JPH11512971A - 圧力スイング吸着による気体混合物の処理のための方法およびプラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 それぞれの吸着装置（１，２）のサイズは、それが実質的に断熱的な形態で働くように選択され、その空隙生産空間（２７）、すなわち吸収剤集合体（６）の流出口端部と常に連絡している空の空間は吸収剤集合体の体積の１０ないし６０％を構成する。酸素はこのように大気空気から作られ得る。

Description

【発明の詳細な説明】 圧力スイング吸着による気体混合物の処理のための方法およびプラント 本発明は、圧力スイング吸着による気体混合物を処理するための方法であって 、吸着剤の集合体を含む少なくとも１つの容器において、（ａ）容器の、流入口 と称される一方の端部から、流出口と称されるもう一つの端部に、いわゆる並流 方向において混合物が循環する生産相、および（ｂ）一方で、その流出口側およ び並流方向における吸着剤の集合体を越えて、吸着剤の集合体の流出口側末端と 恒久的に連通する、生産死体積（デッドボリューム）と称される自由体積および 他方、その流入口側で並流方向における吸着剤の集合体の前方に、吸着剤の集合 体の流入口側末端と恒久的に連通する供給死体積（デッドボリューム）と称され る自由体積を有する容器による吸着体を再生する相からなるサイクルを実行する タイプの方法に関する。 本発明は、特に空気から、酸素富化空気、特に少なくとも９０％の酸素を含有 する空気の生産に適用される。 言及される圧力は絶対圧力である。 「圧力スイング吸着」（ＰＳＡ）という表現は、広い意味において理解される べきであり、すなわち、サイクルの高圧は大気圧以上であり、サイクルの低圧は 大気圧以下である。 ＰＳＡ法の性能は多数の要因を通して評価され得ることが知られており、前述 の例におけるそれは次のものである、すなわち、 −生産される気体（例えば酸素）の体積対処理される気体混合物において含ま れる前記気体の体積（体積は標準温度および圧力条件の下で測定される）の比で ある収率、 −単位時間および吸着剤の単位体積当たりに生産される気体の量である生産率 （単位：ｍ³（ｓｔｐ）／ｈ．ｍ³）、 −標準温度および圧力条件の下で測定された生成物気体の単位体積当たり消費 されたエネルギーである比エネルギー（単位：ｋＷｈ／ｍ³（ｓｔｐ））、およ び −方法を実施する標準的プラントのコストである投資（単位：ＦＦ）。 ＰＳＡプラントのパラメーターが変更されると、上記の４つの要因は一般的に 異なる方式において影響する。従って、生産物気体（特に酸素）の最終的なコス トがどうなるかを予測することは特に難しく、特に、吸着／脱着動力学のような 多数の比較的貧弱にしか理解されていない物理的現象が影響を受けるからである 。 生産物気体のコストＣは、次の式により定義し得る、すなわち、 Ｃ＝（（ＥＳ’Ｐｅ）＋（ｃｃ’Ｉ））／ＰＡ（式中 ＥＳは比エネルギーを表し、 Ｐｅはエネルギーの価格を表し、ｃｃ は償却だけでなく、維持費、税金、その他をも含む資本負担を表し、 Ｉは投資であり、および ＰＡは年間の生産である）。 Ｃはこのように生産物気体の単位コストを表す。 本発明の目的は、プラントを設計すること及び使用することについて特に便利 で簡単である方式において、特に比エネルギーの点からの最小化された支出およ び／または減少した投資で、低生産コストを得ることを可能とすることである。 この目的のために、本発明は前述のタイプの方法に関し、ここで、 比Ｓ／Ｖ（Ｓは吸収剤の集合体と２つのデッドボリュームとからなるアセンブ リについての外側の熱交換表面積を表し、Ｖは同じアセンブリの体積である）が ６ｍ^-1未満の値で選択され、および 生産デッドボリュームは、吸着剤の集合体の体積の実質的に１０％ないし実質 的に６０％の値で選択される。 もし、生産物気体の与えられたコストについて、比エネルギーの点での支出を 最小化したければ、生産デッドボリュームは、吸着剤の集合体の体積の１０％に 近くするように選択することが有利であろう。 しかしながら、もし意図するところが小さな投資を志向するのであるならば、 生産デッドボリュームは吸収剤の集合体の体積の６０％に近くするように選択す ることが有利であろう。 本発明は、上記定義された方法を実行することを意図するプラントにもまた関 する。 このプラントは、吸着剤の集合体を含み、生産相において気体混合物が流入す る流入口、および生産気体が出ていく流出口を規定する少なくとも１つの容器を 備え、混合物を吸着相の間にいわゆる並流方向において該容器中を循環させ、一 方で、その流出口側で、および並流方向における吸着剤の集合体を越えて、吸収 剤の集合体の流出口側端部と恒久的に連通する、生産デッドボリュームと称され る自由体積を、および、他方で、その流入口側で、並流方向における吸着剤の集 合体の前方で、吸着剤の集合体の流入口側末端と恒久的に連通する、供給デッド ボリュームと称される自由体積を有する該容器による圧力スイング吸着により気 体混合物を処理するためのプラントであって、 Ｓが、吸着剤の集合体および２つのデッドボリュームからなるアセンブリにつ いての外側熱交換表面積を表し、Ｖが、同じアセンブリの体積であるところの比 Ｓ／Ｖが６ｍ^-1未満であり、および 生産デッドボリュームが吸収剤の集合体の体積の実質的に１０％ないし６０％ の値を有する ものである。 吸収剤は特に、５ＡまたはＬｉＸタイプの少なくとも１つのゼオライトからな る分子ふるいであってもよい。 さらにプラントは、特に１、２または３の同じ容器を具備していてもよい。 本発明を例証する態様は、添付された図面を参照してここで記述されるであろ う。ここで、 図１は本発明によるプラントを図式的に表し、および 図２は図１におけるプラントにおいて実行されるサイクルを例示する図である 。 図１において表されるプラントは、大気空気から少なくとも９０％に等しい純 度で酸素を生産することを意図している。それは２つの同一の吸収装置１および ２、コンプレッサー３、真空ポンプ４およびひとまとまりの管および弁を本質的 に具備している。それは更に、下記のサイクルをオートメーション化することを 可能にする通例の調節および制御手段をも具備する。 図１において図式的に表現された態様において、それぞれの吸着装置１、２は 、吸着剤６の集合体またはベッドが低部の水平の流入口格子（ｇｒｉｌｌｅ）７ および上部の水平の流出口格子８の間に保持される、垂直軸を有する円筒形の一 般的形状のボトル５を具備する。このように、ボトルの格子７および流入口また は低部末端１０の間に自由空間９が存在し、ボトルの格子８および流出口または 上部末端１２の間にもう一つの自由空間１１が存在する。 コンプレッサーまたはブロワー３は大気空気を取り込み、適度に過剰な圧力の 下で、それぞれ弁１５が備え付けられたそれぞれの管１４を通して２つの吸着装 置の流入口１０に接続された供給管１３に送る。同様に、ポンプ４の取入れ口は 、弁１８がそれぞれ備え付けられたそれぞれの管１７を通して２つの流入口１０ にそれ自体接続されているパージ管１６に接続されている。それぞれの吸着装置 について、管１４および管１７は、流入口１０に供給する管１９を合流して形成 する。 弁２１が備え付けられた生産管２０は、それぞれの吸収装置の流出口１２から 導出されている。弁２３が備えられた平衡管２２および弁２５が備えられた溶離 管２４は、吸着装置の生産相に対応する気体流動方向について相対的に弁２１の 上流に存在する２つの管２０の平行点において接続する。弁２１の下流で、管２ ０は結合して生産管２５を形成する。 図１において点線により示される「供給デッドボリューム」すなわちＦＤＶ２ ６ならびに「生産デッドボリューム」すなわちＰＤＶ２７はそれぞれの吸着装置 について定義されている。 ＦＤＶ２６は、ベッド６の流入口端部と常時連絡する体積である。したがって 例示されている例においては、それは、弁１５の下流側の管１４の体積、弁１８ の（ポンピング方向に相対的に）上流側の管１７の体積、管１９および自由流入 口空間９の合計である。 同様に、ＰＤＶ２７は、ボトル５の流出口１２と弁２１との間の管２０、管２ ０と弁２３との間の管２２、管２０と弁２５との間の管２４、および自由流出空 間１１の体積の合計である。 プラントにおける吸着装置１および２および管の寸法および形状は、それぞれ の吸着装置について次の２つの関係が満足されるような方式において選択される 、すなわち、 （１）Ｓが吸着体６のベッドおよびデッドボリューム２６および２７からなる アセンブリの外側熱交換表面を表し、および／またはＶが同じアセンブリの体積 である、比Ｓ／Ｖが６ｍ^-1より小さい。この寸法設定の目的は、吸着装置が実質 的に断熱的に働くことを保証するためである。 （２）ＰＤＶ２７対吸着体６のベッドの体積の比が約１０％ないし６０％であ る。 実施においては、プラントは、完全に対称的に作られるであろう。 このプラントを使用するとき、吸着装置１を参照にして図２において例示され たサイクルがそれぞれの吸着装置でなされる。もしＴがサイクルの持続時間を表 すならば、吸着装置２の操作は、Ｔ／２の時間シフトによりそれから得られる。 当該の例においては、Ｔ＝８０ｓである。 時間ｔは横軸にプロットされ、絶対圧力Ｐは縦軸にプロットされている図２に おいて、矢印により導かれる線は、吸着装置からのおよび吸着装置への気体流の 移動および到達点を示す。 完全なサイクルの例が、図１および２を参照して吸着装置、例えば吸着装置１ についてここで記載されるであろう。図２における例において、サイクルは、２ つの極端な圧力、すなわち、大気圧から約２×１０⁵Ｐａの間であり、より一般 的には約１から１．６×１０⁶Ｐａの間である高圧すなわち最大圧力ＰＭおよび 約０．２×１０⁵Ｐａから０．５×１０⁵Ｐａの間である低圧すなわち最小圧力Ｐ ｍの間を進行する。 例示により表されるサイクルは次の連続相を含む、すなわち、 （ａ）ｔ＝０からｔ２まで、サイクルの中間圧力Ｐ１から高圧ＰＭに変化する 圧力での吸着相で、Ｐ１はＰＭより約０．１×１０⁵Ｐａ小さい。この相におい て、処理される空気は、コンプレッサー３により、吸着装置の流入口で導入され る。 この相は、吸着体の流出口を出ていく気体のすべてが生産管２５に送られるｔ ＝０からｔ１までの第１工程（ａ１）および生産ガスの幾分かが更に他の吸着装 置に向流において送られ、その吸着装置は次いで下記の溶離工程（ｂ３）を受け るｔ１からｔ２への第２工程（ａ２）からなる。 （ｂ）ｔ２からｔ５まで、再生相は次のことからなる、すなわち、 −ｔ２からｔ３までは、第１の並流脱圧縮工程（ｂ１）であり、その脱圧縮気 体は、下記の第１の向流再圧縮工程（ｂ４）において他の吸着装置に対して向流 において送られる。ｔ３において圧力はＰＥ１＜Ｐ１である。 −ｔ３からｔ４までは、サイクルの低圧Ｐｍへのポンプ４を用いた向流ポンピ ングによるパージの工程である。 −ｔ４からｔ５までは、溶離／ポンピング工程であり、場合によっては圧力に おけるわずかな上昇を伴う。この工程の間に、吸着装置は、上記参照の生産工程 （ａ２）を受けている他の吸着装置からの向流における生産気体を受け入れる。 （ｃ）ｔ５からＴまで、再圧縮相は以下の工程からなる。 −ｔ５からｔ６までは、圧力ＰＥ２＜ＰＥ１への第１の向流再圧縮工程（ｃ１ ）は、工程（ｂ１）を受けている他の吸着装置の第１の並流脱圧縮からの気体を 用いる。および −ｔ６からＴまでは、コンプレッサー３を用いて、圧力Ｐ１まで生産気体を抽 出することなく、最終並流再圧縮工程（ｃ２）を処理される空気に用いる。 上記で示された性能要因を評価するため模擬実験が実施された。生産気体にお ける９３％の酸素レベルについての結果は、１０％のＰＤＶについての全要因に ついて基準１００が採用された下記の表ＩおよびＩＩにおいて対照される。 模擬実験は、まず第１に実質的に等温の操作モードで、すなわち６より顕著に 大きい前述の比Ｓ／Ｖで取り扱われた。その結果は下の表Ｉにおいて示される。 方法の生産率は、生産デッドボリュームを４倍にすることによりわずかに改善 されることが見ることができる。しかしながら、収率は、ユニットの比エネルギ ーが有意に損なわれる程度に下がる。投資をほぼ同じに保つことにより、このこ とは、生産される酸素のコストの増大に至る。 このことは、１９８７年、バターワースの、バターワース・シリーズ・イン・ ケミカル・エンジニアリング（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈｓ Ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）の、ラルフ・Ｔ．ヤン（Ｒａｌ ｐｈ Ｔ． Ｙａｎｇ）による研究「吸着プロセスによる気体分離（Ｇａｓ ｓ ｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）」に おいて示されるものと一致する。 ついで、模擬実験は、上記で説明した実質的に断熱的な操作モード、すなわち ６よりずっと小さな比Ｓ／Ｖで、特に３に等しくしてなされた。結果を下の表Ｉ Ｉにおいて示す。 驚くべきことに、実質的に断熱的なモードにおいては、ＰＤＶを増加させるこ とにより生産率は大きく促進されるが、しかしながら収率の関連する減少は、実 質的に等温モード操作におけるより大きくは顕著でない。これは多分次の二重現 象によるのだろう。一方で、大きなＰＤＶの存在は溶離に利用できる増大した気 体の体積を与える。他方で、吸着の熱は吸着剤のベッドの端部並びに問題の気体 体積を加熱する。全体としてこのことは再生には好ましい。 経済的な観点において、サイクルの実行におけるこの二重の変化は、生産され る酸素のコストが最小となる生産デッドボリュームの範囲の基となる。ここで、 最適帯は明らかである［１０％；６０％］。この範囲において、その時エネルギ ー（ＰＤＶ＝１０％）またはプラントのコスト（ＰＤＶ＝６０％）のいずれかを 向上させることが可能である。使用者の求めおよびローカルなエネルギーコスト 条件にしたがって、最高の性能を有する方法を得るために工業規模の装置を適合 させることはこのように簡単である。 上記の結果は、比Ｓ／Ｖ＝２で試験機ユニットで実験的に確認されており、次 の表により示される。 酸素の生産に関しては、本発明は、さまざまな使用可能な吸着剤（特に５Ａま たはＬｉＸタイプの分子ふるい）、２つの吸着装置より多くまたは少なく含むプ ラント、習慣的にＰＳＡプラントにおいて得られる約９０から９５％の間のさま ざまな酸素純度に当てはまる。 もし吸収剤６のベッドが、特にアルミナの、流入してくる空気を脱水すること を本質的に意図するものである吸収剤の第２のベッドにより先行されるのであれ ば、対応する体積は望まれるＮ₂／Ｏ₂分離に参与しないので、この第２のベッド は供給デッドボリュームの形成部分とみなされるべきことに注意すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 レテリエ、ジャン−イブ フランス国、91300 マシー、アブニュ・ デ・ティユール 18

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧力スイング吸着により気体混合物を処理するための方法であって、吸着 剤（６）の集合体を含む少なくとも１つの容器（５）において、（ａ）容器の、 流入口と称される一方の端部（１０）から、流出口と称されるもう一方の端部（ １２）に、いわゆる並流方向において、混合物が循環する生産相および（ｂ）一 方で、その流出口側において並流方向における吸着剤の集合体を越えて、吸収剤 の集合体の流出口側端部と恒久的に連通する生産デッドボリュームと称される自 由体積（２７）および、他方で、その流入口側において並流方向における吸着剤 の集合体の前方で、吸着剤の集合体の流入口側端部と恒久的に連通する供給デッ ドボリューム（２６）と称される自由体積を有する容器により吸着剤を再生する 相からなるサイクルが実行されるタイプの方法であって、 Ｓが吸収剤（６）の集合体および２つのデッドボリューム（２６、２７）から なるアセンブリについての外側熱交換表面積を表し、Ｖが同じアセンブリの体積 である比Ｓ／Ｖが６ｍ^-1未満の値で選択され、および、 生産デッドボリューム（２７）が吸着剤（６）の集合体の体積の実質的に１０ ％ないし実質的に６０％の値で選択される 方法。 ２．比エネルギーの点で支出を最小化するために、生産デッドボリューム（２ ７）を吸着剤（６）の集合体の１０％近くに選択する請求項１に記載の方法。 ３．投資の支出を最小化するために、生産デッドボリューム（２７）を吸着剤 （６）の集合体の体積の６０％近くに選択する請求項１記載の方法。 ４．気体混合物が任意に脱水された空気であり、生産気体が酸素富化空気であ る請求項１ないし３のいずれか１項記載の方法。 ５．生産気体が少なくとも９０％の酸素を含む請求項４記載の方法。 ６．再生相が容器（５）から排出する工程（（ｂ２）、（ｂ３））を含む請求 項１ないし５のいずれか１項記載の方法。 ７．吸着剤（６）の集合体を含み、生産相において気体混合物が流入する流入 口、および生産気体が出ていく流出口を規定する少なくとも１つの容器（５）を 備え、混合物を吸着相の間にいわゆる並流方向において該容器中を循環させ、一 方で、その流出口側で、および並流方向における吸着剤の集合体を越えて、吸収 剤の集合体の流出口側端部と恒久的に連通する、生産デッドボリュームと称され る自由体積（２７）を、および、他方で、その流入口側で、並流方向における吸 着剤の集合体の前方で、吸着剤の集合体の流入口側末端と恒久的に連通する、供 給デッドボリューム（２６）と称される自由体積を有する該容器による圧力スイ ング吸着により気体混合物を処理するためのプラントであって、 Ｓが吸着剤（６）の集合体および２つのデッドボリューム（２６、２７）から なるアセンブリについての外側熱交換表面積を表し、Ｖが同じアセンブリの体積 であるところの比Ｓ／Ｖが６ｍ^-1未満であり、および 生産デッドボリューム（２７）が吸収剤（６）の集合体の体積の実質的に１０ ％ないし実質的に６０％の値を有する プラント。 ８．吸着剤が５ａまたはＬｉＸタイプのゼオライトからなる分子ふるいである 請求項７記載のプラント。 ９．１、２または３の同じ容器（１、２）を具備する請求項７または８記載の プラント。 １０．容器の流入口（１０）に接続されるように設計された真空ポンプ（４） を具備する請求項７ないし９のいずれか１項記載のプラント。