JP3121293B2

JP3121293B2 - 圧力スイング吸着方式による混合ガス分離方法

Info

Publication number: JP3121293B2
Application number: JP09222683A
Authority: JP
Inventors: 洋実木山; 力小野; 潔滝沢; 浩巳大谷; 幸浩濱木; 武治嶋本; 貴彦安田
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2000-12-25
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: JPH1157376A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力スイング吸着
方式（ＰＳＡ方式）による混合ガス分離方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、空気等の混合ガスから窒素，
酸素等の製品ガスを分離する方法として種々の方法が用
いられているが、最近では、装置の設計の容易さや設備
費の安価なことから、ＰＳＡ法による分離方法が広く用
いられている。このような分離方法としては、図７〜図
１０に示すような、原料空気から酸素ガスと窒素ガスと
を分離する方法がある。この方法は、原空ブロワ４１
と、一対の吸着槽４２，４３とレシーバータンク４４と
真空ポンプ４５を用い、まず第１工程（図７参照）で
は、原空ブロワ４１により圧縮した原料空気を入口端か
ら左吸着槽４２に供給し、この左吸着槽４２の吸着剤に
より圧縮空気中の窒素を主に吸着したのち、吸着剤で吸
着されない酸素を製品酸素ガス（純度９３％程度）とし
て出口端から抜き出し、レシーバータンク４４に供給す
る（吸着分離工程）。一方、右吸着槽４３においては、
その内部を真空ポンプ４５により減圧排気し、この右吸
着槽４３の吸着剤に吸着されている窒素等を脱着させる
（減圧再生工程）。ついで第２工程（図８参照）では、
左吸着槽４２において、上記の吸着分離工程を継続す
る。一方、右吸着槽４３においては、上記の減圧再生工
程の最終段階で、右吸着槽４３内の負圧を利用してレシ
ーバータンク４４内の製品酸素ガスの一部を出口端から
右吸着槽４３に供給する（パージ工程）。つぎに第３工
程（図９参照）では、左吸着槽４２において、上記の吸
着分離工程を終了し、内部を真空ポンプ４５により減圧
排気する。一方、右吸着槽４３においては、上記の減圧
再生工程の終了後に、レシーバータンク４４内の製品酸
素ガスの一部を出口端から右吸着槽４３に供給しなが
ら、原空ブロワ４１により取り入れた原料空気を入口端
から右吸着槽４３に供給する（復圧工程）。そののち第
４工程（図１０参照）では、左吸着槽４２において、上
記の減圧再生工程を継続する。一方、右吸着槽４３にお
いては、上記の復圧工程の終了後に、原空ブロワ４１に
より原料空気を入口端から右吸着槽４３に供給し、その
出口端から製品酸素ガスを抜き出す。この第４工程は、
上記の第１工程に相当する工程であり、両吸着槽４２，
４３の作用が入れ替わったものである。そして、第４工
程以降も、第２および第３工程と同様の工程（第２およ
び第３工程において、両吸着槽４２，４３の作用が入れ
替わった工程）を行う。このようにして第１〜第３の工
程を繰り返し行い、原料空気から酸素ガスと窒素ガスと
を分離する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
分離方法では、気温，湿度等の周囲環境や吸着剤の劣化
等により、製品酸素ガスの濃度低下がたびたび起こると
いう問題があり、また、能力を超えて製品ガスを取り出
すと製品酸素ガスの濃度が低下するという問題もある。
しかも、原理的およびコスト的に製品酸素ガスの濃度が
他の分離方法に比べて低く、９３％程度が限界であると
いう問題もある。

【０００４】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、製品ガスの濃度維持、濃度向上、製造能力の向
上およびコストダウンを図ることのできる圧力スイング
吸着方式による混合ガス分離方法の提供をその目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、吸着手段を用い、圧力スイング吸着方式
により混合ガスから製品ガスを分離発生させる混合ガス
分離方法であって、吸着手段に、発生ガスと同種類でか
つ発生ガスより高濃度のガスを外部より供給することに
より最終製品ガスの濃度を調整するようにした圧力スイ
ング吸着方式による混合ガス分離方法を第１の要旨と
し、特定ガスを選択的に吸着する吸着剤を入れた吸着槽
を用い、吸着槽において吸着分離工程と減圧再生工程と
復圧工程を行う圧力スイング吸着方式による混合ガス分
離方法であって、上記吸着槽において上記復圧工程およ
び減圧再生工程の少なくとも一方を行う際に、上記吸着
槽で発生する発生ガスと同種類でかつ発生ガスより高濃
度のガスを外部から上記吸着槽に供給することにより最
終製品ガスの濃度を調整するようにした圧力スイング吸
着方式による混合ガス分離方法を第２の要旨とする。

【０００６】すなわち、本発明の第１の圧力スイング吸
着方式による混合ガス分離方法は、（１つまたは複数
の）吸着手段を用いて分離発生させる発生ガスとは別
に、この発生ガスと同種類でかつ発生ガスより高濃度の
ガスを用意しておき、この高濃度ガスを、上記吸着手段
に供給するようにしている。このため、上記高濃度ガス
により吸着手段の吸着分離能力を向上させて上記発生ガ
スの濃度または発生量を高めることができる。したがっ
て、気温，湿度等の周囲環境や吸着剤の劣化等により上
記発生ガスが濃度低下を引き起こした場合にも、上記高
濃度ガスにより上記発生ガスの濃度を引き上げて、製品
ガスの濃度を高濃度に維持することができる。また、通
常の場合（上記劣化等が発生していない場合）には、製
品ガスの濃度を向上させること、または、濃度を維持し
て製品ガスの供給能力を向上させることができる。この
ため、本発明の第１の方法を用いる装置の能力を低く設
計することもでき、トータルコストの削減を図ることが
できる。

【０００７】また、本発明の第２の方法では、吸着手段
として、特定ガスを選択的に吸着する吸着剤を入れた
（１つまたは複数の）吸着槽を用いている。また、上記
吸着槽を用いて分離発生させる発生ガスとは別に、この
発生ガスと同種類でかつ発生ガスより高濃度のガスを用
意している。そして、上記吸着槽において行なわれる吸
着分離工程と減圧再生工程と復圧工程等のうち、復圧工
程および減圧再生工程の少なくとも一方を行う際に、上
記高濃度ガスを上記吸着槽に供給するようにしている。
したがって、吸着槽で分離発生させる発生ガスの濃度に
応じて、上記高濃度ガスを吸着槽に供給することによ
り、吸着槽内の吸着剤の能力を高めて、上記発生ガスの
濃度を上げたり発生量を向上させることができる。した
がって、気温，湿度等の周囲環境や吸着剤の劣化等によ
り発生ガスの濃度低下を引き起こした場合にも、製品ガ
スの濃度を高濃度に維持することができる。また、通常
の場合（上記劣化等が発生していない場合）には、製品
ガスの濃度を高くしたり、または濃度を維持したまま吸
着槽で発生する発生ガスの量を増加させて製造能力を向
上させたりすることができる。このため、本発明の第２
の方法を用いる装置の能力を低く設計することもでき、
トータルコストの削減を図ることができる。なお、本発
明の第１の方法は、吸着槽を用いた混合ガス分離方法だ
けでなく、膜分離装置にも応用可能である。また、本発
明において、「減圧再生工程および復圧工程」とは、両
工程において同時に行われるパージ工程や回収工程、お
よび両工程間で単独に行われる回収工程をも含むもので
ある。

【０００８】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を図
面にもとづいて詳しく説明する。

【０００９】図１は本発明の混合ガス分離方法に用いる
混合ガス分離装置を示している。図において、１は原空
ブロワであり、外部から原料空気（大気空気）を取り入
れて圧縮したのち原料空気供給パイプ１１に送り込む。
３，４は同様の構造に作製された左右一対の吸着槽であ
る。両吸着槽３，４には、その内部に、窒素吸着用の吸
着剤６（ゼオライト）が充填されている。７はレシーバ
ータンク（製品酸素ガス貯蔵槽）であり、両吸着槽３，
４で発生した製品酸素ガスを貯留する。８は真空ポンプ
であり、両吸着槽３，４の内部を減圧排気する。９は製
品酸素ガスを昇圧する昇圧機である。１０は高濃度液体
酸素（濃度９９％）を外部から導入して収容する高濃度
液体酸素貯槽（以下、貯槽という）である。

【００１０】１２は原料空気供給パイプ１１と左吸着槽
３の（入口端３ａから延びる）入口パイプ３ｃとを連結
する自動開閉弁１２ａ付き第１導入パイプであり、１３
は原料空気供給パイプ１１と右吸着槽４の（入口端４ａ
から延びる）入口パイプ４ｃとを連結する自動開閉弁１
３ａ付き第２導入パイプである。１４は左吸着槽３の入
口パイプ３ｃと真空ポンプ８の入口パイプ８ａとを連結
する自動開閉弁１４ａ付き第１排気パイプであり、１５
は右吸着槽４の入口パイプ４ｃと真空ポンプ８の入口パ
イプ８ａとを連結する自動開閉弁１５ａ付き第２排気パ
イプである。図において、２２は原空ブロワ１の上流側
部分と下流側部分とを連結する自動開閉弁２２ａ付き戻
しパイプである。

【００１１】１６は左吸着槽３の（出口端３ｂから延び
る）出口パイプ３ｄとレシーバータンク７の入口パイプ
７ａとを連結する自動開閉弁１６ａ付き第１導出パイプ
であり、１７は右吸着槽４の（出口端４ｂから延びる）
出口パイプ４ｄとレシーバータンク７の入口パイプ７ａ
とを連結する自動開閉弁１７ａ付き第２導出パイプであ
る。１８は左吸着槽３の出口パイプ３ｄと右吸着槽４の
出口パイプ４ｄとを連結する自動開閉弁１８ａ，手動流
量調整弁１８ｂ付き第１連結パイプであり、１９は左吸
着槽３の出口パイプ３ｄと右吸着槽４の出口パイプ４ｄ
とを連結する自動開閉弁１９ａ，手動流量調整弁１９ｂ
付き第２連結パイプである。２０はレシーバータンク７
の入口パイプ７ａに設けた自動開閉弁であり、この自動
開閉弁２０の上流側部分と下流側部分が手動流量調整弁
２１ａ付きバイパス用パイプ２１で連結されている。こ
のバイパス用パイプ２１の手動流量調整弁２１ａの流量
設定は自動開閉弁２０の流量設定より少量に設定されて
いる。２３はレシーバータンク７内の製品酸素ガスを需
要部に供給する製品酸素ガス供給パイプであり、途中に
製品酸素ガスを昇圧する昇圧機９が設けられている。

【００１２】２６は貯槽１０から延びる取出パイプであ
り、貯槽１０から取り出した高濃度液体酸素を蒸発器２
６ａで気化して高濃度酸素ガス（濃度９９％）にしたの
ち減圧弁２６ｂで減圧して取出口２７に送る作用をす
る。２８は取出口２７から延びるバックアップ用パイプ
であり、製品酸素ガス供給パイプ２３内の圧力が需要圧
力未満に降下すると、自動開閉弁２８ａが開き取出口２
７から高濃度酸素ガスを製品酸素ガスとして製品酸素ガ
ス供給パイプ２３に供給する作用をする。これにより、
製品酸素ガスの供給が途絶えることがないようになって
いる。なお、このようなバックアップ用パイプ２８は、
装置の異常時および能力不足時に利用されるものであ
り、製品酸素ガスの濃度を調整する機能はない。３０は
取出口２７から延びる高濃度酸素ガス供給パイプであ
り、自動流量調節弁３０ａにより製品酸素ガスの濃度に
応じて高濃度酸素ガスを流量調節し供給する作用をす
る。３１は上記高濃度酸素ガス供給パイプ３０と左吸着
槽３の出口パイプ３ｄとを連結する自動開閉弁３１ａ付
き第１ガス送給パイプであり、３２は上記高濃度酸素ガ
ス供給パイプ３０と右吸着槽４の出口パイプ４ｄとを連
結する自動開閉弁３２ａ付き第２ガス送給パイプであ
る。

【００１３】上記の混合ガス分離装置を用い、つぎのよ
うにして原料空気から酸素ガスと窒素ガスとを分離する
ことができる。すなわち、第１工程（図２参照）では、
自動開閉弁１２ａ，１５ａ，１６ａ，２０を開弁し、自
動開閉弁１３ａ，１４ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ，２
２ａ，３１ａ，３２ａを閉弁する。その状態で、原空ブ
ロワ１により取り入れた原料空気を圧縮して原料空気供
給パイプ１１に送り出し、第１導入パイプ１２，入口パ
イプ３ｃを経て入口端３ａから左吸着槽３に供給する。
この左吸着槽３においては、吸着剤６で原料空気中の窒
素を主に吸着したのち、吸着されない酸素を製品酸素ガ
ス（純度９３％程度）として出口端３ｂから抜き出す
（吸着分離工程）。そして、この出口端３ｂから抜き出
した製品酸素ガスを出口パイプ３ｄ，第１導出パイプ１
６，入口パイプ７ａを経てレシーバータンク７に供給す
る。一方、右吸着槽４においては、その内部を入口パイ
プ４ｃ，第２排気パイプ１５，入口パイプ８ａを介して
真空ポンプ８により減圧排気し、吸着剤６に吸着されて
いる窒素等を脱着させる（減圧再生工程）。

【００１４】第２工程（図３参照）では、左吸着槽３に
おいて、上記の吸着分離工程を継続する。一方、右吸着
槽４においては、上記の減圧再生工程の最終段階で自動
開閉弁１９ａを開弁し、出口パイプ３ｄを通る製品酸素
ガスの一部を第２連結パイプ１９，出口パイプ４ｄを経
由して出口端４ｂから右吸着槽４に供給する。また、自
動開閉弁３２ａを開弁し、貯槽１０内の高濃度液体酸素
を蒸発器２６ａで高濃度酸素ガスにし取出口２７，高濃
度酸素ガス供給パイプ３０，第２ガス送給パイプ３２，
出口パイプ４ｄを経由して出口端４ｂから右吸着槽４に
供給する。これら製品酸素ガスおよび高濃度酸素ガスの
供給により、吸着剤６からの窒素の脱着が促進され、吸
着剤６の再生度が向上する（パージ工程）。このパージ
工程において、高濃度酸素ガスを吸着槽３，４に供給す
ることにより、吸着剤６の再生度を高める効果がある。

【００１５】第３工程（図４参照）では、左吸着槽３に
おいて、自動開閉弁１４ａ，２２ａを開弁し、自動開閉
弁１２ａ，１６ａを閉弁し、左吸着槽３に対する原空ブ
ロワ１からの原料空気の供給を停止して上記の吸着分離
工程を終了するとともに、左吸着槽３の内部を入口パイ
プ３ｃ，第１排気パイプ１４，入口パイプ８ａを介して
真空ポンプ８により減圧排気する。一方、右吸着槽４に
おいては、自動開閉弁１８ａを開弁し、自動開閉弁１５
ａ，１９ａを閉弁し、右吸着槽４の負圧（真空圧）を利
用し、左吸着槽３の塔頂に残留している比較的酸素濃度
が高いガス（酸素濃度：２１〜９３％程度）を（上記の
減圧再生工程が終了している）右吸着槽４に回収すると
ともに、貯槽１０から高濃度酸素ガスの供給を継続す
る。また、自動開閉弁１７ａを開弁し、自動開閉弁２０
を閉弁し、右吸着槽４の負圧（真空圧）を利用し、レシ
ーバータンク７内の製品酸素ガスを入口パイプ７ａ，バ
イパス用パイプ２１，第２導出パイプ１７，出口パイプ
４ｄを経由して出口端４ｂから右吸着槽４に供給する
（回収工程）。この回収工程は、右吸着槽４の復圧目的
でも行われるものであり、復圧工程の初期段階とも言え
る。

【００１６】第４工程（図５参照）では、左吸着槽３に
おいて、上記の減圧排気工程を継続する。一方、右吸着
槽４においては、自動開閉弁１９ａを閉弁し、左吸着槽
３から右吸着槽４への残留ガスの回収を終了する。この
時点で、右吸着槽４の内部はまだ負圧の状態にあり、こ
れを大気圧付近にまで復圧するために、レシーバータン
ク７内の製品酸素ガスおよび貯槽１０からの高濃度酸素
ガスの供給を継続する。また、自動開閉弁１３ａを開弁
し、自動開閉弁２２ａを閉弁し、原空ブロワ１により取
り入れた原料空気を原料空気取入パイプ１１，第２導入
パイプ１３，入口パイプ４ｃを経由して入口端４ａから
右吸着槽４に供給する（復圧工程）。

【００１７】これら回収工程および復圧工程において、
高濃度酸素ガスを吸着槽３，４に供給することは、減圧
再生工程およびパージ工程において再生された吸着剤６
の吸着分離能力をより有効に利用し、つぎの吸着分離工
程において、より高濃度の、またはより多くの製品酸素
ガスを発生させる効果がある。

【００１８】第５工程（図６参照）では、左吸着槽３に
おいて、上記の減圧排気工程を継続する。一方、右吸着
槽４においては、復圧工程が終了すると、自動開閉弁２
０を開弁し、自動開閉弁３２ａを閉弁する。すなわち、
全体としては、自動開閉弁１３ａ，１４ａ，１７ａ，２
０を開弁し、自動開閉弁１２ａ，１５ａ，１６ａ，１８
ａ，１９ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａを閉弁する。その
状態で、原空ブロワ１から送りだした原料空気を原料空
気取入パイプ１１，第２導入パイプ１３を経て入口端４
ａから右吸着槽４に供給し、出口端４ｂから製品酸素ガ
スを抜き出す。この第５工程は、上記の第１工程に相当
する工程であり、両吸着槽３，４の作用が入れ替わった
ものである。そして、第５工程以降も、第２〜第４工程
と同様の工程（第２〜第４工程において、両吸着槽３，
４の作用が入れ替わった工程）を行う。ただし、高濃度
酸素ガスを左吸着槽３に供給する通路として、第１ガス
送給パイプ３１を利用する。このようにして第１〜第４
の工程を繰り返し行い、原料空気から酸素ガスと窒素ガ
スとを分離する。

【００１９】上記のように、この実施の形態では、２槽
の吸着槽３，４を用い、ＰＳＡ方式により、製品酸素ガ
スを安定して分離発生することができる。しかも、減圧
再生工程中のパージ工程，回収工程および復圧工程にお
いて、これを行う吸着槽３，４に貯槽１０から高濃度酸
素ガスを供給しているため、吸着分離工程で発生する製
品酸素ガスの濃度を高濃度にすることができ、または、
発生量を増加することができる。したがって、気温，湿
度等の周囲環境や吸着剤の劣化等が発生しても、製品酸
素ガスの濃度が低下しない。さらに、上記の劣化等が起
こらない通常時には、製品酸素ガスの濃度を向上させる
ことができる。または、濃度を維持しながら、得られる
製品酸素ガスの製造量を増加することができる。このた
め、この混合ガス分離装置の能力を低く設計することが
でき、トータルコストを削減することができる。さら
に、従来、バックアップ時にしか利用しなかった貯槽１
０を常時有効利用することもできる。

【００２０】なお、本発明が対象とする混合ガスの分離
としては、例えば、空気からの酸素および窒素ガスの分
離、または工業用ガス製造中の混合ガスからの特定有効
ガス（例えば水素，一酸化炭素，ハイドロカーボン類等
のあらゆる有効ガス）の濃縮，回収あるいは有毒ガスを
含んだガスの浄化，膜分離等を挙げることができる。ま
た、本発明で用いる吸着剤としては、ゼオライト，シリ
カゲル，活性アルミナ，活性炭等の粒状物が挙げられ、
単独でもしくは併せて用いられる。例えば、窒素の吸着
剤としてはゼオライト，酸素の吸着剤としてはカーボ
ン，炭酸ガスに対してはゼオライト等が用いられる。ま
た、除湿用としてはシリカゲル，活性アルミナ等が好適
に用いられ、空気中のハイドロカーボンの吸着に対して
は活性炭等が用いられる。また、上記実施の形態では、
混合ガス分離装置として２槽の吸着槽３，４を用いてい
るが、これに限定するものではなく、各種の圧力スイン
グ吸着方式による混合ガス分離装置（例えば、１槽以上
の吸着槽を用いたものでもよい）が用いられる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明の第１の方法によ
れば、複数の吸着手段を用いて分離発生させる発生ガス
とは別に、この発生ガスと同種類でかつ発生ガスより高
濃度のガスを用意しておき、この高濃度ガスを、上記吸
着手段に供給するようにしている。このため、上記高濃
度ガスにより吸着手段の吸着分離能力を向上させて上記
発生ガスの濃度または発生量を高めることができる。し
たがって、気温，湿度等の周囲環境や吸着剤の劣化等に
より上記発生ガスが濃度低下を引き起こした場合にも、
上記高濃度ガスにより上記発生ガスの濃度を引き上げ
て、製品ガスの濃度を高濃度に維持することができる。
また、通常の場合（上記劣化等が発生していない場合）
には、製品ガスの濃度を向上させることができる。また
は、濃度を安定に維持して供給能力を向上させることが
できる。このため、本発明の第１の方法を用いる装置の
能力を低く設計することができ、トータルコストの削減
を図ることができる。また、本発明の第２の方法によっ
ても、第１の方法と同様の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる混合ガス分離装置の構成図であ
る。

【図２】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図であ
る。

【図３】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図であ
る。

【図４】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図であ
る。

【図５】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図であ
る。

【図６】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図であ
る。

【図７】従来例の作用を示す説明図である。

【図８】従来例の作用を示す説明図である。

【図９】従来例の作用を示す説明図である。

【図１０】従来例の作用を示す説明図である。

【符号の説明】

３，４吸着槽

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大谷浩巳大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内 (72)発明者濱木幸浩大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内 (72)発明者嶋本武治大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内 (72)発明者安田貴彦大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内 (56)参考文献特開平４−247211（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−72908（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 53/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】吸着手段を用い、圧力スイング吸着方式
により混合ガスから製品ガスを分離発生させる混合ガス
分離方法であって、吸着手段に、発生ガスと同種類でか
つ発生ガスより高濃度のガスを外部より供給することに
より最終製品ガスの濃度を調整するようにしたことを特
徴とする圧力スイング吸着方式による混合ガス分離方
法。
【請求項２】特定ガスを選択的に吸着する吸着剤を入
れた吸着槽を用い、吸着槽において吸着分離工程と減圧
再生工程と復圧工程を行う圧力スイング吸着方式による
混合ガス分離方法であって、上記吸着槽において上記復
圧工程および減圧再生工程の少なくとも一方を行う際
に、上記吸着槽で発生する発生ガスと同種類でかつ発生
ガスより高濃度のガスを外部から上記吸着槽に供給する
ことにより最終製品ガスの濃度を調整するようにしたこ
とを特徴とする圧力スイング吸着方式による混合ガス分
離方法。