(57)【要約】【課題】吸着剤を冷却するための低温液体冷媒の消費量の低減を図れる低温精製装置及び低温精製装置の運転方法を提供する。【解決手段】吸着筒に充填した吸着剤を冷却部に導入した低温液体冷媒で冷却して相対的に低温で行う吸着工程と、低温冷媒を冷却部に導入せずに相対的に高温で行う吸着剤の再生工程とを交互に繰り返して精製対象ガスの精製を行う複数の吸着筒を備えた低温精製装置において、複数の吸着筒における前記吸着工程を終了した第１吸着筒Ａの冷却部（低温冷媒槽１２ａ）に導入されている低温液体冷媒を、吸着工程を行っている他の吸着筒（第２吸着筒Ｂ）の冷却部（低温冷媒槽１２ｂ）に移送する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着筒に充填した吸着剤を冷却部に導入した低温液体冷媒で冷却して相対的に低温で行う吸着工程と、低温冷媒を冷却部に導入せずに相対的に高温で行う吸着剤の再生工程とを交互に繰り返して精製対象ガスの精製を行う複数の吸着筒を備えた低温精製装置において、前記複数の吸着筒における前記冷却部に、一つの吸着筒の冷却部から他の吸着筒の冷却部へと、前記低温液体冷媒を移送するための冷媒移送配管を設けるとともに、該冷媒移送配管に、低温液体冷媒を移送する際に作動する冷媒ポンプと、低温液体冷媒を移送する際に開弁する冷媒移送弁とをそれぞれ設けたことを特徴とする低温精製装置。
【請求項２】
吸着筒に充填した吸着剤を冷却部に導入した低温液体冷媒で冷却して相対的に低温で行う吸着工程と、低温冷媒を冷却部に導入せずに相対的に高温で行う吸着剤の再生工程とを交互に繰り返して精製対象ガスの精製を行う複数の吸着筒を備えた低温精製装置において、前記複数の吸着筒における前記吸着工程を終了した吸着筒の冷却部に導入されている低温液体冷媒を、吸着工程を行っている他の吸着筒の冷却部に移送することを特徴とする低温精製装置の運転方法。
【請求項３】
前記精製対象ガスは、水素であることを特徴とする請求項２記載の低温精製装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温精製装置及び低温精製装置の運転方法に関し、詳しくは、水素やヘリウムのような超低沸点成分ガスを低温に冷却した吸着剤を使用して精製する低温精製装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素やヘリウムなどの超低沸点ガス中に含まれる水分、酸素、窒素、二酸化炭素といった不純物を除去して精製する際には、吸着剤を低温冷媒、例えば液体窒素で低温に冷却し、低温の吸着剤に不純物を吸着させて除去する低温吸着が行われている（例えば、特許文献１参照。）。また、各種ガス中の不純物を除去して精製する手段として、圧力変動式ガス分離法（ＰＳＡ）や温度変動式ガス分離法（ＴＳＡ）が広く知られており、水素中のメタンや一酸化炭素などを除去するためにＰＳＡを利用した精製装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２０８３８６号公報
【特許文献２】特開２０１８−１７７５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献２に記載されたＰＳＡでは、超低沸点ガス中に含まれる酸素や窒素を十分に除去することが困難であり、酸素や窒素を除去するためには、吸着工程で吸着剤を低温に冷却するＴＳＡを使用する必要がある。ところが、再生工程で吸着剤を加熱して再生を行う際には、低温冷媒を大気中に排出して吸着剤を加熱しなければならず、低温冷媒の無駄な消費が発生していた。
【０００５】
そこで本発明は、吸着剤を低温冷媒で冷却した状態で吸着工程を行い、吸着剤を加熱して再生工程を行う際の低温冷媒の消費量の低減を図れる低温精製装置及び低温精製装置の運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の低温精製装置は、吸着筒に充填した吸着剤を冷却部に導入した低温液体冷媒で冷却して相対的に低温で行う吸着工程と、低温冷媒を冷却部に導入せずに相対的に高温で行う吸着剤の再生工程とを交互に繰り返して精製対象ガスの精製を行う複数の吸着筒を備えた低温精製装置において、前記複数の吸着筒における前記冷却部に、一つの吸着筒の冷却部から他の吸着筒の冷却部へと、前記低温液体冷媒を移送するための冷媒移送配管を設けるとともに、該冷媒移送配管に、低温液体冷媒を移送する際に作動する冷媒ポンプと、低温液体冷媒を移送する際に開弁する冷媒移送弁とをそれぞれ設けたことを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の低温精製装置の運転方法は、吸着筒に充填した吸着剤を冷却部に導入した低温液体冷媒で冷却して相対的に低温で行う吸着工程と、低温冷媒を冷却部に導入せずに相対的に高温で行う吸着剤の再生工程とを交互に繰り返して精製対象ガスの精製を行う複数の吸着筒を備えた低温精製装置において、前記複数の吸着筒における前記吸着工程を終了した吸着筒の冷却部に導入されている低温液体冷媒を、吸着工程を行っている他の吸着筒の冷却部に移送することを特徴とし、特に、前記精製対象ガスが水素であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、吸着工程を終了した吸着筒の冷却部に導入されている低温液体冷媒を、吸着工程を行っている他の吸着筒の冷却部に移送して再利用することにより、低温冷媒が無駄に大気中に排出されることがなくなり、低温冷媒の消費量の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明方法を実施可能な低温精製装置の一形態例を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の低温精製装置の一形態例を示している。本形態例に示す低温精製装置は、第１吸着筒Ａ及び第２吸着筒Ｂを備えた２筒式のＴＳＡ装置であって、各吸着筒Ａ，Ｂには、精製対象ガスの導入経路、精製ガスの導出経路、不純物を含む再生ガスの排出経路などがそれぞれ設けられている。なお、以下の説明において、第１吸着筒Ａに付随する経路や弁などには数字に符号「ａ」を付し、第２吸着筒Ｂに付随する経路や弁などには数字に符号「ｂ」を付して記載する。
【００１１】
各吸着筒Ａ，Ｂは、吸着剤を充填した内筒１１ａ，１１ｂと、内筒１１ａ，１１ｂの外周に配置された冷却部である低温冷媒槽１２ａ，１２ｂと、低温冷媒槽１２ａ，１２ｂの外周を覆う断熱層１３ａ，１３ｂとで構成されており、内筒１１ａ，１１ｂの下端部及び上端部には、断熱層１３ａ，１３ｂを貫通したガス出入用の配管１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂがそれぞれ接続されている。
【００１２】
下部配管１４ａ，１４ｂには、精製対象ガス導入弁１６ａ，１６ｂを有する精製対象ガス導入経路１７ａ，１７ｂと、再生ガス排出弁１８ａ，１８ｂを有する再生ガス排出経路１９ａ，１９ｂが接続されている。また、上部配管１５ａ，１５ｂには、精製ガス導出弁２０ａ，２０ｂを有する精製ガス導出経路２１ａ，２１ｂと、再生ガス導入弁２２ａ，２２ｂを有する再生ガス導入経路２３ａ，２３ｂが接続されている。
【００１３】
さらに、低温冷媒槽１２ａ，１２ｂには、低温冷媒導入弁２４ａ，２４ｂを有する低温冷媒導入経路２５ａ，２５ｂと、気化した低温冷媒ガスを排出するため、及び、低温冷媒を移送するために使用する冷媒移送弁２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂを有する冷媒移送経路２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂとが設けられ、冷媒移送経路２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂには、液冷媒移送用の冷媒ポンプ３０が設けられるとともに、蒸発して気化した冷媒ガスを排出するため、冷媒ガス排出弁３１を有する冷媒ガス排出経路３２が設けられている。
【００１４】
また、前記精製対象ガス導入経路１７ａ，１７ｂは、導入主弁３３を有する導入主経路３４に接続されており、精製ガス導出経路２１ａ，２１ｂは、精製ガス採取経路３５に接続されている。精製ガス採取経路３５の採取弁３６の上流側からは、再生経路３７が分岐しており、再生経路３７には、再生弁３８、流量調節弁３９が設けられている。さらに、再生ガス導入経路２３ａ，２３ｂには、再生ガスを加熱するための加熱器４０ａ，４０ｂがそれぞれ設けられている。
【００１５】
精製対象ガスとしては、低温冷媒での冷却温度で固化したり、液化したりしない水素やヘリウムのような超低沸点ガスであり、吸着除去する不純物は、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、窒素、水分などであり、これらの不純物を０．１ｐｐｂ程度以下にまで除去して精製する。使用する前記吸着剤としては、通常、活性炭が用いられる。この活性炭は、低温に冷却、例えば液体窒素で−１９６℃程度に冷却することにより、常温では吸着されない窒素、メタン、一酸化炭素を吸着することが可能となり、同時に、酸素、水分、二酸化炭素も除去することができ、超低沸点ガスの精製を効果的に行うことができる。
【００１６】
次に、超低沸点ガスである水素ガスの精製において、第１吸着筒Ａが再生工程に切り替わり、第２吸着筒Ｂが吸着工程に切り替わった時点から低温精製装置の運転方法を説明する。なお、以下の説明中で開閉状態が記載されない弁は、基本的に閉状態となっており、導入主弁３３及び採取弁３６は、運転中は常時開状態となっている。
【００１７】
まず、吸着工程に切り替わった第２吸着筒Ｂでは、精製対象ガス導入弁１６ｂと精製ガス導出弁２０ｂとがそれぞれ開となり、あらかじめ設定された圧力に昇圧された精製前の水素ガスが導入主経路３４から、第２吸着筒Ｂ側の精製対象ガス導入経路１７ｂを通って内筒１１ｂ内に導入される。内筒１１ｂでは、内筒１１ｂ内に充填され、低温冷媒槽１２ｂに導入されている低温冷媒、例えば液体窒素によってあらかじめ設定された低温状態に冷却されている吸着剤と接触し、水素ガス中に存在する各種不純物が吸着剤に吸着されて水素ガス中から除去されることにより水素ガスの精製が行われる。
【００１８】
精製された水素ガスは、開状態となっている精製ガス導出弁２０ｂを通り、精製ガス導出経路２１ｂから精製ガス採取経路３５に取り出され、採取弁３６を経て採取される。低温冷媒槽１２ｂに液体窒素を供給する低温冷媒導入弁２４ｂは、低温冷媒槽１２ｂ内の液面に応じて開度が調節され、低温冷媒槽１２ｂ内の液体窒素量を、あらかじめ設定された量に制御している。また、低温冷媒槽１２ｂ内で気化した窒素ガスは、開状態となっている冷媒移送弁２７ｂ及び冷媒ガス排出弁３１を通り、冷媒移送経路２９ｂを経て冷媒ガス排出経路３２から外部（大気中）に排出される。
【００１９】
一方、再生工程に切り替わった第１吸着筒Ａでは、前の吸着工程で開いていた精製対象ガス導入弁１６ａ、精製ガス導出弁２０ａ、低温冷媒導入弁２４ａ及び冷媒移送弁２７ａがそれぞれ閉じられて再生工程に切り替えられる。第１吸着筒Ａの再生工程では、最初に、再生ガス排出弁１８ａが開いて内筒１１ａ内のガスが再生ガス排出経路１９ａを通して排出され、内筒１１ａ内を略大気圧にする。また、冷媒ガス排出経路３２の冷媒ガス排出弁３１が閉じ、第１吸着筒Ａ側の冷媒移送経路２８ａに設けた冷媒移送弁２６ａ及び第２吸着筒Ｂ側の冷媒移送経路２９ｂに設けた冷媒移送弁２７ｂが開くとともに冷媒ポンプ３０が作動し、低温冷媒槽１２ａ内の液体窒素を、冷媒ポンプ３０により、冷媒移送経路２８ａ、冷媒移送経路２９ｂを介して低温冷媒槽１２ｂに移送する。
【００２０】
これにより、前の吸着工程で吸着剤冷却用に利用していた液体窒素を気化させて外部に排出することなく、有効に利用することができる。このとき、低温冷媒槽１２ａからの液体窒素の移送で低温冷媒槽１２ｂ内の液面が上昇するので、低温冷媒導入弁２４ｂの開度が調節されて新たな液体窒素の導入が制御される。
【００２１】
第１吸着筒Ａの内筒１１ａ内が略大気圧となり、低温冷媒槽１２ａ内の液体窒素が移送された後、冷媒ポンプ３０が停止し、冷媒移送弁２６ａ，２７ｂが閉じるとともに、再生弁３８及び再生ガス導入弁２２ａが開き、精製ガス採取経路３５を流れる精製された水素ガスの一部が再生経路３７に分流し、流量調節弁３９で流量調節され、さらに、加熱器４０ａであらかじめ設定された温度、例えば２５０℃に加熱されてから再生ガス導入経路２３ａ及び上部配管１５ａを通り、第１吸着筒Ａの内筒１１ａ内に加熱再生ガスとして導入される。内筒１１ａ内に充填された吸着剤は、高温の再生ガスで加熱されることによって吸着していた各種不純物を脱離させ、加熱再生ガスに同伴させて内筒１１ａから再生ガス排出経路１９ａを通って外部に排出される。この加熱再生段階は、吸着剤の充填量、加熱再生ガスの温度、吸着している不純物の量に応じて決定された時間行われる。
【００２２】
加熱再生段階を終えたら、加熱器４０ｂを停止し、加熱されていない低温の水素ガスを内筒１１ａ内に流通させ、吸着剤をあらかじめ設定された待機温度に冷却する。吸着剤が待機温度になったら、再生弁３８、再生ガス導入弁２２ａ、再生ガス排出弁１８ａが閉じられて第１吸着筒Ａが待機段階に入る。
【００２３】
再生工程の最終段階として、次の吸着工程に切り替えられる前に、吸着剤を吸着工程温度に冷却するための予冷段階が始まり、低温冷媒導入弁２４ａ及び冷媒移送弁２７ａが開いて低温冷媒槽１２ａ内に液体窒素が導入されるとともに、気化した窒素ガスが冷媒移送経路２９ａ、冷媒ガス排出経路３２を通して排出される。同時に、精製された低温の水素ガスの一部が内筒１１ａ内に導入され、内筒１１ａ内の圧力が吸着工程に対応した圧力に加圧される。
【００２４】
予冷段階で低温冷媒槽１２ａ内に導入された液体窒素で内筒１１ａ内の吸着剤が吸着工程温度に冷却され、内筒１１ａ内が水素ガスで吸着工程圧力に加圧された状態で、あらかじめ設定された工程切り替え時間になったときに、吸着筒の切り替えが行われ、第１吸着筒Ａの吸着工程が始まり、第２吸着筒Ｂの再生工程が始まる。以下、各吸着筒において、吸着工程と再生工程とが順次切り替えられることにより、低温精製装置で精製した水素ガスを連続して採取することができる。
【００２５】
そして、再生工程に切り替わった吸着筒から吸着工程を行っている吸着筒へ、冷媒移送配管及びポンプを使用して冷却用の液体窒素を移送することにより、液体窒素を有効に利用することができ、液体窒素を移送しない場合に比べて、液体窒素の消費量を５〜１０％削減することができ、水素ガスの精製コストを低減させることができる。
【００２６】
なお、本形態例では、２筒式の低温精製装置を例示したが、３筒以上の吸着筒を用いることも可能であり、吸着工程を終えた吸着筒と再生工程を終えた吸着筒とで均圧工程を行うようにしてもよく、吸着筒から導出した低温の精製水素ガスと、吸着筒に導入する常温ないし高温の精製前の水素ガスとを熱交換させ、精製後の水素ガスが有する冷熱によって精製前の水素ガスを冷却することにより、吸着剤冷却用の液体窒素の消費量の低減を図ることもできる。また、各経路などには、安全弁や圧力計、流量計、温度計などを設けることにより、安全に、かつ、自動的に運転できるようにしている。
【００２７】
さらに、本発明の対象となる精製対象ガスは、前記形態例で示した水素に限らず、低温状態に冷却した吸着剤で不純物を吸着除去する必要がある各種ガスに適用することができ、例えば、ヘリウム中の空気成分の除去にも適用できる。また、低温冷媒は、液体窒素に限らず、吸着剤の冷却温度に応じて選択することができる。さらに、低温冷媒を導入する冷却部は、槽に限らず、内筒外に巻回した配管、内筒内に配置した蛇管などの配管を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００２８】
Ａ…第１吸着筒、Ｂ…第２吸着筒、１１ａ，１１ｂ…内筒、１２ａ，１２ｂ…低温冷媒槽、１３ａ，１３ｂ…断熱層、１４ａ，１４ｂ…下部配管、１５ａ，１５ｂ…上部配管、１６ａ，１６ｂ…精製対象ガス導入弁、１７ａ，１７ｂ…精製対象ガス導入経路、１８ａ，１８ｂ…再生ガス排出弁、１９ａ，１９ｂ…再生ガス排出経路、２０ａ，２０ｂ…精製ガス導出弁、２１ａ，２１ｂ…精製ガス導出経路、２２ａ，２２ｂ…再生ガス導入弁、２３ａ，２３ｂ…再生ガス導入経路、２４ａ，２４ｂ…低温冷媒導入弁、２５ａ，２５ｂ…低温冷媒導入経路、２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ…冷媒移送弁、２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ…冷媒移送経路、３０…冷媒ポンプ、３１…冷媒ガス排出弁、３２…冷媒ガス排出経路、３３…導入主弁、３４…導入主経路、３５…精製ガス採取経路、３６…採取弁、３７…再生経路、３８…再生弁、３９…流量調節弁、４０ａ，４０ｂ…加熱器
【図１】
2020116545.tif 000003