JP2000354726A - 圧力スゥイング吸着プロセス及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低い吸着圧力と、床間相互作用を生じない吸
着技法を使用して、所定の、実質的に一定の生成物純
度、即ち、変動範囲がプラスマイナス１０％である所望
の生成物純度での、ＣＯ２のような重量成分を多成分ガ
ス混合物から回収するための改良ＰＳＡ法及び装置を提
供することである。 【解決手段】 送給物ガスが吸着体４の入口端４Ａに提
供され、吸着体の出口端４Ｂからの軽量成分の排出物が
圧力タンク６に収集され、引き続き、再加圧ガスとして
再使用され、吸着体の出口端４Ｂからの並流のブローダ
ウンガスが真空タンク９に収集され、引き続き、パージ
ガスとして再使用され、真空ポンプ１１の排気側からラ
イン１２を通して重量成分富化された生成物が回収され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多成分ガス混合物内
の、より強く吸着されたガス成分を回収するための改良
圧力スゥイング吸着方法及び装置に関し、詳しくは、窒
素、酸素、水素、メタン、一酸化炭素のような、より弱
く吸着された成分を含む流れから二酸化炭素を回収する
ための方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高純度液体二酸化炭素（９９．９９＋
％）は、一般に、９５％を越える二酸化炭素（ＣＯ２と
も表記する）を含有するガス流れを直接液化することに
よって生成される。こうした高濃度の供給源は、アンモ
ニア合成のような化学プロセスからの副産物流れとして
直接入手することができる。その結果、二酸化炭素液化
プラントの場所は、伝統的に、そうした供給源の位置及
び入手性に基づいて決められていた。二酸化炭素の顧客
の多くは９９．９９＋％純度の液化ＣＯ２を必要としな
い。ｐＨ制御及び炭酸塩製造の如き用途は純度範囲が８
０〜９０％のガス状ＣＯ２を使用して有効に作動させる
ことができる。低純度のガス状ＣＯ２を必要とする現場
では、入手可能な低濃度ＣＯ２供給源、即ち、代表的に
は２０％未満である代替ＣＯ２の供給源をしばしば有し
ている。結局、低等級供給源、例えばボイラーからの煙
道ガスその他の燃焼性供給源から、現場で経済的にＣＯ
２を製造可能とする新規な技術に対する可能性がある。

【０００３】低濃度及び中間濃度の供給源からＣＯ２を
回収するための様々な方法が知られている。多成分ガス
流れからのＣＯ２を液体吸着材中に化学的に吸着させ、
これを加熱して溶液からＣＯ２を抜き取る方法が、９９
＋％純度でのガス状ＣＯ２を回収するために使用され
る。様々な液体アミン、あるいは炭酸カリウムを吸着媒
体として使用することができる。こうした方法の主な欠
点は、吸着材を熱的に再生するために相当なエネルギー
を要すること及び、多成分ガス流れ中に中庸量の酸素が
生じた場合に吸着材の容量が減少することである。膜分
離法もＣＯ２回収のために使用可能であるが、膜分離法
ではＣＯ２のための中庸の透過性を実現するための高い
送給圧力がしばしば要求される。煙道ガスのような低濃
度供給源から高純度のＣＯ２を製造するためには、高価
な多段膜プロセスが必要となる。

【０００４】圧力スゥイング吸着分離法（ＰＳＡ法とも
称する）は、ＣＯ２回収のためのその他の方法と比較し
て大きな利益をもたらすことが見込まれる。かくして、
ＰＳＡ法は、特に、移送コストが高くなる、あるいはＣ
Ｏ２液化のための魅力的な原材料を入手することができ
ないような場合に、より伝統的なＣＯ２液化法及び液体
ＣＯ２移送法と比較して、ＣＯ２の集中コスト及び供給
コストを引き下げる可能性がある。ＰＳＡ法の主要な利
点には、様々な純度でのＣＯ２製造に対する融通性もあ
る。吸着及び脱着の各圧力を、その他のプロセスパラメ
ータと共に、特定用途のために所望される最小の生成物
純度を生じるように調節することができる。これによ
り、高純度生成物を必要としない場合の電力要件を減少
することが出来るようになる。液体吸着法の場合、電力
消費量を同様に低下させるのは困難である。なぜなら、
吸着材を熱的に除去すると生成物純度は常に９９＋％と
なるからである。ＰＳＡ法では、吸着法が必要とするよ
うな、再生のためのためのスチームのような高温のエネ
ルギー源を必要としない。その結果、ＰＳＡ法は、立地
上、スチームを入手できないかあるいは高コストである
場合には魅力的な代替法である。一般に、吸着分離法は
信頼性があり、特に、ガス相の純度が９９＋％を上回る
必要がない場合において、ＣＯ２回収のための融通性が
あり且つ低コスト化をもたらし得る方法である。

【０００５】煙道ガス、石灰窯排ガス、水素プラントテ
ールガスその他の供給源からＣＯ２を製造する場合、単
数あるいは複数の一次吸着材の機能は、ＣＯ２を選択的
に吸収しつつ、それよりも軽い成分を通過させることで
ある。典型的には、ＣＯ２よりも強く吸着される水が出
現し得るものの、そうした水は吸着材の前処理層内で有
効に除去され得る。従って、ＰＳＡ法を使用してＣＯ２
を製造する際には、重量成分を回収するための有効な方
法、つまり、多成分混合物中に強く吸着された成分を回
収するための有効な方法が必要となる。

【０００６】低濃度供給源からＣＯ２を製造する方法を
含む、重量成分を回収するための数多くのＰＳＡ法が従
来から説明されている。例えば、米国特許第４，５９
９，０９４号、第４，７２３，９６６号、第４，８１
０，２５６号、第４，８４０，６４７号、第４，８９
２，５６５号、第４，９６３，３３９号、第５，０２
６，４０６号、第５，０３２，１５０号、第５，２４
８，３２２号、第５，３５４，３４６号、第５，３７
０，７２８号、第５，４１５，６８３号、第５，６６
９，９６０号を参照されたい。重量成分を回収するため
の最も一般的な用途は、ゼオライト吸着材を使用する窒
素（Ｎ２とも表記する）／酸素（Ｏ２とも表記する）分
離法、ゼオライト、活性炭、シリカゲルその他の吸着材
を使用する、ＣＯ２／Ｎ２、ＣＯ２／メタン（ＣＨ４と
も表記する）、ＣＯ２／水素（Ｈ２とも表記する）の各
分離法である。従来法は、代表的には、送給物を圧縮し
て吸着圧力を高圧化し、排気することにより重量成分生
成物を回収し、回収した重量成分を洗浄することに依存
している。従来法では、代表的には、多重床を使用する
ことで設備の連続利用を確保し、サージタンクを使用す
ることで生成物の流れ及び純度上の変動を抑制する。重
量成分回収法のための、あるいは、軽量成分回収法を重
量成分回収法と組み合わせた従来法を、３つの一般的な
部類、即ち、通常サイクルと、逆サイクルと、還流サイ
クルと、に分けることができる。通常サイクルでは吸着
は高圧下に生じ、パージ及び重量成分生成物のパージ及
び回収は低圧下に実施される。逆サイクルでは吸着は低
圧下に生じ、パージが高圧下に実施される。還流サイク
ルでの吸着体には、通常床部分と、逆転床部分とが含ま
れ、軽量及び重量の各成分はこれらの床の間部分を還流
される。

【０００７】還流サイクルの利益は、軽量及び重量の各
成分の生成物を高純度且つ高回収率下に回収することが
できる点である。しかしながら、この方法はエネルギー
集約的であり、しかも、軽量成分を回収したくない場合
には魅力がない。逆サイクルは高純度下に重量成分生成
物を回収するために使用することができるものの、所要
電力消費量は相当なものとなる。通常サイクルは電力消
費量こそ少ないものの、重量成分生成物の純度はサイク
ル中に変動する。逆サイクルには、水その他の重い成分
を、送給物が主たる吸着容器に入る前に分離容器内に除
去する必要があるという欠点もある。従来のＰＳＡ法の
各サイクルは斯界に良く知られている。基本サイクルの
第１段階は吸着であり、多成分の送給ガスが高い吸着圧
力下に吸着体に通される。この第１段階中、より選択的
に吸着された成分が吸着材に保持され、一方、ガス相
は、より弱く選択的に吸着された成分で富化される。代
表的には、吸着段階は、物質移動前面が吸着体出口に達
する以前に終了される。吸着段階後、吸着体が向流での
ブローダウン及びあるいは排気を介して減圧される。圧
力が減少するに従い、ガス相は重量成分富化される。減
圧段階中に発生するガスの少なくとも一部分が重量成分
生成物として取り出される。減圧段階後、吸着体が吸着
圧力に再加圧され、サイクルが反復される。基本サイク
ルは、吸着段階及び減圧段階の間に重量成分生成物を使
用して床を洗浄する段階を含むように改変することがで
きる。これにより、吸着体から非吸着ガスの一部分が押
し退けられ、重量成分生成物の回収量が増大する。基本
サイクルには、サイクルを反復する以前に吸着材を一段
と再生させるための、中間圧力あるいは低圧力下でのパ
ージも含まれ得る。

【０００８】ガス状ＣＯ２のための、考え得る現場用途
の多くは比較的小規模、例えば、１日当たりのＣＯ２含
有生成物量が３０トン未満のものである。日産量が１〜
５トンの現場ＣＯ２プラントもあり得る。こうした小規
模プラントが、プロセスを、簡単で、信頼性があり、プ
ロセスフローシートの複雑化が最小化され、かくして、
資本コストが最小化されることを必要化する。プラント
規模が小さくなるに従い、比較的中庸の資本支出及び固
定費でさえも製造単価をかなり増大させ得る。４つ以上
の床及び関連する弁を使用する従来法に関する資本コス
ト上のペナルティはプラント規模が非常に小さい場合に
は著しいものとなる。高価なサージタンクを使用して生
成物純度の変動を押さえるとプロセスに余分なコスト上
乗せされる。多くの従来法においてそうであるように、
高圧力下での吸着が、大量の軽量（廃棄）成分の圧縮を
必要化し、それが、希釈ガス混合物、例えば、６〜１０
％のＣＯ２を含有する燃焼煙道ガスからのＣＯ２回収に
際しての特定のエネルギー経費を追加する。つまり、結
局は廃棄物として廃棄される煙道ガスの９０％を圧縮す
るエネルギーが消費される。

【０００９】ＣＯ２のための代表的な従来法は、ゼオラ
イト１３ＸあるいはＢＰＬ活性炭といった吸着材に依存
する。煙道ガスのような低濃度供給源からＣＯ２を回収
するためにゼオライト１３Ｘのような比較的強力な吸着
材を使用する利点は、送給物内のＣＯ２分圧が低い場合
でさえも、ＣＯ２のための相当な容量が確保されるとい
うことである。またその欠点は、再生のために非常に低
い圧力が必要となることである。ＢＰＬ活性炭はＣＯ２
に対する吸着力がずっと弱く、従って、脱着条件はその
ように厳しくはない。しかしながら、ＢＰＬ活性炭は、
ＣＯ２との相互作用が弱くしかも非特異的であることに
より、煙道ガスのような低濃度供給源に対してはその実
用性は低い。煙道ガス送給条件下において、ＢＰＬ活性
炭におけるＮ２及びＣＯ２の平衡負荷はほぼ同一であ
り、吸着選択性は結局低下してしまう。この分離効率の
低さが、プロセス上達成し得る純度及び回収量を厳しく
制限する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、低い吸着圧力と、床間相互作用を生じない吸着技法
を使用して、所定の、実質的に一定の生成物純度、即
ち、変動範囲がプラスマイナス１０％である所望の生成
物純度での、ＣＯ２のような重量成分を多成分ガス混合
物から回収するための改良ＰＳＡ法及び装置を提供する
ことである。解決しようとする他の課題は、資本コスト
及び運転コストが、従来の、特に小規模用途のための従
来技法よりも少ないそうした方法及び装置を提供するこ
とである。解決しようとする更に他の課題は、特定の断
熱的分離係数及び動的ＣＯ２負荷特性を有するゼオライ
トを内部の吸着材として使用することにより、多成分ガ
ス混合物からＣＯ２を回収するための改良ＰＳＡ法を提
供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に従えば、多成分
ガス混合物から重量ガス成分、例えば、ＣＯ２を回収す
るための圧力スゥイング吸着法（ＰＳＡ法）が提供され
る。本方法には、（１）多成分ガス混合物を、所望の運
転条件（即ち、所定の吸着温度及び吸着圧力）下に維持
された少なくとも１つの吸着体の入口及びこの吸着体を
貫いて送給し、ガス混合物の重量成分を吸着体内の吸着
材（吸着床あるいは床とも称する）上に吸着させ、ガス
混合物の軽量成分富化された単数あるいは複数の排出物
を吸着体出口から除去し、軽量成分富化された排出物の
少なくとも１部分を、吸着体出口と連通する圧力帯域内
に維持すること、

【００１２】（２）軽量成分富化された排出物の一部分
を、吸着圧力未満の圧力に維持され且つ同時に吸着体と
連通する真空帯域中に吸着体出口を通して並流的にブロ
ーダウンガスとして通し、脱着されたガスを、吸着体入
口を通して、向流的排気によって吸着体から除去し、そ
れにより、吸着体をその出口から並流的に減圧すると同
時にその入口から向流的に減圧し、かくして、向流での
排気流れ中の重量成分生成物の濃度を実質的に増大させ
ることなく、吸着体入口からボイドスペースガスを除去
すること、（３）吸着体出口を通しての軽量成分富化さ
れた排出物のブローダウン流れを停止させる一方で、吸
着体入口を通しての向流的な排気を継続し、それによ
り、吸着体をその内部圧力が真空帯域における圧力未満
となるまで減圧し、前記並流的な排出流れ中における重
量成分の濃度が所定濃度に達するまで重量成分の脱着を
継続させること、

【００１３】（４）真空帯域から床出口に流れるブロー
ダウンガスの流れを、パージガスとして吸着体を向流的
に通過させ、同時に、吸着体入口からの向流的排気を継
続し、それにより、生成物流れを重量ガス成分富化し及
び回収し、前記重量ガス成分が、パージガス流れを、生
成物排出物の圧力及び純度が初期において一定に維持さ
れ、次いで、生成物排出物流れにおける一定純度を維持
するための減圧段階が誘起されるように制御することに
より、所定の一定純度下に生成されるようにすること、
（５）仮に、真空帯域から排出される全てのブローダウ
ンガスの流れを段階（４）におけるパージガスとして使
用しない場合、随意的に、吸着体の入口からの流れを停
止させ、残留するブローダウンガスを吸着体の出口内に
通し、それにより、真空帯域内及び吸着体の圧力を等化
し且つ部分的に吸着体を再加圧すること、

【００１４】（６）軽量成分富化された排出物の一部分
を吸着体の出口に通し、それにより、吸着体を部分的に
再加圧すること、（７）多成分ガス混合物の追加部分を
吸着体の入口に通し、それにより、吸着体をその吸着圧
力に再加圧すること、（８）以上の各段階を反復し、一
定純度の、重量成分を含有する生成物流れを生成するこ
と、

【００１５】本発明のＰＳＡ法及び装置は、約６０％ま
でのＣＯ２を含有するガス流れ、例えば、より弱く吸着
された軽量成分、例えば窒素、酸素、水素、メタン及び
あるいは一酸化炭素のようなものを含む、煙道ガス、石
灰窯排ガスあるいは水素プラントテールガスのようなガ
ス流れから、ＣＯ２のような重量成分を回収するための
経済的システムを提供するものであるのが好ましい。そ
のように利用された場合、本発明の方法はほぼ大気圧
力、即ち、２気圧未満、好ましくは約１〜１．５気圧の
圧力下に望ましく実施される。その他の用途には、空気
からの窒素回収、天然ガスからの重水素回収、空気から
の酸素回収が含まれる。

【００１６】上述したように、煙道ガスのような、送給
物供給源となり得るものには、最小でも６〜１０％のＣ
Ｏ２が含まれ得る。結局、高圧下での吸着が、軽量成分
を大量に圧縮する必要性を生じさせる。送給物流れ中の
軽量成分が重要な生成物ではない場合、圧縮はエネルギ
ー節約上最小化されるべきである。本発明の方法では、
送給物の圧縮は最小量においてのみ必要であり、それ
が、装置における圧力降下の問第を解消する。しかも、
以下に説明するように、使用する吸着体は、送給物濃度
の且つ吸着圧力に近い大気圧下の重量成分に対する動的
容量及び選択性を最大化するように選択される。最後
に、重量成分富化した生成物流れによる部分的な並流排
斥を使用して重量成分の回収量を増大すると共に連続生
成を提供する、以下に説明するようなサイクルにおい
て、ガスの排斥量は最小化され、かくして、電力消費量
は一段と低減される。電力消費量が低減されることによ
り、圧縮エネルギーを回収するために従来の多くのシス
テムで使用された等化技法の必要性が排除される。

【００１７】本発明では、軽量成分富化した排出物を吸
着体の出口から外側の真空帯域中にブローダウンガスと
して排気する一方で、吸着体入口から排気流れを除去す
る（段階（２））ことによる、吸着体の並流／向流での
同時的な減圧を更に使用することにより、重量成分生成
物からボイドスペースガスが排出される。従来サイクル
の減圧段階の初期においては、床入口端部位置のボイド
スペース内での重量成分濃度は送給物濃度と同じであ
る。圧力が減少するに従い、床入口位置でのガス相内の
重量成分濃度はその初期値から増大し始める。減圧の初
期期間中、排出されるガスは重量成分で富化されるが、
これは生成物等級のものではない。この問第を解決する
ために、吸着段階完了後に吸着床を重量成分で洗浄して
低等級のガスを床から排斥し、そして後、排斥した排出
物を使用して別の吸着体を再加圧することにより、そう
した運転から圧力エネルギーを回収する必要があった。
本発明ではこの問第は、吸着体の圧力及び流れを、混合
損失を最小化するように制御する排出プロトコルによっ
て、あるいは、減圧開始以前に初期純度を上げるために
重量成分生成物を使用しての向流的な部分洗浄を使用す
る段階により最小化される。後者の段階は、生成物をし
て廃棄に際して即座に回収可能ならしめ、それにより、
床入口端部からの廃棄物排出の必要性を排除する。

【００１８】重要なことに、真空帯域からのブローダウ
ンガスを吸着体にパージ流れとして向流的に戻して通す
一方、吸着体からの排出流れを除去し続けること（段階
（４））により制御されたパージが確立される。この制
御されたパージは、重量成分生成物を吸着体入口に向け
て移動させるために作用するのみならず、更には、パー
ジ中に生成物流れの一定純度を維持するために圧力を制
御下に低下させるために使用することができる。減圧中
に代表的に生じる重量成分純度の変動は、かくして排除
され、そうした変動をならすための大型のサージ容器に
対する必要性が除去される。

【００１９】本発明の更に好ましい様相において、段階
（４）で回収した生成物流れの少なくとも一部分が吸着
体の入口に再循環されて吸着体入口位置でのガス混合物
の並流方向での排斥において作用し、それにより、重量
成分、例えばＣＯ２の入口濃度を生成物流れの所望の純
度に増大させる。排斥ガスの必要最小量は、送給物及び
生成物の純度次第であり、この最小量の排斥ガスは、所
望の生成物純度条件とのコンプライアンスを保証するた
めに、且つまた、関連する必然的な電力消費量を最小化
させるために提供される。

【００２０】従来の多くのプロセスでは、サイクル運転
を効率化するために、吸着体どうしを相互作用させて等
化プロセスあるいはパージプロセスを行うための、代表
的には３つ以上の同じ吸着体を必要とする。その結果、
こうしたプロセスのための多重吸着体及び関連する弁に
関する資本コストは相当なものとなる。本発明によれ
ば、床の相互作用を排除することによって吸着体及び切
替弁の必要数が減少される。圧力タンク及び真空タンク
が、再加圧とパージガスとを提供し、低圧下の吸着が、
圧力エネルギー回収のための等化の必要性を排除する。
かくして、本発明の方法を、単一の吸着体を使用して開
始し、あるいは好ましくは、独立した、しかしシーケン
ス的に作動自在の２つの吸着体を使用して開始し、真空
設備を連続利用することが可能となる。

【００２１】結局、本発明の装置様相によれば、多成分
ガス混合物の送給物ガス供給源から重量ガス成分を回収
するためのＰＳＡ装置であって、（１）入口端及び出口
端を有し、ガス混合物の重量成分を単数あるいは複数の
軽量成分に関して選択的に吸着することのできる吸着材
の層を組み込んだ吸着体と、（２）吸着体を通してのガ
ス流れを確立するための、吸着体を通しての圧力降下に
打ち勝つための手段と、（３）吸着体からの軽量成分富
化された排出物を受け、受けた排出物を吸着体出口に送
るための、吸着体の出口端と連通する圧力タンクと、

【００２２】（４）吸着体からの軽量成分富化された排
出物の更に別の部分を受け、受けた排出物部分をブロー
ダウンガスとして吸着体の出口端を通して吸着体に送る
ための、吸着体の出口端と連通する真空タンクと、
（５）圧力タンク及び真空タンクを吸着体の出口端との
連通状態に選択的に配置し、吸着体を減圧及び再加圧す
るための出口弁手段と、（６）脱着排出物を吸着体から
抜き出すための脱着排出物抜き出し手段と、（７）送給
物ガス供給源と脱着排出物抜き出し手段とを吸着体の入
口端との連通状態に選択的に配置し、それにより、吸着
体の入口端からの生成物流れに対するガス混合物の送給
及び除去を容易化するための入口弁手段と、（８）出口
弁手段と入口弁手段とを向流的に作動させ、真空タンク
からの、ブローダウンガスとしての軽量成分富化された
排出物の吸着体への送給を容易化し、また、吸着体から
の排出物流れ及び生成物流れの除去を容易化し、それに
より、吸着体を、その出口端から並流的に減圧すると同
時に、その入口端から向流的に減圧させるための制御手
段と、を含むＰＳＡ装置が提供される。

【００２３】説明したように、本発明の装置は、吸着体
の再加圧及びパージを容易化するための、吸着体の出口
端と連通する圧力タンク及び真空タンクと、脱着排出物
抜き出し手段、例えば、重量成分富化された排出物及び
生成物流れを除去するために吸着体の入口端と連通する
真空ポンプと共に、単一の吸着体を使用することができ
る。この装置を使用することにより、生成物純度、生成
物圧力あるは生成物流量の変動を減衰させるための大型
で高価なサージタンクを設置する必要性を排除し、それ
により、ＰＳＡ法を実施することに伴う資本コスト及び
エネルギー消費量が低減する。本発明のそうした装置
は、複数の吸着体及び、吸着体間の相互作用を実施する
ための比較的複雑な切替手段に対する必要性を排除する
ものであるが、本発明に従えば、段階的シーケンス下に
吸着体の入口端から生成物を連続的に流動させるために
作動する、独立作動自在の一対の吸着体を使用するのが
好ましい。あるいは、さほど好ましくはないが、吸着体
を通して複数の送給物流れ部分を同時に送り、それらを
平行作用させることもできる。何れにせよ、２つの吸着
体を使用することで任意の回転設備（圧縮機及び真空ポ
ンプ）の利用が可能となり、かくして、容量は増大し、
効率は高まる。

【００２４】本発明の他の様相に従えば、多成分ガス混
合物からＣＯ２を選択的に回収するための方法であっ
て、特定の吸着体内で実質的に大気圧下にＣＯ２を吸着
することを含む方法が提供される。本方法には、約−２
３．１〜１７６．８°Ｃ（約２５０〜４５０°Ｋ）、よ
り好ましくは約２６．８〜１２６．８°Ｃ（３００〜４
００°Ｋ）の送給条件、即ち、吸着温度下に、且つ、約
９０〜２００ｋＰａの吸着圧力下に吸着床にガス混合物
を吸着させること、吸着体を大気圧力以下に減圧して床
からＣＯ２を脱着し、実質的に一定純度下に床からＣＯ
２含有生成物を回収すること、が含まれ、吸着体が、約
１以上の、好ましくは２以上の断熱分離係数ΔＣＯ２／
ΔＮ２と、プロセス運転条件下での少なくとも０．１ｍ
ｏｌ／ｋｇのＣＯ２ダイナミックローディングとを有す
る。

【００２５】吸着体をこうしたプロセス条件に適応させ
ることにより、吸着体の効率改善による更なる資本コス
ト低下がもたらされる。大きな作用容量と、好ましい低
い圧力運転範囲での選択性とは、所定の製造量のために
必要な吸着体数を低減させるために臨界的なものであ
る。ゼオライトＮａＹ及びゼオライトＮａＸ（２．０）
は、石灰窯排ガス、水素プラントテールガスその他の、
窒素、酸素、水素、メタン、一酸化炭素といったより弱
く吸着された成分を含む供給源からＣＯ２を製造するた
めの、小さい床寸法係数を提供する吸着体の例である。
吸着体数のそれ以上の低減は、浅い吸着床及び短いサイ
クル時間を使用する運転により実現される。これによ
り、吸着体の生産性が増大し、必要であれば、サージ容
器の寸法を最小化して流量変動を減衰させることもでき
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】上述したように、本発明は多成分
ガス混合物中の、より強く吸着されたガス成分を、そう
した成分とともに混合された、より弱く吸着された成分
から分離することにより回収することを指向するもので
ある。都合上、より強く吸着されたガス成分を“重量”
成分と称し、より弱く吸着された成分を“軽量”成分と
称する。更に、以下の説明では、煙道ガス、石灰窯ブロ
ーダウンガス及び或は酸素プラントテールガスのよう
な、窒素、酸素、水素、メタン、一酸化炭素及び或はそ
の他の軽量成分を含有するガス混合物の重量成分として
のＣＯ２の回収に対して主に参照がなされる。しかしな
がら、本発明はそうした多成分ガス混合物からのＣＯ２
回収を主な目的とするものの、その目的はＣＯ２の回収
あるいは任意の送給物ガス供給源からのＣＯ２分離に限
定されるものではない。斯くして、本発明の方法及び装
置を、より選択的に吸着された成分が所望の生成物であ
る任意の多数の成分を分離するために使用することが可
能である。そうした分離には、これに限るものではない
が、窒素選択性吸着材を使用しての空気からの窒素回
収、酸素選択性吸着材を使用しての空気からの酸素回
収、ＣＯ選択性吸着材を使用しての合成ガスからの一酸
化炭素回収、そして、酸素選択性吸着材あるいはアルゴ
ン選択性吸着材の何れかを使用しての酸素／アルゴン分
離が含まれる。当業者には、本発明の方法の条件を特定
の関心物質分離のために適応されることを認識されよ
う。

【００２７】例：単一床システム（図１〜４） 本発明の基本的な装置の重要な構成要素が図１に示され
る。図示される最も基本的な実施例において、単一の吸
着体４が使用され、吸着体４には、単数あるいは複数の
好適な吸着材から成る単数あるいは複数の床が組み込ま
れ、入口端４Ａと、出口端４Ｂとを有している。吸着体
の入口端４Ａは、２方切替弁３を介して、送給ライン１
から吸着体に多成分ガス混合物を供給するための送給物
ブロワ２に結合され、２方切替弁１０を介して、吸着体
を排気して大気圧以下の圧力とするため及びライン１２
を通して生成物流れを回収するための真空ポンプ１１に
結合される。送給物ブロワ２は、送給物ガスを、システ
ムを通る際の圧力降下に打ち勝ち、それにより、周囲
の、大気圧よりも若干高い圧力下にガス状の送給物ガス
を提供する程度においてのみ、圧縮するのが好ましい。
送給物ブロワ２は、送給物ガスがシステムのΔＰに打ち
勝つに十分な圧力下に供給される場合には排除され得
る。

【００２８】吸着体の出口端４Ｂは、２方切替弁５を介
して圧力タンク６に結合され、この圧力タンクからの排
出物は、ライン７を通して、それ以降の生成物流れとし
て回収されるべく除去され得、あるいは通気され、ある
いは、出口端４Ｂは制御弁８を介して真空タンク９に結
合される。圧力タンク６は周囲圧力あるいはそれ以上の
圧力のガスを収蔵するために使用され、真空タンク９
は、周囲圧力以下のガスを収蔵するために使用される。
圧力タンクは、ほぼ周囲圧力下に作動する様々な容量の
容器であるのが好ましい。運転に際し、送給物ガスが吸
着体４の入口端４Ａに提供され、吸着体の出口端４Ｂか
らの軽量成分の排出物が圧力タンク６に収集され、引き
続き、再加圧ガスとして再使用され、吸着体の出口端４
Ｂからの並流で排気されるブローダウンガスが真空タン
ク９に収集され、引き続き、パージガスとして再使用さ
れ、真空ポンプ１１の排気側からライン１２を通して重
量成分富化された生成物が回収される。軽量成分の排出
物の一部分あるいは全ては圧力タンク６に収集される。
軽量成分の幾分かを、システムに戻すことなく、ライン
７を通して廃棄物として排出することができる。２方切
替弁３、１０、５は、吸着体４をして、送給物ブロワ
２、真空ポンプ１１、圧力タンク６の夫々と交互に連通
可能ならしめる。制御弁８は、吸着体４と真空タンク９
との間の流れを制御するために使用される。

【００２９】図１に示す単一床システムは、図２に示す
基本サイクル段階を実施するに際して使用するのに適し
ている。図２の段階（１）の間、送給物ガスはライン１
を通して送給物ブロワ２の入口側に送られる。２方切替
弁３が開放され、送給物ブロワ２の出口からの流れが吸
着体４の入口端４Ａに向けて流動する。吸着体４の出口
端４Ｂからの排出物は２方切替弁５を通して圧力タンク
６に入る。前記排出物の少なくとも一部分が圧力タンク
６に貯蔵される。排出物のこの部分は、ライン７を通し
てシステムから排出される。

【００３０】かくして、多成分ガス混合物の送給物が吸
着圧力下に吸着体の入口端に送られ、吸着材によって重
量成分が選択的に保持され、ガス相が単数あるいは複数
の軽量成分で富化され、吸着体の出口端からの軽量成分
の排出物の少なくとも一部分が、段階（１）の間に圧力
タンク内に収集され且つ保持される。

【００３１】段階（２）の間、２方切替弁３及び５を閉
じ、制御弁８を開放して真空タンク９への流入を許容
し、２方切替弁１０を開放して真空ポンプ１１への流入
を許容することにより、並流排気による減圧及び向流排
気による減圧が同時に実施される。段階（２）の間、真
空ポンプ１１からの排出物はライン１２において回収さ
れ、初期においては、廃棄物として排出されあるいは送
給物と共に再利用される。この段階（２）において、吸
着体は出口端から並流的にそして入口端から向流的に同
時に減圧され、床の圧力が、並流的な減圧のための駆動
力を真空タンクに提供し、床の圧力及び真空ポンプが、
向流的な減圧のための駆動力を提供する。並流排気され
たガスは、引き続きパージガスとして使用するために、
周囲圧力以下の圧力下に真空タンクに収集される。向流
排出されたガスは、主に、吸着体の入口端からの送給物
組成でのボイドスペースガスを構成し、初期においては
排出されあるいは送給物と共に再利用され得る。向流排
気されるガスにおける重量成分富化は、ブローダウンガ
スの向流流れ及び並流流れを注意深く均衡させることに
より最小化される。

【００３２】段階（３）では、制御弁８を閉じ、２方切
替弁１０を開放状態に保持することにより向流排気が継
続される。かくして、真空タンクから吸着体の出口端に
向かう流れが停止され、真空ポンプを使用しての向流排
気が、重量成分生成物の純度が生成物の最小純度条件と
合致し、吸着体の圧力が、真空タンクの圧力以下となる
まで継続される。この向流排気されたガスは重量成分富
化され、廃棄物として排気するかあるいは送給物と共に
再利用することができる。

【００３３】生成物生成を開始する段階（４）では、吸
着体４の圧力は真空タンク９における圧力以下である。
制御弁８が開放され、真空タンク９から吸着体４に流動
するパージ流れを制御するために使用される。２方切替
弁１０は開放状態に維持され、真空ポンプ１１を通して
の、ライン１２への生成物回収を許容する。かくして、
重量成分生成物が吸着体の入口端から除去され、一方、
低圧のパージガスが真空タンクから吸着体の出口端に送
られる。パージ速度は、制御弁を、圧力及び生成物純度
が初期に一定に保たれるように制御することにより制御
される。生成物純度が低下し始めると、パージ速度は吸
着体の圧力が低下するに従い減少し、その一方で、生成
物純度を一定に維持する。段階（４）に引き続き、床は
吸着圧力に再加圧される。

【００３４】段階（５）では、真空タンク９に十分なガ
スが残留している場合、このガスを使用して床を部分的
に再加圧する。段階（５）の間、２方切替弁１０を閉
じ、制御弁８を完全に解放し、それにより、真空タンク
９と吸着体４との圧力と等化する。段階（２）で貯蔵し
た正確な量のガスを段階（４）でパージガスとして使用
することにより、この段階（５）を排除するのが理想的
である。必要であれば、この段階（５）で、真空タンク
からの並流的な減圧で使用した、並流排気されるガスの
残りを使用して、吸着体をその出口端から向流的に部分
的に減圧する。段階（４）及び段階（５）は、必要であ
れば、真空タンクを引き続く各段階で必要な低圧に戻す
ために作用する。段階（６）では、２方切替弁５を開放
し、一方、制御弁８及び２方切替弁１０を閉じることに
より、軽量成分の排出物を使用しての部分再加圧が実現
される。段階（１）の間に圧力タンク６に貯蔵された軽
量成分の排出物が吸着体４を再加圧する。かくして、圧
力タンクからの軽量成分を使用しての、吸着体の出口端
４Ｂ位置での向流的な部分再加圧が実施される。

【００３５】最終段階（７）では、吸着体が吸着圧力に
再加圧される。２方切替弁５が閉鎖され、２方切替弁３
が開放され、それにより、送給物ガスの吸着体４への流
入が許容される。かくして、吸着体は、吸着体の入口端
４Ａに送られる送給物ガスを使用して、並流方向におい
て吸着圧力に再加圧される。再加圧の最後にサイクルシ
ーケンスが完了され、次いで、引き続くサイクルが段階
（１）において開始される。

【００３６】本発明の別の実施例では、プロセスサイク
ルの一部分の間に、重量成分生成物を使用しての並流排
斥が使用される。この場合、吸着体に引き続き送給する
ために重量成分生成物の一部を収集するための追加的な
タンクが必要である。並流排斥のための装置の重要な構
成要素が図３に例示される。ＶＰＳＡシステムの、図１
に例示する実施例の類似要素１〜１２に相当する要素が
番号２１〜３２で示される。更に、吸着体２４から回収
した生成物流れを使用しての並流的な部分洗浄を提供す
るために重量成分貯蔵タンク３３が設けられる。重量成
分貯蔵タンク３３は真空ポンプ３１の排出側に結合さ
れ、送給物ブロワ２２の入口側に結合した排出ライン３
４及び再利用ライン３５を有している。弁３６は２方切
替弁であり、並流排斥の間開放されることにより、排斥
ガスの、送給物ブロワ２２の入口側への流入を許容す
る。弁３７は２方切替弁であり、並流排斥の間、送給物
ガスの流れを停止させるために使用される。並流排斥の
ための排斥ガスは、真空ポンプの排出圧力がシステムに
おける圧力降下に打ち勝つに十分高い場合には、送給物
ブロワ２２を通過することなく吸着体２４の入口に直接
送られ得る。

【００３７】かくして、真空ポンプの排出側から回収し
た重量成分生成物の一部分は、重量成分貯蔵タンク内に
一時保存され、次いで、サイクルのその後の段階中に送
給物ブロワの吸引側に送られる。重量成分貯蔵タンク
は、概略周囲圧力下に作動され、可変容量を有する容器
である。重量成分生成物の一部分のみが吸着体に戻して
再利用され、残余の重量成分生成物部分は生成物として
システムから除去される。

【００３８】図３には、図４に示す並流排斥サイクルで
使用するために好適な単一床システムが示される。段階
（１）の間、送給物ガス２１は弁３７を通して送給物ブ
ロワ２２の入口側に送られる。２方切替弁２３が開放さ
れ、送給物ブロワ２２の出口からの流れの、吸着体２４
の入口端２４Ａへの流入が許容される。吸着体２４の出
口端２４Ｂからの排出物は２方切替弁２５を通して送ら
れ、圧力タンク２６に流入する。吸着体からの排出物の
少なくとも一部分が圧力タンク２６内に貯蔵され、排出
物の残余部分が、ライン２７を通してシステムから除去
される。かくして、多成分ガス混合物の送給物が吸着圧
力下に吸着体の入口に送られ、その間、重量成分が吸着
材により選択的に吸着され、ガス相は単数あるいは複数
の軽量成分で富化される。吸着体の出口端からの軽量成
分の排出物の少なくとも一部分はこの段階中に圧力タン
ク内に収集され且つ維持される。

【００３９】段階（２）では、ライン３５及び弁３６を
通して、重量成分貯蔵タンク３３からの生成物を送給物
ブロワ２２の入口側に送ることにより、重量成分を使用
しての部分的な並流洗浄が実施される。弁２３及び２５
は開放状態に維持され、弁３７が閉鎖される。吸着体２
４からの排出物の一部分あるいは全てが圧力タンク２６
に貯蔵され、排出物のこの部分が、ライン２７を通して
システムから除去される。かくして、重量成分生成物が
重量成分貯蔵タンクから吸着体の入口端に送られる。こ
れにより、軽量成分を相当量含有する非吸着性のガスの
一部分が吸着体の入口端から排斥され、入口端位置での
ガス相の重量成分濃度が所望の最小生成物純度に増大す
る。排斥ガス量は、引き続く減圧の間に床の入口端から
回収される重量成分の濃度が最小生成物純度以下に低下
しないように選択する。吸着体の出口端からの排出物の
一部分あるいは全ては、この段階（２）の間に圧力タン
ク内に貯蔵され得る。

【００４０】段階（３）では、弁２３及び２５を閉じ、
制御弁２８を開放して真空タンク２９への流入を許容
し、２方切替弁３０を開放して真空ポンプ３１への流入
を許容することにより、並流的な減圧及び向流的な減圧
が同時に実施される。この段階（３）の間、真空ポンプ
３１からの排出物はライン３２を介して重量成分貯蔵タ
ンク３３に送られる。引き続く並流排斥のために保持さ
れない生成物部分がライン３４を通してシステムから除
去される。この段階（３）では、吸着体はその出口端か
ら並流的に減圧され、同時に、その入口端から向流的に
減圧され、床の圧力が、並流的な減圧のための駆動力を
真空タンクに提供し、床圧力及び真空ポンプが、向流的
な減圧のための動力を提供する。並流的な減圧のための
ガスは、引き続きパージガスとして使用するための、周
囲圧力以下の圧力下に真空タンク内に収集され、向流的
な減圧のためのガスは重量成分生成物として回収され
る。

【００４１】段階（４）では、制御弁２８を閉じ、一
方、弁３０を開放状態に維持することで、向流的な減圧
が継続される。制御弁２８は、吸着体における圧力が、
真空タンクにおける圧力以下の所定水準に達するまで閉
じたままとされる。この向流的な減圧のための向流排気
ガスは重量成分生成物として回収される。一定純度の生
成物を製造する段階（５）の開始時点において、吸着体
２４における圧力は真空タンク２９における圧力以下で
ある。制御弁２８は開放され、真空タンク２９から吸着
体に流入する流れを制御するために使用される。弁３０
は開放状態のままとされ、それにより、生成物を、真空
ポンプ３１を通してライン３２に回収可能とする。この
段階において、吸着体の入口端からの重量成分生成物は
回収され、一方、真空タンクからの低圧のパージガスが
吸着体２４の出口端に送られる。パージ速度は、圧力及
び生成物純度が初期において一定に維持されるように制
御弁を制御することにより制御される、生成物純度が低
下するとパージ速度が減少され、それにより、一定の生
成物純度を回復し且つ維持するために吸着体における圧
力が降下する。

【００４２】段階（５）に引き続き段階（６）において
吸着体が部分的に再加圧され得る。段階（３）の間に真
空タンク２９に貯蔵された、並流的な減圧で使用した並
流排気ガスの全てが段階（５）の間にパージガスとして
使用されなかった場合、この並流排気ガスの残余部分を
段階（６）において吸着体を部分的に再加圧するために
使用することができる。段階（６）の間、弁３０を閉
じ、制御弁２８を完全に解放し、真空タンク２９と吸着
体２４との圧力を等化する。しかしながら、段階（３）
で貯蔵したガスの正確な量を段階（５）におけるパージ
ガスとして使用し、段階（６）を排除し得るようにする
のが理想的である。

【００４３】段階（７）では、弁２５を開放し、制御弁
２８及び弁３０を閉じることにより、軽量成分の排出物
を使用しての部分的な再加圧が実現される。圧力タンク
２６に段階（１）の間に貯蔵された軽量成分の排出物が
吸着体２４を再加圧する。サイクルの最終段階（８）
に、吸着圧力への再加圧が実施される。弁２５が閉鎖さ
れ、弁２が開放され、それにより、送給物ガスの吸着体
２４への流入が許容される。かくして、吸着体は送給物
圧縮機から吸着体入口端に送られる送給物ガスを使用し
て並流方向で作動圧力に再加圧される。再加圧の最後に
おいて、サイクルシーケンスが完了され、次いで、引き
続くサイクルが段階（１）において開始される。

【００４４】例：２床システム（図５及び図６） 独立して作動自在の２つの同一の吸着体を使用する、本
発明のＰＳＡシステムの好ましい実施例が図５及び図６
に示される。２つの吸着体を通して多成分ガス混合物が
シーケンス的に送られ、吸着／脱着の各運転が、各吸着
体から回収された生成物流れが結合され、所望純度の重
量ガス成分を含有する生成物流れの連続流れを提供する
ような段階的シーケンス下に実施される。各吸着体は、
圧力タンク、真空タンク、送給物圧縮機、真空ポンプと
交互に相互作用する。サイクル中において、吸着体どう
しが直接相互作用することはない。

【００４５】２床装置の重要な構成要素が図５に例示さ
れる。構成要素４１〜４８、及び５０〜５３は吸着体列
Ａの各構成要素であり、図１の単一床装置の構成要素１
〜１２に相当する。構成要素５４〜５８は、吸着体列Ａ
と共にサイクル化された第２の吸着体列Ｂを表す（かく
して、構成要素５４〜５８は構成要素４３〜４５、４８
及び５１に夫々相当する）。真空タンク５０と、各吸着
体列Ａ及びＢ間のブローダウンガスの流れ及びパージ流
れを制御するための制御弁４９がシステムに組み込まれ
る。図５の基本的な２床装置の各床のためのプロセスサ
イクル段階は、図１及び図２における単一床におけるそ
れと同じである。第１の吸着体のためのサイクルは、表
Ｉに示すように、第２の吸着体に関して位相をずらして
運転される。

【００４６】

【表１】

【００４７】吸着体列Ａがサイクルの段階（５）、
（６）、（７）及び（１）を実行し、一方、吸着体列Ｂ
がサイクルの段階（２）、（３）、（４）を実行するよ
うに均衡させるのが好ましい。これにより、吸着体のた
めの休止時間を排除し、回転する設備の一段と効率的な
利用が可能な、容量が増大された、均衡化されたサイク
ルが提供される。もし、随意的な等化段階（５）が不要
であれば、サイクルを、真空ポンプが連続的に運転され
るように均衡化することができる。そうでない場合、吸
着体と真空サージタンクとの間における同時的な相互作
用を防止するために、段階（５）に必要な時間と等しい
休止時間が必要である。

【００４８】図６に示す、本発明における最も好ましい
実施例では、２つの吸着体と、重量成分生成物を使用し
た並流洗浄とが使用される。各吸着体は、図３及び図４
で説明した単一床の吸着体に対すると同じサイクル運転
を受ける。各吸着体は、圧力タンク、真空タンク、送給
物圧縮機及び真空ポンプと交互に相互作用する。やは
り、サイクルの間において吸着体どうしが直接的に相互
作用することはない。２つの吸着体を並流洗浄と共に運
転することにより、重量成分生成物の連続製造が可能と
なるのみならず、ローテーション設備を一段と効率的に
利用することが可能となり、結局、最良のプロセス効率
と、最高の製造容量とを入手することができる。

【００４９】並流排斥を使用する２床装置の重要な構成
要素が図６に示される。構成要素６１〜７８は図５に示
す基本的な２床装置における構成要素４１〜５８に相当
する。追加的な、重量成分貯蔵タンク７９がライン７３
を通して真空ポンプ７２からの排出物を受け、並流排斥
（洗浄）のための、送給物ブロワ６２の内側と連通する
除去ライン８０及び再利用ライン８１が設けられてい
る。構成要素７２、７３及び７９〜８３は、夫々、図３
に示す並流排斥を使用する単一床装置の要素３１〜３７
に相当し、図３の装置に関して説明したと同じ様式下に
作動する。

【００５０】図６の、並流排斥を使用する２床装置にお
ける各吸着体のためのプロセスサイクルの各段階は、図
３及び図４に示す単一床のためのそれと同じである。一
方の省のためのサイクルは表ＩＩに示すように、他方の
容器に関して位相をずらして作動される。

【００５１】

【表２】

【００５２】吸着体列Ａがサイクルの段階（６）、
（７）、（８）及び（１）、（２）を実行するし、一
方、吸着体列Ｂがサイクルの段階（３）、（４）、
（５）を実行するように均衡させるのが好ましい。これ
により、均衡化されたサイクル運転が提供され、吸着体
のための休止時間が排除され、ローテーション設備の一
段と効率的な利用が可能とされ、重量成分生成物の連続
製造が提供される。もし、随意的な等化段階（６）が不
要であれば、サイクルを、真空ポンプが連続的に運転さ
れるように均衡化することができる。そうでない場合、
吸着体と真空サージタンクとの間における同時的な相互
作用を防止するために、段階（６）のために必要な時間
に等しい休止時間が必要である。上述の基本サイクルと
比較した場合、並流排斥サイクルによれば、一段と高い
処理量及び一段と高純度の生成物が提供され得る。これ
は、処理量及び生成物純度が通常は反比例するものであ
ることから見て驚くべき結果である。２床運転は、真空
設備の連続利用が提供されることから好ましいものであ
る。部分的な並流排斥を使用しての２床運転は、真空設
備の連続利用と、重量成分生成物の連続製造とが提供さ
れることに加え、処理量が高まることから特に好ましい
ものである。

【００５３】使用される吸着材（図７〜図９） 本発明を実施する上で有益な吸着材には、例えば、米国
特許第２，８８２，２４３号及び２，８８２，２４４号
に記載されるような既知の形式のモレキュラシーブ吸着
材、例えば、ゼオライトＡ、Ｘ及びＹタイプが含まれ
る。使用される単数あるいは複数の吸着材は、吸着圧
力、温度、組成の夫々の下での吸着材上の重量成分にお
ける動的負荷の度合いと、多成分ガス混合物から回収す
るべき重量成分と、単数あるいは複数の軽量成分との間
における吸着／脱着サイクルの終了時点での分離の度合
いとを共に最大化するように選択される。吸着材を、現
在出願中の、１９９７年４月１７日に出願した出願番号
第０８／８３７，４１１号に記載されるように、単一吸
着床に、あるいは多層吸着床に設けることができる。

【００５４】最も好まし吸着体形態には、前処理した層
に、使用する単数あるいは複数の吸着体における主たる
吸着材層を加えたものが含まれる。各層には１つ以上の
吸着材が含まれ得る。前処理層は供給物入口に最も近い
位置に位置付けられ、送給物流れから所望されざる汚染
物を除去する目的がある。代表的な汚染物には、水、Ｓ
Ｏｘ、ＮＯｘその他の、強く吸着される種のものが含ま
れる。当業者には、ゼオライト、活性アルミナ、シリカ
ゲルのみならずその他の好適な吸着材が前処理帯域で使
用されることを認識されよう。前処理帯域は、送給物流
れに汚染物が含まれない場合には無くすことができる。

【００５５】最も好ましい吸着圧力は、周囲圧力に近い
圧力あるいは、それよりも若干高い圧力であり、そうす
ることによって、特に、送給物中の重量成分の濃度が低
い場合における電力消費量が減少する。好ましい脱着圧
力は大気圧力以下の圧力である。最も好ましい脱着圧力
は、送給物中の重量成分の分圧以下の圧力である。燃焼
煙道ガス、石灰窯排ガス、水素プラントテールガス、そ
の他の供給源からＣＯ２を製造するためには、単数ある
いは複数の一次吸着材は、ＣＯ２を選択的に吸着する一
方で、軽量成分を通過させる必要がある。ＣＯ２は、そ
の他の多くの永久ガスと比べて大抵の多孔質吸着材に強
く吸着するが、吸着の強さは極めて変動し易い。

【００５６】図７には、幾つかの吸着材上にＣＯ２を吸
着させるための、概略２７°Ｃ（３００°Ｋ）での純粋
成分等温線が表されている。これらの等温線は、固形の
吸着材とＣＯ２との、弱い（例えばアルミナ上での）〜
非常に強い（例えば、ゼオライト５Ａ上での）相互作用
の度合いの変化を実証するものである。吸着の強さは、
主に、低い圧力下での等温線の傾斜によって示される。
ゼオライト５Ａの場合、２０ｋＰａでの釣り合い負荷
は、２００ｋＰａでの釣り合い負荷のおよそ９０％であ
る。ゼオライト５Ａにおけるような傾斜のきつい等温線
では、適切にＣＯ２を脱着し、吸着及び脱着の各段階間
でのＣＯ２作用容量あるいは動的負荷を良好なものとす
るためには、脱着圧力を非常に低くする必要がある。高
圧力下での負荷の微変動は送給物の圧縮を妨げる。低圧
力下での傾斜がそれほどきつくない等温線では送給物の
圧縮はより容易となる。

【００５７】サイクル的なＰＳＡ法における吸着体の性
能は、強く保持された成分及び弱く保持された成分にお
ける動的負荷の比との関連性が強い。この比は断熱分離
係数として算出されるが、最も正確には、吸着及び脱着
の各段階の終了時点での吸着床における軽量成分及び重
量成分の負荷を積分することによるプロセスシミュレー
ションの結果から算出される。この分離係数の妥当な平
衡近似化は等温線から直接行うことができる。先ず、送
給物、ガス混合物の温度と、吸着終了時の圧力及びガス
相組成、脱着終了時の圧力及びガス相組成を選択する。
これらの条件を指定した後、実験あるいは簡略化したエ
ネルギーバランスの反復解法（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｓ
ｏｌｕｔｉｏｎ）により、各吸着体のための相当する断
熱的な温度上昇を決定する。断熱的分離係数分析の適用
は、前述の、現在出願中の、１９９７年４月１７日に出
願した出願番号第０８／８３７，４１１号に記載され
る。煙道ガスからＣＯ２を回収するために本発明を実施
するに際して使用する最も好ましい吸着圧力は、廃棄物
ガスの無用な圧縮を最小化するために、周囲圧力に近い
圧力である。吸着材は、標準的な真空装置を使用して６
ｋＰａもの低い圧力下に経済的に排気され得るので、最
小の脱着圧力値が選択される。ＣＯ２が１２％、Ｎ２が
８８％である組成の送給物が代表的な煙道ガス流れとし
て選択される。本分析上選択された、ＣＯ２の所望の生
成物純度は８８％であった。

【００５８】上述の係数に基づく断熱分離係数分析の結
果が図８に示される。この結果には、関心を持たれそう
な様々な吸着材のための、吸着段階終了時点での床にお
ける温度の関数としての、断熱的な平衡分離係数の近似
変化が示される。各吸着材は、吸着及び脱着の各檀家遺
憾で生じる異なる熱的スゥイング（ΔＴ）により特徴付
けられる。ゼオライトＮａＹは、中庸の容量と、ＣＯ２
に対する選択性とを有するが、中庸条件下に再生され
得、従来の吸着材に勝る著しい改良をもたらす。約５
６．８°Ｃ（３３０°Ｋ）の送給物温度下において、ゼ
オライトＮａＹのための分離係数はＢＰＬ活性炭のそれ
の約４倍である。中庸の送給物温度（約７６．８°Ｃ
（３５０°Ｋ）までの）下において、ゼオライトＮａＹ
は、従来からの他の吸着材に勝るＣＯ２選択性を示す。

【００５９】供給源と、ＣＯ２ＰＳＡプラントの煙道ガ
スあるいはその他の多成分ガス混合物の送給物に対する
距離的な近さに基づき、煙道ガスを高温下に入手するこ
とができる。ＣＯ２のためには、等温線の傾斜がそれほ
どきつくなく、より直線的であることから、吸着温度が
上昇する程、強い吸着材が好ましい。高温（約９６．８
°Ｃ（３７０°Ｋ）以上の）では、ゼオライト１３Ｘの
性能はゼオライトＮａＹのそれを上回り得るが、ゼオラ
イトＮａＸ（２．０）あるいは、二酸化珪素（ＳｉＯ２
とも表記する）／酸化アルミニューム（Ａｌ２Ｏ３とも
表記する）比が２．０に等しいＮａＸゼオライトは、ゼ
オライト１３ＸあるいはＮａＸ（２．５）と比較して実
質的な性能改善をもたらすことがわかる。Ｓｉ／Ａｌ比
のずっと低い追加的なカチオンサイトでは、ＮａＸ
（２．０）が、ＣＯ２のための著しく大きい容量と、高
い分離係数とを提供する。約７６．８°Ｃ（３５０°
Ｋ）以上の温度では、図８に示されるように、ＮａＸ
（２．０）が、従来の上述のその他の吸着材と比較して
優れていることがわかる。

【００６０】断熱分離係数は、吸着材の選択性を特徴付
けるものであり、また、プロセスサイクル条件を使用し
て達成することのできる純度及び回収の相関的測定値
（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅ）を与えるもので
ある。吸着及び脱着の各段階間でのＣＯ２負荷の変動
は、吸着材の生産性の相関的測定値を提供する。言い換
えると、所定のＣＯ２製造速度のために必要な吸着材量
（床寸法係数と称する）を決定する。異なる吸着材を使
用した場合におけるこうした動的負荷の変動が図９に示
される。低い温度ではゼオライトＮａＹの動的負荷は最
も高く、従って、床寸法係数は最小となる。ずっと高い
温度ではゼオライトＮａＸ（２．０）が、最小の床寸法
係数を提供する。床寸法係数が小さいほど、吸着材料及
び吸着材寸法を減少させることが可能であり、それによ
り、従来技術と比較してのコスト低下が可能となる。

【００６１】上述したように、本発明を実施する上で有
益な、吸着材のこうした特徴は、プロセスの吸着及び脱
着の各段階における、ガス中の重量成分及び軽量成分の
圧力、温度、そして組成に基づくものである。ＣＯ２回
収において、吸着温度が約２６．８〜１２６．８°Ｃ
（３００〜４００°Ｋ）、吸着圧力が約９０〜２００ｋ
Ｐａ下での、断熱分離係数、即ち、ΔＣＯ２／ΔＮ２の
値が約２以上であり、ＣＯ２の動的負荷が０．１ｍｏｌ
／ｋｇを上回るゼオライト吸着材を使用するのが好まし
い。

【００６２】ＣＯ２回収のための２つの最も好ましい吸
着材は、ゼオライトＮａＹとゼオライトＮａＸ（２．
０）である。これらの吸着材は、従来伝統的に使用され
てきた吸着材を上回る著しい潜在性を示す。代表的な煙
道ガス供給物のためには、ゼオライトＮａＹは、中庸の
吸着温度（約６６．８°Ｃ（３４０°Ｋ）未満）におい
て、最高の分離係数と最高のＣＯ２作用容量とを有す
る。もっと高い温度ではＮａＸ（２．０）は高い分離係
数を示し、一方、比較的高いＣＯ２作用容量を維持す
る。これらの吸着材は、本発明のＰＳＡ法その他の、圧
力スゥイング、真空スゥイング、あるいは真空／圧力ス
ゥイングの、窒素、酸素、水素、メタン、あるいは一酸
化炭素のような、様々の弱く吸着された成分を使用して
混合物からＣＯ２を回収するための各プロセスにおい
て、主たる吸着材として使用することができる。

【００６３】例 シミュレーション及びパイロットプラント実験を使用し
て、本発明のＣＯ２を回収するためのプロセス及び吸着
材の性能を証明した。

【００６４】例１及び２ 代表例には、ゼオライトＮａＹを使用して、１２％のＣ
Ｏ２及び８８％のＮ２を含有する煙道ガスから約８８％
のＣＯ２生成物を、回収することが含まれる。２床基本
サイクル及び２床並流排斥サイクルのためのミュレーシ
ョン結果が以下の表ＩＩＩに示される。基本サイクルで
は、６６％の回収率での生成物純度８０％が得られた。
回収率は、ここでは、生成物として回収される、供給物
中のＣＯ２部分として定義される。この実験のための、
一日当たりのメートルトン当たりのゼオライトＮａＹが
約１５４．６ｋｇ（３４１ポンド）、含有ＣＯ２生成物
（ｌｂ／ｍｔｐｄ）である床寸法係数（ＢＳＦ）が達成
された。本発明の２床並流排斥サイクルを使用すること
によって更に高い回収率と生産性とが入手された。並流
排斥を使用する場合、生成物回収率は７５％に増大し、
一方、ＢＳＦは約１４４．７ｋｇ（３１９ポンド）に低
下した。

【００６５】

【表３】

【００６６】例３及び４ 追加例には、ＣＯ２を５４％、ＣＨ４を１６％、Ｈ２を
３０％含有する水素プラントテールガスから約９２％の
ＣＯ２生成物を回収するためのプロセスにおいて、ゼオ
ライトＮａＹを使用することが含まれる。２床基本サイ
クル及び２床並流排斥サイクルのためのシミュレーショ
ン結果が以下の表ＩＶに示される。基本サイクルによっ
て、８７％の回収率下に９２％ＣＯ２生成物が生成され
た。床寸法係数は約１０３．４ｋｇ（２２８ｌｂ）／ｍ
ｔｐｄであった。２床並流排斥サイクルを使用すること
によって更に高い回収率と、若干高い生産性とが得られ
た。このサイクルの場合、生成物回収率は９２％に増大
し、一方、床寸法係数は約１０２．９ｋｇ（２２７ｌ
ｂ）ｍｔｐｄと、基本的には変わらなかった。

【００６７】

【表４】

【００６８】以上、本発明を実施例を参照して説明した
が、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解され
たい。かくして、本発明の方法は、２つの吸着体及び１
つ以上の任意の所望形状の、即ち、一定容積の貯蔵タン
クあるいは圧力タンクを使用して行うのが好ましいが、
２つ以上の吸着体及び多数の貯蔵タンクを使用して行う
ことができる。更には、本発明において、吸着体を貫く
軸流れ、半径流れ、横断方向流れその他の流れ模様をし
ようすることができる。個々の吸着体に関して、各吸着
体が、その他の成分、例えば水蒸気を吸着するための任
意の前処理層無しで、あるいはそうした前処理層を１つ
以上有する状態の何れかにおいて、多数の主たる吸着材
を含むことができる。また、各吸着材層が、単一の吸着
材あるいは２つ以上の吸着材の混合体を含むことができ
る。

【００６９】更に、周囲圧力に近い吸着圧力下に好まし
く運転されるが、吸着圧力を大気圧力あるいはそれ以上
の圧力とすることができる。同様に、最小脱着圧力を、
大気圧あるいはそれ以下の圧力とすることができる。本
発明をゼオライトＮａＹの使用に関して限定して説明し
たが、ゼオライトＮａＸ（２．０）その他の任意の特定
の吸着材をＣＯ２回収のための主たる吸着材として使用
することができる。これらのプロセスを、別の吸着材を
１つ以上の主たる吸着材層に配分した状態において、Ｃ
Ｏ２回収のために使用することができる。ＣＯ２回収の
ための吸着材を評価及び選択するために使用する断熱的
分離係数法は一般的なものであり、他の多成分分離に対
しても等しく適用することができる。

【００７０】本発明は、多成分の送給物流れからＣＯ２
を回収することを主に指向するものであるが、ここに開
示された概念をその他の多くの分離のために適用するこ
とができる。かくして、ここに開示したプロセスを、よ
り選択的に吸着される成分が所望の生成物であるところ
の好適な吸着材を任意に組み合わせにおいて、その他の
多成分分離のために使用することができる。その他の多
成分分離には、これに限定するものではないが、窒素選
択性吸着材を用いての空気からの窒素回収、酸素選択性
吸着材を使用しての空気からの酸素回収、ＣＯ選択性吸
着剤を使用しての合成ガスからの一酸化炭素回収、そし
て、酸素選択性あるいはアルゴン選択性の何れかの吸着
材を使用しての酸素あるいはアルゴン分離が含まれる。
また、本発明を、軽量生成物及び重量生成物の両方を共
生産するために、例えば、富化Ｎ２及び富化ＣＯ２を煙
道ガスから、あるいは富化Ｎ２及び酸素を空気から共生
産するために使用することができる。従って、本発明の
特定の特徴を、都合上のみにおいて１つ以上の図面に示
し、あるいは例示したが、そうした特徴を本発明に従
い、その他の特徴と組み合わせることができる。当業者
には、本発明を実施する上で使用することのできる、ま
た、請求の範囲内に含まれるその他の実施例を認識され
よう。

【００７１】

【発明の効果】低い吸着圧力と、床間相互作用を生じな
い吸着技法を使用して、所定の、実質的に一定の生成物
純度、即ち、変動範囲がプラスマイナス１０パーセント
である所望の生成物純度での、ＣＯ２のような重量成分
を多成分ガス混合物から回収するための改良ＰＳＡ法及
び装置が提供される。資本コスト及び運転コストが、従
来の、特に小規模用途のための従来技法よりも少ないそ
うした方法及び装置が提供される。特定の断熱的分離係
数及び動的ＣＯ２負荷特性を有するゼオライトを内部の
吸着材として使用することにより、多成分ガス混合物か
らＣＯ２を回収するための改良ＰＳＡ法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の単一床ＰＳＡ装置のある実施例の流れ
ダイヤグラム図である。

【図２】図１の装置を使用する、本発明のＰＳＡ法の基
本サイクルシーケンスの例示図である。

【図３】重量成分生成物を、プロセス処理サイクル部分
中に吸着体の入口に送給するための並流排斥システムを
取り入れた、本発明の単一床ＰＳＡ装置の別の実施例の
流れダイヤグラム図である。

【図４】図３の並流での排斥システムのためのサイクル
シーケンスの例示図である。

【図５】２床ＰＳＡ装置の実施例の概略流れダイヤグラ
ム図である。

【図６】２床／並流排斥を使用する本発明の好ましい実
施例の概略流れダイヤグラム図である。

【図７】種々の吸着体のための異なる圧力下でのＣＯ２
吸着等温線のグラフである。

【図８】異なる吸着温度下での種々の吸着体のための断
熱分離係数の変動を示すグラフである。

【図９】異なる吸着温度下での種々の吸着体のＣＯ２の
動的負荷（ΔＣＯ２）の変動をあらわグラフである。

【符号の説明】

４ 吸着体 ４Ａ 入口端 ４Ｂ 出口端 １ 送給ライン ２ 送給物ブロワ ３、５、１０、 ２方切替弁 ６ 圧力タンク ９ 真空タンク ８ 制御弁 １１ 真空ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フレデリック・ウェルズ・レビット アメリカ合衆国ニューヨーク州アマスト、 サンドリッジ・ドライブ114 (72)発明者 マーク・ウィリアム・アクリー アメリカ合衆国ニューヨーク州イースト・ オーローラ、チャーチ・ストリート96 (72)発明者 フランク・ノタロー アメリカ合衆国ニューヨーク州アマスト、 ハークロフト・コート18

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多成分ガス混合物から重量成分を回収す
   るための圧力スゥイング吸着法であって、 （１）多成分ガス混合物を、少なくとも１つの吸着体の
   入口及びこの吸着体を貫いて送給し、ガス混合物の重量
   成分を吸着体内部の吸着材上に吸着させ、ガス混合物
   の、軽量成分富化された単数あるいは複数の排出物を吸
   着体出口を通して吸着体から除去し、軽量成分富化され
   た排出物流れの少なくとも１部分を、吸着体出口と連通
   する圧力帯域内に維持すること、 （２）軽量成分富化された排出物流れの一部分を、吸着
   圧力未満の圧力に維持され且つ吸着体と連通する真空帯
   域中に、吸着体出口を通して並流的にブローダウンし、
   同時に、脱着されたガスを、吸着体入口を通して、向流
   的排気によって吸着体から除去し、それにより、吸着体
   をその出口から並流的に減圧し且つ入口から向流的に減
   圧すること、 （３）吸着体出口を通してブローダウンされる軽量成分
   富化された排出物の流れを停止させる一方で、吸着体入
   口を通しての向流的な排気を継続し、それにより、吸着
   体をその内部圧力が真空帯域における圧力未満となるま
   で減圧すること、 （４）吸着体出口を通してブローダウンされる軽量成分
   富化された排出物の流れを、真空帯域から吸着体出口に
   流れるパージガスとして吸着体出口及び吸着体を貫いて
   向流的に通過させ、それにより、重量ガス成分富化され
   た生成物流れを回収すること、 （５）真空帯域からの排気ガス流れを停止させ、真空帯
   域からの軽量成分富化された排出物流れを吸着体出口に
   通し、それにより、吸着体を部分的に再加圧すること、 （６）多成分ガス混合物の追加部分を吸着体の入口に通
   し、それにより、吸着体の再加圧を完了すること、 （７）上記各段階を反復し、重量成分を含有する一定純
   度の生成物流れを生成すること、 を含む圧力スゥイング吸着法。
2. 【請求項２】 窒素、酸素、水素、メタン及び或は一酸
   化炭素から選択された単数あるいは複数の、より少なく
   選択的に吸着された成分を含有する多成分ガス混合物に
   して、サイクル的段階によってＣＯ２を選択的に吸着す
   る吸着材を含む少なくとも１つの吸着体内に接触するガ
   ス混合物から、少なくともＣＯ２を回収するための方法
   であって、 （ａ）ガス混合物を、２６．８〜１２６．８°Ｃ（３０
   ０〜４００°Ｋ）の吸着温度下に且つ９０〜２００ｋＰ
   ａの吸着圧力下に吸着材と接触する吸着体内に通し、吸
   着体によってＣＯ２を選択的に吸着させる吸着段階と、 （ｂ）吸着体内へのガス混合物送給を断続し、吸着体内
   の圧力を吸着圧力よりも低い脱着圧力に低下させて吸着
   体からＣＯ２を脱着させる脱着段階と、 （ｃ）吸着体から、少なくとも予め決定された一定純度
   においてＣＯ２を含有する生成物を回収すること、 を含み、 吸着材が、２以上である断熱分離係数ΔＣＯ２／ΔＮ２
   と、前記吸着温度及び吸着圧力下における少なくとも
   ０．１ｍｏｌ／ｋｇのＣＯ２ダイナミックローディング
   とを有し、生成物濃度及び脱着圧力が図８に示すような
   ものである方法。
3. 【請求項３】 多成分ガス混合物中の重量ガス成分を回
   収するための圧力スゥイング吸着を実施するための装置
   であって、 （１）入口端及び出口端を有し、ガス混合物の重量成分
   を単数あるいは複数の軽量成分に関して選択的に吸着す
   ることのできる吸着体の層を組み込んだ吸着体と、 （２）ガス混合物を吸着体を通して送るための、吸着体
   の入口端と連通する送給物ブロワと、 （３）吸着体からの軽量成分富化された排出物を受け、
   受けた排出物を吸着体出口に送るための、吸着体の出口
   端と連通する圧力タンクと、 （４）吸着体からの軽量成分富化された排出物の更に別
   の部分を受け、受けた排出物部分をブローダウンガスと
   して吸着体の出口端を通して吸着体に送るための、吸着
   体の出口端と連通する真空タンクと、 （５）圧力タンク及び真空タンクを吸着体の出口端との
   連通状態に選択的に配置し、吸着体を減圧及び再加圧す
   るための出口弁手段と、 （６）送給物ブロワから独立し且つ吸着体の入口端と連
   通する真空ポンプにして、予め決定された一定濃度で
   の、ガス混合物の重量成分を含有する生成物流れを回収
   するための真空ポンプと、 （７）送給物ブロワと真空ポンプとを吸着体の入口端と
   の連通状態に選択的に配置し、それにより、吸着体の入
   口端へのガス混合物の送給及び生成物流れの除去を容易
   化するための入口弁手段と、 （８）出口弁手段と入口弁手段とを向流的に作動させ、
   真空タンクからの、ブローダウンガスとしての軽量成分
   富化された排出物の、吸着体への送給を容易化し、ま
   た、吸着体からの排出物流れの除去を容易化し、それに
   より、吸着体を、その出口端から並流的に減圧し、同時
   に、その入口端から向流的に減圧させるための制御手段
   と、 を含む装置。