JPS6096510A - 酸素に富んだ生成物の製造法 - 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、選択吸着によるガス分離に関しかつ特に、工
業的に有用な酸素含有率のガス生成物を周囲空気から回
収することに関する。

（従来の技術） 米国特許４０１３４２９号に、選択吸着による空気分別
について先行特許文献中に開示された種々の系の論説が
記載されている。概し【、これらの先行技術の方法は通
常、供給空気を通す、窒素保持にとって選択性のある吸
着剤の床をもつカラムを用い、このカラムから酸素が高
度に富んだ第一次流出ガスが排出される。鴛素負荷床の
再生は減圧及び／又は床をガス流でパージすることによ
り行なわれる。これらの先行技術の方法の目的は約８０
％のＯｌより高酸素含有率の生成物流を得ることであっ
て、そのプロセスの諸工程と操作染件はこの目的を達成
するように設計されている。

かかる高黴度方法についての酸素回収率（これはを気供
給意中の全酵素の百分率としての実際に空気として回収
された酸素と定義される）は約４０チのオーダーである
。より低い酸素含有率の生成物を得る仕方で高渦度法を
操作すると、回収効率はより低くなりさえする。

吸矯工程において、最初の高圧を、かつ窒素脱着（ＰＳ
Ａ）の間に大気圧に近い圧を使用する、このような先行
技術の方法の例として、米国特許第２９４４６２７及び
３７１７．９７４号が挙げられる。

他の記載された先行技術の方法においては上記床からの
窒素の脱着は減圧下に行なわれる（ＶＳＡ）その例とし
℃米国特許第４７９ら０２２；４０１３４２９；４１２
ｃ４４２４及び４１６ａ１４９号が挙げられる。

鷺素の遁択保持にとって有利な吸着剤は市販の合成ゼ第
２イト’ＪＡ、例えばＡＭ、Ｘ型及びモルデンふつ石で
ある。先行技術の方法の大ていにおい壬は、供ｉ２ｉ：
、気を窒素吸着床に導入する前にこの空気から水とＣｏ
、を除去することが規定されている。

（発明が解決しようとする問題点） 高度Ｋｆｆ＆素に富んだ空気が泉水又は所望される多数
の用途があるけれども、より低い酸素濃度の空気が使用
でき、かつ使用されるいくつかの工業的方法もある。か
くして、各種の燃焼法におい【、かつ化学及び生化学反
応器内で、約２３ないし４５％の範囲内の０．を含有す
る空気が使用される。このような中程度の酸素に富んだ
空気は、液又は気体状の比較的純粋な酸素を周囲空気流
に添加することにより得られる。このような方法は技術
的には満足であるけれども、この方法は比較的高くつき
、かつ他の方法ならば、このような中程度の酸素に富ん
だ空気生成物の使用から利益を得るであろういくつかの
用途においては経済的に好ましくないことがある。

本発明の目的の一つは、調整された、中程度の酸素に富
んだ冶用な生成物ガスを高い酸素回収効率で周囲空気か
ら製造する簡単かつ経済的方法を提供することである。

（問題を解決するための手段） 本発明に依れば、酸素含有率が２３ないし５０容量−が
ある酸素に富んだガス生成物を選択吸着技術により周囲
空気から製造することができる。

本発明の実施においては非常に簡単化した断熱圧振動サ
イクル（ＰＳＡ）が使用される。本方法は、窒素選択吸
着剤床をもつカラムの圧が大気圧から数気圧になるまで
供給空気をカラムの一端に入れることにより操作される
。ついで、カラム圧は、空気をカラムの他端から除去す
ることＫより、中圧水準に減少させる。ついでカラム圧
を更に最初の突気入口端からガス抜きすることにより大
気圧に減少させ、かくして上記サイクルを完結し、サイ
クルシーケンスの繰り返しのためのカラムを用意ｆる。

このよ５なはどよい操作により、２３−２６％の酸素含
有率の酸素く富んだ生成物ガスが得られ、供相空気から
約７５ないし８５％の酸素が回収される。

（発明の効果） ５０％までの酸素を含有する如き、−ｉ高い配素含有率
のｒ６．素に富んだ生成物ガスは上記サイクルシーケン
ス中に追加工程を含むことにより得られる。カラムから
のガス抜き取りについで、上記床を上記酸素に富んだ空
気生成物の部分でパージする。代りに、ある場合には、
周囲空気から約３０ないし５０１％までの酸素を持つ流
出ガスを得、ついでこのガスを単純に周囲空気で希釈し
て０！が所望の２３ないし３５％の範囲内にある如き一
層低い酸素含有率の混合生成物ガスを得ることができる
如きゃ件下に本発明方法を操作することが有利であるこ
とが見出された。

添付図面に限定されないのであるが、第１図に示した実
施態様は並列で操作されるＡ％Ｂ及びＣで示した３個の
吸着剤カラムを示している。供給空気を１０で圧縮し、
水冷却器４０内で周囲温度近くに冷却し、凝縮水除去用
突出ドラム４１を通し、２イン１１を経てカラムの内の
選ばれた一つに入り、ついで生産状態になる。各カラム
に二層の充填剤を充填する。供給端にある層は水及び二
酸化炭素の少くとも部分を供給空気から除去することに
なろう。概してこの目的のため使用される公知の吸着剤
のいずれもが、例えばＡ型又はＸ型分子節ゼオライト、
アルミナ、シリカゲル及び活性炭が使用できる。隣接第
二層用として、輩素保持に対して選択性のある公知の吸
着剤のいずれも、例えば種々の陽イオンと又換できる合
成モルデンふつ石、又はＡ型、又はＸ型分子節ゼオライ
トを使用できる。

カラムＡが流入突気供給を受取ることになると仮定する
と、カラムＡは先ず大気圧下にあることになろう。弁１
２を開き、弁１３と１４を閉じると、第一工程としてカ
ラムＡ内への圧縮空気の導入が、カラム内で予定の過圧
水準に達するまで続けられることになろう。この圧水準
は約１０気圧まで、好ましくはＬ５ないし４気圧の範囲
内にあり得る。サイクルシーケンスの次工程ニおいテハ
、弁１２を閉じ、弁１４を開くと、酸素に富んだ一次流
出ガスがカラムＡから取り出されてツイン１５を経て、
生成物サージタンクとして役立つ集合容器１６内に入り
この夕、ンクから濃縮生成物ガスをライン１８を経て所
望用途用に取り出すことができる。カラムＡからの生成
物の取り出しは、カラム内の圧が大気圧より高い予じめ
セットした中水準に減らされるまで続けられる。

予定の中圧水準に達した時、弁１４を閉じ弁１３を開き
、カラムＡをガスを抜いて大気圧にし、残存ガスを脱茄
してライン２０を経て排出する。

ついでカラムＡは操作のシーケンスの繰り返しができる
ように用意し、これに周囲空気を再び入れる。

力２ムＢとＣについてのプロセス工程は、今度は少しず
らした関係で、カラムＡについて述べたのと同じシーケ
ンスを辿る。３カラム系の特定カラムと連合した弁の位
置を、９０秒操作サイクルに基づいて第１表に示してあ
り、このサイクルにおいては供給ガスは系に連続的に導
入され、系から連続的に取り出される。

第　１　表 時間　カラム　弁 ０−３０ＡｄＤ２Ｄ１　０ＣＣＣＯＣＣＣＯ３０−６０
ＤＩＡｄＤ２　ＣＣ００ＣＣＣＯＣ６０−９０Ｄ２ＤＩ
Ａｄ　Ｃ０ＣＣＣ００ＣＣＣ；閉　Ａｄ　＝吸着 Ｄ＝開　Ｄｉ　＝第１脱加圧 Ｄ２−第２脱加圧 第１表は９０秒３工程サイクルを示しているが、より長
い又はより短かい操作サイクル、例えば、（１）輩素吸
着、（２）中圧水準への脱過圧及び、（３）大気圧への
ガス抜きについての時間を等しくした約３０ないし１２
０秒のサイクルを使用してもよい。

上記３工程サイクルは周囲を気を２３ないし３０％の酸
素含有率にするのに使用できる。上記プロセスは力２ム
３簡のシステムについて述べているが、サージ容器を適
当な寸法にすることにより、僅かに１ｌｌｉｌ又は２ｓ
のカラムを用いても上記プロセスを実施できる。

第２図に示した実施態様は２３ないし５０％の酸素含有
率をもつ生成物ガスの製造用に用いることができる。こ
の目的のために、ガス抜取工程についで操作中のカラム
がパージされる追加工程がサイクルにおいて用いられる
。各カラム内のｅ、着剤充填は前述と同様である。

第２図の実施態様における４ｗＡのカラムはＡないしＤ
の記号をつけである。前同様、力２ムＡを引き合いにす
ると、このカラムは先ず大気圧下にある。弁１３と１４
を閉じ、開放弁１２を通じて、凝縮水除去後の周囲温度
に近い圧縮供給空気を導入することにより、カラム内の
圧を予定の過圧水準（１，５ないし４気圧）に上昇させ
る。ついで、弁１２と１３を閉じ、開放弁１４を通じて
生成空気を抜き出すことにより、圧を大気圧より高い中
水準に減少させる。生成ガスはライン１５を経てタンク
１６に又はこれを生成する他の一つのカラムに通される
。サイクルの第３工程においては、弁１２と１４を閉じ
、弁１３を通じて残留ガスを床から抜き出すことにより
、カラムＡ内の圧な大気圧に減少させる。このガス抜き
Ｋついで、サイクルにおける第３工程として、ライン１
５を経て生成物サージタンク１６から、又は空気をつく
る他の一つのカラムから取り出され、ガス抜きのための
開放弁１４と１３によりカラムＡを通される空気で力２
ムＡをパージスル。

このパージ工程はカラムがら一層多くのＮ、を脱着し、
ａ着物質移動帯域を鮮鋭化し、かつ次の繰り返しサイク
ルのつづく吸着工程において一層高い酸素含有率の生成
ガスをつくる。カラムＢ１Ｃ及びＤについてのプロセス
のシーケンスは同じであるが、諸工程を少しずらして、
生成物生成工程及び空気供給工程がサイクル中くまなく
連続であるようにする。４床系についての弁のシーケン
スを笛２表に示しである。この場合にも又、プロセスは
、適当の寸法の生成物サージ容器を用いることにより１
個ないし３個の力゛ラムを用いて実施できるであろう。

：１ＯＩＪＯｕ ’ｌ：ｌＱ　ｏｏ　○ 写１ｌ−）Ｑ　○　Ｑ ＜１ミ８８１ 上記４工程サイクル並びに３工程サイク／ｌ／において
、プロセスの温度範囲は１ｏないし６０”Ｃであり得る
。又、上記４工程サイクルは、４工程の各々の時間を等
しくして、１２０秒より一層短い又は長い時間、例えば
３ｏないし、９６０秒の範囲内で実施できる。

（実施例） 実施例１ ３工程式で操作した実験において、使用した吸着剤床の
各々は、経が４インチ（１α工６ｃＩＩＬ）で長さが１
６フイー）　（４，８８メートル）であった。

各床におけるＣｏ、及び水除去用吸着剤層は１４ボンド
（６，３５〜）のＸ型分子節であり、窒素保持層は４２
ボンド（１９Ｋｔ）の同じゼオライトであった。カラム
は先ず、７．３８　ＣＦ　（２０％リットル）の周囲空
気を入れることにより大気圧から３気圧にする。ついで
カラム圧は、２５容量−の酸素含有率をもつ＆ｌ５ＣＦ
（１４４リツトル）の空気を取り出すことにより、３気
圧からＬ７気圧に減少した。最後に、ガス抜き取り及び
繰り返しサイクルにより、カラム圧を大気圧に減少させ
た。

供給空気の酸素含有率の８３チがガス生成物において回
収された。

実施例２ ４工程式の操作を用いる実験において、床の寸法と吸着
剤層は前実施例の場合と同じであった。

最初の吸着工程において、’１．３ＢＣＦＣ２０７リツ
トル）の空気供給量の導入により、カラム圧を大気圧か
ら３気圧に増加させた。ついで、生成ガスを取り出して
圧を２気圧に減少させた；その後、力２ムからガスを抜
き取って１気圧の圧にした。

最後に、吸加剤床をサージ容器から取り出したガス生成
物でパージした。得られた生成物の比率は床につぎ４．
０８ＣＦ（１１３，０リット／Ｌ−）であり、空気の純
度は酸素が２＆（ｌであった。生成ガスにおける供給空
気からの酸素回収率は７３％であった。い（つかの燃焼
法においては、周囲空気を用いて祷ることのできる火炎
温度より一層高いそれが必要であることが見出されてい
る。このような一層高い火炎温度は、使用空気の酸素含
有率をほどよく高めることにより達成されている。酸素
含有ガスを用いるこれらの及び他の方法については、使
用空気を通常の２１−の酸素から２５ないし３５％の酸
素のオーダーの水準に富ませることにより、燃焼効率を
倍以上にすることができる。

従来、このような酸素に富んだガスは純酸素の添加によ
り得られた。純酸素の混合物は比較的高くつき、かつあ
る潜在消費者により危険とみなされる。本発明は、周囲
空気から直接４５−までの０゜を含有する、工業用途用
の中程度に富ませたガスを得るための、簡単かつ経済的
に魅力のある手段を提供する。通常の燃焼法におけるか
かるガスの使用の他、これらは化学及び生化学反応器内
で使用される種々の酸化プロセスにおいて有利に使用で
きる。

２３−２６−００．の酸素に富んだ生成物は第１図及び
第１表の３工程グロセスシーケンスの操作により周囲を
気から直接得ることができるゆれども、第２図及び第２
素のグロセスシーケンスを用いて、２６ｇ６を越え約３
０−４５−まで００゜の酸素に富んだ生成物の流出ガス
を作り、この得られた流出ガス生成物を大気圧空気で希
釈して、２３−２６％の範囲内の所望の酸素濃度の生成
物を提供することが経済的に一層効率的であることが見
出された。

実施例３ 第３図のグラフＢに示す各濃度において約２５−から４
８％に漸増する酸素濃度及び酸素回収−をプロットした
、本発明に依る酸素に宵んだ生成物を作る条件下に、多
くの個別実験を第３図に示すように行なった。これらの
操作は、Ｃｏｔの無い乾燥空気供給量を用いて２１℃で
かつ４０　ｐｓｉｇの連成操作圧で行なった。圧減少水
準を１１１整し、かつパージ時Ｉｌｊを実験毎に増加し
て、増加した酸素を得た。

第３図のグラフＡはゼオライト吸着剤の使用量を、床内
吸石剤の１０万ボンド邑り生成含有酸素のボンドモルと
して記録したものである。

周囲空気と、吸着プロセスからの酸素に富んだ流出ガス
との混合を第４図に図示しである。周囲空気Ｆを数気圧
の所望圧に圧縮し、第２図に示した如き選択吸着系に装
入して２６％を越える酸素ｎ肛をもつ酸素生成物Ｅを得
る。脱着筋ガスＷ及びパージガスをカラムから抜き取る
。所望の酸素濃度の最終生成物Ｐを得るため、周囲空気
Ａ（２１％酸素含有）を所望の酸素濃度を与えるのに適
した量、混合する。

第　３　宍 ｒＲ素２５チの空気を作る、第４図による物質及びエネ
ルギーの収支 ０．２５　０．８４　ＯＬ４２　１．０　０．５２　２
３３２ＯＡＩ０　０．７１　０．５６　０．８９　０．
４４　０４４　１５１１０．４０　０．５６　０．７９
　０．７２　０，２１　０．４２　１２５３α５０　０
．４８　０．８６　α６８　０．１４　０．４３　１１
６９第３表は直接作られる２５％Ｏｔの生成物と比較し
て、周囲空気を添加する３０．４０及び５０％Ｏ１の酸
素に富んだ流出ガスを用いて２５　％　Ｏｔ濃度の生成
物を作る、第３及び４図による物質とエネルギーの収支
を示している。この表は数水準の酸素象度における吸着
プロセスからの酸素の回収率（Ｒ）、２５％Ｏ，生成物
を作るために用いられる酢加周囲空気の比率（Ａ／Ｐ　
）及び酸素に富んだ流出ガスの比率（Ｅ／Ｐ）；　Ｐを
作るために用いられる供給空気の量（Ｆ／Ｐ）、生成物
のポンドモル当りのＫＷＨとして必要な全エネルギー及
び２５チＯ１濃度の生成物を作る際に使用される窒素保
持吸着剤のボンド量を示している。

第３衣かられかるように、２５％の０．に富んだガスの
直接製造にくらべて、濃縮プロセスを用いて４０％酸素
ガスをつくり、これを希釈して２５０、濃度に戻す場合
には全エネルギー必要量が２５−減少し、かつ吸着剤量
が５０チ減少する。

第３表は特に、３０ないし５０チの酸素濃度の酸素に富
んだ流出ガスを得て、この流出ガスを周囲空気で希釈し
て、２５％Ｏ，ｆｉ度の最終ガス生成物を得る条件下に
本発明方法を操作することに関するものであるが、約２
５ないし３５１０．の範囲内の他の所望生成物も同様に
、周囲空気添加量を本発明により作られる酸素に富んだ
ガス流に比例させることによりつくり得ることが理解さ
れるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は２３ないし３０％の酸素含有率を持つガス生成
物を周囲空気から製造するための本発明を実施するのに
適した系のフローシート図、第２図は、２３％を越え５
０％までの酸素含有率を持つガス生成物を周囲空気から
製造するための本発明を実施するための系の７０−シー
ト図、第３図は、（ａ）種々の水準の酸素純度における
単位吸着量当りの供給空気から製造される酸素重量及び
、（ｂ）これらの０．純度水準における、供給空気から
の酸素回収率を示す一連のグラフ、第４図は、本発明の
代替実施態様の図式フローチャートである。 特訃出願人　エアー、プロダクツ、アンド、ケミカルス
、インコーホレーテッド ＩＧ　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（１）供給空気を窒素保持におい【選択性のある吸
   着剤の床に導入して、上記床内の圧を大気圧から約１０
   気圧を越えない一層高い水準に増加させ、 （２）ついで酸素に富んだ生成物ガスを上記床から取出
   し、これを集めることにより法王を大気圧より高い中水
   準に減少させ、かつ （３）その後、床からガスを抜いて床内に大気圧を回復
   させる諸工程を含む、中程度の酸素濃度をもつ生成物流
   を周囲空気から得る方法。 ２、上記酸素に襖んだ生成物ガスの取出しが、供給空気
   の床内への最初の導入の流れ方向と同じ流れ方向で行な
   われる、特許請求の範囲第（１）項による方法。 ３、上記床からのガス抜きが上記酸素に富んだ生成物ガ
   スの取出しの流れ方向と反対の流れ方向で行なわれる、
   特許請求の範囲第（２）項の方法。 ４、上記供給空気の床内への最初の導入が上記床がＬ５
   ないし１０気圧の範囲内の圧水準に達するまで続けられ
   る、特許請求の範囲第（１）項の方法。 ５、上記供給空気の最初の導入が、上記床が約３気圧の
   圧水準に達するまで続けられる、特許請求の範囲第（１
   ）項の方法。 ＆　上記圧水準が、酸素に富んだ生成物ガスを上記床か
   ら取出すことに°より約３気圧から約Ｌ７気圧に減少さ
   れる、特許請求の範囲第（５）項の方法。 Ｌ　上記供給空気の床内への最初の導入が上記床が１．
   ５ないし４気圧の範囲内の圧水準に達するまで続けられ
   、その後、酸素に富んだ生成物ガスを床から取出すこと
   Ｋより、法王を上記生成物ガスが２３ないし２６％の範
   囲内の酸素含有率を持つ如き中圧水準に減少させる、特
   許請求の範囲第（１）項の方法。 ８、上記供給空気を上記屋素選択吸着剤中に導入する前
   に、供給空気を、供給空気から水及びＣｏ、の少くとも
   部分を除去するのに有効な吸着剤の１１接層な通す、特
   許請求の範囲第（０項の方法。 ９．上記床をガス抜きして大気圧にした後、床を上記酸
   素に畠んだ生成物ガスの部分でパージする、＊　＊　請
   求の範囲第（１）項の方法。 １α　上記供給空気の床内への導入が、上記床が１５な
   いし４気圧の範囲内の圧水準に達するまでｔｆｃけられ
   、その後、法王を床から酸素に富んだ生成物ガスを取出
   すことＫより、上記生成物ガスが２３ないし５０％の範
   囲内の酸素含有率を持つ如き中圧水準に減少させる、特
   許請求の範囲第（９）項の方法。 ＩＬ　上記供給空気の導入が、上記床が３気圧の圧水準
   に遅するまで続けられ、その後、この圧を、床から酸素
   に富んだ生成物ガスを取出すことにより２気圧の中水率
   に減少させる、特許請求の範囲第（９）項の方法。 ｌｚ　上に定義した操作が、周囲空気の系への供給及び
   酸素に富んだ生成物ガスの系からの取出しが連続である
   ように１段階的に並列で操作される吸着剤床含肩の４１
   ｔａｌのカラムを含む系内で行なわれる、特許請求の範
   囲第（９）項の方法。 １３、上に定義した操作が、４０−９６０秒のサイクル
   で行なわれ、この時間のＫが各々、それぞれ、シーケン
   スとして、（ｌ）供給空気からの沃素の吸着、（２）酸
   素に富んだ生成物ガスを店から取出すことにより、床を
   脱圧して中圧水準にすること。 （３）、床からガスを抜き取って大気圧にすること及び
   、（４）集めた酸素に富んだ生成物ガスによるパージ、
   の諸工程に当てられる、特許請求の範囲第（９）項の方
   法。 １４、上に定義した操作が５周囲空気の系への供給及び
   酸素に富んだ生成物ガスの系からの取出しが連続である
   ように、段階的に並列で操作される吸着剤床を含有する
   ３＠のカラムを自む系内で行なわれる。特許請求の範囲
   第（９）項の方法。 １＆　上に定義した操作が、３０−７２０秒のサイクル
   で行なわれ、この時間の％が各々、それぞれ、シーケン
   スとして、（１）供給空気から窒素を吸着し、（２）酸
   素に富んだ生成物ガスを床から取出すことにより床を脱
   圧して中圧にし、かつ、（３）次のサイクルのスタート
   のため床からガスを抜き取って大気圧にする、鰭工程に
   尚てられる、特許請求の範囲第（１）項の方法。 １６、（ａ）過圧下の周囲空気を窒素保持において選７
   択性のある吸着剤の床内に通して、床内の圧を大気圧か
   ら約１０気圧を越えない一層高い水準に増加させ、 （ｂ）ついで法王を酸素に富んだ生成物ガスを床から取
   出し、これを集めることにより、大気圧より高い中水率
   に減少させ、 （ｅ）その後、床からガスを抜き取って床内に大気圧を
   回復させ、かつ （ｄ）ついで工程（ａ）で出発するシーケンスを繰り返
   すｂσに床を酸素に富んだ生成物ガスの部分でパージし
   、 かくして、２５チを越えかつ約５（ｌまでのＯ８の範囲
   内の敵累龜度を持つ生成物ガスを得、かつこの生成物ガ
   スをこれに周囲空気を混合することにより、２３ないし
   ３５チのＯｌの範囲内の所望の岐素龜度に布釈すること
   を含む。周囲空気から２３ないし３５チの０．の範囲内
   の酸素濃度をもつｉ！素に富んだ生成物ガスを製造する
   方法。