JPWO2014104196A1 - ガス精製装置 - Google Patents

ガス精製装置 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2014104196A1
JPWO2014104196A1 JP2014554548A JP2014554548A JPWO2014104196A1 JP WO2014104196 A1 JPWO2014104196 A1 JP WO2014104196A1 JP 2014554548 A JP2014554548 A JP 2014554548A JP 2014554548 A JP2014554548 A JP 2014554548A JP WO2014104196 A1 JPWO2014104196 A1 JP WO2014104196A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
pressure
path
miscellaneous
regeneration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014554548A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6305938B2 (ja
Inventor
高久 夘瀧
高久 夘瀧
保 小谷
保 小谷
由喜男 藤原
由喜男 藤原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka Gas Co Ltd filed Critical Osaka Gas Co Ltd
Publication of JPWO2014104196A1 publication Critical patent/JPWO2014104196A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6305938B2 publication Critical patent/JP6305938B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/229—Integrated processes (Diffusion and at least one other process, e.g. adsorption, absorption)
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/116—Molecular sieves other than zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/30—Physical properties of adsorbents
    • B01D2253/302—Dimensions
    • B01D2253/308—Pore size
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/24—Hydrocarbons
    • B01D2256/245—Methane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/102—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/104—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/06—Polluted air
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40058—Number of sequence steps, including sub-steps, per cycle
    • B01D2259/40075—More than ten
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/403—Further details for adsorption processes and devices using three beds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/404—Further details for adsorption processes and devices using four beds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/54—Specific separation steps for separating fractions, components or impurities during preparation or upgrading of a fuel
    • C10L2290/542—Adsorption of impurities during preparation or upgrading of a fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/54—Specific separation steps for separating fractions, components or impurities during preparation or upgrading of a fuel
    • C10L2290/548—Membrane- or permeation-treatment for separating fractions, components or impurities during preparation or upgrading of a fuel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

ＰＳＡ装置を用いたガス精製装置からの精製対象ガス回収率を改善し、動力効率よく純度と回収率の両立を図るために、吸着工程と脱着工程とを交互に行う圧力揺動運転可能に接続したガス精製装置であって、雑ガス排出路Ｌ３に、精製対象ガスを透過せず、雑ガスを透過する分離膜Ｍ１を有するとともに、吸着塔Ａ１〜Ａ４の排気圧で精製対象ガスと雑ガスとを分離する膜分離装置Ｍを設け、分離膜Ｍ１で精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを原料ガス供給路Ｌ１に返送する再生ガス返送路Ｌ５を設けた。

Description

原料ガスから精製対象ガス以外の雑ガスを吸着する吸着材を充填してある吸着塔を設け、
前記吸着塔に原料ガスを供給する原料ガス供給路を設け、
前記吸着材に吸着しなかった精製対象ガスを製品ガスとして排出する製品ガス回収路を設け、
前記吸着材に吸着した雑ガスを脱着させて排気する雑ガス排出路を設け、
前記吸着塔と、前記原料ガス供給路と、前記製品ガス回収路と、前記排ガスとを、
前記原料ガス供給路から原料ガスを受け入れて、雑ガスを前記吸着材に吸着するとともに、製品ガスを回収する吸着工程と、
吸着材に吸着した雑ガスを脱着して前記雑ガス排出路より排気する脱着工程と、
を交互に行う圧力揺動運転可能に接続したガス精製装置に関する。
可燃性ガスを有効に利用する場合には、可燃性ガスが含まれる原料ガスから空気などのガスを分離して、適当な濃度範囲にまで可燃性ガスを濃縮する必要がある。このような可燃性ガスを濃縮する装置や方法は種々提案されているが、可燃性ガスとしてのメタンを含有する炭鉱から発生するガス（いわゆる炭鉱ガス）を原料ガスとして、この原料ガスから吸着材を用いて空気（主に窒素、酸素、二酸化炭素が含まれる）を分離し、メタンを濃縮して利用する発明が提案されている。
すなわち、窒素に比べてメタンの吸着速度が非常に遅い天然ゼオライトを吸着材として用いて（換言すると、メタンに対して窒素、酸素、二酸化炭素を優先的に吸着する吸着材を用いて）、当該吸着材が充填された吸着塔に炭鉱ガスを圧縮機等により所定圧になるまで導入する。これにより、炭鉱ガスに含まれる酸素、窒素、二酸化炭素を先に吸着塔の手前部（下部）に吸着させ、吸着塔の奥部（上部）に吸着速度の遅いメタンを吸着させる。さらに当該メタンを吸着塔の上部から大気圧になるまで放出して、メタンを濃縮するための装置および方法の発明が提案されている。
これにより、原料ガスとしての炭鉱ガスから、吸着材を用いて空気を分離し、メタンを濃縮して、当該濃縮されたメタンを燃料等として利用することができるものとされている。
つまり、原料ガスから精製対象ガス以外の雑ガスを吸着する吸着材を充填してある吸着塔を設け、
前記吸着塔に原料ガスを供給する原料ガス供給路を設け、
前記吸着材に吸着しなかった精製対象ガスを製品ガスとして排出する製品ガス回収路を設け、
前記吸着材に吸着した雑ガスを減圧脱着させて排気する雑ガス排出路を設け、
前記吸着塔と、前記原料ガス供給路と、前記製品ガス回収路と、前記雑ガス排出路とを、
前記原料ガス供給路から原料ガスを受け入れて、雑ガスを前記吸着材に吸着するとともに、製品ガスを回収する吸着工程と、
吸着材に吸着した雑ガスを脱着して前記雑ガス排出路より排気する脱着工程と、
を交互に行う圧力揺動運転可能に接続した構成（以下ＰＳＡ装置と称する）が想定される。
これにより、原料ガスを原料ガス供給路から吸着塔に供給すると、原料ガス中の雑ガスを前記吸着塔内の吸着材に吸着させる吸着工程を行うことができる。吸着材に吸着しなかった原料ガス中の精製対象ガスは、製品ガス回収路から回収されるとともに、雑ガスを吸着して飽和した吸着塔は、吸着材に吸着された雑ガスを減圧脱着する脱着工程を行うことによって、再生することができる。この際生じた排ガスは、雑ガスを主成分とするものとなっていて、雑ガス排出路より排気される。この吸着工程および脱着工程を繰り返す圧力揺動運転が行える。
ここで、前記製品ガスの精製対象ガス純度をある程度以上に高めようとする場合、吸着塔を通過する雑ガス量を抑制する必要がある。すると、吸着塔内に残留する精製対象ガスを排ガスとして排出することになるから、精製対象ガスの回収率を低下させることになる。また、逆に回収率を向上しようとすると製品ガス純度を低下させることになるから、製品ガス純度を維持しつつ精製対象ガスの回収率を向上させることが望まれている。
上記目的のために、排気される排ガスをさらに精製し、精製対象ガスの回収率を向上すべく膜分離装置を前記雑ガス排出路に設けた構成（特許文献１参照）や、ガス精製装置の上流側に膜分離装置を設ける構成（特許文献２参照）が考えられている。
米国特許出願公開２００４−０９９１３８号公報 米国特許出願公開２０１１−０９４３７８号公報
ところが前記特許文献１には、排ガス中の精製対象ガスを膜分離し、分離膜を透過した精製対象ガスを原料ガス供給路に返送する構成としてあるため、精製対象ガスを膜分離する動力を大きく確保する必要があって、装置全体の運転動力が大きく必要になる。そのうえ、最終的な製品ガスの精製対象ガス純度は膜分離装置で決まることになり、高い純度を維持するためには、膜分離装置の分離膜透過ガス量を増加させる必要があり、回収率を低下させざるを得ない構成となっている。
また、前記特許文献２の技術によると、ＰＳＡ装置によって製品ガスの純度を決定することができるために、製品ガスを高純度に設定することが可能であるが、ＰＳＡ装置に供給される原料ガスの純度を、あらかじめ向上させておくのに用いられる膜分離装置が精製対象ガスの回収率を大きく低下させる原因となって、結果的に装置全体としては回収率の向上には寄与しにくいものとなっていた。
そこで本発明の目的は、ＰＳＡ装置を用いたガス精製装置からの精製対象ガス回収率を改善し、動力効率よく純度と回収率の両立を図ることにある。
〔構成１〕
上記目的を達成するための本発明のガス精製装置の特徴構成は、
原料ガスから精製対象ガス以外の雑ガスを吸着する吸着材を充填してある吸着塔を設け、
前記吸着塔に原料ガスを供給する原料ガス供給路を設け、
前記吸着材に吸着しなかった精製対象ガスを製品ガスとして排出する製品ガス回収路を設け、
前記吸着材に吸着した雑ガスを脱着させて排気する雑ガス排出路を設け、
前記吸着塔と、前記原料ガス供給路と、前記製品ガス回収路と、前記雑ガス排出路とを、
前記原料ガス供給路から原料ガスを受け入れて、雑ガスを前記吸着材に吸着するとともに、製品ガスを回収する吸着工程と、
吸着材に吸着した雑ガスを脱着して前記雑ガス排出路より排気する脱着工程と、
を交互に行う圧力揺動運転可能に接続したガス精製装置であって、
前記雑ガス排出路に、精製対象ガスを透過せず、前記雑ガスを透過する分離膜を有するとともに、前記吸着塔の排気圧で精製対象ガスと雑ガスとを分離する膜分離装置を設け、
分離膜で精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを原料ガス供給路に返送する再生ガス返送路及び／又は製品ガスとして回収する再生ガス回収路を設けた点にある。
〔作用効果１〕
すなわち、ＰＳＡ装置の雑ガス排出路に精製対象ガスを透過せず、前記雑ガスを透過する分離膜を有するとともに、前記吸着塔の排気圧で精製対象ガスと雑ガスとを分離する膜分離装置を設けると、原料ガスから製品ガスを取り出すガス路では、ＰＳＡ装置が精製対象ガスの精製に寄与するものの、前記膜分離装置は精製対象ガスの精製に関与しないために、製品ガス中の精製対象ガス純度はＰＳＡ装置によって高く設定することができる。このとき、ＰＳＡ装置からの精製対象ガス回収率は低下しがちになるが、排ガスを回収して原料ガス供給路に返送するから、精製対象ガスの回収率を高くすることができる。排ガスを全量回収しても、吸着塔に供給されるガス中の雑ガス濃度が上昇することになるから、製品ガス中の精製対象ガス純度が低下するおそれがある。そこで、膜分離装置により、返送される排ガス中から精製対象ガスを含まない真の排ガスを除去すれば、吸着塔に供給されるガス中の雑ガス濃度上昇を抑制することができるようになる。すると、製品ガス中の精製対象ガス純度が低下するのを抑制してＰＳＡ装置での精製対象ガス純度を低下させることなく回収率を向上させることができるようになる。
ここで、前記膜分離装置は、分離膜における膜分離圧を背吸着塔の排気圧から得て精製対象ガスと雑ガスとを分離する構成としてあるので、膜分離装置自体に圧縮機等のガス供給装置を設けることなく膜分離を行うことができる。すなわち、ＰＳＡ装置で脱着工程を行っている状態で、雑ガス排出路には吸着塔からの排気圧がかかっている。この排気圧を用いて膜分離することでガス供給に要する動力を減らすことができ、低エネルギーで動力効率よくガス分離を行えるようになった。
したがって、膜分離装置を有効に利用することによって、動力効率よく、精製対象ガス純度を低下させることなく回収率を向上させることができるようになった。
また、膜分離装置は、ＰＳＡ装置に比べて設備費が少なくてすむため、ＰＳＡ装置で精製された製品ガスや排ガス中の精製対象ガスをさらにＰＳＡ装置で精製するのに比べ、安価にガス精製装置を構成することができる。
また、ガス精製装置から、製品ガス濃度の高い排ガスが発生する場合、その排ガスを膜分離装置に通じると、再生ガス返送路に流通する再生ガスの製品ガス純度がきわめて高くなり、製品として回収可能なものとなる場合がある。このようなガスを製品ガス純度が原料ガスと同等レベルにまでしか高められていない再生ガスと混合し、再度原料ガスとして精製しなおすのは効率面で無駄が多いと考えられる。
そこで、このような場合であっても、再生ガス回収路を設けてあれば、精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを、製品ガス回収路に返送することができるようになり、製品ガス純度の高いガスを効率よく回収することができるようになる。
なお、分離膜で精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを原料ガス供給路に返送する再生ガス返送路と、製品ガスとして回収する再生ガス回収路とは、いずれか一方を設ける構成であってもよいし、両方設ける構成であってもよい。
〔構成２〕
また、前記雑ガス排出路に、精製対象ガスを透過せず、雑ガスを透過する分離膜を有するとともに、前記吸着塔の排気圧で精製対象ガスと雑ガスとを分離する膜分離装置を設け、
分離膜で精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを前記原料ガス供給路に返送する再生ガス返送路を設け、
前記雑ガス排出路に流通する排ガスを、前記膜分離装置をバイパスして前記再生ガス返送路に導くバイパス路を設けてあってもよい。
〔作用効果２〕
ＰＳＡの工程によっては、ガス精製装置から、製品ガス濃度の高い排ガスが発生する場合がある。このような排ガスを、製品ガス純度の低い雑ガスと同様に膜分離装置に供給すると、膜分離装置における製品ガスのロスが大きくなるおそれがあって、むしろ、そのまま原料ガスとして再利用するのが好ましい場合もある。
そこで、上記構成において再生ガス返送路を有する場合、前記バイパス路を設けてあれば、排ガスを膜分離装置をバイパスして前記再生ガス返送路に導くことにより、製品ガスをロスすることなく原料ガスとして再利用することができるようになる。
〔構成３〕
前記雑ガス排出路における前記膜分離装置の上流部に、バッファタンクを設けてあってもよい。
〔作用効果３〕
前記バッファタンクは、脱着工程により排出される雑ガスを、前記膜分離装置に供給される前に一旦貯留することができる。このとき、前記吸着塔とバッファタンクとの圧力差により均圧操作により、比較的高濃度に精製対象ガスを含む高圧の雑ガスをそのバッファタンク内に蓄積することができる。
その後、前記バッファタンク内の雑ガスを膜分離装置に供給することができ、吸着塔内から初期に排出される高圧の雑ガスを圧力緩和して膜分離装置に供給することができるようになり、高圧の雑ガスの圧力を利用した回収率の高い膜分離動作を行いながらも、雑ガスから精製対象ガスを高精度に精製することができる。つまり、吸着塔内から初期に排出される高圧の雑ガスの流速が高すぎることで分離膜での雑ガスの透過が十分に行われず一部が再生ガス側に混入し精製の精度が低下することを回避できる。
〔構成４〕
また、前記雑ガス排出路における前記膜分離装置の雑ガス透過側に減圧ポンプを設けてもよい。
〔作用効果４〕
減圧ポンプを設けてあれば、膜分離装置の膜分離圧が不足する場合に、精製対象ガスの膜分離を継続するために必要最小限の動力を供給することができ、より安定に膜分離動作を継続することができるようになる。
また、ＰＳＡ装置の排気圧が変動するような場合、必要に応じて膜分離圧を一定に維持したいような場合であっても、前記減圧ポンプの出力を調整することによって、膜分離装置の膜分離条件を好適に設定維持しやすい。
〔構成５〕
また、前記再生ガス返送路に再生ガスタンクを設けてあってもよい。
〔作用効果５〕
膜分離装置でＰＳＡ装置からの排ガス中から雑ガスを除去した後のガスは、精製対象ガスの濃度が高められており、原料ガスとして用いることができる再生ガスとなる。しかし、この再生ガス中の精製対象ガス濃度は、ＰＳＡ装置の各工程中に変動する。そこで、再生ガスを再生ガスタンクに一時貯留することによって、再生ガスの経時的な濃度変動を緩和することができ、原料ガスに対する再生ガスの安定供給に寄与する。
〔構成６〕
また、前記再生ガス返送路に再生圧力制御弁を設け、前記再生圧力制御弁により前記分離膜の膜分離圧を制御する再生制御装置を備えてもよい。
〔作用効果６〕
上記構成によると、再生ガスタンクおよび膜分離装置の分離膜にかかる圧力を再生圧力制御弁により設定変更することができるようになる。これにより、膜分離装置における排ガス中から雑ガスの除去が安定的に行えるようになるとともに、原料ガス供給路側の原料ガス供給圧とのバランスをとることができ、原料ガスの供給が不安定になるのを抑制することができる。
また、前記再生圧力制御弁により前記分離膜の膜分離圧を制御する再生制御装置を備えれば、ＰＳＡ装置の各工程中に再生ガス圧力が変動しても、その変動に応じて安定して再生ガスを原料ガス中に供給するのに寄与する。
〔構成７〕
また、前記製品ガス回収路に製品ガスタンクを設けてもよい。
〔作用効果７〕
製品ガス回収路においても製品ガスタンクを設けてあれば製品ガス中の精製対象ガス濃度を安定化することができる。また、このような構成において製品ガスタンクを設けると、製品ガスタンク内は有圧になるので、吸着塔内の吸着材から雑ガスを脱着させて再吸着可能に再生する際の洗浄用ガスとして製品ガスを流入させて用いることもできる。
〔構成８〕
さらに、上記構成において、前記製品ガスタンクから前記吸着塔に製品ガスを流入する製品ガス洗浄路を設け、製品ガス洗浄路における製品ガスタンクと吸着塔との間に製品圧力制御弁を設け、前記製品ガスタンクから製品ガスを吸着塔に流入させて前記吸着塔を洗浄する洗浄制御装置を備えてもよい。
〔作用効果８〕
製品ガスタンクに加えて製品ガスタンクから前記吸着塔に製品ガスを流入する洗浄路を設け、洗浄路における製品ガスタンクと吸着塔との間に製品圧力制御弁を設けてあれば、製品ガスタンクから洗浄路を介してＰＳＡ装置へ製品ガスを供給することができる。これにより、吸着塔内の吸着材から雑ガスを脱着させて再吸着可能に再生する際の洗浄用ガスとしてそのまま製品ガスを用いることができる。また、この際の圧力は洗浄排ガスが雑ガス排出路に排出される際にも排ガスに負荷される。そのため、洗浄排ガスに含まれる精製対象ガスも、膜分離装置により回収可能に運転される。また、負荷される圧力を別途供給する必要も無いので、膜分離装置に対する動力供給を低減することができる。
なお、吸着塔内の吸着材から雑ガスを脱着させて再吸着可能に再生する際にも、膜分離装置を継続的に運転可能であるから、膜分離装置の運転に支障を生じさせずに安定運転することができる。
〔構成９〕
また、前記原料ガスがメタン含有ガスであり、精製対象ガスがメタンであり、雑ガスが二酸化炭素を主成分とするガスとすることができる。
〔作用効果９〕
たとえば、バイオガス等の、燃料ガスとしてそのまま用いるにはメタン含有率が低いガス源から、燃料ガスとしてそのまま利用可能な純度のメタンを供給可能にでき、未利用燃料ガスの有効利用を図ることができる。また、このような原料ガスは、雑ガスとして二酸化炭素を主に含んでいる場合、メタンと二酸化炭素との化学的性質の違いにより、膜分離装置による分離が適している場合が多く、特に好適に利用できる。
〔構成１０〕
さらに、前記原料ガスが、精製対象ガスとしてメタンを４０％以上含有するメタン含有ガスであり、メタンを９０％以上含有する製品ガスを得るものとすることができる。
〔作用効果１０〕
典型的なバイオガスの組成は、メタン４０〜６０％、二酸化炭素６０〜４０％程度である。このようなバイオガスに対して、従来のガス精製装置を用いてメタンを９０％以上含有する製品ガスを得る場合には、回収率をあまり高くすることができず、排ガス中に含まれるメタンの濃度が高くなりやすいという実情があった。
しかし、膜分離装置を備えて、回収率を高めたガス精製装置として、メタンを９０％以上含有する製品ガスを得ることができると、バイオガス中のメタンを有効利用することができるとともに、大気中に放散される地球温暖化ガスとしてのメタンを減少させ、環境保全に寄与することができる。
〔構成１１〕
前記吸着材が活性炭、モレキュラーシーブカーボン、ゼオライト、多孔性の金属錯体から選ばれる少なくとも一種の材料を主成分とするものであってもよい。
〔作用効果１１〕
活性炭、モレキュラーシーブカーボン、ゼオライト、多孔性の金属錯体から選ばれる少なくとも一種の材料を主成分とする吸着材は、ＰＳＡ装置の吸着材として汎用されており、ガス吸着分離効率が高いものが知られている。特に、活性炭や、モレキュラーシーブカーボンは、メタンガスと二酸化炭素との分離特性に優れ、バイオガス、炭鉱ガスの濃縮の際二酸化炭素を効率よく吸着分離できる。モレキュラーシーブカーボン、ゼオライト、多孔性の金属錯体は、分子径の小さなガスを分離するのに適しており、水素、ヘリウム等を含有するガスからメタンを濃縮する用途でも好適に用いられる。
〔構成１２〕
前記吸着材が、ＭＰ法で測定した細孔径０．３８ｎｍ以上において、その細孔径における細孔容積（Ｖ０．４０）が０．０１ｃｍ３／ｇを超えず、細孔径０．３４ｎｍにおける細孔容積（Ｖ０．３４）が０．２０ｃｍ３／ｇ以上であるモレキュラーシーブカーボンであってもよい。
〔作用効果１２〕
このようなモレキュラーシーブカーボンは、きわめてメタン、空気分離性能が高く、バイオガス等の原料ガスから精製対象ガスとしてメタンを濃縮するのに好適な形態とすることができる。
〔構成１３〕
また、前記分離膜が酢酸セルロース、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、カーボン膜、微多孔質ガラス複合膜、ＤＤＲ型ゼオライト、多分岐ポリイミドシリカ、ポリジメチルシロキサンから選ばれる少なくとも一種の材料を主成分とするものとすることができる。
〔作用効果１３〕
膜分離装置が、これらの分離膜を備えると、効率よく膜分離を行え、しかも、耐久性が高いことが知られており有用である。また、これらの材料は、特にメタンと二酸化炭素の分離係数が高く、バイオガスからメタンを濃縮する際に有効である。
〔構成１４〕
また、前記原料ガス供給路に昇圧ポンプを備え、前記昇圧ポンプによる原料ガスの吸着塔に対する供給圧が０．５ＭＰａＧ〜２ＭＰａＧとすることができる。
なお、本願で用いる「ＰａＧ」とは、ゲージ圧をＰａであらわしたものであって、大気圧との相対圧を示すものである。
〔作用効果１４〕
このような圧力であれば、常圧で供給される原料ガスを比較的少ない動力でＰＳＡ装置の吸着塔に供給でき、ＰＳＡ装置でも十分な吸着分離性能を発揮しやすいため好適である。また、圧力を上げすぎると、メタンの回収率が低下する問題がある。
そこで、０．５ＭＰａＧ以上としておくことによって、ＰＳＡ装置におけるガス分離能力を高く維持しつつ、２ＭＰａＧ以下としておくことによって、装置全体としてエネルギー効率の高い動力に設定でき、メタン回収率も高く維持できる。
なお、ＰＳＡ装置の排気圧は、脱着工程のガス脱着圧や、吸着材を洗浄する際のガス洗浄圧にしたがって変動する。また、膜分離圧は、最大でも常圧（膜分離装置の雑ガス透過側に減圧ポンプを設けてある場合はその減圧度）との差圧となる。したがって、排気圧は、ＰＳＡ装置における工程の進行状況によってある程度変動し、膜分離圧もこの分だけ変動する。また、膜分離装置の雑ガス透過側に減圧ポンプを設けてあれば、減圧ポンプの駆動動力を小さくかつ、効率のよい膜分離が可能な範囲に維持設定できることになる。
したがって、より高純度のメタンを回収できるようになり、従来再利用することが困難であったバイオガス等をメタン回収率高く有効利用することができるようになった。
ガス精製装置の概略図 メタン濃縮方法を示す工程図 図２のメタン濃縮方法を行う場合のガス流通動作説明図 図２のメタン濃縮方法を行う場合の吸着塔内の圧力の推移を示す図 別実施形態（２）のガス精製装置の概略図 別実施形態（５）のガス精製装置の概略図 別実施形態（６）のガス精製装置の概略図 別実施形態（７）のガス精製装置によるメタン濃縮方法を示す工程図 別実施形態（１０）のガス精製装置の概略図 別実施形態（１１）のメタン濃縮方法を示す工程図 図１０のメタン濃縮方法を行う場合のガス流通動作説明図 図１０のメタン濃縮方法を行う場合の吸着塔内の圧力の推移を示す図 別実施形態（５）の更に異なるガス精製装置の概略図
以下に、本発明のガス精製装置を説明する。なお、以下に好適な実施形態を記すが、これら実施形態はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
〔ガス精製装置〕
ガス精製装置は、図１に示すように、吸着材Ａ１１〜Ａ１４を充填した吸着塔Ａ１〜Ａ４を備える。各吸着塔には、原料ガスタンクＴ１からたとえばバイオガスを原料として供給する原料ガス供給路Ｌ１、吸着材Ａ１１〜Ａ１４に吸着されなかった精製対象ガスとしてのメタンを製品ガスとして回収する製品ガス回収路Ｌ２および製品ガスタンクＴ２、吸着材Ａ１１〜Ａ４１に吸着した雑ガスとしての二酸化炭素を脱着させて排気する雑ガス排出路Ｌ３が設けられる。本実施の形態では、吸着塔Ａ１〜Ａ４の４塔を備える構成としたが、塔数は複数であれば限定されるものではなく、３塔、５塔その他、適宜必要に応じ選択することが可能である。
原料ガスタンクＴ１から原料ガス供給路Ｌ１へのガス供給は、供給ポンプＰ１を用いて行い、その供給ポンプＰ１をバイパスするバイパス路Ｌ１０に圧力制御弁Ｖｃ１を設け、吸着塔Ａ１〜Ａ４を昇圧する際の圧力を安定制御可能に構成してある。前記原料ガス供給路Ｌ１に供給された原料ガスは切換弁Ｖ１１〜Ｖ４１を備えた供給路Ｌ１１〜Ｌ４１を介して各吸着塔Ａ１〜Ａ４に供給される。
前記吸着塔Ａ１〜Ａ４から排出された製品ガスは、切換弁Ｖ１２〜Ｖ４２を備えた回収路Ｌ１２〜Ｌ４２を通じて製品ガス回収路Ｌ２に流入する。前記製品ガス回収路Ｌ２には、圧力制御弁Ｖｃ２が設けられている。前記圧力制御弁Ｖｃ２により、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４から製品ガスタンクＴ２に回収される製品ガスの圧力を制御することにより、吸着塔Ａ１〜Ａ４における原料ガスの供給圧との関係から前記吸着塔Ａ１〜Ａ４からの製品ガス回収圧を制御可能に構成してある。
前記吸着塔Ａ１〜Ａ４で吸着された雑ガスは、減圧されることにより吸着材Ａ１１〜Ａ１４から脱離し、切換弁Ｖ１３〜Ｖ４３を備えた排ガス路Ｌ１３〜Ｌ４３を通じて前記雑ガス排出路Ｌ３から排出される。前記雑ガス排出路Ｌ３には、精製対象ガスとしてのメタンを透過せず、前記雑ガスとしての二酸化炭素を透過する分離膜Ｍ１を有する。また、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４の排気圧で精製対象ガスと雑ガスとを分離する膜分離装置Ｍを設け、分離膜Ｍ１で精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを原料ガス供給路Ｌ１に返送する再生ガス返送路Ｌ５を設けるとともに、前記雑ガス排出路Ｌ３における前記膜分離装置Ｍの雑ガス透過側に排気路Ｌ６を設けてある。
また、前記製品ガス回収路Ｌ２には、前記製品ガスタンクＴ２から前記吸着塔Ａ１〜Ａ４に洗浄用ガスとしての製品ガスを流入する製品ガス洗浄路Ｌ４を前記圧力制御弁Ｖｃ２の上流側（吸着塔Ａ１〜Ａ４側）に設けてある。すなわち、洗浄用ガスは製品ガスタンクＴ２から製品ガス洗浄路Ｌ４に流れ、切換弁Ｖ１４〜Ｖ４４を備えた洗浄路Ｌ１４〜Ｌ４４を通じて各吸着塔へ供給されるとともに、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４内のガスは、製品ガスに置換され、雑ガスとして、切換弁Ｖ１３〜Ｖ４３を備えた排ガス路Ｌ１３〜Ｌ４３を通じて前記雑ガス排出路Ｌ３から排出される。さらに、製品ガス洗浄路Ｌ４における製品ガス回収路Ｌ２と吸着塔Ａ１〜Ａ４との間には、減圧弁Ｖｒ４，開閉弁Ｖｏ、ニードル弁Ｖｎ４を設けてある。これにより、前記製品ガスタンクＴ２から製品ガスを洗浄用ガスとして、製品ガス洗浄路Ｌ４から切換弁Ｖ１４〜Ｖ４４を備える洗浄路Ｌ１４〜Ｌ４４を介して吸着塔Ａ１〜Ａ４に流入させて、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４を洗操作浄可能となる。したがって、吸着塔Ａ１〜Ａ４の洗浄圧力は減圧弁Ｖｒ４により制御され、ニードル弁Ｖｎ４により急激な圧力変化が起きないように調整されるとともに、開閉弁Ｖｏ４により操作切換容易になっている。
前記再生ガス返送路Ｌ５には、再生ガスタンクＴ５および圧力制御弁Ｖｃ５を設けてある。すなわち、膜分離装置Ｍで分離膜Ｍ１を透過しなかった雑ガスは、Ｌ５を通じてＴ５に回収貯留されるとともに、再生ガスタンクＴ５からＬ１に再供給される構成となっている。これにより、膜分離装置Ｍの膜分離圧が各吸着塔Ａ１〜Ａ４の排気圧に基づき制御されるとともに、再生ガスタンクＴ５に貯留され、再生ガス返送路Ｌ５に返送される再生ガスは、定圧で前記原料ガス供給路Ｌ１に返送され、再利用される。
また、前記雑ガス排出路Ｌ３から、膜分離装置Ｍを経由せずに雑ガスを前記再生ガス返送路Ｌ５の圧力制御弁Ｖｃ５よりも下流側（再生ガスタンクＴ５側）にバイパスさせるバイパス路Ｌ３０が設けられている。前記バイパス路Ｌ３０およびバイパス路Ｌ３０よりも膜分離装置Ｍ側の前記雑ガス排出路Ｌ３に開閉弁Ｖｏ３，Ｖｏ５を設け、メタン純度の高い雑ガスを、膜分離装置Ｍを経由せずそのまま再生ガスタンクＴ５に回収可能に構成してある。
前記膜分離装置Ｍの雑ガス透過側の前記排気路Ｌ６には、減圧ポンプＰ６を設けてある。前記減圧ポンプＰ６は、定常運転され、吸着塔Ａ１〜Ａ４の雑ガス排出路Ｌ３側圧力に基づいて膜分離圧を所定圧以上に維持する役割を果たす。
また、各吸着塔Ａ１〜Ａ４には塔間均圧路Ｌ７が設けられ、各均圧（降圧）工程において吸着塔Ａ１〜Ａ４の上部から排出されるガスをＬ４を介して各均圧（昇圧）工程の行われる吸着塔Ａ１〜Ａ４の上部に移送可能に構成してある。すなわち、均圧（降圧）工程において吸着塔Ａ１〜Ａ４の上部から排出されるガスは、切換弁Ｖ１７〜Ｖ４７を備える均圧路Ｌ１７〜Ｌ４７を介して塔間均圧路Ｌ７に流入し、切換弁Ｖ１４〜Ｖ４４を備える洗浄路Ｌ１４〜Ｌ４４を介して各均圧（昇圧）工程の行われる吸着塔Ａ１〜Ａ４に流入する。この際、前記塔間均圧路Ｌ７には、ニードル弁Ｖｎ７および開閉弁Ｖｏ７が設けられており、これにより、各均圧路を通じて吸着塔上部から排出されたガスは、ニードル弁Ｖｎ７により徐々に移送され、製品ガス洗浄路Ｌ４を介して異なる吸着塔Ａ１〜Ａ４に流入することになる。尚、本実施の形態では、均圧路は図１に示すとおり、各吸着塔の上部どうしを接続して均圧する構成としたが、これに限定されず、たとえば、吸着塔の上部と下部をつなぐ構成や、下部と下部とをつなぐ構成、中間部をつなぐ構成など適宜変更して設けることができる。
また、各吸着塔Ａ１〜Ａ４には、吸着塔Ａ１〜Ａ４内部を昇圧用ガスとしての製品ガスを供給するための製品ガス昇圧路Ｌ８が設けてある。すなわち、昇圧工程において、Ｔ２から供給される製品ガスは、製品ガス昇圧路Ｌ８から切換弁Ｖ１８〜Ｖ４８を備える昇圧路Ｌ１８〜Ｌ４８を介して各吸着塔に流入する。この際、前記製品ガス昇圧路Ｌ８には、開閉弁Ｖｏ８および圧力制御弁Ｖｃ８が設けられており、製品ガスタンクＴ２の保有圧に基づき吸着塔Ａ１〜Ａ４内に製品ガスを移流させて昇圧可能に構成してある。
また、ガス精製装置には、制御装置Ｃが設けられている。この制御装置Ｃは、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４と、前記原料ガス供給路Ｌ１、前記製品ガス回収路Ｌ２、前記雑ガス排出路Ｌ３、前記製品ガス洗浄路Ｌ４、前記Ｌ５、前記Ｌ６、前記Ｌ７、前記Ｌ８の各配管に設けられた切換弁Ｖ１１〜Ｖ４８等を開閉制御する。これにより、Ｐ１，Ｐ６を用いてて各吸着塔Ａ１〜Ａ４において各吸着工程を行う吸脱着制御装置として働くとともに、前記圧力制御弁Ｖｃ５により前記分離膜Ｍ１の膜分離圧を制御する再生制御装置や、前記製品ガスタンクＴ２から製品ガスを吸着塔Ａ１〜Ａ４に流入させて前記吸着塔Ａ１〜Ａ４を洗浄する洗浄制御装置としても機能する。
なお、ここでは、前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１としては、バイオガス中の二酸化炭素を主成分とする雑ガスを選択的に吸着できる吸着材Ａ１１〜Ａ１４が好適に用いられる。このような吸着材Ａ１１〜Ａ４１としては、活性炭、モレキュラーシーブカーボン、ゼオライト、多孔性の金属錯体から選ばれる少なくとも一種の材料を主成分とするものが用いられ、具体的には、たとえば、ＭＰ法で測定した細孔径０．３８ｎｍ以上において、その細孔径における細孔容積（Ｖ０．４０）が０．０１ｃｍ３／ｇを超えず、細孔径０．３４ｎｍにおける細孔容積（Ｖ０．３４）が０．２０ｃｍ３／ｇ以上であるモレキュラーシーブカーボンが用いられる。
前記分離膜Ｍ１としては、排ガス中の二酸化炭素を主成分とする雑ガスを透過し、精製対象ガスとしてのメタンを透過しない材料が好適に用いられる。このような分離膜としては、酢酸セルロース、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、カーボン膜、微多孔質ガラス複合膜、ＤＤＲ型ゼオライト、多分岐ポリイミドシリカ、ポリジメチルシロキサンから選ばれる少なくとも一種の材料を主成分とするものが用いられる。
なお、ここで用いる原料ガスとしてのバイオガスは、主成分がメタンおよび二酸化炭素であり、メタン含有率が６０％程度のものを対象としており、メタンを９８％以上含有する製品ガスを得るためのガス精製を行う。
〔吸着塔〕
吸着塔Ａ１〜Ａ４は、それぞれ、吸着材Ａ１１〜Ａ１４を充填してなる。各吸着塔Ａ１〜Ａ４の下部には、原料ガスタンクＴ１から供給ポンプＰ１によりバイオガスを供給する供給路Ｌ１１〜Ｌ４１を設けて原料ガス供給路Ｌ１を構成する。また、各吸着塔Ａ１〜Ａ４の上部に、吸着塔Ａ１〜Ａ４に供給されたバイオガスのうち吸着材Ａ１１〜Ａ４１に吸着されなかった精製対象ガスとしてのメタンを回収する回収路Ｌ１２〜Ｌ４２を設けて製品ガス回収路Ｌ２を構成してある。これにより、原料ガス供給路Ｌ１から吸着塔Ａ１〜Ａ４にバイオガスを供給するとともに、吸着材Ａ１１〜Ａ１４に吸着されなかったメタンを製品ガス回収路Ｌ２から排出することによって、吸着材Ａ１１〜Ａ１４に雑ガスを吸着してメタンと分離可能に構成してある。また、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４には、吸着材Ａ１１〜Ａ１４に吸着された雑ガスを排出する排ガス路Ｌ１３〜Ｌ４３を各吸着塔Ａ１〜Ａ４の下部に設けて前記雑ガス排出路Ｌ３を構成してあり、原料ガス供給路Ｌ１から供給されたバイオガスのうち吸着材Ａ１１〜Ａ４１に吸着され、濃縮後の高濃度の二酸化炭素を取出し可能に構成する。
なお、各ガス路Ｌ１１〜Ｌ４８には、切換弁Ｖ１１〜４８を設けてあり、各ポンプＰ１，Ｐ６の動作により、各吸着塔Ａ１〜Ａ４へのガスの供給、排出、停止の切換を、制御装置Ｃから一括して制御可能に構成してある。
〔膜分離装置〕
前記膜分離装置Ｍは、分離膜Ｍ１をモジュールとして備え、雑ガス排出路Ｌ３を介して供給される雑ガスを膜分離して雑ガスに含まれる精製対象ガスを回収可能に構成してある。具体的には、原料ガスとしてバイオガスを用いて精製対象ガスとしてメタンを精製する場合、雑ガスとして二酸化炭素を主成分とし、メタンを含有するガスが膜分離装置Ｍに供給される。膜分離装置Ｍに供給された雑ガスは膜分離装置Ｍ内で分離膜Ｍ１と接触し、分離膜Ｍ１の膜分離特性により、二酸化炭素が分離膜Ｍ１を透過して除去されるとともに、不透過のガスとして、供給された雑ガスよりもメタンの濃縮された再生ガスが得られる。この再生ガスを再生ガス返送路Ｌ５に排出し、原料ガス供給路Ｌ１に返送供給する一方、膜を透過した二酸化炭素を主成分とするガスを、排気路Ｌ６より外部に排出する。
また、前記再生ガス返送路Ｌ５には、再生ガスタンクＴ５が設けられるとともに、膜分離された再生ガスを、再生ガスタンクＴ５に貯留した後、所定圧力で原料ガス供給路Ｌ１に返送する。
〔メタン濃縮方法〕
前記制御装置Ｃは、図３に示すように、前記各切換弁Ｖ１１〜Ｖ４７および各ポンプＰ１，Ｐ６を制御して、図２にしたがって、各吸着塔Ａ１〜Ａ４で、
前記原料ガス供給路Ｌ１から原料ガスを受け入れて、雑ガスを前記吸着材Ａ１１〜Ａ１４に吸着するとともに、製品ガスを回収する吸着工程と、
吸着材Ａ１１〜Ａ１４に吸着した二酸化炭素を主成分とする雑ガスを減圧脱着して前記雑ガス排出路Ｌ３より排気する脱着工程と、を交互に行う圧力揺動運転を行う。
この圧力揺動運転にあたり、具体的には図２に示すように、
吸着塔Ａ１〜Ａ４下部から大気圧近傍のバイオガスの供給を受けて供給ポンプＰ１により前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１に供給し、二酸化炭素を主成分とする雑ガスを吸着するとともに、精製対象ガスとしてのメタンを主成分とする製品ガスを吸着塔Ａ１〜Ａ４上部から放出する前記吸着工程の前後で、２塔の吸着塔Ａ１〜Ａ４に同時に吸着工程を進行する並行吸着工程を行い、（前並行吸着工程、吸着工程、後並行吸着工程を順に行い、）
後並行吸着工程の後、高圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内の、比較的雑ガス濃度の低いガスを、当該吸着塔Ａ１〜Ａ４より低圧の中間圧状態の他の吸着塔Ａ１〜Ａ４に移送して、吸着塔Ａ１〜Ａ４内の圧力を高圧側の中間圧状態とする初段均圧（降圧）工程、
吸着塔Ａ１〜Ａ４の動作を行わない待機工程、
低圧状態より高圧の中間圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内の、初段均圧（降圧）工程に比べてメタン濃度のやや高められたガスを、低圧状態の他の吸着塔Ａ１〜Ａ４に移送して、吸着塔Ａ１〜Ａ４内の圧力を低圧側の中間圧状態とする最終均圧（降圧）工程と、
均圧（降圧）工程により塔内圧力が低下した後、さらに前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１を低圧状態まで減圧して、前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１に吸着された雑ガスを脱着させて吸着塔Ａ１〜Ａ４下部から回収する脱着工程、
脱着工程により吸着材Ａ１１〜Ａ１４の再生された吸着塔Ａ１〜Ａ４内に残留する雑ガスを製品ガスで置換洗浄する洗浄工程
低圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内に、前記高圧側の中間圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内のガスを受け入れて、吸着塔Ａ１〜Ａ４内の圧力を低圧側の中間圧状態とする初段均圧（昇圧）工程と、
待機工程と、
低圧側の中間圧状態の吸着塔Ａ１〜Ａ４内に、高圧状態の他の吸着塔Ａ１〜Ａ４内のガスを受け入れて、吸着塔Ａ１〜Ａ４内の圧力を高圧側の中間圧状態とする最終均圧（昇圧）工程と、
均圧（昇圧）工程により塔内圧力を上昇した後、さらに、前記吸着塔Ａ１〜Ａ４内に吸着塔Ａ１〜Ａ４上部から昇圧用空気を供給して、前記吸着材Ａ１１〜Ａ４１をメタンを選択的に吸着可能な高圧状態に復元する昇圧工程、
を順に行うように運転制御する。
また、このような制御により、各吸着塔Ａ１〜Ａ４の内部圧力は図４のように推移する。すなわち、各均圧工程により、順次塔内圧力を減少させることにより、塔内圧力が大きく低下した状態から脱着工程を行えることになり、少ない動力で吸着材に吸着した雑ガスを脱着させて吸着材を再生しやすくすることができる。
さらに具体的には、吸着塔Ａ１に対して以下のステップにしたがって制御する。他の吸着塔Ａ２〜Ａ４についても位相をずらせて同様の動作を行うことになるが、説明が重複するので図２、３の説明をもって詳細な説明を省略する。なお、吸着塔Ａ１〜Ａ４をこの順に第一〜第四吸着塔Ａ１〜Ａ４と呼ぶものとする。また、図２、３に各工程における開閉弁等の動作状態を示す。また、以下の説明における＜番号＞は、図２，３におけるステップ番号を示している。また、下記に具体的に示す運転条件は例示であって、本発明は、下記具体例により限定されるものではない。
＜１＞前並行吸着工程
図２、３に示すように第一吸着塔Ａ１に、原料ガスタンクＴ１より原料ガスとしてのバイオガスを導入する。このとき第一吸着塔Ａ１内の圧力は、原料ガスの供給圧により昇圧される。また、供給路Ｌ１１の切換弁Ｖ１１を介して原料ガスタンクＴ１から供給されるバイオガス中の雑ガスとしての二酸化炭素を前記吸着材Ａ１１に吸着させつつ、吸着しなかった製品ガスとしてのメタンを回収路Ｌ１２の切換弁Ｖ１２を介して製品ガスタンクＴ２に回収する。
ここで、吸着工程初期には、徐々に第一吸着塔Ａ１内圧を上昇させるために、第四吸着塔Ａ４の吸着工程の終了時期に徐々に第四吸着塔Ａ４内圧を低下するのと合わせて、第一吸着塔Ａ１の吸着工程を開始する。すなわち、第一吸着塔Ａ１の吸着工程の開始に先立って、第四吸着塔Ａ４の後並行吸着工程ととともに前並行吸着工程を行う。
このとき、第二吸着塔Ａ２では待機工程となり、第三吸着塔Ａ３では脱着工程が開始されている。
この前並行吸着工程は、約５秒行われ、第一吸着塔Ａ１内で原料ガス中のメタンと二酸化炭素の吸着分離が開始される。
＜２〜４＞吸着工程
図２、３に示すように、前記前並行吸着工程に続き、第一吸着塔Ａ１に、原料ガスタンクＴ１よりバイオガスを導入する。このとき第一吸着塔Ａ１内の圧力は、原料ガスの供給圧によりさらに昇圧される。また、供給路Ｌ１１の切換弁Ｖ１１を介して二酸化炭素を前記吸着材Ａ１１に吸着させつつ、メタンを製品ガスタンクＴ２に回収する。
なお、このとき第二吸着塔Ａ２では＜１＞最終均圧（昇圧）工程を行うとともに、＜２〜３＞昇圧工程に移行している。
また、第三吸着塔Ａ３では、＜１＞脱着工程の後、＜２＞洗浄工程、＜３＞初段均圧（昇圧）工程を行っている。
さらに、第四吸着塔Ａ４では、＜１＞初段均圧（降圧）工程を行うとともに、＜２＞待機工程を挟んで、＜３＞最終均圧（降圧）工程に移行している。
また、このときの製品ガス中のメタン純度は吸着工程の時間設定等により設定することができ、９０％以上とすることができる。
たとえば、円筒型（内径５４ｍｍ、容積４．５９７Ｌ）の吸着塔Ａ１を用い、
前記吸着材Ａ１１として、ＭＰ法によって細孔分布を測定した場合の細孔径分布が、細孔径０．３８ｎｍ以上において、その細孔径における細孔容積（Ｖ０．４０）が０．０５ｃｍ３／ｇ程度、細孔径０．３４ｎｍにおける細孔容積（Ｖ０．３４）が０．２０〜０．２３ｃｍ３／ｇであるモレキュラーシーブカーボンを用い、
１０Ｌ／分でメタン約６０％、二酸化炭素約４０％のバイオガスを処理したところ、
吸着工程を、供給ポンプＰ１による供給圧を０．８ＭＰａＧ程度として９０秒間行った場合、メタン濃度９６〜９８％、二酸化炭素濃度２％、圧力０．７〜０．７５ＭＰａＧ程度の製品ガスを製品ガスタンクＴ２に回収することができた。
＜５＞後並行吸着工程
第一吸着塔Ａ１の吸着工程の終期に、吸着工程始期の第二吸着塔Ａ２と並行して吸着工程を行う後並行吸着工程を行う。すなわち、吸着工程におけるバイオガスの供給量と、本工程における第一、第二吸着塔Ａ１，Ａ２に対するバイオガス供給量の和が同量となるので、本工程では第一、第二吸着塔Ａ１，Ａ２に対するバイオガス供給量それぞれが、吸着工程におけるバイオガス供給量よりも少なく設定されることになる。したがって、図２、３に示すように、この工程では、吸着工程の終期に吸着流量を低下させることによって、吸着塔内の環境変化が穏やかに進行するように抑制することができ、吸着塔Ａ１内のバイオガス流を安定させ、吸着塔Ａ１内に乱流が生じるのを抑制し、吸着材Ａ１１を安定的に作用させることができる。
なお、このとき、第三吸着塔Ａ３では待機工程、第四吸着塔Ａ４では脱着工程を行っている。
また、この後並行吸着工程は、上記吸着工程の直後５秒間行われる。
＜６＞初段均圧（降圧）工程
吸着工程を終えた第一吸着塔Ａ１では、最終均圧（昇圧）工程を行う第三吸着塔Ａ３との間で初段均圧（降圧）工程を行う。すなわち、図２、３に示すように、均圧路Ｌ１７の切換弁Ｖ１７を介して、塔内の非吸着ガスを排出し、洗浄路Ｌ３４の切換弁Ｖ３４を介して第三吸着塔Ａ３に移送する構成となっている。これにより第一吸着塔Ａ１は、図３に示すように、低圧側の中間圧状態の第三吸着塔Ａ３と圧力平衡が行われる。
なお、このとき、第二吸着塔Ａ２では吸着工程を行っており、第四吸着塔Ａ４では脱着工程を行っている。
また、この初段均圧（降圧）工程は、５秒間行われ、約０．５ＭＰａＧの高圧側の中間圧状態に移行する。
＜７＞待機工程
次に、第一吸着塔Ａ１は待機状態となり、高圧側の中間圧状態が維持される。
このとき、第二吸着塔Ａ２は吸着工程を行っており、また、第三吸着塔Ａ３は、昇圧工程に移行し、第四吸着塔Ａ４は洗浄工程に移行する。
また、この待機工程は、９０秒間行われ、上記高圧側の中間圧状態が維持される。
＜８＞最終均圧（降圧）工程
次に、図２、３に示すように、第一吸着塔Ａ１は、脱着工程を終え、初段均圧（昇圧）工程を行う第四吸着塔Ａ４との間で最終均圧（降圧）工程を行う。すなわち、均圧路Ｌ１７の切換弁Ｖ１７を介して、塔内の非吸着ガスおよび吸着材Ａ１１から初期に脱着し始める雑ガスを排出し、洗浄路Ｌ４４の切換弁Ｖ４４を介して第四吸着塔Ａ４に移送する構成となっている。これにより、第一吸着塔Ａ１は、脱着工程を終えて低圧状態の第四吸着塔Ａ４と圧力平衡が行われる。
なお、このとき、第二吸着塔Ａ２は吸着工程を行っており、第三吸着塔Ａ３は昇圧工程を行っている。
また、この最終均圧（降圧）工程は、５秒間行われ、約０．２５ＭＰａＧの低圧側の中間圧状態に移行する。
＜９〜１０＞脱着工程
図２、３に示すように、低圧側の中間圧状態に達した第一吸着塔Ａ１は、塔内の吸着材Ａ１１に高濃度の雑ガスを吸着している状態になっており、塔内を低圧側の中間圧状態から低圧状態にまで減圧する脱着工程を行うことにより、吸着材Ａ１１に吸着された高濃度の雑ガスを回収する。すなわち、排ガス路Ｌ１３の切換弁Ｖ１３を介して濃縮された雑ガスを第一吸着塔Ａ１の内圧により膜分離装置Ｍに供給する。
このときの膜分離装置Ｍの動作状態については後述する。
なお、このとき第二吸着塔Ａ２では第三吸着塔Ａ３と並行して＜８＞後並行吸着工程を行った後、第四吸着塔Ａ４との間で＜９＞初段均圧（降圧）工程が行われる。
また第三吸着塔Ａ３では、第二吸着塔Ａ２と並行して＜８＞前並行吸着工程が行われた後、＜９＞吸着工程が行われる。
第四吸着塔Ａ４では、＜８＞待機工程の後、第二吸着塔Ａ２との間で＜９＞最終均圧（昇圧）工程が順に行われる。
また、この脱着工程は、３６５秒間行われ、第一吸着塔Ａ１は、図３に示されるように、低圧側の中間圧状態からほぼ大気圧の低圧状態に移行する。
＜１１＞洗浄工程
図２、３に示すように、低圧状態に移行した第一吸着塔Ａ１は、塔内に製品ガスを流入させることにより、塔内ガスをメタンを主成分とするガスに置換洗浄する。すなわち、製品ガス洗浄路Ｌ４の開閉弁Ｖｏ４を開成し、ニードル弁Ｖｎ４を調節して、洗浄路Ｌ１４の切換弁Ｖ１４を通じて製品ガスタンクＴ２から第一吸着塔Ａ１に製品ガスを流入させて製品ガスタンクＴ２の内圧を吸着塔Ａ１内に静かに作用させて、第一吸着塔Ａ１内雰囲気をメタンに置換するとともに、第一吸着塔Ａ１内に残留するガス排ガスとして排ガス路Ｌ１３の切換弁Ｖ１３を介して雑ガス排出路Ｌ３に放出するに供給する。
このとき、開閉弁Ｖｏ５を開成するとともに、開閉弁Ｖｏ３を閉成し、製品ガスを主成分とする洗浄ガスを、膜分離装置Ｍをバイパスして再生ガス返送路Ｌ５に移行させ、直接再生ガスタンクＴ５に回収する構成とする。
なお、このとき第二吸着塔Ａ２では、待機工程となり、第三吸着塔Ａ３では吸着工程を継続している。また、第四吸着塔Ａ４では、昇圧工程が行われる。
この洗浄工程は、約９０秒間行われ、第一吸着塔Ａ１内はほぼ大気圧の低圧状態に移行される。
＜１２＞初段均圧（昇圧）工程
図２、３に示すように、低圧状態となって、吸着したメタンを放出し、吸着材Ａ１１を再生された第一吸着塔Ａ１では、第二吸着塔Ａ２との間で初段均圧（昇圧）工程を行うことにより、塔内の圧力を回復するとともに、第二吸着塔Ａ２における最終均圧（降圧）工程で排出された、吸着材Ａ１１からの初期脱離ガスにより比較的メタンを高濃度に含有する排ガスを受け入れる。すなわち、塔間均圧路Ｌ７において、均圧路Ｌ２７における切換弁Ｖ２７を介して高圧側の中間圧状態の第二吸着塔Ａ２から排出される塔内ガスを、洗浄路Ｌ１４における切換弁Ｖ１４より受け入れる。これにより第一吸着塔Ａ１は、図３に示すように、低圧状態から低圧側の中間圧状態にまで圧力を回復する。
なお、このとき第三吸着塔Ａ３では、吸着工程を継続しており、第四吸着塔Ａ４では昇圧工程を行っている。
この初段均圧（昇圧）工程は、約１０秒間行われ、第一吸着塔Ａ１は約０．２５ＭＰａＧまで圧力を回復する。
＜１３＞待機工程
次に、図２、３に示すように、第一吸着塔Ａ１は待機状態となり、高圧側の中間圧状態が維持される。
このとき、第二吸着塔Ａ２は脱着工程を行っており、また、第三吸着塔Ａ３、第四吸着塔Ａ４は後並行吸着工程および前並行吸着工程に移行している。
この待機工程は、約５秒間行われ、第一吸着塔Ａ１は約０．２５ＭＰａＧに維持される。
＜１４＞最終均圧（昇圧）工程
図２、３に示すように、低圧側の中間圧状態にまで圧力を回復した第一吸着塔Ａ１は、次に吸着工程を終えた直後で初段均圧（降圧）工程を行う第三吸着塔Ａ３との間で最終均圧（昇圧）工程を行うことにより、さらに塔内の圧力の回復を図る。すなわち、塔間均圧路Ｌ７の均圧路Ｌ１７〜Ｌ３７において、切換弁Ｖ１７、Ｖ３７を介して、高圧状態の第三吸着塔Ａ３から排出される塔内ガスを受け入れる。これにより第一吸着塔Ａ１は、図３に示すように、低圧側の中間圧状態から高圧側の中間圧状態にまで圧力を回復する。
なお、このとき第二吸着塔Ａ２では脱着工程を行っており、第四吸着塔Ａ４では吸着工程を行っている。
この最終均圧（昇圧）工程は、約１０秒間行われ、第一吸着塔Ａ１内は、約０．５ＭＰａＧにまで昇圧される。
＜１５〜１６＞昇圧工程
図３に示すように、高圧側の中間圧状態にまで圧力を回復した第一吸着塔Ａ１は、製品ガスを圧入することにより高圧状態にまで圧力を復元される。すなわち、製品ガス洗浄路Ｌ４の切換弁Ｖ１４を介して第一吸着塔Ａ１に製品ガスを流入させる。これにより、第一吸着塔Ａ１内部は高圧状態まで復元され、バイオガスを供給することによりバイオガス中の二酸化炭素を吸着可能な高圧状態に再生される。
なお、このとき、第二吸着塔Ａ２では、＜１４＞洗浄工程の後、第三吸着塔Ａ３との間で＜１５＞初段均圧（昇圧）工程を行う。また、第三吸着塔Ａ３では、＜１４＞待機工程の後、第二吸着塔Ａ２との間で＜１５＞最終均圧（降圧）工程を行っている。また、第四吸着塔Ａ４では吸着工程が行われている。
この昇圧工程は約５０秒行われ、第一吸着塔Ａ１内をバイオガス中のメタンと二酸化炭素とを分離可能な０．８ＭＰａＧにまで昇圧される。
〔膜分離装置の動作状態〕
雑ガス排出路Ｌ３には、分離膜Ｍ１を備えた膜分離装置Ｍが設けられ、雑ガス排出路Ｌ３から排出される二酸化炭素を主成分とする雑ガスから二酸化炭素を透過してメタンを分離可能に接続されている。分離膜Ｍ１を透過せず、メタン濃度の高められたガスは、再生ガスとして再生ガス返送路Ｌ５に排出され、分離膜Ｍ１を透過して、二酸化炭素を主成分とするガスは、減圧ポンプＰ６により排気路Ｌ６に放出可能に構成してある。
脱着工程時には、膜分離装置Ｍによる分離膜Ｍ１の一次側圧力は、吸着塔Ａ１〜Ａ４の排気圧となるので０．２５ＭＰａＧ〜０ＭＰａＧ程度に変動するが、二次側は減圧ポンプＰ６により、常時−０．１ＭＰａＧ（真空相当）とされており、膜分離圧０．３５ＭＰａＧ〜０．１ＭＰａＧが維持され、連続的な膜分離操作が行える状況になっている。
また、洗浄工程の際には、膜分離装置Ｍによる膜分離の一次側圧力は、吸着塔Ａ１〜Ａ４の洗浄圧となるので０ＭＰａＧ程度で一定であるので、膜分離圧０．１ＭＰａＧが維持され、連続的な膜分離操作が行える状況になっているが、基本的に洗浄用ガスとして製品ガスを用いる場合、膜分離装置Ｍに供給されるガス中に二酸化炭素ガスはあまり含まれておらず、十分なガス分離が継続される。
このような構成により、排気路Ｌ６から放出される排ガスはメタン２〜６％、二酸化炭素９４〜９８％程度の排ガスとすることができる。また、再生ガス返送路Ｌ５に返送されるガス組成は、メタン６０％、二酸化炭素４０％程度のメタン含有ガスとなっている。
また、再生ガス返送路Ｌ５には圧力制御弁Ｖｃ５を設けるとともに、膜分離装置Ｍと圧力制御弁Ｖｃ５との間には、再生ガスタンクＴ５を設けてあり、再生ガス返送路Ｌ５は、原料ガス供給路Ｌ１における供給ポンプＰ１の上流側に接続してあるから、再生ガスを原料ガスに混合して再度分離精製することができる。
上記実施形態のメタン濃縮方法では、１０Ｌ／分でメタン６０％のバイオガスを処理した場合に、メタン９６〜９８％の製品ガスと、メタン２〜５％の排ガスが得られ、メタンの回収率は９５％であった。また、流量を増やして１７Ｌ／分としてもメタン９６〜９８％の製品ガスと、メタン２〜５％の排ガスが得られ、メタンの回収率は９５％と、同様の濃縮効率及び回収率でメタン濃縮が可能であることが確認できた。
これに対して、上記膜分離装置を用いることなく、前記吸着塔を圧力揺動運転して、メタン濃縮を行ったところ、１０Ｌ／分でメタン６０％のバイオガスを処理した場合に、メタン９６〜９８％の製品ガスを得ると、排ガスはメタン１５〜２０％となり、メタンの回収率は８３％であった。
すなわち、本発明のメタン濃縮方法によると、高い濃縮効率と高い回収率とを両立できることが実験的に明らかになった。
〔別実施形態〕
（１）
上記ガス精製装置には、圧力センサ、温度センサ等は適宜設けることができる。具体的には、通常、原料ガスの供給圧や、製品ガスのメタン濃度などをモニタする圧力センサやガスセンサを設けるのであるが、上述の実施形態においては詳細な説明を省略してあるものとする。
（２）
また、各配管にガスを流通させるための供給ポンプＰ１や減圧ポンプＰ６は、上記配置に限らず、ガス流通可能に構成されるのであれば種々変形することができる。具体的には、上述のガス精製装置では、必要最小限度の構成としてあるが、原料ガス供給路Ｌ１における再生ガス返送路Ｌ５との接続部分より上流側（原料ガスタンクＴ１側）に供給ポンプＰ１を設ける構成が採用できるほか、たとえば、供給ポンプＰ１を省略して、再生ガス返送路Ｌ５に原料ガス供給路Ｌ１に対して原料ガスの供給圧を与える圧縮ポンプＰ５を設けることとしてもよい。このような場合、たとえば、図５のように構成し、圧縮ポンプＰ５にバイパスするバイパス路に設けた圧力制御弁Ｖｃ５１により、原料ガス供給路Ｌ１に対する供給圧を適正に維持する。
（３）
また、上述の実施形態の説明によると、排気路Ｌ６には、減圧ポンプＰ６を設けなくても動作可能であることが明らかであり、設備の簡素化の観点からは減圧ポンプＰ６を省略することが好ましく、膜分離圧の安定化の観点からは、減圧ポンプＰ６を設けることが好ましい。また、減圧ポンプＰ６を設ける場合、安定運転の観点からは、減圧ポンプＰ６を定常運転することが望ましいが、図２における洗浄工程が進行しているステップ３，７，１１，１５および、その後、脱着工程が開始されるまでのステップ４，８，１２，１６においては、減圧ポンプＰ６を低負荷運転、または、停止することができる。またこのような場合に、圧力制御弁Ｖｃ５は、開度を絞った状態あるいは閉止状態に固定しておくことができる。
すなわち、脱着工程の際には、雑ガス排出路Ｌ３のガスを膜分離して再生ガスを得る必要があるので、膜分離圧を十分作用させる必要があるが、雑ガス排出路Ｌ３にガスが流出しない工程時や、洗浄工程を行う際に、製品ガスを用いる場合には膜分離を行う必要性が少なく、また、そもそも洗浄工程では膜分離装置Ｍに対するガス供給圧が少ない。したがって膜分離圧の要求されない時間帯に減圧ポンプＰ６の出力を低下させておくことできる。減圧ポンプＰ６の出力を要求される膜分離圧に応じて低下させる場合、減圧ポンプＰ６をインバータ制御することができる。
（４）
上記実施形態において再生ガス返送路Ｌ５においては、ガス組成のバランスを図る上で、膜分離装置Ｍから回収するガス量が原料ガス供給路Ｌ１に再供給されるガス量を上回る状況も想定される。このような場合、再生ガスタンクＴ５に貯留されるガスは、増加し続けることになるので、前記再生ガスタンクＴ５に余剰再生ガスを廃棄するための廃棄路を設けておくこともできる。
（５）
先にも述べたように、洗浄工程の際に雑ガス排出路Ｌ３に流通するガスは、製品ガスが主成分であるから、膜分離工程後、直接製品ガスとして回収してもかまわない程度の純度である場合もある。また、通常の脱着工程における再生ガスであっても、同様に十分な純度である場合がある。このような場合、図６に示すように、再生ガス返送路Ｌ５に、再生ガスを製品ガスとして回収するための再生ガス回収路Ｌ９を設けて、圧入ポンプＰ９を介して製品ガス回収路Ｌ２にバイパスさせることもできる。このような場合、雑ガス排出路Ｌ３に流通するガスの組成等に応じて、再生ガスの流通先を再生ガス返送路Ｌ５→原料ガス供給路Ｌ１にするか再生ガス回収路Ｌ９→製品ガスタンクＴ２にするか分岐制御すればよい。すなわち、再生ガスの製品ガス純度が高い場合には、再生ガスを再生ガス回収路Ｌ９を介して製品ガスタンクＴ２に回収し、再生ガスの製品ガス純度が低いときには再生ガス返送路Ｌ５を介して原料ガス供給路Ｌ１に返送する形態とすることができる。
なお、たとえば、（１）常に、再生ガスを製品ガスとして回収してよい製品ガス純度に維持できるような場合、または、（２）再生ガスが、原料ガスより高純度である場合、もしくは、（３）再生ガスに原料ガスを適量添加することで発電用燃料として十分に使用可能になる程度の純度を有している場合などは、再生ガス返送路Ｌ５を省略して、再生ガス回収路Ｌ９のみ設けることもできる（図１３参照）。
（６）
上記実施形態では４塔の吸着塔Ａ１〜Ａ４を備えたガス精製装置としたが、これに限らず２塔、３塔で交互に処理する方式のものであっても良く、複数塔備えて連続的なＰＳＡが行える構成であればよい。たとえば、３塔であれば、図７のように構成することができる。
（７）
ＰＳＡサイクルとしては、各吸着塔を連続的に有効に利用できる形態であれば上述の構成に限るものではなく、種々変形を行うことができる。たとえば、上記図７の構成のガス精製装置であれば、図８に従った運転方法が可能である。
（８）
前の実施形態では、洗浄工程の際に前記吸着塔に対して静圧（圧力をかけない）で製品ガスを供給したが、加圧状態で洗浄工程を行うこともできる。この場合、洗浄効率を向上できる。
（９）
本発明のガス精製装置は、バイオガスの精製に用いる例を示したが、バイオガス以外にもたとえば炭鉱ガスなど、バイオガス同様に含有するメタンを高濃度に濃縮する場合や、他にも、原料ガスから精製対象ガス以外の雑ガスを吸着することにより精製する用途で用いることができ、この際、精製対象ガス、雑ガスの種類、濃度に応じて、吸着剤、分離膜の材料を適宜変更することができる。
（１０）
先の実施形態の構成に加えて、図９に示すように、前記雑ガス排出路Ｌ３における前記膜分離装置Ｍの上流部に、バッファタンクＴ３を設けて構成することができる。なお、Ｖｃ５２は、バッファタンクＴ３内の圧力を適宜吸着塔Ａ１〜Ａ４の内圧よりも低く維持するための圧力制御弁である。また、図９中Ｌ９は、図６における再生ガス回収路Ｌ９と同様に、圧入ポンプＰ９を介して製品ガス回収路Ｌ２に再生ガスを回収する管路であることを同様の符号を付して示すものである。
この場合、前記バッファタンクは、脱着工程により排出される雑ガスを、前記膜分離装置に供給される前に一旦貯留することができる。このとき、前記吸着塔とバッファタンクとの圧力差により均圧操作により、比較的高濃度に精製対象ガスを含む高圧の雑ガスをそのバッファタンク内に蓄積することができる。雑ガスの内、比較的圧力の低い雑ガスは、Ｖｏ５を経由して再生ガスタンクに供給することができ、バッファタンクおよび再生ガスタンク内の雑ガスは、吸着塔で脱着工程を行っていない時期であっても、必要に応じて膜分離装置に供給することができる。
その後、前記バッファタンク内の雑ガスを膜分離装置に供給すると、吸着塔内から初期に排出される高圧の雑ガスを圧力緩和して膜分離装置に供給することができるようになり、高圧の雑ガスの圧力を利用した回収率の高い膜分離動作を行いながらも、雑ガスから精製対象ガスを高精度に精製することができる。
また、図９の構成においても、図６の構成同様に、雑ガス排出路Ｌ３に流通するガスの組成等に応じて、再生ガスの流通先を再生ガス返送路Ｌ５→原料ガス供給路Ｌ１にするか再生ガス回収路Ｌ９→製品ガスタンクＴ２にしたり、再生ガス回収路Ｌ９→直接製品ガスとして使用するなどに分岐制御することができる。すなわち、再生ガスの製品ガス純度が高い場合には、再生ガスを再生ガス回収路Ｌ９を介して製品ガスタンクＴ２に回収したり、製品ガスタンクＴ２に回収することなく製品ガスタンクＴ２内の製品ガスとは別の用途などの別の製品ガスとして使用することができ、再生ガスの製品ガス純度が低いときには再生ガス返送路Ｌ５を介して原料ガス供給路Ｌ１に返送する形態とすることができる。
なお、常に、再生ガスを製品ガスとして回収してよい製品ガス純度に維持できるような場合、再生ガス返送路Ｌ５を省略して、再生ガス回収路Ｌ９のみ設けることもできる。
（１１）
前の実施形態における図２〜４の構成のガス精製装置における配管、弁構成を簡略化することによって、図１０〜１２に従った運転方法を行うことができる。
すなわち、図１０〜１２の構成によると、製品ガスによる吸着塔の昇圧を省略し、原料ガスにより昇圧することにより、製品ガス昇圧路Ｌ８を不要とするとともに、洗浄工程を不要にできることから、製品ガス洗浄路Ｌ４を不要としている。このとき、昇圧による製品ガスのロスを節約できるので、製品ガス回収率を向上することができる。また、後並行吸着工程ののち待機工程を設けることで、圧力変動を一旦中断させることにより、図４において最大圧力から最少圧力まで３段階で変動していたところ、図１２において４段階でより緩慢に変動することになり、吸着塔内に急激な圧力変動を生じないのでより安定したガス精製装置の運転に寄与する。
本発明のガス精製装置は、より高純度のメタンを回収できるようになり、従来再利用することが困難であったバイオガス等をメタン回収率高く有効利用することができるガス精製装置として利用することができる。
Ａ１〜Ａ４ ：（第一〜第四）吸着塔
Ａ１１〜Ａ４１：吸着材
Ｃ ：制御装置
Ｌ１ ：原料ガス供給路
Ｌ２ ：製品ガス回収路
Ｌ３ ：雑ガス排出路
Ｌ４ ：製品ガス洗浄路
Ｌ５ ：再生ガス返送路
Ｌ６ ：排気路
Ｌ７ ：塔間均圧路
Ｌ８ ：製品ガス昇圧路
Ｌ９ ：再生ガス回収路
Ｌ１０、Ｌ３０：バイパス路
Ｌ１１〜Ｌ４１：供給路
Ｌ１２〜Ｌ４２：回収路
Ｌ１３〜Ｌ４３：排ガス路
Ｌ１４〜Ｌ４４：洗浄路
Ｌ１７〜Ｌ４７：均圧路
Ｌ１８〜Ｌ４８：昇圧路
Ｍ ：膜分離装置
Ｍ１ ：分離膜
Ｐ１ ：供給ポンプ
Ｐ５ ：圧縮ポンプ
Ｐ６ ：減圧ポンプ
Ｐ９ ：圧入ポンプ
Ｔ１ ：原料ガスタンク
Ｔ２ ：製品ガスタンク
Ｔ５ ：再生ガスタンク
Ｖ１１〜Ｖ４４：切換弁
Ｖｃ１〜Ｖｃ８：圧力制御弁
Ｖｎ４、Ｖｎ７：ニードル弁
Ｖｏ３〜Ｖｏ８：開閉弁
Ｖｒ４ ：減圧弁
〔構成１〕
上記目的を達成するための本発明のガス精製装置の特徴構成は、
原料ガスから精製対象ガス以外の雑ガスを吸着する吸着材を充填してある吸着塔を設け、
前記吸着塔に原料ガスを供給する原料ガス供給路を設け、
前記吸着材に吸着しなかった精製対象ガスを製品ガスとして排出する製品ガス回収路を設け、
前記吸着材に吸着した雑ガスを脱着させて排気する雑ガス排出路を設け、
前記吸着塔と、前記原料ガス供給路と、前記製品ガス回収路と、前記雑ガス排出路とを、
前記原料ガス供給路から原料ガスを受け入れて、雑ガスを前記吸着材に吸着するとともに、製品ガスを回収する吸着工程と、
吸着材に吸着した雑ガスを脱着して前記雑ガス排出路より排気する脱着工程と、
を交互に行う圧力揺動運転可能に接続したガス精製装置であって、
前記雑ガス排出路に、精製対象ガスを透過せず、前記雑ガスを透過する分離膜を有するとともに、前記吸着塔の排気圧で精製対象ガスと雑ガスとを分離する膜分離装置を設け、
分離膜で精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを前記原料ガス供給路に返送する再生ガス返送路を、前記原料ガス供給路における供給ポンプよりも上流側に接続する状態で設けた点にある。
〔構成２〕
前記雑ガス排出路に流通する排ガスを、前記膜分離装置をバイパスして前記再生ガス返送路に導くバイパス路を設けてあってもよい。
（２）
また、各配管にガスを流通させるための供給ポンプＰ１や減圧ポンプＰ６ は、上記配置に限らず、ガス流通可能に構成されるのであれば種々変形することができる。具体的には、上述のガス精製装置では、必要最小限度の構成としてあるが、参考の別実施形態として、原料ガス供給路Ｌ１における再生ガス返送路Ｌ５との接続部分より上流側（原料ガスタンクＴ１側）に供給ポンプＰ１を設ける構成が採用できるほか、たとえば、供給ポンプＰ１を省略して、再生ガス返送路Ｌ５ に原料ガス供給路Ｌ１に対して原料ガスの供給圧を与える圧縮ポンプＰ５を設けることとしてもよい。このような場合、たとえば、図５のように構成し、圧縮ポンプＰ５にバイパスするバイパス路に設けた圧力制御弁Ｖｃ５１により、原料ガス供給路Ｌ１に対する供給圧を適正に維持する。
（５）
先にも述べたように、洗浄工程の際に雑ガス排出路Ｌ３に流通するガスは、製品ガスが主成分であるから、膜分離工程後、直接製品ガスとして回収してもかまわない程度の純度である場合もある。また、通常の脱着工程における再生ガスであっても、同様に十分な純度である場合がある。このような場合、図６に示すように、再生ガス返送路Ｌ５に、再生ガスを製品ガスとして回収するための再生ガス回収路Ｌ９を設けて、圧入ポンプＰ９を介して製品ガス回収路Ｌ２にバイパスさせることもできる。このような場合、雑ガス排出路Ｌ３に流通するガスの組成等に応じて、再生ガスの流通先を再生ガス返送路Ｌ５→原料ガス供給路Ｌ１にするか再生ガス回収路Ｌ９→製品ガスタンクＴ２にするか分岐制御すればよい。すなわち、再生ガスの製品ガス純度が高い場合には、再生ガスを再生ガス回収路Ｌ９を介して製品ガスタンクＴ２ に回収し、再生ガスの製品ガス純度が低いときには再生ガス返送路Ｌ５を介して原料ガス供給路Ｌ１に返送する形態とすることができる。
なお、参考の別実施形態として、たとえば、（１）常に、再生ガスを製品ガスとして回収してよい製品ガス純度に維持できるような場合、または、（２）再生ガスが、原料ガス
より高純度である場合、もしくは、（３）再生ガスに原料ガスを適量添加することで発電用燃料として十分に使用可能になる程度の純度を有している場合などは、再生ガス返送路Ｌ５を省略して、再生ガス回収路Ｌ９のみ設けることもできる（図１３参照）。
また、図９の構成においても、図６の構成同様に、雑ガス排出路Ｌ３に流通するガスの組成等に応じて、再生ガスの流通先を再生ガス返送路Ｌ５→原料ガス供給路Ｌ１にするか再生ガス回収路Ｌ９→製品ガスタンクＴ２にしたり、再生ガス回収路Ｌ９→直接製品ガスとして使用するなどに分岐制御することができる。すなわち、再生ガスの製品ガス純度が高い場合には、再生ガスを再生ガス回収路Ｌ９を介して製品ガスタンクＴ２に回収したり、製品ガスタンクＴ２に回収することなく製品ガスタンクＴ２内の製品ガスとは別の用途などの別の製品ガスとして使用することができ、再生ガスの製品ガス純度が低いときには再生ガス返送路Ｌ５を介して原料ガス供給路Ｌ１に返送する形態とすることができる。
なお、参考の別実施形態として、常に、再生ガスを製品ガスとして回収してよい製品ガス純度に維持できるような場合、再生ガス返送路Ｌ５を省略して、再生ガス回収路Ｌ９の
み設けることもできる。

Claims (14)

  1. 原料ガスから精製対象ガス以外の雑ガスを吸着する吸着材を充填してある吸着塔を設け、
    前記吸着塔に原料ガスを供給する原料ガス供給路を設け、
    前記吸着材に吸着しなかった精製対象ガスを製品ガスとして排出する製品ガス回収路を設け、
    前記吸着材に吸着した雑ガスを脱着させて排気する雑ガス排出路を設け、
    前記吸着塔と、前記原料ガス供給路と、前記製品ガス回収路と、前記雑ガス排出路とを、
    前記原料ガス供給路から原料ガスを受け入れて、雑ガスを前記吸着材に吸着するとともに、製品ガスを回収する吸着工程と、
    前記吸着材に吸着した雑ガスを減圧脱着して前記雑ガス排出路より排気する脱着工程と、
    を交互に行う圧力揺動運転可能に接続したガス精製装置であって、
    前記雑ガス排出路に、精製対象ガスを透過せず、雑ガスを透過する分離膜を有するとともに、前記吸着塔の排気圧で精製対象ガスと雑ガスとを分離する膜分離装置を設け、
    分離膜で精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを前記原料ガス供給路に返送する再生ガス返送路及び／又は製品ガスとして回収する再生ガス回収路を設けたガス精製装置。
  2. 前記雑ガス排出路に、精製対象ガスを透過せず、雑ガスを透過する分離膜を有するとともに、前記吸着塔の排気圧で精製対象ガスと雑ガスとを分離する膜分離装置を設け、
    分離膜で精製対象ガス濃度の高められた再生ガスを前記原料ガス供給路に返送する再生ガス返送路を設け、
    前記雑ガス排出路に流通する雑ガスを、前記膜分離装置をバイパスして前記再生ガス返送路に導くバイパス路を設けた請求項１に記載のガス精製装置。
  3. 前記雑ガス排出路における前記膜分離装置の上流部に、バッファタンクを設けてある請求項１または２に記載のガス精製装置。
  4. 前記雑ガス排出路における前記膜分離装置の雑ガス透過側に減圧ポンプを設けてある請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  5. 前記再生ガス返送路に再生ガスタンクを設けてある請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  6. 前記再生ガス返送路に再生圧力制御弁を設け、前記再生圧力制御弁により前記分離膜の膜分離圧を制御する再生制御装置を備えた請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  7. 前記製品ガス回収路に製品ガスタンクを設けてある請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  8. 前記製品ガスタンクから前記吸着塔に製品ガスを流入する製品ガス洗浄路を設け、製品ガス洗浄路における前記製品ガスタンクと前記吸着塔との間に製品圧力制御弁を設け、前記製品ガスタンクから製品ガスを前記吸着塔に流入させて前記吸着塔を洗浄する洗浄制御装置を備えた請求項７に記載のガス精製装置。
  9. 前記原料ガスがメタン含有ガスであり、精製対象ガスがメタンであり、雑ガスが二酸化炭素を主成分とするガスである請求項１〜８のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  10. 前記原料ガスが、精製対象ガスとしてメタンを４０％以上含有するメタン含有ガスであり、メタンを９０％以上含有する製品ガスを得る請求項１〜９のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  11. 前記吸着材が活性炭、モレキュラーシーブカーボン、ゼオライト、多孔性の金属錯体から選ばれる少なくとも一種の材料を主成分とするものである請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  12. 前記吸着材が、ＭＰ法で測定した細孔径０．３８ｎｍ以上において、その細孔径における細孔容積（Ｖ０．４０）が０．０１ｃｍ３／ｇを超えず、細孔径０．３４ｎｍにおける細孔容積（Ｖ０．３４）が０．２０ｃｍ３／ｇ以上であるモレキュラーシーブカーボンである請求項１１に記載のガス精製装置。
  13. 前記分離膜が酢酸セルロース、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、カーボン膜、微多孔質ガラス複合膜、ＤＤＲ型ゼオライト、多分岐ポリイミドシリカ、ポリジメチルシロキサンから選ばれる少なくとも一種の材料を主成分とするものである請求項１〜１２のいずれか一項に記載のガス精製装置。
  14. 前記原料ガス供給路に昇圧ポンプを備え、前記昇圧ポンプによる原料ガスの前記吸着塔に対する供給圧が０．５ＭＰａＧ〜２ＭＰａＧである請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス精製装置。
JP2014554548A 2012-12-28 2013-12-26 ガス精製装置 Active JP6305938B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012288639 2012-12-28
JP2012288639 2012-12-28
PCT/JP2013/084893 WO2014104196A1 (ja) 2012-12-28 2013-12-26 ガス精製装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2014104196A1 true JPWO2014104196A1 (ja) 2017-01-19
JP6305938B2 JP6305938B2 (ja) 2018-04-04

Family

ID=51021270

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014554548A Active JP6305938B2 (ja) 2012-12-28 2013-12-26 ガス精製装置

Country Status (5)

Country Link
JP (1) JP6305938B2 (ja)
MY (1) MY176621A (ja)
PH (1) PH12015501485A1 (ja)
SG (2) SG10201705168PA (ja)
WO (1) WO2014104196A1 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6384960B2 (ja) * 2015-03-23 2018-09-05 住友精化株式会社 ヘリウムガスの精製方法および精製システム
JP6091683B1 (ja) * 2016-03-31 2017-03-08 大阪瓦斯株式会社 圧力変動吸着式ガス製造装置
JP6091682B1 (ja) * 2016-03-31 2017-03-08 大阪瓦斯株式会社 圧力変動吸着式ガス製造装置
JP6091681B1 (ja) * 2016-03-31 2017-03-08 大阪瓦斯株式会社 圧力変動吸着式ガス製造装置
JP6466008B1 (ja) * 2018-03-22 2019-02-06 レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード 吸着塔の切替装置
CN109260905A (zh) * 2018-09-28 2019-01-25 合肥鸿叶紫新能源有限公司 一种新能源领域的可燃气湿式净化设备
FR3097450B1 (fr) 2019-06-20 2021-11-19 Air Liquide Traitement d’un flux de méthane comprenant des COV et du dioxyde de carbone par combinaison d’une unité d’adsorption et d’une unité de séparation par membrane

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6391119A (ja) * 1986-10-01 1988-04-21 ザ・ビーオーシー・グループ・インコーポレーテッド ガス拡散バリヤーを使用するｐｓａ法および装置
US4832714A (en) * 1987-05-09 1989-05-23 Draegerwerk Aktiengesellschaft Device for the decomposition of a multicomponent gas and to a method of operating the system for the decomposition of gases
JPH01148324A (ja) * 1987-10-22 1989-06-09 Union Carbide Corp 統合圧力スイング吸着／膜分離方法
WO1995003117A1 (de) * 1993-07-21 1995-02-02 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur reinigung und zerlegung eines gasgemisches
JPH07241426A (ja) * 1994-03-02 1995-09-19 Nitto Denko Corp ガス分離方法
US20040237789A1 (en) * 2001-07-31 2004-12-02 Baksh Mohamed Safdar Allie Helium recovery

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4238204A (en) * 1979-06-18 1980-12-09 Monsanto Company Selective adsorption process

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6391119A (ja) * 1986-10-01 1988-04-21 ザ・ビーオーシー・グループ・インコーポレーテッド ガス拡散バリヤーを使用するｐｓａ法および装置
US4832714A (en) * 1987-05-09 1989-05-23 Draegerwerk Aktiengesellschaft Device for the decomposition of a multicomponent gas and to a method of operating the system for the decomposition of gases
JPH01148324A (ja) * 1987-10-22 1989-06-09 Union Carbide Corp 統合圧力スイング吸着／膜分離方法
WO1995003117A1 (de) * 1993-07-21 1995-02-02 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur reinigung und zerlegung eines gasgemisches
JPH07241426A (ja) * 1994-03-02 1995-09-19 Nitto Denko Corp ガス分離方法
US20040237789A1 (en) * 2001-07-31 2004-12-02 Baksh Mohamed Safdar Allie Helium recovery

Also Published As

Publication number Publication date
MY176621A (en) 2020-08-18
PH12015501485B1 (en) 2015-09-21
PH12015501485A1 (en) 2015-09-21
SG11201504518SA (en) 2015-07-30
WO2014104196A1 (ja) 2014-07-03
JP6305938B2 (ja) 2018-04-04
SG10201705168PA (en) 2017-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6305938B2 (ja) ガス精製装置
AU2018232927B2 (en) Gas purification method
TWI421345B (zh) 高爐氣體之分離方法及裝置
WO2015008837A1 (ja) 圧力変動吸着式水素製造方法
JP5968252B2 (ja) メタンガス濃縮方法
US9656202B2 (en) Method and device for separating a gas mixture by means of pressure swing adsorption
CN104066493A (zh) 富氮气体制备方法、气体分离方法及富氮气体制备装置
JP6811538B2 (ja) 圧力変動吸着式水素製造装置の運転方法
JP2004000819A (ja) ガス分離方法
JP6351721B2 (ja) ガス濃縮方法
JP6013865B2 (ja) 都市ガスの製造方法および製造システム
WO2018207343A1 (ja) ガス分離装置
JP2012110824A (ja) Ｐｓａ装置
WO2020105242A1 (ja) ガス分離装置及びガス分離方法
JP2014077060A (ja) メタン発酵ガスの精製方法および精製システム
US11738302B1 (en) Method of generating renewable natural gas
KR20190066749A (ko) 이산화탄소 분리장치 및 이산화탄소 분리시스템
RU2773664C1 (ru) Установка для разделения газов и способ разделения газов
KR20070079939A (ko) 압력변동흡착 방법 및 그 장치
JP6136074B2 (ja) 窒素分離装置及び方法
JP2018177567A (ja) 水素ガス精製装置、及び水素ガス精製装置の運転方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160601

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160726

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20160726

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20160818

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160830

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161027

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170105

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170403

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20170404

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20170424

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20170526

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20171211

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180307

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6305938

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150