JPS59199017A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は吸着剤を用いたガス精製を行なわせる吸着塔に
係シ、特に、深冷分離法空気分離プラントに供給する原
料空気の予備精製などの大容量ガス処理に好適な吸着塔
に関する。

〔発明の背景〕

吸着操作は原料ガスを吸着剤を充填した吸着塔に供給し
て不純物を除去するもので、８ｆｔｍガスへの不純物の
漏出が許容値に近づくまで行われる。

その後、原料ガスに比べて高い温度の再生ガスを供給す
る温度差吸着法（以下ＴＳＡ法と称する）あるいは、塔
内の圧力を低下させ、原料ガスに比べて低い圧力の再生
ガスを供給する圧力差吸着法（以下ＰＳＡ法と称する）
によシ吸着された不純物を吸着剤から除去し、吸着剤を
再生する。

ＴＳＡ法は吸着剤の再生効率が優れているため一般に用
いられているが、再生ガスの昇温のためにことは吸着剤
の寿命の低減及び加熱装置のコストアップを招くため困
難で、サイクル時間が長くなシ吸着剤が多量必要となる
。

一方、ＰＳＡ法は吸着剤の再生効率がＴＳＡ法に比べて
小さいため、実際に利用できる有効吸着量がＴＳＡ法で
利用できる飽和吸着１片に比べてかなり減少する。しか
し、熟変化金与える必要がないためサイクル時間を大巾
に短縮でき、結果として吸着剤量の節約ができる。問題
としては圧力差０力 を必要とする／ζめ、加圧（または）ＩＰ着着工待時塔
内圧力の減圧）のために大きなエネルギー消費をきたす
ことにある。

しかしながら、例えば深冷分離法空気分離プラントの原
料空気の予備精製の場合に１ｒｉ空気分離プラント本体
で加圧空気を必要とするため、吸着操作のための加圧エ
ネルギの消費が不要であり、また空気分離プラントから
排出される不要の廃窒素を再生ガスとして利用できるこ
とから吸着操作のランニングコストが小さく、ＴＳＡ法
に比べて製品酸素あるいは窒素の“電力原単位を大巾に
低減できると予想される。

このＰＳＡ法ガス吸着装置において、縦型円筒容器内に
吸着剤を充填しガスを上下方向に流す吸着塔（縦型吸着
塔と称する）複数基が使用（特願昭５３−１０４９９号
）される。第１図に吸着塔を２基使用した場合の吸着装
置フローを示す。本装置では配管１２からの加圧された
原料ガスを弁３（又（・よ４）を経由して吸着塔１（又
は２）に供給し、不純物を成層除去し弁５（又は６）、
配管１３を経由して稍碩ガスを得る吸着工程、塔内ガス
を弁７（又は８）、配管１５及び配管１７を経由して系
外に排出する減圧工程、配管１４からの送シ、吸着され
た不純物を除去したのち弁７（又は８）、配管１５及び
配管１７から系外に排出する脱着工程、配管１２からの
原料ガスを弁３（又は４）から吸着塔１（又は２）に供
給する加圧工程を実施させ、連続的に精製空気を得る。

ここで、上記減圧工程及び加圧工程において圧力調整器
１１を作動させ、配管１４の圧力上昇を防止することが
重要である。

このＰＳＡ法ガス吸着装置において、原料ガス流量の増
加は縦型吸着塔の塔径の拡大によって対処される。塔径
が大きくなるとガスの偏流が生じる恐れがある。そのた
め、特願昭５７−２６１０９に示したような分配器が利
用される。

しかしながら、原料空気流量が２０００００　ＮｍＶｈ
の大容量空気分離プラントにＰＳＡ法ガス吸着装置を適
用した場合、原料空気中の不純物除去に必要な空間速度
０．４８−”とすると縦型吸着塔の塔径が約１０ｍと犬
きくなシ、製造コストアップさせるとともに輸送のため
の荷積み直径の上限に低触する。したがって、縦型吸着
塔を用いたガス吸着装置のスケールアップには限界があ
り、その対策が必要である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、円筒状吸着塔の軸方向に複数の分岐孔
を有する管状の分配器を設けた横型吸着塔を採用して原
料ガス流量の増大に対してスケールアツブの容易な吸着
塔装毒を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の吸着塔は、円筒状吸着塔の長手方向にガス透過
性の２枚の仕切板を設けて該塔内に３つの室を形成し、
一端の室は原料ガス供給室、中央は吸着剤充填室、セし
て他端の室は精製ガス捕集室であり、壕だ、原料ガス供
給室には原料ガスを導入するための、該供給室の全長に
亘ってほぼそれに対応する長さを有し、かつ複数のノズ
ルを有する原料ガス導入パイプを設け、さらに、精製ガ
ス捕集室には精製ガスを排出するための、該捕集室の全
長に亘ってほぼそれに対応する長さを有し、かつ複数の
ノズルを有する精製ガス排出パイプを設けたことを特徴
とする。

吸着塔の構造として、縦型吸着塔の他に、横型円筒形式
の吸着塔があシ、ＴＳＡ法ガバガス吸着装置象に特開昭
５０−９８４７９号記載の発明が提案されている。ＴＳ
Ａ法では脱着工程において高温の再生ガスを供給し、再
生ガスのもつ熱エネルギによって吸着剤の昇温及び脱着
熱の補給をするもので、吸着塔表面からの熱放散を極力
押えた断熱型式が望まれる。上記発明においては横型吸
着塔の壁面と吸着剤の間に断熱機構を付与することを特
徴とし、また、ガスの分配方法として水平状及び弧状の
多孔板及びスクリーンを組合せた複数の分配室と塔の下
部及び上部に取シ付けたガス導入口を用いることを特徴
としている。

一方、圧力差吸着法では、等温下で吸着及び脱着操作を
することが建前であるが、現実には吸着温度に比べて脱
着温度が低くなる。これは、加圧操作における原料ガス
の吸着による吸着熱及び成層工程における不紳物の吸涜
冶による吸着熱の和と、減圧工程における原料ガスの脱
着熱及び脱着時における不純物の脱着熱の和はほぼ等し
いが、一般に再生ガス量が吸着ガス量に比べて小さいた
め熱収支より明らかなように脱着時における温度が低く
なるもので、吸着性能を向上させるためにはこの温度差
をできるだけ小さくする方が良い。

そのため、吸着塔が断熱型であるよりはむしろ放熱型で
あることが望ましく、ＰＳＡ法ガス吸着装置では塔壁と
吸着剤が直接接触する方が有利となる。また、ＰＳＡ法
においては脱着時において吸着剤を部分再生し、この再
生量と吸着量の収支が合う状態で運転するため塔内で不
純物の吸着に関与している層の長さ、すなわち吸着帯の
長さがＴＳＡ法に比べて長く、例えば深冷分離法空気分
離プラントの原料空気の予備精製に応用した場合には、
充填層高を少なくとも１．０ｍ以上必要とし、分配器を
設置する空間などを考慮すると塔径はかなり大きいもの
となる。そのため、ガスの導入あるいは排出口を塔の下
部及び上部に設けると、装置規模が犬きくなシ、これら
を側面に設ける方が小型化につながるものと考える。

ここで、ＰＳＡ法ガス吸着装置に用いる横型吸着塔は、
上記吸着帯長さを基準として塔径を決定し、軸方向長さ
を延長することによってスケールアップする。そのため
分配器の構造は製作が容易であるとともに、スケールア
ップした場合に軸方向への均等分配ができることが重要
である。これらを満足するものとして、管内径及び分岐
孔径が一定で各分岐孔間の距離を各分岐孔における孔部
流量と分岐孔間の距離の積が一定範囲の値になるように
調節した管状の分配器あるいは、管内径及び分岐孔間の
距離が一定で、各分岐孔径を各分岐孔における孔部流量
が一定範１」になるように調節した管状の分配器を見出
し、これらを使用することによって横型吸着塔の軸方向
流速分布を均等流化できることを明らかにし１ヒ。なお
、横型吸着塔の半径方向の流速分布を均等化するために
は分配器と充填層との間に一定以上の距離が必要で、少
くとも０，３ｍ以上にすることが望ましい。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図及び第３図に示す。第
２図はガス吸着装置のフロー、第３図は横型吸着塔の構
造である。横型吸着塔２１又は２２は、横型円筒容器３
１、原料ガス導入パイプ３２、精製ガス排出パイプ３３
、仕切板３５及び３７などから構成される。仕切板３５
及び３７はガスを透過し、かつ吸着剤の支えまたは押え
のために必要な強度を有するものが望ましく、一般的ト
３８などで支持される。マンホール４工は吸着剤の充填
、吸着剤押えの取付けなどの作業を行う場合に利用され
る。原料ガス導入パイプ３２は円筒容器３１の全長に亘
ってほぼそれに対応する長さを有し、かつ複数のノズル
を有するもので、下部空間すなわち原料ガス供給室にサ
ポート３９などで固定され、原料ガス導入配管４３と連
結される。精製ガス排出パイプ３３は円筒容器３１の全
長に亘ってほぼそれに対応する長さを有し、かつ複数の
ノズルを有するもので上部空間すなわち精製ガス捕集室
にサポート４０などで固定され、精製ガス排出配管４４
と連結される。ここで、原料ガス導入パイプ３２は原料
ガスを円筒容器３１内に均等に分配することと合わせて
、吸着剤の再生を行ったあとの再生ガスを捕集して、こ
の再生ガスを原料ガス導入配管４３を経由して系外に排
出することができる。また、精製ガス捕集パイプ３３は
吸着処理後の精製ガスを捕集してこの精製ガスを精製ガ
ス排出配管４３を経由して系外に排出することと合わせ
て、精製ガス捕集パイプ３３を経由して供給される再生
ガスを円筒容器３１内に均等に分配することができる。

第４図は原料ガス導入パイプあるいは４’Ｎ　’ｄガス
捕集パイプに使用する分配器の一実７ＭＡを示したもの
で、直管５１の一側面に同一径の分岐孔５２を、各孔間
の距離がガスの下流側根多少大になるように複数個設け
たもので、本分配器によって軸方向のガスの均等分配が
可能となる。なお、Ａ方向へガスが流れないように分配
器の先端は閉じられている。第５図は第４図の分配器の
変形例で、同一半径方向断面に複数の同一径の分岐孔５
２を設け、各断面間の距離を下流側根多少大になるよう
に作成され、軸方向の均等流かり能となる。第６図は第
５図の分配器の変形例で、同一半径方向断面に設ける複
数の分岐孔に替えて、多孔板５３を喉ｐ付け、各断面間
の距離を下流側根多少大になるように作成したものであ
る。これら分配器の構造は軸方向の流量分布をできるだ
け少なくするために決定されたもので、他に、例えば、
分岐孔間の距離を等間隔とし、下流側根孔径を多少大に
する方式も′有効である。また、孔径及び分岐孔間の距
離の両者を調整する方式、あるいは分配器の管径を調整
する方式も可能である。

第７図に孔径一定、分岐孔間距離一定のφ６の分岐孔を
１５ケ設けた分配器の軸方向孔部流量分布を示す。孔部
流量はガスの下流側に行く待人となる。第８図は孔径を
一定とし、分岐孔間距離Ｌ＋を孔数ｎ、第７図の孔部流
量ｑ＋、分岐孔間距離の総和ＬＴ及び分配器入口流量Ｑ
ｏを用いて（１）式で決定したときの分岐孔位置とｑＩ
／ＬＩの関係を示したもので、ｑＩ／ＬＩはほぼ一定値
となシ、軸方向の均等分配が可能であることが確認され
た。

第９図は本発明にもとづ＜ＰＳＡ法ガス吸着装置を刃口
圧空気の予備精製に使用して得られた充填層高と精製空
気中の炭酸ガス濃度の関係を示したものである。操作条
件は吸着圧力０．９ＭＰａ、脱着圧力０．１１ＭＰａ、
原料ガス空間速度０．４８−’、再生ガス（窒素）と原
料ガスの比０．４、サイクル時間２０ｍｖＬである。図
よシ炭酸ガス磯度は充填層変化するが、実用上１ｍ以上
必要であろう。

第１０図は充填層と分配器間の距離と横型吸着塔の充填
層高０．１　ｍにおける半径方向の流速偏差（平均流速
との差を平均流速で除した値）の関係を示したものであ
る。流速偏差は距離が０．３ｍ以下になると急激に犬と
なシ、吸着性能低下の原因になることがわかった。

これらの結果から、横型成層塔の塔径は１．０ｍ以上の
充填層の高さと、充填層の上部及び下部における０、　
３　ｍ以上の充填層と分配管の距離と、上下にそれぞれ
設けた分配器の外径と、他に各サポート、充填物支え及
び充填物押えを考慮した値となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、構造が簡単で、軸方向にスケールアッ
プが容易で、流速偏差を抑制できるＰＳＡＳ方法吸着装
置が提供されるため、原料ガス流量の大きな吸層処、畦
に対応することができる。また、本発明がＴＳＡＳ方法
吸着装置を提供できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の吸着袋−〇フローを示す図、第２図は本
発明の吸着装置のフローを示す図、第３図は本発明を構
成する横型吸着塔の一実施例を示す図、第４図は横型吸
着塔に採用する管状の分配器の一実施例を示す図、第５
図及び第６図はそれぞれ横型吸４塔に採用する管状の分
配器の一実施例、第７図及び第８図は分配器の軸方向孔
部流量分布を示す図、第９図は充填層高と精製空気中の
炭酸ガス濃度の関係を示す図、第１０図は充填層と分配
器間の距離と流速偏差の関係を示す図。 １．２・・・吸着塔、２１．２２・・・横型吸着塔、３
１・・・横型円筒容器、３２・・・原料ガス導、入パイ
プ、３３・・・精製ガス排出パイプ、３４・・・吸着剤
、３５及び３７・・・仕切板、５１・・・直管、５２・
・・分岐孔、第１０ 第２図 ７ 籐３図 第４．口 １ 第３図 第６図 ｖ９図 今山支了乙　ＮＯｉ 第２０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、円筒状吸着塔の長手方向にガス透過性の２枚の仕切
   板を設けて該塔内に３つの室を形成し、一端の室は原料
   ガス供給室、中央は吸着剤充填室、セして他端の室は精
   製ガス捕集室であシ、また、原料ガス供給室には原料ガ
   スを導入するための、該供給室の全長に亘ってほぼそれ
   に対応する長さを有し、かつ複数のノズルを有する原料
   ガス導入パイプを設け、さらに精製ガス捕集室には精製
   ガスを排出するための、該捕集室の全長に亘ってほぼそ
   れに対応する長さを有し、かつ複数のノズルを有する精
   製ガス排出パイプを設けたことを特徴とする吸着塔。 ２、原料ガス導入パイプの内径を全長に亘って一定とす
   るとともに、複数のノズルの孔の大きさを総て一定とし
   、かつ隣接するノズル間の距離はパイプ入口よシ終端に
   向って漸次長くするように各ノズルの位置を設定してな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧力吸
   着式吸着塔。 ３、精製ガス排出パイプの内径を全長に亘って一定とす
   るとともに、複数のノズルの孔の大きさを総て一定とし
   、かつ隣接するノズル間の距離はパイプ入口より終端に
   向って漸次長Ｘするように各ノズルの位置を設定してな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の圧力吸着式吸着塔。 ４、原料ガス導入パイプの内径を全長に亘って一定とす
   るとともに、複数のノズル相互の距離を一定とし、かつ
   各ノズルの孔の大きさをパイプの入口から終端に向って
   漸次小さくするようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の吸着塔。 ５、−ｒｉ製ガス排出パイプの内径を全長に亘って一定
   とするとともに、複数のノズル相互の距離を一定とし、
   かつ各ノズルの孔の大きさをパイプの入口から終端に向
   って漸次小さくするようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第４項記載の吸着塔。