JP2003019415A

JP2003019415A - 混合ガスの分離方法

Info

Publication number: JP2003019415A
Application number: JP2001206323A
Authority: JP
Inventors: Yukito Ota; 幸人太田
Original assignee: Kuraray Chemical Co Ltd
Current assignee: Kuraray Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】原料ガスの組成や流量が変動しても容易に追
従することができ、一定品質の製品ガスを連続的に得る
ことのできる混合ガスの分離方法を提供すること。【解決手段】分子ふるい炭素を充填した２基以上の吸
着塔の一方に混合ガスを加圧下で供給し、それぞれの吸
着塔で高圧吸着と低圧再生を交互に繰り返して混合ガス
を構成成分ガスに分離する混合ガスの分離方法におい
て、吸着塔の出口における少なくとも１種類のガスの濃
度をガス濃度検出器により検出し、該ガス濃度検出器を
シーケンサーに連結し、シーケンサーにより吸着塔の切
り替え周期を自動的に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は混合ガスの分離方法
に関する。さらに詳しくは、吸着剤を充填した２基以上
の吸着塔の一方に混合ガスを加圧下で供給し、それぞれ
の吸着塔で高圧吸着と低圧再生を交互に繰り返して混合
ガスを構成成分ガスに分離する混合ガスの分離方法にお
いて、吸着塔の出口における少なくとも１種類のガスの
濃度をガス濃度検出器により検出し、該ガス濃度検出器
をシーケンサーに連結し、シーケンサーにより吸着塔の
切り替え周期を自動的に変化させて行う混合ガスの分離
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造プロセスなどへ窒素ガ
スの需要が増大しており、かかる窒素ガスを製造する方
法として、分子ふるい炭素などの炭素多孔体を使用して
加圧空気から窒素を分離する圧力スイング吸着法（ＰＳ
Ａ法）が多く実施されている。ＰＳＡ法とは、例えば混
合ガスを空気とした場合、通常２基以上の吸着塔を使用
し、一方の吸着塔に加圧空気を供給して酸素の吸着を行
い、窒素を製品ガスとして取り出すとともに、その間他
方の吸着塔を脱着に付し、複数の吸着塔間で酸素の吸着
と脱着とを交互に繰り返し、分子ふるい炭素による酸素
と窒素の吸着速度の差を利用して連続的に窒素を得る方
法であり、ここに述べた空気からの窒素製造の他、メタ
ノール分解ガスからの水素精製などで実施されている。

【０００３】吸着塔を２基使用して窒素を主成分とする
空気などの混合ガスからＰＳＡ法により酸素を除去し、
製品ガスとして窒素を得る真空再生による従来の方式を
図４により説明する。まず、吸着塔４の吸着工程では、
空気などの原料ガスを原料ガス供給ライン１から導入
し、圧縮機２で圧縮し、冷却器３を通じて吸着塔４へ導
入する。各吸着塔には吸着剤である分子ふるい炭素が充
填されており、原料ガス中の酸素が優先的に吸着剤へ吸
着、除去され、残りの窒素が製品貯槽６へ送られ、製品
ガスライン１７より取り出される。一方の吸着塔が吸着
に付されているとき、他方の吸着塔は脱着工程にあり、
真空ポンプ１９により脱着（再生）に付されている。す
なわち、吸着塔４により吸着が行われているとき、弁
７、１０及び１２は開の状態、弁８、９、１１、１３及
び１４は閉の状態にある。弁１５及び１６については、
脱着工程において脱着に付される吸着塔の圧力が、脱着
工程の初期で大気圧以上の場合、弁１６を閉、弁１５を
開の状態とし、排気ガスライン１８からガスを抜き、脱
着に付される吸着塔の圧力が大気圧付近に下がった時点
で弁１５を閉、弁１６を開の状態とし真空ポンプ１９で
減圧脱着を行い廃棄ガスライン２０より脱着ガスが廃棄
される。

【０００４】所定の時間が経過した後、弁７、１０及び
１２が閉の状態となる。続いての均圧工程では、弁１１
及び１４を開の状態とし、吸着を終えた吸着塔４の残圧
を吸着塔５へ回収する。その後、弁８、９及び１３が開
の状態、弁７、１０、１１、１２及び１４が閉の状態と
なり、吸着塔５が吸着に付され、吸着塔４が脱着に付さ
れる。脱着工程では、吸着塔５の脱着工程と同様に、均
圧工程後の吸着塔４の圧力が大気圧付近までは、弁１６
を閉、弁１５を開の状態とし、排気ガスライン１８から
ガスを抜き、吸着塔４の圧力が大気圧付近に下がった時
点で弁１５を閉、弁１６を開の状態とし真空ポンプ１９
で減圧脱着を行う。吸着塔５の吸着が終わると弁８、９
及び１３を閉とし、弁１１及び１４を開の状態として均
圧工程を行い、吸着塔５の残圧を吸着塔４へ回収する。
上記の操作が定期的に繰り返されて製品窒素が製造され
る。

【０００５】これらの弁は、タイマーにより設定された
時間に従って逐次自動的に切り換わるようになってお
り、製品窒素は製品貯槽６に貯蔵され、製品ガス取り出
しライン１７から取り出され、消費される。分子ふるい
炭素に吸着されたガス（酸素）の脱着は、減圧により行
われ、弁９又は１０が開の状態のときに分子ふるい炭素
に吸着されたガスが脱着され、脱着ガスは排気ライン１
８又は廃棄ライン２０から排気される。以上述べたよう
に、従来のＰＳＡ法は、吸着塔の切り替え周期を一定と
して行われるのが通常であるが、これは空気を原料ガス
として使用する場合、ガス組成が一定であり、しかも一
定量で供給することができるからである。

【０００６】一方、吸着塔の切り替え周期を一定としな
いＰＳＡ法も知られている。例えば、特開昭５４−１６
３７５号公報及び特開昭６０−１９３５２０号公報に、
生成物ガスが一定量に達したとき、次の操作に進むよう
に設定された方法が開示されている。これらの方法は吸
着塔の切り替えを効率的に制御しながらガス分離を行う
ＰＳＡ法であり、エネルギー的に有効なＰＳＡ法である
といえる。しかしながら、これらの方法は、いずれも吸
着剤としてゼオライト系などを使用し、気相における平
衡吸着を利用して分離する場合にのみ実施可能であり、
分子ふるい炭素を使用し、速度分離を利用してＰＳＡ法
を実施する場合は、吸着量、分離能力が経時的に変化
し、適用できない。

【０００７】また、製品ガスの取り出し量が減少したと
きに最適の所要動力で経済的に有利にＰＳＡ方式を制御
する、すなわち、製品ガスの取り出し量に応じて吸着塔
の切り替え周期を変動させるターンダウン制御も知られ
ている。分子ふるい炭素を使用して行うこのような例と
して、例えば、特公平４−６９０８５号公報に、製品窒
素タンクの酸素濃度を検出して吸着塔の切り換え周期
（半サイクル時間）を決定する方法が開示されている。
しかしながら、この方法では吸着塔から出た窒素ガスを
一旦製品窒素タンクに貯蔵するため、急激な流量変動に
よる酸素濃度の変化に対応することができない。

【０００８】前述したように、従来のＰＳＡ法は、吸着
塔の切り替え周期を一定にして行われるのが通常である
が、空気を原料ガスとして使用する場合でも原料ガスの
供給量を一定にすることができない場合、また消化ガス
のように、菌や処理物の状態により発生する原料ガスの
組成や供給量を一定にすることができない場合には、吸
着塔の切り替え周期をこれらの変動に追従させて変動さ
せる必要があるが、かかることは現実的ではない。消化
ガスを例にとると、原料ガス中の目的とするガスの濃度
が高い場合は、得られる製品ガス純度も高くなるが、吸
着剤を有効に利用することができない。一方、原料ガス
中の目的とするガスの濃度が低い場合は、得られる製品
ガス純度が低くなる。したがって、原料ガスの組成や供
給量を一定にすることができない場合は、得られた製品
ガスを必要に応じてさらに精製して使用しているのが現
状である。

【０００９】しかしながら、製品ガスをさらに精製する
ことは、設備費及び製造コストの大幅な増加につなが
り、また、操作の面でも煩雑である。また、変動時の製
品ガスの不足分を他のガス源に依存する方法もプロセス
の複雑化、ガス源の補給等から設備費が増加する上、無
人運転で安価なガスを供給できるＰＳＡ法のメリットも
薄れてくる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ＰＳＡ法を効率よく実
施するには、吸着剤の性能向上を図ることが重要である
ことは勿論であるが、如何に低エネルギーで実施するこ
とができるかが、ＰＳＡ法の工業的使命を制するといっ
ても過言ではない。したがって、本発明の目的は、原料
ガスの組成や流量が変動しても容易に追従することがで
き、一定品質の製品ガスを連続的に得ることのできるＰ
ＳＡ法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、吸着剤を用
いたＰＳＡ法による混合ガスの分離方法において、吸着
塔の出口ガスの濃度に着目して鋭意検討を重ねた結果、
かかるガス濃度を検出して吸着塔の切り替え周期を変化
させることにより、極めて簡単に上記目的を達成するこ
とができることを見出し、本発明に至った。

【００１２】すなわち、本発明は、吸着剤を充填した２
基以上の吸着塔の一方に混合ガスを加圧下で供給し、そ
れぞれの吸着塔で高圧吸着と低圧再生を交互に繰り返し
て混合ガスを構成成分ガスに分離する混合ガスの分離方
法において、吸着塔の出口における少なくとも１種類の
ガスの濃度をガス濃度検出器により検出し、該ガス濃度
検出器をシーケンサーに連結し、シーケンサーにより吸
着塔の切り替え周期を自動的に変化させることを特徴と
する混合ガスの分離方法である。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明において、吸着塔には活性
炭、分子ふるい炭素、ゼオライト等の吸着剤が充填され
る。活性炭は木炭、石炭、コークス、やし殻、樹脂、ピ
ッチなどを原料として高温で水蒸気等のガスと反応さ
せ、細孔を発達させた炭素質吸着剤である。分子ふるい
炭素は、３〜５Åの超ミクロ孔が存在し、細孔径が揃っ
た木炭、石炭、コークス、やし殻、樹脂、ピッチなどを
原料として高温で炭化して製造された木質系、石炭系、
樹脂系、ピッチ系などの炭素質材料を細孔調整したもの
からなる吸着剤である。ゼオライトは三次元的な結晶構
造を持つ鉱物系の吸着剤である。かかる吸着剤を目的に
応じ使用し、ＰＳＡ法を実施することにより、混合ガス
から特定のガスを分離することができる。また、本発明
で使用する混合ガスとしてはとくに制限されず、例え
ば、メタンを主成分とした嫌気性発酵の消化ガスなどあ
げることができる。この場合、分子ふるい炭素が好適に
使用可能である。

【００１４】本発明のＰＳＡ法は、とくに原料ガスの組
成や流量が変動しやすい混合ガスから組成が一定の製品
ガスを連続的に製造する場合に好適であり、このような
混合ガスの例として、各種排水、屎尿処理場、下水処理
場、醸造工場、家畜の飼育場などの処理場において生物
学的処理により発生するガス、メタン発酵ガスなどの消
化ガスをあげることができる。以下、原料ガスとしてメ
タンと炭酸ガスを主成分とする混合ガスを使用してメタ
ンを分離する場合について、図により本発明をさらに具
体的に説明する。

【００１５】図１は、先に図４で説明した従来のＰＳＡ
方式に、炭酸ガス濃度を検出するための炭酸ガス濃度計
と該炭酸ガス濃度計とシーケンサーを連結し、シーケン
サーにより吸着塔の切り替え周期を自動的に変化させて
行うＰＳＡ法の一例を示すフローである。原料ガスであ
る発酵ガスは原料ガス供給ライン１から導入され、圧縮
機２により加圧され、冷却器３によって常温近傍まで冷
却された後、弁７を通って吸着塔４に入り、充填されて
いる分子ふるい炭素によって、吸着されやすい炭酸ガス
等と吸着されにくいメタン等に分離され、分離されたメ
タン等は弁１２を経由し、製品貯槽６に一旦貯蔵された
後、消費される。吸着塔出口における炭酸ガスの濃度は
炭酸ガス濃度検出器２２により瞬時値を絶えず検知す
る。圧縮機として、直流電流を交流電流に変換する、い
わゆるインバータ式の圧縮機を使用してもよい。

【００１６】吸着塔の出口において、製品ガス中の炭酸
ガスの濃度が、予め設定された炭酸ガス濃度に達する
と、その信号がシーケンサー２３に伝えられ、吸着工程
が終了する。すなわち、弁７及び１２は閉の状態とな
り、弁１１及び１４を開とする均圧工程を経て、弁１０
及び１３が開の状態となって、脱着操作を終えた吸着塔
５が吸着操作に付される。すなわち、吸着塔の出口ガス
中の炭酸ガスの濃度により、吸着塔の切り替えが行われ
る。一方、吸着を終えた吸着塔４は、弁８及び１５を開
くことにより排気ガスライン１８より大気圧近傍まで減
圧される。必要ならば、この排気ガスは原料ガス側に戻
し、回収を行ってもよい。その後、弁１５を閉じ、弁１
６を開とし分子ふるい炭素に吸着された炭酸ガス等のガ
スを脱着させる脱着操作を行う。以上の発酵ガスを原料
ガスとした場合のＰＳＡ法においては、吸着塔の出口ガ
ス中の炭酸ガスを検出したが、制御しやすいガスを検出
すればよい。

【００１７】原料ガスの組成や供給量が短時間で急激に
変動する場合、吸着塔の切り替えが頻繁に行われること
になり、製品ガスの回収率が低下する。さらに、エネル
ギー的にも不利である。また、吸着塔を切り替えた直後
は、均圧ガスの影響等で吸着塔出口ガスの濃度が短時間
で変動する場合があり、不用意に切り替えが行われるこ
とになる。したがって、本発明においては、吸着塔の最
低切り替え時間を設定しておくのが好ましい。最低切り
替え時間をあまり短くすると、脱着のための時間が不十
分になるため３０秒以上に設定する必要があり、適用す
るガスやＰＳＡによるが、好ましくは６０秒以上がよ
い。以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００１８】

【実施例】比較例１クラレケミカル株式会社製の分子ふるい炭２ＧＮ、１０
Ｌ（リットル）を吸着塔２基に各々充填し、原料ガスと
してメタンと炭酸ガスからなる混合ガスを、供給圧力
０．５ＭＰａ、供給量３．６Ｎｍ^３／ｈｒ、脱着工程の
真空度１００Ｔｏｒｒ、吸着塔の切り替え時間１８０
秒、均圧時間５秒の条件で、図４に示すフローに従って
メタンの分離を行った。原料ガスの炭酸ガス濃度を３０
％〜５０％まで変化させ、出口ガス濃度を測定した。結
果を図２に示す。

【００１９】比較例２原料ガスの組成をメタン／炭酸ガス＝６０／４０（容量
比）とし、供給量を３Ｎｍ^３／ｈｒ〜４Ｎｍ^３／ｈｒに
変化させる以外は比較例１と同じ条件でメタンの分離を
行った。結果を図３に示す。

【００２０】実施例１クラレケミカル株式会社製の分子ふるい炭２ＧＮ、１０
Ｌを吸着塔２基に各々充填し、原料ガスとしてメタンと
炭酸ガスからなる混合ガスを、供給圧力０．５ＭＰａ、
脱着工程の真空度１００Ｔｏｒｒ、均圧時間５秒、吸着
塔の最低切り替え時間３０秒の条件で図１に示すフロー
に従ってメタンの分離を行った。吸着塔出口の炭酸ガス
濃度が１％になった時点で吸着塔が切り換わるように設
定し、原料ガスの炭酸ガス濃度を３０％〜５０％まで変
化させた。結果を図２に示す。

【００２１】実施例２原料ガスの組成をメタン／炭酸ガス＝６０／４０（容量
比）とし、供給量を３Ｎｍ^３／ｈｒ〜４Ｎｍ^３／ｈｒに
変化させる以外は実施例１と同じ条件でメタンの分離を
行った。結果を図３に示す。

【００２２】以上の結果から、吸着塔の切り替え時間を
固定してＰＳＡ法によりメタンの分離を行うと、原料ガ
ス中の炭酸ガスの濃度が高くなると製品ガス中の炭酸ガ
ス濃度も上昇し、また、原料ガスの供給量が減少すると
メタンの回収率が低下するが、本発明の方法によれば、
製品ガス中の炭酸ガス濃度を低く維持することができ、
メタンの回収率も高いことが明らかである。

【００２３】

【発明の効果】本発明により、原料ガスの組成や流量が
変動しても容易に追従することができ、一定品質の製品
ガスを連続的に得ることのできる混合ガスの分離方法を
提供することができる。本発明の方法によれば、消化ガ
スなどのように、菌や処理物の状況によって発生ガスの
組成や流量が変動する場合でも、それに応じて経済的に
有利にＰＳＡ法を実施することができ、産業上の有用性
が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の混合ガスの分離方法の一例を示すフロ
ーである。

【図２】実施例１と比較例１における原料ガス中の炭酸
ガス濃度と製品ガス中の炭酸ガス濃度の関係を示すグラ
フである。

【図３】実施例２と比較例２における原料ガス供給量と
メタン回収率の関係を示すグラフである。

【図４】従来のＰＳＡ方式を示すフローである。

【符号の説明】

１ … 原料ガス供給ライン２ … 圧縮機３ … 冷却器４ … 吸着塔５ … 吸着塔６ … 製品貯槽７〜１６ … 弁１７ … 製品ガス取り出しライン１８ … 排気ガスライン１９ … 真空ポンプ２０ … 廃棄ガスライン２１ … 逆止弁２２ … 炭酸ガス濃度計２３ … シーケンサー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸着剤を充填した２基以上の吸着塔の一
方に混合ガスを加圧下で供給し、それぞれの吸着塔で高
圧吸着と低圧再生を交互に繰り返して混合ガスを構成成
分ガスに分離する混合ガスの分離方法において、吸着塔
の出口における少なくとも１種類のガスの濃度をガス濃
度検出器により検出し、該ガス濃度検出器をシーケンサ
ーに連結し、シーケンサーにより吸着塔の切り替え周期
を自動的に変化させることを特徴とする混合ガスの分離
方法。
【請求項２】該吸着塔の切り替え周期が３０秒以上で
ある請求項１記載の混合ガスの分離方法。
【請求項３】該混合ガスがメタンと炭酸ガスを主成分
とする混合ガスである請求項１又は２記載の混合ガスの
分離方法。
【請求項４】該混合ガスが消化である請求項１〜３い
ずれかに記載の混合ガスの分離方法。