JP4673440B1

JP4673440B1 - 目的ガスの分離回収方法

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Publication number: JP4673440B1
Application number: JP2010131672A
Authority: JP
Inventors: 一生春名; 康一志摩; 清和丸田
Original assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-06-09
Also published as: TW201206550A; JP2011255307A; TWI526240B

Abstract

【課題】目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスからＰＳＡ法により目的ガスを分離回収するにあたり、目的ガスの取得量を減少させる場合、電力原単位の増加を抑制するのに適した方法を提供する。
【解決手段】吸着剤が充填された２つの吸着塔１Ａ，１Ｂを用いて行うＰＳＡ法により、酸素（目的ガス）および窒素（不要ガス）を含む混合ガスから製品酸素ガスを分離回収する方法であって、ブロア２により吸着塔に混合ガスを導入して混合ガス中の窒素を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から製品酸素ガスを導出して製品酸素ガスを貯留するための貯留タンク４へ送り出す吸着工程と、真空ポンプ３により吸着塔を減圧して吸着剤から窒素を脱着させ、当該吸着塔からガスを導出する脱着工程と、各吸着塔に対するガスの出入りを遮断する中断工程とを含むサイクルを各吸着塔で繰り返し行い、当該サイクルを通じて貯留タンク４から製品酸素ガスを連続的に取得する。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧力変動吸着法により、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから目的ガスを分離回収する方法に関する。

空気などの酸素（目的ガス）および窒素（不要ガス）を含む混合ガスから目的ガスとしての酸素を分離回収する方法として、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）が知られている。ＰＳＡ法により得られる酸素が富化された酸素ガスは、例えば、電炉製鋼、ゴミ焼却、製紙、水処理施設での酸素曝気などの酸素を多量に消費する分野において使用される。ＰＳＡ法による酸素ガスの分離回収においては、例えば吸着剤が充填された２つの吸着塔を有するＰＳＡガス分離装置を用いて、吸着工程と、脱着工程とを含むサイクルが各吸着塔で繰り返し行われる。吸着工程では、例えばブロアにより混合ガスを吸入し、当該混合ガスを吸着塔に導入して混合ガス中の窒素を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素ガスを導出する。脱着工程では、例えば真空ポンプにより吸着塔を減圧して吸着剤から窒素を脱着させ、当該吸着塔からガスを導出する。ＰＳＡ法により酸素ガスを取得する技術は、例えば特許文献１，２に記載されている。

ＰＳＡ法による酸素ガスの発生量（単位時間当たりの取得量）は、例えば当該酸素ガスの最大消費量に対応するように設定される。そして、ＰＳＡ法によるガス分離操作においては、酸素ガスの最大消費量に合わせて、効率化（消費電力の抑制）の観点から、当該ガス分離操作の負荷が１００％にて、吸着圧力、脱着圧力、および各工程の操作時間が最適となるように操作条件が設定されている。一方、酸素ガスを利用する設備等において要求される酸素消費量は常に一定ではない。このため、酸素消費量が減少する場合には、例えばＰＳＡガス分離装置の出口からの酸素ガスの取得量を調節して減少させることにより、酸素消費量の変動に対応させる。

しかしながら、上記のように酸素ガスの取得量を減少させると、ブロアや真空ポンプなどの回転機械の消費動力がそのままの状態で酸素発生量が絞られるので、単位酸素発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力（電力原単位）が取得量に逆比例して増加してしまう。また、酸素ガスの取得量を減少させると吸着圧力（吸着工程における塔内の最高圧力）が上昇するので、それに伴いブロアである回転機械の消費動力が増大し、更に電力原単位が増加する場合があった。

また、上記のように酸素ガスの取得量の減少により吸着圧力が上昇すると、ＰＳＡ法による操作条件が設定された適正範囲から逸脱する場合がある。その結果、単位酸素発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力（電力原単位）の増大を招く虞があった。

特開平８−２３９２０４号公報特開平１１−２９２５０６号公報

本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスからＰＳＡ法により目的ガスを分離回収するにあたり、目的ガスの取得量を減少させる場合において、単位目的ガス発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力（電力原単位）の増加を抑制するのに適した方法を提供することを課題としている。

本発明によって提供される目的ガスの分離回収方法は、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、上記不要ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された２つの吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記目的ガスが富化された製品ガスを分離回収する方法であって、ブロアにより上記吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の上記不要ガスを上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から上記製品ガスを導出して当該製品ガスを貯留するための貯留タンクへ送り出す吸着工程と、真空ポンプにより上記吸着塔を減圧して上記吸着剤から上記不要ガスを脱着させ、当該吸着塔からガスを導出する脱着工程と、上記各吸着塔に対するガスの出入りを遮断する中断工程とを含むサイクルを上記各吸着塔で繰り返し行い、当該サイクルを通じて上記貯留タンクから上記製品ガスを連続的に取得する。

好ましくは、上記目的ガスは酸素であり、上記不要ガスは窒素である。

好ましくは、上記中断工程では、上記ブロアの運転を継続しつつ当該ブロアを経た上記混合ガスを上記ブロアに流入するように循環させる第１の操作、上記ブロアを経た上記混合ガスを大気中に放出する第２の操作、および上記ブロアの運転を停止する第３の操作のうち、いずれか１つの操作が行われる。

好ましくは、上記中断工程では、上記真空ポンプの運転を継続しつつ、当該真空ポンプにより大気を吸入する。

好ましくは、上記中断工程は、上記真空ポンプによる減圧操作の対象となる上記吸着塔から切り替わる直前に行われる。

好ましくは、上記サイクルにおける上記中断工程の継続時間Ｔａの算出は、上記中断工程を有さない、ガス分離操作の負荷が１００％のときのサイクルタイムをＴｂ、ガス分離操作の負荷が１００％のときの上記目的ガスの取得量に対する上記目的ガスの取得比率をＡ％とした場合に、計算式Ｔａ＝（１００／Ａ）×Ｔｂ−Ｔｂにより行う。

本発明の酸素の分離回収方法においては、ＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷が１００％のサイクル中に中断工程が挿入されており、当該中断工程において、各吸着塔に対するガスの出入りが遮断されている。中断工程においては、吸着塔のそれぞれの塔内の圧力はほぼ一定に維持されることとなり、ＰＳＡ法によるガス分離操作は中断する。したがって、中断工程を挿入することによりＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷率を低減しても、ガス分離操作の負荷が１００％のときの最適化された操作条件にてＰＳＡガス分離装置を運転することができる。その結果、単位目的ガス発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力（電力原単位）の増加を抑制することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１の実施形態に係る目的ガスの分離回収方法を実現するためのＰＳＡガス分離装置の概略構成図である。本発明の第１の実施形態に係る目的ガスの分離回収方法において各吸着塔で行われる１サイクルの工程を示すタイムチャートである。本発明の第１の実施形態に係る目的ガスの分離回収方法の各工程に対応するガスの流れ図である。本発明の第２の実施形態に係る目的ガスの分離回収方法を実現するためのＰＳＡガス分離装置の概略構成図である。本発明の第２の実施形態に係る目的ガスの分離回収方法において各吸着塔で行われる１サイクルの工程を示すタイムチャートである。本発明の第２の実施形態に係る目的ガスの分離回収方法の各工程に対応するガスの流れ図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態として、目的ガスとしての酸素および不要ガスとしての窒素を含む混合ガスから酸素を分離回収する方法について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る酸素の分離回収方法を実行するのに使用することができるＰＳＡガス分離装置Ｘ１の概略構成を示している。

ＰＳＡガス分離装置Ｘ１は、吸着塔１Ａ，１Ｂと、ルーツブロア２と、真空ポンプ３と、貯留タンク４と、これらを連結するラインとを備え、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して、酸素および窒素を含む混合ガスから酸素を濃縮分離することが可能なように構成されている。

吸着塔１Ａ，１Ｂのそれぞれは、両端にガス通過口１ａ，１ｂを有し、ガス通過口１ａ，１ｂの間において混合ガスに含まれる窒素を選択的に吸着するための充填剤が充填されている。当該吸着剤としては、例えば、ＣａＡ型ゼオライト、ＣａＸ型ゼオライト、およびＬｉＸ型ゼオライトが挙げられ、これらは単独で使用しても複数種を併用してもよい。

吸着塔１Ａ，１Ｂのそれぞれのガス通過口１ａは、分岐ライン５ａ，５ｂを介して共通のライン５に接続されている。分岐ライン５ａ，５ｂには、開状態と閉状態とに切換え可能な切換弁６ａ，６ｂが設けられている。

ルーツブロア２は、混合ガスを吸着塔１Ａ，１Ｂに送出するためのものであり、ライン５に設けられている。ルーツブロア２により、後述する吸着工程における塔内の最高圧力は、例えば４０〜５０ｋＰａＧ程度とされる。

ライン５には、バイパスライン７が接続されている。バイパスライン７は、ルーツブロア２から送出された混合ガスを再びルーツブロア２に吸入させて循環させるためのものであり、一端部がルーツブロア２の送出口の下流側に接続され、他端部がルーツブロア２の吸入口の上流側に接続されている。バイパスライン７には、切換弁８が設けられている。

ライン５にはまた、クーラ９が設けられている。クーラ９は、ルーツブロア２の送出口とバイパスライン７の上記一端部との間に設けられており、吸着塔１Ａ，１Ｂに供給される前に混合ガスを冷却し、あるいはライン５とバイパスライン７との間を循環する混合ガスを冷却するためのものである。

吸着塔１Ａ，１Ｂのそれぞれのガス通過口１ａは、分岐ライン１０ａ，１０ｂを介して共通のライン１０に接続されている。分岐ライン１０ａ，１０ｂには、切換弁１１ａ，１１ｂが設けられている。

真空ポンプ３は、吸着塔１Ａ，１Ｂを減圧して塔内のガスをガス通過口１ａを介して導出するためのものであり、ライン１０に設けられている。真空ポンプ３としては、例えばルーツブロアが用いられ、脱着工程における塔内の最低圧力は−７０〜−６０ｋＰaＧ程度とされる。

ライン１０には、開放端を有する大気吸入ライン１２が接続されている。大気吸入ライン１２は、吸着塔１Ａ，１Ｂと真空ポンプ３との間に接続されており、所定の工程において真空ポンプ３に大気を吸引させるためのものである。大気吸入ライン１２には、切換弁１３が設けられている。

吸着塔１Ａ，１Ｂのそれぞれのガス通過口１ｂは、分岐ライン１４ａ，１４ｂを介して共通のライン１４に接続されている。分岐ライン１４ａ，１４ｂには、切換弁１５ａ，１５ｂが設けられている。

吸着塔１Ａ，１Ｂのそれぞれのガス通過口１ｂ，１ｂはまた、分岐ライン１４ａ，１４ｂ間に接続されたライン１６を介して連通している。ライン１６には、切換弁１７が設けられている。

貯留タンク４は、吸着塔１Ａ，１Ｂから導出されるガス（後述の製品酸素ガス）を一旦貯留するための空容器であり、ライン１４に設けられている。貯留タンク４の出口には、図示しない流量調整弁が設けられている。貯留タンク４内の製品酸素ガスは当該貯留タンク４から連続的に取り出され、所定の用途に常時消費される。

上記構成のＰＳＡガス分離装置Ｘ１においては、各切換弁の開閉状態を選択することにより、各吸着塔１Ａ，１Ｂ内でのガスの流れ方向や圧力が調整される。各吸着塔１Ａ，１Ｂにおいては、切換弁の切換え状態に応じて、例えば、吸着工程と、脱着工程と、均圧工程と、中断工程とを含むサイクルが繰り返される。

吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にあるいずれかの吸着塔１Ａ，１Ｂに混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素が富化された製品酸素ガス（製品ガス）を導出するための工程である。脱着工程は、例えば吸着工程を終えたいずれかの吸着塔１Ａ，１Ｂを減圧して吸着剤から窒素を脱着させ、塔内のガスをオフガスとして塔外へ導出するための工程である。均圧工程は、例えば吸着工程を終えたいずれか一方の吸着塔１Ａ，１Ｂと脱着工程を終えた他方の吸着塔１Ａ，１Ｂとを連通させ、両吸着塔１Ａ，１Ｂ内の圧力差により両吸着塔１Ａ，１Ｂ間でガスの流れを生じさせる工程である。

中断工程は、製品酸素ガスの消費量が減少する場合において、ＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷が１００％のサイクル中に挿入される工程である。中断工程においては、各吸着塔１Ａ，１Ｂに対するガスの出入りを遮断する。

次に、本発明の第１の実施形態に係る酸素の分離回収方法について、図２および図３を参照して説明する。本実施形態に係るＰＳＡ法によるガス分離において、各吸着塔１Ａ，１Ｂでは、例えば図２に示す操作時間で各工程（ステップ）が行われ、ステップ１〜１０を１サイクルとして、このようなサイクルが繰り返し行われる。図３は、各ステップにおけるＰＳＡガス分離装置Ｘ１のガス流れを模式的に表したものである。

ステップ１においては、切換弁６ａ，１１ｂ，１５ａのみが開状態とされ、吸着塔１Ａについては吸着工程が行われ、吸着塔１Ｂについては脱着工程が行われており、図３（ａ）に示すガス流れ状態とされている。

具体的には、吸着塔１Ａには、ルーツブロア２によりライン５および分岐ライン５ａを介してガス通過口１ａから混合ガスとしての空気が導入される。吸着塔１Ａでは、吸着剤により窒素が選択的に吸着されて、製品酸素ガスがガス通過口１ｂから導出される。当該製品酸素ガスは、分岐ライン１４ａおよびライン１４を介して貯留タンク４に送出される。貯留タンク４内の製品酸素ガスは、流量調整がなされたうえで取り出され、使用される。なお、ステップ１を含めたすべてのステップ１〜１０において、貯留タンク４から製品酸素ガスが一定流量にて連続的に取得される。

吸着塔１Ｂは、先に脱着工程を行っており（図３（ｊ）に示されるステップ１０参照）、引き続き真空ポンプ３により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着され、塔内のガスがガス通過口１ａを通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは、分岐ライン１０ｂ、ライン１０を介して系外へ排出される。上記ステップ１は、例えば２４秒間継続される。

ステップ２においては、切換弁８，１１ｂ，１７のみが開状態とされ、吸着塔１Ａでは減圧工程が行われ、吸着塔１Ｂでは脱着洗浄工程が行われており、図３（ｂ）に示すガス流れ状態とされている。

吸着塔１Ａは先に吸着工程を行っているのに対して吸着塔１Ｂは先に脱着工程を行っていたから、吸着塔１Ａの塔内が吸着塔１Ｂの塔内よりも高圧となっている。そのため、吸着塔１Ａから製品酸素ガスを多く含むガス（残留製品酸素ガス）がライン１６を介して吸着塔１Ｂに導入される。一方、真空ポンプ３により、吸着塔１Ｂのガス通過口１ａから塔内のガスが引き続き導出され、分岐ライン１０ｂ、ライン１０を介して系外へ排出される。吸着塔１Ａから吸着塔１Ｂに導入される残量製品酸素ガスは、吸着塔１Ｂ内の吸着剤を効果的に洗浄する。

また、ステップ２では、ルーツブロア２の運転は継続しており、このルーツブロア２から各吸着塔１Ａ，１Ｂに通じる分岐ライン５ａ，５ｂに設けられた切換弁６ａ，６ｂが閉じていることから、吸着塔１Ａ，１Ｂへの混合ガスの供給は遮断される。その一方、バイパスライン７に設けられた切換弁８は開いている。このため、ルーツブロア２から送出される混合ガスは、バイパスライン７を介して再びルーツブロア２に吸入され、ライン５とバイパスライン７との間を循環する。したがって、ルーツブロア２からの混合ガスの吐出圧力が大気圧付近から上昇することはなく、吐出側と吸入側とがほぼ同圧となっている。上記ステップ２は、例えば８秒間継続される。

ステップ３においては、切換弁８，１３のみが開状態とされ、吸着塔１Ａ，１Ｂについては中断工程が行われており、図３（ｃ）に示すガス流れ状態とされている。

ステップ３では、切換弁６ａ，６ｂ，１１ａ，１１ｂ，１５ａ，１５ｂ，１７が閉状態とされており、吸着塔１Ａ，１Ｂに対するガスの出入りが遮断されている。ここで、吸着塔１Ａ内は大気圧以上である一方、吸着塔１Ｂ内は大気圧以下であり、吸着塔１Ａの塔内は吸着塔１Ｂ内の塔内よりも高圧となっている。そして、吸着塔１Ａ，１Ｂに充填された吸着剤たるゼオライトは吸着速度が速く、所定の圧力下で数秒程度の短時間でほぼ吸着平衡に達する。このため、吸着塔１Ａ，１Ｂのそれぞれの塔内の圧力は、ほぼ一定に維持される。これにより、ステップ３においては、ＰＳＡ法によるガス分離操作が中断される。

ステップ３では、ルーツブロア２の運転は継続しており、吸着塔１Ａ，１Ｂへの混合ガスの供給は遮断される一方、バイパスライン７に設けられた切換弁８は開いている。このため、ステップ２と同様にして、ルーツブロア２から送出される混合ガスは、バイパスライン７を介して再びルーツブロア２に吸入され、ライン５とバイパスライン７との間を循環する。したがって、ルーツブロア２からの混合ガスの吐出圧力が大気圧付近から上昇することはなく、吐出側と吸入側とがほぼ同圧となっている。

また、ステップ３では、真空ポンプ３の運転も継続しており、この真空ポンプ３から各吸着塔１Ａ，１Ｂに通じる分岐ライン１０ａ，１０ｂに設けられた切換弁１１ａ，１１ｂが閉じていることから、吸着塔１Ａ，１Ｂからの塔内ガスの吸入は遮断される。その一方、大気吸入ライン１２に設けられた切換弁１３は開いている。これにより、真空ポンプ３は、大気吸入ライン１２を通じて大気を吸入し、真空ポンプ３による吸入圧力は大気圧程度に引き上げられる。したがって、真空ポンプ３の吐出側と吸入側とがほぼ同圧となっている。上記ステップ３は、例えば１７秒間継続される。

ステップ４においては、切換弁６ｂ，１１ａ，１７のみが開状態とされ、吸着塔１Ａ，１Ｂでは均圧工程が行われている。より詳細には、吸着塔１Ａでは減圧工程が行われ、吸着塔１Ｂでは昇圧工程が行われており、図３（ｄ）に示すガス流れ状態とされている。

先のステップ３において吸着塔１Ａの塔内が吸着塔１Ｂの塔内よりも高圧となっていたので、ステップ４では、ステップ２に引き続き、吸着塔１Ａから製品酸素ガスを多く含むガス（残留製品酸素ガス）がライン１６を介して吸着塔１Ｂに導入される。また、吸着塔１Ｂにおいては、ルーツブロア２によりライン５および分岐ライン５ｂを介してガス通過口１ａから混合ガスが導入される。

ここで、吸着塔１Ｂの塔内は依然として大気圧以下であるので、切換弁８を開状態にしておくと、ルーツブロア２による混合ガスの強制供給のみならず、バイパスライン７を介しての自然供給も行われる。切換弁８を開状態にするときのガス流れを、図３（ｄ）において破線で示している。

一方、吸着塔１Ａにおいては、減圧により吸着剤から脱着した窒素が、真空ポンプ３によりガス通過口１ａから導出され、分岐ライン１０ａおよびライン１０を介して系外へ排出される。上記ステップ４は、例えば４秒間継続される。

ステップ５においては、切換弁６ｂ，１１ａのみが開状態とされ、吸着塔１Ａでは脱着工程が行われ、吸着塔１Ｂでは昇圧工程が行われており、図３（ｅ）に示すガス流れ状態とされている。

吸着塔１Ａでは、真空ポンプ３による窒素の減圧脱着が引き続き行われ、塔内のガスが分岐ライン１０ａおよびライン１０を介して系外へ排出される。

吸着塔１Ｂでは、ルーツブロア２によりライン５および分岐ライン５ｂを介してガス通過口１ａから混合ガスが導入される。この際、吸着塔１Ｂは依然として大気圧以下であるので、切換弁８を開状態にしておくと、ルーツブロア２による強制供給のみならず、バイパスライン７を介しての自然供給も行われる。上記ステップ５は、例えば４秒間継続され、その結果、吸着塔１Ｂは、例えば大気圧(１０１ｋＰａ)まで昇圧される。一方、吸着塔１Ａの脱着はこのステップ５では完了しない。

以降のステップ６〜１０では、図３（ｆ）〜（ｊ）に示したように、ステップ１〜５において吸着塔１Ａについて行った操作を吸着塔１Ｂについて行い、吸着塔１Ｂについて行った操作を吸着塔１Ａについて行う。

そして、以上のステップ１〜１０からなるサイクルを各吸着塔１Ａ，１Ｂにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから窒素が有意に除去された製品酸素ガスが連続的に取得される。なお、ステップ１〜１０による１サイクルの時間（サイクルタイム）は、１１４秒である。

本実施形態の酸素の分離回収においては、ＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷が１００％のサイクル中に中断工程（ステップ３および８）が挿入されており、当該中断工程において、各吸着塔１Ａ，１Ｂに対するガスの出入りが遮断されている。そして、上述したように、中断工程においては、吸着塔１Ａ，１Ｂのそれぞれの塔内の圧力はほぼ一定に維持されており、ＰＳＡ法によるガス分離操作は中断する。したがって、中断工程を挿入することによりＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷率を低減する場合においても、ガス分離操作の負荷が１００％のときの最適化された操作条件にてＰＳＡガス分離装置Ｘ１を運転することができ、その結果、単位酸素発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力（電力原単位）の増加を抑制することができる。

また、中断工程では、ルーツブロア２についてはバイパスライン７を介して混合ガスを循環させることにより、真空ポンプ３については大気吸入ライン１２を介して大気を吸入することにより、それぞれ、吐出側と吸入側とがほぼ同圧（大気圧程度）となる。容量式のルーツブロアは、その特性上、吐出側と吸入側との圧力差が小さくなるにつれて消費動力が小さくなる。したがって、中断工程においては、ルーツブロア２および真空ポンプ３は、アンロード運転（無負荷運転）となっている。このことは、ＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷率を低減する場合において、単位酸素発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力の増加をより効果的に抑制するのに資する。

上述のように、中断工程では、各吸着塔１Ａ，１Ｂの塔内圧はほぼ一定に維持され、ＰＳＡ法によるガス分離操作が中断する。このため、中断工程については、ガス分離操作の負荷が１００％のときのサイクルに対して、いずれのタイミングで挿入しても、中断工程以外の各工程の操作条件を変更する必要はない。したがって、中断工程は、例えば吸着工程の途中に組み込むことも可能である。

本実施形態では、図３を参照すると理解できるように、中断工程に係るステップ３，８は、真空ポンプ３よる減圧操作の対象となる吸着塔が切り替わる直前に行われる。中断工程がこのようなタイミングで挿入されると、各切換弁の操作回数を実質的に減らすことができ、切換弁の制御の簡素化および耐久性の向上を図ることができる。

ガス分離操作の負荷が１００％のとき（以下、適宜「１００％ロード」という）の製品酸素ガスの発生量（１サイクルあたりの酸素取得量）は、最適化された操作条件のもとで一定である。ここで、中断工程を挿入することによりＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷率を低減する場合においても、中断工程以外の操作条件を上記最適化された操作条件と同一に固定することができる。そして、中断工程を挿入した場合における１サイクルあたりの酸素取得量は、１００％ロードの１サイクルあたりの酸素取得量と同一となる。

１００％ロードの酸素取得量に対して、要求される酸素取得量の比率（酸素取得比率）をＡ％（Ａ＜１００）にするとき、中断工程（上記ステップ３，８）の継続時間Ｔａ（ステップ３の継続時間とステップ８の継続時間との合計）は、ガス分離操作の負荷が１００％のときのサイクルタイムをＴｂとすると、Ｔａ＝（１００／Ａ）×Ｔｂ−Ｔｂにより算出することができる。

例えば、１００％ロードのサイクルタイムを８０秒とし、酸素取得比率を７０％とすると、上記算出式より、中断工程の継続時間Ｔａは、（１００／７０）×８０−８０＝３４（秒）となる。

上記算出式は、酸素取得比率に応じて、中断工程を含むサイクルタイムが逆比例することを意味する。これは、中断工程の有無に関わらず、ガス分離操作の操作条件を一定に固定することができ、１サイクルあたりの酸素取得量が同一であることから、酸素取得量を減少させる程度に応じてサイクルタイムを延長し、トータルでの貯留タンク４に対する製品酸素ガスの流入量と流出量とを一致させることに起因する。このように、本実施形態では、中断工程の継続時間Ｔａは、酸素取得比率のみの単一因子によって適切に決定することができる。

また、中断工程を含む１サイクルを通じて、吸着塔１Ａ，１Ｂから製品酸素ガスが断続的に導出されるが、貯留タンク４がバッファタンクとして機能することにより、貯留タンク４からは酸素取得比率に応じた一定の流量で製品酸素ガスを取得することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る酸素の分離回収方法を実行するのに使用することができるＰＳＡガス分離装置Ｘ２の概略構成を示している。なお、ＰＳＡガス分離装置Ｘ２において、上記したＰＳＡガス分離装置Ｘ１と同一または類似の部材および部分には、同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。

ＰＳＡガス分離装置Ｘ２は、ルーツブロア２に代えてターボブロア２’を備える点、およびこれにともなって種々の変更が施されている点において、上記したＰＳＡガス分離装置Ｘ１と異なる。

ターボブロア２’は、混合ガスを吸着塔１Ａ，１Ｂに送出するためのものであり、ライン５に設けられている。ターボブロア２’により、吸着工程における塔内の最高圧力は、例えば３０ｋＰａＧ以下程度とされる。

ＰＳＡガス分離装置Ｘ２においては、上記のＰＳＡガス分離装置Ｘ１と異なり、バイパスライン７が設けられていない。その一方、開放端を有する大気放出ライン１８がライン５に接続されている。大気放出ライン１８は、ターボブロア２’から送出された混合ガスの一部を大気中に放出させるためのものであり、ターボブロア２’と吸着塔１Ａ，１Ｂとの間に接続されている。大気放出ライン１８には、開度調整可能な切換弁１９が設けられている。

本発明の第２の実施形態に係る酸素の分離回収方法について、図５および図６を参照して説明する。本実施形態に係るＰＳＡ法によるガス分離において、各吸着塔１Ａ，１Ｂでは、例えば図５に示す操作時間で各工程（ステップ）が行われ、ステップ１〜１０を１サイクルとして、このようなサイクルが繰り返し行われる。図６は、各ステップにおけるＰＳＡガス分離装置Ｘ２のガス流れを模式的に表したものである。

ステップ１においては、切換弁６ａ，１１ｂ，１５ａのみが開状態とされ、吸着塔１Ａについては吸着工程が行われ、吸着塔１Ｂについては脱着工程が行われており、図６（ａ）に示すガス流れ状態とされている。

吸着塔１Ａには、ターボブロア２’によりライン５および分岐ライン５ａを介してガス通過口１ａから混合ガスとしての空気が導入される。吸着塔１Ａでは、吸着剤により窒素が選択的に吸着されて、製品酸素ガスがガス通過口１ｂから導出される。当該製品酸素ガスは、分岐ライン１４ａおよびライン１４を介して貯留タンク４に送出される。貯留タンク４内の製品酸素ガスは、流量調整がなされたうえで取り出され、使用される。なお、ステップ１を含めたすべてのステップ１〜１０において、貯留タンク４から製品酸素ガスが一定流量にて連続的に取得される。

吸着塔１Ｂは、先に脱着工程を行っており（図６（ｊ）に示されるステップ１０参照）、引き続き真空ポンプ３により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着され、塔内のガスがガス通過口１ａを通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは、分岐ライン１０ｂ、ライン１０を介して系外へ排出される。上記ステップ１は、例えば２４秒間継続される。

ステップ２においては、切換弁６ａ，１１ｂ，１５ａ，１７のみが開状態とされ、吸着塔１Ａでは吸着工程が行われ、吸着塔１Ｂでは脱着洗浄工程が行われており、図６（ｂ）に示すガス流れ状態とされている。

吸着塔１Ａでは、ステップ１に引き続き吸着工程が行われ、ガス通過口１ｂから導出された製品酸素ガスが貯留タンク４に送出される。また、ステップ２では、製品酸素ガスの一部がライン１６を介して吸着塔１Ｂに導入される。一方、真空ポンプ３により、吸着塔１Ｂのガス通過口１ａから塔内のガスが引き続き導出され、分岐ライン１０ｂ、ライン１０を介して系外へ排出される。吸着塔１Ａから吸着塔１Ｂに導入される製品酸素ガスは、吸着塔１Ｂ内の吸着剤を効果的に洗浄する。上記ステップ２は、例えば８秒間継続される。

ステップ３においては、切換弁１３，１９のみが開状態とされ、吸着塔１Ａ，１Ｂについては中断工程が行われており、図６（ｃ）に示すガス流れ状態とされている。

ステップ３では、ターボブロア２’の運転は継続しており、吸着塔１Ａ，１Ｂへの混合ガスの供給は遮断される一方、大気放出ライン１８に設けられた切換弁１９は開いている。ここで、切換弁１９は、全開状態にされずに、開度が比較的に小さくなるように調整される。このため、ターボブロア２’から送出される混合ガスは、大気放出ライン１８を介して大気中に一部（少量）が放出される。このとき、ターボブロア２’における吐出圧力は特性上もっとも高くなっている。

ステップ４においては、切換弁１１ａ，１７，１９のみが開状態とされ、吸着塔１Ａ，１Ｂでは均圧工程が行われている。より詳細には、吸着塔１Ａでは減圧工程が行われ、吸着塔１Ｂでは昇圧工程が行われており、図６（ｄ）に示すガス流れ状態とされている。

先のステップ３において吸着塔１Ａの塔内が吸着塔１Ｂの塔内よりも高圧となっていたので、ステップ４では、吸着塔１Ａから製品酸素ガスを多く含むガス（残留製品酸素ガス）がライン１６を介して吸着塔１Ｂに導入される。また、吸着塔１Ａにおいては、減圧により吸着剤から脱着した窒素が、真空ポンプ３によりガス通過口１ａから導出され、分岐ライン１０ａおよびライン１０を介して系外へ排出される。

また、ステップ４では、ターボブロア２’の運転は継続しており、このターボブロア２’から各吸着塔１Ａ，１Ｂに通じる分岐ライン５ａ，５ｂに設けられた切換弁６ａ，６ｂが閉じていることから、吸着塔１Ａ，１Ｂへの混合ガスの供給は遮断される。その一方、大気放出ライン１８に設けられた切換弁１９は開いている。ここで、切換弁１９は、ステップ３のときと同様に、全開状態にされずに、開度が比較的に小さくなるように調整される。このため、ターボブロア２’から送出される混合ガスは、大気放出ライン１８を介して大気中に一部（少量）が放出される。このとき、ステップ３と同様に、ターボブロア２’における吐出圧力は特性上もっとも高くなっている。上記ステップ４は、例えば４秒間継続される。

ステップ５においては、切換弁６ｂ，１１ａのみが開状態とされ、吸着塔１Ａでは脱着工程が行われ、吸着塔１Ｂでは昇圧工程が行われており、図６（ｅ）に示すガス流れ状態とされている。

吸着塔１Ａでは、真空ポンプ３による窒素の減圧脱着が引き続き行われ、塔内のガスが分岐ライン１０ｂおよびライン１０を介して系外へ排出される。吸着塔１Ｂでは、ターボブロア２’によりライン５および分岐ライン５ｂを介してガス通過口１ａから混合ガスが導入される。上記ステップ５は、例えば４秒間継続され、その結果、吸着塔１Ｂは、例えば大気圧(１０１ｋＰａ)まで昇圧される。一方、吸着塔１Ａの脱着はこのステップ５では完了しない。

以降のステップ６〜１０では、図６（ｆ）〜（ｊ）に示したように、ステップ１〜５において吸着塔１Ａについて行った操作を吸着塔１Ｂについて行い、吸着塔１Ｂについて行った操作を吸着塔１Ａについて行う。

本実施形態の酸素の分離回収においては、ＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷が１００％のサイクル中に中断工程（ステップ３および８）が挿入されており、当該中断工程において、各吸着塔１Ａ，１Ｂに対するガスの出入りが遮断されている。そして、上述したように、中断工程においては、吸着塔１Ａ，１Ｂのそれぞれの塔内の圧力はほぼ一定に維持されており、ＰＳＡ法によるガス分離操作は中断する。したがって、中断工程を挿入することによりＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷率を低減する場合においても、ガス分離操作の負荷が１００％のときの最適化された操作条件にてＰＳＡガス分離装置Ｘ２を運転することができ、その結果、単位酸素発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力（電力原単位）の増加を抑制することができる。

また、中断工程（ステップ３および８）と均圧工程（ステップ４および９）では、ターボブロア２’から送出される混合ガスの一部少量が大気放出ライン１８を介して大気中に放出される。ターボブロア２’においては、ガス流量を減少させると消費動力が減少する一方、締め切り運転をした場合には、圧縮熱の発生による蓄熱の問題や、サージング現象と称される機械的振動による破損の虞が生じる。本実施形態では、このようなターボブロア２’の特性を考慮して、大気放出ライン１８に設けられた切換弁１９の開度を調整して、大気中に放出させるガス量を絞っている。中断工程ではまた、真空ポンプ３については大気吸入ライン１２を介して大気を吸入することにより、吐出側と吸入側とがほぼ同圧（大気圧程度）となる。したがって、真空ポンプ３は、アンロード運転（無負荷運転）となっている。このような中断工程におけるターボブロア２’および真空ポンプ３の運転条件は、ＰＳＡ法によるガス分離操作の負荷率を低減する場合において、単位酸素発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力（電力原単位）の増加を適切に抑制するのに資する。

本実施形態において得られる他の利点は、第１の実施形態に係る酸素の分離回収方法について上述したのと同様であるので、その説明を省略する。

上記した第１および第２の実施形態においては、ガス分離操作における混合ガスを送出するためのブロアとして、ルーツブロア２とターボブロア２’とを挙げている。ルーツブロア２は、吸着圧力を４０〜５０ｋＰaＧ程度の比較的高い圧力で操作する場合に好適に使用され、ターボブロア２’は、吸着圧力を３０ｋＰaＧ以下程度の比較的低い圧力で操作する場合に好適に使用される。そして、ルーツブロア２およびターボブロア２’の特性を考慮して、ルーツブロア２を使用する第１の実施形態では、吸着塔１Ａ，１Ｂへの混合ガスの供給が遮断される、中断工程（ステップ３，８）を含むステップ（ステップ２，３，７，８）において、ルーツブロア２から送出された混合ガスを再びルーツブロア２に吸入されるように循環させており、ターボブロア２’を使用する第２の実施形態では、吸着塔１Ａ，１Ｂへの混合ガスの供給が遮断される、中断工程（ステップ３，８）を含むステップ（ステップ３，４，８，９）においてターボブロア２’から送出された混合ガスの一部を大気中に放出させる。

上記第１および第２の実施形態においては、中断工程にてルーツブロア２およびターボブロア２’の運転を継続していたが、これに代えて、中断工程にてルーツブロア２やターボブロア２’の運転を停止してもよい。ただし、ルーツブロア２およびターボブロア２’は、電源のオン−オフによって回転機械の動作が迅速に追従しないので、中断工程においてルーツブロア２やターボブロア２’の運転を停止すると１００％ロード時の適正な操作条件から逸脱する虞があり、かかる点を考慮する必要がある。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、ＰＳＡ法により各吸着塔１Ａ，１Ｂにて繰り返し行われる、複数工程からなるサイクルについては、上記実施形態に限定されず、吸着工程と脱着工程と中断工程とを含むサイクルであれば、適宜変更可能である。

また、本発明に係る目的ガスの分離回収方法は、上記実施形態のような酸素を濃縮分離する酸素ＰＳＡへの適用に限定されず、他のガス成分を目的ガスとするＰＳＡ法によるガス分離に適用してもよい。

次に、本発明の有用性を実施例および比較例により説明する。

〔実施例１〕
本実施例では、図１に示したＰＳＡガス分離装置Ｘ１を用いて、上記第１の実施形態において説明した各工程からなる酸素の分離回収方法により、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から酸素を分離回収した。

吸着塔１Ａ，１Ｂとしては、直径が２，９００ｍｍ、吸着剤充填高さが１，５００ｍｍの円筒型のものを用い、各吸着塔１Ａ，１Ｂには、吸着剤としてＬｉＸ型ゼオライト（商品名：ＮＳＡ−１００，東ソー（株）製）を充填した。ルーツブロア２は吸着圧力（最高圧力）が４０ｋＰaＧ、真空ポンプ３は脱着圧力（最低圧力）が−６７ｋＰaＧとなるようにして、１００％ロードで操作時間が１サイクルを４０秒×２＝８０秒とし、酸素取得量が１００％濃度換算で７９２Ｎｍ³／ｈとなる操作条件に対し、中断工程を１７×２＝３４秒間挿入して１サイクルを１１４秒とするとともに、酸素取得比率が１００％ロード時の７０％となるように貯留タンク４からのガス流量を絞り、図２および図３に示すステップに従ってガス分離操作を行った。

その結果、貯留タンク４から１００％濃度換算で５５５Ｎｍ³／ｈの製品酸素ガスが取得でき、１００％濃度換算の酸素１Ｎｍ³／ｈあたりの消費電力（電力原単位）は０．３９８ｋｗ/Ｎｍ³となった。

〔比較例１〕
本比較例では、上記実施例１に対し、中断工程を有さない１００％ロードの操作条件でガス分離操作を行った結果、酸素取得量が１００％濃度換算で７９２Ｎｍ³／ｈのとき、１００％濃度換算の酸素１Ｎｍ³／ｈあたりの消費電力は０．３５ｋｗ/Ｎｍ³となった。

次に、酸素取得比率が１００％ロード時の７０％（１００％濃度換算で５５５Ｎｍ³／ｈ）となるように貯留タンク４からのガス流量を絞った。その結果、１００％濃度換算の酸素１Ｎｍ³／ｈあたりの消費電力（電力原単位）は０．５０ｋｗ/Ｎｍ³となった。

〔実施例２〕
本実施例では、図４に示したＰＳＡガス分離装置Ｘ２を用いて、上記第２の実施形態において説明した各工程からなる酸素の分離回収方法により、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から酸素を分離回収した。

吸着塔１Ａ，１Ｂとしては、直径が２，９００ｍｍ、吸着剤充填高さが１，５００ｍｍの円筒型のものを用い、各吸着塔１Ａ，１Ｂには、吸着剤としてＬｉＸ型ゼオライト（商品名：ＮＳＡ−１００，東ソー（株）製）を充填した。ターボブロア２’は吸着圧力（最高圧力）が２０ｋＰaＧ、真空ポンプ３は脱着圧力（最低圧力）が−６９ｋＰaＧとなるようにして、１００％ロードで操作時間が１サイクルを４０秒×２＝８０秒とし、酸素取得量が１００％濃度換算で６５２Ｎｍ³／ｈとなる操作条件に対し、中断工程を１７×２＝３４秒間挿入して１サイクルを１１４秒とするとともに、酸素取得比率が１００％ロード時の７０％となるように貯留タンク４からのガス流量を絞り、図５および図６に示すステップに従ってガス分離操作を行った。

その結果、貯留タンク４から１００％濃度換算で４５６Ｎｍ³／ｈの製品酸素ガスが取得でき、１００％濃度換算の酸素１Ｎｍ³／ｈあたりの消費電力（電力原単位）は０．３７１ｋｗ/Ｎｍ³となった。

〔比較例２〕
本比較例では、上記実施例２に対し、中断工程を有さない１００％ロードの操作条件でガス分離操作を行った結果、酸素取得量が１００％濃度換算で６５２Ｎｍ³／ｈのとき、１００％濃度換算の酸素１Ｎｍ³／ｈあたりの消費電力は０．３５ｋｗ/Ｎｍ³となった。

次に、酸素取得比率が１００％ロード時の７０％（１００％濃度換算で４５６Ｎｍ³／ｈ）となるように貯留タンク４からのガス流量を絞った。その結果、１００％濃度換算の酸素１Ｎｍ³／ｈあたりの消費電力（電力原単位）は０．５０ｋｗ/Ｎｍ³となった。

上記の実施例１および比較例１並びに実施例２および比較例２を、それぞれ比較すると理解できるように、酸素取得比率を１００％ロード時の７０％に低下させる場合、中断工程を挿入する実施例１，２においては、電力原単位の増加を大幅に抑制することができた。

Ｘ１，Ｘ２ＰＳＡガス分離装置
１Ａ，１Ｂ吸着塔
１ａ，１ｂガス通過口
２ルーツブロア（ブロア）
２’ ターボブロア（ブロア）
３真空ポンプ
４貯留タンク
５，１０，１４，１６ライン
５ａ，５ｂ，１０ａ，１０ｂ，１４ａ，１４ｂ分岐ライン
６ａ，６ｂ，８，１１ａ，１１ｂ，１３，１５ａ，１５ｂ，１９切換弁
７バイパスライン
９クーラ
１２大気吸入ライン
１８大気放出ライン

Claims

目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、上記不要ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された２つの吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記目的ガスが富化された製品ガスを分離回収する方法であって、
ブロアにより上記吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の上記不要ガスを上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から上記製品ガスを導出して当該製品ガスを貯留するための貯留タンクへ送り出す吸着工程と、真空ポンプにより上記吸着塔を減圧して上記吸着剤から上記不要ガスを脱着させ、当該吸着塔からガスを導出する脱着工程と、上記各吸着塔に対するガスの出入りを遮断する中断工程とを含むサイクルを上記各吸着塔で繰り返し行い、当該サイクルを通じて上記貯留タンクから上記製品ガスを連続的に取得し、
上記中断工程では、上記ブロアについては、当該ブロアの運転を継続しつつ当該ブロアを経た上記混合ガスを上記ブロアに流入するように循環させるか、または上記ブロアを経た上記混合ガスを大気中に放出し、上記真空ポンプについては、当該真空ポンプの運転を継続しつつ、当該真空ポンプにより大気を吸入するようにし、
上記中断工程は、吸着工程後の一方の吸着塔を減圧して生じるガスを脱着工程後の他方の吸着塔に導入して脱着洗浄を行うステップ後であって、上記一方の吸着塔をさらに減圧して生じるガスを前記他方の吸着塔に導入して昇圧を行う均圧ステップの前に挿入し、中断工程の前に脱着洗浄を受けた上記他方の吸着塔に接続されていた上記真空ポンプを中断工程の後においては上記均圧ステップで減圧を受けた上記一方の吸着塔に接続するように切り替える、目的ガスの分離回収方法。
上記目的ガスは酸素であり、上記不要ガスは窒素である、請求項１に記載の目的ガスの分離回収方法。
上記サイクルにおける上記中断工程の継続時間Ｔａの算出は、上記中断工程を有さない、ガス分離操作の負荷が１００％のときのサイクルタイムをＴｂ、ガス分離操作の負荷が１００％のときの上記目的ガスの取得量に対する上記目的ガスの取得比率をＡ％とした場合に、計算式Ｔａ＝（１００／Ａ）×Ｔｂ−Ｔｂにより行う、請求項１または２に記載の目的ガスの分離回収方法。