JPS63190615A - ガス分離濃縮方法 - 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〕 本発明は圧力スイング吸着法を利用したガス分離濃縮方
法に係り、特に、空気など低濃度の酸素を含有するガス
から酸素を分離濃縮する方法に関する。

〔従来の技術〕

例えば、５Ａ・１３Ｘ型のゼオライトなどの固体吸着剤
を充填した吸着塔に加圧下で空気を送入し、吸着剤に窒
素を選択的に吸着させ、空気中の酸素を分離濃縮するこ
とができる。この操作を継続すると吸着剤が窒素で破過
し、ｗ１素の分離能力を失うため、適当時間毎に吸着し
た窒素を脱着する再生操作が必要となる。この再生は吸
着操作時に比べ吸着塔の圧力を低下させることにより実
現できる。空気から酸素と窒素を分離する場合、このよ
うに圧力の変化で吸脱着を繰り返す圧力スイング吸着法
は従来から用いられている深冷分離法に比べ起動・停止
りが容易で、必要に応じて製品酸素を断続的に製造でき
るなどの利点がある。

しかし、原料ガスから多量の窒素を吸着除去する必要が
あるため、吸着剤の再生頻度が高くなり、吸着塔の加・
減圧に要する動力が増加する欠点がある。再生頻度を低
減するには、吸着工程でできるだけ多くの窒素を吸着さ
せ、再生工程で吸着した窒素をできるだけ完全に脱着す
るのが好ましいが、吸着工程で多量の１￥素を吸着させ
ることは製品酸素濃度の低下を招き、再生工程での室索
の完全脱着にはより低圧での再生が必要で再生動力が増
大するため、現実的な操作としては吸着・脱着とも不完
全な状態で次の工程に移行させるのが一般的である。

製品酸素濃度を維持しながら吸着剤を窒素で破過する寸
前まで使用することは特開昭５５−４７０２３号公報に
記載のように、吸着塔を二個直列に接続して吸着工程を
実施し、前段の吸着塔を順次再生することにより実現で
きる。しかし、吸着剤に多くの窒素を吸着させた場合、
それに対応して窒素の脱着を促進する必要があるがこの
点に対する考慮はなされていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は吸着剤からの窒素脱着を減圧操作にのみ
依存しているため、再生時の圧力を比較的低く維持する
必要があり、再生完了時に吸着剤に残存する窒素を製品
酸素中に流出させなし）ようにするため比較的高い圧力
まで製品酸素で加圧し残存窒素を吸着塔の下流側に押し
返しておく必要があり、そのため、必要な吸着圧力が高
く再生圧力が低くなり、運転操作に要する動力が増大す
るという欠点があった。

本発明の目的は、再生圧力を過度に低めることなく、製
品ガスの一部を用いて吸着剤からの吸着ガスの脱着を促
進し、高濃度の製品ガスを低動力で製造することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、複数の吸着塔を直列に接続することにより
製品濃度を維持しながら、直列に接続した複数の吸着塔
の最前段の吸着塔のみを順次再生することにより、吸着
剤の吸着能力を最大限に利用し、再生工程で吸着ガス成
分の分圧が低い製品ガスを有効に利用し、吸着剤をより
完全に再生することにより達成できる。

〔作用〕

減圧再生時に吸着剤はそれ自身から脱着したガス中に置
かれる。高吸着成分の吸着が十分に進んだ後で脱着され
るガスの主成分は高吸着成分であり、吸着剤上の高吸着
成分は雰囲気ガスと平衡吸着量以下となることはない、
これに対して、減圧再生で低吸着成分に富む少量の製品
ガスを吸着塔に供給すると、雰囲気ガス中の高吸着成分
分圧が低下し、高吸着成分の脱着が促進される。但し、
製品ガスを過剰に供給すると、供給した製品ガス中に含
まれる低吸着成分が脱着ガスに混入して排気され、製品
ガスとしての低吸着成分の回収率を悪化させる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

四個の吸着塔ＬＡ、ＩＢ、ＩＣ，１０にはそれぞれ原料
ガス送入切り替え用の弁１１Ａ−Ｄ、減圧時脱着ガス抜
き出し切り替え用の弁１２Ａ−Ｄ。

大気開放時脱着ガス抜き出し切り替え用の弁１３Ａ〜Ｄ
、直列接続時の中間濃縮ガス送り出し切り替え用の弁１
４Ａ−Ｄ、製品ガス送り出し切り替え用の弁１４Ａ−Ｄ
、　ＩＩ！品ガス送り出し切り替え用の弁１５Ａ−、Ｄ
、製品ガス送入切り替え用の弁１６Ａ−Ｄを備えている
。原料ガス２１は圧縮機３により吸着圧力まで加圧され
た後、弁１１で選択された吸着塔１に供給される。吸着
工程で分離濃縮されたガスは弁１６で選択された吸着塔
１から取り出され製品タンク２に一時的に貯えられ、大
部分が製品ガス２２として系外に取り出される６製品タ
ンク２に貯えられたガスの残部は弁１５で選択された吸
着塔１に送られ、減圧パージ、予備加圧に使用される。

脱着ガスに関しては、大気圧開放時は弁１３で選択され
た吸着塔１から脱着ガス２４が大気に放出され、減圧時
・減圧パージ時は弁１２で選択された吸着塔１から真空
ポンプ４で吸引された脱着ガス２３が大気に放出される
。

四個の吸着塔１．Ａ、　ＩＢ、ＬＣ，ＬＤでは経時的に
吸着と再生が繰り返されるが、空気から酸素を分離濃縮
する場合を例にとり、その内容を更に詳細に説明する。

吸着塔ＩＡに原料ガスである空気を供給する工Ｐ、１を
工程Ｉとし、以下連続する工程を順を追って説明する。

工程！では、 圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁１１Ａを通
り、吸着塔ＩＡに供給される。吸着塔ＩＡで粗濃縮され
た酸素は弁１４Ａを通り、吸着塔ＩＢに供給され、更に
濃縮される。吸着塔１［３から取り出されるガスは製品
酸素として弁１６Ｂを通り製品タンク２に財蔵されるに の間に、吸着塔ＩＣ及び吸着塔ＩＤが再生されるが、操
作は前半の工程Ｉａと後半の工程１ｂとに分かれる。

前半の工程１ａで、吸着塔ＩＣは前工程（後述する工程
ＩＶｂに相当）に引き続き弁１２Ｃを開いたまま真空ポ
ンプ４により減圧排気されるが、これに加えて弁１５Ｃ
を開き、吸着塔ＩＣの圧力が、はぼ、０．４気圧に保た
れるよう流量制御弁１９で流量を調節しながら製品酸素
を吸着時と逆方向に流し、吸着剤からの窒素の脱着を促
進する。一方、前工程で空気を供給されていた吸着塔Ｉ
Ｄは弁１３０を開き大気圧付近まで降圧し吸着剤に吸着
されていたガスの一部を脱着ガス２４として大気に放出
する。この間、必要に応じて本工程の全期間、または、
一部の期間弁１５０を開き製品酸素を吸着時と逆方向に
流すことにより吸着剤からの窒素の脱着を促進し、大気
に放出する脱着ガス２４の量を増大させ真空ポンプ４の
所要動力を一層低減することもできる。

後半の工程１ｂでは、吸着塔ＩＣは弁１５Ｇを開いたま
ま流量制御弁１９を全開とし、製品酸素を吸着時と逆方
向に流し、吸着圧力である１、５気圧付近まで加圧する
。一方、吸着塔ＩＤは弁１２Ｄを開き大気圧付近から０
．４　気圧まで真空ポンプ４により減圧され脱着ガス２
３を排気する。

次の工程■では、 圧縮機３で１．５　気圧に加圧された空気が弁１、１　
Ｂを通り吸着塔ＩＢに供給される。吸着塔ＩＢで粗濃縮
された酸素は弁１４Ｂを通り吸着塔ＩＣに供給され、更
に濃縮される。吸着塔ＩＣから取り出されるガスは製品
酸素として弁１６Ｇを通り製品タンク２に貯蔵される。

この間、吸着塔ＩＤ及び吸着塔ＩＡが再生されるが、操
作は前半の工程Ｈａと後半の工程ｎｂとに分れる。

前半の工程１１ａでは、吸着塔ＩＤは工程Ｉｂに引き続
き弁１２Ｄを開いたまま真空ポンプ４により減圧排気さ
れるが、これに加えて弁１５０を開き吸着塔ＩＤの圧力
がほぼ０．４　気圧に保たれるよう流量制御弁１９で流
量を調節しながら製品酸素を吸着時と逆方向に流し、吸
着剤からの窒素の脱着を促進する。一方、前工程で空気
を供給されていた吸着塔ＩＡは弁１３Ａを開き大気圧付
近まで降圧し吸着剤に吸着されていたガスの一部を脱着
ガス２４として大気に放出する。この時、必要に応じて
本工程の全期間、または、一部の期間弁１５Ａを開くこ
とは工程１ａと同様である。

後半の工程Ｔ１ｂでは、吸着塔ＩＤは弁１５Ｄを開いた
まま流量制御弁１９を全開とし、製品酸素を吸着時と逆
方向に流し、吸着圧力である１、５気圧付近まで加圧す
る。一方、吸着塔ＩＡは弁１２Ａを開き大気圧付近から
０．４気圧まで真空ポンプ４により減圧され、脱着ガス
２３を排気する。

次の工程■では、 圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁１１Ｃを通
り吸着塔１Ｃに供給される。吸着塔ＩＣで粗濃縮された
酸素は弁１４Ｇを通り吸着塔ＩＤに供給され、更に濃縮
される。吸着塔ＩＤから取り出されるガスは製品酸素と
して弁１６０を通り製品タンク２に貯蔵される。

この間、吸着塔ＩＡ及び吸着塔ＩＢが再生されるが、操
作は前半の工程ｍａと後半の工程ｍｂとに分かれる。

前半の工程ｍａでは、吸着塔ＩＡは工程ｎｂに引き続き
弁１２Ａを開いたまま真空ポンプ４により減圧排気され
るが、これに加えて弁１５Ａを開き吸着塔ＩＡの圧力が
ほぼ０．４　気圧に保たれるよう流量制御弁１９で流量
を調節しながら製品酸素を吸着時と逆方向に流し、吸着
剤からの窒素のＪｌ！？、着を促進する。一方、前工程
で空気を供給されていた吸着塔ＩＢは弁１３Ｂを開き大
気圧付近まで降圧し吸着剤に吸着されていたガスの一部
を脱着ガス２４として大気に放出する。この時、必要に
応じて本工程の全期間または一部の期間弁１５Ｂを開く
ことは工程１ａと同様である。

後半の工程ｍｂにおいて、吸着塔ＩＡは弁１５Ａを開い
たまま流量制御弁１９を全開とし、製品酸素を吸着時と
逆方向に流し、吸着圧力である１、５気圧付近まで加圧
する。一方、吸着塔ＩＢは弁Ｌ２Ｂを開き大気圧付近か
ら０．４　気圧まで真空ポンプ４により減圧され脱着ガ
ス２３を排気する。

最後に工程■では、 圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁】ＩＤを通
り吸着塔ＩＤに供給される。吸着塔１Ｄで粗濃縮された
酸素は弁１４Ｄを通り吸着塔ＩＡに供給され、更に濃縮
される。吸着塔ＩＡから取り出されるガスは製品酸素と
して弁１６Ａを通り製品タンク２に貯蔵される。

この間、吸着塔ＩＢ及び吸着塔ＩＣが再生されるが、操
作は前半の工程ＩＶａと後半の工程ＩＶｂとに分かれる
。

簡単の工程ＩＶａでは、吸着塔ＩＢは工程ｍｂに引き続
き弁１２Ｂを開いたまま真空ポンプ４により減圧排気さ
れるが、これに加えて弁１５Ｂを開き吸着塔ＩＢの圧力
がほぼ０．４　気圧に保たれるよう流量制御弁１９で流
量を調節しながら製品酸素を吸着時と逆方向に流し、吸
着剤からの窒素の脱着を促進する。一方、前工程で空気
を供給されていた吸着塔ＩＣは弁１３Ｃを開き大気圧付
近まで降圧し吸着剤に吸着されていたガスの一部を脱着
ガス２４として大気に放出する。この時、必要に応じて
本工程の全期間または一部の期間弁１５Ｃを開くことは
工程！ａと同様である。

後半の工程ＩＶｂでは、吸着塔ＩＢは弁１５Ｂを開いた
まま流は制御弁１９を全開とし、製品ＮＩ素を吸着時と
逆方向に流し、吸着圧力である１６５気圧付近まで加圧
する。一方、吸着塔ＩＣは弁１２Ｃを開き大気圧付近か
ら０．４　　気圧まで真空ポンプ４により減圧され脱着
ガス２３を排気する。

工ＮＩＶの完了後は、再び、工Ｐｉ！Ｉに戻る。なお、
弁１１〜１６については、特に、記載されているものを
除き次の工程へ移行する時に閉じられる。

従って、弁の開閉シーケンスは第１表の通りとなる。

吸着塔１として内径３９ｍ、長さ１．７　ｍの塔を四個
用い、それぞれの塔に約１．２　ｋｇの５Ａ型ゼオライ
トを吸着剤として充填し、前半工８１０秒、後半工程５
０秒、計１分を一工程とし、上記の工程を繰り返した時
の製品流量と製品酸素濃度の実測値を第２図に示した。

比較のため、大気開放時の製品酸素パージのみを実施し
なかった場合、０．４　気圧に到達した後の製品酸素パ
ージのみを実施しなかった場合、及び、上記のいずれの
製品酸素パージも実施しなかった場合の結果を第２図第
　　１　　表 一：閉 Δ：半開（流量制御状態） ０：全開 に併記した。

なお１本発明による実施例と同等の性能を同一の装置を
用いて製品酸素パージを全く行わずに実現するには再生
工程で最も減圧した時の圧力を約０．２気圧まで下げる
必要があった。但し１本発明では製品酸素を再生時に吸
着塔へ供給するため、過度に低い再生圧力は、供給した
製品酸素の大部分が脱着ガスとともに排気されてしまい
、好ましくない。

上記実施例では圧力スイング吸着法のみを利用した例を
示したが、吸着剤を再生する際に吸着剤を加熱する温度
スイング吸着法との組み合わせでも本発明は有効である
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、減圧再生圧力を高めても高吸着成分が
吸着剤から十分に脱着され、製品ガス中の低吸着成分を
高濃度に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は空気から
酸素を濃縮分離した時の製品流量と酸素濃度を比較した
図である。 １・・・吸着塔、２・・・製品タンク、３・・・圧縮機
、４・・・真空ポンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、選択性をもつ吸着剤を充填した複数の吸着塔を用い
   て圧力スイング吸着法により、大気圧より高い吸着圧力
   で前記吸着塔を直列に接続して原料ガス中の高吸着成分
   を前記吸着剤に選択的に吸着させて低吸着成分に富む製
   品ガスを製造する吸着工程と、前記吸着工程で直列に接
   続して使用した前記吸着塔のうち前記原料ガスの流れに
   対して最も上流側の前記吸着塔から順次吸着したガスを
   脱着するための、 （ａ）前記吸着工程が完了した前記吸着塔を大気に開放
   し大気圧付近まで圧力を降下させ吸着したガスを脱着す
   る大気開放小工程、 （ｂ）前記大気開放小工程が完了した前記吸着塔を大気
   圧より低い所定の再生圧力まで減圧し吸着したガスを更
   に脱着する減圧小工程、 （ｃ）前記減圧小工程が完了した前記吸着塔を前記吸着
   工程で製造した製品ガスを用いて所定の吸着圧力付近ま
   で加圧する予備加圧小工程、の三小工程から成る再生工
   程とから成り、前記再生工程が完了した前記吸着塔を前
   記吸着工程で直列に接続して使用する複数の前記着塔の
   うち前記原料ガスの流れに対して最も下流側に順次接続
   して使用し、前記原料ガスから低吸着成分を分離濃縮す
   る方法において、 前記（ａ）、（ｂ）の小工程の全期間または一部期間に
   再生中の前記吸着塔の圧力に応じて流量を制御しながら
   低吸着成分に富む製品ガスを吸着操作時と逆方向に供給
   するパージ操作を加えることを特徴とするガス分離濃縮
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記大気開放小工程の全期間または一部期間のみに再生
   中の前記吸着塔に低吸着成分に富む製品ガスを吸着操作
   時と逆方向に供給するパージ操作を加えることを特徴と
   するガス分離濃縮方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、 前記減圧小工程の初期のみに再生中の前記吸着塔に低吸
   着成分に富む製品ガスを吸着操作時と逆方向に供給する
   パージ操作を加えることを特徴とするガス分離濃縮方法
   。 ４、特許請求の範囲第１項において、 前記大気開放小工程の全期間または一部期間および前記
   減圧小工程の初期のみに再生中の前記吸着塔に低吸着成
   分に富む製品ガスを吸着操作時と逆方向に供給するパー
   ジ操作を加えることを特徴とするガス分離濃縮方法。 ５、特許請求の範囲第１項において、 前記減圧小工程の末期のみに再生中の前記吸着塔の圧力
   を所定の再生圧力以上大気圧以下に維持するよう流量を
   制御しながら低吸着成分に富む製品ガスを吸着操作時と
   逆方向に供給するパージ操作を加えることを特徴とする
   ガス分離濃縮方法。 ６、特許請求の範囲第１項において、 前記大気開放小工程の全期間または一部期間のみ、また
   は、前記減圧小工程の初期のみ、または、前記大気開放
   小工程の全期間または一部期間および前記減圧小工程の
   初期に再生中の前記吸着塔に低吸着成分に富む製品ガス
   を吸着操作時と逆方向に供給すると同時に、前記減圧小
   工程の末期に再生中の前記吸着塔の圧力を所定の再生圧
   力以上大気圧以下に維持するように流量を制御しながら
   低吸着成分に富む製品ガスを吸着操作時と逆方向に供給
   するパージ操作を加えることを特徴とするガス分離濃縮
   方法。 ７、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、
   第５項または第６項において、 前記再生圧力が絶対圧で０．２５気圧以上であることを
   特徴とするガス分離濃縮方法。 ８、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、
   第５項または第６項において、 前記吸着剤が５Ａ型ゼオライト、１３Ｘ型ゼオライト、
   モルデナイト型ゼオライトのいずれかであることを特徴
   とするガス分離濃縮方法。 ９、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、
   第５項または第６項において、前記原料ガスが空気であ
   ることを特徴とするガス分離濃縮方法。