WO2013031955A1 - ガス吸着分離装置 - Google Patents

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WO2013031955A1
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adsorbent
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齋間　等
茂木　康弘
たかし 原岡
三宅　正訓
高田　吉則
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Ｊｆｅスチール株式会社
住友精化株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gas adsorption separation apparatus for adsorbing and separating a specific gas component from a mixed gas by a pressure swing adsorption method or the like.
  • the pressure swing adsorption method Pressure Swing Adsorption method
  • PSA method Pressure Swing Adsorption method
  • an adsorbent having a high adsorbing power for one or more gas components in a mixed gas is brought into contact with the mixed gas, the gas component is adsorbed by the adsorbent, and the other gas components are concentrated.
  • the adsorbed gas component is desorbed from the adsorbent by lowering the pressure in the tank and separated.
  • the pressure swing adsorption method is used in various fields as a method for separating a mixed gas.
  • This pressure swing adsorption method is usually often used as a method for producing a high purity gas by separating a specific gas component from a mixed gas.
  • Examples of the high purity gas that is adsorbed and separated (manufactured) from the mixed gas by the pressure swing adsorption method include hydrogen, oxygen, carbon dioxide, and carbon monoxide.
  • the pressure swing adsorption method is used, and air is used as a raw material to adsorb nitrogen to the adsorbent to produce high-purity oxygen.
  • an X-type zeolite ion-exchanged with calcium as an adsorbent has been used.
  • an X-type zeolite ion-exchanged with lithium having a high adsorption performance for nitrogen has come to be used. I came.
  • hydrogen from a mixed gas containing about 50 to 80 vol% of hydrogen, for example, hydrocarbons and alcohols in the petrochemical industry, cracked gas of ethers, reformed gas, coke oven gas in the steel industry, etc.
  • a pressure swing adsorption method using A-type zeolite as the adsorbent is employed.
  • chemical raw materials and carbon dioxide for dry ice are produced by pressure swing adsorption method using boiler exhaust gas and combustion exhaust gas as raw materials.
  • an activated carbon-based adsorbent or a Y-type zeolite-based adsorbent is used.
  • carbon monoxide for chemical raw materials is manufactured by pressure swing adsorption method using converter gas from the steel industry as a raw material.
  • a zeolite-based adsorbent or a copper (I) / alumina-based adsorbent is used.
  • gas separation systems based on various pressure swing adsorption methods have been developed and operated according to the type of gas and the characteristics of the adsorbent, and the most important part is the pressure swing of the gas adsorption separation device.
  • the method for recovering the adsorbed gas is usually composed of the following three steps (1) to (3).
  • Adsorption process for introducing gas into the adsorption tower and adsorbing the gas to the adsorbent
  • an adsorption process is performed at a pressure of about 50 to 100 kPa, then high-purity carbon dioxide gas is introduced at atmospheric pressure to drive out unnecessary gas, and finally a vacuum is applied. It is possible to obtain high-purity carbon dioxide gas under reduced pressure. High-purity carbon dioxide gas necessary for the washing process is supplied from an adsorption tower that performs the desorption process.
  • the structure of the conventional gas adsorption separation device is roughly divided into a cylindrical type and a pillow type.
  • the gas adsorption separation apparatus having a cylindrical tower structure introduces a raw material gas composed of a mixed gas from below, and adsorbs the gas component to the adsorbent filled in the gas adsorption unit. Structure.
  • the layer height of the gas adsorbing portion increases, and the pressure loss when the gas passes is increased.
  • FIG. 10B a pillow-type shape is adopted in a low-pressure large-sized apparatus in which pressure loss is a problem.
  • This pillow-type gas adsorption / separation device can cope with an increase in the size of the pillow by increasing the length of the pillow, so the layer height of the gas adsorption part can be kept low, and operation with low pressure loss is possible. It is.
  • the adsorbent filling rate (volume ratio) relative to the volume cannot be increased. There is a disadvantage that does not increase.
  • Patent Document 1 proposes filling an adsorbent in an annular shape in a cylindrical gas separation device.
  • the gas dispersion plate area is increased by reducing the pressure loss by making the adsorbent filling structure annular.
  • Patent Document 2 discloses a method for recovering hydrogen from a mixed gas by the RPSA method. This method divides the adsorption layer in the adsorption tower, introduces mixed gas from one outside the adsorption layer, adsorbs unnecessary gas components to the adsorption layer, and removes unnecessary gas components from the area between the adsorption layers. In addition to collecting the high purity gas, the high purity gas is introduced into the other adsorption layer to desorb unnecessary components adsorbed in the adsorption layer, and the unnecessary gas components are removed from the other side of the adsorbent. It is a method of releasing out of the system.
  • Patent Documents 3 and 4 show a method of dividing the adsorption layer.
  • Patent Document 3 describes a method conceived for removing moisture and carbon dioxide for pretreatment of the pressure swing method.
  • Patent Document 2 The method described in Patent Document 2 is effective for separating a gas that is difficult to adsorb such as hydrogen, but is difficult to apply to a gas that is easily adsorbed such as carbon dioxide gas. Further, in this method, since the operation is performed only by the differential pressure between the two adsorbing layers, the method is applied to a separation that requires a differential pressure of several tens to several hundred kPa, such as the carbon dioxide separation described above. I can't.
  • the adsorption layer is divided and the pressure loss due to the adsorption layer is reduced to increase the volume efficiency.
  • the structure is for removing impurities in the gas, and carbon dioxide gas Thus, the adsorbed gas cannot be recovered with high purity.
  • Patent Document 4 has a feature that the unit can be divided and transferred, since the entire structure is a quadrangle, it is several tens to It is difficult to apply a pressure of several hundred kPa inside.
  • the present invention has been made in view of the above, and the object thereof is to solve the problems of the prior art, and can be applied to the adsorption separation of carbon dioxide gas from a mixed gas without any problem, and even if the apparatus is enlarged.
  • An object of the present invention is to provide a gas adsorption separation device that can increase the adsorbent filling rate with respect to the volume and can be obtained at a low cost with a simple structure.
  • a gas adsorption separation apparatus adsorbs one or more gas components in a mixed gas by allowing the mixed gas to pass through and contacting the adsorbent.
  • a gas adsorption separation apparatus comprising a plurality of adsorbing tanks, wherein an adsorption process and a desorption process, or an adsorption process, a washing process, and a desorption process are alternately performed in each of the adsorption tanks.
  • the region constitutes a gas adsorption region, and the outermost region adjacent to each gas adsorption region constitutes an off-gas outflow region.
  • a gas adsorption separation apparatus comprises a plurality of adsorption tanks for allowing a mixed gas to pass through and contacting an adsorbent and adsorbing one or more gas components in the mixed gas.
  • a gas adsorption separation device that alternately performs an adsorption process and a desorption process, or an adsorption process, a washing process, and a desorption process.
  • Each adsorption tank is a pillow type, and the inside of the adsorption tank is in the height direction. It is divided into five parallel regions, and among these regions, the central region constitutes the gas inflow region, and the upper and lower regions adjacent to the gas inflow region constitute the gas adsorption region, An adjacent outermost region constitutes an off-gas outflow region.
  • a gas adsorption separation apparatus includes a plurality of adsorption tanks that allow a mixed gas to pass through and contact with an adsorbent and adsorb one or more gas components in the mixed gas.
  • a gas adsorption separation device that alternately performs an adsorption process and a desorption process, or an adsorption process, a washing process, and a desorption process.
  • Each adsorption tank is a pillow type, and the interior of the adsorption tank is parallel in the horizontal direction.
  • the central region constitutes the gas inflow region
  • the regions on both sides adjacent to the gas inflow region constitute the gas adsorption region, and each is adjacent to the gas adsorption region.
  • adjacent regions are partitioned by a partition wall through which gas can be passed, and the gas inflow region and the off-gas outflow region are separated from the gas adsorption region through the partition wall. It is a space part through which gas enters and exits.
  • the gas adsorption separation apparatus according to the present invention can be applied to the adsorption separation of carbon dioxide gas from a mixed gas without problems, and even if the apparatus is enlarged, the adsorbent filling rate with respect to the volume can be increased. Compactness and improved efficiency can be achieved.
  • the adsorbent layer thickness is divided into two, the thickness of each adsorbent layer can be reduced, so that pressure loss can be reduced and the time required for adsorption and desorption can be shortened. Further, it can be obtained at a low cost with a simple structure.
  • the adsorption tank is a vertical cylinder type or a pillow type, and the width of the adsorption device decreases from the gas inflow region to the gas outflow region of the mixed gas. Since the linear velocity of the gas does not decrease, an excellent effect that the time required for adsorption can be further shortened is obtained.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an embodiment of the gas adsorption separation apparatus of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing one adsorption tank constituting the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a horizontal sectional view of the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is a side view schematically showing another embodiment of the gas adsorption separation apparatus of the present invention.
  • FIG. 5 is a side view schematically showing one adsorption tank constituting the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing another embodiment of the gas adsorption separation apparatus of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an embodiment of the gas adsorption separation apparatus of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing one adsorption tank constituting the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a horizontal sectional view of the gas
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing one adsorption tank constituting the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 8 is a horizontal sectional view of the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 9A is a schematic diagram showing a comparison of volume utilization ratio and the like between the device according to the present invention and the device according to the prior art.
  • FIG. 9B is a schematic diagram showing a comparison of volume utilization ratio and the like between the device according to the present invention and the prior art device.
  • FIG. 10A is a schematic diagram schematically showing a conventional gas separation device.
  • FIG. 10B is a schematic diagram schematically showing a conventional gas separation device.
  • the gas adsorption separation apparatus of the present invention comprises a plurality of adsorption tanks, that is, adsorption towers, through which a mixed gas is passed and brought into contact with an adsorbent to adsorb one or more gas components in the mixed gas. Further, this gas adsorption separation apparatus causes a plurality of adsorption tanks to alternately perform an adsorption process and a desorption process, or an adsorption process, a cleaning process, and a desorption process.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a gas adsorption separation device according to a first embodiment of the first invention of the present application.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing one adsorption tank, that is, an adsorption tower, constituting the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a horizontal sectional view of the adsorption tank shown in FIG.
  • the gas adsorption separation apparatus includes three adsorption tanks x 1 to x 3 , and the three adsorption tanks x 1 to x 3 are respectively provided with an adsorption process, a cleaning process, and a desorption process. Are alternately performed in this order.
  • the gas adsorption separation apparatus may include two adsorption tanks, and cause the two adsorption tanks to alternately perform an adsorption process and a desorption process, that is, do not perform a cleaning process.
  • Each adsorption tank x has a vertical cylindrical shape, and the inside of the adsorption tank x is partitioned into five regions arranged in parallel in the horizontal direction. Of these five regions, the central region constitutes the gas inflow region A, the regions on both sides adjacent to the gas inflow region A constitute the gas adsorption regions B 1 and B 2 , and these gas adsorption regions B 1. , B 2 , the outermost regions adjacent to each other constitute off-gas outflow regions C 1 , C 2 .
  • the cross-sectional shape in the radial direction of the adsorption tank x may be elliptical.
  • a partition wall 1 made of a dispersion plate provided along the cylinder axis direction of the adsorption tank x to partition each region allows gas to pass while holding the granular adsorbent in the gas adsorption regions B 1 and B 2 .
  • it is composed of a perforated plate such as a wire mesh having small holes that can be formed on the entire surface.
  • the partition wall 1 partitions the inside of the adsorption tank x in a straight line to form each region.
  • the gas inflow region A and the off gas outflow regions C 1 and C 2 are spaces through which the gas enters and exits through the partition wall 1 between the gas adsorption regions B 1 and B 2 .
  • a gas supply pipe 2 for supplying a mixed gas is connected to the gas inflow region A. Further, a gas discharge pipe 3 for discharging a concentrated gas, which is a gas after a part of the mixed gas is adsorbed and separated, is connected to each of the off-gas outflow regions C 1 and C 2 .
  • the supply position of the mixed gas by the gas supply pipe 2 is arbitrary. For example, from one or both of the side surface of the gas inflow region A, that is, one or more portions on the side of the adsorption tank x, and the end portion of the gas inflow region A, that is, one or more portions on the upper and lower surfaces of the adsorption tank x.
  • a mixed gas can be supplied.
  • the gas inflow region A may be provided with a dispersion nozzle that can uniformly supply the mixed gas over the entire region.
  • the adsorption vessel x 1 in the adsorption step mixed gas is introduced into the gas inflow region A through the gas supply pipe 2.
  • the mixed gas introduced into the gas inflow region A flows into the gas adsorption regions B 1 and B 2 through the partition wall 1 made of a dispersion plate, where specific gas components in the mixed gas according to the characteristics of the adsorbent. Is adsorbed and non-adsorbed components are concentrated in the gas phase.
  • the concentrated gas flows out to the outermost off-gas outflow regions C 1 and C 2 through the partition wall 1 made of a dispersion plate, and is then discharged through the gas discharge pipe 3.
  • adsorption vessel x 2 in the washing process part of the high purity of the suction gas desorbed in the adsorption vessel x 3 in the desorption step is fed to the gas inflow region A as the cleaning gas.
  • the cleaning gas flows from the gas adsorption regions B 1 and B 2 to the off gas outflow regions C 1 and C 2 through the partition wall 1 made of a dispersion plate, so that the impurity gas in the gas adsorption regions B 1 and B 2 flows into the off gas outflow region.
  • the gas adsorption regions B 1 and B 2 are cleaned by being driven out by C 1 and C 2 .
  • the cleaning offgas that has flowed into the offgas outflow regions C 1 and C 2 is discharged through the gas discharge pipe 3.
  • adsorption vessel x 3 in the desorption step reducing the pressure in the tank by the vacuum pump 4, the adsorbed gas is desorbed from the adsorbent to recover a highly purified gas. Further, as described above, a part thereof is supplied as a cleaning gas to the adsorption tank in the cleaning process.
  • the pressure in the adsorption process and the desorption process may be set so that the desorption pressure is lower than the adsorption pressure. Therefore, for example, the adsorption pressure may be atmospheric pressure and the desorption pressure may be vacuum, or the adsorption pressure may be increased and the desorption pressure may be atmospheric pressure or vacuum.
  • the high purity gas can be continuously produced from the mixed gas by sequentially performing the three steps at regular intervals.
  • FIG. 4 is a side view schematically showing a gas adsorption separation device according to a second embodiment of the second invention of the present application.
  • FIG. 5 is a side view schematically showing one adsorption tank constituting the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • the gas adsorption separation apparatus also includes three adsorption tanks x 1 to x 3 , and these three adsorption tanks x 1 to x 3 are subjected to an adsorption process, a washing process, and a desorption process. This is performed alternately in this order.
  • the gas adsorption separation apparatus may include two adsorption tanks, and cause the two adsorption tanks to alternately perform an adsorption process and a desorption process, that is, do not perform a cleaning process.
  • Each adsorption tank x has a pillow shape, and the inside of the adsorption tank x is partitioned into five regions arranged in parallel in the height direction, that is, the vertical direction. Of these five regions, the central region constitutes a gas inflow region A, and upper and lower regions adjacent to the gas inflow region A constitute gas adsorption regions B 1 and B 2 , and these gas adsorption regions B 1. , B 2 , the outermost regions adjacent to each other constitute off-gas outflow regions C 1 , C 2 .
  • the pillow-shaped adsorption tank x is a horizontal cylindrical type, and refers to an adsorption tank having a shape in which both ends of the cylinder have spherical roundness.
  • the cross-sectional shape in the radial direction of the adsorption tank x may be elliptical.
  • a partition wall 1 made of a dispersion plate provided in the horizontal direction in the adsorption tank x to partition each region allows gas to pass while holding the granular adsorbent in the gas adsorption regions B 1 and B 2 .
  • it is composed of a perforated plate such as a wire mesh having small holes that can be formed on the entire surface.
  • the partition wall 1 partitions the inside of the adsorption tank x in a straight line to form each region.
  • the gas inflow region A and the off gas outflow regions C 1 and C 2 are space portions through which gas enters and exits through the partition wall 1 between the gas adsorption regions B 1 and B 2 .
  • a gas supply pipe 2 for supplying a mixed gas is connected to the gas inflow region A. Further, a gas discharge pipe 3 for discharging a concentrated gas, which is a gas after a part of the mixed gas is adsorbed and separated, is connected to each of the off-gas outflow regions C 1 and C 2 .
  • the supply position of the mixed gas by the gas supply pipe 2 is arbitrary.
  • the gas inflow region A may be provided with a dispersion nozzle that can uniformly supply the mixed gas over the entire region.
  • the adsorption vessel x 1 in the adsorption step mixed gas is introduced into the gas inflow region A through the gas supply pipe 2.
  • the mixed gas introduced into the gas inflow region A flows into the upper and lower gas adsorption regions B 1 and B 2 through the partition wall 1 made of a dispersion plate, where a specific gas in the mixed gas is selected according to the characteristics of the adsorbent.
  • Gas components are adsorbed and non-adsorbed components are concentrated in the gas phase.
  • the concentrated gas flows out to the outermost off-gas outflow regions C 1 and C 2 positioned above and below through the partition wall 1 made of a dispersion plate, and is then discharged through the gas discharge pipe 3.
  • adsorption vessel x 2 in the washing process part of the high purity of the suction gas desorbed in the adsorption vessel x 3 in the desorption step is fed to the gas inflow region A as the cleaning gas.
  • the cleaning gas flows from the upper and lower gas adsorption regions B 1 and B 2 to the off gas outflow regions C 1 and C 2 through the partition wall 1 made of a dispersion plate, so that the impurity gas in the gas adsorption regions B 1 and B 2 is turned off.
  • the gas adsorbing areas B 1 and B 2 are cleaned by being expelled to the outflow areas C 1 and C 2 .
  • the cleaning offgas that has flowed into the offgas outflow regions C 1 and C 2 is discharged through the gas discharge pipe 3.
  • adsorption vessel x 3 in the desorption step reducing the pressure in the tank by the vacuum pump 4, the adsorbed gas is desorbed from the adsorbent to recover a highly purified gas. Further, as described above, a part thereof is supplied as a cleaning gas to the adsorption tank in the cleaning process.
  • the pressure in the adsorption process and the desorption process may be set so that the desorption pressure is lower than the adsorption pressure. Therefore, for example, the adsorption pressure may be atmospheric pressure and the desorption pressure may be vacuum, or the adsorption pressure may be increased and the desorption pressure may be atmospheric pressure or vacuum.
  • the high purity gas can be continuously produced from the mixed gas by sequentially performing the three steps at regular intervals.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a gas adsorption separation device according to a third embodiment of the third invention of the present application.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing one adsorption tank, that is, an adsorption tower, constituting the gas adsorption separation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 8 is a horizontal sectional view of the adsorption tank shown in FIG.
  • the gas adsorption separation apparatus also includes three adsorption tanks x 1 to x 3 , and these three adsorption tanks x 1 to x 3 are subjected to an adsorption process, a washing process, and a desorption process. This is performed alternately in this order.
  • the gas adsorption separation apparatus may include two adsorption tanks, and cause the two adsorption tanks to alternately perform an adsorption process and a desorption process, that is, do not perform a cleaning process.
  • Each adsorption tank x is a pillow type, and the inside of the adsorption tank x is partitioned into five regions arranged in parallel in the horizontal direction. Of these five regions, the central region constitutes the gas inflow region A, the regions on both sides adjacent to the gas inflow region A constitute the gas adsorption regions B 1 and B 2 , and these gas adsorption regions B 1. , B 2 , the outermost regions adjacent to each other constitute off-gas outflow regions C 1 , C 2 .
  • the pillow-shaped adsorption tank x refers to a horizontal cylindrical type, and has a shape in which both ends of the cylinder have a spherical round shape.
  • the cross-sectional shape in the radial direction of the adsorption tank x may be elliptical.
  • a partition wall 1 made of a dispersion plate provided in the horizontal direction in the adsorption tank x to partition each region allows gas to pass while holding the granular adsorbent in the gas adsorption regions B 1 and B 2 .
  • it is composed of a perforated plate such as a wire mesh having small holes that can be formed on the entire surface.
  • the partition wall 1 linearly partitions the inside of the adsorption tank x to form each region.
  • the gas inflow region A and the off gas outflow regions C 1 and C 2 are spaces through which the gas enters and exits through the partition wall 1 between the gas adsorption regions B 1 and B 2 .
  • a gas supply pipe 2 for supplying a mixed gas is connected to the gas inflow region A. Further, a gas discharge pipe 3 for discharging a concentrated gas, which is a gas after a part of the mixed gas is adsorbed and separated, is connected to each of the off-gas outflow regions C 1 and C 2 .
  • the supply position of the mixed gas by the gas supply pipe 2 is arbitrary.
  • the gas inflow region A may be provided with a dispersion nozzle that can uniformly supply the mixed gas over the entire region.
  • the adsorption vessel x 1 in the adsorption step mixed gas is introduced into the gas inflow region A through the gas supply pipe 2.
  • the mixed gas introduced into the gas inflow region A flows into the gas adsorption regions B 1 and B 2 on both sides through the partition wall 1 made of a dispersion plate, where a specific gas in the mixed gas is selected according to the characteristics of the adsorbent.
  • Gas components are adsorbed and non-adsorbed components are concentrated in the gas phase.
  • the concentrated gas flows into the outermost off-gas outflow regions C 1 and C 2 located on the left and right through the partition wall 1 made of a dispersion plate, and is then discharged through the gas discharge pipe 3.
  • adsorption vessel x 2 in the washing process part of the high purity of the suction gas desorbed in the adsorption vessel x 3 in the desorption step is fed to the gas inflow region A as the cleaning gas.
  • the cleaning gas flows from the gas adsorption regions B 1 and B 2 on both sides to the off gas outflow regions C 1 and C 2 through the partition wall 1 made of a dispersion plate, so that the impurity gas in the gas adsorption regions B 1 and B 2 is turned off.
  • the gas adsorbing areas B 1 and B 2 are cleaned by being expelled to the outflow areas C 1 and C 2 .
  • the cleaning offgas that has flowed into the offgas outflow regions C 1 and C 2 is discharged through the gas discharge pipe 3.
  • adsorption vessel x 3 in the desorption step reducing the pressure in the tank by the vacuum pump 4, the adsorbed gas is desorbed from the adsorbent to recover a highly purified gas. Further, as described above, a part thereof is supplied as a cleaning gas to the adsorption tank in the cleaning process.
  • the pressure in the adsorption process and the desorption process may be set so that the desorption pressure is lower than the adsorption pressure. Therefore, for example, the adsorption pressure may be atmospheric pressure and the desorption pressure may be vacuum, or the adsorption pressure may be increased and the desorption pressure may be atmospheric pressure or vacuum.
  • the high purity gas can be continuously produced from the mixed gas by sequentially performing the three steps at regular intervals.
  • any adsorbent such as zeolite, activated carbon or alumina can be used.
  • the kind of mixed gas to which the apparatus of the present invention is applied and the kind of gas component to be adsorbed / separated are also arbitrary.
  • the apparatus of the present invention is also applied to a temperature swing adsorption method in which adsorption is performed while cooling and heating is performed during regeneration, and a pressure / temperature swing adsorption method in which the temperature swing adsorption method and the pressure swing adsorption method are combined.
  • a configuration in which a heat exchange tube for heating and cooling is inserted into the gas adsorption regions B 1 and B 2 can be employed.
  • the gas adsorption separation apparatus of the present invention can increase the adsorbent filling rate with respect to the volume, and can achieve compactness and efficiency improvement of the apparatus.
  • 9A and 9B are longitudinal sectional views in the radial direction of a pillow-type adsorption tank.
  • FIG. 9A in the case of a conventional apparatus in which a single adsorbent layer having a layer thickness l of 2.5 m is provided in a pillow type adsorption tank having a diameter L 0 of 6.5 m, The length is 45m and its volume utilization is only 48%.
  • FIG. 9A in the case of a conventional apparatus in which a single adsorbent layer having a layer thickness l of 2.5 m is provided in a pillow type adsorption tank having a diameter L 0 of 6.5 m, The length is 45m and its volume utilization is only 48%.
  • FIG. 9A in the case of a conventional apparatus in which a single adsorbent layer having a layer thickness l of
  • the adsorbent layer having the layer thicknesses l 1 and l 3 of 2.5 m, for example, is separated from the space as the gas inflow region A having the width l 2 of 0.5 m, for example.
  • the length of the adsorption layer is 26 m and its volume utilization rate is increased to 83%.
  • the widths l 0 and l 4 of the off-gas outflow regions C 1 and C 2 are also 0.5 m, for example.
  • the adsorbent if activated carbon, X-type zeolite, or the like is used as the adsorbent, it can be applied to the adsorption separation of carbon dioxide from the mixed gas without any problem. Moreover, in this invention, since the adsorbent layer thickness is divided

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Abstract

　混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、該ガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、該ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成する。

Description

ガス吸着分離装置
　本発明は、圧力スイング吸着法などによって混合ガスから特定のガス成分を吸着・分離するためのガス吸着分離装置に関する。
　混合ガスの分離方法として、古くから圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法＝Pressure　Swing　Adsorption法）が用いられてきた。この方法は、混合ガス中の１つ以上のガス成分に対して吸着力の高い吸着剤を混合ガスに接触させ、当該ガス成分を吸着剤に吸着させるとともに、他のガス成分を濃縮し、次いで、吸着させたガス成分を、槽内圧力を低下させることによって吸着剤から脱離させ、分離する方法である。
　圧力スイング吸着法は、混合ガスの分離方法として種々の分野で利用されている。この圧力スイング吸着法は、通常、混合ガスから特定のガス成分を分離することにより、高純度のガスを製造する方法として利用されることが多い。圧力スイング吸着法により混合ガスから吸着・分離（製造）される高純度ガスとしては、例えば、水素、酸素、炭酸ガス、一酸化炭素などがある。
　圧力スイング吸着法を用い、空気を原料として吸着剤に窒素を吸着させ、高純度の酸素を製造する方法が行われている。この場合、従来では、吸着剤としてのカルシウムでイオン交換されたＸ型ゼオライトが用いられてきたが、近年では、窒素に対する吸着性能の高いリチウムでイオン交換されたＸ型ゼオライトが用いられるようになってきた。また、５０～８０vol％程度の水素を含む混合ガス、例えば、石油化学産業における炭化水素やアルコール類、エーテル類の分解ガス、または改質ガス、製鉄業におけるコークス炉ガスなどから水素を製造する際に、吸着剤にＡ型ゼオライトを用いた圧力スイング吸着法が採用されている。
　このような圧力スイング吸着法による酸素や水素の製造では、吸着剤に不要なガス成分を吸着させ、高濃度で高純度の必要ガス成分を製造している。
　一方、ボイラー排ガスや燃焼排ガスを原料として、圧力スイング吸着法により化学原料やドライアイス用の炭酸ガスが製造されている。この製造には、活性炭系の吸着剤やＹ型ゼオライト系の吸着剤が用いられている。また、製鉄業の転炉ガスを原料として、圧力スイング吸着法により化学原料用の一酸化炭素が製造されている。この製造には、ゼオライト系の吸着剤や銅（Ｉ）／アルミナ系の吸着剤が用いられている。
　このような圧力スイング吸着法による炭酸ガスや一酸化炭素の製造では、吸着剤に必要なガス成分を吸着させ、これを脱離させることにより、高純度の必要ガス成分を製造している。
　上述のように、ガスの種類や吸着剤の特性に応じて、種々の圧力スイング吸着法によるガス分離システムが開発され、稼動しているが、その最重要部分であるガス吸着分離装置の圧力スイング吸着装置に関しては、大きな構造上の違いはない。すなわち、後述する図１０Ａおよび図１０Ｂに示す、吸着塔の中央部に吸着剤を充填した構造が一般的である。
　一方、圧力スイング吸着装置におけるガス分離操作は、吸着したガスを回収する方法と吸着しないガスを回収する方法の２通りがある。例えば、吸着したガスを回収する方法は、通常、次の（１）～（３）の３工程から構成される。
　（１）吸着塔にガスを導入し、ガスを吸着剤に吸着させる吸着工程
　（２）吸着塔に高純度のガスを導入し、不要なガスを追い出す洗浄工程
　（３）吸着塔の圧力を洗浄工程より低くし、吸着ガスを回収する脱着工程
　そして、例えば混合ガスから炭酸ガスを回収する場合、５０～１００ｋＰａ程度の圧力で吸着工程を行い、次いで、大気圧にて高純度の炭酸ガスを導入して不要なガスを追い出し、最後に真空にまで減圧して高純度の炭酸ガスを得ることができる。洗浄工程に必要な高純度の炭酸ガスは、脱着工程を行っている吸着塔から供給される。
　また、従来のガス吸着分離装置の構造は、円筒型と枕型に大別される。このうち、図１０Ａに示すように、円筒型の塔構造をしたガス吸着分離装置は、混合ガスからなる原料ガスを下方より導入し、ガス吸着部に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる構造である。これを大型化していくと、ガス吸着部の層高が大きくなり、ガスを通過させる際の圧力損失が大きくなる。そのため、図１０Ｂに示すように、圧力損失が問題となる低圧の大型装置においては、枕型形状が採用されている。
　この枕型のガス吸着分離装置は、枕の長さを長くすることによって大型化に対応できるため、ガス吸着部の層高を低く抑えることができ、圧力損失も低いままで運転することが可能である。しかし、枕型の場合、圧力損失を低く抑える必要上、容積に対する吸着剤充填率（体積比率）を大きくすることができず、このため装置が大型になる割合に較べ、そのガス処理量はあまり大きくならない欠点がある。
　従来、このような問題を解消するために種々の提案がなされている。特許文献１には、円筒型のガス分離装置において、吸着剤を円環状に充填することが提案されている。この装置は、吸着剤の充填構造を円環状にすることによってガス分散板面積を大きく取り、圧力損失を抑えている。
　また、高いガス処理量が得られる方式として、高速圧力スイング（ＲＰＳＡ）法が提案されている。特許文献２には、ＲＰＳＡ法により混合ガスから水素を回収する方法が示されている。この方法は、吸着塔内の吸着層を分割し、吸着層の外側の一方より混合ガスを導入し、吸着層に不要ガス成分を吸着させ、吸着層の間の領域から不要ガス成分が除去された高純度のガスを回収するとともに、この高純度ガスをもう一方の吸着層に導入して吸着層内に吸着された不要成分を脱離させ、この不要ガス成分を吸着剤のもう一方の外側の領域から系外へ放出するという方式である。
　また、同様に吸着層を分割する方式が特許文献３，４に示されている。特に、特許文献３には、圧力スイング法の前処理等のため、水分や炭酸ガスを除去するために考えられた方法が記載されている。
特開平１－１６４４１７号公報 特開平４－２６７９１９号公報 特開平１－１５９０１９号公報 特開２００９－２７４０２４号公報
　しかし、特許文献１に記載された装置を実機化する場合、円環を形成する仕切りを分散板で構成する構造であるため、以下のような問題がある。すなわち、一般に吸着剤は粒径２～３ｍｍ程度の粒状であるため、分散板は１ｍｍ程度の開口であるガス通孔を多数形成した構造とする必要がある。ところが、この装置の場合、補強により分散板の強度を保ちながら、円環の精度を確保するのは非常に難しい。さらに、２つの円環状分散板の中心を、大型のガス吸着分離装置の高さ方向の全高さにおいて揃えることも、相当に困難であると考えられる。また、これらを実現できたとしても、非常に高価な装置となってしまう。
　特許文献２に記載された方法は、水素などの吸着しにくいガスを分離するのには有効であるが、炭酸ガスなどのような吸着しやすいガスには適用が困難である。また、この方法においては、２つの吸着層の差圧のみにより運転が実施されているため、上述した炭酸ガス分離のように数十～数百ｋＰａの差圧が必要な分離には適用することができない。
　また、特許文献３に記載された方法では、吸着層を分割し、吸着層による圧力損失を低下させて体積効率を高くしているが、ガス中の不純物を取り除くための構造であり、炭酸ガスのように吸着したガスを高純度で回収することはできない。
　また、特許文献４に記載された方法では、ユニットを分割して移送することが可能であるという特徴はあるものの、全体の構造が四角形であるため、上述した炭酸ガス分離のように数十～数百ｋＰａの圧力を内部に加えることは困難である。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来技術の課題を解決し、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できるとともに、装置を大型化しても容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、且つシンプルな構造で安価に得ることができるガス吸着分離装置を提供することにある。
　上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、第１の発明に係るガス吸着分離装置は、混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程とを、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程とを、交互に行わせるガス吸着分離装置であって、各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域を構成し、該ガス流入領域に隣接する両側の領域がガス吸着領域を構成し、該ガス吸着領域に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域を構成することを特徴とする。
　第２の発明に係るガス吸着分離装置は、混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程とを、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程とを、交互に行わせるガス吸着分離装置であって、各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が高さ方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域を構成し、該ガス流入領域に隣接する上下の領域がガス吸着領域を構成し、該ガス吸着領域に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域を構成することを特徴とする。
　第３の発明に係るガス吸着分離装置は、混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程とを、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程とを、交互に行わせるガス吸着分離装置であって、各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域を構成し、該ガス流入領域に隣接する両側の領域がガス吸着領域を構成し、該ガス吸着領域に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域を構成することを特徴とする。
　本発明に係るガス吸着分離装置は、上記の発明において、隣接する領域間はガスが通気可能な仕切壁で仕切られ、ガス流入領域およびオフガス流出領域は、ガス吸着領域との間で仕切壁を通じてガスを出入りさせる空間部であることを特徴とする。
　本発明に係るガス吸着分離装置によれば、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できるとともに、装置を大型化しても容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、装置のコンパクト化と効率向上を図ることができる。
　また、吸着剤層厚が２つに分割されているので各吸着剤層の厚さを薄くすることができるので、圧力損失を小さくできるとともに、吸着や脱着に必要な時間も短縮できる。また、シンプルな構造で安価に得ることができる。
　さらに、吸着槽は縦円筒型または枕型であり、混合ガスのガス流入領域からガス流出領域に向けて吸着装置の幅が減少するため、ガス吸着により混合ガスの体積が減少しても、混合ガスの線速度が低下しないので、吸着に必要な時間をさらに短縮できるという優れた効果が得られる。
図１は、本発明のガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示すガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す斜視図である。 図３は、図２に示すガス吸着分離装置の水平断面図である。 図４は、本発明のガス吸着分離装置の他の実施形態を模式的に示す側面図である。 図５は、図４に示すガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す側面図である。 図６は、本発明のガス吸着分離装置の他の実施形態を模式的に示す斜視図である。 図７は、図６に示すガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す斜視図である。 図８は、図６に示すガス吸着分離装置の水平断面図である。 図９Ａは、本発明に係る装置と従来技術の装置との体積利用率等の比較を示す略線図である。 図９Ｂは、本発明に係る装置と従来技術の装置との体積利用率等の比較を示す略線図である。 図１０Ａは、従来のガス分離装置を模式的に示す略線図である。 図１０Ｂは、従来のガス分離装置を模式的に示す略線図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。
　本発明のガス吸着分離装置は、混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽、すなわち吸着塔を複数基備える。また、このガス吸着分離装置は、複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、または吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせる。
　（第１の実施形態）
　図１は、本願の第１の発明に係る第１の実施形態によるガス吸着分離装置を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示すガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽、すなわち吸着塔を模式的に示す斜視図である。図３は、図１に示す吸着槽の水平断面図である。
　この第１の実施形態によるガス吸着分離装置は、３基の吸着槽ｘ１～ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１～ｘ３にそれぞれ吸着工程と洗浄工程と脱着工程とをこの順に交互に行う。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
　各吸着槽ｘは縦円筒型であり、吸着槽ｘの内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られている。これらの５つの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
　各領域を仕切るために吸着槽ｘの筒軸方向に沿って設けられる分散板からなる仕切壁１は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する、例えば金網などの多孔板から構成される。本第１の実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
　ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
　ガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が接続されている。また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2にはそれぞれ、混合ガスの一部が吸着・分離された後のガスである濃縮したガスを排出するためのガス排出管３が接続されている。ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意である。例えば、ガス流入領域Ａの側面、すなわち吸着槽ｘの側部の１箇所以上と、ガス流入領域Ａの端部、すなわち吸着槽ｘの上面および下面の１箇所以上と、のいずれか若しくは両方から混合ガスを供給することができる。また、ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
　このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入される。このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、分散板からなる仕切壁１を通じてガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、分散板からなる仕切壁１を通じて最外側のオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
　洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着された高純度の吸着ガスの一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給される。この洗浄ガスが分散板からなる仕切壁１を通じてガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2からオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
　脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
　吸着工程と脱着工程との圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
　以上のように３基の吸着槽ｘ１～ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工程を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
　（第２の実施形態）
　図４は、本願の第２の発明に係る第２の実施形態によるガス吸着分離装置を模式的に示す側面図である。図５は、図４に示すガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す側面図である。
　この第２の実施形態によるガス吸着分離装置も、３基の吸着槽ｘ１～ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１～ｘ３に吸着工程と洗浄工程と脱着工程とをこの順に交互に行わせるものである。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
　各吸着槽ｘは枕型であり、吸着槽ｘの内部が高さ方向、すなわち上下方向に並列した５つの領域に仕切られている。これらの５つの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する上下の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。ここで、枕型の吸着槽ｘとは、横円筒型であって、筒両端が球面状の丸みを有する形状の吸着槽を指す。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
　各領域を仕切るために吸着槽ｘ内で水平方向に設けられる分散板からなる仕切壁１は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する、例えば金網などの多孔板で構成される。本第２の実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
　前記ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
　前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が接続されている。また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2にはそれぞれ、混合ガスの一部が吸着・分離された後のガスである濃縮したガスを排出するためのガス排出管３が接続されている。ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意である。また、ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
　このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入される。このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、分散板からなる仕切壁１を通じて上下のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、分散板からなる仕切壁１を通じて、上下に位置する最外側のオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
　洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着された高純度の吸着ガスの一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給される。この洗浄ガスが分散板からなる仕切壁１を通じて上下のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2からオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
　脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
　吸着工程と脱着工程との圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
　以上のように３基の吸着槽ｘ１～ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工程を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
　（第３の実施形態）
　図６は、本願の第３の発明に係る第３の実施形態によるガス吸着分離装置を模式的に示す斜視図である。図７は、図６に示すガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽、すなわち吸着塔を模式的に示す斜視図である。図８は、図６に示す吸着槽の水平断面図である。
　この第３の実施形態によるガス吸着分離装置も、３基の吸着槽ｘ１～ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１～ｘ３に吸着工程と洗浄工程と脱着工程とをこの順に交互に行わせるものである。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
　各吸着槽ｘは枕型であり、吸着槽ｘの内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られている。これらの５つの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。上述したように、枕型の吸着槽ｘとは、横円筒型であって、筒両端が球面状の丸みを有する形状の吸着槽を指す。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
　各領域を仕切るために吸着槽ｘ内で水平方向に設けられる分散板からなる仕切壁１は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する、例えば金網などの多孔板で構成される。本第３の実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
　ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
　このガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が接続されている。また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2にはそれぞれ、混合ガスの一部が吸着・分離された後のガスである濃縮したガスを排出するためのガス排出管３が接続されている。ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意である。また、ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
　このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入される。このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、分散板からなる仕切壁１を通じて両側のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、分散板からなる仕切壁１を通じて左右に位置する最外側のオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
　洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着された高純度の吸着ガスの一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給される。この洗浄ガスが分散板からなる仕切壁１を通じて両側のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2からオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
　脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
　吸着工程と脱着工程との圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
　以上のように３基の吸着槽ｘ１～ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工程を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
　本発明の装置は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に充填される吸着剤の種類を問わない。吸着するガスの種類により、ゼオライト系、活性炭系、アルミナ系など任意の吸着剤を用いることができる。また、本発明の装置が適用される混合ガスの種類や吸着・分離するガス成分の種類も任意である。
　また、本発明の装置は、冷却しながら吸着し、再生時に加温する方式の温度スイング吸着法や、この温度スイング吸着法と圧力スイング吸着法を組み合わせた圧力・温度スイング吸着法にも適用することができる。この場合、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に加熱・冷却のための熱交換チューブを挿入するなどの構成を採用することができる。
　本発明のガス吸着分離装置は、容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、装置のコンパクト化と効率向上を図ることができる。図９Ａ、図９Ｂは枕型の吸着槽の径方向の縦断面図である。例えば、図９Ａに示すように、直径Ｌ0が６．５ｍの枕型の吸着槽に層厚ｌが２．５ｍの単一の吸着剤層を設けた従来型の装置の場合、吸着層の長さが４５ｍで、その体積利用率は４８％に過ぎない。これに対して、図９Ｂに示すように、層厚ｌ1，ｌ3が例えば２．５ｍの吸着剤層を、幅ｌ2が例えば０．５ｍのガス流入領域Ａとしての空間を隔てて２つ設けた本発明の装置の場合は、吸着層の長さが２６ｍで、その体積利用率は８３％に増加する。なお、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2の幅ｌ0，ｌ4も例えば０．５ｍである。この結果、従来型の枕型のガス吸着分離装置では５０ｍの長さが必要な場合、本発明の枕型吸着装置では約２９ｍの長さで、同量の吸着剤を充填することができる。また、各種のガス吸着分離装置においても、容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、装置のコンパクト化と効率向上を図ることができることが確認された。
　また、吸着剤として活性炭やＸ型ゼオライトなどを用いれば、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できる。また、本発明では、吸着剤層厚が２つに分割されているので、各吸着剤層の厚さを薄くできる。そのため、圧力損失を小さくできるとともに、吸着や脱着に必要な時間も短縮できる利点がある。さらに、吸着槽は縦円筒型または枕型であり、混合ガスのガス流入領域Ａからオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に向けて吸着装置の幅が減少するため、ガス吸着により混合ガスの体積が減少しても、混合ガスの線速度が低下せず、このため吸着に必要な時間をさらに短くできるという優れた効果が得られる。
　以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
　１　仕切壁
　２　ガス供給管
　３　ガス排出管
　４　真空ポンプ
　Ａ　ガス流入領域
　Ｂ1，Ｂ2　ガス吸着領域
　Ｃ1，Ｃ2　オフガス流出領域

Claims (4)

  1. 　混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程とを、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程とを、交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
    　各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域を構成し、該ガス流入領域に隣接する両側の領域がガス吸着領域を構成し、該ガス吸着領域に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
  2. 　混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程とを、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程とを、交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
    　各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が高さ方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域を構成し、該ガス流入領域に隣接する上下の領域がガス吸着領域を構成し、該ガス吸着領域に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
  3. 　混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程とを、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程とを、交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
    　各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域を構成し、該ガス流入領域に隣接する両側の領域がガス吸着領域を構成し、該ガス吸着領域に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
  4. 　隣接する領域間はガスが通気可能な仕切壁で仕切られ、前記ガス流入領域および前記オフガス流出領域は、前記ガス吸着領域との間で仕切壁を通じてガスを出入りさせる空間部であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のガス吸着分離装置。
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