JP2008303089A - 低純度窒素ガス発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】船舶における防爆用のパージガスやシールガスとして使用する酸素含有率が３〜５体積％の低純度窒素ガスを効率よく発生させることができ、窒素ＰＳＡ装置の小型化を図ることができる窒素ガス発生方法を提供する。
【解決手段】吸着剤として分子ふるい炭素を充填した吸着筒に対して加圧、製品取出、減圧均圧、再生、加圧均圧の各工程を繰り返す圧力変動吸着法によって空気から酸素含有率が３〜５体積％の低純度窒素ガスを発生させる方法において、導入する原料空気の圧力をゲージ圧で０．７〜１．０ＭＰａの範囲に設定し、かつ、前記加圧工程及び製品取出工程での吸着筒内の原料空気の空間速度を１５００〜２５００ｈｒ^−１の範囲に設定するとともに、窒素ＰＳＡ装置からの製品窒素の取出量を２２０〜７００Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎの範囲に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、低純度窒素ガス発生方法に関し、詳しくは、分子ふるい炭素を吸着剤とした圧力変動吸着法によって空気中の窒素と酸素とを分離する窒素ガス発生装置を使用して酸素含有率が３〜５体積％の低純度窒素ガスを発生させる方法に関する。

分子ふるい炭素を吸着剤とした圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）により、空気から窒素ガス（以下、窒素に富むガスも含めて単に窒素と呼ぶことがある。）を分離発生する方法が知られている。この分子ふるい炭素を使用するＰＳＡ法は、典型的には、分子ふるい炭素をそれぞれ充填した２筒の吸着筒に対して、適当な圧力に加圧した原料空気を導入して筒内を所定の圧力にする加圧工程、吸着しやすい酸素分を吸着剤に優先的に吸着させて吸着しにくい窒素ガスを採取して製品タンクに送り出す吸着工程（製品取出工程）、筒内に残留する窒素分を他の吸着筒に送り出す減圧均圧工程、吸着筒を大気に解放して圧力を下げることにより吸着剤に吸着していた酸素分を脱着させて吸着剤を再生する再生工程、他の吸着筒内から窒素分を受け入れる加圧均圧工程の各工程を２筒の吸着筒で交互に繰り返して行うことにより空気中の窒素を分離する。

この方法は、１分前後の比較的短い運転サイクルで圧力を変化させることができるので、吸着剤単位重量当たりの空気処理量を大きくすることができる。このため、従来から行われている深冷空気分離法に対し、装置構成を大幅に簡略化でき、設備コストの面でも優位にあるため、このようなＰＳＡ法による窒素ガス発生装置（窒素ＰＳＡ装置）は、小／中規模の窒素発生用として広く採用されている。

例えば、２筒の吸着筒（Ａ，Ｂ）を使用した窒素ＰＳＡ装置において、前記各均圧工程（減圧均圧工程及び加圧均圧工程）とは、Ａ筒とＢ筒との間のバルブを開き、圧力が高い吸着筒の圧力を圧力が低い吸着筒に回収することを目的とし、両筒の圧力を略均等にする工程である。この間、原料空気は吸着筒に導入されず、また、吸着筒から製品タンクに製品ガスは流れない。すなわち、各均圧工程中は、製品タンクの残圧分で製品ガスを供給することになる。さらに、均圧工程が終了して加圧工程に移行した際、製品タンクの圧力よりも吸着筒の圧力が高くなるまでは製品タンクに製品ガスは供給されない。

一般に、高純度窒素ガスを発生させる場合、製品ガス供給量が少ないために製品タンクの圧力の低下は小さい。しかしながら、低純度窒素ガスを発生させる場合、製品ガス供給量が多いために製品タンク圧力の低下はおおきくなる。このため、前記均圧工程の時間が長くなると、客先が要求する保証圧力を維持できなくなるおそれがある。この場合、製品タンクを大きくすることで保証圧力以上を維持することはできるが、コストアップを招いたり、装置が大きくなるため、均圧時間の長い運転方法は適用できない。また、製品タンクの圧力変動幅（最大圧力と最小圧力の幅）が大きくなると純度は低下する傾向がある。

例えば、酸素含有率が３体積％未満の高純度窒素ガスを発生する窒素ＰＳＡ装置では、吸着筒内の圧力上昇速度を０．１５〜１．６ＭＰａ／ｓｅｃとし、均圧時間を７〜２７秒とすることが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、不活性である窒素ガスは、ＬＰＧタンカーやケミカルタンカーといった船舶に防爆用のパージガス、シールドガスとして用いられている。従来は、パージガス、シールドガスとなる窒素ガス等の不活性ガスを発生させる装置として、重油の燃焼排ガスを利用するＩＧＧ式が主流であったが、地球温暖化ガスである二酸化炭素を大量に含むことや、汚れ（スス）を含むことから頻繁にメンテナンスが必要であり、クリーンでメンテナンス回数が少ないＰＳＡ法による窒素ＰＳＡ装置が注目され始め、窒素ＰＳＡ装置を搭載することが多くなってきている。
特開２００１−３４２０１３号公報

船舶における防爆用のパージガスやシールガスとして使用する際の窒素ガスは、鋼船規則により、窒素ガス中の酸素濃度が５体積％まで含んだ比較的低純度の窒素ガスでよく、一般の工業的に使用される窒素ガスとは異なり、必ずしも高純度の窒素ガスを必要としない。しかし、窒素ＰＳＡ装置を船舶に収めなければならないため、装置の大きさ、特に高さに制限があり、コンパクトな装置で、所定の純度、圧力の窒素ガスを効率的に発生させることが要求される。

そこで本発明は、船舶における防爆用のパージガスやシールガスとして使用する酸素含有率が３〜５体積％の低純度窒素ガスを効率よく発生させることができ、窒素ＰＳＡ装置の小型化を図ることができる窒素ガス発生方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の窒素ガス発生方法は、吸着剤として分子ふるい炭素を充填した吸着筒に対して加圧、製品取出、減圧均圧、再生、加圧均圧の各工程を繰り返す圧力変動吸着法によって空気から酸素含有率が３〜５体積％の低純度窒素ガスを発生させる方法において、導入する原料空気の圧力をゲージ圧で０．７〜１．０ＭＰａの範囲に設定し、かつ、前記加圧工程及び製品取出工程での吸着筒内の原料空気の空間速度を１５００〜２５００ｈｒ^−１の範囲に設定するとともに、装置からの製品窒素の取出量を２２０〜７００Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎの範囲に設定することを特徴としている。

さらに、本発明の低純度窒素ガス発生方法は、前記分子ふるい炭素は、酸素と窒素との分離比αが３７．９以上であり、かつ、酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）が８．５×１０^−２ｓｅｃ^−１以上であることを特徴としている。

本発明の窒素ガス発生方法によれば、窒素ＰＳＡ法によって空気から酸素含有率が３〜５体積％の低純度窒素ガスを効率よく発生させることができ、窒素ＰＳＡ装置の小型化、分子ふるい炭素使用量の低減、装置価格の低減を図ることができる。

図１及び図２は、本発明の窒素ガス発生方法を適用した窒素ＰＳＡ装置の一形態例を示すもので、図１は窒素ＰＳＡ装置の系統図、図２は窒素ＰＳＡ装置の各工程を示す説明図である。

窒素ＰＳＡ装置は、吸着剤として分子ふるい炭素を充填した２つの吸着筒Ａ，Ｂと、原料空気を圧縮する空気圧縮機１１と、原料空気を貯留する空気貯槽１２と、製品ガスを貯留する製品タンク１３と、吸着筒Ａ，Ｂの各工程の切替プログラムにて開閉する第１入口弁１４ａ，第２入口弁１４ｂ，第１排気弁１５ａ，第２排気弁１５ｂ，パージ弁１６，上部均圧弁１７，下部均圧弁１８と、第１逆止弁１９ａ，第２逆止弁１９ｂと、原料空気の流量を所定流量に調整する第１マスフローコントローラ２０と、製品ガス供給量を所定流量に調整する第２マスフローコントローラ２１と、パージガスの流量を所定流量に調整する流量調整弁２２と、入口側圧力調整弁２３ａ，出口側圧力調整弁２３ｂと、圧力計２４，２５，２６と、酸素濃度計２７とから構成されている。

本窒素ＰＳＡ装置は、図２に示す各工程を繰り返すことによって空気中の窒素を分離し、製品窒素ガスを採取する。なお、図２は概略図であり、各工程において開弁状態でガスが流れている経路のみを図示している。以下、工程順に各工程をそれぞれ説明する。

図２（Ａ）は、吸着筒Ａが加圧工程、吸着筒Ｂが再生工程の前半を行っている状態であり、吸着筒Ａの第１入口弁１４ａが開き、吸着筒Ａ内に所定圧力の原料空気が導入されて筒内が加圧されている状態である。このときパージ弁１６と吸着筒Ｂの第２排気弁１５ｂとが開となり、吸着筒Ａの出口から導出した窒素ガスが流量調整弁２２で流量調整され、パージ弁１６を通って吸着筒Ｂの出口に送られ、吸着筒Ｂ内のガスが入口から放出されるとともに筒内のパージが行われる。

図２（Ｂ）は、吸着筒Ａが吸着（製品取出）工程、吸着筒Ｂが再生工程の後半を行っている状態であり、吸着筒Ａの圧力が製品タンク１３の圧力以上に上昇することにより、吸着筒Ａの出口ガスが第１逆止弁１９ａを通過して製品タンク１３に流入する。吸着筒Ａの出口ガスは、筒内に充填された吸着剤（分子ふるい炭素）によって酸素が吸着されるため、所定の酸素含有率に濃縮された窒素である。一方、吸着筒Ｂは、筒内ガスの放出、パージが継続して行われている。

図２（Ｃ）は、吸着筒Ａが吸着工程から減圧均圧工程に切り替わり、吸着筒Ｂが再生工程から加圧均圧工程に切り替わった状態であり、吸着筒Ａの第１入口弁１４ａ、吸着筒Ｂの第２排気弁１５ｂ及びパージ弁１６がそれぞれ閉じ、上部均圧弁１７及び下部均圧弁１８がそれぞれ開く。この均圧工程では、吸着工程が終了して筒内圧力が相対的に高い吸着筒Ａ内の窒素に富むガスが、再生工程が終了して筒内圧力が相対的に低い吸着筒Ｂに回収され、結果的に吸着筒Ａは減圧され、吸着筒Ｂは加圧されることになる。

図２（Ｄ）は、吸着筒Ａが再生工程に切り替わり、吸着筒Ｂが加圧工程に切り替わった状態であり、吸着筒Ａの第１排気弁１５ａが開き、筒内ガスが大気放出されることにより、吸着剤に吸着した酸素が脱着して筒外に放出される。また、パージ弁１６が開いてい吸着筒Ｂからのパージガス（窒素ガス）が吸着筒Ａの出口に導入されて更に酸素を洗い流す。また、吸着筒Ｂでは第２入口弁１４ｂが開いて筒内に原料空気が導入されて加圧される。

図２（Ｅ）は、吸着筒Ａが再生工程を継続し、吸着筒Ｂが加圧工程から吸着工程に切り替わった状態であり、吸着筒Ａでは、吸着筒Ｂからのパージガスの導入と、第１排気弁１５ａからのガス放出とが継続される。また、吸着筒Ｂの筒内圧力が上昇したことにより、第２逆止弁１９ｂを通して吸着筒Ｂから製品タンク１３への製品窒素ガスの採取が行われる。

図２（Ｆ）は、吸着筒Ａが再生工程から加圧均圧工程に切り替わり、吸着筒Ｂが吸着工程から減圧均圧工程に切り替わった状態であり、吸着筒Ｂの第２入口弁１４ｂ、吸着筒Ａの第１排気弁１５ａ及びパージ弁１６が閉じ、両均圧弁１７，１８が開く。この均圧工程では、吸着工程が終了した吸着筒Ｂ内の窒素に富むガスが、再生工程が終了している吸着筒Ａに回収される。

このような加圧、製品取出、減圧均圧、再生、加圧均圧の各工程を繰り返すことにより、空気から窒素が分離されて製品窒素ガスが得られる。なお、逆支弁１９ａ，１９ｂに代えて開閉弁を用いたり、パージ弁１６及び流量調整弁２２に代えてオリフィスを用いたりすることもできる。また、吸着筒を３筒以上設けた多筒式ＰＳＡ装置とすることにより、吸着筒の小型化、特に筒高さを低くするとともに、製品純度や製品タンク圧力の安定化を図ることができる。なお、再生工程では、必要に応じて真空ポンプで筒内を減圧排気するようにしてもよい。

このような工程を繰り返すＰＳＡ操作では、工程の切替時間を適切に設定する必要があり、原料空気の流量と製品窒素ガスの流量とを固定したときに、切替時間が短すぎると筒内圧力が原料空気供給圧力に到達せずに吸着剤の性能を十分に発揮できなくなり、吸着時間が長すぎると原料空気導入量が多くなるために吸着剤の酸素吸着量が飽和し、酸素が破過して製品窒素ガスの純度が低下してしまう。さらに、使用する吸着剤の酸素吸着速度、窒素吸着速度によって適切な切替時間を選定することも重要である。すなわち、酸素吸着速度が速い吸着剤を使用する場合には早めの切替時間とする必要がある。したがって、製品窒素ガスの供給量、原料空気量、吸着剤の性能に応じて最適な切替時間を設定することにより、所定流量、所定純度の製品窒素ガスを効率よく発生させることが可能となる。

まず、試料として４種類の分子ふるい炭素（ＭＳＣ−Ｉ，II，III，IV）を用意し、各試料における酸素及び窒素の吸着速度を測定した。吸着速度の測定は、市販の定容法測定装置（日本ベル（株）製ベルソープ２８）を用いて定容積容器中での吸着による圧力の経時変化を測定することにより行った。各試料約１ｇを正確に計量し、真空下に３０分で１００℃に昇温後、これを２時間保持する前処理をそれぞれ行った後、温度約２５℃、導入圧力２００Ｔｏｒｒの条件で測定を行った。

測定で得られた圧力変化データを基に、経時による圧力変化曲線を作成し、これにＬＤＦ吸着速度モデル(Linear Driving Force Model)から得られる理論圧力変化曲線が、平衡吸着量の５０％の吸着量で一致するように吸着速度定数Ｋを決定した。表１に各試料（ＭＳＣ−Ｉ，II，III，IV）のそれぞれにおける酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）及び窒素の吸着速度定数Ｋ（Ｎ_２）の測定結果とその比率（Ｋ（Ｏ_２）／Ｋ（Ｎ_２）、分離比α）を示す。

この測定結果で相対的に酸素の吸着速度が速いＭＳＣ−Ｉ及び酸素の吸着速度が遅いＭＳＣ−IIIの２種類の吸着剤を図１に示した構成の窒素ＰＳＡ装置にそれぞれ使用して空気から窒素ガスを発生させる実験を行った。実験は、ＭＳＣ−Ｉでは原料空気圧力を０．７ＭＰａ（ゲージ圧、以下同じ）、空間速度（ＳＶ値：時間当たり導入される空気量と吸着剤の充填量の比率）を１５００ｈｒ^−１、製品流量を２７ＮＬ／ｍｉｎ（標準状態換算）に、ＭＳＣ−IIIでは原料空気圧力を０．７０ＭＰａ（ゲージ圧、以下同様）、ＳＶ＝１５００ｈｒ^−１、製品流量１８ＮＬ／ｍｉｎにそれぞれ設定し、均圧工程を１秒に固定して加圧工程と吸着工程と均圧時間との合計の時間である切替時間を変化させ、各実験で得られた製品窒素ガスの純度をそれぞれ測定した。結果を表２（ＭＳＣ−Ｉ）及び表３（ＭＳＣ−III）にそれぞれ示す。

表２及び表３の結果から、製品窒素ガスの純度が最も良くなる切替時間は、酸素の吸着速度が速いＭＳＣ−Ｉでは４３秒であり、酸素の吸着速度が遅いＭＳＣ−IIIでは５５秒であった。したがって、使用する吸着剤の性能（吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）、Ｋ（Ｎ_２）及び分離比（α）によって最適なＰＳＡ運転条件を設定する必要があることが分かる。

各吸着剤ＭＳＣ−Ｉ〜IVについて、単位時間当たりの原料空気導入量と吸着剤充填量との比率（ＳＶ値）の影響について実験を行った。各ＳＶ値における切替時間は、実施例１で得られた最適な切替時間から、切替時間中の空気導入時間（切替時間−均圧時間）とＳＶ値との積が一定となるように調整した。すなわち、ＳＶ値を、ＳＶ＝１０００ｈｒ^−１からＳＶ＝２０００ｈｒ^−１に変更した場合、切替時間中の空気導入時間は半分となる。

例えば、実施例１におけるＭＳＣ−Ｉでは、切替時間４３秒とＳＶ＝１５００ｈｒ^−１との積を基準とし、流量を調整して製品純度が９５、９６、９７各体積％となる条件を選定し、その条件をベースにして各吸着剤の能力を試算した。その結果を図３〜５に示す。図３は製品窒素ガス中の酸素濃度が３体積％のとき、図４は同じく４体積％、図５は同じく５体積％のときであり、それぞれに原料空気圧力が０．９８ＭＰａのときと、０．７ＭＰａのときとを示した。

製品窒素ガス中の酸素濃度が３体積％のときの結果（図３）から、原料空気圧力が０．９８ＭＰａのときの最大能力（窒素ＰＳＡ装置内に充填した吸着剤１ｔｏｎ当たりの製品ガス発生量［Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ］）は、ＭＳＣ−Ｉで４９０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、ＭＳＣ−IIで５５０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、ＭＳＣ−IIIで３７０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、ＭＳＣ−IVで３８０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎであった。また、各吸着剤とも、ＳＶ＝２０００〜２２５０ｈｒ^−１付近で最大値を示していることがわかる。原料空気圧力が０．７０ＭＰａのときの最大能力は、ＭＳＣ−Ｉで３５０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、ＭＳＣ−IIで４００Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、ＭＳＣ−IIIで２６０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、ＭＳＣ−IVで２９０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎであった。また、各吸着剤ともＳＶ＝１２５０〜１５００ｈｒ^−１付近で最大値を示していることがわかる。

また、図３の結果を見ると、従来使用していた吸着剤（ＭＳＣ−III）と比較して、高性能剤（ＭＳＣ−II）は１．５倍以上の能力を有していることがわかる。これは、酸素の吸着速度定数が大きく、かつ、分離比αが大きいことによるもので、当然予想された結果である。一方、従来剤（ＭＳＣ−III）に比べ、酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）は大きいものの、分離比の劣る吸着剤（ＭＳＣ−I）は、従来用途である酸素濃度が０．１％未満の条件では分離比の低いことが影響し、大幅な能力の向上は見られなかったにもかかわらず、酸素濃度が３％の条件下においては、従来剤（ＭＳＣ−III）に比べて予想以上の大幅な能力向上があきらかになった。酸素濃度が高いことから、分離性能が低いことの影響が小さく、酸素の吸着速度の速い点が能力向上に効果を奏したものと考えられる。また、従来剤（ＭＳＣ−III）と分離比αは同等であるが、酸素の吸着速度定数がやや大きい吸着剤（ＭＳＣ−IV）は、従来剤（ＭＳＣ−III）に比べ、能力は大きくなったものの、向上幅は小さいことがわかる。これらの結果から、低純度窒素ガス発生方法での能力向上には、分離比αが大きいこと以外に、酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）に閾値があることがわかる。

表１に示す各吸着剤ＭＳＣ−Ｉ〜IVにおける分離比αと酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）との関係を示す図６から理解できるように、ＭＳＣ−IIIからＭＳＣ−IVへ向かう矢印のように、酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）が僅かに大きくなっただけでは十分な効果が得られず、ＭＳＣ−III及びＭＳＣ−IVからＭＳＣ−IIに向かう矢印のように、酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）は僅かに大きくなるだけであるが分離比αが大きくなると、低純度窒素ガス発生方法での能力が大幅に向上し、さらに、ＭＳＣ−III及びＭＳＣ−IVからＭＳＣ−Iに向かう矢印のように、分離比αは僅かに劣るものの酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）が大きい場合には、低純度窒素ガス発生方法での能力が向上する。

したがって、酸素と窒素との分離比αが３７．９以上で、かつ、酸素の吸着速度定数が８．５×１０^−２ｓｅｃ^−１以上の吸着剤を使用することにより、ＳＶ＝１５００〜２５００ｈｒ^−１で、ＰＳＡ装置からの製品窒素の取出能力２２０Ｎｍ^３／ｈｒ以上を達成することが可能となり、窒素発生効率をより高めることができる。なお、ＭＳＣ−IIIやＭＳＣ−IVを用いることも可能であるが、吸着剤の充填量が多くなるため、吸着剤価格や吸着筒価格が高くなり、装置寸法が大きくなるため、特に船舶用としては不適当であるといえる。

次にＳＶ値に関しては、ＳＶ値を大きくし過ぎると切替時間が短くなるため、再生時間も短くなって再生不足となり、逆に、ＳＶ値を小さくし過ぎると切替時間中の最大圧力（吸着圧力最大値）が原料空気圧力まで到達しなくなるため、ＳＶ値も最適な範囲を選定する必要がある。表４は、原料空気圧力を０．９８ＭＰａとし、ＳＶ値を変化させたときの各吸着剤における吸着圧力最大値を測定した結果を示している。

この結果から、ＭＳＣ−Ｉ、ＭＳＣ−IIの場合は、ＳＶ＝１７５０ｈｒ^−１より小さくなると、吸着圧力最大値は徐々に減少し、ＳＶ＝１２５０ｈｒ^−１から顕著に減少している。このため、十分に吸着剤の性能を発揮するためには、ＳＶ値は１５００〜２５００ｈｒ^−１の範囲が適当であり、原料空気圧力を０．７ＭＰａ以上、特に、０．９ＭＰａ以上に設定して吸着圧力最大値を十分に上昇させるべきであることがわかる。また、ＭＳＣ−III，ＭＳＣ−IVについては、Ｏ_２の吸着速度定数が小さいため、酸素が吸着剤に吸着され難く製品窒素ガス側に酸素が破過してしまうため、吸着圧力は上がっているが窒素純度が低下してしまう。なお、原料空気圧力を１．０ＭＰａを超える圧力にすると、装置の耐圧を考慮しなければならず、不経済となる。

また、ＰＳＡ式窒素発生装置には、製品量を多く取り出すと窒素純度が低下し、少なくすると窒素純度が上昇するという特性があるため、製品中の酸素濃度に応じて最適な製品取出量が存在し、製品中の酸素濃度が３体積％のときには２２０〜５５０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、同じく酸素濃度が４体積％のときには２８０〜６３０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、同じく酸素濃度が５体積％のときには３４０〜７００Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎが装置からの最適な製品取出量となる。

したがって、船舶における防爆用のパージガスやシールガスとして使用する酸素濃度が３〜５体積％の低純度窒素ガスを供給するための窒素ＰＳＡ装置を運転する方法としては、吸着圧力最大値を十分に高めるために原料空気圧力を０．７〜１．０ＭＰａの範囲、好ましくは０．９〜１．０ＭＰａの範囲に設定し、適切な切替時間とするためにＳＶ値を１５００〜２５００ｈｒ^−１の範囲に設定するとともに、装置からの製品取出量（能力）は、製品中の酸素濃度が３体積％のときには２２０〜５５０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、同じく酸素濃度が４体積％のときには２８０〜６３０Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎ、同じく酸素濃度が５体積％のときには３４０〜７００Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎの範囲にそれぞれ設定することにより、３〜５体積％の低純度窒素ガスを効率よく発生させることができ、窒素ＰＳＡ装置の小型化、分子ふるい炭素使用量の低減、装置価格の低減を図ることができる。

吸着剤としてＭＳＣ−Ｉを充填した大陽日酸株式会社製ＰＳＡ装置（吸着剤充填量２００ｋｇ／筒）と圧縮機２台（アトラスコプコ製ＧＡ３７ＡＦＦ及び日立製作所製ＯＳＰＮ−２２）とを組み合わせで実機規模での実験を行った。原料空気圧力は０．９ＭＰａ、ＳＶ値は１７２０ｈｒ^−１、切替時間は３０秒にそれぞれ設定した。製品窒素ガス中の酸素濃度を５体積％としたときの窒素発生能力は６３５Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎであった。

本発明の窒素ガス発生方法を適用した窒素ＰＳＡ装置の一形態例を示す系統図である。 窒素ＰＳＡ装置の各工程を示す説明図である。 製品窒素ガス中の酸素濃度が３体積％のときのＳＶ値と吸着剤の能力との関係を示す図である。 製品窒素ガス中の酸素濃度が４体積％のときのＳＶ値と吸着剤の能力との関係を示す図である。 製品窒素ガス中の酸素濃度が５体積％のときのＳＶ値と吸着剤の能力との関係を示す図である。 各吸着剤ＭＳＣ−Ｉ〜IVにおける分離比αと酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）との関係を示す図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ…吸着筒、１１…空気圧縮機、１２…空気貯槽、１３…製品タンク、１４ａ…第１入口弁、１４ｂ…第２入口弁、１５ａ…第１排気弁、１５ｂ…第２排気弁、１６…パージ弁、１７…上部均圧弁、１８…下部均圧弁、１９ａ…第１逆止弁、１９ｂ…第２逆止弁、２０…第１マスフローコントローラ、２１…第２マスフローコントローラ、２２…流量調整弁、２３ａ…入口側圧力調整弁、２３ｂ…出口側圧力調整弁、２４，２５，２６…圧力計、２７…酸素濃度計

Claims (2)

1. 吸着剤として分子ふるい炭素を充填した吸着筒に対して加圧、製品取出、減圧均圧、再生、加圧均圧の各工程を繰り返す圧力変動吸着法によって空気から酸素含有率が３〜５体積％の低純度窒素ガスを発生させる方法において、導入する原料空気の圧力をゲージ圧で０．７〜１．０ＭＰａの範囲に設定し、かつ、前記加圧工程及び製品取出工程での吸着筒内の原料空気の空間速度を１５００〜２５００ｈｒ^−１の範囲に設定するとともに、装置からの製品窒素の取出量を２２０〜７００Ｎｍ^３／ｈｒ・ｔｏｎの範囲に設定することを特徴とする低純度窒素ガス発生方法。
2. 前記分子ふるい炭素は、酸素と窒素との分離比αが３７．９以上であり、かつ、酸素の吸着速度定数Ｋ（Ｏ_２）が８．５×１０^−２ｓｅｃ^−１以上であることを特徴とする請求項１記載の低純度窒素ガス発生方法。

Images