TWI824576B - 氣體分離設備及氣體分離方法 - Google Patents

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TWI824576B TW111123331A TW111123331A TWI824576B TW I824576 B TWI824576 B TW I824576B TW 111123331 A TW111123331 A TW 111123331A TW 111123331 A TW111123331 A TW 111123331A TW I824576 B TWI824576 B TW I824576B
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Abstract

本發明使用PSA法將原料氣體中所含之特定氣體成分高效率地分離。自至少含有氣體成分1及氣體成分2之原料氣體中，藉由變壓式吸附法將氣體成分1進行分離回收之氣體分離設備11其具備有：吸附塔12，填充有吸附脫附氣體成分1及氣體成分2之吸附劑；為了使原料氣體吸附於吸附劑而將原料氣體導入至吸附塔12，為了使吸附於吸附劑之原料氣體脫附而將吸附塔12進行減壓。氣體分離設備11進而具備有：溫度測定部26，其測定吸附劑之溫度；溫度調整部31，其調整吸附劑之溫度；及控制部35，以吸附劑之溫度達到目標溫度之方式控制溫度調整部31。目標溫度係藉由比較氣體成分1及氣體成分2對吸附劑之有效吸附量之溫度變化率來決定。

Description

氣體分離設備及氣體分離方法
本發明係關於一種氣體分離設備及氣體分離方法。
以往，作為將原料氣體中所含之特定氣體成分進行分離之方法，使用變壓式吸附(PSA，Presure Swing Adsorption)法。PSA法係利用氣體成分對吸附劑之吸附量根據氣體種類及其分壓而不同之氣體分離方法。
例如，於專利文獻1中，作為使用PSA法之氣體分離方法，揭示有一種「不具有洗淨步驟之氣體分離回收方法，將脫附步驟劃分為複數個時段，將脫附氣體按上述各時段分開進行回收」之方法([請求項1])。根據該方法，「可不進行洗淨步驟而提高回收氣體之濃度，因此可利用較少電力消耗量而分離回收高濃度之目標氣體成分」(其說明書[0013])。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2018-114464號公報
(發明所欲解決之問題)
近年來，被期望將原料氣體中所含之特定氣體成分高效率地進行分離。 例如，最近正著眼於藉由自製鐵步驟等排出之二氧化碳(CO 2)來製造甲醇等有用之化學品之碳捕獲與利用(CCU，Carbon capture and utilization)。於該情形時，期望從自製鐵步驟排出之高爐氣體(包含CO 2、CO、N 2之原料氣體)中將CO 2高效率地分離。
本發明係鑒於以上之要點而完成者，其目的在於使用PSA法將原料氣體中所含之特定氣體成分高效率地分離。 (解決問題之技術手段)
本發明人等進行了銳意研究，結果發現藉由採用下述構成，可達成上述目的，從而完成本發明。
即，本發明提供以下之[1]～[16]。 [1]一種氣體分離設備，其係自至少含有氣體成分1及氣體成分2之原料氣體中，藉由變壓式吸附法將上述氣體成分1進行分離回收者；其具備有：吸附塔，填充有吸附脫附上述氣體成分1及上述氣體成分2之吸附劑；導入部，用以使上述原料氣體吸附於上述吸附劑而將上述原料氣體導入至上述吸附塔；減壓部，用以使吸附於上述吸附劑之上述原料氣體脫附而將上述吸附塔進行減壓；溫度測定部，其測定上述吸附劑之溫度；溫度調整部，其調整上述吸附劑之溫度；控制部，以上述吸附劑之溫度達到目標溫度之方式控制上述溫度調整部；且上述目標溫度係藉由比較上述氣體成分1及上述氣體成分2對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率而決定之溫度。 [2]如上述[1]記載之氣體分離設備，其中，上述目標溫度係上述氣體成分1對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率小於上述氣體成分2對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率的溫度。 [3]如上述[1]或[2]記載之氣體分離設備，其中，上述控制部係依照下述步驟1～3來決定上述目標溫度。 步驟1：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，根據溫度T下之氣體成分i(i＝l，2)之吸附等溫線，計算出與變壓幅度相對應之平衡吸附量之變化，即有效吸附量ΔQ i(T)。 步驟2：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，計算出基準溫度T A與自基準溫度T A變化之變化溫度T B的有效吸附量ΔQ i(T)之溫度變化率X i(T A，T B)＝1－{ΔQ i(T B)/ΔQ i(T A)}。其中，T A＜T B。 步驟3：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，比較有效吸附量之溫度變化率X i(T A，T B)，而將滿足下述式(1)之變化溫度T B決定為目標溫度。其中，0＜α≦1。 X 1(T A，T B)＜α×X 2(T A，T B)       (1) [4]如上述[1]至[3]中任一項記載之氣體分離設備，其中，上述減壓部具備有：排氣管線，將自上述吸附劑脫附之上述原料氣體進行排氣；且上述排氣管線分支為排出上述氣體成分1之分支管線、及排出上述氣體成分2之分支管線。 [5]如上述[1]至[4]中任一項記載之氣體分離設備，其中，上述溫度調整部係藉由調整上述原料氣體之溫度，而間接地調整上述吸附劑之溫度。 [6]如上述[5]記載之氣體分離設備，其中，上述溫度調整部包括：熱交換器，其可對熱媒流量及傳熱面積之至少任一者進行可變控制；且藉由使用上述熱交換器調整上述原料氣體之溫度，而間接地調整上述吸附劑之溫度。 [7]如上述[6]記載之氣體分離設備，其具備有：氣體循環部，使上述熱交換器之出口側之上述原料氣體之一部分循環至上述熱交換器之入口側。 [8]一種氣體分離方法，其係自至少含有氣體成分1及氣體成分2之原料氣體中，藉由變壓式吸附法將上述氣體成分1進行分離回收者；其中，於填充有吸附脫附上述氣體成分1及上述氣體成分2之吸附劑之吸附塔中，導入上述原料氣體並使其吸附於上述吸附劑；藉由將上述吸附塔進行減壓而使吸附於上述吸附劑之上述原料氣體脫附；使用測定上述吸附劑之溫度的溫度測定部來測定上述吸附劑之溫度；對調整上述吸附劑之溫度的溫度調整部進行控制，以上述吸附劑之溫度達到目標溫度之方式進行調整；上述目標溫度係藉由比較上述氣體成分1及上述氣體成分2對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率而決定之溫度。 [9]如上述[8]記載之氣體分離方法，其中，上述目標溫度係上述氣體成分1對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率小於上述氣體成分2對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率的溫度。 [10]如上述[8]或[9]記載之氣體分離方法，其中，依照下述步驟1～3來決定上述目標溫度。 步驟1：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，根據溫度T下之氣體成分i(i＝l，2)之吸附等溫線，計算出與變壓幅度相對應之平衡吸附量之變化，即有效吸附量ΔQ i(T)。 步驟2：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，計算出基準溫度T A與自基準溫度T A變化之變化溫度T B之有效吸附量ΔQ i(T)之溫度變化率X i(T A，T B)＝1－{ΔQ i(T B)/ΔQ i(T A)}。其中，T A＜T B。 步驟3：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，比較有效吸附量之溫度變化率X i(T A，T B)，將滿足下述式(1)之變化溫度T B決定為目標溫度。其中，0＜α≦1。 X 1(T A，T B)＜α×X 2(T A，T B)       (1) [11]如上述[8]至[10]中任一項記載之氣體分離方法，其中，使上述氣體成分1及上述氣體成分2吸附於上述吸附劑，並使吸附於上述吸附劑之上述氣體成分1及上述氣體成分2按各劃分之時段分開脫附。 [12]如上述[8]至[11]中任一項記載之氣體分離方法，其中，使上述原料氣體吸附於上述吸附劑，其後直至使上述原料氣體脫附，如此作為1循環；當經過至少5循環後，使用上述溫度測定部來測定上述吸附劑之溫度，控制上述溫度調整部，調整使上述吸附劑之溫度達到目標溫度。 [13]如上述[8]至[12]中任一項記載之氣體分離方法，其中，使用藉由上述溫度測定部所測定之溫度振幅之最大值作為上述吸附劑之溫度。 [14]如上述[8]至[13]中任一項記載之氣體分離方法，其中，上述溫度調整部藉由調整上述原料氣體之溫度，而間接地調整上述吸附劑之溫度。 [15]如上述[14]記載之氣體分離方法，其中，上述溫度調整部包括：熱交換器，其可對熱媒流量及傳熱面積之至少任一者進行可變控制；且藉由使用上述熱交換器調整上述原料氣體之溫度，而間接地調整上述吸附劑之溫度。 [16]如上述[15]記載之氣體分離方法，其中，使上述熱交換器之出口側之上述原料氣體之一部分循環至上述熱交換器之入口側。 (對照先前技術之功效)
根據本發明，其可使用PSA法將原料氣體中所含之特定氣體成分高效率地分離。
[第1實施形態] 以下，基於圖1～圖9來說明氣體分離設備。以下說明兼對氣體分離方法作說明。
＜氣體分離設備之構成＞ 圖1係表示第1實施形態之氣體分離設備11之示意圖。 氣體分離設備11係自至少含有氣體成分1(例如CO 2)及氣體成分2(例如N 2)之原料氣體中，藉由變壓式吸附(PSA)法將氣體成分1進行分離回收之設備。 氣體分離設備11係構成為以氣體於上下方向流動之立式吸附塔12為主體。於吸附塔12內部填充有吸附脫附(吸附及脫附)氣體成分1及氣體成分2之吸附劑(未圖示)。 圖1所示之氣體分離設備11係所謂之多塔式，並排配置有2台吸附塔12(吸附塔12a及吸附塔12b)。吸附塔12之台數並不限定於2台，可為1台，亦可為3台以上。
於吸附塔12之一端側(圖1中之上端側)連接有自原料氣體供給源61使原料氣體流通之導入管線13。 原料氣體供給源61例如係排出高爐氣體作為原料氣體之高爐。 導入管線13係為了使原料氣體(至少含有氣體成分1及氣體成分2之氣體)吸附於吸附劑而將原料氣體導入至吸附塔12內部。於導入管線13之中途，設置有開關閥21。導入管線13構成導入部。
於吸附塔12之另一端側(圖1中之下端側)，連接有逸氣排氣管線14。逸氣係雖被導入至吸附塔12，但未吸附於吸附劑之原料氣體。逸氣係經由逸氣排氣管線14而排出。於逸氣排氣管線14之中途，設置有開關閥22。
於逸氣排氣管線14中之較開關閥22上游側，連接有脫附氣體排氣管線15。 脫附氣體排氣管線15連接至真空泵18。藉由驅動真空泵18，而將吸附塔12內部進行減壓，使吸附於吸附劑之原料氣體脫附。自吸附劑脫附之原料氣體(脫附氣體)經由脫附氣體排氣管線15排出。於脫附氣體排氣管線15中較真空泵18上游側設置有開關閥23。
於脫附氣體排氣管線15中較真空泵18下游側(真空泵18之吐出側)分支，設置有分支管線16及分支管線17。 於分支管線16及分支管線17分別設置有開關閥24及開關閥25。 原料氣體中所含之氣體成分1及氣體成分2之中，例如包含不期望回收之氣體成分2之氣體(雜質氣體)係經由分支管線16排出。另一方面，包含期望回收之氣體成分1之氣體(回收氣體)係經由分支管線17排出。
脫附氣體排氣管線15、分支管線16、分支管線17及真空泵18構成減壓部。
於吸附塔12中，設置有對填充於吸附塔12內部之吸附劑之溫度進行測定之溫度測定部26。 溫度測定部26並無特別限定，例如可為熱電偶。於溫度測定部26為熱電偶之情形時，於吸附塔12之外周部亦可設置到達至吸附塔12內部之熱電偶用之鞘管(未圖示)。藉由將熱電偶插入至該鞘管，則可容易地測定填充於吸附塔12內部之吸附劑之溫度。 每個吸附塔12可設置複數個溫度測定部26。例如，於圖1中，於吸附塔12之上下方向上分散地配置溫度測定部26a及溫度測定部26b。藉此，可無偏差地測定吸附劑之溫度。
於自原料氣體供給源61至吸附塔12之導入管線13之中途，設置有溫度調整部31。 作為溫度調整部31，並無特別限定，例如使用作為電氣式加熱裝置之電熱器等公知之加熱器，作為其具體例，可舉出覆蓋導入管線13之外周部之套管式加熱器。 溫度調整部31藉由將流經導入管線13之原料氣體進行加熱，而調整導入至吸附塔12內部之原料氣體之溫度。如此，例如為基準溫度T A(例如25℃)之原料氣體會升溫，而成為變化溫度T B(T A＜T B)。 此時，吸附塔12之吸附劑之溫度起初亦為基準溫度T A，但藉由將成為變化溫度T B之原料氣體導入至吸附塔12並對吸附劑進行吸附脫附，為基準溫度T A之吸附劑亦被加熱，而逐漸地成為變化溫度T B。 如此，藉由調整導入至吸附塔12內部之原料氣體之溫度，而間接地調整填充於吸附塔12內部之吸附劑之溫度。
再者，作為溫度調整部31，並不限定於上述例。 例如，於吸附塔12為小型之情形時，亦可於吸附塔12之外周部設置套管式加熱器作為溫度調整部31。於該情形時，自吸附塔12之外周部將填充於吸附塔12內部之吸附劑進行加熱。但是，於該情形時，若吸附塔12之內徑大，則有時容易發生傳熱不良，難以直至吸附塔12之中心部將吸附劑均勻地加熱。 相對於此，根據上述例(藉由調整原料氣體之溫度，而間接地調整吸附劑之溫度之例)，原料氣體亦被導入至吸附塔12之中心部，因此容易直至吸附塔12之中心部將吸附劑均勻地加熱。 如後述般，存在有即便為15℃左右之小溫度變化，吸附劑之平衡吸附量亦會顯著變化之情況(參照圖2～圖4)。因此，較佳為將吸附劑均勻地加熱。
於溫度調整部31連接有控制部35。關於控制部35，作為一例，為市售之PC(個人電腦)。 受控制部35之控制，而驅動溫度調整部31並上升至所期望之溫度。如此，將流經導入管線13之原料氣體加熱至所期望之溫度。
＜吸附等溫線＞ 圖2、圖3及圖4係分別表示使溫度變化而測得之CO 2、CO及N 2之吸附等溫線之一例的圖。 圖2～圖4之吸附等溫線係使用13X沸石作為吸附劑所測得之吸附等溫線(使13X沸石吸附脫附各氣體成分時之吸附等溫線)。 於圖2～圖4中，使測定吸附等溫線時之溫度T於10～70℃之範圍內以每15℃進行變化。吸附等溫線係壓力與平衡吸附量Q之關係，橫軸表示壓力(分壓)，縱軸表示平衡吸附量。
比較圖2～圖4，CO 2之吸附量比CO及N 2之吸附量大1位數之程度。 吸附力大之CO 2於低壓下急遽地吸附於吸附劑之細孔內部，因此吸附等溫線其低壓下之斜率為大的非線形。CO 2於高壓下幾乎不脫附，若減壓至低壓，則急遽地脫附。 另一方面，吸附力小之N 2及CO之吸附等溫線於較CO 2廣之壓力範圍內為直線狀。N 2及CO於自高壓變為低壓之過程中脫附。
吸附等溫線係表示一定溫度T下之壓力P與平衡吸附量Q之相關之圖，如圖2～圖4所示，溫度T變得越高，則平衡吸附量Q變得越小。並且，與相同變壓幅度相對應之有效吸附量ΔQ亦同樣地變化，溫度T變得越高，則有效吸附量ΔQ變得越小。
以下，為了方便起見，以氣體成分1為二氧化碳(CO 2)，且氣體成分2為氮氣(N 2)之情形為例進行說明。
圖5係表示氣體成分1(CO 2)及氣體成分2(N 2)之吸附等溫線之一例之圖。 於變壓式吸附(PSA)法中，利用對於吸附劑之平衡吸附量Q隨著變壓而發生變化之現象。將平衡吸附量Q(亦簡單地標記為「吸附量Q」)之變化稱為有效吸附量ΔQ。如圖5所示，即便變壓幅度相同，每種氣體成分亦具有不同有效吸附量ΔQ i(i＝l，2)。 氣體成分1(CO 2)係使用有效吸附量ΔQ 1(Q CO2)大於氣體成分2(N 2)之有效吸附量ΔQ 2(ΔQ N2)之吸附劑。藉此，則可利用PSA法將氣體成分1(CO 2)分離。
再者，作為吸附劑，只要為顯示與上述同樣形狀之吸附等溫線者即可，並不限定於13X沸石，例如亦可使用ZSM-5等其他吸附劑。
＜利用PSA法所進行之氣體分離＞ 對在圖1所示之氣體分離設備11中，自至少含有氣體成分1及氣體成分2之原料氣體中，藉由變壓式吸附(PSA)法將氣體成分1分離回收之方法進行說明。
首先，打開導入管線13之開關閥21，自原料氣體供給源61經由導入管線13將原料氣體導入至吸附塔12內部。其後，關閉開關閥21。 藉此，原料氣體吸附於吸附塔12內部填充之吸附劑。 更詳細而言，如圖1所示，吸附力大之氣體成分1吸附於吸附塔12之靠近導入口(導入管線13與吸附塔12之連接部分)之區域。另一方面，吸附力小之氣體成分2吸附於吸附塔12之遠離導入口之區域。 此時，預先關閉脫附氣體排氣管線15之開關閥23，且打開逸氣排氣管線14之開關閥22。藉此，未吸附於吸附劑之原料氣體(逸氣)經由逸氣排氣管線14排出。
再者，如圖1所示，可於氣體成分1吸附之區域、及氣體成分2吸附之區域分別設置溫度測定部26a、及溫度測定部26b。
如圖1所示，當在吸附塔12內部產生原料氣體(氣體成分1及氣體成分2)之分佈之狀態下，關閉逸氣排氣管線14之開關閥22及分支管線17之開關閥25，且打開脫附氣體排氣管線15之開關閥23及分支管線16之開關閥24。 然後，藉由驅動真空泵18，而開始吸附塔12內部之減壓。 藉此，首先，包含吸附力小之氣體成分2之雜質氣體(方便起見，亦簡稱為「氣體成分2」)自吸附劑脫附，經由脫附氣體排氣管線15及分支管線16排出(第1時段)。 此時，氣體成分2不通過氣體成分1吸附之區域而自吸附劑脫附。因此，抑制氣體成分1部分地自吸附劑脫附並排出。
繼而，關閉分支管線16之開關閥24，且打開分支管線17之開關閥25。然後，驅動真空泵18，將吸附塔12內部進行減壓。 藉此，含有吸附力大之氣體成分1之回收氣體(方便起見，亦簡稱為「氣體成分1」)自吸附劑脫附，經由脫附氣體排氣管線15及分支管線17排出(第2時段)。於第2時段中，可較第1時段將吸附塔12內部進一步進行減壓。如此，將氣體成分1進行分離回收。
如此，可於氣體分離設備11中將氣體成分1及氣體成分2按劃分之時段分開地自不同分支管線進行回收。
再者，於吸附塔12中，亦可實施所謂洗淨，即，將其他吸附塔之脫附氣體之一部分用作洗淨氣體。 具體而言，例如亦可將自1台吸附塔12a脫附之高純度之氣體成分1(CO 2)之一部分用於驅除另一吸附塔12b之氣體成分2(N 2)。
另外，如根據圖2～圖4所說明，溫度T變得越高，則平衡吸附量Q變得越小，與相同變壓幅度相對應之有效吸附量ΔQ亦同樣地變小。
此處，驅動溫度調整部31，而使填充於吸附塔12之吸附劑之溫度自基準溫度T A(例如25℃)成為高於基準溫度T A之變化溫度T B(例如70℃)。藉此，氣體成分2更容易於第1時段中自吸附劑脫附。或者，於第1時段之前，氣體成分2不吸附於吸附劑，而容易作為逸氣排出。
但是，若將吸附劑之溫度升得過高，則氣體成分1之有效吸附量會變得過小。於該情形時，於第1時段中氣體成分1亦變得容易脫附(或者，容易於第1時段之前作為逸氣排出)，因此不佳。 因此，設定目標溫度，以吸附劑之溫度成為該目標溫度之方式進行調整。 目標溫度係藉由比較氣體成分1及氣體成分2對吸附劑之有效吸附量之溫度變化率而決定之溫度。
N 2之吸附等溫線於較廣之壓力範圍內，隨著溫度變高，斜率減少(參照圖4)。即，N 2之有效吸附量ΔQ N2容易隨升高溫度而變小，溫度依存性大(溫度變化率大)。CO之有效吸附量ΔQ CO亦同樣如此(參照圖3)。 另一方面，若溫度變高，則CO 2之吸附等溫線於高壓下斜率之變化小(大致平行地向下側位移)，但於低壓(例如未滿10 kPa)下斜率顯著減少(參照圖2)。 但是，將吸附塔12內部減壓至真空狀態時真空泵18之運轉效率差，因此通常於高壓(例如10 kPa以上)下實施脫附。於該情形時，即便溫度變高，吸附等溫線之斜率之減少亦小。 即，即便升高溫度，CO 2之有效吸附量ΔQ CO2亦不易變小，溫度依存性小(溫度變化率小)。
為考慮到此種有效吸附量ΔQ之差異，作為目標溫度，例如設定為氣體成分1(CO 2)之有效吸附量ΔQ 1(ΔQ CO2)之溫度變化率小於氣體成分2(N 2)之有效吸附量ΔQ 2(ΔQ N2)之溫度變化率的溫度。 藉此，於維持ΔQ 1＞ΔQ 2之關係之狀態下，其差變得更大，則更容易利用PSA法將氣體成分1分離。
具體而言，目標溫度係例如依照下述步驟1～3來決定。 步驟1：針對氣體成分1及氣體成分2，根據溫度T下之氣體成分i(i＝1，2)之吸附等溫線，計算出與變壓幅度相對應之平衡吸附量之變化，即有效吸附量ΔQ i(T)。亦適當參照溫度T下之氣體成分i之吸附壓力(分壓)及脫附壓力(分壓)。 變壓幅度係對每種氣體成分i適當決定，對每種氣體成分i可相同，亦可不同。
步驟2：針對氣體成分1及氣體成分2，計算出基準溫度T A與自基準溫度T A變化之變化溫度T B的有效吸附量ΔQ i(T)之溫度變化率X i(T A，T B)＝1－{ΔQ i(T B)/ΔQ i(T A)}。其中，T A＜T B。 基準溫度T A並無特別限定，例如可為自常溫(5～35℃)之範圍內選擇之任意溫度。
步驟3：針對氣體成分1及氣體成分2，比較有效吸附量之溫度變化率X i(T A，T B)，而將滿足下述式(1)之變化溫度T B決定為目標溫度。其中，0＜α≦1。具體而言，α例如為0.5。 X 1(T A，T B)＜α×X 2(T A，T B)       (1)
圖6係表示於自基準溫度T A變化至變化溫度T B之情形時氣體成分1(CO 2)及氣體成分2(N 2)之吸附等溫線一例的圖。 於圖6中，ΔQ CO2(T A)：ΔQ CO2(T B)＝1：0.9，且ΔQ N2(T A)：ΔQ N2(T B)＝1：0.5，因此進行如下計算，以滿足上述式(1)。 X CO2(T A，T B)＝1－{ΔQ CO2(T B)/ΔQ CO2(T A)}＝0.1 X N2(T A，T B)＝1－{ΔQ N2(T B)/ΔQ N2(T A)}＝0.5 X CO2(T A，T B)＜α×X N2(T A，T B)
當原料氣體除氣體成分1及氣體成分2以外，還含有其他氣體成分(氣體成分3、氣體成分4等)之情形時，以分別滿足X 1(T A，T B)＜α×X 3(T A，T B)、X 1(T A，T B)＜α×X 4(T A，T B)等之方式決定目標溫度。 換言之，將其他氣體成分視為另一氣體成分2，以該另一氣體成分2亦滿足上述式(1)之方式而決定目標溫度。
變化溫度T B(目標溫度)係在滿足T A＜T B之範圍內根據吸附劑及氣體之種類而適當設定。 另一方面，若T B過高，則例如存在有氣體成分1(CO 2)之有效吸附量ΔQ 1(ΔQ CO2)變得過小，而吸附劑之必需填充量增加，其結果有吸附塔12大型化的情形。為避免此一情況，例如當使用13X沸石作為吸附劑時，T B較佳為100℃以下。 根據吸附劑之種類，有效吸附量ΔQ之溫度變化量亦不同。因此，變化溫度T B之上限係例如考慮吸附劑之種類、吸附劑之成本、吸附塔之尺寸制約等而被適當設定。
決定此種目標溫度之主體並未特別受限定。 例如，可由控制部35根據程式等自動地，或由氣體分離設備11作業人員之操作來執行計算，以決定目標溫度。 又，亦可由氣體分離設備11之作業人員使用另一電子計算機來決定目標溫度，並將決定之目標溫度輸入至控制部35。 然後，基於所決定之目標溫度，控制部35對溫度調整部31進行驅動控制。
此處，1循環被設為，使原料氣體吸附於吸附劑，其後直至使原料氣體脫附為止。 更具體而言，1循環被設為，使原料氣體導入至吸附塔12內部後，關閉開關閥21，其後直至經由脫附氣體排氣管線15將該原料氣體(脫附氣體)自吸附塔12排出為止。 填充於吸附塔12之吸附劑的溫度，當開始原料氣體之導入(吸附)時，和其開始前相比具有變化之情形。因此，當經過至少5循環後，使用溫度測定部26測定吸附劑之溫度。藉此，吸附劑之溫度已穩定化，而可測定出正確之溫度。其後，控制溫度調整部31，以吸附劑之溫度達到目標溫度之方式進行調整。
吸附劑之溫度即便在循環數達到一定數以上，其受原料氣體之吸附熱及脫附熱之影響，亦會有略微變動之情形。 通常，吸附熱為放熱，脫附熱為吸熱，因此有關吸附劑之溫度，吸附步驟結束後為最高，脫附步驟結束後為最低。 脫附氣體中氣體成分1之純度，受氣體成分2較多脫附之脫附步驟之初期(亦即，吸附步驟剛結束後)中之原料氣體之脫附舉動的影響很大。 即，例如為了於上述第2時段獲得氣體成分1之純度高之回收氣體，較佳為於上述第1時段(包括脫附步驟之初期，即，吸附步驟剛結束後)適當地調整吸附劑之溫度而使氣體成分2較多地脫附為佳。 因此，溫度測定部26測定之溫度，較佳為使用吸附劑之溫度最高之吸附步驟剛結束後之溫度，即，藉由溫度測定部所測得之溫度振幅之最大值。
[第2實施形態] 圖7係表示第2實施形態之氣體分離設備11a之示意圖。 其對與第1實施形態相同之部分被以相同之符號表示，而省略其說明。
氣體分離設備11a之溫度調整部41具有配置於原料氣體流過之導入管線13中途之熱交換器42。 熱交換器42經由熱媒管線45與熱媒源43相連接。於熱媒管線45上設有泵44及複數個開關閥46。打開開關閥46，並驅動泵44，藉此在熱交換器42中，使熱媒(未圖示)自熱媒源43經由熱媒管線45流動。 如此，流經導入管線13之原料氣體在熱交換器42中進行熱交換，從而被調整溫度。
作為熱媒，例如可舉出：溫排水等液狀熱媒、排氣等氣體狀熱媒等，可根據熱交換器42之規格等適當選定。如後述般，亦可使用低溫之熱媒。熱媒及原料氣體之溫度可於熱交換器42配置熱電偶(未圖示)等來適當測定。
如以下所說明，熱交換器42可對熱媒流量及傳熱面積之至少任一者進行可變控制。
首先，如圖7所示，於熱媒管線45中較熱交換器42上游側設置有流量調節閥47。藉由流量調節閥47，可對流至熱交換器42之熱媒的流量進行可變控制。
又，如圖7所示，在熱媒管線45經由開關閥49，連接有不通過熱交換器42之旁路48。藉由打開開關閥49，可使流經熱媒管線45之熱媒之一部分繞過熱交換器42而流通。 藉此，例如當難以自流量調節閥47進行熱媒流量之控制時，其亦可對流至熱交換器42之熱媒的流量進行可變控制。
進而，穿過熱交換器42之熱媒管線45分為數根，於圖7中，作為一例，圖示有熱媒管線45a及熱媒管線45b。 藉由使開關閥46開關，可適當選擇熱媒僅流至熱媒管線45a或熱媒管線45b之狀態、熱媒流至熱媒管線45a及熱媒管線45b雙方之狀態等。 如此，於熱交換器42中可區分出向流經導入管線13之原料氣體傳熱之面(傳熱面)，而可對該面積(傳熱面積)進行可變控制。
另外，如上所述，第1實施形態中之溫度調整部31(參照圖1)，例如可被考慮用電熱器等電氣式加熱裝置。 尤其是，CO 2、N 2等吸附等溫線之溫度變化係於100℃以下左右低溫度下發生之現象(參照圖2～圖4)，因此使用由電轉熱之能量轉換率低的電氣式加熱裝置可說是效率很差。 如為100℃以下左右之溫度，則例如可將在工廠等產生之溫排水等用作為熱媒，藉由其低溫排熱將原料氣體(以及吸附劑)加熱。 因此，於第2實施形態中，使用可藉由熱媒調整原料氣體之溫度之熱交換器42。藉此，其可有效活用未利用之排熱等，而經濟性較高。 再者，於通常之熱交換器中，熱媒流量及傳熱面積被設計成固定式，因此不易控制原料氣體之溫度。 因此，於第2實施形態中，使用可對熱媒流量及傳熱面積之至少任一者進行控制之熱交換器42。藉此，例如即便當熱媒之溫度為非固定之情形等時，亦可調整原料氣體之溫度。
[第3實施形態] 圖8係表示第3實施形態之氣體分離設備1lb之示意圖。 其與第1～第2實施形態相同之部分被以相同之符號表示，而省略其說明。 氣體分離設備11b於溫度調整部41之周邊具有氣體循環部51。 氣體循環部51具有自導入管線13中熱交換器42之出口側連接至入口側之循環管線52。在循環管線52之中途被配置有泵53。藉由驅動泵53，可使熱交換器42出口側之原料氣體之一部分循環至熱交換器42入口側。 例如，當考慮到熱交換器42之傳熱面積的可變控制(參照圖7)於設計上有所困難的情形。在該情形下，藉由反覆進行此種循環，因使原料氣體反覆流經熱交換器42，因而可獲得與增加熱交換器42之傳熱面積效果同等之效果。 [實施例]
以下，以實施例具體說明本發明。但本發明並不受限定於以下說明之實施例。
＜氣體分離設備＞ 首先，根據圖9對以下說明之實施例1～2及比較例1中使用之氣體分離設備11c進行說明。
圖9係表示實施例1～2及比較例1中使用之氣體分離設備11c之示意圖。其對與圖1、圖7及圖8所說明之第1～第3實施形態相同之部分被標記以相同符號，並省略其說明。 在配置於吸附塔12入口側之導入管線13及吸附塔12之外周部，如圖9所示設有作為電熱器之溫度調整部31，藉由溫度調整部31，其可控制流經導入管線13之原料氣體及吸附劑30之溫度。 溫度測定部26係熱電偶。在吸附塔12中設有到達吸附塔12內部之鞘管27，藉由將溫度測定部26(熱電偶)插入至鞘管27，則可測定填充於吸附塔12之內部吸附劑30之溫度。
＜實施例1＞ 使用儲氣罐氣體及質量流量控制器(均未圖示)以模擬自製鐵廠排出之高爐氣體，製備22體積%CO 2、24體積%CO、49體積%N 2及5體積%H 2之4成分混合氣體，並將其用作原料氣體。
作為小型吸附塔12，被使用內徑40 mm、體長250 mm之SUS製管柱。吸附塔12之內部被填充13X沸石( 1.5 mm顆粒)190 g作為吸附劑30。 藉由驅動溫度調整部31(電熱器)，將吸附劑30之溫度自基準溫度T A(25℃)加熱至作為目標溫度之變化溫度T B(90℃)。該目標溫度係預先依照上述步驟1～3所決定，且滿足上述式(1)。 吸附劑30之溫度係使用插入至鞘管27之溫度測定部26(熱電偶)來求出。更詳細而言，根據所獲得之溫度振幅資料之最大值求出。
在該狀態下，將原料氣體於流量5.4 NL/min、壓力151 kPa之條件下自導入管線13導入至吸附塔12內部，使其吸附於吸附劑30。一部分原料氣體未吸附於吸附劑30，而自逸氣排氣管線14作為逸氣排出。 其後，使用真空泵18將吸附塔12內部減壓至壓力6 kPa，使吸附於吸附劑30之原料氣體脫附。將每1循環之吸附步驟及脫附步驟之合計時間設為200秒(吸附步驟：100秒，脫附步驟：100秒)。 如此，將自吸附劑30脫附之原料氣體(脫附氣體)作為回收氣體進行回收。使用氣體分析儀(未圖示)以測定回收氣體之CO 2濃度。 根據回收氣體之CO 2濃度、及原料氣體之CO 2濃度，求出CO 2回收率。其結果被示於圖10之圖表中。
藉由控制開關閥25及開關閥24，使穿過分支管線17之回收氣體之流通時間t 1與穿過分支管線16之雜質氣體之流通時間t 2的比(氣體流通時間比t 1/t 2)變化。藉此，使用氣體分析儀(未圖示)，調整成最終所獲得之氣體之CO 2濃度成為90體積%。
＜實施例2＞ 將目標溫度設為60℃。該目標溫度係預先依照上述步驟1～3所決定，且滿足上述式(1)。 除此以外，以與實施例1同樣之方式將回收氣體進行回收，求出CO 2回收率。其結果被示於圖10之圖表中。
＜比較例1＞ 溫度調整部31(電熱器) 未被驅動。即，使吸附劑30之溫度仍為基準溫度T A(25℃)。 除此以外，以與實施例1同樣之方式將回收氣體進行回收，求出CO 2回收率。其結果被示於圖10之圖表中。
＜評估結果總結＞ 圖10係表示實施例1～2及比較例1之CO 2回收率之圖表。 如圖10之圖表所示，在將吸附劑之溫度調整為目標溫度(90℃或60℃)之實施例1～2中，CO 2回收率高於未作此調整之比較例1，而可自原料氣體將CO 2高效率地分離。
1:氣體成分1 2:氣體成分2 11,11a,l1b:氣體分離設備 12,12a,12b:吸附塔 13:導入管線(導入部) 14:逸氣排氣管線 15:脫附氣體排氣管線(減壓部) 16:分支管線(減壓部) 17:分支管線(減壓部) 18:真空泵(減壓部) 21,22,23,24,25:開關閥 26,26a,26b:溫度測定部 27:鞘管 30:吸附劑 31:溫度調整部 35:控制部 41:溫度調整部 42:熱交換器 43:熱媒源 44:泵 45,45a,45b:熱媒管線 46:開關閥 47:流量調節閥 48:旁路 49:開關閥 51:氣體循環部 52:循環管線 53:泵 61:原料氣體供給源
圖1係表示第1實施形態之氣體分離設備之示意圖。 圖2係表示使溫度變化而測得之CO 2之吸附等溫線之一例的圖。 圖3係表示使溫度變化而測得之CO之吸附等溫線之一例的圖。 圖4係表示使溫度變化而測得之N 2之吸附等溫線之一例的圖。 圖5係表示氣體成分1(CO 2)及氣體成分2(N 2)之吸附等溫線之一例之圖。 圖6係表示自基準溫度T A變化至變化溫度T B之情形時之氣體成分1(CO 2)及氣體成分2(N 2)之吸附等溫線之一例的圖。 圖7係表示第2實施形態之氣體分離設備之示意圖。 圖8係表示第3實施形態之氣體分離設備之示意圖。 圖9係表示實施例1～2及比較例1中使用之氣體分離設備之示意圖。 圖10係表示實施例1～2及比較例1之CO 2回收率之圖。
1:氣體成分1
2:氣體成分2
11:氣體分離設備
12,12a,12b:吸附塔
13:導入管線(導入部)
14:逸氣排氣管線
15:解吸附氣體排氣管線(減壓部)
16:分支管線(減壓部)
17:分支管線(減壓部)
18:真空泵(減壓部)
21,22,23,24,25:開關閥
26,26a,26b:溫度測定部
31:溫度調整部
35:控制部
61:原料氣體供給源

Claims (12)

  1. 一種氣體分離設備，其係自至少含有氣體成分1及氣體成分2之原料氣體中，藉由變壓式吸附法將上述氣體成分1進行分離回收者；其具備有：吸附塔，填充有吸附脫附上述氣體成分1及上述氣體成分2之吸附劑；導入部，用以使上述原料氣體吸附於上述吸附劑而將上述原料氣體導入至上述吸附塔；減壓部，用以使吸附於上述吸附劑之上述原料氣體脫附而將上述吸附塔進行減壓；溫度測定部，其測定上述吸附劑之溫度；溫度調整部，其調整上述吸附劑之溫度；及控制部，以上述吸附劑之溫度達到目標溫度之方式控制上述溫度調整部；且上述目標溫度係藉由比較上述氣體成分1及上述氣體成分2對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率而決定之溫度，上述溫度調整部係滿足下述(a)至(c)中任一者：(a)上述溫度調整部包括可對熱媒流量及傳熱面積之至少任一者進行可變控制之熱交換器，且藉由使用上述熱交換器調整上述原料氣體之溫度，而間接地調整上述吸附劑之溫度；(b)上述溫度調整部包括加熱器，藉由使用上述加熱器調整上述原料氣體之溫度，而間接地調整上述吸附劑之溫度； (c)上述溫度調整部包括設置於上述吸附塔的外周部之加熱器，並使用上述加熱器調整上述吸附劑之溫度。
  2. 如請求項1之氣體分離設備，其中，上述目標溫度係上述氣體成分1對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率小於上述氣體成分2對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率的溫度。
  3. 如請求項1或2之氣體分離設備，其中，上述控制部係依照下述步驟1~3來決定上述目標溫度：步驟1：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，根據溫度T下之氣體成分i(i=1，2)之吸附等溫線，計算出與變壓幅度相對應之平衡吸附量之變化，即有效吸附量△Qi(T)；步驟2：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，計算出基準溫度TA與自基準溫度TA變化之變化溫度TB的有效吸附量△Qi(T)之溫度變化率Xi(TA，TB)=1-{△Qi(TB)/△Qi(TA)}，其中，TA<TB；步驟3：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，比較有效吸附量之溫度變化率Xi(TA，TB)，而將滿足下述式(1)之變化溫度TB決定為目標溫度，其中，0<α≦1，X1(TA，TB)<α×X2(TA，TB) (1)。
  4. 如請求項1或2之氣體分離設備，其中，上述減壓部具備有：排氣管線，將自上述吸附劑脫附之上述原料氣體進行排氣；且上述排氣管線分支為排出上述氣體成分1之分支管線、及排出上述氣體成分2之分支管線。
  5. 如請求項1或2之氣體分離設備，其中，在上述溫度調整部滿足上述(a)之情形下，其具備有：氣體循環部，使上述熱交換器之出口側之上述原料氣體之一部分循環至上述熱交換器之入口側。
  6. 一種氣體分離方法，其係自至少含有氣體成分1及氣體成分2之原料氣體中，藉由變壓式吸附法將上述氣體成分1進行分離回收者；其中，於填充有吸附脫附上述氣體成分1及上述氣體成分2之吸附劑之吸附塔中，導入上述原料氣體並使其吸附於上述吸附劑；藉由將上述吸附塔進行減壓，而使吸附於上述吸附劑之上述原料氣體脫附；使用測定上述吸附劑之溫度的溫度測定部來測定上述吸附劑之溫度；對調整上述吸附劑之溫度的溫度調整部進行控制，以上述吸附劑之溫度達到目標溫度之方式進行調整；上述目標溫度係藉由比較上述氣體成分1及上述氣體成分2對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率而決定之溫度，上述溫度調整部係滿足下述(a)至(c)中任一者：(a)上述溫度調整部包括可對熱媒流量及傳熱面積之至少任一者進行可變控制之熱交換器，且藉由使用上述熱交換器調整上述原料氣體之溫度，而間接地調整上述吸附劑之溫度；(b)上述溫度調整部包括加熱器，藉由使用上述加熱器調整上述原料氣體之溫度，而間接地調整上述吸附劑之溫度； (c)上述溫度調整部包括設置於上述吸附塔的外周部之加熱器，並使用上述加熱器調整上述吸附劑之溫度。
  7. 如請求項6之氣體分離方法，其中，上述目標溫度係上述氣體成分1對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率小於上述氣體成分2對上述吸附劑之有效吸附量之溫度變化率的溫度。
  8. 如請求項6或7之氣體分離方法，其中，依照下述步驟1~3來決定上述目標溫度：步驟1：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，根據溫度T下之氣體成分i(i=1，2)之吸附等溫線，計算出與變壓幅度相對應之平衡吸附量之變化，即有效吸附量△Qi(T)；步驟2：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，計算出基準溫度TA與自基準溫度TA變化之變化溫度TB之有效吸附量△Qi(T)之溫度變化率Xi(TA，TB)=1-{△Qi(TB)/△Qi(TA)}，其中，TA<TB；步驟3：針對上述氣體成分1及上述氣體成分2，比較有效吸附量之溫度變化率Xi(TA，TB)，將滿足下述式(1)之變化溫度TB決定為目標溫度，其中，0<α≦1，X1(TA，TB)<α×X2(TA，TB) (1)。
  9. 如請求項6或7之氣體分離方法，其中，使上述氣體成分1及上述氣體成分2吸附於上述吸附劑，且使吸附於上述吸附劑之上述氣體成分1及上述氣體成分2按各劃分之時段分開脫附。
  10. 如請求項6或7之氣體分離方法，其中，使上述原料氣 體吸附於上述吸附劑，其後直至使上述原料氣體脫附，如此作為1循環，當經過至少5循環後，使用上述溫度測定部來測定上述吸附劑之溫度，控制上述溫度調整部，調整使上述吸附劑之溫度達到目標溫度。
  11. 如請求項6或7之氣體分離方法，其中，使用藉由上述溫度測定部所測定之溫度振幅之最大值作為上述吸附劑之溫度。
  12. 如請求項6或7之氣體分離方法，其中，在上述溫度調整部滿足上述(a)之情形下，使上述熱交換器之出口側之上述原料氣體之一部分循環至上述熱交換器之入口側。
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