JPH034915A - 吸着塔 - 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、吸着塔及び吸着分離装置に関し、混合ガス中
の特定成分を吸着する吸着剤を充填して特定成分の吸着
分離を行う吸着塔、及び該吸着塔を吸着、洗浄、脱着の
各工程に順次切替えて混合ガス中の特定成分の吸着分離
を行う圧力変動吸着分離装置に関する。

〔従来の技術〕

従来から、混合ガス中の特定成分を分離してガスの精製
を行う一手段として吸着分離装置が知られている。一般
にこの吸着分離装置は、混合ガス中の特定成分を吸着す
る吸着剤を充填した吸着塔を用いて行われるもので、複
数の吸着塔を並列に接続し、その分離工程の一例として
、それぞれの吸着塔を吸着、洗浄、脱着の各工程に順次
切替えて混合ガス中の特定成分を吸着分離する方法があ
る。

上記のような吸着分離装置には、一般に第３図及び第４
図に示すような直管状の吸着塔１ａ、１ｂが用いられて
いた。これらの吸着塔１ａ、ｌｂは、混合ガスの導入側
や分離ガスの導出側に、配管接続用のキャップ状部材２
や、吸着剤の充填。

交換、内部点検、清掃等のための蓋３ａ、３ｂを取付け
るフランジ部４ａ、４ｂ、あるいは−船釣なこの種の容
器に見られる端部部材５，５を有しているが、実際に吸
着剤を充填する部分は、吸着塔中央部の直管状部分６ａ
、５ｂであり、ガスの流れ方向に対する吸着剤の断面積
は、全長に亙って路間−である。また、吸着塔１ａ、ｌ
ｂに接続する配管７ａ、７ｂも吸着塔の形状等により適
宜な位置に設けられて、いる。

第５図は、このような吸着塔を３基並列に用いて混合ガ
スの吸着分離を行う３塔式の圧力変動吸着分離装置の一
例を示すものである。

この圧力変動吸着分離装置１０で、例えば、空気を原料
の混合ガスとして高純度窒素を製品として得る場合には
、吸着剤として合成ゼオライトを各吸着塔１１　ａ、　
　１１　ｂ、　　１１　ｃに充填し、各吸着塔１１ａ、
ｌｌｂ、ｌｌｃについて上記吸着。

洗浄、脱着の各工程を順次切替えて空気中の窒素を分離
する。第１塔１１ａが吸着工程、第２塔１１ｂが洗浄工
程、第３塔１１ｃが脱着工程にある場合について説明す
ると、まず吸着工程にある第１塔１１ａは、水分や炭酸
ガスを除去する前処理工程（図示せず）から原料空気弁
１２を介して供給される所定圧力の原料空気Ａが、該第
１塔１１ａに附随する吸着塔入口側の導入弁１３ａから
導入され、原料空気中の窒素を塔内の合成ゼオライトに
吸着させ、他の酸素等の弱吸着成分を出口側に濃縮する
。

この時、洗浄工程にある第２塔１１ｂにおいては、吸着
塔入口側の洗浄弁１４ｂを開いて回収タンク１５に回収
されている高純度窒素を洗浄ガスＦとしてブロワ−１６
により所定の圧力で原料空気と同方向に導入するととも
に、吸着塔出口側の導出弁１７ｂから排気弁１８を介し
て前記弱吸着成分を排ガスＷとして排出する。

そして脱着工程にある第３塔１１ｃは、吸着塔出口側の
回収弁１９ｃを開き、真空ポンプ２０により吸着塔１１
Ｃ内を排気して合成ゼオライトに吸着されている窒素を
回収タンク１５に回収する。

このようにして回収タンク１５に回収された窒素は、そ
の一部が製品高純度窒素ＰＮとして弁２１から導出され
、残部が前記洗浄工程に用いる洗浄ガスＦとして使用さ
れる。

以下、順次それぞれの弁を所定の順序で開閉することに
より、各吸着塔１１ａ、ｌｌｂ、４１ｃを上記吸着、洗
浄、脱着の各工程に切替えて製品高純度窒素を採取する
。上記工程中、上記説明で挙げた以外の各弁は閉じ状態
である。尚、上記説明で挙げた以外の各弁については、
対応する吸着塔に付した符号ａ、ｂ、ｃをそれぞれの弁
の符号に付して図示し、その詳細な説明を省略する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述のごとき圧力変動吸着分離装置で、
純度が９９．９９％以上の製品高純度窒素を得ようとす
る場合、上記洗浄工程において吸着塔内を所望の窒素純
度にするまで弱吸着成分を排出洗浄するためには、採取
する製品量の３倍の量の高純度窒素を必要としていた。

そのため、このような圧力変動吸着分離装置において製
品の採取効率を向上させるためには、上記洗浄用として
用いられる製品ガスの量を低減する必要があった。

そこで、本発明は、上記吸着塔出口側に濃縮される弱吸
着成分を効率よく排出することができるとともに、吸着
効率の改善も可能な構造の吸着塔、及び洗浄用に用いる
製品ガスの量を低減して製品採取効率を向上させること
のできる圧力変動吸着分離装置を提供することを目的と
している。

〔課題を解決するための手段〕 上記した目的を達成するために、本発明は、弱吸着成分
が吸着塔出口側に濃縮されること、弱吸着成分を排出す
るために必要な洗浄ガスの量が該洗浄ガスの流速に比例
すること、及び該洗浄ガスの流速が吸着塔の塔径に反比
例することを知見して成されたものである。

即ち、本発明は、吸着塔の塔径を塔長方向の途中で変え
たことを特徴とする吸着塔を提供するとともに、吸着剤
を充填した吸着塔を、吸着、洗浄。

脱着の各工程に順次切替えて混合ガス中の特定成分の吸
着分離を行う圧力変動吸着分離装置において、前記吸着
塔の出口側の塔径を部分的に大径としたことを特徴とす
る吸着分離装置を提供するもので、特に前記吸着塔の塔
径を、同量の吸着剤を充填することのできる直管状の筒
体の径（Ｄｏ　）に対して、吸着塔人口側の塔径（Ｄ１
）を０．７Ｄｏ≦Ｄ１≦Ｄｏ１好ましくは０．８Ｄｏ≦
Ｄ。

≦Ｄｏの範囲に形成するとともに、吸着塔出口側の塔径
（Ｄ２）をり。くＤ２≦１．３５ＤＯ，好ましくはり。

くＤ２≦１．２５Ｄｏの範囲に形成することを特徴とし
ている。

〔作　用〕

上記のごとく、吸着塔の塔径を塔長方向の途中で変える
ことにより、塔内のガスの流速を変化させることができ
、強吸着成分の分離効率を変化させることが可能となる
。とりわけ、圧力変動吸着分離装置において、洗浄ガス
の出口側の塔径を部分的に大径としたことにより、出口
側のガスの流速を下げることができ、前記洗浄効率を向
上させて洗浄用に用いるガスの量を低減し、製品の収量
を向上させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて、さらに詳
細に説明する。

第１図に示すように、本発明の吸着塔３０は、該吸着塔
３０の塔径を塔長方向の途中で変えて小径部３１と大径
部３２とを形成したものである。

このように吸着塔３０の塔径を塔長方向の途中で変える
ことにより、吸着塔内部のガスの流速を、小径部３１で
は速く、大径部３２では遅くすることができる。従って
、吸着塔３０の使用目的により最適なガスの流速を得る
ことができる。

上記吸着塔３０の塔径を変化させる位置及びその径は、
該吸着塔３０に導入する混合ガスの組成、吸着塔３０で
吸着する成分の種類、即ち吸着塔３０の内部に充填する
吸着剤の種類等により適宜設定することができ、例えば
混合ガス中の複数の成分を順次吸着させるように、複数
の吸着剤を積層する場合には、該吸着剤の種類ごとにそ
の部分の塔径を変えて、それぞれの吸着剤に最適なガス
の流速とすることができ、分離効率を向上させることが
できる。

そして、前述のごとく吸着、洗浄、脱着の各工程を順次
切替えることにより混合ガス中の特定成分の吸着分離を
行う圧力変動吸着分離装置に、このように塔径を塔長方
向の途中で変えた吸着塔３０を用いる場合には、吸着塔
３０の大径部３２を洗浄ガス出口３３側に形成すること
で、該出口３３側における洗浄ガスの流速を小さくする
ことができ、洗浄工程時の効率を向上させて前記洗浄用
に使用する製品ガスの使用量を低減することができる。

上記吸着塔３０の小径部３１と大径部３２の径寸法は、
前述のごとく、混合ガスの組成等により適宜に定めるこ
とができるが、通常は、同量の吸着剤を充填することの
できる直管状の吸着塔の径Ｄｏに対して、洗浄ガス人口
３４側の小径部３１の塔径Ｄ１及び洗浄ガス出口３３側
の大径部３２の塔径Ｄ２を、それぞれ０．７Ｄｏ≦Ｄ１
≦Ｄ０、及びり。＜Ｄ２≦１．３５ＤＯの範囲、好まし
くは、下記式（１）及び式（２）に示す範囲に形成する
ことが好ましい。

０．８Ｄｏ≦Ｄ、≦Ｄｏ　　　　・　　（１）Ｄ、＜Ｄ
、≦１．２５Ｄｏ　　・＝　　（２）このような範囲で
吸着塔３０の小径部３１と大径部３２とを形成すること
により、小径部３１におけるガスの流速Ｕ、及び大径部
３２におけるガスの流速Ｕ２を、前記直管状の吸着塔に
おけるガスの流速Ｕ。に対して下記式（３）及び式（４
）の範囲とすることができる。

Ｕｏ≦Ｕ、≦１．５６ＵＯ−（３） ０．６４ＵＱ≦Ｕ２＜Ｕ。−（４） これにより、吸着塔３０内の吸着効率を低下させること
なく、弱吸着成分が濃縮している大径部３２の洗浄ガス
の流速を、従来の吸着塔に比べて０．６４倍程度にまで
小さくすることができる。

一方、上記範囲を越えて小径部３１を小径に形成したり
、大径部３２を大径に形成した場合には、吸着剤に適し
たガスの流速が得られなくなって吸着効率が低下したり
、塔径を変化させる部分でのガスの流れが円滑に行われ
ず吸着や洗浄の効率が低下することがあり好ましくない
。

次に、第２図に示すような形状の本発明の吸着塔４０と
従来の直管状の吸着塔５０とに、それぞれ５Ａ型合成ゼ
オライト（東ソー■製ゼオラム５Ａ）をおよそ１８０ｋ
ｇ（容積約３００１）充填し、前記第５図に示す圧力変
動吸着分離装置に適用して常法により装置を運転し、洗
浄ガスの必要量及び製品採取量の比較を行った実験結果
を説明する。

まず、この実験に用いた本発明の吸着塔４０は、第２図
（ａ）に示すように、洗浄用ガスの入口４４側からの長
さ１０００１００Ｏ＋）を径４００龍（Ｄ＋）の小径部
４１とし、出口４３側からの長さ４０５ｍｍ（Ｌ２）を
径６００ｍｍ（Ｄ２）の大径部４２とするとともに、小
径部４１と大径部４２との間に長さ３００ｍｒ＠（Ｌ、
）の拡径部４５を形成した。

一方、従来の吸着塔５０は、第２図（ｂ）に示すように
、洗浄用ガスの人口５１側から出口５２側までの吸着剤
充填部５３の全長を径５００　ｎ＋ｍ（Ｄｏ　）とした
直管状のものであり、吸着剤充填部５３の長さは約１５
３０　ｍｍ　（Ｌ　ｏ　）である。

また、圧力変動吸着分離装置１０の運転条件は、吸着圧
力及び洗浄圧力を共に０　、　３　ｋｇ／　ｃ＋＃Ｇ　
、脱着圧力を一６３ｃｍ１１ｇとし、各工程の切換え時
間を３分とした。そして、純度９９．９９％の窒素を９
Ｎｒｒｌ’／ｈで得られるように、それぞれの洗浄ガス
の量を調整した。

その結果、従来の吸着塔５０を用いた場合には、洗浄ガ
スとして２７ＮＩＴ１１／ｈの窒素を必要とし、塔内流
速は３．１ｃｍ／ｓ！ｃであったのに対し、本発明の吸
着塔４０を用いた場合には同じ純度の窒素を得るために
必要な洗浄ガスの量を２６Ｎｒｙ？／ｈとすることがで
き、この時の塔内流速は、入口端で４．　９ｃｍ／ｓｅ
ｃ　、出口端て２．　１６ｃｍ／ｓｅｅであった。

従って、１Ｎｒｒｌ’／ｈの窒素を製品として回収する
ことが可能となり、製品高純度窒素を１ＯＮｒｒｉ／ｈ
とすることができ、窒素採取量を１０％以上向上させる
ことができた。

尚、圧力変動吸着分離装置の構成及び運転条件等は、導
入する混合ガスの組成や種類１分離する成分の種類等に
より適宜設定されるもので、また吸着塔の形状も、吸着
剤の種類、数により長さ方向の両端に大径部を形成した
り、長さ方向全体をロート状に形成したりすることがで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の吸着塔は、吸着塔の塔径
を塔長方向の途中で変えたから、吸着する成分の種類、
吸着剤の種類等により最適なガスの流速を得ることがで
き、吸着効率や洗浄効率を向上させることができる。

また、本発明の圧力変動吸着分離装置は、吸着塔の出口
側の塔径を部分的に大径としたから、洗浄工程の洗浄ガ
スの流速を小さくして弱吸着成分の排出を効率よく行う
ことができる。従って、洗浄ガスの使用量を低減して製
品の採取量を向上させることができる。

特に、上記圧力変動吸着分離装置に用いる吸着塔の塔径
を、前述の式（１）及び式（２）の範囲に形成すること
により、吸着剤の吸着効率を低下させることなく、吸着
分離を行うことができ、さらに洗浄効率の向上を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の吸着塔の一実施例を示す正面図、第２
図は実験に使用した吸着塔を示すもので、第２図（ａ）
は本発明を適用した吸着塔の正面図、第２図（ｂ）は従
来の直管状の吸着塔の正面図、第３図及び第４図はそれ
ぞれ従来の吸着塔を示す正面図、第５図は圧力変動吸着
分離装置の系統図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、吸着剤を充填する吸着塔において、該吸着塔の塔径
   を塔長方向の途中で変えたことを特徴とする吸着塔。 ２、吸着剤を充填した吸着塔を、吸着、洗浄、脱着の各
   工程に順次切替えて混合ガス中の特定成分の吸着分離を
   行う圧力変動吸着分離装置において、前記吸着塔の出口
   側の塔径を部分的に大径としたことを特徴とする圧力変
   動吸着分離装置。 ３、前記吸着塔の塔径は、同量の吸着剤を充填すること
   のできる直管状の筒体の径（Ｄ＿０）に対して、吸着塔
   入口側の塔径（Ｄ＿１）及び吸着塔出口側の塔径（Ｄ＿
   ２）が下記式（１）及び式（２）の範囲に形成されてい
   ることを特徴とする請求項２記載の圧力変動吸着分離装
   置。 ０．８Ｄ＿０≦Ｄ＿１≦Ｄ＿０・・・（１）Ｄ＿０＜Ｄ
   ＿２≦１．２５Ｄ＿０・・・（２）