JP2539846B2 - 圧力変動式吸着による混合物の分離 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧力スウイング吸着によるガス混合物の分離
に関するものである。

圧力スウイング吸着は、ガス混合物を分離する為の周
知の方法である。モレキユラーシーブ吸着剤の床は、相
対的に残つているガス混合物の構成要素或いは、数種の
構成要素の成分以外のその吸着剤の床に導入されたガス
混合物の少なくとも１つ以上の成分を分離或いは抽出す
る為に用いられる。従つて、未吸着の構成要素が多くな
つた生成ガスが生成物として床から得られても良い。そ
れから床は吸着が行なわれた時より低い圧力にする事に
より再生される。

発展した圧力スウイング吸着法の初期においては、ゼ
オライト・モレキユラーシーブが吸着剤として用いられ
ていた。ゼオライトの細孔中への気体分子の吸着率は、
かなりの割合で結晶子径に依存しているが、一般に吸着
は速く又通常わずか数秒で平衡に達する。ふるい挙動
は、ガス混合物の異種成分の平衡吸着における相違に基
づいている。吸着量は温度と同様にガスの圧力にも依存
する。この事により、高圧でゼオライト中にあるガスを
吸着させ、更に減圧により、再びそのガスを取り除く事
が可能である。空気の分離の例においては、窒素が酸素
より優先的に吸着され、従つて酸素の多い或いはほぼ純
粋な酸素を生成する為に圧力スウイング吸着を用いる事
は、周知であり、市販品の段階で分離させる為の多くの
違つた有効な系がある。

最近では、ゼオライトに変るものとしてカーボンモレ
キユラーシーブが発達してきた。カーボンモレキユラー
シーブは平衡吸着における相違は存在しても良いが、そ
のような相違により、ふるい挙動を生じず、ガス混合物
の異なつた各成分の吸着率の違いによりふるい挙動を生
じる。カーボンモレキユラーシーブは、特に、空気から
酸素を吸着して窒素生成物を生成する空気分離に用いる
事ができる。

カーボンモレキユラーシーブとゼオライトモレキユラ
ーシーブのふるい挙動の相違から見れば、新しい領域の
市販の圧力スウイング吸着系は、カーボンモレキユラー
シーブの利用により発達した。一般に、この系は、ゼオ
ライトモレキユラーシーブを用いた圧力スウイング吸着
系より簡素である。英国特許出願No.2073043Aに記載さ
れている一つの周知の系は、一つの床が吸着段階である
時、もう一つの床は再生段階であり、又、これが交互に
入れ変る様な、180゜他方に対して相の反転が連続して
起こる同一系で操作される２つの吸着剤の床を用いてい
る。吸着段階と再生段階の間において、２つの床におけ
る圧力は、２つの床の入口を一緒に連結し、又、２つの
床の出口を一緒に連結する事により等しくされる。これ
らの連結がなされると、吸着段階が完了した高圧の床の
空いた空間にあるガスは、再生段階が完了した低圧の床
に、この時点で２つの床の間に存在する圧力差の効果に
より流れ込む。その様な空いた空間にあるガスは既に幾
分窒素が多くなつているので、この等圧化段階は生成物
の純度を向上させるのに有効である事が分かつた。その
等圧化段階の間に、圧力が低下する高圧床からの純度の
低いガスは、同圧化の終り近くに低圧床の最上部に達す
る傾向があるのに対し、最も純度の高いガス、すなわち
高圧床内の生成ガスで最も多いガスは、同圧比の終りに
低圧床の中間に達する傾向がある。この様に次の吸着段
階が進行する時、生成ガスは最初に不純物による汚染を
より平均化する傾向が得られる。

少なくとも各吸着段階の後半部に対し吸着が進行して
いる床の最上部と放出が進行している床の最上部との連
結を設置する事が提案されている。この方法によつて生
成物の収率又は純度のどちらかが、或いは両方とも向上
させる事ができる事が分かつた。我々は、放出が進行し
ている床と再生が進行している床との連結を設置する代
りに、生成ガスを回収する貯蔵槽との連結を設置するな
らば、カーボンモレキユラーシーブを利用した圧力スウ
イング吸着法において、生成物の純度又は生成物の収
率、或いはその両方において、驚くほど大きな向上が達
せられるかもしれない事を見い出した。

従つて本発明は、所望のガス成分を含むガス混合物か
ら、前述の所望のガス成分を分離する方法を提供するも
のであり、その方法は以下の順序の段階を繰り返し進行
する事から成る： ａ） ガス混合物を、そのガス混合物中の所望の成分以
外の少なくとも１つの他の成分を、所望の成分より敏速
に吸着するカーボンモレキユラーシーブの床の一端の領
域に通し、そこで床に圧力をかける； ｂ） その床に、ガス混合物を連続して導入しながらそ
の床の他端から前述の所望の成分が多くなつたガス状生
成物を回収し、前述のガス状生成物を貯蔵槽に通し、更
に ｃ） 前述の床の一端の領域を大気或いは真空と連結さ
せる事により、前述のカーボンモレキユラーシーブから
前述のガス混合物の少なくとも１つの他の成分を放出す
る； ここで貯蔵槽の圧力が、その床の圧力を超える度毎に
貯蔵槽から前述の床へガスが流れることを特徴とする。
これはこのようにすることにより、製品の収率及び純度
が向上する。

又、本発明は、所望のガス状成分を含む混合ガスから
前述の所望のガス状成分の分離に用いる装置を提供する
ものであり、末端領域の一方に分離されるべきガス混合
物の原料源と連結した導入導管と、床の前述の一端領域
から放出ガスを出す為の放出導管と、もう一方の末端領
域に床と生成ガスの貯蔵槽との連結を設置する為のもう
一つの放出導管と（前述の各導管はそれらの中に配置さ
れた自動操作可能なストツプバルブを有する）を有する
吸着剤の容器；貯蔵槽からその床の他端に戻つてくる径
路；更に、前述のバルブ類の開閉を制御する為のバルブ
制御装置、ここで、貯蔵槽から床の前述の他端に戻つて
くる径路にはノーストツプバルブが配置してあり、それ
により貯蔵槽の圧力が床の圧力を超える度に貯蔵槽から
床へのガスの流れがある、とから成る。

カーボンモレキユラーシーブの床は一つだけでも良い
が、本発明における方法では少なくとも２つのカーボン
モレキユラーシーブの床を用いるのが好ましい。２つの
カーボンモレキユラーシーブの床がある場合、一つの床
が吸着段階にある時はもう一つの床は放出段階にある様
に他方に対し相が180゜反転した段階の前述の順序をそ
れぞれが進行し交互に入れ変る様に進行する。好ましく
は、本発明による方法の具体例にある様に、一つの床が
前述の（ｂ）の段階を完了した時点で、もう一方の床と
連結して流れる様に設置され、それにより、前述の一方
の床からもう一つの床へのガスの流れがあり、更に、前
述のガス流れは、前述の一方の床が次の段階（ｃ）を開
始するより先行して終了し、前述の一方の床が放出段階
を完了した時点で、もう一方の床と連結して流れる様に
設置され、それにより、もう一方の床から前述の一方の
床へのガスの流れがあり、このガスの流れは、前述の一
方の床が、次の段階（ａ）を開始するより先行して終了
する。これらのガス流れは、好ましくは、２つの床の間
の圧力を均一にする様に供給する。そのガス流れは、一
方の床の前述の他端領域ともう一つの床の前述の他端領
域とを連結する様に設置された導管を通して行なわれて
も良いし、或いは、好ましくは、一方の床の前述の一端
の領域と、もう一方の床の前述の一端の領域とを連結す
る様に設置された一つの導管ともう一つの導管によつて
行なわれても良い。

２つのカーボンモレキユラーシーブの床が用いられる
場合、一方の床において一回の段階（ａ）の開始と、前
述の一方の床によつて行なわれる次の段階（ａ）の開始
とによつて定義される期間において、貯蔵槽から床に戻
るガスの全流量は、好ましくは一つの床の容積の半分か
ら２つ分の床の容積（大気圧において）までが良い。そ
れ故、通常は生成物貯蔵槽からガスの戻る流れは、生成
物として貯蔵槽から回収されるガスと較べて少量であろ
う。

本発明による装置と方法は特に、空気から窒素生成物
を分離するのに有効である。通常、空気の分離において
は、前述の一端又はそれぞれのカーボンモレキユラーシ
ーブは、アルミナやシリカゲルの様な乾燥剤の層で水蒸
気から保護される。一般に、床は円柱状であり、各々の
床の前述の一端はその床の底部を構成し、前述の他端は
その床の最上部を構成する。従つて吸着と生成物の回収
の間には、ガスの上向きの流れが生じ、放出の間には、
ガスの下向きの流れが生じる。

本発明による方法と装置は、貯蔵槽から一つの床又は
数個の床へガスの戻る径路がない方法や装置と比較し
て、生成ガスの収率と純度における改善の可能性があ
る。

本発明による方法と装置について、本発明により空気
から窒素を分離するプラントの概略図を用いて、具体例
により以下に記述する。

模式図において、図示のプラントはコンプレツサー４
に導入される空気源のパイプライン２を含んでいる。コ
ンプレツサー４の放出口は空気の導入導管６に連結して
ある。空気の導入導管６はそれぞれにカーボンモレキユ
ラーシーブ吸着剤の床12と14を含む円柱容器８と10のそ
れぞれの一端への連結が可能な様に設置される。円柱容
器８と10はお互いにほとんど同一のものであり、床12と
14も同様である。ストツプバルブ16（ここではオン−オ
フバルブとして用いられる）は、床12の底部と導入導管
６とを連結し、或いは、床12と導入導管６との間の連結
を遮断する様に操作できる様設置されている。同様に、
ストツプバルブ18は、床14の底部と導入導管６とを連結
し、或いはその様な連結を遮断する様に操作できる様に
設置されている。

第１図に表わされているプラントは、貯蔵槽28に続く
放出導管20を有する。ストツプバルブ22は、床12の最上
部と貯蔵槽28とを通して連結し、或いは、その様な連結
を遮断する様に操作できる様設置されている。同様に、
ストツプバルブ24は、床14の最上部と貯蔵槽28とを導管
20を通して連結し、或いは、その様な連結を遮断する様
に操作できる様設置されている。貯蔵槽28は、通常は、
床12或いは床14のどちらよりも大きな容量を有する。導
管20中には、その正方向の流れの圧力が、逆方向の流れ
の圧力を超えた時だけ（すなわち、貯蔵槽の圧力）開く
様に設定された逆流防止バルブ26が配置されている。貯
蔵槽28は、生成ガスのパイプライン30と連結する放出口
を有する。そのパイプライン30には、希望の割合で貯蔵
槽28から窒素生成物を回収する様に操作できる流量制御
バルブ32が配置されている。

消費された或いは放出されたガスの放出導管34もあ
る。ストツプバルブ36は、床12の底部と外気とを導管34
を通して連結し、或いはその様な連結を遮断する様に操
作できる様設置されている。同様に、ストツプバルブ38
は床14の底部と外気とを導管34を通して連結し、或いは
その様な連結を遮断する様に操作できる様設置されてい
る。開いた時に、床12の底部と床14の底部を連結する様
に設置された導管50もある。同じ様な導管52が床12の最
上部と、床14の最上部を連結する様に設置してある。ス
トツプバルブ54は導管50中に配置され、閉じた時、２つ
の床の間の連結を遮断する。同様に、ストツプバルブ56
が、導管52中に配置されている。

本発明によれば、一端が円柱容器８の最上部に通じ、
もう一端が円柱容器10の最上部に通じる細いパイプ或い
は径路がある。その径路、或いはパイプは貯蔵槽28に通
じる導管42と連結されている。従つて、操作中、貯蔵槽
28と床12及び14におけるそれぞれの圧力により、貯蔵槽
28から床12及び床14の一方、又は両方に戻る床、又は生
成ガスの流れがある。この流れは、通常は、放出パイプ
ライン30を通して貯蔵槽から得られる生成ガスの流れと
比較すると相対的に少ない。逆流防止バルブ46と48は、
導管42とパイプ44との連結のそれぞれの側に配置され、
パイプ44と導管を通つて床12と14から貯蔵槽22へのガス
の流れを防ぐ様に働く。

バルブ16、18、22、24、36、38、54及び56は全て既存
の周知の方法で自動的に操作され、これらのバルブの開
閉のタイミングは、プラグラム可能なバルブコントロー
ラー60により操作されても良い。

操作時、系の開始時は、床12は大気圧であり、床14は
コンプレツサー４と連結しているので最大圧力である。
系は、床12と14がお互いに導管50と52を通した連結がな
される事により開始する。系のこの相において、バルブ
16、18、22、24、36及び38は全て閉じられた位置にあ
り、バルブ54と56は開いている。床14における圧力は床
12における圧力より大きい為、床14の吸着剤の個々の粒
子の間の空間にある。未吸着の窒素成分に富むガスは導
管50と52を通り、床12に流れる。系のこの最初の相の間
に、及び全ての他の窒素生成物は、放出パイプライン30
を通して貯蔵槽28から連続的に回収される。通常、貯蔵
槽28中において、圧力の変動があるが、貯蔵槽28は、伝
達圧力のその様な変動が相対的に小さくなる様な、そし
て、平均伝達圧力が、容器８及び10中でその系の間に得
られる最大圧力の通りに、又は、わずかに低くなる様
な、適切な大きさを有するものである。例えば、貯蔵槽
28の圧力が７から８気圧の領域で良い時は通常コンプレ
ツサー４は８気圧の放出ガスを送れば良い。床12と14が
お互いに連結される最初の段階において、導管42と44を
通り、貯蔵槽28から床12へ戻る生成した高純度ガスのわ
ずかな流れがある。その時は、通常は数秒であるが、こ
の床の圧力が、系のこの時点においては、貯蔵槽28の圧
力より低い為、床12と14の圧力が等しくなる時、貯蔵槽
28から床14へのガスの流れがあるだろう。

床12における圧力が、床14における圧力と十分に等し
く或いはほぼ等しくなる様に決められた数秒の期間の
後、系の操作をする次の相が始まる。そして、コントロ
ーラー60は、バルブ54と56を閉じ、バルブ16、22及び38
を閉ける信号を送る。従つて圧縮された空気は、コンプ
レツサー４から床12へ送られ、床12の圧力は徐々に増加
し、貯蔵槽28の圧力まで達する。この期間の間に、酸素
は、容器８中に窒素の多い未吸着ガス混合物を残すカー
ボンモレキユラーシーブによつて吸着される。前の圧力
均一化段階中に、未吸着の窒素成分の多いガスが容器14
から容器12へ供給されている好ましい事が分かるだろ
う。更に、床12と貯蔵槽28との間の圧力差が生じる度に
起こる貯蔵槽28から床12の最上部への生成ガスの流れ
は、床12の吸着相が満足できる純度を有するまでの間、
確実に貯蔵槽28へ最初のガスを送る事を助ける。この最
初の伝達は、床12の圧力が一旦、貯蔵槽28の圧力を超え
て生じる。それから、逆流防止バルブ26は貯蔵槽28へ流
れるガスを通す様になる。この床12から貯蔵槽28へのガ
スの流れは、希望の時間が間続く。通常、床12は、１分
間或いは、どちらか一方が吸着段階にある間コンプレツ
サー４からの圧縮された空気を受ける。通常、吸着段階
は貯蔵槽28へ送られるガスの純度が好ましい状態になる
まで続けられる。

床12がコンプレツサー４と連結されている期間の間
は、床14の底部は、バルブ38を通して外気と連結されて
いる。従つて床14中の残つた未吸着ガスは放出され、
又、容器10の圧力が低下した時、先に吸着された酸素が
放出され、更にこのガスは同様に放出される。この様に
して、床14の吸着剤は進行されるべき次の吸着段階の準
備として再生される。放出段階の間、床14の圧力は、貯
蔵槽28から床14の最上部への生成した高純度ガスの流れ
がある様に、貯蔵槽28の圧力より低くなつている。通
常、この流れは、床14に供給される生成した高純度窒素
の少しでもが、その低部に達し、バルブ28を通して外気
に放出される事のない様な割合に決められる。しかし、
放出段階の終りにおいて（同じ期間に床12において進行
している吸着段階と同じ期間である）円柱容器10の最上
部におけるガスは生成物の純度に近づく事が分かる。

操作系の次の段階は床12と14の間のもう一つの圧力均
一化の進行である。先の相の終りと圧力相の均一化はコ
ントローラー60がバルブ16、22及び38を閉め、バルブ54
と56を開ける信号を送る事により始められる。操作系の
この圧力均一化相はこの場合、窒素に富むガスの流れ
が、床12から床14である場合を除いて最初の相と類似で
ある。更には、床14は、導管42とパイプ44を通して貯蔵
槽28から生成した高純度の窒素を供給され続け、そし
て、又床12の最上部へのその様なガスのその様な流れが
ある。圧力均一化相の期間は、最初の圧力均一化相の期
間と等しく、その終りはコントローラー60からの信号に
よつてバルブ54と56が閉じられ、その様な信号でバルブ
18、24及び36が開けられる事によつてしるされる。操作
系の最終相が開始する。この相は、この場合、床12が大
気圧によつて再生されている一方、床14が流れ込む圧縮
された空気から酸素を吸着する場合を除いて、２番目の
相（床12が吸着しており、14が再生されている状態）に
類似している。放出段階の間、導管42とパイプ44を通つ
て、貯蔵槽28から床12の最上部への通過ガスがあるだろ
う。操作系のこの４番目のそして最終の相の終りにおい
て、バルブ18及び24及び36はコントローラー60からの信
号によつて閉じられ、バルブ54と56は系が繰り返される
様にその様な信号によつて再び閉じられる。

系全体の間中、窒素生成物は、放出導管30を通して貯
蔵槽30から望みの割合で回収される。更に、貯蔵槽28か
ら床12及び14の一方、或いは両方に戻る生成した高純度
窒素の流れが常にある。この流れの進行は、（通常は、
系の操作中、容器８及び10へのガスの全戻り量は、一つ
の床の半分から、２つ分の床容量の範囲である（大気圧
において））導管42、パイプ44及び逆流防止バルブ46と
48が省略された比較し得る方法と比較して、又は、高圧
の床から低圧への直接的な同じガス流れがある単に導管
42とバルブ46と48が省略されただけのものと比較する
と、生成物の純度又は収量（或いはその両方）におい
て、多大な向上を可能とする事が分かる。

【図面の簡単な説明】

図面は、空気から窒素を分離するプラントの概略図であ
る。

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所望のガス成分を含むガス混合物からその
   所望のガスを分離する方法であり、 ａ） ガス混合物を、所望の成分以外のガス混合物中に
   少なくとも１つの他の成分を、その所望の成分より敏速
   に吸着するカーボンモレキュラーシーブの床の一端の領
   域に導入し、そして、それによってその床に加圧する； ｂ） その床にガス混合物を連続して導入しながらその
   床の他端から前述の所望の成分が多くなったガス状生成
   物を回収し、前述のガス状生成物を貯蔵槽に入れ；そし
   て ｃ） 前述の床の一端の領域を大気と連通するか又は低
   真空度とする事により、前述のカーボンモレキュラーシ
   ーブから、前述のガス混合物の少なくとも１つの他の成
   分を脱着する各工程を繰り返し行なうことを含む所望ガ
   スを分離する方法において、 ここで貯蔵槽の圧力が、床の圧力を超える度毎に貯蔵槽
   から前述の床へガスが流れることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】少なくとも２つのカーボンモレキュラーシ
   ーブの床を用いる特許請求の範囲第１項記載のガス混合
   物の分離方法。
3. 【請求項３】一方の床が吸着段階にある場合、もう一方
   の床は脱着段階にある様に、それぞれの床が、他方に対
   し相が180゜反転した前述の順番の段階を進行し、更に
   交互に入れ変わる様に進行する、２つのカーボンモレキ
   ュラーシーブの床を用いる特許請求の範囲第２項記載の
   ガス混合物の分離方法。
4. 【請求項４】一方の床が前述の（ｂ）の段階が完了した
   時点で、他の床と連結して流れる状態に置かれ、それに
   より、前述の一方の床から他方の床へのガスの流れがあ
   り、更に、前述のガスの流れは前述の一方の床が、次の
   （ｃ）の段階を開始する前に終了し、更に、前述の一方
   の床が脱着段階を完了した時点でもう一方の床と連結し
   て流れる状態に置かれ、それにより他方の床から前述の
   一方の床へのガスの流れがあり、このガスの流れは、前
   述の一方の床が次の（ａ）の段階を開始する前に終了す
   る特許請求の範囲第３項記載のガス混合物の分離方法。
5. 【請求項５】ガスはその容器の間でそれらの間の圧力を
   等しくする様に流れる特許請求の範囲第４項記載のガス
   混合物の分離方法。
6. 【請求項６】一方の床に関する一つの（ａ）の段階を開
   始と前述の一方の床によって進行される次の（ａ）の段
   階を開始によって定められる期間において、貯蔵槽から
   床に戻るガスの全量は、（大気圧において）一つの床の
   半分の容量から、２つの床の容量の範囲にある特許請求
   の範囲第３項から第５項のいずれかに記載のガス混合物
   の分離方法。
7. 【請求項７】生成物が窒素を含み、前述のガス混合物が
   空気である、前述の特許請求の範囲のいずれかに記載の
   ガス混合物の分離方法。
8. 【請求項８】所望のガス状成分を含むガス混合物から所
   望のガス状成分を分離するのに用いられる装置で、その
   末端領域の一方に分離されるガス混合物の原料源と連結
   した導入導管と、床の前述の一端領域から脱着ガスを出
   す為の放出導管と、そのもう一方の末端領域に床と生成
   ガスの貯蔵槽との連結を設置する為のもう一つの放出導
   管を有する吸着剤の容器、そして前述の各導管はそれら
   の中に配置された自動操作可能なストップバルブを有す
   る；貯蔵槽からその床の他端に戻ってくる経路；更に前
   述のバルブ類の開閉を制御する為のバルブ制御装置とを
   含むガス混合物の分離装置。
9. 【請求項９】少なくとも２つのカーボンモレキュラーシ
   ーブを用いる、特許請求の範囲第７項或いは第８項記載
   のガス混合物の分離装置。
10. 【請求項１０】一方の床が吸着段階にある時、もう一方
    の床は脱着段階にある様に、それぞれの床が他方に対し
    相が180゜反転した前述の順番の段階を進行し、更に交
    互に入れ変わる様に進行する様に、前述のバルブコント
    ローラーが前述バルブ類の操作を制御する様に合わせら
    れている２つのカーボンモレキュラーシーブの床を用い
    た特許請求の範囲第９項記載のガス混合物の分離装置。
11. 【請求項１１】更に（開いている時に）前述の一方の床
    のもう一方の末端領域と前述のもう一方の床のもう一方
    の末端領域とが連結する様に設置される導管を有する特
    許請求の範囲第10項記載のガス混合物の分離装置。
12. 【請求項１２】更に（開いている時）前述の一方の床の
    もう一方の末端領域と前述のもう一方の床のもう一方の
    末端領域とが連結する様に設置されるている導管中に自
    動操作可能なストップバルブを有し、そのストップバル
    ブは、前述のバルブ制御装置により操作される特許請求
    の範囲第11項記載のガス混合物の分離装置。
13. 【請求項１３】更に（開いている時）前述の一方の床の
    一方の末端領域と前述のもう一方の床の一方の末端領域
    とが連結する様に設置される導管を有する特許請求の範
    囲第11項、又は第12項記載のガス混合物の分離装置。
14. 【請求項１４】更に（開いている時）一方の床の一方の
    末端領域と前述のもう一方の床の一方の末端領域とが連
    結する様に設置される導管中の自動操作可能なストップ
    バルブを有し、そのストップバルブは、前述のバルブ制
    御装置により操作される特許請求の範囲第13項記載のガ
    ス混合物の分離装置。
15. 【請求項１５】それぞれの床が、貯蔵槽から前述の床の
    もう一方の末端に戻ってくる前述の経路中に逆流防止バ
    ルブを有し、それによりその経路を通って貯蔵槽へのガ
    スの流れを防げる特許請求の範囲第10項から第14項のい
    ずれかに記載のガス混合物の分離装置。