(57)【要約】【課題】吸着剤の再生工程において、多量の冷媒を用いることなく、精製ガスの使用量の削減が可能なガス精製装置を提供する。【解決手段】吸着塔２Ａ，２Ｂが、原料ガス中の不純物を吸着除去する吸着剤が充填される内筒５と、内筒５の周囲に設けられた断熱材８と、内筒５と断熱材８との間に設けられる冷却管７とを有するガス精製装置１を選択する。【選択図】図２
2020065984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つ以上の吸着塔を備えたガス精製装置であって、
前記吸着塔は、吸着剤が充填された内筒と、
前記内筒の周囲に設けられた断熱材と、
前記内筒と前記断熱材との間に設けられた冷却管と、を備える、ガス精製装置。
【請求項２】
前記冷却管が、前記内筒と伝熱材料を介して接触している、請求項１に記載のガス精製装置。
【請求項３】
前記内筒と前記断熱材との間に加熱装置が設けられている、請求項１又は２に記載のガス精製装置。
【請求項４】
前記内筒が、螺旋状に設けられた前記冷却管及び前記加熱装置のうち、一方又は両方の内側に設けられている、請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項５】
前記冷却管及び前記加熱装置のうち、一方又は両方が、前記内筒と少なくとも一部が接触した状態で設けられている、請求項３又は４に記載のガス精製装置。
【請求項６】
前記加熱装置が、前記内筒と伝熱材料を介して接触している、請求項３乃至５の何れか一項に記載のガス精製装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載のガス精製装置を用いたガス精製方法であって、
前記吸着剤を加熱再生処理した後の冷却処理において、前記内筒内に再生ガスを供給するとともに、前記冷却管に冷媒を導入する、ガス精製方法。
【請求項８】
前記冷却管に冷媒を導入した後、次の加熱再生処理を開始する前に、前記冷媒の導入を停止し、前記冷却管内に残留する前記冷媒を排出する、請求項７に記載のガス精製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス精製装置及びガス精製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス精製方法として、ＴＳＡ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法がある。一般的に、ＴＳＡ法を適用するガス精製装置では、複数の吸着塔を有している。各吸着塔は、原料ガス中の不純物を吸着剤に吸着させて精製ガスを得る吸着工程と、吸着剤の温度を上げることで吸着工程において吸着した不純物を吸着剤から取り除く再生工程と、を交互に繰り返す。これにより、連続的にガス精製を行う（精製ガスを得る）ことができる。
【０００３】
上述した再生工程には、加熱工程と冷却工程とが含まれる。加熱工程では、吸着塔内の吸着剤を、例えば１００〜４００℃に加熱することで、吸着剤に吸着した不純物を十分に取り除く。吸着剤の加熱手段としては、高温の精製ガス（再生ガス）を吸着塔内に流通させることや、吸着剤をヒータで直接または間接的に加熱することが一般的である。一方、冷却工程では、不純物が除去された高温の吸着剤を冷却して、常温に戻す。吸着剤の冷却手段としては、常温の精製ガス（再生ガス）を吸着塔内に流通させることが一般的である。
【０００４】
このように、冷却工程では、吸着工程によって得られた精製ガスの一部を再生ガスとして使用するため、冷却工程での再生ガスの使用量に応じて精製ガスの回収量が減少してしまうという課題があった。
【０００５】
そこで、このような課題を解決するため、下記特許文献１には、内筒と外筒の間に形成された通気空間に気流（冷媒）を流通させる吸着塔が開示されている。この特許文献１に記載の吸着塔では、冷却工程において、常温の再生ガスを吸着塔内に流通させることにより吸着剤の冷却が行われると共に、冷媒による吸着剤の冷却も行われることから、再生ガスとしての精製ガスの使用量を低減（削減）することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１８５６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の吸着塔では、冷却工程において、上述した通気空間内を流通する冷媒と内筒内の吸着剤との熱交換が内筒の外表面のみで行われる。さらに、冷媒は通気空間の軸方向にしか流れず、熱交換を行う距離が限られている。このため、冷媒が吸着剤との間で十分に熱交換が行われないまま、上部通気孔より多量の冷媒が排出されるという課題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、吸着塔の冷却工程において、少量の冷媒を用いて効率的に吸着剤を冷却することができ、冷却工程における再生ガスの使用量の削減が可能なガス精製装置及びガス精製方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
［１］  少なくとも１つ以上の吸着塔を備えたガス精製装置であって、
前記吸着塔は、吸着剤が充填された内筒と、
前記内筒の周囲に設けられた断熱材と、
前記内筒と前記断熱材との間に設けられた冷却管と、を備える、ガス精製装置。
［２］  前記冷却管が、前記内筒と伝熱材料を介して接触している、［１］に記載のガス精製装置。 
［３］  前記内筒と前記断熱材との間に加熱装置が設けられている、［１］又は［２］に記載のガス精製装置。
［４］  前記内筒が、螺旋状に設けられた前記冷却管及び前記加熱装置のうち、一方又は両方の内側に設けられている、［３］に記載のガス精製装置。
［５］  前記冷却管及び前記加熱装置のうち、一方又は両方が、前記内筒と少なくとも一部が接触した状態で設けられている、［３］又は［４］に記載のガス精製装置。
［６］  前記加熱装置が、前記内筒と伝熱材料を介して接触している、［３］乃至［５］の何れか一項に記載のガス精製装置。
［７］  ［１］乃至［６］の何れか一項に記載のガス精製装置を用いたガス精製方法であって
前記吸着剤を加熱再生処理した後の冷却処理において、前記内筒内に再生ガスを供給するとともに、前記冷却管に冷媒を導入する、ガス精製方法。
［８］  前記冷却管に冷媒を導入した後、次の加熱再生処理を開始する前に、前記冷媒の導入を停止し、前記冷却管内に残留する前記冷媒を排出する、［７］に記載のガス精製方法。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明のガス精製装置及びガス精製方法によれば、吸着塔の冷却工程において、少量の冷媒を用いて効率的に吸着剤を冷却することができ、冷却工程における再生ガスの使用量の削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態であるガス精製装置の構成を示す系統図である。
【図２】図１に示すガス精製装置が備える吸着塔の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態である吸着塔の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態であるガス精製装置を示す系統図である。
【図５】本発明のガス精製装置に適用可能な内筒の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を適用した一実施形態であるガス精製装置及びガス精製方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
（ガス精製装置）
先ず、本発明の第１の実施形態であるガス精製装置について図１及び図２を参照して説明する。なお、図１は、本発明の第１の実施形態であるガス精製装置１の構成を示す系統図である。図２は、図１中に示すガス精製装置１が備える吸着塔２Ａ，２Ｂの構成を示す断面図である。
【００１４】
本実施形態のガス精製装置１は、ＴＳＡ法により、原料ガスＧ１中の不純物を除去し、精製ガスＧ２を得るためのＴＳＡ装置である。具体的に、このガス精製装置１は、図１に示すように、２つの吸着塔２Ａ、２Ｂと、再生ガス流量制御装置１１と、原料ガス導入経路Ｌ１と、製品ガス導出経路Ｌ２と、再生ガス導入経路Ｌ３と、再生ガス導出経路Ｌ４と、冷媒導入経路Ｌ５と、冷媒導出経路Ｌ６とを備えて概略構成されている。
【００１５】
原料ガス導入経路Ｌ１は、精製が行われる原料ガスＧ１をガス精製装置１に導入するための経路である。原料ガス導入経路Ｌ１は、一方の原料ガス導入経路Ｌ１Ａと、他方の原料ガス導入経路Ｌ１Ｂとに、分岐点Ｐ１において分岐した構成を有している。一方の原料ガス導入経路Ｌ１Ａは、一方の吸着塔２Ａの一端側に接続されている。他方の原料ガス導入経路Ｌ１Ｂは、他方の吸着塔２Ｂの一端側に接続されている。
【００１６】
一方の原料ガス導入経路Ｌ１Ａには、この原料ガス導入経路Ｌ１Ａを開閉する第１の開閉バルブＶ１Ａが設けられている。他方の原料ガス導入経路Ｌ１Ｂには、この原料ガス導入経路Ｌ１Ｂを開閉する第２の開閉バルブＶ１Ｂが設けられている。
【００１７】
製品ガス導出経路Ｌ２は、吸着塔２Ａ、２Ｂで精製された精製ガスＧ２を、製品ガスとして取り出すための経路である。製品ガス導出経路Ｌ２は、一方の製品ガス導出経路Ｌ２Ａと、他方の製品ガス導出経路Ｌ２Ｂとが、合流点Ｐ２において合流した構成を有している。一方の製品ガス導出経路Ｌ２Ａは、一方の吸着塔２Ａの他端側と接続されている。他方の製品ガス導出経路Ｌ２Ｂは、他方の吸着塔２Ｂの他端側と接続されている。
【００１８】
一方の製品ガス導出経路Ｌ２Ａには、この製品ガス導出経路Ｌ２Ａを開閉する第３の開閉バルブＶ２Ａが設けられている。他方の製品ガス導出経路Ｌ２Ｂには、この製品ガス導出経路Ｌ２Ｂを開閉する第４の開閉バルブＶ２Ｂが設けられている。
【００１９】
再生ガス導入経路Ｌ３は、製品ガス導出経路Ｌ２から精製ガスＧ２の一部を再生ガスＧ３として取り出すための経路である。再生ガス導入経路Ｌ３は、製品ガス導出経路Ｌ２の合流点Ｐ２よりも下流側に設けられた分岐点Ｐ３において、製品ガス導出経路Ｌ２から分岐して設けられている。
【００２０】
再生ガス導入経路Ｌ３には、再生ガス流量制御装置１１が設けられている。再生ガス流量制御装置１１は、吸着塔２Ａ，２Ｂを再生する際の加熱工程及び再生工程において、再生ガスＧ３の流量を制御し、所定の流量の再生ガスＧ３を吸着塔２Ａ，２Ｂに供給する。
【００２１】
再生ガス導入経路Ｌ３は、一方の再生ガス導入経路Ｌ３Ａと、他方の再生ガス導入経路Ｌ３Ａとに、分岐点Ｐ４において分岐した構成を有している。一方の再生ガス導入経路Ｌ３Ａは、一方の吸着塔２Ａの他端側と接続されている。他方の再生ガス導入経路Ｌ３Ａは、他方の吸着塔２Ｂの他端側と接続されている。
【００２２】
一方の再生ガス導入経路Ｌ３Ａには、この再生ガス導入経路Ｌ３Ａを開閉する第５の開閉バルブＶ３Ａが設けられている。他方の再生ガス導入経路Ｌ３Ｂには、この再生ガス導入経路Ｌ３Ｂを開閉する第６の開閉バルブＶ３Ｂが設けられている。
【００２３】
なお、一方の製品ガス導出経路Ｌ２Ａ及び一方の再生ガス導入経路Ｌ３Ａは、一方の吸着塔２Ａの他端側と接続される一部の経路を共有した構成となっているが、一方の吸着塔２Ａの他端側と接続される経路をそれぞれ独立させることも可能である。同様に、他方の製品ガス導出経路Ｌ２Ｂ及び他方の再生ガス導入経路Ｌ３Ｂは、他方の吸着塔２Ｂの他端側と接続される一部の経路を共有した構成となっているが、他方の吸着塔２Ｂの他端側と接続される経路をそれぞれ独立させることも可能である。
【００２４】
再生ガス導出経路Ｌ４は、加熱工程及び冷却工程で使用した再生ガスＧ３を吸着塔２Ａ，２Ｂから導出するための経路である。再生ガス導出経路Ｌ４は、一方の再生ガス導出経路Ｌ４Ａと、他方の再生ガス導出経路Ｌ４Ｂとに、分岐点Ｐ５において分岐した構成を有している。一方の再生ガス導出経路Ｌ４Ａは、一方の吸着塔２Ａの一端側と接続されている。他方の再生ガス導出経路Ｌ４Ｂは、他方の吸着塔２Ｂの一端側と接続されている。
【００２５】
一方の再生ガス導出経路Ｌ４Ａには、この再生ガス導出経路Ｌ４Ａを開閉する第７の開閉バルブＶ４Ａが設けられている。他方の再生ガス導出経路Ｌ４Ｂには、この再生ガス導出経路Ｌ４Ｂを開閉する第８の開閉バルブＶ４Ｂが設けられている。
【００２６】
なお、一方の原料ガス導入経路Ｌ１Ａ及び一方の再生ガス導出経路Ｌ４Ａは、一方の吸着塔２Ａの一端側と接続される一部の経路を共有した構成となっているが、一方の吸着塔２Ａの一端側と接続される経路をそれぞれ独立させることも可能である。同様に、他方の原料ガス導入経路Ｌ１Ｂ及び他方の再生ガス導出経路Ｌ４Ｂは、他方の吸着塔２Ｂの一端側と接続される一部の経路を共有した構成となっているが、他方の吸着塔２Ｂの一端側と接続される経路をそれぞれ独立させることも可能である。
【００２７】
冷媒導入経路Ｌ５は、後述する冷却工程において吸着塔２Ａ，２Ｂの冷却管７に冷媒Ｃを導入するための経路である。冷媒導入経路Ｌ５は、一方の冷媒導入経路Ｌ５Ａと、他方の冷媒導入経路Ｌ５Ｂとに、分岐点Ｐ６において分岐した構成を有している。一方の冷媒導入経路Ｌ５Ａは、一方の吸着塔２Ａの冷却管７の一端側と接続されている。他方の冷媒導入経路Ｌ５Ｂは、他方の吸着塔２Ｂの冷却管７の一端側と接続されている。
【００２８】
冷媒導入経路Ｌ５には、この冷媒導入経路Ｌ５を開閉する第９の開閉バルブＶ５が設けられている。一方の冷媒導入経路Ｌ５Ａには、この冷媒導入経路Ｌ５Ａを開閉する第１０の開閉バルブＶ７Ａが設けられている。他方の冷媒導入経路Ｌ５Ｂには、この冷媒導入経路Ｌ５Ｂを開閉する第１１の開閉バルブＶ７Ｂが設けられている。
【００２９】
冷媒導出経路Ｌ６は、冷却工程で使用した冷媒Ｃを吸着塔２Ａ，２Ｂの冷却管７から導出するための経路である。冷媒導出経路Ｌ６は、一方の冷媒導出経路Ｌ６Ａと、他方の冷媒導出経路Ｌ６Ｂとが、合流点Ｐ７において合流した構成を有している。一方の冷媒導出経路Ｌ６Ａは、一方の吸着塔２Ａの冷却管７の他端側と接続されている。他方の冷媒導出経路Ｌ６Ｂは、他方の吸着塔２Ｂの冷却管７の他端側と接続されている。
【００３０】
一方の冷媒導出経路Ｌ６Ａには、この冷媒導出経路Ｌ６Ａを開閉する第１２の開閉バルブＶ８Ａが設けられている。他方の冷媒導出経路Ｌ６Ｂには、この冷媒導出経路Ｌ６Ｂを開閉する第１３の開閉バルブＶ８Ｂが設けられている。
【００３１】
本実施形態のガス精製装置では、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂを設けることにより、一方の吸着塔２Ａ（又は他方の吸着塔２Ｂ）で吸着工程を行う間、他方の吸着塔２Ｂ（又は一方の吸着塔２Ａ）で再生工程を行い、これら一対の吸着塔２Ａ，２Ｂ間で吸着工程と再生工程とを交互に繰り返すことで、原料ガスＧ１から連続的に精製ガスＧ２の精製処理を行うことができる。なお、本実施形態の吸着塔２Ａ，２Ｂの数は２つであるが、その数について特に限定されるものではなく、吸着塔の数は少なくとも１つ以上であればよい。
【００３２】
（吸着塔）
吸着塔２Ａ，２Ｂは、原料ガスＧ１中に含まれる不純物が除去された精製ガスＧ２を得るための分離装置である。具体的に、この吸着塔２Ａ、２Ｂは、図２に示すように、その中心部分に設けられた内筒５と、内筒５の内側に設けられた吸着剤６と、内筒５の外側に設けられた冷却管７と、内筒５と冷却管７とを覆うように設けられた断熱材８と、内筒５の外周面に接するように設けられた加熱装置９と、内筒５の外側であって冷却管７及び加熱装置９と接するように設けられた伝熱材料１０と、をそれぞれ有する。
【００３３】
内筒５には、耐熱性、耐圧性及び耐腐食性のある材質のものを用いている。内筒５の材質は、内筒５内の温度条件、圧力条件、吸着剤、使用する原料ガスＧ１、原料ガスＧ１中に含まれる不純物等によって、適宜選択されるが、これらの条件下で繰り返しガス精製を行えるものであればよい。例えば、加熱工程を３００℃で行い、吸着剤６として合成ゼオライト、原料ガスＧ１として水素、原料ガスＧ１中の不純物を一酸化炭素とした場合、内筒５の材質には、ステンレス等の金属を用いることができる。
【００３４】
内筒５の形態は、原料ガスＧ１及び再生ガスＧ３の導入が可能であり、精製ガスＧ２及び再生に利用された再生ガスＧ３の排出が可能であり、内部に吸着剤６を充填することが可能な容器であればよい。内筒５の形態の例として、本実施形態のように、両端が開口された円筒状の物が挙げられる。
【００３５】
吸着剤６は、原料ガスＧ１から不純物を取り除くためのものである。吸着剤６は、内筒５の内側の空間に充填されている。吸着剤６には、原料ガスＧ１中の不純物を選択的に吸着することができる１種類以上の吸着剤を用いることができる。
【００３６】
吸着剤６としては、例えば、シリカゲル、ゼオライト、活性アルミナ等が挙げられるが、これらに限定されず、対象となる原料ガスＧ１及び不純物となるガス成分に応じて適宜選択される。また、内筒５の内部には、吸着剤６に加えて、吸着工程や再生工程を促進させるための触媒を加えることができる。触媒としては、例えば、パラジウム、銅、ルテニウム等が挙げられる。
【００３７】
冷却管７は、吸着塔２Ａ，２Ｂを再生する際、管内に冷媒Ｃを流通させることにより、内筒５の内側に設けられた吸着剤６を冷却する。
【００３８】
冷却管７の形状及び位置は、内筒５を覆うように設けられていれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、内筒５の外側を覆うように、内筒５の軸方向に対して冷却管７が螺旋状に巻き付けられている。また、九十九折状の冷却管７を内筒５に任意の方向に巻きつけるようにしてもよい。また、本実施形態の冷却管７は、内筒５の外周面と非接触の状態で設けられているが、内筒５の外周面と接触した状態で設けられていてもよい。さらに、本実施形態の冷却管７は、内筒５の軸方向において隣接する冷却管７同士が接触しないように間隔が設けられているが、冷却管７同士が接触した状態で設けられていてもよい。
【００３９】
内筒５の周囲に設けられる冷却管７の本数は、１本以上であればよい。一方、より少ない本数の冷却管７をより大きな伝熱面積が得られるように設けることで、冷媒Ｃによる冷却の効果を高めることができる。したがって、本実施形態のように、１本の冷却管７を内筒５の周囲に螺旋状に設けることが好ましい。
【００４０】
また、冷却管７の冷媒Ｃを流す方向については、特に限定されないものの、本実施形態のように、冷媒Ｃを流す方向と、再生ガスＧ３を流す方向とを一致させることで効率よく吸着剤６の冷却を行うことができる。
【００４１】
冷却管７に導入する冷媒Ｃとしては、内筒５を冷却可能なものであればよく、例えば、空気、窒素、二酸化炭素、フロンといった気体、水、アルキルベンゼン、α−オレフィン、オリゴマー、エチレングリコール、ポリアルキレングリコールといった液体などが挙げられる。これらの中でも、経済性の観点から空気や窒素、水が好ましい。
【００４２】
冷却管７の材質としては、高い熱伝導率を有するものであればよく、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス等が挙げられる。これらの中でも、熱伝導率の観点では銅が好ましく、耐食性の観点ではステンレスが好ましい。
【００４３】
断熱材８は、吸着塔２Ａ，２Ｂの外部との熱のやり取りを防ぐためのものである。断熱材８を設けることにより、吸着塔２Ａ，２Ｂを再生する際の加熱工程において、吸着塔２Ａ，２Ｂから外部へと熱が流出することを防ぐと共に、冷却工程において、吸着塔２Ａ，２Ｂに外部から熱が流入することを防ぐことができる。したがって、吸着塔２Ａ，２Ｂを再生する際の加熱工程及び冷却工程での熱伝導の効率を高めることができる。
【００４４】
断熱材８は、内筒５の外周面を覆うように設けられている。また、内筒５の外周面と断熱材８との間には、冷却管７及び加熱装置９を設置するための空間が設けられている。これにより、断熱材８は、内筒５、冷却管７及び加熱装置９を覆うこととなり、吸着塔２Ａ，２Ｂを再生する際の加熱工程において、吸着塔２Ａ，２Ｂから外部に熱が流出したり、冷却工程において、吸着塔２Ａ，２Ｂに外部から熱が流入したりすることを防ぐことができる。
【００４５】
断熱材８は、熱伝導率が１未満のものであればよく、より熱伝導率の値が小さいものが好ましい。断熱材８の例として、ガラスウール、ロックウール等が挙げられるが、特に限定されるものではない。
【００４６】
加熱装置９は、吸着塔２Ａ，２Ｂを再生する際、内筒５を外側から加熱するものである。これにより、内筒５の内側に設けられた吸着剤６及び再生ガスＧ３を加熱することができる。
【００４７】
加熱装置９は、内筒５の外周面を覆うように配置されていればよく、好ましくは内筒５の軸方向に対して螺旋状に巻き付けられるものを用いることが好ましい。
【００４８】
なお、本実施形態の加熱装置９は、内筒５の外周面と接触した状態で設けられている。これにより、加熱装置９で発生させた熱を効率的に内筒５へと伝達させることができる。一方、加熱装置９は、内筒５に接触した状態で設けられた構成に限らず、内筒５に非接触の状態で設けられた構成であってもよい。
【００４９】
また、内筒５の周囲に螺旋状に設けられた加熱装置９には、内筒５の軸方向において隣接する加熱装置９同士が接触しないように間隔が設けられているが、加熱装置９同士が接触していてもよい。
【００５０】
加熱装置９は、特に限定されるものではないが、例えば、シースヒータ、熱流体を内部に流す加熱管、絶縁処理がされたニクロム線の発熱線等が挙げられる。また、加熱装置９の数は、１つ以上であればよい。
【００５１】
伝熱材料１０は、冷却管７による冷熱、及び加熱装置９による温熱の内筒５への伝達を補助するためのものである。伝熱材料１０は、内筒５及び加熱装置９の全体と、冷却管７の外周面の一部とを覆うように、内筒５の周方向において厚みが均一となるように充填されている。伝熱材料１０は、冷却管７及び加熱装置９と、内筒５との伝熱面積を大きくすることができるため、冷却管７及び加熱装置９の内筒５に対する伝熱効率を高めることができる。
【００５２】
伝熱材料１０の材質は、熱伝導率が１以上のものであればよく、例えば、日本ヒーター株式会社の「熱伝セメントＨＴＣ」や、坂口電熱株式会社の「サーモンＴ−９９」などの伝熱セメントが挙げられる。
【００５３】
（ガス精製方法）
次に、上述したガス精製装置１を用いた本実施形態のガス精製方法について説明する。
本実施形態のガス精製方法は、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとを並列に接続し、一方の吸着塔２Ａにおいて原料ガスＧ１を精製する吸着工程を行い、他方の吸着塔２Ｂにおいて吸着剤６を再生する再生工程を行う。上記吸着工程と再生工程を一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとの間で交互に切り替えることにより、精製ガスＧ２を連続精製することができる。本実施形態では、一方の吸着塔２Ａにおいて吸着工程を行い、他方の吸着塔２Ｂで再生工程を行う場合を例として説明する。
【００５４】
（吸着工程）
先ず、第１、第３、第６、第８の開閉バルブＶ１Ａ，Ｖ２Ａ，Ｖ３Ｂ，Ｖ４Ｂを開状態とし、第２、第４、第５、第７の開閉バルブＶ１Ｂ，Ｖ２Ｂ，Ｖ３Ａ，Ｖ４Ａを閉状態とする。これにより、原料ガス導入経路Ｌ１から供給された原料ガスＧ１を、一方の原料ガス導入経路Ｌ１Ａを介して一方の吸着塔２Ａに供給する。その後、一方の吸着塔２Ａ内の吸着剤６により原料ガスＧ１から不純物を吸着除去し、精製ガス（製品ガス）Ｇ２を生成する。その後、生成した精製ガスＧ２を一方の製品ガス導出経路Ｌ２Ａ及び製品ガス導出経路Ｌ２を介して外部へ導出する。
【００５５】
このとき、第９、第１０、第１２の開閉バルブＶ５、Ｖ７Ａ、Ｖ８Ａについても開状態とすることで、吸着工程が行われている一方の吸着塔２Ａ内の冷却管７に冷媒Ｃを流すことができる。一方の吸着塔２Ａ内の冷却管７に冷媒Ｃを流すことにより、一方の吸着塔２Ａ内の吸着剤６が不純物を吸着することにより生じる吸着熱による一方の吸着塔２Ａ内の吸着剤６の温度上昇を抑えることができる。また、一方の吸着塔２Ａ内の吸着剤６の温度上昇が抑えられることにより、吸着剤６の吸着性能を低下させることなく吸着工程を行うことができる。このため、冷媒Ｃを用いない場合と比較して、吸着剤６の吸着効率を上げることができる。また、吸着剤６の吸着効率が上がることにより、吸着剤６の充填量を削減することができるため、内筒５の大きさを小さくすることができ、一方の吸着塔２Ａの小型化が可能となる。
【００５６】
なお、他方の吸着塔２Ｂは、一方の吸着塔２Ａと同様の構成を有することから、吸着工程において、一方の吸着塔２Ａと同様の効果を得ることが可能である。
【００５７】
（再生工程−加熱工程）
一方、製品ガス導出経路Ｌ２から精製ガスＧ２を外部へ導出している間、再生ガス導入経路Ｌ３を介して精製ガスＧ２の一部を再生ガスＧ３として運転状態の再生ガス流量制御装置１１に供給する。再生ガス流量制御装置１１では、供給された再生ガスＧ３を吸着剤６の再生に必要な流量に制御する。流量制御された再生ガスＧ３は、再生ガス導入経路Ｌ３及び他方の再生ガス導入経路Ｌ３Ｂを介して他方の吸着塔２Ｂの内筒５内へ供給される。
【００５８】
このとき、他方の吸着塔２Ｂ内の加熱装置９を起動させ、内筒５を加熱することにより、内筒５内の再生ガスＧ３及び吸着剤６を間接的（補助的）に加熱する。
【００５９】
このように、再生ガスＧ３及び加熱装置９を用いて他方の吸着塔２Ｂ（内筒５）内の吸着剤６を１００〜４００℃で加熱することにより、吸着剤６から不純物を脱離させる。脱離した不純物は再生ガスＧ３に混ざり、排気ガスとして他方の再生ガス導出経路Ｌ４Ｂ及び再生ガス導出経路Ｌ４を介して他方の吸着塔２Ｂ（内筒５）の外部へと導出される。
【００６０】
（再生工程−冷却工程）
加熱工程にて、吸着剤６に吸着された不純物を十分に取り除いた後、加熱装置９の運転を停止し、再生ガス導入経路Ｌ３及び他方の再生ガス導入経路Ｌ３Ｂを介して常温の再生ガスＧ３を他方の吸着塔２Ｂへ導入する。
【００６１】
このとき、第９、第１１、第１３の開閉バルブＶ５，Ｖ７Ｂ，Ｖ８Ｂを開状態とし、他方の冷媒導入経路Ｌ５Ｂを介して他方の吸着塔２Ｂ内の冷却管７に冷媒Ｃを導入する。冷却管７によって内筒５を冷却することにより、内筒５内の吸着剤６を間接的（補助的）に冷却する。
【００６２】
このように、再生ガスＧ３及び冷却管７を用いて他方の吸着塔２Ｂ（内筒５）内の吸着剤６の温度を常温（１０〜４０℃程度）に戻すことにより、吸着剤６の吸着能力を再生する。冷却工程で使用した再生ガスＧ３は、排気ガスとして他方の再生ガス導出経路Ｌ４Ｂ及び再生ガス導出経路Ｌ４を介して他方の吸着塔２Ｂ（内筒５）の外部へ排出される。
【００６３】
以上の工程により、一方の吸着塔２Ａにおいて吸着工程が行われ、他方の吸着塔２Ｂにおいて再生工程が行われる。次に、第２、第４、第５、第７の開閉バルブＶ１Ｂ，Ｖ２Ｂ，Ｖ３Ａ，Ｖ４Ａを開状態にし、第１、第３、第６、第８の開閉バルブＶ１Ａ，Ｖ２Ａ，Ｖ３Ｂ，Ｖ４Ｂを閉状態にする。これにより、一方の吸着塔２Ａにおいて再生工程を行い、他方の吸着塔２Ｂにおいて吸着工程を行うことができる。これを交互に切り替えることにより、ガス精製装置１では、原料ガスＧ１から精製ガスＧ２を連続精製することができる。
【００６４】
ところで、上記特許文献１に開示されている吸着塔では、加熱工程においても、通気空間内を冷媒が流通し、吸着塔の冷却が行われてしまう。よって、特許文献１に開示されている吸着塔では、冷媒が加熱工程における加熱効率を低下させてしまうため、多量の加熱された再生ガスを使用しなければならないという問題があった。
【００６５】
また、上記特許文献１に開示されているように、従来は、ヒータ（加熱装置）を内筒内に設けていた。しかしながら内筒内にヒータを設ける従来の構成では、加熱装置近傍の吸着剤の充填密度が下がり、吸着剤の充填密度が下がった部分を通過する原料ガスが十分に精製されないという問題があった。
【００６６】
さらに、上記特許文献１に開示されているように、内筒内にヒータを設ける従来の構成では、使用する原料ガスや原料ガスに含まれる不純物の種類によっては、精製を繰り返すうちに、使用する原料ガスや原料ガスに含まれる不純物によってヒータが腐食されてしまうという問題があった。
【００６７】
これに対して、本実施形態のガス精製装置１によれば、第９〜第１３の開閉バルブＶ５，Ｖ７Ａ，Ｖ７Ｂ，Ｖ８Ａ，Ｖ８Ｂを操作することで、加熱工程において、冷却管７内への冷媒Ｃの供給を停止し、加熱効率の低下を防止させることができる。
【００６８】
また、本実施形態のガス精製装置１によれば、加熱装置９を、内筒５の外周と断熱材８との間の空間に設けるとともに、加熱装置９により内筒５を介して吸着剤６に充填されている吸着剤６を間接的に加熱する構成となっている。これにより、加熱装置９を内筒５内に直接設けないので、吸着剤６の充填密度の変化や、使用する原料ガスＧ１や原料ガスＧ１に含まれる不純物による加熱装置９の劣化が起こることがない。
【００６９】
なお、一方の吸着塔２Ａは、他方の吸着塔２Ｂと同様の構成を有することから、再生工程において、吸着塔２Ｂと同様の効果を得ることが可能である。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態のガス精製装置１によれば、内筒５の外周面に設けられた冷却管７内に冷媒Ｃを流すことによって、冷媒Ｃと吸着剤６との熱交換を十分に行うことができ、冷媒Ｃの使用量を低減させることができる。
また、吸着剤６を冷却するための冷却管７を備えているので、再生工程の冷却工程において、冷却に使用する再生ガスＧ３の使用量を低減させることが可能となる。
【００７１】
また、本実施形態のガス精製装置１によれば、再生工程の加熱工程において、内筒５の外周面に設けられた加熱装置９を起動させることにより、吸着剤６の加熱を行うことができるため、加熱工程における再生ガスＧ３の使用量を低減させることができる。
【００７２】
また、本実施形態のガス精製装置１によれば、内筒５と断熱材８との間の空間内であって、内筒５及び冷却管７及び加熱装置９の外周の少なくとも一部に接触するように伝熱材料１０を設けることにより、冷却管７及び加熱装置９と内筒５との伝熱面積を大きくすることができる。このため、冷却管７及び加熱装置９の吸着剤６に対する伝熱効率を高めることができる。
【００７３】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態である吸着塔２Ｃについて、図３を参照して説明する。なお、図３は、本発明の第２の実施形態である吸着塔２Ｃの構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記吸着塔２Ａ，２Ｂと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００７４】
本実施形態の吸着塔２Ｃは、上記ガス精製装置１が備える吸着塔２Ａ，２Ｂの変形例として示すものである。具体的には、図３に示すように、上記吸着塔２Ａ，２Ｂが備える冷却管７、加熱装置９、伝熱材料１０の代わりに、冷却管５７、加熱装置５９、伝熱材料６０を備えた構成となっている。それ以外は、基本的に吸着塔２Ａ，２Ｂと同じ構成を有している。
【００７５】
冷却管５７は、内筒５の外周面を覆うように、内筒５の軸方向に対して螺旋状に設けられている。また、冷却管５７には、内筒５の軸方向において隣接する冷却管５７同士が接触しないように間隔が設けられている。また、冷却管５７は、内筒５の外周面と接触した状態で設けられている。この構成の場合、冷却管５７を内筒５に接触させることで、冷却管５７による内筒５の冷却効果をより高めることが可能である。
【００７６】
加熱装置５９は、内筒５の外周面と接触した状態で、内筒５の外周面を覆うように設けられている。また、加熱装置５９は、同じく内筒５の外周面と接触した状態で、内筒５の軸方向に螺旋状に巻き付けられた冷却管５７に隣接するように、内筒５の軸方向に対して螺旋状に巻き付けられている。
【００７７】
この構成の場合、冷却管５７及び加熱装置５９の両方が、内筒５と接触していることにより、それぞれの内筒５への伝熱効率を最大にすることができる。また、冷却管５７と加熱装置５９とが、内筒５の軸方向において、交互に螺旋状に配置されることにより、内筒５の内側に設けられた吸着剤６を効率良く冷却及び加熱することができる。
【００７８】
伝熱材料６０は、内筒５、冷却管５７及び加熱装置５９の全体を覆うように配置されている。これにより、冷却管５７及び加熱装置５９と、内筒５との伝熱面積を最大にすることができるため、冷却管５７及び加熱装置５９の内筒５内の吸着剤６に対する伝熱効率を最大まで高めることができる。
【００７９】
以上のような構成を有する吸着塔２Ｃを上記ガス精製装置１が備える一対の吸着塔２Ａ，２Ｂに適用した場合にも、上述した第１の実施形態のガス精製装置及びガス精製方法と同じ効果を奏することができる。また、本実施形態の吸着塔２Ｃを用いた場合には、加熱装置５９が内筒５と接触する構成であるため、加熱装置５９から内筒５への伝熱効率を高めることができる。さらに、本実施形態の吸着塔２Ｃを用いた場合には、吸着塔２Ａ，２Ｂよりもコンパクト化（小型化）することができる。
【００８０】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態であるガス精製装置２１について、図４を参照して説明する。なお、図４は、本発明の第３の実施形態であるガス精製装置２１の構成を示す系統図である。また、以下の説明では、上記ガス精製装置１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００８１】
図４に示すガス精製装置２１には、上記ガス精製装置１の構成に加えて、冷媒排出用ガス導入経路Ｌ７が設けられた構成となっている。冷媒排出用ガス導入経路Ｌ７は、冷却管７内の冷媒Ｃを排出する冷媒排出用ガスＧ４を導入するための経路である。冷媒排出用ガスＧ４には、例えば、空気や窒素等を用いることができる。
【００８２】
冷媒排出用ガス導入経路Ｌ７は、合流点Ｐ８において冷媒導入経路Ｌ５と合流した構成を有している。冷媒排出用ガス導入経路Ｌ７には、この冷媒排出用ガス導入経路Ｌ７を開閉する第１４の開閉バルブＶ６が設けられている。
【００８３】
ここで、上述した再生工程の冷却工程において、冷媒Ｃに液体冷媒を用いた場合、液体冷媒が冷却管７内に残存したまま、次回の再生工程の加熱工程を行うと、残存している液体冷媒が再生ガスＧ３及び加熱装置９の熱を奪う結果、加熱効率が低下したり、残存している液体冷媒が加熱されて気化することで、冷却管７内の圧力が上昇したりするおそれがある。
【００８４】
そこで、本実施形態では、再生工程の冷却工程で用いた冷媒Ｃを、次の加熱工程が開始する前に排出するため、第９の開閉バルブＶ５を閉状態とし、第１４の開閉バルブＶ６を開状態とする。これにより、冷媒排出用ガス導入経路Ｌ７、冷媒導入経路Ｌ５及び一方の冷媒導入経路Ｌ５Ａを介して一方の吸着塔２Ａの冷却管７内に冷媒排出用ガスＧ４を導入し、その圧力により冷却管７内の冷媒Ｃを押し出し、冷却管７の外側に冷媒Ｃを排出することができる。
【００８５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した第１〜第３の実施形態によれば、両端が開口する円筒状の内筒５の形態を一例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、一端のみが開口する円筒状の内筒４５を用いてもよい。図５に示す内筒４５によれば、一端側に設けられた開口から原料ガスＧ１及び再生ガスＧ３の導入が可能であり、当該開口から精製ガスＧ２及び再生に利用された再生ガスＧ３の排出が可能である。
【００８６】
以下、本発明の効果を実施例及び比較例を用いて詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
本実施例では、図１に示したガス精製装置１を用いて水素を精製することで、本発明の効果の検証を行った。本実施例では、精製された水素を得るために、主に水素ガスからなり、不純物として水分を約３０００ｐｐｍ含む原料ガスを用いた。
【００８７】
（吸着塔仕様）
内筒には、ＳＵＳ３０４（サイズ：８０ＡのＳｃｈ１０Ｓ）を用い、その高さは１３３０ｍｍであった。冷却管には、ＳＵＳ３１６Ｌ（３／８インチ配管（ｔ＝１ｍｍ））を用い、その配管長さは約２０ｍであった。吸着剤には合成ゼオライトを用い、その充填高さ（吸着剤層の高さ）は、１２４０ｍｍであった。
【００８８】
また、本実施例では、吸着塔２Ａに含まれる冷却管７を「冷却管７Ａ」とし、吸着塔２Ａに含まれる加熱装置９を「加熱装置９Ａ」とし、吸着塔２Ｂに含まれる冷却管７を「冷却管７Ｂ」とし、吸着塔２Ｂに含まれる加熱装置９を「加熱装置９Ｂ」として区別する。
【００８９】
以下の表１に、実施例のガス（水素）精製装置の運転状況を示す。具体的には、操作１、操作２、操作３及び操作４を行っているときの、吸着塔２Ａ、冷却管７Ａ、加熱装置９Ａ、吸着塔２Ｂ、冷却管７Ｂ及び加熱装置９Ｂの運転状況を示す。
【００９０】
【表１】
2020065984.tif 000003
【００９１】
＜操作１＞
一方の吸着塔２Ａにおいて、原料ガスを３０Ｎｍ３／ｈの条件で一方の吸着塔２Ａ内に送り続け、水素を精製した。
他方の吸着塔２Ｂにおいて、一方の吸着塔２Ａから得られた精製ガスＧ２の一部を、再生ガス加熱装置により２８０℃まで加熱し、再生ガスＧ３として３Ｎｍ３／ｈの条件で、他方の吸着塔２Ｂ内に流通させた。また、このとき、２８０℃に設定した加熱装置９Ｂにより加熱を行った。なお、他方の吸着塔２Ｂは、操作１の前に約３０００ｐｐｍの水分を含む水素を３０Ｎｍ３/ｈの条件で１０時間通気させた。
＜操作２＞
一方の吸着塔２Ａにおいて、操作１と同様の条件で、一方の吸着塔２Ａ内で原料ガスＧ１の精製を行った。
他方の吸着塔２Ｂにおいて、一方の吸着塔２Ａから得られた精製ガスＧ２の一部を、再生ガスＧ３として、３Ｎｍ３／ｈの条件で、他方の吸着塔２Ｂ内に流通させることで、２５℃まで冷却した。また、このとき、他方の冷却管７Ｂ内に冷媒排出用ガスＧ４として空気を導入した。
＜操作３＞
操作１で一方の吸着塔２Ａについて行った動作を他方の吸着塔２Ｂでも同様に行い、操作１で他方の吸着塔２Ｂについて行った動作を一方の吸着塔２Ａでも同様に行った。
＜操作４＞
操作２で一方の吸着塔２Ａについて行った動作を他方の吸着塔２Ｂでも同様に行い、操作２で他方の吸着塔２Ｂについて行った動作を一方の吸着塔２Ａでも同様に行った。
【００９２】
操作１及び操作２において、吸着工程を行った時間は６００分であった。
操作１において、再生ガスの流量を３Ｎｍ３／ｈとしたときの、吸着剤６を再生させるために必要な加熱工程の時間は３６０分であった。操作２において、再生ガスＧ３の流量を３Ｎｍ３／ｈとしたときの、吸着剤６を冷却するために必要な冷却工程の時間は１２０分であった。
操作１〜操作４までの１回のサイクルにおける再生ガスの総使用量は４８Ｎｍ３であった。
【００９３】
（比較例）
実施例に示したガス精製装置１から冷却管７を取り除き、冷媒Ｃによる冷却を行わないで、実施例で用いた原料ガスＧ１（主に水素ガスからなり、不純物として水分を約３０００ｐｐｍ含む）の精製を行い、本発明の効果を検討した。
【００９４】
また、比較例では、一方の吸着塔２Ａに含まれる加熱装置９を「加熱装置９Ａ」とし、他方の吸着塔２Ｂに含まれる加熱装置９を「加熱装置９Ｂ」とする。
【００９５】
以下の表２に、比較例のガス（水素）精製装置の運転状況示す。具体的には、操作１、操作２、操作３及び操作４を行っているときの、一方の吸着塔２Ａ、加熱装置９Ａ、他方の吸着塔２Ｂ及び加熱装置９Ｂの運転状況を表したものである。
【００９６】
【表２】
2020065984.tif 000004
【００９７】
＜操作１＞
一方の吸着塔２Ａにおいて、原料ガスＧ１を３０Ｎｍ３／ｈの条件で一方の吸着塔２Ａ内に送り続け、水素を精製した。
他方の吸着塔２Ｂにおいて、一方の吸着塔２Ａから得られた精製ガスＧ２の一部を、再生ガス加熱装置により２８０℃まで加熱し、再生ガスＧ３として３Ｎｍ３／ｈの条件で、他方の吸着塔２Ｂ内に流通させた。このとき、２８０℃に設定した加熱装置９Ｂを運転させた。なお、他方の吸着塔２Ｂは、操作１の前に約３０００ｐｐｍの水分を含む水素を３０Ｎｍ３/ｈの条件で１０時間通気させた。
＜操作２＞
一方の吸着塔２Ａにおいて、操作１と同様の条件で、一方の吸着塔２Ａ内で原料ガスＧ１の精製を行った。
他方の吸着塔２Ｂにおいて、一方の吸着塔２Ａから得られた精製ガスＧ２の一部を、再生ガスＧ３として、３Ｎｍ３／ｈの条件で、他方の吸着塔２Ｂ内に流通させることで、２５℃まで冷却した。
＜操作３＞
操作１で一方の吸着塔２Ａについて行った動作を他方の吸着塔２Ｂでも同様に行い、操作１で他方の吸着塔２Ｂについて行った動作を一方の吸着塔２Ａでも同様に行った。
＜操作４＞
操作２で一方の吸着塔２Ａについて行った動作を他方の吸着塔２Ｂでも同様に行い、操作２で他方の吸着塔２Ｂについて行った動作を一方の吸着塔２Ａでも同様に行った。
【００９８】
操作１及び操作２において、吸着工程を行った時間は６００分であった。
操作１において、加熱工程に要した時間は３６０分で、操作２において、冷却工程に要した時間は１８０分であった。
それぞれの工程で再生ガスの流量は、３Ｎｍ３／ｈの条件であったため、操作１〜操作４までの１回のサイクルにおける再生ガスＧ３の総使用量は５４Ｎｍ３であった。
【００９９】
以上、冷却管７を備える実施例と冷却管７を備えない比較例とを比較したところ、冷却管７を備える実施例では、操作１〜操作４までを繰り返した１回のサイクルあたり、比較例と比べて再生ガスＧ３の使用量を６Ｎｍ３／ｈ削減することができた。
よって、実施例のように冷却管７を備えることにより、冷却工程を１時間削減することができるため、操作１・２及び操作３・４に要する時間をそれぞれ１時間ずつ削減することが可能となる。よって、吸着工程に要する時間も削減されることとなるため、吸着塔１つあたりの吸着剤の充填量をおよそ１０％削減することが可能となる。
【０１００】
また、実施例において、操作１〜操作４までを繰り返した１回のサイクルあたり、使用した冷媒の使用量はわずか１２Ｎｍ３／ｈであった。
【符号の説明】
【０１０１】
１，２１…ガス精製装置、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…吸着塔、５，４５…内筒、６…吸着剤、７，５７…冷却管、８…断熱材、９，５９…加熱装置、１０，６０…伝熱材料、１１…再生ガス流量制御装置、Ｌ１…原料ガス導入経路、Ｌ２…精製ガス導出経路、Ｌ３…再生ガス導入経路、Ｌ４…再生ガス導出経路、Ｌ５…冷媒導入経路、Ｌ６…冷媒導出経路、Ｌ７…冷媒排出用ガス導入経路、Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂ，Ｖ２Ａ，Ｖ２Ｂ，Ｖ３Ａ，Ｖ３Ｂ，Ｖ４Ａ，Ｖ４Ｂ，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７Ａ，Ｖ７Ｂ，Ｖ８Ａ，Ｖ８Ｂ…第１〜第１４の開閉バルブ、Ｇ１…原料ガス、Ｇ２…精製ガス、Ｇ３…再生ガス、Ｇ４…冷媒排出用ガス、Ｃ…冷媒
【図１】
2020065984.tif 000005
【図２】
2020065984.tif 000006
【図３】
2020065984.tif 000007
【図４】
2020065984.tif 000008
【図５】
2020065984.tif 000009