JP4828784B2 - 亜酸化窒素除去方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料ガス流から亜酸化窒素を除供するための方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
空気の低温(cryogenic)精製では、高沸点の有害物質を除去するための予備精製工程が必要である。主な高沸点空気成分には水と二酸化炭素が含まれる。周囲空気からこれらの不純物が除去されなければ、水と二酸化炭素は分離装置のうちの低温の区域で(例えば熱交換器や液体酸素溜まりにおいて)凍結して圧力損失と流動及び運転上の問題を引き起こす。アセチレンとその他の炭化水素が含まれる種々の有害物質も除去が必要とされる。高沸点炭化水素は、分離装置の液体酸素部で濃縮して潜在的に爆発性の危険を引き起こす要因となるので、問題となる。
【0003】
空気の予備精製において最近になって重要と認識されている少量の空気成分が亜酸化窒素である。亜酸化窒素は周囲空気中に約0.3ppmの濃度で存在する。亜酸化窒素の特性は二酸化炭素と同様であり、それゆえ分離装置の塔と熱交換器での固形物の生成の結果として潜在的な運転上の問題を提起する。その上、亜酸化窒素は、有機物質の燃焼を助長することが知られ、且つ衝撃に敏感であるので、安全上の問題を提起する。従って、低温での蒸留の前に周囲空気から微量の亜酸化窒素を除去することには重大な産業上の関心が寄せられている。
【0004】
大気中の亜酸化窒素濃度は、下水処理工場の排気ガス及び燃焼機関や火力発電所の触媒の結果として、1年当たり約0.2〜0.3%着実に増加している。その上、ガス製品(例えば希ガス類や酸素)の要求純度が上昇するにつれ、亜酸化窒素に対する注目が増加している。空気分離装置において注目されそして二酸化炭素のせいにされているこれまでの多くの固形物生成の問題は、亜酸化窒素のせいであったかもしれない。
【0005】
空気を予備精製する現行の技術は、熱スイング吸着(TSA)法(例えば米国特許第4541851号明細書及び米国特許第5137548号明細書に開示される)と圧力スイング吸着(PSA)法(例えば米国特許第5232474号明細書に開示される)を包含する吸着処理からなる。一般に、そのような装置は水と二酸化炭素の全体の除去用に設計される。最近の刊行物(Wenning, MUST meeting, 1996)では空気分離プラントにおける亜酸化窒素の問題に焦点が当てられた。
【0006】
Wenningは、5A等のようなゼオライトを使用する従来のTSAプロセスでは亜酸化窒素は二酸化炭素ほど強くは吸着されないことを教示している。これは、亜酸化窒素が二酸化炭素よりも先に破過することに通じる。亜酸化窒素はその後装置の低温部分に入る。本願発明者らは、全部がアルミナのPSAプロセスは入口の空気中亜酸化窒素濃度の約30%を除去することを示した。TSA又はPSAプロセスで用いられるアルミナとゼオライトの混合床は、非混合床よりも亜酸化窒素の破過が多いという結果になることが知られている。
【0007】
亜酸化窒素を窒素と酸素に変える触媒が入手可能である(Wenning)が、これらの触媒は高温で機能し、そしてそれは望ましいものでない。
【0008】
米国特許第5919286号明細書には、亜酸化窒素の除去のためにPSA床の製品端部側でゼオライトの層を使用することが教示されている。米国特許第6106593号明細書には、3層のTSA吸着剤床が教示されていて、最終の吸着剤床で亜酸化窒素を除去している。この吸着剤は亜酸化窒素に対する最小限の吸着容量によって定義され、CaXのような吸着剤を包含する。
【0009】
米国特許第6273939号明細書には、低温蒸留の前に空気から亜酸化窒素を除去するのにホージャサイトタイプのゼオライト、とりわけカルシウム交換したX又はLSXゼオライト、を使用することが教示されている。吸着剤は大きさのみにより定義されている。
【0010】
ヨーロッパ特許出願公開第1064978号明細書には、低温蒸留前に空気から二酸化炭素、亜酸化窒素及び有機の不純物を除去するのにバリウム交換したゼオライトを使用することが教示されている。13Xゼオライトが使用され、それは二酸化炭素の破過より先に大量の亜酸化窒素の破過を示すと述べられている。
【0011】
ヨーロッパ特許出願公開第1092465号明細書には、低温蒸留前に空気から亜酸化窒素と炭化水素類を吸着除去するのにケイ素対アルミニウム比を規定されたXタイプのゼオライトを使用することが開示されている。Ceca社からの1.6×2.5mmのビーズのSiliporite G586が使用されている。
【0012】
これらの文献では、空気から亜酸化窒素を除去するのに有用な吸着剤はそれらの組成か又は平衡選択性により特定されている。
【0013】
【特許文献1】
米国特許第4541851号明細書
【特許文献2】
米国特許第5137548号明細書
【特許文献3】
米国特許第5232474号明細書
【特許文献4】
米国特許第5919286号明細書
【特許文献5】
米国特許第6106593号明細書
【特許文献6】
米国特許第6273939号明細書
【特許文献7】
ヨーロッパ特許出願公開第1064978号明細書
【特許文献8】
ヨーロッパ特許出願公開第1092465号明細書
【非特許文献1】
Wenning, MUST meeting, 1996
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、原料ガス流から亜酸化窒素を除供するための新しい方法と装置を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
第一の側面において、本発明は、原料ガス流から水、二酸化炭素及び亜酸化窒素を除去するための方法を提供するものであり、この方法は原料ガス流を、水を吸着するための第一の吸着剤、二酸化炭素を吸着するための第二の吸着剤、及び亜酸化窒素を吸着するための第三の吸着剤を通過させて、精製した原料ガス流を作ることを含み、第三の吸着剤は、30℃で79mmol/g/atm以上の亜酸化窒素容量及び0.12sec-1以上の窒素拡散パラメーターを有し、そして第一、第二及び第三の吸着剤は随意に同じ物質であってもよい。
【0016】
好ましくは、第三の吸着剤の窒素拡散パラメーターは0.15sec-1以上である。
【0017】
随意に、第二及び第三の吸着剤は同じ物質であり、且つ第一の吸着剤とは異なる。
【0018】
好ましくは、原料ガスは空気である。
【0019】
好ましくは、この方法は更に、精製した原料ガス流を低温蒸留して窒素に富む流れ及び/又は酸素に富む流れを分離することを含む。
【0020】
好ましくは、吸着剤は熱スイング吸着により再生される。吸着剤は好ましくは、50〜400℃の温度で及び/又は0.1〜20atm(約0.01〜2MPa)の圧力で再生される。好ましくは、吸着剤を再生するときに酸素、窒素、メタン、水素、アルゴン又はそれらの2種以上のものの混合物に吸着剤を通過させる。
【0021】
好ましくは、原料ガス流は0〜50℃の温度及び/又は3〜20atm(約0.3〜2MPa)の圧力にある。
【0022】
第一の吸着剤はアルミナ、シリカゲル、含浸アルミナ(impregnated alumina)、ゼオライトA及びゼオライトXから選ぶことができ、第二の吸着剤は含浸アルミナ、含浸複合アルミナ/ゼオライト、ゼオライトA及びゼオライトXから選ぶことができる。
【0023】
第二の側面において、本発明は、原料ガス流から水、二酸化炭素及び亜酸化窒素を除去するための装置に関するものであり、この装置は、流体について直列の関係でもって、水を吸着するための第一の吸着剤、二酸化炭素を除去するための第二の吸着剤、及び亜酸化窒素を除去するための第三の吸着剤を含み、第三の吸着剤は、30℃で79mmol/g/atm以上の亜酸化窒素容量及び0.12sec-1以上の窒素拡散パラメーターを有し、そして第一、第二及び第三の吸着剤は随意に同じ物質であってもよい。
【0024】
この装置は好ましくは更に、流体について直列の関係でもって、低温空気分離装置を含む。
【0025】
第三の側面において、本発明は、原料ガス流から亜酸化窒素を除去するための方法に関するものであり、この方法は、原料ガス流を、30℃で79mmol/g/atm以上の亜酸化窒素容量及び0.12sec-1以上の窒素拡散パラメーターを有する吸着剤を通過させることを含む。
【0026】
【発明の実施の形態】
実例でもって本発明を説明する.
【0027】
(例1)
NaXとCaXの試料について、25℃、100psig(ゲージ圧で690kPa)での二酸化炭素の破過曲線を、400ppmの二酸化炭素を含む空気の原料ガスで測定した。原料の断面流量は30ポンドモル/h/ft2(146kgモル/h/m2)であった。データは、直径1インチ(2.54cm)、長さ6フィート(1.83m)の塔において得た。実験の前に、ゼオライトを200℃の流動窒素でもって再生した。二酸化炭素容量と物質移動帯域の結果を下記の表に提示する。
【0028】
【表1】
【0029】
表中のデータは意外な結果を示している。Xゼオライト中のナトリウムをカルシウムと交換すると、予想されるように二酸化炭素容量が増大する。ところが、意外な結果というのは、カルシウム交換の結果として二酸化炭素物質移動帯域が有意に増加することである。一般には、吸着剤の容量が増大するにつれ、不純物除去のための物質移動帯域は減少する。これは、向上した容量のより大きな推進力が物質移動帯域を縮小させるからである。表の結果は、容量がより大きなCaXが向上した推進力にもかかわらずより長い物質移動帯域をも示しているので、意外なものである。
【0030】
亜酸化窒素と二酸化炭素を吸着するのにCaXを用いようとすると、二酸化炭素についての相対的に長い物質移動帯域は、これらのガスが早いうちに破過するのを防ぐために、亜酸化窒素についての容量が大きく且つ物質移動帯域が短い形態の吸着剤を用いるのを重要なものにする。
【0031】
(例2)
ガスの吸着速度を異にするCaX物質について、25℃、100psig(ゲージ圧で690kPa)での二酸化炭素と亜酸化窒素の破過曲線を、400ppmの二酸化炭素と5ppmの亜酸化窒素を含有する原料ガス又は空気で測定した。原料のG流量は30ポンドモル/h/ft2(146kgモル/h/m2)であった。データは、直径1インチ(2.54cm)、長さ6フィート(1.83m)の塔において得た。実験の前に、ゼオライトを200℃の流動窒素でもって再生した。
【0032】
試験した全てのCaX物質は、亜酸化窒素容量が同様であったが、それらの物質移動速度は粒子寸法と粒子形状を変えることにより変更した。各試料の窒素吸着速度を、体積吸着試験を行い吸着速度曲線(平衡に対する分率対時間曲線)をフィックの法則に対しフィッティングして求めた。この手法は“Principles of Adsorption and Adsorption Processes”, 1984, Chapter 6, D. Ruthven, John Wiley & Sonsに記載されている。
【0033】
破過試験の結果を次の表に示す。
【0034】
【表2】
【0035】
これらの結果は、4つの全てのCaX試料は平衡特性が本質的に同じではあるが、物質移動速度がより大きいCaX物質が向上した亜酸化窒素容量を示す、ということを示している。
【0036】
先に検討した既知の方法で使用される吸着剤の窒素拡散パラメーターも測定した。UOP社のAPGB 8×12(ヨーロッパ特許出願公開第1064978号明細書)のD/r2の値は0.19sec-1であった。1/16インチ(1.6mm)のUOP社の13X(米国特許第5919286号明細書)のD/r2の値は1.1sec-1であった。しかし、これらの類似の物質の平衡亜酸化窒素吸着特性は所望のものでなく、UOP社の13Xの亜酸化窒素吸着容量は71mmol/g/atmである。Ceca社からの1.6×2.5mmのSiliporite G586(ヨーロッパ特許出願公開第1092465号明細書)のD/r2値は0.10〜0.14sec-1の範囲であった。
【0037】
米国特許第6273939号明細書、同第4933158号明細書及び同第6106593号明細書に開示された吸着剤は、物質(材料)と寸法のみにより定義されている。上記の表のCaX2とCaX4の結果を比較することにより示されるように、同じ物質と寸法の吸着剤が窒素拡散パラメーターを異にすることがあり、従ってこれらの方法で使用される吸着剤はそれらの窒素拡散パラメーターを確定するのに十分明確にされてはいない。CaX4のマクロ細孔の直径はCaX2より小さいと予測される。
【0038】
図1は、TSA出口で二酸化炭素が1ppmのときの窒素拡散パラメーターを亜酸化窒素除去率に対してプロットしたものである。この結果は、0.15sec-1以上のD/r2値が得られれば、適当な能力のCaXが原料空気中の本質的に全ての亜酸化窒素を除去できる、ということを示している。
【0039】
(例3)
図2に示したように、精製しようとする空気を入口12から主空気圧縮装置10へ供給し、そこで水との熱交換により中間冷却及び後段冷却しながら多段圧縮機により圧縮する。随意に、圧縮した原料空気を冷却器8で過冷却する。冷却した圧縮空気を入口制御弁16及び18を有する入口マニホールド14へ供給する。このマニホールドには吸着剤床を収容した一対の容器20及び22が接続される。入口マニホールドは制御弁16及び18の下流で、ベント(排気)用の弁26、28を含むベント用マニホールド24によって橋渡しされ、これらの弁は開閉によりそれぞれの吸着剤容器20及び22の上流端側と排出口30とをサイレンサー32を通して連絡する働きをする。2つの吸着剤床20及び22のおのおのには2種類の吸着剤が収容される。それぞれの床で、吸着剤床の下部は符号34、34’により示され、上部は符号36、36’により示されている。下部34、34’には水を吸着するための第一の吸着剤(例えばアルミナ)が収容され、上部36、36’には二酸化炭素と亜酸化窒素を吸着するための第二の吸着剤(例えばCaX2、例2)が収容される。
【0040】
別の態様では、各吸着剤床20、22に単一の吸着剤を収容してもよく、あるいは別個の3種類の吸着剤を収容してもよい。吸着剤は層をなして配置することができ、例えば吸着剤を半径方向で層状にしてもよい。所望ならば容器20及び22をおのおの、直列に配列したより小さな容器に分けることができ、上記の吸着剤の「層」というのは、別個の吸着剤を直列に配置した別々の容器に入れる配列構成を包含する、ということを理解すべきである。
【0041】
この装置には、2つの吸着剤容器20、22の下流の端部に出口制御弁42、44を含む出口マニホールド40によって接続される出口38がある。この出口は空気分離装置(ASU)に接続される。出口マニホールド40は、再生用ガスの制御弁48及び50を含む再生用ガスマニホールド46により橋渡しされる。再生用ガスマニホールド46の上流で、制御弁54を含む管路52がやはり出口マニホールド40を橋渡ししている。
【0042】
再生用ガスの入口は56に設けられ、そしてそれは制御弁58を通り、加熱器62を通り抜けて、再生用ガスマニホールド46に接続される。
【0043】
各弁の動作は、当該技術分野において知られており、図示しない、プログラム可能である適当な時間調整及び弁開放手段により制御してもよい。
【0044】
運転の際には、空気を主圧縮装置10で圧縮し、入口マニホールド14へ供給して吸着剤を収容している2つの容器のうちの一方を通過させる。空気を開放の弁16を通して吸着剤容器20へ送り、そして開放の弁42を通して出口38及び空気分離装置へ送る状態から開始するなら、入口マニホールドの弁18は精製用の空気の供給から容器22を遮断するため閉じたばかりである。弁44も閉じたところである。この段階では、弁48、50、54、26及び28は全て閉じている。従って、床20は稼動しており、床22は再生しようとするものである。
【0045】
床22の圧抜きを開始するために、弁28を開き、そして容器22の圧力が所望のレベルまで下がったなら、弁28を開いたままにし、その一方で弁50を開放して再生用ガスの流れを開始させる。再生用ガスは、一般には、ここに示した装置で精製した空気が送られる空気分離装置のコールドボックスから得られる、CO2を含まない乾燥した窒素の流れであって、場合により少量のアルゴン、酸素及びその他のガスを含有していることがある。再生用ガスを容器22へ送る前に例えば100℃の温度まで加熱するよう、弁58を開ける。排出パージガスは冷却された状態で排出口30から出てゆく。
【0046】
割り当てられた再生時間の終わりに、弁58を閉じて再生用ガスの流れを終了させることができ、弁54を開けて吸着剤から窒素を置換し、そして弁28の閉鎖後に、精製した空気で容器22を再昇圧することができる。その後、弁54を閉じることができ、そして弁18と44を開けて容器22を稼動状態に戻すことができる。次いで容器20を同じようにして再生し、反復工程の運転でもって全シーケンスを継続して、容器を稼動状態にし、圧抜きし、再生し、再昇圧し、そして稼動状態に戻すことができる。
【0047】
本発明を好ましい態様を参照して説明したとは言え、本発明の範囲内でその多くの変更や改変が可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】TSAの出口において1ppmの二酸化炭素の窒素拡散パラメーターを亜酸化窒素除去率に対してプロットしたグラフである。
【図2】本発明の好ましい態様で使用する装置の概要図である。
【符号の説明】
8…冷却器
10…主空気圧縮装置
12…空気入口
20、22…吸着剤容器
30…排出口
32…サイレンサー
38…出口
56…再生用ガス入口
Claims (14)
- 原料ガス流から水、二酸化炭素及び亜酸化窒素を除去するための熱スイング吸着方法であり、原料ガス流を、水を吸着するための第一の吸着剤、二酸化炭素を吸着するための第二の吸着剤、及び亜酸化窒素を吸着するための第三の吸着剤を通過させて、精製した原料ガス流を作ることを含む方法であって、第三の吸着剤が30℃で79mmol/g/atm以上の亜酸化窒素容量及び0.15sec-1以上の窒素拡散パラメーターを有するカルシウム交換ゼオライトであり、そして第一、第二及び第三の吸着剤は同じ物質であることができる、熱スイング吸着方法。
- 第二及び第三の吸着剤が同じ物質であり、且つ第一の吸着剤とは異なる、請求項1記載の方法。
- 前記原料ガスが空気である、請求項1記載の方法。
- 前記精製した原料ガス流を低温蒸留して窒素に富む流れ及び/又は酸素に富む流れを分離することを更に含む、請求項3記載の方法。
- 前記原料ガス流が0〜50℃の温度にある、請求項1記載の方法。
- 前記原料ガス流が3〜20atm(0.3〜2MPa)の圧力にある、請求項1記載の方法。
- 前記吸着剤を50〜400℃の温度で再生する、請求項1記載の方法。
- 前記吸着剤を0.1〜20atm(0.01〜2MPa)の圧力で再生する、請求項1記載の方法。
- 前記吸着剤を再生するときに酸素、窒素、メタン、水素、アルゴン又はそれらの2種以上のものの混合物に吸着剤を通過させる、請求項1記載の方法。
- 第一の吸着剤をアルミナ、シリカゲル、含浸アルミナ、ゼオライトA及びゼオライトXから選ぶ、請求項1記載の方法。
- 第二の吸着剤を含浸アルミナ、含浸複合アルミナ/ゼオライト、ゼオライトA及びゼオライトXから選ぶ、請求項1記載の方法。
- 原料ガス流から水、二酸化炭素及び亜酸化窒素を除去するための熱スイング吸着装置であり、流体について直列の関係でもって、水を吸着するための第一の吸着剤、二酸化炭素を除去するための第二の吸着剤、及び亜酸化窒素を除去するための第三の吸着剤を含む装置であって、第三の吸着剤が30℃で79mmol/g/atm以上の亜酸化窒素容量及び0.15sec-1以上の窒素拡散パラメーターを有するカルシウム交換ゼオライトであり、そして第一、第二及び第三の吸着剤は同じ物質であってもよい、熱スイング吸着装置。
- 当該装置の後に、流体について直列の関係でもって、低温空気分離装置を更に含む、請求項12記載の装置。
- 熱スイング吸着法を利用して原料ガス流から亜酸化窒素を除去するための方法であって、原料ガス流を、30℃で79mmol/g/atm以上の亜酸化窒素容量及び0.15sec-1以上の窒素拡散パラメーターを有するカルシウム交換ゼオライト吸着剤を通過させることを含む亜酸化窒素除去方法。
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