JP2011506065A - 二酸化炭素を回収するためのプラント及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、Ｘ又はＹタイプゼオライトのような吸着剤を用いる圧力スイング吸着によって二酸化炭素をガス流から回収する方法及びプラントに関する。ガス供給流は、好適には、炭酸飲料壜詰めプラントの充填ボウルから放出されるガスのような二酸化炭素濃度が中程度であり、高純度の二酸化炭素ガス流でのリンス又はパージを行うことなく回収される。従って、本方法は大気へ放出される流出流から二酸化炭素を捕捉し、かつ最少の操作及び資本経費で二酸化炭素を捕捉するという利点を提供する。本発明はまたガス分離装置（吸着又は膜プロセス）からの１つの乾燥流を利用して水の蒸発冷却を行い、これを液体リング真空ポンプの水として用い、それによって真空レベルを下げ、性能を改善する。
【選択図】図１

Description

本発明は、飲料壜詰めプラントの充填ボウルから放出される廃ガスのようなガスから二酸化炭素を回収するための方法及びプラントに関する。本発明はまた、プラント内で生じる廃棄物流を蒸発により冷却水の冷却に使用すること、及び冷却水をガス分離プラント内での二酸化炭素の回収に用いる液体リング真空ポンプの運転の改善に使用することに関する。

炭酸ソフトドリンクはかなりの量の二酸化炭素を消費し、主に充填プロセスの際に大量の二酸化炭素が大気中に放出される。二酸化炭素は地球温暖化の一因となる主な温室ガスであることは広く認められている。特に炭素税を課そうとしている多くの国にとって、充填ボウルから出る二酸化炭素の回収には環境的及び財政的利点がある。二酸化炭素の分離には、極低温分離、化学的吸収、膜及び圧力／真空スイング吸着を含む多くの対策が様々な計画及び用途において講じられてきた。ＣＯ_２分離の各種技術の中で、圧力／真空スイング吸着は、エネルギー的に有利なため、多くの状況で、様々な形で適用されてきた。これらの周期的な吸着技術では、二酸化炭素及び他のガスを含有する供給ガスの流れを吸着剤が詰められた固定床／流動床へ通してＣＯ_２を吸着剤に吸着させる。ＣＯ_２は、次に、減圧することによって回収される。減圧は、真空ポンプでつくりだされることが多い。この方法では、減圧前にパージ／リンス工程を採用して床の中の非ＣＯ_２ガスを追放するのが通例である。このリンスはＣＯ_２生成物（「ヘビー」パージ）又はＣＯ_２が希薄な流れ（「ライト」パージ）パージあるいは両者のいずれかで行うことができる。一般に、ＣＯ_２回収にはヘビーパージ工程が用いられる。

圧力／真空スイング吸着の原理を利用する分離法は多くの出版物に記載されている。例えば、特開２００２−０７９０５２号には、圧力／温度スイング吸着（ＰＴＳＡ）を用いて、吸着が４００〜６５０℃、脱着が７００〜８５０℃で生じる高温でＣＯ_２を回収する方法及びシステムが記載されている。Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ、第１１３（３）巻、第２５２−２５４頁（２００５年）、Ｋ．Ｎａｋａｇａｗａ、Ｍ．Ｋａｔｏによる「吸着剤及びメタンスチームリフォーミングを用いる予備燃焼ＣＯ_２捕捉」と題する雑誌論文には、統合ガス化石炭燃焼（ＩＧＣＣ）のために金属酸化物含浸セラミック吸着剤を用いる予備燃焼高温ＣＯ_２捕捉法が記載されている。米国特許第５，９１７，１３６号にはまた、１００〜５００℃で改質アルミナ吸着剤を用いる圧力スイング吸着法が記載されている。この米国特許は、そのような材料への水の影響はほとんどないことを示唆している。米国特許第６，３２２，６１２号には、１５０〜４５０℃で湿った供給ガス流からＣＯ_２を分離する湿式高温ガス法が記載されている。米国特許第５，９１７，１３６号には、Ｋ_２ＣＯ_３促進ハイドロタルク石、Ｎａ_２Ｏ含浸アルミナ又は複塩押出し物を含む吸着剤系が吸着剤として吸着／脱着段階で用いられ、そして湿った状態で非常に可逆性であるという利点をもたらす方法が記載されている。

米国特許第５，９３８，８１９号には、天然クリノプチロライトを用いてＣＯ_２をメタンから取り出す方法が記載されている。供給ガスＣＯ_２濃度は１〜７５％であり、吸着圧は１〜２００ｐｓｉｇであり、より高い供給圧は生成物純度を高める。乾燥空気が吸着剤の再生に用いられた。パージ工程はこの方法にも含まれる。

特開２００４−２０２３９３号には、吸着が５０〜１００℃、脱着が８５〜３３５℃で行われ、脱着圧が０．００１〜１バールであるＣＯ_２を分離するＰＴＳＡ法が記載されている。Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ、第１３７巻、第９２９−９３３頁、１９９６年、Ｍ．Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ、Ｈ．Ｏｔａ等による「物理的吸着法による発電所煙道ガスから二酸化炭素を取り出すための技術」と題する雑誌論文にも類似の方法が記載されている。

米国特許第４，７２６，８１５号には、湿分予備処理でのＣＯ_２回収法が記載されている。分子ふるい活性炭が用いられ、パージ工程がやはり生成物の精製に含まれる。排気圧は５０トルであり、吸着温度は２０〜４０℃である。水を除去する加熱効果が考慮されていた。

特開２００５−２６２００１号には、中間供給及び強制温度管理での二重還流圧スイング吸着法が記載されている。
特開２００３−１０６１号には、４工程サイクルで活性炭を吸着剤として用いる、煙道ガスから放出されるＣＯ_２（５〜１５％）を２０〜５０％に濃縮する方法が記載されている。この方法では、向流空気リンスを用いて容器を浄化し、吸着圧及び脱着圧は約１７．４ｐｓｉａ及び２２．２インチＨｇ真空である。この方法は、ＣＯ_２濃度を上げて、第２分離プロセスでガス濃度をさらに９９％とすることをねらっている。

特開１０−１２８０５９号には、水分、ＳＯ_ｘ及びＮＯ_ｘの予備処理での２段階真空スイング吸着法が記載されている。熱利用も最適化された。８〜１５％二酸化炭素を含む煙道ガスは吸着圧７９０〜８１０トル及び脱着圧３０トルで処理された。圧平衡及びパージ工程も含まれていた。高い純度及び回収率が達成された。

さらに、Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、第１４５巻、第４２７８−４２９４頁（２００６年）、Ｓ．Ｒｅｙｎｏｌｄｓ、Ａ．Ｅｂｎｅｒ及びＪ．Ｒｉｔｔｅｒによる「ハイドロタルク石様吸着剤を用いる高温での煙道ガスからのＣＯ_２回収のためのストリッピングＰＳＡサイクル」と題する研究論文は、ＣＯ_２分離のためのＰ／ＶＳＡサイクルの非常にすぐれた総説となっている。おもしろいことには、また意外なことには、ＣＯ_２分離のためのこれらの技術のそれぞれには、種々の目的を満たすために様々な組み合わせであるが、加圧、吸着、圧平衡、ベビーパージ（ヘビー還流）、ライト還流、排気／ブローダウンが一般に含まれる。特に、ヘビープロダクトパージ／加圧及びライト還流／加圧の場合、それらのうちの少なくとも１つがこれらの分離においてガスフロントの管理に用いられる。

上記のＣＯ_２回収法では、水はＣＯ_２生成物流中に通常回収されるので、生じた廃棄物流はしばしば非常に乾燥している。この乾燥廃棄物流は蒸発冷却する能力を有する。蒸発冷却は、乾燥流の蒸発潜在能力を利用して、一般に冷却塔のような向流接触装置中で直接接触させることにより液体を冷却する方法である。プラント内のプロセス流の冷却に使用できる冷却された水を提供するこの特徴を用いるのが一般的である。例えば、冷却水は、供給空気のフロント−エンド精製（ＦＥＰ）のためにガス分離工業では圧縮機最終冷却器で用いうる（Ｆｒａｎｋ Ｇ． Ｋｅｒｒｙ，２００６）。

エアー・プロダクツ社の米国特許第５，３０６，３３１号には、乾燥膜透過ガス流の冷却力を利用して、供給空気冷却及びその後の空気分離プロセスの露点低下に用いられる圧縮機最終冷却器用冷却水の蒸発冷却を行う方法が開示されている。

米国特許第５，３４５，７７１号には、１種以上の凝縮性化合物を不活性ガス凝縮性化合物蒸気混合物から回収する改善法であって、液体リング真空ポンプが凝縮性化合物（メタノール、ベンゼン、トルエン及び他の有機化合物）の凝縮及び回収に用いられる方法が開示されている。

特開２００２−０７９０５２号公報 米国特許第５，９１７，１３６号明細書 米国特許第６，３２２，６１２号明細書 米国特許第５，９３８，８１９号明細書 特開２００４−２０２３９３号公報 米国特許第４，７２６，８１５号公報 特開２００５−２６２００１号公報 特開２００３−１０６１号公報 特開１０−１２８０５９号公報 米国特許第５，３０６，３３１号明細書 米国特許第５，３４５，７７１号明細書

ジャーナル・オブ・ザ・セラミック・ソサイエティ・オブ・ジャパン（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ）、第１１３（３）巻、第２５２−２５４頁（２００５年） エナジー・コンバージョン・アンド・マネイジメント（Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）、第１３７巻、第９２９−９３３頁、１９９６年 インダストリー・アンド・エンジニアリング・アンド・ケミカル・リサーチ（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）、第１４５巻、第４２７８−４２９４頁（２００６年）

しかしながら、壜詰めプラントの充填ボウルから放出される二酸化炭素の回収は、上記の公知の用途とは本質的に異なる。この特定の状況では、二酸化炭素濃度は高く（＞５０％）、低温の水分で飽和されている。ガス生成物を壜詰めプラントの充填システムへ戻すためには、ガスは＞９９％ＣＯ_２の食品グレードへ精製する必要がある。上記の従来技術の方法はこの用途に適しておらず、本発明の目的はこの用途に適した方法を提供することである。

本発明では、二酸化炭素を供給ガス流から回収するための圧力スイング吸着法であって、次の工程：
ａ）ＣＯ_２を供給ガス流から特定の圧力又は既知圧力で吸着剤へ吸着して、供給ガス流を二酸化炭素の希薄な廃ガス流に変換すること；及び
ｂ）工程ａ）でＣＯ_２を取り込んだ吸着剤から、取り込み後の吸着剤を供給ガスの圧力より低い圧力に曝すことによってＣＯ_２を脱着して、ＣＯ_２に比較的富む流れを生成すること
を含み、工程ａ）及び工程ｂ）の間の中間工程として高純度の二酸化炭素ガス流で工程ａ）の取り込み後の吸着剤をパージ又はリンスすることなく実施される上記の方法を提供する。

真空スイング吸着法の流れ図及び２つの吸着器容器を含むプラントを示す。 図１に示す容器の操作順を説明する略図を示す。 蒸発冷却プロセスの流れ図及び図１の流れ図の二酸化炭素の希薄な乾燥廃ガス流が、図１の液体リングポンプの冷却に用いる冷却水の冷却に使用されるプラントを示す。

この明細書において、「高純度ガス流」とは、少なくとも９０重量％、好適には少なくとも９８重量％又は９９重量％のＣＯ_２を含有するガス流を意味する。
ある態様では、供給ガスは５０重量％以上のＣＯ_２を含有する。

好適には、供給ガス流は５０〜９０重量％のＣＯ_２を含有する。さらに好適には、供給ガス流は７０重量％以上のＣＯ_２を含有する。
供給ガスはまた、水分（Ｈ_２Ｏ）、Ｎ_２、Ｏ_２又は他の微量元素のいずれ１種又はそれらのの組み合わせを含有していてもよい。供給ガス流が水分を含有する状況では、好適には、供給ガスは水蒸気で飽和されている。

ある態様では、吸着剤は吸着容器内に含まれており、供給ガスは吸着容器へ大気圧〜１０バールゲージの圧力で供給される。供給ガスは吸着容器へ１バールゲージ以下の圧力で供給されるのが適している。容器は容器の長さに沿って圧力差を有するが、工程ａ）は吸着容器中で実質的に大気圧〜１０バールゲージの範囲内の圧力で行われることになる。

ある態様では、吸着剤に曝された供給ガスは１００℃以下、好適には１０〜４０℃の温度である。
ある態様では、供給ガスは容器の下端に入り、二酸化炭素の希薄な流れは容器の上端から排出される。

ある態様では、供給ガス流は炭酸飲料壜詰めプラントの充填ボウルから放出されるガスである。
吸着剤は、ゼオライト、アルミナ、シリカゲル、活性炭、又はガス流中のＣＯ_２を非ＣＯ_２成分よりも選択的に吸着することができる他の固体粒状物質を含む、好適な吸着剤のいずれかであればよい。ゼオライト又はアルミナ又はシリカゲルのような多くの吸着剤はガス流から水も吸着する。

流出物又は廃ガスとしても知られるＣＯ_２の希薄な流れは廃棄物槽へ送られ、そして大気圧へガス抜きされるかあるいはさらなる下流処理へ送られる。
ある態様では、廃ガス流は適当な気／液接触装置、例えば充填塔又は噴霧塔中で冷却水と直接接触させて、廃ガスの蒸発力により冷却水を冷却しうる。冷却水は廃ガス流の湿球温度に達しうる。

ある態様では、冷却水（上記の蒸発力により生じたもの）は、減圧により本方法の工程ｂ）におけるＣＯ_２の脱着を少なくとも一部行うように運転される液体リング真空ポンプの冷却に用いることができる。液体リング真空ポンプにおいて水の温度を下げる効果は、真空ポンプが必要とする電力を減少させること、及び／又は、より低い真空レベルを液体リング真空ポンプによって達成させることである。真空レベルがより低い場合、高い純度のＣＯ_２生成物流が生じるという結果になる。

ある態様では、ＣＯ_２に富む生成物流は９０重量％以上、好適には９５、９８又は９９重量％以上のＣＯ_２を含有する。
工程ｂ）は吸着剤を、ＣＯ_２の脱着を生じる圧力低下に曝すこと含みうる。好適には、工程ｂ）は吸着剤を大気圧より低い圧力に曝すことを含む。さらに好適には、工程ｂ）は吸着剤を２〜９０ｋＰａ（絶対圧）、さらに好適には、２〜５０ｋＰａ（絶対圧）に曝すことを含む。

ある態様では、工程ｂ）は真空ポンプ又はブロアーの１つ又は組み合わせによって圧力を減少させることを含む。
ある態様では、吸着剤は２つ以上の塔又は容器中に含まれ、そして工程ａ）及びｂ）は位相をずらして各容器中の吸着剤上で行われ、工程ａ）及びｂ）がそれぞれある時間、容器の１つで行われ、工程ｂ）及びａ）がそれぞれ同じ時間、又は別の時間、容器の別の１つで行われる。例えば、工程ａ）及びｂ）は、工程ａ）が第１容器中の吸着剤上で行われると同時に、工程ｂ）が第２容器中の吸着剤上で行われるように、各容器中で連続的に行われる。別の例では、工程ａ）及びｂ）は分離して行われ、例えば、工程ａ）は１つの容器中で行われ、同時に工程ｂ）は他の容器で開始されるか、あるいは完了している。同様に、工程ｂ）は１つの容器中で行われ、同時に工程ａ）は他の容器で開始されるか、あるいは完了している。これがもたらす利点の１つは、ＣＯ_２に富む実質的に連続した流れが、ＣＯ_２に富む生成物流が得られる容器からの連続的な交替によって得られることである。

本明細書において、「塔」及び「容器」は同義語的に用いられ、そして反応器及びチャンバーも包含する。
２つ以上の容器が吸着剤を含む場合、好適には、プロセスはまた、工程ａ）及びｂ）の後に、あるいは工程ａ）及びｂ）が各容器のいずれか１つで実施された直後に、容器を流体が通じている状態に相互接続するさらなる工程を含む。例えば、第１容器を工程ａ）にあて、第２容器を工程ｂ）にあてる場合、容器を流体連通した状態になるように接続すると、第１容器から第２容器へのガスの流れによって第１容器に初期圧低下を生じる結果になるであろう。同様に、第１容器を工程ｂ）にあて、第２容器を工程ａ）にあてる場合、容器を流体連通した状態になるように接続すると、第２容器から第１容器へのガスの流れによって第２容器に初期圧低下を生じ、次には、第２容器中の吸着剤からＣＯ_２を脱着し、そして第１容器中の吸着剤にＣＯ_２を吸着する結果となる。本発明のこの好ましい態様の利点の１つは、このような容器の相互接続が、取り込み後の吸着剤を含む容器の減圧に用いられる真空ポンプ又はブロアーのエネルギー負荷を低下させることである。さらに、このような容器の相互接続は吸着剤へ吸着されたＣＯ_２の大気への損失を回避し、従って、ＣＯ_２の回収量を最大にする。

２つ以上の容器が提供される別の態様では、プロセスは容器を流体連通した状態になるように相互接続することを含み、該プロセスでは、工程ａ）及びｂ）の少なくとも１つが実施の終了段階にあり（又は完了しており）、それによって、工程ａ）が容器の１つで実施されたとき、又は実施されているとき、容器間の連絡は、各容器を工程ａ）の操作圧から少なくとも部分的に減圧することを容易にし、そして工程ｂ）が容器の１つで実施されたとき、又は実施されているとき、容器間の連絡は、各容器を工程ｂ）の操作圧から少なくとも部分的に再加圧することを容易にする。

ある態様では、容器は少なくとも１秒、好適には１〜４秒、さらに好適には約２秒の間、ＣＯ_２の吸着及び脱着の各サイクル同士の間で、流体連通した状態になるように接続されている。

ある態様では、工程ａ）は少なくとも５秒、好適には５〜１５秒、さらに好適には約１０秒の間、実施される。
ある態様では、工程ｂ）は少なくとも５秒、好適には５〜１５秒、より好適には約１０秒の間、実施される。

ある態様では、工程ａ）は、供給ガスを容器の１つで床に詰められた吸着剤と接触させることを含む。本方法はまた、工程ａ）が実施されている同一の容器からＣＯ_２の希薄な流れを排出することをも含みうる。

本発明では、二酸化炭素を供給ガス流から回収するための圧力スイング吸着法であって、次の工程：
ａ）５０重量％以上のＣＯ_２を含む供給ガス流からＣＯ_２を吸着剤へ吸着して、供給ガス流をＣＯ_２の希薄な流れに変換すること；及び
ｂ）工程ａ）でＣＯ_２を取り込んだ吸着剤から、取り込み後の吸着剤を供給ガスの圧力より下の圧力に曝すことによってＣＯ_２を脱着して、９５重量％以上のＣＯ_２を含むＣＯ_２に富む流れを生成すること
を含む方法も提供する。

好適には、このプロセスは、工程ａ）及びｂ）の間の中間工程として高純度の二酸化炭素ガス流で工程ａ）の取り込み後の吸着剤をパージ又はリンスすることなく実施される。
直前の２つの段落に記載の圧力スイング吸着法はまた、上記本方法の特徴のいずれか１つ又は組み合わせを含む。

本発明では、ＣＯ_２を供給ガス流から回収するためのプラントであって、上記のいずれかの段落に記載の方法により運転されるプラントも提供する。プラントは、
ｉ）２つ以上の容器、各容器はＣＯ_２吸着剤材料を含む；
ｉｉ）選択的に開閉して供給ガスを容器へ連続して順々に供給することができる供給手段；
ｉｉｉ）容器に含まれる床を順々に選択的に、かつ、供給手段とは位相のずれた運転で、供給手段が供給ガスを容器の１つに供給するとき、別の容器を吸引するように、吸引することができる、吸引又は真空ポンプ；
ｉｖ）所望の場合に、容器間の流体連絡を可能にする流体連絡手段
を含む。

使用時には、供給手段は供給ガスの第１容器への供給を可能にするように運転され、同時に、吸引ポンプは第２容器を吸引する。所定時間の後、供給手段及び吸引ポンプの運転は、供給手段がガスを第２容器に供給し、吸引ポンプが第１容器を吸引するように変えられる。

ある態様では、二酸化炭素の希薄な廃棄物流は第１容器から排出される。
ある態様では、供給手段は、供給手段がいずれかの容器へ入るのを妨げられる期間、供給ガスを受け入れる槽を含む。

ある態様では、流体連絡手段は、供給ガス及び吸引ポンプの操作が１つの容器から別の容器へ変わるときに容器間の流体連絡を可能にする。
ある態様では、プラントは、芳香族成分のような不純物を容器へ供給される供給ガスから除去するフィルターを含む。

ある態様では、プラントは、不純物をＣＯ_２に富む生成物流から除去するフィルターを含む。
ある態様では、プラントは、冷却水を冷却するために二酸化炭素の希薄な廃ガス流が供給される蒸発冷却器を含む。

ある態様では、吸引ポンプは、蒸発冷却器から冷たい冷却水を受け入れる液体リング真空ポンプである。
本発明では、供給ガス混合物の少なくとも１種のガス成分を、供給ガス混合物に含まれる少なくとも１種の他のガス成分から、乾燥した流れ及び湿った流れを生成するガス分離装置を利用することによって分離するガス分離方法を提供し、その方法は、乾燥した流れを蒸発冷却による冷却水の冷却に利用すること、及び冷却水を液体リング真空ポンプ及び／又は後続の液体リング圧縮機の冷却に用いることを含む。

ある態様では、冷却水は充填塔又は噴霧塔中での蒸発によって冷却される。
ある態様では、供給ガス温度は１０〜９０℃である。
ある態様では、供給ガス圧は１〜２バール（絶対圧）である。

ある態様では、冷却水は蒸発冷却器と液体リングポンプ／圧縮機との間で再循環される。
ある態様では、冷却水は直接接触蒸発冷却器から供給され、液体リングポンプ／圧縮機の冷却に用いられる。

ある態様では、ガス分離装置は圧力／真空スイング吸着装置又は膜装置である。
ある態様では、ガス分離装置は水吸着性吸着剤／膜を利用する。
第１の態様は多段真空スイング吸着循環操作を含む。供給工程としても知られる第１工程は、プロセスから放出されたＣＯ_２含有ガス（水分を含む／含まない）を吸着塔又は容器へ０〜１０バールｇ、一般には０〜１バールｇの周囲圧より高い圧力で導入することである。吸着容器は、好ましくは二酸化炭素を供給圧及び温度で吸着することができる少なくとも１種の吸着剤を含む。これらの吸着剤には、ゼオライト、アルミナ、シリカゲル、活性炭、又はガス流中のＣＯ_２を非ＣＯ_２成分よりも選択的に吸着することができる他の固体粒状物質が含まれる。廃ガスとしても知られる吸着工程からの流出ガスは廃棄物槽へ送られ、ガス抜きされるか、あるいは下流の処理に送られるか、あるいは冷たい冷却水をつくる気／液接触装置へ送られる。ゼオライト又はアルミナ又はシリカゲルのような多くの吸着剤はガス流からの水も吸収するであろう。この場合、廃ガスは乾燥しており、蒸発冷却のような他の目的に用いることができる。吸着工程の次に同一方向流減圧工程が続き、そこでは、吸着剤への流れは電磁弁のスイッチを切ることによって停止させられ、流出ガスは第２吸着容器へ流れ出し、そこで減圧工程（排気又は減圧）は終わり、従って低圧である。この工程では、容器は減圧され、全体のガス純度は高まる。次の工程は、減圧によってＣＯ_２を吸着剤から除去する工程である。これは真空ブロアー又は真空ポンプ（周囲圧より低い圧が望ましいならば）又は大気圧への減圧によって供給方向に対して向流で行われる。ＣＯ_２に富む生成物ガスは生成物ガス槽に貯蔵され、下流プロセスへ再循環される。次の工程は、同一方向流減圧工程における容器からの流出ガスを受け取る向流加圧工程（これは同一方向流減圧に対する補足工程である）であり、この工程は圧力を高めるばかりでなく、容器の上部を低濃度二酸化炭素流出流によって清浄にする。最後に、供給物加圧又は廃棄物加圧が加えられて、容器圧を、サイクルを繰り返す前のその供給値に上げる。これらの工程は、１〜６の多段床を用いる循環法で交互に繰り返される。ＣＯ_２パージ工程を必要とする全ての従来のＣＯ_２捕捉サイクルとは異なり、本方法がこの工程を利用しないことが重要である。意外なことに、我々はＣＯ_２パージ工程を用いることなく、＞９９％ＣＯ_２生成物流を生成することができる。これはＣＯ_２再循環圧縮器を省くことになり、従って、プロセス資本及び運転コストを減少させる。

第１の態様の変形では、供給ガス流はＣＯ_２、空気及び水分を約０〜１バールｇ、１０〜４０℃で含有する。ここで、ＣＯ_２は吸着性成分である。吸着剤はＸ又はＹタイプゼオライトから選択される。

第１態様の別の変形では、吸着工程は約１０秒間であり、同一方向流減圧及び連結した向流加圧は約２秒間であり、排気工程は約１０秒間であり、再加圧工程は約２秒間である。

第１態様の別の変形では、減圧工程での流れの方向は供給ガス流方向に対して同一方向の流れであり、加圧での流れの方向は供給ガス流方向に対して反対方向の流れである。
第１態様の別の変形では、排気工程での流れの方向は供給ガス流方向に対して反対方向の流れである。排気圧は２〜５０ｋＰａである。

態様は、重質生成物還流（パージとしても知られている）又は軽質生成物還流（廃棄物リンスとしても知られている）のいずれの還流も含まず、本方法は炭酸飲料の壜詰めプラントの充填ボウルから出る二酸化炭素の分離及び回収にうまく用いることができる。処理された供給ガス流は、充填ボウルプロセスで飽和されたレベルの特定量の水分を含有する。さらに、本発明はまた、特に食品及び飲料工業において、同様な供給ガス条件の他のＣＯ_２回収／除去に容易に適用することができる。

第１態様の別の変形では、プロセスからの乾燥廃ガスは気／液接触装置へ送られ、冷却水の冷却に用いられる。冷たい冷却水は液体リング真空ポンプへ送られて特に２〜１０ｋＰａの低真空圧の達成を促進する。

本発明の別の態様は、回収目的に役立つ装置である。該装置は、
（Ａ）充填ボウルから出たガス中の芳香族化合物及び他の不純物を吸収するための入り口合体予備フィルター、該フィルターはまた吸収器へ入る供給ガス温度を上昇させる、
（Ｂ）ガス混合物から二酸化炭素を選択的に吸着する少なくとも１種の吸着剤で充填された固定吸着器容器、該吸着器は入り口及び出口を有する、
（Ｃ）吸着器容器圧を減少させ、さらに二酸化炭素を濃縮する吸着器容器減圧手段、
（Ｄ）吸着器容器の上部を清浄にし、そして容器圧を上昇させる、吸着器容器を減圧流出流ガスで加圧するための手段、
（Ｅ）容器からＣＯ_２を向流で取り出し、そして生成物を槽に送る吸着器容器排気手段、
（Ｆ）生成物ガスを冷却する真空ポンプ出口熱交換器、
（Ｇ）二酸化炭素ガスを充填ボウルへ戻す前に不純物を除去する生成物フィルター
を含む。

本発明の好ましい態様を添付の図面を参照して説明する。
図１は、壜詰めプラントの充填ボウルから放出される廃ガスから二酸化炭素を回収するのに適した圧力スイング吸着プラント及び方法を説明する図である。放出されるガスは一般的に約７０〜８０重量％のＣＯ_２を含有し、ゼオライト吸着剤に選択的に吸着される。吸着剤（好ましくはＮａＸ、ＬｉＸ又はＮａＹの形）は、２つの吸着器容器１１及び１２に詰められる。廃棄物供給ガスは、バッファー供給槽１３と調整弁１５及び１６を含むライン１４とを経て容器１１及び１２に供給される。ＣＯ_２の希薄なガス流は調整弁１８及び１９を含むライン１７を経て容器１１及び１２から排出される。吸着剤が二酸化炭素を取り込むと、調整弁２４及び２５を含むライン２３により容器へ接続された真空ポンプ２６によって容器１１及び１２が減圧される。弁２１及び２２を含むライン２０は容器１１及び１２間の選択的連絡を可能にする。

以下でさらに詳細に説明するように、容器１１及び１２は、１つの容器１１又は１２中で吸着剤がＣＯ_２を取り込んでいる間、別の容器１１又は１２中でＣＯ_２が脱着されているように、位相をずらして操作される。さらに、容器１１又は１２の同一方向流減圧及び反対方向流加圧を利用すると、電力消費は少なくなり、生成物純度及び回収率は増加する。

圧力スイング吸着法の第１工程は、７０〜８０％の二酸化炭素を含有する供給ガス混合物を１０〜４０℃の温度及び１〜２バール（絶対圧）でライン１４及び弁１５を経て容器１１へ導入する。二酸化炭素は吸着剤に選択的に吸着され、ＣＯ_２が減少した流れ（廃ガス流）はライン１７及び弁１８を経て容器１１の頂部から抜かれる。第１工程は約１０秒で行われると考えられる。しかしながら、ＣＯ_２を吸着する他の時間は流量及び使用容器の大きさによると認められる。

圧力スイング吸着法の第２工程は、容器１２中の低い圧力によって容器１１を減圧することを含む。プロセスの連続運転状態では、容器１２はポンプ２６によって排気されて圧力は低下し、容器１１の減圧はライン２０を経た容器１２への容器１１の相互接続及び弁２１及び２２の操作によって達成される。容器１１中の圧力は６０〜８０ｋＰａに減少させることができ、ＣＯ_２の比較的小さい流れが容器１２に移されると考えられる。また、第２工程は約２秒で行われると考えられる。

圧力スイング吸着法の第３工程は、真空ポンプ２６及び弁２４を操作することによって容器１１を排気することを含む。ポンプ２６は、弁１８及び２１の閉鎖した状態で容器１１の圧力を２〜５０ｋＰａに減少させることができる。二酸化炭素に富む流れは容器１１から取り出され、次に充填ボウルで使用されるために生成物ラインに運ばれる。

第３工程の最中に加えて、供給ガス混合物は、上記第１工程と同様にライン１４及び調整弁１６を経て容器１２に供給される。
圧力スイング吸着法の第４工程は、ガスの流れが容器１２から容器１１への方向に流れるように、ライン２０を経て容器１１を容器１２へ接続することによって容器１１を加圧することを含む。第４工程は、容器１１の圧力を約６０〜８０ｋＰａに上昇させ、また、約２秒間で行われると考えられる。

最終工程は、容器１１の圧力を上昇させる容器１１への供給物加圧又は廃棄物加圧を含む。容器１１の圧力が供給ガス圧力と実質的に等しくなると、プロセスは必要に応じて上記工程順序を繰り返すことにより連続的に運転することができる。

実際、図２に示すように、容器１１及び１２で吸着剤にＣＯ_２を取り込ませることを含む工程は、文字「Ａ」、「ＰＲ」及び「ＲＰ」で表され、容器１１及び１２で脱着又は排気することを含む工程は、文字「ＥＶ」及び「Ｄ」で表される。これらの工程は位相がずれるような順序で実施される。特に、容器１１又は１２の１つの吸着剤が二酸化炭素を取り込んでいる間、二酸化炭素が別の容器１１又は１２の吸着剤から脱着されている。同様に、文字「Ｄ」で図２に表される工程２による容器１１の減圧はまた、文字「ＰＲ」、「ＲＰ」及び「Ａ」で図２に表される容器１２の加圧と同時に起こる。

プロセスが開始モードにある状況では、第２工程による容器１１の減圧は省略でき、プロセスは第１工程から第３工程へ進みうる。
排気工程の間、二酸化炭素に富む生成物ガスは、ガス分離プロセスの間に生じた乾燥ガス流３８との充填塔３３での向流接触によって生じた冷たい液体水流３５を利用する液体リング真空ポンプによって回収することができる。図３の乾燥ガス流３８は図１の廃棄物生成物流１７である。液体水流３７の温度は蒸発冷却によって下げられ、ウォーターブースターポンプ３４によって液体リングポンプ２６へ戻される。充填塔３３を通過した後の乾燥ガス流はその後に排出される。生成物ガス流３９に存在する水蒸気は液体リングポンプ２６で凝縮され、結果的に気／液分離器２８で回収される。

希薄ＣＯ_２ガス流を処理する現在のＣＯ_２捕捉法とは異なり、上記の好ましい態様は還流又はリンス、ヘビー還流又はライト還流を含まず、同時に高濃度のＣＯ_２生成物を生じる。

圧力スイング吸着法は、従来の圧力スイング吸着機械設備を利用して実施することができる。しかしながら、生成物ガスは食品グレード基準を満たさなければならず、ＣＯ_２及び水分の混合物は腐蝕効果を有するので、真空ポンプを含む金属部品の全てをステンレス鋼で加工又はライニングしなければならない。

好ましい態様の利点は、パージ圧縮機を必要としないので電力の消費が少なく、一般に廃棄される相当な量の二酸化炭素を、放出された充填ボウルガスから回収することができることである。

好ましい態様の別の利点は、ポンプ２６の前に水凝縮装置を必要とせず、液体リングポンプ中の水を冷却する冷却装置を必要としないことである。操作液体温度は蒸発冷却によって下げられ、よりすぐれた真空レベル及びよりすぐれた性能が得られる。一方、液体リングポンプも相当な量の水を生成物ガス流から回収する。

本発明を、実施例を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されない。
実施例１
図１に示す配置のパイロットプラントを組み立てた。各容器の直径は５．０ｃｍ、使用長さは１００ｃｍであり、１．３５ｋｇの充填ゼオライトＮａＸ吸着剤を容器に充填した。実験データを得た後、プロセスの規模を拡大し、以下のパラメーターで実施した：
供給ガス： ７５％ＣＯ_２、残りは空気及び飽和水
供給圧： １．２１バール（絶対圧）
真空圧： ０．３バール（絶対圧）
生成物純度： ＞９６％
ＣＯ_２回収率： ５５％
電力消費： １．５６ｋＷ／ＴＰＤ
ＣＯ_２生産量： ３．６８８トン／日
吸着器数： ２
総吸着剤量、ｋｇ： １４８．６２
真空ポンプ数： １
実施例２
圧力スイング法のシミュレーションをＰＳＡ法の実証された数学的モデルを用いて行った。各容器の直径は１２．０ｃｍ、使用長さは１００ｃｍであり、７．６３ｋｇの充填ＮａＸ吸着剤を容器に充填した。シミュレーション後、プロセスの規模を拡大し、以下のパラメーターで実施した：
供給ガス： ５０％ＣＯ_２、残りは空気
供給圧： １．２１バール（絶対圧）
真空圧： ０．１３バール（絶対圧）
生成物純度： ９５％ＣＯ_２
ＣＯ_２回収率： ９２％
電力消費： １．６８ｋＷ／ＴＰＤ
ＣＯ_２生産量： ０．８トン／日
吸着器数： ３
真空ポンプ数： １
実施例３
圧力スイング法のシミュレーションをＰＳＡ法の実証された数学的モデルを用いて行った。各容器の直径は７．７ｃｍ、使用長さは１００ｃｍであり、３．１４ｋｇの充填ＮａＸ吸着剤を容器に充填した。シミュレーション後、プロセスの規模を拡大し、以下のパラメーターで実施した：
供給ガス： ７８．４９％ＣＯ_２、１．８８％Ｎ_２、１９．６３％ＣＨ_４
供給圧： ３．０バール（絶対圧）
真空圧： ０．１０バール（絶対圧）
生成物純度： ９５．６５％ＣＯ_２
ＣＯ_２回収率： ９６．９３％
電力消費： ２．９２ｋＷ／ＴＰＤ
ＣＯ_２生産量： ０．２２１トン／日
吸着器数： ３
真空ポンプ数： １
実施例４
図３に示す配置のパイロットプラントを組み立てた。二酸化炭素の希薄な乾燥廃ガス流３８は充填塔３３を通して運ばれて蒸発冷却を行い液体リングポンプ２６で用いられる冷却水３７を冷却する。その結果、冷却水温度は低下する。

入り口の水：２０℃
入り口の乾燥ガス流：３０℃、露点＜−５０℃
出口の水： 気／液比
１１．０１℃ １６３９
１５．００℃ ８３５
２０．１３℃ ４１５
したがって、一定温度に対する真空ポンプの到達圧力は以下のとおりである：

一般的な真空スイング吸着サイクルに基づく性能データはそれぞれ以下のとおりである：

従って、余分の冷却電力を使用することなく液体リングポンプで使用される水を冷却することによって、よりすぐれた真空レベル並びによりすぐれた性能が得られる。
本技術分野における当業者であれば本発明の精神及び範囲を逸脱することなく具体的な態様及び実施例を変更することができるであろう。

従来技術の出版物がここに引用されているとしても、そのような引例は、出版物がオーストラリア又は他の国で、本技術分野における一般的な知識の一部を構成することを承認するものではない。

１１ 吸着容器
１２ 吸着容器
１３ バッファー供給槽
１４ ライン
１５ 調整弁
１６ 調整弁
１７ ライン
１８ 調整弁
１９ 調整弁
２０ ライン
２１ 弁
２２ 弁
２３ ライン
２４ 調整弁
２５ 調整弁
２６ 真空ポンプ
３３ 充填塔
３４ ウォーターブースターポンプ
３７ 液体水流
３８ 乾燥廃ガス流
３９ 生成物ガス流

Claims (42)

1. 二酸化炭素を供給ガス流から回収するための圧力スイング吸着法であって、次の工程：
   ａ）ＣＯ_２を供給ガス流から特定圧力又は既知圧力で吸着剤へ吸着して、供給ガス流を二酸化炭素の希薄な廃ガス流に変換すること；及び
   ｂ）工程ａ）でＣＯ_２を取り込んだ吸着剤から、取り込み後の吸着剤を供給ガスの圧力より低い圧力に曝すことによって、ＣＯ_２を脱着して、ＣＯ_２に比較的富む流れを生成すること
   を含み、工程ａ）及びｂ）の間の中間工程として高純度の二酸化炭素ガス流で工程ａ）の取り込み後の吸着剤をパージ又はリンスすることなく実施される上記の方法。
2. 供給ガスが５０重量％以上の量のＣＯ_２を含有する、請求項１に記載の方法。
3. 供給ガス流が７０重量％以上の量のＣＯ_２を含有する、請求項１に記載の方法。
4. 供給ガスが大気圧〜１０バールゲージの圧力で吸着剤に供給される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 吸着剤に曝された供給ガスが１００℃以下、好適には１０〜４０℃の範囲内の温度である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 工程ａ）が少なくとも５秒、好適には５〜１５秒、さらに好適には約１０秒の間実施される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 供給ガス流が炭酸飲料壜詰めプラントの充填ボウルから放出されるガスである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. ＣＯ_２に富む生成物流が９０重量％以上、好適には９５、９８又は９９重量％以上のＣＯ_２を含有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 工程ｂ）が吸着剤を大気圧より下の圧力に曝すこと、好適には２〜９０ｋＰａ（絶対圧）、さらに好適には２〜５０ｋＰａ（絶対圧）の圧力に曝すことを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 工程ｂ）が少なくとも５秒、好適には５〜１５秒、さらに好適には１０秒の間実施される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 吸着剤が２つ以上の容器に含まれ、工程ａ）及びｂ）がサイクルに従って１つの容器中で実施され、工程ａ）及びｂ）が同じサイクルに従って、位相をずらして別の容器中で実施される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 工程ａ）及びｂ）の後に、あるいは工程ａ）及びｂ）が各容器のいずれか１つで実施された直後に、容器を流体連通した状態になるように相互接続するさらなる工程を含む、請求項１１に記載の方法。
13. プロセスが、容器を流体連通した状態になるように相互接続することを含み、そこでは、工程ａ）及びｂ）の少なくとも１つが実施の終了段階にあり（又は完了しており）、それによって、工程ａ）が容器の１つで実施された又は実施されているとき、容器間の連絡は工程ａ）の操作圧からの各容器の少なくとも部分的な減圧を容易にし、そして工程ｂ）が容器の１つで実施された又は実施されているとき、容器間の連絡は工程ｂ）の操作圧からの各容器の少なくとも部分的な再加圧を容易にする、請求項１１に記載の方法。
14. 容器が、少なくとも１秒、好適には１〜４秒、さらに好適には約２秒の間、ＣＯ_２の吸着及び脱着の各サイクル間を流体が通じている状態で接続される、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 廃ガス流が気／液接触装置中で冷却水と直接接触して廃ガス流の蒸発力により冷却水を冷却する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 冷却水が、減圧により工程ｂ）におけるＣＯ_２の脱着の少なくとも一部が行われる液体冷却真空ポンプ、例えば液体−リング真空ポンプの冷却に用いられる、請求項１５に記載の方法。
17. 冷却水が気／液接触装置と液体冷却真空ポンプとの間で再循環される、請求項１６に記載の方法。
18. 二酸化炭素を供給ガス流から回収するための圧力スイング吸着法であって、次の工程：
    ａ）５０重量％以上のＣＯ_２を含む供給ガス流からＣＯ_２を吸着剤へ吸着して、供給ガス流をＣＯ_２の希薄な廃ガス流に変換すること；及び
    ｂ）工程ａ）でＣＯ_２を取り込んだ吸着剤から、取り込み後の吸着剤を供給ガスの圧力より下の圧力に曝すことによって、ＣＯ_２を脱着して、９５重量％以上のＣＯ_２を含む濃厚な流れを生成すること
    を含む方法。
19. 工程ａ）及びｂ）の間の中間工程として、少なくとも９０重量％のＣＯ_２を含む高純度二酸化炭素ガス流で工程ａ）の取り込み後の吸着剤をパージ又はリンスすることなく実施される、請求項１８に記載の方法。
20. 供給ガス流が７０重量％以上のＣＯ_２を含む、請求項１８又は１９に記載の方法。
21. 供給ガスが吸着剤へ実質的に大気圧〜１０バールゲージの圧力で供給される、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 吸着剤へ曝された供給ガスが１００℃以下、好適には１０〜４０℃である、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 工程ａ）が少なくとも５秒、好適には５〜１５秒、さらに好適には約１０秒の間実施される、請求項１８〜２２のいずれか一項に記載の方法。
24. ＣＯ_２に富む生成物流が９０重量％以上、好適には９５、９８又は９９重量％以上のＣＯ_２を含有する、請求項１８〜２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 工程ｂ）が吸着剤を大気圧より下の圧力に曝すこと、好適には２〜９０ｋＰａ（絶対圧）、されに好適には２〜５０ｋＰａ（絶対圧）の圧力に曝すことを含む、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 工程ｂ）が少なくとも５秒、好適には５〜１５秒、さらに好適には約１０秒の間実施される、請求項１８〜２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 吸着剤が２つ以上の容器に含まれ、工程ａ）及びｂ）がサイクルに従って１つの容器中で実施され、工程ａ）及びｂ）が同じサイクルに従って、位相をずらして別の容器中で実施される、請求項１８〜２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 工程ａ）及びｂ）の後に、あるいは工程ａ）及びｂ）が各容器のいずれか１つで実施された直後に、容器を流体連通した状態になるように相互接続する工程をさらに含む、請求項２７に記載の方法。
29. プロセスが、容器を流体連通した状態になるように相互接続することを含み、そこでは、工程ａ）及びｂ）の少なくとも１つが実施の終了段階にあり（又は完了しており）、それによって、工程ａ）が容器の１つで実施された又は実施されているとき、容器間の連絡は、各容器を工程ａ）の操作圧から少なくとも部分的に減圧することを容易にし、そして工程ｂ）が容器の１つで実施された又は実施されているとき、容器間の連絡は、各容器を工程ｂ）の操作圧から少なくとも部分的に再加圧することを容易にする、請求項２７に記載の方法。
30. 容器が、少なくとも１秒、好適には１〜４秒、さらに好適には約２秒の間、ＣＯ_２の吸着剤への吸着及び脱着の各サイクル間を流体連通した状態になるように接続される、請求項２８又は２９に記載の方法。
31. 廃ガス流が、気／液接触装置中で冷却水と直接接触して廃ガス流の蒸発力により冷却水を冷却する、請求項１８〜３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 冷却水が、減圧により工程ｂ）におけるＣＯ_２の脱着の少なくとも一部が行われる液体冷却真空ポンプ、例えば液体−リング真空ポンプの冷却に用いられる、請求項３１に記載の方法。
33. 冷却水が、気／液接触装置と液体冷却真空ポンプとの間で再循環される、請求項３２に記載の方法。
34. 供給ガス混合物の少なくとも１種のガス成分を、供給ガス混合物に含まれる少なくとも１種の他のガス成分から、乾燥した流れ及び湿った流れを生成するガス分離装置を利用することによって分離するガス分離方法であって、乾燥した流れを蒸発冷却により冷却水の冷却に利用すること、そして冷却水を液体リング真空ポンプ及び／又は後続の液体リング圧縮機の冷却に用いることを含む方法。
35. 水が充填塔における蒸発によって冷却される、請求項３４に記載の方法。
36. 水が噴霧塔中で冷却される、請求項３４に記載の方法。
37. 供給ガス温度が１０〜９０℃である、請求項３４に記載の方法。
38. 供給ガス圧が１〜２バール（絶対圧）である、請求項３４に記載の方法。
39. 冷却水が、蒸発冷却器と液体リングポンプ／圧縮機との間で再循環される、請求項３４に記載の方法。
40. 冷却水が、直接接触蒸発冷却器から供給され、液体リングポンプ／圧縮機の冷却に用いられる、請求項３４に記載の方法。
41. ガス分離装置が、圧力／真空スイング吸着装置又は膜装置である、請求項３４に記載の方法。
42. ガス分離装置が水吸着性吸着剤／膜を利用する、請求項３４に記載の方法。

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