JPS6247802B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、酸素濃縮方法に係り、特に空気中か
ら窒素を加圧吸着し、その後、吸着塔を減圧し窒
素を排出して、吸着剤を再生することにより、非
吸着物である酸素のみを分離して連続的に生成す
るようにした酸素濃縮方法に関する。 〔従来の技術〕 従来、空気中から酸素を濃縮する方法として
は、圧力変動吸着分離法によるものが種々提案さ
れている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 それらは比較的大型の装置で減圧パージ法によ
る吸着剤の再生を伴い３塔〜４塔を順次切換えて
吸着―脱着工程を繰返すものが多い。この場合、
再生用の逆流パージに消費する濃縮製品酸素の量
が多くて不経済である。 また、減圧状態の吸着塔をさらに高真空で減圧
して圧力差を増し、吸着剤を再生する方法があ
る。しかし、高真空の脱着操作にはかなり容量の
大きい真空ポンプが要求され、装置コスト及び動
力コストが高くなるので、やはり不経済である。 上述のように圧力変動吸着法を工業的に有利に
かつ経済的に実施しようとする場合、すなわち酸
素富化度の高いガス、例えば酸素含有量90％のガ
スを安定した状態でかつ比較的高い収率で得るに
は、吸着剤を如何に効率良く再生するかが問題に
なつている。 このような従来技術としては、例えば特開昭52
―80294号がある。この例では、均圧工程あるい
は再加圧工程において、ガス圧力についての規制
はあるものの、ガス流速についての規制がなく、
連通された吸着塔間で弁を開くと、より圧力の高
いガスは低圧側の吸着塔内に突入することにな
る。従つて、吸着塔内のガスに乱れが生じる。 各吸着塔内は空気導入部から濃縮ガス取出部に
向つて酸素ガス濃度に分布が生じていると考えら
れる。これに対し、前記従来例の如く、空気また
は濃縮ガスを突入させる状態で送込むと、吸着塔
内の分布が乱れ、甚しい場合には、分布が殆どな
くなる。このことは、製品ガスにおける酸素濃度
上昇への阻害要因となる。 本発明の目的は、吸着塔内での酸素濃度分布を
できるだけ乱さず、製品酸素ガスの濃度及び収率
が高くしかも窒素吸着剤の再生効率が良い酸素濃
縮方法を提供することである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、上記目的を達成するために、窒素吸
着剤を充填した複数個の吸着塔に導いた空気中の
窒素を吸着剤に加圧下で吸着させ、酸素が濃縮さ
れた製品ガスを均圧タンクを介して取出す吸着工
程と、吸着塔を減圧して窒素分圧を下げ吸着剤を
再生させる脱着工程と、均圧タンクと脱着工程が
終了した吸着塔とを連通させまたは吸着工程を終
了した吸着塔と脱着工程を終了した吸着塔とを連
通させ濃縮ガスを送込み圧力を均等化する均圧工
程とを順次繰返しながら濃縮酸素を連続的に得る
酸素濃縮方法において、均圧工程時に濃縮ガスを
吸着工程の空気導入とは向流方向から吸着塔に送
込み、吸着工程の空気流速と均圧工程の濃縮ガス
流速とを線速度で2.0ｍ／ｓ以下に規制する酸素
濃縮方法を提案するものである。 〔作 用〕 上記本発明の手段においては、均圧工程時に濃
縮ガスを吸着工程の空気導入とは向流方向から吸
着塔に送込むので、吸着塔内の酸素濃度分布上、
高濃度の部分に濃縮ガスを供給することになり、
酸素濃度分布が乱れない。 また、吸着工程における空気流速と均圧工程に
おける濃縮ガス流速とを線速度で2.0ｍ／ｓ以下
に規制してあるから、突入により酸素濃度分布の
乱れが生じない。 〔実施例〕 以下、図面を参照しながら、本発明を更に詳し
く説明する。 第１図は本発明により酸素濃縮方法を実施する
ための系統構成の一例を示す系統図である。第１
図において、符号１，２は窒素吸着塔である。空
気送入管３から供給される空気は、圧縮機４で圧
縮される。この圧縮空気は、絞り板６、管７、電
磁弁８または９を介して吸着塔１または２に送ら
れる。吸着塔１または２から出た濃縮酸素は、電
磁弁１０または１１を通り、管１２、均圧タンク
１３を経て、製品ガス取出管１４から取り出され
る。 次に作用について説明する。先ず、吸着塔１で
吸着工程、吸着塔２で脱着工程を実施する。この
場合、電磁弁８，１０，１５は開き、電磁弁９，
１１，１６，１７及び１８は閉じてある。この弁
状態で送入管３から送られる空気は、圧縮機４、
気液分離器５を経て絞り板６に入り、ここで流量
を調整され、管７、電磁弁８を通り、吸着塔１に
供給される。吸着塔１では窒素が吸着され、酸素
は電磁弁１０、管１２を通り、均圧タンク１３に
入る。その後、製品ガス取出管１４から取り出さ
れる。一方、吸着塔２は、前工程で吸着した窒素
を電磁弁１５及びガス排出管１９を介し、圧力を
大気圧に戻しながら排出する。以上が第１サイク
ルである。 次に第２サイクルに入る。脱着工程が終了した
吸着塔２では、まず電磁弁１７を開き、電磁弁
９，１１，１５を閉じる。この弁操作により、大
気圧状態にある吸着塔２と加圧状態にある均圧タ
ンク１３が連通され、均圧タンク１３内の酸素は
絞り板２０、管２１を経て吸着塔に導入される。
これが、いわゆる均圧工程である。この時に酸素
流量は絞り板２０により調整する。一方、吸着塔
１では、この吸着塔２の均圧工程間は、第１サイ
クルからの吸着工程を継続している。 次いで第３サイクルに入り、吸着塔２では電磁
弁９，１１を開き、電磁弁７，１５を閉じて、空
気を吸着塔２に供給し吸着工程に入る。この吸着
工程で濃縮された酸素は電磁弁１１、管１２を通
り、均圧タンク１３に入り、製品ガス取出管１４
から取り出される。一方、吸着塔１では脱着工程
に入り、電磁弁８，１０，１６を閉じ、電磁弁１
８を開いて、塔内圧力を大気圧に戻しながら吸着
剤を再生する。 第４サイクルにおいては、第２サイクルとは逆
に吸着塔２で吸着工程を継続し、吸着塔１を均圧
タンク１３と連通させて、均圧タンク１３内の酸
素を吸着塔１に導入する。以上第１から第４サイ
クルをもつて一サイクルが形成され、濃縮された
酸素は連続的に製品として取り出される。 前記各工程において、圧縮機を介し空気を加圧
下で吸着塔に送入する吸着工程と、均圧タンクと
吸着塔を連通させ、均圧タンク内酸素を吸着塔に
導入する均圧工程の時に、ガス流量を平滑化する
ことが、本発明方法の特徴である。 吸着工程での本発明の効果を説明する。空気送
入管３から送られる空気は、圧縮機４、気液分離
器５を経て、絞り板６に入り、ここで流量を調整
される。従つて、吸着工程になり電磁弁８または
９が開いても、瞬時に多量の空気が吸着塔内に流
れ込むことがなくなる。これに対して空気流量が
無調整の場合、吸着初期に瞬時にガス流速が大き
くなる。このため、前工程で再生された充填層内
部の濃度分布を乱し、かつ空気中の窒素分が十分
に吸着されずに吸着塔出口に達することから、製
品酸素濃度の低下につながることになる。これら
のことから、吸着工程においてガス流量を調整す
ることは、製品酸素濃度を上げることに有効であ
る。 次に、均圧工程での本発明の効果を説明する。
均圧工程の目的とするところは、脱着工程でも系
外に出ずに残存している不純物（多くは窒素）の
吸着帯を、塔項から導入した酸素により塔底部付
近に押下げることである。これにより、塔頂部を
酸素濃度の高い状態に保持でき、このような状態
にある塔を用いて、次の吸着工程を実施すれば、
製品酸素濃度及び収率の向上につながる。しか
し、脱着工程が終了した吸着塔は大気圧にあり、
均圧タンクは加圧状態にある。この状態から吸着
塔と均圧タンクとを連通させた場合、両者の圧力
差により均圧タンク内の酸素が瞬時に吸着塔に多
量に入り、充填層内部の濃度分布を乱し、結局は
製品酸素濃度の低下につながつてしまう。これに
対し、本発明により均圧タンク内酸素の流量を絞
り板２０で調整しながら、吸着塔に導入すれば、
酸素濃度低下を防止し収率向上が図れることにな
る。 上記方法を表１に示す酸素濃縮装置の仕様及び
操作条件で運転した。

【表】 実測では始めに吸着工程での本発明の効果をみ
るため、絞り板６を設置し、絞り板２０は無い状
態で行つた。吸着工程での本発明と従来法、すな
わちガス流量の調整と非調整の２通りで操作し
た。 第２図に吸着時間に対する吸着塔内のガス流速
を示す。同図で点線が非調整の従来の操作方法、
実線が第１図本発明の操作方法の結果である。点
線で示した従来方法すなわち非調整では、吸着塔
内は均圧工程後の低圧力状態にあり、この状態か
ら電磁弁が瞬間的に全開すると、圧縮機４で加圧
された空気は、吸着工程の初期の０〜３秒間に塔
内に高流速で入り、その後低下し、吸着５〜６秒
後にやつと定常流速に達する。一方、実線で示し
た本発明方法による流量調整の場合は、吸着操作
開始時に開く電磁弁の前に絞り板６を設置し、電
磁弁８または９が瞬時に全開になつても、塔内の
ガス流速が大きくならないように、その塔内線速
度をほぼ1.0ｍ／ｓ一定に調整したものである。 第３図に、第２図方法で操作した場合の製品酸
素濃度の変化を示す。操作条件及び絞り板の寸法
を変えて、吸着時の塔内最大ガス流速に対する酸
素濃度を表わしたものである。第３図から酸素濃
度は吸着時の塔内ガス流速が1.0ｍ／ｓ付近に達
したときに最大になり、絞り板を設置しないガス
流速非調整での酸素濃度７５％に対して、絞り板
を設置したガス流速最適値における酸素濃度は80
％で、酸素濃度向上は５％であつた。 次に、均圧工程での本発明の効果を見るため、
絞り板２０を設置し、絞り板６は無い状態で運転
した。ここでも、本発明と従来法、すなわちガス
流量の調整と非調整の２通りで実測した。第４図
に均圧工程での吸着塔に入るガス流速の経時変化
を示す。点線の非調整の場合は短時間範囲で多量
のガスが吸着塔に入つてしまう。これに対して、
本発明の実線で示したガス流速を最大で1.0ｍ／
ｓに調整した場合は、初期に突入しようとする吸
着塔へのガス流速を小さく抑えることができ、結
果的に流量が平滑化される。 第５図は第４図方法で運転し、製品酸素濃度の
変化を測定した結果である。絞り板の寸法を変え
て、均圧工程時の塔内最大ガス流速における酸素
濃度を表わしてある。第５図から酸素濃度は塔内
ガス流速で1.0ｍ／ｓで最大値を示し、絞り板を
設置しないガス流速非調整での酸素濃度75％に対
して、絞り板設置によるガス流速調整での酸素濃
度は90％で、酸素濃度向上は15％に及んだ。 上記実測例から、吸着工程及び均圧工程でのガ
ス流速調整による各単独の効果が明らかになつ
た。さらに、吸着工程と均圧工程でのガス流速調
整を組合わせた場合、双方の効果は、相乗効果と
して現われてくる。均圧工程で吸着塔塔頂から導
入する酸素流速を調整すると、塔内充填層内での
ガス濃度分布を乱すことなく、塔内に残存してい
る窒素分を塔底に押下げることができる。この状
態から吸着工程に移り、さらに、この吸着工程で
も吸着塔に供給空気流速を調整しながら空気を送
入すると、吸着操作に良好な条件が整い、製品酸
素濃度が一段と高くなる。この効果を実測によつ
て確認した結果を表２に示す。 実測に当つては、吸着工程及び均圧工程で酸素
濃度が最大になるガス流速を絞り板により設定し
た。また、表２には比較のため第３図及び第５図
の酸素濃度の最大値を示した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、製品酸素ガスの濃度および収
率が高くしかも窒素吸着剤の再生効率が良い酸素
濃縮方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸素濃縮方法を適用すべ
き系統構成の一例を示す図、第２図は吸着工程に
おける吸着時間に対する吸着塔内のガス流速の変
化を示す図、第３図は吸着時の塔内最大ガス流速
に対する酸素濃度を表わす図、第４図は均圧工程
における均圧化時間に対する吸着塔内のガス流速
の変化を示す図、第５図は均圧時の塔内最大ガス
流速に対する酸素濃度を表わす図、第６図は本発
明を適用すべき他の系統構成の例を示す図、第７
図は本発明を適用すべき更に他の系統構成の例を
示す図、第８図は本発明を適用すべき３塔式の系
統構成の例を示す図である。 １，２…吸着塔、３…空気送入管、４…圧縮
機、５…気液分離器、６…絞り板、７…管、８，
９，１０，１１…電磁弁、１２…管、１３…均圧
タンク、１４…製品ガス取出管、１５，１６，１
７，１８…電磁弁、１９…ガス排出管、２０…絞
り板、２１…管、２２，２３…調節計、２４，２
５…流量調節弁、２６…管、２７…絞り板、２８
…吸着塔、２９，３０，３１，３２…電磁弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒素吸着剤を充填した複数個の吸着塔に導い
   た空気中の窒素を前記吸着剤に加圧下で吸着さ
   せ、酸素が濃縮された製品ガスを均圧タンクを介
   して取出す吸着工程と、吸着塔を減圧して窒素分
   圧を下げ前記吸着剤を再生させる脱着工程と、前
   記均圧タンクと脱着工程が終了した吸着塔とを連
   通させまたは吸着工程を終了した吸着塔と脱着工
   程を終了した吸着塔とを連通させ濃縮ガスを送込
   み圧力を均等化する均圧工程とを順次繰返しなが
   ら濃縮酸素を連続的に得る酸素濃縮方法におい
   て、前記均圧工程時に前記濃縮ガスを前記吸着工
   程の空気導入とは向流方向から吸着塔に送込み、
   前記吸着工程の空気流速と前記均圧工程の濃縮ガ
   ス流速とを線速度で2.0ｍ／ｓ以下に規制するこ
   とを特徴とする酸素濃縮方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、吸着塔に連
   通する管に設けたオリフイス等の絞りにより前記
   線速度を規制することを特徴とする酸素濃縮方
   法。 ３ 特許請求の範囲第１項において、吸着塔に連
   通する管に設けた圧力センサと流量調節弁と前記
   圧力センサの検出値に応じて前記流量調節弁の開
   度を調節する調節計とにより前記線速度を規制す
   ることを特徴とする酸素濃縮方法。