JPH05237328A - 高酸素含有量ガスの製造方法 - Google Patents

高酸素含有量ガスの製造方法

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JPH05237328A
JPH05237328A JP4278597A JP27859792A JPH05237328A JP H05237328 A JPH05237328 A JP H05237328A JP 4278597 A JP4278597 A JP 4278597A JP 27859792 A JP27859792 A JP 27859792A JP H05237328 A JPH05237328 A JP H05237328A
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Leon Hay
アイ・レオン
Sylvie Eteve
ウトヴエ・シルビエ
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 少くとも６０ｔ／日の酸素を製造する方法で
あって、その製造原価をより少くし、かつ製造設備への
投資を低減する方法の提供。 【構成】 高圧ＰM で空気を吸着器に送る酸素富化ガス
の製造段階（ｄ1 ）及びポンプによる大気圧以下の減圧
による吸着器の再生段階（ｄ3 ）及び酸素富化ガスによ
る再昇圧（ｄ5 ）段階を、ｎ本の吸着器で順次行う。吸
着器には空気中の窒素を選択吸着する吸着剤が用いら
れ、吸引継続時間（ｄ7 ）は長くても製造段階の継続時
間（ｄ1 ）と等しい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高圧ＰM と吸引によっ
て得られる大気圧以下の低圧Ｐｍとの間で作動する、
“ＰＳＡ”（圧力揺動吸着）式方法に従った吸着によ
り、空気からの酸素富化ガス製造に関する。
【０００２】
【従来の方法】例えば５Ａ型又は１３Ｘ型のゼオライト
での空気の分別による酸素の工業的製造に用いられるこ
の種の設備は、酸素含有量９５％（残りの５％は主とし
てアルゴンからなる）まで酸素で富化された空気を供給
する。
【０００３】しかしながら数多くの応用では、酸素含有
量９０／９３％級の製造は満足すべきである。この同じ
含有量の範囲で、利用側から要求される酸素の量は、数
トン／日から数百トン／日にも達する。
【０００４】これら公知の工業的設備は、酸素１０〜５
０ｔ／日の範囲で発展し、その範囲ではこれら設備は、
低温工学的方法によって得られ、液体状で供給される酸
素と比べて原価の面で十分競争力を現わしている。
【０００５】これらの設備で提案されるいろいろな種類
のサイクルは、一般に２〜４本の吸着器を有し、それら
の１本は製造段階にあり、他の１本ないし複数本は再生
段階又は中間段階（掃気、再昇圧、…）にある。
【０００６】サイクルは一般に９０秒と数分の間に含ま
れる継続時間を有し、与えられたサイクル及び所定の継
続時間についての吸着器容積は、製造すべき流量に比例
して増加する。吸着剤の磨耗を避けるために、ある段階
でのガス通過速度の規制は、ガスの横断に最小の断面積
を強制し、これは大きなサイズについて直接又は間接に
制限要因となっている。垂直円筒形構造の吸着器及びガ
スの垂直の流れについて、あるサイズの装置以上に吸着
器の直径が大きくなるのがそれである（底部及びケーシ
ングの直径の制限、輸送の問題、…）。
【０００７】直径が同じなら前記の場合におけるより大
流量を流すことができる水平円筒形構造の吸着器、及び
ガスの垂直な流れについては、大流量の通路は吸着剤の
両側のコレクタにおけるガスの分配並びにこれらのコレ
クタ内のデッドスペースの増加の問題を提起する。他方
では、動力学的現象が、性能の低下を避けるために、あ
る段階について最短の継続時間を要求し、これは所定粒
度の吸着剤について最適の継続時間を定める。
【０００８】磨耗、動力学及び技術的限界の拘束を考慮
すると、このような酸素製造設備の限界は約６０ｔ／日
と予想できる。さらに多くの、例えば３００ｔ／日の酸
素富化空気を要求する応用の場合には、実際の解決法
は、並列に複数のユニットを設置するか（例えば１５０
ｔ／日の製造に対しては各５０ｔ／日のユニットを３
基）、低温工学的方法による解決に移行するかである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、複数の別個のユニットの並列使用がもたら
すのよりもわずかな製造原価で、工業用酸素の製造設備
のトン数の実際の限界を除くことである。さらに正確に
は、本発明は１基のみのユニットで、６０ｔ／日よりず
っと多量でもよい酸素を製造することを目的とし、これ
は製造原価においては固定費（土木工事、エンジニアリ
ング、組立て、始動）を減少するが、複数ユニットの並
設からもたらされる原価と比べて投資部分（機材、吸着
剤、…）も減少する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のこれらの目的
は、ｎ本の吸着器の各吸着器により一つの吸着器から他
の吸着器へＴ／ｎのずれで、（ａ）少なくとも大気圧と
等しい圧力で、少なくとも酸素製造段階の主要部分の間
に空気の送入を伴なう継続時間ｘの並流での酸素製造段
階、（ｂ）少なくとも段階の最後の部分に、吸引によっ
て得られる大気圧以下の圧力までの向流減圧を含む減圧
段階で、吸引に、場合によっては酸素富化ガスの向流通
過による排出−溶離が後に続き、前記減圧段階中に達す
るサイクルの最低圧力がＰｍである段階、（ｃ）少なく
とも酸素富化ガスによる向流での再昇圧過程を含む再昇
圧段階を順次、周期Ｔに従って周期的に確実に行う、前
記した種類の方法において、（ｄ）吸着器数が少なくと
も３本であり、（ｅ）製造段階の継続時間がずれＴ／ｎ
よりも長く、（ｆ）向流減圧及び場合によって必要な排
出−溶離の合計継続時間が、長くとも製造段階の継続時
間と等しく、（ｇ）（ｂ）による吸引段階が、ｋ台のポ
ンプ装置（ｋ＞１）を用いて行われ、各ポンプ装置が部
分的減圧のレベルに適用され、吸引継続時間ｙの間は同
一吸着器に順次作用し、その結果、（ｋ−１）Ｔ／ｎ＜
ｙ＜ｋＴ／ｎ（ｋは、少なくともＴ／ｎの間隔をおいた
１分画の間に同時製造している吸着器の最大数より少く
とも１ユニット少ない）である 上記の組合せることによって達成される。
【００１１】ポンプ装置とは、ポンプ及びそれと組合さ
れたモータか、それともポンプ段又はポンプ本体を意味
し、この場合複数のポンプ装置は単一のモータと接続す
ることができ、あるいは並列に取りつけられ、与えられ
た瞬間に一つの同じ吸着器から吸引することもできる。
【００１２】段階ｃ）により向流で導入される減圧ガス
は、他の吸着器からの減圧ガス及び／又は少なくともや
はり吸着器からの製造ガスである。場合によっては、段
階ｃ）による再昇圧ガスの一部分は、並流で導入された
空気で構成される。
【００１３】一般にサイクルの最高圧力は、大気圧と
１．６×１０5 Ｐａとの間にあり、一方、サイクルの最
低圧力は、０．２×１０5 Ｐａと０．５×１０5 Ｐａと
の間にある。
【００１４】本発明は、Ｔ／ｎのずれで順次操業するｎ
本の吸着器の一群中の１本の吸着器による継続時間Ｔの
操業サイクルを“圧力（縦座標）−時間（横座標）”で
それぞれ示す添付の図面、図１ないし図８を参照しなが
ら以下に説明される。
【００１５】
【実施例】一般的やり方で、“並流”及び“向流”の用
語は、ガスが吸着器内で、それぞれ処理されるガス混合
物の入口開口から製造ガスの出口開口の方へ、及びそれ
と反対の方へ流れるときに用いられる。圧力図では、並
流方向は縦座標（圧力）軸に平行に紙面の上方に延び、
一方、向流方向はそれと反対である。ガス流の方向を示
している矢印が線図を横切るとき、これはガスが一方の
開口（入口又は出口）から他方の開口（出口又は入口）
へと吸着器を通って流れることを意味する。
【００１６】矢印が始まり又は終るとき、これは開口の
一方が閉じられたこと、すなわち空になったこと又は一
杯になったことをそれぞれ意味する。図面及び以下の記
載では、次の略号及び符号が用いられる。
【００１７】Ｔ：サイクルの継続時間又は周期 ｎ：吸着器の一群中の吸着器の数 Ｔ／ｎ：相次ぐ２本の吸着器間の時間のずれ Ｎ：同時に製造中の吸着器の数 ｔ1 ：並流による製造段階の開始 ｔ2 ：並流による製造段階の終了又は場合よっては必要
な並流による最初の減圧段階の開始 ｔ3 ：場合によっては必要な並流による最初の減圧段階
の終了又は向流による減圧段階の開始 ｔ4 ：場合によっては必要な放出−溶離段階前の向流に
よる減圧段階の終了 ｔ5 ：場合によっては必要な放出−溶離段階の終了 ｔ6 ：場合によっては必要な、中間圧力までの部分的再
昇圧段階の終了 ｔ7 ：再終再昇圧段階の終了 ｄ1 ：並流による製造段階の継続時間 ｄ2 ：場合によっては必要な並流による減圧段階の継続
時間 ｄ3 ：場合によっては必要な放出−溶離段階前の向流に
よる減圧段階の継続時間 ｄ4 ：放出−溶離段階の継続時間 ｄ5 ：向流による再昇圧段階の継続時間 ｄ6 ：並流による再昇圧段階の継続時間 ｄ7 ：場合によっては必要な放置−溶離を伴なう、向流
による吸引の継続時間 ｋ：ポンプ装置の数。
【００１８】図１ないし図８を参照すると、そこではサ
イクル及びいろいろな段階の継続時間と対応する時間
が、６０秒に固定された吸着器への空気送入を含む吸着
時間に基いて参考までに与えられており、一般にこの時
間は、直径１〜３ｍｍの球形か、同等の直径をもった粒
度の他の形状の吸着剤を充填した工業用酸素“ＰＳＡ”
の場合には３０〜１２０秒に含まれる。
【００１９】図１ Ｔ：１２０秒 ｎ：４ Ｔ／ｎ：３０秒 Ｎ：２ ｄ1 ：６０秒 ｄ2 ：１０秒 ｄ3 ：２０秒 ｄ4 ：１０秒 ｄ5 ：２０秒 ｄ7 ：３０秒 ｋ：１ このサイクルは４本の吸着器を有し、２本の吸着器はそ
れぞれ６０秒の継続時間の間同時に製造段階にあり、各
吸着器は、１台のポンプ装置によって、このポンプ装置
を確実に連続作動しながら、向流吸引によって再生さ
れ、次いで３０秒間溶離される。
【００２０】このサイクルと比べて、同じ種類のサイク
ル（段階の同じ連続、６０秒の同じ吸着時間、ポンプ装
置の連続運転、各吸着器の同じ容積）をもっているが、
操業中のある瞬間に製造段階には１本の吸着器しか有し
ていない、半量の少ない製造量をもつ吸着器３本の装置
が得られる。
【００２１】収量の顕著な損失も、製造酸素１ｍ3 当り
のエネルギー消費の顕著な増加もなしに、図１の吸着器
４本の設備は、それぞれが吸着器３本を備えた２基の別
々の設備と同じ製造量を有し、５０％の生産性の利得を
示し、さらに１ユニット当りの製造限界を２のファクタ
で増加させた。
【００２２】図２ Ｔ：１００秒 ｎ：５ Ｔ／ｎ：２０秒 Ｎ：３ ｄ1 ：６０秒 ｄ2 ：１０秒 ｄ3 ：１０秒 ｄ4 ：１０秒 ｄ5 ：１０秒 ｄ7 ：２０秒 ｋ：１ 図２のサイクルは、一群の吸着器中に１本の補足吸着器
があること、また連続製造中の１本の補足吸着器がある
ことによって前記サイクルと区別される。サイクル継続
時間Ｔは、製造継続時間ｄ1 が６０秒に保たれ、吸引継
続時間ｄ7 が２０秒に短縮されているのに１００秒に短
くされている。
【００２３】図３ Ｔ：１２０秒 ｎ：６ Ｔ／ｎ：２０秒 Ｎ：３ ｄ1 ：６０秒 ｄ2 ：１０秒 ｄ3 ：３０秒 ｄ4 ：１０秒 ｄ5 ：１０秒 ｄ7 ：４０秒 ｋ：２ この実施態様では、吸引継続時間ｄ7 の４０秒は、ずれ
Ｔ／ｎの２倍である。したがって連続作動する２台のポ
ンプ装置（ポンプＮｏ．１及びポンプＮｏ．２）が用い
られ、各ポンプ装置はその吸入圧力及び送出圧力のレベ
ルに適用される。
【００２４】図４ Ｔ：９０秒 ｎ：３ Ｔ／ｎ：３０秒 Ｎ：１次いで２ ｄ1 ：４０秒 ｄ2 ：１０秒 ｄ3 ：１０秒 ｄ4 ：１０秒 ｄ5 ：１０秒 ｄ6 ：２０秒 ｄ7 ：２０秒 ｋ：１ ３本のみの吸着塔を備え、１台のポンプがここではずれ
の２／３の継続時間の間非連続で作動する。さらに２本
の吸着器が、少なくともずれの継続期間Ｔ／ｎの一部分
と対応する与えられた瞬間に同時に製造段階にあり、１
本の吸着器のみが残り部分の時間の間製造段階にある。
【００２５】再昇圧が吸着器の両端部へのガスの導入に
より、すなわち並流空気によりここで１０秒間行われ、
最初の減圧ガスが最初の減圧の間に他の吸着器から並流
で引出され、再昇圧の間に吸着器に向流で再導入される
ことは注目される。再昇圧の最終過程では空気のみが並
流で送られる。
【００２６】図５ Ｔ：１４４秒 ｎ：６ Ｔ／ｎ：２４秒 Ｎ：２次いで３ ｄ1 ：６０秒 ｄ2 ：１２秒 ｄ3 ：３６秒 ｄ4 ：１２秒 ｄ5 ：２４秒 ｄ7 ：４８秒 ｋ：２ この実施態様では、吸引継続時間（ｄ7 ＝４８秒）は、
一方は比較的高圧で、他方はそれより低い圧力で作動す
る２台のポンプに課せられる。１本の吸着器の操業継続
時間はそれぞれ２４秒であり、したがってそれらの２本
が連続して操業する。
【００２７】図６ Ｔ：１２０秒 ｎ：６ Ｔ／ｎ：２０秒 Ｎ：３ ｄ1 ：６０秒 ｄ2 ：０秒 ｄ3 ：４０秒 ｄ5 ：２０秒 ｄ7 ：４０秒 ｋ：２ サイクルの最高圧力ＰM が大気圧Ｐａと等しいかわずか
に高いだけのこの実施態様では、減圧は２台のポンプ
（ポンプ１及びポンプ２）による吸引で完全に行われ、
各ポンプはずれＴ／ｎの間作動する。溶離はなく、全再
昇圧は製造流路でのガス抜取りによって行われる。
【００２８】図７ Ｔ：１２０秒 ｎ：６ Ｔ／ｎ：２０秒 Ｎ：３ ｄ1 ：６０秒 ｄ2 ：１０秒 ｄ3 ：３０秒 ｄ5 ：２０秒 ｄ7 ：３０秒 ｋ：２ ここでは吸引継続時間ｄ7 （３０秒）は、ずれの２０秒
を超えている。圧力の減少が十分に控え目であったとし
ても、２台のポンプを使用するのが望ましく、第１のポ
ンプ（ポンプＮｏ．１）より低い圧力で作動する第２の
ポンプ（ポンプＮｏ．２）がずれの継続時間の間作動す
るのに、第１のポンプは１０秒間しか作動しない。した
がってこのポンプＮｏ．２は連続して作動し、ポンプＮ
ｏ．１は半分の時間しか作動しない。再昇圧が他の吸着
器からの最初の減圧ガスによって（継続時間ｄ′5 ＝１
０秒）、次いで製造ガスによって（継続時間ｄ″5 ＝１
０秒）、すべて向流で行われることに注目するのは当然
である。
【００２９】図８ Ｔ：１２０秒 ｎ：４ Ｔ／ｎ：３０秒 Ｎ：２ ｄ1 ：６０秒 ｄ2 ：０秒 ｄ3 ：３０秒 ｄ4 ：０秒 ｄ5 ：３０秒 ｄ7 ：２５秒 ｋ：１ ここでは吸引継続時間ｄ7 は向流による減圧継続時間以
下であるが、それは向流減圧よりも吸着器を向流空気に
さらす段階が先立っているからである。この段階は大気
圧から吸引段階を開始することができる。
【００３０】
【００３１】表１から、吸引継続時間ｄ7 が常に製造段
階継続時間ｄ1 より少ないか、それと等しいことが確認
される。サイクルの全継続時間と比べてこの吸引継続時
間は、サイクル継続時間の０．２０（図２のサイクル）
と０．３３（図５のサイクル）との間に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による吸着サイクルの第１の実施例を
“圧力（縦座標）−温度（横座標）”で示した図。
【図２】第２の実施例の同様な図。
【図３】第３の実施例の同様な図。
【図４】第４の実施例の同様な図。
【図５】第５の実施例の同様な図。
【図６】第６の実施例の同様な図。
【図７】第７の実施例の同様な図。
【図８】第８の実施例の同様な図。
【符号の説明】
なし

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｎ本の複数吸着器の各吸着器により、一
    つの吸着器から他の吸着器へＴ／ｎのずれで、 （ａ）少なくとも大気圧と等しい圧力で、少なくとも並
    流での酸素製造段階の主要部分の間に空気送入を伴なっ
    た継続時間ｘの前記並流での酸素製造段階、 （ｂ）少なくとも段階の最後の部分に、吸引によって得
    られる大気圧以下の圧力までの向流減圧を含む減圧段階
    であって、前記吸引に、場合によっては酸素富化ガスの
    向流通過による排出−溶離が後に続き、前記吸引段階中
    に達するサイクルの最低圧力がＰｍである段階、 （ｃ）少なくとも酸素富化ガスによる向流再昇圧過程を
    含む再昇圧段階 を順次、周期Ｔに従って確実に周期的に行なう種類の、
    空気中の窒素の吸着により特に６０ｔ／日以上の量の高
    酸素含有量ガスの製造方法において、 （ｄ）吸着器数が少なくとも３本であり、 （ｅ）製造段階の継続時間がずれＴ／ｎよりも長く、 （ｆ）向流減圧及び場合によって必要な排出−溶離の合
    計継続時間が、長くとも製造段階の継続時間と等しく、 （ｇ）（ｂ）による吸引段階が、ｋ台のポンプ装置（ｋ
    ＞１）を用いて行われ、各ポンプ装置が部分的減圧のレ
    ベルに適用され、吸引継続時間ｙの間は同じ吸着器に順
    次作用し、その結果、 （ｋ−１）Ｔ／ｎ＜ｙ＜ｋＴ／ｎ（ｋは、少なくともＴ
    ／ｎの間隔をおいた１分画の間に同時に製造段階にある
    吸着器の最大数よりも１ユニット少ない）である 上記の組合せを特徴とする高酸素含有量ガスの製造方
    法。
  2. 【請求項２】 （ｈ）製造段階と向流減圧段階との間
    に、他の吸着器の段階（ｂ）による場合によっては必要
    な排出−溶離用の排出ガスを供給するように、並流減圧
    が行われることを特徴とする請求項１記載の高酸素含有
    量ガスの製造方法。
  3. 【請求項３】 （ｉ）製造段階と向流減圧段階との間
    に、再昇圧段階（ｃ）用の部分的再昇圧ガスを供給する
    ように、並流減圧が行われることを特徴とする請求項１
    記載の高酸素含有量ガスの製造方法。
  4. 【請求項４】 まず（ｉ）による減圧、次いで（ｈ）に
    よる減圧が行われることを特徴とする請求項１記載の高
    酸素含有量ガスの製造方法。
  5. 【請求項５】 段階（ｂ）及び／又は段階（ｃ）の酸素
    富化ガスが製造酸素であることを特徴とする請求項１な
    いし４のいずれか１項に記載の高酸素含有量ガスの製造
    方法。
  6. 【請求項６】 再昇圧段階（ｃ）の向流再昇圧過程が、
    少なくとも製造ガスによって行われることを特徴とする
    請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高酸素含有量
    ガスの製造方法。
  7. 【請求項７】 製造段階が、少なくとも部分的に最高圧
    力で行われることを特徴とする請求項１ないし６のいず
    れか１項に記載の高酸素含有量ガスの製造方法。
  8. 【請求項８】 製造段階が、少なくとも部分的に増大す
    る圧力によって行われることを特徴とする請求項１ない
    し７のいずれか１項に記載の高酸素含有量ガスの製造方
    法。
  9. 【請求項９】 再昇圧段階（ｃ）が、少なくとも空気に
    よる並流再昇圧過程を組込んでいることを特徴とする請
    求項１ないし８のいずれか１項に記載の高酸素含有量ガ
    スの製造方法。
  10. 【請求項１０】 サイクルの最高圧力ＰM が大気圧と
    １．６×１０5 Ｐａとの間に含まれ、一方、サイクルの
    最低圧力Ｐｍが０．２×１０5 と０．５×１０5 Ｐａと
    の間に含まれることを特徴とする請求項１ないし９のい
    ずれか１項に記載の高酸素含有量ガスの製造方法。
  11. 【請求項１１】 段階（ｂ）による吸引の継続時間ｙ
    が、サイクル継続期間の２０％と４０％との間に含まれ
    ることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項
    に記載の高酸素含有量ガスの製造方法。
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