WO1995024958A1

WO1995024958A1 - Procede et appareil de separation de gaz

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Publication number: WO1995024958A1
Application number: PCT/JP1995/000415
Authority: WO
Inventors: Kazuo Haruna; Masanori Miyake; Shinichi Kaji; Hiroaki Sasano
Original assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd.
Priority date: 1994-03-16
Filing date: 1995-03-13
Publication date: 1995-09-21
Also published as: CA2162365A1; EP0699466A1; AU1862795A; KR960702344A; JPH07251023A; CN1124464A; EP0699466A4

Description

明細書ガスを分離する方法およびその装置技術分野

本発明は、圧カスウイング吸着法（ P S A法）を用いて、混合ガスから難吸着性ガスを製品として取得する改善されたガスの分離方法およびその装置に関する。より詳しくは、空気を原料とし、窒素ガス、炭酸ガス、湿分等を吸着除去して酸素ガスを精製分離する改善された P S A法およびその装置に関する。得られた酸素ガスは、製鋼用電炉、パルプ漂白、廃水処理、支燃用等に利用される。背景技術

圧カスウイング吸着方式（ P S A法）を用いて、易吸着性ガスと難吸着性ガスからなる混合ガスから難吸着性ガスを製品として取り出すガスの分離方法は、従来よりよく知られており、この方法を用いて既に多くの種類のガスが精製分離されている。

ところが、湿分を含んだ原料ガスを P S A法で分離する場合、湿分は吸着剤に容易に吸着するが脱着されにくいため、吸着剤の有効な吸着容量が低下し、またこうした状態で使用し続けると吸着剤が劣化し、ガス分離能力が低下する。そのため通常は、脱湿剤と吸着剤とを積層した態様が好適に用いられ、原料ガスを吸着剤床に供給する前に脱湿剤床を通して湿分を除去する。しかし、このように脱湿剤床と吸着剤床とを併せもつ P S A装置において、吸着剤床に生じる温度分布によつてガスの分離能力が低下することが最近問題となってきている。以下、アルミナを主成分とする脱湿剤を充塡した脱湿剤床の上部にゼォライトモレキュラーシーブを積層充塡した吸着剤床をもつ吸着塔を備えた P S A装置に、空気を原料ガスとして導入し、窒素ガスを吸着除去し酸素ガスを製品とする実施態様を例にとって説明する o

この場合、吸着工程ではゼオラィトモレキュラーシーブの細孔内には窒素ガスが優先的に吸着し、吸着ガス 1 リットルあたり約 0 .

2 k c a 1 の吸着熱が発生して吸着剤床の温度は上昇する。発生した熱はガス流に伴って吸着剤床出口側に向かって移動し、その一部は製品ガスに伴って塔外に排出される。そのため、吸着剤床各部の温度は一様ではなく、吸着剤床の下部は上部よりも低い温度となる ο

つぎに、脱着工程では吸着剤を再生するために吸着塔を吸着時よりも減圧して窒素ガスを脱着させるが、このとき吸熱現象によって吸着剤床の温度は各部分ともほぼ一様に低下する。吸着による総発熱量と脱着による総吸熱量とは等しいが、吸着による発熱分は前記のように製品ガスの流れに伴って一部塔外へ排出されるため、吸着塔内の熱収支としてはその分だけ吸熱量が上回り、塔の温度は徐々に低下する。しかし一方、塔壁からの伝熱による外部からの熱侵入および吸着剤床の温度低下により脱着量も減少するため吸熱量もまた減少し、吸着塔の温度はしだいに一定値に近づいていく。

このようにして吸着剤床には温度勾配が形成されていき、いわゆるホットスポット、コールドスポットが生じる。例えば原料空気を

3 0 °C程度にして吸着塔に供給したときでは、平衡時の吸着剤床上部には 3 5で程度のホットスポット、吸着剤床下部には— 1 0 °C以下のコールドスポットが生じる。吸着剤床下部の温度がこれほどまで低下すると、装置のガス分離能力も低下を来す。

即ち、ゼォライトモレキュラーシーブが優れた性能を発揮する温度範囲は、その種類により異なるが、通常 1 0で〜 6 0 °Cの範囲での分離効率が最も高い。したがって、上記のように 3 5 °Cになったホットスポットではガスの分離効率が向上するが、一 1 0 °C以下となったコールドスポットでは、ガスの吸着能そのものは向上するものの脱着が困難となるため、易吸着性ガスである窒素ガスが吸着剤細孔内に蓄積して有効な吸着容量が低下し、その影響で装置の窒素ガスと酸素ガスの分離効率が低下するという不都合が生じる。

こうした温度勾配の程度は、吸着された窒素ガス量、吸着塔のサィズ等の影響を受け、例えば用いた吸着剤の吸着能が大きいほど、また吸着塔が大きいほど温度勾配は強く現れる。このため、近年装置の大型化、吸着剤の高性能化が図られるにつれ、従前以上にこの問題が顕在化してきた。

こうした問題を解決するため、吸着剤床の原料ガス流入部に生じるコールドスポットの温度を上昇させる方法がいくつか提案されている。例えば、以下の方法が挙げられる。

( 1 ) 吸着塔内で上部に吸着剤、下部に脱湿剤を積層し、吸着剤上部のホットスポットと下部のコ一ルドスポットにそれぞれ熱電対を挿入し、この二つを直列に接続することによつて温度差から生じる熱起電力を利用して脱湿剤床入口部に設置された電熱ヒーターで混合ガスを加熱する方法（特開平 4一 3 2 2 7 1 4号公報）。

( 2 ) 吸着塔の軸方向（ガス流れ方向）を金属板で区切り、吸着剤床出口部の熱を熱伝導により下方（原料ガス入口側）に移動させる方法。

( 3 ) ヒートポンプで他の吸着塔との熱交換を行う方法。しかしながら、いずれも十分な効果が得られるものではなく実用化には至っていない。

そのため、脱湿剤床に導入する混合ガスを熱交換器や電熱ヒータ一等の熱源を用いて強制的に加熱する方法が一般的に採用されている。しかしこの方法では、吸着工程においては、加熱された混合ガスが吸着剤床の低温部に到達する前に、冷たい脱湿剤床を通過して冷却されるため該低温部を十分昇温させることができない。さらに、加熱された混合ガスにより脱湿剤の温度も同時に上昇し、本来の吸湿効果が損なわれるという欠点があり、極端な場合には、原料ガス中の湿分が脱湿剤床で十分に吸着されずに上部の吸着剤床まで到達し、吸着剤のガス分離能力を低下させてしまうこともある。また脱着工程においては、加熱下で再生を行う脱湿剤床に脱着時の吸熱により温度が低下したガスが導入され冷却されるため、再生効率も良くないという欠点がある。発明の開示

本発明の目的は、吸着剤床の下部に形成されるコールドスポットを昇温させると共に脱着時の脱湿剤床の温度を高く保つことにより、ガスの分離効率と脱湿剤の再生効率を高めることのできるガスの分離方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、前記のガスの分離方法に適したガスの分離装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本願発明では次の技術的手段を採用する。

即ち、本発明の要旨は、

( 1 ) 吸着剤床において易吸着性ガスと難吸着性ガスからなる原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し難吸着性ガスを製品として分離する P S A法によるガスの分離方法において、吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えると共に該吸着剤床と該脱湿剤床との間に加熱器を設置したガス分離装置を用いて、吸着時には脱湿剤床を通過して吸着剤床に流入する該原料ガスを加熱することにより吸着剤床の原料ガス流入部に生じる低温部を昇温させ、かつ脱着時には吸着剤床を通過し脱湿剤床に流入する脱着ガスを加熱昇温することを特徵とするガスの分離方法、

( 2 ) 吸着剤床において易吸着性ガスと難吸着性ガスからなる原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し難吸着性ガスを製品として分離する P S A法によるガスの分離方法において、吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えると共に該脱湿剤床の内部に加熱器を設置したガス分離装置を用いて、吸着時には脱湿剤床を通過して吸着剤床に流入する該原料ガスを加熱することにより吸着剤床の原料ガス流入部に生じる低温部を昇温させ、かつ脱着時には吸着剤床を通過し脱湿剤床に流入する脱着ガスを加熱昇温することを特徴とするガスの分離方法、

( 3 ) 吸着剤がゼォライトモレキュラーシーブであり、混合ガスが空気である前記（ 1 ) 又は（ 2 ) 記載の方法、

( 4 ) 吸着工程における吸着剤床の原料ガス流入部でのガス温度を

1 0 °C〜 6 0 °Cとする前記（ 1 ) 又は（ 2 ) 記載の方法、

( 5 ) 脱着工程における脱湿剤床の脱着ガス流入部でのガス温度を

1 0 °C〜 6 0 °Cとする前記（ 1 ) 又は（ 2 ) 記載の方法、

( 6 ) 吸着圧力が大気圧〜 4 k g Z c m ² G、脱着圧力が大気圧〜

1 5 0 t 0 r rである前記（ 1 ) 又は（ 2 ) 記載の方法、

( 7 ) 脱湿剤床の上に吸着剤床が積層され、加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側に設置されていることを特徴とする前記（ 2 ) 記載の方法、

( 8 ) 加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側の 1 Z 2の範囲に設置されていることを特徵とする前記（ 7 ) 記載の方法。

( 9 ) 吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えた P S A法によるガス分離装置であって、該吸着剤床と該脱湿剤床との間に加熱器を設置したことを特徵とするガスの分離装置、

( 1 0 ) 吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えた P S A法によるガス分離装置であって、該脱湿剤床の上に該吸着剤床が積層され、加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側に設置されていることを特徴とするガスの分離装置、

( 1 1 ) 吸着剤床を吸着塔とし、脱湿剤床を脱湿塔とする前記（ 9 ) 記載の装置、

( 1 2 ) 原料ガスの加圧により発生した圧縮熱を加熱器の熱源に用いる前記（ 9 ) 又は（ 1 0 ) 記載の装置、

( 1 3 ) 吸着剤床上部に生じた高温部の熱を加熱器の熱源に用いる前記（ 9 ) 又は（ 1 0 ) 記載の装置、並びに

( 1 4 ) 加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側の 1 Z2の範囲に設置されていることを特徴とする前記（ 1 0 ) 記載の装置、に関する。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の装置の好適な実施態様の一つを例示した概略図である。

第 2図は、本発明の装置の好適な実施態様の一つを例示した概略図である。

第 3図は、本発明の装置の好適な実施態様の一つを例示した概略図である。

第 4図は、本発明の装置の好適な実施態様の一つを例示した概略図である。

第 5図は、従来法の装置の一つを例示した概略図である。

第 6図は、従来法の装置を用いた場合の吸着塔各部の温度分布図である。

第 7図は、本発明の装置（第 1 の態様）を用いた場合の吸着塔各部の温度分布図である。

第 8図は、本発明の装置の好適な実施態様の一つを例示した概略図である。

第 9図は、本発明の装置（第 2の態様）を用いた場合の吸着塔各部の温度分布図である。

図中、 1 は吸着剤床、 2は脱湿剤床、 3は加熱器、 4はブロワ一、 5 は真空ポンプ、 6 は切替弁を示す。発明を実施するための最良の形態

本発明のガスの分離方法には 2つの態様があり、一つは吸着剤床と脱湿剤床との間に、通過するガスを加熱するための加熱器を設置し、吸着時には脱湿剤床を通過して吸着剤床に流入する原料ガスを加熱することにより吸着剤床の原料ガス流入部に生じたコールドスポットを加熱昇温し、脱着時には吸着剤床から脱着する脱着ガスを加熱昇温することにより、脱湿剤の再生効果を高めるという方法である。もう一つの態様は、脱湿剤床の上に吸着剤床を積層し、加熱器は脱湿剤床の内部に設置して、前記と同様の効果を得るという方法である。以下、これらの方法について詳細に説明する。

本発明に用いる P S A装置は、その原料ガス入口側に脱湿剤床をもち、その上に吸着剤床を備えたものであればとくに限定されず、脱湿剤床は吸着塔に内蔵されていてもよく、吸着塔とは別個の脱湿塔としてもよい。吸着塔の数としては通常 2〜 3塔のものが用いられる。本発明に用いる P S A装置の操作条件もとくに限定されず、通常吸着圧力は大気圧〜 4 k g Z c m ² G程度、脱着圧力は大気圧〜 1 5 0 t 0 r r程度で操作される。

本発明に用いる吸着剤はとくに限定されないが、ゼォライトモレキユラ一シーブが好ましく用いられる。ゼォライトモレキュラーシーブとしては、 N a A型、 N a X型、 C a A型、 C a X型等が用いられるが、なかでも、 C a A型、あるいは C a X型のゼォライトモレキユラ一シ一ブがより好ましく用いられる。

本発明に用いる脱湿剤も原料ガスの湿分を除去できるものであればとくに限定されず、脱湿剤としては、活性アルミナ、シリカゲル、モレキュラーシーブ等が用いられるが、なかでもアルミナを主成分としたものが好適に用いられる。

ガスを加熱する加熱器の態様はとくに限定されず、電気ヒーター、多管式熱交換器、蛇管式熱交換器、ジャケット式熱交換器等、通過するガスを加温できるものであればいかなる型式のものでもよい。加熱の熱源もとくに限定されず、電気、スチーム、熱水、吸着剤床上部の高温部（ホットスポット）の熱、あるいは原料ガスを加圧するときに発生する圧縮熱など、通過するガスを加温できるものであればいかなるものでもよい。

吸着時の原料ガスの温度は、用いる吸着剤の種類により最適な範囲は異なるが、通常、吸着剤床の原料ガス流入部で 1 O t：〜 6 0での範囲になるように加温する。脱着時の脱着ガスの温度は、用いる吸着剤の種類により最適な範囲は異なるが、通常、脱着ガスの脱湿剤床への流入部で 1 0 °C〜 & 0 °cの範囲になるように加温する。加熱器を設置する場所としては、原料ガスを十分に昇温するために、ガスの流れ方向に通常 1 0 c m以上の長さの伝熱帯を確保できる場所であるのが好ましい。したがって、吸着剤床と脱湿剤床とを連結する空間部に加熱器を設置するか（第 1 の態様）、あるいは装置の設計上の理由等により該空間部を確保できない場合には、脱湿剤床の内部、好ましくは脱湿剤床内の吸着剤床側に加熱器を設置してもよい（第 2の態様）。本発明においては、いずれの態様でもよいが、第 2の態様では第 1 の態様と比較して脱湿剤の吸湿能力に多少悪影響を及ぼし、再生効果も多少低下するおそれがあるものの、吸着剤床の支持部分を省略できるなど、装置の簡略化、小型化が達成され。

なお、第 1 の態様の場合、吸着剤床と脱湿剤床とは独立した 2つの塔（吸着塔、脱湿塔）に分離してもよい。その場合も、加熱器は吸着剤床を備えた塔と脱湿剤床を備えた塔との連結部に設けるのが好ましい。

また、第 2の態様の場合に、加熱器を設置する場所はとくに限定されないが、通常、脱湿剤床内の吸着剤床側 1ノ 2の範囲、好ましくは吸着剤床側 1 3の範囲に設ける。

このように本発明のガスの分離装置は、吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えた P S A法によるガス分離装置であって、該吸着剤床と該脱湿剤床との間に加熱器を設置したことを特徴とするもの、あるいは該脱湿剤床の上に該吸着剤床が積層され、加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側に設置されていることを特徴とするものであ以下に、空気から酸素ガスを製品として取り出す場合の本発明の実施態様（第 1 の態様）について図 1 〜図 4 に例示する。

図 1 は、吸着剤床 1 と脱湿剤床 2 とを各々独立した 2つの塔とし、それらの連結部に加熱器 3を設けたものである。このセットを 3 組用い、ブロワ一で数百ミリメートル水柱に加圧した空気をこれらに供給して吸着を行い、真空ポンプで 2 0 0 t 0 r r まで減圧して脱着を行うものである。

図 2〜図 4 に、吸着塔に脱湿剤床を有する例を示す。図 2および図 3は吸着剤床 1 と脱湿剤床 2 との間に空間部を設け、その空間部に加熱器 3を設置した例である。図 2は電気、スチーム、熱水等外部からの熱源を加熱器 3に導入するものであり、図 3は吸着剤床 1 出口側のホットスポットを加熱源とし、水、熱媒油等を伝熱媒体とするものである。

図 4 は吸着剤床 1 と脱湿剤床 2 との間に空間部を設け、その空間部に加熱器 3を設置した例であり、ブロワ一 4で例えば約 0 . 5 k g Z c m ² Gに加圧した空気をこれらに供給して吸着を行い、真空ポンプ 5で 2 0 0 t o r r まで減圧して脱着を行う。図 1 〜図 3 との違いは、熱源としてブロワ一により加圧され、温度が上昇した約 4 0〜 9 0 °Cの原料空気そのものを用いている点である。なお、用いる空気の温度は、加圧の程度により変化する。この場合、電気、スチーム、熱水等外部からの熱源を必要とせず、加熱エネルギーが大幅に削減できる。なお、図 1 〜図 4 はいずれも吸着塔を 3塔用いるものを示しているが、本願発明は 3塔式に限定されず、 2以上の複数の塔であってもよいことはもちろんである。

上記構成によれば、吸着時には脱湿剤床を通過して吸着剤床に流入する原料ガスを加熱することにより吸着剤床の原料ガス流入部に生じたコールドスポットを効果的に加熱昇温することができ、脱着時には吸着剤床より脱着する脱着ガスを加熱昇温することにより、従来法よりも温度の高い脱着ガスを脱湿剤床に導くことができるため、脱湿剤の再生効果が向上する。図 6ならびに図 7は、これを説明するために、それぞれ従来法および本発明の方法の場合について、吸脱着時における吸着塔内各部の温度分布を示したものである。即ち、図 6は、原料ガスを脱湿剤床の手前で加熱する従来法（図 5 ) の場合の吸着塔内部の温度分布を示している。図中、 Τ, T₂ Τ₃ Τ₄ を結ぶ線は吸着工程における該吸着塔内各部の最終的な温度分布を表し、 Τ₂' Τ₃' Τ₄'を結ぶ線はそれぞれ対応する部分の脱着工程における最終的な温度分布を表す。吸着工程においては、原料ガスは温度 Τ, にて加熱器に導入され、そこで Τ₂ まで昇温されたのち脱湿剤床に入る。脱湿剤床は、その前の脱着工程で温度が低下しているため、その出口では原料ガス温度は Τ₃ まで低下し、吸着剤床に入る。吸着剤床では、コールドスポットでさらにガス温度が低下した後、吸着熱のため出口のガス温度は Τ₄ まで上昇する。脱着工程においては、脱着に伴う吸熱により各部の温度はほぼ一様に低下し、脱着終了時には Τ₄' Τ ₃' Τ ₂'線に沿った温度分布に落ち着く。なお、図 5に示すように脱着時には脱着ガスは加熱器を通らないために対応する 'は存在しない。

図 7は、脱湿剤床と吸着剤床の間に加熱器を設置した本発明の方法（第 1の態様）の吸着塔内部の温度分布を示している。図中、 Τ 5 Τ 6 T₇ T 8 を結ぶ線は吸着工程における該吸着塔内各部の最終的な温度分布を表し、 Τ 5 ' Τ 6 ' Τ₇' Τ ₈'を結ぶ線は脱着工程における最終的な温度分布を表す。吸着工程においては、原料ガスは温度

Τ 5 にて脱湿剤床に入る。脱湿剤床はすでにその前に加熱再生されて温度が上昇しているため、ガスはその熱を吸収して脱湿剤床出口では T₆ まで上昇し、加熱器に入る。加熱器で温度 Τ₇ まで加温された原料ガスは、吸着剤床に入り、コールドスポットでガス温度が低下した後、吸着による発熱のため出口のガス温度は Τ₈ まで上昇する。脱着工程においては、脱着に伴う吸熱により吸着剤床各部の温度はほぼ一様に低下し、その後加熱器で加温されるため、脱着終了時には Τ₈' Τ₇' Τ 6 ' Τ 5 '線に沿った温度分布に落ち着く。

次に、空気から酸素ガスを製品として取り出す場合の本発明の実施態様（第 2の態様）について図 8に例示する。

図 8は、吸着塔内に吸着剤床 1 と脱湿剤床 2を積層し、脱湿剤床 2の内部の吸着剤床側に加熱器 3を設けたものである。このセットを 3組用い、ブロワ一で数百ミリメートル水柱に加圧した空気をこれらに供給して吸着を行い、真空ポンプで 2 0 0 t o r r まで減圧して脱着を行うものである。

図 9は、この態様での吸着塔内部の温度分布を示している。図中、 Τ₉ Τ,οΤ^Τ^を結ぶ線は吸着工程における該吸着塔内各部の最終的な温度分布を表し、 Τ₉' Τ,。' Τι Τ ₁₂' を結ぷ線は脱着工程における最終的な温度分布を表す。吸着工程においては、原料ガスは温度 Τ₉ にて脱湿剤床に入る。脱湿剤床はすでにその前に加熱再生されて温度が上昇しているため、ガスはその熱を吸収して昇温して Τ ,。となり、脱湿剤床内部に設置された加熱器によりさらに昇温されて脱湿剤床出口ではとなる。次いで、吸着剤床に入り、コールドスポットでガス温度が低下した後、吸着による発熱のため出口のガス温度は Τ₁₂まで上昇する。脱着工程においては、脱着に伴う吸熱により吸着剤床各部の温度はほぼ一様に低下し、その後加熱器で加温されるため、脱着終了時には Τ ₁₂' Τ！ Γ Τ ₁₀' Τ ₉' 線に沿った温度分布に落ち着く。

以下、実施例および比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例 1

図 2は、本実施例にて用いた装置の概念的なフローシートである直径 0. 8 m、高さ 3. l mの吸着塔の下部に、アルミナを主成分とした脱湿剤 7 0 k gを 2 0 c mの高さに充塡して脱湿剤床 2 とし、その上部に高さ 2 0 c mの空間部を設けて 0. 5 kWの電熱ヒ一夕一 3を設置した。この空間部の上部に C a A型ゼォライト 6 0 0 k gを 2. 0 mの高さに充填して吸着剤床 1 とした。このときの電熱ヒータ一の容量は、空気温度を 5 °C昇温できるように決定した。この吸着塔を 3塔備えた P S A装置を用い、ブロワ一 4で 1 0 °C の空気を 5 0 0 mmH₂ 0の圧力まで昇圧後吸着塔に導入して吸着を行い、脱着は真空ポンプ 5で吸着塔を 2 3 0 t 0 r r まで減圧して行い、切替弁 6の切替操作によって P S A操作を行い酸素ガスを分離した。 P S A操作における吸着，脱着 · 蓄圧の 3工程の切り替え周期は 1 サイクル.1 8 0秒間とした。

この結果、濃度 9 3 V 0 1 %の酸素ガスが 2 9. 0 Nm ³ / で得られ、酸素ガスの収率は 4 9 %であった。また、脱湿剤床 2の原枓ガス出口における原料ガスをサンプリングし分析した結果、露点は一 6 0 °Cであった。操作中の吸着塔内の温度分布を測定したところ、図 7のようであった。図 7に示したように、 T ₅ は 1 0 °C、 T 6 は 1 5 °C、 T 7 は 2 0 °C、 T 8 は 4 0 ° ( 、 T ₅'は 1 5 ° (：、 T ₆ 'は 2 0で、 T ₇ 'は 1 5 °C、 T ₈ 'は 3 5 °Cであった。

図 7に示したように、後述の比較例では一 2 0 °Cであった吸着時の吸着剤床下部のコールドスボットの温度を、ヒーターが比較例の

1 Z 2の電気容量のものであったにもかかわらず、比較例よりも 3 5で高い 1 5 °Cにすることができた。また、比較例よりも 3 0 k g 少ない脱湿剤量で、比較例よりも湿分除去効果を向上させることができた。

実施例 2

図 8 は、本実施例にて用いた装置の概念的なフローシートである ο

直径 0. 8 m、高さ 3. 0 mの吸着塔の下部に、アルミナを主成分とした脱湿剤 1 0 0 k gを 3 0 c mの高さに充塡して脱湿剤床 2 とし、脱湿剤床 2の内部の吸着剤床側端部から、 1 0 c mの取付高さにて 0. 5 kWの電熱ヒーター 3を設置した。このような脱湿剤床の上部に C a A型ゼオライト 6 0 0 k gを 2. 0 mの高さに積層充塡して吸着剤床 1 とした。このときの電熱ヒーターの容量は、空気温度を 5 °C昇温できるように決定した。この吸着塔を 3塔備えた P S A装置を用い、ブロワ一 4で 1 0 °Cの空気を 5 0 0 mmH₂ 〇の圧力まで昇圧後吸着塔に導入して吸着を行い、脱着は真空ポンプ 5で吸着塔を 2 3 0 t 0 r r まで減圧して行い、切替弁 6の切替操作によって P S A操作を行い酸素ガスを分離した。 P S A操作における吸着 · 脱着 · 蓄圧の 3工程の切り替え周期は 1 サイクル 1 8 0 秒間とした。

この結果、濃度 9 3 V 0 1 %の酸素ガスが 2 8. 4 Nm ³ / hで得られ、酸素ガスの収率は 4 8 %であった。また、脱湿剤床 2の原料ガス出口における原料ガスをサンプリングし分析した結果、露点は— 6 0 °Cであった。操作中の吸着塔内の温度分布を測定したところ、図 9のようであった。図 9 に示したように、 T ₉ は 1 0 °C、 T j oは 1 5 °C、 T ! ,は 2 0で、 T 1₂は 4 0 °C、 T ₉ 'は 1 5 °C、 T , ₀' は 2 0 °C、 Τ ,！ ' は 1 5 °C、 Τ 1 2 ' は 3 5 °Cであった。

図 9 に示したように、後述の比較例では一 2 0 °Cであった吸着時の吸着剤床下部のコールドスポッ卜の温度を、ヒーターが比較例の 1 / 2の電気容量のものであったにもかかわらず、比較例よりも 3 5 °C高い 1 5 °Cにすることができた。また、比較例と同じ脱湿剤量で、比較例よりも湿分除去効果を向上させることができた。

比較例 1

図 5 は、本比較例にて用いた装置の概念的なフローシートである o

直径 0. 8 m、高さ 3. 0 mの吸着塔の下部にアルミナを主成分とした脱湿剤 1 0 0 k gを 3 0 c mの高さに充填して脱湿剤床 2 とし、その上部に C a A型ゼォライトモレキュラーシーブ 6 0 0 k g を 2. 0 mの高さに積層充塡して吸着剤床 1 とした。この吸着塔を 3塔備えた P S A装置に、ブロワ一 4で 1 0 T)の空気を圧力 5 0 0 mm Η 2 0まで昇圧後、 1 kWの電熱ヒーター 3を用いて 2 0でになるように温度制御して吸着塔に導入して吸着を行い、真空ポンプ 5で吸着塔を 2 3 0 t o r r まで減圧して脱着を行い、切替弁 6の開閉によって P S A操作を行い、酸素ガスを分離した。 P S A操作における吸着 · 脱着 · 蓄圧の 3工程の切り替え周期は 1 サイクル 1 8 0秒間とした。

この結果、濃度 9 3 V 0 1 %の酸素ガスが 2 5. 6 Nm³ Zhで得られ、酸素ガスの収率は 4 4 %であった。また、脱湿剤床 2の原料ガス出口における原料ガスをサンプリングして分析した結果、露点は— 5 5 °Cであった。操作中の吸着塔内の温度分布を測定したところ、図 6のようであった。図 6 に示したように T , は 1 0 °C、 T ₂ は 2 0 °C、 T 3 は一 1 0 °C、 T 4 は 2 5 °C、 T ₂ 'は 1 5 °C、 Τ ₃ ' は一 1 5 °C、 Τ ₄ 'は 2 0 °Cであった。また、吸着工程における吸着剤床のコールドスポットはー 2 0 °Cであった。産業上の利用可能性

本発明の方法によれば、

( 1 ) 吸着剤床下部に形成されていたコールドスポットが大幅に昇温され、吸着剤床の全範囲を吸着に適した温度範囲に保てるようになり P S A装置のガス分離能力が向上する。

( 2 ) 従来法と異なり吸着剤床のコールドスポットをその直近で加熱するため、 1 ) コールドスポッ卜の温度を上昇させるための熱エネルギーを従来法よりも節減できる。とくに原料ガスを加圧するときに発生する圧縮熱を加熱源に用いた場合には大幅な節減が可能である。

2 ) 吸着時の脱湿剤床の温度を従来よりも低く保てるため、脱湿剤の湿分除去能力が向上する。

3 ) 脱着時の脱湿剤床の温度を従来よりも高く保てるため、脱湿剤の再生効果が高まる。

4 ) 2 ) 、 3 ) により同一のガス発生量を得るための脱湿剤の充塡量を従来の 7 0 %以下に減らすことができる。またそれにより、同じ脱着圧力を得るために必要な真空ポンプの排気容量を小さくできるため、従来よりも小型の真空ポンプで同一のガス発生量を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 吸着剤床において易吸着性ガスと難吸着性ガスからなる原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し難吸着性ガスを製品として分離する P S A法によるガスの分離方法において、吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えると共に該吸着剤床と該脱湿剤床との間に加熱器を設置したガス分離装置を用いて、吸着時には脱湿剤床を通過して吸着剤床に流入する該原料ガスを加熱することにより吸着剤床の原料ガス流入部に生じる低温部を昇温させ、かつ脱着時には吸着剤床を通過し脱湿剤床に流入する脱着ガスを加熱昇温することを特徴とするガスの分離方法。

2 . 吸着剤床において易吸着性ガスと難吸着性ガスからなる原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し難吸着性ガスを製品として分離する P S A法によるガスの分離方法において、吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えると共に該脱湿剤床の内部に加熱器を設置したガス分離装置を用いて、吸着時には脱湿剤床を通過して吸着剤床に流入する該原料ガスを加熱することにより吸着剤床の原料ガス流入部に生じる低温部を昇温させ、かつ脱着時には吸着剤床を通過し脱湿剤床に流入する脱着ガスを加熱昇温することを特徴とするガスの分離方法。

3 . 吸着剤がゼォライトモレキュラーシーブであり、混合ガスが空気である請求項 1 又は 2記載の方法。

4 . 吸着工程における吸着剤床の原料ガス流入部でのガス温度を 1 0 °C〜 6 0 °Cとする請求項 1 又は 2記載の方法。

5 . 脱着工程における脱湿剤床の脱着ガス流入部でのガス温度を 1 0 °C〜 6 0 °Cとする請求項 1 又は 2記載の方法。

6 . 吸着圧力が大気圧〜 4 k g Z c m ² G、脱着圧力が大気圧〜 1 5 0 t o r rである請求項 1 又は 2記載の方法。

7 . 脱湿剤床の上に吸着剤床が積層され、加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側に設置されていることを特徵とする請求項 2記載の方 ffi。

8 . 加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側の 1ノ 2の範囲に設置されていることを特徴とする請求項 7記載の方法。

9 . 吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えた P S A法によるガス分離装置であって、該吸着剤床と該脱湿剤床との間に加熱器を設置したことを特徴とするガスの分離装置。

1 0 . 吸着剤床の原料ガス供給側に脱湿剤床を備えた P S A法によるガス分離装置であって、該脱湿剤床の上に該吸着剤床が積層され、加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側に設置されていることを特徴とするガスの分離装置。

1 1 . 吸着剤床を吸着塔とし、脱湿剤床を脱湿塔とする請求項 9記載の装置。

1 2 . 原料ガスの加圧により発生した圧縮熱を加熱器の熱源に用いる請求項 9又は 1 0記載の装置。

1 3 . 吸着剤床上部に生じた高温部の熱を加熱器の熱源に用いる請求項 9又は 1 0記載の装置。

1 4 . 加熱器が脱湿剤床内の吸着剤床側の 1ノ 2の範囲に設置されていることを特徴とする請求項 1 0記載の装置。