JPS59160515A - 空気中の酸素の分離濃縮システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、吸着剤°を用いて空気中の酸素を分離濃縮す
る新規なシステムに関するものである。

従来の公知技術は９例えばＮ２を選択的に多く吸着する
ゼオライトなどを充填した複数の吸着筒を１　用いて、
圧力と時間を制御因子にして吸着処理を行うもので、断
熱圧力変動型吸着分離方式として広く知られている。

本発明は、ゼオライト吸着剤をもちいて原料空気からＮ
２を選択的に吸着して０２を高濃度に分離せしめる。従
来の圧力変動型吸着分離方式の時間と圧力の制御因子の
外に更に温度の因子を加えた新規なシステムを提供せん
とするものである。

ゼオライト吸着剤の一般的重要特性のうち、１つは、多
成分系のガス成分に対して示す選択吸着性である。吸着
分離法はこのあるガス成分に対して示す選択吸着性を有
効に利用する技術である。

一般に市販される人工および天然の結晶質ゼオライトモ
レキニラ−シーブは空気かう０２およびＮ２を共吸着す
るが０２に比較してＮ２を選択的吸着する。

この選択性は温度依存性であることは知られている。従
来技術の吸着分離法において、酸素濃化の分離効率が温
度上昇に応じて低下すると、とはすでに公知である。

ゼオライト吸着剤の他の重要な特性は、吸着容量は吸着
温度の上昇に応じて通常低下することであり、これによ
って吸着剤の利用率は温度の上昇に伴って低下している
。

第１図は、ゼオライトモレキーラーシーブズの代表的な
ＭＳ、５Ａの０２’ｌ　Ｎ２の吸着等温曲線図であり。

縦軸はガス吸着量、横軸はガス圧力、実線はＮ２ガス、
破線は０２ガスを表わすものである。実線、破線共、上
位に位置する曲線は（７’Ｏの場合であり。

下位の曲線は２５°Ｃの場合である。

この図より１選択吸着性および吸着容量は共に温度によ
って変化することが判る。

ゼオライト吸着剤を利用する分離操作においては、上記
の２つの特性を有効に利用するととオ必要であり、その
特性からして、吸着時には出来るだけ温度を低くシ、脱
着時は相対的に温度を高くすれば吸着剤を最も効果的に
利用することができる。また減圧脱着ガス量も少なくな
り、生成０２量も大きくなり、最小のエネルギーで吸着
、脱着の操作を行うことができる様になる。

従来公知の断熱圧力変動式吸着分離技術においては、吸
着過程では、吸着筒の吸着体は、原料空気とほぼ実質的
に等しい温度下で操作されるものであり、吸着剤の吸着
能は必ずしも有効に利用されているとはいえない。

従来方式のものは、吸着、脱着過程間の吸着ガス、脱着
ガス量のバランス、熱的変化のバランスは常につり合っ
ており、全サイクル間での温度変化はゼロであるという
基本的な考えにもとづいている。

最も好ましね方法は、吸着は原料空気温度よりも そ低温で、脱着はより高温で行うことであり、従来方法
ではこの様な方式はとられていない。

本発明は１以上の様な経緯に鑑みてなされたものであり
、原料空気を、吸着に寄与する前段空気と、該前段空気
よりも高温の、加圧押出しに寄与する後段空気に分ける
ことによって上記問題膚を解決したものであり、原料空
気よりも低温での吸月見 着と、該空気よりも高温での吸着を可能ならしめる新規
な吸着分離システムを提供せんとするものである。

従来の圧力変動法の場合、吸着筒へ装入される原料空気
は通常、生成０２ガス量の１０倍以上が必要である。従
って原料空気全部が吸着分離の対象となるのではなく、
装入前段時の一部の空気のみが吸着分離の真の原料空気
となる。この一部の前段の原料空気でほぼ吸着飽和に達
する。。

後段に押入される空気は、吸着分離をうけず。

吸着筒内を加圧せしめることに用いられ、前段の原料空
気を加圧してさらに吸着量を増加させるとともにＮ２吸
着により分離した。２リツチのガスを部外へ押入圧で排
出させるものである。従って後段空気の筒内での気体成
分は原料空気に等しく、前段空気と後段空気は筒内での
作用効果は異なるものである。

本発明はこの点に着目し、この作用効果の異なることを
利用して吸着性能を向上させんとするものである。

以下本発明を具体的に述べる。吸着工程において前段に
押入する原料空気は特に加圧操作は行わず、大気圧の常
温のままとし、前工程で減圧脱着された真空状態の吸着
筒へ真空破壊的に自然流入させると原料空気は断熱膨張
作用で温度が急速に下がる。ジーールトムソン効果をお
こす。これにより入口端付近よりの吸着剤は熱を奪われ
て冷却させられる。これにより筒内の平均温度は下がり
。

前記した吸着剤特性より選択性と吸着性能を増加させる
ことになる。前段の原料空気の流入で吸着筒内は次オに
大気圧と平衡して自然流入は止まり。

この状態で好ましい低温でのほぼ吸着飽和となる。

引きつづき空気圧縮機にて前段より相対的に高温に加圧
加熱された後段空気を筒内に強制装入すると、前段空気
と後段空気の接続部に温度の変化する部分をもつことに
なる（以下温度上昇界面と称す）。而して後段空気圧で
筒内は次牙に加圧され前段の低温原料空気は加圧効果に
よりさらに吸着分離が進行し、後段の加圧空気の押入で
人口端より漸時吸着飽和しながら、このＮ２吸着飽和界
面は排出端に向って漸進的に移動すると共に分離しだ０
２富化ガスを排出端より流出させる。又同時に連続して
押入される後段の高温空気により温度上昇界面は人口端
より漸時に筒内温度を上昇させながら進行して排出端に
向って移動する。これにより同一加圧条件下の吸着工程
において吸着飽和４面付近を境として相対的に温度差を
もつことになる。

これにより吸着飽和界面の未通過の排出端寄側は好まし
い低温の加圧による吸着が行われ、同時に。

温度上昇界面の通過した人口端寄側は、たと才、加圧吸
着工程であっても、温度の上昇により、吸着剤の吸着量
は低下し、すでに実質的には加熱脱着条件下におかれ、
前段の低温原料空気より吸着した吸着質ガスの一部は脱
着し始め後段高温空気に吸収混合せられる。

この様に原料空気に前段と後段上に温度差をもつように
操作して吸着工程に装入すれば加圧吸着工程中において
吸着部と脱着部が共存させられ同時に進行させることが
可能である。

又次工程の減圧脱着工程により吸着工程中に脱着したＮ
２ガスも向流方向に排出させる。高温の後段空気によっ
て筒内は昇温し、脱着されやすい条件になっているため
に、脱着反応は容易に進行し。

大量の脱着ガスが得られる。

さらに本発明の場合熱変動を大きくし低温操作に有利に
するために前段の低温原料空気の人口端より自然流入と
同時に排出端より向流して前工程で分離生成し貯留中の
富酸素ガスを導入し真空下で断熱膨張させて排出端付近
からも冷却し、吸着筒の両端よりの冷却により筒内を均
一に温度降下させると同時に富酸素ガスの導入で吸着筒
内の酸素分圧あげ吸着の選択性を向上させる。

第２図は、上記の説明を明確にするだめのものであり、
第１図より０２の２曲線を消去したものである。従来技
術の断熱概念による圧力変動吸着分離法はＢ点から０点
又はＡ点からＢ点に圧力変化による吸着により得られる
等温吸着拳を基本としたものであり、この等温吸着曲線
をもとにして予測される酸素発生量は、あくまで理想的
状態のものであり実際はもつと低い。

本発明の場合は１曲線（１）を出発原料空気温度とし、
吸着量Ａ点の真空状態の吸着筒へ断熱膨張で流入させこ
れによる温度降下により吸着量を増して曲線（２）のＢ
点に移動し吸着圧の増加により吸着量は次牙に飽和に近
い０点に達する。−後段高温空気による温度上昇界面が
排出端に達すると、昇温により、吸着曲線は（１）に再
移動し。

吸着量は低下し、金魚へ加熱脱着する。

次に減圧脱着で、ｆ＋点を出発してＡ点に回帰再生じ脱
着は完了する。以下この工程を繰り返す。

本発明は、圧力変動下において温度変動を与え、　　て
２つの異なる等温吸着曲線間を移動させて脱着量を大き
くし吸着量を増加させて吸着剤の利用率を向上させるこ
とを目的としたものである。

次に本発明システムを図面で説明する。

第３図は本発明システムの説明図であり、（１）。

（２）は吸着筒、（３）は生成分離した０２ガスの貯留
槽であり、（４）は空気圧縮機、（５）は真空ポンプで
ある。

これらを継ぐ配管中には、（６）〜（２）の自動・くル
ブが設けられてあり、さらに（６）は生成０２ガスの取
出・くルブである。

（６）　、　（８）のバルブの外系には（１３）　、　
（１４）の逆止弁が設けられており、さらに（５）の真
空ポンプの内系にはθ５）の逆止弁が配置されている。

まず吸着筒（１）で吸着操作を行う場合。

（１）の吸着筒は、前工程で減圧脱着され真空状態にあ
り、　（６）　、　（７）　、　ＱＯ）の各バルブは閉
じられている。

（３）の貯槽には、前工程で得られた０２ガスがカロ圧
貯留されている。加圧系にある０２）のノ＜ルブも閉じ
られている。

（６）　、　（１０）のバルブを開いて、真空減圧中の
吸着筒へ大気圧の前段原料空気を逆止弁に）より（６）
を経て自然流入させると同時に、（３）にある０２ガス
を（０）のバルブを経て向流させて吸着筒へ導入する。

原料空気および向流０２ガスは、断熱膨張により冷却さ
れると共に、吸着反応が進行し、筒内圧力は上昇し、大
気圧と平衡する様になる。この圧力平衡に到達する直前
より、（４）の圧縮機より、後段の加圧高温空気を、（
８）のバルブを閉じ、（６）のノ＜ルフ゛を開いて圧入
すると、逆止弁（１３）　、α４）は圧力によって閉鎖
され、吸着筒（１）内は加圧され始める。

筒内（１）で分離生成された０２ガスは、ノ＜ルブ（ｌ
Ｏ）を経て貯槽（３）へ圧送される。吸着飽和界面が・
（ル）゛（ｌＯ）に達する直前に（０）、’　（６）　
、ぐ２）が閉じられ、（７）が開かれると、筒（１）内
の加圧空気は向流排気されて。

バルブ（７）　＊経て真空ポンプ（５）に吸引され始め
る。

また大気圧以上の一部のガスは逆止弁０５）をへて犬気
へ放出される。大気圧以下になると、逆止弁０５）は自
動閉鎖され、さらに筒（１）内は減圧脱着され再生され
る。

以上の様な操作が吸着筒（１）と（２）に対して交互に
繰り返され、連続的に吸着、脱着が行われる。

本発明システムは以上詳記した様な構成から成るもので
あり、従来方式のものに比して次の様な特徴を有する。

（１）吸着剤の量で、−筒当り約り５％少なくすること
ができる。従って同じ容量でも小型化でき。

コストも安くなる。

（２〉　　小型化できるので、圧損が減妙、動力消費が
少なくなる。

（３）単位時間自りの操作回数を多くできる。従って発
生量を多くできる。

（４）除湿装置を入れなくても良い。これは後段ヌｌ のガス温が高いために、相対温度が低くなり。

前段空気の湿分希釈効果に因るためである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ゼオライトモレキュラーンーブズの吸着等温
曲線、牙２図は、第１図の０２の２曲線を消去して、　
Ｎ２のみを大きく表わしだ図である。 牙３図は１本発明システムの説明図である。 出願人　豊　臣　英　延 図１ 図２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 吸着剤を充てんした吸着筒を使用して加圧握着。 減圧脱着操作によって、空気中の酸素を分離濃縮するシ
   ステムにおいて、該吸着工程が、大気圧下の前段原料空
   気を自然流入させて、原料空気よりも低温で吸着を行わ
   せる前段操作と、該操作にひきつづき、前段より高温の
   加圧原料空気を該筒内に圧入する後段操作より成ること
   を特徴とする空気中の酸素の分離濃縮システム。