JPH11179133A - 濃縮酸素の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気など窒素及び酸素を含む混合ガスから窒
素を選択的に吸着分離して濃縮酸素を回収するＰＳＡ法
において、混合ガス供給ブロワー及び排気ポンプの連続
稼働を可能とし、運転コストを低減し、生産効率を向上
させる。 【解決手段】 吸着器Ａ，Ｂ及び均圧器Ｃを用い、ブロ
ワー８と排気ポンプ９を連続稼働しながら、ステップ１
で吸着器Ａ，Ｂを均圧化し、ステップ２で吸着器Ａと均
圧器Ｃを均圧化すると共に吸着器Ｂを排気し、ステップ
３で吸着器Ａの導入圧を増大させ濃縮酸素を均圧器Ｃに
圧送し、ステップ４で吸着器Ｂに高くても減圧状態が維
持されるように濃縮酸素を供給してパージし、ステップ
１〜４を吸着器Ａ，Ｂを交代してステップ５〜８として
繰り返す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空気など窒素及び酸
素を含む混合ガスから窒素を選択的に吸着分離して濃縮
酸素を回収するＰＳＡ法による濃縮酸素の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ゼオライト等の分子ふるいを吸着剤とし
て用い、空気など窒素及び酸素を含む混合ガスから吸着
／脱着を繰り返しながら窒素を選択的に吸着分離して濃
縮酸素を回収する方法としてプレッシャスイング吸着法
（以下「ＰＳＡ法」と記す）が工業的に重要であり、電
炉製鋼、パルプ漂白、発酵、化学、水処理等、酸素を大
量に使用する産業において広く用いられている。ＰＳＡ
法によって酸素を濃縮する従来の技術としては一般に、
吸着剤を含む吸着塔の数を３本とし、吸着、減圧、脱
着、パージ等のステップを組み合わせて酸素回収率を高
めるように工夫されたものが主流であった。

【０００３】最近になって吸着剤の性能向上に伴って吸
着塔の数を２本とするＰＳＡ法が採用されつつあり、設
備コスト、運転コスト及び補修コスト等の低減を目標に
様々な改良が試みられている。例えば特公平６−１７０
号公報は、吸着を終了した吸着塔のガス出口と再生を終
了した他の吸着塔のガス出口とを結んで両塔間で均圧操
作を行う方法を記載している。しかしこの方法では均圧
期間中、空気圧入機（ブロワー）や排気ポンプを空運転
させることになり電力に無駄が生じる。また均圧化の終
了を両塔間の圧力差が残る程度の部分均圧としているの
で酸素回収が不十分となる。更に２塔式ＰＳＡ法の場合
に必須と考えられる酸素ホルダー（ガス貯留タンク、生
成物受容器、ダミータンク、均圧塔等とも称する）の役
割が重要視されていない。特開平４−２２６１３号公報
は、２本の吸着塔と生成物受容器とからなり、均圧を吸
着塔どうしで双方の圧力が実質的に等しくなるまで行わ
せる工程i と、生成物受容器との間で行う工程iiとで行
う方法を記載している。この場合、与圧側の吸着塔のガ
ス導入口は排気ポンプに接続されており、全工程を通じ
て排気ポンプは連続的に稼働しているが、ブロワーは前
述の工程iと工程iiの間で空運転となるので電力が無駄
になる。また特開平８−２３９２０４号公報は、最低圧
力にある第一の吸着塔と最高圧力にある第２吸着塔との
ガス出口を結んで均圧操作を行わせるステップ１、２の
間にも排気ポンプは第１の吸着塔から第２の吸着塔に切
り替わって稼働し、全工程が連続的に稼働されている
が、混合ガスのブロワーは前記ステップ１の間は空運転
となり電力が無駄になっている。またこの方法では、吸
着塔と製品ガス貯留タンク間の配管途中に逆流防止装置
を設けて製品ガスの吸着塔への流入を防いでいるが、後
述するように製品ガス貯留槽をＰＳＡ法の性能発揮のた
めに十分に活用していない。更に他の例、特許第２６０
１９０９号は、２本の吸着塔とダミータンクで構成さ
れ、吸着塔とダミータンク間で均圧化を行う他、排気ポ
ンプの休止期間をなくすために排気ポンプ吐出側にサー
ジタンクを設けて、排ガスの一部を吸着塔のガス導入口
側に循環して併流にパージを実施している。しかし混合
ガス供給側のブロワーからの空気は、わざわざ一方で自
然吸気しながら、この間吸着塔へは導入されずにブロー
ラインから放出され、更にこれらにより操作が複雑にな
り、また設備コストも上昇することになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記のように、ＰＳＡ
法を他の濃縮酸素製造法、例えば深冷分離法より有利に
しようとすると、特に電力原単位の低減が重要な課題で
あり、現状ではまだ改良すべき点が多い。本発明の課題
は、これら従来技術の持つ欠点を改良することにある。
従って本発明の目的は、混合ガス供給ブロワー及び排気
ポンプの連続稼働、ガス回収の徹底化、及び均圧器の十
分な活用を計って運転コストを低減すると共に、運転操
作を簡易化し、しかも効率が高いＰＳＡ法を実現するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに本発明は、それぞれガス導入口とガス出口とを有し
その間に窒素を選択的に吸／脱着する吸着剤が充填され
た吸着器Ａ及び吸着器Ｂ、並びに濃縮酸素を貯留しかつ
回収する均圧器からなる濃縮酸素製造装置を用い、脱着
を終了した状態の吸着器Ａのガス導入口から混合ガスを
導入しかつ吸着を終了した状態の吸着器Ｂのガス導入口
から排気しながら、吸着器Ａと吸着器Ｂとをそれぞれの
ガス出口で導通して双方の吸着器を実質的に均圧化する
ステップ１と、吸着器Ａへの混合ガスの導入と吸着器Ｂ
からの排気とを続けながら、吸着器Ａと吸着器Ｂとの導
通を遮断し、かつ吸着器Ａのガス出口と均圧器とを導通
して双方を実質的に均圧化するステップ２と、吸着器Ａ
への混合ガスの導入と吸着器Ｂからの排気とを続けなが
ら、吸着器Ａに導入する混合ガスの導入圧を増大させ、
濃縮酸素を均圧器に圧送するステップ３と、吸着器Ａへ
の混合ガスの導入と吸着器Ｂからの排気とを続けなが
ら、吸着器Ａのガス出口から吸着器Ｂ内に高くても減圧
状態が維持されるように濃縮酸素を供給して脱着を終了
するステップ４と、脱着を終了した状態の吸着器Ｂのガ
ス導入口から混合ガスを導入しかつ吸着を終了した状態
の吸着器Ａのガス導入口から排気しながら、吸着器Ｂと
吸着器Ａとをそれぞれのガス出口で導通して双方の吸着
器を実質的に均圧化するステップ５と、吸着器Ｂへの混
合ガスの導入と吸着器Ａからの排気とを続けながら、吸
着器Ｂと吸着器Ａとの導通を遮断し、かつ吸着器Ｂのガ
ス出口と均圧器とを導通して双方を実質的に均圧化する
ステップ６と、吸着器Ｂへの混合ガスの導入と吸着器Ａ
からの排気とを続けながら、吸着器Ｂに導入する混合ガ
スの導入圧を増大させ、濃縮酸素を均圧器に圧送するス
テップ７と、吸着器Ｂへの混合ガスの導入と吸着器Ａか
らの排気とを続けながら、吸着器Ｂのガス出口から吸着
器Ａ内に高くても減圧状態が維持されるように濃縮酸素
を供給して脱着を終了するステップ８とからなる繰り返
し単位を有する濃縮酸素の製造方法を提供する。ここ
で、吸着器Ａと吸着器Ｂの空容積は等しくし、かつ均圧
器の空容積は吸着器の空容積の１〜１．５倍の範囲内と
することが好ましい。また、混合ガスを導入する側の吸
着器の内圧が減圧状態にあるときは、混合ガスの少なく
とも一部を自然吸気により導入することが好ましい。更
にステップ４及び８においては、排気側の吸着器内が最
低圧から５０〜１５０torr、更に好ましくは１００〜１
３０torr上昇した圧力となるように濃縮酸素を供給する
ことが好ましい。用いる吸着剤は、粒径２〜３mmの粒状
であるか、又は外径１．４〜１．７mmの円筒状に成形さ
れ、カチオンの６０〜７０％がカルシウムイオンにより
交換されたＡ型又はＸ型のゼオライト系分子ふるいから
なることが好ましい。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面を
用いて説明する。図１は本発明の方法を実施するための
製造装置の一例を示している。図１において、この製造
装置は概略、吸着器Ａ、吸着器Ｂ及び均圧器Ｃからな
り、吸着器Ａ，Ｂはそれぞれガス導入口５Ａ，５Ｂとガ
ス出口７Ａ，７Ｂとを有し、この間に窒素を選択的に吸
／脱着するゼオライト系分子ふるいからなる吸着剤１１
Ａ，１１Ｂが充填されてなっている。また均圧器Ｃは、
生成した濃縮酸素を貯留しかつ回収する空容器である。

【０００７】吸着器Ａのガス導入口５Ａと吸着器Ｂのガ
ス導入口５Ｂとは、それぞれ弁１Ａ，１Ｂを介して混合
ガス導入用のブロワー（圧入機）８に接続され、このブ
ロワー８は空気等の窒素酸素混合ガスを吸着器に向けて
送気するようになっている。ブロワー８にはバイパス管
１０が設けられていて、このバイパス管１０には弁６が
取付けられている。また、ガス導入口５Ａ，５Ｂは、そ
れぞれ弁４Ａ，４Ｂを介して排気ポンプ（真空ポンプ）
９に接続されている。

【０００８】一方、それぞれ吸着器Ａ，Ｂのガス出口７
Ａ，７Ｂは、並列配置された弁３及びパージ弁３Ｐを介
して接続されると共に、それぞれが独立に弁２Ａ，２Ｂ
を介して均圧器Ｃに接続されている。均圧器Ｃからは、
抜出口１３を経て濃縮酸素を抜出し回収できるようにな
っている。

【０００９】次に本発明に従って濃縮酸素を製造する方
法を、図２を参照して説明する。図２においては、説明
に不要な要素は省略した。本発明の方法は、以下に説明
するステップ１〜８を繰り返し単位として継続される。
この繰り返しを、吸着器Ａが脱着を終了して吸着を開始
し、吸着器Ｂが吸着を終了して脱着を開始する状態から
説明する。

【００１０】前提として、ステップ１〜８を通じてブロ
ワー８は継続的に吸着器Ａ又はＢに窒素酸素の混合ガス
を送気し続け、また排気ポンプ９は継続的に吸着器Ｂ又
はＡから排気し続ける。 ステップ１：脱着を終了した吸着器Ａと吸着を終了した
吸着器Ｂとは、弁３を開くことで導通され実質的に均圧
化される。前ステップでは吸着器Ａは脱着処理により減
圧状態（大気圧未満）とされ、吸着器Ｂは加圧状態（大
気圧以上）とされているので、このとき弁３を通るガス
流は吸着器Ｂから吸着器Ａの方向となる。吸着器Ａはガ
ス導入口５Ａから混合ガスがブロワー８を通して供給さ
れ、吸着器Ａにおける窒素の吸着が開始される。吸着器
Ａは、ガス導入口５Ａとガス出口７Ａの双方からガスが
導入されることになるので急速に昇圧する。このとき、
弁６を開きバイパス管１０からの自然吸気を併用しても
よい。一方吸着器Ｂは、ガス導入口５Ｂから排気ポンプ
９によって排気され窒素の脱着が開始される。吸着器Ｂ
はガス導入口５Ｂとガス出口７Ｂの双方からガスが流出
するので急速に減圧し、吸着器Ａ，Ｂは速やかに均圧化
される。

【００１１】ステップ２：前記のブロワー８による混合
ガス供給と排気ポンプ９による排気とは続けながら、吸
着器Ａと吸着器Ｂとの導通を遮断し、同時に吸着器Ａと
均圧器Ｃとを弁２Ａを開いて導通し、双方を均圧化す
る。このとき吸着器Ａは均圧器Ｃより低圧となっている
ので、弁２Ａを通るガス流は均圧器Ｃから吸着器Ａの方
向となる。この間もブロワー８は運転されているので、
吸着器Ａには混合ガスが引き続き供給され、吸着器Ａに
おける吸着は続けられる。吸着器Ａはガス導入口５Ａと
ガス出口７Ａの双方からガスが導入されて昇圧が続く。
このステップでも吸着器Ａが減圧状態にある状態では弁
６を開きバイパス管１０からの自然吸気を併用すること
ができる。吸着器Ｂは、排気ポンプ９による排気が続け
られているので減圧され窒素の脱着が続けられる。

【００１２】ステップ３：ブロワー８の運転を続け、吸
着器Ａに導入する混合ガスの供給圧を大気圧を超えて増
大させ、生成した濃縮酸素を均圧器Ｃに圧送する。この
間も吸着器Ａにおける吸着は続けられている。一方、吸
着器Ｂは、排気ポンプ９による排気が続けられ、脱着を
進めながら最低圧まで減圧される。

【００１３】ステップ４：ブロワー８の運転を続け吸着
器Ａから均圧器Ｃへの濃縮酸素の圧送を継続し、排気ポ
ンプ９による吸着器Ｂの排気を続けながら、パージ弁３
Ｐを開いて吸着器Ｂ中に、高くても減圧状態が維持され
るように濃縮酸素を導入し器内を濃縮酸素でパージす
る。これによって吸着器Ｂは吸着剤の再生が完了する。
この状態では吸着器Ａが加圧状態、吸着器Ｂが減圧状態
となっている。

【００１４】ステップ５：脱着を終了した吸着器Ｂと吸
着を終了した吸着器Ａとは、弁３を開くことで導通され
実質的に均圧化される。前ステップでは吸着器Ｂは脱着
処理により減圧状態とされ、吸着器Ａは加圧状態とされ
ているので、このとき弁３を通るガス流は吸着器Ａから
吸着器Ｂの方向となる。吸着器Ｂのガス導入口５Ｂに
は、混合ガスがブロワー８を通して供給され、吸着器Ｂ
における窒素の吸着が開始される。吸着器Ｂは、ガス導
入口５Ｂとガス出口７Ｂの双方からガスが導入されるの
で急速に昇圧する。このとき、弁６を開きバイパス管１
０からの自然吸気を併用してもよい。一方吸着器Ａは、
ガス導入口５Ａから排気ポンプ９によって排気され窒素
の脱着が開始される。吸着器Ａはガス導入口５Ａとガス
出口７Ａの双方からガスが流出するので急速に減圧し、
吸着器Ａ，Ｂは速やかに均圧化される。

【００１５】ステップ６：前記のブロワー８による混合
ガス供給と排気ポンプ９による排気とを続けながら、吸
着器Ａと吸着器Ｂとの導通を遮断し、同時に吸着器Ｂと
均圧器Ｃとを弁２Ｂを開いて導通し、双方を均圧化す
る。このとき吸着器Ｂは均圧器Ｃより低圧となっている
ので、弁２Ｂを通るガス流は均圧器Ｃから吸着器Ｂの方
向となる。この間もブロワー８は運転されているので、
吸着器Ｂには混合ガスが引き続き供給され、吸着器Ｂに
おける吸着は続けられる。吸着器Ｂはガス導入口５Ｂと
ガス出口７Ｂの双方からガスが導入されて昇圧が続く。
このステップでも吸着器Ｂが減圧状態にある状態では弁
６を開きバイパス管１０からの自然吸気を併用すること
ができる。吸着器Ａは、排気ポンプ９による排気が続け
られているので減圧され窒素の脱着が続けられる。

【００１６】ステップ７：ブロワー８の運転を続け、吸
着器Ｂに導入する混合ガスの供給圧を大気圧を超えて増
大させ、生成した濃縮酸素を均圧器Ｃに圧送する。この
間も吸着器Ｂにおける吸着は続けられている。一方、吸
着器Ａは、排気ポンプ９による排気が続けられているの
で、着脱を進めながら最低圧まで減圧される。

【００１７】ステップ８：ブロワー８の運転を続け吸着
器Ｂから均圧器Ｃへの濃縮酸素の圧送を継続し、排気ポ
ンプ９による吸着器Ａの排気を続けながら、パージ弁３
Ｐを開いて吸着器Ａ中に、高くても減圧状態が維持され
るように濃縮酸素を導入し器内を濃縮酸素でパージす
る。これによって吸着器Ａは吸着剤の再生が完了する。
この状態では吸着器Ｂが加圧状態、吸着器Ａが減圧状態
となっている。

【００１８】本発明の方法は下記に示す利点がある。ま
ず第１に、全ステップを通じてブロワーと排気ポンプと
が連続的に稼働される。従来の方法のようにステップの
途中でブロワー及び／又は排気ポンプを空運転させるこ
とは、たとえこれによって酸素回収率が向上したとして
も、この間に無駄に費やされている電力を補うほどの効
果は得られず、しかも目標とする処理量をブロワーと排
気ポンプの有効稼働中に処理しなければならないため、
ブロワー及び／又は排気ポンプの負荷容量を大きくしな
ければならず、設備コストと電力コストを共に引き上げ
ることになる。従来、排気ポンプの空運転中の電力の無
駄はしばしば指摘されているが、混合ガス供給側のブロ
ワーの空運転中の電力の無駄についてはあまり関心が払
われていない。しかし、濃縮酸素の製造においては、ブ
ロワーの電力の無駄も無視することはできない。

【００１９】第２の利点は、本発明方法のステップ４及
び８において、脱着のため減圧とされた吸着器に濃縮酸
素を導入することによって、パージと再加圧を同時に行
い、これによってより多くの濃縮酸素が回収できること
である。この方法は、例えば特開平８−２３９２０４号
公報に記載されているように、吸着が終わった塔を減圧
させながら他の塔を昇圧し回収する方法とは全く異な
る。すなわち、吸着が終わった塔を減圧させながら他の
塔を昇圧し濃縮酸素を回収する方法では、減圧中に吸着
前線が延びて吸着器下部の窒素成分に富んだガスが比較
的早く吸着器上部の酸素に富んだガスに混入するに対し
て、本発明の方法では減圧中の吸着器にパージと加圧用
のガスを供給している間も吸着モードにある吸着器は混
合ガスの供給を受けて圧力がほぼ同一に保たれ、従って
吸着前線はシャープに保たれ、このステップで製品ガス
を発生することすら可能にしている。一方脱着モードの
吸着器は排気されながらガス出口から濃縮酸素を供給さ
れることによって掃気されつつ昇圧する。掃気により吸
着器内に残留する窒素は飛躍的に減少するので製品濃度
の加圧ガスを残存ガスで希釈することなく授受できる。
この際の吸着器内圧力の上昇幅は前記のように最低圧か
ら５０〜１５０torr上昇するまで行われる。その後に、
両吸着器のガス出口を連結して両吸着器の圧力が実質的
に等しくなるまで均圧され酸素が回収される。この均圧
の最後の段階では供給側吸着器の酸素濃度が若干低下し
てきたとしても次の均圧器との均圧の中で解決され問題
はない。

【００２０】第３の利点は、吸着器と均圧器との均圧化
である。２塔式のＰＳＡの場合は濃縮酸素を連続的に使
用側に供給するために酸素ホルダーを設ける例が多い
が、これを単に貯蔵槽として利用するのみでなく、ＰＳ
Ａ性能を高めるために積極的に利用するのが本発明の方
法である。本法では吸着器間の均圧を終わってまだ大気
圧より低い圧力下にある吸着器と均圧器との間で速やか
な均圧を行わせる。この結果、吸着器はガス出口からは
均圧器からの濃縮酸素圧とガス導入口からはブロワーに
よる混合ガスの圧入を同時に受けて内圧を速やかに上昇
する。このため、吸着段階初期に延びた吸着前線が急速
にシャープになると共に、吸着器間の均圧化の最後に窒
素の残存により酸素濃度が若干低いガスが混入したとし
ても、窒素成分はこの段階で吸着剤に吸着されてしま
う。更に均圧器と速やかに均圧化することで吸着段階に
ある吸着器から均圧器への濃縮酸素の供給時間を長くす
ることができ、酸素発生中安定した吸着前線を形成する
ことができる。この効果を十分に発揮するためには、均
圧器の容積は吸着器空容積の１〜１．５倍とすることが
望ましい。特開平８−２３９２０４号公報に記載されて
いるような酸素ライン中に逆止弁を設けて酸素ホルダー
からのガス流入を阻止したのでは、吸着器からの濃縮酸
素は、吸着器圧力が酸素ホルダーの圧力を上回った後に
しか酸素ホルダーに流入しないので、結局、貯留時間が
短くなり、一定の生産量を得るためには僅かな時間に大
量の濃縮酸素を発生させなければならず、吸着器内が不
安定となる。

【００２１】本発明の有効な変法として、ステップ２及
び６で均圧器と均圧を行っている吸着器に対して、この
吸着器が減圧状態に保持されている間、ブロワーからの
混合ガス供給と併せて、吸着器の減圧状態を利用し、ブ
ロワーをバイパスしてガス導入口に接続されたバイパス
管１０を通して混合ガスの一部を直接吸着器内に自然吸
入してもよい。これによってブロワー能力が補われ、エ
ネルギー経費が更に節減される。

【００２２】更に他の有効な変法として、ステップ４及
び８で吸着器内のパージと濃縮酸素の回収を行っている
途中で、吸着モードの吸着器から均圧器への濃縮酸素の
圧入を一時停止してもよい。

【００２３】本発明の方法において、吸／脱着の圧力
は、好ましくは最高吸着圧を８３０〜１５００torr（１
１１〜２００kPa ）、より好ましくは９８０〜１２８０
torr（１３１〜１７１kPa ）とし、最低脱着圧は、好ま
しくは１５０〜４００torr（２０〜５３kPa ）、より好
ましくは２５０〜３５０torr（３３〜４７kPa ）とす
る。この圧力範囲内で、濃縮酸素の生成効率が最も高く
なり、かつ電力消費が最低となることが実験の結果確か
められた。

【００２４】本発明の方法に使用される吸着剤は、窒素
を選択的に吸／脱着し得るものであれば特に限定されな
いが、一般にはゼオライト系の分子ふるいが好適に用い
られる。特に本発明方法に適した吸着剤の例としては、
２〜３mmの直径を持つ粒状もしくは１．４〜１．７mmの
直径を持つ円筒状に成形され、カチオンの６０〜７０％
がＣａイオンによって交換されたＡ型またはＸ型のゼオ
ライト系分子ふるいを挙げることができる。上記の範囲
のものは吸／脱着速度及び通過ガスの空間速度の観点か
ら良好な結果をもたらす。

【００２５】

【実施例】以下本発明の実施例を添付図面に基づき説明
する。 （製造装置）図１は本発明の実施例及び比較例を実施す
るために用いたＰＳＡ装置の一例を示している。図１に
おいて、吸着器Ａ，Ｂはそれぞれ直径６００mm、高さ２
５００mmの充填塔であり、吸着剤として、１．５mmの直
径を持つ円筒状に成形され、カチオンの７０％がＣａイ
オンによって交換されたＸ型ゼオライト系分子ふるいが
充填されている。均圧器は直径６００mm、高さ３０００
mmの空塔である。

【００２６】吸着器Ａ，Ｂの下部のガス導入口５Ａ，５
Ｂはそれぞれ弁１Ａ，１Ｂを介してブロワー８に連結さ
れており、また弁４Ａ，４Ｂを介して排気ポンプ９に連
結されている。ブロワー８の形式はルーツブロワーであ
り、排気ポンプ９の形式は湿式２段ルーツブロワーであ
る。なおブロワー８及び排気ポンプ９に使用されている
モーターは回転数可変式で、これにより両ポンプの吸
気、排気速度が制御できるようになっている。またブロ
ワー９には弁６を有するバイパス管１０が設けられてい
て、弁６を開くことで混合ガスの自然吸気を行わせるこ
とが可能である。

【００２７】吸着器Ａ，Ｂの上部のガス出口７Ａ，７Ｂ
にはそれぞれ弁２Ａ，２Ｂが設けられ均圧器Ｃに接続さ
れている。弁２Ａ，２Ｂと均圧器Ｃとの間には図示しな
いが流速絞り弁が設けられている。またガス出口７Ａ、
７Ｂには、吸着器Ａ，Ｂ間を結ぶ弁３及びパージ弁３Ｐ
が設けられている。弁３は吸着器Ａ，Ｂ間の均圧に用い
られ、パージ弁３Ｐはパージに用いられるものであり、
いずれも流速が調整できるようになっている。なお図示
しないが各吸着器及び配管は恒温槽中に配置されてお
り、以下の実施例及び比較例では恒温槽は３２℃に保た
れ、吸気用混合ガス（空気）の温度は４０℃に調整した
上で吸着器に導入した。

【００２８】（実施例１）前記の製造装置を用い、図２
で説明したステップに従って、先ず吸着器Ａを吸着側と
してステップ１〜４を行い、引き続いて吸着器Ｂを吸着
側としてステップ５〜８を行って１サイクルとした。こ
の間、ブロワー８と排気ポンプ９とは連続運転した。た
だし実施例１ではステップ１，２，５，６において弁６
を閉じバイパス管１０からの自然吸気を行わなかった。
この実施例１では、混合ガスとして空気を用い、最高圧
力（最高吸着圧力）を１０９０torr（１４５kPa ）、最
低圧力（最低脱着圧力）を２６０torr（３５kPa ）とし
て１サイクル１２０秒で運転を行った。各ステップにお
ける吸着器Ａ及び吸着器Ｂの作動モード、操作時間
（秒）、及び弁の開閉状態（開弁を○印で示す）を表１
に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】図３に、各ステップ１〜８における吸着器
Ａ，Ｂ、及び均圧器Ｃの圧力変化を示す。この結果、酸
素濃度９３％の濃縮酸素が１９．６Nm³/hの生産量で得
られ、酸素回収率は４９％であった。また１００％酸素
濃度に換算した濃縮酸素１Nm ³ あたりの電力は０．３６
kwhであった。

【００３１】（実施例２）実施例１と同様の操作を繰り
返し、ただし吸着器が減圧状態となるステップ１，２，
５，６では弁６を開きバイパス管１０からの自然吸気を
併用した。この実施例では、混合ガスとして空気を用
い、最高圧力（最高吸着圧力）を１０５０torr（１４０
kPa ）とし、最低圧力（最低脱着圧力）を２６０torr
（３５kPa ）として１サイクル１２０秒で運転を行っ
た。各ステップにおける吸着器Ａ及び吸着器Ｂの作動モ
ード、操作時間（秒）、及び弁の開閉状態（開弁を○印
で示す）を表２に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】図４に、各ステップ１〜８における吸着器
Ａ，Ｂ、及び均圧器Ｃの圧力変化を示す。この結果、酸
素濃度９３％の濃縮酸素が１８．８Nm³/hの生産量で得
られ、酸素回収率は５０％であった。また１００％酸素
濃度に換算した濃縮酸素１Nm ³ あたりの電力は０．３５
kwhであった。

【００３４】（比較例１）比較のため、従来技術として
特公平６−１７０号公報に開示された方法を、本発明の
実施例と出来るだけ条件を統一して比較が行えるよう
に、図１に示す装置を用い、操作圧力も実施例からあま
りかけ離れないようにして試験した。ただしこの比較例
では均圧器Ｃが均圧用に積極的に使われていないので省
略した。図５に比較例１のステップの概略を示す。ここ
では吸着器Ａを最初の吸着側として説明する。 ステップ１：吸着器Ａ，Ｂの吸／排気を遮断した上で双
方の吸着器を連結し不完全に均圧化する。この間、ブロ
ワー８と排気ポンプ９は何れも空運転である。 ステップ２：吸着器Ａ，Ｂを遮断し、吸着器Ａにはブロ
ワー８から混合ガスを導入し、吸着器Ｂは排気ポンプ９
により減圧排気する。 ステップ３：混合ガスを増圧導入し、吸着器Ａのガス出
口から濃縮酸素を取り出す。この間、吸着器Ｂは排気を
続ける。 ステップ４：ブロワー８から混合ガスを吸着器Ａに送入
し、吸着器Ａから濃縮酸素を取り出しながら、吸着器Ｂ
に濃縮酸素を供給し、パージして再生を完了する。 以後、吸着器ＡとＢとを交代して同様な操作を繰り返
し、ステップ５〜８を実施し１サイクルとする。

【００３５】比較例１ではステップ１及び５においてブ
ロワー及び排気ポンプが使用されない。このとき、ブロ
ワー８は図１の弁６を開いて空運転とし、排気ポンプ９
は図１の排気ポンプ上流に設けた開放枝管の弁１４を開
いて空運転とした。上記空運転に際してラインが不自然
な圧力損失を与えないよう、十分な太さとした。比較例
１では、混合ガスとして空気を用い、最高圧力（最高吸
着圧力）を１０９０torr（１４５kPa ）、最低圧力（最
低脱着圧力）を２６０torr（３５kPa ）として１サイク
ル１２０秒で運転を行った。各ステップにおける吸着器
Ａ及び吸着器Ｂの作動モード、操作時間（秒）、及び弁
の開閉状態（開弁を○印で示す）を表３に示す。

【００３６】

【表３】

【００３７】図６に、各ステップ１〜８における吸着器
Ａ，Ｂの圧力変化を示す。この結果、酸素濃度９３％の
濃縮酸素が１９．８Nm³/hの生産量で得られ、酸素回収
率は５６％であった。また１００％酸素濃度に換算した
濃縮酸素１Nm³ あたりの電力は０．４３kwhであった。
この比較例１においては、均圧時に排気による圧力降下
がないので１段の不完全な均圧操作であっても、比較的
多量の酸素が回収され酸素回収率が高くなった。しかし
均圧時に両ポンプが空運転となるために電力損失が大き
く、また両ポンプも負荷容量を増大させる必要があり不
利となった。

【００３８】（比較例２）比較のため、従来技術として
特開平８−２３９２０４号公報の実施例１に開示された
方法を、本発明の実施例と出来るだけ条件を統一して比
較が行えるように、図１に示す装置を用い、操作圧力も
実施例からあまりかけ離れないようにして試験した。た
だし弁２Ａ及び２Ｂから均圧器Ｃに至る間の均圧器入口
１２に逆止弁を設けて均圧器Ｃから濃縮酸素が吸着器に
向けて逆流しないようにした。図７に比較例２のステッ
プの概略を示す。ここでは吸着器Ａを最初の吸着側とし
て説明する。 ステップ１：均圧器Ｃを遮断し、吸着器Ａ，Ｂを連結
し、吸着器Ａから排気しながら均圧化する。この間、ブ
ロワー８は空運転となる。 ステップ２：排気を吸着器Ａから吸着器Ｂに切り替え
る。この間、ブロワー８は空運転となる。 ステップ３：吸着器Ｂからの排気を続けながら、ブロワ
ー８から吸着器Ａへの混合ガス供給を開始する。バイパ
ス管１０から自然吸気を併用する。 ステップ４：吸着器Ａ，Ｂを遮断し、吸着器Ａはブロワ
ー８から昇圧して吸着を進め、吸着器Ｂは引き続き排気
を行い脱着を進める。バイパス管１０から自然吸気を併
用する。 ステップ５：吸着器Ａと均圧器Ｃとを接続し、吸着器Ａ
の昇圧を続け濃縮酸素を均圧器Ｃに圧送する。吸着器Ｂ
は引き続き排気しながら脱着される。 以後、吸着器ＡとＢを交代して同様な操作を繰り返し、
ステップ６〜１０を実施し１サイクルとする。

【００３９】比較例２ではステップ１，２，６，７にお
いてブロワー８が使用されない。このとき、ブロワー８
は常法に従い図１の弁６を開いて空運転とした。比較例
２では吸着器と均圧器との均圧化を行わない。比較例２
は、混合ガスとして空気を用い、最高圧力（最高吸着圧
力）を１０５０torr（１４０kPa ）、最低圧力（最低脱
着圧力）を２６０torr（３５kPa ）として１サイクル１
２０秒で運転を行った。また、ステップ３，４，８，９
では、バイパス管１０を開いて自然吸気を併用した。各
ステップにおける吸着器Ａ及び吸着器Ｂの作動モード、
ブロワー８の作動モード、操作時間（秒）、及び弁の開
閉状態（開弁を○印で示す）を表４に示す。

【００４０】

【表４】

【００４１】図８に、各ステップ１〜１０における吸着
器Ａ，Ｂの圧力変化を示す。この結果、酸素濃度９３％
の濃縮酸素が１６．９Nm³/hの生産量で得られ、酸素回
収率は４８％であった。また１００％酸素濃度に換算し
た濃縮酸素１Nm³ あたりの電力は０．４０kwhであっ
た。この比較例２においては、酸素回収率は実施例と同
等であるが、濃縮酸素の生産量が少ない。これは吸着器
と均圧器との均圧操作を行わないからである。また均圧
時にブロワーを空運転させるため電力原単位も高く不利
となった。

【００４２】

【発明の効果】本発明の濃縮酸素の製造方法は、以上詳
しく説明したステップ１〜８の繰り返し単位を有するも
のであるので、混合ガス供給ブロワー及び排気ポンプの
連続稼働が可能となり、運転コストが低減でき、操作が
簡単でありながら効率が高いＰＳＡ法を実現することで
きる。均圧器の空容積を吸着器の空容積の１〜１．５倍
の範囲内とすることによって吸着器と均圧器との均圧化
が速やかにかつ円滑に行えるようになり濃縮酸素の生産
量が増大する。混合ガスを導入する側の吸着器の内圧が
減圧状態にあるときに、混合ガスの少なくとも一部を自
然吸気により導入すれば、ブロワーの電力消費を更に軽
減することができる。ステップ４及び８において、排気
側の吸着器内が最低圧から５０〜１５０torr、更に好ま
しくは１００〜１３０torr上昇した圧力となるように濃
縮酸素を供給すれば、酸素濃度の低下を防ぎながら回収
量を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施する装置の一例を示す結合
図

【図２】本発明の一実施例の各ステップにおけるフロー
図

【図３】前記実施例における操作時間と操作圧力との関
係を示すグラフ

【図４】本発明の他の実施例における操作時間と操作圧
力との関係を示すグラフ

【図５】一比較例の各ステップにおけるフロー図

【図６】前記比較例における操作時間と操作圧力との関
係を示すグラフ

【図７】他の比較例の各ステップにおけるフロー図

【図８】前記比較例における操作時間と操作圧力との関
係を示すグラフ

【符号の説明】

Ａ…吸着器 Ｂ…吸着器 Ｃ…均圧器 １Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３，３Ｐ，４Ａ，４Ｂ，６，
１４…弁 ５Ａ，５Ｂ…ガス導入口 ７Ａ，７Ｂ…ガス出口 ８…ブロワー ９…排気ポンプ １０…バイパス管 １１Ａ，１１Ｂ…吸着剤 １２…均圧器入口 １３…抜出口

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素と窒素とを含む混合ガスから窒素を
   吸着分離して濃縮酸素を製造するに際して、 それぞれガス導入口とガス出口とを有しその間に窒素を
   選択的に吸／脱着する吸着剤が充填された吸着器Ａ及び
   吸着器Ｂ、並びに濃縮酸素を貯留しかつ回収する均圧器
   からなる濃縮酸素製造装置を用い、 脱着を終了した状態の吸着器Ａのガス導入口から混合ガ
   スを導入しかつ吸着を終了した状態の吸着器Ｂのガス導
   入口から排気しながら、吸着器Ａと吸着器Ｂとをそれぞ
   れのガス出口で導通して双方の吸着器を実質的に均圧化
   するステップ１と、 吸着器Ａへの混合ガスの導入と吸着器Ｂからの排気とを
   続けながら、吸着器Ａと吸着器Ｂとの導通を遮断し、か
   つ吸着器Ａのガス出口と均圧器とを導通して双方を実質
   的に均圧化するステップ２と、 吸着器Ａへの混合ガスの導入と吸着器Ｂからの排気とを
   続けながら、吸着器Ａに導入する混合ガスの導入圧を増
   大させ、濃縮酸素を均圧器に圧送するステップ３と、 吸着器Ａへの混合ガスの導入と吸着器Ｂからの排気とを
   続けながら、吸着器Ａのガス出口から吸着器Ｂ内に高く
   ても減圧状態が維持されるように濃縮酸素を供給して脱
   着を終了するステップ４と、 脱着を終了した状態の吸着器Ｂのガス導入口から混合ガ
   スを導入しかつ吸着を終了した状態の吸着器Ａのガス導
   入口から排気しながら、吸着器Ｂと吸着器Ａとをそれぞ
   れのガス出口で導通して双方の吸着器を実質的に均圧化
   するステップ５と、 吸着器Ｂへの混合ガスの導入と吸着器Ａからの排気とを
   続けながら、吸着器Ｂと吸着器Ａとの導通を遮断し、か
   つ吸着器Ｂのガス出口と均圧器とを導通して双方を実質
   的に均圧化するステップ６と、 吸着器Ｂへの混合ガスの導入と吸着器Ａからの排気とを
   続けながら、吸着器Ｂに導入する混合ガスの導入圧を増
   大させ、濃縮酸素を均圧器に圧送するステップ７と、 吸着器Ｂへの混合ガスの導入と吸着器Ａからの排気とを
   続けながら、吸着器Ｂのガス出口から吸着器Ａ内に高く
   ても減圧状態が維持されるように濃縮酸素を供給して脱
   着を終了するステップ８とからなる繰り返し単位を有す
   ることを特徴とする濃縮酸素の製造方法。
2. 【請求項２】 吸着器Ａと吸着器Ｂの空容積を等しく
   し、かつ均圧器の空容積を吸着器の空容積の１〜１．５
   倍の範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の濃
   縮酸素の製造方法。
3. 【請求項３】 混合ガスを導入する側の吸着器の内圧が
   減圧状態にあるとき、混合ガスの少なくとも一部を自然
   吸気により導入することを特徴とする請求項１又は請求
   項２に記載の濃縮酸素の製造方法。
4. 【請求項４】 ステップ４及び８において、排気側の吸
   着器内が最低圧から５０〜１５０torr上昇した圧力とな
   るように濃縮酸素を供給することを特徴とする請求項１
   〜請求項３に記載の濃縮酸素の製造方法。
5. 【請求項５】 吸着剤が、粒径２〜３mmの粒状である
   か、又は外径１．４〜１．７mmの円筒状に成形され、カ
   チオンの６０〜７０％がカルシウムイオンにより交換さ
   れたＡ型又はＸ型のゼオライト系分子ふるいからなるこ
   とを特徴とする請求項１〜請求項４に記載の濃縮酸素の
   製造方法。