JPH048085B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、二成分混合ガスの一方の成分が90〜
99容量％或いはそれ以上の割合で濃縮されたガス
流を大量に得る方法に関する。特に、本発明は、
カーボンモレキユラーシーブ（分子篩）を使用す
る圧力交替式吸着装置（Pressure swing
adsorption system）によつて濃縮ガス流を製造
する吸着方法に関する。更に詳しくは、本発明
は、窒素、水素もしくはメタンのようなガスの安
価な大量供給源を提供し、極低温の或いは他の圧
力交替式の吸着装置のいずれよりも運転に必要な
エネルギーが少なく、しかも匹敵する品質のガス
を供給する方法に関する。

ここで使用する二成分混合ガスという用語は、
空気や異る分子サイズの二成分から主としてなる
他の混合ガスを指称する。濃縮ガスという用語
は、混合ガスが吸着材中を通過後の、比較的吸着
されない方の成分からなる混合ガスを指称する。

混合ガスの分別又は分離用の圧力交替式吸着に
は、高圧の混合ガスを、混合ガスの１又は２以上
の成分を吸着容量内において選択的に吸着する吸
着材床を通過させる工程が含まれる。この選択性
は吸着材中の孔寸法の分布及び孔の全容積により
支配される。即ち、孔寸法より小さいか又はそれ
と等しい動的直径（kinetic diameter）を有する
ガス分子は、吸着材上に保持または吸着され、一
方大きい直径のガス分子は吸着材床を通過する。
吸着材は、事実、ガス分子の大きさによつてガス
を篩分けする。

ガスが吸着材床を通して移動するにつれ、孔は
ガス分子で満たされる。カラムクロマトグラフイ
装置における固体吸着材を移動する液体の吸着前
端と同様に床内を移動する吸着前端が想定でき
る。ある程度時間が経過すると、ガス分子の保持
に利用できる孔の数は不十分になる。この点は破
過点、即ち、吸着が停止し床から流出するガス
が、吸着材へ流入するガスと組成上本質的に同じ
になる点として知られる。この破過点に至る少し
前に床を再生しなければならない。

混合ガスに選択的に成分を吸着する処理を施し
た後、吸着材床を通る混合ガスの流れをさえぎ
り、真空により、又は一般に精製した製品ガスの
一部からなる浄化ガスを混合ガスの流れ方向と反
対方向に低圧で通すことにより、吸着材から吸着
成分を一掃して再使用のために再生する。

圧力交替式吸着法には通常少なくとも２つの吸
着材床が備わつていて、一方の床が再生されてい
る間、他方は製品ガスを作り出す吸着状態にあ
る。このようにこれらの床を循環して使用するこ
とにより、製品ガスは不断に得られる。

珪質の吸着材又はカーボン含有吸着材を使用
し、吸着及び脱着の間温度或いは圧力を変化させ
る吸着方法を利用した酸素濃縮空気の回収法が周
知である。ある種のケイ酸塩例えばゼオライト
は、酸素との混合ガスから窒素を良好に吸着する
のに有効で、ゼオライトを充填したカラムに空気
を通過させると初めに流出してくるガスは高酸素
含量に濃縮される。しかし、ゼオライトの再生に
はエネルギー及び装置の点でかなりの費用が必要
である。

一つの良く知られた方法は、空気から濃縮窒素
を製造するのにカーボンモレキユラーシーブ（分
子篩）を使用するものである。これらのシーブ
は、酸素の動的直径と同等の寸法の孔構造を有す
る。圧力交替式吸着装置に使用すると、これらの
シーブは混合ガスから酸素を選択的に吸着し、他
の成分を通過させる。

これまでに四床の圧力交替式吸着ユニツト装置
を使用して、二酸化炭素、水及び軽質脂肪族炭化
水素類との混合物から水素を分離するのに成功し
ている。

圧力交替式吸着によつて、他の二成分混合ガス
を分別することも周知である。例えば、水素との
混合ガスからゼオライト13Xを用いて一酸化炭素
を、また燃料ガス混合物との混合ガスから木炭、
アルミナ又はシリカを用いて二酸化炭素を分別す
ることが知られている。

アルゴンと酸素、又はヘリウムとメタンの二成
分混合ガスが、圧力交替式吸着法を用いる、部分
的に酸化したカーボンからなる吸着材で分離され
ている。

現在のカーボンモレキユラーシーブ技術に存在
する典型的な問題は、濃縮した製品ガスの収率が
低いこと、大量のモレキユラーシーブが必要であ
ること、及び再生法のエネルギー効率が低いこと
である。

本発明の目的は、吸着材としてモレキユラーシ
ーブ型カーボンを含有する二カラムの圧力交替式
吸着装置のための新規な再加圧法を提供すること
である。この方法は、吸着材再生に使用するエネ
ルギーについての従来技術の問題を解消するほ
か、濃縮ガスの良好な収率をもたらす。すなわ
ち、二成分混合ガスを3.0〜8.0バール（3.0×10⁵
〜8.0×10⁵N／m²）の範囲の圧力で一つの吸着カ
ラムを通して濃縮ガスを製造し；破過の少し前に
前記混合ガスの吸着カラムへの通気を停止し、続
いて流入ガス流と反対方向に吸着されたガスを放
出させることにより前記圧力をある程度残すよう
にしてカラム圧を低下させ；更にカラムの出口端
を開口して第２の放出ガスを両カラム内の圧力が
等しくなるまで第２の吸着カラムの入口端へ導入
し；濃縮ガスを第２カラムの出口端へ導入するこ
とによつて第２のカラムを3.0〜8.0バール（3.0×
10⁵〜8.0×10⁵N／m²）の範囲の圧力まで加圧し、
その間並行して、第１のカラムの排気を行い、次
いで該カラムの入口端に70〜100トールの範囲の
真空を適用することによつて第１の吸着カラムを
再生し；そして該二成分混合ガスを第２の吸着カ
ラムに通すことにより循環工程を繰り返す、こと
からなる濃縮ガス製造用吸着方法を提供する。

本発明の新規再加圧技術の使用法は、添付図面
を参照することにより良く理解できる。添付図面
には、本発明に従つて二成分混合ガスを分別する
ための、二カラム圧力交替式吸着単位装置が示さ
れている。本発明を好ましい実施態様に即して説
明するが、本発明の概念を離れることなく修正又
は変更を行うことができることを理解すべきであ
る。例えば、空気（窒素と酸素）、メタンと二酸
化炭素、又は水素と一酸化炭素をはじめとし、し
かしこれらに限らず、いずれの二成分混合ガスに
も本発明は十分に使用できる。

図面を詳しく参照すると、二本の耐圧カラムＡ
とＢが示されていて、その各々には空気を窒素と
酸素に分別するのに適するカーボンモレキユラー
シーブの吸着床が充填されている。

耐圧カラムＡ及びＢを連結する一連の弁は、図
面に示した番号により、そしてこの好ましい配置
において遂行される機能により特定できる。

(a) 弁０及び１６……空気気流の弁 (b) 弁１及び８……それぞれ、カラムＡ及びＢへ
の空気入口弁 (c) 弁３及び１０……再生弁−カラムＡ及びＢ用
真空ポンプ (d) 弁２及び９……浄化弁−カラムＡ及びＢのカ
ラム圧を抜く (e) 弁７及び１４……製品ガス流の弁−カラムＡ
及びＢから (f) 弁５，１２及び１７……戻し弁−製品品質の
ガスを、カラムＡ及びＢの出口端へ圧力平衡化
後吸着前に導入する (g) 弁４，６，１１，１３及び１５……一方のカ
ラムの出口と他方のカラムの入口との間の圧力
平衡化。

カラムＡ及びＢは垂直な状態で示されている
が、運転方式上不利がなければ、水平あるいは垂
直のいずれにも設置し得る。周囲大気が乾燥さ
れ、圧縮されて、弁０又は弁１６のいずれかを介
して装置内へ導入される。圧縮ガスが弁０を介し
て供給される時、その質量流量は、カーボン床の
圧と等しい圧に質量流量制御器により制御され
る。一方、空気が弁１６を介して供給される時
は、その質量流量は調節されない；しかしこの弁
の出口の圧力は上流の圧力と本質的に同じであ
る。

周囲空気は、吸着前に、凝縮器を通して過剰の
水分を除いて改質し得る、というのは相対湿度40
％未満が好ましいからである。同様に過材又は
スクラバーを二酸化炭素、二酸化イオウ又は窒素
酸化物のような他のガスを除くために使用し得
る。これらの工程は、流出ガス流の純度を向上さ
せるものであり、規格が純度100％の窒素を求め
ていてそのためにこの様に予め除去する必要があ
る時に採用される。しかしこれらは付加的なもの
で、本発明の操作を満足に行う上で不可欠なもの
ではない。

供給空気は、カラムＡ又はカラムＢへのいずれ
かへ、例えば3.0〜8.0バールの吸着圧で弁０、及
び弁１もしけは弁８のいずれかを介して導入され
て、酸素が選択的に分子篩され、そして供給空気
はカーボンモレキユラーシーブ床内を上方へ押し
上げられる。窒素ガスは、カラムＡまたはカラム
Ｂからそれぞれ弁７又は弁１４を介して放出され
る。瞬間的な窒素流量は質量流量計で測定され、
窒素ガス中の酸素含有量は、製品ガス溜の上流に
おいて分析される。窒素ガス流が、その圧力を一
定に保つために製品ガス溜から放出される。

一方のカーボン床が製品ガスを作り出している
時、他方の床は弁３又は１０を介して供給される
真空によつて再生されている。このようにして、
カラムＡが弁０，１及び７を介して窒素を作り出
している間、カラムＢは弁１０を介して70〜100
トールの範囲の真空によつて再生されている。

窒素ガス中の酸素含有量が所定のレベル、例え
ば２％を越えた値に達した時、弁１及び７をカラ
ムＡに対して閉じるか、又は弁８及び１４をカラ
ムＢに対して閉じる。次いで弁２又は９を短時間
例えば５秒未満開く。すると、カラムに通気口が
開けられて最初の放出ガスが抜かれ、カラム内の
吸着前端がカラムの入口端の方へ移動する。その
後、弁６，１５及び１１、又は弁１３，１５及び
４を開けると、一方のカラムに通気口が開けられ
て別の放出ガスが抜かれ、二つのカラムの圧力は
等しくさせられる。次いで、窒素ガスが製品ガス
溜から、弁１７及び１２を介してカラムＢの中
へ、又は弁１７及び５を介してカラムＡの中へ導
入され、吸着工程の前にそのカラムを吸着圧例え
ば3.0〜8.0バールに再加圧する。同時に、圧力均
等化工程の終りにおける両カラム内の圧力に応じ
て、弁３又は１０を開いてカラム内のカーボンを
真空により再生する前に、弁２又は９を開いて更
にカラムを大気圧まで減圧する。ここで、供給空
気を弁０及び弁８もしくは１を介して、吸着圧力
例えば3.0〜8.0バールでカラムＢ又はカラムＡの
中へ導入する。このようにしてサイクルを繰り返
し、一方のカラムを真空によつて再生する間に、
他方のカラムを窒素の製造に使用する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の新規方法を実施する装置の
概略的フローシートを表わす。 図において、Ａ，Ｂ……カラム、０〜１６……
弁を夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 二成分混合ガスを3.0〜8.0バールの範囲
   の圧力で、カーボンモレキユラーシーブの第１
   の吸着床に通して濃縮ガスを作り； (b) 破過の少し前に前記混合ガスの前記第１の吸
   着床への通気を停止し、続いてその入口端を短
   時間開口して第１の放出ガスを抜くことによ
   り、前記第１の吸着床内圧力を大気圧よりは高
   い圧力まで低下させ； (c) 更に前記第１の吸着床の出口端を開口して第
   ２の放出ガスを抜き、この第２の放出ガスを、
   前記第１の吸着床内圧力が第２の吸着床内圧力
   と等しくなるまで、カーボンモレキユラーシー
   ブの第２の吸着床の入口端の中へ導き； (d) 更に前記第１の吸着床の入口端を開口するこ
   とによつて前記第１の吸着床内圧力を大気圧ま
   で低下させ、その間並行して前記第２の吸着床
   の出口端へ濃縮ガスを導入して前記第２の吸着
   床を3.0〜8.0バールの範囲に加圧し、 (e) 更に前記第１の吸着床の入口端に70〜100ト
   ールの範囲に真空を適用することにより前記第
   １の吸着床を再生し、その間並行して二成分系
   混合ガスを3.0〜8.0バールの範囲の圧力で前記
   第２の吸着床に通して濃縮ガスを作り； (f) 次いで前記第１の吸着床と第２の吸着床につ
   いての工程を入れかえて上記(b)以下の工程を遂
   次繰り返す、以上の一連の工程からなることを
   特徴とする濃縮ガスを製造するための吸着方
   法。 ２ 二成分混合ガスが空気で、濃縮ガスが窒素で
   ある特許請求の範囲第１項記載の方法。