KR20160137622A - 목적 가스의 정제 방법 및 정제 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 압력 변동 흡착법을 이용해서 목적 성분을 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스를 정제함에 있어서, 고순도 목적 가스를 효율적으로 회수하면서 흡착제의 정제 능력을 저하시키는 불순물 성분에 의한 영향을 방지하는 것을 과제로 한다. 본 발명의 방법은, 불순물 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착제가 충전된 복수의 흡착 유닛을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해, 흡착 유닛이 상대적으로 고압인 상태에서, 흡착 유닛에 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물 성분을 흡착제에 흡착시켜, 해당 흡착 유닛으로부터 상기 목적 성분이 풍부화된 가스를 배출하는 흡착 공정과, 흡착 유닛을 감압시켜 해당 흡착 유닛으로부터 가스를 배출하는 감압 공정을 포함하는 사이클을 흡착 유닛의 각각에 있어서 반복해서 행하며, 각 흡착 유닛은, 직렬로 연결된 제1 및 제2 흡착조(10A 내지 10D, 20A 내지 20D)를 포함하고, 감압 공정에 있어서, 제1 및 제2 흡착조 사이에 설치된 개폐 밸브(16)에 의해, 제1 및 제2 흡착조가 연통하는 상태와 연통하지 않는 상태로 전환한다.

Description

목적 가스의 정제 방법 및 정제 장치{PURIFICATION METHOD AND PURIFICATION DEVICE FOR TARGET GAS}
본 발명은, 압력 변동 흡착법을 이용해서, 예를 들어, 수소 등의 목적 성분을 함유하는 혼합 가스로부터 불순물 성분을 제거해서 목적 성분 가스를 정제하여 취득하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근, 연료전지 원료라고 하는, 탄화수소를 대신하는 에너지원으로서, 또 풍력발전이나 태양광발전 등의 출력 변동이 큰 에너지의 에너지 저장 매체로서, 수소가 주목받고 있다. 수소의 제조 방법으로서는, 예를 들어, 코크스로 가스(coke oven gas)(이하, 적절하게 「COG」라고 칭함) 등 수소 함유 가스로부터 분리하는 방법이나, 천연 가스나 메탄올 등의 탄화수소계 원료의 개질에 의해 얻어지는 방법이 알려져 있다. 코크스로 가스는, 주성분으로서의 수소 이외에, 불순물로서, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등의 경질 탄화수소를 함유하고, 또한 중질 탄화수소, BTX(벤젠, 톨루엔, 자일렌), 황화합물 등을 소량 포함한다. 이러한 수소 함유 가스를 정제해서 고순도의 수소 가스를 얻기 위한 대표적인 수법으로서, 압력 변동 흡착법(이하, 「PSA법」이라 칭함)이 알려져 있다. PSA법에 의한 수소 가스의 정제는, 예를 들어, 흡착제가 충전된 흡착조에 수소를 함유하는 혼합 가스를 고압 하에서 도입해서 불순물을 흡착제에 흡착시켜서, 수소가 풍부화된 수소 풍부화 가스를 배출하는 공정과, 흡착조 내를 감압시켜 흡착제로부터 불순물을 탈착시켜서, 해당 흡착조로부터 가스를 배출하는 공정을 포함하는 사이클을 반복하는 것에 의해 행한다.
COG로부터 PSA법에 의해서 수소를 정제할 경우, COG 중에 함유되는 중질 탄화수소, BTX, 황화합물 등의 불순물은 PSA의 정제 능력을 저하시키기 때문에, PSA법에 의한 정제 전에 미리 제거하는 것이 바람직하다. 이들 특정 불순물을 제거하는 방법으로서는, 예를 들면, 사전흡착법(이하, 「프레흡착」이라 칭함)이 있다. 프레흡착은, PSA법 전에, 불순물을 흡착하기 위한 흡착제가 충전된 흡착조(이하, 「프레흡착조」라 칭함)를 배치하고, COG로부터 불순물을 흡착 제거하는 것이다. 이 프레흡착은, 프레흡착조 내에 COG를 일방향으로 흐르게 해서 이것 불순물을 제거하고, 불순물이 프레흡착조를 파과하기 전에 새로운 흡착조와 교환하는 방법(특허문헌 1)이나, PSA법을 행하는 메인 흡착조와 연동해서 프레흡착조(프레 필터)로부터 불순물을 탈착시킴으로써 프레흡착조를 재생시키는 방법(특허문헌 2)이 있다.
그러나, 특허문헌 1과 같이 불순물이 파과하기 전에 흡착조를 교환할 경우, 교환 빈도를 적게 하기 위해서는 흡착조를 대형화하지 않으면 안 된다. 또한, 특허문헌 2와 같이 PSA법과 연동시켜서 프레흡착조를 재생할 경우, 프레흡착조를 교체하는 방법과 비교하면 프레흡착조의 수명은 길어져, 비용 절감을 도모할 수 있지만, 프레흡착조에서 흡착 제거한 불순물이 PSA법의 메인 흡착조에 유입될 가능성이 높아진다.
JPH03-9391 B JPH08-32549 B
본 발명은, 이러한 사정 하에 안출된 것으로, 목적 성분을 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스를 정제함에 있어서, PSA법의 이용에 의해 고순도 목적 가스를 효율적으로 회수하는 동시에, 불순물 중 PSA의 흡착제의 정제 능력을 저하시키는 성분에 대해서, 해당 불순물 성분에 의한 흡착제에의 영향을 방지하는데 적합한 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
본 발명의 제1 측면에 의해서 제공되는 목적 가스의 정제 방법은, 목적 성분 및 복수의 불순물 성분을 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스를 정제시키기 위한 방법으로서, 상기 불순물 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착제가 충전된 복수의 흡착 유닛을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해, 상기 흡착 유닛이 상대적으로 고압인 상태에서, 상기 흡착 유닛에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 상기 불순물 성분을 상기 흡착제에 흡착시켜, 해당 흡착 유닛으로부터 상기 목적 성분이 풍부화된 목적 성분 풍부화 가스를 배출하는 흡착 공정과, 상기 흡착 유닛을 감압시켜 해당 흡착 유닛으로부터 가스를 배출하는 감압 공정을 포함하는 사이클을 상기 흡착 유닛의 각각에 있어서 반복해서 행하는 목적 가스의 정제 방법에 있어서, 상기 각 흡착 유닛은, 직렬로 연결된 제1 및 제2 흡착조를 포함하고, 상기 감압 공정에 있어서는, 상기 제1 및 제2 흡착조 사이에 설치된 개폐밸브에 의해, 상기 제1 및 제2 흡착조가 연통하는 상태와 연통하지 않는 상태로 전환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 다음과 같은 요인 해석을 행하였다. 우선, 프레흡착조의 수명을 연장시키기(조 내의 흡착제의 교환 빈도를 절감시키기) 위해서는, PSA법에 의한 정제 사이클과 프레흡착조의 흡착·탈착을 동기시키는 것에 의한, 프레흡착조의 재생이 필요하다. 또, 예를 들어, 원료 가스가 COG일 경우에 해당 COG 중에서 보다 많은 수소(목적 가스)를 회수하기 위해서는, 재생 공정 전에, 프레흡착조 중에 포함되는 수소도 회수할 수 있는 것이 바람직하다. 그렇지만, 프레흡착조 중의 수소를 회수하려고 하면, 프레흡착에 의해 제거한 불순물도 동시에 회수될 우려가 있다. 그리고, 일단 이들 불순물이 회수되어 버리면, 이들 불순물은 탈착되기 어렵기 때문에, PSA법에서의 수소 정제 능력이 현저하게 악화된다. 그 때문에, 프레흡착조를 PSA법과 동기시켜도, 상기 불순물이 메인 흡착조에 회수되는 일이 없도록, 과대한 프레흡착조로 할 필요가 있었다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 바, 프레흡착조(제1 흡착조)와 PSA를 행하는 메인 흡착조(제2 흡착조) 사이에 자동밸브(개폐밸브)를 부착하고, 프레흡착조의 PSA 사이클에의 동기를 일부분으로 하는, 즉 프레흡착된 불순물이 메인 흡착조에 흐르기 어려운 공정 중에만, 프레흡착조 내의 가스를 회수하는 시스템으로 함으로써, 수소 회수율을 향상시키면서, 프레흡착조로부터 메인 흡착조에의 불순물 유입의 가능성을 저감시키는 것이 가능한 것을 찾아내었다. 또한, 상기한 바와 같이, 프레흡착조로부터 메인 흡착조에의 불순물 유입의 가능성을 저감시킴으로써, 프레흡착조를 적절한 크기로 컴팩트화시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 감압 공정은, 상기 제1 및 제2 흡착조를 연통시키면서 상기 제1 흡착조 내의 목적 성분을 주로 하는 가스를 상기 제2 흡착조에 도입하는 공정과, 상기 제1 및 제2 흡착조를 연통시키지 않고 상기 제1 흡착조 내의 불순물 성분을 주로 하는 가스를 외부로 배출하는 공정을 포함한다.
바람직하게는, 상기 목적 성분을 주로 하는 가스를 상기 제2 흡착조에 도입하는 공정에 있어서, 상기 제2 흡착조 내의 가스를 다른 상기 제2 흡착조에 도입하고, 상기 불순물 성분을 주로 하는 가스를 외부로 배출하는 공정은, 상기 목적 성분을 주로 하는 가스를 상기 제2 흡착조에 도입하는 공정 후에 행한다.
바람직하게는, 상기 제1 흡착조는, 대응하는 직렬의 상기 제2 흡착조에 대해서 서로 병렬이 되도록 복수개 설치되어 있고, 상기 목적 성분을 주로 하는 가스를 상기 제2 흡착조에 도입하는 공정 및 상기 불순물 성분을 주로 하는 가스를 외부로 배출하는 공정에 있어서, 상기 복수개 설치된 상기 제1 흡착조의 어느 1개에 있어서 가스의 출입을 가능하게 하도록 가스 흐름 상태를 전환시킨다.
바람직하게는, 상기 제1 흡착조에는, 상기 복수의 불순물 성분 중 적어도 1종을 선택적으로 흡착하는 제1 흡착제가 충전되고, 상기 제2 흡착조에는, 상기 복수의 불순물 성분 중 다른 적어도 1종을 선택적으로 흡착하는 제2 흡착제가 충전된다.
바람직하게는, 상기 목적 성분은 수소이다.
본 발명의 제2의 측면에 의해서 제공되는 목적 가스의 정제 장치는, 목적 성분 및 복수의 불순물 성분을 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스의 정제 장치로서, 일단부끼리가 연통로를 개재해서 연통하고, 각각의 타단부에 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구가 형성되고 또한 내부에 불순물 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착제가 충전되는 동시에, 서로 직렬로 연결된 복수조의 제1 및 제2 흡착조와, 상기 연통로에 부설된 개폐밸브와, 가스 도입 단부를 가진 주간로, 및 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제1 흡착조의 상기 제1가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수의 분지로를 구비하는 제1배관과, 가스 취득 단부를 가진 주간로, 및, 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제2 흡착조의 상기 제2가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수의 분지로를 구비하는 제2배관과, 상기 제2배관의 상기 주간로에 접속되고 또한 유량조정 수단이 부설된 주간로, 및 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제2 흡착조의 상기 제2가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수의 분지로를 구비하는 제3배관과, 유량조정밸브가 부설된 주간로, 및 이 주간로의 한쪽 단부와 다른 쪽 단부에 연결되고, 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제2 흡착조의 상기 제2가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수씩의 분지로를 구비하는 제4배관과, 가스 배출 단부를 가진 주간로, 및 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제1 흡착조의 상기 제1가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수의 분지로를 구비하는 제5배관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 흡착조는, 대응하는 직렬의 상기 제2 흡착조에 대해서 서로 병렬이 되도록 복수개 설치되어 있고, 이들 복수개 설치된 상기 제1 흡착조의 어느 1개에 있어서 가스의 출입을 가능하게 하도록 가스 흐름 상태를 전환시키는 전환수단을 구비한다.
바람직하게는, 상기 제1 흡착조에는, 상기 복수의 불순물 성분 중 적어도 1종을 선택적으로 흡착하는 제1 흡착제가 충전되고, 상기 제2 흡착조에는, 상기 복수의 불순물 성분 중 다른 적어도 1종을 선택적으로 흡착하는 제2 흡착제가 충전된다.
도 1은 본 발명에 따른 목적 가스의 정제 방법을 실행하는데 사용하는 것이 가능한 가스 정제 장치의 개략구성을 나타낸 도면;
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 목적 가스의 정제 방법의 단계 1 내지 5에 있어서의 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 목적 가스의 정제 방법의 단계 6 내지 10에 있어서의 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 목적 가스의 정제 방법의 단계 11 내지 15에 있어서의 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 목적 가스의 정제 방법의 단계 16 내지 20에 있어서의 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 6은 본 발명에 따른 목적 가스의 정제 방법을 실행하는데 사용하는 것이 가능한 가스 정제 장치의 변형예의 요부를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서, 도면을 참조해서 구체적으로 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 목적 가스의 정제 방법을 실행하는데 사용할 수 있는 가스 정제 장치(X1)의 일례의 개략구성을 나타내고 있다. 가스 정제 장치(X1)은, 예를 들어, 프레흡착조로서 기능하는 제1 흡착조(10A, 10B, 10C, 10D)와, 메인 흡착조로서 기능하는 제2 흡착조(20A, 20B, 20C, 20D)와, 연통로(16)와, 배관(31 내지 35)을 구비하고, 목적 가스를 함유하는 혼합 가스로부터 압력 변동 흡착법(PSA법)을 이용해서 목적 가스를 농축 정제하도록 구성되어 있다. 혼합 가스는, 목적 가스가 수소일 경우, 예를 들어, 코크스로 가스(COG)를 들 수 있다. COG에는, 주성분인 수소 이외에, 예를 들어, 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄 등이 불순물로서 포함되고, 또한 중질 탄화수소, BTX(벤젠, 톨루엔, 자일렌), 황화합물 등, PSA법에 의한 수소정제에 악영향을 미치는 불순물이 포함된다. 혼합 가스의 조성은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 수소가 54.0몰%, 메탄이 30.0몰%, 일산화탄소가 7.0몰%, 이산화탄소가 3.0몰%, 기타 경질 탄화수소가 4.0몰%, 중질 탄화수소, BTX, 황화합물 등이 2.0몰%이다. 이하에 있어서는, 혼합 가스가 COG인 것으로서 설명을 진행시키지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
제1 흡착조(10A 내지 10D)와 제2 흡착조(20A 내지 20D)는, 각각 쌍을 이루도록 대응하고 있고, 본 실시형태에서는 4조(4쌍)의 제1 및 제2 흡착조가 설치되어 있다. 각 조를 이루는 제1 및 제2 흡착조(예를 들어, 제1 및 제2 흡착조(10A, 20A))는, 연통로(16)를 개재해서, 가스의 흐름 방향에서 보아서 직렬로 연결되어 있고, 개별의 흡착 유닛을 구성하고 있다.
제1 흡착조(10A 내지 10D)의 각각은 양 단부에 가스 통과구(11, 12)를 구비한다. 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각은 양 단부에 가스 통과구(21, 22)를 구비한다. 각 연통로(16)는, 각각의 조를 이루는 제1 및 제2 흡착조를 연결시키고 있으며, 연통로(16)의 일단부는 가스 통과구(12)에 접속되고, 타단부는 가스 통과구(21)에 접속되어 있다. 연통로(16)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환시키기 위한 자동밸브(16a, 16b, 16c, 16d)가 설치되어 있다.
제1 흡착조(10A 내지 10D)의 각각에는, 혼합 가스(COG)에 함유되는 중질 탄화수소, BTX, 황화합물을 선택적으로 흡착하기 위한 흡착제(제1 흡착제)가 충전되어 있다. 제1 흡착제로서는, 예를 들어, 활성탄을 들 수 있다. 또한, 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각에는, 혼합 가스에 함유되는 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 기타 경질 탄화수소를 선택적으로 흡착하기 위한 흡착제(제2 흡착제)가 충전되어 있다. 제2 흡착제로서는, 예를 들어, 탄소 분자체(CMS)나 제올라이트 분자체(ZMS) 등을 들 수 있고, 이들은 단독으로 사용해도 복수종을 병용해도 된다. 또한, 혼합 가스 중에 수분이 포함되어 있을 경우, 제2 흡착제에 알루미나를 추가적으로 함유시켜도 된다.
배관(31)은, 혼합 가스(원료 가스)를 제1 흡착조(10A 내지 10D)에 공급하기 위한 것이고, 원료 가스 도입 단부(E1)를 가진 주간로(31') 및, 제1 흡착조(10A 내지 10D)의 가스 통과구(11)에 각각 접속된 분지로(31A 내지 31D)를 구비한다. 분지로(31A 내지 31D)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환시키기 위한 자동밸브(31a, 3lb, 31c, 31d)가 각각 설치되어 있다. 또, 배관(31)의 주간로(31')에는 혼합 가스를 제1 흡착조(10A 내지 10D)에 압송(壓送)하기 위한 압축기(도시 생략)를 설치해도 된다.
배관(32)은, 제2 흡착조(20A 내지 20D)로부터 제품 가스(목적 성분 풍부화 가스)을 취출하기 위한 유로이며, 제품 가스 취득 단부(E2)를 가진 주간로(32') 및, 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각의 가스 통과구(22)에 접속된 분지로(32A, 32B, 32C, 32D)를 구비한다. 분지로(32A 내지 32D)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환시키기 위한 자동밸브(32a, 32b, 32c, 32d)가 각각 설치되어 있다. 또한, 배관(32)의 제품 가스 취득 단부(E2)는, 예를 들어, 제품 가스를 일시적으로 축적하기 위한 버퍼 탱크(도시 생략)에 접속된다.
배관(33)은, 배관(32)(주간로(32'))을 통류하는 제품 가스의 일부를 제2 흡착조(20A 내지 20D)에 공급하기 위한 것이고, 배관(32)의 주간로(32')에 접속된 주간로(33') 및, 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각의 가스 통과구(22)에 접속된 분지로(33A, 33B, 33C, 33D)를 구비한다. 주간로(33')에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환시키기 위한 자동밸브(331)와, 유량조정밸브(332)가 설치되어 있다. 분지로(33A 내지 33D)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환시키기 위한 자동밸브(33a, 33b, 33c, 33d)가 각각 설치되어 있다.
배관(34)은, 제2 흡착조(20A 내지 20D) 중 임의의 2개를 서로 접속하기 위한 것이고, 주간로(34') 및, 이 주간로(34') 중 한쪽 분지에 연결되고, 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각의 가스 통과구(22)에 접속된 분지로(34A, 34B, 34C, 34D) 및 주간로(34')의 다른 쪽 분지에 연결되고, 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각의 가스 통과구(22)에 접속된 분지로(34A', 34B', 34C', 34D')를 구비한다. 주간로(34')에는 유량조정밸브(341)가 설치되어 있다. 분지로(34A 내지 34D 및 34A' 내지 34D')에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환시키기 위한 자동밸브(34a, 34b, 34c, 34d 및 34a', 34b', 34c', 34d')가 각각 설치되어 있다.
배관(35)은, 제각기 제1 흡착조(10A 내지 10D)로부터 배출되는 가스(주로 탈착 가스)의 유로이며, 가스 배출 단부(E3)를 가진 주간로(35') 및 제1 흡착조(10A 내지 10D)의 각각의 가스 통과구(11) 측에 접속된 분지로(35A, 35B, 35C, 35D)를 구비한다. 분지로(35A 내지 35D)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환시키기 위한 자동밸브(35a, 35b, 35c, 35d)가 설치되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 이상과 같은 구성을 가진 가스 정제 장치(X1)를 이용해서 본 발명에 따른 목적 가스의 정제 방법을 실행할 수 있다. 구체적으로는, 가스 정제 장치(X1)의 가동 시에 있어서 자동밸브(16a 내지 16d, 31a 내지 31d, 32a 내지 32d, 33a 내지 33d, 34a 내지 34d, 34a' 내지 34d', 35a 내지 35d, 331) 및 유량제어밸브(332, 341)를 적절하게 전환시킴으로써, 장치 내에 있어서 소망의 가스 흐름 상태를 실현하고, 이하의 단계 1 내지 20으로 이루어진 1사이클을 반복한다. 본 방법의 1사이클에 있어서는, 제1 흡착조(10A 내지 10D)의 각각에서, 흡착 공정, 균압(제1 균압화 감압) 공정, 대기 공정, 향류 감압 공정, 향류 세정 공정, 균압(제1 균압화 승압) 공정, 대기 공정, 균압(제2 균압화 승압) 공정, 및 제품 가스 승압 공정이 행해진다. 또한, 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각에서, 흡착 공정, 균압(제1 균압화 감압) 공정, 병류 감압 공정, 균압(제2 균압화 감압) 공정, 대기 공정, 향류 감압 공정, 향류 세정 공정, 균압(제1 균압화 승압) 공정, 대기 공정, 균압(제2 균압화 승압) 공정, 및 제품 가스 승압 공정이 행해진다. 본 실시형태에서는, 제1 흡착조(10A 내지 10D)의 각각에는, 제1 흡착제로서의 활성탄이 충전되고, 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각에 있어서의 하부(가스 통과구(21) 부근) 및 상부(가스 통과구(22) 부근)에는, 제2 흡착제로서의 CMS 및 ZMS가 등량씩 적층 충전되어 있다. 도 2 내지 도 5는, 단계 1 내지 20에 있어서의 가스 정제 장치(X1)에서의 가스의 흐름 상태를 모식적으로 나타낸 것이다.
단계 1에서는, 도 2a에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)에서 흡착 공정이, 제1 흡착조(10B) 및 제2 흡착조(20B)에서 균압(제2 균압화 승압) 공정이, 제1 흡착조(10C) 및 제2 흡착조(20C)에서 향류 감압 공정이, 제1 흡착조(10D) 및 제2 흡착조(20D)에서 균압(제1 균압화 감압) 공정이 행해진다. 본 단계에서는, 제1 흡착조(10A 내지 10D) 및 제2 흡착조(20A 내지 20D)를 동기시키도록, 각 자동밸브(16a 내지 16d)는 개방 상태가 된다. 따라서, 이들 제1 흡착조(10A 내지 10D) 및 제2 흡착조(20A 내지 20D)에 있어서, 조를 이루는, 제1 흡착조(10A)(10B, 10C, 10D)와 제2 흡착조(20A)(20B, 20C, 20D)는 연통하고 있다. 단계 1의 프로세스 타임은, 예를 들어, 20초로 된다.
도 1 및 도 2a를 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 단계 1에서는, 원료 가스(혼합 가스)가, 배관(31) 및 가스 통과구(11)를 개재해서 제1 흡착조(10A)에 도입된다. 흡착 공정에 있는 제1 및 제2 흡착조(10A, 20A) 내부는 소정의 고압상태로 유지되어 있어서, 혼합 가스 중의 불순물(예를 들어, 중질 탄화수소, BTX, 황화합물 등)이 제1 흡착조(10A) 내의 제1 흡착제에 흡착된다. 또한, 제1 흡착조(10A)의 가스 통과구(12)를 개재해서 배출되는 프레흡착된 후의 가스(프레흡착 투과 가스)가, 연통로(16) 및 가스 통과구(21)를 개재해서 제2 흡착조(20A)에 도입된다. 이 결과, 프레흡착 투과 가스 중의 불순물(예를 들어, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등)이 제2 흡착조(20A) 내의 제2 흡착제에 흡착되는 동시에, 수소 가스 농도가 높은 제품 가스(수소 풍부화 가스)가 제2 흡착조(20A)의 가스 통과구(22)를 개재해서 배출된다. 이 제품 가스는, 배관(32)을 개재해서 제품 가스 취득 단부(E2)로부터, 예를 들어, 외부의 버퍼 탱크(도시 생략)에 회수된다. 또, 이하에 있어서는, 설명을 간단히 하기 위하여, 단순한 가스의 출입구에 불과한 가스 통과구(11, 12, 21, 22)에 대한 언급은 생략한다.
제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에는, 제2 흡착조(20D)로부터 배출된 제2 흡착조(20D) 내의 조 내 가스가 배관(34)을 개재해서 도입된다. 제2 흡착조(20D) 및 제1 흡착조(10D)는, 먼저 흡착 공정을 행하고 있었기 때문에(도 5e에 나타낸 단계 20 참조), 제2 흡착조(20D) 및 제1 흡착조(10D)의 내부쪽이 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)의 내부에서도 고압으로 되어 있다. 그 때문에, 제2 흡착조(20D)로부터의 조 내 가스를 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에 도입함으로써, 제2 흡착조(20D) 및 제1 흡착조(10D)의 내부가 감압되는 동시에, 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)의 내부가 승압된다. 또, 제1 흡착조(10D)로부터의 조 내 가스는, 연통로(16)를 개재해서 제2 흡착조(20D)에 도입된다. 전술한 바와 같이 제1 흡착조(10D)는 먼저 흡착 공정을 행하고 있었기 때문에, 제1 흡착조(10D) 내에 있어서 흡착제에 의해 불순물 성분(중질 탄화수소, BTX, 황화합물 등)이 우선적으로 흡착되고 있어, 조 내 가스는, 목적 가스인 수소 가스의 농도가 높다. 이러한 수소농도가 높은 가스가, 제1 흡착조(10D)로부터 제2 흡착조(20D)로 이동한다.
제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)에 대해서는, 앞서의 단계 20(도 5e)에 계속해서, 향류방향으로 감압함으로써 제1 흡착제 및 제2 흡착제로부터 불순물이 탈착되어, 생기는 탈착 가스가 제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)에 잔류하는 가스와 함께 배출된다(이하, 탈착 가스와 잔류 가스를 총칭해서 「조 내 가스」라 칭한다). 조 내 가스는, 배관(35)을 통과해서, 가스 배출 단부(E3)로부터 외부로 배출된다. 또, 배관(35)의 주간로(35')에 오프 가스 탱크(도시 생략)를 설치하고, 해당 오프 가스 탱크 내에 제1 흡착조로부터의 배출 가스를 일시적으로 저장하도록 구성해도 된다.
단계 2에서는, 도 2b에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)에서 계속해서 흡착 공정이, 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에서 제품 가스 승압 공정이, 제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)에서 향류 세정 공정이, 제2 흡착조(20D)에서 병류 감압 공정이, 제1 흡착조(10D)에서 대기 공정이 행해진다. 본 단계에서는, 제1 흡착조(10A 내지 10C) 및 제2 흡착조(20A 내지 20C)를 동기시키도록, 각 자동밸브(16a 내지 16c)는 개방 상태로 된다. 한편, 자동밸브(16d)는 폐쇄 상태로 되어 있어, 제1 흡착조(10D) 및 제2 흡착조(20D)는, 연통하지 않는(동기하지 않는) 상태에 있다. 단계 2의 프로세스 타임은, 예를 들어, 70초로 된다.
도 1 및 도 2b를 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 단계 2에서는, 단계 1로부터 계속해서, 혼합 가스가 배관(31)을 개재해서 제1 흡착조(10A)에 도입되어서, 제2 흡착조(20A)로부터 제품 가스가 배출된다. 제품 가스는, 단계 1과 마찬가지로 해서 회수되지만, 그 일부가 배관(33)을 개재해서 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에 도입되고, 이들 흡착조(20B, 10B)의 제품 가스에 의한 승압이 행해진다. 이것과 함께, 단계 2에서는, 제2 흡착조(20D)로부터 도출되는 해당 흡착조(20D) 내의 가스가 배관(34)을 개재해서 제2 흡착조(20C)에 도입되고, 제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)의 조 내 가스(주로 탈착 가스)가 가스 통과구(11) 측에서 배출된다. 해당 조 내 가스는, 배관(35)을 개재해서, 가스 배출 단부(E3)로부터 외부로 배출된다.
또한, 단계 2에서는, 제2 흡착조(20D)에 있어서 병류 감압 공정이 행해지는 바, 제1 흡착조(10D)는, 제2 흡착조(20D)와 동기하고 있지 않고, 가스의 출입이 이루어지지 않는 대기 공정이다. 만일 제1 흡착조(10D)에 있어서도 병류 감압 공정이 행해지면, 해당 제1 흡착조(10D)에 있어서 흡착된 불순물이 연통로(16)를 개재해서 제2 흡착조(20D)에 유입될 우려가 있다. 이러한 이유에 의해, 제1 흡착조(10D)에 대해서는, 제2 흡착조(20D)의 병류 감압 공정과 동기시키지 않고 대기 공정으로 하였다.
단계 3에서는, 도 2c에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)에서 계속해서 흡착 공정이, 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에서 계속해서 제품 가스 승압 공정이, 제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)에서 균압(제1 균압화 승압) 공정이, 제2 흡착조(20D)에서 균압(제2 균압화 감압) 공정이 행해진다. 한편, 제1 흡착조(10D)는, 단계 2와 마찬가지로 대기 공정으로 한다. 자동밸브(16a 내지 16c)는 개방 상태이고, 자동밸브(16d)는 폐쇄 상태로 된다. 단계 3의 프로세스 타임은, 예를 들어, 20초로 된다.
도 1 및 도 2c를 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 단계 3에서는, 단계 2로부터 계속해서, 혼합 가스가 배관(31)을 개재해서 제1 흡착조(10A)에 도입되어서, 제2 흡착조(20A)로부터 제품 가스가 배출된다. 제품 가스의 일부는 배관(33)을 개재해서 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에 도입되어, 이들 흡착조(20B, 10B)의 제품 가스에 의한 승압이 계속해서 행해진다. 이것과 함께, 단계 3에서는, 제2 흡착조(20D)로부터 도출된 가스가 배관(34)을 개재해서 제2 흡착조(20C)에 도입되는 동시에, 연통로(16)를 개재해서 제1 흡착조(10C)에도 도입된다.
단계 4에서는, 도 2d에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)에서 계속해서 흡착 공정이, 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에서 계속해서 제품 가스 승압 공정이, 제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)에서 대기 공정이 행해진다. 또한, 제2 흡착조(20D)에서 대기 공정이, 제1 흡착조(10D)에서 향류 감압 공정이 행해진다. 자동밸브(16a 내지 16c)은 개방 상태이고, 자동밸브(16d)는 폐쇄 상태다. 단계 4의 프로세스 타임은, 예를 들어, 10초로 된다.
단계 2나 단계 3에 있어서 제2 흡착조(20D)에서는 병류 감압 공정이나 균압(제2 균압화 감압) 공정이 행해지는 한편, 제1 흡착조(10D)는 대기 공정이었던 것으로부터, 제2 흡착조(20D)와 비교해서 제1 흡착조(10D)는 상대적으로 고압으로 되어 있다. 이 때문에, 제2 흡착조(20D)와 제1 흡착조(10D)를 동기시켜서 향류 감압 공정을 개시하면 제1 흡착조(10D)로부터 제2 흡착조(20D)에의 가스 흐름이 생겨서, 제1 흡착조(10D) 내에 있는 불순물이 연통로(16)를 개재해서 제2 흡착조(20D)에 유입될 우려가 있다. 그러한 사태를 막기 위해서, 제1 흡착조(10D)의 압력이 제2 흡착조(20D)와 같은 정도가 될 때까지, 제1 흡착조(10D)에서만 향류 감압 공정을 행한다.
도 1 및 도 2d를 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 단계 4에서는, 단계 3으로부터 계속해서, 혼합 가스가 배관(31)을 개재해서 제1 흡착조(10A)에 도입되어서, 제2 흡착조(20A)로부터 제품 가스가 배출된다. 제품 가스의 일부는 배관(33)을 개재해서 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에 도입되어, 이들 흡착조(20B, 10B)의 제품 가스에 의한 승압이 계속해서 행해진다. 제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)에 대해서는, 이전의 단계 3에서 첫번째의 균압(제1 균압화 승압)을 받고 있지만, 나중의 단계 6(도 3a)에서 두번째의 균압(제2 균압화 승압)을 받기 위하여 대기한다. 제1 흡착조(10D)에 대해서는, 향류방향에서 감압함으로써 흡착제로부터 불순물이 탈착되어, 제1 흡착조(10D)로부터 조 내 가스(주로 탈착 가스)가 배출된다. 제2 흡착조(20D)에 대해서는, 나중의 단계 5(도 2e)에서 제1 흡착조(10D)와 함께 향류 감압을 하기 위해서, 제1 흡착조(10D)의 내부압력이 제2 흡착조(20D)의 내부압력과 동등 정도로 감압될 때까지 대기한다.
단계 5에서는, 도 2e에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)에서 계속해서 흡착 공정이, 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에서 계속해서 제품 가스 승압 공정이, 제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)에서 계속해서 대기 공정이 행해진다. 또한, 제2 흡착조(20D) 및 제1 흡착조(10D)에서 향류 감압 공정이 행해진다. 자동밸브(16a 내지 16d)는 개방 상태다. 단계 5의 프로세스 타임은, 예를 들어, 80초로 된다.
도 1 및 도 2e를 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 단계 5에서는, 단계 4로부터 계속해서, 혼합 가스가 배관(31)을 개재해서 제1 흡착조(10A)에 도입되어서, 제2 흡착조(20A)로부터 제품 가스가 배출된다. 제품 가스의 일부는 배관(33)을 개재해서 제2 흡착조(20B) 및 제1 흡착조(10B)에 도입되어, 이들 흡착조(20B, 10B)의 제품 가스에 의한 승압이 계속해서 행해진다. 제2 흡착조(20C) 및 제1 흡착조(10C)에 대해서는, 나중의 단계 6(도 3a)에서 두번째의 균압(제2 균압화 승압)을 받기 위해서 계속해서 대기한다. 제2 흡착조(20D)에 대해서는, 향류방향에서 감압함으로써 흡착제로부터 불순물이 탈착되어, 조 내 가스(주로 탈착 가스)가 배출된다. 이 배출된 가스는 연통로(16)를 개재해서 제1 흡착조(10D)에 도입된다. 제1 흡착조(10D)에 대해서는, 계속해서 향류방향에서 감압함으로써 흡착제로부터 불순물이 탈착되어, 제1 흡착조(10D)에서 조 내 가스(주로 탈착 가스)가 배출된다.
단계 1 내지 5에 있어서, 흡착 공정에 있는 제1 및 제2 흡착조(10A, 20A)의 내부의 압력(흡착 압력)은, 예를 들어, 0.6 내지 4.0㎫G이다. 또한, 단계 1 내지 5에 있어서, 향류 감압 공정에 있는 제1 및 제2 흡착조(10C, 10D, 20C, 20D)의 내부의 최저압력(탈착 압력)은, 예를 들어, 30 내지 50㎪G이며, 바람직하게는 대기압이다.
단계 1 내지 5는, 단계 1 내지 20에 의해 구성되는 1사이클의 1/4에 상당하고, 그 단계 1 내지 5의 공정시간은, 예를 들어, 합계 200초이다. 또, 단계 1 내지 20으로 이루어진 1사이클을 반복해서 행할 때의 제1 및 제2 흡착조(10A 내지 10D, 20A 내지 20D)의 내부온도에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 계절에 따른 온도변화를 고려해서, 0 내지 40℃ 정도이면 문제는 없다.
단계 6 내지 10에 있어서는, 도 3a 내지 3e에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 제1 흡착조(10A)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10D)와 마찬가지로 해서 균압(제1 균압화 감압) 공정, 대기 공정, 향류 감압 공정이 행해지고, 제2 흡착조(20A)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제2 흡착조(20D)와 마찬가지로 해서 균압(제1 균압화 감압) 공정, 병류 감압 공정, 균압(제2 균압화 감압) 공정, 대기 공정, 향류 감압 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10B) 및 제2 흡착조(20B)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)와 마찬가지로 해서 흡착 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10C) 및 제2 흡착조(20C)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10B) 및 제2 흡착조(20B)과 마찬가지로 해서 균압(제2 균압화 승압) 공정, 제품 가스 승압 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10D) 및 제2 흡착조(20D)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10C) 및 제2 흡착조(20C)과 마찬가지로 해서 향류 감압 공정, 향류 세정 공정, 균압(제1 균압화 승압) 공정, 대기 공정이 행해진다.
단계 11 내지 15에 있어서는, 도 4a 내지 4e에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10C) 및 제2 흡착조(20C)과 마찬가지로 해서 향류 감압 공정, 향류 세정 공정, 균압(제1 균압화 승압) 공정, 대기 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10B)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10D)와 마찬가지로 해서 균압(제1 균압화 감압) 공정, 대기 공정, 향류 감압 공정이 행해지고, 제2 흡착조(20B)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제2 흡착조(20D)와 마찬가지로 해서 균압(제1 균압화 감압) 공정, 병류 감압 공정, 균압(제2 균압화 감압) 공정, 대기 공정, 향류 감압 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10C) 및 제2 흡착조(20C)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)와 마찬가지로 해서 흡착 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10D) 및 제2 흡착조(20D)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10B) 및 제2 흡착조(20B)과 마찬가지로 해서 균압(제2 균압화 승압) 공정, 제품 가스 승압 공정이 행해진다.
단계 16 내지 20에 있어서는, 도 5a 내지 5e에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10B) 및 제2 흡착조(20B)와 마찬가지로 해서 균압(제2 균압화 승압) 공정, 제품 가스 승압 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10B) 및 제2 흡착조(20B)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10C) 및 제2 흡착조(20C)와 마찬가지로 해서 향류 감압 공정, 향류 세정 공정, 균압(제1 균압화 승압) 공정, 대기 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10C)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10D)와 마찬가지로 해서 균압(제1 균압화 감압) 공정, 대기 공정, 향류 감압 공정이 행해지고, 제2 흡착조(20C)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제2 흡착조(20D)와 마찬가지로 해서 균압(제1 균압화 감압) 공정, 병류 감압 공정, 균압(제2 균압화 감압) 공정, 대기 공정, 향류 감압 공정이 행해진다. 제1 흡착조(10D) 및 제2 흡착조(20D)에서는, 단계 1 내지 5에 있어서의 제1 흡착조(10A) 및 제2 흡착조(20A)와 마찬가지로 해서 흡착 공정이 행해진다.
그리고, 이상에서 설명한 단계 1 내지 20이 제1 흡착조(10A 내지 10D) 및 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 각각에 있어서 반복해서 행해짐으로써, 제1 및 제2 흡착조(10A, 20A 내지 10D, 20D)의 조의 어느 것인가에 혼합 가스가 연속적으로 도입되고, 또한, 수소 가스 농도가 높은 제품 가스가 연속적으로 취득된다.
본 실시형태의 목적 가스의 정제 방법에 있어서, 직렬로 배치된 복수조의 제1 및 제2 흡착조(10A 내지 10D, 20A 내지 20D)를 이용해서 PSA법에 의한 가스 분리를 실행한다. 각 조의 제1 및 제2 흡착조(10A, 20A) (10B, 20B, 10C, 20C, 10D, 20D)는, 연통로(16)를 개재해서 연통하고 있고, 해당 연통로(16)에 자동밸브(16a)(16b, 16c, 16d)가 설치되어 있다. 이것에 의해, PSA법에 의한 가스 분리에 있어서의 감압 공정 시, 자동밸브(16a)(16b, 16c, 16d)를 적당하게 폐쇄함으로써, 제1 흡착조(10A)(10B, 10C, 10D)와 제2 흡착조(20A)(20B, 20C, 20D)는, 동기시키지 않고 다른 공정을 행하게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 예를 들어, 감압 조작의 대상이 되는 제1 및 제2 흡착조(10A, 20A) (10B, 20B, 10C, 20C, 10D, 20D)에 대해서, 단계 1, 6, 11, 16과 같이 제1 흡착조(10A 내지 10D) 내의 불순물이 제2 흡착조(20A 내지 20D)에 유입될 우려가 없는 공정만으로 자동밸브(16a 내지 16d)를 개방해서 대응하는 제1 및 제2 흡착조끼리를 연통시킨다. 한편, 단계 2, 3, 4, 7, 8, 9, 12, 13, 14, 17, 18, 19와 같이, 제1 흡착조(10A 내지 10D) 내의 불순물이 제2 흡착조(20A 내지 20D)에 유입될 우려가 있는 공정에 대해서는, 자동밸브(16a 내지 16d)를 폐쇄해서 대응하는 제1 및 제2 흡착조끼리를 연통시키지 않는다. 이것에 의해, 회수하는 제품 가스에 있어서의 수소 가스(목적 가스)의 회수율을 높이면서, 제1 흡착조(10A 내지 10D) 내의 흡착제에 선택적으로 흡착되는 불순물에 의해 제2 흡착조(20A 내지 20D) 내의 흡착제의 흡착 능력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시형태와 달리, 연통로(16)에 자동밸브(16a 내지 16d)를 설치하지 않고, 단계 2, 3, 7, 8, 12, 13, 17, 18에 있어서도 제1 및 제2 흡착조끼리를 연통시킨 경우, 병류 감압 공정이나 균압(제2 균압화 감압) 공정에 있어서, 제1 흡착조에서 흡착된 불순물이 제2 흡착조에 유입되어, 해당 제2 흡착조의 흡착 능력이 열화될 가능성이 높아진다. 이것을 방지하기 위해서는, 제1 흡착조의 대형화가 필요해진다.
또, 단계 3에 있어서의 제1 흡착조(10D), 단계 8에 있어서의 제1 흡착조(10A), 단계 13에 있어서의 제1 흡착조(10B), 단계 18에 있어서의 제1 흡착조(10C)는 대기 공정으로 했지만, 이들 단계에서 각각 자동밸브(35d, 35a, 35b, 35c)를 개방 상태로 해서 향류 감압 공정으로 해도 된다. 여기에서, 제1 흡착조(10A 내지 10D)의 내부압력이 대응하는 제2 흡착조(20A 내지 20D)의 내부압력과 동등 이하까지 감압되면, 단계 4, 9, 14, 19를 생략해도 된다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것이 아니고, 발명의 사상으로부터 일탈하지 않는 범위 내에서 각종 변경이 가능하다. 예를 들어, 본 발명에 따른 목적 가스의 정제 방법을 실행하는 장치에 있어서의 가스 유로를 하는 배관의 구성에 대해서는, 상기 실시형태와 다른 구성을 채용해도 된다. 흡착 유닛(1조의 제1 및 제2 흡착조로 이루어진 유닛)의 수에 대해서는 상기 실시형태에서 나타낸 4유닛식에만 한정되는 것은 아니고, 3유닛 이하 혹은 5유닛 이상의 경우에도 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다.
단계 2나 3에 있어서의 제1 흡착조(10D), 단계 7이나 8에 있어서의 제1 흡착조(10A), 단계 12이나 13에 있어서의 제1 흡착조(10B), 단계 17이나 18에 있어서의 제1 흡착조(10C)는 대기 공정으로 하였지만, 원료 가스의 조성이나 조작 압력 등의 조건으로부터, 제1 흡착조(프레흡착조)에 있어서 프레흡착된 불순물이 제2 흡착조에 유입할 위험이 없을 경우에는, 대응하는 제2 흡착조와 동기시켜서 병류 감압 공정이나 균압(제2 균압화 감압) 공정으로 하는 등, 조건에 따라서 동기시키는 공정을 자유롭게 선택할 수 있다.
또한, 제2 흡착조의 각각에, 복수의 병렬 배치된 소형의 제1 흡착조를 연결하고, 어느 제1 흡착조에 가스를 흘려보낼지를 수동밸브 등으로 전환시키는 것이 가능한 구성을 채용해도 된다. 도 6은, 2개의 제1 흡착조(10A, 10A)를 병렬해서 설치한 경우를 나타내고 있으며, 이 도면에 나타낸 예에서는, 병렬 형태의 분지로(161)에 설치된 2개의 제1 흡착조(10A, 10A) 중 임의의 한쪽에의 가스의 흐름을 허용하기 위한 3방밸브(17, 18)가 분기부에 설치되어 있다. 이렇게 함으로써, 각 프레흡착조(제1 흡착조)의 교환 빈도는 많아지지만, 제1 흡착조의 용적을 작게 할 수 있으므로, 감압 시(감압 공정)에 있어서 배출되는 가스에 동반하는 수소 가스(목적 가스)의 양이 감소하고, 이전 단계에서 프레흡착조를 부착하는 것에 의한 목적 가스 회수율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 목적 가스에 대해서도 상기 실시형태의 수소로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태 이외에도, PSA법을 이용한 가스 분리에 의해, 흡착제에 의해 흡착되기 어려운 흡착 곤란 성분(예를 들어, 아르곤)을 목적 성분으로 하고, 흡착제에 의해 선택적으로 흡착되는 흡착 용이 성분을 불순물 성분으로 하는 양상으로 정제하는 것이 가능하면, 그러한 흡착 곤란 성분을 목적 가스로 해서, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
X1: 가스 정제 장치 10A, 10B, 10C, 10D: 제1 흡착조
11: 가스 통과구(제1 가스 통과구) 12: 가스 통과구
16: 연통로 16a, 16b, 16c, 16d: 자동밸브
161: 분지로 17, 18: 3방 밸브(전환수단)
20A, 20B, 20C, 20D: 제2 흡착조 21: 가스 통과구
22: 가스 통과구(제2 가스 통과구) 31 내지 35: 배관
31', 32', 33', 34', 35': 주간로
31A 내지 31D, 32A 내지 32D, 33A 내지 33D, 34A 내지 34D, 34A' 내지 34D', 35A 내지 35D: 분지로
31a 내지 31d, 32a 내지 32d, 33a 내지 33d, 34a 내지 34d, 34a' 내지 34d', 35a 내지 35d, 331: 자동밸브
332, 341: 유량조정밸브

Claims (9)

  1. 목적 성분 및 복수의 불순물 성분을 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스를 정제시키기 위한, 목적 가스의 정제 방법으로서,
    상기 불순물 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착제가 충전된 복수의 흡착 유닛을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해, 상기 흡착 유닛이 상대적으로 고압인 상태에서, 상기 흡착 유닛에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 상기 불순물 성분을 상기 흡착제에 흡착시키고, 해당 흡착 유닛으로부터 상기 목적 성분이 풍부화된 목적 성분 풍부화 가스를 배출하는 흡착 공정과, 상기 흡착 유닛을 감압시켜 해당 흡착 유닛으로부터 가스를 배출하는 감압 공정을 포함하는 사이클을 상기 흡착 유닛의 각각에 있어서 반복해서 행하되,
    상기 각 흡착 유닛은, 직렬로 연결된 제1 및 제2 흡착조를 포함하고,
    상기 감압 공정에 있어서는, 상기 제1 흡착조와 제2 흡착조 사이에 설치된 개폐밸브에 의해, 상기 제1 및 제2 흡착조가 연통하는 상태와 연통하지 않는 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는, 목적 가스의 정제 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 감압 공정은, 상기 제1 및 제2 흡착조를 연통시키면서 상기 제1 흡착조 내의 목적 성분을 주로 하는 가스를 상기 제2 흡착조에 도입하는 공정과, 상기 제1 및 제2 흡착조를 연통시키지 않고 상기 제1 흡착조 내의 불순물 성분을 주로 하는 가스를 외부로 배출하는 공정을 포함하는, 목적 가스의 정제 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 목적 성분을 주로 하는 가스를 상기 제2 흡착조에 도입하는 공정에 있어서, 상기 제2 흡착조 내의 가스를 다른 상기 제2 흡착조에 도입하고,
    상기 불순물 성분을 주로 하는 가스를 외부로 배출하는 공정은, 상기 목적 성분을 주로 하는 가스를 상기 제2 흡착조에 도입하는 공정 후에 행하는, 목적 가스의 정제 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 흡착조는, 대응하는 직렬의 상기 제2 흡착조에 대해서 서로 병렬이 되도록 복수개 설치되어 있고,
    상기 목적 성분을 주로 하는 가스를 상기 제2 흡착조에 도입하는 공정 및 상기 불순물 성분을 주로 하는 가스를 외부로 배출하는 공정에 있어서, 상기 복수개 설치된 상기 제1 흡착조의 어느 1개에 있어서 가스의 출입을 가능하게 하도록 가스 흐름 상태를 전환시키는, 목적 가스의 정제 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 흡착조에는, 상기 복수의 불순물 성분 중 적어도 1종을 선택적으로 흡착하는 제1 흡착제가 충전되고,
    상기 제2 흡착조에는, 상기 복수의 불순물 성분 중 다른 적어도 1종을 선택적으로 흡착하는 제2 흡착제가 충전되는, 목적 가스의 정제 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목적 성분은 수소인, 목적 가스의 정제 방법.
  7. 목적 성분 및 복수의 불순물 성분을 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스를 정제시키기 위한, 목적 가스의 정제 장치로서,
    일단부끼리가 연통로를 개재해서 연통하고, 각각의 타단부에 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구가 형성되고 또한 내부에 불순물 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착제가 충전되는 동시에, 서로 직렬로 연결된 복수조의 제1 및 제2 흡착조;
    상기 연통로에 부설된 개폐밸브;
    가스 도입 단부를 가진 주간로, 및 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제1 흡착조의 상기 제1가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수의 분지로를 구비하는 제1배관;
    가스 취득 단부를 가진 주간로, 및 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제2 흡착조의 상기 제2가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수의 분지로를 구비하는 제2배관;
    상기 제2배관의 상기 주간로에 접속되고 또한 유량조정 수단이 부설된 주간로, 및, 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제2 흡착조의 상기 제2가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수의 분지로를 구비하는 제3배관;
    유량조정밸브가 부설된 주간로, 및, 이 주간로의 한쪽의 분지와 다른 쪽의 분지에 연결되고, 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제2 흡착조의 상기 제2가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수씩의 분지로를 구비하는 제4배관; 및
    가스 배출 단부를 가진 주간로, 및 상기 제1 및 제2 흡착조의 조마다 설치되어서 해당 제1 흡착조의 상기 제1가스 통과구 측에 접속되고 또한 개폐밸브가 부설된 복수의 분지로를 구비하는 제5배관을 포함하는 것을 특징으로 하는, 목적 가스의 정제 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 흡착조는, 대응하는 직렬의 상기 제2 흡착조에 대해서 서로 병렬이 되도록 복수개 설치되어 있고, 이들 복수개 설치된 상기 제1 흡착조의 어느 1개에 있어서 가스의 출입을 가능하게 하도록 가스 흐름 상태를 전환시키는 전환수단을 구비하는, 목적 가스의 정제 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제1 흡착조에는, 상기 복수의 불순물 성분 중 적어도 1종을 선택적으로 흡착하는 제1 흡착제가 충전되고,
    상기 제2 흡착조에는, 상기 복수의 불순물 성분 중 다른 적어도 1종을 선택적으로 흡착하는 제2 흡착제가 충전되는, 목적 가스의 정제 장치.
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