JPH0596119A - 圧力変動式吸着分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 洗浄工程で必要とされる洗浄ガス量を効果的
に削減する。 【構成】 吸着・洗浄・脱着を繰り返す圧力変動式吸着
分離方法であって、洗浄工程時に製品ガス貯留槽５から
吸着塔３ａ，３ｂ内に流す洗浄ガスの圧力を、吸着塔出
口側の弁１５，１６の操作によって変動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固定床式の吸着塔を用
いて、混合ガス中の強吸着性成分を高回収率で回収する
ための圧力変動式吸着分離方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、混合ガス中の強吸着成分を分離回
収する手段として、吸着・洗浄・減圧脱着の各工程を連
続して行う圧力変動式吸着分離方法が良く知られてお
り、この方法は、例えばＮ₂／Ｏ₂、ＣＯ₂／Ｎ₂、ＣＯ／
Ｎ₂といった混合ガス中から前者を分離する技術として
既に実用化されている。

【０００３】この方法において、回収される強吸着性成
分の純度を向上させるためには、目的成分の吸着選択性
に優れた吸着剤を選ぶことも勿論重要であるが、吸着塔
内空間に残留したり、吸着剤細孔内に共吸着したりして
いる原料ガス中の共存成分（すなわち不純物）を効果的
に除去することも重要である。このような吸着塔内の洗
浄を行う手段としては、上記混合ガスよりも強吸着性成
分に富むガス（一般には製品として回収されたガスの一
部）を洗浄ガスとして塔内に流し、これを不純物と置換
させる方法が最も良く知られている。このような洗浄工
程を導入することにより初めて、工業レベルの純度をも
つガスが得られるといっても過言ではなく、この洗浄に
よる効果は従来から種々の実験により確証されていると
ころである。

【０００４】しかしながら、このような洗浄工程におい
ては、塔内のガスの純度がある程度まで高まると、吸着
剤外に存在する洗浄ガスと、吸着剤内に存在するガスと
が平衡状態に近くなるため、この時点からさらに洗浄を
進めるには非常に多くの洗浄ガスを要することになる。
すなわち、この時点から供給される洗浄ガスの大部分
は、洗浄に寄与することなくそのまま吸着塔を素通りし
てしまうため、この状態で洗浄を進めるには極めて多量
の洗浄ガスを流さなければならないのである。しかも、
この洗浄ガスは、通常、製品ガスの一部を還流させたも
のであるため、素通りしたガスが高回収率で再回収され
ないと、装置全体としての製品回収率が低下してしまう
ことになる。

【０００５】そこで、特公平２−２８３７１号公報に
は、２塔以上の吸着塔を有効に利用することにより、洗
浄に使用したガスを効率良く再回収する方法が提案され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記方法による再回収
を行うことにより、製品回収率は向上する。しかしなが
ら、装置内を常時循環するガスは、吸着圧力あるいは大
気圧と減圧脱着圧力との間で常時変動させなければなら
ないものであるため、このような循環ガスを多量に要す
ることは、動力費の節減の妨げとなり、経済的に好まし
くない。すなわち、製品回収率を高め、かつ動力費を効
果的に削減するためには、洗浄ガスの使用量を削減する
ことがどうしても必要となる。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑み、洗浄工
程で必要とされる洗浄ガス量を効果的に削減することが
できる圧力変動式吸着分離方法を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、吸着塔内に混
合ガスを導入してこの混合ガス中の強吸着性成分を優先
的に吸着剤に吸着させる吸着工程と、上記混合ガスより
も強吸着性成分に富んだガスを吸着塔内に流して吸着塔
内に残留する弱吸着性成分を追い出す洗浄工程と、上記
吸着塔内を減圧し、脱着したガスを回収する脱着工程と
を繰り返す圧力変動式吸着分離方法において、上記洗浄
工程時に吸着塔内圧力を大気圧以上の第１の圧力とこの
第１の圧力を上回る第２の圧力との間で変動させるもの
である（請求項１）。

【０００９】上記洗浄工程において圧力を変動させる手
段としては、吸着塔内の洗浄ガスの出口側に位置する弁
を閉じた状態でこの吸着塔内に洗浄ガスを供給するガス
供給操作と、この吸着塔内の圧力が第２の圧力に達して
供給ガスの流れがほぼ停止した時点で洗浄ガスの供給を
停止し、上記弁を開いて塔内圧力を第１の圧力まで下げ
るガス排出操作とを繰り返す方法が有効である（請求項
２）。

【００１０】ここで、上記第１の圧力としては、大気圧
もしくはそれに近い圧力に設定することが望ましい。

【００１１】

【作用】上記方法において、吸着工程が終了した時点で
吸着塔内に存在する不純物（すなわち弱吸着性成分）
は、吸着剤粒子間隙、吸着塔入口出口部の空間、及び吸
着塔に付随する配管や弁内（以下、外部空間と称す
る。）に存在するものと、吸着剤粒子内の拡散通路や吸
着剤表面（以下、内部空間と称する。）に共吸着してい
るものとに大別され、両空間に存在するガスは互いに略
同一圧力同一組成となっている。

【００１２】この状態で、従来のように製品ガスの一部
をほぼ大気圧で流して洗浄操作を行った場合、外部空間
に存在する不純物は比較的簡単に追い出すことが可能で
あるが、この外部空間がほぼ洗浄された後は、洗浄を継
続するのに極めて多量の洗浄ガスを要することになる。
すなわち、内部空間に存在する不純物は、その成分の分
圧差を駆動源として、ほぼ同一の全圧下で非常に狭い
（すなわち流れ抵抗の大きい）吸着剤内部の細孔から外
部に拡散することによりその洗浄が行われるので、この
ような不純物の洗浄中、供給される洗浄ガスの大部分は
吸着塔を素通りするだけとなってしまうのである。

【００１３】これに対して、本発明方法のように、上記
洗浄ガスの圧力を大気圧以上の第１の圧力とこれを上回
る第２の圧力との間で変動させるようにすれば、より少
ないガス量で上記内部空間に存在する不純物を追い出す
ことが可能になる。すなわち、高圧である第２の圧力の
洗浄ガスを導入した時点では、強吸着性成分に富むガス
が内部空間との圧力差により吸着剤内に拡散するため、
この強吸着性成分の分圧からみても、平衡状態における
内部空間での強吸着性成分の存在比率が増すことにな
る。そして、この状態から上記洗浄ガスの圧力を第１の
圧力まで下げることにより、内部空間と外部空間との圧
力差が生じるために、吸着剤外へ向かってガスの一時的
な流れが発生し、これによって不純物を容易に吸着剤外
へ追い出すことができるのである。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明方法が実施される吸着分離装
置の一例を示したものである。図において、１は原料ガ
ス（混合ガス）供給管、２は原料ガス圧縮機、３ａ，３
ｂは吸着塔、４は製品ガス回収ポンプ、５は製品ガス貯
留槽、６は製品ガス供給管、７は排ガス廃棄管、８ａ，
８ｂは吸着塔連結管、９は製品ガス取り出し管、１０は
吸着塔洗浄管であり、１１〜２０は各管に設けられた弁
である。

【００１５】次に、この装置において行われる各工程を
図２（ａ）〜（ｆ）に基づいて説明する。なお、以下の
説明ではＣＯ／Ｎ₂の混合ガスからＣＯを吸着分離する
方法について説明するが、本発明はこれに限らず、ＣＯ
₂／Ｎ₂，Ｏ₂から前者を分離する場合など、互いに吸着
特性の異なる成分が混在する種々の混合ガスの分離に適
用することが可能である。

【００１６】Ａ）図２（ａ）の工程 弁１３を開くことにより、原料ガス供給管１からの原料
ガスを吸着塔３ａへ供給して塔内の吸着剤にＣＯを吸着
させる。さらに、脱着完了後の吸着塔３ｂにおいて吸着
工程を開始するために、弁１５を開くことにより吸着塔
３ａ，３ｂを吸着塔連結管８ａを介して直列的に接続す
る。これにより、吸着塔３ｂ内は減圧状態から昇圧され
るとともに、吸着塔３ａからの排ガス中のＣＯを吸着し
始める。

【００１７】Ｂ）図２（ｂ）の工程 上記吸着塔３ａ内が完全に吸着平衡状態となった後、弁
１３を閉じて弁１４を開くことにより、原料ガス供給対
象を吸着塔３ａから吸着塔３ｂに切換える。一方、弁１
１を開いて、製品ガス貯留槽５に溜められた高圧高濃度
のＣＯを吸着塔洗浄管１０を介して吸着塔３ａ内に導入
し、吸着塔３ａ内に残存するＮ₂（不純物）を洗浄す
る。この洗浄工程で行う具体的な操作については後に詳
述する。この洗浄工程において吸着塔３ａから弁１５を
通じて排出されるガスは吸着塔連結管８ａを通じて吸着
塔３ｂ内に導入し、ここで上記ガス中のＣＯのみを吸着
塔３ｂ内の吸着剤で捕獲し、Ｎ₂は弁２０を通じて排ガ
ス廃棄管７より排出する。

【００１８】Ｃ）図２（ｃ）の工程 弁１１を閉じて吸着塔３ａへの洗浄ガスの供給を停止さ
せるとともに、製品ガス回収用ポンプ４を作動させ、か
つ弁１７を開くことにより、吸着塔３ａ内の吸着剤に吸
着した高純度のＣＯを製品ガスとして脱着回収し、製品
ガス貯留槽５内に高圧状態で蓄える。貯留したＣＯの一
部は洗浄ガスとして再び吸着塔内へ循環させるが、残部
は製品ガスとして製品ガス供給管６より連続的又は間欠
的に取り出す。

【００１９】なお、図２（ｄ）〜（ｆ）の工程は上記図
２（ａ）〜（ｃ）の工程において吸着塔３ａ，３ｂを入
れ替えただけのものであり、ここでは説明を省略する。

【００２０】前記図２（ｂ）に示した吸着塔３ａの洗浄
工程は、次の要領で行う。まず、吸着塔３ａにおいて洗
浄ガスの出口側に位置する弁１５を閉じた状態で、弁１
１を開く（ガス供給操作）。これにより、製品ガス貯留
槽５内の高圧高濃度ＣＯガスが、略大気圧状態にある吸
着塔３ａ内に流れ込み、吸着塔３ａ内の圧力が高まる。
そして、この圧力と上記製品ガス貯留槽５内の圧力とが
等しく第２の圧力（＞大気圧）となった状態で、ＣＯガ
スの流れが止まる。

【００２１】このようにガスの流れが止まった時点で、
今度は弁１１を閉じ、逆に弁１５を開く（ガス排出操
作）。これにより、吸着塔３ａ内に溜っていたガスが吸
着塔３ａ内から吸着塔３ｂ内へ向けて排出され、吸着塔
３ａ内が減圧する。そして、この圧力が略大気圧となっ
た時点でガスの排出が止まる。この時点で上記ガス供給
操作を再び行う。

【００２２】このようなガス供給操作及びガス排出操作
を繰り返して吸着塔３ａ内の圧力を変動させることによ
り、吸着塔３ａ内の外部空間に存在するＮ₂だけでな
く、内部空間に存在するＮ₂までも容易に吸着塔３ａか
ら追い出すことができる。従って、後に実験データでも
明らかにするように、単に大気圧下でＣＯガスを流す従
来法に比べ、吸着塔３ａ内を無駄に流れるガスの量が減
り、このため、洗浄に必要なＣＯガス流量を削減するこ
とができる。

【００２３】＊実験データ ＣａＡ型ゼオライト粒子（直径２〜３mm、球状）を内径
４３mm、全長２.２mmの吸着塔内に充填し、上記ゼオラ
イト粒子を２５℃に保った状態で、この吸着塔にＣＯ８
０％／Ｎ₂２０％の混合ガスを全圧３.０atm、空塔線速
度５cm／ｓで流し、吸着剤が完全に平衡吸着状態に達し
たことをガスクロマトグラフィで確認してから、次の２
つの方法で洗浄を行った。 別のガス源からの純ＣＯガスを、吸着時と同一方向に
大気圧下、空塔線速度１５cm／ｓで流す（従来法）。

【００２４】吸着塔出口の弁を閉じた状態で圧力３.
０atmの純ＣＯガスを塔内に充填し、圧力上昇が止まっ
た直後に純ＣＯの供給を停止するとともに上記弁を開
き、塔内を大気圧まで下げる（本発明法）。

【００２５】このような洗浄を所定時間行った後、洗浄
を停止し、吸着塔を４０〜６０Torrまで減圧し、これに
より得られるガスをタンクに蓄え、組成を均一化した
後、ガスクロマトグラフィでＣＯの純度を測定し、この
操作を５回実施して製品ＣＯ純度の平均値を求めた後、
洗浄ガス量と製品純度との関係を比較した。その結果を
図３に示す。なお、洗浄ガスの総量は、の方法では質
量流量制御計の設定値と洗浄時間の積とから計算し、
の方法においては、質量流量計に付属した積算計により
求めた。また、吸着ＣＯ量は、吸着時の出口ＣＯ濃度の
分析値から破過曲線を作成してその積分値から求めるよ
うにしているが、ここで、減圧時の未脱着ＣＯが吸着量
の計算に影響を及ぼさないように、吸着ＣＯ量は吸着操
作前に吸着塔を窒素気流中で150℃まで昇温再生したも
のについて求めた。

【００２６】図３から明らかなように、同一純度の製品
ＣＯを得るのに必要な洗浄ガス量は、の方法（本発明
法）を用いることに著しく減少し、例えばＣＯを９９％
あるいは９９．５％で回収する場合には、Ａの方法（従
来法）に比べて必要洗浄ガス量を約４割削減することが
可能となる。

【００２７】なお、本発明はこのような実施例に限定さ
れるものでなく、例として次のような態様をとることも
可能である。

【００２８】(1) 上記実施例では、本発明における第１
の圧力を大気圧に設定し、第２の圧力を大気圧を上回る
圧力に設定しているが、上記第１の圧力は大気圧を上回
るものであっても良く、この第１の圧力と、この第１の
圧力をさらに上回る第２の圧力との間で洗浄ガスの圧力
を変動させることによっても、本発明の効果を得ること
ができる。ただし、上記第１の圧力を大気圧に設定すれ
ば、その分第１の圧力と第２の圧力との差を大きく取る
ことができ、これにより、吸着塔内に存在する不純物の
追い出し効果がさらに高められる。

【００２９】(2) 上記実施例では、洗浄工程の開始当初
から洗浄ガスの圧力を変動させるものを示したが、前述
のように、洗浄工程の初期では容易に高純度化が進むの
で、洗浄工程の途中から圧力操作を行うようにしてもよ
い。

【００３０】(3) 本発明では、洗浄工程中において洗浄
ガスの圧力を変動させる手段を問わず、例えば洗浄ガス
を常時流しながら吸着塔出口側の弁（図１では弁１５，
１６を間欠的に開閉しあるいは開度調整して圧力変動を
生じさせるようにしてもよい。ただし、上記実施例のよ
うに、ほぼ完全にガスの流れが止まるまでガス供給操作
を行い、その後、ガス排出操作を行って減圧すれば、よ
り効果的な圧力変動を生じさせることができ、洗浄効率
を高めることができる。

【００３１】(4) 本発明方法を実施するための装置は前
記図１に示したものに限られず、吸着・洗浄・脱着の各
工程が繰り返される種々の吸着分離装置において実施す
ることが可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明は、吸着・洗浄・脱
着を繰り返す圧力変動式吸着分離方法において、洗浄工
程時に吸着塔に流す洗浄ガスの圧力を変動させることに
より、内部空間に存在する不純物をも容易に追い出すこ
とができるようにしたものであるので、洗浄工程におい
て吸着塔を素通りする無駄な洗浄ガスを削減することに
より、製品回収率の向上を図るとともに、動力費の節減
を図ることができる効果がある。また、吸着塔から排出
された洗浄ガス中の強吸着性成分を再回収するために必
要な吸着剤量も削減されるため、この吸着剤が充填され
る吸着塔の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための吸着分離装置の一
例を示す構成図である。

【図２】（ａ）〜（ｆ）は上記吸着分離装置において実
行される各工程を説明するためのフローシートである。

【図３】本発明方法及び従来方法における洗浄ＣＯ量の
割合と製品ＣＯ純度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 原料ガス（混合ガス）供給管 ３ａ，３ｂ 吸着塔 ５ 製品ガス貯留槽 １０ 吸着塔洗浄管 １５，１６ 吸着塔出口側に位置する弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸着塔内に混合ガスを導入してこの混合
   ガス中の強吸着性成分を優先的に吸着剤に吸着させる吸
   着工程と、上記混合ガスよりも強吸着性成分に富んだガ
   スを吸着塔内に流して吸着塔内に残留する弱吸着性成分
   を追い出す洗浄工程と、上記吸着塔内を減圧し、脱着し
   たガスを回収する脱着工程とを繰り返す圧力変動式吸着
   分離方法において、上記洗浄工程時に吸着塔内圧力を大
   気圧以上の第１の圧力とこの第１の圧力を上回る第２の
   圧力との間で変動させることを特徴とする圧力変動式吸
   着分離方法。
2. 【請求項２】 上記洗浄工程において、吸着塔内の洗浄
   ガスの出口側に位置する弁を閉じた状態でこの吸着塔内
   に洗浄ガスを供給するガス供給操作と、この吸着塔内の
   圧力が第２の圧力に達して供給ガスの流れがほぼ停止し
   た時点で洗浄ガスの供給を停止し、上記弁を開いて塔内
   圧力を第１の圧力まで下げるガス排出操作とを繰り返す
   ことを特徴とする請求項１記載の圧力変動式吸着分離方
   法。