JPH01297119A - ガス分離のための改良された圧力スイング吸着方法及び装置 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 産業上の利用分野 本発明はガス混合物の内の一層容易に吸着し得る成分を
回収すること、特に空気から窒素を回収することに関す
る。より詳細には、本発明は改良された圧力スイング吸
着方法及び装置を用いて空気から窒素を回収することに
関する。

従来の技術 多数の化学的加工、製油所、金属生産、その他の産業用
途において、高純度の窒素がパージ、ガスシール、金属
処理雰囲気の供給等のために望まれている。濃縮酸素ガ
スもまた同様の設備において種々の目的のために必要と
されることがよ（ある。窒素及び酸素が空気分離用の種
々の公知技法によって得られることはもち論である。圧
力スイング吸着（ＰＳＡ）加工は特に種々の用途、特に
極低温空気分離プラントの使用が経済的に実行し得ない
比較的に小さい規模の運転における空気分離用に特に適
している。このタイプの代表的な用途は、窒素９５．０
〜９９．９％の範囲の純度をｔｏｏ、　ＱＯＯｆｔ３／
時間（２，８００ｉ３／時間）までの流量で必要とする
。

ＰＳＡプロセスでは、一層容易に吸着し得る（ｍｏｒｅ
　ｒｅａｄｉｌｙ　ａｄｓｏｒｂａｂｌｅ）成分及びそ
れ程容易には吸着し得ない（ｌｅｓｓ　ｒｅａｄｉｌｙ
　ａｄｓｏｒｂａｂｌｅ）成分を含有する供給ガス混合
物を、通常一層容易に吸着し得る成分を高い吸着圧にお
いて選択吸着することのできる吸着剤床に通す。その後
、床を一層低い脱着圧に降圧して該一層容易に吸着し得
る成分を脱着させて床から除いた後に、追加量の供給ガ
ス混合物を床に導入する。このようにして、循環の吸着
−脱着操作を接床において続ける。当業者ならば容易に
認めるように、ＰＳＡプロセスは通常多床系で用いられ
、各床は循環ベーシスのＰＳＡ加ニジ−ケンスを系内の
他の床における該加工シーケンスの実施に相関させて用
いる。

ＰＳＡ系は、空気分離の目的で適用する通りに、使用す
る吸着剤の酸素か窒素についての選択性が一層大きいこ
とから、酸素及び窒素の所望の分離を達成する。使用す
る特定の吸着剤物質の吸着容量は圧力レベルが高くなる
程増大し、圧力が低くなるにつれて減小する。高純度の
窒素生成物を製造するＰＳＡプロセス及び系では、使用
する吸着剤は所望の窒素生成物か或は酸素のいずれかに
ついて一層大きい選択性を有するものにすることができ
る。用いる吸着剤が酸素選択性物質、例えばカーボンモ
レキュラーシーブである系では、原料空気を吸着剤床に
一層高い吸着圧で通す間に、生成物窒素はそれ程容易に
は吸着し得ない生成物として生産される。用いる吸着剤
が窒素選択性物質、例えばゼオライトモレキュラーシー
ブである系では、吸着剤床を降圧して一層低い脱着圧に
する際に、生成物窒素は一層容易に吸着し得る成分とし
て生産される。

ＰＳＡプロセスを向上させる、特に資本経費を減少させ
、信頼性を高め、生産する単位生成物当りの相対的に少
ない動力消費量を達成することによる等、運転費を最少
にしようとする試みは数多くあった。かかる総括の目的
を達成する一つの望ましい目標は、所望の高純度の生成
物に加えて比較的に高い純度の副産物（ｃｏｐｒｏｄｕ
ｃｔ）の生産を、可能にすることである。空気分離及び
その他のガス分離操作に適用するものとして、バッタ（
Ｂａｔｔａ）の米国特許３．６３６．６７９号は、２又
はそれ以上の床に適用するものとして、床の反対端から
供給ガス−生成物ガスを同時に導入して各床を一層低い
脱着圧から部分再加圧し、次いで更に供給ガス単独で一
層高い吸着圧に再加圧した後に、それ程容易には吸着し
得ない成分を吐出端から開放して床を並流降圧し、該成
分の一部を生成物ガスとして回収し、残りを均圧下及び
系内の別の床へパージガスを与えるのに用いるＰＳＡサ
イクルを開示している。次いで、床の供給端からガスを
開放し及びパージして床を向流降圧した後に追加の供給
ガスを用いて部分再加圧を開始する。このようにしてサ
イクル運転を連続ベーシスで行なう。この特許のアプロ
ーチは空気の内のそれ程容易には吸着し得ない成分とし
て生成物酸素を回収する意図の空気分離運転に用いられ
てきて満足すべきものであった。しかし、バッタのプロ
セスは空気の内の一層容易に吸着し得る成分、例えば窒
素を所望の高純度生成物ガスとして回収することには適
用できない。

しかし、一層容易に吸着し得る成分を生成物ガスとして
回収するのが望まれるその他種々のプロセスが存在する
。かかるプロセスは通常減圧サイクルを用い、ガス混合
物の内の一層容易に吸着し得る成分を大気圧より低い脱
着圧において床から脱着させる。すなわち、タムラの米
国特許３、７９７．２０１号は一層容易に吸着し得る窒
素成分を選択吸着することができる吸着剤床に大気の吸
着圧において空気を導入した後に減圧脱着させて該窒素
を所望の生成物ガスとして回収することを含む空気分離
プロセスを開示している。生成物窒素の純度を上げるた
めに、タムラは吐出端がら酸素に富んだガスを床の該吐
出端に窒素吸着フロントがブレークスルーするまで開放
する初期吸着工程を実施し及びパージに窒素を用いて一
層高い吸着圧における並流パージを加入した後に向流減
圧脱着及び再加圧することを教示している。このプロセ
スを適用した場合、高純度の窒素生成物を得ることがで
きるが、副産物の酸素は使用可能な圧力で及びエネルギ
ーの有効な方法で入手し得ない、二とによって制限され
る傾向にある。同様の加工サイクルがサーカー（Ｓｉｒ
ｃａｒ）等の米国特許４、０１３．４２９号及び同４．
２ｆｉ４．３４Ｑ号に記載されており、該サイクルは２
つの吸着トレインを用い、各々は前処理床と主分離床と
から成るものを加工工程の間の非連続性の流量に適応さ
せる可変容量のサージタンクと共に用いている。しかし
、脱着する間に要する高い真空度及びプロセス全体の複
雑さがこのプロセスに伴う装置及び動力費を相当に増大
する働きをする。

減圧脱着は同様にミワ等の米国特許４．０７０．　ｉ６
４号のプロセスにおいて用いられており、同プロセスは
空気を清浄にし及び乾燥する前処理及び（１）空気供給
により床を約４気圧に加圧し、（２）該高圧において窒
素で並流パージし°Ｃ床の吐出端から酸素に富んだ流れ
を取り出し、（３）床の供給端から窒素に富んだガスを
開放して大気圧に向流降圧し、（４）床の該供給端から
窒素に富んだガスを更に開放して約０．３気圧に減圧脱
着することを含む加工サイクルを含む。２つの向流降圧
工程の間に開放されるガスを一緒にすることによって系
から一定流量の高純度窒素を回収するが、このアプロー
チを用いての所望の窒素の回収レベルは全く低い。４床
系で行うこの加工サイクルの場合、資本及び運転費が共
に相対的に高い。４つの吸着剤容器を使用し、バルブ、
圧縮装置及びその他の必要品が伴うため、資本経費が高
い。プロセスの効率が比較的低いことから、運転費は高
い傾向にある。

また、４つの同じ加工工程がアーモンド（＾ｒｍｏｎｄ
）の米国特許４．１２９．４２４号に開示された。同米
国特許はまた供給ガス中の窒素の分圧に実質的に等しい
圧力において行う並流パージ工程を備え、それによりパ
ージングを一層高い圧力において行う同様のプロセスに
比べて床を飽和させるのに必要なパージガスの量を有意
に減少させる。このことは、立ち代って空気原料を導入
した後に床の圧力をパージガス圧に低下させる並流ガス
抜き工程を含むことになる。

ＰＳＡ加工を用いて空気から高純度の窒素を回収する技
術は、ウニルナ−Ｑｅｒｎｅｒ）等の米国特許４、５９
９．０９４号に開示されている改良プロセスによって前
進した。このプロセスは（１）加圧、（２）コノく一層
（ｃｏｐｕｒｇｅ）及び（３）一層低い減圧脱着圧への
向流降圧工程を含み、空気の内の一層容易に吸着し得る
成分としての窒素の回収率及び純度を高める。

高い圧力で窒素によってコパージする際に床から開放さ
れる副産物流出ガスの一部を酸素、すなわちそれ程容易
には吸着し得ない成分、副産物ガスとして回収し、該酸
素の追加部分を、護床の供給端に原料空気を導入するこ
とによって再加圧する床の吐出（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）
端に導入する。かかる酸素の第３部分を、床を少なくと
も一部再加圧した後に床の供給端に導入する。向流降圧
する際に床の供給端から開放される窒素の一部を該窒素
コパージガスとして用いる。

ウニルナ−等のプロセスは高純度の窒素を高い回収率レ
ベルで回収することを可能にし、濃酸素副産物を相対的
に高い回収率レベルで回収する。

それでも、この加工アプローチの場合、プロセスの複雑
さ、系の高い圧縮比及び処理量要求により、資本経費及
び運転費が相対的に高くなる。

当分野におけるこのような努力にもかかわらず、当業で
あれば、所望の窒素生成物を高い純度レベルで相対的に
少ない資本及び運転費で回収することができる、空気の
内の一層容易に吸着し得る成分として窒素を生産する改
良されたＰＳＡ加工を開発する必要が相変わらずあるこ
とを認めるものと思う。このような改良は、極めて望ま
しい圧力スイング吸着技法が、種々の実際の商業上望ま
しい産業用途についての高純度の安価な窒素の必要を満
足させる可能性を高める。

よって、発明の目的は高純度の窒素を製造する改良され
たＰＳＡ方法及び系を提供するにある。

発明の別の目的は空気から高純度の窒素を製造する簡易
なＰＳＡ方法及び系を提供するにある。

発明の別の目的は空気から高純度の窒素生成物を回収す
る資本経費、動力消費及び総括費を最少にすることがで
きるＰＳＡ方法及び系を提供するにある。

発明のそれ以上の目的は供給ガス混合物の内の一層容易
に吸着し得る成分を所望の高純度生成物ガスとして回収
する改良されたＰＳＡ方法及び系を提供するにある。

これらや他の目的を心に留めて、発明を本明細書中以降
に詳細に説明し、発明の新規な特徴を特に特許請求の範
囲において特に指摘する。

発明の構成 発明の要約 圧、（３）並流パージ、（４）ブローダウン、（５）排
気及び（６）向流パージを含む運転サイクルによりサイ
クル基準で運転することを含むＰＳＡ方法及び系で、空
気から高純度の窒素を回収する。高純度の窒素生成物が
、動力消費の減少の結果として有利なことに安価に、従
来技術の方法及び系に比較して同様の或は一層少ない資
本経費で得られる。

また、発明を用いて他の供給ガス混合物の内の一層容易
に吸着し得る成分を高純度の安価な生成物ガスとして分
離することができる。

弁明の詳細な説明 発明の目的は、供給ガス混合物の内の一層容易に吸着し
得る成分を高純度の安価な生成物ガスとして回収するＰ
ＳＡガス分離方法及び系において新規かつ簡易な真空加
工サイクルを用いることによって達成する。加工サイク
ルは一層容易に吸着し得る成分を所望の生成物ガスとし
て回収する種々の従来技術のアプローチの複雑さを回避
し及び他の真空ＰＳＡサイクルに比べて動力消費を有意
に低減させることができる。

発明を本明細書中以降、特に空気から窒素を一層容易に
吸着し得る成分として回収することに関して説明するが
、発明の加工サイクルは、供給ガスの内の一層容易に吸
着し得る成分を所望の生成物ガスとして回収する他の供
給ガス混合物を分離するＰＳＡプロセス及び系において
用い得ることを認めるものと思う。

発明の加工サイクルは、低い減圧脱着圧と二層高い大気
圧より高い吸着圧との間で動作する種々の加圧及び降圧
工程を、該一層高い及び一層低い圧力における有利なパ
ージ或は置換工程と結び付けて成り、一層容易に吸着し
得る成分を一層低い脱着圧において高純度の安価な生成
物ガスとして回収する回収率及び純度を高める。また、
特定の実施態様において種々の加工変更を採用して発明
の方法及び系の性能を、特定の°空気分離或はその他の
供給ガス分離用途の要求に関して適用する通りに高める
。

発明は、総括的には、空気から窒素を或はガス混合物の
内の他の一層容易に吸着し得る成分を選択的に吸着する
ＰＳＡ系において実施し、少なくとも２つの吸着剤床を
使用し、床の各々は本明細書中に開示し及び特許請求す
る加工サイクルを系内の他の床に関連させる通りの適当
なシーケンスで受け、それでかかる系において連続ガス
分離操作を実施することを容易にする。発明の好ましい
実施態様では、２或は３の吸着剤床を用いるのが普通で
ある。

空気分離用に用いる場合、系内の各々の床は、クリーン
な床を一層低い減圧脱着圧から所望に再加圧することに
始まって、下記を含むＰＳＡ加工サイクルを受ける＝（
１）床の吐出端に濃（ｅｎｒｉｃｈｅｄ）酸素ガスを導
入して、すなわち続く供給空気再加圧工程の間の供給空
気の流れに対し向流方向に床にバック充填することによ
って、−周低い脱ｔＨｆＥから中間圧レベルに部分向流
再加圧し、（２）供給空気を床の入口端に導入して更に
中間圧レベルから一層高い吸着圧に並流に再加圧し、窒
素を一層容易に吸着し得る成分として選択的に吸着させ
、酸素に富んだ流れを床の吐出端から抜き出してサイク
ルの間に生産される濃酸素を貯蔵するのに用いるサージ
タンクに通し、（３）製品品質の窒素を床の供給端から
床の吐出端に通して一層高い吸着圧において並流にパー
ジ或は置換し、この工程の間に酸素に富んだガスを床の
吐出端から抜き出し。

てサージタンクに送り続け、床から抜き出した酸素に富
んだガス流の一部をパージ用に及び／又は系内の別の床
をバック充填するのに用い、（４）圧力を一層高い吸着
圧から中間圧レベルに下げるにつれて高純度窒素ガスを
床の供給端から吐出して初期向流降圧或はブローダウン
し、（５）真空ポンプ或はその他所室の減圧レベルを生
じるのに適した手段によって圧力を更に中間圧レベルか
ら減圧レベルに下げるにつれて追加の高純度窒素を床の
供給端から吐出して更に向流に降圧或は排気し、（６）
系内の別の床から抜き出した濃酸素ガスを床の吐出端に
通し、追加の高純度窒素を本質的に該減圧レベルにおい
て床の供給端から抜き出して向流にパージする。それ程
容易には吸着し得ない成分を所望の生成物ガスとして回
収する方法において再生工程を含む３つの向流降圧工程
の各々において、所望の生成物ガスである高純度窒素ガ
スを床の供給端から回収することを認めるものと思う。

このガスを所望の高純度窒素ガスとして系から抜き出す
か、或はサージタンクに貯蔵した後に、系内の同じ床或
は他の床における並流パージ工程の間にパージガスとし
て使用する。

中間圧から一層高い吸着圧に更に並流に再加圧する工程
において、及び−癌高い吸岩圧で更に並流にパージする
工程において、濃酸素ガスを床から抜き出して向流パー
ジするために循環させ或はサイク・ルの間に生産される
濃ガス或はバック充填工程において部分向流再加圧用ガ
スとして用いるガスを貯蔵するのに用いるサージタンク
に通すことを示した。この酸素に富、んだガスがＰＳＡ
系から回収されてサイクルによって生産される正味の濃
酸素を構成することを認めるものと思う。

高純度の窒素生成物ガスを床の供給端から回収する３つ
の向流降圧工程に続いて、サイクルにおける次の工程、
すなわち濃酸素工程によるバック充填もまた向流流れ方
向を含むことに気付くものと思う。このように向流方向
に濃酸素をバック充填することはいくつかの方法で総括
プロセス性能に寄与する。すなわち、酸素ガスは、床の
吐出端における有効な窒素分圧を下げることによって前
に吸着された窒素ガスを床の供給端の方に置換する働き
をする。これは、吸着の間に酸素と窒素との間で発達し
た物質移動域の鋭さを増大させるのに寄与し、供給空気
から回収する窒素の量を増大させる。加えて、供給再加
圧吸着工程の前にバ・ツク充填工程を採用することによ
って、平均吸着圧を上昇させ、それで床を構成する吸着
剤物質の吸着容量を増大させる。

上述した通りの加工サイクルにおいて、バック充填工程
の後に供給空気による加圧が始まる。代りの実施態様で
は、床が酸素バック充填を受けることを始める時に、供
給空気工程を開始することができる。この場合には、床
を両端から同時に再加圧する。これは供給空気を供給す
る圧縮機の利用を増大させる働きをするが、プロセス性
能をわずかに低下することになる。というのは、バック
充填ガスは、それにより、バック充填工程を供給空気再
加圧工程の前に実施する場合に比べて、窒素ガスを容器
の供給端に戻すのにそれ程有効でないためである。

床を供給空気で加圧するのに続いて、製品品質の窒素パ
ージガスを用いて床を一層高い吸着圧において並流方向
にパージする。上述した通りに、酸素に富んだガスを本
質的に該吸着圧レベルで実施するこの工程の間に連続し
て床の吐出端から抜き出す。この酸素に富んだ流出ガス
、有利には並流パージ工程の後の部分の間に抜き出した
ガスの一部を系内の別の床をバック充填するのに用いる
。

コパージ窒素ガスは、前に吸着されたか或は床内の粒子
間空隙空間中に存、在するそれ程容易には吸着し得ない
酸素ガスを床の吐出端から排除して床を清浄にする働き
をする。こうして、吸着剤床は、向流降圧工程を開始す
る前に主に所望の窒素ガスから成る。これに関しては、
並流パージ工程は、吸着された窒素の物質移動域が床の
吐出端に達して床の外に移動し始める時、すなわち該コ
パージ工程の間に床の吐出端から取り出す酸素に富んだ
ガスの酸素純度が低下し始める時に停止するのが望まし
いことに注意すべきである。

発明の方法及び系は、このように窒素パージガスを採用
して並流パージ工程を吸着圧において用いて、高純度窒
素を床の供給端から回収する３つの向流降圧工程の用意
に床を有利にすっかりきれイニスる。酸素パージガスを
用いるかかる向流降圧工程の第三は、発明の方法及び系
から所望の最適な性能を達成するのに重要であることを
了解するものと思う。減圧脱着圧における該向流ノく一
層の間に、粒子間空隙内に存在するか或は前に床に吸着
された窒素ガスを床の供給端から取り去るか或は床の供
給端の方間に排除する。この向流ノ＜−ジ工程はい（つ
かの重要な目的にかなう。第一に、吸着剤床の容量を、
次に続く加圧−吸着工程の前に増大させることができる
。第二に、一層低い減圧脱着圧からの部分向流再加圧を
達成する次に続く濃酸素によるバック充填の場合のよう
に、床を一層低い減圧脱着圧に降下する向流パージ工程
は供給空気の内の一層容易に吸着し得る窒素成分の物質
移動域の鋭さを増大させる働きをする。

発明の実施におけるように、酸素自流パージ工程を減圧
脱着圧において実施することは、平衡選択性吸着剤物質
を使用して窒素を含む高純度生成物を供給空気の内の一
層容易に吸着し得る成分として生産するプロセス及び系
における酸素、すなわちそれ程容易には吸着し得ない成
分のブレークスルーとの関係により、慣用の実施の特徴
ではない。酸素が早期にブレークスルーすれば生産する
窒素の純度の低下に至ることは明らかである。発明の主
題の酸素向流パージ工程は通常従来技術のＰＳＡ窒素サ
イクルで省かれるが、このように省くことの結果は、こ
のよう・な従来技術のサイクルの性能及び動力消費特性
に関して、有意になり得る。

所定の排気圧、すなわち減圧脱着圧レベルにおいて、酸
素に富んだパージガスを使用する向流パージ工程を用い
ることは、床内の窒素分圧を下げるので、床が吸着する
窒素の量を減少させることになる。この情況は、脱着さ
れた及び粒子間窒素を床の供給端に排除するため、供給
空気工程により加圧する前に床の窒素吸着容量を増大さ
せるのみならず、また続く加圧工程において発達した物
質移動域の鋭さをも増大させる。

発明の目的に採用する通りの供給空気による加圧は、供
給空気の内の一層容易に吸着し得る成分、すなわち窒素
を一層容易に吸着し、それ程容易には吸着し得ない成分
、すなわち酸素を床の吐出端から抜き出して、上述した
通りに系からサージタンクに通す。この酸素に富んだ流
れの一部を後のバック充填工程で用いる。ガスを床の供
給端に通し、ガスの内の一層容易に吸着し得る成分を選
択的に吸着し、それ程容易には吸着し得ない成分を床の
吐出端から抜き出し、全てを床の圧力を上昇させる速度
で行うこのような加工工程を、通常、昇圧吸着工程と呼
ぶ。このような加工はマクコウム（ＭｃＣｏｍｂｓ）の
米国特許３．７３８．０８７号に記載されている。発明
の実施において採用する通りの供給空気による加圧工程
はこのような昇圧吸着工程から成ることができるが、発
明の別の実施態様は、空気供給工程が３つの別々の加工
工程を含み、酸素バンク充填した後の中間圧レベルの床
から始める加工シーケンスを含む、空気供給工程の第１
部は、これより、供給空気を床の供給端に通し、床の吐
出端からガスを抜き出さず、床の圧力が該中間圧から一
層高い中間圧に上昇する再加圧工程であるのが好ましい
。該空気供給工程の次の部分は、床の圧力が一層高い中
間圧レベルから一層高い吸着圧レベルに上昇する昇圧吸
着工程である。該空気供給工程の最後の部分は、空気を
床の供給端に通し続け、窒素を一層容易に吸着し得る成
分として選択的に吸着し、酸素を床の吐出端から抜き出
し、床の圧力が一層高い吸着圧レベルのままである定圧
吸着工程を含む。当業者であれば、サイクル全体を供給
空気で加圧する間に、種々の他の実施態様を採用し得る
ことを認めるものと思う。すなわち、供給空気による初
期の部分再加圧及び昇圧吸着工程を好ましい実施態様の
定圧吸着工程無しに実施することができる。しかし、通
常好ましい実施態様では、昇圧吸着工程を用いないが、
該再加圧に続く定圧吸着工程を用いて床座を該中間圧か
ら一層高い吸着圧に上げて床の吐出端からの酸素に富ん
だガスの必要な抜き出しをもたらすのが望ましい。

一層低い減圧脱着圧及び一層高い、大気圧より高い吸着
圧の間で作動する発明の加工サイクルは２床或は３床系
で操作するのが望ましい。発明の全体の目的からは、２
床系を用いるのが通常好ましい。系内の各々の床は、サ
イクル基準で、上で検討した基本的工程を含む加工シー
ケンスを、系内の他の床で行う通りの該加工シーケンス
に相関させて受けることを了解しよう。表Ｉは発明の操
作を例示するもので、２床ＰＳＡ系において実施する通
りの（１）酸素によるバック充填、（２）供給空気によ
る加圧、（３）窒素による並流パージ、（４）向流ブロ
ーダウン、（５）向流排気及び（６）酸素による向流パ
ージを含む。

表　　　　１ 又困慕突ＰＳＡ窒素方法Ｆご些と≦習匙灼真工程床Δ　
　　　　　床Ｂ 濃酸素によるバック部具　　　　　フ゛ロータウン供給
空気による加圧１　　　　　　徘　気温窒素によるコパ
ージ　　　　　　排　気温窒素によるコパージ　　　　
　　濃酸素によるノージブローダウン　　　　　　　　
　　濃酸素によるノ（・ツク充填排　気　　　　　　　
　　　　　　供給空気による加圧来排　気　　　　　　
　　　　　　　濃窒素によるコノく−ジ濃酸素によるパ
ージ　　　　　　　濃窒素によるコ／Ｚ−ジ峯この工程
は空気供給再加圧と吸着との組合せにすることができる
。加圧は、圧縮機を利用しないで周囲圧力まで或は圧縮
機によって周囲圧力より高（することができる。吸着工
程は定圧及び／又は昇圧吸着にすることができる。

表■に例示する通りの２床系において用いる装置は真空
ポンプ、窒素生成物圧縮機、供給空気及び２素コパージ
の両方のための時間配分ブロワ−手段を使用する。２床
系は、また１、ｓ＋・ツク充填工程において用いるため
の酸素ガスを供給する濃酸素貯蔵タンクを使用すること
を必要とするのに対し、かかる酸素貯蔵タンクは３床系
では随意である。

酸素工程による向流パージを用いない場合、同じ再生成
はクリーニング効果を達成するため、すなわち次の加工
サイクルにおいてクリーンな床を再加圧する前に、吸着
剤床に吸着質、すなわち一層容易に吸着し得る成分及び
床の粒子間空隙内に存在する残留ガスを実質的に存在さ
せないために、排気レベルを減少させなければならない
。このように排気レベルを減少させることは資本経費及
び真空ポンプの動力消費の両方を増大することになるこ
とは了解されよう。これは、一層排気圧レベルを一層下
げることは真空ポンプの平均圧縮比を上げるためのみな
らず、このように圧力レベルを一層下げることは、かか
る圧力の一層の低下を達成するために、ポンプについて
の容量要求を上げることから、実情である。加えて、真
空レベルを下げて同じ残留窒素含量を達成することは鋭
さに劣る物質移動域を生じさせる傾向になる。というの
は、残留窒素は、床の供給端の近くに濃縮されるのと反
対に、床全体にわたって均一に分配される傾向になるか
らである。こうして、発明の実施において、全加工サイ
クルの排気工程に続いて向流パージを含むことによって
達成するのと同じプロセス性能を達成するためには、そ
れ以上の真空レベルの低下がなお必要になり得る。

発明を２床系で実施する好ましい実施態様を表■に例示
する。この実施態様は、上記表■に示す通りの加工工程
を各々の床においてサイクル基準で実施するように加入
するもので、１つの床が全サイクルの内の再加圧段階を
受けており、他方、他の床は該サイクルの降圧段階を受
けている。しかし、表Ｈの実施態様では、濃酸素によっ
てバック充填した後の再加圧段階が、空気で再加圧した
後に、濃窒素工程によってコパージする前の一層高い吸
着圧レベルにおける定圧吸着工程を含むことがわかるも
のと思う。表Ｈに、また、全加工サイクルの内の各々の
床の間に床Δに関係する時間及び圧力条件を挙げ、床Ｂ
は床Ｂにおける関述する加工シーケンスで行う通りの各
々のかかる挙げた工程の間に同じ時間及び圧力条件を受
ける。

発明の表１の実施態様の加工シーケンスの実施において
用いるのに適した２床真空ＰＳＡ２素系を図に示す。す
なわち、系は吸着剤床Ａ及び吸着剤床Ｂを、適した酸素
及び窒素貯蔵容器、時間分割ブロワ−１真空ポンプ、生
成物圧縮機と共に含む。原料空気はフィルターＦ及びバ
ルブ２を収容する流れ管路量を通って系に入る。原料流
れ管路に接続した管路３は時間分割ブロワ−４を収容し
及びバルブ６を収容する排出管路５及び管路７に接続す
る。管路７はバルブ９を収容する管路８及びバルブ１量
を収容する管路１０に接続し、管路８及び１０はそれぞ
れ床Ａ及び床Ｂに、好ましくは図示する通りに床の下方
端に通る。バルブ９と床Ａとの間の管路１２はバルブ１
３を収容して真空ポンプ１４及び水分離装置１５に通る
。水分離装置１５は排出導管１６を収容する。同様に、
バルブ１１と床Ｂとの間のバルブ１８を収容する管路１
７は管路１０から通うて真空ポンプ１４及び水分離装置
１５に通る管路１２に接続する。

管路１９は水分離装置Ｉ５から管路２０及び２１に通る
ことがわかるものと思う。立ち代って、管路２０は生成
物圧縮機２２、次いで冷却器２３及び分離装置２４に通
る。分離装置２４は排出導管２５を有する。管路２６は
分離装置２４から乾燥機系２７に伸びる。乾燥機系２７
は吐出導管２８及び管路２９を存し、管路２９は管路２
１につながって窒素貯蔵容器３０に通る。バルブ４３を
収容する管路３１が容器３０から管路１に伸び、バルブ
３３を収容する管路３２が管路１２から管路３１に伸び
ることはわかるものと思う。

バルブ３６及び３７をそれぞれ収容する管路３４及び３
５は、それぞれ床Ａ及びＢから、好ましくは床の上部か
ら管路３８に伸びる。管路３８管路３９に通じて酸素貯
蔵容器４０につながる。

管路３８及び３９を接続する管路４１は系からのガスの
排出に備え、背圧調節器４２を収容する。

表Ｈに及び図に例示する２床実施態様の実施では、サイ
クル加工シーケンスの開始において、床Ａは最も低い減
圧プロセス圧・にあり、床Ｂは一層高い、大気圧より高
い吸着圧にある。床Ａを濃酸素ガスでバック充填する間
、バルブ３６が開いて酸素貯蔵タンク４０からのガスを
導管３９．３８及び３４に通して床Ａに入れさせる。酸
素バック充填は、床Ａにおいて所定の床座力レベルに達
するまで続く。同時に、床Ｂは、高純度窒素ガスをバル
ブ１８及び３３及び導管１０．３２及び３量を経て窒素
貯蔵タンク３０にブローダウンすることによって降圧シ
ーケンスを始める。かかる床Ｂのブローダウンは、床Ｂ
内の床座力が発明の系で実施する特定の空気分離適用に
関係する周囲圧に本質的に等しくなるまで続く。

このブローダウン工程の間に、時間分割ブロワ−４及び
真空ポンプ１４を使用することを必要としないことに注
意すべきである。しかし、バルブ２及び６を開けてブロ
ワ−４が袋小路（ｄｅａｄ−ｅｎｄｉｎｇ）にならない
ようにする。こうして、空気を導管１、フィルターＦ及
び管路３に通して引き入れ、空気をブロワ−によって吐
出して、導管５に通す。ブローダウンの間、小部分のブ
ローダウンガスは真空ポンプ１４．水分雌装否１５、導
管１９の中を移動して窒素貯蔵タンク３０の中に通り、
こうして真空ポンプ１４が袋小路にならないようにする
。窒素貯蔵タンク３０は固定容量よりもむしろ中に入れ
るガス量によって変わる変更可能なタンク容量をもたら
す適当な軟質材料製であるのが好ましいことに注意すべ
きである。この特徴は、発明のサイクルプロセスの運転
の間に貯蔵に要する最大ガス容量を保持することができ
る固定容量タンクを設置することに比べてタンクの費用
を相当に低減させる働きをする。

第１工程区間、すなわち上述した通りのバック充填及び
ブローダウン期間の終りに、バルブ６及び３３を閉止し
、バルブ９を開ける。今、導管１及びバルブ２を通って
系内に引き込まれる空気はバルブ９及び導管８を通って
床Ａに入る。床Ａは今３一部゛分再加圧−吸着工程を受
ける。初めに、床Ａを減圧から周囲圧にまで再加圧する
０次いで、床Ａ内の圧力は所定の過圧レベル、すなわち
、系の一層高い吸着圧まで・上昇し続ける。この再加圧
−吸着工程の最終部分では、床の圧力は該一層高い吸着
圧レベルにおいて本質的に一定のままであり、その間供
給空気を依然床Ａの供給端に通し、窒素を供給空気の内
の一層容易に吸着し得る成分として吸着し、それ程容易
には吸着し得ない成分である濃酸素を床Ａの吐出端から
管路３４及びバルブ３６を経て抜き出し続ける。初め、
全ての酸素に冨んだ流出ガスが酸素貯蔵タンクの中に通
る。該タンクはこうして所定圧力まで充満し、該圧力に
なった時に背圧調節器４２が開いて、それ以上の酸素に
富んだ流出ガスを管路４１より系から取り出させる。こ
の吸着工程を所定の時間間隔の間続ける。

沫Ａがこのようにして再加圧−吸着シーケンスで供給空
気を受は入れている時間中、床Ｂは排気工程の一部を受
けている。バルブ１８は開いたままであり、バルブ３３
を閉止する。ガスが床Ｂがら管路１０及び１７及びバル
ブ１８を通って抜き出され、真空ポンプ１４及び水分離
装置１５を通って窒素貯蔵タンク３０に入る。分離装置
１５から水が導管１６を通って排出される。

吸着工程、すなわち、表Ｈの工程４の終結に次いで、床
Ａを供給工程からコパージ工程に切り替える。すなわち
、バルブ２を閉止し、バルブ３２を開ける。次いで、高
純度窒素ガスが窒素貯蔵タンク３０から導管３１、バル
ブ４３、ブロワ−４、管路７及び８、バルブ９及び管路
８を通って床Ａに入る。この工程で高圧コパージガスを
供給するブロワ−は、前に再加圧吸着工程で原料空気を
供給したのと同じブロワ−１すなわちブロワ−４である
ことに注意すべきである。酸素に冨んだガスが管路３４
及びバルブ３６を通って取り出され続け、酸素貯蔵タン
ク４０に入るか或は背圧調節器４２を通って系を出る。

床Ａ内の圧力は一層高い吸着圧レベルにおける該窒素コ
パージ工程の過程にわたって一定のままである。コパー
ジ工程の初めの部分の間、床白は排気を受は続けて所定
の減圧レベルになる。

一旦床Ｂが所望の減圧に達したら、バルブ３７を開け、
床Ａからの酸素に富んだ流出ガスの一部が管路３５．３
８及び３４を通って床Ｂに入る。

床Ｂから吐出されるそれ以上の窒素ガスが管路１０及び
１７、バルブ１８及び真空ポンプ１４を経て窒素貯蔵タ
ンク３０に入るにつれて、床Ｂ内の圧力は下がり続ける
。床Ａはこの所定の時間間隔の間、コパージを受は続け
る。

床Ａにおいて表Ｈのコパージ工程６を完了すると、発明
のこの加工実施態様のサイクルシーケンスの半分を完了
し、床の機能を循環させ或は逆転させる。床Ａは今前に
床Ｂが受けた降圧シーケンスを始め、他方、床Ｂは床Ａ
が工程１−６のシーケンスで受けたのと同じようにして
バック充填、再加圧−吸着及びコパージを受ける。

発明のＰＳＡ方法は低い減圧から１気圧より高い圧力ま
での圧力スイングで実施するのが有利である。生成物の
窒素ガスは容器を降圧する間に得るので、窒素生成物貯
蔵タンク３ｏ内の圧力は周囲よりわずかたけ高いことが
わかるものと思う。

これより、生成物圧縮機を系に含むがもしれない。図に
示す通りに、生成物圧縮機２２は貯蔵タンク３０から管
路２ｏを経て生成物窒素ガスを連続して受ける。窒素ガ
スは、圧縮した後にアクタ−冷却器２３で冷却し、生成
する凝縮水を分離装置２４で取り去り導管２５より排出
する。残留水分を乾燥機系２７によって取り去る。乾燥
機系２７は慣用の圧力或はサーマルスイング吸着乾燥機
にすることができる。生成物窒素ガスは管路２８より系
を出る。乾燥機２７は慣用の実施に従ってハイ−リカバ
リー乾燥機として運転し、乾燥機２７からの窒素パージ
ガスを管路２９を経て系に戻す。乾燥機パージガスは、
生成物窒素の損失を避けるために戻す。

所望なら、系への供給空気を予備乾燥することは発明の
範囲内である。しかし、特有の乾燥配置は発明のガス分
離方法及び装置の一部を形成しない。供給空気を予備乾
燥しないならば、床の前端が乾燥域として作用し、こう
して主供給ガス分離操作それ自体に認め得る程に寄与し
ない。よって、このような場合、吸着剤床の有効域は床
の全体長さより幾分短くなる。こ゛のような床内の乾燥
域は通常金床長の５０％未満を構成し、典型的にはそれ
より著しく小さい。床の降圧シーケンスの間に、前に吸
着された水は脱着されて床の供給端から抜き出す高純度
窒素と共に床を出る。

当業者であれば、任意の所定の加工操作について全サイ
クル時間及び個々の工程時間は下言己に応じて変わるこ
とを認めるものと思う：分離する供給ガス混合物、所望
の生成物純度及び回収率レベル、採用する運転条件、吸
着系に含まれる特定の吸着剤物質及び床の数、種々の経
済的要因、例久ば特定の用途について必要な資本経費と
運転費との間の釣合。工程時間が短くなる、よって全サ
イクル時間が短くなることは、吸着剤床を収縮するため
の容器の容積要求数量、サージタンク要求数量及び吸着
剤の使用量を最少にする働きをするが、バルブの利用を
増大する働きをすることは了解されよう。使用する特定
の吸着剤の特性に応じて、サイクル時間が短（なること
は、また、生成物回収率の低下及び／又は動力消費の増
大に至り得る。任意の特定の操作工程について許容し得
る最少時間は吸着剤の破砕及び流動事情によって決るの
が普通である。

表Ｈに例示する実施態様は、２床系を備え、全サイクル
時間１４０秒であることがわかるものと思う。個々の工
程時間は、サイクルの間プロセスガスフローを扱う場合
、２つの装置−真空ポンプ及び時間分割ブロワ−のみを
使用することに基づく。ブロワ−は供給空気（或は他の
供給ガス）及びコパージの両方の流れを扱うが、各々の
流体の流量及び個々の工程時間は同じでなくてよい。表
■に示す１４０秒サイクルにおいて、バック充填工程は
１０秒から成り、再加圧−吸着工程及びコパージ工程は
各々３０秒から成り、ブローダウンは１０秒から成り、
排気は４５秒から成り、バックパージ工程は１５秒から
成ることが゛わかるものと思う。

３床系における発明の実施を表■に例示する。

かかる３床系は通常高い生産要求量の用途について好ま
しいが、典型的には低容量、すなわち５０トン／日より
少ない生成物を・供給する２床系に比べて原価効率的で
ない。表■において、用いる基本的プロセス工程及びサ
イクルは上に例示した２床系の場合と同じであることが
わかるものと思う。例示の３床系実施態様についての床
座力は表Ｈの２床系の場合と同じであるが、３床実施態
様の場合の個々の工程についての運転時間は２床系実施
態様と異なり、３床実施態様の場合の全サイクル時間は
１８０秒になることがわかるものと思う。

第３の吸着剤の加入、それに伴う容器及びバルブ要求数
量に加えて、その他の変更は発明の３床実施態様に属す
る。すなわち、第３の吸着剤床を加えることは、時間分
割ブロワ−の完全な利用を実現させ、それで図に示す通
りのベントバルブ６の必要性を排除する。加えて、３床
系ではバック充填ガスを別の容器から直接供給すること
ができるので、濃酸素タンクの寸法を小さくすることが
できる。また、サイクルの特定の時間において、降圧シ
ーケンスの特定部分を受けている吸着床は１つより多い
ので、第３底部生成物マニホールドを床当りもう１つ多
いバルブと共に要する。しかし、ブローダウン工程の間
に図の２床実施態様において使用する共通バルブは、３
床実施態様では省かれる。

発明の実施において、吸着床に用いる吸着剤物質は、一
層容易に吸着し得る成分及びそれ程容易には吸着し得な
い成分を含む供給ガス混合物から一層容易に吸着し得る
成分を選択的に吸着できる任意の適当な、入手可能な吸
着剤にすることができる。本文中に開示したような回収
に関して、一層容易に吸着し得る成分として窒素を選択
的に吸着し、酸素がそれ程容易には吸着し得ない成分を
構成することが要望される空気分離用途においては、一
層容易に吸着し得る空気成分としての窒素の吸着に関し
て所望の選択率を示す種々の市販されている吸着剤を用
い得る。例えば、５Ａ及び１３Ｘ材料のようなよく知ら
れたモレキュラーシーブを都合よく用い得る。供給ガス
が予備乾燥されてないとき、上述のように床の乾燥域に
おいて水選択性を示す任意の所望の吸着剤物質を用いる
ことは本発明の範囲内にある。上記５Ａ、１３Ｘモレキ
ユラーシーブ、シリカ及びアルミナはそのような材料の
代表例である。それゆえ、吸着床を複合材料、即ち、吸
着剤を１種より多く用いる床にすることができることは
理解される。しかしながら、システムを簡単にするため
に、床は好ましくは単一型の吸着剤で構成するのが好ま
しく、吸着剤床前端において予備乾燥器を維持すること
が望ましい場合には上記単一吸着剤を乾燥及び分離の両
方のために用いる。“当業者であれば、本発明の実施に
おいて達成される性能レベルが用いる特定の吸着剤の吸
着特性によって影響を受け、改善された吸着剤は明らか
に本発明の実施から導かれる利点に寄与することを認め
るものと思う。

こうして広い種類の吸着物−質を、発明のＰＳＡプロセ
ス及びシステムを用いる空気分離または他の所望のガス
分離操作に関する本発明の実施に用い得るが、リチウム
カチオン型ゼオライオドＸを、窒素を空気からまたは他
の窒素含有ガス流から回収することに関する発明の特定
の具体例の実施において用いるのが特に望ましいことが
わかっている。かかるリチウムＸ、即ち、ＬｉＸ吸着剤
物質は、空気または一層極性の小さい若しくは一層分極
を生じにくい分子種例えば酸素を含む他のガス流から窒
素の吸着に対して驚くべき容量及び選択率を示すことが
わかる。こうして、かかるＬ　ｉ　Ｘ＠着剤物質は、水
素、アルゴン等との混合物から窒素の分離並びに空気分
離操作を含むＰＳＡ窒素ガス分離操作において所望の改
善をもたらす。

本発明の実施に用いるのが望ましいＬｉＸ吸着剤物質は
、骨組のＳ　ｉ　／　Ａ２２モル比が約２．０〜約３．
０、好ましくは２．０〜２．５　テあり、Ａ２０ｚ−四
面体単位が少なくとも約８８％、好ましくは少なくとも
９０％、一層好ましくは少なくとも９５％がリチウムカ
チオンで会合されているリチウムカチオン型ゼオライト
Ｘであるつかかる高度に交換された形態のＬｉＸの窒素
吸着特性は、カチオンの８６当世％かまたはより少ない
当量％がリチウムでありかつ残留物が主にナトリウムカ
チオンであるＬｉＸ材料を用いて得られる結果からは全
く予測できない。更にゼオライトＸ骨組中のへ２０２″
四面体単位の相対比率が全四面体単位の４４．４％から
該全単位の５０％まで増加することは、対応するＬｉ°
イオンの増加、即ち、各場合におけるＬビイオンの同じ
当量％の増加と共に、また、ゼオライトの窒素に関する
吸着能力及び選択率を、指摘したＬｉＸ材料中のカチオ
ン数の増加に単純に関連するよりもずっと大きく増加す
るように働く。

発明の実施における使用のためのＬｉＸ材料製造におい
て、慣用の入手できるゼオライトＸ出発原料をたやすく
用いることができる。二つのかかる材料は、２．５及び
２．０の５ｉｎ−／Ａｎ□０．比を有し、主にナトリウ
ムカチオンを有するゼオライトＸ１即ちＮａＸ材料であ
る。２．５　Ｎ　ａ　Ｘは、ミルトン（Ｍｉ　１ｔｏｎ
）の特許である米国特許筒２．８８２、２４４号の教示
に従い、約１００℃の温度にて試薬としてケイ酸ナトリ
ウム及びアルミン酸ナトリウム及び水を用いて水熱合成
することができ、反応混合物は酸化物のモル比によって
以下の組成を有する； ３．５　ＮａｚＯ：ＡＱｚＯ５：３．Ｏ５ｉ０２：１４
４Ｈ２０２、ＯＮ　ａ　Ｘ材料は、混合ナトリウム−カ
リウムの形態で合成でき、最初に、２６７ｇの５０％Ｎ
ａＯＨ水溶液中に２０８ｇのＡ　Ｉ　（ＯＨ）　３を溶
解することよって、加熱及び攪拌を用いて第一溶液、即
ち、溶液（ａ）を形成する。溶液（ｂ）を、２８７ｇの
８５，３％に叶ベレットを１０００ｇの水中に溶解しそ
してその後こうして形成した溶液と６７１ｇの５０％Ｎ
　ａ　ＯＨ水溶液とを混合して調製する。溶液（ａ）を
溶液（ｂ）にゆっくりと加えて溶液（ｃ）を作り、それ
を４〜１２℃に冷却する。溶液（ｄ）を、４５３．２５
ｇの４０グレードのケイ酸ナトリウム（９，６％ＮａＯ
ｚ；　３０．９％５ｉｎ２）を１１３１．７ｇの水で希
釈して調製する。冷却した溶液（ｃ）をブレングー中の
溶液（ｄ）に加えそして低速で３分間混合する。最終混
合における、冷却すること及び過度の量の機械的エネル
ギーの発生をさけることは高品質の製品を製造するうえ
で重要な因子である。約４分経過するまでは、ゲル化は
起こらないだろう。ゲルを３６℃で２〜３日間熟成しそ
して７０℃で１６時間熟成する。その後、所望のゼオラ
イトな濾過によって分離し、そして濾過ケーりを母液の
７倍の容量に等しい量のＮ　ａ　ＯＨ水溶液（ｐＨ＝１
２）で洗浄する。洗浄した製品を、４βのＮａＯＨ水溶
液（ｐＨ＝１（１）中で再びスラリーにしそしてその後
濾過して回収しそして水で洗浄する。再度のスラリー操
作は２回より多く繰り返すのが好ましく、そして分離し
た製品を空気中で乾燥する。乾燥した製品を、１００ｍ
１の１％のＮａ叶中にスラリーとしてそしてスラリー中
で９０℃にて２１時間維持する。濾過後、ケークを１０
１００ＯのＮ　ａ　Ｏｔｌ溶液（ｐＨ＝１２）で６０℃
で３０分間再びスラリーにしそして濾過する。再度のス
ラリープロセスは２回より多く繰り返すのが望ましく、
そしてその後固形物をン濾過により回収してそしてＮ　
ａ　ＯＩＩ水溶液（ｐＨ＝９）で洗浄しそして空気中で
乾燥する。

上記製造した２、　５　Ｎ　ａ　Ｘを用いて、ゼオライ
ト”プリフォーム”訂集物を、最初出発ゼオライト結晶
をｐＨ１２を有し、本質的に水酸化ナトリウム及び水か
らなる苛性アルカリ水溶液で洗浄し、そしてその復水で
洗浄してｐ　Ｈを９にして製造す（Ａｖｅｒｙ）クレー
、市販品として入手できるカオリン型クレーとを、ゼオ
ライト８０重量％およびクレー２０重皿％の割合で混合
する。その後、ゼオライト−クレー混合物を十分な水と
混合して、押出したベレットを次の燃焼段階にかけそこ
でカオリンクレーを約６５０　’Ｃにて約１時間でメタ
−カオリン型に転化させ得るに十分なグリーン強度を有
する押出し可能な塊を作る。焼成後、結合した凝集物を
冷却しそして、約１００℃の苛性アルカリ水溶液中に浸
漬し、そして熟成してメタ−カオリンの塊を主にゼオラ
イトＸのゼオライト結晶に転化する。熟成した凝集物を
苛性アルカリ熟成溶液から取出し再びｐＨ１２を有する
フレッシュＮａＯＨ水溶液で洗浄してそして最後に水で
洗浄してｐＨ９〜１０にしそして空気中で乾燥する。乾
燥した製品ペレットを破壊して篩分けし１６Ｘ４０メツ
シユのような便利な寸法を有する粒子を形成する。

かかるメツシュ粒子を減圧中で３７５℃の温度にて約２
．５時間で加熱して活性化することができる。この活性
化は、ゼオライトＮａＸ結晶が吸蔵した及び／または吸
着した水からできる蒸気によって過度の水熱的濫用をこ
うむらないようなこの方法で注意して実行する。こうし
て作成した活性化材料は、２．５　Ｎ　ａ　Ｘ活性化材
料である。

ＬｉＸ材料の製造において、活性化してないメツシュ粒
子を、ＬｉＯＨを用いてｐＨ９，０に調製された８８０
℃の１．０モル濃度（Ｍｏｌａｒ）塩化リチウム水流を
ガラスカラム中で粒子に接触させるイオン交換操作にか
け得る。塩化リチウムの溶液は、望ましくはゼオライト
粒子に化学量論の４倍過剰のリチウムイオンを約１４時
間にわたって接触させるような量で用いる。カラムを出
るイオン交換溶液を再循環しない。得られたイオン交換
製品を水で洗浄し、そしてＬｉＯＨを用いてｐＨ９に調
製し、そして９４％がイオン交換されることがわかる。

上記のように製造した低シリカ２．０ＮａＫＸ材料を用
いて、アルカリ金属カチオンをリチウムカチオンで９ｇ
当量％より大きい度合に置換することができ、もし望む
ならば、塩化リチウム水溶液（ＬｉＯＨでｐＨ＝９に調
整）によりイオン交換できる。この材料は、粉末状であ
り、２．０ＬｉＸ（９９％）材料を含む。

当業者はＬｉＸ製造操作の詳細において様々に変化及び
改変することができると理解するが、それは改善された
ＰＳΔ加工及びシステムに関する本発明を離れるもので
ない。これを理解することにより、例えば、２．５　Ｎ
　ａ　Ｘ材料を、種々のリチウムカチオン量を持つ製品
を作るために４倍量より多いかあるいは少ないＬｉＣＲ
を用いる、塩化リチウム水溶液（Ｌｉ、ＯＨでｐＨ９に
調製）による上記容量技法を採用してイオン交換できる
ことを知るべきである。また、所望のＬｉＸ材料を、塩
化リチウムに代えて炭酸リチウムまたは他のそのような
リチウム塩を用いて、かかるイオン交換によって製造す
ることができることも認められるものと思う。同様に、
得られるＬｉＸ材料のうち、与えられた用途の実施上の
運転要件、例えば、特定の供給ガス圧若しくは製品ガス
圧または温度条件、及び／または与えられた用途に固有
の分離及び回収の所望レベルに応じる種々の運転条件の
下で、発明の特定の具体例における使用に関して所望の
吸着剤を構成するものを用いることができる。

この後、本発明の実施を、更に、供給空気から高純度の
窒素を生成する２床の具体例の可能性及び１３Ｘモレキ
ユラーシーブの性能と比較してＬｉＸモレキュラーシー
ブの高い性能についての可能性を例示する例を参照しつ
つ記載する。しかしながら、かかる例は例示の目的だけ
のものであり、本文中及び特許請求の範囲に記載の発明
の範囲を限定すると解釈すべきではない。

［例コ　伊ＬＬ 吸着剤床が各々１．８ｍ（６フイート）長及び５ｃｍ（
２インチ）直径の２床システムにおいて、第１表のプロ
セッシングシーケンスを実行した。各床に２．５３ｋｇ
　（５，６２ポンド）のユニオンカーバイド社から得ら
れる１３Ｘモ１／キユラーシーブを入れた。各床を交互
にプロセッシングシーケンスにかけて、そして圧力条件
及びステップ時間を下記第４表中に説明する通りにした
。供給空気を、吸着システムを通過させる前に、予備乾
燥して水を供給空気から除去した。

用いた運転圧力は、濃酸素により向流パージの終りにお
ける減圧脱着圧力０．１９　ｋｇ／　ｃｍ２Ａ　（２，
７ｐｓｉａ）から並流パージステップの終りにおける一
層高い吸着圧力１．６１　ｋｇ／　ｃｍ２Ａ　（２３，
０ｐｓｉａ）まで変化するに至ったことがわかる。１つ
の完全サイクルの全時間は２２０秒であり、プロセスは
周囲条件下（即ち、１６〜２１℃（２８９〜２９４’Ｋ
）で運転した。製品窒素は９９．５％の純度で生成し、
供給空気からの窒素回収率は６４％であった。

−】−一し一友一 床座力　　　　時　間 （０，９８−０，２２） ２２０秒 丑１ 例１で記載したような２床吸着システムを、ユニオンカ
ーバイド社から得られるＬ　ｉ　Ｘモレキュラーシーブ
を１３Ｘモレキユラーシーブに代えて用いた以外は、供
給空気を用いて、実施例１に記載したように運転した。

用いた特定のＬｉＸ材料は、９５％より多いリチウムイ
オン含有量及びｏ、５４重量％の残留水含有量を有する
。プロセッシングシーケンス、及び圧力条件及びステッ
プ時間を下記第５表中に説明する通りにした。供給空気
を再び予備乾燥し、プロセスを周囲条件下で実行した。

運転圧力は、濃酸素工程による上記向流パージの終りで
の一層低い減圧脱着圧力０．３３　ｋｇ／　ｃｍ２Ａ（
４，７ｐｓｉａ）から並流パージステップの終りでの一
層高い吸着圧力１．５３　ｋｇ／　ｃｍ２Ａ　（２１，
９ｐｓｉａ）まで変化するに至ったことがわかる。個々
の供給空気及びコパージステップの時間を調節したが、
全サイクル時間は２２０秒のままであった。例１に比較
べて運転圧力比が低下したことは、ＬｉＸ吸着剤の酸素
に対照して窒素に関する吸着能力及び選択率が増大した
直接の結果であった。製品窒素の純度のレベルは９９．
５％ままであった。しかしながら、窒素回収率は９４％
に増加した。

−策一二−スー 床座力　　　　時　間 ２２０秒 ［ 空気から窒素を回収する発明の実施の別の例において、
吸着剤としてＬｉＸを再び用いて、例１及び２で用いた
プロセッシングシーケンスを２床システムに採用した。

しかしながら、この例において、各吸着剤容器の直径を
６１ｃｍ（２フイート）に増加した。用いるＬｉＸ材料
の分析はリチウムイオンの含有量が９７〜９８％であり
残留水の含有量が０．４〜１．１重量％の範囲であるこ
とを示した。この例においては、供給空気の予備乾燥器
を用いなかった。従って、床の前端を用いて供給空気と
一緒に吸着容器に入る水をいくらか除去した。各床を交
互にプロセッシングシーケンスにかけ、そして圧力条件
及びステップ時間を下記第６表に説明する通りにした。

一男−」Ｌ二表− 床座力　　　　時　間 （１，０１−０，２９） １７０秒 運転圧力は、濃酸素工程による上記向流パージの終りで
の一層低い減圧脱着圧力０．２７　ｋｇ／　ｃｍ２Ａ（
３，８ｐｓｉａ）から並流パージ工程の終りでの一層高
い吸着圧力１．５１　ｋｇ／　ｃｍ”Ａ　（２１，６ｐ
ｓｉａ）まで変化する至ることがわかる。この具体例の
全サイクル時間は１７０秒であり、プロセスを周囲条件
ヨリ高くして３２〜４９°Ｃ（３０５〜３２２ｅＫ）の
範囲の吸着剤温度にした温度条件下で運転した。窒素製
品は再び９９．５％、の純度で生成し、供給空気からの
窒素口ゲ率は７２％であった。上に示したような低い減
圧脱着圧力と便利な一層高い大気圧を越える吸着圧力と
の間で運転する本発明のプロセスは、任意の適当な温度
条件で実施できる。ＬｉＸ吸着剤を用いる運転に関して
約２７〜約１０７°Ｃ（約３００〜約３８００Ｋ）の温
度が一般に好ましいが、１３Ｘ吸着剤を用いるときの供
給温度は一般に約７〜約４７℃（約２８０〜約３２０’
Ｋ）が好ましい。当業者であれば、他の吸着剤物質を用
いる具体例に関する好ましい温度が上記温度範囲から変
わり得ることをそして、もしそう望むならば、好ましい
温度範囲外の温度をまた本発明の特定の適用において用
いることができることを認めるものと思う。

上記より、本発明の実施に用いる運転条件は、本文中に
開示した一般的に好ましい２床及び３床の具体例のよう
な発明の種々の具体例において、特定のガス分離操作の
要求を満たすことを便利且つ柔軟に助長することが理解
される。こうして所望の窒素製品をもたらす全経費は最
小になる一方、例えば、製品圧力、動力消費、製品純度
等の任意の特定の末端使用者に関連する制約に容易に便
宜を図ることができる。高純度窒素は、高回収率レベル
で、それ故、本発明の実施に関連する相対的に低い圧縮
比及び設備能力要件に基づく望ましい低運転費及び低資
本経費で製造できる。こうして本発明の実施によりＰＳ
Ａ技術、特に経済的な減圧循環運転における望ましい高
純度窒素製品に関する重要な進歩が達成される。

丘よ」１皿１０１里ツ」Ｌ朋 第１図は発明の２床真空ＰＳＡ窒素系の好ましい実施態
様を示す略フローダイヤグラムである。

代理人の氏名　倉　内　基　弘　　゛・手続令甫正書（
方式） 平成元年５月８日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 事件の表示　昭和６３年特許悠第３３２７００号発明の
名称　　ガス分離のための改良された圧力スイング吸着
方法及び装置 補正をする者

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一層容易に吸着し得る成分を選択的に吸着すること
   ができる吸着剤物質を収容する少なくとも２つの吸着剤
   床を有し、供給ガス混合物の床の供給端に導入し、一層
   容易に吸着し得る成分を供給端から抜き出し、それ程容
   易には吸着し得ない成分を床の吐出端から吐出する吸着
   系において、一層容易に吸着し得る成分及びそれ程容易
   には吸着し得ない成分を含有する供給ガス混合物の内の
   一層容易に吸着し得る成分を回収する圧力スイング吸着
   方法であって、各々の床は下記を含む処理加工シーケン
   スを交番サイクル基準で受ける方法： （ａ）それ程容易には吸着し得ない成分に富んだガスを
   床の吐出端に導入して床を減圧脱着圧レベルから中間圧
   レベルに部分向流再加圧し、かかる床の向流バック充填
   は前に吸着された一層容易に吸着し得る成分を床の供給
   端の方に移す働きをし、それによって供給ガス混合物の
   それ程容易には吸着し得ない成分及び一層容易に吸着し
   得る成分である物質移動域の鋭さを高め、供給ガス混合
   物から回収し得る一層容易に吸着し得る成分の量を増し
   、 （ｂ）供給ガス混合物を床の供給端に通し、床を中間圧
   から一層高い吸着圧に並流に再加圧し、一層容易に吸着
   し得る成分を選択的に吸着させ、それ程容易には吸着し
   得ない成分流を床の吐出端から抜き出し、該流れの一部
   を系から抜き出し、該それ程容易には吸着し得ない成分
   流の残りの部分を系内の別の床に直接通して工程（ａ）
   の向流バック充填再加圧用にし或は床をパージし及び／
   又はサージタンクに通して後にバック充填或はパージ工
   程において用い、 （ｃ）一層容易に吸着し得る成分ガスを一層高い吸着圧
   の床の供給端に通しそれで床を並流にパージして床の空
   隙空間内に保持されるそれ程容易には吸着し得ない成分
   を置換し、それ程容易には吸着し得ない成分を床の吐出
   端から抜き出し続け、抜き出したガスをサージタンクに
   送って後にバック充填或はパージ工程において用い、直
   接別の床に送ってかかる工程に用い、或は系から抜き出
   し、床から高純度の一層容易に吸着し得る成分を回収す
   る前にパージすることによって床からそれ程容易には吸
   着し得ない成分を追い出し、 （ｄ）一層容易に吸着し得る成分を床の供給端から吐出
   することによって床を向流降圧しそれによって床の圧力
   を一層高い吸着圧から中間圧レベルに下げ、 （ｅ）追加量の一層容易に吸着し得る成分を床の供給端
   から吐出することによって更に床を向流降圧し、それに
   よって床の圧力を中間圧から減圧脱着圧レベルに下げ、 （ｆ）それ程容易には吸着し得ない成分ガスを床の吐出
   端に導入することによって床を向流にパージし、追加量
   の一層容易に吸着し得る成分を床の供給端から吐出し、
   それによって次に続く加圧−吸着工程の前に床の吸着容
   量を増大させ及び床内の一層容易に吸着し得る成分の物
   質移動域の鋭さを増し、この工程（ｆ）で及び向流降圧
   工程（ｄ）及び（ｅ）で床の供給端から取り出した一層
   容易に吸着し得る成分を系から高純度生成物ガスとして
   抜き出すか或は工程（ｃ）においてパージガスとして用
   いるためにサージタンクに貯蔵し、 （ｇ）工程（ｂ）を実施する間に追加の供給ガスを床に
   通して工程（ａ）−（ｆ）を循環基準で繰り返し、それ
   で、供給ガス混合物の内の一層容易に吸着し得る成分を
   簡易化真空加工サイクルで高純度、安価な生成物として
   簡便に得る方法。 ２、前記供給ガス混合物が空気であり、一層容易に吸着
   し得る成分が窒素を含み、それ程容易には吸着し得ない
   成分が酸素を含む特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、前記吸着系が２つの吸着剤床を含む特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ４、前記吸着系が３つの吸着剤床を含む特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ５、再加圧し、それ程容易には吸着し得ない成分を抜き
   出す工程（ｂ）が、（１）初めに供給ガス混合物を床の
   供給端に通して床の圧力を中間圧から一層高い中間圧に
   上げ、（２）追加量の供給ガス混合物を床の供給端に通
   しそれで床を一層高い中間圧から一層高い吸着圧に再加
   圧し、その間同時にそれ程容易には吸着し得ない成分を
   床の吐出端から吐出し、（３）追加量の供給ガス混合物
   を一層高い吸着圧の床の供給端に通し、その間同時に追
   加のそれ程容易には吸着し得ない成分ガスを床の吐出端
   から吐出することを含む特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ６、工程（ｂ）の再加圧、それ程容易には吸着し得ない
   成分抜き出しが、（１）初めに供給ガス混合物を床の供
   給端に通して床の圧力を中間圧から一層高い中間圧に上
   げ、（２）追加量の供給ガス混合物を一層高い吸着圧の
   床の供給端に通し、その間同時に追加のそれ程容易には
   吸着し得ない成分ガスを床の吐出端から吐出する特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ７、工程（ｂ）の再加圧、それ程容易には吸着し得ない
   成分抜き出しが、供給ガス混合物を床の供給端に通しそ
   れで床を中間圧から一層高い吸着圧に再加圧し、その間
   同時にそれ程容易には吸着し得ない成分を床の吐出端か
   ら吐出する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ８、前記吸着系が２つの吸着剤床を含み、前記供給ガス
   混合物が空気であり、前記一層容易に吸着し得る成分が
   窒素を含み、前記それ程容易には吸着し得ない成分が酸
   素を含む特許請求の範囲第６項記載の方法。 ９、前記吸着系が３つの吸着剤床を含み、前記供給ガス
   混合物が空気であり、前記一層容易に吸着し得る成分が
   窒素を含み、前記それ程容易には吸着し得ない成分が酸
   素を含む特許請求の範囲第６項記載の方法。 １０、１つの床を一層低い減圧脱着圧から一層高い吸着
   圧に再加圧しながら工程（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）にお
   いてそれ程容易には吸着し得ない成分を床の吐出端から
   吐出し、他方、他の床を一層高い吸着圧から一層低い減
   圧脱着圧に降圧しながら一層容易に吸着し得る成分生成
   物ガスを床の供給端から回収する特許請求の範囲第８項
   記載の方法。 １１、工程（ａ）及び（ｂ）において第１の床をそれ程
   容易には吸着し得ない成分を床の吐出端から吐出しなが
   ら一層低い減圧脱着圧から一層高い吸着圧に再加圧して
   おり、他方、第２の床は工程（ｅ）及び（ｆ）において
   減圧へのそれ以上の向流降圧、一層低い減圧脱着圧への
   向流パージ及び中間圧レベルへのバック充填を受けてお
   り、及び第３の床は工程（ｃ）及び（ｄ）において一層
   高い吸着圧におけるコパージ、中間圧レベルへの向流降
   圧及び減圧レベルのそれ以上の向流降圧の初期部分を受
   けており、コパージ工程（ｃ）の間に第２の床の吐出端
   から排除された濃酸素を第１床の工程（ａ）における再
   加圧用ガスとして用い、工程（ｂ）、パート（２）にお
   いて一層高い吸着圧で定圧吸着する間に第１の床の吐出
   端から抜き出した酸素を用いて第３の床における向流パ
   ージ工程（ｆ）用パージガスとし、その間に第３の床の
   圧力を減圧脱着圧に下げる特許請求の範囲第９項記載の
   方法。 １２、単一の時間分割ブロワー手段をガス流れ工程用に
   使用して、前記供給ガス混合物を工程（ｂ）の間に各々
   の床の供給端に通し、一層容易に吸着し得る成分を同様
   にコパージ工程（ｃ）の間に床の供給端に通す特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 １３、前記吸着剤が１３Ｘゼオライトを含む特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 １４、前記吸着剤が、骨組ＳｉＯ＿２／Ａｌ＿２Ｏ＿３
   モル比が３．０以下であり、ＡｌＯ＿２四面体単位の少
   なくとも８８％がリチウムカチオンで会合されたゼオラ
   イトＸを含む特許請求の範囲第１項記載の方法。 １５、前記ゼオライトＸの骨組ＳｉＯ＿２／Ａｌ＿２Ｏ
   ＿３モル比が２．０〜２．５である特許請求の範囲第１
   ４項記載の方法。 １６、ゼオライトＸのＡｌＯ＿２四面体単位の少なくと
   も９０％がリチウムカチオンで会合された（ａｓｓｏｉ
   ｉａｔｅｄ）特許請求の範囲第１５項記載の方法。 １７、ゼオライトＸのＡｌＯ＿２四面体単位の少なくと
   も９５％がリチウムカチオンで会合された特許請求の範
   囲第１６項記載の方法。 １８、前記吸着系が２つの吸着剤床を含み、前記供給ガ
   ス混合物が空気であり、前記一層容易に吸着し得る成分
   が窒素を含み、前記それ程容易には吸着し得ない成分が
   酸素を含む特許請求の範囲第１４項記載の方法。 １９、前記吸着系が３つの吸着剤床を含み、前記供給ガ
   ス混合物が空気であり、前記一層容易に吸着し得る成分
   を窒素を含み、前記それ程容易には吸着し得ない成分が
   酸素を含む特許請求の範囲第１４項記載の方法。 ２０、工程（ｂ）において供給ガス混合物を床の供給端
   に通すことを、それ程容易には吸着し得ない成分を工程
   （ａ）における床の吐出端に通してバック充填を始める
   際に開始し、それにより床を床の両端部で同時に再加圧
   する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ２１、一層容易に吸着し得る成分及びそれ程容易には吸
   着し得ない成分を含有する供給ガス混合物の内の一層容
   易に吸着し得る成分を回収する改良された圧力スイング
   吸着系であって、一層高い吸着圧において吸着し一減圧
   において脱着するシーケンスで用いる際に一層容易に吸
   着し得る成分を選択的に吸着することができる吸着剤物
   質を収容する少なくとも２つの吸着剤床及び各々の床が
   交番サイクル基準で下記を含む処理加工シーケンスを受
   けることを可能にする導管管路及び調節バルブを有する
   系： （ａ）それ程容易には吸着し得ない成分に富んだガスを
   床の吐出端に導入して床を減圧脱着圧レベルから中間圧
   レベルに部分向流再加圧し、 （ｂ）供給ガス混合物を床の供給端に通し、床を中間圧
   から一層高い吸着圧に並流に再加圧し、それ程容易には
   吸着し得ない成分流を床の吐出端から抜き出し、該流れ
   の一部を系から抜き出し、残りの部分を別の床に再加圧
   及び／又はパージの目的で直接通し及び／又は後にかか
   る目的に使用するために貯蔵に通し、 （ｃ）一層容易に吸着し得る成分ガスを一層高い吸着圧
   の床の供給端に通しそれで床を並流にパージし及びそれ
   程容易には吸着し得ない成分を置換して床の吐出端から
   抜き出し、抜き出したガスを後にバック充填再加圧或は
   パージの目的で用いるために貯蔵に通し、直接別の床に
   送ってかかる目的に用い、或は系から抜き出し、 （ｄ）一層容易に吸着し得る成分を床の供給端から吐出
   することによって床を向流降圧し、それによって床の圧
   力を一層高い吸着圧から中間圧レベルに下げ、 （ｅ）追加量の一層容易に吸着し得る成分を床の供給端
   から吐出することによって更に床を向流降圧し、それに
   よって床の圧力を中間圧から減圧脱着圧レベルに下げ、 （ｆ）それ程容易には吸着し得ない成分ガスを床の吐出
   端に導入することによって床を向流にパージし、追加量
   の一層容易に吸着し得る成分を床の供給端から吐出し、
   この工程（ｆ）で及び向流降圧工程（ｄ）及び（ｅ）で
   床の供給端から取り出した一層容易に吸着し得る成分を
   系から高純度生成物ガスとして抜き出すか或は工程（ｃ
   ）においてパージガスとして用いるためにサージタンク
   に貯蔵し、 （ｇ）工程（ｂ）を実施する間に追加の供給ガスを床に
   通して工程（ａ）−（ｆ）をサイクル基準で繰り返し、 及び下記： （１）工程（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）の間に床の供給端
   から吐出する一層容易に吸着し得る成分ガスを貯蔵し、
   並流パージ工程（ｃ）の間に一層容易に吸着し得る成分
   を床の供給端に通す導管手段を含む一層容易に吸着し得
   る成分貯蔵手段； （２）向流降圧工程（ｄ）及び（ｅ）及び向流パージ工
   程（ｆ）の間に床を排気する真空手段； （３）工程（ｂ）の間に供給ガス混合物を床に通し及び
   工程（ｃ）に間に一層容易に吸着し得る成分を床に通す
   ブロワー手段 を含み、 それで供給ガス混合物を系内で処理加工する際に供給ガ
   ス混合物の内の一層容易に吸着し得る成分を高純度、安
   価な生成物として簡便に得ることができる系。 ２２、前記吸着系が２つの吸着剤床を含む特許請求の範
   囲第２１項記載の吸着系。 ２３、前記吸着系が３つの吸着剤床を含む特許請求の範
   囲第２１項記載の吸着系。 ２４、前記ブロワー手段が前記工程（ｂ）及び（ｃ）に
   ついての単一の時間分割ブロワーを含む特許請求の範囲
   第２１項記載の吸着系。 ２５、工程（ｂ）及び（ｃ）の間に床の吐出端から抜き
   出した前記それ程容易には吸着し得ない成分を貯蔵し、
   該それ程容易には吸着し得ない成分を向流パージ及びバ
   ック充填再加圧工程（ｆ）及び（ａ）の間に床の吐出端
   に通す導管手段を含むそれ程容易には吸着し得ない成分
   貯蔵手段を含む特許請求の範囲第２２項記載の吸着系。 ２６、前記一層容易に吸着し得る成分貯蔵手段が中に収
   容されるガス量に応じて可変容量を有する可撓性材料製
   の貯蔵タンクを含み、それで該貯蔵手段の寸法要求数を
   有利に減小させることができる特許請求の範囲第２２項
   記載の吸着系。