ガス吸着分離装置
【課題】混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できるとともに、装置を大型化しても容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、且つシンプルな構造で安価に得ることができるガス吸着分離装置を提供することにある。
【解決手段】混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、該ガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、該ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成する。
【解決手段】混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、該ガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、該ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力スイング吸着法などによって混合ガスから特定のガス成分を吸着・分離するためのガス吸着分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合ガスの分離方法として、古くから圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法＝Pressure Swing Adsorption法）が用いられてきた。この方法は、混合ガス中の１つ以上のガス成分に対して吸着力の高い吸着剤に混合ガスを接触させ、当該ガス成分を吸着剤に吸着させるとともに、他のガス成分を濃縮し、次いで、吸着させたガス成分を槽内圧力を低下させることにより吸着剤から脱離させ、分離するものである。
この圧力スイング吸着法は、混合ガスの分離方法として種々の分野で利用されているが、通常は、混合ガスから特定のガス成分を分離することにより、高純度のガスを製造する方法として利用されることが多い。圧力スイング吸着法により混合ガスから吸着・分離（製造）される高純度ガスとしては、例えば、水素、酸素、炭酸ガス、一酸化炭素などがある。
【０００３】
圧力スイング吸着法を用い、空気を原料として吸着剤に窒素を吸着させ、高純度の酸素を製造する方法が行われている。この場合、従来では、吸着剤としてカルシウムでイオン交換されたＸ型ゼオライトが用いられてきたが、近年では、窒素に対する吸着性能の高いリチウムでイオン交換されたＸ型ゼオライトが用いられるようになってきた。また、５０〜８０vol％程度の水素を含む混合ガス、例えば、石油化学産業における炭化水素やアルコール類、エーテル類の分解ガス或いは改質ガス、製鉄業におけるコークス炉ガスなどから水素を製造するのに、吸着剤にＡ型ゼオライトを用いた圧力スイング吸着法が行われている。
このような圧力スイング吸着法による酸素や水素の製造では、吸着剤に不要ガス成分を吸着させ、高濃度〜高純度の必要ガス成分を製造している。
【０００４】
一方、ボイラー排ガスや燃焼排ガスを原料として、圧力スイング吸着法により化学原料やドライアイス用の炭酸ガスが製造されている。この製造には、活性炭系の吸着剤やＹ型ゼオライト系の吸着剤が用いられている。また、製鉄業の転炉ガスを原料として、圧力スイング吸着法により化学原料用の一酸化炭素が製造されている。この製造には、ゼオライト系の吸着剤や銅（Ｉ）／アルミナ系の吸着剤が用いられている。
このような圧力スイング吸着法による炭酸ガスや一酸化炭素の製造では、吸着剤に必要なガス成分を吸着させ、これを脱離させることにより、高純度の必要ガス成分を製造している。
【０００５】
上述のように、ガスの種類や吸着剤の特性に応じて、種々の圧力スイング吸着法によるガス分離システムが開発され、稼動しているが、その最重要部分であるガス吸着分離装置（圧力スイング吸着装置）に関しては、大きな構造上の違いはない。すなわち、後述する図１０（ａ），（ｂ）に示されるように、吸着塔の中央部に吸着剤を充填した構造が一般的である。
【０００６】
一方、圧力スイング吸着装置におけるガス分離操作は、吸着したガスを回収する方法と吸着しないガスを回収する方法の２通りがある。例えば、吸着したガスを回収する方法の場合、通常、次の３工程により構成される。
（1）吸着塔にガスを導入し、ガスを吸着剤に吸着させる吸着工程
（2）吸着塔に高純度のガスを導入し、不要なガスを追い出す洗浄工程
（3）吸着塔の圧力を洗浄工程より低くし、吸着ガスを回収する脱着工程
例えば、混合ガスから炭酸ガスを回収する場合、５０〜１００ｋＰａ程度の圧力で吸着工程を行い、次いで、大気圧にて高純度の炭酸ガスを導入して不要なガスを追い出し、最後に真空にまで減圧して高純度の炭酸ガスを得ることができる。洗浄工程に必要な高純度の炭酸ガスは、脱着工程を行っている吸着塔から供給される。
【０００７】
従来のガス吸着分離装置の構造は、円筒型と枕型に大別される。このうち円筒型の塔構造をしたガス吸着分離装置は、図１０（ａ）に示すように原料ガス（混合ガス）を下方より導入し、ガス吸着部に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる構造となっている。これを大型化していくと、ガス吸着部の層高が大きくなり、ガスを通過させる際の圧力損失が大きくなる。このため圧力損失が問題となる低圧の大型装置は、図１０（ｂ）に示すような枕型形状が採用されている。この枕型の装置は、枕の長さを長くすることによって大型化に対応できるため、ガス吸着部の層高を低く抑えることができ、圧力損失も低いままで運転することが可能である。しかし、枕型の場合、圧力損失を低く抑える必要上、容積に対する吸着剤充填率（体積比率）を大きくすることができず、このため装置が大型になる割合に較べ、そのガス処理量はあまり大きくならない欠点がある。
【０００８】
従来、このような問題を解消するために種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、円筒型のガス分離装置において、吸着剤を円環状に充填することが提案されている。この装置は、吸着剤の充填構造を円環状にすることによってガス分散板面積を大きく取り、圧力損失を抑えている。
また、高いガス処理量が得られる方式として、高速圧力スイング（ＲＰＳＡ）法が提案されており、例えば、特許文献２には、ＲＰＳＡ法により混合ガスから水素を回収する方法が示されている。この方法は、吸着塔内の吸着層を分割し、吸着層の外側の一方より混合ガスを導入し、吸着層に不要ガス成分を吸着させ、吸着層の間の領域から不要ガス成分の除去された高純度のガスを回収するとともに、この高純度ガスをもう一方の吸着層に導入して吸着層内に吸着された不要成分を脱離させ、この不要ガス成分を吸着剤のもう一方の外側の領域から系外へ放出するという方式である。また、同様に吸着層を分割する方式が特許文献３，４に示されており、例えば、特許文献３に示されるものは、圧力スイング法の前処理等のため、水分や炭酸ガスを除去するために考えられた方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１−１６４４１７号公報
【特許文献２】特開平４−２６７９１９号公報
【特許文献３】特開平１−１５９０１９号公報
【特許文献４】特開２００９−２７４０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１の装置を実機化する場合、円環を形成する仕切りを分散板で構成する構造であるため、以下のような問題がある。すなわち、一般に吸着剤は粒径２〜３ｍｍ程度の粒状であるため、分散板は１ｍｍ程度のガス通孔（開口）を多数形成した構造とする必要があるが、この装置の場合、補強により分散板の強度を保ちながら、円環の精度を確保するのは非常に難しい。さらに、２つの円環状分散板の中心を、大型のガス吸着分離装置の高さ方向の全高さにおいて揃えることも、相当に困難であると考えられる。また、これらを実現できたとしても、非常に高価な装置となってしまう。
【００１１】
特許文献２の方法は、水素などの吸着しにくいガスを分離するのには有効であるが、炭酸ガスなどのような吸着しやすいガスには適用困難であり、また２つの吸着層の差圧のみにより運転が実施されているため、上述した炭酸ガス分離のように数十〜数百ｋＰａの差圧が必要な分離には適用することができない。
特許文献３の方法では、吸着層を分割し、吸着層による圧力損失を低下させて体積効率が高くしているが、ガス中の不純物を取り除くための構造であり、炭酸ガスのように吸着したガスを高純度で回収することはできない。また、特許文献４の方法では、ユニットを分割して移送することが可能であるという特徴はあるものの、全体の構造が四角形であるため、上述した炭酸ガス分離のように数十〜数百ｋＰａの圧力を内部に加えることは困難である。
【００１２】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できるとともに、装置を大型化しても容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、且つシンプルな構造で安価に得ることができるガス吸着分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する両側の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【００１４】
［2］混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が高さ方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する上下の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【００１５】
［3］混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する両側の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかのガス吸着分離装置において、隣接する領域間はガスが通気可能な仕切壁で仕切られ、ガス流入領域（Ａ）とオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）は、ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）との間で仕切壁を通じてガスを出入りさせる空間部であることを特徴とするガス吸着分離装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のガス吸着分離装置は、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できるとともに、装置を大型化しても容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、装置のコンパクト化と効率向上を図ることができる。また、吸着剤層厚が２つに分割されているので各吸着剤層の厚さを薄くすることができ、このため、圧力損失を小さくできるとともに、吸着や脱着に必要な時間も短縮できる利点がある。また、シンプルな構造で安価に得ることができる利点もある。さらに、吸着槽は縦円筒型または枕型であり、混合ガスのガス流入領域からガス流出領域に向けて吸着装置の幅が減少するため、ガス吸着により混合ガスの体積が減少しても、混合ガスの線速度が低下せず、このため、吸着に必要な時間をさらに短縮できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す斜視図
【図２】図１のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す斜視図
【図３】図２のガス吸着分離装置の水平断面図
【図４】本発明のガス吸着分離装置の他の実施形態を模式的に示す側面図
【図５】図４のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す側面図
【図６】本発明のガス吸着分離装置の他の実施形態を模式的に示す斜視図
【図７】図６のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す斜視図
【図８】図６のガス吸着分離装置の水平断面図
【図９】本発明装置と従来装置の体積利用率等を比較して示す説明図
【図１０】従来のガス分離装置を模式的に示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のガス吸着分離装置は、混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽（吸着塔）を複数基備え、これら複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置である。
図１は、本願の第一の発明に係るガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽（吸着塔）を模式的に示す斜視図、図３は同じく水平断面図である。
このガス吸着分離装置は、３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３に吸着工程と洗浄工程と脱着工程をこの順に交互に行わせるものである。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
【００１９】
各吸着槽ｘは縦円筒型であり、吸着槽ｘの内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
各領域を仕切るために吸着槽ｘの筒軸方向に沿って設けられる仕切壁１（分散板）は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する多孔板（例えば、金網など）で構成される。本実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
前記ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
【００２０】
前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が、また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2には、濃縮したガス（混合ガスの一部が吸着・分離された後のガス）を排出するためのガス排出管３が、それぞれ接続されている。前記ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意であり、例えば、ガス流入領域Ａの側面（吸着槽ｘの側部）の１箇所以上、ガス流入領域Ａの端部（吸着槽ｘの上面、下面）の１箇所以上、のいずれか若しくは両方から供給することができる。また、前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
【００２１】
このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入され、このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、仕切壁１（分散板）を通じてガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、仕切壁１（分散板）を通じてオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着されたガス（高純度の吸着ガス）の一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給され、この洗浄ガスが仕切壁１（分散板）を通じてガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2→オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2へと流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
【００２２】
脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
吸着工程と脱着工程の圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
以上のように３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
【００２３】
図４は、本願の第二の発明に係るガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す側面図あり、図５は、図４のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す側面図である。
このガス吸着分離装置も、３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３に吸着工程と洗浄工程と脱着工程をこの順に交互に行わせるものである。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
【００２４】
各吸着槽ｘは枕型であり、吸着槽ｘの内部が高さ方向（上下方向）で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する上下の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。ここで、枕型の吸着槽ｘとは、横円筒型であって、筒両端が球面状の丸みを有する形状の吸着槽を指す。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
【００２５】
各領域を仕切るために吸着槽ｘ内で水平方向に設けられる仕切壁１（分散板）は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する多孔板（例えば、金網など）で構成される。本実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
前記ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が、また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2には、濃縮したガス（混合ガスの一部が吸着・分離された後のガス）を排出するためのガス排出管３が、それぞれ接続されている。前記ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意である。また、前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
【００２６】
このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入され、このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、仕切壁１（分散板）を通じて上下のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、仕切壁１（分散板）を通じて最外側（上下）のオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
【００２７】
洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着されたガス（高純度の吸着ガス）の一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給され、この洗浄ガスが仕切壁１（分散板）を通じて上下のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2→オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2へと流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
【００２８】
脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
吸着工程と脱着工程の圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
以上のように３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
【００２９】
図６は、本願の第三の発明に係るガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図７は、図６のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽（吸着塔）を模式的に示す斜視図、図８は同じく水平断面図である。
このガス吸着分離装置も、３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３に吸着工程と洗浄工程と脱着工程をこの順に交互に行わせるものである。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
【００３０】
各吸着槽ｘは枕型であり、吸着槽ｘの内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。さきに述べたように、枕型の吸着槽ｘとは、横円筒型であって、筒両端が球面状の丸みを有する形状の吸着槽を指す。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
【００３１】
各領域を仕切るために吸着槽ｘ内で水平方向に設けられる仕切壁１（分散板）は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する多孔板（例えば、金網など）で構成される。本実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
前記ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
【００３２】
前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が、また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2には、濃縮したガス（混合ガスの一部が吸着・分離された後のガス）を排出するためのガス排出管３が、それぞれ接続されている。前記ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意である。また、前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
【００３３】
このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入され、このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、仕切壁１（分散板）を通じて両側のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、仕切壁１（分散板）を通じて最外側（左右）のオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
【００３４】
洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着されたガス（高純度の吸着ガス）の一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給され、この洗浄ガスが仕切壁１（分散板）を通じて両側のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2→オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2へと流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
【００３５】
脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
吸着工程と脱着工程の圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
以上のように３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
【００３６】
本発明の装置は、ガス吸着領域Ａに充填される吸着剤の種類を問わない。吸着するガスの種類により、ゼオライト系、活性炭系、アルミナ系など任意の吸着剤を用いることができる。また、本発明の装置が適用される混合ガスの種類や吸着・分離するガス成分の種類も任意である。
また、本発明の装置は、冷却しながら吸着し、再生時に加温する方式の温度スイング吸着法や、この温度スイング吸着法と圧力スイング吸着法を組み合わせた圧力・温度スイング吸着法にも適用することができる。この場合、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に加熱・冷却のための熱交換チューブを挿入するなどの構成を採用することができる。
【００３７】
本発明のガス吸着分離装置は、容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、装置のコンパクト化と効率向上を図ることができる。図９（ａ），（ｂ）は枕型の吸着槽の径方向の縦断面図であるが、例えば、直径６．５ｍの枕型の吸着槽に、図９（ａ）のように２．５ｍの層厚で単一の吸着剤層を設けた従来型の装置の場合、その体積利用率は４８％に過ぎない。これに対して、図９（ｂ）のように、２．５ｍの層厚の吸着剤層を０．５ｍの空間（ガス流入領域Ａ）を隔てて２つ設けた本発明の装置の場合は、体積利用率は８３％に増加する。この結果、従来型の装置（枕型吸着装置）では５０ｍの長さが必要な場合、本発明の装置（枕型吸着装置）では約２９ｍの長さで、同量の吸着剤を充填することができる。
【００３８】
また、吸着剤として活性炭やＸ型ゼオライトなどを用いれば、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できる。
また、本発明では、吸着剤層厚が２つに分割されているので各吸着剤層の厚さを薄くすることができ、このため、圧力損失を小さくできるとともに、吸着や脱着に必要な時間も短縮できる利点がある。
さらに、吸着槽は縦円筒型または枕型であり、混合ガスのガス流入領域Ａからガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に向けて吸着装置の幅が減少するため、ガス吸着により混合ガスの体積が減少しても、混合ガスの線速度が低下せず、このため吸着に必要な時間をさらに短くできるという優れた効果が得られる。
【符号の説明】
【００３９】
１ 仕切壁
２ ガス供給管
３ ガス排出管
４ 真空ポンプ
Ａ ガス流入領域
Ｂ1，Ｂ2 ガス吸着領域
Ｃ1，Ｃ2 オフガス流出領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力スイング吸着法などによって混合ガスから特定のガス成分を吸着・分離するためのガス吸着分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合ガスの分離方法として、古くから圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法＝Pressure Swing Adsorption法）が用いられてきた。この方法は、混合ガス中の１つ以上のガス成分に対して吸着力の高い吸着剤に混合ガスを接触させ、当該ガス成分を吸着剤に吸着させるとともに、他のガス成分を濃縮し、次いで、吸着させたガス成分を槽内圧力を低下させることにより吸着剤から脱離させ、分離するものである。
この圧力スイング吸着法は、混合ガスの分離方法として種々の分野で利用されているが、通常は、混合ガスから特定のガス成分を分離することにより、高純度のガスを製造する方法として利用されることが多い。圧力スイング吸着法により混合ガスから吸着・分離（製造）される高純度ガスとしては、例えば、水素、酸素、炭酸ガス、一酸化炭素などがある。
【０００３】
圧力スイング吸着法を用い、空気を原料として吸着剤に窒素を吸着させ、高純度の酸素を製造する方法が行われている。この場合、従来では、吸着剤としてカルシウムでイオン交換されたＸ型ゼオライトが用いられてきたが、近年では、窒素に対する吸着性能の高いリチウムでイオン交換されたＸ型ゼオライトが用いられるようになってきた。また、５０〜８０vol％程度の水素を含む混合ガス、例えば、石油化学産業における炭化水素やアルコール類、エーテル類の分解ガス或いは改質ガス、製鉄業におけるコークス炉ガスなどから水素を製造するのに、吸着剤にＡ型ゼオライトを用いた圧力スイング吸着法が行われている。
このような圧力スイング吸着法による酸素や水素の製造では、吸着剤に不要ガス成分を吸着させ、高濃度〜高純度の必要ガス成分を製造している。
【０００４】
一方、ボイラー排ガスや燃焼排ガスを原料として、圧力スイング吸着法により化学原料やドライアイス用の炭酸ガスが製造されている。この製造には、活性炭系の吸着剤やＹ型ゼオライト系の吸着剤が用いられている。また、製鉄業の転炉ガスを原料として、圧力スイング吸着法により化学原料用の一酸化炭素が製造されている。この製造には、ゼオライト系の吸着剤や銅（Ｉ）／アルミナ系の吸着剤が用いられている。
このような圧力スイング吸着法による炭酸ガスや一酸化炭素の製造では、吸着剤に必要なガス成分を吸着させ、これを脱離させることにより、高純度の必要ガス成分を製造している。
【０００５】
上述のように、ガスの種類や吸着剤の特性に応じて、種々の圧力スイング吸着法によるガス分離システムが開発され、稼動しているが、その最重要部分であるガス吸着分離装置（圧力スイング吸着装置）に関しては、大きな構造上の違いはない。すなわち、後述する図１０（ａ），（ｂ）に示されるように、吸着塔の中央部に吸着剤を充填した構造が一般的である。
【０００６】
一方、圧力スイング吸着装置におけるガス分離操作は、吸着したガスを回収する方法と吸着しないガスを回収する方法の２通りがある。例えば、吸着したガスを回収する方法の場合、通常、次の３工程により構成される。
（1）吸着塔にガスを導入し、ガスを吸着剤に吸着させる吸着工程
（2）吸着塔に高純度のガスを導入し、不要なガスを追い出す洗浄工程
（3）吸着塔の圧力を洗浄工程より低くし、吸着ガスを回収する脱着工程
例えば、混合ガスから炭酸ガスを回収する場合、５０〜１００ｋＰａ程度の圧力で吸着工程を行い、次いで、大気圧にて高純度の炭酸ガスを導入して不要なガスを追い出し、最後に真空にまで減圧して高純度の炭酸ガスを得ることができる。洗浄工程に必要な高純度の炭酸ガスは、脱着工程を行っている吸着塔から供給される。
【０００７】
従来のガス吸着分離装置の構造は、円筒型と枕型に大別される。このうち円筒型の塔構造をしたガス吸着分離装置は、図１０（ａ）に示すように原料ガス（混合ガス）を下方より導入し、ガス吸着部に充填された吸着剤にガス成分を吸着させる構造となっている。これを大型化していくと、ガス吸着部の層高が大きくなり、ガスを通過させる際の圧力損失が大きくなる。このため圧力損失が問題となる低圧の大型装置は、図１０（ｂ）に示すような枕型形状が採用されている。この枕型の装置は、枕の長さを長くすることによって大型化に対応できるため、ガス吸着部の層高を低く抑えることができ、圧力損失も低いままで運転することが可能である。しかし、枕型の場合、圧力損失を低く抑える必要上、容積に対する吸着剤充填率（体積比率）を大きくすることができず、このため装置が大型になる割合に較べ、そのガス処理量はあまり大きくならない欠点がある。
【０００８】
従来、このような問題を解消するために種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、円筒型のガス分離装置において、吸着剤を円環状に充填することが提案されている。この装置は、吸着剤の充填構造を円環状にすることによってガス分散板面積を大きく取り、圧力損失を抑えている。
また、高いガス処理量が得られる方式として、高速圧力スイング（ＲＰＳＡ）法が提案されており、例えば、特許文献２には、ＲＰＳＡ法により混合ガスから水素を回収する方法が示されている。この方法は、吸着塔内の吸着層を分割し、吸着層の外側の一方より混合ガスを導入し、吸着層に不要ガス成分を吸着させ、吸着層の間の領域から不要ガス成分の除去された高純度のガスを回収するとともに、この高純度ガスをもう一方の吸着層に導入して吸着層内に吸着された不要成分を脱離させ、この不要ガス成分を吸着剤のもう一方の外側の領域から系外へ放出するという方式である。また、同様に吸着層を分割する方式が特許文献３，４に示されており、例えば、特許文献３に示されるものは、圧力スイング法の前処理等のため、水分や炭酸ガスを除去するために考えられた方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１−１６４４１７号公報
【特許文献２】特開平４−２６７９１９号公報
【特許文献３】特開平１−１５９０１９号公報
【特許文献４】特開２００９−２７４０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１の装置を実機化する場合、円環を形成する仕切りを分散板で構成する構造であるため、以下のような問題がある。すなわち、一般に吸着剤は粒径２〜３ｍｍ程度の粒状であるため、分散板は１ｍｍ程度のガス通孔（開口）を多数形成した構造とする必要があるが、この装置の場合、補強により分散板の強度を保ちながら、円環の精度を確保するのは非常に難しい。さらに、２つの円環状分散板の中心を、大型のガス吸着分離装置の高さ方向の全高さにおいて揃えることも、相当に困難であると考えられる。また、これらを実現できたとしても、非常に高価な装置となってしまう。
【００１１】
特許文献２の方法は、水素などの吸着しにくいガスを分離するのには有効であるが、炭酸ガスなどのような吸着しやすいガスには適用困難であり、また２つの吸着層の差圧のみにより運転が実施されているため、上述した炭酸ガス分離のように数十〜数百ｋＰａの差圧が必要な分離には適用することができない。
特許文献３の方法では、吸着層を分割し、吸着層による圧力損失を低下させて体積効率が高くしているが、ガス中の不純物を取り除くための構造であり、炭酸ガスのように吸着したガスを高純度で回収することはできない。また、特許文献４の方法では、ユニットを分割して移送することが可能であるという特徴はあるものの、全体の構造が四角形であるため、上述した炭酸ガス分離のように数十〜数百ｋＰａの圧力を内部に加えることは困難である。
【００１２】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できるとともに、装置を大型化しても容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、且つシンプルな構造で安価に得ることができるガス吸着分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する両側の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【００１４】
［2］混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が高さ方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する上下の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【００１５】
［3］混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する両側の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかのガス吸着分離装置において、隣接する領域間はガスが通気可能な仕切壁で仕切られ、ガス流入領域（Ａ）とオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）は、ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）との間で仕切壁を通じてガスを出入りさせる空間部であることを特徴とするガス吸着分離装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のガス吸着分離装置は、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できるとともに、装置を大型化しても容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、装置のコンパクト化と効率向上を図ることができる。また、吸着剤層厚が２つに分割されているので各吸着剤層の厚さを薄くすることができ、このため、圧力損失を小さくできるとともに、吸着や脱着に必要な時間も短縮できる利点がある。また、シンプルな構造で安価に得ることができる利点もある。さらに、吸着槽は縦円筒型または枕型であり、混合ガスのガス流入領域からガス流出領域に向けて吸着装置の幅が減少するため、ガス吸着により混合ガスの体積が減少しても、混合ガスの線速度が低下せず、このため、吸着に必要な時間をさらに短縮できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す斜視図
【図２】図１のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す斜視図
【図３】図２のガス吸着分離装置の水平断面図
【図４】本発明のガス吸着分離装置の他の実施形態を模式的に示す側面図
【図５】図４のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す側面図
【図６】本発明のガス吸着分離装置の他の実施形態を模式的に示す斜視図
【図７】図６のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す斜視図
【図８】図６のガス吸着分離装置の水平断面図
【図９】本発明装置と従来装置の体積利用率等を比較して示す説明図
【図１０】従来のガス分離装置を模式的に示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のガス吸着分離装置は、混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽（吸着塔）を複数基備え、これら複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置である。
図１は、本願の第一の発明に係るガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽（吸着塔）を模式的に示す斜視図、図３は同じく水平断面図である。
このガス吸着分離装置は、３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３に吸着工程と洗浄工程と脱着工程をこの順に交互に行わせるものである。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
【００１９】
各吸着槽ｘは縦円筒型であり、吸着槽ｘの内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
各領域を仕切るために吸着槽ｘの筒軸方向に沿って設けられる仕切壁１（分散板）は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する多孔板（例えば、金網など）で構成される。本実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
前記ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
【００２０】
前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が、また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2には、濃縮したガス（混合ガスの一部が吸着・分離された後のガス）を排出するためのガス排出管３が、それぞれ接続されている。前記ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意であり、例えば、ガス流入領域Ａの側面（吸着槽ｘの側部）の１箇所以上、ガス流入領域Ａの端部（吸着槽ｘの上面、下面）の１箇所以上、のいずれか若しくは両方から供給することができる。また、前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
【００２１】
このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入され、このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、仕切壁１（分散板）を通じてガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、仕切壁１（分散板）を通じてオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着されたガス（高純度の吸着ガス）の一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給され、この洗浄ガスが仕切壁１（分散板）を通じてガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2→オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2へと流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
【００２２】
脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
吸着工程と脱着工程の圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
以上のように３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
【００２３】
図４は、本願の第二の発明に係るガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す側面図あり、図５は、図４のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽を模式的に示す側面図である。
このガス吸着分離装置も、３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３に吸着工程と洗浄工程と脱着工程をこの順に交互に行わせるものである。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
【００２４】
各吸着槽ｘは枕型であり、吸着槽ｘの内部が高さ方向（上下方向）で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する上下の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。ここで、枕型の吸着槽ｘとは、横円筒型であって、筒両端が球面状の丸みを有する形状の吸着槽を指す。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
【００２５】
各領域を仕切るために吸着槽ｘ内で水平方向に設けられる仕切壁１（分散板）は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する多孔板（例えば、金網など）で構成される。本実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
前記ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が、また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2には、濃縮したガス（混合ガスの一部が吸着・分離された後のガス）を排出するためのガス排出管３が、それぞれ接続されている。前記ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意である。また、前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
【００２６】
このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入され、このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、仕切壁１（分散板）を通じて上下のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、仕切壁１（分散板）を通じて最外側（上下）のオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
【００２７】
洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着されたガス（高純度の吸着ガス）の一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給され、この洗浄ガスが仕切壁１（分散板）を通じて上下のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2→オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2へと流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
【００２８】
脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
吸着工程と脱着工程の圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
以上のように３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
【００２９】
図６は、本願の第三の発明に係るガス吸着分離装置の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図７は、図６のガス吸着分離装置を構成する１つの吸着槽（吸着塔）を模式的に示す斜視図、図８は同じく水平断面図である。
このガス吸着分離装置も、３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３を備えており、これら３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３に吸着工程と洗浄工程と脱着工程をこの順に交互に行わせるものである。なお、ガス吸着分離装置は、２基の吸着槽を備え、これら２基の吸着槽に吸着工程と脱着工程を交互に行わせるもの、すなわち洗浄工程を行わないものであってもよい。
【００３０】
各吸着槽ｘは枕型であり、吸着槽ｘの内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域Ａを構成し、このガス流入領域Ａに隣接する両側の領域がガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2を構成し、これらガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2を構成している。さきに述べたように、枕型の吸着槽ｘとは、横円筒型であって、筒両端が球面状の丸みを有する形状の吸着槽を指す。なお、吸着槽ｘの径方向の断面形状は楕円形であってもよい。
【００３１】
各領域を仕切るために吸着槽ｘ内で水平方向に設けられる仕切壁１（分散板）は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内に粒状の吸着剤を保持しつつ、ガスを通過させることができる小孔を全面に有する多孔板（例えば、金網など）で構成される。本実施形態では、仕切壁１は吸着槽ｘの内部を直線状に仕切り、各領域を形成している。
前記ガス流入領域Ａとオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2は、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2との間で仕切壁１を通じてガスを出入りさせる空間部である。
【００３２】
前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを供給するためのガス供給管２が、また、オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2には、濃縮したガス（混合ガスの一部が吸着・分離された後のガス）を排出するためのガス排出管３が、それぞれ接続されている。前記ガス供給管２による混合ガスの供給位置は任意である。また、前記ガス流入領域Ａには、混合ガスを全域にわたって均一に供給できるような分散ノズルを設けてもよい。
【００３３】
このようなガス吸着分離装置において、吸着工程にある吸着槽ｘ１では、混合ガスがガス供給管２を通じてガス流入領域Ａに導入され、このガス流入領域Ａに導入された混合ガスは、仕切壁１（分散板）を通じて両側のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に流入し、ここで吸着剤の特性に応じて混合ガス中の特定のガス成分が吸着され、ガス相に非吸着成分が濃縮される。濃縮されたガスは、仕切壁１（分散板）を通じて最外側（左右）のオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した後、ガス排出管３を通じて排出される。
【００３４】
洗浄工程にある吸着槽ｘ２では、脱着工程にある吸着槽ｘ３で脱着されたガス（高純度の吸着ガス）の一部が、洗浄ガスとしてガス流入領域Ａに供給され、この洗浄ガスが仕切壁１（分散板）を通じて両側のガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2→オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2へと流れることで、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2内の不純物ガスがオフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に追い出され、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2の洗浄がなされる。オフガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に流出した洗浄オフガスは、ガス排出管３を通じて排出される。
【００３５】
脱着工程にある吸着槽ｘ３では、真空ポンプ４により槽内の圧力を低下させ、吸着ガスを吸着剤から脱離させ、高純度化したガスを回収する。また、上述したように、その一部を洗浄工程にある吸着槽に洗浄ガスとして供給する。
吸着工程と脱着工程の圧力は、脱着圧力が吸着圧力より低く設定されればよい。したがって、例えば、吸着圧力を大気圧とし脱着圧力を真空としてもよく、吸着圧力を加圧にて行い、脱着圧力を大気圧或いは真空としてもよい。
以上のように３基の吸着槽ｘ１〜ｘ３において、一定時間毎に順繰りに３つの工を実施することにより、混合ガスから高純度ガスを連続的に製造することができる。
【００３６】
本発明の装置は、ガス吸着領域Ａに充填される吸着剤の種類を問わない。吸着するガスの種類により、ゼオライト系、活性炭系、アルミナ系など任意の吸着剤を用いることができる。また、本発明の装置が適用される混合ガスの種類や吸着・分離するガス成分の種類も任意である。
また、本発明の装置は、冷却しながら吸着し、再生時に加温する方式の温度スイング吸着法や、この温度スイング吸着法と圧力スイング吸着法を組み合わせた圧力・温度スイング吸着法にも適用することができる。この場合、ガス吸着領域Ｂ1，Ｂ2に加熱・冷却のための熱交換チューブを挿入するなどの構成を採用することができる。
【００３７】
本発明のガス吸着分離装置は、容積に対する吸着剤充填率を高くすることができ、装置のコンパクト化と効率向上を図ることができる。図９（ａ），（ｂ）は枕型の吸着槽の径方向の縦断面図であるが、例えば、直径６．５ｍの枕型の吸着槽に、図９（ａ）のように２．５ｍの層厚で単一の吸着剤層を設けた従来型の装置の場合、その体積利用率は４８％に過ぎない。これに対して、図９（ｂ）のように、２．５ｍの層厚の吸着剤層を０．５ｍの空間（ガス流入領域Ａ）を隔てて２つ設けた本発明の装置の場合は、体積利用率は８３％に増加する。この結果、従来型の装置（枕型吸着装置）では５０ｍの長さが必要な場合、本発明の装置（枕型吸着装置）では約２９ｍの長さで、同量の吸着剤を充填することができる。
【００３８】
また、吸着剤として活性炭やＸ型ゼオライトなどを用いれば、混合ガスからの炭酸ガスの吸着分離にも問題なく適用できる。
また、本発明では、吸着剤層厚が２つに分割されているので各吸着剤層の厚さを薄くすることができ、このため、圧力損失を小さくできるとともに、吸着や脱着に必要な時間も短縮できる利点がある。
さらに、吸着槽は縦円筒型または枕型であり、混合ガスのガス流入領域Ａからガス流出領域Ｃ1，Ｃ2に向けて吸着装置の幅が減少するため、ガス吸着により混合ガスの体積が減少しても、混合ガスの線速度が低下せず、このため吸着に必要な時間をさらに短くできるという優れた効果が得られる。
【符号の説明】
【００３９】
１ 仕切壁
２ ガス供給管
３ ガス排出管
４ 真空ポンプ
Ａ ガス流入領域
Ｂ1，Ｂ2 ガス吸着領域
Ｃ1，Ｃ2 オフガス流出領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する両側の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【請求項２】
混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が高さ方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する上下の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【請求項３】
混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する両側の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【請求項４】
隣接する領域間はガスが通気可能な仕切壁で仕切られ、ガス流入領域（Ａ）とオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）は、ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）との間で仕切壁を通じてガスを出入りさせる空間部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス吸着分離装置。
【請求項１】
混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は縦円筒型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する両側の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【請求項２】
混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が高さ方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する上下の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【請求項３】
混合ガスを通過させて吸着剤と接触させ、混合ガス中の１以上のガス成分を吸着する吸着槽を複数基備え、該複数基の吸着槽に吸着工程と脱着工程、若しくは吸着工程と洗浄工程と脱着工程を交互に行わせるガス吸着分離装置であって、
各吸着槽は枕型であり、吸着槽の内部が水平方向で並列した５つの領域に仕切られ、これらの領域のうち、中央の領域がガス流入領域（Ａ）を構成し、該ガス流入領域（Ａ）に隣接する両側の領域がガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）を構成し、該ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）に各々隣接する最外側の領域がオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）を構成することを特徴とするガス吸着分離装置。
【請求項４】
隣接する領域間はガスが通気可能な仕切壁で仕切られ、ガス流入領域（Ａ）とオフガス流出領域（Ｃ1），（Ｃ2）は、ガス吸着領域（Ｂ1），（Ｂ2）との間で仕切壁を通じてガスを出入りさせる空間部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス吸着分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４９０１６（Ｐ２０１３−４９０１６Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８８４７５（Ｐ２０１１−１８８４７５）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
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