JPH02307805A - 酸素の製造装置 - 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、酸素の製造装置に関し、詳しくは、膜分離装
置で酸素濃度を高めた原料空気を、吸着分離装置で処理
して高純度の酸素を製造する装置に関する。

〔従来の技術〕

空気を原料として酸素を製造する装置としては、深冷液
化分離装置、吸容分離装置、膜分離装置等が知られてい
るが、吸む分離装置や膜分離装置中独では、純度が９６
％以上の酸素を製造することが困難であった。そのため
、特公昭５９−４６６５１号公報記載の方法では、分子
篩ゼオライトと分子篩炭素とをそれぞれの吸着剤とする
吸着設備を直列に組合せて２段階の吸着操作を行い、純
度９９％以上の高純度酸素を得ていた。

一方、分離膜により酸素を濃縮して酸素富化ガスを１＋
４る方法は、主として純度４０９６程度の酸素を得る目
的に使用されており、高純度酸素を得るためにはほとん
ど用いられていなかった。また、特開昭５８−１５１３
０５号公報には、この膜分離方法を深冷分離または吸着
分離等の空気分離工程の前段に用いて、後段の空気分離
工程の効率を向上させることが記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述の特公昭５９−４６６５１号公報の
ごとく、吸着分離を２段階で行うものでは、両吸着設備
の多数の吸着塔や、これらの吸着塔を接続する複雑な配
管及び多数の切換弁を設置することが必要であり、設備
コストがかかるだけでなく、前段の吸着設備から後段の
吸む設備にガスを供給するために使用する真空ポンプの
特性上、吸着塔切換えに伴う流量変動か大きく、眼前効
率が低下することがあり、これを避けるためには別にバ
ッファータンクを設置する必要があるなど、設備費用が
多大なものになってしまう。

一方、後者の例の内の膜分離装置と吸着分離装置を組合
せたものは、前述のごとく、後段の吸着分離装置の効率
向上を図ることはできるが、従来用いられていた高分子
系の分離膜では、酸素とアルゴンの透過係数に差がなく
、アルゴンは酸素と略同等のｉＨ縮率で酸素側へ同作し
ていた。従って後段の吸着分離装置にアルゴンを比較的
多く含有する原料ガスが供給されるため、通常の吸着分
離方法では高純度の酸素を得ることが困難であった。

しかして、近年開発された種々の膜について、各種ガス
の透過係数ｌＰｊ定を行ったところ、酸素とアルゴンの
透過係数に有意の差のあるものかあることを知見した。

そこで、本発明は、空気を原料として、膜分離装置と吸
着分離装置とを組合せて酸素を製造する装置において、
上記の様な特定の分離膜を使用することにより、高純度
の酸素を採取することのできる酸素の製造装置を提供す
ることを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的を達成するために、本発明の酸素の製造装
置は、膜分離装置を吸着分離装置の前段に配置するとと
もに、該膜分離装置の分離膜として、アルゴンに対する
酸素の透過係数比が２以上の分離膜、特にシリカベース
膜、酢酸セルロース膜１分子篩炭素膜のいずれかを分離
膜として用いることを特徴としている。

さらに、本発明は、前記原料空気を空気圧縮機により加
圧して膜分離装置に導入すること、もしくは、原料空気
を圧縮することなく膜分離装置に導入し、真空ポンプを
用いて酸素富化ガスを吸引導出することを特徴とするも
のを含むものである。

〔作　用〕

上記のごとく、アルゴンに対する酸素の透過係数比が２
以上の分離膜を用いることにより、後段の吸着分離装置
に供給する酸素富化ガス中のアルゴンを大幅に低減でき
、吸着により酸素と分離することが困難なアルゴンの少
ない酸素富化ガスを吸着分離装置の原料ガスとして用い
ることができる。これにより、吸着分離装置の効率向上
とともに高純度の酸素を得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて、さらに詳
細に説明する。

まず第１図は、原料空気を圧縮機で加圧して膜分離装置
に導入する実施例を示すものである。

原料空気Ａは、圧縮機１て加圧されて膜分離装置１０の
一次室１１に導入され、その一部が分離膜Ｍを透過して
膜分離装置１０の二次室１２から導出されるとともに、
残部が一次室１１の排出口１３から排出される。

上記二次室１２に透過するガス成分は、分離膜Ｍの種類
により異なるもので、本発明では、この分離膜Ｍとして
アルゴンに対する酸素の透過係数比が２以上の分離膜を
使用する。ここで、透過係数比とは、両ガスの透過係数
α　（１３ａｒｒｅｒ）　［（−・ｃｍ）　Ｘ　１０−
１０／　（ｃｍｌｌｇ−ｃｄ−ｓｅｅ）］の比であって
、例えば酢酸セルロース膜の場合には、酸素の透過係数
αが１　、　１１３ａｒｒｅｒ、アルゴンの透過係数α
が０　、　５１ａｒｒｅｒであるから、アルゴンにχ・
ｌする酸素の透過係数比は２．２となる。このような透
過係数比をもつ分離膜としては、上記酢酸セルロ−ス膜
の他、シリカベース膜、エチルセルロース系膜１分子篩
炭素膜を挙げることができる。このように、アルゴンに
対する酸素の透過係数比が２以上の分離膜を使用するこ
とにより、窒素、アルゴン等と酸素を効率良く分離する
ことができ、特に後段の吸着分離装置で酸素との分離が
困難なアルゴンを大幅に低減させることができる。

例えば、分離膜Ｍとして上記酢酸セルロース膜（窒素の
透過係数αはＱ　、２　Ｂａｒｒｅｒ）を用い、原料空
気Ａを７　ｋｇ　／　ｃｄ　Ｇで供給したところ、原料
空気量１００に対して７０の量のガスが二次室１２に透
過した。

この時の透過ガスは圧力２　ｋｇ／　ｃ４　Ｇで、その
組成は窒素７１．６％、酸素２８．０９６．アルゴン０
．４％であり、大気組成（窒素７８．１％、酸素２１．
０％、アルゴン０．９％）に比べて酸素が多く、窒素及
びアルゴンの少ない酸素富化ガスとなった。

上記のごとく膜分離装置１０に導入された原料空気Ａは
、各ガスの分圧及び透過係数に従って分離膜Ｍを透過し
、酸素富化ガスＲとなって二次室１２から配管２を経て
吸着分離装置、例えば圧力変動式吸管分離装置（以下、
ＰＳＡという）２０に導入される。このＰＳＡ２０では
、通常、吸着剤として５Ａ、ＩＯＸ、１３Ｘあるいはモ
ルデナイト等のゼオライト系の吸着剤を用いて酸素以外
のガスを吸着し、製品導出部２１から製品酸素ガスＰＯ
を得るもので、必要に応じて原料ガス導入部２２側にア
ルミナゲルやシリカゲル等の脱湿剤を用いることもある
。

また、本実施例に示すＰＳＡ２０では、真空ポンプ２３
を設けて上記吸着剤の再生時に真空再生工程を行い、吸
着剤の再生効率を向上させて製品酸素の収率向上を図っ
ている。さらに、本実施例では、該真空ポンプ２３から
排出されるυ「ガスＷを、配管３で圧縮機１の吸入側に
戻して原料空気Ａと合流させることにより、該排ガスＷ
中に含まれる酸素を回収している。特に、再生工程切換
え直後の排ガスＷは、ＰＳＡ２０の吸着筒に導入されて
吸着剤の空隙部に存在しているガスであり、原料ガスで
ある酸素富化ガスＲと同程度の酸素分を含有しているた
め、このような排ガスＷを原料系統に戻すことにより、
酸素収率の大幅な向上が図れる。

上記のごとき成分の酸素富化ガスＲを、ＰＳＡ２０の原
料ガスとして用い、吸着剤としてＭＳ−５Ａを用いた３
筒真空再生方式（再生圧力２００１’ｏｒｒ）のＰＳＡ
で処理したところ、得られた製品酸素ガスＰＯは、圧力
が２　ｋｇ　／　ｃｄ　Ｇで、ＰＳＡ２０に供給する酸
素富化ガスＲの量１００に対して１７の量であり、その
組成は、酸素９８．５％。

窒素０．１％、アルゴン１．４％であった。

このように、ＰＳＡ２０の前段階で、アルゴンに対する
酸素の透過係数比が２以上の分離膜Ｍを使用し、酸素を
濃縮するとともにアルゴンを低減させることて、ＰＳＡ
２０から得られる製品酸素ガスＰＯ中のアルゴン；農産
を大幅に低減でき、酸素純度を９６％以上にすることが
できる。また、通常のＰＳＡの圧縮機とＰＳＡ本体部と
の間に膜分離装置を挿入するだけで構成することができ
るので、膜分離装置と簡ｊｌｉな配管を付加するたけで
形成でき、設備コストの上昇も僅かである。

尚、上記分離膜Ｍのアルゴンに対する酸素の透過係数比
は、これが大きい程製品酸素中のアルゴンを低減できる
ので好ましいが、分離膜のコスト等により最適なものを
用いることが可能であり、該透過係数比を２以上とすれ
ば、護膜を透過したガスを通常のＰＳＡで処理すること
により、純度９６％以上の酸素を得ることが可能である
。また、膜分離装置は、分離膜の種類や原料空気の圧力
。

流量等により適宜な構成を採用することができる。

従って、膜の種類の選択により、そして製品ガスの用途
によっては、排出口１３よりの窒素富化ガスも製品ガス
として回収使用しうる。

次に、第２図は、原料空気Ａを圧縮機で高圧に加圧する
ことなく、膜分離装置１０の二次室１２側に連通ずる真
空ポンプ５により酸素富化ガスＲを吸引するように構成
したものである。尚、膜分離装置１０及びＰＳＡ２０は
、上記実施例と同様のものを使用することができる。

膜分離装置１０の一火室１１側に配置される送風機４は
、−火室１１内の原料空気Ａの入替えを行う程度の能力
を有するもので十分であり、例えば適宜なファン（吐出
圧力数１０　’ＯｍｍＡＱ）　、　ブロワ−（吐出圧力
０．５ｋｇ／ｃ♂Ｇ程度）等を用いることができる。ま
た、二次室１２側に配置される真空ポンプ５は、膜分離
装置１０の二次室１２から酸素富化ガスＲを吸入すると
ともに、該酸素富化ガスＲを後段のＰＳＡ２０に必要な
圧力に加圧する能力を有するものが用いられる。

このように、膜分離装置１０の二次室１２側から酸素富
化空気Ｒを吸引するように構成することにより、膜分離
装置１０の一火室１１に導入する全原料空気Ａを高圧に
加圧するのに比べて、圧縮動力費を節減することができ
る。例えば、前記第１図に示した実施例と同様に、膜分
離装置１０の二次室１２側に透過するガス量を原料空気
量の７０％とすれば、ＰＳＡに必要な圧力まで加圧する
ガス量を３０％少なくすることができ、上記ファン、ブ
ロワ−等に比べて消費エネルギーの多い圧縮機（真空ポ
ンプ）の小形化、省エネルギー化を図ることができる。

また、本実施例の構成では、送風機４の吐出側の原料空
気の圧力が低いので、ＰＳＡ２０の再生用の真空ポンプ
２３から排出される排ガスＷを、送風機４の吐出側４ａ
にも戻すことができる。従って、ＰＳＡ２０の排ガスＷ
を大量に回収する場合でも、送風機４を通過するガス量
を増大させないので、小型の送風機を用いることができ
、動力費の低減を図れる。また、真空ポンプ５及び真空
ポンプ２３の選択により真空ポンプ５の出口側へ排ガス
Ｗを戻して収率を向上させることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の酸素の製造装置は、アル
ゴンに対する酸素の透過係数比が２以上の分離膜を用い
た膜分離装置を吸着分離装置の前段に配置したから、簡
１１１な構成で高純度の酸素を得ることができ、製品の
動力原単位を大幅に低減させることができる。

特に、前述の吸着分離装置を２段に配列するものに比べ
て、設備コストを大幅に低減するとともに、設置スペー
スも小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す酸素製造装置の系統図
、第２図は他の実施例を示す系統図である。 １０・・・膜分離装置　　２０・・・ＰＳＡ　（圧力変
動式吸着分離装置）　　Ａ・・・原料空気　　Ｍ・・・
分離膜　　Ｒ・・・酸素富化ガス 特　許　出　願　人　日本酸素株式会社代理人　　弁理
士　　木　　戸　　傳一部間　　　　　　　　　　　　
　　木　　　戸　　　　　　　　店開　　　　　　　　
　　　　　　　小　　　　川　　　　眞　　　　−カ１
日 第２［ｆｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、空気を原料として、膜分離装置と吸着分離装置とを
   組合せて酸素を製造する装置において、前記膜分離装置
   を吸着分離装置の前段に配置して、該膜分離装置から導
   出した酸素富化ガスを吸着分離装置に導入するとともに
   、前記膜分離装置の分離膜として、アルゴンに対する酸
   素の透過係数比が２以上の分離膜を用いることを特徴と
   する酸素の製造装置。 ２、前記分離膜が、シリカベース膜、酢酸セルロース膜
   、分子篩炭素膜のいずれかであることを特徴とする請求
   項１記載の酸素の製造装置。 ３、前記原料空気を、空気圧縮機により加圧して膜分離
   装置に導入することを特徴とする請求項１記載の酸素の
   製造装置。 ４、前記原料空気を、圧縮することなく膜分離装置に導
   入し、真空ポンプを用いて酸素富化ガスを吸引導出する
   ことを特徴とする請求項１記載の酸素の製造装置。