(57)【要約】【課題】製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を十分に低下させながらも、吸着塔の小型化を図ることができる圧力変動吸着式ガス製造方法を提供する。【解決手段】製品ガス成分及びそれ以外の吸着対象成分を含む原料ガスから吸着対象成分を吸着する吸着剤が充填された吸着塔１について、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、及び、昇圧工程を順次行う圧力変動吸着式ガス製造方法であって、冷却液が給排される冷却液給排式冷却部Ｆを、吸着塔１の外周部を覆う形態で設け、吸着工程において、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却液の供給により冷却作用状態とし、脱着工程において、冷却液給排式冷却部を冷却液の排出により冷却停止状態にすることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品ガス成分及びそれ以外の吸着対象成分を含む原料ガスから前記吸着対象成分を吸着する吸着剤が充填された吸着塔について、
前記吸着塔の内部圧を吸着用高圧に調整した状態で、前記吸着塔に供給した前記原料ガスから前記吸着対象成分を吸着して製品ガスを生成する吸着工程、前記吸着塔の内部ガスを排出して、前記吸着塔の内部圧を脱着用低圧に減圧しかつ前記吸着剤に吸着された前記吸着対象成分を前記吸着塔から排出する脱着工程、前記吸着塔の内部の吸着剤を洗浄する洗浄工程、及び、前記吸着塔の内部圧を前記吸着用高圧に向けて昇圧する昇圧工程を順次行う圧力変動吸着式ガス製造方法であって、
冷却液が給排される冷却液給排式冷却部を、前記吸着塔の外周部を覆う形態で設け、
前記吸着工程において、前記冷却液給排式冷却部を前記冷却液が供給された冷却作用状態とし、
前記脱着工程において、前記冷却液給排式冷却部を前記冷却液が排出された冷却停止状態にすることを特徴とする圧力変動吸着式ガス製造方法。
【請求項２】
前記吸着塔を、複数の塔部分に分割し、
前記冷却液給排式冷却部を、複数の前記塔部分を挿入する容器状に構成してあることを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着式ガス製造方法。
【請求項３】
前記塔部分の外周部に、伝熱フィンを設けてあることを特徴とする請求項２記載の圧力変動吸着式ガス製造方法。
【請求項４】
前記吸着塔として、前記吸着工程、前記脱着工程、前記洗浄工程、及び、前記昇圧工程の夫々を同じタイミングでは異なる工程を行う形態で順次行う複数の吸着塔を設け、
前記脱着工程の初期側の段階に前記吸着塔から排出される前記内部ガスを、前記昇圧工程の前記吸着塔に対して昇圧用ガスとして供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力変動吸着式ガス製造方法。
【請求項５】
前記原料ガスが、炭化水素を主成分とする原燃料ガスを改質処理した改質ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力変動吸着式ガス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製品ガス成分及びそれ以外の吸着対象成分を含む原料ガスから前記吸着対象成分を吸着する吸着剤が充填された吸着塔について、
前記吸着塔の内部圧を吸着用高圧に調整した状態で、前記吸着塔に供給した前記原料ガスから前記吸着対象成分を吸着して製品ガスを生成する吸着工程、前記吸着塔の内部ガスを排出して、前記吸着塔の内部圧を脱着用低圧に減圧しかつ前記吸着剤に吸着された前記吸着対象成分を前記吸着塔から排出する脱着工程、前記吸着塔の内部の吸着剤を洗浄する洗浄工程、及び、前記吸着塔の内部圧を前記吸着用高圧に向けて昇圧する昇圧工程を順次行う圧力変動吸着式ガス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
かかる圧力変動吸着式ガス製造方法は、製品ガス成分及び製品ガス成分以外のガス成分を含む原料ガスから、吸着対象成分としての製品ガス成分以外のガス成分を、吸着剤に吸着させることにより、製品ガス成分濃度の高い製品ガスを製造する方法である。
【０００３】
このような圧力変動吸着式ガス製造方法の従来例として、都市ガス等の炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気と反応させて改質処理する改質装置から供給される改質ガスを、原料ガスとして、この原料ガスから製品ガスとしての水素ガスを製造するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
そして、特許文献１には、詳細な説明は省略されているが、一般に、吸着塔は、大気中に露出する状態で設置されることになり、吸着塔は、常温状態で、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、昇圧工程を順次行うことになる。
【０００５】
ちなみに、特許文献１には、吸着剤として、活性炭（カーボンモレキュラーシーブ）、ゼオライト等を使用することが記載されている。
尚、改質ガスには、水素（Ｈ2）、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、一酸化炭素（ＣＯ）が含まれることになり、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、一酸化炭素（ＣＯ）が、吸着対象成分として吸着剤に吸着されることになる。
【０００６】
また、特許文献１には、吸着塔として、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、及び、昇圧工程の夫々を同じタイミングでは異なる工程を行う形態で順次行う３台の吸着塔を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２９９９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の圧力変動吸着式ガス製造方法においては、吸着塔が、常温状態で、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、昇圧工程を順次行うものであるから、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を十分に低下させるためには、吸着塔が大型化する不都合があった。
【０００９】
例えば、炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気と反応させて改質処理する改質装置から供給される改質ガスを、原料ガスとして、製品ガスとしての水素ガスを製造し、製品ガスとしての水素ガスを燃料電池に供給する場合においては、燃料電池の触媒が一酸化炭素にて被毒されることを回避するために、製品ガスとしての水素ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を、例えば、１０ｐｐｍ未満にする必要があり、そのためには、多量の吸着剤が充填された大型の吸着塔を設けて、吸着剤にて一酸化炭素を的確に吸着させる必要があった。
【００１０】
つまり、改質ガスには、水素（Ｈ2）、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、一酸化炭素（ＣＯ）が含まれることになるから、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、一酸化炭素（ＣＯ）が、吸着対象成分として吸着剤に吸着されることになる。
【００１１】
吸着剤としては、例えば、活性炭（カーボンモレキュラーシーブ）を使用することになるが、吸着剤の吸着性能は、二酸化炭素（ＣＯ2）、メタン（ＣＨ4）、一酸化炭素（ＣＯ）の順に高くなるから、吸着剤の量は、一酸化炭素（ＣＯ）を的確に吸着させるのに必要な量として定めることになる。
【００１２】
したがって、製品ガスとしての水素ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を、例えば、１０ｐｐｍ未満にする等、十分に低下させるためには、多量の吸着剤が充填された大型の吸着塔を設けて、吸着剤にて一酸化炭素を的確に吸着させる必要がある。
【００１３】
本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を十分に低下させながらも、吸着塔の小型化を図ることができる圧力変動吸着式ガス製造方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法は、製品ガス成分及びそれ以外の吸着対象成分を含む原料ガスから前記吸着対象成分を吸着する吸着剤が充填された吸着塔について、
前記吸着塔の内部圧を吸着用高圧に調整した状態で、前記吸着塔に供給した前記原料ガスから前記吸着対象成分を吸着して製品ガスを生成する吸着工程、前記吸着塔の内部ガスを排出して、前記吸着塔の内部圧を脱着用低圧に減圧しかつ前記吸着剤に吸着された前記吸着対象成分を前記吸着塔から排出する脱着工程、前記吸着塔の内部の吸着剤を洗浄する洗浄工程、及び、前記吸着塔の内部圧を前記吸着用高圧に向けて昇圧する昇圧工程を順次行う方法であって、その特徴構成は、
冷却液が給排される冷却液給排式冷却部を、前記吸着塔の外周部を覆う形態で設け、
前記吸着工程において、前記冷却液給排式冷却部を前記冷却液が供給された冷却作用状態とし、
前記脱着工程において、前記冷却液給排式冷却部を前記冷却液が排出された冷却停止状態にすることを特徴とする。
【００１５】
すなわち、冷却液が給排される冷却液給排式冷却部を、吸着塔の外周部を覆う形態で設ける。
そして、吸着工程においては、冷却液給排式冷却部を、冷却液が供給された冷却作用状態にすることによって、吸着塔の温度を常温よりも低下させ、また、脱着工程においては、冷却液給排式冷却部を、冷却液が排出された冷却停止状態にすることによって、吸着塔の温度を常温側に戻すようにする。
【００１６】
したがって、吸着工程においては、吸着塔が冷却されることによって温度が低下する吸着剤にて、吸着対象成分を効率良く吸着し、脱着工程においては、吸着塔に対する冷却が停止することによって温度が常温側に上昇する吸着剤から吸着対象成分を効率良く離脱させることができるため、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を低下させるのに必要とする吸着剤の量を減少させることができるため、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を十分に低下させながらも、吸着塔の大型化を図ることができる。
【００１７】
説明を加えると、吸着剤は、吸着塔の内部圧が高圧になると、吸着能力（吸着量）が大になり、吸着塔の内部圧が低圧になると、吸着能力（吸着量）が小になるものであるが、加えて、吸着剤は、吸着塔の内部温度が低くなるほど、吸着能力（吸着量）が大きくなるものである。
【００１８】
そこで、吸着工程において、冷却液給排式冷却部を冷却作用状態にして、吸着塔を冷却することによって、吸着塔の内部の温度を常温よりも低下させて、吸着剤の吸着能力を増大させることにより、製品ガスに含まれる吸着対象成分を効率よく吸着剤に吸着させることができる。
【００１９】
これに対して、脱着工程においては、冷却液給排式冷却部を冷却停止状態して、吸着塔の冷却を停止することによって、吸着塔の内部の温度を常温側に戻して、吸着剤の吸着能力を減少させることにより、吸着剤に吸着した吸着対象成分を効率よく吸着剤から離脱させることができる。
【００２０】
その結果、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を低下させるのに必要とする吸着剤の量が減少するため、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を十分に低下させながらも、吸着塔の大型化を図ることができるのである。
【００２１】
要するに、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の特徴構成によれば、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を十分に低下させるようにしながらも、吸着塔の小型化を図ることができる。
【００２２】
また、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の更なる特徴構成は、前記吸着塔を、複数の塔部分に分割し、
前記冷却液給排式冷却部を、複数の前記塔部分を挿入する容器状に構成してあることを特徴とする。
【００２３】
すなわち、吸着塔を、複数の塔部分に分割し、分割された複数の塔部分を、容器状に構成された冷却液給排式冷却部に挿入することにより、吸着工程においては、吸着塔を構成する複数の塔部分を冷却し、脱着工程においては、吸着塔を構成する複数の塔部分の冷却を停止するようにする。
【００２４】
そして、冷却液給排式冷却部の冷却作用状態、つまり、容器状に構成された冷却液給排式冷却部に冷却液を供給した状態においては、吸着塔を構成する複数の塔部分が冷却液に浸漬された状態となり、吸着塔を効率良く冷却することができる。
【００２５】
つまり、吸着塔を、複数の塔部分に分割することにより、複数の塔部分の外周面が伝熱面となるから、吸着塔を一つの塔として構成する場合よりも、伝熱面積を増加させることができるため、吸着塔を効率良く冷却することができるのである。
【００２６】
要するに、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の更なる特徴構成によれば、吸着塔を効率良く冷却することができる。
【００２７】
また、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の更なる特徴構成は、前記塔部分の外周部に、伝熱フィンを設けてあることを特徴とする。
【００２８】
すなわち、吸着塔を構成する塔部分の外周部に、伝熱フィンを設けてあるから、吸着塔の伝熱面積を一層増加させることができるため、冷却液給排式冷却部の冷却作用状態、つまり、容器状に構成された冷却液給排式冷却部に冷却液を供給した状態において、吸着塔を一層効率良く冷却することができる。
【００２９】
要するに、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の更なる特徴構成によれば、吸着塔を一層効率良く冷却することができる。
【００３０】
また、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の更なる特徴構成は、前記吸着塔として、前記吸着工程、前記脱着工程、前記洗浄工程、及び、前記昇圧工程の夫々を同じタイミングでは異なる工程を行う形態で順次行う複数の吸着塔を設け、
前記脱着工程の初期側の段階に前記吸着塔から排出される前記内部ガスを、前記昇圧工程の前記吸着塔に対して昇圧用ガスとして供給することを特徴とする。
【００３１】
尚、上記の「前記吸着工程、前記脱着工程、前記洗浄工程、及び、前記昇圧工程の夫々を同じタイミングでは異なる工程を行う形態」とは、ひとつの吸着塔が行う工程の終期において、他の吸着塔が同じ工程を開始する場合をも含むものであり、要は、異なる吸着塔において、同じ時間帯に、同じ工程が完全に重複して行われないことを意味するものである。
【００３２】
すなわち、複数の吸着塔の夫々にて、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、及び、昇圧工程の夫々を同じタイミングでは異なる工程を行う形態で順次行わせることにより、製品ガスを効率良く製造できるのである。
【００３３】
しかも、脱着工程の初期側の段階に吸着塔から排出される内部ガスを、昇圧工程の吸着塔に対して昇圧用ガスとして供給するものであるから、昇圧ガスとして消費する製品ガスの消費量を減少させることができ、しかも、昇圧工程の後で吸着工程を行うことになる吸着塔を予冷することができる。
【００３４】
つまり、昇圧工程において吸着塔の内部圧を吸着用高圧に向けて昇圧するには、一般に、製品ガスを吸着塔に供給することになるが、脱着工程の初期側の段階に吸着塔から排出される内部ガスは、製品ガスと同程度に、吸着対象成分が除かれているガスであるから、この内部ガスを、昇圧工程の吸着塔に対して昇圧用ガスとして供給することにより、昇圧工程の吸着塔に対して供給する製品ガスの供給量を減少させて、昇圧工程における製品ガスの消費量を減少させることができる。
【００３５】
しかも、脱着工程の初期側の段階に吸着塔から排出される内部ガスは、吸着工程においては吸着塔の内部が低温であるために低温となるものであるから、この低温の内部ガスを、昇圧工程の吸着塔に対して昇圧用ガスとして供給することにより、昇圧工程の後で吸着工程を行うことになる吸着塔を予冷することができるのである。
【００３６】
要するに、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の更なる特徴構成によれば、昇圧工程における製品ガスの消費量を減少させることができ、しかも、昇圧工程の後で吸着工程を行うことになる吸着塔を予冷することができる。
【００３７】
また、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の更なる特徴構成は、前記原料ガスが、炭化水素を主成分とする原燃料ガスを改質処理した改質ガスであることを特徴とする。
【００３８】
すなわち、改質ガスには、水素（Ｈ2）、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、一酸化炭素（ＣＯ）が含まれることになるから、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、一酸化炭素（ＣＯ）が、吸着対象成分として吸着剤に吸着されることになる。
【００３９】
そして、吸着剤として、例えば、活性炭（カーボンモレキュラーシーブ）を使用した場合において、吸着剤の吸着性能（吸着量）は、二酸化炭素（ＣＯ2）、メタン（ＣＨ4）、一酸化炭素（ＣＯ）の順に高くなるから、吸着剤の量は、一酸化炭素（ＣＯ）を吸着させるのに必要な量として定めることになる。
【００４０】
このように、吸着剤の量を、一酸化炭素（ＣＯ）を吸着させるのに必要な量として定めるにあたり、吸着工程においては、冷却液給排式冷却部を冷却作用状態にして、吸着塔を冷却することによって、吸着塔の内温度を常温よりも低下させて、吸着剤の吸着能力（吸着量）を増大させるものであるから、製品ガスとしての水素ガスに含まれる吸着対象成分を効率よく吸着剤に吸着させることができるため、製品ガスとしての水素ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を低下させるのに必要とする吸着剤の量を減少させることができる。
その結果、製品ガスとしての水素ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を十分に低下させながらも、吸着塔の大型化を図ることができる。
【００４１】
要するに、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法の更なる特徴構成によれば、炭化水素を主成分とする原燃料ガスを改質処理した改質ガスを、原料ガスとして、一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を十分に減少させた水素ガスを、吸着塔の小型化を図りながら良好に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１実施形態の圧力変動吸着式ガス製造装置の概略図
【図２】第１実施形態の運転状態を示す図
【図３】第１実施形態の運転状態を示す図
【図４】吸着剤の吸着量と圧力及び温度との関係を示す図
【図５】第２実施形態の圧力変動吸着式ガス製造装置の概略図
【図６】第２実施形態の給排式冷却部に吸着塔を収納した状態の横断平面図
【図７】第３実施形態の圧力変動吸着式ガス製造装置の概略図
【図８】第３実施形態の給排式冷却部に吸着塔を収納した状態の横断平面図
【図９】第４実施形態の圧力変動吸着式ガス製造装置の概略図
【図１０】第４実施形態の圧力変動吸着式ガス製造装置の工程図
【図１１】第４実施形態の吸着塔の内部圧の変化を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４３】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
（圧力変動吸着式ガス製造装置の全体構成）
図１に示すように、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法を実施する圧力変動吸着式ガス製造装置は、単一の吸着塔１を備える形態であり、都市ガス等の炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気と反応させて改質処理する改質装置Ｋから供給される改質ガスを、原料ガスとして、この原料ガスから水素ガスを製品ガスとして製造するように構成されている。
【００４４】
吸着塔１には、製品ガス成分及びそれ以外の吸着対象成分を含む原料ガスから吸着対象成分を吸着する吸着剤が充填されることになり、本実施形態においては、吸着剤として、活性炭（カーボンモレキュラーシーブ）が充填されている。
【００４５】
つまり、原料ガスとしての改質ガスには、水素（Ｈ2）、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、一酸化炭素（ＣＯ）が含まれることになり、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、一酸化炭素（ＣＯ）が、吸着対象成分として吸着剤に吸着されることになる。
【００４６】
そして、活性炭（カーボンモレキュラーシーブ）の吸着性能（吸着量）は、二酸化炭素（ＣＯ2）、メタン（ＣＨ4）、一酸化炭素（ＣＯ）の順に高くなるから、吸着剤の量が、一酸化炭素（ＣＯ）を吸着させるのに必要な量として定められうることになる。
【００４７】
吸着塔１の下部には、圧縮機２にて圧縮された原料ガスを供給する原料ガス供給路３、及び、オフガスを排出するオフガス排出路４が接続され、原料ガス供給路３を開閉する原料ガス供給弁３Ａ、及び、オフガス排出路４を開閉するオフガス排出弁４Ａが設けられている。
また、オフガス排出路４におけるオフガス排出弁４Ａよりも吸着塔１に近い側の部分には、吸着塔１を大気開放するための大気開放弁４Ｂが接続されている。
【００４８】
吸着塔１の上部には、製品ガスを製品タンクＨに送出する製品ガス排出路５、製品タンクＨに貯留された製品ガスを吸着塔１に還流する還流路６が接続され、製品ガス排出路５を開閉する製品ガス排出弁５Ａ、及び、還流路６を開閉する製品ガス還流弁６Ａが設けられている。
また、還流路６には、製品タンクＨから吸着塔１に還流する製品ガスの圧力を還流用設定圧に減圧する減圧弁７が設けられている。
【００４９】
オフガス排出路４には、オフガスを回収しかつ回収したオフガスを燃焼装置としてのバーナ８に供給するオフガスタンクＴが接続されている。
ちなみに、バーナ８は、改質装置Ｋの改質部を加熱する加熱用バーナとして、改質装置Ｋに装着することができる。
【００５０】
そして、本発明の圧力変動吸着式ガス製造方法は、原料ガス供給弁３Ａ、オフガス排出弁４Ａ、大気開放弁４Ｂ、製品ガス排出弁５Ａ、及び、製品ガス還流弁６Ａの開閉作動により、図２及び図３に示すように、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、昇圧工程を順次行うことにより、原料ガスとしての改質ガスから水素ガスを製品ガスとして製造するように構成されている。
【００５１】
（吸着工程）
吸着工程は、昇圧工程にて吸着塔１の内部圧を吸着用高圧に調整した状態で、吸着塔１に供給した原料ガスから吸着対象成分を吸着して製品ガスを生成するものであり、原料ガス供給弁３Ａ及び製品ガス排出弁５Ａを開き状態にし、オフガス排出弁４Ａ、大気開放弁４Ｂ及び製品ガス還流弁６Ａを閉じ状態にすることになる。
【００５２】
（脱着工程）
脱着工程は、吸着塔１の内部ガスを排出して、吸着塔１の内部圧を脱着用低圧状態に減圧しかつ吸着剤に吸着された吸着対象成分を吸着塔から排出するものであり、大気開放弁４Ｂを開き状態にし、原料ガス供給弁３Ａ、オフガス排出弁４Ａ、製品ガス排出弁５Ａ及び製品ガス還流弁６Ａを閉じ状態にすることになる。
【００５３】
（洗浄工程）
洗浄工程は、製品タンクＨに貯留した製品ガスを、吸着塔１の内部を通流させて、オフガス排出路４から排出させることによって、吸着塔１の内部の吸着剤を洗浄するものであり、製品ガス還流弁６Ａ及びオフガス排出弁４Ａを開き状態にし、原料ガス供給弁３Ａ、大気開放弁４Ｂ及び製品ガス排出弁５Ａを閉じ状態にすることになる。
【００５４】
ちなみに、洗浄工程において、製品タンクＨから吸着塔１に供給される製品ガスが、オフガスとしてオフガスタンクＴに貯留されることになる。
【００５５】
（昇圧工程）
昇圧工程は、製品タンクＨに貯留した製品ガスを吸着塔１の内部に充填して、吸着塔１の内部圧を吸着用高圧に向けて昇圧するものであって、製品ガス還流弁６Ａを開き状態にし、原料ガス供給弁３Ａ、製品ガス排出弁５Ａ、オフガス排出弁４Ａ及び大気開放弁４Ｂを閉じ状態にすることになる。
【００５６】
（吸着塔の冷却構成）
図１に示すように、冷却液が給排される冷却液給排式冷却部Ｆが、吸着塔１の外周部を覆う形態で設けられている。
そして、図２に示すように、吸着工程において、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却液が供給された冷却作用状態とし、脱着工程において、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却液が排出された冷却停止状態にするように構成されている。
【００５７】
すなわち、図１に示すように、冷却液給排式冷却部Ｆを構成する冷却ジャケット９が、吸着塔１を外套する形態で設けられている。
冷却液としての液体窒素を貯留する貯留タンク１０が設けられ、この貯留タンク１０に貯留された液体窒素を冷却ジャケット９に供給する窒素供給路１１が設けられ、この窒素供給路１１に、窒素供給用の供給ポンプ１２が設けられている。
冷却ジャケット９に収容されている液体窒素を貯留タンク１０に戻すための窒素戻し路１３が設けられ、この窒素戻し路１３を開閉する窒素戻し弁１４が設けられている。
【００５８】
そして、窒素戻し弁１４を閉じた状態で、供給ポンプ１２を作動させることにより、冷却ジャケット９に液体窒素を供給して、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却作用状態にできるように構成されている。
また、供給ポンプ１２を停止させた状態で、窒素戻し弁１４を開くことにより、冷却ジャケット９に収容した液体窒素を排出して、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却停止状態にできるように構成されている。
【００５９】
そして、吸着工程においては、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却作用状態にすることによって、吸着剤の温度に相当する吸着塔１の内部温度を常温よりも十分に低い温度（例えば、−３３．６℃）に低下させ、また、脱着工程においては、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却停止状態にすることによって、吸着塔１の内部温度を常温側に戻すようにする。
尚、洗浄工程においても、冷却液給排式冷却部Ｆが冷却停止状態に維持される。
【００６０】
ちなみに、本実施形態においては、図３に示すように、昇圧工程において、窒素戻し弁１４を閉じた状態で供給ポンプ１２を作動させて、冷却ジャケット９に対する液体窒素の供給を開始することにより、吸着工程が開始される前から吸着塔１を予冷するように構成されている。
【００６１】
（吸着塔の冷却による効果）
吸着工程においては、温度が低下する吸着剤にて、吸着対象成分を効率良く吸着し、脱着工程においては、温度が常温側に上昇する吸着剤から吸着対象成分を効率良く離脱させることができるため、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を低下させるのに必要とする吸着剤の量を減少させることができるため、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を十分に低下させながらも、吸着塔１の小型化を図ることができる。
【００６２】
説明を加えると、吸着剤（例えば、活性炭）は、吸着塔１の内部圧が高圧になると、吸着性能（吸着量）が大になり、吸着塔１の内部圧が低圧になると、吸着性能（吸着量）が小になるものであるが、加えて、吸着剤は、吸着塔１の内部温度が低くなるほど、吸着性能（吸着量）が大きくなるものである。
【００６３】
図４は、吸着剤である活性炭の一酸化炭素についての吸着量ａ（ｃｍ3／ｇ）、吸着塔１の内部圧Ｐ（ｋＰａ）、及び、活性炭の温度（℃）についての関係、いわゆる吸着等温線を示すものであり、この図より、吸着塔１の内部圧が同じであっても、活性炭の温度が低いほど、吸着量が増加することが分かる。
尚、縦軸の吸着量ａ（ｃｍ3／ｇ）は、吸着剤１ｇ当たりで吸着される標準状態（０℃、１気圧）での一酸化炭素の体積（ｃｍ3）に対応する値である。
【００６４】
ちなみに、本実施形態においては、吸着塔１の内部圧力が、０ｋＰａ〜９０ｋＰａの範囲でスイングするものであり、また、活性炭が、−３３．６℃程度に冷却されるものであるから、吸着工程におけるカーボンモレキュラーシーブの一酸化炭素についての吸着量は、２５（ｃｍ3／ｇ）程度となる。
【００６５】
なお、冷却液給排式冷却部Ｆを設けない場合、つまり、吸着塔１を常温作動させた場合には、吸着塔１の内部圧力を、０ｋＰａ〜９０ｋＰａの範囲でスイングさせた際に、カーボンモレキュラーシーブの温度が、４２．６℃程度であるから、吸着工程におけるカーボンモレキュラーシーブの一酸化炭素についての吸着量は、５（ｃｍ3／ｇ）程度となる。
【００６６】
このように、吸着工程において、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却作用状態にして、吸着塔１を冷却することによって、吸着剤の吸着量を増大させることにより、製品ガスに含まれる吸着対象成分を効率よく吸着剤に吸着させることができる。
【００６７】
その結果、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を低下させるのに必要とする吸着剤の量を減少させることができるため、製品ガスに含まれる吸着対象成分の濃度を十分に低下させながらも、吸着塔１の小型化を図ることができるのである。
【００６８】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態を説明するが、この第２実施形態は、冷却液給排式冷却部Ｆの別実施形態を示すものであって、その他の構成は第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明して、第１実施形態と同様な構成については、第１実施形態と同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００６９】
図５及び図６に示すように、吸着塔１が、複数の塔部分１ａに分割され、冷却液給排式冷却部Ｆが、複数の塔部分１ａを浸漬させる容器状に構成されている。
すなわち、冷却液給排式冷却部Ｆを構成する吸着塔収納容器１５が設けられ、この吸着塔収納容器１５に、複数の塔部分１ａが水平方向に並べた状態で収納されている。
【００７０】
そして、窒素供給路１１が、吸着塔収納容器１５の内部に液体窒素を供給する形態で設けられ、窒素戻し路１３が、吸着塔収納容器１５の内部に収容されている液体窒素を貯留タンク１０に戻す形態で設けられている。
【００７１】
したがって、吸着塔収納容器１５の内部に液体窒素を供給することにより、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却作用状態にし、吸着塔収納容器１５に収容した液体窒素を排出することにより、冷却液給排式冷却部Ｆを冷却停止状態にできるように構成されている。
【００７２】
そして、この第２実施形態においては、吸着塔１が、複数の塔部分１ａに分割されて、複数の塔部分１ａが、水平方向に並べた状態で吸着塔収納容器１５に収納される構成であるから、吸着塔１が、吸着塔収納容器１５の内部に供給された液体窒素と接触する伝熱面積を増加させることができるため、吸着塔１を効率良く冷却することができる。
【００７３】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態を説明するが、この第３実施形態は、吸着塔１の別実施形態を示すものであって、その他の構成は第２実施形態と同様であるので、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明して、第２実施形態と同様な構成については、第２実施形態と同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００７４】
図７及び図８に示すように、吸着塔１が、複数の塔部分１ａに分割されて、複数の塔部分１ａが、水平方向に並べた状態で吸着塔収納容器１５に収納される点は、第２実施形態と同様である。
【００７５】
本実施形態においては、複数の塔部分１ａの夫々の外周部に、伝熱フィン１６が設けられている。
すなわち、伝熱フィン１６は、複数の塔部分１ａの長手方向に沿う板状であり、各塔部分１ａの外周部の夫々に、複数枚の伝熱フィン１６が、周方向に沿って間隔を隔てて装着されている。
【００７６】
したがって、吸着塔１の伝熱面積を一層増加させることができるため、冷却液給排式冷却部Ｆの冷却作用状態、つまり、吸着塔収納容器１５に液体窒素を供給した状態において、吸着塔１を一層効率良く冷却することができる。
【００７７】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態について説明するが、この第４実施形態は、第１実施形態で説明した吸着塔１を４つ設けたものであるから、第１実施形態で説明した構成部分と同様な構成部分には、第１実施形態と同じ符号を付して説明する
【００７８】
（全体構成）
図９に示すように、４つの吸着塔１として、Ａ塔、Ｂ塔、Ｃ塔、Ｄ塔が設けられ、４つの吸着塔１の下部には、圧縮機２にて圧縮された原料ガスを供給する原料ガス供給路３、及び、オフガスを排出するオフガス排出路４が接続されている。
【００７９】
そして、吸着塔１の夫々に対応して、原料ガス供給路３を開閉する塔側原料ガス供給弁Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、及び、オフガス排出路４を開閉する塔側オフガス排出弁Ａ５、Ｂ５、Ｃ５、Ｄ５が設けられている。
ちなみに、原料ガス供給路３における圧縮機２の下流側箇所には、第１実施形態と同様に、原料ガス供給弁３Ａが、水素ガス製造運転を停止する際に閉じる元ガス弁として設けられているが、この原料ガス供給弁３Ａは省略してもよい。
【００８０】
また、オフガス排出路４におけるオフガスタンクＴの上流側箇所には、第１実施形態と同様に、オフガス排出弁４Ａが設けられている。
さらに、オフガス排出路４におけるオフガス排出弁４Ａよりも吸着塔側部分には、第１実施形態と同様に、大気開放弁４Ｂが接続されている。
【００８１】
４つの吸着塔１の上部には、製品ガスを送出する製品ガス排出路５が接続され、その製品ガス排出路５から分岐する形態で、製品ガス排出路５を流動する製品ガスの一部を吸着塔１に還流する還流路６が設けられ、さらに、４つの吸着塔１を互いに連通接続するための塔連通路１８が、４つの吸着塔１の上部に接続されている。
【００８２】
４つの吸着塔１の夫々に対応して、製品ガス排出路５を開閉する塔側製品ガス排出弁Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、還流路６を開閉する塔側製品ガス還流弁Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３、及び、塔連通路１８を開閉する連通断続弁Ａ４、Ｂ４、Ｃ４、Ｄ４が設けられている。
ちなみに、本第４実施形態においては、第１実施形態における製品ガス排出弁５Ａ及び製品ガス還流弁６Ａが省略されることになる。
【００８３】
また、冷却液給排式冷却部Ｆを構成する冷却ジャケット９が、４つの吸着塔１の夫々を各別に覆う形態で設けられている。
冷却液としての液体窒素を貯留する貯留タンク１０が設けられ、この貯留タンク１０に貯留された液体窒素を４つの吸着塔１の夫々の冷却ジャケット９に供給する窒素供給路１１が設けられ、この窒素供給路１１に、供給ポンプ１２が設けられている。
また、窒素供給路１１には、吸着塔１の夫々に対応して、液体窒素の供給を断続する塔側窒素供給弁Ａ６、Ｂ６、Ｃ６、Ｄ６が設けられている。
【００８４】
４つの吸着塔１の夫々の冷却ジャケット９に収容されている液体窒素を貯留タンク１０に戻すための窒素戻し路１３が設けられ、吸着塔１の夫々に対応して、窒素戻し路１３を開閉する塔側窒素戻し弁Ａ７、Ｂ７、Ｃ７、Ｄ７が設けられている。
ちなみに、本実施形態においては、  第１実施形態における窒素戻し弁１４が省略されることになる。
【００８５】
（運転サイクルについて）
図１０及び図１１に示すように、４つの吸着塔１は、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、及び、昇圧工程の夫々を同じタイミングでは異なる工程を行う形態で順次行うことになり、そして、脱着工程の初期側の段階において、吸着塔１から排出される内部ガスを、昇圧工程の吸着塔１に対して昇圧用ガスとして供給するように構成されている。
【００８６】
尚、上記の「吸着工程、脱着工程、洗浄工程、及び、昇圧工程の夫々を同じタイミングでは異なる工程を行う形態」とは、ひとつの吸着塔１が行う工程の終期において、他の吸着塔が同じ工程を開始する場合をも含むものであり、要は、異なる吸着塔において、同じ時間帯に、同じ工程が完全に重複して行われないことを意味するものである。
【００８７】
ちなみに、本実施形態においては、ひとつの吸着塔１が行う脱着工程の終期において、他の吸着塔が脱着工程を開始するように構成されている。
【００８８】
また、本実施形態では、昇圧工程においては、脱着工程の吸着塔１から排出される内部ガスを吸着塔１に導入することにより、吸着用高圧よりも低い圧力まで昇圧し、そして、吸着工程において、原料ガスを吸着塔１に導入することにより、吸着塔１の内部圧を吸着用高圧に昇圧するように構成されている。
【００８９】
そして、昇圧工程において、脱着工程の吸着塔１から排出される内部ガスを吸着塔１に導入するにあたり、昇圧工程の一つの吸着塔１に対して、他の３つの吸着塔１から、順次高圧の内部ガスを導入するように構成されている。
【００９０】
具体的には、図１１に示すように、吸着工程において、吸着塔１の内部圧を、脱着用低圧から第３中間圧に昇圧し、次に、第３中間圧から第２中間圧に昇圧し、その後、第２中間圧から第１中間圧に昇圧することになる。
そして、吸着工程において、原料ガスを吸着塔１に導入することにより、吸着塔１の内部圧を、第１中間圧から吸着用高圧に昇圧することになる。
【００９１】
ちなみに、脱着工程においては、吸着塔１の内部圧が、吸着用高圧から第１中間圧に減圧され、次に、第１中間圧から第２中間圧に減圧され、その後、第２中間圧から第３中間圧に減圧され、最後に、脱着用低圧に減圧されることになる。
【００９２】
ちなみに、脱着工程の吸着塔１から排出される内部ガスを昇圧のために昇圧工程の吸着塔１に導入することを、「均圧」と呼称する。
また、図１０において、例えば、「均圧ＡＣ」とは、内部圧がＡ塔よりも低いＣ塔に対して、Ａ塔の高圧の内部ガスを導入することを意味するものであり、「均圧ＢＤ」や「均圧ＣＡ」等も同様である。
【００９３】
そして、「均圧ＡＣ」を行う場合には、Ａ塔に対応する連通断続弁Ａ４及びＣ塔に対応する連通断続弁Ｃ４を開き状態にすることになり、「均圧ＢＤ」や「均圧ＣＡ」等を行う場合も同様である。
【００９４】
（運転サイクルの詳細）
図１０の工程図に基づいて、吸着塔１のうちのＡ塔を代表にしながら運転サイクルについて説明を加える。
尚、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、及び、昇圧工程の夫々における弁開閉作動は、第１実施形態の記載及び上述の記載から理解できるので、本実施形態においては、弁開閉作動についての詳細な説明は省略する。
【００９５】
ＳＴＥＰ１〜１６のうちの、ＳＴＥＰ１〜３が吸着工程に対応し、ＳＴＥＰ４〜８が脱着工程に対応し、ＳＴＥＰ９及び１０が洗浄工程に対応し、ＳＴＥＰ１１〜１６が昇圧工程に対応する。
【００９６】
（吸着工程）
吸着工程においては、Ａ塔に対応する塔側原料ガス供給弁Ａ１及び塔側製品ガス排出弁Ａ２を開き、原料ガスを吸着塔１（Ａ塔）に供給して、吸着用高圧に昇圧しながら、製品ガスを製造することになる（図１１参照）。
そして、製品ガスが、製品ガス排出路５を通して製品タンクＨに流動して貯蔵されることになる。
【００９７】
（脱着工程）
脱着工程においては、先ず、ステップ４にて、Ａ塔の内部ガスを昇圧工程の塔Ｂに供給し、次に、ステップ５にて、Ａ塔の内部ガスを昇圧工程の塔Ｃに供給し、その後、ステップ６にて待機する。
そして、ステップ７にて、Ａ塔の内部ガスを昇圧工程の塔Ｄに供給し、その後、大気開放弁４Ｂを開いて、Ａ塔の内部ガスを大気中に放出しながら、Ａ塔の内部圧を大気圧と同程度の圧力に減圧する。
【００９８】
Ａ塔の内部ガスを大気中に放出しながら、Ａ塔の内部圧を大気圧と同程度の圧力に減圧することにより、Ａ塔の内部に充填された吸着剤に吸着されていた吸着対象成分が、吸着剤から離脱して、大気中に放出されることになる。
【００９９】
（洗浄工程）
洗浄工程においては、Ａ塔に対応する塔側製品ガス還流弁Ａ３を開いて、還流路６を通して製品ガスをＡ塔の内部に流動させ、Ａ塔を通過した製品ガスを、オフガス排出路４を通してオフガスタンクＴに流動させる。
【０１００】
オフガスタンクＴに貯蔵されたオフガス（製品ガスに相当）は、バーナ８に供給されて燃焼させることになる。尚、バーナ８は、改質装置Ｋにおける改質部を加熱するバーナとして用いることができる。
【０１０１】
（昇圧工程）
昇圧工程においては、先ず、ステップ１１にて、脱着工程のＢ塔の内部ガスを昇圧工程のＡ塔に供給し、次に、ステップ１２にて待機後、脱着工程のＣ塔の内部ガスを昇圧工程のＡ塔に供給し、その後、ステップ１４及びステップ１５にて待機する。
【０１０２】
そして、ステップ１６にて、脱着工程のＤ塔の内部ガスを昇圧工程のＡ塔に供給することになる。
脱着工程のＤ塔の内部ガスを昇圧工程のＡ塔に供給しても、Ａ塔の内部圧は、吸着用高圧よりも低い圧力までは昇圧しないが、上述の如く、吸着工程において、原料ガスを吸着Ａ塔に供給することにより、Ａ塔の内部圧を、吸着用高圧に昇圧させることになる。
【０１０３】
（冷却液給排式冷却部に対する冷却液の給排について）
図１０に示すように、Ａ塔が昇圧工程を行う際に、冷却液給排式冷却部Ｆに対して、冷却液としての液体窒素の供給が行わる。
具体的には、昇圧工程の後半分であるステップ１４〜１６において、Ａ塔に対応する塔側窒素供給弁Ａ６が開かれて、貯留タンク１０に貯留されている液体窒素が、冷却液給排式冷却部Ｆを構成する冷却ジャケット９に、満杯状態になるまで供給される。
【０１０４】
そして、Ａ塔が吸着工程を行う間、具体的には、ステップ１〜３においては、冷却ジャケット９に液体窒素を収納する状態が継続される。
その後、Ａ塔が脱着工程を開始すると、具体的には、脱着工程の初期であるステップ４において、Ａ塔に対応する塔側窒素戻し弁Ａ７が開かれて、冷却ジャケット９に収納されている液体窒素が貯留タンク１０に戻されることになる。
【０１０５】
尚、脱着工程の初期であるステップ４において、冷却ジャケット９に収納されている液体窒素が貯留タンク１０に戻した後は、昇圧工程の前半部分が終了するまでの間、具体的には、ステップ５〜１３の間は、冷却ジャケット９は、液体窒素が収納されない空状態になる。
【０１０６】
（第４実施形態のまとめ）
本実施形態の圧力変動吸着式ガス製造方法は、４つの吸着塔１の夫々にて、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、及び、昇圧工程の夫々を同じタイミングでは異なる工程を行う形態で順次行わせることにより、製品ガスを効率良く製造できる。
【０１０７】
しかも、脱着工程の初期側の段階に吸着塔１から排出される内部ガスを、昇圧工程の吸着塔１に対して昇圧用ガスとして供給するものであるから、昇圧ガスとして消費する製品ガスの消費量を減少させることができ、しかも、昇圧工程の後で吸着工程を行うことになる吸着塔１を予冷することができる。
【０１０８】
つまり、昇圧工程において吸着塔１の内部圧を吸着用高圧に向けて昇圧するには、一般に、製品ガスを吸着塔に供給することになるが、脱着工程の初期側の段階に吸着塔１から排出される内部ガスは、製品ガスと同程度に、吸着対象成分が除かれているガスであるから、この内部ガスを、昇圧工程の吸着塔１に対して昇圧用ガスとして供給することにより、昇圧工程の吸着塔１に対して供給する製品ガスの供給量を減少させて、昇圧工程における製品ガスの消費量を減少させることができる。
【０１０９】
そして、脱着工程の初期の段階に吸着塔１から排出される内部ガスは、吸着工程においては吸着塔１の内部が低温であるため、低温であるから、この低温の内部ガスを、昇圧工程の吸着塔１に対して昇圧用ガスとして供給することにより、昇圧工程の後で吸着工程を行うことになる吸着塔１を予冷することができるのである。
【０１１０】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（１）上記の第１〜第４実施形態では、炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気と反応させて改質処理した改質ガスを、原料ガスとして、この原料ガスから水素ガスを製品ガスとして製造する場合を例示したが、例えば、空気を原料ガスとして、この原料ガスから窒素を製品ガスとして製造する場合等、種々の原料ガスから種々の製品ガスを製造する場合に、本発明は適用できるものである。
【０１１１】
（２）上記の第１〜第３実施形態では、本発明に係る圧力変動吸着式水素製造方法を実施する装置として、一つの吸着塔１を備える場合を例示し、第４実施形態では、本発明に係る圧力変動吸着式水素製造方法を実施する装置として、４つの吸着塔１を備える場合を例示したが、本発明に係る圧力変動吸着式水素製造方法を実施する装置としては、２つの吸着塔１を備える形態のもの、３つの吸着塔１を備える形態のもの、及び、５つ以上の吸着塔１を備える形態のものを適用できる。
【０１１２】
（３）上記の第１〜第４実施形態では、脱着工程において、吸着塔１の内部を大気開放する場合を例示したが、吸着塔１の内部を吸引する真空ポンプを設けて、脱着工程において、吸着塔１の内部を真空状態にするようにしてもよい。
【０１１３】
（４）上記の第１〜第４実施形態では、冷却液給排式冷却部に対して給排する冷却液として、液体窒素を用いる場合を例示したが、冷却液としては、液体窒素以外の各種の液化不活性ガス、各種冷媒、及び、冷却水等を使用することができる。
【０１１４】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【符号の説明】
【０１１５】
１        吸着塔
１ａ      塔部分
１６      伝熱フィン
Ｆ        冷却液給排式冷却部
【図１】
2016185532.tif 000003
【図２】
2016185532.tif 000004
【図３】
2016185532.tif 000005
【図４】
2016185532.tif 000006
【図５】
2016185532.tif 000007
【図６】
2016185532.tif 000008
【図７】
2016185532.tif 000009
【図８】
2016185532.tif 000010
【図９】
2016185532.tif 000011
【図１０】
2016185532.tif 000012
【図１１】
2016185532.tif 000013