JPS624421A - 圧力スイング吸着方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は２塔以上の吸着塔を使って連続的に原料ガスを
供給することにより、回収目的の吸着性成分ガスを高回
収率で得るための圧力スイング吸着方法（圧力変動式吸
着分離方法）に関するものである。

［従来の技術］ 一酸化炭素ガス（ＣＯ）や窒素ガス（ＮＺ）を濃縮回収
する方法としては深冷分離塔法が工業的に汎用されてい
る。この方法は高純度ガスの精製乃至製造には適してお
り、効率的な運転ができるが、装置内に低温部及び高圧
部を夫々設ける必要があるので設備全体が大がかりとな
り、高価になってしまうという欠点がある。しかるに圧
力スイング吸着法による装置では低温部や高圧部の設置
を必要としないので、装置乃至設備面での複雑化を招く
ことがなく、その結果経済的にも有利となる。その為特
定成分の吸着除去もしくは吸着させたのちの脱着回収を
はかるガス分離またはガス精製の分野に広く利用されて
いる。

例えばＣｏ、Ｎ２．Ｎ２からなる混合ガスを原料とし、
ゼオライト等を吸着剤としてＣＯをＩＣ縮回収する方法
を代表例として採り上げその方法を説明すると下記の様
な手順で行なわれる。圧力スイング吸着装置としては第
２図（説明図）に示す様な構成のものが用いられ、３ａ
、３ｂ（いずれも吸着に：ＩＮ）で示す２塔式や複数格
式が汎用される。・まず吸着塔３ａの吸着・脱着パター
ンを中心にして第３図（ａ）〜（ｆ）に沿うＬ程の流れ
を説明する。尚第３図中の実線はガスが流れている状態
を示し、吸着塔内の斜線は吸着の状態を模式的に示し、
格子状斜線は吸着塔内の脱着進行状態を模式的に示すも
のである。

ｖｇ３図（ａ）の工程ではＣｏ、Ｎ２．Ｎ７の混合原料
ガスを原料ガス圧縮機２で加圧して吸着塔３ａへ供給す
る。尚吸着塔３ｂ側は本図以前の工程において吸着され
た回収目的物質の脱着過程にあり製品ガス回収用ポンプ
４の作動により製品ガス貯留槽５に導入されている。第
３図（ｂ、）の工程では原料ガスを引続き吸着塔３ａに
供給し、原料ガス中で最も吸着性の高いｃｏを吸着塔３
ａ内の吸着剤に吸着させ、吸着性の低いＮ２及びＮ２は
排ガス廃棄管７を通して大気中へ放出する。そして吸着
塔３ａ出口におけるｃｏｄ度が入口側における原料ガス
中のｃｏ濃度と同じになる直前に原料ガス側の弁を閉じ
、吸着塔３ａでの吸着工程を完了し、吸着塔３ａ内を高
圧のままで封鎖する。第３図（ａ）、（ｂ）の工程が進
んでいる間に吸着塔３ｂ側の脱着もかなり進行している
。そして第３図（Ｃ）の工程では、上記の如く真空脱着
の終って減圧状態にある吸着塔３ｂと吸着が終って高圧
状態にある吸着塔３ａを連結管８ａを介して接続し、吸
着塔３ａ内の高圧ガスを吸着塔３ｂへ移動させて吸着塔
３ａ内及び３ｂ内の圧力を均圧する。第３図（ｄ）の工
程では回収された製品ガス貯留槽５から製品ガスである
ｃｏを吸着塔洗浄管１０経由で吸着塔３ａまで導入し、
吸着塔３ａ内に残存する非吸ＲＪＯ＆分を洗浄除去する
。

吸着塔３ａを洗浄後のガスは吸着塔３ｂへ送り込まれ被
吸着成分であるＣＯは再び吸着塔３ｂ内の吸着剤に吸着
される。第３図（ｅ）では洗浄が終った吸着塔３ａを製
品ガス回収用ポンプ４の作動によって減圧状態とし吸着
塔３ａ内の吸着剤に吸着されていたＣｏを脱着させ、製
品ガス貯留槽５へ回収する。尚このとき吸着塔３ｂでは
原料ガス圧縮機、２から送られる原料ガスの供給を始め
ており、吸着塔３ａと同様の手順で、即ち第３図（ｆ）
、（ｇ）、（ｈ）の工程に従って吸着・脱着工程を行な
う。そして第３図（ｈ）の工程まで終了した時点で再び
吸着塔３ａでの吸着及び吸着塔３ｂでの脱着を開始し第
３図（ａ）の工程に戻って以下同じ様に繰返されていく
。

［発明が解決しようとする問題点］ 第３図の運転方式によると第３図（ａ）。

（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）の工程では原料ガスの供給が行
なわれているが第３図（ｃ）、（ｄ）。

（ｇ）、（ｈ）の工程では原料ガスの供給が中断される
状態となる。その為吸着工程と脱着工程が独立して行な
われることになり生産性の向上が望めないばかりでなく
、原料ガス圧縮機２の運転が断続的に行なわれなければ
ならなくなって立しリロスその他の為に原料ガスの供給
効率が極めて悪くなっていた。また第３図（ｂ）及び（
ｆ）の工程における加圧吸着工程であっても回収目的の
被吸着成分が全て吸着される訳ではないから、排ガス廃
棄管７から廃棄されるガス中には未吸着の目的ガスがか
なりの９含まれることになり製品ガスの回収率を低下さ
せるという問題点がある。また１つの吸着塔をとらえて
考えると、吸着工程と脱着工程ではガスの流れが上下逆
向きとなる為、ガスの流れ方向切替時の衝撃によって吸
着剤が損傷され、吸着性能の低下を招くという問題点も
ある。

［問題を解決するための手段］ 上記問題点を解決するため本発明は下記する様な方法を
用いる点に要旨が存在する。

ｎ個（ｎ≧２）の圧力スイング吸着塔を用いて混合ガス
中の特定成分ガスを吸着し、更に脱着して製品化するに
当たり、各吸着塔の吸着・脱着パターンを１／ｎ工程サ
イクルずつずらしながら順次繰返していく方法であって
、　（１）第１番目の吸着塔に混合ガスを加圧供給して
特定成分を吸着する工程、（２）第１番目の吸着塔の吸
着済排出ガスを脱着の完了した第２番目以降の吸着塔へ
直列的に導入して夫々特定成分を吸着させる工程、（３
）第１番０吸着塔の吸着が飽和になったとき、第１番０
吸着塔への混合ガス供給を第２番目以降の吸着塔へ切替
え、第１番０吸着塔へは洗浄ガスとして製品ガスを供給
せしめその排ガスを第２番目以降の吸着塔へ直列的に導
く工程、（４）第１番目の吸着塔を減圧して吸着工程の
ガス流れ方向と同方向から吸着成分を製品として取出し
つつ、第２番目以降の吸着塔へ混合ガスを送って特定成
分の吸着を続行する工程、（５）第１番０吸着塔の特定
成分脱着取出しが完了して次回の吸着が始まって（１）
工程開始までを第１番０吸着塔の１工程サイクルとし、
第２番目以降の吸着塔についても第１番０吸着塔と同様
吸着・脱着パターンの工程サイクルを連続的に繰返す。

［作用］ ２塔以玉の吸着塔を使用して特定成分の分離を行なう場
合、１つの吸着塔で脱着工程を行なっているときに、少
なくとも他の１つの吸着塔では原料ガスを供給して吸着
工程を行なう様に構成しているので、原料ガスの供給が
途切れることなく連続的に行なわれ効率的な原料ガス中
特定成分の吸着が行なわれる。

また１つの吸着塔を考えた場合吸着・脱着の全工程にわ
たってガスが同一方向へ流出入するようにしているので
、工程変換切替時等に発生するガス流切替時の衝撃が防
止される。即ちガス流による衝撃をさけて吸着剤への損
傷を抑制し、吸着性能が低下するのを防止する様なガス
流出入方法を用いている。更に１つの吸着塔で吸着成分
の吸着を行なっているときに、該吸着塔で吸着しきれな
かった吸着成分をそのまま廃棄してしまわないで、少な
くとも他の１つの吸着塔を前記吸着塔に対して直列的に
連結することにより、前記吸着塔で吸着できなかった吸
着成分を別の吸着塔で吸着する。この様な方法を用いる
ことによって従来廃棄していた吸着成分をより確実に吸
着でき、製品ガスの回収率を高めることができる。

［実施例］ 原料ガスにはＣＯとＮ２との混合ガスを使用し、そのう
ちＣＯを濃縮回収する圧力スイング吸着方法の例を示し
て説明する。第１図は本例で使用する圧力スイング吸着
装置の１例を示す概略図である。第２図の装置例と異な
っている点は、吸着塔３ａ、３ｂから吸着酸１分を脱着
回収中るだめの製品取出し管９を吸着塔３ａ、３ｂの下
方から引き出している点である。２つの吸着塔３ａ。

３ｂの各吸着φ脱着パターンを示す工程サイクルは第４
図（Ｉ）〜（、Ｖ’ｌ）に示す通りである。尚第４図（
Ｉ）〜（Ｖｌ）の実線はガスの流れている状態を示す。

第４図ＣＩ）に示す工程では、原料ガス供給管ｌからの
原料ガスは吸Ｍｖ５３ａへ供給して塔内の吸着剤にＣＯ
を吸着させる。一方ＣＯの脱着が完了した吸着塔３ｂの
吸着工程を開始するに出たり、まず吸着塔３ａと３ｂを
吸着塔連結管８ａを介して直列的に接続する。このとき
吸着塔３ｂは減圧状態から昇圧されると共に、吸着塔３
ａの排ガス中のＣＯを吸着し始める。吸着塔３ａでは一
時的に少し減圧されるがひき続き原料ガスの供給を続行
してＣＯの吸着を続けており、吸着塔３ａ内が完全に吸
着平衡となるまでこの工程を続行する。即ち吸着塔３ａ
内の吸着剤の粒子内に当初吸着されていた微量のＮ２が
、遅れてやってきたＣＯと置換されて吸着剤粒子内が殆
んど全てＣＯで占められるまで原料ガスの供給を続ける
。ただし吸着剤粒子間の間隙やその他死空間では原料ガ
スの組成はそのまま残存している。

尚吸着塔３ａ、３ｂを直列に接続したときに、吸着塔３
ｂ内は急激な加圧を受けるが、吸着塔３ａのガス吸着能
が、気相圧力急変に対して緩衝作用を果たすため、吸着
塔３ｂ内の吸着剤に衝撃劣化を及ぼすことはない。

第４図（ＩＩ）で示す工程では、吸着塔３ａへの原料ガ
ス供給を吸着塔３ｂ側へ切替え、高濃度のＣＯを製品ガ
ス貯留槽５から吸着塔洗浄管１０を介して吸着塔３ａ内
に導入し、吸着塔３ａ内の死空間に残存していたＮ２を
洗浄させる。このときＮ２と同時に吸着塔３ａから流出
されるＣＯは吸着塔連結管８ａを通って吸着塔３ｂ内の
吸着剤に吸着させ、Ｎ２だけを排ガス廃棄管７より排出
する。原料ガスの供給ラインでは吸着塔３ａへの供給を
止めると同時に吸着塔３ｂへ切替えて引続き原料供給運
転を続行しており、原料ガスの供給は途中で停止上する
ことはない、尚洗浄ガスの供給圧力は製品ガス貯留槽内
の圧力を利用し、原料ガスが吸着塔３ｂから吸着塔連結
管８ａから逆流しない圧力にあらかじめ設定しておく、
第４図（Ｉ［Ｉ）で示す工程では吸着塔３ａへの洗浄ガ
スの供給を停止すると共に製品ガス回収用ポンプ４を作
動させ、吸着塔３ａ内の吸着剤に吸着した高純度のＣＯ
を製品ガスとして脱着回収し貯留槽５へ貯える。貯留さ
れたＣＯの一部は洗浄ガスとして再び吸着塔内へ循環さ
せるが、残部は製品ガスとして製品ガス供給管６より連
続的又は間欠的に取り出す、吸着塔３ａで脱着を行なっ
ている間吸着塔３ｂでは原料ガスの供給が続けられてお
り、第４図（ｆｆ）に示す工程の様に吸着Ｗ３ｂは第４
図（Ｉ）で示す工程での吸着塔３ａに相当する作業を始
めており、第４図（ＩＶ）〜（Ｖｌ）で示す工程は、第
４図（Ｉ）〜（ｍ）で示す工程と吸着塔３ａ、３ｂが夫
々入れ替っただけのものである。

第４図（Ｉ）〜（■）で示した工程において吸着塔３ａ
、３ｂは吸着・脱着の１工程サイクルを完結している。

第５図として吸着塔３ａと３ｂの各１工程サイクルの推
移を示した模式図と、吸着塔３ａ及び３ｂ内の各圧力変
化を示したグラフを併記する０本実施例では吸着塔を２
つ備えているので吸着塔３ａ、３ｂの工程は夫々１／２
ずつずれた状態であることが分かる。尚第６図には第１
図における第４図の（Ｉ）〜（Ｖｌ）で示した各工程に
おける弁１１〜２０の開閉状態を表形式で表わしたもの
である。丸印が弁の開状態を示し、無印が弁の閉状態を
示している。上記吸着塔３ａ。

３ｂ内の吸着剤としては、５Ａ型ゼオライトを用いてお
り、この吸着剤に対してＣＯは１気圧程度の比較的低圧
でも相邑大きな吸着性を有しているので吸着圧力は１気
圧から５気圧位までの範囲に設定すれば良い、また脱着
圧力の低い程製品回収率は向上するが、原料ガスの組成
比及び製品ガスの必要純度に応じて脱着圧力を５０　ｔ
ｏｒｒから１気圧程度の範囲内で設定すれば良い、第４
図（Ｉ）〜（Ｖｌ）に示した様な圧力スイング吸着方法
を採用すれば、吸着塔での吸着及び脱着ガスの流れは一
方向に限定できるので吸着剤への損傷を最小に抑えるこ
とができるが、洗浄ガスを供給するときには吸着塔３ａ
、３ｂ内は一様に飽和状態となっているので、吸着塔洗
浄管１０を吸着塔３ａ。

３ｂの下方に配置して洗浄ガスを吸着塔の下方から供給
する方法に変更しても良く吸着圧力と洗浄ガス圧力との
差が小さいこともあり、この場合吸着剤に与える影響は
ほとんどない。

上述した例では吸着塔の数はｚ塔としたが、本発明方法
は３，４．・・・等複数基式の圧力スイング吸着装置に
おいても同じ様に実施することができ、各吸着塔の吸着
・脱着の工程サイクルは（１／吸着塔数）サイクルずつ
ずらした状態で連続的な運転をすることができる。

さらに上記した例ではＣｏとＮ２から構成される混合ガ
スからＣＯを濃縮回収する方法について述べているが、
Ｃｏ、Ｎ２の他にＮ２やＣＨ４を含んでいる混合ガスか
らゼオライト等の吸着剤を用いて、最優先吸着成分であ
るＣＯを回収する際にも上記方法を利用できる。その他
Ｎ２　、　Ｏ，、Ａｔ等から構成される空気成分からＮ
２　を濃縮回収する方法としても有効であり、本発明方
法はこれらの例に限定されるものではない。

（実施例１） 第１図（概略図）の圧力スイング吸着装置を利用し、吸
着塔の内径３．９０曹、塔高２．５ｍのものを用い、Ｃ
０（８０容量％）、Ｎ２（２０容量％）からなる原料ガ
スを圧力１．８ｋｇ／ｃ腸２　Ｇ、線速度１０ｃｍ／ｓ
で吸着させ、続いて真空ポンプを用いてｌ　５０　ｔｏ
ｒｒまで減圧しＣＯを回収する操作を、第４図（Ｉ）〜
（’１１１）で示す工程で１工程サイクルが８分間で完
了する方法を用いて実施した。

なお吸着剤としてはモレキュラーシーブ５Ａ。

１／１８″ペレツト（ユニオン昭和製）を用い、製品ガ
ス濃度を測定するために、製品ガス取出し管９に積算流
量計及び分析計（ガスクロマトグラフ）を設置した。そ
の結果、製品ガス純度は約９９％を達成し、製品回収率
は５０〜７０％を維持できた。

（実施例２） （実施例１）と同様の吸着装置を用い、Ｎ２（８０容呈
％）　、０２　　（２０容州％）からなる原料ガスを圧
力０．Ｉｃｍ１’−Ｇ　、線速度５．７ｃｍ／ｓで吸着
させ、真空ポンプで１００　ｔｏｒｒまで減圧し、Ｎ２
を回収するのに第４図（１）〜（■）に示す工程で１工
程サイクル４分２０秒間に設定して運転を行なった。そ
の結果８２回収率２５％でＮ２濃度８９．３容量％を達
成した。尚０２の測定にはジルコニアセンサ一式分析計
を用いた。

［発明の効果１ 上記圧力スイング吸着方法を採用することにより１回収
目的酸分の回収率を高めることができるようになった。

また原料ガスの連続的な供給ができる様になり、原料ガ
ス供給用圧ｌｉ１機の間欠運転がなくなった為動力消費
率を低下することができた。さらに吸着塔内を流れるガ
スは一方向流になったため、吸着剤に損傷を午えること
も少なくなり、吸着性能の低下をきたすこともなくなっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する圧力スイング吸着装置の
概略図、第２図は従来の方法に用いる圧力スイング吸着
装置の概略図、第３図は従来の圧力スイング吸着方法を
示す工程図、第４図は本発明圧力スイング吸着方法を示
す工程図、第５図は第４図で示した工程における吸着塔
の圧力変化を示す説明図、第６図は第１図で示した圧力
スイング吸着装置で第４図の各工程における弁の開閉状
態を示す表形式の図である。 １・・・原料ガス供給管　２・・・原料ガス圧縮機３ａ
、３ｂ・・・吸着塔　　　４・・・製品ガス回収用ポン
プ５・・・製品ガス貯留槽　６・・・製品ガス供給管７
・・・排ガス廃棄管　　８ａ、８ｂ・・・吸着塔連結管
９・・・製品ガス取出し管　ｌＯ・・・吸着塔洗浄管１
１．１２，１３，１４，１５．＋８．１７，１８．Ｉｌ
ｌ、２０・・・弁出順人　株式会社神戸製鋼所 第１図 第２図 第４図 （■、　　　　　　　　　　（ＩＶ） （ｌ［）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（Ｖ）（ＩＩＩ）　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　（”ｖり１区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｎ個（ｎ≧２）の圧力スイング吸着塔を用いて混合ガス
   中の特定成分ガスを吸着し、更に脱着して製品化するに
   当たり、各吸着塔の吸着・脱着パターンを１／ｎ工程サ
   イクルずつずらしながら順次繰返していく方法であって
   、 （１）第１番目の吸着塔に混合ガスを加圧供給して特定
   成分を吸着させる工程、 （２）第１番目の吸着塔の吸着済排出ガスを脱着の完了
   した第２番目以降の吸着塔へ直列的に導入して夫々特定
   成分を吸着させる工程、 （３）第１番目の吸着塔における吸着が飽和に達したと
   き、第１番目の吸着塔への混合ガス供給を第２番目以降
   の吸着塔へ切替え、第１番目の吸着塔へは洗浄ガスとし
   て製品ガスを供給すると共にその排ガスを第２番目以降
   の吸着塔へ直列的に導く工程、 （４）第１番目の吸着塔を減圧して吸着工程のガス流れ
   方向と同じ方向から吸着成分を製品として脱着取出しつ
   つ、第２番目以降の吸着塔へ混合ガスを送って特定成分
   の吸着を続行する工程、 （５）第１番目の吸着塔の特定成分脱着取出しが完了し
   、次回の吸着が始まって前記（１）工程開始までを第１
   番目の吸着塔の１工程サイクルとし、第２番目以降の吸
   着塔についても第１番目の吸着塔同様吸着・脱着パター
   ンの工程サイクルを連続的に繰返すことを特徴とする圧
   力スイング吸着方法。