JPH0199627A - 圧力スイング法ガス吸着精製装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は主として多成分系のガスを精製するための圧力
スイング法ガス吸着精製装置において、高度に分離した
出口精製ガスの純度が運転中悪化するのを防止すること
のできる圧力スイング法ガス吸着精製装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来、ガス状混合物の精製分離法としては、吸着塔を３
塔または４塔用いた圧力スイング吸着分離法（以下、Ｐ
ＳＡ法という）が広く知られている。

このＰＳＡ法においては、各吸着塔にはアルミナ系吸着
剤、活性炭２合成ゼオライトなどの粒子状吸着剤が充填
されており、その１塔には原料ガスを加圧下で導入し、
吸着性の不純ガス成分を除去する吸着工程を行なって製
品ガスとし、他の２乃至３の吸着塔では、減圧回収、均
圧、一部製品ガスの逆流による吸着剤層内の吸着成分の
脱着の各工程が行なわれるようにする方法で、上記の吸
着工程と脱着工程は極めて短い時間（５〜１０分）で交
互に繰り返されるので、小型のプラントでも充分なガス
精製を行なえるため、用途に応じて現場に設同でき、従
来良く行なわれていた精製されたガスをボンベ輸送する
必要がないという利点がある。

また、高度の精製度が要求される系として知られている
七のに、水素ガスの精製があり、この精製にもＰＳＡ法
が用いられる。この方法によれば、粗水素（廃水素）か
ら吸着性不純物例えば、水分。

炭化水素、二酸化炭素、メタン、−酸化炭素等のガスを
吸着除去して９９．９９９９％にまで精製でき、従って
不純物を１０ｐｐｍ以下になし得るが、この水素ガスの
精製度を９９．９９９９％以上の濃度に維持するには、
前記不純吸着性ガスの吸着帯域を吸着層内に充分保持さ
せて吸着剤を破過させないようにしなければならず、そ
のためには少なくとも理論的に必要とされる吸着剤量の
２倍の吸着剤が必要であったし、また、実際に吸着剤の
能力オーバーを事前に検出することは、従来のＰＳＡ法
のように短時間の切換方式では不可能であった。

而して、上記のＰＳＡ法において使用される吸着剤とし
ては、吸着成分中の水分に対してはアルミナゲル等が用
いられ、吸着性ガス成分（炭化水素ＣｎＨ＋１１．二酸
化炭素、メタン）には活性炭が適、しており、一方、弱
吸着性の一酸化炭素を完全に除去するためには、吸着量
の多い合成ゼオライトが適している。

従って、一般に上記の水素ガスの精製に用いられるＰＳ
Ａ法の装置においては、吸着塔は複合床として、吸着塔
内に下から活性アルミナ、活性炭。

合成ゼオライトの層を充填し、水分は活性アルミナ層で
吸着し、活性炭層は二酸化炭素とメタンを主体に吸着す
るようにし、更に、−酸化炭素はゼオライト層で吸着除
去するようにするのであるが、活性炭層で強吸着成分例
えば、二酸化炭素が完全に除去されない場合は、次の合
成ゼオライト層に運ばれ、合成ゼオライト層で吸着除去
されることになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが１合成ゼオライト層は主として高濃度の吸着成
分、−酸化炭素（ＣＯ）を吸着除去するのに適している
が、二酸化炭素に対しては極めて強い吸着特性を有する
がゆえに、脱着特性が悪いという欠点がある。二酸化炭
素などの強吸着性成分は逐次吸着剤中に蓄積して吸着力
が減少して、精製度を著しく悪化させる原因となる。

一般に、ＰＳＡ法により精製されたガスは直接反応工程
に適用されたり、金属精錬工程等に利用されるので、製
品ガスの純度が低下すると、上記の生産工程で多くの不
良製品が発生するため、従来は分析監視システムにより
製品ガスの純度を監視していたが、これでは時間的に間
に合わない場合が多く、結果としてその間の生産工程で
は多くの不良製品発生事故が起るという欠点があった。

このような事故を未然に防止するためには、製品ガスの
純度が低下する寸前にそれを警報する装置が開発されれ
ば、ＰＳＡ法によるガスの精製に極めて有効であると考
えられる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上述のような従来技術の問題点を解決し、ＰＳ
Ａ法によるガス精製時において製品ガスの純度が低下し
たら、警報が発せられるようにした圧力スイング法ガス
吸着精製装置を提供することを目的としてなされもので
、その構成は、低純度のガスを高度に精製分離するため
、高圧下で吸着操作を行ない、減圧下で吸着した不純成
分の脱着を行なう圧力スイング法ガス吸着精製装置にお
いて、活性炭等の吸着材層中に警報器に連なる温度測定
センサを挿入し吸着塔内において強吸着成分の吸着帯が
進行して前記センサの挿入位置を通過する際に発生する
昇温ピークを該センサが検知したら、前記警報器が警報
を発するようにしたことを特徴とするものである。

〔発明の作用〕

本発明においては、吸着層の適切な部位、例えば、数層
に充填した吸着剤層の適宜の層間の境界部付近に警報器
に連なる温度測定センサを挿入。

設置し、強吸着成分が該センサ部分を通過すると、該セ
ンサが瞬時にそれを感知して警報器を作動させ、′２Ｆ
報を発するので、該警報に従って適切な措置を採ること
により、出口ガスの精製度が悪化するのを未然に防止す
ることができる。

即ち、前記の警報が発せられてからは、ある−定時間経
過すると、これらの成分が蓄積されるため、出口ガスの
精製度は徐々に悪化し、数時間後には製造工程に悪影響
を及ぼすので、前記の一定時間内に分析し、適切な対策
を講じることにより製品ガスの悪化による被害を未然に
防止できるのである。

一般的に、吸着負荷に対して脱着が不完全である場合に
は、再生パージガスの系のガス不足が原因なので、逆流
パージ量を増加させることで容易に改善される。その後
、警報が発せられなくなれば、安定した高精製度の水素
ガスが維持される条件が設定されるので、従来、安全の
ために多量を必要とした吸着剤充填量を著しく減少さゼ
ることができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図により説明する。

第１図は本発明装置の一例を示す系統図で、Ａ。

Ｂ、Ｃは吸着塔で、各吸着塔内には下から活性アルミナ
層１１．活性炭層１２２合成ゼオライト層１３が充填さ
れている。

１４は各吸着塔における活性炭層１２と合成ゼオライト
層１３の境界部付近に設置した温度測定センサで、測温
抵抗体または熱雷対、サーミスタ等の微小温度の変化を
検知できるものであり、また、１５は温度開定センサ１
４と電気的に“接続され、前記センサ１４が吸着帯の通
過に伴う熱上昇を感知したら、例えば電気の点灯または
点滅による警報を発生させる警報器である。

而して、各吸着塔Ａ、Ｂ、Ｃの入口側には原料ガス管Ｐ
工に連なる自動開閉弁１ａ、　ｌｂ、　ｌｃを、また同
じく出口には製品ガス管Ｐ２に連なる自動開閉弁２ａ、
　２ｂ、　２ｃをそれぞれ設けである。

３ａ、　３ｂ、　３ｃは排気弁で、吸着塔の入口側に前
記自動開閉弁１ａ、　ｌｂ、　ｌｃと並列に設けられ、
それらの出口は排気管Ｐ、に連なる。

４ａ、　４ｂ、　４ｃはパージ用自動開閉弁で、吸着塔
の出口側に前記自動開閉弁２ａ、　２ｂ、　２ｃと並列
に設けられ、それぞれ製品ガス管Ｐ２から分岐したパー
ジ用ガス配管Ｐ、に自動開閉弁６を介して連なり、また
、５ａ、　５ｂ、　５ｅは製品ガス配管Ｐ２から分岐し
たパージ用ガス配管Ｐ、に自動開閉弁７．流量計８を介
して連なる自動開閉弁であり、以上により本発明の一例
が構成されるが、この装置のうち、温度測定センサ１４
と警報器１５を除いた部分は公知のものである。

また、第２図は温度の変化と吸着帯の切換時の定位置を
模型的に示した原理図である。

本発明においては、粗水素から水分、二酸化炭素、−酸
化炭素等のガスを吸着除去し精製水素ガスを得る場合、
吸着帯の検出にサイクル内最下位温度を基準にした偏差
温度を使用することにより。

各成分の吸着帯の通過を厳密に検出することができる。

従って、外気温度が上昇して系の温度が増加しても、層
内最低温度が相対的に上昇するため、ピークは検出され
ない。例えば、温度上昇と系の最低温度との差を１５℃
に設定すれば、活性炭層１２を多成分中比較的多量に含
まれる二酸化炭素の吸着帯が大部分通過した時点で警報
を発生させることができ、一方、前記温度差を４〜７℃
で設定すれば、−酸化炭素成分が活性炭Ｊ！１２の検出
位置を通過すると同時に警報が発せられる。

上記のように吸着帯の位置に基づく塔の温度偏差値によ
り吸着帯の通過状態が明らかになるので、いかなる成分
の通過も許さない条件も設定できるし、特に強吸着成分
である二酸化炭素の破過を許さない条件の設定が可能に
なるのである。この理由により、本発明における感熱素
子１４の位置は幾分第２層（活性炭層１２）側に設置す
る方法がより好ましいかも知れない。この位置で記録さ
れた警報では少なくとも二酸化炭素の活性炭破過がまだ
生じていないため１合成ゼオライト層１３は二酸化炭素
により被毒されてはいない。

このように、第２層部１２位置で温度の上昇が検出され
る場合、一般には吸着帯がその位置に存在しているのが
明白であるため、警報が発せられれば、それに従って、
作業者は所定の条件に基づき、再生系の改善を行なわな
ければならない。二酸化炭素の吸着帯の位置が少なくと
もゼオライト層１１に充分進行しないうちは回復が可能
なので、その対策や原因の調査をすることが急務となる
が、警報が発せられる原因が自動弁の作動不良に基づく
場合には、実質的に５〜１０分経過（１サイクル）すれ
ば、必ず出口ガスの精製度に異常が発見される訳である
から、事前に再生パージ量を増すなどの処置を採ること
ができるし、また、フェイルセーフであるためには、警
報と同時にＰＳＡ系を速やかに製造プロセスから切り離
し、緊急の別な補給ラインに切換えることが可能である
ことはいうまでもない。

本発明はまた、吸着成分中の最大濃度成分を前記活性炭
層１２中に保持させるために、再生パージの量を適切に
調節する方法として応用できる。つまり、最大濃度成分
が活性炭層１２を破過した場合、警報を発生するから、
パージの量を幾分増加させ。

警報を消失させるよう・に自動調節を行なうことにより
、製品ガスの消費を容易に最小限に設定できる。

また、本発明における警報装置はこれを固定式タイマー
の代わりに塔切換に利用することができる。即ち、ＰＳ
Ａ装置が正しく作動しているときは、略一定時間（５〜
８分）内に切換信号が発せられるが、この警報装置をタ
イマー代わりに使用すると１次のような場合に利点が生
じる。

入口流量や出口流量が著しく増加した場合には、切換時
間が早くなり、吸着帯を活性炭層の能力内に保持させる
。また、入口流量や出口流量が著しく減少した場合、切
換時間が自動的に延長されて吸着剤の能力を最大限に利
用するから、ＰＳＡ系に安定した製品ガスの収率が期待
できる等である。

−船釣に、異常が生じたＰＳＡ系を回復させる場合には
、吸着帯が活性炭層１２を完全に通過して。

検出部では温度が低いままになった場合には、必ず全還
流（製品ガスの全量を再生パージする）を行なって、活
性炭ＪＷ１２位置に吸着帯を押し戻す必要がある。二酸
化炭素の吸着帯が充分に活性炭層１２に圧縮された時点
で警報操作条件に切換える。

このように本発明装置は、従来のように、活性炭Ｍ１２
及びゼオライト層１３のそれぞれに吸着成分を分担させ
る場合、活性炭に二酸化炭素等の強吸着成分の全量を吸
着させ、ゼオライト層１３は一酸化炭素等の弱吸着成分
のみに限定することにより、出口精製度に影響を及ぼす
二酸化炭素の吸着帯を制御できるので、極めて効果的で
ある。

実際に、吸着塔Ａ、Ｂ、Ｃ（７）寸法を直径４００ｍ＋
。

有効高さ４５００　ｍとし、各吸着塔内には下がら活性
アルミナ層１１を４００＋＋ａ、活性炭層１２を３１０
０ｍ、合成ゼオライト層１３を１０００ｍの厚みで充填
し、温度測定センサ１４を活性炭層１２と合成ゼオライ
ト層１３の境界面（塔頂から１００１００Ｏ付近に挿入
して本発明装置を構成した。

また、原料ガスとして、ＣＨ４０，７％、　Ｇｏ　２．
０％　。

Ｃｏ、　１９．０％、　８２０１．０％（いずれもＶＯ
Ｉ％）の不純物を含有する粗水素ガス４ＯＮｒｎ’／Ｈ
を用い、圧力６　ｋｇ／ａＪＧ、温度４０℃で上記装置
に導入して、前述の方法により原料ガスの精製を行なっ
た。

塔の切換時間は８分であり、塔の脱圧時のＨ２回収に２
分間、パージ再生に５分間を要した。再生パージには製
品Ｈ２が使用され、大気圧に減圧された吸着塔の頂部か
ら原料水素量の約２０％が消費された。

製品ガス量は、約２ＯＮｍ／Ｈ１圧カ５．５ｋｇ／ａ＃
Ｇ、温度４０℃で、水素の純度は９９．９９９％を保持
した。

処理ガス量は１５．３５Ｎｒｒｒ／Ｈ１圧力０．０５ｋ
ｇ／ｃｊＧ、温度４０℃であった。

また、温度測定センサ１４による活性炭層１２と合成ゼ
オライト層１３の境界部の温度測定は着実に行なわれ、
適切な警報が発せられて、従来装置において見られた難
点は解消された。

〔発明の効果〕

本発明は上述の通りであるから、圧力スイング法ガス吸
着精製装置において、特に水素ガスを主体とし、少なく
とも１種以上の不純ガスを含む混合ガスから水素ガスを
精製する際に用いる警報装置として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一例の系統図、第２図は本発明装
置における温度の変化と吸着帯の切換時の定位置を模型
的に示した原理図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　低純度のガスを高度に精製分離するため、高圧下で
   吸着操作を行ない、減圧下で吸着した不純成分の脱着を
   行なう圧力スイング法ガス吸着精製装置において、活性
   炭等の吸着材層中に警報器に連なる温度測定センサを挿
   入し、吸着塔内において強吸着成分の吸着帯が進行して
   前記センサの挿入位置を通過する際に発生する昇温ピー
   クを該センサが検知したら、前記警報器が警報を発する
   ようにしたことを特徴とする圧力スイング法ガス吸着精
   製装置。