JP2749082B2 - Psa系中の分子篩吸着剤床の密充填方法 - Google Patents

Psa系中の分子篩吸着剤床の密充填方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧力変動式吸着技法を用いるガス成分富化に
関するものであり、さらに特定的には、吸着床が分子篩
粒子と微粒で以て充填することによって改善される改善
されたプレッシャースイング吸着法に関するものであ
る。
発明の背景 ガス流からガス成分を分離する吸着技法の使用ははじ
めは空気からの二酸化炭素および水の分離のために開発
された。ガス吸着技術は今では水素、ヘリウム、アルゴ
ン、一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化窒素、酸素および
窒素の成分濃縮工程において慣用的に用いられている。
循環加圧関係において少くとも二つの吸着塔を用いるガ
ス成分濃縮化は普通には圧力変動式吸着(PSA:pressure
swing adsorption)と呼ばれる。
ガス例えば空気から窒素を成分濃縮させるための代表
的PSA法は、分子篩物質で以て充填された少くとも二つ
の吸着床を用い、各々は各サイクル中で二つまたは二つ
以上、一般的には四つの区別される処理段階へかけられ
る。そのサイクルの第一段階において、一方の吸着床は
付随する(concomitant)窒素生産物で以て加圧され、
他方の床は排気によるような方法で再生される。第二の
段階においては、しばしば圧力均等化とよばれるが、吸
着床は流体連通状態に置かれ、それによって、中間圧力
とされる。第三段階においては、第一吸着床は再生を促
進するよう製品品質ガスの向流でときどき再生され
(「パージ」とよぶ)、一方、第二床は付随窒素生産物
で以て加圧される。サイクルの最終段階は床の間の圧力
均等化である。そのような圧力スイングの間で、吸着床
中の圧力条件は窒素製造用に炭素分子篩を用いる工程に
おいては代表的には約15psigから120psigの間に変動
し、そして、酸素製造用に結晶性ゼオライトを用いる工
程においては多少それより低い範囲にある。
圧力変動式吸着(PSA)技法はある程度洗練されてき
ているけれども、PSAはそれでもサイクル的工程である
という点において固有であるいくつかの欠点をもってい
る。例えば、ガス混合物の弱く吸着される製品成分から
強く吸着される成分を取出す工程においては、PSAサイ
クルのパージ段階が篩から強吸着成分を取出すという望
ましい機能を果たすが、しかしまた、床の粒子間空洞中
に含まれる製品成分の望ましくない損失を伴なう。代表
的な吸着剤床の粒子間空隙率は床全容積の約40%であ
り、この源からの損失は従って重要であり得る。
この問題は本発明によって実質的に取除かれるのであ
り、本発明は、分離篩粒子をある割合の特定粒径範囲の
微粒と組み合わせて比較的粗粒の分子篩物質と微粒との
床中における最適容積比を達成することによって、床空
隙率を大いに減らすものである。これらの床を窒素分濃
縮のようなPSA工程において使用することによって、収
率のきわめて顕著な増進を達成することができる。
物質の吸着を目的として塔中において粗粒と微粒を組
合わせることは知られている。マーの米国特許No.3,75
7,490は固液クロマトグラフ分離を目的とする系におい
てその種の粒子混合体を開示している。マーによって利
用された粒子はすべて活性な吸着剤粒子であり、90重量
%が全粒子の平均直径の10%以内の直径という点におい
て、粒径範囲が比較的近接している。マーはまたPSAガ
ス分離系とは著しく異なる固液系にのみ関係している。
より最近では、欧州特許0218403においてグリーンバ
ンクは粗粒と微粒との濃密ガス充填(dense gas pack)
を開示しており、その場合、最大の微粒が粗粒の三分の
一より小さく、かつ全粒子の60%が60メッシュより大き
い。特に述べられてはいないけれども、これらのパーセ
ンテージが容積によっていることは実施例から明らかで
ある。この系は貯蔵シリンダー中で貯えられるべきガス
容積を増大させるよう主として設計されている。しか
し、それが分子篩について利用できることが述べられて
いる。この特許願においては、顕著に増大されたPSA効
率を得るためには、粗粒および微粒の両者の寸法範囲、
それらの間の寸法比、および床中でのそれらの間の容積
比、がすべて最適ガス分離における重要な変数であると
いう事実への洞察を与えるものは全く存在しない。この
ような重要な変数は本発明によって与えられている。
発明の要約 吸着床を約10から50容積%の微粒と約50から90容積%
の粗粒とで充填し、その際、粗粒またはペレットの最小
寸法と微粒の最大寸法との比が5対1から15対1であ
り、かつ微粒が40から60メッシュの範囲にある、ことに
よって圧力変動式吸着装置の性能を著しく改善する手段
が提供される。
発明の詳細な説明 本発明は、吸着剤床が粗粒吸着剤物質、すなわち、分
子篩、と微粒との特定混合物を含むPSA系へ向けられて
いる。粗粒吸着剤粒子またはペレットと微粒との間の寸
法関係、並びに各タイプの物質の容積%の比は、PSA効
率の改善における重要な変数である。ここで期待される
微粒は粉砕された吸着剤物質と不活性物質、すなわちガ
ス分離用能力をもたない物質、との両者を包括する。適
当である不活性物質の例はガラスビーズ、いくつかのプ
ラスチックスの粒子、などを含み、ガラスビーズが好ま
しい。
圧力変動式吸着(PSA)は、容易に入手できる装填原
料ガス混合物の各種成分を選択的に吸着し、それによっ
て所望生成物ガスを分離および精製するのに有利に用い
ることができる既知の方法である。例えば、PSAは空気
から窒素を分離するのに有利に使用できる。PSAの他の
応用としては、選択的に吸着可能な成分としての二酸化
炭素と、さらに通常望ましくない不純物として除去すべ
き1種又はそれ以上の追加の微量成分(例えば窒素、ア
ルゴン、一酸化炭素)とを含有する供給ガス混合物の主
要成分として存在する水素の分離と浄化がある。
PSA法は、一般的には、ガス混合物の一つまたは一つ
より多くの成分に対して選択性をもつ適当吸着剤物質の
どれかを使って実施することができる。適当である吸着
剤はゼオライト分子篩と活性炭を含む。ゼオライト分子
篩吸着剤は一般的には二酸化炭素などとの混合物中で含
まれる水素の分離および精製にとって好ましい。窒素を
空気から分離するのに利用される好ましい物質は、炭素
分子篩(CMS)として普通には知られている、酸素分子
が窒素分子から選択的に吸着されるよう変性された細孔
をもつ活性炭である。好ましいCMS物質は米国特許No.4,
458,022に記載の方法に従ってつくられる。
基本的な二床式PSA法は模式的には図1において示さ
れている。図1において、系の中への装填原料、吸着剤
床AおよびBからの生成物の抜出しおよび廃ガスの排気
の流れを制御する弁は1から10として記号が与えられて
いる。図1に示すとおりの慣用PSA装置でのフル・サイ
クルは次ののとおりである: 代表的タイミングとバルブ位置は第2図において120秒
のサイクル時間と100psigの生成物圧力を使って示され
ている。
慣用的PSA法においては、吸着剤塔は吸着剤物質、例
えば炭素分子篩(CMS)で以てペレットまたはビーズの
形で充填される。商業的に入手できるCMSのペレット形
状物は1から7mm、好ましくは2.5から3mmの平均直径を
もつことができる。そのようなCMS物質による床の充填
は、物質がはまりこんでいない、ペレットまたはビーズ
間の空隙であるある量の空洞容積をもたらす。その空洞
容積を満たすガスは篩物質と相互作用することがなく、
従っていくつかの様式で装置の効率に悪い影響を及ぼ
す。空洞間隙中の不純ガスは生成物ガスと組合さり、そ
れによって生産率を減らす。空洞間隙中の介在ガスは再
生中に排気されねばならず、それによって排気ガス量の
生成を増し、そして、パージ段階が利用される場合に
は、床をきれいにするためにより大量のパージガスを必
要とする。パージガスが製品品質である場合には、この
ことは効率の追加的損失を表わす。
本発明によると、前述の問題は、粗粒と微粒との混合
物で以て充填しそれによって介在空洞容積を満たすこと
によって克服され得ることが発見されたのである。粗粒
および微粒の容積比並びにそれらの寸法比はともに最適
のPSA効率を達成するのに重要であることがさらに発見
されたのである。その上、これらの変数はその微粒物質
が吸着剤能力をもつかどうかに関係なくあてはまる。
PSA装置の吸着剤床を充填するのに利用される微粒
は、慣用的粗粒で以て充填された床の中の介在空隙の効
率的充填を得るためには、ある最大粒径以下に落されね
ばならないということは当業者によって理解される。し
かも容易に理解されないことは、PSA装置の効率かそれ
以下では実際に減少する微粒についての最小粒径がまた
存在することである。
吸着剤床中の微粒が小さすぎるPSA装置においては、
床中での粒子の流動化が大きい圧力変化に基づいておこ
る。流動化された微粒は粗粒の寸法と有効性を減らしか
つ微粒自体を粉塵へ細かくする磨耗作用を及ぼす。当業
者は、粉塵が製品汚染物として、そして、バルブ、分析
計器などへの悪影響、例えば閉塞、のゆえに、その両方
からPSA運転においてきわめて望ましくないことを認め
ている。
微粒粒子寸法の特定的範囲、微粒対粗粒の寸法比、お
よび床中の微粒対粗粒の容積%比、はすべてPSA装置の
最適性能にとって肝要であることを我々は発見した。さ
らに、これらの考慮事項は、粉砕された活性物質である
か、あるいは選択的吸着によってガス混合物を分離する
能力をもたない不活性物質であるか、どうかに関係なく
成立つ。
前述のとおり、小さすぎる寸法並びに大きすぎる寸法
の微粒を利用する際に欠点が存在する。2.5から3mmの直
径をもつ市販CMSペレットを用いるときには、例えば、
それらの微粒は米国標準篩−40/+60メッシュの粒径を
もつべきであり、すなわち、粒子はすべて米国標準篩40
メッシュを通過し、米国標準篩60メッシュの上にとま
る。これは約250から375ミクロンの粒径に等しい。これ
らの寸法が模範的のものであり、粗粒直径にとっての最
適範囲を表わしていることは当業者にとって理解される
であろう。
粗粒対微粒の相対的寸法比が同じく最適のPSA性能を
達成する際に重要である。粗粒の最小寸法、代表的には
市販のCMSペレットの直径、と微粒の最大寸法との比は
約5:1と15:1の間、好ましくは約6.6:1と12:1の間である
ことを我々は発見した。これらの比は一般的に適用可能
であるか、市販CMSまたは他の吸着剤の粒子寸法の制限
が存在すること、従ってこれらは一緒に組合せられるべ
き微粒の寸法制限を示すことを当業者は理解するであろ
う。
最適のPSA性能のための吸着剤床充填を達成する際に
考慮されるべき最終的規準は床中の微粒対粗粒の容積比
である。容積比と重量比とは微粒が粉砕された粗粒吸着
剤物質であるときにはほぼ同じであることは理解され
る。しかし、粗粒密度と実際的に異なる密度をもつ不活
性微粒を用いる際にずれが存在し得る。しかし、充填パ
ーセンテージを容積に関して表現することが好ましい。
床中の微粒の容積%が約10から50%、好ましくは約38か
ら42%、最も好ましくは約40%であるべきことが発見さ
れた。
特定生成物および生成物収率の両方における改善され
た結果は微細に粉砕された吸着剤または不活性物質のど
ちらかを利用する本発明に従って得られる。後者が二つ
の理由で多くの応用にとって好ましい。すなわち、所望
寸法の微粒を得るコストが商業的には、市販の吸着剤粒
子を所望寸法範囲へ粉砕するのに必要とされる設備コス
トとエネルギーコストより小さく、かつ、市販の粒子は
代表的には粉砕吸着粒子より寸法および形状においてよ
り均一であるという事がある。微粉砕の市販の吸着剤を
利用することのコストにおける追加的要因は、潜在的に
危険性がありかつ適切に廃棄されねばならない、寸法の
足りない粒子と粉塵である。粉砕吸着剤粒子を利用する
ことが不活性粒子よりすぐれている利点は、前者がガス
分離能力をもち、従って、微粒を徐々に添加するとき
に、空洞をもはや満たそうとせず粗粒を置換えはじめる
ときにさほど効率の低下が大きくないという事実であ
る。明らかに、そのような条件はさけられるべきであ
り、あるいはせいぜい最小化されるべきである。
以下の実施例は本発明をさらに例証するものであり、
本発明をここで述べる詳細へ制限するつもりは全くな
い。これらの実施例において、部およびパーセンテージ
はすべて容積基準であり、温度は特記しないかぎり摂氏
度である。
実施例1 図1に示す慣用的PSA装置と図2に示すとおりのフロ
ー図表に従う90秒から480秒のサイクル時間範囲とを使
用して一系列の実験を行なった。吸着剤床は約2lの市販
の2.5mmCMS(クラレー・ケミカル社、密度0.664g/ml)
を含んでいた。
第二の系列の実験は、同じ条件の下で、約60%の市販
のCMS物質と、−40/+60メッシュ、すなわち全粒子が40
メッシュの米国標準篩を通過しかつ60メッシュの標準篩
の上に残る粒径範囲をもち、密度が0.749g/mlである、
約40%の粉砕CMS物質と、の床充填を利用して実施し
た。CMS物質の最小寸法と粉砕微粒の最大直径との比は
約10:1であった。定常状態においては、生成物純度は99
%であった。結果を表Iに示す。実験はすべて100psig
の圧力下で行なった。表中で、生成量とは、CMS物質1m3
当たりの生成物の体積(リットル)であり、また、マス
生成量とは、CMS物質1メートルトン(metric ton)当
たりの生成物の体積(m3)である。
表Iのデータは粗粒/微粒混合物を用いるサイクルの
すべてについて改善された結果を示している。最大の改
善は120分と180分の間のサイクル時間を用いてもたらさ
れる。得られる収率とマス生成量(mass specific prod
ubt)は商業的に有意義と考えられる。
実施例2 粗粒吸着剤と微粒との各種パーセンテージの組合わせ
の効果を示すために、図1および図2に示す慣用的PSA
装置とバルブ操作図表とを利用してそれぞれ120秒と180
秒のサイクルで以て一系列の実験を実施した。結果を表
IIに示す。それらの微粒は−50/+70メッシュの粒径範
囲、約250ミクロンの平均直径、をもつ耐衝撃級ガラス
ビーズであった。CMS物質の最小寸法とビーズの最大寸
法の比は約6:1であった。定常状態生成物純度は99%で
あった。
上記のデーターは、180秒サイクルよりも120秒サイク
ルについて収率の一層顕著な改善を示し、かつ約50重量
%までの微粒濃度において改善された収率を示し、他
方、180秒サイクルにおいて収率は微粒の約43重量%以
上において低下する、ということを示している。本実施
例において用いられるガラスビーズの50重量%の充填は
約29容積%に等しい。収率およびマス生成量は商業的に
重要と考えられる。
実施例3 各種のサイクル時間を用い、100%粗粒、すなわち市
販CMS物質(密度、0.664g/ml)を粗粒65%と耐衝撃級ガ
ラスビーズ(−40,+80メッシュ、密度0.627g/ml)35%
との混合物と比較して、一系列の実験を実施した。
CMS/不活性微粒の混合物を利用するすべてのサイクル
時間は改善を示したけれども、きわめて重要な改良は短
かい方のサイクル時間、すなわち、90から180秒、に関
して見られる。
【図面の簡単な説明】
図1は二つの吸着床から成る慣用的PSA系の概略図であ
る。 図2は図1で示すPSA系を用いるPSAサイクルにおける工
程順序の表である。
フロントページの続き (72)発明者 アーサー・アイ・シャーリー アメリカ合衆国ニュージャージー州 07974,ニュー・プロヴィデンス,チャ ーンウッド・ロード 416 (72)発明者 スティーヴン・エム・リンゴ アメリカ合衆国ニュージャージー州 08865,フィリップスバーグ,アール・ ディー・ナンバー 1,ボックス 52

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも一つの吸着剤床とガス混合物を
    圧力下で床中を通す手段とを含み、該床が分子篩物質の
    粗粒を含む、圧力変動式吸着によってガス混合物の一種
    またはそれ以上の構成成分を濃縮するための装置におい
    て、前記の床がさらに分子篩物質または不活性物質の微
    粒を含み、粗粒の最小寸法と微粒の最大寸法との比が5:
    1と15:1との間にあり、そして、微粒が前記床の10〜50
    容積%を占めることを特徴とする装置。
  2. 【請求項2】前記微粒が40メッシュと60メッシュの間に
    ある、請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】前記粗粒が、1〜7mmの平均直径を有する
    炭素分子篩ペレットである、請求項1記載の装置。
  4. 【請求項4】前記微粒が分子篩物質である、請求項1記
    載の装置。
  5. 【請求項5】前記微粒が不活性物質である、請求項1記
    載の装置。
  6. 【請求項6】前記不活性物質がガラスビーズである、請
    求項5記載の装置。
  7. 【請求項7】前記の床が38〜42容積%の微粒を含む、請
    求項1記載の装置。
  8. 【請求項8】前記粗粒が2.5〜3mmの平均直径を有する炭
    素分子篩ペレットであり、前記微粒が40〜60メッシュの
    ガラスビーズであり、そして、前記の床が40容積%の前
    記微粒を含む、請求項1記載の装置。
  9. 【請求項9】ガス流を一次生成物ガスに濃縮するための
    方法であって、分子篩物質の粗粒と10〜50容積%の分子
    篩物質または不活性物質の微粒とを含む少なくとも一つ
    の吸着剤床を有する圧力変動式吸着装置の中へ前記ガス
    流を導入する工程を含み、粗粒の最小寸法と微粒の最大
    寸法との比が5:1と15:1との間にある、ガス流濃縮方
    法。
  10. 【請求項10】前記粗粒が炭素分子篩物質であり、前記
    ガス流が空気であり、そして前記一次生成物ガスが窒素
    である、請求項9記載の方法。
  11. 【請求項11】前記粗粒が1〜7mmの平均直径を有する
    ペレットであり、前記微粒が60〜40メッシュである、請
    求項10記載の方法。
  12. 【請求項12】前記微粒が分子篩物質である、請求項9
    記載の方法。
  13. 【請求項13】前記微粒が不活性物質である、請求項9
    記載の方法。
  14. 【請求項14】前記微粒がガラスビーズである、請求項
    13記載の方法。
  15. 【請求項15】前記の床が38〜42%の微粒を含む、請求
    項9記載の方法。
  16. 【請求項16】前記粗粒が2.5〜3mmの平均直径を有する
    炭素分子篩ペレットであり、前記微粒が40〜60メッシュ
    のガラスビーズであり、そして、前記の床が40容積%の
    前記微粒を含む、請求項9記載の方法。
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