JP3091505B2 - 酸素富化生成流の製造方法 - Google Patents

酸素富化生成流の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、主に酸素と窒素をその成分とし
て含む、例えば空気のような混合ガスから酸素富化流れ
を圧力スイング吸着手段（ＰＳＡ）によって得る方法に
関する。
【０００２】圧力スイング吸着システムおよびその方法
は空気を含む混合ガスから酸素富化流れを得るために広
く用いられており、多くのシステムおよび方法が利用さ
れている。
【０００３】そのようなシステムの利点は、より短い時
間で、成分のひとつを吸着するために用いられるシーブ
材料の効果を発揮できるので、比較的短い時間サイクル
での利用ができる点にある。短いサイクルのプロセスで
は、拡散抵抗を減少させるため、細かいシーブ材料が使
用される。代表的な短いサイクル時間のプロセスは米国
特許４,１９４,８９１号および４,１９４,８９２号に開
示されている。酸素の生成は上記特許のプロセスにより
増加するが、収率はかなり低く１０〜２０％である。
【０００４】公知の真空ＰＳＡプロセスは高い収率（５
０〜６０％）を示すが、生成速度は低い。従来の３床Ｐ
ＳＡプロセスの通常の生成速度はそれほど大きくなく、
例えば床サイズファクターとして、一日１メートルトン
の酸素を得るためには約２０００〜２６００ｋｇのゼオ
ライトを要する。
【０００５】最適には、高速サイクル時間と細かいシー
ブ材料による大きな製造速度と、従来の３床システムに
よる高収率を合わせ持ち、さらに高価でなく比較的操作
が簡単なプロセスが望まれる。
【０００６】本発明にかかるＰＳＡプロセスは、高い酸
素収率と同時に高い生成速度を有する酸素富化ガス生成
を、従来技術の欠点を解消し、かつコストを最低に押さ
え、操作の簡単さを保ちつつ達成した。
【０００７】本システムはシーブ材料を良好に利用する
ために短いサイクル時間を採用し、しかもふたつの床し
か使用しないので、これまで高い収率のために必要とさ
れていた従来の３床システムよりも非常に簡単なもので
ある。
【０００８】以下に示すように、さらなるひとつの特徴
は、生成物からの酸素富化流れをひとつのカラムの出口
端に供給し、同じカラムの入り口端から窒素富化ガスを
脱着、排出する均圧工程を同時に行うことによる２床シ
ステムでの真空ポンプの連続運転による電力コストの低
減である。この方法により、真空ポンプはこの工程と、
さらに残りの工程全体とで連続的に運転される。真空ポ
ンプはどの工程においても使用されていないことはな
く、従ってその電力消費は最適化される。
【０００９】従って、高い収率と生成速度を有する２床
ＰＳＡシステムは、例えば２０〜３５メッシュの比較的
細かいゼオライトシーブ材料と例えば８〜１２メッシュ
サイズのより大きな粒子とを用い、３０秒より短く、好
ましくは約１５〜２５秒の短いサイクル時間を採用する
ことにより達成される。脱着のための真空は３００トル
未満、好ましくは２００トルであり、最大の生成物圧力
は５psig 未満、好ましくは３psig 未満の範囲が使用さ
れる。
【００１０】本発明にかかる方法は図１に示されるフロ
ーと図２に示されるカラムサイクルを参照しつつ以下に
示される。
【００１１】図１と図２には、例えば空気のような、主
に酸素と窒素を含むガスから連続的に酸素富化流れを生
成するためのプロセスが示されている。ＡとＢの二つの
吸着カラムの各々には窒素を選択的に吸着する吸着剤が
含まれている。
【００１２】本発明にかかるプロセスでは、約８〜３５
メッシュ、好ましくは約１２〜２０メッシュの比較的細
かいゼオライトの粒子が使用される。代表的なゼオライ
トシーブ材料は種々のゼオライト製造業者からビーズ状
またはペレットの形状で供給されている。各工程のコン
トロールは公知の手段、例えば普通の商業的に利用され
る構造のソレノイドバルブをコントロールするタイマー
のような手段で行うことができる。
【００１３】工程１では、バルブ１Ａと２Ａは閉じてお
り、従って第一のカラムＡの下側または入り口端は閉鎖
されている。カラムＡの上側または出口端では、バルブ
４Ａと５Ａは閉じており、バルブ３Ａは開いている。第
二のカラムＢでは、バルブ９Ｂと１０Ｂは閉じており、
したがってカラムＢの出口からのガスはバルブ３Ａを通
ってカラムＡに導かれ、流量はバルブ８Ｂによって調節
される。同時に工程１においては、カラムＢの入り口端
のバルブ６Ｂは閉じているが、バルブ７Ｂは開いている
ので、ガスはカラムＢの入り口端から真空ポンプ１６に
より排出される。
【００１４】この工程の間、最初はカラムＡの圧力より
も高いカラムＢの圧力は両者のカラムの圧力を均一化す
るために利用される。つまりカラムＢは工程１の最初に
は約１０１０トル（４.８４psig）であったのが、工程
１の最後には約５００トル（−５.０３psig）に減少
し、一方カラムＡは最初は約２６０トル（−９.６７psi
g）だったのが、工程１の最後には４７０トル（−５.６
１psig）に上昇する。そのため、カラムの圧力は工程１
の最後では本質的に等しくなる。工程１は非常に速く行
うことができ、その時間は好ましくは約２秒から６秒で
あり、より好ましくは約４秒である。
【００１５】工程２では、バルブ３Ａは閉じており、バ
ルブ５Ａと２４は開いており、貯蔵器１８からの酸素富
化生成流はカラムＡの出口へ導かれ、流量調整バルブ２
６により調節され、カラムＡへ逆流させられ、カラムＡ
の圧力をさらに上昇させる。典型的には、生成物貯蔵器
１８の圧力は約８００トルであり、カラムＡの圧力は４
７０トル（−５.６１psig）から約６６０トル（−１.９
３psig）まで上昇を続ける。同時に、ガスはカラムＢの
入り口から開いているバルブ７Ｂを通って真空ポンプ１
６により排出され続け、カラムＢの圧力は減少し続けて
いる。その圧力は、工程２では、５００トル（−５.０
３psig）から約４５０トル（−６.００psig）まで減少
する。工程２の時間もまた非常に短くでき、その時間は
好ましくは約１〜５秒であり、より好ましくは約３秒で
ある。
【００１６】工程３においては、バルブ１Ａは開いてお
り、酸素と窒素を主として含む空気またはその他の供給
ガスは所定の供給圧力で、カラムＡの入り口に導かれ
る。入り口圧力は変化できるが、３〜７psig、好ましく
は５psig の最低の所定圧力を有する必要がある。カラ
ムＡの出口においては、バルブ５Ａが閉じており、バル
ブ４Ａは開いているので、供給空気は窒素が吸着される
吸着カラムＡを通過し、酸素富化生成流はカラムＡの出
口端を通りバルブ４Ａ、チェックバルブ１１、および配
管２０を経て、生成物貯蔵器１８へと導かれる。この工
程の間、カラムＡは酸素富化生成流を生成し、その圧力
は６６０トル（−１.９３psig）から約１０１０トル
（４.８４psig）へと増加する。同時に工程３では、カ
ラムＢの入り口からガスの排出が続けられ、カラムＢか
らの真空ポンプ１６による窒素富化ガスの脱着または排
出が続けられる。その入り口を経由してのカラムＢの脱
着と同時に、バルブ１０Ｂは開いており、バルブ２４も
開いており、酸素富化生成流はカラムＢの出口に導か
れ、カラムＢはパージされる。酸素富化生成流の流量は
流量バルブ２６で調節される。従って、カラムＢは出口
へ導かれる酸素富化流でパージされ、その入り口からの
窒素富化ガスの排出により脱着される。真空ポンプ１６
は連続的に排出を続けているので、カラムＢの圧力は減
少を続け、典型的には約４５０トル（−６.１０psig）
から約２６０トル（−９.６７psig）へと減少する。工
程３もまた非常に速く実施でき、好ましくは約１０秒〜
２５秒の範囲であり、より好ましくは約１８秒である。
【００１７】工程４では均圧化が再びなされ、カラムＡ
の高くなっている圧力がカラムＢへと導かれる。カラム
Ａの出口端にあるバルブ４Ａが閉じられ、バルブ３Ａが
開かれる。カラムＢの出口のバルブ１０Ｂは閉じられ、
したがってガスはカラムＡからカラムＢへと流れ、メー
ター付きバルブ８Ｂで調節されつつ圧力を等しくする。
同時に、供給流れはカラムＡの入り口にあるバルブ１Ａ
を閉じることにより遮断され、バルブ２Ａは開かれて真
空ポンプ１６によりカラムＡの入り口端からガスが排出
される。カラムＢの入り口はバルブ７Ｂを閉じることに
より完全に閉じられる。
【００１８】従って工程４では、カラムＡとＢの内部の
圧力はほぼ等しくされ、カラムＡの圧力は約１０１０ト
ル（４.８４psig）から約５００トル（−５.０３psig）
に減少し、カラムＢの圧力は約２６０トル（−９.６７p
sig）から約４７０トル（−５.６１psig）へと増加す
る。工程４は好ましくは約２秒〜約６秒間実施され、よ
り好ましくは約４秒間実施される。
【００１９】工程５では、バルブ３Ａは閉じられ、した
がってカラムＡの出口は完全に閉じられるが、ガスはカ
ラムＡの入り口端から排出され続け、圧力は減少を続
け、典型的には５００トル（−５.０３psig）からさら
に４５０トル（−６.００psig）に減少する。バルブ１
０Ｂと２８は開かれ、生成物貯蔵器１８からの酸素富化
生成流はカラムＢに逆流し、カラムＢの圧力はメーター
付きバルブ３０で調節されつつ、例えば約４７０トル
（−５.６１psig）から約６６０トル（−１.９３psig）
に増加する。工程２と同様に、逆流の工程の時間は約１
〜５秒実施され、好ましくは約３秒間実施される。
【００２０】最終の工程６では、バルブ６Ｂは開かれ、
加圧された供給流れがカラムＢの入り口に導かれる。バ
ルブ９Ｂは開かれ、カラムＢからの酸素富化生成流がチ
ェックバルブ１２、配管２０を経て貯蔵器１８へと流れ
る。
【００２１】工程６の間、バルブ２４および５Ａは開か
れ、酸素富化流れがカラムＡの出口に入り、メーター付
きバルブ２６で調節されつつカラムＡをパージする。同
時に、カラムＡをパージしつつ、真空ポンプ１６でカラ
ムＡの入り口からガスは排出され続け、窒素富化ガスの
脱着または排出がされる。典型的には、カラムＡの圧力
は約４５０トル（−６.００psig）から約２６０トル
（−９.６７psig）に減少し、カラムＢの圧力は約６６
０トル（−１.９３psig）から約１０１０トル（４.８４
psig）に増加する。工程６の時間は約１０秒〜約２５秒
であることができ、好ましくは約１８秒である。
【００２２】工程６の終了後、全体のシークエンスが循
環サイクルとして繰り返され、生成物は連続的に生成物
貯蔵器１８からバルブ３２を経て取り出される。
【００２３】真空ポンプ１６もまたそれぞれの吸着カラ
ムからのガスを交互に排出するために連続的に利用され
ているので、プロセス全体を通しての消費を最低にする
ため効率的に使用されている。
【００２４】実施例 上述の装置を用い、上述のシークエンスの工程で、本発
明にかかる方法が実施され、酸素富化生成流が得られ
た。吸着カラムＡおよびＢはそれぞれ５.０８cm（２イ
ンチ）の直径で、３８.１cm（１５インチ）の高さを有
し、ラポルテ社製のビーズ状のカルシウムＸゼオライト
モレキュラーシーブ材料がその内部に充填され、３回運
転され、またトーソー社製のペレット状のゼオライトを
使用して１回運転された。
【００２５】製造速度、および収率を下の表１に示す。
【００２６】
【表１】 表 １ モレキュラーシーブ材料 ラポルテ トーソー・ゼオラムＳＡ （ゼオライト） ＭＳサイズ 0.4〜0.8 mm 1.5 mm （ビーズ） （ペレット） 圧力スイングの範囲 3.5 psig 〜200トル サイクル時間（秒） 25 20 17 25 酸素純度（％） 93 93 93 93 バルク密度（kg/cm3） 681 620 酸素収率（％） 59 58 56 55 比生成量（１Ｌの床当たり 40 51 59 40 の生成酸素の標準Ｌ／hr） 床サイズファクター 535 420 375 487 （１日当たりの酸素１m・ton 当たりのゼオライト量（kg））
【００２７】上記の試験から、高い収率と大きな生成速
度が、それぞれの工程の間に一方のまたは他方のカラム
に連続的に真空が施される２床システムにより高純度で
達成されることがわかり、したがって真空ポンプは効率
的に使用され、電力消費は節約される。サイクルは非常
に速くシーブ材料の良好な利用を達成し、さらに２床シ
ステムの構成および操作は明らかに、複雑でより高価な
３床システムより有利である。
【００２８】代表的な実施例が示されたが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、改良を加えることがで
き、そのような改良は特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工程のフローを示す概略図である。
【図２】本発明のカラムサイクルを示す概略図である。

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも酸素と窒素を含む供給ガスか
    ら酸素富化生成流を製造する方法であって、窒素を選択
    的に吸着する吸着剤を含む二つの吸着カラムと生成物貯
    蔵器を使用し、 ｉ）高圧の第二の吸着カラムの出口から低圧の第一の吸
    着カラムの出口へガスを導入し、二つのカラムの圧力を
    実質的に等しくし、同時に第二のカラムの入り口からガ
    スを排出する工程、 ii）工程ｉ）で均圧を行った後、高圧で生成物貯蔵器に
    保持されていた生成ガスを第一のカラムの出口に導入
    し、第一のカラムに逆流させ、同時に第二のカラムの入
    り口からのガスの排出を続ける工程、 iii）所定の最低圧力で第一のカラムの入り口に供給ガ
    スを導入し、第一のカラムの出口からの酸素富化生成ガ
    スを回収し、その酸素富化生成ガスを生成物貯蔵器に導
    入するとともに、生成ガス流れの一部を第二のカラムの
    出口に導入して第二のカラムをパージし、同時に第二の
    カラムの入り口からガスを排出し、それによって窒素富
    化ガスを第二のカラムから脱着し排気する工程、iv）第
    一のカラムの出口から第二のカラムの出口へ最初は高圧
    でガスを導入し、二つのカラムの圧力を均一化し、同時
    に第一のカラムの入り口からガスを排出する工程、 ｖ）工程iv）で均圧を行った後に、生成物貯蔵器に高圧
    で保持されていた酸素富化生成ガスを第二のカラムの出
    口へ導入し、同時に第一のカラムの入り口からガスを排
    出する工程、 vi）所定の最低圧力で第二のカラムの入り口に供給ガス
    を導入し、第二のカラムの出口から酸素富化生成ガスを
    回収し、その酸素富化生成ガス流を生成物貯蔵器に導入
    するとともに、生成ガス流れの一部を第一のカラムの出
    口に導入して第一のカラムをパージし、同時に第一のカ
    ラムの入り口からガスを排出し、それによって窒素富化
    ガスを第一のカラムから脱着し排気する工程、および vii）上記のｉ）からvi）の工程を周期的に繰り返し、
    同時に生成物貯蔵器から酸素富化生成ガス流を排出する
    工程からなる製造方法。
  2. 【請求項２】 前記工程iii）およびvi）において導入
    される供給ガスが約０〜約７psig の圧力を有する空気
    であり、前記吸着剤が約８〜３５メッシュのゼオライト
    細粒である、請求項１記載の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記ゼオライト細粒が、約１２〜約２０
    メッシュの大きさのビーズ状またはペレット状のもので
    ある、請求項２記載の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記工程ｉ）およびiv）が約２〜６秒行
    われ、前記工程ii）およびｖ）が約１〜５秒行われ、前
    記工程iii）およびvi）が約１０〜２５秒行われる、請
    求項１記載の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記工程ｉ）およびiv）が約４秒行わ
    れ、前記工程ii）およびｖ）が約３秒行われ、前記工程
    iii）およびvi）が約１８秒行われる、請求項４記載の
    製造方法。
  6. 【請求項６】 前記工程ｉ）およびiv）において二つの
    カラムが約４７０〜約５００トルの圧力に均一化され、
    前記工程ii）およびｖ）で生成ガスが約８００トルの圧
    力で導入され、前記工程iii）およびvi）で供給ガスが
    約０〜７psigの圧力で導入される、請求項１記載の製造
    方法。
  7. 【請求項７】 前記工程iii）およびvi）において、供
    給ガスが約５psig より低い圧力で導入される、請求項
    ６記載の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記工程ｉ）からvi）が約３０秒より短
    い時間で実施される、請求項１記載の製造方法。
  9. 【請求項９】 空気の供給流れから酸素富化生成ガス流
    を連続的に製造するための装置であって、ふたつの吸着
    カラムと、該二つの吸着カラムで前記空気の供給流れを
    受け入れて前記酸素富化流を生成するサイクルを繰り返
    す手段、および真空ポンプ手段を有し、該真空ポンプ手
    段が前記二つの吸着カラムに連結されていて前記繰り返
    しのサイクルの間に前記吸着カラムの一方または他方か
    ら連続的にガスを排出するために用いられる、装置。
  10. 【請求項１０】 前記空気供給流れが約０〜７psig の
    圧力を有し、前記吸着カラムが約８〜３５メッシュのゼ
    オライトの細粒を含んでいる、請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記ゼオライト細粒が１２〜２０メッ
    シュの大きさのビーズ状またはペレット状のものであ
    る、請求項９記載の装置。
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