JPH03207420A - 窒素ガス分離方法 - Google Patents

窒素ガス分離方法

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JPH03207420A
JPH03207420A JP2004317A JP431790A JPH03207420A JP H03207420 A JPH03207420 A JP H03207420A JP 2004317 A JP2004317 A JP 2004317A JP 431790 A JP431790 A JP 431790A JP H03207420 A JPH03207420 A JP H03207420A
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adsorption
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nitrogen
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nitrogen gas
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Tsuneo Genma
玄馬 恒夫
Takeshi Tamaru
田丸 猛
Tetsuhiko Matsuura
哲彦 松浦
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/04Purification or separation of nitrogen
    • C01B21/0405Purification or separation processes
    • C01B21/0433Physical processing only
    • C01B21/045Physical processing only by adsorption in solids

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〕 本発明は圧力変動吸着装置によって窒素ガスを分離する
場合、運転開始後所定の純良の窒素ガスが得られる迄の
時間を短縮する方式に関するものである。
〔従来技術〕
吸着剤としての分子篩炭(以下MSCという)はガス固
有の吸着速度差を利用して、酸素、炭酸ガス、水分等を
短時間のうちに吸着除去し、窒素のみを取出すことが出
来るという窒素ガス分離に関して極めてすぐれた特性を
もっている。MSCを用い圧力変動吸着方式(以下PS
A方式という)で空気等の混合ガスから窒素を分離する
方法は一般に加圧吸着、均圧、減圧再生等の各操作を中
心に構成されており、通常2基の吸着槽を用い、両槽に
おいて180°の位相差でこれ等の操作を順次切替えて
実施することにより連続的に製品窒素ガスを得ることが
可能となる。本発明における1サイクルとは片方の吸着
槽でこれ等一連の操作を全て1回実施することをいう。
製品槽は操作の切替えに起因する窒素ガス純度の変動及
び圧力変動の緩和等の効果を主目的として装置に組み込
まれている。
当該装置は長期間に亘って一定量の窒素ガスを継続的に
使用することが最も望ましい。製品窒素ガスの供給が不
要となり、装置を停止する際は通常、2基の吸着槽を大
気と連通状態にしてMSCに吸着されているガスを脱着
して置く方法がとられている。これは加圧状態で長時間
多量のガスを吸着して置くと、次の運転再開時MSCを
直ちに十分な再生を行うことが困難になることを配慮し
たものである。吸着槽を大気開放状態にし更に製品槽よ
り窒素ガスを吸着槽内に流入し洗浄して置く方法も提案
されている。
装置の運転開始に当たっては、窒素の純度が所定の値に
到達するまで製品槽出口で得られた窒素ガスを大気中に
放出し、所定の純度が確認されると放出を止め製品とし
て供給する方法が、一般的である。吸着槽内の置換を促
進するためこの期間サイクル時間をある程度短縮する場
合もある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
MSCを用いたPSA方式の窒素ガス分離装置の実用化
で、安優な窒素ガス源としての利用分野が急速に拡大し
て来た結果、使用量の変動、運転時間の制約等により間
けつ運転を余儀なくされるケースが急増して来た。更に
、当該方式に関する近年の技術開発は著しく、分離され
る窒素ガス純度の大巾な向上が可能となった。一方、高
純度窒素ガスを分離する場合、運転開始後得られる窒素
ガスが所定の純度にまで到達する時間(以下、立ち上げ
時間と記す)は等比級数的に増大してくる。
従って、この立ち上げ時間短縮に関する要望が急速に高
まっている。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者等はこの装置を運転開始する際、立ち上げ時間
の短縮に関して鋭意研究の結果、次の方法を発明するに
到った。即ち、 (11  窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料と
し、分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式
の窒素ガス分離装置において、製品窒素ガスの使用を停
止した後も当該装置の運転を10サイクル以下の範囲内
で継続した後停止することを特徴とする窒素ガス分離方
法。
(2)M素と酸素を主成分とする混合ガスを原料とし、
分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式の窒
素ガス分離装置において、運転開始時吸着槽と製品槽間
の連結配管を閉止した状態で、20サイクル以下の範囲
内の吸着並びに再生操作を行った後、吸着槽と製品槽間
を連結して製品窒素ガスの取出し開始することを特徴と
する窒素ガス分離方法。
(3)窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料とし、
分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式の窒
素ガス分離装置において、運転開始時吸着槽と製品槽間
の連結配管を閉止した状態で、吸着並びに再生操作を行
い吸着槽と製品槽間の両槽内圧力差がlkg/aIr以
内となった時点で当該吸着槽と製品槽を連結し、製品窒
素ガスの取出しを開始することを特徴とする窒素ガス分
離方法である。(1)項と(2)項、又は(1)項と(
3)項の方法を組み合わすとより効果的となる。
以下、第1図を用いて本発明を更に詳しく説明する。
分子篩炭を用いたPSA方式の窒素ガス分離装置は第l
図に示すように通常2槽の吸着槽により加圧吸着、均圧
、減圧再生の各操作を用いて窒素ガスを分離している。
空気等窒素と酸素を主成分とする加圧状態の原料混合ガ
スは弁5を通って吸着槽1に入り、槽内に充填されてい
るMSCにより吸着除去される成分と吸着されなかった
窒素等の成分に分離され、製品窒素は弁9を経由して製
品槽3に一旦貯蔵される(加圧吸着操作)。
吸着槽l内MSCの分離性能が許容限界に到達する直前
になるように設定された時間に達すると弁5、弁9、弁
8を閉止し、弁II又は弁11と12を開くことによっ
て両槽を連通ずる、加圧吸着操作時の加圧状態に置かれ
ている吸着槽1内に残存するガスは大気圧近傍、あるい
は大気圧以下まで減圧されている吸着槽2へ弁II又は
弁11及びl2を通って両槽の圧力差で移動する(均圧
操作)。
吸着槽lは均圧操作により残存ガスの一部を吸着槽2に
移動させた後、弁II又は弁I1と12を閉止し、弁6
を開にすることにより、大気圧近傍まで減圧しMSCに
吸着されていたガスは消音器4を通って系外に排出され
る。この時オリフィス13で流量規制された製品窒素ガ
スが吸着槽1内を通ることによりMSCを洗浄する方法
、吸着槽1内が大気圧近傍になった後、真空ポンプ等を
用いて吸着槽l内を大気圧以下に減圧させる方法等を用
いることにより、再生効果を更に高めることができる(
減圧再生操作)。
これらの操作を吸着槽l及び2で180’の位相差をも
って繰り返すことにより、原料ガスより連続的に窒素を
分離することができる。
この様にして分離された窒素は製品槽3に一旦貯蔵され
た後、弁l4を経由して連続的に供給される。
一方、製品窒素の使用を停止する時は弁l4を閉止し、
窒素の供給を停止する。但し加圧吸着、均圧、減圧再生
の各操作は継続して行ない吸着槽にて窒素を分離し、製
品槽3に貯える。このため製品槽3内の圧力の変動域は
窒素の供給を行なっている通常運転時の圧力変動域より
も徐々に高くなってくる。窒素の供給後、製品槽3内の
圧力が通常運転時の最高到達圧力を超える状態になった
時、好ましくは製品槽3内の圧力が通常運転時の最高到
達圧力よりも0.1  kg/cdG以上高くなった時
点ですべての操作を停止する。次の装置起動まで製品槽
3内の圧力をこの状態で保持しておくことにより、装置
起動後所定の純度の製品窒素が使用可能となるまでの時
間は大幅に短縮される。
但し、窒素の供給停止より装置の停止までのサイクル数
は、原料ガスの圧力、lサイクルの設定時間、製品窒素
の純度等によって異なる。たとえば原料ガスの圧力7k
g/atG,1サイクル時間4分、窒素純度が99.9
%の場合、1〜4サイクルで必要条件を満たし、これ以
上の操作はほとんど効果がない。しかし、製品の純度が
高くなる程、有効なサイクル数は増加する。本発明者ら
が条件を変えて試行した結果、10サイクルまでの範囲
にわたって効果が認められた(実施例1〜4)。
又、運転を開始する際、弁9、lOを閉止して吸着槽1
、2間で交互に加圧、均圧、減圧を繰り返す。
本発明者らは、この操作を運転開始時に数回〜20回程
度の範囲で繰り返した後、製品槽と吸着槽を連結して通
常の加圧吸着、均圧、減圧再生の各操作を行なうことに
より、運転開始後所定の純度の製品窒素ガスが使用可能
となるまでの時間(以下、立ち上げ時間という)が大幅
に短縮できることを見いだした。
運転開始時は吸着槽の圧力が低い状態にあるため、窒素
の分離が不充分であり、このまま製品槽と連結すると製
品槽内に純度が低い窒素ガスが入るため純度の回復に時
間がかかる。そこで吸着槽だけで加圧し、徐々に圧力を
上げていくと共に、吸着槽上部の窒素ガス純度が製品槽
内の純度とほぼ等しくなった時点で両槽を連結し、同時
に製品槽より窒素を供給する。ただし99.99996
といった高純度の窒素を必要とする場合は、両槽を連通
した後ある程度の時間が経過してから窒素を供給するこ
ともある。
この吸着槽だけでの加圧、減圧に要するサイクル時間は
、原料ガスの圧力等条件によっては通常運転時のサイク
ル時間より短い方が有効な場合もある。
また、吸着槽と製品槽を連結させる場合、両槽間の圧力
差が大きいと急に系内の流れの状態が乱され、分離され
る窒素ガスの濃度が低下する。両槽内圧力差1 km/
at以内となった状態で両槽を連結することが立ち上げ
時間短縮化のために有効である。
〔作用・効果〕
特許請求の範囲第1項に記載した発明はPSA装置を停
止する場合、製品貯槽からの窒素ガスの取出しを停止し
た後もしばら<PSA装置の運転を継続して製品貯槽の
圧力を上げてから停止させる方法である。これにより、
運転再開の場合所定純度の窒素ガスが得られる迄の時間
、すなわち立ち上げ時間が著しく短縮できる。運転停止
後製品貯槽は出入口の弁を閉止してその圧力のまま保持
されるが、吸着槽は大気中への放出弁を開放しておくた
め、吸着剤は大気と接触した状態となっている。従って
、運転停止中吸着剤には種々の大気中のガス成分が飽和
に達する迄吸着されている。
通常の方法で運転再開した場合は吸着槽内の圧力が次第
に上昇し、製品貯槽の圧力に達すると、吸着槽で分離さ
れた窒素ガスが製品貯槽に流入し始める。しかしてその
場合、製品貯槽の内圧が低いと、貯槽へ流入する窒素ガ
ス純度は正常の場合より著しく低い。
この時製品貯槽の内圧を高くしておくと、吸着槽の内圧
がその圧力に達する迄吸着槽から製品貯槽への注入が開
始されない。吸着槽の内圧が高くなればなる程その間に
吸着剤の吸着ガス組成及び槽内ガスの窒素濃度分布がよ
り早く正常な運転状態に近くなってゆくと考えられる。
このため分離された窒素ガスの純度が上昇し、その結果
立ち上げ時間が短縮されるものと考えられる。
また特許請求の範囲第2項に記載した運転再開方法の場
合も、最初は吸着槽・製品貯槽間の弁を閉止したままで
吸着槽の運転をするため吸着槽内の圧力は通常の運転開
始時よりも高くなり、内部の吸着剤の吸着ガス組成及び
槽内ガスの窒素濃度分布がより早く正常な運転状態にな
ると考えられる。そのため分離された窒素ガスの純度が
上昇し、その結果、立ち上げ時間が短縮されたものと考
えられる。
近年PSA方式による窒素ガス分離技術が進歩し、純度
99.99%以上のガスが得られるようになった。この
ような高純度ガス用のPSAでは一旦運転を停止した後
、再開した場合の立ち上げ時間が低純度ガス用PSAと
くらべて著しく長くなる欠点がある。本発明はこのよう
な高純度ガス用PSAに適用した場合顕著な効果を示す
ものである。特に特許請求の範囲第l項及び第2項或い
は第1項及び第3項の方式を組合せた場合極めて顕著な
効果が得られることは実施例lOに示す通りである。
〔実施例〕
以下実施例をあげて、更に本発明を具体的に説明するが
、本発明を何ら限定するものではない。
実施例1〜4.比較例l 第1図に示すMSCを充填した2本の吸着槽よりなる、
PSA方式窒素ガス分離装置を用い、高圧空気を原料と
して、正常な運転時における吸着槽の到達圧力6.  
5kg/aIrG,  lサイクル4分.窒素純度99
.99%になる様、製品窒素を一定量取り出し、安定し
た時点で製品の供給を停止した。
製品貯槽からの窒素ガスの供給を停止した後、吸着槽の
運転を停止する迄のサイクル数及び製品貯槽到達圧力と
窒素ガス供給停止の24時間後に運転を再開した場合の
立ち上げ時間の関係を第1表に示す。
実施例5〜8 上記比較例lにおいて、運転再開始時吸着槽と製品貯槽
間の弁9,10を閉止したまま吸着槽の運転のみ再開し
た場合、吸着槽と製品貯槽を連結する迄の吸着槽のサイ
クル数と立ち上げ時間の関係を第2表に示す。
以下余白。
第 表 第 2 表 実施例IO 実施例1の条件でPSA装置を停止し、間後実施例5の
条件で運転再開した場合、げ時間は8分であった。
24時 立ち上
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一例を示すフローシ一トである。 l,2:吸着槽 3 :製品貯槽 4 :消音器 5,  6,  7,  8,  9,  10,  
1 1,  12,14:弁 13:オリフィス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料とし、
    分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式の窒
    素ガス分離装置において、製品窒素ガスの使用を停止し
    た後も当該装置の運転を10サイクル以下の範囲内で継
    続した後停止することを特徴とする窒素ガス分離方法。
  2. (2)窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料とし、
    分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式の窒
    素ガス分離装置において、運転開始時吸着槽と製品槽間
    の連結配管を閉止した状態で、20サイクル以下の範囲
    内の吸着並びに再生操作を行った後、吸着槽と製品槽間
    を連結して製品窒素ガスの取出しを開始することを特徴
    とする窒素ガス分離方法。
  3. (3)窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料とし、
    分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式の窒
    素ガス分離装置において、運転開始時吸着槽と製品槽間
    の連結配管を閉止した状態で、吸着並びに再生操作を行
    ない吸着槽と製品槽間の両槽内圧力差が1kg/cm^
    3以内となった時点で当該吸着槽と製品槽を連結し、製
    品窒素ガスの取出しを開始することを特徴とする窒素ガ
    ス分離方法。
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