JP5675505B2 - 目的ガス分離方法、および目的ガス分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力変動吸着法を利用して、例えば二酸化炭素、或は一酸化炭素などの目的ガスを含む混合ガスから目的ガスを濃縮分離するための方法および装置に関する。

二酸化炭素は、地球温暖化問題の主因ガスであり、地球温暖化の対策として、燃料消費量ないし二酸化炭素排出量の削減等を目的とする省エネルギー技術と並んで、二酸化炭素の分離回収ないし固定化技術の早期実用化が望まれている。一方、製鉄所で副生する、例えば熱風炉ガス、転炉ガス、転炉燃焼ガスなどは、二酸化炭素を比較的多く含む混合ガスである。このような製鉄所副生ガスなどの二酸化炭素含有混合ガスからは、二酸化炭素を濃縮分離することができる。

一酸化炭素は、ポリカーボネートや自動車部品（インナーパネル等）用途のポリウレタン等の高機能樹脂材料の原料として、或は、酢酸やアルデヒド類などの化成品の原料として、化学工場で広く利用されている。一方、メタノール、ＬＰＧ、重油、コークス等の分解ガスや製鉄所で副生する転炉ガスなどは、一酸化炭素を比較的多く含む混合ガスである。このような転炉ガスなどの一酸化炭素含有混合ガスからは、一酸化炭素を濃縮分離することができ、当該一酸化炭素は、上述のような化学品原料として、有効利用され得る。

二酸化炭素、或は一酸化炭素などの目的ガスを含む混合ガスから当該目的ガスを濃縮分離するための方法として、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）が知られている。この手法では、目的ガス（例えば二酸化炭素、或は一酸化炭素など）を選択的に吸着する吸着剤が充填された複数の吸着塔が使用される。ＰＳＡ法を利用した従来の目的ガス分離方法においては、吸着塔にて、例えば吸着工程、洗浄工程、および脱着工程が実行される。吸着工程では、原料ガスとしての目的ガスを含む混合ガスを吸着塔に導入して当該混合ガス中の目的ガスを吸着剤に吸着させつつ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出する。洗浄工程では、吸着塔に対し、目的ガス純度の高いガスを洗浄ガスとして通流させて当該吸着塔から洗浄オフガスを導出する。脱着工程では、吸着塔内を所定圧力まで減圧することによって目的ガスを吸着剤から脱着させ、この目的ガスを主に含む脱着ガスを塔外へ導出する。この脱着工程にて吸着塔から導出された脱着ガスが、純度の高められた目的ガスとして取得される。なお、脱着工程における吸着塔内の減圧操作は、例えば真空ポンプなどの減圧手段によって行う。ＰＳＡ法を利用した目的ガスの分離では、上記した吸着工程、洗浄工程、および脱着工程を含むサイクルが吸着塔の各々で繰り返し行われる。ＰＳＡ法を利用した二酸化炭素や一酸化炭素などの目的ガスの分離方法は、例えば下記の特許文献１，２に記載されている。

製鉄所においては多量のガスが副生されるので、製鉄所副生ガスを原料ガスとして行うガス分離においても、多量のガスを処理する必要がある。そのため、上記したＰＳＡ法を利用したガス分離の場合、ＰＳＡ法を実行するための装置も大規模となる傾向がある。ＰＳＡ用の装置のコンパクト化を図るための手法としては、例えば吸着工程、洗浄工程、および脱着工程から構成される１サイクルの時間（サイクルタイム）を短くすることが挙げられる。１つの吸着塔において上記した３つの工程を順次切り替えて１サイクルを構成するうえでは、３塔以上の吸着塔を用いて、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程を並行して実行するのが効率化の観点から望ましい。例えば３塔の吸着塔を用いて、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程を並行して実行する場合には、吸着工程にあるいずれかの吸着塔に原料ガスを連続的に導入可能である。この場合、各工程の切り替えの間隔を短くすることができれば、サイクルタイムを短縮することができる。サイクルタイムが短縮されると、１つの吸着塔において吸着工程、脱着工程を行うためにそれぞれ割り当てられる時間（吸着工程時間、脱着工程時間：サイクルタイムの１／３に相当する時間）も短くなる。吸着工程時間が短縮されると、吸着剤の破過時間を短く設定することができるので、吸着剤の充填量が少なくて済み、結果として、原料ガスを連続的に処理しつつ装置のコンパクト化を図ることができる。

しかしながら、ＰＳＡ法において脱着ガスを高純度目的ガスとして回収する場合、脱着工程における真空ポンプを用いた減圧操作では、吸着塔内が所定圧力に低下するまで一定時間を要する。したがって、短時間の減圧操作では吸着塔内が所定圧力まで到達しづらく、目的ガスの分離性能が悪化する虞があった。

特公平２−３９９２８号公報 特公昭６１−３７９６８号公報

本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、例えば二酸化炭素、或は一酸化炭素などの目的ガスを含む混合ガスからＰＳＡ法を利用して高純度の目的ガスを取得するのに際し、目的ガスの分離性能の悪化を防止しつつ、コンパクトな装置構成によって効率よく目的ガスを分離回収するのに適した方法および装置を提供することを課題としている。

本発明の第１の側面によって提供される目的ガス分離方法は、目的ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔を用いて、上記目的ガスを含む混合ガスから上記目的ガスを濃縮分離する方法であって、吸着塔に上記混合ガスを導入して当該混合ガス中の上記目的ガスを上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出する吸着工程と、吸着塔に洗浄ガスを導入し、当該吸着塔から洗浄オフガスを導出する洗浄工程と、吸着塔内を減圧して上記吸着剤から上記目的ガスを脱着させ、当該吸着塔から脱着ガスを導出する脱着工程と、を含むサイクルを上記吸着塔の各々において繰り返し行う目的ガスの分離方法において、上記混合ガスをいずれかの吸着塔に連続的に導入することにより、上記サイクルを通じていずれかの吸着塔にて上記吸着工程を常時的に行うとともに、上記脱着工程の開始から終了までの脱着工程時間は、上記吸着工程の開始から終了までの吸着工程時間よりも長くされている。

本方法においては、１サイクルを通じていずれかの吸着塔にて吸着工程が常時的に行われるとともに、脱着工程時間が吸着工程時間よりも長い。これにより、１サイクルのうちの所定時間において、異なる２つ以上の吸着塔にて脱着工程が並行して行われる。このように複数の吸着塔で脱着工程を並行して実行することにより、脱着工程時間を一定時間確保しつつ、サイクルタイムの短縮が可能となる。サイクルタイムの短縮に伴い吸着工程時間も短縮されるので、原料ガスの供給態様が同じであれば、吸着剤の破過時間を短く設定することができ、吸着剤の充填量が少なくて済む。その結果、吸着塔の内部容積を小さくすることができ、吸着塔を含む、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を実行するための装置のコンパクト化を図ることができる。したがって、本方法は、目的ガスを含む原料ガスからＰＳＡ法を利用して高純度の目的ガスを分離取得するのに際し、目的ガスの分離性能の悪化を防止しつつ、ＰＳＡ法の実行に係る装置のコンパクト化を図るのに適している。

好ましくは、上記洗浄工程の開始から終了までの洗浄工程時間は、上記吸着工程時間よりも短くされており、１つの吸着塔における上記脱着工程は、上記洗浄工程が終了した後の当該脱着工程の開始から、上記吸着工程にある他の吸着塔での当該吸着工程が終了するまで、上記１つの吸着塔から第１脱着ガスを導出する第１脱着工程と、上記１つの吸着塔から第２脱着ガスを導出する、上記第１脱着工程の後の第２脱着工程とを含む。

好ましくは、上記１つの吸着塔における上記第２脱着工程は、上記吸着工程にあるさらに他の吸着塔での当該吸着工程と並行して行われる。

好ましくは、上記洗浄工程では、目的ガスを貯留するための容器を経由した上記第１脱着ガスを、上記洗浄ガスとして洗浄対象の吸着塔に導入する。

好ましくは、上記洗浄工程では、上記容器を経由した上記第２脱着ガスも上記洗浄ガスとして洗浄対象の吸着塔に導入する。

好ましくは、上記第１脱着工程では、上記吸着塔内を減圧するための第１減圧手段により当該吸着塔内を減圧し、上記第２脱着工程では、上記吸着塔内を減圧するための第２減圧手段により当該吸着塔内を減圧する。

好ましくは、上記第２脱着工程では、当該第２脱着工程の開始から途中まで、上記第１減圧手段によっても上記吸着塔内を減圧する。

本発明の第２の側面によって提供される目的ガス分離装置は、目的ガスを含む混合ガスから上記目的ガスを濃縮分離する装置であって、第１ガス通過口および第２通過口を有し、当該第１および第２ガス通過口の間において目的ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔と、目的ガスを貯留するための容器と、上記吸着塔の内部を減圧する第１減圧手段および第２減圧手段と、混合ガス導入端を有する主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第１配管と、非吸着ガス導出端を有する主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第２配管と、洗浄オフガス導出端を有する主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第３配管と、上記第１減圧手段に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第４配管と、上記第１減圧手段および上記容器の間を連結する第５配管と、上記容器に接続され且つ開閉弁が付設された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第６配管と、上記第２減圧手段に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第７配管と、を備える。本装置によると、本発明の第１の側面に係る目的ガス分離方法を適切に実行することができる。

本発明の第２の側面において、好ましくは、上記第５配管および上記第２減圧手段の間を連結する第８配管を備える。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１の実施形態に係る目的ガス分離方法を実行するのに使用することのできるガス分離装置の概略構成を表す。 第１の実施形態に係る目的ガス分離方法の各ステップについて、各吸着塔で行われる工程、各減圧手段による減圧操作の対象となる吸着塔、および図１に示すガス分離装置の各自動弁の開閉状態を示す表である。 第１の実施形態に係る目的ガス分離方法のステップ１〜６におけるガス流れ状態を表す。 本発明の第２の実施形態に係る目的ガス分離方法を実行するのに使用することのできるガス分離装置の概略構成を表す。 第２の実施形態に係る目的ガス分離方法の各ステップについて、各吸着塔で行われる工程、各減圧手段による減圧操作の対象となる吸着塔、および図４に示すガス分離装置の各自動弁の開閉状態を示す表である。 第２の実施形態に係る目的ガス分離方法のステップ１〜６におけるガス流れ状態を表す。 比較例に係る目的ガス分離方法を実行するのに使用することのできるガス分離装置の概略構成を表す。 比較例に係る目的ガス分離方法の各ステップについて、各吸着塔で行われる工程、減圧手段による減圧操作の対象となる吸着塔、および図７に示すガス分離装置の各自動弁の開閉状態を示す表である。 比較例に係る目的ガス分離方法のステップ１〜６におけるガス流れ状態を表す。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る目的ガス分離方法を実行するのに使用することができるガス分離装置Ｘ１の概略構成を示している。ガス分離装置Ｘ１は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、真空ポンプ２１，２２と、バッファタンク２３と、配管３１〜３９とを備え、目的ガスを含む所定の原料ガスから圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して目的ガスを濃縮分離することが可能なように構成されている。目的ガスとしては、例えば二酸化炭素、或は一酸化炭素などが挙げられる。また、原料ガスについては、目的ガスが二酸化炭素の場合、例えば熱風炉ガス、転炉ガスや、転炉燃焼ガスなどの製鉄所副生ガスが挙げられ、目的ガスが一酸化炭素の場合、例えば転炉ガスが挙げられる。このような製鉄所副生ガスは、必要に応じて水分除去や硫黄化合物除去などの前処理が施されたうえで、原料ガスとして用いられる。原料ガスの組成（体積濃度）は、例えば、熱風炉ガスの場合、二酸化炭素が２６〜２８％、窒素が７３〜７４％であり、転炉ガスの場合、二酸化炭素が１５〜１６％、一酸化炭素が６５〜６６％、窒素が１９〜２０％であり、転炉燃焼ガスの場合、二酸化炭素が３２〜３６％、窒素が６５〜６８％である。

吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々は、両端にガス通過口１１，１２を有し、ガス通過口１１，１２の間において、原料ガス中の目的ガスを選択的に吸着するための吸着剤が充填されている。そのような吸着剤としては、目的ガスが二酸化炭素の場合、椰子殻系や石炭系などの活性炭を採用することができる。また、目的ガスが一酸化炭素の場合、吸着剤としては、例えば、活性炭や活性アルミナ等よりなる担体の細孔内にＣｕＣｌおよびＣｕＣｌ₂等の銅化合物が担持されたものを採用することができる。

真空ポンプ２１，２２は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部を減圧するためのものである。バッファタンク２３は、分離取得される目的ガスを一時的に貯留するための容器である。

配管３１は、原料ガス導入端Ｅ１を有する主幹路３１’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１１側に各々が接続された分枝路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを有する。分枝路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３１ａ，３１ｂ，３１ｃが付設されている。なお、配管３１の主幹路３１’には、原料ガスを吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに圧送するための圧縮機（図示略）を設けてもよい。

配管３２は、ガス排出端Ｅ２を有する主幹路３２’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１２側に各々が接続された分枝路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを有する。分枝路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３２ａ，３２ｂ，３２ｃが付設されている。

配管３３は、ガス排出端Ｅ３を有する主幹路３３’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１２側に各々が接続された分枝路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃを有する。分枝路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３３ａ，３３ｂ，３３ｃが付設されている。

配管３４は、真空ポンプ２１に接続された主幹路３４’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１１側に各々が接続された分枝路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを有する。分枝路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３４ａ，３４ｂ，３４ｃが付設されている。

配管３５は、真空ポンプ２１およびバッファタンク２３の間を連結している。

配管３６は、バッファタンク２３に接続された主幹路３６’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１１側に各々が接続された分枝路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃを有する。分枝路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３６ａ，３６ｂ，３６ｃが付設されている。また、主幹路３６’には、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３６ｄが付設されている。なお、配管３６の主幹路３６’には、後述する洗浄ガスを吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに圧送するための圧縮機（図示略）を設けてもよい。

配管３７は、真空ポンプ２２に接続された主幹路３７’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１１側に各々が接続された分枝路３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃを有する。分枝路３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３７ａ，３７ｂ，３７ｃが付設されている。

配管３８は、真空ポンプ２２に接続され、且つ、目的ガス取出し端Ｅ４を有する。

配管３９は、配管３６の主幹路３６’に接続され、且つ、目的ガス取出し端Ｅ５を有する。配管３９には、流量調整弁３９ａが付設されている。

以上のような構成を有するガス分離装置Ｘ１を使用して、本発明の第１の実施形態に係る目的ガス分離方法を実行することができる。具体的には、ガス分離装置Ｘ１の駆動時において、図２に示す態様で自動弁３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３６ａ〜３６ｄ，３７ａ〜３７ｃを切り替えることにより、装置内において所望のガスの流れ状態を実現し、以下のステップ１〜６からなる１サイクルを繰り返すことができる（図２では、各自動弁の開状態を〇で表し且つ閉状態を×で表す。後出の図５，８においても同様である）。本方法の１サイクルにおいては、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々にて、吸着工程、洗浄工程、第１脱着工程、および第２脱着工程が行われる。図２には、各工程において、真空ポンプ２１，２２による減圧操作の対象となる吸着塔を表し且つ減圧操作の対象となる吸着塔が存在しない場合は×で表す（後出の図５，８においても同様である）。図３は、ステップ１〜６におけるガス分離装置Ｘ１でのガスの流れ状態を表す。

ステップ１では、図２に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ真空ポンプ２２が作動することにより、図３（ａ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔１０Ａにて吸着工程が、吸着塔１０Ｂにて第２脱着工程が、吸着塔１０Ｃにて洗浄工程が行われる。

図１および図３（ａ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ１では、原料ガスが、原料ガス導入端Ｅ１を有する配管３１を介して吸着塔１０Ａのガス通過口１１側に導入されて、当該原料ガス中の目的ガス（二酸化炭素、或は一酸化炭素など）が吸着塔１０Ａ内の吸着剤に吸着され、且つ、吸着塔１０Ａのガス通過口１２側から非吸着ガスが導出される。この非吸着ガスは、配管３２を介してガス排出端Ｅ２から装置外へ排出される。吸着塔１０Ｂについては、先に第１脱着工程を行っていたから（図３（ｆ）に示されるステップ６参照）、ステップ１の開始時には、塔内が所定の中間圧力まで減圧されている。ステップ１では、吸着塔１０Ｂの内部が真空ポンプ２２によりさらに減圧されて、吸着塔１０Ｂ内の吸着剤から目的ガスが脱着され、吸着塔１０Ｂのガス通過口１１側から脱着ガス（第２脱着ガス）が導出される。この第２脱着ガスは、配管３７、および真空ポンプ２２を介して配管３８へと導かれ、目的ガス取出し端Ｅ４から装置外に取り出される。これとともに、ステップ１では、後述のステップ６（吸着工程）を既に経ている吸着塔１０Ｃのガス通過口１１側に対し、バッファタンク２３内の第１脱着ガスが配管３６を介して洗浄ガスとして導入されつつ、吸着塔１０Ｃのガス通過口１２側から洗浄オフガスが導出される。この洗浄オフガスは、配管３３を介してガス排出端Ｅ３から装置外へ排出される。このようなステップ１では、第１脱着ガスによって吸着塔１０Ｃが清浄化される。

ステップ２では、図２に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ真空ポンプ２１，２２が作動することにより、図３（ｂ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔１０Ａにて引き続き吸着工程が、吸着塔１０Ｂにて引き続き第２脱着工程が、吸着塔１０Ｃにて第１脱着工程が行われる。

図１および図３（ｂ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ２では、ステップ１から引き続いて、配管３１の原料ガス導入端Ｅ１から装置内に取り込まれた原料ガスが吸着塔１０Ａのガス通過口１１側に導入されて、吸着塔１０Ａから非吸着ガスが導出される。これとともに、ステップ２では、ステップ１から引き続いて吸着塔１０Ｂの内部が真空ポンプ２２により減圧されて吸着塔１０Ｂ内の吸着剤から目的ガスが脱着され、吸着塔１０Ｂのガス通過口１１側から脱着ガス（第２脱着ガス）が導出される。これとともに、ステップ２では、ステップ１（洗浄工程）を経た吸着塔１０Ｃの内部が真空ポンプ２１により減圧されて、吸着塔１０Ｃ内の吸着剤から目的ガスが脱着され、吸着塔１０Ｃのガス通過口１１側から脱着ガス（第１脱着ガス）が導出される。この第１脱着ガスは、配管３４、真空ポンプ２１、および配管３５を介して、バッファタンク２３に導かれる。バッファタンク２３内の第１脱着ガスは、配管３６を介して配管３９の目的ガス取出し端Ｅ５から装置外に適宜取り出すことができる。なお、ステップ１，２において吸着工程にある吸着塔１０Ａの内部の最高圧力は、例えば０〜３００ｋＰａ（ゲージ圧）である。ステップ２において、第１脱着工程にある吸着塔１０Ｃの内部の最低圧力（中間圧力）は、例えば−９４〜−６８ｋＰａ（ゲージ圧）である。また、ステップ１，２において第２脱着工程にある吸着塔１０Ｂの内部の最低圧力（到達圧力）は、例えば−９９〜−８７ｋＰａ（ゲージ圧）である。

ステップ３，４では、ステップ１，２で吸着塔１０Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｂにおいて、吸着工程（ステップ３，４）が行われる。これとともに、ステップ３，４では、ステップ１，２で吸着塔１０Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｃにおいて、第２脱着工程（ステップ３，４）が行われる。これとともに、ステップ３，４では、ステップ１，２で吸着塔１０Ｃにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ａにおいて、洗浄工程（ステップ３）、および第１脱着工程（ステップ４）が行われる。

ステップ５，６では、ステップ１，２で吸着塔１０Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｃにおいて、吸着工程（ステップ５，６）が行われる。これとともに、ステップ５，６では、ステップ１，２で吸着塔１０Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ａにおいて、第２脱着工程（ステップ５，６）が行われる。これとともに、ステップ５，６では、ステップ１，２で吸着塔１０Ｃにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｂにおいて、洗浄工程（ステップ５）、および第１脱着工程（ステップ６）が行われる。

そして、以上に説明したステップ１〜６が吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々において繰り返し行われることにより、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれかに原料ガスが連続的に導入され、且つ目的ガス濃度の高い脱着ガスが連続的に取得される。

本実施形態の目的ガス分離方法において、目的ガスの分離性能を適切に維持する観点から、脱着工程における減圧操作は、吸着塔の内部が所定圧力に到達するまで実行する必要がある。脱着工程における真空ポンプ２１，２２を用いた減圧操作では、吸着塔の内部が所定圧力に低下するまで一定時間を要する。原料ガスの供給量や分離取得すべき目的ガスの目標純度にも左右されるが、脱着工程の開始から終了までの時間（脱着工程時間）は、例えば２００秒とされる。

その一方、洗浄工程では、吸着工程を終了した吸着塔に対して目的ガス純度の高い脱着ガス（第１脱着ガス）を洗浄ガスとして導入することにより、吸着工程終了時に吸着塔内に残存する目的ガス純度の低いガスが押し出され、吸着塔内が洗浄ガスにて置き換えられる。このため、洗浄工程の開始から終了までの時間（洗浄工程時間）を比較的長くすると、分離取得される目的ガスの純度は高くなる一方、目的ガスの収量は低下する。このような事情により、洗浄工程時間は、比較的短時間に設定され、吸着工程の開始から終了までの時間（吸着工程時間）よりも短くされる。洗浄工程時間は、例えば１２０秒とされる。

洗浄工程時間が吸着工程時間よりも短くされていれば、ステップの切り替えと同時に吸着工程および洗浄工程が開始すると、洗浄工程の方が早く終了する。本方法では、例えばステップ１，２における吸着塔１０Ａ，１０Ｃに着目すると理解できるように、洗浄工程を終了した吸着塔１０Ｃにおいて、吸着工程にある吸着塔１０Ａでの吸着工程が終了するまで、第１脱着工程が行われる。吸着塔１０Ｃでは、ステップ２から引き続きステップ３，４においても脱着工程（第２脱着工程）が行われる。ステップ３，４における吸着塔１０Ｃでの第２脱着工程は、先のステップ２の脱着工程（第２脱着工程）を終えて吸着工程にある吸着塔１０Ｂでの吸着工程と並行して行われる。

上述のように、吸着塔１０Ｃでは、ステップ１において洗浄工程が行われ、ステップ２〜４において脱着工程（第１脱着工程および第２脱着工程）が行われる。ここで、脱着工程時間が２００秒、洗浄工程時間が１２０秒である場合、吸着塔１０Ｃに着目すると、ステップ１〜４の経過時間（洗浄工程と脱着工程との合計時間）は３２０秒である。そして、ステップ１〜４の経過時間は、ステップ１，２における吸着塔１０Ａでの吸着工程時間とステップ３，４における吸着塔１０Ｂでの吸着工程時間との合計（即ち、吸着工程時間の２倍）と一致するので、吸着工程時間は、１６０秒とされる。

本方法と異なり、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程からなるサイクルを繰り返し行う３塔式での一般的なガス分離では、例えば、サイクルを通じて連続的に行われる吸着工程の切り替えのタイミングと、脱着工程の切り替えのタイミングとを一致させている。この場合において、脱着工程時間が２００秒であれば、吸着工程時間も２００秒割り当てられ、吸着工程、洗浄工程、および脱着工程からなる１サイクルの時間（サイクルタイム）は、６００秒となる。

これに対し、本方法では、脱着工程時間として同じ２００秒を確保しても、吸着工程時間（１６０秒）は、従来の吸着工程時間（２００秒）よりも短時間で済み、サイクルタイムは、４８０秒に短縮することが可能である。原料ガスの供給態様が同じであれば、吸着工程時間を短縮すると、吸着剤の破過時間を短く設定することができ、吸着剤の充填量が少なくて済む。その結果、吸着塔の内部容積を小さくすることができ、吸着塔を含むガス分離装置Ｘ１のコンパクト化を図ることができる。例えば、サイクルタイムが６００秒から４８０秒まで、８０％に短縮されると、この割合に見合う程度のガス分離装置Ｘ１のコンパクト化を期待することができる。したがって、本方法は、目的ガスを含む原料ガスからＰＳＡ法を利用して高純度の目的ガスを分離取得するのに際し、脱着工程時間を一定時間（例えば２００秒）確保することによって目的ガスの分離性能の悪化を防止しつつ、ガス分離装置Ｘ１のコンパクト化を図るのに適している。

本方法において、ステップ２，４，６では、異なる２つの吸着塔において脱着工程が並行して行われる。このように複数の吸着塔で脱着工程（第１脱着工程および第２脱着工程）を並行して実行することにより、脱着工程時間を一定時間確保しつつ、サイクルタイムの短縮が可能となっている。例えば、ステップ２では、吸着塔１０Ｂにおいて、ステップ１から引き続き第２脱着工程が行われるとともに、吸着塔１０Ｃにおいて、第１脱着工程が行われる。ここで、吸着塔１０Ｂについての第２脱着工程における減圧操作は、真空ポンプ２２が担っており、吸着塔１０Ｃについての第１脱着工程における減圧操作は、真空ポンプ２１が担っている。このようなことから理解できるように、脱着工程を並行して実行する本方法は、２つの真空ポンプ２１，２２を備えたガス分離装置Ｘ１によって適切に実現することができる。

本方法において、第１脱着工程において吸着塔から導出される、目的ガス純度の高い第１脱着ガスは、バッファタンク２３に一旦貯留される。そして、洗浄工程では、バッファタンク２３内の第１脱着ガスが洗浄ガスとして洗浄対象の吸着塔に導入される。洗浄工程の後の脱着工程（第１脱着工程）の開始時点では、吸着塔内の空隙部にガス（主に洗浄ガス）が充満しているので、脱着工程の初期（第１脱着工程）に吸着塔から導出されるガス量は比較的多い。したがって、バッファタンク２３を経由した第１脱着ガスを洗浄ガスとして用いる本方法は、洗浄ガスを安定供給するのに適している。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る目的ガス分離方法を実行するのに使用することができるガス分離装置Ｘ２の概略構成を示している。ガス分離装置Ｘ２は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、真空ポンプ２１，２２と、バッファタンク２３と、配管３１〜３７，３８”，３９とを備え、目的ガスを含む所定の原料ガスから圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して目的ガスを濃縮分離することが可能なように構成されている。ガス分離装置Ｘ２は、配管３８に代えて配管３８”を備える点において、上述のガス分離装置Ｘ１と異なる。

配管３８”は、真空ポンプ２２および配管３５の間を連結している。また、配管３５は、バッファタンク２３に連結されている。したがって、真空ポンプ２２とバッファタンク２３とは連通しており、かかる点において、上述のガス分離装置Ｘ１における、目的ガス取出し端Ｅ４を有する配管３８と異なる。

ガス分離装置Ｘ２における配管３８”以外の構成は、ガス分離装置Ｘ１における配管３８以外の構成と同様である。

以上のような構成を有するガス分離装置Ｘ２を使用して、本発明の第２の実施形態に係る目的ガス分離方法を実行することができる。具体的には、ガス分離装置Ｘ２の駆動時において、図５に示す態様で自動弁３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３６ａ〜３６ｄ，３７ａ〜３７ｃを切り替えることにより、装置内において所望のガスの流れ状態を実現し、以下のステップ１〜６からなる１サイクルを繰り返すことができる。本方法の１サイクルにおいては、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々にて、吸着工程、洗浄工程、第１脱着工程、第２脱着前期工程、および第２脱着後期工程が行われる。図６は、ステップ１〜６におけるガス分離装置Ｘ２でのガスの流れ状態を表す。

ステップ１では、図５に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ真空ポンプ２１，２２が作動することにより、図６（ａ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔１０Ａにて吸着工程が、吸着塔１０Ｂにて第２脱着前期工程が、吸着塔１０Ｃにて洗浄工程が行われる。

図５および図６（ａ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ１では、原料ガスが、原料ガス導入端Ｅ１を有する配管３１を介して吸着塔１０Ａのガス通過口１１側に導入されて、当該原料ガス中の目的ガス（二酸化炭素、或は一酸化炭素など）が吸着塔１０Ａ内の吸着剤に吸着され、且つ、吸着塔１０Ａのガス通過口１２側から非吸着ガスが導出される。この非吸着ガスは、配管３２を介してガス排出端Ｅ２から装置外へ排出される。吸着塔１０Ｂについては、先に第１脱着工程を行っていたから（図６（ｆ）に示されるステップ６参照）、ステップ１の開始時には、塔内が所定の中間圧力まで減圧されている。ステップ１では、吸着塔１０Ｂの内部が真空ポンプ２１，２２によりさらに減圧されて、吸着塔１０Ｂ内の吸着剤から目的ガスが脱着され、吸着塔１０Ｂのガス通過口１１側から脱着ガス（第２脱着ガス）が導出される。この第２脱着ガスは、配管３４、真空ポンプ２１、および配管３５を介して、バッファタンク２３に導かれる。これと並行して、吸着塔１０Ｂからの第２脱着ガスは、配管３７、真空ポンプ２２、および配管３８”、および配管３５を介してバッファタンク２３に導かれる。これとともに、ステップ１では、後述のステップ６（吸着工程）を既に経ている吸着塔１０Ｃのガス通過口１１側に対し、バッファタンク２３内の第１脱着ガスおよび第２脱着ガスが配管３６を介して洗浄ガスとして導入されつつ、吸着塔１０Ｃのガス通過口１２側から洗浄オフガスが導出される。この洗浄オフガスは、配管３３を介してガス排出端Ｅ３から装置外へ排出される。このようなステップ１では、第１脱着ガスおよび第２脱着ガスによって吸着塔１０Ｃが清浄化される。また、ステップ１では、バッファタンク２３内の第１脱着ガスおよび第２脱着ガスは、配管３６を介して配管３９の目的ガス取出し端Ｅ５から装置外に適宜取り出すことができる。

ステップ２では、図５に示すように各自動弁の開閉状態が選択され且つ真空ポンプ２１，２２が作動することにより、図６（ｂ）に示すようなガス流れ状態が達成されて、吸着塔１０Ａにて引き続き吸着工程が、吸着塔１０Ｂにて第２脱着後期工程が、吸着塔１０Ｃにて第１脱着工程が行われる。

図５および図６（ｂ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ２では、ステップ１から引き続いて、配管３１の原料ガス導入端Ｅ１から装置内に取り込まれた原料ガスが吸着塔１０Ａのガス通過口１１側に導入されて、吸着塔１０Ａから非吸着ガスが導出される。これとともに、ステップ２では、ステップ１から引き続いて吸着塔１０Ｂの内部が真空ポンプ２２により減圧されて吸着塔１０Ｂ内の吸着剤から目的ガスが脱着され、吸着塔１０Ｂのガス通過口１１側から脱着ガス（第２脱着ガス）が導出される。この第２脱着ガスは、配管３７、真空ポンプ２２、および配管３８”、および配管３５を介してバッファタンク２３に導かれる。これとともに、ステップ２では、ステップ１（洗浄工程）を経た吸着塔１０Ｃの内部が真空ポンプ２１により減圧されて、吸着塔１０Ｃ内の吸着剤から目的ガスが脱着され、吸着塔１０Ｃのガス通過口１１側から脱着ガス（第１脱着ガス）が導出される。この第１脱着ガスは、配管３４、真空ポンプ２１、および配管３５を介して、バッファタンク２３に導かれる。バッファタンク２３内の第１脱着ガスおよび第２脱着ガスは、配管３６を介して配管３９の目的ガス取出し端Ｅ５から装置外に適宜取り出すことができる。なお、ステップ１，２において吸着工程にある吸着塔１０Ａの内部の最高圧力は、例えば０〜３００ｋＰａ（ゲージ圧）である。ステップ２において、第１脱着工程にある吸着塔１０Ｃの内部の最低圧力（中間圧力）は、例えば−９４〜−６８ｋＰａ（ゲージ圧）である。また、ステップ２において第２脱着後期工程にある吸着塔１０Ｂの内部の最低圧力（到達圧力）は、例えば−９９〜−８７ｋＰａ（ゲージ圧）である。

ステップ３，４では、ステップ１，２で吸着塔１０Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｂにおいて、吸着工程（ステップ３，４）が行われる。これとともに、ステップ３，４では、ステップ１，２で吸着塔１０Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｃにおいて、第２脱着前期工程（ステップ３）、および第２脱着後期工程（ステップ４）が行われる。これとともに、ステップ３，４では、ステップ１，２で吸着塔１０Ｃにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ａにおいて、洗浄工程（ステップ３）、および第１脱着工程（ステップ４）が行われる。

ステップ５，６では、ステップ１，２で吸着塔１０Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｃにおいて、吸着工程（ステップ５，６）が行われる。これとともに、ステップ５，６では、ステップ１，２で吸着塔１０Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ａにおいて、第２脱着前期工程（ステップ３）、および第２脱着後期工程（ステップ４）が行われる。これとともに、ステップ５，６では、ステップ１，２で吸着塔１０Ｃにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｂにおいて、洗浄工程（ステップ５）、および第１脱着工程（ステップ６）が行われる。

そして、以上に説明したステップ１〜６が吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々において繰り返し行われることにより、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれかに原料ガスが連続的に導入され、且つ目的ガス濃度の高い脱着ガスが連続的に取得される。

図５，６を参照するとよく理解できるように、本実施形態の目的ガス分離方法において、ステップ２，４，６では、異なる２つの吸着塔において脱着工程が並行して行われる。このように複数の吸着塔で脱着工程（第１脱着工程および第２脱着後期工程）を並行して実行することにより、上述のガス分離装置Ｘ１を用いて行うガス分離の場合と同様に、脱着工程時間を一定時間確保しつつ、サイクルタイムの短縮が可能となっている。したがって、本方法は、目的ガスを含む原料ガスからＰＳＡ法を利用して高純度の目的ガスを分離取得するのに際し、目的ガスの分離性能の悪化を防止しつつ、ガス分離装置Ｘ２のコンパクト化を図るのに適している。

本方法においては、第２脱着工程は、当該第２脱着工程の開始から途中までの第２脱着前期工程（ステップ１，３，５）と、当該第２脱着前期工程の後に行われる第２脱着後期工程（ステップ２，４，６）とからなる。第２脱着前期工程において、減圧操作の対象となる吸着塔は、真空ポンプ２２に加えて真空ポンプ２１によっても減圧される。すなわち、第２脱着前期工程における減圧操作は、真空ポンプ２１，２２の両方が担っている。これにより、脱着工程（第２脱着前期工程）にある吸着塔の内部を十分に減圧することができ、目標とする最低圧力に到達しやすい。したがって、第２脱着前期工程にて真空ポンプ２２に加えて真空ポンプ２１によっても減圧操作の対象となる吸着塔を減圧する本方法は、目的ガスの収量を向上するうえで好ましい。

また、第２脱着前期工程における減圧操作を真空ポンプ２１もが担うことにより、真空ポンプ２１は、１サイクルを通じて連続的に稼働する。上述の第１の実施形態に係る方法では、図２および図３を参照すると理解できるように、真空ポンプ２１は、ステップ１，３，５において休止しており、間欠的に稼働していた。真空ポンプ２１を間欠的に稼働させる場合には、例えば回転機械が定常運転状態となるまでにある程度の時間を要するので、ステップを切り替える制御が複雑になり得た。これに対し、真空ポンプ２１を連続稼働させる本方法は、ステップの切り替え制御を容易にするのに適している。

本方法では、第１脱着工程において吸着塔から導出される第１脱着ガスに加え、第１脱着工程の後の第２脱着工程において吸着塔から導出される第２脱着ガスについても、バッファタンク２３に一旦貯留される。そして、洗浄工程では、バッファタンク２３内の第１脱着ガスおよび第２脱着ガスが洗浄ガスとして洗浄対象の吸着塔に導入される。洗浄工程の後の脱着工程の開始時点では、吸着塔内の空隙部には微量の不純物ガスが残留しており、この不純物ガスは脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから目的ガスとともに導出される。脱着工程にて吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから導出されるガス（脱着ガス）の不純物ガス含有率は、当該吸着工程の開始以降、漸次的に低下するので、第２脱着工程にある吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから導出されるガス（第２脱着ガス）の不純物ガス含有率は、十分に低下している。したがって、第２脱着ガスをも洗浄ガスとして用いる本方法は、高純度の目的ガスを得るのに適している。

以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本発明に係る目的ガス分離方法を実行する装置におけるガス流路をなす配管の構成については、上記実施形態とは異なる構成を採用してもよい。吸着塔の数については上記実施形態で示した３塔式だけに限定されるものではなく、４塔以上の場合でも同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態以外でも、ＰＳＡ法を利用したガス分離により、吸着剤によって選択的に吸着される易吸着成分を分離取得することが可能であれば、そのような易吸着成分を目的ガスとして、本発明に適用することが可能である。

次に、本発明の有用性を実施例および比較例により説明する。

〔実施例１〕
図１に示す概略構成を有するガス分離装置Ｘ１を使用して、図２および図３に示す吸着工程、洗浄工程、第１脱着工程、および第２脱着工程からなる１サイクルを吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおいて繰り返すことにより、所定の原料ガスから、目的ガスとしての二酸化炭素を濃縮分離した。本実施例の二酸化炭素分離方法は、上述の第１の実施形態に係る目的ガス分離方法に該当する。

本実施例において使用したガス分離装置Ｘ１の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々は円筒形状（内径７０ｍｍ，内寸高さ５００ｍｍ）を有する。各吸着塔内には、活性炭２.０Ｌを充填した。使用した原料ガスは、製鉄所副生ガスの１つである熱風炉ガスに相当する組成（二酸化炭素２６ｖｏｌ％，窒素７４ｖｏｌ％）を有する模擬混合ガスである。この原料ガスを、ガス分離装置Ｘ１に対して１０００Ｌ／ｈ（標準状態換算）の流量で供給し続けた。本実施例では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々において、吸着工程は１６０秒間、洗浄工程は１２０秒間、第１脱着工程は４０秒間、および第２脱着工程は１６０秒間行った。これにより、脱着工程時間（第１脱着工程と第２脱着工程との合計時間）は２００秒間であり、各工程からなる１サイクルのサイクルタイムは、４８０秒間であった。吸着工程における吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の最高圧力は１００ｋＰａ（ゲージ圧）とし、脱着工程（第１脱着工程，第２脱着工程）における吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の最低圧力（到達圧力）は−９０ｋＰａ（ゲージ圧）とした。

このような条件で行った本実施例において濃縮分離されたガスについて、二酸化炭素純度は９９.９ｖｏｌ％であり、不純物である窒素の含有率は０．１ｖｏｌ％であり、取得ガス量は１５６Ｌ／ｈ（標準状態換算）であった。取得ガスにおける二酸化炭素の回収率は、６０％であった。

〔実施例２〕
図４に示す概略構成を有するガス分離装置Ｘ２を使用して、図５および図６に示す吸着工程、洗浄工程、第１脱着工程、第２脱着前期工程、および第２脱着後期工程からなる１サイクルを吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおいて繰り返すことにより、所定の原料ガスから、目的ガスとしての一酸化炭素を濃縮分離した。本実施例の一酸化炭素分離方法は、上述の第２の実施形態に係る目的ガス分離方法に該当する。

本実施例において使用したガス分離装置Ｘ２の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々は円筒形状（内径７０ｍｍ，内寸高さ５００ｍｍ）を有する。各吸着塔内には、塩化銅（ＣｕＣｌ）を担持させた活性炭（塩化銅の担持量は２０ｗｔ％）２.０Ｌを充填した。使用した原料ガスは、製鉄所副生ガスの１つである転炉ガスに相当する組成（一酸化炭素６５ｖｏｌ％，二酸化炭素１５ｖｏｌ％，窒素２０ｖｏｌ％）を有する模擬混合ガスである。この原料ガスを、ガス分離装置Ｘ２に対して１０００Ｌ／ｈ（標準状態換算）の流量で供給し続けた。本実施例では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々において、吸着工程は２００秒間、洗浄工程は８０秒間、第１脱着工程は１２０秒間、第２脱着前期工程は８０秒間、および第２脱着後期工程は１２０秒間行った。これにより、脱着工程時間（第１脱着工程と第２脱着前期工程と第２脱着後期工程との合計時間）は３２０秒間であり、各工程からなる１サイクルのサイクルタイムは、６００秒間であった。吸着工程における吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の最高圧力は１０ｋＰａ（ゲージ圧）とし、脱着工程（第１脱着工程，第２脱着前期工程，第２脱着後期工程）における吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の最低圧力（到達圧力）は−９０ｋＰａ（ゲージ圧）とした。

このような条件で行った本実施例において濃縮分離されたガスについて、一酸化炭素純度は９９.９５ｖｏｌ％であり、不純物である二酸化炭素の含有率は３００ｖｏｌｐｐｍ、窒素の含有率は２００ｖｏｌｐｐｍであり、取得ガス量は５２０Ｌ／ｈ（標準状態換算）であった。取得ガスにおける一酸化炭素の回収率は、８０％であった。

〔比較例１〕
図７に示す概略構成を有するガス分離装置Ｘ３を使用して、所定の原料ガスから、目的ガスとしての二酸化炭素を濃縮分離した。ガス分離装置Ｘ３は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、真空ポンプ２１と、配管３１〜３４，３６”，３９とを備え、目的ガスを含む所定の原料ガスから圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して目的ガスを濃縮分離することが可能なように構成されている。ガス分離装置Ｘ３は、真空ポンプ２２、バッファタンク２３、および配管３５，３７，３８を具備しておらず、また、配管３６に代えて配管３６”を備える点において、上述のガス分離装置Ｘ１と異なる。すなわち、ガス分離装置Ｘ３は、１つの真空ポンプ２１のみを備え、配管３６”は、真空ポンプ２１に接続された主幹路３６’を有する。上記の相違点を除いたガス分離装置Ｘ３の構成は、ガス分離装置Ｘ１と同様である。

本比較例では、図８に示す態様で自動弁３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３６ａ〜３６ｄを切り替えることにより、装置内において所望のガスの流れ状態を実現し、ステップ１〜６（吸着工程、洗浄工程、待機、および脱着工程）からなる１サイクルを吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおいて繰り返すことにより、所定の原料ガスから、目的ガスとしての二酸化炭素を濃縮分離した。図９は、ステップ１〜６におけるガス分離装置Ｘ３でのガスの流れ状態を表す。

本比較例で用いた吸着剤は、上述の実施例１と同一種類で充填量も同一とした。使用した原料ガスは、実施例１と同じ組成とした。本比較例では、脱着工程は単一操作とされており、かかる点において、脱着工程が第１脱着工程および第２脱着工程からなる実施例１と異なる。洗浄工程にある吸着塔に導入される洗浄ガスは、脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部により賄った。本比較例の脱着工程時間は、実施例１と同じ２００秒間とした。また、本比較例では、図８および図９から理解できるように、吸着工程の切り替えのタイミングと脱着工程の切り替えのタイミングとが一致しているため、吸着工程時間についても、脱着工程時間と同じ２００秒間を要する。洗浄工程時間は１２０秒間とし、洗浄工程後、脱着工程までの待機時間を８０秒間とした。これにより、各工程から構成される1サイクルのサイクルタイムは６００秒間であった。

上述の実施例１ではサイクルタイムが４８０秒間であったのに対し、本比較例では６００秒間と設定したことから、ガス分離装置Ｘ３に対して、原料ガスを、４８０秒÷６００秒＝８０％量の８００Ｌ／ｈ（標準状態換算）の流量で供給し続けた。吸着工程における吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の最高圧力と、脱着工程における吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の最低圧力（到達圧力）は実施例１と同じとした。

このような条件で行った本比較例において濃縮分離されたガスについて、二酸化炭素純度は９９．９ｖｏｌ％であり、不純物である窒素の含有率は０．１ｖｏｌ％であり、取得ガス量は１２４．８Ｌ／ｈ（標準状態換算）であった。取得ガスにおける二酸化炭素の回収率は６０％であった。本比較例では、取得ガスにおける二酸化炭素の純度、回収率は実施例1と同じであったが、同一サイズの吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに導入できる原料ガス量が１０００Ｌ／ｈから８００Ｌ／ｈへと、８０％量に低下した。

〔比較例２〕
図７に示す概略構成を有するガス分離装置Ｘ３を使用して、図８および図９に示す吸着工程、洗浄工程、待機、および脱着工程からなる１サイクルを吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおいて繰り返すことにより、所定の原料ガスから、目的ガスとしての一酸化炭素を濃縮分離した。

本比較例で用いた吸着剤は、上述の実施例２と同一種類で充填量も同一とした。使用した原料ガスは、実施例２と同じ組成とした。本比較例では、脱着工程は単一操作とされており、かかる点において、脱着工程が第１脱着工程、第２脱着前期工程および第２脱着後期工程からなる実施例２と異なる。洗浄工程にある吸着塔に導入される洗浄ガスは、脱着工程にある他の吸着塔から導出される脱着ガスの一部により賄った。本比較例の脱着工程時間は、実施例２と同じ３２０秒間とした。また、本比較例では、図８および図９から理解できるように、吸着工程の切り替えのタイミングと脱着工程の切り替えのタイミングとが一致しているため、吸着工程時間についても、脱着工程時間と同じ３２０秒間を要する。洗浄工程時間は８０秒間とし、洗浄工程後、脱着工程までの待機時間を２４０秒間とした。これにより、各工程から構成される1サイクルのサイクルタイムは９６０秒間であった。

上述の実施例２ではサイクルタイムが６００秒間であったのに対し、本比較例では９６０秒間と設定したことから、ガス分離装置Ｘ３に対して、原料ガスを、６００秒÷９６０秒＝６２．５％量の６２５Ｌ／ｈ（標準状態換算）の流量で供給し続けた。吸着工程における吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の最高圧力と、脱着工程における吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの内部の最低圧力（到達圧力）は実施例２と同じとした。

このような条件で行った本比較例において濃縮分離されたガスについて、一酸化炭素純度は９９．９５ｖｏｌ％であり、不純物である二酸化炭素の含有率は３００ｖｏｌｐｐｍ、窒素の含有率は２００ｖｏｌｐｐｍであり、取得ガス量は３２５Ｌ／ｈ（標準状態換算）であった。取得ガスにおける一酸化炭素の回収率は８０％であった。本比較例では、取得ガスにおける一酸化炭素の純度、回収率は実施例２と同じであったが、同一サイズの吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに導入できる原料ガス量が１０００Ｌ／ｈから６２５Ｌ／ｈへと、６２．５％量に低下した。

Ｘ１，Ｘ２ ガス分離装置
１０Ａ，１０Ｂ，１０ 吸着塔
１１，１２ ガス通過口
２１ 真空ポンプ
２２ 真空ポンプ
２３ バッファタンク
３１〜３９，３８” 配管
３１’，３２’，３３’，３４’，３６’，３７’ 主幹路
３１Ａ〜３１Ｃ，３２Ａ〜３２Ｃ，３３Ａ〜３３Ｃ，３４Ａ〜３４Ｃ，３６Ａ〜３６Ｃ，３７Ａ〜３７Ｃ 分岐路
３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３６ａ〜３６ｄ，３７ａ〜３７ｃ 自動弁
３９ａ 流量調整弁

Claims (8)

1. 目的ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔を用いて、上記目的ガスを含む混合ガスから上記目的ガスを濃縮分離する方法であって、
   吸着塔に上記混合ガスを導入して当該混合ガス中の上記目的ガスを上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から非吸着ガスを導出する吸着工程と、吸着塔に洗浄ガスを導入し、当該吸着塔から洗浄オフガスを導出する洗浄工程と、吸着塔内を減圧して上記吸着剤から上記目的ガスを脱着させ、当該吸着塔から脱着ガスを導出する脱着工程と、を含むサイクルを上記吸着塔の各々において繰り返し行う目的ガスの分離方法において、
   上記混合ガスをいずれかの吸着塔に連続的に導入することにより、上記サイクルを通じていずれかの吸着塔にて上記吸着工程を常時的に行うとともに、
   上記洗浄工程は、上記吸着工程に引き続いて行われるものであり、
   １つの吸着塔における上記脱着工程は、上記洗浄工程が終了した後の当該脱着工程の開始から、上記吸着工程にある他の吸着塔での当該吸着工程が終了するまで、第１減圧手段により上記１つの吸着塔から第１脱着ガスを導出する第１脱着工程と、第２減圧手段により上記１つの吸着塔から第２脱着ガスを導出する、上記第１脱着工程の後の第２脱着工程とを含み、
   上記吸着工程は上記第２脱着工程に引き続いて行われるものであり、
   上記第１脱着工程の開始から上記第２脱着工程の終了までの脱着工程時間は、上記吸着工程の開始から終了までの吸着工程時間よりも長くされている、目的ガス分離方法。
2. 上記洗浄工程の開始から終了までの洗浄工程時間は、上記吸着工程時間よりも短くされている、請求項１に記載の目的ガス分離方法。
3. 上記１つの吸着塔における上記第２脱着工程は、上記吸着工程にあるさらに他の吸着塔での当該吸着工程と並行して行われる、請求項２に記載の目的ガス分離方法。
4. 上記洗浄工程では、目的ガスを貯留するための容器を経由した上記第１脱着ガスを、上記洗浄ガスとして洗浄対象の吸着塔に導入する、請求項２または３に記載の目的ガス分離方法。
5. 上記洗浄工程では、上記容器を経由した上記第２脱着ガスも上記洗浄ガスとして洗浄対象の吸着塔に導入する、請求項４に記載の目的ガス分離方法。
6. 上記第２脱着工程では、当該第２脱着工程の開始から途中まで、上記第１減圧手段によっても上記吸着塔内を減圧する、請求項１に記載の目的ガス分離方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の目的ガス分離方法により、目的ガスを含む混合ガスから上記目的ガスを濃縮分離する装置であって、
   第１ガス通過口および第２通過口を有し、当該第１および第２ガス通過口の間において目的ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔と、
   目的ガスを貯留するための容器と、
   上記吸着塔の内部を減圧する第１減圧手段および第２減圧手段と、
   混合ガス導入端を有する主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第１配管と、
   非吸着ガス導出端を有する主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第２配管と、
   洗浄オフガス導出端を有する主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第３配管と、
   上記第１減圧手段に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第４配管と、
   上記第１減圧手段および上記容器の間を連結する第５配管と、
   上記容器に接続され且つ開閉弁が付設された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第６配管と、
   上記第２減圧手段に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が付設された複数の分岐路、を有する第７配管と、を備える、目的ガス分離装置。
8. 上記第５配管および上記第２減圧手段の間を連結する第８配管を備える、請求項７に記載の目的ガス分離装置。

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