KR20140044922A

KR20140044922A - 가스 흡착 분리 장치

Info

Publication number: KR20140044922A
Application number: KR1020147005073A
Authority: KR
Inventors: 히토시 사이마; 야스히로 모기; 다카시 하라오카; 마사노리 미야케; 요시노리 다카타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 스미또모 세이까 가부시키가이샤
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-04-15
Also published as: EP2752232A4; BR112014004729A2; CN103796731A; RU2014112053A; KR101586593B1; EP2752232A1; JP5808614B2; WO2013031955A1; JP2013049016A

Abstract

혼합 가스를 통과시켜 흡착제와 접촉시키고, 혼합 가스 중의 1 이상의 가스 성분을 흡착시키는 흡착조를 복수 기 구비하고, 그 복수 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정, 혹은 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 가스 흡착 분리 장치로서, 각 흡착조는 세로 원통형이고, 흡착조의 내부가 수평 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되고, 이들 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역 (A) 을 구성하고, 그 가스 유입 영역 (A) 에 인접하는 양측의 영역이 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 을 구성하고, 그 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 을 구성한다.

Description

가스 흡착 분리 장치{GAS-ADSORBING SEPARATION EQUIPMENT}

본 발명은, 압력 스윙 흡착법 등에 의해 혼합 가스로부터 특정한 가스 성분을 흡착·분리시키기 위한 가스 흡착 분리 장치에 관한 것이다.

혼합 가스의 분리 방법으로서 예전부터 압력 스윙 흡착법 (PSA 법 = Pressure Swing Adsorption 법) 이 사용되어 왔다. 이 방법은, 혼합 가스 중의 1 개 이상의 가스 성분에 대해 흡착력이 높은 흡착제를 혼합 가스에 접촉시키고, 당해 가스 성분을 흡착제에 흡착시킴과 함께, 다른 가스 성분을 농축시키고, 이어서 흡착시킨 가스 성분을 조내 압력을 저하시킴으로써 흡착제로부터 탈리시키고, 분리시키는 방법이다.

압력 스윙 흡착법은, 혼합 가스의 분리 방법으로서 여러 가지 분야에서 이용되고 있다. 이 압력 스윙 흡착법은, 통상적으로 혼합 가스로부터 특정한 가스 성분을 분리시킴으로써, 고순도의 가스를 제조하는 방법으로서 이용되는 경우가 많다. 압력 스윙 흡착법에 의해 혼합 가스로부터 흡착·분리 (제조) 되는 고순도 가스로는, 예를 들어, 수소, 산소, 탄산 가스, 일산화탄소 등이 있다.

압력 스윙 흡착법을 사용하여, 공기를 원료로 하여 흡착제에 질소를 흡착시켜 고순도의 산소를 제조하는 방법이 실시되고 있다. 이 경우, 종래에는 흡착제로서의 칼슘으로 이온 교환된 X 형 제올라이트가 사용되어 왔지만, 최근에는 질소에 대한 흡착 성능이 높은 리튬으로 이온 교환된 X 형 제올라이트가 사용되게 되었다. 또, 50 ∼ 80 vol％ 정도의 수소를 함유하는 혼합 가스, 예를 들어, 석유 화학 산업에 있어서의 탄화수소나 알코올류, 에테르류의 분해 가스, 또는 개질 가스, 제철업에 있어서의 코크스로 가스 등으로 수소를 제조할 때, 흡착제에 A 형 제올라이트를 사용한 압력 스윙 흡착법이 채용되고 있다.

이와 같은 압력 스윙 흡착법에 의한 산소나 수소의 제조에서는, 흡착제에 불필요한 가스 성분을 흡착시켜 고농도이고 고순도의 필요 가스 성분을 제조하고 있다.

한편, 보일러 배기 가스나 연소 배기 가스를 원료로 하여, 압력 스윙 흡착법에 의해 화학 원료나 드라이 아이스용의 탄산 가스가 제조되고 있다. 이 제조에는, 활성탄계의 흡착제나 Y 형 제올라이트계의 흡착제가 사용되고 있다. 또, 제철업의 전로 가스를 원료로 하여, 압력 스윙 흡착법에 의해 화학 원료용의 일산화탄소가 제조되고 있다. 이 제조에는, 제올라이트계의 흡착제나 구리 (Ⅰ)/알루미나계의 흡착제가 사용되고 있다.

이와 같은 압력 스윙 흡착법에 의한 탄산 가스나 일산화탄소의 제조에서는, 흡착제에 필요한 가스 성분을 흡착시키고, 이것을 탈리시킴으로써 고순도의 필요 가스 성분을 제조하고 있다.

상기 서술한 바와 같이, 가스의 종류나 흡착제의 특성에 따라 여러 가지 압력 스윙 흡착법에 의한 가스 분리 시스템이 개발되어 가동되고 있지만, 그 가장 중요 부분인 가스 흡착 분리 장치의 압력 스윙 흡착 장치에 관해서는 큰 구조상의 차이는 없다. 즉, 후술하는 도 10a 및 도 10b 에 나타내는 흡착탑의 중앙부에 흡착제를 충전한 구조가 일반적이다.

한편, 압력 스윙 흡착 장치에 있어서의 가스 분리 조작은, 흡착된 가스를 회수하는 방법과 흡착되지 않는 가스를 회수하는 방법의 2 가지가 있다. 예를 들어, 흡착된 가스를 회수하는 방법은, 통상적으로 다음의 (1) ∼ (3) 의 3 공정으로 구성된다.

(1) 흡착탑에 가스를 도입하고, 가스를 흡착제에 흡착시키는 흡착 공정,

(2) 흡착탑에 고순도의 가스를 도입하고, 불필요한 가스를 내보내는 세정 공정,

(3) 흡착탑의 압력을 세정 공정보다 낮게 하고, 흡착 가스를 회수하는 탈착 공정.

그리고, 예를 들어 혼합 가스로부터 탄산 가스를 회수하는 경우, 50 ∼ 100 ㎪ 정도의 압력으로 흡착 공정을 실시하고, 이어서 대기압으로 고순도의 탄산 가스를 도입하여 불필요한 가스를 내보내고, 마지막으로 진공으로까지 감압하여 고순도의 탄산 가스를 얻을 수 있다. 세정 공정에 필요한 고순도의 탄산 가스는, 탈착 공정을 실시한 흡착탑으로부터 공급된다.

또, 종래의 가스 흡착 분리 장치의 구조는 원통형과 필로우형으로 대별된다. 이 중, 도 10a 에 나타내는 바와 같이, 원통형의 탑 구조를 한 가스 흡착 분리 장치는, 혼합 가스로 이루어지는 원료 가스를 하방으로부터 도입하고, 가스 흡착부에 충전된 흡착제에 가스 성분을 흡착시키는 구조이다. 이것을 대형화해 가면, 가스 흡착부의 층고가 커져, 가스를 통과시킬 때의 압력 손실이 커진다. 그 때문에, 도 10b 에 나타내는 바와 같이, 압력 손실이 문제가 되는 저압의 대형 장치에 있어서는 필로우형 형상이 채용되고 있다.

이 필로우형의 가스 흡착 분리 장치는, 필로우의 길이를 길게 함으로써 대형화에 대응할 수 있기 때문에, 가스 흡착부의 층고를 낮게 억제할 수 있고, 압력 손실도 낮은 채로 운전할 수 있다. 그러나, 필로우형의 경우, 압력 손실을 낮게 억제하는 필요상, 용적에 대한 흡착제 충전율 (체적 비율) 을 크게 할 수 없고, 이 때문에 장치가 대형이 되는 비율에 비해, 그 가스 처리량은 그다지 커지지 않는 결점이 있다.

종래, 이와 같은 문제를 해소하기 위해 여러 가지 제안이 이루어져 있다. 특허문헌 1 에는, 원통형의 가스 분리 장치에 있어서, 흡착제를 원고리상으로 충전하는 것이 제안되어 있다. 이 장치는, 흡착제의 충전 구조를 원고리상으로 함으로써 가스 분산판 면적을 크게 취하여, 압력 손실을 억제하고 있다.

또, 높은 가스 처리량이 얻어지는 방식으로서 고속 압력 스윙 (RPSA) 법이 제안되어 있다. 특허문헌 2 에는, RPSA 법에 의해 혼합 가스로부터 수소를 회수하는 방법이 나타나 있다. 이 방법은, 흡착탑 내의 흡착층을 분할하고, 흡착층의 외측의 일방으로부터 혼합 가스를 도입하고, 흡착층에 불필요 가스 성분을 흡착시켜, 흡착층 사이의 영역으로부터 불필요 가스 성분이 제거된 고순도의 가스를 회수함과 함께, 이 고순도 가스를 다른 일방의 흡착층에 도입하여 흡착층 내에 흡착된 불필요 성분을 탈리시키고, 이 불필요 가스 성분을 흡착제의 다른 일방의 외측의 영역으로부터 계외로 방출하는 방식이다.

또, 동일하게 흡착층을 분할하는 방식이 특허문헌 3, 4 에 나타나 있다. 특히 특허문헌 3 에는, 압력 스윙법의 전처리 등을 위해, 수분이나 탄산 가스를 제거하기 위해 생각된 방법이 기재되어 있다.

일본 공개특허공보 평1-164417호 일본 공개특허공보 평4-267919호 일본 공개특허공보 평1-159019호 일본 공개특허공보 2009-274024호

그러나, 특허문헌 1 에 기재된 장치를 실기화하는 경우, 원고리를 형성하는 칸막이를 분산판으로 구성하는 구조이기 때문에, 이하와 같은 문제가 있다. 즉, 일반적으로 흡착제는 입경 2 ∼ 3 ㎜ 정도의 입자상이기 때문에, 분산판은 1 ㎜ 정도의 개구인 가스통공을 다수 형성한 구조로 할 필요가 있다. 그런데, 이 장치의 경우, 보강에 의해 분산판의 강도를 유지하면서, 원고리의 정밀도를 확보하는 것은 매우 어렵다. 또한, 2 개의 원고리상 분산판의 중심을 대형의 가스 흡착 분리 장치의 높이 방향의 전체 높이에 있어서 동일하게 하는 것도 상당히 곤란할 것으로 생각된다. 또, 이들을 실현할 수 있었다고 해도, 매우 고가의 장치가 된다.

특허문헌 2 에 기재된 방법은, 수소 등의 잘 흡착되지 않는 가스를 분리시키는 데에는 유효하지만, 탄산 가스 등과 같은 흡착되기 쉬운 가스에는 적용이 곤란하다. 또, 이 방법에 있어서는, 2 개의 흡착층의 차압에만 의해 운전이 실시되고 있기 때문에, 상기 서술한 탄산 가스 분리와 같이 수십 ∼ 수백 ㎪ 의 차압이 필요한 분리에는 적용할 수 없다.

또, 특허문헌 3 에 기재된 방법에서는, 흡착층을 분할하고, 흡착층에 의한 압력 손실을 저하시켜 체적 효율을 높게 하고 있지만, 가스 중의 불순물을 제거하기 위한 구조로, 탄산 가스와 같이 흡착된 가스를 고순도로 회수할 수 없다.

또, 특허문헌 4 에 기재된 방법에서는, 유닛을 분할하여 이송하는 것이 가능하다는 특징은 있지만, 전체의 구조가 사각형이기 때문에, 상기 서술한 탄산 가스 분리와 같이 수십 ∼ 수백 ㎪ 의 압력을 내부에 가하는 것은 곤란하다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 종래 기술의 과제를 해결하고, 혼합 가스로부터의 탄산 가스의 흡착 분리에도 문제없이 적용할 수 있음과 함께, 장치를 대형화해도 용적에 대한 흡착제 충전율을 높게 할 수 있고, 또한 심플한 구조로 염가로 얻을 수 있는 가스 흡착 분리 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 서술한 과제를 해결하여, 상기 목적을 달성하기 위해 제 1 발명에 관련된 가스 흡착 분리 장치는, 혼합 가스를 통과시켜 흡착제와 접촉시키고, 혼합 가스 중의 1 이상의 가스 성분을 흡착시키는 흡착조를 복수 기 (基) 구비하고, 그 복수 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을, 혹은 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 가스 흡착 분리 장치로서, 각 흡착조는 세로 원통형이고, 흡착조의 내부가 수평 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되고, 이들 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역을 구성하고, 그 가스 유입 영역에 인접하는 양측의 영역이 가스 흡착 영역을 구성하고, 그 가스 흡착 영역에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역을 구성하는 것을 특징으로 한다.

제 2 발명에 관련된 가스 흡착 분리 장치는, 혼합 가스를 통과시켜 흡착제와 접촉시키고, 혼합 가스 중의 1 이상의 가스 성분을 흡착시키는 흡착조를 복수 기 구비하고, 그 복수 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을, 혹은 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 가스 흡착 분리 장치로서, 각 흡착조는 필로우형이고, 흡착조의 내부가 높이 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되고, 이들 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역을 구성하고, 그 가스 유입 영역에 인접하는 상하의 영역이 가스 흡착 영역을 구성하고, 그 가스 흡착 영역에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역을 구성하는 것을 특징으로 한다.

제 3 발명에 관련된 가스 흡착 분리 장치는, 혼합 가스를 통과시켜 흡착제와 접촉시키고, 혼합 가스 중의 1 이상의 가스 성분을 흡착시키는 흡착조를 복수 기 구비하고, 그 복수 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을, 혹은 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 가스 흡착 분리 장치로서, 각 흡착조는 필로우형이고, 흡착조의 내부가 수평 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되고, 이들 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역을 구성하고, 그 가스 유입 영역에 인접하는 양측의 영역이 가스 흡착 영역을 구성하고, 그 가스 흡착 영역에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역을 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 가스 흡착 분리 장치는, 상기 발명에 있어서, 인접하는 영역 사이는 가스를 환기시킬 수 있는 칸막이 벽으로 구획되고, 가스 유입 영역 및 오프 가스 유출 영역은, 가스 흡착 영역과의 사이에서 칸막이 벽을 통하여 가스를 출입시키는 공간부인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 가스 흡착 분리 장치에 의하면, 혼합 가스로부터의 탄산 가스의 흡착 분리에도 문제없이 적용할 수 있음과 함께, 장치를 대형화해도 용적에 대한 흡착제 충전율을 높게 할 수 있어, 장치의 컴팩트화와 효율 향상을 도모할 수 있다.

또, 흡착제층 두께가 2 개로 분할되어 있으므로 각 흡착제층의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에, 압력 손실을 작게 할 수 있음과 함께, 흡착이나 탈착에 필요한 시간도 단축시킬 수 있다. 또, 심플한 구조로 염가로 얻을 수 있다.

또한, 흡착조는 세로 원통형 또는 필로우형이고, 혼합 가스의 가스 유입 영역으로부터 가스 유출 영역을 향하여 흡착 장치의 폭이 감소하기 때문에, 가스 흡착에 의해 혼합 가스의 체적이 감소해도, 혼합 가스의 선속도가 저하되지 않으므로, 흡착에 필요한 시간을 더욱 단축시킬 수 있다는 우수한 효과가 얻어진다.

도 1 은, 본 발명의 가스 흡착 분리 장치의 일 실시형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 가스 흡착 분리 장치를 구성하는 1 개의 흡착조를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 3 은, 도 2 에 나타내는 가스 흡착 분리 장치의 수평 단면도이다.
도 4 는, 본 발명의 가스 흡착 분리 장치의 다른 실시형태를 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 5 는, 도 4 에 나타내는 가스 흡착 분리 장치를 구성하는 1 개의 흡착조를 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 6 은, 본 발명의 가스 흡착 분리 장치의 다른 실시형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 7 은, 도 6 에 나타내는 가스 흡착 분리 장치를 구성하는 1 개의 흡착조를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 8 은, 도 6 에 나타내는 가스 흡착 분리 장치의 수평 단면도이다.
도 9a 는, 본 발명에 관련된 장치와 종래 기술의 장치의 체적 이용률 등의 비교를 나타내는 약선도 (略線圖) 이다.
도 9b 는, 본 발명에 관련된 장치와 종래 기술의 장치의 체적 이용률 등의 비교를 나타내는 약선도이다.
도 10a 는, 종래의 가스 분리 장치를 모식적으로 나타내는 약선도이다.
도 10b 는, 종래의 가스 분리 장치를 모식적으로 나타내는 약선도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 실시형태의 전체 도면에 있어서는, 동일 또는 대응하는 부분에는 동일한 부호를 부여한다. 또, 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 가스 흡착 분리 장치는, 혼합 가스를 통과시켜 흡착제와 접촉시키고, 혼합 가스 중의 1 이상의 가스 성분을 흡착시키는 흡착조, 즉 흡착탑을 복수 기 구비한다. 또, 이 가스 흡착 분리 장치는, 복수 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정, 또는 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 한다.

(제 1 실시형태)

도 1 은, 본원의 제 1 발명에 관련된 제 1 실시형태에 의한 가스 흡착 분리 장치를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 2 는, 도 1 에 나타내는 가스 흡착 분리 장치를 구성하는 1 개의 흡착조, 즉 흡착탑을 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 3 은, 도 1 에 나타내는 흡착조의 수평 단면도이다.

이 제 1 실시형태에 의한 가스 흡착 분리 장치는, 3 기의 흡착조 (x₁ ∼ x₃) 를 구비하고 있고, 이들 3 기의 흡착조 (x₁ ∼ x₃) 에 각각 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 이 순서로 교대로 실시한다. 또한, 가스 흡착 분리 장치는, 2 기의 흡착조를 구비하고, 이들 2 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 것, 즉 세정 공정을 실시하지 않는 것이어도 된다.

각 흡착조 (x) 는 세로 원통형이고, 흡착조 (x) 의 내부가 수평 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되어 있다. 이들 5 개의 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역 (A) 을 구성하고, 이 가스 유입 영역 (A) 에 인접하는 양측의 영역이 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 을 구성하고, 이들 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 을 구성하고 있다. 또한, 흡착조 (x) 의 직경 방향의 단면 형상은 타원형이어도 된다.

각 영역을 구획하기 위해 흡착조 (x) 의 통축 방향을 따라 형성되는 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 은, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 내에 입자상의 흡착제를 유지하면서, 가스를 통과시킬 수 있는 소공 (小孔) 을 전체면에 갖는, 예를 들어 철망 등의 다공판으로 구성된다. 본 제 1 실시형태에서는, 칸막이 벽 (1) 은 흡착조 (x) 의 내부를 직선상으로 구획하여 각 영역을 형성하고 있다.

가스 유입 영역 (A) 과 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 은, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 과의 사이에서 칸막이 벽 (1) 을 통하여 가스를 출입시키는 공간부이다.

가스 유입 영역 (A) 에는, 혼합 가스를 공급하기 위한 가스 공급관 (2) 이 접속되어 있다. 또, 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에는 각각, 혼합 가스의 일부가 흡착·분리된 후의 가스인 농축된 가스를 배출하기 위한 가스 배출관 (3) 이 접속되어 있다. 가스 공급관 (2) 에 의한 혼합 가스의 공급 위치는 임의이다. 예를 들어, 가스 유입 영역 (A) 의 측면, 즉 흡착조 (x) 의 측부의 1 개 지점 이상과, 가스 유입 영역 (A) 의 단부, 즉 흡착조 (x) 의 상면 및 하면의 1 개 지점 이상 중 어느 것 혹은 양방으로부터 혼합 가스를 공급할 수 있다. 또, 가스 유입 영역 (A) 에는, 혼합 가스를 전역에 걸쳐 균일하게 공급할 수 있는 분산 노즐을 형성해도 된다.

이와 같은 가스 흡착 분리 장치에 있어서, 흡착 공정에 있는 흡착조 (x₁) 에서는, 혼합 가스가 가스 공급관 (2) 을 통하여 가스 유입 영역 (A) 에 도입된다. 이 가스 유입 영역 (A) 에 도입된 혼합 가스는, 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 유입되고, 여기서 흡착제의 특성에 따라 혼합 가스 중의 특정한 가스 성분이 흡착되고, 가스상으로 비흡착 성분이 농축된다. 농축된 가스는, 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여 최외측의 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에 유출된 후, 가스 배출관 (3) 을 통하여 배출된다.

세정 공정에 있는 흡착조 (x₂) 에서는, 탈착 공정에 있는 흡착조 (x₃) 에서 탈착된 고순도의 흡착 가스의 일부가 세정 가스로서 가스 유입 영역 (A) 에 공급된다. 이 세정 가스가 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 으로부터 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 으로 흐름으로써, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 내의 불순물 가스가 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 으로 내보내지고, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 의 세정이 이루어진다. 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에 유출된 세정 오프 가스는, 가스 배출관 (3) 을 통하여 배출된다.

탈착 공정에 있는 흡착조 (x₃) 에서는, 진공 펌프 (4) 에 의해 조내의 압력을 저하시키고, 흡착 가스를 흡착제로부터 탈리시켜, 고순도화된 가스를 회수한다. 또, 상기 서술한 바와 같이, 그 일부를 세정 공정에 있는 흡착조에 세정 가스로서 공급한다.

흡착 공정과 탈착 공정의 압력은, 탈착 압력이 흡착 압력보다 낮게 설정되면 된다. 따라서, 예를 들어, 흡착 압력을 대기압으로 하고 탈착 압력을 진공으로 해도 되고, 흡착 압력을 가압으로 실시하고, 탈착 압력을 대기압 혹은 진공으로 해도 된다.

이상과 같이 3 기의 흡착조 (x₁ ∼ x₃) 에 있어서, 일정 시간마다 순서대로 3 개의 공정을 실시함으로써, 혼합 가스로 고순도 가스를 연속적으로 제조할 수 있다.

(제 2 실시형태)

도 4 는, 본원의 제 2 발명에 관련된 제 2 실시형태에 의한 가스 흡착 분리 장치를 모식적으로 나타내는 측면도이다. 도 5 는, 도 4 에 나타내는 가스 흡착 분리 장치를 구성하는 1 개의 흡착조를 모식적으로 나타내는 측면도이다.

이 제 2 실시형태에 의한 가스 흡착 분리 장치도 3 기의 흡착조 (x₁ ∼ x₃) 를 구비하고 있고, 이들 3 기의 흡착조 (x₁ ∼ x₃) 에 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 이 순서로 교대로 실시하게 하는 것이다. 또한, 가스 흡착 분리 장치는 2 기의 흡착조를 구비하고, 이들 2 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 것, 즉 세정 공정을 실시하지 않는 것이어도 된다.

각 흡착조 (x) 는 필로우형이고, 흡착조 (x) 의 내부가 높이 방향, 즉 상하 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되어 있다. 이들 5 개의 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역 (A) 을 구성하고, 이 가스 유입 영역 (A) 에 인접하는 상하의 영역이 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 을 구성하고, 이들 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 을 구성하고 있다. 여기서, 필로우형의 흡착조 (x) 란, 가로 원통형으로서, 통 양단이 구면상의 둥근 모양을 갖는 형상의 흡착조를 가리킨다. 또한, 흡착조 (x) 의 직경 방향의 단면 형상은 타원형이어도 된다.

각 영역을 구획하기 위해 흡착조 (x) 내에서 수평 방향으로 형성되는 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 은, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 내에 입자상의 흡착제를 유지하면서, 가스를 통과시킬 수 있는 소공을 전체면에 갖는, 예를 들어 철망 등의 다공판으로 구성된다. 본 제 2 실시형태에서는, 칸막이 벽 (1) 은 흡착조 (x) 의 내부를 직선상으로 구획하여 각 영역을 형성하고 있다.

상기 가스 유입 영역 (A) 과 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 은, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 과의 사이에서 칸막이 벽 (1) 을 통하여 가스를 출입시키는 공간부이다.

상기 가스 유입 영역 (A) 에는, 혼합 가스를 공급하기 위한 가스 공급관 (2) 이 접속되어 있다. 또, 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에는 각각, 혼합 가스의 일부가 흡착·분리된 후의 가스인 농축된 가스를 배출하기 위한 가스 배출관 (3) 이 접속되어 있다. 가스 공급관 (2) 에 의한 혼합 가스의 공급 위치는 임의이다. 또, 가스 유입 영역 (A) 에는, 혼합 가스를 전역에 걸쳐 균일하게 공급할 수 있는 분산 노즐을 형성해도 된다.

이와 같은 가스 흡착 분리 장치에 있어서, 흡착 공정에 있는 흡착조 (x₁) 에서는, 혼합 가스가 가스 공급관 (2) 을 통하여 가스 유입 영역 (A) 에 도입된다. 이 가스 유입 영역 (A) 에 도입된 혼합 가스는, 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여 상하의 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 유입되고, 여기서 흡착제의 특성에 따라 혼합 가스 중의 특정한 가스 성분이 흡착되고, 가스상으로 비흡착 성분이 농축된다. 농축된 가스는, 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여, 상하에 위치하는 최외측의 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에 유출된 후, 가스 배출관 (3) 을 통하여 배출된다.

세정 공정에 있는 흡착조 (x₂) 에서는, 탈착 공정에 있는 흡착조 (x₃) 에서 탈착된 고순도의 흡착 가스의 일부가 세정 가스로서 가스 유입 영역 (A) 에 공급된다. 이 세정 가스가 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여 상하의 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 으로부터 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 으로 흐름으로써, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 내의 불순물 가스가 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 으로 내보내지고, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 의 세정이 이루어진다. 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에 유출된 세정 오프 가스는, 가스 배출관 (3) 을 통하여 배출된다.

(제 3 실시형태)

도 6 은, 본원의 제 3 발명에 관련된 제 3 실시형태에 의한 가스 흡착 분리 장치를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 7 은, 도 6 에 나타내는 가스 흡착 분리 장치를 구성하는 1 개의 흡착조, 즉 흡착탑을 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 8 은, 도 6 에 나타내는 흡착조의 수평 단면도이다.

이 제 3 실시형태에 의한 가스 흡착 분리 장치도 3 기의 흡착조 (x₁ ∼ x₃) 를 구비하고 있고, 이들 3 기의 흡착조 (x₁ ∼ x₃) 에 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 이 순서로 교대로 실시하게 하는 것이다. 또한, 가스 흡착 분리 장치는 2 기의 흡착조를 구비하고, 이들 2 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 것, 즉 세정 공정을 실시하지 않는 것이어도 된다.

각 흡착조 (x) 는 필로우형이고, 흡착조 (x) 의 내부가 수평 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되어 있다. 이들 5 개의 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역 (A) 을 구성하고, 이 가스 유입 영역 (A) 에 인접하는 양측의 영역이 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 을 구성하고, 이들 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 을 구성하고 있다. 상기 서술한 바와 같이, 필로우형의 흡착조 (x) 란, 가로 원통형으로서, 통 양단이 구면상의 둥근 모양을 갖는 형상의 흡착조를 가리킨다. 또한, 흡착조 (x) 의 직경 방향의 단면 형상은 타원형이어도 된다.

각 영역을 구획하기 위해 흡착조 (x) 내에서 수평 방향으로 형성되는 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 은, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 내에 입자상의 흡착제를 유지하면서, 가스를 통과시킬 수 있는 소공을 전체면에 갖는, 예를 들어 철망 등의 다공판으로 구성된다. 본 제 3 실시형태에서는, 칸막이 벽 (1) 은 흡착조 (x) 의 내부를 직선상으로 구획하여 각 영역을 형성하고 있다.

이 가스 유입 영역 (A) 에는, 혼합 가스를 공급하기 위한 가스 공급관 (2) 이 접속되어 있다. 또, 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에는 각각, 혼합 가스의 일부가 흡착·분리된 후의 가스인 농축된 가스를 배출하기 위한 가스 배출관 (3) 이 접속되어 있다. 가스 공급관 (2) 에 의한 혼합 가스의 공급 위치는 임의이다. 또, 가스 유입 영역 (A) 에는, 혼합 가스를 전역에 걸쳐 균일하게 공급할 수 있는 분산 노즐을 형성해도 된다.

이와 같은 가스 흡착 분리 장치에 있어서, 흡착 공정에 있는 흡착조 (x₁) 에서는, 혼합 가스가 가스 공급관 (2) 을 통하여 가스 유입 영역 (A) 에 도입된다. 이 가스 유입 영역 (A) 에 도입된 혼합 가스는, 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여 양측의 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 유입되고, 여기서 흡착제의 특성에 따라 혼합 가스 중의 특정한 가스 성분이 흡착되고, 가스상으로 비흡착 성분이 농축된다. 농축된 가스는, 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여 좌우에 위치하는 최외측의 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에 유출된 후, 가스 배출관 (3) 을 통하여 배출된다.

세정 공정에 있는 흡착조 (x₂) 에서는, 탈착 공정에 있는 흡착조 (x₃) 에서 탈착된 고순도의 흡착 가스의 일부가 세정 가스로서 가스 유입 영역 (A) 에 공급된다. 이 세정 가스가 분산판으로 이루어지는 칸막이 벽 (1) 을 통하여 양측의 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 으로부터 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 으로 흐름으로써, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 내의 불순물 가스가 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 으로 내보내지고, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 의 세정이 이루어진다. 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 에 유출된 세정 오프 가스는, 가스 배출관 (3) 을 통하여 배출된다.

본 발명의 장치는, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 충전되는 흡착제의 종류를 불문한다. 흡착시키는 가스의 종류에 따라, 제올라이트계, 활성탄계, 알루미나계 등 임의의 흡착제를 사용할 수 있다. 또, 본 발명의 장치가 적용되는 혼합 가스의 종류나 흡착·분리시키는 가스 성분의 종류도 임의이다.

또, 본 발명의 장치는, 냉각시키면서 흡착시키고, 재생시에 가온시키는 방식의 온도 스윙 흡착법이나, 이 온도 스윙 흡착법과 압력 스윙 흡착법을 조합한 압력·온도 스윙 흡착법에도 적용할 수 있다. 이 경우, 가스 흡착 영역 (B₁, B₂) 에 가열·냉각을 위한 열 교환 튜브를 삽입하는 등의 구성을 채용할 수 있다.

본 발명의 가스 흡착 분리 장치는, 용적에 대한 흡착제 충전율을 높게 할 수 있어, 장치의 컴팩트화와 효율 향상을 도모할 수 있다. 도 9a, 도 9b 는 필로우형의 흡착조의 직경 방향의 종단면도이다. 예를 들어, 도 9a 에 나타내는 바와 같이, 직경 (L₀) 이 6.5 m 인 필로우형의 흡착조에 층 두께 (l) 가 2.5 m 인 단일의 흡착제층을 형성한 종래형의 장치의 경우, 흡착층의 길이가 45 m 이고, 그 체적 이용률은 48 ％ 에 불과하다. 이에 반해, 도 9b 에 나타내는 바와 같이, 층 두께 (l₁, l₃) 가 예를 들어 2.5 m 인 흡착제층을 폭 (l₂) 이 예를 들어 0.5 m 인 가스 유입 영역 (A) 으로서의 공간을 사이에 두고 2 개 형성한 본 발명의 장치의 경우에는, 흡착층의 길이가 26 m 이고, 그 체적 이용률은 83 ％ 로 증가한다. 또한, 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 의 폭 (l₀, l₄) 도 예를 들어 0.5 m 이다. 이 결과, 종래형의 필로우형의 가스 흡착 분리 장치에서는 50 m 의 길이가 필요한 경우, 본 발명의 필로우형 흡착 장치에서는 약 29 m 의 길이로, 동량의 흡착제를 충전할 수 있다. 또, 각종 가스 흡착 분리 장치에 있어서도, 용적에 대한 흡착제 충전율을 높게 할 수 있어, 장치의 컴팩트화와 효율 향상을 도모할 수 있는 것이 확인되었다.

또, 흡착제로서 활성탄이나 X 형 제올라이트 등을 사용하면, 혼합 가스로부터의 탄산 가스의 흡착 분리에도 문제없이 적용할 수 있다. 또, 본 발명에서는, 흡착제층 두께가 2 개로 분할되어 있으므로, 각 흡착제층의 두께를 얇게 할 수 있다. 그 때문에, 압력 손실을 작게 할 수 있음과 함께, 흡착이나 탈착에 필요한 시간도 단축시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 흡착조는 세로 원통형 또는 필로우형이고, 혼합 가스의 가스 유입 영역 (A) 으로부터 오프 가스 유출 영역 (C₁, C₂) 을 향하여 흡착 장치의 폭이 감소하기 때문에, 가스 흡착에 의해 혼합 가스의 체적이 감소해도, 혼합 가스의 선속도가 저하되지 않고, 이 때문에 흡착에 필요한 시간을 더욱 짧게 할 수 있다는 우수한 효과가 얻어진다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상에 기초하는 각종 변형이 가능하다. 예를 들어, 상기 서술한 실시형태에 있어서 예시한 수치는 어디까지나 예에 지나지 않고, 필요에 따라 이것과 상이한 수치를 사용해도 된다.

1 : 칸막이 벽
2 : 가스 공급관
3 : 가스 배출관
4 : 진공 펌프
A : 가스 유입 영역
B₁, B₂ : 가스 흡착 영역
C₁, C₂ : 오프 가스 유출 영역

Claims

혼합 가스를 통과시켜 흡착제와 접촉시키고, 혼합 가스 중의 1 이상의 가스 성분을 흡착시키는 흡착조를 복수 기 (基) 구비하고, 그 복수 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을, 혹은 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 가스 흡착 분리 장치로서,
각 흡착조는 세로 원통형이고, 흡착조의 내부가 수평 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되고, 이들 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역을 구성하고, 그 가스 유입 영역에 인접하는 양측의 영역이 가스 흡착 영역을 구성하고, 그 가스 흡착 영역에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역을 구성하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 분리 장치.
혼합 가스를 통과시켜 흡착제와 접촉시키고, 혼합 가스 중의 1 이상의 가스 성분을 흡착시키는 흡착조를 복수 기 구비하고, 그 복수 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을, 혹은 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 가스 흡착 분리 장치로서,
각 흡착조는 필로우형이고, 흡착조의 내부가 높이 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되고, 이들 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역을 구성하고, 그 가스 유입 영역에 인접하는 상하의 영역이 가스 흡착 영역을 구성하고, 그 가스 흡착 영역에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역을 구성하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 분리 장치.
혼합 가스를 통과시켜 흡착제와 접촉시키고, 혼합 가스 중의 1 이상의 가스 성분을 흡착시키는 흡착조를 복수 기 구비하고, 그 복수 기의 흡착조에 흡착 공정과 탈착 공정을, 혹은 흡착 공정과 세정 공정과 탈착 공정을 교대로 실시하게 하는 가스 흡착 분리 장치로서,
각 흡착조는 필로우형이고, 흡착조의 내부가 수평 방향으로 병렬된 5 개의 영역으로 구획되고, 이들 영역 중, 중앙의 영역이 가스 유입 영역을 구성하고, 그 가스 유입 영역에 인접하는 양측의 영역이 가스 흡착 영역을 구성하고, 그 가스 흡착 영역에 각각 인접하는 최외측의 영역이 오프 가스 유출 영역을 구성하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 분리 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
인접하는 영역 사이는 가스를 환기시킬 수 있는 칸막이 벽으로 구획되고, 상기 가스 유입 영역 및 상기 오프 가스 유출 영역은, 상기 가스 흡착 영역과의 사이에서 칸막이 벽을 통하여 가스를 출입시키는 공간부인 것을 특징으로 하는 가스 흡착 분리 장치.