JP2000237522A - ガス分離方法及び装置 - Google Patents
ガス分離方法及び装置Info
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- JP2000237522A JP2000237522A JP11042892A JP4289299A JP2000237522A JP 2000237522 A JP2000237522 A JP 2000237522A JP 11042892 A JP11042892 A JP 11042892A JP 4289299 A JP4289299 A JP 4289299A JP 2000237522 A JP2000237522 A JP 2000237522A
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Abstract
置におけるプロセスを最適化することによって、酸素回
収率の向上及び動力消費の低減を図る。 【解決手段】 吸着塔入口端からガス混合物を供給する
加圧操作と、加圧操作を継続しつつ製品ガスを出口端か
ら塔内へ供給する製品・原料同時加圧操作と、ガス混合
物を塔内へ供給しつつ製品ガスを出口端から取出す製品
製出操作と、製品製出操作を終了した吸着塔内の難吸着
ガス分を出口端から均圧槽に回収する均圧操作と、均圧
操作を終了した吸着塔内のガスを入口端から放出する排
気操作と、均圧槽に回収したガスを吸着塔の出口端から
塔内に供給しつつ排気操作を継続するパージ再生操作と
を繰返して行う。
Description
装置に関し、詳しくは、圧力変動吸着式ガス分離法によ
り、ガス混合物中の易吸着ガスを吸着剤に選択的に吸着
させて難吸着ガスを分離する方法及び装置に関するもの
であって、特に、空気から酸素を分離製造する方法に適
したガス分離方法及び装置に関するものである。
動吸着式ガス分離方法(以後PSA法という)におい
て、空気中の酸素と窒素とを分離して酸素を製造する方
法は、ゼオライトを吸着剤としてすでに広く行われてい
る。ゼオライトのような吸着剤を使用する場合、ゼオラ
イトの易吸着物質である窒素に対する高い選択的吸着性
によって空気から難吸着物質である酸素の分離ができ
る。しかし、ゼオライトは、空気中の約21%の酸素と
約0.9%のアルゴンとに対して略同一の吸着性能を有
しているため、酸素とアルゴンとを分離することができ
ない。したがって、ゼオライトで分離した酸素にはアル
ゴンが含まれるため、PSA法による酸素の最高濃度
は、概ね95%とならざるを得ない。
用いた製鋼等があるが、酸素濃度が99.5%程度以上
でなければならない用途として、切断スピードの速さ及
び切断面の滑らかさが必要な金属の切断や、病院等で用
いられる医療用酸素等がある。なお、医療用酸素は、薬
事法で99.5%以上の酸素濃度が必要と指定されてい
る。
用途は、90%前後の酸素濃度が有れば十分であり、P
SA法で生産された酸素ガスは、この要求濃度を満足し
ているので現在工業的に広く使用されている。このた
め、濃度90%前後の酸素を必要とする諸ユーザーに向
けて酸素をより効率よく供給できるように、PSA法に
よる酸素の製造方法や装置に様々な改良が行われてい
る。
備費を低減しようという試みがある。例えば、特開昭4
9−36579号公報には、単床式のPSA法を用いた
酸素発生方法及び装置が開示されている。この発明で
は、吸着塔を一つとする(1塔式)だけでなく、原料空
気を圧縮する圧縮機を再生工程では真空ポンプとしても
使い、再生効率を向上させることが提案されている。
は、1塔式PSAのプロセスにおいて、発生したガスを
貯留する製品タンクを設けることが示されている。ま
た、該製品タンクを利用して、原料空気加圧と製品加圧
とを同時に進行させる再加圧方法が示されている。
能向上の手段として用いられている均圧操作を実施する
ことができないため、空気からの酸素回収率は、複数の
吸着塔を用いた複数塔式と比較して低くなり、結果的に
酸素発生量に対する電力消費量が多いという問題があ
る。
施するために、複数塔式と同じような均圧操作を行うた
めの均圧ガスを収容する容器(均圧槽)を別に設けると
いうことが容易に考えられる。この場合、均圧槽への均
圧ガスの回収は、吸着工程終了時に、製品濃度が決めら
れた製品品位より低下し始める前に、製品ガスとしての
ガスの導出を打ち切って導出先を均圧槽へと切換え、吸
着塔に残るMTZ(物質移動帯)に相当する部分のガス
を均圧槽に回収することにより行う。均圧槽に回収され
たガスは、吸着塔が再生工程を行っているときに、再生
用パージガスとして使ったり、再生工程を終了した時点
で再加圧用ガスとして使ったりするという方法が考えら
れている。
は、均圧槽に回収したガスを再加圧に用いる例が開示さ
れている。また、特開昭49−64569号公報には、
吸着塔から均圧槽へのガス回収を2段階で行い、最初に
回収したガスは再加圧用、2段階目で回収したガスはパ
ージ再生用に使用する例が開示されている。さらに、特
開平9−150028号公報には、均圧槽へのガスの回
収は一回で行うが、回収ガスをパージ再生とその後の再
加圧とに使う例が開示されている。
吸着塔を用いたプロセスにも容易に応用することができ
るので、特開平8−309139号公報には1塔式、2
塔式について、前記特開平9−150028号公報と同
様な均圧回収ガスの使用例が開示されている。
式、多塔式、それぞれの製品ガスの収率向上のために、
各工程の組合わせや、均圧ガス等の有効利用の方法を模
索しているが、未だ十分なものとはいえなかった。
素のような難吸着ガスを分離して製品とするPSA法で
は、均圧操作が通常実施されているが、これを1塔式プ
ロセスに適用する場合及び多塔式プロセスに適用する場
合における上述のような従来例においては、均圧の実施
方法や、前記均圧方法の実施により得られる均圧ガスを
効率よく再生に利用する方法が確立されていないという
問題がある。また、酸素回収率を向上させ、動力消費量
を低減させるという課題も解決されているとはいえな
い。
均圧操作を効果的に行うことができ、酸素回収率の向上
や動力消費量の低減を図れ、複数塔式のPSA法にも適
用が可能なガス分離方法及び装置を提供することを目的
としている。
め、本発明のガス分離方法は、吸着剤を充填した1つの
吸着塔と、製品ガス貯槽と、均圧槽とを使用し、前記吸
着塔を、相対的に高い圧力の吸着工程と、相対的に低い
圧力の再生工程とに切換えることにより、前記吸着剤に
対する難吸着ガスと易吸着ガスとを含有するガス混合物
から前記難吸着ガスを分離する圧力変動吸着式のガス分
離方法において、前記吸着工程では、出口端を閉じた前
記吸着塔の入口端から前記ガス混合物を塔内へ供給する
加圧操作と、該加圧操作を継続しつつ、前記製品ガス貯
槽からの難吸着ガスを吸着塔の出口端から塔内へ供給す
る製品・原料同時加圧操作と、ガス混合物を入口端から
塔内へ供給しつつ、難吸着ガスを吸着塔の出口端から製
品ガス貯槽に取出す製品製出操作とを行い、前記再生工
程では、前記製品製出操作を終了した吸着塔内に残留す
る難吸着ガス分を吸着塔の出口端から前記均圧槽に回収
する均圧操作と、該均圧操作を終了した吸着塔内のガス
を脱着して吸着塔の入口端から系外へ放出する排気操作
と、前記均圧操作で均圧槽に回収したガスを均圧槽から
吸着塔の出口端を経て塔内に供給しつつ、前記排気操作
を継続するパージ再生操作とを行うことを特徴とし、さ
らに、前記再生工程におけるパージ再生操作において前
記均圧槽から吸着塔に供給する回収ガスの供給量を、前
記排気操作において該吸着塔から放出する脱着ガスの放
出量より多くすることを特徴としている。
吸着剤を充填した少なくとも2つの吸着塔と、製品ガス
貯槽とを使用し、前記複数の吸着塔を、相対的に高い圧
力の吸着工程と、相対的に低い圧力の再生工程とに順次
切換えることにより、前記吸着剤に対する難吸着ガスと
易吸着ガスとを含有するガス混合物から前記難吸着ガス
を分離する圧力変動吸着式のガス分離方法において、前
記吸着工程では、出口端を閉じた吸着塔の入口端から前
記ガス混合物を該塔内へ供給する加圧操作と、該加圧操
作を継続しつつ、前記製品ガス貯槽からの難吸着ガスを
該吸着塔の出口端から該塔内へ供給する製品・原料同時
加圧操作と、ガス混合物を入口端から該塔内へ供給しつ
つ、難吸着ガスを該吸着塔の出口端から製品ガス貯槽に
取出す製品製出操作とを行い、前記再生工程では、前記
製品製出操作を終了した吸着塔内に残留する難吸着ガス
分を該吸着塔の出口端から該吸着塔とは別の吸着塔に回
収する均圧操作と、該均圧操作を終了した該吸着塔内の
ガスを脱着して該吸着塔の入口端から系外へ放出する排
気操作と、前記均圧操作で難吸着ガス分を回収した前記
別の吸着塔内に残留する難吸着ガス分を均圧ガスとして
該吸着塔の出口端から該塔内へ回収しつつ、前記排気操
作を継続するパージ再生操作とを行うことを特徴とし、
また、前記再生工程におけるパージ再生操作において該
吸着塔に供給する均圧ガスの供給量を、前記排気操作に
おいて該吸着塔から放出する脱着ガスの放出量より多く
することを特徴としている。
て、入口端を閉じた吸着塔の出口端から前記製品ガス貯
槽からの難吸着ガスを該塔内へ導入する製品加圧操作
と、該製品加圧操作を継続しつつ、前記ガス混合物を該
吸着塔の入口端から該塔内へ供給する製品・原料同時加
圧操作と、ガス混合物を入口端から該塔内へ供給しつ
つ、難吸着ガスを該吸着塔の出口端から製品ガス貯槽に
取出す製品製出操作とで行うこともできる。
り、前記難吸着ガスが酸素である場合に特に有効であ
り、この場合、前記吸着工程における加圧操作におい
て、該吸着塔内が負圧のときは、大気中の空気を該吸着
塔の入口端から該塔内へ直接吸引させることで行い、該
吸着塔内が大気圧付近又はそれ以上の圧力ときは、空気
を圧縮機により圧縮して該吸着塔の入口端から該塔内へ
供給することにより、圧縮機の動力費を低減できる。
充填された1つの吸着塔と、製品ガス貯槽と、均圧槽
と、少なくとも1つの圧縮機とを備え、圧力変動吸着式
ガス分離法により空気中の酸素と窒素とを分離して酸素
を製出するガス分離装置において、前記吸着塔の入口端
に設けられた吸着塔入口経路と、該吸着塔入口経路と圧
縮機吐出側とを高圧入口弁を介して接続した高圧経路
と、該吸着塔入口経路と圧縮機吸入側とを低圧入口弁を
介して接続した低圧経路と、前記高圧経路から分岐した
排気弁を有する排気経路と、前記低圧経路から分岐した
空気導入弁を有する原料空気導入経路と、前記吸着塔の
出口端に設けられた吸着塔出口経路と、該吸着塔出口経
路と前記製品ガス貯槽とを製品取出弁を介して接続する
製品取出経路及び製品戻弁を介して接続する製品戻経路
と、前記吸着塔出口経路と前記均圧槽とを均圧弁を介し
て接続する均圧経路とを備え、少なくとも前記高圧入口
弁,低圧入口弁及び均圧弁に流量調節機能を備えるとと
もに、これらの弁の流量調節を行う制御手段を備えてい
ることを特徴としている。
んでもよく、各弁の前後に別の流量調節弁を設けるよう
にしてもよい。別の流量調節弁を用いる場合は、前記制
御手段によって各弁の開閉と各流量調節弁の流量調節と
を制御できるようにする。
一形態例を示す系統図である。このガス分離装置は、1
つの吸着塔Aと、これに接続される製品ガス貯槽11及
び均圧槽12と、真空ポンプとしても機能する圧縮機1
3と、これらを接続する経路及び各経路に設けられた弁
と、弁の開閉等を制御するための制御手段14とにより
形成されている。
は、塔内に連通する吸着塔入口経路21が設けられてお
り、この吸着塔入口経路21に、圧縮機13の吐出側に
高圧入口弁31Vを介して接続する高圧経路31と、圧
縮機13の吸入側に低圧入口弁32Vを介して接続する
低圧経路32とがそれぞれ設けられている。また、高圧
経路31の高圧入口弁31Vと圧縮機13との間には、
排気弁33Vを有する排気経路33が、低圧経路32の
低圧入口弁32Vと圧縮機13との間には、空気導入弁
34Vを有する原料空気導入経路34が、それぞれ接続
されている。
端)には、塔内に連通する吸着塔出口経路22が設けら
れており、この吸着塔出口経路22と前記製品ガス貯槽
11との間には、製品取出弁35Vを有する製品取出経
路35と、製品戻弁36V及び流量調節弁36Fを有す
る製品戻経路36との2つの経路が設けられ、吸着塔出
口経路22と前記均圧槽12との間には、均圧弁37V
を有する均圧経路37が設けられている。さらに、製品
ガス貯槽11には、製品送出弁38Vを有する製品送出
経路38が設けられている。
入口弁32V及び均圧弁37Vには、流量調節機能を有
する弁が用いられており、これらの弁の開閉及び流量調
節(開度調節)は、前記制御部14によって行われる。
なお、これらの弁も、製品戻弁36V及び流量調節弁3
6Fと同様に、通常の開閉弁と流量調節弁とを組合わせ
て形成してもよく、製品戻弁36Vに流量調節機構を付
加してもよい。
適した吸着剤が充填されている。例えば、空気を原料と
し、酸素を製品として製造する場合には、ガス分離のた
めの主たる吸着剤としてゼオライトが充填される。この
ゼオライトとしては、いわゆるA型ゼオライト(商品名
モレキュラーシーブス5A)、X型ゼオライト(商品名
モレキュラーシーブ13X)、モルデナイト、及びX型
ゼオライトに各種金属イオンを導入した剤、例えばCa
−X型ゼオライト、Li−X型ゼオライト等が好適であ
る。
空気が水蒸気を含むため、吸着塔Aの入口端側には、活
性アルミナ、シリカゲルあるいは水分吸着に適したゼオ
ライトが充填される。なお、水蒸気を原料供給ラインの
途中に設けた冷凍式除湿器等を用いてあらかじめ除去し
た場合には、水蒸気除去用のこれら吸着剤を充填する必
要はない。これは勿論、吸着剤による水蒸気除去と他の
除去手段との併用を否定するものではない。
ながら、本形態例装置により空気から酸素を分離するプ
ロセスを説明する。
(a)に示すように、吸着塔出口側の全ての弁35V,
36V,37Vを閉じた状態で、吸着塔入口経路21か
ら塔内に原料空気を導入する加圧操作を行う。このと
き、吸着塔A内が負圧の場合には、吸着塔入口側の各弁
31V,32V,33V,34Vを開くことにより、圧
縮機13に負荷を与えることなく、塔内への原料空気の
導入を行うことができる。また、吸着塔A内が大気圧付
近又はそれ以上の圧力の場合は、低圧入口弁32V及び
排気弁33Vを閉じた状態で原料空気導入弁34Vと高
圧入口弁31Vとを開き、原料空気導入弁34Vから吸
入した原料空気を圧縮機13で所定圧力に圧縮して高圧
入口弁31Vから塔内へ導入する。このように、加圧操
作に入る時点で吸着塔A内が負圧の場合には、加圧操作
の初期段階において原料空気を圧力差で塔内に直接吸入
させることにより、この間の圧縮機13の動力費の節減
が図れる。
力に達したら、図2(b)に示すように、圧縮機13に
より圧縮された原料空気の塔内への導入を継続しつつ、
製品戻経路36の製品戻弁36Vを開き、製品ガス貯槽
11内の製品ガスの一部を流量調節弁36Fで流量調節
しながら製品戻経路36を通して出口端から塔内に導入
する製品・原料同時加圧操作を行う。この製品・原料同
時加圧操作により、吸着塔A内は、入口端から導入され
る原料空気と、出口端から導入される製品ガスとによっ
て加圧される。
着塔A内の圧力が製品ガス貯槽11の圧力を超えたと
き、製品戻弁36Vを閉じて製品取出弁35Vを開き、
製品・原料同時加圧操作から製品製出操作に移る。この
製品製出操作では、入口端から導入される原料空気によ
り塔内のガスが出口端から押出される。これにより、難
吸着ガスである製品酸素ガスが吸着塔Aから導出され、
吸着塔出口経路22から製品取出弁35V,製品取出経
路35を通って製品ガス貯槽11に取出される。製品ガ
ス貯槽11内の製品ガス(酸素ガス)は、製品送出弁3
8Vを経て製品送出経路38から所定量が送出される。
導入を継続することにより、吸着塔A内では、易吸着ガ
ス(窒素)で飽和された吸着剤層が次第にガスの流れに
おける下流側(本形態例では吸着塔の上方)に進み、あ
る程度の位置に達すると吸着塔Aから導出される製品ガ
スの純度が低下する。そこで、製品ガス純度が許容され
る範囲を外れる直前で製品取出弁35Vを閉じ、製品ガ
スの取出しを終了する。同時に、吸着塔入口側の高圧入
口弁31Vを閉じるとともに排気弁33Vを開き、原料
空気導入弁34Vから圧縮機13を通るガスを排気弁3
3Vから大気に放出する。これにより、圧縮機13の負
荷を無くすことができ、動力費を低減できる。
了し、続いて、吸着塔A内の吸着剤に吸着している易吸
着ガスを脱着させる再生工程に入る。この再生工程は、
塔内の圧力を連続的に下降させることによって吸着剤か
ら易吸着ガスを脱着する工程である。
は、吸着塔出口部分にいわゆる物質移動帯(MTZ)が
あり、そこに製品品位よりは低いが大気濃度より濃縮さ
れた難吸着ガスである酸素が存在するので、図2(d)
に示すように、均圧弁37Vを開いて吸着塔AのMTZ
部のガスを均圧経路37から均圧槽12に回収する均圧
操作を行う。
圧力が所定の圧力、通常は略同じ圧力になるまで行われ
て均圧弁37Vが閉じられる。次に、吸着塔入口側の低
圧入口弁32Vが開き、原料空気導入弁34Vが閉じ
て、図2(e)に示す排気操作が行われる(排気弁33
Vは開状態継続)。このとき、圧縮機13は真空ポンプ
として機能し、吸着塔A内のガス(易吸着ガスからなる
脱着ガス)は、吸着塔入口経路21から低圧経路32を
経て圧縮機13に吸引され、排気経路33から大気に放
出される。
塔A内の圧力が大気圧より高い間は、原料空気導入弁3
4Vを開いたままにしておくことにより、また、高圧入
口弁31Vを開くことにより、吸着塔A内のガスを、低
圧経路32から原料空気導入経路34を通して、また、
高圧経路31から排気経路33を通して放出することが
でき、これによって圧縮機13の真空ポンプとしての負
荷を軽減することができる。
真空ポンプとしても利用し、原料空気の圧縮と塔内の真
空排気とに用いているが、圧縮機と真空ポンプとを別々
に用意し、原料空気供給系統と真空排気系統とを別に設
けることも可能である。
に、均圧弁37Vを開いて均圧槽12に回収したガスを
均圧経路37を通して吸着塔出口端から塔内に導入する
パージ再生操作である。このとき、上記排気操作の圧縮
機13による塔内の真空排気はそのまま継続されてい
る。
れるガスは、前記均圧操作で吸着塔AのMTZ部分に残
るかなり濃縮された製品ガス成分を含むガスであるか
ら、このようなガスでパージ再生を行うことは、吸着塔
Aの圧力低下により脱着して吸着剤周囲に存在する易吸
着ガスを排気側に押しやるだけでなく、吸着剤周囲にお
ける易吸着ガスの分圧を低下させて吸着剤からの易吸着
ガスの脱着を促進させる効果がある。しかも、従来は、
製品ガスを使用して行うパージ再生を、製品にはならな
いが、製品濃度に近い酸素濃度のガスで行うため、パー
ジ再生に使用する分量に見合った製品ガス採取量の増加
が見込まれる。
着塔Aへのガス供給速度及び圧縮機13の能力に応じ
て、吸着塔A内の圧力を連続的に上昇させながら実施す
ることもできるし、吸着塔A内の圧力を連続的に降下さ
せながら実施することもできる。また、これは、高圧入
口弁31V,低圧入口弁32V及び均圧弁37Vにおけ
る流量調節機能を利用し、これらの開閉作動及び流量を
関連付けて、それぞれの流量を制御することにより容易
に実施することができる。このとき、吸着塔Aの圧力を
上げながら行えば圧縮機13による排気の動力が削減で
き、圧力を下げながら行えば再生をより完全に行えるこ
とになり、吸着剤量に対する製品発生量を多くすること
が可能となる。
着塔Aは、吸着工程の最初の加圧操作に戻り、上述の吸
着工程及び再生工程の各操作を順次繰返すことにより、
いわゆるPSA法によって空気から酸素を分離する。
は、吸着工程における製品製出操作の期間だけになる
が、製品ガス貯槽11からの製品ガスの送出は、製品ガ
ス貯槽11内に貯蔵された製品ガスを製品送出弁38V
で流量を制限しながら送出することによって連続的に行
うことができる。
ける操作条件は、原料となる混合ガスや製品となるガス
の種類や量等に応じて適宜に設定することができるが、
例えば、空気から製品酸素を分離する場合は、一般的な
操作条件として、原料空気の圧力は20〜200kP
a、好ましくは30〜50kPaとし、 サイクルタイ
ムは30〜90秒、好ましくは50〜70秒とし、再生
圧力は−80〜−30kPa、好ましくは−50〜−4
0kPaとすればよい。
て、吸着工程を下記のようにして行うこともできる。す
なわち、吸着工程における前記原料空気による加圧操作
に代えて、製品ガス貯槽11内の製品ガスの一部を使用
して塔内を加圧する製品加圧操作を行うこともできる。
この製品加圧操作では、吸着塔入口側の高圧入口弁31
V及び低圧入口弁32Vを閉じた状態として製品戻弁3
6Vを開くことにより、流量調節弁36Fで流量調節し
た製品ガスを製品戻経路36から吸着塔出口経路22を
通して吸着塔A内に導入する。
定の圧力に達したら、製品加圧を継続しつつ、高圧入口
弁31V及び原料空気導入弁34Vを開き、圧縮機13
で圧縮した原料空気を吸着塔入口端から塔内に導入して
製品・原料同時加圧工程を行い、さらに、吸着塔A内が
製品取出圧力に達した時点で製品戻弁36Vを閉じると
ともに製品取出弁35Vを開くことにより、製品・原料
同時加圧操作から製品製出操作に移行し、吸着塔Aから
導出される製品ガスが製品取出経路35を通って製品ガ
ス貯槽11に取出される。
料空気による前記加圧操作に代えて上記製品加圧操作で
行うことにより、最初から空気で加圧する方法に比べ
て、製品製出操作の初期の製品濃度を速やかに高めるこ
とができる。
ロセス説明図に基づいて複数の吸着塔を用いたプロセス
の一形態例を説明する。まず、複数の吸着塔を用いる場
合は、1塔式における均圧操作で使用するための回収ガ
スを貯蔵する均圧槽が不要となる。また、複数の吸着塔
を用いる場合には、原料空気を供給するための圧縮機
と、吸着塔内を排気するための真空ポンプとは、それぞ
れ別々に用意される。
合は、2つの吸着塔A,B及び製品ガス貯槽51と、原
料空気を供給するための圧縮機52と、吸着塔内を排気
するための真空ポンプ53と、これらを接続する経路及
び各経路に設けられた弁と、弁の開閉等を制御するため
の制御手段54とで形成される。
プロセス説明図を参照しながら説明する。なお、図3に
おいて、共通する機器には50番台の符号を付すととも
に、吸着塔Aに付属する経路や弁には60番台、吸着塔
Bに付属する経路や弁には70番台の符号をそれぞれ一
桁目を共通にして付してあり、以下の説明では、吸着塔
Aが吸着工程を開始してから再生工程を終えるまでで説
明するが、吸着塔Bの吸着工程から再生工程は、60番
台の符号を70番台の符号に読替えればよい。また、ガ
ス混合物は前記同様に空気、難吸着ガス(製品)は酸素
であり、最初の段階は、吸着塔Aが吸着工程に入った段
階としている。さらに、開動作の説明のない弁は原則と
して閉状態である。
着塔A内に原料空気を導入する加圧操作から行われる。
この加圧操作は、入口弁60Vを開いて行われるが、初
期の段階で吸着塔A内が負圧のときは、空気導入弁55
Vを開いて原料空気導入経路55から入口経路60を通
して空気を塔内に直接吸引させることにより、圧縮機5
2に負荷を与えることなく行うことができる。また、吸
着塔A内が大気圧付近まで上昇したら、あるいは、当初
から吸着塔A内が大気圧付近又はそれ以上の圧力の場合
は、空気導入弁55Vを閉じ、圧縮機52で圧縮した原
料空気を圧縮空気経路56から入口経路60を通して空
気を塔内に導入することにより塔内の加圧が行われる。
(b)に示すように、前記原料空気の導入を継続しつ
つ、均圧弁61V及び製品戻弁57Vを開として製品・
原料同時加圧操作に切換える。製品・原料同時加圧操作
では、製品ガス貯槽51に貯留されている製品ガスの一
部を、流量調節弁57Fで流量調節して製品戻経路57
及び均圧経路61を介して出口端から吸着塔A内に導入
し、吸着塔Aの両端から加圧を実施する。
1の圧力を超えたとき、均圧弁61V及び製品戻弁57
Vを閉じ、出口弁62Vを開いて製品製出操作に切換え
る。この製品製出操作では、図4(c)に示すように、
入口端からの原料空気の導入が継続されることにより、
吸着塔Aから製品である酸素が押出され、製品出口経路
62を通って製品ガス貯槽51に取出される。
り、吸着塔Aでは、酸素以外の成分(易吸着ガス)で飽
和した吸着剤層が次第にガスの流れにおける下流側(図
において上方)に進むので、製品酸素濃度が許容される
範囲を超える直前で、出口弁62Vを閉じて製品酸素の
送出を停止する。これにより、吸着工程の各操作が終了
する。
弁60Vを閉じ、吸着塔Bの入口弁70Vを開くことに
より、圧縮機52からの圧縮空気を吸着塔B側の経路に
流すことができるので、圧縮機の負荷のロスを無くすこ
とができる。
せつつ吸着剤の吸着成分を脱着させる再生工程では、ま
ず図2(d)に示すように、吸着塔Aの均圧弁61V
と、吸着塔Bの均圧弁71Vとを開き、吸着塔AのMT
Zに保持された酸素分を、均圧弁61V,均圧経路6
1,71及び均圧弁71Vを経て吸着塔Bに回収する均
圧操作を行う。
両均圧弁61V,71Vを閉じて排気弁63Vを開と
し、図4(e)から図4(f)及び図4(g)に示す排
気操作に切換える。この排気操作では、排気経路63の
排気弁63Vを開き、真空ポンプ53により吸着塔A内
に残るガスを吸引して大気に排気する。
(h)に示すパージ再生操作を行う。このパージ再生操
作では、前記排気操作を続けつつ、両塔の均圧弁61
V,71Vを開き、吸着塔Bからの均圧ガスを均圧弁7
1V,均圧経路71,61及び均圧弁61Vを経由して
吸着塔Aに回収する。
力に達すると、両均圧弁61V,71Vが閉じられて入
口弁60Vが開き、図4(a)に示す加圧操作に戻り、
上述のような吸着工程と再生工程とを繰返す。
が上記操作を行っている間、吸着塔Bは、排気操作(図
4(a)〜(c))、均圧操作(図4(d))、吸着工
程最初の加圧操作(図4(e))、製品・原料同時加圧
操作(図4(f))、製品製出操作(図4(g))、均
圧操作(図4(h))の各操作を行う。
吸着工程と再生工程とを交互に繰返して行うことによ
り、両吸着塔から交互に製品酸素を取出すことができ、
製品ガス貯槽51から製品送出弁58V,製品送出経路
58を経て所定量の製品酸素を連続的に送出すことがで
きる。
V,71Vを流量調節機能付きとし、これらの開閉及び
流量調節を前記制御手段54であらかじめ設定された所
定の手順に基づいて行うことにより、均圧操作や排気操
作におけるガスの流量を最適な条件に設定することがで
きる。
て、吸着工程最初の吸着塔の加圧を原料空気で行わず
に、製品の一部で加圧を行う製品加圧操作で行うように
してもよい。すなわち、吸着塔入口側の入口弁60V及
び排気弁63Vを閉じた状態で均圧弁61V及び製品戻
弁57Vを開き、製品ガス貯槽51の製品ガスの一部を
吸着塔出口端から導入し、塔内を製品ガスで加圧するよ
うにしてもよい。
を継続しながら入口弁60Vを開き、圧縮機52で圧縮
した原料空気を入口端から塔内に導入し、前記図4
(b)と同様の製品・原料同時加圧操作を行う。その後
は、図4(c)以下と同様の操作を行うことにより、前
記同様にして製品酸素を得ることができる。
しては、原料空気(混合ガス)の圧力は20〜200k
Pa、好ましくは30〜50kPa、サイクルタイムは
30〜90秒、好ましくは50〜70秒、再生圧力は−
80〜−40kPa、好ましくは−75〜−60kPa
が適当である。
セスにおいては、吸着工程の最後に、即ち製品ガスの導
出停止直後に、吸着塔出口部分にいわゆる物質移動帯
(MTZ)部分が残るので、この部分の製品ガス濃度の
高いガスを均圧槽あるいは別の吸着塔に回収し、該回収
したガスを、吸着工程の最終段階で吸着塔出口端、即ち
製品導出側から吸着塔に供給しつつ吸着塔入口端、即ち
原料供給側から排気すること、すなわち 回収したガス
によって吸着塔内をパージすることにより、MTZ部分
のガスを効率良く利用することができ、製品ガスを使用
した従来のパージ操作に比べて製品収率を大幅に向上さ
せることができ、製品発生量に対する電力消費量を低減
することができる。特に、回収したガスの供給量を吸着
塔から放出する脱着ガスの放出量よりも多くすること
が、より効果的である。また、吸着工程最初の加圧を原
料の混合ガスでなく、製品ガスを使用することによって
も製品採取時の初期純度安定という大きな効果が得られ
る。さらに、この加圧の段階で吸着塔内が負圧のとき
は、塔内外の圧力差で塔内に吸引させることにより、圧
縮機動力のさらなる低減が図れる。
記設備仕様にて空気から酸素を分離した。
%で得られた。このときの剤当り発生量は55Nm3/
h/tonである。従来の酸素回収率に比べて5〜10
%の向上が図れ、また、電力消費量においても従来より
3〜5%の効率向上が得られた。
記設備仕様にて空気から酸素を分離した。
%で得られた。このときの剤当り発生量は100Nm3
/h/tonとなった。従来の2塔式の酸素回収率に比
べて5〜10%の向上が図れ、また、電力消費量におい
ても従来より3〜5%の効率向上が得られた。
簡単な装置構成で製品ガスの回収率の向上が図れるとと
もに、電力消費量の削減も図れる。
す系統図である。
である。
る。
である。
13…圧縮機、14…制御手段、21…吸着塔入口経
路、22…吸着塔出口経路、31…高圧経路、31V…
高圧弁、32…低圧経路、32V…低圧入口弁、33…
排気経路、33V…排気弁、34…原料空気導入経路、
34V…空気導入弁、35…製品取出経路、35V…製
品取出弁、36…製品戻経路、36V…製品戻弁、36
F…流量調節弁、37…均圧経路、37V…均圧弁、3
8…製品送出経路、38V…製品送出弁、51…製品ガ
ス貯槽、52…圧縮機、53…真空ポンプ、54…制御
手段、55…原料空気導入経路、55V…空気導入弁、
56…圧縮空気経路、57…製品戻経路、57V…製品
戻弁、57F…流量調節弁、58…製品送出経路、58
V…製品送出弁、60,70…入口経路、60V,70
V…入口弁、61,71…均圧経路、61V,71V…
均圧弁、62,72…製品出口経路、62V,72V…
出口弁、63,73…排気経路、63V,73V…排気
弁
Claims (8)
- 【請求項1】 吸着剤を充填した1つの吸着塔と、製品
ガス貯槽と、均圧槽とを使用し、前記吸着塔を、相対的
に高い圧力の吸着工程と、相対的に低い圧力の再生工程
とに切換えることにより、前記吸着剤に対する難吸着ガ
スと易吸着ガスとを含有するガス混合物から前記難吸着
ガスを分離する圧力変動吸着式のガス分離方法におい
て、 前記吸着工程では、 出口端を閉じた前記吸着塔の入口端から前記ガス混合物
を塔内へ供給する加圧操作と、 該加圧操作を継続しつつ、前記製品ガス貯槽からの難吸
着ガスを吸着塔の出口端から塔内へ供給する製品・原料
同時加圧操作と、 ガス混合物を入口端から塔内へ供給しつつ、難吸着ガス
を吸着塔の出口端から製品ガス貯槽に取出す製品製出操
作とを行い、 前記再生工程では、 前記製品製出操作を終了した吸着塔内に残留する難吸着
ガス分を吸着塔の出口端から前記均圧槽に回収する均圧
操作と、 該均圧操作を終了した吸着塔内のガスを脱着して吸着塔
の入口端から系外へ放出する排気操作と、 前記均圧操作で均圧槽に回収したガスを均圧槽から吸着
塔の出口端を経て塔内に供給しつつ、前記排気操作を継
続するパージ再生操作とを行うことを特徴とするガス分
離方法。 - 【請求項2】 前記再生工程におけるパージ再生操作に
おいて前記均圧槽から吸着塔に供給する回収ガスの供給
量を、前記排気操作において該吸着塔から放出する脱着
ガスの放出量より多くすることを特徴とする請求項1記
載のガス分離方法。 - 【請求項3】 吸着剤を充填した少なくとも2つの吸着
塔と、製品ガス貯槽とを使用し、前記複数の吸着塔を、
相対的に高い圧力の吸着工程と、相対的に低い圧力の再
生工程とに順次切換えることにより、前記吸着剤に対す
る難吸着ガスと易吸着ガスとを含有するガス混合物から
前記難吸着ガスを分離する圧力変動吸着式のガス分離方
法において、 前記吸着工程では、 出口端を閉じた吸着塔の入口端から前記ガス混合物を該
塔内へ供給する加圧操作と、 該加圧操作を継続しつつ、前記製品ガス貯槽からの難吸
着ガスを該吸着塔の出口端から該塔内へ供給する製品・
原料同時加圧操作と、 ガス混合物を入口端から該塔内へ供給しつつ、難吸着ガ
スを該吸着塔の出口端から製品ガス貯槽に取出す製品製
出操作とを行い、 前記再生工程では、 前記製品製出操作を終了した吸着塔内に残留する難吸着
ガス分を該吸着塔の出口端から該吸着塔とは別の吸着塔
に回収する均圧操作と、 該均圧操作を終了した該吸着塔内のガスを脱着して該吸
着塔の入口端から系外へ放出する排気操作と、 前記均圧操作で難吸着ガス分を回収した前記別の吸着塔
内に残留する難吸着ガス分を均圧ガスとして該吸着塔の
出口端から該塔内へ回収しつつ、前記排気操作を継続す
るパージ再生操作とを行うことを特徴とするガス分離方
法。 - 【請求項4】 前記再生工程におけるパージ再生操作に
おいて該吸着塔に供給する均圧ガスの供給量を、前記排
気操作において該吸着塔から放出する脱着ガスの放出量
より多くすることを特徴とする請求項3記載のガス分離
方法。 - 【請求項5】 前記吸着工程を、前記各操作に代えて、 入口端を閉じた吸着塔の出口端から前記製品ガス貯槽か
らの難吸着ガスを該塔内へ導入する製品加圧操作と、 該製品加圧操作を継続しつつ、前記ガス混合物を該吸着
塔の入口端から該塔内へ供給する製品・原料同時加圧操
作と、 ガス混合物を入口端から該塔内へ供給しつつ、難吸着ガ
スを該吸着塔の出口端から製品ガス貯槽に取出す製品製
出操作と、 を行うことを特徴とする前記請求項1又は3記載のガス
分離方法。 - 【請求項6】 前記ガス混合物が空気であり、前記難吸
着ガスが酸素であることを特徴とする前記請求項1又は
3記載のガス分離方法。 - 【請求項7】 前記吸着工程における加圧操作におい
て、該吸着塔内が負圧のときは、大気中の空気を該吸着
塔の入口端から該塔内へ直接吸引させることで行い、該
吸着塔内が大気圧付近又はそれ以上の圧力ときは、空気
を圧縮機により圧縮して該吸着塔の入口端から該塔内へ
供給することを特徴とする請求項6記載のガス分離方
法。 - 【請求項8】 吸着剤が充填された1つの吸着塔と、製
品ガス貯槽と、均圧槽と、少なくとも1つの圧縮機とを
備え、圧力変動吸着式ガス分離法により空気中の酸素と
窒素とを分離して酸素を製出するガス分離装置におい
て、 前記吸着塔の入口端に設けられた吸着塔入口経路と、該
吸着塔入口経路と圧縮機吐出側とを高圧入口弁を介して
接続した高圧経路と、該吸着塔入口経路と圧縮機吸入側
とを低圧入口弁を介して接続した低圧経路と、前記高圧
経路から分岐した排気弁を有する排気経路と、前記低圧
経路から分岐した空気導入弁を有する原料空気導入経路
と、 前記吸着塔の出口端に設けられた吸着塔出口経路と、該
吸着塔出口経路と前記製品ガス貯槽とを製品取出弁を介
して接続する製品取出経路及び製品戻弁を介して接続す
る製品戻経路と、前記吸着塔出口経路と前記均圧槽とを
均圧弁を介して接続する均圧経路とを備え、少なくとも
前記高圧入口弁,低圧入口弁及び均圧弁に流量調節機能
を備えるとともに、これらの弁の流量調節を行う制御手
段を備えていることを特徴とするガス分離装置。
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