JPH0377618A - 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、圧力スイング吸着法を利用したガス分離方法
及び装置等に係り、特に、空気など低濃度の酸素を含有
するガスから酸素を好適に分離濃縮する方法及び装置等
に関する。

〔従来の技術〕

従来、空気などの混合ガスから窒素を吸着して酸素を濃
縮する場合、例えば、５Ａ・１３Ｘ型のゼオライトなど
の固体吸着剤を充填した吸着塔に加圧下で空気を送入し
、窒素を選択的に吸着させ、酸素を製品として取り出す
吸着工程と、吸着工程終了後の吸着塔を真空ポンプなど
の手段によって減圧し、吸着剤中の窒素を脱着する再生
工程と、再生工程終了後の吸着塔を製品酸素あるいは空
気によって吸着工程時の圧力まで昇圧する加圧工程とを
経る様にし、圧力の変化で吸脱着を繰り返して空気から
酸素と窒素とを分離する圧力スイング吸着法がある。

圧力スイング吸着法では、連続して製品を取り出すため
に、前記吸着剤等を充填した吸着塔を複数個配置し、各
吸着塔において前記吸着、再生、加圧の各工程を各吸着
塔前後に設けた弁を順次切り替えることによって行うの
が一般的である。

しかし、同法の既知手段によれば吸着工程においては、
空気から多量の窒素を吸着除去する必要がある。このた
め、再生工程では多量に吸着された窒素を脱着し、吸着
剤を再生する必要がある。

この場合、吸着した窒素をできるだけ完全に脱着するの
が好ましいが、窒素を完全に脱着するためには真空ポン
プ等の手段による高真空下での再生が必要となり、さら
に、長時間を要す、高真空下での吸着剤の再生を行うこ
とは、真空ポンプ等の再生動力が増大する。このため、
現実的な操作としては、吸着・脱着共に不完全な状態で
次の工程に移行させるのが圧力スイング吸着法では一般
的である。また、吸着工程時には原料空気を供給し続け
、所定の製品ガス濃度が得られる様に、吸着塔製品ガス
吐出端において窒素が破過する寸前まで製品ガスの吐出
を続°ける様に操作している。この場合、製品ガス吐出
端に近い吸着剤には窒素がまだ吸着し得る吸着帯を持っ
ており、製品ガスとして取り出せる酸素の一部が残存す
る。この残存酸素は、次の再生工程移行時に真空ポンプ
等の手段によって系外に排気される。したがって、原料
空気の酸素量に対する製品酸素の取り出し量、すなわち
、製品酸素回収効率の低下を招く。

製品酸素回収率低下を防止する手段として、吸着工程時
に吸着塔内の窒素の吸着帯中と吸着塔内の吸着圧力条件
との関係を着目することによって、窒素の吸着帯中を制
御する様にし、吸着塔の負荷効率を向上させ、製品酸素
の回収率向上を計る手段が特開昭５３−１４０２８１号
に記載されている。これは、吸着工程を重塔式で行い、
吸着塔の窒素の吸着帯が製品酸素吐出端に達する以前か
ら吸着塔内を吸着圧力条件よりも減圧させ、製品酸素の
減圧吐出を行い、窒素の吸着帯中を小さくし、製品酸素
吐出端に残存する酸素をできるだけ小さくして製品酸素
の回収率向上をさせる方法である。この方法においては
、吸着圧力に対し減圧終了時の圧力は半分以下にするこ
とが望ましいとされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、吸着塔製品ガス吐出端において窒素の
吸着帯が破過する以前から原料空気の供給を停止し、か
つ、吸着圧力に対して半分以下の圧力まで減圧すること
により窒素の吸着帯中を小さくする様に制御するとされ
ている。この様な方法で、製品酸素吐出端に残存する酸
素を回収しても吐出端からの製品酸素濃度を所定の濃度
に維持する必要があるため、窒素の吸着帯中を小さくす
るには限度がある。また、本方法においては破過する以
前から減圧吐出をするため、破過前の吸着剤が存在する
。これらは、本来窒素の吸着能力を持つものであり、塔
頂部の自らの酸素を減圧によって吐出するものである。

すなわち、この様な吸着剤は原料空気の分離に寄与せず
、吸着塔内の吸着剤を有効に使用していないことになる
。したがって、製品として回収し得る酸素は吸着塔製品
吐出端部に多少残存することになり、製品酸素の回収率
向上の効果は小さくなる点に配慮がされていない。

本発明の目的は、高濃度の製品酸素の回収率を増大し、
かつ、再生時の真空ポンプ等の再生動力を低減し圧力ス
イング吸着法による酸素製造設備の低コスト化を図るこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明のガスの分離方法は、
配管を介して直列に連結された複数の吸着塔のうちの始
めの一つの吸着塔の塔底部より原料ガスを供給し、前記
配管を介して前記直列状態に連結された複数の吸着塔に
順次ガスを流し、前記複数の吸着塔内に吸着成分を吸着
せしめ、前記複数の吸着塔のうちの終わりの一つの吸着
塔の塔頂部より製品ガスを取り出すことを特徴とする。

本発明のガスの分離方法における好ましい具体的として
は、原料ガスの供給とそれに伴う吸着工程を始めの一つ
の吸着塔が原料ガス雰囲気に達するまで継続すること、
吸着工程の終了した吸着塔に真空ポンプによる脱着再生
処理を施すこと、終わりの一つの吸着塔の塔頂部よりの
精製されたガスの取り出を、前記塔頂部に設けた濃度計
により前記ガス濃度を測定しつつ行うこと等を挙げるこ
とができる。

また、本発明のガスの分離方法は、前記複数の吸着塔が
２つの吸着塔からなる場合が最も好適である。

次に上記ガスの分離方法を、少なくとも３塔並列に設け
た吸着塔に適用し、これら各塔を用いて吸着工程、加圧
工程、及び、再生工程を順次行わしめるガスの分離方法
の発明、及び、その具体的Ｊｌｌｔ１は、以下の通りで
ある。

まず、上記ガスの分離方法を、少なくとも３塔並列に設
けた吸着塔に適用した基本的発明は、高吸着及び低吸着
戒分を含む原料ガスを吸着剤を充填した吸着塔へ供給し
て、前記高吸着成分ガスを吸着させる吸着工程と、吸着
工程終了後の吸着塔を減圧して前記吸着剤の高吸着成分
ガスを脱着し、吸着剤を再生する再生工程と、再生終了
後の吸着塔を原料ガスあるいは製品ガスを用いて吸着工
程時の圧力まで昇圧する加圧工程とを少なくとも３塔が
並列に設けられている吸着塔で前記各工程（時間）をず
らして繰り返し行うガスの精製方法において、１Ａ、１
Ｂ及び１Ｃの３吸着塔を並列に配置し１１ｊＦ１Ａ、１
Ｂ及び１Ｃ吸着塔の各塔底部に切替バルブを介して原料
ガス供給端をそれぞれ接続し、かつ、各塔頂部に製品ガ
ス吐出端を切替バルブを介してそれぞれ接続し、さらに
、吸着塔１Ａ塔頂部の製品ガス吐出端からのガス送入端
を切替バルブを介して吸着塔１Ｂ塔底部に接続し、吸着
塔１Ｂ塔頂部の精製ガス吐出端からのガス送入端を切替
バルブを介して吸着塔１Ｃ塔底部に接続し、吸着塔１Ｃ
塔頂部の製品吐出端からのガス送入端を切替バルブを介
して吸着塔１Ａ塔底部に接続する様に構成し、前記吸着
工程を１Ａと１Ｂ吸着塔２塔直列で行う樺にし、該１Ａ
と１Ｂ吸着塔２塔直列での吸着工程を終了した時点にお
いては１Ｂと１Ｃ吸着塔２塔直列で吸着工程を実施し、
次の吸着工程を１Ｃと１Ａ吸着塔２塔直列で順次実施す
る様にして連続的に製品ガスを吐出させる様にし、すな
わち、１Ａと１Ｂ吸着塔が吸着工程にある時はｌＡが前
段吸着塔、１Ｂが後段吸着塔、１Ｂと１Ｃ吸着塔が吸着
工程にある時は１Ｂが前段吸着塔、１Ｃが後段吸着塔、
１ＣとｌＡ吸着塔が吸着工程にある時はｔＣが前段吸着
塔、１Ａが後段吸着塔を受け持つ様にし、さらに、前記
前段吸着塔を受け持った吸着塔においては塔頂部精製ガ
ス吐出端が前記原料ガス雰囲気に達するまで吸着を行な
わせ、その後原料ガスの供給を停止し、前記後段吸着塔
を受け持った吸着塔においては塔頂部製品吐出端から精
製ガスを取り出しつつ、前段及び後段吸着塔内を減圧し
、減圧しながら前段吸着塔の吸着剤中に吸着されている
高吸着及び低吸着戒分を含む混合ガスを脱着し、該脱着
ガスを前段吸着塔塔頂部製品吐出端から後段吸着塔塔底
部ガス送入端を通して後段吸着塔内に供給し、後段吸着
塔内の吸着剤に前記脱着ガス中の高吸着成分を吸着し、
低吸着戒分をも製品ガスとして取り出すことを特徴とす
るものである。

そして、その具体的な好ましい態様としては、吸着工程
時に原料混合ガス供給停止後、前段及び後段吸着塔を減
圧する時間を他塔が前記加圧工程にある時間の前半ある
いは後半の時間帯に合せること、吸着工程時に原料混合
ガス供給停止後、前段及び後段吸着塔を減圧する手段を
吸着工程時にある後段吸着塔の低吸着戒分ガス吐出端の
下流側を真空ポンプあるいは吸引ブロアーで行うこと、
吸着工程時間ｔ１と吸着工程時に原料混合ガスの吸着塔
への供給を停止する時間ｔ２とを０．０１５＜　Ｌｔ／
ｌ＋＜０．５とすること、吸着工程時に原料混合ガスの
供給停止前の圧力Ｐ１と原料混合ガス供給停止後の圧力
Ｐ２とを０．５　＜Ｐ２／Ｐ１　＜０．９９とすること
等を挙げることができる。

また、本発明のガスの分離装置は、複数の吸着塔を並列
に配置し各吸着塔の各塔底部に切替バルブを介して原料
ガス供給端をそれぞれ接続し、かつ、各塔頂部に製品ガ
ス吐出端を切替バルブを介してそれぞれ接続し、さらに
、それぞれの吸着塔の塔頂部の製品ガス吐出端からのガ
ス送入端を切替バルブを介して順次直列に他の吸着塔の
塔底部に接続する様に構成したことを特徴とする。

さらに、上記本発明のガスの分離装置を組み込んだ装置
の発明として、前記ガスの分離装置の製品ガス吐出端側
に製品タンク、圧縮機又は吸引ブロアー、バッファタン
ク、酸素濃度計、石炭ガス化炉、複合発電プラントを連
設したことを特徴とする複合発電システムの発明、前記
ガスの分離装置の製品ガス吐出端側に製品タンク、圧縮
機又は吸引ブロアー、バッファタンク、酸素濃度計、オ
ゾン発生器を連設したことを特徴とするオゾン発生シス
テムの発明、前記ガスの分離装置の製品ガス吐出端側に
製品タンク、圧縮機又は吸引ブロア、バッファタンク、
酸素濃度計、溶鯛炉を連設したことを特徴とする製鋼用
システムの発明等を挙げることができる。

〔作　用〕

本発明のガスの分離方法は、配管を介して直列に連結さ
れた複数、最も好ましくは２つ、の吸着塔のうちの始め
の一つの吸着塔の塔底部より原料ガスを供給し、前記配
管を介して前記直列状態に連結された複数の吸着塔に順
次ガスを流し、前記複数の吸着塔内に吸着成分を吸着せ
しめ、前記複数の吸着塔のうちの終わりの一つの吸着塔
の塔頂部より製品ガスを取り出す構成としているから、
所要の製品ガス濃度は、前記路わりの一つの吸着塔の塔
頂部の製品吐出端において保持されるようにすれば足り
、したがって、吸着工程において前記始めの一つの吸着
塔における遊離の製品ガス、例えば酸素、を残留させる
ことなくすべて回収することができるのみならず、吸着
剤に一部吸着している製品ガスまでも回収することがで
き、製品ガス回収効率が著しく向上するものである。し
かも、吸着工程の終了した前記吸着塔に脱着再生工程を
施す場合、前記吸着塔においては、吸着塔に吸着されて
いるガス量が上記従来例よりも減少しており、さらに、
再生時の圧力も上記従来例よりも低い状態にあるため、
所定の再生圧力まで減圧・再生する真空ポンプの負荷が
小さくなり、動力を小さくできるものである。

本発明のさらに詳細な作用について、本発明を３塔並列
に設けた吸着塔に適用した場合について第１図を用いて
説明する。切替弁１２Ａ、　Ｉ１Ｂ、　１２Ｂ、ＩＩｃ
、１５Ａ、１６Ａ、１６Ｂ、１５Ｃ，１４Ｂ、１４Ｃを
閉、切替弁１１Ａ、１４Ａ、１５Ｂ、１９を開の状態で
原料空気を大気中から配管２１を通して圧縮機３により
切替弁１１Ａを介して供給端９０Ａから吸着塔１Ａ（前
段吸着塔）に目的とする吸着圧力Ｐ、を保持して供給す
る。吸着塔１Ａでは、原料空気中の窒素を吸着し製品吐
出端１００Ａが空気雰囲気になるまで原料空気の供給を
続け、酸素を粗濃縮する。

この場合、吸着剤には窒素以外に酸素も多少吸着される
。吸着塔１Ａで粗濃縮した酸素を製品吐出端１００Ａか
ら吐出し、切替弁１４Ａを介して供給端９０Ｂから吸着
塔１Ｂ（後段吸着塔）に供給し、該吸着塔１Ｂの吸着剤
により窒素を殆んど吸着し目的とする高濃度の酸素を：
ａ縮する。濃縮酸素は吐出端１００Ｂから切替弁１５Ｂ
、　１９を介して製品タンク２に貯蔵する。この間、吸
着塔１人の製品吐出端１００Ａにおいて空気雰囲気、す
なわち、吸着塔１Ａにおいて窒素の吸着帯が全く存在し
ない状態になった後、切替弁１１Ａを閉じ吸着塔１Ａへ
の原料空気の供給を停止する。原料空気の供給を停止し
た時点においては、切替弁１４Ａ、１５Ｂ、１９は開の
状態とし吸着塔１Ｂにおいては窒素の吸着帯が製品吐出
端１００Ｂにおいて極小になるまで所定の高濃度の酸素
を取り出しながら、切替弁１５Ｂ、　１９を介して製品
タンク２に貯蔵する。この操作により、吸着塔１Ａ及び
１Ｂを目的とする圧力Ｐ！まで減圧し、圧力Ｐ２まで減
圧すると同時に吸着塔１Ａの吸着剤に吸着されている酸
素及び窒素の一部を脱着する。該脱着酸素及び窒素は、
製品吐出端１００Ａから切替弁１４Ａを介して供給端９
０Ｂから吸着塔１Ｂに移行する。ここで、移行窒素は吸
着塔１Ｂ充填吸着剤に再吸着し移行酸素は吸着塔１Ｂで
製品として取り出される高濃縮酸素と併合して製品吐出
端１００Ｂから切替弁１５Ｂ、１９を介して製品タンク
２に貯蔵する。吸着塔１Ａ及び１Ｂ２塔直列で吸着工程
を実施している間、吸着塔１Ｃでは切替弁１６Ｃを閉、
１２Ｃを開として真空ポンプ４により吸着塔１Ｃ充填吸
着剤に吸着されている酸素・窒素を脱着し、該吸着剤を
再生する再生工程を実施する。再生工程終了時点におい
て切替弁１２Ｃを閉じ、真空ポンプ４を停止し、次いで
切替弁１６Ｃを開とし製品タンク２から製品の一部を切
替弁１６Ｃを介して吸着塔１Ｃに送り、次の吸着工程を
経るための準備として所定の吸着圧力まで昇圧し加圧工
程を実施する。

上記動作を終了した時点で、吸着塔１Ａ及び１Ｂ２塔直
列の吸着工程を終了する０次の吸着工程を経る吸着塔は
吸着塔１Ｂ（前段吸着塔となる）と前記加圧工程を終了
した吸着塔１Ｃ（後段吸着塔となる）２塔直列で行ない
、上記動作を繰り返す。この間、前記吸着工程を終了し
た吸着塔１Ａは切替弁１２Ａを介として真空ポンプ４に
より吸着塔１Ａ充填吸着剤を脱着・再生する再生工程を
実施し、配管２３を介して系外に排気したのち切替弁１
２Ａを閉じ、真空ポンプ４を停止し切替弁１６Ａを開と
して製品タンク２から製品の一部を受け入れ吸着圧力ま
で昇圧する加圧工程を実施する。

上記の動作を繰り返すことによって、高濃度の製品酸素
の取出し量を増大できるため、製品酸素の回収率を大幅
に向上できる。また、再生工程を実施する吸着塔は既に
吸着圧力Ｐ１からＰ２に降圧されて吸着剤中の吸着ガス
が脱着された状態にある。

このためミ再生工程にある吸着塔は吸着剤に吸着されて
いるガス量が減少しており、さらに、再生時の圧力Ｐｔ
は低い状態にあるので、所定の再生圧力まで減圧・再生
する真空ポンプの負荷が小さくなり、動力を小さくでき
る。

ところで、従来圧力スイング吸着装置゛及び運転法に関
しては、例えば特開昭５４−２４２７８号等に記載され
ている様に、前記吸着工程、再生工程及び加圧工程を経
る以外に均圧化工程を導入し、本発明法と同様、製品酸
素の回収率向上を図ることを巨的としている。

ここで、本発明法と均圧化工程との違いを明確にするた
めに、第２図を用いて説明する。第２図には、均圧化工
程を実施し得る概略フローを示した。第２図において、
切替弁３０６．３０７．３０９．３１１を閉、３０５．
３１０を開の状態で原料空気３００は切替弁３０５を介
して吸着塔３０３に供給され、吸着工程が実施される。

製品酸素は、切替弁３１０を介して３１２を経て製品タ
ンク　（図示しない）等に貯蔵される。

この間、吸着塔３０４は切替弁３１１閉、３０８開の状
態で真空ポンプ３０１によって吸着塔３０４充填吸着剤
が減圧・再生される。この後、切替弁３０５．３０６．
３０７゜３０８、３１０．３１１を閉として原料空気３
００の供給及び真空ポンプ３０１が停止される。この状
態では吸着塔３０３の圧力Ｐ、と吸着塔３０４の圧力Ｐ
、はｐ、＞ｐ、となっている、この状態において、切替
弁３０９を開と。

し吸着塔３０３及び３０４間の均圧化が実施される。均
圧化工程では、吸着塔３０３内のガスが切替弁３０９を
介して吸着塔３０４に導入され、吸着塔３０３が減圧、
吸着塔３０４が加圧された状態となり、圧力Ｐ、とＰ。

は均等圧力となる０次いで、吸着塔３０３は、再生工程
に入り、吸着塔３０４は切替弁３０７を開として原料空
気３００を導入、あるいは、切替弁３１１を開として製
品を送り込み、所定の吸着圧力まで昇圧され、加圧工程
が実施される。均圧化工程の特徴は、１つには吸着塔３
０３においては高濃縮酸素がかなり多量に（吸着塔の半
分以下が高濃縮酸素で満たされる場合も有る）残存した
状態で吸着工程を終了するところにある。これは、吸着
塔３０４に均圧化時に高濃縮酸素を導入し、該吸着塔３
０４が次の吸着工程を実施する際に、高ｔＸ縮酸素が吐
出できるからである。また、２つには均圧化は通常、ガ
ス流れから見て吸着塔頂間からガスの授受が行なわれる
ことにある。これは、吸着塔３０３の塔頂から吸着塔３
０４塔底部に高濃縮酸素が導入された場合は、吸着塔３
０４充填吸着剤中には未だ不完全な再生状態にあり、窒
素が吸着されている。この窒素が、高濃縮酸素導入の際
に吸着塔３０４塔頂部に押し上げられる。このため、吸
着塔３０４が次の吸着工程を実施する時に低濃縮酸素が
吐出されるからである。さらに、他には均圧化工程時に
は吸着塔３０３からの製品酸素の吐出は行なわれない、
これは、吸着塔３０３から切替弁３１０を介して製品酸
素を取り出しながら切替弁３０９を開として均圧化を実
施すると、吸着塔３０４へのガスの移行量が減少し所定
圧力に均圧化できないし、吸着塔３０３塔頂部から低ｆ
ｉ縮酸素が吐出される様になり、製品の濃度低下、ある
いは、吸着塔３０４塔頂上部に低濃度酸素が存在する様
になる。このため、吸着塔３０４が次の吸着工程を実施
する時に低濃度酸素が吐出されるからである。

以上のことから、前記本発明による２塔底列での吸着工
程実施と上記均圧化工程との違いが理解できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図により説明する。４個
の吸着塔１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及びＩＤを有しそれぞれ原料
ガス供給切り替え用の弁１１Ａ−Ｄ。

減圧時脱着ガス抜き出し切り替え用の弁１２Ａ−Ｄ、直
列接続時の最前段吸着塔から最後段吸着塔へのガス送入
切り替え用の弁１４Ａ−Ｄ、製品ガス抜き出し切り替え
用の弁１５Ａ　−Ｄ、製品ガス加圧用の切り替え弁１６
Ａ−Ｄ、原料ガスを圧送するための圧縮機３、吸着剤の
脱着再生用真空ポンプ４から構成されている。

原料ガスとしての空気２１は、圧縮機３により目的とす
る吸着圧力Ｐ１まで加圧され後、弁１１で選択された吸
着塔ｌに供給される。吸着工程で分離濃縮された酸素は
、弁１６で選択された吸着塔１から吐出され製品タンク
２に一時的に貯えられ、大部分が製品酸素として系外に
取り出される。製品タンク２に貯えられた酸素の一部は
、弁１５で選択された吸着塔１に送られ加圧に使用され
る。′＠着剤再生時の脱着ガスに関しては、再生工程時
に弁１２で選択された吸着塔１から真空ポンプ４で吸引
され、配管２３から大気に放出される。

４個の吸着塔１Ａ、１Ｂ、１Ｃ，ＩＤでは経時的に吸着
、加圧、再生の各工程が繰り返されるが、繰り返し操作
及び時間は組成されたサイクルシーケンスで任意に設定
することにより作動される。

組成されたサイクルシーケンスで、上記各３工程におい
て吸着塔１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及びＩＤ塔が６０秒切り替え
、すなわち、１サイクル６０秒ｘ　４　＝　２４０秒で
作動した場合を例にとり、更に詳細に説明する。

まず、■サイクル時には吸着塔１Ａと１ＢＺ塔直列が吸
着工程にあるときは、吸着塔１Ｃが加圧工程、吸着塔Ｉ
Ｄが再生工程にある。この場合の圧力の経時変化の一例
を第４図に示す、第４図には、各吸着塔１Ａ、１Ｂ、１
Ｃ及びＩＤの各工程時の作動時間に対する圧力の変化を
示した。圧縮機３で１．２ａｔａに加圧された空気が弁
１１Ａを通り吸着塔１Ａに供給される。前段吸着塔１Ａ
において、Ｐ＋　＝　１．２ａｔａの吸着圧力で粗濃縮
された酸素は弁１４Ａを通り、吸着塔１Ｂに送られ、更
に濃縮される。

ここで、第４図に示した様に前段及び後段吸着塔１Ａ、
１Ｂのそれぞれの吸着塔が、吸着工程時間ｔ、＝６０秒
経過する間の後半に、前段吸着塔１Ａへの原料空気の供
給を弁１１Ａを閉とし、時間１１を１ないし３０秒の範
囲で原料空気の供給を停止させる。

これと同時に、弁１４Ａ及び弁１５Ｂを開のまま吸着圧
力Ｐ１をＰ！が０．６ないし１　、１８８ａ　ｔａにな
る様に降圧させる。この間に、後段吸着塔１Ｂからは酸
素の取り出しを続けると共に、Ｐ、−Ｐｔ降正正相当量
酸素・窒素が前段吸着塔１Ａの吸着剤から脱着され、該
吸着剤の一部が再生される。この脱着酸素・窒素は弁１
４Ａを通り、後段吸着塔１Ｂに送られ、該１Ｂ吸着塔吸
着剤に窒素が吸着されて酸素は後段吸着塔１Ｂで分離濃
縮された酸素と併合され、弁１５Ｂを通して製品酸素と
して製品タンクに貯蔵される。後段吸着塔１Ｂでは、該
吸着塔１Ｂ塔頂に設けた酸素濃度計（図示しない）で窒
素が破過しない様に監複され、目的とする高濃度の製品
酸素が取り出せる様になっている。

一方、加圧工程にある吸着塔１Ｃでは、弁１５Ｃが開、
弁１４Ｂ、１４Ｃ，Ｉ１Ｃ，１２Ｃ，１６Ｃが閉の状態
で弁１６Ｃを通し製品タンク２に貯留された製品酸素の
一部が弁１６Ｃを介して吸着塔１Ｃ内に送り込まれ、吸
着圧力Ｐｌ＝１．２ａｔａまで加圧される。再生工程に
ある吸着塔ｌＤでは、弁１２Ｄが開、弁１５Ｄ、１６Ｄ
、１４Ｃ，１４Ｄ、ＩＩＤが閉の状態で真空ポンプ４に
より吸着塔ＩＤの吸着剤の吸着ガスを脱着し、該吸着剤
が再生され、弁１２Ｄを通して配管２３から大気に放出
される。再生工程に移行される場合は、前段吸着塔から
移行されるので、再生時の圧力はＰ２から目的とする再
生圧力Ｐｄまで真空ポンプ４により吸着剤が減圧・再生
される。

以下、第４図に示した２、３及び４サイクル時における
上記各工程の一連の操作、手段等は同じである。以下に
は、各吸着塔１Ａ、１Ｂ、１Ｃ。

ＩＤが順次上記各工程に移行され、あるいは、移行した
後の弁の作動状態を述べる。

２サイクル時においては、吸着塔１Ｂ及び１Ｃが吸着工
程に移行され、この間、吸着塔ＩＤ、１Ａがそれぞれ加
圧工程、再生工程に移行される。

原料空気は弁１１Ｂを通して吸着塔１Ｂに供給され、こ
こで粗濃縮された酸素は弁１４Ｂを通して吸着塔１Ｃに
送られ、更に濃縮される。吸着時間ｔ２経過する間の後
半の空気の停止は弁１１Ｂが閉にされる。

Ｐ、をＰ２に降圧させたときの脱着酸素・窒素は、弁１
４Ｂを通して吸着塔１Ｃに移行され、移行酸素は製品酸
素として製品タンク２に貯蔵される。この間、吸着塔Ｉ
Ｄでは弁１６Ｄ開、弁１４Ｃ，１４Ｄ、　１５Ｄ、ＩＩ
Ｄ、１２Ｄが閉の状態で１６Ｃを通して製品酸素が製品
タンク２から送り込まれ、吸着圧力Ｐ、まで加圧される
。吸着塔１Ａでは、弁１２Ａが開、弁１５Ａ、１６Ａ、
１４Ｄ、１４Ａ、Ｉ１Ａが閉の状態で真空ポンプ４によ
り吸着剤が再生される。

３サイクル時においては、吸着塔１Ｃ及びＩＤが吸着工
程に移行され、吸着塔１Ａ、１Ｂがそれぞれ加圧工程、
再生工程に移行される。空気は弁１１Ｃを通して吸着塔
１Ｃに供給され、ここで粗濃縮された酸素は弁１４Ｃを
通して吸着塔ＩＤに送られ、更に濃縮される。吸着時間
ｔ、経過する間の後半の空気停止は、弁ｌ１Ｃが閉にさ
れる。ｐ＋＠ｐｚに降圧させた時の脱着・窒素は、弁１
４Ｃを通して吸着塔ＩＤに送られ、送られた酸素は製品
酸素として弁１５Ｃを通して製品タンク２に貯蔵される
。この間、吸着塔１Ａでは弁１６Ａが開、弁１５Ａ、１
４Ａ。

１１Ａ、１２Ａ、１４０が閉の状態で１６Ａを通して製
品酸素が製品タンク２から送り込まれ、前記Ｐ、まで加
圧される。吸着塔１Ｂでは、弁１２Ｂが開、弁１４Ａ、
Ｉ１Ｂ、１４Ｂ、１５Ｂ、１６Ｂが閉の状態で真空ポン
プ４により吸着剤が再生される。

４サイクル時には、吸着塔ＬＤ及び１Ａが吸着工程に移
行され、吸着塔１Ｂ、１Ｃがそれぞれ加圧工程、再生工
程に移行される。空気は弁１１Ｄを通して吸着塔ｌＤに
供給され、ここで粗濃縮された酸素は弁１４Ｄを通して
吸着塔１Ａに送られ、更に濃縮される。吸着時間１１経
過する間の後半の空気停止は、弁１１Ｄが閉にされる。

ＰＩをＰｔに降圧させた時の脱着酵素・窒素は、弁１４
Ｄを通して吸着塔１Ａに送られ、送られた酸素は製品酸
素として弁１５Ａ及び弁１９を通して製品タンク２に貯
蔵される。この間、吸着塔１Ｂでは弁１６Ｂが開、弁１
５Ｂ。

１４Ａ、１４Ｂ、Ｉ１Ｂ、１２Ｂが閉の状態で１６Ｂを
通して製品酸素が製品タンク２から送り込まれ、前記圧
力Ｐ１まで加圧される。吸着塔１Ｃでは、弁１２Ｃが開
、弁１４Ｂ、１５Ｃ，１６Ｃ，１４Ｃ，ＩＩＧが閉の状
態で真空ポンプ４により吸着剤が再生され、再生ガスは
配管２３を通して大気に放出される。４サイクル時の各
吸着塔１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及びｌＤの上記各工程を終了す
ると、該各吸着塔１Ａ、１Ｂ。

１Ｃ及びＩＤは１サイクル時と同じ工程を経る。

〔実施例１〕 第３図に示す装置により、最前段及び最後段吸着塔の吸
着時間ｔ、を６０秒、原料空気停止時間ｔ！を０から４
２秒の範囲で操作を実施した。実施に当っては、吸着圧
力Ｐ＋　＝　１．２ａｔａ、原料空気供給停止後の降圧
圧力Ｐ！を０．９ａｔａとした。

結果を第５図に示す、第５図には、上記ｔ２と１１との
比ｈ／ｌ＋と製品酸素の回収率との関係を示した。ここ
で、製品酸素の回収率は原料空気供給量Ｇ　（Ｎ１／ｈ
）、酸素濃度Ｇｏｔ、製品酸素流量Ｑ　（Ｎｍ”／ｈ）
、製品酸素濃度Ｑ　Ｏｚとしたときに（ＱＸＱＯ１／Ｇ
ｘＧＯｔ）　ｘｌｏｏ（％）で表わした。第４図から、
Ｌｘ／　ｔ＋−０，２５において製品酸素の回収率が大
きく、ｈ／ｌ＋−０，２５より小さく、あるいは、大き
くなっても製品酸素の回収率は小さくなる。しかし、１
゜／１＋＝０、すなわち、空気供給を停止しない場合（
・印）に比べ、ｔｔ／ｌ＋−０，５迄は製品酸素の回収
率は大きくなっており、ｔｔ／　ｔ＋　＝０．５以上に
なると製品酸素の回収率は小さくなっている。

これより、ｔ！／ｌ＋を０．０１５＜　ｈ／　ｔ＋　＜
０．９９の条件で製品酸素の回収率を向上できることが
わかる。

〔実施例２〕 第３図に示す装置により、最前段及び最後段吸着の吸着
圧力Ｐ＋＝１．２ａｔａ、原料空気供給停止後の降圧圧
力Ｐ２を０．５ａｔａまで変化させて操作を実施した。

実施に当っては、吸着時間ｔ、を６０秒とし空気停止時
間ｔ２を１５秒とした。

結果を第６図に示す、第６図には、上記Ｐ、とＰ。

との比Ｐ　Ｉ／　Ｐ　！と製品酸素の回収率との関係を
示した。

ｐｇ／ｐ＋　＝０．７５のときが製品酵素の回収率が５
０％と最も大きく　、ｈ／Ｐ＋　＝０．７５より小さく
、あるいは大きくなっても製品酸素の回収率は低下する
。

しかし、Ｐ！／Ｐｌ＝１．Ｏｌすなわち、空気供給をし
ない場合（・印）に比べ、ｐ　ｚ　／　ｐ　＋がＱ、　
５　＜Ｐ！／ＰＩ＜０．９９では製品酸素の回収率は大
きく、Ｐｔ／Ｐ、＜０．５になると製品酸素の回収率は
低下する。これより、Ｐ　！　／　ｐ　＋を０．５　＜
Ｐ！／ＰＩ＜０．９９の条件が製品酸素の回収率を向上
できることがわかる。

実施例１及び２の結果は、第７図及び第８図を用いて説
明でき、理解できる。第７図には従来法の単塔弐での吸
着工程時の空気供給停止前（吸着工程ａ）と停止後（吸
着工程ｂ）における吸着塔内の状態を示す。吸着工程ａ
において、窒素の吸着帯が吐出端に近づかない以前に空
気を停止した後、吸着工程すの状態にする。吸着工程す
では、降圧しながら窒素の吸着帯を吐出端に十分に近づ
ける様にして高濃度の製品酸素を吐出させる。吸着工程
す吐出端では、高濃度の製品酸素を吐出させるためには
、窒素の吸着帯を吐出端に近づけるのには限度がある。

したがって、吸着工程すでは降圧後吐出端に高濃度の酸
素の一部が残存する。

この結果、吸着工程すを終了し再生工程に移行した時に
は、吐出端の残存酸素が系外に排気されてしまうため、
製品酸素の回収率向上の効果は小さくなることがわかる
。

これに対し、本発明法による製品酸素の回収率向上の効
果が大きくなることは、第８図により説明でき、理解し
得る。吸着工程Ｉでは、最前段吸着塔１Ａの吐出端にお
いて空気雰囲気になるまで十分に吸着分離を行なわせる
。一方、最後段吸着塔１Ｂでは高濃度の酸素を吐出する
ために、吐出端には高濃度の酸素が一部残存する。しか
し、吸着工程■に移行した際には、吸着塔１Ｂが最前段
吸着塔となり、吐出端が空気雰囲気になるまで十分に吸
着分離を行なう。このため、吐出端に残存している高濃
度の酸素の一部は吸着塔１Ｃに送られる。したがって、
吸着塔１Ｂが再生工程に移行しても吐出端に高濃度の酸
素が残在しないため、系外に排気される酸素量は少なく
なり、製品酸素の回収率向上の効果が大きくなることが
わかる。

さらに、吸着工程Ｉにおいて吸着時間ｔ１を経過する間
の後半にｔ２時間空気供給を停止し、かつ、吸着圧力Ｐ
、をＰ２に降圧する操作を採り入れている。

これにより、最前段吸着塔１Ａの吸着剤から吸着酸素・
窒素の一部を脱着し、この脱着酸素・窒素を最後段吸着
塔１Ｂに送り、窒素を吸着し酸素を吐出端から吸着塔１
Ｂで１縮した酸素と併合して取り出されるため、より以
上の製品酸素の回収率の向上効果が大きくなることがわ
かる。

〔実施例３〕 第３図に示す装置により、吸着工程時の後半にｔ！時間
空気供給を停止し、Ｐ２まで圧力を降圧した場合としな
い場合について再生工程時の真空ポンプの再生動力を求
めた。吸着圧力Ｐ１を１．２ａｔａ、目的とする再生圧
力Ｐｄを０．４６ａｔａとし、Ｐｔを０．９ａｔａとし
て実施した。

第９図に、吸着圧力Ｐ１からＰ２に降圧した場合としな
い場合の圧力の経時変化を示した。上記の再生動力は、
真空ポンプの実動力Ｗｏ　（ｋｗ）、製品酸素の回収量
Ｑｄ（Ｎｍ’／ｈ）、製品酸素濃度Ｑ　Ｏｔとしたとき
に、Ｗｏ／（Ｑｄ　ＸＱＯｚ）（ｋｗｈ／Ｎｓ”−０ｚ
）で表わした。

真空ポンプの再生動力は、空気供給を停止しない場合０
．３５ｋｗｈ／Ｎｍ’−Ｏｘ、空気供給を停止しＰｔま
で降圧した場合０．２９ｋｗｈ／Ｎｎ’−Ｏｘとなり、
Ｐ２まで降圧して再生した場合には約１７％真空ポンプ
の再生動力が低減できた。

これは、Ｐ！まで降圧した場合はＰ＋　　Ｐｚ降圧相当
量の酸素・窒素が吸着剤から脱着されたことによる。す
なわち、再生時に真空ポンプによって排気される吸着剤
からの脱着ガス量がｈ　　ｈ降圧相当量減少し、その分
真空ポンプの排気負荷が小さくなるため、再生動力が低
減できる。

〔実施例４〕 第３図に示した装置を用い、空気供給停止時に圧力をＰ
２まで降圧する手段を、吸着工程時にある吸着塔１Ａ、
１Ｂ以外の吸着塔が製品タンク２からの製品酸素により
加圧している加圧工程時に行った。

この結果、０．０１５　＜　ｔｚ／　ｔｒ　＜　０．５
．０．５　＜ｐｇ／ｐ＋＜０．９９の条件では実施例１
と同じ製品酸素の回収率が得られた。これは、製品タン
クから加圧工程にある吸着塔に製品酸素を送る時に、製
品タンクはＰｌの圧力より減少するため、吸着工程時に
ある狡着塔を吸引するからである。

〔実施例５〕 第３図に示した装置を用い、空気供給停止時に圧力をＰ
２まで降圧する手段を、製品タンク２の吐出部２２に吸
引ブロアー及び真空ポンプを設けることにより行った。

この結果、０．０１５＜　ｔｔ／　ｔｒ　＜　０．５．
０．５　＜ＰＺ／Ｐ、＜０．９９の条件では実施例１と
同じ製品酸素の回収率が得られた。

〔実施例６〕 第３図に示す装置を用い、重塔式吸着操作により空気か
ら酸素を濃縮する方法を試みた。この場合、吸着塔１Ａ
、１Ｂ及び１Ｃを用い、吸着塔ｌＡが吸着工程にあると
きは吸着塔１Ｂが加圧工程に、吸着塔１Ｃが再生工程を
経る様にした。この際、吸着工程時間ｔｌを６０秒とし
、空気停止時間１ｇとの比を０．０１５＜　ｔｚ／　ｔ
ｒ　＜　０．５とした。このときに、吸着圧力ＰＩを１
．２ａｔａとし、降圧圧力Ｐ２を０．５＜　Ｐ　ｔ／　
Ｐ　ｒ　＜　０．９９と従来法の０．５　＞Ｐｔ／Ｐ＋
の条件で実施した。

本発明法の条件０．０１５＜　ｔｚ／　ｔｒ　＜　０．
５．０．５＜ｈ／Ｐ＋＜０．９９では製品酸素の回収率
は３８％ないし４０％となったが、従来法の条件０．５
　＞Ｐｔ／Ｐ＋では製品酸素の回収率は３８％以下とな
った。このことから、重塔式吸着でも本発明法により製
品酸素の回収率の向上ができることがわかった。

なお、本発明法の実施に当っては、原料空気からの酸素
を濃縮する方法に限定するものではなく、他の原料ガス
から目的とする成分を１ｗ！ｉする場合にも適用できる
。

なお、第１０図に本発明のガスの分離装置を組み込んだ
圧力スイング吸着装置フロー、第１１図に本発明のガス
の分離装置の複合発電システムへの応用例、第１２図に
本発明のガスの分離装置のオゾン発生システムへの応用
例、第１３図に本発明のガスの分離装置の製鋼用システ
ムへの応用例をそれぞれ、示した。

〔発明の効果〕

本発明法によれば、製品酸素等の製品ガスの回収率を大
幅に（例えば１０％以上）向上でき、かつ、吸着剤再生
用真空ポンプの動力を著しく（例えば約１７％）減少で
きるので、圧力スイング吸着法による酸素製造装置等の
ガスの分離装置の低コスト化が図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法の要旨を示す要部説明図、第２図は従
来の均圧化工程内容の説明図、第３図は本発明法を実施
するための装置フロー図、第４図は本発明法における圧
力の経時変化模式図、第５図及び第６図は本発明法の実
施結果図、第７図は従来引例法の吸着塔吸着的吸着態様
の模式図、第８図は本発明法による吸着塔内態様の模式
図、第９図は本発明法による再生工程の圧力経時変化の
模式図、第１０図は本発明のガスの分離装置を組み込ん
だ圧力スイング吸着装置フロー図、第１１図は本発明の
ガスの分離装置の複合発電システムへの応用例を示す図
、第１２図は本発明のガスの分離装置のオゾン発生シス
テムへの応用例を示す図、第１３図は本発明のガスの分
離装置の製鋼用システムを示す図である。 ■・・・吸着塔、２・・・製品タンク、３・・・圧縮機
、４・・・真空ポンプ、１４・・・切替弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、配管を介して直列に連結された複数の吸着塔のうち
   の始めの一つの吸着塔の塔底部より原料ガスを供給し、
   前記配管を介して前記直列状態に連結された複数の吸着
   塔に順次ガスを流し、前記複数の吸着塔内に吸着成分を
   吸着せしめ、前記複数の吸着塔のうちの終わりの一つの
   吸着塔の塔頂部より製品ガスを取り出すことを特徴とす
   るガス分離方法。 ２、原料ガスの供給とそれに伴う吸着工程を始めの一つ
   の吸着塔が原料ガス雰囲気に達するまで継続することを
   特徴とする請求項１記載のガスの分離方法。 ３、吸着工程の終了した吸着塔に真空ポンプによる脱着
   再生処理を施すことを特徴とする請求項１乃至請求項２
   記載のガスの分離方法。 ４、終わりの一つの吸着塔の塔頂部よりの精製されたガ
   スの取り出し、前記塔頂部に設けた濃度計により前記ガ
   ス濃度を測定しつつ行うことを特徴とする請求項１乃至
   請求項３のいずれかの項記載ガスの分離方法。 ５、複数の吸着塔が２つの吸着塔からなることを特徴と
   する請求項１乃至請求項４のいずれかの項記載ガスの分
   離方法。 ６、高吸着及び低吸着成分を含む原料ガスを吸着剤を充
   填した吸着塔へ供給して、前記高吸着成分ガスを吸着さ
   せる吸着工程と、吸着工程終了後の吸着塔を減圧して前
   記吸着剤の高吸着成分ガスを脱着し、吸着剤を再生する
   再生工程と、再生終了後の吸着塔を原料ガスあるいは製
   品ガスを用いて吸着工程時の圧力まで昇圧する加圧工程
   とを少なくとも３塔が並列に設けられている吸着塔で前
   記各工程（時間）をずらして繰り返し行うガスの精製方
   法において、１Ａ、１Ｂ及び１Ｃの３吸着塔を並列に配
   置し該１Ａ、１Ｂ及び１Ｃ吸着塔の各塔底部に切替バル
   ブを介して原料ガス供給端をそれぞれ接続し、かつ、各
   塔頂部に製品ガス吐出端を切替バルブを介してそれぞれ
   接続し、さらに、吸着塔１Ａ塔頂部の製品ガス吐出端か
   らのガス送入端を切替バルブを介して吸着塔１Ｂ塔底部
   に接続し、吸着塔１Ｂ塔頂部の精製ガス吐出端からのガ
   ス送入端を切替バルブを介して吸着塔１Ｃ塔底部に接続
   し、吸着塔１Ｃ塔頂部の製品吐出端からのガス送入端を
   切替バルブを介して吸着塔１Ａ塔底部に接続する様に構
   成し、前記吸着工程を１Ａと１Ｂ吸着塔２塔直列で行う
   様にし、該１Ａと１Ｂ吸着塔２塔直列での吸着工程を終
   了した時点においては１Ｂと１Ｃ吸着塔２塔直列で吸着
   工程を実施し、次の吸着工程を１Ｃと１Ａ吸着塔２塔直
   列で順次実施する様にして連続的に製品ガスを吐出させ
   る様にし、すなわち、１Ａと１Ｂ吸着塔が吸着工程にあ
   る時は１Ａが前段吸着塔、１Ｂが後段吸着塔、１Ｂと１
   Ｃ吸着塔が吸着工程にある時は１Ｂが前段吸着塔、１Ｃ
   が後段吸着塔、１Ｃと１Ａ吸着塔が吸着工程にある時は
   １Ｃが前段吸着塔、１Ａが後段吸着塔を受け持つ様にし
   、さらに、前記前段吸着塔を受け持った吸着塔において
   は塔頂部精製ガス吐出端が前記原料ガス雰囲気に達する
   まで吸着を行なわせ、その後原料ガスの供給を停止し、
   前記後段吸着塔を受け持った吸着塔においては塔頂部製
   品吐出端から精製ガスを取り出しつつ、前段及び後段吸
   着塔内を減圧し、減圧しながら前段吸着塔の吸着剤中に
   吸着されている高吸着及び低吸着成分を含む混合ガスを
   脱着し、該脱着ガスを前段吸着塔塔頂部製品吐出端から
   後段吸着塔塔底部ガス送入端を通して後段吸着塔内に供
   給し、後段吸着塔内の吸着剤に前記脱着ガス中の高吸着
   成分を吸着し、低吸着成分をも製品ガスとして取り出す
   ことを特徴とするガスの分離方法。 ７、吸着工程時に原料混合ガス供給停止後、前段及び後
   段吸着塔を減圧する時間を他塔が前記加圧工程にある時
   間の前半あるいは後半の時間帯に合せることを特徴とす
   る特許請求範囲第６項記載のガスの分離方法。 ８、吸着工程時に原料混合ガス供給停止後、前段及び後
   段吸着塔を減圧する手段を吸着工程時にある後段吸着塔
   の低吸着成分ガス吐出端の下流側を真空ポンプあるいは
   吸引ブロアーで行うことを特徴とする特許請求範囲第６
   項記載のガスの分離方法。 ９、吸着工程時間ｔ＿１と吸着工程時に原料混合ガスの
   吸着塔への供給を停止する時間ｔ＿２とを０．０１５＜
   ｔ＿２／ｔ＿１＜０．５とすることを特徴とする特許請
   求範囲第６項記載のガスの分離方法。 １０、吸着工程時に原料混合ガスの供給停止前の圧力Ｐ
   ＿１と原料混合ガス供給停止後の圧力Ｐ＿２とを０．５
   ＜Ｐ＿２／Ｐ＿１＜０．９９とすることを特徴とする特
   許請求範囲第６項記載のガスの分離方法。 １１、複数の吸着塔を並列に配置し各吸着塔の各塔底部
   に切替バルブを介して原料ガス供給端をそれぞれ接続し
   、かつ、各塔頂部に製品ガス吐出端を切替バルブを介し
   てそれぞれ接続し、さらに、それぞれの吸着塔の塔頂部
   の製品ガス吐出端からのガス送入端を切替バルブを介し
   て順次直列に他の吸着塔の塔底部に接続する様に構成し
   たことを特徴とするガスの分離装置。 １２、請求項８記載のガスの分離装置の製品ガス吐出端
   側に製品タンク、圧縮機又は吸引ブロアー、バッファタ
   ンク、酸素濃度計、石炭ガス化炉、複合発電プラントを
   連設したことを特徴とする複合発電システム。 １３、請求項８記載のガスの分離装置の製品ガス吐出端
   側に製品タンク、圧縮機又は吸引ブロアー、バッファタ
   ンク、酸素濃度計、オゾン発生器を連設したことを特徴
   とするオゾン発生システム。 １４、請求項８記載のガスの分離装置の製品ガス吐出端
   側に製品タンク、圧縮機又は吸引ブロアー、バッファタ
   ンク、酸素濃度計、溶鋼炉を連設したことを特徴とする
   製鋼用システム。