JP2010051877A - Apparatus and method for manufacturing oxygen enriched air - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空気中の窒素成分を除去することによって空気から酸素富化空気を製造する酸素富化空気製造設備及び酸素富化空気製造方法に関するものである。 The present invention relates to an oxygen-enriched air production facility and an oxygen-enriched air production method for producing oxygen-enriched air from air by removing nitrogen components in the air.
鉄鉱石から溶銑を製造するための高炉へ吹き込まれる空気、或いは廃棄物の焼却炉や溶融炉などへ吹き込まれる空気は、燃焼効率を上げるために、酸素濃度を増加させた酸素富化空気が吹き込まれることが多い。従来の酸素富化空気の製造方法は、深冷分離法、PSA(Pressure Swing Adsorption)法などによって、ほぼ100体積%に近い濃度の高純度の酸素を製造し、これを空気に混合して希釈し、所望する酸素濃度の酸素富化空気を製造している。 Air that is blown into a blast furnace for producing hot metal from iron ore, or air that is blown into a waste incinerator or melting furnace is blown with oxygen-enriched air with an increased oxygen concentration to increase combustion efficiency. It is often done. Conventional oxygen-enriched air production methods produce high-purity oxygen with a concentration close to 100% by volume using a cryogenic separation method, PSA (Pressure Swing Adsorption) method, etc., and mix this with air for dilution. Thus, oxygen-enriched air having a desired oxygen concentration is produced.
一方で、円筒型容器に窒素吸収用吸着剤であるゼオライトを充填させ、温度の低下に伴って窒素の吸着量が増加するというゼオライトの窒素吸収能力を利用し、前記円筒型容器の中心を軸として回転させ、回転する円筒型容器に温度の異なる2つの空気をそれぞれ独立して供給し、温度の低い側の空気の窒素をゼオライトで吸収し、吸収した窒素を温度の高い側の空気に放出(脱離)し、これを連続して行うことにより、温度の低い側の空気の酸素富化を行う技術が、特許文献1に提案されている。
On the other hand, the cylindrical container is filled with zeolite, which is an adsorbent for nitrogen absorption, and the nitrogen absorption capacity of the zeolite, which increases the amount of nitrogen adsorbed as the temperature decreases, is used to center the cylindrical container. Rotate as follows, independently supply two airs with different temperatures to the rotating cylindrical container, absorb nitrogen in the lower temperature air with zeolite, and release the absorbed nitrogen into the higher temperature
特許文献1によれば、ゼオライトに温度の高い空気を流すことによって窒素がゼオライトに飽和しないので、長期にわたり連続的に運転することができ、酸素富化空気の製造にあたり、動力の大幅な低下が可能になるとしている。
しかしながら、深冷分離法、PSA法を用いて純酸素を製造し、この純酸素を空気で希釈して酸素富化空気を製造する方法では、高純度の酸素を製造する際に大きな動力を必要とし、使用する酸素富化空気の酸素濃度は低濃度であるにも拘わらず、結果的に大きな動力が必要となっていた。また、設備が複雑で、設備費が高いという問題もあった。 However, in the method of producing pure oxygen using the cryogenic separation method and the PSA method and diluting the pure oxygen with air to produce oxygen-enriched air, a large amount of power is required when producing high-purity oxygen. As a result, even though the oxygen concentration of the oxygen-enriched air used is low, a large amount of power is required as a result. In addition, the equipment is complicated and the equipment costs are high.
一方、特許文献1には、酸素富化を行うことによってどのような酸素富化空気が得られたのか、及びその効果はどのようであったかについて、記載されていない。更に、これを酸素富化空気の製造に適用しようとしても、以下の問題点がある。
On the other hand,
即ち、ゼオライトは窒素を吸収するための有力な吸着剤であるが、水分の吸着剤でもある。従って、ゼオライトが充填された円筒型容器に空気を流した場合、空気中の水分を吸収しながら窒素を吸収することになる。この吸収した水分をゼオライトから効率的に放出させなければ、吸収した水分によってゼオライトの吸収能は低下し、ゼオライトは、水分吸収用吸着剤としての機能のみならず、窒素吸収用吸着剤としての機能を消滅させる。 That is, zeolite is an effective adsorbent for absorbing nitrogen, but is also an adsorbent for moisture. Therefore, when air is passed through a cylindrical container filled with zeolite, nitrogen is absorbed while absorbing moisture in the air. If this absorbed water is not efficiently released from the zeolite, the absorbed capacity of the zeolite decreases due to the absorbed water, and the zeolite functions not only as a moisture absorbing adsorbent but also as a nitrogen absorbing adsorbent. Annihilate.
特許文献1では、ゼオライトが充填された円筒型容器に、温度の異なる2種類の空気をそれぞれ独立して供給しているが、これら2種類の空気は脱水分処理を行っておらず、温度こそ異なるものの基本的に水分濃度が同等であり、従って、ゼオライトから水分を除去する作用は働かず、ゼオライトは水分を吸収し続け、やがて水分吸収用吸着剤及び窒素吸収用吸着剤としての機能が停止する。つまり、特許文献1では、ゼオライトが水分を吸収することに起因して、長期間にわたって酸素富化空気を製造することができないという問題点がある。
In
また、円筒型容器に温度の異なる空気をそれぞれ分離して供給しなければ、酸素富化空気の製造効率が低下するが、特許文献1には、温度の異なる空気をどのように分離して円筒型容器に供給するのかが記載されておらず、実機化は困難と言わざるを得ない。
Further, if air having different temperatures is not separately supplied to the cylindrical container, the production efficiency of oxygen-enriched air is reduced. However,
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ゼオライトなどの窒素吸収用吸着剤を利用して空気から酸素富化空気を製造するにあたり、空気中の水分の影響を受けず、長期間にわたって安定して酸素富化空気を効率良く製造することのできる、酸素富化空気の製造設備及び酸素富化空気の製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to influence the influence of moisture in the air when producing oxygen-enriched air from air using an adsorbent for nitrogen absorption such as zeolite. The object is to provide an oxygen-enriched air production facility and an oxygen-enriched air production method capable of producing oxygen-enriched air stably and efficiently over a long period of time.
上記課題を解決するための第1の発明に係る酸素富化空気の製造設備は、水分吸収用吸着剤が配置された吸着除湿装置と、窒素吸収用吸着剤が配置された回転式窒素吸着装置と、を備えた酸素富化空気の製造設備であって、前記吸着除湿装置で脱水分処理された空気が、前記回転式窒素吸着装置に供給され、該回転式窒素吸着装置で酸素富化されることを特徴とするものである。 An apparatus for producing oxygen-enriched air according to the first invention for solving the above-mentioned problems includes an adsorption dehumidification device in which an adsorbent for moisture absorption is arranged, and a rotary nitrogen adsorption device in which an adsorbent for nitrogen absorption is arranged And the oxygen-enriched air production equipment comprising: the air dehydrated by the adsorption dehumidifier is supplied to the rotary nitrogen adsorber and oxygen enriched by the rotary nitrogen adsorber It is characterized by that.
第2の発明に係る酸素富化空気の製造設備は、第1の発明において、前記吸着除湿装置で脱水分処理された空気の一部が、前記回転式窒素吸着装置の窒素吸収用吸着剤からの窒素放出用ガスとして前記回転式窒素吸着装置に供給されることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a facility for producing oxygen-enriched air according to the first aspect, wherein a part of the air dehydrated by the adsorption dehumidifier is obtained from the adsorbent for nitrogen absorption of the rotary nitrogen adsorber. The nitrogen release gas is supplied to the rotary nitrogen adsorption apparatus.
第3の発明に係る酸素富化空気の製造設備は、第2の発明において、前記窒素吸収用吸着剤からの窒素放出用ガスとして用いられた空気が、更に、前記吸着除湿装置の水分吸収用吸着剤からの水分放出用ガスとして前記吸着除湿装置に供給されることを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the oxygen-enriched air production facility according to the second aspect, wherein the air used as the nitrogen releasing gas from the nitrogen absorbing adsorbent is further used for absorbing moisture in the adsorption dehumidifying device. A gas for releasing moisture from the adsorbent is supplied to the adsorption dehumidifier.
第4の発明に係る酸素富化空気の製造設備は、第1ないし第3の発明の何れかにおいて、湿潤状態の大気の前記回転式窒素吸着装置への流入を防止するために、前記回転式窒素吸着装置の回転部と固定部との間に、前記吸着除湿装置で脱水分処理された空気の一部がパージ用ガスとして供給されることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the oxygen-enriched air production facility according to any one of the first to third aspects of the present invention, in order to prevent the wet atmosphere from flowing into the rotary nitrogen adsorption device. A part of the air dehydrated by the adsorption dehumidifying device is supplied as a purge gas between the rotating portion and the fixed portion of the nitrogen adsorption device.
第5の発明に係る酸素富化空気の製造設備は、第1ないし第4の発明の何れかにおいて、前記回転式窒素吸着装置は、その回転軸を鉛直方向として回転することを特徴とするものである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the oxygen-enriched air production facility according to any one of the first to fourth aspects, wherein the rotary nitrogen adsorbing device rotates with its rotation axis as a vertical direction. It is.
第6の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、水分吸収用吸着剤が配置された吸着除湿装置と、ガスの流路方向に沿って複数の領域に仕切られ、仕切られた各領域に圧力の増加に伴って窒素吸着量を増加させる窒素吸収用吸着剤が配置された回転式窒素吸着装置と、を備えた酸素富化空気の製造設備を用い、前記吸着除湿装置で脱水分処理された空気を前記回転式窒素吸着装置の一方の流路に供給する際にその圧力を他方の流路を通る空気の圧力よりも相対的に高くし、この2種類の空気を回転している回転式窒素吸着装置に別々に供給してそれぞれ窒素吸収用吸着剤と接触させ、相対的に圧力を高くした空気に対して脱窒素処理を施し、相対的に圧力を低くした空気に対して窒素富化処理を施し、相対的に圧力を高くした空気の酸素富化を行うことを特徴とするものである。 A method for producing oxygen-enriched air according to a sixth aspect of the present invention includes an adsorption / dehumidification device in which an adsorbent for moisture absorption is arranged, and a plurality of regions along the gas flow path direction. Using a rotary nitrogen adsorption device equipped with an adsorbent for nitrogen absorption that increases the amount of nitrogen adsorption as the pressure increases, and using a production facility for oxygen-enriched air, the dehydration treatment is performed in the adsorption dehumidification device. When rotating the two types of air, the pressure is relatively higher than the pressure of the air passing through the other flow path when the air is supplied to one flow path of the rotary nitrogen adsorption device. Separately supplied to a nitrogen adsorption device and brought into contact with an adsorbent for nitrogen absorption, denitrogenation is performed on air with a relatively high pressure, and nitrogen rich with respect to air with a relatively low pressure Oxygen enrichment of air with relatively high pressure And it is characterized in Ukoto.
第7の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、水分吸収用吸着剤が配置された吸着除湿装置と、ガスの流路方向に沿って複数の領域に仕切られ、仕切られた各領域に温度の低下に伴って窒素吸着量を増加させる窒素吸収用吸着剤が配置された回転式窒素吸着装置と、を備えた酸素富化空気の製造設備を用い、前記吸着除湿装置で脱水分処理された空気を前記回転式窒素吸着装置の一方の流路に供給する際にその温度を他方の流路を通る空気の温度よりも相対的に低くし、この2種類の空気を回転している回転式窒素吸着装置に別々に供給してそれぞれ窒素吸収用吸着剤と接触させ、相対的に温度を低くした空気に対して脱窒素処理を施し、相対的に温度を高くした空気に対して窒素富化処理を施し、相対的に温度を低くした空気の酸素富化を行うことを特徴とするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for producing oxygen-enriched air, comprising: an adsorption dehumidifying device in which a moisture absorbing adsorbent is disposed; and a plurality of regions divided along a gas flow path direction. A rotary nitrogen adsorption device provided with a nitrogen absorption adsorbent that increases the amount of nitrogen adsorption with a decrease in temperature, and an oxygen-enriched air production facility equipped with a dehydration treatment by the adsorption dehumidification device. When the heated air is supplied to one flow path of the rotary nitrogen adsorption device, the temperature is relatively lower than the temperature of the air passing through the other flow path, and the two types of air are rotating. Separately supplied to a nitrogen adsorber, and brought into contact with an adsorbent for nitrogen absorption, subjected to denitrification treatment on air at a relatively low temperature, and rich in nitrogen relative to air at a relatively high temperature Oxygen enrichment of air with a relatively low temperature And it is characterized in Ukoto.
第8の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、第6または第7の発明において、前記吸着除湿装置で脱水分処理された空気の一部が、前記回転式窒素吸着装置の窒素吸収用吸着剤からの窒素放出用ガスとして前記回転式窒素吸着装置に供給されることを特徴とするものである。 A method for producing oxygen-enriched air according to an eighth invention is the method according to the sixth or seventh invention, wherein a part of the air dehydrated by the adsorption dehumidifier is used for nitrogen absorption by the rotary nitrogen adsorber. The gas is supplied to the rotary nitrogen adsorption device as a gas for releasing nitrogen from the adsorbent.
第9の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、第6ないし第8の発明の何れかにおいて、前記窒素富化処理の施された空気を、前記吸着除湿装置の水分吸収用吸着剤からの水分放出用ガスとして使用することを特徴とするものである。 A method for producing oxygen-enriched air according to a ninth invention is the method for producing oxygen enriched air according to any of the sixth to eighth inventions, wherein the air enriched with nitrogen is extracted from the adsorbent for moisture absorption of the adsorption dehumidifier. It is used as a moisture release gas.
第10の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、第9の発明において、前記吸着除湿装置を2基以上配置し、それぞれの吸着除湿装置では、水分吸収用吸着剤による空気の脱水分処理と、水分吸収用吸着剤からの水分放出とを交互に繰り返して行うことを特徴とするものである。 A method for producing oxygen-enriched air according to a tenth invention is the method according to the ninth invention, wherein two or more of the adsorption dehumidifying devices are arranged, and in each of the adsorption dehumidifying devices, a dehydration treatment of air with a moisture absorbing adsorbent. And moisture release from the moisture-absorbing adsorbent are alternately and repeatedly performed.
第11の発明に係る酸素富化空気の製造方法は、第6ないし第10の発明の何れかにおいて、前記吸着除湿装置によって脱水分処理が施された空気の露点は、−40℃以下であることを特徴とするものである。 In the method for producing oxygen-enriched air according to the eleventh aspect of the invention, in any of the sixth to tenth aspects, the dew point of the air subjected to the dehydration treatment by the adsorption dehumidifier is -40 ° C or lower. It is characterized by this.
本発明によれば、深冷分離法またはPSA法を用いて純酸素を製造し、この純酸素を空気で希釈して酸素富化空気を製造する従来方法に比較すると、少ない動力で酸素富化空気を得ることができるとともに、設備構成が比較的簡単であり設備費を削減することができる。 According to the present invention, oxygen is enriched with less power than conventional methods in which pure oxygen is produced using a cryogenic separation method or a PSA method, and this pure oxygen is diluted with air to produce oxygen-enriched air. Air can be obtained, and the equipment configuration is relatively simple, so that the equipment cost can be reduced.
また、本発明によれば、吸着除湿装置と回転式窒素吸着装置とを備えた酸素富化空気の製造設備を用い、先ず、吸着除湿装置にて空気に対して脱水分処理を施し、次いで、脱水分処理の施された乾燥状態の空気を回転式窒素吸着装置に導入するので、回転式窒素吸着装置の窒素吸収用吸着剤は水分の影響を受けることなく、供給される空気から窒素を吸着し、酸素富化空気を安定して製造することが実現される。そして、吸着除湿装置で脱水分処理された空気の一部を、回転式窒素吸着装置の窒素吸収用吸着剤からの窒素放出用ガスとして使用する場合には、窒素吸収用吸着剤に吸着した窒素は窒素放出用ガスに放出されて、窒素吸収用吸着剤の窒素吸着量は飽和にならず、酸素富化空気を長期間にわたって連続的に製造することが可能となる。 Further, according to the present invention, using an oxygen-enriched air production facility equipped with an adsorption dehumidification device and a rotary nitrogen adsorption device, first, a dehydration treatment is performed on the air with the adsorption dehumidification device, and then Since dry air that has been subjected to dehydration treatment is introduced into the rotary nitrogen adsorption device, the nitrogen absorption adsorbent of the rotary nitrogen adsorption device absorbs nitrogen from the supplied air without being affected by moisture. Thus, it is possible to stably produce oxygen-enriched air. When a part of the air dehydrated by the adsorption dehumidifier is used as a nitrogen release gas from the nitrogen absorbent adsorbent of the rotary nitrogen adsorber, the nitrogen adsorbed on the nitrogen absorbent adsorbent is used. Is released into the nitrogen-releasing gas, and the amount of nitrogen adsorbed by the nitrogen-absorbing adsorbent is not saturated, and oxygen-enriched air can be continuously produced over a long period of time.
即ち、本発明によれば、大きな動力を必要とせず、且つ、空気中の水分の影響を受けず、長期間にわたって安定して酸素富化空気を製造することができ、工業上有益な効果がもたらされるのみならず、CO2の発生量も削減され、自然環境上においても有益な効果がもたらされる。 In other words, according to the present invention, oxygen-enriched air can be produced stably over a long period of time without requiring a large amount of power and without being affected by moisture in the air. In addition to being brought about, the amount of CO 2 generated is also reduced, and a beneficial effect is brought about in the natural environment.
以下、本発明を具体的に説明する。 The present invention will be specifically described below.
本発明に係る酸素富化空気製造設備は、空気を窒素吸収用吸着剤と接触させて、空気中の窒素を窒素吸収用吸着剤に吸着させ、空気中の窒素濃度を減少させる(「脱窒素処理」という)ことによって、酸素富化空気を製造する。ここで、酸素富化とは、ガス中の酸素濃度を空気の酸素濃度よりも高くすることをいう。 The oxygen-enriched air production facility according to the present invention brings air into contact with a nitrogen absorbing adsorbent, adsorbs nitrogen in the air to the nitrogen absorbing adsorbent, and reduces the nitrogen concentration in the air (“denitrification”). Process)) to produce oxygen-enriched air. Here, oxygen enrichment refers to making the oxygen concentration in the gas higher than the oxygen concentration in the air.
以下の記載では、窒素吸収用吸着剤として窒素吸着能の高いゼオライトを使用した例で説明するが、ゼオライト以外の窒素吸収用吸着剤でも、本発明を適用することが可能である。尚、ゼオライトとは、結晶性マイクロポーラス物質であり、結晶性アルミノシリケートのことである。具体的に窒素吸着能に高い効果があるものとしては、A、X、Y型ゼオライトで、カルシウム、リチウムなどとイオン交換したものが挙げられる。 In the following description, an example in which a zeolite having a high nitrogen adsorption capacity is used as the nitrogen absorbing adsorbent will be described. However, the present invention can be applied to a nitrogen absorbing adsorbent other than zeolite. Zeolite is a crystalline microporous material and is crystalline aluminosilicate. Specific examples of highly effective nitrogen adsorption include A, X, and Y type zeolites that have been ion exchanged with calcium, lithium, and the like.
先ず、ゼオライトの窒素吸着能を説明する。図1は、ゼオライトの窒素吸着量と圧力との関係を定性的に示す図で、図2は、ゼオライトの窒素吸着量と圧力及び温度との関係を定性的に示す図である。 First, the nitrogen adsorption ability of zeolite will be described. FIG. 1 is a diagram qualitatively showing the relationship between the nitrogen adsorption amount of zeolite and pressure, and FIG. 2 is a diagram qualitatively showing the relationship between the nitrogen adsorption amount of zeolite and pressure and temperature.
図1に示すように、ゼオライトは圧力が高くなるほど窒素吸着量が増加する性質があり、圧力P1の雰囲気下で空気をゼオライトに接触させると、ゼオライトは吸着量がC1値となるまで窒素を吸着する。これにより、空気の窒素は減少し、窒素が減少した分に相当するだけ酸素富化が行われる。これを「脱窒素処理」という。一方、圧力P2(P2<P1)ではゼオライトの窒素吸着量はC2値に低下するので、窒素をC1値まで吸着していたゼオライトは、圧力P2の空気に触れると吸着していた窒素を放出し、ゼオライトの吸着量はC1値からC2値まで低下する。窒素が放出された空気の窒素含有量は増加し、窒素富化が行われる。これを、「窒素富化処理」という。 As shown in FIG. 1, zeolite has the property that the amount of nitrogen adsorption increases as the pressure increases. When air is brought into contact with zeolite under an atmosphere of pressure P 1 , the zeolite is in nitrogen until the amount of adsorption reaches the C 1 value. To adsorb. As a result, nitrogen in the air is reduced, and oxygen enrichment is performed corresponding to the reduced amount of nitrogen. This is called “denitrification treatment”. On the other hand, at the pressure P 2 (P 2 <P 1 ), the nitrogen adsorption amount of the zeolite decreases to the C 2 value, so that the zeolite that has adsorbed the nitrogen to the C 1 value is adsorbed when it comes into contact with the air at the pressure P 2. The released nitrogen is released, and the amount of zeolite adsorbed decreases from the C 1 value to the C 2 value. The nitrogen content of the air from which the nitrogen has been released increases and nitrogen enrichment takes place. This is called “nitrogen enrichment treatment”.
つまり、ゼオライトに圧力の異なる空気を接触させることで、圧力差により定まる窒素吸着量の差に応じて、相対的に圧力の高い空気の酸素富化が行われ、一方、相対的に圧力の低い空気の窒素富化が行われる。ゼオライトに圧力の異なる空気を交互に接触させることで、ゼオライトは窒素の吸着と放出とを繰り返し行い、窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、相対的に圧力の高い空気に対して半永久的に酸素富化が行われる。 In other words, by contacting the air with different pressures to the zeolite, oxygen enrichment of air having a relatively high pressure is performed according to the difference in the amount of nitrogen adsorption determined by the pressure difference, while the pressure is relatively low. Nitrogen enrichment of air is performed. By alternately contacting air of different pressure with the zeolite, the zeolite repeatedly adsorbs and releases nitrogen, and the amount of nitrogen adsorption does not remain saturated. A semi-permanent oxygen enrichment takes place.
また、図2に示すように、ゼオライトは温度によっても窒素吸着量が異なり、圧力が一定であっても、温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する。つまり、圧力をP3の一定値として、温度T2よりも低温の温度T1の空気をゼオライトに接触させると、ゼオライトは吸着量がC3値となるまで窒素を吸収する。これにより、空気の窒素は減少し、窒素が減少した分に相当するだけ酸素富化が行われる。一方、温度T2ではゼオライトの窒素吸着量はC4値に低下するので、ゼオライトは、温度T2の空気に触れると吸着していた窒素を放出し、ゼオライトの吸着量はC3値からC4値まで低下する。窒素が放出された空気の窒素含有量は増加し、窒素富化が行われる。 Further, as shown in FIG. 2, zeolite has a different amount of nitrogen adsorption depending on the temperature. Even if the pressure is constant, the amount of nitrogen adsorption increases as the temperature decreases. That is, when the pressure is set to a constant value of P 3 and air having a temperature T 1 lower than the temperature T 2 is brought into contact with the zeolite, the zeolite absorbs nitrogen until the adsorption amount reaches the C 3 value. As a result, nitrogen in the air is reduced, and oxygen enrichment is performed corresponding to the reduced amount of nitrogen. Meanwhile, since the nitrogen adsorption amount of the temperature T 2 zeolite is reduced to C 4 value, zeolite releases nitrogen adsorbed Touching the temperature T 2 air, the amount of adsorption of zeolite C from C 3 value Decreases to 4 values. The nitrogen content of the air from which the nitrogen has been released increases and nitrogen enrichment takes place.
つまり、ゼオライトに温度の異なる空気を接触させることで、温度差により定まる窒素吸着量の差に応じて、相対的に温度の低い空気の酸素富化が行われ、一方、相対的に温度の高い空気の窒素富化が行われる。ゼオライトに温度の異なる空気を交互に接触させることで、ゼオライトは窒素の吸着と放出とを繰り返し行い、窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、相対的に温度の低い空気に対して半永久的に酸素富化が行われる。 In other words, by contacting the air with different temperatures to the zeolite, oxygen enrichment of air having a relatively low temperature is performed according to the difference in the amount of nitrogen adsorption determined by the temperature difference, while the temperature is relatively high. Nitrogen enrichment of air is performed. By alternately contacting air at different temperatures with the zeolite, the zeolite repeatedly adsorbs and releases nitrogen, and the nitrogen adsorption amount does not remain saturated. A semi-permanent oxygen enrichment takes place.
この場合、酸素富化する側の空気の圧力を高め且つ温度を低くすることで、図2からも伺い知れるように、ゼオライトの窒素吸着量の差はより大きくなり、酸素富化を効率的に行うことが可能となる。本発明では、吸着剤に吸着した窒素を放出させるための空気を「窒素放出用ガス」と称し、同様に、吸着剤に吸着した水分を放出させるための空気を「水分放出用ガス」と称す。 In this case, by increasing the pressure of the air on the oxygen-enriched side and lowering the temperature, as can be seen from FIG. 2, the difference in the amount of nitrogen adsorbed by the zeolite becomes larger, and the oxygen enrichment is efficiently performed. Can be done. In the present invention, air for releasing nitrogen adsorbed on the adsorbent is referred to as “nitrogen releasing gas”, and similarly, air for releasing water adsorbed on the adsorbent is referred to as “moisture releasing gas”. .
しかしながら、前述したように、ゼオライトは窒素を吸収するための有力な吸着剤であるが、空気中に含まれる水分も吸着する。そこで、ゼオライトの窒素吸着に及ぼす空気中水分の影響を調査した。尚、上述したように、ここでは、窒素吸収用吸着剤として窒素吸着能の高いゼオライトを使用した例で説明しているが、ゼオライト以外の窒素吸着能の高い窒素吸収用吸着剤であっても空気中水分に関して同様の問題を生じる。 However, as described above, zeolite is a powerful adsorbent for absorbing nitrogen, but also adsorbs moisture contained in the air. Therefore, the effect of moisture in the air on the nitrogen adsorption of zeolite was investigated. In addition, as described above, here, an example is described in which a zeolite having a high nitrogen adsorbing ability is used as the nitrogen absorbing adsorbent. Similar problems arise with respect to moisture in the air.
図3は、空気の露点(空気中で冷却する物体の表面に露ができはじめるときの物体表面の温度)を変更し、露点を変更した空気をゼオライトに接触させ、水分と窒素の吸着量を比較調査した結果である。ここで、吸着量(kg/kg)は、窒素吸収用吸着剤1kgあたりの窒素及び水分の吸着量(kg)を示す。図3からも明らかなように、露点の高い空気をゼオライトに接触させると、水分の吸着が主となって窒素の吸着は低下し、露点が0℃以上になると、窒素はほとんど吸着しない。露点が約−55℃以下になると逆に窒素の吸着が主体となり、従って、ゼオライトで空気中の窒素を吸着する場合には、空気の露点を下げるほど望ましいことが分かる。 Figure 3 shows the change in the dew point of air (the temperature of the object surface when the surface of the object to be cooled in the air begins to dew), the air with the changed dew point is brought into contact with the zeolite, and the amount of moisture and nitrogen adsorbed It is the result of the comparative investigation. Here, the adsorption amount (kg / kg) indicates the adsorption amount (kg) of nitrogen and moisture per 1 kg of the nitrogen absorbing adsorbent. As is clear from FIG. 3, when air having a high dew point is brought into contact with the zeolite, the adsorption of moisture mainly decreases, and when the dew point is 0 ° C. or higher, the nitrogen is hardly adsorbed. On the contrary, when the dew point is about −55 ° C. or lower, adsorption of nitrogen mainly takes place. Therefore, it is understood that lowering the dew point of air is more desirable when adsorbing nitrogen in air with zeolite.
図4は、空気の露点を変化させてゼオライトの充填層を通過させ、ゼオライト充填層出口での空気の酸素濃度を計算した結果である。図4に示すように、露点が−40℃を超える空気では、湿分によって吸着性能は大きく低下し、窒素吸着能は維持されないことが分かる。 FIG. 4 shows the result of calculating the oxygen concentration of air at the outlet of the zeolite packed bed by changing the dew point of the air to pass through the packed bed of zeolite. As shown in FIG. 4, it can be seen that in air with a dew point exceeding −40 ° C., the adsorption performance is greatly reduced by moisture, and the nitrogen adsorption ability is not maintained.
以上の結果から、空気に対し、ゼオライトを用いて長期間にわたって安定した脱窒素処理を実施するには、ゼオライトで脱窒素処理を施す前に、空気に対して脱水分処理を施す必要のあることが分かった。この場合に、露点が−40℃以下となるように空気に対して脱水分処理を施すことが好ましいことも確認できた。ここで、「脱水分処理」とは、空気を水分吸収用吸着剤と接触させて空気中の水分を除去する処理のことである。 From the above results, it is necessary to perform dehydration treatment on air before performing denitrification treatment on zeolite in order to perform stable denitrification treatment on air for a long period of time. I understood. In this case, it was also confirmed that it was preferable to subject the air to a dehydration treatment so that the dew point was −40 ° C. or lower. Here, the “dehydration treatment” is a treatment for removing moisture in the air by bringing the air into contact with the moisture absorbing adsorbent.
本発明はこれらの知見に基づいてなされたものであり、本発明に係る酸素富化空気の製造設備は、水分吸収用吸着剤が配置された吸着除湿装置と、窒素吸収用吸着剤が配置された回転式窒素吸着装置とを備え、前記吸着除湿装置で脱水分処理された空気が、前記回転式窒素吸着装置に供給され、該回転式窒素吸着装置で酸素富化されることを特徴とする。本発明で窒素吸着装置として回転式窒素吸着装置を使用する理由は、窒素吸収用吸着剤を回転させることによって、窒素吸収用吸着剤を圧力または温度の異なる2種類の空気と交互に接触させることができ、それにより窒素吸収用吸着剤による窒素の吸着と窒素吸収用吸着剤からの窒素の放出とが1基の窒素吸着装置で可能となり、設備コストの削減や運転費コストの削減が得られるからである。 The present invention has been made on the basis of these findings, and the oxygen-enriched air production facility according to the present invention includes an adsorption dehumidifying device in which a moisture absorbing adsorbent is arranged and a nitrogen absorbing adsorbent. A rotary nitrogen adsorption device, wherein the air dehydrated by the adsorption dehumidification device is supplied to the rotary nitrogen adsorption device and enriched with oxygen by the rotary nitrogen adsorption device. . The reason why the rotary nitrogen adsorption device is used as the nitrogen adsorption device in the present invention is that the nitrogen absorption adsorbent is alternately brought into contact with two kinds of air having different pressures or temperatures by rotating the nitrogen absorption adsorbent. Therefore, it is possible to adsorb nitrogen by the nitrogen absorbing adsorbent and to release nitrogen from the nitrogen absorbing adsorbent with one nitrogen adsorbing device, thereby reducing the equipment cost and the operating cost. Because.
以下、本発明を実施するに好適な酸素富化空気製造設備の例を、図面を参照して説明する。先ず、脱水分処理するための吸着除湿装置が固定式である第1の実施形態の酸素富化空気製造設備について説明する。図5は、本発明に係る酸素富化空気製造設備の第1の実施形態の全体構成を示す概略図である。 Hereinafter, an example of an oxygen-enriched air production facility suitable for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. First, the oxygen-enriched air production facility according to the first embodiment in which the adsorption dehumidifier for performing dehydration treatment is fixed will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing the overall configuration of the first embodiment of the oxygen-enriched air production facility according to the present invention.
図5に示すように、本発明の第1の実施形態に係る酸素富化空気製造設備1は、ゼオライトなどからなる窒素吸収用吸着剤37が配置された、空気中の窒素を除去して酸素富化空気を製造するための一基の回転式窒素吸着装置2と、水分吸収用吸着剤38が配置された、窒素を除去するに先立って空気中の水分を除去するための複数の固定式の吸着除湿装置3、吸着除湿装置4、吸着除湿装置5とを備えている。また、これらの吸着除湿装置3,4,5と回転式窒素吸着装置2とを連結するための各種配管が配置され、更に、吸着除湿装置3,4,5へ空気を供給するための送風機6及び吸着除湿装置3,4,5からの排出空気を吸引するための送風機7が配置されている。尚、図5では、安定し且つ連続して酸素富化空気を製造するために、1基の回転式窒素吸着装置2に対して3基の吸着除湿装置3,4,5を配置しているが、吸着除湿装置が2基以上であれば回転式窒素吸着装置2の連続運転が可能であり、従って、吸着除湿装置は2基であっても構わないが、安定して連続運転をするためには、吸着除湿装置を3基以上配置することが好ましい。
As shown in FIG. 5, the oxygen-enriched
空気を送るための送風機6は第1の空気供給本管8と連結し、送風機6により供給された空気は第1の空気供給本管8に導入される。第1の空気供給本管8は、流路方向の下流側で、空気供給枝管8a、空気供給枝管8b、空気供給枝管8cの3つに分岐され、空気供給枝管8aは吸着除湿装置3に連結し、空気供給枝管8bは吸着除湿装置4に連結し、空気供給枝管8cは吸着除湿装置5に連結している。空気供給枝管8aには遮断弁16が設置され、空気供給枝管8bには遮断弁21が設置され、空気供給枝管8cには遮断弁26が設置されている。
The
吸着除湿装置3,4,5の内部には、活性アルミナ、モレキュラーシーブなどの水分吸収用吸着剤38が配置されており、吸着除湿装置3,4,5に供給された空気は水分吸収用吸着剤38と接触して脱水分処理される。
Inside the
吸着除湿装置3の空気供給枝管8aと連結する側とは反対側に、空気供給枝管9aが配置され、吸着除湿装置3で脱水分処理された空気は、空気供給枝管9aに導入される。同様に、吸着除湿装置4の空気供給枝管8bと連結する側とは反対側に、空気供給枝管9bが配置され、吸着除湿装置4で脱水分処理された空気は、空気供給枝管9bに導入され、また、吸着除湿装置5の空気供給枝管8cと連結する側とは反対側に、空気供給枝管9cが配置され、吸着除湿装置5で脱水分処理された空気は、空気供給枝管9cに導入される。これらの空気供給枝管9a、空気供給枝管9b及び空気供給枝管9cは、流路方向の下流側で1つにまとまって第2の空気供給本管9となる。空気供給枝管9aには、放散弁20及び遮断弁17が、放散弁20を吸着除湿装置3と遮断弁17との間として設置され、空気供給枝管9bには、放散弁25及び遮断弁22が、放散弁25を吸着除湿装置4と遮断弁22との間として設置され、空気供給枝管9cには、放散弁30及び遮断弁27が、放散弁30を吸着除湿装置5と遮断弁27との間として設置されている。放散弁20,25,30は、使用する吸着除湿装置3,4,5を切り替える際に、回転式窒素吸着装置2から排出され、吸着除湿装置3,4,5の再生のために使われた低酸素空気を大気に放散するときに使用するものである。
An
第2の空気供給本管9は、その流路方向の下流側で、酸素富化用空気供給管10、窒素放出用空気供給管11及びパージ用空気供給管12の3つに分岐し、酸素富化用空気供給管10、窒素放出用空気供給管11及びパージ用空気供給管12は、それぞれ、窒素吸収用吸着剤37が配置された回転式窒素吸着装置2に連結されている。酸素富化用空気供給管10は、回転式窒素吸着装置2で窒素が除去されて酸素富化空気となる空気を送るための供給管であり、窒素放出用空気供給管11は、回転式窒素吸着装置2の窒素吸収用吸着剤37の再生を図るための窒素放出用ガスとしての空気を供給するための供給管である。また、パージ用空気供給管12は、湿潤状態の大気が回転式窒素吸着装置2へ流入することを防止するために、回転式窒素吸着装置2の回転部と固定部との間に、脱水分処理された空気をパージ用ガスとして供給するための供給管である。窒素放出用空気供給管11には、窒素放出用空気供給管11を通過する空気の流量を調整するための流量調節弁31が設置され、パージ用空気供給管12には、パージ用空気供給管12を通過する空気の流量を調整するための流量調節弁32が設置されている。
The second air supply
回転式窒素吸着装置2の酸素富化用空気供給管10と連結する側とは反対側に、酸素富化空気排出管13が配置されており、酸素富化用空気供給管10から供給され、酸素富化した空気は、酸素富化空気排出管13を介してガスタンク、ガスホルダーなどの収容容器(図示せず)に排出される。また、回転式窒素吸着装置2の窒素放出用空気供給管11と連結する側とは反対側に、第1の空気排出本管14が配置されており、窒素放出用空気供給管11から供給され、窒素吸収用吸着剤37を再生した空気は第1の空気排出本管14を介して排出される。
An oxygen-enriched
尚、図5では、酸素富化用空気供給管10と窒素放出用空気供給管11とが、流路の方向を回転式窒素吸着装置2に対して逆向き方向に連結されているが、必ずしも逆向き方向とする必要はなく、同一方向であっても構わない。また、本実施形態では、窒素放出用空気供給管11は第2の空気供給本管9から分岐しているが、窒素放出用ガスとしては、これに限定されない。但し、露点が吸着除湿装置3,4,5により脱水分処理された後の空気と同程度以下で、窒素濃度が空気中の窒素濃度以下のガスであることが好ましい。
In FIG. 5, the oxygen-enriched
ここで、回転式窒素吸着装置2の詳細を、図面を用いて説明する。図6は、本発明に係る酸素富化空気製造設備の一部分を構成する回転式窒素吸着装置の1つの形態例の概略斜視図、図7は、図6に示す回転式窒素吸着装置の部分断面概略図である。また、図8は、本発明に係る酸素富化空気製造設備の一部分を構成する回転式窒素吸着装置の他の形態例の概略斜視図、図9は、図8に示す回転式窒素吸着装置の部分断面概略図である。図10は、図6及び図7並びに図8及び図9に示す回転式窒素吸着装置の端部の概略図であり、(A)は概略斜視図、(B)は回転式窒素吸着装置の軸心方向から見た概略図である。
Here, details of the rotary
先ず、図6、図7、図10に示す回転式窒素吸着装置を説明する。これらの図に示すように、この回転式窒素吸着装置2には、その内部を、軸心35から半径方向に放射状に伸びる仕切板36によって複数に仕切られた、軸心35を回転軸として電動機(図示せず)により回転可能な円筒型容器34が配置され、この円筒型容器34の両方の端面(開口部)側には、この円筒型容器34を挟み、軸心35の方向に相対して、円筒型容器34の一方の端部全周と密接するフランジ部39aを有する第1の接続管体39と、円筒型容器34の他方の端部全周と密接するフランジ部40aを有する第2の接続管体40とが、配置されている。第1の接続管体39及び第2の接続管体40は回転せずに固定されている。仕切板36によって仕切られた各領域には窒素吸収用吸着剤37が配置されている。そして、第1の接続管体39には、前述した酸素富化用空気供給管10と第1の空気排出本管14とが接続され、一方、第2の接続管体40には、酸素富化空気排出管13と窒素放出用空気供給管11とが接続されている。この場合、酸素富化用空気供給管10の軸心延長方向の同一箇所に酸素富化空気排出管13が配置され、また、窒素放出用空気供給管11の軸心延長方向の同一箇所に、第1の空気排出本管14が配置されている。
First, the rotary nitrogen adsorption apparatus shown in FIGS. 6, 7, and 10 will be described. As shown in these drawings, the rotary
第1の接続管体39及び第2の接続管体40の内部には、それぞれの接続管体のほぼ中心線を通る位置に、分離板41がそれぞれ設置されており、この分離板41によって第1の接続管体39及び第2の接続管体40の内部が2つの領域に分割されている。第1の接続管体39では、分離板41によって分割された一方の領域に酸素富化用空気供給管10が連通し、分離板41によって分割された他方の領域に第1の空気排出本管14が連通している。同様に、第2の接続管体40では、分離板41によって分割された一方の領域に酸素富化空気排出管13が連通し、分離板41によって分割された他方の領域に窒素放出用空気供給管11が連通している。つまり、図6及び図7において、酸素富化用空気供給管10に供給された空気は、第1の接続管体39、円筒型容器34、第2の接続管体40の順に通過し、酸素富化空気排出管13に排出するようになっている。一方、窒素放出用空気供給管11に供給された空気は、第2の接続管体40、円筒型容器34、第1の接続管体39の順に通過し、第1の空気排出本管14に排出するようになっている。
A
また、第1の接続管体39及び第2の接続管体40に設置された分離板41の円筒型容器側の先端部には、円筒型容器34に設けられた仕切板36に密接するようにして、少なくとも分離板41よりも断面積を大とするシール板42が配置されている。つまり、相対する仕切板36とシール板42とが、両者の間で、回転を許容するための間隙を保ちつつ、分離板41によって分離された雰囲気の混合を抑制するためのシール効果を担っている。この場合、シール板42の大きさは特に規定する必要はないが、円筒型容器34は回転しており、雰囲気の混合をより一層抑制するためには、シール板42は、軸心35を中心としたときのシール板42の片側で、仕切板36によって仕切られた各領域を常時2つ以上遮蔽することのできる大きさとすることが好ましい。
Further, the leading end of the
次に、図8、図9、図10に示す回転式窒素吸着装置を説明する。これらの図に示す回転式窒素吸着装置2では、図6及び図7に示す回転式窒素吸着装置に対して、分離板41が撤去され、円筒型容器34の各端部に接続する第1の接続管体39の代わりに第1の接続管部45と第2の接続管部46とが配置され、また、第2の接続管体40の代わりに第3の接続管部47と第4の接続管部48とが配置され、更にシール板42の代わりにシール用固定板42Aが配置された構造となっており、それ以外は図6及び図7に示す回転式窒素吸着装置と同様であり、従って、重複することもあるが以下に説明する。
Next, the rotary nitrogen adsorption apparatus shown in FIGS. 8, 9, and 10 will be described. In the rotary
図8、図9、図10に示すように、この回転式窒素吸着装置2には、軸心35を中心として電動機(図示せず)により回転可能な円筒型容器34が配置され、この円筒型容器34の両方の端面(開口部)側には、この円筒型容器34を挟み、円筒型容器34の端部と密接し、且つ、その長さが円筒型容器34の直径と同等または直径よりも大きな、一対のシール用固定板42Aが、円筒型容器34の直径方向の中心線と重なる位置に配置されている。このシール用固体板42Aは回転せずに固定されている。
As shown in FIGS. 8, 9, and 10, the rotary
そして、円筒型容器34の一方の端面側には、シール用固定板42Aによって二分割された端面の片方側の端部と密接するフランジ45aを有する第1の接続管部45が配置され、また、二分割された端面の他方側の端部と密接するフランジ46aを有する第2の接続管部46が配置されている。同様に、円筒型容器34の他方の端面側には、シール用固定板42Aによって二分割された端面の片方側の端部と密接するフランジ47aを有する第3の接続管部47が配置され、また、二分割された端面の他方側の端部と密接するフランジ48aを有する第4の接続管部48が配置されている。第1の接続管部45、第2の接続管部46、第3の接続管部47及び第4の接続管部48は回転せずに固定されている。シール用固定板42Aは、仕切板36と回転を許容するための間隙を保ちつつ、大気の浸入及び大気への流出を抑制するシール効果を担っている。シール用固定板42Aの幅方向の大きさは、特に規定する必要はないが、余り大きくする必要はなく、シール板42の場合と同等にすればよい。
On one end surface side of the
第1の接続管部45には酸素富化用空気供給管10が接続され、第2の接続管部46には第1の空気排出本管14が接続され、第3の接続管部47には酸素富化空気排出管13が接続さ、第4の接続管部48には窒素放出用空気供給管11が接続されている。この場合、酸素富化用空気供給管10の軸心延長方向の同一箇所に酸素富化空気排出管13が配置され、また、窒素放出用空気供給管11の軸心延長方向の同一箇所に第1の空気排出本管14が配置されている。つまり、図8及び図9において、酸素富化用空気供給管10に供給された空気は、第1の接続管部45、円筒型容器34、第3の接続管部47の順に通過し、酸素富化空気排出管13に排出するようになっている。一方、窒素放出用空気供給管11に供給された空気は、第4の接続管部48、円筒型容器34、第2の接続管部46の順に通過し、第1の空気排出本管14に排出するようになっている。
The oxygen connection
このように、図6及び図7に示す回転式窒素吸着装置であっても、また、図8及び図9に示す回転式窒素吸着装置であっても、本発明に係る酸素富化空気製造設備1で使用する回転式窒素吸着装置2においては、窒素吸収用吸着剤37が配置された円筒型容器34に対して空気を別々に流すことを必須条件とする。但し、円筒型容器34は、軸心35を中心として連続的或いは断続的に回転しており、且つ、円筒型容器34の端部と接続管体39,40及びシール板42との間に、或いは、円筒型容器34の端部と接続管部45,46,47,48及びシール用固定板42Aとの間に、回転を許容するための間隙を確保する必要があり、従って、酸素富化用空気供給管10から供給された空気の全てが酸素富化空気排出管13から排出するわけではなく、同様に、窒素放出用空気供給管11から供給された空気の全てが第1の空気排出本管14から排出するわけではなく、一部分の空気は相互に混合する。本発明においては一部分の空気の混合は問題としないものの、酸素富化空気を効率良く製造するためには、混合は少なければ少ないほど好ましく、両者の混合を極力少なくすることが重要となる。
Thus, even if it is a rotary nitrogen adsorption apparatus shown in FIG.6 and FIG.7, and it is a rotary nitrogen adsorption apparatus shown in FIG.8 and FIG.9, the oxygen-enriched air production equipment which concerns on this invention In the rotary
そこで、本発明に係る酸素富化空気製造設備1で使用する回転式窒素吸着装置2においては、円筒型容器34の内部を、図10に示すように、軸心35から半径方向に放射状に伸びる仕切板36によって複数に仕切っている。本発明においては、仕切板36によって仕切られた各領域を「ユニット」と称しており、仕切板36は、円筒型容器34の全長にわたって配置されている。つまり、各ユニットは、互いに行き交うことなく、ガスの流路方向に沿って円筒型容器34の一方の端部から他方の端部まで連通し、雰囲気の混合を防止している。
Therefore, in the rotary
そして、この仕切板36は、シール板42及びシール用固定板42A、接続管部45,46,47,48との間で、回転を許容するための間隙を確保しつつ、雰囲気の混合を抑制するためのシール効果を担っている。そのためには、仕切板36の先端とシール板42及びシール用固定板42A、接続管部45,46,47,48との間隙を狭くすることが好ましく、この間隙を狭くするためには、仕切板36の先端位置を精度良く調整する必要があり、従って、加工精度が高いことから仕切板36は金属製とすることが好ましい。同様に、シール板42、シール用固定板42Aも金属製とすることが好ましい。また、同様に、接続管体39,40及び接続管部45,46,47,48も金属製とすることが好ましい。但し、これらをセラミック製や合成樹脂製などとしても構わない。ここで、仕切板36は、円筒型容器34の剛性を確保するための補強材としても機能している。
And this
酸素富化用空気供給管10から供給される空気と、窒素放出用空気供給管11から供給される空気との圧力差は、具体的には、例えば酸素濃度が約30体積%の酸素富化空気を、窒素吸収用吸着剤37としてゼオライトを用いて製造する場合には、40kPa程度となる。この場合、制御が容易であることから、一般的に、両方の空気の中間の圧力を大気圧とし、酸素富化用空気供給管10から供給する空気の圧力を大気圧よりも20kPa程度高くし、一方、窒素放出用空気供給管11から供給する空気の圧力を大気圧よりも20kPa程度低くした制御が行われる。
Specifically, the pressure difference between the air supplied from the oxygen enrichment
図6及び図7に示す回転式窒素吸着装置のように、円筒型容器34の端面を一つの接続管体で覆い、当該接続管体の内部に分離板41を配置し、この分離板で、圧力差を有する空気を分離して円筒型容器34に導入した場合には、両者の圧力差(=40kPa程度)がそのまま原動力(ドライビング・フォース)となって、円筒型容器34の端面での高圧側から低圧側へのリークが起こる。このリークを防止するためには、仕切板36とシール板42との間隔を狭く且つ精度良く管理しなければならない。
As in the rotary nitrogen adsorption apparatus shown in FIGS. 6 and 7, the end face of the
これに対して、図8及び図9に示す回転式窒素吸着装置では、円筒型容器34の端面を2つの接続管部45,46及び接続管部47,48で覆い、その間にはシール用固定板42Aを設置しているので、このリークの原動力となる圧力差を半減させることができる。つまり、シール用固定板42Aの部位は常に大気圧であるので、リークの原動力は供給する空気同士の圧力差ではなく、大気との圧力差に基づくことになる。例えば、酸素富化用空気供給管10から供給する空気と窒素放出用空気供給管11から供給する空気との圧力差が40kPa程度であった場合でも、リークの原動力となる圧力差は、20kPa程度となり、供給する空気同士の場合の1/2となる。
On the other hand, in the rotary nitrogen adsorption apparatus shown in FIGS. 8 and 9, the end face of the
因みに、差圧とリーク流量との関係は、同一の流体で比較する場合、下記の(1)式で表され、差圧の増加とともにリーク流量は増加する。
Q=A×ΔP1/2…(1)
但し、(1)式において、Qはリーク流量、ΔPは差圧、Aは定数である。
Incidentally, the relationship between the differential pressure and the leak flow rate is expressed by the following equation (1) when compared with the same fluid, and the leak flow rate increases as the differential pressure increases.
Q = A × ΔP 1/2 (1)
However, in the equation (1), Q is a leak flow rate, ΔP is a differential pressure, and A is a constant.
例えば、シール面での差圧が40kPaの場合に、100Nm3/hの気体がリークする回転装置が存在すると仮定すると、このシール面での差圧が20kPaに半減すれば、リーク流量は約0.7倍、つまり、リーク流量は約30%減少する。このように、図8及び図9に示す回転式窒素吸着装置では、リーク流量が低減され、その結果、酸素富化用空気供給管10から供給する空気流量を減少することができ、送風機の動力が削減される。
For example, assuming that there is a rotating device that leaks gas of 100 Nm 3 / h when the differential pressure at the seal surface is 40 kPa, the leak flow rate is about 0 when the differential pressure at the seal surface is halved to 20 kPa. 0.7 times, that is, the leak flow is reduced by about 30%. As described above, in the rotary nitrogen adsorption apparatus shown in FIGS. 8 and 9, the leak flow rate is reduced, and as a result, the air flow rate supplied from the oxygen enrichment
仕切板36によって仕切られた各ユニットには、窒素吸収用吸着剤37が充填されている。窒素吸収用吸着剤37を各ユニットに充填するにあたり、窒素吸収用吸着剤37を、金網、ネットなどで梱包して各ユニットに装入してもよく、また、窒素吸収用吸着剤37を塗布したハニカム構造体を各ユニットに装入してもよい。
Each unit partitioned by the
図11に、窒素吸収用吸着剤37を塗布したハニカム構造体43を円筒型容器34の各ユニットに装入した例を示す。つまり、仕切板36で仕切られた各ユニットに、表面に窒素吸収用吸着剤37が塗布されたハニカム構造体43を配置する。窒素吸収用吸着剤37での圧力損失を低減するためには、窒素吸収用吸着剤37を、円筒型容器34の内部に充填せずに、ハニカム構造体43に塗布することが好ましいが、窒素吸収用吸着剤37をハニカム構造体43の表面に厚く塗布することは難しく、必要量を塗布するためにはハニカム構造体43の形状が大きくなり、経済性を損なう場合もあるので、ハニカム構造体43を採用する場合には、その点を考慮する必要がある。尚、図11は、本発明で使用する回転式窒素吸着装置2の内部構造の例を示す概略図であり、(A)が円筒型容器34の斜視図、(B)がハニカム構造体43の拡大図である。
FIG. 11 shows an example in which the
また更に、本発明で使用する回転式窒素吸着装置2においては、円筒型容器34と第1の接続管体39との間隙、及び、円筒型容器34と第2の接続管体40との間隙、並びに、円筒型容器34と接続管部45,46との間隙、及び、円筒型容器34と接続管部47,48との間隙からの大気の流入或いは大気への流出を抑制するために、円筒型容器34の端部とこれらのフランジ部39a,40a,45a,46a,47a,48aとの間に、ハージ用ガスを連続的または断続的に供給することが好ましい。ハージ用ガスとしては、露点が−40℃以下の乾燥したガスであるならばどのような種類のガスであっても構わないが、本実施形態に係る回転式窒素吸着装置2では、吸着除湿装置3,4,5にて除湿された空気を使用する。好ましいガスパージ機構の構成例を図12に示す。
Still further, in the rotary
図12において、円筒型容器34の端部34aと、第1の接続管体39のフランジ部39aとの摺動面を覆うように、円筒型容器34の全周にわたって、パージ用空気供給管12と連結するパージ部材44が取り付けられており、パージ部材44に開口するパージ用空気供給管12から供給される乾燥した空気によってパージ部材44に囲まれた空間が置換されるようになっている。これにより、湿潤状態の大気の円筒型容器34への侵入が防止される。図12は、円筒型容器34と第1の接続管体39とのパージ機構を説明したが、円筒型容器34と第2の接続管体40との間隙、及び、円筒型容器34と接続管部45,46,47,48との間隙も同様に実施すればよい。
In FIG. 12, the purge
回転式窒素吸着装置2は、その軸心35を水平方向にすると、仕切板36によって仕切られた各ユニットに充填した窒素吸収用吸着剤37が重力を受けて鉛直下方に移動してしまい、各ユニットの上部側に窒素吸収用吸着剤37が充填されない部分が生じ、窒素吸収用吸着剤37と接触しないまま円筒型容器34を通り抜ける空気が生ずる恐れがあるので、図6〜7及び図8〜9に示すように、軸心35を鉛直方向にすることが好ましい。但し、ハニカム構造体43を採用する場合には、窒素吸収用吸着剤37は重力の影響を受けない、つまり偏在しないので、軸心35を水平方向としても構わない。
When the rotary
第1の空気排出本管14は、図5に示すように、その流路方向の下流側で、空気排出枝管14a、空気排出枝管14b及び空気排出枝管14cの3つに分岐され、空気排出枝管14aは吸着除湿装置3に連結し、空気排出枝管14bは吸着除湿装置4に連結し、空気排出枝管14cは吸着除湿装置5に連結している。第1の空気排出本管14には、第1の空気排出本管14を通る空気の流量を調整するための流量調節弁33が設置され、また、空気排出枝管14aには、遮断弁18が設置され、空気排出枝管14bには、遮断弁23が設置され、空気排出枝管14cには、遮断弁28が設置されている。
As shown in FIG. 5, the first air discharge
回転式窒素吸着装置2の第1の空気排出本管14から排出される空気は、窒素濃度は高いものの、吸着除湿装置3、吸着除湿装置4、吸着除湿装置5の何れかで除湿されており、その露点は低いままである。従って、回転式窒素吸着装置2から排出される空気を、吸着除湿装置3,4,5の水分吸収用吸着剤38の再生用ガス、つまり、水分吸収用吸着剤38からの水分放出用ガスとして利用することができる。その場合、吸着除湿装置の水分吸収用吸着剤に吸着した水分は容易に水分放出用ガスに放出されて再生され、吸着除湿装置の水分吸収用吸着剤の再生コストを抑えることが可能となる。即ち、水分を吸着した水分吸収用吸着剤38と乾燥した空気とが接触することで、水分吸収用吸着剤38に吸着した水分は脱離して空気中に放出され、水分吸収用吸着剤38は再生され、一方、水分放出用ガスの水分は増加する。水分放出用ガスの水分が増加することを「水分富化処理」という。
The air discharged from the first air discharge
尚、上記の実施形態では、水分放出用ガス供給管14a,14b,14cは第1の空気排出本管14から分岐しているが、水分放出用ガスとしては、これに限定されない。露点が吸着除湿装置3,4,5により脱水分処理された後の空気と同程度以下のガスであれば、どのようなガスでも使用可能である。
In the above embodiment, the moisture release
吸着除湿装置3の空気排出枝管14aと連結する側とは反対側に、空気排出枝管15aが配置され、吸着除湿装置3で水分富化処理された空気は、空気排出枝管15aに排出される。同様に、吸着除湿装置4の空気排出枝管14bと連結する側とは反対側に、空気排出枝管15bが配置され、吸着除湿装置4で水分富化処理された空気は、空気排出枝管15bに排出され、また、吸着除湿装置5の空気排出枝管14cと連結する側とは反対側に、空気排出枝管15cが配置され、吸着除湿装置5で水分富化処理された空気は、空気排出枝管15cに排出される。これらの空気排出枝管15a、空気排出枝管15b及び空気排出枝管15cは、流路方向の下流側で1つにまとまって第2の空気排出本管15となる。空気排出枝管15aには遮断弁19が設置され、空気排出枝管15bには遮断弁24が設置され、空気排出枝管15cには遮断弁29が設置されている。
An air
吸着除湿装置3,4,5に配置される水分吸収用吸着剤38は、飽和濃度以上の水分は吸着しないので、本発明を実施する際は、3基の吸着除湿装置3,4,5で同時に脱水分処理を実施することはなく、何れかの内の少なくとも1基の吸着除湿装置では、乾燥した空気を導入し、水分吸収用吸着剤38の再生を実施する。遮断弁16、遮断弁17、遮断弁18、遮断弁19、遮断弁21、遮断弁22、遮断弁23、遮断弁24、遮断弁26、遮断弁27、遮断弁28、遮断弁29は、吸着除湿装置3,4,5の運転を、水分吸着と水分放出とに切り替えるための弁である。
Since the
第2の空気排出本管15は、空気を吸引するための送風機7と連結し、送風機7により吸引された低酸素・高湿度の空気は大気に放散される。本発明の第1の実施形態に係る酸素富化空気製造設備1では、流路の入側に設置した送風機6と、流路の出側に設置した送風機7の2基の送風機によって空気が送風されるが、流路の途中に送風機を配置することは本発明を実施する上で何ら問題とはならず、必要に応じて設置すればよい。
The second air discharge
このようにして構成される、本発明の第1の実施形態に係る酸素富化空気製造設備1を用いて、空気から酸素富化空気を製造する方法を説明する。
A method for producing oxygen-enriched air from air using the oxygen-enriched
即ち、図5において、送風機6から吸着除湿装置3,4,5のうちの少なくとも何れか1つに供給した空気が、酸素富化用空気供給管10を介して回転式窒素吸着装置2に供給され、且つ、回転式窒素吸着装置2から第1の空気排出本管14を介して排出された空気が、送風機6から空気が供給されていない吸着除湿装置を通って送風機7で吸引されて排出できるように、遮断弁16、遮断弁17、遮断弁18、遮断弁19の群、遮断弁21、遮断弁22、遮断弁23、遮断弁24の群、及び、遮断弁26、遮断弁27、遮断弁28、遮断弁29の群の開閉を調整する。例えば、送風機6の空気を吸着除湿装置3に供給する場合には、遮断弁16及び遮断弁17を「開」とし、遮断弁18及び遮断弁19を「閉」とする。そして、その状態で、送風機6を作動させるとともに送風機7を稼働させ、且つ、回転式窒素吸着装置2の円筒型容器34を、軸心35を中心として連続的或いは断続的に回転させる。
That is, in FIG. 5, the air supplied from the
送風機6から吸着除湿装置3,4,5のうちの少なくとも何れか1つに供給された空気は、供給された吸着除湿装置に配置される水分吸収用吸着剤38と接触して水分が除去され、脱水分処理された空気は、酸素富化用空気供給管10、窒素放出用空気供給管11及びパージ用空気供給管12を通って回転式窒素吸着装置2に供給される。酸素富化用空気供給管10、窒素放出用空気供給管11及びパージ用空気供給管12を通る空気の流量を、流量調節弁31及び流量調節弁32によって所定の範囲に調整する。この場合、脱水分処理後の空気の露点が−40℃以下となるように、吸着除湿装置を通過する空気の流量・流速を調整することが好ましい。
The air supplied from the
ゼオライトからなる、回転式窒素吸着装置2に配置される窒素吸収用吸着剤37は、圧力または温度の差によって窒素吸着量を変更するので、酸素富化用空気供給管10から供給する空気の圧力を、窒素放出用空気供給管11から供給する空気の圧力よりも高くするか、または、酸素富化用空気供給管10から供給する空気の温度を、窒素放出用空気供給管11から供給する空気の温度よりも低くするか、或いは、酸素富化用空気供給管10から供給する空気を、窒素放出用空気供給管11から供給する空気に比べて圧力を高く温度を低くして、その状態の空気を、酸素富化用空気供給管10及び窒素放出用空気供給管11から供給する。
Since the
供給する空気の圧力調整は、例えば、送風機6と送風機7との吐出圧力の調整などによって行うことができ、供給する空気の温度調整は、酸素富化用空気供給管10にヒーター(図示せず)を設置する或いは窒素放出用空気供給管11に冷却器(図示せず)を設置することなどによって行うことができる。
The pressure of the supplied air can be adjusted, for example, by adjusting the discharge pressure of the
酸素富化用空気供給管10及び窒素放出用空気供給管11から回転式窒素吸着装置2に供給された空気は、それぞれ窒素吸収用吸着剤37と接触する。ここで、酸素富化用空気供給管10から供給された空気は、窒素放出用空気供給管11から供給された空気に比較して圧力が高い、または温度が低い、或いは圧力が高く温度が低いので、ゼオライトからなる窒素吸収用吸着剤37によって窒素が吸着され、窒素が減少して、酸素富化が行われる。
The air supplied to the rotary
一方、窒素放出用空気供給管11から供給された空気は、酸素富化用空気供給管10から供給された空気に比較して圧力が低い、または温度が高い、或いは圧力が低く温度が高いので、この空気と接触することによってゼオライトからなる窒素吸収用吸着剤37の窒素吸着量が低下し、窒素吸着量の差分の窒素が窒素放出用空気供給管11から供給された空気に放出される。これにより、窒素放出用空気供給管11から供給された空気の窒素濃度が増加する。このようにすることで、窒素吸収用吸着剤37は窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して窒素の吸着・放出を遂行する。酸素富化用空気供給管10から供給され、酸素富化された空気は、酸素富化空気排出管13を介してガスタンク、ガスホルダーなどに回収される。
On the other hand, the air supplied from the nitrogen release
一方、窒素富化処理の施された空気は、第1の空気排出本管14を通って、送風機6から空気が供給されていない吸着除湿装置に導入されて、その吸着除湿装置に配置された水分吸収用吸着剤38と接触する。第1の空気排出本管14から排出される空気は、窒素濃度は高いものの、別の吸着除湿装置の水分吸収用吸着剤38によって既に水分が除去された乾燥状態の空気であるので、水分吸収用吸着剤38に吸着した水分は、第1の空気排出本管14から導入される空気に放出され、この空気の水分濃度は上昇する。かくして、脱水分処理を行っていない吸着除湿装置に配置される水分吸収用吸着剤38は再生される。
On the other hand, the air subjected to the nitrogen enrichment process is introduced into the adsorption dehumidifier to which no air is supplied from the
ここで、吸着除湿装置3、吸着除湿装置4及び吸着除湿装置5の切り替えのタイムスケジュールの例を表1及び表2に示す。
Here, Tables 1 and 2 show examples of time schedules for switching between the
表1に示すタイムスケジュールは、吸着除湿装置3と吸着除湿装置4とで、水分吸収用吸着剤38による吸着つまり脱水分処理と、水分吸収用吸着剤38からの放出(脱離)とを交互に切り替え、この切り替えの時期に吸着除湿装置5による吸着(脱水分処理)を重複させる例である。一方、表2に示すタイムスケジュールは、吸着除湿装置3、吸着除湿装置4及び吸着除湿装置5による吸着(脱水分処理)を、吸着工程の2/3周期でずらしながら重複させる、つまり、或る吸着除湿装置による吸着工程が2/3経過した時点で、次の吸着除湿装置による吸着工程を開始させるという例である。
In the time schedule shown in Table 1, the
どちらのタイムスケジュールにおいてもバルブの切り替え時間が必要となるため、同じ吸湿装置の切り替えタイミングにはタイムラグがある。但し、吸着工程の末期で重複させるので、安定して酸素富化空気を製造することが可能となる。 In both time schedules, since the valve switching time is required, there is a time lag in the switching timing of the same moisture absorption device. However, since it overlaps at the end of the adsorption process, it becomes possible to produce oxygen-enriched air stably.
また、吸着と放出(脱離)の間には放散弁20,25,30から低酸素空気を放出する操作が必要となるため、遮断弁16,23,28と遮断弁17,22,27の開閉にはタイムラグをつくる。
In addition, since the operation of releasing low oxygen air from the
円筒型容器34の回転数は、酸素富化用空気供給管10から供給する空気量、窒素放出用空気供給管11から供給される空気との圧力差または温度差、酸素富化空気製造設備1の構成、窒素吸収用吸着剤37の設置条件などに基づき、回転数を変更したときの回転式窒素吸着装置2の出口における流量及び酸素濃度を計算し、算出される流量及び酸素濃度が目標とする流量及び酸素濃度以上となる条件に設定するものとする。少なくとも、窒素吸収用吸着剤37の吸着量が飽和吸着量に達しないうちに180度回転(半回転)するようにしなければならない。
The rotational speed of the
図13に、後述する実施例に示す深冷分離装置によって酸素富化空気を製造する場合の動力から、本発明の第1の実施形態によって酸素富化空気を製造する場合の動力を差し引いたときの差(差=深冷法−本発明法)を、酸素富化空気の酸素濃度別に示す。図13に示すように、深冷法やPSA法との比較において、本発明の効果をより一層発揮できるのは、空気中の酸素濃度を62体積%以下の範囲で酸素富化する場合であり、酸素濃度を21〜35体積%に酸素富化する場合には更に本発明の効果をより高く発揮できる。 In FIG. 13, when the power for producing oxygen-enriched air according to the first embodiment of the present invention is subtracted from the power for producing oxygen-enriched air by the cryogenic separator shown in the examples described later. (Difference = deep cooling method-method of the present invention) is shown for each oxygen concentration of oxygen-enriched air. As shown in FIG. 13, in the comparison with the deep cooling method or the PSA method, the effect of the present invention can be further exhibited when the oxygen concentration in the air is in the range of 62% by volume or less. When the oxygen concentration is enriched to 21 to 35% by volume, the effect of the present invention can be further enhanced.
このように、本実施形態に係る酸素富化空気製造設備1によれば、吸着除湿装置3,4,5と回転式窒素吸着装置2とを備えていて、先ず、吸着除湿装置3,4,5にて空気に対して脱水分処理を施し、次いで、脱水分処理の施された乾燥状態の空気を回転式窒素吸着装置2に導入するので、回転式窒素吸着装置2の窒素吸収用吸着剤37は水分の影響を受けることなく、供給される空気から窒素を吸着し、酸素富化空気を安定して製造することが実現される。そして、吸着除湿装置3,4,5で脱水分処理された空気の一部を、回転式窒素吸着装置2の窒素吸収用吸着剤37からの窒素放出用ガスとして使用する場合には、窒素吸収用吸着剤37に吸着した窒素は窒素放出用ガスに放出され、窒素吸収用吸着剤37の窒素吸着量は飽和にならず、酸素富化空気を長期間にわたって連続的に製造することが可能となる。
Thus, according to the oxygen-enriched
また、本発明に係る酸素富化空気製造設備1では、回転式窒素吸着装置2を用いているので、窒素吸着装置が固定式の場合に比較して、窒素吸着装置の設置数が少なくなるのみならず、それによる各種配管及び切り替え弁の設置数も少なくなり、設備コストを大幅に削減することが可能となる。また、窒素吸着装置を切り替えることなく酸素富化空気の連続製造が可能となり、作業の煩雑性が解消される。
Moreover, in the oxygen-enriched
次に、脱水分処理するための吸着除湿装置が回転式である第2の実施形態の酸素富化空気製造設備について説明する。図14は、本発明に係る酸素富化空気製造設備の第2の実施形態の全体構成を示す概略図である。尚、第2の実施形態は、図5に示す第1の実施形態における吸着除湿装置3,4,5に代わって回転式吸着除湿装置3Aが配置されており、その他の構成は第1の実施形態と同等であり、従って、重複することもあるが、以下に説明する。
Next, an oxygen-enriched air production facility according to a second embodiment in which the adsorption dehumidification apparatus for performing dehydration treatment is a rotary type will be described. FIG. 14 is a schematic diagram showing the overall configuration of the second embodiment of the oxygen-enriched air production facility according to the present invention. In the second embodiment, a rotary adsorption / dehumidification device 3A is arranged in place of the adsorption /
図14に示すように、本発明の第2の実施形態に係る酸素富化空気製造設備1Aは、ゼオライトなどからなる窒素吸収用吸着剤37が配置された、空気中の窒素を除去して酸素富化空気を製造するための1基の回転式窒素吸着装置2と、水分吸収用吸着剤38が配置された、窒素を除去するに先立って空気中の水分を除去するための1基の回転式吸着除湿装置3Aとを備えている。また、回転式吸着除湿装置3Aと回転式窒素吸着装置2とを連結するための各種配管が配置され、更に、回転式吸着除湿装置3Aへ空気を供給するための送風機6及び回転式吸着除湿装置3Aからの排出空気を吸引するための送風機7が配置されている。
As shown in FIG. 14, the oxygen-enriched
空気を送るための送風機6は第1の空気供給本管8と連結し、送風機6により供給された空気は第1の空気供給本管8に導入される。第1の空気供給本管8は、流路方向の下流側で回転式吸着除湿装置3Aに連結している。回転式吸着除湿装置3Aの内部には、活性アルミナ、モレキュラーシーブなどの水分吸収用吸着剤38が配置されており、回転式吸着除湿装置3Aに供給された空気は水分吸収用吸着剤38と接触して脱水分処理される。
The
回転式吸着除湿装置3Aの第1の空気供給本管8と連結する側とは反対側に、第2の空気供給本管9が配置されており、回転式吸着除湿装置3Aで脱水分処理された空気は、第2の空気供給本管9に導入される。
A second air supply
第2の空気供給本管9は、その流路方向の下流側で、酸素富化用空気供給管10、窒素放出用空気供給管11、パージ用空気供給管12及びパージ用空気供給管12Aの4つに分岐し、酸素富化用空気供給管10、窒素放出用空気供給管11及びパージ用空気供給管12は、それぞれ、窒素吸収用吸着剤37が配置された回転式窒素吸着装置2に連結され、一方、パージ用空気供給管12Aは回転式吸着除湿装置3Aに連結されている。
The second air supply
酸素富化用空気供給管10は、回転式窒素吸着装置2で窒素が除去されて酸素富化空気となる空気を送るための供給管であり、窒素放出用空気供給管11は、回転式窒素吸着装置2の窒素吸収用吸着剤37の再生を図るための窒素放出用ガスとしての空気を供給するための供給管であり、パージ用空気供給管12は、湿潤状態の大気が回転式窒素吸着装置2へ流入することを防止するために、回転式窒素吸着装置2の回転部と固定部との間に、脱水分処理された空気をパージ用ガスとして供給するための供給管である。また、パージ用空気供給管12Aは、湿潤状態の大気が回転式吸着除湿装置3Aへ流入することを防止するために、回転式吸着除湿装置3Aの回転部と固定部との間に、脱水分処理された空気をパージ用ガスとして供給するための供給管である。
The oxygen-enriched
窒素放出用空気供給管11には、窒素放出用空気供給管11を通過する空気の流量を調整するための流量調節弁31が設置され、パージ用空気供給管12には、パージ用空気供給管12を通過する空気の流量を調整するための流量調節弁32が設置され、パージ用空気供給管12Aには、パージ用空気供給管12Aを通過する空気の流量を調整するための流量調節弁49が設置されている。
The nitrogen release
回転式窒素吸着装置2の酸素富化用空気供給管10と連結する側とは反対側に、酸素富化空気排出管13が配置されており、酸素富化用空気供給管10から供給され、酸素富化した空気は、酸素富化空気排出管13を介してガスタンク、ガスホルダーなどの収容容器(図示せず)に排出される。また、回転式窒素吸着装置2の窒素放出用空気供給管11と連結する側とは反対側に、第1の空気排出本管14が配置されており、窒素放出用空気供給管11から供給され、窒素吸収用吸着剤37を再生した空気は第1の空気排出本管14を介して排出される。
An oxygen-enriched
尚、図14では、酸素富化用空気供給管10と窒素放出用空気供給管11とが、流路の方向を回転式窒素吸着装置2に対して逆向き方向に連結されているが、必ずしも逆向き方向とする必要はなく、同一方向であっても構わない。また、本実施形態では、窒素放出用空気供給管11は第2の空気供給本管9から分岐しているが、窒素放出用ガスとしては、これに限定されない。但し、露点が回転式吸着除湿装置3Aにより脱水分処理された後の空気と同程度以下で、窒素濃度が空気中の窒素濃度以下のガスであることが好ましい。
In FIG. 14, the oxygen enrichment
第1の空気排出本管14は、その流路方向の下流側で回転式吸着除湿装置3Aに連結しており、そして、この第1の空気排出本管14には、第1の空気排出本管14を通る空気の流量を調整するための流量調節弁33及び第1の空気排出本管14を通る空気を遮断するための遮断弁50が設置されている。
The first air discharge
第1の空気排出本管14から排出される空気は、窒素濃度は高いものの、回転式吸着除湿装置3Aで予め除湿されており、その露点は低いままである。従って、回転式窒素吸着装置2から排出される空気を、回転式吸着除湿装置3Aの水分吸収用吸着剤38の再生用ガスとして、つまり、水分吸収用吸着剤38からの水分放出用ガスとして利用することができる。即ち、回転式吸着除湿装置3Aの水分吸収用吸着剤38に吸着した水分は容易に水分放出用ガスに放出されて再生され、回転式吸着除湿装置3Aの水分吸収用吸着剤38の再生コストを抑えることが可能となる。このようにすることで、回転式吸着除湿装置3Aの水分吸収用吸着剤38は水分吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して水分の吸着・放出を遂行する。
Although the air discharged from the first air discharge
尚、上記の実施形態では、水分放出用ガスとして第1の空気排出本管14から排出される窒素富化された空気を利用しているが、水分放出用ガスとしては、これに限定されない。露点が回転式吸着除湿装置3Aにより脱水分処理された後の空気と同程度以下のガスであれば、どのようなガスでも使用可能である。また、第1の空気供給本管8と第1の空気排出本管14とが、流路の方向を回転式吸着除湿装置3Aに対して逆向き方向に連結されているが、必ずしも逆向き方向とする必要はなく、同一方向であっても構わない。
In the above-described embodiment, nitrogen-enriched air discharged from the first air discharge
回転式吸着除湿装置3Aの第1の空気排出本管14と連結する側とは反対側に、第2の空気排出本管15が配置されており、回転式吸着除湿装置3Aで水分富化処理された空気は、第2の空気排出本管15に排出される。第2の空気排出本管15は空気を吸引するための送風機7と連結し、送風機7により吸引された低酸素・高湿度の空気は大気に放散される。
A second air discharge main 15 is disposed on the side opposite to the side connected to the first air discharge main 14 of the rotary adsorption dehumidifier 3A, and the water enrichment treatment is performed by the rotary adsorption dehumidifier 3A. The air thus discharged is discharged to the second air discharge
本発明の第2の実施形態に係る酸素富化空気製造設備1Aでは、流路の入側に設置した送風機6と、流路の出側に設置した送風機7の2基の送風機によって空気が送風されるが、流路の途中に送風機を配置することは本発明を実施する上で何ら問題とはならず、必要に応じて設置すればよい。
In the oxygen-enriched
第2の実施形態で使用する回転式窒素吸着装置2は、第1の実施形態で使用する回転式窒素吸着装置2と同一とする。即ち、前述した図6,7,10または図8,9,10に示す回転式窒素吸着装置を使用すればよく、その詳細な説明は省略する。また、第2の実施形態で使用する回転式吸着除湿装置3Aも、第1の実施形態で使用する回転式窒素吸着装置2と同様の構造とすればよい。但し、当然のことではあるが、回転式吸着除湿装置3Aの場合には、円筒型容器34の内部に窒素吸収用吸着剤37に代えて水分吸収用吸着剤38を配置する。それ以外は、第1の実施形態で使用する回転式窒素吸着装置2と同様であり、その説明を省略する。尚、円筒型容器34の回転部と固定部との間のパージ機構も第1の実施形態で使用する回転式窒素吸着装置2と同様に行えばよい。
The rotary
このようにして構成される、本発明の第2の実施形態に係る酸素富化空気製造設備1Aを用いて、空気から酸素富化空気を製造する方法を説明する。
A method for producing oxygen-enriched air from air using the oxygen-enriched
即ち、図14において、送風機6により回転式吸着除湿装置3Aに空気を供給するとともに、送風機7により回転式吸着除湿装置3Aから空気を吸引し、これにより、回転式吸着除湿装置3Aに供給した空気が、酸素富化用空気供給管10を介して回転式窒素吸着装置2に供給され、且つ、回転式窒素吸着装置2から第1の空気排出本管14を介して排出された空気が、回転式吸着除湿装置3Aを通って排出されるように、空気の流れを形成させる。そして、その状態で、回転式吸着除湿装置3A及び回転式窒素吸着装置2を、軸心35を中心として連続的或いは断続的に回転させる。
That is, in FIG. 14, air is supplied to the rotary adsorption / dehumidification device 3A by the
送風機6から回転式吸着除湿装置3Aに供給された空気は、回転式吸着除湿装置3Aに配置される水分吸収用吸着剤38と接触して水分が除去され、脱水分処理された空気は、酸素富化用空気供給管10、窒素放出用空気供給管11及びパージ用空気供給管12を通って回転式窒素吸着装置2に供給されるとともに、パージ用空気供給管12Aを通って回転式吸着除湿装置3Aに供給される。酸素富化用空気供給管10、窒素放出用空気供給管11、パージ用空気供給管12及びパージ用空気供給管12Aを通る空気の流量を、流量調節弁31、流量調節弁32及び流量調節弁49によって所定の範囲に調整する。この場合、脱水分処理後の空気の露点が−40℃以下となるように、回転式吸着除湿装置3Aを通過する空気の流量・流速を調整することが好ましい。
The air supplied from the
ゼオライトからなる、回転式窒素吸着装置2に配置される窒素吸収用吸着剤37は、圧力または温度の差によって窒素吸着量を変更するので、酸素富化用空気供給管10から供給する空気の圧力を、窒素放出用空気供給管11から供給する空気の圧力よりも高くするか、または、酸素富化用空気供給管10から供給する空気の温度を、窒素放出用空気供給管11から供給する空気の温度よりも低くするか、或いは、酸素富化用空気供給管10から供給する空気を、窒素放出用空気供給管11から供給する空気に比べて圧力を高く温度を低くして、その状態の空気を、酸素富化用空気供給管10及び窒素放出用空気供給管11から供給する。
Since the
両ガスの温度差は0〜400℃であればよい。温度差はなくともよく、上限は吸着剤の耐用度で決まるがほぼ400℃である。尚、より実用的には0〜100℃である。また、両ガスの圧力差は20〜70kPaあれば目的とする酸素富化が効率良く達成できる(個々の圧力条件としては、20kPa時には吸着ガス側は+10kPa、脱着ガス側は−10kPa程度、70kPa時には吸着ガス側は+10kPa、脱着ガス側は−60kPaである)。圧力差が20kPa未満では十分に吸着が進まず、一方、圧力差が70kPa超えでは従来の深冷法と同等の動力となってしまう。一例として酸素濃度30体積%の酸素富化空気を得ようとする場合は、50kPa(例えば、吸着側+10kPa、脱着側−40kPa)でよい。また、温度差と圧力差を同時に使用する場合は、上記条件の範囲内に収める。 The temperature difference of both gases should just be 0-400 degreeC. There may be no temperature difference, and the upper limit is approximately 400 ° C. although it is determined by the durability of the adsorbent. In addition, it is 0-100 degreeC more practically. In addition, if the pressure difference between the two gases is 20 to 70 kPa, the target oxygen enrichment can be achieved efficiently (as individual pressure conditions, the adsorption gas side is +10 kPa at 20 kPa, the desorption gas side is about -10 kPa, and the pressure difference is 70 kPa. The adsorption gas side is +10 kPa, and the desorption gas side is −60 kPa). If the pressure difference is less than 20 kPa, the adsorption does not proceed sufficiently. On the other hand, if the pressure difference exceeds 70 kPa, the power becomes equivalent to that of the conventional deep cooling method. As an example, in the case of obtaining oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 30% by volume, 50 kPa (for example, adsorption side +10 kPa, desorption side −40 kPa) may be used. Moreover, when using a temperature difference and a pressure difference simultaneously, it will be settled in the range of the said conditions.
供給する空気の圧力調整は、例えば、送風機6と送風機7との吐出圧力の調整などによって行うことができ、供給する空気の温度調整は、酸素富化用空気供給管10にヒーター(図示せず)を設置する或いは窒素放出用空気供給管11に冷却器(図示せず)を設置することなどによって行うことができる。
The pressure of the supplied air can be adjusted, for example, by adjusting the discharge pressure of the
酸素富化用空気供給管10及び窒素放出用空気供給管11から回転式窒素吸着装置2に供給された空気は、それぞれ窒素吸収用吸着剤37と接触する。ここで、酸素富化用空気供給管10から供給された空気は、窒素放出用空気供給管11から供給された空気に比較して圧力が高い、または温度が低い、或いは圧力が高く温度が低いので、ゼオライトからなる窒素吸収用吸着剤37によって窒素が吸着され、窒素が減少して、酸素富化が行われる。
The air supplied to the rotary
一方、窒素放出用空気供給管11から供給された空気は、酸素富化用空気供給管10から供給された空気に比較して圧力が低い、または温度が高い、或いは圧力が低く温度が高いので、この空気と接触することによってゼオライトからなる窒素吸収用吸着剤37の窒素吸着量が低下し、窒素吸着量の差分の窒素が窒素放出用空気供給管11から供給された空気に放出される。これにより、窒素放出用空気供給管11から供給された空気の窒素濃度が増加する。このようにすることで、窒素吸収用吸着剤37は窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して窒素の吸着・放出を遂行する。酸素富化用空気供給管10から供給され、酸素富化された空気は、酸素富化空気排出管13を介してガスタンク、ガスホルダーなどに回収される。
On the other hand, the air supplied from the nitrogen release
一方、窒素富化処理の施された空気は、第1の空気排出本管14を通って回転式吸着除湿装置3Aに導入され、回転式吸着除湿装置3Aに配置された水分吸収用吸着剤38と接触する。第1の空気排出本管14から排出される空気は、窒素濃度は高いものの、回転式吸着除湿装置3Aの水分吸収用吸着剤38によって既に水分が除去された乾燥状態の空気であるので、水分吸収用吸着剤38に吸着した水分は、第1の空気排出本管14から導入される空気に放出され、この空気の水分濃度は上昇する。かくして、回転式吸着除湿装置3Aの水分吸収用吸着剤38は、水分吸着量が飽和状態のまま留まることはなく再生され、連続して水分の吸着・放出を遂行する。
On the other hand, the air that has been subjected to the nitrogen enrichment process is introduced into the rotary adsorption / dehumidification device 3A through the first air discharge
回転式窒素吸着装置2の円筒型容器34の回転数は、酸素富化用空気供給管10から供給する空気量、窒素放出用空気供給管11から供給される空気との圧力差または温度差、酸素富化空気製造設備1Aの構成、窒素吸収用吸着剤37の設置条件などに基づき、回転数を変更したときの回転式窒素吸着装置2の出口における流量及び酸素濃度を計算し、算出される流量及び酸素濃度が目標とする流量及び酸素濃度以上となる条件に設定するものとする。
The rotational speed of the
回転式吸着除湿装置3Aの回転数も、回転式窒素吸着装置2の円筒型容器34の回転数と同様に、第1の空気供給本管8から供給する空気の流量及び露点、第1の空気排出本管14から供給される空気の流量及び露点、酸素富化空気製造設備1Aの構成、水分吸収用吸着剤38の設置条件などに基づき、回転数を変更したときの回転式吸着除湿装置3Aの出口における流量及び水分濃度を計算し、算出される流量及び水分濃度が目標とする流量及び水分濃度以下となる条件に設定するものとする。
The rotational speed of the rotary adsorption dehumidifying device 3A is the same as the rotational speed of the
このように、本実施形態に係る酸素富化空気製造設備1Aによれば、回転式吸着除湿装置3Aと回転式窒素吸着装置2とを備えていて、先ず、回転式吸着除湿装置3Aにて空気に対して脱水分処理を施し、次いで、脱水分処理の施された乾燥状態の空気を回転式窒素吸着装置2に導入するので、回転式窒素吸着装置2の窒素吸収用吸着剤37は水分の影響を受けることなく、供給される空気から窒素を吸着し、酸素富化空気を安定して製造することが実現される。そして、回転式吸着除湿装置3Aで脱水分処理された空気の一部を、回転式窒素吸着装置2の窒素吸収用吸着剤37からの窒素放出用ガスとして使用する場合には、窒素吸収用吸着剤37に吸着した窒素は窒素放出用ガスに放出され、窒素吸収用吸着剤37の窒素吸着量は飽和にならず、酸素富化空気を長期間にわたって連続的に製造することが可能となる。更に、回転式窒素吸着装置2で窒素富化処理された空気を回転式吸着除湿装置3Aの水分吸収用吸着剤38からの水分放出用ガスとして使用する場合には、水分吸収用吸着剤38に吸着した水分は水分放出用ガスに放出され、水分吸収用吸着剤38の水分吸着量は飽和にならず、長期間にわたって連続的に脱水分処理することが可能となる。
As described above, according to the oxygen-enriched
また、本発明に係る酸素富化空気製造設備1Aでは、回転式窒素吸着装置2を用いているので、窒素吸着装置が固定式の場合に比較して、窒素吸着装置の設置数が少なくなるのみならず、それによる各種配管及び切り替え弁の設置数も少なくなり、設備コストを大幅に削減することが可能となる。また、窒素吸着装置を切り替えることなく酸素富化空気の連続製造が可能となり、作業の煩雑性が解消される。また更に、本実施形態に係る酸素富化空気製造設備1Aでは、回転式吸着除湿装置3Aを用いているので、吸着除湿装置が固定式の場合に比較して、吸着除湿装置の設置数が少なくなるのみならず、それによる各種配管及び切り替え弁の設置数も少なくなり、第1の実施形態の場合よりも更に設備コストを削減することが可能となる。
Further, in the oxygen-enriched
尚、本発明は上記説明の範囲に限るものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記説明では、回転式窒素吸着装置2には窒素吸収用吸着剤37のみが配置されているが、回転式窒素吸着装置2にも水分吸収用吸着剤38を配置してもよい。回転式窒素吸着装置2には乾燥した空気を供給するので、回転式窒素吸着装置2の窒素吸収用吸着剤37は水分の影響を基本的には受けないが、供給される空気の露点が低ければ低いほど窒素の吸着効率が良く、従って、回転式窒素吸着装置2に設置される窒素吸収用吸着剤37を挟んでその両側、またはどちらか一方に、水分吸収用吸着剤38を設置することが好ましい。設置した水分吸収用吸着剤38によって水分が除去され、窒素吸収用吸着剤37には、乾燥した空気が供給される。また、何らかの理由により、円筒型容器34の端部と、第1の接続管体39或いは第2の接続管体40などとの摺動面から大気が混入した場合には、窒素吸収用吸着剤37は大気からの水分の影響を受け、窒素の吸着能が劣化するが、回転式窒素吸着装置2に設置される窒素吸収用吸着剤37を挟んでその両側、またはどちらか一方に、水分吸収用吸着剤38を設置することによって、これを防止することができる。
In addition, this invention is not limited to the range of the said description, A various change is possible. For example, in the above description, only the
この場合、回転式窒素吸着装置2に酸素富化用の空気と窒素放出用の空気とを逆方向から供給する場合には、窒素吸収用吸着剤37の両側に水分吸収用吸着剤38を設置することが好ましい。両側に設置することにより、窒素吸収用吸着剤37には乾燥した空気が常に供給されるのみならず、例えば、仮に酸素富化用空気供給管10からの空気に混入した大気によって酸素富化用空気供給管10の側に配置した水分吸収用吸着剤38が水分を吸収しても、この水分吸収用吸着剤38は、その後、窒素放出用空気供給管11から供給される乾燥した空気と接触するので、水分吸収用吸着剤38に吸着した水分は、窒素放出用空気供給管11から供給される乾燥した空気に放出され、水分吸収用吸着剤38が自ずと再生されるからである。回転式窒素吸着装置2に同一方向から空気を供給する場合には、窒素吸収用吸着剤37の流路の上流側に水分吸収用吸着剤38を配置すればよい。
In this case, when supplying oxygen-enriched air and nitrogen-releasing air to the rotary
また、上記説明では分離板41によって第1の接続管体39及び第2の接続管体40を二分割しているが、本発明においては、第1の接続管体39及び第2の接続管体40の内部を少なくとも二分割すればよく、何らかの目的に対応するべく分離板41の形状を変え、三分割以上としても構わない。
In the above description, the first connecting
図8に示す回転式窒素吸着装置を備えた、図5に示す酸素富化空気製造設備を用いて、高炉の羽口から吹き込む酸素富化空気を製造した。回転式窒素吸着装置の円筒型容器は、直径8.6m、長さ8.6mであり、ここでは、回転式窒素吸着装置の回転数を1分間あたり0.5回とし、酸素富化させる空気の圧力を大気に対して+10kPaとし、これとは反対向きに供給する窒素放出用の空気の圧力を大気に対して−30kPaとして、酸素富化空気を製造した。図15にそのフロー図を示す。図15において、符号2は回転式窒素吸着装置、3及び4は吸着除湿装置、6及び7は送風機、51は高炉、52は高炉送風機である。
Oxygen-enriched air blown from the tuyere of the blast furnace was produced using the oxygen-enriched air production facility shown in FIG. 5 equipped with the rotary nitrogen adsorption apparatus shown in FIG. The cylindrical container of the rotary nitrogen adsorption apparatus has a diameter of 8.6 m and a length of 8.6 m. Here, the rotation speed of the rotary nitrogen adsorption apparatus is 0.5 times per minute, and oxygen-enriched air is used. The oxygen-enriched air was produced at a pressure of +10 kPa relative to the atmosphere, and a pressure of nitrogen releasing air supplied in the opposite direction to −30 kPa relative to the atmosphere. FIG. 15 shows the flowchart. In FIG. 15,
図15に示すように、酸素富化空気製造設備へ供給した空気は酸素富化され、酸素富化空気製造設備の出口では30体積%の酸素濃度の酸素富化空気が得られた。一方、窒素富化処理された空気の酸素濃度は7体積%まで低下した。 As shown in FIG. 15, the air supplied to the oxygen-enriched air production facility was enriched with oxygen, and oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 30% by volume was obtained at the outlet of the oxygen-enriched air production facility. On the other hand, the oxygen concentration of the nitrogen-enriched air decreased to 7% by volume.
得られた酸素濃度が30体積%の酸素富化空気を通常の空気で希釈して酸素濃度が23.5体積%の酸素富化空気とし、これを476000Nm3/hの流量で高炉に吹き込んだ。この場合に必要とする動力は約41.8MWであった。 The obtained oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 30% by volume was diluted with normal air to obtain oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 23.5% by volume, and this was blown into the blast furnace at a flow rate of 476000 Nm 3 / h. . The power required in this case was about 41.8 MW.
比較のために、従来の、深冷分離装置を用いて酸素富化空気を製造する操業も実施した。図16に、深冷分離装置を用いて製造した酸素富化空気を高炉羽口に吹き込むときのフロー図を示す。図16において、符号51は高炉、52は高炉送風機、53は深冷分離装置、54及び55は送風機である。
For comparison, an operation for producing oxygen-enriched air using a conventional cryogenic separator was also carried out. FIG. 16 shows a flow chart when oxygen-enriched air produced using a cryogenic separator is blown into the blast furnace tuyere. In FIG. 16,
図16に示すように、深冷分離装置によりほぼ酸素濃度が100体積%の純酸素を製造し、これを通常の空気で希釈して酸素濃度が23.5体積%の酸素富化空気とし、これを476000Nm3/hの流量で高炉に吹き込んだ。この場合に必要とする動力は約46.4MWであった。 As shown in FIG. 16, pure oxygen having an oxygen concentration of approximately 100% by volume is produced by a cryogenic separator, and this is diluted with normal air to obtain oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 23.5% by volume, This was blown into the blast furnace at a flow rate of 476000 Nm 3 / h. The power required in this case was about 46.4 MW.
また、特許文献1に開示する技術のように除湿操作を行わなければ、略1ヶ月以内で所定の出口酸素濃度が達成できなくなり、吸着剤を交換しなければならない。
If the dehumidifying operation is not performed as in the technique disclosed in
それに対して本発明によれば、除湿操作されているので半永久的(1年以上)に所定の出口酸素濃度性能が確保できるので、吸着剤を交換する必要がなく吸着剤のコストダウンができるとともに交換のために高炉などの操業中断などしなくともよいので操業を阻害することはない。 On the other hand, according to the present invention, since the dehumidifying operation is performed, the predetermined outlet oxygen concentration performance can be ensured semipermanently (one year or more). Since it is not necessary to interrupt the operation of the blast furnace or the like for replacement, the operation is not hindered.
以上のように、本発明によれば、従来技術に対し酸素富化空気を長期間にわたって連続的に製造することが可能となる。 As described above, according to the present invention, oxygen-enriched air can be continuously produced over a long period of time with respect to the prior art.
1 酸素富化空気製造設備
1A 酸素富化空気製造設備
2 回転式窒素吸着装置
3 吸着除湿装置
3A 回転式吸着除湿装置
4 吸着除湿装置
5 吸着除湿装置
6 送風機
7 送風機
8 第1の空気供給本管
9 第2の空気供給本管
10 酸素富化用空気供給管
11 窒素放出用空気供給管
12 パージ用空気供給管
12A パージ用空気供給管
13 酸素富化空気排出管
14 第1の空気排出本管
15 第2の空気排出本管
34 円筒型容器
35 軸心
36 仕切板
37 窒素吸収用吸着剤
38 水分吸収用吸着剤
39 第1の接続管体
40 第2の接続管体
41 分離板
42 シール板
42A シール用固定板
43 ハニカム構造体
44 パージ部材
45 第1の接続管部
46 第2の接続管部
47 第3の接続管部
48 第4の接続管部
51 高炉
52 高炉送風機
53 深冷分離装置
54 送風機
55 送風機
DESCRIPTION OF
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