JP2002143630A - 空隙容量の少ない吸着システム及びその使用 - Google Patents

空隙容量の少ない吸着システム及びその使用

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Alan Barnard Stewart
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ジェファート・ジョン・ノヴォビルスキ
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グオミン・ジョング
Arun Acharya
アラン・アチャルヤ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 サイクル時間の短い速いＰＳＡプロセスのた
めの送給端（入口）及び生成端（出口）の両方における
空隙容量を減少させることである。 【解決手段】 ２つの容器２０及び２０’が収容され
る。消音装置Ｓ１、Ｓ１’、Ｓの容量Ｖ５、Ｖ５’、Ｖ
８と、分与配管の容量Ｖ４及びＶ７と、その他の空隙源
（図示せず）の容量Ｖ６とを纏めた中間容量Ｖ１０が、
合計での吸着床容量の約１５〜２０％未満に制限され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は改良された圧力スゥ
イング吸着システムに関し、詳しくは、空隙容量が小さ
く、流れ配分が改善され、プロセス性能が向上された高
速の圧力スゥイング吸着システムの提供及びその使用に
関する。
【０００２】
【従来の技術】吸着プロセスはガスを分離及び浄化する
ために幅広く使用されてきている。近年、ガスの高度分
離操作、特に、空気から酸素及びあるいは窒素を商業生
産するための真空圧力スゥイング吸着（ＶＰＳＡ）を含
む圧力スゥイング吸着（ＰＳＡ）システムが開発され
た。ＰＳＡ法は吸着−脱着のような基本的段階から成り
立っている。空気その他のガス混合物が、吸着圧力の高
い吸着床を夫々備えた１つ以上の容器を含むシステムに
送り込まれる。吸着床（あるいは吸着器）が、空気ある
いはガス混合物の吸着性の高い方の１つ以上の成分を選
択的に吸着する。吸着性がもっと低い単数あるいは複数
の成分は吸着床を通過する。次いで、容器は低い脱着圧
力に減圧され、単数あるいは複数の吸着器から吸着性の
高い方の単数あるいは複数の成分が脱着される。容器は
その後、サイクル運転が継続されるに従い高い吸着圧力
に再加圧される。
【０００３】従来のＰＳＡシステムはその性能を改善す
るために、代表的には方向弁と並列させた２つ以上の容
器を用い、これらの容器を交互シーケンス下に圧縮器あ
るいは真空ポンプに接続する。更に、ＰＳＡシステムで
は、使用する吸着材料を完全利用するために、単数ある
いは複数の容器を横断するガス流れをＰＳＡプロセス処
理サイクル全体を通して一様化することが要求される。
加えて、容器の入口及び出口の各領域（即ち、入口及び
出口並びにこれら入口及び出口に関連するヘッダ）位置
での空隙容量及び圧力低下は、ＰＳＡシステムのプロセ
ス性能に悪影響を及ぼすことから、実際の商業運転では
最小化されねばならない。Ｒｕｔｈｖｅｎ他により、均
衡モデルを介して空隙容量の影響の度合いを評価する方
法が開示された。詳しくは、Ｒｕｔｈｖｅｎ他の方法で
は、線形等温線を持つ簡単な４段階サイクルでの空隙容
量の影響が調べられ、空隙容量が大きいと生成物回収率
が著しく低下することが示された。
【０００４】残念なことに、この方法は理想条件に対し
て適用されるもので、物質移動の抵抗、熱の影響、非線
形等温線は考慮されていない。また、調査対象は生成端
での空隙容量と簡単なサイクルのみであった。米国特許
第５，９６８，２３３号には、空隙容量の影響に関する
同様の結果がもっと現実的な空気分離サイクルに対して
記載されている。しかしながら、この米国特許は生成端
での空隙容量のみを対象としている。またもっと重要な
ことにこの米国特許では、酸素コストに対する最小空隙
容量ではなくむしろ最適空隙容量が求められている。
【０００５】空隙容量の影響は、空隙容量位置（吸着材
に関しての）と、サイクルのどの段階での空隙容量を考
慮するかに依存する。例えば、生成端の空隙容量内の軽
質の生成物ガスはある程度、向流再生段階中のパージガ
スとして作用する。しかしこのパージの効果は低圧下の
制御されたパージのそれよりは小さい。生成端及び供給
端の両空隙容量におけるガス及び圧縮作用も均衡化段階
中に部分的に回復され得る。しかし、再生段階中に失わ
れる加圧ガス及び圧縮作用はかなりのものとなろう。一
般に、空隙容量が小さいとプロセス性能は向上する（即
ち、流れ配分条件や製造コスト増は考慮しないが、製品
回収率、電力消費量などが改善される）。
【０００６】ＰＳＡシステムにおける空隙容量を減少さ
せてプロセス性能を改善させるための従来方法は典型的
には下記の種類に分けられる。即ち、（ａ）改良ヘッダ
を有する容器システムと、（ｂ）単一容器システムと、
（ｃ）ピストン駆動式ＰＳＡシステムとである。容器シ
ステム設計は、容器自体若しくは床自体のみを対象とし
た古典的方式である。容器は、ガス入口（供給端）ある
いはガス出口（生成端）と吸着材との間の容器の各端部
内の流れ配分を改善し且つ空隙容量を最小化する設計と
される。最近におけるこの方式例には、半径方向吸着材
を記載した米国特許第５，７５９，２４２号と、従来の
垂直方向吸着材を記載した同第５，５３８，５４４号と
がある。しかしながら、容器システム設計方式で空隙容
量を低下させるには限界がある。所定の流れ配分装置を
使用した場合、ヘッダ空隙容量は、この空隙容量により
生じる流れの配分の不均衡化及び圧力低下がプロセス上
受け入れられる程度である場合においてのみ減少され得
る。加えて、配管内の空隙容量はこの方式によっては解
決されない。
【０００７】米国特許第４，１９４，８９２号に記載さ
れる単一容器圧力スゥイング吸着システムは、少量の吸
着材粒状物を充填した単一容器を使用するのみならず、
サイクル時間が非常に短い（数秒もの短さ）急速圧力ス
ゥイング吸着（ＲＰＳＡ）システムである。この米国特
許第４，１９４，８９２号の発明の主目的は空隙容量を
減少させることではなく、サイクル時間及び吸着材在庫
量を減らすこと及び多重容器を排除することである。し
かしながら、単一容器の使用により、理論上、圧縮器あ
るいは真空ポンプを多重容器ＰＳＡの異なる容器に連結
する配管（及びそれらの空隙容量）は排除され得る。こ
うした単一容器ＰＳＡの欠点は、（１）容器のヘッダ内
の空隙容量は対象外であること及び、（２）貯蔵タンク
及び再利用成分の追加無くしては生成物回収率が制限さ
れる（多重容器ＰＳＡと比較して）こと、である。
【０００８】米国特許第４，３５４，８５９号には圧力
スゥイングパラメトリックポンピングプロセスが教示さ
れる。このシステムはピストン駆動ＰＳＡシステムと称
され、吸着床の中心付近に送られた単一の吸着器を、同
期させた２つのピストンを使用して加減圧する。Ｆａｒ
ｏｏｑ他は、分離及び浄化技術１３（１９９８）１８１
頁において窒素及び二酸化炭素の分離のためにこの方式
を並行路吸着器に適用し、鈴木他は、吸着２（１９９
６）の１１１頁において、空気からの酸素富化のために
この方式を単一ピストンシステムで利用する。この方式
によれば、理論上は従来のＰＳＡシステムに関連するヘ
ッダの空隙容量が排除され得る。更に、流れがピストン
の運動により制御され得ることから弁は不要である。し
かしながらピストン駆動ＰＳＡシステムにはスケールア
ップの問題がある。例えば、大型の生成ユニットのため
には通常は非常に大きなピストンが必要となる。大きな
ピストンは製造が難しい上に、ピストン駆動ＰＳＡに
は、単一容器ＰＳＡの場合のように、従来の多重容器Ｐ
ＳＡと比較して製品回収率が小さいという問題もある。
【０００９】例示すると、欧州特許出願第０，８７９，
６３０Ａ２では、ピストン駆動ＰＳＡシステムの概念を
２組のピストンあるいはダイヤフラムのセットを備える
システムに適用している。ピストンあるいはダイヤフラ
ムの第１のセットは床の上部及び底部の各位置に位置付
けられ、吸着器の側壁位置のピストンあるいはダイヤフ
ラムの第２のセットと共に流体流れに影響を与える。こ
の第２のセットは吸着及び脱着の各段階に先立ち、床圧
を僅かづつ夫々増大及び減少させる。上記欧州特許によ
れば、２組のピストンあるいはダイヤフラムセットを使
用する方が、それらのセットを１組のみ使用するよりず
っと効率的であることが教示される。にもかかわらず、
この欧州特許において認識されるように回収率は低い。
加えて、ピストンあるいはダイヤフラムの第２のセット
はプロセスを複雑化する。本発明は、従来の容器設計、
単一容器ＰＳＡ、ピストン被駆動ＰＳＡシステムにおけ
る制限事項を解消する。本発明は、各容器内部のヘッダ
空隙容量を最小化するのみならず、分与配管の圧縮機／
真空ポンプと各容器との間の空隙容量をも改善する。本
発明は更に、多数の圧縮機及びあるいは真空ポンプを使
用して流れ配分を良好化し、各空隙容量を一層減少させ
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、サイクル時間の短い高速ＰＳＡプロセスのための送
給端（入口）及び生成端（出口）の両方における空隙容
量を減少させることである。解決しようとする他の課題
は、生成物ガスの生成量が向上され、吸着材の利用率が
向上されたシステムを提供することである。解決しよう
とする更に他の課題は、単数あるいは複数の吸着床容量
に関する中間容量の減少されたシステムを提供すること
である。解決しようとする更に他の課題は、単一床ある
いは多重床の各形態に対してのみならず、様々な床形態
に対して容易に適合することのできる、効率的な、空隙
容量の小さい吸着システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、空隙容
量が小さく且つ、高速サイクルプロセスのために適切で
あるように改善された新規なＰＳＡシステム及びＰＳＡ
プロセスが提供される。本発明のＰＳＡシステムはピス
トン被駆動ＰＳＡシステム及び従来の多重容器ＰＳＡシ
ステム組み合わせにおいてのみならず、容器間相互作用
においても使用することができるようになっている。本
発明の第１実施例では流れ動作や圧力パルスが同一の圧
力源による影響を受ける低圧スゥイング吸着システムが
教示される。この圧力源は高圧源あるいは低圧シンクで
あり得る。このシステムには吸着床を収納する少なくと
も１つの容器が含まれる。入口（送給端）が入口ヘッダ
を介して容器に連結され、出口（生成端）が出口ヘッダ
を介して容器に連結される。
【００１２】各容器の入口ヘッダ及び出口ヘッダの合計
の容量、即ち空隙容量（単に空隙とも称する）は吸着床
容量の約２０％未満である。空隙容量は吸着床容量の１
０％未満であるのが好ましく、最も好ましくは５％未満
である。容器の各入口は高圧源若しくは低圧シンクに連
結される。この形態は図２ａ及び図２ｂに示され且つ以
下に詳しく説明される。吸着床の約２０％未満の空隙容
量は、半径方向の床形態を有するものを除くほぼ全ての
吸着床形態において達成され得ることを銘記されたい。
当業者には、こうした低い空隙容量は半径方向床形態で
は容易に実現され得ないことを認識されよう。半径方向
床に対して本発明が達成し得る空隙容量は５０％未満で
ある。
【００１３】本発明の、図２ｃに示す第２実施例では各
容器は入口ヘッダと出口ヘッダを備えた吸着床を有して
いる。各容器は少なくとも１つの出口と１つ以上の入口
とを有し、各入り口付近には高圧源あるいは低圧シンク
が取り付けられる。第１実施例におけるように、各容器
における入口ヘッダ及び出口ヘッダの合計の空隙容量は
それら容器の吸着床の容量の概略２０％未満に制限され
る。この空隙容量は１０％未満であるのが好ましく、最
も好ましくは５％未満である。
【００１４】本発明の、図２ｄに示す最も好ましい第３
実施例において、各容器は吸着床と、出口ヘッダ及び入
口ヘッダとを有する。また更に、各容器は少なくとも１
つの出口と１つ以上の入口とを有し、各入口は容器に近
接して取り付けた入口弁に連結される。全ての弁は共通
の高圧源あるいは低圧シンクを共用する。この第３実施
例においても、各容器の入口ヘッダ及び出口ヘッダの合
計の空隙容量は容器の吸着床の約２０％未満に制限され
る。この空隙容量は１０％未満であるのが好ましく、最
も好ましくは５％未満である。この第３実施例における
効率を高めるためには、入口弁を通して高圧源あるいは
低圧シンクに連結する分与配管は夫々高圧あるいは低圧
に維持されるべきである。分与配管の合計容量もまた、
単数あるいは複数の吸着床の合計容量の約１０％未満に
制限され得る。
【００１５】入口と圧力源との間に位置付けられる空隙
容量は送給端中間空隙容量と総称され得る。この送給端
中間空隙容量は図ではＳ１、Ｓ１’、Ｖ５、Ｖ５’、Ｖ
４として示される。各図には消音装置が示されるが、空
隙容量は、入口と圧力源との間にあって圧力変化を受け
る任意のシステム構成部品並びにその関連容量によりも
たらされ得る。かくして“中間容量”には、この領域内
に配置されることになった配管、消音装置、タンクある
いは任意のその他の空隙容量源が含まれ得る。本発明に
従えば、この送給端中間空隙容量は単数あるいは複数の
吸着床の合計容量の１５〜２０％未満に制限され得る。
【００１６】単数あるいは複数の吸着床は、半径方向形
態、垂直方向形態、あるいは最も好ましくは平坦ヘッダ
形態のものとすることができる。加えて、高圧源は当業
者に既知の任意形式のものとすることができるが、従来
のルーツ圧縮機形式、若しくはリニア圧縮機（即ち、リ
ニアモータにより駆動されるピストン圧縮機）形式のよ
うなものが好ましい。本発明はピストン圧縮機が１つ以
上のピストンからなる場合に用いることができる。
【００１７】低圧シンクを、先に説明した高圧源と関連
させて、あるいは高圧源に代えて使用することができ
る。本発明のシステムには任意の低圧シンクを使用する
ことができるが、真空ポンプを使用するのが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明によれば、空隙容量が小さ
く且つプロセス性能が増長され、入口及び出口の各ヘッ
ダ、送給及び真空用の各分与配管並びに消音装置におけ
る空隙が制限された圧力スゥイング吸着（ＰＳＡ）シス
テムが提供される。１実施例では、高圧源及びあるいは
低圧シンクのような圧力源が各容器に近接して、若しく
は各容器付近に取り付けられる。本発明では、流れ配分
を改善して空隙容量を更に減少させるために多数の入口
及びあるいは多数の出口を好適に使用することができ
る。本明細書を通して、“入口”及び“送給端”は互換
使用され、その意味は本来同じであり、この点は“出
口”及び“生成端”も同様である。
【００１９】本発明は、吸着性が向上する他に、システ
ムのサイクル時間を従来のＰＳＡシステム性能における
それと比較して短縮する。サイクル時間が短くなること
で吸着材在庫量が減少され、ＰＳＡシステムがより小型
化され、生産性が増大する。この特徴は特に、酸素濃縮
装置のような医療用途にとって特に重要である。従っ
て、サイクル時間の短縮はＰＳＡ開発上の中心事項であ
る。本発明によれば、従来の３０秒間のサイクル時間が
一桁分低減される。
【００２０】先ず第１に、当業者には、高圧源及びある
いは低圧シンクを容器に連結する分与配管（送給物分与
配管及び真空分与配管とも称する）が合計の空隙容量に
寄与し、かくしてシステムの効率を低下させていること
を理解されよう。本発明によれば、こうした高圧源及び
あるいは低圧シンクを容器に近接状態で、あるいはほぼ
近接させて取り付けることが可能であり、そのように取
り付けることでそうした送給物や真空用の分与配管及び
それらの関連容量を不要化することができる。本発明に
よれば合計の空隙容量に寄与する消音装置も同様に、本
明細書中に記載されるように低下あるいは排除され、か
くして空隙容量が減少され、システム効率が改善され
る。この条件下に、従来の多重床ＰＳＡと比較しての空
隙容量の著しい低下とプロセス性能の向上とが達成され
る。
【００２１】第２には、多数の入口及び出口を好適に用
いることにより、各容器に近接状態で、あるいはほぼ近
接する状態で１つ以上の高圧源及びあるいは低圧シンク
を取り付けることができる。これらの入口及び出口は吸
着床の各ヘッダ内の流れ配分を改善し、またヘッダの空
隙容量を減少させる。例えば、吸着床の容量に対する空
隙容量比が最小化される。これにより、システムの合計
空隙容量は従来のＰＳＡシステムでのそれと比較して低
減される。
【００２２】第３に、ここで教示される形態において、
鈴木他のピストン駆動システムに関連するスケールアッ
プの問題が排除される。本発明では多重の送給物を使用
することにより、大型の１つのピストンに代えて一連の
小型のピストンを好適に用いることができる。第４に、
多重床及び床間相互作用を好適に用いて全体性能を向上
させることができる。
【００２３】図１には従来教示されるそれと等しいＰＳ
Ａシステムが示されている。これらのシステムでは分与
配管容量、ヘッダ容量は大きく、サイクル時間は長く
（約３０秒）なる傾向があった。垂直方向の２つの容器
１０及び１０’を備え、各容器が夫々容量Ｖ１及びＶ２
である吸着床１１及び１１’を有する形態は例示目的上
においてのみ選択されたものであり、これに限定しよう
とするものではない。図１に示す形態には、入口ヘッダ
１２及び１２’により吸着床に連結された入口１３及び
１３’と、出口ヘッダ１４及び１４’により吸着床に連
結された出口１５及び１５’と、低圧シンク１７と、高
圧源１９とも含まれている。入口ヘッダ１２及び１２’
は夫々容量Ｖ２及びＶ２’を有し、出口ヘッダ１４及び
１４’は夫々容量Ｖ３及びＶ３’を有している。従来シ
ステムは代表的には以下の空隙から成り立っている。
【００２４】１）ヘッダ：入口ヘッダ１２及び１２’及
び出口ヘッダ１４及び１４’が空隙を表す。従来の垂直
方向の吸着床形態の場合、入口及び出口の各ヘッダは吸
着床の容量の約１６〜２０％に等しい空隙を含んでい
る。半径方向床では入口及び出口の各ヘッダの空隙容量
は吸着床容量の約２０〜６０％に等しい。
【００２５】２）分与配管：高圧源を吸着床に連結（送
給物分与配管）し、低圧シンクを吸着床に連結（真空分
与配管）する各分与配管Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４は纏め
て“送給端配管容量”と称される。送給端（入口）分与
配管の合計容量はＶ４に等しい。生成端（出口）分与配
管Ｄ７は生成物タンクを吸着床に連結する。この生成端
分与配管Ｄ７の容量は総称してＶ７と参照される。これ
らの配管は吸着床の容量の約５〜１０％に等しい空隙容
量を表す。
【００２６】３）消音装置：高圧源あるいは低圧シンク
と吸着床との間に位置決めされたタンクの如き消音装置
Ｓ１は容量がＶ５であり、やはり空隙容量を表す。容量
がＶ８であるようなタンクＳ２を生成端に位置付けるこ
ともできる。代表的にはこれらの消音装置の空隙容量は
吸着床の容量の約５〜１０％に等しい。
【００２７】合計空隙容量はこれら３つの空隙容量を合
算した値である。これらの空隙には、ＰＳＡプロセス上
の圧力変化に起因する、電力及びプロセス性能の著しい
損失を表すところの不可逆性の仕事が大量に生じる。こ
の電力損失が増大すると高圧対低圧の比が大きくなる。
更には、生成物ガスは吸着床が飽和した時点でこれらの
空隙に捕捉されたままとなり、吸着床が再生される間に
失われてしまう。従って、大きな空隙は生成物の損失分
を表す。
【００２８】本発明に従えば、高圧源及びあるいは低圧
シンクである圧力源を、代表的には吸着床を貫く流体流
れと直列に、吸着床に近接してあるいはほぼ近接して取
り付け、圧力パルス及び流れ動作が上記圧力源により影
響されるようにすることで、以下に説明する空隙パラメ
ータ範囲内のシステムが開発される。 ２０％＞｛入口ヘッダの容量（Ｖ２＋Ｖ２’）＋出口ヘ
ッダの容量（Ｖ３＋Ｖ３’）｝／吸着床の容量（Ｖ１＋
Ｖ１’） １０％＞｛分与配管の容量（Ｖ４＋Ｖ７）｝／吸着床の
容量（Ｖ１＋Ｖ１’） １０％＞｛消音装置の容量（Ｖ５＋Ｖ５’＋Ｖ８）｝／
吸着床の容量（Ｖ１＋Ｖ１’）
【００２９】本発明によれば、入口と圧力源との間に位
置付けられた消音装置、タンク、配管その他様々の空隙
源の合計での空隙容量を吸着床容量の約２０％に制限す
ることも開示される。半径方向床形態の場合ではヘッダ
の空隙容量は一般に大きくなることを銘記されたい。従
って、半径方向床形態に対しては式（１）は以下のよう
になる。 ５０％＞｛入口ヘッダの容量（Ｖ２＋Ｖ２’）＋出口ヘ
ッダの容量（Ｖ３＋Ｖ３’）｝／吸着床の容量（Ｖ１＋
Ｖ１’）
【００３０】高圧源と低圧シンクとを容器に近接して、
あるいはほぼ近接して取り付けることで分与配管の容量
を少なくすることができるので、結局、合計での空隙容
量が減少する。従来システムでは代表的には、床流動
化、圧力低下、圧縮機容量が流量を制限する。生産量を
増大させるための従来の１方法には、床長さの短縮や床
断面積を増大させることが含まれる。しかしながら、床
長さが短く床径が大きい床ではしばしば吸着床容量に対
する空隙容量の比が大きくなる。例えば、従来の軸方向
床ＰＳＡシステムの合計空隙容量比は約３０％であり、
プロセスのサイクル時間は約３０秒である。床長を５０
％カットしてサイクル時間を５０％（即ち３０秒から１
５秒に）短縮すると、入口（送給端）及び出口（生成
端）の各空隙容量はそのままであることから、合計での
空隙容量比は２倍（即ち３０％から６０％）になる。空
隙容量比がこのように大きくなるとプロセス性能は劇的
に低下する。従って、空隙容量を減少させることは高速
ＰＳＡシステムを開発する上での鍵である。
【００３１】図２ａには本発明の、単一の垂直方向床を
使用するこれに限定しようとするものではない１実施例
が例示される。容器２０は入口ヘッダ２２（容量Ｖ２）
を介して入口２３と連結する吸着床２１（容量Ｖ１）を
有する。入口２３は送給物ガスあるいは送給物ガス混合
物を吸着床２１に向けて取り込み、それらのガスあるい
はガス混合物を純化その他の処理に掛ける。同様に、出
口２５は出口ヘッダ２４（容量Ｖ３）を介して吸着床２
１に連結される。出口２５は生成物ガスとも称されるプ
ロセスガスを提供する。入口ヘッダを介し、高圧源２７
あるいは低圧シンク２９が各容器に連結される。高圧源
２７あるいは低圧シンク２９は様々な方法で容器２０に
連結することができるが、図２ａでは弁３０及び３１を
用いて連結している。図２ａには高圧源２７と低圧シン
ク２９とが両方共に示されるが、これらを交互に若しく
は協調下に使用することもできる。
【００３２】容器は代表的には所望する生成物に対して
好適な、酸素生成物を生成する窒素選択性吸着材の如き
吸着材で充填される。高圧源は、従来のルーツ圧縮機あ
るいは線形圧縮機といった任意形式の圧縮機とすること
ができる。線形圧縮機は線形モータにより駆動されるピ
ストン圧縮機である。こうした形式の線形圧縮機は高効
率であり性能も高い。加えて、ピストン圧縮機は容量あ
るいは流れの調節が容易であり、この特徴は医療用濃縮
装置では極めて有益である。しかも、線形圧縮機は真空
ポンプとして作動するように改変することもできる。低
圧シンクはシステムのために好適な任意形態のものとす
ることができるが、真空ポンプが好ましい。高圧源と低
圧シンクとは交互にあるいは協調下に使用することがで
きる。
【００３３】図２ｂには本発明の２床実施例が示され
る。本実施例には２つの容器２０及び２０’が収容さ
れ、各容器は夫々、吸着床２１及び２１’（各容量Ｖ
１、Ｖ１’）と、入口ヘッダ２２及び２２’（各容量Ｖ
２、Ｖ２’）と、入口２３及び２３’と、出口ヘッダ２
４及び２４’（各容量Ｖ３、Ｖ７）と、出口５及び２
５’と、高圧源２７及び２７’若しくは低圧シンク２９
及び２９’の何れかとを備えている。高圧源と低圧シン
クとは交互にあるいは協調下に使用することができる。
必要であれば、２つの容器の入口間等化のために配管Ｄ
５（容量Ｖ４）及び弁３２が使用されることを銘記され
たい。システムの生成端（出口）分与配管Ｄ７の容量は
Ｖ７である。単数あるいは複数の高圧源あるいは単数あ
るいは複数の低圧シンクを任意に組み合わせてあるいは
複合して使用しても良い。図では２つの床／容器が示さ
れるが任意数の床／容器を好適に用いることができる。
【００３４】図２ｂには容量が夫々Ｖ５、Ｖ５’、Ｖ８
である消音装置Ｓ１、Ｓ１’、Ｓ２も示されている。こ
れらの消音装置は入口と圧力源との間に位置付けられた
全ての空隙源、例えば、消音装置、タンク、パイプなど
を表す。当業者には、消音装置のみならず様々の空隙源
をシステム内に位置付け得ることを認識されよう。これ
らの消音装置の容量Ｖ５、Ｖ５’、Ｖ８と、分与配管の
容量Ｖ４及びＶ７と、その他の空隙源（図示せず）の容
量Ｖ６とは纏めて中間容量Ｖ１０（図示せず）と総称さ
れ、本発明に従い制限され得る。これらの空隙の容量は
合計での吸着床容量の約１５〜２０％未満に制限され得
る。
【００３５】図２ｃには圧縮機及びあるいは真空ポンプ
を近接状態で取り付けた平坦ヘッダ床を使用する本発明
の更に他の、これに限定するものではない別の実施例が
示される。この実施例では単数あるいは複数の高圧源２
７と、単数あるいは複数の低圧シンク２９とが吸着床２
１の入口ヘッダ２２に直ぐ近接して取り付けられてい
る。こうした形態では少なくとも１つの出口２５が容器
２０の出口ヘッダ２４に連結される。
【００３６】ＰＳＡプロセスでの分離作業は吸着材にお
いてのみ実施されることから、残余の空隙（即ち、非吸
着材）容量、例えば分与配管や吸着装置の各ヘッダの空
隙容量を最小化してプロセス性能を向上させる必要があ
る。従来の床ヘッダに設けられる入口あるいは出口は通
常は１つである。入口あるいは出口からのガス流れを吸
着材に一様に分与し、吸着材及びプロセス性能をより良
好に使用するための所定の容量が必要である。多数の入
口あるいは出口を用いることにより、もっと良好な流れ
配分が提供され得、ヘッダの必要容量はもっと少なくな
る。入口あるいは出口の数は数多くの要因、例えば、生
成物流れ、床の直径／寸法、高圧源／低圧シンクの容量
などに基づく。十分な数の入口あるいは出口を設けた場
合、流れ配分用ヘッダの容積が事実上排除され、図２ｃ
に例示されるような準平坦のヘッダを入手することがで
きる。従来のヘッダと比較した場合、平坦なヘッダ設計
形状は、１５０ＴＤＰ酸素プラントにおける垂直方向床
形態の容量の１５〜２０％（またある場合では５〜１０
％）までを、そして半径方向床形態に対しては約２０〜
６０％（またある場合には１０〜２０％）までを不要化
することができる。
【００３７】図２ｄには、平坦ヘッダを有する２つの吸
着床２１及び２１’（各容量はＶ１、Ｖ２）を共通の高
圧源２７（即ち圧縮機）及びあるいは低圧シンク２９
（例えば真空ポンプ）に分与弁を介して連結した、これ
に限定するものではない更に別の実施例が示される。弁
３６、３６’、３７、３７’は入口を表し、入口ヘッダ
２２及び２２’（夫々容量Ｖ２及びＶ２’）に直ぐ近接
する状態で取り付けることができる。同様に、弁３３及
び３３’は出口を表し、出口ヘッダ２４及び２４’（各
容量はＶ３及びＶ３’）に近接して連結することができ
る。弁３７及び３７’は共通の分与配管に連結され、高
圧源２７を共用する。
【００３８】図２ｄの実施例におけるように、理想的に
は分与配管Ｄ５及びＤ６は、容器に高圧源あるいは低圧
シンクを連結することに基づき高圧あるいは低圧の何れ
かに維持されるべきである。各弁は平坦ヘッダの必要と
する、流れ用の多数の入口及び出口を提供することがで
きる。アンロード用の三方弁（３８及び３９）と分与弁
とを好適に用いることにより、分与配管を、例えばアイ
ドル停止中の圧力変化に対して閉鎖し高圧あるいは低圧
に保つことができる。従って、分与配管の容量（Ｖ４及
びＶ７）が電力損失並びに合計での空隙容量に寄与する
ことは無く、あっても僅かである。本実施例では、シス
テム全体上、高圧源及びあるいは低圧シンクは１つで十
分である。別態様において、多数の高圧源及びあるいは
低圧シンクを用いることもできる。
【００３９】図２ｄには容量が夫々Ｖ５、Ｖ５’、Ｖ８
である消音装置Ｓ１、Ｓ１’、Ｓ２も示されている。こ
れらの消音装置は、分与配管の容量Ｖ４及びＶ７と、そ
の他の様々の空隙源（図示せず）の容量Ｖ６と共に、中
間容量Ｖ１０（図示せず）に寄与する。先に議論したよ
うに、容量Ｖ６には、入口と、単数あるいは複数の圧力
源あるいは生成（出口）端との間に位置付けられ得る、
消音装置のみならず全ての容量が含まれる。本発明に従
えば、これらの空隙容量は合計での吸着床容量の２０〜
１５％未満に制限され得る。図３ａ及び図３ｂには本発
明において同じく好適な半径方向床形態が示されてい
る。図３ａには床の平面図が示され、図３ｂには側面図
が示される。図３ｂは、高圧源及びあるいは低圧シンク
と弁とが床の周囲方向に沿って配分された半径方向形態
が示される。
【００４０】加えて、床は図４に示されるようにセグメ
ント化（あるいは分割化、構造化）することができる。
図４に示す吸着床形態では、各セグメントは個別の吸着
床として機能するようにセグメント化されている。更に
は、各床は極めて浅く且つ平行形態下に配列され、隣り
合う２つの床（あるいは画室）が、共通の送給物、真空
引き、生成物抜き出しを共用している。
【００４１】基本的な吸着及び脱着の各段階を備える任
意のプロセスサイクルが、ここに開示される形態を好適
に使用して空隙容量及び効率を改善させることができ
る。例示目的上、図６に示すような２つの床を用いる代
表的なＰＳＡサイクルが選択された。このＰＳＡサイク
ルは以下の段階から成り立つ。即ち、 段階１：送給及び生成物加圧を同時に実施（ＦＰ／Ｐ
Ｐ）、 段階２：吸着及びパージ（ＡＤ／ＰＧ）、 段階３：送給端及び生成端を等化（ＥＱ）、 段階４：真空引き（ＥＶ）、 段階５：真空引き及びパージ（ＥＶ）、 段階６：送給端及び生成端の等化と同時しての送給（Ｅ
Ｑ／ＦＰ）、である。
【００４２】このサイクルでは重複する３つの段階、つ
まり、送給及び生成物加圧を同時に実施する段階１（Ｆ
Ｐ／ＰＰ）と、送給端及び生成端を等化する段階２（Ｅ
Ｑ）と、送給端及び生成端の等化と同時しての送給を実
施する段階６（ＥＱ／ＦＰ）とである。重複するこれら
の各段階により連続送給が実現され、かくしてサイクル
時間が短縮される。図６のプロセスサイクルに示され且
つ図２Ｂの２床システムに示される如く、段階１（ＦＰ
／ＰＰ）の間、酸素と窒素とを含有する空気が圧縮され
弁３０を通して床２１に送られる。同時に、高圧の酸素
生成物が弁３３、３４、３５を通して床２１に向流で導
入される。床の圧力が吸着水準に達すると段階２（ＡＤ
／ＰＧ）が開始される。酸素の一部分が弁３３、３４、
３５を通して床２１から流動し始め、生成物として収集
される。
【００４３】この間、床２１は弁３１’を通して２つの
真空引き段階、即ち段階４及び５（ＥＶ）を受ける。床
２１を出る酸素濃度が受け入れ難いものになると弁３４
が閉鎖される。弁３１’も閉鎖され、一方、弁３０’及
び３２は開放されて床２１での段階３（ＥＱ）が開始さ
れ、他方、床２１’は段階６（ＥＱ／ＦＰ）を受ける。
２つの床の圧力がほぼ等しくなると等化段階（ＥＱ及び
ＥＱ／ＦＰ）が停止され、サイクルの次の半分が実施さ
れ各段階が反復される。例えば、床２１’は床２１を再
充填する間空気をプロセス処理し、その間、弁３３’、
３０’、３１’は夫々、弁３３、３０、３１が夫々先に
果たしたと同じ機能を果たす。
【００４４】空隙容量が減少された結果としてのプロセ
ス性能の向上が図７に例示される。この目的上、空隙容
量の異なる単純な空気分離プロセスがシミュレートされ
た。吸着材として、高度に交換されたＬｉＸゼオライト
（ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比約２．０〜２．５）が選択され
た。吸着材の粒子寸法はこの比較目的上一定に保たれ
た。運転圧力比（吸着／脱着）は約５であった。酸素回
収率は送給物中の酸素に関する生成物中の酸素比により
定義された。
【００４５】図７には高速サイクルプロセスの性能上の
空隙容量の影響が例示される。例えば、所定の、軸方向
床ＰＳＡシステム（例えば図１に示す如き）が約１０秒
のサイクル時間と、約１５％の空隙容量を有している場
合、このサイクル時間を２秒に縮めるためには床長さを
元の長さの５分の１に短縮する必要がある。床長さをそ
のように短縮すると空隙容量はその相当分、即ち約７０
％増大する。空隙容量がそのように大きいと、酸素回収
率は図７にケースＡとして示されるように約２０％減少
する。従って、従来の床形態では生成物回収率を大きく
損なうことなく速いサイクル時間を実現することはでき
ない。
【００４６】対照的に、本発明により開示される形態を
使用すると、図２ｂに示すように分与配管の使用を回避
することが可能となり、その結果、空隙容量は約５０％
に減少する。空隙容量がそのように減少することによ
り、生成物回収量は図７にケースＢとして示すように約
２５％に増大する。更には、本発明によれば、図２ｃお
よび２ｄに示すように仮に２つの平坦ヘッダを使用する
と、空隙容量は吸着床のそれの数パーセントに減少され
得、その結果、生成物回収率は図４にケースＣとして示
すように５０％以上となる。かくして、本発明によれば
回収率が著しく向上する一方、サイクル時間が減少され
る。
【００４７】同様に、速いサイクルプロセスのためには
電力消費量における効果も非常に重要である。なぜな
ら、大量の電力が一般に空隙内で失われてしまうからで
ある。シミュレーションによれば、空隙容量が７０％で
あるケースＡにおける場合と比較して本発明ではケース
Ｂの場合では分与配管の空隙容量が排除されたことによ
り、電力が１６％減少され得ることが、また平坦ヘッダ
を使用することにより５０％まで減少され得ることが示
された。これまでの説明は本発明を例示するためのみの
ものであることを理解されたい。以上、本発明を実施例
を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし
得ることを理解されたい。
【００４８】詳しくは、本システムはここでは１つある
いは２つの床を使用する実施例として示されるが、もっ
と多くの床を使用して実施することもできる。更に、本
発明は単一の吸着材に対して拘束されるものではなく、
多数の吸着材を用いることができる。また、吸着材は床
内で層化あるいは混合させることができる。吸着材は窒
素選択性のものに限定されるべきではなく、その他の吸
着材をも使用することができる。本発明のプロセスは近
大気圧及び周囲温度下に好ましく運転されるが、プロセ
ス条件の全範囲、例えば、圧力、温度、流量などに対し
ても適用することができる。
【００４９】また、床間の等化あるいは相互作用は本明
細書に説明したものに限定されるものではなく、その他
の配列構成を使用することができる。床がセグメント化
されたものである場合は等化はセグメント間で実施され
得る。本発明は説明した実施例に限定されるものではな
く、その他の様々の形態を好適に用いることができる。
線形圧縮機は線形モータにより駆動されるピストン圧縮
機に限定されるものではなく、任意の電気的、磁気的若
しくは音声的な力により駆動される圧縮機とすることが
できる。実施例は空気分離システムに対してのものであ
るが本発明は二成分的な空気分離に対して限定されるも
のではなく、本発明の原理は任意の分離、純化、回収シ
ステムに対しても適用することができる。
【００５０】
【発明の効果】サイクル時間の短い高速ＰＳＡプロセス
のための送給端（入口）及び生成端（出口）の両方にお
ける空隙容量が減少される。生成物ガスの製造量が向上
され、吸着材の利用率が向上されたシステムが提供され
る。単数あるいは複数の吸着床容量に関する中間容量の
減少されたシステムが提供される。単一床あるいは多重
床の各形態に対してのみならず、様々な床形態に対して
容易に適合することのできる、効率的な、空隙容量の小
さい吸着システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＰＳＡの概略図である。
【図２ａ】空隙容量の小さい単一床の、高圧源及び低圧
シンクを床に連結した状態で示す概略図である。
【図２ｂ】空隙容量の小さい２床システムを表す概略図
である。
【図２ｃ】圧縮機及びあるいは真空ポンプを近接状態で
取り付けた平坦ヘッダ床を表す概略図である。
【図２ｄ】共通の高圧源あるいは低圧シンクを共用する
入口弁を入口ヘッダに近接状態で取り付けた平坦ヘッダ
床を表す概略図である。
【図３ａ】図３の半径方向床の概略平面図である。
【図３ｂ】図３の半径方向床の概略側面図である。
【図４】吸着、脱着、等化等の異なるＰＳＡプロセスを
受ける異なるセクションをセグメント化した垂直方向床
の平面図である。
【図５】垂直方向プレート床を表す概略図である。
【図６】代表的なプロセスサイクルを表す概略図であ
る。
【図７】回収率及び電力上の空隙容量の影響を表すグラ
フであって、ケースＡは、サイクル時間が早く（約２
秒）、回収率が低く、高電力量の、図１に示すような従
来技術の場合であり、ケースＢは図２ｂに示すような、
分与配管の空隙容量を減少させた本発明の場合であり、
ケースＣは図２ｄに示すような平坦ヘッダを使用する本
発明の場合である。２床システムは１．５バールに等し
い高圧と０．３バールに等しい低圧とを有し、酸素純度
は９０％に等しく、サイクル時間は約１〜２秒に等し
い。
【符号の説明】
１０、１０’、２０、２０’ 容器 １１、１１’ 吸着床 １２、１２’、２２、２２’ 入口ヘッダ １３、１３’、２３、２３’ 入口 １４、１４’、２４、２４’ 出口ヘッダ １５、１５’、２５ 出口 １７、２９、２９’ 低圧シンク １９、２７、２７’ 高圧源 ２１、２１’ 吸着床 ３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７ 弁 ３８、３９ アンロード用の三方弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン・バーナード・ステュワート アメリカ合衆国ニューヨーク州スナイダ ー、ワシントン・ハイ・ウェイ69 (72)発明者 ジェファート・ジョン・ノヴォビルスキ アメリカ合衆国ニューヨーク州オーチャー ド・パーク、ファーズ・ドライブ48 (72)発明者 グオミン・ジョング アメリカ合衆国ニューヨーク州ゲッツビ ル、ディア・リッジ107 (72)発明者 アラン・アチャルヤ アメリカ合衆国ニューヨーク州イースト・ アマスト、トワイライト・レイン85 Ｆターム(参考） 4D012 CA05 CB12 CB16 CD07 CG01 CG05 CK10

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流れ動作及び圧力パルスが同一の圧力源
    からの影響を受ける空隙容量の小さい圧力スゥイング吸
    着システムであって、 吸着床にして、少なくとも１つの入口が入口ヘッダを介
    して該吸着床に連結され、少なくとも１つの出口が出口
    ヘッダを介して該吸着床に連結された吸着床を収納する
    少なくとも１つの密封された容器と、 各容器の入口ヘッダ及び出口ヘッダが容器の吸着床の容
    量の２０％未満の合計容量を有し、 各入口に少なくとも１つの圧力源が連結された圧力スゥ
    イング吸着システム。
  2. 【請求項２】 流れ動作及び圧力パルスが同一の圧力源
    からの影響を受ける空隙容量の小さい圧力スゥイング吸
    着システムであって、 半径方向吸着床にして、少なくとも１つの入口が入口ヘ
    ッダを介して該半径方向吸着床に連結され、少なくとも
    １つの出口が出口ヘッダを介して該半径方向吸着床に連
    結された半径方向吸着床を収納する少なくとも１つの密
    封された容器と、 各容器の入口ヘッダ及び出口ヘッダが容器の半径方向吸
    着床の容量の５０％未満の合計容量を有し、 各入口に近接して少なくとも１つの圧力源が取り付けら
    れた圧力スゥイング吸着システム。
  3. 【請求項３】 流れ動作及び圧力パルスが同一の圧力源
    からの影響を受ける空隙容量の小さい圧力スゥイング吸
    着システムであって、 吸着床にして、少なくとも１つの入口が入口ヘッダを介
    して該吸着床に連結され、少なくとも１つの出口が出口
    ヘッダを介して該吸着床に連結された吸着床を収納する
    少なくとも１つの密封された容器と、 各容器の入口ヘッダ及び出口ヘッダが容器の吸着床の容
    量の５０％未満の合計容量を有し、 各入口が容器に近接して取り付けた弁を有し、 各弁が共通の圧力源を共用する圧力スゥイング吸着シス
    テム。
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