JPS60246205A - Ｏ↓２製造装置の脱湿・冷熱回収方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は空気等の０２．　Ｎ２を主成分とする混合気体
より選択的にＮ２を吸着するＮ２吸着剤を使用しての０
２製造方法に於いて、再生工程時のＮ２の有する寒冷熱
を蓄冷材と接触せしめて回収し。

その後昇温したＮ２と脱湿用吸着剤とを接触せし。

めで脱湿用吸着剤をも再生する事を特徴とする０２製造
装置の脱湿・冷熱回収方法に関するものである。

〔従来の技術〕

Ｎ２吸着剤を利用した空気からの０２．　Ｎ２吸着分猛
法は、装置か小型簡易であり、又無人運転に近い殆ど保
守を必要としない利点をもつ為、０２製造梱１０〜８，
００　ＯＮｍ”　０２／ｈ程川の中小型装置として近年
使用例が増えてきており、深冷分離装置で作ら：＃する
液体酸素を輸送して使用するケースについての代替が進
行している。

この装置の代表的なものの概要を述べると。

装置は空気圧縮器、及び２塔又はそわ以−４−のＮ２吸
着塔、又場合によっては真空ポンプ等から構成される。

この装置において、１塔に圧縮空気を送ると、充填され
たＮ２吸着剤により空気中のＮ２は吸着除去さＪｌて、
残る高圧０２は吸着塔の後方に流出ｊ〜回収される。一
方、他塔では吸着したＮ２を減圧条件で放出させ（時と
して製品０２の一部を向流で流すとか、真空ポンプで強
力にＮ２を除去する方法もとらＪする）再生する。これ
を交互にくり返して連続的に０２　＋　Ｎ２を分離する
。

１−記の吸着塔に充填していたＮ２吸着剤の代表的なも
のは、ユニオンカーバイド社により実用化されたＮａ−
Ａ型ゼオライトの６０〜７０％Ｃａ交換体であり、０２
．Ｎ２２成分混合ガスからＮ２を選択的に吸着するもの
であって、空気条件１での０２の共吸着はＮ２吸着のｉ
ｏ％以１・−と推定される。

この吸着による０２．　Ｎ２分離装置は中小型領域で有
利と前述したか、ＩＮｍ”の０２をｆ＃ＩＡするのＶＣ
ｏ、７５〜Ｉ　Ｋｗｈを必要とし、大容創深冷分離法て
製造さねる０２の０．４５Ｋｗｈに比し消費電力は太き
い。又装置容量の増大に７１するスケールメリットが少
＜　、８，０００　Ｎｍ”　−０２／ｈ　Ｊソ１−の領
域では深冷分離法に競合でき々いといわねている。

従って、こねら欠点についての改善方法か神々溝えらね
るが３本発明に関連］２て改善方法を述べると以下のよ
うな障害か通常出用する。

先ず、消費電力の低減については、送風圧力を低くして
低圧で吸着操作を行なう事が考えらねるが、Ｎ２吸着量
か圧力にほぼ比例１て低１′する為、装置の容量が極め
て増大する。次に、吸着量の増大を図る為に、低温条件
で吸着操作を盲なう事か考えらねるか、この場合はＮ２
吸着弁は増大するものの吸着・脱着速度か著しく低下す
る為、同一塔長ての製品０２Ｉ＃度か室温時よりもかえ
って低下してし寸う。又温度の低下に伴ないＮ２吸着時
の０２共吸着榴が上昇する為、動力原単位が漸次上昇す
る。

〔先願発明〕

そこで既に本発明者らは、上記欠点を改善した低温、低
圧吸着条件下での高性能な０２．Ｎ２の分離方法につき
鋭意研究、実験を進める過程で。

ゼオライト系吸着剤特にＮａ−Ｘ型ゼオライトに代表さ
Ｊ′ｊる鉱物名ナトリウムファウジアサイトを充填し７
たＮ２吸着塔又はＮ２吸着塔の前方の０２濃度の低い領
域にＣａ２／８−Ｎａ１／８−Ａ　、後方の高０２濃度
域にＮａ−Ｘを充填したＮ２吸着塔か低温、低Ｙ）−吸
着条件ＦでＮ２吸着量が増大するとともに実用的な範囲
でのＮ２吸着速度の維持が可能であり。

かつＮ２吸着選択性の減少か小さいことを見出し。

こ１１に基づいた発明を既に特願昭５８−５４６２６号
。

特願昭５８−２８２８４．８号及び％願昭５８−２０４
４０８号として出願した。

以下、特願昭５８−５４６２６号に開示した発明の一実
施例について第３図を用いて説明する。

入口側ライン１を通じて圧縮機２で１０５〜３ａｌａに
加圧された空気は、流路３から脱湿塔４に入り、極めて
清浄な加圧空気となる。流路３′の後流に設置されたバ
ルブ５は開とな−）ており。

清浄な加圧空気は流路６及び開状態のバルブ７を通じて
吸着塔８に入る。吸着塔８に人−・た加圧空気はＮ２吸
着剤９でＮ２が吸着除去されて後方に行くに従がい０２
濃度が一ト昇する。この後加圧空気は開状態のバルブ１
０，１１，１２及びバルブ１１．１２の間に挿入された
製品０２タンク１３を通じて製品０２として回収される
。一方製品０２の一部は流路１４の途中にある減圧弁１
５で減圧さねて、開状態のバルブ１０′を通じて吸着塔
８′に入り吸着塔８′は開状態のバルブ１６及び流路１
７を通じて連結された真空ポンプ１８で減圧さねひかわ
−訃り、この為吸着塔８′は空気流、ねと反対方向に製
品０２の一部か負圧状態で流ね、吸着塔８′中の吸着剤
９′に吸着されていたＮ２は容易に離脱さｔ１吸着剤９
′は短時間で再生さ１１る。吸着塔８のＮ２吸着剤９か
飽和し、一方吸着塔８′のＮ２吸着剤９′からＮ２が離
脱して再生か済むと、入口空気の流路６　（ｉ７６’に
切り換え、今迄述べた方法を交互に行なうと製品０２が
連続的に回収できる。なお１人口の清浄な加圧空気のラ
イン３′と離脱Ｎ２を主成分とするガスライン１７の間
は熱交換器１９で。

熱交換可能となっており、製品０２ライン２１と流路３
′との間も又熱交換器２２で熱交換可能とな−）でいる
。又流路３′には圧縮式冷凍機２０が設置されている為
、極めて能率的に吸着塔８及び８′は冷却さね低温条件
に設定される。なお、吸着塔の切り換えにあたっては、
単純に流路６から６′へ（又はその逆）切り換えるだけ
でなく。

切り換え山稜の劉圧に伴なう入口空気の吹きぬけを防ぎ
かつ、吸着塔の後方に残存する０２及び前方の加圧空気
の系外への放出を最小にする７・〉。

先ず、バルブ１０．１５．１０’を全開にして吸１１直
後の吸着塔８の後方の残存０２を再牛肯後の（吸着塔８
′に一部移す。この時吸着塔８の１力を１１゜（ａｈａ
）吸着塔８′の圧力をＰ＋（ａｌａ）とすると、均ハ後
の圧力は約！（ａｌａ）となる。この後約Ｐｏ＋Ｐ＋ 一７＝（ａ　Ｉ　ａ　）となった吸着塔８′はバルブ１
０．１１’を開として製品０２タンク１３と吸着塔を均
圧化して吸着塔８′を更に高圧の０２で満たす。製品０
２タンク１３との均圧時の圧力Ｐ２（ａｈａ）は吸着塔
８゜８′の死容量（吸着塔内の吸着剤で占められていな
い空間の容積）をＶ＋（１）、製品０２タンクの容量を
Ｖ２（１）とし、均圧前の製品０２タンク１３の圧力を
Ｐｏ（ａｔａ）にほぼ等しいとすると、均圧化圧となり
、単に塔を切り換える時のＰ＋（ａｈａ）から））６（
ａｊａ）への急速な昇圧に比べ２以上の操作では１）＋
　（ａｈａ）、’ｏ＋　Ｐ土（ａｈａ）、］）２（ａｈ
ａ）、ｒ’ｏ（ａｔａ）とゆるやかに昇圧する為、昇圧
時の空気の吹き抜けを防止しつつ、脱着工程での残存ｏ
２．高圧空気の糸外への放出を最小にする様な対策が可
能とな−）ている。

層重の操作方法で第３図に示した空気分離装置で空気分
離を行なった。装置の操作諸元を第１表に示す。

第１表　吸着装置諸元 第１表の操作条件で空気から０２．　Ｎ２を分離１７だ
。

なお、第３図に示す工程の中、特願昭５８−２０４４０
８号に示す様に、製品０２の一部を流路１４゜バルブ１
５　、バルブ１０′の順に再生−■］程にある塔の中を
減圧条件下向流に流す事は必要ない。

なお、吸着工程（及び再生工程）終了時の塔間均圧は少
くとも６秒以−ト行なうのが望せしい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

し、かじ、第３図に示す圧力スイング方式に於いては、
以下に列挙する欠点を有している為設備費及び動力費を
上昇する事となった。

■　脱湿塔４を独立して設置している為、その分設備費
が上昇する。脱湿塔４としては、再生方式によって温度
スイング法と圧力スイ／グ法のいずれかが考えらねるが
、温度スイング法であればヒーター用電力消費と吸着剤
の補充が必要であり、圧力スイ／グ法であわげ真空ポン
プの付設（この場合吸着圧力が低いため、大気圧再生で
は不充分。）とその為の電勾消費か追加される。

（２）　入「１空気と脱着Ｎ２間の冷熱回収用熱交１９
はガス−ガス熱交となる為１価格も高くかなりのスペー
スを必要とする。

Ｃａ）−１−、Ｂピ（１）の出口霧点が何らかの理由で
一ト昇し。

た場合、吸着工程の温度（又は熱交の表面温Ｉｆ）か０
°Ｃ以下になると、熱交１９，２２冷凍轡２０、バノＬ
ブ５．６．６’　、　７．７’に水分が氷結し正常な操
作か不可能となる。又除去はかなり難しい。

（４）バルブ５．６．６’、　７．７’、　１６．１６
’、　１０．１０′、　１１．１１’。

１２、１５が低温埴になる為、保冷等について考慮する
必要がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者等は、低温低圧条件での圧力スイング式０□製
造に於けるこれ等の諸問題の解決の為。

プロセス的な検討を進める中で、再生工程に於ける脱着
Ｎ２の有する冷熱の蓄冷材による回収と。

脱着Ｎ２と脱湿用吸着剤との接触による脱湿用吸着剤の
再生を行ない、吸着工程に於いて入［１空気中の水分の
脱湿用吸着剤による除去と、蓄冷材による冷却の可能な
ことを見出した−６この事により独立した脱湿装置２人
口空気−脱着Ｎ２ガスーガス熱交は省略される事となり
１−記諸問題が解決されるとともに大幅な設備費の低減
と脱湿用動力の削減が実現した。

すなわち１本発明は１合成ゼオライ］・早成着剤、特に
Ｎａ−Ｘに代表される鉱物名すトリウムファウジャサイ
トを充填したＮ２吸着塔又は前方にＣａ２／３−Ｎａ１
／３−Ａ、後方にＮａ−Ｘを充＊　１．。

たＮ２吸着塔で少くとも２塔の吸着塔において。

室温以下の温度下で、酸素及び窒素を主成分とする混合
気体を大気圧以−１−８ａｔａ以下で吸着塔に流入させ
て該混合気体に含捷ねる窒素を選択的に吸着せしめ、該
吸着塔出口から高純１＃酸素又は酸素富化ガスを流出さ
せ、一方窒素を吸着した吸着塔を０．０８ａｌａ以上０
．５　ａ　ｌ　ａ以下に製品再循環する事なく減圧せし
めて再生することを特徴とする０２製造方法に於いて、
入口空気側から。

脱湿用吸着剤及び蓄冷材及び寒冷熱供給用の空気−寒冷
熱の熱交及びゼオライト系のＮ２吸着剤を順に結ひ、吸
着工程に於いて、入口空気側から逐次脱湿用吸着剤によ
る脱湿及び蓄冷材と空気との接触による冷却、及び寒冷
熱供給用の補給、および上記吸着圧力条件でのゼオライ
ト系Ｎ２吸着剤による空気からのＮ２吸着除去による０
２製造を行ない、再生工程に於いては、上記減圧条件下
で向流方向にＮ２を脱着して、壕ずＮ２の有する寒冷熱
を蓄冷材と接触せしめて回収し、その後昇温したＮ２と
脱湿用吸着剤とを接触せしめて、脱湿用吸着剤をも再生
する事を特徴とし。

従来の独立した脱湿装部、ガスーガス熱交による冷熱回
収を省略し、脱湿用動力費の削減及び設備費の低減する
事が出来る０２製造装置の脱湿冷熱回収方法を提案する
ものである。

〔実施例〕

以下本発明の方法について実施例により詳細に説明する
。

（１）第１実施例 本発明の有効性を実証する為第１図にｉＪ’：゛ｊ空気
分離装置で空気からのＮａ−Ｘ勢のナトリウムファウジ
ャサイト糸のＮ２吸着剤にＪ、る０２゜Ｎ２分離を試み
た。

以下第１図に基づいて実施した内容を説明する。

フィルター３０人口流路３１を通じて圧縮機３２で約７
５０　ＮｍＶｈの空気が１．０５〜８　ａ　Ｉ　ａに加
圧され、流路３３．アフタークーラ３４を通過して３０
°Ｃ迄冷却される。この後間いたバルブ８５流路３６を
通じて脱湿塔３７に入る。脱湿塔３７には水分吸着用吸
着剤３８としてノリ力ゲルが約２５ｋｇ充填さねており
、ｊＩ点−７０’Ｃまで水分が除去される。

その後流路３９には、製品０２ライフ４０とグレートフ
ィン熱交４１が設置さねており、製品０２温度はプレー
トフィン熱交４１で一１５°Ｃから３０°Ｃに−１−列
する。その時脱湿塔３７で脱湿さＪまた空気はプレート
フィン熱交４１で３０°Ｃから２５０Ｃに冷却さねて流
路４２を通じて、蓄冷塔４３に入り蓄冷材４４と接触し
なから降温し、蓄冷塔４３の出［１では一１０°Ｃ１で
冷却される。

本実施例では蓄冷材４４と［７て厚さ０．６　ｉ＋ｍ幅
１６　ＩＩＩｍのアルミニウム波板を使用し、１塔当り
５０ｋｇ充填した。−１０°Ｃに冷却さえＩだ空気は、
冷凍機４５から流路４６を通じて流ねる一２２°（：の
フレオンで熱交４７でさらに冷却さね約−１５℃の最寒
冷温度となり流路４８を辿じてｏ２吸着剤４９としてＮ
ａ−Ｘが約２．５ＴｏＮ充填さねたＮ２吸着塔５０に至
る。空気中のＮ２けＮ２吸着剤４９で吸着除去きねて０
２濃度は十昇し、出口流、路４０プレートフィン熱交４
１．開いたバルブ５１を通じて流路５２から、０２濃度
９３％の製品０２が１１ＯＮｍ８−０２／ｌ＋採取され
る。

一方再生工程にあるＮ２吸着塔５０′は、バルブ８５’
　、　５１’　、　５８．５４を閉じた状態でバルブ５
３′ヲ開は真空ポンプ５５により流路５６を通［［て減
圧されており、　Ｎ２吸着剤４９′からはＮ２か吸着時
とけ向流方向に離脱している。離１１Ｒ，ｌたＮ２は、
流路４８′、熱交４７′を経て蓄冷梧４３′に入り蓄冷
材４４′により冷熱を１１１１収さね、流路３９′では
約２５°Ｃに寸で引温する。この後脱湿塔３７′を吸着
時とけ向流に減圧条件下でφ燥Ｎ２か肺れる為、水分は
吸着剤３８′から離脱１．てＮ２と共に流路３６′、バ
ルブ５３′、流路５６を通じて勇空ボ／グ５５から系外
へ放出される。

本実施例に於ては、吸着ｒ：　Ｐ；を７５秒、［Ｉ）牛
工程を６０〜２４０秒で文句に切り換えた。。

なお、塔を切り換える直前に、バルブ３５゜８５’　、
　５１．５１’　、　５８．５８’を閉じバルブ５４の
みを開いて吸着工程時のＮ２吸着塔５０の後方に濃縮（
７た残存０２を減圧条件下にあるＮ２吸着塔５０′−＼
移して２塔間の圧力を等しくシ、た。こねは０２回収率
の向−ト及び圧力の昇降をゆるやかに１７て塔内Ｕよう
乱を抑制する十で極めて効果がある。（本工程を省略す
ると０２の回収率は７０％前後から約４０％に激減する
。） なお＋　Ｎ２吸着塔５０．５０’　、熱交４７．４７’
、蓄冷梧４８．４８’、プレートフィン熱交４１．４１
’は全体を保冷材５７で四重ねている。

以上の操作方法で第１図に示した空気分離装置で空気分
離を行な−）だ。装置の操作諸元を第２表に示す。

第２表　吸着装置諸元 第２表の操作条件で空気から０２．Ｎ２を分ぬ１した。

第２図および第１表に示す従来例と、第１図および第２
表に示す本発明の一実施例との実験結果の比較を第３表
に要約する。

（従来例脱湿工程としては、吸着圧力１．２ａｔ；ｉ再
生圧力０．０５ａ＋ａの圧力スイング法を前提とした。

） 第３表　従来例と本発明の一実施例の比較（操作条件　
吸着１力゛“貼再４−Ｉｆ力０．２ｍ１ａ・切換“５間
°°秒・塔間均Ｈ時間）１０秒、吸着温度−１５℃ （２）第２実施例 第２図に示す様に第１実施例に於ては、脱湿塔８７．８
７’、熱交４１．４．１’　、　４７．４７’　、蓄冷
塔４３゜４８′、　Ｎ２吸着塔５０．５０’は流路８９
．８９′、　４２．４２’　。

４８、４８’により結ば′Ｉ］ていだが１本発明では。

Ｎ２吸着塔５０又は５０′の中に入口空気側より脱湿剤
８８．８８’　、空気−製品０２熱交４１，４１’、蓄
冷剤４４．４４’、最寒冷熱交４７．４７’を組み込み
、第１実施例よりも更に簡略化を計ったものである。な
お、第２実施例を例示する第２図に於て、第１実施例（
第１図）と同一の部品には同一の符番を付けている。作
用及び機能は全く変らないが、装置を簡略化する事にま
り塔槽類の設備費を１０％軽減した。又侵入熱を約１５
％低減した為冷凍機４５．最寒冷熱交４７゜４７′、保
冷材５７もそねに比例して節約された。

（３）第３実施例 第２実施例に於いて、Ｎａ−ＸのかわりにＮ２吸着塔５
０．５０’の前方にＮ２吸着剤４９．４９’とじてＣａ
２／８−　Ｎａ　］／８−　Ａを、後方にＮａ−Ｘを充
填−ｒる事により第１．２実施例で１１０　ＮｍＬ０２
／ｈの９３％の０２を製造するのにＮ２吸着剤４９．４
９’　Ｉ基当り２．５ＴＯＮ充填しティたのに対し、　
、２．１１’ＯＮ　（ｂ充填に節約（約１５％）できた
。なお、［用収イ′はほとんど変らない。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように３本発明は所委の動力原単位
及び設備費が従来の０２製造装置に比べ少なく、産業−
ト非常に有用な混合気体からの０２製造装置の脱湿・冷
熱回収方法を提案するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の０２製造装置の脱α・冷熱回収方法の
第１実施例を実施するのに用いられる空気分離装置の例
示図、第２図は本発明の０２製造装置の脱湿・冷熱回収
方法の第２実施例を実施するのに用いられる空気分離装
置の例示図。 第３図は従来の分離方法を実施するのに用いら７する空
気分離装置の例示図である。 ３７・３７′　脱湿塔、３８・３８′　水分吸着用吸着
剤。 ４１・４１′　プレートフィン熱交、４３・４３′・・
・蓄冷塔。 ４４・４４’　蓄冷材、４９　・４９’　−Ｎ２吸着剤
、　５０・５０’−Ｎ２吸着塔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ゼオライト系のＮ２吸着剤を充填した少なくとも２塔の
   吸着塔に室温以下の温度下で、酸素及び窒素を主成分と
   する混合気体を大気圧以上３ａｌａ以下で吸着塔に流入
   させて該混合気体に含捷ねる窒素を選択的に吸着せしめ
   、該吸着塔出口から高純度酸素又は酸素富化ガスを流出
   させ。 一方窒素を吸着した吸着塔を０．０８ａｔａ以上０５ａ
   ｌａ以下に製品再循環する事なく減圧せしめて再生する
   ０２製造方法に於いて、入口空気側から。 脱湿用吸着剤及び蓄冷材および寒冷熱供給用の空気−寒
   冷熱の熱交及びゼオライト系のＮ２吸着剤を順に結ひ、
   吸着工程に於いては、入口空気側から逐次脱湿用吸着剤
   による脱湿及び蓄冷材と空気との接触による冷却および
   寒冷熱供給用の補給ふ・よひ、−ト記吸着圧力条件での
   ゼオライト系Ｎ２吸着剤による空気からのＮ２吸着除去
   による酸素製造を行い、再生工程に於いてＮｊ’、、Ｉ
   ’、；ｔｌ：減圧条件下で向流方向にＮ２を脱着して１
   才ずＮ２の有する寒冷熱を蓄冷材と接触せしめて回収ｌ
   ２．。 昇温したＮ２と脱湿用吸着剤とを接触せ［７めて脱湿用
   吸着剤をも再生する事を特徴とする０２製系装置の脱湿
   ・冷熱回収方法。