JP2023050843A - 酸素発生方法及び酸素発生装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】吸着塔の壁面近傍の酸素吸着剤の温度低下を抑えることができる酸素発生方法及び酸素発生装置を提供する。【解決手段】内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生方法。【選択図】なし
Description
本発明は酸素発生方法及び酸素発生装置に関する。
産業用の酸素ガスの製造は、空気を液化して蒸留する深冷分離装置で、液化温度の違いを利用して窒素ガスと酸素ガスに分離している。しかし、比較的少量の酸素が必要な場合は、深冷分離装置の効率が悪いために圧力スイング吸着(PSA)式の酸素発生装置が利用される。
PSA式酸素発生装置は、空気中の窒素ガスを吸着するゼオライトを使って、窒素ガスを除去することで酸素ガスを発生させる装置である。PSA式酸素発生装置は、高い圧力で窒素を吸着して、真空ポンプで減圧することで吸着した窒素を脱離させることで、繰り返して窒素を吸着することが可能となり、非吸着の酸素を連続して発生させることができる。しかし、大気中に78%も含まれる窒素ガスを吸着して、真空ポンプで脱離させるために、吸着塔が大きく、大排気量の真空ポンプを使用する必要がある。
これに対して、高温で酸素を吸脱着できるペロブスカイト系の材料を使用すれば、大気中に21%含まれる酸素のみを吸着させて、真空ポンプで脱着させるために吸着塔も真空ポンプも小型化され、消費電力も抑えた効率的な酸素発生が可能となる。
このために、熱源のある工場などでは、高温で酸素を吸脱着できる材料によるPSA式の高温酸素発生装置による酸素供給が検討され始めている。
PSA式酸素発生装置は、空気中の窒素ガスを吸着するゼオライトを使って、窒素ガスを除去することで酸素ガスを発生させる装置である。PSA式酸素発生装置は、高い圧力で窒素を吸着して、真空ポンプで減圧することで吸着した窒素を脱離させることで、繰り返して窒素を吸着することが可能となり、非吸着の酸素を連続して発生させることができる。しかし、大気中に78%も含まれる窒素ガスを吸着して、真空ポンプで脱離させるために、吸着塔が大きく、大排気量の真空ポンプを使用する必要がある。
これに対して、高温で酸素を吸脱着できるペロブスカイト系の材料を使用すれば、大気中に21%含まれる酸素のみを吸着させて、真空ポンプで脱着させるために吸着塔も真空ポンプも小型化され、消費電力も抑えた効率的な酸素発生が可能となる。
このために、熱源のある工場などでは、高温で酸素を吸脱着できる材料によるPSA式の高温酸素発生装置による酸素供給が検討され始めている。
特許文献1には、酸素、窒素を主成分とする混合ガスを蓄熱材、混合ガス-窒素熱交換器、混合ガス加熱器、高温酸吸着剤の装架された吸着塔に相対的高圧条件下で供給して、混合ガスと蓄熱材と接触させて混合ガスを昇温し、次いで混合ガスを混合ガス-窒素熱交換器で塔出口窒素と熱交換して昇温し、次いで混合ガスを混合ガス加熱器と接触させて吸着温度に設定した後に、高温酸素吸着剤と接触させて酸素を吸着させて窒素と分離した後に、酸素を吸着した高温酸素吸着剤を相対的低圧条件に導いて酸素を脱着させ、酸素と蓄熱材との接触により高温酸素からの熱回収を行う、酸素と窒素との圧力スイング吸着法(PSA)による分離方法、及び、酸素、窒素を主成分とする混合ガスを相対的高圧条件下で供給して酸素と窒素とを分離する圧力スイング吸着装置であって、混合ガスの流れ方向に、順に、(1)吸着された高温酸素から熱を回収し、回収した熱を混合ガスに付与するための蓄熱材、(2)分離蓄熱材を通った混合ガスが熱交換器の一方の側を流れ、充填塔を流出する高温の窒素製品ガスが熱交換器の他方の側を流れ、高温の窒素製品ガスから混合ガスに熱を回収して熱交換器を流出する混合ガスを昇温させる混合ガス-窒素熱交換器、(3)窒素との熱交換器を通って昇温した混合ガスを加熱して吸着温度にするための加熱器、(4)混合ガス-窒素熱交換器を通った混合ガスを通して酸素を選択的に吸着して窒素を通過させる酸素を選択的に吸着する吸着剤床を内部に装着した充填塔を並列に2塔以上含み、充填塔が保温するために保温庫内に収容される酸素と窒素とを分離する圧力スイング吸着装置が記載されている。
特許文献1に記載された酸素と窒素とを分離する圧力スイング吸着装置は、吸着塔の内部に、蓄熱材、混合ガス-窒素熱交換器、混合ガス加熱器及び高温酸素吸着剤が装備されており、排熱を回収して熱効率を高めて酸素発生電力原単位を削減している。しかし、吸着塔の内部に様々な設備を装備するために、吸着塔の構造が複雑で製作コストが高かった。
原料ガスを一台の加熱器で昇温して、バルブ切り替えで各塔に供給することで吸着剤を加熱するために、装置が簡略化され製作コストを大幅に削減する事が可能である。しかし、吸着塔の外部に断熱材を施して保温する従来の保温方法では、熱が吸着塔の母材を伝って放熱される為に、吸着塔の壁面近傍の酸素吸着剤の温度が低下して、酸素の吸脱着ができなくなる問題があった。
原料ガスを一台の加熱器で昇温して、バルブ切り替えで各塔に供給することで吸着剤を加熱するために、装置が簡略化され製作コストを大幅に削減する事が可能である。しかし、吸着塔の外部に断熱材を施して保温する従来の保温方法では、熱が吸着塔の母材を伝って放熱される為に、吸着塔の壁面近傍の酸素吸着剤の温度が低下して、酸素の吸脱着ができなくなる問題があった。
本発明は、吸着塔の壁面近傍の酸素吸着剤の温度低下を抑えることができる酸素発生方法及び酸素発生装置を提供することを課題とする。
[1] 内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生方法。
[2] 前記酸素吸蔵剤に250~450℃の空気を0~100kPaGで接触させて酸素を吸着させ、次いで、前記酸素吸蔵剤にかかる圧力を下げることで、前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させて、酸素を発生させる、[1]に記載の酸素発生方法。
[3] 前記吸着塔を複数用いて、順次前記酸素吸着剤への酸素の吸着と前記酸素吸蔵剤からの酸素の脱離を繰り返すことにより連続して酸素を発生させる、[1]又は[2]に記載の酸素発生方法。
[4] 内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を2塔以上用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生方法であって、
前記酸素吸蔵剤に空気を接触させて前記酸素吸蔵剤に酸素を吸着させる吸着工程と、
前記酸素吸蔵剤に掛かる圧力を下げて前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させる脱離工程と、
前記酸素吸蔵剤に掛かる圧力を下げたまま、他の吸着工程の排気ガスを導入することにより前記酸素吸蔵剤からの酸素の脱離を促進する脱離+リンス工程と、
を含み、
前記複数の吸着塔の圧力を回収する均圧工程を含まない、
[1]~[3]のいずれかに記載の酸素発生方法。
[5] 前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させる際の温度が250~450℃である、[1]~[4]のいずれかに記載の酸素発生方法。
[6] [1]~[5]のいずれかに記載の酸素発生方法を実施するための、内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生装置。
[2] 前記酸素吸蔵剤に250~450℃の空気を0~100kPaGで接触させて酸素を吸着させ、次いで、前記酸素吸蔵剤にかかる圧力を下げることで、前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させて、酸素を発生させる、[1]に記載の酸素発生方法。
[3] 前記吸着塔を複数用いて、順次前記酸素吸着剤への酸素の吸着と前記酸素吸蔵剤からの酸素の脱離を繰り返すことにより連続して酸素を発生させる、[1]又は[2]に記載の酸素発生方法。
[4] 内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を2塔以上用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生方法であって、
前記酸素吸蔵剤に空気を接触させて前記酸素吸蔵剤に酸素を吸着させる吸着工程と、
前記酸素吸蔵剤に掛かる圧力を下げて前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させる脱離工程と、
前記酸素吸蔵剤に掛かる圧力を下げたまま、他の吸着工程の排気ガスを導入することにより前記酸素吸蔵剤からの酸素の脱離を促進する脱離+リンス工程と、
を含み、
前記複数の吸着塔の圧力を回収する均圧工程を含まない、
[1]~[3]のいずれかに記載の酸素発生方法。
[5] 前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させる際の温度が250~450℃である、[1]~[4]のいずれかに記載の酸素発生方法。
[6] [1]~[5]のいずれかに記載の酸素発生方法を実施するための、内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生装置。
本発明によれば、吸着塔の壁面近傍の酸素吸着剤の温度低下を抑えることができる酸素発生方法及び酸素発生装置を提供できる。
以下では、本実施形態の酸素発生装置及び酸素発生方法を、図面を適宜参照しながら具体的に説明する。
図1は、本実施形態の酸素発生方法を実施するための酸素発生装置を示す概略構成図である。
図1に概略構成を示す酸素発生装置1は、吸着塔本体21の内壁に断熱材23を備え、断熱材23の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤22を充填した第1の吸着塔20Aと、第1の吸着塔20Aと同様の構成の第2の吸着塔20Bと、昇圧ポンプ11と、真空ポンプ12と、ガスヒーター13と、ガス流路L1、ガス流路L2、ガス流路L3、ガス流路L4、ガス流路L5、ガス流路L6、ガス流路L7、ガス流路L8、ガス流路L9、ガス流路L10、ガス流路L11、ガス流路L12、ガス流路L13、ガス流路L14、ガス流路L15、バルブA1、バルブB1、バルブA2、バルブB2、バルブA3、バルブB3、バルブNV、バルブRVを備える。
図1に概略構成を示す酸素発生装置1は、吸着塔本体21の内壁に断熱材23を備え、断熱材23の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤22を充填した第1の吸着塔20Aと、第1の吸着塔20Aと同様の構成の第2の吸着塔20Bと、昇圧ポンプ11と、真空ポンプ12と、ガスヒーター13と、ガス流路L1、ガス流路L2、ガス流路L3、ガス流路L4、ガス流路L5、ガス流路L6、ガス流路L7、ガス流路L8、ガス流路L9、ガス流路L10、ガス流路L11、ガス流路L12、ガス流路L13、ガス流路L14、ガス流路L15、バルブA1、バルブB1、バルブA2、バルブB2、バルブA3、バルブB3、バルブNV、バルブRVを備える。
ガス流路L1は、昇圧ポンプ11の入口側に接続され、原料ガスである空気AIRINを取り込むためのガス流路である。
ガス流路L2は、昇圧ポンプ11の出口側とガスヒーター13とを接続するガス流路である。
ガス流路L3は、ガスヒーター13と、バルブA1と、バルブB1とを接続するガス流路である。
ガス流路L4は、第1の吸着塔20Aと、バルブA1とを接続するガス流路である。
ガス流路L5は、第2の吸着塔20Bと、バルブB1とを接続するガス流路である。
ガス流路L6は、第1の吸着塔20Aと、バルブA2とを接続するガス流路である。
ガス流路L7は、第2の吸着塔20Bと、バルブB2とを接続するガス流路である。
ガス流路L8は、真空ポンプ12の入口側と、バルブA2と、バルブB2とを接続するガス流路である。
ガス流路L9は、第1の吸着塔20Aと、バルブNVとを接続するガス流路である。
ガス流路L10は、第2の吸着塔20Bと、バルブRVとを接続するガス流路である。
ガス流路L11は、第1の吸着塔20Aと、バルブA3とを接続するガス流路である。
ガス流路L12は、第2の吸着塔20Bと、バルブB3とを接続するガス流路である。
ガス流路L13は、真空ポンプ12の出口側に接続され、酸素ガスO2 OUT…を排出するガス流路である。
ガス流路L14は、バルブA3と、バルブB3とに接続され、酸素発生装置1からの排気ガスEXを排出するガス流路である。
ガス流路L15は、バルブNVと、バルブRVとを接続するガス流路である。
ガス流路L2は、昇圧ポンプ11の出口側とガスヒーター13とを接続するガス流路である。
ガス流路L3は、ガスヒーター13と、バルブA1と、バルブB1とを接続するガス流路である。
ガス流路L4は、第1の吸着塔20Aと、バルブA1とを接続するガス流路である。
ガス流路L5は、第2の吸着塔20Bと、バルブB1とを接続するガス流路である。
ガス流路L6は、第1の吸着塔20Aと、バルブA2とを接続するガス流路である。
ガス流路L7は、第2の吸着塔20Bと、バルブB2とを接続するガス流路である。
ガス流路L8は、真空ポンプ12の入口側と、バルブA2と、バルブB2とを接続するガス流路である。
ガス流路L9は、第1の吸着塔20Aと、バルブNVとを接続するガス流路である。
ガス流路L10は、第2の吸着塔20Bと、バルブRVとを接続するガス流路である。
ガス流路L11は、第1の吸着塔20Aと、バルブA3とを接続するガス流路である。
ガス流路L12は、第2の吸着塔20Bと、バルブB3とを接続するガス流路である。
ガス流路L13は、真空ポンプ12の出口側に接続され、酸素ガスO2 OUT…を排出するガス流路である。
ガス流路L14は、バルブA3と、バルブB3とに接続され、酸素発生装置1からの排気ガスEXを排出するガス流路である。
ガス流路L15は、バルブNVと、バルブRVとを接続するガス流路である。
図2は、本実施形態の酸素発生装置1に用いる吸着塔20の縦断面を示す模式図である。
図3は、本実施形態の酸素発生装置1に用いる吸着塔20の横断面を示す模式図である。
吸着塔本体21の内壁に断熱材23を備え、断熱材23の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤22が充填されている。
吸着塔本体21の材質は、高温に耐え、耐久性が良好であることから、通常、ステンレス合金であるが、これに限定されない。また、吸着塔20の周囲には断熱材を施して放熱を防ぐことが好ましい。
図3は、本実施形態の酸素発生装置1に用いる吸着塔20の横断面を示す模式図である。
吸着塔本体21の内壁に断熱材23を備え、断熱材23の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤22が充填されている。
吸着塔本体21の材質は、高温に耐え、耐久性が良好であることから、通常、ステンレス合金であるが、これに限定されない。また、吸着塔20の周囲には断熱材を施して放熱を防ぐことが好ましい。
断熱材23としては、使用温度で耐熱性を有する物質であれば使用が可能で、ロックウール、アルミナファイバー、アルカリシリケートウール等が挙げられる。さらに断熱材23としては、ガスを透過しない物質が好ましく、例えば、ケイ酸カルシウムからなる断熱板、セメント系の断熱板、耐火レンガ等を用いることができる。ガスを透過する断熱材の場合は、断熱材の体積が死容積となり吸着しない窒素が製品酸素に入ることにより酸素濃度の低下を引き起こすためである。
酸素吸蔵剤22は、高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤であれば特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト型構造を持つ金属酸化物(ペロブスカイト系酸素吸蔵剤)が挙げられる。
酸素吸蔵剤22は、250~450℃で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤が好ましい。酸素吸蔵剤の使用温度が450℃以下であると、耐熱バルブを使ったガス加熱が可能になるために、吸着塔にヒーターを設置する事が無く簡素化させることができる。また、酸素吸蔵剤の使用温度が250℃以上であると、酸素吸蔵剤への酸素の吸脱着速度が上がり、酸素の発生量が向上する。
酸素吸蔵剤22は、250~450℃で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤が好ましい。酸素吸蔵剤の使用温度が450℃以下であると、耐熱バルブを使ったガス加熱が可能になるために、吸着塔にヒーターを設置する事が無く簡素化させることができる。また、酸素吸蔵剤の使用温度が250℃以上であると、酸素吸蔵剤への酸素の吸脱着速度が上がり、酸素の発生量が向上する。
以下では、図1に示す本実施形態の酸素発生装置を用いた酸素発生方法(本実施形態の酸素発生方法)について説明する。
本実施形態の酸素発生方法は、図1に示すPSA方式による酸素発生装置1で、第1の吸着塔20Aと第2の吸着塔20Bとを用いて、後述する吸着工程、脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程を順次切り替えながら、酸素の回収を連続して行い、空気を原料ガスとして酸素を発生させる。
以下の説明では、半サイクルである、第1の吸着塔20A内の酸素吸蔵剤への酸素の吸着(吸着工程)と、第2の吸着塔20B内の酸素吸蔵剤からの酸素の回収(脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程)とについて説明する。
以下の説明では、半サイクルである、第1の吸着塔20A内の酸素吸蔵剤への酸素の吸着(吸着工程)と、第2の吸着塔20B内の酸素吸蔵剤からの酸素の回収(脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程)とについて説明する。
(吸着工程)
バルブA1開、バルブA2閉、バルブA3開、バルブB1閉、バルブB3閉、バルブNV開とする。バルブB2、バルブRVの開閉は、第2の吸着塔20Bの工程により開閉を選択する。
昇圧ポンプ11を用いて、ガス流路L1から原料ガスである空気AIRINを取り込み、昇圧してガス流路L2を通じてガスヒーター13に送り込み、空気を加熱する。加熱後の空気の温度は、250~450℃が好ましく、300~400℃がより好ましい。
ガスヒーター13で加熱された空気は、ガス流路L3を通じて、第1の吸着塔20Aの下部から吸着塔内に導入される。
空気が第1の吸着塔20Aを通過する際に、空気中の酸素が酸素吸蔵剤22に吸着され、第1の吸着塔20Aの上部から窒素富化ガスが取り出される。
本発明において、酸素吸蔵剤に250~450℃の空気を0~100kPaGで接触させて酸素を吸着させることが好ましい。原料空気圧力は、圧縮機の動力を抑える観点から大気圧に近い方が良いが、ヒーターや塔、バルブの圧力損失を考慮して、0~100kPaGが適している。
第1の吸着塔20Aの上部から取り出された窒素富化ガスは、一部がリンスガスとして第2の吸着塔20Bに送られ、脱離+リンス工程で使用される他は、排気ガスEXとしてガス流路L11及びガス流路L14を通じて酸素発生装置1から系外に排出される。
バルブA1開、バルブA2閉、バルブA3開、バルブB1閉、バルブB3閉、バルブNV開とする。バルブB2、バルブRVの開閉は、第2の吸着塔20Bの工程により開閉を選択する。
昇圧ポンプ11を用いて、ガス流路L1から原料ガスである空気AIRINを取り込み、昇圧してガス流路L2を通じてガスヒーター13に送り込み、空気を加熱する。加熱後の空気の温度は、250~450℃が好ましく、300~400℃がより好ましい。
ガスヒーター13で加熱された空気は、ガス流路L3を通じて、第1の吸着塔20Aの下部から吸着塔内に導入される。
空気が第1の吸着塔20Aを通過する際に、空気中の酸素が酸素吸蔵剤22に吸着され、第1の吸着塔20Aの上部から窒素富化ガスが取り出される。
本発明において、酸素吸蔵剤に250~450℃の空気を0~100kPaGで接触させて酸素を吸着させることが好ましい。原料空気圧力は、圧縮機の動力を抑える観点から大気圧に近い方が良いが、ヒーターや塔、バルブの圧力損失を考慮して、0~100kPaGが適している。
第1の吸着塔20Aの上部から取り出された窒素富化ガスは、一部がリンスガスとして第2の吸着塔20Bに送られ、脱離+リンス工程で使用される他は、排気ガスEXとしてガス流路L11及びガス流路L14を通じて酸素発生装置1から系外に排出される。
(脱離工程)
バルブA1開、バルブA2閉、バルブA3開、バルブB1閉、バルブB2開、バルブB3閉、バルブRV閉、バルブNV開とする。
真空ポンプ12を稼働させて、第2の吸着塔20B内の圧力を低下させて、酸素吸蔵剤22に掛かる圧力を下げ、酸素吸蔵剤22から吸着させた酸素を脱離させる。脱離させた酸素は、真空ポンプ12によって、第2の吸着塔20Bの下部から取り出され、ガス流路L7、ガス流路L8、真空ポンプ12、ガス流路L13を通じて、製品酸素O2 OUTとして酸素発生装置1の系外に送出される。
バルブA1開、バルブA2閉、バルブA3開、バルブB1閉、バルブB2開、バルブB3閉、バルブRV閉、バルブNV開とする。
真空ポンプ12を稼働させて、第2の吸着塔20B内の圧力を低下させて、酸素吸蔵剤22に掛かる圧力を下げ、酸素吸蔵剤22から吸着させた酸素を脱離させる。脱離させた酸素は、真空ポンプ12によって、第2の吸着塔20Bの下部から取り出され、ガス流路L7、ガス流路L8、真空ポンプ12、ガス流路L13を通じて、製品酸素O2 OUTとして酸素発生装置1の系外に送出される。
(脱離+リンス工程)
バルブA1開、バルブA2閉、バルブA3開、バルブB1閉、バルブB2開、バルブB3閉、バルブRV開、バルブNV開とする。
真空ポンプ12を稼働させて、第2の吸着塔20B内の圧力を低下させた状態で、第1の吸着塔20Aの上部から送り出された窒素富化ガスの一部がリンスガスとして第2の吸着塔20Bの上部から第2の吸着塔20Bの内部に導入される。
リンスガスにより、第2の吸着塔20B内の酸素吸蔵剤22からの酸素の脱離が促進される。酸素吸蔵剤に吸着された酸素は原料ガスである空気中の酸素分圧に作用するため、リンスガスを導入することで酸素吸蔵剤中の酸素分圧が低下し、より効率的に酸素が脱離するからである。
酸素吸蔵剤22から脱離した酸素は、真空ポンプ12によって、第2の吸着塔20Bの下部から取り出され、ガス流路L7、ガス流路L8、真空ポンプ12、ガス流路L13を通じて、製品酸素O2 OUTとして酸素発生装置1の系外に送出される。
バルブA1開、バルブA2閉、バルブA3開、バルブB1閉、バルブB2開、バルブB3閉、バルブRV開、バルブNV開とする。
真空ポンプ12を稼働させて、第2の吸着塔20B内の圧力を低下させた状態で、第1の吸着塔20Aの上部から送り出された窒素富化ガスの一部がリンスガスとして第2の吸着塔20Bの上部から第2の吸着塔20Bの内部に導入される。
リンスガスにより、第2の吸着塔20B内の酸素吸蔵剤22からの酸素の脱離が促進される。酸素吸蔵剤に吸着された酸素は原料ガスである空気中の酸素分圧に作用するため、リンスガスを導入することで酸素吸蔵剤中の酸素分圧が低下し、より効率的に酸素が脱離するからである。
酸素吸蔵剤22から脱離した酸素は、真空ポンプ12によって、第2の吸着塔20Bの下部から取り出され、ガス流路L7、ガス流路L8、真空ポンプ12、ガス流路L13を通じて、製品酸素O2 OUTとして酸素発生装置1の系外に送出される。
(昇圧工程)
バルブA1開、バルブA2閉、バルブA3開、バルブB1閉、バルブB2閉、バルブB3閉、バルブRV開、バルブNV開とする。
第2の吸着塔20B内にリンスガスを導入することにより、第2の吸着塔20B内の圧力を上昇させる。
バルブA1開、バルブA2閉、バルブA3開、バルブB1閉、バルブB2閉、バルブB3閉、バルブRV開、バルブNV開とする。
第2の吸着塔20B内にリンスガスを導入することにより、第2の吸着塔20B内の圧力を上昇させる。
第1の吸着塔20Aと第2の吸着塔20Bの2塔を交互に吸着工程と、脱離工程、脱離+リンス工程及び昇圧工程とを繰り返すことにより、空気から酸素を連続的に発生させることができる。
(均圧工程)
通常のPSA方式酸素発生方法では、昇圧ポンプの動力を低減するために、片方の吸着塔内の圧力を他方に回収する均圧工程を導入している。しかし、本実施形態の酸素発生方法では均圧工程を行わないことが好ましい。第1の吸着塔20Aで酸素吸蔵剤に酸素を吸着させた後の窒素富化ガスを、第2の吸着塔20Bに導入して均圧工程を行うと、第1の吸着塔20Aから取り出された酸素の一部が第2の吸着塔20Bに流れ込み、第2の吸着塔20Bからの酸素回収量が低下するためである。特に、酸素吸蔵剤としてペロブスカイト型金属酸化物を用いる場合は、均圧工程を行った場合に酸素発生量が低下しやすい。
通常のPSA方式酸素発生方法では、昇圧ポンプの動力を低減するために、片方の吸着塔内の圧力を他方に回収する均圧工程を導入している。しかし、本実施形態の酸素発生方法では均圧工程を行わないことが好ましい。第1の吸着塔20Aで酸素吸蔵剤に酸素を吸着させた後の窒素富化ガスを、第2の吸着塔20Bに導入して均圧工程を行うと、第1の吸着塔20Aから取り出された酸素の一部が第2の吸着塔20Bに流れ込み、第2の吸着塔20Bからの酸素回収量が低下するためである。特に、酸素吸蔵剤としてペロブスカイト型金属酸化物を用いる場合は、均圧工程を行った場合に酸素発生量が低下しやすい。
[作用効果]
吸着塔に使用されるステンレスは、熱伝導度が良いために、吸着塔の外側に断熱材を設置するだけでは、塔の上下方向に熱が逃げる為に、断熱効果は限定的であるが、内部に断熱材を設置する事で、ステンレスを介した熱の放出が避けられるために、高い断熱効果を得る事が可能となる。
吸着塔に使用されるステンレスは、熱伝導度が良いために、吸着塔の外側に断熱材を設置するだけでは、塔の上下方向に熱が逃げる為に、断熱効果は限定的であるが、内部に断熱材を設置する事で、ステンレスを介した熱の放出が避けられるために、高い断熱効果を得る事が可能となる。
以下では実施例によって本発明をより具体的に説明する。しかし、本発明は後述する実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の変形が可能である。
[実施例1]
内壁にガス透過量の高い断熱材(イソウールBSSR1300ブランケット130、イソライト工業社製)を50mm施した内径300mmのステンレス製吸着塔に、充填高さ400mm(12.5L)でペロブスカイト系酸素吸蔵剤を17kg充填した。
吸着塔の外部、ガスヒーター、ガスヒーターから吸着塔までの配管、及びバルブにも厚さ50mmの断熱材を施して放熱を防いだ。
この吸着塔を二塔装備した図1に概略構成を示す酸素発生装置を使用して、加熱した空気300L/minを10kPaGで流し、吸着塔中心部の酸素吸蔵剤を340℃に加熱した状態で酸素を吸着させた(吸着工程)。その後、真空ポンプで-80kPaGまで排気して酸素吸蔵剤に吸着した酸素を脱離させ、酸素吸蔵剤から脱離した酸素を吸着塔から取り出した(脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程)。
吸着工程、脱離+リンス工程、及び昇圧工程は、表1のバルブ開閉手順で、二塔で交互に実施することで、酸素濃度50体積%の酸素富化ガスを連続的に100L/minで得ることができた。
内壁にガス透過量の高い断熱材(イソウールBSSR1300ブランケット130、イソライト工業社製)を50mm施した内径300mmのステンレス製吸着塔に、充填高さ400mm(12.5L)でペロブスカイト系酸素吸蔵剤を17kg充填した。
吸着塔の外部、ガスヒーター、ガスヒーターから吸着塔までの配管、及びバルブにも厚さ50mmの断熱材を施して放熱を防いだ。
この吸着塔を二塔装備した図1に概略構成を示す酸素発生装置を使用して、加熱した空気300L/minを10kPaGで流し、吸着塔中心部の酸素吸蔵剤を340℃に加熱した状態で酸素を吸着させた(吸着工程)。その後、真空ポンプで-80kPaGまで排気して酸素吸蔵剤に吸着した酸素を脱離させ、酸素吸蔵剤から脱離した酸素を吸着塔から取り出した(脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程)。
吸着工程、脱離+リンス工程、及び昇圧工程は、表1のバルブ開閉手順で、二塔で交互に実施することで、酸素濃度50体積%の酸素富化ガスを連続的に100L/minで得ることができた。
[実施例2]
内壁にガス透過量の少ない断熱材(ISOLITE B6、イソライト工業社製)を50mm施した内径300mmのステンレス製吸着塔に、充填高さ400mm(12.5L)でペロブスカイト系酸素吸蔵剤を17kg充填した。
吸着塔の外部、ガスヒーター、ガスヒーターから吸着塔までの配管、及びバルブにも厚さ50mmの断熱材を施して放熱を防いだ。
この吸着塔を二塔装備した図1に概略構成を示す酸素発生装置を使用して、加熱した空気300L/minを10kPaGで流し、吸着塔中心部の酸素吸蔵剤を340℃に加熱した状態で酸素を吸着させた(吸着工程)。その後、真空ポンプで-80kPaGまで排気して酸素吸蔵剤に吸着した酸素を脱離させ、酸素吸蔵剤から脱離した酸素を吸着塔から取り出した(脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程)。
吸着工程、脱離+リンス工程、及び昇圧工程は、表1のバルブ開閉手順で、二塔で交互に実施することで、酸素濃度71体積%の酸素富化ガスを連続的に70L/minで得ることができた。
内壁にガス透過量の少ない断熱材(ISOLITE B6、イソライト工業社製)を50mm施した内径300mmのステンレス製吸着塔に、充填高さ400mm(12.5L)でペロブスカイト系酸素吸蔵剤を17kg充填した。
吸着塔の外部、ガスヒーター、ガスヒーターから吸着塔までの配管、及びバルブにも厚さ50mmの断熱材を施して放熱を防いだ。
この吸着塔を二塔装備した図1に概略構成を示す酸素発生装置を使用して、加熱した空気300L/minを10kPaGで流し、吸着塔中心部の酸素吸蔵剤を340℃に加熱した状態で酸素を吸着させた(吸着工程)。その後、真空ポンプで-80kPaGまで排気して酸素吸蔵剤に吸着した酸素を脱離させ、酸素吸蔵剤から脱離した酸素を吸着塔から取り出した(脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程)。
吸着工程、脱離+リンス工程、及び昇圧工程は、表1のバルブ開閉手順で、二塔で交互に実施することで、酸素濃度71体積%の酸素富化ガスを連続的に70L/minで得ることができた。
[比較例1]
内径300mmで内部に断熱材を施していないステンレス製吸着塔に、充填高さ175mm(12.4L)でペロブスカイト系酸素吸蔵剤を17kg充填した。
吸着塔の外部、ガスヒーター、ガスヒーターから吸着塔までの配管、及びバルブには厚さ50mmの断熱材を施して放熱を防いだ。
この吸着塔を二塔装備した図1に概略構成を示す酸素発生装置を使用して、加熱した空気300L/minを10kPaGで流し、吸着塔中心部の酸素吸蔵剤を340℃に加熱した状態で酸素を吸着させた(吸着工程)。その後、真空ポンプで-80kPaGまで排気して酸素吸蔵剤に吸着した酸素を脱離させ、酸素吸蔵剤から脱離した酸素を吸着塔から取り出した(脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程)。
吸着工程、脱離+リンス工程、及び昇圧工程は、表1のバルブ開閉手順で、二塔で交互に実施することで、酸素濃度38体積%の酸素富化ガスを連続的に80L/minで得ることができた。
内径300mmで内部に断熱材を施していないステンレス製吸着塔に、充填高さ175mm(12.4L)でペロブスカイト系酸素吸蔵剤を17kg充填した。
吸着塔の外部、ガスヒーター、ガスヒーターから吸着塔までの配管、及びバルブには厚さ50mmの断熱材を施して放熱を防いだ。
この吸着塔を二塔装備した図1に概略構成を示す酸素発生装置を使用して、加熱した空気300L/minを10kPaGで流し、吸着塔中心部の酸素吸蔵剤を340℃に加熱した状態で酸素を吸着させた(吸着工程)。その後、真空ポンプで-80kPaGまで排気して酸素吸蔵剤に吸着した酸素を脱離させ、酸素吸蔵剤から脱離した酸素を吸着塔から取り出した(脱離工程、脱離+リンス工程、昇圧工程)。
吸着工程、脱離+リンス工程、及び昇圧工程は、表1のバルブ開閉手順で、二塔で交互に実施することで、酸素濃度38体積%の酸素富化ガスを連続的に80L/minで得ることができた。
(結果の説明)
実施例と比較例を比べると、吸着塔の外壁と酸素吸着剤との間に内部断熱材を配置することにより壁面近傍の酸素吸着剤の温度低下を抑えることができ、酸素の発生量を約66%増加させることができた。
実施例と比較例を比べると、吸着塔の外壁と酸素吸着剤との間に内部断熱材を配置することにより壁面近傍の酸素吸着剤の温度低下を抑えることができ、酸素の発生量を約66%増加させることができた。
1…酸素発生装置、11…昇圧ポンプ、12…真空ポンプ、13…ガスヒーター、20…吸着塔、20A…第1の吸着塔、20B…第2の吸着塔、21…吸着塔本体、22…酸素吸蔵剤、23…断熱材、L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10,L11,L12,L13,L14…ガス流路、A1,A2,A3,B1,B2,B3,NV,RV…バルブ、AIRIN…空気、O2
OUT…酸素ガス、EX…排気ガス
Claims (6)
- 内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生方法。
- 前記酸素吸蔵剤に250~450℃の空気を0~100kPaGで接触させて酸素を吸着させ、次いで、前記酸素吸蔵剤にかかる圧力を下げることで、前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させて、酸素を発生させる、請求項1に記載の酸素発生方法。
- 前記吸着塔を複数用いて、順次前記酸素吸着剤への酸素の吸着と前記酸素吸蔵剤からの酸素の脱離を繰り返すことにより連続して酸素を発生させる、請求項1又は2に記載の酸素発生方法。
- 内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を2塔以上用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生方法であって、
前記酸素吸蔵剤に空気を接触させて前記酸素吸蔵剤に酸素を吸着させる吸着工程と、
前記酸素吸蔵剤に掛かる圧力を下げて前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させる脱離工程と、
前記酸素吸蔵剤に掛かる圧力を下げたまま、他の吸着工程の排気ガスを導入することにより前記酸素吸蔵剤からの酸素の脱離を促進する脱離+リンス工程と、
を含み、
前記複数の吸着塔の圧力を回収する均圧工程を含まない、
請求項1~3のいずれか1項に記載の酸素発生方法。 - 前記酸素吸蔵剤から酸素を脱離させる際の温度が250~450℃である、請求項1~4のいずれか1項に記載の酸素発生方法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の酸素発生方法を実施するための、内壁に断熱材を備え、前記断熱材の中央の空間に高温で酸素を吸着及び脱離する酸素吸蔵剤を充填した吸着塔を用いる圧力スイング吸着方式による酸素発生装置。
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JP2021161169A JP2023050843A (ja) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 酸素発生方法及び酸素発生装置 |
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