(57)【要約】【課題】吸着塔内から目的成分ガスを回収するに際し、吸着塔内への目的成分ガスの導入量を最適化する運転条件を効率よく調整できること。【解決手段】本発明の一態様であるガス分離装置は、吸着剤を充填した吸着塔と、原料ガスを吸着塔内へ導入し、原料ガスのうちの目的成分ガスを他のガスに比べ優先的に吸着剤に吸着させる原料ガス導入部と、吸着塔内におけるガスの流通方向に沿った吸着剤の複数位置の温度を測定する複数の測温部と、制御部とを備える。制御部は、複数の測温部によって測定された吸着剤の複数位置の温度をもとに、吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する。制御部は、吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、原料ガス導入部に吸着塔内への原料ガスの導入を継続させ、吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、原料ガス導入部に吸着塔内への原料ガスの導入を停止させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的成分ガスを吸着するための吸着剤を充填した吸着塔と、
少なくとも前記目的成分ガスを含有する原料ガスを前記吸着塔内へ導入し、前記原料ガスのうちの前記目的成分ガスを他のガスに比べて優先的に前記吸着剤に吸着させる原料ガス導入部と、
前記吸着塔内における前記原料ガスの流通方向に沿った前記吸着剤の複数位置の温度を測定する複数の測温部と、
前記複数の測温部によって測定された前記吸着剤の複数位置の温度をもとに、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断し、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、前記原料ガス導入部に前記吸着塔内への前記原料ガスの導入を継続させ、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、前記原料ガス導入部に前記吸着塔内への前記原料ガスの導入を停止させる制御部と、
を備えたことを特徴とするガス分離装置。
【請求項２】
前記吸着塔内の圧力を低減して、前記吸着剤から前記目的成分ガスを脱着し、脱着した前記目的成分ガスを前記吸着塔内から回収するガス脱着回収部をさらに備え、
前記制御部は、前記原料ガスの導入の停止以後、前記ガス脱着回収部に前記吸着塔内からの前記目的成分ガスの脱着回収を行わせることを特徴とする請求項１に記載のガス分離装置。
【請求項３】
前記ガス脱着回収部によって回収された前記目的成分ガスの一部を洗浄ガスとして前記吸着塔内へ導入し、前記原料ガスのうちの前記吸着剤に吸着された前記他のガスを前記洗浄ガスに置換して、前記吸着塔内の前記目的成分ガスを精製する洗浄ガス導入部をさらに備え、
前記複数の測温部は、前記吸着塔内における前記洗浄ガスの流通方向に沿った前記吸着剤の複数位置の温度を測定し、
前記制御部は、前記原料ガスの導入の停止以後、前記複数の測温部によって測定された前記吸着剤の複数位置の温度をもとに、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断し、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、前記洗浄ガス導入部に前記吸着塔内への前記洗浄ガスの導入を継続させ、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、前記洗浄ガス導入部に前記吸着塔内への前記洗浄ガスの導入を停止させ、前記洗浄ガスの導入の停止以後、前記ガス脱着回収部に前記吸着塔内からの前記目的成分ガスの脱着回収を行わせることを特徴とする請求項２に記載のガス分離装置。
【請求項４】
前記目的成分ガスは、炭酸ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のガス分離装置。
【請求項５】
目的成分ガスを吸着するための吸着剤を充填した吸着塔内へ、少なくとも前記目的成分ガスを含有する原料ガスを導入し、前記原料ガスのうちの前記目的成分ガスを他のガスに比べて優先的に前記吸着剤に吸着させる原料ガス導入ステップと、
前記吸着塔内における前記原料ガスの流通方向に沿った前記吸着剤の複数位置の温度を測定する測温ステップと、
前記測温ステップによって測定された前記吸着剤の複数位置の温度をもとに、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する判断ステップと、
を含み、前記判断ステップにおける前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、前記吸着塔内への前記原料ガスの導入を継続し、前記判断ステップにおける前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、前記吸着塔内への前記原料ガスの導入を停止することを特徴とするガス分離方法。
【請求項６】
前記原料ガスの導入の停止以後、前記吸着塔内の圧力を低減して、前記吸着剤から前記目的成分ガスを脱着し、脱着した前記目的成分ガスを前記吸着塔内から回収するガス脱着回収ステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のガス分離方法。
【請求項７】
既に前記吸着塔内から回収された前記目的成分ガスの一部を、前記原料ガスの導入の停止以後、洗浄ガスとして前記吸着塔内へ導入し、前記原料ガスのうちの前記吸着剤に吸着された前記他のガスを前記洗浄ガスに置換して、前記吸着塔内の前記目的成分ガスを精製する洗浄ガス導入ステップと、
前記吸着塔内における前記洗浄ガスの流通方向に沿った前記吸着剤の複数位置の温度を測定する洗浄時の測温ステップと、
前記洗浄時の測温ステップによって測定された前記吸着剤の複数位置の温度をもとに、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する洗浄時の判断ステップと、
をさらに含み、前記洗浄時の判断ステップにおける前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、前記吸着塔内への前記洗浄ガスの導入を継続し、前記洗浄時の判断ステップにおける前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、前記吸着塔内への前記洗浄ガスの導入を停止し、前記洗浄ガスの導入の停止以後、前記ガス脱着回収ステップを行うことを特徴とする請求項６に記載のガス分離方法。
【請求項８】
前記目的成分ガスは、炭酸ガスであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載のガス分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のガス成分を含有する混合ガスから目的とするガス成分（以下、目的成分ガスという）を分離するガス分離装置およびガス分離方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のガス成分を含有する混合ガスから目的成分ガスを分離する方法として、圧力スイング吸着（Pressure  Swing  Adsorption：ＰＳＡ）法が用いられている。一般に、圧力スイング吸着法を利用したガス分離では、混合ガスに含まれる複数のガス成分のうちの分離回収対象のガスである目的成分ガスを吸着剤に吸着させる吸着工程と、吸着剤から目的成分ガスを脱着して回収する脱着工程とが行われる。
【０００３】
吸着工程では、予め吸着剤を充填した吸着塔の内部に、原料となる混合ガス（以下、原料ガスという）が加圧して導入される。導入された原料ガスは、吸着塔内の吸着剤によって吸着されるガス成分（以下、吸着ガスという）と、吸着されないガス成分（以下、非吸着ガスという）とに分離する。この際、吸着ガスには、原料ガスのうちの目的成分ガスと、目的成分ガス以外のガス成分である他のガス（以下、他成分ガスという）とが含まれる。吸着ガスは、吸着剤に吸着された状態で吸着塔内に残留する。一方、非吸着ガスは、オフガスとして吸着塔内から外部へ排出される。
【０００４】
上述した吸着工程が継続して行われた場合、非吸着ガスが吸着塔内から順次排気されるとともに、吸着剤に吸着される吸着ガスの量（以下、吸着量という）は、吸着塔内に対する原料ガスの導入量の増加に伴って増加する。その後、吸着ガスの吸着量は、この吸着剤の吸着能力に許容される上限量まで増加し得る。なお、吸着剤の吸着能力は、吸着ガスの吸着量が所定の量に達した以後、低下する。一方、脱着工程では、このように吸着能力が低下した状態の吸着剤から目的成分ガスを脱着すべく、吸着塔内の圧力が真空近くまで低減される。これによって吸着剤から脱着した目的成分ガスは、吸着塔外へ吸引されて貯蔵タンク等に回収される。
【０００５】
また、圧力スイング吸着法を利用したガス分離では、上述した吸着工程と脱着工程との間に、吸着剤に吸着した他成分ガス（目的成分ガス以外のガス成分）の吸着量を減少させて吸着塔内の目的成分ガスの濃度（純度）を高める洗浄工程が含まれる場合がある。
【０００６】
洗浄工程では、上述した脱着工程によって回収された高純度の目的成分ガスの一部が、洗浄ガスとして吸着工程後の吸着塔内へ導入される。吸着剤に吸着された吸着ガスのうち、目的成分ガス以外である他成分ガスは、この導入された洗浄ガスに置換され、これにより、吸着剤から脱着される。脱着された他成分ガスは、オフガスとして吸着塔内から外部へ排出される。このような洗浄工程を継続して行うことにより、吸着ガス中の他成分ガスの濃度が減少し、これに伴い、吸着ガス中の目的成分ガスの濃度が増加する。この結果、吸着塔内には、高純度の目的成分ガスが残留する。この高純度の目的成分ガスは、次工程である脱着工程によって、上述したように脱着回収される。
【０００７】
ここで、吸着工程では、原料ガスに含まれる目的成分ガスが吸着塔内に導入される。洗浄工程では、目的成分ガスが洗浄ガスとして吸着塔内に導入される。このような吸着工程または洗浄工程（以下、これらを総称してガス導入工程と適宜いう）では、吸着塔内の吸着剤に目的成分ガスを可能な限り多く吸着させることが、脱着工程による目的成分ガスの回収率を高める観点から、極めて重要である。
【０００８】
ガス導入工程において、吸着剤に吸着させる目的成分ガスの吸着量が目標値に比べて少ない場合、従来、吸着塔内に充填する吸着剤を、より多量にする手法が用いられる。この場合、多量の吸着剤を充填するために必要な吸着塔の装置規模が増大し、この結果、吸着塔の建設コストが増大するという問題が生じる。また、上述したように目的成分ガスの吸着量が少ない場合、従来、吸着塔内に導入する目的成分ガスを、より多量にする手法が用いられる。この場合、原料ガスまたは洗浄ガスを吸着塔内に送り込む送風手段の装置規模および所要動力が増大するという問題が生じる。
【０００９】
一方、ガス導入工程において、吸着剤の吸着能力を超える量の目的成分ガスが吸着塔内に導入された場合、導入された過剰な量の目的成分ガスのうち、吸着剤に吸着できなかった目的成分ガスが、吸着塔内から無駄に排出されてロスとなってしまう。また、洗浄工程は、上述したように、吸着塔内の目的成分ガスの濃度を高濃度に調整（精製）する工程である。このような洗浄工程において吸着塔内へ導入される目的成分ガス（洗浄ガス）の導入量が過度に少ない場合、吸着塔内の目的成分ガスの濃度が低くなってしまい、この結果、目的成分ガスの回収率が低下するという問題が生じる。逆に、吸着塔内への目的成分ガスの導入量が過度に多い場合、吸着塔内の目的成分ガスの濃度が過大になるとともに、目的成分ガスのロスが増加するという問題が生じる。
【００１０】
したがって、ガス導入工程では、原料ガスまたは洗浄ガスとして目的成分ガスを吸着塔内へ導入する運転条件（以下、ガス導入運転条件と適宜略す）を、吸着塔内へ導入する目的成分ガスの導入量が最適となるように設定する必要がある。このため、従来、吸着塔内への原料ガスまたは洗浄ガスの導入速度および導入時間の制御と、吸着塔内の圧力の制御とを行い、これらの制御が有効である場合のガス導入運転条件が、吸着塔内への目的成分ガスの導入量を最適化するガス導入運転条件として設定される。この際、上述した制御が有効であるか否かの判断は、脱着工程において吸着塔内から回収される目的成分ガスを分析することにより、この目的成分ガスの濃度および回収量を計算して行われる。
【００１１】
なお、上述した圧力スイング吸着法によるガス分離の従来技術として、例えば、吸着剤に目的成分ガスを吸着させた状態にある吸着塔を大気圧まで降圧させ、これによって吸着塔から放出されたオフガス中の目的成分ガスの濃度を測定し、あるいは吸着剤の特定部分の温度上昇開始時間を測定して、吸着塔内に導入される原料ガスの量あるいは吸着時間を制御するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平８−１１７５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、吸着塔内に対するガス導入運転条件は、製品に要求されるガス濃度等の目的成分ガスの品質のみならず、外乱の要因、例えば、原料ガスの成分組成の変化や吸着剤の吸着能力の変化、さらには、設備設置場所の温度や日照等に影響される。このため、上述した従来技術では、ガス導入運転条件を変更して吸着塔内から回収した目的成分ガスの分析を行い、この分析結果に基づいてガス導入運転条件を最適な運転条件に修正することは困難である。また、ガス導入運転条件を変更して吸着塔内から回収される目的成分ガスの性状が安定するまでに多大な時間を要し、さらには、回収した目的成分ガスの分析に多大な時間および労力を要するという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、吸着塔内から目的成分ガスを回収するに際し、吸着塔内への目的成分ガスの導入量を最適化する運転条件を効率よく調整することができるガス分離装置およびガス分離方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるガス分離装置は、目的成分ガスを吸着するための吸着剤を充填した吸着塔と、少なくとも前記目的成分ガスを含有する原料ガスを前記吸着塔内へ導入し、前記原料ガスのうちの前記目的成分ガスを他のガスに比べて優先的に前記吸着剤に吸着させる原料ガス導入部と、前記吸着塔内における前記原料ガスの流通方向に沿った前記吸着剤の複数位置の温度を測定する複数の測温部と、前記複数の測温部によって測定された前記吸着剤の複数位置の温度をもとに、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断し、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、前記原料ガス導入部に前記吸着塔内への前記原料ガスの導入を継続させ、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、前記原料ガス導入部に前記吸着塔内への前記原料ガスの導入を停止させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかるガス分離装置は、上記の発明において、前記吸着塔内の圧力を低減して、前記吸着剤から前記目的成分ガスを脱着し、脱着した前記目的成分ガスを前記吸着塔内から回収するガス脱着回収部をさらに備え、前記制御部は、前記原料ガスの導入の停止以後、前記ガス脱着回収部に前記吸着塔内からの前記目的成分ガスの脱着回収を行わせることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかるガス分離装置は、上記の発明において、前記ガス脱着回収部によって回収された前記目的成分ガスの一部を洗浄ガスとして前記吸着塔内へ導入し、前記原料ガスのうちの前記吸着剤に吸着された前記他のガスを前記洗浄ガスに置換して、前記吸着塔内の前記目的成分ガスを精製する洗浄ガス導入部をさらに備え、前記複数の測温部は、前記吸着塔内における前記洗浄ガスの流通方向に沿った前記吸着剤の複数位置の温度を測定し、前記制御部は、前記原料ガスの導入の停止以後、前記複数の測温部によって測定された前記吸着剤の複数位置の温度をもとに、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断し、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、前記洗浄ガス導入部に前記吸着塔内への前記洗浄ガスの導入を継続させ、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、前記洗浄ガス導入部に前記吸着塔内への前記洗浄ガスの導入を停止させ、前記洗浄ガスの導入の停止以後、前記ガス脱着回収部に前記吸着塔内からの前記目的成分ガスの脱着回収を行わせることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかるガス分離装置は、上記の発明において、前記目的成分ガスは、炭酸ガスであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかるガス分離方法は、目的成分ガスを吸着するための吸着剤を充填した吸着塔内へ、少なくとも前記目的成分ガスを含有する原料ガスを導入し、前記原料ガスのうちの前記目的成分ガスを他のガスに比べて優先的に前記吸着剤に吸着させる原料ガス導入ステップと、前記吸着塔内における前記原料ガスの流通方向に沿った前記吸着剤の複数位置の温度を測定する測温ステップと、前記測温ステップによって測定された前記吸着剤の複数位置の温度をもとに、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する判断ステップと、を含み、前記判断ステップにおける前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、前記吸着塔内への前記原料ガスの導入を継続し、前記判断ステップにおける前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、前記吸着塔内への前記原料ガスの導入を停止することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明にかかるガス分離方法は、上記の発明において、前記原料ガスの導入の停止以後、前記吸着塔内の圧力を低減して、前記吸着剤から前記目的成分ガスを脱着し、脱着した前記目的成分ガスを前記吸着塔内から回収するガス脱着回収ステップをさらに含むことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明にかかるガス分離方法は、上記の発明において、既に前記吸着塔内から回収された前記目的成分ガスの一部を、前記原料ガスの導入の停止以後、洗浄ガスとして前記吸着塔内へ導入し、前記原料ガスのうちの前記吸着剤に吸着された前記他のガスを前記洗浄ガスに置換して、前記吸着塔内の前記目的成分ガスを精製する洗浄ガス導入ステップと、前記吸着塔内における前記洗浄ガスの流通方向に沿った前記吸着剤の複数位置の温度を測定する洗浄時の測温ステップと、前記洗浄時の測温ステップによって測定された前記吸着剤の複数位置の温度をもとに、前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する洗浄時の判断ステップと、をさらに含み、前記洗浄時の判断ステップにおける前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、前記吸着塔内への前記洗浄ガスの導入を継続し、前記洗浄時の判断ステップにおける前記吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、前記吸着塔内への前記洗浄ガスの導入を停止し、前記洗浄ガスの導入の停止以後、前記ガス脱着回収ステップを行うことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明にかかるガス分離方法は、上記の発明において、前記目的成分ガスは、炭酸ガスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、吸着塔内から目的成分ガスを回収するに際し、吸着塔内への目的成分ガスの導入量を最適化する運転条件を効率よく調整することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかるガス分離装置の一構成例を示す図である。
【図２】図２は、吸着塔内へのガスの導入に伴い吸着剤へのガスの吸着が進行する状態を示す図である。
【図３】図３は、ガス吸着現象に起因して発熱する吸着剤の複数位置における温度上昇変化を示す図である。
【図４】図４は、吸着塔の排気端部近傍の位置における吸着剤の温度と、脱着工程によって吸着塔内から回収される目的成分ガスのガス回収率との間に成り立つ相関を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法のうちの吸着工程を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法のうちの洗浄工程を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法のうちの脱着工程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、添付図面を参照して、本発明にかかるガス分離装置およびガス分離方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、各図面において、同一構成部分には同一符号が付されている。
【００２６】
（ガス分離装置の構成）
まず、本発明の実施の形態にかかるガス分離装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるガス分離装置の一構成例を示す図である。本発明の実施の形態にかかるガス分離装置１は、圧力スイング吸着法を用いて混合ガスから目的成分ガスを分離して高濃度（高純度）の目的成分ガスを回収するものである。本実施の形態において、ガス分離装置１は、図１に示すように、目的成分ガスを吸着するための吸着剤３を予め充填した吸着塔２と、吸着塔２内へ原料ガス２１を適宜導入する原料ガス導入部４と、吸着塔２内へ洗浄ガス２３を適宜導入する洗浄ガス導入部５と、吸着塔２内から脱着ガス２２を回収するガス脱着回収部６と、吸着塔２内からオフガス２４を排出するガス排出部７とを備える。また、ガス分離装置１は、吸着塔２内における複数位置の温度を測定する複数の測温部８ａ〜８ｄと、吸着塔２内の圧力を測定する圧力計１０と、ガス分離装置１による圧力スイング吸着法を用いたガス分離処理を制御する制御部１１とを備える。
【００２７】
吸着塔２は、目的成分ガスを吸着するための吸着剤３を充填可能な内部空間を有し、この内部空間に必要量の吸着剤３を予め充填した塔構造体である。吸着塔２は、円筒形状等の所定の外形をなし、吸着塔２の幅方向（円筒形状であれば径方向）に対して垂直な方向を長手とする構造に形成される。この吸着塔２には、図１に示すように、吸着塔２の長手方向の一端である入出端部２ａに共通管２ｃが接続され、吸着塔２の長手方向の他端である排気端部２ｂにガス排出部７の排気管７ａが接続される。なお、入出端部２ａは、吸着塔２におけるガスの流入出側の端部である。排気端部２ｂは、吸着塔２におけるガスの排出側の端部である。本発明において、吸着塔２の設置態様は特に問われないが、吸着塔２は、図１に示すように、入出端部２ａに比して排気端部２ｂが上方に位置するように設置されることが望ましい。さらに望ましくは、吸着塔２の長手方向と鉛直方向とが同じ方向となるように吸着塔２が設置される。
【００２８】
共通管２ｃは、図１に示すように、原料ガス導入部４の原料ガス流通管４ａと、洗浄ガス導入部５の洗浄ガス流通管５ａと、ガス脱着回収部６の脱着ガス流通管６ａとに繋がる共通のガス流通管である。このような共通管２ｃは、原料ガス流通管４ａと吸着塔２内とを連通し、洗浄ガス流通管５ａと吸着塔２内とを連通し、脱着ガス流通管６ａと吸着塔２内とを連通する。
【００２９】
本実施の形態において、吸着塔２は、その内部に共通管２ｃを通じて導入されたガスを、吸着剤３に接触させつつ、入出端部２ａ側から排気端部２ｂ側に向けて流通させる。この吸着塔２内へ導入されるガスとして、原料ガス２１および洗浄ガス２３、具体的には、原料ガス２１中の目的成分ガスと、洗浄ガス２３中の目的成分ガスと、これらの目的成分ガス以外のガス成分である他成分ガスとが挙げられる。一方、吸着塔２は、後述するガス脱着回収部６の作用によって吸着剤３から脱着されたガス（主に目的成分ガス）を排気端部２ｂ側から入出端部２ａ側に向けて流通させる。このような吸着塔２内における各種ガスの流通方向は、図１に示すように、吸着塔２の長手方向と同じ方向である。
【００３０】
吸着剤３は、目的成分ガスに対して吸着力の高いものであり、上述したように吸着塔２の内部に予め充填される。吸着剤３は、吸着塔２内に導入された原料ガス２１中の目的成分ガスおよび洗浄ガス２３中の目的成分ガスを、他成分ガスに比して優先的に吸着する。このような吸着剤３は、目的成分ガスの種類等に応じて選択される。この際、吸着剤３は、目的成分ガスを吸着した際の発熱による温度の上昇量（昇温変化量）が他成分ガスを吸着した場合に比べて高くなる吸着剤であることが望ましい。例えば、目的成分ガスが炭酸ガス（二酸化炭素ガス）である場合、吸着剤３として、ゼオライトまたは活性炭等の炭酸ガスに対する吸着力の高い吸着剤が用いられる。
【００３１】
原料ガス導入部４は、目的成分ガスの原料となる原料ガス２１を吸着塔２内へ導入して、吸着塔２内の吸着剤３に目的成分ガスを吸着させるための設備である。原料ガス導入部４は、図１に示すように、原料ガス流通管４ａと、自動弁４ｂと、送風機４ｃとを備える。
【００３２】
原料ガス流通管４ａは、吸着塔２内に向かって原料ガス２１を流通させる管である。原料ガス流通管４ａは、一端が原料ガス２１の供給源（図示せず）に接続され且つ他端が吸着塔２の共通管２ｃに接続され、この供給源と吸着塔２とを連通する。原料ガス流通管４ａは、この供給源から原料ガス２１を受け入れ、受け入れた原料ガス２１を吸着塔２内に向けて流通させる。
【００３３】
自動弁４ｂは、開閉駆動を行って原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１の流通を許容または遮断する弁である。具体的には、図１に示すように、自動弁４ｂは、原料ガス流通管４ａにおける所定の位置、例えば、共通管２ｃと送風機４ｃとの間の位置に設けられる。自動弁４ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を開く開駆動を行って原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１の流通を許容し、弁を閉じる閉駆動を行って原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１の流通を遮断する。
【００３４】
送風機４ｃは、送風作用によって、原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１に対し、吸着塔２内へ向かう方向の流れを与えるものである。具体的には、図１に示すように、送風機４ｃは、原料ガス流通管４ａにおける所定の位置、例えば自動弁４ｂに比して上流側の位置に設けられる。送風機４ｃは、制御部１１の制御に基づき、自動弁４ｂが開状態である期間に送風駆動を行う。これにより、送風機４ｃは、原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１を加圧しつつ、自動弁４ｂおよび共通管２ｃを介して吸着塔２内へ、この原料ガス２１を送り込む。
【００３５】
上述したような構成を有する原料ガス導入部４は、圧力スイング吸着法を用いたガス分離の吸着工程（以下、吸着工程と適宜略す）において、原料ガス流通管４ａ等を通じ吸着塔２内へ原料ガス２１を順次導入する。これにより、原料ガス導入部４は、吸着塔２内の吸着剤３と原料ガス２１とを接触させて、原料ガス２１のうちの目的成分ガスを他成分ガスに比べて優先的に吸着剤３に吸着させる。本実施の形態において、原料ガス２１は、少なくとも目的成分ガスを含有する混合ガスである。また、目的成分ガスは、分離回収の目的とするガス成分、例えば、炭酸ガス等である。
【００３６】
洗浄ガス導入部５は、吸着塔２内へ洗浄ガス２３を導入して、目的成分ガス以外の他成分ガスを吸着塔２内から除去するための設備である。洗浄ガス導入部５は、図１に示すように、洗浄ガス流通管５ａと、自動弁５ｂと、送風機５ｃとを備える。
【００３７】
洗浄ガス流通管５ａは、吸着塔２内に向かって洗浄ガス２３を流通させる管である。具体的には、図１に示すように、洗浄ガス流通管５ａは、一端がガス脱着回収部６の貯蔵タンク６ｄに接続され且つ他端が吸着塔２の共通管２ｃに接続され、貯蔵タンク６ｄと吸着塔２とを連通する。洗浄ガス流通管５ａは、貯蔵タンク６ｄに貯蔵された目的成分ガスの一部を受け入れ、受け入れた目的成分ガスを、洗浄ガス２３として吸着塔２内に向け流通させる。
【００３８】
自動弁５ｂは、開閉駆動を行って洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３の流通を許容または遮断する弁である。具体的には、図１に示すように、自動弁５ｂは、洗浄ガス流通管５ａにおける所定の位置、例えば、共通管２ｃと送風機５ｃとの間の位置に設けられる。自動弁５ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を開く開駆動を行って洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３の流通を許容し、弁を閉じる閉駆動を行って洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３の流通を遮断する。
【００３９】
送風機５ｃは、送風作用によって、洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３に対し、吸着塔２内へ向かう方向の流れを与えるものである。具体的には、図１に示すように、送風機５ｃは、洗浄ガス流通管５ａにおける所定の位置、例えば自動弁５ｂと貯蔵タンク６ｄとの間の位置に設けられる。送風機５ｃは、制御部１１の制御に基づき、自動弁５ｂが開状態である期間に送風駆動を行う。これにより、送風機５ｃは、洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３を、自動弁５ｂおよび共通管２ｃを介して吸着塔２内へ送り込む。
【００４０】
上述したような構成を有する洗浄ガス導入部５は、圧力スイング吸着法を用いたガス分離の洗浄工程（以下、洗浄工程と適宜略す）において、既にガス脱着回収部６によって回収された目的成分ガスの一部を、洗浄ガス２３として洗浄ガス流通管５ａ等を通じ吸着塔２内へ順次導入する。これにより、洗浄ガス導入部５は、吸着塔２内の吸着剤３と洗浄ガス２３とを接触させて、原料ガス２１のうちの吸着剤３に吸着された他成分ガスを洗浄ガス２３に置換して、吸着塔２内の目的成分ガスを精製する。
【００４１】
ガス脱着回収部６は、吸着塔２内の吸着剤３から目的成分ガスを脱着し、脱着した目的成分ガスを脱着ガス２２として吸着塔２内から回収するための設備である。ガス脱着回収部６は、図１に示すように、脱着ガス流通管６ａと、自動弁６ｂと、真空ポンプ６ｃと、貯蔵タンク６ｄとを備える。また、ガス脱着回収部６は、脱着ガス２２を外部へ送出する送出管６ｅと、送出管６ｅ内の脱着ガス２２の流通を調整する開閉弁６ｆとを備える。
【００４２】
脱着ガス流通管６ａは、吸着塔２内から貯蔵タンク６ｄ内に向かって脱着ガス２２を流通させる管である。具体的には、図１に示すように、脱着ガス流通管６ａは、一端が吸着塔２の共通管２ｃに接続され且つ他端が貯蔵タンク６ｄに接続され、吸着塔２と貯蔵タンク６ｄとを連通する。脱着ガス流通管６ａは、吸着剤３から脱着された目的成分ガスを脱着ガス２２として吸着塔２内から受け入れ、受け入れた脱着ガス２２を貯蔵タンク６ｄ内に向け流通させる。
【００４３】
自動弁６ｂは、開閉駆動を行って脱着ガス流通管６ａ内の脱着ガス２２の流通を許容または遮断する弁である。具体的には、図１に示すように、自動弁６ｂは、脱着ガス流通管６ａにおける所定の位置、例えば、共通管２ｃと真空ポンプ６ｃとの間の位置に設けられる。自動弁６ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を開く開駆動を行って脱着ガス流通管６ａ内の脱着ガス２２の流通を許容し、弁を閉じる閉駆動を行って脱着ガス流通管６ａ内の脱着ガス２２の流通を遮断する。
【００４４】
真空ポンプ６ｃは、吸着塔２内の吸着剤３に吸着された状態にある目的成分ガスを脱着して回収するために吸着塔２内を減圧するものである。具体的には、図１に示すように、真空ポンプ６ｃは、脱着ガス流通管６ａにおける所定の位置、例えば自動弁６ｂと貯蔵タンク６ｄとの間の位置に設けられる。真空ポンプ６ｃは、制御部１１の制御に基づき、自動弁６ｂが開状態である期間に吸引駆動を行う。これにより、真空ポンプ６ｃは、吸着塔２内の圧力を真空近くまで低減して、吸着剤３から目的成分ガスを脱着し、脱着した目的成分ガスを、脱着ガス２２として吸着塔２内から脱着ガス流通管６ａ内へ吸引する。続いて、真空ポンプ６ｃは、吸引した脱着ガス２２を、脱着ガス流通管６ａを通じて貯蔵タンク６ｄ内へ流通させる。
【００４５】
貯蔵タンク６ｄは、吸着塔２内から吸引された脱着ガス２２（目的成分ガス）を貯蔵するものである。貯蔵タンク６ｄには、図１に示すように、脱着ガス流通管６ａが接続される。貯蔵タンク６ｄは、上述した真空ポンプ６ｃの作用によって吸着塔２内から吸引された脱着ガス２２を、脱着ガス流通管６ａを通じて回収し、貯蔵する。また、貯蔵タンク６ｄには、上述したように、洗浄ガス流通管５ａが接続される。貯蔵タンク６ｄ内に貯蔵される脱着ガス２２の一部は、洗浄ガス２３として、洗浄ガス流通管５ａを通じ吸引塔２内へ適宜導入される。
【００４６】
一方、貯蔵タンク６ｄには、図１に示すように、送出管６ｅが接続される。この送出管６ｅには、開閉弁６ｆが設けられる。開閉弁６ｆは、自動弁または手動弁を用いて構成され、制御部１１による制御または作業者による手動操作に応じて適宜開閉する。開閉弁６ｆは、開状態になることによって送出管６ｅ内における脱着ガス２２の流通を許容し、閉状態になることによって送出管６ｅ内における脱着ガス２２の流通を遮断する。送出管６ｅは、開閉弁６ｆが開状態である期間に貯蔵タンク６ｄ内から脱着ガス２２を受け入れ、受け入れた脱着ガス２２をガス分離装置１の系外へ送出する。
【００４７】
上述したような構成を有するガス脱着回収部６は、圧力スイング吸着法を用いたガス分離の脱着工程（以下、脱着工程と適宜略す）において、吸着塔２内の圧力を低減し、これにより、吸着塔２内の吸着剤３から目的成分ガスを脱着する。続いて、ガス脱着回収部６は、吸着剤３から脱着した目的成分ガスを、脱着ガス２２として吸着塔２内から回収する。ガス脱着回収部６は、このように回収した脱着ガス２２を、脱着ガス流通管６ａを通じて貯蔵タンク６ｄ内に貯蔵する。
【００４８】
ガス排出部７は、吸着塔２内から排出されるオフガス２４をガス分離装置１の系外に排気するための設備である。ガス排出部７は、図１に示すように、排気管７ａと、背圧弁７ｂとを備える。
【００４９】
排気管７ａは、吸引塔２内からガス分離装置１の系外に向けてオフガス２４を流通させる管である。排気管７ａの入側端は、図１に示すように、吸引塔２の排気端部２ｂに接続される。一方、排気管７ａの出側端は、特に図示しないが、ガス分離装置１の系外に向けて配置される。排気管７ａは、吸着工程または洗浄工程において、吸着塔２の排気端部２ｂ側から排出されるガスをオフガス２４として受け入れ、受け入れたオフガス２４を系外へ流通させて排出する。本実施の形態では、オフガス２４として、吸着塔２内に導入された原料ガス２１のうちの吸着剤３に吸着されない非吸着ガスと、吸着剤３に吸着された状態にある吸着ガスのうちの洗浄ガス２３に置換された他成分ガスとが挙げられる。
【００５０】
背圧弁７ｂは、吸着塔２内の圧力を調整しつつ、開閉駆動を行って排気管７ａ内のオフガス２４の流通を許容または遮断する弁である。具体的には、図１に示すように、背圧弁７ｂは、排気管７ａにおける所定の位置、例えば、吸着塔２の排気端部２ｂの近傍に設けられる。背圧弁７ｂは、オフガス２４の逆流を防止するように吸着塔２内の圧力を調整するとともに、制御部１１の制御に基づき、弁を開く開駆動を行って排気管７ａ内のオフガス２４の流通を許容し、弁を閉じる閉駆動を行って排気管７ａ内のオフガス２４の流通を遮断する。
【００５１】
複数（本実施の形態では４つ）の測温部８ａ〜８ｄは、吸着塔２内に充填された吸着剤３の複数位置の温度を測定するものである。本実施の形態において、４つの測温部８ａ〜８ｄは、熱電対または測温抵抗体等を用い構成される温度センサ９ａ〜９ｄを各々有し、吸着塔２内に導入されたガスの流通方向に沿って吸着剤３における４つの位置Ｐ１〜Ｐ４の温度を各々測定する。
【００５２】
具体的には、測温部８ａは、温度センサ９ａを有し、吸着塔２内の吸着剤３の位置Ｐ１に温度センサ９ａの検出端部が存在するように設置される。温度センサ９ａは、吸着塔２内に導入されたガスの吸着剤３に対する吸脱着に伴う発熱または吸熱によって温度変化する吸着剤３の温度を、位置Ｐ１について検出する。測温部８ａは、この温度センサ９ａによって検出された吸着剤３の位置Ｐ１の温度を測定する。その都度、測温部８ａは、測定した吸着剤３の位置Ｐ１の温度を示す信号を制御部１１に送信する。
【００５３】
測温部８ｂは、温度センサ９ｂを有し、吸着塔２内の吸着剤３の位置Ｐ２に温度センサ９ｂの検出端部が存在するように設置される。温度センサ９ｂは、上述したように温度変化する吸着剤３の温度を、位置Ｐ２について検出する。測温部８ｂは、この温度センサ９ｂによって検出された吸着剤３の位置Ｐ２の温度を測定する。その都度、測温部８ｂは、測定した吸着剤３の位置Ｐ２の温度を示す信号を制御部１１に送信する。
【００５４】
測温部８ｃは、温度センサ９ｃを有し、吸着塔２内の吸着剤３の位置Ｐ３に温度センサ９ｃの検出端部が存在するように設置される。温度センサ９ｃは、上述したように温度変化する吸着剤３の温度を、位置Ｐ３について検出する。測温部８ｃは、この温度センサ９ｃによって検出された吸着剤３の位置Ｐ３の温度を測定する。その都度、測温部８ｃは、測定した吸着剤３の位置Ｐ３の温度を示す信号を制御部１１に送信する。
【００５５】
測温部８ｄは、温度センサ９ｄを有し、吸着塔２内の吸着剤３の位置Ｐ４に温度センサ９ｄの検出端部が存在するように設置される。温度センサ９ｄは、上述したように温度変化する吸着剤３の温度を、位置Ｐ４について検出する。測温部８ｄは、この温度センサ９ｄによって検出された吸着剤３の位置Ｐ４の温度を測定する。その都度、測温部８ｄは、測定した吸着剤３の位置Ｐ４の温度を示す信号を制御部１１に送信する。
【００５６】
ここで、吸着剤３における位置Ｐ１〜Ｐ４は、図１に示すように、吸着塔２内に導入されたガスの流通方向に沿って並ぶ複数位置の一例である。これらの位置Ｐ１〜Ｐ４のうち、位置Ｐ１は、吸着塔２の排気端部２ｂから最も離れた位置である。位置Ｐ４は、吸着塔２の排気端部２ｂに最も近い位置であり、例えば図１に示すように排気端部２ｂの近傍の位置である。位置Ｐ２，Ｐ３は、このような位置Ｐ１と位置Ｐ４との間の位置である。位置Ｐ２は、位置Ｐ１に比して吸着塔２の排気端部２ｂに近く、位置Ｐ３に比して吸着塔２の排気端部２ｂから離れている。位置Ｐ３は、位置Ｐ２に比して吸着塔２の排気端部２ｂに近く、位置Ｐ４に比して吸着塔２の排気端部２ｂから離れている。
【００５７】
上述したような位置Ｐ１〜Ｐ４は、吸着剤３の吸着性能や吸着対象の目的成分ガス等に応じて設定される。この際、位置Ｐ１〜Ｐ４は、吸着塔２の排気端部２ｂの近傍における吸着剤３の温度を確実に測定するという観点から、吸着塔２の長手方向の中心から排気端部２ｂまでの領域内に設定されることが望ましい。また、位置Ｐ１〜Ｐ４は、吸着塔２の外部環境（特に温度）が測温部８ａ〜８ｄによる吸着剤３の測温処理に影響を及ぼすことを防止するという観点から、吸着塔２の内壁から所定の距離以上、離れた領域に設定されることが望ましい。例えば、位置Ｐ１〜Ｐ４は、吸着塔２の幅方向の中心近傍に設定されることが望ましい。
【００５８】
また、本実施の形態では、吸着塔２内に導入されるガスとして、少なくとも目的成分ガスを含有する原料ガス２１および洗浄ガス２３が挙げられる。原料ガス２１は、吸着工程において吸着塔２内に導入され、その後、吸着塔２の入出端部２ａ側から排気端部２ｂ側に向かって吸着塔２内を流通する。測温部８ａ〜８ｄは、この吸着工程において、吸着塔２内における原料ガス２１の流通方向に沿った吸着剤３の複数位置の温度、具体的には図１に示す４つの位置Ｐ１〜Ｐ４の温度を各々測定する。一方、洗浄ガス２３は、洗浄工程において吸着塔２内に導入され、その後、上述した原料ガス２１と同じ流通方向に向かって吸着塔２内を流通する。測温部８ａ〜８ｄは、この洗浄工程において、吸着塔２内における洗浄ガス２３の流通方向に沿った吸着剤３の複数位置の温度、具体的には図１に示す４つの位置Ｐ１〜Ｐ４の温度を各々測定する。
【００５９】
圧力計１０は、吸着塔２内の圧力を測定するものである。圧力計１０は、連続的または所定の時間間隔で断続的に吸着塔２内の圧力を測定し、その都度、測定した圧力を示す信号を制御部１１に送信する。
【００６０】
制御部１１は、ガス分離装置１による圧力スイング吸着法を用いたガス分離の吸着工程、洗浄工程、および脱着工程の各実行条件を制御する。本実施の形態において、制御部１１は、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程の各々について、実行時間および切り替えタイミングを制御する。
【００６１】
具体的には、吸着工程において、制御部１１は、複数の測温部８ａ〜８ｄによって測定された吸着剤３の複数の位置Ｐ１〜Ｐ４における各温度をもとに、吸着剤３の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、これらの位置Ｐ１〜Ｐ４の各昇温変化量のうちの少なくとも１つが閾値未満である場合、特に、吸着塔２内における原料ガス２１の流通方向の最も下流側である位置Ｐ４の昇温変化量が閾値未満である場合、吸着工程を継続するように原料ガス導入部４等を制御する。この際、制御部１１は、吸着剤３の位置毎の昇温変化量（本実施の形態では位置Ｐ１〜Ｐ４の各昇温変化量）が全て閾値以上になるまで、原料ガス導入部４の自動弁４ｂおよび送風機４ｃを駆動制御して、原料ガス導入部４に吸着塔２内への原料ガス２１の導入を継続させる。
【００６２】
一方、この吸着工程における吸着剤３の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、制御部１１は、原料ガス導入部４の自動弁４ｂおよび送風機４ｃを駆動制御して、原料ガス導入部４に吸着塔２内への原料ガス２１の導入を停止させる。このようにして、制御部１１は、吸着工程を終了させて、この吸着工程から、その次工程である洗浄工程に切り替える。
【００６３】
また、制御部１１は、上述した原料ガス２１の導入の停止以後に実行される洗浄工程において、複数の測温部８ａ〜８ｄによって測定された吸着剤３の複数の位置Ｐ１〜Ｐ４における各温度をもとに、吸着剤３の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、これらの位置Ｐ１〜Ｐ４の各昇温変化量のうちの少なくとも１つが閾値未満である場合、特に、位置Ｐ４の昇温変化量が閾値未満である場合、洗浄工程を継続するように洗浄ガス導入部５等を制御する。この際、制御部１１は、吸着剤３の位置毎の昇温変化量（本実施の形態では位置Ｐ１〜Ｐ４の各昇温変化量）が全て閾値以上になるまで、洗浄ガス導入部５の自動弁５ｂおよび送風機５ｃを駆動制御して、洗浄ガス導入部５に吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入を継続させる。
【００６４】
一方、この洗浄工程における吸着剤３の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、制御部１１は、洗浄ガス導入部５の自動弁５ｂおよび送風機５ｃを駆動制御して、洗浄ガス導入部５に吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入を停止させる。このようにして、制御部１１は、洗浄工程を終了させて、この洗浄工程から、その次工程である脱着工程に切り替える。
【００６５】
また、上述した吸着工程における原料ガス２１の導入の停止以後、本実施の形態では、その次工程である洗浄工程における洗浄ガス２３の導入の停止以後、制御部１１は、ガス脱着回収部６に吸着塔２内からの目的成分ガスの脱着回収を行わせる。すなわち、制御部１１は、上述した洗浄工程後の脱着工程において、ガス脱着回収部６の自動弁６ｂおよび吸引ポンプ６ｃを駆動制御して、吸着塔２内の吸着剤３から脱着した目的成分ガスを、脱着ガス２２としてガス脱着回収部６に回収させる。この際、制御部１１は、圧力計１０によって測定された吸着塔２内の圧力が閾値以下になるまで、ガス脱着回収部６に脱着ガス２２の回収を行わせる。
【００６６】
一方、制御部１１は、圧力計１０によって測定された吸着塔２内の圧力が閾値以下である場合、ガス脱着回収部６の自動弁６ｂおよび吸引ポンプ６ｃを駆動制御して、ガス脱着回収部６に吸着塔２内からの脱着ガス２２の回収を停止させる。このようにして、制御部１１は、脱着工程を終了させて、この脱着工程から、その次工程である吸着工程に切り替える。
【００６７】
また、制御部１１は、上述した吸着工程および洗浄工程において、ガス排出部７の背圧弁７ｂを駆動制御し、これにより、ガス排出部７に吸着塔２内からのオフガス２４の排出を適宜継続させる。一方、脱着工程において、制御部１１は、ガス排出部７の背圧弁７ｂを駆動制御し、これにより、ガス排出部７に吸着塔２内からのオフガス２４の排出を停止させる。
【００６８】
（基本原理）
つぎに、吸着塔２内に充填された吸着剤３の位置毎の昇温変化量に基づくガス導入工程の切り替えについて、その基本原理を説明する。なお、ガス導入工程は、目的成分ガスが原料ガス２１の一部として吸着塔２内に導入される吸着工程と、目的成分ガスが洗浄ガス２３として吸着塔２内に導入される洗浄工程との総称である。
【００６９】
図２は、吸着塔内へのガスの導入に伴い吸着剤へのガスの吸着が進行する状態を示す図である。図２において、ハッチングの濃さの違いは、吸着剤３に吸着された吸着ガスの濃度（吸着量）の違いを示す。ガス導入工程では、図２に示すように、原料ガス２１または洗浄ガス２３が、共通管２ｃを通じて吸着塔２内へ順次導入される。
【００７０】
吸着塔２内に導入後の原料ガス２１は、吸着塔２内において、吸着剤３に吸着される目的成分ガス等の吸着ガスと吸着されない非吸着ガスとに分離しながら、吸着塔２の入出端部２ａ側から排気端部２ｂ側に向かう流通方向に流通する。この吸着剤３に対する原料ガス２１のガス吸着現象は、吸着塔２の入出端部２ａ近傍の吸着剤３から始まり、吸着塔２内への原料ガス２１の導入量の増加に伴い、吸着塔２の排気端部２ｂ側に向かって原料ガス２１の流通方向に順次進行する。すなわち、吸着剤３に吸着される吸着ガスの濃度および吸着量は、吸着塔２内への原料ガス２１の導入時間の経過に伴い、図２に示すように、吸着塔２の入出端部２ａ側から排気端部２ｂ側に向かって順次増加する。
【００７１】
また、吸着塔２内に導入後の洗浄ガス２３は、吸着塔２内において、吸着剤３における吸着ガスのうちの他成分ガスを目的成分ガスに置換するよう吸着されながら、吸着塔２の入出端部２ａ側から排気端部２ｂ側に向かう流通方向に流通する。この吸着剤３に対する洗浄ガス２３のガス吸着現象は、吸着塔２の入出端部２ａ近傍の吸着剤３から始まり、吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入量の増加に伴い、吸着塔２の排気端部２ｂ側に向かって洗浄ガス２３の流通方向に順次進行する。すなわち、吸着剤３に吸着ガスとして吸着される目的成分ガスの濃度および吸着量は、吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入時間の経過に伴い、図２に示すように、吸着塔２の入出端部２ａ側から排気端部２ｂ側に向かって順次増加する。
【００７２】
なお、ガス導入工程において、原料ガス２１から分離した非吸着ガス、および、洗浄ガス２３によって置換されて吸着剤３から離脱した他成分ガスは、排気管７ａを通じ吸着塔２内からオフガス２４として外部へ排出される。
【００７３】
一方、吸着剤３は、上述したように吸着塔２内に導入されたガスの流通方向にガス吸着現象を進行させつつ、ガス吸着現象に起因して発熱する。このような吸着剤３の発熱現象は、吸着塔２内へ導入されるガスの導入時間の早期に吸着塔２の入出端部２ａ近傍の吸着剤３から始まり、このガスの導入時間の経過に伴い、吸着塔２の排気端部２ｂ側に向かってガスの流通方向に順次進行する。
【００７４】
図３は、ガス吸着現象に起因して発熱する吸着剤の複数位置における温度上昇変化を示す図である。図３において、温度Ｑａは、図１に示したように吸着塔２内においてガスの流通方向に沿って並ぶ４つの位置Ｐ１〜Ｐ４のうち吸着塔２の排出端部２ｂから最も離れた位置Ｐ１における吸着剤３の温度である。温度Ｑｂは、この位置Ｐ１に比して吸着塔２の排出端部２ｂに近い位置Ｐ２における吸着剤３の温度である。温度Ｑｃは、この位置Ｐ２に比して吸着塔２の排出端部２ｂに近い位置Ｐ３における吸着剤３の温度である。温度Ｑｄは、これらの位置Ｐ１〜Ｐ３に比して吸着塔２の排出端部２ｂに最も近い位置Ｐ４（排出端部２ｂの近傍の位置）における吸着剤３の温度である。また、時間ｔは、吸着塔２内へのガス（原料ガス２１または洗浄ガス２３）の導入時間である。
【００７５】
吸着剤３のガス吸着現象は、上述したように、吸着塔２内へガスが導入される時間ｔの経過とともに吸着塔２の入出端部２ａ側から排気端部２ｂ側に向かうガスの流通方向に順次進行する。吸着塔２内へガスが導入され始めてから、吸着剤３のガス吸着現象が位置Ｐ１に進行するまでの期間、吸着剤３の各位置Ｐ１〜Ｐ４における温度Ｑａ〜Ｑｄは、図３に示すように、殆ど変化せず一定である。
【００７６】
その後、吸着剤３のガス吸着現象が位置Ｐ１まで進行した場合、この位置Ｐ１において吸着剤３のガス吸着に起因する発熱現象が起こる。この結果、図３に示すように、吸着剤３の位置Ｐ１の温度Ｑａは、昇温変化し始める。この時点において、位置Ｐ１に比べガスの流通方向における下流側の各位置Ｐ２〜Ｐ４の温度Ｑｂ〜Ｑｄは、図３に示すように、ほぼ一定である。
【００７７】
位置Ｐ１の温度Ｑａは、図３に示すように、吸着塔２内へのガス導入の時間ｔの経過に伴って昇温変化し、吸着塔２内に導入されたガスと吸着剤３に吸着された吸着ガスとが位置Ｐ１において殆ど平衡状態になるまで昇温変化し続ける。この温度Ｑａの昇温変化量が所定量に達した時間ｔ１において、吸着剤３のガス吸着現象は、位置Ｐ２まで進行し、この位置Ｐ２において吸着剤３のガス吸着に起因する発熱現象が起こる。この結果、図３に示すように、吸着剤３の位置Ｐ２の温度Ｑｂは、昇温変化し始める。一方、この時間ｔ１において、位置Ｐ２に比べガスの流通方向における下流側の各位置Ｐ３，Ｐ４の温度Ｑｃ，Ｑｄは、図３に示すように、ほぼ一定である。
【００７８】
位置Ｐ２の温度Ｑｂは、図３に示すように、吸着塔２内へのガス導入の時間ｔの経過に伴って昇温変化し、吸着塔２内に導入されたガスと吸着剤３に吸着された吸着ガスとが位置Ｐ２において殆ど平衡状態になるまで昇温変化し続ける。この温度Ｑｂの昇温変化量が所定量に達した時間ｔ２において、吸着剤３のガス吸着現象は、位置Ｐ３まで進行し、この位置Ｐ３において吸着剤３のガス吸着に起因する発熱現象が起こる。この結果、図３に示すように、吸着剤３の位置Ｐ３の温度Ｑｃは、昇温変化し始める。一方、この時間ｔ２において、位置Ｐ３に比べガスの流通方向における下流側の位置Ｐ４の温度Ｑｄは、図３に示すように、ほぼ一定である。
【００７９】
位置Ｐ３の温度Ｑｃは、図３に示すように、吸着塔２内へのガス導入の時間ｔの経過に伴って昇温変化し、吸着塔２内に導入されたガスと吸着剤３に吸着された吸着ガスとが位置Ｐ３において殆ど平衡状態になるまで昇温変化し続ける。この温度Ｑｃの昇温変化量が所定量に達した時間ｔ３において、吸着剤３のガス吸着現象は、吸着塔２の排気端部２ｂ近傍の位置Ｐ４まで進行し、この位置Ｐ４において吸着剤３のガス吸着に起因する発熱現象が起こる。この結果、図３に示すように、吸着剤３の位置Ｐ４の温度Ｑｄは、昇温変化し始める。この時点において、吸着剤３の位置Ｐ１〜Ｐ４の温度Ｑａ〜Ｑｄは、吸着剤３のガス吸着現象に起因する発熱現象によって昇温変化している。
【００８０】
上述した吸着塔２の排気端部２ｂ近傍の位置Ｐ４における吸着剤３の温度Ｑｄと、脱着工程によって吸着塔２内から脱着ガス２２として回収される目的成分ガスの回収率（以下、ガス回収率Ｇｒという）との間には、所定の相関が成り立つ。図４は、吸着塔の排気端部近傍の位置における吸着剤の温度と、脱着工程によって吸着塔内から回収される目的成分ガスのガス回収率との間に成り立つ相関を示す図である。
【００８１】
図４に示すように、吸着剤３の位置Ｐ４の温度Ｑｄは、吸着塔２内へのガス導入の時間ｔの経過に伴って昇温変化し、吸着塔２内に導入されたガスと吸着剤３に吸着された吸着ガスとが位置Ｐ４において殆ど平衡状態になるまで昇温変化し続ける。この温度Ｑｄの昇温変化量ΔＱｄが所定量に達した時間ｔ４において、吸着剤３のガス吸着現象は、吸着塔２内の殆ど全域に亘って進行している。仮に、この時間ｔ４以後の期間、吸着塔２内へのガスの導入を継続した場合、吸着塔２内へ導入されたガス（具体的には原料ガス２１または洗浄ガス２３）に含まれる目的成分ガスの一部が、吸着剤３に吸着されずに、オフガス２４として無駄に排気されてしまう。このような目的成分ガスの無駄な排気（すなわちロス）が、図４に示すようなガス回収率Ｇｒの著しい低下を招来する。さらには、脱着工程によって吸着塔２内から回収され目的成分ガスの濃度（純度）が低下してしまう。
【００８２】
本発明者等は、吸着剤３へのガスの吸脱着に伴って吸着剤３に発熱現象または吸熱現象が発生して吸着剤３の温度変化が生じることに着目して、ガス導入工程の運転条件を鋭意検討した。この結果、吸着塔２内の吸着剤３の昇温変化量に基づいてガス導入工程の切り替えを行うことにより、上述した目的成分ガスのロスおよびガス回収率Ｇｒの低下等の問題を解決できることが見出された。
【００８３】
すなわち、吸着塔２内における導入ガスの流通方向に沿った吸着剤３の複数の位置Ｐ１〜Ｐ４のうち、上流側の位置Ｐ１〜Ｐ３における昇温変化量が所定の閾値以上であり、且つ、吸着塔２の排気端部２ｂ近傍の位置Ｐ４における昇温変化量が所定の閾値以上になったタイミング（図４に示す時間ｔ４の時点）に、吸着塔２内へのガスの導入を停止することが、上述した問題の解決に有効である。このようなガスの導入停止により、図１に示したガス分離装置１が実行する工程は、吸着工程から洗浄工程に適時に切り替わり、あるいは、洗浄工程から脱着工程に適時に切り替わる。
【００８４】
（ガス分離方法）
つぎに、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法について説明する。図５は、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法の一例を示すフローチャートである。図６は、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法のうちの吸着工程を説明するための図である。図７は、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法のうちの洗浄工程を説明するための図である。図８は、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法のうちの脱着工程を説明するための図である。本発明の実施の形態にかかるガス分離方法は、上述したガス分離装置１（図１参照）を用いて、図５に示すステップＳ１０１〜Ｓ１１１を順次繰り返し実行することにより、原料ガス２１から目的成分ガスを分離し、高純度の目的成分ガスを回収するものである。
【００８５】
詳細には、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法において、ガス分離装置１は、図５に示すように、まず、吸着塔２内へ原料ガス２１を導入して目的成分ガスを吸着剤３に吸着させる（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１において、原料ガス導入部４は、自動弁４ｂおよび送風機４ｃを駆動させて、吸着塔２内への原料ガス２１の導入を開始し、吸着塔２内の吸着剤３に原料ガス２１中の目的成分ガスを吸着させる。
【００８６】
具体的には、図１に示したように、吸着塔２は、目的成分ガスを吸着するための吸着剤３を予め充填したものである。また、原料ガス２１は、少なくとも目的成分ガスを含有する混合ガスである。例えば、目的成分ガスは、炭酸ガス等である。自動弁４ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を開く開駆動を行い、これにより、図６に示すように、原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１の流通を許容する。送風機４ｃは、制御部１１の制御に基づいて、送風駆動を行い、これにより、原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１を加圧しつつ吸着塔２側へ送り込む。原料ガス流通管４ａは、送風機４ｃの送風作用等を利用して、原料ガス２１を吸着塔２に向けて流通させ、図６に示すように、共通管２ｃを通じて吸着塔２内へ原料ガス２１を順次導入する。この際、洗浄ガス流通管５ａの自動弁５ｂおよび脱着ガス流通管６ａの自動弁６ｂは、双方とも弁を閉じた閉状態になるよう制御部１１によって制御される。これにより、洗浄ガス流通管５ａおよび脱着ガス流通管６ａは、図６に示すように、ガスの流通を遮断した状態になっている。
【００８７】
原料ガス導入部４は、上述したように吸着塔２内へ原料ガス２１を順次導入することにより、原料ガス２１のうちの目的成分ガスを他成分ガスに比べて優先的に吸着剤３に吸着させる。この際、吸着塔２内に導入後の原料ガス２１は、吸着塔２の入出端部２ａ側から排気端部２ｂに向かう流通方向に流通しつつ、吸着剤３に接触して、吸着剤３に吸着される吸着ガスと、吸着剤３に吸着されない非吸着ガスとに分離される。ステップＳ１０１において、吸着ガスには、原料ガス２１のうちの吸着剤３に優先的に吸着される目的成分ガスと、少量の他成分ガスとが含まれる。一方、非吸着ガスは、原料ガス２１のうち、吸着剤３に吸着された少量の他成分ガスを除く残り多量の他成分ガスである。
【００８８】
また、このステップＳ１０１において、ガス排出部７は、吸着塔２内からオフガス２４を順次排出する。このガス排出部７において、背圧弁７ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を開く開駆動を行い、これにより、図６に示すように、排気管７ａ内のオフガス２４の流通を許容する。排気管７ａは、図６に示すように、原料ガス２１のうちの非吸着ガスを、オフガス２４として、吸着塔２内から背圧弁７ｂを介し外部へ排出する。
【００８９】
上述したステップＳ１０１を実行後、ガス分離装置１は、原料ガス導入時における吸着剤３の複数位置の温度を測定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２において、測温部８ａ〜８ｄは、吸着塔２内における原料ガス２１の流通方向に沿った吸着剤３の複数位置（例えば図６に示す４つの位置Ｐ１〜Ｐ４）の各温度を各々測定する。本実施の形態において、測温部８ａは、吸着剤３の位置Ｐ１における温度Ｑａを時系列に沿って順次測定し、得られた温度Ｑａを制御部１１に対して時系列順に送信する。測温部８ｂは、吸着剤３の位置Ｐ２における温度Ｑｂを時系列に沿って順次測定し、得られた温度Ｑｂを制御部１１に対して時系列順に送信する。測温部８ｃは、吸着剤３の位置Ｐ３における温度Ｑｃを時系列に沿って順次測定し、得られた温度Ｑｃを制御部１１に対して時系列順に送信する。測温部８ｄは、吸着剤３の位置Ｐ４における温度Ｑｄを時系列に沿って順次測定し、得られた温度Ｑｄを制御部１１に対して時系列順に送信する。
【００９０】
ついで、ガス分離装置１は、吸着剤３の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３において、制御部１１は、吸着剤３における位置Ｐ１〜Ｐ４の温度Ｑａ〜Ｑｄの測定値を測温部８ａ〜８ｄから各々時系列順に取得する。ついで、制御部１１は、取得した温度Ｑａ〜Ｑｄの各時系列の測定値をもとに、吸着剤３の位置Ｐ１〜Ｐ４の各々について昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄを算出する。その後、制御部１１は、得られた吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄと、予め設定された閾値とを比較して、これらの昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが閾値以上であるか否かを判断する。
【００９１】
具体的には、制御部１１は、まず、吸着塔２内における原料ガス２１の流通方向（図６参照）の最も上流側である位置Ｐ１での吸着剤３の昇温変化量ΔＱａが閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、吸着剤３の位置Ｐ１の昇温変化量ΔＱａが閾値以上である場合、この位置Ｐ１に比べ上記流通方向の下流側である位置Ｐ２での吸着剤３の昇温変化量ΔＱｂが閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、昇温変化量ΔＱｂが閾値以上である場合、この位置Ｐ２に比べ上記流通方向の下流側である位置Ｐ３での吸着剤３の昇温変化量ΔＱｃが閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、昇温変化量ΔＱｃが閾値以上である場合、この位置Ｐ３に比べ上記流通方向の下流側の位置、すなわち、吸着塔２の排気端部２ｂ近傍の位置Ｐ４での吸着剤３の昇温変化量ΔＱｄが閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、昇温変化量ΔＱｄが閾値以上である場合、この時点において上流側の各位置Ｐ１〜Ｐ３の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｃが全て閾値以上であれば、吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが閾値以上であると判断する。
【００９２】
上述したように、吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが閾値以上であると制御部１１によって判断された場合（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）、ガス分離装置１は、吸着塔２内への原料ガス２１の導入を停止する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４において、原料ガス導入部４は、自動弁４ｂを閉じ且つ送風機４ｃの駆動を停止させて、吸着塔２内への原料ガス２１の導入を停止する。この際、送風機４ｃは、制御部１１の制御に基づいて、原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１の送風を停止する。これに並行して、自動弁４ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を閉じる開駆動を行い、これにより、原料ガス流通管４ａ内の原料ガス２１の流通を遮断する。
【００９３】
一方、上述したステップＳ１０３において、制御部１１は、吸着剤３における位置Ｐ１〜Ｐ４の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄのうちの少なくとも１つ（特に位置Ｐ４の昇温変化量ΔＱｄ）が閾値未満である場合、吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄは閾値未満であると判断する（ステップＳ１０３，Ｎｏ）。この場合、ガス分離装置１は、上述したステップＳ１０１に戻り、このステップＳ１０１以降の処理を繰り返す。
【００９４】
ここで、上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０４は、ガス分離装置１による吸着工程を構成する一連の処理である。ガス分離装置１は、ステップＳ１０３である判断ステップにおいて、吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが全て閾値以上になるまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３を繰り返し実行して、吸着塔２内への原料ガス２１の導入を継続する。すなわち、ガス分離装置１は、上述した昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが全て閾値以上になるまで、吸着工程を継続する。
【００９５】
一方、ステップＳ１０３である判断ステップにおいて、吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが全て閾値以上である場合、吸着塔２内へ導入された原料ガス２１と、吸着剤３に吸着された目的成分ガス等の吸着ガスとが互いに平衡状態に近い状態となっている。この場合、ガス分離装置１は、ステップＳ１０４に処理を進めて吸着塔２内への原料ガス２１の導入を停止し、これにより、吸着工程を停止する。
【００９６】
吸着塔２内に対する原料ガス２１の導入の停止以後、すなわち、吸着工程の停止以後、ガス分離装置１は、吸着塔２内へ洗浄ガス２３を導入して吸着塔２内の目的成分ガスを精製する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５において、洗浄ガス導入部５は、自動弁５ｂおよび送風機５ｃを駆動させて、吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入を開始し、吸着塔２内に導入した洗浄ガス２３によって、吸着剤３における吸着ガス中の目的成分ガスの濃度を高める。
【００９７】
具体的には、洗浄ガス導入部５において、自動弁５ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を開く開駆動を行い、これにより、図７に示すように、洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３の流通を許容する。送風機５ｃは、制御部１１の制御に基づいて、送風駆動を行い、これにより、洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３を吸着塔２側へ送り込む。洗浄ガス流通管５ａは、送風機５ｃの送風作用等を利用して、貯蔵タンク６ｄから吸着塔２に向けて洗浄ガス２３を流通させ、図７に示すように、共通管２ｃを通じて吸着塔２内へ洗浄ガス２３を順次導入する。
【００９８】
このようにして、洗浄ガス導入部５は、前回までの脱着工程によって既に吸着塔２内から貯蔵タンク６ｄ内へ回収された目的成分ガスの一部を、上述した原料ガス２１の導入の停止以後、洗浄ガス２３として貯蔵タンク６ｄから洗浄ガス流通管５ａ等を通じ吸着塔２内へ順次導入する。吸着塔２内に導入後の洗浄ガス２３は、吸着塔２の入出端部２ａ側から排気端部２ｂに向かう流通方向に流通しつつ、吸着剤３に接触する。ここで、吸着塔２内の洗浄ガス２３における目的成分ガスの濃度および分圧は、吸着塔２内の原料ガス２１（特に他成分ガス）に比して高い。このため、洗浄ガス２３は、吸着剤３に吸着された状態の他成分ガスを吸着剤３から脱着し、この脱着した他成分ガスの代わりに目的成分ガスを吸着剤３に吸着させる。これにより、洗浄ガス導入部５は、吸着塔２内の原料ガス２１のうちの吸着剤３に吸着された他成分ガスを洗浄ガス２３（具体的には目的成分ガス）に置換して、吸着塔２内の目的成分ガスを精製し、この結果、吸着塔２内の目的成分ガスの濃度を高める。
【００９９】
なお、このステップＳ１０５において、原料ガス流通管４ａの自動弁４ｂおよび脱着ガス流通管６ａの自動弁６ｂは、双方とも弁を閉じた閉状態になるよう制御部１１によって制御される。これにより、原料ガス流通管４ａおよび脱着ガス流通管６ａは、図７に示すように、ガスの流通を遮断した状態になっている。
【０１００】
また、このステップＳ１０５において、ガス排出部７は、吸着塔２内からオフガス２４を順次排出する。このガス排出部７において、背圧弁７ｂは、制御部１１によって弁を開いた開状態に制御され、これにより、図７に示すように、排気管７ａ内のオフガス２４の流通を許容する。排気管７ａは、図７に示すように、吸着塔２内の他成分ガス、特に、洗浄ガス２３によって吸着剤３から脱着した他成分ガスを、オフガス２４として、吸着塔２内から背圧弁７ｂを介し外部へ排出する。
【０１０１】
上述したステップＳ１０５を実行後、ガス分離装置１は、洗浄ガス導入時における吸着剤３の複数位置の温度を測定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６において、測温部８ａ〜８ｄは、吸着塔２内における洗浄ガス２３の流通方向に沿った吸着剤３の複数位置（例えば図７に示す４つの位置Ｐ１〜Ｐ４）の各温度を各々測定する。本実施の形態において、これらの位置Ｐ１〜Ｐ４は、上述した吸着工程の場合と同じである。測温部８ａは、洗浄ガス導入時の吸着剤３の位置Ｐ１における温度Ｑａを時系列に沿って順次測定し、得られた温度Ｑａを制御部１１に対して時系列順に送信する。測温部８ｂは、洗浄ガス導入時の吸着剤３の位置Ｐ２における温度Ｑｂを時系列に沿って順次測定し、得られた温度Ｑｂを制御部１１に対して時系列順に送信する。測温部８ｃは、洗浄ガス導入時の吸着剤３の位置Ｐ３における温度Ｑｃを時系列に沿って順次測定し、得られた温度Ｑｃを制御部１１に対して時系列順に送信する。測温部８ｄは、洗浄ガス導入時の吸着剤３の位置Ｐ４における温度Ｑｄを時系列に沿って順次測定し、得られた温度Ｑｄを制御部１１に対して時系列順に送信する。
【０１０２】
ついで、ガス分離装置１は、洗浄ガス導入時における吸着剤３の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７において、制御部１１は、洗浄ガス導入時の吸着剤３における位置Ｐ１〜Ｐ４の温度Ｑａ〜Ｑｄの測定値を測温部８ａ〜８ｄから各々時系列順に取得する。ついで、制御部１１は、取得した温度Ｑａ〜Ｑｄの各時系列の測定値をもとに、洗浄ガス導入時における吸着剤３の位置Ｐ１〜Ｐ４の各々について昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄを算出する。その後、制御部１１は、得られた吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄと、予め設定された閾値とを比較して、これらの昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが閾値以上であるか否かを判断する。
【０１０３】
具体的には、制御部１１は、まず、吸着塔２内における洗浄ガス２３の流通方向（図７参照）の最も上流側である位置Ｐ１での吸着剤３の昇温変化量ΔＱａが閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、洗浄ガス導入時における吸着剤３の位置Ｐ１の昇温変化量ΔＱａが閾値以上である場合、この位置Ｐ１に比べ上記流通方向の下流側である位置Ｐ２での吸着剤３の昇温変化量ΔＱｂが閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、洗浄ガス導入時における昇温変化量ΔＱｂが閾値以上である場合、この位置Ｐ２に比べ上記流通方向の下流側である位置Ｐ３での吸着剤３の昇温変化量ΔＱｃが閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、洗浄ガス導入時における昇温変化量ΔＱｃが閾値以上である場合、この位置Ｐ３に比べ上記流通方向の下流側の位置、すなわち、吸着塔２の排気端部２ｂ近傍の位置Ｐ４での吸着剤３の昇温変化量ΔＱｄが閾値以上であるか否かを判断する。制御部１１は、洗浄ガス導入時における昇温変化量ΔＱｄが閾値以上である場合、この時点において上流側の各位置Ｐ１〜Ｐ３の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｃが全て閾値以上であれば、洗浄ガス導入時における吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが閾値以上であると判断する。
【０１０４】
上述したように、洗浄ガス導入時における吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが閾値以上であると制御部１１によって判断された場合（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）、ガス分離装置１は、吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入を停止する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８において、洗浄ガス導入部５は、自動弁５ｂを閉じ且つ送風機５ｃの駆動を停止させて、吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入を停止する。この際、送風機５ｃは、制御部１１の制御に基づいて、洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３の送風を停止する。これに並行して、自動弁５ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を閉じる開駆動を行い、これにより、洗浄ガス流通管５ａ内の洗浄ガス２３の流通を遮断する。
【０１０５】
一方、上述したステップＳ１０７において、制御部１１は、吸着剤３における位置Ｐ１〜Ｐ４の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄのうちの少なくとも１つ（特に位置Ｐ４の昇温変化量ΔＱｄ）が閾値未満である場合、洗浄ガス導入時における吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄは閾値未満であると判断する（ステップＳ１０７，Ｎｏ）。この場合、ガス分離装置１は、上述したステップＳ１０５に戻り、このステップＳ１０５以降の処理を繰り返す。
【０１０６】
ここで、上述したステップＳ１０５〜Ｓ１０８は、ガス分離装置１による洗浄工程を構成する一連の処理である。ガス分離装置１は、ステップＳ１０７である洗浄時の判断ステップにおいて、吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが全て閾値以上になるまで、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７を繰り返し実行して、吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入を継続する。すなわち、ガス分離装置１は、上述した昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが洗浄ガス導入時に全て閾値以上になるまで、洗浄工程を継続する。
【０１０７】
一方、ステップＳ１０７である洗浄時の判断ステップにおいて、吸着剤３の位置毎の昇温変化量ΔＱａ〜ΔＱｄが全て閾値以上である場合、吸着塔２内へ導入された洗浄ガス２３と、吸着剤３に吸着された目的成分ガス等の吸着ガスとが互いに平衡状態に近い状態となっている。この場合、ガス分離装置１は、ステップＳ１０８に処理を進めて吸着塔２内への洗浄ガス２３の導入を停止し、これにより、洗浄工程を停止する。
【０１０８】
上述した吸着工程における原料ガス２１の導入の停止以後、詳細には、吸着塔２内に対する洗浄ガス２３の導入の停止以後（すなわち洗浄工程の停止以後）、ガス分離装置１は、吸着塔２内の吸着剤３から目的成分ガスを脱着して回収する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９において、ガス脱着回収部６は、自動弁６ｂおよび真空ポンプ６ｃを駆動させて、吸着剤３からの目的成分ガスの脱着を開始し、吸着剤３から脱着した目的成分ガスを、脱着ガス２２として吸着塔２内から回収する。
【０１０９】
具体的には、ガス脱着回収部６において、自動弁６ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を開く開駆動を行い、これにより、図８に示すように、脱着ガス流通管６ａ内の脱着ガス２２の流通を許容する。真空ポンプ６ｃは、制御部１１の制御に基づいて、吸引駆動を行い、これにより、吸着塔２内の圧力を低減して、吸着塔２内の吸着剤３から目的成分ガスを脱着する。このように吸着剤３から脱着した目的成分ガスである脱着ガス２２は、吸着塔２内において排気端部２ｂ側から入出端部２ａ側に向かう流通方向に流通する。脱着ガス流通管６ａは、真空ポンプ６ｃの吸引作用によって、吸着剤３からの脱着ガス２２を、図８に示すように、共通管２ｃを通じて吸着塔２内から順次受け入れる。ついで、脱着ガス流通管６ａは、受け入れた脱着ガス２２を、吸着塔２側から貯蔵タンク６ｄ側に向けて流通させて貯蔵タンク６ｄ内に順次回収する。
【０１１０】
なお、このステップＳ１０９において、原料ガス流通管４ａの自動弁４ｂおよび洗浄ガス流通管５ａの自動弁５ｂは、双方とも弁を閉じた閉状態になるよう制御部１１によって制御される。これにより、原料ガス流通管４ａおよび洗浄ガス流通管５ａは、図８に示すように、ガスの流通を遮断した状態になっている。
【０１１１】
また、このステップＳ１０９において、ガス排出部７は、吸着塔２内からのオフガス２４の排出を停止する。このガス排出部７において、背圧弁７ｂは、制御部１１によって弁を閉じた閉状態に制御され、これにより、図８に示すように、排気管７ａ内のオフガス２４の流通を遮断する。
【０１１２】
上述したステップＳ１０９を実行後、ガス分離装置１は、吸着塔２内からの脱着ガス２２の回収が完了したか否か判断する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０において、圧力計１０は、真空ポンプ６ｃによって減圧されている吸着塔２内の圧力を測定し、測定した圧力を制御部１１に送信する。制御部１１は、吸着塔２内の圧力の測定値を圧力計１０から取得し、取得した圧力の測定値と予め設定された圧力閾値（例えば真空に近い圧力値）とを比較する。
【０１１３】
吸着塔２内の圧力の測定値が圧力閾値を超過する場合、制御部１１は、吸着塔２内からの脱着ガス２２の回収が未だ完了していないと判断する（ステップＳ１１０，Ｎｏ）。この場合、ガス分離装置１は、上述したステップＳ１０９に戻り、このステップＳ１０９以降の処理を繰り返す。
【０１１４】
一方、吸着塔２内の圧力の測定値が圧力閾値以下である場合、制御部１１は、吸着塔２内からの脱着ガス２２の回収が完了したと判断する（ステップＳ１１０，Ｙｅｓ）。この場合、ガス分離装置１は、吸着塔２内からの目的成分ガスの脱着回収を停止する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１１において、ガス脱着回収部６は、自動弁６ｂを閉じ且つ真空ポンプ６ｃの駆動を停止させて、吸着塔２内からの目的成分ガスの脱着回収、すなわち、脱着ガス２２の脱着回収を停止する。この際、真空ポンプ６ｃは、制御部１１の制御に基づいて、吸着塔２内を減圧するための吸引駆動を停止する。これに並行して、自動弁６ｂは、制御部１１の制御に基づき、弁を閉じる開駆動を行い、これにより、脱着ガス流通管６ａ内の脱着ガス２２の流通を遮断する。
【０１１５】
ここで、上述したステップＳ１０９〜Ｓ１１１は、ガス分離装置１による脱着工程を構成する一連の処理である。ガス分離装置１は、ステップＳ１１０において、吸着塔２内の圧力が真空近くに低減するまで、ステップＳ１０９（ガス脱着回収ステップ）およびステップＳ１１０を繰り返し実行して、吸着剤３からの目的成分ガスの脱着および吸着塔２内からの目的成分ガス（脱着ガス２２）の回収を継続する。すなわち、ガス分離装置１は、吸着塔２内から目的成分ガスを十分に回収し終えるまで、脱着工程を継続する。
【０１１６】
一方、ステップＳ１１０において、吸着塔２内の圧力が真空近くに低減した場合、吸着塔２内の吸着剤３は、目的成分ガスを新たに吸着できる状態まで吸着能力を回復するとともに、目的成分ガスの脱着に伴う吸熱現象によって温度を低下させている。この場合、ガス分離装置１は、ステップＳ１１１に処理を進めて吸着塔２内からの目的成分ガスの脱着回収を停止し、これにより、脱着工程を停止する。その後、ガス分離装置１は、上述したステップＳ１０１に戻り、このステップＳ１０１以降の処理を繰り返す。すなわち、ガス分離装置１は、脱着工程を終了した後、再度、吸着工程に戻り、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程をこの順に順次繰り返す。
【０１１７】
ここで、圧力スイング吸着法を用いた従来のガス分離の装置および方法において、吸着工程の際に吸着塔２内へ導入する原料ガス２１の導入量は、吸着塔２内に対する原料ガス２１の導入速度および導入時間によって制御される。また、洗浄工程の際に吸着塔２内へ導入する洗浄ガス２３の導入量は、吸着塔２内に対する洗浄ガス２３の導入速度および導入時間によって制御される。さらに、吸着工程および洗浄工程では、背圧弁７ｂの設定値と、吸着塔２内から排気管７ａを通じて排出されるオフガス２４の排気量とを適切に制御する必要がある。
【０１１８】
これらの制御が適切であったか否かを判断するためには、従来、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程の一連の工程を１０回〜数１０回程度繰り返し行って、この一連の工程を安定して行えるようにし、この段階において、吸着塔２内から回収または排気された脱着ガス２２やオフガス２４の一部を採取してガス成分分析を行う必要がある。このガス成分分析の結果をもとに、脱着ガス２２中の目的成分ガスの濃度が要求値を満足しているか否か、吸着工程および洗浄工程の各々において目的成分ガスがオフガス２４として排気されてロスとなっていないか否か等を確認し、この結果に基づき、吸着工程および洗浄工程の各ガス導入運転条件が適宜変更される。従来のガス分離の装置および方法では、上述したようなガス成分分析および条件変更等の一連の作業を繰り返し行うことにより、吸着塔２内に対するガス導入運転条件が最適化され得る。故に、吸着工程および洗浄工程における各ガス導入運転条件を最適化するまでに多大な時間および労力が必要となってしまう。
【０１１９】
これに対し、本発明の実施の形態にかかるガス分離方法において、図１に示したガス分離装置１は、上述したように、吸着塔２内の複数の位置Ｐ１〜Ｐ４における吸着剤３の各温度を測定して、吸着剤３の各位置Ｐ１〜Ｐ４の昇温変化量が閾値以上であるか否かを監視し、この監視結果に基づき、吸着塔２内に対するガス導入を継続または停止している。このため、上述したようなガス成分分析および条件変更等の一連の作業を繰り返し行わなくとも、吸着剤３の位置毎の昇温変化量に応じて、吸着塔２内に対するガス導入を継続すべきか否か、あるいは停止すべきか否かを、リアルタイム且つ適切に判断することができる。これにより、吸着塔２内に対するガス導入運転条件を最適化するまでに要する労力および時間を大幅に低減することができる。この結果、吸着工程および洗浄工程における各ガス導入運転条件を、目的成分ガスの回収率を高めるとともに目的成分ガスのロスを抑制し得る最適化な運転条件に効率よく調整することができる。
【０１２０】
以上、説明したように、本発明の実施の形態では、予め吸着剤を充填した吸着塔の内部へ、少なくとも目的成分ガスを含有する原料ガスを導入して、この吸着塔内の吸着剤に原料ガスのうちの目的成分ガスを他成分ガスに比べて優先的に吸着させる吸着工程を行い、この吸着工程の際、吸着塔内における原料ガスの流通方向に沿った吸着剤の複数位置の温度を測定し、測定した吸着剤の複数位置の温度をもとに、これら複数位置の各々における吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断し、この吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、吸着塔内への原料ガスの導入を継続し、この吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、吸着塔内への原料ガスの導入を停止している。
【０１２１】
このため、吸着塔内から回収または排気されたガスの成分分析等の作業を行わなくとも、吸着塔内の吸着剤の全域に亘り原料ガスの吸着現象が進行するまで、吸着塔内への原料ガスの導入を継続する運転条件と、吸着塔内の吸着剤に吸着された目的成分ガス等の吸着ガスと吸着塔内へ導入後の原料ガスとが平衡状態またはそれに近い状態となるタイミングに、吸着塔内への原料ガスの導入を停止する運転条件とを、吸着工程においてリアルタイム且つ過誤なく適切に判断することができる。これにより、吸着塔内への原料ガスの導入を適時に継続または停止する最適な運転条件を従来技術に比して短時間且つ容易に設定することができる。この結果、吸着塔内から目的成分ガスを回収するに際し、吸着塔内に対する原料ガス中の目的成分ガスの導入量を最適化する運転条件を効率よく調整することができる。
【０１２２】
上述したように調整した最適な運転条件に基づいて吸着工程を継続または次工程に切り替えることにより、吸着塔内の吸着剤全体を、原料ガス中の目的成分ガスの吸着に十分活用するとともに、原料ガス中の目的成分ガスが吸着剤に吸着されずに吸着塔内から無駄に排出される事態を防止することができる。この結果、目的成分ガスの回収率および濃度（純度）の向上を促進するとともに、目的成分ガスのロスを可能な限り抑制することができる。
【０１２３】
また、本発明の実施の形態では、吸着塔内に対する原料ガスの導入の停止以後、吸着塔内から回収された目的成分ガスの一部を洗浄ガスとして吸着塔内へ導入し、吸着塔内に残留する原料ガスのうちの吸着剤に吸着された他成分ガスを洗浄ガスに置換して、吸着塔内の目的成分ガスを精製する洗浄工程を行い、この洗浄工程の際、吸着塔内における洗浄ガスの流通方向に沿った吸着剤の複数位置の温度を測定し、測定した吸着剤の複数位置の温度をもとに、これら複数位置の各々における吸着剤の位置毎の昇温変化量が閾値以上であるか否かを判断し、この吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上になるまで、吸着塔内への洗浄ガスの導入を継続し、この吸着剤の位置毎の昇温変化量が全て閾値以上である場合、吸着塔内への洗浄ガスの導入を停止している。
【０１２４】
このため、吸着塔内から回収または排気されたガスの成分分析等の作業を行わなくとも、吸着塔内の吸着剤に吸着された吸着ガスのうちの他成分ガスを洗浄ガスに十分置換し終えるまで、吸着塔内への洗浄ガスの導入を継続する運転条件と、吸着塔内の吸着剤に吸着された吸着ガスと吸着塔内へ導入後の洗浄ガスとが平衡状態またはそれに近い状態となるタイミングに、吸着塔内への洗浄ガスの導入を停止する運転条件とを、洗浄工程においてリアルタイム且つ過誤なく適切に判断することができる。これにより、吸着塔内への洗浄ガスの導入を適時に継続または停止する最適な運転条件を従来技術に比して短時間且つ容易に設定することができる。この結果、吸着塔内から目的成分ガスを回収するに際し、洗浄ガスとして吸着塔内へ導入する目的成分ガスの導入量を最適化する運転条件を効率よく調整することができる。
【０１２５】
上述したように調整した最適な運転条件に基づいて洗浄工程を継続または次工程に切り替えることにより、吸着塔内の吸着剤に吸着された吸着ガス中の目的成分ガスの濃度を可能な限り高めるとともに、洗浄ガスとしての目的成分ガスが吸着剤に吸着されずに吸着塔内から無駄に排出される事態を防止することができる。この結果、目的成分ガスの回収率および濃度（純度）の更なる向上を促進するとともに、目的成分ガスの精製時のロスを可能な限り抑制することができる。
【０１２６】
なお、上述した実施の形態では、圧力スイング吸着法によるガス分離として、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程をこの順に順次繰り返す３工程のものを例示したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、洗浄工程を含まない圧力スイング吸着法によるガス分離に対して適用することも可能であり、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程以外の工程を含む圧力スイング吸着法によるガス分離に対して適用することも可能である。すなわち、本発明を適用する圧力スイング吸着法によるガス分離は、吸着工程および脱着工程をこの順に順次繰り返す２工程のもの（吸着工程の次工程が脱着工程となるもの）であってもよいし、これら２工程または上述した３工程（吸着工程、洗浄工程、および脱着工程）に、その他のガス導入工程やガス排出工程等の各種工程を組み合わせたものであってもよい。
【０１２７】
また、上述した実施の形態では、１つの吸着塔を備えたガス分離装置を例示したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明の実施の形態にかかるガス分離装置は、複数（２つ以上）の吸着塔を備えたものであってもよい。この場合、複数の吸着塔の各々について、上述した実施の形態の場合（図１参照）と同様に、原料ガス導入部、洗浄ガス導入部、ガス脱着回収部、ガス排出部、複数の測温部、圧力計、および制御部等の装置を適宜設けてもよい。すなわち、本発明において、吸着塔の設置数は特に問われない。
【０１２８】
さらに、上述した実施の形態では、吸着塔内の吸着剤の温度を測定する４つの測温部を備えたガス分離装置を例示したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明の実施の形態にかかるガス分離装置は、上述した４つの測温部を備えたものに限らず、吸着塔内における原料ガスまたは洗浄ガス等のガスの流通方向に沿った吸着剤の複数位置を測定する複数（２つ以上）の測温部を備えたものであってもよい。この場合、複数の測温部のうちの１つは、吸着塔の排気端部近傍の位置における吸着剤の温度を測定するものであることが望ましい。また、これら複数の測温部によって温度を測定される吸着塔内の吸着剤の位置は、上述した４つに限らず、２つ以上であってもよい。
【０１２９】
また、上述した実施の形態では、貯蔵タンク６ｄ内から洗浄ガス流通管５ａを通じて吸着塔２内へ洗浄ガス２３を送り込む送風機５ｃを備えたガス分離装置１を例示したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明では、貯蔵タンク６ｄ内に貯蔵された目的成分ガスの圧力により、貯蔵タンク６ｄ内から洗浄ガス流通管５ａを通じて吸着塔２内へ洗浄ガス２３を導入可能であれば、送風機５ｃは、洗浄ガス流通管５ａに設けなくてもよい。
【０１３０】
また、上述した実施の形態により本発明が限定されるものではなく、上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。その他、上述した実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例および運用技術等は全て本発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１３１】
１  ガス分離装置
２  吸着塔
２ａ  入出端部
２ｂ  排気端部
２ｃ  共通管
３  吸着剤
４  原料ガス導入部
４ａ  原料ガス流通管
４ｂ，５ｂ，６ｂ  自動弁
４ｃ，５ｃ  送風機
５  洗浄ガス導入部
５ａ  洗浄ガス流通管
６  ガス脱着回収部
６ａ  脱着ガス流通管
６ｃ  真空ポンプ
６ｄ  貯蔵タンク
６ｅ  送出管
６ｆ  開閉弁
７  ガス排出部
７ａ  排気管
７ｂ  背圧弁
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ  測温部
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ  温度センサ
１０  圧力計
１１  制御部
２１  原料ガス
２２  脱着ガス
２３  洗浄ガス
２４  オフガス
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４  位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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