JP3654661B2

JP3654661B2 - 圧力変動吸着分離法による酸素発生方法

Info

Publication number: JP3654661B2
Application number: JP12101594A
Authority: JP
Inventors: 伸林; 雅人川井
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: CN1042215C; JPH07330306A; CN1128979A; WO1995033681A1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧力変動吸着分離法による酸素発生方法に関し、詳しくは、窒素を選択的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着法により、酸素と窒素とを主成分とする混合ガス、例えば空気から純度９０％程度の酸素を発生する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
酸素と窒素とを主成分とする混合ガス、例えば空気を処理して濃縮酸素を発生させる方法として、圧力変動吸着式による酸素発生方法（以下、酸素ＰＳＡ法という）が広く行われている。この酸素ＰＳＡ法は、一般に、窒素を選択的に吸着するゼオライトを吸着剤として充填した複数の吸着筒を備えた装置（酸素ＰＳＡ装置）を使用して行われるもので、基本的には、各吸着筒について、相対的に高い圧力で操作を行う吸着工程と、相対的に低い圧力で操作を行う再生工程とを交互に繰返すことにより、連続的に濃縮酸素を発生するように構成されている。
【０００３】
このような酸素ＰＳＡ装置においては、ゼオライトの窒素に対する高い選択吸着特性を利用して空気から酸素を濃縮分離するが、酸素とアルゴンとがゼオライトに対して略同一の吸着特性を持つことから、分離濃縮された酸素はアルゴンを含むため、その最高濃度は概ね９５％であった。
【０００４】
一方、酸素を用いる側の条件として、金属の切断に酸素を用いる場合は、９９．５％程度の酸素濃度がないと、切断スピードや切断面の点で問題があり、また、病院等で用いられる医療用の酸素は、薬事法で９９．５％以上の酸素濃度が必要と指定されている。しかし、電気炉を用いた製鋼等では９５％以下の酸素濃度で十分であり、その他、大部分の酸素の用途においては、９０％前後の酸素濃度で十分なため、酸素ＰＳＡ法の適用範囲は極めて広いといえる。このようなことから、酸素濃度が９０％前後で良く、しかも大量の酸素を消費するユーザーにおいては、より安価な酸素を得るために、ＰＳＡ法に対して様々な改良を行ってきた。
【０００５】
酸素ＰＳＡ法の性能を向上させるための着目ポイントとしては、装置の小型化のために使用する吸着剤の剤当たり酸素発生量を大きくすること、動力原単位を下げるために製品酸素回収率を高くすること、の２点が挙げられる。
【０００６】
酸素ＰＳＡ法は、前述のように、吸着工程と再生工程とを基本工程としているが、酸素回収率を高くするため、この基本工程に、圧力回収工程や再加圧工程等を追加するようにしている。また、圧力回収工程の代わりに、並流減圧工程を行って吸着筒内に残留する濃縮された酸素分を製品あるいはパージ用ガスとして利用することも行われており、さらに、吸着剤当たりの酸素発生量を大きくするため、再生工程において製品ガスの一部によりパージ操作を行い、吸着剤からの窒素の脱着を促進することも行われている。このパージ操作は、減圧によって吸着筒内の圧力が低下した段階で製品ガスの一部を製品出口端より供給することにより、気相の易吸着成分の分圧を下げ、窒素の脱着を促進させる方法であり、常圧再生，真空再生のプロセスに関係なく採用されている。
【０００７】
酸素ＰＳＡ法の性能を向上させるために、従来行われている方法としては、例えば、特開昭６３−１４４１０４号公報に記載されたものでは、圧力回収工程において、２個の吸着筒を連結して各吸着筒の上部（製品ガス出口部）及び下部（原料ガス入口部）の両方から同時にガスの回収を行う均圧工程（上下同時均圧）を採用している。この場合、多量のガスを回収できるが、ガスの受取側の吸着筒では、筒の上部に比較的酸素の濃縮されたガスが回収され、筒の下部に空気あるいは空気より幾分窒素分の高いガスが回収される。このため、この方法では、製品回収率は高いが、吸着剤の剤当たりの酸素発生量は低くなる。
【０００８】
さらに、特開昭６３−１４４１０３号公報に記載されたものは、均圧工程の際に、上記同様に２筒を連結して筒の上部及び下部の両方から同時にガスの回収を行うが、このとき、下部ラインは真空排気ラインを使って下部から回収されるガスの一部を排気し、筒下部からの回収量を調整している。この方法では、上記方法に比較してガス回収量が少なくなるため、製品回収率は余り高くないという問題とともに、受入れ側の筒では回収による昇圧が少ないため、次の加圧工程で必要とする酸素充圧のための酸素量が多くなり、酸素発生中の吸着工程にある筒の吸着圧力を下げてしまうという問題があった。
【０００９】
すなわち、酸素ＰＳＡ法において、製品回収率を高く保ち、しかも、吸着剤の剤当たりの酸素発生量を高くするということは、二律相反する要求であるため、両者を両立させ得るようなプロセスは、未だに開発されていなかった。
【００１０】
そこで本発明は、製品回収率を高く保ちながら、酸素発生量を高めることができ、動力原単位の低減も図れる圧力変動吸着式酸素発生方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するため、本発明の圧力変動吸着式酸素発生方法の第１は、吸着剤としてゼオライトを充填した複数の吸着筒を、それぞれ相対的に高い圧力で行う吸着工程と、大気圧以下の圧力で行う再生工程とを交互に順次繰り返すことにより、酸素と窒素を主成分とする混合ガスから酸素と窒素とを分離して酸素ガスを発生する圧力変動吸着分離法による酸素発生方法において、前記吸着工程を終了した吸着筒の出口端と、前記再生工程を終了した吸着筒の出口端とを連通し、吸着工程を終了した吸着筒内に残留する製品酸素ガスより低酸素濃度のガスを再生工程を終了した吸着筒内へ回収する圧力回収工程を行うと同時に、再生工程を終了した吸着筒の入口端から前記混合ガスを吸着筒内に導入することを特徴とし、第２は、第１の方法の再生工程を終了した吸着筒の入口端から混合ガスを吸着筒内に導入することに代えて、吸着工程を終了した吸着筒の入口端から混合ガスを吸着筒内に導入することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明は、前記再生工程を終了した吸着筒に前記混合ガスを略大気圧で導入することにより一次加圧工程を行うこと、該一次加圧工程を終了した吸着筒に出口端から製品酸素ガスの一部を導入するとともに、入口端から前記略大気圧の混合ガスの導入を継続する二次加圧工程を行うこと、前記吸着工程を終了した吸着筒に前記混合ガスを吸着工程と略同じ圧力で導入すること、及び第１の方法において、前記吸着工程を終了した吸着筒は、前記圧力回収工程時に、入口端からの真空排気を同時に行うことを特徴としている。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明を、図面に示す実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
まず、図１は、本発明方法を実施するための酸素ＰＳＡ装置の一例を示すものであって、それぞれ吸着剤としてゼオライトを充填した３基の吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃを有し、酸素と窒素を主成分とする混合ガスである空気から酸素を分離発生させる３筒式の酸素ＰＳＡ装置を示している。
【００１４】
この酸素ＰＳＡ装置は、前記３基の吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃと、原料である空気を所定圧力に昇圧して前記吸着筒に供給する送風機１と、前記吸着筒内を真空排気する真空ポンプ２と、前記吸着筒から導出された製品酸素を一時貯留する製品貯槽３と、再生工程や加圧工程の際のガス流量を制御する流量制御弁４，５及び製品酸素ガス供給量を制御する流量調節弁６と、各吸着筒を吸着工程，再生工程等に切換えるための多数の自動弁１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７（各吸着筒に付随する弁には、それぞれの吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃに対応させてａ，ｂ，ｃを付す。）と、吸着筒内に大気圧状態の空気を導入するための空気導入管１８とを備えている。
【００１５】
上記酸素ＰＳＡ装置は、上記多数の自動弁を所定の順序で開閉して連続的に酸素ガスを発生するものであり、例えば、図２に示す９工程を繰り返して行うことにより、酸素と窒素を主成分とする混合ガス、例えば空気中の酸素と窒素とを分離して製品酸素を発生させる。
【００１６】
以下、本発明の酸素発生方法の第１実施例を、上記酸素ＰＳＡ装置を用いた図２に示す工程図に基づいて説明する。
まず、工程１は、吸着筒Ａが吸着工程、吸着筒Ｂが再生工程を終了した後の圧力回収工程、吸着筒Ｃが吸着工程を終えた後の圧力回収工程に、それぞれ切換えられた状態であり、吸着筒Ａで酸素と窒素との分離が行われている。
【００１７】
すなわち、送風機１で所定圧力、例えば５００ｍｍＡｑ（約８００Ｔｏｒｒ）に昇圧した原料空気が吸着筒Ａに導入され、筒内に充填されているゼオライトに空気中の窒素が吸着して酸素と分離し、非吸着成分である酸素が製品酸素として導出されている。
【００１８】
また、筒内圧力が大気圧より低い吸着筒Ｂと、筒内圧力が相対的に高い吸着筒Ｃとは、両者の出口端同士を連通させる圧力回収が行われており、吸着筒Ｃ内のガスが流量調節弁５（図１参照）で流量を調節されながら吸着筒Ｂに出口側から導入されるとともに、吸着筒Ｂの入口側からは、空気導入管１８から大気圧状態の空気が吸入される。これにより、吸着筒Ｂにおいては、吸着筒Ｃ内の比較的酸素分に富んだガスを吸着筒Ｂの出口側に回収するとともに、吸着筒Ｂの入口側から原料である空気を送風機１による加圧無しに受け入れる一次加圧工程が行われる。
【００１９】
工程２では、吸着筒Ａは、引き続いて加圧された原料空気を筒下部から受け入れ、筒頂部から製品酸素を発生する吸着工程にあり、吸着筒Ｂは、吸着筒Ａから発生した製品酸素の一部を筒頂部から受け入れる二次加圧工程になる。また、吸着筒Ｃは、真空ポンプ２により筒内のガスが排気され、筒内の圧力が低下して吸着剤に吸着されていた窒素分を脱着させる真空再生工程になる。
【００２０】
工程３では、吸着筒Ａは引き続いて吸着工程にあり、吸着筒Ｂは引き続いて二次加圧工程で、最終的に吸着工程時の圧力、即ち吸着圧力と略同等の圧力まで加圧される。吸着筒Ｃは、真空ポンプ２の排気が進んで比較的真空度が高くなった時点で真空排気をしつつ吸着筒Ａから発生した製品酸素の一部を筒頂部から受け入れる、いわゆる排気パージの状態（パージ再生工程）になる。
【００２１】
工程４では、吸着筒Ａが工程１における吸着筒Ｃと同じ圧力回収工程に、吸着筒Ｂが工程１における吸着筒Ａと同じ吸着工程に、吸着筒Ｃが工程１における吸着筒Ｂと同じ一次加圧になる。以下、工程５では、吸着筒Ａが真空再生工程、吸着筒Ｃが二次加圧工程になり、工程６では吸着筒Ａがパージ再生工程になる。
【００２２】
さらに、工程７，８、９では、工程１〜３における吸着筒Ａの状態を吸着筒Ｃが、吸着筒Ｂの状態を吸着筒Ａが、吸着筒Ｃの状態を吸着筒Ｂが、それぞれ行い、工程９を終えると工程１に戻る。
【００２３】
このように工程１〜９をそれぞれの吸着筒で行い、工程９から工程１に戻って繰り返すことで連続的な酸素発生が行われる。各工程の時間は、サイクルタイム６０秒として、通常、工程１，４，７が５〜１０秒、工程２，５，８が１０〜１５秒、工程３，６，９が４０〜４５秒である。また、各工程の圧力は、通常、吸着圧力が５００ｍｍＡｑ（約８００Ｔｏｒｒ）、真空再生圧力が２００Ｔｏｒｒ、一次加圧工程の最終圧力が５００Ｔｏｒｒ、二次加圧工程の最終圧力が７６０Ｔｏｒｒ程度である。
【００２４】
本実施例に示すように、圧力回収工程において、吸着工程を終了した筒内圧力が相対的に高い吸着筒と、再生工程を終了した筒内圧力が大気圧より低い吸着筒とを、両者のそれぞれの出口端同士を連通させ、吸着工程を終了した吸着筒の上部のガスを再生工程を終了した吸着筒内に筒頂部から回収し、該吸着筒下部からは大気圧状態の空気を吸入することにより、吸着工程を終了した吸着筒内の比較的酸素分に富んだガスを再生工程を終了した吸着筒内に回収できるとともに、該吸着筒の加圧を効率よく行うことができる。
【００２５】
すなわち、再生工程を終了した吸着筒は、次の吸着工程に入る前に、前述の一次加圧工程及び二次加圧工程で筒内をできるだけ吸着圧力に近い圧力まで加圧しておく必要があるが、上述のように、一次加圧工程において、再生工程を終了した吸着筒の上部に酸素分に富んだガスを回収するとともに、筒下部から空気を吸入することにより、回収ガス量を必要十分な量としながら該吸着筒内の圧力を十分に高めることができる。したがって、製品酸素の一部を使用する二次加圧工程に入る際の吸着筒内の圧力を従来よりも高くすることができ、製品酸素の使用量を低減することができる。
【００２６】
上記加圧に使用する製品酸素量の低減により、吸着工程にある吸着筒の吸着操作を安定した状態で行うことができ、製品酸素の発生量も増大させることができる。また、一次加圧工程で吸着筒に吸入される空気は、原料混合ガスと同じ組成の空気であり、しかも、この空気は、送風機１を介さずに筒内の負圧と大気圧との圧力差によって吸着筒に吸入されるので、送風機１を経由することによる圧縮動力を必要とせず、また、送風量に比べて実際の処理空気量が従来のものに比べて増加することになるので、動力費の低減や製品酸素の発生量の増加が図れる。
【００２７】
図３は、本発明の第２実施例を示す工程図であって、前記第１実施例に対して、二次加圧工程の操作中に、筒内圧力が大気圧近くなるまで空気の吸入を継続するようにしたものである。なお、以下の実施例においては、前記第１実施例と同様の部分については詳細な説明を省略する。
【００２８】
すなわち、工程１は、前記第１実施例と同様に、吸着筒Ａが送風機１からの原料空気を受け入れて製品酸素を発生する吸着工程、吸着筒Ｂが再生工程を終了した後の圧力回収工程、吸着筒Ｃが吸着工程を終えた後の圧力回収工程であり、吸着筒Ｂは、吸着筒Ｃの出口側の酸素分に富んだガスを出口側に回収するとともに、入口側から空気導入管１８を介して空気を吸入する一次加圧工程の状態である。
【００２９】
工程２は、吸着筒Ａが引き続いて吸着工程、吸着筒Ｂが二次加圧工程、吸着筒Ｃが真空ポンプ２により筒内のガスを排気する真空再生工程であり、このとき、吸着筒Ｂにおいては、筒頂部からの製品酸素の一部の受け入れとともに、筒下部からの空気の吸入が行われている。したがって、吸着筒Ｂでは、筒上部の製品酸素と筒下部の空気とにより二次加圧が行われている。
【００３０】
工程３では、吸着筒Ａは引き続いて吸着工程にあり、吸着筒Ｂは引き続いて二次加圧工程であるが、該吸着筒Ｂでは、筒内圧力に応じて筒下部からの空気の吸入が止められ、筒頂部からの製品酸素の受け入れのみによる加圧が行われる。また、吸着筒Ｃは、製品酸素の一部を筒頂部から受け入れながら真空排気を行うパージ再生工程にある。
【００３１】
以下、前記第１実施例と同様に、工程４では、吸着筒Ａが工程１における吸着筒Ｃと同じ圧力回収工程に、吸着筒Ｂが工程１における吸着筒Ａと同じ吸着工程に、吸着筒Ｃが工程１における吸着筒Ｂと同じ一次加圧になり、工程５では、吸着筒Ａが真空再生工程、吸着筒Ｃが二次加圧工程に、工程６では吸着筒Ａがパージ再生工程になる。さらに、工程７，８、９では、工程１〜３における吸着筒Ａの状態を吸着筒Ｃが、吸着筒Ｂの状態を吸着筒Ａが、吸着筒Ｃの状態を吸着筒Ｂが、それぞれ行い、工程９を終えると工程１に戻る。
【００３２】
本実施例に示すように、二次加圧工程においても、筒内圧力が大気圧近くなるまで空気の吸入を継続することにより、前記第１実施例よりも空気の吸入量が多くなるので、加圧に要する製品酸素量を更に低減することができ、製品酸素の発生量を一層増大させることができる。なお、二次加圧工程において、空気の吸入を止める圧力は、大気圧付近とすることもできるが、通常は、６００〜７００Ｔｏｒｒ程度が適当である。
【００３３】
図４は、本発明の第３実施例を示す工程図であって、前記第１実施例に対して、圧力回収の際に、吸着工程を終えた後の回収ガス放出側の吸着筒への原料空気の導入を継続するようにしたものである（工程１，４，７）。
【００３４】
このように、吸着工程を終えて圧力回収工程に入る吸着筒への原料空気の導入を継続することにより、該吸着筒内の圧力を吸着圧力に保つことができ、吸着剤からの窒素の脱着を抑えることができるので、該吸着筒の上部から再生工程を終了した吸着筒に回収するガス中に窒素が混入することを防止しながら、受入れ側の吸着筒の加圧を十分に行うことができる。
【００３５】
図５は、本発明の第４実施例を示す工程図であって、前記第１実施例に対して、圧力回収の際に、吸着工程を終えた後の回収ガス放出側の吸着筒における筒上部からの回収ガスの放出とともに、筒下部からの真空排気も同時に開始するようにしたものである（工程１，４，７）。これにより、真空ポンプの遊び時間を無くすことができて効率の向上が図れる。
【００３６】
なお、本発明においては、各実施例を組み合わせて実施することが可能であり、さらに、用いる吸着筒の数は３筒に限られるものではなく、２筒式あるいは４筒以上の吸着筒を用いる装置にも適用できる。
【００３７】
また、使用する吸着剤としては、酸素に比べて窒素を優先的に多量に吸着するゼオライト、例えば、いわゆるＭＳ−５Ａ，ＭＳ−１０Ｘ，ＭＳ−１３Ｘ，モルデナイト，その他、窒素を十分に早い吸着速度で吸着できる細孔径を持つようにゼオライト中の金属をイオン交換したゼオライト等を用いることができる。
【００３８】
さらに、酸素と窒素を主成分とする混合ガスとしては、空気に限らず、任意の組成の混合ガスを用いることができる。この場合は、前述の空気導入管は、原料となる混合ガスの発生部あるいは貯槽に接続すればよい。
【００３９】
次に、前記図１に示した構成の装置を使用して、前記第１〜第４実施例に示す操作方法と、従来例として前記上下同時均圧法とを行い、酸素発生量，酸素回収率等を測定した実験結果を説明する。
【００４０】
吸着筒は、内径１５５ｍｍ×高さ１．６ｍであり、吸着剤には、モレキュラーシーブス５Ａの１．６ｍｍ径ペレットを用いた。運転条件としては、吸着圧力を５００ｍｍＡｑ、真空再生圧力を２００Ｔｏｒｒとした。また、サイクルタイムは６０秒とし、工程１に相当する工程を５〜１０秒、工程２に相当する工程を１０〜１５秒、工程３に相当する工程を４０〜４５秒とした。実験結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】

【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧力変動吸着式酸素発生方法によれば、一次加圧工程の際に、吸着筒に原料ガスあるいは原料ガスと略同組成の混合ガスを導入するので、再生工程終了済の吸着筒内への窒素の流入を防止しながら該吸着筒を十分に加圧することができ、加圧に使用する製品酸素量を低減して製品酸素の発生量を増加させることができる。
【００４３】
特に、再生工程終了済の吸着筒へ送風機等の加圧手段を用いること無く原料ガスあるいは原料ガスと略同組成の混合ガスを吸入することにより、処理量に比較して動力費を削減できる。
【００４４】
また、原料ガスが空気である場合は、吸着筒内に取り込まれる空気が大気圧で送入されるため、送風機による原料供給量からは除外でき、このため、実質的に著しく酸素回収率を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸素ＰＳＡ装置の一例を示す系統図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す工程図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す工程図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す工程図である。
【図５】本発明の第４実施例を示す工程図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ…吸着筒、１…送風機、２…真空ポンプ、３…製品貯槽、４，５，６…流量制御弁、１８…空気導入管

Claims

吸着剤としてゼオライトを充填した複数の吸着筒を、それぞれ相対的に高い圧力で行う吸着工程と、大気圧以下の圧力で行う再生工程とを交互に順次繰り返すことにより、酸素と窒素を主成分とする混合ガスから酸素と窒素とを分離して酸素ガスを発生する圧力変動吸着分離法による酸素発生方法において、前記吸着工程を終了した吸着筒の出口端と、前記再生工程を終了した吸着筒の出口端とを連通し、吸着工程を終了した吸着筒内に残留する製品酸素ガスより低酸素濃度のガスを再生工程を終了した吸着筒内へ回収する圧力回収工程を行うと同時に、再生工程を終了した吸着筒の入口端から前記混合ガスを吸着筒内に導入することを特徴とする圧力変動吸着分離法による酸素発生方法。
吸着剤としてゼオライトを充填した複数の吸着筒を、それぞれ相対的に高い圧力で行う吸着工程と、大気圧以下の圧力で行う再生工程とを交互に順次繰り返すことにより、酸素と窒素を主成分とする混合ガスから酸素と窒素とを分離して酸素ガスを発生する圧力変動吸着分離法による酸素発生方法において、前記吸着工程を終了した吸着筒の出口端と、前記再生工程を終了した吸着筒の出口端とを連通し、吸着工程を終了した吸着筒内に残留する製品酸素ガスより低酸素濃度のガスを再生工程を終了した吸着筒内へ回収する圧力回収工程を行うと同時に、吸着工程を終了した吸着筒の入口端から前記混合ガスを吸着筒内に導入することを特徴とする圧力変動吸着分離法による酸素発生方法。
前記混合ガスは、略大気圧で導入されことにより一次加圧工程を行うことを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着分離法による酸素発生方法。
前記一次加圧工程を終了した吸着筒は、出口端から製品酸素ガスの一部を導入するとともに、入口端から前記略大気圧の混合ガスの導入を継続する二次加圧工程を行うことを特徴とする請求項３記載の圧力変動吸着分離法による酸素発生方法。
前記混合ガスは、吸着工程と略同じ圧力で導入されることを特徴とする請求項２記載の圧力変動吸着分離法による酸素発生方法。
前記吸着工程を終了した吸着筒は、前記圧力回収工程時に、入口端からの真空排気を同時に行うことを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着分離法による酸素発生方法。