JPH06510220A - ガス流から有機化合物を除去するための装置及び方法 - Google Patents

ガス流から有機化合物を除去するための装置及び方法

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JPH06510220A
JPH06510220A JP4505686A JP50568692A JPH06510220A JP H06510220 A JPH06510220 A JP H06510220A JP 4505686 A JP4505686 A JP 4505686A JP 50568692 A JP50568692 A JP 50568692A JP H06510220 A JPH06510220 A JP H06510220A
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セングプタ,アトパル
クネベル,ウィリアム,ジェー.
ポラック,エヌ.,アール.
タルムグレン,ギルバート
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カルゴン カーボン コーポレーション
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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】 ガス流から有機化合物を除去するための装置及び方法発明の分野 本発明は、複数の炭素吸着剤を使用してプロセス流から有機化合物を除去し、系 内で吸着剤を再生する装置と方法に間する。
発明の背景 工業的放出からの揮発性有機化合物(VOC)の減少および改善事業からのVO C放出の減少が増々重要視されている。1990/1991清浄空気修正案の通 過により、ペイントスプレー室、ドライクリーニング操作、半導体製造などのよ うな工業源および埋立地ガスストリッピング操作のような改善事業からの揮発性 有機化合物(VOC)の放出を制御する効率よくかつ価格的に有効な方法の必要 性が増々重要となってきている。これらの源から典型的に発生する低いvocm 度(<2000ppiiv )のために、直接焼却、溶剤回収のような方法は経 済的に実行可能ではない、しかし、その濃度は再生できない活性炭濾過器の床寿 命を短縮するのに十分高く、したがって濾過器の使用を実用的にしない。
現在、vOC除去の最も価格的に有効な方法は、VOC成分の直接熱酸化と活性 炭吸着技術の組合せである0本出願の譲渡人により実施されるこの方法はCAD RE法として知られ、米国中に販売され成功して実行されてきた。この方法は、 比較的低濃度ガス流(2000pp+mv以下)で活性炭床に導入される揮発性 有機化合物を吸着するために、2個以上の円筒容器に含まれる活性炭のような単 一の等級または型の吸着剤を利用する。容器中の活性炭がVOCで飽和されると 、活性炭はラインからはずされ、熱ガスを吸着流に対し向流で床に通すことによ り再生される。
熱ガスは、有機化合物の酸化に使われた熱酸化器からの煙道ガスの一部分をとり 、それを望む再生温度(典型的には100乃至400℃)に冷すことによって得 られる。
熱酸化器煙道ガスは、好ましくは空気による煙道ガスの希釈または煙道ガス流へ の水の注入を含め幾つかの方法の一つにより冷却される。使用する特定の方法は 、炭素床に吸着されたvOCの反応性を含む多くの因子に依存する。ケトンのよ うな高反応性vOCに対しては、再生ガスの酸素含量を下げるために水注入を使 用するのが好ましい、しかし、該化合物が比較的非反応性である場合、または再 生ガス中に水が存在しVOC流が腐食性酸の形成し得る塩素化炭化水素を含む場 合は、空気希釈が好ましい。
炭素床の再生工程では、高濃度のvOCを含む少容量のガスが生成し。
これはついで熱酸化器に導入され、vOCの99%以上が破壊される。
典型的には、作動吸着時間が再生時間より非常に長いように系は設計されている 。そこで、熱酸化器の操作は断続的であり、これは燃料の費用を著しく下げる。
さらに、この工程の操作は、少なくとも一つの吸着器が常にラインにあり、一方 他の吸着器は再生されているかまたは待機している点で連続的であるように設計 されている。その結果、95%またはそれ以上の除去効率を達成できる。
この方法の成功と有効性にもかかわらず、環境および規制機関(州および連邦の 両水準で)により採択された一層きびしいvOC放出水準に合格するためには、 および増々増加する数の有機化合物に合格するためには、改良が必要である。
従って、本発明の目的は、プロセスガス流から有機化合物の一層高い除去水準を 達成する方法と手段を提供することにある1本発明の他の目的は、より多数の有 機化合物に対しより高い除去水準でより大きい効率を提供することにある。
発明の要約 一般に、本発明は有機化合物、好ましくは揮発性有機物を含むガス流からこれら を除去する方法と手段を提供する。基本的には、この方法においては、以後等級 分けした「床(bed)Jと呼ぶ各々が異なる物理的または化学的性質をもつ吸 着剤の少なくとも二つの床にガス流を通す。
有機化合物の流出水準が予め決めた水準を越えると、ガスの通過が中止される。
ついで、前に吸着された化合物を脱着するために、好ましくは加湿した熱煙道ガ スで吸着剤床は再生される。この脱着した有機物は集められ、好ましくは熱酸化 される。
本発明は、特定の吸着器形態の吸着および脱着特性を最適化する。典型的には、 VOCは吸着器中で分離されるが、最重質化合物はその頂部に濃縮され、最軽質 成分はその底部に濃縮される1等級分けした床吸着器は、VOCに対して特に設 計された2個以上の吸着剤床で吸着器に層を設け、VOCが吸着器のその部分に 濃縮することによって、この分離を利用する0等級分けした床の吸着剤は、吸着 器のそのセグメントに濃縮される特定の吸着物質に対し最大の吸着容量と再生性 (すなわち最大の作業容量)を与えるように選ばれる。大抵の場合、吸II機構 は物理吸着剤(すなわちファンデルワールス力)により決定される。そこで、吸 着剤の細孔径分布が吸着剤の選択において主に考慮される。したがって、より大 きい細孔径分布をもつ吸着剤は、より重質のvOC成分に対し好適である。より 小さい細孔径分布をもつ吸着剤は、より軽質のvOCの吸着に好適である。より 小さい細孔径の吸着剤に関連した吸着の高いポテンシャルエネルギーは、より軽 質のVOCに対し非常に大きい吸着容量を与える。
好ましくは、本発明の等級分けした床吸着器は、活性炭のような物理吸着剤を利 用する。しかし、ゼオライト、モレキュラーシーブ物質、シリカゲル、他の吸着 剤、吸収剤も使用できる。さらに、たとえば非吸着性vOCを系内で無害なC0 2と水に変えるために、または一層容易に吸着される他の化合物に変えるために 、触媒を吸着器床に入れることができる。たとえば、メタノールをかなりの程度 吸着する非炭素質系吸着剤を利用できる。そこで、吸着剤床の底に置かれた白金 または銅−クロム酸化物錯体のような担持触媒は、メタノールを602と水に酸 化する能力を有する。
本発明の装置は、種々の吸着剤に適応できる。従って、多数の異なる吸着/再生 容器の設計を使用できる。たとえば、等級分けした床の間に置かれたボールのよ うな不活性(非吸着性)物質の使用によって異なる吸着剤を分離する吸着/再生 容器は価格的に有効であるが、再生条件の融通性を制限する。他の実施態様では 、約1〜2フイートに吸着剤を等級分けした床に物理的に分離する個々の支持ス クリーンによって、容器中の吸着剤は支持される。各吸着剤床の間の空間を使っ て、再生中に各吸着剤へ予め選択した温度の再生ガスを独立に供給するため使用 する再生ガス分布マニホルドに役立てる。別の実施態様では、等級分けした吸着 剤の各々を分離した吸着器容器に入れる。これもまた、時間と温度の両者を独立 に制御して、吸着剤床温度の再生を可能にする。この実施態様の利点は、吸着剤 の各々を「ラインからはずし」て独立に再生できることである。さらに、VOC 流中に含まれる多(の(ふつう3種以上)有機化合物の分留/精製と回収を可能 にする。
本発明はまた。VOC制御のため吸着再生法の最適化を可能にする。
vOCを含むガス流をたとえば95下に加熱して、ガス流の相対湿度を下げる。
ガス流の相対湿度を下げることによって、ガスに含まれる水の競争的吸着作用を 最小にし、それによってガス流に含まれるvOCの吸着容量を増加させる。
従って、本発明はガス状流から有機物の除去を増加させる。特により高い分子量 の揮発性有機化合物を複数の床から脱着しているとき、本発明はより良く吸着剤 を脱着/再生するためより高い温度を使用する。再生には、VOCの脱着に対す る水の競争的吸着作用を利用するために、酸化器からの煙道ガスを増湿するのが 好ましい、そこで、たとえば水60容量%を含む増湿したガス流は、同一温度で 乾燥ガス流と同一再生条件下で、炭素から吸着物質(たとえばエチレングリコー ルモノブチルエーテルアセタート)を3〜4倍多く除去できる。再生ガス流の増 湿に加えて、ガス流の酸素含量を5%以下にll1lb、吸着剤床における反応 性吸着物質(たとえばケトン)の非制御酸化に関連した床発熱の危険を最小にす る。
本発明の他の利点は、添付図面に関連する現在好ましい実施態様の詳細な記載か ら明らかとなる。
図面の簡単な説明 図1は本発明の装置と方法の模式図である。
図2は、床を別々の容器に入れた、本発明の装置と方法の別の実施態様の模式図 である。
図3は、分離した再生ガス流を個々の吸着剤床に向ける1本発明の装置と方法の 別の実施態様の模式図である。
rgJ4は2等級分けした床を分離する第1手段を示し、図3に示した実施態様 に使用する等級分けした床吸着器の模式的配置である。
図5は、個々の再生ガス流用のマニホルドを使用し、等級分けした床分離手段の 別の実施態様の模式的配置である。
発明の詳細な説明 図1を参照すると、本発明の方法において、汚染された空気またはプロセスガス 流1は、幾つかの吸着器の一つ、この場合第1吸着器GBIまたは第2吸着器G B2に導入される。各吸着器GBIおよびGD3は、粒状またはベレット形であ ることができる活性炭、中性ゼオライトのような一つ以上の等級および型の吸着 剤を含んでいる0図1に示したように、吸着器GB l右よびGD3は等級分け した床A、B、Cを含んでいる。
等級分けした吸着剤の床の各々は、特有の吸着剤(種々の細孔径を有する吸着剤 型の吸着体、たとえば活性炭、モレキュラーシーブ5 ゼオライトなど)または 触媒を含んでいる。典型的には、等級分けした吸着剤容器の一つまたは幾つか( GBIまたはGD3)を、所定の時間の吸着に使用し、その間他の容器は含まれ る吸着剤、触媒の脱着、再生を行う。
汚染流lが吸着剤触媒床を通るとき、汚染流中のvOCは吸着剤により吸着され るか、または酸化触媒により無害なC02を水に変換される。
そこで、汚染ガスは実質上すべての除去されたvOCを有する床2を出る。
一般には個々の有機成分の変換または除去されたvOCの予め決めた水準に近づ (吸着剤に相当する予め決めた吸着サイクル後、ガス流は一つの吸着器容器から 別の吸着器容器へ、たとえば第1吸着器GBIから第2吸着器GB2に自動的に 切りかえられる。この時点で、第1吸着器は再生サイクルを開始する。この切り 換えは、図1に示した一連の遮断弁で行なわれ、第1吸着器への汚染プロセス流 lの流れを止め、第2吸着器へと向ける。たとえば、吸着器GBIを利用するた めには、弁v1及びv3を需き、弁v2、v4、v5及びv7を閉じる。同時に 吸着器GB2を脱着/再生するためには、v6とv8を開(、吸着器を切り換え るためには、適当な弁を開閉し、吸着器GB2によりガスを吸着し、等級分けし た床GBIを再生する。
等級分けした床GBIの再生サイクルを開始するには、熱く220〜650°F )再生ガス3を、再生ブロワ−4、典型的には高圧ファンによって吸着器容器に 導入する。再生ガス流の温度は、次の二つの方法の一つにより制御される。すな わち流に添加する冷却増湿水12の量を制御する。または流に希釈空気を注入す ることによって制御される。再生ガス3は、図1に示すように吸着器を通る汚染 プロセスガス流の方向とは向流で5弁v7を通し吸着器GBIへ導入される。
220〜650°Fの温度を有する熱再生ガス3は、吸着器GBIの床の温度を 急速に上げ、そこでvOCを脱着し、これを濃縮する。
再生を行っている容器からの流出流5は濃縮されたvOCを含み、このvOCは 次の処理のため集められるか、または燃焼手段6へ向けられる。燃焼手段6は、 好ましくは熱酸化器または炭素再活性プラント炉と結合したアフタバーナー、ま たは燃料欠乏環境中の他の適当な燃焼手段である。ここで使用する「燃料欠乏」 の用語は、流出流中に含まれるvOCの100%燃焼に要求される酸素の化学量 論量を越える量で、酸素が利用でき流出流内で混合されることを意味する。好ま しくは、このような過剰の酸素は、vOCの燃焼後、酸素1〜lO容量%、最も 好ましくは2〜5容鳳%を含むプロセス流10を生じる。酸素分析器(図示せず )が煙道流中に置かれ、好ましくは2〜5%の望む範囲に保たれるように酸素含 量を監視する。
燃焼手段6において、流出流5からの揮発性有機化合物が燃焼されると、流出流 に含まれる揮発性有機化合物の実質止金てを破壊する。これらの化合物の燃焼は 熱煙道ガス9を生じ、これは燃焼煙突を通過する。
図1かられかるように、この熱煙道ガス9の一部分は煙突lOから除去され、蒸 発冷却器/増湿器11に導入される。
煙突から蒸発冷却器/増湿器へ向けられる熱煙道ガス9の割合は、特定の状況に 依存し変化するが、一般には煙突10を通る全熱煙道ガス9の50容量%未満で ある。
蒸発冷却器/増湿器11は、煙道ガスを冷却するために導入される冷却水12ま たは空気を使用する。冷却水を微噴霧に噴霧化するために、水噴霧手段13は圧 縮空気を使用できる。冷却水は好ましくは濾過器14及び15を通り、蒸発冷却 器11に達する前に懸濁固体が除去される。
蒸発冷却器に入る前、熱煙道ガスは1400〜1800°Fの温度な有する。蒸 発冷却器/増湿器11に導入される熱煙道ガス9のその部分は、冷却水噴霧13 または空気による希釈によって約200〜650°Fに冷却される。吸着剤物質 として吸着器GBIおよびGD3で炭素を使用する場合は、床の発熱を防止する ために、冷却煙道ガスの温度を適当な範囲内に調節し、維持する。細かい寸法の 炭素を使用する場合は、再生ガスの湿度を考慮して、温度をより低い側の範囲、 すなわち約220〜330°Fに保持するのが望ましい。
再生ガスは、ブロワ−4、ふつうは高圧ファンに導入される。再生サイクルを完 結するために、再生ガスはブロワ−4によって等級分けした床A、B、Cを通り 送風される。このように吸着器床に再生ガス3を導入することにより、有機化合 物は吸着剤から脱着される。ついで脱着した有機化合物はライン5に集められる 。
高濃縮された流出ガス流5は集められるか、または好ましくは燃焼手段に導入さ れ、再び工程を開始する。VOC流がケトンのような著しい反応性化合物を含む ときは、煙道ガス流は好ましくは水で冷却されて、好ましくは1〜5容量%の、 最も好ましくは2〜5容量%の酸素を含む再生ガス流を生じる。1%未満の酸素 を使用すると、VOCは熱酸化器6燃焼手段で十分に酸化されない、約5容量% 以上の酸素を使用すると、反応性vOCの若干および多分活性炭の場合の吸着剤 が吸着器内で発火する危険がかなりとなる。
再生ガス流中の酸素量を制御するためには、酸素モニターを煙突10内に置くこ とができ、蒸発冷却器11に入る煙道ガス9に含まれる酸素量を増加または減少 させる制御に利用できる。これは典型的には燃焼器6へ送られる燃焼空気8の量 を調節することにより行なわれる。
冷却系で再生サイクルを開始するためには、燃焼手段6を一般に1400〜18 00°Fの操作温度に加熱し、十分な酸素を燃焼手段に導入して、酸素2〜5重 量%の再生ガス流を与える。再生ブロワ−4を始動し、再生しようとする吸着器 に依存して、 吸着器への大口弁の一つ、この場合v7またはv8を開ける。対 応する出口弁■5または弁V6も開け、流出ガスを吸着器から出し燃焼手段へ入 れる。
図2を参照すると1図1を参照して記載した系の別の実施態様が示されている0 図2で使用する類似の参照番号は図1の系の類似の特徴を表わす、この実施態様 では、吸着剤の各々をラインからはずし、独立に再生できる。たとえば、等級分 けした床吸着器GB2 (GB2A)内の吸着剤rAJを再生し、その間等級分 けした床吸着器GBZ中の吸着剤BおよびCをラインに残す(G B 2 Bお よびG32C)ときは、弁2A、4A、IB、3B、IC及び3Cを閉じ、弁I A、3A、2B、4B、2C及び4Cを開く、そこで、ガス流は直列でGBIA 、GB2B及びG32Gを通過する。さらに、この実施態様はVOC流に含まれ る3種以上の有機化合物の分留/精製と回収を可能にする。吸着剤の再生中、た とえばGB2Aの場合、酸化器マニホルド5A−2への弁6Aを閉じ、凝縮器へ の弁(GB2AへのV14A)を開けることによって、再生オフガスを凝縮器1 7および捕集器18ドラムへ送ることができる。
図3を参照すると、図1に類似の別の実施態様が示され、 この場合、吸着剤容 器GBlおよびGD2は、分離した再生ガス流3A、3B及び3Cを含んでいる 。GBlおよびGD3用の吸着剤容器は、その好ましい実施態様で図5に示され ている。この実施態様では、別々の煙道ガス流13A−13Cをとり、各々のガ ス流を夫々別々の冷却器11A〜11cに向け、再生ガスを個々の温度/湿度に 制御することによって、再生ガス流3A〜3Cを発生させる。制御した再生ガス 流を関連した等級分けした床に個々に供給することによって、有機物の脱着が著 しく特異的となり、そこで著しく効率よくなる。
図4および図5を参照すると、吸着剤容器GBIおよびGD2の二つの実施態様 が示されている0図4では、VOCを含む不活性ガスは、セラミックボールまた はスクリーンのような不活性物質25により分離された床A、B及びCに向けら れている。吸着剤の混合を防ぐために、等級分けした床を分離するのが望ましい 0図5を参照すると、vocを含む入口流lをもつ吸着剤容器26が示されてい る0等級分けした末成着剤/触媒A−Bは、夫々マニホルド集合体27A〜27 Gによって分離されている0図3に示されるように、これらの集合体は、煙道ガ ス13の温度と湿度が個々に制御できる夫々冷却器11A−11Cでつくられた 再生ガス流と連結している。
特に本発明の現在好ましい実施態様を示し、記載したきたが、請求の範囲内で別 に具体化することもできる。
図1 図 2 図3 図4 図5 国際調査報告 フロントページの続き (72)発明者 クネベル、ウィリアム、ジェー。
アメリカ合衆国、 16046 ペンシルヴアニア、マース、スカイヴユー ド ライヴ (72)発明者 ボラック、エヌ、、アール。
アメリカ合衆国、 15136 ペンシルヴアニア、ピッツバーグ、レイクヴユ ー ドライヴ138 (72)発明者 タルムグレン、ギルバートアメリカ合衆国、 15205 ペ ンシルヴアニア、ピッツバーグ、ウェスト プロスペクト アヴエニュ−121

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.揮発性有機化合物を含むガス流から該揮発性有機化合物を除去する方法にお いて、 a.該ガス流を吸着性物質の少なくとも二つの床に通し、該床の各々は物理的ま たは化学的性質において互に異なっており、b.該流中に含まれる揮発性有機物 が選択された量以上で該床を出るときに、該ガス流の透過を中止し、 c.加熱ガスを該床に向流方向で通して、該床に含まれる有機化合物を脱着し流 出ガスをつくることにより該床を再生し、及びd.該脱着有機化合物を含む該ガ スを集めることからなる方法。 2.前記ガス流が粒状の床を通り、連続した床がより小さい細孔径の粒状物質か らなる請求の範囲第1項記載の方法。 3.前記集めた流出ガスを熱酸化する工程を含む請求の範囲第1項記載の方法。 4.e熱煙道ガスを製造し該熱煙道ガスを約220乃至650°Fに冷却するこ とよって再生ガスを製造し、 f.該再生ガスを前記吸着剤床に通して、前記床から有機化合物を脱着して前記 床を再生し、該脱着した有機化合物を含む前記流出流を製造し、 g.該煙道ガスを製造するために使用した燃焼手段に前記流出流を通し、及び h.該燃焼手段で前記流出流に含まれる該有機化合物を熱酸化し、それによって 工程eで使用する該熱煙道ガスを製造する工程を含む請求の範囲第1項、第2項 または第3項記載の方法。 5.前記脱着有機物が前記集めたガスから分離される請求の範囲第4項記載の方 法。 6.前記加熱ガスが前記吸着剤を通る前に増湿される請求の範囲第4項記載の方 法。 7.前記煙道ガスが空気で冷却される請求の範囲第4項記載の方法。 8.前記煙道ガスが水の注入により冷却される請求の範囲第4項記載の方法。 9.前記床が各々別々の吸着容器内に位置している請求の範囲第4項記載の方法 。 10.前記再生ガスが各床に対し個々に制御される請求の範囲第9項記載の方法 。 11.有機化合物を含む流体流から該有機化合物を除去する連続方法において、 a.該流体を吸着剤物質の少なくとも二つの床を含む第1吸着器に通し、該床の 各々は物理的または化学的性質において互に異なっており、 b.該第1吸着器を出る該有機化合物が予め決めた量を越えるときに該流体の通 過を中止し、該流体流を該第1吸着器と類似の吸着剤物質の少なくとも二つの床 を含む第2吸着器に向け、c.加熱流体を向流方向で該床に向け、該有機化合物 を脱着することによって、該第1吸着器内の吸着剤物質の該床を再生し、d.脱 着した有機化合物を含む該流出流体を集め、e.該第2および第1吸着剤に関し 夫々工程b乃至dをくり返すことからなる方法。 12.前記流体流がガスであり、前記有機化合物が揮発性である請求の範囲第1 1項記載の方法。 13.前記流体流が前記有機化合物を含むガスであり、前記流出ガスが熱酸化さ れる請求の範囲第12項記載の方法。 14.前記第1および第2吸着器の各々が、吸着剤物質の一つの床を各々含む少 なくとも二つの別々の容器からなる請求の範囲第11項記載の方法。 15.前記床の各々の再生が、個々に制御された加熱ガスを前記床に向流で通す ことによる請求の範囲第14項記載の方法。 16.前記流出流が熱酸化される請求の範囲第11項、第12項、第13項、第 14項または第15項記載の方法。 17.前記加熱流体が前記熱酸化された流出流の一部分からなる請求の範囲第1 6項記載の方法。 18.揮発性有機物質を含むガス流から該揮発性有機物質を除去するシステムに おいて、 a.少なくとも第1吸着剤容器および第2吸着剤容器、該第1および第2吸着剤 容器の各々は少なくとも第1吸着剤床を含んでおり、該吸着器の各々はガス流の 入口ヒ出口および再生ガスの入口と出口を有しており、 b.該吸着剤容器の各々の出口から燃焼手段へとガス流を制御して向ける手段、 c.該向けられたガス流を酸化し、煙道ガスをつくり出す燃焼手段、d.再生ガ スをつくるために熱煙道ガスを冷却するための冷却手段、e.該煙道ガスの少な くとも一部分を該冷却手段に向ける手段、f.該冷却手段から該吸着器の各々の 再生ガス入口へと該再生ガスを制御して向ける手段からなるシステム、19.前 記第1および第2吸着剤容器の各々が複数の等級分けした吸着剤床を含んでいる 請求の範囲第18項記載のシステム。 20.前記第1および第2吸着剤容器の各々が、前記吸着剤床の一つを各々含む 複数の分離した容器からなる請求の範囲第19項記載のシステム。 21.前記吸着剤床の各々が再生ガス入口と関連している請求の範囲第18項記 載のシステム。 22.分離した冷却手段が各吸着剤床と関連している請求の範囲第18項、第1 9項または第20項記載のシステム。 23.前記冷却手段が、前記煙道ガスを増湿し増湿した再生ガスを得るための水 注入手段を有する蒸発冷却器からなる請求の範囲第18項、第19項、第20項 又は第21項記載のシステム。
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