WO1988004195A1 - Mixed gas separation apparatus utilizing pressure change - Google Patents

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WO1988004195A1
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Jun; IZUMI
Seiichi Tanabe
Kazuaki Oshima
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Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha
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    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0446—Means for feeding or distributing gases

Definitions

  • the present invention is used, for example, in a fuel power plant, and uses a pressure fluctuation mixed gas separation apparatus using an adsorbent having an adsorption capacity difference due to a pressure such as zeolite.
  • a pressure fluctuation mixed gas separation apparatus using an adsorbent having an adsorption capacity difference due to a pressure such as zeolite.
  • the raw material mixture gas to be separated is first reduced to a constant pressure by some means, usually a gas compressor. After carrying the pressure, the gas is guided to the adsorption tower with the adsorbent through a valve, and the gas is repeated by repeating the following cycle, for example. They are separated.
  • a part of the product gas is introduced from the supply end from the supply end to the supply end, and pressure equalization is performed.
  • Table 1 shows an example of a three-tower system.
  • Fig. 4 shows an example of a conventional example where air and oxygen are
  • Fig. 3 shows an adsorption-based air separation device used for the purpose of separation, according to which air removed through the air filter 26 is removed.
  • the pressure is increased to about 5 kg / ol by the air compressor 27, and the heat of compression is removed by the water cooler 28.
  • water is removed by the water separator 29 and sent to the absorption towers 19a to 19d.o
  • adsorbents 20a to 20d made of zeolite or the like having a function as a filter are contained. It is then supplied through the knobs 24a to 24d.
  • the cycle time is shortened, and for the latter purpose, the pressure boosting power in the adsorption process and the low pressure power in the regeneration process are reduced. Destruction is effective.
  • the pressure fluctuation cycle required by the adsorbents 20a to 20d is first raised to a constant pressure by a pneumatic box machine or the like. This is achieved by opening and closing a plurality of valves 24a to 24 at the entrances and exits of the adsorption towers 19a to 19d, and the pressure energy is initially set at the time of adsorption.
  • the durability and opening / closing speed of the I5 lube in the range of 24a to 24 £ are barely at most about 0.1 seconds, and shortening it to less than that is a significant loss in economics. It was almost impossible to achieve.
  • the present invention aims to provide a mixed gas separation device utilizing pressure fluctuation which can greatly reduce the required power and is more economical than the conventional device.
  • the gas pressure in the cylinder is reduced by a piston sliding in the cylinder.
  • the pressure energy of the raw material in the early stage of the adsorption process which was conventionally required, and the easily adsorbed gas after the completion of the adsorption, which has conventionally been a loss, have been required.
  • the mechanical power can be used to recover the low pressure and pressure of the machine, which can greatly reduce the required power and reduce equipment costs.
  • FIGS. 1 and 2 are conceptual diagrams showing an embodiment of an io-mixed gas separator utilizing pressure fluctuations according to the present invention
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of FIG.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a conventional apparatus.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are conceptual diagrams showing one embodiment of a mixed gas separation device utilizing pressure fluctuations according to the present invention.
  • adsorbent 1 is placed at the upper end of cylinder 2, that is, between the top of cylinder 2 and piston 3, and the pressure is reduced.
  • the fluctuation is obtained by the reciprocating motion of BISTON3.
  • Gas inlets and outlets 4, 5, 6, 7, 7 and 8 are provided in cylinder 20, and they have the following functions. That is,
  • 4 is a discharge port for poorly adsorbable gas
  • 5 is a suction port for raw gas ⁇
  • 6 is a discharge port for easily adsorbed gas
  • 7 is a suction port for easily adsorbed gas
  • 8 is a discharge port for easily adsorbed gas.
  • Fig. 2 shows a state in which four gas-mixing separators S utilizing pressure change shown in Fig. 1 are arranged in parallel, and the bridges at each operation are shifted by one cycle at a time. Yes.
  • 11 is a piston type adsorption tower
  • 12 is a motor for driving a piston such as an electric motor
  • 13 is a crankshaft
  • 14 is a gas adsorbent that is hardly adsorbed.
  • a valve installed on the line, 15 is a valve installed on the raw material gas introduction line, 16 is a valve installed on the easily adsorbed gas discharge line, and 17 is an easily adsorbed line Ri Ah in gas transport La Lee set only et a valve in emissions, Oh Ru and with a, b, c, and d each being shifted by one sub b click le for each device.
  • Fig. 3 shows a mixing gas separation device, in which case, the valve 3 is at the neutral position, the valves 14a, 15a, 16a are closed, and the valves 17a, 17b are open. From this state, the piston 3a is moved to the top dead center side by the piston drive motor 12.
  • FIG. 3 shows a variable-mixing gas separation apparatus in which only the valves 15b and 16b are closed and the other valves 14b, 17b and 17c are open.
  • the state of decompression desorption in FIG. Fig. 3 shows the third state from the left with c attached to the vessel, and the scavenging state shown in Fig. 3 is the fourth from the left with d attached to each equipment in Fig. 2.
  • the eyes are showing. Hereinafter, the same operation is performed.
  • the cycle time can be greatly reduced. For example, if the conventional 60 seconds is reduced to 0.6 seconds, the required amount of adsorbent is reduced to about 1 / 50 and compactness and maintenance / reduction are achieved. That is, in the conventional apparatus, the gas pressure is controlled by the valve itself, and this valve is not economical in terms of durability. It was difficult to shorten the cycle, and it was difficult to increase the speed. On the other hand, in this embodiment, the gas pressure is controlled not by the valve but by the cylinder 2 and the piston 3, so that the valve pressure is controlled. The durability is higher than the durability, and the cycle time can be shortened.
  • valve 17 in FIG. 2 may be abolished and the valve 17 may be replaced by the system itself.

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Description

明 細 発明 の名称
圧力変動利用 混合ガ ス 分離装置 技術分野
本発明 は例え ば燃料発電 プ ラ ン ト に使用 さ れ、 ゼ ォ ラ イ ト 等 の よ う な 圧力 に よ り 吸着能力差 の あ る 吸着材 を利用 し た 圧力変動利用 混合ガ ス 分離装置 に 関す る 。 i o 背景技術
現在広 く 知 ら れて い る 圧力変動利用 混合ガ ス 分離装 置 （以下 PSA と 称す る） の 代表例 は 、 特公昭 45- 20082 号公報， 特開昭 47- 14070号公報及び特開昭 48- 16874号 公報 と に 示 さ れて い る 。 何れ の 従来例 に お い て も 、 分 離 し よ う と す る 原料混合ガ ス を ま ず何等 か の 手段、 普 通 に は ガ ス コ ン ブ レ ッ サ 一 な ど で 一定圧力 ま で 舁圧 し し か る 後、 吸着材 の 内蔵 さ れ た 吸着塔 に バ ル ブ を介 し て 導 き 、 例え ば次 の よ う な サ イ ク ルを繰 り 返す事 に よ り ガ ス を 分離 し て い る 。
0 即 ち 、
(1) 供給ガ ス を供給端 よ り 製品ガ ス の 一部を 吐出端 よ り 導入 し 、 圧力均等化 を行 う 。
は） 供給 ガ ス の 導入を続 け 、 よ り 高 い 圧力 に 再加圧 す る 。
(3) 他塔 に 製品 ガ ス の 一部を供給 し 、 圧力均等化を 行 》
(4) 並淀滅圧に よ り 製品ガ ス の 一部を他塔のバ ― ジ 使 う 。
は） 向流滅圧にて吸着成分の脱着を行う 。
(6) 吐出端部よ り パ一 ジを受ける ，
であ る 。 3 塔式の運用例を表 1 に示す。
サ イ ク ル 吸 着 塔 No. 時 間
(秒） 第 1 塔 第 2 塔 第 3 塔
0 - 15 再 加 圧 向 流 滅 圧 圧力均等化
( I )
15 - - 35 再 加 圧 掃 気 並 流 缄 圧
35 - 40 再 加 圧 再 加 圧 圧力均等化
( Π )
40 - 55 圧力均等化 再 加 圧 向 流 滅 圧
( I )
55 ' - 75 並 流 滅 圧 再 加 圧
75 ' - 80 圧力均等化 再 加 圧 再 加 圧
( Π )
80 - - 95 两 流 滅 圧 圧力均等化 再 加 圧
( I )
95 ' - 115 並 流 滅 圧 再 加 圧
115 ' 120 再 加 圧 圧力均等化 再 加 圧
( K )
第 4 図は従来例の一例 と して空気を酸素と窒素にて 分離す る 目 的 に 使用 さ れ る 吸着法に よ る 空気分離装置 を示 し て い る ， こ れに よ る と 、 エ ア フ ィ ルタ 26を通 つ て 除 じ ん さ れた空気が空気圧锚機 27で約 5 kg / ol に昇 圧 さ れ、 水冷却器 28で圧縮熱が除去 さ れ る 。 つ い で水 分分離器 29で 水分が除去 さ れ、 吸著塔 19a 〜 19d へ送 出 れ o
吸着塔 19a 〜 19d の 内部 に は フ ィ ル タ と し て の 機能 を有す る ゼォ ラ イ ト 等 よ り な る 吸着剤 20a 〜 20d が内 蔵 さ れて い る 。 そ こ で ノ ル ブ 24a 〜 24d を を通 っ て 供
I o 給 さ れ た 空気 の う ち 製品 ガ ス 成分 の みが吸着剤 20a 〜 20d を通過 し 、 ノ ル ブ 24e 〜 24h を通 っ て 製品ガ ス ホ ル ダ ー 21に 送 り 込 ま れ る 。
と こ ろ で 、 吸着剤 20a 〜 20d の 吸着能力 に 対 し か な り 大量 の 空気が送 り 込 ま れ る の で 、 吸着能力 回復 の た め 圧力 を 下 げて脱着 し 、 廃空気をバ ル ブ 24 i 〜 24 を 通 し て 系外へ放 出 す る 必要が あ る 。 そ こ で 、 連続的 に 製品ガ ス を供給す る に は 、 こ の 高圧下 の 吸着 と 低圧下 の 脱着 と を周期的 に 行 な う 必要か ら 吸着塔 は最低 2 塔 必要で あ り 、 こ こ で は 4 塔（19a〜 19d)設置 し た 例を示 0 し て い る 。 な お 、 図 中 24 m 〜 24 q は均圧バル ブ で あ る < そ し て 吸着お よ び脱着 の 行程を ス ム ー ズ に 行 な わせ る た め に 、 バル ブ 24a 〜 24q を制御装置 22に よ り 制御す る よ う に し て い る 。
第 4 図 の 空気分離装置を よ り 経済的 な ら し め る た め に は 、 コ ン パ ク ト 化 に よ る 設備費 の 削減及び高性能化 に よ る 道転柽费の 削滅が必要で あ る 。
前者の 目 的の た め に はサ イ ク ル タ イ ム の短縮、 ま た 後者の 目 的の た め に は吸着工程での昇圧動力及び あ る い は再生工程で の缄圧動力 の低滅が効果的で あ る 。 s - し か し な が ら 従来技術で は、 吸着剤 20a 〜20d が必 要 とす る 圧力変動 サ イ ク ル はま ず空気圧箱機な どで一 定圧力 に昇圧 さ れ、 し かる の ち吸着塔 19a 〜 19d の 出 入口 に あ る 複数偭 の バルブ 24a 〜 24 の 開閉操作に よ り 達成 さ れて お り 、 吸着時初期 に は圧力 エ ネ ル ギ ー は
, 0 何等仕事をせず、 ま た 、 吸着完了後の易吸着ガ ス はバ ル ブを介 し て 膨脹 し 、 そ の 圧縮エ ネ ルギ ー は放散 し て 失な われ る た め 、 所要動力 の増大を招 き 、 そ の サ イ ク ルタ イ ム は 1 〜 5 分が通例で あ っ た 。 こ れを長い倒に 延長す る こ と は何等問題 は な い が、 短縮す る 倒に はバ
I 5 ルブの 24a 〜 24 £ の 耐久性及び開閉速度の点でせ いぜ い 0.1 秒位ま で がや っ と で あ り 、 そ れ以下に短縮す る 事 は経済性を著 し く 損 う も の で あ り 、 実現 は ほ と ん ど 不可能で あ っ た 。
発明の 開示
2 0 そ こ で 、 本発明 は所要動力 を大幅に低減で き 、 従来 装置よ り は経済的 に優れた圧力変動利用 混合ガ ス 分離 装置を提供す る こ と を 目 的 と す る 。
本発明 ば上記 目 的を達成す る た め に 、 シ リ ン ダ 内 を 摺動す る ビ ス ト ン に よ り 上記 シ リ ン ダ 内 の ガ ス 圧力 を
Z S 変動 し 得 る装置に お い て 、 上記 ビ ス ト ン と 上記 シ リ ン ダ へ ッ ド と の 間 に圧力 に よ り 吸着能力 に 差 の あ る 吸着 材を配置す る 事を特徴 と す る も の で あ る β
上記の よ う に構成す る こ と に よ り 、 従来必要で あ つ た 吸着工程初期の原料^ ス の 昇圧 エ ネ ル ギ ー 及び従来 損失 と な っ て い た 吸着完了後 の 易吸着ガ ス の缄圧勖力 を機械的に 回収す る こ と がで き 、 こ れに よ り 所要動力 の 大幅低減が可能 と な り 、 設備費低減が達成で き る · 図面 の 簡単な 説明
第 1 図お よ び第 2 図 は本発 明 に 係わ る 圧力変動利用 i o 混合ガ ス 分離装置 の 一実施例を示す概念図、 第 3 図 は 第 2 図 の 動作を説明 す る た め の タ イ ム チ ャ ー ト 、 第 4 図 は従来装置を示す概念図で あ る 。
発明 を実施す る た め の 最良 の 形態
第 1 図及び第 2 図 は、 本発 明 に 係 る 圧力変動利用 混 合ガ ス 分離装置 の 一実施例を示す概念図で あ る 。 第 1 図 で は 、 吸着剤 1 は シ リ ン ダ 2 の 上端部す な わ ち シ リ ン ダ 2 の へ 'ン ト' と ピ ス ト ン 3 と の 間 に 設 け ら れ、 圧力 の変動 は ビ ス ト ン 3 の 往復動作 に よ つ て 得 る よ う に し て い る 。 ガ ス 吸排 口 4 , 5 ， 6 , 7 , 8 は シ リ ン ダ 2 0 に 設 け ら れ、 こ れ ら は次 の 役 目 を担 つ て い る 。 即 ち 、
4 は難吸着ガ ス の 排出 口 、 5 は原料ガ ス の 吸込 □、 6 は易 吸着ガ ス の 排 出 口 、 7 は易吸着ガ ス の 吸込 Π 、 8 は易 吸着 ガ ス の 排出 口 で あ る 。 こ の よ う に 構成 し て 、 従来設 け て い た 空気圧縮機 2 7お よ び 吸着塔 1 9 a - 1 9 d の 出 入 口 の 圧力 制御用 の バ ノレ つ♦ 2 4 a 〜 2 4 を 除去 し た も の で あ る 。
第 2 図で は第 1 図に示す圧力変鲂利用混合ガ ス分離 装 Sを 4 塔並列配置 し 、 そ れぞれの作勖時闥を ½ サ イ ク ルずつず ら し た状態を示 し て あ る 。 第 2 図に お い て は、 11は ビス ト ン型吸着塔、 12は電動機な ど の ビ ス ト ン ¾動用原動機、 13ばク ラ ン ク シ ャ フ ト 、 14は難吸着 ガ ス 排出 ラ イ ン に設 け ら れた弁、 15は原料ガ ス 導入 ラ ィ ン に設 け ら れ た弁、 16は易吸着ガ ス 排出 ラ イ ン に設 け ら れた 弁、 17は易吸着ガ ス 移送 ラ イ ン に設 け ら れた 弁で あ り 、 各機器に は 1 サ イ ク ルずつずれ た状態毎に a , b ， c ， d を付 し て あ る 。
以下、 こ の よ う に構成 さ れた圧力変動利用混合ガ ス 分離装置の動作 は 、 第 3 図の タ イ ム チ ャ ー ト の よ う に な る 。 第 3 図 の 上部室が加圧状態で 、 下部室が再 ¾圧 状態の と き は、 各機器に対 し て a を付 した状態す な わ ち 第 2 図 の最 も 左側の圧力変動利用混合ガ ス 分離装置 を示 し 、 こ の 場合 に は ビ ス ト ン 3 が中立点位置に あ り 一方弁 14a, 15a, 16a が閉 じ て お り 、 弁 17a, 17b は開い て い る 。 こ の状態か ら ビ ス ト ン駆動用 電動機 12に よ り ビ ス ト ン 3 aを上死点側に移動 さ せ る 。 そ し て 、 ピ ス ト ン 3bが上死点に達 し て製品ガ ス 送 り 出 し状態を、 第 2 図の 各機器 に対 し て b を付 し た左か ら 2 番 目 の圧力変 動利用混合ガ ス 分離装置を示 し 、 こ の状態で は弁 15b， 16b の みが閉 じ て お り 、 他の 弁 14b, 17 b , 17 c が開い て い る 。 同様に 、 第 3 図 の 減圧脱離の 状態 は第 2 図の機 器 に 対 し て c を付 し た 左か ら 3 番 目 の状態を示 し 、 第 3 図 の掃気状お、 は第 2 図 の各機器 に 対 し d を付 し た左 か ら 4 番 目 を示 し て い る 。 以下、 同様 に動作す る こ と に な る 。
以上述べ た 本発 明 の 実施例に よ れ ば、 下記の よ う な 効果が得 ら れ る 。
(1) 従来必要で あ っ た 吸着工程初期の 原料ガ ス の昇 圧 エ ネ ル ギ ー 及び従来損失 とな っ て い た 吸着完了後 の 易 吸着ガ ス の 減圧動力 を機械的 に 回収 す る こ と が で き こ れ に よ り 所要動力 の 大幅 （約 5 〜 3 0 % ) 低減が可能 と な り 、 設備費低減が達成 で き る 。
(2) サ イ ク ル タ イ ム の 大幅 な 短縮が可能 と な り 、 例 え ば従来 6 0秒 だ っ た も の を 0 . 6 秒 に す る と 吸着剤 の 所 要量が約 1 / 5 0と な り コ ン パ ク ト 化及び整備费低減が達 成 さ れ る 。 す な わ ち 、 従来装置 に あ っ て は、 バル ブ 自 体で ガ ス の 圧力制御を行 な っ て お り 、 こ の バル ブ は耐 久性 の 面か ら 経済的で な い た め サ イ ク ル の 短縮がで き に く く 、 高速化が困難で あ っ た 。 こ れ に 対 し 、 本実施 例で は ガ ス の 圧力制御を 、 弁で は な く 、 シ リ ン ダ 2 と ビ ス ト ン 3 と に よ り 行 な っ て い る の で 、 弁 の 耐久性 に 比べ て 高 く 、 サ イ ク ル タ イ ム の 短縮化が可能 と な る 。
な お 、 本発明 は上記実施例 に 限 ら ず、 第 2 図 の 弁 1 7 を廃止 し て ビ ス ト ン 自 体 で 弁 1 7を代替す る シ ス テ ム と し て も よ い 。
産業上 の 利用 可能性 以上述べ た本発明 に よ れば、 所要動力が大幅に低缄 で き 、 設備费低缄がで き る 圧力変動利用混合ガ ス 分離 装置を提供で き る 。

Claims

請求の 範囲
シ リ ン ダ 内 を摺動す る ビ ス ト ン に よ り 上記 シ リ ン ダ 内 ガ ス 圧力 を変動 し得 る 装 S に 於て 、 上記 ビ ス ト ン と 上記 シ リ ン ダ の へ ッ ド と の 閽 に圧力 に よ り 吸着能力 に 差 の あ る 吸着材を配置す る 事を特徴 と す る 圧力変動利 用 混合ガ ス 分離装置。
PCT/JP1987/000944 1986-12-08 1987-12-07 Mixed gas separation apparatus utilizing pressure change WO1988004195A1 (en)

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JP61/292038 1986-12-08
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