JP6092274B2 - 酸素分離方法及び設備 - Google Patents

Description

本発明は、圧力スイング吸着法を利用して、空気から酸素を分離するための酸素分離方法及び設備に関する。

酸素は製鉄業において重要な素材であり、国内の酸素需要の約３割を占める。鉄鉱石から粗鋼を製造する際には１トン当たり１２０Ｎｍ^３程度の酸素が使用されており、また、昨今のさらなる省エネルギーの必要性から、空気ではなく酸素或いは酸素富化空気を利用した燃焼を指向する傾向が高まっている。このため、酸素の製造コストの低減は産業界における重要課題の一つとも言える。

酸素は空気を原料としたガス分離法によって製造されるのが一般的であり、製鉄所のように大量に酸素を必要とする場合には、酸素の製造に深冷分離法が用いられている。酸素製造の原単位としては、現状では深冷分離法が有利であるが、この方法は、空気を液化して酸素と窒素の沸点差を利用して酸素を分離することから設備規模が大きくなりやすい。このため、原単位では劣るものの、設備がコンパクト化し易い圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）や膜分離法も利用されている。

酸素製造（分離）原単位の削減のために、これまでも多くの試みがなされてきており、特にＰＳＡ法に使用する吸着材や膜材料の提案がなされてきた。吸着材では、リチウムを置換又は担持したゼオライトが窒素に対する吸着性が高いことから、空気から窒素を分離して酸素を得るＰＳＡ装置に実用化されている。また、膜材料では、ポリエチレンテレフタル酸樹脂膜を化学的修飾して酸素透過性を高めた機能性高分子膜が開発され、実用化されている。

また、最近では、ペロブスカイトと呼ばれる無機化合物を吸着材や膜材料として使用する提案がなされている。ペロブスカイトとは一種類の化合物名ではなく、特徴的な結晶構造を有する様々な化合物の総称であり、一般的な表現はＡＢＯ_ｘである。通常、ＡおよびＢの元素に限定はないが、特に酸素の分離に使用されるものは、Ａは第２族、第３族およびランタノイドに属する元素（Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａなど）であり、Ｂは第７族から第９族に属する元素（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏなど）であり、それぞれ１種類の元素であっても、複数種類の元素であってもよい。ペロブスカイトは、温度あるいは酸素分圧の変化により結晶構造が変化し、構造中のＯの数（ｘ）が変わることで酸素を吸収、放出するのが特徴である。この性質を利用したガス分離方法として、圧力スイング吸着法や温度スイング吸着法が提案されている。

特開２００５−０９７９４１号公報 特開２００８−０１２４３９号公報 特開２０１０−０１２３６７号公報

従来の圧力スイング吸着法では、ガス分離工程として、空気を導入して吸着材に酸素を吸着させる「吸着工程」と、吸着材から真空ポンプ等の排気手段を使って酸素を脱着させる「脱着工程」が最低限必要であるが、一般に吸着工程と脱着工程のみでは分離されるガスの酸素濃度を９５vol％以上とすることは難しい。酸素濃度をさらに高めるには、吸着塔内の酸素濃度を高めるための「パージ」と呼ばれる工程が必要となり、このため設備の構造（配管や切り替えのための弁など）が複雑になるという問題がある。

したがって本発明の目的は、ＰＳＡ法を用いた吸着分離においてパージ工程を行うことなく、空気から酸素を効率的に分離し、高濃度の酸素を得ることができる酸素分離方法及び設備を提供することにある。

本発明者らは、上記のような従来技術の課題を解決すべく検討を重ねた結果、空気からの酸素の分離を二段階で行うこと、具体的には、一段目では酸素の吸着材が充填された吸着塔に空気を導入してＰＳＡを行い、二段目では、一段目の吸着塔から脱着された酸素濃縮ガスを、窒素の吸着材が充填された吸着塔に導入してＰＳＡを行うことより、ＰＳＡにおいてパージ工程を行うことなく、空気から酸素を効率的に分離し、高濃度の酸素ガスが得られることを見出した。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（１）に空気を導入し、ガス吸着を行う工程（Ａ）と、
工程（Ａ）で吸着塔（１）に吸着されたガス（ｇ_１）を脱着する工程（Ｂ）と、
工程（Ｂ）で脱着されたガス（ｇ_１）を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（２）に導入し、ガス吸着を行う工程（Ｃ）と、
工程（Ｃ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ_２）を高酸素濃度ガスとして回収する工程（Ｄ）を有することを特徴とする酸素分離方法。

［2］上記［1］の酸素分離方法において、工程（Ａ）のために吸着塔（１）に導入される前の空気と、工程（Ａ）で吸着塔（１）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ_３）を熱交換し、ガス（ｇ_３）の顕熱で前記空気を昇温させることを特徴とする酸素分離方法。
［3］上記［1］又は［2］の酸素分離方法において、工程（Ｃ）で吸着塔（２）に吸着された後、脱着されたガス（ｇ_４）を、工程（Ａ）のために吸着塔（１）に導入される前の空気に混合することを特徴とする酸素分離方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの酸素分離方法において、２基の吸着塔（１）で工程（Ａ）と工程（Ｂ）を交互に行う酸素分離方法であって、一方の吸着塔（１）の工程（Ｂ）で脱着されたガス（ｇ_１）と、工程（Ａ）のために他方の吸着塔（１）に導入される前の空気を熱交換し、ガス（ｇ_１）の顕熱で前記空気を昇温させることを特徴とする酸素分離方法。

［5］酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（１）を備えた圧力スイング吸着装置（１０）と、
吸着塔（１）に空気を供給する送風手段（４）と、
吸着塔（１）に吸着されたガス（ｇ_１）を脱着時に排気する排気手段（５）と、
窒素を主として吸着する吸着材が充填され、排気手段（５）により吸着塔（１）から排気されたガス（ｇ_１）が供給される吸着塔（２）を備えた圧力スイング吸着装置（２０）を備え、
吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ_２）が高酸素濃度ガスとして回収されるようにしたことを特徴とする酸素分離設備。

［6］上記［5］の酸素分離設備において、さらに、吸着塔（１）に導入される前の空気と、吸着塔（１）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ_３）を熱交換する熱交換器（２４）を備えることを特徴とする酸素分離設備。
［7］上記［5］又は［6］の酸素分離設備において、吸着塔（２）に吸着された後、脱着されたガス（ｇ_４）の排気管（１７）を、送風手段（４）が設けられた空気供給管（８）であって、送風手段（４）の上流側の管部位置に接続したことを特徴とする酸素分離設備。
［8］上記［5］〜［7］のいずれかの酸素設備において、吸着工程と脱着工程を交互に行う２基の吸着塔（１）を備えた酸素分離設備であって、さらに、一方の吸着塔（１）から脱着されたガス（ｇ_１）と、他方の吸着塔（１）に導入される前の空気を熱交換する熱交換器（２５）を備えることを特徴とする酸素分離設備。

［9］上記［8］の酸素設備において、圧力スイング吸着装置（１０）は、２基の吸着塔（１ａ），（１ｂ）と、これら吸着塔（１ａ），（１ｂ）で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、該配管系に送風手段（４）と排気手段（５）が設けられ、
圧力スイング吸着装置（２０）は、２基の吸着塔（２ａ），（２ｂ）と、これら吸着塔（２ａ），（２ｂ）で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備えることを特徴とする酸素分離設備。

本発明によれば、空気からの酸素の分離を二段階で行い、一段目では酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔に空気を導入してＰＳＡを行い、二段目では、一段目の吸着塔から脱着された酸素濃縮ガスを、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔に導入してＰＳＡを行うことより、ＰＳＡおいてパージ工程を行うことなく、空気から酸素を効率的に分離し、高濃度の酸素ガスを得ることができる。
また、ＰＳＡにより酸素を吸着する一段目の吸着塔に導入する前の空気を、当該吸着塔から排気された高温の脱着ガスや非吸着ガスとの熱交換で昇温させる方法の場合には、ＰＳＡにより酸素を吸着する吸着塔から排気されるガスによる熱ロスを小さくすることができる。
さらに、二段目の吸着塔から脱着されたガスを原料の空気に混合し、原料の一部として用いる方法の場合には、酸素の回収率をより高めることができる。

本発明の酸素分離設備の一実施形態を示す構成図 本発明の酸素分離方法の一実施形態（図１の酸素分離設備を用いた実施形態）において、吸着塔１ａと吸着塔２ａが吸着工程、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図 本発明の酸素分離方法の一実施形態（図１の酸素分離設備を用いた実施形態）において、吸着塔１ａと吸着塔２ａが脱着工程、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図 本発明の酸素分離設備の他の実施形態を示す構成図 本発明の酸素分離方法の他の実施形態（図４の酸素分離設備を用いた実施形態）において、吸着塔１ａと吸着塔２ａが吸着工程、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図 本発明の酸素分離方法の他の実施形態（図４の酸素分離設備を用いた実施形態）において、吸着塔１ａと吸着塔２ａが脱着工程、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図

本発明の酸素分離方法は、空気から酸素を分離するための方法であり、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔１に空気を導入し、ガス吸着を行う工程Ａと、この工程Ａで吸着塔１に吸着されたガスｇ_１を脱着する工程Ｂと、この工程Ｂで脱着されたガスｇ_１を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔２に導入し、ガス吸着を行う工程Ｃと、この工程Ｃで吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ_２を高酸素濃度ガスとして回収する工程Ｄを有する。この酸素分離方法は、一段目の工程Ａと二段目の工程Ｃでガス分離を行うことにより高酸素濃度ガスを得るものであり、このため、工程Ａ（吸着工程）と工程Ｂ（脱着工程）間でパージ工程は行わない。

また、この酸素分離方法の実施に供する酸素分離設備は、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔１を備えた圧力スイング吸着装置１０と、吸着塔１に空気を供給する送風手段４と、吸着塔１に吸着されたガスｇ_１を脱着時に排気する排気手段５と、窒素を主として吸着する吸着材が充填され、排気手段５により吸着塔１から排気されたガスｇ_１が供給される吸着塔２を備えた圧力スイング吸着装置２０を備え、吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ_２が高酸素濃度ガスとして回収されるようにしたものである。この酸素分離設備のガス分離手段は、一段目の圧力スイング吸着装置１０と二段目の圧力スイング吸着装置２０からなるが、上記のように吸着工程と脱着工程間でパージ工程は行わないため、この酸素分離設備は、パージ工程を行うための設備構成は備えない。

図１は、本発明の酸素分離設備の一実施形態を示すものである。
本実施形態では、圧力スイング吸着装置１０（以下、「ＰＳＡ装置１０」という）が２基の吸着塔１ａ，１ｂを備え、また、圧力スイング吸着装置２０（以下、「ＰＳＡ装置２０」という）も２基の吸着塔２ａ，２ｂを備えている。
ＰＳＡ装置１０が備える２基の吸着塔１ａ，１ｂは、それぞれ吸着塔を５００〜６００℃程度まで加熱するための加熱手段７を備えている。この加熱手段７は、吸着塔を外囲するように設置される電熱ヒーター等で構成される。

吸着塔１ａ，１ｂに充填される酸素を主として吸着する吸着材とは、空気を通したときに酸素の吸着容量が窒素の吸着容量に較べて大きい吸着材である。この吸着材は、酸素を主として吸着できるものであれば、その種類に特別な制限はないが、吸着性能の面からはペロブスカイト型吸着材が望ましい。先に述べたように、ペロブスカイトの構造の一般的な表現はＡＢＯ_ｘである。このＡおよびＢの元素に限定はないが、特に本発明のように酸素の分離に使用するものは、Ａは第２族、第３族およびランタノイドに属する元素（Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａなど）であり、Ｂは第７族から第９族に属する元素（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏなど）であり、それぞれ、それらの中から選ばれる１種類の元素であっても、複数種類の元素であってもよい。ペロブスカイトは、温度あるいは酸素分圧の変化により結晶構造が変化し、構造中のＯの数（ｘ）が変わることで酸素を吸収、放出する。ペロブスカイト型吸着材としては、例えば、ＳｒＦｅＯ_ｘ、ＢａＦｅＯ_ｘ、ＳｒＮｉＯ_ｘ、ＳｒＣｏＯ_ｘや、特開２００５−８７９４１号公報、特開２００８−１２４３９号公報に示されるものなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

また、吸着塔２ａ，２ｂに充填される窒素を主として吸着する吸着材とは、空気を通したときに窒素の吸着容量が酸素の吸着容量に較べて大きい吸着材である。この吸着材は、窒素を主として吸着できるものであれば、その種類に特別な制限はないが、吸着性能の面からは、リチウムを置換又は担持したゼオライト（Ｌｉ置換又は担持ゼオライト）が特に好ましい。

送風手段４はブロア等で構成され、吸着塔１ａ，１ｂに酸素を供給する酸素供給管８に設けられている。この酸素供給管８の下流側は、吸着塔１ａ，１ｂに対応して２本の分岐供給管８０ａ，８０ｂに分岐している。また、排気手段５は真空ポンプ等で構成され、吸着塔１ａ，１ｂの吸着ガスを排気するガス排気管９に設けられている。このガス排気管９の上流側は、吸着塔１ａ，１ｂに対応して２本の分岐排気管９０ａ，９０ｂに分岐している。
そして、分岐供給管８０ａと分岐排気管９０ａが合流してガス給排管１１ａとなり、このガス給排管１１ａが吸着塔１ａの一端（下部側）に接続されている。また、分岐供給管８０ｂと分岐排気管９０ｂが合流してガス給排管１１ｂとなり、このガス給排管１１ｂが吸着塔１ｂの一端（下部側）に接続されている。

吸着塔１ａ，１ｂを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するためのガス排気管１２は、その上流側が吸着塔１ａ，１ｂに対応して２本の分岐排気管１２０ａ，１２０ｂに分岐し、これら分岐排気管１２０ａ，１２０ｂが、吸着塔１ａ，１ｂの他端（上部側）に接続されている。
分岐供給管８０ａ，８０ｂ、分岐排気管９０ａ，９０ｂ、分岐排出管１２０ａ，１２０ｂには、それぞれ開閉弁１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ（自動開閉弁）が設けられ、吸脱着の各工程に応じて開閉されるようになっている。また、ガス排気管１２には背圧弁１６が設けられ、吸着塔内を所定圧力に維持しつつ非吸着ガスを排出できるようにしている。

ガス排気管９の下流側は、吸着塔２ａ，２ｂへのガス供給管を構成しており、吸着塔２ａ，２ｂに対応して２本の分岐供給管９１ａ，９１ｂに分岐している。一方、吸着塔２ａ，２ｂの吸着ガスを排気するガス排気管１７には、真空ポンプ等の排気手段６が設けられている。このガス排気管１７の上流側は、吸着塔２ａ，２ｂに対応して２本の分岐排気管１７０ａ，１７０ｂに分岐している。そして、分岐供給管９１ａと分岐排気管１７０ａが合流してガス給排管１８ａとなり、このガス給排管１８ａが吸着塔２ａの一端（下部側）に接続されている。また、分岐供給管９１ｂと分岐排気管１７０ｂが合流してガス給排管１８ｂとなり、このガス給排管１８ｂが吸着塔２ｂの一端（下部側）に接続されている。

吸着塔２ａ，２ｂを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するためのガス排気管１９は、その上流側が吸着塔２ａ，２ｂに対応して２本の分岐排気管１９０ａ，１９０ｂに分岐し、これら分岐排気管１９０ａ，１９０ｂが、吸着塔２ａ，２ｂの他端（上部側）に接続されている。
分岐供給管９１ａ，９１ｂ、分岐排気管１７０ａ，１７０ｂ、分岐排出管１９０ａ，１９０ｂには、それぞれ開閉弁２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ（自動開閉弁）が設けられ、吸脱着の各工程に応じて開閉されるようになっている。
本発明の酸素分離設備の操業では、後述するように、各吸着塔１ａ，１ｂにおいて、吸着工程と脱着工程間でパージ工程は行わないため、パージ工程を行うための設備構成は備えない。

以下、図１の酸素分離設備を用いた本発明の酸素分離方法の一実施形態について、図２及び図３に基づいて説明する。図２は、吸着塔１ａと吸着塔２ａが吸着工程、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図、図３は、吸着塔１ａと吸着塔２ａが脱着工程、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図である。図２及び図３において、太線がガスの流れている流路を示し、開閉弁のなかで黒塗りが閉状態のもの、白抜きが開状態のものである。
なお、吸着塔１ａ，１ｂは、必要に応じて、加熱手段７により吸着材の酸素吸着・脱着に必要な温度まで加熱される。

図２において、原料である空気ｇ_０は、送風手段４によって空気供給管８、分岐供給管８０ａ、ガス給排気管１１ａを通じて吸着塔１ａに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ａ）。吸着塔１ａ内で酸素濃度が低下したガスは、非吸着ガスとして塔上部から排気され、分岐排出管１２０ａ、ガス排出管１２を通じて背圧弁１６を介して排気（ガスｇ_３）される。一方、上記のように吸着塔１ａでガス吸着が行われる工程Ａの間、前回行われた工程Ａで吸着塔１ｂ内の吸着材に吸着されているガスｇ_１（酸素濃度が高いガス）が、排気手段５によって吸着塔１ｂから脱着され（工程Ｂ）、ガス給排管１１ｂ、分岐排気管９０ｂ、ガス排気管９を通じて排気される。以上が一段目のＰＳＡによるガス分離工程であり、このＰＳＡでは吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。

吸着塔１ｂから脱着され、ガス排気管９を通じて排気された上記ガスｇ_１は、二段目のＰＳＡによるガス分離工程に送られる。すなわち、ガスｇ_１は、ガス排気管９に連なる分岐供給管９１ａ、ガス給排管１８ａを通じて吸着塔２ａに導入され、塔内に充填された吸着材（窒素を主として吸着する吸着材）に窒素が主として吸着される（工程Ｃ）。吸着塔２ａに吸着されることなく排気されたガスｇ_２（非吸着ガス）は、窒素分が吸着塔２ａで吸着除去されて酸素濃度がさらに高くなっており、分岐排気管１９０ａ、ガス排気管１９を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｄ）。一方、上記のように吸着塔２ａでガス吸着が行われる工程Ｃの間、前回行われた工程Ｃで窒素が主として吸着された吸着塔２ｂから排気手段６により窒素が多いガスが脱着され、排気される（ガスｇ_４）。

この酸素分離方法では、一段目ＰＳＡの吸着工程と脱着工程間でのパージ工程が行われないが、二段目ＰＳＡにおいて、一段目ＰＳＡで脱着されたガスｇ_１（酸素濃縮ガス）の窒素分が吸着除去されるので、二段目ＰＳＡで吸着されることなく排気されたガスｇ_２（非吸着ガス）は酸素濃度がさらに高められ、これを高酸素濃度ガスとして回収することができる。

図２の状態で吸着塔１ａ，１ｂと吸着塔２ａ，２ｂによる上記工程が完了した時点で、開閉弁の開閉状態を図３に示すように変更して吸着塔１ａ，１ｂと吸着塔２ａ，２ｂの切り替えを行い、以下のようなガス分離を行う。
図３において、原料である空気ｇ_０は、送風手段４によって空気供給管８、分岐供給管８０ｂ、ガス給排気管１１ｂを通じて吸着塔１ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ａ）。吸着塔１ｂ内で酸素濃度が低下したガスは、非吸着ガスとして塔上部から排気され、分岐排出管１２０ｂ、ガス排出管１２を通じて背圧弁１６を介して排気（ガスｇ_３）される。一方、上記のように吸着塔１ｂでガス吸着が行われる工程Ａの間、前回行われた工程Ａで吸着塔１ａ内の吸着材に吸着されているガスｇ_１（酸素濃度が高いガス）が、排気手段５によって吸着塔１ａから脱着され（工程Ｂ）、ガス給排管１１ａ、分岐排気管９０ａ、ガス排気管９を通じて排気される。以上が一段目のＰＳＡによるガス分離工程であり、この一段目ＰＳＡでは吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。

吸着塔１ａから脱着され、ガス排気管９を通じて排気された上記ガスｇ_１は、二段目のＰＳＡによるガス分離工程に送られる。すなわち、ガスｇ_１は、ガス排気管９に連なる分岐供給管９１ｂ、ガス給排管１８ｂを通じて吸着塔２ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（窒素を主として吸着する吸着材）に窒素が主として吸着される（工程Ｃ）。吸着塔２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ_２（非吸着ガス）は、窒素分が吸着塔２ｂで吸着除去されて酸素濃度がさらに高くなっており、分岐排気管１９０ｂ、ガス排気管１９を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｄ）。一方、上記のように吸着塔２ｂでガス吸着が行われる工程Ｃの間、前回行われた工程Ｃで窒素が主として吸着された吸着塔２ａから排気手段６により窒素が多いガスが脱着され、排気される（ガスｇ_４）。
以上の図２、図３の工程を繰り返し行うことで、原料である空気ｇ_０から高酸素濃度ガス（ガスｇ_２）を連続的に得ることができる。

本発明は、一段目のＰＳＡ装置（吸着塔１）で空気から酸素を吸着し、この一段目のＰＳＡ装置（吸着塔１）から脱着されたガスを二段目のＰＳＡ装置（吸着塔２）に導入して窒素を吸着し、このＰＳＡ装置（吸着塔２）の非吸着ガス（オフガス）を高酸素濃度ガスとして回収するものであるが、上述した実施形態のように、直列に接続された２段のＰＳＡ装置（吸着塔１，２）でガスの吸着・脱着を行うだけでは、得られる酸素回収率には一定の限界がある。
また、さきに述べたように、吸着塔１に充填される吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）としては、吸着性能の面からペロブスカイト型吸着材が好ましいが、この吸着材は５００〜６００℃といった高温状態で使用される（酸素の吸着・脱着）ものであり、このため吸着材の熱が吸着塔１から排出されるガスに着熱して熱ロスとなる問題がある。

本発明の酸素分離方法は、上記のような課題を解決するために、以下のような好ましい形態を採ることができる。
（i） 工程Ａのために吸着塔１に導入される前の空気と、工程Ａで吸着塔１に吸着されることなく排気されたガスｇ_３を熱交換し、ガスｇ_３の顕熱で前記空気を昇温させる。
（ii） 工程Ｃで吸着塔２に吸着された後、脱着されたガスｇ_４を、工程Ａのために吸着塔１に導入される前の空気に混合する。
（iii） ２基の吸着塔１で工程Ａと工程Ｂを交互に行う酸素分離方法であって、一方の吸着塔１の工程Ｂで脱着されたガスｇ_１と、工程Ａのために他方の吸着塔１に導入される前の空気を熱交換し、ガスｇ_１の顕熱で前記空気を昇温させる。

上記（i）、（iii）により吸着塔１から排出されるガスへの着熱による熱ロスを少なくすることができるが、特に上記（i）と（iii）を組み合わせ、吸着塔１に導入する前の空気を吸着塔１から排気された高温のガスｇ_１（脱着ガス）とガスｇ_３（非吸着ガス）との２段階の熱交換により昇温させることにより、吸着塔１から排出されるガスへの着熱による熱ロスをより効果的に低減させることができる。また、上記（ii）により酸素回収率を高めることができる。このため上記（i）〜（iii）を組み合わせることにより、酸素回収率を高めることができるとともに、吸着塔１から排出されるガスへの着熱による熱ロスを最も効果的に低減させることができる。

また、この酸素分離方法の実施に供する酸素分離設備は、上記課題を解決するために、以下のような好ましい形態を採ることができる。
（1） さらに、吸着塔１に導入される前の空気と、吸着塔１に吸着されることなく排気されたガスｇ_３を熱交換する熱交換器２４を備える。
（2） 吸着塔２に吸着された後、脱着されたガスｇ_４の排気管１７を、送風手段４が設けられた空気供給管８であって、送風手段４の上流側の管部位置に接続する。
（3） 吸着工程と脱着工程を交互に行う２基の吸着塔１を備えた酸素分離設備であって、さらに、一方の吸着塔１から脱着されたガスｇ_１と、他方の吸着塔１に導入される前の空気を熱交換する熱交換器２５を備える。

図４は、本発明の酸素分離設備の他の実施形態を示すものであり、上述した好ましい形態（1）〜（3）を備えた酸素分離設備である。
この酸素分離設備の基本構成は、図１の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
この酸素分離設備は、図１の基本構成に加えて、熱交換器２４ａ，２４ｂ、熱交換器２５ａ，２５ｂを備えている。

熱交換器２４ａ，２４ｂは、吸着塔１ａ，１ｂに導入される前の空気ｇ_０と、吸着塔１ａ，１ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ_３（オフガス）を熱交換するものである。
したがって、熱交換器２４ａは、吸着塔１ａを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するための分岐排気管１２０ａと、吸着塔１ａに空気を供給する分岐供給管８０ａに対して設けられる。すなわち、熱交換器２４ａの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管１２０ａが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に分岐供給管８０ａが接続される。また、熱交換器２４ｂは、吸着塔１ｂを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するための分岐排気管１２０ｂと、吸着塔１ｂに空気を供給する分岐供給管８０ｂに対して設けられる。すなわち、熱交換器２４ｂの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管１２０ｂが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に分岐供給管８０ｂが接続される。

熱交換器２５ａ，２５ｂは、２基の吸着塔１ａ，１ｂのうち、一方の吸着塔１に導入される前の空気ｇ_０と、他方の吸着塔１から脱着されたガスｇ_１を熱交換するものである。
したがって、熱交換器２５ａは、吸着塔１ｂの吸着ガスを排気（脱着）する分岐排気管９０ｂと、吸着塔１ａに空気を供給する分岐供給管８０ａに対して設けられる。すなわち、熱交換器２５ａの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管９０ｂが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に分岐供給管８０ａが接続される。また、熱交換器２５ｂは、吸着塔１ａの吸着ガスを排気（脱着）する分岐排気管９０ａと、吸着塔１ｂに空気を供給する分岐供給管８０ｂに対して設けられる。すなわち、熱交換器２５ｂの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管９０ａが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に分岐供給管８０ｂが接続される。

分岐供給管８０ａ，８０ｂにおいては、空気ｇ_０の流れ方向で開閉弁１３ａ，１３ｂの下流側に熱交換器２５ａ，２５ｂ、熱交換器２４ａ，２４ｂの順で配置されている。これは、熱交換器２５ａ，２５ｂの一次側のガスｇ_１と、熱交換器２４ａ，２４ｂの一次側のガスｇ_３は、通常、ガス量がｇ_３＞ｇ_１であるため、ガス量の少ないガスｇ_１を先に空気ｇ_０の温度が低い状態で熱交換させ、次いで、ガス量の多いガスｇ_３と若干温度の上昇した空気ｇ_０と熱交換する方が、空気ｇ_０を効率的に昇温させることができるからである。
また、吸着塔２ａ，２ｂから脱着されるガスｇ_４のガス排気管１７は、送風手段４の上流側の空気供給管８に接続され、ガスｇ_４が空気ｇ_０に混合されるようにしている。

以下、図４の酸素分離設備を用いた本発明の酸素分離方法の一実施形態について、図５及び図６に基づいて説明する。図５は、吸着塔１ａと吸着塔２ａが吸着工程、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図、図６は、吸着塔１ａと吸着塔２ａが脱着工程、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図である。図５及び図６において、太線（実線、点線、破線）がガスの流れている流路を示し、開閉弁のなかで黒塗りが閉状態のもの、白抜きが開状態のものである。
この実施形態では、吸着塔１ａ，１ｂは加熱手段７で加熱され、塔内の吸着材は吸着工程・脱着工程とも高温状態（例えば、５００℃程度）で使用される。

図５においても、図２の場合と同様に、原料である空気ｇ_０は、送風手段４によって空気供給管８、分岐供給管８０ａ、ガス給排気管１１ａを通じて吸着塔１ａに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ａ）。吸着塔１ａ内で酸素濃度が低下したガスは、非吸着ガスとして塔上部から排気され、分岐排出管１２０ａ、ガス排出管１２を通じて背圧弁１６を介して排気（ガスｇ_３）される。一方、上記のように吸着塔１ａでガス吸着が行われる工程Ａの間、前回行われた工程Ａで吸着塔１ｂ内の吸着材に吸着されているガスｇ_１（酸素濃度が高いガス）が、排気手段５によって吸着塔１ｂから脱着され（工程Ｂ）、ガス給排管１１ｂ、分岐排気管９０ｂ、ガス排気管９を通じて排気される。以上が一段目のＰＳＡによるガス分離工程であり、このＰＳＡでは吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。

以上の一段目のＰＳＡによるガス分離工程において、吸着塔１ａに導入される空気ｇ_０（常温）は、熱交換器２５ａにおいて、工程Ｂで吸着塔１ｂから脱着された上記ガスｇ_１（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ_１の顕熱で昇温し、さらに熱交換器２４ａにおいて、吸着塔１ａに吸着されることなく排気された上記ガスｇ_３（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ_３の顕熱でさらに昇温し、このように昇温した空気ｇ_０が吸着塔１ａに導入される。

吸着塔１ｂから脱着され、上記熱交換器２５ａを経由した後、ガス排気管９を通じて排気された上記ガスｇ_１は、二段目のＰＳＡによるガス分離工程に送られる。すなわち、図２の場合と同様に、ガスｇ_１は、ガス排気管９に連なる分岐供給管９１ａ、ガス給排管１８ａを通じて吸着塔２ａに導入され、塔内に充填された吸着材（窒素を主として吸着する吸着材）に窒素が主として吸着される（工程Ｃ）。吸着塔２ａに吸着されることなく排気されたガスｇ_２（非吸着ガス）は、窒素分が吸着塔２ａで吸着除去されて酸素濃度がさらに高くなっており、分岐排気管１９０ａ、ガス排気管１９を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｄ）。一方、上記のように吸着塔２ａでガス吸着が行われる工程Ｃの間、前回行われた工程Ｃで窒素が主として吸着された吸着塔２ｂから排気手段６により窒素が多いガスが脱着され、排気される（ガスｇ_４）。このガスｇ_４には相当量の酸素が含まれているため、ガス排出管１７を通じて送風手段４の上流側の空気供給管８内に導入し、空気ｇ_０と混合して原料ガスの一部とする。

この酸素分離方法では、一段目ＰＳＡの吸着工程と脱着工程間でのパージ工程が行われないが、二段目ＰＳＡにおいて、一段目ＰＳＡで脱着されたガスｇ_１（酸素濃縮ガス）の窒素分が吸着除去されるので、二段目ＰＳＡで吸着されることなく排気されたガスｇ_２（非吸着ガス）は酸素濃度がさらに高められ、これを高酸素濃度ガスとして回収することができる。

図５の状態で吸着塔１ａ，１ｂと吸着塔２ａ，２ｂによる上記工程が完了した時点で、開閉弁の開閉状態を図６に示すように変更して吸着塔１ａ，１ｂと吸着塔２ａ，２ｂの切り替えを行い、以下のようなガス分離を行う。
図６においても、図３の場合と同様に、原料である空気ｇ_０は、送風手段４によって空気供給管８、分岐供給管８０ｂ、ガス給排気管１１ｂを通じて吸着塔１ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ａ）。吸着塔１ｂ内で酸素濃度が低下したガスは、非吸着ガスとして塔上部から排気され、分岐排出管１２０ｂ、ガス排出管１２を通じて背圧弁１６を介して排気（ガスｇ_３）される。一方、上記のように吸着塔１ｂでガス吸着が行われる工程Ａの間、前回行われた工程Ａで吸着塔１ａ内の吸着材に吸着されているガスｇ_１（酸素濃度が高いガス）が、排気手段５によって吸着塔１ａから脱着され（工程Ｂ）、ガス給排管１１ａ、分岐排気管９０ａ、ガス排気管９を通じて排気される。以上が一段目のＰＳＡによるガス分離工程であり、この一段目ＰＳＡでは吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。

以上の一段目のＰＳＡによるガス分離工程において、吸着塔１ｂに導入される空気ｇ_０（常温）は、熱交換器２５ｂにおいて、工程Ｂで吸着塔１ａから脱着された上記ガスｇ_１（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ_１の顕熱で昇温し、さらに熱交換器２４ｂにおいて、吸着塔１ｂに吸着されることなく排気された上記ガスｇ_３（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ_３の顕熱でさらに昇温し、このように昇温した空気ｇ_０が吸着塔１ｂに導入される。

吸着塔１ａから脱着され、上記熱交換器２５ｂを経由した後、ガス排気管９を通じて排気された上記ガスｇ_１は、二段目のＰＳＡによるガス分離工程に送られる。すなわち、図３の場合と同様に、ガスｇ_１は、ガス排気管９に連なる分岐供給管９１ｂ、ガス給排管１８ｂを通じて吸着塔２ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（窒素を主として吸着する吸着材）に窒素が主として吸着される（工程Ｃ）。吸着塔２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ_２（非吸着ガス）は、窒素分が吸着塔２ｂで吸着除去されて酸素濃度がさらに高くなっており、分岐排気管１９０ｂ、ガス排気管１９を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｄ）。一方、上記のように吸着塔２ｂでガス吸着が行われる工程Ｃの間、前回行われた工程Ｃで窒素が主として吸着された吸着塔２ａから排気手段６により窒素が多いガスが脱着され、排気される（ガスｇ_４）。さきに述べたように、このガスｇ_４には相当量の酸素が含まれているため、ガス排出管１７を通じて送風手段４の上流側の空気供給管８内に導入し、空気ｇ_０と混合して原料ガスの一部とする。
以上の図５、図６の工程を繰り返し行うことで、原料である空気ｇ_０から高酸素濃度ガス（ガスｇ_２）を連続的に得ることができる。

この酸素分離方法では、吸着塔１に導入される常温の空気ｇ_０が、吸着塔１から排気された高温のガスｇ_１（脱着ガス）とガスｇ_３（非吸着ガス）との２段階の熱交換で昇温することにより、吸着塔１から排出されるガスへの着熱による熱ロスを効果的に低減させることができる。さらに、吸着塔２から脱着されたガスｇ_４（脱着ガス）を原料の空気に混合し、原料ガスの一部として用いることにより、酸素の回収率を高めることができる。

１ａ，１ｂ 吸着塔
２ａ，２ｂ 吸着塔
４ 送風手段
５ 排気手段
６ 排気手段
７ 加熱手段
８ 空気供給管
９ ガス排気管
１０ 圧力スイング吸着装置
１１ａ，１１ｂ ガス給排管
１２ ガス排気管
１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ 開閉弁
１６ 背圧弁
１７ ガス排気管
１８ａ，１８ｂ ガス給排管
１９ ガス排気管
２０ 圧力スイング吸着装置
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ 開閉弁
２４ａ，２４ｂ 熱交換器
２５ａ，２５ｂ 熱交換器
８０ａ，８０ｂ 分岐供給管
９０ａ，９０ｂ 分岐排気管
９１ａ，９１ｂ 分岐供給管
１２０ａ，１２０ｂ 分岐排気管
１７０ａ，１７０ｂ 分岐排気管
１９０ａ，１９０ｂ 分岐排気管
ｇ_０ 空気
ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３，ｇ_４ ガス

Claims (5)

1. 圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（１）に空気を導入し、ガス吸着を行う工程（Ａ）と、
   工程（Ａ）で吸着塔（１）に吸着されたガス（ｇ_１）を脱着する工程（Ｂ）と、
   工程（Ｂ）で脱着されたガス（ｇ_１）を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（２）に導入し、ガス吸着を行う工程（Ｃ）と、
   工程（Ｃ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ_２）を高酸素濃度ガスとして回収する工程（Ｄ）を有し、
   ２基の吸着塔（１）で工程（Ａ）と工程（Ｂ）を交互に行うようにした酸素分離方法であって、
   工程（Ｃ）で吸着塔（２）に吸着された後、脱着されたガス（ｇ _４ ）を、工程（Ａ）のために吸着塔（１）に導入される前の空気に混合し、
   ガス（ｇ _４ ）が混合された後、工程（Ａ）のために一方の吸着塔（１）に導入される前の前記空気を、先ず、他方の吸着塔（１）の工程（Ｂ）において吸着塔（１）から脱着されたガス（ｇ _１ ）と熱交換して、ガス（ｇ _１ ）の顕熱で前記空気を昇温させ、次いで、当該一方の吸着塔（１）の工程（Ａ）において吸着塔（１）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ _３ ）と熱交換して、ガス（ｇ _３ ）の顕熱で前記空気をさらに昇温させることを特徴とする酸素分離方法。
2. 吸着塔（１）に充填される吸着材がペロブスカイト型吸着材であることを特徴とする請求項１に記載の酸素分離方法。
3. 酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔であって、吸着工程と脱着工程を交互に行う２基の吸着塔（１）を備えた圧力スイング吸着装置（１０）と、
   吸着塔（１）に空気を供給する送風手段（４）と、
   吸着塔（１）に吸着されたガス（ｇ_１）を脱着時に排気する排気手段（５）と、
   窒素を主として吸着する吸着材が充填され、排気手段（５）により吸着塔（１）から排気されたガス（ｇ_１）が供給される吸着塔（２）を備えた圧力スイング吸着装置（２０）を備え、
   吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ_２）が高酸素濃度ガスとして回収されるようにした酸素分離設備であって、
   各吸着塔（２）に吸着された後、脱着されたガス（ｇ _４ ）の排気管（１７）が、送風手段（４）が設けられた空気供給管（８）であって、送風手段（４）の上流側の管部位置に接続され、
   ガス（ｇ _４ ）が混合された後、一方の吸着塔（１）に導入される前の空気を、他方の吸着塔（１）から脱着されたガス（ｇ _１ ）と熱交換する熱交換器（２５）と、該熱交換器（２５）でガス（ｇ _１ ）と熱交換した前記空気を、さらに、当該一方の吸着塔（１）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ _３ ）と熱交換する熱交換器（２４）を備えることを特徴とする酸素分離設備。
4. 吸着塔（１）に充填される吸着材がペロブスカイト型吸着材であることを特徴とする請求項３に記載の酸素分離設備。
5. 圧力スイング吸着装置（１０）は、２基の吸着塔（１ａ），（１ｂ）と、これら吸着塔（１ａ），（１ｂ）で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、該配管系に送風手段（４）と排気手段（５）が設けられ、
   圧力スイング吸着装置（２０）は、２基の吸着塔（２ａ），（２ｂ）と、これら吸着塔（２ａ），（２ｂ）で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の酸素分離設備。

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