JPH0317489A - 乾燥高純度窒素生成方法及び装置 - Google Patents
乾燥高純度窒素生成方法及び装置Info
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- JPH0317489A JPH0317489A JP2120138A JP12013890A JPH0317489A JP H0317489 A JPH0317489 A JP H0317489A JP 2120138 A JP2120138 A JP 2120138A JP 12013890 A JP12013890 A JP 12013890A JP H0317489 A JPH0317489 A JP H0317489A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
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。
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Description
〔発明の分野１
本発明は空気の極低温分離に関し、詳しくは極低温空気
分離システムへの供給空気の前処理に関する．
分離システムへの供給空気の前処理に関する．
窒素及び酸素は多くの化学的プロセス処理、精練、金属
製造その他工業用途のために所望されている．空気分離
による窒素生成のための種々の技術が知られているが、
空気からの窒素及び或は酸素生成のため或は油井ガスか
らの窒素除去のために、極低温分留プロセス及びシステ
ムが広く使用されている。各極低温用途に於て凍結点の
高い汚染物は除去されねばならない。除去されない場合
にはそうした汚染物質は一次ガス分離が為される低温状
態で固化する．そうした汚染物質は一般に斯界に周知の
冷凍／吸着プロセスを組合せることによって除去される
。空気分離動作でのこうした予備一浄化には、切り替え
式熱交換器及び低温端側のゲルトラップの組合せ或は機
械的空気冷却器／ゼエオライトモレキュラーシーブ吸着
体の組合せを使用し得る。 前者の形式のプロセス処理用ユニットでは、事実上全て
の汚染物質は、前記空気が極低温廃棄物及び生成物ガス
流れに対して熱膨張した場合に凍結分離される．しかし
ながら残念なことに、切り替え式熱交換器ユニットの自
己浄化には、空気供給量に比較して多くのパージガス流
量が必要とされる．その結果、そうした浄化サイクルで
の空気回収は所望されざる程に制限される傾向がある．
切り替え式熱交換器ユニットはまた、周期ベースで開閉
し、空気供給及び廃棄物パージ流れを切り替えるべき多
くの弁を必要とする。それら弁はしばしば、極低温シス
テムの絶縁コールドボックス部分内に位置付けられ、そ
の保守が困難である。 更には、効率的に動作するためには熱交換器一ゲルトラ
ップ組合体を低温で作働させる必要があり、従ってプラ
ント始動中にかなりの冷却器間を必要とする。 これとは対照的に、切り替え式熱交換器及びゲルトラッ
プ組合体及び、米国特許第４． ３７５． ３６７号に
記載されるような機械式冷却／吸着ユニット組合体は、
始動時の数分以内に清浄な、乾燥した供給空気流れを供
給し得る．機械式冷却器は約８０から約４５℃（ １１
５ ”Ｆ ）のアフタークーラー温度を約約４．４℃（
−４０ ”Ｆ ）に低下させる．より高い温度で飽和
した空気は、凝縮を通して生じた水の大半を失い、吸着
ユニットの入り口での水集中を低減する。吸着動作は、
一方が吸着目的の為に使用され、他方が再生される一対
の圧力容器を使用して代表的に実施される．該一対の圧
力容器にはアルミナ、ゼオライトモレキュラーシーブ或
はシリカゲルの如き吸着材が充填され、これら吸着材が
供給空気流れからの残留水蒸気、炭酸ガス及びその他汚
染物質を除去する．吸着床は通常、汚染物質を含まない
流れを使用して大気圧に近い圧力で再生される。前記汚
染物質を含まない流れは極低温廃棄物或は乾燥空気の何
れかであり、それらはその脱着能力向上の為に加熱され
得る．機械式冷却器の運転は吸着床の吸着能力を増長さ
せ、入り口での水集中を低下させ、結局、運転上のパー
ジ流れ及びエネルギー要件を低減させることによって吸
着床の性能を実質的に改善する．機械式冷却器の最小生
成物露点は、管壁上での氷の堆積を回避する必要上、約
３．３℃（約３８下）に制限される。 機械式冷却器にはまた、供給空気から形成された凝縮物
を除去し且つ吸着床を過剰の水から保護する為の水分離
器を追加設置する必要がある。そうした動作に使用され
る機械式冷却器は、特に小規模プラントの為には資本及
び動力要件の点で高価となりがちである。加つるに、そ
うした機械式冷却器は一般に高価な保守作業を必要とす
る。 そうした要因に鑑み、極低温ガス分離ユニットへの浄化
された乾燥空気をもっと経済的に提供させるべく、先に
参照した構成部品、詳しくは機械式冷却器及び水分離器
を排除するか或はその機能を改変する新規な方法及びシ
ステムに対する要望が斯界に於で所望されて来ている。 この観点から考慮された一つの方策は、供給空気から水
を選択的に透過させる為の膜システムの使用である。水
を選択的に透過させ得る一方で、透過しにくい成分を含
む空気その他ガスを非一透過ガスとして回収し得る幾つ
かの材料が知られている．そうした材料を使用する膜シ
ステムは機械式冷却器の機能に代替させ得る。前記膜シ
ステムは比較的簡易であり且つ運転及び保守が容易であ
ることが周知である．しかしながら、そうした膜システ
ムの通常的運転に際しては、供給空気流れからの水の除
去は貴重な生成物ガスの大量の同方向透過を必要とする
．機械式冷却器を使用して達成される露点水準を達或す
る為には１０乃至２０％のオーダーでのステージカット
における膜システムの運転が必要となる．そうした状況
は結局、達成し得る全プロセス回収水準を低下させ、プ
ロセス上の動力要件を増大し、従って経済的観点上、一
般に魅力的なものではない。機械式冷却器或は前記切り
替え式熱交換器及びゲルトラップ組み合わせに代えての
膜乾燥システムの使用はそうした要因によって躊躇され
るものの、新規な、改良された全体プロセス及びシステ
ムに於て膜乾燥システムを使用し、現在使用される技術
に対する必要性を排除することは斯界における望ましい
進歩をもたらす。 〔発明の目的〕 本発明の目的は従って、乾燥窒素及び或は酸素生成物生
成の為の改良方法及びシステムを提供することにある． 本発明の他の目的は、空気分離の為に極低温システムを
使用する、供給空気からの水除去の為の膜システムの使
用の為に所望される改良方法及びシステムを提供するこ
とにある， 本発明の他の目的は、空気分離の為に極低温システムを
使用する、乾燥窒素及び或は酸素回収の為の方法及びシ
ステム全体の乾燥効果を助長し得る膜乾燥システムを提
供することにある。
製造その他工業用途のために所望されている．空気分離
による窒素生成のための種々の技術が知られているが、
空気からの窒素及び或は酸素生成のため或は油井ガスか
らの窒素除去のために、極低温分留プロセス及びシステ
ムが広く使用されている。各極低温用途に於て凍結点の
高い汚染物は除去されねばならない。除去されない場合
にはそうした汚染物質は一次ガス分離が為される低温状
態で固化する．そうした汚染物質は一般に斯界に周知の
冷凍／吸着プロセスを組合せることによって除去される
。空気分離動作でのこうした予備一浄化には、切り替え
式熱交換器及び低温端側のゲルトラップの組合せ或は機
械的空気冷却器／ゼエオライトモレキュラーシーブ吸着
体の組合せを使用し得る。 前者の形式のプロセス処理用ユニットでは、事実上全て
の汚染物質は、前記空気が極低温廃棄物及び生成物ガス
流れに対して熱膨張した場合に凍結分離される．しかし
ながら残念なことに、切り替え式熱交換器ユニットの自
己浄化には、空気供給量に比較して多くのパージガス流
量が必要とされる．その結果、そうした浄化サイクルで
の空気回収は所望されざる程に制限される傾向がある．
切り替え式熱交換器ユニットはまた、周期ベースで開閉
し、空気供給及び廃棄物パージ流れを切り替えるべき多
くの弁を必要とする。それら弁はしばしば、極低温シス
テムの絶縁コールドボックス部分内に位置付けられ、そ
の保守が困難である。 更には、効率的に動作するためには熱交換器一ゲルトラ
ップ組合体を低温で作働させる必要があり、従ってプラ
ント始動中にかなりの冷却器間を必要とする。 これとは対照的に、切り替え式熱交換器及びゲルトラッ
プ組合体及び、米国特許第４． ３７５． ３６７号に
記載されるような機械式冷却／吸着ユニット組合体は、
始動時の数分以内に清浄な、乾燥した供給空気流れを供
給し得る．機械式冷却器は約８０から約４５℃（ １１
５ ”Ｆ ）のアフタークーラー温度を約約４．４℃（
−４０ ”Ｆ ）に低下させる．より高い温度で飽和
した空気は、凝縮を通して生じた水の大半を失い、吸着
ユニットの入り口での水集中を低減する。吸着動作は、
一方が吸着目的の為に使用され、他方が再生される一対
の圧力容器を使用して代表的に実施される．該一対の圧
力容器にはアルミナ、ゼオライトモレキュラーシーブ或
はシリカゲルの如き吸着材が充填され、これら吸着材が
供給空気流れからの残留水蒸気、炭酸ガス及びその他汚
染物質を除去する．吸着床は通常、汚染物質を含まない
流れを使用して大気圧に近い圧力で再生される。前記汚
染物質を含まない流れは極低温廃棄物或は乾燥空気の何
れかであり、それらはその脱着能力向上の為に加熱され
得る．機械式冷却器の運転は吸着床の吸着能力を増長さ
せ、入り口での水集中を低下させ、結局、運転上のパー
ジ流れ及びエネルギー要件を低減させることによって吸
着床の性能を実質的に改善する．機械式冷却器の最小生
成物露点は、管壁上での氷の堆積を回避する必要上、約
３．３℃（約３８下）に制限される。 機械式冷却器にはまた、供給空気から形成された凝縮物
を除去し且つ吸着床を過剰の水から保護する為の水分離
器を追加設置する必要がある。そうした動作に使用され
る機械式冷却器は、特に小規模プラントの為には資本及
び動力要件の点で高価となりがちである。加つるに、そ
うした機械式冷却器は一般に高価な保守作業を必要とす
る。 そうした要因に鑑み、極低温ガス分離ユニットへの浄化
された乾燥空気をもっと経済的に提供させるべく、先に
参照した構成部品、詳しくは機械式冷却器及び水分離器
を排除するか或はその機能を改変する新規な方法及びシ
ステムに対する要望が斯界に於で所望されて来ている。 この観点から考慮された一つの方策は、供給空気から水
を選択的に透過させる為の膜システムの使用である。水
を選択的に透過させ得る一方で、透過しにくい成分を含
む空気その他ガスを非一透過ガスとして回収し得る幾つ
かの材料が知られている．そうした材料を使用する膜シ
ステムは機械式冷却器の機能に代替させ得る。前記膜シ
ステムは比較的簡易であり且つ運転及び保守が容易であ
ることが周知である．しかしながら、そうした膜システ
ムの通常的運転に際しては、供給空気流れからの水の除
去は貴重な生成物ガスの大量の同方向透過を必要とする
．機械式冷却器を使用して達成される露点水準を達或す
る為には１０乃至２０％のオーダーでのステージカット
における膜システムの運転が必要となる．そうした状況
は結局、達成し得る全プロセス回収水準を低下させ、プ
ロセス上の動力要件を増大し、従って経済的観点上、一
般に魅力的なものではない。機械式冷却器或は前記切り
替え式熱交換器及びゲルトラップ組み合わせに代えての
膜乾燥システムの使用はそうした要因によって躊躇され
るものの、新規な、改良された全体プロセス及びシステ
ムに於て膜乾燥システムを使用し、現在使用される技術
に対する必要性を排除することは斯界における望ましい
進歩をもたらす。 〔発明の目的〕 本発明の目的は従って、乾燥窒素及び或は酸素生成物生
成の為の改良方法及びシステムを提供することにある． 本発明の他の目的は、空気分離の為に極低温システムを
使用する、供給空気からの水除去の為の膜システムの使
用の為に所望される改良方法及びシステムを提供するこ
とにある， 本発明の他の目的は、空気分離の為に極低温システムを
使用する、乾燥窒素及び或は酸素回収の為の方法及びシ
ステム全体の乾燥効果を助長し得る膜乾燥システムを提
供することにある。
所望される乾燥窒素生成物及び或は酸素生成物を生成す
る為に膜乾燥システムが、吸着ユニット一極低温ガス分
離ユニットシステムと関連して使用される．膜乾燥シス
テムは好ましくは向流流れ模様を使用して動作され、そ
の低圧の透過側で還流作用が為される。極低温空気分離
ユニットからの排気ガスがパージガスとして使用される
。従って膜の面積要件は低減され、所望される生成物回
収はかなり増長される。 〔実施例の説明１ 本発明の前記目的は、プロセス及びシステムの全プロセ
ス再生を受入れ難い水準にまで低下させること無く供給
空気からの所望通りの水除去が実現される状況の下で、
供給空気乾燥のための膜システムとその下流の吸着一極
低温空気分離システムとを一体化させることにより達成
される。そうした状況は、分離プロセス用のシステム及
び使用される特定の膜構成物における水除去のための選
択性及び乾燥膜システム内に向流流れ模様を実現する膜
東態様と有益に関係付けられる。これが窒素及び或は酸
素をして、乾燥動作中の前記生成物の損失を最小限とす
る状態での乾燥形態における回収を可能ならしめる．本
発明の実施に際しては極低温空気分離システムからの廃
棄ガスは膜乾燥システム及び前記極低愚空気分離システ
ムの上流の吸着システムに対するパージガスとして使用
される．本発明は、乾燥高純度窒素生成物及び或は乾燥
高純度酸素生成物流れをして、乾燥動作の要件によって
所望の生成物の損失が最小限とされる状態で入手可能な
らしめる。本発明のプロセス及びシステム全体が図面を
参照して例示される，本発明の実施に際して使用される
極低温空気分離システム全体及び供給空気の乾燥を助長
する為に前記極低温空気分離システムと一体化される膜
乾燥システムに関するより詳しい説明が以下に為される
． 第１図を参照するに、供給空気はライン１を介してエア
コンプレッサ２に送られ、湿った圧縮空気はそこからラ
イン３を通して膜乾燥システム４に送られる。該膜乾燥
システム４に於て水が膜材料を通して選択的に透過され
、そしてライン５を介して廃棄ガスとしてシステムから
排出される。 供給空気は，乾燥非透過ガスとして膜乾燥システム４か
らライン６を介して回収されて吸着システム７に送られ
、前記乾燥した供給気を極低温空気分離システムに送る
以前に該乾燥した供給空気から占染物質を除去するため
に使用される。吸着システム７は吸着材から成る２つの
床、即ち、一方の床がその意図された吸着目的のために
使用され、その間、他方の床が再生される床８及び９を
含むものとして示されている．乾燥され、精製された供
給空気は、ライン１０を通して前記吸着システム７から
極低温空気分離システム１１に送られ、そこから所望の
乾燥高純度生成物ガスがラインｌ２を通して回収される
。極低温空気分離システムｌ１からの乾燥した廃棄物流
れがライン１３を通して抜き出される。この乾燥した廃
棄物流れ、即ち酸素或は窒素流れの一部分はライン１４
を通して抜き出され、吸着システム７つまり床８或は９
を通して、再生中の床のための乾燥吸着性パージガスと
して送達される。吸着性の廃棄物流れはライン１５を通
して吸着システム７から抜き出される．該吸着性の廃棄
物流れは、吸着性バ〜ジガス及び再生中に吸着床から脱
看された汚染物質を含んでいる６極低温空気分離システ
ムｌ１からの乾燥した廃棄物流れの残余部分は、膜乾燥
システムの低圧の透過側の乾燥パージガスとして膜乾燥
システム４に導入するべく、ラインｌ６内を送達される
。前記乾燥パージガスは膜表面からの透過廃棄ガスの除
去を容易化するために使用され、そうした透過廃棄ガス
と共にライン５を通して排出される． 第１図に例示される本発明の具体例は、冷却器に対する
必要性を排除したものである．該冷却器は、そうでない
場合は従来通りの予備精製極低温空気分離プラントの圧
縮空気流れから水及び二酸化炭素を除去するための冷却
器／吸着床組合せ体の一部として使用されるものである
．冷却器は、それが資本上及び動力上高価であること及
び費用を要する保守を必要とすることから、その排除が
先に示した如く所望されるものである．これに対し本発
明の実施に使用される膜乾燥システムは、極めて簡素且
つ安価なものとして周知であり、然も費用を要する保守
を必要としない．膜乾燥システムと吸着一極低温空気分
離システムとを一体化する本発明の該具体例は、従来か
らの予備精製極低温空気分離プラントに勝る有益な進歩
をもたらすものであるが、斯界におけるそれ以上の開発
もまた所望される．本発明の第１図に例示される具体例
の１つの限定事項は、代表的には膜乾燥システムへの供
給空気の約ｌＯ乃至２０％である、膜乾燥システムのた
めの透過パージガス要件が、予備精製吸着システムのた
めの１０乃至１５％のパージ要件に加えられることであ
る。結局、比較的大きなシステムの全パージ要件、即ち
約２０乃至３５％によって、そうした大量の廃棄ガスを
入手し得ない場合の極低温空気分離システムにおける窒
素及び酸素の高い回収率達成は困難となる．該具体例に
於ては、ライン２０中の空気はエアコンブレツサ２１内
で圧縮され、圧縮された空気はライン２２を合体ユニッ
ト２３へと送達され、そこからライン２４を通して水が
除去される．こうして処理された圧縮空気の流れは、２
ステージ膜乾燥システムの最初の第１ステージ膜乾燥シ
ステム２６へとライン２５を通して送られる。供給空気
中に尚存在すろ水の大半はこの第１ステージ膜乾燥シス
テム２６内で除去され、今後説明される乾燥パージ流れ
による透過側での還流作用が為される。部分的に乾燥さ
れ、圧縮された供給空気は、非透過ガスとして第１ステ
ージ膜乾燥システム２６からライン２７を介して第２ス
テージ膜乾燥システム２８へと送られ、そこで残留水が
除去される。該第２ステージ膜乾燥システムからの乾燥
供給空気は予備吸着システムへのライン２９内を非透過
流れとして送達され、極低温空気分離システムへの送達
に先立って精製される．予備精製吸着システム３０は２
つの吸着床、即ち吸着床３１及び３２を具備するものと
して示されるが、一般に、一方のそうした吸着床が乾燥
供給空気の精製のために使用される一方で、他方の吸着
床は再生されることを理解されよう．予備精製吸着シス
テム３０を離れる、乾燥し、精製された供給空気はライ
ン３３を介して極低温空気分離システム３４へと送達さ
れ、そこから所望の乾燥高純度窒素或は乾燥高純度酸素
生成物がライン３５を介して回収される．極低温空気分
離システム３４からの乾燥した廃棄ガスはライン３６を
介して抜き出され、熱交換器内で加熱され、ライン３８
を通して何れかの吸着床、即ち任意の時間に於で再生さ
れている吸着床３１或は３２の何れかの再生に使用する
ためのパージガスとして、予備精製吸着システム３０に
送られる。供給空気中に存在する事実上全ての水が膜乾
燥システムで除去されることから、予備精製吸着システ
ム３０から出る消費されたパージガスは、二酸化炭素及
び炭化水素の如きその他の汚染物質を含むにもかかわら
ず比較的乾燥している。 消費されたパージガスはライン３９中を第１ステージ膜
乾燥システム２６へと送達され、そこで膜の透過側にお
けるパージガスとして使用される。 該パージガスは、前記第１ステージ膜乾燥システム２６
を貫いて透過する水蒸気と共に、廃棄物として排出され
るべくライン４０を通して抜き出される．再循環される
そうしたパージガスの、前記第１ステージ膜乾燥システ
ム２６を貫いての送達が、前記透過する水の前記膜の透
過側から遠方への搬出を容易化し、これが、前記第ｌス
テージ膜乾燥システム２６に送られる供給空気流れから
の所望の水除去を維持するための、前記第１ステージ膜
乾燥システム２６を横断しての高い駆動力を維持する。 供給空気を第１ステージ膜乾燥システム２６によって達
或される以上に乾燥するために、第２図の具体例では第
２ステージ膜乾燥システム２８が使用される。該第２ス
テージ膜乾燥システム２８でのパージのために、極低温
プロセスから入手し得る任意の乾燥した低圧流れ、即ち
極低温空気分離システム３４からの廃棄ガス、高純度窒
素或は高純度酸素生成物ガス、膨張した供給空気その他
の如きを乾燥パージガスとして使用し得る。第２図では
極低温空気分離システム３４からの廃棄ガスの一部分は
、第２ステージ膜乾燥システム２８でパージガスとして
使用されるべく，ライン４１を通して該第２ステージ膜
乾燥システム２８に送達されるものとして示される。そ
うしたパージガスは、膜の透過側で膜表面からの透過水
搬送を容易化し、これが前記第２ステージ膜乾燥システ
ム２８に送られる供給空気流れの所望の追加的乾燥を維
持するための、前記第２ステージ膜乾燥システム２８を
横断しての高い駆動力を維持する．パージガスは、追加
的な透過水と共にライン４２を通して第２ステージ膜乾
燥システムから抜き出される。 当業者には、第２ステージ膜乾燥システム２８の使用は
任意の特定の乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素生
成に於で所望される供給空気の乾燥の度合に依存する随
意的なものであることを認識されよう。第２図の具体例
における如く、それが使用される場合は第２ステージ膜
乾燥システム２８は第１ステージ膜乾燥システム２６よ
りは典型的に小型であり、また供給空気からの水除去の
大半が第１ステージ膜乾燥システム内で為されることか
ら、必要なパージガス量はずっと少い。 全膜乾燥パージ要件が２０％であり、予備精製吸着シス
テム３０のパージ要件が１５％である場合、そうした具
体例におけるパージガスは予備精製のために使用される
よりも５％だけ余分に必要である。膜乾燥システムにお
ける事実上全ての水の除去もまた、予備精製吸着システ
ムへの水負荷を大幅に低減する．これが結局、予備精製
吸着システム再生のために必要゜な熱エネルギーを大幅
に低減し、圧縮機廃棄熱を予備精製吸着システム再生の
ために使用することをおそらく可能とする．水は予備精
製吸着システム内では極めて吸着性が強いことから、予
備精製吸着システムへの供給空気から水の大半を除去す
ることは、二酸化炭素、炭化水素その他除去を所望され
るその他のものに関わる吸着能力の改善をもたらす．こ
れが、所望される改良予備精製につながることを認識さ
れよう．水除去に適する膜乾燥システムはまた一般に、
二酸化炭素除去のために比較的選択性を有することをも
銘記されたい．そうした二酸化炭素の除去もまた下流の
吸着ユニットでの負荷を低減する． 予備精製吸着システムでの水の吸着は本来発熱を伴うも
のであり、大量の熱が発生することもまた銘記されたい
。これは予備精製吸着システムを出る空気温度を上昇さ
せ、結局、極低温システムでの冷却負荷を増大する。膜
乾燥システムを使用しての、予備精製吸着システムへの
供給空気からの水の除去は、該予備精製吸着システムで
の吸着中に発生する熱を大幅に低減し、それによって下
流の極低温プロセスを有利なものとする。 従って本発明の実施に際しては、前記吸着一極低温シス
テムへの供給空気を乾燥するために、膜乾燥システムを
、一般的に斯界で使用される従来通りの方策をはるかに
上回る所望の進歩を実現する態様で、予備精製吸着一極
低温空気分離システムと効果的に一体化し得ることを理
解されたい。 膜乾燥システムの動作は膜の透過側でのパージガスの使
用によって助長される。この場合、吸着一極低温システ
ムからの乾燥廃棄ガス或は極低温空気分離システムから
の乾燥高純度窒素生成物流れの一部が，膜乾燥システム
で前記所望のパージガスとして使用するべく該膜乾燥シ
ステムに送達される。 圧縮された供給空気、窒素流れその他から水分を選択的
に除去するための幾つかの膜が知られている。残念なが
ら、米国特許第４， ７８３， ２０１号に記載される
ように、クロスフロー透過態様で動作される場合、そう
した膜は、例えば比較的中庸の圧力露点である約４．４
℃（４０下）を達或するための１５０ｐｓｉｇでの動作
に際してはステージカット、即ち透過ガス対供給空気流
れの比率を３０％とする必要がある。明らかに、そうし
たクロスフロー膜ユニットでの生成物ガス回収は極めて
少なく、従ってそうしたシステム全体の動力要件及び乾
燥面積要件は興味を失う程に大きい。しかしながら、本
発明の実施に際し、一体化システムの利益を助長するた
めに膜乾燥システムは向流態様で所望通りに動作され、
その場合乾燥した還流乾燥パージガスが膜の透過側に送
られ、それが該透過側からの水分の搬出を容易化すると
共に、膜を横断しての水分除去のための高い駆動力を維
持する。こうしたプロセス上の特徴により、要求膜面積
及び一定の生成物露点、即ち乾燥水準を達成するために
必要な生成物透過損失は最小限となる。本発明の好まし
い具体例では、窒素及び酸素の同方向透過による生戒物
損失を、全生成物流れの１％未満、好ましくは０．５Ｓ
未満に維持することが望ましい。 膜乾燥システムに使用される膜構成物の水に対する選択
性は、窒素及び酸素に対するそれよりも大きくされるべ
きである．つまり、水分は窒素よりも一段と速かに選択
的に透過されなければならない．水／窒素分離係数は、
供給空気からの有益な水分除去のためには少なくとも５
０好ましくは１，ＯＯＯとすべきである．先に示したよ
うに、そうした膜乾燥システムはまた約ＩＯ乃至２００
の範囲の二酸化炭素／空気分離係数をも有するべきであ
る。 加つるに、膜構成物の窒素及び酸素に対する透過速度は
比較的低くされるべきである．セルロースアセテートは
そうした基準を満足する好ましい膜分離材料である。エ
チルセルロース、シリコーンラバー、ポリウレタン、ボ
リアミド、ボリスチレンその他の如き種々のその他の材
料をも使用し得ることを認識されたい。 所望の膜構成物から成る膜材料を有し、ここに記載され
且つ特許請求の範囲に記載された如く圧力変化式吸着シ
ステム及び極低温空気分離システムと一体化された膜乾
燥システムは、好ましくは先に示したように向流態様で
動作される。 中空繊維膜形態その他適宜の膜形態、例えば螺旋巻膜に
於で、クロスフロー形式の流れ模様を提供するための束
ねた形状が商業的実施に際して一般に使用されてきた。 クロスフロー動作に於ては膜の透過側における透過ガス
の流れ方向は膜の供給側での供給空気のそれと直交する
．例えば、中空繊維束を使用して中空繊維膜の外側に供
給空気を通過させるに際しては、繊維の孔は一般に中空
繊維の外側表面を覆って流れる供給空気流れ方向に直交
する．同様にその逆、即ち供給空気を中空繊維の孔を通
して送通させるに際しては、透過ガスは中空繊維の孔内
部の供給空気流れと一般に直交する方向で一般に中空繊
維の表面を通過し、次いで外側シェル内を透過ガスのた
めの出口手段の方向に流動する．ヨーロッパ特許出願第
０． ２２６． ４３１号に示されるように、向流流れ
模様は中空繊維束を、その一方の端部付近の円周部分を
除き外側表面全体を長手方向に包囲させることによって
創出し得る。これが供給空気、或は透過ガスをして所望
の移動態様、即ち内側から外側へ或は外側から内側への
移動に依存して中空繊維の外側を、向流流れ状態で中空
繊維孔内の透過ガス或は供給空気流れと平行に通過可能
ならしめる．例えば中空繊維束の外側の供給空気は、繊
維束の中心軸に対し直交するのではなくむしろ平行に流
動せしめられる．膜繊維を中空繊維束の中心軸と平行な
真直なアセンブリ状態で設けるか或は別様にはクロスフ
ロー動作におけるように、前記中心軸周囲に螺旋状に巻
付け得ることを理解されよう。何れにせよ、不透過性バ
リャ材料は不透過性フィルム例えば、ポリビニリデンそ
の他の巻付け体とし得る。 別様には不透過性バリャは、不透過性コーティング材料
、例えば無毒性溶媒と共に塗布したボシロキサン、或は
膜の束を覆って組み込みそして前記東上でシュリンクさ
せたシュリンクスリーブであり得る。前記ヨーロッパ特
許に記載されるように中空繊維束その他の膜の束を包囲
する不透過性バリャは、ガス流れをして中空繊維束内部
からの或はそこへの流動を許容する開口を有し、従って
ガスは中空繊維束の軸と実質的に平行な方向に流動する
。本発明の目的のためには流れ模様は湿った高純度窒素
供給流れの向流流れであるべきであり透過ガスは、先に
説明した如く膜乾燥システム内の膜材料を貫く水分及び
水素と共に供給されるパージガスを含む。 膜乾燥動作は斯界では通常、稠密繊維膜を使用して実施
されることを銘記されたい。稠密繊維のための膜厚は壁
厚でもあり、不斉膜の薄膜部分或は複合膜の分離層と比
較するに非常に厚い。稠密繊維のためには、大きな圧力
容量を達成するために壁厚を厚くする必要がある。斯く
して稠密繊維の透過率は極め小さく、従って窒素生成物
を十分に乾燥するためには非常に大きな表面積を使用す
る必要がある。これとは対照的に、本発明の目的のため
により好ましい不斉膜或は複合膜は、膜分離層の肉厚が
非常に薄く、膜の比較的多孔質の実質部分が、膜の分離
特性を決定する非常に薄い部分のための機械的強度及び
支持を提供する。従って不斉膜或は複合膜のために必要
な表面積は稠密繊維膜のためのそれよりもずっと少い。 不斉膜或は複合膜を使用することによって透過性が稠密
繊維膜におけるよりも改良されることから、窒素生成物
の乾燥に関連する本発明の好ましい具体例における不斉
膜及び複合膜の性能を更に改良し、そうした膜でのクロ
スフロー動作に於で生じ得る同方向透過による貴重な生
成物窒素の損失を大幅に低減することが所望される． 本発明の目的のために使用される極低温空気分離システ
ムは空気の極低温精留によって所望量の高純度窒素及び
或は酸素を生成可能な、市販入手され得る任意の従来通
りのものであり得ることを理解されたい。極低温空気分
離システムの詳細は本発明の内容の一部ではなく、極低
温システムと膜乾燥システムとの、そして従来通りの予
備精製吸着システムとの一体化に関するものである。そ
ウした極低温空気分離技術の代表例は米国特許第４，４
５３，９５７号及び４， ５９４， ０８５号に記載さ
れる。同様に、本発明の実施に使用される予備精製吸着
システムは、斯界に周知の任意の所望の吸着システムを
含み、所望されざる汚染物質を乾燥供給空気流れから、
それが極低温空気分離システムに送達される以前に除去
する能力を有する。使用される予備精製吸着システムは
、乾燥供給空気流れから、二酸化炭素及び或は残留水を
含むその他汚染物質を除去する能力を有する、市販入手
され得る任意の従来通りのシステムとし得る．予備精製
吸着システムは一般に、高い圧力下で供給空気から前記
汚染物質を選択的に吸着し、そして該汚染物質を、シス
テムから除去するために低い圧力、例えば大気圧に近い
圧力で脱着する。そうした圧力系は代表的にはい対の吸
着床を使用し、その場合一方の吸着床が吸着目的のため
に使用され、その間他方の吸着床が再生される．前記吸
着床で使用される代表的な吸着材量には、アルミナ、ゼ
オライトモレキュラーシープ或はシリカゲルが含まれる
。別様にはそうした圧力系は所望の吸着が低温で実施さ
れ、吸着が高い温度で達成される熱変化式吸着周期で動
作される。 本発明の目的のためにはパージ率、即ち還流ノくージガ
スに対する非一透過側の生成物ガス流れの比率は面積要
件、生成物損失そして残留酸素の逆拡散を最小限として
おくために，少なくとも約１０％、好ましくは２０％以
上であることが所望される。パージ率要件はまた、比較
的低い生成物ガス圧力下で、もつと高いガス圧力下にお
けるよりもずっと大きくなる傾向がある。 本発明の実施のための具体例に於では、極低温空気分離
システムは５０トンの乾燥高純度窒素を生成するように
なっている．従来通りの予備精製極低温システムでは空
気をベースとしての窒素の回収は代表的に５２％のオー
ダーであり、供給空気流れの約４８％が低圧の廃棄物と
して入手され得る。 極低温システムは約４６℃（ １１５ ’Ｆ ）の空気
温度で供給空気圧力を９１ｐｓｉａとし、廃棄ガス圧力
を１８ｐｓｉａとする状態下で好都合に動作され得る。 従来通りのシステムに於ては、アフタークーラー露点を
約４６℃（ １１５ ”Ｆ ）、冷却器精製空気露点を
約４．４℃（４０下）、そして吸着性生成空気露点を−
１００下とするのが好都合である．そうしたシステムの
ために使用される従来通りの機械式冷却器は、約３０，
０００ドルもし、その上約１０ｋｗの電力を消費する
．そうした機械式冷却器及び水分分離器での空気圧力降
下は約２ｐｓｉａのオーダーである．機械式冷却器は、
第１図に示される具体例におけるように、本発明の実施
に際しては膜乾燥システムと好ましく代替される．該膜
乾燥システムの酸素／窒素分離係数は５．９でありそし
て水／空気分離係数は１，０００以上である。膜乾燥シ
ステムは望ましくは螺旋形状に巻いた中空繊維膜を含み
、膜を包囲するためのポリビニリデンから成る不透性バ
リャを使用して動作され、それにより向流流れ模様を創
出する。乾燥動作中の透過による圧縮空気損失を最小限
のものとするために、ステージカット、即ち供給流れに
対する膜透過流れの割合は極めて小さく保たれる。しか
しながら先に示した如く、実動上でのステージカットの
一部は所望されろ水廃棄によるものであり、従ってもし
所望の乾燥を達成しようとする場合には避け難いもので
あることを認識されたい．従って、酸素及び窒素の同方
向透過による乾燥ステージカットを最小限とすることで
、即ち供給空気の約錦、好ましくは０．５％未満とする
ことで乾燥は助長される。１８乃至２０％のオーダーの
乾燥還流パージ率が、特定の動作状況及び先に参照され
た膜特性の下で使用された。膜乾燥システムは、少なく
とも１８％の乾燥還流パージ率を入手し得るという条件
で資本及び動力費用の大幅な低下及びその他利益を達成
することが見出された． 膜乾燥システムが吸着一極低温システムに供給される約
４．４℃（ ４０下）の空気露点を提供することに限定
されないことが、該膜乾燥システムの追加的利益である
．使用パージ率及び膜特性によって質の変化された空気
を提供するために一定の膜面積を使用し得る。所望の空
気の残留水濃度を、更に多くのパージガスの使用、或は
さらに多くの膜面積の使用に加えての更に高い水分離特
性の膜の使用によって低減し得る．そのようにして残留
水を任意に低減することが、予備精製吸着システムの吸
着床によって除去されるべき水蒸気量を低減し、それに
より前記システムの生産能力を増大し且つそのパージガ
ス要件及びエネルギー要件を低減する．従って、最適膜
乾燥露点は、膜乾燥システム及び予備精製吸着システム
における水除去のための相対費用に基くものである。 本発明の特許請求の範囲に述べた範囲から離れることな
く、ここに記載した様なプロセス及びシステムの詳細を
種々に変化及び改変し得ることを認識されたい。使用さ
れる不斉膜構造或は複合膜構造は本発明の膜乾燥システ
ムに使用され得る。 稠密膜は通常生成物乾燥用途のために使用されるが、そ
うした稠密膜は本発明の実施に使用し得るものの、先に
銘記したその固有の制限事項の故に本発明でのその使用
は好ましくない． 本発明の実施に際して使用される透過性膜は一般に膜東
アセンブリに於て使用される。該膜束アセンブリは代表
的には膜システムの主要要素を構成する膜モジュールを
形成するための包囲体内部に位置決めされる。膜システ
ムは単一或は平行或は列状動作のために配列された多く
のそうしたモジュールを含み得る。膜モジュールは好都
合な中空繊維形態或は螺旋巻形態、平坦な薄板折畳み形
態、その他所望の膜形状の膜束を使用して作製し得る。 膜モジュールは供給空気側及びその反対側の透過ガス出
口側を有するよう構成される。中空繊維膜のためには供
給空気側は、内側から外側への動作のためには孔側であ
り、外側から内側への動作のためには中空繊維の外側と
し得る。供給空気をシステムに導入し、透過流れ及び非
一透過流れを両方共に抜き出すための手段が設けられる
。 先に示したように、本発明で使用されるパージガスは、
ここに参照された供給源からの如き乾燥或は比較的乾燥
したパージガスとすべきである。 ここで使用されるように、比較的乾燥したパージガスは
乾燥窒素生成物ガス類は乾燥供給空気中の水分分圧を越
えない水分分圧を有し、好ましくは前記パージガスの水
分分圧は、先に説明されたパージガスの供給源に関して
そうであるように、生成物ガス流れの水分分圧の半分未
満である。 膜は、供給空気を、乾燥高純度窒素精製のための空気吸
着一極低温空気分離システムに送達する以前に乾燥する
ために非常に所望されるシステム及び方法を提供する。 好都合な膜乾燥システムで乾燥が実施されることにより
，従来からの水分除去のためのより高価で且つ複雑な吸
着或は冷凍技術及びシステムの使用が回避される。膜乾
燥システムのプロセス流れを極低温空気分離システム及
び予備精製吸着システムのプロセス流れと一体化するこ
とにより、比較的乾燥したパージガスを使用しての膜乾
燥システムの低圧の透過側でのパージが好都合に達成さ
れる．向流流れ模様を確立するための膜束配列構成を使
用することによって、乾燥動作の好ましい具体例を、乾
燥高純度窒素の回収量を増大させる状態で実施し得、ク
ロスフロー透過動作で生じていた大量の圧縮空気の同方
向透過が回避される．
る為に膜乾燥システムが、吸着ユニット一極低温ガス分
離ユニットシステムと関連して使用される．膜乾燥シス
テムは好ましくは向流流れ模様を使用して動作され、そ
の低圧の透過側で還流作用が為される。極低温空気分離
ユニットからの排気ガスがパージガスとして使用される
。従って膜の面積要件は低減され、所望される生成物回
収はかなり増長される。 〔実施例の説明１ 本発明の前記目的は、プロセス及びシステムの全プロセ
ス再生を受入れ難い水準にまで低下させること無く供給
空気からの所望通りの水除去が実現される状況の下で、
供給空気乾燥のための膜システムとその下流の吸着一極
低温空気分離システムとを一体化させることにより達成
される。そうした状況は、分離プロセス用のシステム及
び使用される特定の膜構成物における水除去のための選
択性及び乾燥膜システム内に向流流れ模様を実現する膜
東態様と有益に関係付けられる。これが窒素及び或は酸
素をして、乾燥動作中の前記生成物の損失を最小限とす
る状態での乾燥形態における回収を可能ならしめる．本
発明の実施に際しては極低温空気分離システムからの廃
棄ガスは膜乾燥システム及び前記極低愚空気分離システ
ムの上流の吸着システムに対するパージガスとして使用
される．本発明は、乾燥高純度窒素生成物及び或は乾燥
高純度酸素生成物流れをして、乾燥動作の要件によって
所望の生成物の損失が最小限とされる状態で入手可能な
らしめる。本発明のプロセス及びシステム全体が図面を
参照して例示される，本発明の実施に際して使用される
極低温空気分離システム全体及び供給空気の乾燥を助長
する為に前記極低温空気分離システムと一体化される膜
乾燥システムに関するより詳しい説明が以下に為される
． 第１図を参照するに、供給空気はライン１を介してエア
コンプレッサ２に送られ、湿った圧縮空気はそこからラ
イン３を通して膜乾燥システム４に送られる。該膜乾燥
システム４に於て水が膜材料を通して選択的に透過され
、そしてライン５を介して廃棄ガスとしてシステムから
排出される。 供給空気は，乾燥非透過ガスとして膜乾燥システム４か
らライン６を介して回収されて吸着システム７に送られ
、前記乾燥した供給気を極低温空気分離システムに送る
以前に該乾燥した供給空気から占染物質を除去するため
に使用される。吸着システム７は吸着材から成る２つの
床、即ち、一方の床がその意図された吸着目的のために
使用され、その間、他方の床が再生される床８及び９を
含むものとして示されている．乾燥され、精製された供
給空気は、ライン１０を通して前記吸着システム７から
極低温空気分離システム１１に送られ、そこから所望の
乾燥高純度生成物ガスがラインｌ２を通して回収される
。極低温空気分離システムｌ１からの乾燥した廃棄物流
れがライン１３を通して抜き出される。この乾燥した廃
棄物流れ、即ち酸素或は窒素流れの一部分はライン１４
を通して抜き出され、吸着システム７つまり床８或は９
を通して、再生中の床のための乾燥吸着性パージガスと
して送達される。吸着性の廃棄物流れはライン１５を通
して吸着システム７から抜き出される．該吸着性の廃棄
物流れは、吸着性バ〜ジガス及び再生中に吸着床から脱
看された汚染物質を含んでいる６極低温空気分離システ
ムｌ１からの乾燥した廃棄物流れの残余部分は、膜乾燥
システムの低圧の透過側の乾燥パージガスとして膜乾燥
システム４に導入するべく、ラインｌ６内を送達される
。前記乾燥パージガスは膜表面からの透過廃棄ガスの除
去を容易化するために使用され、そうした透過廃棄ガス
と共にライン５を通して排出される． 第１図に例示される本発明の具体例は、冷却器に対する
必要性を排除したものである．該冷却器は、そうでない
場合は従来通りの予備精製極低温空気分離プラントの圧
縮空気流れから水及び二酸化炭素を除去するための冷却
器／吸着床組合せ体の一部として使用されるものである
．冷却器は、それが資本上及び動力上高価であること及
び費用を要する保守を必要とすることから、その排除が
先に示した如く所望されるものである．これに対し本発
明の実施に使用される膜乾燥システムは、極めて簡素且
つ安価なものとして周知であり、然も費用を要する保守
を必要としない．膜乾燥システムと吸着一極低温空気分
離システムとを一体化する本発明の該具体例は、従来か
らの予備精製極低温空気分離プラントに勝る有益な進歩
をもたらすものであるが、斯界におけるそれ以上の開発
もまた所望される．本発明の第１図に例示される具体例
の１つの限定事項は、代表的には膜乾燥システムへの供
給空気の約ｌＯ乃至２０％である、膜乾燥システムのた
めの透過パージガス要件が、予備精製吸着システムのた
めの１０乃至１５％のパージ要件に加えられることであ
る。結局、比較的大きなシステムの全パージ要件、即ち
約２０乃至３５％によって、そうした大量の廃棄ガスを
入手し得ない場合の極低温空気分離システムにおける窒
素及び酸素の高い回収率達成は困難となる．該具体例に
於ては、ライン２０中の空気はエアコンブレツサ２１内
で圧縮され、圧縮された空気はライン２２を合体ユニッ
ト２３へと送達され、そこからライン２４を通して水が
除去される．こうして処理された圧縮空気の流れは、２
ステージ膜乾燥システムの最初の第１ステージ膜乾燥シ
ステム２６へとライン２５を通して送られる。供給空気
中に尚存在すろ水の大半はこの第１ステージ膜乾燥シス
テム２６内で除去され、今後説明される乾燥パージ流れ
による透過側での還流作用が為される。部分的に乾燥さ
れ、圧縮された供給空気は、非透過ガスとして第１ステ
ージ膜乾燥システム２６からライン２７を介して第２ス
テージ膜乾燥システム２８へと送られ、そこで残留水が
除去される。該第２ステージ膜乾燥システムからの乾燥
供給空気は予備吸着システムへのライン２９内を非透過
流れとして送達され、極低温空気分離システムへの送達
に先立って精製される．予備精製吸着システム３０は２
つの吸着床、即ち吸着床３１及び３２を具備するものと
して示されるが、一般に、一方のそうした吸着床が乾燥
供給空気の精製のために使用される一方で、他方の吸着
床は再生されることを理解されよう．予備精製吸着シス
テム３０を離れる、乾燥し、精製された供給空気はライ
ン３３を介して極低温空気分離システム３４へと送達さ
れ、そこから所望の乾燥高純度窒素或は乾燥高純度酸素
生成物がライン３５を介して回収される．極低温空気分
離システム３４からの乾燥した廃棄ガスはライン３６を
介して抜き出され、熱交換器内で加熱され、ライン３８
を通して何れかの吸着床、即ち任意の時間に於で再生さ
れている吸着床３１或は３２の何れかの再生に使用する
ためのパージガスとして、予備精製吸着システム３０に
送られる。供給空気中に存在する事実上全ての水が膜乾
燥システムで除去されることから、予備精製吸着システ
ム３０から出る消費されたパージガスは、二酸化炭素及
び炭化水素の如きその他の汚染物質を含むにもかかわら
ず比較的乾燥している。 消費されたパージガスはライン３９中を第１ステージ膜
乾燥システム２６へと送達され、そこで膜の透過側にお
けるパージガスとして使用される。 該パージガスは、前記第１ステージ膜乾燥システム２６
を貫いて透過する水蒸気と共に、廃棄物として排出され
るべくライン４０を通して抜き出される．再循環される
そうしたパージガスの、前記第１ステージ膜乾燥システ
ム２６を貫いての送達が、前記透過する水の前記膜の透
過側から遠方への搬出を容易化し、これが、前記第ｌス
テージ膜乾燥システム２６に送られる供給空気流れから
の所望の水除去を維持するための、前記第１ステージ膜
乾燥システム２６を横断しての高い駆動力を維持する。 供給空気を第１ステージ膜乾燥システム２６によって達
或される以上に乾燥するために、第２図の具体例では第
２ステージ膜乾燥システム２８が使用される。該第２ス
テージ膜乾燥システム２８でのパージのために、極低温
プロセスから入手し得る任意の乾燥した低圧流れ、即ち
極低温空気分離システム３４からの廃棄ガス、高純度窒
素或は高純度酸素生成物ガス、膨張した供給空気その他
の如きを乾燥パージガスとして使用し得る。第２図では
極低温空気分離システム３４からの廃棄ガスの一部分は
、第２ステージ膜乾燥システム２８でパージガスとして
使用されるべく，ライン４１を通して該第２ステージ膜
乾燥システム２８に送達されるものとして示される。そ
うしたパージガスは、膜の透過側で膜表面からの透過水
搬送を容易化し、これが前記第２ステージ膜乾燥システ
ム２８に送られる供給空気流れの所望の追加的乾燥を維
持するための、前記第２ステージ膜乾燥システム２８を
横断しての高い駆動力を維持する．パージガスは、追加
的な透過水と共にライン４２を通して第２ステージ膜乾
燥システムから抜き出される。 当業者には、第２ステージ膜乾燥システム２８の使用は
任意の特定の乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素生
成に於で所望される供給空気の乾燥の度合に依存する随
意的なものであることを認識されよう。第２図の具体例
における如く、それが使用される場合は第２ステージ膜
乾燥システム２８は第１ステージ膜乾燥システム２６よ
りは典型的に小型であり、また供給空気からの水除去の
大半が第１ステージ膜乾燥システム内で為されることか
ら、必要なパージガス量はずっと少い。 全膜乾燥パージ要件が２０％であり、予備精製吸着シス
テム３０のパージ要件が１５％である場合、そうした具
体例におけるパージガスは予備精製のために使用される
よりも５％だけ余分に必要である。膜乾燥システムにお
ける事実上全ての水の除去もまた、予備精製吸着システ
ムへの水負荷を大幅に低減する．これが結局、予備精製
吸着システム再生のために必要゜な熱エネルギーを大幅
に低減し、圧縮機廃棄熱を予備精製吸着システム再生の
ために使用することをおそらく可能とする．水は予備精
製吸着システム内では極めて吸着性が強いことから、予
備精製吸着システムへの供給空気から水の大半を除去す
ることは、二酸化炭素、炭化水素その他除去を所望され
るその他のものに関わる吸着能力の改善をもたらす．こ
れが、所望される改良予備精製につながることを認識さ
れよう．水除去に適する膜乾燥システムはまた一般に、
二酸化炭素除去のために比較的選択性を有することをも
銘記されたい．そうした二酸化炭素の除去もまた下流の
吸着ユニットでの負荷を低減する． 予備精製吸着システムでの水の吸着は本来発熱を伴うも
のであり、大量の熱が発生することもまた銘記されたい
。これは予備精製吸着システムを出る空気温度を上昇さ
せ、結局、極低温システムでの冷却負荷を増大する。膜
乾燥システムを使用しての、予備精製吸着システムへの
供給空気からの水の除去は、該予備精製吸着システムで
の吸着中に発生する熱を大幅に低減し、それによって下
流の極低温プロセスを有利なものとする。 従って本発明の実施に際しては、前記吸着一極低温シス
テムへの供給空気を乾燥するために、膜乾燥システムを
、一般的に斯界で使用される従来通りの方策をはるかに
上回る所望の進歩を実現する態様で、予備精製吸着一極
低温空気分離システムと効果的に一体化し得ることを理
解されたい。 膜乾燥システムの動作は膜の透過側でのパージガスの使
用によって助長される。この場合、吸着一極低温システ
ムからの乾燥廃棄ガス或は極低温空気分離システムから
の乾燥高純度窒素生成物流れの一部が，膜乾燥システム
で前記所望のパージガスとして使用するべく該膜乾燥シ
ステムに送達される。 圧縮された供給空気、窒素流れその他から水分を選択的
に除去するための幾つかの膜が知られている。残念なが
ら、米国特許第４， ７８３， ２０１号に記載される
ように、クロスフロー透過態様で動作される場合、そう
した膜は、例えば比較的中庸の圧力露点である約４．４
℃（４０下）を達或するための１５０ｐｓｉｇでの動作
に際してはステージカット、即ち透過ガス対供給空気流
れの比率を３０％とする必要がある。明らかに、そうし
たクロスフロー膜ユニットでの生成物ガス回収は極めて
少なく、従ってそうしたシステム全体の動力要件及び乾
燥面積要件は興味を失う程に大きい。しかしながら、本
発明の実施に際し、一体化システムの利益を助長するた
めに膜乾燥システムは向流態様で所望通りに動作され、
その場合乾燥した還流乾燥パージガスが膜の透過側に送
られ、それが該透過側からの水分の搬出を容易化すると
共に、膜を横断しての水分除去のための高い駆動力を維
持する。こうしたプロセス上の特徴により、要求膜面積
及び一定の生成物露点、即ち乾燥水準を達成するために
必要な生成物透過損失は最小限となる。本発明の好まし
い具体例では、窒素及び酸素の同方向透過による生戒物
損失を、全生成物流れの１％未満、好ましくは０．５Ｓ
未満に維持することが望ましい。 膜乾燥システムに使用される膜構成物の水に対する選択
性は、窒素及び酸素に対するそれよりも大きくされるべ
きである．つまり、水分は窒素よりも一段と速かに選択
的に透過されなければならない．水／窒素分離係数は、
供給空気からの有益な水分除去のためには少なくとも５
０好ましくは１，ＯＯＯとすべきである．先に示したよ
うに、そうした膜乾燥システムはまた約ＩＯ乃至２００
の範囲の二酸化炭素／空気分離係数をも有するべきであ
る。 加つるに、膜構成物の窒素及び酸素に対する透過速度は
比較的低くされるべきである．セルロースアセテートは
そうした基準を満足する好ましい膜分離材料である。エ
チルセルロース、シリコーンラバー、ポリウレタン、ボ
リアミド、ボリスチレンその他の如き種々のその他の材
料をも使用し得ることを認識されたい。 所望の膜構成物から成る膜材料を有し、ここに記載され
且つ特許請求の範囲に記載された如く圧力変化式吸着シ
ステム及び極低温空気分離システムと一体化された膜乾
燥システムは、好ましくは先に示したように向流態様で
動作される。 中空繊維膜形態その他適宜の膜形態、例えば螺旋巻膜に
於で、クロスフロー形式の流れ模様を提供するための束
ねた形状が商業的実施に際して一般に使用されてきた。 クロスフロー動作に於ては膜の透過側における透過ガス
の流れ方向は膜の供給側での供給空気のそれと直交する
．例えば、中空繊維束を使用して中空繊維膜の外側に供
給空気を通過させるに際しては、繊維の孔は一般に中空
繊維の外側表面を覆って流れる供給空気流れ方向に直交
する．同様にその逆、即ち供給空気を中空繊維の孔を通
して送通させるに際しては、透過ガスは中空繊維の孔内
部の供給空気流れと一般に直交する方向で一般に中空繊
維の表面を通過し、次いで外側シェル内を透過ガスのた
めの出口手段の方向に流動する．ヨーロッパ特許出願第
０． ２２６． ４３１号に示されるように、向流流れ
模様は中空繊維束を、その一方の端部付近の円周部分を
除き外側表面全体を長手方向に包囲させることによって
創出し得る。これが供給空気、或は透過ガスをして所望
の移動態様、即ち内側から外側へ或は外側から内側への
移動に依存して中空繊維の外側を、向流流れ状態で中空
繊維孔内の透過ガス或は供給空気流れと平行に通過可能
ならしめる．例えば中空繊維束の外側の供給空気は、繊
維束の中心軸に対し直交するのではなくむしろ平行に流
動せしめられる．膜繊維を中空繊維束の中心軸と平行な
真直なアセンブリ状態で設けるか或は別様にはクロスフ
ロー動作におけるように、前記中心軸周囲に螺旋状に巻
付け得ることを理解されよう。何れにせよ、不透過性バ
リャ材料は不透過性フィルム例えば、ポリビニリデンそ
の他の巻付け体とし得る。 別様には不透過性バリャは、不透過性コーティング材料
、例えば無毒性溶媒と共に塗布したボシロキサン、或は
膜の束を覆って組み込みそして前記東上でシュリンクさ
せたシュリンクスリーブであり得る。前記ヨーロッパ特
許に記載されるように中空繊維束その他の膜の束を包囲
する不透過性バリャは、ガス流れをして中空繊維束内部
からの或はそこへの流動を許容する開口を有し、従って
ガスは中空繊維束の軸と実質的に平行な方向に流動する
。本発明の目的のためには流れ模様は湿った高純度窒素
供給流れの向流流れであるべきであり透過ガスは、先に
説明した如く膜乾燥システム内の膜材料を貫く水分及び
水素と共に供給されるパージガスを含む。 膜乾燥動作は斯界では通常、稠密繊維膜を使用して実施
されることを銘記されたい。稠密繊維のための膜厚は壁
厚でもあり、不斉膜の薄膜部分或は複合膜の分離層と比
較するに非常に厚い。稠密繊維のためには、大きな圧力
容量を達成するために壁厚を厚くする必要がある。斯く
して稠密繊維の透過率は極め小さく、従って窒素生成物
を十分に乾燥するためには非常に大きな表面積を使用す
る必要がある。これとは対照的に、本発明の目的のため
により好ましい不斉膜或は複合膜は、膜分離層の肉厚が
非常に薄く、膜の比較的多孔質の実質部分が、膜の分離
特性を決定する非常に薄い部分のための機械的強度及び
支持を提供する。従って不斉膜或は複合膜のために必要
な表面積は稠密繊維膜のためのそれよりもずっと少い。 不斉膜或は複合膜を使用することによって透過性が稠密
繊維膜におけるよりも改良されることから、窒素生成物
の乾燥に関連する本発明の好ましい具体例における不斉
膜及び複合膜の性能を更に改良し、そうした膜でのクロ
スフロー動作に於で生じ得る同方向透過による貴重な生
成物窒素の損失を大幅に低減することが所望される． 本発明の目的のために使用される極低温空気分離システ
ムは空気の極低温精留によって所望量の高純度窒素及び
或は酸素を生成可能な、市販入手され得る任意の従来通
りのものであり得ることを理解されたい。極低温空気分
離システムの詳細は本発明の内容の一部ではなく、極低
温システムと膜乾燥システムとの、そして従来通りの予
備精製吸着システムとの一体化に関するものである。そ
ウした極低温空気分離技術の代表例は米国特許第４，４
５３，９５７号及び４， ５９４， ０８５号に記載さ
れる。同様に、本発明の実施に使用される予備精製吸着
システムは、斯界に周知の任意の所望の吸着システムを
含み、所望されざる汚染物質を乾燥供給空気流れから、
それが極低温空気分離システムに送達される以前に除去
する能力を有する。使用される予備精製吸着システムは
、乾燥供給空気流れから、二酸化炭素及び或は残留水を
含むその他汚染物質を除去する能力を有する、市販入手
され得る任意の従来通りのシステムとし得る．予備精製
吸着システムは一般に、高い圧力下で供給空気から前記
汚染物質を選択的に吸着し、そして該汚染物質を、シス
テムから除去するために低い圧力、例えば大気圧に近い
圧力で脱着する。そうした圧力系は代表的にはい対の吸
着床を使用し、その場合一方の吸着床が吸着目的のため
に使用され、その間他方の吸着床が再生される．前記吸
着床で使用される代表的な吸着材量には、アルミナ、ゼ
オライトモレキュラーシープ或はシリカゲルが含まれる
。別様にはそうした圧力系は所望の吸着が低温で実施さ
れ、吸着が高い温度で達成される熱変化式吸着周期で動
作される。 本発明の目的のためにはパージ率、即ち還流ノくージガ
スに対する非一透過側の生成物ガス流れの比率は面積要
件、生成物損失そして残留酸素の逆拡散を最小限として
おくために，少なくとも約１０％、好ましくは２０％以
上であることが所望される。パージ率要件はまた、比較
的低い生成物ガス圧力下で、もつと高いガス圧力下にお
けるよりもずっと大きくなる傾向がある。 本発明の実施のための具体例に於では、極低温空気分離
システムは５０トンの乾燥高純度窒素を生成するように
なっている．従来通りの予備精製極低温システムでは空
気をベースとしての窒素の回収は代表的に５２％のオー
ダーであり、供給空気流れの約４８％が低圧の廃棄物と
して入手され得る。 極低温システムは約４６℃（ １１５ ’Ｆ ）の空気
温度で供給空気圧力を９１ｐｓｉａとし、廃棄ガス圧力
を１８ｐｓｉａとする状態下で好都合に動作され得る。 従来通りのシステムに於ては、アフタークーラー露点を
約４６℃（ １１５ ”Ｆ ）、冷却器精製空気露点を
約４．４℃（４０下）、そして吸着性生成空気露点を−
１００下とするのが好都合である．そうしたシステムの
ために使用される従来通りの機械式冷却器は、約３０，
０００ドルもし、その上約１０ｋｗの電力を消費する
．そうした機械式冷却器及び水分分離器での空気圧力降
下は約２ｐｓｉａのオーダーである．機械式冷却器は、
第１図に示される具体例におけるように、本発明の実施
に際しては膜乾燥システムと好ましく代替される．該膜
乾燥システムの酸素／窒素分離係数は５．９でありそし
て水／空気分離係数は１，０００以上である。膜乾燥シ
ステムは望ましくは螺旋形状に巻いた中空繊維膜を含み
、膜を包囲するためのポリビニリデンから成る不透性バ
リャを使用して動作され、それにより向流流れ模様を創
出する。乾燥動作中の透過による圧縮空気損失を最小限
のものとするために、ステージカット、即ち供給流れに
対する膜透過流れの割合は極めて小さく保たれる。しか
しながら先に示した如く、実動上でのステージカットの
一部は所望されろ水廃棄によるものであり、従ってもし
所望の乾燥を達成しようとする場合には避け難いもので
あることを認識されたい．従って、酸素及び窒素の同方
向透過による乾燥ステージカットを最小限とすることで
、即ち供給空気の約錦、好ましくは０．５％未満とする
ことで乾燥は助長される。１８乃至２０％のオーダーの
乾燥還流パージ率が、特定の動作状況及び先に参照され
た膜特性の下で使用された。膜乾燥システムは、少なく
とも１８％の乾燥還流パージ率を入手し得るという条件
で資本及び動力費用の大幅な低下及びその他利益を達成
することが見出された． 膜乾燥システムが吸着一極低温システムに供給される約
４．４℃（ ４０下）の空気露点を提供することに限定
されないことが、該膜乾燥システムの追加的利益である
．使用パージ率及び膜特性によって質の変化された空気
を提供するために一定の膜面積を使用し得る。所望の空
気の残留水濃度を、更に多くのパージガスの使用、或は
さらに多くの膜面積の使用に加えての更に高い水分離特
性の膜の使用によって低減し得る．そのようにして残留
水を任意に低減することが、予備精製吸着システムの吸
着床によって除去されるべき水蒸気量を低減し、それに
より前記システムの生産能力を増大し且つそのパージガ
ス要件及びエネルギー要件を低減する．従って、最適膜
乾燥露点は、膜乾燥システム及び予備精製吸着システム
における水除去のための相対費用に基くものである。 本発明の特許請求の範囲に述べた範囲から離れることな
く、ここに記載した様なプロセス及びシステムの詳細を
種々に変化及び改変し得ることを認識されたい。使用さ
れる不斉膜構造或は複合膜構造は本発明の膜乾燥システ
ムに使用され得る。 稠密膜は通常生成物乾燥用途のために使用されるが、そ
うした稠密膜は本発明の実施に使用し得るものの、先に
銘記したその固有の制限事項の故に本発明でのその使用
は好ましくない． 本発明の実施に際して使用される透過性膜は一般に膜東
アセンブリに於て使用される。該膜束アセンブリは代表
的には膜システムの主要要素を構成する膜モジュールを
形成するための包囲体内部に位置決めされる。膜システ
ムは単一或は平行或は列状動作のために配列された多く
のそうしたモジュールを含み得る。膜モジュールは好都
合な中空繊維形態或は螺旋巻形態、平坦な薄板折畳み形
態、その他所望の膜形状の膜束を使用して作製し得る。 膜モジュールは供給空気側及びその反対側の透過ガス出
口側を有するよう構成される。中空繊維膜のためには供
給空気側は、内側から外側への動作のためには孔側であ
り、外側から内側への動作のためには中空繊維の外側と
し得る。供給空気をシステムに導入し、透過流れ及び非
一透過流れを両方共に抜き出すための手段が設けられる
。 先に示したように、本発明で使用されるパージガスは、
ここに参照された供給源からの如き乾燥或は比較的乾燥
したパージガスとすべきである。 ここで使用されるように、比較的乾燥したパージガスは
乾燥窒素生成物ガス類は乾燥供給空気中の水分分圧を越
えない水分分圧を有し、好ましくは前記パージガスの水
分分圧は、先に説明されたパージガスの供給源に関して
そうであるように、生成物ガス流れの水分分圧の半分未
満である。 膜は、供給空気を、乾燥高純度窒素精製のための空気吸
着一極低温空気分離システムに送達する以前に乾燥する
ために非常に所望されるシステム及び方法を提供する。 好都合な膜乾燥システムで乾燥が実施されることにより
，従来からの水分除去のためのより高価で且つ複雑な吸
着或は冷凍技術及びシステムの使用が回避される。膜乾
燥システムのプロセス流れを極低温空気分離システム及
び予備精製吸着システムのプロセス流れと一体化するこ
とにより、比較的乾燥したパージガスを使用しての膜乾
燥システムの低圧の透過側でのパージが好都合に達成さ
れる．向流流れ模様を確立するための膜束配列構成を使
用することによって、乾燥動作の好ましい具体例を、乾
燥高純度窒素の回収量を増大させる状態で実施し得、ク
ロスフロー透過動作で生じていた大量の圧縮空気の同方
向透過が回避される．
第１図は、極低温供給空気分離システムからの廃棄ガス
が、極低温空気分離システムへの供給空気乾燥のための
膜乾燥システムの為のパージガスとして使用される、本
発明の具体例での概略流れ図式図である． 第２図は、極低温空気分離システムの為の予備精製吸着
システムから除去されたパージガスが、供給空気のため
の膜乾燥システムでのパージガスとして使用される具体
例における概略流れ図式図である． 尚、図中玉な部分の名称は以下の通りである。 ２：エアコンブレッサ ４：膜乾燥システム ７：吸着システム ｌｌ：極低温空気分離システム
が、極低温空気分離システムへの供給空気乾燥のための
膜乾燥システムの為のパージガスとして使用される、本
発明の具体例での概略流れ図式図である． 第２図は、極低温空気分離システムの為の予備精製吸着
システムから除去されたパージガスが、供給空気のため
の膜乾燥システムでのパージガスとして使用される具体
例における概略流れ図式図である． 尚、図中玉な部分の名称は以下の通りである。 ２：エアコンブレッサ ４：膜乾燥システム ７：吸着システム ｌｌ：極低温空気分離システム
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、供給空気から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸
素を生成するための改良装置であって、湿った供給空気
中に存在する水を選択的に透過させ得る膜乾燥システム
と、 前記膜乾燥システムから非−透過ガスとして除去された
乾燥供給空気から二酸化炭素、残留水その他汚染物質を
選択的に吸着し得る予備精製吸着システムと、 空気の極低温生成及び、乾燥高純度窒素及び或は乾燥高
純度酸素生成物ガスを乾燥廃棄ガスと共に生成するため
の極低温空気分離システムと、比較的乾燥したパージガ
スを膜乾燥システムの低圧の透過側に送達し膜表面から
の水蒸気の搬出を容易化し且つ膜乾燥システムからの水
分分離を助長するべく供給空気流れからの膜を通しての
水蒸気除去のための駆動力を維持するための導管手段と
によって構成され、 前記比較的乾燥したパージガスは前記極低温空気分離シ
ステム及び或は前記予備精製吸着システムからの廃棄ガ
ス或は生成物ガス或は大気より成立ち、前記膜乾燥シス
テムの透過側に提供されるパージガスが、供給空気の損
失を最小限とする状態での所望の水分除去を容易化する
ようになつている前記供給空気から乾燥高純度窒素及び
或は乾燥高純度酸素を生成するための改良装置。 ２、膜乾燥システムは、透過ガスが湿った供給空気流れ
と一般に平行に流動する向流流れ模様のために適合する
膜束を含んでいる特許請求の範囲第１項記載の供給空気
から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成する
ための改良装置。 ３、膜乾燥システムのための乾燥したパージガスは極低
温空気分離システムからの廃棄ガスを含んでいる特許請
求の範囲第１項記載の供給空気から乾燥高純度窒素及び
或は乾燥高純度酸素を生成するための改良装置。 ４、極低温空気分離システムからの廃棄ガスの一部分を
、予備精製吸着システムのためのパージガスとして該予
備精製吸着システムに送達するための導管手段を具備し
ている特許請求の範囲第３項記載の供給空気から乾燥高
純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成するための改良
装置。 ５、極低温空気分離システムからの廃棄ガスを予備精製
吸着システムのためのパージガスとして該予備精製吸着
システムに送達するための導管手段を具備し、該予備精
製吸着システムからの廃棄ガスは膜乾燥システムのため
のパージガスを含んでいる特許請求の範囲第１項記載の
供給空気から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を
生成するための改良装置。 ６、膜乾燥システムは２ステージ膜システムを含み、予
備精製吸着システムからの廃棄ガスは前記膜乾燥システ
ムの第１ステージにパージガスとして送達される特許請
求の範囲第５項記載の供給空気から乾燥高純度窒素及び
或は乾燥高純度酸素を生成するための改良装置。 ７、極低温空気分離システムからの廃棄ガス或は生成物
ガス或は膨張空気を、２ステージ膜システムの第２ステ
ージにパージガスとして送達するための追加的導管手段
を具備している特許請求の範囲第６項記載の供給空気か
ら乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成するた
めの改良装置。 ８、膜乾燥システムは、透過ガスが湿った供給空気流れ
と一般に平行に流動する向流流れ模様のために適合する
膜束を含んでいる特許請求の範囲第５項記載の供給空気
から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成する
ための改良装置。 ９、空気から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を
生成するための改良方法であって、湿った供給空気から
水を選択的に透過させ得る膜乾燥システムに前記湿った
供給空気を送る段階と、 前記段階によって乾燥された供給空気を、二酸化炭素、
残留水その他前記膜乾燥システムから非−透過ガスとし
て除去された乾燥空気からの汚染物質を選択的に吸着し
得る予備精製吸着システムへと送達する段階と、 前記予備精製吸着システムからの乾燥した予備精製され
た空気を、空気の極低温精留及び乾燥高純度窒素生成物
ガスを、乾燥した、酸素を含有する廃棄ガスと共に生成
するための極低温空気分離システムに送達する段階と、 前記極低温空気分離システムから乾燥高純度窒素生成物
ガスを回収する段階と、 膜表面からの水蒸気搬出を容易化すると共に、供給空気
流れからの水分分離を助長するための膜を貫いての該供
給空気流れからの水除去のための駆動力を維持するため
に、比較的乾燥したパージガスを膜乾燥システムの低圧
の透過側に送達する段階とによって構成され、 前記比較的乾燥したパージガスは前記極低温空気分離シ
ステム及び或は前記予備精製吸着システムからの廃棄ガ
ス或は生成物ガス或は大気より成立ち、前記膜乾燥シス
テムの透過側に提供されるパージガスが、供給空気の損
失を最小限とする状態での所望の水分除去を容易化する
ようになっている前記空気から乾燥高純度窒素及び或は
乾燥高純度酸素を生成するための改良方法。 １０、膜乾燥システムは、透過ガスが湿った供給空気流
れと一般に平行に流動する向流流れ模様のために適合す
る膜束を含んでいる特許請求の範囲第９項記載の空気か
ら乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成するた
めの改良方法。 １１、膜乾燥システムのための乾燥したパージガスは極
低温空気分離システムからの廃棄ガスを含んでいる特許
請求の範囲第９項記載の空気から乾燥高純度窒素及び或
は乾燥高純度酸素を生成するための改良方法。 １２、極低温空気分離システムからの廃棄ガスの一部分
を、予備精製吸着システムのためのパージガスとして該
予備精製吸着システムに送達する段階を含んでいる特許
請求の範囲第１１項記載の空気から乾燥高純度窒素及び
或は乾燥高純度酸素を生成するための改良方法。 １３、極低温空気分離システムからの廃棄ガスを予備精
製吸着システムのためのパージガスとして該予備精製吸
着システムに送達するため段階を含み、該予備精製吸着
システムからの廃棄ガスは膜乾燥システムのためのパー
ジガスを含んでいる特許請求の範囲第９項記載の空気か
ら乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成するた
めの改良方法。 １４、膜乾燥システムは２ステージ膜システムを含み、
予備精製吸着システムからの廃棄ガスは前記膜乾燥シス
テムの第１ステージにパージガスとして送達される特許
請求の範囲第１３項記載の空気から乾燥高純度窒素及び
或は乾燥高純度酸素を生成するための改良方法。 １５、極低温空気分離システムからの廃棄ガス或は生成
物ガス或は膨張空気を、２ステージ膜システムの第２ス
テージにパージガスとして送達する段階を含んでいる特
許請求の範囲第１４項記載の空気から乾燥高純度窒素及
び或は乾燥高純度酸素を生成するための改良方法。 １６、極低温空気分離システムからの廃棄ガスは膜乾燥
システムの第２ステージにパージガスとして送達される
特許請求の範囲第１５項記載の空気から乾燥高純度窒素
及び或は乾燥高純度酸素を生成するための改良方法。 １７、膜乾燥システムは、透過ガスが湿った供給空気流
れと一般に平行に流動する向流流れ模様のために適合す
る膜束を含んでいる特許請求の範囲第１３項記載の空気
から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成する
ための改良方法。
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- 1994-08-30 JP JP011756U patent/JPH0732483U/ja active Pending
Patent Citations (2)
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| JPH06170147A (ja) * | 1992-05-29 | 1994-06-21 | Air Prod And Chem Inc | 水分保有ガスからの水分の除去方法 |
Also Published As
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