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JPH08309139A - 改良された圧力スイング吸着方法 - Google Patents

改良された圧力スイング吸着方法

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JPH08309139A
JPH08309139A JP7284425A JP28442595A JPH08309139A JP H08309139 A JPH08309139 A JP H08309139A JP 7284425 A JP7284425 A JP 7284425A JP 28442595 A JP28442595 A JP 28442595A JP H08309139 A JPH08309139 A JP H08309139A
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gas
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ハーバート・レイモンド・シャウブ
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Praxair Technology Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素及びその他の選択的に吸着し得るガス状
成分を含有する空気のような混成ガスから酸素ガスのよ
うな第一ガスを分離するための圧力スイング吸着装置及
び方法を提供する。 【解決手段】 ＰＳＡ床を同時に均圧及び排気した後
に、同時に供給及び生成物ガス再加圧する新規な工程を
含む、酸素及びアルゴンのような少なくとも一種の優先
吸着し得ない第一ガスと、一種又はそれ以上の選択的に
吸着し得る第二ガスとを含有する空気のようなガス混合
物から第一ガスを分離するための改良されたＰＳＡプロ
セス。これは、真空ブロワーのような減圧用手段を１０
０％利用し、かつ動力使用を約１５％低減させる総括的
に一層速くかつ一層効率的なサイクルを生じる。発明
は、ＰＳＡサイクルの種々の工程を重ねさせて全サイク
ル時間を短縮させ、こうして生産性を向上させることを
含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素及びその他の
選択的に吸着し得るガス状成分を含有する空気のような
混成ガスから酸素ガスのような第一ガスを分離すること
に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＰＳＡプロセスは、選択的に吸着し得る
ガスと優先吸着し得ないガスとの混合物からのこれらの
ガスが、ゼオライトのような慣用の吸着床物質上に吸着
する差異に基づく。既知のプロセスでは、２又は３床ユ
ニット系は、その各々が水及び二酸化炭素を除去するた
めの下部床層及び中を通過させるガス混合物の供給から
選択的に吸着し得るガスを吸着するための上部或は下流
床層を収容し得、それの吸着床ユニット、或は第一のか
かる床ユニットを加圧して高い圧力値にして水及び二酸
化炭素の選択的除去並びに一種のガスの選択的吸着を引
き起こし、他方、加圧された選択的に吸着し得ないガス
は、影響を受けないで通過して受け入れユニットに行
く。該受け入れユニットは、系の第二床ユニットになり
得る。そのような場合、第二床ユニットは、次のサイク
ルにおいてオンストリームになるに先立って吸着されな
いガスによって加圧されるようになる。２床系の次の床
ユニット、すなわち第三床ユニット或は第一床ユニット
は、均圧タンクから或は吸着されない濃厚ガスを生産し
た後に降圧されている床ユニットからパージされる中圧
の廃ガス又はボイドガスの供給を通すことによる逆流或
は向流排気によって洗浄されている。これは、後の再加
圧及び濃厚ガス生産のために床ユニットを洗浄する。定
められた期間の後に、第二床ユニットは逐次使用にもた
らされ、第一床ユニットは排気され、第二床ユニットは
再加圧される。
【０００３】基本のＰＳＡサイクルの改良及び変更が多
数研究されかつ空気から酸素を生産するような商業プロ
セスに適用されてきたが、そのような系は、極低温蒸留
を用いた別法に比べた場合、一般に大きなプラント用の
高純度酸素生産について非効率でありかつ不経済であ
る。従って、本発明の目的は、空気から大容量の高純度
酸素を、少ない動力要求量で生産するための極めて効率
的なＰＳＡプロセスを提供するにある。
【０００４】元のＰＳＡプロセスは、Ｓｋａｒｓｔｒｏ
ｍ、米国特許第２，９４４，６２７号によって開発さ
れ、下記の４つの基本的な工程を含むサイクルからな
る：（１）吸着、（２）降圧、（３）パージ、及び
（４）再加圧。Ｓｋａｒｓｔｒｏｍのいくつかの変更が
発展した。そのような系の一つは、Ｗａｇｎｅｒの米国
特許第３，４３０，４１８号に記載されており、同特許
においては、生成物を連続して生産するのに、少なくと
も４つの床が必要とされる。４つの床を備えることは、
それより数が少ない場合に比べて、費用が余分にかかり
かつ複雑になるため、Ｗａｇｎｅｒ系は、一般的に経済
的に実施し得ない。
【０００５】Ｂａｔｔａは、米国特許第３，６３６，６
７９号において、圧縮空気及び生成物酸素（均圧降下工
程を通過する別の床から得られる）を、同時に同じ吸着
剤床の反対端に導入する系を記載した。２床系を使用す
ることによって更に装置費の節約を図る別のプロセス
が、ＭｃＣｏｍｂｓにより米国特許第３，７３８，０８
７号に記載されており、同特許においては、原料空気を
部分再加圧された吸着剤床に導入することによる昇床圧
吸着工程が採用されている。ＭｃＣｏｍｂｓの研究の後
に、Ｅｔｅｖｅ等の米国特許第５，２２３，００４号
は、下記の工程を利用するＰＳＡプロセスを記載した：
（１）サイクルの低圧レベルから出発して中間圧レベル
にする向流生成物加圧、（２）中間圧レベルから、放出
しないで並流供給加圧して吸着圧にまでする、（３）空
気を入れかつ酸素を並流に放出させる生産工程、（４）
空気を入れるのを止めて、並流に部分降圧することによ
って酸素を放出させる工程、及び（５）向流に降圧して
サイクルの低圧レベルにする脱着工程。
【０００６】元のＰＳＡサイクルのそれ以上の変更は、
多数文献に見出すことができる。例えば、米国特許第
４，１９４，８９１号、同第４，１９４，８９２号及び
同第５，１２２，１６４号は、粒径の一層小さい吸着剤
を使用して拡散抵抗を減小させた短い床サイクル時間を
用いるＰＳＡサイクルを記載し；Ｄｏｓｈｉ等は、３つ
又はそれ以上の床を利用し、ボイドガスを床再生する前
にタンクに移し、後に再加圧のために用いるＰＳＡプロ
セスを開示している。加えて、タンク均圧を加入した２
床ＰＳＡプロセスのプロセス改良が、米国特許第３，７
８８，０３６号及び同第３，１４２，５４７号に開示さ
れており、それらの特許では、保存されたガスが別の床
用のパージガスとして使用される。
【０００７】一層最近になって、タガワ等の米国特許第
４，７８１，７３５号は、３つの吸着剤床を使用して酸
素を生産し、一床の供給端を別の床の供給端に接続する
（底部−底部均圧）ことによって高い酸素回収率を達成
し、均圧時間のすべて或は一部について、頂部−頂部均
圧を、底部−底部均圧と同時に行うＰＳＡプロセスを開
示している。加えて、Ｋｕｍａｒ等の米国特許第５，３
２８，５０３号は、初期降圧工程を用いてパージガスを
供した後に、随意の床−床加圧される均圧工程を用いる
ＰＳＡプロセスを記載している。この特許に従えば、少
なくとも２つの吸着剤床が採用され、生成物と供給ガス
とが組み合わされて、吸着剤床を再加圧するために使用
される。
【０００８】Ｓｕｈ及びＷａｎｋａｔ（ＡＩＣＨＥ
Ｊ．３５巻、５２３頁、１９８９）は、ＰＳＡプロセス
において並流−向流降圧工程を組み合わせて使用するこ
とを開示している。彼らは、空気から酸素を生産するこ
とについて、向流降圧工程を加えることは役に立たない
ことを開示している。Ｌｉｏｗ及びＫｅｎｎｙ（ＡＩＣ
ＨＥ Ｊ．３６巻、５３頁、１９９０）は、空気からの
酸素生産についてコンピューターシミュレーションによ
る「バックフィルサイクル」を開示している。彼らは、
向流（供給方向に関して）生成物再加圧工程が、冨化酸
素生成物を生成するサイクルに入れる場合に、有利であ
ることを開示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、吸着
剤を一層効率的な方法（一層小さい床サイズファクタ
ー）で用い、かつ従来技術を使用する他のプロセスに比
べて要するエネルギーが少なくてガス混合物から高純度
ガスを生産する、空気のようなガス混合物から酸素のよ
うな濃厚ガスを生産する一層効率的な圧力スイング吸着
（ＰＳＡ）プロセスを提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、酸素のような
第一ガスと、一層優先的に吸着し得るガスを含む一種又
はそれ以上の他のガスとを含有するガス混合物から第一
ガスを分離するための改良されたＰＳＡプロセスに関す
る。それは、ＰＳＡ床を同時に均圧及び排気した後に、
同時に供給及び生成物ガス再加圧する新規な工程を含
む。これは、真空或は減圧用ブロワーを１００％利用
し、かつ動力使用を約１５％低減させる総括的に一層速
くかつ一層効率的なサイクルを生じる。
【００１１】発明の要点は、ＰＳＡサイクルの種々の工
程を重ねさせて全サイクル時間を短縮させ、こうして生
産性を向上させることを含む。他の重要なパラメーター
は、作業条件（高圧、低圧、均圧降下工程の終りにおけ
る圧力、及び生成物加圧工程において使用する高純度生
成物の量）、各々の工程について割り当てる時間、サイ
クルの各々の工程を実施する順序の選定、並びに還流及
び均圧上昇させるのに要求されるガスを供するのに均圧
降下ガスを使用することを含む。サイクルにおける特有
の工程は、同時に均圧上昇工程を受ける床を排気し、そ
の間他の床は均圧降下工程を受けている工程である。こ
の工程について割り当てる時間は、この工程の終りにお
いて、前者の床はパージされかつまた部分加圧され終っ
ているように選ばなければならない。サイクルにおける
次の工程は、該床の反対端において同時に生成物及び供
給加圧した後に、供給加圧して所望の吸着圧力にするこ
とである。発明のその他のキーとなる特徴は、下記の通
りである：（ａ）同時の供給及び生成物加圧の工程にお
いて要求される生成物ガスは、通常、生成物タンクか
ら、或は生産工程における別の床から来、（ｂ）並流降
圧或は均圧降下ガスは、別の床の下流端か或は第二貯蔵
タンクのいずれかに行く。後者の場合、ＰＳＡプロセス
を制御する際に更に融通性を加える床−床連絡を必要と
しない。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の新規な方法は、ＰＳＡサ
イクルに新規な作業工程のシーケンスを加入するもの
で、回転機（例えば、圧縮機及び真空ポンプ）について
の無負荷時間を最少にし、生成物回収率を高め、床サイ
ズファクター（ＢＳＦ）が従来技術のＰＳＡサイクルに
匹敵し得る又はそれより小さくかつ動力消費量が従来知
られているＰＳＡサイクルに比べて５〜２０％少ない。
本ＰＳＡサイクルにおける作業工程は、下記の通りであ
る： （Ｉ）供給ガス混合物（例えば空気）及び濃厚にされた
ガス生成物（例えば酸素）を床の反対端に同時に導入し
て中間圧レベルに部分再加圧する。この工程では、生成
物ガスは、通常、生成物タンクから、或は生産工程にお
ける別の床から来る。 （ＩＩａ）工程２の第一部において、中間圧レベルから
吸着圧への供給加圧（並流）。
【００１３】（ＩＩｂ）工程２の第二部である吸着及び
総（ｇｒｏｓｓ）生成物生産。 （ＩＩＩ）ガスを直接或は間接に、すなわち均圧タンク
を通して同時に加圧及び排気されている別の床に移す並
流降圧。間接様式では、並流降圧ガスは第二貯蔵タンク
に行く。この場合には、床−床連絡を必要としない。 （ＩＶ）廃棄に排気或は降圧する（向流）、その間他の
床は、２床ＰＳＡプロセスについて同時の供給及び生成
物加圧を受けている。 （Ｖ）更に廃棄に排気或は降圧する。この工程は、第一
床についての前の工程と同じである。しかし、他の床工
程は、吸着及び総生成物生産を受けている（図１参
照）。 （ＶＩ）同時に加圧（向流）及び排気する、この場合、
還流ガスは、並流降圧を受ける別の床によって（工程
３）或は並流降圧ガスを捕獲するのに使用した第二貯蔵
タンクから供給する。
【００１４】上記の工程を、２床ＰＳＡプロセスについ
て図１に概略的に示す。このサイクルについて、５点に
留意すべきである：（ａ）床−床均圧工程をパージ工程
に重ね、均圧上昇を受ける床もまた同時に排気してお
り、（ｂ）床を再生する間パージするのに要する還流ガ
スのすべてを、並流降圧（均圧降下）工程の間に別の床
から得られるボイドガスによって供給し、（ｃ）生成物
及び供給加圧工程を重ねた後に、供給加圧単独で吸着圧
にすることを用いて一層大きな生成物流量を達成し、
（ｄ）個々の工程を重ねることによる全サイクル時間の
短縮は、床サイズファクター（ＢＳＦ）を低減させるこ
とになり、及び（ｅ）真空ポンプについての無負荷時間
が存在しない（図１参照）、すなわち、真空ポンプを１
００％利用する。
【００１５】本発明の新規なサイクルでは、均圧降下ガ
スは、均圧上昇及び排気を同時に受けている別の床が必
要とするガスのすべてを供する。これより、この工程
は、均圧工程をパージ工程と重ね、それにより従来技術
のＰＳＡサイクルにおいて使用される慣用のパージ工程
及び均圧工程を改良する。加えて、窒素波頭を床の外に
押し出すのに必要な還流ガスのすべてを、均圧降下工程
を経る他の床によって供する。この作業様式では、パー
ジング及び均圧上昇を組み合わせた工程について、純度
の一層低いガスを使用する。サイクルにおける次の工程
（生成物加圧、向流に）は、通常生成物タンクからの高
純度生成物ガスを使用してカラムの生成物端を加圧し、
他方、供給ガスを同時に床の他方の端に供給する。個々
の工程が重なることは、酸素の生産速度の大きな一層速
いＰＳＡサイクル（一層小さいＢＳＦ）を生じる。加え
て、このサイクルは慣用のパージ工程を使用しないの
で、生成物ガスは、どれも吸着剤床をパージするために
消費されない。また、同時の排気及び均圧上昇の間、工
程の終りにおける床圧力は、前の工程（排気工程）の圧
力よりも高くなければならない。これより、流入するガ
スの流量及びこの工程について割り当てる時間は共に、
この工程の終りに、床がパージされかつ部分加圧されて
しまっているように注意深く選ばなければならない。
【００１６】これより、発明は、ＰＳＡサイクルにおい
て種々の工程を重ねさせて全サイクル時間を短縮させ、
これより生産性、作業条件（高圧、低圧、均圧降下工程
の終りにおける圧力、及び図１の工程１において使用す
る高純度生成物の量）、各々の工程について割り当てる
時間、サイクルの各々の工程を実施する順序の選定、並
びに還流及び均圧上昇について要求されるガスを供する
のに均圧降下ガスを使用することを向上させることから
なる。サイクルにおける特有の工程は、工程ＩＩＩであ
り（図１参照）、同工程では、均圧降下工程を受ける床
を、同時に加圧及び排気されている別の床に開放する。
この工程について割り当てる時間は、この工程の終り
に、第二床がパージされかつ部分加圧されてしまってい
るように選ばなければならない。サイクルにおける次の
工程は、第二床の反対端において同時に生成物及び供給
加圧した後に、供給加圧して吸着圧にする、工程ＩＩ
Ａ、図３である。
【００１７】本発明を生成物Ｏ2 について実施するに
は、例えば下記の工程を実施することができる： （Ｉ）原料及び生成物を共に、部分加圧するために床の
反対端に導入する中間圧レベルは、０．５〜１．２ａｔ
ｍ（１．０ａｔｍ＝１４．６９６ｐｓｉ）の間で選び、
好ましくは約０．９ａｔｍにし、高い圧力レベルは、
１．２〜２．０ａｔｍの間で選び、好ましくは約１．４
２ａｔｍにする。低い圧力レベルは、０．３０〜０．４
５ａｔｍの間で選び、好ましくは約０．３５ａｔｍにす
る。 （ＩＩ）生産工程の間の圧力は、約０．９ａｔｍの中間
圧レベル（同時の生成物及び供給工程の終りにおける圧
力）から約１．４２ａｔｍの吸着圧に上昇していること
ができる。別法として、同時の生成物及び供給加圧の後
に、解放しない供給加圧が行われて吸着圧に達し、次い
で制御バルブが開放して生成物を生成する。この後者の
場合、生産工程の間の圧力は、一定の圧力である。
【００１８】（ＩＩＩ）原料流入を停止し、カラムを並
流に降圧して吸着剤上に共吸着した（ｃｏ−ａｄｓｏｒ
ｂｅｄ）ボイドガス及び軽質成分を回収する。この工程
の間の圧力は、約１．４２ａｔｍの吸着圧から約１．１
０ａｔｍに低下する。この工程において捕集されるガス
を、本明細書以降「ボイドガス」と呼ぶ。このガスは、
第二貯蔵容器（均圧タンク）に貯蔵することができ或は
均圧上昇及び排気工程を同時に受ける別の床の生成物端
に直接供給することができる。後者の場合、この工程の
終りに、床はパージされかつ部分加圧されてしまってい
る。これより、ボイドガスの内のいくらかは、窒素（重
質成分）波頭を供給端より床の外に移動させるための還
流ガスとして使用し、他方、残りのボイドガスは、部分
生成物加圧用に使用するので、この工程について割り当
てる時間は、非常に重要である。この工程の間の圧力
は、約０．３５ａｔｍから約０．６０ａｔｍに上昇す
る。
【００１９】（ＩＶ）及び（Ｖ）向流に降圧して約０．
３５ａｔｍの低い圧力レベルにすることによる脱着段
階。 （ＶＩ）この床が依然排気を受けている間に、加圧の第
一部分が行われる。この工程について必要とされるガス
は、均圧降下工程を受ける別の床から、或は均圧降下工
程の間に別の床から得られるボイドガスを貯蔵するため
に使用した第二タンクから得られる。この工程の間、ボ
イドガスを受け入れる床の圧力は、約０．３５ａｔｍか
ら約０．６０ａｔｍに上昇する。
【００２０】発明の基本的な特徴を、図１に示す２床Ｐ
ＳＡプロセスＡ及びＢの運転を記載することによって、
例示する。しかし、１、或は２床より多く、及びその他
の作業条件（例えば、その他の圧力範囲）を、本発明に
従って採用することができることは理解すべきである。
図２は、図１の２つの吸着床Ａ及びＢ、原料圧縮機又は
ブロワー１１、真空ポンプ１３、生成物貯蔵タンク１８
並びに相互に連絡する管路及びバルブからなる２床ＰＳ
Ａプロセスの略図である。図３は、サイクルの種々の工
程を実施する間の圧力の発生を示し、サイクルは、図１
における工程６の後に始まる。図１、２及び３を参照す
ると、ＰＳＡプロセスを、完全なサイクルについて開示
する。図２のＰＳＡプロセスは、吸着剤を充填した２つ
の床（Ａ及びＢ）からなり、各々は、入口バルブ３３或
は３５、及び出口バルブ３４或は３６を有する。原料入
口バルブ３３及び３５を、ブロワー機或は圧縮機１１を
通して空気供給導管１０に接続し、それに対し、排気出
口バルブ３４及び３６を、真空ポンプ１３を組み入れた
真空排気導管１２に接続する。床出口導管１４及び１５
は、バルブ５及び６を経て生産導管１６に連絡し、生産
導管１６は、制御バルブ１７を通して生成物貯蔵タンク
１８に接続する。バルブ１０Ａ及び１２Ａは、パージガ
ス工程をサイクルに入れるならば、２つの床を連絡させ
ることができる。例えば、バルブ１２Ａは、開放する場
合、床Ａからの生成物ガスの一部を床Ｂへのパージ流を
供給させることができる。同様に、バルブ１０Ａは、開
放する場合、床Ｂからの生成物ガスの一部を床Ａへのパ
ージ流を供給させることができる。出口導管１４及び１
５を、バルブ２及び４によって互いに連絡させる。線図
におけるバルブは、すべてコンピューターシステム及び
プログラム論理によって電子的に作動される。導管１９
は、生成物貯蔵タンクに接続され、生成物ガスをバルブ
８及び９を経て供給して、床Ｂ及びＡをそれぞれ生成物
加圧する。
【００２１】図１及び２を参照すると、２床系について
の新規なＶＰＳＡ Ｏ2 プロセスを、今記載してサイク
ルの各々の工程についてのバルブの開閉を例示する。バ
ルブは、各々の工程において示すものの外は、すべて閉
止される。本例では、サイクル時間は、約６０秒であ
り、圧力は、０．３５ａｔｍの低い圧力〜２．０ａｔｍ
の高い圧力の範囲である。
【００２２】工程Ｉ：管路１０を通して原料（空気）を
及びタンク１８から生成物（酸素）を、同時に床の反対
端に導入する。床Ａの場合、バルブ３３及び９を開放し
て原料及び生成物ガスをそれぞれ床に入れさせる。この
時間の間、バルブ３６を開放し、他の床Ｂは、排気を受
けている。 工程ＩＩ：原料加圧及び総生成物メーク工程では、バル
ブ３３及び５が開放し、床Ａが更に原料加圧を受ける。
制御バルブ１７プログラム論理は、このバルブを開放し
て生成物ガスを床Ａから生成物タンクに入れさせる場合
を示す。例えば、メーク生成物工程の間、一定の圧力を
必要とするなら、その場合、床Ａがが予定の圧力レベル
に達した時に、バルブ１７だけが開放して生成物ガスを
生成物タンク１８入れさせる。床Ａについての原料加圧
及びメーク生成物工程（工程２）の間、床Ｂは、バルブ
３６を経て排気を受けている。
【００２３】工程ＩＩＩ：並流降圧。本発明の一変法で
は、バルブ３３を閉止し、かつバルブ４を開放して床Ａ
からボイドガスを回収し、それを床Ｂに向けて床Ｂを部
分加圧し（床Ｂについての均圧上昇）、かつ還流ガスと
して床Ｂにおける窒素波頭を床Ｂの供給端の方向に押
す。この時間の間、バルブ３６を依然開放し、こうして
床Ｂは、均圧上昇及び排気を同時に受ける。本発明の別
の変法は、均圧降下ボイドガスを、床Ｂに供給するため
に別の貯蔵タンクに捕集する。この後者の場合、床−床
連絡は必要でない。 工程ＩＶ：バルブ３４を今開放して床Ａを向流に排気
し、かつ床Ｂが、反対端から同時の原料及び生成物加圧
を受けるように、バルブ３５及び８を開放する。
【００２４】工程Ｖ：バルブ３４を依然開放して床Ａは
更に排気を受け、他方、バルブ３５及び６を開放し、そ
れで床Ｂを原料で加圧して吸着圧にする。制御バルブ１
７論理は、床Ｂからの生成物ガスが生成物タンク１８に
入る時を決める。 工程ＶＩ：バルブ３５を閉止し、床Ｂは、床Ａ或は第二
貯蔵タンクに接続するバルブ２を経る降圧を受け、これ
は立ち代わって床Ａに昇圧パージを供する。この時間の
間、バルブ３４は、依然開放された位置にあり、床Ａに
均圧上昇及び排気を同時に受けさせる。
【００２５】図１及び２に関係して上記したサイクルに
基づいて、いくつかの変更を行ってこれらの工程の適用
或は一般的な機能から逸脱しないで工程の内の一つ又は
それ以上を変更することができる。例えば、向流降圧工
程ＩＶを、空気に、床内の圧力が低下して１．０ａｔｍ
になり、次いで排気が始まるまで開放することによって
先行させることができる。図１の工程を利用する図２の
２床プロセスは、図８に示す標準のプロセスに比べて、
一層小さい床サイズ及び一層少ない動力消費量で、匹敵
し得る酸素純度及び回収率を生じることができる。ま
た、このプロセスでは、真空ポンプは、サイクルの各々
の工程の間一方又は他方の床により連続して使用され
る。達成される床サイズの減小及び動力の低減は、約５
〜２０％の範囲である。
【００２６】図４及び５は、生成物貯蔵容器１８及び均
圧タンク２０を使用する２床プロセスを作動させるため
の別の系を示す。バルブの開閉を含む種々の工程を実施
することは、図２について上に挙げた記述と同様であ
る。しかし、２つの貯蔵容器を使用することは、プロセ
スにおいて一層大きな融通性を可能にする。例えば、図
５に示すサイクルにおける個々の工程は、固定した期間
を占める必要はない。これより、圧力及び組成のような
物理的変数を、各々の工程について割り当てる時間決め
るのに容易に用い、それによりプロセスを温度、圧力及
び変動する生成物需要の変化について調整することがで
きる。床−床ガス移送を必要としないので、それで各々
の床を独立にランさせ、プロセスを単一床ユニットの集
合と見なすことが可能である。しかし、圧縮機及び真空
ポンプの適したサイジング及び配分について、各々の床
の総括サイクルと他の床のサイクルとを合わせることが
必要である。
【００２７】本発明の装置は、浅い皿形ヘッドを頂部及
び底部に有する円筒形吸着剤床、並びに軸方向のガス流
れを利用するのが好ましいが、その他の床構造を用いる
ことができる。例えば、圧力損失の減少を、付随する動
力消費量の低減と共に達成するのに、ラジアル床を使用
してもよい。加えて、異なる吸着剤を床内の種々の位置
に充填した層をなした床を使用することができる。例え
ば、供給流から水及び二酸化炭素を除くために、床の供
給端に活性アルミナを置くことができ、かつ空気を酸素
冨化生成物に分離するのを行うために、活性アルミナの
上部上にＬｉ−Ｘゼオライトを置くことができる。図４
及び５の２床系及びプロセスは、図１、２及び３の系及
びプロセスがもたらすのに匹敵し得る改良を、生成物回
収率のわずかな改良と共にもたらす。
【００２８】図面の図６及び７は、生成物タンク１８及
び均圧タンク２０を使用する単一床プロセスを用いるこ
とを例示する。図６のプロセスは、高い機械利用率を有
するために、図７に例示する加圧及び排気工程を実施す
るのに、単一の圧縮機／ブロワー１１を使用することを
示す。図６及び７を参照しながら、サイクルにおける工
程を簡潔に説明する。
【００２９】サイクルが、同時の供給及び生成物加圧か
ら始まる（図６及び７を参照）と仮定すると、バルブ
９、１０及び３３が開放され、その他のバルブは閉止さ
れる。バルブ１７は、差圧チェックバルブであり、これ
は、吸着剤容器Ｃ内の圧力が、生成物タンク１８内の圧
力よりも大きくなる場合だけに開放する。ある時間した
後に、バルブ９は閉止し、工程２が始まる。工程２の
間、供給加圧がバルブ１０及び３３を経て続き、差圧チ
ェックバルブ１７が開放して生成物ガスが生成物貯蔵タ
ンク１８に入る。工程２の終りに、バルブ３３が閉止さ
れ、かつバルブ３６が開放されて圧縮機１１を無負荷に
する。この時間の間、床は、並流降圧を受け、バルブ４
が開放された位置にあってボイドガスを均圧タンク２０
の中に集める。吸着剤床Ｃの圧力が生成物タンク（１
８）の圧力よりも低く下がるので、チェックバルブ１７
は、並流降圧工程（工程ＩＩＩ）の間閉止された位置に
なることに留意すること。工程ＩＩＩの実施の間、バル
ブ９、１０及び３３は、閉止された位置にある。工程Ｉ
ＩＩの停止時に、バルブ１２及び３４が開放された位置
にあり、バルブ４、９、１０、１７、３３及び３６は閉
止される。この工程（工程ＩＶ）の間、吸着剤床Ｃ内の
ガスは、バルブ３４より去り、圧縮機の入口より入る。
【００３０】図７に例示する次の工程（工程Ｖ）は、丁
度工程ＩＶ（排気工程）の継続である。最終工程（工程
ＶＩ）を実施するに、バルブ１２及び２４は、依然開放
位置にある。この工程の間、バルブ４が開放され、均圧
タンク２０からのガスが還流ガスとなって吸着されたガ
スを脱着しかつ床Ｃを部分加圧する。単一床プロセスを
一例だけ記載したが、単一床プロセスのその他の変更態
様は、発明の基本的な特徴から逸脱しないで、容易に得
ることができる。
【００３１】図８は、従来技術のサイクルを使用する慣
用のＰＳＡプロセスを例示するもので、サイクル時間
は、本発明に比べて約１０〜２０％長い。この図におい
て、記号は下記の意味を有する：ＡＤ＝吸着及び総生成
物生産、ＰＧ＝パージ、ＥＱ＝均圧、及びＥＶ＝排気。
従来技術の慣用のサイクルは、本発明のサイクルに比べ
て動力を一層多く消費することに留意すべきである。本
プロセス（図１）は、同じ吸着剤を使用する従来技術の
サイクル（図８）に比べて有意の動力消費量の低減（１
５％より大きい）をもたらす。標準の均圧サイクル（図
８）に勝る本発明のサイクル（図１）の利点は、真空ポ
ンプの１００％利用率を可能にすることである。
【００３２】新規なサイクルを、ＶＰＳＡ Ｏ2 プロセ
スに関し、発明の特定の実施態様を示して説明してきた
が、その他の実施態様は、開示した特徴の変更態様と共
に、本発明の範囲内であると意図する。例えば、新規な
サイクルは、大気圧を通る（ｔｒａｎｓａｔｍｏｓｐｈ
ｅｒｉｃ）真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）サイクル
に限定されず、過圧或は減圧スイング吸着サイクルもま
た使用してよい。これより、「加圧した」、「高圧」、
「中圧」、「降圧」、等なる用語は、本明細書中及び特
許請求の範囲において、負並びに正の圧力を含む相対的
な用語として用いる。これより、小さい真空圧下のガス
は、高い真空又は負圧下のガスに比べて、「加圧され」
或は「高圧」である。また、新規なサイクルは、その他
の混合物分離、例えば埋立てガスからのＮ2 ／ＣＨ4 分
離、及びその他のガス混合物、例えば水素を優先的に吸
着されない生成物成分としてかつ種々の不純物を選択的
に吸着し得る成分として含有する原料において用いるこ
とができる。これらは、軽質炭化水素、ＣＯ、ＣＯ2 、
ＮＨ3 、Ｈ2 Ｓ、アルゴン及び水を含む。これらの吸着
可能な成分の内の少なくとも一種を含有する水素冨化原
料ガスは、下記を含む：接触リホーマーオフガス、メタ
ノール合成ループパージ、解離されたアンモア及び脱メ
タン化装置オーバーヘッドガス、スチームリホームされ
た炭化水素、アンモア合成ループパージガス、電解水素
及び水銀セル水素。発明は、また、窒素或はヘリウムが
主成分であるガス混合物から前述した吸着質（ａｄｓｏ
ｒｂａｂｌｅｓ）の内のいずれか又はすべてを分離する
のに有用である。
【００３３】要するに、本発明が、一工程で吸着床を同
時に均圧及び排気した後に、別の工程で吸着床を同時に
生成物及び供給加圧することの新規な工程を含み、真空
ブロワーを全時間利用し、かつ動力消費量を約１５％減
少させる総括的に一層速くかつ一層効率的なプロセスを
生じる、ガス混合物から濃厚なガスを製造する新規な真
空圧力スイング吸着プロセスを提供することは、当業者
にとり明らかであると思う。本発明の新規なプロセス
は、過圧、大気圧を通る或は減圧の圧力レベルで行うこ
とができ、ＰＳＡプロセス系を用いるガスの分離に一般
的に適用する。
【００３４】前記の記載が発明の例示にすぎないことは
理解されるべきである。当業者ならば、種々の変法、変
更態様、及びその他のプロセス条件（例えば、作業圧力
範囲）を、発明から逸脱しないで工夫することができ
る。よって、本発明は、特許請求の範囲内に入るそのよ
うな変法、変更態様、及び変化をすべて包含することを
意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様に従うデュアル吸着カラムサ
イクルの工程を例示する。
【図２】図１のデュアル元床サイクルについてのフロー
シートである。
【図３】完全なサイクルの異なる工程の間床における圧
力の発生を例示する時間／圧力のグラフである。
【図４】発明の別の実施態様に従う、床対床連絡を持た
ないデュアル床サイクルについてのフローシートであ
る。
【図５】図４によって例示する系のサイクルにおける工
程を例示する。
【図６】発明の別の実施態様に従う、単一床プロセスに
ついてのフローシート及びカラムサイクルを例示する。
【図７】発明の別の実施態様に従う、単一床プロセスに
ついてのフローシート及びカラムサイクルを例示する。
【図８】比較のために、標準の従来技術の吸着カラムサ
イクルの工程を例示する。
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

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一種の優先吸着し得ない第一
    ガスと一種又はそれ以上の選択的に吸着し得る第二ガス
    とを含有するガス混合物から第一ガスを分離するための
    圧力スイング吸着装置であって、高い圧力で該ガス混合
    物から該第二ガスを選択的に吸着することができる組成
    を含有する少なくとも１つの吸着床ユニット、該床ユニ
    ットの下流端と制御バルブを通して連絡して吸着床ユニ
    ットから該第一ガスの加圧された供給を受け入れるため
    のレセプターユニット、ボイドガスを制御バルブを通し
    て該吸着床ユニットの下流端に排出して中の圧力を下げ
    かつそこからの該第二ガスの脱着及び降圧を引き起こす
    ための均圧ユニット、比較的加圧されたガス混合物を制
    御バルブを通して吸着床ユニットの上流端に供給するた
    めの圧縮機手段、該バルブ手段を制御して加圧されたガ
    ス混合物を該吸着床ユニットの上流端に供給することか
    つ同時に該レセプターユニットから加圧された第一ガス
    を該吸着剤床ユニットの下流端に供給して該吸着剤床ユ
    ニットを高い圧力に加圧するのを促進することを可能に
    するための手段、吸着床ユニットの圧力がレセプターユ
    ニットの圧力を越える場合に、第一ガスを吸着床ユニッ
    トからレセプターユニットに流れさせて生成された第一
    ガスを捕集するための手段、吸着剤床ユニットへの加圧
    されたガス混合物の供給を止めた後に、降圧及び吸着剤
    床ユニット中に存在する残留ボイドガスを制御バルブを
    通して均圧ユニットに解放することを引き起こすための
    手段、吸着剤床ユニットの上流端に連絡して吸着剤床ユ
    ニットを降圧して低い圧力にするための減圧手段、並び
    に均圧ユニットからボイドガスを吸着剤床ユニットの下
    流端に向流方向に解放して同時に均圧ユニットを降圧し
    かつ吸着剤床ユニットから吸着された第二ガスをパージ
    するための手段を含み、それにより加圧されたガス混合
    物を吸着床ユニットに再供給する前に、吸着床ユニット
    を中圧に加圧するのを促進して一層速くかつ一層効率的
    な運転のサイクルをもたらす圧力スイング吸着装置。
  2. 【請求項２】 接続された吸着床ユニットを複数含み、
    それらの内の１つは、別の吸着床ユニットについての均
    圧ユニットとして機能して同時に該１つの吸着床ユニッ
    トの降圧並びに該他のユニットを同時にガス混合物供給
    及び第一ガス加圧する前に該他のユニットを均圧及び降
    圧することを可能にする請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 複数の吸着床ユニットであって、それら
    の内の各々は、前記均圧ユニットを含む均圧タンクに接
    続されたもの、及び各々の該吸着床ユニットと該均圧タ
    ンクとの間の前記制御バルブを含み、それにより直接の
    床ユニットから床ユニットへのガス移動を避ける請求項
    １の装置。
  4. 【請求項４】 複数の前記吸着床ユニットであって、そ
    れらの内の少なくとも１つは、サイクル中の任意の所定
    時間において排気されることができるもの、該吸着床ユ
    ニットの各々の上流端に接続される連続作動する減圧用
    真空ポンプ、及び排気されている吸着床ユニットへの該
    接続を開放するための制御弁手段を含む請求項１の装
    置。
  5. 【請求項５】 前記圧縮機手段が、各々の吸着剤床ユニ
    ットを加圧して１．２〜２．０ａｔｍの範囲内の高い圧
    力にすることができる請求項１の装置。
  6. 【請求項６】 前記圧縮機手段が、各々の吸着剤床ユニ
    ットを加圧して１．４ａｔｍの高い圧力にすることがで
    きる請求項５の装置。
  7. 【請求項７】 前記減圧手段が、各々の吸着剤床ユニッ
    トを降圧して０．３０〜０．４５ａｔｍの範囲内の低い
    圧力にすることができる請求項１の装置。
  8. 【請求項８】 空気のガス状成分の内の酸素を除くすべ
    てを高い圧力で選択的に吸着することができる組成を含
    有する少なくとも１つの吸着床ユニット、該床ユニット
    の下流端と制御バルブを通して連絡して吸着床ユニット
    から酸素の加圧された供給を受け入れるためのレセプタ
    ーユニット、ボイドガスを制御バルブを通して該吸着床
    ユニットの下流端に排出して中の圧力を下げかつそこか
    らの該選択的に吸着されたガス状成分の脱着及び排気を
    引き起こすための均圧ユニット、加圧された空気を制御
    バルブを通して吸着床ユニットの上流端に供給するため
    の圧縮機手段、該バルブ手段を制御して加圧された空気
    を該吸着床ユニットの上流端に供給することかつ同時に
    該レセプターユニットから加圧された酸素を該吸着剤床
    ユニットの下流端に向流に供給して該吸着剤床ユニット
    の高い圧力への加圧を促進することを可能にするための
    手段、吸着床ユニットの圧力がレセプターユニットの圧
    力を越える場合に、酸素ガスを吸着床ユニットからレセ
    プターユニットに流れさせて生成された酸素ガスを捕集
    するための手段、吸着剤床ユニットへの加圧された空気
    の供給を止めた後に、降圧及び吸着剤床ユニット中に存
    在する残留ボイドガスを制御バルブを通して均圧ユニッ
    トに解放することを引き起こすための手段、吸着剤床ユ
    ニットの上流端に連絡して吸着剤床ユニットを降圧して
    低い圧力にするための減圧手段、並びに均圧ユニットか
    らボイドガスを吸着剤床ユニットの下流端に向流方向に
    解放して同時に均圧ユニットを降圧しかつ該ユニットか
    ら選択的に吸着されたガス状成分をパージするための手
    段を含み、それにより加圧された空気を吸着剤床ユニッ
    トに再供給する前に、吸着剤床ユニットを中圧に加圧す
    るのを促進して一層速く、一層効率的な運転のサイクル
    をもたらす、空気から酸素冨化ガスを製造するための圧
    力スイング吸着装置。
  9. 【請求項９】 複数の吸着床ユニットであって、それら
    の内の各々は、前記均圧ユニットを含む均圧タンクに接
    続されたもの、及び各々の該吸着床ユニットと該均圧タ
    ンクとの間の前記制御バルブを含み、それにより直接の
    床ユニットから床ユニットへのガス移動を避ける請求項
    ８の装置。
  10. 【請求項１０】 複数の前記吸着床ユニットであって、
    それらの内の少なくとも１つは、サイクル中の任意の所
    定時間において排気されることができるもの、該吸着床
    ユニットの各々の上流端に接続される連続作動する減圧
    用真空ポンプ、及び排気されている吸着床ユニットへの
    該接続を開放するための制御バルブ手段を含む請求項８
    の装置。
  11. 【請求項１１】 前記圧縮機手段が、各々の吸着剤床ユ
    ニットを加圧して１．２〜２．０ａｔｍの範囲内の高い
    圧力にすることができる請求項８の装置。
  12. 【請求項１２】 前記圧縮機手段が、各々の吸着剤床ユ
    ニットを加圧して１．４ａｔｍの高い圧力にすることが
    できる請求項１１の装置。
  13. 【請求項１３】 前記減圧手段が、各々の吸着剤床ユニ
    ットを降圧して０．３０〜０．４５ａｔｍの範囲内の低
    い圧力にすることができる請求項８の装置。
  14. 【請求項１４】 少なくとも一種の優先吸着し得ない第
    一ガスと一種又はそれ以上の選択的に吸着し得る第二ガ
    スとを含有するガス混合物から第一ガスを分離するに際
    し、該ガス混合物を高い圧力で該第二ガスを選択的に吸
    着することができる少なくとも１つの吸着床ユニットに
    供給し、同時に第一ガスを吸着床ユニットを通過させて
    レセプタータンクに通す圧力スイング吸着方法におい
    て、同時に該ガス混合物を加圧下で該吸着床ユニットの
    上流端にかつ該第一ガスを加圧下で該吸着床ユニットの
    下流端に供給して該床ユニットの加圧を促進し；該第一
    ガスの供給を止め、該加圧されたガス混合物の供給を続
    けて該ユニット内に高い吸着圧を発現させ；該ユニット
    からの吸着されない第一ガスを該レセプターに排出して
    内部を均圧にし；該吸着剤床ユニットへの該ガス混合物
    の供給を止めかつ該ユニットからのボイドガスを均圧ユ
    ニットに排出して吸着剤床ユニットの下流端に再供給し
    て同時に均圧ユニットを降圧して低い圧力にしかつ次の
    サイクルの前に吸着剤床を向流にパージ及び洗浄しかつ
    該ユニットを部分再加圧する工程を含んで一層速くかつ
    一層効率的な運転のサイクルをもたらす圧力スイング吸
    着方法。
  15. 【請求項１５】 第二吸着剤床ユニットを均圧ユニット
    として使用し、第一吸着剤床からのボイドガスを第二吸
    着剤床ユニットに排出して同時に該第一床ユニットを降
    圧しかつ該第二床ユニットを部分加圧することによって
    該第二床ユニットをパージ及び再加圧して一層速くかつ
    一層効率的な運転のサイクルをもたらす請求項１４の方
    法。
  16. 【請求項１６】 前記床ユニットを加圧して１．２〜
    ２．０ａｔｍの高い圧力にすることを含む請求項１４の
    方法。
  17. 【請求項１７】 前記床ユニットを加圧して１．４ａｔ
    ｍの高い圧力にすることを含む請求項１６の方法。
  18. 【請求項１８】 前記均圧ユニットを降圧して０．３０
    〜０．４５ａｔｍの範囲内の低い圧力にすることを含む
    請求項１４の方法。
  19. 【請求項１９】 加圧した空気を、窒素を含むガス状成
    分を選択的に吸着することができる少なくとも１つの吸
    着床ユニットに供給し、同時に酸素を吸着床ユニットを
    通過させてレセプタータンクに通すことを含む圧力スイ
    ング吸着方法において、同時に圧縮した空気を該床ユニ
    ットの上流端にかつ加圧した酸素を該床ユニットの下流
    端に供給して中に中圧を短い期間で発生させ；酸素ガス
    の供給を止め、圧縮した空気の供給を続けて該ユニット
    内に高い吸着圧を発現させ；該ユニットからの酸素ガス
    を酸素レセプタータンクに排出してタンク内の圧力を増
    大させ；該吸着剤床ユニットへの圧縮した空気の供給を
    止めかつ該ユニットからのボイドガスを均圧ユニットに
    捕集して吸着剤床ユニットの下流端に再供給して同時に
    該レセプタータンクを降圧して同時に該第二床ユニット
    を降圧して低い圧力にしかつ該第二床ユニットを部分再
    加圧する工程を含んで一層速くかつ一層効率的な運転の
    サイクルをもたらす圧力スイング吸着方法。
  20. 【請求項２０】 第二吸着剤床ユニットを均圧ユニット
    として使用し、第一吸着剤床からのボイドガスを第二吸
    着剤床ユニットに排出することによって該第二床ユニッ
    トをパージ、洗浄及び再加圧することを含む請求項１９
    の方法。
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