JP3197436B2 - 単一床圧力変化式吸着方法及び装置 - Google Patents
単一床圧力変化式吸着方法及び装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空気分離のための圧力
変化式吸着方法及び装置に関するものであり、特には空
気から酸素の回収のための単一床圧力変化式吸着システ
ムの使用に関係する。
変化式吸着方法及び装置に関するものであり、特には空
気から酸素の回収のための単一床圧力変化式吸着システ
ムの使用に関係する。
【０００２】
【従来の技術】圧力変化式吸着（ＰＳＡ、pressure swi
ng adsorption ）プロセス及びシステムは、少なくとも
１種の容易に吸着しえない成分と少なくとも１種の容易
に吸着しうる成分とを含む供給気体混合物から少なくと
も１種の成分を分離しそして精製するための工業的に魅
力のある手段を提供する。吸着は吸着床内で上方吸着圧
力において起こり、そして吸着剤に吸着された容易に吸
着しうる成分はその後吸着床圧力を下方脱着圧力に下げ
ることにより吸着剤床から脱着される。吸着／脱着ＰＳ
Ａプロセスは、周知でありそして例えば４以上の床を有
するＰＳＡシステムと関係する米国特許第３，４３０，
４１８号に開示されている。この特許に開示されるよう
に、ＰＳＡプロセスは、４床以上の複数の床の周期的な
切替をベースとして、各床において、（１）床の供給端
に供給気体を導入しそして床の生成物放出端から生成物
気体として容易に吸着されない成分を放出する上方吸着
圧力での加圧吸着段階と、（２）床の生成物放出端から
の空隙気体の放出による中間圧力への、供給気体と同方
向流れでの減圧段階と、（３）床の供給端から容易に吸
着しうる成分の放出による、もっと低い下方脱着圧力へ
の、供給気体と反対方向流れでの減圧段階と、（４）そ
の下方脱着圧力での随意的なパージ（掃気）段階であっ
て、パージ気体を床の生成物放出端に通して吸着床から
脱着した容易に吸着しうる成分の床の供給端からの排出
を増進するパージ段階と、（５）サイクルが床に通され
る追加量の供給気体でもって繰り返されうるように下方
脱着圧力から上方吸着圧力への再加圧段階とを含むプロ
セス順序段階で実施される。供給気体と同方向流れでの
減圧段階中放出される空隙気体は一般に、多床システム
の床間の圧力均等化目的にそして下方脱着圧力において
床にパージ気体を提供するために使用される。こうした
プロセス順序段階の変更例もまた１つ以上の吸着床を含
むシステムにおいて使用のために当業界において使用さ
れている。
ng adsorption ）プロセス及びシステムは、少なくとも
１種の容易に吸着しえない成分と少なくとも１種の容易
に吸着しうる成分とを含む供給気体混合物から少なくと
も１種の成分を分離しそして精製するための工業的に魅
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力において起こり、そして吸着剤に吸着された容易に吸
着しうる成分はその後吸着床圧力を下方脱着圧力に下げ
ることにより吸着剤床から脱着される。吸着／脱着ＰＳ
Ａプロセスは、周知でありそして例えば４以上の床を有
するＰＳＡシステムと関係する米国特許第３，４３０，
４１８号に開示されている。この特許に開示されるよう
に、ＰＳＡプロセスは、４床以上の複数の床の周期的な
切替をベースとして、各床において、（１）床の供給端
に供給気体を導入しそして床の生成物放出端から生成物
気体として容易に吸着されない成分を放出する上方吸着
圧力での加圧吸着段階と、（２）床の生成物放出端から
の空隙気体の放出による中間圧力への、供給気体と同方
向流れでの減圧段階と、（３）床の供給端から容易に吸
着しうる成分の放出による、もっと低い下方脱着圧力へ
の、供給気体と反対方向流れでの減圧段階と、（４）そ
の下方脱着圧力での随意的なパージ（掃気）段階であっ
て、パージ気体を床の生成物放出端に通して吸着床から
脱着した容易に吸着しうる成分の床の供給端からの排出
を増進するパージ段階と、（５）サイクルが床に通され
る追加量の供給気体でもって繰り返されうるように下方
脱着圧力から上方吸着圧力への再加圧段階とを含むプロ
セス順序段階で実施される。供給気体と同方向流れでの
減圧段階中放出される空隙気体は一般に、多床システム
の床間の圧力均等化目的にそして下方脱着圧力において
床にパージ気体を提供するために使用される。こうした
プロセス順序段階の変更例もまた１つ以上の吸着床を含
むシステムにおいて使用のために当業界において使用さ
れている。
【０００３】多数の化学的な精製プロセス、金属製造そ
の他の工業的用途において、高純度気体流れが様々の目
的のために多く使用されている。例えば、高純度酸素
は、化学処理、製鋼、製紙のような様々の産業において
また鉛及びガラス製造操業において使用されている。多
くのこうした用途は、３０００ｍ3 ／時間以上に至るま
での流量における９０〜９３％範囲の酸素純度を必要と
する。ＰＳＡプロセスは、上述した様々のプロセス段階
の組み合わせによりまたその変更例により酸素及び窒素
を製造するための空気分離によく適合し、特に極低温空
気分離プラントが工業的に実施し得ないような比較的小
規模での操業において適合する。こうした空気中の容易
に吸着し得ない成分としての高純度酸素の回収を目的と
したＰＳＡシステムにおいては、吸着床は空気中の容易
に吸着しうる成分としての窒素を選択的に吸着すること
のできる吸着剤材料を収納しており、この場合、窒素
は、周期的な吸着／脱着順序段階がＰＳＡシステムにお
いて実施されるに際して床圧力の下方脱着圧力への減圧
に際して床から脱着されそして取り出される。
の他の工業的用途において、高純度気体流れが様々の目
的のために多く使用されている。例えば、高純度酸素
は、化学処理、製鋼、製紙のような様々の産業において
また鉛及びガラス製造操業において使用されている。多
くのこうした用途は、３０００ｍ3 ／時間以上に至るま
での流量における９０〜９３％範囲の酸素純度を必要と
する。ＰＳＡプロセスは、上述した様々のプロセス段階
の組み合わせによりまたその変更例により酸素及び窒素
を製造するための空気分離によく適合し、特に極低温空
気分離プラントが工業的に実施し得ないような比較的小
規模での操業において適合する。こうした空気中の容易
に吸着し得ない成分としての高純度酸素の回収を目的と
したＰＳＡシステムにおいては、吸着床は空気中の容易
に吸着しうる成分としての窒素を選択的に吸着すること
のできる吸着剤材料を収納しており、この場合、窒素
は、周期的な吸着／脱着順序段階がＰＳＡシステムにお
いて実施されるに際して床圧力の下方脱着圧力への減圧
に際して床から脱着されそして取り出される。
【０００４】ＰＳＡ−酸素回収その他のＰＳＡ処理用途
において、投資コストの低減とシステム信頼性の向上を
達成するために設備の設計、製作、輸送及び設備コスト
を最小限にすることが所望される。従って、吸着剤容
器、吸着剤貯蔵容器、関連タンク、弁、圧縮設備、プロ
セス管路その他の操業部品の数を最小限とするＰＳＡシ
ステム並びにプロセスを使用することが所望される。Ｐ
ＳＡシステムの操業と関連するコストは、生成する製品
の単位当りの動力が少なくてすむプロセスの使用により
最小限とされる。酸素製造のためのそうしたプロセス
は、供給空気からの酸素の高い回収率を示し、同時に関
連する圧縮設備において低圧縮比の使用を可能ならしめ
ることが望まれる。
において、投資コストの低減とシステム信頼性の向上を
達成するために設備の設計、製作、輸送及び設備コスト
を最小限にすることが所望される。従って、吸着剤容
器、吸着剤貯蔵容器、関連タンク、弁、圧縮設備、プロ
セス管路その他の操業部品の数を最小限とするＰＳＡシ
ステム並びにプロセスを使用することが所望される。Ｐ
ＳＡシステムの操業と関連するコストは、生成する製品
の単位当りの動力が少なくてすむプロセスの使用により
最小限とされる。酸素製造のためのそうしたプロセス
は、供給空気からの酸素の高い回収率を示し、同時に関
連する圧縮設備において低圧縮比の使用を可能ならしめ
ることが望まれる。
【０００５】先に挙げた特許におけるように４床以上の
吸着剤床を含むＰＳＡシステムは、特に高容積、高純度
及び高回収率性能を達成するための或る種の気体分離操
作に対して所望される。他の用途では、２乃至３床ＰＳ
Ａシステムを使用することが可能でありまた所望され
る。例えば、様々の、実用的な工業ＰＳＡ酸素製造用途
に対して２床ＰＳＡシステムを使用することが望ましい
ことが見出された。例えば、２床真空圧力変化式吸着
（ＶＰＳＡ：vacuum pressure swing adsorption）シス
テムが提唱された。分離されるべき導入気体混合物は通
常、所望の選択的吸着が行われる前に通常は数気圧の高
圧に圧縮される。生成する高圧製品、例えば供給空気の
選択吸着性の低い酸素は、下流での使用のためにパイプ
ラインに通される。代表的な２床ＰＳＡ操作において
は、大気圧を前後しての遷移圧力条件が使用される。か
くして、サイクルの一部は、大気圧を超える圧力で実施
されそして一部は大気圧より低い圧力で実施される。分
離は１気圧に非常に近い圧力で行われ、そして製品はそ
の後所望の下流圧力に圧縮される。これは、必要な気体
の圧縮が基本的に導入供給気体流れ全量に対してではな
く、製品流れに対してのみであるから、コストを節減す
る操作態様であると考えられてきた。しかし、このＰＳ
Ａプロセスサイクルが加圧及び真空（減圧）両方の条件
と関与するから、２種の機械、即ち供給物加圧ブロワー
と減圧ブロワーがサイクルを実施するために必要とされ
る。こうした２床システムは２０，０００〜５０，００
０ＮＣＦＨ（５６０〜１４００ｍ3 ／時間：標準状態）
乃至それ以上の酸素製造規模範囲での酸素プラント設備
に対してはコストを節減しうる。しかし、この範囲より
低い流量要件を持つ用途に対しては、２床真空圧力変化
式吸着システムと関連しての投資コストはそうしたプロ
セスを採算に合わないものとする。
吸着剤床を含むＰＳＡシステムは、特に高容積、高純度
及び高回収率性能を達成するための或る種の気体分離操
作に対して所望される。他の用途では、２乃至３床ＰＳ
Ａシステムを使用することが可能でありまた所望され
る。例えば、様々の、実用的な工業ＰＳＡ酸素製造用途
に対して２床ＰＳＡシステムを使用することが望ましい
ことが見出された。例えば、２床真空圧力変化式吸着
（ＶＰＳＡ：vacuum pressure swing adsorption）シス
テムが提唱された。分離されるべき導入気体混合物は通
常、所望の選択的吸着が行われる前に通常は数気圧の高
圧に圧縮される。生成する高圧製品、例えば供給空気の
選択吸着性の低い酸素は、下流での使用のためにパイプ
ラインに通される。代表的な２床ＰＳＡ操作において
は、大気圧を前後しての遷移圧力条件が使用される。か
くして、サイクルの一部は、大気圧を超える圧力で実施
されそして一部は大気圧より低い圧力で実施される。分
離は１気圧に非常に近い圧力で行われ、そして製品はそ
の後所望の下流圧力に圧縮される。これは、必要な気体
の圧縮が基本的に導入供給気体流れ全量に対してではな
く、製品流れに対してのみであるから、コストを節減す
る操作態様であると考えられてきた。しかし、このＰＳ
Ａプロセスサイクルが加圧及び真空（減圧）両方の条件
と関与するから、２種の機械、即ち供給物加圧ブロワー
と減圧ブロワーがサイクルを実施するために必要とされ
る。こうした２床システムは２０，０００〜５０，００
０ＮＣＦＨ（５６０〜１４００ｍ3 ／時間：標準状態）
乃至それ以上の酸素製造規模範囲での酸素プラント設備
に対してはコストを節減しうる。しかし、この範囲より
低い流量要件を持つ用途に対しては、２床真空圧力変化
式吸着システムと関連しての投資コストはそうしたプロ
セスを採算に合わないものとする。
【０００６】ＶＰＳＡシステムの単一床、単一機械（ブ
ロワー）具体例が、ＶＰＳＡシステムを一層低流量用途
に対して適合ならしめるように斯界で提唱された。ＶＰ
ＳＡ−酸素プラントと関連する投資コストの大部分は、
空気ブロワー、プロセス容器及びこれら容器において使
用される吸着剤と関係するから、圧力を大気圧前後へ変
化する遷移操作であれ、真空条件が使用されないシステ
ムに対してであれ、投資コストはシステムに含まれるブ
ロワーの数及び吸着剤容器の数を半分に節減することに
より著しく節減しうることが理解されよう。
ロワー）具体例が、ＶＰＳＡシステムを一層低流量用途
に対して適合ならしめるように斯界で提唱された。ＶＰ
ＳＡ−酸素プラントと関連する投資コストの大部分は、
空気ブロワー、プロセス容器及びこれら容器において使
用される吸着剤と関係するから、圧力を大気圧前後へ変
化する遷移操作であれ、真空条件が使用されないシステ
ムに対してであれ、投資コストはシステムに含まれるブ
ロワーの数及び吸着剤容器の数を半分に節減することに
より著しく節減しうることが理解されよう。
【０００７】単一床ＰＳＡシステムが米国特許第４，５
６１，８６５号に記載された。この方法においては、吸
着床の上部からの放出管路における圧力制御弁は単一処
理容器の上部における圧力が或る水準にあるとき開く。
気体は、放出管路において外部均等圧化タンクに直接通
される。この特許の具体例において、逆止弁を含む圧力
制御弁の出口に放出管路から外れてバイパス管路が存在
し、該管路は生成物サージタンクに繋がっている。生成
物サージタンク内の圧力が均等化タンク内の圧力に等し
いとき、逆止弁が開き、生成物気体は均等化タンクと生
成物サージタンクへと同時に供給される。逆止弁が、床
圧力が生成物サージタンクの圧力より落ちるとき、生成
物サージタンクから吸着床への戻り流れを阻止する。こ
の配列構成において、均等化タンクは生成物サージタン
クの延長体として機能する。なぜなら、両タンクは同じ
最大圧力まで加圧しそして同じ純度の気体を収納してい
るからである。この特許はまた、吸着容器を真空排気に
先立って部分的に減圧するためのブローダウン段階の使
用を教示する。
６１，８６５号に記載された。この方法においては、吸
着床の上部からの放出管路における圧力制御弁は単一処
理容器の上部における圧力が或る水準にあるとき開く。
気体は、放出管路において外部均等圧化タンクに直接通
される。この特許の具体例において、逆止弁を含む圧力
制御弁の出口に放出管路から外れてバイパス管路が存在
し、該管路は生成物サージタンクに繋がっている。生成
物サージタンク内の圧力が均等化タンク内の圧力に等し
いとき、逆止弁が開き、生成物気体は均等化タンクと生
成物サージタンクへと同時に供給される。逆止弁が、床
圧力が生成物サージタンクの圧力より落ちるとき、生成
物サージタンクから吸着床への戻り流れを阻止する。こ
の配列構成において、均等化タンクは生成物サージタン
クの延長体として機能する。なぜなら、両タンクは同じ
最大圧力まで加圧しそして同じ純度の気体を収納してい
るからである。この特許はまた、吸着容器を真空排気に
先立って部分的に減圧するためのブローダウン段階の使
用を教示する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この特許は、単一床Ｐ
ＳＡシステムへの斯界での必要性に対応せんとするもの
であるが、こうした単一床操作が低流量用途に対して斯
界の必要性を満足させることができるには追加的な改善
を必要とする。特には、上記特許の方式及び他のそうし
た単一床ＰＳＡシステムで得られる生成物流量に比較し
て一層高い生成物流量が所望される。本発明の課題は、
低容積用途に対して空気から酸素の回収のための改善さ
れた低容積ＰＳＡ方法及び装置を開発することである。
本発明のまた別の課題は、空気から酸素の低容積回収の
ための改善された単一床ＰＳＡ方法及び装置を開発する
ことである。本発明のまた別の課題は、空気から回収し
た生成物酸素の流量増大のための単一床、低容積ＰＳＡ
方法及び装置を開発することである。
ＳＡシステムへの斯界での必要性に対応せんとするもの
であるが、こうした単一床操作が低流量用途に対して斯
界の必要性を満足させることができるには追加的な改善
を必要とする。特には、上記特許の方式及び他のそうし
た単一床ＰＳＡシステムで得られる生成物流量に比較し
て一層高い生成物流量が所望される。本発明の課題は、
低容積用途に対して空気から酸素の回収のための改善さ
れた低容積ＰＳＡ方法及び装置を開発することである。
本発明のまた別の課題は、空気から酸素の低容積回収の
ための改善された単一床ＰＳＡ方法及び装置を開発する
ことである。本発明のまた別の課題は、空気から回収し
た生成物酸素の流量増大のための単一床、低容積ＰＳＡ
方法及び装置を開発することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、生成物酸素を
供給しそして吸着剤床にパージ気体を供給する手段とし
ての生成物サージタンクと、床再加圧目的で床に空隙気
体を供する役目をなす均等化タンクをうまく利用するこ
とにより、課題を解決する。本発明は、供給空気から酸
素の低容積回収のための圧力変化式吸着方法であって、
（ａ）供給空気を空気中の容易に吸着しうる成分として
の窒素を選択的に吸着することのできる吸着剤材料の単
一床の供給端に通し、該床内の圧力を第１中間圧力から
上方吸着圧力まで増大し、空気中の容易に吸着しえない
成分としての酸素を該床の生成物端から前記上方吸着圧
力に近い圧力における生成物サージタンクに通す段階
と、（ｂ）前記床の生成物端から空隙気体の放出により
該床を前記上方吸着圧力から前記第１中間圧力より高い
第２中間圧力まで供給空気流れと同方向流れで減圧し、
該空隙気体を均等化タンクに通す段階と、（ｃ）前記床
供給端からの追加量の気体の放出により床を前記第２中
間圧力から下方脱着圧力まで供給空気流れと反対方向流
れで減圧する段階と、（ｄ）前記生成物サージタンクか
ら生成物気体の側流を前記下方脱着圧力にある床の生成
物端にパージ気体として通し、脱着された窒素を前記下
方脱着圧力において床の空隙から排斥し、該排斥した脱
着窒素を該床の供給端から放出し、その場合、前記均等
化タンクからの空隙気体は前記床の生成物端に通入され
ないものとする段階と、（ｅ）前記均等化タンクからの
空隙気体を前記床の生成物端に導入して、該床内の圧力
を前記下方脱着圧力から前記第１中間圧力まで増大する
段階と、（ｆ）追加量の供給空気を前記単一床の供給端
に通し、前記段階（ａ）〜（ｅ）の周期的な操作を継続
する段階とを包含することを特徴とする圧力変化式吸着
方法を提供する。好ましくは、上方吸着圧力が大気圧を
超える圧力でありそして前記第１中間圧力が大気圧より
低い圧力である。本発明はまた、供給空気から酸素の低
容積回収のための圧力変化式吸着装置であって、（ａ）
空気中の容易に吸着しうる成分としての窒素を選択的に
吸着することのできる吸着剤材料の単一床（１９）と、
（ｂ）前記床（１９）の生成物端から放出された空隙気
体の保持のための均等化タンク（２３）と、（ｃ）前記
床（１９）の生成物端から放出された生成物酸素の保持
のための生成物サージタンク（２６）であって、装置か
らの生成物酸素の回収のための導管（２７）を備える生
成物サージタンク（２６）と、（ｄ）空隙気体の均等化
タンクへの通流そして生成物酸素の生成物サージタンク
への通流のための導管手段（２１、２４）と、（ｅ）空
隙気体の均等化タンク（２３）への流れ及び生成物酸素
の生成物サージタンク（２６）への流れ並びに均等化タ
ンク（２３）から該床（１９）の生成物端への空隙気体
の流れを制御するための制御手段（２２、２５）と、
（ｆ）空気を床（１９）の供給端に通すための手段
（２）と、（ｇ）前記床（１９）の供給端から空隙気体
及び窒素を放出するための導管手段（５、６、１０、１
８）とを含み、（ｈ）前記装置が前記床（１９）から放
出される空隙気体の保持のための単一の均等化タンク
（２３）を含み、（ｉ）空気を床（１９）の供給端に通
すための手段が供給物ブロワー（２）であり、（ｊ）均
等化タンク（２３）から該床（１９）の生成物端への空
隙気体の流れを制御するための制御手段（２２）が下方
脱着圧力からの床の部分再加圧のため空隙気体の流れを
制御し、（ｋ）装置が更に、生成物酸素のサージタンク
（２６）への通流のための導管手段（２４）と並列に、
生成物酸素の側流を生成物サージタンクから該床生成物
端へ通流するための導管手段（２８）と、該側流の流れ
を制御するための制御手段（２９）とを含むことを特徴
とする圧力変化式吸着装置をも提供する。
供給しそして吸着剤床にパージ気体を供給する手段とし
ての生成物サージタンクと、床再加圧目的で床に空隙気
体を供する役目をなす均等化タンクをうまく利用するこ
とにより、課題を解決する。本発明は、供給空気から酸
素の低容積回収のための圧力変化式吸着方法であって、
（ａ）供給空気を空気中の容易に吸着しうる成分として
の窒素を選択的に吸着することのできる吸着剤材料の単
一床の供給端に通し、該床内の圧力を第１中間圧力から
上方吸着圧力まで増大し、空気中の容易に吸着しえない
成分としての酸素を該床の生成物端から前記上方吸着圧
力に近い圧力における生成物サージタンクに通す段階
と、（ｂ）前記床の生成物端から空隙気体の放出により
該床を前記上方吸着圧力から前記第１中間圧力より高い
第２中間圧力まで供給空気流れと同方向流れで減圧し、
該空隙気体を均等化タンクに通す段階と、（ｃ）前記床
供給端からの追加量の気体の放出により床を前記第２中
間圧力から下方脱着圧力まで供給空気流れと反対方向流
れで減圧する段階と、（ｄ）前記生成物サージタンクか
ら生成物気体の側流を前記下方脱着圧力にある床の生成
物端にパージ気体として通し、脱着された窒素を前記下
方脱着圧力において床の空隙から排斥し、該排斥した脱
着窒素を該床の供給端から放出し、その場合、前記均等
化タンクからの空隙気体は前記床の生成物端に通入され
ないものとする段階と、（ｅ）前記均等化タンクからの
空隙気体を前記床の生成物端に導入して、該床内の圧力
を前記下方脱着圧力から前記第１中間圧力まで増大する
段階と、（ｆ）追加量の供給空気を前記単一床の供給端
に通し、前記段階（ａ）〜（ｅ）の周期的な操作を継続
する段階とを包含することを特徴とする圧力変化式吸着
方法を提供する。好ましくは、上方吸着圧力が大気圧を
超える圧力でありそして前記第１中間圧力が大気圧より
低い圧力である。本発明はまた、供給空気から酸素の低
容積回収のための圧力変化式吸着装置であって、（ａ）
空気中の容易に吸着しうる成分としての窒素を選択的に
吸着することのできる吸着剤材料の単一床（１９）と、
（ｂ）前記床（１９）の生成物端から放出された空隙気
体の保持のための均等化タンク（２３）と、（ｃ）前記
床（１９）の生成物端から放出された生成物酸素の保持
のための生成物サージタンク（２６）であって、装置か
らの生成物酸素の回収のための導管（２７）を備える生
成物サージタンク（２６）と、（ｄ）空隙気体の均等化
タンクへの通流そして生成物酸素の生成物サージタンク
への通流のための導管手段（２１、２４）と、（ｅ）空
隙気体の均等化タンク（２３）への流れ及び生成物酸素
の生成物サージタンク（２６）への流れ並びに均等化タ
ンク（２３）から該床（１９）の生成物端への空隙気体
の流れを制御するための制御手段（２２、２５）と、
（ｆ）空気を床（１９）の供給端に通すための手段
（２）と、（ｇ）前記床（１９）の供給端から空隙気体
及び窒素を放出するための導管手段（５、６、１０、１
８）とを含み、（ｈ）前記装置が前記床（１９）から放
出される空隙気体の保持のための単一の均等化タンク
（２３）を含み、（ｉ）空気を床（１９）の供給端に通
すための手段が供給物ブロワー（２）であり、（ｊ）均
等化タンク（２３）から該床（１９）の生成物端への空
隙気体の流れを制御するための制御手段（２２）が下方
脱着圧力からの床の部分再加圧のため空隙気体の流れを
制御し、（ｋ）装置が更に、生成物酸素のサージタンク
（２６）への通流のための導管手段（２４）と並列に、
生成物酸素の側流を生成物サージタンクから該床生成物
端へ通流するための導管手段（２８）と、該側流の流れ
を制御するための制御手段（２９）とを含むことを特徴
とする圧力変化式吸着装置をも提供する。
【００１０】
【作用】本発明の課題は、単一プロセス機械、即ち処理
サイクル中単一吸着床を加圧しまた減圧するための圧縮
器を組み込む単一吸着床ＰＳＡ乃至ＶＰＳＡシステムを
使用して達成される。従来型式の生成物サージタンク
が、システムの生成物回収率及び動力所要量を改善する
ように働く均等化タンクと共に使用される。すなわち、
本発明は、２つの外部サージタンクを利用する単一床Ｐ
ＳＡ乃至ＶＰＳＡ方法及び装置を使用する。サージタン
クの一方は、所望の生成物酸素を供給しそしてまたＰＳ
Ａ乃至ＶＰＳＡ処理サイクルの排気段階中吸着床に生成
物酸素をパージ気体として供給する。第２のサージタン
クは、均等化タンクとして機能し、そして減圧段階中床
から抜き出された空隙気体を収集しそして吸着床の再加
圧段階中吸着床にその空隙気体を床に供給するのに使用
される。本発明の実施により、米国特許第４，５６１，
８６５号に代表される先行技術の単一床ＰＳＡシステム
に比較して性能における著しい改善が達成される。
サイクル中単一吸着床を加圧しまた減圧するための圧縮
器を組み込む単一吸着床ＰＳＡ乃至ＶＰＳＡシステムを
使用して達成される。従来型式の生成物サージタンク
が、システムの生成物回収率及び動力所要量を改善する
ように働く均等化タンクと共に使用される。すなわち、
本発明は、２つの外部サージタンクを利用する単一床Ｐ
ＳＡ乃至ＶＰＳＡ方法及び装置を使用する。サージタン
クの一方は、所望の生成物酸素を供給しそしてまたＰＳ
Ａ乃至ＶＰＳＡ処理サイクルの排気段階中吸着床に生成
物酸素をパージ気体として供給する。第２のサージタン
クは、均等化タンクとして機能し、そして減圧段階中床
から抜き出された空隙気体を収集しそして吸着床の再加
圧段階中吸着床にその空隙気体を床に供給するのに使用
される。本発明の実施により、米国特許第４，５６１，
８６５号に代表される先行技術の単一床ＰＳＡシステム
に比較して性能における著しい改善が達成される。
【００１１】
【実施例】図１を参照すると、管路１は、供給空気を供
給ブロワー／真空ブロワー兼用ブロワーユニット２に供
給するのに使用され、ダストフィルター−気体消音器ユ
ニット３及び弁４を組み込んでいる。ユニット２からの
管路５は管路６及び７に接続している。管路６は弁８及
び出口スナバー（緩衝タンク）ユニット９を含み、そこ
から気体は管路１０を通して放出される。管路７は、出
口スナバー（緩衝タンク）ユニット１１、供給気体冷却
のためのアフタークーラー（後段冷却器）１２及び弁１
３を組み込んでいる。弁１５を組み込んだ放出管路１４
が、管路７に接続されている。弁１７を組み込む管路１
６が管路１に弁４の下流で接続されている。管路７及び
１６は共に、適当な吸着容器内の単一吸着床１９の底部
に通じている。吸着床１９の頂部から、管路２０が伸延
し、弁２２を有しそして均等化タンク２３に通じる管路
２１に通じるとともに、逆止弁２５を有しそして生成物
サージタンク２６に通じる管路２４とも通じている。生
成物酸素は、生成物サージタンク２６から管路２７を通
して下流での操業におけるその所望の使用にために抜き
出される。管路２０はまた、弁２９を有しそして前記サ
ージタンク２６へと伸びる管路２８と通じている。
給ブロワー／真空ブロワー兼用ブロワーユニット２に供
給するのに使用され、ダストフィルター−気体消音器ユ
ニット３及び弁４を組み込んでいる。ユニット２からの
管路５は管路６及び７に接続している。管路６は弁８及
び出口スナバー（緩衝タンク）ユニット９を含み、そこ
から気体は管路１０を通して放出される。管路７は、出
口スナバー（緩衝タンク）ユニット１１、供給気体冷却
のためのアフタークーラー（後段冷却器）１２及び弁１
３を組み込んでいる。弁１５を組み込んだ放出管路１４
が、管路７に接続されている。弁１７を組み込む管路１
６が管路１に弁４の下流で接続されている。管路７及び
１６は共に、適当な吸着容器内の単一吸着床１９の底部
に通じている。吸着床１９の頂部から、管路２０が伸延
し、弁２２を有しそして均等化タンク２３に通じる管路
２１に通じるとともに、逆止弁２５を有しそして生成物
サージタンク２６に通じる管路２４とも通じている。生
成物酸素は、生成物サージタンク２６から管路２７を通
して下流での操業におけるその所望の使用にために抜き
出される。管路２０はまた、弁２９を有しそして前記サ
ージタンク２６へと伸びる管路２８と通じている。
【００１２】図面に例示したシステムを使用するＰＳＡ
プロセスの操作において、５段階プロセス操作サイクル
が望ましくは使用される。そうしたサイクルは次のプロ
セス順序段階を含む：（１）加圧／生成物回収、（２）
部分減圧、（３）真空排気、（４）パージ並びに（５）
部分再加圧。
プロセスの操作において、５段階プロセス操作サイクル
が望ましくは使用される。そうしたサイクルは次のプロ
セス順序段階を含む：（１）加圧／生成物回収、（２）
部分減圧、（３）真空排気、（４）パージ並びに（５）
部分再加圧。
【００１３】上記プロセス順序段階の操作において、第
１段階は、吸着床１９が約１０ｐｓｉａ（０．７kg/cm
２）の第１中間圧力まで部分的に加圧された直後始ま
る。供給空気は、弁４及び１３を開き、弁８、１５、１
７、２２及び２９を閉じた状態で、フィードブロワー２
から供給される。逆止弁２５が吸着床１９内の圧力が生
成物サージタンク２６内の圧力を超えるようになるとき
開くように設定されている。
１段階は、吸着床１９が約１０ｐｓｉａ（０．７kg/cm
２）の第１中間圧力まで部分的に加圧された直後始ま
る。供給空気は、弁４及び１３を開き、弁８、１５、１
７、２２及び２９を閉じた状態で、フィードブロワー２
から供給される。逆止弁２５が吸着床１９内の圧力が生
成物サージタンク２６内の圧力を超えるようになるとき
開くように設定されている。
【００１４】供給空気が吸着剤床１９を納める容器内に
導入されるにつれ、容器内の圧力は増大し、やがてはそ
の圧力が代表的には１８ｐｓｉａ（１．２６kg/cm2絶対
圧）における生成物サージタンク２６内の圧力に等しい
点に達する。そこで、逆止弁２５が開き、生成物気体、
即ち酸素を生成物サージタンク２６に供給する。生成物
サージタンク２６の寸法は、所望の生成物流れ及び出口
管路２７の圧力とともに変更されるが、吸着剤床１９か
らの生成物気体の流れを大きな圧力の変動なく、例えば
４〜５ｐｓｉ（０．２８〜０．３５kg/cm2）以内で収容
するに充分大きくなければならない。生成物サージタン
ク２６はまた、パージ段階中、管路２７における生成物
流れの中断なく、そこから吸着剤床１９への戻しての同
時的なパージ流れを可能とすることができねばならな
い。この生成物の供給は、吸着剤床ための容器の頂部に
おける圧力が上方吸着圧力、代表的に２２．５ｐｓｉａ
（１．５８kg/cm2）に達するまで続行される。この点
で、プロセスサイクルはその第２段階へと進む。別法と
して、圧力制御弁が逆止弁に置き換えられ、そしてサイ
クル段階の生成物製造部分中一定の容器圧力を維持する
ような態様で操作されて、プロセスを一層改善する。
導入されるにつれ、容器内の圧力は増大し、やがてはそ
の圧力が代表的には１８ｐｓｉａ（１．２６kg/cm2絶対
圧）における生成物サージタンク２６内の圧力に等しい
点に達する。そこで、逆止弁２５が開き、生成物気体、
即ち酸素を生成物サージタンク２６に供給する。生成物
サージタンク２６の寸法は、所望の生成物流れ及び出口
管路２７の圧力とともに変更されるが、吸着剤床１９か
らの生成物気体の流れを大きな圧力の変動なく、例えば
４〜５ｐｓｉ（０．２８〜０．３５kg/cm2）以内で収容
するに充分大きくなければならない。生成物サージタン
ク２６はまた、パージ段階中、管路２７における生成物
流れの中断なく、そこから吸着剤床１９への戻しての同
時的なパージ流れを可能とすることができねばならな
い。この生成物の供給は、吸着剤床ための容器の頂部に
おける圧力が上方吸着圧力、代表的に２２．５ｐｓｉａ
（１．５８kg/cm2）に達するまで続行される。この点
で、プロセスサイクルはその第２段階へと進む。別法と
して、圧力制御弁が逆止弁に置き換えられ、そしてサイ
クル段階の生成物製造部分中一定の容器圧力を維持する
ような態様で操作されて、プロセスを一層改善する。
【００１５】プロセス順序段階の残りの段階中、生成物
サージタンク２６は吸着剤床１９のための容器或いはそ
れと関連する他のプロセス設備と独立して生成物酸素を
下流での使用のために供給することを銘記すべきであ
る。プロセスにおける第１段階の代表的な段階時間は１
８〜２５秒である。供給空気の温度は周囲温度に相当し
ようが、しかし、一般には吸着剤床１９への供給気体は
周囲温度より３０〜４０Ｆ（２０〜２２℃）高く、そし
て吸着剤容器内の温度分布は容器内の吸着剤水準の底部
において周囲温度より約１０〜２０°Ｆ（５．５〜１１
℃）低く、吸着剤床の中間でほぼ周囲温度もしくは周囲
温度より１０°Ｆ（５．５℃）まで高く、そして吸着剤
床の頂部で約３０〜４０°Ｆ（２０〜２２℃）高い。こ
れら温度はプロセス順序段階全体を通して僅かに変動し
よう。使用される供給空気流量は、所望の生成物流量に
直接関係する。９０％生成物純度において５０％酸素回
収のためには、供給空気流量は一般に対応する酸素生成
物流量の約９．５倍多い。
サージタンク２６は吸着剤床１９のための容器或いはそ
れと関連する他のプロセス設備と独立して生成物酸素を
下流での使用のために供給することを銘記すべきであ
る。プロセスにおける第１段階の代表的な段階時間は１
８〜２５秒である。供給空気の温度は周囲温度に相当し
ようが、しかし、一般には吸着剤床１９への供給気体は
周囲温度より３０〜４０Ｆ（２０〜２２℃）高く、そし
て吸着剤容器内の温度分布は容器内の吸着剤水準の底部
において周囲温度より約１０〜２０°Ｆ（５．５〜１１
℃）低く、吸着剤床の中間でほぼ周囲温度もしくは周囲
温度より１０°Ｆ（５．５℃）まで高く、そして吸着剤
床の頂部で約３０〜４０°Ｆ（２０〜２２℃）高い。こ
れら温度はプロセス順序段階全体を通して僅かに変動し
よう。使用される供給空気流量は、所望の生成物流量に
直接関係する。９０％生成物純度において５０％酸素回
収のためには、供給空気流量は一般に対応する酸素生成
物流量の約９．５倍多い。
【００１６】プロセス順序段階の第２段階、即ち部分減
圧が始まると、弁１３が閉じられそして弁１５が開かれ
る。これは、供給ブロワー２を無負荷ならしめる、即ち
大気から空気を吸入しそしてそれを大気に戻して排気せ
しめる。弁２２が開き、そして吸着剤床１９はプロセス
順序段階の第１段階で達した上方吸着圧力から減圧され
始める。空隙気体が、吸着剤床１９の空隙から排斥され
そして管路２１を通して均等化タンク２３に通される。
このタンク２３の寸法は、所望の設備規模即ち生成物流
量に応じて変えられるが、吸着剤容器からの空隙気体を
約１４．５〜１５ｐｓｉａ（１．０２〜１．０５kg/cm
２）の圧力において保持するに充分大きくなければなら
ない。このタンク内の酸素の濃度は代表的に８５〜８９
％酸素である。逆止弁２５は、吸着剤床１９の圧力が生
成物サージタンク２６の圧力以下に落ちているから閉じ
られる。このプロセス段階中、弁８、１７及び２９は閉
じたままに維持され、これは吸着剤床容器圧力が第２中
間圧力、例えば１６ｐｓｉａ（１．１２kg/cm２）に低
下するまで継続され、均等化タンク２３内の圧力は１
４．５〜１５ｐｓｉａ（１．０２〜１．０５kg/cm２）
の圧力に増大していく。この第２の部分減圧段階に対す
るおおよそのサイクル段階時間は約４〜７秒である。こ
の後、プロセス順序段階は第３段階に進む。第２段階中
の吸着剤床１９の容器の温度は第１段階において先に言
及したのと同様である。
圧が始まると、弁１３が閉じられそして弁１５が開かれ
る。これは、供給ブロワー２を無負荷ならしめる、即ち
大気から空気を吸入しそしてそれを大気に戻して排気せ
しめる。弁２２が開き、そして吸着剤床１９はプロセス
順序段階の第１段階で達した上方吸着圧力から減圧され
始める。空隙気体が、吸着剤床１９の空隙から排斥され
そして管路２１を通して均等化タンク２３に通される。
このタンク２３の寸法は、所望の設備規模即ち生成物流
量に応じて変えられるが、吸着剤容器からの空隙気体を
約１４．５〜１５ｐｓｉａ（１．０２〜１．０５kg/cm
２）の圧力において保持するに充分大きくなければなら
ない。このタンク内の酸素の濃度は代表的に８５〜８９
％酸素である。逆止弁２５は、吸着剤床１９の圧力が生
成物サージタンク２６の圧力以下に落ちているから閉じ
られる。このプロセス段階中、弁８、１７及び２９は閉
じたままに維持され、これは吸着剤床容器圧力が第２中
間圧力、例えば１６ｐｓｉａ（１．１２kg/cm２）に低
下するまで継続され、均等化タンク２３内の圧力は１
４．５〜１５ｐｓｉａ（１．０２〜１．０５kg/cm２）
の圧力に増大していく。この第２の部分減圧段階に対す
るおおよそのサイクル段階時間は約４〜７秒である。こ
の後、プロセス順序段階は第３段階に進む。第２段階中
の吸着剤床１９の容器の温度は第１段階において先に言
及したのと同様である。
【００１７】吸着剤床１９の容器が空隙気体の一部を均
等化タンク２３内に追い出しそして吸着剤床１９の容器
の圧力が約１６ｐｓｉａ（１．１２kg/cm２）の第２中
間圧力に低下した後、プロセスサイクルはプロセス順序
段階の第３段階、即ち容器真空排気段階に進む。第３段
階の目的のために、弁８及び１７が開かれそして弁４、
１５、１３、２２及び２９並びに逆止弁２５が閉じられ
る。その結果、吸着剤床１９の容器内の気体は、吸着剤
床１９の底部を通してこれまでとは逆方向に転流されそ
して管路１６における弁１７を通してブロワー２の入口
に流れる。この空隙気体は、出口消音器９を通して大気
に放出される。この配管及び弁配列構成は、ブロワー２
が吸着剤床１９の容器を大気圧未満の圧力に排気するこ
とを可能ならしめる。このプロセスサイクルの排気段階
中全体にわたり平均化された排気気体のおおよその組成
は、９０％窒素及び１０％酸素である。ブロワーが排気
用途で使用されるとき、ブロワーとの組合せ性能を向上
するために、ブロワー２のローブにおける間隙を密閉す
るためにブロワーの入口においてシール水が噴射されう
る。この水シール手段は、ブロワーが排気用途で一層良
好に作動することを可能ならしめる。容器が大気圧未満
に排気されると吸着剤の空隙内の窒素気体の分圧の差異
により吸着剤の表面からの脱着が起こり、それにより吸
着剤を再生し、下流での使用のための生成物酸素の半連
続的な流れを与えるべく追加量の供給空気から窒素の再
吸着のための状態に吸着剤を置く。この容器排気段階
は、容器内の圧力が真空脱着圧力、例えば約５ｐｓｉａ
（０．３５kg/cm２）のような所望の低い脱着圧力に達
するまで行われる。このサイクル段階のための段階時間
は約３０〜４０秒である。プロセスサイクルは次いでプ
ロセス順序段階の第４段階に進行する。
等化タンク２３内に追い出しそして吸着剤床１９の容器
の圧力が約１６ｐｓｉａ（１．１２kg/cm２）の第２中
間圧力に低下した後、プロセスサイクルはプロセス順序
段階の第３段階、即ち容器真空排気段階に進む。第３段
階の目的のために、弁８及び１７が開かれそして弁４、
１５、１３、２２及び２９並びに逆止弁２５が閉じられ
る。その結果、吸着剤床１９の容器内の気体は、吸着剤
床１９の底部を通してこれまでとは逆方向に転流されそ
して管路１６における弁１７を通してブロワー２の入口
に流れる。この空隙気体は、出口消音器９を通して大気
に放出される。この配管及び弁配列構成は、ブロワー２
が吸着剤床１９の容器を大気圧未満の圧力に排気するこ
とを可能ならしめる。このプロセスサイクルの排気段階
中全体にわたり平均化された排気気体のおおよその組成
は、９０％窒素及び１０％酸素である。ブロワーが排気
用途で使用されるとき、ブロワーとの組合せ性能を向上
するために、ブロワー２のローブにおける間隙を密閉す
るためにブロワーの入口においてシール水が噴射されう
る。この水シール手段は、ブロワーが排気用途で一層良
好に作動することを可能ならしめる。容器が大気圧未満
に排気されると吸着剤の空隙内の窒素気体の分圧の差異
により吸着剤の表面からの脱着が起こり、それにより吸
着剤を再生し、下流での使用のための生成物酸素の半連
続的な流れを与えるべく追加量の供給空気から窒素の再
吸着のための状態に吸着剤を置く。この容器排気段階
は、容器内の圧力が真空脱着圧力、例えば約５ｐｓｉａ
（０．３５kg/cm２）のような所望の低い脱着圧力に達
するまで行われる。このサイクル段階のための段階時間
は約３０〜４０秒である。プロセスサイクルは次いでプ
ロセス順序段階の第４段階に進行する。
【００１８】第４プロセス段階は、下方脱着圧力での容
器パージ（掃気）段階である。この目的のために、弁２
９が開かれ、そして生成物サージタンク２６からの少量
の生成物気体側流が単一吸着床１９の容器の頂部に転流
される。この流れは、９０〜９３％の酸素濃度を有しそ
してこの時点では主として脱着窒素から構成される容器
内残存空隙気体の大部分を吹掃するのに使用される。パ
ージ気体流れは容器内の空隙に存在する脱着気体に置き
換わり、そしてパージ流れは高い窒素濃度を有していな
いから、容器内の圧力が高くなり始めても空隙気体は吸
着剤表面に再吸着されない。これは吸着剤は酸素に対し
て選択的な親和性を持っていないからである。この容器
パージ段階は、一定の真空において或いは容器内の別の
脱着圧力水準において起こり、弁８及び１７は開かれた
ままであり、制御弁２９は開かれそして他の弁はすべて
閉じられている。容器内の吸着剤床の空隙内の脱着気体
のほとんどが生成物気体で置換されたとき、プロセス順
序段階は第５プロセス段階である部分再加圧段階に進
む。第４の容器パージ段階のための平均時間は約７〜１
０秒である。この容器排気段階に対して真空水準を実質
上一定の保持するためには、容器から出現する脱着気体
に対する流量は、例えば５ｐｓｉａ（０．３５kg/cm2）
において、排気流量にほぼ等しくされる。
器パージ（掃気）段階である。この目的のために、弁２
９が開かれ、そして生成物サージタンク２６からの少量
の生成物気体側流が単一吸着床１９の容器の頂部に転流
される。この流れは、９０〜９３％の酸素濃度を有しそ
してこの時点では主として脱着窒素から構成される容器
内残存空隙気体の大部分を吹掃するのに使用される。パ
ージ気体流れは容器内の空隙に存在する脱着気体に置き
換わり、そしてパージ流れは高い窒素濃度を有していな
いから、容器内の圧力が高くなり始めても空隙気体は吸
着剤表面に再吸着されない。これは吸着剤は酸素に対し
て選択的な親和性を持っていないからである。この容器
パージ段階は、一定の真空において或いは容器内の別の
脱着圧力水準において起こり、弁８及び１７は開かれた
ままであり、制御弁２９は開かれそして他の弁はすべて
閉じられている。容器内の吸着剤床の空隙内の脱着気体
のほとんどが生成物気体で置換されたとき、プロセス順
序段階は第５プロセス段階である部分再加圧段階に進
む。第４の容器パージ段階のための平均時間は約７〜１
０秒である。この容器排気段階に対して真空水準を実質
上一定の保持するためには、容器から出現する脱着気体
に対する流量は、例えば５ｐｓｉａ（０．３５kg/cm2）
において、排気流量にほぼ等しくされる。
【００１９】プロセス順序段階の第５段階は部分再加圧
段階であり、ここでは弁８、１７及び２９が閉じられそ
して弁５及び１５が開かれて、ブロワー２を無負荷状態
で作動せしめる。制御弁２２が設定弁位置まで開かれ
る。第２段階、即ち部分減圧段階中均等化タンク２３内
に収集された空隙気体が吸着剤床１９の容器をこの部分
再加圧段階中例えば１０ｐｓｉａ（０．７kg/cm2）の中
間圧力水準まで再加圧するのに使用される。均等化タン
ク２３内の圧力が代表的なＶＰＳＡ用途において約１５
ｐｓｉａ（１．０５kg/cm2）から９．５ｐｓｉａ（０．
６７kg/cm2）へと低下する。この段階に要する時間は部
分減圧段階に要する段階時間と実質上同じであり、例え
ば４〜７秒である。ひとたび容器がこの中間圧力水準ま
で再加圧されると、プロセス順序段階は完了する。サイ
クルは、第１段階に進み、プロセス順序段階が、本ＰＳ
Ａ乃至ＶＰＳＡプロセスの連続操作が追加量の供給空気
でもって続行されるに際して繰り返される。
段階であり、ここでは弁８、１７及び２９が閉じられそ
して弁５及び１５が開かれて、ブロワー２を無負荷状態
で作動せしめる。制御弁２２が設定弁位置まで開かれ
る。第２段階、即ち部分減圧段階中均等化タンク２３内
に収集された空隙気体が吸着剤床１９の容器をこの部分
再加圧段階中例えば１０ｐｓｉａ（０．７kg/cm2）の中
間圧力水準まで再加圧するのに使用される。均等化タン
ク２３内の圧力が代表的なＶＰＳＡ用途において約１５
ｐｓｉａ（１．０５kg/cm2）から９．５ｐｓｉａ（０．
６７kg/cm2）へと低下する。この段階に要する時間は部
分減圧段階に要する段階時間と実質上同じであり、例え
ば４〜７秒である。ひとたび容器がこの中間圧力水準ま
で再加圧されると、プロセス順序段階は完了する。サイ
クルは、第１段階に進み、プロセス順序段階が、本ＰＳ
Ａ乃至ＶＰＳＡプロセスの連続操作が追加量の供給空気
でもって続行されるに際して繰り返される。
【００２０】本発明の特定の具体例のプロセス順序段階
の５段階の終わりにおける吸着床１９、生成物サージタ
ンク２６及び均等化タンク２３におけるおおよその圧力
水準を次の表１に示す。
の５段階の終わりにおける吸着床１９、生成物サージタ
ンク２６及び均等化タンク２３におけるおおよその圧力
水準を次の表１に示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】特にＶＰＳＡプロセス操作において、再加
圧気体のための別個の気体均等化タンクの使用により、
生成物回収は改善されそして動力所要量は低減する。吸
着剤床容器がその上方吸着圧力にあるときそして容器の
部分減圧が開始されるとき、吸着剤床から追い出された
気体は均等化タンク内に収集される。収集された気体は
空隙気体であり、これは吸着剤粒子間の隙間から生じる
容器内の吸着剤隙間のいずれかに収蔵される任意の気体
並びに床圧力が減少されるとき吸着剤の表面から脱着し
た窒素気体である。均等化タンク内の空隙気体の純度
は、均等化タンク内に収集された気体の一部が脱着され
た窒素であるから、空隙気体は高い窒素濃度を有するた
めに、生成物サージタンクにおける純度とは異なってい
る。一般に、均等化タンク内の酸素純度は約８５〜８９
％であり、これは生成物サージタンクにおける生成物気
体の代表的な９０〜９３％酸素というもっと高い純度と
対照的である。吸着剤床容器が排気され終りそして大気
圧未満の圧力水準にあるとき、容器はこの均等化タンク
つまり保持タンクからの空隙気体でもって約１０ｐｓｉ
ａ（０．７kg/cm2）の圧力まで部分的に再加圧される。
先行技術の方式におけるように空隙気体を大気圧までブ
ローダウンするのではなく、部分減圧段階からの空隙気
体を再循環することにより、システムに供給された酸素
分子の一層多くを回収することができ、生成物回収率を
改善する。この生成物回収率の増加は、同じ入口気体流
量で生成物酸素の流量が増大することを意味する。この
生成物流量の増大はＰＳＡシステムに対する単位動力消
費量の低減をもたらす。ＰＳＡに特にＶＰＳＡへの均等
化タンクの組み込みはこうして、均等化タンクの比較的
安いコストにおいて生成物回収率を改善しそして単位動
力を節減する役目をなし、２つの重要な利益を提供す
る。
圧気体のための別個の気体均等化タンクの使用により、
生成物回収は改善されそして動力所要量は低減する。吸
着剤床容器がその上方吸着圧力にあるときそして容器の
部分減圧が開始されるとき、吸着剤床から追い出された
気体は均等化タンク内に収集される。収集された気体は
空隙気体であり、これは吸着剤粒子間の隙間から生じる
容器内の吸着剤隙間のいずれかに収蔵される任意の気体
並びに床圧力が減少されるとき吸着剤の表面から脱着し
た窒素気体である。均等化タンク内の空隙気体の純度
は、均等化タンク内に収集された気体の一部が脱着され
た窒素であるから、空隙気体は高い窒素濃度を有するた
めに、生成物サージタンクにおける純度とは異なってい
る。一般に、均等化タンク内の酸素純度は約８５〜８９
％であり、これは生成物サージタンクにおける生成物気
体の代表的な９０〜９３％酸素というもっと高い純度と
対照的である。吸着剤床容器が排気され終りそして大気
圧未満の圧力水準にあるとき、容器はこの均等化タンク
つまり保持タンクからの空隙気体でもって約１０ｐｓｉ
ａ（０．７kg/cm2）の圧力まで部分的に再加圧される。
先行技術の方式におけるように空隙気体を大気圧までブ
ローダウンするのではなく、部分減圧段階からの空隙気
体を再循環することにより、システムに供給された酸素
分子の一層多くを回収することができ、生成物回収率を
改善する。この生成物回収率の増加は、同じ入口気体流
量で生成物酸素の流量が増大することを意味する。この
生成物流量の増大はＰＳＡシステムに対する単位動力消
費量の低減をもたらす。ＰＳＡに特にＶＰＳＡへの均等
化タンクの組み込みはこうして、均等化タンクの比較的
安いコストにおいて生成物回収率を改善しそして単位動
力を節減する役目をなし、２つの重要な利益を提供す
る。
【００２３】本発明のまた別の有益な特徴は、排気段階
中パージ気体として生成物タンクからの生成物酸素の使
用にある。吸着剤床容器が例えば部分真空（subatmosph
eric）の条件に曝露されているとき、吸着剤の表面に吸
着されていた窒素気体は分圧差により脱着する。脱着し
た窒素は、容器内に吸着剤粒子間の空隙に残存してい
る。そうした脱着した窒素の大部分を吸着剤床容器から
除去することが所望される。これは、容器内の圧力が増
大し始めるとすぐ、部分加圧が容器内の残存する窒素気
体を推進して吸着剤の表面に戻して吸着せしめ、吸着剤
が決して充分に再生されないからである。生成物サージ
タンクから９０〜９３％純度の酸素を含むパージ気体流
れを導入することにより、容器内に残存する窒素気体は
洗い流されそして生成物酸素気体と置換される。床がそ
の後再加圧されるとき、空隙気体は主に酸素からなり、
これは容器内の圧力が上昇し始めるとき吸着されず、吸
着剤表面を次の供給物供給段階に備えて充分に再生され
た状態に保持せしめる。一般に、パージ気体の酸素純度
が高いほど、パージ段階は一層有効となる。その理由
は、容器内の残る窒素気体が多いほど、部分再加圧段階
中一層多くの気体が吸着剤に再吸着され、吸着剤表面の
再生の有効性を低下せしめるからである。容器内に導入
されるパージ気体が可能な最小限の窒素濃度量を有する
とき、所望の空気分離は増進される。
中パージ気体として生成物タンクからの生成物酸素の使
用にある。吸着剤床容器が例えば部分真空（subatmosph
eric）の条件に曝露されているとき、吸着剤の表面に吸
着されていた窒素気体は分圧差により脱着する。脱着し
た窒素は、容器内に吸着剤粒子間の空隙に残存してい
る。そうした脱着した窒素の大部分を吸着剤床容器から
除去することが所望される。これは、容器内の圧力が増
大し始めるとすぐ、部分加圧が容器内の残存する窒素気
体を推進して吸着剤の表面に戻して吸着せしめ、吸着剤
が決して充分に再生されないからである。生成物サージ
タンクから９０〜９３％純度の酸素を含むパージ気体流
れを導入することにより、容器内に残存する窒素気体は
洗い流されそして生成物酸素気体と置換される。床がそ
の後再加圧されるとき、空隙気体は主に酸素からなり、
これは容器内の圧力が上昇し始めるとき吸着されず、吸
着剤表面を次の供給物供給段階に備えて充分に再生され
た状態に保持せしめる。一般に、パージ気体の酸素純度
が高いほど、パージ段階は一層有効となる。その理由
は、容器内の残る窒素気体が多いほど、部分再加圧段階
中一層多くの気体が吸着剤に再吸着され、吸着剤表面の
再生の有効性を低下せしめるからである。容器内に導入
されるパージ気体が可能な最小限の窒素濃度量を有する
とき、所望の空気分離は増進される。
【００２４】本発明の実施において、従来技術の方式と
比較して２０〜２５％の生成物流量の改善が実現され、
それにより生成物気体は吸着剤床の再加圧気体源として
使用される。再加圧のために生成物気体の使用は、下流
での使用のためにそうした生成物気体の極く小部分のみ
しか利用し得ない結果をもたらしうる。容器の部分再加
圧のために空隙気体の使用により、本発明のプロセスに
おいて生成された生成物気体のすべてが生成物気体の所
望の下流での使用のために利用することができる。これ
は、単一床ＰＳＡ操作の斯界での明確な性能上の利点を
与える。
比較して２０〜２５％の生成物流量の改善が実現され、
それにより生成物気体は吸着剤床の再加圧気体源として
使用される。再加圧のために生成物気体の使用は、下流
での使用のためにそうした生成物気体の極く小部分のみ
しか利用し得ない結果をもたらしうる。容器の部分再加
圧のために空隙気体の使用により、本発明のプロセスに
おいて生成された生成物気体のすべてが生成物気体の所
望の下流での使用のために利用することができる。これ
は、単一床ＰＳＡ操作の斯界での明確な性能上の利点を
与える。
【００２５】本発明の実施において、空気から窒素を選
択的に透過することのできる任意の適当な吸着剤が使用
されうる。例えば、５Ａ及び１３Ｘゼオライト型モレキ
ュラーシーブ材料のような周知のモレキュラーシーブが
従来方式で使用されうる。
択的に透過することのできる任意の適当な吸着剤が使用
されうる。例えば、５Ａ及び１３Ｘゼオライト型モレキ
ュラーシーブ材料のような周知のモレキュラーシーブが
従来方式で使用されうる。
【００２６】従来型式のセオライト型モレキュラーシー
ブが本発明の実施における吸着剤として使用されうる
が、様々の特別に改質された材料もまた、供給空気に対
して所望の窒素の選択的吸着と供給空気中の所望の生成
物気体としての容易に吸着されない成分としての酸素の
回収に使用されうる。かくして、吸着剤は、特定の具体
例においては、ゼオライトＸのリチウムカチオン形態或
いは例えばリチウム及びカルシウム形態のようなその混
合カチオン形態でありうる。こうしたリチウムＸ、即ち
ＬｉＸ吸着剤は空気或いは酸素のような小さな極性の即
ち分極性の少ない分子種を含む他の流れから窒素の吸着
に向けて高度に望ましい容量と選択性とを示すことが見
出された。
ブが本発明の実施における吸着剤として使用されうる
が、様々の特別に改質された材料もまた、供給空気に対
して所望の窒素の選択的吸着と供給空気中の所望の生成
物気体としての容易に吸着されない成分としての酸素の
回収に使用されうる。かくして、吸着剤は、特定の具体
例においては、ゼオライトＸのリチウムカチオン形態或
いは例えばリチウム及びカルシウム形態のようなその混
合カチオン形態でありうる。こうしたリチウムＸ、即ち
ＬｉＸ吸着剤は空気或いは酸素のような小さな極性の即
ち分極性の少ない分子種を含む他の流れから窒素の吸着
に向けて高度に望ましい容量と選択性とを示すことが見
出された。
【００２７】本発明の実施において望ましくは使用され
るＬｉＸ吸着剤は、ゼオライトＸのリチウムカチオン形
態であり、ここでは骨格Ｓｉ／Ａｌ2 モル比が約２．０
〜３．０、好ましくは２．０〜２．５の範囲にありそし
てＡｌＯ2 −四面体ユニットの少なくとも約８８％、好
ましくは少なくとも９０％、一層好ましくは少なくとも
９５％がリチウムカチオンと会合している。こうした高
度にイオン交換された形態のＬｉＸの窒素吸着性能は、
８６等量％以下のカチオンがリチウムでありそして残部
が主にナトリウムカチオンであるようなＬｉＸ材料を使
用して得られた結果からはまったく予知し得ない。更
に、ゼオライトＸ骨格におけるＡｌＯ2 −四面体ユニッ
トの相対比率ににおいて合計四面体ユニットの４４．４
％から当該合計ユニットの５０％までの増大とそれに伴
うＬｉ+ イオンの増大、即ち各場合に同じＬｉ+ イオン
の同じ等量％は窒素に対するゼオライトの吸着容量及び
選択性のＬｉＸ材料におけるカチオンの数における示さ
れた増加に単に関係するよりも格段に大きな増大する役
目を果たすことが見出された。
るＬｉＸ吸着剤は、ゼオライトＸのリチウムカチオン形
態であり、ここでは骨格Ｓｉ／Ａｌ2 モル比が約２．０
〜３．０、好ましくは２．０〜２．５の範囲にありそし
てＡｌＯ2 −四面体ユニットの少なくとも約８８％、好
ましくは少なくとも９０％、一層好ましくは少なくとも
９５％がリチウムカチオンと会合している。こうした高
度にイオン交換された形態のＬｉＸの窒素吸着性能は、
８６等量％以下のカチオンがリチウムでありそして残部
が主にナトリウムカチオンであるようなＬｉＸ材料を使
用して得られた結果からはまったく予知し得ない。更
に、ゼオライトＸ骨格におけるＡｌＯ2 −四面体ユニッ
トの相対比率ににおいて合計四面体ユニットの４４．４
％から当該合計ユニットの５０％までの増大とそれに伴
うＬｉ+ イオンの増大、即ち各場合に同じＬｉ+ イオン
の同じ等量％は窒素に対するゼオライトの吸着容量及び
選択性のＬｉＸ材料におけるカチオンの数における示さ
れた増加に単に関係するよりも格段に大きな増大する役
目を果たすことが見出された。
【００２８】本発明の実施において使用のためのＬｉＸ
材料の調製において、従来からの入手しうるゼオライト
Ｘ出発材料が容易に使用されうる。２種のこうした材料
は、主にナトリウムカチオンを有する、２．５及び２．
０のSiO2/Al2O3比を有するゼオライトＸ、即ちＮａＸ材
料である。２．５ＮａＸ材料は、米国特許第２，８８
２，２４４号の教示に従って試薬として珪酸ナトリウム
及びアルミン酸ナトリウム並びに水を使用して約１００
℃の温度で熱水反応的に合成されうる。反応混合物は酸
化物モル比で表して次の組成を有する：3.5Na2O:Al2O3:
3.0SiO2:144H2O
材料の調製において、従来からの入手しうるゼオライト
Ｘ出発材料が容易に使用されうる。２種のこうした材料
は、主にナトリウムカチオンを有する、２．５及び２．
０のSiO2/Al2O3比を有するゼオライトＸ、即ちＮａＸ材
料である。２．５ＮａＸ材料は、米国特許第２，８８
２，２４４号の教示に従って試薬として珪酸ナトリウム
及びアルミン酸ナトリウム並びに水を使用して約１００
℃の温度で熱水反応的に合成されうる。反応混合物は酸
化物モル比で表して次の組成を有する：3.5Na2O:Al2O3:
3.0SiO2:144H2O
【００２９】２．０ＮａＸ材料は混合ナトリウム−カリ
ウム形態で合成されうる。例えば、まず、２６７ｇの５
０％ＮａＯＨ水溶液中に加熱及び攪拌を使用して２０８
ｇのＡｌ（ＯＨ）3 を溶解して第１の溶液、即ち溶液
（ａ）を形成する。溶液（ｂ）は、１０００ｇ水中に２
８７ｇの８５．３％ＫＯＨペレットを溶解しそしてこう
して形成された溶液を６７１ｇの５０％ＮａＯＨ水溶液
と混合することにより調製される。溶液（ａ）が溶液
（ｂ）に徐々に添加されて溶液（ｃ）を形成し、これが
４〜１２℃に冷却される。溶液（ｄ）が４５３．２５ｇ
の４０等級珪酸ナトリウム（９．６％Ｎａ2 Ｏ、３０．
９％ＳｉＯ2 ）を１，１３１．７ｇの水で稀釈すること
により調製される。冷却された溶液（ｃ）が混合器にお
いて溶液（ｄ）に添加されそして３分間低速度で混合さ
れる。最終混合において冷却と不当量の機械的エネルギ
ーの発生の回避が高品質製品の調製に重要な因子であ
る。ゲル化は約４分後まで起こるべきではない。ゲルは
３６℃で２〜３日置かれそして７０℃で１６時間熟成さ
れる。所望のゼオライトがその後ろ過により単離されそ
してフィルターケーキは母液の容積の７倍に相当する量
においてＮａＯＨ水溶液（ｐＨ：１２）で水洗される。
水洗された生成物は、４ｌのＮａＯＨ水溶液（ｐＨ：１
０）中で再スラリー化され、ろ過により回収されそして
水洗される。再スラリー化過程は、望ましくは２回以上
繰り返されそして単離された生成物は大気乾燥される。
乾燥した生成物は、１００ｍｌの１％ＮａＯＨ溶液中で
スラリー化されそしてスラリー中で９０℃において２１
時間維持される。ろ過後、ケーキは、１０００ｍｌのＮ
ａＯＨ溶液（ｐＨ：１２）で６０℃おいて３０分間再ス
ラリー化されそしてろ過される。再スラリー化プロセス
は、望ましくは２回以上繰り返されそして後固形分がろ
過により回収されＮａＯＨ水溶液（ｐＨ：９）で洗浄さ
れそして後大気乾燥される。
ウム形態で合成されうる。例えば、まず、２６７ｇの５
０％ＮａＯＨ水溶液中に加熱及び攪拌を使用して２０８
ｇのＡｌ（ＯＨ）3 を溶解して第１の溶液、即ち溶液
（ａ）を形成する。溶液（ｂ）は、１０００ｇ水中に２
８７ｇの８５．３％ＫＯＨペレットを溶解しそしてこう
して形成された溶液を６７１ｇの５０％ＮａＯＨ水溶液
と混合することにより調製される。溶液（ａ）が溶液
（ｂ）に徐々に添加されて溶液（ｃ）を形成し、これが
４〜１２℃に冷却される。溶液（ｄ）が４５３．２５ｇ
の４０等級珪酸ナトリウム（９．６％Ｎａ2 Ｏ、３０．
９％ＳｉＯ2 ）を１，１３１．７ｇの水で稀釈すること
により調製される。冷却された溶液（ｃ）が混合器にお
いて溶液（ｄ）に添加されそして３分間低速度で混合さ
れる。最終混合において冷却と不当量の機械的エネルギ
ーの発生の回避が高品質製品の調製に重要な因子であ
る。ゲル化は約４分後まで起こるべきではない。ゲルは
３６℃で２〜３日置かれそして７０℃で１６時間熟成さ
れる。所望のゼオライトがその後ろ過により単離されそ
してフィルターケーキは母液の容積の７倍に相当する量
においてＮａＯＨ水溶液（ｐＨ：１２）で水洗される。
水洗された生成物は、４ｌのＮａＯＨ水溶液（ｐＨ：１
０）中で再スラリー化され、ろ過により回収されそして
水洗される。再スラリー化過程は、望ましくは２回以上
繰り返されそして単離された生成物は大気乾燥される。
乾燥した生成物は、１００ｍｌの１％ＮａＯＨ溶液中で
スラリー化されそしてスラリー中で９０℃において２１
時間維持される。ろ過後、ケーキは、１０００ｍｌのＮ
ａＯＨ溶液（ｐＨ：１２）で６０℃おいて３０分間再ス
ラリー化されそしてろ過される。再スラリー化プロセス
は、望ましくは２回以上繰り返されそして後固形分がろ
過により回収されＮａＯＨ水溶液（ｐＨ：９）で洗浄さ
れそして後大気乾燥される。
【００３０】上述したように調製されたものとしての
２．５ＮａＸを使用して、ゼオライト「予備成形」凝集
物が、まず出発ゼオライト結晶を１２のｐＨを有しそし
て実質上水酸化ナトリウムと水からなる苛性水溶液で洗
浄しそして後水で９のｐＨまで洗浄することにより生成
されうる。洗浄されたゼオライト結晶はその後、アベリ
ー粘土（Avery clay）−市販入手しうるカオリン型粘土
−と８０重量％ゼオライト及び２０重量％粘土の比率で
混合される。ゼオライト−粘土混合物はその後、十分量
の水と混合されて、充分な生の強度を有する押出可能な
材料を生成し、押し出されたペレットが充分なる焼成段
階を受けることを可能ならしめる。焼成段階において、
カオリン室粘土は約６５０℃において約１時間で活性な
メタカオリン形態に変換される。焼成後、結合した凝集
物は冷却されそして苛性水溶液中に約１００℃で浸漬及
び熟成されてメタカオリンのバルクを主にゼオライトＸ
結晶であるゼオライト結晶に変換する。熟成された凝集
物は苛性熟成溶液から取り出され、再度９〜１０のｐＨ
を有する新しいＮａＯＨ水溶液で洗浄されそして大気乾
燥される。乾燥した生成物ペレットは粉砕されそして１
６×４０メッシュのような都合の良い寸法を有する粒子
形態を有するように分篩される。
２．５ＮａＸを使用して、ゼオライト「予備成形」凝集
物が、まず出発ゼオライト結晶を１２のｐＨを有しそし
て実質上水酸化ナトリウムと水からなる苛性水溶液で洗
浄しそして後水で９のｐＨまで洗浄することにより生成
されうる。洗浄されたゼオライト結晶はその後、アベリ
ー粘土（Avery clay）−市販入手しうるカオリン型粘土
−と８０重量％ゼオライト及び２０重量％粘土の比率で
混合される。ゼオライト−粘土混合物はその後、十分量
の水と混合されて、充分な生の強度を有する押出可能な
材料を生成し、押し出されたペレットが充分なる焼成段
階を受けることを可能ならしめる。焼成段階において、
カオリン室粘土は約６５０℃において約１時間で活性な
メタカオリン形態に変換される。焼成後、結合した凝集
物は冷却されそして苛性水溶液中に約１００℃で浸漬及
び熟成されてメタカオリンのバルクを主にゼオライトＸ
結晶であるゼオライト結晶に変換する。熟成された凝集
物は苛性熟成溶液から取り出され、再度９〜１０のｐＨ
を有する新しいＮａＯＨ水溶液で洗浄されそして大気乾
燥される。乾燥した生成物ペレットは粉砕されそして１
６×４０メッシュのような都合の良い寸法を有する粒子
形態を有するように分篩される。
【００３１】こうしたメッシュの粒子は、３７５℃の温
度で約２．５時間真空中で加熱することにより賦活され
うる。この賦活はゼオライトＮａＸ結晶が吸蔵された及
び／或いは吸着された水から形成される水蒸気による過
酷な熱水作用を受けないようにこの態様で注意深く実施
される。こうして形成された賦活材料は２．５ＮａＸ賦
活材料である。
度で約２．５時間真空中で加熱することにより賦活され
うる。この賦活はゼオライトＮａＸ結晶が吸蔵された及
び／或いは吸着された水から形成される水蒸気による過
酷な熱水作用を受けないようにこの態様で注意深く実施
される。こうして形成された賦活材料は２．５ＮａＸ賦
活材料である。
【００３２】ＬｉＸ材料の調製において、賦活されてい
ない所定のメッシュの粒子は、粒子がガラス製カラム内
でＬｉＯＨを使用して９．０のｐＨに調整された１．０
モル水性塩化リチウムの流れにより８０℃の温度で接触
を受けるようにイオン交換過程に置かれうる。塩化リチ
ウム溶液の量は、約１４時間にわたって化学量論の４倍
過剰のリチウムイオンと望ましくは接触されるように使
用される。カラムから流出したイオン交換溶液は再循環
されない。生成するイオン交換された生成物は水で洗浄
されそしてＬｉＯＨを使用して９のｐＨに調整されそし
てこの場合９４％イオン交換される。
ない所定のメッシュの粒子は、粒子がガラス製カラム内
でＬｉＯＨを使用して９．０のｐＨに調整された１．０
モル水性塩化リチウムの流れにより８０℃の温度で接触
を受けるようにイオン交換過程に置かれうる。塩化リチ
ウム溶液の量は、約１４時間にわたって化学量論の４倍
過剰のリチウムイオンと望ましくは接触されるように使
用される。カラムから流出したイオン交換溶液は再循環
されない。生成するイオン交換された生成物は水で洗浄
されそしてＬｉＯＨを使用して９のｐＨに調整されそし
てこの場合９４％イオン交換される。
【００３３】上述したように調製された低シリカ２．０
ＮａＫＸ材料を使用して、アルカリ金属カチオンが塩化
リチウム水溶液（ｐＨ：９、ＬｉＯＨにより調整）を使
用してのイオン交換により所望なら９９等量％を超える
程度までリチウムカチオンにより置換されうる。この材
料は、粉末形態において、２．０ＬｉＸ（９９％）材料
を含んでいる。
ＮａＫＸ材料を使用して、アルカリ金属カチオンが塩化
リチウム水溶液（ｐＨ：９、ＬｉＯＨにより調整）を使
用してのイオン交換により所望なら９９等量％を超える
程度までリチウムカチオンにより置換されうる。この材
料は、粉末形態において、２．０ＬｉＸ（９９％）材料
を含んでいる。
【００３４】当業者は、ＬｉＸ調製過程においてまた混
合カチオン吸着剤の調製において、これらは改善された
ＰＳＡ方法及び装置に関する本発明の一部を形成するも
のではないが、その細部にさまざまの変更や修正をなし
うるものであることを理解しよう。この理解でもって、
例えば２．５ＮａＸ材料がさまざまの量のリチウムカチ
オンを有する生成物が形成されるように４倍量のＬｉＣ
ｌを超える或いは未満のいずれかを使用して塩化リチウ
ム（ｐＨ：９、ＬｉＯＨを使用して調整）と上述した容
積技術を使用してイオン交換されうることを銘記すべき
である。所望されるＬｉＸ材料が塩化リチウムの代わり
に炭酸リチウムもしくは他の種リチウム塩を使用してそ
うしたイオン交換により調製されうることもまた理解さ
れよう。同様に、本発明の特定の具体例において使用の
ための望ましい吸着剤を構成するＬｉＸ材料或いはＬｉ
ＣａＸ材料のような混合カチオン材料が与えられた用途
の実際的な操作要件、例えば特定の供給気体或いは生成
物気体圧力乃至温度条件にそして／或いは与えられた用
途に関与する分離及び回収の所望の水準に対応する様々
の操作条件の下で使用されうる。
合カチオン吸着剤の調製において、これらは改善された
ＰＳＡ方法及び装置に関する本発明の一部を形成するも
のではないが、その細部にさまざまの変更や修正をなし
うるものであることを理解しよう。この理解でもって、
例えば２．５ＮａＸ材料がさまざまの量のリチウムカチ
オンを有する生成物が形成されるように４倍量のＬｉＣ
ｌを超える或いは未満のいずれかを使用して塩化リチウ
ム（ｐＨ：９、ＬｉＯＨを使用して調整）と上述した容
積技術を使用してイオン交換されうることを銘記すべき
である。所望されるＬｉＸ材料が塩化リチウムの代わり
に炭酸リチウムもしくは他の種リチウム塩を使用してそ
うしたイオン交換により調製されうることもまた理解さ
れよう。同様に、本発明の特定の具体例において使用の
ための望ましい吸着剤を構成するＬｉＸ材料或いはＬｉ
ＣａＸ材料のような混合カチオン材料が与えられた用途
の実際的な操作要件、例えば特定の供給気体或いは生成
物気体圧力乃至温度条件にそして／或いは与えられた用
途に関与する分離及び回収の所望の水準に対応する様々
の操作条件の下で使用されうる。
【００３５】本発明の範囲から逸脱することなく本発明
の細部に他の多くの変更をなすことができる。上下に浅
い皿状のヘッドを備える円筒状吸着剤容器がそこを通し
て軸線方向に気体流れを流すようにして一般に使用され
ているが、別様には、気体流れが半径方向である、すな
わち流れが外側円筒周面に流入しそして内側円筒内に移
入し、ここで生成物流れを収集するようにした吸着剤容
器を使用することができる。流れ面積が可変面積の断面
流路であるから、流れと関連する圧力損失がそれにより
低減され、従って一層の動力消費量の節減を得ることが
できる。加えて一層多量の吸着剤を収蔵し、一層多くの
生成物を生成するために吸着剤容器の軸線長さを非常に
長くすることができるが、流路長さは容器の半径に保持
され、従って半径方向流れと関連する圧力降下は変化し
ない。１０００ポンド（４５０ｋｇ）のモレキュラーシ
ーブ／ＴＰＤの床寸法係数（ＢＳＦ）に基づいて、この
型式の容器形態に対する流量範囲は、吸着剤容器内に１
５，０００〜８０，０００ポンド（６７５０〜３６００
０ｋｇ）のモレキュラーシーブ吸着剤を使用して１５，
０００〜８０，０００ＮＣＦＨ（４２０〜２２４０ｍ3
／時間：標準状態）の酸素流量範囲となろう。
の細部に他の多くの変更をなすことができる。上下に浅
い皿状のヘッドを備える円筒状吸着剤容器がそこを通し
て軸線方向に気体流れを流すようにして一般に使用され
ているが、別様には、気体流れが半径方向である、すな
わち流れが外側円筒周面に流入しそして内側円筒内に移
入し、ここで生成物流れを収集するようにした吸着剤容
器を使用することができる。流れ面積が可変面積の断面
流路であるから、流れと関連する圧力損失がそれにより
低減され、従って一層の動力消費量の節減を得ることが
できる。加えて一層多量の吸着剤を収蔵し、一層多くの
生成物を生成するために吸着剤容器の軸線長さを非常に
長くすることができるが、流路長さは容器の半径に保持
され、従って半径方向流れと関連する圧力降下は変化し
ない。１０００ポンド（４５０ｋｇ）のモレキュラーシ
ーブ／ＴＰＤの床寸法係数（ＢＳＦ）に基づいて、この
型式の容器形態に対する流量範囲は、吸着剤容器内に１
５，０００〜８０，０００ポンド（６７５０〜３６００
０ｋｇ）のモレキュラーシーブ吸着剤を使用して１５，
０００〜８０，０００ＮＣＦＨ（４２０〜２２４０ｍ3
／時間：標準状態）の酸素流量範囲となろう。
【００３６】リチウム交換吸着剤を使用するＶＰＳＡプ
ラントは供給物温度が供給物アフタークーラーにおいて
冷却水で管理しうる時温暖な天候条件でも非常に良好に
作働することを銘記すべきである。しかし、寒冷な天候
においては、周囲温度が氷点に近いかもしくはそれより
低い時、吸着剤の温度は下がり、そしてリチウム交換吸
着剤を使用する吸着剤の性能は低下するように思われ
る。吸着剤容器内の温度を増大するために、容器内への
供給空気は温暖な周囲条件中関与する温度に近い水準に
加熱されうる。これは、夏の周囲温度が２４〜２７℃を
越えない気候において、供給物アフタークーラーの代わ
りにブロワーへの入口に予熱器を付加することにより達
成しうる。
ラントは供給物温度が供給物アフタークーラーにおいて
冷却水で管理しうる時温暖な天候条件でも非常に良好に
作働することを銘記すべきである。しかし、寒冷な天候
においては、周囲温度が氷点に近いかもしくはそれより
低い時、吸着剤の温度は下がり、そしてリチウム交換吸
着剤を使用する吸着剤の性能は低下するように思われ
る。吸着剤容器内の温度を増大するために、容器内への
供給空気は温暖な周囲条件中関与する温度に近い水準に
加熱されうる。これは、夏の周囲温度が２４〜２７℃を
越えない気候において、供給物アフタークーラーの代わ
りにブロワーへの入口に予熱器を付加することにより達
成しうる。
【００３７】生成物流れユニットを一層コスト節減効果
のあるものとするために、本発明の特定の具体例からは
アフタークーラー及び予熱器特徴を排除することができ
る。変動する周囲条件、その結果としての容器温度によ
る生成物回収の減少はＰＳＡ乃至ＶＰＳＡシステムにそ
うした部品の追加使用に見合うほどに十分の意義を持た
ない場合もある。入口の空気消音器／緩衝タンクの使用
を排除することもまた本発明の範囲内である。気体の脈
動作用の故に、この排除は大規模なプラントに対しては
推奨できないが、もっと少ない生成物流量、すなわち５
〜１０トン／日範囲に対しては排除することができる。
供給／排気放出消音器すなわち部品９及び１１の組み合
わせもまたＰＳＡ乃至ＶＰＳＡシステムを簡易化するの
に役立ちそして本発明の実用的な工業具体例において全
体的なコストの節約を与える。
のあるものとするために、本発明の特定の具体例からは
アフタークーラー及び予熱器特徴を排除することができ
る。変動する周囲条件、その結果としての容器温度によ
る生成物回収の減少はＰＳＡ乃至ＶＰＳＡシステムにそ
うした部品の追加使用に見合うほどに十分の意義を持た
ない場合もある。入口の空気消音器／緩衝タンクの使用
を排除することもまた本発明の範囲内である。気体の脈
動作用の故に、この排除は大規模なプラントに対しては
推奨できないが、もっと少ない生成物流量、すなわち５
〜１０トン／日範囲に対しては排除することができる。
供給／排気放出消音器すなわち部品９及び１１の組み合
わせもまたＰＳＡ乃至ＶＰＳＡシステムを簡易化するの
に役立ちそして本発明の実用的な工業具体例において全
体的なコストの節約を与える。
【００３８】一層高い純度の生成物が所望される状況に
おいては、第６段階、すなわち二次再加圧段階が使用さ
れうる。容器が均等化タンクから８５〜８９％の酸素純
度における再加圧気体を受け取った後、第６段階は、吸
着剤容器の空隙内に例えば９０〜９３％純度の一層高い
酸素気体を導入するように生成物サージタンクから少量
のパージ気体を取り込む。この態様で、空隙内の平均純
度は増加し、従って一層高い純度の酸素生成物が酸素生
成物純度のそうした増加を実現するのに、生成物の回収
率は若干犠牲となるが、生成物流量の大きな減少なく生
成されうる。
おいては、第６段階、すなわち二次再加圧段階が使用さ
れうる。容器が均等化タンクから８５〜８９％の酸素純
度における再加圧気体を受け取った後、第６段階は、吸
着剤容器の空隙内に例えば９０〜９３％純度の一層高い
酸素気体を導入するように生成物サージタンクから少量
のパージ気体を取り込む。この態様で、空隙内の平均純
度は増加し、従って一層高い純度の酸素生成物が酸素生
成物純度のそうした増加を実現するのに、生成物の回収
率は若干犠牲となるが、生成物流量の大きな減少なく生
成されうる。
【００３９】
【発明の効果】本発明は、単一床ＰＳＡ及びＶＰＳＡプ
ロセス操作における改善を提供する。改善された生成物
流量を実現しそして単一吸着剤床の吸着容量を増大する
ことにより、本発明は単一床操作を向上しそして実用的
な空気分離操作において低コスト単一床ＰＳＡ及びＶＰ
ＳＡシステムを使用することの有用性を更に増進する。
本発明の実施において、従来技術の方式と比較して２０
〜２５％の生成物流量の改善が実現され、それにより生
成物気体は吸着剤床の再加圧気体源として使用される。
生成物サージタンクから９０〜９３％純度の酸素を含む
パージ気体流れを導入することにより、容器内に残存す
る窒素気体は洗い流されそして生成物酸素気体と置換さ
れる。床がその後再加圧されるとき、空隙気体は主に酸
素からなり、これは容器内の圧力が上昇し始めるとき吸
着されず、吸着剤表面を次の供給物供給段階に備えて充
分に再生された状態に保持せしめる。再加圧のために生
成物気体の使用は、下流での使用のためにそうした生成
物気体の極く小部分のみしか利用し得ない結果をもたら
しうる。容器の部分再加圧のために空隙気体の使用によ
り、本発明のプロセスにおいて生成された生成物気体の
実質上すべてが生成物気体の所望の下流での使用のため
に利用することができる。これは、単一床ＰＳＡ操作の
斯界での明確な性能上の利点を与える。
ロセス操作における改善を提供する。改善された生成物
流量を実現しそして単一吸着剤床の吸着容量を増大する
ことにより、本発明は単一床操作を向上しそして実用的
な空気分離操作において低コスト単一床ＰＳＡ及びＶＰ
ＳＡシステムを使用することの有用性を更に増進する。
本発明の実施において、従来技術の方式と比較して２０
〜２５％の生成物流量の改善が実現され、それにより生
成物気体は吸着剤床の再加圧気体源として使用される。
生成物サージタンクから９０〜９３％純度の酸素を含む
パージ気体流れを導入することにより、容器内に残存す
る窒素気体は洗い流されそして生成物酸素気体と置換さ
れる。床がその後再加圧されるとき、空隙気体は主に酸
素からなり、これは容器内の圧力が上昇し始めるとき吸
着されず、吸着剤表面を次の供給物供給段階に備えて充
分に再生された状態に保持せしめる。再加圧のために生
成物気体の使用は、下流での使用のためにそうした生成
物気体の極く小部分のみしか利用し得ない結果をもたら
しうる。容器の部分再加圧のために空隙気体の使用によ
り、本発明のプロセスにおいて生成された生成物気体の
実質上すべてが生成物気体の所望の下流での使用のため
に利用することができる。これは、単一床ＰＳＡ操作の
斯界での明確な性能上の利点を与える。
【図１】空気から酸素の製造のための単一処理床、単一
機械ＶＰＳＡシステム設備の特定の具体例の流れ図であ
る。
機械ＶＰＳＡシステム設備の特定の具体例の流れ図であ
る。
１ 管路 ２ 供給ブロワー／真空ブロワー兼用ブロワーユニット ３ ダストフィルター−気体消音器ユニット ４ 弁 ５、６、７ 管路 ８ 弁 ９、１１ 出口スナバーユニット １０ 管路 １２ アフタークーラー １３ 弁 １４ 放出管路 １５、１７ 弁 １６ 管路 １９ 単一吸着床 ２０、２１、２４、２７ 管路 ２２、２９ 弁 ２３ 均等化タンク ２５ 逆止弁 ２６ 生成物サージタンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーバート・レイモンド・シャウブ アメリカ合衆国ニューヨーク州イース ト・アマスト、サンバースト・サークル 185 (56)参考文献 特開 昭49−64569（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 53/04
Claims (3)
- 【請求項１】 供給空気から酸素の低容積回収のための
圧力変化式吸着方法であって、 （ａ）供給空気を空気中の容易に吸着しうる成分として
の窒素を選択的に吸着することのできる吸着剤材料の単
一床の供給端に通し、該床内の圧力を第１中間圧力から
上方吸着圧力まで増大し、空気中の容易に吸着しえない
成分としての酸素を該床の生成物端から前記上方吸着圧
力に近い圧力における生成物サージタンクに通す段階
と、 （ｂ）前記床の生成物端から空隙気体の放出により該床
を前記上方吸着圧力から前記第１中間圧力より高い第２
中間圧力まで供給空気流れと同方向流れで減圧し、該空
隙気体を均等化タンクに通す段階と、 （ｃ）前記床供給端からの追加量の気体の放出により床
を前記第２中間圧力から下方脱着圧力まで供給空気流れ
と反対方向流れで減圧する段階と、 （ｄ）前記生成物サージタンクから生成物気体の側流を
前記下方脱着圧力にある床の生成物端にパージ気体とし
て通し、脱着された窒素を前記下方脱着圧力において床
の空隙から排斥し、該排斥した脱着窒素を該床の供給端
から放出し、その場合、前記均等化タンクからの空隙気
体は前記床の生成物端に通入されないものとする段階
と、 （ｅ）前記均等化タンクからの空隙気体を前記床の生成
物端に導入して、該床内の圧力を前記下方脱着圧力から
前記第１中間圧力まで増大する段階と、 （ｆ）追加量の供給空気を前記単一床の供給端に通し、
前記段階（ａ）〜（ｅ）の周期的な操作を継続する段階
とを包含することを特徴とする圧力変化式吸着方法。 - 【請求項２】 上方吸着圧力が大気圧を超える圧力であ
りそして前記第１中間圧力が大気圧より低い圧力である
請求項１の圧力変化式吸着方法。 - 【請求項３】 供給空気から酸素の低容積回収のための
圧力変化式吸着装置であって、 （ａ）空気中の容易に吸着しうる成分としての窒素を選
択的に吸着することのできる吸着剤材料の単一床（１
９）と、 （ｂ）前記床（１９）の生成物端から放出された空隙気
体の保持のための均等化タンク（２３）と、 （ｃ）前記床（１９）の生成物端から放出された生成物
酸素の保持のための生成物サージタンク（２６）であっ
て、装置からの生成物酸素の回収のための導管（２７）
を備える生成物サージタンク（２６）と、 （ｄ）空隙気体の均等化タンクへの通流そして生成物酸
素の生成物サージタンクへの通流のための導管手段（２
１、２４）と、 （ｅ）空隙気体の均等化タンク（２３）への流れ及び生
成物酸素の生成物サージタンク（２６）への流れ並びに
均等化タンク（２３）から該床（１９）の生成物端への
空隙気体の流れを制御するための制御手段（２２、２
５）と、 （ｆ）空気を床（１９）の供給端に通すための手段
（２）と、 （ｇ）前記床（１９）の供給端から空隙気体及び窒素を
放出するための導管手段（５、６、１０、１８）とを含
み、 （ｈ）前記装置が前記床（１９）から放出される空隙気
体の保持のための単一の均等化タンク（２３）を含み、 （ｉ）空気を床（１９）の供給端に通すための手段が供
給物ブロワー（２）であり、 （ｊ）均等化タンク（２３）から該床（１９）の生成物
端への空隙気体の流れを制御するための制御手段（２
２）が下方脱着圧力からの床の部分再加圧のため空隙気
体の流れを制御し、 （ｋ）装置が更に、生成物酸素のサージタンク（２６）
への通流のための導管手段（２４）と並列に、生成物酸
素の側流を生成物サージタンクから該床生成物端へ通流
するための導管手段（２８）と、該側流の流れを制御す
るための制御手段（２９）とを含むことを 特徴とする圧
力変化式吸着装置。
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