(57)【要約】【課題】低コストで製品ガスを高純度かつ高収率で精製できる気体精製装置を提供する。【解決手段】第１の気体と第２の気体とを含む原料ガスから、製品ガスを精製する気体精製装置１０であって、第１の気体及び第２の気体以外の気体を吸着するＰＳＡユニット２と、第２の気体を吸着する第２の吸着剤を有する第２の吸着塔３ａ，３ｂと、第１の気体及び第２の気体が流れる接続ラインＬ２と、第１の気体が流れる第１の導出ラインＬ３と、第２の気体が流れる第２の導出ラインＬ４と、第２の吸着剤から第２の気体を脱離させる吸引手段４と、第２の導出ラインＬ４から分岐し、第２の吸着塔３ａ，３ｂの二次側と接続される熱回収ラインＬ５と、熱回収ラインＬ５を流れる第２の気体と第１の導出ラインＬ３を流れる第１の気体との間で熱交換する熱交換器５とを備える気体精製装置１０。【選択図】図１
2019177315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の気体と第２の気体とを含む原料ガスから、圧力変動吸着方式で製品ガスを精製する気体精製装置であって、
前記第１の気体及び前記第２の気体以外の気体を吸着する第１の吸着剤を有する２つ以上の第１の吸着塔と、
前記第２の気体を吸着する第２の吸着剤を有する、２つ以上の第２の吸着塔と、
前記第１の吸着塔の二次側と前記第２の吸着塔の一次側とを接続し、前記第１の気体及び前記第２の気体が流れる接続ラインと、
各前記第２の吸着塔の二次側と接続され、前記第１の気体が流れる第１の導出ラインと、
各前記第２の吸着塔の一次側と接続され、前記第２の気体が流れる第２の導出ラインと、
前記第２の導出ラインに設けられ、前記第２の吸着剤から前記第２の気体を脱離させる吸引手段と、
前記第２の導出ラインから分岐し、各前記第２の吸着塔の二次側と接続される、熱回収ラインと、
前記熱回収ラインを流れる前記第２の気体と前記第１の導出ラインを流れる前記第１の気体との間で熱交換する熱交換器と、
を備える、気体精製装置。
【請求項２】
前記第１の吸着塔の二次側と接続され、前記第１の吸着剤を再生する再生ガスが流れる再生ラインをさらに備え、前記再生ラインと前記第１の導出ラインとが接続されている、請求項１に記載の気体精製装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の気体精製装置を用いる圧力変動吸着方式の気体精製方法であって、
前記第１の吸着剤に前記第１の気体及び前記第２の気体以外の気体を吸着させ、前記第１の吸着塔から第２の吸着塔ｂに前記第１の気体及び前記第２の気体を供給し、前記第２の吸着塔ｂが有する第２の吸着剤ｂに前記第２の気体を吸着させた後に、
前記第２の吸着剤ｂから前記第２の気体を脱離させ、
前記第２の気体を前記第２の導出ラインを経由させて前記熱回収ラインに導入し、
前記熱回収ラインを流れる前記第２の気体を前記熱交換器で加熱し、
前記第２の気体を前記熱回収ラインから前記第２の吸着塔ｂに導入する、気体精製方法。
【請求項４】
前記第２の気体を前記熱交換器で加熱する際に、前記第２の吸着塔ｂとは異なる第２の吸着塔ａに第１の気体及び第２の気体を供給し、前記第２の吸着塔ａが有する第２の吸着剤ａに前記第２の気体を吸着させ、
前記第１の気体を前記第２の吸着塔ａから前記第１の導出ラインに導出する、請求項３に記載の気体精製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体精製装置及び気体精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業ガスの製造において、除去対象成分を含む原料ガスを精製して製品ガスを得る装置として、圧力変動吸着方式の装置（ＰＳＡ装置）が知られている。ＰＳＡ装置では吸着剤が充填された吸着塔で、原料ガスの精製が行われる（特許文献１）。
【０００３】
複数のガス成分を含む混合気体の各成分を分離して精製する場合、吸着剤の種類に合わせて、吸着塔の温度を吸着に適した温度に保持することが一般的である。
特許文献１は、蓄熱材の充填された吸着塔を用いる酸素と窒素との圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による分離方法を開示している。特許文献１に記載の分離方法では、気体と蓄熱材とを接触させて熱回収を行うことで吸着塔内の温度を保持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら特許文献１に記載の分離方法では、吸着塔内に蓄熱材を充填しているため、吸着塔内の吸着剤の充填量が蓄熱材の充填量の分だけ制限される。そのため吸着塔内に吸着剤のみを充填した場合と比較すると、特許文献１に記載の吸着塔では吸着剤の充填量が少なくなり、製品ガスの純度が低下してしまう。
【０００６】
一方、蓄熱材を充填せずに、吸着塔の外部から吸着塔を加温することで、吸着剤の温度を吸着に適した温度に保持する方法も想定される。ところが、外部から吸着塔を加温すると、加温のために熱エネルギーをさらに必要とし、製造コストが上昇するおそれがある。また、外部から吸着塔を加温する場合、吸着塔の内部を均一に加温しにくく、吸着剤の温度を効果的に保持しにくくなり、製品ガスの収率及び純度が低下するおそれもある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、低コストで製品ガスを高純度かつ高収率で精製できる気体精製装置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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］  第１の気体と第２の気体とを含む原料ガスから、圧力変動吸着方式で製品ガスを精製する気体精製装置であって、前記第１の気体及び前記第２の気体以外の気体を吸着する第１の吸着剤を有する２つ以上の第１の吸着塔と、前記第２の気体を吸着する第２の吸着剤を有する、２つ以上の第２の吸着塔と、前記第１の吸着塔の二次側と前記第２の吸着塔の一次側とを接続し、前記第１の気体及び前記第２の気体が流れる接続ラインと、各前記第２の吸着塔の二次側と接続され、前記第１の気体が流れる第１の導出ラインと、各前記第２の吸着塔の一次側と接続され、前記第２の気体が流れる第２の導出ラインと、前記第２の導出ラインに設けられ、前記第２の吸着剤から前記第２の気体を脱離させる吸引手段と、前記第２の導出ラインから分岐し、各前記第２の吸着塔の二次側と接続される、熱回収ラインと、前記熱回収ラインを流れる前記第２の気体と前記第１の導出ラインを流れる前記第１の気体との間で熱交換する熱交換器と、を備える、気体精製装置。
［２］  前記第１の吸着塔の二次側と接続され、前記第１の吸着剤を再生する再生ガスが流れる再生ラインをさらに備え、前記再生ラインと前記第１の導出ラインとが接続されている、［１］の気体精製装置。
［３］  ［１］又は［２］の気体精製装置を用いる圧力変動吸着方式の気体精製方法であって、前記第１の吸着剤に前記第１の気体及び前記第２の気体以外の気体を吸着させ、前記第１の吸着塔から第２の吸着塔ｂに前記第１の気体及び前記第２の気体を供給し、前記第２の吸着塔ｂが有する第２の吸着剤ｂに前記第２の気体を吸着させた後に、前記第２の吸着剤ｂから前記第２の気体を脱離させ、前記第２の気体を前記第２の導出ラインを経由させて前記熱回収ラインに導入し、前記熱回収ラインを流れる前記第２の気体を前記熱交換器で加熱し、前記第２の気体を前記熱回収ラインから前記第２の吸着塔ｂに導入する、気体精製方法。
［４］  前記第２の気体を前記熱交換器で加熱する際に、前記第２の吸着塔ｂとは異なる第２の吸着塔ａに第１の気体及び第２の気体を供給し、前記第２の吸着塔ａが有する第２の吸着剤ａに前記第２の気体を吸着させ、
前記第１の気体を前記第２の吸着塔ａから前記第１の導出ラインに導出する、［３］の気体精製方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低コストで製品ガスを高純度かつ高収率で精製できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用した一実施形態である第１の実施形態に係る気体精製装置の構成の一例を示す模式図である。
【図２】図１の気体精製装置の関連技術に係る気体精製装置の構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書における下記の用語の意味は以下の通りである。
「ＰＳＡ」は、Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎの略である。本明細書では圧力変動吸着方式を「ＰＳＡ方式」と記し、ＰＳＡ方式で気体を精製する装置を「ＰＳＡ装置」と記す。
吸着剤の「再生」とは、除去対象成分が吸着された吸着剤を再び除去対象成分が吸着され得る状態に戻すことを意味する。
「再生ガス」とは、再生の対象となる吸着剤を有する吸着塔に、吸着剤を再び除去対象成分が吸着され得る状態に戻すために供給される気体を意味する。
「再生排ガス」とは、再生の対象となる吸着剤を有する吸着塔から排出される気体であり、吸着剤の再生に使用された気体を意味する。
【００１２】
以下、本発明を適用した一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわ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等が実際と同じであるとは限らない。
【００１３】
＜気体精製装置＞
本実施形態の気体精製装置は、第１の気体と第２の気体と除去対象成分とを含む原料ガスから、製品ガスを精製する装置である。
第１の気体、第２の気体及び除去対象成分は特に限定されない。第１の気体、第２の気体の具体例としては、エタン、エチレン、プロパン、プロペン、ブタン、ブテン等の炭化水素が例示される。除去対象成分としては、窒素、酸素、アルゴン、水蒸気、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素等が例示される。
【００１４】
第１の気体と第２の気体の組合せとしては、前記の具体例から、少なくとも２種以上を選択できる。これらのなかから、化学的性質又は物理的性質が似ている化合物同士の組合せを選択しても、本発明の効果を得ることができる。化学的性質又は物理的性質が似ている化合物の組合せとしては、エタン及びエチレンの組合せ、プロパン及びプロペンの組合せ、ブタン及びブテンの組合せ等が例示される。
以下の実施形態においては、原料ガスがプロパン（第１の気体）及びプロペン（第２の気体）を含み、除去対象成分として二酸化炭素を含む場合を一形態例として説明する。
【００１５】
本実施形態の気体精製装置は、ＰＳＡ装置である。そのため、以下の実施形態においては、一般的なＰＳＡ装置が備える脱圧ライン及び均圧ライン並びにこれらの各ラインに設けられる開閉弁等の構成（即ち、本発明の特徴との関連性が低い構成）に関する説明を省略し、図示を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る気体精製装置１０の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、気体精製装置１０は、原料ガスの供給源１と第１のＰＳＡユニット２と第２のＰＳＡユニット３と吸引ポンプ４と熱交換器５と冷却器６と原料ラインＬ１と接続ラインＬ２と第１の導出ラインＬ３と第２の導出ラインＬ４と熱回収ラインＬ５と再生ラインＬ６と再生排ガスラインＬ７とを備える。
【００１７】
図１に示す気体精製装置１０においては、原料ガスが第１のＰＳＡユニット２に供給され、プロパンとプロペンとを含む気体が後述の第２の吸着塔３ａの一次側に供給されている。また気体精製装置１０においては、後述の第２の吸着剤８ｂにすでにプロペンが吸着された状態であり、後述の第２の吸着塔３ｂの一次側からプロペンが導出されている。
以下に気体精製装置１０の各構成要素に関して詳しく説明を行う。
【００１８】
第１のＰＳＡユニット２は、原料ガスから除去対象成分（本形態例では二酸化炭素である。以下、「二酸化炭素」と記す。）を分離する。第１のＰＳＡユニット２は、第１の吸着塔２ａ，２ｂを有する。第１のＰＳＡユニット２において、第１の吸着塔２ａ，２ｂの数は、２つ以上であれば特に限定されない。
第１の吸着塔２ａ，２ｂは、中空円筒状である。第１の吸着塔２ａ，２ｂは内部に第１の吸着剤７ａ，７ｂを有する。本形態例においては、第１の吸着剤７ａ，７ｂは二酸化炭素を吸着できる形態であれば特に限定されない。第１の吸着剤７ａ，７ｂとしては、分子篩炭、アミン担持アルミナ等を含む吸着剤が例示される。第１の吸着剤７ａ，７ｂの市販品としては、大阪ガスケミカル社製の分子篩活性炭（ＭＳＣ）「粒状白鷺３Ｋ―Ｍ１７２」（細孔径：３オングストローム）が例示される。ただし、第１の吸着剤７ａ，７ｂはこれらの例示に限定されない。
【００１９】
原料ラインＬ１は、第１のＰＳＡユニット２に原料ガスを供給するためのラインである。原料ラインＬ１は、分岐した二次側（下流側）の端部が第１の吸着塔２ａ，２ｂの一次側（上流側）と接続される。
接続ラインＬ２は、第１の気体（本形態例ではプロパン（Ｃ３Ｈ８）である。以下、「プロパン」と記す。）と第２の気体（本形態例ではプロペン（Ｃ３Ｈ６）である。以下、「プロペン」と記す。）とを含む気体を第１のＰＳＡユニット２から第２のＰＳＡユニット３に導出するためのラインである。接続ラインＬ２は、第１のＰＳＡユニット２の二次側（下流側）と第２の吸着塔３ａ，３ｂの一次側（上流側）とを接続する。具体的には、接続ラインＬ２は、分岐した第１の端部が第１の吸着塔２ａ，２ｂの二次側のそれぞれと接続され、分岐した第２の端部が第２の吸着塔３ａ，３ｂの一次側のそれぞれと接続される。
【００２０】
第２のＰＳＡユニット３は、プロパンとプロペンとを分離する。第２のＰＳＡユニット３は第２の吸着塔３ａと第２の吸着塔３ｂとを有する。本実施形態では、第２のＰＳＡユニット３が２つの第２の吸着塔３ａ，３ｂを有するが、他の実施形態では、第２の吸着塔の数は２つ以上であれば、特に限定されない。
第２の吸着塔３ａ，３ｂは基本的に同じ構成であり、中空円筒状である。第２の吸着塔３ａ，３ｂは内部に第２の吸着剤８ａ，８ｂを有する。本形態例においては、第２の吸着剤８ａ，８ｂはプロペンを吸着できる形態であれば特に限定されない。第２の吸着剤８ａ，８ｂとしては、ゼオライト、銀イオン担持活性炭等を含む吸着剤が例示される。第２の吸着剤８ａ，８ｂの市販品としては、東ソー社製のゼオライト「ゼオラムＡ―４」（細孔径：４オングストローム）が例示される。ただし、第２の吸着剤８ａ，８ｂはこれらの例示に限定されない。
【００２１】
第１の導出ラインＬ３は、第２のＰＳＡユニット３の二次側から導出されるプロパンが流れるラインである。第１の導出ラインＬ３は、分岐した第１の端部が第２の吸着塔３ａ，３ｂの二次側のそれぞれと接続され、第２の端部が再生ラインＬ６と接続される。
第２の導出ラインＬ４は、第２のＰＳＡユニット３の一次側から導出されるプロペンが流れるラインである。第２の導出ラインＬ４は、分岐した第１の端部が第２の吸着塔３ａ，３ｂの一次側のそれぞれと接続され、第２の端部が図示略の製品ガスタンクと接続されている。第２の導出ラインＬ４には、吸引ポンプ４が設けられている。図示略の製品ガスタンクには、プロペンが製品ガスとして貯蔵される。
【００２２】
吸引ポンプ４は第２の吸着剤８ａ，８ｂにプロペンが吸着されている状態において、第２の吸着剤８ａ，８ｂからプロペンを脱離させる吸引手段の一例である。これにより、第２のＰＳＡユニット３によって分離されたプロパンの一部を第２の吸着剤８ａ，８ｂの再生ガスとして第２の吸着塔３ａ，３ｂ内に供給せずに、第２の吸着剤８ａ，８ｂからプロペンを脱離させることができる。吸引ポンプ４としては真空ポンプが好ましい。
【００２３】
熱回収ラインＬ５は、第２の導出ラインＬ４から導出されるプロペンが流れるラインである。熱回収ラインＬ５は、吸引ポンプ４の二次側の部分の第２の導出ラインＬ４から分岐し、第２の吸着塔３ａ，３ｂの二次側と接続される。具体的に熱回収ラインＬ５は、第１の端部が吸引ポンプ４の二次側の部分の第２の導出ラインＬ４と接続され、分岐した第２の端部が第２の吸着塔３ａ，３ｂの二次側のそれぞれと接続される。熱回収ラインＬ５には熱交換器５が設けられている。
【００２４】
熱交換器５は熱回収ラインＬ５を流れるプロペンと第１の導出ラインＬ３を流れるプロパンとの間で熱交換する。熱交換器５は、熱回収ラインＬ５と第１の導出ラインＬ３とにわたって、熱回収ラインＬ５と第１の導出ラインＬ３とが近接する位置に設けられている。これにより、熱エネルギーのロスを抑えながら、熱回収ラインＬ５内を流れるプロペンと第１の導出ラインＬ３内を流れるプロパンとの間で熱交換できる。
【００２５】
再生ラインＬ６は、第１の吸着剤７ａ，７ｂを再生する再生ガスを第１の吸着塔２ａ，２ｂに供給するためのラインである。ただし、図１においては簡略化のため、再生ラインＬ６と第１の吸着塔２ａ，２ｂとの接続を省略している。
再生ラインＬ６は、第１の端部が第１の導出ラインＬ３の第２の端部と接続され、分岐した第２の端部が第１の吸着塔２ａ，２ｂの二次側のそれぞれと接続される。これにより、プロパンを第１の吸着剤７ａ，７ｂを再生する再生ガスとして、第１の吸着塔２ａ，２ｂに供給できる。再生ラインＬ６には冷却器６が設けられている。
【００２６】
冷却器６は、第１の吸着剤７ａ，７ｂの再生ガスとして第１の吸着塔２ａ，２ｂに供給されるプロパンを冷却する。これにより、プロパンの温度を低下させた状態で第１のＰＳＡユニット２にプロパンを供給できる。
第１の吸着剤７ａ，７ｂによる二酸化炭素の除去は、吸着効率の点から、二酸化炭素の吸着に適した温度下で行うことが好ましい。よって、冷却器６を備えることで、第１の吸着剤７ａ，７ｂの再生の際に、過度に第１の吸着塔２ａ，２ｂの温度が下がりにくくなり、第１の吸着塔２ａ，２ｂを二酸化炭素の除去に適した温度に維持しやすくなる。
再生排ガスラインＬ７は、第１の吸着塔２ａ，２ｂから再生排ガスを排出するためのラインである。再生排ガスラインＬ７は、分岐した第１の端部が第１の吸着塔２ａ，２ｂの一次側のそれぞれと接続される。
【００２７】
以下、気体精製装置１０の比較対象として、関連技術のＰＳＡ装置について説明する。図２は、気体精製装置１０の関連技術に係る気体精製装置１００の構成の一例を示す模式図である。図２に示すように、気体精製装置１００は、熱交換器５と熱回収ラインＬ５とを備えない点以外は、気体精製装置１０と同様の構成を備える。
【００２８】
図２に示す気体精製装置１００においては、原料ガスが第１のＰＳＡユニット２に供給され、プロパンとプロペンとを含む気体が第２の吸着塔３ａの一次側に供給されている。また気体精製装置１００において、第２の吸着剤８ｂにすでにプロペンが吸着された状態であり、第２の吸着塔３ｂの一次側からプロペンが導出されている。
【００２９】
この場合、第２の吸着剤８ａにプロペンが吸着され、第２の吸着塔３ａから第１の導出ラインＬ３にプロパンが導出される。第２の吸着剤８ａにプロペンが吸着されると、吸着反応による熱が発生する。その結果、第２の吸着塔３ａの温度が高くなり、第２の吸着塔３ａから導出されるプロパンの温度が高くなる。
【００３０】
吸引ポンプ４が第２の吸着剤８ｂからプロペンを脱離させると、第２の吸着塔３ｂから第２の導出ラインＬ４にプロペンが導出される。第２の吸着剤８ｂからプロペンが脱離すると、脱離反応による冷熱が発生する。その結果、第２の吸着塔３ｂの温度が低くなり、第２の吸着塔３ｂから導出されるプロペンの温度が低くなる。
【００３１】
第２の吸着剤８ａ，８ｂによるプロペンの吸着反応は、プロペンの吸着効率が高くなることから、５０〜２５０℃で行うことが好ましく、８０〜１８０℃で行うことがより好ましく、１００〜１５０℃で行うことがさらに好ましい。ところが、気体精製装置１００について上述したように、プロペンの脱離にともなう冷熱の発生によって、第２の吸着塔３ｂの温度が低下することがある。そのため、第２の吸着塔３ｂでのプロペンの脱離の後に第２の吸着塔３ｂでプロペンの吸着を行うと、第２の吸着塔３ｂの温度がプロペンの吸着に適した温度より低くなる場合がある。よって、気体精製装置１００においては、第２の吸着塔でのプロペンの吸着効率が低下するおそれがある。
【００３２】
これに対し、気体精製装置１０は熱交換器５と熱回収ラインＬ５とを備えるため、熱回収ラインＬ５内のプロペンと第１の導出ラインＬ３内のプロパンとの間で熱交換を行うことができる。図１に示す気体精製装置１０においては、熱回収ラインＬ５内のプロペンが第２の吸着剤８ｂから脱離しているため、相対的に温度が低い。第１の導出ラインＬ３内のプロパンは、第２の吸着塔３ａから導出されているため、相対的に温度が高い。よって、熱回収ラインＬ５内のプロペンは、第１の導出ラインＬ３内のプロパンとの熱交換によって、加熱されて温度が高くなる。
【００３３】
（作用効果）
気体精製装置１０にあっては、図１に示すように、熱交換器５で熱交換を行った後、熱回収ラインＬ５内のプロペンを第２の吸着塔３ｂに導入できる。そのため、熱交換によって、温度が高くなったプロペンにより第２の吸着塔３ｂを加熱できるようになる。その結果、外部から第２の吸着塔３ｂを加温する必要がなくなり、第２の吸着塔３ｂの温度をプロペンの吸着に適した温度に維持しやすくなる。
また、熱交換後のプロペンの第２の吸着塔３ｂ内への導入によって、第２の吸着塔３ｂの内部の加熱を行うことが可能であるため、第２の吸着塔３ｂ内を均一に加温でき、第２の吸着剤の温度を効果的に保持しやすくなる。よって、気体精製装置１０によれば、気体精製装置１００と比較して低コストでプロペンを高純度かつ高収率で精製できる。
【００３４】
さらに、第２の吸着塔３ｂでのプロペンの脱離の後に、第２の吸着塔３ｂでプロペンの吸着を行うとき、第２の吸着塔３ｂの温度がプロペンの吸着に適した温度に近いため、プロペンの吸着効率がよくなり、高収率でプロペンを精製できる。
【００３５】
気体精製装置１０によれば、プロパンを第１の吸着剤７ａ，７ｂを再生する再生ガスとして、第１の吸着塔２ａ，２ｂに供給できるため、製品ガスとして貯蔵されるプロペンを第１の吸着剤７ａ，７ｂの再生に使用する必要がなくなる。よって、製品ガスであるプロペンの収率が高くなり、さらに高収率でプロペンを精製できる。
【００３６】
気体精製装置１０は、第２の導出ラインＬ４から分岐し、第２の吸着塔３ａ，３ｂの二次側と接続される熱回収ラインＬ５を備えるため、熱交換器５を介して製品ガスであるプロペンを循環させ、第２の吸着塔３ａ，３ｂの温度の保持に利用できる。このように、第２の吸着塔３ａ，３ｂを加熱の際にプロペンを利用しているため、製品ガスとしてのプロペンの純度が低下しにくく、高純度でプロペンを精製できる。
【００３７】
気体精製装置１０は、第１のＰＳＡユニット２と第２のＰＳＡユニット３とを備えるため、二酸化炭素を第１のＰＳＡユニット２で確実に除去した後に、第２のＰＳＡユニット３でプロパンとプロペンとを分離できる。その結果、プロペンの純度が高くなり、高純度でプロペンを精製できる。
気体精製装置１０は吸引ポンプ４を備えるため、第２のＰＳＡユニット３によって分離されたプロパンの一部を第２の吸着塔３ａ，３ｂ内に供給せずに、第２の吸着剤８ａ，８ｂからプロペンを脱離させることができる。そのため、製品ガスであるプロペンにプロパンが混入しにくくなる。その結果、プロペンの純度が高くなり、高純度でプロペンを精製できる。
【００３８】
気体精製装置１０は冷却器６を備えるため、第１の吸着剤７ａ，７ｂの再生の際に、過度に第１の吸着塔２ａ，２ｂの温度が下がりにくく、第１の吸着塔２ａ，２ｂを二酸化炭素の除去に適した温度に維持しやすい。そのため、二酸化炭素の除去効率がよくなり、製品ガスであるプロペンの純度がさらに高くなる。
【００３９】
以上説明した本実施形態では、第２の吸着剤８ａでプロペンの吸着反応が起き、第２の吸着剤８ｂでプロペンの脱離反応が起きている場合を一例として説明したが、第２の吸着剤８ａでプロペンの脱離反応が起き、第２の吸着剤８ｂでプロペンの吸着反応が起きている場合でも、同様の作用効果が得られる。
【００４０】
以上、一実施形態に係る気体精製装置１０を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。気体精製装置１０は、その他の様々な形態で実施可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
例えば、接続ラインＬ２、熱回収ラインＬ５、再生ラインＬ６のそれぞれには、各ラインを流れる気体の流量の変動を抑制して安定化させることを目的とし、気体を貯蔵するタンクが設けられてもよい。
【００４１】
＜気体精製方法＞
以下、上述した気体精製装置１０を用いる本実施形態の気体精製方法について説明する。本実施形態の気体精製方法は、ＰＳＡ方式の気体精製方法である。そのため、以下の実施形態においては、一般的な（即ち、本発明の特徴との関連性が低い）ＰＳＡ方式の気体精製方法で行われる脱圧及び均圧等の操作に関する説明を省略する。
【００４２】
以下に示す実施形態では、原料ガスを第１のＰＳＡユニットに供給し、第１の吸着塔２ａ，２ｂ内の第１の吸着剤７ａ，７ｂにプロパン及びプロペン以外の気体を吸着させ、第１の吸着塔２ａ，２ｂから第２の吸着塔３ｂにプロパン及びプロペンを供給し、第２の吸着剤８ｂにプロペンを吸着させた後を一例として、説明する。
即ち、以下の実施形態では、第１の吸着塔２ａ，２ｂ内の第１の吸着剤７ａ，７ｂに二酸化炭素が吸着されており、第２の吸着塔３ｂ内の第２の吸着剤８ｂにプロペンが吸着されている状態から、気体精製方法の説明を開始する。
【００４３】
以下、図１を参照しながら本実施形態の気体精製方法について説明する。図１中、矢印の向きは、気体が流れている方向を意味する。
【００４４】
本実施形態の気体精製方法では、原料ガスを第１のＰＳＡユニット２に供給し、第１の吸着塔２ａ，２ｂ内の第１の吸着剤７ａ，７ｂにプロパン及びプロペン以外の気体を吸着させる。これにより、原料ガスから二酸化炭素が除去される。
次いで、プロパンとプロペンとを含む気体を第１のＰＳＡユニット２から第２のＰＳＡユニット３に導出し、プロパン及びプロペンを第２の吸着塔３ａに供給する。そして、第２の吸着剤８ａにプロペンを吸着させる。これにより、プロパンが第２の吸着塔３ａから第１の導出ラインＬ３に導出されて、プロパンとプロペンとが分離される。
【００４５】
本実施形態では、第２の吸着剤８ｂからプロペンを脱離させる。そして、第２の吸着剤８ｂから脱離したプロペンの一部を熱回収ラインＬ５に導入し、第２の吸着剤８ｂから脱離したプロペンの残部を第２の導出ラインＬ４から製品ガスとして回収する。第２の吸着剤８ｂから脱離したプロペンの一部を熱回収ラインＬ５に導入する際には、第２の導出ラインＬ４を経由させる。また、プロペンの一部を熱回収ラインＬ５に導入する際には、熱回収ラインＬ５に開閉弁を設けて、開閉弁の開閉操作を行ってもよく、熱回収ラインＬ５にポンプを設けて、ポンプでプロペンを吸引してもよい。
【００４６】
熱回収ラインＬ５に導入するプロペンの流量ＶＬ５は、第２の吸着剤８ｂから脱離したプロペンの流量１００体積％に対し、５〜５０体積％が好ましく、５〜２５体積％がより好ましく、５〜１０体積％がさらに好ましい。ＶＬ５が前記下限値以上であると、製品ガスであるプロペンの収率がさらに高くなる。ＶＬ５が前記上限値以下であると、製品ガスとしてプロペンをさらに低コストで精製できる。
【００４７】
本実施形態では、熱回収ラインＬ５を流れるプロペンを熱交換器５で加熱する。熱交換器５における加熱は、例えば以下のようにして行われる。
本実施形態では、第２の吸着塔３ａから第１の導出ラインＬ３にプロパンを導出している。第２の吸着剤８ａにプロペンが吸着されると、吸着反応による熱が発生している。そのため、第２の吸着塔３ａから第１の導出ラインＬ３に導出されるプロパンは、相対的に高温である。
一方で、第２の吸着塔３ｂでは、プロペンが第２の吸着剤８ｂから脱離し、脱離反応による冷熱が発生している。そのため、第２の吸着塔３ｂから第２の導出ラインＬ４に導出されるプロペンは相対的に低温であり、熱交換器５の一次側（プロペンの流れの上流側）の部分の熱回収ラインＬ５を流れるプロペンも相対的に低温である。
このように、熱交換器５では熱回収ラインＬ５内の相対的に低温であるプロペンが、第１の導出ラインＬ３内の相対的に高温のプロパンによって加熱される。
【００４８】
次いで、本実施形態では、熱交換器５で加熱されたプロペンを熱回収ラインＬ５から第２の吸着塔３ｂに導入する。このように加熱されたプロペンを第２の吸着塔３ｂに導入することで、第２の吸着塔３ｂを加温できる。
【００４９】
本実施形態では、第２のＰＳＡユニット３で分離されたプロパンを第１の導出ラインＬ３から再生ラインＬ６に導入してもよい。これにより、第１の吸着塔２ａ，２ｂ内の第１の吸着剤７ａ，７ｂの再生ガスとしてプロパンを使用でき、製品ガスであるプロペンを第１の吸着剤７ａ，７ｂの再生ガスと使用する必要がなくなる。プロパンを第１の吸着剤７ａ，７ｂの再生ガスと使用する際には、冷却器６でプロパンを冷却してもよい。これにより、第１の吸着塔２ａ，２ｂを二酸化炭素の除去に適した温度に維持しやすくなる。
【００５０】
（作用効果）
以上説明した本実施形態の気体精製方法では、気体精製装置１０を用いるため、第２の吸着塔３ａから第１の導出ラインＬ３に導出されるプロパンの熱を、熱回収ライン内のプロペンの加熱に利用でき、第２の吸着塔３ｂの加温に利用できるようになる。そのため、また外部から第２の吸着塔３ｂを加温する必要がなくなり、気体精製装置１００を用いる場合と比較して低コストでプロペンを精製できる。
【００５１】
本実施形態の気体精製方法によれば、第２の吸着塔３ｂの加温により、第２の吸着塔３ｂの温度をプロペンの吸着に適した温度に維持しやすくなるため、プロペンの吸着効率がよくなり、高収率でプロペンを精製できる。
また、本実施形態では第１の吸着剤７ａ，７ｂに二酸化炭素を吸着させ、二酸化炭素を第１のＰＳＡユニット２で確実に除去した後に、第２の吸着剤からプロペンを脱離させるため、プロペンの純度が高くなり、高純度でプロペンを製造できる。
【００５２】
以上説明した本実施形態では、第２の吸着剤８ａにプロペンを吸着させ、第２の吸着剤８ｂからプロペンを脱離させる場合を一例として説明したが、第２の吸着剤８ａにプロペンが吸着されている状態で第２の吸着剤８ａからプロペンを脱離させ、第２の吸着剤８ｂにプロペンを吸着させる場合でも、同様の作用効果が得られる。
【００５３】
以上説明した本実施形態では、第１の導出ラインＬ３に導出されるプロパンの熱を、熱回収ライン内のプロペンの加熱に利用し、熱交換によって第２の吸着塔の加温を行うことを特徴とするが、本発明の効果を損なわない範囲で第２の吸着塔３ａ，３ｂを外部から加温してもよい。外部から加温する場合、スチーム等による加温を行ってもよい。
【００５４】
＜実施例＞
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
【００５５】
（略号）
ＶＬ４：第２のＰＳＡユニット３における製品ガス（プロペン）の流量［Ｎｍ３／ｈ］。
ＰＬ３：第２の吸着塔３ａ，３ｂ内のプロペンの吸着時の圧力［ｋＰａＧ］。
ＰＬ４：第２の吸着塔３ａ，３ｂ内のプロペンの脱離時の圧力［ｋＰａＡ］。
ＶＬ５：第２の吸着剤から脱離したプロペンの流量１００体積％に対する、熱回収ラインＬ５に導入するプロペンの流量の比［％］。
Ｃ１：製品ガス中のプロペンの濃度［体積％］。
Ｃ２：製品ガス中の不純物の濃度［体積％］。
【００５６】
（実施例１）
実施例１では気体精製装置１０を用いて、ＰＳＡ方式で原料ガスを精製し、プロペンを製品ガスとして回収した。実施例１で使用した原料ガスは、プロパンを５０体積％、プロペンを２５体積％、二酸化炭素を２５体積％含んでいた。
実施例１ではまず、原料ガスを第１のＰＳＡユニット２に供給し、二酸化炭素を除去した。第１のＰＳＡユニット２では、第１の吸着剤として大阪ガスケミカル社製の分子篩活性炭（ＭＳＣ）「粒状白鷺３Ｋ―Ｍ１７２」（細孔径：３オングストローム）を使用した。次いで、第２のＰＳＡユニット３にプロパン及びプロペンを供給し、ＰＳＡ方式でプロパンとプロペンとを分離した。第２のＰＳＡユニット３では、第２の吸着剤として東ソー社製のゼオライト「ゼオラムＡ―４」（細孔径：４オングストローム）を使用した。第２のＰＳＡユニット３における第２の吸着塔の吸着と脱離の切替時間は、９０秒とし、表１に示す条件下でプロペンを製品ガスとして第２の導出ラインＬ４から回収した。実施例１では、第２の吸着塔３ａ，３ｂに対し、スチームによる加熱を行い、第２の吸着塔３ａ，３ｂがプロペンの吸着に適した設定温度Ｔに維持されやすくなるようにした。
【００５７】
【表１】
2019177315.tif 000003
【００５８】
（比較例１）
比較例１では気体精製装置１００を用いた以外は、実施例１と同様にし、表１に示す条件下でプロペンを製品ガスとして回収した。なお比較例１でも、第２の吸着塔３ａ，３ｂに対し、スチームによる加熱を行った。
【００５９】
（第２の吸着塔の温度の測定）
実施例１及び比較例１では、第２の吸着塔３ａ，３ｂでそれぞれプロペンを吸着する際の温度を測定した。その結果、実施例１では第２の吸着塔３ａ，３ｂの温度は、設定温度Ｔから±１０℃の範囲内で変動した。これに対し、比較例１では、第２の吸着塔３ａ，３ｂの温度は、設定温度Ｔから２０〜３０℃低下していた。この結果から、気体精製装置１０によれば、熱回収ラインＬ５でプロペンの一部を使用することで、第２の吸着塔３ａ，３ｂを効果的に加温できることが示された。そして、実施例１では、第２の吸着塔３ａ，３ｂの温度をプロペンの吸着に適した温度に維持しやすくなることが示された。
さらに実施例１では、Ｃ１が４４体積％であり、Ｃ２が５６体積％であった。これに対し、比較例１では、Ｃ１が３４体積％であり、Ｃ２が６６体積％であった。
以上より、実施例１によれば、比較例１より低コストで製品ガスを高純度かつ高収率で精製できることが判った。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の気体精製装置及び気体精製方法は、例えば、複数の炭化水素を含む有機物と無機物とを含む混合物から、高濃度の炭化水素ガスを高回収率で回収する技術として産業上利用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１…原料ガスの供給源、２…第１のＰＳＡユニット、２ａ，２ｂ…第１の吸着塔、３…第２のＰＳＡユニット、３ａ，３ｂ…第２の吸着塔、４…ポンプ、５…熱交換器、６…冷却器、７ａ，７ｂ…第１の吸着剤、８ａ，８ｂ…第２の吸着剤、１０，１００…気体精製装置、Ｌ１…原料ライン、Ｌ２…接続ライン、Ｌ３…第１の導出ライン、Ｌ４…第２の導出ライン、Ｌ５…熱回収ライン、Ｌ６…再生ライン、Ｌ７…再生排ガスライン
【図１】
2019177315.tif 000004
【図２】
2019177315.tif 000005