WO2004007056A1

WO2004007056A1 - 酸素ガス分離方法

Info

Publication number: WO2004007056A1
Application number: PCT/JP2003/008684
Authority: WO
Inventors: Morihiko Yamamoto; Hiroaki Sasano; Masanori Miyake
Original assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd.
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2004-01-22
Also published as: TW200404599A; TWI276459B; JPWO2004007056A1; AU2003252484A1

Abstract

　本発明は、単塔式圧力スイング吸着法により、酸素含有原料ガスから酸素を分離する方法であり、一連の工程（図３Ａ～３Ｂ）を含む１サイクルが繰り返し行われる。吸着工程（図３Ａ）では、吸着塔（１）に原料ガスを導入して当該原料ガス中の不要成分を吸着剤に吸着させた後、吸着塔（１）から酸素富化ガスを導出する。回収工程（図３Ｂ）では、吸着塔（１）内に存在する準酸素富化ガスを回収槽（３）に回収する。脱着工程（図３Ｃ）では、不要成分の少なくとも一部を吸着剤から脱着させて吸着塔（１）から排出する。洗浄工程（図３Ｄ）では、吸着塔（１）内の圧力を一定に維持しつつ、回収槽（３）に保持された準酸素富化ガスの少なくとも一部を吸着塔（１）に導入し、且つ、吸着塔（１）から排出ガスを排出する。昇圧工程（図３Ｅ，３Ｆ）では、吸着塔（１）内の圧力を上昇させる。

Description

明細書酸素ガス分離方法技術分野

本発明は、圧力スイング吸着法（P S A法）により、酸素含有原料ガスから酸素を分離する方法に関する。背景技術

P S A法により得られる濃縮酸素ガスは、酸素の連続供給が要求される技術、例えば電炉製鋼、水処理酸素曝気、パルプ漂白、オゾン発生装置などで、広く利用されている。醃酵などの生化学分野においても濃縮酸素ガスは利用されている。更には、焼却技術の分野においても濃縮酸素ガスは利用されている。具体的には、焼却炉残量物の溶融化、排ガスの低 N O X化、燃焼反応の高効率化などを目的として、空気中で燃焼を行う代わりに濃縮酸素ガス中で燃焼を行う手法が採用される場合がある。

P S A法においては、 2塔以上の吸着塔を備える装置を使用して行われる多塔式 P S A法が一般的である。多塔式 P S A法では、各吸着塔において、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、昇圧工程などが繰り返される。これらの工程は、吸着塔間でタイミングがずらされて行われる。多塔式 P S A法については、種々の改良が試みられている。例えば特開平 8— 2 3 9 2 0 4号公報に開示されている多塔式 P S A法では、吸着工程を終了した吸着塔内の高圧力を、他の吸着塔の昇圧に利用する技術が採用されている。

一方、装置全体の小型化および簡略化、並びにイニシャルコスト削減などの観点から、吸着塔は 1塔のみ備える装置を使用して行われる単塔式 P S A法が採用される場合がある。単塔式 P S A法についても、製品として得られる濃縮酸素ガスの量や純度などの観点から、種々の改良が試みられている。例えば特開平 9— 2 9 0 4 4号公報に開示されている単塔式 P S A法では、吸着工程終了後に、吸着塔内に残留するガスを別途設けられた回収槽に回収し、脱着工程終了後に、当該回収ガスを洗浄ガスとして吸着塔に導入することによって吸着塔の洗浄が行われる。

しかしながら、特開平 9— 2 9 0 4 4号公報に開示されている単塔式 P S A 法によると、上述の洗浄工程の初期段階において、回収槽および吸着塔の比較的大きな圧力差に直接的に相応して、大量の洗浄ガスが回収槽から吸着塔へと流入する傾向にある。当該洗浄工程においては、吸着塔内のガスを真空ポンプにより吸引して排出する場合であっても、洗浄ガス流入量がガス排出量を上回わる期間が生ずる。そのような期間では、吸着塔内は、当該洗浄工程前の脱着工程にて達成された所望の低圧力よりも、高圧の状態となってしまう。洗浄ェ程におけるこのような昇圧現象は、吸着剤の洗浄効率（再生効率）の低下、ひいては濃縮酸素ガスの取得量や回収率の低下の原因となる場合が多く、好ましくない。発明の開示

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、単塔式 P S A法において高い酸素ガス回収率等を達成するのに適した酸素ガス分離方法を提供することを目的とする。

本発明の第 1の側面によると、吸着剤が充填された単一の吸着塔が用いられる単塔式の圧力スィング吸着法により、気体状の酸素を含有する原料ガスから当該酸素を分離する方法が提供される。この方法では、吸着塔に原料ガスを導入して当該原料ガスに含まれる不要成分を吸着剤に吸着させた後、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出する吸着工程と、吸着工程終了後に吸着塔内に存在する準酸素富化ガスを回収して回収槽に保持する回収工程と、吸着剤に吸着されている不要成分の少なくとも一部を、吸着塔内の圧力を低下させることにより吸着剤から脱着させ、当該吸着塔から排出する脱着工程と、吸着塔内の圧力を一定に維持しつつ、回収槽に保持された準酸素富化ガスの少なくとも一部を吸着塔に導入するとともに当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる昇圧工程と、を含む 1サイクルが繰り返し行われる。酸素富化ガスとは、所定程度の高い酸素濃度を有するガスである。準酸素富化ガスとは、酸素富化ガスより低くとも相当程度に高い酸素濃度以上の、酸素濃度を有するガスである。

本発明の第 1の側面に係る酸素ガス分離方法によると、回収槽に保持された準酸素富化ガスの少なくとも一部を吸着塔に導入するとともに当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程において、吸着塔内は、一定の圧力に維持される。すなわち、洗浄工程に先行する脱着工程の終了時に達成される吸着塔内の所望の低い圧力は洗浄工程にて維持され、洗浄工程での昇圧現象は回避される。単塔式 P S A法において、洗浄工程中の吸着塔内の圧力を一定に維持することにより、高い酸素ガス回収率等を達成することが可能となる。

本発明の第].の側面において、好ましくは、洗浄工程では、吸着塔に導入される準酸素富化ガスの流量、および zまたは、吸着塔から排出される排出ガスの流量を制御することにより、吸着塔内の圧力は一定に維持される。

好ましくは、洗浄工程では、吸着塔に導入される準酸素富化ガスの流量を流量制御弁により制御しつつ、ポンプにより吸着塔から排出ガスを排出させることによって、吸着塔内の圧力は一定に維持される。このような構成によると、流量制御弁の開度（絞り量）のみを制御することにより吸着塔内の圧力を一定に維持することが可能であり、圧力制御が容易となる。

好ましくは、吸着工程における吸着塔内の最高圧力は 4 0〜6 5 k P a (ゲージ圧）である。好ましくは、回収工程は、吸着塔内の圧力が 0〜2 5 k P a (ゲージ圧）となるまで行う。好ましくは、脱着工程における吸着塔内の最低圧力は一 6 5〜― 4 O k P a (ゲージ圧）である。

本発明の第 2の側面によると、吸着剤が充填された単一の吸着塔が用いられる単塔式の圧力スィング吸着法により、気体状の酸素を含有する原料ガスから当該酸素を分離する他の方法が提供される。この方法では、吸着塔に原料ガスを導入して当該原料ガスに含まれる不要成分を吸着剤に吸着させた後、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出する吸着工程と、吸着塔内の圧力が第 1中間圧力に降下するまで吸着塔内の第 1準酸素富化ガスを回収して第 1回収槽に保持する第 1回収工程と、吸着塔内の圧力が第 2中間圧力に更に降下するまで吸着塔内の第 2準酸素富化ガスを回収して第 2回収槽に保持する第 2回収工程と、吸着剤に吸着されている不要成分の少なくとも一部を、吸着塔内の圧力を低下させることにより、吸着剤から脱着させて当該吸着塔から排出する脱着工程と、吸着塔內の圧力を一定に維持しつつ、第 1回収槽に保持された第 1準酸素富化ガスの少なくとも一部、または、第 2回収槽に保持された第 2準酸素富化ガスの少なくとも一部を、吸着塔に導入するとともに、当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる昇圧工程と、を含む 1サイクルが繰り返し行われる。本発明において、第 2中間圧力は第 1中間圧力より低い。

本発明の第 2の側面に係る酸素ガス分離方法によると、第 1または第 2回収槽に保持された第 1または第 2準酸素富化ガスの少なくとも一部を吸着塔に導入するとともに当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程において、吸着塔内は、一定の圧力に維持される。すなわち、洗浄工程に先行する脱着工程の終了時に達成される吸着塔内の所望の低レ、圧力は洗浄工程にて維持され、洗浄ェ程での昇圧現象は回避される。単塔式 P S A法において、洗浄工程中の吸着塔内の圧力を一定に維持することにより、高い酸素ガス回収率を達成することが可能となる。

本発明の第 2の側面において、好ましくは、昇圧工程では、第 1回収槽からの第 1準酸素富化ガスの少なくとも一部が吸着塔内に導入される。第 :1準酸素富化ガスは、吸着工程直後における吸着塔内残留ガスであるため、第 2準酸素富化ガスよりも高い酸素濃度を有する。そのため、昇圧工程にて吸着塔内を昇圧するために当該吸着塔に導入され且つ製品ガスとして回収されることとなる昇圧ガスとしては、高い酸素ガス回収率を達成するうえでは、第 2準酸素富化ガスよりも第 1準酸素富化ガスの方が好適である。

好ましくは、洗浄工程では、第 2回収槽からの第 2準酸素富化ガスの少なくとも一部が吸着塔に導入される。酸素濃度について、第 2準酸素富化ガスは、第 1準酸素富化ガスより低いものの、原料ガスより相当程度に高く、洗浄工程において吸着剤からの不要成分の脱着を促進するうえで充分に高い。洗浄工程における洗浄ガスとして第 2準酸素富化ガスを利用し、昇圧工程における昇圧ガスとして第 1準酸素富化ガスを利用することは、高い酸素ガス回収率を達成するうえで好適である。

好ましくは、洗浄工程では、吸着塔に導入される第 2準酸素富化ガスの流量、および/または、吸着塔から排出される排出ガスの流量を制御することにより、吸着塔内の圧力は一定に維持される。

好ましくは、洗浄工程では、吸着塔に導入される第 2準酸素富化ガスの流量を流量制御弁により制御しつつ、ポンプにより吸着塔から排出ガスを排出させることによって、吸着塔内の圧力は一定に維持される。このような構成によると、流量制御弁の開度（絞り量）のみを制御することにより吸着塔内の圧力を一定に維持することが可能であり、圧力制御が容易となる。

好ましくは、吸着工程における吸着塔内の最高圧力は 4 0〜6 5 k P a (ゲージ圧）である。好ましくは、第 1中間圧力は 1 5〜3 5 k P a (ゲージ圧）であり、第 2中間圧力は一 1 0〜1 5 k P a (ゲージ圧）である。好ましくは、脱着工程における吸着塔内の最低圧力は— 6 5〜一 4 0 k P a (ゲージ圧）である。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る酸素ガス分離方法を実施するための P S A分離装置の概略構成を表す。

図 2は、第 1の実施形態に係る酸素ガス分離方法の各工程における、図 1に示す P S A分離装置の各弁の開閉状態を示す表である。

図 3 A〜図 3 Fは、第 1の実施形態の各工程におけるガス流れ状態を表す。図 4は、本発明の第 2の実施形態に係る酸素ガス分離方法を実施するための P S A分離装置の概略構成を表す。

図 5は、第 2の実施形態に係る酸素ガス分離方法の各工程における、図 4に示す P S A分離装置の各弁の開閉状態を示す表である。

図 6 A〜図 6 Gは、第 2の実施形態の各工程におけるガスの流れ状態を表す。図 7は、実施例' 1， 2および比較例について、条件および結果が掲げられた表である。

図 8は、実施例 1および比較例における吸着塔内の圧力変化を示すある。

図 9は、実施例 2における吸着塔内の圧力変化を示すグラフである。

発明を実施するための最良の形態

図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る酸素ガス分離方法を実施するための

P S A分離装置 X 1の概略構成を表す。 P S A分離装置 X 1は、吸着塔 1、製品ガスバッファ槽 2、および回収槽 3を備える。

吸着塔 1は、製品ガス出口 1 aおよび原料ガス入口 1 bを有し、その内部には吸着剤が充填されている。吸着剤としては、 L i 一 X型ゼォライトモレキュラーシーブ、 C a— X型ゼオライトモレキュラーシーブ、 C a— A型ゼォライトモレキュラーシーブなどが採用される。

吸着塔 1の製品ガス出口 1 aは、共用の配管 4 aおよび製品ガス用の配管 4 bを介して製品ガスバッファ槽 2に繋げられており、且つ、配管 4 aおよび回収ガス用の配管 4 cを介して回収槽 3に繫げられている。配管 4 aには、流量調節弁 5が設けられており、配管 4 b , 4 cには、各々、自動弁 6 a， 6 が設けられている。

吸着塔].の原料ガス入口 1 bは、共用の配管 4 dおよび原料ガス供給用の配管 4 e , 4 f を介して原料ガス供給部 7に繋げられており、且つ、配管 4 dおよび脱着ガス排出用の配管 4 g， 4 hを介して脱着ガス回収部 8に繋げられている。配管 4 dには、ブロア 'ポンプ B Pが設けられており、配管 4 e , 4 f , 4 g， 4 hには、各々、自動弁 6 c， 6 d , 6 e , 6 f が設けられている。製品ガスバッファ槽 2は、配管 4 iを介して製品ガス回収部 9に更に繋げられている。

本実施形態では、以上のような構成を有する P S A分離装置 X 1を使用して、 P S A法により、酸素含有原料ガスから不要成分を除去することができ、その結果、酸素が富化された製品ガス、即ち酸素富化ガスないし濃縮酸素ガスが得られる。 P S A分離装置 X 1の駆動時においては、各弁 5， 6 a〜6 f の開閉状態が適宜切り替えられることにより、吸着塔 1および配管 4 a〜4 iにおけるガスの流れ状態が決定され、図 2に示す吸着工程 S 1 1、回収工程 S 1 2、脱着工程 S 1 3、洗浄工程 S 1 4、第 1昇圧工程 S 1 5、および第 2昇圧工程 S 1 6からなる 1サイクルが繰り返し行われる。図 2には、各工程 S 1 1〜S 1 6における各弁 5， 6 a〜6 f の開閉状態も示されている。図 3 A〜図 3 F は、各々、工程 S 1 ：！〜 S 1 6におけるガスの流れ状態を示している。図 3 A 〜図 3 Fにおいて、ガス流は太線矢印で表されている。

吸着工程 S 1 1では、図 2に示すように各弁 5， 6 a〜 6 ίの開閉状態が選択されて、図 3 Αに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 1および図 3 Aを併せて参照するとよく理解できるように、吸着工程 S 1 1では、吸着塔 1は、原料ガス供給部 7と連通し、且つ、製品ガスバッファ槽 2を介して製品ガス回収部 9と連通している。原料ガス供給部 7の原料ガス（例えば空気）は、ブロア ·ポンプ B Pが稼動することにより、配管 4 e， 4 d , 4 f および原料ガス入口 1 bを介して吸着塔 1に導入される。吸着塔 1の内部では、吸着剤により不要成分（例えば窒素）が吸着除去され、酸素濃度の高いガスが製品ガスとして製品ガス出口 1 aを介して吸着塔 1の外部に導出される。このガスは、配管 4 a， 4 bを介して製品ガスバッファ槽 2に流入する。製品ガスバッファ槽 2に一旦滞留した後、当該製品ガスは、配管 4 iを介して製品ガス回収部 9に流入して回収される。

吸着塔 1の内部圧力は、例えば、本工程中上昇し続け、本工程終了時に最高値に到達する。本工程における吸着塔 1内の最高圧力は、例えば 4 0〜6 5 k P aの範囲内とされる。この圧力範囲はゲージ圧の値で表されたものである。後出の各工程の圧力条件についてもゲージ圧で表す。

回収工程 S 1 2では、図 2に示すように各弁 5， 6 a〜6 f の開閉状態が選択されて、図 3 Bに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 1および図 3 Bを併せて参照するとよく理解できるように、回収工程 S 1 2では、吸着塔 1は、回収槽 3と連通している。本工程開始時には、先に吸着工程 S 1 1が行われていた吸着塔 1の内部圧力は、例えば 4 0〜6 5 k P aと高いのに対し、回収槽 3の内部圧力は、例えば一 6 5 · ^— 3 O k P aと低く設定されている。そのため、本工程開始時に吸着塔 1内に存在する比較的に酸素濃度の高い準酸素富化ガスは、本工程において、吸着塔 1と回収槽 3の間の圧力差に起因して、配管 4 cを介して回収槽 3に回収ガスとして移動する。回収槽 3に移動する準酸素富化ガスの流量は、流量調節弁 5により適宜調節される。吸着塔 1の内部圧力は、例えば、本工程中降下し続ける。本工程は、吸着塔 1の内部圧力が例えば 0〜 2 5 k P aの範囲内になるまで行われる。

脱着工程 S 1 3では、図 2に示すように各弁 5， 6 a〜 6 f の開閉状態が選択されて、図 3 Cに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 1および図 3 Cを併せて参照するとよく理解できるように、脱着工程 S 1 3では、吸着塔 1は、脱着ガス回収部 8と連通している。ブロア ·ポンプ B P が稼動することにより、吸着塔 1の内部は減圧されて吸着剤から不要成分が脱着し、気体状態にある当該不要成分は、配管 4 g， 4 d， 4 hを介して脱着ガス回収部 8に回収される。

吸着塔 1の内部圧力は、例えば、本工程中降下し続け、本工程終了時に最低値に到達する。本工程における吸着塔 1内の最低圧力は、例えば一 6 5〜一 4 0 k P aの範囲内とされる。

洗浄工程 S 1 4では、図 2に示すように各弁 5， 6 a〜 6 f の開閉状態が選択されて、図 3 Dに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 1および図 3 Dを併せて参照するとよく理解できるように、洗浄工程 S 1 4では、吸着塔 1は、回収槽 3および脱着ガス回収部 8と連通している。本ェ程開始時には、先に脱着工程 S 1 3が行われていた吸着塔 1の内部圧力は相対的に低レ、のに対し、準酸素富化ガスが収容されている回収槽 3の内部圧力は相対的に高い。そのため、回収槽 3内に存在する準酸素富化ガスは、吸着塔 1と回収槽 3の間の圧力差に起因して、配管 4 cおよび製品ガス出口 1. _aを介して吸着塔 1に洗浄ガスとして導入される。これとともに、本工程では、ブロア · ポンプ B Pが稼動することにより、吸着塔 1内からガスが吸引され続ける。このような、回収槽 3からの洗浄ガスの導入、および、ブロア .ポンプ B Pの吸引により、吸着塔 1内の吸着剤が洗浄されて当該吸着剤から不要成分が脱着し、吸着塔 1内のガスは原料ガス入口 1 bから排出される。当該排出ガスは、配管 4 g， 4 d, 4 hを介して脱着ガス回収部 8に回収される。

洗浄工程 S 1 4では、製品ガス出口 1 aを介して吸着塔 1に導入される洗浄ガス（準酸素富化ガス）の流量および吸着塔 1内でのガス脱着量の和と、原料ガス入口 1 bを介して吸着塔 1から排出される排出ガスの流量とを、等しくすることにより、吸着塔 1の内部圧力が一定となるように調整される。例えば、経時的に変化する回収槽 3の内部圧力（絶対圧）を P, { g/ c m¹) とし、経時的に一定とされる吸着塔 1の内部圧力（絶对圧）を P₂ (k g/ c m') とし、ブロア ·ポンプ B Pの吸引能力を Q (m³/h) とし、吸着塔 1の吸着剤からのガス脱着量を a (m³/h) とする場合、下記の式で与えられる流量係数 C _vに応じて流量調節弁 5の開度を調節することにより、洗浄ガス流量およびガス脱着量の和と、排出ガス流量とを等しくして、洗浄工程 S 1 4における吸着塔 1の内部圧力を一定に維持することができる。

C_v = (Q- α) / (40 6 X ((Ρ , - Ρ,) Χ Ρ₂) <). ⁵) 洗浄工程 S 1 4において吸着塔 1の内部圧力を一定に維持するためには、上述のような流量調節弁 5の可変制御に代えて、或はこれと共に、ブロア ·ボンプ Β Ρの吸引能力についての可変制御を行ってもよい。

第 1昇圧工程 S 1 5では、図 2に示すように各弁 5， 6 a〜 6 f の開閉状態が選択されて、図 3 Eに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 1および図 3 Eを併せて参照するとよく理解できるように、吸着塔 1は、製品ガスバッファ槽 2および原料ガス供給部 7と連通している。本工程では、吸着塔 1には、製品ガスバッファ槽 2から配管 4 bを介して製品ガスないし酸素富化ガスが導入される。吸着塔 1に導入される酸素富化ガスの流量は、流量調節弁 5により適宜調節される。これとともに、吸着塔 1には、ブロア .ボンプ B Pの稼動により、原料ガス供給部 7から配管 4 e， 4 d, 4 f を介して原料ガスが供給される。吸着塔 1の内部圧力は、本工程中上昇し続け、例えば一 3 0〜0 k P aまで高められる。

第 2昇圧工程 S 1 6では、図 2に示すように各弁 5， 6 a〜6 f の開閉状態が選択されて、図 3 Fに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 1および図 3 Fを併せて参照するとよく理解できるように、吸着塔 1は、原料ガス供給部 7と連通している。本工程では、前工程から引き続いて、プロァ 'ポンプ BPの稼動により原料ガス供給部 7から配管 4 e， 4 d , 4 f を介して原料ガスが吸着塔 1に供給される。吸着塔 1の内部圧力は、本工程中上昇し続け、例えば 0〜30 k P aまで高められる。

上述の一連の工程 S 1 1〜S 16からなる 1サイクルを PSA分離装置 X 1 において繰り返し行うことにより、原料ガスから酸素を分離して濃縮酸素ガスを得ることができ、高い酸素ガス回収率を達成できる。

図 4は、本発明の第 2の実施形態に係る酸素ガス分離方法を実施するための PS A分離装置 X 2の概略構成を表す。？3 分離装置 2は、吸着塔 1、製品ガスバッファ槽 2、および回収槽 3 A， 3 Bを備える。？3 分離装置 2 は、回収槽 3、配管 4 c、および自動弁 6 bに代えて、回収槽 3A， 3B、回収ガス用の配管 4 j , 4 k、および自動弁 6 g， 6 hを備える点において、 P S A分離装置 X 1と異なる。

P S A分離装置 X 2において、吸着塔 1の製品ガス出口 1 aは、共用の配管 4 aおよび製品ガス用の配管 4 bを介して製品ガスバッファ槽 2に繋げられているのに加え、配管 4 aおよび第 1回収ガス用の配管 4 jを介して回収槽 3 A に繋げられ、且つ、配管 4 aおよび第 2回収ガス用の配管 4 kを介して回収槽 3 Bに繋げられている。配管 4 j， 4 kには、各々、自動弁 6 g， 6 hが設けられている。

P S A分離装置 X 2の他の構成については、 P S A分離装置 X 1に関して上述したのと同様である。

本実施形態では、以上のような構成を有する P S A分離装置 X 2を使用して、 PSA法により、酸素含有原料ガスから不要成分を除去することができ、その結果、酸素が富化された製品ガス、即ち酸素富化ガスないし濃縮酸素ガスが得られる。 P S A分離装置 X 2の駆動時においては、各弁 5， 6 a , 6 c〜6 h の開閉状態が適宜切り替えられることにより、吸着塔 1および配管 4 a, 4 b, 4 d〜4 kにおけるガスの流れ状態が決定され、図 5に示す吸着工程 S 21、第 1回収工程 S 2 2、第 2回収工程 S 2 3、脱着工程 S 2 4、洗浄工程 S 2 5、第 1昇圧工程 S 2 6、および第 2昇圧工程 S 2 7を含む 1サイクルが繰り返し行われる。図 5には、各工程 S 2 1〜S 2 7における各弁 5， 6 a , 6 c〜6 hの開閉状態も示されている。図 6 A〜図 6 Gは、各々、ェ程3 2 1〜3 2 7 におけるガスの流れ状態を示している。図 6 A〜図 6 Gにおいて、ガス流は太線矢印で表されている。

吸着工程 S 2 1では、図 5に示すように各弁 5， 6 a , 6 c〜6 hの開閉状態が選択されて、図 6 Aに示すようなガス流れ状態が達成され、製品ガス回収部 9に濃縮酸素ガスが製品ガスとして回収される。本工程は、具体的には、第 1の実施形態における吸着工程 S 1. 1と同様にして実行される。

第 1回収工程 S 2 2では、図 5に示すように各弁 5， 6 a , 6 c〜6 hの開閉状態が選択されて、図 6 Bに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 4および図 6 Bを併せて参照するとよく理解できるように、第 1回収工程 S 2 2では、吸着塔 1は、回収槽 3 Aと連通している。本工程開始時には、先に吸着工程 S 2 1が行われていた吸着塔 ] の内部圧力は、例えば 4 0〜 6 5 k P aと高いのに対し、回収槽 3 Aの内部圧力は、例えば一 3 0〜0 k P aと低く設定されている。そのため、本工程開始時に吸着塔 1内に存在する比較的に酸素濃度の高い準酸素富化ガスは、本工程において、吸着塔 1と回収槽 3 Aの間の圧力差に起因して、配管 4 jを介して回収槽 3 Aに第 1回収ガスとして移 '動する。回収槽 3 Aに移動する準酸素富化ガスの流量は、流量調節弁 5により適宜調節される。

吸着塔]の内部圧力は、本工程中降下し続ける。本工程は、吸着塔 1の内部圧力が例えば 1 5〜3 5 k P aの範囲内になるまで行われる。

第 2回収工程 S 2 3では、図 5に示すように各弁 5 , 6 a , 6 c〜6 hの開閉状態が選択されて、図 6 Cに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 4および図 6 Cを併せて参照するとよく理解できるように、第 2回収工程 S 2 3では、吸着塔 1は、回収槽 3 Bと連通している。本工程開始時には、先に第 1回収工程 S 2 2が行われていた吸着塔 1の内部圧力は、例えば 1 5〜 3 5 k P aと高いのに対し、回収槽 3 Bの内部圧力は、例えば一 6 5〜― 3 0 k P aと低く設定されている。そのため、本工程開始時に吸着塔 1内に存在する比較的に酸素濃度の高い準酸素富化ガスは、本工程において、吸着塔 1と回収槽 3 Bの間の圧力差に起因して、配管 4 kを介して回収槽 3 Bに第 2回収ガスとして移動する。回収槽 3 Bに移動する準酸素富化ガスの流量は、流量調節弁 5により適宜調節される。

吸着塔 1の内部圧力は、本工程中降下し続ける。本工程は、吸着塔 1の内部圧力が例えば— 1 0〜 1 5 k P aの範囲内になるまで行われる。

脱着工程 S 2 4では、図 5に示すように各弁 5， 6 a , 6 c〜6 hの開閉状態が選択されて、図 6 Dに示すようなガス流れ状態が達成され、吸着塔 1の吸着剤から脱着した不要成分が脱着ガス回収部 8に回収される。本工程は、具体的には第 1の実施形態における脱着工程 S 1 3と同様にして実行される。洗浄工程 S 2 5では、図 5に示すように各弁 5， 6 a , 6 c〜6 hの開閉状態が選択されて、図 6 Eに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 4および図 6 Eを併せて参照するとよく理できるように、洗浄工程 S 2 5では、吸着塔 1は、回収槽 3 Bおよび脱着ガス回収部 8と連通している。本工程開始時には、先に脱着工程 S 2 4が行われていた吸着塔 1の内部圧力は相対的に低いのに対し、準酸素富化ガスが収容されている回収槽 3 Bの内部圧力は相対的に高い。そのため、回収槽 3 B内に存在する準酸素富化ガスは、吸着塔 1と回収槽 3 Βの間の圧力差に起因して、配管 4 kおよび製品ガス出口 1 a を介して吸着塔 1に洗浄ガスとして導入される。これとともに、本工程では、ブロア ·ポンプ B Pが稼動することにより、吸着塔 1内からガスが吸引され続ける。このような、回収ネ曹 3 Bからの洗浄ガスの導入、および、ブロア .ポンプ B Pの吸引により、吸着塔 1内の吸着剤が洗浄されて当該吸着剤から不要成分が脱着し、吸着塔 1内のガスは原料ガス入口 1 bから排出される。当該排出ガスは、配管 4 g， 4 d , 4 hを介して脱着ガス回収部 8に回収される。洗浄工程 S 2 5では、洗浄工程 S 1 4に関して上述したのと同様に、製品ガス出口 1 aを介して吸着塔 1に導入される洗浄ガス（準酸素富化ガス）の流量および吸着塔 1内でのガス脱着量の和と、原料ガス入口 1 bを介して吸着塔 1 から排出される排出ガスの流量とを、等しくすることにより、吸着塔 1の内部圧力が一定となるように調整される。

第 1昇圧工程 S 2 6では、図 5に示すように各弁 5， 6 a , 6 c〜6 hの開閉状態が選択されて、図 6 Fに示すようなガス流れ状態が達成される。

図 4および図 6 Fを併せて参照するとよく理解できるように、第 1昇圧工程 S 2 6では、吸着塔 1は、回収槽 3 Aおよび原料ガス供給部 7と連通している。本工程では、吸着塔 1には、回収槽 3 Aから配管 4 jを介して準酸素富化ガスが導入される。吸着塔 1に導入される準酸素富化ガスの流量は、流量調節弁 5 により適宜調節される。これとともに、吸着塔 1には、ブロア ·ポンプ B Pの稼動により、原料ガス供給部 7から配管 4 e， 4 d， 4 f を介して原料ガスが供給される。吸着塔 1の内部圧力は、本工程中上昇し続け、例えば一 3 0〜0 k P aまで高められる。

第 2昇圧工程 S 2 7では、図 5に示すように各弁 5， 6 a , 6 c〜6 hの開閉状態が選択されて、図 6 Gに示すようなガス流れ状態が達成され、吸着塔 1 の内部圧力は例えば 0〜3 5 k P aにまで高められる。本工程は、具体的には第 1の実施形態における第 2昇圧工程 S 1 6と同様にして実行される。

上述の一連の工程 S 2 1〜S 2 7からなる 1サイクルを P S A分離装置 X 2 において繰り返し行うことにより、原料ガスから酸素を分離して濃縮酸素ガスを得ることができる。

第 1および第 2の実施形態では、上述のように、第].昇圧工程 S 1 5 , S 2 6に続いて第 2昇圧工程 S 1 6， S 2 7が行われる。本発明では、このような構成に代えて、第 2昇圧工程 S 1 6 , S 2 7を行わずに、第 1昇圧工程 S 1 5， S 2 6に続いて吸着工程 S 1 1， S 2 1を行ってもよい。

〔実施例 1〕

図 1に示すような P S A分離装置 X 1を使用して、図 2および図 3 A〜図 3 Fに示す各工程からなる 1サイクルを繰り返し行うことによつて、原料ガス（空気）からの酸素の分離を行った。本実施例は、第 1の実施形態に対応する。本実施例では、吸着塔].に充填する吸着剤としてし i一 X型ゼォライトモレキュラシーブを採用した。吸着工程 S I 1における吸着塔 1内の最高圧力は 5 0 k P aとし、回収工程 S 1 2における最終圧力は 1 7 k P aとし、脱着工程 S 1 3における最低圧力は一 50 k P aとした。洗浄工程 S 1 4では、流量調節弁 5を適切に調節することにより、吸着塔 1内を一 5 O k P aに維持した。第 1昇圧工程 S 1 5にて製品ガスバッファ槽 2から吸着塔 1に導入した酸素富化ガスの量は、吸着剤 k gあたり 1. 6 N dm とした。また、 1サイクルを 40秒で行った。これらの条件は図 7の表に掲げる。

本実施例における吸着塔 1の内部圧力の変化を、図 8のグラフにて太線 E 1 で表す。図 8のグラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は吸着塔 1の内部圧力（ k P a ) を表す。

本実施例に係る方法によると、純度 9 3 vol %の濃縮酸素ガスを 0. 0725 (NmVh r ·吸着剤 k g) 取得することができた。原料ガスに対する酸素回収率は 50%であった。これらの結果は図 7の表に掲げる。

図 7の表に記載されている単位 "Ndm³Z吸着剤 k g" および単位 "Nm³ Zh r '吸着斉 Ijk g" に含まれる "N" は、当該単位が付されている数値が標準状態換算値であることを意味する。

〔実施例 2〕

図 4に示すような P S A分離装置 X 2を使用して、図 5および図 6 A〜図 6 Gに示す各工程からなる 1サイクルを繰り返し行うことによって、原料ガス（空気）力の酸素の分離を行った。本実施例は、第 2の実施形態に対応する。本実施例では、第 1回収工程 S 2 2における最終圧力は 2 7 k P aとし、第 2回収工程 S 23における最終圧力は 0 k P aとした。第 1昇圧工程 S 5にて回収槽 3 Aから吸着塔 1に導入した準酸素富化ガスの量は、吸着剤 k gあたり 1. 6N dm^:iとした。他の条件については、実施例 1と同様である。これらの条件は図 Ίの表に掲げる。

本実施例における吸着塔 1の内部圧力の変化を、図 9のグラフにて太線 E 2 で表す。図 9のグラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は吸着塔 1の内部圧力（ k P a ) を表す。

本実施例に係る方法によると、純度 93vol%の濃縮酸素ガスを 0. 0720 (Nm ³Zh r ·吸着剤 k g ) 取得することができた。原料ガスに対する酸素回収率は 5 1 %であった。これらの結果は図 7の表に掲げる。

〔比較例〕

洗浄工程以外は実施例 1と同様にして、原料ガス（空気）からの酸素の分離を行った。本比較例の洗浄工程では、 P S A分離装置 X 1の流量調節弁 5の開度を一定に保った。その結果、本比較例の洗浄工程においては、図 8のグラフにて破線 Cで示すように、吸着塔 1の内部圧力は一 5 0〜一 4 0 k P aの範囲で変動した。他の工程における条件および圧力変化については、実施例 1と同様である。

本比較例に係る方法により、純度 9 3 vol%の濃縮酸素ガスが 0 . 0 6 5 1 (N mVh r '吸着剤 k g ) 取得された。原料ガスに対する酸素回収率は 4 3 %であった。これらの結果は図 7の表に掲げる。

〔評価〕

洗浄工程における吸着塔 1の内部圧力が一定となるように制御された実施例 1 , 2の方法によると、そのような圧力制御が行われていない比較例の方法によるよりも、図 7の表に示すように、高い酸素ガス取得量および高い酸素ガス回収率を達成することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 吸着剤が充填された単一の吸着塔が用いられる単塔式の圧力スイング吸着法により、気体状の酸素を含有する原料ガスから当該酸素を分離するための方法であって、

前記吸着塔に前記原料ガスを導入して当該原料ガスに含まれる不要成分を前記吸着剤に吸着させた後、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出する吸着工程と、

前記吸着工程終了後に前記吸着塔内に存在する準酸素富化ガスを回収して回収槽に保持する回収工程と、

前記吸着剤に吸着されている前記不要成分の少なくとも一部を、前記吸着塔内の圧力を低下させることにより前記吸着剤から脱着させ、当該吸着塔から排出する脱着工程と、

前記吸着塔内の圧力を一定に維持しつつ、前記回収槽に保持された前記準酸素富化ガスの少なくとも一部を前記吸着塔に導入するとともに、当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程と、

前記吸着塔内の圧力を上昇させる昇圧工程と、を含む 1サイクルが繰り返し行われる、酸素ガス分離方法。

2 . 前記洗浄工程では、前記吸着塔に導入される前記準酸素富化ガスの流量、および Zまたは、前記吸着塔から排出される前記排出ガスの流量を制御することにより、前記吸着塔内の圧力は一定に維持される、請求項 1に記載の酸素ガス分離方法。

3 . 前記洗浄工程では、前記吸着塔に導入される前記準酸素富化ガスの流量を流量制御弁により制御しつつ、ポンプにより前記吸着塔から前記排出ガスを排出させることによって、前記吸着塔内の圧力は一定に維持される、請求項 1に記載の酸素ガス分離方法。

4 . 前記吸着工程における前記吸着塔内の最高圧力は 4 0〜6 5 k P a (ゲージ圧）である、請求項 1に記載の酸素ガス分離方法。

5 . 前記回収工程は、前記吸着塔内の圧力が 0〜2 5 k P a (ゲージ圧）となるまで行う、請求項 1に記載の酸素ガス分離方法。

6 .前記脱着工程における前記吸着塔内の最低圧力は一 6 5〜一 4 0 k P a (ゲージ圧）である、請求項 1に記載の酸素ガス分離方法。

7 . 吸着剤が充填された単一の吸着塔が用いられる単塔式の圧力スイング吸着法により、気体状の酸素を含有する原料ガスから当該酸素を分離するための方法であって、

前記吸着塔内の圧力が第 1中間圧力に降下するまで前記吸着塔内の第 1準酸素富化ガスを回収して第 1回収槽に保持する第 1回収工程と、

前記吸着塔内の圧力が第 2中間圧力に更に降下するまで前記吸着塔內の第 2準酸素富化ガスを回収して第 2回収槽に保持する第 2回収工程と、

前記吸着塔内の圧力を一定に維持しつつ、前記第 1回収槽に保持された前記第 1準酸素富化ガスの少なくとも一部、または、前記第 2回収槽に保持された前記第 2準酸素富化ガスの少なくとも一部を、前記吸着塔に導入するとともに、当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程と、

8. 前記昇圧工程では、前記第 1回収槽からの前記第 1準酸素富化ガスの前記少なくとも一部が前記吸着塔内に導入される、請求項 7に記載の酸素ガス分離方法。

9. 前記洗浄工程では、前記第 2回収槽からの前記第 2準酸素富化ガスの前記少なくとも一部が前記吸着塔に導入される、請求項 7に記載の酸素ガス分離方法。

10. 前記洗浄工程では、前記吸着塔に導入される前記第 2準酸素富化ガスの流量、および/または、前記吸着塔から排出される前記排出ガスの流量を制御することにより、前記吸着塔内の圧力は一定に維持される、請求項 9に記載の酸素ガス分離方法。

1 1. 前記洗浄工程では、前記吸着塔に導入される前記第 2準酸素富化ガスの流量を流量制御弁により制御しつつ、ポンプにより前記吸着塔から前記排出ガスを排出させることによって、前記吸着塔内の圧力は一定に維持される、請求項 9に記載の酸素ガス分離方法。

12. 前記吸着工程における前記吸着塔内の最高圧力は 40〜65 k P a (ゲージ圧）である、請求項 7に記載の酸素ガス分離方法。

13. 前記第 1中間圧力は] 5〜35 k P a (ゲージ圧）であり、前記第 2中間圧力は一 10〜 1 5 k P a (ゲージ圧）である、請求項 7に記載の酸素ガス分離方法。

14. 前記脱着工程における前記吸着塔内の最低圧力は— 65〜一 40 k P a (ゲージ圧）である、請求項 7に記載の酸素ガス分離方法。