JPH0251405A - 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、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）に関する。更に詳し
　くは、本発明は、ＰＳＡ法に従う窒素ガス分離方法に
関する。

［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、従来がら、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。

例えば、窒素ガスは、従来からその製造のほとんどが空
気液化分離法（単に液化法ともいい、上記深冷分離法に
含まれる）によって行なわれている。近年、電子部品（
ＬＳＩ等）の加工、種々のセラミックス新素材の製造、
あるいはバイオ関連物質の貯蔵環、新しい用途の拡大、
多様化に伴なって、窒素ガスの需要は高まっている。し
かし上記空気液化分層法を実施するには大型の装置を必
要とし、かつ連続生産を行なわないと経済的でないなど
の問題があり、比較的小規模生産には適応しにくいもの
であった。

上記空気液化分離法に代る方法として吸着分離法（特に
、ＰＳＡ法）があるが、この方法は、特に、窒素ガスを
比較的小型軽量の装置を利用して容易に製造することが
できる利点がある。

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つる
吸着剤がカラム状に充填された吸着塔に、その人口より
加圧下にて導入し、上記不要気体成分を選択的に吸着剤
カラムの人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、同一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：ｓ３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法を利用した窒素ガス分離法を説明
する。

窒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５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（８〜１０個）、配管および昇圧用のポン
プまたは昇圧用のポンプと真空ポンプから（記載路）か
ら構成されたシステムである。

第５図において、５１及び５２はそれぞれ吸着剤（５１
ａ、　５２　ａ　；　ＭＳ　Ｃ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−
５ｉｅｖｉｎｇ−Ｃａｒｂｏｎ）　）が充填された吸着
塔である。

５３．５４．５５．５６．５７．５８．５９．６１は、
それぞれ自動制御弁である。５０は、システム（系）内
への原料ガス（空気）導入口、モして６０は、システム
（系）内から系外への最終製品ガス（窒素ガス）の取り
出し口である。６２は、通常は大気ま力は減圧ポンプに
接続されている廃棄ガス（酸素ガス）排出口である。

窒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
操作によって循することにより窒素ガス分離が行なわれ
る。

吸着塔５１が吸着過程にある場合には、吸着塔５２は再
生過程にある。吸着塔５１の吸着過程が終ると吸着塔５
２の再生過程も終る。ただし、この二つの過程の間には
、通常、吸着塔と吸着塔間のガスの移動操作も含まれる
。

第５図において、原料ガス（空気）は、原料ガス導入口
５０より弁５３を介して吸着塔５１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５１ａ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５４を介して取り出し口６０から系外に製品
ガス（窒素ガス）として取り出すことができる。

方、吸着剤によって吸着された不要ガス（酸素ガス）は
、均圧操作を経て大気圧まで減圧するか、またはさらに
真空ポンプで吸引することにより弁５８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、上記再生過程は均圧
工程と減圧工程からなる。以下、一つの吸着塔について
工程順に説明する。

吸着塔５１の吸着過程が終ると、弁５３．５４が閉じら
れ、次いで、弁５７．５９が開けられて吸着塔５１の圧
力は塔５１．５２の平衡圧まで減圧される。

均圧工程終了後に吸着塔５１の減圧が開始される。この
減圧工程は吸着塔５１のまわりの弁５７．５９を閉じ、
弁５８を開けることにより開始される。

このようにして塔５１内の被吸着物質は減圧ガス流れに
伴なって大気中に廃棄される。

上記減圧ま′たは減圧と真空引き工程の終了後に、均圧
工程を経て、吸着塔５１の昇圧（加圧）が開始される。

ごの昇圧工程は、吸着塔５１のまわりの弁５４．５７．
５８．５９を閉じ、弁５３を開けることにより開始され
る。このようにして吸着塔５１は加圧され、再び吸着過
程に入る。

以上のようなサイクルを繰り返すことにより連続して空
気から窒素ガスを製品ガスとして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１０Ｋｇ／Ｃｌｎ２Ｇ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（素工程）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６図は、減圧工程における排出口６２でのガ
スの流速の時間的変化を示した図である。すなわち、弁
５８を開けた直後では、圧力差は最大値にあり、排出口
６２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５８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５１内の圧力は急降下する。したがって排出口
６２からのガス流出速度は急激に低下しくｂで示された
領域）、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、本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−同
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
着剤からガスの脱着（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。

上記のような問題を解決する方法にはいくつか方法が提
案されている。

一つの方法として、自動弁に直列に手動弁を連続し、ガ
スの流出入量が丁度、設計により定められだ時間で完了
するように手動弁によりガスの通過断面積を調節すると
いう方法がある。この方法は１つの操作に対し二個の弁
が必要で、弁数が二倍となりシステム内の部品配置が褐
雑化し装置コストが上昇する。また、装置完成後、その
都度細かな調整を必要とする。なお、小型装置の場合は
手動弁の代わりに設計で定めた窓口径オリフィスを用い
ることもある。また、場合によっては自動弁を用いず窓
口径オリフィスのみとする簡略化手段もある。

しかし、以上の方法は、ただ操作時間を設計時ｆＪ１に
対し過不足の生じないようにしたのみであり、−サイク
ルとしてみた場合時間の短縮を図ることはできない。

また、別の方法°として、自動弁の代りに流量調節弁を
用いる方法がある。しかし、流量調節弁を設けることは
弁スタンド（配管）が大がかりになるばかりか、システ
ムには一般に、数十個の自動開閉弁が用いられている現
状からすると、これらすべてを流量調節弁に変えること
はコストも大幅に上昇する。多くの場合、主要部（パー
ジ操作、製品加圧操作）の操作のみに使用される。

なお、流量調節弁には、圧力差（ΔＰ）や温度を検出し
、これをマイコン等により高度処理し、空気圧信号に変
換し、操作端（本体）に伝えて弁の開度を細かく調整で
きる機能を有するものもあるが、これらを使用すること
はコストの上昇とともに装置の保守、保安上からも問題
がある。

さらに、別の方法としては、急速なガスの塔内への流入
による塔構造物や吸着剤に対する機械的衝撃を緩和させ
る方法がある。具体的には吸着塔の流出入管部と吸着剤
層との間隙にセラミック球等を充填する方法である。し
かし、この場合は流路抵抗が増大するなどの問題がある
。

［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、窒素ガスを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し、窒素ガスを高収率で得る
ことができる窒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、空気から窒素ガスの分離が簡単な操作
（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）の高い窒素ガス
分離方法を提供することをもその目的とする。

本発明は、 酸素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酸
素ガスを選択的に吸着剤カラムの人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維続して行なうこ
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窒素ガスを製品ガ
スとして捕集する気体分離工程： および 吸着塔の人口側を減圧下におき、捕集された窒素ガスの
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、酸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
動吸着法に従う窒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うことを特徴とする窒素ガス
分離方法を提供する。

本発明は、また、圧力振動吸着法に従う窒素ガス分離方
法において、上記脱着工程における吸着剤カラム内への
窒素ガスの導入を、その窒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うことを特
徴とする窒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窒素ガスの吸着剤カ
ラム内の流速の制御は、空気もしくは窒素ガスの導入ラ
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）上記の弁が電磁弁、あるいは空気圧制御弁である
。

（２）窒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。

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

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

［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、窒
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態（高い吸着剤生産
性）が実現され、高収率で窒素ガスを得ることができる
。

また、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−Ｆ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、高収率で窒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
の短縮か可能である。

さらに、本発明の方法は、流量調節弁のような複雑な構
成の弁を用いることなく、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）
、また装置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、減圧）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Ｐ１（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後述
するように弁の作動能力にもよるが、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）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。

以下に、本発明の窒素ガス分離法を添付図面に従って説
明する。

第１図は一つの吸着剤充填塔で構成されたもっともシン
プルな窒素ガス分離装置の構成図である。

第１図において、ＩＩは吸着剤充填塔（吸着塔；吸着剤
：　ＭＳＣ）、Ｐはポンプ（圧縮、真空併用）、１２は
空気供給弁、１３は空気送入弁、１４は製品（窒素）ガ
ス送出弁、１５は減圧・真空引き弁、１６は廃棄（酸素
）ガス放出弁、１７はバージ弁（加圧用゛としても使用
可能）、１８は製品（窒素）ガスリザーバ、１９は空気
リザーバ、２０は製品（窒素）ガス取出弁（手動弁また
は定流量弁）、ＳｌおよびＳ２は圧力センサー３０．３
１．３２および３３はそれぞれ配管である。なお、１２
．１３．１４．１５．１６および１７はオン−オフによ
り弁の開閉が可能な自動弁である。

なお、上記システムにおいては、小型化を目的として種
々の態様を採ることができる。例えば、空気リザーバ１
９を省いて、ポンプＰを直接弁１３に連結する。製品ガ
スリザーバ１８をダイヤフラムのごとき伸縮性の容器ま
たは袋とする。配管３１を除き弁１・５を直接大気圧に
接続するなどである。ただし、弁１５を直接大気圧に接
続した場合は、１サイクルにおける圧変動範囲は大気圧
以上となる。また、製品ガスの純度を上げる目的で弁１
５に別に真空ポンプをつなぎ真空用と加圧用（ポンプＰ
）とを別々に役割分担させるごとも可能である。こうす
ることにより一層塔内圧力を高真空状態、高圧状態にす
ることが可能となる。

さらに、吸着塔１１内に原料ガスである空気を直接導入
することができるように、配管３２に直結する弁２１を
設けることもできる。

窒素ガス（製品ガス）は空気（原料ガス）から以下の工
程（吸着（分１１１）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。

原料ガス（空気）は、空気供給弁１２、ポンプＰを経て
、空気リザーバ１９に送られ、はぼ一定圧に保たれる。

再生（脱着）工程の終了した吸着塔１１に対して弁１３
を断続的に開閉させることにより、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）に基すいて
計量化された空気が配管３０．３２を経て、吸着塔！ｌ
に送られ、吸着塔１１内は所定の最高圧力になる。

最高圧力に達する途中、あるいは最高圧に達したのち、
窒素ガス送出弁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、製品ガス（窒素ガス）
は配管３３を経て、製品リザーバ１８へ送出される（以
上、吸着工程）。

その後、弁１２．１３および１４を閉じ、弁１５および
１６を開けることにより、吸着塔１１内の不要なガス（
酸素ガス）が弁１５、配管３１そしてポンプＰを経て、
弁１６から大気へ廃棄される（吸着塔内の圧力は大気圧
近傍になる）。次に、弁１７を断続的に開閉し、製品リ
ザーバ１８内の製品ガス（窒素ガス）の一部を吸着塔１
１内へ向流方向に流しくパージ操作）、残留酸素ガスの
脱着を促進させる（以上、再生工程）。

このよにして１サイクルは終了する。

なお、上記再生工程において、パージ操作を行なう場合
に、真空引きを行なって、吸着塔１１内の圧力を更に減
圧し、パージ操作を行なうこともできる。また、真空引
きを断続しながらパージ操作を行なうこともできる。更
に、パージガスの一部を一旦吸着塔内に滞留させたのち
、原料ガスの導入を行なってもよい。これらの操作を組
合せて行なうことにより、酸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トする。

第２図は上記の一サイクル（横軸）における吸着塔内の
圧力変化（縦軸）を示すグラフである。

第２図に見られるように、吸着工程（Ａで示される範囲
）においては、吸着塔内の圧力は、最低圧から、ａＩ　
、ａｌおよびａ３の３回の断続的な弁１３の開閉の操作
によって段階的に上昇し、最高圧に達する。そしてこの
状態から、’）　Ｉ　、’）　２の２回の断続的な弁１
４の開閉の操作（製品ガス送出操作）によって吸着塔内
の圧力は段階的に降下する。また、脱着（再生）工程（
Ｂで示される範囲）においては、吸着塔内の圧力は上記
の窒素ガスが取り出されたのちの圧力状態から弁１５が
開放され、ざらにｇｌ、ｇ２の２回の断続的な弁１７の
開閉の操作（パージ操作）が加えられて、最低圧に降下
する。

第３図は、上記第２図に示された各素工程における弁の
作動状態を示す図である。また、第４図は第３図の部分
拡大図である。

第３図および第４図において、ｔａ、、ｔａ２およびｔ
ａ３はそれぞれ一回目（ａ、）、二回目（ａｌ）、三回
目（ａ３）の操作の弁の開放が開始された時間（吸着工
程の開始時間を０秒（スタート）とする）を表わす。ま
た、△ｔａ、、Δｔａ２および△ｔａ３はそれぞれ一回
目（ａ、）、二回目（８２）、三回目（ａ３）の弁か開
放されている時間（秒）（パルス時間）を表わす。そし
て、△ｔｚ、および△ｔｚ２はそれぞれａ、とａｌ、ａ
ｌと８３間の待ち時間（秒）（ポーズ時間）を示す。ｔ
ｎ、　　ｔｎ２、ｔｇ、およびｔｇ２についても同様で
ある。なお、ａｏ、ａｌおよびａ３における各々の好ま
しい圧力上昇度は般に等しくない。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。

吸着工程における空気の導入に際して、上記３回（ａＩ
　、ａｌおよびａ３）の弁の開閉に従う吸着塔内の圧力
変化（最低圧Ｐ。から最高圧Ｐｈ２２流人量との間には
概路次の関係が認められる。ただし、３回の弁の開閉に
従う圧力変化と流入量は以下の通りである。

パルス　　　　圧力変化　　　流入量（ＣＣ）時間（抄
）（にｇ　／ｃｒｌｆ、絶対圧）（標準状態）ａｌ　△
ｊ　ａ　＋　　　Ｐ　ｏ　−Ｐ　１Ｑ　＋ａ２　△ｊａ
２　　ＰＩ→Ｐ２　　　　　Ｑ２ａ３　△ｊａ：＋　　
　Ｐ２→Ｐ３　　　　　Ｑ３関係式： ％式％ 弁開放に伴なう流入ｆｆ１Ｑ、は、吸着塔１１の死容積
Ｖ（ｃｃ）、弁が開放される直前の塔内の圧力をＰ。ｋ
ｇ／ｃｍ″（絶対圧）とすると、以下の（２）式で表さ
れる。

Ｑ　＋　＝　Ｖ　ｘ　Ｐ　ｏ　　　　　　（２）使用す
る弁の種類と上記（１）および（２）で表される式によ
りそれぞれに対応するパルス時間（△ｔａ、　、△ｔａ
２、Δｔａ３）を概略決定することができる。

なお、以北の関係に基づき各パルス量の予測が可能であ
るが、正確には実験により決定すべきである。

また、（２）式において、それぞれの段階における流入
量は、 Ｑ、＝に（ｐ＋　　ｐｏ）ｖ Ｑ２　＝Ｋ　（Ｐ２　　ＰＩ　）　Ｖ　　　・・（３）
Ｑ３＝に（Ｐ：＋　　Ｐ２）Ｖ （上記には、実験定数（に〉１）） の関係があるから、（１）式は下記の（４）式のように
変形できる。

Ｐｏ　　＋　ＰＨＰＨ＋　Ｐ２　　　　　Ｐ２　　＋ｐ
。

弁の３回の開閉操作により吸着塔への空気の総流入量が
設計上定められている場合はＱｌ、Ｑ２およびＱ３の量
的関係は上記（１）〜（４）式に従い概略予測が可能で
ある。

本発明においては、圧力変動範囲は０．０５乃至６にｇ
／ｃｔｎ”　（絶対圧）にあることが好ましい。１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
（弁が開いている時間）は、０．０１乃至５秒の範囲に
あることが好ましい。製品ガス（窒素ガス）の送出に際
しては１乃至５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（弁が開いている時間
）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窒素ガスの向流方向への流
通は、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（弁が開いて
いる時間）は、０．０５乃至３秒の範囲にあることが好
ましい。また、それぞれの工程おけるボース時間（弁が
閉じている時間）は、パージ工程、ポーズ工程を除き、
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、吸着工程における空気の導入に際し、吸着塔１１
内の圧力（最低圧）が大気圧以下にあるときは、ポンプ
Ｐを用いず、前述した弁２１を介して空気を上記弁シー
ケンス（パルス的な弁開閉パターン）に従い導入するこ
とができる。この場合は弁２１の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、
空気導入初期の段階では弁２１を用いて昇圧し、ある所
定圧に達した段階で弁１３を用いて最高圧にトげる方法
を採ることもできる。こうすることにより空気の導入を
さらに精密に制御することができる。

また、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
、・８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、各介与に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。

次に、上記システムに使用される弁開閉手段について簡
単に説明する。弁開閉手段としては一般に電気信号によ
り電気力をＩｎＯ２シて開閉する電磁弁、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、ボール弁、シリンダ
ー弁、ピストン弁、ダイヤフラム弁等があげられる。

また、上記自動弁は、弁開度を調節できる機能を有する
ものであることが好ましいにのことにより、圧力差（Δ
Ｐ）に対応して吸着塔内へのガスの流出入速度を精度良
く平滑化することができる。例えば、弁開度は二段階に
設定することができる（開度Ｏ％と１００％との間に中
間値を設ける）。圧力変化が大きいときは開度を小さく
、圧力変化が小さいときは、開度を大きくして使用する
。

以上説明したように、本発明の窒素ガス分離方法は、第
１図に示したコンパクトな装置を用いて好適に実施可能
であるが、他の公知のシステム（例えば、第５図に示し
た装置）を利用しても実施できることは勿論である。

以下に本発明の実施例および比較例を記載する。

［実施例１〜８］ 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）を用いて本発明の窒素ガス分離方法を実施した
。

吸着塔は以下に示すＣ−１およびＣ２の二つの部分から
構成され、かつ吸着塔（ＣＩおよびＣ２）が配管３２と
、配管３３の間に、配管３２−Ｃ。

−Ｃ２−配管３３の順で配置されている。

吸着塔； Ｃ１ニジリカゲル細粒充填部 充填量１６５°ｇ、 直径３．５ｃｍＸ長さ２２．５ｃｍ Ｃ２：ＭＳＣ細粒充填部 充填量２３５ｇ 直径３．５ｃｍｘ長さ４３．３ｃｍ 弁はすべて電磁弁を用いた。原料供給弁１２とバージ弁
１７は１／４インチ電磁弁、これ以外の弁は３／８イン
チ電磁弁を用いた。

なお、弁１３．１４．１５．１７にて囲まれた領域（配
管も含む）の死容積は５８０ｃｃであった。また、吸着
圧は０　、　１〜１　、３　ｋ　ｇ　／　Ｃｍ　２の範
囲で行なった。

窒素ガス分離工程は、第２図において説明したように、
［吸着工程Ｊ−ｒ再生工程（減圧−バージ）」を１サイ
クル（３０秒）で行なった（ただし、実施例５は１サイ
クル時間を２０秒）。モして各素工程における弁開閉の
操作（弁シーケンス；弁の開放を開始する時間（秒）（
ｔａｎｔｎ、、ｔｇ、　　・・・で示す）およびパルス
時間（秒）（Δｔａ、　、Δｔｎ、、Δｔｇ１・・・で
示す）は第１表に示したように変化させ、そのときの窒
素ガスの吸着剤生産性を測定し、評価した。以上の結果
を第１表に示す。

以　　下　　余　　白 ［実施例９〜１５］ 上記実施例１〜８と同様な装置を用い、各素工程におけ
る弁開閉の操作（弁シーケンス）を下記の第２表に示し
たように変化させて本発明の窒素ガス分離方法を実施し
た（１サイクル時間を３０秒）以外は、上記実施例１〜
８と同様な方法で評価した。以上の結果を第２表に示す
。

以　　下　　余　　白 ［実施例１６］ 上記実施例１〜８と同様な装置を用い、各素工程におけ
る弁開閉の操作（弁シーケンス）を下記の第３表に示し
たように変化させて本発明の窒素ガス分離方法を実施し
た（１サイクル時間を２０秒）以外は、上記実施例１〜
８と同様な方法で評価した。以上の結果を第３表に示す
。

以　　下　　余　　白 なお、製品ガス送出量は１サイクル当り１２０ｃｃであ
った。また、製品送出弁の開閉操作を２回実施すること
により９８％以上の純度の窒素ガスが得られた。

３回の弁の開閉操作によりて吸着塔内の圧力は下記のよ
うに変化した。

弁開閉操作　　圧力変化（にｇ／ｒｆ、絶対圧）１回目
（ａ、）　　　０．１４→０．２３２回目（ａ２）　　
０．２３→０．３８３回目（ａ３）　　　０．３８４０
．６２そこで、萌述した圧力変化（最低圧Ｐ。から最高
圧ｐ３）と流入量との関係式（４）を用い、上記のそれ
ぞれの圧力変化に対して計算すると以下のようになる。

Ｐ、＋Ｐ、　　　　　０．　３７ ＋Ｐ２ ０　、　６１ Ｐ３−Ｐ２　　　０．　２４ Ｐ２　　＋ｐ３　　　　１．　０ 以七の結果から、３回の弁の開閉操作における圧力変化
の割合はほぼ等しいことがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施するために好適に用いら
れるシステムの一態様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サイクルの吸着塔内の圧力変化を示した
グラフである。 第３図は、上記第２図の１サイクルにおける圧力変化に
対応した弁の作動状態（開閉操作）を示した図である。 第４図は、第３図の部分拡大図である。 第５図は、従来のＰＳＡ法を実施するためのシステムを
示す構成図であり、同時に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。酸素吸着剤がカラム状に充填された吸着塔に、その
   人口より加圧下にて空気を導入し、空気中に含まれてい
   る酸素ガスを選択的に吸着剤カラムの人口側に吸着させ
   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窒素ガスを製品ガ
   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、捕集された窒素ガスの
   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、酸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
   動吸着法に従う窒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うことを特徴とする窒素ガス
   分離方法。 ２。空気分離用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
   れている酸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窒素ガスを製品ガ
   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、捕集された窒素ガスの
   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、酸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
   動吸着法に従う窒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窒素ガスの導
   入を、その窒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うことを特徴とする窒素
   ガス分離方法。