JPH0141371B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、２基の吸着塔を交互に使用してガ
ス中の難吸着成分を濃縮する方法に関する。 吸着によつてガス中の易吸着成分を吸着除去す
ることで難吸着成分を濃縮する場合、吸着剤の吸
着能力は易吸着成分の吸着の進行にともなつて低
下してくるので、一定量の吸着後に使用を中止し
て脱着を行うことが必要であり、したがつて連続
的な濃縮処理を行う場合には２基の吸着塔が交互
に使用される。このような２塔並設の吸着装置に
おいて、吸着工程では吸着塔に原料ガスが加圧下
で供給され、脱着工程では吸着成分を取出すため
に吸着塔の内部が減圧されるのが普通である。し
かし減圧によつて吸着剤から脱着された易吸着成
分は、脱着工程の終了時点でも吸着塔内に残存す
るので、つぎの吸着工程で原料ガスが導入された
ときに、難吸着成分に混入し、これが製品ガスの
純度を低くする原因となる。 この発明は、脱着工程の終了時点で易吸着成分
を吸着塔から効果的に除去することにより、脱着
工程から吸着工程への切換え時にも製品ガスの純
度を高水準に維持できるようにした難吸着成分濃
縮方法を提供することを目的としている。 以下にこの発明方法の工程の一例を図面にした
がつて説明する。第１図において符号１Ａは第１
吸着塔、１Ｂは第２吸着塔を示し、その各々の内
部には任意の吸着剤が充填されている。難吸着成
分および易吸着成分を含有する原料ガスは、ブロ
ワ２から、バルブＶ１Ａを経て吸着塔１Ａに、ま
たはバルブＶ１Ｂを経て吸着塔１Ｂに各々の底部
から供給されるようになつている。バルブＶ１Ａ
およびＶ１Ｂは所定のシーケンスにしたがつて交
互に開閉制御され、これによつて吸着塔１Ａおよ
び１Ｂにおける吸着工程と脱着工程とが交互に選
択される。いま、吸着塔１Ａが吸着工程にあると
すると、原料ガスはバルブＶ１Ａを通つて吸着塔
１Ａ内にその底部から供給され、常圧で易吸着成
分の吸着分離が行われる。また吸着されなかつた
難吸着成分は、バルブＶ７Ａを経て、フイードバ
ツクタンク３にいつたん入り、逆止弁Ｖ５および
バルブＶ６を経て製品ガスとして外部に取出され
る。また吸着塔１Ｂが吸着工程ににある状態で
は、原料ガスはバルブＶ１Ｂを経て吸着塔１Ｂの
底部に送られ、塔頂に達した難吸着成分がバルブ
Ｖ７Ｂを経てフイードバツクタンク３に導かれ
る。フイードバツクタンク３は、その内部に収容
されたガスの容積に応じて容量が変化する機能を
有するもので、たとえば壁面の一部をベローズで
構成した構造を有する。したがつてフイードバツ
クタンク３内のガスの圧力はほとんど一定に保た
れる。 一方、吸着塔１Ａの脱着工程は、切換バルブＶ
８を吸着塔１Ａ側に切換えるとともにバルブＶ１
Ａ，Ｖ７Ａを閉じ、真空ポンプ５の作用で吸着塔
１Ａ内を減圧することによつて行うことができる
ようになつている。また吸着塔１Ｂの脱着工程
は、切換弁Ｖ８を切換え、バルブＶ１Ｂ，Ｖ７Ｂ
を閉じることによつて同様にして行われ、脱着ガ
スは必要であれば回収される。 さらに吸着塔１Ａの頂部と他方の吸着塔１Ｂの
底部との間には、バルブＶ９Ａおよび逆止弁Ｖ１
０Ａを有するフイードバツク用系路６Ａが設けら
れ、バルブＶ９Ａを開くことにより、吸着塔１Ａ
の頂部から取出された難吸着成分を吸着塔１Ｂの
底部に導入することができるようになつている。
また吸着塔１Ｂの頂部から取出された難吸着成分
を他方の吸着塔１Ａの底部に導入することを可能
にするために、バルブＶ９Ｂおよび逆止弁Ｖ１０
Ｂを有するフイードバツク用系路６Ｂが設けられ
ている。 連続的な難吸着成分濃縮操作は第２図ａ，ｂ，
ｃに示した順序で行われる。まず第２図ａは、第
１吸着塔１Ａが吸着工程、第２吸着塔１Ｂが脱着
工程にある状態を示している。原料ガスは、ブロ
ワ２からバルブＶ１Ａを通つて吸着塔１Ａ内に供
給され、この吸着塔１Ａ内をその底部から頂部ま
で移動する間に、吸着剤による易吸着成分の吸着
分離、すなわち難吸着成分の濃縮が行われる。そ
してこの難吸着成分は、バルブＶ７Ａを経てフイ
ードバツクタンク３にいつたん貯留され、ついで
逆止弁Ｖ５およびバルブＶ６を経て製品ガスとし
て取出される。 一方、吸着塔１Ｂの内部は、バルブＶ１Ｂ，Ｖ
７Ｂを閉じ、切換バルブＶ８をこの吸着塔１Ｂ側
に切換えた状態で、真空ポンプ５の作用で排気さ
れて減圧となり、前回の吸着工程で吸着剤に吸着
されている易吸着成分の脱着が行われる。 第２図ｂは、吸着塔１Ａの吸着工程および吸着
塔１Ｂの脱着工程が終了してから、吸着塔１Ａが
脱着工程に、吸着塔１Ｂが吸着工程にそれぞれ入
るまでの平衡工程にある状態を示す。吸着塔１Ａ
の吸着工程が終了すると同時に、切換バルブＶ８
が吸着塔１Ｂ側から１Ａ側に切換えられ、バルブ
Ｖ１Ａが閉じられるとともに、バルブＶ７Ｂおよ
びＶ９Ａが開かれる。これによつて、脱着工程で
減圧となつている吸着塔１Ｂの内部に、フイード
バツクタンク３内の製品ガスが頂部から、また吸
着塔１Ａを通過した製品ガスが底部からそれぞれ
同時に流入し、吸着塔１Ｂの内部は製品ガスで充
満される。この平衡工程において、フイードバツ
クタンク３はその内容積を自由に変化させ得る構
造となつているので、このフイードバツクタンク
３から吸着塔１Ｂ内に流れることによつてフイー
ドバツクタンク３内の製品ガスの量が減少して
も、一定容積のタンクのように内部の圧力が低下
して製品ガスの流出を制限するというようなこと
はなく、充分な量の製品ガスが吸着塔１Ｂ内に円
滑に流入し、その結果として吸着塔１Ｂ内の平衡
工程がすみやかに行われる。 なお吸着塔１Ｂの平衡工程において、バルブＶ
１ＡおよびＶ１Ｂはともに閉じているので、ブロ
ワ２を停止させてもよく、あるいはブロワ２を運
転したまま、吐出ガスを開閉弁Ｖ１１およびバル
ブＶ１２を経て他に導いてもよい。吸着および脱
着の各工程が３分間程度であるとすると、平衡工
程は９秒間程度で完了する。 平衡工程が完了したのち、バルブＶ１Ｂが開か
れると同時にバルブＶ９Ａが閉じられ、ブロワ２
からバルブＶ１Ｂを経て供給されたガスが吸着塔
１Ｂを通過する吸着工程にそのまま移行する。ま
た平衡工程時に切換バルブＶ８が切換わると同時
に、吸着塔１Ａ内の排気が始まる（第２図ｃ）。 なお吸着塔１Ａの脱着工程と吸着塔１Ｂの吸着
工程が終了すれば、切換バルブＶ８の切換動作
と、バルブＶ７ＡおよびＶ９Ｂの開動作と、バル
ブＶ１Ｂ，Ｖ７Ｂの閉動作とがほとんど同時に行
われて吸着塔１Ａは平衡工程に入る。そしてこの
平衡工程の終了後に、第２図ａの状態に戻る。こ
の動作が繰返されて連続的な濃縮が行われる。 第１図において、吸着塔１Ａ，１Ｂ内の点線で
示した部分の上部は吸着剤、下部は前処理剤であ
ることを示すが、前処理剤は省略してもよい。 吸着塔１Ａおよび１Ｂにおける吸着は、大気圧
にほぼ等しい圧力で行うこともできるが、使用さ
れる吸着剤の種類、あるいは吸着すべき易吸着成
分の種類によつては、加圧下で行つた方がよい場
合もある。たとえば活性炭を吸着剤として使つて
ガス中のCO₂を除去する場合には、常圧で充分な
効果が得られるが、天然凝灰石を使用して空気中
のN₂を除去（O₂を濃縮）する場合には、1.5Kg／
cm²程度の加圧下で吸着を行つた方がよいことが実
験によつて確認されている。このようなN₂吸着
用の吸着剤としては、第１表に示すＸ線回折像を
有する天然凝灰岩（モルデナイト）のほか、半合
成ゼオライト、合成ゼオライトなどのような市販
の吸着剤が挙げられる。

【表】 第３図は、加圧下で吸着を行う場合の装置を示
すものである。この場合には、吸着塔１Ａの塔頂
ガスをクツシヨンタンク３に導入するための開閉
弁Ｖ２Ａ、バルブＶ３Ａおよび逆止弁Ｖ４Ａを有
する第１のレギユレータ系と、吸着塔１Ｂの塔頂
ガスをクツシヨンタンク３に導入するための開閉
弁Ｖ２Ｂ、バルブＶ３Ｂおよび逆止弁Ｖ４Ｂを有
する第２のレギユレータ系とが設けられる。バル
ブＶ３ＡおよびＶ３Ｂは、それぞれ吸着塔１Ａお
よび１Ｂの塔頂ガス圧が設定値に達したことを検
知する圧力スイツチ４Ａおよび４Ｂによつてそれ
ぞれ制御され、フイードバツクタンク３にほぼ常
圧で製品ガスを供給する。バルブＶ７ＡおよびＶ
７Ｂは、それぞれ吸着塔１Ａおよび１Ｂが平衡工
程にあるときだけ開き、フイードバツクタンク３
内の製品ガスをそれぞれ吸着塔１Ａおよび１Ｂに
供給するように動作する。 なおクツシヨンタンク３をその最大容積とほぼ
等しい容積のケース内に収容しておけば、何かの
原因でクツシヨンタンク３の内圧が異常に上昇し
ても、クツシヨンタンク３が破裂するようなこと
はなくなる。 吸着塔１Ａおよび１Ｂとして、それぞれ800Kg
のゼオライトを充填密度0.73で充填したものを使
用し、空気中のO₂を前記の本発明方法にしたが
つて濃縮する実験を行つた。他の条件は下記のと
おりであつた。 ブロワ送気量：４m³／min 真空ポンプ排気量：10m³／min この実験で得られた製品O₂濃度と有効酸素量
（EO₂）との関係を第４図に、また製品O₂濃度と
１塔当りの真空ポンプ排気量（VP）に対する有
効酸素量（EO₂）との関係を第５図にそれぞれ示
す。なお有効酸素量（EO₂）は下記の式にしたが
つて計算された値である。 EO₂＝ｘ％−21％／79％×ｙm³／hr ｘ：製品O₂の濃度 ｙ：製品O₂の流量 第４図および第５図から明らかなように、高濃
度のO₂が大きい流量で得られていることがわか
る。 なお第５図において、EO₂／2VP＝1.0の点は、
３塔（初吸着、終吸着、脱着）で通常行われてい
る方法の典形的な例を基準としたものであり、２
塔で行われるこの発明方法でも、常圧の場合、製
品O₂濃度が80％の点で90％（図中の0.9の点）以
上の効果が得られることが示されている。吸着塔
を３塔から２塔にすることは、吸着塔の減少に加
えて、バルブ数の減少という大きなメリツトを与
えるので、この発明の有用性はきわめて高い。 また吸着を加圧下で行つた場合には、製品O₂
の濃度が80％の点で、EO₂／2VPの値は約1.0に
達し、３塔の場合にほとんど劣らないことが示さ
れている。 以上のようにこの発明によれば、２基の吸着塔
で吸着および脱着を繰返して原料ガス中の難吸着
成分を濃縮するに際して、脱着工程を終了した吸
着塔内に、その底部から吸着工程を終えた吸着塔
の製品ガスを導入するとともに、これと同時に製
品ガスを貯えているフイードバツクタンクから製
品ガスを頂部に導入することにより底部と頂部の
両方で、かつ同時に吸着塔内の圧力を平衡させる
ようにしたので、脱着工程から吸着工程への切換
え時にも製品ガスの純度を高水準に維持でき、難
吸着成分を高濃度で能率良く得ることができる。
また、平衡工程は極めて短時間で完了し、効果的
な濃縮処理が行える。しかもフイードバツクタン
クは容積可変であるので、吸着塔内における平衡
を達成するのに必要な量の製品ガスを供給圧力の
低下をほとんど伴わずに供給できるので、平衡工
程は短時間で完了する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施に用いられた装置の系
統図、第２図ａ，ｂ，ｃは第１図の装置の工程順
を示す説明図、第３図はこの発明に使用される他
の装置の系統図、第４図は製品O₂濃度と有効酸
素量との関係を示すグラフ、第５図は製品O₂濃
度と性能比率との関係を示すグラフである。 １Ａ，１Ｂ……吸着塔、２……ブロワ、３……
フイードバツクタンク、４Ａ，４Ｂ……圧力スイ
ツチ、５……真空ポンプ、６Ａ，６Ｂ……系路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に選択性吸着剤を充填した２基の吸着塔
   の一方に原料ガスを供給して易吸着成分を吸着さ
   せることによつて難吸着成分を濃縮する吸着工程
   と、他方の吸着塔に前回の吸着工程で吸着された
   易吸着成分を減圧下で脱着させる脱着工程とを各
   吸着塔について交互に行わせるガス中の難吸着成
   分濃縮方法において、吸着工程中の一方の吸着塔
   から取り出した製品ガスを、内部のガスをその容
   積にかかわらずほぼ一定の圧力で収容できる可変
   容積のフイードバツクタンク内に一時的貯留し、
   この一方の吸着塔が吸着工程を終了したときに該
   一方の吸着塔を通過し、吸着工程終了後の製品ガ
   スを脱着工程を終了して内部が減圧状態にあり、
   次回の吸着工程へ移行中の他方の吸着塔の底部に
   導入すると同時に、この他方の吸着塔の頂部に上
   記フイードバツクタンク内の上記製品ガスを導入
   することによつて、脱着工程を終了し、次回の吸
   着工程へ移行中の該他方の吸着塔内の圧力を平衡
   させる平衡工程を付加したことを特徴とするガス
   中の難吸着成分濃縮方法。 ２ 上記吸着塔の塔頂ガス圧が所定圧に達したと
   きに上記製品ガスをフイードバツクタンク内へ貯
   留されるように制御されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のガス中の難吸着成分
   濃縮方法。