TWI460001B - 氮氣製造方法、氣體分離方法及氮氣製造裝置 - Google Patents

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Description

氮氣製造方法、氣體分離方法及氮氣製造裝置
本發明係關於氮氣製造方法、氣體分離方法及氮氣製造裝置。
一般藉由變壓式吸附(pressure swing adsorption：PSA方式)之氮氣製造裝置(氮PSA裝置)作為簡便之氮氣供給手段而使用在許多用途。對於如此氮氣製造裝置，近年來用戶需求係希望更省電化、省空間化。。
以往，該種氮氣製造裝置已知有以下所示裝置。第7圖係表示以往氮氣製造裝置一例的圖。
如第7圖所示、氮氣製造裝置101係具有壓縮機102、兩個吸著槽(第1吸著槽103及第2吸著槽104)、製品槽105、於各個的吸著槽之入口及出口所設置之自動切換式開閉閥111a、111b、112a、112b、113a、113b、114、115、流量調整閥116及製品氣體出口閥117。
壓縮機102係用以加壓原料氣體(空氣)之裝置。此外，兩個吸著槽103、104中分別充填有優先吸附原料氣體中的氧之吸著劑109。於各吸著槽103、104中將原料氣體中的氧吸著去除，而獲得氮豐富之製品氣體。
此外，第1吸著槽103與第2吸著槽104係在槽下游側及上游側互相透過配管而連接。
另外，此處槽之上游側是指槽之下部側(原料氣體入口側)，而槽之下游側是指槽之上部側(製品氣體出口側)，若從原料氣體的流向來看則相當於下游側位置。
製品槽105係設置於兩個吸著槽103、104之下游側，與第1吸著槽103透過開閉閥113a而連接，並與第2吸著槽104透過開閉閥113b而連接。
使用如此PSA方式之氮氣製造裝置101而由原料氣體分離氮氣之方法，已知有重複加壓吸著步驟、減壓均壓步驟、減壓再生步驟、加壓均壓步驟的各步驟之方法。
PSA方式中，第1吸著槽103及第2吸著槽104中的關係為：一邊為加壓吸著步驟時另一邊則為減壓再生步驟、一邊為減壓均壓步驟時另一邊為加壓均壓步驟。因此，第1吸著槽103照著加壓吸著步驟、減壓均壓步驟、減壓再生步驟、及加壓均壓步驟此順序進行時，第2吸著槽104係照著減壓再生步驟、加壓均壓步驟、加壓吸著步驟、減壓均壓步驟此順序進行。以下以第1吸著槽103之步驟為基準而說明。
首先，在加壓吸著步驟中，將藉由壓縮機102而加壓之原料氣體導入第1吸著槽103並將第1吸著槽103內加壓，使原料氣體中的氧優先吸著於吸著劑109，而得氮豐富氣體。
接著，在減壓均壓步驟中，將第1吸著槽103內殘留之氣體送氣至第2吸著槽104。
接著，在減壓再生步驟中，將第1吸著槽103釋放於大氣使壓力下降，同時使氧由吸著劑109脫離以再生吸著劑109。
然後，在加壓均壓步驟中，第1吸著槽103係由第2吸著槽104導入氣體。
若根據第7圖更具體說明，則第1吸著槽103在加壓吸著步驟時，開閉閥111a、113a為開啟而其它開閉閥為關閉。
因此，藉由壓縮機102所壓縮之原料氣體係通過開閉閥111a而導入第1吸著槽103。
於是，在第1吸著槽103中藉由吸著劑109而吸著原料氣體中的氧，且氮份豐富之製品氣體通過開閉閥113a而送往製品槽105。
另外，由第1吸著槽103導出之製品氣體的一部份係通過流量調整閥116而導入第2吸著槽104內，並使用於吸著劑109之再生。
隨著步驟時間經過，吸著氧的吸著劑領域係接近於製品出口端，故會在預定時間內終止加壓吸著步驟。
接著，若第1吸著槽103進入減壓均壓步驟、第2吸著槽104進入加壓均壓步驟，則開閉閥114、115成為開啟狀態，其他開閉閥成為關閉狀態。
該步驟中，由第1吸著槽103往第2吸著槽104並通過開閉閥114、115而供給第1吸著槽103內的相對地高壓之氣體，且該氣體雖不滿足製品品位但為氮份比較富富之氣體(均壓氣體)。
如此地將由第1吸著槽103之製品氣體出口側(上部側)往第2吸著槽104之製品氣體出口側(上部側)、由第1吸著槽103之原料氣體入口側(下部側)往第2吸著槽104之原料氣體入口側(下部側)導入氣體的方法稱為上下部同時均壓法。上下部同時均壓法係揭示於例如非專利文獻1、專利文獻1等。
接著使第1吸著槽103之開閉閥112a開啟，以使第1吸著槽103進入減壓再生步驟。減壓再生步驟中槽內所殘留之氣體由開閉閥112a排出至大氣，隨著槽內壓力下降，吸著劑109所吸著的氧脫離。此時，由第2吸著槽104導出之製品氣體的一部份通過流量調整閥116而導入第1吸著槽103內，並進行槽內之沖洗(purge)，而使用於吸著劑109之再生。
之後開啟開閉閥114，115並關閉其它開閉閥，以使第1吸著槽103進入加壓均壓步驟、第2吸著槽104進入減壓均壓步驟。該步驟中、由第2吸著槽104往第1吸著槽103供給第2吸著槽104內相對地高壓之氣體，且該氣體雖不滿足製品品位但為氮份比較富富之氣體(均壓氣體)。
重複以上步驟，藉此由原料氣體分離氮氣。
[先前技術] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開昭51-50298號公報
(非專利文獻)
非專利文獻1：Separation Science and Technology,23,2379(1988)
另外，近年來對於如此的以往之以PSA方式製造氮氣之方法，係更要求裝置的小型化、提升氮氣產率及省電化，但事實上目前未能提供有效且適當之方法。
為了解決上記課題，本發明係提供以下手段。
亦即，請求項1之發明係一種氮氣製造方法，係以PSA方式由原料氣體(空氣)製造氮氣之方法，其特徵係藉由於充填有第1吸著劑之兩個主吸著槽所連接的管線所設置之副吸著槽所充填之第2吸著劑，而降低由處於減壓均壓步驟之主吸著槽所導出之氣體中的氧濃度，並將前述氣體導入處於加壓均壓步驟之主吸著槽。
此外，請求項2之發明係如請求項1所述之氮氣製造方法，其中，連接前述兩個主吸著槽之前述管線係連接前述各主吸著槽彼此的上游側、或連接前述各主吸著槽之中間部與上游側之管線。
此外，請求項3之發明係如請求項1或2所述之氮氣製造方法，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑的氧吸著速度係比前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑的氧吸著速度還快。
此外，請求項4之發明係如請求項1至3中任一項所述之氮氣製造方法，其中，前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑係分子篩活性碳。
此外，請求項5之發明係如請求項1至4中任一項所述之氮氣製造方法，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑係分子篩活性碳。
此外，請求項6之發明係一種氮氣製造方法，係以PSA方式由原料氣體製造氮氣之方法，其特徵係具有下述步驟：以管線連接充填有吸著劑之兩個主吸著槽，並使用該管線將氣體由一邊之前述主吸著槽導出至另一邊之前述主吸著槽，藉此達到均壓之步驟；在該均壓步驟中，由一邊之主吸著槽導出之前述氣體在導入另一邊之主吸著槽為止的期間，係藉由氧去除手段而降低氧濃度。
此外，請求項7之發明係一種氣體分離方法，係使用含有對於第1吸著劑及第2吸著劑為易吸著性之易吸著成份與對於前述吸著劑為難吸著性之難吸著成份的原料氣體，而由前述原料氣體回收前述易吸著成份與前述難吸著成份之氣體分離方法，其特徵係具有下述步驟：以管線連接充填有前述第1吸著劑之兩個主吸著槽，並使用該管線而由一邊之前述主吸著槽將氣體導出至另一邊之前述主吸著槽，藉此達到均壓之步驟；在該均壓步驟中，由一邊之前述主吸著槽導出之氣體係藉由設置於前述管線之副吸著槽中所充填的前述第2吸著劑而降低前述易吸著成份之後，導入至另一邊之前述主吸著槽。
此外，請求項8之發明係一種氮氣製造裝置，係用於以PSA方式由原料氣體製造氮之氮氣製造裝置，其特徵係由加壓原料氣體之壓縮機、充填有第1吸著劑之兩個主吸著槽、以及設置於前述兩個主吸著槽間所連接之管線並充填有用以降低氣體中之氧濃度的第2吸著劑之副吸著槽所構成。
此外，請求項9之發明係如請求項8所述之氮氣製造裝置，其中，連接前述兩個主吸著槽之前述管線，係連接前述各主吸著槽彼此的上游側、或連接前述各主吸著槽之中間部與上游側之管線。
此外，請求項10之發明係如請求項8或9所述之氮氣製造裝置，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑的氧吸著速度係比前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑的氧吸著速度還快。
此外，請求項11之發明係如請求項8至10中任一項所述之氮氣製造裝置，其中，前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑係分子篩活性碳。
此外，請求項12之發明係如請求項8至11中任一項所述之氮氣製造裝置，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑係分子篩活性碳。
根據本發明可使充填於主吸著槽之吸著劑減量，並可使氮氣製造裝置小型化。此外可提升氮氣產率，結果可使氮氣製造裝置省電化。
以下使用圖式詳細說明適用於本發明之氮氣製造裝置及氮氣製造方法。
＜氮氣製造裝置＞
本發明氮氣製造裝置1係PSA方式之製造裝置，如第1圖所示、係概略由壓縮機2、第1主吸著槽4、第2主吸著槽5、副吸著槽6、製品槽3而構成。
壓縮機2係壓縮原料氣體(空氣)之裝置，壓縮機2與第1主吸著槽4係經由入口閥41a並透過配管21，22，23而連接，且壓縮機2與第2主吸著槽5係經由入口閥41b並透過配管21，22，24而連接。
此外，第1主吸著槽4及第2主吸著槽5中充填有吸著劑9(第1吸著劑)，該吸著劑9係較優先地吸收原料氣體中的氮與氧中之氧。該吸著劑9較佳為使用分子篩活性碳。
就平衡吸著量而言，分子篩活性碳雖具有吸著幾乎相同量之氧、氮的性質，但會以更快之吸著速度吸著與氮相比分子徑小的氧，故藉由選定符合所使用分子篩活性碳之適切的週期時間(cycle time)，即可選擇性地濃縮分離氮。
一般來說，吸著速度快的吸著劑係適合短週期操作，故會提高氮氣生產性，又慢的吸著劑則氧與氮之吸著速度差會變大，故具有比較大之分離比(氮產率)，而可進行高的氮產率之操作。
換句話說，氮生產性與分離比為互償(trade off)之關係，PSA裝置之製造公司係根據個別判斷而由市售之分子篩活性碳選擇。
製品槽3係儲藏由第1主吸著槽4及第2主吸著槽5所導出之氮氣的槽，製品槽3與第1主吸著槽4係經由出口閥45a並透過配管25、26、27而連接，且製品槽3與第2主吸著槽5係經由出口閥45b並透過配管28、26、27而連接。
製品槽3內所貯蔵之製品氣體之氮氣，係以透過設置有製品氣體出口閥14的配管29而導出之方式構成。
此外，第1主吸著槽4之上游側及下游側係分別與第2主吸著槽5之上游側及下游側連接。
第1主吸著槽4之上游側與第2主吸著槽5之上游側係透過配管23與配管24而連接，但配管23與配管24間係以四個配管22、30、31、32而連接。
於配管22設置有入口閥41a、41b，該入口閥41a與入口閥41b之間連接有配管21。此外，於配管30設置有排氣閥42a、42b，該排氣閥42a與排氣閥42b之間連接有與外氣相通之配管35。
於配管31設置有副吸著槽入口閥43a、43b，該副吸著槽入口閥43a與副吸著槽入口閥43b之間連接有配管36。此外，於配管32設置有副吸著槽出口閥44a、44b，該副吸著槽出口閥44a與副吸著槽出口閥44b之間連接有配管37。
而且，配管36係與副吸著槽6上游側連接，配管37係與副吸著槽6下游側連接。而且，於副吸著槽6充填有吸氧比吸氮優先之吸著劑15(第2吸著劑)。
此外，第1主吸著槽4之下游側與第2主吸著槽5之下游側係透過配管25與配管28而連接，且配管25與配管28之間係以兩個配管33、34而連接。於配管34設置有均壓閥46，且於配管33設置有調整再生氣體流量之流量調整閥47。
於配管26設置有出口閥45a、45b，該出口閥45a與出口閥45b之間連接有配管27。
＜氮氣製造方法＞
接著說明本實施形態之氮氣製造方法。
首先，本實施形態之氮氣製造方法係重複加壓吸著步驟、減壓均壓步驟、減壓再生步驟、加壓均壓步驟各步驟之方法。
另外，第1主吸著槽4及第2主吸著槽5中係形成一邊為加壓吸著步驟時另一邊為減壓再生步驟、一邊為減壓均壓步驟時另一邊為加壓均壓步驟之關係。因此，第1主吸著槽4照著加壓吸著步驟、減壓均壓步驟、減壓再生步驟、及加壓均壓步驟此順序進行時，第2主吸著槽5中照著減壓再生步驟、加壓均壓步驟、加壓吸著步驟、減壓均壓步驟此順序進行。以下以第1主吸著槽4之步驟為中心而說明。
首先，在加壓吸著步驟中，將以壓縮機2加壓為適當壓力之原料氣體導入第1主吸著槽4，而將第1主吸著槽4內設為預定壓力，且使原料氣體中容易吸著的氧優先地吸著於吸著劑9，並將難以吸著的氮導出至製品槽3。
接著，在減壓均壓步驟中，將第1主吸著槽4內所殘留氣體送氣至第2主吸著槽5。
接著，在減壓再生步驟中，將第1主吸著槽4解放於大氣使壓力下降，並使吸著劑9吸著的氧脫離而使吸著劑9再生。
然後，在加壓均壓步驟中，第1主吸著槽4係接受由第2主吸著槽5而來之氣體。
之後，第1主吸著槽4再度進行加壓吸著步驟而重複以上步驟，藉此將氮氣由原料氣體分離。換句話說，藉由第1主吸著槽4與第2主吸著槽5交互重複吸著與再生，而可連續地由原料氣體製造氮氣。
有關使用上述氮製造裝置1之氮氣製造方法，參照第2圖及表1而更詳細地說明。
另外、第2(A)、(B)、(C)及(D)圖分別為表示操作1、操作2、操作3及操作4各步驟的圖，圖中箭頭表示氣體之流動且圖中粗線表示氣體流通之配管。此外，表1表示第1主吸著槽4、第2主吸著槽5、及副吸著槽6中各步驟的關係。
第2A圖所示操作1中，第1主吸著槽4中進行加壓吸著步驟、第2主吸著槽5中進行減壓再生步驟、副吸著槽6中進行減壓再生步驟。
操作1中，入口閥41a、出口閥45a、排氣閥42b、副吸著槽入口閥43b為開啟，於流量調整閥47適切控制由第1主吸著槽4下游側流出至第2主吸著槽5下游側之氣體的流量，並關閉其他開閉閥。
該操作1中，因入口閥41a為開啟，故藉由壓縮機2壓縮之原料氣體會經由配管21、22、23而導入第1主吸著槽4，並在第1主吸著槽4內加壓。
而且，在第1主吸著槽4內，原料氣體中容易吸著的氧優先地被吸著於吸著劑9，難以吸著的氮由第1主吸著槽4導出。
然後，因出口閥45a為開啟，故由第1主吸著槽4導出之氮氣經由配管25、26、27而導入製品槽3。
另一方面，第2主吸著槽5中因排氣閥42b為開啟，故第2主吸著槽5內的氣體經由配管24、30、35而放出至大氣，因此降低第2主吸著槽5內的壓力(減壓)。
除此之外，由第1主吸著槽4導出之氮氣的一部份通過配管33並藉由流量調整閥47而成為所求流量，之後導入第2主吸著槽5，藉由該氮氣可沖洗從第2主吸著槽5的吸著劑9脫離的氧，而促進吸著劑9的再生(沖洗再生)。
此時，因副吸著槽入口閥43b為開啟，故副吸著槽6內的氣體經由配管36、31、30、35而放出至大氣，因此降低副吸著槽內6的壓力(減壓)，並進行吸著劑15的再生。
接著，第2B圖所示操作2中，第1主吸著槽4中進行減壓均壓步驟、第2主吸著槽5中進行加壓均壓步驟、副吸著槽6中進行加壓吸著步驟。
該操作2中，加壓吸著步驟結束且槽內壓力相對高之第1主吸著槽4內的氣體，係回收至減壓再生步驟結束且槽內壓力相對低之第2主吸著槽5，結果使得第1主吸著槽4減壓、第2主吸著槽5與副吸著槽6加壓。
操作2中，副吸著槽入口閥43a、副吸著槽出口閥44b、均壓閥46為開啟，其它開閉閥為關閉。
第1主吸著槽4內的氣體由第1主吸著槽4之下游側經由配管25、34、28而導入第2主吸著槽之下游側。
另外，因在流量調整閥47調整流量，故由第1主吸著槽4導出之氣體大多並非通過配管33，而是通過配管34導入第2主吸著槽5。
此外，因副吸著槽入口閥43a與副吸著槽出口閥44b為開啟，故第1主吸著槽4內的氣體由第1主吸著槽4之上游側經由配管23、31、36、副吸著槽6、配管37、32、24而導入第2主吸著槽5之上游側。
在此，藉由PSA法之氮分離中，加壓吸著步驟結束時存在於吸著槽之製品氣體出口附近的氣體係接近製品品位之下限值。另一方面，存在於原料氣體入口附近的氣體幾乎為空氣之組成。吸著槽內分佈之氮濃度係由製品氣體出口向原料氣體入口而形成濃度分佈。
由第1主吸著槽4之下游側導出之氣體係藉由第1主吸著槽4內的吸著劑9而吸著氧之後的氣體、故雖不滿足於製品品位但為純度比較高的氮氣。但是、由第1主吸著槽4之上游側所導出之氣體係未充分藉由吸著劑9將氧減低的氣體、故可認為是接近空氣之氮濃度氣體。
而且，若將由該第1主吸著槽4之上游側所導出之氮濃度相對低的氣體導入副吸著槽6之上游側，則會使副吸著槽6內被加壓，並藉由副吸著槽6內所充填之吸著劑15(氧去除手段)吸著低純度氮氣中的氧，而降低氧濃度。
結果，由副吸著槽6之下游側導出並導入第2主吸著槽5之上游側的氣體(回收氣體)為純度高的氮氣，且可防止第2主吸著槽5被低純度氮氣所污染。
另外，關於在副吸著槽6流動之氣體速度(流量)係藉由節流口(orifice)等而可做最適當之調整。
副吸著槽6若變大則會造成設備費提升，且副吸著槽6所維持之氣體量變大則會有造成各主吸著槽4、5所回收的氣體量降低等不良影響，故可考慮該等之平衡而選擇副吸著槽6的尺寸。
此外，副吸著槽6中所流動之氣體其流速較各主吸著槽4、5流動之原料氣體快，且與吸著劑15接觸的時間短。換句話說，副吸著槽6中所充填之吸著劑15與一般的吸著操作不同，為在均壓時間內之短時間及高流速下操作。
因此，副吸著槽6中所充填之吸著劑15其氧的吸著速度較佳為較各主吸著槽4，5中所充填之吸著劑9快。
於如此之吸著劑15可使用以例如以下方法而調整氧的吸著速度者。
一般分子篩活性碳係將多孔性碳材加熱至400至900℃，並與苯及甲苯等含烴之惰性氣體接觸數分至數十分，使烴熱分解之碳沉澱附著於多孔性碳材之細孔入口而製造。
因此，藉由調節碳沉澱附著程度可分別製造吸著速度快的吸著劑、吸著速度慢的吸著劑。獲得以如此手段所調整之分子篩活性碳並進行其吸著速度的測定，而可選定較主吸著槽中所充填之吸著劑吸著速度更快之吸著劑。
此外，藉由將吸著劑之粒子徑做成較小亦可使吸著速度更快。
換句話說，作為氧的吸著速度快之吸著劑可利用以粒(pellet)徑較小之方式所造粒之吸著劑、以及調整使細孔徑較大之吸著劑等。
接著，說明第2C圖所示操作3。操作3中，係交換操作1之第1主吸著槽4與第2主吸著槽5之作用，第1主吸著槽4中進行減壓再生步驟、第2主吸著槽5中進行加壓吸著步驟、副吸著槽6中進行減壓再生步驟。
操作3中，入口閥41b、出口閥45b、排氣閥42a、副吸著槽入口閥43a為開啟，其它開閉閥為關閉。
該操作3中，因入口閥41b為開啟，故以壓縮機2壓縮之原料氣體經由配管21、22、24而導入第2主吸著槽5之上游側，並在第2主吸著槽內5加壓。而且，在第2主吸著槽5內，原料氣體中容易吸著的氧優先地被吸著於吸著劑10，難以吸著的氮由第2主吸著槽5之下游側導出。
而且，因出口閥45b為開啟，故由第2主吸著槽5所導出之氮氣經由配管28、26、27而導入製品槽3。
此外，因排氣閥42a為開啟，故第1主吸著槽4內之氣體經由配管23、30、35而放出至大氣，因此降低第1主吸著槽4內之壓力(減壓)。
除此之外，由第2主吸著槽5之下游側導出之氮氣的一部份通過配管28、33、25並藉由流量調整閥47而成為所求流量，之後導入第1主吸著槽4。然後，藉由該氮氣可沖洗從第1主吸著槽4的吸著劑9所脫離的氧，而促進吸著劑9的再生(沖洗再生)。
此外，因副吸著槽入口閥43a為開啟，故副吸著槽6內之氣體經由配管36、31、30、35而放出至大氣，因此降低副吸著槽6內之壓力(減壓)，而進行吸著劑15的再生。
接著，說明第2D圖所示操作4。操作4中，係交換操作2之第1主吸著槽4與第2主吸著槽5之作用，第1主吸著槽4中進行加壓均壓步驟、第2主吸著槽5中進行減壓均壓步驟、副吸著槽6中進行加壓吸著步驟。
該操作4中，加壓吸著步驟結束且槽內壓力相對高之第2主吸著槽5內的氣體，係回收至減壓再生步驟結束且槽內壓力相對低之第1主吸著槽4，結果使得第2主吸著槽5減壓、第1主吸著槽4與副吸著槽6加壓。
操作4中，副吸著槽入口閥43b、副吸著槽出口閥44a、均壓閥46為開啟，其他開閉閥為關閉。
因均壓閥46為開啟，故第2主吸著槽5內之氣體由第2主吸著槽5之下游側經由配管28、34、25而導入第1主吸著槽4之下游側。
另外，因在流量調整閥47調整流量，故被導入第1主吸著槽4導出之氣體大多並非通過配管33，而是通過配管34。
此外，因副吸著槽入口閥43b與副吸著槽出口閥44a為開啟，故第2主吸著槽5內之氣體由第2主吸著槽5之上游側經由配管24、31、36、副吸著槽6、配管37、32、23而導入第1主吸著槽4之上游側。
而且與操作2同樣地，由第2主吸著槽5之上游側導出之回收氣體係導入副吸著槽6之上游側，因此使副吸著槽6內加壓，並藉由副吸著槽6內所充填之吸著劑15而吸著並降低低純度氮氣中的氧。
結果，由副吸著槽6之下游側導出並導入第1主吸著槽4之上游側的回收氣體為純度高的氮氣，可防止第1主吸著槽4被低純度的氮氣所污染。
藉由重複如以上之操作1至操作4，而於各主吸著槽4、5重複加壓吸著步驟、減壓均壓步驟、減壓再生步驟、加壓均壓步驟各步驟，可由原料氣體分離氮氣，並有效率地獲得製品氮氣。
另外，所說明之上述實施形態係出口閥45a、45b為開閉閥之情形，但該等亦可為止回閥，副吸著槽出口閥44a、44b亦可為止回閥。此外，使用藉由節流口、配管(tube)節流器之流量調整法取代流量調整閥47亦可。
根據本實施形態之氮氣製造裝置1及氮氣製造方法，可使第1主吸著槽4及第2主吸著槽5中所充填之吸著劑減量，並可使裝置小型化。此外可提升氮氣產率，結果可使氮氣製造裝置省電化。
換句話說，以往之氮氣製造裝置係在加壓均壓步驟中，由一邊的吸著槽之上游側導出之回收氣體係直接導入另一邊的吸著槽之上游側。
但是，本申請案的發明人等發現由加壓吸著步驟切換為減壓均壓步驟時，由吸著槽之上游側導出之氮氣會含有許多不純物之氧。
因此，在本實施形態中於加壓均壓步驟中，由一邊的主吸著槽之上游側導出之含有比較多氧的氮氣係導入副吸著槽6，並藉由副吸著槽6中所充填之吸著劑吸著並降低氧後，導入另一邊主吸著槽之上游側。
藉此，在加壓均壓步驟中可防止另一邊主吸著槽被污染，結果使氮產率提升，同時氮產生能力也提升，而使得各主吸著槽所充填吸著劑的量可減少。
一般將氮氣生產性(將產生氮量除以PSA裝置所使用吸著劑的量之值=能力)及氮產率作為評價PSA裝置性能之基準。
因此，根據本實施形態可減少主吸著槽所充填之吸著劑的量，故氮氣生產性優異，此外氮產率亦提升，故為適合作為氮氣製造裝置的裝置。
此外，所謂氮產率高係指即使同樣原料氣體量也可分離較多氮而作為製品者。相反地，同製品氣體量時可減少原料氣體，並達成空氣壓縮機動力之省電。
本實施形態之副吸著槽6所充填的吸著劑15其氧的吸著速度較佳為較各主吸著槽4、5所充填之吸著劑9快。藉由使用該種吸著劑15，可將副吸著槽6所具有由回收氣體除去氧的效果發揮到最佳。
然而，即使使用與各主吸著槽4、5所充填之吸著劑9同一特性之吸著劑，與不設有副吸著槽6時比較起來亦有充分效果。
以上根據實施型態說明本發明，但本發明並不限定於上述實施形態，在不脫離其主旨之範圍可做各種變更，此係不須贅言。
例如上述實施形態中所說明係第1主吸著槽4與第2主吸著槽5在上游側與下游側連接而進行加壓均壓步驟之情形，但並不限於該等情形。將第1主吸著槽4之中間部(上游側與下游側之間中間的位置)與第2主吸著槽5之上游部以配管連接，而形成連接第1主吸著槽4與第2主吸著槽的管線並進行加壓均壓步驟，此情形下也可發揮設置副吸著槽之效果。
此外，可於連結第1主吸著槽4之下游側與第2主吸著槽5之下游側的管線設置副吸著槽6，亦可於連接第1主吸著槽4之中間部與第2主吸著槽5之上游部的管線設置副吸著槽6。
然而，由各主吸著槽4、5之下游側導出之氮氣為比較高純度之氮氣，因此即使將該氣體導入副吸著槽6並吸著氧也幾乎沒有效果。
副吸著槽之再生並不限定於使用此處所述之管線。也可為主吸著槽之再生氣體流入副吸著槽之管線構成、此時並不會損及副吸著槽之效果。
此外，上述實施形態係說明主吸著槽數為2個之情形、但吸著槽數目並無限定。即使是1槽式，在設置均壓槽時可於吸著槽與均壓槽之連接管線設置副吸著槽。
此外，係說明由原料氣體(空氣)製造氮氣之情形，但原料氣體及製造氣體之組合並沒有一定限定，可廣泛的適用於使用吸著劑而由原料氣體回收易吸著成份與難吸著成份之氣體分離方法。
根據實施例而說明本發明。但本發明並不限定於以下實施例。
(實施例1)
於實施例1調查有無副吸著槽其性能之差異。具體來說係調查使用第1圖所示本發明氮氣製造裝置時、與使用第7圖所示一般氮氣製造裝置時之產率(氮氣產率)及能力(氮氣生產性)。
本實施例中副吸著槽係使用容積為主吸著槽之1/10者，吸著劑係充填後述實驗例所示吸著劑A。
各步驟之操作條件係在吸著步驟之最高壓力約為0.7MPaG、加壓吸著步驟時間(減壓再生步驟時間)為56秒、均壓步驟時間為4秒。
一般氮氣製造裝置中，在均壓步驟中減壓側與加壓側幾乎為相同壓力。
設置副吸著槽之本發明氮氣製造裝置中，副吸著槽之壓力係於均壓步驟開始同時迅速地上升至約0.5MPaG為止後，一面顯示與減壓均壓步驟之吸著槽之壓力幾乎相等的值一面降低並結束均壓步驟。均壓步驟結束時両槽之壓力差為0.02至0.04MPa左右。
此外若一邊之主吸著槽進入減壓再生步驟，則副吸著槽之壓力係與主吸著槽之壓力同時迅速地降低至大氣壓。
以製品氮氣流量/原料空氣流量求產率，並以製品氮氣流量/主吸著槽充填吸著劑總量(兩個主吸著槽所充填之吸著劑的總量，不包含副吸著槽所充填之吸著劑)求能力。結果表示於第3A圖及第3B圖。
兩者之縱軸皆表示以沒有副吸著槽時的製品氣體中氧濃度100ppmV之產率或能力設為1時的相對值。
如第3A圖及第3B圖所示，例如製品氣體中氧濃度為100ppm(volume)時，與沒有副吸著槽時相比，有副吸著槽時之產率約改善9.0%。此外，與沒有副吸著槽時相比，有副吸著槽時之能力約改善8.0%。
(實施例2)
於實施例2調查副吸著槽中所充填之吸著劑使用吸著速度不同的分子篩活性碳之情形。具體地來說係調查使用與主吸著槽所使用吸著劑比較為同一特性的吸著劑之情形、使用吸著速度較快的吸著劑之情形、以及使用吸著速度較慢的吸著劑之情形，使用容積為主吸著槽1/10之副吸著槽調查產率及能力。結果表示於第4A圖及第4B圖。
另外，第4A圖及第4B圖中，為了比較亦附有未副吸著槽之情形。
如第4A圖及第4B圖所示，比較產率及能力之圖表中，例如若以製品氣體中氧濃度為100ppm時比較，與未設有副吸著槽的情形相比，即使是使用較主吸著槽吸著速度慢之吸著劑的情形其實驗值係位於上方。吸著速度變快則該傾向更為明確。
(實施例3)
於實施例3調查對於副吸著槽容積之性能。具體來說，調查副吸著槽容積為主吸著槽容積之1/5、1/7、1/10、1/20、1/40時之產率及能力。副吸著槽中所充填之吸著劑為後述實驗例所示吸著劑A。結果表示於第5圖。
如第5圖所示，可知與沒有副吸著槽時相比，任一容積之副吸著槽都可提高性能。
至少，副吸著槽容積為主吸著槽容積之40分之1以上5分之1以下時其性能比沒有副吸著槽時高。此外，第5圖係表示製品氣體中氮濃度為99.99%的情形下之性能，但氮氮濃度在99%至99.999%之範圍中時，設置副吸著槽同樣地可得提高性能之結果。
另外，若副吸著槽變大則會造成設備費提升，此外，副吸著槽所維持之氣體量變大則會有造成主吸著槽所回收的氣體量降低等不良影響，故可考慮該等之均衡而選擇副吸著槽的尺寸。
(實驗例)
於實驗例使用定容式吸著速度測定裝置(日本BEL公司製BELSORP)調查吸著劑之吸著速度。具體來說，使氧氣、氮氣個別與吸著劑接觸並測定隨著時間經過其壓力之降低。
結果表示於第6圖。另外，第6圖中橫軸表示吸著時間，縱軸表示將任意時間之壓力(P)與平衡壓(PE )的差以及初期壓(P0 )與平衡壓(PE )的差相對化之(P-PE )/(P0 -PE )。
(P-PE )/(P0 -PE )=1與曲線的差分別對應各吸著劑之吸著量。換句話說，吸著劑與氣體接觸時(t=0)壓力(P)等於初期壓(P0 )且(P-PE )/(P0 -PE )=1。隨著時間經過吸著量會增加，各吸著劑之(P-PE )/(P0 -PE )值慢慢下降，直到壓力(P)等於平衡壓(PE )時係吸著飽和之狀態，且(P-PE )/(P0 -PE )=0。
第6圖中，因愈位於左側之曲線愈在短時間壓力會下降，故表示吸著速度快。一般而言，氧的吸著速度與氮的吸著速度顯示成對之吸著特性。換句話說，氧的吸著速度快之吸著劑相對地氮的吸著速度也快。因此，根據第6圖，吸著劑A為吸著速度最快的吸著劑，接著是吸著劑B、吸著劑C之順序。
有關吸著劑A，由第6圖來看，實施例1所記載加壓步驟結束(吸著步驟開始4秒後)時之吸著量，氧的吸著量到達略高於平衡吸著量之80%，但氮的吸著量停在略高於10%。
另一方面，吸著速度最慢之吸著劑C，由第6圖來看，t=4秒時氧的吸著量略高於平衡吸著量之20%，氮氮的吸著量幾乎為0。
另外，實施例2中，吸著速度較主吸著槽中所充填之吸著劑快之吸著劑、同一特性之吸著劑、及吸著速度較慢之吸著劑分別指本實驗例中吸著劑A、吸著劑B、及吸著劑C。
實施例2中表示，設置有副吸著槽者會提高作為氮製造裝置之性能，此外，副吸著槽充填吸著速度快之吸著劑會提高本發明效果。
因此，由實施例2與本實驗例結果來看可推定如下。換句話說，副吸著槽充填吸著速度快之吸著劑者會提高設置副吸著槽之效果，故使吸著速度更快，若能取得氧/氮吸著速度差具有一定程度大之吸著劑，則更可提高本發明副吸著槽之效果。
1．．．氮氣製造裝置
2．．．壓縮機
3．．．製品槽
4．．．第1主吸著槽
5．．．第2主吸著槽
6．．．副吸著槽
9、15．．．吸著劑
14．．．製品氣體出口閥
21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37．．．配管
41a、41b．．．入口閥
42a、42b．．．排出閥
43a、43b．．．副吸著槽入口閥
44a、44b．．．副吸著槽出口閥
45a、45b．．．出口閥
46．．．均壓閥
47．．．流量調整閥
第1圖係概略表示本發明一實施形態之氮氣製造裝置的系統圖。
第2圖係表示本發明一實施形態之氮氣製造方法的步驟圖，第2A圖表示操作1之步驟、第2B圖表示操作2之步驟、第2C圖表示操作3之步驟、第2D圖表示操作4之步驟。
第3A圖及第3B圖係表示有無副吸著槽所造成之產率及能力、與製品氣體中的氧濃度之關係的圖表。
第4A圖及第4B圖係表示對於副吸著槽所充填之吸著速度不同的各吸著劑之產率及能力、與製品氣體中的氧濃度之關係的圖表。
第5圖係表示對於容積不同的各副吸著槽之產率及能力之關係的圖表。
第6圖係表示測定吸著劑之吸著速度之結果的圖表。
第7圖係概略表示以往之氮氣製造裝置的系統圖。
1．．．氮氣製造裝置
2．．．壓縮機
3．．．製品槽
4．．．第1主吸著槽
5．．．第2主吸著槽
6．．．副吸著槽
9、15．．．吸著劑
14．．．製品氣體出口閥
21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37．．．配管
41a、41b．．．入口閥
42a、42b．．．排出閥
43a、43b．．．副吸著槽入口閥
44a、44b．．．副吸著槽出口閥
45a、45b．．．出口閥
46．．．均壓閥
47．．．流量調整閥

Claims (8)

  1. 一種氮氣製造方法，係以PSA方式由原料氣體製造氮氣之方法，其藉由於充填有第1吸著劑之兩個主吸著槽彼此之上游側、或前述主吸著槽之中間部與上游側間所連接的管線所設置之副吸著槽所充填之第2吸著劑，而降低由處於減壓均壓步驟之主吸著槽所導出之氣體中的氧濃度，並將前述氣體導入處於加壓均壓步驟之主吸著槽，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑的氧吸著速度係比前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑的氧吸著速度還快。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氮氣製造方法，其中，前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑係分子篩活性碳。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之氮氣製造方法，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑係分子篩活性碳。
  4. 一種氮氣製造方法，係以PSA方式由原料氣體製造氮氣之方法，其特徵係具有下述步驟：以管線連接充填有吸著劑之兩個主吸著槽彼此之上游側、或前述主吸著槽之中間部與上游側，並使用該管線將氣體由一邊之前述主吸著槽導出至另一邊之前述主吸著槽，藉此達到均壓之步驟；且在該均壓步驟中，由一邊之主吸著槽導出之前述氣體在導入另一邊之主吸著槽為止的期間，係藉由設有前述管線的氧去除手段而降低氧濃度， 其中，前述氧去除手段的氧吸著速度係比前述主吸著槽所充填之前述吸著劑的氧吸著速度還快。
  5. 一種氣體分離方法，係使用含有對於第1吸著劑及第2吸著劑為易吸著性之易吸著成份與對於前述吸著劑為難吸著性之難吸著成份的原料氣體，而由前述原料氣體回收前述易吸著成份與前述難吸著成份，其具有下述步驟：以管線連接充填有前述第1吸著劑之兩個主吸著槽彼此之上游側、或前述主吸著槽之中間部與上游側，並使用該管線而由一邊之前述主吸著槽將氣體導出至另一邊之前述主吸著槽，藉此達到均壓之步驟；且在該均壓步驟中，由一邊之前述主吸著槽導出之氣體係藉由設置於前述管線之副吸著槽中所充填的前述第2吸著劑而降低前述易吸著成份之後，導入至另一邊之前述主吸著槽，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑的吸著前述易吸著成份的速度係比前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑的吸著前述易吸著成份的速度還快。
  6. 一種氮氣製造裝置，係用於以PSA方式由原料氣體製造氮，其係由：加壓原料氣體之壓縮機、充填有第1吸著劑之兩個主吸著槽、以及設置於前述兩個主吸著槽彼此之上游側、或前述主吸著槽之中間部與上游側間所連接之管線並充填有用 以降低氣體中之氧濃度的第2吸著劑之副吸著槽所構成，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑的氧吸著速度係比前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑的氧吸著速度還快。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之氮氣製造裝置，其中，前述主吸著槽所充填之前述第1吸著劑係分子篩活性碳。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之氮氣製造裝置，其中，前述副吸著槽所充填之前述第2吸著劑係分子篩活性碳。
TW100141220A 2011-11-10 2011-11-11 氮氣製造方法、氣體分離方法及氮氣製造裝置 TWI460001B (zh)

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