JP2002331218A - Apparatus and method for gas separation - Google Patents

Apparatus and method for gas separation

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JP2002331218A
JP2002331218A JP2001138316A JP2001138316A JP2002331218A JP 2002331218 A JP2002331218 A JP 2002331218A JP 2001138316 A JP2001138316 A JP 2001138316A JP 2001138316 A JP2001138316 A JP 2001138316A JP 2002331218 A JP2002331218 A JP 2002331218A
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adsorbent
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Yoshinori Sano
野 芳 徳 佐
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus and a method for gas separation improved in the ability of an adsorbent to yield the objective product and reduced in energy cost without sacrificing the feature, i.e., the simplicity of apparatus structure, of a rapid pressure swing adsorption system. SOLUTION: A gas separator to which a rapid pressure swing adsorption system is applied is provided. This separator is one provided with an adsorption cylinder (30) having an adsorbent, a gas feed path (31, etc.), which leads a raw material gas to the end of the inlet (34) of the cylinder, a gas withdrawal path (36, etc.), which withdraws a product gas rich in a difficultly adsorbable component from the end of the exit (35) of the cylinder, and a gas discharge path that discharges a discharge gas rich in a readily adsorbable component, wherein the gas discharge path has a first gas discharge path (40, etc.), that discharges the discharge gas spontaneously flowing out by the differential pressure between the discharge gas and the atmosphere and a second gas discharge path (53, etc.), arranged in a manner that the first gas discharge path can be switched to the second gas discharge path, provided with a vacuum pump (52), and forcibly discharging the discharge gas.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、急速圧力スイング
吸着法(rapid pressure swing adsorptionsystem;以
下、ときにRPSA法と略記する)を適用し、選択的に
吸着されうる成分を含むガス混合物から、その吸着され
やすい成分を分離するガス分離装置およびガス分離方法
に関するものであって、詳しくは、吸着剤の再生を真空
ポンプを用いて大気圧よりも低い圧力下で行う仕組みを
備えるガス分離装置およびガス分離方法に関する。具体
的な応用例としては、ゼオライトを吸着剤として空気か
ら窒素を分離して酸素富化空気を得る装置、あるいは、
活性炭を吸着剤として燃焼排ガスから二酸化炭素を分離
回収する装置などがある。
The present invention relates to a rapid pressure swing adsorption system (hereinafter sometimes abbreviated as the RPSA method), which is used to produce a gas mixture containing a component that can be selectively adsorbed. The present invention relates to a gas separation device and a gas separation method for separating components that are easily adsorbed, and more particularly, to a gas separation device and a gas having a mechanism for performing regeneration of an adsorbent under a pressure lower than atmospheric pressure using a vacuum pump. It relates to a separation method. As a specific application example, a device that separates nitrogen from air using zeolite as an adsorbent to obtain oxygen-enriched air, or
There is an apparatus for separating and recovering carbon dioxide from combustion exhaust gas using activated carbon as an adsorbent.

【0002】[0002]

【従来の技術】本発明の最も重要な応用は、身の回りに
ある空気を原料として、窒素を分離し、酸素に富んだガ
ス混合物(以下、酸素富化空気と呼ぶことにする)を取
り出すガス分離装置を提供することである。そこで、必
要に応じて、空気中の酸素を濃縮する事例を具体例とし
て引用しながら、従来の技術の検討を進めることにす
る。ある種のゼオライトは、酸素よりも窒素を優先的に
吸着することが知られている。このゼオライトの選択的
な吸着性を利用して、通常の空気から窒素を選択的に吸
着除去し、吸着されにくい酸素に富んだ酸素富化空気を
取り出すことができる。このような吸着法が工業的に成
功するためには、吸着剤を使い捨てにするのではなく、
すみやかに再生し、繰り返し再利用する方法が重要にな
る。現在、このような方法として、圧力スイング吸着法
(pressure swing adsorption system)や真空圧力スイ
ング吸着法(vacuum swing adsorption system)が広く
普及している(以下、2つの方法を区別する必要がない
ときは、まとめて、PSA法と略記することにする)。
これらの方法では、通常1〜3 mm のペレット状または
粒状のゼオライトを充てんした吸着筒を設け、まず、高
い圧力で空気を吸着筒に供給し、選択的に窒素を吸着さ
せ、酸素富化空気を取り出す。次に、吸着筒内の全圧を
減少させるか、または、生成した酸素富化空気の一部を
使って吸着筒内をパージ(掃気洗浄)するかして、吸着
筒内の窒素分圧を低下させる。この窒素分圧の低下によ
って、吸着剤に吸着されている窒素を脱着させ、吸着剤
を再生させるのが、PSA法の要点である。吸着剤の再
生によって、吸着工程と脱着工程を1サイクルとする繰
り返し運転が可能になるが、脱着工程にある間は吸着筒
から酸素富化空気を取り出すことができない。そこで、
連続的に酸素富化空気を流出させるためには、周知のよ
うに、複数の吸着筒を並列に設置し、これらを位相をず
らせて動作させることにより、常に少なくとも1つの吸
着筒が酸素富化空気を流出させる状態にあるように、全
体のサイクルを構成することが多い。このような多筒式
の場合、より高い分離性能を獲得するために、複数の吸
着筒の間で加圧空気や酸素富化空気を移送し合ういくつ
かの工程(均圧工程など)が付け加えられる。また、吸
着筒内での圧力の低下を最小にするために、比較的大き
な粒径の吸着剤が用いられている。粒径が大きくなる
と、粒子内部までガスが出入りして吸着平衡を達成する
のに、より長い時間が必要となる。これらのことが原因
で、PSA法には、(1)1サイクルを遂行するのに1
分〜数分を必要とし、吸着剤生産性(吸着剤の単位量お
よび単位時間あたりの、目的成分の回収量)が低い、
(2)吸着筒の間の流れを切り換えるために、複雑な配
管や多数の弁を必要とする、といった問題点がある。
BACKGROUND OF THE INVENTION The most important application of the present invention is gas separation, which uses the air around us as a raw material to separate nitrogen and extract an oxygen-rich gas mixture (hereinafter referred to as oxygen-enriched air). It is to provide a device. Therefore, if necessary, the conventional technology will be studied while citing a case in which oxygen in the air is concentrated as a specific example. Certain zeolites are known to preferentially adsorb nitrogen over oxygen. Utilizing this selective adsorption property of zeolite, nitrogen can be selectively adsorbed and removed from ordinary air, and oxygen-enriched air which is hardly adsorbed can be taken out. For such adsorption methods to be industrially successful, rather than disposable adsorbents,
It is important to have a way to quickly reproduce and reuse it repeatedly. At present, as such a method, a pressure swing adsorption method (pressure swing adsorption system) and a vacuum pressure swing adsorption method (vacuum swing adsorption system) are widely used (hereinafter, when there is no need to distinguish between the two methods, And collectively abbreviated as PSA method).
In these methods, usually an adsorption column filled with zeolite in the form of pellets or granules having a size of 1 to 3 mm is provided, and first, air is supplied to the adsorption column at a high pressure, and nitrogen is selectively adsorbed to form an oxygen-enriched air. Take out. Next, the partial pressure of nitrogen in the adsorption cylinder is reduced by reducing the total pressure in the adsorption cylinder or purging (scavenging and cleaning) the interior of the adsorption cylinder using a part of the generated oxygen-enriched air. Lower. The point of the PSA method is to desorb the nitrogen adsorbed on the adsorbent and regenerate the adsorbent by reducing the nitrogen partial pressure. Regeneration of the adsorbent allows repeated operation in which the adsorption step and the desorption step are one cycle, but oxygen-enriched air cannot be removed from the adsorption column during the desorption step. Therefore,
In order to continuously discharge oxygen-enriched air, as is well known, a plurality of adsorption cylinders are installed in parallel, and these are operated out of phase so that at least one adsorption cylinder always has oxygen-enriched air. The entire cycle is often configured to allow air to flow. In the case of such a multi-cylinder type, in order to obtain higher separation performance, several steps for transferring pressurized air or oxygen-enriched air between a plurality of adsorption cylinders (equalization step, etc.) are added. Can be In addition, an adsorbent having a relatively large particle size is used in order to minimize a pressure drop in the adsorption cylinder. As the particle size increases, more time is required for gas to enter and exit the particles to achieve adsorption equilibrium. For these reasons, the PSA method requires (1) one cycle to perform one cycle.
Minute to several minutes, and low adsorbent productivity (recovery amount of target component per unit amount of adsorbent and unit time)
(2) There is a problem that complicated piping and a large number of valves are required to switch the flow between the adsorption tubes.

【0003】一方、このような問題点を持たない方法と
して、粒径が20メッシュ以下の細かな吸着剤粒子を充
てんした単一の吸着筒を設け、1サイクルが数秒〜十数
秒で終了する急速圧力スイング吸着法(RPSA法)が
すでに考案されている。図2は、特開昭55−5789
号公報に開示されているRPSA法の概略図である。1
0は吸着剤を充てんした吸着筒、14と15は、それぞ
れ、吸着筒の入口末端と出口末端、11は原料ガスを導
く導管、12は原料ガスを加圧するコンプレッサー、1
3はガス供給弁、16は生成物ガスを導く導管、17は
生成物ガスの流量を調節する生成物ガス流量調節弁、1
9はガス排出弁、20は被排出ガスを導く導管である。
図示はされていないが、コンプレッサー12とガス供給
弁13の間に原料ガスサージタンクが設けられる。ま
た、前記公開特許公報には、必要なら、生成物ガス導管
16の間に生成物ガスサージタンク18を設けたり、被
排出ガス導管20の間に被排出ガスの流れを促進するポ
ンプ21を設けたりしてもよいと、記されている。この
方法の1サイクルは、通常、次の3つの工程で構成され
る。 (a)原料ガス導入期 t1 ガス排出弁を閉じた状態で、ガス供給弁を短時間開き、
入口末端から吸着筒へ高圧の原料ガスをパルス的に導入
する。導入された原料ガスは出口末端方向へ移動し、正
方向流れを形成する。原料ガス中の成分のうち、吸着さ
れやすい成分が吸着剤に選択的に吸着されるのに対し、
吸着されにくい成分はよりすみやかに出口末端へ向かっ
て押し流される。このため、ガスが吸着剤粒子の間を通
過していくのにつれて、吸着されやすい成分の濃度が減
少し、吸着されにくい成分の濃度が増加して、しだいに
生成物ガスが作られていく。生成物ガスは、出口末端か
ら流出し、生成物ガスサ−ジタンク、生成物ガス流量調
節弁を経て取り出される。生成物ガスの圧力は、1サイ
クルの中で多少変動するが、原料ガスの圧力よりはるか
に低い。通常の酸素富化空気の製造では、生成物ガス流
量調節弁によって、大気圧より少し高い圧力になるよう
調節される。原料ガスの圧力が同じであれば、装置が1
サイクルで処理できる原料ガス量は、この原料ガス導入
期の長さによって決まる。 (b)入口末端流れ停止期 t2 ガス排出弁とガス供給弁の両方を閉じる。入口末端への
原料ガスの流入は停止するが、吸着筒内では、原料ガス
導入期と同様、ガスは入口末端から出口末端へ向かって
流れ、出口末端からは生成物ガスの流出が続く。入口末
端流れ停止期は必要不可欠のものではない。適切な長さ
の入口末端流れ停止期は、原料ガスが吸着筒のより奥ま
で進入する時間を与え、生成物ガスにおける吸着されに
くい成分の回収率を改善する。一方、1サイクルに要す
る時間はこの分だけ長くなるので、長すぎる入口末端流
れ停止期は、吸着剤生産性を低下させる。 (c)逆方向ガス排出期 t3 ガス供給弁を閉じたまま、ガス排出弁を開く。入口末端
付近にある高圧のガスが、ガス排出弁の出口側圧力(ポ
ンプ21がない通常の場合は、大気圧)との圧力差によ
り、ガス排出弁を通って大気側へ流出し始め、吸着筒内
に入口末端方向へ流れる逆方向流れが形成される。逆方
向流れの起点、つまり、正方向流れと逆方向流れの分水
界(吸着筒内のガスの圧力が最大値を示す位置)は、初
めは入口末端にあるが、ガスの排出が進むにつれ、しだ
いに出口末端の方へ移動する。この間、吸着筒内には正
方向と逆方向の2つの流れが存在し、出口末端からの生
成物ガスの流出は続いている。やがて、逆方向流れの起
点が出口末端にまで達すると、吸着筒内の流れは逆方向
流れのパージ流のみになる。その後のパージ流は、出口
末端付近の生成物ガスの圧力と入口末端の圧力(ポンプ
21がない通常の場合は、ほぼ大気圧)のわずかな圧力
差で駆動されることになる。逆方向ガス排出期において
は、初期には全圧の低下により、のちには生成物ガスに
よるパージングにより、吸着筒内での吸着されやすい成
分の分圧を低下させ、吸着されやすい成分を吸着剤から
脱着させ、吸着剤を再生させる。脱着された吸着されや
すい成分を高濃度で含むガスは、逆方向流れを形成し
て、入口末端から排出される。
On the other hand, as a method which does not have such a problem, a single adsorption column filled with fine adsorbent particles having a particle size of 20 mesh or less is provided, and one cycle is completed in several seconds to several tens of seconds. The pressure swing adsorption method (RPSA method) has already been devised. FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram of the RPSA method disclosed in Japanese Patent Publication No. 1
0 is an adsorption column filled with an adsorbent, 14 and 15 are an inlet end and an outlet end of the adsorption column, 11 is a conduit for introducing a source gas, 12 is a compressor for pressurizing the source gas, and 1
3 is a gas supply valve, 16 is a conduit for guiding product gas, 17 is a product gas flow control valve for controlling the flow rate of product gas, 1
Reference numeral 9 denotes a gas discharge valve, and reference numeral 20 denotes a conduit for guiding the gas to be discharged.
Although not shown, a source gas surge tank is provided between the compressor 12 and the gas supply valve 13. The publication also discloses that, if necessary, a product gas surge tank 18 is provided between the product gas conduits 16 and a pump 21 for promoting the flow of the exhaust gas is provided between the exhaust gas conduits 20. It is written that it may be. One cycle of this method usually includes the following three steps. (A) Source gas introduction period t1 With the gas discharge valve closed, open the gas supply valve for a short time,
A high-pressure raw material gas is pulsed from the inlet end to the adsorption column. The introduced source gas moves toward the outlet end and forms a forward flow. Of the components in the source gas, the components that are easily adsorbed are selectively adsorbed by the adsorbent,
Components that are hardly adsorbed are more quickly flushed toward the outlet end. For this reason, as the gas passes between the adsorbent particles, the concentration of the easily adsorbed component decreases, the concentration of the hardly adsorbed component increases, and the product gas is gradually produced. Product gas flows out of the outlet end and is withdrawn through a product gas surge tank and a product gas flow control valve. The pressure of the product gas fluctuates somewhat during one cycle, but is much lower than the pressure of the feed gas. In the production of normal oxygen-enriched air, the pressure is adjusted to a pressure slightly higher than the atmospheric pressure by a product gas flow control valve. If the source gas pressure is the same,
The amount of source gas that can be processed in a cycle is determined by the length of the source gas introduction period. (B) Inlet end flow stop period t2 Close both the gas discharge valve and gas supply valve. The flow of the raw material gas into the inlet terminal stops, but in the adsorption column, the gas flows from the inlet terminal to the outlet terminal as in the raw gas introduction period, and the product gas flows out from the outlet terminal. The inlet end flow cessation phase is not essential. An appropriate length of inlet end flow stoppage allows time for the feed gas to penetrate deeper into the adsorption column and improves the recovery of poorly adsorbed components in the product gas. On the other hand, because the time required for one cycle is increased by this amount, an excessively long inlet terminal flow stop period reduces adsorbent productivity. (C) Reverse gas discharge period t3 Open the gas discharge valve with the gas supply valve closed. The high-pressure gas near the inlet end starts flowing out to the atmosphere side through the gas discharge valve due to a pressure difference from the pressure on the outlet side of the gas discharge valve (atmospheric pressure in the case where there is no pump 21). A reverse flow is formed in the cylinder that flows toward the inlet end. The starting point of the reverse flow, that is, the watershed boundary between the forward flow and the reverse flow (the position where the gas pressure in the adsorption column shows the maximum value) is initially at the inlet end, but as the gas discharge progresses, Gradually move towards the exit end. During this time, two flows in the forward direction and the reverse direction exist in the adsorption column, and the outflow of the product gas from the outlet end continues. Eventually, when the starting point of the reverse flow reaches the outlet end, the flow in the adsorption column becomes only the purge flow of the reverse flow. The subsequent purge flow will be driven by a slight pressure difference between the pressure of the product gas near the outlet end and the pressure at the inlet end (approximately atmospheric pressure in the normal case without the pump 21). In the reverse gas discharge period, the partial pressure of components that are easily adsorbed in the adsorption column is reduced by reducing the total pressure at the beginning and then purging with product gas, and the components that are easily adsorbed are adsorbed. And the adsorbent is regenerated. The gas containing a high concentration of desorbed easily adsorbed components forms a reverse flow and is discharged from the inlet end.

【0004】以上のように、1サイクルを通じて常に吸
着筒の軸方向にガス圧力の勾配があり、吸着筒内のガス
の流れが正方向流れのみである期間、正方向と逆方向の
2つの流れが存在する期間、流れが逆方向流れのみであ
る期間の3つの期間が繰り返されること、生成物ガスの
取り出しと被排出ガスの排出が、一部、同時並行的に行
われることが、PSA法と異なるRPSA法の特徴であ
る。RPSA法は、サイクルタイムが短いため吸着剤生
産性が高く、パージ工程が自らの吸着筒内で行われるの
で複雑な配管や多数の弁を必要としない。また、生成物
ガスサ−ジタンクを設けておけば、ほぼ連続的な生成物
ガスの流れを単一吸着筒で得ることができるといった利
点を持つとされている。しかし、RPSA法は、装置が
特に小型であることを要求される用途以外では、ほとん
ど使われていない。それは、RPSA法には、次に記す
ような問題点があるためである。 (3)吸着筒の一部はパージガスの貯留のために使われ
る。そのため、吸着剤のすべてが、吸着されやすい成分
を吸着捕集するという本来の目的のために有効に使われ
るわけではない。 (4)酸素濃度90vol% の酸素富化空気の製造に応用
した前記特開昭55−5789公報の例では、 (i)短い吸着筒を使用した場合、酸素の回収率は低く
なる。長い吸着筒を使用した場合、酸素の回収率は改善
されるが、原料ガスの圧力を高くすることが必要にな
る。いずれにしても、酸素を得るためのエネルギーコス
トは高くなる。 (ii)逆方向ガス排出期の長さは、少なくとも原料ガス
導入期の2倍以上、通常3〜5倍は必要とされる。例え
ば、長さ1524mm の吸着筒を使用した場合の代表的なサ
イクルタイムは、t1=0.5秒、t2=1.0秒、t3=15
秒である。装置が1サイクルで処理できるガス量を決め
る原料ガス導入期は、全サイクルタイムのごく一部を占
めるにすぎず、時間を十分有効に利用しているとは言え
ない。その分だけ吸着剤生産性が低下する。
As described above, there is always a gas pressure gradient in the axial direction of the adsorption cylinder throughout one cycle, and during the period when the gas flow in the adsorption cylinder is only the forward flow, the two flows in the forward and reverse directions The PSA method shows that the three periods of repetition of the period in which the flow exists only in the reverse direction and the period in which the flow is only in the reverse direction are repeated, and the extraction of the product gas and the discharge of the exhaust gas are partially performed in parallel. This is a feature of the RPSA method which is different from the above. The RPSA method has high adsorbent productivity due to a short cycle time, and does not require complicated piping and a large number of valves because the purge step is performed in its own adsorption cylinder. It is said that providing a product gas surge tank has the advantage that a substantially continuous product gas flow can be obtained with a single adsorption column. However, the RPSA method is scarcely used except for applications requiring a particularly small device. This is because the RPSA method has the following problems. (3) Part of the adsorption cylinder is used for storing purge gas. Therefore, not all of the adsorbents are effectively used for the original purpose of adsorbing and collecting easily adsorbable components. (4) In the example of JP-A-55-5789 applied to the production of oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 90 vol%, (i) when a short adsorption column is used, the oxygen recovery rate is low. When a long adsorption column is used, the recovery rate of oxygen is improved, but it is necessary to increase the pressure of the source gas. In any case, the energy cost for obtaining oxygen is high. (Ii) The length of the reverse gas discharge period is required to be at least twice as long as the source gas introduction period, usually 3 to 5 times. For example, a typical cycle time when a suction tube having a length of 1524 mm is used is t1 = 0.5 seconds, t2 = 1.0 seconds, and t3 = 15 seconds.
Seconds. The source gas introduction period, which determines the amount of gas that can be processed in one cycle, occupies only a small part of the total cycle time, and it cannot be said that the time is utilized sufficiently effectively. The adsorbent productivity decreases accordingly.

【0005】これらの問題点の多くは吸着剤を再生する
パージ工程に関係したものである。例えば、逆方向ガス
排出期が長くなってしまう原因は、パージ流が生成物ガ
スと大気とのわずかな圧力差で駆動されるため、パージ
流の流速が十分ではないことにあると考えられる。従っ
て、再生工程を工夫することで、RPSA法の吸着剤生
産性やエネルギーコストを改善できる余地があると考え
られる。
[0005] Many of these problems are related to the purge step of regenerating the adsorbent. For example, it is considered that the cause of the longer reverse gas discharge period is that the flow rate of the purge flow is not sufficient because the purge flow is driven by a slight pressure difference between the product gas and the atmosphere. Therefore, it is considered that there is room for improving the adsorbent productivity and energy cost of the RPSA method by devising the regeneration step.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたもので、単純な装置構成という急速圧
力スイング吸着法の特徴を維持しながら、吸着剤生産性
をさらに向上させ、エネルギーコストを改善した急速圧
力スイング吸着法を適用するガス分離装置およびガス分
離方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and further improves the adsorbent productivity while maintaining the characteristics of the rapid pressure swing adsorption method, which is a simple apparatus configuration. An object of the present invention is to provide a gas separation device and a gas separation method to which a rapid pressure swing adsorption method with improved energy cost is applied.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のガス分離装置は、急速圧力スイング吸着
法を適用するガス分離装置であって、内部に吸着剤を有
する吸着筒と、原料ガスを前記吸着筒の入口末端へ導く
ガス供給路と、前記原料ガスから前記吸着剤によって吸
着されやすい成分を選択的に吸着除去した結果生じる生
成物ガスを、前記吸着筒の出口末端から取り出すガス取
り出し路と、前記原料ガスから前記生成物ガスを取り出
した後に前記吸着筒内に残存する被排出ガスを、前記入
口末端から排出するガス排出路とを備え、前記ガス排出
路は、大気圧との圧力差によって自らの圧力で流出す
る、前記被排出ガスを排出する第一ガス排出路と、前記
第一排出路と切り替え可能に配設され、真空ポンプが設
けられ、前記被排出ガスを前記真空ポンプによって強制
排気する第二ガス排出路とを有することを特徴とする。
また、前記ガス取り出し路に設けられ、前記生成物ガス
が前記吸着筒内へ逆流することを阻止可能な、閉止弁を
備えることを特徴とする。また、本発明のガス分離方法
は、急速圧力スイング吸着法によるガス分離方法であっ
て、1サイクルが、少なくとも、内部に吸着剤を有する
吸着筒の入口末端から前記吸着筒内へ高圧の原料ガス
を、パルス的に導入する原料ガス導入工程と、前記原料
ガスから前記吸着剤の選択的な吸着作用によって吸着さ
れにくい成分に富む生成物ガスを取り出した後に残る、
吸着されやすい成分に富む被排出ガスを、前記吸着筒か
ら排出する被排出ガス排出工程とを備え、前記被排出ガ
ス排出工程は、前記入口末端に設けられた第一ガス排出
路を通じて、高圧の前記被排出ガスを大気圧との圧力差
によって自らの圧力で流出させ、その圧力を大気圧近く
まで低下させる逆方向ガス排出工程と、前記第一ガス排
出路と切り替え可能に前記入口末端に設けられた第二ガ
ス排出路を通じて、低圧の前記被排出ガスを真空ポンプ
によって強制排気する真空再生工程とよりなることを特
徴とする。
In order to achieve the above object, a gas separation apparatus according to the present invention is a gas separation apparatus to which a rapid pressure swing adsorption method is applied. A gas supply path for introducing a raw material gas to the inlet end of the adsorption column, and a product gas resulting from selectively adsorbing and removing components easily adsorbed by the adsorbent from the raw material gas, from the outlet end of the adsorption column. A gas take-out passage for taking out the product gas from the raw material gas, and a gas discharge passage for discharging the exhaust gas remaining in the adsorption column from the end of the inlet after taking out the product gas from the raw material gas; A first gas discharge path for discharging the gas to be discharged, which flows out at its own pressure due to a pressure difference from the atmospheric pressure, and a switchable switch disposed between the first gas discharge path and the first discharge path; And having a second gas discharge passage for forcibly exhausting the scan by the vacuum pump.
Further, a shutoff valve is provided in the gas extraction path, and is capable of preventing the product gas from flowing back into the adsorption column. Further, the gas separation method of the present invention is a gas separation method based on a rapid pressure swing adsorption method, wherein one cycle comprises at least a high-pressure raw material gas flowing from the inlet end of an adsorption column having an adsorbent therein into the adsorption column. The source gas introduction step to introduce in a pulse, and remains after extracting a product gas rich in a component that is difficult to be adsorbed by the selective adsorption action of the adsorbent from the source gas,
An exhausted gas exhausting step of exhausting the exhausted gas rich in a component that is easily adsorbed from the adsorption column, wherein the exhausted gas exhausting step includes a high-pressure exhaust gas through a first gas exhaust passage provided at the inlet end. The exhaust gas is caused to flow out at its own pressure by a pressure difference from the atmospheric pressure, and a reverse gas discharging step of reducing the pressure to near the atmospheric pressure, and provided at the inlet end so as to be switchable with the first gas discharging path. A vacuum regeneration step of forcibly exhausting the low-pressure exhaust gas by a vacuum pump through the second gas exhaust path.

【0008】本発明のガス分離装置による急速圧力スイ
ング吸着法では、前記の3つの工程、(a)〜(c)の
後に、真空ポンプを用いて大気圧よりも低い圧力下で脱
着を行うことによって吸着剤の再生を促進する(d)真
空再生期t4をつけ加え、1サイクルを、通常、(a)
〜(d)の4つの工程で構成する。真空再生について
は、前記特開昭55−5789公報においても請求項
(16)として記載されている。しかし、図2のように
被排出ガス導管の間に真空ポンプを設置した場合、真空
ポンプで排気する必要のない高圧の被排出ガスもポンプ
を通って排出されざるを得ない。したがって、真空再生
の効果を上げるには、入口末端ガス排出期t3を過大に
長くとるか、さもなければ、過大な排気能力の真空ポン
プを設けることが必要になり、実際の効果は疑わしい。
本発明の装置では、(c)と(d)のそれぞれの工程に
対して別個のガス排出路を設ける。工程(c)に対して
は、被排出ガス導管は最短の長さで大気中に開口するよ
うにし、工程(b)終了直後に残っている入口末端付近
の高圧のガスが最短時間で排出されるようにする。その
後、入口末端付近の被排出ガスの圧力が大気圧近くまで
低下し、自力による排出速度が低下した時点で、すみや
かに工程(d)に移行する。工程(d)では、真空ポン
プによる強制排気によって、吸着筒内のガス圧を低下さ
せるとともに、逆方向流れのパージ流を強化して、吸着
剤の再生を促進する。工程(d)で用いるガス排出路に
は、真空ポンプより上流側に排出ガスサージタンクを設
け、工程(d)の期間に真空ポンプの能力を超えて流出
してきた被排出ガスが一時的に貯留され、工程(a)〜
(c)の間に排出されるようにすることが望ましい。こ
のように、(c)と(d)の工程のそれぞれに最適化し
た2系統のガス排出路を設けることにより、比較的小さ
な排気能力の真空ポンプで真空再生の効果を上げなが
ら、(c)と(d)をあわせた被排出ガス排出工程期間
を短縮し、吸着剤生産性を向上させる。
In the rapid pressure swing adsorption method using the gas separation apparatus of the present invention, after the above three steps (a) to (c), desorption is performed under a pressure lower than atmospheric pressure using a vacuum pump. (D) Add a vacuum regeneration period t4 and add one cycle, usually with (a)
To (d). The vacuum regeneration is also described in claim (16) in the Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-5789. However, when a vacuum pump is installed between the exhaust gas conduits as shown in FIG. 2, high-pressure exhaust gas that does not need to be exhausted by the vacuum pump must be exhausted through the pump. Therefore, in order to increase the effect of the vacuum regeneration, it is necessary to take an excessively long inlet end gas discharge period t3 or to provide a vacuum pump having an excessive exhaust capacity, and the actual effect is doubtful.
In the apparatus of the present invention, separate gas discharge paths are provided for each of the steps (c) and (d). For the step (c), the exhaust gas conduit is opened to the atmosphere with the shortest length, and the high pressure gas near the inlet end remaining immediately after the step (b) is exhausted in the shortest time. So that Thereafter, when the pressure of the exhaust gas near the inlet end decreases to near the atmospheric pressure, and the exhaust speed by itself decreases, the process immediately proceeds to the step (d). In the step (d), the gas pressure in the adsorption column is reduced by forced evacuation by the vacuum pump, and the purge flow in the reverse flow is strengthened to promote the regeneration of the adsorbent. An exhaust gas surge tank is provided upstream of the vacuum pump in the gas discharge path used in the step (d), and the exhaust gas that has flown out of the capacity of the vacuum pump during the step (d) is temporarily stored. And steps (a) to
It is desirable to be discharged during (c). As described above, by providing two gas exhaust passages optimized for each of the steps (c) and (d), it is possible to improve the effect of the vacuum regeneration with the vacuum pump having a relatively small exhausting capacity, And (d) are combined to shorten the exhaust gas discharge step period and improve adsorbent productivity.

【0009】さらに、生成物ガス取り出し路の、吸着筒
出口末端にできるだけ近い位置に、閉止弁を設け、真空
再生期において出口末端付近の吸着筒内の圧力がガス取
り出し路の圧力より低くなったとき、吸着筒とガス取り
出し路の連結を切断する。これによって、生成物ガスが
パージガスとして失われ、吸着されにくい成分の回収率
が低下するのを防ぐとともに、吸着筒内のすべての吸着
剤を真空再生することができる。
Further, a shut-off valve is provided at a position as close as possible to the outlet end of the adsorption cylinder in the product gas take-out path, and the pressure in the adsorption cylinder near the end of the exit becomes lower than the pressure in the gas take-out path in the vacuum regeneration period. At this time, the connection between the adsorption cylinder and the gas extraction path is disconnected. As a result, it is possible to prevent the product gas from being lost as the purge gas and to reduce the recovery rate of the component that is hardly adsorbed, and to regenerate all the adsorbents in the adsorption column in vacuum.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施形態を示
す概略図である。30は吸着剤を充てんした吸着筒、3
4と35は、それぞれ、吸着筒の入口末端と出口末端で
ある。原料ガスを導く原料ガス導管31には、原料ガス
を加圧するコンプレッサー32、原料ガスを一時貯留す
る原料ガスサージタンク32a、原料ガスの導入を開閉
するガス供給弁33が設けられていて、これら全体でガ
ス供給路を構成する。生成物ガスを導く生成物ガス導管
36には、生成物ガスの流量を調節する生成物ガス流量
調節弁37、生成物ガスを一時貯留する生成物ガスサー
ジタンク38、吸着筒30と生成物ガスサージタンク3
8の連結を開閉する閉止弁54が設けられていて、これ
ら全体でガス取り出し路を構成する。被排出ガスを導く
第一被排出ガス導管40には、大気圧との圧力差によっ
て自らの圧力で流出する高圧の被排出ガスの排出を開閉
する第一ガス排出弁39が設けられていて、これら全体
で第一ガス排出路を構成する。被排出ガスを導く第二被
排出ガス導管53には、低圧の被排出ガスの強制排気を
開閉する第二ガス排出弁50、被排出ガスを一時貯留す
る被排出ガスサージタンク51、被排出ガスを強制排気
する真空ポンプ52が設けられていて、これら全体で第
二ガス排出路を構成する。ガス供給弁33、第一ガス排
出弁39、第二ガス排出弁50、閉止弁54は、開閉を
電気的に制御できる電磁弁である。制御装置60はこれ
らの電磁弁に接続されており、あらかじめ定められたタ
イミングでこれらの電磁弁の開閉を行うように作られて
いる。これらの弁を共通のカム軸で駆動される機械式の
弁とすることも可能で、その場合は制御装置60は不要
になる。温度や供給ガス圧力などの使用条件の変動が大
きい場合には、出口末端35付近の吸着筒30の側壁に
圧力センサを取り付け、その出力を検知しながら閉止弁
54の開閉を制御することが望ましい。閉止弁54はチ
ェック弁(逆止弁)とすることができ、その場合はこの
弁に対する制御装置は不要である。吸着筒30内に充て
んされる吸着剤の粒径は20メッシュ以下、好ましくは
40メッシュ以下であり、PSA法における粒径に比べ
かなり小さい。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention. 30 is an adsorption cylinder filled with an adsorbent, 3
4 and 35 are the inlet end and outlet end of the adsorption column, respectively. A source gas conduit 31 for guiding the source gas is provided with a compressor 32 for pressurizing the source gas, a source gas surge tank 32a for temporarily storing the source gas, and a gas supply valve 33 for opening and closing the introduction of the source gas. Constitutes a gas supply path. A product gas conduit 36 for guiding the product gas has a product gas flow control valve 37 for adjusting the flow rate of the product gas, a product gas surge tank 38 for temporarily storing the product gas, the adsorption column 30 and the product gas. Surge tank 3
A shut-off valve 54 for opening and closing the connection of the valves 8 is provided. The first exhaust gas conduit 40 that guides the exhaust gas is provided with a first gas exhaust valve 39 that opens and closes the exhaust of a high-pressure exhaust gas that flows out at its own pressure due to a pressure difference from the atmospheric pressure. These together constitute a first gas discharge path. A second exhaust gas conduit 53 for leading the exhaust gas has a second gas exhaust valve 50 for opening and closing the forced exhaust of the low-pressure exhaust gas, an exhaust gas surge tank 51 for temporarily storing the exhaust gas, and an exhaust gas. A vacuum pump 52 for forcibly exhausting the gas is provided, and these constitute a second gas exhaust passage as a whole. The gas supply valve 33, the first gas discharge valve 39, the second gas discharge valve 50, and the shutoff valve 54 are electromagnetic valves whose opening and closing can be electrically controlled. The control device 60 is connected to these solenoid valves, and is configured to open and close these solenoid valves at a predetermined timing. These valves may be mechanical valves driven by a common camshaft, in which case the control device 60 becomes unnecessary. When the use conditions such as the temperature and the supply gas pressure fluctuate greatly, it is desirable to attach a pressure sensor to the side wall of the adsorption cylinder 30 near the outlet end 35 and control the opening and closing of the closing valve 54 while detecting the output. . The shut-off valve 54 can be a check valve (a check valve), in which case no control is required for this valve. The particle size of the adsorbent filled in the adsorption column 30 is 20 mesh or less, preferably 40 mesh or less, which is considerably smaller than the particle size in the PSA method.

【0011】本発明における急速圧力スイング吸着法の
1サイクルは、少なくとも次に記す(a)と(c)と
(d)の工程を備え、通常は(b)の工程を加えた4つ
の工程で構成される。 (a)原料ガス導入期 t1 第一ガス排出弁39と第二ガス排出弁50を閉じた状態
で、ガス供給弁33を短時間開き、入口末端34から吸
着筒30へ高圧の原料ガスをパルス的に導入する。導入
された原料ガスは出口末端35の方向へ移動し、正方向
流れを形成する。原料ガス中の成分のうち、吸着されや
すい成分が吸着剤に選択的に吸着されるのに対し、吸着
されにくい成分はよりすみやかに出口末端35へ向かっ
て押し流される。このため、ガスが吸着剤粒子の間を通
過していくのにつれて、吸着されやすい成分の濃度が減
少し、吸着されにくい成分の濃度が増加して、しだいに
生成物ガスが作られていく。生成物ガスは、出口末端3
5から流出し、閉止弁54、生成物ガスサ−ジタンク3
8、生成物ガス流量調節弁37を経て取り出される。生
成物ガスの圧力は、1サイクルの中で多少変動するが、
原料ガスの圧力よりはるかに低い。通常の酸素富化空気
の製造では、生成物ガス流量調節弁37によって、大気
圧より少し高い圧力になるよう調節される。原料ガスの
圧力が同じであれば、装置が1サイクルで処理できる原
料ガス量は、この原料ガス導入期の長さによって決ま
る。 (b)入口末端流れ停止期 t2 第一ガス排出弁39と第二ガス排出弁50とガス供給弁
33のすべてを閉じる。入口末端34への原料ガスの流
入は停止するが、吸着筒30内では、原料ガス導入期と
同様、ガスは入口末端34から出口末端35へ向かって
流れ、出口末端35からは生成物ガスの流出が続く。入
口末端流れ停止期は必要不可欠のものではない。適切な
長さの入口末端流れ停止期は、原料ガスが吸着筒30の
より奥まで進入する時間を与え、生成物ガスにおける吸
着されにくい成分の回収率を改善する。一方、1サイク
ルに要する時間はこの分だけ長くなるので、長すぎる入
口末端流れ停止期は、吸着剤生産性を低下させる。 (c)逆方向ガス排出期 t3 ガス供給弁33と第二ガス排出弁50を閉じたまま、第
一ガス排出弁39を開く。入口末端34付近にある高圧
のガスが、第一ガス排出弁39を通って大気中へ流出し
始め、吸着筒30内に入口末端34の方向へ流れる逆方
向流れが形成される。逆方向流れの起点は、初めは入口
末端34にあるが、ガスの排出が進むにつれ、しだいに
出口末端35の方へ移動する。工程(c)開始直後は、
入口末端34付近の高圧のガスが急激に排出される。入
口末端34付近の被排出ガスの圧力が大気圧近くまで低
下し、自力による排出速度が低下した時点で、すみやか
に工程(d)に移行する。 (d)真空再生期 t4 ガス供給弁33を閉じたまま、第一ガス排出弁39を閉
じ、第二ガス排出弁50を開いて、入口末端34の圧力
を排出ガスサージタンク51内の圧力近くまで低下させ
る。真空ポンプ52による強制排気によって、吸着筒3
0内のガス圧が急速に引き下げられるとともに、吸着筒
30内の逆方向流れが促進される。逆方向流れの起点が
出口末端35に到達するまでは、吸着筒30内には正方
向と逆方向の2つの流れが存在し、出口末端35からの
生成物ガスの流出は続いている。逆方向流れの起点が出
口末端35に達すると、吸着筒30内の流れは逆方向流
れのパージ流のみとなり、生成物ガスサ−ジタンク38
に貯留されていた生成物ガスが吸着筒30へ逆流し始め
る。さらにその後ほどなく、出口末端35付近を含め吸
着筒30全域のガス圧が大気圧以下にまで低下する。閉
止弁54が電磁弁である場合には、生成物ガスが吸着筒
へ逆流し始める時点の前後の適切な時点で、制御装置6
0からの指令で閉止弁54を閉じ、吸着筒30と生成物
ガスサ−ジタンク38の連結を切断する。これによっ
て、生成物ガスがパージガスとして失われ、吸着されに
くい成分の回収率が低下するのを防ぐとともに、吸着筒
内のすべての吸着剤を真空再生することができる。閉止
弁54を閉じるタイミングはあらかじめ定められたもの
でもよいが、温度や供給ガス圧力などの使用条件の変動
に適切に対応するためには、出口末端35付近の吸着筒
30の側壁に圧力センサを取り付け、その出力を検知し
ながら、閉止弁54の開閉を制御することが望ましい。
閉止弁54がチェック弁(逆止弁)である場合には、生
成物ガスサ−ジタンク38からの逆流が始まると弁は自
動的に閉状態になるので、閉止弁54に対する制御は不
要である。(c)と(d)をあわせた全排出期間の間
に、全圧の低下と生成物ガスによるパージングにより、
吸着筒30内における吸着されやすい成分の分圧を低下
させ、吸着されやすい成分を吸着剤から脱着させ、吸着
剤を再生させる。脱着された吸着されやすい成分を高濃
度で含むガスは、逆方向流れを形成して、入口末端34
から排出される。
One cycle of the rapid pressure swing adsorption method in the present invention comprises at least the following steps (a), (c) and (d), and usually includes four steps including the step (b). Be composed. (A) Source gas introduction period t1 With the first gas discharge valve 39 and the second gas discharge valve 50 closed, the gas supply valve 33 is opened for a short time, and the high pressure source gas is pulsed from the inlet end 34 to the adsorption column 30. Introduction. The introduced source gas moves in the direction of the outlet end 35 and forms a forward flow. Of the components in the source gas, the components that are easily adsorbed are selectively adsorbed by the adsorbent, whereas the components that are not easily adsorbed are more quickly swept toward the outlet end 35. For this reason, as the gas passes between the adsorbent particles, the concentration of the easily adsorbed component decreases, the concentration of the hardly adsorbed component increases, and the product gas is gradually produced. Product gas is supplied to the outlet end 3
5, shut-off valve 54, product gas surge tank 3
8. It is taken out through the product gas flow control valve 37. The pressure of the product gas fluctuates slightly during one cycle,
Much lower than the source gas pressure. In normal production of oxygen-enriched air, the pressure is adjusted by the product gas flow control valve 37 to a pressure slightly higher than the atmospheric pressure. If the pressure of the source gas is the same, the amount of the source gas that can be processed by the apparatus in one cycle is determined by the length of the source gas introduction period. (B) Inlet end flow stop period t2 The first gas discharge valve 39, the second gas discharge valve 50, and the gas supply valve 33 are all closed. The flow of the raw material gas into the inlet end 34 is stopped, but in the adsorption column 30, the gas flows from the inlet end 34 to the outlet end 35, and the product gas flows from the outlet end 35, as in the raw gas introduction period. Outflow continues. The inlet end flow cessation phase is not essential. An appropriate length of the inlet end flow stop period provides time for the feed gas to penetrate deeper into the adsorption column 30 to improve the recovery of less adsorbed components in the product gas. On the other hand, because the time required for one cycle is increased by this amount, an excessively long inlet terminal flow stop period reduces adsorbent productivity. (C) Reverse gas discharge period t3 The first gas discharge valve 39 is opened while the gas supply valve 33 and the second gas discharge valve 50 are closed. The high-pressure gas near the inlet end 34 begins to flow out to the atmosphere through the first gas discharge valve 39, and a reverse flow is formed in the adsorption column 30 flowing toward the inlet end 34. The origin of the reverse flow is initially at the inlet end 34, but gradually moves toward the outlet end 35 as gas evacuation proceeds. Immediately after the start of step (c),
High pressure gas near the inlet end 34 is rapidly discharged. When the pressure of the gas to be discharged near the inlet end 34 decreases to near the atmospheric pressure and the discharge speed by itself decreases, the process immediately proceeds to the step (d). (D) Vacuum regeneration period t4 With the gas supply valve 33 closed, the first gas discharge valve 39 is closed, the second gas discharge valve 50 is opened, and the pressure at the inlet end 34 is set close to the pressure in the discharge gas surge tank 51. To lower. Due to the forced evacuation by the vacuum pump 52, the adsorption cylinder 3
The gas pressure in 0 is rapidly reduced, and the backward flow in the adsorption cylinder 30 is promoted. Until the starting point of the reverse flow reaches the outlet end 35, two flows in the forward direction and the reverse direction exist in the adsorption column 30, and the outflow of the product gas from the outlet end 35 continues. When the starting point of the reverse flow reaches the outlet end 35, the flow in the adsorption column 30 becomes only the purge flow of the reverse flow, and the product gas surge tank 38
Starts flowing back to the adsorption column 30. Shortly thereafter, the gas pressure in the entire area of the adsorption cylinder 30 including the vicinity of the outlet end 35 decreases to the atmospheric pressure or less. When the shut-off valve 54 is an electromagnetic valve, the controller 6 may be controlled at an appropriate time before or after the time when the product gas starts to flow back to the adsorption column.
The shut-off valve 54 is closed by a command from 0, and the connection between the adsorption cylinder 30 and the product gas surge tank 38 is cut off. As a result, it is possible to prevent the product gas from being lost as the purge gas and to reduce the recovery rate of the component that is hardly adsorbed, and to regenerate all the adsorbents in the adsorption column in vacuum. The timing of closing the shut-off valve 54 may be predetermined, but in order to appropriately cope with fluctuations in operating conditions such as temperature and supply gas pressure, a pressure sensor is provided on the side wall of the adsorption cylinder 30 near the outlet end 35. It is desirable to control the opening and closing of the closing valve 54 while mounting and detecting the output.
When the closing valve 54 is a check valve (check valve), the valve automatically closes when the backflow from the product gas surge tank 38 starts, so that control of the closing valve 54 is unnecessary. During the total discharge period including (c) and (d), the total pressure is reduced and purging with the product gas is performed.
The partial pressure of the easily adsorbed component in the adsorption column 30 is reduced, the easily adsorbed component is desorbed from the adsorbent, and the adsorbent is regenerated. The gas containing a high concentration of the desorbed easily adsorbed components forms a reverse flow, and the gas flows into the inlet end 34.
Is discharged from.

【0012】ここまで、主に、酸素よりも窒素を選択的
に吸着するゼオライトを吸着剤とし、酸素富化空気を製
品ガスとして回収する場合を想定して、出口末端から流
出するガスを生成物ガス、入口末端から排出されるガス
を被排出ガスと呼んできた。しかし、「生成物ガス」、
「被排出ガス」といった呼び名は説明のための便宜的な
ものであって、生成物ガスが常に製品ガスとして回収さ
れるものであり、被排出ガスが常に不要なものとして廃
棄されるものであることを意味するのではないことに、
注意してもらいたい。例えば、活性炭を吸着剤として燃
焼排ガスから二酸化炭素を分離回収する場合などでは、
吸着されにくい酸素や窒素を多く含み、出口末端から流
出する生成物ガスを廃棄し、吸着されやすい二酸化炭素
を多く含み、入口末端から排出される被排出ガスを製品
ガスとして回収する。また、場合によっては、入口末端
から流出するガスと出口末端から流出するガスを、両方
とも、製品ガスとして回収し利用する場合もあり得る。
[0012] Up to this point, the gas flowing out from the outlet end has been assumed to be mainly composed of a zeolite that selectively adsorbs nitrogen rather than oxygen as an adsorbent and oxygen-enriched air as a product gas. Gas and gas exhausted from the inlet end have been referred to as exhaust gas. However, "product gas",
The name "exhaust gas" is for convenience of explanation, and the product gas is always collected as product gas, and the exhaust gas is always discarded as unnecessary. That doesn't mean that
I want you to be careful. For example, in the case of separating and recovering carbon dioxide from flue gas using activated carbon as an adsorbent,
The product gas containing a large amount of oxygen and nitrogen which is hardly adsorbed and flowing out of the outlet end is discarded, and the exhaust gas containing a large amount of carbon dioxide which is easily adsorbed and discharged from the inlet end is collected as a product gas. In some cases, both the gas flowing out of the inlet terminal and the gas flowing out of the outlet terminal may be collected and used as product gas.

【0013】[0013]

【実施例】図1に示した急速圧力スイング吸着法による
ガス分離装置を用いて、空気中の酸素を濃縮する実験を
行った。室温は、ほぼ15℃であった。原料空気として
は、ボンベに加圧充てんされた乾燥空気(酸素:21vo
l%、窒素:79vol%)を圧力調整器で 0.14MPa に調圧
して用いたので、実験ではコンプレッサー32は省略し
てある。原料ガスサージタンク32aにおける原料空気
の圧力は、原料ガス導入期t1の間に 0.14MPa から 0.
09MPa の間で変動するが、平均すれば、ほぼ0.10MPa で
ある。吸着筒30の内径は 50mm で、吸着筒30の内部
には、粒径60〜80メッシュの細粒状の合成ゼオライ
ト、モレキュラーシーブ5Aを充てんした。実験では、
原料ガス導入期t1と真空再生期t4の長さの影響と、
吸着筒の長さを 400mm、300mm、200mm に変えたときの
変化を調べた。実験の結果を表1および図3に示す。表
1には、各実施例ごとに、サイクルタイム、取り出した
酸素富化空気の流量(L/min)と酸素濃度(vol%)を示
した。一般に、取り出す酸素富化空気の流量が多くなる
と、酸素富化空気中の酸素濃度は低下する。酸素富化空
気の流量が様々に異なる実験の分離性能を互いに比較で
きる指標として、次式 獲得酸素流量(L/min) =((酸素富化空気酸素濃度−21)/100)*(酸素富化空気流量)(L/min) …(1) によって獲得酸素流量を定義し、表1にその値も示し
た。(1)式の第1項は、酸素富化空気を原料空気と比
べた、酸素の体積分率の増加分である。したがって
(1)式で求めた獲得酸素流量とは、単位時間(1分
間)の間に取り出された酸素富化空気中の全酸素量(L/
min)から、その酸素富化空気と同体積の原料空気中に
もともと含まれていた酸素量(L/min)を差し引いたも
ので、ガス分離装置の濃縮作用によって上積みして回収
された酸素の単位時間(1分間)あたりの量(L/min)
を表している(ここでは、気体の量を、室温、0.1MPa
のもとでの体積(L)で表している)。表1と図3に
は、本発明の効果を示すため、実施例01〜08で用い
たのと同じ吸着筒を用い、真空再生を行わない従来のR
PSA法によって酸素濃縮を行った実験結果を比較例と
して示した。
EXAMPLE An experiment for concentrating oxygen in the air was performed using the gas separation apparatus based on the rapid pressure swing adsorption method shown in FIG. Room temperature was approximately 15 ° C. As the raw material air, dry air (oxygen: 21 vo
(1%, nitrogen: 79 vol%) was adjusted to 0.14 MPa by a pressure regulator, and the compressor 32 was omitted in the experiment. The pressure of the raw material air in the raw material gas surge tank 32a ranges from 0.14MPa to 0.1% during the raw gas introduction period t1.
It fluctuates between 09MPa, but is on average about 0.10MPa. The inside diameter of the adsorption cylinder 30 was 50 mm, and the inside of the adsorption cylinder 30 was filled with a fine synthetic zeolite having a particle size of 60 to 80 mesh and a molecular sieve 5A. In the experiment,
The influence of the length of the source gas introduction period t1 and the vacuum regeneration period t4;
The change when the length of the adsorption cylinder was changed to 400 mm, 300 mm, and 200 mm was examined. The results of the experiment are shown in Table 1 and FIG. Table 1 shows the cycle time, the flow rate (L / min) of the extracted oxygen-enriched air, and the oxygen concentration (vol%) for each example. Generally, as the flow rate of the oxygen-enriched air taken out increases, the oxygen concentration in the oxygen-enriched air decreases. As an index that allows comparison of the separation performance of experiments in which the flow rate of oxygen-enriched air is variously different, the following equation is obtained: oxygen flow rate (L / min) = ((oxygen-enriched oxygen concentration-21) / 100) * (oxygen-rich (L / min) (1) The obtained oxygen flow rate was defined by (1), and the values are also shown in Table 1. The first term of the equation (1) is an increase in the volume fraction of oxygen when the oxygen-enriched air is compared with the raw air. Therefore, the acquired oxygen flow rate obtained by the equation (1) is the total oxygen amount (L / L) in the oxygen-enriched air extracted during the unit time (1 minute).
min) minus the amount of oxygen (L / min) originally contained in the raw material air of the same volume as the oxygen-enriched air. Amount per unit time (1 minute) (L / min)
(Here, the amount of gas is changed to room temperature, 0.1 MPa
Under the volume (L). In Table 1 and FIG. 3, in order to show the effect of the present invention, the same adsorption cylinder as used in Examples 01 to 08 was used, and a conventional R without vacuum regeneration was used.
Experimental results of oxygen concentration by the PSA method are shown as comparative examples.

【表1】 [Table 1]

【0014】結果は次のようにまとめられる。 1.比較例1と2,実施例07〜09、実施例14と1
5では、それぞれ、サイクルタイムは互いに同じであ
る。結果が異なっているのは生成物ガス流量調節弁の開
度を変えたためで、弁の開度を絞り、取り出される酸素
富化空気の流量を制限すると、酸素濃度は増加するが、
獲得酸素流量は減少する。また、実施例11〜19を比
べるとわかるように、真空再生期t4を長くとることに
よっても、取り出される酸素富化空気の流量は減少し、
酸素富化空気の酸素濃度は増加するが、獲得酸素流量は
減少する。これらの事実は次のように説明できる。RP
SA法による酸素濃縮では、各サイクルごとに、吸着筒
の中で酸素が濃縮された生成物ガスが、ある大きさの空
間と時間の広がりをもつパルス的なガス流として流出し
てくる。この生成物ガスのパルス流の中の酸素濃度は一
様ではなく、初期に流出してくるガスほど酸素濃度が高
く、後に流出してくるガスほど酸素濃度が低くなってい
ると考えられる。このため、生成物ガス流量調節弁の開
度を絞り、取り出すガスをより初期に流出してくるガス
に限定すればするほど、取り出される酸素富化空気中の
酸素濃度は高くなるが、同時に、原料ガスより酸素濃度
の高い生成物ガスの一部を回収し損なうので、獲得酸素
流量は減少する。真空再生期t4を長くとることの効果
も、部分的には、弁操作による流量制限に類似している
面があると考えられる。つまり、真空再生期t4を長く
とると、吸着剤の再生が進み、次のサイクルで吸着捕集
されるガス量が増加するので、生成物ガスとして流出す
るガス量は、弁の開度を絞った場合と同様、減少する。
その結果、前記のパルス的なガス流のうちの初期流出分
に相当する酸素濃度の高い生成物ガスのみが取り出さ
れ、酸素富化空気の酸素濃度は増加するが、獲得酸素流
量は減少するのだと考えられる。以上の考え方が正しい
とすると、実施例11〜19のうちで酸素富化空気の流
量が最も少ない実施例19の酸素濃度 75vol% は、パル
ス的な生成物ガスの流れのうち、最も初期に流出してく
るガスの酸素濃度を代表していると考えられる。実施例
19の流量 1.35L/min は実施例11の流量 8.25L/min
の16%に相当する。一方、真空再生期t4を短くし、
取り出す酸素富化空気の流量を大きくすればするほど、
パルス流のうちのより後期に流出してくるガスまで取り
出していることになる。実施例11を14と比べると、
実施例11では流量が 3.5L/min 増加しているにもかか
わらず、獲得酸素流量の増加分は 0.06L/min ときわめ
てわずかである。言い換えると、この 3.5L/min のガス
中の酸素濃度は原料空気中の酸素濃度と大差なかったこ
とになる。3.5L/min は実施例11の流量の42%に相
当する。これらの推論を綜合し、多少乱暴な考察である
ことを承知の上で、実施例11において各サイクルごと
に流出してくる生成物ガスのパルス流における酸素濃度
の分布を推定してみると、全体積の16%ほどを占める
初期流出分は酸素濃度が 75vol% 前後の高度に濃縮され
た酸素富化空気であり、全体積の42%ほどを占める中
間流出分において酸素濃度は 75vol% 前後から 21vol%
強へ急減し、全体積の42% ほどを占める最後の流出
分は酸素濃度 21vol% 強の、原料空気と大差ないガスで
あると言うことができる。次に述べる図3を用いた考察
から、RPSA法による酸素濃縮では、吸着筒の分離性
能が高いほど、初期流出分における酸素濃度はより高く
なり、獲得酸素流量に占める初期流出分の寄与が増加す
る一方、獲得酸素流量に占める中間流出分の寄与は減少
し、生成物ガスパルス流は、高酸素濃度の初期流出分
と、原料空気と大差ない酸素濃度の後期流出分とに二極
分化した構造に近づくことが推定できる。 2.図3では、酸素富化空気の酸素濃度が流量の逆数に
対して図示されている。(1)式は 酸素富化空気酸素濃度(vol%)−21(vol%) =( 100 *(獲得酸素流量(L/min)))*(1/(酸素富化空気流量(L/min) )) …(2) と変形できるから、獲得酸素流量が一定であれば、各実
施例を表す点は、縦軸上の点(0,21)を起点とする1本
の直線上に並ぶはずである。図3を見ると、大流量、低
酸素濃度の領域では、いずれの実施例も点線で示される
同一直線上に並び、吸着筒の長さの影響は見うけられな
い。しかし、流量を抑えた高酸素濃度の領域へ移ると、
獲得酸素流量の低下を反映して、いずれの実施例も点線
より右下方向にずれ、しかも、吸着筒の長さが短い実施
例ほど、点線からのずれが早く現れ、ずれの度合いも大
きいことがわかる。この事実は、吸着筒の長さが短く、
分離性能が低い場合ほど、先に述べた生成物ガスパルス
流における酸素濃度の二極分化が不十分で、獲得酸素流
量に対する中間流出分の寄与が大きいので、この中間流
出分がカットされる影響が早く大きく現れるのだと説明
できる。比較例を表す点は、実施例に比べ右下方向へ大
きくずれていて、比較例の分離性能が著しく劣ってお
り、実施例における真空再生の効果が大きいことを示し
ている。 3.実施例21〜実施例23を比べると、原料ガス導入
期t1を長くとると、獲得酸素流量はやや改善される
が、その効果は小さいことがわかる。原料ガス導入期を
長くとると、1サイクルで処理できる原料ガスの量を増
加させることができる。一方、原料ガスの増加にもかか
わらず必要な酸素濃度を維持するためには、真空再生期
t4も長くとることが必要になり、t1とt4の増加で
全サイクルタイムは増加し、単位時間あたりのサイクル
数が減少する。前者の正の効果は、一部後者の負の効果
で相殺されるので、原料ガス導入期の増加は期待ほど獲
得酸素流量を改善する効果がないのだと考えられる。
The results are summarized as follows. 1. Comparative Examples 1 and 2, Examples 07 to 09, Examples 14 and 1
5, the cycle times are the same as each other. The result is different because the opening of the product gas flow control valve was changed.If the opening of the valve was reduced and the flow rate of the oxygen-enriched air taken out was restricted, the oxygen concentration increased,
Acquired oxygen flow is reduced. Further, as can be seen by comparing Examples 11 to 19, the flow rate of the oxygen-enriched air taken out also decreases by increasing the vacuum regeneration period t4,
The oxygen concentration of the oxygen-enriched air increases, but the acquired oxygen flow decreases. These facts can be explained as follows. RP
In oxygen enrichment by the SA method, a product gas in which oxygen is enriched in an adsorption column flows out as a pulsed gas flow having a certain size of space and time in each cycle. It is considered that the oxygen concentration in the pulse flow of the product gas is not uniform, and the gas flowing out earlier has a higher oxygen concentration, and the gas flowing out later has a lower oxygen concentration. For this reason, the narrower the degree of opening of the product gas flow control valve, the more the gas to be taken out is limited to the gas that flows out earlier, the higher the oxygen concentration in the oxygen-enriched air taken out, but at the same time, Since part of the product gas having a higher oxygen concentration than the source gas is not recovered, the obtained oxygen flow rate is reduced. It is considered that the effect of increasing the vacuum regeneration period t4 is partially similar to the flow restriction by the valve operation. In other words, if the vacuum regeneration period t4 is lengthened, regeneration of the adsorbent proceeds, and the amount of gas adsorbed and collected in the next cycle increases. Therefore, the amount of gas flowing out as product gas is reduced by opening the valve. As in the case of
As a result, only a product gas having a high oxygen concentration corresponding to the initial effluent of the pulsed gas stream is extracted, and the oxygen concentration of the oxygen-enriched air increases, but the obtained oxygen flow rate decreases. It is thought that. Assuming that the above concept is correct, the oxygen concentration of 75 vol% in Example 19 having the lowest flow rate of the oxygen-enriched air among Examples 11 to 19 is the earliest outflow of the pulsed product gas flow. It is considered to be representative of the oxygen concentration of the coming gas. The flow rate of 1.35 L / min in Example 19 is 8.25 L / min in Example 11.
16%. On the other hand, the vacuum regeneration period t4 is shortened,
The larger the flow rate of oxygen-enriched air taken out, the more
This means that the gas flowing out later in the pulse flow is extracted. When comparing Example 11 with 14,
In Example 11, although the flow rate increased by 3.5 L / min, the increase in the acquired oxygen flow rate was extremely small at 0.06 L / min. In other words, the oxygen concentration in the 3.5 L / min gas was not much different from the oxygen concentration in the raw air. 3.5 L / min corresponds to 42% of the flow rate in Example 11. Integrating these inferences and recognizing that it is somewhat violent consideration, and estimating the distribution of oxygen concentration in the pulse flow of the product gas flowing out in each cycle in Example 11, The initial effluent, which accounts for about 16% of the total volume, is highly enriched oxygen-enriched air with an oxygen concentration of around 75vol%, and the oxygen concentration of the intermediate effluent, which accounts for about 42% of the total volume, is around 75vol%. 21vol%
The last effluent, which dropped sharply to about 42% of the total volume, can be said to be a gas with an oxygen concentration of just over 21 vol%, which is not much different from the feed air. From the discussion using FIG. 3 described below, in the oxygen enrichment by the RPSA method, the higher the separation performance of the adsorption column, the higher the oxygen concentration in the initial effluent, and the greater the contribution of the initial effluent to the obtained oxygen flow rate. On the other hand, the contribution of the intermediate effluent to the acquired oxygen flow rate is reduced, and the product gas pulse flow is bipolarized into an initial effluent with a high oxygen concentration and a late effluent with an oxygen concentration that is not much different from the feed air. Can be estimated to approach. 2. FIG. 3 shows the oxygen concentration of the oxygen-enriched air with respect to the reciprocal of the flow rate. Equation (1) is: oxygen-enriched air oxygen concentration (vol%)-21 (vol%) = (100 * (acquired oxygen flow rate (L / min))) * (1 / (oxygen-enriched air flow rate (L / min) ))) ... (2) Since the obtained oxygen flow rate is constant, the points representing the respective examples are arranged on one straight line starting from the point (0, 21) on the vertical axis. Should be. Referring to FIG. 3, in the region of high flow rate and low oxygen concentration, all the examples are arranged on the same straight line indicated by the dotted line, and the influence of the length of the adsorption cylinder is not seen. However, when moving to a region with a high oxygen concentration with a reduced flow rate,
Reflecting the decrease in the obtained oxygen flow rate, in any of the examples, the shift from the dotted line to the lower right direction, and the shorter the length of the adsorption column, the earlier the shift from the dotted line appears, and the degree of the shift is large. I understand. The fact is that the length of the adsorption cylinder is short,
The lower the separation performance, the more insufficient the bipolar differentiation of the oxygen concentration in the product gas pulse stream described above, and the greater the contribution of the intermediate effluent to the obtained oxygen flow rate. It can be explained that it appears quickly and large. The point representing the comparative example is greatly shifted to the lower right as compared with the example, indicating that the separation performance of the comparative example is remarkably inferior and the effect of vacuum regeneration in the example is large. 3. Comparing Examples 21 to 23, it can be seen that when the source gas introduction period t1 is increased, the obtained oxygen flow rate is slightly improved, but the effect is small. When the source gas introduction period is lengthened, the amount of the source gas that can be processed in one cycle can be increased. On the other hand, in order to maintain the required oxygen concentration despite the increase in the source gas, the vacuum regeneration period t4 also needs to be long, and the total cycle time increases with the increase in t1 and t4, and Cycle number is reduced. Since the former positive effect is partially offset by the latter negative effect, it is considered that an increase in the feed gas introduction period is not as effective in improving the obtained oxygen flow rate as expected.

【発明の効果】本発明の、急速圧力スイング吸着法を適
用するガス分離装置のガス排出路は、大気圧との圧力差
によって自らの圧力で流出する、被排出ガスを排出する
第一ガス排出路と、第一ガス排出路と切り替え可能に配
設され、真空ポンプが設けられ、被排出ガスを真空ポン
プで強制排気する第二ガス排出路とを有するので、比較
的小さな排気能力の真空ポンプで真空再生の効果を上げ
ながら、再生工程期間を短縮し、吸着剤生産性を向上さ
せることができる。
According to the present invention, the gas discharge path of the gas separation apparatus to which the rapid pressure swing adsorption method is applied is the first gas discharge for discharging the gas to be discharged, which flows out at its own pressure due to the pressure difference from the atmospheric pressure. And a second gas exhaust path, which is provided so as to be switchable with the first gas exhaust path, is provided with a vacuum pump, and forcibly exhausts the exhaust gas by the vacuum pump, so that the vacuum pump has a relatively small exhaust capacity. Thus, the period of the regeneration step can be shortened and the adsorbent productivity can be improved while enhancing the effect of vacuum regeneration.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】急速圧力スイング吸着法を適用する、本発明の
ガス分離装置の一実施形態を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a gas separation device of the present invention to which a rapid pressure swing adsorption method is applied.

【図2】急速圧力スイング吸着法を適用する、従来のガ
ス分離装置の一実施形態を示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing one embodiment of a conventional gas separation device to which a rapid pressure swing adsorption method is applied.

【図3】実施例の実験における酸素富化空気流量と酸素
濃度の関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a relationship between an oxygen-enriched air flow rate and an oxygen concentration in an experiment of an example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

30 吸着筒 31 原料ガス導管 32 コンプレッサー 32a 原料ガスサージタンク 33 ガス供給弁 34 入口末端 35 出口末端 36 生成物ガス導管 37 生成物ガス流量調節弁 38 生成物ガスサージタンク 39 第一ガス排出弁 40 第一被排出ガス導管 50 第二ガス排出弁 51 被排出ガスサージタンク 52 真空ポンプ 53 第二被排出ガス導管 54 閉止弁 60 制御装置 Reference Signs List 30 adsorption cylinder 31 raw material gas conduit 32 compressor 32a raw material gas surge tank 33 gas supply valve 34 inlet terminal 35 outlet terminal 36 product gas conduit 37 product gas flow control valve 38 product gas surge tank 39 first gas discharge valve 40 One exhausted gas conduit 50 Second gas exhaust valve 51 Exhausted gas surge tank 52 Vacuum pump 53 Second exhausted gas conduit 54 Shut-off valve 60 Controller

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成13年5月10日(2001.5.1
0)
[Submission date] May 10, 2001 (2001.5.1
0)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0014[Correction target item name] 0014

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0014】結果は次のようにまとめられる。 1.比較例1と2,実施例06〜08、実施例14と1
5では、それぞれ、サイクルタイムは互いに同じであ
る。結果が異なっているのは生成物ガス流量調節弁の開
度を変えたためで、弁の開度を絞り、取り出される酸素
富化空気の流量を制限すると、酸素濃度は増加するが、
獲得酸素流量は減少する。また、実施例11〜19を比
べるとわかるように、真空再生期t4を長くとることに
よっても、取り出される酸素富化空気の流量は減少し、
酸素富化空気の酸素濃度は増加するが、獲得酸素流量は
減少する。これらの事実は次のように説明できる。RP
SA法による酸素濃縮では、各サイクルごとに、吸着筒
の中で酸素が濃縮された生成物ガスが、ある大きさの空
間と時間の広がりをもつパルス的なガス流として流出し
てくる。この生成物ガスのパルス流の中の酸素濃度は一
様ではなく、初期に流出してくるガスほど酸素濃度が高
く、後に流出してくるガスほど酸素濃度が低くなってい
ると考えられる。このため、生成物ガス流量調節弁の開
度を絞り、取り出すガスをより初期に流出してくるガス
に限定すればするほど、取り出される酸素富化空気中の
酸素濃度は高くなるが、同時に、原料ガスより酸素濃度
の高い生成物ガスの一部を回収し損なうので、獲得酸素
流量は減少する。真空再生期t4を長くとることの効果
も、部分的には、弁操作による流量制限に類似している
面があると考えられる。つまり、真空再生期t4を長く
とると、吸着剤の再生が進み、次のサイクルで吸着捕集
されるガス量が増加するので、生成物ガスとして流出す
るガス量は、弁の開度を絞った場合と同様、減少する。
その結果、前記のパルス的なガス流のうちの初期流出分
に相当する酸素濃度の高い生成物ガスのみが取り出さ
れ、酸素富化空気の酸素濃度は増加するが、獲得酸素流
量は減少するのだと考えられる。以上の考え方が正しい
とすると、実施例11〜19のうちで酸素富化空気の流
量が最も少ない実施例19の酸素濃度 75vol% は、パル
ス的な生成物ガスの流れのうち、最も初期に流出してく
るガスの酸素濃度を代表していると考えられる。実施例
19の流量 1.35L/min は実施例11の流量 8.25L/min
の16%に相当する。一方、真空再生期t4を短くし、
取り出す酸素富化空気の流量を大きくすればするほど、
パルス流のうちのより後期に流出してくるガスまで取り
出していることになる。実施例11を14と比べると、
実施例11では流量が 3.5L/min 増加しているにもかか
わらず、獲得酸素流量の増加分は 0.06L/min ときわめ
てわずかである。言い換えると、この 3.5L/min のガス
中の酸素濃度は原料空気中の酸素濃度と大差なかったこ
とになる。3.5L/min は実施例11の流量の42%に相
当する。これらの推論を綜合し、多少乱暴な考察である
ことを承知の上で、実施例11において各サイクルごと
に流出してくる生成物ガスのパルス流における酸素濃度
の分布を推定してみると、全体積の16%ほどを占める
初期流出分は酸素濃度が 75vol% 前後の高度に濃縮され
た酸素富化空気であり、全体積の42%ほどを占める中
間流出分において酸素濃度は 75vol% 前後から 21vol%
強へ急減し、全体積の42% ほどを占める最後の流出
分は酸素濃度 21vol% 強の、原料空気と大差ないガスで
あると言うことができる。次に述べる図3を用いた考察
から、RPSA法による酸素濃縮では、吸着筒の分離性
能が高いほど、初期流出分における酸素濃度はより高く
なり、獲得酸素流量に占める初期流出分の寄与が増加す
る一方、獲得酸素流量に占める中間流出分の寄与は減少
し、生成物ガスパルス流は、高酸素濃度の初期流出分
と、原料空気と大差ない酸素濃度の後期流出分とに二極
分化した構造に近づくことが推定できる。 2.図3では、酸素富化空気の酸素濃度が流量の逆数に
対して図示されている。(1)式は 酸素富化空気酸素濃度(vol%)−21(vol%) =( 100 *(獲得酸素流量(L/min)))*(1/(酸素富化空気流量(L/min) )) …(2) と変形できるから、獲得酸素流量が一定であれば、各実
施例を表す点は、縦軸上の点(0,21)を起点とする1本
の直線上に並ぶはずである。図3を見ると、大流量、低
酸素濃度の領域では、いずれの実施例も点線で示される
同一直線上に並び、吸着筒の長さの影響は見うけられな
い。しかし、流量を抑えた高酸素濃度の領域へ移ると、
獲得酸素流量の低下を反映して、いずれの実施例も点線
より右下方向にずれ、しかも、吸着筒の長さが短い実施
例ほど、点線からのずれが早く現れ、ずれの度合いも大
きいことがわかる。この事実は、吸着筒の長さが短く、
分離性能が低い場合ほど、先に述べた生成物ガスパルス
流における酸素濃度の二極分化が不十分で、獲得酸素流
量に対する中間流出分の寄与が大きいので、この中間流
出分がカットされる影響が早く大きく現れるのだと説明
できる。比較例を表す点は、実施例に比べ右下方向へ大
きくずれていて、比較例の分離性能が著しく劣ってお
り、実施例における真空再生の効果が大きいことを示し
ている。 3.実施例21〜実施例23を比べると、原料ガス導入
期t1を長くとると、獲得酸素流量はやや改善される
が、その効果は小さいことがわかる。原料ガス導入期を
長くとると、1サイクルで処理できる原料ガスの量を増
加させることができる。一方、原料ガスの増加にもかか
わらず必要な酸素濃度を維持するためには、真空再生期
t4も長くとることが必要になり、t1とt4の増加で
全サイクルタイムは増加し、単位時間あたりのサイクル
数が減少する。前者の正の効果は、一部後者の負の効果
で相殺されるので、原料ガス導入期の増加は期待ほど獲
得酸素流量を改善する効果がないのだと考えられる。
The results are summarized as follows. 1. Comparative Examples 1 and 2, Examples 06 to 08, Examples 14 and 1
5, the cycle times are the same as each other. The result is different because the opening of the product gas flow control valve was changed.If the opening of the valve was reduced and the flow rate of the oxygen-enriched air taken out was restricted, the oxygen concentration increased,
Acquired oxygen flow is reduced. Further, as can be seen by comparing Examples 11 to 19, the flow rate of the oxygen-enriched air taken out also decreases by increasing the vacuum regeneration period t4,
The oxygen concentration of the oxygen-enriched air increases, but the acquired oxygen flow decreases. These facts can be explained as follows. RP
In oxygen enrichment by the SA method, a product gas in which oxygen is enriched in an adsorption column flows out as a pulsed gas flow having a certain size of space and time in each cycle. It is considered that the oxygen concentration in the pulse flow of the product gas is not uniform, and the gas flowing out earlier has a higher oxygen concentration, and the gas flowing out later has a lower oxygen concentration. For this reason, the narrower the degree of opening of the product gas flow control valve, the more the gas to be taken out is limited to the gas that flows out earlier, the higher the oxygen concentration in the oxygen-enriched air taken out, but at the same time, Since part of the product gas having a higher oxygen concentration than the source gas is not recovered, the obtained oxygen flow rate is reduced. It is considered that the effect of increasing the vacuum regeneration period t4 is partially similar to the flow restriction by the valve operation. In other words, if the vacuum regeneration period t4 is lengthened, regeneration of the adsorbent proceeds, and the amount of gas adsorbed and collected in the next cycle increases. Therefore, the amount of gas flowing out as product gas is reduced by opening the valve. As in the case of
As a result, only a product gas having a high oxygen concentration corresponding to the initial effluent of the pulsed gas stream is extracted, and the oxygen concentration of the oxygen-enriched air increases, but the obtained oxygen flow rate decreases. It is thought that. Assuming that the above concept is correct, the oxygen concentration of 75 vol% in Example 19 having the lowest flow rate of the oxygen-enriched air among Examples 11 to 19 is the earliest outflow of the pulsed product gas flow. It is considered to be representative of the oxygen concentration of the coming gas. The flow rate of 1.35 L / min in Example 19 is 8.25 L / min in Example 11.
16%. On the other hand, the vacuum regeneration period t4 is shortened,
The larger the flow rate of oxygen-enriched air taken out, the more
This means that the gas flowing out later in the pulse flow is extracted. When comparing Example 11 with 14,
In Example 11, although the flow rate increased by 3.5 L / min, the increase in the acquired oxygen flow rate was extremely small at 0.06 L / min. In other words, the oxygen concentration in the 3.5 L / min gas was not much different from the oxygen concentration in the raw air. 3.5 L / min corresponds to 42% of the flow rate in Example 11. Integrating these inferences and recognizing that it is somewhat violent consideration, and estimating the distribution of oxygen concentration in the pulse flow of the product gas flowing out in each cycle in Example 11, The initial effluent, which accounts for about 16% of the total volume, is highly enriched oxygen-enriched air with an oxygen concentration of around 75vol%, and the oxygen concentration of the intermediate effluent, which accounts for about 42% of the total volume, is around 75vol%. 21vol%
The last effluent, which dropped sharply to about 42% of the total volume, can be said to be a gas with an oxygen concentration of just over 21 vol%, which is not much different from the feed air. From the discussion using FIG. 3 described below, in the oxygen enrichment by the RPSA method, the higher the separation performance of the adsorption column, the higher the oxygen concentration in the initial effluent, and the greater the contribution of the initial effluent to the obtained oxygen flow rate. On the other hand, the contribution of the intermediate effluent to the acquired oxygen flow rate is reduced, and the product gas pulse flow is bipolarized into an initial effluent with a high oxygen concentration and a late effluent with an oxygen concentration that is not much different from the feed air. Can be estimated to approach. 2. FIG. 3 shows the oxygen concentration of the oxygen-enriched air with respect to the reciprocal of the flow rate. Equation (1) is: oxygen-enriched air oxygen concentration (vol%)-21 (vol%) = (100 * (acquired oxygen flow rate (L / min))) * (1 / (oxygen-enriched air flow rate (L / min) ))) ... (2) Since the obtained oxygen flow rate is constant, the points representing the respective examples are arranged on one straight line starting from the point (0, 21) on the vertical axis. Should be. Referring to FIG. 3, in the large flow rate and low oxygen concentration region, all the examples are arranged on the same straight line indicated by the dotted line, and the influence of the length of the adsorption cylinder is not seen. However, when moving to a region with a high oxygen concentration with a reduced flow rate,
Reflecting the decrease in the obtained oxygen flow rate, in any of the embodiments, the shift from the dotted line to the lower right direction, and the shift from the dotted line appears earlier and the degree of the shift is larger as the length of the adsorption cylinder is shorter. I understand. The fact is that the length of the adsorption cylinder is short,
The lower the separation performance, the more insufficient the bipolar differentiation of the oxygen concentration in the product gas pulse stream described above, and the greater the contribution of the intermediate effluent to the obtained oxygen flow rate. It can be explained that it appears quickly and large. The point representing the comparative example is greatly shifted to the lower right as compared with the example, indicating that the separation performance of the comparative example is remarkably inferior and the effect of vacuum regeneration in the example is large. 3. Comparing Examples 21 to 23, it can be seen that when the source gas introduction period t1 is increased, the obtained oxygen flow rate is slightly improved, but the effect is small. When the source gas introduction period is lengthened, the amount of the source gas that can be processed in one cycle can be increased. On the other hand, in order to maintain the required oxygen concentration despite the increase in the source gas, the vacuum regeneration period t4 also needs to be long, and the total cycle time increases with the increase in t1 and t4, and Cycle number decreases. Since the former positive effect is partially offset by the latter negative effect, it is considered that an increase in the feed gas introduction period is not as effective in improving the obtained oxygen flow rate as expected.

【発明の効果】本発明の、急速圧力スイング吸着法を適
用するガス分離装置のガス排出路は、大気圧との圧力差
によって自らの圧力で流出する、被排出ガスを排出する
第一ガス排出路と、第一ガス排出路と切り替え可能に配
設され、真空ポンプが設けられ、被排出ガスを真空ポン
プで強制排気する第二ガス排出路とを有するので、比較
的小さな排気能力の真空ポンプで真空再生の効果を上げ
ながら、再生工程期間を短縮し、吸着剤生産性を向上さ
せることができる。
According to the present invention, the gas discharge path of the gas separation apparatus to which the rapid pressure swing adsorption method is applied is the first gas discharge for discharging the gas to be discharged, which flows out at its own pressure due to the pressure difference from the atmospheric pressure. And a second gas exhaust path, which is provided so as to be switchable with the first gas exhaust path, is provided with a vacuum pump, and forcibly exhausts the exhaust gas by the vacuum pump, so that the vacuum pump has a relatively small exhaust capacity. Thus, the period of the regeneration step can be shortened and the adsorbent productivity can be improved while enhancing the effect of vacuum regeneration.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】急速圧力スイング吸着法を適用するガス分
離装置であって、 内部に吸着剤を有する吸着筒と、 原料ガスを前記吸着筒の入口末端へ導くガス供給路と、 前記原料ガスから前記吸着剤によって吸着されやすい成
分を選択的に吸着除去した結果生じる生成物ガスを、前
記吸着筒の出口末端から取り出すガス取り出し路と、 前記原料ガスから前記生成物ガスを取り出した後に前記
吸着筒内に残存する被排出ガスを、前記入口末端から排
出するガス排出路とを備え、 前記ガス排出路は、 大気圧との圧力差によって自らの圧力で流出する、前記
被排出ガスを排出する第一ガス排出路と、 前記第一ガス排出路と切り替え可能に配設され、真空ポ
ンプが設けられ、前記被排出ガスを前記真空ポンプによ
って強制排気する第二ガス排出路とを有することを特徴
とするガス分離装置。
1. A gas separation apparatus to which a rapid pressure swing adsorption method is applied, comprising: an adsorption cylinder having an adsorbent therein; a gas supply path for leading a raw material gas to an inlet end of the adsorption cylinder; A gas take-out path for taking out a product gas resulting from selectively adsorbing and removing a component which is easily adsorbed by the adsorbent from an outlet end of the adsorption cylinder; and, after taking out the product gas from the raw material gas, the adsorption cylinder A gas discharge path for discharging the gas to be discharged remaining inside from the inlet end, wherein the gas discharge path flows out at its own pressure due to a pressure difference from the atmospheric pressure, and discharges the gas to be discharged. A first gas discharge path, and a second gas discharge path that is provided so as to be switchable with the first gas discharge path, is provided with a vacuum pump, and forcibly exhausts the gas to be discharged by the vacuum pump. A gas separation device.
【請求項2】前記ガス取り出し路に設けられ、前記生成
物ガスが前記吸着筒内へ逆流することを阻止可能な、閉
止弁を備えることを特徴とする請求項1に記載のガス分
離装置。
2. The gas separation device according to claim 1, further comprising a shut-off valve provided in the gas take-out path and capable of preventing the product gas from flowing back into the adsorption column.
【請求項3】急速圧力スイング吸着法によるガス分離方
法であって、1サイクルが、少なくとも、 内部に吸着剤を有する吸着筒の入口末端から前記吸着筒
内へ高圧の原料ガスを、パルス的に導入する原料ガス導
入工程と、 前記原料ガスから前記吸着剤の選択的な吸着作用によっ
て吸着されにくい成分に富む生成物ガスを取り出した後
に残る、吸着されやすい成分に富む被排出ガスを、前記
吸着筒から排出する被排出ガス排出工程とを備え、 前記被排出ガス排出工程は、 前記入口末端に設けられた第一ガス排出路を通じて、前
記被排出ガスを大気圧との圧力差によって自らの圧力で
流出させ、その圧力を大気圧近くまで低下させる逆方向
ガス排出工程と、 前記第一ガス排出路と切り替え可能に前記入口末端に設
けられた第二ガス排出路を通じて、前記被排出ガスを真
空ポンプによって強制排気する真空再生工程とよりなる
ことを特徴とするガス分離方法。
3. A gas separation method according to a rapid pressure swing adsorption method, wherein one cycle comprises a step of pulsing a high-pressure raw material gas into the adsorption column at least from an inlet end of the adsorption column having an adsorbent therein. Introducing the source gas to be introduced, and removing the exhaust gas rich in the easily adsorbed component remaining after extracting the product gas rich in the component which is hardly adsorbed by the selective adsorption action of the adsorbent from the source gas. An exhausted gas exhausting step of exhausting the exhausted gas from a cylinder, wherein the exhausted gas exhausting step comprises: A reverse gas discharge step of reducing the pressure to near atmospheric pressure, and a second gas discharge path provided at the inlet end so as to be switchable with the first gas discharge path. Te, gas separation method, wherein the the more the vacuum regeneration step of forcibly exhausted by the exhaust gas of a vacuum pump.
JP2001138316A 2001-05-09 2001-05-09 Apparatus and method for gas separation Withdrawn JP2002331218A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP4919970B2 (en) * 2005-01-21 2012-04-18 エクソンモービル リサーチ アンド エンジニアリング カンパニー Improved integration of refinery treatment equipment (hydrotreating, hydrocracking, etc.) and fast cycle pressure swing adsorption
CN113877372A (en) * 2021-11-18 2022-01-04 江苏齐清环境科技有限公司 Multistage absorption negative pressure oxidation treatment device of high concentration dimethyl ether flash distillation waste gas
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