JPH02131111A - 酸素ガス分離方法 - 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、気体混合物から所望の気体を分離するための
方法のひとつである圧力振動吸着法（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ
ｅｓ、以下、単にＰＳＡ法という）の改良に関する。更
に詳しくは、本発明は、ＰＳＡ法に従う酸素ガス分離方
法の改良に関する（これを、Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ
　ｃａｎ　−ｔｒｏｌｌｅｄ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　
５ｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　［微分制御吸着
分離法１と称す。）。

［発明の背景］ 気体分離技術は、空気分離技術を代表例として開発され
てきた。これらの方法としては、従来から、蒸留法（深
冷分離法）、水電解法、吸着分離法、膜分離法などが知
られている。

酸素ガスは、窒素ガスと共に上記方法により製造されて
きた。近年、消費構造の多様化、高度化に伴なって、種
々の高機能材料や製品の開発、実用化、あるいはファイ
ンケミカル、医薬、バイオ製品の製造等の小量試作やバ
ッチ生産等が広く行なわれるようになり、実用上、小型
軽量で取り扱い上簡便な酸素製造装置の需要は高まって
いる。

このような要請に最も適合する分離法の一つとして吸着
分離法（＃に、ＰＳＡ法）がある。

上記ＰＳＡの原理的態様（特公昭３８−２５９６９号公
報）は、下記の複数の工程を繰り返し行なうことを基本
としている。

（１）二もしくはそれ以上の気体成分からなる気体混合
物（空気に代表される原料ガス）を、該気体成分のうち
の少なくとも一つの不要気体成分を選択的に吸着しうる
吸着剤がカラム状に充填された吸着塔に、その入口より
加圧下にて導入し、上記不要気体成分を選択的に吸着剤
カラムの入口側に吸着させて吸着気体帯域を形成させる
気体導入工程； （２）上記吸着塔への気体混合物の加圧下の導入を継続
して行なうことにより、上記吸着気体帯域の先端部を前
進させ、同時に吸着剤カラムの末端部より排出する気体
を製品ガスとして捕集する気体分離工程： （３）上記吸着気体帯域の先端部が吸着剤カラムの末端
に到達する前に、気体混合物の吸着塔への導入を停止す
る気体導入停止工程；および（４）吸着塔の入口側を減
圧下におき、捕集された製品ガスの一部を吸着剤カラム
の末端部より、前記気体混合物の流通方向と逆方向に吸
着剤カラム内に導入、流通させることにより、吸着気体
を脱着除去して、吸着剤を再生する脱着工程。

以下に、上記ＰＳＡ法を利用した酸素ガス分離法を説明
する。

酸素ガス製造を目的として、ＰＳＡ法を実施する装置と
しては、第６図に示した装置が知られている。この装置
は、並列に配置された二つの吸着剤充填塔（吸着塔）と
複数の自動弁（８〜ｌＯ個）、リザーバＲ１配管および
昇圧用のポンプ（記載時）から構成されたシステムであ
る。

第６図において、６１及び６２はそれぞれ吸着剤（６１
ａ、６２ａ；ＭＳ−５Ａ）が充填された吸着塔である。

６３．６４．６５．６６．６７．６８．６９および７１
はそれぞれ自動制御弁である。また、７２および７４は
流量調整弁である。

６０はシステム（系）内への原料ガス（空気）導入口、
モして７０は、システム（系）内から系外への最終製品
ガス（酸素ガス）の取り出し口である。７３は、通常は
大気に開放されている廃棄ガス（窒素ガス）排出口であ
る。酸素ガスの分離は上記システム（系）の一つの吸着
塔について、吸着過程（定圧工程）と再生過程（減圧、
昇圧等）が−サイクル終了することによって行なわれる
。

すなわち、一つの吸着塔に関して、最高圧から最低圧を
経て再度最高圧に至る過程（圧力変化の過程）を弁の開
閉操作によって一循することにより酸素ガス分離が行な
われる。

第６図において、原料ガス（空気）は、原料ガス導入口
６０より弁６３を介して吸着塔６１へ送られる。原料ガ
スは吸着塔内にカラム状に充填された吸着剤６１ａの粒
子間隙を流れるうちに吸着分離され、吸着されなかった
気体は弁６４を介してリザーバＲに貯蔵され、さらに、
弁７４（流量調整弁）を介して取り出し０７０から系外
に製品ガス（酸素ガス）として取り出すことができる６
一方、吸着剤によって吸着された不要ガス（窒素ガス）
は、まず大気圧まで減圧し、そののち、リザーバＨに貯
蓄された製品ガスの一部をパージガスとして用いた下記
のような脱着操作により弁６８を介して系外に排出され
る。

上記の二基構成の場合には、通常、上記再生過程は、減
圧工程およびパージ工程および昇圧（次のサイクルへの
加圧）の三つの素工径（ＰＳＡ法における工程の最少単
位を示す。以下同様）からなる。以下、一つの吸着塔に
ついて工程順に説明する。

吸着塔６１の吸着過程が終ると、弁６３．６４が閉じら
れ、次いで、弁６８が開けられて吸着塔６１の圧力はほ
ぼ最低圧まで減圧させる（減圧工程、吸着されたガスの
脱着）。

吸着塔６１内の被吸着物質濃度を高めたり（昇圧あるい
は最高圧での定圧）、低めたり（最低圧までの減圧）し
て吸着と脱着が行なわれるが、上記のような減圧のみの
操作では、被吸着物質（不要気体成分）の一部しか脱着
されない。このためＰＳＡ法では製品ガスまたはそれに
近いガスをパージガスとして向流方向（気体混合物の流
通方向と逆方向、以下同様）に流し、吸着剤中に残留し
ている被吸着物質を気相へ遊離させ、搬送、そして系外
に放出させるというパージ工程を行なう。

この場合、パージはリザーバＨに貯蔵された製品ガス成
分を用いるので、できるだけ少ない使用量で目的を達成
することが好ましい。また生産量の向上のためにはでき
るだけ単時間に操作することが好ましい。

吸着塔６１のパージは弁６３．６４を閉じ、弁６８を開
け、リザーバＲから弁（減圧弁）７２を介しくまたは上
部分岐点すから製品ガスの一部を分岐させ、弁７２′を
介して、ただし、この弁はオリフィス等の流量制御機構
を備えたものであればよい）、弁６７を経て向流方向に
ほぼ一定の流速で流すことにより行なわれる。このシス
テムの場合には吸着塔６１内の圧力はほぼ一定に保たれ
る。また、減圧弁７２の上−下流間の圧力差はほぼ一定
で変化しない。

上記パージ工程の終了後に、吸着塔６１の昇圧（加圧）
が開始させる。この昇圧工程は吸着塔６１のまわりの弁
６４．６７．６８を閉じ、弁６３を開けることにより開
始される。このようにして吸着塔６１は加圧され再び吸
着過程に入る。

吸着塔６１が吸着過程にある場合には吸着塔６２は再生
過程にある。吸着塔６１の吸着過程が終了すると吸着塔
６２の再生過程も終る。二つの塔６１および６２で吸着
過程と再生過程を交代で一定時間毎に繰り返すことによ
り連続して製品ガスを分離することができる。

一般に、ＰＳＡ法において設定される圧力（塔内の圧力
）は分離されるガスの種類、分離システムの態様によっ
ても異なるが、低い方で数Ｔｏｒｒ（トール）、高い方
で数１０　Ｋｇ／　ｃ１１２Ｇまである。そして各吸着
塔は同一の圧カバターンで変化し、上記の過程が一定の
時間的遅れをもって交互に繰返し実行される。上記各工
程（素工径）に要する時間はシステムの態様や処理能力
等によるが、数秒から数分であり、−サイクルに要する
時間は、数十秒から数十分である。

従来、弁（通常、電気あるいは空気圧作動弁）の開閉は
、各素工程に対して一回操作（弁を一定時間開いて、そ
して閉じる操作）していた。従って、上記の減圧工程（
あるいは昇圧工程）においては、急激な圧力変化が生じ
ている。第７図は減圧工程における排出ロア３でのガス
の流速の時間的変化を示した図である。即ち、弁６８を
開けた直後では、圧力差は最大値にあり、排出ロア３か
らのガス流出速度は瞬間的に最大流速に達する（ａで示
された領域）。その最大流速は、多くの場合、音速に達
する。

弁６８の開放直後の瞬間的な大量のガス放出にともない
、吸着塔６１内の圧力は急降下する。したがって排出ロ
ア３からのガス流出速度は急激に低下しくｂで示された
慴域）、さらにその変化は緩慢となる（Ｃで示された領
域）。圧力差が０に近づくに従い流出が終結する。以上
のように、減圧工程の流速の時間的変化はおおむね三つ
の部分に分けることができる（近似線で示すと点線のよ
うになる）。通常、弁の開放全時間の１／２か、１／３
の間に設計所要量の大部分のガスが流出してしまう。

このような流速の急激な変化は、ＰＳＡシステム全体と
して原料ガス供給端（上流側）や製品ガス送出端（下流
側）の圧力変動の原因となりシステムの安定性が損なわ
れる。システムを安定化させるためには上流側や下流側
に大容量のリザーバや圧力調整弁の付設が必要になる。

また、システムの個々の吸着塔に着目した場合吸着塔に
対する上記のような急激なガスの流出入は塔構造や吸着
剤の安定的使用上、好ましくない。特に、流速の急激な
変動は吸着剤に与える負荷変動が急激であるために物質
移動操作上、木質的悪影響を及ぼす。すなわち、吸着剤
へのガスの流れが早すぎると物質移動に必要な気体一固
体接触操作が十分になされず吸着が不十分となるか、あ
るいは行なわれない。その結果、ガスの分子は吸着剤に
捕捉あるいは吸着されることなく吸着剤の間を素通りし
て他端に衝突する。このことは減圧して再生する際の吸
着剤からガスを脱着（除去）させる場合も同様である。

換言すると、固相に対しては除去対象物質の濃度勾配が
、気相に対しては目的製品物質の濃度勾配が形成されな
い。

これらのことは製品ガス純度の変動を生じさせる原因と
なるのみならず収率や生産性（吸着剤生産性）の低下を
引き起す原因となる。

さらに、吸着剤カラムを通して分離された酸素ガスは、
上記第６図に示されているようにリザーバＲから、弁７
２（流量調整弁）を介して（あるいは上部分岐点すから
弁７２′を介して）被吸着物質（窒素ガス）除去用のガ
スとして、また弁７４を介して消費用のガスとして、更
にプロセスの態様によっては、操作の最低圧から吸着工
程操作圧迄の再加圧用のガスとしてそれぞれ取り出され
ていた。

しかし、吸着剤生産性を高めるべく、サイクルタイムを
早めたり、また、濃縮酸素ガス（Ｍえば酸素ガス濃度が
２５〜５０％）を生産する場合には上記の酸素ガス取り
出し操作に伴なってリザーバＲ内の圧力変動は一掃顕著
になる傾向にあった。このため、リザーバＲ内の圧力変
動を緩和させ、一定の連続流として安定に得られるよう
に、リザーバＨの容積を吸着剤カラムに比較して大きく
（２倍以上）設定する必要があった。

［発明の要旨］ 本発明は、公知の圧力振動吸着法に従う気体分離方法で
あって、製品ガス（酸素ガス）を連続的に、高収率かつ
速いサイクル操作で得ることができる改良方法を提供す
ることを目的とする。

本発明は、特に圧力振動吸着法を実施する場合において
、各素工程における圧力差の急激な変化に伴なうガス流
速の変化を段階的に平滑化させると共に、酸素ガスを一
定の連続流として、しかも高収率で得ることができる酸
素ガス分離方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、空気から酸素ガスの分離が従来の装置
に比較してさらにコンパクトな装置で行なうことができ
、かつ分離に要する時間を全体に短縮し、生産性（吸着
剤生産性）の高い酸素ガス分離方法を提供することをも
その目的とする。

本発明は、 窒素ガス吸着剤がカラム状に充填された吸着塔に、その
入口より加圧下にて空気を導入し、空気中に含まれてい
る窒素ガスを選択的に吸着剤カラムの入口側に吸着させ
て吸着気体帯域を形成させる気体導入工程： 上記吸着塔への空気の加圧下の導入を継続して行なうこ
とにより、上記吸着気体帯域の先端部を前進させ、該先
端部の前進と同時に、または先端部の前進の停止ののち
、吸着剤カラムの末端部より排出する酸素ガスを製品ガ
スとして捕集する気体分離工程； および 吸着塔の入口側を減圧下におき、捕集された酸素ガスの
一部を吸着剤カラムの末端部より、前記空気の流通方向
と逆方向に吸着剤カラム内に導入、流通させることによ
り、窒素ガスを脱着除去して、吸着剤を再生する脱着工
程； を含む複数の工程を繰り返し行なうことからなる圧力振
動吸着法に従う酸素ガス分離方法において、 上記気体分離工程における吸着塔への空気の導入を、そ
の空気の吸着剤カラム内における流速が断続的に変化す
るように制御しながら行ない、かつ上記製品ガスを、上
記窒素ガスの脱着除去に使用される製品ガス（パージガ
ス）を捕集するパージガスリザーバとは別に配置された
消費用リザーバを介して捕集することを特徴とする酸素
ガス分離方法。

本発明は、また、圧力振動吸着法に従う酸素ガス分離方
法において、上記脱着工程における吸着剤カラム内への
酸素ガスの導入を、その酸素ガスの吸着カラム内の流速
が断続的に変化するように制御しながら行ない、かつ上
記製品ガスを、上記窒素ガスの脱着除去に使用される製
品ガスを捕集するリザーバとは別に配置されたリザーバ
を介して捕集することを特徴とする酸素ガス分離方法を
提供する。

なお、本発明における空気もしくは酸素ガスの吸着剤カ
ラム内の流速の制御は、空気もしくは酸素ガスの導入ラ
インに設けられた弁（既設のもの、あるいは新たに設け
たもの）の開閉を極めて短いサイクルにて行なうことに
より実施することが望ましい。

なお、本発明では以下の態様であることが好ましい。

（１）上記の開閉手段が電磁弁である。

（２）酸素ガスの分離を吸着塔を一基含む装置を利用し
て行なう。

（３）気体分離（吸着）工程の吸着塔への原料ガスの導
入に際し、導入初期の段階において、原料ガスを大気（
大気圧）から供給する。

（４）気体分離工程における吸着塔への空気の導入に際
して、少なくとも２回の断続的な弁開閉操作を行なう。

（５）脱着工程における吸着塔への酸素ガスの導入に際
して、少なくとも２回の断続的な弁開閉操作を行なう。

（６）上記（４）および（５）の場合のパルス時間（弁
が開放されている時間）は、０．０５乃至３秒の範囲に
ある。

（７）吸着工程および再生（脱着）工程からなる一サイ
クル時間が３０秒以内である。

（８）上記吸着剤カラム、パージガスリザーバおよび消
費用ガスリザーバが共に等しい内容積を有している。

（９）消費用ガスリザーバが容量可変であって、伸縮自
在な容器で構成されている。

（ｌＯ）上記パージガスリザーバが、上記吸着剤カラム
の外側に同心円筒状に配置されている。

（ｌｌ）上記パージガスリザーバが、製造装置内に存在
する残部空間を利用して配置されている。

［発明の効果］ 本発明の方法によれば、各素工程における圧力差の急激
な変化に伴なうガス流速が、比較的構造の簡単な弁開閉
手段による複数回の断続開閉操作によって段階的に平均
化することができる。このため、従来、各素工程につい
て弁の開閉を一回行なっていた場合に比較して、瞬間的
に大量のガスが吸着塔内を流れるということがなく、こ
れによる吸着剤の吸着性能利用度の低下、吸着剤自体の
劣化、さらには塔構造物の破損等も生じない。また、酸
素ガスを含むガスを用いて減圧する素工程での弁の断続
操作を実施すると、弁が閉じている間の流量が流出する
ことなく、当該工程または次の素工程に利用できるから
、ガスの損失を減少させることができる。従って、本発
明の方法によれば効率のよい吸着状１１（高い吸着剤生
産性）が実現され、高収率で酸素ガスを得ることができ
る。

また、吸着剤カラムを通して分離された酸素ガスは、各
々が独立に配置された、被吸着物質（窒素ガス）除去用
のガス（パージガス）リザーバと、消費用のガスリザー
バとに貯蔵される。このため、消費用の酸素ガスは、前
述したように一つのリザーバ（パージガスリザーバと、
消費用のガスリザーバとを兼用）を介して捕集していた
場合に比べ、パージ操作による影響（リザーバ内の圧力
変動に伴なう消費用の酸素ガスの捕集への影響）がなく
、従って、消費用の酸素ガスは常に一定の連続した流速
で捕集することができる。

さらに、分離システムの態様によって各素工程に必要と
された全時間の短縮が図れる。また、再生工程では、短
縮された時間に流れていたガスが廃棄されることなく回
収できるから、高収率で酸素ガスを得ることができると
いうこともできる。

また、この場合には、各素工程に要する全時間が短縮さ
れるから、サイクルとしても全時間の短縮が可能である
。

さらにまた、本発明の方法は、既存の例えば、電磁弁あ
るいは空気圧作動弁等の構造の簡単な自動弁を使用して
実施でき、さらに個々のリザーバは吸着剤カラムの容積
に比較して相対的に小さく設計できるから、本発明の方
法を実施するシステムは大がかりとなることもないしく
すなわち、小型軽量化が可能）、また低廉な価格で設計
することができる。

［発明の詳細な記述］ 本発明の方法によれば、上記吸着工程および再生過程の
各素工程（昇圧、パージ、減圧等）における所定時間内
のガスの流量（流速）が平滑化される、すなわち、「昇
圧」あるいは「減圧」の工程（圧力差の比較的大きい工
程）の圧力シーケンス（圧力の時間的な変化）を弁開閉
手段を用いて断続操作することにより、急激な圧力差（
ガスの流速の急激な変化）の発生を防いで、圧力を段階
的に上昇あるいは低下させることにある。具体的には、
素工程開始と同時に弁開閉手段を作動させて、開−閉（
オン−オフ）操作（一定の時間を於て開閉する操作、パ
ルス操作ともいう）を行なう。弁開閉操作に要する時間
は弁の作動能力にもよるが、一般に短い時間間隔で行な
うほどよい。

また、弁開閉の作動回数は弁の流路断面積と弁の圧力差
（ΔＰ）等による。一般にΔＰの時間的変化が著しいと
きは作動回数を多くする。さらに、上記の工程により分
離された製品ガスは、別々のラインを介してパージ用の
製品ガスと消費用の製品ガスとに分割され、各々のリザ
ーバに貯蔵される。

以下に、本発明の酸素ガス分離法を添付図面に従って説
明する。

第１図は酸素ガス分離システムの基本構成を示す図であ
る。

第１図において、Ａは吸着剤カラム（吸着剤充填塔；吸
着剤：ＭＳ−５Ａ）、ｔｏは原料ガス（空気）、１１お
よび１２は原料ガス吸入弁、１３は原料ガス送入弁、１
４は製品（酸素）ガス（消費用）送出弁、１５は製品（
酸素）ガス（パージ用ガス）送出弁、１６はパージ弁、
１７は減圧弁、１８は廃棄（窒素）ガス放出弁、１９は
廃棄ガス（窒素ガス）、２０は流量調整弁、２１はスト
ップ弁、２２は消費用製品ガス、Ｒ１は消費用カスリザ
ーバ、Ｒ２はパージガスリザーバ、Ｐは圧縮・真空引き
併用型ポンプ、そしてＳＯは吸着剤カラムＡ内の圧力測
定計、ＳｌはリザーバＲ１内の圧力測定計、およびＳ２
はリザーバＲ２内の圧力測定計をそれぞれ示す。なお、
弁２０および２１以外はそれぞれオン−オフにより弁の
開閉が可能な自動弁である。

製品（酸素）ガスは原料ガス（空気）から以下の工程（
吸着（分離）工程および脱着工程からなるサイクル）に
従い製造される。

再生（脱着）工程が終了し、最低圧（ＰＬ）状態にある
吸着塔Ａに対して、弁１１の断続的な開閉操作を行なう
。続いて、弁１２の開放操作によりポンプＰで圧縮され
た原料空気１０は弁１３に達し、弁１１の開閉操作に続
く弁１３の開放操作により、あらかじめ定められた弁開
閉のパターン（弁シーケンスと称す）に基づいて計量化
された原料ガス（空気）１０が、吸着塔Ａ内にパルス状
に吹き込まれる。

吸着塔Ａ内の圧力が最高圧（Ｐｓ　）に達する途中、あ
るいは最高圧に達した後、製品ガス（酸素ガス；消費用
ガス）送出弁１４を定められた弁シーケンスに従い、断
続的に開閉させることにより、吸着剤カラムで分離され
た製品ガスは消費用ガスリザーバＲ１に貯蔵される。さ
らに、製品ガス（酸素ガス；パージ用ガス）送出弁１５
を定められた弁シーケンスに従い、断続的に開閉させる
ことにより、上記と同様に製品ガスがパージガスリザー
バＲ２に貯蔵される。このような二つの互いに独立した
弁操作により、製品ガスは二つのリザーバに分取される
。上記のように、弁１４の開閉操作は第２図に示すごと
く一般に弁１５の開閉操作より前に行なうことが好まし
いが、０１　′の位置で行ってもよい。Ｒ１に貯蔵され
た消費用の製品ガスは、流量調整弁２０およびストップ
弁２１を介して、一定流量で連続して系外に消費用の製
品ガス２２として取り出すことができる（以上、吸着（
製品ガス送出工程を含む）工程）。

次に、弁１１．１２．１３．１４および１５を閉じ、ポ
ンプＰを作動させて、弁１７および１８を開放させるこ
とにより、吸着塔Ａ内で吸着された不要なガス（窒素ガ
ス）が弁１８を介して系外に廃棄ガス１９として放出さ
れる。窒素ガス１９の流出に伴ない吸着塔Ａ内の圧力は
高圧状態から最低圧（ＰＬ）近傍まで降下する（窒素ガ
ス流速の降下速度は緩慢になる）６ 弁１７の開放させた状態から、弁１６を断続的に開閉し
、パージガスリザーバＲ２内の製品（酸素）ガスを吸着
塔Ａ内へ逆流（パージ）させ、残留窒素ガスの脱着を促
進させる（以上、再生（脱着）工程）。

う このよにしてｌサイクルは終了する。

第２図は上記−サイクル（横軸：時間Ｔ秒）における答
弁の開閉状態（弁シーケンスと称す、以下同様）を示す
図である。

また、第３図は上記の一サイクル（横軸二時間Ｔ秒）に
おける答弁の操作に対応した吸着塔内の圧力変化（縦軸
）を示すグラフである。

第２図および第３図に見られるように、吸着工程（製品
ガス送出工程も含む）においては、吸着塔内の圧力は、
最低圧（ＰＬ）から、ａｌおよびＲ２の２回の断続的な
弁１１の開閉操作（第２図において斜線部分は弁が開放
されている時間（パルス時間）を示し、それ以外の部分
は弁が閉じている時間（ポーズ時間）を示す。以下同様
）とそれに続く加圧操作ａ３とによって段階的に上昇し
、最高圧ＰＨに達する。そしてこの状態から、０１の弁
１４の開閉操作に続く０２の弁１５の開閉操作（製品ガ
ス送出操作）によって吸着塔内の圧力はそれに応じて降
下する。また、脱着（再生）工程においては、吸着塔内
の圧力は上記の酸素ガス流出後の塔内圧力状態から弁１
７．１８が開放され、吸着剤粒間ガスおよび吸着された
窒素ガスの一部が塔外に放出され、吸着塔内の圧力は急
速に降下する。窒素ガス流速の降下速度が緩慢になった
状態から、次に、ｇｌ、Ｒ２およびＲ３の３回の断続的
な弁１６の開閉操作（パージ操作）により、最低圧（Ｐ
Ｌ）に降下する。

なお、上記のａ】、Ｒ２およびＲ３における各々の好ま
しい圧力上昇度は一般に等しくない、これらは弁を開く
直前の吸着塔内の圧力、吸着剤の粒度、吸着塔の形状、
温度、自動弁の種類等のパラメータによって決定され、
実験により定められる。

第４図は、上記第２図の一サイクル（横軸：時間Ｔ秒）
における弁シーケンスに対応する消費用ガスリザーバＲ
１およびパージガスリザーバＲ２内の圧力変化を示す図
である。ただし、第４図に示される圧力変化は、吸着剤
カラム、消費用ガスリザーバＲ１およびパージガスリザ
ーバＲ２の容積が共に等しい場合である。

第４図から理解されるように、消費用ガスリザーバＲ１
内の圧力（実線で示す）は、弁１４の作動によりＰａか
らＰｂに上昇する。この状態から圧力調整弁２０を作動
させると、リザーバＲ２内の圧力は−サイクルにＰｂか
らＰａまで一定の減少割合で降下する。この圧力降下分
が消費用の製品ガスとして取り出される。

また、パージガスリザーバＲ２内の圧力（破線で示す）
は、弁１５の作動によりＰＣからＰａに上昇する。一定
時間経過後、弁１６の三回の断続的な開閉操作（ｇｘ、
ｇ２およびｇ３）に対応してリザーバＲ２内の圧力は段
階的（１’＋　、Ｐ２およびＰ３）に降下し、ｐｃの状
態になる。上記リザーバＲ２内の圧力降下分に相当する
製品ガスが吸着剤カラムＡ内にパージガスとして流れ、
吸着剤の活性化を促進させる。

上記のように−サイクルにおける吸着剤カラムで分離さ
れた製品ガスは二つのリザーバに分割して受容されるか
ら消費用ガスリザーバ内の圧力変化は著しく小さくなる
。従って、公知の簡単な流量調節弁２０を使用して一定
流量の製品ガスを連続して生産することができる。

本発明を実施するシステムにおいては、吸着塔内の圧力
変動範囲は０．０５乃至６　Ｋｇ／ｃｒｎ’　（絶対圧
）にあることが好ましいが、例えば、第５図に示すよう
なシステムを構成すると、大気圧以上（最低圧がほぼ大
気圧）で作動させることができる。なお、第５図に示し
たシステムについては後述する。

ｌサイクルの時間は１分以内にあることが好ましく、更
に好ましくは３０秒以内である。そして上記吸着工程に
おける原料ガス（空気）の導入は１乃至５回（パルス）
の弁の開閉操作で行なうことが好ましい、また、この場
合のパルス時間（弁が開放されている時間、以下同様）
は０．０１乃至５秒の範囲にあることが好ましい。二つ
のりザーバへの製品ガス（酸素ガス）の送出に際しては
１乃至３回の弁の開閉操作で行なうことが好ましい。ま
たこの場合のパルス時間は０．０５乃至３秒の範囲にあ
ることが好ましい。更に、脱着工程における製品酸素ガ
スの逆流方向への流通（パージ）は２乃至５回の弁の開
閉操作で行なうことが好ましい、この場合、弁開閉の操
作を５回以上行なうと不要成分の脱着の度合は進むが、
反面、製品ガスの生産性は低下する傾向にある。この場
合のパルス時間は０．０５乃至３秒の範囲にあることが
好ましい。また、原料ガスの導入と製品ガスの送出工程
おけるポーズ時間（弁が閉じている時間）は、通常２秒
以下で、好ましくは０．５乃至１．５秒の範囲である。

なお、上記のように、吸着工程における空気の導入に際
し、吸着塔Ａ内の圧力（最低圧ＰＬ）が大気圧以下にあ
るときは、ポンプＰを用いず、吸着塔に直結する吸入弁
（大気に接続）を設け、ここから直接原料ガスの吹き込
みを弁開閉パターンに従い行なう方法が利用される。こ
の場合は上流側の圧力が大気圧（常に一定の圧力）とな
り、１回の弁の開閉操作（１パルス）による空気の流入
量の計量が容易となる。

また、上記再生工程において、パージ操作を行なう場合
に、真空引きを一旦中断し、パージガス（製品ガス）を
吸着塔内に滞留させ、そののち真空引きを再開して、不
要なガスとともに系外に放出させる方法を利用してもよ
い。この操作は断続的なパージ操作と断続的な真空引き
を対応させることにより繰り返して行なうことができる
。これらの操作により、窒素ガスの脱着をより効率良〈
実施することができ、製品ガスの純度は向上する。

吸着塔内の吸着剤に対するガスの量と質を直接的に制御
する上記弁の各パルス毎のガス量は、パルス時間、答弁
のＣｖ値、上流と下流の圧力差、ガスの物性等のパラメ
ーターを含む公知の流量式で計算が可能である。実際に
は、各弁毎に１サイクルにおける個々の工程をシュミレ
ートして目的毎に弁の種類と特性を把握しておく必要が
ある。

上記消費用ガスリザーバＲ１およびパージガスリザーバ
Ｒ２の形状は特に限定されないが、装置価格を安くする
ためには、上記吸着剤カラム、消費用リザーバおよびパ
ージガスリザーバを同一の内容積にすることが好ましい
。

上記消費用ガスリザーバＲ１は、容量可変であって、伸
縮自在な容器で構成されていることが装置全体の大きさ
をよりコンパクトに設計できる観点から好ましい。これ
らの例としては、ダイヤフラムタンク、水封式タンクを
挙げることができる。

上記パージガスリザーバは、上記吸着剤カラムの外側に
同心円筒状に配置した構成とすることもできる。また、
上記パージガスリザーバは、製造装置内に存在する残部
空間を利用して配置された構成でもよい。

上記システムに使用される開閉手段について簡単に説明
する。開閉手段としては一般に電気信号により電気力を
制御して開閉する電磁弁、モータ弁等、あるいは電気信
号により空気圧を制御して弁を開閉する空気圧作動弁等
の公知の自動弁をあげることができる。後者の例として
は、バタフライ弁、ポール弁、シリンダー弁、ピストン
弁、ダイヤプラム弁等があげられる。

第５図は、前述したように、吸着塔内の圧力範囲を大気
圧以上で作動させて本発明の方法を実施するためシステ
ムの別の態様を示す構成図である。

第５図に示されるようにこのシステムは、第１図に示し
たシステムにおいて、吸着剤カラムＡから弁１７を介し
てポンプンＰに通じるラインを封じた構成である。従っ
て、吸着工程（弁１３は７開放状態）から、弁１３を閉
じると、はぼ同時に弁１１が開放され、再生工程が開始
する。弁１１の断続的な、あるいは−回の開放操作によ
り吸着塔内の吸着剤粒間ガス、次いで、吸着剤粒内ガス
（主に、窒素ガス）が減圧流に従い、ここから大気中に
放出される（なお、この開弁１８は開放された状態にあ
る）。この構成は配置する弁の数を減少（第５図におい
て、弁１２および弁１７を除去）させることができ、ま
た、二つのリザーバ内の圧力は絶えず大気圧以上である
ため、比較釣部単な流量調整弁（２０）を利用すること
により消費用の製品ガスを連続流として得ることができ
る。

以下に本発明の実施例を記載する。

［実施例１］ 一つの吸着塔で構成されたＰＳＡ法を実施する装置（第
１図参照）を用いて本発明の酸素ガス分離方法を実施し
た。

吸着塔 吸着剤カラム部； 直径５．３ｃｍ、高さ２０ｃｍ 内容積：　５０７ｃｃ 吸着剤； 種類：ＭＳ−５Ａ。

粒子サイズ＝４０〜８０メツシュ、 充填量２７６ｇ　（なお、吸着塔入口端部に吸着剤層の
層高の１５％まで４０〜８０メツシユの活性アルミナを
充填） 消費用ガスリザーバＲ１の内容積およびパージ用ガスリ
ザーバＲ２の内容積は共に吸着塔と同容積（５０７ｃ　
ｃ）とした。

弁２０、および２１（手動弁）を除きすべて電磁弁（弁
１１．１４．１５および１６　：　１／４インチ、弁１
２．１３．１７および１８　：　３／８インチ）を用い
た。

ポンプＰ：１２０Ｗ圧縮・真空引き併用型酸素ガス分離
工程は、第２図において説明した弁シーケンス（２５秒
／１サイクル）に従った（「吸着工程」８秒、「再生工
程」１７秒）。

吸着（製品ガス送出工程を含む）工程において、 弁１１について、０．２秒（第１パルス：２図において
、ａｌで示されている。以下同様）→０．８秒（ポーズ
）→０．４秒（第２パルス：ａ２）→０．６秒（ポーズ
）の二回の弁開閉操作を行ない、吸着塔内への加圧を行
なった。

次いで、弁１３について、６．０秒（加圧：ａ３）の弁
開放操作を行ない、さらに吸着塔内の圧力を上昇させた
。

吸着剤カラム内の圧力が最高圧に達した状態から、弁１
４を、０．１秒（パルス：Ｏｌ）開放させ、さらに０．
９秒閉じた後、弁１５を、１．０秒（パルス＝０２）開
放させた。

脱着工程において、 弁１６を０．１秒（パルス：ｇ＋）→３．９秒（ポーズ
）→０．１秒（パルス：ｇ２）３・９秒（ポーズ）→０
．２秒（パルス二ｇ３）の３回の弁開閉操作を行ない、
吸着塔内に製品ガス（パージガス）の吹き込みを行なっ
た。

以上の結果を以下に示す。

酸素濃度９０％以上の製品ガス（酸素ガス）が９．４見
／ｈ連続的に生産された。その時、消費用リザーバ（Ｒ
１）内の圧力変動幅は（１１３ｋ　ｇ　／　ｃゴでたえ
ず大気圧以上であり、従って、常用の簡単な構成のダイ
ヤプラム式流量調整弁にて連続して定流量が得られた。

吸着剤生産性：３１文−０２／ｋｇ（Ｈ）［実施例２］ 一つの吸着塔で構成されたＰＳＡ法を実施する装置（第
１図参照）を用いて本発明の酸素ガス分離方法を実施し
た。本例においては、吸着剤カラムとパージ用リザーバ
（Ｒ２）を同心円筒状に配置し、内筒を吸着塔、内筒と
外筒との間の環状空間をパージ用リザーバ（Ｒ２）とし
た。なお、消費用リザーバ（Ｒ１）はダイヤプラムバッ
グを使用した。

吸着塔 外筒：直径５．２ｃｍ、高さ４５ｃｍ 内筒（＠着剤カラム部）： 直径３．５ｃｍ、高さ４２ｃｍ 吸着剤； 種類：ＭＳ−５Ａ、 粒子サイズ＝３０〜６０メツシュ、 充填量２８０ｇ　（なお、吸着塔入口端部に活性アルミ
ナ８６ｇを充填） 弁は実施例１と同一仕様の電磁弁を使用した。

ポンプＰ：１２０Ｗ圧縮−真空引き併用型酸素ガス分離
工程は、第２図において説明した弁シーケンス（２０秒
／ｌサイクル）に従った（「吸着工程」８秒、「再生工
程」１２秒）。

吸着（製品ガス送出工程を含む）工程において、 弁１１について、０．１秒（第１パルス：２図において
、ａｌで示されている。以下同様）→０．９秒（ポーズ
）→０．３秒（第２パルス：Ｒ２）→０．７秒（ポーズ
）の二回の弁開閉操作を行ない、吸着塔内への加圧を行
なった。

次いで、弁１３について、６６０秒（加圧：Ｒ３）の弁
開放操作を行ない、さらに吸着塔内の圧力を上昇させた
。

吸着剤カラム内の圧力が最高圧に達した状態から、弁１
４を、０．３秒（パルス＝０１）開放させ、さらに０．
７秒閉じた後、弁１５を、２．０秒（パルス＝０２）開
放させた。

脱着工程において、 弁１６を０．１秒（パルス二ｇ＋）→２．９秒（ポーズ
）→０．１秒（パルス二ｇ２）→２．９秒（ポーズ）→
０．１秒（パルス二ｇ３）の３回の弁開閉操作を行ない
、吸着塔内に製品ガス（パージガス）の吹き込みを行な
った。

以上の結果を以下に示す。

酸素濃度４０％以上の製品ガス（酸素ガス）が７０見／
ｈ、連続的に生産された。

吸着剤生産性：２５７文−０２／ｋｇ（Ｈ）、（純酸素
換算：１０３文−０２／ｋｇ　（Ｈ））

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施するシステムの基本構成
を示す構成図である。 第２図は、本発明の方法を第１図に示したシステムに適
用した場合の１サイクルの弁の作動（開閉）状態（弁シ
ーケンス）を示した図である。 第３図は、上記第２図の１サイクルにおける答弁の操作
に対応した吸着塔内の圧力変化（圧力シーケンス）を示
したグラフである。 第４図は、上記第２図の一サイクルにおける弁シーケン
スに対応する消費用ガスリザーバＲ１およびパージガス
リザーバＲ２内の圧力変化を示す図である。 第５図は、本発明の方法を実施するために好適なシステ
ムの別の態様を示す構成図である。 第６図は、従来のＰＳＡ法を実施するためのシステムを
示す構成図である。 第７図は、従来のＰＳＡ法に従って弁開閉操作を行なっ
た場合（弁の開閉操作を一回）の減圧工程におけるガス
流速の時間に対する変化を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、窒素ガス吸着剤がカラム状に充填された吸着塔に、
   その入口より加圧下にて空気を導入し、空気中に含まれ
   ている窒素ガスを選択的に吸着剤カラムの入口側に吸着
   させて吸着気体帯域を形成させる気体導入工程； 上記吸着塔への空気の加圧下の導入を継続して行なうこ
   とにより、上記吸着気体帯域の先端部を前進させ、該先
   端部の前進と同時に、または先端部の前進の停止ののち
   、吸着剤カラムの末端部より排出する酸素ガスを製品ガ
   スとして捕集する気体分離工程； および 吸着塔の入口側を減圧下におき、捕集された酸素ガスの
   一部を吸着剤カラムの末端部より、前記空気の流通方向
   と逆方向に吸着剤カラム内に導入、流通させることによ
   り、窒素ガスを脱着除去して、吸着剤を再生する脱着工
   程； を含む複数の工程を繰り返し行なうことからなる圧力振
   動吸着法に従う酸素ガス分離方法において、 上記気体分離工程における吸着塔への空気の導入を、そ
   の空気の吸着剤カラム内における流速が断続的に変化す
   るように制御しながら行ない、かつ上記製品ガスを、上
   記窒素ガスの脱着除去に使用される製品ガスを捕集する
   リザーバとは別に配置されたリザーバを介して捕集する
   ことを特徴とする酸素ガス分離方法。 ２、窒素ガス吸着剤がカラム状に充填された吸着塔に、
   その入口より加圧下にて空気を導入し、空気中に含まれ
   ている窒素ガスを選択的に吸着剤カラムの入口側に吸着
   させて吸着気体帯域を形成させる気体導入工程； 上記吸着塔への空気の加圧下の導入を継続して行なうこ
   とにより、上記吸着気体帯域の先端部を前進させ、該先
   端部の前進と同時に、または先端部の前進の停止ののち
   、吸着剤カラムの末端部より排出する酸素ガスを製品ガ
   スとして捕集する気体分離工程； および 吸着塔の入口側を減圧下におき、捕集された酸素ガスの
   一部を吸着剤カラムの末端部より、前記空気の流通方向
   と逆方向に吸着剤カラム内に導入、流通させることによ
   り、窒素ガスを脱着除去して、吸着剤を再生する脱着工
   程； を含む複数の工程を繰り返し行なうことからなる圧力振
   動吸着法に従う酸素ガス分離方法において、 上記脱着工程における吸着剤カラム内への酸素ガスの導
   入を、その酸素ガスの吸着剤カラム内の流速が断続的に
   変化するように制御しながら行ない、かつ上記製品ガス
   を、上記窒素ガスの脱着除去に使用される製品ガスを捕
   集するリザーバとは別に配置されたリザーバを介して捕
   集することを特徴とする酸素ガス分離方法。