专利名称：目标气体分离方法
技术领域：
本发明涉及一种通过变压吸附法(PSA法)，从混合气体中分离目标气体(例如氢气)的方法。
背景技术：
作为用于从混合气体中分离氢气等的目标气体的一种方法，众所周知有PSA法。在PSA法中，使用的装置装备有例如2～4个充填了吸附剂的吸附塔，在各吸附塔中，反复进行由吸附工序、减压工序、解吸工序、清洗工序、升压工序等所构成的一个循环。例如，像日本特开昭58-40126号公报、日本特开平1-63019号公报、日本特开平8-10551号公报等中所公开的一样，从谋求被取得的目标气体的纯度或回收率的提高等观点来看PSA法，已开发有种种技术。
众所周知如下一种技术，例如将从吸附工序中的吸附塔导出的制品气体，通过作为清洗气体供给于结束了解吸工序的其他的吸附塔中，来清洗上述其他吸附塔。此外，众所周知还有如下一种技术，在结束吸附工序的高压吸附塔和结束清洗工序的其他低压吸附塔之间，通过谋求均压化，同时进行吸附工序后的吸附塔的减压和清洗工序后的其他的吸附塔的升压。
图11A～图11C、图12A～图12C、以及图13A～图13C表示含有这些两种技术的目前PSA法的一连串工序。在此方法中，使用具备填充有预定的吸附剂的三个吸附塔A、B、C的装置，反复进行由步骤I～IX所构成的一个循环。
图11A表示步骤I。在步骤I中，在吸附塔A，B，C内，分别进行吸附工序、第一升压工序、以及减压工序。在吸附塔A中导入含有目标气体的混合气体G1’，并且使混合气体G1’中不需要的成分吸附于塔内的吸附剂，然后被富含目标气体的制品气体G2’被导出塔外。吸附塔B、C被均压化处理。具体的说，从完成吸附工序乃至后续的步骤IX而处于高压状态的吸附塔C，导出目标气体浓度较高的气体G3’，该气体G3’被导入完成清洗工序乃至后续的步骤IX而处于低压状态的吸附塔B。由此，吸附塔C的内部压力下降，同时吸附塔B的内部压力上升。
图11B表示步骤II。在步骤II中，在吸附塔A内接着步骤I进行吸附工序，在吸附塔B、C中分别进行第二升压工序以及解吸工序。在吸附塔B中，通过从吸附塔A导出的制品气体G2’的一部分被导入塔内，内部压力进一步上升。在吸附塔C中，残留在塔内的气体作为排出气体G4’被排出塔外，而且，起因于伴随该排出所引起减压而不需要成分从吸附剂解吸，并且该解吸气体也作为排出气体G4’排出塔外。
图11C表示步骤III。在步骤III中，在吸附塔A内接着步骤II进行吸附工序，在吸附塔B中接着步骤II进行第二升压工序，在吸附塔C中进行清洗工序。在吸附塔C中，从吸附塔A导出的制品气体G2’的一部分被导入塔内，而且，排出气体G4’被排出塔外，由此，清洗吸附剂。
图12A～图12C表示步骤IV～VI。在步骤IV～VI中，和在步骤I～III中在吸附塔A中所进行的一样，在吸附塔B中一直进行吸附工序，和在步骤I～III中在吸附塔B中所进行的一样，在吸附塔C中，顺次进行第一升压工序及第二升压工序，和在步骤I～III中在吸附塔C中所进行的一样，在吸附塔A中，顺次进行减压工序、解吸工序、以及清洗工序。
图13A～图13C表示步骤VII～IX。在步骤VII～IX中，和在步骤I～III中在吸附塔A中所进行的一样，在吸附塔C中一直进行吸附工序，和在步骤I～III中在吸附塔B中所进行的一样，在吸附塔A中，顺次进行第一升压工序及第二升压工序，和在步骤I～III中在吸附塔C中所进行的一样，在吸附塔B中，顺次进行减压工序、解吸工序、以及清洗工序。
若通过这样的目前方法，则经过步骤I～IX能够连续地得到，从混合气体G1’除去不需要成分而富含目标气体的制品气体G2’。
可是，在图11A～图13C所示的目前目标气体分离方法中，不能有效地利用在结束吸附工序的吸附塔中存在的气体G3’(该气体具有接近制品气体的高目标气体浓度)。例如，在步骤I中，由于从结束吸附工序的吸附塔C导入到吸附塔B气体G3’，则两塔最终达到同一内部压力，并且在之后的步骤II中，残留在吸附塔C中的相当多的气体G3’(目标气体浓度的依然较的高的气体)，作为G4’的一部分被排出装置外。虽然在步骤I中，在导入吸附塔B中的气体G3’中所包含的目标气体最终作为制品气体G2’被回收，但在步骤II中，在从吸附塔C排出的气体G4’中所包含的目标气体，作为制品气体G2’未被回收而被损失掉。这种目标气体的损失，在步骤V、VIII中也有所发生。
此外，在图11A～图13C所示的目前目标气体分离方法中，仅有制品气体G2’作为用于清洗结束解吸工序的吸附塔的清洗气体而被浪费掉。由于在吸附塔的清洗中，需要相当多的清洗气体，所以仅以制品气体G2’供给清洗气体，会出现目标气体损失量的增大。例如，在吸附塔C的清洗中，在步骤III中浪费了从吸附工序中吸附塔A导出的制品气体G2’中比较大量的一部分。这样的目标气体的损失，在步骤VI中吸附塔A的清洗、以及在步骤IX中在吸附塔B的清洗中也有所发生。
在目前的目标气体分离方法中，如上所述，存在目标气体的损失量变得较大的倾向，其结果在于，会出现不能达到充分的目标气体回收率的情况。
发明内容
本发明目的在于，提供一种出于上述情况所考虑得到的、可以在PSA法中达到很高的目标气体回收率的目标气体分离方法。
根据本发明，可以提供一种用于使用多个填充有吸附剂的吸附塔并从混合气体中分离目标气体的方法。在该方法中，在各吸附塔中反复进行含有如下工序的一个循环，这些工序包括用于将混合气体导入被选择的一个的吸附塔，并使包含在该混合气体中的不需要成分吸附于吸附剂，而后将富含目标气体的制品气体从该吸附塔中导出的吸附工序；用于通过导出第一导出气体，使吸附塔的内部压力下将至第一中间压力的第一减压工序；用于通过导出第二导出气体，使吸附塔的内部压力进一步下降到第二中间压力的第二减压工序；用于从吸附剂解吸不需要成分并将其排出的解吸工序；用于向吸附塔导入清洗气体，同时从该吸附塔排出排出气体的清洗工序；用于通过向吸附塔中通过导入升压气体，使该吸附塔的内部压力上升的升压工序。从第一减压工序中吸附塔导出的第一导出气体，作为清洗气体被导入清洗工序中吸附塔，从第二减压工序中吸附塔导出的第二导出气体，作为升压气体被导入升压工序中吸附塔。
在基于多塔式PSA法的目标气体分离方法所涉及的目前技术中，在清洗工序中吸附塔乃至吸附剂的清洗中，多存在仅使用制品气体作为清洗气体的情形。如果只着眼于吸附剂的再生效率(清洗效率)，则考虑有，不需要成分浓度很低的制品气体的一方，比在结束吸附工序的吸附塔内所残留的准制品气体(比制品气体的目标气体浓度低的气体)更适合作为清洗气体。可是，由于在吸附塔的清洗中需要相当多的清洗气体，所以仅以制品气体用作清洗气体，会导致目标气体损失量增大。
在目前的技术中，作为用于清洗工序中的吸附塔的清洗气体，有在吸附工序后的减压工序中，使用从其他的吸附塔导出的准制品气体代替制品气体的情况。可是，在该目前方法中，该其他的吸附塔的减压工序是在比较高的预定压力下结束，在结束减压工序的该其他的吸附塔内，尽管相当多的目标气体与不需要成分一起残存，但该残存目标气体，在减压工序后的解吸工序中被释放到大气等。
在吸附工序后被减压的吸附塔内，在吸附工序中吸附在吸附剂上的不需要成分从该吸附剂所解吸量伴随着压力下将而逐渐增加，在目前的技术中，考虑到不需要成分的解吸量在比较高的压力时变得过大。如果将不需要成分浓度的过大的气体使用于其它的吸附塔的清洗，则不能充分地再生乃至清洗该吸附塔内的吸附剂。因此，在目前的技术中，即使在使用从减压工序中的吸附塔导出的准制品气体，作为用于其他的吸附塔的清洗气体的情况下，该减压工序在比较高的预定压力下结束，并在之后的解吸工序中，使含有相当多的目标气体的气体排出塔外。除此之外，对于清洗对象的吸附塔，需要使用相当多的制品气体作为清洗气体，进一步进行清洗。在解吸工序中相当多的目标气体的损失、以及作为清洗气体的相当多的制品气体的使用，并不会达到较高的目标气体回收率。
然而，本发明者们得到如下见解，即使对在吸附工序后被减压的吸附塔，超过目前假定的减压工序结束压力而降压，从该吸附塔所导出气体的不需要成分浓度也有被维持较低倾向。具体的说，会得到如下见解，由于即使通过减压工序中吸附塔内的降压，一旦不需要成分从吸附剂解吸，也会在塔内的吸附剂上充分地残留可以吸附不需要成分的空余，所以，解吸气体的至少一部分存在再次被吸附于同一吸附塔内的吸附剂中在其他位置的倾向，因此，即使对减压对象的吸附塔，超过目前假定的减压工序结束压力而降压，在到预定的压力之前，从该吸附塔导出的气体的不需要成分浓度也会维持较低。
在本发明中，基于上述见解，将来自第一减压工序中吸附塔的、具有接近制品气体的高目标气体浓度的准制品气体，作为清洗气体导入清洗对象的吸附塔，同时接着第一减压工序，将来自第二减压工序中吸附塔的、依然具有接近制品气体的高目标气体浓度的准制品气体，作为升压气体导入升压对象的吸附塔。这样，通过有效活用含有在第一及第二减压工序中从吸附塔导出的气体中的目标气体，可以达到很高的目标气体回收率。
优选本方法的一个循环，在升压工序后，还含有用于通过将追加升压气体导入吸附塔，使该吸附塔的内部压力进一步上升的追加升压工序，而且，从吸附工序中吸附塔所导出的制品气体的一部分，作为追加升压气体被导入追加升压工序中的吸附塔。这样的结构，在利用升压工序中的吸附塔和第二减压工序中的吸附塔之间的均压化，而使升压工序中的吸附塔内部压力上升的情况下，特别地适宜。根据本构成，可以通过目标气体浓度高而且高压力的导入，达成仅由均压化所不能达成的压力上升。
优选本发明的一个循环，在清洗工序后，还含有在将追加清洗气体导入吸附塔的同时，从该吸附塔为了排出排出气体的追加清洗工序，而且，从吸附工序中的吸附塔导出的制品气体的一部分，作为追加清洗气体被导入追加清洗工序中的吸附塔。优选以制品气体进行清洗代替以准制品气体进行清洗，可以提高吸附剂的再生效率。
在解吸工序中吸附塔内的最低压力为0％，吸附工序中吸附塔内的最高压力为100％的情况下，第一中间压力，优选范围为35～80％，进一步优选范围为35～65％。在这种情况下，第二中间压力，优选范围为15～50％，进一步优选范围为15～40％。
根据本发明，通过适当地改变第一减压工序中第一中间压力的值或第一导出气体的量，以及第二减压工序中第二中间压力的值或者第二导出气体的量，能够将目标气体的回收率控制在一定的范围内。例如，在吸附塔的第一中间压力变为约吸附工序最高压力一半时，进行第一减压工序(与清洗工序中吸附塔有关的清洗工序)，在吸附塔的第二中间压力变为约第一中间压力的一半时，进行第二减压工序(与升压工序的吸附塔有关的升压工序)，这种情况下，存在得到最大的回收率的倾向。
优选混合气体含有作为目标气体的氢气，以及作为不需要成分的二氧化碳气体。本发明所适用的混合气体并没有特别的被限定，但在混合气体含有作为目标气体的氢气和作为不需要成分的二氧化碳气体的情况下，很明显可以优选适用于本发明。在这种情况下，吸附工序最高压力被设定在例如0.5～10MPa(表压)的范围内，解吸工序的解吸最低压力被设定在例如0～500KPa(表压)。
图1表示用于实施本发明的目标气体分离方法的PSA分离装置的概略机构。
图2表示与第一实施方式的目标气体分离方法的各步骤相关的，在各吸附塔所进行的工序和图1所示的PSA分离装置的各自动阀的开关状态。
图3A～图3C表示第一实施方式的目标气体分离方法中步骤S1～S3的气体流动状态。
图4A～图4C表示接着步骤S3之后，步骤S4～S6的气体流动状态。
图5A～图5C表示接着步骤S6之后，步骤S7～S9的气体流动状态。
图6表示与第二实施方式的目标气体分离方法的各步骤相关的，在各吸附塔所进行的工序和图1所示的PSA分离装置的各自动阀的开闭状态。
图7表示第二实施方式的目标气体分离方法中步骤S1’的气体流动状态。
图8表示第二实施方式的目标气体分离方法中步骤S4’的气体流动状态。
图9表示第二实施方式的目标气体分离方法中步骤S7’的气体流动状态。
图10表示实施例1～4及比较例的减压工序的压力、得到的氢气的纯度以及回收率。
图11A～图11C表示目前的目标气体分离方法中步骤I～III的气体流动状态。
图12A～图12C表示接着步骤III之后，步骤IV～VI的气体流动状态。
图13A～图13C表示接着步骤VI之后，步骤VII～IX的气体流动状态。
具体实施例方式
图1表示用于实施本发明第一实施方式的目标气体分离方法的PSA分离装置X。PSA分离装置X具备三个的吸附塔A、B、C，混合气体用的管道11，制品气体用的管道12，减压用的管道13，气体导入用的管道14，制品气体逆流用的管道15、16，气体排出用的管道17。在本实施方式中，PSA分离装置X的结构在于，通过PSA法，能够从含有氢气的混合气体中除去不需要成分而分离氢气。
在各吸附塔A、B、C中填充吸附剂。在将二氧化碳气体或甲烷气体作为不需要成分除去的情况下，例如采用碳系吸附剂作为吸附剂。在将一氧化碳气体或氮气作为不需要成分除去的情况下，采用例如沸石系吸附剂。在将水蒸气作为不需要成分除去的情况下，采用例如氧化铝吸附剂。在单个吸附塔中，可以充填一种吸附剂，也可以充填多种吸附剂。
在各管道11～17上配置有自动阀2a～2r。在管道13、14、16上设置有流量调节阀3a～3c。
在本实施方式中，使用具有如上构成的PSA分离装置X，从而可以通过PSA分离法，从含有氢的混合气体中除去不需要成分，其结果为，可以得到富含氢的制品气体，即富含氢气乃至浓缩氢气。在PSA分离装置X的驱动时，通过适宜地切换各自动阀2a～2r的开闭状态，决定在吸附塔A、B、C及管道11～17中气体的流动状态，并反复进行由图2所示的步骤S1～S9所构成的一个循环。如果着眼于单个吸附塔，则在一个循环中，按照顺序进行吸附工序、第一减压工序、第二减压工序、解吸工序、清洗工序、第一升压工序、以及第二升压工序。图2中还表示有各步骤S1～S9中各自动阀2a～2r的开闭状态。
图3A～图3C、图4A～图4C、以及图5A～图5C表示在步骤S1～S9的PSA分离装置X中气体的流动状态。在这些的图中，气体流用带箭头粗线表示。
在步骤S1中，如图2所示地选择各自动阀2a～2r的开关状态，从而达成如图3A所示的气体流动状态，并且在吸附塔A、B、C中，分别进行吸附工序、清洗工序、以及第一减压工序。
如一并参照图1及图3A所很好理解的，在步骤S1中，含有氢气的混合气体G1，经过管道11及自动阀2a被导入吸附塔A中。在吸附塔A中，通过吸附剂吸附除去包含在混合气体G1中的不需要成分，氢浓度高的气体作为制品气体G2被导出塔外。该制品气体G2，经过自动阀2i及管道12被回收在图外的槽。
与此同时，在本步骤中，清洗气体被从吸附塔C供给到吸附塔B。具体的说，从结束吸附工序乃至后续的步骤S9而呈高压状态的吸附塔C，导出氢气浓度比较高的准制品气体G3，该准制品气体G3，经过自动阀2n、管道13、流量调节阀3、自动阀2p、管道14、以及自动阀2j，作为清洗气体被导入，在结束解吸工序乃至后续的步骤S9而呈低压状态的吸附塔B内。由此，吸附塔C的内部压力下降至第一中间压力，同时从吸附塔B排出排出气体G4。该排出气体G4经过过自动阀2d及管道17，被排出到例如大气。
在步骤S2中，图2所示地选择各自动阀2a～2r的开闭状态，从而达成图3所示的气体流动状态，并且在吸附塔A中，从步骤S1继续进行吸附工序，在吸附塔B、C中，分别进行第一升压工序及第二减压工序。
如一并参照图1及图3B所很好理解的，在步骤S2中，谋求吸附塔B、C的均压化。具体的说，依然氢气浓度比较高的准制品气体G3从步骤S1继续被从吸附塔C导出，该准制品气体G3，经过自动阀2n、管道13、流量调节阀3a、自动阀2p、管道14、以及自动阀2j，作为升压气体被导入吸附塔B。由此，吸附塔C的内部压力下降至第二中间压力，吸附塔B的内部压力上升。
在步骤S3中，如图2所示地选择各自动阀2a～2r的开关状态，从而达成图3所示的气体流动状态，并在吸附塔A中，从步骤S1接着进行吸附工序，在吸附塔B、C中，进行第二升压工序及解吸工序。
如一并参照图1及图3C所很好理解的，在步骤S3中，来自吸附塔A的制品气体G2的一部分，经过管道12、管道15、自动阀2q、流量调节阀3b、管道14、以及自动阀2j，被导入吸附塔B。由此，吸附塔B的内部压力进一步上升。在经过步骤S1、S2而内部压力下降的吸附塔C中，不需要成分从吸附剂解吸，主要含有该不需要成分的排出气体G4，被经过自动阀2f及管道17，从吸附塔C排出到装置外。
图4A～图4C表示步骤S4～S6。在步骤S4～S6中，与在步骤S1～S3的吸附塔A中所进行的一样地，在吸附塔B中一直进行吸附工序，与在步骤S1～S3的吸附塔B中所进行的一样地，在吸附塔C中，按顺序进行清洗工序、第一升压工序、以及第二升压工序，与在步骤S1～S3的吸附塔C中所进行的一样地，在吸附塔A中，按顺序进行第一减压工序、第二减压工序、以及解吸工序。
图5A～图5C表示步骤S7～S9。在步骤S7～S9中，与在步骤S1～S3的吸附塔A中所进行的一样地，在吸附塔C中一直进行吸附工序，与在步骤S1～S3的吸附塔B中所进行的一样地，在吸附塔A中，按顺序进行清洗工序、第一升压工序、以及第二升压工序，与在步骤S1～S3的吸附塔C中所进行的一样地，在吸附塔B中，按顺序进行第一减压工序、第二减压工序、以及解吸工序。
在使用单个吸附塔的上述一连串工序中，在解吸工序中吸附塔内的最低压力为0％，且吸附工序中吸附塔内的最高压力为100％的情况下，第一中间压力优选被设定在35～80％，进一步更好为35～65％的范围内，而且，第二中间压力优选被设定在15～50％，进一步优选为15～40％的范围内。
根据如上的方法，经过步骤S1～S9，能够连续地得到从混合气体G1除去不需要成分且被富含目标气体的制品气体G2。
在如上的本发明的目标气体分离方法中，来自第一减压工序中吸附塔的、具有接近制品气体的高目标气体浓度的准制品气体G3，作为清洗气体被导入清洗对象的吸附塔，同时接着第一减压工序，来自第二减压工序中吸附塔的、具有依然接近制品气体的高目标气体浓度的气体准制品气体G3，作为升压气体被导入升压对象的吸附塔。通过如上地有效活用包含在第一及第二减压工序中从吸附塔被导出的准制品气体G3中的目标气体，可以达成较高的目标气体回收率成。
虽然在接下来的实施方式中使用PSA分离装置X的管道16、流量调节阀3c、以及自动阀2r，但本实施方式的方法中并不使用。因此，在实施本实施方式的方法基础上，还可以使用具有在PSA分离装置X中除去它们的结构的装置。
图6表示与使用PSA分离装置X而进行的第二实施方式的目标气体分离方法的各步骤有关的、在各吸附塔进行的工序和PSA分离装置X的各自动阀2a～2r的开闭状态。在本实施方式中，通过如图6所示地切换PSA分离装置X驱动时的各自动阀2a～2r的开闭状态，决定在吸附塔A、B、C及管道11～17中气体的流动状态，并反复进行由图6所示的步骤S1～S9所构成的一个循环。如果着眼于单个吸附塔，则在一个循环中，按顺序进行吸附工序，第一减压工序、第二减压工序、解吸工序、第一清洗工序、第二清洗工序、第一升压工序，以及第二升压工序。
与本实施方式有关的方法，从在步骤S1、S2之间追加步骤S1’，在步骤S4、S5之间追加步骤S4’，在步骤S7、S8之间追加步骤S7’这点来看，实质上与第一的实施方式的方法有所不同。
在步骤S1’中，如图6所示地选择各自动阀2a～2r的开闭状态，从而达成如图7所示的气体流动状态。
在图3A所示步骤S1的下面的本步骤中，在吸附塔A中，从步骤S1继续吸附工序被进行。在步骤S1中结束清洗工序(第一清洗工序)的吸附塔B中，再一次被进行清洗工序(第二清洗工序)。具体的说，如一并参照图1及图7所很好理解的，来自吸附塔A的制品气体G2的一部分，经过自动阀2i、管道12、管道15、自动阀2r、流量调节阀3c、管道16、管道13、流量调节阀3a、自动阀2p、管道14、以及自动阀2j被导入吸附塔B。与此同时，从吸附塔B排出排出气体G4。该排出气体G4被经过自动阀2d及管道17排出装置外。在本步骤中，吸附塔C不流通气体而处于待机状态，并在接下来的步骤S2具备第二减压工序。
在本步骤中，在吸附塔B继续进行使用从第一减压工序中的吸附塔C供给的准制品气体G3作为清洗气体的步骤S1中的第一清洗工序，并且进行使用制品气体G2作为清洗气体的第二清洗工序。因此，促进了吸附塔B的吸附剂的清洗再生。在此第二清洗工序中所使用的制品气体G2的流量，在考虑有吸附塔B中吸附剂的填充容积等后，通过流量调节阀3c进行调节。
在步骤S4’中，如图6所示地选择各自动阀2a～2r的开闭状态，从而达成图8所示的气体流动状态。
在图4A所示步骤S4的接下来的步骤中，在吸附塔B中，从步骤S4接着进行吸附工序。在步骤S4中结束清洗工序(第一清洗工序)的吸附塔C中，再一次进行清洗工序(第二清洗工序)。具体的说，如一并参照图1及图8所很好理解的，来自吸附塔B的制品气体G2的一部分，经过自动阀21、管道12、管道15、自动阀2r、流量调节阀3c、管道16、管道13、流量调节阀3a、自动阀2p、管道14、以及自动阀2m被导入吸附塔C。与此同时，从吸附塔C排出排出气体G4。该排出气体G4被经过自动阀2f及管道17排出装置外。在本步骤中，吸附塔A不流通气体而处于待机状态，并且具备在接下来的步骤S5的第二减压工序。
在本步骤中，在吸附塔C中，继续进行使用从第一减压工序中的吸附塔所供给的准制品气体G3作为清洗气体的步骤S4的第一清洗工序，并且进行使用制品气体G2作为清洗气体的第二清洗工序。因此，促进吸附塔C的吸附剂的清洗再生。在该第二清洗工序中所使用的制品气体G2的流量，在考虑有吸附塔C的吸附剂的充填容积等后，通过流量调节阀3c进行调节。
在步骤S7’中，如图6所示地选择各自动阀2a～2r的开闭状态，从而达成图9所示的气体流动状态。
在图5A中所示的步骤S7的接下来的步骤中，在吸附塔C中，从步骤S7继续进行吸附工序。在步骤S7中结束清洗工序(第一清洗工序)的吸附塔A中，再一次进行清洗工序(第二清洗工序)。具体的说，如一并参照图1及图9所很好理解的，来自吸附塔C的制品气体G2的一部分，经过自动阀2o、管道12、管道15、自动阀2r、流量调节阀3c、管道16、管道13、流量调节阀3a、自动阀2p、管道14、以及自动阀2g被导入吸附塔A。与此同时，从吸附塔A排出排出气体G4。该排出气体G4被经过自动阀2b及管道17排出装置外。在本步骤中，吸附塔B不流通气体而处于待机状态，并且具备接下来的步骤S8的第二减压工序。
在本步骤中，在吸附塔A中，继续使用从第一减压工序中的吸附塔B所供给的准制品气体G3作为清洗气体的步骤S7的第一清洗工序，并且进行使用制品气体G2作为清洗气体的第二清洗工序。因此，促进吸附塔A的吸附剂的清洗再生。在该第二清洗工序中所使用的制品气体G2的流量，在考虑有吸附塔A中吸附剂的充填容积等后，通过流量调节阀3c进行调节。
在用单个吸附塔所进行的上述的一连串的工序中，将在解吸工序中吸附塔内的最低压力设为0％，将在吸附工序吸附塔内的最高压力设为100％时，第一中间压力优选设定在35～80％的范围内，进一步优选设定在35～65％的范围内，而且，第二中间压力优选设定在15～50％的范围内，进一步优选设定在15～40％的范围内。
根据这样的方法，可以经过步骤S1～S9而连续地得到，从混合气体G1除去不需要成分而富含目标气体的制品气体G2。
在如上的目标气体分离方法中，来自第一减压工序中吸附塔的、具有接近制品气体的高目标气体浓度的准制品气体G3，作为清洗气体被导入清洗对象的吸附塔，同时，接着第一减压工序，来自第二减压工序中吸附塔的、依然具有接近制品气体的高目标气体浓度的准制品气体G3，作为升压气体被导入升压对象的吸附塔。通过在第一及第二减压工序中，这样的有效活用包含在从吸附塔导出的准制品气体G3中的目标气体，可以达成高目标气体回收率。
在此基础之上，在本方法中，由于通过准制品气体G3对吸附塔A、B、C进行清洗，并通过制品气体G2实施清洗，所以吸附塔A、B、C内的吸附剂的再生效率存在升高的倾向。
使用图1所示的PSA分离装置X，进而通过反复进行由图2及图3A～图5C所示的各工序所构成的一个循环，进行从含有氢气的混合气体中分离氢气气体。本实施例，对应第一的实施方式。
在本实施例中，各吸附塔具有直径为50mm的圆筒形状。在各吸附塔内，充填2.935升含有体积比为1∶1.3的沸石分子筛(Ca5A型)和碳分子筛的混合体。所使用的混合气体含有氢气77.77vol％、二氧化碳气体19.62vol％、一氧化碳气体1vol％、以及甲烷气体1.61vol％。在PSA分离装置X中，以851NL/hr的速度供给该混合气体。吸附工序中的吸附塔内的最高压力为850kPa(表压)，第一减压工序中的吸附塔内的最终压力为650kPa(表压)，第二减压工序中的吸附塔内的最终压力为325kPa(表压)，解吸工序中的吸附塔内的最低压力为6kPa(表压)。
根据本实施例的方法，能够以76.5％的回收率得到纯度为99.999vol％的氢气气体。这些结果，以及第一及第二减压工序的最终压力，在图10的表中有所表示。
在本实施例中，以520kPa(表压)代替650kPa作为第一减压工序最终压力，而且，260kPa(表压)代替325kPa作为第二减压工序最终压力取作，除此之外，与实施例一一样，进行从混合气体中分离氢气气体。
根据本实施例的方法，能够以78.3％的回收率得到纯度为99.999vol％的氢气气体。这些结果，以及第一及第二减压工序最终压力，在图10的表中有所表示。
在本实施例中，以450kPa(表压)代替650kPa作为第一减压工序最终压力，而且，以225kPa(表压)代替325kPa作为第二减压工序最终压力取作，除此之外，与实施方式一一样，进行从混合气体中分离氢气气体。
根据本实施例的方法，能够以80.2％的回收率得到纯度为99.999vol％的氢气气体。这些结果，以及第一及第二减压工序最终压力，在图10的表中有所表示。
在本实施例中，以370kPa(表压)代替650kPa作为将第一减压工序最终压力，而且，以185kPa(表压)代替325kPa作为第二减压工序最终压力取作，除此之外，与实施例一一样，进行从混合气体中分离氢气气体。
根据本实施例的方法，能够以78.0％的回收率得到纯度为99.999vol％的氢气气体。这些结果，以及第一及第二减压工序最终压力，在图10的表中有所表示。
使用图1所示的PSA分离装置X，从而通过反复进行由图11A～图13C所示的各工序所构成的一个循环，进行从含有氢气的混合气体中分离氢气气体。在本比较例中，在一个循环中对单个吸附塔进行一次减压工序，使该减压工序的最终压力为425kPa(表压)。此外，作为用于清洗吸附塔的清洗气体，使用来自吸附工序中的吸附塔的制品气体，而不使用来自减压工序中的吸附塔的气体。除此之外的条件，与根据本比较例的方法，不能仅以69.5％的回收率得到纯度为99.999vol％的氢气气体。这些结果以及减压工序最终压力，在图10的表中有所表示。
为了可以从图10的表加以理解，在一个循环中进行二道减压工序(第一及第二减压工序)，在第一减压工序中，通过将从吸附塔导出的准制品气体作为清洗气体而导入其他的吸附塔，来进行上述其他的吸附塔的清洗工序，在第二减压工序中，通过将从吸附塔导出的准制品气体作为升压气体而导入其他的吸附塔，来进行上述其他的吸附塔的升压工序，根据这些实施例1～4所涉及的方法，与在一个循环仅进行一道减压工序且使清洗气体全部用作制品气体的比较例所涉及的方法相比，可以大幅度地提升氢气气体回收率。
此外，如果比较实施例1～4，则通过在清洗中所使用的准制品气体的量和升压中所使用的准制品气体的量的平衡，可以理解氢气气体回收率变化。实施例3的方法，对氢气气体的回收率而言最为优良。
权利要求
1.一种目标气体分离方法，其特征在于，所述方法是使用填充吸附剂的多个吸附塔从混合气体分离目标气体的方法，所述方法在各吸附塔内反复进行一个循环，所述循环包含如下工序吸附工序，该工序将所述混合气体导入被选择的一个吸附塔中，并使含在该混合气体中的不需要成分吸附于所述吸附剂，并将富含所述目标气体的制品气体导出该吸附塔；第一减压工序，该工序通过导出第一导出气体，使所述吸附塔的内部压力下降到第一中间压力；第二减压工序，该工序通过导出第二导出气体，使所述吸附塔的内部压力进一步下降到第二中间压力；解吸工序，该工序从所述吸附剂解吸所述不需要成分的至少一部分并将其排出；清洗工序，该工序将清洗气体导入所述吸附塔，同时从该吸附塔排出排出气体；升压工序，该工序通过将升压气体导入所述吸附塔，使该吸附塔的内部压力上升，从所述第一减压工序中吸附塔导出的所述第一导出气体，作为所述清洗气体被导入所述清洗工序中的吸附塔，而从所述第二减压工序中吸附塔导出的所述第二导出气体，作为所述升压气体被导入所述升压工序中的吸附塔。
2.如权利要求1所述的目标气体分离方法，其特征在于，所述一个循环，包括在所述升压工序后，用于通过将追加升压气体导入所述吸附塔，使该吸附塔的内部压力进一步上升的追加升压工序，而从所述吸附工序中吸附塔导出的所述制品气体的一部分，作为所述追加升压气体被导入所述追加升压工序中的吸附塔。
3.如权利要求1所述的目标气体分离方法，其特征在于，所述一个循环，包括在所述清洗工序之后，用于将追加清洗气体导入所述吸附塔，同时从该吸附塔排出排出气体的追加清洗工序，而从所述吸附工序中吸附塔导出的所述制品气体的一部分，作为所述追加清洗气体被导入所述追加清洗工序中的吸附塔。
4.如权利要求1所述的目标气体分离方法，其特征在于，在所述解吸工序中所述吸附塔内的最低压力为0％，所述吸附工序中所述吸附塔内的最高压力为100％的情况下，所述第一中间压力在35～80％的范围内。
5.如权利要求4所述的目标气体分离方法，其特征在于，所述第二中间压力在15～50％的范围内。
6.如权利要求1所述的目标气体分离方法，其特征在于，所述混合气体含有作为目标气体的氢气，以及作为不需要成分的二氧化碳气体。
全文摘要
本发明涉及一种使用多个充填吸附剂的吸附塔的气体分离方法，在各塔中反复进行包含一连串的工序(吸附、第一减压、第二减压、解吸、清洗、升压)的一个循环。在吸附工序中，将混合气体导入塔中，并使不需要成分吸附于吸附剂，而且将制品气体导出塔外。在第一减压工序中，通过气体导出使塔的内部压力下降。在第二减压工序，通过气体导出使塔的内部压力进一步下降。在解吸工序中，使不需要成分从吸附剂解吸而排出塔外。在清洗工序中，一同进行气体导入和气体排出。在升压工序中，通过气体导入使塔的内部压力上升。来自第一减压工序中的塔的气体被导入清洗工序中的塔，来自第二减压工序中的塔的气体被导入升压工序中的塔。
文档编号B01D53/04GK1671462SQ0381825
公开日2005年9月21日 申请日期2003年8月6日 优先权日2002年8月7日
发明者住田俊彦, 笹野广昭, 三宅正训 申请人:住友精化株式会社