JPH0647056B2 - ガス分離のための改良された圧力スイング吸着方法及び装置 - Google Patents

ガス分離のための改良された圧力スイング吸着方法及び装置

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JPH0647056B2
JPH0647056B2 JP63332700A JP33270088A JPH0647056B2 JP H0647056 B2 JPH0647056 B2 JP H0647056B2 JP 63332700 A JP63332700 A JP 63332700A JP 33270088 A JP33270088 A JP 33270088A JP H0647056 B2 JPH0647056 B2 JP H0647056B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 産業上の利用分野 本発明はガス混合物の内の一層容易に吸着し得る成分を
回収すること、特に空気から窒素を回収することに関す
る。より詳細には、本発明は改良された圧力スイング吸
着方法及び装置を用いて空気から窒素を回収することに
関する。
従来の技術 多数の化学的加工、製油所、金属生産、その他の産業用
途において、高純度の窒素がパージ、ガスシール、金属
処理雰囲気の供給等のために望まれている。濃縮酸素ガ
スもまた同様の設備において種々の目的のために必要と
されることがよくある。窒素及び酸素が空気分離用の種
々の公知技法によって得られることはもち論である。圧
力スイング吸着（ＰＳＡ）加工は特に種々の用途、特に
極低温空気分離プラントの使用が経済的に実行し得ない
比較的に小さい規模の運転における空気分離用に特に適
している。このタイプの代表的な用途は、窒素95.0〜9
9.9％の範囲の純度を100,000ft3／時間（2,800m3／時
間）までの流量で必要とする。
ＰＳＡプロセスでは、一層容易に吸着し得る（more rea
dily adsorbable）成分及びそれ程容易には吸着し得な
い（less readily adsorbable）成分を含有する供給ガ
ス混合物を、通常一層容易に吸着し得る成分を高い吸着
圧において選択吸着することのできる吸着剤床に通す。
その後、床を一層低い脱着圧に降圧して該一層容易に吸
着し得る成分を脱着させて床から除いた後に、追加量の
供給ガス混合物を床に導入する。このようにして、循環
の吸着−脱着操作を該床において続ける。当業者ならば
容易に認めるように、ＰＳＡプロセスは通常多床系で用
いられ、各床は循環ベーシスのＰＳＡ加工シーケンスを
系内の他の床における該加工シーケンスの実施に相関さ
せて用いる。
ＰＳＡ系は、空気分離の目的で適用する通りに、使用す
る吸着剤の酸素から窒素についての選択性が一層大きい
ことから、酸素及び窒素の所望の分離を達成する。使用
する特定の吸着剤物質の吸着容量は圧力レベルが高くな
る程増大し、圧力が低くなるにつれて減小する。高純度
の窒素生成物を製造するＰＳＡプロセス及び系では、使
用する吸着剤は所望の窒素生成物か或は酸素のいずれか
について一層大きい選択性を有するものにすることがで
きる。用いる吸着剤が酸素選択性物質、例えばカーボン
モレキュラーシーブである系では、原料空気を吸着剤床
に一層高い吸着圧で通す間に、生成物窒素はそれ程容易
には吸着し得ない生成物として生産される。用いる吸着
剤が窒素選択性物質、例えばゼオライトモレキュラーシ
ーブである系では、吸着剤床を降圧して一層低い脱着圧
にする際に、生成物窒素は一層容易に吸着し得る成分と
して生産される。
ＰＳＡプロセスを向上させる、特に資本経費を減少さ
せ、信頼性を高め、生産する単位生成物当りの相対的に
少ない動力消費量を達成することによる等、運転費を最
少にしようとする試みは数多くあった。かかる総括の目
的を達成する一つの望ましい目標は、所望の高純度の生
成物に加えて比較的に高い純度の副産物（coproduct）
の生産を可能にすることである。空気分離及びその他の
ガス分離操作に適用するものとして、バッタ（Batta）
の米国特許3,636,679号は、２又はそれ以上の床に適用
するものとして、床の反対端から供給ガス−生成物ガス
を同時に導入して各床を一層低い脱着圧から部分再加圧
し、次いで更に供給ガス単独で一層高い吸着圧に再加圧
した後に、それ程容易には吸着し得ない成分を吐出端か
ら開放して床を並流降圧し、該成分の一部を生成物ガス
として回収し、残りを均圧下及び系内の別の床へパージ
ガスを与えるのに用いるＰＳＡサイクルを開示してい
る。次いで、床の供給端からガスを開放し及びパージし
て床を向流降圧した後に追加の供給ガスを用いて部分再
加圧を開始する。このようにしてサイクル運転を連続ベ
ーシスで行なう。この特許のアプローチは空気の内のそ
れ程容易には吸着し得ない成分として生成物酸素を回収
する意図の空気分離運転に用いられてきて満足すべきも
のであった。しかし、バッタのプロセスは空気の内の一
層容易に吸着し得る成分、例えば窒素を所望の高純度生
成物ガスとして回収することには適用できない。
しかし、一層容易に吸着し得る成分を生成物ガスとして
回収するのが望まれるその他種々のプロセスが存在す
る。かかるプロセスは通常減圧サイクルを用い、ガス混
合物の内の一層容易に吸着し得る成分を大気圧より低い
脱着圧において床から脱着させる。すなわち、タムラの
米国特許3,797,201号は一層容易に吸着し得る窒素成分
を選択吸着することができる吸着剤床に大気の吸着圧に
おいて空気を導入した後に減圧脱着させて該窒素を所望
の生成物ガスとして回収することを含む空気分離プロセ
スを開示している。生成物窒素の純度を上げるために、
タムラは吐出端から酸素に富んだガスを床の該吐出端に
窒素吸着フロントがブレークスルーするまで開放する初
期吸着工程を実施し及びパージに窒素を用いて一層高い
吸着圧における並流パージを加入した後に向流減圧脱着
及び再加圧することを教示している。このプロセスを適
用した場合、高純度の窒素生成物を得ることができる
が、副産物の酸素は使用可能な圧力で及びエネルギーの
有効な方法で入手し得ないことによって制限される傾向
にある。同様の加工サイクルがサーカー（Sircar）等の
米国特許4,013,429号及び同4,264,340号に記載されてお
り、該サイクルは２つの吸着トレインを用い、各々は前
処理床と主分離床とから成るものを加工工程の間の非連
続性の流量に適応させる可変容量のサージタンクと共に
用いている。しかし、脱着する間に要する高い真空度及
びプロセス全体の複雑さがこのプロセスに伴う装置及び
動力費を相当に増大する働きをする。
減圧脱着は同様にミワ等の米国特許4,070,164号のプロ
セスにおいて用いられており、同プロセスは空気を清浄
にし及び乾燥する前処理及び(1)空気供給により床を約
４気圧に加圧し、(2)該高圧において窒素で並流パージ
して床の吐出端から酸素に富んだ流れを取り出し、(3)
床の供給端から窒素に富んだガスを開放して大気圧に向
流降圧し、(4)床の該供給端から窒素に富んだガスを更
に開放して約0.3気圧に減圧脱着することを含む加工サ
イクルを含む。２つの向流降圧工程の間に開放されるガ
スを一緒にすることによって系から一定流量の高純度窒
素を回収するが、このアプローチを用いての所望の窒素
の回収レベルは全く低い。４床系で行うこの加工サイク
ルの場合、資本及び運転費が共に相対的に高い。４つの
吸着剤容器を使用し、バルブ、圧縮装置及びその他の必
要品が伴うため、資本経費が高い。プロセスの効率が比
較的低いことから、運転費は高い傾向にある。また、４
つの同じ加工工程がアーモンド(Armond)の米国特許4,12
9,424号に開示された。同米国特許はまた供給ガス中の
窒素の分圧に実質的に等しい圧力において行う並流パー
ジ工程を備え、それによりパージングを一層高い圧力に
おいて行う同様のプロセスに比べて床を飽和させるのに
必要なパージガスの量を有意に減少させる。このこと
は、立ち代って空気原料を導入した後に床の圧力をパー
ジガス圧に低下させる並流ガス抜き工程を含むことにな
る。
ＰＳＡ加工を用いて空気から高純度の窒素を回収する技
術は、ウェルナー(Werner)等の米国特許4,599,094号に
開示されている改良プロセスによって前進した。このプ
ロセスは(1)加圧、(2)コパージ(copurge)及び(3)一層低
い減圧脱着圧への向流降圧工程を含み、空気の内の一層
容易に吸着し得る成分としての窒素の回収率及び純度を
高める。高い圧力で窒素によってコパージする際に床か
ら開放される副産物流出ガスの一部を酸素、すなわちそ
れ程容易には吸着し得ない成分、副産物ガスとして回収
し、該酸素の追加部分を、該床の供給端に原料空気を導
入することによって再加圧する床の吐出（discharge）
端に導入する。かかる酸素の第３部分を、床を少なくと
も一部再加圧した後に床の供給端に導入する。向流降圧
する際に床の供給端から開放される窒素の一部を該窒素
コパージガスとして用いる。
ウェルナー等のプロセスは高純度の窒素を高い回収率レ
ベルで回収することを可能にし、濃酸素副産物を相対的
に高い回収率レベルで回収する。それでも、この加工ア
プローチの場合、プロセスの複雑さ、系の高い圧縮比及
び処理量要求により、資本経費及び運転費が相対的に高
くなる。
当分野におけるこのような努力にもかかわらず、当業で
あれば、所望の窒素生成物を高い純度レベルで相対的に
少ない資本及び運転費で回収することができる、空気の
内の一層容易に吸着し得る成分として窒素を生産する改
良されたＰＳＡ加工を開発する必要が相変わらずあるこ
とを認めるものと思う。このような改良は、極めて望ま
しい圧力スイング吸着技法が、種々の実際の商業上望ま
しい産業用途についての高純度の安価な窒素の必要を満
足させる可能性を高める。
よって、発明の目的は高純度の窒素を製造する改良され
たＰＳＡ方法及び系を提供するにある。
発明の別の目的は空気から高純度の窒素を製造する簡易
なＰＳＡ方法及び系を提供するにある。
発明の別の目的は空気から高純度の窒素生成物を回収す
る資本経費、動力消費及び総括費を最少にすることがで
きるＰＳＡ方法及び系を提供するにある。
発明のそれ以上の目的は供給ガス混合物の内の一層容易
に吸着し得る成分を所望の高純度生成物ガスとして回収
する改良されたＰＳＡ方法及び系を提供するにある。
これらや他の目的を心に留めて、発明を本明細書中以降
に詳細に説明し、発明の新規な特徴を特に特許請求の範
囲において特に指摘する。
発明の構成 発明の要約 ２つ又はそれ以上の吸着剤床を用いて(1)濃酸素ガスに
よるバック充填(backfill)、(2)供給空気による加圧、
(3)並流パージ、(4)ブローダウン、(5)排気及び(6)向流
パージを含む運転サイクルによりサイクル基準で運転す
ることを含むＰＳＡ方法及び系で、空気から高純度の窒
素を回収する。高純度の窒素生成物が、動力消費の減少
の結果として有利なことに安価に、従来技術の方法及び
系に比較して同様の或は一層少ない資本経費で得られ
る。また、発明を用いて他の供給ガス混合物の内の一層
容易に吸着し得る成分を高純度の安価な生成物ガスとし
て分離することができる。
発明の詳細な説明 発明の目的は、供給ガス混合物の内の一層容易に吸着し
得る成分を高純度の安価な生成物ガスとして回収するＰ
ＳＡガス分離方法及び系において新規かつ簡易な真空加
工サイクルを用いることによって達成する。加工サイク
ルは一層容易に吸着し得る成分を所望の生成物ガスとし
て回収する種々の従来技術のアプローチの複雑さを回避
し及び他の真空ＰＳＡサイクルに比べて動力消費を有意
に低減させることができる。
発明を本明細書中以降、特に空気から窒素を一層容易に
吸着し得る成分として回収することに関して説明する
が、発明の加工サイクルは、供給ガスの内の一層容易に
吸着し得る成分を所望の生成物ガスとして回収する他の
供給ガス混合物を分離するＰＳＡプロセス及び系におい
て用い得ることを認めるものと思う。
発明の加工サイクルは、低い減圧脱着圧と一層高い大気
圧より高い吸着圧との間で動作する種々の加圧及び降圧
工程を、該一層高い及び一層低い圧力における有利なパ
ージ或は置換工程と結び付けて成り、一層容易に吸着し
得る成分を一層低い脱着圧において高純度の安価な生成
物ガスとして回収する回収率及び純度を高める。また、
特定の実施態様において種々の加工変更を採用して発明
の方法及び系の性能を、特定の空気分離或はその他の供
給ガス分離用途の要求に関して適用する通りに高める。
発明は、総括的には、空気から窒素を或はガス混合物の
内の一層容易に吸着し得る成分を選択的に吸着するＰＳ
Ａ系において実施し、少なくとも２つの吸着剤床を使用
し、床の各々は本明細書中に開示し及び特許請求する加
工サイクルを系内の他の床に関連させる通りの適当なシ
ーケンスで受け、それでかかる系において連続ガス分離
操作を実施することを容易にする。発明の好ましい実施
態様では、２或は３の吸着剤床を用いるのが普通であ
る。
空気分離用に用いる場合、系内の各々の床は、クリーン
な床を一層低い減圧脱着圧から所望に再加圧することに
始まって、下記を含むＰＳＡ加工サイクルを受ける：
(1)床の吐出端に濃（enriched）酸素ガスを導入して、
すなわち続く供給空気再加圧工程の間の供給空気の流れ
に対し向流方向に床にバック充填することによって、一
層低い脱着圧から中間圧レベルに部分向流再加圧し、
(2)供給空気を床の入口端に導入して更に中間圧レベル
から一層高い吸着圧に並流に再加圧し、窒素を一層容易
に吸着し得る成分として選択的に吸着させ、酸素に富ん
だ流れを床の吐出端から抜き出してサイクルの間に生産
される濃酸素を貯蔵するのに用いるサージタンクに通
し、(3)製品品質の窒素を床の供給端から床の吐出端に
通して一層高い吸着圧において並流にパージ或は置換
し、この工程の間に酸素に富んだガスを床の吐出端から
抜き出してサージタンクに送り続け、床から抜き出した
酸素に富んだガス流の一部をパージ用に及び／又は系内
の別の床をバック充填するのに用い、(4)圧力を一層高
い吸着圧から中間圧レベルに下げるにつれて高純度窒素
ガスを床の供給端から吐出して初期向流降圧或はブロー
ダウンし、(5)真空ポンプ或はその他所定の減圧レベル
を生じるのに適した手段によって圧力を更に中間圧レベ
ルから減圧レベルに下げるにつれて追加の高純度窒素を
床の供給端から吐出して更に向流に降圧或は排気し、
(6)系内の別の床から抜き出した濃酸素ガスを床の吐出
端に通し、追加の高純度窒素を本質的に該減圧レベルに
おいて床の供給端から抜き出して向流にパージする。そ
れ程容易には吸着し得ない成分を所望の生成物ガスとし
て回収する方法において再生工程を含む３つの向流降圧
工程の各々において、所望の生成物ガスである高純度窒
素ガスを床の供給端から回収することを認めるものと思
う。このガスを所望の高純度窒素ガスとして系から抜き
出すか、或はサージタンクに貯蔵した後に、系内の同じ
床或は他の床における並流パージ工程の間にパージガス
として使用する。
中間圧から一層高い吸着圧に更に並流に再加圧する工程
において、及び一層高い吸着圧で更に並流にパージする
工程において、濃酸素ガスを床から抜き出して向流パー
ジするために循環させ或はサイクルの間に生産される濃
ガス或はバック充填工程において部分向流再加圧用ガス
として用いるガスを貯蔵するのに用いるサージタンクに
通すことを示した。この酸素に富んだガスがＰＳＡ系か
ら回収されてサイクルによって生産される正味の濃酸素
を構成することを認めるものと思う。
高純度の窒素生成物ガスを床の供給端から回収する３つ
の向流降圧工程に続いて、サイクルにおける次の工程、
すなわち濃酸素工程によるバック充填もまた向流流れ方
向を含むことに気付くものと思う。このように向流方向
に濃酸素をバック充填することはいくつかの方法で総括
プロセス性能に寄与する。すなわち、酸素ガスは、床の
吐出端における有効な窒素分圧を下げることによって前
に吸着された窒素ガスを床の供給端の方に置換する働き
をする。これは、吸着の間に酸素と窒素との間で発達し
た物質移動域の鋭さを増大させるのに寄与し、供給空気
から回収する窒素の量を増大させる。加えて、供給再加
圧吸着工程の前にバック充填工程を採用することによっ
て、平均吸着圧を上昇させ、それで床を構成する吸着剤
物質の吸着容量を増大させる。
上述した通りの加工サイクルにおいて、バック充填工程
の後に供給空気による加圧が始まる。代りの実施態様で
は、床が酸素バック充填を受けることを始める時に、供
給空気工程を開始することができる。この場合には、床
を両端から同時に再加圧する。これは供給空気を供給す
る圧縮機の利用を増大させる働きをするが、プロセス性
能をわずかに低下することになる。というのは、バック
充填ガスは、それにより、バック充填工程を供給空気再
加圧工程の前に実施する場合に比べて、窒素ガスを容器
の供給端に戻すのにそれ程有効でないためである。
床を供給空気で加圧するのに続いて、製品品質の窒素パ
ージガスを用いて床を一層高い吸着圧において並流方向
にパージする。上述した通りに、酸素に富んだガスを本
質的に該吸着圧レベルで実施するこの工程の間に連続し
て床の吐出端から抜き出す。この酸素に富んだ流出ガ
ス、有利には並流パージ工程の後の部分の間に抜き出し
たガスの一部を系内の別の床をバック充填するのに用い
る。コパージ窒素ガスは、前に吸着されたか或は床内の
粒子間空隙空間中に存在するそれ程容易には吸着し得な
い酸素ガスを床の吐出端から排除して床を清浄にする働
きをする。こうして、吸着剤床は、向流降圧工程を開始
する前に主に所望の窒素ガスから成る。これに関して
は、並流パージ工程は、吸着された窒素の物質移動域が
床の吐出端に達して床の外に移動し始める時、すなわち
該コパージ工程の間に床の吐出端から取り出す酸素に富
んだガスの酸素純度が低下し始める時に停止するのが望
ましいことに注意すべきである。
発明の方法及び系は、このように窒素パージガスを採用
して並流パージ工程を吸着圧において用いて、高純度窒
素を床の供給端から回収する３つの向流降圧工程の用意
に床を有利にすっかりきれいにする。酸素パージガスを
用いるかかる向流降圧工程の第三は、発明の方法及び系
から所望の最適な性能を達成するのに重要であることを
了解するものと思う。減圧脱着圧における該向流パージ
の間に、粒子間空隙内に存在するか或は前に床に吸着さ
れた窒素ガスを床の供給端から取り去るか或は床の供給
端の方向に排除する。この向流パージ工程はいくつかの
重要な目的にかなう。第一に、吸着剤床の容量を、次に
続く加圧−吸着工程の前に増大させることができる。第
二に、一層低い減圧脱着圧からの部分向流再加圧を達成
する次に続く濃酸素によるバック充填の場合のように、
床を一層低い減圧脱着圧に降下する向流パージ工程は供
給空気の内の一層容易に吸着し得る窒素成分の物質移動
域の鋭さを増大させる働きをする。
発明の実施におけるように、酸素向流パージ工程を減圧
脱着圧において実施することは、平衡選択性吸着剤物質
を使用して窒素を含む高純度生成物を供給空気の内の一
層容易に吸着し得る成分として生産するプロセス及び系
における酸素、すなわちそれ程容易には吸着し得ない成
分のブレークスルーとの関係により、慣用の実施の特徴
ではない。酸素が早期にブレークスルーすれば生産する
窒素の純度の低下に至ることは明らかである。発明の主
題の酸素向流パージ工程は通常従来技術のＰＳＡ窒素サ
イクルで省かれるが、このように省くことの結果は、こ
のような従来技術のサイクルの性能及び動力消費特性に
関して、有意になり得る。
所定の排気圧、すなわち減圧脱着圧レベルにおいて、酸
素に富んだパージガスを使用する向流パージ工程を用い
ることは、床内の窒素分圧を下げるので、床が吸着する
窒素の量を減少させることになる。この情況は、脱着さ
れた及び粒子間窒素を床の供給端に排除するため、供給
空気工程により加圧する前に床の窒素吸着容量を増大さ
せるのみならず、また続く加圧工程において発達した物
質移動域の鋭さをも増大させる。
発明の目的に採用する通りの供給空気による加圧は、供
給空気の内の一層容易に吸着し得る成分、すなわち窒素
を一層容易に吸着し、それ程容易には吸着し得ない成
分、すなわち酸素を床の吐出端から抜き出して、上述し
た通りに系からサージタンクに通す。この酸素に富んだ
流れの一部を後のバック充填工程で用いる。ガスを床の
供給端に通し、ガスの内の一層容易に吸着し得る成分を
選択的に吸着し、それ程容易には吸着し得ない成分を床
の吐出端から抜き出し、全てを床の圧力を上昇させる速
度で行うこのような加工工程を、通常、昇圧吸着工程と
呼ぶ。このような加工はマクコウム（McCombs）の米国
特許3,738,087号に記載されている。発明の実施におい
て採用する通りの供給空気による加圧工程はこのような
昇圧吸着工程から成ることができるが、発明の別の実施
態様は、空気供給工程が３つの別々の加工工程を含み、
酸素バック充填した後の中間圧レベルの床から始める加
工シーケンスを含む、空気供給工程の第１部は、これよ
り、供給空気を床の供給端に通し、床の吐出端からガス
を抜き出さず、床の圧力が該中間圧から一層高い中間圧
に上昇する再加圧工程であるのが好ましい。該空気供給
工程の次の部分は、床の圧力が一層高い中間圧レベルか
ら一層高い吸着圧レベルに上昇する昇圧吸着工程であ
る。該空気供給工程の最後の部分は、空気を床の供給端
に通し続け、窒素を一層容易に吸着し得る成分として選
択的に吸着し、酸素を床の吐出端から抜き出し、床の圧
力が一層高い吸着圧レベルのままである定圧吸着工程を
含む。当業者であれば、サイクル全体を供給空気で加圧
する間に、種々の他の実施態様を採用し得ることを認め
るものと思う。すなわち、供給空気による初期の部分再
加圧及び昇圧吸着工程を好ましい実施態様の定圧吸着工
程無しに実施することができる。しかし、通常好ましい
実施態様では、昇圧吸着工程を用いないが、該再加圧に
続く定圧吸着工程を用いて床圧を該中間圧から一層高い
吸着圧に上げて床の吐出端からの酸素に富んだガスの必
要な抜き出しをもたらすのが望ましい。
一層低い減圧脱着圧及び一層高い、大気圧より高い吸着
圧の間で作動する発明の加工サイクルは２床或は３床系
で操作するのが望ましい。発明の全体の目的からは、２
床系を用いるのが通常好ましい。系内の各々の床は、サ
イクル基準で、上で検討した基本的工程を含む加工シー
ケンスを、系内の他の床で行う通りの該加工シーケンス
に相関させて受けることを了解しよう。表Ｉは発明の操
作を例示するもので、２床ＰＳＡ系において実施する通
りの(1)酸素によるバック充填、(2)供給空気による加
圧、(3)窒素による並流パージ、(4)向流ブローダウン、
(5)向流排気及び(6)酸素による向流パージを含む。
表Ｉに例示する通りの２床系において用いる装置は真空
ポンプ、窒素生成物圧縮機、供給空気及び窒素コパージ
の両方のための時間配分ブロワー手段を使用する。２床
系は、また、バック充填工程において用いるための酸素
ガスを供給する濃酸素貯蔵タンクを使用することを必要
とするのに対し、かかる酸素貯蔵タンクは３床系では随
意である。
酸素工程による向流パージを用いない場合、同じ再生或
はクリーニング効果を達成するため、すなわち次の加工
サイクルにおいてクリーンな床を再加圧する前に、吸着
剤床に吸着質、すなわち一層容易に吸着し得る成分及び
床の粒子間空隙内に存在する残留ガスを実質的に存在さ
せないために、排気レベルを減少させなければならな
い。このように排気レベルを減少させることは資本経費
及び真空ポンプの動力消費の両方を増大することになる
ことは了解されよう。これは、一層排気圧レベルを一層
下げることは真空ポンプの平均圧縮比を上げるためのみ
ならず、このように圧力レベルを一層下げることは、か
かる圧力の一層の低下を達成するために、ポンプについ
ての容量要求を上げることから、実情である。加えて、
真空レベルを下げて同じ残留窒素含量を達成することは
鋭さに劣る物質移動域を生じさせる傾向になる。という
のは、残留窒素は、床の供給端の近くに濃縮されるのと
反対に、床全体にわたって均一に分配される傾向になる
からである。こうして、発明の実施において、全加圧サ
イクルの排気工程に続いて向流パージを含むことによっ
て達成するのと同じプロセス性能を達成するためには、
それ以上の真空レベルの低下がなお必要になり得る。
発明を２床系で実施する好ましい実施態様を表IIに例示
する。この実施態様は、上記表Ｉに示す通りの加工工程
を各々の床においてサイクル基準で実施するように加入
するもので、１つの床が全サイクルの内の再加圧段階を
受けており、他方、他の床は該サイクルの降圧段階を受
けている。しかし、表11の実施態様では、濃酸素によっ
てバック充填した後の再加圧段階が、空気で再加圧した
後に、濃窒素工程によってコパージする前の一層高い吸
着圧レベルにおける定圧吸着工程を含むことがわかるも
のと思う。表IIに、また、全加工サイクルの内の各々の
床の間に床Ａに関係する時間及び圧力条件を挙げ、床Ｂ
は床Ｂにおける関連する加工シーケンスで行う通りの各
々のかかる挙げた工程の間に同じ時間及び圧力条件を受
ける。
発明の表IIの実施態様の加工シーケンスの実施において
用いるのに適した２床真空ＰＳＡ窒素系を図に示す。す
なわち、系は吸着剤床Ａ及び吸着剤床Ｂを、適した酸素
及び窒素貯蔵容器、時間分割ブロワー、真空ポンプ、生
成物圧縮機と共に含む。原料空気はフィルターＦ及びバ
ルブ２を収容する流れ管路１を通って系に入る。原料流
れ管路に接続した管路３は時間分割ブロワー４を収容し
及びバルブ６を収容する排出管路５及び管路７に接続す
る。管路７はバルブ９を収容する管路８及びバルブ１１
を収容する管路１０に接続し、管路８及び１０はそれぞ
れ床Ａ及び床Ｂに、好ましくは図示する通りに床の下方
端に通る。バルブ９と床Ａとの間の管路１２はバルブ１
３を収容して真空ポンプ１４及び水分離装置１５に通
る。水分離装置１５は排出導管１６を収容する。同様
に、バルブ１１と床Ｂとの間のバルブ１８を収容する管
路１７は管路１０から通って真空ポンプ１４及び水分離
装置１５に通る管路１２に接続する。
管路１９は水分離装置１５から管路２０及び２１に通る
ことがわかるものと思う。立ち代って、管路２０は生成
物圧縮機２２、次いで冷却器２３及び分離装置２４に通
る。分離装置２４は排出導管２５を有する。管路２６は
分離装置２４から乾燥機系２７に伸びる。乾燥機系２７
は吐出導管２８及び管路２９を有し、管路２９は管路２
１につながって窒素貯蔵容器３０に通る。バルブ４３を
収容する管路３１が容器３０から管路１に伸び、バルブ
３３を収容する管路３２が管路１２から管路３１に伸び
ることはわかるものと思う。
バルブ３６及び３７をそれぞれ収容する管路３４及び３
５は、それぞれ床Ａ及びＢから、好ましくは床の上部か
ら管路３８に伸びる。管路３８管路３９に通じて酸素貯
蔵容器４０につながる。管路３８及び３９を接続する管
路４１は系からのガスの排出に備え、背圧調節器４２を
収容する。
表IIに及び図に例示する２床実施態様の実施では、サイ
クル加圧シーケンスの開始において、床Ａは最も低い減
圧プロセス圧にあり、床Ｂは一層高い、大気圧より高い
吸着圧にある。床Ａを濃酸素ガスでバック充填する間、
バルブ３６が開いて酸素貯蔵タンク４０からのガスを導
管３９、３８及び３４に通して床Ａに入れさせる。酸素
バック充填は、床Ａにおいて所定の床圧力レベルに達す
るまで続く。同時に、床Ｂは、高純度窒素ガスをバルブ
１８及び３３及び導管１０、３２及び３１を経て窒素貯
蔵タンク３０にブローダウンすることによって降圧シー
ケンスを始める。かかる床Ｂのブローダウンは、床Ｂ内
の床圧力が発明の系で実施する特定の空気分離適用に関
係する周囲圧に本質的に等しくなるまで続く。
このブローダウン工程の間に、時間分割ブロワー４及び
真空ポンプ１４を使用することを必要としないことに注
意すべきである。しかし、バルブ２及び６を開けてブロ
ワー４が袋小路(dead-ending)にならないようにする。
こうして、空気を導管１、フィルターＦ及び管路３に通
して引き入れ、空気をブロワーによって吐出して、導管
５に通す。ブローダウンの間、小部分のブローダウンガ
スは真空ポンプ１４、水分離装置１５、導管１９の中を
移動して窒素貯蔵タンク３０の中に通り、こうして真空
ポンプ１４が袋小路にならないようにする。窒素貯蔵タ
ンク３０は固定容量よりもむしろ中に入れるガス量によ
って変わる変更可能なタンク容量をもたらす適当な軟質
材料製であるのが好ましいことに注意すべきである。こ
の特徴は、発明のサイクルプロセスの運転の間に貯蔵に
要する最大ガス容量を保持することができる固定容量タ
ンクを設置することに比べてタンクの費用を相当に低減
させる働きをする。
第１工程区間、すなわち上述した通りのバック充填及び
ブローダウン期間の終りに、バルブ６及び３３を閉止
し、バルブ９を開ける。今、導管１及びバルブ２を通っ
て系内に引きまれる空気はバルブ９及び導管８を通って
床Ａに入る。床Ａは今３−部分再加圧−吸着工程を受け
る。初めに、床Ａを減圧から周囲圧にまで再加圧する。
次いで、床Ａ内の圧力は所定の過圧レベル、すなわち、
系の一層高い吸着圧まで上昇し続ける。この再加圧−吸
着工程の最終部分では、床の圧力は該一層高い吸着圧レ
ベルにおいて本質的に一定のままであり、その間供給空
気を依然床Ａの供給端に通し、窒素を供給空気の内の一
層容易に吸着し得る成分として吸着し、それ程容易には
吸着し得ない成分である濃酸素を床Ａの吐出端から管路
３４及びバルブ３６を経て抜き出し続ける。初め、全て
の酸素に富んだ流出ガスが酸素貯蔵タンクの中に通る。
該タンクはこうして所定圧力まで充満し、該圧力になっ
た時に背圧調節器４２が開いて、それ以上の酸素に富ん
だ流出ガスを管路４１より系から取り出させる。この吸
着工程を所定の時間間隔の間続ける。
床Ａがこのようにして再加圧−吸着シーケンスで供給空
気を受け入れている時間中、床Ｂは排気工程の一部を受
けている。バルブ１８は開いたままであり、バルブ３３
を閉止する。ガスが床Ｂから管路１０及び１７及びバル
ブ１８を通って抜き出され、真空ポンプ１４及び水分離
装置１５を通って窒素貯蔵タンク３０に入る。分離装置
１５から水が導管１６を通って排出される。
吸着工程、すなわち、表IIの工程４の終結に次いで、床
Ａを供給工程からコパージ工程に切り替える。すなわ
ち、バルブ２を閉止し、バルブ３２を開ける。次いで、
高純度窒素ガスが窒素貯蔵タンク３０から導管３１、バ
ルブ４３、フロワー４、管路７及び８、バルブ９及び管
路８を通って床Ａに入る。この工程で高圧コパージガス
を供給するブロワーは、前に再加圧吸着工程で原料空気
を供給したのと同じブロワー、すなわちブロワー４であ
ることに注意すべきである。酸素に富んだガスが管路３
４及びバルブ３６を通って取り出され続け、酸素貯蔵タ
ンク４０に入るか或は背圧調節器４２を通って系を出
る。床Ａ内の圧力は一層高い吸着圧レベルにおける該窒
素コパージ工程の過程にわたって一定のままである。コ
パージ工程の初めの部分の間、床Ｂは排気を受け続けて
所定の減圧レベルになる。
一旦床Ｂが所望の減圧に達したら、バルブ３７を開け、
床Ａからの酸素に富んだ流出ガスの一部が管路３５、３
８及び３４を通って床Ｂに入る。床Ｂから吐出されるそ
れ以上の窒素ガスが管路１０及び１７、バルブ１８及び
真空ポンプ１４を経て窒素貯蔵タンク３０に入るにつれ
て、床Ｂ内の圧力は下がり続ける。床Ａはこの所定の時
間間隔の間、コパージを受け続ける。
床Ａにおいて表IIのコパージ工程６を完了すると、発明
のこの加工実施態様のサイクルシーケンスの半分を完了
し、床の機能を循環させ或は逆転させる。床Ａは今前に
床Ｂが受けた降圧シーケンスを始め、他方、床Ｂは床Ａ
が工程１−６のシーケンスで受けたのと同じようにして
バック充填、再加圧−吸着及びコパージを受ける。
発明のＰＳＡ方法は低い減圧から１気圧より高い圧力ま
での圧力スイングで実施するのが有利である。生成物の
窒素ガスは容器を降圧する間に得るので、窒素生成物貯
蔵タンク３０内の圧力は周囲よりわずかだけ高いことが
わかるものと思う。これより、生成物圧縮機を系に含む
かもしれない。図に示す通りに、生成物圧縮機２２は貯
蔵タンク３０から管路２０を経て生成物窒素ガスを連続
して受ける。窒素ガスは、圧縮した後にアクター冷却器
２３で冷却し、生成する凝縮水を分離装置２４で取り去
り導管２５より排出する。残留水分を乾燥機系２７によ
って取り去る。乾燥機系２７は慣用の圧力或はサーマル
スイング吸着乾燥機にすることができる。生成物窒素ガ
スは管路２８より系を出る。乾燥機２７は慣用の実施に
従ってハイーリカバリー乾燥機として運転し、乾燥機２
７からの窒素パージガスを管路２９を経て系に戻す。乾
燥機パージガスは、生成物窒素の損失を避けるために戻
す。
所望なら、系への供給空気を予備乾燥することは発明の
範囲内である。しかし、特有の乾燥配置は発明のガス分
離方法及び装置の一部を形成しない。供給空気を予備乾
燥しないならば、床の前端が乾燥域として作用し、こう
して主供給ガス分離操作それ自体に認め得る程に寄与し
ない。よって、このような場合、吸着剤床の有効域は床
の全体長さより幾分短くなる。このような床内の乾燥域
は通常全床長の５０％未満を構成し、典型的にはそれよ
り著しく小さい。床の降圧シーケンスの間に、前に吸着
された水は脱着されて床の供給端から抜き出す高純度窒
素と共に床を出る。
当業者であれば、任意の所定の加工操作について全サイ
クル時間及び個々の工程時間は下記に応じて変わること
を認めるものと思う：分離する供給ガス混合物、所望の
生成物純度及び回収率レベル、採用する運転条件、吸着
系に含まれる特定の吸着剤物質及び床の数、種々の経済
的要因、例えば特定の用途について必要な資本経費と運
転費との間の釣合。工程時間が短くなる、よって全サイ
クル時間が短くなることは、吸着剤床を収縮するための
容器の容積要求数量、サージタンク要求数量及び吸着剤
の使用量を最少にする働きをするが、バルブの利用を増
大する働きをすることは了解されよう。使用する特定の
吸着剤の特性に応じて、サイクル時間が短くなること
は、また、生成物回収率の低下及び／又は動力消費の増
大に至り得る。任意の特定の操作工程について許容し得
る最少時間は吸着剤の破砕及び流動事情によって決るの
が普通である。
表IIに例示する実施態様は、２床系を備え、全サイクル
時間１４０秒であることがわかるものと思う。個々の工
程時間は、サイクルの間プロセスガスフローを扱う場
合、２つの装置−真空ポンプ及び時間分割ブロワーのみ
を使用することに基づく。ブロワーは供給空気（或は他
の供給ガス）及びコパージの両方の流れを扱うが、各々
の流体の流量及び個々の工程時間は同じでなくてよい。
表IIに示す１４０秒サイクルにおいて、バック充填工程
は１０秒から成り、再加圧−吸着工程及びコパージ工程
は各々３０秒から成り、ブローダウンは１０秒から成
り、排気は４５秒から成り、バックパージ工程は１５秒
から成ることがわかるものと思う。
３床系における発明の実施を表IIIに例示する。かかる
３床系は通常高い生産要求量の用途について好ましい
が、典型的には低容量、すなわち５０トン／日より少な
い生成物を供給する２床系に比べて原価効率的でない。
表IIIにおいて、用いる基本的プロセス工程及びサイク
ルは上に例示した２床系の場合と同じであることがわか
るものと思う。例示の３床系実施態様についての床圧力
は表IIの２床系の場合と同じであるが、３床実施態様の
場合の個々の工程についての運転時間は２床系実施態様
と異なり、３床実施態様の場合の全サイクル時間は１８
０秒になることがわかるものと思う。
第３の吸着剤の加入、それに伴う容器及びバルブ要求数
量に加えて、その他の変更は発明の３床実施態様に属す
る。すなわち、第３の吸着剤床を加えることは、時間分
割ブロワーの完全な利用を実現させ、それで図に示す通
りのベントバルブ６の必要性を排除する。加えて、３床
系ではバック充填ガスを別の容器から直接供給すること
ができるので、濃酸素タンクの寸法を小さくすることが
できる。また、サイクルの特定の時間において、降圧シ
ーケンスの特定部分を受けている吸着床は１つより多い
ので、第３底部生成物マニホールドを床当りもう１つ多
いバルブと共に要する。しかし、ブローダウン工程の間
に図の２床実施態様において使用する共通バルブは、３
床実施態様では省かれる。
発明の実施において、吸着床に用いる吸着剤物質は、一
層容易に吸着し得る成分及びそれ程容易には吸着し得な
い成分を含む供給ガス混合物から一層容易に吸着し得る
成分を選択的に吸着できる任意の適当な、入手可能な吸
着剤にすることができる。本文中に開示したような回収
に関して、一層容易に吸着し得る成分として窒素を選択
的に吸着し、酸素がそれ程容易には吸着し得ない成分を
構成することが要望される空気分離用途においては、一
層容易に吸着し得る空気成分としての窒素の吸着に関し
て所望の選択率を示す種々の市販されている吸着剤を用
い得る。例えば、５Ａ及び１３Ｘ材料のようなよく知ら
れたモレキュラーシーブを都合よく用い得る。供給ガス
が予備乾燥されていないとき、上述のように床の乾燥域
において水選択性を示す任意の所望の吸着剤物質を用い
ることは本発明の範囲内にある。上記５Ａ、１３Ｘモレ
キュラーシーブ、シリカ及びアルミナはそのような材料
の代表例である。それゆえ、吸着床を複合材料、即ち、
吸着剤を１種より多く用いる床にすることができること
は理解される。しかしながら、システムを簡単にするた
めに、床は好ましくは単一型の吸着剤で構成するのが好
ましく、吸着剤床前端において予備乾燥器を維持するこ
とが望ましい場合には上記単一吸着剤を乾燥及び分離の
両方のために用いる。当業者であれば、本発明の実施に
おいて達成される性能レベルが用いる特定の吸着剤の吸
着特性によって影響を受け、改善された吸着剤は明らか
に本発明の実施から導かれる利点に寄与することを認め
るものと思う。
こうして広い種類の吸着物質を、発明のＰＳＡプロセス
及びシステムを用いる空気分離または他の所望のガス分
離操作に関する本発明の実施に用い得るが、リチウムカ
チオン型ゼオライトＸを、窒素を空気からまたは他の窒
素含有ガス流から回収することに関する発明の特定の具
体例の実施において用いるのが特に望ましいことがわか
っている。かかるリチウムＸ、即ち、ＬｉＸ吸着剤物質
は、空気または一層極性の小さい若しくは一層分極を生
じにくい分子種例えば酸素を含む他のガス流から窒素の
吸着に対して驚くべき容量及び選択率を示すことがわか
る。こうして、かかるＬｉＸ吸着剤物質は、水素、アル
ゴン等との混合物から窒素の分離並びに空気分離操作を
含むＰＳＡ窒素ガス分離操作において所望の改善をもた
らす。
本発明の実施に用いるのが望ましいＬｉＸ吸着剤物質
は、骨組のＳｉ／Ａｌ2モル比が約2.0〜約3.0、好まし
くは2.0〜2.5であり、ＡｌＯ2−四面体単位が少なくと
も約８８％、好ましくは少なくとも９０％、一層好まし
くは少なくとも９５％がリチウムカチオンで会合されて
いるリチウムカチオン型ゼオライトＸである。かかる高
度に交換された形態のＬｉＸの窒素吸着特性は、カチオ
ンの８６当量％かまたはより少ない当量％がリチウムで
ありかつ残留物が主にナトリウムカチオンであるＬｉＸ
材料を用いて得られる結果からは全く予測できない。更
にゼオライトＸ骨組中のＡｌＯ2−四面体単位の相対比
率が全四面体単位の44.4％から該全単位の５０％まで増
加することは、対応するＬｉ＋イオンの増加、即ち、各
場合におけるＬｉ＋イオンの同じ当量％の増加と共に、
また、ゼオライトの窒素に関する吸着能力及び選択率
を、指摘したＬｉＸ材料中のカチオン数の増加に単純に
関連するよりもずっと大きく増加するように働く。
発明の実施における使用のためのＬｉＸ材料製造におい
て、慣用の入手できるゼオライトＸ出発原料をたやすく
用いることができる。二つのかかる材料は、2.5及び2.0
のＳｉＯ2／Al2O3比を有し、主にナトリウムカチオンを
有するゼオライトＸ、即ちＮａＸ材料である。2.5Ｎａ
Ｘは、ミルトン(Milton)の特許である米国特許第2,882,
244号の教示に従い約１００℃の温度にて試薬としてケ
イ酸ナトリウム及びアルミン酸ナトリウム及び水を用い
て水熱合成することができ、反応混合物は酸化物のモル
比によって以下の組成を有する： 3.5Na2O：Al2O3：3.0ＳｉＯ2：144H2O 2.0ＮａＸ材料は、混合ナトリウム−カリウムの形態で
合成でき、最初に、２６７ｇの50％NaOH水溶液中に２０
８ｇのAl(OH)3を溶解することによって、加熱及び撹拌
を用いて第一溶液、即ち、溶液(a)を形成する。溶液(b)
を、２８７ｇの85.3％KOHペレットを1000gの水中に溶解
しそしてその後こうして形成した溶液と６７１ｇの５０
％ＮａＯＨ水溶液とを混合して調製する。溶液(a)を溶
液(b)にゆっくりと加えて溶液(c)を作り、それを４〜１
２℃に冷却する。溶液(d)を、４５３．２５ｇの４０グ
レードのケイ酸ナトリウム（9.6％NaO2；30.9％ＳｉＯ
２）を１１３１.7ｇの水で希釈して調製する。冷却した
溶液(c)をブレンダー中の溶液(d)に加えそして低速で３
分間混合する。最終混合における、冷却すること及び過
度の量の機械的エネルギーの発生をさけることは高品質
の製品を製造するうえで重要な因子である。約４分経過
するまでは、ゲル化は起こらないだろう。ゲルを３６℃
で２〜３日間熟成しそして７０℃で１６時間熟成する。
その後、所望のゼオライトを過によって分離し、そし
て過ケークを母液の７倍の容量に等しい量のNaOH水溶
液（ｐＨ＝１２）で洗浄する。洗浄した製品を、４の
NaOH水溶液（ｐＨ＝１０）中で再びスラリーにしそして
その後過して回収しそして水で洗浄する。再度のスラ
リー操作は２回より多く繰り返すのが好ましく、そして
分離した製品を空気中で乾燥する。乾燥した製品を、１
００mlの１％のNaOH中にスラリーとしてスラリー中で９
０℃にて２１時間維持する。過、ケークを1000mlのNa
OH溶液（ｐＨ＝１２）で６０℃で３０分間再びスラリー
にしそして過する。再度のスラリープロセスは２回よ
り多く繰り返すのが望ましく、そしてその後固形物を
過により回収してそしてNaOH水溶液（ｐＨ＝９）で洗浄
しそして空気中で乾燥する。
上記製造した2.5ＮａＸを用いて、ゼオライト“プリフ
ォーム”凝集物を、最初出発ゼオライト結晶をｐＨ１２
を有し、本質的に水酸化ナトリウム及び水からなる苛性
アルカリ水溶液で洗浄し、そしてその後水で洗浄してｐ
Ｈを９にして製造する。その後、洗浄したゼオライト結
晶とアベリー（Ａｖｅｒｙ）クレー、市販品として入手
できるカオリン型クレーとを、ゼオライト８０重量％お
よびクレー２０重量％の割合で混合する。その後、ゼオ
ライト−クレー混合物を十分な水と混合して、押出した
ペレットを次の燃焼段階にかけそこでカオリンクレーを
約６５０℃にて約１時間でメタ−カオリン型に転化させ
得るに十分なグリーン強度を有する押出し可能な塊を作
る。焼成後、結合した凝集物を冷却しそして、約１００
℃の苛性アルカリ水溶液中に浸漬し、そして熟成してメ
タ−カオリンの塊を主にゼオライトＸのゼオライト結晶
に転化する。熟成した凝集物を苛性アルカリ熟成溶液か
ら取出し再びｐＨ１２を有するフレッシュNaOH水溶液で
洗浄してそして最後に水で洗浄してｐＨ９〜１０にしそ
して空気中で乾燥する。乾燥した製品ペレットを破壊し
て篩分けし１６×４０メッシュのような便利な寸法を有
する粒子を形成する。
かかるメッシュ粒子を減圧中で３７５℃の温度にて約2.
5時間で加熱して活性化することができる。この活性化
は、ゼオライトＮａＸ結晶が吸蔵した及び／または吸着
した水からできる蒸気によって過度の水熱的濫用をこう
むらないようなこの方法で注意して実行する。こうして
作成した活性化材料は、2.5ＮａＸ活性化材料である。
ＬｉＸ材料の製造において、活性化してないメッシュ粒
子を、ＬｉＯＨを用いてｐＨ9.0に調製された８０℃の
1.0モル濃度(Molar)塩化リチウム水流をガラスカラム中
で粒子に接触させるイオン交換操作にかけ得る。塩化リ
チウムの溶液は、望ましくはゼオライト粒子に化学量論
の４倍過剰のリチウムイオンを約１４時間にわたって接
触させるような量で用いる。カラムを出るイオン交換溶
液を再循環しない。得られたイオン交換製品を水で洗浄
し、そしてＬｉＯＨを用いてｐＨ９に調製し、そして９
４％がイオン交換されることがわかる。
上記のように製造した低シリカ2.0ＮａＫＸ材料を用い
て、アルカリ金属カチオンをリチウムカチオンで９９当
量％より大きい度合に置換することができ、もし望むな
らば、塩化リチウム水溶液（ＬｉＯＨでｐＨ＝９に調
整）によりイオン交換できる。この材料は、粉末状であ
り、2.0ＬｉＸ（９９％）材料を含む。
当業者はＬｉＸ製造操作の詳細において様々に変化及び
改変することができると理解するが、それは改善された
ＰＳＡ加工及びシステムに関する本発明を離れるもので
ない。これを理解することにより、例えば、2.5ＮａＸ
材料を、種々のリチウムカチオン量を持つ製品を作るた
めに４倍量より多いかあるいは少ないLiClを用いる、塩
化リチウム水溶液（ＬｉＯＨでｐＨ９に調製）による上
記容量技法を採用してイオン交換できることを知るべき
である。また、所望のＬｉＸ材料を、塩化リチウムに代
えて炭酸リチウムまたは他のそのようなリチウム塩を用
いて、かかるイオン交換によって製造することができる
ことも認められるものと思う。同様に、得られるＬｉＸ
材料のうち、与えられた用途の実施上の運転要件、例え
ば、特定の供給ガス圧若しくは製品ガス圧または温度条
件、及び／または与えられた用途に固有の分離及び回収
の所望レベルに応じる種々の運転条件の下で、発明の特
定の具体例における使用に関して所望の吸着剤を構成す
るものを用いることができる。
この後、本発明の実施を、更に、供給空気から高純度の
窒素を生成する２床の具体例の可能性及び１３Ｘモレキ
ュラーシーブの性能と比較してＬｉＸモレキュラーシー
ブの高い性能についての可能性を例示する例を参照しつ
つ記載する。しかしながら、かかる例は例示の目的だけ
のものであり、本文中及び特許請求の範囲に記載の発明
の範囲を限定すると解釈すべきではない。
［例］例１ 吸着剤床が各々1.8ｍ（６フィート）長及び５cm（２イ
ンチ）直径の２床システムにおいて、第１表のプロセッ
シングシーケンスを実行した。各床に2.53kg（5.62ポン
ド）のユニオンカーバイド社から得られる１３Ｘモレキ
ュラーシーブを入れた。各床を交互にプロセッシングシ
ーケンスにかけて、そして圧力条件及びステップ時間を
下記第４表中に説明する通りにした。供給空気を、吸着
システムを通過させる前に、予備乾燥して水を供給空気
から除去した。
用いた運転圧力は、濃酸素により向流パージの終りにお
ける減圧脱着圧力0.19kg/cm2A（2.7psia）から並流パー
ジステップの終りにおける一層高い吸着圧力1.61kg/cm2
A（23.0psia）まで変化するに至ったことがわかる。１
つの完全サイクルの全時間は２２０秒であり、プロセス
は周囲条件下（即ち、１６〜２１℃（２８９〜２９４゜
K）で運転した。製品窒素は99.5％の純度で生成し、供
給空気からの窒素回収率は６４％であった。
例２ 例１で記載したような２床吸着システムを、ユニオンカ
ーバイド社から得られるＬｉＸモレキュラーシーブを１
３Ｘモレキュラーシーブに代えて用いた以外は、供給空
気を用いて、実施例１に記載したように運転した。用い
た特定のＬｉＸ材料は、９５％より多いリチウムイオン
含有量及び0.54重量％の残留水含有量を有する。プロセ
ッシングシーケンス、及び圧力条件及びステップ時間を
下記第５表中に説明する通りにした。供給空気を再び予
備乾燥し、プロセスを周囲条件下で実行した。
運転圧力は、濃酸素工程による上記向流パージの終りで
の一層低い減圧脱着圧力0.33kg/cm2A（4.7psia）から並
流パージステップの終りでの一層高い吸着圧力1.53kg/c
m2A（21.9psia）まで変化するに至ったことがわかる。
個々の供給空気及びコパージステップの時間を調節した
が、全サイクル時間は２２０秒のままであった。例１に
比較べて運転圧力比が低下したことは、ＬｉＸ吸着剤の
酸素に対照して窒素に関する吸着能力及び選択率が増大
した直接の結果であった。製品窒素の純度のレベルは9
9.5％ままであった。しかしながら、窒素回収率は９４
％に増加した。
例３ 空気から窒素を回収する発明の実施の別の例において、
吸着剤としてＬｉＸを再び用いて、例１及び２で用いた
プロセッシングシーケンスを２床システムに採用した。
しかしながら、この例において、各吸着剤容器の直径を
６１cm（２フィート）に増加した。用いるＬｉＸ材料の
分析はリチウムイオンの含有量が９７〜９８％であり残
留水の含有量が0.4〜1.1重量％の範囲であることを示し
た。この例においては、供給空気の予備乾燥器を用いな
かった。従って、床の前端を用いて供給空気と一緒に吸
着容器に入る水をいくらか除去した。各床を交互にプロ
セッシングシーケンスにかけ、そして圧力条件及びステ
ップ時間を下記第６表に説明する通りにした。
運転圧力は、濃酸素工程による上記向流パージの終りで
の一層低い減圧脱着圧力0.27kg/cm2A（3.8psia）から並
流パージ工程の終りでの一層高い吸着圧力1.51kg/cm2A
（21.6psia）まで変化する至ることがわかる。この具体
例の全サイクル時間は１７０秒であり、プロセスを周囲
条件より高くして３２〜４９℃（３０５〜３２２゜K）
の範囲の吸着剤温度にした温度条件下で運転した。窒素
製品は再び99.5％の純度で生成し、供給空気からの窒素
回復率は７２％であった。上に示したような低い減圧脱
着圧力と便利な一層高い大気圧を越える吸着圧力との間
で運転する本発明のプロセスは、任意の適当な温度条件
で実施できる。ＬｉＸ吸着剤を用いる運転に関して約２
７〜約１０７℃（約３００〜約３８０゜K）の温度が一
般に好ましいが、１３Ｘ吸着剤を用いるときの供給温度
は一般に約７〜約４７℃（約２８０〜約３２０゜K）が
好ましい。当業者であれば、他の吸着剤物質を用いる具
体例に関する好ましい温度が上記温度範囲から変わり得
ることをそして、もしそう望むならば、好ましい温度範
囲外の温度をまた本発明の特定の適用において用いるこ
とができることを認めるものと思う。
上記より、本発明の実施に用いる運転条件は、本文中に
開示した一般的に好ましい２床及び３床の具体例のよう
な発明の種々の具体例において、特定のガス分離操作の
要求を満たすことを便利且つ柔軟に助長することが理解
される。こうして所望の窒素製品をもたらす全経費は最
小になる一方、例えば、製品圧力、動力消費、製品純度
等の任意の特定の末端使用者に関連する制約に容易に便
宜を図ることができる。高純度窒素は、高回収率レベル
で、それ故、本発明の実施に関連する相対的に低い圧縮
比及び設備能力要件に基づく望ましい低運転費及び低資
本経費で製造できる。こうして本発明の実施によりＰＳ
Ａ技術、特に経済的な減圧循環運転における望ましい高
純度窒素製品に関する重要な進歩が達成される。
【図面の簡単な説明】
第１図は発明の２床真空ＰＳＡ窒素系の好ましい実施態
様を示す略フローダイヤグラムである。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一層容易に吸着し得る成分を選択的に吸着
    することができる吸着剤物質を収容する少なくとも２つ
    の吸着剤床を有し、供給ガス混合物の床の供給端に導入
    し、一層容易に吸着し得る成分を供給端から抜き出し、
    それ程容易には吸着し得ない成分を床の吐出端から吐出
    する吸着系において、一層容易に吸着し得る成分及びそ
    れ程容易には吸着し得ない成分を含有する供給ガス混合
    物の内の一層容易に吸着し得る成分を回収する圧力スイ
    ング吸着方法であって、各々の床は下記を含む処理加工
    シーケンスを交番サイクル基準で受ける方法： (a)それ程容易には吸着し得ない成分に富んだガスを床
    の吐出端に導入して床を減圧脱着圧レベルから中間圧レ
    ベルに部分向流再加圧し、かかる床の向流バック充填は
    前に吸着された一層容易に吸着し得る成分を床の供給端
    の方に移す働きをし、それによって供給ガス混合物のそ
    れ程容易には吸着し得ない成分及び一層容易に吸着し得
    る成分である物質移動域の鋭さを高め、供給ガス混合物
    から回収し得る一層容易に吸着し得る成分の量を増し、 (b)供給ガス混合物を床の供給端に通し、床を中間圧か
    ら一層高い吸着圧に並流に再加圧し、一層容易に吸着し
    得る成分を選択的に吸着させ、それ程容易には吸着し得
    ない成分流を床の吐出端から抜き出し、該流れの一部を
    系から抜き出し、該それ程容易には吸着し得ない成分流
    の残りの部分を系内の別の床に直接通して工程(a)の向
    流バック充填再加圧用にし或は床をパージし及び／又は
    サージタンクに通して後にバック充填或はパージ工程に
    おいて用い、 (c)一層容易に吸着し得る成分ガスを一層高い吸着圧の
    床の供給端に通しそれで床を並流にパージして床の空隙
    空間内に保持されるそれ程容易には吸着し得ない成分を
    置換し、それ程容易には吸着し得ない成分を床の吐出端
    から抜き出し続け、抜き出したガスをサージタンクに送
    って後にバック充填或はパージ工程において用い、直接
    別の床に送ってかかる工程に用い、或は系から抜き出
    し、床から高純度の一層容易に吸着し得る成分を回収す
    る前にパージすることによって床からそれ程容易には吸
    着し得ない成分を追い出し、 (d)一層容易に吸着し得る成分を床の供給端から吐出す
    ることによって床を向流降圧しそれによって床の圧力を
    一層高い吸着圧から中間圧レベルに下げ、 (e)追加量の一層容易に吸着し得る成分を床の供給端か
    ら吐出することによって更に床を向流降圧し、それによ
    って床の圧力を中間圧から減圧脱着圧レベルに下げ、 (f)それ程容易には吸着し得ない成分ガスを床の吐出端
    に導入することによって床を向流にパージし、追加量の
    一層容易に吸着し得る成分を床の供給端から吐出し、そ
    れによって次に続く加圧−吸着工程の前に床の吸着容量
    を増大させ及び床内の一層容易に吸着し得る成分の物質
    移動域の鋭さを増し、この工程(f)で及び向流降圧工程
    (d)及び(e)で床の供給端から取り出した一層容易に吸着
    し得る成分を系から高純度生成物ガスとして抜き出すか
    或は工程(c)においてパージガスとして用いるためにサ
    ージタンクに貯蔵し、 (g)工程(b)を実施する間に追加の供給ガスを床に通して
    工程(a)−(f)を循環基準で繰り返し、それで、供給ガス
    混合物の内の一層容易に吸着し得る成分を簡易化真空加
    工サイクルで高純度、安価な生成物として簡便に得る方
    法。
  2. 【請求項２】前記供給ガス混合物が空気であり、一層容
    易に吸着し得る成分が窒素を含み、それ程容易には吸着
    し得ない成分が酸素を含む特許請求の範囲第１項記載の
    方法。
  3. 【請求項３】再加圧し、それ程容易には吸着し得ない成
    分を抜き出す工程(b)が、(1)初めに供給ガス混合物を床
    の供給端に通して床の圧力を中間圧から一層高い中間圧
    に上げ、(2)追加量の供給ガス混合物を床の供給端に通
    しそれで床を一層高い中間圧から一層高い吸着圧に再加
    圧し、その間同時にそれ程容易には吸着し得ない成分を
    床の吐出端から吐出し、(3)追加量の供給ガス混合物を
    一層高い吸着圧の床の供給端に通し、その間同時に追加
    のそれ程容易には吸着し得ない成分ガスを床の吐出端か
    ら吐出することを含む特許請求の範囲第１項記載の方
    法。
  4. 【請求項４】工程(b)の再加圧、それ程容易には吸着し
    得ない成分抜き出しが、(1)初めに供給ガス混合物を床
    の供給端に通して床の圧力を中間圧から一層高い中間圧
    に上げ、(2)追加量の供給ガス混合物を一層高い吸着圧
    の床の供給端に通し、その間同時に追加のそれ程容易に
    は吸着し得ない成分ガスを床の吐出端から吐出する特許
    請求の範囲第１項記載の方法。
  5. 【請求項５】工程(b)の再加圧、それ程容易には吸着し
    得ない成分抜き出しが、供給ガス混合物を床の供給端に
    通しそれで床を中間圧から一層高い吸着圧に再加圧し、
    その間同時にそれ程容易には吸着し得ない成分を床の吐
    出端から吐出する特許請求の範囲第１項記載の方法。
  6. 【請求項６】１つの床を一層低い減圧脱着圧から一層高
    い吸着圧に再加圧しながら工程(a)、(b)及び(c)において
    それ程容易には吸着し得ない成分を床の吐出端から吐出
    し、他方、他の床を一層高い吸着圧から一層低い減圧脱
    着圧に降圧しながら一層容易に吸着し得る成分生成物ガ
    スを床の供給端から回収する特許請求の範囲第１項記載
    の方法。
  7. 【請求項７】工程(a)及び(b)において第１の床をそれ程
    容易には吸着し得ない成分を床の吐出端から吐出しなが
    ら一層低い減圧脱着圧から一層高い吸着圧に再加圧して
    おり、他方、第２の床は工程(e)及び(f)において減圧へ
    のそれ以上の向流降圧、一層低い減圧脱着圧への向流パ
    ージ及び中間圧レベルへのバック充填を受けており、及
    び第３の床は工程(c)及び(d)において一層高い吸着圧に
    おけるコパージ、中間圧レベルへの向流降圧及び減圧レ
    ベルのそれ以上の向流降圧の初期部分を受けており、コ
    パージ工程(c)の間に第２の床の吐出端から排除された
    濃酸素を第１床の工程(a)における再加圧用ガスとして
    用い、工程(b)、パート(2)において一層高い吸着圧で定
    圧吸着する間に第１の床の吐出端から抜き出した酸素を
    用いて第３の床における向流パージ工程(f)用パージガ
    スとし、その間に第３の床の圧力を減圧脱着圧に下げる
    特許請求の範囲第１項記載の方法。
  8. 【請求項８】単一の時間分割ブロワー手段をガス流れ工
    程用に使用して、前記供給ガス混合物を工程(b)の間に
    各々の床の供給端に通し、一層容易に吸着し得る成分を
    同様にコパージ工程(c)の間に床の供給端に通す特許請
    求の範囲第１項記載の方法。
  9. 【請求項９】前記吸着剤が１３Ｘゼオライトを含む特許
    請求の範囲第１項記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記吸着剤が、骨組SiO2/Al2O3モル比が
    ３．０以下であり、AlO2四面体単位の少なくとも８８％
    がリチウムカチオンで会合されたゼオライトＸを含む特
    許請求の範囲第１項記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記ゼオライトＸの骨組SiO2/Al2O3モル
    比が２．０〜２．５である特許請求の範囲第１０項記載
    の方法。
  12. 【請求項１２】工程(b)において供給ガス混合物を床の
    供給端に通すことを、それ程容易には吸着し得ない成分
    を工程(a)における床の吐出端に通してバック充填を始
    める際に開始し、それにより床を床の両端部で同時に再
    加圧する特許請求の範囲第１項記載の方法。
  13. 【請求項１３】一層容易に吸着し得る成分及びそれ程容
    易には吸着し得ない成分を含有する供給ガス混合物の内
    の一層容易に吸着し得る成分を回収する圧力スイング吸
    着装置であって、一層高い吸着圧において吸着し−減圧
    において脱着するシーケンスで用いる際に一層容易に吸
    着し得る成分を選択的に吸着することができる吸着剤物
    質を収容する少なくとも２つの吸着剤床及び各々の床が
    交番サイクル基準で下記を含む処理加工シーケンスを受
    けることを可能にする導管管路及び調節バルブを有する
    装置： (a)それ程容易には吸着し得ない成分に富んだガスを床
    の吐出端に導入して床を減圧脱着圧レベルから中間圧レ
    ベルに部分向流再加圧し、 (b)供給ガス混合物を床の供給端に通し、床を中間圧か
    ら一層高い吸着圧に並流に再加圧し、それ程容易には吸
    着し得ない成分流を床の吐出端から抜き出し、該流れの
    一部を装置から抜き出し、残りの部分を別の床に再加圧
    及び／又はパージの目的で直接通し及び／又は後にかか
    る目的に使用するために貯蔵に通し、 (c)一層容易に吸着し得る成分ガスを一層高い吸着圧の
    床の供給端に通しそれで床を並流にパージし及びそれ程
    容易には吸着し得ない成分を置換して床の吐出端から抜
    き出し、抜き出したガスを後にバック充填再加圧或はパ
    ージの目的で用いるために貯蔵に通し、直接別の床に送
    ってかかる目的に用い、或は装置から抜き出し、 (d)一層容易に吸着し得る成分を床の供給端から吐出す
    ることによって床を向流降圧し、それによって床の圧力
    を一層高い吸着圧から中間圧レベルに下げ、 (e)追加量の一層容易に吸着し得る成分を床の供給端か
    ら吐出することによって更に床を向流降圧し、それによ
    って床の圧力を中間圧から減圧脱着圧レベルに下げ、 (f)それ程容易には吸着し得ない成分ガスを床の吐出端
    に導入することによって床を向流にパージし、追加量の
    一層容易に吸着し得る成分を床の供給端から吐出し、こ
    の工程(f)で及び向流降圧工程(d)及び(e)で床の供給端
    から取り出した一層容易に吸着し得る成分を装置から高
    純度生成物ガスとして抜き出すか或は工程(c)において
    パージガスとして用いるためにサージタンクに貯蔵し、 (g)工程(b)を実施する間に追加の供給ガスを床に通して
    工程(a)−(f)をサイクル基準で繰り返し、 及び下記： (1)工程(d)、(e)及び(f)の間に床の供給端から吐出する
    一層容易に吸着し得る成分ガスを貯蔵し、並流パージ工
    程(c)の間に一層容易に吸着し得る成分を床の供給端に
    通す導管手段を含む一層容易に吸着し得る成分貯蔵手
    段； (2)向流降圧工程(d)及び(e)及び向流パージ工程(f)の間
    に床を排気する真空手段； (3)工程(b)の間に供給ガス混合物を床に通し及び工程
    (c)の間に一層容易に吸着し得る成分を床に通すブロワ
    ー手段 を含み、 それで供給ガス混合物を系内で処理加工する際に供給ガ
    ス混合物の内の一層容易に吸着し得る成分を高純度、安
    価な生成物として簡便に得ることができる装置。
  14. 【請求項１４】前記一層容易に吸着し得る成分貯蔵手段
    が中に収容されるガス量に応じて可変容量を有する可撓
    性材料製の貯蔵タンクを含み、それで該貯蔵手段の寸法
    要求数を有利に減少させることができる特許請求の範囲
    第１３項記載の吸着装置。
JP63332700A 1987-12-29 1988-12-28 ガス分離のための改良された圧力スイング吸着方法及び装置 Expired - Lifetime JPH0647056B2 (ja)

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