JPH08168631A - 圧力変化と吸着による気体混合物の処理方法 - Google Patents

圧力変化と吸着による気体混合物の処理方法

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JPH08168631A
JPH08168631A JP7159672A JP15967295A JPH08168631A JP H08168631 A JPH08168631 A JP H08168631A JP 7159672 A JP7159672 A JP 7159672A JP 15967295 A JP15967295 A JP 15967295A JP H08168631 A JPH08168631 A JP H08168631A
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adsorber
pressure
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gas
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Christian Monereau
クリスチアン・モネロー
Wilfrid Petrie
ウィルフリ・ペトリー
Christian Barbe
クリスチアン・バルブ
Michel Eclancher
ミッシェル・エクランシェール
Xavier Vigor
グザビエール・ビゴール
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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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】 【構成】 本サイクルは、３つの吸着器（１〜３）のそ
れぞれに、並流の実質的等圧吸着相、連続操業による真
空送出の段階を含む脱着相、定速真空ポンプ（７）及び
再圧縮相（ｃ）を包含する。出力速度の低下のときに、
真空ポンプの平均吸引圧力をサイクル時間にわたって上
げる。 【効果】 出力流速が低下する場合におけるエネルギー
の節約を可能にする。大気の空気からの不純酸素の製造
に利用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に「ＶＳＡ」（真
空振動吸着: Vacum Swing Adsorption) といわれる、減
圧下での吸着剤の再生を伴う圧力変化と吸着による気体
混合物の分離技術に関する。これは、特に「ＶＳＡ Ｏ
2 」と呼ばれる大気中の空気からの不純酸素の製造に利
用される。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題及び課題を解決するため
の手段】本発明は、圧力変化と吸着による気体混合物、
特に空気の処理方法（ＰＳＡ）であって、３の吸着器
（１〜３）を用いるタイプのものであり、それぞれにお
いて、所定の名目出力について、サイクルは名目サイク
ル時間(nominal cycle duration)の３分の１が１の吸着
器から他の吸着器に相殺(off set) され、サイクルが次
の連続的工程： （ａ） 並流方向で吸着器内の混合物の循環による、サ
イクルの高圧部（ＰＭ）における実質上等圧吸着の相(p
hase) 、（ｂ） 大気圧の近傍で放出する連続操業定速
度真空ポンプによる、大気圧より低いサイクルの低圧部
（Ｐｍ）における送出段階（ｂ２）を包含する脱着相、
及び（ｃ） サイクルの高圧部における吸着器の再加圧
の相、を含んで行われる。
【０００３】ＶＳＡ Ｏ2 ユニットの装置（吸着器、処
理する混合物を導入するための送風機又は圧縮機、真空
ポンプ）の大きさは、所定の流速、製造される酸素の純
度及び圧力に対応する所定の名目出力(nominal output)
で分けられる。従って、ユニットは名目出力で最適とな
る。酸素の需要が一定時間の間に名目流速より低下する
と、この新しい流速にユニットを調整しなければならな
い。この調整を行う既知の手段は次の通りである。
【０００４】(1) 酸素出力バルブの部分閉鎖によって、
又は酸素がユニットを出る際に圧縮されるときには圧縮
機の流速を制御する要素の発動によって、取出す酸素の
流速の単なる低下。
【０００５】この技術には、２つの欠点がある。１方で
は製造される酸素の純度が変動し、他方ではユニットの
エネルギー消費が低下した出力についても同じであり、
製造される酸素の特定コストが増大する。
【０００６】(2) 機械の間欠的操業。この操業は機械の
始動を数多く繰返すことになり、その信頼性及び／又は
酸素用の大きな緩衝能力と両立しない。
【０００７】(3) 入力送風機（又は圧縮機）の駆動に変
速モータの使用。これは名目操業の圧力水準を維持する
が、サイクルタイムを延長する。
【０００８】この技術の欠点は、この種の装置は高価で
あり、名目流速において変速コントローラーの作動によ
る付加的エネルギーの消費をもたらす。
【０００９】(4) 多速度モーターの使用。これはかなり
高価で、得られる最適低下速度が極めて狭い。例えば、
名目流速の１００％での操業と５０％での操業である。
【００１０】本発明の目的は、実質的な追加投資をする
ことなく、製造する気体の純度を変更することなく、か
つ消費エネルギーの減少を伴って、製造する気体の流速
を随意に低下させることを可能にすることにある。
【００１１】このために、本発明の主題は上記のタイプ
の方法において、出力流速の低下があるときに真空ポン
プの平均吸引圧力(mean suction pressure) をサイクル
時間に亙ってあげる方法である。
【００１２】本発明の方法は、次の特徴の１以上を包含
している。
【００１３】−脱着相(desorption phase)の部分(fract
ion)において出力流速の低下があるときに、名目操業に
おける真空ポンプの平均吸引圧力より高い圧力、特に近
大気圧の圧力で利用できる補助気体の外部源にのみ、ポ
ンプの吸引部を接続する。
【００１４】−サイクルの時間を該部分の時間の３倍だ
け延長する。
【００１５】−サイクルの少なくとも部分において出力
流速の低下があるときには、吸着器及び、名目操業にお
ける真空ポンプの平均吸引圧力より高い圧力、特に近大
気圧の圧力で利用できる補助気体(auxiliary gas) の外
部源の両者に、ポンプの吸引部を接続する。
【００１６】−サイクルの該部分はサイクルの全体と同
等である。
【００１７】−補助気体は大気中の空気又は吸着器から
の残留気体である。
【００１８】−吸着相(adsorption phase)の最終部分に
おいて出力流速の低下があるときには、吸着器を出る気
体は、ポンプの吸引部に入口が接続されている他の吸着
器の出口に送られる。
【００１９】本発明の他の主題は、名目出力に対して、
脱着相が、並流減圧(concurrent decompression)の段階
(stage) と、それに続いて反対方向、いわゆる向流の送
出(pumping) 段階を包含し、かつ、再圧縮相が、並流減
圧段階において他の吸着器から発生する気体を用いる向
流溶出の段階と、それに続いて吸着相において他の吸着
器から発生する気体を用い向流再圧縮する段階を包含す
るサイクルへの上記の方法の利用である。
【００２０】このような利用では、本発明の態様におい
て、出力流速の低下があるときには、並流減圧段階から
向流送出段階への変更は早期に行う。
【００２１】
【実施例】本発明の実施の形態の例を図面に基づいて説
明する。
【００２２】図１は本発明の方法を実施するためのＶＳ
Ａ Ｏ2 ユニットの模式図であり、図２は本発明を適用
するＶＳＡサイクルを説明するダイアグラムであり、図
３〜７は低下した出力流速に対する本発明の方法の５つ
の具体的態様をそれぞれ説明する同様のダイアグラムで
ある。
【００２３】図１に示したプラントは、、未精製の大気
空気(atmospheric air) から、好ましくはほぼ９０〜９
５％の含量の酸素に富む空気又は不純酸素を製造するた
めのものである。これは、３つの吸着器１〜３、ファン
又は送風機５を備えた入口ライン４、開放空気内に放出
する真空ポンプ７を備えた送出ライン６及び富化空気(e
nriched air)の出力ライン８を備えている。各吸着器は
円筒状の形状を有し、低部入口１Ａ〜３Ａ及び高部入口
１Ｂ〜３Ｂを備えている。吸着器は、酸素及びアルゴン
に対して窒素を優先的に吸着する吸着材、特に５Ａ又は
１３Ｘタイプのモレキュラーシーブが充填されている。
各底部において、各吸着器は場合によって乾燥作用を有
する他の吸着材、特にアルミナ又はシリカゲルの層を備
えている。ポンプ７は例えばルーツ(Roots) タイプの容
積式ポンプである。
【００２４】ライン４は、対応するバルブ９−１〜９−
３によって各吸着器の入口に連結されている。同様に、
ライン６は、対応するバルブ１０−１〜１０−３によっ
て各吸着器の入口に連結されている。ライン８は、対応
するバルブ１１−１〜１１−３によって各吸着器の出口
に連結されている。
【００２５】ポンプ７の吸引部は、バルブ１３を備えた
導管１２によって開放空気に更に連結することもでき
る。
【００２６】このプラントによって、各吸着器の場合
に、吸着器１について図２に示したサイクルは富化空気
の名目出力で行われる。Ｔでサイクルの時間を示すと、
吸着器２の操業はＴ／３の時間シフトで推論でき、吸着
器３の操業は２Ｔ／３の時間シフトで推論できる。説明
する例では、例えばサイクル時間を１分から数分に選択
できる。機械５及び７は連続的かつ定速度で駆動され
る。
【００２７】図２において、時間ｔを横座標として、絶
対圧力ｐを縦座標としてプロットすると、矢印を用いて
示したラインは気体流の運動と方向を示す。矢が縦軸に
平行であるときは、これは吸着器における移動方向を更
に示す。矢が縦座標の増加方向（図の上方）を向くと、
吸着器における流の方向は並流である。上向の矢が吸着
器における圧力を示すラインの下に位置すると流は吸着
器の入口端を通って吸着器に入る。上向の矢が圧力を示
すラインの上に位置すると流は吸着器の出口端を通って
吸着器から出る。入口端及び出口端は、それぞれ当該吸
着器によって処理される気体のもの及び吸着相における
この同一吸着器から出る気体のものである。矢が縦座標
の減少方向（図の下方）を向くと、吸着器における流の
方向は向流である。下向の矢が吸着器の圧力を示すライ
ンの下に位置すると、流は吸着器の入口端を通って吸着
器を出る。下向の矢が吸着器の圧力を示すラインの上に
位置すると、流は吸着器の出口端を通って吸着器に入
る。入口端及び出口端は、常に吸着相において処理され
る気体のもの及び排出される気体のものである。更に、
実線は１の吸着器にのみ適用される気体流を示し、破線
は他の吸着器から発生するか又はその方向への気体流を
示す。
【００２８】ここで、完全サイクルを１の吸着器、例え
ば吸着器１について、図１及び２に基づいて説明する。
図２の例では、サイクルは、２つの極限圧力、即ち大気
圧と１．２バール絶対との間の高圧又は最高圧力ＰＭ、
及び１００mbと４００mbとの間の低圧又は最低圧力Ｐｍ
の間で変化する。これは送風機５及び真空ポンプ７の使
用を説明する。
【００２９】図２のサイクルは、次のことを包含する。
【００３０】(a) ｔ＝０〜Ｔ／３では、処理する大気中
の空気が吸着器に入り、後者を並流的に移動し、気体
（酸素に富む空気）は吸着器の出口から排出される、圧
力ＰＭにおける等圧吸着相。この相は２つの段階(stag
e) に分けられる。
【００３１】(a1) ｔ＝０〜ｔ１では、排出気体は全て
出力気体、即ち酸素が９５％まで富化された空気（以後
には単に「酸素」の語を用いて言及できる）を構成す
る。
【００３２】(a2) ｔ＝ｔ１〜Ｔ／３では、排出される
気体の一部は出力気体を構成し、残部は再圧縮相におけ
る吸着器の出口に移送される。
【００３３】(b) ｔ＝Ｔ／３〜２Ｔ／３では、脱着相
で、２つの段階に分けられる。
【００３４】(b1) ｔ＝Ｔ／３〜ｔ２では、ｔ２−Ｔ／
３＝ｔ１で、気体が吸着器の出口で排出され、再圧縮相
の始点の他の吸着器の出口に移送される並流減圧段階。
【００３５】(b2) ｔ＝ｔ２〜２Ｔ／３では、吸着器の
入口がポンプ７の吸引部に連結されている向流送出段
階。
【００３６】(c) ｔ＝２Ｔ／３〜Ｔでは、再圧縮相で、
２つの段階に分けられる。
【００３７】(c1) ｔ＝２Ｔ／３〜ｔ３では、ｔ３−２
Ｔ／３＝ｔ１で、送出での溶出相で、吸着器がその出口
を通って並流減圧段階(b1)における他の吸着器の出口か
ら発生する気体を受入れ、低流速の気体は向流的にポン
プ７で引かれる。
【００３８】(c2) ｔ＝ｔ３〜Ｔでは、吸着段階(a2)に
おける他の吸着器の出口から取られる気体を用いる向流
再圧縮の段階。
【００３９】酸素の需要が低下すると、図３に示したよ
うにして本発明の第１の態様に従って、サイクルは修正
される。
【００４０】段階(b1)の終点と段階(b2)の始点との間
に、時間Δｔの付加的段階(b3)が挿入され、この間に吸
着器の両端は閉鎖され、ポンプ７の吸引部は大気に連結
される。段階(a2)及び(c2)は同一時間Δｔだけ延長さ
れ、その結果サイクルの全時間はＴ＋３Δｔとなる。
【００４１】好ましくは、吸着器の再生の状態を名目操
業と同一にするために、吸着器は各相において同一量の
気体を処理することが望ましい。即ち、次の関係が適用
される。
【００４２】Ｆr ×（Ｔ／３＋Δｔ）＝Ｆn ×Ｔ／３ ［式中、Ｆr 及びＦn はそれぞれ低下流速及び名目流速
を示す］ この関係は、次のようにまとめられる。
【００４３】Δｔ＝Ｔ／３×（Ｆn −Ｆr ）／Ｆr このようにして、低下流速でポンプの平均吸引圧力を上
げる。これは、このポンプの境界における圧力差を減少
させる。ポンプの速度、従って単位時間当たりの送出容
積は一定であり、ポンプの消費する動力は低下する。
【００４４】別法として、付加的段階(b3)は相(b) の他
の時点で開始できる。即ち、図４の例では、この相(b)
の端、即ち吸着器がサイクルＰｍの低圧部にあるときに
配置される。
【００４５】図３及び４の方法は、低下流速において実
質的なエネルギーの節約が得られる。即ち、流速を半分
に低下させると、この節約は名目操業で消費されるエネ
ルギーの１／３のオーダーとなる。
【００４６】図５の例では、低下流速の操業において、
ポンプ吸引部を段階(b2)及び(c1)における吸着器の出口
だけではなく、導管１２及び予め定めた程度に開かれた
バルブ１３を介して大気にも連続的に接続することによ
って、ポンプ吸引圧力が上げられる。これはサイクル時
間Ｔを変更することなく行われる。ダイアグラムのカー
ブは時点ｔ２とＴとの間で、図２のものと同一の破線の
形態から実線の形態に、上方に変形される。
【００４７】この例では、低下流速での操業における吸
着材の完全でない再生は不利とはならない。吸着剤の利
用可能量が過剰であるからである。
【００４８】別法として、導管１２を、例えば名目操業
における真空ポンプの平均吸引圧力より高い圧力で利用
できるプラントからの残留気体のような、他の適当な気
体源に連結できる。
【００４９】更に別の方法では、圧力低下の予め定めた
レベルでの開始又はタイミングシステムによってサイク
ルの一部でのみ補助気体を関係させることができる。
【００５０】図６の例では、低下流速操業において、時
点Ｔ／４＜Ｔ３〜Ｔ／３で、製造される酸素の一部を抜
き出し、相(b) の端部における他の吸着器の出口に移送
する。従って、この入口はポンプの吸引部に連結され
る。即ち、時点ｔ５〜２Ｔ／３で、この他の吸着器は付
加的溶出及び予備再圧縮を受ける。
【００５１】また図６に示すように、一方では破線で名
目操業に対応するカーブを、他方では実線で低下流速で
の操業に対応するカーブを示した。実験結果は、ここで
も流速の低下はポンプで消費される動力の低下を伴うこ
とを示している。
【００５２】図７の例は、図６の場合とは、追加的に、
右側において、並流減圧段階(b1)及び当然に付随段階(c
1)が短縮された。エネルギーの節約は更に増大する。
【００５３】図３〜７について説明した名目サイクルに
対する各種の変形は、適当な場合には、出力流速の低下
に応じて相互の組合せや、代替使用が可能であることが
理解される。
【００５４】更に、本発明は、低下出力流速及び製造さ
れる酸素の一定純度においてのみではなく、製造される
酸素の純度を低下する場合や出力流速の低下が無い場合
にもエネルギーの節約を可能にすることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明方法を実施するためのＶＳＡ Ｏ
2 ユニットの模式図である。
【図２】図２は本発明を適用するＶＳＡサイクルを示す
ダイアグラム図である。
【図３】図３は本発明の具体的態様を示すダイアグラム
図である。
【図４】図４は本発明の具体的態様を示すダイアグラム
図である。
【図５】図５は本発明の具体的態様を示すダイアグラム
図である。
【図６】図６は本発明の具体的態様を示すダイアグラム
図である。
【図７】図７は本発明の具体的態様を示すダイアグラム
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィルフリ・ペトリー フランス国、75003 パリ、リュ・デュ・ トンプル 129 (72)発明者 クリスチアン・バルブ フランス国、92260 フォントネー・オ ー・ローズ、リュ・ルネ・イジドール ４ (72)発明者 ミッシェル・エクランシェール フランス国、92130 イシ・レ・ムリノー、 マイ・レイモン・ムナン ４ (72)発明者 グザビエール・ビゴール フランス国、78220 ビロフレ、リュ・リ ューセック 27−29

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ３の吸着器（１〜３）を用いるタイプ
    の、圧力変化と吸着による気体混合物、特に空気の処理
    方法（ＰＳＡ）であって、それぞれにおいて、所定の名
    目出力について、サイクルは名目サイクル時間（Ｔ）の
    ３分の１が１の吸着器から他の吸着器に相殺され、サイ
    クルが次の連続的工程： （ａ） 並流方向で吸着器内の混合物の循環による、サ
    イクルの高圧部（ＰＭ）で実質上等圧吸着の相、 （ｂ） 近大気圧で放出する連続操業定速度真空ポンプ
    （７）によって、大気圧より低いサイクルの低圧部（Ｐ
    ｍ）における送出段階（ｂ２）を包含する脱着相、及び （ｃ） サイクルの高圧部における吸着器の再加圧の
    相、を包含して行われ、出力流速の低下がある場合に
    は、真空ポンプの平均吸引圧力をサイクルの時間に亙っ
    て上げる方法。
  2. 【請求項２】 脱着相の部分（ｂ３）において出力流速
    の低下がある場合に、ポンプ（７）の吸引部を名目操業
    の間の真空ポンプの平均吸引圧力より高い圧力、特に近
    大気圧で利用できる補助気体の外部源にのみ連結する請
    求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 サイクルの時間を該部分（ｂ３）の時間
    （Δｔ）の３倍だけ延長する請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 サイクルの少なくとも部分において出力
    流速の低下がある場合に、吸着器（１〜３）及び名目操
    業における真空ポンプの平均吸引圧力より高い圧力、特
    に近大気圧で利用できる補助気体の外部源の両者にポン
    プ（７）の吸引部を連結する請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 サイクルの該部分がサイクルの全体と同
    じである請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 補助気体が大気の空気又は吸着器（１〜
    ３）からの残留気体である請求項２〜５のいずれかに記
    載の方法。
  7. 【請求項７】 吸着相（ａ）の最終部分において出力流
    速の低下がある場合に、入口がポンプ（７）の吸引部に
    連結された他の吸着器の出口に吸着器を出る気体を送る
    請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 名目出力に対して、 −脱着相（ｂ）が、並流減圧の段階（ｂ１）と、それに
    続いて向流、即ち反対方向の送出段階（ｂ２）を包含
    し、及び −再圧縮相（ｃ）が、並流減圧段階（ｂ１）において他
    の吸着器から発生する気体を用いる向流溶出の段階（ｃ
    １）と、それに続いて吸着相（ａ）において他の吸着器
    から発生する気体を用いる向流再加圧の段階（ｃ２）を
    包含するサイクルへの請求項１〜７のいずれかに記載の
    方法の利用法。
  9. 【請求項９】 出力流速の低下がある場合に、段階（ｂ
    １）から段階（ｂ２）への変更を早期に行う請求項１０
    に記載の利用法。
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