JPH0295409A - 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　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅ
ｓ、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。

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等、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離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、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３Ｂ−２５９６９号公報）
は、下記の複数の工程を鰻り返し行なうことを基本とし
ている。

（ｉ）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、同昨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導入工程； （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７図に示した装δ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（記載略）か
ら構成されたシステムである。

第７図において、７１及び７２はそれぞれ吸着剤（７１
ａ、７２　ａ　；　Ｍ　Ｓ　Ｃ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−
Ｓｉｅｖｉｎｇ−Ｃａｒｂｏｎ）　）が充填された吸着
塔である。

７３．７４．７５．７Ｂ、７７．７８．７９．８１は、
それぞれ自動制御弁である。７０は、システム（系）内
への原料ガス（空気）導入口、そして８０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。８２は、通常は大気または減圧ポンプに
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
操作によって一循することにより窒素ガス分離が行なわ
れる。

吸着塔７１が吸着過程にある場合には、吸着塔７２は再
生過程にある。吸着塔７１の吸着過程が終ると吸着塔７
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７図において、原料ガス（空気）は１Ｍ料ガス導入ロ
ア０より弁７３を介して吸着塔７１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’！着剤７１ａの
粒子間隙を流れるうちにｒ！！に前分離され、吸着され
なかった気体は、弁７４を介して取り出し口８０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
。

一方、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７８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７１の吸着過程が終ると、弁７３．７４が閉じら
れ、次いで、弁７７．７９が開けられて吸着塔７１の圧
力は塔７１．７２の平衡圧まで減圧される。

均圧工程終了後に吸着塔７１の減圧が開始される。この
減圧工程は吸着塔７１のまわりの弁７７．７９を閉じ、
弁７８を開けることにより開始される。

このようにして塔７１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７１の昇圧（加圧）が開始される。こ
の昇圧工程は、吸着塔７１のまわりの弁７４．７７．７
８．７９を閉じ、弁７３を開けることにより開始される
。このようにして吸着塔７１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Ｔａｒｒ（トール）、高い
方−ｔ’ａｌＯＫｇ／ｃｍ２　Ｇ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８図は、減圧工程における排出口８２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
７８を開けた直後では、圧力差は最大値にあり、排出口
８２からのガス流出速度は瞬間的に最大流速に達する（
ａで示された望域）、その最大流速は、多くの場合、音
速に達する。

弁７８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７１内の圧力は急降下する。したがって排出口
８２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０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ｌ／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粒子間を素通りし
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。

［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、高純度、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１本発明は、空気から窒素ガスの分離が筒車な操作
（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Ｊｌ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、 上記吸着塔が、空気の流通方向に対して入口側および出
口側に直列に配行された二つの吸着剤カラムと、該両カ
ラム間にあって該両カラム内への導入気体の流速を制御
する流速制御手段とからなり、上記気体分離工程におけ
る吸着塔の入口側の吸着剤カラムへの空気の導入を、そ
の空気の該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、上記圧力振動吸着法に従う窒素ガス分
離方法において、上記吸着塔が、空気の流通方向に対し
て入口側および出口側に直列に配行された二つの吸着剤
カラムと、該両カラム間にあって該両カラム内への導入
気体の流速を制御する流速制御手段とからなり、上記脱
着工程における両吸着剤カラム内への窒素ガスの導入を
、両吸着剤カラム内の流速が断続的に変化するように制
御しながら行なうことを特徴とする窒素ガス分離方法を
提供する。

なお１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断続的な操作で行なうこと
により実施することが望ましい。

なお１本発明では以下の態様であることが好ましい。

（１）上記弁が電磁弁または空気圧作動弁である。

（２）上記気体分離工程が、 加圧下にて、入口側の吸着剤カラムへの空気の導入と同
時に、出口側の吸着剤カラムへの空気の流通方向と逆方
向からの製品ガスの導入を行なう工程； 上記空気または製品ガスの導入を、上記二つの吸着剤カ
ラム内の圧力が等圧状態で停止させる工程；および 導入停止後の二つの吸着剤カラム内の気体を流通させな
がら製品ガスを捕集する工程を含み、この一連の工程を
上記脱着工程終了後に実施する。

（３）上記脱着工程において、吸着塔の入口側を真空下
におき、入口側の吸着剤カラムから酸素ガスを排出させ
て該入口側の吸着剤カラム内の圧力を真空にしたのち、
該入口側の吸着剤カラムに出口側の吸着剤カラムから窒
素ガスを逆流させ、さらに両カラム内の圧力を真空にさ
せる。

（４）上記（２）を含む気体分離工程における二つの吸
着剤カラムへの空気または製品（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）上記脱着工程における二つの吸着剤カラムへの窒
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。

（６）上記（４）および（５）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を、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、特に、本
発明においては吸着塔が、吸着剤カラムが直列に二つ連
設され、しかも両カラム間に流量制御手段が設けられた
構造であるために、二つの吸着剤カラムそれぞれについ
ての吸着状態、脱着状態が別々に設定できるから、上記
ガス流速のコントロールがさらに容易となる。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１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、高純度、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
短縮が可能である。

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１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工程の
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
１組力にもよるが、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、本発明の窒素ガス分離法を実施するためのシ
ステムの吸着剤カラムの配置状態を模式％式％ ｔ５ｆ図に示されるように、二つの吸着剤カラム（吸着
剤充填塔、吸着剤：ＭＳＣ）ＡおよびＢは気体の流通方
向（Ａ→Ｂ）に直列に配置されており、カラムＡとカラ
ムＢとの間には流速制御手段１２（通常、自動弁）が配
置されている。モしてカラムＡには原料ガス（空気）１
０を送り込む自動弁１１が、カラムＢには分離して得ら
れた製品ガス（窒素ガス）１４を取り出す自動弁１３が
それぞれ設けられ、これらが配管（実線で示す）で連結
されている。

本発明の方法は基本的に以下のような吸着工程と脱着工
程を含む工程からなる。

原料ガス（空気）１０は弁１１の断続的な開閉操作によ
り、吸着剤カラムＡに吹き込まれる。弁１１の断続的な
開閉操作で吸着剤カラムＡに流入した空気は、吸着剤粒
子間で激しく振動され、吸着剤粒子間の表面更新が促進
され、被吸着物質濃度が単時間で下げられる。従って、
カラム全体にその被吸着物質（酸素ガス）の吸着気体帯
域が形成される。このようにして空気は一旦吸着剤力う
ムＡに貯えられる１次に、流速制御手段（弁）１２を開
放させることによりカラムＡに貯えられた空気が吸着剤
カラムＢに送られる。この場合、定流速弁を使用するこ
とにより、カラムＢ内への空気の流れはほぼ一定の流速
となる。カラムＢでは適νＪな被吸着物質濃度勾配が形
成され、」二記のようにカラムＡで窒素ガス濃度が高め
られた空気は更にここで窒素ガス濃度が高められ純度の
高い窒素ガスとなり、弁１３を介し−Ｃ取り出される。

すなわち、Ｌ記カラムＡでは空気は粗い分離処理が、上
記カラムＢでは精度の高い分離処理がそれぞれ行なわれ
、上記二つの吸着剤カラムに空気を流通させることによ
り１段階的に高純度の製品ガスを得ることができる（以
上、吸着工程）。

上記吸着工程が終了した後、カラムＡの入口側を減圧下
におき、弁１１を開放させることにより、カラムＡ内で
吸着分離された酸素ガスは系外に放出される。その後、
カラムＡに対して流速制御手段１２を断続的に開閉させ
ることにより、力うｆ、　Ｂ内の空気（窒素ガス分の多
いガス、半製畠ガスともいう）をカラムＡ内に流通（逆
流、パージ）させて、カラムＡ内の酸素ガスの脱着を促
進させる。さらに、弁１３を断続的に開閉させることに
より製品ガス（窒素ガス）をカラムＢ内に逆流（パージ
）させてカラムＢ内の酸素ガスの脱着を促進させる（以
上、脱着工程）。

なお、本発明において、上記の二つの吸着剤カラムＡお
よびＢの構成は、それぞれについて独立に吸着気体帯域
が形成されるような構成であればその形状は特に制限さ
れない、従って、二つの吸着剤カラムＡおよびＢが一つ
の吸着塔の中に備えられた構成であってもよいし、ある
いは、それぞれ別の吸着塔（二つの吸着塔が直列に配置
）を構成していてもよい、また、上記流速制御手段とし
ては、上記のように自動弁であってもよいが、オリフィ
スであってもよい。例えば、第２図に示したように、吸
着塔が一体となって構成され、カラムＡとカラムＢとが
仕切られた部分にオリフィス１２が設けられた構成であ
ってもよい。

本発明において、カラムＡへの吸着剤の充填はできるだ
け死容積を少なくして気体の接触容積が大きくなるよう
にすることが好ましい、そして、空気の流れが速やかに
吸着剤全体にゆき渡るようにカラムＡの断面積を大きく
することが望ましい、しかし、こうすると、反面、死容
積は増大するためこれらを考慮して設計する必要がある
。吸着剤カラムＡおよびＢの形状はともに円柱状が好ま
しい、この場合のＡとＢの容積比は１：０．２乃至１：
１．２の範囲にあることが好ましい、また、吸着剤カラ
ムＢの高さと直径との比は、２：１乃至１０：１の範囲
にあることが好ましい。

上記の吸着剤としては１通常、酸素ガス吸着剤（ＭＳＣ
）が使用される０本発明において、吸着剤の粒子の大き
さは、２０乃至１００メツシユであることが好ましい、
なお、入口側の吸着剤カラムは、該カラムの入口付近に
乾燥用として使用されるシリカゲル、活性アルミナ等の
吸着剤が備えられた構成であってもよい。

また、上記自動弁としては、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
弁等の公知のもの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、ダイヤフラム弁等があげられる。

さらに、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、このことにより、圧力差
（ΔＰ）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０例えば、弁開度は二段
階に設定することができる（開度０％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。

なお、上記方法を実施するに際して、吸着剤カラムＡの
吸着剤粒子間での表面更新が速やかに行なわれるように
、カラムＡに原料ガスを吹き込む弁を二個かそれ以上を
配置し、これらを交互に作動させて空気の吹き込みを行
なうなどの方法を採ってもよい。

本発明の方法を第３図を用いて更に詳しく説明する。第
３図は上記第１図に示した構成を含むシステムの構成図
である。

第３図において、ＡおよびＢはそれぞれ吸着剤カラム（
吸着剤充填塔、吸着剤：ＭＳＣ）、Ｐｌは圧縮用ポンプ
、Ｐ２は真空用ポンプ、Ｒ１は原料ガス（空気）リザー
バ、Ｒ２は製品（窒素）ガスリザーバ、３１．３２．３
３．３５および３６は上記説明したオン−オフにより弁
の開閉が可濠な自動弁である。また、３７は安全弁であ
る。

製品ガス（窒素ガス）３４は原料ガス（空気）３０から
以下の素工程（吸着（分離）工程および脱着工程からな
るサイクル）を時系列的に実施することにより製造され
る。

（１）原料ガス（空気）３０は、圧縮ポンプＰＩで圧縮
され、ｊＩ料ガス（空気）リザーバＲ１に送られ、貯蔵
される。弁３１を断続的に開閉させることにより、原料
ガス３０は、吸着剤カラムＡ内（塔内は最低圧状態にあ
る）にパルス状に吹き込まれる。一方、上記吹き込みが
行なわれている間、弁３６を断続的に開閉させることに
より、カラムＡと同圧で、かつ最低圧状態にある吸着剤
カラムＢ内に製品ガス３４の一部を逆流させる（原料ガ
ス加圧−製品ガス加圧・工程）。

（２）上記工程に続き、カラムＡの入口端からの原料ガ
ス３０の導入を継続しつつ、弁３６を閉じる０次いで、
弁３２を開放させて、カラムＡとカラムＢとを流通させ
る。こうして両カラムは略同圧で、かつ吸着工程圧力ま
で昇圧（加圧）させる（昇圧工程）。

（３）上記工程に続き、弁３３を開放させるとカラムＡ
に吹き込まれた空気は一定時間ここで滞留させられたの
ち、弁３２を経て略一定流速でカラムＢ内に送られる。

空気中の酸素ガスはカラムＡおよびカラムＢを流通する
間に２つのカラムで二段階に吸着分離され、吸着されな
い窒素ガスは弁３３を介して製品リザーバＲ２に貯えら
れ、さらに製品ガス３４として系外に取り出される（吸
着工程）。

（４）上記の吸着工程の終了後、真空ポンプＰ２を作動
させて、カラムＡの入口側を減圧下おき、弁３５を開放
させることによりカラムＡ内の被吸着物質（酸素ガス）
は弁３５を介して大気中に放出される。この状態からカ
ラムＡに対して弁３２を断続的に開閉させることにより
カラムＢ内のガス（半製品ガス）をパルス状に逆流（パ
ージ）させる（真空−パージ・工程（ｉ））。

（５）真空引きを続行しつつ、弁３２を開放状態にし、
弁３６を断続的に開閉させることによりカラムＢ内に製
品ガスの一部をパルス状に逆流させる。この操作ののち
、吸着剤カラムＡおよびカラムＢは同圧で、かつ最低圧
状態になる（真空−パージ・工程（ｉｉ）　）　。

以上の工程で第１サイクルは終了し、再び原料ガス（空
気）３０は上記の操作によりリザーバＲ１に貯蔵されて
、第２サイクルが開始される。

なお、上記工程（１）の場合、「原料ガス−加圧操作Ｊ
と「製品ガス−加圧操作」が平行して回持に行なわれて
いるが、再操作は、それぞれ独立に行なうことができる
。すなわち、「空気−加圧操作」の終了後、あるいは開
始前に「製品ガス−加圧操作」を行なうことができる。

本発明の窒素分離システムは、上記第３図において使用
した圧縮用ポンプＰ１および真空用ポンプＰ２の代りに
、この両機能を兼ね備えた圧縮・真空併用ポンプを使用
して構成することができる。このことにより、システム
全体をよりコンパクトに構成することができる０例えば
、第４図に見られるように、カラム内への空気の導入ラ
インとカラム内からの酸素ガス（製品ガスを含む）の排
出ラインが一つの配管で連結させて構成できる。すなわ
ち、圧縮・真空併用ポンプＰ３で圧縮された原料ガスは
、リザーバＲ１にストックされたのち、ここから弁３１
を介してカラムＡに導入される。一方、圧縮・真空併用
ポンプＰ３を真空に引くことにより弁３５を介してカラ
ムＡから排出された酸素ガスは弁３７を介して系外に放
出される。

本発明において、圧力変動範囲は０．Ｏｌ乃至６　Ｋｇ
／ｃｒｎ’　（絶対圧）にあることが好ましく、更に好
ましくは、０．０５乃至２　Ｋｇ／ｃｍ”　（絶対圧）
である、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空気の導入（吹き込み）お
よび脱着工程における製品ガスの導入（逆流）は、ｌ乃
至５回の弁の開閉操作（パルス操作）で行なうことが好
ましい、特に、上記構成においては、少なくとも２回の
弁の開閉操作を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
３秒の範囲にあることが好ましく、更に好ましくは、０
．１乃至２秒の範囲である。そして原料ガス吹き込み時
のポース時間（弁が閉じている時間）は１通常２秒以下
で、好ましくは０．５乃至ｔ、Ｓ秒の範囲である。

なお、脱着工程における弁開閉の操作を５回以上行なう
と不要成分の脱着の度合は進むが１反面、製品ガスの生
産性は低下する傾向にある。

第５図は、上記第１図に示した基本的構成を組み合せて
窒素ガスを連続して製造するシステムの構成を示す図で
ある。

第５図において、ＡおよびＢは弁５３をはさんで直Ａに
配置された吸着剤カラム（吸着剤充填塔、吸着剤：ＭＳ
Ｃ）、ＣおよびＤは弁５６をはさんで直列に配置された
吸着剤カラム（吸着剤充填塔、吸着剤：ＭＳＣ）、Ｐ３
は圧縮・真空引き併用ポンプ、Ｒ１は原料ガス（空気）
リザーバ。

Ｒ２は製品（窒素）ガスリザーバ、５１．５２．５３．
５４．５５．５６．５７．５８．５９．６０．６１．６
２および６３はオン−オフにより弁の開閉が可能な高速
自動弁をそれぞれ表わす。

この装置は、吸着剤カラムＡとＢで構成されるラインと
、吸着剤カラムＣとＤで構成されるラインとが並列に配
置された構成を有する。吸着剤カラムＡとＢで構成され
るラインおよび吸着剤カラムＣとＤで構成されるライン
について、それぞれ前述した吸着工程と脱着工程を交互
に、そして繰り返し作動させることにより、窒素ガスを
連続して製造することができる。すなわち、吸着剤カラ
ムＡ、！−Ｂで構成されるラインが吸着工程にある場合
には、吸着剤カラムＣとＤで構成されるラインは脱着工
程にあるように両ラインは交互に作動する。従って１両
ラインは、常に同じ時間で−サイクルを終了する。なお
、この構成の場合に、吸着剤カラムＡとＢで構成される
ラインと、吸着剤カラムＣとＤで構成されるラインとを
、図に示すように入口側と出口側でそれぞれ連結（点線
で示す、入口側６５．出口側６６）させて、公知の均圧
工程を導入することができる。この工程の導入により吸
着分離効率を更に高めることができる。

吸着剤カラムＡとＢのラインに着目すれば、均圧工程を
含む工程で本発明を実施した場合には。

サイクルの操作は通常、以下のような７つの素工程から
なる。

（１）吸着剤カラムＡおよびＢに、加圧下で空気を導入
し、吸着剤カラムＡおよびＢのそれぞれに酸素ガスを吸
着分離させる工程（吸着工程）。

（２）上記吸着が終了後、吸着剤カラムＡおよびＢのラ
インを、吸着剤カラムＣおよびＤのラインと上記連結線
（６５および６６）を介して均圧化させ、減圧する工程
（均圧−減圧工程）。

（３）上記操作の後、カラムＡの入０側を真空下におい
て、カラムＡに対して真空引きを行ないながら、カラム
Ｂから弁５３を介してカラムＢのガス（窒素濃度の高い
ガス）を逆流方向に流す工程（真空−パージ・工程（ｉ
））。

（４）カラムＡの入口側を真空下において、カラムＡと
カラムＢを連結し、両方のカラムの真空引きを継続しつ
つ、カラムＢに対して弁５８を介して製品ガスの一部を
逆流方向に流す工程（真空−パージ・工程（ｉｉ）　）
　。

（５）上記パージ工程が終了後、真空状態の吸着剤カラ
ムＡおよびカラムＢを、吸着剤カラムＣおよびＤのライ
ン（カラムＣとＤのラインは吸着工程にある）と上記連
結線（６５および６６）を介して均圧化させ、加圧する
工程（均圧−加圧工程）。

（６）上記工程終了後、吸着剤カラムＡとＢの連結を断
ち、カラムＡに対して空気を導入する一方、この間、カ
ラムＢに対しては製品ガスを逆流方向に流通させる工程
（原料ガス加圧−製品ガス゛加圧工程）。

（７）吸着剤カラムＡとカラムＢを連結し、加圧下で空
気を導入し、カラムＡおよびカラムＢを吸着操作圧力ま
で加圧する工程（加圧工程）。

以下に本発明の実施例を記載する。

［実施例１］ 二つの吸着剤カラムを有する装２１（第４図参！！りを
用いて、第６図に示す工８！図に従い本発明の窒素ガス
分離方法を実施した。

二つの吸着剤カラムＡおよびＢはそれぞれ以下のように
構成されている。

吸着剤カラムＡ 形状：直径６．８ｃｍＸ＆さ２８ｃｍの円柱吸着剤；Ｍ
ＳＣ （粒径：３０ｍｍ〜６０メツシュ）、 カラムの充填量：　５００ｇ、 吸着剤カラムＢ 形状：直径５．２ｃｍＸ１さ４３ｃｍの円柱吸着剤；Ｍ
ＳＣ （粒径：３０ｍｍ〜６０メツシュ）、 カラムの充填量：　５００ｇ、 弁はすべて電磁弁（３／８インチ）を用いた。

また、吸着圧は０．１−１．３ｋｇ／ｃｍ２　（絶対圧
）の範囲で行なった。

第６図に示されるように、窒素ガス分離は、五つの素工
程を含み、−サイクルを２０秒で行なった。そして、各
素工程での弁の断続的な開閉操作を実施したところ（四
個所）は１図中ｒ０１１１］Ｊで表示した。この時の弁
はすべて３回の開閉操作を行ない、開閉時間は、すべて
０．５秒（パルス時間（弁が開いている時間）およびポ
ーズ時間（弁が閉じている時間））の等間隔で行なった
。矢印は気体の流れ方向を示す。

結果は以下の通りであった。

原料空気　４１５交／Ｈ 製品ガス（窒素ガス） 収量：９３文／Ｈ（収率２８％） 純度：９８％ 吸着剤生産性 ９３文／（ｋｇ・吸着剤）（Ｈ）

【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のシステムに利
用される二つの吸着剤カラムの配と状態を模式的に示［
７た図である。 第２図は、二つの吸着剤カラムの配ｌ状態の別の態様を
模式的に示した図である。 第３図は１本発明の方法を実施するためのシステムの一
態様の構成を示す図である。 第４図は、本発明の方法を実施するためのシステムの別
の一態様の構成を示す図である。 第５図は、本発明の方法を利用して辻続的な窒素ガス製
造を可能にするシステムの構成を示す図である。 第６図は、未発ＩＪＩの方法を第４図に示すシステムを
用いて実施した場合の各素工程の操作手順を示す図であ
る。 第７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８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、 上記吸着塔が、空気の流通方向に対して入口側および出
   口側に直列に配置された二つの吸着剤カラムと、該両カ
   ラム間にあって該両カラム内への導入気体の流速を制御
   する流速制御手段とからなり、上記気体分離工程におけ
   る吸着塔の入口側の吸着剤カラムへの空気の導入を、そ
   の空気の該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、酸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、 上記吸着塔が、空気の流通方向に対して入口側および出
   口側に直列に配置された二つの吸着剤カラムと、該両カ
   ラム間にあって該両カラム内への導入気体の流速を制御
   する流速制御手段とからなり、上記脱着工程における両
   吸着剤カラム内への窒素ガスの導入を、両吸着剤カラム
   内へ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。