JP5601829B2 - 精製ガス・脱着ガス取得方法および精製ガス・脱着ガス取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力変動吸着法を利用して、混合ガスから目的ガスを分離する方法および装置に関する。

混合ガスから目的ガスを分離ないし精製する方法として、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用した手法が知られている。ＰＳＡ法については、例えば下記の特許文献１〜５に記載されている。

ＰＳＡ法では、例えば、不純物を吸着するための吸着剤が充填された吸着塔が使用される。そのような吸着塔を使用して行われるＰＳＡ法による従来のガス精製方法においては、吸着塔にて、例えば次の吸着工程、脱着工程、および洗浄工程を含むサイクルが繰り返される。吸着工程では、塔内が高圧状態にある吸着塔に対して原料ガスたる混合ガスが導入されて、当該原料ガス中の不純物が吸着剤に吸着されつつ、当該吸着塔から非吸着ガスが導出される。この非吸着ガスは、目的ガスが富化されたガスであり、精製ガスとして取得される。脱着工程では、吸着塔内が大気開放されて降圧されることにより、吸着剤から不純物が脱着され、この不純物を含む脱着ガスが塔外へ排出される。洗浄工程では、吸着塔に洗浄ガスが通流される。洗浄工程の後、塔内が昇圧されて次サイクルの吸着工程に備えられる。

脱着工程にて塔外に排出される上記の脱着ガスについては、必要に応じた処理を経て大気に廃棄される場合もあれば、所定目的に利用される場合もある。上記の脱着ガスが所定目的に利用される場合には、一般に、当該脱着ガスについて、一旦タンクに貯留したうえで、圧縮機によって昇圧した状態で利用先に供給する必要がある。しかしながら、脱着ガス用のこのような圧縮機を使用することは、ＰＳＡ法によるガス精製において、設備コスト、動力コスト、およびメンテナンスコスト等の上昇を招き、好ましくない。

特開２００２−１７７７２６号公報 特開２００２−３５５５２１号公報 特開２００２−３５５５２２号公報 特開２００４−６６１２５号公報 特開２００５−１１８７１７号公報

本発明は、混合ガスから有用な脱着ガスを得つつ当該混合ガスから高回収率で目的ガスを分離するのに適した精製ガス・脱着ガス取得方法および精製ガス・脱着ガス取得装置を提供することを、目的とする。

本発明の第１の側面によると、吸着剤が充填された吸着塔を用いて、混合ガスから目的ガスを分離する方法が提供される。本方法は、少なくとも吸着工程、脱着工程、および減圧パージ工程を含むサイクルを吸着塔にて繰り返し行うものである。吸着工程では、吸着塔内が吸着圧力にある状態にて、当該吸着塔に混合ガスを導入し、当該混合ガス中の不純物を吸着剤に吸着させ、且つ、目的ガスが富化された精製ガスを当該吸着塔から導出する。吸着圧力とは、混合ガス中の所定不純物を塔内の吸着剤が選択的に吸着するための高圧力である。脱着工程では、吸着塔内を中間圧力まで降圧し、吸着剤から不純物の一部を脱着させ、且つ、当該吸着塔から脱着ガスを導出する。減圧パージ工程では、吸着塔内を大気開放して降圧しつつ、吸着剤から不純物の一部を脱着させ、且つ、当該吸着塔に洗浄ガスを通流させる。

本精製ガス・脱着ガス取得方法においては、脱着工程にある吸着塔内は、上述の従来方法のようには大気開放されない。本方法の脱着工程にある吸着塔内は、大気圧より高い圧力（中間圧力）にあり、従って、このような吸着塔から導出される脱着ガス（吸着剤から脱着した不純物を含む）については、圧力を有するガスとして取得することが可能である。この脱着ガスは、所定目的に利用できる場合があり、利用目的に応じて前記の中間圧力を設定することにより、圧縮機などを使用せずとも、利用目的に適した圧力を有するガスとして取得することが可能である。

また、本精製ガス・脱着ガス取得方法においては、脱着工程を終えた吸着塔にて減圧パージ工程を実行する。減圧パージ工程では、上述のように、吸着塔内を大気開放して降圧しつつ、吸着剤から不純物を脱着させ、且つ、当該吸着塔に洗浄ガスを通流させる。このような減圧パージ工程を実行する前の吸着塔内の吸着剤は、吸着工程にて吸着した不純物が充分には脱離していない状態にある。そのため、脱着工程を終えた吸着塔にて上記の減圧パージ工程を実行せずに当該吸着塔内を吸着圧力まで昇圧してから次サイクルの吸着工程を実行する、という構成を各サイクルにて仮に採用すると、吸着塔内の吸着剤において、本来的な不純物吸着容量よりも実効的な不純物吸着容量が小さくなり、その結果、精製ガスについて充分な回収率を達成することができない事態が生じ得る。これに対し、脱着工程を終えた吸着塔にて上記減圧パージ工程を実行すると、大気開放下にて、吸着剤からの不純物の離脱を促進させて吸着剤を再生ないし浄化させることができ、当該再生された吸着剤を使用して次サイクルの吸着工程を実行することができるので、精製ガスについて高い回収率を達成しやすい。

以上のように、本発明の第１の側面に係る精製ガス・脱着ガス取得方法は、混合ガスから有用な脱着ガスを得つつ、当該混合ガスから高回収率で目的ガスを分離するのに、適する。

本発明の第２の側面によると、吸着剤が充填された複数の吸着塔を用いて、混合ガスから目的ガスを分離する方法が提供される。本方法は、吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、脱着工程、減圧パージ工程、第１昇圧工程、および第２昇圧工程を含むサイクルを複数の吸着塔のそれぞれにおいて繰り返し行う。吸着工程では、吸着塔内が吸着圧力にある状態にて、当該吸着塔に混合ガスを導入し、当該混合ガス中の不純物を吸着剤に吸着させ、且つ、目的ガスが富化された精製ガスを当該吸着塔から導出する。吸着圧力とは、混合ガス中の所定不純物を塔内の吸着剤が選択的に吸着するための高圧力である。第１減圧工程では、吸着塔から第１導出ガスを導出して当該吸着塔内を第１中間圧力まで降圧する。第２減圧工程では、吸着塔から第２導出ガスを導出して当該吸着塔内を第２中間圧力まで降圧する。脱着工程では、吸着塔内を第３中間圧力まで降圧し、吸着剤から不純物の一部を脱着させ、且つ、当該吸着塔から脱着ガスを導出する。減圧パージ工程では、吸着塔内を大気開放して降圧しつつ、吸着剤から不純物の一部を脱着させ、且つ、当該吸着塔に洗浄ガスを通流させる。第１昇圧工程では、吸着塔に第１昇圧ガスを導入して吸着塔内を昇圧する。第２昇圧工程では、吸着塔に第２昇圧ガスを導入して吸着塔内を更に昇圧する。そして、本方法では、減圧パージ工程にある吸着塔には、第１減圧工程にある吸着塔から導出される第１導出ガスを洗浄ガスとして導入する。第１昇圧工程にある吸着塔には、第２減圧工程にある吸着塔から導出される第２導出ガスを第１昇圧ガスとして導入する。第２昇圧工程にある吸着塔には、精製ガスを第２昇圧ガスとして導入する。

本精製ガス・脱着ガス取得方法においては、脱着工程にある吸着塔内は、上述の従来方法のようには大気開放されない。本方法の脱着工程にある吸着塔内は、大気圧より高い圧力（第３中間圧力）にあり、従って、このような吸着塔から導出される脱着ガス（吸着剤から脱着した不純物を含む）については、圧力を有するガスとして取得することが可能である。この脱着ガスは、所定目的に利用できる場合があり、利用目的に応じて前記の第３中間圧力を設定することにより、圧縮機などを使用せずとも、利用目的に適した圧力を有するガスとして取得することが可能である。

また、本精製ガス・脱着ガス取得方法においては、脱着工程を終えた吸着塔にて上記の減圧パージ工程を実行する。脱着工程を終えた吸着塔にて上記減圧パージ工程を実行すると、第１の側面に関して上述したように、大気開放下にて、吸着剤からの不純物の離脱を促進させて吸着剤を再生ないし浄化させることができ、当該再生された吸着剤を使用して次サイクルの吸着工程を実行することができるので、精製ガスについて高い回収率を達成しやすい。

以上のように、本発明の第２の側面に係る精製ガス・脱着ガス取得方法は、有用な脱着ガスを得つつ、混合ガスから高回収率で目的ガスを分離するのに、適する。

本発明の第２の側面において、好ましくは、第２昇圧工程にある吸着塔には、吸着工程にある吸着塔から導出される精製ガスを第２昇圧ガスとして導入する。このような構成によると、一旦取得された精製ガスを第２昇圧対象の吸着塔に対して供給するための機構を設ける必要はない。したがって、このような構成によると、第２昇圧工程を含む本方法を効率よく実行することが可能である。

本発明の第１および第２の側面において、好ましくは、脱着工程にある吸着塔から導出される脱着ガスをタンクに貯留する。このような構成は、脱着ガスについて安定した圧力で脱着ガス利用先に供給するうえで、好適である。

本発明の第３の側面によると、精製ガス・脱着ガス取得装置が提供される。本装置は、複数の吸着塔および第１〜第６配管を備える。各吸着塔は、第１ガス通過口および第２ガス通過口を有し、且つ、当該第１および第２ガス通過口の間において吸着剤が充填されている。第１配管は、ガス導入端を有する主幹路と、吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の第１ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第１分枝路とを有する。第２配管は、第１ガス排出端を有する主幹路と、吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の第２ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第２分枝路とを有する。第３配管は、第２配管の主幹路における第１ガス排出端および複数の第２分枝路の間に連結された主幹路と、吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の第２ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第３分枝路とを有する。第４配管は、第３配管の主幹路における複数の第３分枝路および第２配管の間に連結された主幹路と、吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の第２ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第４分枝路とを有する。第５配管は、第２ガス排出端を有する主幹路と、吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の第１ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第５分枝路とを有する。第６配管は、第５配管の主幹路における第２ガス排出端および複数の第５分枝路の間に連結され、開閉弁が付設され、且つ、第３ガス排出端を有する。本装置によると、本発明の第１および第２の側面に係る精製ガス・脱着ガス取得方法を、適切に実行することができる。

本発明の第３の側面に係る精製ガス・脱着ガス取得装置は、好ましくは、第５配管の第２ガス排出端が連結された貯留タンクを更に備え、且つ、第５配管の主幹路において、第２ガス排出端と第６配管との間に、開閉弁が付設されている。貯留タンクは、第１および第２の側面に係る上記の方法において取得することのできる脱着ガスを貯留するためのものである。このような貯留タンクの具備は、当該脱着ガスについて安定した圧力で脱着ガス利用先に供給するうえで、好適である。

本発明に係る精製ガス・脱着ガス取得方法を実行するのに使用することのできる精製ガス・脱着ガス取得装置の概略構成を表す。 本発明に係る精製ガス・脱着ガス取得方法の各ステップについて、各吸着塔で行われる工程、および、図１に示す精製ガス・脱着ガス取得装置の各自動弁の開閉状態を示す表である。 本発明に係る精製ガス・脱着ガス取得方法のステップ１〜３におけるガス流れ状態を表す。 本発明に係る精製ガス・脱着ガス取得方法のステップ４〜６におけるガス流れ状態を表す。 本発明に係る精製ガス・脱着ガス取得方法のステップ７〜９におけるガス流れ状態を表す。 比較例１〜３に係る方法を実行するのに使用することのできる装置の概略構成を表す。 比較例１〜３に係る方法の各ステップについて、各吸着塔で行われる工程、および、図６に示す装置の各自動弁の開閉状態を示す表である。 比較例１〜３に係る方法のステップ１〜３におけるガス流れ状態を表す。 比較例１〜３に係る方法のステップ４〜６におけるガス流れ状態を表す。 比較例１〜３に係る方法のステップ７〜９におけるガス流れ状態を表す。 実施例における脱着工程末期圧力（第３中間圧力）、精製ガス（水素）の純度、および水素の回収率、並びに、比較例１〜３における脱着工程末期圧力、精製ガス（水素）の純度、および水素の回収率をまとめた表である。

図１は、本発明に係る精製ガス・脱着ガス取得方法を実行することのできる精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１の概略構成を表す。精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、昇圧機２１と、貯留タンク２２と、圧力制御装置２３と、配管３１〜３８とを備え、混合ガスたる原料ガスから圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して不純物を吸着除去して目的ガスを濃縮分離することが可能なように構成されている。精製対象たる目的ガスは、例えば水素である。不純物は、例えば、二酸化炭素や、一酸化炭素、水蒸気、メタン、窒素などである。

吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれは、両端にガス通過口１１，１２を有し、ガス通過口１１，１２の間において、原料ガス中の不純物を選択的に吸着するための吸着剤が充填されている。二酸化炭素を不純物として吸着除去するためには、吸着剤として例えばカーボン系吸着剤を採用する。一酸化炭素や窒素を不純物として吸着除去するためには、吸着剤として例えばゼオライト系吸着剤を採用する。水蒸気を不純物として吸着除去するためには、吸着剤として例えばアルミナ系吸着剤を採用する。メタンを不純物として除去する場合にはカーボン系吸着剤を採用してもよいし、ゼオライト系吸着剤を採用してもよい。吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれには、一種類の吸着剤を充填してもよいし、複数種類の吸着剤を積層させて充填してもよい。吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに充填する吸着剤の種類や数については、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにて除去すべき不純物の種類および量に応じて決定する。

昇圧機２１は、ガス吸入口およびガス送出口を有し、ガス吸入口から吸引した原料ガスをガス送出口から吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに向けて供給ないし送り出すためのものである。昇圧機２１は例えば圧縮機である。貯留タンク２２は、配管３６を介して得られるガスを一旦貯留するためのものである。圧力制御装置２３は、配管３８を流れるガスの圧力を制御するためのものである。

配管３１は、端部Ｅ１を有し、且つ、昇圧機２１のガス吸入口に連結されている。配管３１の端部Ｅ１は、本実施形態における原料ガス導入端である。

配管３２は、端部Ｅ２を有する主幹路３２’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１１側にそれぞれが連結された分枝路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを有する。主幹路３２’の端部Ｅ２は、昇圧機２１のガス送出口に連結されている。端部Ｅ２は、本装置から昇圧機２１および配管３１を除いた構成において原料ガス導入端をなす。分枝路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３２ａ，３２ｂ，３２ｃが付設されている。

配管３３は、端部Ｅ３を有する主幹路３３’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１２側にそれぞれが連結された分枝路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃを有する。主幹路３３’の端部Ｅ３は、本実施形態における第１ガス排出端である。分枝路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３３ａ，３３ｂ，３３ｃが付設されている。

配管３４は、端部Ｅ４を有する主幹路３４’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１２側にそれぞれが連結された分枝路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを有する。主幹路３４’の端部Ｅ４は、配管３３の主幹路３３’における、端部Ｅ３と分枝路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃとの間、に連結されている。主幹路３４’には、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３４ｘと、流量調節弁３４ｙとが付設されている。流量調節弁３４ｙの操作により、自動弁３４ｘが開状態であるときの、主幹路３４’を流れるガスの流量を、制御することが可能である。分枝路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３４ａ，３４ｂ，３４ｃが付設されている。

配管３５は、端部Ｅ５を有する主幹路３５’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１２側にそれぞれが連結された分枝路３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを有する。主幹路３５’の端部Ｅ５は、配管３４の主幹路３４’における、自動弁３４ｘおよび流量調節弁３４ｙと分枝路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃとの間、に連結されている。主幹路３５’には、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３５ｘと、流量調節弁３５ｙとが付設されている。流量調節弁３５ｙの操作により、自動弁３５ｘが開状態であるときの、主幹路３５’を流れるガスの流量、を制御することが可能である。分枝路３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃが付設されている。

配管３６は、端部Ｅ６を有する主幹路３６’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１１側にそれぞれが連結された分枝路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃを有する。主幹路３６’の端部Ｅ６は、貯留タンク２２に連結されている。端部Ｅ６は、本装置から貯留タンク２２、圧力制御装置２３、および配管３８を除いた構成において第２ガス排出端をなす。主幹路３６’には、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３６ｘが付設されている。分枝路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３６ａ，３６ｂ，３６ｃが付設されている。

配管３７は、配管３６の主幹路３６’における端部Ｅ６と分枝路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃとの間に連結され、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３７ｘが付設されており、且つ、端部Ｅ７を有する。端部Ｅ７は、本実施形態における第３ガス排出端である。

配管３８は、貯留タンク２２に連結されており、且つ、端部Ｅ８を有する。端部Ｅ８は、本実施形態における第２ガス排出端であり、脱着ガス利用先の装置またはプラントに対して脱着ガスを供給するように連結可能である。また、配管３８には、圧力調整弁３８ｘが付設されている。上述の圧力制御装置２３が圧力調整弁３８ｘの開度を制御するように構成されている。

以上のような構成を有する精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１を使用して、本発明に係る精製ガス・脱着ガス取得方法を実行することができる。具体的には、精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１の駆動時において、図２に示す態様で自動弁３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３４ｘ，３５ａ〜３５ｃ，３５ｘ，３６ａ〜３６ｃ，３６ｘ，３７ｘを切り替えることにより、装置内において所望のガスの流れ状態を実現し、以下のステップ１〜９からなる１サイクルを繰り返すことができる（図２では、各自動弁の開状態を○で表し且つ閉状態を×で表す。後出の図７においても同様である）。本方法の１サイクルにおいては、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれにて、吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、脱着工程、減圧パージ工程、第１昇圧工程、および第２昇圧工程が行われる。図３から図５は、ステップ１〜９における精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１でのガスの流れ状態を表す。

ステップ１では、図２に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ昇圧機２１が稼動することにより、図３（ａ）に示すようなガス流れ状態が実現されて、吸着塔１０Ａにて吸着工程が、吸着塔１０Ｂにて減圧パージ工程が、吸着塔１０Ｃにて第１減圧工程が行われる。

ステップ１にて吸着工程が行われる吸着塔１０Ａは、後述のステップ８〜９（第１昇圧工程，第２昇圧工程）を経て塔内が所定の高圧（吸着圧力）の状態にある。そして、ステップ１では、図１および図３（ａ）を併せて参照するとよく理解できるように、吸着圧力にある吸着塔１０Ａのガス通過口１１側に、配管３１ならびに配管３２の主幹路３２’および分枝路３２Ａを介して、精製対象たる目的ガス（例えば水素）を含むガスＧ１（混合ガス）が導入されて、当該ガスＧ１中の不純物（例えば、二酸化炭素や、一酸化炭素、水、メタン、窒素など）が吸着塔１０Ａ内の吸着剤に吸着され、且つ、目的ガスが富化された精製ガスＧ２が吸着塔１０Ａのガス通過口１２側から導出される。精製ガスＧ２は、配管３３の分枝路３３Ａおよび主幹路３３’を介して、端部Ｅ３から装置外に送出される。この精製ガスＧ２については、所定の容器に貯留してもよいし、所定の装置やプラントに直接に供給して使用してもよい。

これとともに、ステップ１では、後述のステップ７〜９（吸着工程）を経た吸着塔１０Ｃにおいて、ガス通過口１２側からガスＧ３が導出されて、塔内が降圧される。ガスＧ３は、配管３４の分枝路３４Ｃおよび主幹路３４’ならびに配管３５の主幹路３５’および分枝路３５Ｂを介して、吸着塔１０Ｂへと導かれる。このような第１減圧工程にて、吸着塔１０Ｃの内部は、吸着工程時の吸着圧力から、当該吸着圧力と大気圧の間の所定の第１中間圧力まで、降圧される。

これとともに、ステップ１では、後述のステップ９（脱着工程）を経た吸着塔１０Ｂにおいて、塔内がガス通過口１１側にて大気開放されて降圧されつつ、ガス通過口１２側に吸着塔１０ＣからのガスＧ３が洗浄ガスとして導入される。このような減圧パージ工程にある吸着塔１０Ｂでは、脱着工程から引き続き吸着剤から上記不純物が脱着され、ガス通過口１１側からガスＧ３’が導出される。このガスＧ３’は、配管３６の分枝路３６Ｂおよび主幹路３６’ならびに配管３７を介して、端部Ｅ７から装置外へ排出される。また、大気開放操作により、吸着塔１０Ｂの内部圧力は例えば５ｋＰａ（ゲージ圧）以下まで低下する。

ステップ２では、図２に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ昇圧機２１が稼動することにより、図３（ｂ）に示すようなガス流れ状態が実現されて、吸着塔１０Ａにて吸着工程が、吸着塔１０Ｂにて第１昇圧工程が、吸着塔１０Ｃにて第２減圧工程が行われる。

図１および図３（ｂ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ２では、吸着塔１０Ａにおいて、ステップ１から引き続き吸着工程が行われ、精製ガスＧ２が導出される。精製ガスＧ２は、ステップ１から引き続き、配管３３の端部Ｅ３から装置外に送出される。

これとともに、ステップ２では、吸着塔１０Ｃにおいて、ガス通過口１２側からガスＧ４が導出されて、ステップ１から引き続き塔内が降圧される。ガスＧ４は、配管３４の分枝路３４Ｃおよび主幹路３４’ならびに配管３５の主幹路３５’および分枝路３５Ｂを介して、吸着塔１０Ｂへと導かれる。このような第２減圧工程にて、吸着塔１０Ｃの内部は、第１減圧工程終了時の第１中間圧力から、当該第１中間圧力と大気圧の間の所定の第２中間圧力まで、降圧される。

これとともに、ステップ２では、吸着塔１０Ｂのガス通過口１２側に吸着塔１０ＣからのガスＧ４が第１昇圧ガスとして導入される。このような第１昇圧工程にて、吸着塔１０Ｂの内部は所定圧力まで昇圧される。

ステップ３では、図２に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ昇圧機２１が稼動することにより、図３（ｃ）に示すようなガス流れ状態が実現されて、吸着塔１０Ａにて吸着工程が、吸着塔１０Ｂにて第２昇圧工程が、吸着塔１０Ｃにて脱着工程が行われる。

図１および図３（ｃ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ３では、吸着塔１０Ａにおいて、ステップ２から引き続き吸着工程が行われ、精製ガスＧ２が導出される。ステップ３にて吸着塔１０Ａから導出され続ける精製ガスＧ２は、その一部がステップ２から引き続き配管３３の端部Ｅ３から装置外に送出され、また、配管３３の分枝路３３Ａおよび主幹路３３’ならびに配管３４の主幹路３４’および分枝路３４Ｂを介して、一部が吸着塔１０Ｂへと導かれる。

これとともに、ステップ３では、吸着塔１０Ｃにおいて、ステップ２から引き続き塔内が降圧されて、吸着剤から上記不純物（の一部）が脱着され、ガス通過口１１側からガスＧ５（脱着ガス）が導出される。ガスＧ５は、配管３６の分枝路３６Ｃおよび主幹路３６’を介して、貯留タンク２２に導かれて貯留される。脱着工程にて、吸着塔１０Ｃの内部は、第２減圧工程終了時の第２中間圧力から、当該第２中間圧力と大気圧の間の所定の第３中間圧力まで、降圧される。このような脱着工程にある吸着塔１０Ｃからは、第３中間圧力以上の圧力を有するガスとして、ガスＧ５は導出され続ける。また、貯留タンク２２に貯留されたガスＧ５は、配管３８を介して脱着ガス利用先に供給され得る。

これとともに、ステップ３では、吸着塔１０Ｂのガス通過口１２側に吸着塔１０Ａからの精製ガスＧ２が第２昇圧ガスとして導入される。このような第２昇圧工程にて、吸着塔１０Ｂの内部は上記吸着圧力へと昇圧される。

ステップ４〜６では、ステップ１〜３で吸着塔１０Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｂにおいて、図４（ａ）から図４（ｃ）に示すように吸着工程が行われる。これとともに、ステップ４〜６では、ステップ１〜３で吸着塔１０Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｃにおいて、図４（ａ）から図４（ｃ）に示すように、減圧パージ工程（ステップ４）、第１昇圧工程（ステップ５）、および第２昇圧工程（ステップ６）が順次行われる。これとともに、ステップ４〜６では、ステップ１〜３で吸着塔１０Ｃにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ａにおいて、図４（ａ）から図４（ｃ）に示すように、第１減圧工程（ステップ４）、第２減圧工程（ステップ５）、および脱着工程（ステップ６）が順次行われる。

ステップ７〜９では、ステップ１〜３で吸着塔１０Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｃにおいて、図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように吸着工程が行われる。これとともに、ステップ７〜９では、ステップ１〜３で吸着塔１０Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ａにおいて、図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように、減圧パージ工程（ステップ７）、第１昇圧工程（ステップ８）、および第２昇圧工程（ステップ９）が順次行われる。これとともに、ステップ７〜９では、ステップ１〜３で吸着塔１０Ｃにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｂにおいて、図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように、第１減圧工程（ステップ７）、第２減圧工程（ステップ８）、および脱着工程（ステップ９）が順次行われる。

以上のようにして、精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１からは、目的ガスが富化された精製ガスＧ２を取得し続けることができ、且つ、脱着ガスたるガスＧ５を取得することができる。

ガスＧ５は上述のように貯留タンク２２に貯留されるところ、必要に応じて、貯留タンク２２内のガスＧ５は配管３８を介してその端部Ｅ８から送出される。端部Ｅ８は、上述のように、脱着ガス利用先の装置またはプラントに対してガスＧ５（脱着ガス）を供給するように連結可能である。

上述の精製ガス・脱着ガス取得方法においては、脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ内は、上述の従来方法のようには大気開放されない。本方法の脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ内は、大気圧より高い圧力（第３中間圧力）にあり、従って、このような吸着塔から導出される脱着ガスについては、圧力を有するガスとして取得することが可能である。この脱着ガスは、所定目的に利用できる場合があり、利用目的に応じて前記の第３中間圧力を設定することにより、圧縮機などを使用せずとも、利用目的に適した圧力を有するガスとして取得することが可能である。吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれは、吸着工程を経た後に上述の第１および第２減圧工程を経ても、その塔内に有意量の目的ガスが残存している場合がある。この場合、第２減圧工程の後の脱着工程では、吸着剤から脱着した不純物と共に当該残存目的ガスが塔外に導出される。すなわち、この場合、上記のガスＧ５には有意量の目的ガスが含まれるのである。そのため、上記の原料ガスが目的ガスとして可燃ガスを含む場合には、例えば、所定の装置やプラントにてガスＧ５を燃料ガスとして使用することが可能である。また、脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃでは、吸着工程にて吸着剤に吸着した不純物の一部（大部分）が当該吸着剤から脱着されて、塔外に導出される。すなわち、上記のガスＧ５には有意量の不純物が含まれる。そのため、上記の原料ガスが不純物として可燃ガスを含む場合には、例えば、所定の装置やプラントにてガスＧ５を燃料ガスとして使用することが可能である。

上述の精製ガス・脱着ガス取得方法においては、脱着工程を終えた吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにて減圧パージ工程を実行する。減圧パージ工程では、上述のように、塔内を大気開放して降圧しつつ、吸着剤から不純物を脱着させ、且つ、当該吸着塔に洗浄ガスを通流させる。このような減圧パージ工程を実行する前の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ内の吸着剤は、吸着工程にて吸着した不純物が充分には脱離していない状態にある。そのため、脱着工程を終えた吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにて上述の減圧パージ工程を実行せずに当該吸着塔内を吸着圧力まで昇圧してから次サイクルの吸着工程を実行する、という構成を各サイクルにて仮に採用すると、塔内の吸着剤において、本来的な不純物吸着容量よりも実効的な不純物吸着容量が小さくなり、その結果、精製ガスＧ２について充分な回収率を達成することができない事態が生じ得る。これに対し、脱着工程を終えた吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにて上述の減圧パージ工程を実行すると、大気開放下にて、吸着剤からの不純物の離脱を促進させて吸着剤を再生ないし浄化させることができ、当該再生された吸着剤を使用して次サイクルの吸着工程を実行することができるので、精製ガスＧ２について高い回収率を達成しやすい。

以上のように、本発明に係る上述の精製ガス・脱着ガス取得方法は、混合ガス（ガスＧ１）から有用な脱着ガス（ガスＧ５）を得つつ、当該混合ガスから高回収率で目的ガスを分離するのに、適する。

上述の精製ガス・脱着ガス取得方法においては、脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから導出されるガスＧ５（脱着ガス）を貯留タンク２２に貯留する。このような構成は、ガスＧ５について安定した圧力で脱着ガス利用先に供給するうえで、好適である。

上述の精製ガス・脱着ガス取得方法においては、貯留タンク２２から脱着ガス利用先にガスＧ５を供給する際、圧力制御装置２３によって開度が制御される圧力調整弁３８ｘが付設された配管３８を介して、ガスＧ５は脱着ガス利用先に供給される。このような構成は、ガスＧ５について安定した圧力で脱着ガス利用先に供給するうえで、好適である。

〔実施例〕
図１に示す概略構成を有する精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１を使用して、図２から図５に示す吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、脱着工程、減圧パージ工程、第１昇圧工程、および第２昇圧工程からなる１サイクルを吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれにおいて繰り返すことにより、水素を含む原料ガスから水素を濃縮分離した。本実施例の原料ガスは、精製対象たる目的ガスとして水素を９６.９３vol％含むのに加え、不純物として、１.７２vol％の二酸化炭素と、１.１５vol％の一酸化炭素と、０.１６vol％のメタンと、０.０４vol％の窒素とを含む。精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１に対する原料ガスの供給量は、１９.５ＮＬ／minとした。

本実施例において使用した精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１における縦置きの吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれは円筒形状（内径３７.１ｍｍ，内寸高さ１８００ｍｍ）
を有する。各吸着塔内には、吸着剤として、Ｃａ５Ａ型のゼオライトモレキュラシーブとカーボンモレキュラシーブとを体積比９：１で積層したもの２.１６リットルを充填した
。本実施例では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれにおいて、吸着工程は３７５秒間、第１減圧工程は２０秒間、第２減圧工程は２５秒間、脱着工程は３３０秒間、減圧パージ工程は２０秒間、第１昇圧工程は２５秒間、および第２昇圧工程は３３０秒間行った。吸着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の圧力（吸着圧力）は２ＭＰａ（ゲージ圧）とし、第１減圧工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の第１減圧工程末期圧力（第１中間圧力）は１.８ＭＰａ（ゲージ圧）とし、第２減圧工程にある吸
着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の第２減圧工程末期圧力（第２中間圧力）は１.３Ｍ
Ｐａ（ゲージ圧）とし、脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の脱着工程末期圧力（第３中間圧力）は０.２０ＭＰａ（ゲージ圧）とした。そして、減圧パージ工
程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部は大気開放した（大気開放操作によって塔内圧力は５ｋＰａ（ゲージ圧）以下まで低下した）。脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから導出される０.２０ＭＰａ（ゲージ圧）のガスＧ５については、貯留タン
ク２２に貯留した。本実施例における脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから導出されるガスＧ５の、一脱着工程にわたって平均した水素濃度は、約７１vol％であっ
た。また、本実施例では、貯留タンク２２内のガスＧ５（脱着ガス）を、所定プラントに対して燃料ガスとして供給し続けた。

以上のような条件で行った本実施例において取得した精製ガスＧ２（水素）について、純度は９９.９９vol％であり、且つ、回収率は８０.０％であった。本実施例における第
３中間圧力（脱着工程末期圧力）、精製ガス（水素）の純度、および水素の回収率について、図１１の表に掲げる。

〔比較例１〕
図６に示す概略構成を有する装置Ｘ２を使用して、図７から図１０に示す吸着工程、第１減圧工程、第２減圧工程、脱着工程、パージ工程、第１昇圧工程、および第２昇圧工程からなる１サイクルを装置Ｘ２の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれにおいて繰り返すことにより、実施例の原料ガスと同じ組成の原料ガスから水素を濃縮分離した。本比較例で使用した装置Ｘ２は、配管３６の主幹路３６’に自動弁３６ｘが付設されていない点、自動弁３７ｘ付きの配管３７を備えない点、および、圧力調整弁３８ｘ付きの配管３８および圧力制御装置２３の代わりに圧縮機２４および配管３９Ａ，３９Ｂを備える点において、上述の精製ガス・脱着ガス取得装置Ｘ１と異なる。本比較例の方法は、主に、減圧パージ工程の代わりに（減圧しない）パージ工程を実行する点、および、貯留タンク２２内のガスを所定プラントに供給し続けるうえで圧縮機２４を使用する点において、上述の実施例の方法と異なる。本比較例のパージ工程では、脱着工程を経た吸着塔において、塔内圧力が脱着工程末期圧力と同じに維持されつつ、ガス通過口１２側に他吸着塔からのガスＧ３が洗浄ガスとして導入され、ガス通過口１１側からガスＧ３’が導出される。このガスＧ３’は、配管３６を介して貯留タンク２２に導かれて貯留される。

本比較例において、装置Ｘ２に対する原料ガスの供給量は、実施例における原料ガス供給量と同じとした。本比較例では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれにおいて、吸着工程は２９０秒間、第１減圧工程は８０秒間、第２減圧工程は４０秒間、脱着工程は１７０秒間、パージ工程は８０秒間、第１昇圧工程は４０秒間、および第２昇圧工程は
１７０秒間行った。また、吸着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の圧力（吸着圧力）は２ＭＰａ（ゲージ圧）とし、第１減圧工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の第１減圧工程末期圧力（第１中間圧力）は１.６ＭＰａ（ゲージ圧）とし、
第２減圧工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の第２減圧工程末期圧力（第２中間圧力）は０.８６ＭＰａ（ゲージ圧）とし、脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，
１０Ｃの内部の脱着工程末期圧力は０.１５ＭＰａ（ゲージ圧）とし、パージ工程にある
吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の圧力は脱着工程末期圧力と同じに維持した。脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから導出される０.１５ＭＰａ（ゲージ圧）の
ガスＧ５については、貯留タンク２２に貯留した。また、本比較例では、貯留タンク２２内のガスＧ５を、圧縮機２４を使用して、所定プラントに対して燃料ガスとして供給し続けた。

以上のような条件で行った本比較例において取得した精製ガスＧ２（水素）について、純度は９９.９９vol％であり、且つ、回収率は７５.８％であった。本比較例における脱
着工程末期圧力、取得水素の純度、および水素の回収率について、図１１の表に掲げる。

〔比較例２〕
第２減圧工程末期圧力を０.８６ＭＰａ（ゲージ圧）に代えて０.７５ＭＰａ（ゲージ圧）とし且つ脱着工程末期圧力を０.１５ＭＰａ（ゲージ圧）に代えて０.０５ＭＰａ（ゲージ圧）とした以外は比較例１と同様の条件で、図７から図１０に示す各工程からなる１サイクルを装置Ｘ２の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれにおいて繰り返すことにより、実施例の原料ガスと同じ組成の原料ガスから水素を濃縮分離した。本比較例におけるパージ工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の圧力は、比較例１におけるパージ工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の圧力と同様に、脱着工程末期圧力と同じに維持した。

以上のような条件で行った本比較例において取得した精製ガスＧ２（水素）について、純度は９９.９９vol％であり、且つ、回収率は８１.７％であった。本比較例における脱
着工程末期圧力、取得水素の純度、および水素の回収率について、図１１の表に掲げる。

〔比較例３〕
脱着工程末期圧力を０.１５ＭＰａ（ゲージ圧）に代えて０.２０ＭＰａ（ゲージ圧）とした以外は比較例１と同様の条件で、図７から図１０に示す各工程からなる１サイクルを装置Ｘ２の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれにおいて繰り返すことにより、実施例の原料ガスと同じ組成の原料ガスから水素を濃縮分離した。本比較例におけるパージ工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の圧力は、比較例１におけるパージ工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の圧力と同様に、脱着工程末期圧力と同じに維持した。本比較例における脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから導出されるガスＧ５の、一脱着工程にわたって平均した水素濃度は、約５６vol％であった。

以上のような条件で行った本比較例において取得した精製ガスＧ２（水素）について、純度は９９.９９vol％であり、且つ、回収率は６９.８％であった。本比較例における脱
着工程末期圧力、取得水素の純度、および水素の回収率について、図１１の表に掲げる。

〔評価〕
比較例１〜３に係る結果の比較から、脱着工程末期圧力を高く設定するほど回収率が低下してしまうことが判る。比較例１〜３において、脱着工程末期圧力が最も高く設定された比較例３の方法による回収率は、最も低い。このような比較例３に係る結果と実施例に係る結果との比較から、実施例の方法は、水素含有混合ガスから可燃性の脱着ガスを得つつ当該水素含有混合ガスから高回収率で水素を分離するのに適することが判る。

Ｘ１ 精製ガス・脱着ガス取得装置
Ｘ２ 装置
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 吸着塔
１１，１２ ガス通過口
２１ 昇圧機
２２ 貯留タンク
２３ 圧力制御装置
２４ 圧縮機
３１〜３８，３９Ａ，３９Ｂ 配管
３２’，３３’，３４’，３５’，３６’ 主幹路
３２Ａ〜３２Ｃ，３３Ａ〜３３Ｃ，３４Ａ〜３４Ｃ，３５Ａ〜３５Ｃ 分枝路
３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３５ａ〜３５ｃ 自動弁
３４ｘ，３５ｘ，３６ｘ，３７ｘ 自動弁

Claims (3)

1. 吸着剤が充填された複数の吸着塔を用いて、混合ガスから目的ガスを分離する方法であって、
   吸着塔内が吸着圧力にある状態にて、当該吸着塔に前記混合ガスを導入し、当該混合ガス中の不純物を前記吸着剤に吸着させ、且つ、目的ガスが富化された精製ガスを当該吸着塔から導出する、吸着工程と、
   吸着塔から第１導出ガスを導出して当該吸着塔内を第１中間圧力まで降圧する第１減圧工程と、
   吸着塔から第２導出ガスを導出して当該吸着塔内を第２中間圧力まで降圧する第２減圧工程と、
   吸着塔内を第３中間圧力まで降圧し、前記吸着剤から前記不純物の一部を脱着させ、且つ、当該吸着塔から脱着ガスを導出してタンクに貯留する、脱着工程と、
   前記吸着塔内を大気開放して降圧しつつ、前記吸着剤から前記不純物の一部を脱着させ、且つ、当該吸着塔に洗浄ガスを通流させる、減圧パージ工程と、
   吸着塔に第１昇圧ガスを導入して吸着塔内を昇圧する第１昇圧工程と、
   吸着塔に第２昇圧ガスを導入して吸着塔内を更に昇圧する第２昇圧工程と、を含むサイクルを前記複数の吸着塔のそれぞれにおいて繰り返し行い、
   前記減圧パージ工程にある吸着塔には、前記第１減圧工程にある吸着塔から導出される前記第１導出ガスを前記洗浄ガスとして導入し、
   前記第１昇圧工程にある吸着塔には、前記第２減圧工程にある吸着塔から導出される前記第２導出ガスを前記第１昇圧ガスとして導入し、
   前記第２昇圧工程にある吸着塔には、前記精製ガスを前記第２昇圧ガスとして導入する、精製ガス・脱着ガス取得方法。
2. 前記第２昇圧工程にある吸着塔には、前記吸着工程にある吸着塔から導出される前記精製ガスを前記第２昇圧ガスとして導入する、請求項１に記載の精製ガス・脱着ガス取得方法。
3. 第１ガス通過口および第２ガス通過口を有し当該第１および第２ガス通過口の間において吸着剤が充填された複数の吸着塔と、
   ガス導入端を有する主幹路、および、前記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の前記第１ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第１分枝路、を有する第１配管と、
   第１ガス排出端を有する主幹路、および、前記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の前記第２ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第２分枝路、を有する第２配管と、
   前記第２配管の前記主幹路における前記第１ガス排出端および前記複数の第２分枝路の間に連結された主幹路、並びに、前記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の前記第２ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第３分枝路を有する、第３配管と、
   前記第３配管の前記主幹路における前記複数の第３分枝路および前記第２配管の間に連結された主幹路、並びに、前記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の前記第２ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第４分枝路を有する、第４配管と、
   第２ガス排出端を有する主幹路、および、前記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の前記第１ガス通過口側に連結され且つ開閉弁が付設された複数の第５分枝路、を有する第５配管と、
   前記第５配管の前記主幹路における前記第２ガス排出端および前記複数の第５分枝路の間に連結され、開閉弁が付設され、且つ、第３ガス排出端を有する、第６配管と、
   前記第５配管の前記第２ガス排出端が連結された貯留タンクと、を備え、前記第５配管の前記主幹路において、前記第２ガス排出端と前記第６配管との間に、開閉弁が付設されている、精製ガス・脱着ガス取得装置であって、
   前記複数の吸着塔において、請求項１または２に記載の精製ガス・脱着ガス取得方法を実施するように構成された、精製ガス・脱着ガス取得装置。
   

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