JPS607920A - 非凝縮性混合ガスの分離方法 - Google Patents

非凝縮性混合ガスの分離方法

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JPS607920A JP58115913A JP11591383A JPS607920A JP S607920 A JPS607920 A JP S607920A JP 58115913 A JP58115913 A JP 58115913A JP 11591383 A JP11591383 A JP 11591383A JP S607920 A JPS607920 A JP S607920A
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は複数の成分を含有する原料ガス中の不純物を選
択的に吸着する吸着剤を使用して目的とする製品ガスを
高純度及び高収率で回収する圧力差吸着法による混合ガ
ス分離方法及びその装置に関する。
〔発明の背景〕
従来、圧力差吸着法によって混合ガスを分離する方法と
しては例えば特公昭42−26164号、特公昭57−
42367号あるいは特公昭57−50722号公報記
載の方法が提案されている。しかし、従来の圧力差吸着
法の問題点として製品ガスの収率が低いこと、特に高純
度製品を回収する場合に収率が大巾に低下することが挙
げられ、より収率を向上し省資源を達成する圧力差吸着
法の開発が要求されている。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、高純度の製品を高収率で回収しイクる
混合ガス分離方法及びその装置を提供することにある3
゜ 〔発明の釈り要J 本発明の混合ガス分離方法は、吸着剤を充填した少なく
とも1個の吸着塔を備え、加圧吸着操作及び降圧脱着操
作を順次行なう基本操作によシ混合ガスを分離する圧力
差吸着ユニットを複数ユニット直列に配管接続し、多段
に亘って吸着分離処理を行なう混合ガスの分離方法にお
いて、第1段の圧力差吸着ユニットの降圧脱着操作にお
ける排気ガスを系外に排出し、第2段以降の圧力差吸着
こし二ントの少なくとも1つのユニットの降圧脱着掃作
時の排気ガスを前段−またはそれ以前の圧力差吸着ユニ
ットに帰還して加圧吸着操作のための昇圧に用いること
を特徴とする。
本発明においては第2段以降の圧力差yB1.RMユニ
ットからの排気ガスを前段またはそれ以前の圧力差吸着
ユニットに帰還する際、リザーバを介して帰還すること
もできる。これにより、一層効率的な運転が可能になる
。また、該リザーバは排気ガス景に応じて容積が変化し
うる容器を用いるのはよシ有利である。
第1図に本発明に用いられる圧力差吸着ユニットを2段
使用した場合のガス分離装置の系統図を示す。
配管1からの加圧された原料ガスを第1段の圧力差吸着
ユニツ)UAに供給して加圧吸着処理し、この処理ガス
を配管2人を経由して第2段の圧力差吸着ユニツ)UB
に供給して再度加圧吸着処理したのち配管2Bから製品
を取シ出す。圧力差吸着ユニットUAの降圧脱着操作に
おける排気ガスは配管3Aを経由して系外に排出する。
圧力差吸着ユニツ)UBの降圧脱着操作における排気ガ
スは配管3B、!Jザーバ4A及び配管5Aを経由して
圧力差吸着ユニツ14JAに帰還し、降圧脱着操作が終
了した吸着塔の昇圧に使用する。ここで、真空再生方式
の圧力差吸着ユニツ)UAにおいて、吸着剤の再生のた
めには降圧脱着操作の最終圧力を低くすることが望まし
く、そのためには排気時間を長くすることが重要である
。一方、加圧吸着操作を行うために吸着塔を昇圧する加
圧操作としては原料ガスによるものと、加圧吸着操作を
終了した吸着塔内に残留するガスの移動によるものが既
に有シ、これに上記配管3Bからのガスによるものが追
加される。配管3Bからのガスによる加圧操作の時間と
圧力差吸着ユニットUAの降圧脱着操作の時間を一致さ
せることはサイクル当りの圧力差吸着ユニツ)UAの加
圧操作の割合を過大にするか、まだはザイクル当シの圧
力差吸着ユニツ)UBの降圧脱湿操作の割合を過小にす
ることになり、ガス分離の効率向上の面から、配管3B
を経由して流れる排気ガスを一時的に貯蔵し、その後圧
力差吸’Afユニツ)[JAに供給するという方法が、
加圧操作及び降圧脱着操作の両者を最適な時間にするこ
とができることを確認した。リザーバ4Aはこの目的C
設けられたもので、リザーバ4Aの設置によって本発明
がよシ効率的に作用する。なお、リザーバ4Aを設置し
ないで、かつ加圧操作と降圧脱着操作の時間を一致させ
ないでプロセスを組むことは可能である。その場合は圧
力差吸着ユニットUBの真空ポンプの吐出圧力を若干上
昇させることになる。
本発明を実施する場合加圧操作は(1)後段の排気ガス
によるもの、(2)吸着工程終了後の塔内残留ガスの移
動によるもの及び(3)原料ガスによるも易へ種類とな
シ、通常(1)、(2)及び(3)順序で実施させる。
なお、(2)の塔内残留ガスによるものは複数回に分割
して加圧操作を行なわせることができる。また、(2)
を複数回に分割した場合、その一部による加圧操作を行
ったのち(1)の加圧操作を行わせ、その後(2)の残
シによる加圧操作及び(3)の原料ガスによる加圧操作
を行わせることができる。まだ、圧力差吸着ユニットU
Aの加圧吸着操作における処理ガスの一部を同ユニット
の加圧操作のために使用できることは言うまでもない。
本発明は圧力差吸着ユニッ)UBの降圧脱着操作の排気
ガスを全量利用することができるが、サイクル構成を変
更して、上記排気ガスの一部を系外に排出し、部分利用
することも可能である。第2図は吸着ユニットを多段使
用した場合のガス分離装置の系統図を示す。
隣接する2つの圧力差吸着ユ云ットにおいて後段の排気
ガスを前段の加圧工程で使用するもので、より’に純度
のガスを高収率で回収するために有効である。
第3図及び第4図に示す装置は本発明の変形例であシ、
後段の複数の圧力差吸着ユニットの排気ガスをそれらよ
り前段の圧力差吸着ユニットの加圧操作に使用するもの
である。
本発明は複数の成分を含む各種原料ガスとその原料ガス
中の不純物を選択的に吸着する吸着剤を組合わせること
によって原料ガス中の不純物を除去して高純度の製品を
高収率で回収することを可能にする。例えば、合成ゼオ
ライト5Aに関してガスの吸着選択性の比較例を示すと
、水素く酸素く窒素〈−酸化炭素〈炭酸ガスく水分の順
となる。
また、アルゴンは酸素とほぼ同等の選択性を有する。し
たがって、合成ゼオライト5Aと上記成分の混合ガスを
組合わせた場合に本発明によp高純度の水素を高収率で
回収することができる。また、窒素及び酸素を主成分と
する空気と合成ゼオライ)5Aを組合せだ場合に本発明
によυ高純度の酸素を高収率で回収することができる。
このケースでは酸素とアルゴンの分離が困難なため酸素
純度は最大で約95%となる。まだ、窒素とアルゴンの
混合ガスと合成ゼオライト5Aを組合わせた場合に、本
発明によp高純度アルゴンを高収率で回収することがで
きる。他の吸着剤、例えばガスの吸着速度の差によって
ガスを分離する分子ふるいカーボンと空気を組合わせた
場合、本発明によって高純度の窒素を高収率で回収する
ことができる。
マタ、活性炭を用い、メタン、エタン、プロパン。
ブタンなどの炭化水素類混合ガスに適用した場合は、よ
シ沸点の高い炭化水素類を吸着除去し、低沸点の炭化水
素、例えは、メタンあるいはメタンとエタンの混合ガス
などに富む製品を高収率で回収することができる。
本発明を効率的に実施するためには、(a)被処理ガス
導入口及び精製ガス送出口を有し、かつ吸着剤を充填し
/ζ少なくとも2個の吸着塔、各吸着塔の被処理ガス導
入口を結ぶ配管、各吸着塔の精製ガス送出口を結ぶ配管
、該吸着塔の1個の吸着塔の被処理ガス導入口と他の吸
着塔の精製ガス送出口を結ぶ配管、随時上記各配管のう
ち特定の配管のみをガスが流通できるようにするのに必
要な切替弁及び真空ボンダを主構成侠素としで備えた圧
力差吸着ユニットの複数個、(b)上記圧力差吸着ユニ
ット相互を直列に接続づ−る配管であって、前段ユニッ
トから送出される加圧吸着操作の処理ガスを後段ユニッ
トで再び加圧吸着操作するために該後段ユニットの吸着
塔の被処理ガス導入口に導くだめの配管、(C)後段ユ
ニットの降圧脱着操作を実施している吸着塔からの排気
ガスを前段またはそれ以前のユニットの降圧脱着操作の
終了しフヒ吸着塔の精製カス送出口に帰還させるだめの
配管、などから構成される混合ガス分離装置を使用する
1だ、上記(C)で示した配管にリザーバを設けること
によってより効率的な装置にすることができる。
第5図は2基の吸着塔から成る圧力差吸着ユニットを2
段使用した場合の本発明ガス分離装置の第統図を示す。
2基の吸着塔A1及びA2、各吸着塔の下部及び上部配
管に設けられた切替弁11Aないし16AX真空ポンプ
6A及びこれらを連結する配管から構成される第1段の
圧力差吸着ユニットと、2基の吸着塔B1及びB2、各
吸着塔の下部及び上部配管に設けられだ切椿弁11Bな
いし16B、真空ポンプ6B及びこれらを連結する配管
から構成される第2段の圧力差吸着ユニットと、リザー
バ4Aと泄品タンク18などから構成される。
第1表は第5図のガス分離装置を運転するだめの圧力差
吸着ザイクルの一例を示すものであり、第1段の圧力差
吸着ユニットに関して、加圧吸着操作は加圧1−3工程
及び眩オ=X工程で、降圧脱着操作は排気l工程で、還
流加圧操作は加圧I−1工程で、塔間均圧操作は均圧I
工程寸たは加圧1−2工程でそれぞれ実施され、第2段
の圧力差吸着ユニットに関して、加圧吸着操作は加圧■
−2工程及び吸着n工程で、降圧脱藩操作は排気11工
程で、塔間均圧操作は均圧■工程まだは加圧11−1工
程でそれぞれ実施される。各工程は第1段の圧力差吸着
ユニットに関しては吸着塔A1を、第2段の圧力差吸着
ユニットに鴛しては吸着塔B1を例として次のように操
作する。
第1表 吸着■工程は配管1からの大気圧以上に加圧された原料
ガスを切替弁11A1を経由して吸着塔A1に供給して
不純物を吸着除去し、切替弁14A1゜配管2A及び切
替弁11B1を経由して精製ガスを吸着塔B1に供給す
る。均圧I工程は吸着■工程の終了した吸着塔へ1の残
留ガスを切替弁15A1 。
配管7A及び切替弁15A2のラインまたは切替弁16
A1.配管8A及び切替弁13A2のラインのいずれか
を経由して吸着塔A2に供給する。排気■工程は均圧■
工程の終了した吸着塔A1の残留ガスを切替弁12A1
及び配管9Aを経由して真空ポンプ6Aで吸引して吸着
剤を再生し、真空ポンプ吐出ガスを配管3Aから系外に
排気する。加圧I−1工程は排気■工程の終了した吸着
塔AIにリザーバ4Aに保有されるガスを配管5A、切
替弁17A、配管10A、切替弁16A1を経由して供
給し吸着塔A1を昇圧する。加圧I−2工程は加圧1−
1工程の終了した吸着塔A1に吸着塔A2の残留ガスを
切替弁15A2.配管7A及び切替弁15A1のライン
または切替弁16A2.配管8A及び切替弁13A1の
ラインのいずれかを経由して供給して吸着塔A1を昇圧
する。加圧1−3は加圧I−2工程の終了した吸着塔A
1に配管1からの大気圧以上に加圧された原料ガスを切
替弁11A1を経由して供給し吸着塔A1を昇圧する1
、吸着11工程は配管2人からのガスを9ノ替弁11B
1を経由し吸着塔B1に供給して不純物を吸着除去し、
さらに、切替弁14B1及び配管2Bを経由して分離し
だガス(、#!品)を製品タンク18に供給する。
均圧■工程は吸着■工程の終了した吸着塔B1の残留カ
スを切替弁15B1.配管7B及び切替弁15B2のラ
インまたは切替弁16B1.配管8B及び切替弁13B
2のラインのいずれかを経由して吸着塔B2に供給する
。排気■工程は均圧■工程の終了した吸着塔B1の残留
ガスを切替弁12B1及び配管9Bを経由して真空ポン
プ6Bで吸引して吸着剤を再生し、真空ポンプ吐出ガス
を配管3Bを経由してリザーバ4Aに供給する。加圧1
1−1工程は減圧I工程の終了した吸着塔B1に吸着塔
B2の残留ガスを切替弁15B2.配管7B及び切替弁
15B1のラインまたは切替弁16B2.配管8B及び
切替弁13B1のラインのいずれかを経由して供給し、
吸着塔B1を昇圧する。加圧11−2工程は加圧■−1
工程の終了した吸着塔B1に配管2Aからのガスを切替
弁11B1を経由して供給し吸着塔B1を昇圧する。
第1表から明らかなように、本発明によるとリザーバ4
Aを利用してサイクルを構成しているため第2段の吸着
塔の吸着剤再生を行なって残留ガスを回収する排気■工
程と回収したガスを再利用する加圧I −1工程を異な
った時間中で操作することができ、排気■工程の時間を
長ぐすることによって吸着剤の再生を効率的に行ない、
まだ回収ガスを十分に利用するメリットが生じる。また
、吸着■工程と加圧If−2工程及び吸着II工程の時
間帯を調節することが本発明を有効に働かせるだめに重
要である。本発明によると、従来法の欠点即ち、製品ガ
スの純度が高くなるにつれて実質的な吸着帯長さが長く
なって一操作当シの製品取り出し量が少なくなり、その
結果として製品ガスの回収率が低下するという問題点に
対して、(1)M 1段の吸着塔から排出される精製ガ
スの純度を、目的とする製品ガスの純度に比較して低く
設定し、その分処理量を増加させることができ、ガスの
取シ出し量を大きくできる。(2)第1段の吸着塔から
取り出した精製ガスを第2段の吸着塔で濃縮して容易に
高純度の製品ガスを得る。ことができ、濃縮操作で不要
となる脱着ガスは全量第1段の原料として利用できるだ
め第2段の吸着ユニットによる製品ガスの損失を防止で
きる。(3)第2段からの脱着ガス中のガスの純度は原
料ガスに比べて十分に高い値であシ、この脱着ガスを真
空下の吸着塔の昇圧に用いることによシ外圧による吸着
帯の乱れを最小151遍に抑制することが可能となシ吸
着工程にお(・)る精製ガスの取り出し量の増加に対し
て有効に働く、などの効果によって高純度の製品ガスを
高収率で回収することができ、従来の問題点を解消する
ことができる。
本発明の他の操作方法を第5図の吸着塔A1及び131
ケ中心に説明する。
吸着1工程に関し、配管1からの原料ガスを切替弁11
A1を経由して供給しながら切替弁14A1から精製ガ
スを送出する吸着1−i工13及び切替弁11Ai’&
l;Iじ原料ガスの供給を停止した状態で切替弁14A
1から精製ガスを送出する吸着1−2工程の2段階で実
施させる。これによって、原料ガスの圧力が一定の条件
で吸着I工程の終了した吸着塔A1の残留ガスを低減し
、結果として配管3Aから系外に排気するガス量の低減
に結びつけることを可能にする。
加圧1−2工程に関し、吸着塔A2の残留ガスを切替弁
15A2.配管7A及び切替弁15A1を経由して吸着
塔A1に供給する加圧1−2−a工程を行い、次に切替
弁16A2 、配管8A及び切替弁13A1を経由して
供給する加圧I −2−b工程を行う。こ1れにより、
比較的高純度の精製ガスを吸着塔の一端から、比較的低
純度のガスを吸着塔の他端から供給することができ、f
;rS 1段の吸着塔の吸着帯の長さの低減に役立つ。
吸着■工程に関し、配管2 A、からの精製ガスを切替
弁11B1を経由して供給しながら切替弁14B1から
製品を送出する吸着IT−1工程及び切替弁11B1を
閉じガスの供給を停止した状態で切替弁14B1から製
品を送出する吸着11−2工程の2段階で実施させる。
これによって、精製ガスを送出する吸着I工程と精製ガ
スを使用する加圧■−2工程及び吸着■工程の時間帯を
調節する自由度が犬となシ、よシ効釆的である。
加圧n−1工程に関し、吸着塔B2の残留ガスを切替弁
15B2.配管7B及び切替弁15B1を経由して吸着
塔B1に供給する加圧1−1’−a工程を行い、次に切
替弁16B2.配管8B及び切替弁13B1を経由して
供給する加圧ll−1−b工程を行う。これによシ、比
較的高純度の精製ガスを吸着塔の一端から、比較的低純
度のガスを他端から供給することができ、第2段の吸着
塔の吸着帯の長さの低減に役立つ。
第2表に上記改良された工程によって構成される圧力差
吸着サイクルの例を示す。
第2表 また、本発明によれば、第6図に示したように、配管1
,2A、7A、8A、IOA、2B、7B及び8Bに流
量調節弁、オリフィスなどの流量調節器21,22A、
23A、24A、25A。
22B、23B及び24Bを設け、吸着I工程。
加圧I−1工程、加圧I−2工程、加圧I −3工程、
吸着■工程、加圧1−1工程、及び加圧n−2工程にお
けるガス流量を調節することによシ各工程における吸着
塔内を流れるガス流速の最大値を抑制し、吸着帯の長さ
を低減することができる。
なお、上記流量調節器の一部を省略し、一部工程のガス
流量を調節して運転する方法が可能であることはいうま
でもない。
〔発明の実施例〕
実施例1 第6図に示したガス分離装置を用い、第2表に示した圧
力差吸着サイクルで運転した。吸着塔AI、A2.Bl
及びB2の形状はいずれも内径38mm、充填層高1.
7mであり、塔内にゼオライ)5Aを充填している。リ
ザーバ4A及び製品タンク18の内存績はそれぞれ5を
及び2tである。
原料ガスの組成はアルゴン70%及び窒素30%であシ
、圧力380 k)+a 、温度は20cである。
排気I工程における到達圧力は13 kl)a 、排気
■工程における到達圧力は11 kpaであった。これ
らの条件下で配管19から製品ガスを取シ出してそのア
ルゴン純度を測定し、(1)式でアルゴンの回収率ηを
めた。ここで、Qinは1ザイクル当シの原料ガスの供
給量(Nm8) 、 Qoutは1ザイクル当シの製品
の取シ出し景(NITI’ ) 、 Cinは原料ガス
中のアルゴン濃度(%)、Co旧は製品中のアルゴン濃
度(チ)である。
第7図に製品中のアルゴン濃度CInとアルゴン回収率
ηの関係を示した。アルゴン回収率はアルゴン濃度が9
9%で78g6と高い値を示し、また、アルゴン濃度が
99.999%と非常に高い場合においてもアルゴン回
収率が68チ1となった。この結果から本発明によって
高純度の製品ガスを高収率て回収できることが実証され
た。
実が11例2 実施例1と同一装置、同一ザイクルで、圧力250kP
a、温度20t?の空気を原料ガスとし、排気I工程に
おける到達圧力が15 kpa 、刊気■工穆における
到達圧力が14 kPaの条件下で運転した。その結果
、製品ガス中の酸素濃度が95%における酸素ガスの回
収率は73チと疫り、本発明の効果が確認された。
〔発明の効果〕
本発明によれば、多段吸着処理を実施することによる製
品の純度向上、吸着剤再生時の排気ガスを前段の吸着塔
の昇圧に使用することによる後段の排気ガスの有効利用
及び前段の吸着塔の加圧工程における塔内濃度分布の乱
れの縮小などが可能となり、高純度の製品ガスを高収率
で回収できる。
まだ、原料ガス中の有効成分の損失を少なくし経済的に
ガス分離を行うことができるとともに回収率の向上によ
シ製品ガスを製造するだめの電力原単位を低減できる効
果もある。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第6図は本発明の一実施例になるガス分離
装置の系統図、第7図は本発明における精製ガスの純度
と収率との関係を示すグラフである。 1・・・原料ガス送入用配管、UA、UJ3.UX・・
・吸着ユニツ)、2A、2B、2X・・・精製ガス用配
管、3A・・・初段排気ガス用配管、3T3,3X・・
・第2段以降の排気ガス用配管、4A、4B・・・リザ
ーバ、AI、A2.Bl、B2・・・吸着塔、6A・・
・排出用71図 72図 73図 15図 /l’ 舅6図 ノ9

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着塔を備え、
    加圧吸着操作および降圧脱着操作を順次行なう基本操作
    により混合ガスを分離する圧力差吸7i′jユニットを
    複数ユニット直列に配管接続し、多段に亘って吸着分離
    処理を行なう混合ガスの分離方法において、第1段の圧
    力差V、着着工ニット脱着扮作における排気ガスを系外
    に排出し、第2段以降の圧力差吸着ユニットの少なくと
    も1つのユニットの降圧脱着操作時の排気ガスを前段ま
    たはそれ以前の圧力差収拾ユニットに帰還して加圧吸着
    操作のための昇圧に用いることを特徴とする混住ガスの
    分離方法。 2、第2段以降の圧力差吸着ユニットからの排気ガスを
    前段またはそれ以前の圧力差吸着ユニットに帰還するに
    当り、リザーバを介して帰還するようにすることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の混合ガスの分離方法
    。 3、リザーバは排気ガス量に応じて容積が変化しうる容
    器を用いることを特徴とする特許請求の範囲第2項記載
    の混合ガスの分離方法。 4、圧力差吸着ユニットは少なくとも2個の吸着塔を備
    え、該圧力差吸着ユニットの少なくとも1つのユニット
    は吸着塔を交互に切替えて加圧吸着操作、降圧脱着操作
    、塔間均圧操作及び還流加圧操作を行なうようにしだも
    のを、他のユニットは吸着塔を交互に切替えて加圧吸着
    操作、降圧脱着操作及び塔間均圧操作を行なうようにし
    だものをそれぞれ用いることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項、第2項または第3項記載の混合ガスの分離方
    法。 5、次の(a)〜(C)の要素、 (a)被処理ガス導入口及び精製カス送出口を有し、か
    つ吸Xf剤を充填した少なくとも2個の吸A塔、各吸着
    塔の被処理ガス導入口を結ぶ配管、各吸着塔の精製ガス
    送出口を結ぶ配管、該吸着塔の1個の吸着塔の被処理ガ
    ス導入口と他の吸着塔の精製ガス送出口とを結ぶ配管、
    随時上記配管のうち特定の配管のみtガスが流通−〇き
    るようにするのに必要な切替弁及び真荒ボン7′と金主
    構成要素として備えた圧力差吸、11ユニットの複数1
    固、 (1〕ノ上記圧力差吸着ユニット相互を直列に接続する
    配管でのって、前段ユニットから送出される力1j圧吸
    着操1′ドの処理ガスケ後段ユニットで内び加圧吸着操
    作するために該後段ユニットの吸着塔の被処理ガス導入
    1」へ導くだめの配管、 <C>後段ユニットの降圧脱着操作を実施している吸A
    ′l:lL;からの排気ガスをl′JiJ設またはそれ
    以前りユニットの降圧脱着操作の終了した吸着塔の和装
    ガス送出口に帰還させるための配管、をJむことを特徴
    とする混合ガス分離装置。 6、後段ユニットの降圧脱着操作を実施している吸kf
    !からの排気ガスを前段まだはそれ以前のユニットのμ
    ト圧脱渚操作の終了した吸着塔の精製カス送出口に帰還
    さぜるための配管にリーリーバを設けたことを特徴とす
    る特許由りの範囲第5項記載の混合ガス分離装置。
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