JPH0255202A - 酸素富化ガスの製造法 - 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〕 本発明は空気等の酸素、窒素を主成分とする混合気体よ
り選択的に酸素を吸着する酸素吸着剤を使用しての酸素
、窒素を主成分とする混合気体よシ酸素、窒素を分離す
る方法に関するものである。

〔従来の技術〕

酸素吸着剤を利用した空気からの酸素、窒素吸着分離法
は装置が小型簡易であシ、又無人運転に近い殆ど保守を
必要としない利点をもつため、ｆ４１＊ａ度最大６０％
の酸素富化空気製造について製造、ｉｉｌ　０〜４００
　ＯＮｍ”−０，７ｈ程度の中小型装置として深冷分離
装置で作られる液体酸素を輸送して使用するケースにつ
いての代替がｌＡ待される。

この装置の代表的なものの概要を述べると、装置ｆｆｆ
ｉは空気圧縮機及び２塔又はそれ以上の酸素吸着塔、又
場合によっては真空ポンプ等から構成される。この装置
において、１塔に圧縮空気を送ると、充填された４＾よ
りや一小さい窓径を有し室温で酸素選択性を示す酸素吸
着剤により空気中の酸素は吸着除去されて、残る高圧窒
素は吸着塔の後方に流出し回収される。一方、他塔では
吸着した酸素を減圧条件で放出させて酸素富化空気とし
て回収再生する。これを交互にくり返して連続的に酸素
、窒素を分喝する。

上記の吸着塔に充填していた１１２素吸着剤の代表的な
ものは、べｐグパウフオμグ社により実用化されたポリ
スチレン等を９Ａ料として空気気流中６００°Ｃ程度の
高温で焼成−合して窓径を４大よりもや＼小さくして室
温で分子直径の小さな酸素は容易に吸着されるが、や−
大きな分子直径の窒素は吸着されにくい酸素選択吸着性
モレキュツーシーブスカーボン４Ａ（以下％ＭＳＣ−４
Ａと略す）であり、酸素、窒素２成分混合ガスから酸素
を選択的に吸着するものであって、空気条件下での窒素
の共吸着は酸素吸着の約８０％以下と推定される。

この吸着による酸素、窒素分４装置は前に中小型領域で
有利と述べたが、Ｉ　Ｎｍ”の酸素を製造するのに［Ｌ
７５〜Ｉ　Ｋｖｈを必要とし、大容量深冷分離法で製造
される酸素の（Ｌ　４５　Ｋｗｈに比し消費′ルカは大
きい。又、装置容量の増大に対し吸着剤のコストがゼオ
フィト系の数倍もすることから、スケールアップに伴い
吸着剤コストが突出しｌ　ＯＯＯＮｍ”　＋　Ｏｔ／　
ｈ以上の領域では深冷分離法に競合できないと評価され
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従って、これら欠点についての改善方法が種々考えられ
るが、本発明に関連して改善方法を述べると以下のよう
な障害が通常出現する。

先ず、消費電力の低減については、送風圧力を低くして
低圧で吸着操作を行なうことが考えられるが、酸素吸着
址が圧力にほぼ比例して低下するため、装置の容量が極
めて増大する。次に１吸着量の増大を図るために、低温
条件で吸、着操作を行なうことが考えられるが、この場
合は酸素の吸着・脱着速度が著しく低下するため、同一
充填」丘での製品酸素富化空気兄が室温時に比し約１０
％程度しか増加しない。このため、温度の低下に伴ない
冷凍機消費電力のみが上昇するので動力原単位が漸次上
昇する。

以下、ＭＳＣ−４Ａを用いて酸素富化空気を製造する方
法を第２図によって説明する。

入口側フィン１を通じて圧縮ｌｌＡ２で１．０５〜３　
ａｔｍに加圧された空気は流路３ａから脱湿脱Ｃ０２塔
４に入り、極めて清浄な加圧空気となる。

流路３ｂの後流に設置されたパルプ５は開となっており
、清浄な加圧空気は流路６ａ及び開状態のバルブ７ａを
通じて吸着塔８ａに入る。吸着塔８ａに入った加圧空気
は前述のモレキュラーシーブス系の酸素吸着剤９ａで酸
素が吸着されて後方に付くに従かい窒素濃度が上昇する
。

この後、加圧空気は開状態のパルプ１０　ａ　、　１１
　ａ　ｅ１２及びバルブ１１ａ、１２の間に挿入された
製品窒素タンク１３を通じて製品窒素として回収される
。

一方、吸着塔８ｂは開状態のパルプ１６ｂ及び流路１７
を通じて連結された真空ポンプ１８で減圧されひかれて
おり、このため吸着塔８ｂは空気流れと反対方向に吸着
した１＊素が負圧状態で離脱し、吸着塔８ｂ中の酸素吸
着剤９ｂに吸着されていた酸素は容易に離脱され酸素吸
着剤９ｂは短時間で再生される。吸着塔８ａの酸素吸着
剤９ａが飽和し、一方吸着塔８ｂの酸素吸着剤９ｂから
酸素が離脱して再生が済むと、入口空気の流路６ａを６
ｂに切り換え、今迄述べた方法を交互に行なうと吸着工
程で製品窒素が再生工程で酸素富化空気が連続的に回収
できる。

なお、吸着塔の切り換えにあたっては、単に流路６ａか
ら６ｂへ（又はその逆）切り換えるだけでなく、切り換
え直後の昇圧に伴々う入口空気の吹きぬけを防ぎ、かつ
、吸着塔の後方に残存する窒素及び前方の加圧空電の糸
外への放出を最小にするため、先ず、パルプ１０ａ。

１０ｂを全開にして吸着直後の吸着塔８ａの後方の残存
窒素を再生直後の吸着塔８ｂに一部移す。この時吸着塔
８ａの圧力をＰ。（ａｔｍ）吸着塔８ｂの圧力をＰ＋　
（ａｔｍ）とすると、均圧後の圧カバ約Ｐ０＋ＰＩ（ａ
ｔｍ）トナル。

この方法で単に塔を切り換える時のＰＨ（ａｔｍ）から
Ｐ６　（ａｔｍ）への急速な外圧に比べ、以上の操作で
はＰｔ　（ａｔｍ）　、　””ユ（ａｔｍ）　＊　Ｐｏ
　（ａ　ｔｍ）とゆるやかに昇圧するため、外圧時の空
気の吹き抜けを防止しつつ、脱着工程での残存窒素、高
圧空気の糸外への放出を最小にするような対策が可能と
なっている。

以上の操作方法でＩＳ２　ｉＷ　Ｋ示した空気分離装置
で空気分離を行なった。装置の操作諸元を第１表に示す
。

第１表　　吸着装置諸元 第１表の操作条件で空気から酸素、窒素を分離した。

しかし、第２図に図示する圧力スイング方式の酸素、窒
素吸着分離方法では、従来の酸素吸着剤ＭＳＣ−４Ａを
用い、例えば室温条件下、吸着圧力１．２　ａｔｍ　、
再生圧力（Ｌ　１５　ａｔｍにおいて、１ｋｇの吸着剤
で酸素濃度４５％の酸素富化空気を約２．５　Ｎｔを１
回の再生工程で回収できる程度である。又、この時の消
費電力がへ２Ｋｗｈ　／　Ｎｍ”程度であシ、又、吸着
剤コストがゼオライト系窒素吸着剤の５倍以上となシ、
吸着剤の占めるコストが全装置コストの号になる等のス
ケールアップ上の障害も生じた。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明者らは、この吸着剤の使用量、消費動力の減少封
管が一つの大きな解決課題と考え、種々実験、検討の結
果、窓径４１〜４．５穴を有するモレキュフーシーブス
カーボンが低温条件下で空気から強力に酸素を吸着する
こと、酸素を吸着した該モレキュフーシーブスカーボン
を減圧条件下におくと容易に酸素富化空気を得ると同時
にモレキュフーシーブスカーボンが再生されることを確
認し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は窓径４．１〜４．５Ａを有し室温で
弱い窒素選択吸着性を示すが低温では酸素選択吸着性を
示すモレキュラーシーブスカーボンを充填した少くとも
２塔の吸着塔において、＋５℃〜−５０°Ｃの低温下で
、酸素及び窒素を主成分とする混合気体を大気圧以上３
　ａｔｍ以下で吸着塔に流入させて該混合気体に含まれ
る酸素を選択的に吸着させ、該吸着塔出口から高純度窒
素又は窒素富化ガスを流出させ、一方、酸素を吸着した
該吸着塔をα０８　ａｔｍ以上［１３ａｔｍ以下に減圧
させて酸素富化ガスを採取することを特数とする酸素富
化ガスの製造法である。

なお、モレキュフーシーブスカーボンは、ポリス千しン
造粒品を窒素雰囲気中で温度３００〜７００℃で熱処理
して水素の離脱とスチレンの縮合を起こさることによっ
て得られる活性炭様の三次元架橋構造物である。架橋構
造は３Ａ以上の均一な窓となり、窓径より大きな分子は
吸着せず、窓径よシ小さな分子を吸着する作用を有する
。熱処理時間を長く保つと窓怪は縮小する傾向をもつ。

本発明において使用する窓径４１〜４．５λの低温で酸
素選択性を有するモレキュラーシーブスカーボン（以下
、ＭＳＣ−・１〜４．５Ａという）はボリスチＶン造粒
品を漬４累雰囲気中で６５０°Ｃ，３時間熱処理するこ
とによって得られる。

以下本発明の方法について実施例により詳細に説明する
。

〔実施例〕

本発明の有効性を火証するため、第１図に示す空気分４
装置で空気から酸素と窒素の分離を試みた。

以下、第１図に基づいて来施した内餐を説明する。

入口側ライン１を辿じて圧縮機２で１．０５〜５　ａｔ
ａに加圧された空気は、流ｖ＆３　ａから脱湿脱ＣＯ，
塔４に入り、極めて清浄な大気圧もしくは加圧空気とな
る。流路５ｂの後流に設置されたパルプ５は開となって
おシ、清浄な加圧空気は流路６ａ及び開状態のパルプ７
ａを通じて吸着塔８ａに入る。吸着塔８ａに入った加圧
空気は酸素吸着剤９ａで酸素が吸着されて後方に行くに
従かい窒素濃度が上昇する。この後、加圧空気は開状態
のバルブ１０ａ、１１゜１２及びパルプ１１１２の間に
押入された製品窒素タンク１５を通じて製品窒素として
回収される。

さて、次に吸着塔８ａの酸素吸着剤９ａが協和し、一方
、吸着塔８ｂの酸素吸着剤９ｂから酸素富化空気が離脱
して再生回収が済むと、入口空気の流路６ａを６ｂに切
シ換え、今迄述べた方法を交互に行なうと製品酸素富化
空気、窒素、窒素富化空気が連続的に回収できる。なお
、入口の清浄な加圧空気のフィン３ｂと１４脱酸素富化
空気を主成分とするガスライン１７の間は熱交換器１９
で熱交換可能となっておシ、製品窒素ツイン２１と流路
３ｂとの間も又熱交換器２２で熱交換可能となっている
。又流路３ｂには圧縮式冷凍機２０が設置されているた
め、極めて能率的に吸着塔８ａ及び吸着塔８ｂは冷却さ
れ低温条件に設定される。

以上の操作方法で第１図に示した空気分離装置ｕで空気
分離を行なった。装置の操作諸元を第２表に示す。

第２表　　吸着装置諸元 第２表の操作条件で空気から酸素、窒素を分離した。

第２図および第１表に示す従来例と、第１図および第２
表に示す本フコ明の一実施例との央験結果を第３図以下
に要約する。以下＠５図から遂次Ｍ　Ｓ　Ｃ−４，１〜
４．５Ａ吸着剤による莫気からの圧力スイング式酸素、
窒素吸看分ｊ４の、従、来の２５℃においてのＭＳＣ−
４Ａでの空気分離に対する主たる改善点を説明する。

先ず、吸着塔を冷却条件に導き低温条件下での吸鴻・分
離を試みた。これは低温条件に設定することによシ吸肩
、ｔｔｔの上昇が一般的におこるので吸着時の破過帯が
縮少し装置の小型化と分離効率の向上が期待できたため
である。

その他の操作条件を吸着圧力１．０５　ａｔｍ　、再生
回収圧力（Ｌ　１５　ａｔｍ　ｌ　ｇ品酸素所度４５　
ｖｏＬ％に設定し、温度を室温から漸次低温へ下げて酸
素富化空気Ｉ　Ｎｍ”　／　ｈ製造時の動力単位を求め
た。第３図は操作温度と動力原単位との関係を示すグフ
フである。第５図において横軸は温度、縦軸は動力原単
位を示しＯ印はＭＢＣ−４１〜４．５　Ａ　、口部はＭ
　Ｓ　Ｃ−４Ａについて示している。第５図かられかる
ようにＭＳＣ−４Ａでは温度の低下に伴ないむしろ動力
原単位が上昇しているのに対し、ＭＳＣ−４１〜ｊＬ５
Ａでは温度の低下に伴ない１０°Ｃ付近で窒素選択吸着
性から酸素選択吸着性に変化し、５°〜−５０℃で動力
原単位に低下した。

次に、初期設備に関係する項目について述−る。第３図
の操作条件、すなわち吸着圧力１．０５ａｔｍ、再生回
収圧力α１５ａｔｍ％製品酸素濃度４５　ｖｏｔ％での
吸着剤１ｋｇ当シの酸素富化空気を製造する場合の酸素
富化空気製造量を第４図に示した。果４図は温度と上記
酸素富化空気製造量との関係を示すグフフであり、第４
図の横軸は温度、縦軸は吸着剤１　ｋｇ当シの酸素富化
空気製造−）ｉ（ＮＬ）でちり、記号０．口は第３図と
同じ意味を有する。

＠４図から判るように、ＭＳＣ−４Ａは低温にしても、
酸素富化空気製造量は室温の場合の１０％程度しか増加
しないのに対し、（室温２５℃ではＭ　Ｓ　Ｃ−４Ａ　
　ｊ　ｋｇ当ｐ２−５ＮＬｆ）酸素富化空気製造量）、
ＭＢＣ−４１〜歳５Ａでは一３０°Ｃでは室温の場合の
２倍以上の酸素富化空気製造量を得ることができ、低温
吸着の効果が顕著である。

第５図は吸着圧力と動力原単位との関係を示すグラフで
あり、＠５図において、横軸は吸着圧力縦軸はＩ　Ｎｍ
”　／　ｈでの酸素富化空気を製造するに必要な消費電
力（ｆｆ　）である。吸着剤としてＭＳＣ−４１〜４．
５Ａ及びＭＳＣ−４Ａを使用し、温度−３０°Ｃ１再生
回収圧力α１５ａｔｍ％製品酸素濃度４５　ｖｏＬ％に
設定して、吸着塔圧力を１．０５〜４．５　ａｔｍに変
更した時の消費′電力を調べたものである。第５図の横
軸は吸着圧力、縦軸は１ｋ１Ｍ！／ｈの酸素富化空気を
製造するに要する動力原単位（Ｋｖｒｈ　）でちゃ、記
号０９口は前記と同じ意味を有する。

第５図から判るように、ＭＳＣ−４Ａ、ＭＳＣ−４，１
〜４．５Ａとも同じ傾向を示すが、ＭＢＣ−４，１〜４
．５人は著しく高い酸素選択吸着性を示し、特に１〜３
　ａｔｍの低圧で酸素富化空気の低動力原単位での再生
回収が計られている。

次に上記の有効性が成立する領域である吸着圧力１．０
５ａｔｍ、製品酸素濃度４５　ｖｏｔ％、温度−３０℃
に操作条件を設定して吸着剤としてＭＳＣ−４Ａ、Ｍ３
Ｃ−４１〜４５Ａの各々について脱着圧力をα１〜ｌｌ
Ｓ　ａｔｍ迄変更して動力原単位を測定しこれを第６図
に示した。第６図は再生回収圧力と動力原単位との関係
を示すグラフである。

第６図において横軸は再生回収圧力（ａｔｍ　）、縦軸
は酸素富化空気Ｉ　Ｎｍ”　７　ｈ製造時の動力原単位
（Ｋｗｈ　）を示し、記号は前記と同じである。

第６図から判るように、Ｍ３Ｃ−４Ａを用いると動力原
単位はＣＬ　２　Ｋｗｈ　／　Ｎｍ”−酸素富化空気近
傍が下限であるが、ＭＳＣ−４１〜４．５Ａを用いると
α０８　ａｔｍ〜α３　ａｔｍの範囲でα２Ｋｗｈ　／
　Ｎｍ”−酸素富化空気の動力原単位よりも低くなる。

特にｌ１１〜αＳ　ａｔｍ近傍では著しく動力原単位が
小さくなるので好ましい。

以上、本発明について空気から酸素富化空気を製造する
場合について説明したが、本発明は空気ばかシでなく、
酸素と窒素を主成分とする混合ガスから酸素富化ガスを
製造する場合に適用できることは云うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、酸素選択吸着性を示すＭＢＣ−４Ａを
使用する従来法に比し、極めて、小さな動力原単位で酸
素富化ガスを採取することができ、その工業的価値は顕
著なものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を突流するに用いられる空気分離装置の
一態様図、第２図は従来の空気分離装置の一態様図、第
３図〜第６図は本発明の効果を示す図表で、第３図は操
作温度と動力原単位との関係を示すグラフ、第４図は操
作温度と酸素富化空気製造量の関４ｇ！４を示すグラフ
、第５図は吸着圧力と動力原単位の関係を示すグラフ、
第６図は再生回収圧力と動力原単位と動力原単位の関係
を示す図表である。 第２図 温度 （０Ｃ） 温度（℃） 第５図 吸 着 圧 力 （ａｔｍ） 第６図 再生Ｏ１，ｌ又圧力 （ａｔｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 窓径４．１〜４．５Åを有し室温で弱い窒素選択吸着性
   を示すが低温では酸素選択吸着性を示すモレキユラーシ
   ーブスカーボンを充填した少くとも２塔の吸着塔におい
   て、＋５℃〜−５０℃の低温下で、酸素及び窒素を主成
   分とする混合気体を大気圧以上３ａｔｍ以下で吸着塔に
   流入させて該混合気体に含まれる酸素を選択的に吸着さ
   せ、該吸着塔出口から高純度窒素又は窒素富化ガスを流
   出させ、一方、酸素を吸着した該吸着塔を０．０８ａｔ
   ｍ以上０．３ａｔｍ以下に減圧させて酸素富化ガスを採
   取することを特徴とする酸素富化ガスの製造法。