JP3755622B2

JP3755622B2 - 混合ガス分離方法

Info

Publication number: JP3755622B2
Application number: JP09682497A
Authority: JP
Inventors: 洋実木山; 武治嶋本; 貴彦安田; 信之大八木
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH10286425A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）による混合ガス分離方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、空気等の混合ガスから酸素等の製品ガスを分離する方法として種々の方法が用いられているが、最近では、装置の設計の容易さや設備費，運転費等の安価なことから、吸着剤を用いた分離方法が広く用いられている。この吸着剤を用いる分離方法は、一般に圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）と呼ばれており、複数の吸着槽に窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填し、各吸着槽に対する原料空気の導入、加圧による窒素ガスの吸着、減圧による窒素ガスの脱着（吸着槽の再生）、昇圧等の操作を繰り返し行うことにより酸素ガスを分離発生するようになっている。このようなＰＳＡ法では、３槽以上の吸着槽を用いる方法が主流であるが、最近では、装置規模や設備費の低減等に有効な２槽の吸着槽を用いる方法も多く考え出されている。
【０００３】
上記のような、２槽の吸着槽を用いる方法として、特開平７−２６５６３５号公報に示す分離方法が提案されている。この分離方法は、図１１に示すように、２つの床３１，３２と製品溜め３３と供給材料ブロアー３４と真空ポンプ３５を用い、まず、供給材料空気（周囲空気）を供給材料ブロアー３４により圧縮し、すでに吸着圧に加圧されている第１の床３１に導入し、吸着剤に空気中の窒素を吸着させ、吸着剤に吸着されない空気中の酸素を製品酸素としてマニホールド３６を経由して製品溜め３３に引き出す。このとき、第２の床３２を真空ポンプ３５により減圧排気する。ついで、第１の床３１における酸素生産の後半期に製品酸素の一部をパージ用ガスとしてマニホールド３７を経由して第２の床３２に送る。つぎに、第２の床３２に供給材料ブロアー３４により圧縮した供給材料空気を導入し、一方、第１および第２の床３１，３２の出口同士を接続し、第１の床３１の残留ガスをマニホールド３８を経由して第２の床３２に回収するとともに、第１の床３１を真空ポンプ３５により減圧排気する。つぎに、第１および第２の床３１，３２の出口同士の接続を中断し、その状態で第１の床３１からの減圧排気と第２の床３２への供給材料空気の導入を続ける。そののち、第１の床３１と第２の床３２を入れ換えて、上記の方法を繰り返すことを行う。この分離方法では、供給材料ブロアー３４と真空ポンプ３５が間断なく作動している。
【０００４】
また、特開平８−７１３５０号公報に示す吸着方法も提案されている。すなわち、段階１において、下方脱着圧力にある第１の床の上端に上方供給圧力にある第２の床から並流減圧（第２の床の上端からの残留気体放出）により取り出した気体を回収する。この段階１では、供給ブロワーおよび排気ブロワーは無負荷状態にある。つぎに、段階１Ａ（オーバラップ段階）において、段階１を続行し、同時に第１の床の下端に供給ブロワーにより供給気体を導入し、第２の床から排気ブロワーにより減圧排気する。第１の床が上方吸着圧力に達すると、段階２になる。この段階２において、追加供給空気を第１の床の下端に導入し、生成物気体（供給気体中の容易に吸着されない成分）を上端から抜き出す。つぎに、段階３では、供給気体の追加供給を続行する。そして、第１の床の上端から回収した生成物気体の一部をパージ気体として第２の床の上端へ転流する。段階３の完了に際して、第１の床の再生を、並流減圧−圧力均等化段階である段階４でもって始め、第１の床の残留気体を第１の床の上端から抜き出して第２の床の上端に回収する（この期間中、供給ブロワーおよび排気ブロワーは無負荷状態にある）。このような段階４以降は、第１の床と第２の床を入れ換えて、上記の方法を繰り返すことを行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の分離方法では、第１の床３１の残留ガスを第２の床３２の出口から回収する際に、同時にこの第２の床３２の入口から供給材料ブロアー３４により圧縮した供給材料空気をも導入しているため、残留ガスの回収効率が悪いという問題がある。すなわち、上記残留ガスの回収は、第１および第２の床３１，３２の出口同士を接続し、第２の床３２の真空を利用して（すなわち、第１および第２の床３１，３２の圧力差を利用して）行うものであり、上記残留ガスの回収時に供給材料空気の導入をも行う場合には、第２の床３２の内圧がすぐに上昇し、大きな圧力差を長く得ることができないためである。一方、上記の吸着方法では、残留気体の回収時に排気ブロワーが無負荷状態にあり、ブロワー効率が低下したり、動力を無駄に消費したりする等の問題がある。すなわち、排気ブロワーが無負荷状態にあるということは、通常、排気ブロワーを全く休止させているのではなく、無負荷運転をしているということであり、このような排気ブロワーの無駄な使用によるブロワー効率の低下や無駄な動力消費等の悪影響が出てくるためである。
【０００６】
この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、２槽の吸着槽を用い、回収効率が良く、ブロワー効率の低下を招くことのない混合ガス分離方法の提供をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明の混合ガス分離方法は、特定ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した第１および第２の吸着槽と製品ガス貯槽とを設け、下記の（Ａ）〜（Ｅ）の５工程をこの順に操作したのち第１吸着槽と第２吸着槽を逆にして再度下記の（Ａ）〜（Ｅ）の５工程をこの順に操作するという１０工程を繰り返して行うようにしたという構成をとる。
（Ａ）減圧脱着排気を終了した第１吸着槽のガス出口と吸着を終了した第２吸着槽のガス出口を連通して第１吸着槽に第２吸着槽に残留するガスを回収し、第２吸着槽のガス入口からこの第２吸着槽の吸着剤に吸着された特定ガスを減圧脱着し排気する工程。
（Ｂ）残留ガスの回収を継続する第１吸着槽のガス入口に原料ガスを導入し、第２吸着槽での減圧脱着排気を継続する工程。
（Ｃ）残留ガスの回収を終了し原料ガスの導入を継続する第１吸着槽のガス出口に製品ガス貯槽の製品ガスを導入し、第２吸着槽での減圧脱着排気を継続する工程。
（Ｄ）製品ガスの導入を終了し原料ガスの導入を継続する第１吸着槽の吸着剤に原料ガス中の特定ガスを吸着させ、吸着剤に吸着されないガスを製品ガスとしてガス出口から発生させて製品ガス貯槽に導入し、第２吸着槽での減圧脱着排気を継続する工程。
（Ｅ）原料ガスの導入および製品ガスの発生を継続する第１吸着槽のガス出口から発生した製品ガスの一部を第２吸着槽のガス出口に導入し、第２吸着槽での減圧脱着排気を継続する工程。
【０００８】
すなわち、この発明の混合ガス分離方法は、特定ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した第１および第２の吸着槽と製品ガス貯槽とを設けている。そして、下記の（Ａ）〜（Ｅ）の５工程をこの順に操作したのち第１吸着槽と第２吸着槽を逆にして再度下記の（Ａ）〜（Ｅ）の５工程をこの順に操作するという１０工程を繰り返して行うようにしている。すなわち、（Ａ）工程では、製品ガスの回収率を高めるために、吸着の終了した第２吸着槽（加圧状態）に残留するガス（製品成分を多く含むガス）を、減圧脱着の終了した第１吸着槽（減圧状態）に、両槽の圧力差を利用して回収する。このとき、第１吸着槽への原料ガスの導入を休止しており、より大きな圧力差を利用した回収を行うことができる。また、第２吸着槽の減圧脱着排気を開始する。これにより、第１吸着槽の圧力は上昇し、第２吸着槽の圧力は降下し、両槽の圧力は均圧化に向かう。（Ｂ）工程では、両槽の圧力がほぼ等しくなるまで均圧化を継続し、さらに回収を行う。また、第１吸着槽への原料ガスの導入を開始し、これにより第１吸着槽の昇圧時間を短縮しながら、より多くの原料ガスを導入することができる。第１吸着槽への原料ガスの導入は、この均圧化と同時に、または終了後に開始しても良い。（Ｃ）工程では、両槽の均圧化回収が終了しており、その状態で第１吸着槽への原料ガスの導入を継続しながら、この第１の吸着槽に製品ガス貯槽から高濃度製品ガスを導入する。この操作により、第１吸着槽は吸着槽の能力が損なわれることなく昇圧され、次の（Ｄ）工程において、製品ガスを安定して発生することができる。また、第２吸着槽の減圧脱着排気をさらに継続する。（Ｄ）工程では、第１吸着槽への原料ガスの導入を継続し、製品ガスを安定して発生し、製品ガス貯槽に供給する。また、第２吸着槽の減圧脱着排気をさらに継続する。（Ｅ）工程では、（Ｄ）工程の状態を継続しながら、製品ガスの一部を第２吸着槽に導入し、製品ガス分圧を上昇させることにより、吸着された特定ガスの減圧脱着を促進する。
【０００９】
このように、この発明では、２槽の吸着槽を用いるＰＳＡ法により、製品ガスを安定して分離発生させることができる。しかも、回収工程では、一方の吸着槽への原料ガスの導入を休止した状態で、この一方の吸着槽に他方の吸着槽から残留ガスを回収するようにしているため、大きな圧力差を利用した回収が行える。したがって、回収工程での回収効率が良く、より少ない吸着剤量および少ない動力で、効率良く原料ガスから製品ガスを分離発生することができる。さらに、両吸着槽の減圧脱着排気を休止することがなく、減圧脱着排気のために無駄に動力を消費することがなく、減圧脱着排気のための手段（ブロアー等）の効率低下を招くこともない。この発明は、主に空気から酸素ガスを分離発生する用途に用いられるが、混合ガスより有益な成分ガスを分離発生することにも利用できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【００１１】
図１はこの発明の混合ガス分離方法に用いる混合ガス分離装置を示している。図において、１は原空ブロワであり、外部から原料空気（大気空気）を取り入れて圧縮したのち原料空気取入パイプ１１に送り込む。３，４は同様構造に作製された左右一対の吸着槽である。両吸着槽３，４には、その内部に、除湿用の吸着剤（活性アルミナ）が充填されてなる下側アルミナ層５と、窒素吸着用の吸着剤（ゼオライト）が充填されてなる上側吸着剤層６（下側アルミナ層５上に載置されている）とが上下積層状に収容されている。７はレシーバータンク（製品酸素ガス貯蔵槽）であり、両吸着槽３，４で製造された製品酸素ガスを貯留する。８は真空ポンプであり、両吸着槽３，４内を減圧排気する。
【００１２】
１２は原料空気取入パイプ１１と左吸着槽３の（入口端３ａから延びる）入口パイプ３ｃとを連結する自動開閉弁１２ａ付き第１導入パイプであり、１３は原料空気取入パイプ１１と右吸着槽４の（入口端４ａから延びる）入口パイプ４ｃとを連結する自動開閉弁１３ａ付き第２導入パイプである。１４は左吸着槽３の入口パイプ３ｃと真空ポンプ８の入口パイプ８ａとを連結する自動開閉弁１４ａ付き第１排気パイプであり、１５は右吸着槽４の入口パイプ４ｃと真空ポンプ８の入口パイプ８ａとを連結する自動開閉弁１５ａ付き第２排気パイプである。図において、２２は原空ブロワ１の上流側部分と下流側部分とを連結する自動開閉弁２２ａ付き戻しパイプである。
【００１３】
１６は左吸着槽３の（出口端３ｂから延びる）出口パイプ３ｄとレシーバータンク７の入口パイプ７ａとを連結する自動開閉弁１６ａ付き第１導出パイプであり、１７は右吸着槽４の（出口端４ｂから延びる）出口パイプ４ｄとレシーバータンク７の入口パイプ７ａとを連結する自動開閉弁１７ａ付き第２導出パイプである。１８は左吸着槽３の出口パイプ３ｄの中間部と右吸着槽４の出口パイプ４ｄの中間部とを連結する自動開閉弁１８ａ，手動流量調整弁１８ｂ付き第１連結パイプであり、１９は左吸着槽３の出口パイプ３ｄの先端部と右吸着槽４の出口パイプ４ｂの先端部とを連結する自動開閉弁１９ａ，手動流量調整弁１９ｂ付き第２連結パイプである。２０はレシーバータンク７の入口パイプ７ａに設けた自動開閉弁であり、この自動開閉弁２０の上流側部分と下流側部分が手動流量調整弁２１ａ付きバイパス用パイプ２１で連結されている。このバイパス用パイプ２１の手動流量調整弁２１ａの流量設定は自動開閉弁２０の流量設定より少量に設定されている。
【００１４】
上記の混合ガス分離装置を用い、つぎのようにして原料空気から酸素ガスと窒素ガスとを分離することができる。すなわち、第１工程（図２参照）では、自動開閉弁１２ａ，１５ａ，１６ａ，２０を開弁し、自動開閉弁１３ａ，１４ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ，２２ａを閉弁する。その状態で、原空ブロワ１により取り入れた原料空気を圧縮して原料空気取入パイプ１１に送り出し、第１導入パイプ１２，入口パイプ３ｃを経て入口端３ａから左吸着槽３に供給する。この左吸着槽３においては、供給された原料空気（圧縮空気）をさきに下側アルミナ層５に通し、この下側アルミナ層５の吸着剤で原料空気中の水分，炭酸ガス等を吸着除去し、つぎに上側吸着剤層６に通し、この上側吸着剤層６の吸着剤で圧縮空気中の窒素を主に吸着したのち、下側アルミナ層５および上側吸着剤層６で吸着されない酸素を製品酸素ガス（純度９３％程度）として出口端３ｂから抜き出す（吸着分離工程）。そして、この出口端３ｂから抜き出した製品酸素ガスを出口パイプ３ｄ，第１導出パイプ１６，入口パイプ７ａを経てレシーバータンク７に供給する。一方、右吸着槽４においては、その内部を入口パイプ４ｃ，第２排気パイプ１５，入口パイプ８ａを介して真空ポンプ８により減圧排気し、下側アルミナ層５の吸着剤に吸着されている水分，炭酸ガス等と、上側吸着剤層６の吸着剤に吸着されている窒素等を脱着させる（減圧再生工程）。
【００１５】
第２工程（図３参照）では、左吸着槽３において、上記の吸着分離工程を継続している。一方、右吸着槽４においては、上記の減圧再生工程の最終段階で自動開閉弁１９ａを開弁し、出口パイプ３ｄを通る製品酸素ガスの一部を第２連結パイプ１９，出口パイプ４ｄを経由して出口端４ｂから右吸着槽４に供給する。この製品酸素ガスの供給により、上側吸着剤層６の吸着剤からの窒素の脱着が促進され、再生効率が向上する（製品パージ工程）。
【００１６】
第３工程（図４参照）では、自動開閉弁１４ａ，１８ａを開弁し、自動開閉弁１２ａ，１５ａ，１６ａ，１９ａを閉弁し、右吸着槽４の負圧（真空圧）を利用し、（上記の吸着分離工程が終了した）左吸着槽３の塔頂に残留している比較的酸素純度が高いガス（酸素純度：２１〜９３％程度）を第１連結パイプ１８を経由して（上記の減圧再生工程が終了しており、右吸着槽４を真空ポンプ８により減圧排気していない）右吸着槽４の出口パイプ４ｄから回収する（回収工程の前半段階）。一方、左吸着槽３においては、その内部を入口パイプ３ｃ，第１排気パイプ１４，入口パイプ８ａを介して真空ポンプ８により減圧排気する。このため、自動開閉弁２２ａを開弁し、左吸着槽３に対する原空ブロワ１からの原料空気の供給を停止する。
【００１７】
第４工程（図５参照）では、自動開閉弁１３ａを開弁し、自動開閉弁２２ａを閉弁し、原空ブロワ１により取り入れた原料空気を入口パイプ４ｃから右吸着槽４に供給する。このとき、左吸着槽３の出口端３ｂから右吸着槽４の出口端４ｂに、引き続き残留ガスを供給する（回収工程の後半段階）。
【００１８】
第５工程（図６参照）では、自動開閉弁１８ａを閉弁し、左吸着槽３から右吸着槽４への残留ガスの供給を終了する。この時点で、右吸着槽４の内部はまだ負圧の状態にあり、これを大気圧付近にまで復圧するために、自動開閉弁１７ａを開弁し、自動開閉弁２０を閉弁し、レシーバータンク７内の製品酸素ガスを入口パイプ７ａ，バイパス用パイプ２１，第２導出パイプ１７，出口パイプ４ｄを経由して右吸着槽４に供給する。このとき、右吸着槽４の入口端４ａからは、引き続き原空ブロワ１により取り入れた原料空気を供給する（復圧工程）。
【００１９】
第６工程（図７参照）では、自動開閉弁２０を開弁する。すなわち、全体としては、自動開閉弁１３ａ，１４ａ，１７ａ，２０を開弁し、自動開閉弁１２ａ，１５ａ，１６ａ，１８ａ，１９ａ，２２ａを閉弁する。その状態で、原空ブロワ１から送りだした圧縮空気を原料空気取入パイプ１１，第２導入パイプ１３を経て入口端４ａから右吸着槽４に供給し、出口端４ｂから製品酸素ガスを抜き出す。この第６工程は、上記の第１工程に相当する工程であり、両吸着槽３，４の作用が入れ替わったものである。そして、第６工程以降も、第２〜第５工程と同様の工程（第２〜第５工程において、両吸着槽３，４の作用が入れ替わった工程）を行う。このようにして第１〜第５の工程を繰り返し行い、原料空気から酸素ガスと窒素ガスとを分離する。
【００２０】
上記のように、この実施の形態では、２槽の吸着槽３，４を用いるＰＳＡ法により、安価で、製品酸素ガスを安定して分離発生することができる。しかも、回収効率が良く、より少ない吸着剤量および少ない動力で、効率良く原料空気から製品酸素ガスを分離発生することができる。さらに、真空ポンプ８を休止させることがなく、無駄に動力を消費することがない。また、吸着剤の能力を十分に引出し利用することにより、高い回収率で効濃度の目的成分ガスを混合ガスより分離発生できる。
【００２１】
図８はこの発明の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図１の混合ガス分離装置において、第２導入パイプ１３の自動開閉弁１３ａ上流側部分から自動開閉弁２５ａ付き分岐パイプ２５が分岐し、大気に開放されている。この実施の形態では、上記の第４工程および第５工程において、自動開閉弁２５ａが開弁し、右吸着槽４内の負圧（真空圧）を利用することにより、大気空気を分岐パイプ２５に自然流入させたのち、第２導入パイプ１３を経由して入口端４ａから右吸着槽４に導入するようにしている（図９および図１０参照）。それ以外の部分は図１に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。（すなわち、第４工程および第５工程以外の工程は、図２〜図４，図７に示す工程と同様である）
【００２２】
この実施の形態でも、図１に示す実施の形態と同様の作用効果を奏する。しかも、この実施の形態では、第４工程および第５工程において、原空ブロワ１により原料空気を右吸着槽４に供給する際に、右吸着槽４内の負圧（真空圧）により大気空気をも（原空ブロワ１を通さずに）同時に供給しているため、原空ブロワ１の容量を小さくすることができる。したがって、従来と同容量の原空ブロワ１を用いる場合には、製品酸素ガスの製造効率が向上する。
【００２３】
なお、図８に示す実施の形態において、第４工程および第５工程の一方だけに分岐パイプ２５の自動開閉弁２５ａを開閉してもよい。
【００２４】
また、この発明が対象とする混合ガスの分離としては、例えば、空気からの酸素ガスの分離、または工業用ガス製造中の混合ガスからの特定有効ガス（例えば水素，一酸化炭素，ハイドロカーボン類等のあらゆる有効ガス）の濃縮，回収あるいは有毒ガスを含んだガスの浄化等を挙げることができる。また、本発明で用いる吸着剤としては、ゼオライト，シリカゲル，活性アルミナ，活性炭等の粒状物が挙げられ、単独でもしくは併せて用いられる。例えば、窒素の吸着剤としてはゼオライト，酸素の吸着剤としてはカーボン，炭酸ガスに対してはゼオライト等が用いられる。また、除湿用としてはシリカゲル，活性アルミナが好適に用いられ、空気中のハイドロカーボンの吸着に対しては活性炭等が用いられる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、この発明の混合ガス分離方法によれば、２槽の吸着槽を用いるＰＳＡ法により、製品ガスを安定して分離発生させることができる。しかも、回収工程では、一方の吸着槽への原料ガスの導入を休止した状態で、この一方の吸着槽に他方の吸着槽から残留ガスを回収するようにしているため、大きな圧力差を利用した回収が行える。したがって、回収工程での回収効率が良く、より少ない吸着剤量および少ない動力で、効率良く原料ガスから製品ガスを分離発生することができる。さらに、両吸着槽の減圧脱着排気を休止することがなく、減圧脱着排気のために無駄に動力を消費することがなく、減圧脱着排気のための手段（ブロアー等）の効率低下を招くこともない。この発明は、主に空気から酸素ガスを分離発生する用途に用いられるが、混合ガスより有益な成分ガスを分離発生することにも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に用いる混合ガス分離装置の構成図である。
【図２】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図である。
【図３】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図である。
【図４】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図である。
【図５】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図である。
【図６】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図である。
【図７】上記混合ガス分離装置の作用を示す説明図である。
【図８】上記混合ガス分離装置の他の実施の形態を示す構成図である。
【図９】上記他の実施の形態の作用を示す説明図である。
【図１０】上記他の実施の形態の作用を示す説明図である。
【図１１】従来例の作用を示す説明図である。
【符号の説明】
１原空ブロワ
３左吸着槽
４右吸着槽
７レシーバータンク
１０真空ポンプ

Claims

特定ガスを選択的に吸着する吸着剤を充填した第１および第２の吸着槽と製品ガス貯槽とを設け、下記の（Ａ）〜（Ｅ）の５工程をこの順に操作したのち第１吸着槽と第２吸着槽を逆にして再度下記の（Ａ）〜（Ｅ）の５工程をこの順に操作するという１０工程を繰り返して行うようにしたことを特徴とする混合ガス分離方法。
（Ａ）減圧脱着排気を終了した第１吸着槽のガス出口と吸着を終了した第２吸着槽のガス出口を連通して第１吸着槽に第２吸着槽に残留するガスを回収し、第２吸着槽のガス入口からこの第２吸着槽の吸着剤に吸着された特定ガスを減圧脱着し排気する工程。
（Ｂ）残留ガスの回収を継続する第１吸着槽のガス入口に原料ガスを導入し、第２吸着槽での減圧脱着排気を継続する工程。
（Ｃ）残留ガスの回収を終了し原料ガスの導入を継続する第１吸着槽のガス出口に製品ガス貯槽の製品ガスを導入し、第２吸着槽での減圧脱着排気を継続する工程。
（Ｄ）製品ガスの導入を終了し原料ガスの導入を継続する第１吸着槽の吸着剤に原料ガス中の特定ガスを吸着させ、吸着剤に吸着されないガスを製品ガスとしてガス出口から発生させて製品ガス貯槽に導入し、第２吸着槽での減圧脱着排気を継続する工程。
（Ｅ）原料ガスの導入および製品ガスの発生を継続する第１吸着槽のガス出口から発生した製品ガスの一部を第２吸着槽のガス出口に導入し、第２吸着槽での減圧脱着排気を継続する工程。