JPH04505448A - 空気から吸着分離による酸素の製造方法 - 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】 空気から吸着分離による酸素の製造方法本発明は吸着により空気を分離して酸素 を製造する方法に関し更に詳しく言えば２個の吸着器と１個の酸素アキュムレー タとを使用しながら各々の吸着器について１回の作業周期（サイクル）は期間Ｔ に亘って行ない且つ１個の吸着器から別の吸着器への交代は期間Ｔ／２の間で行 なうものとし、次の工程：（ａ）酸素生成物の向流的な導入により作業周期の低 圧値から開始して中間圧力値に至るまでの第１の加圧工程； （ｂ）酸素を放出することなく並流的に導入して中間圧力値から作業周期の実質 的に高圧値に至るまでの第２の加圧工程； （ｃ）並流的に空気を導入し且つ酸素を放出する生成工程； （ｄ）空気の導入を中断するのと並流的に部分的な減圧により酸素を放出する工 程；及び （ｅ）大気圧以下の作業周期の低圧値にまで向流的に減圧による脱着工程 を包合してなる酸素の製造方法に関する。

この種の酸素製造方法は米国特許第３，７３８，０８７号明細書から既知である 。

本発明の目的は、向上した性能を可能としこれによって９５％以上の酸素含量を 有する酸素富化空気を得ながら且つ適当な範囲の圧力を選択する故に且つ高速の 回転機（コンプレッサー及び／又はポンプ）を使用する故に投資経費及び生産経 費を減少させながら使用融通性の大きい特に言わゆる混成“作業周期（サイクル ）″（大気圧以上及び大気圧以下）を有する酸素の製造法を提案するものである 。

本発明を実施するために本発明の特徴によると、前記工程（ａ）における加圧用 酸素は酸素アキュムレータ及び工程（ｄ）での別の吸着器から供給される。

本発明によると水沫を実施するために次の工程を別個に又は何れか組合せて行な うことができる：（イ）作業周期の高圧値は１．２〜２　Ｘ　１０’Ｐａ（絶対 圧）で選択し好ましくは１．４〜１．７ｘ　１０’Ｐａ（Ｎ対圧）で選択し、然 るに低圧値は０．３〜０．７　Ｘ　１０’Ｐａ（絶対圧）で好ましくは０．３５ 〜０．５Ｘ１０’Ｐａ（絶対圧）で選択し、脱着工程は少なくともその最後の段 階ではポンプ吸引（ｐｕ■ｐｉｎｇ）により行なう７ （０）生成工程（ｃ）中の圧力は作業周期の高圧値と実質的に等圧である； （ハ）脱着工程（、）は作業周期の実質的に低圧値で浄化（ｅｌｕｔｉｏｎ）に よる向流放出を包含してなる；（ニ）加圧中である吸着器に対して減圧を受けて いる吸着器からガスの運搬は実質的に平衡圧力で行なう；（ネ）ガスの移動はそ の全体が減圧中の吸着器では並流方向で行ない且つ加圧を受けている吸着器につ いては向流方向で行なうのが有利である； （へ）最初の段階中、吸着器間のガスの移動は減圧中の吸着器については並流的 に行ない加圧中の吸着器については向流的に行ない然るに吹抜の段階では移動は 減圧中の吸着器については並流方向であり加圧中の吸着器については並流方向で ある。

（ト）並流方向である部分減圧工程と向流方向であるポンプ吸引工程との間に、 外気に曝して大気圧に達するまで向流的である減圧中間段階を設ける：（チ）ポ ンプ吸引による浄化工程は実質的に一定圧力で行なう； （す）低圧段階はわずかな圧力の変化を受けることができる： （ヌ）特に作業サイクルの低圧値が０，３　ｘ　１０’Ｐａ（絶対圧）の付近に ある時には低圧工程は浄化による放出なしで行なう； （ル）生成工程は等圧である最初の段階続いて圧力を減少させながらの最終段階 を提供する； （オ）生成工程で圧力を減少させる間のこの最終段階はガスを生成流から抜き出 しながら行なう別の吸着器での浄化段階から開始する； （ワ）向流的なポンプ吸引段階は部分加圧を受けている吸着器に対して並流的な 減圧段階（１方の吸着器において）の終了前に開始する。

圧力が比較的特異的で狭い範囲である領域において言わゆる“混成“作業周期を 採用することにより。

“圧力”又はパ真空”作業サイクル中に必要である機械よりも簡単で余り高価で ない機械を利用することができる。

機械の効率が最適である狭い範囲の圧力にある時に用いた機械により消費された エネルギーはかくして最低となる。

″混成”作業周期で例えば８５％以上の高い酸素含量を製造するための特異エネ ルギーを、機械を最大限に使用した別の作業周期と対比すると次の通り確認でき る： （ｉ）大気圧以上の圧力下での作業周期と比較すると、少量のエネルギーが消費 される； （ｉ）　０．２Ｘ１０’Ｐａ以下の低圧での“真空”作業周期と比較すると、ま た少量のエネルギーが消費される：（Ｆ）　０．２１０．３　Ｘ　１０’Ｐａに 維持した低圧での“真空”作業周期と比較すると、同様な少量のエネルギーが消 費される。

混成作業周期で大気圧以上の高圧値を維持すると“真空′″型の作業周期と対比 して生産性を増大させ得る。

本発明の作業周期は酸素を製造することのみを目的としており、分離した別のフ ラクションは窒素がかなり富化された空気のみを包含する。他方空気の分離に必 要とされる特定のエネルギーはずっと低いゆ提案された解決策において機械の使 用率はきわめて高く、然るに２個の吸着器を用いることを意図する成る既知の作 業周期は実際上３個の吸着器を用いる場合にも経済的に且つ工業的に応用可能で あり、これは機械のより良い使用率のためであることが多い。

本発明による解決策は、作業周期の高圧値に吸着器を装填した後にしかも好まし くはこの同じ高圧値での等圧段階中に行なわれる放出による酸素の製造を包含し てなる作業周期を実施することにまた基づき、前記の等三段階は従ってこの段階 中に吸着器の捕捉窒素の装填率をこの高圧値に対して最高値に達しさせるもので あり、酸素の製造中又はその製造の一部中で得られない捕捉窒素は圧力増大中に 抜出され且つ放出される。

この提案された解決策によると本法の性能が向上する。

添附図面を参照しながら本発明を次に記載する；図１は完全な１作業周期（Ｔ） の種々の工程中で吸着器の圧力展開を表わす図表でありその際別の吸着器は期間 Ｔ／２で位相しながら同じ作業周期を行なうものである； 図２は図１に示した方法の図解図である：図３及び４は図１と同様に本法を用い る２つの具体例の図表である。

本明細書及び請求の範囲において用語“酸素“は空気の分離によって製造された ガス即ちかなり酸素富化した空気又はわずかに不純な酸素（完全には純粋でない 酸素）を意味する。

説明のため図１及び２を参照するに、作業周期は１２０秒の期間に亘って且つ１ ．５　Ｘ　１０’Ｐａ（絶対圧）の高圧値と０，５　ｘ　１０Ｐａ（絶対圧）の 低圧値との間で展開される。

作業周期はここでは２個の分子篩型の吸着器１及び２を含有してなる装置に適用 され、該吸着器は各々人口３，４及び出口５，６（並流循環中に与えた定義）を 有し、然るに循環が“出口”５（又は６）から“人口″３（又は４）に向かう向 流方向であると言われる時はその機能は反転するものである。

各々の入口３，４は一方では弁１３（１４）により空気導入管１１及び送風機又 はコンプレッサー１２に接続しており他方では弁１７（１Ｂ）により真空ポンプ １６を組入れた排出管１５に接続しである。出口５（６）は弁２３．２４により 製造導管２５に接続した“出口″導管２１．２２と連通しており、製造導管２５ は調節弁２６を介して貯蔵用のアキュムレータ２７に向って伸びており、アキュ ムレータから酸素分配導管２８が伸びている（高度に酸素富化した）。

“′出口”導管２１及び２２は各々弁３５．３６及び調節弁３３゜３４を組入れ てなる２本の導管３１．３２により互いに接続されている。

図１を参照するに、本法は例えば約０．５　Ｘ　１０’Ｐａ（絶対圧）の作業周 期の低圧値から出発して次の工程を包含してなる： （１）並流的に減圧段階（以下の段階Ｂ、）での吸着器２から及びアキュムレー タ２７から同時に入来する酸素により吸着器１に向流的な最初の部分加圧工程Ａ □、こうして達成される圧力はＩ　Ｘ１０’Ｐａ（絶対圧）の付近にある（弁３ ４，３６及び２６．２３を通して）；（２）３段階での吸着工程： １１、１２．１３．３を通して並流的に導入される空気の単純な導入により吸着 器１の最終的な再加圧段階Ａｚ＋達成される圧力は約１．５　Ｘ　１０’Ｐａ（ 絶対圧）である；（３）２個の放出工程又は並流的な製造段階；（４）　５　ｔ 、　１１．１２．１３．３を通して並流的に空気を導入し且つ作業周期の高圧値 での導入に続いて行われる等三段階Ｂ□、この際酸素′ｅ雇用のアキュムレータ ２７に向って２１．２３．２５．２６を通して酸素富化ガスを同時に放出する。

（５）　１１．１２．１３．３を通して空気を導入しながら且つ５　、２１．２ ３．２５．２６を通して並流的に同時に放出しながら但し放出ガスの少なくとも 一部を浄化ガスとして３３．３５を通して抜取りこれを吸着１）２に向流的に導 入（以下の段階Ｃ２）シながら、先行段階Ｂ１に続いての段階Ｂ２゜抜取られな い放出ガスフラクションは貯蔵用のアキュムレータ２７に向けて給送される。

この段階は好ましくは作業周期の高圧値と等圧で行なう； （６）部分減圧段階Ｂ、は約ｌＸ１Ｏ’Ｐａの圧力にまで加圧工程Ａ１にある別 の吸着器と圧力を３６．３４を通して平衡させることにより並流的である。移送 したガスは酸素富化ガスである： （７）再生工程は２段階で向流的に行なった；ｌＸ１０’Ｐａから大体０．５　 Ｘ　１０’Ｐａへ吸着器から３゜１７、１５．１６を通してのポンプ吸引段階Ｃ □：別の吸着器により工程Ｂ２で抜出したガスの向流的導入により０．５　Ｘ　 １０’Ｐａ付近の圧力に実質的に等圧でポンプ吸引することにより３３．３５． ２１．５　、３　、１７゜Ｉｓ、　１６を通しての浄化段階Ｃ２゜図１及び２に 関して記載した作業周期に基゛づいて、これらの工程の通用又は一般的特徴を変 えることなく諸工程の１つ又はそれ以上に対して若干の変更を行うことができる 。

これらの変更例の大部分は、例えば可能ならばポンプ吸引段階を大気圧で始動さ せるのが好ましいことを心に留めながらあるいはまた段階Ｂユ〜Ｂ１中の吸着器 における吸着前線の進行は作業周期の“圧力”パラメーターに応じて決まること を心に留めながら圧力の範囲又は装置の作動範囲に関連してこの種の作業周期を 適合するように誘導される。

（１）初期加圧工程Ａ工、（Ｂ３）は２個の吸着器の間で偽の“平衡”を与えこ れは２個の吸着器の間で等圧を達成する前に中断できる； （２）段階Ｂ□の終了時の中間圧力が大気圧よりも高いならば向流的に外気に開 放して減圧段階（Ｃ１）による再生工程をポンプ吸引段階Ｃ１より先立って行う ことができる； （３）浄化段階Ｃ２は工程Ｂ２で抜取ったガスの流量及び低圧でのポンプ１６か らの流量に応じて圧力を増大又は減少させる間に行なうことができる； （４）浄化Ｃ２のため段階Ｂ２から抜出したガスを先ず使用して浄化し次いで向 流的に再加圧を開始することができるかあるいは遂には何らの浄化なしに再加圧 の始動のためにのみ使用できる０例えば作業周期の“低圧”が小さい時には浄化 は余り必要でないものであることは知られている。

（５）サンプリング又は取出しを放出にって行ない得る段階Ｂ、は減圧中に行な うことができしかも特に浄化に必要な流量及び／又は場合によっては再加圧がら の流量が等三段階Ｂ２から得られる流量よりも大きいならば行ない得る； （６）段階Ｂ、の減圧終了時に放出されるガスは並流的に再循環できしかも酸素 富化の割合が不十分である場合には空気として処理できる。′出口乃至出口”　 （頂部乃至頂部）である前記したのとは異なって“出口乃至入口″（“頂部乃至 底部”）から平衡が８．及びＡ１で存在する（図４参照）。前記と同様にこの平 衡な部分的であるのが必要に過ぎない； （７）アキュムレータ２７から入来する再加圧酸素の吸着器への向流導入は、工 程Ａ１後で工程Ａ２前であって、向流的に酸素を導入することよりのみなる再加 圧の補完的な中間段階中に又はアキュムレータ２７からの酸素の前記向流的な導 入と並流的な空気の導入との同時よりなる再加圧の補完的な最終段階中に延長で きる。

（８）ガスを並流的に放出する段階Ｂ、の全部又は一部は、特にポンプ吸引によ りガスを向流的に放出する再生工程Ｃの開始と同時に行なうことができ、これに よって場合により１００％までの装置の利用率を増大する有用性を与える。かく して各々それぞれの機能を維持する２個の工程Ｂ、及びＣ工の期間には部分的な 重なりがある。

説明の目的で図３は図１の圧力条件とは異なる圧力条件に作業周期を適合させる ために作業周期中に導入した変更例の幾つかを組入れた具体例を示す。作業周期 の最低圧力値（ここでは大体０．３Ｘ１０’Ｐａ）から最初の加圧工程Ａ１は、 第２の吸着器との部分的な平衡により再加圧の第１及び第２の段階Ａ１及びＡ□ 、及びアキュムレータ２７から向流的に入来するガス及び並流的に原料空気を同 時に導入することによる第３の段階ＡＬ□に分割されることが認められ；且つ放 流段階Ｂ２は浄化（Ｃ２）を与える第１の段階Ｂ／よと第１の再加圧段階Ａ′、 に与える第２の段階Ｂ′２　とを含有してなることが認められる。点線で示した 如く、第２の再加圧段階へ〇、は減圧（Ｂ、）にある時の別の吸着器から入来す るガスの運搬以外には実施できない。

従って図４による応用は以下の点で図１の応用とは区別される：外気曝露段階Ｃ □がポンプ吸引Ｃ１，Ｃ２（圧力増大中に行なわれる浄化Ｃ２）前に設けられ、 しかもＡ２の前に部分再加圧の段階Ａ′、２がアキュムレータ２７から入来する ガスの向流方向での導入とＢ′、で並流減圧の終了時に別の吸着器から放出され たガスの並流方向での導入とを同時に行なうことにより設けられている。

要　約　書 圧力の変化により吸着剤を再生し且つ２個の吸着器を用いる型式のガスの吸着分 離方法であって、再加圧段階は生成した酸素を用いる少なくとも１個の再加圧段 階と抜出すことなく空気を取入れて作業周期の高圧点に至るまでの最終再加圧段 階とを含有してなり；作業周期の高圧点は１．２〜２Ｘ１０’Ｐａの間で選択し 低圧点は０．３〜０．７Ｘ１０’Ｐａの間で選択し、脱着段階の少なくとも最後 の部分はポンプ吸引により行なうことからなる、ガスの吸着分離方法。水沫は本 質的に酸素の製造に関する。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．２個の吸着器（１；２）と１個の酸素アキュムレータ（２７）とを使用しな がら各々の吸着器について１回の作業周期は期間Ｔに亘って行ない且つ１個の吸 着器から別の吸着器への交代は期間Ｔ／２の間で行なうもとし、次の工程： （ａ）酸素生成物の向流方向での導入により作業周期の低圧値から開始して中間 圧力に至るまでの第１の加圧工程（Ａ２）； （ｂ）酸素を放出することなく並流方向で空気を導入して中間圧力値から作業周 期の実質的に高圧値に至るまでの第２の加圧工程（Ａ２）； （ｃ）並流方向で空気を導入し且つ酸素を放出する生成工程（Ｂ１，Ｂ２）； （ｄ）空気の導入を中断しながら並流方向で部分減圧による酸素放出工程（Ｂ３ ）； （ｅ）大気圧以下の作業周期の低圧値にまで向流方向での減圧による脱着工程（ Ｃ２，Ｃ２） を含有してなる、吸着により空気を分離して酸素を製造する方法であって工程（ ａ）中で加圧用の酸素は酸素アキュムレータ及び工程（ｄ）での別の吸着器から 入来することを特徴とする酸素の製造方法。
2. ２．工程（ａ）の全ての間、酸素はアキュムレータ（２７）及び別の吸着器から 同時に導入する請求項１記載の方法。
3. ３．工程（ａ）において別の吸着器から入来する酸素により加圧する最初の副工 程（Ａ′１，Ａ１１）及びアキュムレータ（２７）から入来する酸素により加圧 する次後の副工程（Ａ１２，Ａ′１２）が設けられる請求項１記載の方法。
4. ４．加圧用の次後の副工程（Ａ１２）中に空気もまた並流方向で導入する請求項 ３記載の方法。
5. ５．加圧用の次後の副工程（Ａ′１２）に、酸素もまた工程（ｄ）中の別の吸着 器から並流方向で入来して導入する請求項３記載の方法。
6. ６．工程（ａ）の終了時の中間圧力値は工程（ｄ）の終了時の圧力と実質的に同 等である請求項１〜５に記載の方法。
7. ７．中間圧力値は１×１０５Ｐａより高いか又はこれに等しい請求項６記載の方 法。
8. ８．工程（ｃ）の圧力は作業周期の高圧値と実質的に等圧である請求項１〜７の 何れか１つに記載の方法。
9. ９．工程（ｃ）の終了時に、作業周期の低圧値に実質的に等圧にポンプ吸引によ り浄化工程（Ｃ２）を包含してなる請求項１〜８の何れか１つに記載の方法。
10. １０．浄化工程（Ｃ２）中に生成段階（Ｂ２）の終了時に別の吸着器から入来す る酸素生成物を向流方向で導入する請求項９記載の方法。
11. １１．生成段階（Ｂ２）の終了時に酸素生成物の一部を同時にアキュムレータ２ ７に給送する請求項１０記載の方法。
12. １２．作業周期の圧力値は１．２×１０５Ｐａと２×１０５Ｐａとの間よりなる 請求項１〜１１の何れか１つに記載の方法。
13. １３．作業周期の基本低圧は０．３×１０５Ｐａと０．７×１０５Ｐａとの間よ りなる請求項１〜１２の何れか１つに記載の方法。