JPH04293513A - 圧力変動吸着法による富酸素ガスの製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力変動吸着法（ＰＳＡ
法）による空気の酸素富化方法に係り、特に吸着塔の周
囲温度の変化に対しＰＳＡ性能を良好に保持して、富酸
素ガスを製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒素を選択的に吸着する吸着剤、例えば
ＣａゼオライトＡ分子ふるいを用いたＰＳＡ法による空
気からの酸素富化分離法は安価に酸素を製造でき、その
装置はほとんど保守を要しない簡便性の故に、小型から
大型に至る装置が開発され、電炉、紙パルプ、化学反応
、水処理等の分野において、深冷分離装置に代って代替
が進んでいる。

【０００３】これ等のＰＳＡ装置には窒素吸着剤として
モレキュラシーブゼオライトが使用されているが、吸着
剤の特性として吸着量ｑは温度Ｔ及び圧力Ｐの函数ｑ＝
ｆ（Ｔ，Ｐ）として示される。例えばＣａゼオライトＡ
分子ふるいにおいては吸着量ｑは圧力Ｐの増大によって
増加し、温度Ｔの上昇によって減少する。

【０００４】従ってＰＳＡ装置を雰囲気中に設置した場
合、その性能は通常、気温の変化の影響を受け、高気温
時にはその装置における最大酸素発生量は減少し、低気
温時にはその装置における最大酸素発生量は増加してい
る。

【０００５】また、これに加えて吸着剤を充填した吸着
塔内の温度勾配の問題も挙げられる。吸着剤が窒素吸着
工程中に発生する熱量は吸着塔内の空気の流れに伴って
移動し、その一部は分離された酸素によって塔外に持ち
去られる。続いて行われる窒素脱着工程ではこの持ち去
られた熱量のために熱収支が合わず空気流入側にある吸
着剤の温度は低下する。この不足分の一部は塔外からの
熱侵入によって補われるが完全ではなく、従って空気の
流入方向に沿って、場合によっては５０℃以上もの温度
勾配が出来、吸着剤の窒素吸着量は塔内各部の温度に影
響される。また当然のことながら、この塔内温度勾配は
周囲温度の影響を受ける。

【０００６】このため、これらの対策として、例えば塔
内にサーマルプレートを設置し、高温部の熱を低温部に
移動させる方法（特開昭５０−７９４８１号公報、及び
特開昭５２−２８９１号公報）、吸着塔内の一部に熱交
換ゾーンを設ける方法（特開昭４７−３８８８０号公報
）、さらには吸着塔を氷点以下の恒温槽に収納する方法
（特開昭６０−９０５０９号公報）等が開示されている
。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は吸着塔を複雑な構造にしたり、デットスペース
を大きくしたり、また冷却するためには余分なエネルギ
ーを必要としている。そして上述の方法では十分な対策
が取り得ないので、ＰＳＡ装置の設計条件として与えら
れた周囲温度のうちでも最もＰＳＡ性能の低い条件を採
用しないと満足したＰＳＡ性能を常に確保できない。

【０００８】一方、このような低い条件を採用するとＰ
ＳＡ能力が増加する季節には、吸着剤の量は過量となり
、吸着塔へ空気を流入させる空気ブロワや、窒素脱着用
の真空ポンプの設備能力も過大になってしまうという問
題があった。

【０００９】また吸着塔に吸着特性の異なる複数の吸着
剤を充填する方法は例えば、特開昭６０−１２０２７２
号公報、特開昭６２−１４８３０４号公報、特開平２−
２２７１１２号公報等に記載されているが、いずれの方
法でも周囲温度の変化に対して安定したＰＳＡ性能を確
保することは困難であった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題点を
解決するためになされたものであって、その要旨は窒素
を選択的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸着塔を用
い、これらの吸着塔に空気を流入させて窒素を吸着除去
することにより富酸素ガスを製造方法において、前記吸
着塔の空気流入側にＣａゼオライトＡを、その下流側に
ＣａゼオライトＸをそれぞれ充填して圧力変動吸着法に
よって富酸素ガスを製造する方法にある。

【００１１】本発明において使用するＣａゼオライトＡ
分子ふるいとしては、例えば５Ａタイプがあり、空気分
離のＰＳＡ装置用として一般に知られている。一方、Ｃ
ａゼオライトＸ分子ふるいは、例えば米国特許明細書４
，４８１，０１８号に記載されているものである。

【００１２】本発明において、吸着塔は２塔以上の複数
の塔を組合せることができ、圧力を変動させる圧力分布
は大気圧以下の真空吸着法や加圧系の圧力吸着法に適用
できる。

【００１３】図２は一例として３塔の吸着塔を用いたＰ
ＳＡ装置の気体の流れとシーケンスを示したものである
。図において、吸着塔１のＡ，Ｂ，Ｃにはそれぞれ、吸
着塔１の下部にＣａゼオライトＡが一様に充填されてお
り、その上部にはＣａゼオライトＸが充填されている。 同図の第１の吸着塔Ａに注目すると、１サイクルは１〜
６工程から成り立っている。工程１は空気１１が吸着塔
Ａの下部すなわち空気流入側から空気ブロワ（図示せず
）等で供給される。同時に塔の出口から製品である富酸
素ガス１２が流出し、その一部は吸着塔Ｂに流入させて
いる。一方、吸着塔Ｃは真空ポンプ（図示せず）等によ
り真空排気１３されている。

【００１４】次に工程２は引き続き空気１１が吸着塔Ａ
の下部に供給されており、同時に塔の出口から富酸素ガ
ス１２が流出し、その一部は吸着塔Ｂに流入させ、さら
に一部は吸着塔Ｃ内を向流方向に洗滌（パージ）しなが
ら系外に排出されている。工程３は空気１１が吸着塔Ｂ
に供給され、同時に塔の出口から富酸素ガス１２を流出
させ、その一部は吸着塔Ｃに流入させている。吸着塔Ａ
は真空排気１３されている。

【００１５】工程４は引き続き空気１１が吸着塔Ｂに供
給されており、同時に塔の出口から富酸素ガス１２が流
出し、その一部は吸着塔Ｃに流入させ、さらに一部は吸
着塔Ａ内を向流方向に洗滌（パージ）しながら系外に排
出されている。工程５は空気１１が吸着塔Ｃに供給され
、同時に塔の出口から富酸素ガス１２を流出させ、その
一部は吸着塔Ａに流入させている。吸着塔Ｂは真空排気
１３されている。

【００１６】工程６は引き続き空気１１が吸着塔Ｃに供
給されており、同時に塔の出口から富酸素ガス１２が流
出し、その一部は吸着塔Ａに流入させ、さらに一部は吸
着塔Ｂ内を向流方向に洗滌（パージ）しながら系外に排
出されている。

【００１７】以上のサイクルを連続的に繰り返すことに
よって、富酸素ガス１２は連続的に製造することができ
る。なお、本発明においては、複数の使用する塔数およ
びシーケンスサイクルが図２に限定されるものではない
。

【００１８】

【実施例】次に実施例を示し、本発明をさらに詳細に説
明する。 〔実施例１〕内径が６００ｍｍの円筒状の吸着塔の底端
部に４〜８φの活性アルミナを２００ｍｍの高さに充填
し、その上に２〜３φのＣａゼオライトＡ分子ふるいを
２０７．５ｋｇ、さらにその上に２〜３φのＣａゼオラ
イトＸ分子ふるいを１７８ｋｇ充填してゼオライトモレ
キュラシーブの充填高さを２１００ｍｍとした。さらに
その最上部には８〜１２φのセラミックボールを１００
ｍｍ充填して吸着塔の充填物の総高さを２４００ｍｍと
した。そしてこれらの吸着塔を３塔用意した。

【００１９】図１はこれら３塔の吸着塔を組み込んで実
験に使用したＰＳＡ装置の構成図である。図においてＣ
ａゼオライトＡ８とＣａゼオライトＸ９とを充填した吸
着塔１Ａ，Ｂ，Ｃと開閉弁２……は恒温槽３中に収納さ
れており、温湿度調整機４によって恒温槽３内の温度を
−１０〜４０℃、相対湿度を３０〜８０％の範囲で任意
にコントロールできるようにした。空気ブロワ５は吐出
圧６００ｍｍ　Ｈ２Ｏにおいて吸入量約２００ｍ３　／
ＨＲの能力を有するターボ型で同様に恒温槽３内に設置
した。真空排気用の真空ポンプ６は吸入量約３７５ｍ３
　／ＨＲの水封式２段ルーツ型であり、吸着塔から発生
する酸素はターボ型酸素ポンプ７によって大気圧で放出
した。

【００２０】このＰＳＡ装置は図２に示したシーケンス
によって１塔当り５０秒のサイクルタイムで運転した。 そして恒温槽の温度と相対湿度をそれぞれ（−１０℃、
なりゆき）、（０℃、５０％）、（２５℃、７０％）、
（４０℃、５０％）の４段階にコントロールして酸素濃
度９３％における脱着最終圧力（ｍｍＨｇ）、ベッドサ
イズファクタ（ｋｇ−モレキュラシーブゼオライト／ト
ン酸素／日）（Ｂ．Ｓ．Ｆ．と称する）、及び電力原単
位（ｋｗｈ　／　Ｎｍ３　酸素）を測定した。その測定
結果を図３に示し、図中■が実施例１の結果である。

【００２１】図３は横軸に恒温槽内温度すなわち周囲温
度、縦軸にはそれぞれ脱着最終圧力、Ｂ．Ｓ．Ｆ．及び
電力原単位を示してある。

【００２２】なお、脱着最終圧力とは脱着工程で真空ポ
ンプで排気した時の最終真空度であり、電力原単位には
空気ブロワ５と真空ポンプ６の消費電力を加算した。

【００２３】〔比較例１〕実施例１においてＣａゼオラ
イトＡ分子ふるいとＣａゼオライトＸ分子ふるいの吸着
剤の代りにＣａゼオライトＡ分子ふるいのみを使用し、
１塔当りの充填量は４１５ｋｇで、充填高さは２１００
ｍｍであった。そしてその他の条件は実施例１と同様に
して運転した。その結果を図３の■に示した。

【００２４】〔比較例２〕比較例１においてＣａゼオラ
イトＡ分子ふるいとＣａゼオライトＸ分子ふるいのみを
使用し、１塔当りの充填量は３５６ｋｇで、充填高さは
２１００ｍｍであった。そしてその他の条件は比較例１
と同様にして運転した。その結果を図３の■に示した。

【００２５】図３において、モレキュラシーブゼオライ
トとしてＣａゼオライトＡ分子ふるいのみを充填した■
の結果では、周囲温度の上昇によって急激にＢ．Ｓ．Ｆ
．及び電力原単位が悪化している。またモレキュラシー
ブゼオライトとしてＣａゼオライトＸ分子ふるいのみを
充填した■の結果では、周囲温度の低下によってＢ．Ｓ
．Ｆ．及び電力原単位が悪化している。一方、本発明の
ＣａゼオライトＡ分子ふるいとＣａゼオライトＸ分子ふ
るいとを組合せて充填した■の結果では、周囲温度の変
化に対してＢ．Ｓ．Ｆ．及び電力原単位の変動が極めて
小さいことが明らかである。

【００２６】

【発明の効果】本発明は吸着塔に充填しているモレキュ
ラシーブゼオライトを空気の流入側にはＣａゼオライト
Ａを、そしてその下流側にはＣａゼオライトＸを組合せ
て充填しているので、周囲温度の変化に対してＰＳＡ性
能の変動が極めて小さく、従ってＰＳＡ装置自体を恒温
にすることなく安定した生産能力を維持することができ
る。 また吸着塔の構造も特別な部材を付加することなく、在
来の構造のものを使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験に使用したＰＳＡ装置の構成図である。

【図２】ＰＳＡ装置の操作の一例を示すシーケンス図で
ある。

【図３】実施例の結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１　　吸着塔 ２　　開閉弁 ３　　恒温槽 ４　　温湿度調整機 ５　　空気ブロワ ６　　真空ポンプ ７　　酸素ポンプ ８　　ＣａゼオライトＡ ９　　ＣａゼオライトＸ １１　　空気 １２　　富酸素ガス １３　　真空排気

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填
   した複数の吸着塔を用い、これらの吸着塔に空気を流入
   させて窒素を吸着除去することにより富酸素ガスを製造
   方法において、前記吸着塔の空気流入側にＣａゼオライ
   トＡを、その下流側にＣａゼオライトＸをそれぞれ充填
   していることを特徴とする圧力変動吸着法による富酸素
   ガスの製造方法。