JPH10508792A - 圧力温度スイング吸着および温度スイング吸着 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、圧力温度スイング吸着ガス濾床ユニットを加熱する方法であって、加熱手段を濾床の吸着剤の上流に置くことを含んでおり、該加熱手段は、床または床の一層中を浄化方向に通過するガスを加熱し、加熱された空気を使用して吸着剤を加熱するように作用することを特徴とする方法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 圧力温度スイング吸着および温度スイング吸着 本発明は、温度スイング吸着の使用によって気体混合物から成分を分離する方 法に関し、さらに詳しくは、圧力温度スイング吸着の使用によって、気体の濾過 に使用する一つ以上の床内の吸着剤の再生を可能にするための改善された方法お よび装置に関する。特に本発明は、空気など酸素及び／または窒素を含む気体混 合物からの揮発性汚染物質の濾過に関する。 圧力スイング吸着工程は、軽い気体(light gases)を含む空気分離に適してい るが、濾床に強く吸着される高沸点成分を伴う空気分離には適さない（本出願人 の同時係属中の参照出願英国特許第９４２２８３３．５号を参照のこと）。この 制限は、圧力温度スイング吸着（ＰＴＳＡ）床を使用し、適切な吸着剤のインベ ントリを使用するなど、温度スイングが高沸点成分を脱着する作用をする、圧力 スイングと温度スイングの組合せを使用することによって克服することができる 。 圧力と温度を組合せた吸着段階を使用すると、濾床の寸法が最小になる。しか し温度スイング吸着システムは、動力およびその他の制限によってコンプレッサ 装置の使用が妨げられると き実用的である。ただし、温度スイング吸着（ＴＳＡ）のみに基づく濾床は、圧 力と温度との組合せに基づく濾床よりも大きくなる。 本発明者は、このような方法を使用するためにＰＴＳＡ床またはＴＳＡ床で採 用するべき加熱システムは、次の特徴すなわち、最小寸法の吸着床を可能にする コンパクトさ、吹雪状に充てんされる能力を床に与える床内部の非貫入性、層状 の吸着剤を単一の床中で使用できるようにし同時に流動化を防ぐ軸方向の位置決 め、床の過熱と熱的老化を防止するための本質的安全性、一貫した再現可能な方 法で加熱と冷却を行え長期的安定性が得られること、急速で効率的な加熱と冷却 を可能にする低い熱量、矩形の加熱及び冷却プロフィルを生じるような、再生期 間を最小限にするための効率的で均質な軸方向および半径方向の熱伝達、可動装 置におけるシステムの柔軟な配置を可能にする経済的な電力消費量という特徴の ほとんどまたはすべてを持たなければならないと判断した。 温度スイングを発生させるために利用できる多くの方法があるが、これらの方 法の多くは一つまたは複数の制限がある。実用的研究から除外される方法の例に は、マイクロ波システムと 吸着床の直接電気加熱がある。マイクロ波システムは発電機と導波管を必要とし 、かなり局所的に床を加熱する。吸着床と吸着剤を含む構造物の材料はマイクロ 波の使用に伴う制約によって制限され、その結果、吸着剤の熱的劣化と燃焼の危 険性が高くなる。床内の熱伝達は粒子間の熱伝導に依存し、したがって効率的で はない。 直接電気加熱には、漏電を含む活きた電流の使用に伴う燃焼の危険を含めて、 上記の制限のいくつかがあり、吸着床の厳密な電気的絶縁が必要なため装置の複 雑さが増す。さらに、このシステムを使用すると吸着剤の選択が制限されること になる。 どちらの技法も非貫入性であるが、これらを使用すると吸着剤の選択が制限さ れる。本発明者は、市販のヒータが使用できしたがって吸着剤が制限されない、 上記のようなＰＴＳＡ床を加熱する方法を提供した。 したがって、本発明の第一の態様では、床またはその層中を浄化方向に通過す るガスを加熱するように作用し、加熱された空気を使用して吸着剤を加熱するこ とを特徴とする加熱手段を床のハウジング内部に置くことを含む、圧力温度スイ ング吸着ガス濾床ユニットまたは温度スイング吸着ガス濾床ユニットを 加熱する方法が提供される。 浄化方向は、床の再生中に使用されるガス流の方向であると理解され、通常は 、床が汚染物質または処理すべきガスから分離したい他の成分を分離するために 使用されるときの流れ方向とは逆である。 本発明のこの態様の好ましい実施の形態では、この方法は、濾床ハウジングの 内部にいくつかの吸着剤層を使用し、浄化流方向に関してこれら各層の上流側に 加熱手段を置く。加熱手段は、単一圧力温度スイング吸着ガス濾床ユニット、ま たは本出願人の同時係属中の英国特許出願第９４２２８３３・５号の主題である 多層床ユニットなどの温度スイング吸着ガス濾床ユニット中に置かれた各吸着層 を分離するために使用することが最も好ましい。 この方式では、特定の吸着剤の再生のために選択される温度を、特にその熱的 劣化特性と、所定の温度で特定の層から特定の成分を浄化するために必要な熱量 に関して、その特定の特性にさらに密接に適合させることができる。 ガスが床の各層に入るときにガスを加熱することを目的とする特に好ましいヒ ータは、円盤状加熱ユニットの形で提供され れ、この加熱ユニットは、隣接する吸着剤層の吸着剤を支持し、また隣接する吸 着剤層の吸着剤によって支持されるために使用される分割エレメントの内部に置 かれている。適当なこの種の加熱ユニットは、英国のDomnick Hunter Filters社 から供給されるヒータ（これらはそれぞれ三つの加熱エレメントからなる組に都 合よく配置されている）などのキュリー点ヒータ、または六個またはそれ以上の このような円盤または他の形状のエレメントを有する組を含む他の任意の配置で ある。 ヒータは、好ましい設計ではマイクロプロセッサ装置を使用して制御される（ 床の温度を監視する必要はない）。マイクロプロセッサ装置は、必要な冷却時間 を最小限にしてできるだけ早く作動条件に戻すために、順次停止の準備を含む床 ヒータの急速制御を可能にする。 ヒータの組とセンサへの電気的接続は、下記の例に示すように床の端部を介し て入るように準備されることが便利である。電気的接続はまたハウジングの壁を 介して行うことともでき、ハウジングは例えば円形などの異なった構成にするこ ともでき、それ自体を異なった形状にすることもできる六個またはそれ以上のキ ュリー点エレメントを含む異なった一組のヒータの設計 を用いることもできる。 床を複数の層に分割するために横断エレメントの内部に置かれた空気ヒータの 組の特定の使用により、床の内部の所望の位置にヒータを置くことができる。好 ましいキュリー点ヒータはハニカム構造であり、ヒータエレメントの構成によっ て制御されるガス温度でガスが床を通過する間に、ガスの直接加熱を行う。 以下の限定されない図と例を参照して、例示のみを目的とする方法によって本 発明をさらに説明する。請求の範囲に記載のさらなる実施の形態は、当業者には これらの図と例によって明解であろう。 図面 第１図は、比較例として使用される導電性コイル加熱床（ｉ）とコイル（ｉｉ ）の断面図である。 第２図は、第１図のコイルヒータを使用して床の中心またはハウジング壁の近 くに置かれた熱電対から得られた、温度プロフィルである。 第３図は、比較例のロッド羽根付き加熱床を通る縦断面図（ｉ）と横断面図（ ｉｉ）である。 第４図は、第２図のロッド羽根付きヒータを使用して得られた低いマニホルド 温度から得られた温度プロフィルである。 第５ａ図は、３要素キュリー点ヒータの寸法を示す平面図と立面図である。第 ５ｂ図は、第５ａ図のヒータが作動中に置かれる分割エレメントの図である。 第６図は、例えば４層に分割された縦方向に並んだ床の内部にある、四個の第 ５図の加熱ユニットの配置図である。 第７図は、第６図の熱電対Ａ１〜Ａ６において、空気流量３１２０ｄｍ³／分 の場合の、充てん量３８．５ｄｍ³を使用したゼオライト床中で得られた温度プ ロフィルである。例１．キュリー点ヒータ圧力温度スイング吸着ユニット キュリー点ヒータ（一組あたり３エレメント、第５図を参照のこと）およびハ ウジングは、英国のDomnick Hunter Filters社から供給されたものである。第６ 図を見ると、各々がマイクロプロセッサのキーパッドタイミング装置によって個 別に制御される四つの組１〜４が３８．５ｄｍ³のゼオライト床の内部に軸方向 に位置し、電気的接続は細い（２ｍｍ）絶縁電線によって行われ、これらの電線 は吸着床に沿って、気密導管を通じて上部マニホルドに中に入れられたコネクタ に通じていた。上 部マニホルドと下部マニホルドは床ハウジングの統合部分を形成し、バルブ装置 も含んでいた。ハニカム構造である各エレメントは、ガスが床ユニットのカラム に沿って通る間に直接空気加熱を行った。ガスの温度は加熱エレメントの構成に よって制御され、ほぼ１８０〜２１０℃であった。電力消費は約２ｋＷであった （八つの３エレメントブロックはハウジングの容量の１０％を占める）。第７図 は、空気の流量が３１２０ｄｍ³／分のときの、位置点Ａ１〜Ａ６に示される熱 電対によって測定された加熱中と冷却中の典型的な床内温度プロフィルである。 これらをプロフィルを得るために、ヒータの組を順次切り換えた。 再生中に加えられる向流浄化流は、流量が増すとともに変化し、床温度を下げ 、消費電力を増加させた。本発明のキュリー点ヒータ床に関する温度プロフィル を、導電コイル（第１図）とロッド羽根付きヒータ（第３図）を使用して得られ る温度プロフィルと比較すべきである。 導電コイル加熱床は、床ハウジングのベースを通じて加熱エレメントの近くに 置かれた熱電対に電気的に接続された導電コイルを使用した。ハウジングの内部 容積の１３％を占める加熱 エレメントとヒータは、増減する印加電流によって変化可能な吸着剤に０．６ｋ Ｗを供給した。工程制御のためのバルブ作動装置をハウジングから離れた位置に 置き、放射状および軸方向に置かれた熱電対を使用して測定された典型的な床内 温度を第２図に示す（充てん製品０．５ｄｍ３の活性炭、空気流量５５ｄｍ³／ 分）。 導電性ロッド羽根付きヒータとハウジングは、遠隔電流制御装置を通じて達成 される温度制御によって、床の長手方向に沿って中心に挿入された電気ロッドを 通じた羽根加熱を利用する。消費電力は４．４ｋＷを越えなかった。ロッドと羽 根の装置はハウジングの容積の約２２％を占めた。第４図に、第３図に示すサン プリング点ＳＰ０〜ＳＰ５において熱電対を使用して得られた加熱中と冷却中の 典型的な床内温度プロフィルを示す（ゼオライト充てん６．８ｄｍ³、空気流量 １４００ｄｍ³／分）。工程制御のためのバルブ作動装置をハウジングから離れ た位置に置いた。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１１月２２日 【補正内容】 ヒータの組とセンサへの電気的接続は、下記の例に示すように床の端部を介し て入るように準備されることが便利である。電気的接続はまたハウジングの壁を 介して行うことともでき、ハウジングは例えば円形などの異なった構成にするこ ともでき、それ自体を異なった形状にすることもできる六個またはそれ以上のキ ュリー点エレメントを含む異なった一組のヒータの構造を用いることもできる。 床を複数の層に分割するために横断エレメントの内部に置かれた空気ヒータの 組の特定の使用により、床の内部の所望の位置にヒータを置くことができる。好 ましいキュリー点ヒータはハニカム構造であり、ヒータエレメントの構成によっ て制御されるガス温度でガスが床を通過する間に、ガスの直接加熱を行う。 米国特許出願第３１９３９８５号明細書には、再生可能な除湿器とそのための 操作工程が記載されている。蒸気を帯びたガスは粒状吸着剤の床を通過すること によって除湿され、その後、床は、床に先ず湿分を含む高温ガスを、次に湿分を 含む低温ガスを通過させることによって再生される。ガスは、床の外側の近くに 取り付けられた加熱手段によって加熱される。 以下の限定されない図と例を参照して、例示のみを目的とする方法によって本 発明をさらに説明する。請求の範囲に記載のさらなる実施の形態は、当業者には これらの図と例によって明解であろう。 図面 第１図は、比較例として使用される導電性コイル加熱床（１ａ）とコイル（１ ｂ）の断面図である。 第２図は、第１図のヒータコイルを使用して得られた、床の中心またはハウジ ング壁の近くに置かれた熱電対から温度プロフィルである。 第３図は、比較例のロッド羽根付き加熱床を通る縦断面図（３ａ）と横断面図 （３ｂ）である。 第４図は、第２図のロッド羽根付きヒータを使用して得られた低いマニホルド 温度から得られた温度プロフィルである。 請求の範囲 １．複数の直列配列状の濾過層と複数のヒータを有する温度スイング吸着ガス前 記濾過ユニットであって、前記ヒータは、前記ユニットを横切って濾過層のうち の少なくとも数層の近くに、かつ該濾過層を支持すべく設置されており、これら のヒータは、該ヒータを通過して前記ユニットの操作サイクルのフィルタ再生部 分中に前記濾床に入る浄化ガスを約１８０〜２１０℃にまで加熱するように構成 されかつ配置されており、前記操作サイクルのフィルタ再生部分中に、前記浄化 ガスの流れる方向が、前記操作サイクルのフィルタ再生部分に濾過される対象ガ スの流れる方向とは逆である、温度スイング吸着ガス濾過ユニット。 ２．圧力温度スイングガス吸着ユニットである、請求の範囲第１項に記載のユニ ット。 ３．前記ヒータがキュリー点ヒータである、請求の範囲第１項または第２項に記 載のユニット。 ４．前記ヒータがハネカム構造であり、請求の範囲第３項に記載のユニット。 ５．前記ヒータが濾床を支持すべく取り付けられている、請求 の範囲第１項から第４項のいずれか一つに記載のユニット。 ６．前記ヒータを順次停止するように準備されたヒータ制御装置を有する、前記 の請求の範囲のいずれか一項に記載のユニット。 ７．前記ヒータ制御装置がマイクロプロセッサ装置である、請求の範囲第６項に 記載のユニット。 ８．空気から揮発性汚染物質を濾過するように構成された、前記の請求の範囲の いずれか一項に記載のユニット。 ９．空気中の高沸点汚染物質を濾過するように構成された、請求の範囲第８項に 記載のユニット。 １０．前記濾過層がゼオライトを含む、前記の請求の範囲のいずれか一項に記載 のユニット。 １１．有毒汚染物質を濾過するように構成された、前記の請求の範囲のいずれか 一項に記載のユニット。 １２．複数の直列配列状の濾過層と複数のヒータを有する温度スイング吸着ガス 濾床ユニットを再生する方法であって、前記ヒータは、前記ユニットを横切って 濾過層のうちの少なくとも数層の近くに、かつ濾過層を支持して配置されており 、これらのヒータは、該ヒータを通過して前記ユニットの操作サイクル のフィルタ再生部分中に前記濾過層に入るガスを約１８０〜２１０℃にまで加熱 するように構成されかつ配置されており、前記方法は、前記ヒータを作動状態に して、前記操作サイクルの濾過部分中に濾過される対象ガスが流れる方向とは逆 の方向に前記ユニット中をガスを通過させ、それによって汚染物質を前記濾床か ら蒸発させて再生ガスによって運び去らせることを含む方法。 １３．ガスから揮発性汚染物質を濾過する方法であって、複数の直列配列状の濾 過層と複数のヒータを有する温度スイング吸着ガス濾床ユニットにおいて、前記 ヒータは、前記ユニットを横切って濾過層のうちの少なくとも数層の近くに、か つ濾過層を支持して配置されており、またこれらのヒータを通過して前記ユニッ トの操作サイクルのフィルタ再生部分中に該濾過層に入るガスを約１８０〜２１ ０℃にまで加熱するように構成されかつ配置されており、浄化しようとするガス を前記温度スイング吸着ガス濾床ユニットに通過させる段階と、前記ユニットか ら出る清浄ガスを閉止する段階と、ヒータを作動状態に切り替え、浄化されてい るガスの方向とは逆の方向に再生ガスをユニットに通過させてフィルタから汚染 物質を除去する段階と、前 記ヒータを停止状態に切り替える段階と、前記再生ガスの供給を閉止させる段階 と、清浄化されたガス出口を開く段階とを含む方法。 １４．前記ユニットが圧力温度スイングガス吸着ユニットである、請求の範囲第 １２項または第１３項に記載の方法。 １５．前記ヒータが順次停止される、請求の範囲第１２項から第１４項のいずれ か一項に記載の方法。 １６．有毒汚染物質を濾過するように構成されている、請求の範囲第１２項から 第１５項のいずれか一項に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ０１Ｄ 53/81 (72)発明者 フランシス，デイビツド・クライブ イギリス国、ウイルトシヤー・エス・ピ ー・４・０・ジエイ・キユー、ソールズベ リイ、ポートン・ダウン、シー・ビー・デ イ・イー（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧力温度スイング吸着ガス濾床ユニットまたは温度スイング吸着ガス濾床ユ ニットを加熱する方法であって、加熱手段を濾床のハウジングの内部に配置する ことを含んでおり、前記加熱手段は、前記床またはその層中を浄化方向に通過す るガスを加熱し、加熱された空気を使用して吸着剤を加熱するように作用するこ とを特徴とする方法。 ２．前記床が再生されている時に使用されるガス流の方向が、汚染物質または処 理すべきガスから分離したい成分を分離するために前記床を使用する時の流れ方 向とは逆である、請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．前記加熱手段を有する濾床ユニットの内部にいくつかの吸着剤層が使用され 、該加熱手段は、浄化流方向に関して、これらの層の二つまたはそれ以上の上流 側に置かれている、請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。 ４．前記加熱手段が、単一圧力温度スイング吸着ガス濾床ユニット、または温度 スイング吸着ガス濾床ユニット中に置かれた各吸着層を分離するために使用され る、前記の請求の範囲のい ずれか一項に記載の方法。 ５．前記加熱手段が、隣接する吸着剤層の吸着剤を支持し、また隣接する吸着剤 層の吸着剤によって支持されるように使用される分割エレメントの内部に置かれ ている加熱ユニットを含む、前記の請求の範囲のいずれか一項に記載の方法。 ６．前記加熱手段がキュリー点ヒータを含む、請求の範囲第５項に記載の方法。 ７．圧力温度スイング吸着ガス濾床ユニットまたは温度スイング吸着ガス濾床ユ ニットであって、前記濾床ハウジングの内部の吸着剤の上流側に置かれた加熱手 段を含んでおり、前記加熱手段が前記床またはその層中を浄化方向に通過するガ スを加熱し、加熱された空気を使用して吸着剤を加熱するように作用することを 特徴とするユニット。