサ１８ａが処理しなければならないガス量も抑制されている。

次に、サブルートの開放から、吸着塔１１ａ内の気圧が十分に低下したら、メインルートのメインルートバルブ２３ａを開放し、メインルートとサブルートの両方から吸引を行う（Ｓ１０４）。この状態を図３（ｂ）に示す。メインルートを通過する風量が増えるが、このときまでに既に吸着塔１１ａの内のガスはある程度抜けているので、コンデンサ１８ａが処理しなければならないガス量が過度に上がることを抑制している。ここで、Ｓ１０３からＳ１０４に切り替えるタイミングは、予め吸着塔１１ａ内の気圧の変動を測定しておき、最適と思われるタイミングになるようにタイマー制御しておいてもよいし、吸着塔１１ａ内に設けた圧力計の値を測定しながら、適切な気圧になった時点で切り替えてもよい。その後、吸着塔１１ａ内の圧力が十分に低下したら脱離を終了する（Ｓ１０５）。

メインルートバルブ２３ａ，２３ｂを開放する時点（Ｓ１０３→Ｓ１０４，Ｓ１０６→Ｓ１０７）における吸着塔１１ａ、１１ｂ内の圧力は、５ｋＰａ以上であると好ましく、１０ｋＰａ以上であるとより好ましい。なお、５ｋＰａは大気圧の１／２０であり、１０ｋＰａは大気圧の１／１０に相当する。一方、３３ｋＰａ以下であると好ましく、２０ｋＰａ以下であるとより好ましい。なお、３３ｋＰａは大気圧の１／３であり、２０ｋＰａは大気圧の１／５に相当する。５ｋＰａ未満までサブルートのみで減圧するには時間が掛かりすぎ、脱離が間に合わなくなるおそれがある。一方、３３ｋＰａを超えていると、まだ残存しているガスが多いため、メインルートバルブ２３ａ，２３ｂを開放したときにコンデンサ１８ａにかかる負荷が大きくなりすぎてしまう。

なお、メインルートバルブ２３ａ，２３ｂを開放した後、吸着塔１１ａ，１１ｂ内が所定の気圧以下になるまで減圧し、吸着剤から揮発性有機化合物を脱離させる。この減圧停止気圧は、溶剤の種類によって適宜変更してよい値である。なお、この終了タイミングは吸着塔１１ａ、１１ｂ内に設けた圧力計を基準にして終了してもよいし、過去の運用時における測定から、目標とする圧力にまで低下したと判断できる時点で終了してもよい。ただし、吸着を続けている吸着塔１１ｂの吸着能力の低下が限界に達する前に終了する必要がある。

次に、脱離によって吸着能力を取り戻した吸着塔１１ａで再度吸着を行う（Ｓ１０６）。このとき、吸着塔１１ｂではまずサブルートバルブ２４ｂのみを開放して、吸引減圧させて脱離を開始させる。その後吸着塔１１ｂ内の圧力が上記の範囲となったら、メインルートバルブ２３ｂを開放する（Ｓ１０７）。その後、吸着塔１１ｂ内の圧力が十分に低下したら脱離を終了する（Ｓ１０８）。これらのタイミングの基準となる吸着塔１１ｂ内の圧力は、吸着塔１１ａでの脱離の際の基準と同じである。以後（Ｓ１０９～）、交互に吸着と脱離を繰り返すたびに、脱離の際には先にサブルートを開放し、次いでメインルートを開放する。

以下、この発明の実施例を示す。（株）栗本鐵工所製吸着塔（活性炭層面積：０．１ｍ^２、活性炭層厚：１．０ｍ）に、通過風速０．１６ｍ／ｓとなるように、トルエン濃度１％となる揮発性有機化合物含有ガスＡを導入し、吸着時間１０分となるように吸着を行った。

メインルート及びサブルートの通過風量の比は５：１であり、真空ポンプの能力は２ｍ^３／ｍｉｎのものを用いた。コンデンサとしては多管式のもの（伝熱面積：０．２ｍ^２）を用いた。サブルートで２０ｋＰａとなるまで減圧した後に、メインルートを開放したところ、コンデンサは十分にガスを処理可能であった。

比較例として、サブルートを持たずメインルートのみの装置を用いて、大気圧の時点でメインルートを開放して吸引を行ったところ、実施例のコンデンサでは能力が不足してしまい、伝熱面積が１．０ｍ^２である多管式コンデンサが必要となった。

１０ 処理装置
１１，１１ａ，１１ｂ 吸着塔
１２，１２ａ，１２ｂ 活性炭（吸着剤収容部）
１３，１３ａ，１３ｂ 導入口
１４，１４ａ，１４ｂ 排出口
１５，１５ａ，１５ｂ 吸引口
１６ 原ガスブロワ
１７ 真空ポンプ
１８ａ，１８ｂ コンデンサ
２１，２１ａ，２１ｂ 導入口バルブ
２２，２２ａ，２２ｂ 排出口バルブ
２３，２３ａ，２３ｂ メインルートバルブ（吸引口バルブ）
２４ａ，２４ｂ サブルートバルブ
２５ａ，２５ｂ 通過風量調整バルブ
Ａ 揮発性有機化合物含有ガス
Ｂ 処理後ガス
Ｄ 有機化合物同伴ガス
Ｅ 高濃度ガス
Ｇ 冷却水
Ｆ 回収有機化合物

Claims (1)

1. 揮発性有機化合物を吸着する活性炭を充填する吸着剤収容部を有する吸着塔により、揮発性有機化合物含有ガスの揮発性有機化合物濃度を前記活性炭に吸着させることで減少させ、
   吸着後は前記吸着塔内の気体を真空ポンプにより吸引して減圧させることで前記活性炭から前記揮発性有機化合物を脱離させる揮発性有機化合物処理装置を運用するにあたり、
   前記揮発性有機化合物処理装置は、
   前記吸着塔と前記真空ポンプとの間に、通過風量が異なる二本以上のルートを有する並列区間を設けてあり、
   比較的通過風量が大きな前記ルートと、比較的通過風量が小さな前記ルートとの、通過風量の比が、２０：１～３：１であり、
   前記真空ポンプから排出された高濃度ガスを冷却するコンデンサを有し、
   前記コンデンサにて前記高濃度ガスに含まれる前記揮発性有機化合物を凝縮させることができ、
   それぞれのルートには独立して動作可能な弁を有し、
   前記脱離を開始する際に、比較的通過風量が小さな前記ルートの弁を開放させた後に、吸着塔内の圧力が５ｋＰａ以上３３ｋＰａ以下である時点で比較的通過風量が大きな前記ルートの弁を開放させる、
   揮発性有機化合物処理装置の運用方法。

Images