JPH0149530B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は混合ガスから窒素成分ガスを分離して
回収する圧力スイング吸着装置（以下単にPSA
装置という）及び圧力スイング吸着方法（PSA
法という）に関し、詳細には回収率の低下を伴な
わずに回収ガス純度を極めて高レベルのものにす
ることのできるPSA装置及び方法に関するもの
である。以下においては、その代表例として空気
を原料ガスとしてN₂ガスを99.999％以上の高純
度で回収するPSA装置及び方法について説明す
る。

［従来の技術］ 空気を原料ガスとしてPSA装置に導入しN₂ガ
スを濃縮回収する方法を大別すると、O₂ガスを
吸着剤に吸着させて除去する方法と、N₂ガスを
吸着剤に選択的に吸着させ、しかる後脱着回収す
る方法の２つに分類される。このうち後者はゼラ
オライト系の吸着剤を使用し、N₂ガス吸着後の
吸着塔を真空ポンプ等によつて減圧することによ
り高純度N₂ガスを脱着回収する方法であり、以
下この方法及びこれに利用されるPSA装置につ
いて説明する。

第２図は３塔式のPSA装置を示す概略説明図
であつて、前処理装置（図示せず）に接続される
原料ガス（加圧空気）供給管１には自動開閉弁
（以下単に弁という）V₁〜V₃を介して吸着塔３
ａ，３ｂ，３ｃが夫々接続され、各塔の底部には
弁V₄〜V₆を会して排ガス廃棄管４が連結される。
また排ガス廃棄管４の途中（弁V₄〜V₆介設点よ
り上流側）からは脱着用管５ａ，５ｂ，５ｃが分
岐され、夫々弁V₇〜V₉を介してそれより下流側
で合流され、合流された脱着用管５には真空ポン
プ６が設けられて製品ガスホルダ９に連結され
る。製品ガスホルダ９には製品ガス回収管２が設
けられると共に、製品ガスの一部を洗浄用として
抜き出す洗浄用管８が配設され、該洗浄用管８は
分岐された後弁V₁₃〜V₁₅を介して吸着塔３ａ，
３ｂ，３ｃの各頂部に連結される。尚各吸着塔３
ａ，３ｂ，３ｃを直列結合する連結管１０ａ，１
０ｂ，１０ｃが弁V₁₀〜V₁₂を介して夫々設けら
れる。

次に上記PSA装置による高純度N₂ガスの回収
方法を説明する。原料ガス供給管１から供給され
る加圧空気は吸着塔３ａ〜３ｃのいずれかに導入
され、吸着剤にN₂を選択的に吸着させ、該吸着
剤に吸着されなかつたガスは排ガス廃棄管４より
系外へ排出する。こうして吸着剤の破過寸前まで
吸着を行なつて吸着工程を完了した吸着塔では該
吸着塔内の死空間に不純成分が閉じ込められてい
るので、製品ガスホルダ９内の高純度ガスを洗浄
ガスとして洗浄用管８経由で導入し、不純成分を
パージして吸着塔内のN₂濃度を高めておく。尚
洗浄排ガス中には前記不純成分の他高濃度のN₂
が含まれており、そのまま廃棄するとN₂回収率
を低下させることになる。そこで連結管１０ａ〜
１０ｃを利用して他の吸着塔へ導入し、N₂ガス
を再吸着させる様にしている。こうして洗浄の終
了した吸着塔は真空ポンプ６を介して製品ガスホ
ルダ９と連通し、真空ポンプ６の減圧作用によつ
てN₂を脱着して回収する。

［発明が解決しようとする課題］ 例えば吸着塔３ａ内の吸着剤に吸着されていた
N₂を脱着させたい場合には、吸着塔３ａに連通
する弁のうちV₁，V₁₃，V₁₂，V₄及びV₁₀を閉鎖
してV₇のみを解放し、真空ポンプ６の減圧引込
み作用によつてN₂ガスを製品ホルダ９内へ回収
貯留する。

ところが該吸着塔３ａには色々の配管が連通さ
れており、これら配管内にはN₂純度の低いガス
が残留しており、単に真空ポンプ６を減圧させた
だけではこの残留ガスも製品ガスホルダ９内へ回
収されてしまう。また上記真空ポンプ６において
は、微小隙間より空気が混入することがあり、さ
らに前記吸着塔３ａ内の吸着剤にはN₂の他に若
干ながらO₂も残存吸着されており、脱着回収さ
れてくるN₂ガス濃度は99.999％までとするのが
限度であり、回収ガス中に混入する酸素濃度を
10ppm（N₂濃度は99.999％）より少なくするため
には、前記した洗浄工程において多量の製品N₂
ガスを使用して吸着剤に共吸着されている。O₂
や配管中の残留成分をN₂に置換する等して排除
しなければならず、N₂の回収率を犠牲にしなけ
ればならないという問題があつた。

そこで本発明者らは99.999％以上の高純度N₂
製品ガスを回収できる技術を確立すべく種々研究
を積み重ねた結果、本発明のPSA装置及びPSA
方法を完成させるに至つた。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明方法は、減圧脱着
は真空ポンプを用いて行ない、該真空ポンプを窒
素成分純度の高いガス雰囲気中に保護すると共
に、全脱着工程のうち少なくとも初期時間帯の脱
着ガスは他の吸着塔の洗浄用とし、その後脱着工
程終期に至るまでの全ガスまたは終期時間帯を除
く中間期の脱着ガスを製品ガスとして回収する点
を要旨とし、また本発明装置は吸着塔に接続され
た脱着ガス配管を分岐させ、夫々に高純度ガスホ
ルダ及び低純度ガスホルダを接続し、少なくとも
該低純度ガスホルダは洗浄用管に接続すると共
に、脱着用真空ポンプを密閉容器内に収納し、該
密閉容器を前記高純度ガスホルダ又は低純度ガス
ホルダのいずれかと連通してなる点を要旨とする
ものである。

［作用］ 第３図はある吸着塔の脱着工程における不純
O₂濃度の経時変化を概念的に示すグラフであり、
第４図は同じく脱着工程における流量変化を概念
的に示すグラフである。これらのグラフから明ら
かなように、脱着されるガス流量は時間の経過と
共に急速に低減し、一方不純O₂濃度は脱着初期
と終期で高いことが分かつた。特に脱着初期にお
ける脱着ガスはN₂純度が低く且つガス量も多い
ので、この時期の回収ガスが全回収ガスのN₂純
度に重大な悪影響を与えることが予想される。そ
こで少なくともこの脱着初期時間帯の脱着ガスを
別の容器に回収すれば、脱着工程中期又は中期及
び終期に回収されるガスは高純度を維持できる。
尚終期の回収ガスもN₂純度が低くなつているが
回収量自体が少ないので、これを回収ガス中に混
入させても全回収ガスのN₂純度に対してそれほ
ど重大な影響を与えることはない。但し終期ガス
を回収ガス中に加えるか否かは回収目標純度に応
じて定めれば良いことである。この様に脱着工程
時の脱着ガスを高純度ガスと低純度ガスに分けて
取り出すことにより、従前よりも高純度のガスが
得られることとなつたのである。また上記の様に
して分けられた低純度ガスについては、吸着塔の
洗浄用ガスとして利用できるので、高純度ガスの
回収率を低下させることがなく、総体的に見た特
定成分の回収率は従前の技術に比較して低下する
ことはない。

さらに真空ポンプの一部には負圧部が存在する
と共に、機械的摩擦部分には微小隙間があり、こ
の隙間より空気が製品ガス中に混入することがあ
るが、該真空ポンプを高純度N₂ガス雰囲気中に
保持することにより、少々のリークを引き起こし
ても製品ガスの純度を低下することがなくなる。

また該方法に使用するPSA装置としては脱着
ガスを低純度ガス及び高純度ガスに分けて回収で
きる様に、脱着用ガス配管を分岐して低純度ガス
ホルダ及び高純度ガスホルダを接続し、低純度ガ
スホルダ側を洗浄用ガスとして利用するために、
少なくとも該低純度ガスホルダと洗浄用管を連結
しておけばよい。他方真空ポンプを密閉容器中に
収納し、該密閉容器と上記高純度ガスホルダ又は
低純度ガスホルダのいずれかに連通しておけば、
真空ポンプの微小隙間より空気が混入することは
なくなり、高純度のN₂ガスを回収できる。

［実施例］ 第１図は本発明PSA装置の実施例を示す概略
説明図であるが、この他該実施例に適宜設計変更
を加えたものであつても構わない。

まず第２図に示したPSA装置と相違する点は、
まず第１に真空ポンプ６を設けた脱着用管５に高
純度ガスホルダ９ａと低純度ガスホルダ９ｂを並
設した点にある。即ち脱着用管５に弁V₂₁を介し
て低純度ガスホルダ９ｂを設けると共に、弁V₁₈
を介して高純度ガスホルダ９ａを設け、さらに弁
V₁₉を介してバイパス管１１を配設する。また高
純度ガスホルダ９ａ、低純度ガスホルダ９ｂ及び
バイパス管１１にはV₁₇，V₂₀及びV₁₆を介して洗
浄用管８を連結する。尚上記バイパス管１１は、
第６図の様に高純度ガスホルダ９ａと低純度ガス
ホルダ９ｂを並列的に配設する場合には、設けな
くても良い。

また第２に真空ポンプ６を密閉容器１２中に配
設すると共に、該容器１２を連通管１３（破線で
示す）経由で高純度ガスホルダ９ａ（時によつて
は低純度ガスホルダ９ｂでも良い）に接続して前
記容器１２内を高純度N₂ガスで満たしておけば
真空ポンプ６の作動によつて該ポンプの微小隙間
から外部の空気が脱着ガス中に混入するのを防止
することができる。尚該密閉容器１２を高純度ガ
スホルダ又は低純度ガスホルダとして兼用しても
構わない。

上記２つのホルダの作動手順を以下に述べる。
吸着塔の脱着工程初期の一定時間内は弁V₂₁を開
放し、真空ポンプ６から送給されるガスを低純度
ガスホルダ９ｂ内へ導入する。また脱着終期時間
帯にはバイパス管１１又は低純度ガスホルダ９ｂ
を介して脱着ガスを洗浄用管８に導入し、吸着塔
の洗浄ガスとして利用しても良い。即ち第５図は
３塔式吸着塔における工程順序を示しており、脱
着終期に取出されるガスは矢印A₁〜A₃に示され
る様に他の吸着塔へ洗浄ガスとして送給される。

一方脱着工程中間期には弁V₁₈，V₁₉を開放し、
真空ポンプ６から送給される高純度N₂ガスを高
純度ガスホルダ９ａ内へ導入する。

上記実施例ではタイマーによつてガスホルダ９
ａ，９ｂの切換を行なつたが、この他脱着用管５
に濃度検出器を設けておき、該検出器の検出値に
よつてO₂濃度が低い値を検出した時に脱着ガス
を高純度ガスホルダ９ａに導入する様に構成して
も構わないし、或は流量検出器を設けておき、第
４図のグラフに沿つて変化する流量によつて脱着
ガスのルートを変換する方法であつても良い。

実施例 １ 第１図に示す構造のPSA装置を試作し前処理
工程によつて処理されたN₂ガス（79％）及びO₂
ガス（21％）の混合ガスからN₂ガスを選択回収
する実験を行なつた。吸着塔の形状は内径450mm、
高さ200mmのものを使用し、吸着剤は合成ゼオラ
イト5A型を使用した。

混合ガスは吸着圧力4.0Kg／cm²Ｇとし、70N
m³／ｈの流量で吸着塔へ供給し、脱着圧力は0.1
Kg／cm²Ｇに設定し、吸着塔１塔の１工程サイクル
時間（吸着開始から次回の吸着間始までの時間）
を３分とした。

その結果高純度ガスホルダ及び低純度ガスホル
ダに回収された全N₂ガスの回収率は、37.4％と
なり、しかも高純度ガスホルダに回収されるN₂
ガスはこれとは別に全回収N₂ガスの42％となり、
そのN₂ガス濃度は99.9993％を達成した。尚この
ときの高純度ガスホルダへのN₂回収は、１塔の
脱着工程全所要時間60秒のうち中間期35秒間とし
た。

実施例 ２ 実施例１と同様のPSA装置を用い60Nm³／ｈで
原料空気を供給し、低純度ガス及び高純度ガスを
合わせて42Nm³／ｈ回収した。全脱着工程60秒の
うち脱着工程初期の10秒間及び脱着工程終期の29
秒間は脱着回収ガスを低純度ガスホルダへ回収
し、該回収ガスを洗浄工程の洗浄ガスとして利用
した。この結果高純度ガスホルダに回収される
N₂ガスは純度99.9992％を達成し（従来法では
99.998％とするのが限界であつた）またこのとき
の回収量は20Nm³／ｈであつた。

上記高純度ガスホルダ内のN₂ガス純度は深冷
分離法によるN₂ガス濃縮回収に匹敵し、液体窒
素の原料ガスとして十分適用されるものとなつ
た。

［発明の効果］ 本発明によつてN₂製品ガスの回収率を低減さ
せることなく99.999％以上の高純度N₂ガスを回
収できる様になつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に利用するPSA装置の実施例
を示す概略説明図、第２図は従来のPSA装置の
例を示す概略説明図、第３図は脱着工程における
不純O₂濃度変化を経時的に示すグラフ、第４図
は脱着工程における脱着ガス流量変化を示すグラ
フ、第５図は３塔式吸着塔の工程順序を示す説明
図、第６図は本発明PSA装置の他の実施例を示
す一部説明図である。 １……原料ガス供給管、２……製品ガス回収
管、３ａ，３ｂ，３ｃ……吸着塔、４……排ガス
廃棄管、５……脱着用管、６……真空ポンプ、８
……洗浄用管、９……製品ガスホルダ、９ａ……
高純度ガスホルダ、９ｂ……低純度ガスホルダ、
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ……連結管、１１……バ
イパス管、１２……密閉容器、V₁〜V₂₃……自動
開閉弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２以上の吸着塔を併設し、混合ガス中の窒素
   成分をいずれかの吸着塔に吸着させ、次いで減圧
   脱着させる工程を包含する圧力スイング吸着方法
   において、前記減圧脱着は真空ポンプを用いて行
   ない、該真空ポンプを窒素成分純度の高いガス雰
   囲気中に保護すると共に、全脱着工程のうち少な
   くとも初期時間帯の脱着ガスは吸着塔の洗浄用と
   し、その後における脱着工程終期に至るまでの全
   ガスまたは終期時間帯を除く中間期の脱着ガスを
   製品ガスとして回収することを特徴とする圧力ス
   イング吸着方法。 ２ 吸着塔から脱着された窒素成分を回収する圧
   力スイング吸着装置において、吸着塔に接続され
   た脱着ガス配管を分岐させ、夫々に高純度ガスホ
   ルダ及び低純度ガスホルダを接続し、少なくとも
   該低純度ガスホルダは洗浄用管に接続すると共
   に、脱着用真空ポンプを密閉容器内に収納し、該
   密閉容器を前記高純度ガスホルダ又は低純度ガス
   ホルダのいずれかと連通してなることを特徴とす
   る圧力スイング吸着装置。