JP2680694B2

JP2680694B2 - ガスの分離方法

Info

Publication number: JP2680694B2
Application number: JP1214085A
Authority: JP
Inventors: 良吉山田; 鉄郎芳賀; 俊太郎小山; 寿生山下; 昭夫山本; 直也岩間; 保男船山; 祐司板倉
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 1989-08-22
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1997-11-19
Anticipated expiration: 2012-11-19
Also published as: JPH0377618A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、圧力スイング吸着法を利用したガス分離方
法に係り、特に、空気など低濃度の酸素を含有するガス
から酸素を好適に分離濃縮する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、空気などの混合ガスから窒素を吸着して酸素を
濃縮する場合、例えば、5A・13X型のゼオライトなどの
固体吸着剤を充填した吸着塔に加圧下で空気を送入し、
窒素を選択的に吸着させ、酸素を製品として取り出す吸
着工程と、吸着工程終了後の吸着塔を真空ポンプなどの
手段によって減圧し、吸着剤中の窒素を脱着する再生工
程と、再生工程終了後の吸着塔を製品酸素あるいは空気
によって吸着工程時の圧力まで昇圧する加圧工程とを経
る様にし、圧力の変化で吸脱着を繰り返して空気から酸
素と窒素とを分離する圧力スイング吸着法がある。

圧力スイング吸着法では、連続して製品を取り出すた
めに、前記吸着剤等を充填した吸着塔を複数個配置し、
各吸着塔において前記吸着、再生、各圧の各工程を各吸
着塔前後に設けた弁を順次切り替えることによって行う
のが一般的である。

しかし、同法の既知手段によれば吸着工程において
は、空気から多量の窒素を吸着除去する必要がある。こ
のため、再生工程では多量に吸着された窒素を脱着し、
吸着剤を再生する必要がある。この場合、吸着した窒素
をできるだけ完全に脱着するのが好ましいが、窒素を完
全に脱着するためには真空ポンプ等の手段による高真空
下での再生が必要となり、さらに、長時間を要す。高真
空下での吸着剤の再生を行うことは、真空ポンプ等の再
生動力が増大する。このため、現実的な操作としては、
吸着・脱着共に不完全な状態で次の工程に移行させるの
が圧力スイング吸着法では一般的である。また、吸着工
程時には原料空気を供給し続け、所定の製品ガス濃度が
得られる様に、吸着塔製品ガス吐出端において窒素が破
過する寸前まで製品ガスの吐出を続ける様に操作してい
る。この場合、製品ガス吐出端に近い吸着剤には窒素が
まだ吸着し得る吸着帯を持っており、製品ガスとして取
り出せる酸素の一部が残存する。この残存酸素は、次の
再生工程移行時に真空ポンプ等の手段によって系外に排
気される。したがって、原料空気の酸素量に対する製品
酸素の取り出し量、すなわち、製品酸素回収効率の低下
を招く。

製品酸素回収率低下を防止する手段として、吸着工程
時に吸着塔内の窒素の吸着帯巾と吸着塔内の吸着圧力条
件との関係を着目することによって、窒素の吸着帯巾を
制御する様にし、吸着塔の負荷効率を向上させ、製品酸
素の回収率向上を計る手段が特開昭53−140281号に記載
されている。これは、吸着工程を単塔式で行い、吸着塔
の窒素の吸着帯が製品酸素吐出端に達する以前から吸着
塔内を吸着圧力条件よりも減圧させ、製品酸素の減圧吐
出を行い、窒素の吸着帯巾を小さくし、製品酸素吐出端
に残存する酸素をできるだけ小さくして製品酸素の回収
率向上をさせる方法である。この方法においては、吸着
圧力に対し減圧終了時の圧力は半分以下にすることが望
ましいとされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、吸着塔製品ガス吐出端において窒素
の吸着帯が破過する以前から原料空気の供給を停止し、
かつ、吸着圧力に対して半分以下の圧力まで減圧するこ
とにより窒素の吸着帯巾を小さくする様に制御するとさ
れている。この様な方法で、製品酸素吐出端に残存する
酸素を回収しても吐出端からの製品酸素濃度を所定の濃
度に維持する必要があるため、窒素の吸着帯巾を小さく
するには限度がある。また、本方法においては破過する
以前から減圧吐出をするため、破過前の吸着剤が存在す
る。これらは、本来窒素の吸着能力を持つものであり、
塔項部の自らの酸素を減圧によって吐出するものであ
る。すなわち、この様な吸着剤は原料空気の分離に寄与
せず、吸着塔内の吸着剤を有効に使用していないことに
なる。したがって、製品として回収し得る酸素は吸着塔
製品吐出端部に多少残存することになり、製品酸素の回
収率向上の効果は小さくなる点に配慮がされていない。

本発明の目的は、高濃度の製品酸素の回収率を増大
し、かつ、再生時の真空ポンプ等の再生動力を低減し圧
力スイング吸着法による酸素製造設備の低コスト化を図
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明のガスの分離方法
は、高吸着及び低吸着成分を含む原料ガスを吸着剤を充
填した吸着塔へ供給して、前記高吸着成分ガスを吸着さ
せる吸着工程と、吸着工程終了込の吸着塔を減圧して前
記吸着剤の高吸着成分ガスを脱着し、吸着剤を再生する
再生工程と、再生終了後の吸着塔を原料ガスあるいは製
品ガスを用いて吸着工程時の圧力まで昇圧する加圧工程
とを少なくとも３塔が並列に設けられている吸着塔で前
記各工程（時間）をずらして繰り返し行うガスの精製方
法において、1A,1B及び1Cの３吸着塔を並列に配置し該1
A,1B及び1C吸着塔の各塔底部に切替バルブを介して原料
ガス供給端をそれぞれ接続し、かつ、各塔頂部に製品ガ
ス吐出端を切替バルブを介してそれぞれ接続し、さら
に、吸着塔1A塔頂部の製品ガス吐出端からのガス送入端
を切替バルブを介して吸着塔1B塔底部に接続し、吸着塔
1B塔頂部の精製ガス吐出端からのガス送入端を切替バル
ブを介して吸着塔1C塔底部に接続し、吸着塔1C塔頂部の
製品吐出端からのガス送入端を切替バルブを介して吸着
塔1A塔底部に接続する様に構成し、前記吸着工程を1Aと
1B吸着塔２塔直列で行う様にし、該1Aと1B吸着塔２塔直
列での吸着工程を終了した時点においては1Bと1C吸着塔
２塔直列で吸着工程を実施し、次の吸着工程を1Cと1A吸
着塔２塔直列で順次実施する様にして連続的に製品ガス
を吐出させる様にし／、すなわち、1Aと1B吸着塔が吸着
工程にある時は1Aが前段吸着塔、1Bが後段吸着塔、1Bと
1C吸着塔が吸着工程にある時は1Bが前段吸着塔、1Cが後
段吸着塔、1Cと1A吸着塔が吸着工程にある時は1Cが前段
吸着塔、1Aが後段吸着塔を受けた持つ様にし、さらに、
前記前段吸着塔を受け持った吸着塔においては塔頂部精
製ガス吐出端が前記原料ガス雰囲気に達するまで吸着を
行なわせ、その後原料ガスの供給を停止し、前記後段吸
着塔を受け持った吸着塔においては塔頂部製品吐出端か
ら精製ガスを取り出しつつ、前段及び後段吸着塔内を減
圧し、減圧しながら前段吸着塔の吸着剤中に吸着されて
いる高吸着及び低吸着成分を含む混合ガスを脱着し、該
脱着ガスを前段吸着塔塔頂部製品吐出端から後段吸着塔
塔底部ガス送入端を通して後段吸着塔内に供給し、後段
吸着塔内の吸着剤に前記脱着ガス中の高吸着成分を吸着
し、低吸着成分をも製品ガスとして取り出すことを特徴
とするものである。

そして、その具体的な好ましい態様としては、吸着工
程時に原料混合ガス供給停止後、前段及び後段吸着塔を
減圧する時間を他塔が前記加圧工程にある時間の前半あ
るいは後半の時間帯に合せること、吸着工程時に原料混
合ガス供給停止後、前段及び後段吸着塔を減圧する手段
を吸着工程時にある後段吸着塔の低吸着成分ガス吐出端
の下流側を真空ポンプあるいは吸引ブロアーで行うこ
と、吸着工程時間t₁と吸着工程時に原料混合ガスの吸着
塔への供給を停止する時間t₂とを0.015＜t₂/t₁＜0.5と
すること、吸着工程時に原料混合ガスの供給停止前の圧
力P₁と原料混合ガス供給停止後の圧力P₂とを0.5＜P₂/P₁
＜0.99とすること等を挙げることができる。

〔作用〕

本発明の作用について、本発明を３塔並列に設けた吸
着塔に適用した場合について第１図を用いて説明する。
切替弁12A,11B,12B,11C,15A,16A,16B,15C,14B,14Cを
閉、切替弁11A,14A,15B,19を開の状態で原料空気を大気
中から配管21を通して圧縮機３により切替弁11Aを介し
て供給端90Aから吸着塔1A（前段吸着塔）に目的とする
吸着圧力P₁を保持して供給する。吸着塔1Aでは、原料空
気中の窒素を吸着し製品吐出端100Aが空気雰囲気になる
まで原料空気の供給を続け、酸素を粗濃縮する。この場
合、吸着剤には窒素以外に酸素も多少吸着される。吸着
塔1Aで粗濃縮した酸素を製品吐出端100Aから吐出し、切
替弁14Aを介して供給端90Bから吸着塔1B（後段吸着塔）
に供給し、該吸着塔1Bの吸着剤により窒素を殆んど吸着
し目的とする高濃度の酸素を濃縮する。濃縮酸素は吐出
端100Bから切替弁15B,19を介して製品タンク２に貯蔵す
る。この間、吸着塔1Aの製品吐出端100Aにおいて空気雰
囲気、すなわち、吸着塔1Aにおいて窒素の吸着帯が全く
存在しない状態になった後、切替弁11Aを閉じ吸着塔1A
への原料空気の供給を停止する。原料空気の供給を停止
した時点においては、切替弁14A,15B,19は開の状態とし
吸着塔1Bにおいては窒素の吸着帯が製品吐出端100Bにお
いて極小になるまで所定の高濃度の酸素を取り出しなが
ら、切替弁15B,19を介して製品タンク２に貯蔵する。こ
の操作により、吸着塔1A及び1Bを目的とする圧力P₂まで
減圧し、圧力P₂まで減圧すると同時に吸着塔1Aの吸着剤
に吸着されている酸素及び窒素の一部を脱着する。該脱
着酸素及び窒素は、製品吐出端100Aから切替弁14Aを介
して供給端90Bから吸着塔1Bに移行する。ここで、移行
窒素は吸着塔1B充填吸着剤に再吸着し移行酸素は吸着塔
1Bで製品として取り出される高濃縮酸素と併合して製品
吐出端100Bから切替弁15B,19を介して製品タンク２に貯
蔵する。吸着塔1A及び1B2塔直列で吸着工程を実施して
いる間、吸着塔1Cでは切替弁16Cを閉、12Cを開として真
空ポンプ４により吸着塔1C充填吸着剤に吸着されている
酸素・窒素を脱着し、該吸着剤を再生する再生工程を実
施する。再生工程終了時点において切替弁12Cを閉じ、
真空ポンプ４を停止、次いで切替弁16Cを開とし製品タ
ンク２から製品の一部を切替弁16Cを介して吸着塔1Cに
送り、次の吸着工程を経るための準備として所定の吸着
圧力まで昇圧し各圧工程を実施する。

上記動作を終了した時点、吸着塔1A及び1B2塔直列の
吸着工程を終了する。次の吸着工程を経る吸着塔は吸着
塔1B（前段吸着塔となる）と前記加圧工程を終了した吸
着塔1C（後段吸着塔となる）２塔直列で行ない、上記動
作を繰り返す。この間、前記吸着工程を終了した吸着塔
1Aは切替弁12Aを開として真空ポンプ４により吸着塔1A
充填吸着剤を脱着・再生する再生工程を実施し、配管23
を介して系外に排気したのち切替弁12Aを閉じ、真空ポ
ンプ４を停止し切替弁16Aを開として製品タンク２から
製品の一部を受け入れ吸着圧力まで昇圧する各圧工程を
実施する。

上記の動作を繰り返すことによって、高濃度の製品酸
素の取出し量を増大できるため、製品酸素の回収率を大
幅に向上できる。また、再生工程を実施する吸着塔は既
に吸着圧力P₁からP₂に降圧されて吸着剤中の吸着ガスが
脱着された状態にある。このため、再生工程にある吸着
塔は吸着剤に吸着されているガス量が減少しており、さ
らに、再生時の圧力P₂は低い状態になるので、所定の再
生圧力まで減圧・再生する真空ポンプの負荷が小さくな
り、動力を小さくできる。

ところで、従来圧力スイング吸着装置及び運転法に関
しては、例えば特開昭54−24278号等に記載されている
様に、前記吸着工程、再生工程及び加圧工程を経る以外
に均圧化工程を導入し、本発明法と同様、製品酸素の回
収率向上を図ることを目的としている。

ここで、本発明法と均圧化工程との違いを明確にする
ために、第２図を用いて説明する。第２図には、均圧化
工程を実施し得る概略フローを示した。第２図におい
て、切替弁306,307,309,311を閉、305,310を開の状態で
原料空気300は切替弁305を介して吸着塔303に供給さ
れ、吸着工程が実施される。製品酸素は、切替弁310を
介して312を経て製品タンク（図示しない）等に貯蔵さ
れる。この間、吸着塔304は切替弁311閉、308開の状態
で真空ポンプ301によって吸着塔304充填吸着剤が減圧・
再生される。この後、切替弁305,306,307,308,310,311
を閉として原料空気300の供給及び真空ポンプ301が停止
される。この状態では吸着塔303の圧力P₅と吸着塔304の
圧力P₆はP₅＞P₆となっている。この状態において、切替
弁309を開とし吸着塔303及び304間の均圧化が実施され
る。均圧化工程では、吸着塔303内のガスが切替弁309を
介して吸着塔304に導入され、吸着塔303が減圧、吸着塔
304が加圧された状態となり、圧力P₅とP₆は均等圧力と
なる。次いで、吸着塔303は再生工程に入り、吸着塔304
は切替弁307を開として原料空気300を導入、あるいは、
切替弁311を開として製品を送り込み、所定の吸着圧力
まで昇圧され、加圧工程が実施される。均圧化工程の特
徴は、１つには吸着塔303においては高濃縮酸素がかな
り多量に（吸着塔の半分以下が高濃縮酸素で満たされる
場合も有る）残存した状態で吸着工程を終了するところ
にある。これは、吸着塔304に均圧化時に高濃縮酸素を
導入し、該吸着塔304が次の吸着工程を実施する際に、
高濃縮酸素が吐出できるからである。また、２つには均
圧化は通常、ガス流れから見て吸着塔頂間からガスの授
受が行なわれることにある。これは、吸着塔303の塔頂
から吸着塔304塔底部に高濃縮酸素が導入された場合
は、吸着塔304充填吸着剤中には未だ不完全な再生状態
にあり、窒素が吸着されている。この窒素が、高濃縮酸
素導入の際に吸着塔304塔頂部に押し上げられる。この
ため、吸着塔304が次の吸着工程を実施する時に低濃縮
酸素が吐出されるからである。さらに、他には均圧化工
程時には吸着塔303からの製品酸素の吐出は行なわれな
い。これは、吸着塔303から切替弁310を介して製品酸素
を取り出しながら切替弁309を開として均圧化を実施す
ると、吸着塔304へのガスの移行量が減少し所定圧力に
均圧化できないし、吸着塔303塔頂部から低濃縮酸素が
吐出される様になり、製品の濃度低下、あるいは、吸着
塔304塔頂上部に低濃度酸素が存在する様になる。この
ため、吸着塔304が次の吸着工程を実施する時に低濃度
酸素が吐出されるからである。

以上のことから、前記本発明による２塔直列での吸着
工程実施と上記均圧化工程との違いが理解できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図により説明する。４
個の吸着塔1A,1B,1C及び1Dを有しそれぞれ原料ガス供給
切り替え用の弁11A〜Ｄ、減圧時脱着ガス抜き出し切り
替え用の弁12A〜Ｄ、直列接続時の最前段吸着塔から最
後段吸着塔へのガス送入切り替え用の弁14A〜Ｄ、製品
ガス抜き出し切り替え用の弁15A〜Ｄ、製品ガス加圧用
の切り替え弁16A〜Ｄ、原料ガスを圧送するための圧縮
機３、吸着剤の脱着再生用真空ポンプ４から構成されて
いる。

原料ガスとしての空気21は、圧縮機３により目的とす
る吸着圧力P₁まで加力され後、弁11で選択された吸着塔
１に供給される。吸着工程で分離濃縮された酸素は、弁
15で選択された吸着塔１から吐出され製品タンク２に一
時的に貯えられ、大部分が製品酸素として系外に取り出
される。製品タンク２に貯えられた酸素の一部は、弁16
で選択された吸着塔１に送られ加圧に使用される。吸着
剤再生時の脱着ガスに関しては、再生工程時に弁12で選
択された吸着塔１から真空ポンプ４で吸引され、配管23
から大気に放出される。

４個の吸着塔1A,1B,1C,1Dでは経時的に吸着、加圧、
再生の各工程が繰り返されるが、繰り返し操作及び時間
は組成されたサイクルシーケンスで任意に設定すること
により作動される。組成されたサイクルシーケンスで、
上記各３工程において吸着塔1A,1B,1C及び1D塔が60秒切
り替え、すなわち、１サイクル60秒×４＝240秒で作動
した場合を例にとり、更に詳細に説明する。

まず、１サイクル時には吸着塔1Aと1B2塔直列が吸着
工程にあるときは、吸着塔1Cが加圧工程、吸着塔1Dが再
生工程にある。この場合の圧力の経時変化の一例を第４
図に示す。第４図には、各吸着塔1A,1B,1C及び1Dの各工
程時の作動時間に対する圧力の変化を示した。圧縮機３
で1.2atmに加圧された空気が弁11Aを通り吸着通1Aに供
給される。前段吸着塔1Aにおいて、P₁＝1.2atmの吸着圧
力で粗濃縮された酸素は弁14Aを通り、吸着塔1Bに送ら
れ、更に濃縮される。ここで、第４図に示した様に前段
及び後段吸着塔1A,1Bのそれぞれの吸着塔が、吸着工程
時間t₁＝60秒経過する間の後半に、前段吸着塔1Aへの原
料空気の供給を弁11Aを閉とし、時間t₂を１ないし30秒
の範囲で原料空気の供給を停止させる。これと同時に、
弁14A及び弁15Bを開のまま吸着圧力P₁をP₂が0.6ないし
1.188atmになる様に降圧させる。この間に、後段吸着塔
1Bからは酸素の取り出しを続けると共に、P₁−P₂降圧相
当量の酸素・窒素が前段吸着塔1Aの吸着剤から脱着さ
れ、該吸着剤の一部が再生される。この脱着酸素・窒素
は弁14Aを通り、後段吸着塔1Bに送られ、該1B吸着塔吸
着剤に窒素が吸着されて酸素は後段吸着塔1Bで分離濃縮
された酸素と併合され、弁15Bを通して製品酸素として
製品タンクに貯蔵される。後段吸着塔1Bでは、該吸着塔
1B塔頂に設けた酸素濃度計（図示しない）で窒素が破過
しない様に監複され、目的とする高濃度の製品酸素が取
り出せる様になっている。

一方、加圧工程にある吸着塔1Cでは、弁15Cが開、弁1
4B,14C,11C,12C,16Cが閉の状態で弁16Cを通し製品タン
ク２に貯留された製品酸素の一部が弁16Cを介して吸着
塔1C内に送り込まれ、吸着圧力P₁＝1.2atmまで加圧され
る。

再生工程にある吸着塔1Dでは、弁12Dが開、弁15D,16
D,14C,14D,11Dが閉の状態で真空ポンプ４により吸着塔1
Dの吸着剤の吸着ガスを脱着し、該吸着剤が再生され、
弁12Dを通して配管23から大気に放出される。再生工程
に移行される場合は、前段吸着塔から移行されるので、
再生時の圧力はP₂から目的とする再生圧力Pdまで真空ポ
ンプ４により吸着剤が減圧・再生される。

以下、第４図に示した2,3及び４サイクル時における
上記各工程の一連の操作、手段等は同じである。以下に
は、各吸着塔1A,1B,1C,1Dが順次上記各工程に移行さ
れ、あるいは、移行した後の弁の作動状態を述べる。

２サイクル時においては、吸着塔1B及び1Cが吸着工程
に移行され、この間、吸着塔1D,1Aがそれぞれ加圧工
程、再生工程に移行される。原料空気は弁11Bを通して
吸着塔1Bに供給され、ここで粗濃縮された酸素は弁14B
を通して吸着通1Cに送られ、更に濃縮される。吸着時間
t₂経過する間の後半の空気の停止は弁11Bが閉にされ
る。P₁をP₂に降圧させたときの脱着酸素・窒素は、弁14
Bを通して吸着塔1Cに移行され、移行酸素は製品酸素と
して製品タンク２に貯蔵される。この間、吸着塔1Dでは
弁16D開、弁14C,14D,15D,11D,12Dが閉の状態で16Cを通
して製品酸素が製品タンク２から送り込まれ、吸着圧力
P₁まで加圧される。吸着塔1Aでは、弁12Aが開、弁15A,1
6A,14D,14A,11Aが閉の状態で真空ポンプ４により吸着剤
が再生される。

３サイクル時においては、吸着塔1C及び1Dが吸着工程
に移行され、吸着塔1A,1Bがそれぞれ加圧工程、再生工
程に移行される。空気は弁11Cを通して吸着塔1Cに供給
され、ここで粗濃縮された酸素は弁14Cを通して吸着塔1
Dに送られ、更に濃縮される。吸着時間t₂経過する間の
後半の空気停止は、弁11Cが閉にされる。P₁をP₂に降圧
させた時の脱着酸素・窒素は、弁14Cを通して吸着塔1D
に送られ、送られた酸素は製品酸素として弁15Cを通し
て製品タンク２に貯蔵される。この間、吸着塔1Aでは弁
16Aが開、弁15A,14A,11A,12A,14Dが閉の状態で16Aを通
して製品酸素が製品タンク２から送り込まれ、前記P₁ま
で加圧される。吸着塔1Bでは、弁12Bが開、弁14A,11B,1
4B,15B,16Bが閉の状態で真空ポンプ４により吸着剤が再
生される。

４サイクル時には、吸着塔1D及び1Aが吸着工程に移行
され、吸着塔1B,1Cがそれぞれ加圧工程、再生工程に移
行される。空気は弁11Dを通して吸着塔1Dに供給され、
ここで粗濃縮された酸素は弁14Dを通して吸着塔1Aに送
られ、更に濃縮される。吸着時間t₂経過する間の後半の
空気停止は、弁11Dが閉にされる。P₁をP₂に降圧させた
時の脱着酸素・窒素は、弁14Dを通して吸着塔1Aに送ら
れ、送られた酸素は製品酸素として弁15A及び弁19を通
して製品タンク２に貯蔵される。この間、吸着塔1Bでは
弁16Bが開、弁15B,14A,14B,11B,12Bが閉の状態で16Bを
通して製品酸素が製品タンク２から送り込まれ、前記圧
力P₁まで加圧される。吸着塔1Cでは、弁12Cが開、弁14
B、15C,16C,14C,11Cが閉の状態で真空ポンプ４により吸
着剤が再生され、再生ガスは配管23を通して大気に放出
される。４サイクル時の各吸着塔1A,1B,1C及び1Dの上記
各工程を終了すると、該各吸着塔1A,1B,1C及び1Dは１サ
イクル時と同じ工程を経る。

〔実施例１〕第３図に示す装置により、最前段及び最後段吸着塔の
吸着時間t₁を60秒、原料空気停止時間t₂を０から42秒の
範囲で操作を実施した。実施に当っては、吸着圧力P₁＝
1.2atm、原料空気供給停止後の降圧圧力P₂を0.9atmとし
た。

結果を第５図に示す。第５図には、上記t₂とt₁との比
t₂/t₁と製品酸素の回収率との関係を示した。ここで、
製品酸素の回収率は原料空気供給量Ｇ（Nm³/h）、酸素
濃度G0₂、製品酸素流量Ｑ（Nm³/h）、製品酸素濃度Q0₂
としたときに（Ｑ×Q0₂/G×G0₂）×100（％）で表わし
た。第４図から、t₂/t₁＝0.25において製品酸素の回収
率が大きく、t₂/t₁＝0.25より小さく、あるいは、大き
くなっても製品酸素の回収率は小さくなる。しかし、t₂
/t₁＝０、すなわち、空気供給を停止しない場合（●
印）に比べ、t₂/t₁＝0.5迄は製品酸素の回収率は大きく
なっており、t₂/t₁＝0.5以上になると製品酸素の回収率
は小さくなっている。

これより、t₂/t₁を0.015t＜t₂/t₁＜0.99の条件で製品
酸素の回収率を向上できることがわかる。

〔実施例２〕第３図に示す装置により、最前段及び最後段吸着の吸
着圧力P₁＝1.2atm、原料空気供給停止後の降圧圧力P₂を
0.5atmまで変化させて操作を実施した。実施に当って
は、吸着時間t₁を60秒とし空気停止時間t₂を15秒とし
た。

結果を第６図に示す。第６図には、上記P₁とP₂との比
P₁/P₂と製品酸素の回収率との関係を示した。

P₂/P₁＝0.75のときが製品酸素の回収率が50％と最も
大きく、P₂/P₁＝0.75より小さく、あるいは大きくなっ
ても製品酸素の回収率は低下する。しかし、P₂/P₁＝1.
0、すなわち、空気供給をしない場合（●印）に比べ、P
₂/P₁が0.5＜P₂/P₁＜0.99では製品酸素の回収率は大き
く、P₂/P₁＜0.5になると製品酸素の回収率は低下する。
これにより、P₂/P₁を0.5＜P₂/P₁＜0.99の条件が製品酸
素の回収率を向上できることがわかる。

実施例１及び２の結果は、第７図及び第８図を用いて
説明でき、理解できる。第７図には従来法の単塔式での
吸着工程時の空気供給停止前（吸着工程ａ）と停止後
（吸着工程ｂ）における吸着塔内の状態を示す。吸着工
程ａにおいて、窒素の吸着帯が吐出端に近づかない以前
に空気を停止した後、吸着工程ｂの状態にする。吸着工
程ｂでは、降圧しながら窒素の吸着帯を吐出端に十分に
近づける様にして高濃度の製品酸素を吐出させる。吸着
工程ｂ吐出端では、高濃度の製品酸素を吐出させるため
には、窒素の吸着帯を吐出端に近づけるのには限度があ
る。したがって、吸着工程ｂでは降圧後吐出端に高濃度
の酸素の一部が残存する。この結果、吸着工程ｂを終了
し再生工程に移行した時には、吐出端の残存酸素が系外
に排気されてしまうため、製品酸素の回収率向上の効果
は小さくなることがわかる。

これに対し、本発明法による製品酸素の回収率向上の
効果が大きくなることは、第８図により説明でき、理解
し得る。吸着工程Ｉでは、最前段吸着塔1Aの吐出端にお
いて空気雰囲気になるまで十分に吸着分離を行なわせ
る。一方、最後段吸着塔1Bでは高濃度の酸素を吐出する
ために、吐出端には高濃度の酸素が一部残存する。しか
し、吸着工程IIに移行した際には、吸着塔1Bが最前段吸
着塔となり、吐出端が空気雰囲気になるまで十分に吸着
分離を行なう。このため、吐出端に残存している高濃度
の酸素の一部は吸着塔1Cに送られる。したがって、吸着
塔1Bが再生工程に移行しても吐出端に高濃度の酸素が残
存しないため、系外に排気される酸素量は少なくなり、
製品酸素の回収率向上の効果が大きくなることがわか
る。さらに、吸着工程Ｉにおいて吸着時間t₁を経過する
間の後半にt₂時間空気供給を停止し、かつ、吸着圧力P₁
をP₂に降圧する操作を採り入れている。これにより、最
前段吸着塔1Aの吸着剤から吸着酸素・窒素の一部を脱着
し、この脱着酸素・窒素を最後段吸着塔1Bに送り、窒素
を吸着し酸素を吐出端から吸着塔1Bで濃縮した酸素と併
合して取り出されるため、より以上の製品酸素の回収率
の向上効果が大きくなることがわかる。

〔実施例３〕第３図に示す装置により、吸着工程時の後半にt₂時間
空気供給を停止、P₂まで圧力を降圧した場合としない場
合について再生工程時の真空ポンプの再生動力を求め
た。吸着圧力P₁を1.2atm、目的とする再生圧力Pdを0.46
atmとし、P₂を0.9atmとして実施した。

第９図に、吸着圧力P₁からP₂に降圧した場合としない
場合の圧力の経時変化を示した。上記の再生動力は、真
空ポンプの実動力Wo（kw）、製品酸素の回収量Qd（Nm³/
h）、製品酸素濃度Q0₂としたときに、Wo/（Qd×Q0₂）
（kwh/Nm³−O₂）で表わした。真空ポンプの再生動力
は、空気供給を停止しない場合0.35kwh/Nm³−O₂、空気
供給を停止しP₂まで降圧した場合0.29kwh/Nm³−O₂まで
降圧して再生した場合には約17％真空ポンプの再生動力
が低減できた。

これは、P₂まで降圧した場合はP₁−P₂降圧相当量の酸
素・窒素が吸着剤から脱着されたことによる。すなわ
ち、再生時に真空ポンプによって排気される吸着剤から
の吸着ガス量がP₁−P₂降圧相当量減少し、その分真空ポ
ンプの排気負荷が小さくなるため、再生動力が低減でき
る。

〔実施例４〕第３図に示した装置を用い、空気供給停止時に圧力を
P₂まで降圧する手段を、吸着工程時にある吸着塔1A,1B
以外の吸着塔が製品タンク２からの製品酸素により加圧
している加圧工程時に行った。

この結果、0.015＜t₂/t₁＜0.5、0.5＜P₂/P₁＜0.99の
条件では実施例１と同じ製品酸素の回収率が得られた。
これは、製品タンクから加圧工程にある吸着塔に製品酸
素を送る時に、製品タンクはP₁の圧力より減少するた
め、吸着工程時にある吸着塔を吸引するからである。

〔実施例５〕第３図に示した装置を用い、空気供給停止時に圧力を
P₂まで降圧する手段を、製品タンク２の吐出部22に吸引
ブロアー及び真空ポンプを設けることによって行った。

この結果、0.015＜t₂/t₁＜0.5、0.5＜P₂/P₁＜0.99の
条件では実施例１と同じ製品酸素の回収率が得られた。

〔実施例６〕第３図に示す装置を用い、単塔式吸着操作により空気
から酸素を濃縮する方法を試みた。この場合、吸着塔1
A,1B及び1Cを用い、吸着塔1Aが吸着工程にあるときは吸
着塔1Bが加圧工程に、吸着塔1Cが再生工程を経る様にし
た。この際、吸着工程時間t₁を60秒とし、空気停止時間
t₂との比を0.015＜t₂/t₁＜0.5とした。このときに、吸
着圧力P₁を1.2atmとし、降圧圧力P₂を0.5＜P₂/P₁＜0.99
と従来法の0.5＞P₂/P₁の条件で実施した。

本発明法の条件0.015＜t₂/t₁＜0.5、0.5＜P₂/P₁＜0.9
9では製品酸素の回収率は38％ないし40％となったが、
従来法の条件0.5＞P₂/P₁では製品酸素の回収率は38％以
下となった。このことから、単塔式吸着でも本発明法に
より製品酸素の回収率の向上ができることがわかった。

なお、本発明法の実施に当っては、原料空気からの酸
素を濃縮する方法に限定するものではなく、他の原料ガ
スから目的とする成分を濃縮する場合にも適用できる。

なお、第10図に本発明のガスの分離方法による圧力ス
イング吸着装置フロー、第11図に本発明のガスの分離方
法による複合発電システムへの応用例、第12図に本発明
のガスの分離方法によるオゾン発生システムへの応用
例、第13図に本発明のガスの分離方法による製鋼用シス
テムへの応用例をそれぞれ、示した。

〔発明の効果〕

本発明法によれば、製品酸素等の製品ガスの回収率を
大幅に（例えば10％以上）向上でき、かつ、吸着剤再生
用真空ポンプの動力を著しく（例えば約17％）減少でき
るので、圧力スイング吸着法による酸素製造方法等のガ
スの分離方法の低コスト化が図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法の要旨を示す要部説明図、第２図は従
来の均圧化工程内容の説明図、第３図は本発明法を実施
するための装置フロー図、第４図は本発明法における圧
力の経時変化模式図、第５図及び第６図は本発明法の実
施結果図、第７図は従来引例法の吸着塔吸着内吸着態様
の模式図、第８図は本発明法による吸着塔内態様の模式
図、第９図は本発明法による再生工程の圧力経時変化の
模式図、第10図は本発明のガスの分離方法による圧力ス
イング吸着装置フロー図、第11図は本発明のガスの分離
方法による複合発電システムへの応用例を示す図、第12
図は本発明のガスの分離方法によるオゾン発生システム
への応用例を示す図、第13図は本発明のガスの分離方法
による製鋼用システムを示す図である。１……吸着塔、２……製品タンク、３……圧縮機、４……真空ポンプ、 14……切替弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小山俊太郎茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者山下寿生茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者山本昭夫山口県下松市東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者岩間直也東京都千代田区内幸町１丁目１番３号東京電力株式会社内 (72)発明者船山保男東京都千代田区内幸町１丁目１番３号東京電力株式会社内 (72)発明者板倉祐司東京都千代田区内幸町１丁目１番３号東京電力株式会社内 (56)参考文献特開昭64−15116（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−232819（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−190615（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高吸着及び低吸着成分を含む原料ガスを吸
着剤を充填した吸着塔へ供給して、前記高吸着成分ガス
を吸着させる吸着工程と、吸着工程終了後の吸着塔を減
圧して前記吸着剤の高吸着成分ガスを脱着し、吸着剤を
再生する再生工程と、再生終了後の吸着塔を原料ガスあ
るいは製品ガスを用いて吸着工程時の圧力まで昇圧する
加圧工程とを少なくとも３塔が並列に設けられている吸
着塔で前記各工程（時間）をずらして繰り返し行うガス
の精製方法において、1A,1B及び1Cの３吸着塔を並列に
配置し該1A,1B及び1C吸着塔の各塔底部に切替バルブを
介して原料ガス供給端をそれぞれ接続し、かつ、各塔頂
部に製品ガス吐出端を切替バルブを介してそれぞれ接続
し、さらに、吸着塔1A塔頂部の製品ガス吐出端からのガ
ス送入端を切替バルブを介して吸着塔1B塔底部に接続
し、吸着塔1B塔頂部の精製ガス吐出端からのガス送入端
を切替バルブを介して吸着塔1C塔底部に接続し、吸着塔
1C塔頂部の製品吐出端からのガス送入端を切替バルブを
介して吸着塔1A塔底部に接続する様に構成し、前記吸着
工程を1Aと1B吸着塔２塔直列で行う様にし、該1Aと1B吸
着塔２塔直列での吸着工程を終了した時点においては1B
と1C吸着塔２塔直列で吸着工程を実施し、次の吸着工程
を1Cと1A吸着塔２塔直列で順次実施する様にして連続的
に製品ガスを吐出させる様にし、すなわち、1Aと1B吸着
塔が吸着工程にある時は1Aが前段吸着塔、1Bが後段吸着
塔、1Bと1C吸着塔が吸着工程にある時は1Bが前段吸着
塔、1Cが後段吸着塔、1Cと1A吸着塔が吸着工程にある時
は1Cが前段吸着塔、1Aが後段吸着塔を受け持つ様にし、
さらに、前記前段吸着塔を受け持った吸着塔においては
塔頂部精製ガス吐出端が前記原料ガス雰囲気に達するま
で吸着を行なわせ、その後原料ガスの供給を停止し、前
記後段吸着塔を受け持った吸着塔においては塔頂部製品
吐出端から精製ガスを取り出しつつ、前段及び後段吸着
塔内を減圧し、減圧しながら前段吸着塔の吸着剤中に吸
着されている高吸着及び低吸着成分を含む混合ガスを脱
着し、該脱着ガスを前段吸着塔塔頂部製品吐出端から後
段吸着塔塔底部ガス送入端を通して後段吸着塔内に供給
し、後段吸着塔内の吸着剤に前記脱着ガス中の高吸着成
分を吸着し、低吸着成分をも製品ガスとして取り出すこ
とを特徴とするガスの分離方法。
【請求項２】吸着工程時に原料混合ガス供給停止後、前
段及び後段吸着塔を減圧する時間を他塔が前記加圧工程
にある時間の前半あるいは後半の時間帯に合せることを
特徴とする特許請求範囲第１項記載のガスの分離方法。
【請求項３】吸着工程時に原料混合ガス供給停止後、前
段及び後段吸着塔を減圧する手段を吸着工程時にある後
段吸着塔の低吸着成分ガス吐出端の下流側を真空ポンプ
あるいは吸引ブロアーで行うことを特徴とする特許請求
範囲第１項記載のガスの分離方法。
【請求項４】吸着工程時間t₁と吸着工程時に原料混合ガ
スの吸着塔への供給を停止する時間t₂とを0.015＜t₂/t₁
＜0.5とすることを特徴とする特許請求範囲第１項記載
のガスの分離方法。
【請求項５】吸着工程時に原料混合ガスの供給停止前の
圧力P₁と原料混合ガス供給停止後の圧力P₂とを0.5＜P₂/
P₁＜0.99とすることを特徴とする特許請求範囲第１項記
載のガスの分離方法。