JPH09122432A - 圧力スイング吸着法によるガス分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加圧原料ガスを冷却、又はガス中の湿分を効
率良く除去することができるよう構成した圧力スイング
吸着法ガス分離装置を提供する。 【解決手段】 原料空気ブロワ２で加圧された原料空気
は吸着塔５に導入され、その窒素ガスが吸着剤に吸着さ
れ除去されたあと酸素ガスが得られる。一方、既に窒素
ガスを吸着済みの吸着塔６は真空ポンプ７により減圧さ
れて吸着済みの窒素ガスを脱離する。脱離工程で低温と
なった脱離ガスは熱交換器３に導かれ、吸着塔５へ導か
れる原料空気を冷却する。熱交換器３で冷却された原料
空気中の湿分は凝縮し、気水分離器４で水分が除去され
る。吸着塔５，６は交互に吸着と脱離が切替えられ空気
から連続的に酸素を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素製造装置、窒
素製造装置、除湿装置などの産業用空気分離装置や化石
燃料の燃焼排ガスや化学工場等のプロセスガスから水素
や二酸化炭素等の特定ガスを分離濃縮する装置として使
われる圧力スイング吸着法によるガス分離装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】成分混合ガスを加圧して易吸着成分ガス
のみを吸着剤に吸着させ難吸着成分ガスを放出分離させ
た後、その吸着剤を減圧して吸着された易吸着成分ガス
を同吸着剤から脱離させて吸着剤を再生する圧力スイン
グ吸着法によるガス分離装置が知られている。

【０００３】この圧力スイング吸着法によるガス分離装
置では加圧により昇温された原料ガスを冷却したり原料
ガスから含有湿分を除去する前処理が行われる。従来
は、原料ガスを前処理するための装置として、フロン等
の冷媒を用いた冷却装置や除湿装置、アルミナ等の湿分
吸着剤を用いた圧力スイング式除湿装置（ヒートレスド
ライヤ）をガス分離装置の上流側に設置するか、あるい
は、ガス分離吸着塔の入口部分に除湿吸着剤層を設け
て、原料ガス中の湿分を除去している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】物理吸着法に分類され
る圧力スイング吸着法によるガス分離装置では、図４に
示すように、一般に特定ガスを吸着させると吸着熱が発
生し、吸着した特定ガスを減圧して脱離させると周囲よ
り吸着熱とほぼ同等の熱を奪う。吸着熱は吸着工程で吸
着剤を昇温させるが、発生吸着熱の大部分は難吸着ガス
と共に系外に放出される。

【０００５】そのため、吸着剤再生工程では吸熱エネル
ギが周囲に蓄えられる熱エネルギよりも大となり、吸着
剤と共に脱離再生ガス温度は、系外からの浸入熱とバラ
ンスする温度迄低下し、例えば１０℃〜０℃となる。こ
の冷熱は一般には有効に回収されることなく真空ポンプ
を介して系外に排出されていた。

【０００６】また、外気温度が低下する地域において
は、低温バランス点が摂氏零度以下となることもあり、
脱離される水分が真空ポンプ入口で氷結生長して配管の
抵抗を上げ真空ポンプの動力を押し上げ、極端な場合に
は真空ポンプのトリップにも継がることがある。

【０００７】本発明は、圧力スイング吸着法によるガス
分離装置において、吸着剤が脱離再生される際、脱着ガ
スに含まれる冷熱エネルギを圧縮原料ガスの冷却や除湿
用に有効に利用して圧縮原料ガスを冷却又はガス中の湿
分除去等の前処理を効率良く行うことができるよう構成
した圧力スイング吸着法によるガス分離装置を提供する
ことを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するため、圧力スイング吸着法によるガス分離装置の吸
着剤から脱離された易吸着成分ガスと加圧原料ガスとを
熱交換させる熱交換器、及び同熱交換器を出た原料ガス
中の湿分を分離するドレンセパレータを設ける。

【０００９】前記した熱交換器としては、ガス間接熱交
換器、冷媒間接熱交換器、蓄熱式熱交換器など適宜の方
式のものを原料ガス圧縮機出口と吸着塔入口の間の原料
ガス配管中に設けることができる。また、前記したドレ
ンセパレータとしては、サイクロンセパレータなどの気
水分離装置を採用してよい。

【００１０】本発明による圧力スイング吸着法によるガ
ス分離装置は前記したように脱離再生ガスの含有する冷
熱エネルギを利用した熱交換器を具えており、この熱交
換器により原料ガスを冷却し、また含有湿分を除去す
る。従って、原料ガスを冷却、又は原料ガス中の湿分を
除去するために従来設けられていたフロンガス等の冷媒
を用いた加圧冷却による冷却装置や水分凝縮装置、又は
アルミナ等の吸着剤を用いた圧力スイング式除湿装置等
の原料ガス前処理装置を省くことができる。

【００１１】また、本発明によるガス分離装置では脱離
再生ガス中に含有されている冷熱エネルギを除湿用冷媒
として利用することにより、特定ガス分離用吸着剤の上
流側に充填されている除湿剤（アルミナ等）の量を省く
か節約することができる。

【００１２】また、本発明によるガス分離装置によれ
ば、従来、原料混合ガス圧縮機あるいはブロワの出口に
設けられていた冷却水を用いたアフタークーラの代わり
に、脱離再生ガスの持つ冷熱を利用して圧縮機あるいは
ブロワ出口の原料ガスを冷却することにより冷却水量を
節減することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧力スイング吸着
法によるガス分離装置を図示した実施の形態に基づき具
体的に説明する。なお、以下の実施形態では、空気を原
料として酸素を分離製造する空気分離装置に本発明を適
用した例である。

【００１４】（実施の第１形態）まず図１に示した実施
の第１形態による装置について説明する。図１におい
て、５，６は圧力スイング吸着法によるガス分離装置を
構成する吸着塔、３は、その吸着塔５，６内の吸着剤か
ら脱離された易吸着成分ガスとしての窒素ガスと原料空
気とを熱交換させる熱交換器、４は気水分離装置であ
る。

【００１５】図１の空気分離装置において、原料空気は
吸込フィルタ１で除塵された後、原料空気ブロワ２で５
０００mmＨ₂ Ｏ程度迄昇圧され、熱交換器３へ導かれ
る。熱交換器３で原料空気は脱離ガス中の冷熱を回収し
て冷却され、原料空気中に含有されている湿分が凝縮液
化し出口に設けられた例えばサイクロンセパレータのよ
うな気水分離装置４で分離排出された後、吸着塔５に送
られる。

【００１６】吸着塔５には入口付近に残余湿分を除去す
る湿分吸着剤層があり、続いて吸着塔５の大部分を占め
る窒素吸着剤層がある。吸着塔５に入った原料ガスは窒
素吸着剤層で窒素ガスが吸着除去され、塔頂より濃縮さ
れた酸素が導き出される。

【００１７】一方、易吸着ガスである窒素を既に吸着し
た吸着塔６は、真空ポンプ７によって減圧再生され、吸
着していた窒素ガスが脱離される。脱離操作により温度
が降下して１０℃以下の低温の脱離窒素は、熱交換器３
で原料空気の熱を得て常温付近迄昇温された後、真空ポ
ンプ７によって、サイレンサ８を経て大気放出される。

【００１８】熱交換器３はシェルアンドチューブ方式で
原料加圧空気が管側を、真空脱離ガスが胴側を流れる例
を示している。また、吸着塔５では、原料空気がある時
間導入されると、吸着剤に吸着される窒素で吸着剤が飽
和となりこれ以上は窒素を吸着しなくなるので、真空ポ
ンプ７を用いてこの吸着している窒素を脱離放出させ吸
着剤を再生する必要がある。

【００１９】この再生期間中は原料空気を導入すること
はできないので、別に同一容量の吸着塔６を設けて、吸
着塔５が吸着工程にある間に吸着塔６を再生しておき吸
着塔５の再生中は吸着塔６に原料空気を導入して窒素吸
着を行なう。吸着塔５，６を交互に吸着と再生を行なう
ことによって連続して酸素を製造することができる。こ
の塔切替えは、出入口自動弁をシーケンシャル制御する
ことにより行なっている。

【００２０】（実施の第２形態）次に図２に示した実施
の第２形態について説明する。図２に示した実施形態で
は、吸着塔からの脱離ガスと原料空気を熱交換させる冷
熱回収のための熱交換器３を、例えば冷水やアルコール
等の冷媒を使った冷媒間接熱交換方式としたものであ
る。図２において、９は冷媒のための循環ポンプ、１０
は冷媒の貯蔵タンクである。

【００２１】図２の装置において、原料空気は吸込フィ
ルタ１で除塵された後、原料空気ブロワ２で５００〜５
０００mmＨ₂ Ｏ程度に迄昇圧され、再生中の吸着塔６か
らの脱離ガス中の冷熱を回収した冷媒が管内を通過する
熱交換器３の原料空気凝縮用熱交換器に導入される。こ
こで原料空気は冷却されて含有する水分が凝縮液化し、
出口に設けられた例えばサイクロンセパレータのような
気水分離装置４で分離排出された後、吸着塔５に送られ
る。

【００２２】吸着塔５では、入口付近に空気中の残余湿
分及び炭酸ガスを除去する湿分と炭酸ガスの吸着剤層が
あり、続いて大部分を占めて、易吸着ガスである窒素ガ
スを吸着する窒素吸着剤層がある。吸着塔５に導入され
た原料ガスは窒素吸着剤層で窒素ガスが吸着分離され塔
頂より濃縮された難吸着ガスである酸素ガスが導き出さ
れる。

【００２３】この間に、易吸着ガスである窒素ガスを既
に吸着して飽和した吸着塔６は、真空ポンプ７によって
減圧され、窒素ガスが吸着剤より脱離されて吸着剤を再
生している。この時、併せて吸着塔６の下部にある湿分
と炭酸ガスの吸着剤に吸着された湿分や炭酸ガスも脱離
され、その吸着剤も再生されている。

【００２４】この脱離されたガス（酸素濃度１０％以下
の窒素ガス）の温度は常温原料空気温度より低く１０℃
以下であり、この脱離ガスは真空ポンプ７の入口側に設
けられた熱交換器３の冷熱回収熱交換器を通過する時
に、熱交管内を流れる冷媒に冷熱回収され常温付近まで
昇温されて真空ポンプ７に入る。

【００２５】熱交換器３の原料空気凝縮用熱交換器と脱
離ガス冷熱回収用熱交換器にそれぞれ設けられた熱交換
用鋼管は連結されており、内部を冷媒（チラー水あるい
はアルコール等）が循環している。すなわち、循環用熱
交換器で原料空気から熱を得た冷媒は、一時貯蔵タンク
１０に貯えられ、循環ポンプ９によって、冷熱回収熱交
換器に送られる。

【００２６】冷熱回収熱交換器で脱離ガスの冷熱を回収
した冷媒は、凝縮用熱交換器に送られて原料空気を冷却
し含有する水分を凝縮させている。脱離ガスは真空ポン
プ７によって、サイレンサ８を経て大気に放出されてい
る。

【００２７】以上説明したように、本実施形態によるガ
ス分離装置で用いている熱交換器３は液体と気体の熱交
換器であり、その熱伝達率は１００〜３００Kcal/m² ・
ｈ・℃と実施の第１形態で用いている気体と気体の熱交
換器における熱伝達率が１０〜３０Kcal/m² ・ｈ・℃で
あるのに対し１０倍以上良くなっており、熱交換器伝熱
面積を１／１０近くまでコンパクト化することができ
る。

【００２８】（実施の第３形態）次に、図３に示した実
施の第３形態について説明する。図３に示した実施形態
では、吸着塔からの脱離ガスと原料空気を熱交換させる
冷熱回収のための熱交換器３を蓄熱式熱交換器としてい
る。図３において、１１と１２は蓄熱（冷）式熱交換
器、１３は吸着塔の切替えに対応して脱離ガスと原料空
気の流れを切替える自動弁である。

【００２９】図３に示した装置において、原料空気はブ
ロワ２で昇圧され熱交換器１１の中の既に低温に冷却さ
れた蓄冷材中を通過しながら冷却され、含有していた湿
分が凝縮して、ドレンセパレータ４で排出される。

【００３０】一方、低温の脱離ガスは、常温付近迄昇温
蓄熱された熱交換器１２内の蓄熱材中を通過しながら蓄
熱材を冷却しつつ、自身は常温付近迄昇温する。蓄熱
（冷）式熱交換器１１，１２は、吸着塔５、及び６の切
替に対応して連動する自動弁１３により切替えられる。

【００３１】すなわち、吸着塔５が吸着工程にある時に
は、原料空気はフィルタ１、ブロワ２を通過後、表面が
常温以下に冷却されている蓄冷熱交板を有する熱交換器
１１に導入され、冷却板を暖めると同時に、自身は冷却
されて、含有する湿分が凝縮する。凝縮された水分は、
熱交換器１１のドレン排出管及び出口のサイクロンセパ
レータ４により分離されて排出される。

【００３２】水分が凝縮分離された原料ガスは、吸着塔
５に導入され、残余の湿分、炭酸ガスと大部分の窒素が
吸着され、塔頂より酸素が導き出されている。この時、
吸着塔６は、真空ポンプ７により減圧再生され、吸着さ
れた窒素が脱離ガスとして排出されている。この脱離ガ
スは、常温以下（１０℃以下）であり、原料ガスで暖め
られた蓄熱式熱交換器１２を冷却させると同時に脱離ガ
スは室温付近まで昇温されて、真空ポンプ７を介し出口
のサイレンサ８より大気に放出されている。

【００３３】吸着塔５の吸着、吸着塔６の再生がそれぞ
れ同時に完了すると、吸着塔の出入口に設けられた自動
弁１３の開閉により、吸着塔５，６の吸着と再生が切替
えられ吸着塔５の再生、吸着塔６の吸着工程となり、吸
着塔５は真空ポンプ７側に、吸着塔６は原料ガスブロワ
２側に連結される。

【００３４】この時、熱交換器１１は原料ガスによって
充分暖められているので、出入口自動弁１３の開閉によ
り真空ポンプ側に切替えられる（吸着塔５−熱交換器１
１−原料ガスブロワ２から吸着塔５−熱交換器１１−真
空ポンプ７へ）。一方、熱交換器１２は、脱離ガスによ
って充分冷却されているので、出入口自動弁１３の開閉
により原料ガスブロワ側２に切替えられる（吸着塔６−
熱交換器１２−真空ポンプ７から吸着塔６−熱交換器１
２−原料ガスブロワ２へ）。また、熱交換器１２及び１
１の吸着塔側自動弁１３は、熱交換器を出た原料ガス
を、共通のサイクロンセパレータ４を通過させるために
設けられている。

【００３５】一定時間経過すると、両吸着塔５，６はシ
ーケンシャルタイマにより自動的に逆に切替えられ連続
的に原料空気を処理し酸素ガスを製造することができる
ようになっている。

【００３６】以上、本発明を図示した実施形態に基づい
て具体的に説明したが、本発明がこれらの実施形態に限
定されず特許請求の範囲に示す本発明の範囲内で、その
具体的構造、構成に種々の変更を加えてよいことはいう
までもない。

【００３７】例えば、上記実施形態では、本発明による
ガス分離装置を空気から酸素を分離製造する空気分離装
置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに
限らず種々の混合ガスを成分ガスに分離する装置に適用
できる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による圧力
スイング吸着法によるガス分離装置では、吸着剤から脱
離された易吸着成分ガスと加圧原料ガスとを熱交換させ
る熱交換器、及び同熱交換器を出た原料ガス中の湿分を
分離するドレンセパレータを具えており、このガス分離
装置によれば、従来系外に捨てられていた吸着剤の脱離
再生時に発生する冷熱を回収して有効に加圧原料ガスの
冷却や冷却除湿用に用いることができる。従って、本発
明によるガス分離装置では、原料ガス圧縮機のアフター
クーラ、原料ガス前処理用除湿装置を省略することがで
きる。

【００３９】本発明によるガス分離装置で用いる熱交換
器を冷媒間接方式にすると、熱伝達率の高い「液体と気
体の熱交換」となるので熱交換器を著しく小型に出来る
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態に係る空気分離装置の
構成を示すシステム図。

【図２】本発明の実施の第２形態に係る空気分離装置の
構成を示すシステム図。

【図３】本発明の実施の第３形態に係る空気分離装置の
構成を示すシステム図。

【図４】通常の圧力スイング吸着法による酸素製造装置
における各部温度計測例図。

【符号の説明】

１ 吸込フィルタ ２ 原料空気ブロワ ３ 熱交換器 ４ 気水分離装置 ５，６ 吸着塔 ７ 真空ポンプ ８ サイレンサ ９ 循環ポンプ １０ 貯蔵タンク １１，１２ 蓄熱（冷）式熱交換器 １３ 自動弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成分混合ガスを加圧して易吸着成分ガス
   のみを吸着剤に吸着させ難吸着成分ガスを放出分離させ
   た後、前記吸着剤を減圧して吸着された易吸着成分ガス
   を同吸着剤から脱離させて同吸着剤を再生する圧力スイ
   ング吸着法によるガス分離装置において、前記吸着剤か
   ら脱離された易吸着成分ガスと加圧原料ガスとを熱交換
   させる熱交換器、及び同熱交換器を出た原料ガス中の湿
   分を分離するドレンセパレータを有することを特徴とす
   る圧力スイング吸着法によるガス分離装置。