JP2955139B2 - 窒素吸着剤及び酸素と窒素の分離方法 - Google Patents
窒素吸着剤及び酸素と窒素の分離方法Info
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- C01B21/04—Purification or separation of nitrogen
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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- C01B13/02—Preparation of oxygen
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素と窒素を主成分と
する空気等の混合気体より低温で選択的に窒素を吸着す
る窒素吸着剤、及び、該吸着剤を用いて、酸素と窒素を
分離する方法に関する。
する空気等の混合気体より低温で選択的に窒素を吸着す
る窒素吸着剤、及び、該吸着剤を用いて、酸素と窒素を
分離する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒素吸着剤を利用した空気から酸素と窒
素を吸着分離する方法は、装置が小型簡易であり、無人
運転に近いほど保守を必要としない、という利点がある
ため、酸素製造量が１０〜３０００Ｎｍ3 −Ｏ2 ／ｈ程
度の中小型装置として近年使用例が増えてきており、深
冷分離装置で作られる液体窒素を輸送して使用するケー
スについての代替も進行している。
素を吸着分離する方法は、装置が小型簡易であり、無人
運転に近いほど保守を必要としない、という利点がある
ため、酸素製造量が１０〜３０００Ｎｍ3 −Ｏ2 ／ｈ程
度の中小型装置として近年使用例が増えてきており、深
冷分離装置で作られる液体窒素を輸送して使用するケー
スについての代替も進行している。
【０００３】上記の吸着分離方法は、空気圧縮機、２塔
以上の窒素吸着塔、場合によっては真空ポンプからなる
装置で実施される。一方の吸着塔に圧縮空気を送ると、
吸着塔に充填された窒素吸着剤により、空気中の窒素が
吸着分離され、高圧の酸素が吸着塔の後方より回収され
る。そして、他方の吸着塔は、減圧したり、必要に応じ
て製品の酸素の一部を向流で流したり、真空ポンプで強
力に吸引することにより、窒素を脱着して吸着剤を再生
する。この操作を繰り返すことにより、連続的に酸素と
窒素を分離する方法てある。
以上の窒素吸着塔、場合によっては真空ポンプからなる
装置で実施される。一方の吸着塔に圧縮空気を送ると、
吸着塔に充填された窒素吸着剤により、空気中の窒素が
吸着分離され、高圧の酸素が吸着塔の後方より回収され
る。そして、他方の吸着塔は、減圧したり、必要に応じ
て製品の酸素の一部を向流で流したり、真空ポンプで強
力に吸引することにより、窒素を脱着して吸着剤を再生
する。この操作を繰り返すことにより、連続的に酸素と
窒素を分離する方法てある。
【０００４】上記の吸着分離方法に用いる窒素吸着剤の
代表的なものは、ユニオンカーバイド社製Ｎａ−Ａ型ゼ
オライトのＮａイオンの６０〜７０％をＣａイオンで交
換したものである。この吸着剤は、空気条件下で酸素の
共吸着量が窒素の吸着量の１０％以下と推定されてい
る。
代表的なものは、ユニオンカーバイド社製Ｎａ−Ａ型ゼ
オライトのＮａイオンの６０〜７０％をＣａイオンで交
換したものである。この吸着剤は、空気条件下で酸素の
共吸着量が窒素の吸着量の１０％以下と推定されてい
る。
【０００５】上記の吸着分離方法は、中小型装置の領域
で有利であると述べたが、１Ｎｍ3の酸素を製造するの
に、０．７５〜１Ｋｗｈの電力を必要とし、大容量深冷
分離法の０．４５Ｋｗｈに比して消費電力が大きい。ま
た、装置容量の増大に対するスケールメリットが少な
く、３０００Ｎｍ3 −Ｏ2 ／ｈ以上の領域では深冷分離
法に競合できないと言われてきた。
で有利であると述べたが、１Ｎｍ3の酸素を製造するの
に、０．７５〜１Ｋｗｈの電力を必要とし、大容量深冷
分離法の０．４５Ｋｗｈに比して消費電力が大きい。ま
た、装置容量の増大に対するスケールメリットが少な
く、３０００Ｎｍ3 −Ｏ2 ／ｈ以上の領域では深冷分離
法に競合できないと言われてきた。
【０００６】そこで、消費電力の低減についてみると、
送風圧力を低くして低圧で吸着操作を行うことが考えら
れるが、窒素吸着量が圧力にほぼ比例して低下するた
め、装置の容量を膨大する。また、吸着量の増大を図る
ために低温条件で吸着操作を行うことが考えられるが、
窒素吸着量は増大するものの、吸着・脱着速度が著しく
低下するため、同一塔長での製品酸素濃度が室温時より
もかえって低下させることになる。また、温度の低下に
伴い窒素吸着時の酸素共吸着量が上昇するため、動力原
単位が漸次上昇する。
送風圧力を低くして低圧で吸着操作を行うことが考えら
れるが、窒素吸着量が圧力にほぼ比例して低下するた
め、装置の容量を膨大する。また、吸着量の増大を図る
ために低温条件で吸着操作を行うことが考えられるが、
窒素吸着量は増大するものの、吸着・脱着速度が著しく
低下するため、同一塔長での製品酸素濃度が室温時より
もかえって低下させることになる。また、温度の低下に
伴い窒素吸着時の酸素共吸着量が上昇するため、動力原
単位が漸次上昇する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記の欠点を解消し、吸着温度をより低温側で、かつ脱着
圧力をより低圧側で操作することができる窒素吸着剤を
提供し、かつ、該吸着剤を用いて極めて少ない動力原単
位で９０％を上回る高純度の酸素を容易に得られる酸素
・窒素の分離方法を提供しようとするものである。
記の欠点を解消し、吸着温度をより低温側で、かつ脱着
圧力をより低圧側で操作することができる窒素吸着剤を
提供し、かつ、該吸着剤を用いて極めて少ない動力原単
位で９０％を上回る高純度の酸素を容易に得られる酸素
・窒素の分離方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、(1) ナトリウ
ムフォージャサイトの全Ｎａの３０〜１００％をＫでイ
オン交換した後、４５０℃以上の温度で熱処理してなる
低温用窒素吸着剤、及び、(2) 上記低温用窒素吸着剤を
充填した２塔以上の吸着塔を室温以下に保持し、酸素と
窒素を主成分とする混合ガスを、大気圧〜３ａｔａの圧
力で再生工程を終了した吸着塔に供給し、窒素を選択的
に吸着させ、該吸着塔から高純度酸素又は酸素富化ガス
を回収し、他方、吸着工程を終了した吸着塔を０．０８
〜０．５ａｔａの圧力に減圧して吸着剤を再生し、窒素
富化ガスを分離し、上記の吸着工程と再生工程を連続的
に切り換えることを特徴とする酸素と窒素の分離方法で
ある。
ムフォージャサイトの全Ｎａの３０〜１００％をＫでイ
オン交換した後、４５０℃以上の温度で熱処理してなる
低温用窒素吸着剤、及び、(2) 上記低温用窒素吸着剤を
充填した２塔以上の吸着塔を室温以下に保持し、酸素と
窒素を主成分とする混合ガスを、大気圧〜３ａｔａの圧
力で再生工程を終了した吸着塔に供給し、窒素を選択的
に吸着させ、該吸着塔から高純度酸素又は酸素富化ガス
を回収し、他方、吸着工程を終了した吸着塔を０．０８
〜０．５ａｔａの圧力に減圧して吸着剤を再生し、窒素
富化ガスを分離し、上記の吸着工程と再生工程を連続的
に切り換えることを特徴とする酸素と窒素の分離方法で
ある。
【０００９】
【作用】本発明者等は、低温低圧吸着条件下で酸素と窒
素を効率的に分離する方法について鋭意研究する中で、
Ｎａ−Ｘ，Ｎａ−Ｙ型ゼオライトに代表されるナトリウ
ムフォージャサイトを、Ｎａイオンの３０〜１００％を
Ｋイオンでイオン交換した後、４５０℃以上の温度で熱
処理した窒素吸着剤が、低温低圧吸着条件下における窒
素吸着量を増大させるとともに、実用的範囲での窒素吸
着速度を維持することができ、かつ、窒素吸着の選択性
の減少が小さいことを見いだした。これは、上記の処理
により吸着活性点の強度が著しく増強され、窒素吸着に
有利に作用したものと思われる。
素を効率的に分離する方法について鋭意研究する中で、
Ｎａ−Ｘ，Ｎａ−Ｙ型ゼオライトに代表されるナトリウ
ムフォージャサイトを、Ｎａイオンの３０〜１００％を
Ｋイオンでイオン交換した後、４５０℃以上の温度で熱
処理した窒素吸着剤が、低温低圧吸着条件下における窒
素吸着量を増大させるとともに、実用的範囲での窒素吸
着速度を維持することができ、かつ、窒素吸着の選択性
の減少が小さいことを見いだした。これは、上記の処理
により吸着活性点の強度が著しく増強され、窒素吸着に
有利に作用したものと思われる。
【００１０】本発明に係る吸着剤の製造方法を、Ｎａ−
Ｘ型ゼオライトを例にして以下説明する。Ｎａ−Ｘ型ゼ
オライトを３ｋｇずつ３つ分取し、それぞれをＫＣｌ水
溶液に浸漬してゼオライトのＮａイオンをイオン交換率
３０％、５０％及び１００％でＫイオンとイオン交換し
た後、ろ過し、純水で洗浄した。次いで、バインダーと
してＡｌ（ＯＨ）3 ゾル及び気孔付与剤を各１００ｇず
つ添加し、均一になるまで混合した。この混合物をエク
ストルーダに供給して１ｍｍ径のペレットに造粒した。
その後、４５０℃で１時間電気炉で熱処理して活性化
し、３種類の吸着剤を試作した。この３種類の吸着剤を
用いて図１に示す空気分離装置で空気から酸素と窒素の
分離を試みた。
Ｘ型ゼオライトを例にして以下説明する。Ｎａ−Ｘ型ゼ
オライトを３ｋｇずつ３つ分取し、それぞれをＫＣｌ水
溶液に浸漬してゼオライトのＮａイオンをイオン交換率
３０％、５０％及び１００％でＫイオンとイオン交換し
た後、ろ過し、純水で洗浄した。次いで、バインダーと
してＡｌ（ＯＨ）3 ゾル及び気孔付与剤を各１００ｇず
つ添加し、均一になるまで混合した。この混合物をエク
ストルーダに供給して１ｍｍ径のペレットに造粒した。
その後、４５０℃で１時間電気炉で熱処理して活性化
し、３種類の吸着剤を試作した。この３種類の吸着剤を
用いて図１に示す空気分離装置で空気から酸素と窒素の
分離を試みた。
【００１１】以下、図１に基づいて空気分離操作を説明
する。空気は、入口ライン１を通じて圧縮機２に送ら
れ、１．０５〜３ａｔａに加圧され、流路３を介して脱
湿・脱二酸化炭素塔４に送られ、極めて清浄な加圧空気
となる。該加圧空気は、流路３’バルブ７を介して吸着
工程にある吸着塔８に供給され、塔内に充填されている
窒素吸着剤９で窒素を吸着分離する。塔の後方にゆくに
つれて酸素濃度が上昇する。そして、酸素富化空気は、
バルブ１０、１１を介して製品酸素タンク１３に回収さ
れ、必要に応じて製品酸素流路２１を介して系外に取り
出される。他方、再生工程にある吸着塔８’は、真空ポ
ンプ１８でバルブ１６’を介して減圧されており、上記
の製品酸素の一部を流路１４、減圧弁１５、バルブ１
０’を介して負圧状態で吸着塔８’に向流で流し、窒素
吸着剤９’に吸着されている窒素を脱着して短時間で吸
着剤を再生する。吸着塔８の吸着剤９が飽和し、吸着塔
８’の吸着剤９’から窒素脱着して再生が終了した後、
バルブ７を閉じてバルブ７’を開けることにより、入口
流路６を６’に切り換え、上記と同様の操作を続け、製
品酸素を連続的に回収する。
する。空気は、入口ライン１を通じて圧縮機２に送ら
れ、１．０５〜３ａｔａに加圧され、流路３を介して脱
湿・脱二酸化炭素塔４に送られ、極めて清浄な加圧空気
となる。該加圧空気は、流路３’バルブ７を介して吸着
工程にある吸着塔８に供給され、塔内に充填されている
窒素吸着剤９で窒素を吸着分離する。塔の後方にゆくに
つれて酸素濃度が上昇する。そして、酸素富化空気は、
バルブ１０、１１を介して製品酸素タンク１３に回収さ
れ、必要に応じて製品酸素流路２１を介して系外に取り
出される。他方、再生工程にある吸着塔８’は、真空ポ
ンプ１８でバルブ１６’を介して減圧されており、上記
の製品酸素の一部を流路１４、減圧弁１５、バルブ１
０’を介して負圧状態で吸着塔８’に向流で流し、窒素
吸着剤９’に吸着されている窒素を脱着して短時間で吸
着剤を再生する。吸着塔８の吸着剤９が飽和し、吸着塔
８’の吸着剤９’から窒素脱着して再生が終了した後、
バルブ７を閉じてバルブ７’を開けることにより、入口
流路６を６’に切り換え、上記と同様の操作を続け、製
品酸素を連続的に回収する。
【００１２】なお、入口の清浄な加圧空気を供給する流
路３’と、離脱窒素を主成分とするガスを排出する流路
１７の間に熱交換機１９を設け、また、製品酸素流路２
１と、上記の加圧空気流路３’との間も熱交換機２２を
設けて熱交換可能となっている。そして、上記の加圧空
気流路３’に圧縮式冷凍機２０を設置することにより、
極めて効率的に吸着塔を冷却し、所定の低温条件を得る
ことができる。
路３’と、離脱窒素を主成分とするガスを排出する流路
１７の間に熱交換機１９を設け、また、製品酸素流路２
１と、上記の加圧空気流路３’との間も熱交換機２２を
設けて熱交換可能となっている。そして、上記の加圧空
気流路３’に圧縮式冷凍機２０を設置することにより、
極めて効率的に吸着塔を冷却し、所定の低温条件を得る
ことができる。
【００１３】また、吸着塔の切り換えにあたっては、単
純に流路を６と６’の間で切り換えるだけでなく、切り
換え直後の昇圧に伴う入口空気の吹き抜けを防ぎ、か
つ、吸着塔の後方に残存する酸素及び前方の加圧空気の
系外への放出を最小にするために、まず、バルブ１０、
減圧弁１５、バルブ１０’を全開にして吸着直後の吸着
塔８の後方の残存酸素を再生直後の吸着塔８’に一部移
す。この時、吸着塔８の圧力をＰO （ａｔａ）、吸着塔
８’の圧力をＰ1 （ａｔａ）とすると、均圧後の圧力は
約（ＰO ＋Ｐ1 ）／２となる。この後、約（ＰO ＋
Ｐ1 ）／２となった吸着塔８’はバルブ１０’、１１’
を開いて製品酸素タンク１３と吸着塔を均圧化して、吸
着塔８’をさらに高圧の酸素で満たす。製品タンク１３
の均圧時の圧力Ｐ2 （ａｔａ）は吸着塔８，８’の死容
積をＶ1 （リットル）、製品酸素タンク１３の容量をＶ
2 （リットル）とすると、均圧前の製品酸素タンク１３
の圧力をＰO にほぼ等しいとすると、均圧化圧力Ｐ2 は
概略次の通りになる。 Ｐ2 ＝〔（ＰO ＋Ｐ1 ）／２・Ｖ1 ＋ＰO ・Ｖ2 〕／
（Ｖ1 ＋Ｖ2 ） このように、単に塔を切り換える時の、Ｐ1 からＰO へ
の急速な昇圧に比べ、上記の操作は、Ｐ1 、（ＰO ＋Ｐ
1 ）／２、Ｐ2 、ＰO と緩やかに昇圧されるため、昇圧
等の空気の吹き抜けが防止され、脱着工程における残存
酸素、高圧空気の系外への放出を最小にすることができ
る。
純に流路を６と６’の間で切り換えるだけでなく、切り
換え直後の昇圧に伴う入口空気の吹き抜けを防ぎ、か
つ、吸着塔の後方に残存する酸素及び前方の加圧空気の
系外への放出を最小にするために、まず、バルブ１０、
減圧弁１５、バルブ１０’を全開にして吸着直後の吸着
塔８の後方の残存酸素を再生直後の吸着塔８’に一部移
す。この時、吸着塔８の圧力をＰO （ａｔａ）、吸着塔
８’の圧力をＰ1 （ａｔａ）とすると、均圧後の圧力は
約（ＰO ＋Ｐ1 ）／２となる。この後、約（ＰO ＋
Ｐ1 ）／２となった吸着塔８’はバルブ１０’、１１’
を開いて製品酸素タンク１３と吸着塔を均圧化して、吸
着塔８’をさらに高圧の酸素で満たす。製品タンク１３
の均圧時の圧力Ｐ2 （ａｔａ）は吸着塔８，８’の死容
積をＶ1 （リットル）、製品酸素タンク１３の容量をＶ
2 （リットル）とすると、均圧前の製品酸素タンク１３
の圧力をＰO にほぼ等しいとすると、均圧化圧力Ｐ2 は
概略次の通りになる。 Ｐ2 ＝〔（ＰO ＋Ｐ1 ）／２・Ｖ1 ＋ＰO ・Ｖ2 〕／
（Ｖ1 ＋Ｖ2 ） このように、単に塔を切り換える時の、Ｐ1 からＰO へ
の急速な昇圧に比べ、上記の操作は、Ｐ1 、（ＰO ＋Ｐ
1 ）／２、Ｐ2 、ＰO と緩やかに昇圧されるため、昇圧
等の空気の吹き抜けが防止され、脱着工程における残存
酸素、高圧空気の系外への放出を最小にすることができ
る。
【００１４】
【実施例】図１の装置を用い、上記の操作手順で空気分
離を行った。その際の操作諸元は次の通りである。 吸着塔 直径６０ｍｍ，長さ８５０ｍｍ 吸着剤充填量 １．５ｋｇ／塔 塔数 ２塔 塔切り換え時間 １．５分 出口製品流量 ２Ｎリットル／分 吸着塔圧力 １〜５ａｔａ 再生塔圧力 ０．１〜１ａｔａ 吸着塔温度 ２０〜−１００℃ 吸着剤の種類 Ｋイオン交換率０％，３０％，
５０％，１００％のＮａ−Ｘ型ゼオライト（熱処理：４
５０℃、１時間）
離を行った。その際の操作諸元は次の通りである。 吸着塔 直径６０ｍｍ，長さ８５０ｍｍ 吸着剤充填量 １．５ｋｇ／塔 塔数 ２塔 塔切り換え時間 １．５分 出口製品流量 ２Ｎリットル／分 吸着塔圧力 １〜５ａｔａ 再生塔圧力 ０．１〜１ａｔａ 吸着塔温度 ２０〜−１００℃ 吸着剤の種類 Ｋイオン交換率０％，３０％，
５０％，１００％のＮａ−Ｘ型ゼオライト（熱処理：４
５０℃、１時間）
【００１５】図２は、上記の４種の吸着剤について、毎
時１Ｎｍ3 の酸素を製造するのに必要な消費電力、即
ち、動力原単位（ＫＷｈ／Ｎｍ3 −Ｏ2 ）を調べた結果
であり、横軸に吸着剤のＫイオン交換率をとった。○印
は吸着操作温度を１０℃、□印は０℃、△印は−５０℃
としたときの動力原単位である。なお、吸着圧力
（ＰO）は１．５ａｔａ、再生圧力（Ｐ1 ）は０．２ａ
ｔａ、空気流速（ｕ）は０．８ｃｍ／ｓｅｃとした。図
２から明らかなように、イオン交換率が３０％を超える
と、動力原単位は急速に減少する。この傾向は吸着温度
が室温から低温域まで保持されている。
時１Ｎｍ3 の酸素を製造するのに必要な消費電力、即
ち、動力原単位（ＫＷｈ／Ｎｍ3 −Ｏ2 ）を調べた結果
であり、横軸に吸着剤のＫイオン交換率をとった。○印
は吸着操作温度を１０℃、□印は０℃、△印は−５０℃
としたときの動力原単位である。なお、吸着圧力
（ＰO）は１．５ａｔａ、再生圧力（Ｐ1 ）は０．２ａ
ｔａ、空気流速（ｕ）は０．８ｃｍ／ｓｅｃとした。図
２から明らかなように、イオン交換率が３０％を超える
と、動力原単位は急速に減少する。この傾向は吸着温度
が室温から低温域まで保持されている。
【００１６】図３は、図２と同じ条件で空気分離を行っ
たときの吸着塔の出口における酸素濃度（ｖｏｌ％）を
調べた結果であり、イオン交換率が３０％を超えると、
酸素濃度が上昇し、動力原単位と同様に室温から低温域
まで保持されている。以上のことから分かるように、Ｎ
ａ−Ｘ，Ｎａ−Ｙ等に代表されるフォージャサイトのＮ
ａイオンを少なくとも３０％以上Ｋイオンでイオン交換
し、４５０℃以上で熱処理することにより、動力原単位
において１５％程度の低減が図られる。また、吸着塔出
口における酸素濃度も、同一の塔長において１０％以上
向上させることができた。
たときの吸着塔の出口における酸素濃度（ｖｏｌ％）を
調べた結果であり、イオン交換率が３０％を超えると、
酸素濃度が上昇し、動力原単位と同様に室温から低温域
まで保持されている。以上のことから分かるように、Ｎ
ａ−Ｘ，Ｎａ−Ｙ等に代表されるフォージャサイトのＮ
ａイオンを少なくとも３０％以上Ｋイオンでイオン交換
し、４５０℃以上で熱処理することにより、動力原単位
において１５％程度の低減が図られる。また、吸着塔出
口における酸素濃度も、同一の塔長において１０％以上
向上させることができた。
【００１７】次に、イオン交換率５０％、及び、０％
（未処理）の上記の吸着剤を用い、空気から酸素と窒素
を分離して下記の特性を調べた。図４は、図２の条件の
うち脱着圧力Ｐ1 を０．２ａｔａとし、吸着圧力のみ変
化させて、動力原単位を調べた結果であり、図中、●印
は未処理の吸着剤を、○印はイオン交換率５０％の吸着
剤を用いたときの値である。図４から明らかなように、
イオン交換率５０％の吸着剤は未処理の吸着剤に対し、
動力原単位を１５％低減することができた。そして、深
冷分離法の動力原単位０．４５〜０．６ＫＷｈ／Ｎｍ3
−Ｏ2 、及び、現行の窒素吸着剤の０．７ＫＷｈ／Ｎｍ
3 −Ｏ2 を考慮すると、吸着圧力は３ａｔａ〜大気圧、
より好ましくは２ａｔａ〜大気圧の低圧域が妥当であ
る。
（未処理）の上記の吸着剤を用い、空気から酸素と窒素
を分離して下記の特性を調べた。図４は、図２の条件の
うち脱着圧力Ｐ1 を０．２ａｔａとし、吸着圧力のみ変
化させて、動力原単位を調べた結果であり、図中、●印
は未処理の吸着剤を、○印はイオン交換率５０％の吸着
剤を用いたときの値である。図４から明らかなように、
イオン交換率５０％の吸着剤は未処理の吸着剤に対し、
動力原単位を１５％低減することができた。そして、深
冷分離法の動力原単位０．４５〜０．６ＫＷｈ／Ｎｍ3
−Ｏ2 、及び、現行の窒素吸着剤の０．７ＫＷｈ／Ｎｍ
3 −Ｏ2 を考慮すると、吸着圧力は３ａｔａ〜大気圧、
より好ましくは２ａｔａ〜大気圧の低圧域が妥当であ
る。
【００１８】図５は、図２の条件のうち吸着圧力ＰO を
１．５ａｔａとし、脱着圧力のみ変化させて、動力原単
位を調べた結果であり、図中、●印は未処理の吸着剤
を、○印はイオン交換率５０％の吸着剤を用いたときの
値である。図５からみて、深冷分離法及び現行の窒素吸
着剤を用いた分離法との競合性を考慮すると、脱着圧力
は０．０８〜０．５ａｔａ、より好ましくは０．１〜
０．３ａｔａの付近が望ましい。
１．５ａｔａとし、脱着圧力のみ変化させて、動力原単
位を調べた結果であり、図中、●印は未処理の吸着剤
を、○印はイオン交換率５０％の吸着剤を用いたときの
値である。図５からみて、深冷分離法及び現行の窒素吸
着剤を用いた分離法との競合性を考慮すると、脱着圧力
は０．０８〜０．５ａｔａ、より好ましくは０．１〜
０．３ａｔａの付近が望ましい。
【００１９】図６は、図２の条件のうち吸着圧力ＰO を
１．５ａｔａ、脱着圧力Ｐ1 を０．２ａｔａとし、吸着
温度のみを変動させて、吸着塔出口の酸素濃度を調べた
結果であり、図中、●印は未処理の吸着剤を、○印はイ
オン交換率５０％の吸着剤を用いたときの値である。図
６から分かるように、同一塔長のもとでは出口側酸素濃
度は冷却とともに漸次上昇し、吸着温度が略−２０℃以
下では、出口酸素濃度は、イオン交換率５０％の吸着剤
の方が未処理の吸着剤と比べて常に上回っていた。な
お、Ｎａ−Ｙ型ゼオライトについて、上記のＮａ−Ｘ型
ゼオライトと同様の試験を行ったところ、上記と同様の
結果を得た。
１．５ａｔａ、脱着圧力Ｐ1 を０．２ａｔａとし、吸着
温度のみを変動させて、吸着塔出口の酸素濃度を調べた
結果であり、図中、●印は未処理の吸着剤を、○印はイ
オン交換率５０％の吸着剤を用いたときの値である。図
６から分かるように、同一塔長のもとでは出口側酸素濃
度は冷却とともに漸次上昇し、吸着温度が略−２０℃以
下では、出口酸素濃度は、イオン交換率５０％の吸着剤
の方が未処理の吸着剤と比べて常に上回っていた。な
お、Ｎａ−Ｙ型ゼオライトについて、上記のＮａ−Ｘ型
ゼオライトと同様の試験を行ったところ、上記と同様の
結果を得た。
【００２０】次に、図７に示す簡易吸着試験装置を用い
て、Ｋイオン交換されたＮａ−Ｘ型ゼオライトの窒素吸
着ガス量及び酸素吸着ガス量を測定し、本発明の吸着剤
の実用性を評価した。図７では、高圧空気ボンベ２２を
出た高圧空気を、減圧機２３、バルブ２４を経て吸着塔
２７に導入した。減圧機２３とバルブ２４の間にブルド
ン管式圧力計２５を設置して、吸着塔２７の入口圧力を
１．５ａｔａに設定した。吸着塔２７は、内径１０ｍ
ｍ、長さ３００ｍｍのステンレス製のもので、Ｋイオン
交換率５０％のＮａ−Ｘ型ゼオライト２８を充填し、該
吸着塔２７は温度調節浴２９に浸漬して−５０〜３０℃
の範囲で調節した。その後、バルブ２４，２６を閉じ、
バルブ３０を開いて真空ポンプ３１で吸着塔内を０．１
〜０．５ａｔａに減圧した。次いで、バルブ３０を閉
じ、バルブ２４，２６を開いて加圧空気を吸着塔２７に
導入し、フロート式流量計３２、酸素濃度計３３を流過
させて出口側酸素濃度を計測し、自記式記録計３４で記
録した。
て、Ｋイオン交換されたＮａ−Ｘ型ゼオライトの窒素吸
着ガス量及び酸素吸着ガス量を測定し、本発明の吸着剤
の実用性を評価した。図７では、高圧空気ボンベ２２を
出た高圧空気を、減圧機２３、バルブ２４を経て吸着塔
２７に導入した。減圧機２３とバルブ２４の間にブルド
ン管式圧力計２５を設置して、吸着塔２７の入口圧力を
１．５ａｔａに設定した。吸着塔２７は、内径１０ｍ
ｍ、長さ３００ｍｍのステンレス製のもので、Ｋイオン
交換率５０％のＮａ−Ｘ型ゼオライト２８を充填し、該
吸着塔２７は温度調節浴２９に浸漬して−５０〜３０℃
の範囲で調節した。その後、バルブ２４，２６を閉じ、
バルブ３０を開いて真空ポンプ３１で吸着塔内を０．１
〜０．５ａｔａに減圧した。次いで、バルブ３０を閉
じ、バルブ２４，２６を開いて加圧空気を吸着塔２７に
導入し、フロート式流量計３２、酸素濃度計３３を流過
させて出口側酸素濃度を計測し、自記式記録計３４で記
録した。
【００２１】上記ゼオライト２８に吸着された窒素は、
バルブ２４，２６を閉じ、バルブ３０を開いて真空ポン
プ３１で吸着塔内を０．１〜０．５ａｔａに減圧するこ
とにより容易に離脱されるので、そのときの脱着ガス量
を積算流量計３５で、脱着ガスの酸素濃度は酸素濃度計
３６でそれぞれ計測した。以上の操作により吸着試験を
行った。そのときの操作諸元は次の通りである。 吸着塔 直径１０ｍｍ，長さ３００ｍｍ 吸着剤充填量 １５ｇ 塔数 １塔 塔切り換え時間 １．５分 出口製品流量 １００Ｎｍｌ／分 吸着塔圧力 １．５ａｔａ 再生塔圧力 ０．１〜０．５ａｔａ 吸着塔温度 ３０〜−６０℃ 吸着剤の種類 Ｋイオン交換率５０％Ｎａ−Ｘ
型ゼオライト（熱処理：４５０℃、１時間）
バルブ２４，２６を閉じ、バルブ３０を開いて真空ポン
プ３１で吸着塔内を０．１〜０．５ａｔａに減圧するこ
とにより容易に離脱されるので、そのときの脱着ガス量
を積算流量計３５で、脱着ガスの酸素濃度は酸素濃度計
３６でそれぞれ計測した。以上の操作により吸着試験を
行った。そのときの操作諸元は次の通りである。 吸着塔 直径１０ｍｍ，長さ３００ｍｍ 吸着剤充填量 １５ｇ 塔数 １塔 塔切り換え時間 １．５分 出口製品流量 １００Ｎｍｌ／分 吸着塔圧力 １．５ａｔａ 再生塔圧力 ０．１〜０．５ａｔａ 吸着塔温度 ３０〜−６０℃ 吸着剤の種類 Ｋイオン交換率５０％Ｎａ−Ｘ
型ゼオライト（熱処理：４５０℃、１時間）
【００２２】図８は、上記の操作条件のうち、吸着温度
を−６０℃とし、脱着圧力を０．１〜０．５ａｔａの範
囲で変化させたときの吸着ガス量（ｍｌ／ｇ−吸着剤）
を測定した結果であり、図中、○印は窒素吸着ガス量
を、□印は酸素吸着ガス量を示す。図８から分かるよう
に、酸素吸着ガス量は脱着圧力Ｐ1 にかかわりなく、ほ
ぼ一定の値を示すが、窒素吸着ガス量は脱着圧力Ｐ1 の
低下とともに上昇する。
を−６０℃とし、脱着圧力を０．１〜０．５ａｔａの範
囲で変化させたときの吸着ガス量（ｍｌ／ｇ−吸着剤）
を測定した結果であり、図中、○印は窒素吸着ガス量
を、□印は酸素吸着ガス量を示す。図８から分かるよう
に、酸素吸着ガス量は脱着圧力Ｐ1 にかかわりなく、ほ
ぼ一定の値を示すが、窒素吸着ガス量は脱着圧力Ｐ1 の
低下とともに上昇する。
【００２３】図９は、上記の操作条件のうち、脱着圧力
を０．１ａｔａとし、吸着温度を１０〜−６０℃の範囲
で変化させたときの吸着ガス量を測定した結果であり、
図中、○印は窒素吸着ガス量を、□印は酸素吸着ガス量
を示す。図９から分かるように、同一条件の下では吸着
温度の低下とともに吸着ガス量は酸素、窒素ともに漸次
上昇する。なお、Ｎａ−Ｙ型ゼオライトについて、上記
と同様の試験を行ったところ、上記と同様の結果を得
た。
を０．１ａｔａとし、吸着温度を１０〜−６０℃の範囲
で変化させたときの吸着ガス量を測定した結果であり、
図中、○印は窒素吸着ガス量を、□印は酸素吸着ガス量
を示す。図９から分かるように、同一条件の下では吸着
温度の低下とともに吸着ガス量は酸素、窒素ともに漸次
上昇する。なお、Ｎａ−Ｙ型ゼオライトについて、上記
と同様の試験を行ったところ、上記と同様の結果を得
た。
【００２４】以上のことから分かるように、本発明のＫ
イオン交換されたＮａ−Ｘ，Ｎａ−Ｙ型ゼオライトは、
脱着圧力をより低圧側で、吸着温度をより低温側で操作
することにより、酸素吸着量を抑え、窒素吸着量のみを
増大させることができる特異的な結果を得た。
イオン交換されたＮａ−Ｘ，Ｎａ−Ｙ型ゼオライトは、
脱着圧力をより低圧側で、吸着温度をより低温側で操作
することにより、酸素吸着量を抑え、窒素吸着量のみを
増大させることができる特異的な結果を得た。
【００２５】
【発明の効果】本発明は、上記の構成を採用することに
より、脱着圧力がより低圧側で、吸着温度がより低温側
で操作するときに、酸素吸着量を抑え、窒素吸着量のみ
を増大させることが可能な吸着剤を提供することがで
き、該吸着剤を使用した酸素と窒素の分離方法では、極
めて少ない動力原単位で９０％を上回る高純度の酸素を
容易に得ることができるようになった。
より、脱着圧力がより低圧側で、吸着温度がより低温側
で操作するときに、酸素吸着量を抑え、窒素吸着量のみ
を増大させることが可能な吸着剤を提供することがで
き、該吸着剤を使用した酸素と窒素の分離方法では、極
めて少ない動力原単位で９０％を上回る高純度の酸素を
容易に得ることができるようになった。
【図１】本発明の酸素・窒素分離方法を実施するための
装置の概念図である。
装置の概念図である。
【図２】実施例において、Ｎａ−Ｘ型ゼオライトのＫイ
オン交換率と動力原単位との関係を示したグラフであ
る。
オン交換率と動力原単位との関係を示したグラフであ
る。
【図３】実施例において、Ｎａ−Ｘ型ゼオライトのＫイ
オン交換率と、吸着塔出口ガスの酸素濃度との関係を示
したグラフである。
オン交換率と、吸着塔出口ガスの酸素濃度との関係を示
したグラフである。
【図４】実施例において、吸着圧力と動力原単位との関
係を示したグラフである。
係を示したグラフである。
【図５】実施例において、再生圧力と動力原単位との関
係を示したグラフである。
係を示したグラフである。
【図６】実施例において、吸着温度と吸着塔出口ガスの
酸素濃度との関係を示したグラフである。
酸素濃度との関係を示したグラフである。
【図７】本発明の吸着剤の酸素、窒素吸着ガス量を計測
する装置の概念図である。
する装置の概念図である。
【図８】実施例で用いた吸着剤について、脱着圧力と吸
着ガス量との関係を示したグラフである。
着ガス量との関係を示したグラフである。
【図９】実施例で用いた吸着剤について、吸着温度と吸
着ガス量との関係を示したグラフである。
着ガス量との関係を示したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安武 昭典 長崎県長崎市深掘町５丁目717番１号 三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 大嶋 一晃 長崎県飽の浦町１番１号 三菱重工業株 式会社長崎造船所内 (56)参考文献 特開 平６−178934（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−178933（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−227814（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−82135（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−78638（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−207838（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B01J 20/00 - 20/34 C01B 21/04
Claims (2)
- 【請求項１】 ナトリウムフォージャサイトの全Ｎａの
３０〜１００％をＫでイオン交換した後、４５０℃以上
の温度で熱処理してなる低温用窒素吸着剤。 - 【請求項２】 請求項１記載の低温用窒素吸着剤を充填
した２塔以上の吸着塔を室温以下に保持し、酸素と窒素
を主成分とする混合ガスを、大気圧〜３ａｔａの圧力で
再生工程を終了した吸着塔に供給し、窒素を選択的に吸
着させ、該吸着塔から高純度酸素又は酸素富化ガスを回
収し、他方、吸着工程を終了した吸着塔を０．０８〜
０．５ａｔａの圧力に減圧して吸着剤を再生し、窒素富
化ガスを分離し、上記の吸着工程と再生工程を連続的に
切り換えることを特徴とする酸素と窒素の分離方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4332939A JP2955139B2 (ja) | 1992-12-14 | 1992-12-14 | 窒素吸着剤及び酸素と窒素の分離方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4332939A JP2955139B2 (ja) | 1992-12-14 | 1992-12-14 | 窒素吸着剤及び酸素と窒素の分離方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06178932A JPH06178932A (ja) | 1994-06-28 |
| JP2955139B2 true JP2955139B2 (ja) | 1999-10-04 |
Family
ID=18260502
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4332939A Expired - Fee Related JP2955139B2 (ja) | 1992-12-14 | 1992-12-14 | 窒素吸着剤及び酸素と窒素の分離方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2955139B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024010756A1 (en) * | 2022-07-08 | 2024-01-11 | Entegris, Inc. | Methods and equipment for cryogenic removal of impurities from oxygen gas |
-
1992
- 1992-12-14 JP JP4332939A patent/JP2955139B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06178932A (ja) | 1994-06-28 |
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