JPH0794004B2 - 改良された空気分離圧力変動式吸着法 - Google Patents
改良された空気分離圧力変動式吸着法Info
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Description
【０００１】本発明は、圧力変動式（プレッシャースイ
ング）吸着法に関する。特に、本発明は、空気分離のた
めの改良された圧力変動式吸着法に関する。
ング）吸着法に関する。特に、本発明は、空気分離のた
めの改良された圧力変動式吸着法に関する。
【０００２】
【従来の技術】多数の化学的方法、精油所操作、金属の
製造法及び他の工業的方法では、様々な目的に対して高
純度酸素及び窒素流れが使用される。かくして、高純度
窒素は、パージ、ガスシール（ブランケット）、金属処
理雰囲気の設定及び他の目的に対して使用される。高純
度酸素は、化学的方法、鋼や紙の製造法、鉛やガラスの
製造法等において使用される。窒素及び酸素は、空気か
ら典型的には極低温蒸留法によって製造される。かかる
方法は特に大きい気体容量の用途に対しては極めて効率
的になり得るけれども、それらは、複雑で且つ高価な極
低温処理装置の使用を必要とする。かかる空気分離操作
には、特に極低温空気分離プラントが経済上不適当にな
るような比較的小さい気体容量の用途には圧力変動式吸
着（ＰＳＡ）法が特に適合する。
製造法及び他の工業的方法では、様々な目的に対して高
純度酸素及び窒素流れが使用される。かくして、高純度
窒素は、パージ、ガスシール（ブランケット）、金属処
理雰囲気の設定及び他の目的に対して使用される。高純
度酸素は、化学的方法、鋼や紙の製造法、鉛やガラスの
製造法等において使用される。窒素及び酸素は、空気か
ら典型的には極低温蒸留法によって製造される。かかる
方法は特に大きい気体容量の用途に対しては極めて効率
的になり得るけれども、それらは、複雑で且つ高価な極
低温処理装置の使用を必要とする。かかる空気分離操作
には、特に極低温空気分離プラントが経済上不適当にな
るような比較的小さい気体容量の用途には圧力変動式吸
着（ＰＳＡ）法が特に適合する。
【０００３】空気分離に対して使用する如きＰＳＡ法で
は、供給原料空気は、一殿には、高い吸着圧において空
気中の易吸着性成分として窒素を選択的に吸着すること
ができる吸着剤床に送られる。酸素は、空気中の次に容
易に吸着される成分として、床を通されてそこから排出
される。しかる後、床は、該床で循環式吸着−脱着操作
を続けるときに床への追加的量の供給原料空気の導入に
先立って床からの窒素の脱着及びその除去のために低い
脱着圧に減圧される。当業者には容易に理解されるよう
に、ＰＳＡ法は、一般には多床系において用いられ、そ
して各床は所望のＰＳＡプロセス順序を系の他の床で実
施する循環方式でかかるプロセス順序を受ける。
は、供給原料空気は、一殿には、高い吸着圧において空
気中の易吸着性成分として窒素を選択的に吸着すること
ができる吸着剤床に送られる。酸素は、空気中の次に容
易に吸着される成分として、床を通されてそこから排出
される。しかる後、床は、該床で循環式吸着−脱着操作
を続けるときに床への追加的量の供給原料空気の導入に
先立って床からの窒素の脱着及びその除去のために低い
脱着圧に減圧される。当業者には容易に理解されるよう
に、ＰＳＡ法は、一般には多床系において用いられ、そ
して各床は所望のＰＳＡプロセス順序を系の他の床で実
施する循環方式でかかるプロセス順序を受ける。
【０００４】典型的なＰＳＡ空気分離プロセスサイクル
は、４つのプロセス工程、即ち、（１）供給原料空気を
床の供給端に高い吸着圧において送給し、しかして窒素
を選択的に吸着させそして床の対向又は排出端から酸素
を得る工程、（２）床の圧力を低い脱着圧に下げ、しか
して窒素を脱着させて床の供給端から取り出す工程、
（３）床の排出端から床にパージ流れを導入することに
よってパージを行ない、しかして床の供給端から窒素を
更に脱着除去する工程、及び（４）床を高い吸着圧に再
加圧する工程よりなり、そしてかかる順序は、追加的量
の供給原料空気を連続的にＰＳＡ系に送りながら循環方
式で反復される。かかるＰＳＡ法に関して様々な変形法
が知られており、しかして圧力回収のための全圧又は分
圧平衡化工程の如き追加的なプロセス工程が含まれ、そ
して特定のＰＳＡプロセスサイクルではパージ工程の如
き他の工程は省かれている。
は、４つのプロセス工程、即ち、（１）供給原料空気を
床の供給端に高い吸着圧において送給し、しかして窒素
を選択的に吸着させそして床の対向又は排出端から酸素
を得る工程、（２）床の圧力を低い脱着圧に下げ、しか
して窒素を脱着させて床の供給端から取り出す工程、
（３）床の排出端から床にパージ流れを導入することに
よってパージを行ない、しかして床の供給端から窒素を
更に脱着除去する工程、及び（４）床を高い吸着圧に再
加圧する工程よりなり、そしてかかる順序は、追加的量
の供給原料空気を連続的にＰＳＡ系に送りながら循環方
式で反復される。かかるＰＳＡ法に関して様々な変形法
が知られており、しかして圧力回収のための全圧又は分
圧平衡化工程の如き追加的なプロセス工程が含まれ、そ
して特定のＰＳＡプロセスサイクルではパージ工程の如
き他の工程は省かれている。
【０００５】空気からの窒素の選択的吸着に基礎を置く
ＰＳＡ法では、ＰＳＡ系の吸着剤床において、空気から
窒素を選択的に吸着することができる市販吸着剤物質が
用いられる。かかるＰＳＡ空気分離プロセスに対して都
合よく使用することができる吸着剤物質の代表的な例
は、１３Ｘ、５Ａ、１０Ｘ及びモルデナイトの如き周知
のモレキュラシーブである。モレキュラシーブ物質は、
一般には、大きい内面を示す傾向があり、かくして空気
からの窒素の選択的吸着のための大きい容量を有する。
また、それらは極性を有し、しかしてこの特性は酸素に
関して窒素の選択的吸着をもたらす。かかるモレキュラ
シーブ物質は、多くの異なる変形構造で存在し得る複雑
な“骨格”構造体である。加えて、ゼオライトモレキュ
ラシーブに固有の極性イオンは、イオン交換処理によっ
て変性することができる。かくして、斯界では、ＰＳＡ
空気分離プロセスで使用するのに多かれ少なかれ満足な
多くの異なるモレキュラシーブ吸着剤物質が知られてい
る。酸素に関して窒素の選択的又は優先的吸着は、“分
離係数”によって定量化することができる。選択的に吸
着される窒素に対する高い吸着容量と共に空気分離操作
に対する高い分離係数を有する特定の吸着剤物質を開発
するために斯界では様々な努力がなされてきた。
ＰＳＡ法では、ＰＳＡ系の吸着剤床において、空気から
窒素を選択的に吸着することができる市販吸着剤物質が
用いられる。かかるＰＳＡ空気分離プロセスに対して都
合よく使用することができる吸着剤物質の代表的な例
は、１３Ｘ、５Ａ、１０Ｘ及びモルデナイトの如き周知
のモレキュラシーブである。モレキュラシーブ物質は、
一般には、大きい内面を示す傾向があり、かくして空気
からの窒素の選択的吸着のための大きい容量を有する。
また、それらは極性を有し、しかしてこの特性は酸素に
関して窒素の選択的吸着をもたらす。かかるモレキュラ
シーブ物質は、多くの異なる変形構造で存在し得る複雑
な“骨格”構造体である。加えて、ゼオライトモレキュ
ラシーブに固有の極性イオンは、イオン交換処理によっ
て変性することができる。かくして、斯界では、ＰＳＡ
空気分離プロセスで使用するのに多かれ少なかれ満足な
多くの異なるモレキュラシーブ吸着剤物質が知られてい
る。酸素に関して窒素の選択的又は優先的吸着は、“分
離係数”によって定量化することができる。選択的に吸
着される窒素に対する高い吸着容量と共に空気分離操作
に対する高い分離係数を有する特定の吸着剤物質を開発
するために斯界では様々な努力がなされてきた。
【０００６】ＰＳＡ空気分離プロセスでは、ホージャサ
イト系ゼオライトＸのナトリウム型のものが有益下にし
ばしば用いられてきた。窒素吸着の向上はナトリウムイ
オンを二価イオンで交換することによって達成すること
ができることが教示されている。マックリー氏の米国特
許第３，１４０，９３２号には、ＣａＸ、ＳｒＸ、Ｂａ
Ｘ及びＮｉＸについて酸素に対する窒素の高い分離係数
が示されている。シアーカー氏外の米国特許第４，５５
７，７３６号には、Ｃａ及びＳｒイオンの両方を有する
二成分イオン交換型Ｘゼオライト（好ましい具体例では
陽イオンの５〜４０％がＣａ++でそして６０〜９５％が
Ｓｒ++である）は、大気圧よりも高い圧力において特に
高い窒素吸着能を有することが開示されている。
イト系ゼオライトＸのナトリウム型のものが有益下にし
ばしば用いられてきた。窒素吸着の向上はナトリウムイ
オンを二価イオンで交換することによって達成すること
ができることが教示されている。マックリー氏の米国特
許第３，１４０，９３２号には、ＣａＸ、ＳｒＸ、Ｂａ
Ｘ及びＮｉＸについて酸素に対する窒素の高い分離係数
が示されている。シアーカー氏外の米国特許第４，５５
７，７３６号には、Ｃａ及びＳｒイオンの両方を有する
二成分イオン交換型Ｘゼオライト（好ましい具体例では
陽イオンの５〜４０％がＣａ++でそして６０〜９５％が
Ｓｒ++である）は、大気圧よりも高い圧力において特に
高い窒素吸着能を有することが開示されている。
【０００７】上記のマックリー氏の米国特許では、ゼオ
ライトＸの各種アルカリ金属陽イオン型のものの相対的
長所が検討されそして空気からの窒素の選択的吸着には
Ｌｉ+ 型のものが優れていることが示されている。この
型の吸着剤は、０℃程の高い温度においてさえも高い吸
着能を有することが分かった。６．８程の大きさの窒素
対酸素分離係数が測定された。更に、負荷分離係数は、
温度の上昇と共に増大した。最近になって、チャオ氏の
米国特許第４，５５９，２１７号では、陽イオン部位の
少なくとも８８％がＬｉ+ によって占められた高リチウ
ム交換ゼオライトＸは、通常のＰＳＡプロセス操作にお
いて空気からの窒素の分離に対する予想以上の高い分離
係数を有することが開示されており、そして１気圧の吸
着圧及び周囲圧の条件において１０．９程の高い分離係
数が示されている。更に、その吸着剤物質について１５
０トルと比較して１５００トルで窒素吸着量の大きい差
が認められた。
ライトＸの各種アルカリ金属陽イオン型のものの相対的
長所が検討されそして空気からの窒素の選択的吸着には
Ｌｉ+ 型のものが優れていることが示されている。この
型の吸着剤は、０℃程の高い温度においてさえも高い吸
着能を有することが分かった。６．８程の大きさの窒素
対酸素分離係数が測定された。更に、負荷分離係数は、
温度の上昇と共に増大した。最近になって、チャオ氏の
米国特許第４，５５９，２１７号では、陽イオン部位の
少なくとも８８％がＬｉ+ によって占められた高リチウ
ム交換ゼオライトＸは、通常のＰＳＡプロセス操作にお
いて空気からの窒素の分離に対する予想以上の高い分離
係数を有することが開示されており、そして１気圧の吸
着圧及び周囲圧の条件において１０．９程の高い分離係
数が示されている。更に、その吸着剤物質について１５
０トルと比較して１５００トルで窒素吸着量の大きい差
が認められた。
【０００８】それ故に、空気からの窒素の選択的吸着を
向上させるために、望ましい吸着剤物質のゼオライト構
造に対して様々な変性を行なうことができることが斯界
において知られている。かくして、かかる変性吸着剤の
使用によって、ＰＳＡ空気分離法の吸着工程を向上させ
ることが可能である。このことは斯界における望ましい
進歩を示しているけれども、不幸にして、これは必ずし
もＰＳＡ空気分離プロセス全体の向上をもたらさない。
また、高い吸着圧条件下に空気から窒素を効率的且つ選
択的に吸着する傾向がある吸着剤は、低い脱着圧条件下
に窒素をより強力に保持する傾向をも有する。その上、
ＰＳＡ法の全コスト及び効率は、全プロセスの吸着工程
と同じ程多く脱着工程に依存する場合がある。このこと
は、特に脱着操作を真空条件下に又はほぼ大気圧の条件
下に実施するときに言える。
向上させるために、望ましい吸着剤物質のゼオライト構
造に対して様々な変性を行なうことができることが斯界
において知られている。かくして、かかる変性吸着剤の
使用によって、ＰＳＡ空気分離法の吸着工程を向上させ
ることが可能である。このことは斯界における望ましい
進歩を示しているけれども、不幸にして、これは必ずし
もＰＳＡ空気分離プロセス全体の向上をもたらさない。
また、高い吸着圧条件下に空気から窒素を効率的且つ選
択的に吸着する傾向がある吸着剤は、低い脱着圧条件下
に窒素をより強力に保持する傾向をも有する。その上、
ＰＳＡ法の全コスト及び効率は、全プロセスの吸着工程
と同じ程多く脱着工程に依存する場合がある。このこと
は、特に脱着操作を真空条件下に又はほぼ大気圧の条件
下に実施するときに言える。
【０００９】吸着剤の効率的な利用が唯一の適切な考慮
事項であるならば、各ＰＳＡサイクルの床再生部分間に
選択的に吸着された窒素を完全に脱着させ、しかしてそ
のサイクルの次の連続する吸着部分間に吸着剤の全吸着
能が利用可能になるようにするのが望ましい。かかる方
法で使用するための最ともよい吸着剤は、所望の吸着条
件下に最とも高い窒素吸着能及び最とも大きい窒素対酸
素分離条件を示す物質である。完全脱着には、極めて高
い真空が要求される。かかる高い真空条件を達成するの
に必要とされる装置は高価であり、そしてかかる操作に
伴なう操作コストは極めて高い。実際のＰＳＡプロセス
操作、特に望ましい動力効率を得るように設計されたも
のは、低い脱着圧レベル（それでも、完全脱着に必要と
される高真空条件よりはかなり高い）で実施される部分
脱着操作で効果がなければならない。
事項であるならば、各ＰＳＡサイクルの床再生部分間に
選択的に吸着された窒素を完全に脱着させ、しかしてそ
のサイクルの次の連続する吸着部分間に吸着剤の全吸着
能が利用可能になるようにするのが望ましい。かかる方
法で使用するための最ともよい吸着剤は、所望の吸着条
件下に最とも高い窒素吸着能及び最とも大きい窒素対酸
素分離条件を示す物質である。完全脱着には、極めて高
い真空が要求される。かかる高い真空条件を達成するの
に必要とされる装置は高価であり、そしてかかる操作に
伴なう操作コストは極めて高い。実際のＰＳＡプロセス
操作、特に望ましい動力効率を得るように設計されたも
のは、低い脱着圧レベル（それでも、完全脱着に必要と
される高真空条件よりはかなり高い）で実施される部分
脱着操作で効果がなければならない。
【００１０】産業活動のより一層厳格な要件を満たす際
には、ＰＳＡ空気分離操作は、実際の操作条件下での窒
素の選択的吸着のための進歩した吸着剤物質の連続的開
発に依存している。結局、かかる進歩した吸着剤物質の
有効的な使用には、実際の工業的操作の要件を満たすこ
とができる全ＰＳＡ空気分離性能を得るようにＰＳＡ操
作特徴の開発が要求される。先に記載したように、様々
なＰＳＡプロセスサイクル及び特徴が斯界において知ら
れている。各ＰＳＡ系及びプロセスサイクルの全効率
は、その特定の特徴に依存することが理解されよう。し
かしながら、特定のＰＳＡ操作の全エネルギー所要量に
関する主な因子は、最高の高い吸着圧対最低の低い脱着
圧の圧力比である。ＰＳＡ空気分離技術を低コストで効
率的な分離操作の方向に進めるために様々な開発がなさ
れてきた。かくして、ラグリー及びリアビット両氏の米
国特許第４，８１０，２６５号には、低い動力消費及び
資本経費のために開発され、そして並流生成物パージ及
び向流酸素パージを使用して空気から窒素を製造するた
めの二床真空ＰＳＡ法及び装置系が開発されている。ま
た、空気から酸素を製造するための改良された真空ＰＳ
Ａプロセス、即ち、簡単なプロセス装置を使用し、低い
資本経費を有し、そして他の工業的なＰＳＡ法と同様の
又はそれよりも低い動力消費レベルにおいて操作するこ
とができる真空ＰＳＡ法も提案されている。
には、ＰＳＡ空気分離操作は、実際の操作条件下での窒
素の選択的吸着のための進歩した吸着剤物質の連続的開
発に依存している。結局、かかる進歩した吸着剤物質の
有効的な使用には、実際の工業的操作の要件を満たすこ
とができる全ＰＳＡ空気分離性能を得るようにＰＳＡ操
作特徴の開発が要求される。先に記載したように、様々
なＰＳＡプロセスサイクル及び特徴が斯界において知ら
れている。各ＰＳＡ系及びプロセスサイクルの全効率
は、その特定の特徴に依存することが理解されよう。し
かしながら、特定のＰＳＡ操作の全エネルギー所要量に
関する主な因子は、最高の高い吸着圧対最低の低い脱着
圧の圧力比である。ＰＳＡ空気分離技術を低コストで効
率的な分離操作の方向に進めるために様々な開発がなさ
れてきた。かくして、ラグリー及びリアビット両氏の米
国特許第４，８１０，２６５号には、低い動力消費及び
資本経費のために開発され、そして並流生成物パージ及
び向流酸素パージを使用して空気から窒素を製造するた
めの二床真空ＰＳＡ法及び装置系が開発されている。ま
た、空気から酸素を製造するための改良された真空ＰＳ
Ａプロセス、即ち、簡単なプロセス装置を使用し、低い
資本経費を有し、そして他の工業的なＰＳＡ法と同様の
又はそれよりも低い動力消費レベルにおいて操作するこ
とができる真空ＰＳＡ法も提案されている。
【００１１】空気を酸素及び（又は）窒素生成物流れに
分離するためのＰＳＡ技術における上記の如きかなりの
進歩にもかかわらず、斯界ではより効率的なＰＳＡ空気
分離法に対する真正な要求がある。このような要求は、
かかる酸素及び（又は）窒素生成物に対するこれまでの
産業上の用途の需要を満たすためには、特に極めて低い
動力消費レベルで高純度酸素及び窒素生成物を製造する
ためのより効率的な空気分離法の開発を必要としてい
る。
分離するためのＰＳＡ技術における上記の如きかなりの
進歩にもかかわらず、斯界ではより効率的なＰＳＡ空気
分離法に対する真正な要求がある。このような要求は、
かかる酸素及び（又は）窒素生成物に対するこれまでの
産業上の用途の需要を満たすためには、特に極めて低い
動力消費レベルで高純度酸素及び窒素生成物を製造する
ためのより効率的な空気分離法の開発を必要としてい
る。
【００１２】それ故に、本発明の目的は、空気分離用の
改良されたＰＳＡ法を提供することである。本発明の他
の目的は、有益に低い動力消費レベルにおいて酸素（及
びアルゴン）及び窒素成分流れを生成するための改良さ
れたＰＳＡ法を提供することである。本発明の更に他の
目的は、高純度酸素の製造のための改良された方法を提
供することである。本発明の更に他の目的は、通常のＰ
ＳＡ法に伴なうと同様の又はそれよりも低い資本経費と
共に、極めて低い動力消費を達成することができる空気
分離のためのＰＳＡ法を提供することである。これらの
目的及び他の目的を意中に置いて、以下に本発明を詳細
に説明するが、本発明の新規な特徴は特に特許請求の範
囲に記載されている。
改良されたＰＳＡ法を提供することである。本発明の他
の目的は、有益に低い動力消費レベルにおいて酸素（及
びアルゴン）及び窒素成分流れを生成するための改良さ
れたＰＳＡ法を提供することである。本発明の更に他の
目的は、高純度酸素の製造のための改良された方法を提
供することである。本発明の更に他の目的は、通常のＰ
ＳＡ法に伴なうと同様の又はそれよりも低い資本経費と
共に、極めて低い動力消費を達成することができる空気
分離のためのＰＳＡ法を提供することである。これらの
目的及び他の目的を意中に置いて、以下に本発明を詳細
に説明するが、本発明の新規な特徴は特に特許請求の範
囲に記載されている。
【００１３】
【発明の概要】酸素／アルゴン及び（又は）窒素製造の
ためのＰＳＡ空気分離法は、高い吸着圧レベルにおける
酸素よりも窒素に対する高い貯蔵分離係数、並びに低い
脱着圧レベルにおける窒素の容易な脱着及び排出の下に
空気から窒素を選択的に吸着することができる特殊の吸
着剤と共に、有益に低い圧力比を用いて実施される。
ためのＰＳＡ空気分離法は、高い吸着圧レベルにおける
酸素よりも窒素に対する高い貯蔵分離係数、並びに低い
脱着圧レベルにおける窒素の容易な脱着及び排出の下に
空気から窒素を選択的に吸着することができる特殊の吸
着剤と共に、有益に低い圧力比を用いて実施される。
【００１４】
【発明の詳細な記述】本発明の目的は、かかる低圧力比
吸着−脱着プロセス条件下に向上した機能を果すことが
できる特殊吸着剤物質を収容する系においてＰＳＡプロ
セスサイクルを低い圧力比で実施することによって達成
される。本発明において、「サブ大気圧サイクル」と
は、吸着圧が大気圧か又はそれよりも僅かに低くそして
脱着圧が減圧であるような場合を意味する。「トランス
大気圧サイクル」とは、吸着圧が大気圧よりも高くそし
て脱着圧が大気圧よりも低いような場合を意味する。
「スーパー大気圧サイクル」とは、吸着圧が大気圧より
も高くそして脱着圧が大気圧か又はそれよりも僅かに高
いような場合を意味する。
吸着−脱着プロセス条件下に向上した機能を果すことが
できる特殊吸着剤物質を収容する系においてＰＳＡプロ
セスサイクルを低い圧力比で実施することによって達成
される。本発明において、「サブ大気圧サイクル」と
は、吸着圧が大気圧か又はそれよりも僅かに低くそして
脱着圧が減圧であるような場合を意味する。「トランス
大気圧サイクル」とは、吸着圧が大気圧よりも高くそし
て脱着圧が大気圧よりも低いような場合を意味する。
「スーパー大気圧サイクル」とは、吸着圧が大気圧より
も高くそして脱着圧が大気圧か又はそれよりも僅かに高
いような場合を意味する。
【００１５】高められた高い吸着圧において高い吸着レ
ベルそして高い真空条件下に本質上完全な脱着を達成し
ようとするＰＳＡ法とは対照をなして、本発明の方法は
低い圧力比で操作される。プロセスの圧力比を本明細書
で用いるときには、それは、ＰＳＡサイクルの高い吸着
圧部分間に達する最高圧対サイクルの低い脱着部分で達
する最低圧の比率である。かかる低い圧力比の使用は、
高価な圧縮装置よりもむしろ簡単で安価なブロアー及び
ファンの使用を可能にすることが理解されよう。
ベルそして高い真空条件下に本質上完全な脱着を達成し
ようとするＰＳＡ法とは対照をなして、本発明の方法は
低い圧力比で操作される。プロセスの圧力比を本明細書
で用いるときには、それは、ＰＳＡサイクルの高い吸着
圧部分間に達する最高圧対サイクルの低い脱着部分で達
する最低圧の比率である。かかる低い圧力比の使用は、
高価な圧縮装置よりもむしろ簡単で安価なブロアー及び
ファンの使用を可能にすることが理解されよう。
【００１６】空気からの窒素又は酸素の分離即ち酸素／
アルゴンの分離では、高い吸着圧及び供給原料空気温度
条件における高い窒素吸着量、並びに酸素及びアルゴン
と比較した高い窒素選択性を基にしてのみ吸着剤を選択
するのが通常のやり方である。高い圧力比で操作される
ＰＳＡサイクルでは、このような吸着剤選択法が適切で
ある。と云うのは、低い脱着圧レベルでは残留吸着量は
低いのが望ましいからである。かかる高い圧力比は、高
い真空即ち極めて低い脱着圧を使用して又は極めて高い
吸着圧を使用することによって又は両者を使用すること
によって達成することができる。このような解決策は、
費用がかかり且つかなりの動力を使用するものである。
何故ならば、高い圧縮比が使用され且つ高価な圧縮機及
び（又は）真空ポンプが必要とされるからである。
アルゴンの分離では、高い吸着圧及び供給原料空気温度
条件における高い窒素吸着量、並びに酸素及びアルゴン
と比較した高い窒素選択性を基にしてのみ吸着剤を選択
するのが通常のやり方である。高い圧力比で操作される
ＰＳＡサイクルでは、このような吸着剤選択法が適切で
ある。と云うのは、低い脱着圧レベルでは残留吸着量は
低いのが望ましいからである。かかる高い圧力比は、高
い真空即ち極めて低い脱着圧を使用して又は極めて高い
吸着圧を使用することによって又は両者を使用すること
によって達成することができる。このような解決策は、
費用がかかり且つかなりの動力を使用するものである。
何故ならば、高い圧縮比が使用され且つ高価な圧縮機及
び（又は）真空ポンプが必要とされるからである。
【００１７】比較的低い吸着圧を使用するか又は軽度の
真空若しくはほぼ周囲圧の脱着圧を使用するが如くして
低い圧力比を使用することは簡単で且つ費用がかからな
い。低い圧力比を用いるときには、所望生成物例えば酸
素の回収率が低下され、そして回収レベルがあまりに低
いと、取り扱わなければならない供給原料空気及びオフ
ガスの量が増加することによって動力消費上の利益が帳
消しになる可能性がある。また、低い回収レベルは、所
要の吸着剤床寸法の増大を招く。それ故に、低い圧力比
を用いるときには適度に高い回収レベルを達成すること
が必要である。低い圧力比を用いるときには、脱着工程
の終りにおける窒素の残留吸着量は、もし多量のパージ
ガスを用いないと、最大吸着量の数分の１になる。かく
して、供給原料空気の易吸着性窒素成分の吸着量及び選
択性は、吸着間のみならず脱着間において、無視し得る
因子ではなく全サイクルの効率に対して重要な因子と見
られる。
真空若しくはほぼ周囲圧の脱着圧を使用するが如くして
低い圧力比を使用することは簡単で且つ費用がかからな
い。低い圧力比を用いるときには、所望生成物例えば酸
素の回収率が低下され、そして回収レベルがあまりに低
いと、取り扱わなければならない供給原料空気及びオフ
ガスの量が増加することによって動力消費上の利益が帳
消しになる可能性がある。また、低い回収レベルは、所
要の吸着剤床寸法の増大を招く。それ故に、低い圧力比
を用いるときには適度に高い回収レベルを達成すること
が必要である。低い圧力比を用いるときには、脱着工程
の終りにおける窒素の残留吸着量は、もし多量のパージ
ガスを用いないと、最大吸着量の数分の１になる。かく
して、供給原料空気の易吸着性窒素成分の吸着量及び選
択性は、吸着間のみならず脱着間において、無視し得る
因子ではなく全サイクルの効率に対して重要な因子と見
られる。
【００１８】ＰＳＡサイクルは、複雑で、動的で且つ非
定常状態の方法である。上記の説明から、低い圧力比の
使用及びその利益の取得は実際の工業的操作では容易に
は達成されないことが理解されよう。また、サイクルの
脱着及びパージ即ち再生部分で用いる向流流量対サイク
ルの供給原料吸着部分間の並流流量の極限比は高圧力比
サイクルよりも低圧力比サイクルの方が高くなることも
分かった。その結果、回収される生成物単位当りより多
くのガスを圧縮しなければならない。しかしながら、低
圧力比サイクルでは、低圧力サイクルの使用によって被
圧縮ガスの量をあまり多く増加させない場合にのみ低い
動力で済む。
定常状態の方法である。上記の説明から、低い圧力比の
使用及びその利益の取得は実際の工業的操作では容易に
は達成されないことが理解されよう。また、サイクルの
脱着及びパージ即ち再生部分で用いる向流流量対サイク
ルの供給原料吸着部分間の並流流量の極限比は高圧力比
サイクルよりも低圧力比サイクルの方が高くなることも
分かった。その結果、回収される生成物単位当りより多
くのガスを圧縮しなければならない。しかしながら、低
圧力比サイクルでは、低圧力サイクルの使用によって被
圧縮ガスの量をあまり多く増加させない場合にのみ低い
動力で済む。
【００１９】これらの因子のすべてにかんがみ、使用さ
れる吸着剤は、供給原料対生成物及び廃棄物対生成物流
量比をできるだけ低く維持することができるように減圧
操作間に窒素濃度の大きな増大を生じることができるこ
とが臨界的に重要である。実際の工業的操作では、低圧
力比で操作する利益は、高い吸着圧において高い分離係
数で窒素を選択的に吸着することができ、しかもかかる
低圧力比適用で用いる低い脱着圧において窒素を定常排
出のために容易に脱着することができる特定の吸着剤を
使用してのみ達成することができることが分かった。
れる吸着剤は、供給原料対生成物及び廃棄物対生成物流
量比をできるだけ低く維持することができるように減圧
操作間に窒素濃度の大きな増大を生じることができるこ
とが臨界的に重要である。実際の工業的操作では、低圧
力比で操作する利益は、高い吸着圧において高い分離係
数で窒素を選択的に吸着することができ、しかもかかる
低圧力比適用で用いる低い脱着圧において窒素を定常排
出のために容易に脱着することができる特定の吸着剤を
使用してのみ達成することができることが分かった。
【００２０】窒素吸着を向上させるためには一般にはナ
トリウムイオンを二価イオンで交換することが望まれて
いたけれども、本発明の実施に対して有用であることが
判明した吸着剤は、先に記載したゼオライトＸの高リチ
ウム交換型のもの及びゼオライト１３Ｘの苛性温浸型の
ものである。これは、断熱式ＰＳＡ操作について完全サ
イクルのコンピューターシュミレーションを使用した比
較例の過程で確かめられた。本発明の目的は低圧力比の
実際の使用によってＰＳＡ操作の動力及び操作コストを
減少させることであるけれども、特に本発明の実施にお
ける如く使用される吸着剤が特殊物質である場合に吸着
剤の所要量を考慮することも重要である。吸着剤の所要
量は、“床寸法ファクター”又は“ＢＳＦ”によって都
合よく表わすことができる。ＰＳＡ法では、ＢＳＦは、
生成物流れ中に１トンの生成物例えば酸素を生成させる
のに要する吸着剤の量を表わす。ＢＳＦは、ＰＳＡサイ
クル時間に正比例し、そして吸着剤のガス貯蔵差及び生
成物（例えば酸素）回収率に反比例する。不幸にして、
回収率及び貯蔵差δの両方とも、一般には、圧力比が低
下するにつれて低下し、かくしてＢＳＦを大きくする。
他方、酸素の回収率は、床の供給端から排出される廃流
れ中の平均窒素濃度に強く左右される。この濃度を、本
発明の低圧力比条件下に吸着剤を用いることによって高
くすると、ＢＳＦはより小さくされる傾向がある。
トリウムイオンを二価イオンで交換することが望まれて
いたけれども、本発明の実施に対して有用であることが
判明した吸着剤は、先に記載したゼオライトＸの高リチ
ウム交換型のもの及びゼオライト１３Ｘの苛性温浸型の
ものである。これは、断熱式ＰＳＡ操作について完全サ
イクルのコンピューターシュミレーションを使用した比
較例の過程で確かめられた。本発明の目的は低圧力比の
実際の使用によってＰＳＡ操作の動力及び操作コストを
減少させることであるけれども、特に本発明の実施にお
ける如く使用される吸着剤が特殊物質である場合に吸着
剤の所要量を考慮することも重要である。吸着剤の所要
量は、“床寸法ファクター”又は“ＢＳＦ”によって都
合よく表わすことができる。ＰＳＡ法では、ＢＳＦは、
生成物流れ中に１トンの生成物例えば酸素を生成させる
のに要する吸着剤の量を表わす。ＢＳＦは、ＰＳＡサイ
クル時間に正比例し、そして吸着剤のガス貯蔵差及び生
成物（例えば酸素）回収率に反比例する。不幸にして、
回収率及び貯蔵差δの両方とも、一般には、圧力比が低
下するにつれて低下し、かくしてＢＳＦを大きくする。
他方、酸素の回収率は、床の供給端から排出される廃流
れ中の平均窒素濃度に強く左右される。この濃度を、本
発明の低圧力比条件下に吸着剤を用いることによって高
くすると、ＢＳＦはより小さくされる傾向がある。
【００２１】例１ ２１：１の圧力比におけるトランス大気圧ＰＳＡサイク
ル ナトリウムＸ（ＮａＸ又は１３Ｘ）吸着剤を使用するこ
の例では、高い吸着圧は１５０ｋＰａでそして低い脱着
圧は７ｋＰａであり、しかして圧力比は２１／１であっ
た。１５トン／日の酸素製造に関してこのサイクルの動
力所要量は１１７ｋｗである。ＢＳＦは約６７１であ
る。本例は、断熱式ＰＳＡ操作条件下に供給原料空気か
ら窒素を選択的に吸着するに際し通常の吸着剤を使用し
た典型的な従来の高圧力比ＰＳＡ空気分離操作を表わ
す。
ル ナトリウムＸ（ＮａＸ又は１３Ｘ）吸着剤を使用するこ
の例では、高い吸着圧は１５０ｋＰａでそして低い脱着
圧は７ｋＰａであり、しかして圧力比は２１／１であっ
た。１５トン／日の酸素製造に関してこのサイクルの動
力所要量は１１７ｋｗである。ＢＳＦは約６７１であ
る。本例は、断熱式ＰＳＡ操作条件下に供給原料空気か
ら窒素を選択的に吸着するに際し通常の吸着剤を使用し
た典型的な従来の高圧力比ＰＳＡ空気分離操作を表わ
す。
【００２２】例２ ６：１の圧力比におけるトランス大気圧ＰＳＡサイクル １５０ｋＰａの高い吸着圧及び２５ｋＰａの低い脱着圧
（これは、６：１の圧力比を提供する）を使用して、断
熱条件下に３００°Ｋよりも低くない供給温度で表Ｉの
結果を測定した。酸素漏出までの最大流量の８０％が得
られる点まで向流パージガスを用いた。
（これは、６：１の圧力比を提供する）を使用して、断
熱条件下に３００°Ｋよりも低くない供給温度で表Ｉの
結果を測定した。酸素漏出までの最大流量の８０％が得
られる点まで向流パージガスを用いた。
【表１】
【００２３】用いたＮａＸ物質は、ＮａＸ又は１３Ｘと
して一般に知られるホージャサイト系ゼオライトのナト
リウム型のものであって、例１で用いたと同じ従来の吸
着剤である。他の吸着剤は、イオン交換又は他の特殊処
理によって製造することができる基本ＮａＸの変性型の
ものである。高い吸着圧において窒素の吸着を増加させ
るために従来技術で望まれる如き二価陽イオン物質であ
るＣａＸは、ＮａＸ中のＮａ＋イオンを多くのＣａ＋＋
イオンの半分で置換することによって製造される。同様
に、ＬｉＸは、Ｎａ＋をＬｉ＋で置換してそのＡｌＯ２
四面体単位の９５％にリチウム陽イオンを結合させるこ
とによって製造される。ＬｉＸ（２．５）は２．５の通
常のＳｉ／Ａｌ２比を持つＬｉＸを表わし、これに対し
てＬｉＸ（２．０）はＳｉ／Ａｌ２比を２．０に下げる
ための処理から得られる。ＮａＸ（ｃ．ｄ．）は、苛性
溶液中に高められた温度で数時間温浸されたＮａＸ型の
ものを表わし、この物質は増大したゼオライト含量を有
する。また、この苛性処理は、細孔構造から崩壊物を除
去して吸着部位をより接近可能にすると思われる。上記
吸着剤のすべては、高い活性化で即ち低い残留水含量で
向上した性能を示すことに注目すべきである。
して一般に知られるホージャサイト系ゼオライトのナト
リウム型のものであって、例１で用いたと同じ従来の吸
着剤である。他の吸着剤は、イオン交換又は他の特殊処
理によって製造することができる基本ＮａＸの変性型の
ものである。高い吸着圧において窒素の吸着を増加させ
るために従来技術で望まれる如き二価陽イオン物質であ
るＣａＸは、ＮａＸ中のＮａ＋イオンを多くのＣａ＋＋
イオンの半分で置換することによって製造される。同様
に、ＬｉＸは、Ｎａ＋をＬｉ＋で置換してそのＡｌＯ２
四面体単位の９５％にリチウム陽イオンを結合させるこ
とによって製造される。ＬｉＸ（２．５）は２．５の通
常のＳｉ／Ａｌ２比を持つＬｉＸを表わし、これに対し
てＬｉＸ（２．０）はＳｉ／Ａｌ２比を２．０に下げる
ための処理から得られる。ＮａＸ（ｃ．ｄ．）は、苛性
溶液中に高められた温度で数時間温浸されたＮａＸ型の
ものを表わし、この物質は増大したゼオライト含量を有
する。また、この苛性処理は、細孔構造から崩壊物を除
去して吸着部位をより接近可能にすると思われる。上記
吸着剤のすべては、高い活性化で即ち低い残留水含量で
向上した性能を示すことに注目すべきである。
【００２４】表ＩのＮａＸの動力所要量は例１のものよ
りも少ない即ち１１７ｋｗの代わりに１００ｋｗである
（これは、低圧力比サイクルの方がエネルギー効率であ
ることを示す）けれども、ＢＳＦは、低圧力比を用いた
ときに増大した。特別に調製した吸着剤のすべては、Ｎ
ａＸよりも高い選択性を有していた。しかしながら、か
かる高い選択性にもかかわらず、ＣａＸは、ＮａＸより
も多い動力を必要とし且つ高いＢＳＦを有することが分
るだろう。他の特殊吸着剤は、低い動力所要量及び低い
ＢＳＦ値を有する。ＬｉＸ（２．０）において動力所要
量が最低であり、ＮａＸよりも２１％低い動力を要し
た。
りも少ない即ち１１７ｋｗの代わりに１００ｋｗである
（これは、低圧力比サイクルの方がエネルギー効率であ
ることを示す）けれども、ＢＳＦは、低圧力比を用いた
ときに増大した。特別に調製した吸着剤のすべては、Ｎ
ａＸよりも高い選択性を有していた。しかしながら、か
かる高い選択性にもかかわらず、ＣａＸは、ＮａＸより
も多い動力を必要とし且つ高いＢＳＦを有することが分
るだろう。他の特殊吸着剤は、低い動力所要量及び低い
ＢＳＦ値を有する。ＬｉＸ（２．０）において動力所要
量が最低であり、ＮａＸよりも２１％低い動力を要し
た。
【００２５】例３ ２：１の圧力比におけるトランス大気圧ＰＳＡサイクル １４０ｋＰａの高い吸着圧及び７０ｋＰａの低い脱着圧
を有するＰＳＡサイクルにおいて、即ち、通常のＰＳＡ
空気分離プロセスで用いられるよりもずっと低い２／１
の圧力比において、例２で用いたと同じ５つの吸着剤を
用いた。結果は次の通りであった。
を有するＰＳＡサイクルにおいて、即ち、通常のＰＳＡ
空気分離プロセスで用いられるよりもずっと低い２／１
の圧力比において、例２で用いたと同じ５つの吸着剤を
用いた。結果は次の通りであった。
【表２】
【００２６】表ＩＩに記載の結果は、圧力比を２：１に
下げることによって吸着剤の全部の動力所要量が減少さ
れることを示している。この減少はＣａＸでは極めて小
さく、これはかかる条件下になお高い動力係数を有す
る。ＬｉＸ（２．０）及びＬｉＸ（２．５）の両方と
も、例２の６：１サイクルで必要とされる動力の僅か８
３〜８４％を必要とするのが望ましい。動力効率におけ
るこの利益は、低い圧力比においてかなり大きいＢＳＦ
の犠牲で得られていることが分かる。これは、実施に当
ってサイクル時間を短縮することによって幾分相殺する
ことができる。と云うのは、低圧力比サイクルでは、全
サイクルの圧力変動工程の時間が少なくて済むことが予
測されるからである。更に、当業者には、動力の節約
は、ＢＳＦ所要量よりも一般に有意義な経済因子である
ことが理解されよう。
下げることによって吸着剤の全部の動力所要量が減少さ
れることを示している。この減少はＣａＸでは極めて小
さく、これはかかる条件下になお高い動力係数を有す
る。ＬｉＸ（２．０）及びＬｉＸ（２．５）の両方と
も、例２の６：１サイクルで必要とされる動力の僅か８
３〜８４％を必要とするのが望ましい。動力効率におけ
るこの利益は、低い圧力比においてかなり大きいＢＳＦ
の犠牲で得られていることが分かる。これは、実施に当
ってサイクル時間を短縮することによって幾分相殺する
ことができる。と云うのは、低圧力比サイクルでは、全
サイクルの圧力変動工程の時間が少なくて済むことが予
測されるからである。更に、当業者には、動力の節約
は、ＢＳＦ所要量よりも一般に有意義な経済因子である
ことが理解されよう。
【００２７】例２及び３のトランス大気圧サイクルは、
供給圧縮器又はブロアー及び真空ポンプを必要とするこ
とが理解される。ある場合には、該ポンプのうちの１つ
を除去するのが望ましい。これは、本発明の低圧力比の
実施で可能であるが、しかし高い圧力比を用いるときに
は利用できない場合がある。真空ポンプの必要性を排除
するためにもし高圧力比操作において脱着圧を１気圧よ
りも上に上昇させると、高い吸着圧は必ず極めて高くな
り、そして公知吸着剤物質の大部分はかかる高圧におい
て貧弱な吸着剤特性を有することが分かった。これとは
逆に、もし供給原料空気を大気圧に維持すると、窒素の
脱着に高真空が必要とされ、そしてこのことは高価な真
空ポンプの使用を必要とする。このような制限は、低圧
力比条件下にポンプのうちの１つを除くことを望むとき
にはもはや適用しなくなる。
供給圧縮器又はブロアー及び真空ポンプを必要とするこ
とが理解される。ある場合には、該ポンプのうちの１つ
を除去するのが望ましい。これは、本発明の低圧力比の
実施で可能であるが、しかし高い圧力比を用いるときに
は利用できない場合がある。真空ポンプの必要性を排除
するためにもし高圧力比操作において脱着圧を１気圧よ
りも上に上昇させると、高い吸着圧は必ず極めて高くな
り、そして公知吸着剤物質の大部分はかかる高圧におい
て貧弱な吸着剤特性を有することが分かった。これとは
逆に、もし供給原料空気を大気圧に維持すると、窒素の
脱着に高真空が必要とされ、そしてこのことは高価な真
空ポンプの使用を必要とする。このような制限は、低圧
力比条件下にポンプのうちの１つを除くことを望むとき
にはもはや適用しなくなる。
【００２８】例４ ２：１の圧力比におけるサブ大気圧ＰＳＡサイクル ＰＳＡ空気分離操作において１００ｋＰａ（０．９９気
圧）の供給原料空気圧及び５０ｋＰａ（０．４９５気
圧）の脱着圧を使用し他の点では先の実施例に関して記
載した如くして、次の結果が得られた。
圧）の供給原料空気圧及び５０ｋＰａ（０．４９５気
圧）の脱着圧を使用し他の点では先の実施例に関して記
載した如くして、次の結果が得られた。
【表３】
【００２９】表ＩＩＩに記載した結果は、試験した吸着
剤の全部において動力が更に減少したことを示してい
る。ＬｉＸ（２．０）は最低の動力所要量を有し、即
ち、トランス大気圧サイクルにおいて、６：１圧力比で
ＬｉＸ（２．０）に要求される動力の僅か２／３で、そ
して例１におけるように２１：１の典型的な従来技術の
圧力比において標準ＮａＸ（１３Ｘ）吸着剤で要求され
る動力の僅か４５％である。ＬｉＸ（２．０）は、表Ｉ
ＩＩの選択率値によって示されるように大気圧において
極めて高い吸着特性を示すことに注目すべきである。ま
た、ＬｉＸ（２．５）及びＮａＸ（ｃ．ｄ．）も亦、望
ましい程低い動力所要量及び極めて低いＢＳＦ値を有す
ることも理解されよう。二価陽イオン交換物質であるＣ
ａＸは、ＮａＸ物質と比較して窒素に対する向上した選
択性を有するが、しかし極めて高い動力所要量及びＢＳ
Ｆ特性を有することが示されている。このことは、二価
陽イオンの使用が選択性の向上を提供するがしかし実際
の工業的操作に望まれそして本発明の実施において達成
される望ましい全特性特に動力節約を提供しないという
上記の見解と一致する。
剤の全部において動力が更に減少したことを示してい
る。ＬｉＸ（２．０）は最低の動力所要量を有し、即
ち、トランス大気圧サイクルにおいて、６：１圧力比で
ＬｉＸ（２．０）に要求される動力の僅か２／３で、そ
して例１におけるように２１：１の典型的な従来技術の
圧力比において標準ＮａＸ（１３Ｘ）吸着剤で要求され
る動力の僅か４５％である。ＬｉＸ（２．０）は、表Ｉ
ＩＩの選択率値によって示されるように大気圧において
極めて高い吸着特性を示すことに注目すべきである。ま
た、ＬｉＸ（２．５）及びＮａＸ（ｃ．ｄ．）も亦、望
ましい程低い動力所要量及び極めて低いＢＳＦ値を有す
ることも理解されよう。二価陽イオン交換物質であるＣ
ａＸは、ＮａＸ物質と比較して窒素に対する向上した選
択性を有するが、しかし極めて高い動力所要量及びＢＳ
Ｆ特性を有することが示されている。このことは、二価
陽イオンの使用が選択性の向上を提供するがしかし実際
の工業的操作に望まれそして本発明の実施において達成
される望ましい全特性特に動力節約を提供しないという
上記の見解と一致する。
【００３０】例５ ２：１の圧力比におけるスーパー大気圧ＰＳＡサイクル 上記の各実施例に対して選択的なこれらの比較試験で
は、供給原料空気、２０４ｋＰａ（２．０２気圧）の高
い吸着圧及び１０２ｋＰａ（１．０１気圧）の低い脱着
圧（２：１の低圧力比を提供する）を用いた。結果は、
次の表ＩＶに記載の如くであった。
は、供給原料空気、２０４ｋＰａ（２．０２気圧）の高
い吸着圧及び１０２ｋＰａ（１．０１気圧）の低い脱着
圧（２：１の低圧力比を提供する）を用いた。結果は、
次の表ＩＶに記載の如くであった。
【表４】
【００３１】表ＩＶで見られるように、トランス大気圧
サイクル及びサブ大気圧サイクルよりもスーパー大気圧
サイクルで多くの動力が必要とされる。これは、供給原
料空気中の易吸着性窒素成分の脱着には真空サイクル
（典型的には先に記載した如き）を高選択性吸着剤及び
高真空と組合わせて使用するという斯界の一般的な傾向
と一致する。それにもかかわらず、真空圧レベルを包含
しないＰＳＡサイクルの使用を支持し又はある場合には
強制的にさえする外部因子が存在する。表ＩＶに記載の
結果から、最低の動力及び最低の床寸法係数（ＢＳＦ）
は、ＬｉＸ（２．０）物質を使用して達成されることが
分かる。理解されるように、ＬｉＸ（２．０）は、すべ
ての試験条件下に最とも好ましい動力値そして常に最低
のＢＳＦを提供した。
サイクル及びサブ大気圧サイクルよりもスーパー大気圧
サイクルで多くの動力が必要とされる。これは、供給原
料空気中の易吸着性窒素成分の脱着には真空サイクル
（典型的には先に記載した如き）を高選択性吸着剤及び
高真空と組合わせて使用するという斯界の一般的な傾向
と一致する。それにもかかわらず、真空圧レベルを包含
しないＰＳＡサイクルの使用を支持し又はある場合には
強制的にさえする外部因子が存在する。表ＩＶに記載の
結果から、最低の動力及び最低の床寸法係数（ＢＳＦ）
は、ＬｉＸ（２．０）物質を使用して達成されることが
分かる。理解されるように、ＬｉＸ（２．０）は、すべ
ての試験条件下に最とも好ましい動力値そして常に最低
のＢＳＦを提供した。
【００３２】本発明の実施では、脱着流出流れ中に高い
窒素濃度を得るように所望の低圧力比条件下に窒素を容
易に脱着することができる吸着剤物質が使用される。先
の例１〜５の記載の比較試験結果から示されるように、
本発明の方法で使用するのに好ましい吸着剤はＬｉＸ
（２．０）である。ＰＳＡサイクルを操作するのに要求
される動力の有意の減少を達成し且つ有益な貯蔵選択性
及び床寸法ファクターの特性を得るのに、一価陽イオン
でのイオン交換によって又は苛性温浸によって或いは両
者によってＮａＸから誘導される他の吸着剤例えばＬｉ
Ｘ（２．５）を用いることができる。
窒素濃度を得るように所望の低圧力比条件下に窒素を容
易に脱着することができる吸着剤物質が使用される。先
の例１〜５の記載の比較試験結果から示されるように、
本発明の方法で使用するのに好ましい吸着剤はＬｉＸ
（２．０）である。ＰＳＡサイクルを操作するのに要求
される動力の有意の減少を達成し且つ有益な貯蔵選択性
及び床寸法ファクターの特性を得るのに、一価陽イオン
でのイオン交換によって又は苛性温浸によって或いは両
者によってＮａＸから誘導される他の吸着剤例えばＬｉ
Ｘ（２．５）を用いることができる。
【００３３】本発明の実施において有利に用いることが
できるゼオライトＸの高リチウム交換型のものは、３．
０よりも大きくない骨格ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 モル比を
有しそしてＡｌＯ2 四面単位の少なくとも８８％好まし
くは９５％がリチウム陽イオンと結合しているゼオライ
トＸ吸着剤からなる。更に好ましくは、かかるリチウム
交換は約９５〜約９７％又はそれ以上である。かかる特
殊吸着剤物質としては、ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 モル比が
２．０である好ましいＬｉＸ（２．０）、該モル比が
２．５であるＬｉＸ（２．５）又は該モル比が２．０〜
２．５である他の物質の如き物質が挙げられるが、しか
しこれらに限定されるものではない。先に記載したよう
に、かかるリチウム交換物質は、チャオ氏の米国特許第
４，８５９，２１７号に詳細に記載されている。
できるゼオライトＸの高リチウム交換型のものは、３．
０よりも大きくない骨格ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 モル比を
有しそしてＡｌＯ2 四面単位の少なくとも８８％好まし
くは９５％がリチウム陽イオンと結合しているゼオライ
トＸ吸着剤からなる。更に好ましくは、かかるリチウム
交換は約９５〜約９７％又はそれ以上である。かかる特
殊吸着剤物質としては、ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 モル比が
２．０である好ましいＬｉＸ（２．０）、該モル比が
２．５であるＬｉＸ（２．５）又は該モル比が２．０〜
２．５である他の物質の如き物質が挙げられるが、しか
しこれらに限定されるものではない。先に記載したよう
に、かかるリチウム交換物質は、チャオ氏の米国特許第
４，８５９，２１７号に詳細に記載されている。
【００３４】苛性温浸ＮａＸ物質は、可溶性の非結晶質
崩壊物を除去するために苛性で処理して露出陽イオンの
より多くのものへの接近をもたらし、かくして吸着剤の
多孔質系のより高い吸着能及びより効率的な使用をもた
らすようにしたゼオライトＮａＸ吸着剤結晶からなる。
この苛性処理プロセスは、典型的には、ＮａＸ物質を粘
土バインダーと接触させてビーズを形成し、このビーズ
を約１，２００°Ｆの如き適当な温度に加熱し、次いで
ＮａＯＨの２．５重量％溶液の如き適当な溶液で数時間
洗浄し、そして約６００℃までの高められた温度におい
て乾燥及び焼成することを包含する。また、かかる粘土
転化及び苛性溶液処理は、吸着剤粒子が形成した後でし
かしそれらが活性化される前にＮａＸのゼオライト構造
にある局部無定形域の如き欠陥を結晶域に転化させると
信じられる。カオリン型粘土が一般に使用されるが、こ
の粘土は５５０℃での熱処理後にメタカオリンに転化す
る。ＮａＯＨ溶液による後続の処理（苛性温浸）は、吸
着剤粒子が形成された後に粘土バインダーの一部分をゼ
オライトに転化させ、これによってゼオライト含量を例
えば９０％を越えた所望の高レベルに増加させようとす
るものである。
崩壊物を除去するために苛性で処理して露出陽イオンの
より多くのものへの接近をもたらし、かくして吸着剤の
多孔質系のより高い吸着能及びより効率的な使用をもた
らすようにしたゼオライトＮａＸ吸着剤結晶からなる。
この苛性処理プロセスは、典型的には、ＮａＸ物質を粘
土バインダーと接触させてビーズを形成し、このビーズ
を約１，２００°Ｆの如き適当な温度に加熱し、次いで
ＮａＯＨの２．５重量％溶液の如き適当な溶液で数時間
洗浄し、そして約６００℃までの高められた温度におい
て乾燥及び焼成することを包含する。また、かかる粘土
転化及び苛性溶液処理は、吸着剤粒子が形成した後でし
かしそれらが活性化される前にＮａＸのゼオライト構造
にある局部無定形域の如き欠陥を結晶域に転化させると
信じられる。カオリン型粘土が一般に使用されるが、こ
の粘土は５５０℃での熱処理後にメタカオリンに転化す
る。ＮａＯＨ溶液による後続の処理（苛性温浸）は、吸
着剤粒子が形成された後に粘土バインダーの一部分をゼ
オライトに転化させ、これによってゼオライト含量を例
えば９０％を越えた所望の高レベルに増加させようとす
るものである。
【００３５】空気からの酸素の製造で本発明の実施で用
いられる低圧力比は、実際の工業的操作では、使用する
特定の圧力レベルに応じて変動を受けやすい。高い吸着
圧が大気圧よりも僅かに低い圧力にあるようなサブ大気
圧（真空）範囲での操作では、用いる低圧力比は、工業
的な実施で有意義な向上を得るためには約１．４〜約
４．０好ましくは約２．０〜４．０の範囲内である。高
い吸着圧が大気圧よりも高くそして低い脱着圧が大気圧
よりも低いようなトランス大気圧サイクルでは、サブ大
気圧サイクルに対すると同じ圧力比範囲が一般に適用可
能である。スーパー大気圧サイクルでは、即ち、高い吸
着圧が大気圧よりも高くそして低い脱着圧が大気圧か又
はそれよりも僅かに高いような場合には、用いる低圧力
比は、一般には約１．４〜約２．５の範囲内そして好ま
しくは約２．０である。本発明では、その様な具体例に
おいて、１又は２気圧までの吸着圧そして約０．２５〜
１．０気圧程の低い脱着圧が通常用いられる。
いられる低圧力比は、実際の工業的操作では、使用する
特定の圧力レベルに応じて変動を受けやすい。高い吸着
圧が大気圧よりも僅かに低い圧力にあるようなサブ大気
圧（真空）範囲での操作では、用いる低圧力比は、工業
的な実施で有意義な向上を得るためには約１．４〜約
４．０好ましくは約２．０〜４．０の範囲内である。高
い吸着圧が大気圧よりも高くそして低い脱着圧が大気圧
よりも低いようなトランス大気圧サイクルでは、サブ大
気圧サイクルに対すると同じ圧力比範囲が一般に適用可
能である。スーパー大気圧サイクルでは、即ち、高い吸
着圧が大気圧よりも高くそして低い脱着圧が大気圧か又
はそれよりも僅かに高いような場合には、用いる低圧力
比は、一般には約１．４〜約２．５の範囲内そして好ま
しくは約２．０である。本発明では、その様な具体例に
おいて、１又は２気圧までの吸着圧そして約０．２５〜
１．０気圧程の低い脱着圧が通常用いられる。
【００３６】当業者には、特許請求の範囲に記載の如き
本発明の範囲から逸脱せずに本発明の細部において幾多
の変更修正をなし得ることが理解されよう。かくして、
カリウムの如き一価陽イオンとの交換で又は苛性温浸に
よって或いはその組合わせによってＮａＸから誘導され
る他の吸着剤を用いることができる。同様に、用いるＰ
ＳＡ系及びプロセスサイクルは、所定用途の要件に依存
して変動を受ける。かくして、二床ＰＳＡ系が都合よく
用いられるが、３つ以上の床を収容する系を使用するこ
ともできる。先に記載した典型的なＰＳＡ空気分離プロ
セスサイクルを本発明の実施において用いることができ
るけれども、特定のサイクルに望まれる他の一般的に用
いられるＰＳＡプロセス工程を用いることもできること
が理解されよう。先に記載した実施例は、窒素の選択的
吸着に対して表示の吸着剤を使用して空気から酸素を製
造するのに適応された空気分離操作である。かかる実施
例では、供給原料空気中の次に選択的に吸着される成分
である酸素は、床を通されてそこから排出される。窒素
が所望の生成物であるときには、同じ吸着剤を用いるこ
とができ、そして易吸着性成分である窒素は吸着剤から
脱着されて所望生成物として回収される。ラグリー及び
リービット両氏の米国特許第４，８１０，２６５号に
は、トランス大気圧サイクル及び約５：１の圧力比を使
用したかかるＰＳＡ−窒素操作のための特定の望ましい
プロセスサイクルが開示されている。低い圧力で脱着さ
れた窒素の一部分は、再圧縮されそして吸着剤床におい
て並流パージ目的のために高い吸着圧で使用される。か
かる並流置換サイクルの満足な操作を得るには、吸着さ
れた窒素は床を減圧しそしてパックパージするときに容
易に離脱されることが重要である。かくして、酸素が所
望生成物であるところのＰＳＡ法におけると同じ即座脱
着要件が窒素製造のＰＳＡ法に適当である。先に記載し
た低い圧力比範囲は一般に窒素製造操作に適用可能であ
るけれども、所望生成物が酸素又は窒素であるかどうか
並びに所望結果を得るのに用いられる特定のＰＳＡ系及
びプロセスの細部によっては、所望の低圧力比値におけ
るいくらかの変動が適切である場合もあることが理解さ
れよう。
本発明の範囲から逸脱せずに本発明の細部において幾多
の変更修正をなし得ることが理解されよう。かくして、
カリウムの如き一価陽イオンとの交換で又は苛性温浸に
よって或いはその組合わせによってＮａＸから誘導され
る他の吸着剤を用いることができる。同様に、用いるＰ
ＳＡ系及びプロセスサイクルは、所定用途の要件に依存
して変動を受ける。かくして、二床ＰＳＡ系が都合よく
用いられるが、３つ以上の床を収容する系を使用するこ
ともできる。先に記載した典型的なＰＳＡ空気分離プロ
セスサイクルを本発明の実施において用いることができ
るけれども、特定のサイクルに望まれる他の一般的に用
いられるＰＳＡプロセス工程を用いることもできること
が理解されよう。先に記載した実施例は、窒素の選択的
吸着に対して表示の吸着剤を使用して空気から酸素を製
造するのに適応された空気分離操作である。かかる実施
例では、供給原料空気中の次に選択的に吸着される成分
である酸素は、床を通されてそこから排出される。窒素
が所望の生成物であるときには、同じ吸着剤を用いるこ
とができ、そして易吸着性成分である窒素は吸着剤から
脱着されて所望生成物として回収される。ラグリー及び
リービット両氏の米国特許第４，８１０，２６５号に
は、トランス大気圧サイクル及び約５：１の圧力比を使
用したかかるＰＳＡ−窒素操作のための特定の望ましい
プロセスサイクルが開示されている。低い圧力で脱着さ
れた窒素の一部分は、再圧縮されそして吸着剤床におい
て並流パージ目的のために高い吸着圧で使用される。か
かる並流置換サイクルの満足な操作を得るには、吸着さ
れた窒素は床を減圧しそしてパックパージするときに容
易に離脱されることが重要である。かくして、酸素が所
望生成物であるところのＰＳＡ法におけると同じ即座脱
着要件が窒素製造のＰＳＡ法に適当である。先に記載し
た低い圧力比範囲は一般に窒素製造操作に適用可能であ
るけれども、所望生成物が酸素又は窒素であるかどうか
並びに所望結果を得るのに用いられる特定のＰＳＡ系及
びプロセスの細部によっては、所望の低圧力比値におけ
るいくらかの変動が適切である場合もあることが理解さ
れよう。
【００３７】本発明は、空気分離目的に対してＰＳＡ技
術を使用する業界に対して有意義な進歩を提供すること
が理解されよう。低いエネルギー所要量で且つ適正な吸
着剤使用レベルでのＰＳＡ系及び方法の有益な使用によ
って酸素又は窒素を製造することを可能にすることによ
って、本発明は、工業的操作上の強い要求特に有益に低
い動力消費レベルに対する要求を満足させるための高純
度酸素及び窒素生成物のより効率的な製造法の所望の開
発に寄与するものである。
術を使用する業界に対して有意義な進歩を提供すること
が理解されよう。低いエネルギー所要量で且つ適正な吸
着剤使用レベルでのＰＳＡ系及び方法の有益な使用によ
って酸素又は窒素を製造することを可能にすることによ
って、本発明は、工業的操作上の強い要求特に有益に低
い動力消費レベルに対する要求を満足させるための高純
度酸素及び窒素生成物のより効率的な製造法の所望の開
発に寄与するものである。
Claims (10)
- 【請求項１】 供給原料空気から窒素を選択的に吸着す
ることができる吸着剤物質の少なくとも２つの吸着剤床
を収容する圧力変動式吸着装置系を使用し、そして酸素
及びアルゴンを床に通してそこから排出させて空気を分
離するに際し、高い吸着圧における吸着及び低い脱着圧
における脱着を循環式で行なうことからなる圧力変動式
吸着法において、高い吸着圧が大気圧か又はそれよりも
僅かに低くそして低い脱着圧が減圧であるようなサブ大
気圧サイクル条件下に吸着−脱着順序を実施し、この場
合に吸着／脱着圧力比範囲は１．４：１〜４：１であ
り、吸着剤物質は、Ｎａ＋イオンを一価陽イオンで置換
するために高度に交換され且つ（又は）高められた温度
で苛性温浸によって変性されたＮａＸゼオライト吸着剤
からなり、これによって、吸着−脱着順序に対して有益
に低い動力消費レベルで且つ好適な吸着剤使用量で窒素
からの酸素及びアルゴンの所望の分離が達成されるよう
にしたことを特徴とする空気分離のための圧力変動式吸
着法。 - 【請求項２】 圧力比範囲が２：１〜４：１である請求
項１記載の方法。 - 【請求項３】 吸着剤が、ＡｌＯ２四面体単位の少なく
とも８８％がリチウム陽イオンと結合しているリチウム
交換ＮａＸからなる請求項１記載の方法。 - 【請求項４】 吸着剤が、高められた温度で苛性温浸に
よって変性されたＮａＸゼオライト吸着剤からなる請求
項１記載の方法。 - 【請求項５】 供給原料空気から窒素を選択的に吸着す
ることができる吸着剤物質の少なくとも２つの吸着剤床
を収容する圧力変動式吸着装置系を使用し、そして酸素
及びアルゴンを床に通してそこから排出させて空気を分
離するに際し、高い吸着圧における吸着及び低い脱着圧
における脱着を循環式で行なうことからなる圧力変動式
吸着法において、高い吸着圧が大気圧よりも高くそして
低い脱着圧が大気圧よりも低いようなトランス大気圧サ
イクル条件下に吸着−脱着順序を実施し、この場合に吸
着／脱着圧力比範囲は１．４：１〜４：１であり、吸着
剤物質は、Ｎａ＋イオンを一価陽イオンで置換するため
に高度に交換され且つ（又は）高められた温度で苛性温
浸によって変性されたＮａＸゼオライト吸着剤からな
り、これによって、吸着−脱着順序に対して有益に低い
動力消費レベルで且つ好適な吸着剤使用量で窒素からの
酸素及びアルゴンの所望の分離が達成されるようにした
ことを特徴とする空気分離のための圧力変動式吸着法。 - 【請求項６】 圧力比範囲が２：１〜４：１である請求
項５記載の方法。 - 【請求項７】 吸着剤が、ＡｌＯ２四面体単位の少なく
とも８８％がリチウム陽イオンと結合しているリチウム
交換ＮａＸからなる請求項５記載の方法。 - 【請求項８】 供給原料空気から窒素を選択的に吸着す
ることができる吸着剤物質の少なくとも２つの吸着剤床
を収容する圧力変動式吸着装置系を使用し、そして酸素
及びアルゴンを床に通してそこから排出させて空気を分
離する際に、高い吸着圧における吸着及び低い脱着圧に
おける脱着を循環式で行なうことからなる圧力変動式吸
着法において、高い吸着圧が大気圧よりも高くそして低
い脱着圧が大気圧か又はそれよりも僅かに高いようなス
ーパー大気圧サイクル条件下に吸着−脱着順序を実施
し、この場合に吸着／脱着圧力比範囲は１．４：１〜
２．５：１であり、吸着剤物質は、Ｎａ＋イオンを一価
陽イオンで置換するために高度に交換され且つ（又は）
高められた温度で苛性温浸によって変性されたＮａＸゼ
オライト吸着剤からなり、これによって、吸着−脱着順
序に対して有益に低い動力消費レベルで且つ好適な吸着
剤使用量で窒素からの酸素及びアルゴンの所望の分離が
達成されるようにしたことを特徴とする空気分離のため
の圧力変動式吸着法。 - 【請求項９】 圧力比範囲が２である請求項８記載の方
法。 - 【請求項１０】 吸着剤が、ＡｌＯ２四面体単位の少な
くとも８８％がリチウム陽イオンと結合しているリチウ
ム交換ＮａＸからなる請求項８記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/530,285 US5074892A (en) | 1990-05-30 | 1990-05-30 | Air separation pressure swing adsorption process |
| US530285 | 1990-05-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04227814A JPH04227814A (ja) | 1992-08-17 |
| JPH0794004B2 true JPH0794004B2 (ja) | 1995-10-11 |
Family
ID=24113099
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3152232A Expired - Lifetime JPH0794004B2 (ja) | 1990-05-30 | 1991-05-29 | 改良された空気分離圧力変動式吸着法 |
Country Status (13)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5074892A (ja) |
| EP (1) | EP0461478B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0794004B2 (ja) |
| KR (1) | KR960000007B1 (ja) |
| CN (1) | CN1029821C (ja) |
| AT (1) | ATE118698T1 (ja) |
| BR (1) | BR9102180A (ja) |
| CA (1) | CA2043491C (ja) |
| DE (1) | DE69107516T2 (ja) |
| DK (1) | DK0461478T3 (ja) |
| ES (1) | ES2068426T3 (ja) |
| GR (1) | GR3015165T3 (ja) |
| TW (1) | TW218850B (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US5152813A (en) * | 1991-12-20 | 1992-10-06 | Air Products And Chemicals, Inc. | Nitrogen adsorption with a Ca and/or Sr exchanged lithium X-zeolite |
| WO1994006541A1 (en) * | 1992-09-22 | 1994-03-31 | Arbor Research Corporation | System for separation of oxygen from argon/oxygen mixture |
| US5258060A (en) † | 1992-09-23 | 1993-11-02 | Air Products And Chemicals, Inc. | Adsorptive separation using diluted adsorptive phase |
| US5266102A (en) * | 1992-09-23 | 1993-11-30 | Air Products And Chemicals, Inc. | O2 VSA process with low O2 capacity adsorbents |
| US5415683A (en) * | 1993-11-17 | 1995-05-16 | Praxair Technology, Inc. | Vacuum pressure swing adsorption process |
| US5464467A (en) * | 1994-02-14 | 1995-11-07 | The Boc Group, Inc. | Adsorptive separation of nitrogen from other gases |
| FR2722426B1 (fr) | 1994-07-18 | 1996-08-23 | Air Liquide | Procede de separation d'azote d'un melange gazeux par adsorption |
| DE19528188C1 (de) | 1995-08-01 | 1996-12-05 | Bayer Ag | Verfahren zur Adsorption von Stickstoff aus Gasgemischen mittels Druckwechseladsorption mit Zeolithen |
| US5674311A (en) * | 1995-10-20 | 1997-10-07 | Praxair Technology, Inc. | Adsorption process and system using multilayer adsorbent beds |
| FR2743507B1 (fr) * | 1996-01-16 | 1998-03-06 | Air Liquide | Procede pour la separation de melanges d'oxygene et d'azote utilisant un adsorbant a porosite amelioree |
| FR2764681B1 (fr) * | 1997-06-13 | 1999-07-16 | Air Liquide | Procede et installation de separation d'air par distillation cryogenique |
| JPH119990A (ja) | 1997-06-24 | 1999-01-19 | Daido Hoxan Inc | 窒素吸着剤およびその使用方法 |
| FR2766476B1 (fr) * | 1997-07-22 | 1999-09-03 | Ceca Sa | Adsorbant zeolitique ameliore pour la separation des gaz de l'air et son procede d'obtention |
| KR100582913B1 (ko) | 1998-02-27 | 2006-05-24 | 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 | 고유 확산율이 높은 흡착제 및 낮은 압력비를 이용하는 압력 스윙 흡착 기체 분리 방법 |
| CA2321550A1 (en) * | 1998-02-27 | 1999-09-02 | Steven J. Pontonio | Advanced adsorbent for psa |
| US6500234B1 (en) | 1998-02-27 | 2002-12-31 | Praxair Technology, Inc. | Rate-enhanced gas separation |
| WO1999043417A1 (en) | 1998-02-27 | 1999-09-02 | Praxair Technology, Inc. | Vpsa process using improved adsorbent materials |
| US6171370B1 (en) | 1998-03-04 | 2001-01-09 | Tosoh Corporation | Adsorbent for separating gases |
| US6780806B1 (en) | 1998-12-30 | 2004-08-24 | The Regents Of The University Of Michigan | Lithium-based zeolites containing silver and copper and use thereof for selective absorption |
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| US6691702B2 (en) | 2000-08-03 | 2004-02-17 | Sequal Technologies, Inc. | Portable oxygen concentration system and method of using the same |
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| FR2848983B1 (fr) | 2002-12-18 | 2005-01-28 | Air Liquide | Procede de fourniture a des occupants d'un aeronef d'un melange gazeux riche en oxygene |
| JP4301452B2 (ja) * | 2003-02-18 | 2009-07-22 | サンビオー２ カンパニー，リミティド | 気体濃縮方法およびその装置 |
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| WO2010129329A2 (en) * | 2009-04-28 | 2010-11-11 | Lehigh University | Miniature oxygen concentrators and methods |
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| US8808426B2 (en) | 2012-09-04 | 2014-08-19 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Increasing scales, capacities, and/or efficiencies in swing adsorption processes with hydrocarbon gas feeds |
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| WO2018026517A1 (en) | 2016-08-04 | 2018-02-08 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Increasing scales, capacities, and/or efficiencies in swing adsorption processes with hydrocarbon gas feeds |
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