JP4339243B2

JP4339243B2 - ガス分離方法および同装置

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Publication number: JP4339243B2
Application number: JP2004377908A
Authority: JP
Inventors: 誠一山本; 慶太由良
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006181479A

Description

本発明は、原料ガスから目的とするガスを分離するガス分離方法および同装置に関するものである。

従来、原料ガスから目的とするガス（製品ガスという）を分離して得る方法の１つとして圧力スイング吸着式分離法（「ＰＳＡ法」）が一般に知られている。この方法は、吸着剤を充填した吸着塔内に加圧した原料ガスを供給して不純物を吸着剤に吸着させ、これにより目的のガス（製品ガス）を分離回収した後（吸着工程）、吸着塔内を減圧して吸着剤から不純物を脱着させることにより吸着剤を再生（脱着工程）させ、この吸着工程と脱着工程とを交互に繰り返すことにより連続的に製品ガスを取出し得るようにしたものである。

ＰＳＡ法では、上記の通り不純物を吸着剤に吸着させることにより製品ガスを分離するのが一般的であるが、これとは逆に、製品ガスを吸着剤に吸着させ、脱着工程で吸着剤から製品ガスを脱着させることにより製品ガスを分離することも行われている（特許文献１）。例えば一酸化炭素（ＣＯ）と窒素（Ｎ₂）の混合ガスから一酸化炭素を製品ガスとして分離する場合には、窒素（Ｎ₂）のみを吸着する有効な吸着剤が現在の所存在しないことから、このような場合には一酸化炭素を吸着剤に吸着させ、これを脱着工程で吸着剤から脱着させることにより分離回収することが行われている。
特開平２−２８３６０８号

ＰＳＡ法では、脱着工程において通常真空ポンプを用いて吸着塔内を吸引し、これにより該塔内を減圧して吸着剤から脱着した吸着物を回収するが、上記のように製品ガスを吸着剤に吸着させて分離回収する場合には、次のような問題がある。すなわち、真空ポンプは、その構造上、軸受等の可動部分から外気が侵入（エアリーク）する虞れがあるため、吸着剤から脱着された製品ガスを回収する際に外気が製品ガスに混入し、その結果、製品ガスの純度が低下することが考えられる。例えば製品ガスとして一酸化炭素を分離回収する場合にこれに外気が混入すると、外気成分と一酸化炭素とは気化温度が接近していてその後、これらを分離するには多くの工程を経る必要があり極めて困難である。そのため、例えば９９．９％以上といった高純度の製品ガスを得ることは事実上困難であった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、上記のように製品ガスを吸着剤に吸着させることによって製品ガスを分離回収する場合に、より純度の高い製品ガスを得ることができるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の他のガス分離方法は、吸着剤が充填された吸着塔に原料ガスを供給した後、この吸着塔内を減圧することにより前記吸着剤から脱着される脱着ガスを製品ガスとして分離回収する方法において、前記吸着塔内を減圧する手段としてエゼクタを用い、このエゼクタに対して前記製品ガスと同一のガスを一次側流体として供給することにより該エゼクタを作動させて吸着塔内を減圧し、この減圧により前記吸着剤から脱着される脱着ガスを二次側流体としてエゼクタ内に吸引しながら前記一次側流体と共にエゼクタから吐出させ、この吐出流体を回収するようにしたものである（請求項１）。

このようにエゼクタを用いて吸着塔内を減圧する方法によると、エゼクタは真空ポンプのような軸受等の可動部分をもたないため、吸着塔内の減圧に伴い脱着される脱着ガスに対して設備的な要因（すなわち吸着塔内を減圧する設備が要因）で外気が混入することが無くなる。しかも、エゼクタの一次側流体として製品ガス（脱着ガス）と同一のガスを用いるため、エゼクタから吐出される吐出流体をそのまま製品ガスとして回収することが可能となる。

なお、上記のような方法は例えば一酸化炭素を分離する方法として有効であり、この場合には、原料ガスとして一酸化炭素を含む原料ガスを前記吸着塔に供給することにより前記一酸化炭素を吸着剤に吸着させるようにすればよい（請求項２）。

一方、本発明のガス分離装置は、吸着剤が充填された吸着塔とこの吸着塔内を減圧する減圧手段とを有し、前記吸着塔に原料ガスを供給した後、この吸着塔内を減圧することにより吸着剤から脱着される脱着ガスを製品ガスとして分離回収する装置において、前記減圧手段としてエゼクタを設け、このエゼクタに対して前記製品ガスと同一のガスを一次側流体として供給することにより該エゼクタを作動させて前記吸着塔内を減圧するとともに、この減圧に伴い吸着剤から脱着される前記脱着ガスを二次側流体としてエゼクタ内に吸引しながら前記一次側流体と共に吐出させて回収するようにしたものである（請求項３）。

この装置によると、一次側流体として脱着ガス（製品ガス）と同一のガスがエゼクタに供給されることにより該エゼクタにより吸着塔内が減圧され、この減圧により吸着剤から脱着される脱着ガスがエゼクタに吸引されつつ一次側流体と共にエゼクタから吐出される。そしてエゼクタから吐出される吐出流体がそのまま製品ガスとして回収されることとなる。そのため、請求項１に係るガス分離方法を良好に実施することが可能となる。

なお、上記の各ガス分離装置においては、前記エゼクタから吐出される吐出流体に含まれる一次側流体を再度エゼクタに供給することによりエゼクタに対して一次側流体を循環させる循環手段を備えているのが好ましい（請求項４）。

このようにエゼクタを作動させるための一次側流体を繰り返し使用することにより、一次側流体を有効活用するとともに、ランニングコストを抑えることが可能となる。

本発明に係るガス分離方法およびガス分離装置によると、エゼクタを用いて吸着塔内を減圧することにより設備的な要因によって脱着ガスに外気が混入するのを防止できるようにしたので、吸着剤から脱着される脱着ガスを製品ガスとして回収しながらも、その製品ガスの純度を効果的に高めることができる。

本発明の第１の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明に係るガス分離装置（本発明に係るガス分離方法が実施されるガス分離装置）の第１の実施形態を回路図で概略的に示している。この図に示す装置は、一酸化炭素を含む原料ガス、具体的には水素（Ｈ₂）、アルゴン（Ａｒ）、酸素（Ｏ₂）、窒素（Ｎ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）および一酸化炭素（ＣＯ）を含む原料ガスから、いわゆる圧力スイング吸着式分離法（「ＰＳＡ法」）に基づいて一酸化炭素を分離回収するものである。

同図において、Ｌ１は原料ガスを第１吸着部１２に供給するための供給ラインである。このラインＬ１にはコンプレッサ１０が介設されており、このコンプレッサ１０の作動により原料ガスが第１吸着部１２に圧送される。

第１吸着部１２は原料ガスから二酸化炭素を吸着除去するもので、ここには２つの吸着塔１２Ａ，１２Ｂが設けられている。各吸着塔１２Ａ，１２Ｂには、ゼオライト等の二酸化炭素の吸着剤がそれぞれ充填されており、前記ラインＬ１を通じて各吸着塔１２Ａ，１２Ｂに原料ガスが導入されることにより、前記吸着剤により二酸化炭素が吸着されて原料ガスから分離除去される。

各吸着塔１２Ａ，１２Ｂには、真空ポンプ１４を備えたラインＬ２と、第２吸着部１６に通じるラインＬ３とがそれぞれ接続されている。これにより、装置稼働中は、ラインＬ１を通じて一方側の吸着塔１２Ａ（又は１２Ｂ）にのみ原料ガスが導入されつつラインＬ３を通じて第２吸着部１６に原料ガスが供給され、その間、他方側の吸着塔１２Ｂ（又は１２Ａ）については、真空ポンプ１４の駆動により塔内が減圧され、これにより二酸化炭素の脱着（つまり吸着剤の再生処理）が行われるようになっている。つまり、吸着剤による二酸化炭素の吸着と脱着（再生処理）とが吸着塔１２Ａ，１２Ｂの間で一定の時間間隔で交互に行われることにより第１吸着部１２において継続的に二酸化炭素が分離除去され得るようになっている。

第２吸着部１６は原料ガスから一酸化炭素を吸着除去するもので、この第２吸着部１６にも第１吸着部１２と同様に２つの吸着塔１６Ａ，１６Ｂが設けられている。各吸着塔１６Ａ，１６Ｂには、例えばアルミナ担体に銅化合物を添着した一酸化炭素の吸着剤が充填されており、前記ラインＬ３を通じて各吸着塔１６Ａ，１６Ｂに原料ガスが導入されることにより、この吸着剤により一酸化炭素が吸着されて原料ガスから分離される。

各吸着塔１６Ａ，１６Ｂには、オフガスラインＬ４と、エゼクタ１８に通じるラインＬ５とがそれぞれ接続されており、これにより第１吸着部１２と同様に、一酸化炭素の吸着と脱着が各吸着塔１６Ａ，１６Ｂの間で交互に行われるようになっている。すなわち、装置稼動中は、ラインＬ３を通じて一方側の吸着塔１６Ａ（又は１６Ｂ）にのみ原料ガスが導入され、その成分のうち一酸化炭素のみが吸着されつつそれ以外のガス成分がラインＬ４を通じて大気中に放出され、その間、他方側の吸着塔１６Ｂ（又は１６Ａ）については、その内部がエゼクタ１８の作動により減圧されることにより一酸化化炭素の脱着が行われるようになっている。

エゼクタ１８は、水蒸気を一次側流体（駆動流体）として作動するいわゆるスチームエゼクタであって、図２に示すように、ラインＬ７を通じて蒸気送入部１８ａに送入される水蒸気を内蔵ノズル１８ｂから高速噴出させつつディフューザー１８ｄに流入させ、この際、ノズル１８ｂとディフューザー１８ｄとの間に設けられた吸引室１８ｃに生じる負圧を利用して吸着塔１６Ａ，１６Ｂ内を吸引するように構成されている。そして、この吸引作用によりラインＬ５を通じて吸着塔１６Ａ，１６Ｂ内を減圧し、吸着剤から一酸化炭素を脱着させるとともにこの脱着一酸化炭素を二次側流体としてエゼクタ内（吸引室１８ｃ）に吸引しつつ一次側流体である水蒸気と共にディフューザー１８ｄからラインＬ６に吐出するようになっている。

ラインＬ６の下流端は凝縮器２６に接続されている。この凝縮器２６は熱交換器からなり、エゼクタ１８から吐出される混合ガス（水蒸気と一酸化炭素との混合ガス；吐出流体）がこの凝縮器２６に導入されて常温又はその近傍まで冷却される。これにより前記混合ガスのうち水蒸気が凝縮して気液分離され、そのガス成分、すなわち一酸化炭素がラインＬ９を通じて取出されるようになっている。

凝縮器２６には、前記ラインＬ７の上流端が接続されるとともにこのラインＬ７にポンプ２２およびボイラ２４が介設され、これによって凝縮器２６の凝縮水が水蒸気として再生されて再度エゼクタ１８に供給されるようになっている。つまり、当実施形態では、前記ラインＬ７、ポンプ２２及びボイラ２４等により本発明に係る循環手段が構成されており、エゼクタ１８に対して水蒸気（一次側流体）を循環させるように構成されている。なお、図中符合Ｌ８は、凝縮器２６に蒸気用水を補給するための補給水用のラインで、前記ラインＬ９を通じた水蒸気の持ち出しに伴い減少する蒸気用水を補給し得るようになっている。

前記ラインＬ９の下流端はブロア２８を介して脱水部３０に接続されている。脱水部３０は、一酸化炭素と共に凝縮器２６から持ち出された水分（水蒸気）を吸着除去するもので、２つの脱水塔３０Ａ，３０Ｂが設けられている。各脱水塔３０Ａ，３０Ｂには、例えばゼオライト等の吸着剤が充填されており、前記ラインＬ９を通じて各脱水塔３０Ａ，３０Ｂに一酸化炭素が導入されることにより、これに含まれる水分が吸着除去される。

各脱水塔３０Ａ，３０Ｂには、一酸化炭素を製品として取出すためのラインＬ１０と、オフガスラインＬ１２とがそれぞれ接続されており、水分の吸着（脱水）と脱着（吸着剤の再生処理）とが各脱水塔３０Ａ，３０Ｂの間で交互に行われるようになっている。すなわち、装置稼動中は、ラインＬ９を通じて一方側の脱水塔３０Ａ（又は３０Ｂ）にのみ一酸化炭素が導入されて、水分が吸着除去されつつ製品ガスとしてラインＬ１０を通じて図外の製品タンクに導入され、その間、他方側の脱水塔３０Ｂ（又は３０Ａ）については、ラインＬ１２を通じてその内部が送気されることにより水分の脱着が行われるようになっている。この実施形態では、これらラインＬ６および凝縮器２６等により本発明に係る回収手段が構成されている。

なお、一酸化炭素を製品ガスとして製品タンクに案内する前記ラインＬ１０には、その途中部分から分岐して第２吸着部１６の各吸着塔１６Ａ，１６Ｂに至るラインＬ１１が設けられており、特定のタイミング、具体的には一酸化炭素の吸着後、脱着前に吸着塔１６Ａ（１６Ｂ）に対して製品ガスの一部が還流され、これにより吸着剤の洗浄、つまり吸着剤に吸着されている一酸化炭素以外のガスを脱着させる処理が行われるようになっている。

上記のように構成されたガス分離装置において、原料ガスは、コンプレッサ１０により圧縮されてまずラインＬ１を通じて第１吸着部１２の吸着塔１２Ａ（又は１２Ｂ）に導入され、二酸化炭素を除去された後、ラインＬ３を通じて第２吸着部１６の吸着塔１６Ａ（又は１６Ｂ）に導入される。そして、ここで原料ガスのうち一酸化炭素のみが吸着分離され、その他のガス成分は大気中に排気される。吸着塔１６Ａ（又は１６Ｂ）において吸着剤に吸着された一酸化炭素は、エゼクタ１８の作用により吸着剤から脱着されて一次側流体である水蒸気と共に凝縮器２６に導入される。そして、ここで水蒸気が凝縮されることにより水と一酸化炭素とに気液分離され、その気体成分である一酸化炭素のみが取出されて脱水部３０の脱水塔３０Ａ（又は３０Ｂ）に導入され、ここで脱水処理が施された後、製品ガスとして回収されることとなる。

以上のように、このガス分離装置（ガス分離方法）では、原料ガスを吸着塔１６Ａ，１６Ｂに導入して該原料ガスに含まれる一酸化炭素を吸着剤に吸着させ、その後、吸着塔１６Ａ，１６Ｂ内を減圧して一酸化炭素を吸着剤から脱着させることにより原料ガスから一酸化炭素を分離回収するが、この際、上述の通りエゼクタ１８を用いて吸着塔１６Ａ，１６Ｂ内を吸引するようにしているので、真空ポンプを用いる従来装置のように吸着剤から脱着される一酸化炭素に外気が混入することがない。すなわち、エゼクタ１８は機械的な可動部分をもたないため、軸受等、機械的な可動部分をもつ真空ポンプのように可動部分から外気が混入する虞がなく、そのため、外気の混入を伴うことなく一酸化炭素を吸着剤から脱着させることができる。

しかも、エゼクタ１８の一次側流体（駆動流体）として水蒸気を用い、脱着後は、上述の通りエゼクタ１８から吐出される混合ガス（水蒸気と一酸化炭素の混合ガス）を常温、あるいはそれに近い温度まで冷却して水蒸気のみを凝縮させ、このように混合ガスを水と一酸化炭素とに気液分離して一酸化炭素のみを回収するようにしているので、一次側流体から簡単、かつ確実に一酸化炭素のみを分離して回収することができる。

従って、上記のガス分離装置（ガス分離方法）によると、従来のガス分離装置（ガス分離方法）に比べて一酸化炭素を高い純度で分離回収することができるようになる。なお、このガス分離装置（ガス分離方法）では、凝縮器２６の凝縮水を水蒸気として再生させながらポンプ２２によりエゼクタ１８に供給するが、このポンプ２２は正圧ポンプであるため真空ポンプのように軸受等の可動部分から外気がポンプ内に吸い込まれて混入することがない。従って、一次側流体を媒介して一酸化炭素に外気が混入することは殆ど無い。

ところで、上記実施形態では、エゼクタ１８の一次側流体（駆動流体）として水蒸気を用いているが、一次側流体としては水蒸気以外のガス状体を用いることも可能である。例えばオイルを気化させたオイル蒸気を一次側流体として用いることも可能である。なお、このようにオイル蒸気を一次側流体として用いる場合には、脱水部３０の各脱水塔３０Ａ，３０Ｂに親油性の吸着剤を充填し、ここで脱油処理を施すようにすればよい。

また、一次側流体として水蒸気やオイル蒸気のようなガス状体を用いる以外に、水（純水）等の液体を用いるようにしてもよい。この場合には、上記実施形態のガス分離装置の構成においてボイラ２４を省略し、凝縮器２６の代りにタンク等を設け、このタンク内にエゼクタ１８から吐出される混合ガスを導入して水と一酸化炭素とを分離させるようにすればよい。但し、エゼクタ１８は一次側流体を高速噴射させてその速度エネルギーを利用して吸引力（負圧）を生じさせるものなので、強力な吸引力を生じさせる上では、少ない動力で高い速度エネルギーを得ることが可能な水蒸気やオイル蒸気等のガス状体を一次側流体として用いるのが好適である。

なお、エゼクタ１８の一次側流体は、水蒸気、オイル蒸気、水以外の流体であってもよく、要は常温常圧下において液体であればよい。すなわちエゼクタ１８から吐出される混合流体（一次側流体と一酸化炭素とが混合された流体）を常温、あるいはこれに近い温度下で液体と一酸化炭素とに気液分離させ得るものであればよい。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図３は本発明に係るガス分離装置（本発明に係るガス分離方法が実施されるガス分離装置）の第２の実施形態を回路図で概略的に示している。

第２の実施形態のガス分離装置では、エゼクタ１８の一次側流体（駆動流体）として製品ガスである一酸化炭素が用いられるようになっており、第１の実施形態のガス分離装置と比較すると次の点で構成が相違している。まず、第１の実施形態における凝縮器２６の代りに熱交換器からなる冷却器３２が設けられ、ラインＬ７においてこの冷却器３２とポンプ２２の間の部分からラインＬ１０が分岐導出されている。また、ボイラ２４、ブロア２８、脱水部３０、ラインＬ８、Ｌ９およびラインＬ１２は設けられていない。

このガス分離装置では、製品ガスである一酸化炭素が一次側流体としてラインＬ７を通じてエゼクタ１８に導入される。これにより吸着塔１６Ａ（又は１６Ｂ）において吸着剤に吸着された一酸化炭素がエゼクタ１８の作用により吸着剤から脱着されるとともに、エゼクタ１８内に吸引されつつラインＬ６に吐出されて冷却器３２に導入される。そして、この吐出ガス（一酸化炭素）がそのまま製品ガスとしてラインＬ１０を通じて回収されるとともに、その一部がポンプ２２によりラインＬ７を通じてエゼクタ１８に供給され、これにより製品ガスの一部が一次側流体として用いられるようになっている。

このような第２の実施形態のガス分離装置（ガス分離方法）によると、エゼクタ１８を用いて吸着塔１６Ａ，１６Ｂ内を減圧するため、第１の実施形態と同様に、設備的な要因による外気の混入を伴うことなく一酸化炭素を吸着剤から脱着させることができる。

しかも、エゼクタ１８の一次側流体として製品ガスと同じ一酸化炭素を用いるため、上述の通りエゼクタ１８から吐出される混合ガス（すなわち一次側流体と二次側流体の混合ガス）をそのまま製品ガスとして回収することができる。従って、第１の実施形態と比較すると、エゼクタ１８から吐出される混合ガスを気液分離し、さらに脱水するといった後処理設備が不要となる分、装置構成を合理的に簡素化することができるという効果がある。

また、この装置（方法）では、エゼクタ１８から吐出される一酸化炭素の一部を抜き出してこれを一次側流体としてエゼクタ１８に還流させるようにしているので、製品ガスをそのままエゼクタ１８の一次側流体として利用した合理的な構成でエゼクタ１８を作動させることができるという効果もある。

上述した第１および第２の実施形態のガス分離装置（ガス分離方法）は、本発明の好ましい実施形態の一部の例であって、その具体的な構成、あるいは方法は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、吸着塔１６Ａ，１６Ｂ内の減圧効果を高めるためにエゼクタ１８を多段に設けるなどの構成を採用することもできる。

また、上述した第１および第２の実施形態では、製品ガスとして一酸化炭素を分離回収する例について説明したが、勿論、本発明はこれ以外のガス成分を分離回収する場合にも有効である。

本発明に係るガス分離装置（本発明に係るガス分離方法を実施可能なガス分離装置）の第１の実施形態を示す回路図である。エゼクタの構成を示す断面図である。本発明に係るガス分離装置（本発明に係るガス分離方法を実施可能なガス分離装置）の第２の実施形態を示す回路図である。

符号の説明

１２第１吸着部
１２Ａ，１２Ｂ吸着塔
１６第２吸着部
１６Ａ，１６Ｂ吸着塔
１８エゼクタ
２６凝縮器
３０脱水部
３０Ａ，３０Ｂ脱水塔

Claims

吸着剤が充填された吸着塔に原料ガスを供給した後、この吸着塔内を減圧することにより前記吸着剤から脱着される脱着ガスを製品ガスとして分離回収する方法において、
前記吸着塔内を減圧する手段としてエゼクタを用い、このエゼクタに対して前記製品ガスと同一のガスを一次側流体として供給することにより該エゼクタを作動させて吸着塔内を減圧し、この減圧により前記吸着剤から脱着される脱着ガスを二次側流体としてエゼクタ内に吸引しながら前記一次側流体と共にエゼクタから吐出させ、この吐出流体を回収することを特徴とするガス分離方法。
請求項１に記載のガス分離方法において、
前記原料ガスとして一酸化炭素を含む原料ガスを前記吸着塔に供給することにより前記一酸化炭素を吸着剤に吸着させることを特徴とするガス分離方法。
吸着剤が充填された吸着塔とこの吸着塔内を減圧する減圧手段とを有し、前記吸着塔に原料ガスを供給した後、この吸着塔内を減圧することにより吸着剤から脱着される脱着ガスを製品ガスとして分離回収する装置において、
前記減圧手段としてエゼクタを設け、このエゼクタに対して前記製品ガスと同一のガスを一次側流体として供給することにより該エゼクタを作動させて前記吸着塔内を減圧するとともに、この減圧に伴い吸着剤から脱着される前記脱着ガスを二次側流体としてエゼクタ内に吸引しながら前記一次側流体と共に吐出させて回収するようにしたことを特徴とするガス分離装置。
請求項３に記載のガス分離装置において、
前記エゼクタから吐出される吐出流体に含まれる一次側流体を再度エゼクタに供給することによりエゼクタに対して一次側流体を循環させる循環手段を備えていることを特徴とするガス分離装置。