JP3050881B2 - 空気から酸素を分離する方法 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はガス混合物、特に空気の分離に関する。
(従来の技術) よく知られている空気分離方法の1つは圧力スウィン
グ吸着(PSA)による方法である。空気から酸素を分離
するためのある1つの公知のPSAプロセスでは、窒素を
優先的に吸着することによって空気中の2種の主成分を
分離する性能を有するゼオライトモレキュラーシーブを
使用している。操作に関しては次の通りである。吸着工
程(本工程時においては、空気がゼオライトモレキュラ
ーシーブ吸着剤床を通ってポンプ送りされ、供給原料中
の窒素の一部、酸素とアルゴンのごく少量、及び実質的
に全ての二酸化炭素と水蒸気が吸着され、そして酸素含
量の多い生成物ガスが吸着剤床の出口から供給され
る);及び脱着工程(本工程時においては、吸着剤床の
出口が閉じられ、吸着剤床がその入口を通して大気圧と
通気されてこの入口から脱気され、従って吸着されたガ
スが吸着剤床から実質的に除去され、これによって次の
吸着工程のための用意がなされる)を含むサイクル全体
を通してゼオライトモレキュラージーブ吸着剤床がうま
く機能する。通常は(必ずしも必要ではない)、2つ以
上の吸着剤床が使用され、類似のサイクルで操作され
る。しかし相互に協調作動しない形で連結されており、
従って一方の吸着剤床に吸着工程が施されているとき、
他方の吸着剤床では脱着工程が行われている。
グ吸着(PSA)による方法である。空気から酸素を分離
するためのある1つの公知のPSAプロセスでは、窒素を
優先的に吸着することによって空気中の2種の主成分を
分離する性能を有するゼオライトモレキュラーシーブを
使用している。操作に関しては次の通りである。吸着工
程(本工程時においては、空気がゼオライトモレキュラ
ーシーブ吸着剤床を通ってポンプ送りされ、供給原料中
の窒素の一部、酸素とアルゴンのごく少量、及び実質的
に全ての二酸化炭素と水蒸気が吸着され、そして酸素含
量の多い生成物ガスが吸着剤床の出口から供給され
る);及び脱着工程(本工程時においては、吸着剤床の
出口が閉じられ、吸着剤床がその入口を通して大気圧と
通気されてこの入口から脱気され、従って吸着されたガ
スが吸着剤床から実質的に除去され、これによって次の
吸着工程のための用意がなされる)を含むサイクル全体
を通してゼオライトモレキュラージーブ吸着剤床がうま
く機能する。通常は(必ずしも必要ではない)、2つ以
上の吸着剤床が使用され、類似のサイクルで操作され
る。しかし相互に協調作動しない形で連結されており、
従って一方の吸着剤床に吸着工程が施されているとき、
他方の吸着剤床では脱着工程が行われている。
酸素と窒素の分離はうまく行うことができるが、得ら
れた酸素生成物は最初の空気に比べてアルゴン含量が多
くなる、ということが一般的に見出されている。実際、
空気から酸素を分離するためのいくつかの代表的なPSA
プラントの場合、得られた酸素は4〜5容量%程度のア
ルゴンを含有することがある。場合によっては、アルゴ
ンのこのようなレベルが実際上不利であるか又はあるユ
ーザーによって不利であるとされているような酸素に対
する用途も広がってきている。例えば麻酔法の分野にお
いては、4容量%以下のアルゴンを含有した酸素生成物
が得られるようなPSA法が要求されている。こうした要
求が起こる1つの理由は、酸素の純度が100%に近づく
ほど、標準的な麻酔装置の流量計において得られる酸素
流量指示値は酸素分子の実際の流量により厳密に対応す
るようになるからである。このような要求を満たすこと
が本発明の目的である。
れた酸素生成物は最初の空気に比べてアルゴン含量が多
くなる、ということが一般的に見出されている。実際、
空気から酸素を分離するためのいくつかの代表的なPSA
プラントの場合、得られた酸素は4〜5容量%程度のア
ルゴンを含有することがある。場合によっては、アルゴ
ンのこのようなレベルが実際上不利であるか又はあるユ
ーザーによって不利であるとされているような酸素に対
する用途も広がってきている。例えば麻酔法の分野にお
いては、4容量%以下のアルゴンを含有した酸素生成物
が得られるようなPSA法が要求されている。こうした要
求が起こる1つの理由は、酸素の純度が100%に近づく
ほど、標準的な麻酔装置の流量計において得られる酸素
流量指示値は酸素分子の実際の流量により厳密に対応す
るようになるからである。このような要求を満たすこと
が本発明の目的である。
本発明によれば、 (a) 窒素及びアルゴンより酸素の方を速やかに吸着
する第1の吸着剤床に圧縮空気を通し、圧縮空気中のア
ルゴン含量の一部と窒素とを含む吸着されないガスを前
記第1吸着剤床から排出する工程; (b) 圧縮空気を前記第1吸着剤床に通すのを停止す
る工程; (c) 前記第1吸着剤床に加わる圧力をさげ、それに
よって吸着されたガスの脱着が起こし、脱着されたガス
を前記第1吸着剤床から流出させる工程; (d) 前記の脱着されたガスの少なくとも一部を再び
圧縮する工程; (e) 窒素及びアルゴンより酸素の方を速やかに吸着
する第2の吸着剤床に前記の再圧縮したガスを通す工
程;及び (f) 前記第2吸着剤床に加わる圧力を減少させ、そ
れにより脱着された生成物酸素を前記第2吸着剤床から
流出させる工程: の各工程を上記順序にて繰り返し実施することからなる
空気から酸素を分離する方法が提供される。
する第1の吸着剤床に圧縮空気を通し、圧縮空気中のア
ルゴン含量の一部と窒素とを含む吸着されないガスを前
記第1吸着剤床から排出する工程; (b) 圧縮空気を前記第1吸着剤床に通すのを停止す
る工程; (c) 前記第1吸着剤床に加わる圧力をさげ、それに
よって吸着されたガスの脱着が起こし、脱着されたガス
を前記第1吸着剤床から流出させる工程; (d) 前記の脱着されたガスの少なくとも一部を再び
圧縮する工程; (e) 窒素及びアルゴンより酸素の方を速やかに吸着
する第2の吸着剤床に前記の再圧縮したガスを通す工
程;及び (f) 前記第2吸着剤床に加わる圧力を減少させ、そ
れにより脱着された生成物酸素を前記第2吸着剤床から
流出させる工程: の各工程を上記順序にて繰り返し実施することからなる
空気から酸素を分離する方法が提供される。
第1及び第2吸着剤床は、窒素より酸素の方を速やか
に吸着する炭素モレキュラーシーブを含むのが好まし
い。
に吸着する炭素モレキュラーシーブを含むのが好まし
い。
第1吸着剤床からの吸着されたガスの脱着は、第1吸
着剤床と第2吸着剤床の圧力が同等になるかあるいは第
1吸着剤床と第2吸着剤床との圧力差が少なくなるよう
に、第1吸着剤床を第2吸着剤床と連通した形で設ける
ことによって開始されるのが好ましい。圧力が同等にな
ったら、あるいは2つの吸着剤床の圧力差がある選定さ
れた値にまで低下したら、第2吸着剤床の圧力を第1吸
着剤床の圧力より高くできるように、圧縮機への入口が
第1吸着剤床の底部と連通した形で設けられ、そして圧
縮機の出口が第2吸着剤床の底部と連通した形で設けら
れる。空気を圧縮するのに、また第1吸着剤床から第2
吸着剤床へと流れるガスを圧縮するのに、同じ圧力を連
続して使用するのが好ましい。
着剤床と第2吸着剤床の圧力が同等になるかあるいは第
1吸着剤床と第2吸着剤床との圧力差が少なくなるよう
に、第1吸着剤床を第2吸着剤床と連通した形で設ける
ことによって開始されるのが好ましい。圧力が同等にな
ったら、あるいは2つの吸着剤床の圧力差がある選定さ
れた値にまで低下したら、第2吸着剤床の圧力を第1吸
着剤床の圧力より高くできるように、圧縮機への入口が
第1吸着剤床の底部と連通した形で設けられ、そして圧
縮機の出口が第2吸着剤床の底部と連通した形で設けら
れる。空気を圧縮するのに、また第1吸着剤床から第2
吸着剤床へと流れるガスを圧縮するのに、同じ圧力を連
続して使用するのが好ましい。
本発明の方法及び装置は、 本発明による方法の好ましい実施例は、最高3容量%
のアルゴンを含有した酸素生成物を得ることができる。
麻酔の典型的な実施方法では、得られた混合物が35容量
%以下の酸素を含有するように酸素を麻酔薬で希釈する
ので、本発明の方法に従って酸素を得ると、ガス混合物
中のアルゴン含量は空気の場合と実質的に同じレベルと
なる。
のアルゴンを含有した酸素生成物を得ることができる。
麻酔の典型的な実施方法では、得られた混合物が35容量
%以下の酸素を含有するように酸素を麻酔薬で希釈する
ので、本発明の方法に従って酸素を得ると、ガス混合物
中のアルゴン含量は空気の場合と実質的に同じレベルと
なる。
本発明による方法について、以下に添付図面(本発明
の方法を実施するための装置の概略流れ図)を参照しつ
つ実施例により説明する。
の方法を実施するための装置の概略流れ図)を参照しつ
つ実施例により説明する。
図面において、装置は第1の円筒容器2と第2の円筒
容器4(これらは実質上互いに同等であり、それぞれモ
レキュラーシーブの吸着剤床6及び8を含有している)
を含む。吸着剤床6は、下部乾燥剤層10及び窒素やアル
ゴンより酸素の方を速やかに吸着する炭素モレキュラー
シーブの上部層12からなる。層12は、容器6の容積の3/
4以上を占める。吸着剤床8は、下部乾燥剤層11及び窒
素及びアルゴンより酸素を優先的に吸着する炭素モレキ
ュラーシーブを含む。
容器4(これらは実質上互いに同等であり、それぞれモ
レキュラーシーブの吸着剤床6及び8を含有している)
を含む。吸着剤床6は、下部乾燥剤層10及び窒素やアル
ゴンより酸素の方を速やかに吸着する炭素モレキュラー
シーブの上部層12からなる。層12は、容器6の容積の3/
4以上を占める。吸着剤床8は、下部乾燥剤層11及び窒
素及びアルゴンより酸素を優先的に吸着する炭素モレキ
ュラーシーブを含む。
容器2は、その底部において自動的に作動する開閉弁
16を取り付けた入口14を有する。さらに容器2は、その
頂部において自動的に作動する開閉弁20を取り付けた出
口18を有する。容器4は、その底部において自動的に作
動する開閉弁26を取り付けた入口24;その頂部において
自動的に作動する開閉弁30を取り付けた出口28:及びそ
の底部において自動的に作動する開閉弁34を取り付けた
出口32を有する。さらに本装置は、自動的に作動する開
閉弁38を取り付けたメイン入口36を有するガス分配シス
テムを含んでいる。入口36は、導管40と容器2からの出
口22との結合部において終結している。導管40は、圧縮
機42の入口にて終結している。ガス圧縮機42の出口は別
の導管44の入口において終結し、導管44の出口は容器4
の入口24と二方向ガス通路46との結合部において終結し
ている。二方向ガス通路46は、入口24との結合部から導
管40の入口と容器2の底部における出口22との結合部ま
で延びており、入口14は通路46において終結している。
通路46における入口14との結合部と出口22との結合部の
中間部分に、自動的に作動する開閉弁48が配置されてい
る。
16を取り付けた入口14を有する。さらに容器2は、その
頂部において自動的に作動する開閉弁20を取り付けた出
口18を有する。容器4は、その底部において自動的に作
動する開閉弁26を取り付けた入口24;その頂部において
自動的に作動する開閉弁30を取り付けた出口28:及びそ
の底部において自動的に作動する開閉弁34を取り付けた
出口32を有する。さらに本装置は、自動的に作動する開
閉弁38を取り付けたメイン入口36を有するガス分配シス
テムを含んでいる。入口36は、導管40と容器2からの出
口22との結合部において終結している。導管40は、圧縮
機42の入口にて終結している。ガス圧縮機42の出口は別
の導管44の入口において終結し、導管44の出口は容器4
の入口24と二方向ガス通路46との結合部において終結し
ている。二方向ガス通路46は、入口24との結合部から導
管40の入口と容器2の底部における出口22との結合部ま
で延びており、入口14は通路46において終結している。
通路46における入口14との結合部と出口22との結合部の
中間部分に、自動的に作動する開閉弁48が配置されてい
る。
操作に関して、図示した装置では次のような工程のサ
イクルが行われる。
イクルが行われる。
1. 空気で吸着剤床2を加圧する。
2. 出口18を通して吸着されないガスを吸着剤床2から
排出する。
排出する。
3. 吸着剤床6と8の圧力を同等にする。
4. 吸着剤床6からのガスで吸着剤床8を加圧する。
5. 吸着剤床8から吸着されないガスを放出する。
6. 吸着剤床8を再生しそして生成物ガスを回収する。
上記サイクルの工程6は、工程1及び2と同時に行う
のが好ましい。下記の表は、上記手順を採用した場合に
おけるサイクル中の開閉弁の位置を表している。
のが好ましい。下記の表は、上記手順を採用した場合に
おけるサイクル中の開閉弁の位置を表している。
本プロセスの最初の工程時、流入空気が2〜10絶対気
圧(好ましくは4〜6絶対気圧)の圧力にまで圧縮さ
れ、得られた圧縮空気が通路44と46を通って圧縮機42の
出口から流れ、入口14を経て吸着剤床6へと流れ込む。
下部乾燥剤層10は、空気から水蒸気を吸着するのに有効
である。次いで水分を除いた空気は層12へと進む。層12
の炭素モレキュラーシーブは、窒素とアルゴンが吸着さ
れる速度より速い速度で二酸化炭素と酸素を吸着するの
に有効である。実際、流入空気中の高当量のアルゴン及
びごく少量の窒素が炭素モレキュラーシーブによって吸
着されるにすぎない。吸着剤床の圧力が圧縮機42の出口
の圧力に達すると、弁20が開き、上記サイクルの工程2
が始まる。
圧(好ましくは4〜6絶対気圧)の圧力にまで圧縮さ
れ、得られた圧縮空気が通路44と46を通って圧縮機42の
出口から流れ、入口14を経て吸着剤床6へと流れ込む。
下部乾燥剤層10は、空気から水蒸気を吸着するのに有効
である。次いで水分を除いた空気は層12へと進む。層12
の炭素モレキュラーシーブは、窒素とアルゴンが吸着さ
れる速度より速い速度で二酸化炭素と酸素を吸着するの
に有効である。実際、流入空気中の高当量のアルゴン及
びごく少量の窒素が炭素モレキュラーシーブによって吸
着されるにすぎない。吸着剤床の圧力が圧縮機42の出口
の圧力に達すると、弁20が開き、上記サイクルの工程2
が始まる。
サイクルの2番目の工程では、空気が吸着剤床6へと
進み、吸着されないガスが出口18を通って容器2の頂部
から流出し、そして大気へと排出される間、圧力が保持
される。吸着されないガスは、流入空気中の窒素とアル
ゴンの一部を含む。層12の炭素モレキュラーシーブが、
排気ガス中の酸素濃度が望ましくないほどに増大しそう
になる程度の多量の酸素を吸着すると、サイクルは工程
3へと進む。
進み、吸着されないガスが出口18を通って容器2の頂部
から流出し、そして大気へと排出される間、圧力が保持
される。吸着されないガスは、流入空気中の窒素とアル
ゴンの一部を含む。層12の炭素モレキュラーシーブが、
排気ガス中の酸素濃度が望ましくないほどに増大しそう
になる程度の多量の酸素を吸着すると、サイクルは工程
3へと進む。
工程3においては、圧縮機42が待機モードに設定さ
れ、容器2からのガスが出口22を経て、通路46及び容器
4への入口24を通って吸着剤床8へと流れ込む。容器4
に流れ込むガスは、本サイクルの工程2の終わりにおい
て容器2に残留している吸着されないガスだけでなく、
圧力が徐々に低下するにつれて容器2において脱着され
るガスも含んでいる。
れ、容器2からのガスが出口22を経て、通路46及び容器
4への入口24を通って吸着剤床8へと流れ込む。容器4
に流れ込むガスは、本サイクルの工程2の終わりにおい
て容器2に残留している吸着されないガスだけでなく、
圧力が徐々に低下するにつれて容器2において脱着され
るガスも含んでいる。
従って、容器4の吸着剤床8に入るガスは、流入空気
の全ての成分を含んでいるが、その窒素とアルゴンの含
量は流入空気のそれより少ない。本サイクルの工程3に
おいては、吸着剤床8の圧力が徐々に増大するにつれて
炭素モレキュラーシーブは乾燥剤層11によって予め吸着
されている酸素、水蒸気及び二酸化炭素を優先的に吸着
する。吸着されないガス中において窒素及びアルゴンは
富化される。2つの吸着剤床の圧力が同等になると、本
サイクルの工程4がスタートし、この工程に対して圧縮
機が使用されて容器2から容器4へのガスの流れがつく
り出され、従って容器2の圧力は再び大気圧にまで低下
する。
の全ての成分を含んでいるが、その窒素とアルゴンの含
量は流入空気のそれより少ない。本サイクルの工程3に
おいては、吸着剤床8の圧力が徐々に増大するにつれて
炭素モレキュラーシーブは乾燥剤層11によって予め吸着
されている酸素、水蒸気及び二酸化炭素を優先的に吸着
する。吸着されないガス中において窒素及びアルゴンは
富化される。2つの吸着剤床の圧力が同等になると、本
サイクルの工程4がスタートし、この工程に対して圧縮
機が使用されて容器2から容器4へのガスの流れがつく
り出され、従って容器2の圧力は再び大気圧にまで低下
する。
容器の圧力がほぼ大気圧まで低下する時、その方法の
工程5は典型的には終わりになる。工程6中、床8は再
生され、そして生成物酸素は、弁34を開放し予め吸着さ
れたガスを脱着させることにより出口32を通過する。
工程5は典型的には終わりになる。工程6中、床8は再
生され、そして生成物酸素は、弁34を開放し予め吸着さ
れたガスを脱着させることにより出口32を通過する。
容器2と4は使用する上で都合の良いいかなるサイズ
であってもよいが、一般には本装置は生成物ガスを1〜
10/分の平均速度で供給できる能力を有するのが望ま
しい。
であってもよいが、一般には本装置は生成物ガスを1〜
10/分の平均速度で供給できる能力を有するのが望ま
しい。
第1図は本発明方法を実施するための概略フロ−シート
である。
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01D 53/04
Claims (7)
- 【請求項1】(a) 窒素及びアルゴンより酸素の方を
速やかに吸着する第1の吸着剤床に圧縮空気を通し、圧
縮空気中のアルゴン含量の一部と窒素とを含む吸着され
ないガスを前記第1吸着剤床から排出する工程; (b) 圧縮空気を前記第1吸着剤床に通すのを停止す
る工程; (c) 前記第1吸着剤床に加わる圧力をさげ、それに
よって吸着されたガスの脱着を起こし、脱着されたガス
を前記第1吸着剤床から流出される工程; (d) 前記の脱着されたガスの少なくとも一部を再び
圧縮する工程; (e) 窒素及びアルゴンより酸素の方を速やかに吸着
する第2の吸着剤床に前記の再圧縮したガスを通す工
程;及び (f) 前記第2吸着剤床に加わる圧力を減少させ、そ
れにより脱着された生成物酸素を前記第2吸着剤床から
流出させる工程; の各工程を上記順序にて繰り返し実施することを含む空
気から酸素を分離する方法。 - 【請求項2】その第1吸着剤床が炭素モレキュラーシー
ブを含む、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】その第1吸着剤床が下部乾燥剤層を有す
る、請求項2記載の方法。 - 【請求項4】その第2吸着剤床が炭素モレキュラーシー
ブを含む、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 - 【請求項5】第1吸着剤床からの吸着されたガスの脱着
が、第1吸着剤床と第2吸着剤床の圧力が同等になるか
あるいは第1吸着剤床と第2吸着剤床との圧力差が少な
くなるように、第1吸着剤床を第2吸着剤床と連通した
形で設けることによって開始される、請求項1〜4のい
ずかに記載の方法。 - 【請求項6】圧力が同等になったら、あるいは2つの吸
着剤床の圧力差がある選定された値にまで低下したら、
圧縮機への入口が第1吸着剤床の底部と連通した形で設
けられ、圧縮機の出口が第2吸着剤床の底部と連通した
形で設けられ、そして第2吸着剤床の圧力が第1吸着剤
床の圧力より高くなるよう圧縮機が作動される、請求項
5記載の方法。 - 【請求項7】前記圧縮機が、空気を圧縮するのに及び第
1吸着剤床から第2吸着剤床へと流れるガスを圧縮する
のに連続して使用される、請求項6記載の方法。
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