JPS59199503A - 酸素濃縮の方法および装置 - 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】 （発明の分野） 本発明は、空気から富酸素ガスを生成させる方法および
装置ｉ’：ｅに関し、更に詳しくは窒素を酸素より選択
的に吸χ１する吸着剤を用いて圧力変動吸着（ＰＲＥＳ
ＳＵＲＥ　　５ＷＩＮＧ　　ＡＤＳＯＲＰＴＩＯＮ−以
下ＰＳＡと云う）により、空気中の酸素より高い酸素濃
度を有するガス、すなわち富酸素ガスを生成させる方法
および装置に関する。

（発明の背景〕 空気から簡便に富酸素ガスを得ることは多くの用途を有
し、例えば呼吸器や循環器系疾患等の医療用、疲労回復
や健康増進等のスポーツ用、養魚用、家屋の換気用、さ
らに小型の燃焼装置や小規模の酸素洗処理等に使用され
る。

結晶ゼオライト分子篩等の吸着剤を用いて、ＰＳＡによ
り富酸素カスを得る方式は知られているが、吸７Ｃｆ剤
を充填する塔の数は３塔あるいは４塔が一般的であり、
かつ塔に設置されている自動的切替の電磁弁（以下切替
弁というつの数も多く、圧力変動の１サイクルのトータ
ル時間は数分間を要していた。従って一定量の富酸素ガ
スを生成させるための吸オ゛□剤の量を減少させるには
限度があり、ＰＳＡの装置も簡略化することは困難であ
った。

（発明の目的） 本発明の目的は、窒素を酸素より選択的に吸着する吸着
剤を充填せる塔の数を連続的に富酸素ガスを発生させる
に最低限必要とする２ケとし、かつこの２塔式Ｉ）　Ｓ
　Ａのサイクルシステムを工夫することにより酸素回収
率が高く、更に同一酸素濃度で同一酸素量を発生させる
ための吸着剤量（吸着剤−Ｋｇ　／酸素−トン７日）を
、従来法に比べて半減程度ですむ効率のよい方法を提供
することにある。

さらに別の１」的は、２塔式ＰＳＡの製品酸素濃度の変
動が大きくて不安定であったのを、装置起動から安定し
た酸素濃度が得られ、かつ切替弁の数を少くし簡便な装
置を提供することにある。

（発明の構成〕 即ち、本発明によれば酸素濃縮の方法および装置が提供
されるのであって、、２塔式の圧力変動吸着のサイクル
システムにおいて、空気の供給停止のステップを有し、
かつ該ステップに均圧を行い、均圧時間とトータル時間
との比は０１ないし０４１’Ｊ噌 で空気供給の流量速度は０５ないし１．５　；／ｈｒ。

Ｋｇ−ｊ吸着剤であり、吸着最大圧は０７ないし２０Ｋ
ｑ　／　ｃｍ′Ｇで、少くとも４５容量係の酸素ガスを
生成させることを特徴とする酸素濃縮方法である。

史に、窒素を酸素より選択的に吸着する吸着剤を充填し
、空気供給の入口端と富酸素ガス放出の製品端とを有す
る２つの別個の吸着塔と、少くとも最大吸着圧２．　Ｏ
Ｋｇ／　ｃｍ２ａの空気を供給する手段と、各吸着塔の
人口端に接続された大口弁および排出弁と、各吸着塔の
製品端に接続された出目弁および逆止弁と、富酸素ガス
を保持する製品タンクと、製品タンクの入口に接続され
ている逆止弁と、出［下１に接続されている製品調整弁
とを含むことを特徴とする酸素濃縮の装置である。

（発明の詳細な説明） 以下、添付図面を参照しながら、本発明を具体的に説明
する。

第１図は、本発明に係る好ましい一実施態様を示す図で
ある。

空気はコンプレッサー１により所望の圧力に昇圧され、
逆止弁２を通り、バッファタンク３に送られる。逆止弁
２及びバンファクンク３は、供給空気圧力を安定化させ
るために設置されているが必ずしも必要でない。

バッファタンク３内の空気は導管４を通り、大口弁（切
替弁）６ａ　と６ｂにより吸着塔５ａと５ｂにそれぞれ
接続されている。

吸着塔５ａと５ｂの塔内には窒素を酸素より選択的に吸
着する吸着剤として、少くとも５オングストロームの見
掛は孔径を有する結晶ゼオライト分子篩、例えばユニオ
ン昭和■製のモレキュラシーブ５Ａおよび／または１３
Ｘが充填されている。

吸着塔５ａと５ｂの空気供給端である入口端には、大口
弁６ａと６ｂの他に、更に排出弁（切替弁）７ａと７ｂ
がそれぞれに接続され、吸着塔５ａと５ｂの塔内ガスを
導管１４を通して排出する働きをする。

一方吸着塔５ａと５ｂの塔内に充填されている吸着剤に
より、空気より酸素濃度の高いガスとなつた富酸素ガス
を放出する端、すなわち製品端には、出に＋弁（切替弁
）８ａと８ｂがそれぞれに接続されており、史に逆止弁
９ａと９ｂがそれぞれの塔に接続されている。製品端の
出目弁８ａと８ｂ及び逆Ｉ［−弁９ａと９ｂは１本の導
管１０となり、逆止弁１１を通り、製品タンク１２に接
続されている。更に製品タンク１２は製品流量調整弁１
３へ］※続されている。

第１図に示した如き２塔弐ＰＳＡにおいて、酸素回収率
の高い、かつ同一酸素濃度で同−ｅ素量を発４：させる
だめの吸着剤量（吸着剤−に９／酸素−トン／日、ＢＥ
Ｄ　　５ＩＺＥ　　ＦＡＣＴＯＲ−以下ＢＳＦという）
を小さくする効率のよいＰＳＡとするには、単位時間当
り吸着剤へ供給する空気量を多くして、酸素回収率を高
くすることである。

この為にはまず、ＰＳＡの１サイクルの時間を短くする
ことであるが、吸着剤は空気中の空気を１汲シ：“１し
脱箔する時間を必要とし、更に装置内の切替弁の切替時
間を要する。

従って１サイクルの時間を短くするには、サイクル内の
ス手ッグ数を可能な限り少くすることである。第２図の
（２）比較例１に示す如く、従来法は６ステツプが通常
であったのを、本発明に係る好ましい一実施態様を示す
第２図の（１）本発明では４ステツプとした。またＢＳ
Ｆを小さくするには、酸素回収率、すなわち供給空気中
に含有されている酸素の中で製品として取り出した酸素
の比率を高くすることで、ある。

これには吸着塔内の空気より酸素ａ度の高いガスを有効
に利用することである。このことを成すために例えば第
２図の（１）本発明に示すステップ２において、Ａ塔の
空気より酸素濃度の高いガスを該塔の窒素吸着（１′ｉ
が製品端に到達するまでＢ塔に導入し、Ａ塔は減圧し、
Ｂ塔の窒素吸Ｎ、ｌ、ｔ′ｉを人口’Ｉ：ｔｊに引きも
どしつつ昇圧させて、２つの吸着塔は実質的に同じ圧力
となる均圧操作を行うことである。

しかしながら、第２図の（３）比較例２に示す如く、２
塔式で４ステツプにすると、均圧操作を行うことができ
なくなるのを、本発明は第２図の（１）不発ｒｂ−ｔに
示す如く、空気の供給停止をすることにより、つまり空
気供給を断続的に行うことにより、均圧操作をとり入れ
るサイクルシステムの知見を得、本発明の方法を完成し
た。

本発明のサイクルシステムを第１図及び第２図の（１）
により説明する。第１ステツプは、Ａ塔（第１図の吸着
塔５ａ）　　の大口弁６ａ　を開け、入口端へ空気を供
給しながら、製品端からは出口弁８ａをＵト１け富酸素
ガスを発生させている。　一方Ｂ塔（第１図の吸着塔５
ｂ）　　は排出弁７ｂを開け、ガスを導管１４を通して
装置外に放出するブローダウン操作と同時ＫＢ塔の製品
端へ出口弁８ｂを閉め、Ａ塔の富酸素ガスの１部を逆止
弁９ｂを通して導入しパージ操作を行わせている。　こ
のパージ操作中に導入する富酸素ガスの量を調整するた
めに逆止弁９ｂの大きさ又はこの逆止弁９ｂの前や後に
オリフィス等を設けることが好都合である。

第２ステツプは、Ａ塔への空気の供給を大口弁６ａ　　
を閉めることによって停止し、一方Ｂ塔は、抽出弁７ｂ
を閉め、出口弁８ｂを開りることにより、Ａ塔内のガス
は出目弁８ａから出目弁８ｂへと流れ、この操作により
Ａ塔の塔内圧は下りＢ塔の塔内圧は上り、実質的に両塔
は均圧となる。

塔とおきかえることによって順次実施することが出来る
。

第２図に示している本発明と比較例１及び比較例２のサ
イクルシステムをもちいて、第１表に示す条件のもとに
実験した。

第　　１　　表 第２図において、供給とは空気の供給。供給停止とは空
’ＡＣの供給が停止。均圧↓は均圧操作であるが該塔は
ガスを供給。均圧↑は均圧操作であるが該塔はガスを導
入。排出はブローダウン操作とパージ操作が同時。

ブローダウンはガスを該塔の入１」端がら装置外へ放出
の操作。パージは他塔から該塔の製品端へ富酸素ガスを
導入し、入口端から放出の操作。

供給子均圧↑は空気の供給と均圧↑が同時。第２図に示
したサイクルシステムで、第１表の条件により実験した
結果を第３図及び第４図に示す。

第３図に示している如く、ＢＳＦは本発明は５００（吸
着剤−Ｋｙ、　／酸素−トン／日〕と小さく比較例１で
は２，０００、比較例２では９００といずれも高く、本
発明が一定量の酸素ガスを生成させるために吸着剤の量
を減少させることに効果があることを示している。

第４図は酸素回収率を示し、製品の抜き出し量は第１表
の条件で製品純度８０％の時、本発明０、２０　Ｎｍ”
／ｈｒ　、比較例１．　０．３０　Ｎｍ３／ｈｒ　。

比ｌ咬例２　０．１３ＮｒｎＡｒ　となり、酸素回収率
は本発明と比較例１は共に２６％であるのに、比較′例
２は１７％にとどまり、本発明は酸素回収率が高いこと
をも示している。

第５図は、第１表の実験条件の内空気供給の流量速度Ｃ
Ｎｄへｒ・Ｋｇ−吸着剤）、すなわち空気供給計のみを
変えてＢＳＦへの影響を実験した結果である。　この結
果空気供給は０５〜１．５　Ｎｒｒｉ３／（ｈｒ・Ｋｇ
−吸着剤）がよく、流量速度が０．５未満であると、吸
着塔内の吸着剤に対する空気供給が少く、ＢＳＦが小さ
くならない。又流量速度が１５を越えると空気供給が多
すぎ吸着剤の吸着、脱着の能力を越えて効率が低下し、
ＢＳＦは再び大きくなる。ＢＳＦを小さくする最適の流
量速度は０８〜１、２　Ｎｍ”　／（ｈ　ｒ−に９−吸
着剤）である。

第６図は第１表の実験条件の内、サイクルのステップの
均圧時間（２塔の空気の供給停止時間のイ（）とトータ
ル時間の比のみを変えた実験結果である。

この比が０１未満となると、すなわち均圧時間を短くす
ると均圧が不十分となりＢＳＦが大きくなり、逆Ｉ／ｉ
″０．／１０を越えると必要以上に均圧時間が長くなり
、これに反し空気の供給する時間が短くなりずぎＢＳＦ
が再び大きくなる。

最適な均圧時間／トータル時間の比は０．１５ないし０
．３５である。

更に第６図は製品の酸素濃度が低くなれば、本発明の特
徴である均圧操作をとり入れ、空気の供給を断続的に行
なうサイクルシステムの効果が弱くなることを示してい
る。製品酸素濃度が４５％未満であれば、均圧操作時に
他の塔へ供給する富酸素ガスの濃度もそれだけ低くなり
、空気の供給を断続的に行ってまで、均圧操作を行う効
果が弱くなることである。

第７図は第１表の実験条件の内、＠着塔のＭｔ大吸着圧
（Ｋ９／ｃｎ？　Ｑ　）　　のみを変えた実験結果であ
る。

最大吸着圧は０７ないし２ｏがよく、０７以下であると
ＰＲＥＳＳＵＦ’Ｅ　　５ＷＩＮＧが不十分となり酸素
回収率も低下し、又ＢＳＦも大きくなり効率が悪くなる
。２．０を越えると必要以上にＰＲＥＳＳＵＲＥ　　５
ＷＩＮＧすることになり、酸素回収率も［ＩＪ′ひ低下
し、又ＢＳＦも再び大きくなり効率が悪くなる。

第８図は、本発明の方法にもとづき吸着塔の大きさを変
えた他の実施例で、第１図の装置のフローラ用い第２図
の（１）本発明のサイクルシステムにより、吸シγを剤
−充填はｎ１５０Ｘｈ１８００（ｍｍ）、粒径８〜１２
メツシユ、モレギュラシーブスハ５　Ａを：ｑ　５４Ｋ
ｙ　ｃ　２塔の合計〕充填量、空気供給は３８．４Ｎｍ
’／ｈｒで、その他の条件は第８図に示した条件で実験
した。

製品として酸素濃度７０チの富酸素ガスを３２Ｎｒｎ”
／　ｈ　ｒで連続的に得た。

次に本発明の装置を第１図にもとづき説明する。

空気はコンプレッサ１により所望の圧力に昇圧され、逆
止弁２を通りバッファタンク３に送られる。

本発明にとって逆止弁２及びバッファタンク３は必須で
なく、コンプレッサー１を起動、停止させることにより
省略することも可能である。バッファタンク３内の空気
は導管４を通り、大口弁６ａと６ｂ　ｌ／ｉｌ：より吸
着塔５ａと５ｂにそれぞれ接続さレテイル。大口弁６ａ
と６ｂはサイクルシステムの信号（図示せず）により自
動的に切替られる。吸着堵′５ａと５ｂの塔内には窒素
を酸素より選択的に吸着する吸着剤として、少くとも５
オングストロームの見掛は孔径を有する結晶ゼオライト
分子篩が充填されている。

吸着塔５ａと５ｂの入口端には、大口弁６ａと６ｂの外
に、更に排出弁７ａと７ｂがそれぞれに接続されている
。排出弁７ａと７ｂは吸着塔５ａと５ｂの入［コ端に大
口弁と別個の導管によりそれぞれに接続することも可能
である。排出弁７ａと７ｂはサイクルシステムの信号（
図示せず〕により自動的に切替られる。吸着塔５ａと５
ｂの製品端には、サイクルシステムの信号（図示せず）
により自動的に切替られる出口弁８ａと８ｂが、それぞ
れに接続されている。更に製品端には逆止弁９ａと９ｂ
がそれぞれの塔に接続され、逆止弁９ａと９ｂに流れる
ガスの流量を調整するためにオリフィス等をこの逆止弁
の上流に設置することが好ましいこともある。

本発明の装置は、製品端の切替弁を各基に１ケとし、パ
ージのガスは逆止弁を通したことにより切替弁の数を減
じた。　出［１弁８ａと８ｂ及び逆１１−弁９ａとＯｂ
は１本の導管となり、逆上弁１１を通り、製品タンク１
２に接続されている。

逆ｄ―弁１１は製品タンク１２内の富酸素ガスがパージ
時等に吸着塔５ａ及び５ｂに逆流するのをふせぎ製品タ
ンク１２の圧を一定以上に保ち、この結果低圧力下の低
酸素濃度のガスが製品タンク１２に入らない役割をも有
している。製品タンク１２の大きさは吸着塔５ａ又は５
ｂの１／２ないし１くらいが好ましく、製品酸素濃度を
平準化し流量を安定化子る働きをもっている。

更１、製１．７．ケア５智。よ３．流工調イア、３へ接
続され、この調整弁１３は装置の停止時には信号（図示
せず〕により直ちに閉じることにより、富酸素ガスが流
出するのを防止し、再起動時には製品タンク１２のガス
を直ちに供給可能とするよう保持する役割をもたせるこ
とが可能である。

（発明の効果） 以上に説明した如く、本発明の方法によれば、従来法に
比べて酸素回収率が高くかつ吸着剤がすくなくてずみ、
安定して富酸素ガスを発生する２塔式１）　Ｓ　Ａの効
率のすぐれているものが提供されるのである。

更に、本発明の装置は、装置起動時から安定した酸素濃
度が得られ、かつ切替弁の数を減じた簡便な装置を可能
としたのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る装置の一実施態様を示す図であ
る。第２図の（１）は本発明、（２）は比較例１、（３
）は比較向上それぞれのサイクルシステムを示ス。 第３図は酸素濃度とＢＳＦの関係を、第４図は酸素濃度
と酸素回収率の関係を、本発明、比較例１及び比較例２
と対比した図である。 第５図は本発明による流量速度とＢＳＦの関係、ＢＳＦ
の関係を示す。第８図は本発明の他の実施例のサイクル
システムと圧力を示す。 特許出願人　昭和電工株式会社 代理人　弁理士菊池オ）１Ｓ− （１）本発明 第３図 酸素濃度（％） 第４６　［ 酸素濃８（％） 第５図 第６図 均圧時間／トータル時間 嘉７図 （＋）　　４（Ｊ［ 最人吠溢圧（今／ｃｍ２Ｇ） （２）３ −１： 第δ図 「　　続　　補　　正　　１１：（２）ｉ、）５昭和５
８自１１月８１１ ！＋、’＋’　＋ｉ’ｌ’　Ｉｉ’　Ｌｉ官　若杉　和
犬　殿■　　　　・Ｉｔ　　イノＩ　の　表　、Ｊく　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６
閉和５８イ１！ｔＳ　ｒ作１９／ｉ第７３００８号２　
発明の名称 酸素ｌ層線の方法および装置 ３　補１１−をする渚 Ｉｔ’　＋ｉ’ｌ出願人 イ１所　東京都港区芝大門−丁１１１３番９−弓名称　
（２００）　　閉和電丁株式会ン」代表者　ｊＭ　　本
　泰　延 ４、代理人　（郵便番号１０５） ）、ｆ：所　東京ｄ；港区芝大門−丁ｌ」１３番８は昭
和電工株式会社内 ８補止の対象 乃庸署 、補正の内容 ・腐１書右−トに「特許法第３８条ただＩ７占の規定に
よる特許出願」と加入する。 ・１、発明の名称の下行に 「２、特許請求の範囲に記載５れた発明の数　２」と加
入する。 ・２番の加入により、 「２．３．４．５および６を、それぞれ１つつつずらし
、３．４．５．６および７Ｊと訂正する。 １４−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）２塔式の圧力変動吸着のサイクルシステムにおい
   て、空気の供給停止のステップを有し、かつ該ステップ
   に均圧操作を行い、前記の均圧時間と１・−タル時間の
   比は０１ないし０４で、空砲供給の流量速度は０５ない
   し１．５　Ｎｍ′／Ｃ時間・Ｋ９−吸着剤）であり、吸
   着最大圧は０７ないし２０　Ｋ９／　ａｎ２Ｇ　　で、
   少くとも４５容量係の酸素ガスを生成させることを特徴
   とする酸素濃縮のを充填し、空気供給の入口端と富酸素
   ガス放出の製品端とを有する２つの別個の吸着塔と幹）
   少くとも最大吸着圧２０Ｋｇ／Ｃｍ′Ｇの空気を供給す
   る手段と （ハ）一端部が手段（ロ）に接続され、かつ他端部が各
   吸着塔の前記入口端に接続された導管および人Ｉコ弁と （ニ）一端ｔ′？１９が各吸着塔の前記入口端に接続さ
   れ、かつ他端部が装置からのガス放出のために開放され
   ている導管に接続されおよびそこにおける排出弁と （ホ）一端部が各吸着塔の前記製品端に接続され、他端
   部に接続された出口弁と （へ）一端部が各吸着塔の前記製品端に接続され、他端
   部に接続された逆止弁と （ト）富酸素ガスを保持する製品タンクと（チ）各吸着
   塔の前記（ホ）と前記（へ）を接続し、中途に逆上弁を
   有して前記製品タンクへ接続する手段と （す）前記製品タンクの出口に接続された製品流量調整
   弁とを含むことを特徴とする酸素濃縮の装置にｔ