JP2013154340A - 空気からの酸素と窒素の吸着分離方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、１−１００ｍ^３Ｎ／ｈ程度の中小容量の酸素発生方法および装置に関し、酸素富化燃焼、環境装置、化学装置に使用する低コスト、コンパクトで高効率な空気からの吸着法による空気からの酸素と窒素の分離に関する方法及び装置を提供する。
【解決手段】 本発明は大気圧以上の高圧で湿り空気を供給して、窒素、水分、ＣＯ_２等を除去して塔後方から酸素を回収して(窒素吸着工程)、酸素濃度が低下する前に、塔後方に設置した窒素吸着剤を充填した補助吸着塔の前方と窒素吸着塔の後方を連結する。塔後方に残留する酸素を補助吸着塔に移行し（酸素回収工程）、減圧再生工程終了後、大気圧の窒素吸着塔の後方と補助吸着塔の前方を連結して回収した酸素を窒素吸着塔の後方から供給して、窒素吸着塔の圧力を上昇する１塔式圧力スイング−酸素製造方法および装置を提案する。
【選択図】 図１

Description

本発明は窒素、水分、ＣＯ_２等を含有する湿り空気からのコンパクトで高効率な酸素と窒素の分離方法及び装置、特に吸着工程で塔後方に残留した酸素を補助吸着塔に吸着貯蔵し、次の吸着工程の昇圧工程の昇圧気体として供給して、酸素製造効率を向上させた空気からの酸素、窒素分離方法及び装置に関する。

本発明に関連して現在最もよく使用されている窒素吸着剤を使用した酸素製造装置であるＰＳＡ−酸素を引用して背景技術を説明する。
Ｌｉｎｄｅ社（現ＵＯＰ社モレキューラーシブス．デイビジョン）により工業的な製造の開始された合成ゼオライトは、酸素−窒素２成分系において大きな窒素吸着量と窒素選択性を有することが示されている。ここで５００〜１，０００ｋＰａの高圧に空気を圧縮してＣａ−Ａ型ゼオライトを窒素吸着剤として充填された吸着塔に導いて空気の中の７９％を占める窒素を吸着して塔頂から９３〜９５ vol%の酸素を取り出す吸着工程と、吸着窒素で飽和した吸着塔を大気圧に導いた後、塔頂から製品酸素の一部を流して窒素吸着剤を再生する工程（向流パージ）から構成される２搭式の酸素製造装置が標準的である。（高圧吸着−大気圧再生） ２，０００ｍ^３Ｎ／ｈ以下の中小容量での酸素製造が可能なことから、操作、保守が容易で、コンパクトなことがユーザに歓迎されて廃水処理、金属精錬、ごみ焼却炉、医療用等を中心に普及している。ＰＳＡ−酸素の電力原単位（１ｍ^３Ｎの酸素製造に必要な消費電力）の低減に着目して、３００〜５００ ｋＰａの比較的低圧に吸着圧力を低減し、その替わり５０ｋＰａ程度の減圧再生を行う加圧吸着−減圧再生が採用される場合もある。一段の電力原単位の低減のために、大気圧近傍で吸着を行い、再生は１０〜３０ｋＰａのかなりの真空で行われる大気圧吸着−減圧再生も採用されており、これらの操作条件は、初期に開発された高圧吸着−大気圧再生よりも電力原単位低減に優れている。吸着剤としては当初Ｃａイオン交換Ａ型ゼオライトが主として使用されたが、サイクルタイムの短縮による装置コンパクト化のためには、吸着速度の大きな吸着剤が必要なことから、Ｎａイオン交換、Ｌｉイオン交換Ｘ型ゼオライトが採用されるようになっている。
しかし５００ｍ^３Ｎ／ｈ以下の酸素製造では、電力原単位の低減は酸素製造のトータルコストの低減はそれ程有効ではなく、設備費の低減が優先する。
例えば、中容量の酸素製造装置として１５ｍ^３Ｎ／ｈの酸素製造装置を例示すると、高圧吸着−大気圧再生のＰＳＡ−酸素の設備費が７００万円程度、電力原単位が１ｋＷｈ／ｍ^３Ｎ−Ｏ_２であるので、これを大気圧吸着−真空再生に変更しても、設備費８００万円程度、電力原単位が０．４５ｋＷｈ／ｍ^３Ｎ−Ｏ_２となり、電力量単価を２０円／ｋＷｈとすると１年間の電力コスト低減は、１２万円／年から５．４万円／年の６．６万円／年にとどまり、１００万円の設備費増を吸収できず、大容量酸素製造で強調される電力原単位の低減が、中小容量酸素製造では有効でないことが示される。

本発明はこのような従来技術における問題点を解決し、従来の酸素製造法よりも安価で電力原単位も低値を維持する低トータル酸素製造コストの空気からの酸素、窒素分離方法及びそのための装置を提供することを目的とする。

本発明は前記課題を解決する手段として、前方に水分吸着剤を充填し、後方に窒素吸着剤を充填した窒素吸着塔に、大気圧以上の高圧で湿り空気を供給して、窒素、水分、ＣＯ_２等を除去して塔後方から酸素を回収して(窒素吸着工程)、酸素濃度が低下する前に、塔後方に設置した窒素吸着剤を充填した補助吸着塔の前方と窒素吸着塔の後方を連結して、塔後方に残留する酸素を補助吸着塔に移行し（酸素回収工程）、高圧の窒素吸着塔を塔前方から系外に開放して、吸着した窒素を放出して大気圧に減圧し（減圧再生工程）、大気圧の窒素吸着塔の後方と補助吸着塔の前方を連結して回収した酸素を窒素吸着塔の後方から供給して、窒素吸着塔の圧力を上昇し（昇圧工程）、湿り空気を供給する窒素吸着工程に戻ることを特長とする、高圧窒素吸着−大気圧再生の１塔式圧力スイング−酸素製造方法および装置を提案する。

先述の１５ｍ^３Ｎ／ｈの酸素製造装置で比較すると、従来、高圧吸着−大気圧再生のＰＳＡ−酸素が、空気圧縮機、窒素吸着塔２塔、バルブ８個を基本構造として設備費が７００万円程度、電力原単位が１ｋＷｈ／ｍ^３Ｎ−Ｏ_２、1年間の消費電力が、電力量単価を２０円／ｋＷｈとすると１年間の電力コストが、１２万円／年であるが、本発明では、高圧吸着−大気圧再生のＰＳＡ−酸素が、空気圧縮機、窒素吸着塔１塔、補助吸着塔バルブ４個を基本構造として設備費が４００万円程度に削減され、補助吸着塔による残留酸素の回収と昇圧工程への供給で、酸素回収率が従来の４０％から６０％程度に増大するため、電力原単位が０．８ｋＷｈ／ｍ^３Ｎ−Ｏ_２に低減され、1年間の消費電力が、電力量単価を２０円／ｋＷｈとすると１年間の電力コストが、９．６万円／年に低減され、コンパクトで、低設備費、低変動費の空気から酸素と窒素を分離する方法および装置を提供することが出来る。

本発明の方法の一実施態様を実施するフローを示す概略図である。

窒素吸着塔に充填する窒素吸着剤としては、Ｌｉイオン交換、Ｎａイオン交換、Ｃａイオン交換のＸ型ゼオライトを１種または２種以上使用することが望ましく、補助吸着塔に充填する窒素吸着剤としても、Ｌｉイオン交換、Ｎａイオン交換、Ｃａイオン交換のＸ型ゼオライトを１種または２種以上を使用することが望ましい。

次に図面を参照して本発明の処理装置を説明する。図１に空気からの本発明の装置を適用した１塔式圧力スイング法（以下ＰＳＡ−酸素）フローシートの一例を示す。図１においてＰＳＡ−酸素を構成する、（吸着工程）→（残留酸素回収工程）→（減圧再生工程）→（昇圧工程）の各工程ごとに説明する。

（吸着工程）外部空気を流路１から圧縮機２、バルブ３を通じて空気流量１，２１０リットルＮ／ｍｉｎ、吸着圧力５００ｋＰａ−ａｂｓで、吸着塔容量１３０リットルの窒素吸着塔４に、吸着時間３０秒で供給する。窒素吸着塔４には、前方に水分吸着剤５として比表面積７００ｍ^２／ｇ以上のシリカゲルをウオッシュコートしたハニカムが、２４リットル充填されており、後方には窒素吸着塔充填窒素吸着剤６として、１．２ｍｍφのＬｉイオン交換Ｘ型ゼオライト（ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３比２．５）が７１リットル充填されている。供給された空気の水分が水分吸着剤５で除去され、ＣＯ_２および窒素が窒素吸着塔充填窒素吸着剤６で除去されると、窒素吸着塔４の後方から酸素が、酸素濃度９０ｖｏｌ％程度で、未吸着の窒素、アルゴンとともにバルブ７、製品酸素タンク８、バルブ９、流路１０から流過する。

（残留酸素回収工程）
吸着工程の進行に伴い、窒素吸着塔４の窒素吸着量が増大して流過酸素濃度が低下する。流過酸素濃度が低下する直前に、圧縮機２を停止して、バルブ３，バルブ７を閉として、バルブ１１を開とすると、窒素吸着塔４の後方に残留する酸素は、バルブ１１を通じて補助吸着塔充填窒素吸着剤１２の充填された補助吸着塔１３に移行する。補助吸着塔１３の容量としては、３０リットルであり、この中に補助吸着塔充填窒素吸着剤１２が２３リットル充填されている。このため、窒素吸着塔４の圧力は５００ｋＰａ−ａｂｓから３５０ｋＰａ程度に低下し、補助吸着塔１３の圧力は３００ｋＰａ程度に上昇する。補助吸着塔１３に充填される補助吸着塔充填窒素吸着剤１２としては、酸素に比べて窒素を選択的に吸着する、Ｌｉイオン交換、Ｎａイオン交換、Ｃａイオン交換のＸ型ゼオライトを１種または２種以上使用するのが好ましい。前述の吸着工程での酸素の回収率は４０％程度にとどまり、残る６０%の酸素は吸着塔の死容積部および窒素吸着剤への共吸着酸素として残留しており、酸素の回収はそれ程効率の高いものではない。
ここで補助吸着塔１３に窒素吸着塔４後方から高圧気体を移すと、窒素吸着塔４に残留する酸素は更に２０％程度回収され、全回収率が６０％に達する。
なお補助吸着塔１３では、補助吸着塔充填窒素吸着剤１２への窒素吸着が酸素吸着よりも選択的なため、補助吸着塔充填窒素吸着剤１２には窒素が選択的に吸着され、死容積部の酸素濃度は上昇する。
これは、後述する昇圧工程での塔後方への高濃度酸素の供給のために非常に重要である。残留酸素回収工程は、１-５秒程度で完了する。

（減圧再生工程）
（残留酸素回収工程）で窒素吸着塔４の圧力は、３５０ｋＰａ−ａｂｓ程度に低下したので、圧縮機２を引き続き停止して、バルブ３，バルブ７，バルブ１１を閉として、バルブ１４を開とすると、窒素吸着塔充填窒素吸着剤６から吸着窒素が離脱し、更に向流に流過する窒素により水分吸着剤５から水分が離脱し、窒素吸着塔充填窒素吸着剤６、水分吸着剤５は再生され、再び、水分、窒素、ＣＯ_２を吸着できるようになる。ここで窒素吸着塔４の圧力は１００ｋＰａ−ａｂｓ（大気圧）に低下する。（減圧再生工程）は、５-１０秒程度で完了する。この間、バルブ７は閉、バルブ９を開としているため、（吸着工程）で回収された酸素は、製品酸素タンク８に貯蔵されているため、流路１０からは全工程で連続して酸素が流過する。

（昇圧工程）
１００ｋＰａ−ａｂｓ（大気圧）の窒素吸着塔の後方のバルブ１１のみ開とすると（バルブ３，バルブ７，バルブ１４を閉とする。）、補助吸着塔１３から先ず死容積部の比較的酸素濃度の高い気体が、窒素吸着塔４後方から窒素吸着塔４に供給され、その後補助吸着塔充填窒素吸着剤１２から吸着された酸素および共吸着窒素が離脱して供給酸素濃度が上昇するため、窒素吸着塔後方には高濃度の酸素が供給される。このため、窒素吸着塔４の酸素濃度分布は、吸着工程開始時に塔前方の酸素濃度は低く、塔後方の酸素濃度分布が高い、効率的な空気からの酸素と窒素分離の可能な状態となっている。窒素吸着塔４の圧力は１００ｋＰａ−ａｂｓから２００ｋＰａ−ａｂｓに上昇する。（補助吸着塔１３の圧力は窒素吸着塔４とほぼ同一圧力の、３００ｋＰａから２００ｋＰａに低下する。）
昇圧工程は、３-５秒程度で完了する。
（昇圧工程）で、（残留酸素回収工程）で補助吸着塔１３に回収された残留酸素が昇圧に使用されているため、１）酸素回収率を向上し、２）窒素吸着塔後方の酸素濃度を高濃度に維持して酸素／窒素分離効率を向上し、３）円滑な吸着圧力の上昇を同時に達成することが可能である。

表１に空気からの本発明の装置を適用した１塔式圧力スイング法（以下ＰＳＡ−酸素）フローシートの、ＰＳＡ−酸素を構成する、（吸着工程）→（残留酸素回収工程）→（減圧再生工程）→（昇圧工程）のバルブの開閉、圧縮機の運転・停止、各工程の標準的な所要時間を示す、シーケンステーブルを示す。

以下実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
本実施例の１塔式ＰＳＡ−酸素製造装置の仕様を表２に示す。

本装置は、酸素製造量８５−１７０リットルＮ／分（５−１０ｍ^３Ｎ／ｈ）を目標として製作したもので、窒素吸着塔４には、水分吸着剤ハニカム２４リットル、窒素吸着剤として７１リットルが、充填されており、補助吸着塔１３には、補助吸着塔充填窒素吸着剤１２が２３リットル充填されている。

本装置の操作条件を表３に示す。

本装置は、吸着圧力５００ｋＰａ−ａｂｓ、再生終了圧力１００ｋＰａ−ａｂｓ、補助吸着塔１３残留酸素回収終了圧力３００ｋＰａ−ａｂｓ、補助吸着塔１３昇圧終了圧力２００ｋＰａ−ａｂｓ、１サイクル３９秒、窒素吸着剤としては窒素吸着塔４、補助吸着塔１３ともＬｉイオン交換Ｘ型ゼオライトを使用して操作して、空気からの酸素と窒素の分離を行い、酸素製造量１７０リットルＮ／分（５−１０ｍ^３Ｎ／ｈ）、酸素濃度９０ｖｏｌ％の性能が確認されたが、この時の原料空気供給量は、１，２１０リットルＮ／分であった。比較対象としては補助吸着塔１３を使用せず、残留酸素回収工程、昇圧を省略し、昇圧については、後流の製品酸素タンク８からの製品酸素を使用した、１塔式ＰＳＡ−酸素の酸素製造の空気からの酸素と窒素の分離性能を示す。
窒素吸着塔４の窒素吸着性能が大幅に低下するため酸素製造量は、比較対象では、本発明の４０％程度にとどまり、また供給空気量／製品酸素量比は増大しており、残留酸素回収工程を付加することで著しく性能向上が改善されることがわかる。

従来から使用されている窒素吸着剤であるＣａイオン交換Ａ型ゼオライトと、本発明の窒素吸着剤、１）Ｌｉイオン交換Ｘ型ゼオライト、２）Ｎａイオン交換Ｘ型ゼオライト、３）Ｃａイオン交換Ｘ型ゼオライトの酸素／窒素分離性能の比較を表４に示す。

Ｌｉイオン交換Ｘ型ゼオライトが最も酸素製造量が多く、Ｃａイオン交換Ｘ型ゼオライト、Ｎａイオン交換Ｘ型ゼオライトがこれに続く。原料空気量／製品酸素量比は７程度で大きな差はない。これに対しＣａイオン交換Ａ型ゼオライトでは酸素製造量がＬｉイオン交換Ｘ型ゼオライトの６０％程度に低下し、原料空気量／製品酸素量比も８．６と増加し、その分原料空気圧縮機２は１２０％大容量のものが必要となる。

本発明の補助吸着塔１３から補助吸着塔充填窒素吸着剤１２をはずして未充填の状態で実施例１の操作条件で実施した。補助吸着塔１３を使用しない場合、補助吸着塔１３から補助吸着塔充填窒素吸着剤１２をはずした残留酸素回収タンクとして使用した本項の実施例２と、補助吸着塔１３に補助吸着塔充填窒素吸着剤１２を充填して実施した前項の実施例１の比較を行った。

実施例２の比較した結果を表５に示す。

実施例１の補助吸着塔１３に補助吸着塔充填窒素吸着剤１２を充填して、残留酸素回収工程、昇圧工程に使用する方法および装置が、酸素製造量が１７０リットルＮ／分、原料空気量／製品酸素量比は７程度で最も高い性能を示すが、本実施例(実施例２)の、補助吸着塔１３に補助吸着塔充填窒素吸着剤１２を充填しないが(未充填)、残留酸素タンクとして、残留酸素回収工程、昇圧工程に使用する方法および装置でも、酸素製造量が１５０リットルＮ／分、原料空気量／製品酸素量比は７．２程度にとどまり、従来法に対する新規性のあることが確認された。

本発明は、１−１００ｍ^３Ｎ／ｈ程度の中小容量の酸素発生方法および装置に関し、酸素富化燃焼、環境装置、化学装置に使用する低コスト、コンパクトで高効率な空気からの吸着法による空気からの酸素と窒素の分離に関する。

流路―――１
圧縮機―――２
バルブ―――３、７、９、１１、１４
窒素吸着塔―――４
水分吸着剤―――５
窒素吸着塔充填窒素吸着剤―――６
製品酸素タンク―――８
流路―――１０
補助吸着塔充填窒素吸着剤１２
補助吸着塔―――１３

Claims (5)

1. 前方に水分吸着剤を充填し、後方に窒素吸着剤を充填した窒素吸着塔に、大気圧以上の高圧で湿り空気を供給して、窒素、水分、ＣＯ_２等を除去して塔後方から酸素を回収して(窒素吸着工程)、酸素濃度が低下する前に、塔後方に設置した窒素吸着剤を充填した補助吸着塔の前方と窒素吸着塔の後方を連結して、塔後方に残留する酸素を補助吸着塔に移行し（残留酸素回収工程）、高圧の窒素吸着塔を塔前方から系外に開放して、吸着した窒素を放出して大気圧に減圧し（減圧再生工程）、大気圧の窒素吸着塔の後方と補助吸着塔の前方を連結して回収した酸素を窒素吸着塔の後方から供給して、窒素吸着塔の圧力を上昇し（昇圧工程）、湿り空気を供給する窒素吸着工程に戻ることを特長とする、空気からの酸素と窒素の分離方法および装置。
2. 請求項１で窒素吸着塔に充填する窒素吸着剤としてＬｉイオン交換、Ｎａイオン交換、Ｃａイオン交換のＸ型ゼオライトを１種または２種以上使用する、空気からの酸素と窒素の分離方法および装置。
3. 請求項１で補助吸着塔に充填する窒素吸着剤としてＬｉイオン交換、Ｎａイオン交換、Ｃａイオン交換のＸ型ゼオライトを１種または２種以上を使用する、空気からの酸素と窒素の分離方法および装置。
4. 請求項１、請求項２、請求項３の工程を窒素吸着塔１搭と補助吸着塔１搭で実施することを特長とする、空気からの酸素と窒素の分離方法および装置。
5. 請求項１で補助吸着塔に窒素吸着剤を充填しない未充填の気体タンクとして、窒素吸着塔の吸着工程終了時の窒素吸着塔に残留する酸素を回収し、これを昇圧工程の気体として使用する空気からの酸素と窒素の分離方法および装置。