CN100536992C - 氧气和氮气的并行分离方法和并行分离系统 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种不仅可利用PSA气体分离装置从空气等中分离取得高纯度氧气，而且可连续高效地从由该PSA气体分离装置连续供给的脱吸气体中分离取得高纯度氮气的方法及系统。本发明包括利用PSA气体分离装置(1)实施的PSA气体分离工序和利用膜式气体分离器(2)实施的膜式气体分离工序。在PSA气体分离工序中，利用使用填充有用于优先吸附氮的吸附剂的吸附塔进行的变压吸附式气体分离法，从空气等含有氧-氮的气体取得富氧气体和主要含氮但也含氧的解吸气体。在膜式气体分离工序中，将优先使氧透过的气体分离膜(2A)的透过侧减压至低于大气压的压力，并利用气体分离膜(2A)，将解吸气体分离成透过气体分离膜(2A)的透过气体和未透过气体分离膜(2A)的非透过气体(富氮气体)。

Description

氧气和氮气的并行分离方法和并行分离系统
技术领域
本发明涉及用于从含有氧和氮的混合气体(例如空气)中并行分离氧气和氮气的方法及系统。
背景技术
从空气分离得到的氧气和氮气可用于各种用途。例如，氧气可用于垃圾熔融炉、灰熔融炉、玻璃熔融炉等的高温处理，炼钢电炉燃烧效率的提高，在化工装置中进行的氧化反应，废水处理装置中的纯氧曝气(oxygen aeration)等。另一方面，氮气则可用于例如垃圾熔融炉、化工装置的气封、净化等，热处理炉的氛围气体调整，食品包装用气封等。
已知，从空气中分离氧气、氮气的实用方法之一是变压吸附法(PSA法)。利用PSA法进行气体分离时，采用具备填充有用于优先吸附规定成分的吸附剂的吸附塔的PSA气体分离装置，在吸附塔中，至少施行吸附工序和解吸工序。在吸附工序中，将混合气体导入吸附塔，在高压条件下，将该混合气体中的易吸附成分吸附在吸附剂上，从吸附塔导出含有难吸附成分的气体。在解吸工序中，降低塔内压力，使易吸附成分从吸附剂上解吸，从吸附塔导出主要含有该易吸附成分的气体。例如，在使用能使氮优先于氧被吸附的吸附剂，并将空气作为混合气体导入吸附塔的情况下，氧在吸附工序中作为难吸附成分，被排出塔外，而氮作为易吸附成分通过吸附工序被吸附到吸附剂上，并通过解吸工序中被排出塔外。
在PSA法中，与利用解吸工序被减压解吸导出塔外的易吸附成分气体相比，利用吸附工序通过吸附塔的难吸附成分气体在气体浓度、气量等方面更稳定。因此，在PSA法中，以难吸附成分气体为所得目的气体与以易吸附成分气体为所得目的气体相比，更易高效得到该目的气体。所以，当采用PSA法从空气中分离取得氧时，通常，所用PSA气体分离装置的吸附塔中填充的是氮吸附性的吸附剂，通过吸附工序将由该吸附塔导出的富氧气体作为制品气体回收。而当采用PSA法由空气中分离取得氮时，通常，吸附塔中填充的是氧吸附性的吸附剂，通过吸附工序将从该吸附塔导出的富氮气体作为制品气体回收。
然而，也存在着不仅要分离取得空气中的氧并加以利用，同时还要分离取得空气中的氮并加以利用的需求，在此情况下，就希望有可利用单一的系统并行分离取得空气中所含的氧和氮的技术。
图8为用于并行分离空气中的氧和氮的现有系统的一例——氧-氮并行分离系统X5的示意图。氧-氮并行分离系统X5具备PSA气体分离装置81，膜式气体分离器82，贮罐83，压缩机84、85和真空泵86，这些鹅利用配管相连接。在配管的规定部位，设有多个自动阀(省略图示)，在系统运转时，通过适宜选择各自动阀的开闭状态，就可以切换系统内的气流状态。PSA气体分离装置81具备填充有使氮优先于氧被吸附的吸附剂的吸附塔(省略图示)。而膜式气体分离器82具有用于使氧优先透过的气体分离膜82a。该氧-氮并行分离系统记载于例如下述专利文献1中。
专利文献1：日本特开平5-253438号公报
在氧-氮并行分离系统X5运转时，在PSA气体分离装置81的吸附塔中，反复施行包括吸附工序和解吸工序的1个循环，从空气中分离取得富氧气体。在吸附工序中，压缩机84运转，向PSA气体分离装置81的吸附塔供给空气，在塔内上升到规定压力的状态下，将该空气中的易吸附成分(主要含氮)被吸附在吸附剂上，从该吸附塔和PSA气体分离装置81导出富氧气体。该富氧气体可连续用于例如规定的用途。在解吸工序中，在利用真空泵86的运转使塔内压力降低到规定值的状态下，使易吸附成分(主要含氮)从该吸附塔内的吸附剂上解吸，将该易吸附成分与残留于塔内的氧一起，作为解吸气体排至塔外或PSA气体分离装置81之外。解吸气体中的氧浓度在解吸工序初期较高，而随着时间的推移，有可能逐渐降低。
可利用氧监测器随时检测从PSA气体分离装置81解吸的气体的氧浓度，解吸工序初期氧浓度较高的解吸气体如箭头G′所示，排放到系统之外。然后，在解吸气体的氧浓度降低到规定值时，停止该排出动作，切换到将解吸气体回收到贮罐83的动作，开始回收解吸气体。每当从PSA气体分离装置81排出解吸气体时，即实行该解吸气体的排放以及此后的回收。
利用压缩机85的运转，将回收到贮罐83的解吸气体以规定压力供给至膜式气体分离器82，分离成透过和未透过膜式气体分离器82的气体分离膜82a的透过气体和非透过气体。解吸气体中的氧优先透过气体分离膜82a，这样，氧浓度降低、氮纯度增高的富氮气体作为非透过气体，从膜式气体分离器82排出。该非透过气体可连续用于例如规定的用途。利用氧-氮并行分离系统X5，如上所述，从空气分离取得富氧气体和富氮气体。
在氧-氮并行分离系统X5中，假设将所有从PSA气体分离装置81解吸的气体不经贮罐83回收，而是连续经压缩机85持续供给至膜式气体分离器82，则从膜式气体分离器82作为非透过气体排放的富氮气体量随时间的推移将会有较大变动。这是由于向膜式气体分离器82供给的解吸气体的氧分压或氧浓度会产生较大变动，这样，就会使气体分离膜82a中的氧透过推动力(driving force)产生较大变动。该推动力的变动将导致相对于气体分离膜82a，氧的透过量以及氧的非透过量的变动，由此导致从膜式气体分离器82排出的非透过气体(富氮气体)量的变动。为此，在氧-氮并行分离系统X5中，若不将所有从PSA气体分离装置81解吸的气体经贮罐83临时回收，而是连续地持续供给至膜式气体分离器82，则作为非透过气体取得的富氮气体的供给量将很不稳定，从而导致不可能适于用作不活泼气体的情况。
反之，在上述原有状态下运转的氧-氮并行分离系统X5中，按照规定时刻，在排放与回收来自PSA气体分离装置81的解吸气体的动作之间切换，将规定的氧浓度区域(即氮浓度区域)的解吸气体临时回收到贮罐83中，从贮罐83向膜式分离器82供给氧浓度基本一定(即氮纯度基本一定)的解吸气体。而且，因向膜式气体分离器82供给的解吸气体的氧分压(或氧浓度)变动小，因此，相对于气体分离膜82a的氧的透过量的变动小，可以从膜式气体分离器82按照大致一定的流量排出非透过气体(富氮气体)。
然而，用于对由PSA气体分离装置81流向膜式气体分离器82的解吸气体流实施截流的切换用配管结构以及贮罐83将导致富氮气体的分离取得操作不连续，使系统趋于复杂，因此不优选。且由于该切换用配管结构和贮罐83导致系统大型化，因此不优选。并且，从PSA气体分离装置81流向膜式气体分离器82的解吸气体流的截流时间越长，贮罐83就需要越大的容量，装置就越趋于大型化。例如，在利用PSA气体分离装置81的吸附塔实施30秒解吸工序期间，从解吸工序开始之后20秒内的解吸初期、中期排出的解吸气体(氧浓度较高，氮纯度较低)如箭头G′所示，排放到系统之外；在将从解吸工序开始之后20～30秒之间的解吸末期排放的解吸气体(氧浓度较低，氮纯度较高)贮存到贮罐83中的情况下，由于解吸初期、中期的20秒内，解吸气体未贮存到贮罐83中，因此，为可以在此期间从贮罐83向膜式气体分离器82供给气体，就需要预先将多余部分贮存到贮罐83中，而不是将直到该阶段的解吸工序中排出的解吸气体送往膜式气体分离器82。此时，需要利用真空泵86的运转，在相应压力下，将解吸气体导入贮罐83中，但由于真空泵86的排放压力有一定的极限，因此，为将解吸气体适度导入贮罐83，就需要贮罐83有足够大的容积。上述截流时间越长，预先贮存到贮罐83中的多余的解吸气体量就会越大，因此，贮罐83所需要的容积也就越大，使贮罐83大型化。
发明内容
本发明即是考虑到上述情况后做出的发明，其目的在于，提供一种不仅可利用PSA气体分离装置从氧-氮混合气体中分离取得高纯度氧气，而且可连续高效地从由该PSA气体分离装置连续供给的解吸气体中分离取得高纯度氮气的方法及系统。
根据本发明的第一方面，提供一种用于从含有氧和氮的混合气体中并行分离氧气和氮气的方法。该并行分离方法包括变压吸附式气体分离工序和膜式气体分离工序。在变压吸附式气体分离工序中，利用使用填充有用于优先吸附氮的吸附剂的吸附塔进行的变压吸附式气体分离法，在吸附塔内为相对高压的状态下，向吸附塔内导入混合气体，该混合气体中的氮被吸附在吸附剂上，从该吸附塔中导出富氧气体，并在吸附塔内呈相对低压的状态下，使氮从吸附剂解吸，将包括残留在吸附塔内的氧和该氮的含氧解吸气体从该吸附塔中导出。在膜式气体分离工序中，将用于优先使氧透过的气体分离膜的透过侧减压至低于大气压，并利用该气体分离膜，将含氧解吸气体分离成透过气体分离膜的透过气体和未透过气体分离膜的非透过富氮气体。
优选，本并行分离方法还包括在将含氧解吸气体用于膜式气体分离工序之前，压缩该含氧解吸气体的压缩工序。在这种情况下，在压缩工序中，优选将含氧解吸气体压缩至0.6MPa以上的压力。
优选，在变压吸附式气体分离工序中从吸附塔导出含氧解吸气体时该吸附塔内的减压，与膜式气体分离工序中透过侧的减压利用单一的减压机构实现。
优选，在膜式气体分离工序中，含氧解吸气体的一部分不透过气体分离膜而导入气体分离膜的透过侧。
根据本发明的第二方面，提供一种用于从含有氧和氮的混合气体中并行分离氧气和氮气的系统。该并行分离系统具备变压吸附式气体分离装置、膜式气体分离器和减压机构。变压吸附式气体分离装置具备填充有用于优先吸附氮的吸附剂的吸附塔，利用使用该吸附塔进行的变压吸附式气体分离法，在吸附塔内呈相对高压的状态下，向吸附塔内导入混合气体，使该混合气体中的氮吸附在吸附剂上，从该吸附塔中导入富氧气体，且在吸附塔内呈相对低压的状态下，使氮从吸附剂上解吸，将包括残留在吸附塔内的氧和该氮的含氧解吸气体从该吸附塔中导入。膜式气体分离器具有用于优先使氧透过的气体分离膜，将含氧解吸气体分离成透过气体分离膜的透过气体和未透过气体分离膜的非透过富氮气体并导出。减压机构用于将膜式气体分离器的气体分离膜的透过侧减压到低于大气压的压力。该并行分离系统，正适合实施本发明第一方面的方法。
优选，该并行分离系统还具备在将含氧解吸气体供给至膜式气体分离器之前，用于压缩该含氧解吸气体的压缩机构。
优选，减压机构在从变压吸附式气体分离装置的吸附塔导出含氧解吸气体时，同时作为对该吸附塔内进行减压的机构起作用。
优选，该并行分离系统还具备使含氧解吸气体的一部分绕过而不是透过气体分离膜，导入气体分离膜的透过侧的迂回机构。
附图说明
图1为本发明第一实施方式的氧-氮并行分离系统的简要结构的示意图。
图2为从图1所示变压吸附式气体分离装置排出的含氧解吸气体的压力-时间变化的一例。
图3为与使用图1所示氧-氮并行分离系统实施的本发明氧-氮并行分离方法中的膜式气体分离工序相关的，由图2所示PSA气体分离装置排出含氧解吸气体时横跨解吸初期(解吸工序开始时)、解吸中期(经过10秒时)、以及解吸末期(经过30秒时)的各物理量变化的一例的总结表。
图4为与图1所示氧-氮并行分离系统的膜式气体分离器中的气体分离膜透过侧不经减压而实施的膜式气体分离工序相关的，由图2所示PSA气体分离装置排出含氧解吸气体时横跨解吸初期(解吸工序开始时)、解吸中期(经过10秒时)、以及解吸末期(经过30秒时)的各物理量变化的一例的总结表。
图5为本发明第二实施方式的氧-氮并行分离系统的简要结构的示意图。
图6为本发明第三实施方式的氧-氮并行分离系统的简要结构的示意图。
图7为本发明第四实施方式的氧-氮并行分离系统的简要结构的示意图。
图8为现有的氧-氮并行分离系统的简要结构的示意图。
具体实施方式
图1表示本发明的第一实施方式的氧-氮并行分离系统X1。氧-氮并行分离系统X1具备变压吸附式(PSA)气体分离装置1、膜式气体分离器2、原料气体供给装置3、泵4、5、消声器(silencer)6、压缩机7、气液分离器8、氧浓度控制机构9、以及连接上述装置的配管，形成可从空气(含氧-氮的原料气体)中并行分离出富氧气体和富氮气体，实施包括变压吸附式气体分离工序、压缩工序、以及膜式气体分离工序的氧-氮并行分离方法的结构。
PSA气体分离装置1具备至少一个填充有主要用于优先吸附氮的吸附剂的吸附塔(省略图示)，是可利用使用该吸附塔实施的变压吸附式气体分离法，从含氮-氧的原料气体(在本实施方式中为空气)中取出富氧气体的装置。填充在吸附塔中的吸附剂可采用Li-X型沸石分子筛、Ca-X型沸石分子筛、Ca-A型沸石分子筛等。在单一吸附塔的情况下，既可以填充一种吸附剂，也可以填充多种吸附剂。
在利用PSA气体分离装置1实施的变压吸附式气体分离法的情况下，由单一的吸附塔反复进行包括吸附工序、解吸工序、以及再生工序的一个循环。吸附工序是用于向塔内呈规定的高压状态的吸附塔导入空气，将该原料气体中的氮及其它成分(二氧化碳、湿存水等)吸附在吸附剂上，从该吸附塔导出富氧气体的工序。解吸工序是用于将吸附塔内减压，使氮从吸附剂上解吸，将该氮排出塔外。再生工序是使吸附塔再次在吸附工序中应用，通过在塔内流通例如清洁气体，使得吸附剂恢复对氮的吸附性能的工序。该PSA气体分离装置1可采用公知的PSA氧分离装置。
膜式气体分离器2具有导入口2a和导出口2b、2c，具备使氧优先透过的气体分离膜2A。膜式气体分离器2的内部设有规定的气体流路(具体情况未图示)，导入口2a和导出口2b通过气体流路的一部分连通。并且，在从导入口2a至导出口2c的气体流路的规定部位，设有气体分离膜2A。气体分离膜2A为例如聚酰亚胺、聚砜等材质的多孔质树脂膜。该多孔质树脂膜可采用例如UPILEX PT(日本宇部兴产株式会社生产)。
原料气体供给装置3是用于向PSA气体分离装置1的吸附塔输送含有氮-氧的原料气体的空气的装置，例如鼓风机。泵4是用于对PSA气体分离装置1的吸附塔内实施抽吸减压的装置，例如真空泵。此外，泵5是用于对膜式气体分离器2的气体分离膜2A的透过侧(从气体分离膜2A至导出口2c的气体流路)实施抽吸减压的装置，例如真空泵。
消声器6是用于将一部分气体由泵4导入压缩机7，将其余气体由泵4排放到系统之外的装置，具有用于将来自泵4的气体导入压缩机7的气体流路，和用于对来自泵4的气体进行消声处理并排放到系统之外的气体流路。
压缩机7为用于对经过消音器6的气体进行压缩，供给至气液分离器8的装置。此外，气液分离器8具有排出口8a，用于将从压缩机7输出的气体中所含水分从该气体中分离出来。排出口8a用于将回收到气液分离器8内的水分排出到气液分离器8之外。
氧浓度控制机构9包括在与膜式分离器2的输出口2b接合的配管L1上设置的氧传感器9a和自动阀9b，用于根据配管L1内流动的气体的氧浓度，调节该气体的流量(即，未透过膜式气体分离器2的气体分离膜2A的气体量)，将该气体的氧浓度调节到预期值。氧传感器9a用于随时检测在配管L1内流动的氧浓度。在氧浓度控制机构9中，根据氧传感器9a的检测结果，将自动阀9b的开口度调节到预期程度。
具有上述结构的氧-氮并行分离系统X1运转时，利用原料气体供给装置3的运转，从原料气体供给装置3向PSA气体分离装置1供给空气。
在PSA气体分离装置1中，向变压吸附式气体分离工序供给空气。具体而言，在PSA气体分离装置1中，利用变压吸附式气体分离法，在每座吸附塔内，反复实施包括吸附工序、解吸工序、再生工序的一个循环。
在吸附工序中，向处于规定高压状态的吸附塔内导入空气。在该吸附塔中，利用吸附剂吸附除去空气中所含的氮及其它成分(二氧化碳、湿存水等)，将高纯度氧气(富氧气体)导出至塔外。该高纯度氧气经规定配管取出到氧-氮并行分离系统X1之外。
在解吸工序中，利用泵4的运转，使吸附塔减压，使氮及其它成分从吸附剂解吸，将包括残留在塔内的氧和该解吸成分的含氧解吸气体排放到塔外或PSA气体分离装置1之外。图2为从处于解吸工序中的吸附塔排出的含氧解吸气体的压力随时间变化的一例的曲线图。在图2中，横轴表示吸附塔中的解吸时间(解吸工序开始起算经过的时间)，纵轴表示解吸压力(含氧解吸气体的压力)。在本压力变化例中，解吸工序开始时的压力为大气压，经10秒后的压力为0.0611MPa，经30秒后的压力为0.0332MPa。并且，在图2中，还同时表示了解吸工序开始时、经过10秒时、以及经过30秒时的含氧解吸气体的氧浓度(氧的体积分率)。
在再生工序中，通过使例如清洗气体在塔内流动，使主要是对氮的吸附剂的吸附性能恢复。在结束再生工序后的吸附塔内，再次实施上述吸附。
通过在PSA气体分离装置1中实施如上所述的变压吸附式气体分离工序，不仅可以取得高纯度氧气，而且还可以取得含氧解吸气体。高纯度氧气可连续用于例如规定用途，也可以贮存在规定罐内。另一方面，从处于解吸工序中的吸附塔排出PSA气体分离装置1之外的含氧解吸气体经规定配管和泵4送往消声器6。然后，一部分含氧解吸气体经消声器6流至压缩机7。含氧解吸气体的其余部分利用消声器6排放到系统外。
通过消声器6的含氧解吸气体在压缩机7中被压缩(压缩工序)，经气液分离器8，输送至膜式气体分离器2。优选为利用压缩机7将含氧解吸气体压缩至0.6MPa以上的压力。而在气液分离器8中，从含氧解吸气体中分离出水分。该水分经排出口8a由气液分离器8排放到外部。
在膜式气体分离器2中，向膜式气体分离工序供给含氧解吸气体。具体而言，从导入口2a向膜式气体分离器2内导入含氧解吸气体G1，利用配设在膜式气体分离器2的气体流路内的气体分离膜2A，分离成透过气体分离膜2A的透过气体G2和未透过气体分离膜2A的非透过气体G3。透过气体G2为基于气体分离膜2A的透过特性，氧浓度得到提高的富氧气体，而非透过气体G3为基于气体分离膜2A的透过特性，氮浓度得到提高的高纯度氮气(富氮气体)。
在膜式气体分离工序中，利用泵5的运转，使气体分离膜2A的透过侧减压到低于大气压。利用泵5达到的减压压力为例如0.02～0.05MPa。透过气体G2从导出口2c导出至膜式气体分离器2之外，然后，经泵5排放到系统外。
与此同时，在膜式气体分离工序中，利用氧浓度控制机构9的运转，直接调节非透过气体量，使非透过气体G3的氧浓度保持一定。氧浓度控制机构9的氧传感器9a随时检测从导出口2b导出到膜式气体分离器2之外，通过配管L1内的非透过气体G3的氧浓度。当浓度测量值高于预期值时，自动阀9b的开口程度减小，通过配管L1内的非透过气体G3的流量乃至由膜式气体分离器2在膜式气体分离工序中产生的非透过气体G3的量(每单位时间的生成量)减少。另一方面，当浓度测量值低于预期值时，自动阀9b的开口程度增加，通过配管L1内的非透过气体G3的流量乃至由膜式气体分离器2在膜式气体分离工序中产生的非透过气体G3的量增加。膜式气体分离工序中的非透过气体G3的纯度和氧浓度可随着该非透过气体G3的生成量变化，因此可以通过如上所述调节非透过气体G3的流量控制该非透过气体G3的氧浓度。
在膜式气体分离器2中，通过实施如上所述的膜式气体分离工序，不仅可实施氧浓度控制，而且可以得到高纯度氮气。该高纯度氮气可连续用于规定用途，也可以贮存在规定罐内。
利用氧-氮并行分离系统X1，可如上所述从空气中并行分离高纯度氧气和高纯度氮气。
在利用氧-氮并行分离系统X1进行的氧-氮并行分离方法中，通过将气体分离膜2A的透过侧减压至低于大气压的预期压力，可以使由实施变压吸附式气体分离工序的PSA气体分离装置1的吸附塔排出，用于膜式气体分离器2中的膜式气体分离工序的含氧解吸气体G1的氧分压(或单位体积物质量表示的氧浓度)，和利用气体分离膜2A与该含氧解吸气体G1隔断的透过气体G2的氧分压(或单位体积物质量表示的氧浓度)之间有足够的差值。而且也有望在利用压缩机7的压缩工序中，使来自吸附塔的含氧解吸气体G1的氧分压，和利用气体分离膜2A与之隔断的透过气体G2的氧分压之间有足够的差值。即使当含氧解吸气体G1的氧分压(或氧浓度)发生变动时，由于该两部分氧分压之间存在足够的差值，因此不仅可以确保气体分离膜2A具有足够的使氧透过的推动力，而且还可以控制该推动力的变动比率。因此，能够得到相对于气体分离膜2A的充分的氧透过量，并且能够抑制该透过量的变动。气体分离膜2A中的氧透过量越多，则气体分离膜2A的氮透过量越少，因此，利用膜式气体分离器2的膜式气体分离工序中的非透过气体(高纯度氮气)G3的生成量有可能增多。另一方面，气体分离膜2A中的氧透过量的变动比率越小，则膜式气体分离工序中的非透过气体(高纯度氮气)G3的生成量的变动比率有可能减小。
这样，根据本发明的氧-氮并行分离系统X1的氧-氮并行分离方法，能够以稳定流量供给大量的非透过富氮气体。因此，根据本并行分离方法，不仅可以利用PSA气体分离装置1由空气中分离取得高纯度氧气，而且可以从连续供给的来自PSA气体分离装置1的含氧解吸气体连续高效分离取得高纯度氮气。因此，根据本并行分离方法，无需使用临时贮存来自PSA气体分离装置1的含氧解吸气体的罐等。
在本发明中，导入膜式气体分离器2的含氧解吸气体G1的压力设为P1(MPa)，氧浓度(氧的体积分率)设为X1，气体量设为Q1(Nm3/hour)；由膜式气体分离器2导出的透过气体G2的压力设为(即，气体分离膜2A的透过侧的压力)P2(MPa)，氧浓度设为X2，气体量设为Q2(Nm3/hour)；从膜式气体分离器2导出的非透过气体(高纯度氮气)G3的氧浓度设为X3，气体量设为Q3(Nm3/hour)，气体分离膜2A的面积和厚度设为S(m2)和L(m)，气体分离膜2A的氧透过系数设为K(Nm2/hour·MPa)，则气体分离膜2A的气体分离理论上使下述式(1)～(3)成立。式(1)表示气量平衡，式(2)表示氧量平衡，式(3)表示气体分离膜2A的氧透过特性。
Q1＝Q2+Q3                   (1)
Q1×X1＝Q2×X2+Q3×X3        (2)
Q 2 × X 2 = K × S L × ( P 1 × X 1 - P 2 × X 2 ) - - - ( 3 )
例如，气体分离膜2A采用聚酰亚胺多孔质膜UPILEX PT(日本宇部兴产株式会社生产)，将式(3)的K(S/L)值设定为186，如图2所示，由PSA气体分离装置1排出，解吸工序开始时(解吸初期)的氧浓度(X1)为20.6％的含氧解吸气体利用压缩机7压缩至0.79MPa(P1)，按照125Nm3/hour(Q1)的供入量导入膜式气体分离器2，将气体分离膜2A的透过侧压力减压至0.0332MPa(P2)，利用氧浓度控制机构9调节非透过气体流量，得到残留氧浓度(X3)为1％的非透过气体(高纯度氮气)，此时，可求得上述式(1)～(3)的联立方程式的三个未知数X2、Q2、Q3的解。判定在解吸初期，产生27.9Nm3/hour(Q2)的氧浓度(X2)为88.9％的透过气体，非透过气体量(Q3)为97.1Nm3/hour。解吸初期的上述值揭示于图3的表中。
使K(S/L)、P1、Q1、P2、X3保持定值，解吸工序开始后经10秒(解吸中期)后含氧解吸气体的氧浓度(X1)如图2所示，达到10.0％时，通过求取上述式(1)～(3)的联立方程式的X2、Q2、Q3的解，判定在该解吸中期，产生22.0Nm3/hour(Q2)的氧浓度(X2)为52.2％的透过气体，非透过气体量(Q3)为103.2Nm3/hour。解吸中期的上述值也揭示于图3的表中。
使K(S/L)、P1、Q1、P2、X3保持定值，解吸工序开始后经30秒(解吸末期)后含氧解吸气体的氧浓度(X1)如图2所示，达到5.0％时，通过求取上述式(1)～(3)的联立方程式的X2、Q2、Q3的解，判定在该解吸末期，产生14.4Nm3/hour的量(Q2)的氧浓度(X2)为35.7％的透过气体，非透过气体量(Q3)为110.6Nm3/hour。解吸末期的上述值也揭示于图3的表中。
另一方面，除气体分离膜2A的透过侧不经减压，为大气压(0.101MPa)之外，与上述条件一样，根据式(1)～(3)求取如图2所示从PSA气体分离装置1排出含氧解吸气体时解吸初期、解吸中期、以及解吸末期的X2、Q2、Q3，结果如图4的表所示。
将图3的表和图4的表比较后可知，在膜式气体分离工序中气体分离膜2A的透过侧不减压的情况下(参照图4)，透过气体量(Q2)从解吸初期至解吸末期较多，因此，非透过气体量(Q3)从解吸初期至解吸末期较少。并且，随着含氧解吸气体的氧浓度(X1)的降低，透过气体量(Q2)的变化量(或变动比率)增大，因此，非透过气体量(Q3)的变化量(或变动比率)也增大。反之，在膜式气体分离工序中气体分离膜2A的透过侧减压至低于大气压的情况下(参照图3)，透过气体量(Q2)从解吸初期至解吸末期较少，因此，非透过气体量(Q3)从解吸初期至解吸末期较多。并且，随着含氧解吸气体的氧浓度(X1)的降低，透过气体量(Q2)的变化量(或变动比率)也减小，因此，非透过气体量(Q3)的变化量(或变动比率)也减少。基于上述原因可知，利用氧-氮并行分离系统X1中的膜式气体分离工序，能够以稳定流量输送大量高纯度氮气。
图5为本发明第二实施方式的氧-氮并行分离系统X2的示意图。氧-氮并行分离系统X2与氧-氮并行分离系统X1的不同之处在于，没有泵5，具有接合膜式气体分离器2的导出口2c和泵4的吸引侧的配管L2。
氧-氮并行分离系统X2中的泵4不仅起到用于对PSA气体分离装置1的吸附塔内进行减压的减压机构的功能，而且还起到用于对膜式气体分离器2的气体分离膜2A的透过侧进行减压的减压机构的功能。该系统能够构建紧密的结构，因此优选。
当氧-氮并行分离系统X2运转时，在PSA气体分离装置1中，按照与氧-氮并行分离系统X1相关的与上述相同的方式进行变压吸附式气体分离工序，取得高纯度氧气和含氧解吸气体。此外，在膜式气体分离器2中，除气体分离膜2A的透过侧减压方式之外，按照与氧-氮并行分离系统X1相关的与上述相同地进行实施膜式气体分离工序，取得高纯度氮气。在本实施方式中的膜式气体分离工序中，利用泵4的运转，将气体分离膜2A的透过侧减压至低于大气压的压力。例如，利用泵4的运转，在对处于吸附工序中的吸附塔内部进行抽吸减压，同时对气体分离膜2A的透过侧也进行减压。
因此，当采用氧-氮并行分离系统X2实施氧-氮并行分离方法时，除了与利用氧-氮并行分离系统X1大致一样，可提供高纯度氧气之外，还能够以稳定流量供给大量的高纯度氮气。
图6为本发明的第三实施方式的氧-氮并行分离系统X3的示意图。氧-氮并行分离系统X3与氧-氮并行分离系统X2的不同之处在于，还具有设在膜式气体分离器2中的气体分离膜2A的透过侧的导入口2d，接合压缩机7上游侧和膜式气体分离器2的导入口2d的配管L3，以及设在配管L3上的流量调节阀10。
氧-氮并行分离系统X3中的配管L3为用于使解吸工序中的从PSA气体分离装置1的吸附塔排出的流向膜式气体分离器2的含氧解吸气体的一部分不透过而绕过气体分离膜2A，导入气体分离膜2A的透过侧，起到迂回机构的作用的部分。
当氧-氮并行分离系统X3运转时，在PSA气体分离装置1中，按照与氧-氮并行分离系统X1相关的与上述相同的方式进行变压吸附式气体分离工序，取得高纯度氧气和含氧解吸气体。在本实施方式的膜式气体分离工序中，按照与氧-氮并行分离系统X2相同的实施方式，利用泵4的运转，将气体分离膜2A的透过侧减压至低于大气压的规定压力。在本实施方式中，由于压缩机7上游侧与膜式气体分离器2的导入口2d通过配管L3接合，因此，从PSA气体分离装置1的吸附塔排出流向膜式气体分离器2的含氧解吸气体的一部分经配管L3和导入口2d导入气体分离膜2A的透过侧。即，该含氧解吸气体的一部分(下文称为降低氧分压用气体G4)不透过而绕过气体分离膜2A，供给至气体分离膜2A的透过侧。在此，通过对气体分离膜2A的透过侧进行减压，可连续稳定地经配管L3向气体分离膜2A的透过侧输入降低氧分压用气体G4。并且，利用流量调节阀10将向气体分离膜2A的透过侧供给的降低氧分压用气体G4的供给量调节至预期值。
在气体分离膜2A的透过侧，透过气体分离膜2A的氧浓度相对较高的透过气体G2与并非透过而是绕过气体分离膜2A的氧浓度相对较低的降低氧分压用气体G4合流(下文将该合流气体称为合流气体G5)。因此，合流气体G5的氧浓度比透过气体G2的氧浓度低。另一方面，由于气体分离膜2A的透过侧减压至低于大气压的规定压力，因此合流气体G5的氧分压低于透过气体G2的氧分压。
因此，当采用氧-氮并行分离系统X3实施氧-氮并行分离方法时，通过不仅将气体分离膜2A的透过侧减压至低于大气压的规定压力，而且还将降低氧分压用气体G4导入气体分离膜2A的透过侧，就能使来自吸附塔的含氧解吸气体G1的氧分压，与利用气体分离膜2A与该含氧解吸气体G1隔断的存在于透过侧的气体(透过气体G2和降低氧分压用气体G4的合流气体G5)的氧分压的差值更大。这有助于增大气体分离膜2A的用于使氧透过的推动力，也有助于增加非透过气体(高纯度氮气)G3的量。
图7为本发明第四实施方式的氧-氮并行分离系统X4的示意图。氧-氮并行分离系统X4与氧-氮并行分离系统X3的不同之处在于，以配管L4代替配管L3，还具有压力控制阀11。配管L4接合压缩机7下游侧和膜式气体分离器2的导入口2d而构成。配管L4与氧-氮并行分离系统X3的配管L3一样，用于将解吸工序中的由PSA气体分离装置1的吸附塔排出并流向膜式气体分离器2的含氧解吸气体(降低氧分压用气体G4)的一部分不透过而绕过气体分离膜2A，导入气体分离膜2A的透过侧。并且，在配管L4上，与氧-氮并行分离系统X3一样，设有流量调节阀10。压力控制阀11设在压缩机7和膜式气体分离器2之间，用于将导入膜式气体分离器2的含氧解吸气体G1的压力调节至期望的压力。
在氧-氮并行分离系统X4中，由于压缩机7下游侧与膜式气体分离器2的导入口2d通过配管L4接合，因此，在系统运转时的膜式气体分离工序中，经配管L4向气体分离膜2A的透过侧供给降低氧分压用气体G4。而且，由于在气体分离膜2A的透过侧，透过气体分离膜2A的氧浓度相对较高的透过气体G2与并非透过而是绕过气体分离膜2A的氧浓度相对较低的降低氧分压用气体G4合流，因此，该合流气体G5的氧浓度比透过气体G2的氧浓度低。另一方面，由于气体分离膜2A的透过侧减压至低于大气压的规定压力，因此，合流气体G5的氧分压也低于透过气体G2的氧分压。
因此，当采用氧-氮并行分离系统X4实施氧-氮并行分离方法时，通过不仅将气体分离膜2A的透过侧减压至低于大气压的规定压力，而且还将降低氧分压用气体G4导入气体分离膜2A的透过侧，就能使来自吸附塔的含氧解吸气体G1的氧分压，与利用分离膜2A与该含氧解吸气体G1气体隔断的存在于透过侧的气体(透过气体G2和降低氧分压用气体G4的合流气体G5)的氧分压的差值更大。这有助于增大气体分离膜2A的用于使氧透过的推动力，也有助于增加非透过气体(高纯度氮气)G3的量。

Claims (9)

1.一种氧气和氮气的并行分离方法，用于从含有氧和氮的混合气体中并行分离氧气和氮气，包括：
变压吸附式气体分离工序，利用使用填充有用于优先吸附氮的吸附剂的吸附塔进行的变压吸附式气体分离法，在所述吸附塔内为相对高压的状态下，向所述吸附塔内导入所述混合气体，将该混合气体中的氮吸附到所述吸附剂上，从该吸附塔中导出富氧气体，并在所述吸附塔内为相对低压的状态下，使所述氮从所述吸附剂解吸，将包括残留在所述吸附塔内的氧和该氮的含氧解吸气体从该吸附塔中导出；和
膜式气体分离工序，利用用于优先使氧通过的气体分离膜，将所述含氧解吸气体分离为透过所述气体分离膜的透过气体和未透过所述气体分离膜的非透过富氮气体，其特征在于，
在所述膜式气体分离工序中，将所述气体分离膜的透过侧减压至低于大气压的压力，并且利用包括氧传感器的氧浓度控制装置，调整所述非透过富氮气体的量，将该非透过富氮气体的氧浓度保持一定。
2.如权利要求1所述的并行分离方法，其特征在于，还包括压缩工序，用于在将所述含氧解吸气体用于所述膜式气体分离工序之前，对该含氧解吸气体进行压缩。
3.如权利要求2所述的并行分离方法，其特征在于，在所述压缩工序中，将所述含氧解吸气体压缩至0.6MPa以上的压力。
4.如权利要求1所述的并行分离方法，其特征在于，在所述变压吸附式气体分离工序中从所述吸附塔导出所述含氧解吸气体时该吸附塔内的减压，与所述膜式气体分离工序中所述透过侧的所述减压，利用单一减压机构实现。
5.如权利要求1所述的并行分离方法，其特征在于，在所述膜式气体分离工序中，使得所述含氧解吸气体的一部分不透过所述气体分离膜而导入所述气体分离膜的透过侧。
6.一种氧气和氮气的并行分离系统，用于从含有氧和氮的混合气体中并行分离氧气和氮气，具备：
变压吸附式气体分离装置，利用使用填充有用于优先吸附氮的吸附剂的吸附塔进行的变压吸附式气体分离法，在所述吸附塔内为相对高压的状态下，向所述吸附塔导入所述混合气体，使所述混合气体中的氮吸附在所述吸附剂上，从该吸附塔导出富氧气体，且在所述吸附塔内为相对低压的状态下，使所述氮从所述吸附剂解吸，将包括残留在所述吸附塔内的氧和该氮的含氧解吸气体从该吸附塔导出；和
膜式气体分离器，具有用于优先使氧透过的气体分离膜，将所述含氧解吸气体分离为透过所述气体分离膜的透过气体和未透过所述气体分离膜的非透过富氮气体并导出，其特征在于，
还具备减压机构，用于将所述膜式气体分离器的所述气体分离膜的透过侧减压至低于大气压的压力；和
氧浓度控制装置，其包括氧传感器，用于调整所述非透过富氮气体的量而将该非透过富氮气体的氧浓度保持一定。
7.如权利要求6所述的并行分离系统，其特征在于，还具备压缩机构，用于在将所述含氧解吸气体供给至所述膜式气体分离器之前，对该含氧解吸气体进行压缩。
8.如权利要求6所述的并行分离系统，其特征在于，所述减压机构，在从所述变压吸附式气体分离装置的所述吸附塔导出所述含氧解吸气体时，同时作为用于对该吸附塔内进行减压的机构起作用。
9.如权利要求6所述的并行分离系统，其特征在于，还具备迂回机构，用于使所述含氧解吸气体的一部分迂回，不透过所述气体分离膜而导入所述气体分离膜的透过侧。
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气体分离膜应用的现状和未来. 徐仁贤.膜科学与技术，第23卷第4期. 2003
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