特許 6275562 ＰＳＡ装置及びＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6275562

(24)【登録日】2018年1月19日

(45)【発行日】2018年2月7日

(54)【発明の名称】ＰＳＡ装置及びＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/053 20060101AFI20180129BHJP

   C01B 3/38 20060101ALN20180129BHJP

【ＦＩ】

   B01D53/053

   !C01B3/38

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-125825(P2014-125825)

(22)【出願日】2014年6月18日

(65)【公開番号】特開2016-2531(P2016-2531A)

(43)【公開日】2016年1月12日

【審査請求日】2016年9月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100120329

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 一規

(74)【代理人】

【識別番号】100159499

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 義典

(74)【代理人】

【識別番号】100158540

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 博生

(74)【代理人】

【識別番号】100106264

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 耕治

(74)【代理人】

【識別番号】100176876

【弁理士】

【氏名又は名称】各務 幸樹

(74)【代理人】

【識別番号】100177976

【弁理士】

【氏名又は名称】根木 義明

(74)【代理人】

【識別番号】100117167

【弁理士】

【氏名又は名称】塩谷 隆嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100187768

【弁理士】

【氏名又は名称】藤中 賢一

(72)【発明者】

【氏名】半谷 広央

(72)【発明者】

【氏名】中尾 昇

(72)【発明者】

【氏名】三浦 真一

【審査官】 松井 一泰

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０３８０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−０４５３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１７８４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１５５５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−００３２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０８２９５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／０２− ５３／１２

Ｃ０１Ｂ ３／００− ６／３４

Ｃ１０Ｋ １／００− ３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料ガス中の特定成分を圧力スウィング吸着法により吸着除去する複数の吸着塔と、
この複数の吸着塔に連通する原料ガス供給ラインと、
上記複数の吸着塔に連通する製品ガス排出ラインと、
上記複数の吸着塔に連通するオフガス排出ラインと、
このオフガス排出ラインに接続される吸引ポンプと
を備えるＰＳＡ装置であって、
上記オフガス排出ラインの吸引ポンプの上流側にバルブを介して接続される減圧容器を備え、
上記オフガス排出ラインの吸引ポンプの上流側に接続される大気開放ラインを備え、
上記減圧容器の容積が吸着塔の容積の０．２倍以上１．６倍以下であり、
上記複数の吸着塔と上記吸引ポンプとの間に配される吸引ポンプ接続弁、
上記複数の吸着塔と上記減圧容器との間に上記吸引ポンプ接続弁と並列で配される減圧容器供給弁、及び
上記減圧容器と上記吸引ポンプとの間に上記吸引ポンプ接続弁と並列で配される減圧容器排出弁を備えるＰＳＡ装置。

【請求項2】

上記原料ガスが、水蒸気改質法により炭化水素系ガスから生成される水素リッチな水素含有ガスである請求項１に記載のＰＳＡ装置。

【請求項3】

上記複数の吸着塔の少なくとも一部に一酸化炭素を選択的に吸着するＣＯ吸着剤が充填されている請求項２に記載のＰＳＡ装置。

【請求項4】

請求項１、請求項２又は請求項３に記載のＰＳＡ装置を用い、原料ガス中の特定成分を圧力スウィング吸着法により吸着除去する方法であって、
上記複数の吸着塔に原料ガスを供給し、特定成分を吸着除去する工程と、
上記複数の吸着塔内の吸着剤を減圧により再生する工程と
を有し、
上記再生工程が、減圧された減圧容器と上記吸着塔との均圧工程を有することを特徴とするＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＰＳＡ装置及びＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水素等の高純度のガスを精製する際、主成分以外の不純物を含む原料ガスから圧力スウィング吸着（ＰＳＡ、Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）で不純物を除去する圧力スウィング吸着装置（以下、「ＰＳＡ装置」という。）が多用される。

【0003】

上記ＰＳＡ装置では、原料ガス中の不純物を吸着塔内に充填される吸着剤によって吸着除去し（以下、上記吸着除去する工程を「吸着除去工程」という。）、その後に減圧下でこの吸着剤が吸着した不純物を除去して吸着剤を再生する（以下、上記再生する工程を「再生工程」という。）。通常ＰＳＡ装置は２塔以上の吸着塔を有し、吸着工程及び再生工程を複数の吸着塔で交互に繰り返すことで連続的に高純度ガスの精製を可能としている（例えば特開２００８−６３１５２号公報参照）。

【0004】

従来のＰＳＡ装置では、上記再生工程において、吸引ポンプ（特許文献１でいう「真空ポンプ」に相当する。）で吸着塔内を減圧した状態で高純度ガスを供給し吸着剤を再生するが、吸着塔内を吸引ポンプで減圧するのに一定の時間が必要となる。そのため、吸着塔再生のサイクルタイムが長くならざるを得ない。

【0005】

また、従来のＰＳＡ装置では、再生効率を上げる目的で吸着塔内の真空度を高めるには吸引ポンプを大型化する必要があり、設備のコスト上昇及び大型化が避けられない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８−６３１５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、前述のような事情に基づいてなされたものであり、ＰＳＡ装置を大型化することなく、吸着剤の再生工程の時間を短縮し、かつ再生効率を向上できるＰＳＡ装置及びＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するためになされた発明は、原料ガス中の特定成分を圧力スウィング吸着法により吸着除去する複数の吸着塔と、この複数の吸着塔に連通する原料ガス供給ラインと、上記複数の吸着塔に連通する製品ガス排出ラインと、上記複数の吸着塔に連通するオフガス排出ラインと、このオフガス排出ラインに接続される吸引ポンプとを備えるＰＳＡ装置であって、上記オフガス排出ラインの吸引ポンプの上流側にバルブを介して接続される減圧容器を備えることを特徴とする。

【0009】

当該ＰＳＡ装置は、上述のようにオフガス排出ラインにおける吸引ポンプの上流側に減圧容器を備えることから、吸着塔内の吸着剤の再生の際に、予め吸着塔に接続されていない状態で減圧しておいた減圧容器と再生対象の吸着塔とを均圧し、その後にその吸着塔を吸引ポンプでさらに減圧することで、再生工程のサイクルタイムの短縮化が実現できる。この結果、当該ＰＳＡ装置は、吸引ポンプを大型化することなく、吸着剤の再生工程の時間を短縮し、かつ再生効率を向上できる。

【0010】

上記減圧容器の容積としては、吸着塔の容積の０．２倍以上１．６倍以下が好ましい。このように上記減圧容器の容積を上記範囲とすることで、ＰＳＡ装置を大型化させることなく、吸着剤再生工程のサイクルタイム短縮及び再生効率向上を促進することができる。なお、「吸着塔の容積」とは、吸着塔の気体を充填可能な容積を意味する。

【0011】

上記原料ガスが、水蒸気改質法により炭化水素系ガスから生成される水素リッチな水素含有ガスであるとよい。当該ＰＳＡ装置は、吸着剤の再生工程の短時間化及び再生効率に優れるため、水蒸気改質法を用いた水素製造に好適に用いることができる。

【0012】

上記複数の吸着塔の少なくとも一部に一酸化炭素を選択的に吸着するＣＯ吸着剤が充填されているとよい。このようにＣＯ吸着剤を吸着塔に充填することで、ＣＯ吸着剤のＣＯ吸着能力とこのＣＯ吸着剤の再生効率の高さとに起因して、高純度の水素ガスを効率よく得ることができる。

【0013】

また、上記課題を解決するためになされた別の発明は、複数の吸着塔を備えるＰＳＡ装置を用い、原料ガス中の特定成分を圧力スウィング吸着法により吸着除去する方法であって、上記複数の吸着塔に原料ガスを供給し、特定成分を吸着除去する工程と、上記複数の吸着塔内の吸着剤を減圧により再生する工程とを有し、上記再生工程が、減圧された減圧容器と上記吸着塔との均圧工程を有することを特徴とする。

【0014】

当該ＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法によれば、上述のように吸着塔内の吸着剤の再生工程が減圧容器及び再生対象の吸着塔の均圧工程を有することで、吸引ポンプにより予め減圧容器を減圧しておけば、均圧工程によりその減圧容器と再生対象の吸着塔とを均圧し、その後に吸引ポンプでその吸着塔の減圧を行うことで、再生対象の吸着塔内を従来よりも短時間で、かつ従来よりも真空度の高い状態にすることができる。さらに、当該ＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法によれば、特定の吸着塔で吸着除去している間等に減圧容器内を予め吸引ポンプで減圧しておくことができるため、各吸着塔における一連のサイクルタイムの短縮化が実現できる。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、本発明のＰＳＡ装置及びＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法は、装置を大型化することなく、吸着剤の再生工程の時間を短縮し、かつ再生効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係るＰＳＡ装置を示す概略図

【図2】実施例及び比較例の吸着塔内の圧力の時間変化を示すグラフ

【図3】吸着ガス量に対する洗浄ガス量の比とＣＯ吸着剤の脱着率との関係を示すグラフ

【図4】吸着塔容積に対する減圧容器容積の比と均圧後の吸着塔内の圧力との関係を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、適宜図面を参照しつつ本発明のＰＳＡ装置及びＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法の実施形態を詳説する。

【0018】

＜ＰＳＡ装置＞
図１のＰＳＡ装置は、原料ガスＡ中の特定成分を圧力スウィング吸着法により吸着除去する３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃと、この３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃに連通する原料ガス供給ライン１０１と、上記３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃに連通する製品ガス排出ライン２０１と、上記３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃに連通するオフガス排出ライン１０３と、このオフガス排出ライン１０３に接続される吸引ポンプ２と、このオフガス排出ライン１０３の吸引ポンプ２の上流側にバルブを介して接続される減圧容器３と、製品ガス用バッファタンク４とを主に備える。

【0019】

当該ＰＳＡ装置は水素、ヘリウム、アルゴン等の純度の高いガスを精製することができる。従って、当該ＰＳＡ装置に供給する原料ガスＡとしては、特に限定されず、例えば水素を含む原料ガス、ヘリウムを含む原料ガス、アルゴンを含む原料ガス等を用いることができる。また、当該ＰＳＡ装置は、ガスの精製以外にも原料ガス中の特定成分を除去する用途に好適に用いられ、天然ガスの精製、放射性ガスの濃縮、パラフィンの分離などの種々のプロセスに用いることができる。

【0020】

特に、当該ＰＳＡ装置は水蒸気改質法を用いた水素製造に好適に用いることができる。以下、原料ガスとして水蒸気改質法により炭化水素系ガスから生成される水素リッチな水素含有ガスを用いた場合の当該ＰＳＡ装置の実施形態について説明する。

【0021】

水素リッチな水素含有ガスは、例えば公知の水蒸気改質器と変成器とを組み合わせた改質器で天然ガス等の炭化水素を含有するガスを水蒸気改質して得られる。具体的には、炭化水素系ガスを水蒸気改質器での改質反応により水蒸気で改質し、水素及び一酸化炭素を主成分とするガスとした後、さらに変成器でこのガスを水蒸気で変成し、水素リッチな水素含有ガスを生成する。この水素含有ガス中には、水素の他、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等の未反応の天然ガス成分や水などの不純物が含まれる。

【0022】

原料ガスＡは、原料ガス供給ライン１０１を通して３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃに供給される。

【0023】

３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃは、原料ガスＡ中の上記不純物を吸着する吸着剤が充填されており、製品ガス排出ライン２０１から高純度の製品ガスＢを排出する。これらの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃは、それぞれ吸着、減圧、均圧及び洗浄、昇圧、並びに吸着の一連の工程を順次切り替えて運転される。吸着塔内の圧力を減圧する工程及び製品ガスである水素ガスで洗浄する工程により、吸着した不純物を除去し、吸着剤を再生する。その後、吸着剤を再生した吸着塔を再び昇圧し水素精製に再び供する。当該ＰＳＡ装置の運転中、いずれかの吸着塔が吸着工程となるように上記一連の工程のタイミングを各吸着塔でずらして行うことで、吸着と再生とを異なる吸着塔で同時に行うことが可能となり、連続的に製品ガスＢを製造できる。

【0024】

吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃには、原料ガスＡの主な不純物である一酸化炭素、二酸化炭素及びメタンを吸着可能な吸着剤が充填される。この吸着剤は各不純物をＰＳＡにより吸着可能なものであれば特に限定されない。特に、吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃの少なくとも一部に一酸化炭素を選択的に吸着するＣＯ吸着剤が充填されているとよい。このようにＣＯ吸着剤を吸着塔に充填することで、得られる水素ガスの純度をより高めることができる。このＣＯ吸着剤としては、例えばゼオライト、シリカ、アルミナ、ポリスチレン等を用いることができるが、特に多孔質シリカ、多孔質アルミナ、ポリスチレンのうち１種以上の担体に、ハロゲン化銅（Ｉ）及び／又はハロゲン化銅（ＩＩ）を担持させた材料、この材料を還元処理した材料、あるいはゼオライト中のカチオンを１価の銅（Ｃｕ（Ｉ））にイオン交換した材料を用いることが好ましい。このような材料は、一酸化炭素の吸着性能が大きいため、吸着剤使用量を削減できると共に、水素回収率の向上を図ることが出来る。

【0025】

原料ガス供給ライン１０１は原料ガスＡを吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃへ導入するためのラインである。原料ガス供給ライン１０１と３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃとはそれぞれ原料ガス供給弁Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｃを介して接続される。

【0026】

オフガス排出ライン１０３は吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃの再生時に吸着塔内を減圧するために用いるラインである。オフガス排出ライン１０３は、３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃとオフガス排出弁Ｖ３ａ，Ｖ３ｂ，Ｖ３ｃをそれぞれ介して接続される。このオフガス排出ライン１０３には吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃの再生時に大気圧以下まで減圧するための吸引ポンプ２の吸入側が吸引ポンプ接続弁Ｖ８を介して接続される。さらに、オフガス排出ライン１０３の吸引ポンプ２の上流側には減圧容器供給弁Ｖ９と減圧容器排出弁Ｖ１０とを介して減圧容器３が接続される。

【0027】

また、オフガス排出ライン１０３の吸引ポンプ２の上流側には大気開放ライン１０２が接続され、大気開放弁Ｖ７を開けることで吸着塔内が大気開放される。

【0028】

減圧容器３は、耐圧容器であり、吸引ポンプ２によって内部が減圧される。また、減圧容器３は、減圧容器供給弁Ｖ９及び減圧容器排出弁Ｖ１０を介してオフガス排出ライン１０３の吸引ポンプ２の上流側に吸引ポンプ接続弁Ｖ８と並列に接続されている。

【0029】

減圧容器３の容積の下限としては、吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃの各容積の０．２倍が好ましく、０．４倍がより好ましく、０．６倍がさらに好ましい。一方、減圧容器３の容積の上限としては、吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃの各容積の１．６倍が好ましく、１．４倍がより好ましく、１．２倍がさらに好ましい。減圧容器３の容積が上記下限未満の場合、吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃ内を迅速にかつより低い圧力まで減圧する効果が不十分となるおそれがある。逆に、減圧容器３の容積が上記上限を超える場合、当該ＰＳＡ装置が不要に大型化するおそれがある。なお、複数の吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃの容積が異なる場合は、最も大きい吸着塔の容積に対する比を上記範囲とすることが好ましい。

【0030】

オフガス排出ライン１０３又は大気開放ライン１０２から排出される吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃの特定成分等を含むオフガスＣは、図示しないオフガス用バッファタンク等に一時的に貯蔵され、例えば改質器の水蒸気生成用の燃料ガスとして用いることができる。具体的には、上記オフガスＣをボイラ等で燃焼させることで改質用の蒸気を生成し、改質器に導入する。

【0031】

製品ガス排出ライン２０１は吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃで原料ガスＡの不純物を除去して得た製品ガスＢの回収ラインであり、３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃとはそれぞれ製品ガス排出弁Ｖ２ａ，Ｖ２ｂ，Ｖ２ｃを介して接続される。回収した製品ガスＢは製品ガス用バッファタンク４に一時的に貯蔵され、適宜供給される。なお、この製品ガスＢは吸着塔の洗浄ガスとしても使用される。

【0032】

また、吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃの排出側には、それぞれ上記製品ガス排出ライン２０１の他に均圧ライン２０２及び洗浄ライン２０３が接続されている。均圧ライン２０２は、各吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃにそれぞれ均圧弁Ｖ４ａ，Ｖ４ｂ，Ｖ４ｃを介して接続され、洗浄ライン２０３は、吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃにそれぞれ洗浄弁Ｖ５ａ，Ｖ５ｂ，Ｖ５ｃを介して接続される。これらの製品ガス排出ライン２０１、均圧ライン２０２、及び洗浄ライン２０３によって、１つの吸着塔から製品ガスＢを回収しながら、他の１つの吸着塔に対して残りの吸着塔から製品ガスＢを供給して、均圧及び洗浄工程を行うことができる。これらの具体的な手順については、ＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法の説明にて詳述する。

【0033】

当該ＰＳＡ装置は、後述する吸着除去方法を自動で行う制御手段を備えるとよい。この制御装置としては公知のものを用いることができる。

【0034】

＜吸着除去方法＞
次に、当該ＰＳＡ装置を用い、原料ガス中の特定成分を圧力スウィング吸着法により吸着除去する方法について説明する。当該吸着除去方法は、上記３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃに原料ガスＡを供給し、特定成分を吸着除去する工程と、上記３つの吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃ内の吸着剤を吸引ポンプ２による減圧により再生する工程とを有し、この再生工程が、吸引ポンプ２により減圧された減圧容器３と上記吸着塔１ａ，１ｂ，１ｃとの均圧工程を有する。

【0035】

当該吸着除去方法は、１つの吸着塔で特定成分の吸着除去工程を行い、その間に残りの吸着塔で吸引ポンプ２での減圧による吸着剤の再生工程を行う。以下、これらの工程について、表１に示すように第一の吸着塔１ａで吸着工程を行っている間に、第二の吸着塔１ｂ及び第三の吸着塔１ｃで再生工程を行う場合を例にとり具体的に説明する。

【0036】

【表1】

【0037】

（ステップ０）
表中のステップ１の直前の状態（ステップ０）は、第二の吸着塔１ｂが再生工程中の製品ガスＢによる洗浄が終わった直後の負圧状態、第三の吸着塔１ｃが吸着除去工程が終わった直後の加圧状態である。このとき、第一の吸着塔１ａに原料ガスＡが供給され、不純物が除去された製品ガスＢが第一の吸着塔１ａの製品ガス排出弁Ｖ２ａを通して製品ガス排出ライン２０１から回収されている。

【0038】

（ステップ１）
上述の状態から、最初に第二の吸着塔１ｂと第三の吸着塔１ｃとの均圧が行われる。この均圧工程は、第二の吸着塔１ｂの均圧弁Ｖ４ｂと第三の吸着塔１ｃの均圧弁Ｖ４ｃとを開とし、第二の吸着塔１ｂと第三の吸着塔１ｃとを連通することにより第三の吸着塔１ｃ内のガスを第二の吸着塔１ｂに移送して第二の吸着塔１ｂの内圧と第三の吸着塔１ｃの内圧とを等しくするものである。このとき、第二の吸着塔１ｂは昇圧され、第三の吸着塔１ｃは減圧される。また、これと同時に、減圧容器排出弁Ｖ１０を開とし、吸引ポンプ２により減圧容器３内の減圧を開始する。

【0039】

（ステップ２）
次に、第三の吸着塔１ｃの均圧弁Ｖ４ｃを閉じ、第三の吸着塔１ｃ内のガスをオフガス排出弁Ｖ３ｃ及び大気開放弁Ｖ７を開いて排出することで第三の吸着塔１ｃを大気圧まで一次減圧する。このとき、バッファタンク接続弁Ｖ６を開けることで第二の吸着塔１ｂには製品ガス用バッファタンク４から製品ガスＢが供給され昇圧が行われる。この第二の吸着塔１ｂの昇圧は、吸着圧力となるまで継続される。なお、表１では第三の吸着塔１ｃの洗浄が終わるまで、つまりステップ５まで昇圧されるように記載しているが、吸着圧力に到達した時点でバッファタンク接続弁Ｖ６及び第二の吸着塔１ｂの均圧弁Ｖ４ｂを閉じて昇圧を終了する。また、このステップ２の間も減圧容器３の減圧は必要であれば継続される。

【0040】

（ステップ３）
次に、吸引ポンプ２を停止し、第三の吸着塔１ｃのオフガス排出弁Ｖ３ｃを開けたまま、大気開放弁Ｖ７を閉じると共に減圧容器供給弁Ｖ９を開けることで、第三の吸着塔１ｃ内のガスをさらに負圧状態の減圧容器３内に排出し、第三の吸着塔１ｃと減圧容器３とを二次均圧する。

【0041】

（ステップ４）
上記第三の吸着塔１ｃの二次均圧工程後、減圧容器供給弁Ｖ９を閉じ、吸引ポンプ接続弁Ｖ８を開け、吸引ポンプ２を駆動させることで第三の吸着塔１ｃ内のガスをさらに吸引し、第三の吸着塔１ｃをさらに減圧する。

【0042】

（ステップ５）
第三の吸着塔１ｃ内の圧力が十分低下した状態で、第三の吸着塔１ｃのオフガス排出弁Ｖ３ｃを閉じると共に洗浄弁Ｖ５ｃを開け、製品ガスＢを第三の吸着塔１ｃ内に導入して吸着剤を洗浄し、再生する。このとき、製品ガスＢの導入により第三の吸着塔１ｃ内の圧力は上昇するが、吸引ポンプ２により減圧し続けることで、第三の吸着塔１ｃ内を大気圧以下の圧力に保つ。なお、洗浄中の吸着塔内の圧力は低いほど好ましい。

【0043】

（ステップ６以降）
第三の吸着塔１ｃの再生工程が終了した時点で吸引ポンプ２を停止し、各弁の操作により吸着除去を行う吸着塔を第二の吸着塔１ｂに切り替え、第三の吸着塔１ｃの再生工程での昇圧を継続しつつ、第一の吸着塔１ａの再生工程を始める。以降は、上記ステップ１以降を吸着工程及び再生工程を行う吸着塔を入れ替えながら繰り返し行う。

【0044】

＜利点＞
当該ＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法によれば、吸引ポンプ２により予め減圧容器３を減圧し、均圧工程によりその減圧容器３と再生対象の吸着塔とを均圧し、その後に吸引ポンプ２でその吸着塔の減圧を行うことで、再生対象の吸着塔内を従来よりも短時間で、かつ従来よりも真空度の高い状態にすることができる。さらに、当該ＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法によれば、特定の吸着塔で吸着除去している間等に減圧容器３内を予め吸引ポンプ２で減圧しておくことができるため、各吸着塔における一連のサイクルタイムの短縮化が実現できる。

【0045】

＜その他の実施形態＞
本発明のＰＳＡ装置及びこれを用いた吸着除去方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ＰＳＡ装置の備える減圧容器の数は複数であってもよく、これらを並列又は直列に接続して使用することができる。なお、減圧容器の数が複数の場合、減圧容器全体の容積の吸着塔の容積に対する比を上述した範囲とすることが好ましい。

【0046】

また、吸引ポンプ及び減圧容器は、吸着塔の下流側（製品ガス排出側）に設けてもよい。ただし、水素精製に当該ＰＳＡ装置を用いる場合、洗浄ガスを吸着塔の製品ガス排出側から原料ガス供給側へと供給することで洗浄効果が高まるため、上記実施形態のように吸引ポンプ及び減圧容器は吸着塔の上流側（原料ガス供給側）に設けることが好ましい。

【0047】

また、製品ガス用バッファタンクは必須の構成要素ではなく、吸着塔の昇圧及び洗浄には別途水電解装置で製造した洗浄用水素ガスを供給してもよい。この水電解装置としては、プロトン伝導高分子膜を用いた固体高分子水電解装置やアルカリ水電解装置等が利用できる。

【0048】

さらに、当該ＰＳＡ装置を用いた吸着除去では、吸着塔内を大気開放、つまり一次減圧せずに、他の吸着塔との均圧後に直接減圧容器と均圧を行ってもよい。

【0049】

また、当該ＰＳＡ装置は、４つ以上の吸着塔を備えてもよい。４つ以上の吸着塔を備える場合でも、吸着除去工程と再生工程とを各吸着塔に振り分けることで３つの吸着塔を備える場合と同様、連続的にガスの精製を行うことができる。

【0050】

さらに、当該ＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法は上述の制御装置により自動化して行うことが好適であるが、手動で行ってもよい。

【実施例】

【0051】

以下、実施例を挙げて本発明をより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。

【0052】

＜再生工程における圧力変動＞
まず、当該ＰＳＡ装置を用いた吸着除去方法における吸着塔の圧力変動について検証した。

【0053】

［実施例１］
図１に示すＰＳＡ装置を用いて、１つの吸着塔に対し上記表１に示した手順で再生工程を行い、その間の吸着塔内の圧力変化を測定した。なお、減圧容器の容積は、吸着塔の容積と同じとした。その結果を図２に示す。

【0054】

［比較例１］
実施例１と同様のＰＳＡ装置を用いて、１つの吸着塔に対し下記表２に示した減圧容器を使用しない手順で再生工程を行い、その間の吸着塔内の圧力変化を測定した。なお、比較例１では、一次減圧の時間は実施例１と同じとし、二次減圧の時間は実施例１の二次均圧及び二次減圧の時間を合わせたものと同じとした。その結果を図２に示す。

【0055】

【表2】

【0056】

図２に示すように、実施例１では減圧容器との均圧により吸引ポンプを用いた場合よりも迅速に真空度が上昇している。また、洗浄工程が進むにつれてより真空度が増していることがわかる。一方で、比較例１は、実施例１と同じ吸引ポンプを用いて同様の時間減圧を行ったにもかかわらず、真空度が低い。つまり、実施例１は同じ減圧時間、つまり同じ再生工程時間でより少ない洗浄ガスである製品ガスの量で吸着剤の再生を行えるため、水素回収率を向上できる。なお、二次減圧後に吸着塔内の圧力が上昇しているのは洗浄ガスを導入したことによる。

【0057】

＜ＣＯ吸着剤の再生度＞
次に、吸着塔への洗浄ガスの供給量とＣＯ吸着剤の再生度の関係について検証した。吸着塔内にＣＯ吸着剤を充填し、吸着塔内の圧力を大気圧（１０１ｋＰａ）から２ｋＰａまで変化させながら洗浄ガスの供給量とＣＯ吸着剤のＣＯ脱着率を計測した。その結果を図３に示す。

【0058】

図３では横軸をＣＯ吸着剤が吸着したＣＯガス量（ｍ^３）に対する供給した洗浄ガス量（ｍ^３）の比をとり、縦軸にＣＯの吸着量に対する脱着量の比であるＣＯ脱着率をとり、計測結果を吸着塔内の圧力ごとにグラフで示した。この図からわかるように、いずれの圧力でもＣＯ脱着率を１にすることができるが、吸着塔内の圧力が低い、つまり真空度が高いほど、少ない洗浄ガス量で吸着剤のＣＯ脱着率である再生度を高め、製品ガスの回収率を向上できることがわかる。

【0059】

＜減圧容器の容積と減圧度＞
さらに、減圧容器の容積と吸着塔の容積との比を変えつつ均圧工程を繰り返し行い、減圧容器の容積と吸着塔の容積との比及び減圧容器と均圧した際の吸着塔内の圧力の関係を求めた。この結果を図４に示す。なお、均圧直前の減圧容器内の圧力、つまり真空度は不変とした。

【0060】

図４では横軸に減圧容器の容積（ｍ^３）に対する吸着塔の容積（ｍ^３）の比をとり、縦軸に均圧後の吸着塔内の圧力をとっている。この図からわかるように、吸着塔に対する減圧容器の容積の比を大きくするほど、均圧後の吸着塔の圧力を低くできることがわかる。例えば、上記比が０．４の場合、減圧容器との均圧で常圧から６５ｋＰａまで吸着塔内の減圧を行うことができ、吸引ポンプで排気した際の目標真空度への到達速度が大きく改善される。ただし、この容積の比が大きくなるにつれ、容積の増加に対して圧力低下の効果が小さくなるため、過度に減圧容器の容積を大きくすることはＰＳＡ装置の無用な大型化を招く。

【産業上の利用可能性】

【0061】

以上説明したように、当該ＰＳＡ装置及びこれを用いた吸着除去方法は、装置を大型化することなく、吸着剤の再生工程の時間を短縮し、かつ再生効率を向上できるため、水素製造装置等に好適に用いることができる。

【符号の説明】

【0062】

１ａ，１ｂ，１ｃ 吸着塔
２ 吸引ポンプ
３ 減圧容器
４ 製品ガス用バッファタンク
１０１ 原料ガス供給ライン
１０２ 大気開放ライン
１０３ オフガス排出ライン
２０１ 製品ガス排出ライン
２０２ 均圧ライン
２０３ 洗浄ライン
Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｃ 原料ガス供給弁
Ｖ２ａ，Ｖ２ｂ，Ｖ２ｃ 製品ガス排出弁
Ｖ３ａ，Ｖ３ｂ，Ｖ３ｃ オフガス排出弁
Ｖ４ａ，Ｖ４ｂ，Ｖ４ｃ 均圧弁
Ｖ５ａ，Ｖ５ｂ，Ｖ５ｃ 洗浄弁
Ｖ６ バッファタンク接続弁
Ｖ７ 大気開放弁
Ｖ８ 吸引ポンプ接続弁
Ｖ９ 減圧容器供給弁
Ｖ１０ 減圧容器排出弁
Ａ 原料ガス
Ｂ 製品ガス
Ｃ オフガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】