JPS6174622A - 温度および圧力スイングによる空気分離方法 - 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】 技術分野 この発明は酸素用の化学吸収剤を用いた空気を酸素と窒
素とに分離することを目的とするものである。さらに詳
しくは、この発明は脱離ザイクルを正の温度と圧力スイ
ングにより行なう吸収分離方法の使用を目的とするもの
である。

先行技杯ｊの背景 空気の分離は収着および深冷プロセスを利用して行なわ
れてきた。これらのプロセスは一般に空気成分の大部分
、すなわち窒素と酸素の回収に適用可能でろる。しかし
ながら、収着および深冷空気分離技術は高度にエネルギ
ー集約的である。というのは収着に際して高い再生経費
が必要であるし、深冷分離プロセスには高圧低温条件が
必要となるからである。

いろいろな化学的吸収媒体を用いて空気中の酸素を窒素
から分離することは知られていた。

空気中からの酸素の数多くの化学的相互作用が非可逆的
に起ることも知られている。さらに、空気中からの酸素
との化学反応が可逆的相互作用として起る例も限られた
数ではあるが知られてきた。しかし、これらの酸素と化
学剤の可逆的相互作用は、空気中の酸素の比較的低いパ
ーセンテージを回収できるものにすぎず、したがつて化
掌的、述絖的操作の回収技術としては望ましいものでは
ない。空気中からの酸素吸収分離用化学剤としてアルカ
リ金属の亜硝酸塩と硝酸塩を混合物の形で使用すること
は、可逆的な化学的吸収分離操作のだめの実行可能な選
択枝を提供するものとして知られていた。

米国特許第４，１３２．７６／１号明細書における、再
生的プロセスでの空気中からの酸素分離プロセスは次の
ようなものである。空気を酸素受容体から構成される溶
融アルカリ金属塩混合物と接触させる。酸化された酸素
受容体は取シ出され、酸素から解離されてこの受容体か
ら遊離酸素が再生される。再生された受容体は次の酸化
のために循環使用することができる。この解離反応は圧
力を減少させることおよび／または熱を供給することに
よシ起こると述べられている。ストリッピングガスもま
た、酸素受容体からの酸素のＭ離を助けるために使用さ
れうる。

米国特許第４，２８７，１７０号明細書には、空気から
窒素と酸素を分離回収するための次のような方法が記載
されている。この方法では酸素が溶融アルカリ金属塩混
合物を酸化し、該塩を回収された酸素を放出させるため
に続いて処理する第一の吸収および脱離サイクルを用い
る。吸収帯域からの流出物は残存酸素を含んでいるので
、残存酸素がマンガン酸化物のようなスカベンジャーと
接触して除去される第二吸収帯域へ送られる。この吸収
帯域からの流出物は商業的に純粋な窒素製品である。酸
化されたスカベンジャーは還元ガスとの接触によシ還元
され、不純な組成の副生物として残存酸素と還元ガスの
混合物からなる排出流出物が生成する。この特許では吸
収媒体から酸素を回収するために、圧力スイング、すな
わち脱離圧力よシ吸収圧力を高くすること、および温度
スイング、すなわち脱離温度↓シ吸収温度を低くするこ
と、またはこれら２つのスイングの任意の組合せを使用
することも記載しである。

米国特許第４，３４０，５７８号明細書は空気を酸素と
酸素を含まない流れに分離する別の方法を開示している
。すなわち、空気は圧縮され、加熱されて、アルカリ金
属塩混合物と接触し該塩を酸化して、酸素が低減した流
出物流を生ずる。

酸化された塩混合物は次いで脱離帯域で処理され、酸素
製品を得る。再生された塩混合物は吸収塔または接触帯
域に循環される。吸収帯域からの流出物は酸素量の低減
した窒素ガスからなるので、次いで燃料と共に燃焼され
、プロセス流との熱交換によυ膨張されて、反応に必要
な熱と原料空気および製品酸素の圧縮に必要な動力を供
給する。この特許の最善の実施態様には、温度スイング
、すなわち低吸収温度と高脱離温度、および圧力スイン
グ、すなわち高吸収圧力と低脱離圧力の組合せ使用が示
されている。

この発明は上記先行技術の溶融アルカリ金属塩混合物を
用いる空気からの酸素と窒素の改良分離方法であって、
より効率的な吸収−脱離分離サイクルでよ）効率的な高
圧酸素の回収を可能にする方法を提供するものである。

〔本発明の要約〕

この発明は、原料空気を吸収帯域でアルカリ金属の亜硝
酸塩と硝酸塩からなる酸素受容体混合物と比較的低い温
度および圧力で接触させて、原料空気から酸素を吸収し
、その受容体を酸化させ、酸素量が低減され窒素に富ん
だ流れを吸収帯域から取出し、脱離帯域において高温度
と高圧力で受容体から酸素を分離脱離させ、酸素受容体
を再生するとともに高圧の製品酸素を発生させるように
し、酸素受容体の温度および圧力を吸収帯域条件に低下
させた後に酸素受容体を吸収帯域に循環する工程を繰返
すことからなる空気を酸素と窒素とに分離する連続方法
に関する。

好ましくはアルカリ金属塩混合物は、陽イオンがナトリ
ウムおよびカリウムで、硝酸塩５０〜９４乞亜硝酸塩４
〜２５％の陰イオン組成、およびその中に酸化物が過酸
化ナトリウムに基づいて１ｍｏ１％以乍で存在する結合
された過酸化物、酸化物およびスーパー酸化物を有する
溶融液からなる。

この発明の方法は好ましくは、接触帯域における温度が
９００°〜１１００°Ｆの範囲で、脱離帯域における温
度が１１５０°〜１２００下の範囲で操作される。吸収
帯域と脱離帯域との間の温度差は１５０°〜３００°Ｆ
の範囲が好ましい。

この発明の方法において好ましくは、吸収帯域の圧力は
２０〜１００　ｐｓｉａの範囲で、脱離帯域の圧力は３
０〜１１０ｐｓｉａの範囲である。吸収帯域から脱離帯
域への圧力増加は１０〜５０　ｐｓｉａの範囲であるべ
きである。

最適には吸収帯域はほぼ６　Ｑ　ｐａｉａで９５０？で
ある。脱離帯域はほぼ７０ｐｓｉａ、　１２００°Ｆ　
である。

〔この発明の詳細な記載〕

化学的吸収空気分離方法のこの発明は、この明細書にお
いても参照した前述の米国特許第４．１３２，７６６号
明細書、同第４，２８７，１７０号明細書および同第４
，３４０，５７８号明細書におけるような。

アルカリ金属の硝酸塩および亜硝酸塩混合物の溶融液を
用いる空気分離方法の先行技術の改良方法を構成するも
のである。化学的空気分離における先行技術は、前述し
た技術のように、空−１〇− 気成分、特に空気から酸素の連続的分離方法を循環的に
提供するためには圧力スイング吸収法が一般的には用い
てきた。圧力スイング吸収法は、圧力によシ被吸収成分
を吸収剤に移動させる高圧吸収と、圧力減少によシ被吸
収成分を吸収剤から除去または発散させる低圧脱離との
組合せを含むものが典型的なものと考えられてきた。圧
力スイングを低圧吸収と高圧脱離との組合せに逆転させ
ることは、典型的には先行技術の救えるところとは反対
の技術であって、ガス混合物成分の最大量を分離するた
めの効率的な方法として既に知られていた。

さらに、公知の化学的吸収分離技術では、低温吸収と高
温脱離とを組合せて使用する温度スイングサイクルを利
用してきた。低温吸収は所望の被吸収成分種が揮発性の
低い状態で吸収剤と接触させられ吸収剤と一体化される
ことを許容する。また、この吸収工程から脱離工程への
低温から高温へのスイングは、吸収−脱離媒体を使用す
る循環的分離システムにおいてよく知られている操作方
法である。

この発明は、温度スイングおよび圧力スイング吸収−脱
離の逐次操作法を独得なやシ方で組合わせることによシ
、これらの公知の先行技術と区別されるものである。温
度スイングは、低温吸収と高温脱離とを組合せて用いる
伝統的方法で行なわれる。しかしながら、この発明の方
法で同時に用いる圧力スイングは、先行技術の教えると
ころとは正に反対の、低圧吸収と高圧脱離との組合せで
あって、この発明の独特の分離サイクルを提供するもの
である。

温度スイングを圧力スイングと共に組合せ、その圧力ス
イングを従来技術と逆のスイングで操作すると、高圧製
品の生成において独特の効率を得ることができることが
見い出された。この発明のこの′Ｉ５ｉ特な様相は以下
により詳細に述べられるが、要約すると、分離される原
料空気流の酸素成分が溶融した前述の液体吸収剤に吸収
はれ、吸収塔の流出物流中に設けられたポンプの非常に
効率的な操作によって液体状態のままで高圧で押し出さ
れるというものである。液体状態で高圧で押し出された
後、被分離空気の酸素相を担持した酸化済吸収剤は高温
脱離工程にかけられ、高圧酸素が再生された吸収剤から
発生し、公知の先行技術と対比すると比較的高圧および
高温でプロセスから出ていく。この発明の方法は、高圧
の酸素ガスを、ガス状製品に作用させる圧縮機の加圧動
力の必要ではなくてむしろ、液体媒体の加圧動力を必要
とするものとして提供するものである。高圧製品を製造
するための圧縮機とポンプの既知の効率を比較すると、
空気の化学的吸収分離法からの高圧酸素製品の製造が優
れていることはよく理解できることである。

この発明を図面に示した好適な具体例に基づいてよシ詳
細に説明する。図において、吸収塔１２は空気導入口と
吸収剤導入口を有するカラムを含み、多段棚段式または
多段トレ一式吸収帯域からなる。常圧または加圧の加熱
された空気は吸収塔１２の吸収帯域にライン１０を通じ
て導入される。多段階接触によシ空気は吸収剤と反応す
る。吸収剤は好ましくは陽イオン組成としてナトリウム
およびカリウムを含み、陰イオン組成が硝酸塩５０〜９
４　％、亜硝酸塩４〜２５チ、そして酸イヒ′物が過酸
化ナトリウムを基にして３　ｍ０１％以下、好ましくは
過酸化ナトリウムを基にして１ｍ０１％以下存在する結
合した過酸化物、酸化物および超酸化物からなるアルカ
リ土類金属 金属塩の溶融液である。酸素は各吸収段階で大部分吸収
剤と結合して、原料空気中の）ｌぼ９０％の酸素゛よで
吸収された。ば木霊の減少した空気流は窒素に冨んだ流
れとなって吸収装置１２から２イン１４を通って除去さ
れる。この窒素に冨んだ１５ｆ５れは、Ｍ記木国特許第
４．３４　［３，５７８号明細誓のように、プロセスで
用いる動力を供給するために燃料と燃焼式せることもで
きる。あるいは前記米国特許第４，２８７，１７０号明
細書のように、残存酸素用の追加的吸収剤またはスカベ
ンジャーを用いて純粋な窒素製品を得ることもできる。

アルカリ金属の硝酸塩と亜硝酸塩の溶融液からなる酸化
された吸収剤あるいは酸素受容体は、酸化された液相吸
収剤としてライン１８から取シ出される。吸収剤は典型
的には温度９５０°Ｆで圧力６０Ｉ）θ１ａである。そ
れから液体酸化源吸収剤は、ライン２２の流出物が温度
〜９５０″Ｆ、圧力８５　ｐｓｉａになるようにポンプ
２０で圧力が上げられる。ポンプ２０は一般に０２の１
ショートトン当夛０．３　ＨＰ程度の低動力を必要とす
るものにすぎず、これを酸素製品の排出２イン４２に圧
縮機を設けたものと対比すると後者では、０２の１ショ
ートトン当ｆｉ２．３ＨＰ程度のエネルギー人力を必要
とする。

２イン２２の高圧酸化吸収剤あるいは酸素受容体は、熱
交換器２４に導入され、そこで高圧酸化吸収剤はライン
４４の再生された貧酸素吸収剤によって加熱される。ラ
イン２６の高温高圧酸化吸収剤はそれから液体−蒸気分
配用の相分離器２８に導入され、ついで熱交換器３６に
導かれる。蒸気相はライン３２から取出され、一方液相
はライン３０から取〕出される。それらの流れはライン
３４で再合流し、外部加熱熱交換器６６で追加的加熱を
うける。好ましくは、外部加熱源はこの発明の酸素製品
を使用するプロセスから発生する廃熱または燃料である
。典型的には、熱変換器３６はライン３８の酸化吸収剤
の温度を１２００°Ｆまで上げる。酸化され、高温、高
圧の吸収剤は次いで脱離帯域からなる脱離槽４０に導入
される。脱離帯域で吸収剤は吸収された酸素と分離され
、貧酸素再生吸収剤あるいは酸素受容体かえられる。そ
れはライン４４の溶融液相として取）出される。そして
高圧、高温の酸素ガス製品はライン４２の気相として圧
カフ０ｐθｉａ、　　温度１２００下で取）出される。

ライン４４の貧酸素再生吸収剤はそれから熱交換器２４
でライン２２の酸化吸収剤を加熱する間に冷却される。

ライン４６の再生された貧酸素吸収剤の温度は１０００
°Ｆ、圧力は６９　ｐｓｉａでろる、所望の吸収水準を
実現するためにはさらに冷却する必要がある。したがっ
て再生された吸収剤はさらに冷却することの出来る熱交
換器４８に、導入される。熱交換器４８は蒸気を発生さ
せたシ、あるいは原料空気を予熱することによって作動
することができる。再生された貧酸素吸収剤はなお液体
状態であって、その温度は９００　°Ｆ、圧力は６０　
ｐｓｉａである。ライン１６の再生吸収剤または酸素受
容体は吸収塔１２に再導入され、吸収塔１２０カラム内
の吸収帯域において循環的酸素吸収を継続する。

上述したこの方法は、゛先行技術が従来教示するところ
とは逆の方法で圧力スイングが実施される、温度スイン
グ吸収−脱離と圧力スイング吸収−脱離との組合せから
なる。これによ）高圧の酸素製品が効率よく得られる。

−例を挙げると、温度１１０？、圧カフ　０　ｐｓｉａ
のようなこの発明の排出条件の酸素製品ｆ：２５０　Ｔ
／Ｄの能力で得ようとすれば、ジイン４２に設けた圧縮
機は４００〜５００　Ｋｗ／ｈｒの動力を要することに
なるだろう。しかし、これに対してこの発明においては
、ポンプ２０は同条件の高圧酸素を５０〜６０　Ｋｗ／
ｈｒで製造することができる。これは８００チまでにな
る効率改善となる。

好ましい実施例として吸収塔の流出ラインに液体ポンプ
を設置し、脱離が従来の温度スイング工程で実質的に行
なわれる例を挙げて、この発明を説明したが、圧力の程
度は脱離帯域において少なくとも所望の圧力の１綬素製
品を得るために充分な程度に高圧とすると七、そして循
環流路内を通して液状吸収剤の伝導性がこの発明の実施
をしうるものでｂるようにすることは理解さすることで
ある。しかしながら、高圧の酸素製品が得られる化学的
空気分離方法における最大の改善は、ポンプ２０のポン
プ能力を脱離および吸収帯域を通して吸収剤を再循環さ
せるために必要なものより大きくすれば、吸収および脱
離条件をはなはだしく変更させることなく所望の高圧で
酸素が充分得られることにある。

また、吸収剤サイクルの圧力が高いので、吸収塔１２に
導入される原料空気の圧力を増加する必要があることも
理解される。この不利な点は圧力増加と共に増大し、こ
の種の分離法の従来技術との対比において、高効率エネ
ルギー水準で実施しうろことのできる高圧操作条件の範
囲を限定するこ七になる。

終ヤに、この発明を、酸素製品の最終使用が予定されて
いて、この発明の温度スイングの面で脱離サイクル用の
高温源として働くような酸素ユーザーおよび廃熱供給者
と分離プロセスを結合して用いる時、実際には都合がよ
いとして説明してきたが、この方法は、酸素が必要な原
材料ではなく、適当な工業的使用先からの廃熱も利用出
来ないような施設だけの場合％あるいはその他の場合で
も、使用する価値のある方法であることもまた理解され
るであろう。そのような場合、この発明の化学的空気分
離プロセスの総合操作エネルギーは、この発明の温度ス
イングの面で高温脱離を行なうために必要な量によって
増加することになるだろう。

この発明は好適な一実施例に従って説明してきたが、そ
れからこの技術をいろいろ変形することは可能である。

したがって、それらの変形した態仔は、該好適実施例だ
けでなく、前述の特許請求の範囲からも確認されるこの
発明の範囲に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

添付図面はこの発明の好ましい実施例におけるこの発明
のプロセスのフロー図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）原料空気を吸収帯域において比較的低い温度および
   圧力でアルカリ金属の亜硝酸塩および硝酸塩からなる酸
   素受容体混合物と接触させ、原料空気から酸素を吸収し
   、受容体を酸化する工程、吸収帯域から酸素量が低減し
   て窒素に富んだ流れを取出す工程、吸収された酸素を脱
   離帯域で温度および圧力を高めて選択的に脱離させ、酸
   素受容体を再生し高圧の酸素製品を得る工程、および吸
   収帯域条件までその温度および圧力を低下させた後に酸
   素受容体を吸収帯域に返送循環する工程の繰返しからな
   る空気を酸素および窒素に分離する連続方法。 ２）酸素量が低減して窒素に富んだ流れが商業的に純粋
   な窒素製品を構成するものである特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３）酸化された受容体が再生された酸素受容体と熱交換
   される特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４）吸収帯域から脱離帯域への温度変化が１５０〜３０
   ０°Ｆの範囲である特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５）吸収帯域から脱離帯域への圧力変化が１０〜５０ｐ
   ｓｉａである特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６）吸収帯域から脱離帯域への温度変化がほぼ２５０°
   Ｆである特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７）吸収帯域から脱離帯域への圧力変化がほぼ１０ｐｓ
   ｉａである特許請求の範囲第１項記載の方法。 ８）吸収圧力がほぼ６０ｐｓｉａである特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ９）吸収温度がほぼ９５０°Ｆである特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 １０）脱離圧力がほぼ７０ｐｓｉａである特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 １１）脱離温度がほぼ１２００°Ｆである特許請求の範
   囲第１項記載の方法。