JP2009513346A - 酸素を製造するための圧力振動吸着法 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般に、四つの床（４２、４４、４６、４８）を含む一列の床、時間的に与えられたどの瞬間でも二つの床に同時に供給する少なくとも一つの供給コンプレッサー（３６、３８）、及び一つの真空ポンプ（５２）を用いた大容量（例えば、Ｏ_２＞３５０ｔ／日）の真空圧力吸着（ＶＰＳＡ）装置及び方法に関する。コンプレッサー（単数又は複数）及び真空ポンプは、１００％の時間利用できる。パージするため生成物品質のガスを使用しなくてもよく、Ｏ_２生産性に１０〜２０％の改良、資本コストに５〜１０％の削減が期待される。

Description

（技術分野）
本発明は、一般に、４つの床を含む一列の床、二つの床に時間的にどのような与えられた瞬間でも同時に供給する少なくとも一つの供給コンプレッサー、及び一つの真空ポンプを用いた、大きな容量（例えば、３５０ｔ／日より多いＯ_２）の真空圧力吸着（ｖａｃｕｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＶＰＳＡ）装置（ｓｙｓｔｅｍ）及び方法に関する。コンプレッサー（単数又は複数）及び真空ポンプは１００％の時間利用することができる。パージするために生成物品質のガスを用いなくてもよく、Ｏ_２生産性に約１０〜２０％の改良及び資本コストに５〜１０％の削減を与えることが予想されている。

（発明の背景）
空気から酸素を製造するため、現在では真空圧力振動吸着（ｖａｃｕｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＶＰＳＡ）又は圧力振動吸着（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＰＳＡ）装置技術を用いている。これらの装置は、屡々Ｏ_２＜２００ｔ／日の容量を有する。現在、空気から、そのような小規模（Ｏ_２＜２００ｔ／日）から大規模（Ｏ_２≧約３５０ｔ／日）に酸素を製造するようにＶＰＳＡ又はＰＳＡ装置の容量を拡大することに新たに関心が払われている。

ＶＰＳＡ又はＰＳＡ法を適用する場合、供給混合物（例えば、空気）からＯ_２を分離するために必要なエネルギー入力は、供給コンプレッサー（単数又は複数）及び真空ポンプ（単数又は複数）による機械的仕事として与えられている。この仕事のコストは、ＶＰＳＡ又はＰＳＡ法の全操作コストのかなりの部分になっている。更に、ＶＰＳＡ又はＰＳＡ技術は、現在小規模用途のためだけの低温蒸留と経済的に競合している。ＰＳＡ又はＶＰＳＡ法が大規模用途に対し低温蒸留とコスト的に競合できるようになるためには、ＰＳＡ又はＶＰＳＡ法を操作するための改良されたサイクルが必要である。

空気から酸素を製造するための二床真空圧力振動吸着（ＶＰＳＡ）法が、バクシュ（Ｂａｋｓｈ）その他による米国特許第５，５１８，５２６号及びスモラーク（Ｓｍｏｌａｒｅｋ）その他による米国特許第６，０１０，５５５号明細書に記載されている。米国特許第５，５１８，５２６号及び第６，０１０，５５５号は、同時平衡化及び排出工程と、続く同時供給物及び生成物加圧工程を行なうＶＰＳＡ法を用いている。図１は、スモラークその他による米国特許第６，０１０，５５５号に記載されている空気から酸素を製造するＶＰＳＡサイクルを示している。米国特許第５，５１８，５２６号及び第６，０１０，５５５号は、両方共小規模〔＜２００ｔ／日（ＴＰＤ）〕酸素製造のためのものである。米国特許第５，５１８，５２６号及び第６，０１０，５５５号の吸着及び脱着法は、低い圧力比及び比較的高い脱着圧力値を特徴とする。米国特許第５，５１８，５２６号及び第６，０１０，５５５号の小規模（Ｏ_２＜２００ＴＰＤ）ＶＰＳＡ法を用いて、設備及び操作コストにかなりの減少を実現することができる。

大規模酸素製造（例えば、３５０ｔ／日のＯ_２）が望ましい用途では、四床ＶＰＳＡ法が用いられている。そのようなＶＰＳＡ法の一つがスモラークその他により米国特許第５，６５６，０６８号明細書に記載されている。米国特許第５，６５６，０６８号明細書に記載されている四床ＶＰＳＡ法は、二対の二床装置として操作され、２×２サイクル／装置として言及されている。床の各対は、位相を１８０°ずらして操作され、二対の床は、半サイクルの１／２だけ位相をずらして操作される。二つのコンプレッサー（一つはルーツ型又は容積式、一つは遠心式）及び二つの真空ポンプ（一つはルーツ型又は容積式、一つは遠心式）が米国特許第５，６５６，０６８号のＶＰＳＡ法で開示されている。二つのコンプレッサーの内の一つは、周期的に空転又は通気方式になる。約１００ｔ／日（ＴＰＤ）の酸素を製造するための二対の吸着床として操作される四床ＶＰＳＡ装置が、ドーング（Ｄｏｏｎｇ）による米国特許第５，９９７，６１２号明細書にドーングにより記載されている。このＶＰＳＡ法は、二対の床、中間貯蔵タンク〔並流（ｃｏ−ｃｕｒｒｅｎｔ）減圧ガスを収集するためのもの〕、一つのガス送風機、及び一対の真空ポンプを含む。ドーング（米国特許第５，９９７，６１２号明細書）に開示されている装置は、米国特許第５，６５６，０６８号明細書に開示されている四つのポンプと比較して、三つのポンプを含む。更に、ドーング（米国特許第５，９９７，６１２号明細書）に示されている装置は、スモラークその他（米国特許第５，６５６，０６８号）の複式供給物（ｄｕａｌ ｆｅｅｄ）ＶＰＳＡ法を用いた大規模Ｏ_２製造よりもむしろ小規模酸素（＜２００ｔ／日）製造のためのものである。

従って、大規模酸素製造容量（例えば、Ｏ_２＞３５０ｔ／日）を持ち、コスト効率が良く、生産性の高い四床ＶＰＳＡ法及び装置を与えることが望ましいであろう。

（発明の概要）
本発明は、一般に、大規模酸素製造（例えば、Ｏ_２＞３５０ｔ／日）のための複式供給導入部を有する四床ＶＰＳＡ装置及び方法に関する。本発明の装置は、米国特許第５，６５６，０６８号明細書に記載されているような四つのポンプ（例えば二つはコンプレッサーで、二つは真空ポンプ）ではなく、三つのポンプ（例えば、二つのコンプレッサーと一つの真空ポンプ）を配備することを含んでいる。更に、本発明は、コンプレッサー及び真空ポンプを１００％利用しながら、同時に二つの床に供給物ガスを同時に受けさせることを含む独特の四床ＶＰＳＡサイクルを使用することを意図している。更に、四床ＶＰＳＡサイクル中のどの時間的瞬間でも、二つの床が同時に供給物を受けながら、他の二つの床が再生／還流方式になっている。

本発明に従って与えられる方法及び装置は、多くの利点を有する。例えば、限定するものと解釈すべきではないが、本発明の装置及び方法は次のことを含む：（１）連続的供給及び生成物生成工程；（２）最低限一つのコンプレッサー及び一つの真空ポンプ；（３）コンプレッサー及び真空ポンプの１００％の利用；（４）連続的供給及び生成物生成工程により、従来法に比較して小さい生成物貯蔵／緩衝タンク；（５）ＶＰＳＡ法への導入供給物を圧搾するために同じか又は異なるコンプレッサー（例えば、遠心型か又はルーツ型）を用いる選択の自由；（６）並流減圧工程を受けつつある別の床から来るパージガス、及びこのパージガスが、付加的貯蔵タンクを全く用いることなく、パージ工程を受ける別の床へ直接送られること；（７）ＶＰＳＡサイクルで排出工程の間に挟まれたパージ工程（即ち、ＶＰＳＡサイクルは、パージ工程の前と後に排出工程を有し、別の床を直接パージするため空間（ｖｏｉｄ ｓｐａｃｅ）ガスを使用できるようにする（付加的貯蔵タンクを不必要にする）か、或はパージするため生成物品質のガスを用いなくてもよいようにしていること；（８）大きな固有の吸着速度及び物質移動速度を増大するのに最適の粒径、大きなＯ_２生成物回収率、及びＶＰＳＡ法で速いサイクルの浅い吸着器で低い床サイズ因子（ｂｅｄ ｓｉｚｅ ｆａｃｔｏｒ）（ＢＳＦ）を有する吸着剤の使用；及び／又は（９）四床ＶＰＳＡ法の全ての工程が完全に統合され、そのため床の中で遊んでいる工程（単数又は複数）をもつものは一つも無いこと。

結局、本発明の装置は、このようにＯ_２生産性／回収性に約１０〜２０％の改良及び資本コストの５〜１０％の削減を与えるものと予期されている。なぜなら、一列の床、一つ少ないポンプ、サイズ因子の小さい床を用いて大規模（＞３５０ｔ／日）基準で酸素を製造し、パージのために生成物品質のガスを用いなくてもよいからである。

本発明及びその利点を一層完全に理解するため、添付の図面に関連して行う次の詳細な説明を参照すべきである。

（詳細な説明）
上で論じたように、本発明は、大規模Ｏ_２（好ましくは、＞３５０ｔ／日）製造のための真空圧力振動吸着（ＶＰＳＡ）法及び装置に関する。本発明は、四つの吸着床、少なくとも一つの供給コンプレッサー（好ましくは二つ、例えば、一つは遠心型、一つはルーツ型のような容積式）、及び一つの真空ポンプを用いて１２工程のＶＰＳＡサイクルを行う装置及び方法を含む。時間的にどの瞬間でも、床の二つは同時に供給方式になっているのに対し、他の二つの床は再生／還流方式になっている。これらの二つの床への供給物は、別々のコンプレッサー又は一つのコンプレッサーから供給することができる。並流減圧工程（ｃｏ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｅｐ）中に発生したガスは、付加的貯蔵タンクを用いることなく、別の床へのパージガスとして送ることができる。どの与えられた時間でも、唯一つの床が排出工程（ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｓｔｅｐ）になっており、それにより唯一つの真空ポンプを用いればよく、そのことが資本及び操作コストを節約する結果になる。排出工程は、パージ工程の前及び後で行われる。この操作方式は、別の床の並流減圧中に得られた空間ガスを、その床を直接パージするために用いることができるようにし（付加的貯蔵タンクを用いることなく）、或はパージのために生成物品質のガスを用いなくてもよいようにする融通性をＶＰＳＡサイクルに与える。

更に、本発明により与える四床ＶＰＳＡ法の工程は、床の中で遊んでいる工程（単数又は複数）をもつものは一つも無いように、全て完全に統合されており、即ち、コンプレッサー（単数又は複数）及び真空ポンプは、ＶＰＳＡサイクル中１００％利用されている。

限定するものとして解釈すべきではないが、本発明の装置は、次の有利な特徴の幾つか又は全てを含むことができる。例えば、本発明は、大規模Ｏ_２製造のために二列の二床ＶＰＳＡ法ではなく、一列の四床ＶＰＳＡ法を適用することを含む。その結果、二列の二床ＶＰＳＡ法に比較して、一層低い資本コスト及び向上した処理性能、例えば、一層大きなＯ_２回収率を期待することができる。更に、本発明の装置は、新規な四床ＶＰＳＡサイクルの結果として、不純物（例えば、Ｎ_２）濃度前端（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｉｏｎ ｆｒｏｎｔ）の広がりが少なくなるものと期待されている。このことは、従来法の技術に比較して、床再生中に必要になるパージガスが少なくてすむと言う期待によるものである。サイクル中の連続的生成物、供給物、及び排出工程は、コンプレッサー（単数又は複数）／真空ポンプの１００％の利用を可能にする。本発明は、更に、ＶＰＳＡサイクル中のどの時点でも複式供給物導入の適用に備えられている。更に、ＶＰＳＡサイクルで向流送出（ｂｌｏｗ ｄｏｗｎ）の組込みは、（床再生中に得られた）廃棄物の一部を、米国特許第５，６５６，０６８号及び第６，０１０，５５５号の場合のように、廃棄物を、真空ポンプを通過させる代わりに、真空ポンプを迂回させることができる。

本発明は、更に、還流するために用いられるクリーナーガスを含む、例えば、パージするためにはＯ_２純度の最も低いガスを用い、生成物加圧のためにはＯ_２純度の最も高いガスを用いる。即ち、本発明のＶＰＳＡサイクルでは、パージ、平衡上昇、及び生成物加圧のためには純度の増大した生成物ガスが用いられており、それにより床をＯ_２生成のために作動させる前にＯ_２濃度前端部を一層明確にするか、床再生を一層よくする結果を与える。

従来法の装置に比較して、床対床平衡化中の空間ガス回収のための一層高い圧力勾配の駆動力及びＶＰＳＡサイクル中の種々の工程の独特の構成により、本発明の更に別の利点が期待される。

更に、ＶＰＳＡサイクルの平衡化と供給物加圧工程の重複中、吸着圧力で平衡化する床が始動するため、供給物加圧により又は加圧中の供給物の吹き出しを少なくすることができる。

本発明では、パージガスの全てが、並流減圧工程を受けつつある別の床から回収された空間ガスから来るようにすることができる。更に、このパージガスを（例えば、米国特許第５，９９７，６１２号の場合のように）更に別の貯蔵タンクを用いることなく、パージ工程を受けつつある別の床のために直接用いることができる。パージ工程は、ＶＰＳＡサイクルで排出工程の間に挟まれている。特に、ＶＰＳＡサイクルは、パージ工程の前と後に排出工程を有し、別の床を直接パージするため空間ガスを使用できるようにし、米国特許第５，６５６，０６８号及び米国特許第６，０１０，５５５号の場合のように、生成物品質のガスをパージに用いなくてもよいようにしている。

本発明の装置は、更に、ＶＰＳＡ過程への導入供給物を圧縮するために同じか又は異なるコンプレッサー（例えば、遠心型とルーツ型、即ち容積式）を用いる自由な選択を与え、１００％の利用、即ち、ＶＰＳＡサイクル全体を通してコンプレッサーの遊びは無い。

本発明の結果として、一列の床、一つ少ないポンプ、一層小さい床サイズ因子（ＢＳＦ）を用いて大規模に酸素（＞３５０ｔ／日）を製造し、パージのために生成物品質のガスを用いなくてもよいようにしていることにより、Ｏ_２生産性又は回収率に約１０〜２０％の改良及び資本コストに約５〜１０％の削減が期待されている。

次に、本発明を、図２に示した四床ＶＰＳＡ法、図３に示した四床ＶＰＳＡサイクル、及び表１に示したようなバルブ切り替え論理を参照して説明する。

図２に示した四床ＶＰＳＡ装置（３０）は：四つの吸着器床（４２、４４、４６、４８）；２４個のオン／オフバルブ（その幾つか又は全てが流動制御を持っていても、いなくてもよい）；二つの供給コンプレッサー３６、３８；一つの真空コンプレッサー５２；供給物３２のための供給物導入サイレンサー／フィルター３４；供給物排出サイレンサー／後冷却器（４０）；真空排出サイレンサー５４；及び付随する配管及び備品を含む。図２及び３及び表１に関し、本発明の一つの態様を一つの完全なＶＰＳＡサイクルについて例示する。表１では、バルブが希望の流れを操作するためのオン／オフバルブであるか、又は流動制御バルブであるか否かにより、「Ｃ」は閉じた位置に在るバルブを表すのに対し、「Ｏ」は完全に開いた又は部分的に開いた位置に在るバルブを表すことが認められるであろう。当業者により、流動制御バルブは、生成物加圧中に用いられることは、認められるであろう（例えば、図３の工程３）。

ＡＤ：吸着／生成物生成 ＰＧ：パージ受け入れ
ＥＤ：平衡化降下(equalization down) ＥＵ：平衡化上昇(equalization up)
ＰＰＧ：パージガス供与 ＰＰ：生成物加圧
ＰＰＰ：生成物加圧ガス供与 ＦＰ：供給物加圧
ＢＤ：放出（ｂｌｏｗｄｏｗｎ）
ＥＶ：排出

工程１
工程１の開始時に、床４２（Ｂ１）の圧力は吸着圧力になっている。バルブ１を開き、供給物ガスを床４２の底部へ送入し、バルブ２１を開き床４２の頂部から生成物５０を出す。供給物ガスは、コンプレッサー３８（Ｃ１）から床１へ供給する。バルブ１１を開き、床４４（Ｂ２）を排出し、コンプレッサー５２（Ｃ３）を通り、真空排出サイレンサー５４へ送り、廃棄物５６とする。バルブ１３を開き、床４６（Ｂ３）を大気中へ放出（ｂｌｏｗｄｏｗｎ）する。バルブ８を開き、床４８（Ｂ４）の底部へ供給物ガスを送入し、バルブ２４を開き、生成物５０を床４８の頂部から出す。供給物ガスは、コンプレッサー３６（Ｃ２）から床４８へ供給する。

工程２
工程２の開始時に、バルブ１を閉じ、バルブ２を開き、供給物ガスをコンプレッサー３６（Ｃ２）から床４２の底部へ送入する。バルブ２１は開いたままにし、床４２からの生成物の生成を継続させる。バルブ１１を閉じ、バルブ３を開き、床４４からの排出を停止し、コンプレッサー３８（Ｃ１）から供給物ガスを床４４の底部へ送入する。また、バルブ１８及び２０を開き、床４８から平衡化ガスを床４４の頂部へ流入させる。バルブ１３を閉じ、バルブ１４を開き、床４６（Ｂ３）を排出し始める。

工程３
工程３の開始時に、バルブ２及び２１は開いたままにし、床４２からの生成物５０の生成を継続させる。バルブ３は開いたままにし、供給物ガスをコンプレッサー３８から床４４の底部へ送入し続ける。バルブ２２を開き、生成物加圧ガスを床４４の頂部へ送入する。バルブ２０は開いたままにし、バルブ１９を開き、パージガスを床４８から床４６へ流入させる。バルブ１４を開いたままにし、床４６の排出を継続する。バルブ１８を閉じる。

工程４
工程４の開始時に、バルブ２及び２１は開いたままにし、床４２からの生成物の生成を継続させる。バルブ３及び２２は開いたままにし、生成物の生成を床４４で開始する。バルブ１４を開いたままにし、床４６の排出を継続する。バルブ１６を開き、床４８を大気中に放出する。

工程５
工程５の開始時に、バルブ１７及び１９を開き、平衡化ガスを床４２から床４６の頂部へ流入させる。バルブ３を閉じ、バルブ４を開き、供給物ガスをコンプレッサー３６（Ｃ２）から床４４の底部へ送入する。バルブ２２は開いたままにし、床４４からの生成物の生成を継続させる。バルブ１３を閉じ、バルブ５を開き、床４６の排出を停止し、供給物ガスをコンプレッサー３８（Ｃ１）から床４６の底部へ送入する。バルブ１６を閉じ、バルブ１５を開き、床４８の排出を開始する。

工程６
工程６の開始時に、バルブ１７は開いたままにし、バルブ２０を開き、パージガスを床４２から床４８へ流入させる。バルブ４及び２２を開いたままにし、床４４からの生成物の生成を継続させる。バルブ５を開いたままにし、供給物ガスをコンプレッサー３８（Ｃ１）から床４６の底部へ送入し続ける。バルブ２３を開き、生成物加圧ガスを床４６の頂部へ入れる。バルブ１５を開いたままにし、床４８の排出を継続しながら、パージガスを受け入れる。バルブ１９を閉じる。

工程７
工程７の開始時に、バルブ９を開き、床４２を大気中に放出させる。バルブ４及び２２を開いたままにし、床４４からの生成物の生成を継続する。バルブ５及び２３を開いたままにし、床４６からの生成物の生成を開始する。バルブ１５を開いたままにし、床４８の排出を継続する。

工程８
工程８の開始時に、バルブ９を閉じ、バルブ１０を開き、床４２の排出を開始する。バルブ１８及び２０を開き、床４４から平衡化ガスを床４８の頂部へ流入させる。バルブ５を閉じ、バルブ６を開き、供給物ガスをコンプレッサー３６（Ｃ２）から床４６の底部へ送入する。バルブ２３を開いたままにし、床４６からの生成物の生成を継続させる。バルブ１５を閉じ、バルブ７を開き、床４８の排出を停止し、供給物ガスをコンプレッサー３８（Ｃ１）から床４８の底部へ送入する。

工程９
工程９の開始時に、バルブ１０を開いたままにし、床４２の排出を継続しながら、パージガスを受け入れる。バルブ１８を開いたままにし、バルブ１７を開き、パージガスを床４４から床４２へ流入させる。バルブ６及び２３を開いたままにし、床４６からの生成物の生成を継続させる。バルブ７を開いたままにし、供給物ガスをコンプレッサー３８（Ｃ１）から床４８の底部へ送入し続ける。バルブ２４を開き、生成物加圧ガスを床４８の頂部へ入れる。バルブ２０は閉じる。

工程１０
工程１０の開始時に、バルブ１０を開いたままにし、床４２の排出を継続する。バルブ１２を開き、床４４を大気中に放出する。バルブ６及び２３を開いたままにし、床４６からの生成物の生成を継続させる。バルブ７及び２４を開いたままにし、床４８での生成物生成を開始する。

工程１１
工程１１の開始時に、バルブ１０を閉じ、バルブ１を開き、床４２の排出を停止し、供給物ガスをコンプレッサー３８（Ｃ１）から床４２の底部へ送入する。バルブ１２を閉じ、バルブ１１を開き、床４４の排出を開始する。バルブ１７及び１９を開き、平衡化ガスを床４６から床４２の頂部へ流入させる。バルブ７を閉じ、バルブ８を開き、供給物ガスをコンプレッサー３６（Ｃ２）から床４８の底部へ送入する。バルブ２４は開いたままにし、床４８からの生成物の生成を継続する。

工程１２
工程１２の開始時に、バルブ１を開いたままにし、供給物ガスをコンプレッサー３８（Ｃ１）から床４２の底部へ送入する。バルブ２１を開き、生成物加圧ガスを床４２の頂部へ入れる。バルブ１１を開いたままにし、床４４の排出を継続しながら、パージガスを受け入れる。バルブ１９を開いたままにし、バルブ１８を開き、パージガスを床４６から床４４へ流入させる。バルブ８及び２４を開いたままにし、床４８からの生成物の生成を継続させる。バルブ１７は閉じる。

上に記載した態様は、ＶＰＳＡ容器に供給物ガスを送るのに二つのコンプレッサーを用いている。好ましい態様では、一つのルーツ型コンプレッサー３８（Ｃ１又はコンプレッサー１）及び一つの遠心型コンプレッサー３６（Ｃ２又はコンプレッサー２）は、全供給物の流れを総合四床ＶＰＳＡ過程へ送るであろう。更に、大規模Ｏ_２製造のための好ましい操作方式では、ラジアル床（ｒａｄｉａｌ ｂｅｄ）をＶＰＳＡ法で用いる。ラジアル床吸着器の更に詳細な点は、アクレイ（Ａｃｋｌｅｙ）その他による米国特許第６，５０６，２３４Ｂ１号明細書に与えられている。

図３の床４２（Ｂ１）の工程に関し、もし二つの異なったコンプレッサー（例えば、ルーツ型及び遠心型）を用いるならば、好ましい操作方式として、ルーツ型コンプレッサーを工程１、１１、及び１２で用い、遠心型コンプレッサーを工程２、３、及び４で用いる。図２及び３に関し、ＶＰＳＡサイクルの工程１中、全供給物の一部分（複式供給物導入ＶＰＳＡ法）を、ルーツ型コンプレッサーを経て床４２（Ｂ１）へ送り、遠心型コンプレッサーにより全供給物の他方の部分を床４８（Ｂ４）へ送る。どの瞬間でも、二つの床が供給物ガスを同時に受け、ＶＰＳＡサイクル全体に亙って連続的に生成物の生成が存在することが認められる。

表２は、床に窒素選択的吸着剤を用いた操作条件及びＶＰＳＡ処理性能の例を与えている。表中、記号は次の意味を有する：ＴＰＤ＝ｔ（２０００ｌｂ）／日単位の酸素；ｋＰａ＝１０００Ｐａ＝Ｓ．Ｉ，圧力単位（１．０ａｔｍ＝１０１．３２３ｋＰａ）；ｓ＝時間単位、秒。

更に、表２の窒素平衡選択的吸着剤は、チャオ（Ｃｈａｏ）その他による米国特許第５，４１３，６２５号及び第４，８５９，２１７号（それらの両方共此処で一致する範囲に対し、参考のためここに入れてある）に記載されているように、高度交換Ｌｉ−Ｘ（Ｌｉ＞９５％）である。高度交換ＬｉＸ吸着剤はそれらの特許に記載されているが、本発明の範囲から離れることなく、複数の種類の吸着剤の層又は吸着剤混合物の層をＶＰＳＡ法の各床で用いることができ、（例えば、空気中に湿分が存在する場合には）用いるのが好ましいことが予想される。本発明で用いられる種々の吸着剤の代表的例には、米国特許第６，０２７，５４８号及び第６，７９０，２６０Ｂ２号明細書（それらの両方共此処で一致する範囲に対し、参考のためここに入れてある）に記載されているものが含まれるが、それらに限定されるものではない。また、米国特許第６，７４３，７４５Ｂ２号、第６，５０６，２３４Ｂ１号、第６，５００，２３４号、第６，４７１，７４８Ｂ１号、及び第６，７８０，８０６号明細書も参照されたい。吸着剤は、複数の種類の吸着剤の混合物、又は層状吸着剤（一種又は多種）にすることもできるであろう。吸着剤が、一種類の吸着剤であるか、又は複数の種類の吸着剤の混合物であるか、又は吸着剤（一種又は多種）の層であっても、同じ吸着剤が四つの床全てで用いられているのが好ましい。

上で論じたＶＰＳＡ法は、四床ＶＰＳＡ法及び装置を用いて空気からＯ_２を製造することに焦点を当てている。本発明の別の態様では、四床未満（例えば、三床）又は五床以上を用いることができるであろう。そのような態様では、本発明の前記特徴を組込むため、適当な三床ＶＰＳＡサイクル又は五床以上ＶＰＳＡサイクルを開発する必要があるであろう。更に、そのような別の態様では、本発明の特徴を組込むため、ＶＰＳＡサイクルに三床を用いるか、又は五床以上を用いるかにより付加的貯蔵タンクが必要になることもあり、ならないこともある。

更に、別法として、各床は、複数種類の吸着剤、又は吸着剤混合物の一つ又は数個の層を含むことができるであろう。空気からＯ_２を製造するためＶＰＳＡ法で種々の種類の吸着剤を用いることができるであろう。好ましい適当な吸着剤及び吸着剤の層形成の詳細は、米国特許第５，４１３，６２５号、第４，８５９，２１７号、第６，０２７，５４８号、及び第６，７９０，２６０Ｂ２号明細書に記載されている。操作の別の方式として、本発明の前記ＶＰＳＡ法に、他の吸着剤を用いることができるであろう。例えば、５Ａ、１３Ｘ、ＣａＸ、及び混合陽イオンゼオライトを、ＶＰＳＡ法でＮ_２選択的吸着剤として用いることができるであろう。

操作の別の好ましい方式として、水及び二酸化炭素を供給空気から除去するため各ゼオライト床の上流端部に前精製器領域を配備する。例えば、限定するものと解釈すべきではないが、アルミナ又はシリカの層を、各吸着剤床の上流に配置し、ＶＰＳＡ法でＮ_２選択的吸着剤に通す前に供給空気から水及び二酸化炭素を除去するのが好ましい。

選択された吸着器の形状（例えば、ラジアル型、軸型、組織化型、等）及び吸着剤の選択及び構成は、供給物流の大きさ、供給物源の種類、及びＶＰＳＡ法操作条件に基づき決定されるであろう。例えば、別の操作方式として、ＶＰＳＡ法で軸型床を用いることができる。全ての床が同じ形態を持つのが好ましい。

更に別の選択される操作方式として、（二つのコンプレッサーではなく）一つのコンプレッサーを用いて、複式供給物導入ＶＰＳＡ法へ全ての供給物を送ることができるであろう（例えば、幾つかの図に例示したＶＰＳＡ法）。

或る操作方式では、最高吸着圧力は１００ｋＰａ〜約２０００ｋＰａの範囲にあり、最低吸着圧力は２０ｋＰａ〜約１００ｋＰａの範囲にある。更に、ＶＰＳＡ法で高いＯ_２回収率を達成することと、低い電力消費との間の最適化により、与えられた吸着剤について最適吸着圧力及び脱着圧力が決定されるであろう。酸素生成物の平均純度は、約５５〜７５％の予想されるＯ_２回収率に対応して、酸素８５％〜酸素約９５％の範囲にあると期待される。最低Ｏ_２回収率は、最高Ｏ_２純度に対応すると考えられ、その逆も考えられる。

操作の別の方式として、他の方法及びサイクルを用いることができるであろう。例えば、図４は、複式供給物導入ＶＰＳＡ過程に全供給物３２を送るために二つのコンプレッサー３６、３８を用い、ＶＰＳＡ過程から廃棄物５６を排出するため二つのコンプレッサー５２、５３を用いた四床装置６０及び方法の別の模式的図を示している。好ましい操作方式では、廃棄物を排出するため唯一つの真空送風機５２（好ましくはルーツ型送風機）を用いる。この別方式では、廃棄物を排出するために第一真空送風機５２（好ましくはルーツ型送風機）を用い、次に第二真空送風機５３（好ましくは遠心型送風機）により排出する。図５は、図４の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法のためのカラムサイクルを示している。この別方式では、吸着工程で別の床〔例えば、図５でＡＤ４を受けながら、同時にパージガスを別の床に供給している床４２（Ｂ１）〕から得られた付加的パージガスを、ＶＰＳＡ法では用いる。更に、この別方式では、平衡化降下工程を、向流排出と重複させ、床減圧を促進する。またパージ工程を与えている間、床〔例えば、図５の工程６の床４２（Ｂ１）〕は、同時に向流排出を受けている。

図４及び５及び表３に関し、一つの完全なＶＰＳＡサイクルについて本発明の別の態様が例示されている。表３では、記号が表すものは次の通りである。ＡＤ：吸着／生成物生成、ＥＤ：平衡化降下、ＰＰＧ：パージガス供与、ＰＰＰ：生成物加圧ガス供与、ＢＤ；放出、ＰＧ：パージガス受け、ＥＵ：平衡化上昇（ＥＵはＥＱＵＰと同じ）、ＰＰ：生成物加圧、ＦＰ：供給物加圧、ＲＣ：ルーツ型コンプレッサー、ＣＣ：遠心型コンプレッサー、ＲＶ：ルーツ型真空、ＣＶ：遠心型真空、ＥＶ：排出。表１に関し上で論じたように、表３では、希望の流れを操作するためのオン／オフバルブ又は流動調節バルブであるかにより、「Ｃ」は閉じた位置にあるバルブを表し、「Ｏ」は開いた又は部分的に開いた位置にあるバルブを表すことが認められるであろう。当業者には、流動調節バルブは、生成物加圧中に用いられることも認められるであろう（例えば、図５の工程３）。

適当な吸着剤、そのような吸着剤の混合物及び層状化は、上で論じてある。

図６は、複式供給物導入ＶＰＳＡ過程に全供給物を送るために二つのコンプレッサー３６、３８を用いた本発明による四床装置７０及び方法の選択される別の模式的図を示している。図７は、図６の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法のためのカラムサイクルを示している。上に記載した好ましい操作方式（図２及び３）では、８つの廃棄物バルブを用いて送出工程を（真空送風機を迂回させて）行わせ、次に真空送風機を用いて排出工程を行う。図６及び７に示した別の操作方式では、必要な廃棄物バルブはわずか４つである。その結果、全ての廃棄物ガスが真空送風機により排出される。図２及び３に示した好ましい方式では、平衡化を、図６及び７に例示した別の方式の場合のように、排出と重複させることはしない。更に、パージは、図２及び３に示した態様では並流減圧ガスから与えるのに対し、図６及び７に示した態様では生成中の床からパージを与える。更に、図２及び３に示した好ましい態様ではパージ工程の後に排出工程があるのに対し、図６及び７に記載した別の態様ではパージに続く排出工程は無い。

図６の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法について更に別のカラムサイクルが図８及び９に示されている。特に図８に示したサイクルは、二つの生成物加圧工程及び一つの平衡化工程を用い、図９に示したサイクルは、１２工程の代わりに８工程を用いている。図２、４、及び６に示した複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法についての例示したカラムサイクル及び付随するカラムサイクルは、最も好ましいもの（図２〜３）から、好ましさの最も低いもの（図６及び９）の順に配列されている。更に、図６のＶＰＳＡ法及び付随するカラムサイクル（図７〜９）について、カラムサイクルは、最も好ましいものから、好ましさの最も低いものの順に配列されている。即ち、図７のサイクルは、図８に示したサイクルよりも好ましく、図８のサイクルは、図９に示したサイクルよりも好ましい。このことは、ＶＰＳＡ Ｏ_２回収率及びＯ_２生産性が図８に示したサイクルを用いた方が、図７に例示したサイクルを用いた場合よりも低くなると予想され、Ｏ_２回収率が図９に描いたサイクルを用いた方が、図８に示したサイクルを用いた場合に比較して低いと予想されるからである。

図７〜９に例示した図６の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法についてのカラムサイクルは、床サイズ因子及び電力消費の点で変化すると予想され、図７に描いたサイクルは図８に示したものよりも効率的であり、図８のサイクルは図９に示したものよりも効率的である。このように、模式的図６の方法について、ＢＳＦ及び電力消費は、図９の場合が最も高く、次に低いのが図８の場合であり、次に更に低いのが図７の場合であると予想される。なぜなら、示したサイクルについての効率は、図の番号が大きくなるに従って低下すると予想されるからである。

上で論じたＶＰＳＡ法及び装置では、大規模基準で酸素を回収するための供給物ガスとして空気を用いることが意図されている。一列の床、一つ少ないポンプ（即ち、二つの供給ポンプ及び二つの真空ポンプを用いるよりも一つ少ない）、一層小さい床サイズ因子を用いて大規模に酸素（＞３５０ｔ／日）を製造し、パージのために生成物品質のガスを用いなくてもよいようにすることにより、Ｏ_２生産性／回収率に約１０〜２０％の改良及び資本コストに約５〜１０％の削減が予期されている。

本発明の装置及び方法は、同様に、希ガス（例えば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｋｒ）含有供給物流、又はＨ_２含有供給物流、例えば、水蒸気メタン改質反応又は炭化水素部分酸化、等から得られたもののような、空気以外の供給物流に対しても有用であると予想される。例えば、限定するものと解釈すべきではないが、水蒸気メタン改質から発生した合成ガスからのＨ_２含有供給混合物は、本発明に従って用いるのに適していると考えられる。そのような態様では、水素を回収することができるであろう。希望の生成物又は同時生成物の生成に、この方法及び装置は全く容易に適合することができるであろうと予想される。例えば、Ｏ_２及びＮ_２、又はＨ_２及びＣＯの同時生成は、空気供給物及びＨ_２含有供給物から、夫々容易に達成できるであろう。吸着剤、前精製器、及び処理操作条件に対する適当な修正は、目的とする用途に基づいて選択されことを、当業者は認めるであろう。

上で論じた装置及び方法は、空気から酸素を生成させるためＶＰＳＡ法を使用することを意図してきた。本発明の別の態様では、圧力振動吸着（ＰＳＡ）を用いることができるであろう。この場合、操作圧力は周囲圧力より高く、従って真空ポンプは不必要であろう。更に別の態様として、二つ以上の真空ポンプが望ましいこともあるであろう。

上に開示した特定の態様は、本発明と同じ目的を遂行するための他の構造体を設計又は修正するための基礎として容易に利用できるであろうことは、当業者により認められるはずである。そのような同等の構成は、添付の特許請求の範囲に記載した本発明の範囲及び本質から離れることなく行えることも、当業者によって認められるべきである。

図１は、スモラークその他による米国特許第６，０１０，５５５号明細書に記載されている、空気から酸素を製造するためのＶＰＳＡサイクルを例示する図である。 図２は、本発明による複式供給物導入ＶＰＳＡ法へ全供給物を送るために二つのコンプレッサーを用いる四床法の模式的図である。 図３は、図２の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法のためのカラムサイクルを示す図である。 図４は、本発明の別の態様による複式供給物導入ＶＰＳＡ過程へ全供給物を送るために二つのコンプレッサーを用いた四床ＶＰＳＡ法を例示する図である。 図５は、図４の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法のためのカラムサイクルを示す図である。 図６は、本発明による複式供給物導入ＶＰＳＡ過程へ全供給物を送るために二つのコンプレッサーを用いた四床ＶＰＳＡ法の別の模式的図である。 図７は、図６の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法のためのカラムサイクルを示す図である。 図８は、図６の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法のための別のカラムサイクルを例示する図であり、この場合、そのサイクルは、二つの生成物加圧工程及び一つの平衡化工程を用いている。 図９は、図６の複式供給物導入四床ＶＰＳＡ法のための選択される別のカラムサイクルを示す図であり、この場合、そのサイクルは、１２の工程の代わりに８つの工程を用いている。

Claims (19)

1. 少なくとも一種類の一層強く吸着される成分及び少なくとも一種類の低い強さで吸着される生成物ガス成分を含む供給供給物ガスを分離するための真空圧力振動吸着（ＶＰＳＡ）法において、二つの吸着器床で、各床に前記一層強く吸着される成分を優先的に吸着する少なくとも一種類の吸着剤が入っている吸着器床の各々の供給物導入端部へ、連続的に供給供給物ガスを供給すること、及び二つの床が同時に供給方式になり、他の二つが再生／還流方式になる工程によるサイクルで生成する、少なくとも一種類の低い強さで吸着される生成物ガス成分を、前記吸着器床の出口端部から取り出すことを含み、然も、過程中のどの瞬間でも唯一つの床だけが排出工程になっていることを含む、真空圧力振動吸着法。
2. ＶＰＳＡ法が一列になった四つの床を含む、請求項１に記載の真空圧力振動吸着法。
3. 工程によるサイクルが、１２工程サイクルを含む、請求項２に記載の真空圧力振動吸着法。
4. 排出工程が、パージ工程の前及び後で行われる、請求項３に記載の真空圧力振動吸着法。
5. 排出を受けている床以外の床の並流減圧中に得られた空間ガスが、パージガスとして使用するのに適している、請求項４に記載の真空圧力振動吸着法。
6. 少なくとも一種類の一層強く吸着される成分が窒素である、請求項１に記載の真空圧力振動吸着法。
7. 少なくとも一種類の低い強さで吸着される生成物ガス成分が酸素である、請求項１に記載の真空圧力振動吸着法。
8. 酸素が、約８５〜９５％の酸素の平均純度を有する、請求項７に記載の真空圧力振動吸着法。
9. 酸素が、約５５〜７５％の酸素回収率に相当する、請求項７に記載の真空圧力振動吸着法。
10. 各吸着床がＮ_２選択性吸着剤を含む、請求項７に記載の真空圧力振動吸着法。
11. 吸着剤が、Ｌｉ−Ｘゼオライト、５Ａ、１３Ｘ、ＣＡＸ、及び混合陽イオン性ゼオライトの中の少なくとも一種類を含む、請求項１０に記載の真空圧力振動吸着法。
12. 吸着剤が、ＬｉＸ吸着剤を含む、請求項１１に記載の真空圧力振動吸着法。
13. 少なくとも一種類の低い強さで吸着される生成物ガス成分が水素を含む、請求項１に記載の真空圧力振動吸着法。
14. 最高吸着圧力が約１００ｋＰａ〜約２０００ｋＰａの範囲にあり、最低吸着圧力が２０ｋＰａ〜約１００ｋＰａの範囲にある、請求項１に記載の真空圧力振動吸着法。
15. Ｏ_２を、少なくとも２００ｔ／日で生成することができる、請求項１に記載の真空圧力振動吸着法。
16. Ｏ_２を、少なくとも３５０ｔ／日で生成することができる、請求項１５に記載の真空圧力振動吸着法。
17. 四床装置で１２工程サイクルである、請求項１に記載の真空圧力振動吸着法。
18. 四床装置で１２工程サイクルである、請求項１に記載の真空圧力振動吸着法。
19. 少なくとも一種類の一層強く吸着される成分及び少なくとも一種類の低い強さで吸着される生成物ガス成分を含む供給供給物ガスを分離するための真空圧力振動吸着（ＶＰＳＡ）装置において：
    供給供給物ガスを、二つの吸着床の供給物導入端部へ連続的に供給することができるように構成した一列になった四つの吸着床；
    前記吸着床に前記供給供給物ガスを供給するように構成した少なくとも一つの供給コンプレッサー；及び
    真空ポンプ；
    を含む、真空圧力振動吸着装置。

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