JPS6129768B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原料空気から酸素（O₂）、窒素
（N₂）等を得るための空気分離装置に係り、特に
原料空気中のCO₂、H₂O等の不純物を除去する空
気分離装置の前処理技術に関するものである。

空気からO₂、N₂等を分離回収する空気分離装
置は低温下で運転するために、空気中に存在する
CO₂、H₂Oが凝縮固化し、装置の運転を阻害す
る。空気は通常、膨張による低温源を得るため圧
縮機で加圧後空気分離装置に供給されるが、その
圧力は分離したO₂、N₂をガス状で回収する場合
には、５〜７Kg/cm²G、液状で回収する場合は、
20〜40Kg/cm²Gである。従つて、空気中にはH₂O
は空気分離装置の精留塔に供給される圧力および
温度での飽和湿度相当量、およびCO₂は300〜
400ppm含まれるので、これらH₂OおよびCO₂の
除去を必要とする。これらの不純物の除去は、従
来、原料空気と、空気分離装置の精留塔で分離さ
れたO₂、N₂等とを熱交換する熱交換器（可逆熱
交換器）によつて行なわれている。第１図を用い
て説明すると、原料空気は圧縮器１にて所定圧力
に加圧され、冷却器２にて冷却後に切替弁５を備
えた配管８並びに配管１３，１４を通じて可逆熱
交換器３に送られる。また空気分離装置の精留塔
７から配管１１を通じて導びかれる不純N₂は、
複数の逆止弁４を介した後に配管１４を経て可逆
熱交換器３に供給される。更に精留塔７からは熱
交換用の純N₂が配管９を通じて、また純O₂が配
管１０を通じてそれぞれ可逆熱交換器３において
低温媒体である不純N₂、純N₂、純O₂との熱交換
によつて冷却されると共に、空気中のH₂O、CO₂
の不純物を該熱交換器３内に固化析出して除去し
ている。そして該不純物を除去された原料空気は
配管１３および逆止弁４を経た後に配管１５並び
に膨張弁６を備えた分岐配管１９を通じて精留塔
７に供給される。ここで空気中からのH₂O、CO₂
の除去操作を長時間継続させると、該熱交換器３
内の空気流路にH₂O、CO₂が多量に析出して該流
路の閉塞を起こす。これを防ぐ為には、切替弁５
および逆止弁４を切替えて熱交換器３内の配管１
３を流れる空気を配管１４に切替えると共に不純
N₂を配管１４から配管１３を流れるように切替
え、配管内に析出したH₂O、CO₂を該不純N₂によ
り気化させ熱交換器３より取り除く。該不純N₂
は、その後切替弁５および配管１６を通じて排出
されるようになつている。

以上の方法により原料空気中のH₂OおよびCO₂
は通常1ppm程度まで除去され、空気分離装置の
精留塔、配管等への該不純物の固化が防止される
が、しかしながら次のような問題点が生じる。即
ち、第１に上記可逆熱交換器には通常２系列の流
路が設けられ、原料空気と不純N₂の流路の切替
えが交互に行なわれるが、この場合、切替時には
流量比で50％の空気および不純N₂の流通が一時
停止になるため、空気および不純N₂の圧力およ
び流量が変動して精留塔を不定常にし精留効率の
低下をきたす。従がつて空気分離装置にて高純度
のO₂、N₂を回収することが困難となる。

第２に、可逆熱交換器では固化析出したH₂O、
CO₂を気化させるために多量の不純N₂を必要とす
るが、通常、上記不純N₂量は原料空気に対して
70％程度を占めることになる。そのため、純N₂
の回収率は原料空気に対して10％程度しか取るこ
とができず、純N₂量の需要拡大に対処できない
という問題があつた。

以上の観点から空気及びガスの圧力、流量の変
動がなく、且つ不純N₂使用量を少なくして空気
中からH₂O、CO₂の除去を行なわせる空気分離装
置の前処理装置が要望されていた。

本発明者は、これらの問題点に対処するため、
吸収法を用いた空気分離装置の前処理法を提案
し、純N₂の収量を上記従来法の10％から40％ま
で増加できることを明らかにした（特願昭53−
10499号）。この先願に係る空気分離装置の系統図
を第２図に示す。

第２図において、原料空気は圧縮機１で所定圧
力に加圧され、冷却水１２が流通されている冷却
器２で冷却後に配管８を通じて導かれ、切替弁２
３を経由して吸着塔２１に送られる。この吸着塔
２１にて空気中からH₂O、CO₂を除去する吸着操
作を行わせた後、切替弁２７、配管４１を経由し
て原料空気は熱交換器３２に送られ、ここで精留
塔７から導かれる純N₂、純O₂、不純N₂との熱交
換によつて冷却後に配管１５，１９を経由して精
留塔７に供給される。の原料空気は液化され、精
留塔７において沸点の差を利用して精留されて
O₂とN₂が分離され、純O₂、純N₂および不純N₂が
生成する。ここで、不純N₂は純O₂と純N₂を除い
た空気中の残りの成分で、通常N₂濃度が95％程
度のものである。そして純N₂は配管９、熱交換
器３２、配管１７を経由して製品として回収さ
れ、純O₂は配管１０、熱交換器３２、配管１８
を経由して製品として回収される。また、不純
N₂は配管１１、熱交換器３２を経由した後、配
管４２、切替弁３０を経由して吸着塔２２に供給
され、吸着塔２２内のゼオライト等から成る吸着
剤に蓄積されたH₂O、CO₂を脱着させる脱着操作
を行なわせた後に切替弁２６、配管４３，４４を
経由して系外に排出される。

次に原料空気と不純N₂が流通する吸着塔の系
統を一定時間毎に切替え、空気は配管８、切替弁
２５、吸収塔２２、切替弁２９、配管４１を経由
して熱交換器３２に供給し、一方、熱交換器３２
を経た不純N₂は配管４２、切替弁２８、吸着塔
２１、切替弁２４、配管４３，４４を経由して系
外に排出される。このように、切替弁２３〜３０
を用いて吸着塔２１および２２にて交互に吸着操
作および脱着操作を行なわせる。

ここで、空気は膨張による低温源を得るために
加圧されており、よつて吸着操作は加圧下で実施
される。不純N₂は空気分離装置の精留塔７から
大気圧前後で排出されるため、この脱着操作は吸
着操作より低い圧力すなわち大気圧前後で実施さ
れることになる。そして前述の吸着操作および脱
着操作からなる運転サイクルはCO₂を例とした吸
着等湿線である第３図に示す方法で行なわれる。
即ち、吸着等湿線ａの吸着剤（ゼオライト）を用
い、加圧工程Ａ、吸着工程Ｂ、減圧工程Ｃ、パー
ジ工程Ｄの４工程からサイクルを構成し、原料空
気中からH₂O、CO₂を除去する吸着操作は加圧工
程Ａにて空気を高圧にし、吸着工程Ｂにて高圧下
の空気を吸着剤と接触させ、該H₂O、CO₂を吸着
剤に吸着させるものであり、H₂O、CO₂を吸着し
た吸着剤の再生を行なう脱着操作は減圧工程にて
吸着塔内の圧力を低下させ、パージ工程にて低圧
下のもとで不純N₂を吸着剤に接触させて吸着さ
れていたH₂O、CO₂を該不純N₂中に引き出し、吸
着剤から脱着させて前記吸着剤を再生するもので
ある。

上記前処理装置を用いて得られた結果を第４図
に示す。即ち第４図の結果は、配管４１を流れる
原料空気量と配管４２を流れる不純N₂量の比に
対する配管４１を流れる原料空気中のCO₂濃度の
関係を示したもので、不純N₂量が原料空気量の
40％以上であればCO₂濃度を1ppm以下にするこ
とができる。このようにして精留塔からの純N₂
の収率を前記可逆熱交換法に比べて４倍程度向上
できることが分つた。しかしこの方法を用いて
も、原料空気量の40％の不純N₂をパージガスと
して消費しなければならず、パージに用いた不純
N₂はH₂OおよびCO₂を多量に含有するため廃棄せ
ざるを得ないという欠点がある。そしてパージ用
の不純N₂量をもつと大幅に減少させることがで
きれば、純N₂収率の大幅な向上、あるいは超乾
燥状態の不純N₂の制御用ガス源等への有効活用
等が期待される。

本発明の目的は、空気分離装置に供給される原
料空気から分離されたH₂O、CO₂の除去を行なわ
しめる不純N₂量を少なくして、空気分離装置で
得られる純N₂量の増加、あるいは不純N₂の有効
活用を可能にする空気分離装置の前処理方法およ
び装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明方法は、加圧
された空気を吸着塔内の吸着剤と接触させて水お
よび二酸化炭素を吸着除去した後に空気分離装置
の精留塔に原料空気として供給する吸着工程と、
水および二酸化炭素（CO₂）を吸着した吸着塔内
の吸着剤を前記吸着操作時より低い圧力下で吸着
処理後の原料空気を用いて脱着する第１段の脱着
工程と、前記吸着剤と精留塔から導かれた不純窒
素（N₂）を用いてさらに脱着する第２段の脱着工
程とを含むことを特徴とし、また本発明原料空気
から酸素（O₂）およびN₂を分離する精留塔と、原
料空気中に含有されるH₂OおよびCOO₂の吸着並
びに脱着を行なわせる少なくとも３基の吸着塔
と、原料空気を前記吸着塔のいずれかに供給する
第１の空気配管と、前記吸着塔からH₂Oおよび
CO₂を除去した原料空気を精留塔に供給する第２
の空気配管と、吸着処理後の原料空気を前記吸着
塔のいずれかに導入する第２のパージ配管と、前
記吸着塔から脱着したH₂OおよびCO₂を含む吸着
処理後の原料空気および不純N₂を系外に排出す
る第３のパージ配管とを備えたことを特徴とす
る。

以下、本発明を図面によりさらに詳しく説明す
る。

第５図は、本発明の一実施例を示す空気分離装
置の系統図である。第５図において、空気分離装
置は、圧縮機１、冷却器２、ゼオライト等の吸着
剤を備えた吸着塔５１，５２，５３、切替弁５４
〜６８、熱交換器３２、精留塔７等から構成され
ている。

原料空気は圧縮機１で所定圧力に加圧され、冷
却器２で冷却後に配管８を通じて導びかれ、切替
弁５４を経由して吸着塔５１に送られる。この吸
着塔５１で空気中からH₂O、CO₂を除去する吸着
操作を行なわせた後、切替弁６１、配管７０を経
由して原料空気は熱交換器３２に送られ、ここで
精留塔７から導びかれる純N₂、純O₂、不純N₂と
の熱交換によつて冷却した後、配管１５，１９を
経由して精留塔７に供給される。この原料空気は
液化され、精留塔７において沸点の差を利用して
精留され、O₂とN₂が分離され、純O₂、純N₂およ
び不純N₂が生成するここで、不純N₂は純O₂と純
N₂を除いた空気中の残りの成分で、通常N₂濃度
が95％程度のものである。純N₂は配管９、熱交
換器３２および配管１７を経由して、また純O₂
は配管１０、熱交換器３２および配管１８を経由
してそれぞれ製品として回収される。一方、不純
N₂は配管１１、熱交換器３２を経由した後、一
部は製品として配管７４を経由して回収され、残
りは配管７２、切替弁６５を経由して吸着塔５２
に供給され、吸着塔５２内の吸着剤に蓄積された
H₂O、CO₂を吸着させる脱着操作を行なわせた後
の切替弁５７、配管７３を経由して系外に排出さ
れる。また、配管７０を流れる原料空気の一部
は、配管７１、弁６９、切替弁６６を経由して吸
着塔５３に供給され、吸着塔５３内の吸着剤に蓄
積されたH₂O、CO₂を脱着させる脱着操作を行な
わせた後、切替弁５９、配管７３を経由して系外
に排出される。ここで、上記脱着操作に関して、
原料空気の一部を使用して行なう操作を第１の脱
着操作、不純N₂を使用して行なう操作を第２の
脱着操作と称する。また、配管７１を流れる原料
空気を吸着処理後の原料空気と称する。

次に、一定時間後に原料空気、不純N₂および
吸着処理後の原料空気が流通する吸着塔の系統を
切替え、原料空気は配管８、切替弁５６、吸着塔
５２、切替弁６４、配管７０を経由して熱光換器
３２に供給し、熱交換器３２を経た不純N₂は、
配管７２、切替弁６８、吸着塔５３、切替弁５
９、配管７３を経由して系外に排出し、配管７０
を流れる吸着処理後の原料空気は配管７１、弁６
９、切替弁６０、吸着塔５１、切替弁５５、配管
７３を経由して系外に排出する。引き続き一定時
間後に原料空気、不純N₂および吸着処理後の原
料空気が流通する吸着塔の系統を切替え、原料空
気は配管８、切替弁５８、吸着塔５３、切替弁６
７、配管７０を経由して熱交換器３２に供給し、
熱交換器３２を経た不純N₂は配管７２、切替弁
６２、吸着塔５１、切替弁５５、配管７３を経由
して系外に排出し、配管７０を流れる吸着処理後
の原料空気は配管７１、弁６９、切替弁６３、吸
着塔５２、切替弁５７、配管７３を経由して系外
に排出する。このように、切替弁５４〜６８を用
いて吸着塔５１，５２および５３にて交互に吸着
操作、第１段の脱着操作および第２段の脱着操作
を行なわせる。

上記操作において、原料空気は膨張による低温
源を得るために加圧されており、よつて吸着操作
は加圧下で実施される。吸着処理後の原料空気の
一部は弁６９において大気圧前後の圧力に減圧さ
れ、第１段の脱着操作は吸着操作より低い圧力、
すなわち大気圧前後で実施される。不純N₂は空
気分離装置の精留塔７から大気圧前後で排出され
るため、第２段の脱着操作も吸着操作より低い圧
力、すなわち大気圧前後で実施されることにな
る。

前述の吸着操作、第１段の脱着操作および第２
段の脱着操作から成る運転サイクルは第６図に示
す要領で行なわれる。すなわち、加圧工程A₁、
吸着工程B₁、減圧工程C₁、第１段のパージ工程
E₁、第２段のパージ工程F₁の５工程からサイク
ルを構成し、原料空気中からH₂O、CO₂を除去す
る吸着操作は、加圧工程にて空気を高圧にし、吸
着工程にて高圧下の空気を吸着剤と接触させ、該
H₂O、CO₂を吸着剤に吸着させるものであり、次
にH₂O、CO₂を吸着した吸着剤の再生を行なう第
１段の脱着操作は、減圧工程にて吸着塔内の圧力
を低下させ、第１段のパージ工程にて低圧下のも
とで吸着処理後の原料空気を吸着剤に接触させて
吸着されていたH₂O、CO₂を該吸着処理後の原料
空気中に引き出し、前記吸着剤を再生するもので
あり、さらに第２段の脱着操作は、第２段のパー
ジ工程にて低圧力のもとで不純N₂を吸着剤に接
触させて吸着されていたH₂O、CO₂を該不純N₂中
に引き出し、前記吸着剤を再生するものである。
第６図において、A₁、B₁、C₁、E₁、F₁は吸着塔
５１におけるサイクルを構成する工程、A₂、
B₂、C₂、E₂、F₂は吸着塔５２における同様な工
程、およびA₃、B₃、C₃、E₃、F₃は吸着塔５３に
おける同様な工程を示す。

以上、本発明によれば、空気中のH₂O、CO₂を
充分除去して空気分離装置に原料空気を供給する
ことができ、また吸着塔の脱着操作を原料空気を
用いる第１段と不純N₂を用いる第２段に分けて
行なうので、脱着操作に要する不純N₂の量を原
料空気量に対して例えば約10％まで低減すること
ができる。このため純N₂回収率、または純N₂回
収率と超乾燥状態の不純N₂回収率との和が、例
えば原料空気の70％程度にまで向上し、また従来
法の可逆熱交換器を用いた場合に比べて例えば７
倍程度の純N₂または純N₂と不純N₂を製品として
得ることができる。

以下、本発明の具体的実施例を述べる。

実施例 １ 第５図に示した空気分離装置において、吸着剤
としてゼオライトを用い、吸着工程時の吸着塔の
空間速度SVを2000h^-1、運転サイクル時間
30min、原料空気圧力５Kg/cm²G、パージに用いる
吸着処理後の原料空気および不純N₂の圧力を大
気圧、空気中のH₂OおよびCO₂濃度をそれぞれ
1600および340ppm、不純N₂中のH₂OおよびCO₂
濃度をそれぞれ1ppm以下とし、また、第１段お
よび第２段のパージ工程で使用する吸着処理後の
原料空気量と不純N₂量の和を熱交換器３２に供
給される原料空気量の40％とし、上記吸着処理後
の原料空気量と不純N₂量の比を変化させて運転
を行なつた。第７図に得られた結果を示す。

図から明らかなように、不純N₂量と吸着処理
後の原料空気量の和に対する不純N₂量の割合が
0.25以上であれば、配管７０を流れる原料空気中
のCO₂濃度を1ppm以下とすることができること
が分る。この結果から、パージに用いる不純N₂
量は熱交換器３２に供給される原料空気量に対し
て40％×0.25＝10％でよいことが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来例の空気分離装置を示す系統
図、第２図は、改良された従来例の空気分離装置
を示す系統図、第３図は、吸着等湿線を用いて第
２図の従来例の空気分離装置の前処理操作を示す
運転サイクルの説明図、第４図は、上記改良され
た従来の空気分離装置における運転結果を示す
図、第５図は、本発明の一実施例を示す空気分離
装置の系統図、第６図は、本発明の空気分離装置
の前処理操作を示す運転サイクルの説明図、第７
図は、本発明の空気分離装置における運転結果の
一例を示す図である。 １……圧縮機、２……冷却器、６……膨張弁、
７……精留塔、５１〜５３……吸着塔、５４〜６
８……切替弁、６９……弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加圧された空気を吸着塔内の吸着剤と接触さ
   せて水および二酸化炭素を吸着除去した後に空気
   分離装置の精留塔に原料空気として供給する吸着
   工程と、水および二酸化炭素（CO₂）を吸着した
   吸着塔内の吸着剤を前記吸着操作時より低い圧力
   下で吸着処理後の原料空気を用いて脱着する第１
   段の脱着工程と、前記吸着剤と精留塔から導かれ
   た不純窒素（N₂）を用いてさらに脱着する第２段
   の脱着工程とを含むことを特徴とする空気分離装
   置の前処理方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記吸着塔
   は少なくとも３基配置され、その１基の吸着塔を
   吸着工程に用い、他の１基の吸着塔を第１段の脱
   着工程に用い、さらに他の１基の吸着塔を第２段
   の脱着工程に用いることを特徴とする空気分離装
   置の前処理方法。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項におい
   て、前記吸着工程は、空気を加圧する加圧工程と
   該加圧下でH₂OおよびCO₂を吸着剤に吸着させる
   吸着工程とからなり、前記第１段の脱着工程は、
   空気を前記加圧時の圧力よりも減圧する減圧工程
   と該減圧下で吸着処理後の原料空気をパージして
   吸着剤に吸着されたH₂OおよびCO₂を吸着処理後
   の原料空気中で脱着させる第１段のパージ工程と
   からなり、前記第２段の脱着工程は、不純N₂を
   前記吸着時の圧力よりも減圧下でパージして吸着
   剤に吸着されたH₂OおよびCO₂を該不純N₂中で脱
   着させる第２段のパージ工程を含むことを特徴と
   する空気分離装置の前処理方法。 ４ 原料空気から酸素（O₂）およびN₂を分離する
   精留塔と、原料空気中に含有されるH₂Oおよび
   CO₂の吸着並びに脱着を行なわせる少なくとも３
   基の吸着塔と、原料空気を前記吸着塔のいずれか
   に供給する第１の空気配管と、前記吸着塔から
   H₂OおよびCO₂を除去した原料空気を精留塔に供
   給する第２の空気配管と、吸着処理後の原料空気
   を前記吸着塔のいずれかに導入する第２のパージ
   配管と、前記吸着塔から脱着したH₂OおよびCO₂
   を含む吸着処理後の原料空気および不純N₂を系
   外に排出する第３のパージ配管とを備えたことを
   特徴とする空気分離装置の前処理装置。 ５ 特許請求の範囲第４項において、吸着塔から
   第２の空気配管を通じて流れるH₂OおよびCO₂を
   除去された比較的高温の原料空気を、前記精留塔
   から第２のパージ配管を通じて導びかれる不純
   N₂および他の配管を通じて導びかれる純N₂並び
   に純O₂のそれぞれの低温ガスと熱交換させて前
   記原料空気を冷却する熱交換器が設けられている
   ことを特徴とする空気分離装置の前処理装置。