KR20050100690A - 오프 가스 공급 방법, 및 목적 가스 정제 시스템 - Google Patents

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마사노리 미야케
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Abstract

본 발명은, 복수의 스텝으로 이루어진 사이클이 반복 행해지는 압력 변동 흡착법을 이용해서, 흡착제가 충전된 복수의 흡착탑（Ａ, Ｂ, Ｃ）에 의해 혼합 가스로부터 목적 가스를 농축 분리할 때에 있어서. 상기 흡착탑（Ａ, Ｂ, Ｃ）으로부터 배출되는 오프 가스를 오프 가스 소비 유닛（１）에 공급하기 위한 오프 가스 공급 방법을 제공한다. 이 방법에 의하면, 상기 사이클을 구성하는 모든 스텝에 있어서. 상기 흡착탑（Ａ, Ｂ, Ｃ）의 적어도 하나로부터 상기 오프 가스를 배출시킴으로서, 그 오프 가스를 상기 오프 가스 소비 유닛（１）에 중단되는 일 없이 계속 공급하게 된다.

Description

오프 가스 공급 방법, 및 목적 가스 정제 시스템{OFF-GAS FEED METHOD AND OBJECT GAS PURIFICATION SYSTEM}
본 발명은, 압력 변동 흡착법을 이용해서, 혼합 가스로부터 목적 가스를 농축 분리할 때에 배출되는 오프 가스의 재활용 기술에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은, 오프 가스를 오프 가스 소비 유닛에 공급하는 방법, 및 목적 가스의 정제 시스템에 관한 것이다.
혼합 가스 중으로부터 수소 가스 등의 목적 가스를 농축 분리하는 방법으로서, 압력 변동 흡착법(이하, PSA 법이라고 칭한다.) 등이 알려져 있다. PSA 법은, 흡착제를 충전한 흡착탑을 2~4탑 설치하고, 각 흡착탑에 있어서, 흡착 공정, 감압 공정, 탈착 공정, 세정 공정 및 승압 공정을 포함하는 사이클을 반복하는 것에 의해 행해진다. 이와 같은 PSA 법을 이용해서 혼합 가스로부터 목적 가스를 농축 분리하는 기술은, 예를 들면, 특허 공개 2000－313605호 공보로부터 공지로 되어 있다.
상기 특허 문헌에 개시되어 있는 기술은, 도 7a-７i에 나타낸 것과 같이, 적당한 흡착제가 충전된 ３개의 흡착탑(A, B, C)을 포함하는 장치를 이용해서, 스텝 I-IX로 이루어진 사이클을 반복해서 행함으로서, 목적 가스의 농축 분리와, 흡착탑(A, B, C)으로부터 배출되는 오프 가스의 오프 가스 사용 유닛（개질기(改質器)）으로의 공급을 행하는 기술이다. 이들 스텝에 대해서, 이하에 설명한다.
도 7a에 나타낸 것과 같이, 스텝 I에 있어서는, 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 세정 공정, 흡착탑(C)에서는 제 1감압 공정이 행해진다. 구체적으로는, 흡착탑(A)에 혼합 가스가 도입되고, 탑내에 있어서 흡착제에 의해 불필요 가스 성분이 제거되고, 제품 가스（농축 분리된 목적 가스）가 탑 외로 배출된다. 흡착탑(C)은, 흡착 공정(후술하는 스텝 IX 참조）을 마친 직후이고, 그곳으로부터 도출되는 잔류 가스가 세정 가스로서 세정 공정에 있는 흡착탑(B)으로 도입된다. 이것에 의해, 흡착탑(C)의 감압과 동시에, 흡착탑(B)의 세정이 행해진다.
도 7b에 나타낸 것과 같이, 스텝 II에 있어서는, 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 제 1승압 공정（균압 공정), 흡착탑(C)에서는 제 2감압 공정(균압 공정）이 행해진다. 구체적으로는, 흡착탑(A)에서는, 스텝 I에 계속해서, 흡착제에 의해 불필요 가스 성분이 제거되어 제품 가스가 탑 외로 배출된다. 흡착탑(C)은, 스텝 I에 계속해서, 잔류 가스를 흡착탑(B)로 도입하고, 흡착탑(B)은, 세정 공정（스텝 I 참조）을 마치고, 흡착탑(C)로부터 도입되는 가스를 축적한다. 이것에 의해, 흡착탑(C)의 감압과 동시에, 흡착탑(B)의 승압이 행해지고, 흡착탑(B)와 흡착탑(C)와의 균압화가 도모된다.
도 7c에 나타낸 것과 같이, 스텝 III에 있어서는, 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 제 2승압 공정, 흡착탑(C)에서는 탈착 공정（블로우 다운 공정)이 행해진다. 구체적으로는, 흡착탑(A)에서는, 스텝 I 및 스텝 II에 계속해서 혼합 가스가 도입되고, 제품 가스가 탑 외로 배출된다. 이 때, 제품 가스의 일부는 흡착탑(B)에 도입되고, 그 흡착탑(B)에서는 계속해서 승압이 행해진다. 또한, 흡착탑(C)에서는, 탑 내에 잔류하는 가스가 배출됨과 동시에, 그것에 의한 감압에 의해 흡착제에 흡착되어 있던 불필요 가스 성분이 탈착해서 탑 외로 배출된다.
스텝 IＶ-ＶI에 있어서는, 도 7d-7f에 나타낸 것과 같이 흡착탑(A)에서는 스텝 I-III에 있어서 흡착탑(C)와 마찬가지로 제 １감압 공정, 제２ 감압 공정 및 탈착 공정이 각각 행해진다. 흡착탑(B)에서는 스텝 I-III에 있어서 흡착탑(A)와 마찬가지로 흡착 공정을 통하여 행해진다. 흡착탑(C)에서는 스텝 I-III에 있어서 흡착탑(B)과 마찬가지로 세정 공정, 제 1승압 공정 및 제 2승압 공정이 행해진다.
스텝 ＶII-IX에 있어서는, 도 7g-7i에 나타낸 것과 같이 흡착탑(A)에서는 스텝 I-III에 있어서 흡착탑(B)과 마찬가지로 세정 공정, 제 1승압 공정 및 제 2 승압 공정이 행해진다. 흡착탑(B)에서는 스텝 I-III에 있어서 흡착탑(C)과 마찬가지로 제 1감압 공정, 제 2감압 공정 및 탈착 공정이 행해진다. 흡착탑(C)에서는 스텝 I-III에 있어서 흡착탑(A)과 마찬가지로 흡착 공정을 통하여 행해진다.
이상에서 설명한 스텝 I-IX를 각 흡착탑(A, B, C)에 있어서 반복해서 행함으로서, 혼합 가스로부터 불필요 가스 성분이 제거되고, 목적 가스 농도가 높은 제품 가스가 연속적으로 얻어진다.
한편, 스텝I에 있어서 흡착탑(B), 스텝 III에 있어서 흡착탑(C), 스텝 IＶ에 있어서 흡착탑(C), 스텝 ＶI에 있어서 흡착탑(A), 스텝 ＶII에 있어서 흡착탑(A), 스텝 IX에 있어서 흡착탑(B)로부터 배출되는 오프 가스는, 오프 가스 저장 탱크（도시하지 않음）를 개재한 다음, 연료로서 개질기(改質器)에 공급된다. 여기서, 오프 가스 저장 탱크를 개재하도록 한 이유는, 스텝 II, Ｖ, ＶIII에서는, 어느 흡착탑으로부터도 오프 가스의 배출이 없어지므로, 다른 스텝에 있어서 배출되는 오프 가스의 일부를 오프 가스 저장 탱크에 저장하는 것에 의해, 흡착탑으로부터의 오프 가스의 배출이 중단되는 스텝 II, Ｖ, ＶIII에 있어서도, 오프 가스를 개질기에 중단되는 일 없이 계속 공급할 수 있도록 하기 때문이다.
그러나, 오프 가스 저장 탱크는, 일반적으로 흡착탑의 ５배 이상의 용적을 갖고 있고, 목적 가스의 농축 분리를 행하는 시스템의 컴팩트화 추진에 있어서 중대한 저해 요인으로 되고 있었다. 또한, 상기 특허 문헌에 개시되어 있는 기술에 있어서는, 오프 가스 저장 탱크의 용적을 감소시키면, 압력 변동이 커지기 때문에 그 탱크의 소형화를 도모하는 것이 곤란했었다.
도 1은, 본 발명의 제 １ 실시예에 관계된 오프 가스의 공급 방법을 실현하기 위한 ３탑식 PSA 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는, 상기 ３탑식 PSA 시스템을 이용해서 목적 가스를 농축 분리할 때의 각 스텝（스텝 1~9）에 있어서, 각 흡착탑에서 행해지고 있는 공정 및 그 때의 밸브의 개폐 상태를 나타내는 타이밍도이다.
도 ３은, 상기 각 스텝（스텝 1~9）에 대응하는 가스의 흐름도이다.
도 ４는, 상기 PSA 시스템으로부터 배출되는 오프 가스의 유량을 제어하기 위한 유량 제어 밸브에 있어서 개도의 경시 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 제 ２ 실시예에 관계된 오프 가스 공급 방법을 실현하기 위한 ４탑식 PSA 시스템을 이용해서 목적 가스를 농축 분리할 때의 각 스텝（스텝 １'-１２'）에 있어서, 각 흡착탑에서 행해지고 있는 공정을 나타내는 타이밍 도이다.
도 ６은, 상기 각 스텝（스텝 １'-１２'）에 대응하는 가스의 흐름도이다.
도 ７은, 종래의 오프 가스 공급 방법을 실현하기 위한 ３탑식 PSA 시스템을 이용해서 목적 가스를 농축 분리할 때의 각 스텝（스텝 I-IX）에 대응하는 가스의 흐름도이다.
그래서, 본 발명의 목적은, PSA법을 이용해서, 복수의 흡착탑에 의해 혼합 가스로부터 목적 가스를 농축 분리할 때, 그 흡착탑으로부터 배출된 오프 가스를 중단되는 일 없이 오프 가스 소비 유닛에 공급함과 동시에, 목적 가스의 농축 분리를 행하는 시스템의 컴팩트화를 도모할 수 있는 오프 가스 공급 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 이와 같은 오프 가스 공급 방법을 실시하는데 사용되는 목적 가스 정제 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1의 측면에 의하면, 복수의 스텝으로 이루어진 사이클이 반복 행해지는 압력 변동 흡착법을 이용해서, 흡착제가 충전된 복수의 흡착탑에 의해 혼합 가스로부터 목적 가스를 농축 분리할 때에 있어서, 그 흡착탑으로부터 배출되는 오프 가스를 오프 가스 소비 유닛에 공급하기 위한 오프 가스 공급 방법이 제공된다. 이 방법은, 상기 사이클을 구성하는 모든 스텝에 있어서, 상기 흡착탑의 적어도 하나로 부터 상기 오프 가스를 배출시키는 것에 의해, 그 오프 가스를 상기 오프 가스 소비 유닛에 중단되는 일 없이 계속 공급하는 것을 특징으로 한다.
이상의 구성에 의하면, 오프 가스를 탑 외로 계속 배출할 수 있기 때문에, 오프 가스 저장 탱크 등에 의해 그 오프 가스를 다량으로 축적하지 않아도, 오프 가스 소비 유닛 등으로 중단되는 일 없이 오프 가스를 계속 공급 할 수 있다. 따라서 목적 가스 정제 시스템의 컴팩트화에 있어서 중대한 저해 요인인　오프 가스 저장 탱크를 소형화 하거나, 또는 제거할 수 있고, 더 나아가서는 목적 가스 정제 시스템의 컴팩트화를 도모할 수 있다.
바람직하게는, 오프 가스 소비 유닛에 공급되는 오프 가스는, 유량 제어가 행해진다. 이와 같은 구성으로 하는 것에 의해서, 스텝마다, 또는 경시적으로, 오프 가스의 배출 압력이나 조성이 급격하게 변화하는 경우에 있어도, 그 변화를 완화시킬 수 있다. 따라서 오프 가스 소비 유닛으로의 오프 가스의 공급을 보다 안정되게 행할 수 있다.
바람직하게는, 유량 제어는, 각 흡착탑과 오프 가스 소비 유닛과의 사이를 연결하는 가스유로에 설치된 유량 제어 밸브의 개도(開度)를 변화시키는 것에 의해 행해진다.
본 발명의 매우 바람직한 실시예에 의하면, 상기 각 흡착탑에서는, 혼합 가스중의 불필요 가스 성분을 흡착제에 의해 흡착해서 목적 가스 농도가 높은 제품 가스를 배출하는 흡착 공정과, 흡착탑 내의 압력을 제 1 중간 압력까지 저하시키는 제 1감압 공정과, 흡착탑 내의 압력을 제 2 중간 압력까지 저하시키는 제 2 감압 공정과, 흡착제에 흡착한 불필요 가스 성분을 탈착하고 배출하는 탈착 공정과, 흡착탑 내에 세정 가스를 도입해서 탑 내에 잔류하는 가스를 배출하는 세정 공정과, 흡착탑 내의 압력을 상승시키는 승압 공정이 차례로 반복된다. 상기 제 2 감압 공정에 있는 흡착탑의 제품 가스 출구로부터 배출되는 잔류 가스를 상기 승압 공정에 있는 다른 흡착탑으로 도입함과 동시에, 상기 제 2 감압 공정에 있는 흡착탑의 혼합 가스 입구로부터 상기 오프 가스 소비 유닛으로 오프 가스를 공급한다.
바람직하게는, 상기 각 흡착탑은, 상기 제 2 감압 공정, 상기 탈착 공정 및 상기 세정 공정에 있어 상기 오프 가스 소비 유닛에 오프 가스를 공급한다.
　 바람직하게는, 상기 오프 가스 소비 유닛에 공급되는 상기 오프 가스는, 상기 각 흡착탑과 상기 오프 가스 소비 유닛과의 사이를 연결하는 가스유로에 설치된 유량 제어 밸브에 의해 유량 제어된다. 또한, 유량 제어 밸브의 개도는, 상기 세정 공정에 있어서 최대로 되고, 상기 제 2 감압 공정에 있어서 최소로 되고, 상기 탈착 공정에 있어서는 서서히 증가한다.
본 발명의 다른 매우 바람직한 실시예에서는, 상기 각 흡착탑에서는, 혼합 가스중의 불필요 가스 성분을 흡착제에 의해 흡착해서 목적 가스 농도가 높은 제품 가스를 배출하는 흡착 공정과, 흡착탑 내의 압력을 제 1 중간 압력까지 저하시키는 제 1 감압 공정과, 흡착탑 내의 압력을 제 2 중간 압력까지 저하시키는 제 ２감압 공정과, 흡착제에 흡착한 불필요 가스 성분을 탈착하고 배출하는 탈착 공정과, 흡착탑 내에 세정 가스를 도입해서 탑 내에 잔류하는 가스를 배출하는 세정 공정과, 흡착탑 내의 압력을 상승시키는 제 １승압 공정과, 흡착탑 혼합 가스 입구 및 제품 가스 출구를 함께 폐쇄하는 대기 공정과, 흡착탑 내의 압력을 나아가 상승시키는 제 ２승압 공정이 차례로 반복된다. 상기 제 ２감압 공정에 있는 흡착탑의 제품 가스 출구로부터 배출되는 잔류 가스를 상기 제 １승압 공정에 있는 다른 흡착탑으로 도입함과 동시에, 상기 제 ２감압 공정에 있는 흡착탑의 혼합 가스 입구로부터 상기 오프 가스 소비 유닛에 오프 가스를 공급한다.
바람직하게는, 상기 오프 가스 소비 유닛은, 상기 혼합 가스가 제조되는 개질 수단의 연소부를 구성하고 있다.
바람직하게는, 상기 목적 가스는, 수소 가스이고, 상기 혼합 가스는, 수소 가스와, 수소 가스 이외의 가연성 가스 성분을 포함한다.
본 발명의 제 ２의 측면에 의하면, 연소부를 갖는 것과 동시에, 원료 가스로부터 목적 가스 함유 혼합 가스를 제조하는 개질 수단과, 복수의 스텝으로 이루어진 사이클이 반복 행해지는 압력 변동 흡착법을 이용해서, 흡착제가 충전된 복수의 흡착탑에 의해 상기 혼합 가스로부터 목적 가스를 농축 분리하는 정제 수단과, 그 정제 수단으로부터 배출되는 오프 가스를 상기 연소부에 연료로서 공급하는 공급 수단을 구비하는 목적 가스 정제 시스템이 제공된다. 상기 공급 수단은, 상기 사이클을 구성하는 모든 스텝에 있어서, 상기 흡착탑의 적어도 하나로부터 상기 오프 가스를 배출시키는 것에 의해, 상기 연소부에 상기 오프 가스를 중단되는 일 없이 계속 공급하기 위한 배출 제어 수단을 구비하고 있다.
바람직하게는, 상기 공급 수단은, 상기 오프 가스를 일시적으로 축적하는 오프 가스 저장 탱크를 개재하는 일 없이 상기 연소부에 대해서 그 오프 가스의 공급을 행한다.
바람직하게는, 상기 배출 제어 수단은, 상기 흡착탑에 대해서 각 가스를 공급 또는 배출하기 위한 가스유로에 설치된 유량 제어 밸브와, 그 유량 제어 밸브의 개도를 제어하는 개도 제어 수단을 구비하고 있다.
본 발명의 그 밖의 특징 및 이점은, 첨부 도면에 근거해서 설명하는 실시예로부터 명확해질 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서, 첨부 도면을 참조해서 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제 １ 실시예에 관계된 오프 가스 공급 방법은, 예를 들면 도 1에 나타낸 ３탑식 PSA 시스템을 이용해서 실시할 수 있다. 이 도에 나타낸 ３탑식 PSA 시스템 Ｘ1은, 주로, 개질 수단(1)과, 정제 수단(２)과, 오프 가스 공급 수단(3)을 구비하고 있다. 개질 수단(1)은, 연소부(10)와 개질부(11)를 포함한다. 정제 수단(２)은, ３개의 흡착탑(A, B, C)과, 혼합 가스용 배관(20)과, 제품 가스용 배관(21)과, 잔류 가스 회수용 배관(22)과, 가스 도입용 배관(23)과, 제품 가스 역류용 배관(24)을 포함한다. 오프 가스 공급 수단(3)은, 오프 가스 공급용 배관(30)을 구비하고 있다.
각 흡착탑(A, B, C)에는, 흡착제가 충전되어 있다. 흡착제로서는, 카본（탄산가스나 메탄가스를 제거하는데 적합하다), 제올라이트（일산화탄소나 질소가스를 제거하는데 적합하다), 알루미나（수증기를 제거하는데 적합하다）등이 예시된다. 물론, 예시한 흡착제는 ２종 이상을 병용해도 좋고, 또한 예시한 것 이외의 흡착제를 사용해도 좋다.
각 배관(20~24)에는, 자동 밸브(a~q)가 각각 설치되어 있다. 잔류 가스 회수용 배관(22), 제품 가스 역류용 배관(24) 및 오프 가스 공급용 배관(30)에는 유량 제어 밸브(40, 41, 42)가 각각 설치되어 있다. 또한, 자동 밸브(a~q)의 개폐 및 유량 제어 밸브(40, 41, 42)의 개도를 제어하는 제어 수단（도시하지 않음）도 설치되어 있다. 이하에 설명하는 것과 같이, 자동 밸브(a~q)의 개폐 상태의 선택 및 유량 제어 밸브(40, 41, 42)의 개도의 제어를 함으로서, 각 흡착탑(A, B, C)에 있어서 흡착 공정, 제１ 감압 공정, 제２ 감압 공정, 탈착 공정, 세정 공정, 제 1승압 공정 및 제 ２승압 공정이 행해진다.
구체적으로는, 도 2에 나타낸 것과 같은 타이밍에서, 각 흡착탑(A, B, C)에 있어서 각 공정（스텝 1~9)이 행해진다. 각 스텝에 있어서 자동 밸브(a~q)의 개폐 상태는, 도 2에 나타나 있고, 각 스텝에 있어서 가스 흐름은, 도 ３ａ-３i에 모식적으로 나타나 있다. 또한, 도 ４는, 스텝1~3까지의 각 스텝에 있어서 유량 제어 밸브(42)의 개도 제어의 일예를 나타낸다. 도 ４에 나타낸 예에 의하면, 유량 제어 밸브(42) 의 개도는, 스텝 1에서는 100％（일정）이고, 스텝 ２에서는 １0％（일정）이고, 스텝３에서는 ４0％（스텝３ 개시시）-100％（스텝３ 종료시）까지 대략 직선적으로 경시 변화 한다. 다만, 유량 제어 밸브(42)의 개도는, 필요에 따라 임의로 정하면 좋다. 마찬가지로, 유동 제어 밸브(40, 41)의 개도도, 필요에 따라 임의로 정하면 좋다.
또한, 도 2에 있어서는 이하의 약호가 사용되고 있다.
ＡＤ: 흡착 공정
제 １ＤＰ: 제１ 감압 공정
제 ２ＤＰ: 제２ 감압 공정
ＤＥ: 탈착 공정
ＳＣ: 세정 공정
제 １ＰＲ: 제１ 승압 공정
제 ２ＰＲ: 제２ 승압 공정
스텝 1에 있어서는, 도 2에 나타낸 것과 같이 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 세정 공정, 흡착탑(C)에서는 제１ 감압 공정이 행해지고 있고, 도 ３ａ에 나타낸 것과 같은 가스 흐름 상태로 되어 있다.
도 1 및 도 ３ａ에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에는, 개질 수단(1)에 있어서 개질부(11)로부터 혼합 가스용 배관(20) 및 자동 밸브(a)를 개재해서 혼합 가스가 도입된다. 흡착탑(A)에서는, 흡착제에 의해 불필요 가스 성분이 제거되고 제품 가스가 탑 외로 배출된다. 제품 가스는, 자동 밸브I 및 제품 가스용 배관(21)을 개재해서 회수된다.
흡착탑(B)에는, 자동 밸브(n), 잔류 가스 회수용 배관(22), 유량 제어 밸브 (40), 자동 밸브(p), 가스 도입용 배관(23) 및 자동 밸브(j)를 개재해서, 흡착탑(C) 로부터 배출된 잔류 가스（세정 가스）가 도입된다. 흡착탑(C)은, 먼저 흡착 공정을 행하고 있는 것에 대해서, 흡착탑(B)은 먼저 탈착 공정을 행하고 있기 때문에 (도 ３i에 나타나는 스텝９ 참조), 흡착탑(C)의 탑 내의 쪽이 흡착탑(B)의 탑 내보다도 고압으로 되어 있다. 그 때문에, 흡착탑(C)의 잔류 가스를 흡착탑(B)에 도입함으로서, 흡착탑(C)의 탑내가 제１ 중간 압력까지 감압되고, 흡착탑(B)로부터는 탑내에 잔류하는 가스가 배출된다. 이 가스는, 자동 밸브(d), 오프 가스 공급용 배관(30) 및 유량 제어 밸브(42)를 개재해서 개질 수단(1)에 있어서 연소부(10)로 공급된다.
흡착 최고 압력을 100％, 탈착 최저 압력을 0％라고 가정한 경우, 흡착탑(C)（제１ 감압 공정）에 있어서 상기 제１ 중간 압력은, 35％-85％의 범위로 된다.
스텝 ２에 있어서는, 도 2에 나타낸 것과 같이 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 제１ 승압 공정, 흡착탑(C)에서는 제 ２감압 공정이 행해지고 있고, 도 3b에 나타낸 것과 같은 가스 흐름 상태로 되어 있다.
도 1 및 도 3b에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에서는, 스텝 1에 계속해서 혼합 가스가 도입되고, 제품 가스가 탑 외로 배출된다. 제품 가스는, 스텝 1과 동일하게 해서 회수된다.
한편, 흡착탑(C) 으로부터 도출되는 잔류 가스는, 자동 밸브(n), 잔류 가스 회수용 배관(22), 유량 제어 밸브(40), 자동 밸브(p), 가스 도입용 배관(23) 및 자동 밸브(j)를 개재해서 흡착탑(B)으로 도입됨과 동시에, 자동 밸브(f), 오프 가스 공급용 배관(30) 및 유량 제어 밸브(42)를 개재해서 연소부(10)로 공급된다. 즉, 스텝 ２에서는, 흡착탑(B)과 흡착탑(C)과의 사이에서 균압화를 도모하기 위해서 자동 밸브(ｄ)를 닫음으로서, 흡착탑(B)으로부터의 오프 가스의 공급이 차단되지만, 자동 밸브(f)를 여는 것에 의해, 흡착탑(C)으로부터 자동 밸브(f), 오프 가스 공급용 배관(30) 및 유량 제어 밸브(42)를 개재해서 연소부(10)에 오프 가스가 공급된다. 이 결과, 연소부(10)에는 스텝 1으로부터 중단되는 일 없이 오프 가스가 계속 공급된다. 또한, 흡착탑(C)의 탑내가 제 １중간 압력보다도 낮은 제 ２중간 압력까지 나아가 감압됨과 동시에, 흡착탑(B)의 승압이 행해진다.
흡착 최고 압력을 100％, 탈착 최저 압력을 0％라고 가정한 경우, 흡착탑(C)（제 ２감압 공정）에 있어서 제 ２중간 압력은, 50％-15％의 범위로 된다.
스텝 ３에 있어서는, 도 2에 나타낸 것과 같이 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 제 ２승압 공정, 흡착탑(C)에서는 탈착 공정이 행해지고 있고, 도 3c 에 나타낸 것과 같은 가스 흐름 상태로 되어 있다.
도 1 및 도 3c 에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에서는, 스텝 1 및 ２로부터 계속해서 혼합 가스가 도입되고, 제품 가스가 탑 외로 배출된다. 제품 가스는, 스텝 1과 동일하게 해서 회수되지만, 그 일부가 제품 가스 역류용 배관(24), 자동 밸브(q), 유량 제어 밸브(41), 가스 도입용 배관(23) 및 자동 밸브(j)를 개재해서 흡착탑(B)에 도입되고, 흡착탑(B)의 탑내의 새로운 승압이 행해진다.
한편, 흡착탑(C)에서는, 도 2에 나타낸 것과 같이, 자동 밸브(e, m, n, o)가 폐쇄되고, 자동 밸브(f)가 개방 상태로 되어 있고, 탈착 최저 압력까지 탑내로부터 오프 가스（흡착제로부터 탈착한 불필요 가스 성분도 포함）가 배출된다. 이 오프 가스는, 자동 밸브(f), 오프 가스 공급용 배관(30) 및 유량 제어 밸브(42)를 개재해서 연소부(10)에 공급된다. 따라서 연소부(10)에는 스텝 ２로부터 중단되는 일 없이 오프 가스가 계속 공급된다.
스텝 ４-６에 있어서는, 도 2 및 도 3d~3f에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A) 에서는 스텝1~3에 있어서 흡착탑(C)과 동일하게 해서 제１ 감압 공정, 제２ 감압 공정 및 탈착 공정이 행해진다. 흡착탑(B)에서는 스텝1~3에 있어서 흡착탑(A)과 동일하게 해서 흡착 공정을 통하여 행해진다. 흡착탑(C)에서는 스텝1~3에 있어서 흡착탑(B)과 동일하게 해서 세정 공정, 제 １승압 공정 및 제 ２승압 공정이 행해진다.
스텝 ７-９에 있어서는, 도 2 및 도 3g-３i에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에서는 스텝1~3에 있어서 흡착탑(B)과 동일하게 해서 세정 공정, 제 １승압 공정 및 제 ２승압 공정이 행해진다. 흡착탑(B)에서는 스텝1~3에 있어서 흡착탑(C)과 동일하게 해서 제１ 감압 공정, 제２ 감압 공정 및 탈착 공정이 행해진다. 흡착탑(C)에서는 스텝1~3에 있어서 흡착탑(A)과 동일하게 해서 흡착 공정을 통하여 행해진다.
이상에 설명한 스텝 1~9를 각 흡착탑(A, B, C)에 있어서 반복하고 행함으로서, 혼합 가스로부터 불필요 가스 성분이 제거되고, 목적 가스 농도가 높은 제품 가스가 연속적으로 얻어짐과 동시에, 각 흡착탑(A, B, C)으로부터 오프 가스를 계속 배출한다. 이 결과, 오프 가스를 연소부(10)에 중단되는 일 없이 계속 공급할 수 있다. 따라서 본 실시예에 있어서 PSA 시스템 Ｘ1에는, 막대한 설치면적을 필요로 하는 오프 가스 저장 탱크를 설치할 필요가 없고, 그 시스템 Ｘ1의 컴팩트화를 달성할 수 있다. 또한, 목적 가스를 수소 가스로 한 경우, 혼합 가스로서는, 수소 가스와, 수소 가스 이외의 가연성 가스 성분을 포함하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 제 ２ 실시예에 관계된 오프 가스 공급 방법에 대해서, 도 ５-도６을 참조하면서 설명한다. 도 5는, 각 스텝（후술한 스텝 １'-１２'참조）에 있어서 각 흡착탑에서 행해지고 있는 공정의 내용을 나타낸다. 도 ６은, 목적 가스를 농축 분리할 때의 각 스텝에 대응하는 가스의 흐름을 모식적으로 나타낸다. 제 ２ 실시예에 있어서 PSA 시스템과 상기 제１의 실시예에 있어서 PSA 시스템 Ｘ1과의 구조상 다른 점은, 흡착탑(D)을 추가해서 ４탑식으로 한 것에 있다. 흡착탑(D)의 추가에 수반해, 자동 밸브의 추가 등이 행해지지만, 그 밖의 구성은, 제 １실시예와 동일하기 때문에, 제 ２ 실시예에 있어서 상세한 시스템의 구조 및 각 스텝에 있어서 밸브의 개폐 상태에 관한 설명은 생략한다.
　또한, 도 5에 있어서는 이하의 약호가 사용되고 있다.
ＡＤ: 흡착 공정
제 １ＤＰ: 제１ 감압 공정
제 ２ＤＰ: 제２ 감압 공정
ＤＥ: 탈착 공정
ＳＣ: 세정 공정
제 １ＰＲ: 제１ 승압 공정
제 ２ＰＲ: 제２ 승압 공정
ＷＡ: 대기 공정
제 2 실시예에서는, 각 흡착탑(A, B, C, Ｄ)에 있어서 흡착 공정, 제 １감압 공정, 제 ２감압 공정, 탈착 공정, 세정 공정, 제 １승압 공정, 대기 공정 및 제 ２승압 공정이 행해진다. 구체적으로는, 도 5에 나타낸 것과 같은 타이밍에서, 각 흡착탑(A, B, C, Ｄ)에 있어서 각 공정（스텝 １'-１２'）이 행해진다.
스텝 １'에 있어서는, 도 5에 나타낸 것과 같이 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 제 ２승압 공정, 흡착탑(C)에서는 세정 공정, 흡착탑(D)에서는 제 １감압 공정이 행해지고 있고, 도 ６ａ에 나타낸 것과 같은 가스 흐름 상태로 되어 있다.
도 ６ａ에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에서는, 개질부（도시하지 않음）로부터 혼합 가스가 도입된다. 흡착탑(A)에서는, 흡착제에 의해 불필요 가스 성분이 제거되어 제품 가스가 탑 외로 배출되고, 회수된다. 또한, 이 제품 가스의 일부가 흡착탑(B)에 도입되고, 흡착탑(B)의 탑내의 승압이 행해진다.
흡착탑(C)에서는, 흡착탑(D)으로부터 배출된 잔류 가스(세정 가스)가 도입된다. 흡착탑(D)은, 먼저 흡착 공정을 행하고 있는 것에 대해서 흡착탑(C)은 먼저 탈착 공정을 행하고 있기 때문에（도 ６ｌ에 나타나는 후술하는 스텝 １２'참조）), 흡착탑(D)의 탑내 쪽이 흡착탑(C)의 탑내보다도 고압으로 되어 있다. 그 때문에, 흡착탑(D)의 잔류 가스를 흡착탑(C)에 도입함으로서, 흡착탑(D)의 탑내가 제 １ 중간 압력까지 감압되고, 흡착탑(C)으로부터는 탑내에 잔류하는 가스가 배출된다. 배출된 오프 가스는, 연소부(도시하지 않음)로 공급된다.
흡착 최고 압력을 100％, 탈착 최저 압력을 0％라고 가정한 경우, 흡착탑(D)（제１ 감압 공정）에 있어서 제１ 중간 압력은, 35％-85％의 범위로 된다.
스텝 ２'에 있어서는, 도 5에 나타낸 것과 같이 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 제 ２승압 공정, 흡착탑(C)에서는 제 １승압 공정, 흡착탑(D)에서는 제 ２감압 공정이 행해지고 있고, 도 ６ｂ에 나타낸 것과 같은 가스 흐름 상태로 되어 있다.
도 ６ｂ에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에는, 스텝 １'에 계속해서 혼합 가스가 도입되고, 제품 가스가 탑 외로 배출된다. 제품 가스는, 스텝 １'과 동일하게 해서 회수된다. 또한, 이 제품 가스의 일부가, 계속해서 흡착탑(B)으로 도입되고, 흡착탑(B)의 탑내의 승압이 행해진다.
한편, 흡착탑(D)으로부터 도출되는 잔류 가스는, 흡착탑(C)에 도입됨과 동시에, 연소부(도시하지 않음)로 공급된다. 즉, 스텝 ２'에서는, 흡착탑(C)과 흡착탑(D)과의 사이에서 균압화를 도모하기 위해서, 흡착탑(C)으로부터의 오프 가스의 배출이 차단되지만, 흡착탑(D)으로부터 연소부(도시하지 않음)로 오프 가스가 공급된다. 이 결과, 연소부에는 중단되는 일 없이 오프 가스가 계속 공급된다. 또한, 이것에 의해, 흡착탑(D)의 탑내가 제 １중간 압력보다도 낮은 제 ２중간 압력까지, 또한 감압됨과 동시에, 흡착탑(C)의 승압이 행해진다.
흡착 최고 압력을 100％, 탈착 최저 압력을 0％라고 한 경우, 흡착탑(D)（제 ２감압 공정）에 있어서 제 ２중간 압력은, 50％-15％의 범위로 된다.
스텝 ３'에 있어서는, 도 5에 나타낸 것과 같은 흡착탑(A)에서는 흡착 공정, 흡착탑(B)에서는 제 ２승압 공정, 흡착탑(C)에서는 대기 공정, 흡착탑(D)에서는 탈착 공정이 행해지고 있고, 도 ６ｃ에 나타낸 것과 같은 가스 흐름 상태로 되어 있다.
도 ６ｃ에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에는, 스텝 １' 및 ２'에 계속해서 혼합 가스가 도입되고, 제품 가스가 탑 외로 배출된다. 제품 가스는, 스텝 １'과 동일하게 해서 회수된다. 또한, 이 제품 가스의 일부가 흡착탑(B)에 도입되고, 흡착탑(B) 의 탑내의 승압이 행해진다.
한편, 흡착탑(D)에서는, 탈착 최저 압력까지 탑내로부터 오프 가스（흡착제로부터 탈착한 불필요 가스 성분을 포함）가 배출된다. 배출된 오프 가스는, 연소부(도시하지 않음)로 공급된다. 또한, 흡착탑(C)은, 가스의 주고받음이 없는 대기 상태에 있다.
스텝 ４'-６'에 있어서는, 도 5 및 도 ６ｄ-６ｆ에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(D)과 동일하게 해서 제 １감압 공정, 제 ２감압 공정 및 탈착 공정이 행해진다. 흡착탑(B)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(A)과 동일하게 해서 흡착 공정을 통하여 행해진다. 흡착탑(C3)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(B)과 동일하게 해서 제 ２승압 공정을 통하여 행해진다. 흡착탑(D)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(C)과 동일하게 해서 세정 공정, 제 １승압 공정 및 대기 공정이 행해진다.
스텝 ７'-９'에 있어서는, 도 5 및 도 ６ｇ-６i에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(C)과 동일하게 해서 세정 공정, 제 １승압 공정 및 대기 공정이 행해진다. 흡착탑(B)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(D)과 동일하게 해서 제 １감압 공정, 제 ２감압 공정 및 탈착 공정이 행해진다. 흡착탑(C)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(A)과 동일하게 해서 흡착 공정을 통하여 행해진다. 흡착탑(D)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(B)과 동일하게 해서 제 ２승압 공정을 통하여 행해진다.
스텝 １０'-１２'에 있어서는, 도 5 및 도 ６ｊ-６ｌ에 나타낸 것과 같이, 흡착탑(A)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(B)과 동일하게 해서 제 ２승압 공정을 통하여 행해진다. 흡착탑(B)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(C) 과 동일하게 해서 세정 공정, 제１ 승압 공정 및 대기 공정이 행해진다. 흡착탑(C)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(D)과 동일하게 해서 제 １감압 공정, 제 ２감압 공정 및 탈착 공정이 행해진다. 흡착탑(D)에서는 스텝 １'-３'에 있어서 흡착탑(A) 과 동일하게 해서 흡착 공정을 통하여 행해진다.
이상에서 설명한 스텝 １'-１２'를 각 흡착탑(A, B, C, Ｄ)에 있어서 반복 행함으로서, 혼합 가스로부터 불필요 가스 성분이 제거되고, 목적 가스 농도가 높은 제품 가스가 연속적으로 얻어진다. 또한, 각 흡착탑(A, B, C, Ｄ)으로부터 오프 가스를 계속 배출하기 때문에, 그 오프 가스를 연소부（도시하지 않음）에 중단되는 일 없이 계속 공급할 수 있다. 따라서 제 ２ 실시예에 있어서 PSA 시스템에는, 막대한 설치 면적을 필요로 하는 오프 가스 저장 탱크를 설치할 필요가 없고, 그 시스템의 컴팩트화를 달성할 수 있다. 또한, 목적 가스를 수소 가스로 한 경우, 혼합 가스로서는, 수소 가스와, 수소 가스 이외의 가연성 가스 성분을 포함하는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 발명의 사상으로부터 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

Claims (12)

  1. 복수의 스텝으로 이루어진 사이클이 반복 행해지는 압력 변동 흡착법을 이용해서, 흡착제가 충전된 복수의 흡착탑에 의해 혼합 가스로부터 목적 가스를 농축 분리할 때에 있어서, 상기 흡착탑으로부터 배출되는 오프 가스를 오프 가스 소비 유닛에 공급하기 위한 오프 가스 공급 방법으로서,
    상기 사이클을 구성하는 모든 스텝에 있어서, 상기 흡착탑의 적어도 하나로 부터 상기 오프 가스를 배출시킴으로서, 상기 오프 가스를 상기 오프 가스 소비 유닛에 중단되는 일 없이 계속 공급하는 것을 특징으로 하는 오프 가스 공급 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오프 가스 소비 유닛에 공급되는 상기 오프 가스는, 유량 제어가 행해지는 오프 가스 공급 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유량 제어는, 상기 각 흡착탑과 상기 오프 가스 소비 유닛과의 사이를 연결하는 가스유로에 설치된 유량 제어 밸브의 개도를 변화시키는 것에 의해 행해지는 오프 가스 공급 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 흡착탑에서는, 혼합 가스중의 불필요 가스 성분을 흡착제에 의해 흡착해서 목적 가스 농도가 높은 제품 가스를 배출하는 흡착 공정과, 흡착탑 내의 압력을 제 1 중간 압력까지 저하시키는 제 1 감압 공정과, 흡착탑 내의 압력을 제 2 중간 압력까지 저하시키는 제 2 감압 공정과, 흡착제에 흡착한 불필요 가스 성분을 탈착하고 배출하는 탈착 공정과, 흡착탑 내에 세정 가스를 도입하고 탑 내에 잔류하는 가스를 배출하는 세정 공정과, 흡착탑 내의 압력을 상승시키는 승압 공정이 차례로 반복되고,
    상기 제 2 감압 공정에 있는 흡착탑의 제품 가스 출구로부터 배출되는 잔류 가스를 상기 승압 공정에 있는 다른 흡착탑으로 도입함과 동시에, 상기 제 2 감압 공정에 있는 흡착탑의 혼합 가스 입구로부터 상기 오프 가스 소비 유닛으로 오프 가스를 공급하는 오프 가스 공급 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각 흡착탑은, 상기 제２ 감압 공정, 상기 탈착 공정 및 상기 세정 공정에 있어서 상기 오프 가스 소비 유닛에 오프 가스를 공급하는 오프 가스 공급 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 오프 가스 소비 유닛에 공급되는 상기 오프 가스는, 상기 각 흡착탑과 상기 오프 가스 소비 유닛과의 사이를 연결하는 가스유로에 설치된 유량 제어 밸브에 의해 유량 제어되고, 상기 유량 제어 밸브의 개도는, 상기 세정 공정에 있어서 최대로 되고, 상기 제 ２ 감압 공정에 있어서 최소로 되고, 상기 탈착 공정에 있어서는 서서히 증가하는 오프 가스 공급 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 흡착탑에서는, 혼합 가스중의 불필요 가스 성분을 흡착제에 의해 흡착해서 목적 가스 농도가 높은 제품 가스를 배출하는 흡착 공정과, 흡착탑 내의 압력을 제 １ 중간 압력까지 저하시키는 제 １감압 공정과, 흡착탑 내의 압력을 제 ２ 중간 압력까지 저하시키는 제 ２감압 공정과, 흡착제에 흡착한 불필요 가스 성분을 탈착하고 배출하는 탈착 공정과, 흡착탑 내에 세정 가스를 도입해서 탑내에 잔류하는 가스를 배출하는 세정 공정과, 흡착탑 내의 압력을 상승시키는 제 １승압 공정과, 흡착탑 혼합 가스 입구 및 제품 가스 출구를 모두 폐쇄하는 대기 공정과, 흡착탑 내의 압력을 더욱 상승시키는 제 ２승압 공정이 차례로 반복되고,
    상기 제 ２감압 공정에 있는 흡착탑의 제품 가스 출구에서 배출되는 잔류 가스를 상기 제 １승압 공정에 있는 다른 흡착탑에 도입함과 동시에, 상기 제 ２감압 공정에 있는 흡착탑의 혼합 가스 입구로부터 상기 오프 가스 소비 유닛에 오프 가스를 공급하는 오프 가스 공급 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 오프 가스 소비 유닛은, 상기 혼합 가스가 제조되는 개질 수단의 연소부를 구성하고 있는 오프 가스 공급 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 목적 가스는, 수소 가스이고, 상기 혼합 가스는, 수소 가스와, 수소 가스 이외의 가연성 가스 성분을 포함하는 오프 가스 공급 방법.
  10. 연소부를 갖는 것과 동시에, 원료 가스로부터 목적 가스 함유 혼합 가스를 제조하는 개질 수단과, 복수의 스텝으로 이루어진 사이클이 반복 행해지는 압력 변동 흡착법을 이용해서, 흡착제가 충전된 복수의 흡착탑에 의해 상기 혼합 가스로부터 목적 가스를 농축 분리하는 정제 수단과, 상기 정제 수단으로부터 배출되는 오프 가스를 상기 연소부에 연료로서 공급하는 공급 수단을 구비하는 목적 가스 정제 시스템으로서,
    상기 공급 수단은, 상기 사이클을 구성하는 모든 스텝에 있어서, 상기 흡착탑의 적어도 하나로부터 상기 오프 가스를 배출시키는 것에 의해, 상기 연소부에 상기 오프 가스를 중단되는 일 없이 계속 공급하기 위한 배출 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 목적 가스 정제 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공급 수단은, 상기 오프 가스를 일시적으로 축적하는 오프 가스 저장 탱크를 개재하는 일 없이 상기 연소부에 대해서 상기 오프 가스의 공급을 행하는 목적 가스 정제 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 배출 제어 수단은, 상기 흡착탑에 대해서 각 가스를 공급 또는 배출하기 위한 가스유로에 설치된 유량 제어 밸브와, 그 유량 제어 밸브의 개도를 제어하는 개도 제어 수단을 구비하는 목적 가스 정제 시스템.
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