JP3492869B2 - 空気から酸素を回収するための単床圧力スイング式吸着方法 - Google Patents

空気から酸素を回収するための単床圧力スイング式吸着方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気分離のための
圧力スイング式吸着（ＰＳＡ）法に関し、特に、空気か
ら酸素を回収するための単床圧力スイング式吸着方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】圧力スイング式吸着（「ＰＳＡ」と略称
される）式ガス分離法は、少くとも１つの吸着されにく
い成分と少くとも１つの吸着され易い成分を含有した供
給ガス混合物中の少くとも１つの成分を分離し精製する
ための商業的に有利な方法である。空気の場合、吸着さ
れ易い成分の代表は窒素であり、吸着されにくい成分は
酸素である。ＰＳＡ法は、一般に、供給ガス中の吸着さ
れ易い成分、例えば窒素を吸着高圧（選択的に吸着する
ための過圧即ち大気圧より高い圧力）下で吸着材床（単
に「床」とも称する）に吸着させ、その後、床の圧力を
その吸着高圧から脱着低圧（脱着用の低圧、即ち、減圧
（真空）脱着圧）にまで除圧することによって吸着され
た吸着され易い成分を吸着床から脱着させて排出するこ
とから成る。
【０００３】多床ＰＳＡ法は、３０，０００〜１２０，
０００ＮＣＦＨ（８４９〜３３９６ｍ3 ／時（標準状
態））の範囲の酸素生産能力を有する酸素プラントに使
用するのに特に有効である。この範囲より下の酸素流量
を必要とする応用例にとっては、単床ＰＳＡ法が適して
いる。ここで、単床ＰＳＡ法とは、単一の吸着材床を用
いて行うＰＳＡ法のことであり、多床ＰＳＡ法とは、多
数の吸着材床を用いて行うＰＳＡ法のことである。本出
願人の米国特許第５，３７０，７２８号「単床圧力スイ
ング式吸着装置及び方法」には、１対の外部サージタン
クを用いる単床ＰＳＡ又はＶＰＳＡ（真空圧力スイング
式吸着）法が開示されている。第１のサージタンクは、
高純度酸素を目標生成物としても、処理サイクルの排気
工程中吸着材床へ送るパージガスとしても供給するよう
になされており、第２のサージタンクは、除圧工程中吸
着材床から抽出された空隙ガス（即ち、低純度酸素）を
収集し、その空隙ガスを床の再加圧工程中床へ供給する
ようになされている。
【０００４】図１は、米国特許第５，３７０，７２８号
の単一吸着材床を備えた酸素生成のための圧力スイング
式吸着装置の概略図である。この吸着装置では、生成物
サージタンク（以下、「高純度酸素タンク」とも称す
る）とともに、生成物の回収を可能にし、装置の電力所
要量を改善するための圧力均衡化タンク（以下、「低純
度酸素タンク」とも称する）が用いられる。供給空気
は、供給空気源から導管１によりダストフィルタ／ガス
消音器ユニット３及び弁４を通して供給／真空ブロア２
へ送られる。ブロア２からの導管５は、導管６及び及び
７に接続されている。導管６は、弁８及び出口スクラバ
ーユニット９を有しており、ガスは出口スクラバーユニ
ット９から導管１０を通して排出される。ガス流の放出
は、出口スクラバーユニット１１に接続された弁１５を
介し排出導管１４を通しても行うことができる。導管７
は、出口スクラバーユニット１１、供給ガス（供給空
気）を冷却するための後冷却器１２及び弁１３を有して
いる。導管１には、更に、弁４の下流において弁１７を
有する導管１６が接続されている。導管７と導管１６
は、吸着材床容器（以下、単に「容器」とも称する）１
９内の吸着材床の体部から延長している導管１８に接続
されている。吸着材床容器１９の頂部から導管２０が延
長しており、導管２０は、導管２１及び２４につながっ
ている。導管２１は、弁２２及び低純度酸素タンク２３
を有し、導管２４は、逆止弁２５及び高純度酸素タンク
２６を有している。後述するように、本発明の定常生成
物生成実施形態においては、逆止弁２５は必要がなく、
生成ガスは弁２９を通して高純度酸素タンク２６へ通さ
れる。生成物酸素は、高純度酸素タンク２６から導管２
７を通して抽出される。導管２０は、弁２９を介して導
管２８及び高純度酸素タンク２６に接続されている。
【０００５】図１の装置の作動は、以下の工程順序を有
する５つの工程サイクルを伴う。(1) 部分除圧工程、
(2) 排気工程、(3) パージ工程、(4) 部分再加圧工程、
及び(5) 加圧及び生成物回収工程。高純度酸素タンク２
６が吸着材床容器１９から所定量の高純度酸素を受取っ
て満杯となり、吸着材床容器１９が吸着高圧下にあると
すると、工程順序は、吸着材床容器１９を部分（半ば）
除圧することによってサイクルを反復し始める。かくし
て、弁１３が閉鎖されて弁１５が開放され、供給／真空
ブロア２によって空気を大気へ放出することができる。
弁２２が開放され、吸着材床容器１９が脱着高圧から除
圧し始める。空隙ガス（吸着材の多数の空隙内に存在す
る脱着されたガス）が床内の空隙から押しのけられ、導
管２１を通って低純度酸素タンク２３へ流入し、約１
４．５〜１５ｐｓｉａ（１．０１９３〜１．０５４５Ｋ
ｇ／ｃｍ2 （絶対圧））の圧力にまで昇圧する。低純度
酸素タンク２３内の酸素濃度は、通常、８５〜８９％で
ある。弁８，１７及び２９は、この工程中閉鎖されてお
り、吸着材床容器１９内の圧力が、例えば１６ｐｓｉａ
（１．１２４８Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））の中間圧力に
低下するまで閉鎖状態に保たれる。この部分除圧に要す
るサイクル時間は、約４〜７秒である。
【０００６】容器排気工程は、吸着材床容器１９が空隙
ガスの一部分を低純度酸素タンク２３へ放出し、吸着材
床容器１９内の圧力が上記中間圧力にまで低下した後行
われる。即ち、弁８及び１７が開かれ、弁４，１５，１
３，２２及び２９及び逆止弁２５が閉じられて、吸着材
床容器１９内の空隙ガスが、導管１８から導管１６、弁
１７を通って供給／真空ブロア２へ送られ、出口スクラ
バーユニット９を通して排出される。この操作により、
供給／真空ブロア２は吸着材床容器１９を大気圧以下に
まで更に排気することができる。
【０００７】サイクルのこの排気工程中の排ガスのおお
よその平均組成は、窒素９０％、酸素１０％である。吸
着材床容器１９が大気圧以下に排気されると、吸着材の
多数の空隙内の窒素ガスの部分圧の差により吸着材から
窒素が脱着され、それによって吸着材が再生され、次の
サイクルのための準備態勢が整う。容器の排気工程は、
吸着材床容器１９内の圧力が、例えばほぼ５ｐｓｉａ
（０．３５１５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））の脱着低圧に
達するまで行われる。この工程の所要時間は、約２５〜
４０秒である。
【０００８】次いで、この脱着低圧下で容器のパージ工
程が行われる。即ち、弁２９が開放され、高純度酸素タ
ンク２６から少量の生成物ガス（高純度酸素ガス）の副
流がパージガスとして吸着材床容器１９の頂部へ分流さ
れる。吸着材床容器１９への酸素（パージガス）の導入
によって、主として先に脱着された窒素である吸着材床
容器１９内の残留空隙ガスの大部分が掃去（パージ）さ
れる。この容器パージ工程は、弁８及び１７を開放した
ままに維持し、制御弁２９を開放し、他のすべての弁を
閉じた状態にして行われる。吸着材床容器１９内の吸着
材の空隙内の脱着ガス（空隙ガス）の大部分が生成物ガ
ス（高純度酸素ガス）に置き換えられると、処理順序
は、部分再加圧工程へ進む。容器パージ工程に要する平
均時間は、ほぼ７〜１０秒である。
【０００９】部分再加圧工程においては、弁８，１７及
び２９が閉じられ、弁４及び１５が開放されて供給／真
空ブロア２を無負荷（アンロード）運転させる。制御弁
２２が開放され、低純度酸素タンクからの低純度酸素
（先の部分除圧工程中に収集された酸素）を用いて吸着
材床容器１９を例えば１０ｐｓｉａ（０．７０３Ｋｇ／
ｃｍ2 （絶対圧））の中間圧力にまで再加圧する。この
工程に要する平均時間は、ほぼ４〜７秒である。
【００１０】吸着材床容器１９内の吸着材床が約１０ｐ
ｓｉａ（０．７０３Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））の中間圧
力にまで部分（半ば）再加圧されたならば、プロセスサ
イクルの加圧／生成物回収工程として、供給／真空ブロ
ア２から供給空気が供給される。この加圧／生成物回収
工程中は、弁４及び１３が開放され、弁８，１５，１
７，２２及び２９は閉じられている。逆止弁２５は、吸
着材床容器１９内の圧力が高純度酸素タンク２６内の圧
力より高くなったとき開放するように調節されている。
【００１１】供給空気が吸着材床容器１９内へ導入され
るにつれて、容器内の圧力が増大し、高純度酸素タンク
２６内の圧力に等しくなる。次いで、逆止弁２５が開
き、生成物ガス（即ち、高純度酸素）が高純度酸素タン
ク２６へ供給される。生成物ガスの供給は、吸着材床容
器１９の頂部の圧力が吸着高圧、通常約２２．５ｐｓｉ
ａ（１．５８１７５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））に達する
まで継続する。この時点で、高純度酸素タンク２６か
ら、吸着材床容器１９とは独立して、下流での使用のた
めに酸素を供給することができる。処理サイクルのこの
部分（加圧／生成物回収工程）に要する時間は、通常、
ほぼ１８〜２５秒である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】供給／真空ブロア即ち
圧縮機２の差圧容量には一定の制限があり、高い圧縮比
では効率が低下する。従って、供給／真空ブロア即ち圧
縮機２の差圧（圧縮機の前後間の差圧、即ち、圧縮機の
吸入口の圧力と吐出口の圧力の差）を小さくするように
サイクル中の運転真空レベルをできるだけ小さくするこ
とが望ましい。その結果、供給／真空ブロア２をより効
率の良い範囲で作動させることができ、又、吸引圧力を
高めるので、装置の排ガス容量をより高い効率で高める
ことができる。更に、電力消費量を最少限にし、所与の
設備投資に対するプラントの容量を最大限にするために
は、分離効率及び吸着材利用率を高めることが望まし
い。
【００１３】従って、本発明の目的は、単床圧力スイン
グ式吸着装置の改良された使用方法を提供することであ
る。
【００１４】本発明の他の目的は、単床圧力スイング式
吸着装置に用いられる圧縮機の前後間の圧力差を小さく
するための方法を提供することである。
【００１５】本発明の更に他の目的は、処理サイクルの
各工程に要する時間を短縮し、それによって装置の効率
を向上することができる改良された単床圧力スイング式
吸着装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】略述すれば、本発明は、
吸着材床容器の生成物端（生成物排出端）から低純度酸
素タンクへ空隙ガスを放出することによって吸着材床容
器内の吸着材床を中間圧力にまで除圧するとともに、そ
れと併行して吸着材床容器からその供給物端（供給物導
入端）を通して排気することによって、空気から酸素を
回収するための単床圧力スイング式吸着方法を改善す
る。本発明のこの操作は、除圧工程を迅速化し、従って
サイクル時間が短縮する。
【００１７】更に、本発明は、吸着材床を低純度酸素タ
ンクからのガスで生成物端から中間圧力へ再加圧すると
ともに、それと併行して吸着材床を供給物端から加圧す
る。この操作は、供給／真空ブロアの負荷時間分（供給
／真空ブロアが供給物を圧縮供給するのに利用すること
ができる時間）を長くすることができる。
【００１８】更に、本発明は、（生成物即ち高純度酸素
を下流の用途に供する）高純度酸素タンクからの吸着材
床容器の生成物端へ還流酸素（還流生成物）を導入する
とともに、それと併行して容器内の吸着材床の供給物端
へ空気を供給する。この操作は、床内の圧力を中間圧か
ら上昇させる速度を速くする。次に、本発明は、サイク
ル中の圧力比を小さくすることにより、吸着材床容器内
の脱着低圧を約６〜７ｐｓｉａ（０．４２１８〜０．４
９２１Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））と比較的高くし、それ
によって、供給／真空ブロアに課せられる排気仕事を少
なくすることができる。これらの操作によりほぼ１０％
の効率改善を達成することができる。
【００１９】
【発明の作用及び効果】以下の説明から分かるように、
本発明によるＶＰＳＡサイクルは、上記米国特許第５，
３７０７２８号に開示されたＶＰＳＡサイクルに対して
下記の５つの主要な改良を教示する。 １．供給／真空ブロアの作動を最適化することができる
約６〜７ｐｓｉａ（０．４２１８〜０．４９２１Ｋｇ／
ｃｍ2 （絶対圧））の比較的高いボトム圧（最低圧又は
脱着低圧）を用いること。 ２．サイクル時間を短縮することができるように、生成
物加圧工程を生成物（酸素）回収工程とパージ工程の両
方と組合せること。 ３．酸素回収工程と加圧／空気供給工程をオーバーラッ
プさせること。 ４．酸素回収工程と除圧／排気工程をオーバーラップさ
せること。 ５．生成物加圧用還流として高純度酸素タンクからの酸
素を使用し、酸素回収工程のために、かつ、パージ用還
流として低純度酸素タンクからの低純度酸素を使用する
こと。ここで、「オーバーラップ」とは、２つの操作を
それらの全操作期間のうちの一部の期間中重複させて
（同時併行的に）実施することをいう。
【００２０】本発明による上記改良１〜５の各々を実施
することにより、下記の利点を提供する。 １．ＶＰＳＡサイクルのために比較的低い圧力比（即
ち、２０〜２２ｐｓｉａ（１．４０６〜１．５４６６Ｋ
ｇ／ｃｍ2 （絶対圧））のトップ圧（最高圧力）対６〜
７ｐｓｉａ（０．４２１８〜０．４９２１Ｋｇ／ｃｍ2
（絶対圧））のボトム圧（最低圧力）を用いることがで
きること。 ２．パージ工程のために低純度酸素を使用することによ
り約２〜３％の効率改善が得られること。 ３．生成物加圧のために（高純度酸素タンクからの）高
純度酸素を使用することにより約３％の効率改善が得ら
れること。 ４．圧縮（加圧）工程と酸素回収工程をオーバーラップ
させることにより約１０％の効率改善が得られること。
【００２１】本発明により改良されたＶＰＳＡサイクル
は、約９０〜９３％の酸素純度を得るように作動させた
場合に最適化されるが、９５％もの高い酸素純度を得る
ように作動させることもできる。ただし、後者の場合
は、効率が低下する。本発明のＶＰＳＡサイクルは、約
９０〜９０％程度の低い酸素純度で作動させることも可
能である。本発明のＶＰＳＡサイクルの所要時間は、吸
着材床の吸着材の種類及び使用量によって異なるが、最
適なサイクル時間は５０秒である。（ただし、吸着材床
のサイズによって３０〜７０秒の範囲内で変更させるこ
とができる。）
【００２２】本発明のＶＰＳＡサイクルは、従来のサイ
クルに比べて高いボトム圧で作動する。それによって、
全作動範囲に亙って効率を改善するばかりでなく、平均
吸引圧力を高くするので、共通ブロアに対する所要供給
圧力と所要吸引圧力をより密にバランスさせる。
【００２３】又、本発明のＶＰＳＡサイクルは、オーバ
ーラップさせた酸素回収工程と供給空気圧縮（加圧供
給）工程を用いることにより、酸素回収工程を実施する
のと同時併行的にブロアを空気供給作動又は真空吸引作
動状態にもたらす。その結果として、吸着材床容器に対
するガスの流入及び流出を吸着材床容器の頂部と底部の
両方から行わせる。この操作は、圧縮装置（ブロア）の
利用度を高め、その結果、所与のサイズの吸着材床及び
ブロアの容量（能力）を高める働きをする。
【００２４】ボトム圧が高くされるので、サイクルにお
ける酸素還流の所要量が増大する。酸素によるパージ、
工程は、生成物加圧工程と協同して、この増大した還流
酸素の所要量を充足する。パージ工程のための所要酸素
は、低純度酸素タンクからの空隙ガスによって供給され
る。生成物加圧工程のための所要酸素は、高純度酸素タ
ンクからの高純度酸素によって供給される。先に述べた
ように、還流空隙ガス（低純度酸素）は、パージ工程と
酸素回収／供給物加圧工程に使用される。高純度酸素
は、生成物（酸素）加圧工程の後半に使用される。この
操作は、生成物生成工程の直前により純度の高い酸素を
導入することによって還流酸素の使用を最適化し、それ
によって、生成物生成工程の開始時にしばしば随伴する
酸素純度の異常の発生を回避する。最後に、本発明のＶ
ＰＳＡサイクルは、酸素回収率の低減の原因となる圧力
放出（ブローダウン）を必要としないことをつけ加えて
おきたい。
【００２５】
【発明の実施の形態】図２〜７を参照すると、上記米国
特許第５，３７０，７２８号に開示された従来のＶＰＳ
Ａサイクルに関して上述した各工程の概略図が示されて
いる。図８〜１５は、本発明による単床ＶＰＳＡサイク
ルの各工程の概略図である。これらの図に示された従来
技術と本発明のサイクルのそれぞれ対応する工程を詳細
に説明する前に、以下の表１及び２を参照すると、米国
特許第５，３７０，７２８号のプロセスと、本発明のプ
ロセスのサイクルの各工程の所要時間、開始圧力及び終
了圧力が示されている。これらの表から分かるように、
米国特許第５，３７０，７２８号のサイクルはほぼ６５
秒かかるのに対して、本発明のサイクルの所要時間はほ
ぼ４９秒に短縮される。更に、米国特許第５，３７０，
７２８号のサイクルに用いられる最大圧力と最小圧力は
２２．５ｐｓｉａ（１．５８１７５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧））と５ｐｓｉａ（０．３５１５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧））であるのに対し、本発明のサイクルのそれは、２
２ｐｓｉａ（１．５４６６Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））と
７ｐｓｉａ（０．４９２１Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））で
ある。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
【００２８】図２は、米国特許第５，３７０，７２８号
（以下、単に「先行技術」とも称する）のサイクルの工
程１：圧力均衡化−降圧工程（降圧させながら圧力を均
衡化させる工程）を示す。この工程では、吸着材床容器
１９が除圧され、空隙ガスを低純度酸素タンク２３へ通
す。
【００２９】図８は、吸着材床容器１９内の圧力がほぼ
２２ｐｓｉａ（１．５４６６Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））
の最大吸着圧に到達し、生成物（高純度酸素）の生成が
終了した後行われる本発明のサイクルの工程１ａ：酸素
回収／除圧工程を示す。この工程では、供給／真空ブロ
ア２は、ガスを大気へ放出することによってアンロード
（除負荷）され、吸着材床容器１９は、２２ｐｓｉａ
（１．５４６６Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））から１８ｐｓ
ｉａ（１．２６５４Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））にまで除
圧される。（１４〜２０ｐｓｉａ（０．９８４２〜１．
４０６Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））の終了圧力を用いるこ
とができる。）頂部ガス（吸着材床容器の頂部のガス）
は酸素豊富ガスであり、爾後の工程で還流として使用す
るために低純度酸素タンク２３へ送られる。頂部ガスの
酸素純度は、９０％の生成物品質レベル（生成物として
適合する酸素純度レベル）からスタートし、吸着前線
（フロント）が吸着材床容器１９内の吸着材床の頂部に
向かって前進するにつれて低下する。この工程の所要時
間は、２〜４秒である。
【００３０】図９に示されるように、本発明のプロセス
の工程１ｂ：酸素回収−除圧／オーバーラップ排気工程
（酸素回収−除圧工程に排気工程をオーバーラップさせ
た工程）においては、吸着材床容器１９内の圧力がほぼ
１８ｐｓｉａ（１．２６５４Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））
に低下する。その時点で供給／真空ブロア２は、吸着材
床容器１９の底部から排ガスを抽出し始める。一方、吸
着材床容器１９の頂部からの酸素回収−除圧流は、吸着
材床の圧力が低純度酸素タンク２３内の圧力に等しくな
るまで継続する。この工程の締切り圧力は、約１５〜１
７ｐｓｉａ（１．０５４５〜１．１９５１Ｋｇ／ｃｍ2
（絶対圧））である。工程時間は、１〜２秒である。
【００３１】図３に示されるように、先行技術のサイク
ルの工程２：排気工程においては、吸着材床容器１９が
ほぼ５ｐｓｉａ（０．３５１５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧））の終了圧力になるまで排気される。図１０に示さ
れるように、本発明の工程２も、先行技術と同様の排気
工程であるが、本発明においては吸着材床容器１９内の
圧力を１６ｐｓｉａ（１．１２４８Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧））から６〜７ｐｓｉａ（０．４２１８〜０．４９２
１Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））にまで低下させればよい。
従って、５ｐｓｉａ（０．３５１５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧））にまで低下させる先行技術の排気工程の所要時間
が３０秒であるのに対して、本発明のこの工程の所要時
間は、ほぼ２０秒である。この排気工程中、吸着材容器
１９の頂部が閉鎖され、容器から真空吸引により排窒素
が除去される。容器のボトム圧の変更を行ってもよい
が、その場合効率が犠牲にされることがある。
【００３２】先行技術の工程３（図３）も、本発明の工
程３（図１３）も、吸着材容器１９のパージ操作であ
る。この工程中、パージガス（酸素）が吸着材容器１９
の頂部に導入されるのと併行して、供給／真空ブロア２
が吸着材容器１９の底部から排ガス（窒素）を抽出す
る。パージガスを高純度酸素タンク２６から取出す先行
技術（図４参照）とは異なり、本発明においてはパージ
ガスを低純度酸素タンク２３から取出す。このパージ工
程中は、圧力レベルを僅かに高くすることが好ましい。
圧力レベルは、パージガス（酸素）の流量を調整するこ
とによって制御され、酸素前線（フロント）が吸着材容
器１９内の吸着材の底部に非常に近い部位にまで下降し
た時点で排ガス除去工程が終了する。工程３は、吸着材
容器１９内の吸着材の底部の排ガス純度がゆっくり上昇
し始め、酸素前線のブレークスルー（吸着材の底部への
侵入）が起ったことを知らせた時点で終了する。この行
程時間は、５〜９秒である。
【００３３】先行技術の次の工程（工程４）は、酸素の
供給を高純度酸素タンク２６から低純度酸素タンク２３
へ切り換えることによって吸着材容器１９内の圧力を上
昇させ均衡化させる圧力均衡化−昇圧工程（昇圧させな
がら圧力を均衡化させる操作）（図５）である。本発明
においては、これと同じ操作を、図１２及び１３に示さ
れるように、酸素回収−加圧／オーバーラップ供給工程
（工程４ａ）と生成物加圧／オーバーラップ供給工程
（工程４ｂ）の２つの副工程によって実施する。工程４
ａにおいては、供給空気が供給／真空ブロア２によって
吸着材容器１９の底部へ導入され、容器１９内の圧力が
上昇し始める。圧力レベルは、約９ｐｓｉａ（０．６３
２７Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））から１３ｐｓｉａ（０．
９１３９Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））に上昇する。これと
併行して、還流酸素ガスが低純度酸素タンク２３から吸
着材容器１９の頂部へ導入される。この還流酸素の純度
は、８５〜９０％である。
【００３４】工程４ａ中の酸素ガスの導入（図１２）
は、供給／真空ブロア２の利用度を高め、ブロアの容量
を最大限にする。床の圧力が急激に上昇し、供給空気を
可及的に高い圧力で導入することを可能にする。工程４
ａの所要時間は、１〜２秒である。
【００３５】図１３に示されるように、工程４ｂは、供
給／真空ブロア２からの供給空気の導入を継続しなが
ら、それと併行して還流酸素ガスを吸着材容器１９の頂
部へ導入するが、工程４ｂでは低純度酸素タンク２３か
らではなく、高純度酸素タンク２６からの酸素を還流さ
せる。この工程４ｂ中、容器１９内の圧力は、１３ｐｓ
ｉａ（０．９１３９Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））から１８
ｐｓｉａ（１．２６５４Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））へ上
昇する。容器への導入酸素の純度は、９０％、即ち生成
物品質レベル（生成物として適合する酸素純度レベル）
である。高純度酸素タンク２６からの酸素を利用するこ
とによって還流酸素は、吸着材床が生成物生成工程に近
づくにつれて生成物の純度レベルにまで高められる。こ
の工程の所要時間はほぼ４秒である。
【００３６】図６に示されるように、先行技術の工程５
は、供給工程であり、供給空気が供給／真空ブロア２に
よって吸着材容器１９の底部へ導入される。図１４に示
されるように、本発明の工程５もこれと同じである。加
圧（圧縮）された供給空気の供給は、吸着材容器１９内
の圧力が生成物生成圧力（生成物が生成される圧力）に
達するまで継続される。この生成物生成圧力は、トップ
圧に可及的に近い値であるが、高純度酸素タンク２６の
サイズによって異なる。この工程の終了時の最終圧力
は、約１９〜２１ｐｓｉａ（１．３３５７〜１．４７６
３Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））であり、行程時間は４秒で
ある。
【００３７】先行技術の最終工程６は、供給／生成物生
成工程であり、この工程では、供給空気供給／真空ブロ
ア２から吸着材容器１９の底部への供給空気の供給が続
けられ、吸着材容器１９の頂部から高純度酸素タンク２
６へ酸素（生成物）が供給される。
【００３８】本発明の最終工程６も、供給／生成物生成
工程であり、この工程では、供給空気が、供給空気供給
／真空ブロア２によってトップ圧で又はトップ圧に近い
圧力で吸着材容器１９の底部へ供給される。本発明にお
いては、生成物加圧／オーバーラップ供給工程４ｂ（図
１３）からの還流酸素を利用するので、生成物生成工程
の開始時に生成物純度の変動が生じない。又、本発明の
方法によれば、生成物生成工程が終始比較的一定した圧
力で実施され高純度酸素の還流所要量が先行技術のサイ
クルに比べて少なくてよい。従って、先行技術の供給／
生成物生成工程６（図７）の所要時間が１４秒であるの
に対して、本発明の供給／生成物生成工程６所要時間
は、９秒である。
【００３９】供給／生成物生成工程６は、漸次昇圧する
モード、又は、比較的一定の圧力モードで作動させるこ
とができるが、一定圧モードで作動させることが好まし
い。本発明によれば、生成物生成工程の前に吸着材容器
１９の頂部に加圧用ガスとして生成物品質（高純度）の
酸素を導入する（図１３参照）ので、供給／生成物生成
工程中、酸素分離前線のブレークスルーは起らず、生成
物生成工程の開始時に生成物純度の変動も生じない。工
程６の終了時の圧力は、２０〜２２ｐｓｉａ（１．４０
６〜１．５４６６Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））の最終トッ
プ圧である。
【００４０】以上に説明した本発明のサイクルは、生成
物生成工程中比較的一定した純度の酸素流を創生する。
この酸素生成物は、顧客に常時送給することができるよ
うに高純度酸素タンク２６に貯留される。酸素生成物の
圧力レベルの変動は、タンク２６のサイズを適当に定め
ることと、酸素生成物圧力制御装置によって制御するこ
とができる。酸素生成物を貯留するタンク２６は、酸素
生成物を混合する機能をも果たし、ほぼ一定した生成物
純度を維持する。
【００４１】図８〜１５に示された本発明のＶＰＳＡサ
イクルは、図９に示された酸素回収−除圧工程／オーバ
ーラップ排気工程なしで作動させるように構成すること
もできる。その場合、真空ポンプの利用度を最適化する
ようにオーバーラップ酸素回収−除圧工程／オーバーラ
ップ排気工程を使用する。この工程は、低純度酸素タン
ク２３のサイズによって影響される。更に、トップ圧を
２０〜２２ｐｓｉａ（１．４０６〜１．５４６６Ｋｇ／
ｃｍ2 （絶対圧））とし、ボトム圧を約６〜７ｐｓｉａ
（０．４２１８〜０．４９２１Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧））とすることが好ましいが、特定の吸着材及び装置
の性能を最適化するためにトップ圧及びボトム圧のレベ
ルをサイクル中変更してもよい。例えば、ボトム圧を約
５〜９ｐｓｉａ（０．３５１５〜０．６３２７Ｋｇ／ｃ
ｍ2 （絶対圧））とし、トップ圧を１９〜２４ｐｓｉａ
（１．３３５７〜１．６８７２Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧））とすることができる。
【００４２】図１１に示されるパージ工程の時間も、ボ
トム圧のレベルと、吸着材の特性に応じて変更すること
ができる。パージ工程は、通常、サイクル時間全体のほ
ぼ１０％を占めるが、圧力及びパージガスの流量を調節
することによって、パージ工程の時間をサイクル時間全
体の０から１５％まで変更することができる。
【００４３】図１３に示される生成物加圧工程の時間
も、加圧用ガスの供給時間の長さを変更するために増減
することができる。使用される加圧用ガスの量は、高純
度酸素タンク２６のサイズの関数である。
【００４４】又、本発明のＶＰＳＡサイクルは、漸次昇
圧生成物生成モードではなく、定圧生成物生成モードで
作動させるように構成することができる。生成物生成中
の圧力分布を変更するために高純度酸素タンク２６のサ
イズと生成物酸素の流量の制御を用いることができる。
サイクルテストの結果、定圧生成物生成モードでは３〜
４％の容量増大が期待できることが認められた。その場
合、サイクルは、高純度酸素タンク２６及び低純度酸素
タンク２３をそれぞれ弁２９及び弁２２を介して吸着材
床に連通させた状態で作動させる。この改良サイクル
は、弁２９を逆止弁として機能するように制御すること
ができるので、逆止弁２５なしで作動させることができ
る。
【００４５】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であ
り、いろいろな変更及び改変を加えることができること
を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、空気から酸素を回収するための単床Ｖ
ＰＳＡ装置の従来例の概略流れ図である。
【図２】図２は、米国特許第５，３７０，７２８号に開
示された従来の装置に用いられる処理順序の工程１の概
略図である。
【図３】図３は、米国特許第５，３７０，７２８号に開
示された従来の装置に用いられる処理順序の工程２の概
略図である。
【図４】図４は、米国特許第５，３７０，７２８号に開
示された従来の装置に用いられる処理順序の工程３の概
略図である。
【図５】図５は、米国特許第５，３７０，７２８号に開
示された従来の装置に用いられる処理順序の工程４の概
略図である。
【図６】図６は、米国特許第５，３７０，７２８号に開
示された従来の装置に用いられる処理順序の工程５の概
略図である。
【図７】図７は、米国特許第５，３７０，７２８号に開
示された従来の装置に用いられる処理順序の工程６の概
略図である。
【図８】図８は、プロセス効率を改善するために従来技
術に対して追加又は改変された本発明の工程１ａの概略
図である。
【図９】図９は、本発明の工程１ｂの概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の工程２の概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の工程３の概略図である。
【図１２】図１２は、本発明の工程４ａの概略図であ
る。
【図１３】図１３は、本発明の工程４ｂの概略図であ
る。
【図１４】図１４は、本発明の工程５の概略図である。
【図１５】図１５は、本発明の工程６の概略図である。
フロントページの続き (72)発明者 ハーバート・レイモンド・シャウブ アメリカ合衆国ニューヨーク州イース ト・アマスト、サンバースト・サークル 185 (72)発明者 ジョン・ハリー・ファスボー アメリカ合衆国ニューヨーク州エルマ、 ボウエン・ロード880 (72)発明者 ティモシー・マーク・アーロン アメリカ合衆国ニューヨーク州ウィリア ムズビル、コート・ヤード15 (56)参考文献 特開 平７−96128（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−64569（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−110318（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気から酸素を回収するための圧力スイ
    ング式吸着方法であって、 (a) 窒素を選択的に吸着することができる単一の吸着材
    床を収容した吸着材床容器の供給端へ供給空気を導入
    し、その結果として該吸着材床内の圧力を中間圧から吸
    着高圧へ上昇させる工程と、 (b) 追加の供給空気を前記吸着高圧で前記吸着材床容器
    へ導入し、それと併行して、該吸着材床容器の生成物端
    から酸素を該吸着高圧で高純度酸素タンクへ送出する工
    程と、 (c) 前記吸着材床容器の生成物端から空隙ガスを低純度
    酸素タンクへ放出することによって該吸着材床を前記中
    間圧にまで除圧する工程と、 (c')工程 (c) 中の除圧する工程を、工程 (d) 中の排気する
    工程とオーバーラップさせる工程と、 (d) 前記吸着材床容器の供給端から更にガスを排気する
    ことによって該吸着材床を該中間圧から脱着低圧にまで
    除圧する工程と、 (e) 前記低純度酸素タンクから空隙ガス流をパージガス
    として前記吸着材床容器の生成物端へ導入して前記脱着
    低圧下にある吸着材床から脱着窒素を押のけて、該脱着
    窒素を該吸着材床容器の供給端から排出させる工程と、 (f) 空気を前記吸着材床容器の供給端へ導入するととも
    にそれと併行して前記低純度酸素タンクから空隙ガスを
    該吸着材床容器の生成物端へ導入して、該吸着材床内の
    圧力を前記脱着低圧から脱着中間圧へ上昇させる工程
    と、 (g) 空気を前記吸着材床容器の供給端へ導入するととも
    にそれと併行して前記高純度酸素タンクから酸素を該吸
    着材床容器の生成物端へ導入して、床の圧力を前記脱着
    中間圧から上昇させる工程と、 (h) 前記工程(a)〜工程(g)をサイクル動作として反復す
    ること、を包含する、圧力スイング式吸着方法。
  2. 【請求項２】 前記工程(a) において、前記吸着高圧下
    での前記吸着材床への追加の供給空気の導入を伴って、
    あるいは、伴わずに、該吸着材床容器の生成物端から酸
    素を前記吸着高圧に近い圧力で前記高純度酸素タンクへ
    送出する操作を含み、前記工程(b) において、該吸着材
    床容器の生成物端から酸素を前記吸着高圧で該高純度酸
    素タンクへ送出する操作を含むことを特徴とする請求項
    １に記載の圧力スイング式吸着方法。
  3. 【請求項３】 前記前記工程(b) において、追加の供給
    空気を前記吸着高圧下で前記吸着材床容器へ導入する操
    作を含むことを特徴とする請求項２に記載の圧力スイン
    グ式吸着方法。
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