JPH0194915A - 圧力変動吸着方式による窒素ガス分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は空気等窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原
料とし、分子篩炭（以下、ＭＳＣと記す）よりなる吸着
床を用いた圧力変動吸着方式（以下、ＰＳＡ方式と記す
）の分離装置で得られる窒素純度を高め、然も、窒素価
格を低下せしめるための方法に関するものである。

（従来技術） ＭＳＣはガスの吸着速度差を利用して、酸素。

炭酸ガス、水分等を短時間のうちに吸着除去し、一方、
窒素は直接取出すことができるという窒素ガス分離に関
して極めてすぐれた特性をもっている。このＭＳＣを吸
着剤とし、ＰＳ、Ａ方式で空気等の混合ガスから窒素を
分離する方法は一般に加圧吸着、均圧、再生等の各操作
を中心に構成されており、複数の吸着槽を用いこれ等の
操作を順次切替えて実施することにより連続的に製品窒
素を得ることが可能となる。

均圧操作とは、吸着操作を完了した吸着槽の内部に残存
する窒素比率が高い加圧状態のガスを再生操作が終った
他の吸着槽に圧力差を利用して両槽の圧力がほぼ等しい
状態になるまで移動さす操作であり、原料ガス原単位の
低減を意図している又、再生操作には大気圧近傍まで減
圧することによって吸着していたガスを脱着せしめる常
圧再生と、真空ポンプを用い５０〜１５０　Ｉｏｒｒの
領域まで減圧する真空再生方式があり、通常、前者は９
９％、後者においては９９．９％の製品窒素純度（窒素
純度とは窒素とアルゴンの合計容量％、以下同じ）を得
る場合に主として採用きれている。この様な区分は常圧
再生による同一のＰＳＡ方式窒素ガス分離装置で９９．
９％の製品窒素純度を得ようとすれば、９９％の場合に
比し空間速度が１／３近傍まで減少することによる設備
費と運転費の大巾な増大で、製品窒素の価格面に関して
は真空再生を用いる装置の方が優位となることに由来す
る。

なお、空間速度とは１分間に得られる標準状態の製品窒
素流量を常時吸着操作に当てられているＭＳＣの容量、
即ち本発明においては１本の吸着槽に充填されたＭＳＣ
の容量、で除した値で示す分離する窒素の純度を向上さ
す効果は、単に製品窒素の高純度化を意味するばかりで
なく、その純度を従来水準に保持する場合設備の小型化
並びに動力費の節減が可能となるため、上記各操作過程
において種々の手段がとられている。例えば、常圧再生
において当該操作期間中吸着槽内に少量の製品窒素を流
して吸着床を洗滌する°方法（以下、リンスと記す）、
真空再生の場合は５０〜１５０　Ｔｏｒｒまで減圧する
ためにリンスを利用することは出来ないが、均圧操作を
完了して吸着操作に移行する時点で、当該吸着槽出口部
の空間に均圧操作を実施したことによって滞留している
ガスを吸着床内へ移動せしめるために必要な量の製品窒
素を逆流させる方法、或いは吸着操作開始直後に生成す
る比較的低純度の窒素を系外に放出又は原料ガス中に返
却して再利用する方法等が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） 空気等を原料とし、ＭＳＣよりなる吸着床を用いたＰＳ
Ａ方式窒素ガス分離装置は、オンサイトで安価な窒素を
必要な時に生産できるほか、安全性と全自動無人運転を
特徴として急速に市場を拡大してきた。

液体窒素に代表される既存の窒素源と比較した場合、Ｍ
ＳＣを用いるＰＳＡ方式窒素ガス分離装置から得られる
窒素はその純度面に最大の難点があり、順次高純度化の
方向に技術開発が進みつつある。

特に１．９９．９％の純度を有する窒素を常圧再生によ
り真空再生の場合を下廻るコストで供給可能となれば、
真空ポンプ等のプロセスが省略きれ、設備保守の面も著
しく軽減し、産業界に対して大きく貢献することが出来
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明者等は常圧再生を採用したＰＳＡ方式窒素ガス分
離装置において得られる製品窒素の高純度化手段に関し
鋭意研究の結果、前記前提条件を満足しながら純度９９
．９％の窒素が分離可能な方法を発明するに到った。

即ち、窒素と酸素を主成分とする加圧状態の混合ガスを
原料とし、ＭＳＣを充填した複数の吸着槽よりＰＳＡ方
式窒素ガス分離装置において、ａ）常圧再生操作を実施
している吸着槽Ａは、当該操作の期間中製品出口側から
少量の製品窒素を吸着床に流す工程、 ｂ）上記ａ）の常圧再生操作完了段階の吸着槽Ａと吸着
操作を終った吸着槽Ｂとを配管により連通ずることで、
加圧状態に置かれている吸着槽Ｂの槽内ガスを圧力差に
よって吸着槽Ａへ移動する工程、 Ｃ）次に、吸着槽Ａが吸着操作を開始する際、上記ｂ）
工程の移動ガス量と下記の逆流させる製品窒素量の合計
が゛、吸着操作期間中に示す吸着槽最高ゲージ圧力の６
０％以上に相当するよう、製品貯槽から吸着槽Ａ内へ製
品窒素を逆流せしめる工程、 を必須条件として構成された窒素ガス分離方法である。

以下、第１図によって本発明を更に詳しく説明する。

空気等窒素と酸素を主成分とする加圧状態の原料混合ガ
スは弁５を通って吸着槽１に入り、槽内に充填きれてい
るＭＳＣによって吸着除去される成分と吸着されなかっ
た窒素等の成分に分離され、製品窒素は弁９を経由して
製品貯槽３に一旦貯蔵きれたのち目的の用途へ供給きれ
る。

この間、常圧再生操作中の吸着槽２は弁８を開放し、大
気圧近傍まで減圧することによって吸着状態にあったガ
スは脱着するが、当該操作期間中リンス配管途中に設置
するオリフィス１３で流量規制された少量の製品窒素が
吸着槽２に供給され、槽内に充填きれたＭＳＣを洗滌す
る。この残存ガス、吸着成分及び洗滌後の窒素等は弁８
及び消音器４を経由していずれも系外に放出される。な
お、リンス流量は過大でも過小になっても製品窒素純度
が低下するため、吸着操作において分離される窒素流量
の５〜４０％の範囲内で最適値に設定しなければならな
い。

吸着槽１内ＭＳＣの分離性能が許容限界に到達する直前
に設定された時間が経過すると弁５５．弁９並びに弁８
を閉止し、弁１１又は弁１１と１２を開くことによって
両槽を連通ずる。吸着操作時の加圧状態に置かれている
吸着槽１内に残存する窒素比率の高いガスは大気圧近傍
まで減圧されている吸着槽２へ上記連通配管を経由して
両槽の圧力差で移動する。特に、弁１１と１２を同時に
開き、弁１１を通過するガス流量が弁１２におけるガス
流量を上廻るよう調整することが望ましい。

種間ガス移動を停止する適期は両槽がほぼ等圧に近い段
階でも構わないが、供給する側の吸着槽１に対して受入
側の吸着槽２の圧力がゲージ圧力比で０，１０〜０．７
０の範囲に到達した時点で停止するのが製品窒素の純度
面でより好ましい。

吸着槽２において、次の吸着操作を開始する際、弁１０
を開き製品貯槽から窒素を吸着槽３に逆流させる。

従来より、吸着槽間の均圧操作において吸着槽製品出口
部の空間に滞留している比較的純度の低い窒素が次の吸
着操作で直接製品貯槽に入ることを防止するため、上記
滞留窒素を吸着床まで移動さすのに逆流を採用すること
がある。この場合には、製品貯槽における圧力変動との
関連で、逆流窒素を目的達成に必要な最低限の量に抑制
する。

常圧再生のＭＳＣを用いたＦ’ＳＡ方式窒素ガス分離装
置で通常の製品窒素純度９９％を得るとき、再生期間中
リンスを行なっているので均圧操作後の逆流効果は製品
純度面に殆んど認められず、逆に製品貯槽の圧力変動等
マイナス効果を伴うため、一般に採用されない。

一方、製品窒素純度９９．９％を前提としリンスを利用
することが出来ない真空再生を採用する場合は、均圧操
作後逆流を実施することで製品純度の向上効果が明らか
にされている。

吸着操作開始時、吸着槽内の圧力が低い状態に置かれて
いると原料ガスは極めて短時間のうちに吸着床を通過し
て、分離不充分な段階の窒素が製品貯槽に入る。従って
吸着操作初期の低純度窒素を系外に放出する等の方法も
提案きれている。

本発明の逆流に関しては、先に説明した滞留ガスの除去
効果以上に、吸着操作を開始する際、当該吸着槽内をあ
らかじめ高純度の窒素で加圧して置くことの効果に重点
を置いており、吸着槽間を移動したガス量と逆流させる
製品窒素量の合計が吸着操作期間に示す吸着槽最高ゲー
ジ圧力の６０％以上、より好ましくは７０％以上に相当
するよう、製品貯槽３から吸着槽２への逆流量を設定し
なければならな゛い。

吸着槽２へ原料ガスを供給開始するまでに逆流を完了す
る場合、弁１０を閉止して逆流を停止する時点は当該吸
着槽の圧力計によって容易に判断出来るが、逆流を実施
する時期は、上記の如く原料ガスを供給開始する以前に
限定されるものではない。

即ち、弁７と１０を開いて逆流と原料ガスの供給を同時
に実施することも可能である。この方法を採用するとき
は種間ガス移動直後における吸着槽２の圧力より必要逆
流量を求め、これに対応する製品貯槽３の圧力低下量を
算出し、弁１０と製品貯槽３間の配管、又は原料ガスの
供給配管途中にオリフィス等を挿入して逆流量を調節す
る。

製品貯槽を設置する主目的は、吸着操作の開始直後に生
ずる比較的低純度の窒素を混合稀釈し、製品窒素の純度
を均斉化することにある。然し、本発明の如く、製品貯
槽より大量の製品窒素を吸着槽に逆流せしめる方式にお
いては、製品貯槽の圧力が大巾に変動し、消費圧力の維
持上悪影響を及ぼすばかりでなく、逆流量を制御するこ
とも困難となる恐れがある。従って、吸着槽に製品窒素
を逆流している期間をも含め、製品貯槽のゲージ圧力が
吸着操作時に示す吸着槽最高ゲージ圧力の７０％以上を
常に保持するよう製品貯槽３の内容積を選定することが
望ましい。

吸着槽２は弁７を経由して原料ガスの供給を受は吸着操
作を開始するが、常圧再生操作で製品窒素純度９９．９
％を確保する上で設備費、動力費等の面より最低限必要
な空間速度１．　０ｍｉｎ−’以上、より好ましくは１
．　２ｍ１ｎ−’以上の水準を保持するためには、本発
明の方法においても吸着操作時の吸着槽最高圧力が６　
ｋｇ／　ｃｍ２Ｇ以上でなければならない。

一方、吸着槽１は吸着槽間のガス移動を停止した時点で
弁６を開き、先に述べた吸着槽２における常圧再生操作
と同様槽内ガスを系外して減圧による脱着再生を行い、
この期間リンスを実施する以降、吸着槽１及び２は１８
０°の位相差をもって吸着と再生の両操作を繰返し、原
料ガスより連続的に９９．９％以上の純度を有する窒素
を分離することができる。

（実施例） 実施例１ 第１図に示すＭＳＣを充填した２本の吸着槽よりなるＰ
ＳＡ方式窒素ガス分離装置を用い、吸着操作時の吸着槽
最高到達圧力が７　ｋｇ／　ｃｍ２Ｇとなるよう加圧さ
れた空気を原料とした。

逆流を含む１回の吸着時間、即ち、半サイクル時間を１
００秒とし、吸着操作を完了した吸着槽とリンスを伴う
常圧再生操作を終った吸着槽は弁１１と弁１２を開き、
供給側の吸着槽に対して受入側吸着槽の圧力がゲージ圧
力比で０．５０に到達した時点でガスの移動を停止する
。

次に、吸着操作を開始する吸着槽圧力が５．５ｋｇ／ｃ
ｍ２Ｇに到達するまで製品貯槽から当該吸着槽へ窒素を
逆流した後、原料空気の供給を開始した。

以上の条件で空間速度が１．　４ｍ１ｎ−”となるよう
製品窒素の取出量を設定した結果、本実施例で得られた
製品窒素の品質は残存窒素濃度７３０ｐｐｍ、大気圧露
点−７０℃の近傍の値が安定に得られた。

比較例１ 実施例１と同一般備を用い、製品貯槽から吸着操作を開
始する吸着槽に窒素を逆流する工程を省略する以外は全
て実施例１と同一条件で空気から窒素を分離した。

空間速度１．　４ｍ１ｎ−’における製品窒素中の残存
酸素濃度は２８６０ｐｐｍであった。

比較例２ 実施例１と同一般備を用い、常圧再生操作においてリン
スを採用しない点以外は全て実施例１と同一条件て空気
から窒素を分離した。

空間速度１．　４ｍ１ｎ−’における製品窒素中の残存
酸素濃度は２３９０ｐｐｍであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本説明の一例を示すフローシートである。 図中１．２は吸着槽、３は製品貯槽、４は消音器、５．
６．７．８．９．１０．１１．１２は切替弁、１３はオ
リフィス、１４は減圧弁を示す。 特許出願人　　クラレケミカル株式会社代理人　　　　
弁理士　　小円中　壽雄第１図 ４、消音器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）窒素と酸素を主成分とする加圧状態の混合ガスを
   原料とし、分子篩炭を充填した複数の吸着槽よりなる圧
   力変動吸着方式の窒素ガス分離装置において、 ａ）常圧再生操作を実施している吸着槽Ａは、当該操作
   の期間中製品出口側から少量の製品窒素を吸着床に流す
   工程、 ｂ）上記ａ）の常圧再生操作完了段階の吸着槽Ａと吸着
   操作を終った吸着槽Ｂとを配管により連通することで、
   加圧状態に置かれている吸着槽Ｂの槽内ガスを圧力差に
   よって吸着槽Ａへ移動する工程、 ｃ）次に、吸着槽Ａが吸着操作を開始する際、上記ｂ）
   工程の移動ガス量と下記の逆流させる製品窒素量の合計
   が吸着操作期間中に示す吸着槽最高ゲージ圧力の６０％
   以上に相当するよう、製品貯槽から吸着槽Ａ内へ製品窒
   素を逆流せしめる工程よりなることを特徴とした窒素ガ
   ス分離方法。 （２）上記（１）ｂ）の吸着槽ＡＢ間連通配管で槽内ガ
   スを移動する際、ガスを供給する側の吸着槽Ｂに対する
   受入側吸着槽Ａの圧力が絶対圧力比０．１０〜０．７０
   の範囲に到達した時点でガスの移動を終了せしめる、特
   許請求範囲第１項記載の窒素ガス分離方法。（３）吸着
   操作期間中、吸着槽の最高到達圧力が６ｋｇ／ｃｍ＾２
   Ｇ以上である特許請求範囲第１項又は第２項記載の窒素
   ガス分離方法。 （４）空間速度が１．０ｍｉｎ＾−＾１以上である特許
   請求範囲第１項、第２項、又は第３項記載の窒素ガス分
   離方法。