JPH03228806A - 窒素ガスの分離方法 - 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） 本発明は分子篩の選択的吸着特性を利用して、空気中の
窒素と酸素を分離する方法に関する。

（従来の技術） 窒素ガスは金属の熱処理、半導体の製造プロセス、化学
プラントの防爆シールなどに広く使用され工業用ガスと
して重要な役割を果たしており、その使用量も年々増大
している。

従来工業用窒素ガスの製造は主として深冷分離法により
行なわれ、深冷分離装置で製造しｔ二窒素ガスをパイピ
ング、タンクローリ−ボンベ等１こより、ユーザーへ供
給してきた。

近年新しい窒素ガスの製造法として分子篩炭素（Ｍｏｌ
ｅｃｕｌａｒ　Ｓｉｅｖｉｎｇ　Ｃａｒｂｏｎ　；ＭＳ
Ｏ）を充填した吸着塔に原料空気を加圧下で送入し、酸
素を選択的に吸着させ窒素ガスを分離するいわゆる圧力
スイング吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓ
ｏｒｐｔｉｏｎ　；　Ｐ　Ｓ　Ａ　）式窒素ガスの製造
法が開発されてきている。

このＰＥＡ式窒素ガス分離法は、深冷分離法と比較して
、装置が小型となり、操作が簡便で無人連続運転が可能
である等の特長を有し、深冷分離法に代わる新しい窒素
ガス供給法として注目されており、装置のより一層の小
型化、発生窒素ガスの純度化、動力原単位の向上を意図
し種々の改良が進められている。

ＰＥＡ式窒素ガス分離法では製品ガスの純度や収率の向
上、あるいは、動力原単位改善のため２塔あるいは３塔
以上の吸着塔を備えた装置を用い種々の操作サイクルが
提案されている。

例えば特公昭５８−２５９６９号公報には吸着工程終了
後の吸着塔内に製品ガスの一部を還流することにより、
吸着剤の再生を効果的に行ういわゆるパージ法が開示さ
れている。また特公昭３９−８２０４号公報には吸着工
程終了後の高圧の吸着塔と再生工程終了後の低圧の吸着
塔を導通して両吸着塔内圧力を等圧化せしめる、所謂均
圧法が開示されている。更に特公昭５４−１７５９５号
公報には空気を原料として窒素富化ガスを製造する際に
、吸着工程終了後の吸着塔と再生工程終了後の吸着塔と
を各々の塔頂及び塔底同士導通し、塔の上下を同時に均
圧化する方法が開示されている。

更にまた特公昭６２−１３０４７号公報には２塔の吸着
塔で同時に均圧化を行った後、吸着工程に入った１塔よ
り流出する初期の酸素含有量の多いガスを３〜１０秒間
大気中に放出した後、製品ガスを取得することにより、
製品窒素ガスの純度を向上させる方法が開示されている
。しかしながら、上記の既存方法は操作法の工夫にもか
かわらず発生窒素ガスの純度や製品窒素ガスの収率には
未だ改善の余地があり、動力原単位を一層低減させる必
要もある。

（発明が解決しようとする課題） 本発明はこの様な事情に艦みなされたものであってその
目的とするところは、ＰＳＡ式窒素ガス分離装置の新規
な単位操作法を提供するにある。

他の目的は、製品窒素ガスの純度と収率を向上し強いて
は動力原単位を低減せしめる方法を提供するにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的は、分子篩炭素を充填した少なくとも２塔以
上の複数の吸着塔に加圧空気を供給し、高圧吸着工程と
低圧再生工程とをそれぞれの吸着塔で交互に繰り返し、
圧力スイング吸着法により窒素ガスを分離するに際し、
分子篩炭素として、加圧下で単成分吸着を行ったときの
酸素と窒素との１分後の吸着容量比が３．５〜１５の分
子篩炭素を使用し、原料空気供給側に設けた排気弁を下
記式を満足するθ１（ｓｅｃ）開く大気圧再生工程と、
製品窒素取出流量の５〜５０容量％の流量で製品窒素ガ
スを吸着塔内に向流方向に下記式を満足するθｘ（ｓｅ
□）流すことにより吸着塔の再生工程と合せてθ（ｓｅ
ｃ）１１１次行うことを特徴とする窒素ガスの分離方法
により達成される。

６０　（ｓｅｃ）≦θ≦１８０　（ｓｅｃ）　　・・・
・−・（１）θ＝０１十〇！　　　　　　　　　・・・
・・・（２）０．１０≦０１≦０，８θ　　　　　・・
・・・・（３）本発明の窒素ガス分離法に用いる装置は
、主として分子篩炭素を充填した２塔以上の吸着塔、コ
ンプレッサーなどの原料空気供給手段、製品窒素ガスを
貯留するりザーバータンク、及びこれらの構成要素を連
結する配管及びガスの流れを制御するための自動弁とそ
の制御系、流量調整計及びガス濃度の分析計などから構
成されている。２塔の吸着塔を用いた場合について、本
発明の窒素ガスの分離方法に用いる装置の実施態様の一
例を第１図に示す。

同図において、（１）は空気圧縮機、（２）はエアード
ライヤー、（３）　、　（３ａ）・・・は吸着塔、（４
）　、　（４ａ）　、　（７）。

（７ａ）　、　（１０）　、　（１０ａ）　、　（１３
）、　（１３ａ）はバルブ、（５）、　（５ａ）。

（８）、　＜９）、　（９ａ）　、　（１１）　、　（
１２）　、　（１Ｇ）はパイプ、（１４）はりザーバー
タンク、（１５）はバルブである。

吸着塔（Ｓ）の吸着工程では、加圧空気はツマイブ（５
）。

バルブ（４）を通り、吸着塔（３）に供給される。吸着
塔内の分子篩炭素によって酸素が吸着され、濃縮された
窒素ガスはバルブ（１０）、パイプ（１１）を通り、−
旦リザーバータンク（１４）に蓄えられた後、バルブ（
１５）を通って製品として供給される。吸着塔（３）の
吸着は６０〜１８０秒間行なわれ、当該↓ ＭＳＯが飽和する前にバルブ（４）、（１０）は閉じら
れ。

香噌４櫂＃壬尚この吸着工程では通常、−酸化炭素、二
酸化炭素、水等の空気中の共存ガス成分も吸着除去され
るがアルゴンは窒素と同様難吸着成分として製品ガス中
に混入している。しかしながら、アルゴンは不活性ガス
であり窒素ガスの利用に当って何ら障害とはならない。

本発明での窒素ガス純度とは微量含まれるアルゴンを除
いた窒素ガスの純度を意味する。

本発明の吸着塔（３）の再生工程は６０〜１８０秒間行
う。この再生工程は、更に前半の大気圧再生工程と後半
のパージ再生工程に分けられる。前半の大気圧再生工程
では、バルブ（７）を開いて加圧状態にある吸着塔（３
）内に充満した窒素・酸素混合ガスを大気中に放出し、
吸着塔内圧を急速に大気圧近傍まで低下させて、吸着剤
を再生する。後半のパージ再生工程においては、バルブ
（７）、　（１Ｋ）、　（１９）を開き、リザーバータ
ンク（１４）内の製品窒素ガスを吸着塔に向流方向（製
品取り出し方向と逆向き）に流通さすことにより、吸着
塔（３）の再生を行７− う。この後半のパージ再生工程では吸着塔内に残存する
窒素・酸素混合ガスを高純度の製品窒素ガスで向流方向
に洗い流して塔外に排出し、吸着塔内を窒素ガスで充満
して吸着工程で高純度の製品窒素ガスを取得し易い状態
にする。

前半の大気圧再生工程と後半のパージ再生工程の比率は
、前半の大気圧再生時間を全再生時間の１０〜８０％、
好ましくは１５〜７５％、最も好ましくは２０〜７０％
とし、後半の残りの時間をパージ再生工程とすることに
より、顕著な再生効果が発現される。またパージ再生工
程に於て吸着塔に向流方向に流す高純度窒素ガスの流量
は通常製品窒素取出流量の５〜５０％、好ましくは１５
〜４５％容量、最も好ましくは２０〜４０％容量ｒ′あ
る。

パージ再生工程での時間が短く、また逆流する窒素ガス
の流量があまり小さいとパージの効果が少なく逆に上記
範囲を逸脱して時間または流量を大きく取りすぎると製
品窒素を多量に消費し過ぎて製品窒素の純度及び収率が
低下する。

再生工程における吸着時間が６０秒未満の場合には分子
篩炭素の再生が頻繁に行なわれるｔこめ収率の低下をき
たし、また、自動弁の耐久性の上からもその作動回数が
増える。一方、吸着時間が１８０秒を超えると製品窒素
ガスの取出流量を大きくすることができなくなる。

上記の如き２段階の再生工程を行うことにより、分子篩
炭素の脱着再生は円滑に行われ、吸着容量を有効に利用
することができる。また向流方向に高純度窒素を流すた
め吸着塔上部の窒素純度が高くなり、製品ガスとして高
純度の窒素を取り出すのに好適な状態となる。この再生
工程が終了すると、吸着塔（３）のバルブ（７）、　Ｃ
１５）、　（１９）は閉じられ、必要ならば均圧操作を
施した後、吸着操作を施す。

以上の吸着工程と２段階の再生工程を繰り返し行うこと
により吸着塔内の分子篩炭素の再生は円滑に行われ、吸
着容量を有効に活用できるため高純度の製品窒素ガスを
取り出す事が可能となる。本発明のＰＳＡ操作に於ては
上記吸着工程及び再生工程を含んでいることが必須要件
であるが、必要に応じて、均圧工程、還流工程等を取り
入れ、例えば、吸着工程−均圧工程−再生工程（大気再
生工程・パージ再生工程）−均圧工程−還流工程−吸看
工程の如きサイクルで操作してもよい。均圧工程、還流
工程のどちらかあるいは両方を省略しても本発明の再生
方法はその効果を十分にあげることができる。

ここで「還流工程」とはりザーバータンクより、高純度
窒素ガスの一部を吸着塔内へ戻すが、系列へは排出せず
該窒素ガスを吸着塔内に留め吸着工程での高濃度の窒素
ガスの取り出しを容易にする工程を意味する。

本発明では吸着塔の充填剤として加圧下で単成分吸着を
行った際の酸素と窒素の１分後の吸着量の容量比が３．
５〜１５の分子篩炭素を用いる。この容量比が３．５未
満では酸素／窒素の選択性に乏しく本発明の再生方法の
効果を十分に発現することが困難であり、また１５を上
部る場合には、酸素の吸着容量が比較的少なくなり、十
分な処理能力が得られず、その結果として高純度窒素を
得ることが困難となる。

また本明細書において「酸素と窒素の１分後の吸着量の
容量比」とは２５°Ｃ、２，５Ｊ＋ｆ／ｍ２−Ｇにおけ
る、後述の測定法により測定したＭＢＣ単位重量当りの
１分後の吸着気体容積の比を意味する。

かかる本発明に用いる分子篩炭素は窒素の分離に適した
多数の極めて細かい超ミクロ孔を有する。

窒素の分子径は約３Ａ１酸素の分子径は約２．８Ａと言
われており分子篩炭素の超ミクロ孔はこれらの分子径よ
りやや大きい程度の細孔径を有しているものと推定され
る。この超ミクロ孔内では分子径の小さい酸素分子の拡
散速度が分子径の大きい窒素分子の拡散速度より大きく
、主として仁の拡散速度の差異により窒素と酸素の分離
が可能となるものと考えられる。従って分子篩炭素の酸
素・窒素分離特性は酸素、窒素の拡散速度比（本発明で
は１分後の吸着容量比で表示）が大きく、かつ易吸着成
分である酸素の平衡吸着容量が大きい程優れていること
になる。また、吸着塔への充填密度が大きい方が吸着塔
単位容積当りの酸素吸着容量が向上して好ましい。

かかる空気分離用分子篩炭素は、石炭、ヤシ殻炭あるい
は、種々の合成高分子材料等より製造することができる
。そしてこれらの製造法としては例えば特公昭４９−３
７０３８号公報、特公昭５２−１８８７号公報、特公昭
５２−４７７５８号公報、特開昭５９−４６９１４号公
報、特開昭６１−６１０８号公報、特開昭６２−６８５
１０号公報等に開示されている。

本発明の窒素ガス分離法に適用される分子篩炭素は、公
知の分子篩炭素から適宜選択して使用す硬化性樹脂溶液
及び高分子バインダーを主原料として製造した分子篩炭
素を充填剤として用いた場合、−層好ましい結果が得ら
れる。この特願昭６３−６７１７５号に記載の炭素は、 （４）粒径０．８〜１２０μｍの多数の球状炭素粒子が
三次元的に不規則に重なり且つ合体された構造を有し、 Φ）該多数の炭素粒子の間には三次元的に不規則に走る
連続通路が存在し、 ０該多数の炭素粒子の夫々は、該粒子の間の通路に連通
する多数の細孔を有し、そして（６）少なくとも８５重
ｇｋ％の炭素含有率を有することを特徴とする分子ふる
い炭素 であり、その製造法は （イ）（４）熱硬化性フェノール樹脂微粉末、ここで、
該熱硬化性フェノール樹脂微粉末は （ａ）　粒径１〜１５０μｍのフェノール樹脂の球状−
次粒子またはそれとその二次凝集物からなり、（ｂ）少
なくとも全体の５０重量％は１００タイラーメツシユ篩
を通過し得る大きさであり、（ｃ）ＫＢｒ錠剤法による
赤外線吸収スペクトルにおいて１８００　ａｍ−’　　
のピークの吸収強度をＤｌＢ（１６，９００〜１０１５
０ｍ−’　　の範囲の最も大きなピークの吸収強度をＤ
ｅｏｏ〜＋ｏ１ｓ、　８９０　ａｍ″′１のピークの吸
収強度をＩ）ｓｓｏで表わした場合に下記式 ％式％ を満足し、且つ （（１）還流下でのメタノールに対する溶解度が６０重
量％以下である。

によって特定される。

ＣＢ）熱硬化性樹脂の溶液、 ここで、該熱硬化性樹脂はフェノール樹脂又はメラミン
樹脂である。

および ０高分子バインダー、 ここで、該高分子バインダーはポリビニルアルコールお
よび水溶性又は水膨潤性セルロース誘導体から選ばれる
。

から構成され且つ該熱硬化性フェノール樹脂微粉末（４
）１００重量部当り、該熱硬化性樹脂の溶液の）５〜５
０重量部（固形分として）および高分子バインダー０１
〜３０重量部である均一混合物を準備し、 （ロ）この均一混合物を粒状物に成形し、そして （ハ）この粒状物を、非酸化性雰囲気下、５ｏｏ〜１１
００℃の範囲の温度で、加熱処理して炭化した粒状物を
生成することを特徴とするものである。

また、この分子ふるい炭素は、好ましくは多数の球状炭
素粒子が粒径２〜８０μｍを有し、好ましくは多数の炭
素粒子の間の連続通路の平均直径は０．１〜２０μｍで
ある。

この分子ふるい炭素は、上記（３）、■）の特徴と合俟
って、上記多数の炭素粒子の夫々が、上記粒子間の通路
に連通する多数の細孔を有する。この多数の細孔の存在
が分子ふるい炭素の選択吸着性の発現に大きく寄与して
いる。

多数の炭素粒子の中の該細孔は好ましくは約１０Ａ以下
の平均直径を有する。

また、該細孔の占める容積は分子ふるい炭素の重量１ｆ
当り好ましくは０．１〜０．７ｃｃであり、より好まし
くは０．１５〜０．５ｃｃであり、さらに好ましくは０
．２〜０．４ｃｃである。

該分子ふるい炭素は、組成上の特徴として、少１５− なくとも８５重量％の炭素含有率を有し、好ましくは少
なくとも９０重量％の炭素含有率を有する。

また、該分子ふるい炭素は、気孔率が好ましくは２５〜
５０容積％であり、より好ましくは３０〜４５容積％で
ある。

また、嵩密度が好ましくは０．７〜１．２ｇ／ｃｃであ
り、より好ましくは０．８〜Ｌ１（／／○Ｃである。

該分子ふるい炭素は、上記の如く、好ましくは、平均直
径１０Ｘ以下の細孔を有するが好ましくはこの細孔は平
均直径３〜５Ｘの範囲に最も多く分布している。また、
本発明の分子ふるい炭素は、これより大きい細孔、例え
ば平均直径１５〜２００Ｘの細孔を、通常０．２ｃｃ／
ｆ以下、好ましくは０．１６ｃｃ／ｆ以下、より好まし
くは０．１ｃｃ／ｆ以下の細孔容積でしか有さない点で
も特徴的と言える。

この分子ふるい炭素の比表面積は、Ｎ２吸着によるＢ、
　Ｅ、　Ｔ、法により測定した値として、通常５〜６０
０　ｍ’／ｆ、好ましくは１０〜４００　ｍ’／ｆ。

最も好ましくは２０〜５５０　ｍ’／Ｉ程度である。

この分子ふるい炭素は、例えば直径０．５〜６ｍｍ長さ
１〜１０　ｍｍ程度の円柱状、あるいは直径０．５〜１
０　ｍｍ程度の球状の形態で提供される。

（発明の効果） 本発明の窒素ガスの分離方法はＰＳＡ式窒素ガス分離装
置における新規な操作サイクルを提供するものである。

本発明の窒素ガスの分離法に於いては、上記のごとき、
分子ふるい炭素を充填した２塔以上の吸着塔及びリザー
バータンク、コンプレッサー等を所定の配置で連結し、
自動弁を操作することにより、２段階の再生工程を行う
ことにより製品窒素ガスの到達純度は極めて向上し、収
率も著しく改善されるため、動力原単位も大きく低減す
ることができる。ＰＥＡ式窒素ガス分離装置の操作サイ
クルにおいては吸着剤として用いられる分子ふるい炭素
の吸着容量と選択吸着性をいかに効率よく活用し、易吸
着成分である酸素を吸着除去させるかがその主眼となる
。本発明の窒素ガスの分離方法を行えば、分子ふるい炭
素の脱着再生は円滑に行われ、吸着容量を有効に利用す
ることができる。また、向流方向に製品窒素を流すため
吸着塔上部の窒素純度が高くなり高純度の窒素を取り出
すのに好適な状態となる。

以下実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、実施
例における測定方法について以下に示す。

（１）細孔容積、細孔径分布の測定： 本発明の分子ふるい炭素の細孔容積及び細孔径分布は、
細孔直径６０Ａ〜５００μｍの範囲の細孔については、
ポロシメーターによる水銀圧入法（島津製作所製、ボア
サイザー９３１０）により測定した。

また、細孔直径６０Ａ以下の細孔については、窒素ガス
の吸着等混線により、下記のいわゆるケルビン式により
求めた。

Ｐ　：吸着ガスが細孔に吸着するときの飽和蒸気圧、 Ｐｏ：常態での吸着ガスの飽和蒸気圧、γ　：表面張力
、 ■　＝液体窒素の１分子体積、 Ｒ：ガス定数、 Ｔ　：絶対温度、 γＫ　：細孔のケルビン半径、 細孔のケルビン半径に対する補正は、Ｉ　Ｃｒａｎｓｔ
ｏｎ−Ｉｎｋｌｅｙ　法によりおこなった。

（２）酸素及び窒素の１分後の吸着量及び平衡吸着量の
測定： 本発明に用いる分子ふるい炭素の酸素・窒素の吸着容量
を第２図に示す吸着特性測定装置により測定した。第２
図において、試料室４　（２２６，９ｎｌ　）に約３ｇ
の試料を入れ、バルブ（１す、（８）を閉じ、バルブ（
２）、　（５）を開けて５０分間脱気した後バルブ（２
）、　（，５）を閉じ、バルブ（１１）を開けて調整室
５（２３１，７ｎｌ）内に酸素ガスまたは窒素ガスを送
り込み、設定圧になったところでバルブ（１１）を閉じ
、バルブ（３）を開は所定時間における内部圧力の変化
を測定して、酸素および窒素の各々の吸着量の経時変化
を測定し、吸着開始１分後の酸素吸着量（Ｑｌ）窒素吸
着量（Ｑりより、吸着容量比Ｑ＋／Ｑ！　を計算し、分
子ふるい炭素の性能の指標とした。また上記経時変化が
一定値に安定するまで測定を継続し、酸素平衡吸着量（
ＱＪり及び窒素平衡吸着量も測定した。

測定は測定開始１分後の吸着塔内圧あるいは平衡吸着量
測定時の内圧が２．５　ｋｙｆ／ａｍ”Ｇより大または
小となる点、数点が測定できる様初期設定圧を変えて測
定し、それより２．５　ｋｇｆ／ａｍ２Ｇにおける酸素
及び窒素の１分後の吸着量及び平衡吸着量を求めた。

実施例１ ４００１の反応容器に、塩酸１８％およびホルムアルデ
ヒド９％からなる混合水溶液３００　ｋｊ＋を入れ、温
度を２０℃とした。つぎに、この反応容器に、濃度９８
％（２％は水）のフェノールと水とを用いて調製した濃
度９０％のフェノール水溶液（２０°Ｃ）を１２　ｋｇ
添加した。添加後３０〜４０秒間撹拌し、反応容器内の
内容物が急激に白濁すると同時に撹拌を中止し静置した
。静置を１９一 つづけると内温が徐々に上昇し、内容物は次第に淡いピ
ンクに変色し、白濁してから３０分後にはいずれもスラ
リー状あるいは樹脂状物の生成がみられた。上記工程の
後、引き続いて内容物を７５〜７６°Ｃまで３０分間で
昇温し、この温度で撹拌しながら４０分間保持した。つ
ぎに、この内容物を水洗した後、濃度０．１％のアンモ
ニア水溶液中で、６０℃において６時間中和処理し、つ
いで水洗濾過し８０℃において６時間乾燥した。その結
果、目的とする粒子形状が球状のフェノール！ＯＲ粉末
が得られた。

つぎに上記方法により作製した球状フェノール樹脂１０
　ｋｌを計量し、更に該球状フェノール樹脂粉末１００
重量部に対し、水溶性メラミン樹脂（住人化学（株）製
、スミテックスレジンＭ−３゜固形分濃度８０％）を固
形分の量で２０重量部、重合度１７００けん化度８８％
のポリビニルアルコール４Ｍ量部、馬鈴４＃粉２０Ｍ量
部およびエチレングリコール４重量部を計量した。

上記原料のうちポリビニルアルコールを温水で２Ｏ− ２ＯＮ量％の水溶液となるようＩこ溶解し、このポリビ
ニルアルコール水溶液に水溶性メラミン樹脂、馬鈴薯澱
粉およびエチレングリコールを加えニーグーで１０分間
混合した。その後球状フェノール樹脂を加えて更に１０
分間混合した。

この混合組成物を２軸押出造粒機（不ニパウダル（株）
’Ａ、ペレッタダブ７１／、ＥＸＤＦ−１００型）で押
出し、平均粒子径が３　ｍｍφＸ　８　ｍｍ　Ｌの粒状
体を造粒した。該粒状体を８０°Ｃで２４時間熱処理し
た後、有効寸法８００　ｍｍφｘ２０００ｍｍＬのロー
タリーキルンに入れ、窒素雰囲気下６０’ｃ／ｈｒで昇
温し、８００　”Ｃで１時間保持し、その後炉冷し、平
均粒子径２．４ｍｍφＸ　４　ｍｍ　Ｌのペレット状の
分子ふるい炭素を得た。この分子ふるい炭素のＱｌ、　
Ｑ２．　Ｑｓ及びＱ４はそれぞれ２３．５ｍｙ／ｆ、　
５．０ｍｇ／ｇ、　２７．８ｍｇ／ｆ、　２４．０ｍｇ
／ｆであり充填密度は０．６５０　ｆ／ａｍ’であった
。

次に第１図１こ示す内径５３．５　ｍｍφＸ１２００ｍ
ｍＬの２塔の吸着塔を備えたＰ８Ａ装置の吸着塔に上記
分子ふるい炭素を充填し、第１表に示す操作サイクル及
び操作時間で運転した。以下操作サイクルに従い各工程
を説明する。まず吸着塔（３）は最初の吸着工程では、
第１図に示す弁（４）、　（１Ｇ）が開かれており、（
弁（１３）開）原料空気は空気圧縮機（りにより加圧さ
れ除湿機（２）を通って除湿された後吸着塔（３）に導
入される。吸着塔（３）では酸素及びその他の少量の共
存気体が選択的に吸着され窒素ガスはパイ″：ｊＣ９）
、　（１１）を通りリザーバータンク（１４）に送り込
まれた後バルブ（１５）パイプ（１りより製品ガスとし
て取り出される。この間吸着塔（３ａ、）では再生工程
となり、前半の大気圧再生（弁（７ａン開、弁（４ａ）
、　（１０ｈ）、　（１５ａ）、　（１９）閉）の後パ
ージ再生工程（弁（７ａ）、　（Ｉ　Ｓす、　（１Ｂ）
開、（４ａ）、　（１０ａ）閉）が行われる。吸着梶す
の吸着工程が終了すると弁（す、（１０）は閉じられ吸
着塔（３）は再生工程に移る。吸着塔（３ンの再生工程
のうち前半は弁（７〕が開き向流方向に排気が行われる
大気圧再生工程が行われる。（弁（す、（１す、　（１
３）、　（１り閉）大気圧再生工程が終了すると更に弁
（１３）、（１りが開き（弁（７）開、弁（４）、　（
１０）閉のまま）パージ再生工程が行わ２３− れ、リザーバータンク内の高純度窒素ガスが吸着塔（３
）内に流れ込み、吸着剤より脱着した塔内滞留ガスと共
に弁（７）より系外に排出される。吸着塔（３ａ）は、
吸着塔（３）の再生工程の間、吸着工程が行われる。（
弁（４ａ）、　（１０ａ）開、（７ａ）、　（Ｉ　Ｓ　
ａ）閉）吸着塔（３）のパージ再生工程が終了すると弁
（７）、（１３入（１Ｂ）は閉じられる。次に吸着塔（
３月よ最初の吸着工程（吸着塔（３ａ）は再生工程）に
もどり、同一のサイクルを繰り返す。本実施例において
は、吸着圧力は６　ｋｇｆ／ａｍ２・Ｇとし、パージ再
生のため吸着塔内に向流方向に流した窒素ガス流量は製
品窒素取出量の３０容量％とした。本実施例においては
、吸着（再生）時間を１００秒とし、パージ再生時間の
割合を変えて実験を行い、製品取出量が２．５ＮＩ！／
ｍｉｎ時における製品窒素ガスの酸素濃度を測定した。

その結果を第１表に示す。本発明の範囲の大気圧再生と
パージ再生の割合の場合において良好な純度の窒素ガス
が得られた。

２４一 実施例２ 内径４００　ｍｍφＸ１２００ｍｍＬの２塔の吸着塔よ
りなる第２図と同様のＰ８Ａ装置を作製し、実施例１と
同様に製造した分子ふるい炭素を充填した。用いた分子
ふるい炭素は、平均粒子径２．５ｍｍφＸ　４　ｍｍ　
Ｌのペレット状であり、充填密度は０．８４５ｆ／ｃ−
であった。またＱ１＋　Ｑｔ　＊　Ｑｓ及びＱ４はそれ
ぞれ２　Ｂ、　Ｔ　ｍｙ／９　、８．６　ｍｙ／ダ。

２８、０　ｍｐ／ｆ　、　２４．８　ｍｙ／ｆであった
。本実施例においては、吸着圧力は６　ｋｇｆ／ａｍ”
Ｇとし、製品ガスの取出流量は７　Ｎｍ”／ｈｒとした
。本実施例の操作サイクルを第２表に示す。この操作サ
イクルに従ってパージ用窒素ガス流量を変化させて、装
置を運転した時の製品窒素ガスの酸素濃度を第３表に示
す。本発明の範囲のパージ流量の場合において良好な純
度の製品窒素ガスが得られた。

２６− 実施例３ 内径５　ＩＳ、　５　ｍｍφＸ１２００ｍｍＬの２本の
吸着塔を備えた第１図に示す実施例１と同様の構成のＰ
ＥＡ装置により以下の実験を行った。吸着塔に充填した
分子ふるい炭素は平均粒子径３　ｍｍφの球状であり、
充填密度は０．６６１　ｇ／ｃｍｌＩｓ　Ｑｔ＋Ｑ！、
Ｑ８及びＱ４はそれぞれ２３．７　ｍｙ／ｆ　、　２．
５ｒＢ／ｆ　、　　２６．０　ｍｙ／ｇ、　　２５．６
　ｍｐ／ｇであった。

吸着圧力は７　ｋｐｆ／ａｍ２・Ｇとし、第４表に示す
操作サイクル及び操作時間で運転した。本実施例では、
パージ用窒素ガス流量は製品ガス取出流量の２５％とし
、パージ再生工程と大気圧再生工程の割合は一定とし、
両者の工程の合計時間（すなわち再生時間）を変化させ
た時の製品取出量が２Ｎｌ／ｍｉｎ時における製品窒素
ガスの酸素濃度を測定し、その結果を第４表に示す。

本発明の範囲の再生時間において良好な純度の窒素ガス
が得られた。

２８一 実施例４ 内径６３．５ｍｍφｘ１０００ｍｍＬの２塔の吸着塔を
備えた第２図に示す実施例１と同様な構成のＰＥＡ装置
に２種類の分子ふるい炭素を充填し、ＰＳＡ実験を実施
した。分子ふるい炭素（１）はフェノール樹脂、メラミ
ン樹脂、ＰＶＡを主原料とする合成高分子混合組成物を
出発原料として製造した平均粒子径２．０ｍｍφＸ　４
　ｍｍ　Ｌのペレット状分子ふるい炭素であり、充填密
度はｏ、５４５ｇ／Ｃｍ’ｓ　Ｑｔ、　Ｑ２＋　Ｑｓ及
びＱ４はそれぞれ２２．４ｍｇ／ｆ、　２．７ｍｇ／７
．２７．８ｍｇ／（１，２４，２ｍｇ／ｆであった。分
子ふるい炭素（２）はヤシ殻炭を原料とする分子ふるい
炭素であり、平均粒子径２．０ｍｍφＸ　５　ｍｍ　Ｌ
のペレット状分子ふるい炭素であり、充填密度は０．６
４３　ｇ／ａｍ８、Ｑ＋　、　Ｑｔ、　Ｑｌ及びＱ４は
２２．３ｒＢ／ｇ、　２．８ｍ７／ｇ、　２１７ｍｙ／
ｆ／。

２３、２　ｒｇ／ｆであった。本実施例では、吸着圧力
は５　ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇとし、再生のためのパージ流量
は、製品ガス取出量の２５％容量で行った。本実施例に
おける操作サイクルを第５表に示す。この操作サイクル
によりＰＳＡ装置を実施したときの製品ガスの取出量と
窒素ガスの純度の関係を第３図に示した。

本発明の操作サイクルにおいては、分子ふるい炭素（１
）を用いた場合においてその効果が顕著であった。

３１−

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に用いる装置の一例であり、同図
において、１・・・空気圧縮機、２・・・エアドライヤ
、３．３ａ−吸着塔、４Ｉ　４ａ＋　　７＋　　７ａ＋
１０．１０ａ、１３．１３ａ・・・バルブ、５．５ａ。 ８．９，９ａ＊　　１１，１２．１６・・・パイプ、１
４・・・リザーバータンク、１５・・・バルブである。 第２図は本発明において分子ふるい炭素の分子ふるい特
性を評価するための吸着特性測定装置であり、同図にお
いて、１・・・真空ポンプ、２．５゜８．１１．１２，
１＄・・・バルブ、４・・・試料室、５・・・調整室、
６．７・・・圧力センサー　９・・・記録計、１０・・
・圧力計、１４．１６・・・ガスレギュレーター１６・
・・窒素ボンベ、１７・・・酸素ボンベである。 第３図は、実施例４における製品ガス取出量と純度の関
係を示す線図であり、縦軸には製品窒素ガスの不純物で
ある酸素ガスの濃度を、横軸には製品ガスの取出量を表
わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 分子篩炭素を充填した少なくとも２塔以上の複数の吸着
   塔に加圧空気を供給し、高圧吸着工程と、低圧再生工程
   とをそれぞれの吸着塔で交互に繰り返し、圧力スイング
   吸着法により窒素ガスを分離するに際し、分子篩炭素と
   して加圧下で単成分吸着を行ったときの酸素と窒素との
   １分後の吸着容量比が３．５〜１５の分子篩炭素を使用
   し、原料空気供給側に設けた排気弁を下記式を満足する
   θ＿１（ｓｅｃ）開く大気圧再生工程と、製品窒素取出
   流量の５〜５０容量％の流量で製品窒素ガスを吸着塔内
   に向流方向に下記式を満足するθ＿２（ｓｅｃ）流すこ
   とにより吸着塔の再生工程とを合せてθ（ｓｅｃ）順次
   行うことを特徴とする窒素ガスの分離方法。 ６０（ｓｅｃ）≦θ≦１８０（ｓｅｃ）・・・（１）θ
   ＝θ＿１＋θ＿２・・・（２） ０．１θ≦θ＿１≦０．８θ・・・（３）