JPH0798645B2 - 水素及び二酸化炭素の連産 - Google Patents

水素及び二酸化炭素の連産

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JPH0798645B2 JP1104398A JP10439889A JPH0798645B2 JP H0798645 B2 JPH0798645 B2 JP H0798645B2 JP 1104398 A JP1104398 A JP 1104398A JP 10439889 A JP10439889 A JP 10439889A JP H0798645 B2 JPH0798645 B2 JP H0798645B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高純度の気体水素及び液体二酸化炭素を、該物
質を含有する混合ガス、特に炭化水素の水蒸気リホーマ
ーの排出ガスから製造することに関する。
炭化水素の水蒸気リホーミングによる水素の製造は周知
のことである。基本的なプロセスとしては、炭化水素、
又は炭化水素混合物をまず硫黄及びオレフィンのような
微量の不純物を除くために処理する。メタンは他の炭化
水素よりも高比率の水素を有するので好適な出発物質で
ある。しかし、容易に入手しうるC3-4炭化水素等も炉内
で主にメタンに転化されるとはいえ、同様に使用するこ
とができよう。目的が水素の製造であるので、飽和炭化
水素、すなわちアルカンは好適な源物質である。
前処理した炭化水素は、リホーマー炉に入れる前に、典
型的には例えば200乃至400psigに圧縮して、高圧水蒸気
と混合する。リホーマー自体は通常、水蒸気/炭化水素
混合物を通過させる触媒を充填した管を有している。吸
熱である反応を活発に行わせるために高温、たとえば約
860℃に保つ。
リホーマー炉からの流出物は、主として炉の温度及び圧
力における平衡量に近い比率の水素、一酸化炭素、及び
二酸化炭素、ならびに少量のメタンである。該流出物は
通常一段又は二段転化反応器に導入して、水素及び二酸
化炭素をさらに生成させる。転化反応器は水蒸気存在下
の高温によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変え、余分
の水素を放出する。水素水蒸気リホーマーと転化装置と
の組合せは通常の当業者には周知のことである。
転化装置からの流出物を処理して水素及び二酸化炭素を
回収することに関しては多くの案が提案されている。今
のところでは、いずれの変法も最大効率には達していな
い。
該法の1つにおいては、水素、二酸化炭素及び水よりな
り、かつ少量のメタン及び一酸化炭素を含む転化装置流
出物を通常の二酸化炭素吸収装置に導入する。該装置は
周知のアミン洗浄プロセスすなわちベンフィールドプロ
セス(Benfield process)を用いて、二酸化炭素を吸収
剤溶液、すなわちアミン溶液または炭酸カリウム溶液の
各々に溶解させて、流出物から除去する。通常、該装置
は転化装置流出物中の二酸化炭素の約95パーセントを除
去する。
二酸化炭素吸収装置からの流出物を圧力スウィング吸着
(PSA)装置に導入する。PSAは、固定床内に保持した粒
状吸着剤への吸着度がガス混合物中の成分相互間で異な
る結果として、成分を分離させる周知の方法である。典
型的には、2つ以上の該床を加圧下での吸着及び比較的
低圧又は真空下での脱着よりなる循環プロセスで働かせ
る。これらの工程のいずれかの間にガス混合物中の所望
の成分(単数又は複数)を得ることができる。サイクル
は吸着および再生の基本的工程のほかに他の工程を含む
ことができ、そのような装置は、2つの床を180゜位相
をずらして周期的に作用させ、それによって所望製品の
擬似定常流を得るために2つ以上の吸着剤層を含むのが
普通である。
通常、一酸化炭素、炭化水素すなわちメタン、水素、及
び二酸化炭素よりなるPSA装置からの流出物を水蒸気リ
ホーマーに戻して、燃焼させ、該装置で用いるエネルギ
ーを得る。この方法には幾つかの欠点がある。先ず何よ
りも、PSA装置内で除去されない水素(典型的には約25
パーセント)は回収されないで水蒸気リホーマー内で燃
焼される再循環ガス中に失われる。吸収剤溶液中に溶解
することによる吸収装置中での避けられない若干の水素
の損失がある。水素の損失を合わせると合計40パーセン
トにもなることがあり、通常は20乃至40パーセントの範
囲にある。これらのパーセンテージは概略値であって、
PSA装置の効率によって変わり得る。
さらに、この吸収/回収装置は、プロセスの生産要素と
して著しい投資および操業費用を伴う。またPSA装置へ
の流出物中の吸収剤溶液の持ち出しもあり、これは除去
するために前処理の必要な不純物源に当たる。最後に、
該プロセスの二酸化炭素製品は高純度でなく、すなわち
食品グレードではない。
1982年8月17日に再発行されたSircarの米国特許RE31,0
14号に開示されている別の方法では、転化装置からの流
出物を複雑な二段PSA装置を通過させ、そこで真空再生
の間にPSA第二段階から高純度水素を回収し、PSA第一段
階から高純度二酸化炭素を回収する。このシステムは、
製造サイクル、すなわち吸着工程の間に、原料は同時に
両段階を流れ、それにより第一段階内へ進入する空気は
第二段階を通過するという欠点を有する。装置内に含ま
れる吸着剤に吸着されない酸素は通過して、水素を不純
にし、市販グレード(純度99,999パーセント)の水素を
調製することを望む場合には問題となる。この方法の製
品純度は高いとはいえ、市販グレードの規格に適合しな
い。市販グレードの製品を製造する該法の操業は製品回
収率を著しく低下させると思われる。さらに、該法は、
前記の方法と同様、水蒸気リホーマーへのPSA流出物の
戻し及び燃焼を予定している。
前記の方法は水蒸気リホーマーの流出物又は類似のガス
混合物から高純度の二酸化炭素及び水素を得る手段を提
供するけれども、回収される製品の量及び純度の改良に
ついては可成りの余地がある。このような改良は本発明
によって提供される。
炭化水素の水蒸気リホーマーからのガス状流出物を通常
の転化装置に通して、外界温度に冷却する。水を除いた
後、得られた飽和ガス混合物を四床の水素PSA装置に導
入して、高純度、すなわち少なくとも純度99.999パーセ
ントの水素を生成させる。水素PSA装置の流出物を乾燥
して、二酸化炭素PSA装置に導入し、高二酸化炭素の再
循環ストリーム、高二酸化炭素の製品ストリーム及び高
水素のストリームを生成させる。二酸化炭素再循環スト
リームは二酸化炭素PSA装置への原料といっしょにす
る。二酸化炭素製品ストリームは蒸留塔で液化させて、
高純度の液体二酸化炭素及び蒸気ストリームを得、該蒸
気ストリームは二酸化炭素PSA原料に再循環させて、高
純度の二酸化炭素を最大限に回収する。二酸化炭素製品
ストリームの一部を、高純度の製品を得るために、好ま
しくは二酸化炭素PSA装置の操作圧力よりも高い圧力の
並流パージとしてPSA装置内で使用する。二酸化炭素PSA
装置からの高水素ストリームを、水蒸気リホーマーへの
原料に再循環させ、それによって水素を最大限に回収す
る。
第1図について説明すると、水蒸気及び原料炭化水素を
それぞれ管路10及び12を経て、通常の水蒸気リホーマー
14に導入する。水蒸気リホーマー14の燃焼用燃料は管路
16を経て導入する。燃焼による排ガスはパイプ18を経て
排出させる。
水蒸気リホーマー14からのガス状流出物を管路20を経て
急冷ポット22に導入し、そこで後述するように凝縮ドレ
ン容器から再循環する水で冷却する。再循環水は管路24
を経て導入する。急冷ポット22からの流出物を管路26を
経て通常の転化装置28に導入する。転化装置28内で、触
媒の存在下にリホーマー流出物中の一酸化炭素及び水蒸
気が反応して水素及び二酸化炭素をさらに生成する。
転化装置28からの流出物を管路30によって、冷却−凝縮
ドレン32に導入し、そこで多量の水を除去する。管路24
を経て急冷ポット22に再循環しない水は管路34を経て、
リホーマー14用の水蒸気を発生させるために水蒸気発生
装置(図示せず)に送る。冷却器32からの流出物は外界
温度にあり、管路36を経て水素PSA装置38に導入する。
4個以上又は4個以下の吸着床を使用することができる
けれども、本発明の実施においては、水素PSA装置38が
4個の吸着床を含むのが好ましい。各吸着床ではつぎつ
ぎに下記よりなる一連の作業が行われる。
(1)純水素製品による加圧。
(2)連続的な原料供給および水素製品の放出。
(3)高圧の高水素排ガスを低圧の別の床に移すための
均圧化。後者の床は製品加圧化をはじめるところであ
る。
(4)大気圧よりも僅か高い圧力までの減圧化。
(5)製品水素を用いるパージ。及び (6)高水素排ガスを受け入れるための高圧下の別の床
との均圧化。
パージとして次に使用するためのガスを得るために工程
(3)及び(4)の間に別の均圧化を含むのが最善であ
ろう。少なくとも99.999パーセントの純度の水素製品を
管路40を経て貯蔵容器(図示せず)に移す。
上記工程(4)及び(5)の減圧化及びパージの間に水
素PSA装置38の吸着床から取り出したガスを水素パージ
ガスと呼ぶ。水素パージガスは管路42を経て取り出し、
典型的には貯蔵容器(図示せず)に集める。該ガスは通
常、約50パーセントの二酸化炭素、約40パーセントの水
素及び約5パーセントずつのメタン及び一酸化炭素より
なる。
水素パージガスはドライヤー(図示せず)で乾燥し、コ
ンプレッサー44の中で適当な圧力、たとえば約25乃至90
psia、好ましくは約50psiaまで圧縮し、管路46に移行さ
せ、後述する再循環原料とともに管路50を経て二酸化炭
素PSA装置48に導入する。典型的には、二酸化炭素PSA装
置48は2乃至3個の吸着剤床を含むが、さらに多い数の
床を用いることができる。二酸化炭素PSA装置48の完全
作業サイクルは第2図に関連させて後述する。
二酸化炭素PSA装置48は、管路52を経て取り出される純
度が少なくとも98パーセントの高二酸化炭素製品ストリ
ーム、管路54を経て取り出され、管路50内の原料ストリ
ームといっしょにされる高二酸化炭素再循環ストリー
ム、及び管路56を経て取り出される高水素製品ストリー
ムを生成する。高水素製品ストリームはコンプレッサー
58に付随するドライヤーを再生させるのに用いられ、そ
の後コンプレッサー内で水蒸気リホーマー原料圧力より
も若干高い圧力まで圧縮され、管路60を経てリホーマー
14に再循環されてリホーマーへの原料と合わせられる。
水蒸気リホーマー14内への水蒸気の流入は新しい原料と
再循環原料とを合わせた原料に対してできるだけ効果的
に行う。典型的には、このことは、可逆的であるリホー
ミング反応を水素製造の方向に保つために水蒸気流入を
若干増大させることを必要とする。再循環ストリーム60
は主として水素であるので、リホーマー14内の炭素転化
装入物及び転化装置28並びにPSA水素装置38中の装入物
は再循環材料の存在によって著しい影響は受けない。こ
のことは、既存の水蒸気リホーマー水素プラントを本発
明の方法を実施するのに必要な装置に改造できるように
するための重要なポイントである。
PSA装置48から管路52を経て取り出される二酸化炭素製
品ストリームを多段コンプレッサー62及び64で約220乃
至400psiaの圧力に圧縮する。多段コンプレッサー、コ
ンプレッサーの中間点から製品の流れの一部を取り出し
て、加圧下で管路66に戻すことを示すために、2つの別
個の装置62および64として表してある。このことはま
た、第2図を参照して後述する。二酸化炭素製品の大部
分は熱交換器68の中で冷却され、かつ一部は凝縮して、
蒸留塔70に導入される。純粋の液体二酸化炭素は塔70の
底部から管路72を経て貯蔵タンク(図示せず)に移され
る。管路72を経て取り出される液体二酸化炭素は純度が
少なくとも99.9パーセントである。蒸留塔の冷却は、任
意の通常の形式をとることができるが、好ましくはアン
モニア吸収サイクルである外部冷却ループ74によって与
えられる。アンモニア吸収冷却は、水蒸気リホーマーの
廃熱の一部を回収することによって容易に得られる低レ
ベルの熱しか必要としないのでアンモニア吸収冷却が好
適である。このプロセスの組込みは本方法の全効率を著
しく向上させる。
二酸化炭素、水素、及び少量のメタン並びに一酸化炭素
よりなる不純物ストリームを蒸留塔70の頂部から取り出
し、冷却エネルギーを回収するために熱交換器76内で温
め、さらに弁80の制御の下に管路78を通して再循環さ
せ、管路50内の二酸化炭素PSA装置への原料といっしょ
にする。熱交換器68及び76は二酸化炭素液化の効率を高
める冷却ループ74と向流関係にある。本発明の方法によ
る二酸化炭素大量分離システム及び蒸留最終精製システ
ムの統合は蒸留塔70からの不純物ストリームを排出させ
る代りに再循環させることができるようにし、それによ
って本プロセスの効率をさらに向上させる。
二酸化炭素PSA装置の操作は、二床構造として示してあ
る第2図を参照すれば明かとなろう。第1図の管路に相
当する第2図の管路は同一表示を用いてある。加圧下の
原料ガスは管路50を経て装置に入る(第1図参照)。そ
れぞれ弁116及び120を開閉することにより、管路114又
は118を経て吸着剤床110又は112へ原料ガスを導びく。
上下床均圧化のための床110と床112とのバランスは弁12
2及び弁124によって制御される。吸着を行う床を原料ガ
スで加圧するとすぐに、弁126又は弁128を開き、高水素
の製品を管路130を経て製品サージタンク132に移行させ
る。タンク132の圧力は背圧制御装置134並びに正圧制御
装置136及び逆止弁138並びに140によって調整する。高
水素製品は高圧サージタンク132から管路56を経て取り
出し、第1図に示すようにコンプレッサー58を経て再循
環させる。高水素製品の放出後、弁122及び124を開くこ
とによって、床を減圧にして中間圧力に均圧化させる。
吸着中であった床は次に、ガスが均圧タンク148に流入
するように、弁142及び弁144と146のうちの適当な弁を
開くことによって製品端部からさらに減圧にする。均圧
タンク148への流入が生じた後、弁150と152のうちの適
当な弁を開いて再循環パージを管路66から床内に入れ
る。再循環高二酸化炭素ストリームを、二酸化炭素PSA
装置48の原料圧力よりも高い圧力下にあるように、コン
プレッサー62/64の中間点から取り出す。高度のプロセ
スコントロールのほかに、この特異な工程によって与え
られる顕著な利点は、この工程が二酸化炭素よりも吸着
力の劣るガス混合物中の成分、すなわち水素、一酸化炭
素及びメタンを床から駆逐して、それらのガスをより強
く吸着される二酸化炭素で置換えるということである。
このことは同時に、吸着力の劣る物質をより完全に置換
するので、最終的な製品の純度を著しく高める。置換さ
れたガス混合物は弁144と146のうちの適当な弁、及び弁
166を通じて放出させ、管路54に流して再循環させる。
パージの間弁142を開けたままにしておくことにより、
均圧タンク148を任意に開いて、並流パージを受け入れ
させることができる。
並流の加圧二酸化炭素パージに続き、弁144と146のうち
の適当な弁を閉じ、かつ弁154と156のうちの適当な弁を
開いて、高二酸化炭素製品を管路158を経て排出させ
る。床の圧力が大気圧に近づくと、弁160と162のうちの
適当な弁を開き、真空手段(図示せず)によって管路16
4を経て製品の排出を続ける。管路158と164を合わせて
管路52(第1図参照)を形成させる。第2図に示す二連
管路構造が好ましいけれども、ガス抜き及び真空排気は
単一管路によって行わせることもできる。
高二酸化炭素製品の製造後に、弁122及び弁124を開くこ
とによる上記床均圧化によって床の圧力を再び均圧化さ
せる。次に弁122及び弁124を閉じ、弁142のみならず弁1
44と146のうちの適当な弁を開くことによってガスを均
圧タンク148から逆流させるように二酸化炭素製造を行
っていた床をさらに再加圧する。第1図から明かなよう
に、管路54内の流れを装置用原料中に再循環させる。
第2図に示す二床CO2PSA装置の典型的な作業サイクルを
第I表に示す。床A及び床Bは第2図の床110及び112を
指すことができる。任意の工程として、サージタンク13
2からの高水素製品の逆充填による床の部分再加圧化を
原料ガスによる床の加圧化に先行させることができる。
高二酸化炭素製品を工程4及び5の間に床Aから、並び
に工程10及び11の間に床Bから捕集する。
本発明の方法は多くの点についてこれまで実施された方
法に勝る著しい改良点を有している。本発明の方法は、
2つのPSA装置及び高水素ストリーム並びに高二酸化炭
素ストリームの再循環操作をプロセスの中に組込む結果
として製品の損失を著しく低減させることによって高純
度、すなわち市販グレードの気体水素及び食品グレード
の液体二酸化炭素を従来の方法よりも低コストで製造す
る。水蒸気リホーマーへの炭化水素原料中の炭素分の二
酸化炭素への転化率は事実上100パーセントである。本
発明の方法は、また、好ましくは二酸化炭素PSA装置の
圧力よりも高い圧力下での製品二酸化炭素の再循環が、
液化のために蒸留塔に受入れられた二酸化炭素製品の純
度を高めるという点でも有利である。さらに、本発明の
方法は既存の水蒸気リホーマープラントを、それが水素
PSA装置を連動させているプラントであっても、都合よ
く改造することができるという点で有利である。
本発明を、好適な実施態様と関連させて説明した。本発
明の精神及び範囲を逸脱することなく、特定の細目から
種々の修正を行うことができることは当業者にとっては
理解されよう。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による気体水素及び液体二酸化炭素の
連産方法の略図である。及び 第2図は本発明の二酸化炭素PSA装置の略図である。 符号の説明 10,12,16,20,24,26,30,34,36,40,42,46,50,52,54,56,6
0,66,72,78;管路, 14;水蒸気リホーマー, 18;パイプ, 22;急冷ポット, 28;転化装置, 32;冷却器, 38;水素PSA装置, 44,58,62,64;コンプレッサー, 48;二酸化炭素PSA装置, 68,76;熱交換器, 70;蒸留塔, 74;外部冷却ループ, 80;弁, 110,112;吸着剤床, 114,118,130,158,164;管路, 116,120,122,124,126,128,142,144,146,150,152,154,15
6,160,162,166;弁, 132;製品サージタンク, 134;背圧制御装置, 136;正圧制御装置, 138;逆止弁, 148;均圧タンク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン・ジー・ストクレー イギリス国バークシャー州 アールジー 11・1エヌワイ,ウォキンガム,マーティ ンズ・ドライブ 7

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)水蒸気リホーマー内で1種以上の炭
    化水素から水素を生成させる工程; (b)水蒸気リホーマー流出物を転化装置内で処理し
    て、その中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化させる工
    程; (c)転化装置流出物を水素PSA装置に導入し、それに
    よって少なくとも99.999パーセントの純度の気体水素、
    および水素、二酸化炭素、一酸化炭素ならびにメタンよ
    りなる流出物ストリームを回収する工程; (d)水素PSA装置流出物を加圧下で二酸化炭素PSA装置
    に導入する工程; (e)前記二酸化炭素PSA装置内で高水素ストリームを
    生成させ、前記高水素ストリームを水蒸気リホーマーへ
    の原料に再循環させる工程; (f)前記二酸化炭素PSA装置内で高二酸化炭素再循環
    ストリームを生成させ、前記高二酸化炭素再循環ストリ
    ームを二酸化炭素PSA装置への原料ストリームに合流さ
    せて再循環させる工程; (g)前記二酸化炭素PSA装置内で少なくとも98パーセ
    ントの純度の二酸化炭素を含む高二酸化炭素製品ストリ
    ームを生成させ、前記高二酸化炭素製品ストリームを多
    段階の圧力増加手段に続いて冷却下の液化手段に通し
    て、高純度の液体製品および廃ストリームを回収する工
    程; (h)前記液化手段からの廃ストリームを二酸化炭素PS
    A装置へ再循環させる工程;および (i)前記多段階の圧力増加手段の中間点から高純度二
    酸化炭素の一部を取り出して、それを二酸化炭素PSA装
    置に再循環させる工程; を含む、高純度の気体水素および液体二酸化炭素の回収
    方法。
  2. 【請求項2】(a)水蒸気リホーマー内で1種以上の炭
    化水素から水素を生成させる工程; (b)水蒸気リホーマー流出物を転化装置内で処理し
    て、その中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化させる工
    程; (c)転化装置流出物を水素PSA装置内に導入し、それ
    によって少なくとも99.999パーセントの純度の気体水
    素、および水素、二酸化炭素、一酸化炭素ならびにメタ
    ンよりなる流出物ストリームを回収する工程; (d)水素PSA装置流出物ストリームを加圧下で二酸化
    炭素PSA装置に導入し、前記二酸化炭素PSA装置は高水素
    製品ストリームの生成に伴う加圧、他の吸着剤床との均
    圧化、少なくとも98パーセントの純度の二酸化炭素を含
    む高二酸化炭素製品ストリームを生成させるための再
    生、前記高二酸化炭素製品ストリームの一部の加圧下で
    の二酸化炭素PSA装置への再循環、および他の床との均
    圧化よりなるサイクルを行う際、そこにおいて加圧下の
    前記再循環高二酸化炭素製品ストリームを並流パージと
    して利用して、前記再生を行う前にパージを行い、水素
    PSA装置流出物の床成分から二酸化炭素よりも吸着され
    る力の劣る成分をガス混合物として除去し、それによっ
    て前記床に吸着される二酸化炭素の量を増大させる工
    程; (e)高水素ストリームを水蒸気リホーマーへの原料に
    再循環させる工程; (f)前記ガス混合物を含む高二酸化炭素再循環ストリ
    ームを、二酸化炭素PSA装置への原料ストリームに合流
    させて再循環させる工程; (g)残余の高二酸化炭素製品ストリームを多段階の圧
    力増加手段に続いて冷却下の液化手段に通して、高純度
    の液体製品および廃ストリームを回収する工程; (h)前記液化手段からの廃ストリームを二酸化炭素PS
    A装置へ再循環させる工程;および (i)前記多段階の圧力増加手段の中間点から、高純度
    二酸化炭素の一部を取り出して、それを二酸化炭素PSA
    装置に再循環させる工程; を含む高純度の気体水素および液体二酸化炭素の回収方
    法。
  3. 【請求項3】1種以上の炭化水素から水素を生成させる
    水蒸気リホーマー; 水蒸気リホーマーからの流出物を受け入れて、その中の
    一酸化炭素を二酸化炭素に転化させる転化装置; 転化装置からの流出物を受け入れて、それから高純度の
    水素ストリーム、および水素、二酸化炭素、一酸化炭素
    並びにメタンよりなる廃ストリームを生成させる水素圧
    スウィング吸着手段; 前記廃ストリームを受け入れて、その圧力を高める手
    段; 前記加圧廃ストリームを受け入れて、それから高水素ス
    トリーム、高二酸化炭素再循環ストリーム、および高二
    酸化炭素製品ストリームを生成させる二酸化炭素圧力ス
    ウィング吸着手段; 前記高水素ストリームを前記水蒸気リホーマーに再循環
    させる手段; 高二酸化炭素再循環ストリームを二酸化炭素圧力スウィ
    ング吸着手段へ再循環させる手段; 高二酸化炭素製品ストリームの圧力を多段階に高め、そ
    れを冷却手段内に導入し、それによって少なくとも99.9
    パーセントの純度の液体二酸化炭素および廃ストリーム
    を生成させる手段; 前記廃ストリームを受け入れて、それから寒冷の一部を
    取り戻す熱交換手段; 前記廃ストリームを二酸化炭素圧力スウィング吸着手段
    へ再循環させる手段;および 高二酸化炭素製品ストリームの一部を、該ストリームの
    圧力が二酸化炭素圧力スウィング吸着手段の作業圧力よ
    りも高いように前記多段階の圧力増加手段の中間点から
    取り出し、前記ストリームを前記二酸化炭素圧力スウィ
    ング吸着手段に再循環させる手段; を含む高純度の水素および二酸化炭素の製造装置。
  4. 【請求項4】前記加圧下の高二酸化炭素製品ストリーム
    の一部を二酸化炭素圧力スウィング吸着手段に再循環さ
    せる前記手段が、前記ストリームを前記吸着手段の吸着
    剤床内へパージとして導入する手段を含む、請求項3記
    載の装置。
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