JPH1066820A - 圧力スイング式又は真空／圧力スイング式ガス分離法に用いるためのラジアル床型吸着容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力スイング式吸着ガス分離法のための改良
された吸着容器を提供すること。 【解決手段】 単一固定床型吸着チャンバーを有するＶ
ＰＳＡ空気分離法のためのラジアル床型吸着容器を提供
する。この容器の独特の設計は、空空間容積を減小し、
他方高流れ分配を改善し、周期的作動のために必要とさ
れる床拘束を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力スイング式吸
着（ＰＳＡ）又は真空／圧力スイング式吸着（ＶＰＳ
Ａ）ガス分離法に使用するための吸着容器に関し、特
に、ＶＰＳＡ法に使用するためのラジアル床型吸着容器
（以下、「吸着器」又は単に「容器」とも称する）に関
する。ここで、「ラジアル」とは、軸流に対する用語で
あり、半径方向の流れを意味する。「ラジアル床型吸着
容器」とは、ガス供給物を吸着材床を半径方向に通すよ
うに構成した吸着容器という意味である。

【０００２】

【従来の技術】真空／圧力スイング式吸着（「ＶＰＳ
Ａ」と略称される）ガス分離法又は圧力スイング式吸着
（「ＰＳＡ」と略称される）ガス分離法は、供給ガス混
合物から少くとも１つのガス成分を分離又は除去するた
めに選択的吸着材を用いる。ＰＳＡ法もＶＰＳＡ法も、
４つの基本的な工程、即ち、吸着工程、除圧（減圧）工
程、パージ工程及び再加圧工程を用いる。ＰＳＡ法及び
ＶＰＳＡ法は、周知であり、空気の成分、即ち、酸素及
び窒素を選択的に分離するために広く用いられている。

【０００３】吸着容器の設計は、空気分離装置（プラン
ト）の能率的な作動にとって決定的に重要な要素であ
る。吸着容器の設計の改善は、消費電力の節減、設備コ
ストの節減及びプラントの処理能力の増大に貢献する。

【０００４】ＶＰＳＡ法容器（ＶＰＳＡ法に使用される
吸着容器）は、プラントの処理能力要件により４〜５ｍ
以上の直径の容器が必要とされる場合は、通常、用途が
限定される軸流吸着容器として設計される。しかしなが
ら、そのような大直径の軸流容器は、経済的な輸送の限
界を越えるので、容器を現場で組立てるには、費用のか
かる困難な要件を提起する。又、そのような大直径の容
器は、必然的に、容器内の上下ヘッドスペース（充填空
積）の空（から）空間容積率を大きくし、かつ、断面が
大きいことの結果として流れプロファイル（分布）の均
一性を困難にする。このように、大規模（即ち、日産８
０トン以上の生産規模）ＶＰＳＡシステム環の経済的利
点は、軸流容器を用いた場合は相殺されてしまう。ここ
で、「空空間」とは、吸着材等が充填されていない空
（から）の空間のことをいう。

【０００５】ＶＰＳＡシステムの作動は、床の圧力降下
と容器内の空（から）空間とによって不利な影響を受け
る。床の圧力降下は、ＶＰＳＡ法における相当大きな非
効率の原因となる。ＶＰＳＡシステムの作動圧力は比較
的低く、生成物回収率が比較的低いので、吸着容器への
ガスの流入及び流出流量を大きくする必要がある。ガス
の流入及び流出流量を大きくすることの結果として、床
を通るガスの見掛け速度が高くなり、望ましくない圧力
降下をもたらし、従って、効率損失の原因となる。その
ような床の圧力降下による損失は、通常、消費電力の１
０〜１５％を占める。

【０００６】軸流床においては、吸着材床の直径を大き
くし、ガスの見掛け速度を低くすることによって吸着材
床の断面積を増大させるとすると、吸着材の総充填量を
増やさねばならない。その結果、電力消費を改善するた
めに設備コストを増大させることになり、従って、シス
テム全体の経済性においてはほとんど利得が得られな
い。

【０００７】吸着容器内の空（から）空間も、ＶＰＳＡ
システムにおける効率損失の原因となる。容器内の下方
ヘッドスペースに残されたガスは、作動サイクル中、加
圧され、次いで除圧され、最終的に空気のブローダウン
損失（圧力放出による損失）をもたらす。又、容器内の
上方ヘッドスペースに残されたガスは、生成物生成工程
により酸素富化されているが、後に逆流れの排気工程に
おいて排出され、非能率な酸素パージ（酸素によるパー
ジ）工程として機能し、その結果、プロセス全体の効率
が低下する。

【０００８】最新型のＶＰＳＡサイクルは、サイクル時
間を短くして強力な吸着材を使用するので、ブローダウ
ン損失と上方ヘッドスペースのパージ損失が非常に大き
くなる。最新型吸着材及びサイクルの使用は、ＶＰＳＡ
法のプロセスの設計を吸着材床の長さを短くすることに
向かわせている。最新型吸着材は、通常、短い物質移動
長で効率的に作動することができるので、この特徴に容
易に対処することができる容器設計が望ましい。軸流容
器において比較的短い長さの床を用いることは可能であ
るが、大型プラントの使用が必要とされる場合は、容器
の直径が禁止的な（許容範囲を超える）大きさとなって
しまう。

【０００９】大型ＰＳＡシステムは、大抵の場合、複数
の並流軸流容器を用いて４つの床を２床サイクルで運転
するか、あるいは、大型水平容器を用いて慣用のサイク
ルで運転するかのどちらかである。しかしながら、多容
器、４床設計は、設備を複雑にし、設備コストを増大さ
せる。一方、水平容器の使用は、不均一な床形状の非能
率を付加することになり、その結果として消費電力の増
大を招く。従って、上記いずれの設計も、大規模ＶＰＳ
Ａ式酸素生産にとって最適であるとは考えられない。

【００１０】ラジアル床設計は、既に従来技術にみら
れ、その構想は、米国特許第５，２３２，４７９号、
４，５４４，３８４号、４，５４１，８５１号及び３，
６２０，６８５号に開示されているように、主として予
備浄化器兼反応器システムから発している。そのような
ラジアル床設計の中には、ＰＳＡシステムに使用するこ
とが提案されているものもある。しかしながら、従来技
術のラジアル床設計は、いずれも、下記の下記の欠点の
どれか１つ以上を有している。 １）空（から）空間容積が大きいこと。 ２）ガスの流れ経路が不均一であること。 ３）ガスの流れ方向を反転させるのに十分なサイズに設
計されていないこと。 ４）多吸着材床セクションを収容する設計であること。 ５）内部構造が複雑であるため吸着材の装填が困難であ
ること。 ６）圧力降下が大きいこと、等。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、空（から）空間容積の小さい単一の吸着材床チャン
バーを用いる、ＶＰＳＡ又はＰＳＡ法のための改良され
たラジアル吸着容器を提供することである。本発明の他
の目的は、ガスの流れ方向の反転（即ち、Ｕ字形流れ）
を可能にし、流れ分布を改善することができる、ＶＰＳ
Ａ法のための改良されたラジアル吸着容器を提供するこ
とである。本発明の更に他の目的は、拘束された床内に
密に充填された吸着材を使用し、吸着材の総充填量を少
なくすることができる、ＶＰＳＡ法のための改良された
ラジアル吸着容器を提供することである。本発明の更に
他の目的は、従来の設計に比べて電力消費量の削減を可
能にし、プラントの規模を従来技術の設計によって可能
とされるより大きく増大させることを可能にし、プラン
トの容量が吸着容器によって制限されることがない、Ｖ
ＰＳＡ法のための改良されたラジアル吸着容器を提供す
ることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】略述すれば、本発明は、
圧力スイング式吸着ガス分離法に使用される吸着容器で
あって、頂部領域と底部領域を有する囲い空間を画定す
る囲い壁と、前記囲い壁内に収容されており、外側多孔
質壁（スクリーン壁）と、内側多孔質壁（スクリーン
壁）と、該両壁の間に配置された吸着材を含む環状の吸
着材床とから成り、該外側多孔質壁は、前記囲い壁との
間にガス供給物流チャンネルを画定すように該囲い壁か
ら離隔されており、前記内側多孔質壁は、内部タンクの
外壁面との間に生成物流チャンネルを画定するように該
外壁面から離隔して外壁面を囲繞している。随意選択と
して、容器の底部領域内にガス供給物流れ分配反らせ板
手段を配置し、前記ガス供給物流チャンネルにガス供給
物を供給するために該ガス供給物流チャンネルに流体連
通させる。ガス供給物は、ガス供給物流チャンネルに流
入し、外側多孔質壁を透過して吸着材床をほぼ半径方向
（ラジアル）に内側多孔質壁及び生成物流チャンネルに
向かって貫流する。吸着材床から内側多孔質壁を透過し
て生成物流チャンネルに流入してきた生成物ガスを収集
するために、生成物流チャンネルに生成物出口を流体連
通させる。

【００１３】外側多孔質壁の上端と内側多孔質壁の上端
の間に可動拘束手段を構成する可撓性膜を張設し、ガス
の通流中吸着材が流動化するのを防止するために、可撓
性膜を加圧し、それを吸着材の上面に圧接させることが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】まず、本発明のＶＰＳＡ容器１０
の全体構造を図１〜３を参照して説明し、その後、容器
の主要構成部材の各々について詳細に説明する。ＶＰＳ
Ａ容器１０（図１）は、囲い壁即ち外側容器壁１２を有
し、その中に環状のラジアル吸着材床（以下、「ラジア
ル床」又は「吸着材床」又は単に「床」とも称する）１
４が収容されている。ラジアル床１４は、環状の外側ス
クリーン壁（孔あき壁又は多孔質壁）１６と内側スクリ
ーン壁（孔あき壁又は多孔質壁）１８の間にそれらの間
に所定位置に密に充填されて保持された吸着材ビードか
ら成る。容器壁１２と外側スクリーン壁１６の間の領域
は、環状の外側ガス供給物流チャンネル（以下、単に
「外側チャンネル」とも称する）２０を画定する。内側
スクリーン壁１８と内部タンク又はチャンバー２２の外
側壁２９の間の領域は、環状の内側生成物流チャンネル
（以下、単に「内側チャンネル」とも称する）２４を画
定する。内部タンク２２の外側壁２９は、内側チャンネ
ル２４の内方壁を構成する。

【００１５】ラジアル床１４は、床支持構造体２６上に
座置する。ラジアル床１４は、その上面から可撓性の膜
又は加圧気嚢又は床押え気嚢２８によって下向きに加圧
される。詳述すれば、圧力入口（図示せず）から導入さ
れる空気又はガス圧によって容器１０の頂部ヘッド
（壁）３２の下の領域即ち容器内の頂部領域（頂部ヘッ
ド領域）２７を加圧し、それによって気嚢２８を拡張し
て床１４内の吸着材を圧縮する。内部タンク２２も、開
口３０を介して気嚢２８と同じ圧力レベルに維持され
る。

【００１６】頂部ヘッド３２は、ＶＰＳＡ容器１０の頂
部領域２７を密閉しているが、吸着材ビードを吸着材床
１４内へ装入するための着脱自在の吸着材供給管即ち回
転アーム組立体３６を開口３４を通して導入することが
できる。ＶＰＳＡ容器１０の最下部には、供給物導入口
導管兼廃ガス出口導管４０が設けられている。導管４０
は、内方かつ外方に流れるガスを分配する半径流れ分配
セクション３８に連結されている。半径流れ分配セクシ
ョン３８は、ガス流を環状の外側チャンネル２０へ搬送
する半径流（ラジアル流）チャンネル（反らせ板のない
開放された底部ヘッド領域）５２に連結されている。チ
ャンネル５２は、底部外側ヘッド（壁）３３と底部内側
ヘッド（壁）３５によって画定されている。

【００１７】図３を参照すると、随意選択として用いる
ことができる半径流れ分配反らせ板手段３８の細部構造
が示されている。導管４０を通って流入したガス供給物
（供給ガス）は、流れ分配反らせ板手段３８の複数の半
径方向の流れ分配反らせ板４６によって総体的に半径方
向に環状の外側ガス供給物流チャンネル２０へ差し向け
られる。反らせ板４６は、入口供給ガスを環状の外側ガ
ス供給物流チャンネル２０内へ比較的均一に分配するこ
とを保証する。容器の下方でのこの分配は、複数の反ら
せ板４６に代えて１枚の孔あき板（多数のパーフォレー
ション即ち小孔を穿設された板）を設けることによって
も達成することができる。

【００１８】図１及び２に示されるように、環状の外側
チャンネル２０に流入したガス（供給物）は、チャンネ
ル２０内を上昇しながら外側スクリーン壁１６を半径方
向に透過してラジアル吸着材床１４に進入する。吸着材
床内で供給物中の望ましくないガスが吸着材によって吸
着され、望ましいガス（生成物ガス）が内側スクリーン
壁１８を通って環状の内側生成物流チャンネル２４内へ
流出する。そこから生成物ガスは、下方へ流れ、次いで
生成物出口導管４２を通って上昇し容器１０の頂部から
流出する。

【００１９】次に、ＶＰＳＡ容器１０の細部構造を説明
する。供給ガスは、入口導管４０を通して供給される。
プロセス配管は、容器１０内への流れを最少限の圧力降
下でほぼ均一な流れプロファイル（分布）とするように
内部整流手段を備えている。次いで、供給ガスは、ガス
を均一に分配する半径方向流れ分配セクション３８を通
り、半径流チャンネルセクション５２を通って環状の外
側供給物流チャンネル２０に流入する。図３に示される
半径方向の流れ分配反らせ板４６は、随意選択の構成と
して半径方向流れ分配セクション３８内に用いられる。
これらの反らせ板４６は、半径方向に流れるガスに遠心
流れパターンを付与される。かくして、ガスは、遠心流
れパターンで流れ、半径流チャンネルセクション（即
ち、反らせ板のない開放された底部ヘッド領域）５２内
で更に混合され圧力均衡される。

【００２０】複数の半径方向の反らせ板４６に代えて、
真直ぐな壁の１枚の孔あき反らせ板（多数のパーフォレ
ーション即ち小孔を穿設した反らせ板）を用いてもよ
い。ただし、孔あき反らせ板は、複数の半径方向の反ら
せ板４６を用いた場合に比べて、圧力降下が大きくなる
きらいがある。いずれにしても、このような反らせ板手
段は、入口導管４０に流入してくるガスが、均一な分配
状態ではなく、更なる整流処理が必要とされる場合に用
いられる。

【００２１】ガスは、開放された底部ヘッド領域５２内
で均一に分配され、垂直な環状の外側ガス供給物流チャ
ンネル２０を上昇してラジアル吸着材床１４へ供給され
る。ガスは、吸着材床１４を半径方向内方へ貫流する。
吸着材床１４の生成物端（生成物排出端）から流出した
生成物ガスは、環状の内側生成物流チャンネル２４内に
収集され、下方へ流れる。このようにガスの流れは、Ｕ
字形流れパターンを形成する。

【００２２】この生成物ガスは、ＶＰＳＡ容器１０の底
部ヘッドスペースである生成物収集領域５４内に収集さ
れる。収集された生成物ガスは、生成物出口導管４２を
通って容器１０の頂部から流出する。

【００２３】生成物ガス出口導管４２は、容器１０の底
部から生成物ガスを排出するように設計することもでき
る。図４は、生成物ガス出口導管４２を供給物入口導管
４０内に収容し、容器１０の底部から導出するようにし
た構成の一例を示す。

【００２４】ＶＰＳＡ法の作動の良否にとって、容器内
の流れ分布は決定的に重要な要素である。流れ分布に影
響する重要な要因の１つは、ラジアル吸着材床１４の供
給物端（供給物導入端）と生成物端（生成物排出端）と
の間のチャンネル圧力差である。この圧力差は、摩擦に
よる圧力損失と、流動ガスの速度水頭の回復又は損失
（動的圧力損失）との組合せである。これらの２つの作
用は、ガス流がチャンネルから出ていくときは互いに相
殺し、ガス流がチャンネルに流入してくるときは互いに
付加関係をなす。相殺及び付加の度合は、チャンバーの
内部幾何学（形状・寸法）（即ち、真直ぐな壁で仕切ら
れている場合、真直ぐなテーパをなしている場合、放物
線状のテーパをなしている場合等）によって影響され
る。更に、どのＶＰＳＡ法においても、吸着工程と脱着
工程を続けて実施するためにガスの流れ方向を周期的に
逆転させるので、それぞれの工程において生じる流れの
分配不良の影響を工程別に配慮しなければならない。

【００２５】チャンネル２０を上昇し、ラジアル吸着材
床１４を半径方向内方へ貫流し、チャンネル２４を流下
するようにしたＵ字形流れパターンと、垂直流チャンバ
ーであるチャンネル２０のテーパ壁の幾何学（形状・寸
法）は、上述の配慮に基づいて定められたものである。
テーパした流れチャンネルは、流れを逆転させる応用例
において流れ分布を良好にすることが判明した。テーパ
流れチャンネル２０は、その底端の入口の断面積又はチ
ャンネル２０のガス出入口の断面積を大きくすることが
できることによって効率を高める。このような拡大断面
積は、供給物流及び廃ガス流の圧力損失を相当に減少さ
せ、従ってプロセス効率を改善する。チャンネル２０を
テーパにすることは、そのチャンネル内の望ましくない
空（から）空間を減少させることになる。空空間の存在
は、加圧工程と除圧工程の間で圧力レベルが逆転された
際ブローダウン損失をもたらす。チャンネルをテーパに
すると、空空間容積と圧力降下損失とをバランスさせる
ことができる。このテーパ壁流れチャンネルと、Ｕ字形
流れパターン（反転流れパターン）とが相俟って、ＶＰ
ＳＡ容器１０のプロセス効率を最大限にするとともに、
最小限の空（から）空間で流れの逆転に随伴する流れの
分配不良の影響を最少限にする。内側チャンネル即ち出
口チャンネル２４は、図にはテーパされていないものと
して示されているが、出口チャンネル２４もその頂部か
ら底部にかけてテーパさせてもよい。

【００２６】ラジアル床においてはＶＰＳＡの作動条件
下では、ある程度の流れ分配不良は不可避である。図１
〜３に示された全体的流路及び流路の内部幾何学（形状
・寸法）は、サイクル全体に亙って摩擦による圧力損失
と動的圧力損失とをバランスさせ、その結果として、流
れ分布と圧力降下と空（から）空間容積との間に良好な
バランスをもたらす。

【００２７】各チャンネルの幅は、特定のプロセスに関
して圧力降下と空（から）空間容積と流れ分布との間の
妥協的な配慮に基づいて選択される。環状の外側ガス供
給物流チャンネル２０の好ましい幅は、吸着材床１４の
垂直（上下）方向の長さの４．５％であり、一般的な範
囲は２％〜８％、好ましい範囲は４％〜５％である。環
状の内側生成物流チャンネル２４の好ましい幅は、吸着
材床１４の垂直方向の長さの９％であり、一般的な範囲
は５％〜１３％、好ましい範囲は７％〜１１％である。
環状の外側ガス供給物流チャンネル２０の供給物流断面
積は、環状の内側生成物流チャンネル２４の生成物流断
面積に対する比率として、プロセスガス流の流量に対応
するように選択されるが、チャンネル２４の流れ断面積
の好ましくは１．２５％〜３％の範囲であり、好ましく
は２．４％である。

【００２８】床支持構造体２６：ＶＰＳＡ容器１０は、
不必要な空（から）空間領域を最小限にするように設計
される。吸着材床１４の供給端の空空間は、床支持構造
体２６によって最小限にされる。床支持構造体２６は、
内部タンクとして構成される。この構成は、それ自体の
存在によりその領域に随伴する空空間を排除する。この
点、在来の容器では下方ヘッドスペース（充填空積）が
占有されないままに残され、系内に不必要な損失をもた
らす。そのような空空間は、床の作動中サイクル動作を
受けて交互に加圧され除圧され、ブローダウン損失（圧
力放出による損失）を生じる。本発明のＶＰＳＡ容器１
０においては、その供給物側（ガス供給物流チャンネル
及び前記ガス供給物入口手段内）の空（から）空間容積
率は、吸着材床１４の容積の通常１０％〜２５％の範囲
とされる。

【００２９】この内部タンク型支持構造システムは、周
期的な圧力応力に耐えることができる密閉圧力容器とし
て、又は充実物質を充填されたタンクとして設計するこ
とができ、それによって、容器の下方圧力に対して開放
されたままにしておくことができる。

【００３０】生成物側の空（から）空間容積：吸着材床
１４の生成物側の空（から）空間容積は、ＶＰＳＡ容器
１０の中心に配置された内部タンク２２によって最小限
にされる。内部タンク２２は、頂部が開口（３０）して
おり、床押え気嚢２８内と同じ圧力に加圧される。タン
ク２２の下方部分は、ヘッド（壁）によって閉鎖されて
おり、不必要な空（から）空間を更に減小させるととも
に、入来酸素還流ガスを分配する。

【００３１】生成物側の空（から）空間は、床の作動中
サイクル動作を受け、これらのチャンネル内の酸素生成
物（生成物である酸素）が加圧され、次いで除圧され、
排気工程において非能率な酸素パージ（酸素によるパー
ジ）として機能する。この酸素パージの非能率な利用
は、酸素／窒素脱着前線の延長を惹起し、その後の廃ガ
ス除去工程において酸素の損失を惹起する。その結果と
して、酸素（生成物）回収率を低下させる。これらの損
失を少なくするために、本発明のＶＰＳＡ容器１０は、
その生成物側の空（から）空間容積率を吸着材床１４の
容積の通常３〜１０％の範囲とされる。

【００３２】吸着材床１４の均一なプロファイル（分
布）：床の内部流路は、ＶＰＳＡガス分離法においては
決定的な重要性を有する。ガスの流れ分配を促進し維持
するには、吸着材床１４の均一なプロファイルが必要で
ある。吸着材のプロファイルの均一性は、吸着材床１４
の互いに隣接する表面が合流する頂部及び底部コーナー
において特に重要である。吸着材床１４の内部構成及び
内部流路は、図２に示されている。吸着材床１４は、完
全に対称形であり、互いに隣接する表面が合流するどの
コーナーにも不連続部が存在せず、床の内部流路は、完
全に均一であり、床内に不掃去区域（ガス流が通らない
区域）が存在しない。

【００３３】スクリーン壁１６と気嚢２８の界面及びス
クリーン壁１８と気嚢２８の界面は、点線円６０で示さ
れている。これらのスクリーン壁１６，１８は、吸着材
床１４の上方にまで延長しており、吸着材ビードは気嚢
２８によって覆われ、密封される。スクリーン壁１６，
１８の吸着材床１４のレベル（上面）からの突出高さ
は、吸着材床１４の垂直方向の高さ２〜４％であり、初
期装入時の吸着材レベル（高さ）の相違、又は沈降によ
る吸着材レベルの変動に対処することができ、不掃去区
域を創出しない。スクリーン壁１６，１８は、密封リン
グ６６，６６によってそれぞれ孔あき支持板（多数の小
孔を穿設された支持板）６４，６４に封着される。密封
リング６６は、気嚢２８によって覆うことができないよ
うな大きな障害物を生じることなくスクリーン壁を受容
するように設計されている。この構成は、吸着材と気嚢
との間に確実な密封を設定する。

【００３４】スクリーン壁１６，１８は、床支持板６８
の下方にまで延長しており、床支持板６８の下方区域内
に溝（図示せず）に挿入された密封リング又は填材によ
って固定される。この区域は、密封材で完全に充填さ
れ、それによって均一な流路が形成される。

【００３５】加圧気嚢２８：吸着材床１４は、可撓性の
気嚢２８によって拘束される。気嚢２８は、床拘束部材
であるとともに、床の流れプロファイルを均一にする流
路組立体の一体的な一部分でもある。容器１０内の半径
方向の流路は、差圧を創生するので、床拘束部材が存在
しないとすれば、床の差圧が床の頂部コーナーを持ち上
げることになる。気嚢２８は、空（から）空間や不均一
な流路を生じることなく、床拘束を行うことができる。

【００３６】気嚢２８は、吸着材床１４の同心円である
内縁と外縁の間の床区域を覆うように吸着材床１４の上
面に載せられ、次いで、圧縮クランプによって周縁を密
封される（図２参照）。気嚢２８は、頂部ヘッド領域２
７をサイクルの最大圧力より高い圧力に加圧することに
よって加圧される。吸着材床１４の上面のスクリーン壁
１６，１８に近接した部位と気嚢２８の内側面との間に
圧縮自在のスポンジ材（図示せず）を挿入しておくこと
ができる。このスポンジ材を気嚢２８により圧縮するこ
とによって吸着材床１４の頂部コーナーを確実に拘束す
ることができる。それによって、吸着材床１４をすべて
のプロセス条件下において押え込むることができる。容
器１０は、この最大限の押え込み圧力に耐えることがで
きるように設計される。

【００３７】頂部装入組立体：このＶＰＳＡ容器１０
は、本出願人の米国特許第５，２３４，１５９号に開示
された吸着材稠密装入装置の導入及び操作を可能にする
スペースを設けるように設計されている。即ち、頂部ヘ
ッド領域２７（図１）は、吸着材供給管即ち回転アーム
組立体３６を受け入れることができるように開放したま
まに残される。ＶＰＳＡ容器１０によって実施される短
床、低圧力降下のＶＰＳＡガス分離法には、均一な稠密
充填吸着材が必要とされる。この稠密充填吸着材は、均
一な流れ分配を維持するのに必要とされる均一な圧力降
下を床１４内に設定する。

【００３８】アーム組立体３６は、吸着材を装入した後
容器１０内から除去される。この吸着材稠密装入装置の
適用は、特に、内部コネクタを備えた頂部フランジ／生
成物流配管組立体と、高さの低い頂部空（から）空間タ
ンクと、着脱自在の床押え気嚢の独特の設計によって可
能にされる。

【００３９】半径流れ分配反らせ板：供給ガス（例えば
空気）流は、ガスを環状の外側チャンネル２０に向けて
円周方向に均一に分配する随意選択の半径流れ分配反ら
せ板４６（図３）を通って流れる。反らせ板４６は、随
意選択の構成では、半径方向に流れるガスに遠心流れパ
ターンを付与し、それによってガスは更に混合され、反
らせ板のない開放された底部ヘッド領域５２内で圧力均
衡される。反らせ板４６は、図では真直ぐな板として示
されているが、流れの分離及び圧力降下を減少させるよ
うに湾曲させることもできる。この入口流れ分配装置
は、又、半径方向の圧力降下を創生するように孔あきプ
レート又は他の反らせ板組立体を用いて設計することも
できる。

【００４０】差温効果：ＶＰＳＡ法は大きな差温を創生
するようには設計されないが、入口温度と出口温度は異
なる。上述した設計は、吸着材床１４の内側スクリーン
壁１８を下方の静止床支持体にだけ取り付けることによ
って内側スクリーン壁１８の上方部分をプロセス温度の
変動とともに変位し得るように自由縁とし、温度差に対
処することができるようになされている。

【００４１】以上１つの好ましい実施形態を説明した
が、いろいろな変型実施形態が可能である。例えば、気
嚢２８の上の加圧領域のガス圧に代えて、稠密物質を用
いてもよい。そのような稠密物質は、吸着材を拘束する
にに必要とさえる下向き荷重を気嚢２８に加える金属又
はセラミック製ボールとすることができる。

【００４２】上述した随意選択の入口ガス流れ分配装置
も、異なる設計のものとすることができる。上述した構
造は、半径方向外方へ流れるガスに円周方向の流れを誘
起する。その加圧されたガスは、次いで周囲の環状部
（半径流チャンネルセクション５２）内で圧力均衡され
る。この構造にいおいて、上述した半径方向の反らせ板
４６に代えて孔あき反らせ板（多数のパーフォレーショ
ン即ち小孔を穿設した反らせ板）を用いることができ
る。孔あき反らせ板は、基本的には反らせ板４６と同じ
流れ分配作用をするが、僅かに圧力降下を大きくする。
孔あき反らせ板には、ラジアル床の入口側孔あき壁１６
及び出口側孔あき壁１８のように均一なパーフォレーシ
ョン（小孔）分布ではなく、段階的なパーフォレーショ
ン分布を用いることができる。

【００４３】本発明による容器１０は、特に酸素分離サ
イクルにおけるＶＰＳＡプロセスに適するように設計さ
れているが、他の応用例にも用いることができる。その
ような応用例には、例えば酸素又は窒素生成のためのＰ
ＳＡ吸着法や空気の予備浄化のためのＰＳＡ吸着法のよ
うな高温の熱発生を必要としないあらゆる吸着法が含ま
れる。容器の設計パラメータは、特定の応用例の特定の
流れ要件に適合するように変更する必要がある。

【００４４】要約すれば、本発明は、下記のような多数
の利点を提供する。 単一固定床：本発明の容器１０は、吸着材床１４内に一
体の予備浄化セクションを内蔵した形で作動させるため
に吸着プロセスと容器設計の諸特性を組合せたことを特
徴とする。この特徴は、予備浄化を実施するために別個
の吸着器セクションを用いる従来の多くの容器とは異な
る。従って、本発明の容器１０は、予備浄化帯域と主ガ
ス分離帯域の両方を含む単一の吸着材床を有し、構造の
簡略化をもたらす。容器１０は、単一の固定床でＶＰＳ
Ａ法を用いて酸素の大規模生産を可能にする。これに対
して、吸着容器の設計は、プロセスガス流の切り換えを
行うために容器内の内部ポート群の周りに回転される多
数の吸着材床を用いる。そのような回転床技法は、大規
模プラントで用いるには複雑に過ぎる。

【００４５】アウトサイド−イン型供給物流れプロファ
イル：供給ガス（例えば、空気）は、システムのサイク
ル動作中に吸着される。容器１０は、ガス流の減少に伴
って床断面積を減小させるという幾何学的構成を利用し
て、供給ガスを外側（アウトサイド）から中心に向かっ
て（インへ）流すように構成されている。外側供給物流
断面積は、内側生成物流断面積に対する比率として、プ
ロセスガス流の流量に対応するように選択されている。

【００４６】反転流れ方向（Ｕ字形流路）：ガス流路
が、供給物流を外側チャンネルに沿って上向きに流動さ
せ、生成物流を内側チャンネルに沿って下向きに流動さ
せて全体としてＵ字形の流れパターンとなるように構成
されている。ＶＰＳＡ法ではそのサイクル動作中周期的
に流れ方向を逆転させるが、容器１０は、そのような流
れ方向の逆転に対処できるように設計されている。

【００４７】テーパ壁流れ通路：テーパ壁流れ通路と真
直壁流れ通路についてシミュレーション試験を行った。
計算によれば、テーパ流路は、圧力降下及び空（から）
空間容積を最小限にし、しかも許容し得る流れ分配を維
持することが認められた。本発明の容器１０は、テーパ
した垂直流れチャンネルを有する。

【００４８】小空（から）空間容積と短時間サイクル：
供給物及び生成物分配チャンネル内の空（から）空間容
積を小さくすることは、近代的なＶＰＳＡシステムの効
率的作動にとって必須の要件である。最新の強力吸着材
とサイクルを用いたＶＰＳＡシステムは、短時間サイク
ルで作動する。この特徴は、吸着材の利用率を高めたこ
とと、床サイズを小さくしたことの当然の結果である。
容器１０の下方ヘッド領域内に残されたガスは、作動サ
イクル中、加圧され、次いで除圧され、最終的に空気の
ブローダウン損失をもたらす。又、容器内の上方ヘッド
領域内に残されたガスは酸素富化されているが、容器１
０が排気（除圧）されると、この酸素富化ガスは、床を
通して逆流れとして引き抜かれ、非能率な酸素パージと
して機能し、廃ガス中の酸素含量を高くする。この酸素
パージの非能率な利用は、プロセスの全体的酸素（生成
物）回収率を低下させる。

【００４９】空（から）空間を最小限にするための特別
な手段を講じなければ、ブローダウン損失と酸素パージ
損失が非常に大きくなるが、本発明の容器１０のラジア
ル型床設計は、供給物端の空（から）空間も、生成物端
の空（から）空間も最小限にする。

【００５０】床の流れ断面積の均一性：本発明の容器１
０は、床内の分離前線（酸素／窒素脱着前線）の均一な
移動を促進し維持する床幾何学（形状・寸法）を有す
る。分離前線の均一な移動にとって床内流路の設計は決
定的な重要性を有する。分離前線が均一でないと、吸着
工程及び脱着工程の終了時に床の各部で早期の前線ブレ
ークスルー（breakthrugh)が起る。このような局部的な
早期の前線ブレークスルーが発生すると、例えば、床内
でより低純度のガスが全体的な生成物流内に混入するこ
とになり、それによって、全体効率を低下させる。

【００５１】吸着材床の不連続は、互いに隣接する表面
が合流する床の頂部及び底部コーナーにおいて特に生じ
易い。従って、容器１０は、どの端部にも不連続部のな
い完全に途切れのない対称的な幾何学的形状・寸法を有
するように設計しなければならない。容器１０の側壁ス
クリーン組立体１６，１８は、この要件に留意したもの
である。

【００５２】床拘束押え装置：ＶＰＳＡ用ラジアル床容
器は、吸着材の流動化を防止するために床拘束押え装置
を備えたものとして設計しなければならない。ある種の
ＶＰＳＡにおいてはガス速度が高く、その結果、サイク
ルの一部区間においてガス速度が床の流動化限度を越え
てしまう。又、装置の機能不全により、非拘束床であれ
ばその吸着材の大規模な流動化を起すような不具合が生
じるおそれがある。容器１０は均一な稠密充填吸着材を
収容しているので、その密度を乱すような吸着材の流動
化は有害である。上述した押え気嚢２８は、床の押え込
み要件を充足するとともに、高さが変動する吸着材床内
に均一な流れ経路を創生する。吸着材床の長さは、作動
中吸着材が沈降することにより変動することがある。

【００５３】入口流れ分配：流れ分配は、容器１０の重
要な要素である。電力消費を最少限にするためには、入
口ポート及び出口ポートにおける設計圧力降下を小さい
値に保たなければならない。従って、不必要な圧力降下
や空（から）空間を生じることなく入来ガスの均一な流
れ分配を維持することが必要とされる。容器１０の入口
に接続される配管を容器１０への入口において流れを均
一にするように設計することができない場合のことに配
慮して、容器１０の入口ポート４０は、半径方向の反ら
せ板のしようにより入来ガスを均一に円周方向に分配す
るように設計されている。

【００５４】入口ポート４０を外側テーパチャンネル２
０に連絡する流れチャンネル３８，５２も特別に設計さ
れたチャンネルである。チャンネル３８，５２は、底部
外側ヘッド３３と底部内側ヘッド３５によって画定され
ており、入口ポート４０の区域とチャンネル２０の間に
円滑な遷移を設定し、空（から）空間容積を最小限にす
るようにテーパされている。

【００５５】床内吸着材の均一な充填密度：上述したよ
うに、最新のＶＰＳＡ吸着器の床の長さは短く、表面ガ
ス速度が高い。その結果として、容器のサイクル作動中
前進する分離前線の速度が速いので、前線をできるだけ
均一に保つ必要がある。分離前線が均一でないと、床の
各部で早期の前線ブレークスルー) が起り、ガス分離の
効率を低下させる。吸着材充填床を通しての圧力降下
は、吸着材の充填密度の関数である。従って、前線の移
動を均一にするには、吸着材の充填密度の均一性が重要
になる。

【００５６】本発明の容器１０は、吸着材を床１４全体
に均一な密度に装入することを可能にする吸着材稠密装
入装置を受け入れることができる。その目的のために、
容器１０の上方ヘッド領域は、意図的に障害物のない設
計にされており、ヘッドスペースと床の位置は、吸着材
稠密装入装置の導入を可能にするように選定されてい
る。

【００５７】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であ
り、いろいろな変更及び改変を加えることができること
を理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明を組入れたＶＰＳＡ容器の概略
断面図である。

【図２】図２は、図１のＶＰＳＡ容器内に収容された吸
着材床を拘束する内側及び外側スクリーン壁の細部構造
を示す概略断面図である。

【図３】図３は、図１のＶＰＳＡ容器へ導入ガス流を分
配するための随意選択の半径方向流れ分配偏向部材を示
す概略図である。

【図４】図４は、吸着容器の底部から延長した生成物排
出導管を有するＵ字形流れパターンの容器の細部構造を
示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０：容器 １２：囲い壁 １４：吸着材床 １６：外側多孔質壁 １８：内側多孔質壁 ２０：外側ガス供給物流チャンネル ２２：内部タンク（チャンバー） ２４：内側生成物流チャンネル ２７：頂部領域（頂部ヘッド領域） ２８：可動拘束手段（可撓性の膜） ２９：チャンネル２４の内方壁（内部タンクの外側壁） ３８，５２：底部領域 ４０，３８，５２：ガス供給物入口手段 ４２：生成物出口導管 ４６：反らせ板 ５４：生成物収集領域（底部ヘッドスペース）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェファート・ジョン・ノーボビルスキ アメリカ合衆国ニューヨーク州オーチャー ド・パーク、ファース・ドライブ48 (72)発明者 ビクター・エマニュエル・バーグステン アメリカ合衆国ニューヨーク州イースト・ アマスト、サンバースト・サークル１ (72)発明者 ジョン・ハリー・ファスボー アメリカ合衆国ニューヨーク州エルマ、ボ ウエン・ロード880

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力スイング式ガス分離法に用いるため
   の容器であって、 頂部領域と底部領域を有する囲い空間を画定する囲い壁
   と、 前記囲い壁内に前記頂部領域と底部領域の間に収容さ
   れ、該囲い壁との間にガス供給物流チャンネルを画定す
   るように該囲い壁から離隔されて配置された外側多孔質
   壁と、 前記囲い壁内に前記頂部領域と底部領域の間に収容され
   ており、チャンバーを囲繞する内側多孔質壁と、 前記外側多孔質壁と内側多孔質壁との間に配置された吸
   着材を含む環状の吸着材床と、 前記内側多孔質壁との間に生成物流チャンネルを画定す
   るように該内側多孔質壁から離隔して前記チャンバー内
   に配置された内方壁と、 ガス供給物を前記ガス供給物流チャンネルに流入させ、
   前記外側多孔質壁を透過して前記吸着材床をほぼ半径方
   向に前記内側多孔質壁及び生成物流チャンネルに向かっ
   て貫流させるために前記底部領域に配置され、該ガス供
   給物流チャンネルに流体連通したガス供給物入口手段
   と、 前記吸着材床から前記内側多孔質壁を透過して前記生成
   物流チャンネルに流入してきた生成物ガスを収集して排
   出するために前記底部領域に配置されて該生成物流チャ
   ンネルに流体連通しており、該底部領域から上方へ前記
   頂部領域を貫通して延長した生成物出口導管を含む生成
   物出口手段と、から成る容器。
2. 【請求項２】 前記外側多孔質壁の上端と内側多孔質壁
   の上端の間に延設された可動拘束手段と、 該可動拘束手段を前記吸着材の上面に圧接させ、前記頂
   部領域を前記環状の吸着材床内の圧力より高い圧力に維
   持するように該頂部領域の少くとも一部分を加圧するた
   めの加圧手段を含み、該可動拘束手段は、該環状の吸着
   材床の上方部分に不掃去区域が生じるのを防止するよう
   に前記外側多孔質壁と内側多孔質壁の両方に接着された
   可撓性の膜から成ることを特徴とする請求項１に記載の
   容器。
3. 【請求項３】 前記囲い壁は、前記ガス供給物流チャン
   ネルをテーパチャンネルとするような態様に前記外側多
   孔質壁から離隔しており、前記内方壁は、前記生成物流
   チャンネルを実質的に一定の断面積とするような態様に
   前記内側多孔質壁から実質的に一定距離離隔しており、
   前記ガス供給物流チャンネル及び前記ガス供給物入口手
   段内の空の空間容積は、前記吸着材床の容積の１０％〜
   ２５％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の
   容器。