WO2002085496A1

WO2002085496A1 - Procede et systeme de separation de gaz

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Publication number: WO2002085496A1
Application number: PCT/JP2002/002656
Authority: WO
Inventors: Masato Kawai; Akihiro Nakamura; Tatsuya Hidano
Original assignee: Nippon Sanso Corporation
Priority date: 2001-04-16
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2002-10-31
Also published as: EP1380335A1; TWI299672B; JP3902416B2; KR100838166B1; CN1267181C; KR20040010623A; US6955711B2; CN1503687A; EP1380335A4; JP2002306918A; US20040118278A1

Description

明細書

ガス分離方法とその装置技術分野

本発明は、複数の成分を含有するガス混合物から、有用な成分ガスを分離回収するガス分離方法とその装置に関するものである。特に、空気中から酸素ガス及び窒素ガスを分離し、これらを製品ガスとして回収したり、又、希ガスと窒素とのガス混合物から希ガスと窒素とそれぞれ分離し、回収するのに適したガス分離方法とその装置に関する。背景技術

空気を原料として、空気を構成している酸素及び窒素の両成分を分離し、回収する方法として、従来より深冷空気分離方法が広く採用されている。この方法は原料空気を液化し、酸素と窒素との沸点の差違を利用して精留分離するもので、そのための分離装置設備に多大の投資を必要とすることから、比較的大量に消費する設備に供給するための、大規模な量の生産に適しているとされている。又、上記空気成分の分離回収方法として、吸着剤を使用して分離する圧力変動吸着 (プレッシャー · スイング ·アドソープシヨン、以下 Γ p S A J という）法による分離方法が、近年広く採用されている。この方法は、例えば空気を原料として酸素を製品として分離回収しょうとする場合、吸着剤としてゼォライトを使用して、このゼォライトを充填した吸着筒に、空気を加圧して流通せしめると、易吸着成分である窒素が前記ゼォライトの吸着剤に吸着固定され、一方難吸着成分である酸素が吸着筒を通過して流出する（吸着工程）。次いで、ゼォライト吸着剤を充填した吸着筒を前記吸着工程よりも低い圧力に減圧するよう、吸着筒内を大気圧に向けて解放すると、前記吸着工程ゼォライト吸着剤に吸着固定された窒素が脱着されて、吸着筒より流出して回収される（再生工程）。

このような P S A法によるガスの分離方法では、相対的に高い圧力で吸着工程を行い、そして相対的に低い圧力で再生工程を行い、これを短い時間で順次切替操作して繰り返すので、吸着剤の単位質量当たりの所望製品の回収採取量を高くすることが容易であり、それ故、設備がコンパクトな装置になる利点がある。例えば、 2筒の吸着筒を用いて、前記した吸着工程、再生工程の P S A操作をそれぞれの筒で異なる工程にして交互に行うと、同一の所望製品を連続的に採取することができる。そして、多くの場合、吸着剤に吸着固定されずに吸着筒を通過して流出する難吸着成分を高純度の製品として採取している。これは、吸着筒から導出される成分の純度によるところが大きく、易吸着成分を所望する採取製品とする場合、吸着剤には易吸着成分が吸着されると同時に難吸着成分が少々吸着されるとともに、吸着剤間の空隙にも難吸着成分が存在するので、吸着筒の減圧再生工程で吸着筒から脱着ガスとともに難吸着ガスが導出される。したがって、製品とすべき易吸着成分中にはかなりの量の難吸着成分を含むこととなる。なお、この再生工程で脱着導出される易吸着成分と難吸着成分との混合割合は、使用する吸着剤の特性に依存するものである。

このようなことより、上記易吸着成分を高純度化して製品として採取する場合には、再生工程で吸着工程に入る前に、製品とされた易吸着成分（前工程で脱着導出して採取された）を用いて、吸着工程終了後の状態にある吸着筒内をパージする工程を行うことが必要となり、分離採取するための工程を複雑化するとともに、前記パージのために圧縮機を追加することが必要となる等、設備の構成機器を増大せしめることとなっていた。

又、従来の P S A法にるガスの分離方法や装置においては、所望する高純度の製品ガスを分離採取するに当たっては、複数成分よりなるガス混合物中の 1成分のみを目標成分にすることが多かった。

P S A法により、ガス混合物を構成している成分から複数成分を高純度で製品として分離採取しようとする試みは、例えば特開昭 5 5— 1 4 7 1 1 9号公報に開示された技術が提案されている。該公報に開示されている技術は、空気を原料として、空気中に含まれている H ₂ 0及び C O ₂を選択的に吸着する吸着剤を充填した予備処理カラム、及び酸素より窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した主力ラムとからなる吸着装置を使用したもので、酸素を富化した酸素富化空気と高純度の窒素との 2種の製品を分離採取する方法に関するものである。

上記した特開昭 5 5 - 1 4 7 1 1 9号公報に開示された、従来の P S A法による空気の分離方法について、図 3の系統概略図を参照して説明する。

この方法に使用する P S A法空気分離装置 5 0では、 H₂0及びC0₂を選択的に吸着する吸着剤を充填した予備処理カラム Yl、 Υ2、及び窒素を選択的に吸着するゼオライトのごとき吸着剤を充填した主力ラム Zl、 Ζ2とが、それぞれ予備処理カラム Y1—主力ラム Zl、予備処理カラム Υ2—主力ラム Ζ2と連結して 2 組の処理装置が、原料空気の供給を交互に切替可能に行えるように連結されている。そして、一方の 1組に原料空気を供給して窒素成分を吸着し酸素富化空気を採取している間（吸着工程）、他方の 1組は前工程の吸着工程で吸着剤に吸着された窒素成分を脱着して高純度窒素を導出して採取する（再生工程）。

即ち、例えば、予備処理カラム Y1—主力ラム Z1の組が吸着工程にあって、予備処理カラム Υ2—主力ラム Ζ2の組が再生工程にある場合には、次のごとき運転状態とされる。

予備処理カラム Y1—主力ラム Z1での吸着工程では、原料空気 ΜΑが管路 5 1 に導入され、弁 V51を介してブロワ一 5 2で所定圧力に加圧された状態で管路 5 3、弁 V52、及び管路 54を介して予備処理カラム Y1に供給される。そして該予備処理カラム Y1で H₂0及び CO ₂が吸着除去され、次いで弁 V53を介して吸着剤ゼォライトが充填された主力ラム Z1に供給される。そして主力ラム Z1を通過する際、空気 M中の窒素成分が吸着剤に吸着され、吸着されない酸素成分が富化されて酸素富化空気となり、この酸素富化空気が管路 5 5に導出されて、弁 V 54、管路 5 6を経て酸素富化空気貯槽 5 7に採取貯蔵される。そして管路 5 8によって適宜使用先に供給される。

一方、再生工程にある予備処理カラム Y2—主力ラム Z2は、まず弁 V65を開状態にして、主力ラム Z2に滞留する酸素成分を含む窒素ガスを管路 6 5より導出し、弁 V65、管路 6 9、及ぴ管路 60を介して排出ガス貯槽 6 1に貯蔵する。該排出ガスは予備処理カラム Yl、 Υ2の再生洗浄用に使用される。その後、前記弁 V65を閉止し、弁 V63、 V66を開状態にするとともに、真空ポンプ 6 2を駆動して、主力ラム Z 2の吸着剤に吸着されている窒素成分を脱着し、 V6³、予備処理カラム Y 2、管路 6 4 , 弁 V 66、管路 6 3、管路 6 7を介して真空ポンプ 6 2に吸引し、窒素貯槽 6 8に製品として高純度窒素ガスを採取貯蔵する。そして、管路 7 0より適宜使用先に供給される。

このようにして、予備処理カラム Y 1—主力ラム Z 1の組と予備処理カラム Y 2 —主力ラム Z 2組とは、吸着工程と再生工程とを適宜弁操作により工程を交互に切り替えて運転される。然るに、上記した製品窒素を、純度を維持して採取するため、再生工程後、吸着工程に先駆けて、採取された窒素を窒素貯槽 6 8より管路 7 1の弁 V67、管路 7 2の循環ブロヮー 7 3、管路 7 4の弁 V 7 5又は弁 V 7 6を介して主力ラム Z l、又は Z 2に導入し、洗浄工程を行って、主力ラム Z 1又は Z 2内の窒素成分濃度をより一層高めておいて、製品窒素の高純度化を達成せしめていた。

しかしながら、再生工程での窒素の脱着は、吸着工程における原料空気の導入流に対して向流で行われるため、再生工程で脱着して得られる高純度窒素は予備処理カラムを通って導出されるので、予備処理カラムで吸着されていた H ₂ 0、 c o ₂が導出される高純度窒素に同伴されてきて、高純度窒素の不純物として含まれることとなる。それ故、これらを除く必要が生じ、これらを除くためには、追加のブロワ一等の送気手段や、乾燥器等の精製手段が必要となり、設備全体の構成が複雑化するとともに、増大し、更には設備価格を高めることとなる。又、特開平 1一 2 9 7 1 1 9号公報には、前記した特開昭 5 5 - 1 4 7 1 1 9 号公報に開示されている空気の分離方法と基本的な構成は類似しているが、濃縮して得られた製品窒素によって主力ラムを洗浄する洗浄工程で排出される酸素を比較的高濃度に含有する排出ガスを、特開昭 5 5 - 1 4 7 1 1 9号公報の方法では原料空気の系統に回収していたのを、特開平 1一 2 9 7 1 1 9号公報の方法では、製品として酸素富化空気の一部として採取するようにした点に相異が認められる。しかしながら、採取する製品窒素に不純物として H ₂ 0、 C〇₂が含有してくるという、不都合な点や、全体構成が複雑である点等においては、両者に共通している。更に又、特開昭 5 2— 5 2 1 8 1号公報には、吸着特性の異なる 2種類の吸着剤、モレキユラシーブカーボン（分子篩活性炭、以下「M S C」という）とゼォライトを用いて、これらの吸着剤を充填した吸着床を連鎖して連結せしめて構成し、これらの連鎖的に連結した吸着床に原料を順次接触通過せしめて、 9 9 %の高純度酸素ガスを採取する方法が開示されている。この方法は、ゼォライトを吸着剤として使用して空気から酸素を採取する方法が、ゼォライトの吸着特性から採取される製品酸素中にアルゴンが含有されることとなって、吸着分離後の酸素濃度の上限がせいぜい 9 5 %程度であって、 9 5 %以上の濃度の酸素を得るため、原料のガス混合物の組成に対応して、それぞれの組成に応じて異なる吸着特性の吸着剤を用いて、吸着分離するようにして、採取すべき酸素の濃度の高濃度化を図ったものである。

し力、し、この特開昭 5 2 - 5 2 1 8 1号公報に開示されている吸着分離方法は、第 1の吸着剤を充填した吸着床から導出して得られるガス混合物が、原料ガスに対して主要ガス成分の含有比率が高められた状態にあって、連鎖されている次の第 2の吸着床への供給原料として使用されたり、あるいは連鎖連結されている吸着床の最後の吸着床からの製品ガスとして使用されることを特徴としている。それ故、装置の構成として、一方の吸着床からの脱着ガスを他方の吸着床又は自らの吸着床に再循環する送気用のポンプュニットを設備する必要となり、装置構成が複雑となるばかり力、設備費用も高価となることは避けられない不都合があつた。

以上のように、従来の P S A法によるガス分離方法と装置にあっては、採取される高純度の製品は、原料であるガス混合物中の 1成分のみを対象として分離採取することが多く、複数の成分を高純度で分離採取して製品とするのに適した優れた方法や装置が無く、その出現が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなさ.れたもので、ガス混合物よりこれを構成している複数成分を同時に高純度の濃度にして分離採取することを可能とし、かつ装置設備が簡略で装置価格が安価であるとともに、操作が容易な P S A法によるガス分離方法と装置を提供することを本発明の課題とするものである。発明の開示

上記した課題を解決するため、

請求項 1に係わる発明のガス分離方法は、少なくとも 2成分の主要ガス成分を含有するガス混合物を圧力変動吸着方法により、前記主要成分を分離して採取するガス分離方法において、前記ガス混合物を加圧した後、第 1の主要ガス成分に対して難吸着性であって第 2の主要ガス成分に対して易吸着性である第 1の吸着剤を用いて第 1の主要ガス成分を第 1の製品ガスとして分離する工程と、前記加圧後のガス混合物を前記第 1の主要ガス成分に対して易吸着性であって前記第 2 の主要ガス成分に対して難吸着性である第 2の吸着剤を用いて第 2の主要ガス成分を第 2の製品ガスとして分離する工程とを、交互に繰り返すことにより、前記ガス混合物から第 1の製品ガスおよび第 2の製品ガスを併産することを特徴とするものである。

請求項 2に係わる発明のガス分離方法は、上記請求項 1に係わる発明のガス分離方法において、第 1の製品ガスとして分離する工程と第 2の製品ガスとして分離する工程とが、各製品ガス分離工程中で分離する製品ガスを製品槽に蓄積する工程を備えてなるとともに、各製品ガス分離工程の後に前記製品槽に蓄積した製品ガスを、該各製品ガスとして分離した吸着剤をパージ洗浄する工程を行うことを特徴とするものである。

請求項 3に係わる発明のガス分離方法は、上記請求項 1又は請求項 2に係わる発明のガス分離方法おいて、前記ガス混合物が空気であることを特徴とするものである。

請求項 4に係わる発明のガス分離方法は、上記請求項 1又は請求項 2に係わる発明のガス分離方法おいて、前記ガス混合物の主要成分が、クリプトン及ぴゼノンの少なくとも 1成分を含有する窒素からなることを特徴とするものである。請求項 5に係わる発明のガス分離方法は、上記請求項 1又は請求項 2に係わる発明のガス分離方法おいて、前記第 1の吸着剤がゼォライトであり、前記第 2の吸着剤が分子篩活性炭であることを特徴とするものである。請求項 6に係わる発明のガス分離方法は、上記請求項 1又は請求項 2に係わる発明のガス分離方法おいて、前記主要成分がクリプトン及びゼノンの少なくとも 1成分を含有する窒素からなり、前記第 1の吸着剤が窒素を選択的に吸着する N a一 A型ゼォライトであり、前記第 2の吸着剤がクリプトン及ぴゼノンを選択的に吸着する活性炭であることを特徴とするものである。

又、請求項 7に係わる発明はガス分離装置であって、少なくとも 2つの主要ガス成分を含有するガス混合物を圧力変動吸着装置により主要ガス成分に分離するガス分離装置において、ガス混合物を加圧する手段と、ガス混合物中の第 1の主要ガス成分に対して難吸着性であって第 2の主要ガス成分に対して易吸着性である第 1の吸着剤を充填した第 1の吸着筒と、前記第 1の主要ガス成分に対して易吸着性でつて前記第 2の主要ガス成分に対して難吸着性である第 2の吸着剤を充填した第 2の吸着筒と、前記第 1の吸着筒と前記第 2の吸着筒を交互に切換えてガス混合物を流通せしめて、前記第 1の主要ガス成分と前記第 2の主要ガス成分とをそれぞれ導出するよう配された管路及び弁手段とを備えてなることを特徴とするものである。

請求項 8に係わる発明のガス分離装置は、上記請求項 7に係わる発明のガス分離装置において、前記第 1の主要ガス成分と前記第 2の主要ガス成分とをそれぞれ導出するよう前記第 1の吸着筒と前記第 2の吸着筒とに配されたそれぞれの管路に、第 1の吸着筒に付属して、分離して導出された第 1の主要成分を貯蔵する第 1の製品槽と該第 1の製品槽から前記第 1の吸着筒へ製品ガスを逆流させる管路を設けてなり、又第 2の吸着筒に付属して、分離して導出された第 2の主要成分を貯蔵する第 2の製品槽と該第 2の製品槽から前記第 2の吸着筒へ製品ガスを逆流させる管路とを設けてなることを特徴とするものである。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の P S A法によるガス分離装置の第 1の実施の形態を説明する系統図である。

図 2は、本発明の P S A法によるガス分離装置の第 2の実施の形態を説明する系統図である。，

図 3は、従来の P S A法による空気分離方法の一例を示す系統概略図である _c 発明を実施するための最良の形態

以下本発明のガス分離方法及び装 gの実施の形態について図面を参照して説明する。

<第 1の実施の形態〉

図 1は、本発明の P S A法によるガス分離方法の第 1の実施形態を説明する系統図である。この第 1の実施形態では、原料のガス混合物 Mとして空気 MAを用い、その主要ガス成分である酸素及び窒素を製品ガスとして分離採取するものでめる。

本実施形態の装置は、原料ガス混合物 Mとして空気 MAを圧縮する圧縮機 1、空気 MAの主要ガス成分である酸素（〇₂) 及びび窒素（N₂) に対し、それぞれ異なった吸着特性を持つ吸着剤を充填した吸着筒 2 A、 2 Bが設備されている。即ち、吸着筒 2 Aには窒素を選択的に吸着し、酸素成分を吸着し難いゼォライトを充填し、吸着筒 2 Bには酸素を選択的に吸着し、窒素成分を吸着し難い分子篩活性炭（MS C 、 rMolecular Sieves Carbon」の略 ) を充填してなるものである。そしてこれらの原料ガスの圧縮機 1、吸着筒 2A、及び吸着筒 2 Bの構成機器は、原料の空気 MAを吸着筒 2 A、 2 Bそれぞれに切替導入し、流通せしめて、導出ガスを回収するよう管路と必要な弁によって連結されている。

原料の空気 MAは圧縮機 1で 1 00 k P a〜1 000 k P aの圧力（以降ゲージ圧力を示す。）、好ましくは 2 00 k P a〜8 00 k P aの圧力まで圧縮され、管路 3、管路 4を流通して、原料供給弁 5 aより吸着筒 2Aに導入する。吸着筒 2 Aには前述のごとく窒素を選択的に吸着するゼォライトが充填されているので、導入された原料空気 MAから易吸着成分である窒素（N₂) を優先的に吸着し、難吸着性成分である酸素（〇₂) が出口側に導出され、製品導出弁 6 aを介して管路 7より酸素濃度 8 5〜 9 5% (以降％は容積％を示す。）の酸素富化ガス M0が製品として得られる。この間、吸着筒 2 Aでは、吸着開始から時間の経過とともに、充填されているゼォライトは窒素を吸着した領域が吸着筒 2 Aの出口に向かって順次前進する。そして、吸着筒 2 Aの出口の管路 7より導出される酸素富化ガス M0の中に含まれる窒素分が許容できる範囲を超えた時、該吸着筒 2 Aでの吸着工程を終了せしめる。即ち、原料供給弁 5 aと製品導出弁 6 aを閉とする。これとともに、吸着筒 2 Bに連結されている原料供給弁 5 bと製品導出弁 6 bを開状態にする。

このようにして原料供給弁 5 bと製品導出弁 6 b弁を開状態とした結果、原料の空気 MAは吸着筒 2 Aへの導入に代わって、管路 8、原料供給弁 5 bを介して吸着筒 2 Bに導入される。吸着筒 2 Bには前記した如く酸素を選択的に吸着する分子篩活性炭（M S C ) が充填されていて、該吸着筒 2 Bに導入された原料の空気 MAは分子篩活性炭（M S C ) で易吸着成分である酸素（0 ₂ ) が選択的に吸着されて、難吸着性成分である窒素（N ₂ ) が出口側に押し出され製品導出弁 6 bを介して管路 9に流出して窒素濃度 9 9〜 9 9 . 9 9 %の窒素富化ガス MNが製品として得られる。

この間、吸着筒 2 Bにおいて、吸着開始から時間の経過とともに、充填されている分子篩活性炭（M S C ) は酸素を吸着した領域が吸着筒 2 bの出口に向かつて順次前進する。そして、吸着筒 2 bの出口の管路 9より導出される窒素富化ガス MN中に含まれる酸素分が許容できる範囲を超えた時に、原料供給弁 5 bと製品導出弁 6 bとを閉止して、吸着筒 2 Bの吸着工程を打ち切る。そして同時に、これに代えて、吸着筒 2 Aに連接してある原料供給弁 5 a、製品導出弁 6 aを開状態として、原料の空気 MAを、先の吸着工程後の再生工程によって充填されているゼォライトを再生せしめておいた吸着筒 2 Aに、供給するように切り替えて、再度酸素富化ガス M0を製品として採取する。

以下同様な弁の切替操作を繰り返して行って、原料の空気 MAを吸着筒 2 Aと吸着筒 2 Bに切り替えて供給するようにして、一方の吸着筒 2 Aより酸素富化ガス M0を製品として採取し、他方の吸着筒 2 Bより窒素富化ガス MNを製品として採取する。

上記した如く、一方の吸着筒² A又は 2 Bが吸着工程にして運転している間、他方の吸着筒 2 B又は 2 Aは、それぞれの吸着筒に充填されている吸着剤が前ェ程の吸着工程で易吸着成分によって飽和状態となっているので、これを脱着せしめて排除して再生するための再生工程がなされる。

この再生工程は次の如き態様で行われる。

例えば、前工程で吸着工程を終えた吸着筒 2 Aの再生工程とする場合、原料供給弁 5 a及び製品導出弁 6 aを閉とした後、吸着筒 2 Aに配設した排気弁 1 0 a を開として吸着筒 2 A内を大気に開放して、吸着剤及び筒内に保持されたガスを管路 1 1から大気に放出する。これにより、吸着筒 2 A内の圧力が下がるとともに、吸着剤（ゼオライト）に吸着されていた窒素分が脱着して、再生するものである。再生後は前記排気弁 1 0 aを閉止し次回の吸着工程の運転まで待機する。なお、吸着筒 2 Bにおける再生工程も同様な態様で行うものである。この場合、原料供給弁 5 b及び製品導出弁 6 bを閉とした後、吸着筒 2 Bに配設した排気弁 1 0 bを開として吸着筒 2 B内を大気に開放して、吸着剤及び筒内に保持されたガスを管路 1 2から大気に放出する。再生後は前記排気弁 1 0 bを閉止し次回の吸着工程の運転まで待機する。

ここで、両吸着筒 2 A、 2 Bにおける吸着工程 Z再生工程、即ち吸着筒 2 Aの吸着工程時における吸着筒 2 Bの再生工程時間、吸着筒 2 Aの再生工程時における吸着筒 2 Bの吸着工程時間の如き、吸着工程と再生工程とのそれぞれ相互間の時間は、対応した関係であることが望ましいが、どちらかの工程を長くすることも可能である。その時、時間を長くする必要のない工程はそのまま工程を継続するか、あるいはすべての弁を閉じて休止待機状態とすればよい。

上記した実施の形態では、空気 MAを原料ガス混合物 Mとし、酸素富化ガス M0 と窒素富化ガス MNをそれぞれ分離採取する例について説明したが、原料ガス混合物 Mとして、主要ガス成分をクリプトン及び窒素とした場合には、異なる吸着特性を持つ吸着剤として、ゼォライトと活性炭を使用することによつても、これらを分離採取することができる。

この場合、 '圧縮機 1で圧力 1 0 0 k P a〜2 0 0 0 k P aまで、好ましくは 2 0 0 k P a〜 1 0 0 0 k P aまでに圧縮されたガス混合物を、クリプトン濃度 9 9〜 9 9 . 9 9 9 %のクリプトン富化ガスと、窒素濃度 9 9 ~ 9 9 . 9 9 9 %の窒素富化ガスとに分離し、両者が製品として得られる。、

く第 2の実施の形態 >

次に、第 2の実施の形態を図 2に図示した系統図を参照して説明する。この第 2の実施の形態の特徴は、上記した図 1に図示した第 1の実施の形態における、吸着筒 2 A及び吸着筒 2 Bのそれぞれの製品を導出する管路 7及び管路 9に、製品貯槽 1 3 A、 1 3 Bを連設して設け、それぞれの吸着筒 2 A及び吸着筒 2 Bでの吸着工程で採取される各製品をそれぞれ、これら製品貯槽 1 3 A及び製品貯槽 1 3 Bに貯蔵するとともに、各吸着筒 2 A、 2 Bの再生工程時において各吸着筒にパージガスとして流すようにしたものである。以下にこれを説明する。

図 2において、図 1と共通する機器については図 1と同一符号を付して詳細な説明は省略する。

上記した第 1の実施の形態での如き吸着筒 2 Aの吸着工程で、製品導出弁 6 a 、管路 7より導出した製品酸素富化ガス M0は、酸素富化ガス製品貯槽 1 3 aに導入されて貯蔵され、貯蔵された製品は管路 1 4より適宜使用先に供給される。そして吸着筒 2 Aの吸着工程が終了すると、吸着工程は吸着筒 2 Bに切替弁操作され該吸着筒 2 Bに原料空気 Mが導入され、吸着筒 2 Aは再生工程に操作運転される。

この実施の形態の吸着筒 2 Aの再生工程では、パージ弁 1 6 a、排気弁 1 0 a を開にして、製品槽 1 3 Aから管路 1 5、パージ弁 1 6 aを通して製品槽 1 3 A に貯蔵されている酸素富化ガス MOを逆流させ吸着筒 2 A内に導入し、吸着剤ゼォライトに吸着している窒素（N ₂ ) を脱着同伴して排気弁 1 0 a、管路 1 1力、ら系外に放出する。このようにすることで吸着筒 2 A内の吸着剤（ゼオライト）に吸着されている成分（窒素）力吸着工程中に製品として採取された難吸着性成分（酸素富化ガス M0) でパージされ、易吸着性成分の脱着が促進される。又、吸着筒 2 Bの再生工程でも同様な操作によって製品である窒素富化ガス M Nによってパージして吸着筒 2 Bに充填されている吸着剤分子篩活性炭 M S Cを再生する。即ち、この場合、パージ弁 1 6 b、排気弁 1 0 bを開にして、製品槽 1 3 Bから管路 1 8、パージ弁 1 6 bを通して、吸着工程時に分離採取して製品槽 1 3 Bに貯蔵されている窒素富化ガス MNを逆流させ吸着筒 2 B内に導入し、吸着剤分子篩活性炭 M S Cに吸着している酸素（0 ₂ ) を脱着同伴して排気弁 1 0 b、管路 1 2から系外に放出する。このようにすることで吸着筒 2 B内の吸着剤（分子篩活性炭 M S C ) に吸着されている成分（酸素）力吸着工程中に製品として採取された難吸着性成分（窒素富化ガス MN) でパージされ、易吸着性成分の脱着が促進され、効率よく、かつ脱着効果を向上せしめて再生することが出来る。

上記第 1の実施の形態及び第 2の実施の形態におけるガス分離装置の吸着筒 2 A及び吸着筒 2 Bのそれぞれの出口側の管路 7及び 9に個別に均圧タンク（図示せず）を配設しておいて、吸着工程終了後の再生工程に先駆けて吸着筒内の製品に近い濃度のガスを均圧タンクに導入して回収して貯蔵しておく。そして、再生工程終了後に、より低圧状態にある当該吸着筒に、前記均圧タンクに回収した製品に近い濃度のガスを、両者が等圧になるよう均圧タンクより導入して戻すことにより、供給した原料ガスを無駄なく有効に使用することとなり、製品の回収率を向上せしめることが出来る。

なお、上記実施の形態では、主要成分が 2成分での分離例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、他のガス成分が混在している多成分系においても、各ガス成分に対応する吸着剤を用いた吸着筒を設備付加することにより、前記各実施の形態と同様に、多種の異種成分をそれぞれ同時に採取できる作用効果を奏することは勿論で.ある。

実施例

<実施例 1 >

図 1に図示する装置を用いて、一方の吸着筒 2 Aに N a—X型ゼオライト、他方の吸着筒 2 Bに分子篩活性炭 M S Cを充填して使用した。両吸着筒ともそれぞれの吸着剤の原料空気流入端側に水分吸着除去用として活性アルミナを充填して配した。圧縮機 1を用いて空気 MAを 7 0 0 k P aに圧縮して、原料ガス混合物 Mとして吸着筒 2 A及び吸着筒 2 Bにそれぞれ供給した。そして、 ^^ &ー型ゼォライトを充填した吸着筒 2 Aからは酸素 9 3 %の酸素富化ガスを、分子篩活性炭 M S Cを充填した吸着筒 2 Bからは窒素 9 9 %の窒素富化ガスを得ることができた。

なお、本実施例において、ゼォライトは N a—X型に限られるものではなく、 N a—X型ゼォライトの N aイオンの一部又は全部を他のアル力リあるいはアルカリ土類金属でイオン交換したゼォライト、 C a— A型ゼオライト、モルデナィト等を使うこともできる。

<実施例 2 >

図 1に図示する装置を用いて、一方の吸着筒 2 Aに N a—A型ゼオライト、他方の吸着筒 2 Bに活性炭を充填して用いた。圧縮機 1を用いて乾燥した窒素とクリプトンのガス混合物を原料ガス混合物 Mとして 7 0 0 k P aに圧縮した後、吸着筒 2 A及び吸着筒 2 Bのそれぞれに供給し、ゼォライトを充填した吸着筒 2 A からは純度 9 9 . 9 9 %のクリプトン富化ガスを、活性炭を充填した吸着筒 2 B からは純度 9 9 . 5 %の窒素富化ガスを得ることができた。

次に、本実施例 2において、原料ガス混合物 Mを窒素とゼノンのガス混合物に変更して圧縮機 1により前記と同じ圧力に加圧して、前記した吸着剤を充填した各吸着筒 2 A及び吸着筒に 2 Bに供給したところ、クリプトンと同様にゼォライトを充填した吸着筒 2 Aから、純度 9 9 . 9 9 %のゼノン富化ガスが導出され、活性炭を充填した吸着筒 2 Bからは、純度 9 9 . 5 °/₀の窒素富化ガスを得ることができた。

本実施例 2で分離採取したクリプトンおよびゼノンは極めて希少なガスであり、該ガスを分離系の系外に排出することは経済的に適当でない。そこで、図 1に図示された排ガスの管路 1 1、管路 1 2を圧縮機 1の原料吸入管路に合流させて、排ガスを循環させるように配管することによって、希少で高価なクリプトン，ゼノンの分離に伴うロスを低減せしめる上で有効であった。産業上の利用可能性

本発明のガス分離方法及び装置は上記した如き形態で実施され、以下の如き産業上の利用可能性を有する。

吸着特性の相異なる吸着剤を充填した吸着筒を設備したガス分離装置に、複数成分をよりなる原料ガス混合物導入して、それぞれの複数成分をそれぞれ分離採取するようにしたので、極めて簡略化された P S A装置構成で原料ガス混合物から二つの成分をそれぞれ濃縮して製品として取り出すことができる。

しかも、それら製品ガスは吸着工程で難吸着性成分として取り出されるため、原料ガス混合物の吸着筒への導入圧力を保持した状態で得られるので、本発明のガス分離装置により製造したガス製品は、使用先へ供給する際に、圧送するための圧縮機の設置を必要としないので、設備費が節減できるとともに、運転費をも節減できる。

又、原料ガス混合物の圧縮機は、 2つの吸着筒に対して交互に原料ガスを供給するため、休止する時間がないので有効に稼動させることができる。

その上更に、原料ガス混合物の圧縮機は、 1筒式 P S Aで見られるような圧縮操作と排気操作を交互に繰り返すような過酷な運転をする必要が無く、定常駆動状態を継続して運転されるので、機械の寿命を延ばすことができる。

そして又、製品槽を各吸着筒の製品導出管路に連結して付加して設けて、該製品槽に吸着工程で採取して貯蔵した製品ガスを、各吸着筒の再生工程における吸着剤に吸着された易吸着成分の脱着のためのパージガスに使用して、パージ工程を実施することにより、大幅に収率の向上を図ることが出来る。

又、各吸着筒に連結して個別の均圧タンクを配設して設けることにより、吸着筒の再生工程後の低圧状態にある吸着筒に、吸着工程後の再生工程に当たって吸着筒よりの排出するガスを均圧タンクに回収しておいた該排出ガスを、供給して均圧化する均圧工程に利用することによって、導入した原料ガス混合物を無駄に排出することなく、有効活用することとなって回収率の向上を図ることが出来る等の効果を奏する。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも 2成分の主要ガス成分を含有するガス混合物を圧力変動吸着方法により、前記主要成分を分離して採取するガス分離方法において、前記ガス混合物を加圧した後、第 1の主要ガス成分に対して難吸着性であって第 2の主要ガス成分に対して易吸着性である第 1の吸着剤を用いて第 1の主要ガス成分を第 1 の製品ガスとして分離する工程と、前記加圧後のガス混合物を前記第 1の主要ガス成分に対して易吸着性であって前記第 2の主要ガス成分に対して難吸着性である第 2の吸着剤を用いて第 2の主要ガス成分を第 2の製品ガスとして分離するェ程とを、交互に繰り返すことにより、前記ガス混合物から第 1の製品ガスおよび第 2の製品ガスを併産することを特徴とするガス分離方法。

2 . 第 1の製品ガスとして分離する工程と第 2の製品ガスとして分離する工程とが、各製品ガス分離工程中で分離する製品ガスを製品槽に蓄積する工程を備えてなるとともに、各製品ガス分離工程の後に前記製品槽に蓄積した製品ガスを、該各製品ガスとして分離した吸着剤をパージ洗浄する工程を行うことを特徴とする請求の範囲第 1項記載のガス分離方法。

3 . 前記ガス混合物が、空気であることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項記載のガス分離方法。

4 . 前記ガス混合物の主要成分が、クリプトン及びゼノンの少なくとも 1成分を含有する窒素からなることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項記载のガス分離方法。

5 . 前記第 1の吸着剤がゼォライトであり、前記第 2の吸着剤が分子篩活性炭であることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項記載のガス分離方法。

6 . 前記主要成分が、クリプトン及びゼノンの少なくとも 1成分を含有する窒素からなり、前記第 1の吸着剤が、窒素を選択的に吸着する N a — A型ゼォライトであり、前記第 2の吸着剤が、クリプトン及びゼノンを選択的に吸着する活性炭であることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項記載のガス分離方法。

7 . 少なくとも 2つの主要ガス成分を含有するガス混合物を圧力変動吸着装置により主要ガス成分に分離するガス分離装置において、ガス混合物を加圧する手段と、ガス混合物中の第 1の主要ガス成分に対して難吸着性であって第 2の主要ガス成分に対して易吸着性である第 1の吸着剤を充填した第 1の吸着筒と、前記第 1の主要ガス成分に対して易吸着性であって前記第 2の主要ガス成分に対して難吸着性である第 2の吸着剤を充填した第 2の吸着筒と、前記第 1の吸着筒と前記第 2の吸着筒を交互に切換えてガス混合物を流通せしめて、前記第 1の主要ガス成分と前記第 2の主要ガス成分とをそれぞれ導出するよう配された管路及び弁手段とを備えてなることを特徴とするガス分離装置。

8 . 前記第 1の主要ガス成分と前記第 2の主要ガス成分とをそれぞれ導出するよう前記第 1の吸着筒と前記第 2の吸着筒とに配されたそれぞれの管路に、第 1 の吸着筒に付属して、分離して導出された第 1の主要成分を貯蔵する第 1の製品槽と該第 1の製品槽から前記第 1の吸着筒へ製品ガスを逆流させる管路を設けてなり、又第 2の吸着筒に付属して、分離して導出された第 2の主要成分を貯蔵する第 2の製品槽と該第 2の製品槽から前記第 2の吸着筒へ製品ガスを逆流させる管路とを設けてなることを特徴とする請求の範囲第 7項記載のガス分離装置。