JPH06142431A - 高純度酸素製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＰＳＡ法によるガス吸着分離方法を用い、簡
単な構成で空気から純度９９．５％以上の高純度酸素を
製造する方法を提供する。 【構成】 下記第１〜第３工程の順にかつ３つの工程を
１つの循環的弁開閉操作により、連続的に空気から高純
度酸素を製造する方法により上記目的を達成できる。
空気中の水分、炭酸ガス、窒素ガス等の不要成分を除去
する第１工程。酸素を選択的に吸着する吸着剤を用い
て前記工程を経たガス中の酸素を濃縮する第２工程。
窒素を選択的に吸着する吸着剤を用いて前記工程を経た
ガス中の酸素を高純度にする第３工程。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高純度酸素製造方法に関
するものであり、更に詳しくはＰＳＡ法（Pressure Swi
ng Adsorption Process : 圧力変動吸着法または圧力ス
イング吸着法）によるガス吸着分離方法を用い、吸着ガ
スを製品とするＰＳＡ装置と非吸着ガスを製品とするＰ
ＳＡ装置とを組み合わせた簡単な構成で空気から純度９
９．５％以上の高純度酸素を製造する方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、酸素（Ｏ₂ と略す）を製造する方
法として蒸留法（深冷分離法、以下深冷法と略す）、
吸着法（代表的なものとしてＰＳＡ法がある）、膜
分離法などの空気分離法がある。深冷法は高純度のＯ₂
（９９．５％以上）と高純度の窒素（Ｎ₂ と略す）（９
９．９９％以上）を併産できるという他の２法にはない
特長があるが上記の３方法の中、最もシステムが複雑で
小型化は困難であり、大規模生産でないと経済的に成立
できないという欠点がある。また膜分離法は構成が簡単
であるが、製品純度が３０〜４０％Ｏ₂ と他の２方法に
比較して低い。これに対してＰＳＡ法は構成が簡単で小
規模生産に適すが、得られる製品純度が９５％どまりで
深冷法製品純度より低い。これはＰＳＡ法によるＯ₂ 製
造に一般に使用されるＮ₂ 吸着剤［例えば、ＭＳ−５Ａ
（Molecular Sieve 5A) ］ではＯ₂ とＡｒ（アルゴン）
の分離ができないことによる。ＭＳ−５Ａに対し、Ｏ₂
とＡｒは同一の挙動を示し、製品中にはＯ₂ とＡｒが空
気中の存在比（２１：１）のまま濃縮されるからであ
る。即ち、Ｏ₂ が２１％→９４％に濃縮されるとＡｒも
１％→１×９４／２１＝４．５％迄濃縮される。ＰＳＡ
法により得られる製品純度の実際の測定値も略Ｏ₂ は９
４％、Ａｒは４．５％、残り（Ｎ₂ ）は１．５％となっ
ている。 一方、小口用途に対しボンベや小型液体容器
で供給されるＯ₂ の純度は９９．５％以上あるが、重く
て動かすのが大変であり、また高圧ガスであるので危険
であり、取扱に注意を要し、補充が不便で管理に手間が
かかる等の欠点がある。そこでＰＳＡ法を用い簡単な装
置で９９．５％以上のＯ₂ を製造する方法が強く求めら
れている。

【０００３】従来のＰＳＡ法による高純度Ｏ₂ 製造法に
は、種々のシステムが特許出願されているが原理的には
図１に示したシステム１（Ｓ１）もしくはシステム２
（Ｓ２）のどちらかに属す。Ｓ１は空気→Ｄ［空気乾燥
装置（水分吸着剤、活性アルミナ等充填）］→Ｃ［Ｏ₂
吸着装置（ＭＳＣ充填）(Molecular Sieving Carbon)］
→７０％以上のＯ₂→Ａ［Ｎ₂ 吸着装置（ＭＳ−５Ａ、
ＭＳ−１３Ｘ（Molecular Sieve 13X)等充填）］→９
９．５％以上のＯ₂ を製造するシステムである。Ｓ２は
空気→Ａ［Ｎ₂ 吸着装置（ＭＳ−５Ａ、ＭＳ−１３Ｘ等
充填）］→９０％以上のＯ₂ →Ｃ［Ｏ₂ 吸着装置（ＭＳ
Ｃ充填）］→９９．５％以上のＯ₂ を製造するシステム
である。図２にＤとＡを組み合わせた従来のＰＳＡ法に
よる高純度Ｏ₂ 製造システム構成ユニットの例（本発明
者による特開平３−５２６１５号公報参照）を示す。図
３にＣを用いた従来のＰＳＡ法による高純度Ｏ₂ 製造シ
ステム構成ユニットの例（本発明者による特開平４−２
６０４１６号公報参照）を示す。

【０００４】Ｓ１システムを図２、図３のユニットを組
合わせて構成した場合、吸着塔が５塔、ポンプが３台、
リザーバー［中間製品および最終製品（９９．５％Ｏ
₂ ）貯蔵用］が３塔となり、部品数、弁数が多く、シス
テムが複雑で装置が大型化し、運転保守上大変手間がか
かることになるので、装置コストの低減、エネルギーコ
ストの低減の両面から格段の改善を行う必要がある。

【０００５】図２の構成ユニットを用いて空気中からＮ
₂ を吸着除去し、Ｏ₂ を製造する例について説明する。
１^' 〜１０^' ：自動弁（弁９^' 、弁１０^' はポンプＰ^'
を加圧、真空併用のときのみ使用）、Ｐ^' ：ポンプ、１
２^' （Ｃ−１）と１３^' （Ｃ−２）：吸着塔であり、空
気乾燥の場合はシリカゲル、活性アルミナ等を充填し、
Ｏ₂ の製造を目的とする場合はその上層にＭＳ−５Ａ、
ＭＳ−１３Ｘ等を充填する。１４^' ：原料ガス供給ライ
ン、１５^' ：製品ガス採取ライン。

【０００６】Ｏ₂ 濃縮操作は次の４つの工程に分かれ
る。原料空気加圧−製品Ｏ₂ 取出し−減圧（大気
圧もしくは真空圧へ）−パージ…再びへ戻る。以下
各工程順に説明する。 原料空気加圧 原料空気（１４^' ）はポンプ（Ｐ^' ）、弁（１^' ）を介
して加圧下に吸着塔（Ｃ−１）下部へ送入される。吸着
塔（Ｃ−１）には活性アルミナ（空気中の水分除去目
的）とＭＳ−５Ａ（Ｎ₂ 吸着用）が層状に充填されてい
る。空気中の水分はＣ−１入口端部の活性アルミナ層で
先ず水分が除去され、乾燥空気が上層（吸着剤層高の７
〜９割）のＭＳ−５Ａ層へ送られる。そこで空気中のＮ
₂ が吸着される。このときＭＳ−５Ａ層下部にＮ₂ 吸着
帯が形成され、原料ガス送入続行とともにこの吸着帯は
前方へ拡大する。同時にＮ₂ 分の減少したガス（濃縮Ｏ
₂ ）が吸着塔（Ｃ−１）出口端方向へ押しやられる。

【０００７】製品Ｏ₂ 取出し （Ｃ−１）吸着塔内圧力が所定圧（例、１．０〜３．０
ｋｇ／ｃｍ² Ｇ）に達したら、弁（２^' ）を開け、濃縮
Ｏ₂ を製品ガスライン（１５^' ）に取出す。製品Ｏ₂ の
取出しは原料空気送入中もしくは送入終了後すぐに行
う。 減圧 弁（１^' ）、弁（２^' ）を閉、弁（４^' ）を開とする
［同時に弁（５^' ）が開放され、（Ｃ−２）吸着塔の原
料空気加圧が開始される］。（Ｃ−１）吸着塔内ガスは
弁（４^' ）を経て大気放出ライン（１６^' ）へ供給され
る。図２に点線で示すごとくａ−ｂを接続してポンプ
（Ｐ^' ）で真空減圧し、脱着を促進してもよい。このと
きは弁（９^' ）、弁（１０^' ）が必要となる。（Ｃ−
１）吸着塔ガスの大気放出に伴い、吸着されているＮ₂
が一部離脱し、ライン（１６^' ）から大気中へ廃棄され
るが、未だ相当量の不要成分（Ｈ₂ Ｏ、Ｎ₂ ）が（Ｃ−
１）吸着塔に残留したままである。この残留ガス（殆ど
は吸着されているガス）を離脱さすために次のパージ操
作を行う。

【０００８】パージ の操作により（Ｃ−１）吸着塔は大気圧下にある。弁
（７^' ）を開放することにより（Ｃ−２）吸着塔の製品
ガス（濃縮Ｏ₂ ）の一部を（Ｃ−１）吸着塔上部（出口
端）へ供給する。（Ｃ−１）吸着塔上部へ供給された製
品ガスは（Ｃ−１）吸着塔内を向流方向に流れる間に吸
着Ｎ₂ を脱着し、このＮ₂ は製品ガス流れとともに弁
（４^' ）を介して大気中へ放出される。パージが終了す
ると再び原料空気の送入が開始される。 以上の〜操作を一定時間毎［１サイクル時間、Ｔ
（秒）］に循環操作する。（Ｃ−１）吸着塔が吸着過程
［＋］のとき（Ｃ−２）吸着塔は再生過程［＋
］にあり、（Ｃ−２）吸着塔が吸着過程［＋］の
とき（Ｃ−１）吸着塔は再生過程［＋］にある。こ
のように絶えず何れかの塔は加圧、製品取出し可能の状
態にある。

【０００９】図３の構成ユニット（吸着ガスを製品とす
る装置）を用いて乾燥空気中からＯ₂ を製造する例につ
いて説明する。図３中の１^" 〜７^" ：自動弁、８^" ：ニ
ードル弁（流量調整用）、Ｐ^" ：ポンプ（加圧−真空併
用型）、１２^" ：吸着塔［目的ガスＯ₂ を選択吸着する
吸着剤、すなわちＭＳＣを充填する。充填吸着剤はＭＳ
Ｃ（ａ１）のみの場合図３（ａ）と活性アルミナ等の乾
燥剤（ｂ１）とＭＳＣ（ｂ２）を層状に充填する場合図
３（ｂ）の２通りある。通常、原料ガスが大気の場合は
図３（ｂ）が使用され、原料ガスが乾燥空気または濃縮
酸素（９０〜９５％）の場合は図３（ａ）が使用され
る。］、１３^" ：製品リザーバ（可撓性容器が好まし
い）、１４^" ：原料導入ライン、１５^" ：廃棄ガスライ
ン（Ｎ₂ リッチガス）、１６^" ：製品ライン、１７”：
圧力開放ラインである。

【００１０】図３の構成ユニットの工程は次の４工程に
分かれる。原料空気（加圧）送入、並流放出、製
品ガスのリサイクル送入、製品ガス（Ｏ₂ ）回収。 原料空気送入［図３（ａ）を使用した場合］ 乾燥空気を空気導入ライン（１４^" ）から送入、弁（６
^" ）を通してポンプ（Ｐ^" ）に送り、ポンプ（Ｐ^" ）で
加圧し、弁（１^" ）を通して吸着塔（１２^" ）の下部に
送入する（このとき弁２^" 〜５^" 、７^" は閉じてお
く）。送入続行とともに塔（１２^" ）内圧力が上昇す
る。空気中のＯ₂ が吸着剤（ａ１）の下端部から吸着さ
れ、吸着帯が形成される。その帯幅は次第に出口端へ拡
大する。

【００１１】並流放出 吸着塔（１２^" ）内圧力が所定の圧力（例、０．５〜
３．０ｋｇ／ｃｍ² Ｇ）に達すると、弁（２^" ）を開放
し、弁（８^" ）により吸着塔（１２^" ）からの排ガスの
流量を調節しながら、吸着塔（１２^" ）内の吸着されな
っかったガス（不要ガス、Ｎ₂ ）を大気中へ放出させ
る。排ガス純度は始めＮ₂ リッチであるが次第にＯ₂ 分
に富むようになる。排ガス中の窒素分が空気中のＮ₂ 濃
度に接近した場合あるいはその間の適宜の時点で弁（６
^" ）を閉止し、空気導入を停止する。 製品ガスのリサイクル導入 弁（７^" ）を開放、リザーバー（１３^" ）内の製品Ｏ₂
ガス（以前の操作で捕集されているＯ₂ ガス）を弁（７
^" ）−ポンプ（Ｐ^" ）−弁（１^" ）を経由して吸着塔
（１２^" ）の下部に送入する。この工程で、吸着塔（１
２^" ）内の吸着剤粒子間にあるガス及び吸着剤の表面に
付着しているＯ₂ 以外のガスを製品濃縮Ｏ₂ で置換す
る。吸着塔（１２^" ）からの排ガスは弁（２^" ）−ニー
ドル弁（８^"）を経て大気中へ排出される。排ガス中の
Ｏ₂ 濃度が十分高くなった時点で弁（７^" ）、（１
^" ）、（２^" ）を閉止する。

【００１２】製品（Ｏ₂ ）ガス回収 弁（３^" ）、弁（５^" ）を開放し、ポンプ（Ｐ^" ）で吸
着塔（１２^" ）を真空引して大気圧以下にし、吸着剤
（ａ１）に吸着されていたＯ₂ を脱着させ、リザーバ
（１３^" ）に捕集する。この際、吸着塔（１２^" ）内の
圧力は２００ｍｍＨｇ（絶対圧）以下にすることが好ま
しい。以上の〜の工程を１サイクル操作とする。上
記１サイクル操作における各弁の開閉状態（弁シーケン
ス）を図４に示す。図４中の斜線部分は弁の開放されて
いる時間を示す。１サイクル時間は装置の規模、吸着剤
仕様、運転条件などで異なるが一般に３０〜１２０秒で
ある。

【００１３】図３の構成ユニットを用いて空気中からＯ
₂ を製造する場合の原料空気は次の３つのケースがあ
り、前記のように予め乾燥された空気を用いる場合は図
３（ａ）の吸着塔を使用するが、大気の空気を用いる場
合は図３（ｂ）の吸着塔を使用する（この場合は水分の
蓄積を防止するためサイクル毎に脱着操作を加える必要
がある）。また、９０〜９５％に濃縮されたＯ₂ を用い
る場合は図３（ａ）あるいは図３（ｂ）のいずれの吸着
塔を用いてもよく、この場合の製品ガスは９９．５％以
上のＯ₂ を得ることができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のＰＳＡ法による
従来技術における最も簡単化した装置ユニットをもって
高純度Ｏ₂ 製造装置を構成する場合次のような問題点が
ある。先ずＳ１システムを選ぶか、Ｓ２システムを選ぶ
かシステムの選択上の問題がある。Ｓ１システムを選ぶ
と、吸着塔が２＋１＋２＝５塔、ポンプが３台、リザ−
バーが３塔の構成になる。Ｓ２システムを選ぶと、吸着
塔が２＋１＝３塔、ポンプが２台、リザ−バーが２塔の
構成になり、システム要素数はＳ１の方が少なくてよい
が、Ｓ２システムは次の問題点がある。即ち、製品Ｏ₂
が大気圧近傍で得られるので、消費端へ送るためポンプ
アップが必要となり、製品送給ポンプが必要となる。ま
た製品送給ポンプでポンプアップ（加圧）時、折角の高
純度Ｏ₂ が汚染される恐れがあり、製品を大気圧貯蔵す
るので製品リザーバーへ外気から汚染成分（Ｈ₂ Ｏ、Ｎ
₂ など）が侵入する恐れあり、また貯蔵圧が低いのでリ
ザーバー内壁からの脱ガス汚染の恐れもある。従って、
構成上の複雑さはＳ１システムとＳ２システムで大差な
く、純度管理の面からはＳ１システムの方が好ましい。

【００１５】然し、Ｓ１システムを用いて高純度Ｏ₂ 製
造装置を構成する場合、次のような問題点がある。 装置構成が複雑化し、大型化し装置価格が高くなる。
即ち、従来技術の中の最も簡単化されたＤ−Ｃ−Ａの３
つのユニットをリザーバーを介して連結した場合、吸着
塔は２＋１＋２＝５塔、リザーバー３塔、ポンプ３台と
なり、装置要素数が多く、製作工数が多く装置価格が上
昇する。また、吸着塔の大きさやポンプ仕様がまちまち
でコンパクトにまとまらず、設置スペースの面でも問題
がある。 第２段装置（Ｃ）および第３段装置（Ａ）から生成す
る有価ガス（Ｏ₂ ２１％以上のガスまたは圧力を保有す
るガス）の装置間での合理的な授受がなく、個別処理さ
れるため製品取得率が悪い。第１〜３段装置は互いに独
立した弁シーケンスで運転されるので、前段の製品ガス
がリザーバーに貯蔵され、後段装置はその貯蔵ガスを原
料とする。この場合、前段と後段装置の収率をη₁ 、η
₂ とすると、総合収率η＝η₁ ・η₂ となり、３段処理
になるとさらに一層収率が低下してしまう。従って各段
装置内で出る有価ガスを個別処理するのでなく、システ
ム全体として最も合理的に処理して、できるだけ有効成
分（Ｏ₂ ）を系外に出さないようにするための工夫が必
要となる。

【００１６】３つの装置が独自の弁シーケンスで運転
されるため運転開始から定常運転にする迄、あるいは運
転停止時、操作数が１つの装置を作動させる場合に比較
して多く、運転保守上、安全管理上問題がある。運転を
安全円滑にするためには、大きなリザーバーの使用や、
高級な制御機器の導入が必要となり、このことも装置価
格の上昇、収率低下の原因となる。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
に鑑み鋭意研究した結果、下記の〜により課題を解
決することができることを見いだして本発明を成すに到
った。 大型化回避のため乾燥装置（Ｄ）と酸素吸着装置
（Ｃ）とを結合一体化し、従来システムにおける２ケの
リザーバー（ＤとＣの後に各１ケあり）を不要にした。 ＤとＣとをひっくるめた１つの弁シーケンスとし、次
いでこの弁シーケンスの１サイクルの中にＡに係る弁シ
ーケンス（濃縮Ｏ₂ ７０〜８０％→９９．５％Ｏ₂ 以上
の高純度酸素とする）を割り込ませた。こうして装置全
体を１つのシステム化し、１つの弁シーケンスで安定し
て高純度Ｏ₂ が製造できるようにした。 システム全体の弁シーケンスの合理的時間配置を行う
ことにより、ＣとＡからでる有価ガスを系内で有効活用
し、減価した上で系外へ出すよう配慮した。一般的に各
装置からでるガスは後段に行くに従って価値が高くなる
ので、原則的にＣからでるガスはＤへ、Ａからでるガス
はＣ又はＤへリサイクルさせた。 上記の手段を円滑に実施するため基本的に２台のポン
プを採用し、時々刻々のガス処理要求に対応し、１）２
台のポンプを個別使用、２）直列使用、あるいは３）並
列使用等使い分ける［流量が必要な時は３）、圧力差が
必要な時は２）などを使い分ける］。

【００１８】本発明の請求項１の発明は、下記第１〜第
３工程の順にかつ３つの工程を１つの循環的弁開閉操作
により、連続的に空気から高純度酸素を製造する方法で
ある。 空気中の水分、炭酸ガス、窒素ガス等の不要成分を除
去する第１工程。 酸素を選択的に吸着する吸着剤を用いて前記工程を経
たガス中の酸素を濃縮する第２工程。 窒素を選択的に吸着する吸着剤を用いて前記工程を経
たガス中の酸素を高純度にする第３工程。

【００１９】本発明の請求項２の発明は、第２工程を、
酸素を選択的に吸着する吸着剤を充填した同一仕様の二
つの塔で実施するに際し、該工程の循環操作を原料送入
−並流放出−並流置換−向流減圧の順で実施し、１つの
塔の向流減圧ガスをポンプを介して他塔の並流置換ガス
として供給し、また並流放出ガスを第１工程の向流再生
用ガスとして供給する請求項１記載の方法である。

【００２０】本発明の請求項３の発明は、第３工程の向
流減圧ガスを第１工程の原料送入部及び／又は第２工程
の原料送入部へリサイクル供給する請求項１記載の方法
である。

【００２１】本発明の請求項４の発明は、同一仕様の２
台のポンプもしくは加圧用と真空引用の２台のポンプを
１サイクル操作の定められた時間帯に並列使用あるいは
直列使用する請求項１記載の方法である。

【００２２】本発明の請求項５の発明は、第１工程で空
気中の酸素を９０％以上に濃縮し、第２工程を経たガス
中の微量不要成分を除去するための吸着剤を第３工程吸
着剤として使用する請求項１記載の方法である。

【００２３】

【作用】 略同一仕様の水分などの吸着塔およびＯ₂ 吸着塔を２
〜４塔と、それよりずっと小さなＮ₂ 吸着塔を２塔と製
品Ｏ₂ リザーバー１塔を１つの架台上に合理的にコンパ
クト配置して、Ｄ−Ｃ−Ａの３つのユニットを１つの装
置システムにまとめたので、装置構成部品を減少でき、
装置価格を低下さすことができた。 上記１つのシステム内においてポンプまたは差圧によ
り、最短距離で系内有価ガスを迅速かつガス損失なく移
動さすことが可能となり、従来技術に比し有価ガス損失
が減少し、製品取得率を向上することができた。 上記１つのシステムを１つの弁シーケンスで作動さす
ことにより運転停止がボタン１つで可能になり、またリ
ザーバーが少なく、配管距離が短いため、運転開始から
製品送出迄の立上がり時間が早くなった。 ポンプ２台を用いて、供給速度を大きくしたいときは
２台を並列使用し、差圧を大きくしたいときは２台を直
列使用する等、合目的に使い分けるとによりシステム生
産性が向上した。これにより１つの塔を減圧しつつ、他
塔を大気圧以上へ加圧することが可能となった。またリ
ザーバーを介さず１つのＯ₂ 吸着塔から他のＯ₂ 吸着塔
へガスを移送する場合、時間的濃度分布ができ、この分
布のまま、混合をおこさず、移動が可能となった。これ
により有価ガス損失が少なくなり、ひいては製品収率を
向上することができた。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の高純度酸素製造方法を実施例
により詳細に説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限
り実施例によって限定されるものではない。図５は本発
明の高純度酸素製造方法を実施するための装置の基本構
成を示す図である。図６は図５の装置の部分的変形態様
を示す。図７は図５の装置の部分的変形態様を示す。図
８は図５の装置の部分的変形態様を示す。図９は図５に
示す装置の基本構成の１サイクルにおける弁シーケンス
例を示す。図１０は図８に示す装置の基本構成の１サイ
クルにおける弁シーケンス例を示す。

【００２５】（実施例１）図５について説明する。 １０ 乾燥塔［１０Ａ：活性アルミナ、１０Ｂ：ＭＳ−
５Ａ］ ２０，２１ Ｏ₂ 吸着塔（２０Ｃ，２１Ｃ：ＭＳＣ） ３０，３１ Ｎ₂ 吸着塔（３０Ａ，３１Ａ：ＭＳ−５
Ａ） ３２ 製品酸素リザーバー ２ｅ，２ｆ：ニードル弁（流量調整弁） １〜７，１ａ〜４ａ，１ｂ〜４ｂ，１ｃ〜４ｃ，１ｄ〜
４ｄ 自動弁 Ｐ１，Ｐ２ ポンプ １３ 原料空気送給ライン １４ 廃棄ガスライン １５ 濃縮Ｏ₂ 供給ライン（Ｎ₂ 吸着塔への） １６ 向流減圧ガスライン（Ｎ₂ 吸着塔からの） １７ リサイクル供給ライン １０が第１段装置（Ｄ）、２０，２１が第２段装置
（Ｃ）、３０，３１が第３段装置（Ａ）でこれらが配管
を通じて１つのシステムとなっている。高純度Ｏ₂ の製
造は第１段装置−第２段装置−第３段装置の順にグレー
ドアップされ最終的に９９．５％以上Ｏ₂ となり製品貯
槽（リザーバー）（３２）に貯蔵され、そこから消費端
へ供給される。

【００２６】図５に基づく高純度Ｏ₂ の分離操作につい
て説明する。先ず、（ａ）空気を乾燥して（第１次処
理）、次いでその空気を濃縮して濃縮Ｏ₂ （７０〜８０
％Ｏ₂ ）を製造する（第２次処理）。そして、（ｂ）濃
縮Ｏ₂より高純度Ｏ₂ （９９．５％Ｏ₂ 以上）を製造す
る（第３次処理）。

【００２７】（ａ）について：大気（水分含む）より濃
縮Ｏ₂ の製造工程は次の７工程からなる。空気乾燥
（Ｄ）、Ｏ₂ 吸着（Ｃ）、並流放出（１）（Ｃ）、
減圧再生（Ｄ）、濃縮Ｏ₂ 置換（Ｃ→Ｃ）、並流
放出（２）（Ｃ→Ｄ）、濃縮Ｏ₂ （７０〜８０％Ｏ
₂ ）回収（Ｃ→Ａ）。以下吸着塔（１０）と吸着塔（２
０）に着目して説明する。 空気乾燥（０〜３０秒）について：原料大気を弁
（３）−ポンプ（Ｐ１）−原料導入ライン（１３）−弁
（１）を通して空気乾燥塔（１０）の下部へ導入する。
このとき弁（２）は閉じておく。乾燥塔（１０）内圧力
が上昇し、空気中の水分は乾燥剤（１０Ａ）に塔入口端
部から吸着し、原料空気の送入継続とともに、水分吸着
帯域が上方に拡大する。水分を除かれた空気中のＣＯ₂
及びＮ₂ は乾燥剤上層のＭＳ−５Ａ層（１０Ｂ）を通る
間に除かれ、空気中Ｏ₂ 濃度よりＯ₂リッチになったガ
スが加圧状態で乾燥塔（１０）出口端へ押しやられる。

【００２８】酸素吸着について：乾燥塔（１０）内圧
力が１．０〜３．０ｋｇ／ｃｍ² Ｇに達したら第２段装
置のＯ₂ 吸着塔（２０）に付属する弁（１ａ）を開け、
前段処理の終わった空気をＯ₂ 吸着塔（２０）へ加圧移
送する（５〜３０秒）。この空気はＯ₂ 吸着塔（２０）
内を加圧状態で上部へ移動する間に空気中のＯ₂ がＭＳ
Ｃ（２０Ｃ）に吸着され、Ｏ₂ 分の少なくなったガス
（不要ガス）は塔出口端部へ押しやられる。

【００２９】並流放出（１）について：Ｏ₂ 吸着塔
（２０）内圧力が所定の操作圧（０．５〜３．０ｋｇ／
ｃｍ² Ｇ）に到達したら弁（２ａ′）を開放して塔（２
０）内不要ガスを大気中へ放出する（２０〜３０秒）。
放出速度はニードル弁（２ｅ）で調整する。

【００３０】減圧再生（３０〜５５秒）について：１
次処理空気の２次処理装置（Ｏ₂ 吸着塔）への移送が終
わったら直ちに弁（１）、弁（１ａ）を閉じ、弁（２）
を開放し、乾燥塔（１０）の減圧再生を行う。塔（１
０）内の乾燥剤（１０Ａ）に吸着されている水及びＭＳ
−５Ａ（１０Ｂ）に吸着されているＣＯ₂ 、Ｎ₂ は減圧
により一部脱着し、弁（２）を経て大気中へ放出され
る。

【００３１】濃縮酸素置換（３０〜６０秒）又はリサ
イクル送入について：次に弁（３ｂ）、弁（４ａ）を開
放し、Ｏ₂ 吸着塔（２１）内のガスを弁（３ｂ）−ポン
プ（Ｐ２）−弁（５）−ポンプ（Ｐ１）−弁（４ａ）を
経て一次処理空気の移送の終わったＯ₂ 吸着塔（２０）
入口端部へ加圧送入し、Ｏ₂ 吸着塔（２０）内のＭＳＣ
（２０Ｃ）吸着剤粒子間のガスを濃縮酸素で置換する。
このとき塔（２１）から移送されるガスは運転初期にお
いては空気組成（Ｏ₂ ＝２１％）であるが移送が進行し
Ｏ₂ 吸着塔（２１）の減圧の進行とともに次第にＯ₂ リ
ッチガスとなる（移送ガスのＯ₂ 濃度は運転続行ととも
に移送全期間を通じて７０〜８０％となり安定する）。
この工程の最高圧は０．５〜３．０ｋｇ／ｃｍ² Ｇの
圧力にすることが好ましい。この工程で吸着剤粒子間に
あるガスおよび吸着剤表面に吸着している濃縮Ｏ₂ 以外
のガスを置換ガスで洗い出す。

【００３２】並流放出（２）（３０〜６０秒）につい
て：工程開始と略同時もしくは少しおくれて弁（２
ａ）を開放し吸着塔（２０）内の不要ガスを弁（２ａ）
を経て乾燥塔（１０）の上部へ向流方向送入する。Ｏ₂
吸着塔（２０）の上部から出るガスは高乾燥ガスであ
る。従って、乾燥塔（１０）を向流方向に流れる内に塔
（１０）内に吸着残留するガスの脱着を促進し、弁
（２）から大気中へパージ（洗い出す）する［乾燥塔
（１０）の再生］。またＯ₂ 吸着塔（２０）上部から出
るガスは有価成分（Ｏ₂ ）に富むガスであるから本操作
終期のとくにＯ₂ に富む部分は弁（２）を閉止して、塔
（１０）内へ残留させ次のサイクルの工程において、
１次処理ガスとともにＯ₂ 吸着塔（２０）もしくはＯ₂
吸着塔（２１）へ再循環させることが好ましい。また本
操作の終期時間帯に弁（２ｂ’）を開放して塔（２０）
内ガスを塔（２１）へ（またはその逆方向へ）均圧回収
する操作を加えてもよい。

【００３３】濃縮酸素回収［Ｏ₂ 吸着塔（２１）の第
５工程（９０〜１２０秒）の中にも含まれる］につい
て：Ｏ₂ 吸着塔（２０）の濃縮Ｏ₂ 置換が終了したら弁
（３ａ）、弁（４ｂ）を開放し、弁（３ａ）−ポンプ
（Ｐ２）−弁（５）−ポンプ（Ｐ１）−弁（４ｂ）を経
て、Ｏ₂ 吸着塔（２０）の向流減圧とＯ₂ 吸着塔（２
１）の並流加圧を行う［初期の減圧ガスの一定量を弁
（１Ｃ）を経て第３段装置の原料ガスとして供給する
（９０〜１００秒）、残りの部分はＯ₂ 吸着塔（２１）
へ工程の置換ガスとして供給する］。この際、Ｏ₂ 吸
着塔（２０）内圧力はできるだけ低くすることが好まし
いが、一般には２００ｍｍＨｇ（絶対圧）以下であれば
よい。

【００３４】上記〜の工程を１サイクル操作（Ｔ、
秒）とする。１サイクル時間でＯ₂吸着塔（２０）とＯ₂
吸着塔（２１）の７工程操作が行われる。Ｏ₂ 吸着塔
（２１）はＯ₂ 吸着塔（２０）よりＴ／２秒おくれて同
一の７工程操作が行われる。上記の１サイクル操作にお
ける弁の開閉状態を図９に示す。図９において斜線部分
は弁の開放されている時間を示す。１サイクルに要する
時間は装置仕様、吸着剤、運転条件により異なるが、一
般的には３０〜２４０秒である。

【００３５】（ｂ）について：濃縮Ｏ₂ （７０〜８０％
Ｏ₂ ）を用いて高純度Ｏ₂ （９９．５％Ｏ₂ 以上）を製
造する第３次処理はＮ₂ 吸着塔（３０）とＮ₂ 吸着塔
（３１）を交互使用して次の４工程で行われる。濃縮
Ｏ₂ 供給（２次処理ガス）、高純度Ｏ₂ 取出（パージ
供与）、減圧（大気圧迄の場合と真空引する場合とあ
る。以下「真空引」で説明する）、パージ・再加圧。
以下吸着塔（３０）に注目して説明する。

【００３６】濃縮Ｏ₂ 供給（９０〜１００秒）につい
て：２次処理置換ガスをＯ₂ 吸着塔（２１）→ポンプ
（Ｐ２）とポンプ（Ｐ１）→Ｏ₂ 吸着塔（２０）へと移
送する際［又は塔（２０）→ポンプ→塔（２１）へと移
送する際］、その一部を弁（７）→弁（１ｃ）を経てＮ
₂ 吸着塔（３０）の下端部へ加圧送給する。２次処理ガ
ス（濃縮Ｏ₂ ）中のＮ₂ は吸着剤ＭＳ−５Ａ（３０Ａ）
に吸着され入口端部にＮ₂ 吸着帯が形成され、原料ガス
送入とともに出口端部へ拡大する。

【００３７】高純度Ｏ₂ 取出し（１００〜１２０秒、
０〜９秒）について：弁（７）、弁（１ｃ）を閉め、弁
（２ｃ）を開放する、Ｎ₂ 吸着塔（３０）から高純度Ｏ
₂ が弁（２ｃ）、弁（２ｆ）を経て取出され製品貯槽
（３２）へ送り込まれる。そこから消費端へ送られる。
取出速度はニードル弁（２ｆ）の開度調整によって行う
［この操作の終了に続き弁（４ｃ）を短時間（５〜１０
秒）開放することにより、下記の第工程（真空引）下
にあるＮ₂ 吸着塔（３１）の出口端部へ製品ガスの一部
をパージガスとして供与する］。

【００３８】減圧（３５〜４０、６０〜７０秒）につ
いて：第工程が終了したら弁（２ｃ）閉め、弁（３
ｃ）を開放し、弁（３ｃ）→ポンプ（Ｐ２）→ポンプ
（Ｐ１）を経てＮ₂ 吸着塔（３０）を減圧する。減圧ガ
スは一部は塔（３０）→塔（３１）へリサイクル供給し
［図９中に（３−１）と示す］、残りは第１段装置の弁
（１）を開けて乾燥塔（１０）ヘリサイクル供給する
［図９中に（３−２）と示す］。

【００３９】パージ（パージ：６９〜７０秒、再加
圧：７０〜９０秒）について：第工程終期に、塔（３
１）（加圧下にある）の弁（４ｄ）を短時間開放し製品
ガスの一部を塔（３０）の出口端部へ供給する。この高
純度Ｏ₂ は塔（３０）内吸着剤（３０Ａ）中に残留する
Ｎ₂ の脱着を促進し、脱着Ｎ₂ とともに弁３ｃ→ポンプ
（Ｐ２）→ポンプ（Ｐ１）を経て塔（１０）へリサイク
ル供給する。その後弁（３ｃ）を閉じ、塔（３０）を向
流加圧する。

【００４０】上記〜工程を１サイクル操作（Ｔ秒）
とする。塔（３０）で４工程が行われている間に塔（３
１）においてＴ／２秒おくれて同様の操作が行われる。

【００４１】塔（３０）、塔（３１）の１サイクル時間
における弁開放時間（弁シーケンス）を図９に示す。図
９において、（Ａ）〜（Ｆ）はポンプ使用態様を示す。
（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｆ）は直列使用、（Ｂ）と
（Ｅ）は並列使用時間区分を示す。

【００４２】図５の基本構成の装置の部分的変形態様を
示す図６と図７について：図５は第１次処理に１塔、第
２次処理と第３次処理が２塔方式の場合を示したが、図
６は第１次処理と第２次処理の吸着塔を各１塔とした場
合を示し、図７は第３次処理吸着塔を１塔とした場合を
示す。

【００４３】図６の操作は前記説明に準ずるが中間製品
（濃縮Ｏ₂ ）リザーバーが必要となる。従って、第１〜
２次処理系における塔数（リザーバーを含む）は図５の
場合と同じである。図７の場合は製品ガスを弁（２ｃ）
を経て一旦製品リザーバーに保管し、減圧パージは弁
（４ｄ）を短時間開放することにより行われる。

【００４４】（実施例２）図８、図１０を用いて説明す
る。第１〜３次処理が順次行われる。基本的には図５の
場合と同様である。第１次処理は乾燥塔（１０）（１０
Ａ：炭酸ガス、Ｎ₂ の吸着剤、１０Ｂ：水分吸着剤）と
乾燥塔（１１）（１１Ａ：炭酸ガス、Ｎ₂の吸着剤、１
１Ｂ：水分吸着剤）で、第２次処理はＯ₂ 吸着塔（２
０）（２０Ａ：ＭＳＣ）とＯ₂ 吸着塔（２１）（２１
Ａ：ＭＳＣ）で、第３次処理はＮ₂ 吸着塔（３０）（３
０Ａ：ＭＳ−５ＡもしくはＭＳ−１３Ｘ、３０Ｂ：水分
吸着剤）とＮ₂ 吸着塔（３１）（３１Ａ：ＭＳ−５Ａも
しくはＭＳ−１３Ｘ、３１Ｂ：水分吸着剤）で行われ
る。図５の構成ユニットと図８の構成ユニットの主な相
違点は、図８の第１次処理装置は２塔構成であるのに対
して、図５の第１次処理装置は１塔構成であり、図８の
ポンプの使用態様は直列使用であるのに対して、図５の
ポンプの使用態様は直列使用あるいは並列使用のミック
ス方式である点である。

【００４５】図８により図１０の弁シーケンス図で実施
例２の説明をする。１サイクルＴ（秒）（この場合１２
０秒とする）を（Ａ）〜（Ｈ）の８つの時間帯に区分す
る。 （Ａ）（０〜２５秒） 原料空気は塔（１０）を経て塔（２０）へ供給される。
このとき塔（３０）は略大気圧状態にある。 （Ｂ）（２５〜３０秒） （Ａ）の原料空気の供給操作続行中。塔（３１）のパー
ジ弁（４ｆ）の開放により塔（３０）をパージする。 （Ｃ）（３０〜４０秒） 第２次処理装置の弁（３ｄ）（４ｃ）が開放され、中間
製品ガス（濃縮Ｏ₂ ）が塔（２１）→塔（２０）へリサ
イクル供給される。この際リサイクルガスの一部が第３
次処理装置の原料ガスとして弁（１ｅ）を経て塔（３
０）へ供給される。 （Ｄ）（４０〜６０秒） Ｂのリサイクル操作続行中。塔（３０）より弁（２ｅ）
を経て高純度Ｏ₂ 製品が取出される。

【００４６】（Ｅ）（６０〜８５秒） （Ｄ）の高純度Ｏ₂ 製品取り出し続行中。原料空気は塔
（１１）を経て塔（２１）へ供給される。 （Ｆ）（８５〜９０秒） （Ｅ）の原料空気の供給操作続行中。塔（３０）のパー
ジ弁（４ｅ）の開放により塔（３１）をパージする。 （Ｇ）（９０〜１００秒） 第２次処理装置の弁（３ｃ）（４ｄ）が開放され中間製
品ガス（濃縮Ｏ₂ ）が塔（２０）→塔（２１）へリサイ
クル供給される。同時にリサイクルガスの一部が弁（１
ｆ）を経て塔（３１）へ原料ガスとして供給される。 （Ｈ）（１００〜１２０秒） （Ｇ）のリサイクル続行中。塔（３１）より弁（２ｆ）
を経て高純度Ｏ₂ 製品が取り出される。 以上（Ａ）〜（Ｈ）の工程がＴ／２時間遅れて塔（１
１）、塔（２１）、塔（３１）で行われる。

【００４７】（変形実施例） （１）第１次処理装置の作動圧力範囲を真空圧から大気
圧以上（例えば、０．０５ａｔａ〜２．０ｋｇ／ｃｍ²
Ｇ）とする。上記実施例１〜２では大気圧以上での作動
であった（例、０．０〜５．０ｋｇ／ｃｍ² Ｇ）。 （２）第２次処理装置の作動圧力範囲を大気圧以上（例
えば、０．０〜５．０ｋｇ／ｃｍ² Ｇ等）とすること。 （３）ポンプの使用態様には次の５通りの方法がある。 図５および図８のポンプ（Ｐ１）は第１次処理装置も
しくは第１次処理装置と第２次処理装置まで、同様にポ
ンプ（Ｐ２）は第２次処理装置もしくは第２次処理装置
と第３次処理装置まで別個に作動させる。 直流使用する（実施例２と同じ）。 並流使用する。 直流〜並流使用（時間区分で使い分ける）（実施例１
と同じ）。 大気圧近傍では、個別乃至並流使用し、△Ｐが大きい
ときは直列使用と使い分ける。

【００４８】（４）吸着剤関係 第１次処理装置用吸着剤として活性アルミナ、シリカ
ゲル等の水分吸着剤を少なくとも１種用い、活性炭、Ｚ
ＭＳ（Zeorite Molecular Sieve)などの炭酸ガス吸着剤
を少なくとも１種用いて層状に充填すること。または水
分吸着剤を１種用いて、その上層に炭酸ガス吸着剤とし
て活性炭、Ｎ₂ 吸着剤としてＺＳＭを層状に充填するこ
と。 第２次処理装置用吸着剤として入口端部に水分乾燥剤
を充填し、その上にＭＳＣを層状に充填すること。 第３次処理装置用吸着剤として入口端部に水分乾燥剤
を充填し、その上にＺＭＳを層状に充填すること。 第３次処理装置用吸着剤として第２工程を経たガス中
の微量不要ガスを除去するための吸着剤を使用するこ
と。 （５）吸着塔関係 第１次処理装置および第２次処理装置の吸着塔を同一仕
様に揃えること。

【００４９】９．実施例３ 図５と同一のシステムを用い、かつ、図９で示す弁シー
ケンスで空気より高純度酸素を製造する試験を実施し
た。第１次処理装置および第２次処理装置は同一仕様の
吸着塔を使用した。下記の乾燥剤、吸着剤を用いた。 第１次処理装置の水分乾燥剤：活性アルミナ １．５ｋ
ｇ 第１次処理装置の炭酸ガス吸着剤：ＭＳ−５Ａ ６．０
ｋｇ 第２次処理装置の酸素吸着剤：ＭＳＣ １５．０ｋｇ 第３次処理装置の水分乾燥剤：活性アルミナ ０．４ｋ
ｇ 第３次処理装置の窒素吸着剤：ＭＳ−５Ａ ２．６ｋｇ その結果、９９．７％の高純度酸素が毎分５．１リット
ル得られた。 総括吸着剤生産性 １２（リットル／ｋｇ（Ｈ）） 収率 ３８．２（％）

【００５０】

【発明の効果】

１．本発明の方法により簡単化された装置はボタン操作
１つで、任意に９９．５％以上の高純度酸素の製造が可
能となった。 ２．従来、小口酸素消費先に対しては重たい酸素ボンベ
ないしは超低温で危険な小型液酸容器で運搬する方法し
かなかった。ボンベで供給する場合は中味（酸素）の６
倍もの重量の鉄製容器を運搬しており、輸送エネルギ損
失が大きく取扱が危険で、容器交換や建物内移動等に人
手がかかったが、本発明の方法により簡単化された装置
を使用場所に設置することにより、かかる不経済、不便
さは解消される。 ３．本発明の方法による装置は常温、低圧作動である。
従って、特別な資格保持者や設置場所を必要とせず、ビ
ル内の実験室や作業室、ビルや病院の内部または敷地内
において使用することができる。また、機器や装置に付
属して使用する場合には、電気供給がある限り夜間でも
供給停止の心配なく無人で連続運転することができる。 ４．本発明の方法による装置は上述の如く、小口消費の
各種分野で使用できるものであり、省エネルギー、省力
等の利便さをもたらし、大きな効果を発揮することが期
待されるのでその産業上の利用価値は高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 高純度酸素製造装置の原理を示す基本結合図
である。

【図２】 従来のＰＳＡ法による酸素製造システムを示
す図である。

【図３】 従来のＰＳＡ法による他の酸素製造システム
を示す図である。

【図４】 図３に示す装置の１サイクル操作における弁
シーケンス例である。

【図５】 本発明の方法を用いた高純度酸素製造装置の
基本構成を示す図である。

【図６】 図５に示す装置の変形態様例を示す図であ
る。

【図７】 図５に示す装置の他の変形態様例を示す図で
ある。

【図８】 本発明の方法を用いた他の高純度酸素製造装
置の基本構成を示す図である。

【図９】 図５に示す装置の１サイクルにおける弁シー
ケンス例である。

【図１０】 図８に示す装置の１サイクルにおける弁シ
ーケンス例である。

【符号の説明】

Ａ：窒素吸着装置 Ｃ：酸素吸着装置 Ｄ：空気乾燥装置 Ｃ−１、Ｃ−２、ａ１、ｂ２、１０Ｂ：吸着剤 ｂ１、１０Ａ：乾燥剤 １〜７，１ａ〜４ａ，１ｂ〜４ｂ，１ｃ〜４ｃ，１ｄ〜
４ｄ：自動弁 ２ｅ，２ｆ：ニードル弁（流量調整弁） １０：乾燥塔 ２０Ｃ、２１Ｃ：酸素吸着剤 ３０Ａ、３１Ａ：窒素吸着剤 Ｐ１，Ｐ２：ポンプ １３：原料空気送給ライン １４：廃棄ガスライン １５：濃縮Ｏ₂ 供給ライン（Ｎ₂ 吸着塔への） １６：向流減圧ガスライン（Ｎ₂ 吸着塔からの） １７：リサイクル供給ライン ２０、２１：Ｏ₂ 吸着塔 ３０、３１：Ｎ₂ 吸着塔 ３２：製品酸素リザーバー （Ａ）〜（Ｈ）：ポンプ使用態様

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記第１〜第３工程の順にかつ３つの工
   程を１つの循環的弁開閉操作により、連続的に空気から
   高純度酸素を製造する方法。 空気中の水分、炭酸ガス、窒素等の不要成分を除去す
   る第１工程。 酸素を選択的に吸着する吸着剤を用いて前記工程を経
   たガス中の酸素を濃縮する第２工程。 窒素を選択的に吸着する吸着剤を用いて前記工程を経
   たガス中の酸素を高純度にする第３工程。
2. 【請求項２】 第２工程を、酸素を選択的に吸着する吸
   着剤を充填した同一仕様の二つの塔で実施するに際し、
   該工程の循環操作を原料送入−並流放出−並流置換−向
   流減圧の順で実施し、１つの塔の向流減圧ガスをポンプ
   を介して他塔の並流置換ガスとして供給し、また並流放
   出ガスを第１工程の向流再生用ガスとして供給する請求
   項１記載の方法。
3. 【請求項３】 第３工程の向流減圧ガスを第１工程の原
   料送入部及び／又は第２工程の原料送入部へリサイクル
   供給する請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 同一仕様の２台のポンプもしくは加圧用
   と真空引用の２台のポンプを１サイクル操作の定められ
   た時間帯に並列使用あるいは直列使用する請求項１記載
   の方法。
5. 【請求項５】 第１工程で空気中の酸素を９０％以上に
   濃縮し、第２工程を経たガス中の微量不要成分を除去す
   るための吸着剤を第３工程吸着剤として使用する請求項
   １記載の方法。