JPS62503155A - 吸着によるガス状混合物の処理法 - Google Patents

吸着によるガス状混合物の処理法

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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】 吸着によるガス状混合物の処理法 本発明はガス状混合物の少なくとも1つの選択的に吸着し得る成分を吸着により 回収する方法に関する。特に本発明は約10〜30%のCO2を含有するに過ぎ ないガス状混合物から少なくとも95%の002(二酸化炭素)を有する混合物 の製造に応用される。
本発明の1目的はセメント工場又はボイラーの発煙ガス、排出ガス、直接還元法 から入来する製鉄所ガス又は生物ガス(biogases)の如きCO8の不十 分な供給源から良好な抜出し収率で且つ低いエネルギー消費量でCO2を抜出る ことである。この目的のため1本発明はガス状混合物の少なくとも1つの選択的 に吸着し得る成分を吸着により回収する方法を提供し、この方法は少なくとも1 個の吸着器を用い次の作業サイクルによって特徴付けられる:(a)処理すべき 混合物を吸着器の入口端と呼ぶ第1の端部を通して吸着器に導入し、該混合物は 吸着器中を循環し、吸着器の出口端と呼ぶ他端を通して吸着器から抜出され、該 混合物の循環方向が併流式と呼ばれる、作業サイクルの高圧での等圧(isob aric)吸着段階:(b)作業サイクルの中圧への吸着器の第1の併流減圧段 階; (C)作業サイクルの低圧への吸着器の第2の向流減圧段階、この段階中に抜、 出したガスは生成ガスである、(d)吸着器の圧力を作業サイクルの高圧に昇圧 させる段階。
本発明を実施する若干の例を添附図面を参照しながら以下に記載する: 第1図は2個の吸着器を用いて本発明の詳細な説明する図表であり;第2図は水 接を実施する装置の図解図であり;第3図は3個の吸着器を用いて本発明の詳細 な説明する図表であり;第4図は第3図の方法を実施する装置の図解図であり; 第5図〜第7図、第9図及び第11図は4個の吸着器を用いて本発明の5つの方 法をそれぞれ説明する図表であり;第8図は第5図〜第7図の方法を実施する装 置の図解図であり;第10図は第9図の方法を実施する装置の図解図であり;第 12図は第11図の方法を実施する装置の図解図である。
以下に記載した全ての例において、大体大気圧で利用できるガス状混合物を処理 すると思われる。経済性の理由で、ガス状混合物を循環させるため送風機又はフ ァンを用いて大気圧よりもわずかにのみ高い圧力でガス状混合物を吸着により処 理する。即ち、作業周期(サイクル)は大気圧よりもわずかに高い高圧と相対的 な真空を成す低圧例えば0.1バールの程度の低圧との間で展開される。
処理されるガスは10〜30%のCO2と70〜90%の種々の成分(N、、O □、CO9・・・)とを含有する。用いた吸着剤は、ガス混合物の他の主成分に 関連してCO2を選択的に吸着する特性をもつ活性炭である。
第1図、第3図、第5図〜第7図、第9図及び第11図の各々において横軸とし て時間tを採り、縦軸として圧力P(絶対圧)を採る0本法でn個の吸着器(n =2.3又は4)を用いるならば、これらの吸着器を1乃至nと番号をつけ、゛ 曲線は期間Tの完全な作業サイクル中に吸着器1の圧力の変化を表わす、この期 間は期間のn個の副期間T/nに分割させることにより表わされる曲線から推論 される。説明した例では、作業サイクルの期間は例えばnx数分の程度である。
前記の図表において、矢印によって指向した描線はガス流の移動及び行先を示し ;矢印が縦座標の軸に平行である時は、描線はまた吸着器中の循環方向を示し; 矢印が上昇する縦属41(図表において上向き)の方向にある時は、ガス流は吸 着器中で併流していると言われ;下向きに指向した矢印が吸着器中の圧力を示し ている描線より下に位置しているならば、ガス流は吸着器の入口端を通って吸着 器に通送され;上向きに指向した矢印が圧力を示している描線より上に位置して いるならば、ガス流は吸着器の出口端を通って吸着器から放出され、入口端及び 出口端はそれぞれ処理すべきガスの入口端部及び等圧吸着段階で抜出したガスの 出口端部であり;矢印が下降する縦座標の方向にある(図表の底面に向って)時 は、ガス流は吸着器中で向流していると言われる。下向きに指向した矢印が吸着 器の圧力を示している描線より下に位置しているならば、ガス流は吸着器の入口 端を通って吸着器から放出され、下向きに指向した矢印が圧力を示している描線 より上に位置しているならば、ガス流は吸着器の出口端を通って吸着器に導入さ れ、入口端及び出口端はなお処理すべきガスの入口端及び等圧吸着段階で抜出し たガスの出口端である。更には、専ら吸着器1に関するガス流を実線で示してあ り、他の吸着器(その個数は図表に示しである)からのガス流又は他の吸着器の 方向でのガス流を点線で赤しである。
即ち、2個の吸着器1及び2を用いて本法を説明する第1図では、作業サイクル は次の諸工程を吸着器1について包含してなる;t=0〜t1の約0.6バール から約1バールまでの圧力上昇の最終工程;t、〜t2の併流等圧吸着段階;t 2〜T/2の吸着器2と調和させることにより減圧を達成する第1の工程; T /2〜t3の真空ポンプ5で併流押送作用により0.3バールの程度の中間圧に まで減圧を達成する第2の工程;t、〜t4の同じポンプ5で併流押送作用によ り0.1バ一ル程度の作業サイクルの低圧にまで減圧を生ずる第3の工程、及び 吸着器2と調和させることにより約0.6バールまで圧力を上昇させる第1の工 程、これは方程式:%式% ガス流に関しては次の工程を有する: t=0〜tよ、処理すべき若干の混合物 を吸着器1に導入する:1=0〜t1、吸着器2の併流押送作用中に押送された ガスを再循環させ、処理すべき混合物に添加し、この添加は真空ポンプ5の出口 圧が適当ならば真空ポンプ5の出口から直接行なうかあるいはこのガスを送風機 の入口に返送することにより行なう、方程式ti−T/2=t、を点検する;1 =0〜tいガス流は吸着器1から放出されない、他方t、〜t2、CO□がより 貧化した残留ガスは吸着器1の出口端から出口を通して抜出され、大気に放出さ れ、然るにこの吸着器はCO2で選択的に充填され;換言すればこの吸着段階中 に、C02は吸着剤上に詰められ、ガス状混合物の他の成分と共吸着した状態で のCO2の濃度は最初の混合物中のCO□の含量よりも高い; t2〜T/2、CO□の分圧よりも高い分圧下で吸着の終了時に吸着器に存在す るCO2よりも吸着されることが少ないCO2以外の成分を選択的に除去するよ うに吸着器1を併流式の要領で減圧する。C02が貧化したこのフラクションは 低圧状態(圧力調和段階)で他の吸着器を向流式の要領で部分的に再加圧するの に用いる; τ12〜ち、併流押送作用は先の調和段階の如く、他の成分からCO2を掃気す ることにより吸着器のCO□濃度を尚一層増大させる作用がある; t、〜tい向流押送作用はCO2の平均含量が少なくとも95%に等しいガスを 与える。
本法によると、吸着器の押送作用即ち吸入排出(pumping)は2つの別個 のフラクションを与える2段階で実施されることが見られ、第1の段階はCO2 で富化されている不十分に濃縮されているフラクションを抜出すため併流循環に より達成され、第2の段階は所望含量の002を有し且つCO□の製造を確保す るフラクションを抜出すように向流式の要領で実施される。
0.55バールまでの第1の押送作用と0.15バールまでの第2の押送作用と を有する試験では、第1の押送したフラクションを再循環させることなしに、約 30%のCO2を有する第1の富化フラクションと約95%のCO□を有する第 2のフラクションとを、この第2のフラクションについて66%の抜出し収率で 提供した。第1のプラクジョンが最初の混合物よりもCO□が富化しているとい う事実はこのフラクションを他の吸着器の入口に再循環させるという有用性を説 明しており、この再循環はなお一層COtの抜出し収率を向上させる。
第2図に示した装置により第1図の方法を実施し得る。
該装置は吸着器1及び2及びポンプ5に加えて、処理すべき混合物の入口ライン 6を有し、送風機即ちファン7、大気と連通して残留ガスを追出すライン8.ポ ンプ5の入口に接続した押送作用ライン9.CO□の生成ライン10及びこのポ ンプの出口に接続した再循環ライン11及び調和用ライン12を備えている。
前記のライン6はそれぞれの弁61及び6□を通って吸着器1及び2の入口に接 続しており、ライン8は弁8□及び8□を通って吸着器1及び2の出口に接続し ており、ライン9は弁91,1及び9□、2を通って吸着器1及び2の出口に接 続しておりしかも弁92,1及び9□、2を通って吸着器1及び2の入口に接続 している;ライン11は弁11.及び11□を通って吸着器1及び2の入口に接 続しており、生成ライン10は弁13を有弁14を有する0種々の弁により第1 図に説明した作業サイクルを如何に達成し得るかは容易に理解されるであろう。
第3図は3個の吸着器1〜3を用いる方法を説明し、該吸着器の各々は前記した 如く且つ周期的に、約1バールの圧力下での等圧吸着段階と、調和による第1の 減圧段階と、押送したガスを再循環させながら第1の併流押送作用段階と、生成 ガスを与える第2の向流押送作用段階と、先ず調和により次いで処理すべき混合 物の導入による昇圧段階とを受ける。しかしながら、この場合には、2個の真空 ポンプ5A及び5Bを用い、各々のポンプは2回の押送操作のうちの1回に配分 される。更に詳しく吸着器1を考察する=1=0〜t1.吸着器3から入来する 第1の押送フラクションを添加した処理すべき混合物は圧力を約0.6バールか ら約1バールに生起させるように吸着器1の入口を通って進入する; t工〜t2、同じガスが吸着器を通って併流式の要領で循環され、残留ガスを大 気と連通させておく;t2〜T/2、約0.6バールに釣合せることにより第1 の併流減圧、放出したガスを低圧状態にある吸着器2に向流式の要領で送入する ; T/3〜t□(t、 < 27/3) 、ポンプ5Aにより約0.3バールまで の第1の併流押送作用、押送したガスを吸着器2の入口に再循環させる; t、〜tい生成ガスを与えるようにポンプ5Bにより約0.1バールまでの第2 の向流抑流作用;及びt4〜丁、吸着器3と調和させることにより0.6バール までの第1の昇圧、ガスを吸着器1に向流式の要領で導入する。
次の方程式を点検する; T/3 j、=7 tl; t、 −t、 =t4−t3=T/3゜即ちポンプ5Bは連続的に作動し、これ はエネルギーの見地から有利であり、第1の押送したフラクションの再循環は吸 着段階に亘って行なう。更には、第3図に点線で示した如く、処理すべき混合物 を第1の昇圧段階(t4〜T)中にも吸着器1に併流式の要領で導入するならば 、送風機はまた連続的に作動する。
第4図の装置により第3図の作業サイクルを実施し得る。
第2図の表示法と同様な表示法を用いる;ライン6はそれぞれ弁61.62.6 3を通って吸着器の入口に接続しており、ライン8は弁8い8□、8.を通って 吸着器の出口に接続している; ポンプ5Aの入口は弁5A1.□、5A、、2.5A1,3を通って吸着器の出 口に接続しており、ポンプ5Aの出口は弁5Aよ、、 。
5A2,2.5A2.、を通って吸着器の入口に接続している;ポンプ5Bの入 口は弁5B1.5B2.5B、を通って吸着器の入口に接続している; 3本の調和用ラインに121.、.12□、3,123.、はそれぞれの弁14 1,2.14□、3.1412、を備えている。
ポンプ5Bは連続的に作動するので生成管10中には弁を設けていないことに注 目されたい。
第5図は2個の直空ポンプ5A及び5Bを用いながら4個の吸着器1〜4を用い る方法を説明しており、該吸着器の各々は周期的に前記と同じ段階を受ける。更 に詳しくは吸着器1を考察すると次の段階が生起する:1=0〜t1:吸着器の 入口を通って処理すべき混合物の導入による約0.6バールから約1バールへの 昇圧の終了;t1〜T/4 : ガス状混合物を併流循環させながら且つ残留ガ スを大気と連通させておきながら等圧吸着段階;T/4〜t、<T/2:吸着器 4で押送した且つ再循環させた第1のフラクションの併流循環; t、〜T/2:約0.6バールに均合せることにより第1の併流減圧、吸着器1 の出口から出るガスを向流式の要領で吸着器3に導入する; T/2〜t、<3T/4 :約0.3バールまでの第1の併流押送、押送したフ ラクションを吸着器2の入口に再循環させる;t、〜t6: 約0.1パールへ の第2の向流押送及び生成ガスの配布; t、〜T: 吸着器3から入来するガスと向流的に均合せることにより約0.6 バールへの第1の昇圧。
次の方程式を点検する: T−t、=T/2−t3: t、−t3=t、−t、=T/4 即ち、第5図の方法においては、各々の吸着器は先ずガス状混合物を処理しくt z T/4)1次いで別の吸着器から入来する再循環した第1のフラクションの 全体を処理し、この再循環フラクションは最初の混合物よりもCO□がより富化 している。
第5図はこの作業サイクルの2つの可能な変更例を点線(dot−dash 1 ines)で説明する:(a)時間t=0から時間t1まで、即ち昇温させる第 2の工程中に、吸着器1はその出口を通って向流式の要領で吸着器4から放出さ れる残留ガスを追加的に受ける。同様に、t、 −T/4 = tlであるよう に時間T/4から時間t2まで、吸着器1の出口から放出される残留ガスの全部 又は一部を向流式の要領で吸着器2に送入する。即ち、1=0からtユまで各々 の吸着器に処理すべき混合物と残留ガスとの両方を供給する時には、吸増段階の 開始前に作業サイクルの高圧により迅続に帰送される; (b)調和段階は第1の併流押送工程の開始を伴なう、これによって混合物導入 用送風機及びポンプ5Bのみならずポンプ5Aもまた連続的に作動させることが でき、これはエネルギーの見地から有利である。この場合には、圧力はt、から T/2により迅速に降下し、均合せた圧力は前記の値が0.6バールより低い。
第6図で説明した作業サイクルは第2の昇圧工程がT/4からt2まで吸着器4 によって製造された残留ガスの向流導入(tz0からtlまで)により全体的に 行われる点でのみ第5図の作業サイクルの変更例(a)とは異っている。従って 、処理すべき混合物の導入は作業サイクルの高圧で全体的に等圧要領で専らこの 混合物の吸着段階中に即ちt□から丁/4までの間に行なう。
この場合には、送風機の連続操作をもう一度確保するためには、処理すべき混合 物は第6図に点線で示した如く時間t2まで持続できる。
第7図で説明した作業サイクルは調和用段階の除去によってのみ第5図の作業サ イクルの変更例(a)とは異なっており即ち吸着器4から入来する第1の再循環 したフラクションの等圧吸着はT/4からT/2まで作業サイクルの高圧時に持 続する。従って、作業サイクルの低圧から高圧への昇圧の全体は一方では吸着器 の入口を通って処理すべき混合物の導入と他方では吸着器1の出口を通って吸着 器4から入来する残留ガスの同時導入とによって行なう。併流押送作用はT/2 から3T/4まで生起し、向流押送作用は3T/4からTまで生起する。この作 業サイクルは送風機とポンプ5A及び5Bを連続的に作用できる。
第8図に図解した装置により第5図〜第7図に説明した方法を実施できる。
調和工程が欠如しておりしかも第4図の表示法と同様な表示法を用いた第7図の 作業サイクルに関しては、前記と同じ接続でライン6.8.10とポンプ5A及 び5Bとが示されている。該装置は更に流量調整要素16を備えたライン15を 有し、該ラインはライン8から導びかれしかも昇圧させるようにそれぞれ弁15 □〜15.を通して残留ガスを各々の吸着器1〜4の出口に返送させ得る。
同じ装置は、一方では吸着器1及び3の出口に接続させ且つ他方では吸着器2及 び4の出口に接続させる弁14□、1及び14□、4を備えた2本の調和用ライ ン121.、及び122.、を該装置に追加することにより第5図の作業サイク ルを実施するのに用い得る。
第9図に説明した作業サイクルは、処理すべき混合物の等圧吸着用の最終工程( t′1からT/4まで)において、この混合物が吸着器1に導入される前に、吸 着器3から入来する第1の再循環フラクションの吸着の終了時(t′2〜T/2 )である吸着器4から入来する残留ガス(例えば、示した如くこのガスの全体) を前記の混合物に添加する点でのみ第7図の作業サイクルとは異なっている。従 って1/2〜T/2まで、吸着器1から放出される残留ガスを同様な要領で吸着 器2に再循環する。
この第2の再循環はかくして再循環したガスのCO□含量が十分に高い時即ち処 理すべき混合物のCO2含量よりも高い時には有用性があり、この有用性は吸着 器の減圧前に吸着器をCO2で予備濃縮させるようにCO□の前面を等圧段階の 終了に向って吸着器から明白に抜出すと思われる。
2個の再循環系を用いたことにより、CO□の生成特性即ち生成ガスのCO□含 量はその抜出し収率を高度に維持しながら向上される。
第10図に図解した装置により第9図の作業サイクルを実施できる。該装置は第 8図の装置と同様であるが、調和用ライン12..3及び12.、、はなく但し それぞれの弁1g、、、。
182、、.18..4.184.1を備えた第2の再循環用ライン17.、、 .17□21.173.い17.、、を追加的に有する。
第9図の2個の再循環系は第11図の作業サイクルでも見られるが1本法の構成 内では第5図の変更例(a)の型式の調和系を有する。t3からT/2まで均合 による第1の減圧により、等圧段階の終了時に残留ガスの第2の再循環はT/4 −t’1=T/2−t□及びt’1−t’1=t、−t’、を有しなからT/4 前に2つの時間1/1とt′1との間で生起する。
等圧段階の終了時には残留ガスは処理すべき混合物よりもCO2が富化している ので均合による減圧を吸着器1の出口から吸着器3の入口に残留ガスを送入する ことにより行ない、換言すればt、からTまで均合による第1の昇圧は、均合を 伴う前記した作業サイクルの如くガスを向流式の要領でなくて併流式の要領で導 入することにより生起することが第11図で認められるであろう。
第12図に図解した装置により第11図の作業サイクルを実施できる。該装置は 第8図の調和用ライン121.、及び122,4の代りに単一のライン12Aを 用いた点でのみ第8図の装置とは異なっており、単一のライン12Aは8個の弁 12Aよ〜12A8により何れかの吸着器の入口又は出口を何れか別の吸着器の 入口又は出口と連通させておくことができる。弁を適当に作動させることにより 、前記した残留ガスの再循環及び併流昇圧を行なう均合をかくして行ない得るこ とは理解されるであろう。
前記した種々の実施形式において、本発明の方法はCO2の貧化した併給源即ち 約lO〜30%のみのCO□を含有する供給源からCO2の回収に特に応用でき る。一般的に水沫は混合物の最も吸着し得る成分1つ又はそれ以上の回収に応用 でき1例えば利用時に希釈される活性ガスの回収として応用できる。
FIG、3 FIG、5 ANNEX To THE INTERNATIONAI:、!9EARCHR EPORT ON

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.少なくとも1個の吸着器を用いてガス状混合物の少なくとも1つの選択的に 吸着し得る成分を吸着により回収する方法において、次の作業サイクル:(a) 処理すべき混合物を吸着器の入口端と呼ぶ第1の端部を通して吸着器に導入し、 該混合物は吸着器中を循環し、吸着器の出口端と呼ぶ他端を通して吸着器から抜 出され、該混合物の循環方向が併流式と呼ばれる、作業サイクルの高圧での等圧 吸着段階; (b)作業サイクルの中圧への吸着器の第1の併流減圧段階; (c)作業サイクルの低圧への吸着器の第2の向流減圧段階;その際この段階中 に抜出したガスは生成ガスである、及び (d)吸着器の圧力を作業サイクルの高圧に昇圧させる段階 を特徴とする、ガス状混合物の少なくζも1つの選択的に吸着し得る成分を吸着 により回収する方法。
  2. 2.段階(b)の内に吸着器から抜出したガスを少なくとも一部は、吸着器の入 口端部に又は別の吸着器の入口端部に段階(a)の少なくとも一部の間に及び/ 又は別の吸着器の段階(d)の少なくとも一部の間に循環させることを特徴とす る特許請求の範囲1記載の方法。
  3. 3.少なくとも2個の吸着器を用いた際には、段階(b)は該段階(b)にかけ た吸着器と段階(d)の開始時の別の吸着器との間で圧力を均合せる最初の工程 を包含することを特徴とする特許請求の範囲1又は2記載の方法。
  4. 4.第1の吸着器から放出されるガスを均合せ段階中に向流式の要領で別の吸着 器に導入することを特徴とする特許請求の範囲3記載の方法。
  5. 5.第1の吸着器から放出されるガスを均合せ段階中に併流式の要領で別の吸着 器に導入することを特徴とする特許請求の範囲3記載の方法。
  6. 6.処理すべき混合物は均合せ段階中に併流式の要領で第2の吸着器に導入する ことを特徴とする特許請求の範囲3〜5の何れかに記載の方法。
  7. 7.段階(b)は併流式押送工程を包含し、中圧は大気圧よりも低いことを特徴 とする特許請求の範囲1〜6の何れかに記載の方法。
  8. 8.押送工程は段階(b)に亘って持続させることを特徴とする特許請求の範囲 7記載の方法。
  9. 9.少なくとも3個の吸着器を用いた際には、2個の別個のポンプにより段階( b)の押送工程と段階(c)の押送工程とを行なうことからなることを特徴とす る特許請求の範囲7〜8記載の方法。
  10. 10.昇圧段階は少なくとも一部は処理すべき混合物を吸着器に併流式に導入す ることによって実施することを特徴とする特許請求の範囲1〜9の何れかに記載 の方法。
  11. 11.少なくとも2個の吸着器を用いた際には、別の吸着器の段階(a)の内に 別の吸着器から抜出したガスを吸着器に向流式に導入することにより昇圧段階を 少なくとも一部は行なうことから成ることを特徴とする特許請求の範囲1〜10 の何れかに記載の方法。
  12. 12.少なくとも4個の吸着器を用いた際には、作業サイクルの高圧での第2の 等圧吸着段階(a′)を段階(a)と(b)との間に有してなり、該段階(a′ )では段階(b)の内に別の吸着器から抜出したガスを第1の吸着器の入口端を 通って第1の吸着器に導入し、該ガスは第1の吸着器中を併流式の要領で流動し 、該ガスを第1の吸着器からその出口端を通して抜出すことを特徴とする特許請 求の範囲2記載の方法。
  13. 13.段階(a)の間に及び場合によつては段階(a′)の最初の部分の間に、 処理すべき混合物を作業サイクルの高圧で専ら第1の吸着器に導入することから なることを特徴とする特許請求の範囲12記載の方法。
  14. 14.段階(a′)の内に第1の吸着器から抜出したガスを少なくとも一部は、 別の吸着器の段階(a)の一部分中に別の吸着器の入口端に再循環させることを 特徴とする特許請求の範囲12又は13記載の方法。
  15. 15.作業サイクルの高圧は大気圧よりもわずかに高いことを特徴とする特許請 求の範囲10〜14の何れかに記載の方法。
  16. 16.ガス状混合物は10へ30%のCO2を含有するガスであり、用いた吸着 剤は活性炭であり、生成ガスは少なくとも約95%のCO2含量を有することを 特徴とする特許請求の範囲1〜15の何れかに記載の方法。
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