JP2000317244A - ガス精製方法及び装置 - Google Patents

ガス精製方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 加温を併用したＰＳＡ法によって不純物を吸
着除去するガス精製方法において、経済的にかつ効率よ
く水分、炭酸ガスを除去することができるガス精製方法
及び装置を提供する。 【解決手段】 圧縮した原料ガスを吸着塔に導入して水
分及び炭酸ガスを吸着除去する吸着工程と、吸着工程後
に吸着塔内を大気圧まで減圧する減圧工程と、減圧工程
後にパージガスを吸着塔に導入して吸着剤を加熱再生す
る加熱工程と、加熱工程後に不純物を含まないガスを吸
着塔に導入して昇圧する充圧工程とを含み、前記各工程
吸着工程の時間、減圧工程と加熱工程との合計時間、充
圧工程の時間をそれぞれ１０〜４０分の範囲に設定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス精製方法及び
装置に関し、特に、空気液化分離装置に導入する原料空
気中に含まれる水分及び炭酸ガスを除去して原料空気を
精製するのに適したガス精製方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】空気液
化分離装置による酸素や窒素等の分離において、原料空
気に含まれる水分及び炭酸ガスは、液化深冷部で固化す
る前に前処理と称して除去される。近年、製品として窒
素を高い割合で採取し、かつ、炭酸ガスの除去レベルも
０．１ｖｏｌ．ｐｐｍ以下とすることを求められると共
に、操作性に優れた装置が望まれたことから、吸着塔を
用いて水分や炭酸ガスを吸着除去する方法が広く行われ
ている。
【０００３】吸着法による前処理には、吸着／脱着工程
の温度差により目的成分の吸／脱着を行う温度変動吸着
式による方法（ＴＳＡ法）と、圧力差により目的成分の
吸／脱着を行う圧力変動吸着式による方法（ＰＳＡ法）
とが知られている。前記ＴＳＡ法は、ＰＳＡ法に比べ
て、一般的に再生ガスの量が少なくてすむので、その分
製品収率が高いというメリットはあるが、再生用のガス
を加温するために少なからぬ熱量を消費するというデメ
リットがある。一方、ＰＳＡ法においては、パージ比
（処理ガス量に対する再生ガス量の比）が比較的大きい
というデメリットはあるが、加熱のための熱は消費しな
いというメリットがあり、両者は、空気液化分離装置の
運転条件（主として原料空気の圧力）によって使い分け
られてきた。
【０００４】このような吸着法によるガス精製を効果的
に行うため、例えば特公昭５５−１９６５６号公報に
は、再生時に減圧を行うとともに、脱着熱を補うに足る
熱量を与え得るほどに加熱する方法が記載されている。
この方法は、ＰＳＡ法にＴＳＡ法を付加した方法で、い
わばＰＴＳＡ法（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ法）ともい
うべき方法である。
【０００５】上記公報には、実施例として、ガスの乾燥
が取上げられているが、水、炭酸ガスを同時に除去する
場合については記載が無く、加熱量に関する定量的な記
述も見られない。
【０００６】また、特開昭５５−９７２２１号公報に
は、再生時のパージガスの温度を、前半は吸着温度より
少なくも１０℃以上高い温度で供給し、後半は吸着温度
と同等以下の温度で供給することが記載されている。こ
の公報記載の実施例によれば、原料空気を８気圧／１０
℃で供給し、パージガスを昇温時４０℃、非昇温時１３
℃で供給して運転した結果、精製空気中の水分が１．５
ｐｐｍ、炭酸ガスが２．５ｐｐｍとなったことが示され
ている。
【０００７】さらに、特開昭５５−２７０３４号公報に
は、３基の吸着塔を用いて２基をＰＳＡ法で切換え使用
する間に、他の吸着塔を加熱再生した後、前記２基の吸
着塔と順次切換える方法が記載されている。すなわち、
吸着塔の加熱再生に必要な時間とＰＳＡ操作の切換え周
期とを合わせるために、２塔をＰＳＡ法で切換え使用し
ている間に、他の１塔のＴＳＡ再生を行い、ＴＳＡ再生
が終了した時点でこの塔をＰＳＡ法の切換えサイクルに
戻すようにしている。
【０００８】これらの公報には、加温を併用したＰＳＡ
法についての概念的な考え方は開示されているが、加熱
の程度、その効果、用いる吸着剤と加熱の程度との係わ
りなど、実施に当たって重要な要素についての記載が無
く、更なる検討が必要な状況にある。
【０００９】一方、空気液化分離装置において、原料空
気中の水分及び炭酸ガスを吸着除去する際には、空気圧
縮機で圧縮した原料空気をアフタークーラーで常温程度
まで冷却した後、フロン等を用いた冷凍機で０〜１０℃
に冷却してから吸着塔に導入するようにしている。
【００１０】空気液化分離装置における原料空気の冷却
方法は、比較的小型の装置では原料空気をフロン冷凍機
で直接的に冷却する方法が採用されており、比較的大型
の装置では水洗冷却塔を循環する循環水で冷却する方法
が主として採用されている。しかし、原料空気を循環水
で冷却する場合でも、循環水をフロン冷凍機で冷却する
など、フロン冷凍機を用いている場合が多い。
【００１１】ところが、近年は、環境保護の観点から、
フロン冷凍機を使用しない方向に進んでいるため、空気
分離装置においても、原料空気をフロン冷凍機で冷却せ
ずに吸着塔に導入することが望まれている。しかし、フ
ロン冷凍機を用いない場合は、前処理装置（吸着塔）に
供給される原料空気の温度が、アフタークーラーを出た
温度（水温プラス５〜１０℃）となるため、夏季には４
０℃を超える温度となり、原料空気に含まれる飽和水分
量が大幅に増加する。例えば、一般的な原料空気処理条
件である６２０ｋＰａにおける飽和水分量は、空気温度
が４０℃になると、１０℃のときに比べておよそ６倍と
なる。
【００１２】このため、水分吸着剤、例えば活性アルミ
ナで水分を吸着除去したとすると、この吸着現象で発生
する吸着熱により、活性アルミナを通過した空気温度は
およそ６０℃となる。このため、炭酸ガス吸着剤、例え
ばゼオライトによる炭酸ガスの吸着量は、吸着量の温度
依存性（高温で吸着量低下）のために吸着温度１０℃の
ときのおよそ１／３に減少してしまう。したがって、こ
のような条件で水分／炭酸ガスを吸着除去するために
は、単純にいって活性アルミナは６倍／ゼオライトは３
倍の量が必要となり、経済性が極めて悪化する。
【００１３】使用する吸着剤量が少なくても、適切に水
分／炭酸ガスを吸着除去するための方法として、吸着工
程時間を短くして吸着塔に導入される水分／炭酸ガス量
を実質的に少なくする方法が考えられる。しかしながら
この場合、ＴＳＡ法で吸着／再生を行ったとすると、必
然的に吸着剤の再生を行う加熱あるいは加熱再生後の冷
却に割り当てられる時間も短くなるため、吸着剤の再生
不足あるいは吸着剤の冷却不足が生じ、いずれにしても
適切に水／炭酸ガスを吸着除去できないことになる。す
なわち、ＴＳＡ法を単純に短サイクル化することでは、
フロン冷凍機を用いない吸着法による水／炭酸ガス除去
の目的は達せられない。
【００１４】そこで本発明は、加温を併用したＰＳＡ法
によって不純物を吸着除去するガス精製方法において、
工程切換え時間の適切化を図り、さらに、精製される原
料ガスの温度及び量と、加熱再生に使用するパージガス
の温度及び量との関係の適切化を図ることにより、経済
的にかつ効率よく水分、炭酸ガスを除去することができ
るガス精製方法及び装置を提供することを目的としてい
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のガス精製方法は、不純物として水分及び炭
酸ガスを含む原料ガスを、前記不純物を吸着する吸着剤
を充填した複数の切換え使用される吸着塔に通して前記
不純物を除去することにより精製ガスを得る方法であっ
て、（ａ）圧縮した原料ガスを前記吸着塔に導入し、該
原料ガスの水分を最初に吸着除去し、続いて炭酸ガスを
吸着除去する吸着工程と、（ｂ）前記吸着工程の後に、
吸着塔内を大気圧まで減圧する減圧工程と、（ｃ）前記
減圧工程の後に、前記不純物を含まないパージガスを前
記吸着塔に導入して吸着剤を加熱再生する加熱工程と、
（ｄ）前記加熱工程の後に、前記不純物を含まないガス
を前記吸着塔に導入して昇圧する充圧工程とを含み、前
記各工程（ａ），（ｂ＋ｃ），（ｄ）の時間をそれぞれ
１０〜４０分の範囲に設定したことを特徴としている。
【００１６】さらに、本発明のガス精製方法は、前記吸
着工程における原料ガスの温度が３０〜４５℃の範囲で
あること、前記加熱工程におけるパージガスの量が吸着
工程の原料ガス量に対して０．２〜０．５の範囲である
こと、前記加熱工程でパージガスが吸着塔に持ち込む熱
量が、吸着工程で原料ガスが吸着塔に持ち込む熱量に対
して０．５以上であることを特徴としている。
【００１７】また、前記圧縮した原料ガスを吸着塔に導
入する前に空気又は冷却水と熱交換させて冷却するこ
と、あるいは、圧縮した原料ガスを循環冷却水と向流気
液接触させて冷却することを特徴としている。さらに、
吸着塔で精製した精製ガスを空気又は冷却水と熱交換さ
せて６０℃以下に冷却すること、圧縮した原料ガスと前
記パージガスとを熱交換させて圧縮した原料ガスを冷却
するとともにパージガスを加熱することを特徴としてい
る。
【００１８】特に、本発明のガス精製方法は、前記原料
ガスが空気液化分離装置の原料空気であり、前記パージ
ガスが前記空気液化分離装置から導出される廃ガスであ
ることを特徴としている。
【００１９】また、本発明のガス精製装置は、不純物と
して水分及び炭酸ガスを含む原料ガスから、前記不純物
を除去して精製ガスを得るガス精製装置であって、原料
ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮された原料ガス中の前記
不純物を吸着する水分吸着剤と炭酸ガス吸着剤とを充填
した複数の吸着塔と、前記圧縮機から前記吸着塔の一端
に接続された原料ガス導入経路と、前記吸着塔の他端に
接続され、該吸着塔で精製された精製ガスを導出する精
製ガス導出経路と、前記精製ガス導出経路に接続され、
前記吸着剤に吸着された不純物を脱着してパージするパ
ージガスを導入するパージガス導入経路と、前記原料ガ
ス導入経路に接続され、吸着塔内を通過したパージガス
を導出するパージガス導出経路とを備えるとともに、前
記吸着塔は、前記原料ガス入口側に前記水分吸着剤を、
前記精製ガス出口側に前記炭酸ガス吸着剤を充填したも
のであり、かつ、前記水分吸着剤の全吸着剤に対する重
量割合が０．７以下であることを特徴としている。
【００２０】さらに、本発明のガス精製装置は、前記水
分吸着剤が、活性アルミナ、シリカゲルあるいはＡ型ゼ
オライトのいずれか１種類又はこれらの吸着剤の２種類
以上の組合せであること、前記炭酸ガス吸着剤がゼオラ
イトであることを特徴としている。また、前記原料ガス
導入経路に、空気又は冷却水を冷却源として原料ガスを
冷却する原料ガス冷却器を設けたこと、あるいは、循環
冷却水と圧縮された原料ガスとを気液接触させて原料ガ
スを冷却する水洗冷却塔を設けたこと、あるいは、原料
ガス経路を一方の熱交換通路とし、パージガス経路を他
方の熱交換通路とした予熱器を備えたことを特徴とし、
これらに、原料ガスの温度を調節する温度制御手段を設
けたことを特徴としている。
【００２１】また、前記精製ガス導出経路に、空気又は
冷却水を冷却源として精製ガスを冷却する精製ガス冷却
器を設けたこと、前記パージガス導入経路に、パージガ
スを加熱する加熱器を備えたこと、前記パージガス導入
経路が、他の吸着塔に接続した精製ガス導出経路から分
岐した経路であることを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明のガス精製方法を
適用したガス精製装置の概略を示す系統図である。な
お、本形態例では、３基の吸着塔を用いた３塔切換え方
式のガス精製装置を、空気液化分離装置に付属する前処
理装置に使用した例について説明する。
【００２３】導管１から導入された原料空気は、空気圧
縮機２によって空気液化分離装置として必要な運転圧力
まで圧縮され、パージガス加熱用の予熱器３を通ってア
フタークーラー４に入る。原料空気は、このアフターク
ーラー４で冷却水と熱交換して４５℃以下に冷却され、
このとき凝縮した水分は、ドレンとして排出される。ア
フタークーラー４から導管５に流出した４５℃以下、水
分飽和の圧縮原料空気は、３基の吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃの中
の吸着工程を行っている吸着塔Ｂに導入される。図１で
は、吸着塔Ａが加熱工程、吸着塔Ｂが吸着工程、吸着塔
Ｃが充圧工程を行っている状態を示している。
【００２４】各吸着塔には、原料ガス入口側に水分吸着
剤として活性アルミナ等が充填され、その後段に炭酸ガ
ス吸着剤としてゼオライト等が充填されている。したが
って、吸着塔Ｂに流入した原料空気は、前段で水分が吸
着除去され、後段で炭酸ガスが吸着除去された後、例え
ば、水分１ｐｐｍ以下、炭酸ガス０．１ｐｐｍ以下の精
製空気となって吸着塔出口の導管６ｂに流出する。この
精製空気は、導管６ｂから導管７，精製ガス冷却器８を
経て空気液化分離装置の液化深冷部９に導入される。
【００２５】一方、液化深冷部９から製品にならないガ
スとして導管１０に排出され、パージガスとして用いら
れる廃ガスは、前記予熱器３で、圧縮熱で昇温した前記
原料空気との熱交換により、吸着塔を再生温度に加熱す
るために必要な温度に昇温する。昇温後のパージガス
は、導管１１を通り、加熱工程を行っている吸着塔Ａの
精製ガス出口側から塔内に流入する。吸着剤から脱着し
た水分や炭酸ガスを同伴したパージガスは、原料ガス入
口側の導管１２から大気に排出される。これによって吸
着塔Ａ内の吸着剤が再生される。なお、再生用のパージ
ガスは、不純物として水分や炭酸ガスを含まないガスな
らば任意のガスを用いることができ、上述のように空気
液化分離装置の廃ガスを用いてもよいが、吸着工程を行
っている吸着塔から導出した精製ガス（精製空気）の一
部を減圧して使用することもでき、これらを単独又は混
合して用いることができる。
【００２６】また、充圧工程を行っている吸着塔Ｃに
は、吸着塔Ａから導管６ｂに導出した精製空気の一部が
導管１３に分岐して精製ガス出口側から塔内に導入され
ている。これにより、吸着塔Ｃは、吸着圧力まで充圧さ
れる。
【００２７】各吸着塔に充填する吸着剤としては、活性
アルミナ、シリカゲル、モレキュラーシーブ３Ａ，４
Ａ，５Ａ型等のＡ型ゼオライト等の水分吸着剤と、Ｘ型
ゼオライト、モレキュラーシーブ１０Ｘ，１３Ｘの他、
Ｂａ・Ｘゼオライト等の１３Ｘ型ゼオライトをベースと
してイオン交換可能なカチオンの一部あるいは全部を１
価又は２価の金属カチオンで置き換えたものや、モレキ
ュラーシーブ５Ａ型ゼオライト等の炭酸ガス吸着剤とを
併用することが好ましく、特に、水分吸着剤には活性ア
ルミナが、炭酸ガス吸着剤にはＸ型ゼオライトが、それ
ぞれ最適である。これらの吸着剤は、２種類以上を組合
わせて使用することもでき、形状も、ペレット、タブレ
ット、ビーズ等のいずれであってもよい。
【００２８】なお、前記各種ゼオライトは、水分吸着剤
としても優れた吸着能力を有する吸着剤であるから、吸
着塔内の総ての吸着剤を前述の各種ゼオライトにするこ
ともできる。この場合、原料ガス入口側のゼオライトは
主として水分吸着剤として機能し、精製ガス出口側のゼ
オライトは主として炭酸ガス吸着剤として機能する。
【００２９】水分吸着剤と炭酸ガス吸着剤との充填割合
は、水分量や炭酸ガス量等の条件によっても異なるが、
原料空気精製用として使用する場合は、一般的に、水分
量が飽和状態であり、炭酸ガス量が０．０３％であるか
ら、全吸着剤重量に対する水分吸着剤の割合を０．７以
下にすることが好ましい。このとき、炭酸ガス吸着剤と
して用いられるゼオライトを全量使用した場合は、水分
吸着剤の使用量は見た目に零となる。すなわち、炭酸ガ
ス吸着剤として広く用いられている各種ゼオライトは、
水分吸着剤としても機能するため、水分吸着専用の剤を
特に使用しなくても、前述のようにゼオライトを水分吸
着剤としても使用することができる。一方、水分吸着剤
の中には、炭酸ガスを吸着する能力をほとんど持たない
ものがあるため、このような水分吸着剤を使用する場合
は、その充填量を多くすると、結果的に炭酸ガス吸着剤
の充填量が少なくなり、炭酸ガスを十分に吸着除去する
ことが困難となる。しかし、水分吸着剤の中で、活性ア
ルミナやモレキュラーシーブ４Ａ，５Ａは、比較的高い
炭酸ガス吸着能力を持つので、水分吸着剤の充填割合を
全吸着剤量に対して０．７まで高めることができる。
【００３０】前述の各工程は、吸着剤が水分や炭酸ガス
で飽和する前に、所定の時間を経過した時点で打切ら
れ、吸着塔Ａが充圧工程、吸着塔Ｂが減圧工程から加熱
工程、吸着塔Ｃが吸着工程にそれぞれ切換えられる。以
下、表１に示すように、各吸着塔にそれぞれ付属する切
換弁を所定の順序で自動的に開閉することにより、各吸
着塔について各工程をずらしながら順次行うことによ
り、連続的に原料空気の精製を行う。
【００３１】
【表１】
【００３２】表１に示す工程１〜３の切換え時間、すな
わち、吸着工程を実施する時間、減圧工程及び加熱工程
を実施する時間、充圧工程を実施する時間は、１０〜４
０分の範囲、好ましくは１５〜２５分の範囲が適当であ
る。
【００３３】この工程切換え時間は、従来の加温を併用
したＰＳＡ法に比べて短い時間であり、このような短い
サイクルで運転することにより、１回の吸着工程の間に
吸着塔に入る水分／炭酸ガスの負荷を減少させ、これを
吸着除去するために必要な吸着剤量も減少させることが
できる。一方、工程切換え時間を１０分未満にすると、
吸着塔切換えによる充圧ロス（空隙等に存在して利用で
きないガス）が増加するため、経済的な運転を行うこと
ができなくなり、工程切換え時間を長くし過ぎると、吸
着塔内に持ち込まれる除去対象物質の量が増加し、必要
となる吸着剤量が増加するとともに、減圧操作のみによ
って脱着する量も限られてしまうため、吸着量に対する
脱着量の割合が低下して十分な再生が行えなくなってし
まう。
【００３４】さらに、前記加熱工程は、吸着塔内の全て
の吸着剤を加熱することなく、塔の中間部までが加温さ
れた時点で打切るようにしている。すなわち、前述のよ
うに、原料ガス入口側に水分吸着剤を、その後段に炭酸
ガス吸着剤を充填することにより、水分吸着剤は、吸着
工程後の減圧工程での圧力低下によりある程度再生され
た後、加熱工程で塔出口側から導入されて炭酸ガス吸着
剤を再生した後のガスが水分吸着剤部分を通過するの
で、このガスによっても再生されることになる。特に、
吸着工程時に炭酸ガス吸着剤部分を流れるガスは、水分
吸着剤での水分の吸着熱により６０℃以上に昇温してい
るため、減圧工程及び加熱工程で炭酸ガス吸着剤部分か
ら水分吸着剤部分に流れるガスの温度も比較的高くな
る。したがって、工程切換え時間を短くして吸着塔内に
持ち込まれる水分量をある程度以下にすることにより、
加熱工程で水分吸着剤を加温しなくても、水分吸着剤を
十分に再生することが可能となる。
【００３５】また、従来は、加熱工程を行った後、フロ
ン冷凍機で冷却された原料空気の温度まで吸着剤を冷却
するために長時間の冷却工程を行っていたが、精製する
原料空気温度が比較的高く、切り換え時間の短縮により
除去すべき不純物量が少ないことから、従来に比べて比
較的高温で不純物を十分に吸着除去できるので、加熱工
程を行った後の冷却工程を省略することができる。した
がって、加熱工程で塔の中間部まで加えられた熱は、次
の充圧工程ではガスの出口が閉ざされているため、塔内
にとどまることになるが、吸着工程で塔内に流入する原
料空気の温度を適切に設定することにより、塔内温度を
所定の温度範囲内に維持して所定の吸着操作を行うこと
ができる。
【００３６】すなわち、吸着剤層における最も低温の部
分の温度は、概ね吸着塔に導入される原料ガス（原料空
気）の温度に依存しており、原料空気温度が高ければ相
対的に高く、原料空気の温度が低ければ相対的に低くな
る。そして、４５℃を超える温度の原料空気を処理しよ
うとすると、吸着剤の温度が高くなり、吸着剤における
吸着量の温度依存性のため、必要となる吸着剤量が極め
て多くなるだけでなく、吸着剤を再生するために必要な
パージガス量も多くなってしまう。一方、原料空気の導
入温度が低すぎると、例えば３０℃未満であると、吸着
塔入口側に充填した吸着剤の温度が低くなり、その部分
における水分の吸着量が増加するため、十分な再生を行
うためには、再生時に高温に加熱し、再生用のパージガ
スも大量に必要になり、再生に要する時間も長くなって
しまう。
【００３７】したがって、前述のような短時間での工程
切換で効果的な吸着及び再生を行うためには、空気液化
分離装置の原料ガスを精製する場合、吸着塔に導入する
原料空気の温度を、３０〜４５℃の範囲に設定すること
が好ましい。
【００３８】また、吸着剤の再生は、減圧工程における
吸着圧から大気圧への減圧と、加熱工程における加熱パ
ージによって行われるが、加熱パージに使用するパージ
ガス量は、原料空気量に対して０．２〜０．５の範囲で
あることが好ましく、さらに、吸着工程で原料空気によ
って吸着塔へ持ち込まれる熱量に対して加熱工程でパー
ジガスによって吸着塔へ供給される熱量の割合を０．５
以上に設定することが好ましい。
【００３９】このような関係は、経験的な法則として、 加熱パージガス量×加熱パージガス温度［℃］÷（原料
ガス量×原料ガス温度［℃］）≧０．５ という関係により決定される。
【００４０】パージガス量が原料空気量に対して０．２
以下では、加熱ガスの温度を高くしても、加温される吸
着剤の割合が小さく、水分や炭酸ガスの適切な脱着、即
ち吸着剤の再生を適切に行うことができない。一方、パ
ージガス量を多くすると、即ちパージ比率を高くする
と、吸着剤の再生という点では全く問題はないが、空気
液化分離装置としての製品比率を低下させることになる
ので、装置全体としての経済性が損なわれる。
【００４１】また、加熱工程のパージ再生を効果的に行
うためには、パージガス量が少ない場合にはパージガス
の加熱温度を高くし、パージガス量が多くできる場合に
はパージガスの温度を低くすることができるが、この関
係は、吸着工程で原料空気によって吸着塔へ持ち込まれ
る熱量に対し、加熱工程でパージガスによって吸着塔へ
持ち込まれる熱量の割合が少なくとも０．５となるよう
にすることが好ましい。すなわち、パージガスが持ち込
む熱量が原料空気の持ち込み熱量に対して０．５未満に
なると、十分な再生を行えなくなる。
【００４２】さらに、パージガスを加熱するための手段
としては、電気ヒーター等の一般的な加熱装置を用いる
ことができるが、圧縮機出口に設けた予熱器３で、圧縮
熱により昇温した原料空気とパージガスとを熱交換させ
ることにより、圧縮熱を有効に利用してパージガスを適
当な温度に昇温することができるとともに、原料空気を
前述の３０〜４５℃の範囲に冷却することができるの
で、パージガスの昇温や原料空気の冷却を経済的に行う
ことができる。なお、予熱器３でパージガスを十分に昇
温することができない場合は、導管１１に適宜なヒータ
ーを設置すればよい。
【００４３】また、原料空気を精製装置へ導入する系統
に、原料空気温度を前述の範囲にするための温度制御手
段を設けることもできる。この温度制御手段としては、
例えば、吸着塔入口経路に温度計を設け、該温度計で測
定される温度が設定値になるように、原料空気の一部
を、冷却器や予熱器等の冷却手段をバイパスさせること
によって行うことができる。さらに、圧縮熱で昇温した
原料空気を冷却する手段としては、空気又は冷却水を冷
却源として原料空気を冷却する原料空気冷却器や、循環
冷却水と圧縮された原料空気とを気液接触させて原料空
気を冷却する水洗冷却塔や、原料空気経路を一方の熱交
換通路とし、パージガス経路を他方の熱交換通路とした
パージガス予熱器により行うことができる。
【００４４】一方、吸着塔を出た精製空気は、主として
水分の吸着熱により６０℃以上に昇温しているため、精
製ガス冷却器８等で、６０℃以下、望ましくは４０℃以
下に冷却することにより、空気液化分離装置の低温部分
に対する熱負荷を減少させることができる。
【００４５】また、精製装置（吸着塔）に導入する原料
空気の圧力は、０．５ＭＰａ以上であることが好まし
い。原料空気の導入圧力が低くなると、原料空気の圧力
低下に伴って含水量が増加するため、吸着除去すべき負
荷が増大して吸着剤量を多くしなければならないだけで
なく、ＰＳＡ法としての吸着圧力と再生圧力との差が小
さくなるので、圧力変化による吸着量の変化が小さくな
り、減圧による再生効率が低下して脱着再生が困難にな
ってしまう。逆に、圧力の上限は、圧縮機の能力や空気
液化分離装置の各部の耐圧等に制限され、精製装置自体
としての上限は、特に限定されることはない。
【００４６】なお、上述の各条件は、空気液化分離装置
の原料空気中に含まれる水、炭酸ガスを除去する場合の
好ましい条件範囲を示すものであり、精製すべきガス
（原料ガス）中に含まれる水、炭酸ガスを吸着除去する
目的であれば、様々なガスの精製に適用することがで
き、原料ガス中の不純物量や精製ガスの採取率等の条件
に応じて適宜最適な運転条件を設定することができる。
【００４７】
【実施例】図２に示す構成の精製装置を、空気液化分離
装置の前処理装置として使用し、原料空気中に含まれる
水分及び炭酸ガスを除去する実験を行った。この精製装
置は、３基の吸着塔Ａ，Ｂ，Ｃを切換え可能に設けたも
ので、各吸着塔内には、入口側に２〜３ｍｍ径のビーズ
状活性アルミナを充填し、その後段（出口側）に１〜３
ｍｍ径のビーズ状ゼオライト１３Ｘを充填した。各吸着
塔の入口側には、原料空気入口弁２１ａ，２１ｂ，２１
ｃと、排気弁２２ａ，２２ｂ，２２ｃとが設けられてお
り、原料ガス（原料空気）導入経路３１とパージガス導
出経路３２とがそれぞれ接続している。また、各吸着塔
の出口側には、精製空気出口弁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ
と、パージ弁２４ａ，２４ｂ，２４ｃと、充圧弁２５
ａ，２５ｂ，２５ｃとが設けられており、精製ガス（精
製空気）導出経路３３と、パージガス導入経路３４と、
充圧ガス導入経路３５とがそれぞれ接続している。
【００４８】原料空気を圧縮する原料空気圧縮機４１の
後段に設けたアフタークーラー４２には、該アフターク
ーラー４２をバイパスするバイパス経路４３を設けると
ともに、アフタークーラー４２を出た原料空気の温度を
測定してバイパス量を制御する温度制御手段としての温
度指示調節計４４とバイパス弁４５とを設置した。な
お、原料空気圧縮機４１の大気取入れ口にはフィルター
４６を設置し、パージガス導出経路３２の末端には消音
器４７を設置している。
【００４９】また、パージガス導入経路３４及び充圧ガ
ス導入経路３５は、精製空気導出経路３３から弁５１，
５２を介して分岐させ、圧力や流量の調節が可能に形成
するとともに、パージガス導入経路３４には、流量計５
３及びヒーター５４を設置した。精製空気は、その一部
を、分析弁５５を介して分析経路５６に分岐させた他、
大部分の精製空気は、弁５７、流量計５８を通して導出
した。
【００５０】この精製装置の運転は、前記同様に、各弁
を所定のシーケンスに基づいて開閉することにより連続
的に原料空気の精製を行う。例えば、吸着塔Ａが再生工
程（減圧工程から加熱工程）、吸着塔Ｂが吸着工程、吸
着塔Ｃが充圧工程のとき、原料空気圧縮機４１で圧縮さ
れた原料空気は、温度制御手段でアフタークーラーバイ
パス量を制御することによって所定の温度に調節された
後、該温度における水分飽和の状態で原料空気導入経路
３１から原料空気入口弁２１ｂを通って吸着塔Ｂに流入
する。吸着塔Ｂで精製された精製空気は、精製空気出口
弁２３ｂから精製空気導出経路３３に流出し、その一部
がパージガス導入経路３４と充圧ガス導入経路３５とに
分岐し、パージガス及び充圧ガスとして用いられる。
【００５１】吸着塔Ａでは、最初に排気弁２２ａからパ
ージガス導出経路３２に塔内のガスを排出する減圧工程
が行われ、続いて、パージガス導入経路３４に分岐した
精製空気がヒーター５４により所定温度に加熱された
後、パージ弁２４ａを通って吸着塔Ａ内に導入され、排
気弁２２ａから排出される加熱工程が行われる。吸着塔
Ｃでは、充圧ガス導入経路３５に分岐した精製空気が充
圧弁２５ｃを通って吸着塔Ｃ内に導入されている。
【００５２】このように形成した精製装置を使用し、原
料空気量を１５００Ｎｍ３／ｈ、原料空気圧力（吸着圧
力）を０．８ＭＰａ、再生圧力を大気圧、工程切換え時
間を２０分にそれぞれ固定し、吸着塔に流入する原料空
気の温度（空気温度［℃］）、原料空気量に対するパー
ジガス量（パージガス率）、パージガスの温度（加熱温
度［℃］）及び吸着塔に充填した全吸着剤量に対する活
性アルミナの重量比を表２の実験番号１〜１０に示すよ
うにそれぞれ設定して運転し、精製空気中の水分量及び
炭酸ガス量を測定した。その結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】表２に示すように、空気液化分離装置の原
料空気の精製を想定した実験では、実験番号６では、空
気温度が低いために再生が十分に行えず、実験番号７で
は、空気温度が高いために十分な吸着除去が行えず、実
験番号８ではパージガス率が低くて十分な加熱再生が行
えず、実験番号９では加熱温度が低くて原料空気の持ち
込み熱量に対してパージガスが持ち込む熱量が少なくな
ったために十分な加熱再生が行えず、実験番号１０では
炭酸ガス吸着剤であるゼオライト１３Ｘの充填量が少な
いため、いずれの場合においても、精製空気中の炭酸ガ
ス量が１ｐｐｍを超え、炭酸ガスに対して吸着剤が破過
した状態になってしまった。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
フロン冷凍機や水洗冷却塔等の特別な設備を用いること
なく、圧縮後の原料ガスを空冷あるいは水冷によるアフ
タークーラーで冷却するだけでも、原料ガス中の水分、
炭酸ガスを高度に除去することができる。また、切換え
時間の短縮により、吸着塔の小型化を図ることができ、
パージガス量と加熱程度とを最適化することによって経
済的にガスを精製することができる。特に、空気液化分
離装置の原料空気を精製するための前処理用精製装置と
して最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のガス精製方法を適用したガス精製装
置の概略を示す系統図である。
【図２】 実施例で使用したガス精製装置の系統図であ
る。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ…吸着塔、２…空気圧縮機、３…予熱器、４
…アフタークーラー、８…精製ガス冷却器、９…液化深
冷部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 遠山 繁生 東京都港区西新橋１−16−７ 日本酸素株 式会社内 Ｆターム(参考） 4D012 CA01 CA03 CB16 CD01 CD07 CE01 CE03 CF01 CF02 CF04 CF10 CG01 CH02 CJ02 CJ05 CK01

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 不純物として水分及び炭酸ガスを含む原
    料ガスを、前記不純物を吸着する吸着剤を充填した複数
    の切換え使用される吸着塔に通して前記不純物を除去す
    ることにより精製ガスを得る方法であって、（ａ）圧縮
    した原料ガスを前記吸着塔に導入し、該原料ガスの水分
    を最初に吸着除去し、続いて炭酸ガスを吸着除去する吸
    着工程と、（ｂ）前記吸着工程の後に、吸着塔内を大気
    圧まで減圧する減圧工程と、（ｃ）前記減圧工程の後
    に、前記不純物を含まないパージガスを前記吸着塔に導
    入して吸着剤を加熱再生する加熱工程と、（ｄ）前記加
    熱工程の後に、前記不純物を含まないガスを前記吸着塔
    に導入して昇圧する充圧工程とを含み、前記各工程
    （ａ），（ｂ＋ｃ），（ｄ）の時間をそれぞれ１０〜４
    ０分の範囲に設定したことを特徴とするガス精製方法。
  2. 【請求項２】 前記吸着工程において、前記吸着塔に導
    入される原料ガスの温度が３０℃以上、４５℃以下であ
    ることを特徴とする請求項１記載のガス精製方法。
  3. 【請求項３】 前記加熱工程における前記パージガスの
    量が、前記吸着工程における前記原料ガス量に対して
    ０．２〜０．５の範囲であることを特徴とする請求項１
    記載のガス精製方法。
  4. 【請求項４】 前記加熱工程におけるパージガスによっ
    て吸着塔へ供給される熱量が、前記吸着工程における前
    記原料ガスによって吸着塔へ持ち込まれる熱量に対して
    ０．５以上であることを特徴とする請求項１記載のガス
    精製方法。
  5. 【請求項５】 前記圧縮した原料ガスを前記吸着塔に導
    入する前に、空気又は冷却水と熱交換させて冷却するこ
    とを特徴とする請求項１記載のガス精製方法。
  6. 【請求項６】 前記圧縮した原料ガスを前記吸着塔に導
    入する前に、循環冷却水と向流気液接触させて冷却する
    ことを特徴とする請求項１記載のガス精製方法。
  7. 【請求項７】 前記吸着塔で精製された精製ガスを、空
    気又は冷却水と熱交換させて６０℃以下に冷却すること
    を特徴とする請求項１記載のガス精製方法。
  8. 【請求項８】 前記圧縮した原料ガスと前記パージガス
    とを熱交換させることにより、前記圧縮した原料ガスを
    冷却するとともに前記パージガスを加熱することを特徴
    とする請求項１記載のガス精製方法。
  9. 【請求項９】 前記原料ガスが空気液化分離装置の原料
    空気であり、前記パージガスが前記空気液化分離装置か
    ら導出される廃ガスであることを特徴とする請求項１乃
    至８のいずれか１項に記載のガス精製方法。
  10. 【請求項１０】 不純物として水分及び炭酸ガスを含む
    原料ガスから、前記不純物を除去して精製ガスを得るガ
    ス精製装置であって、原料ガスを圧縮する圧縮機と、圧
    縮された原料ガス中の前記不純物を吸着する水分吸着剤
    と炭酸ガス吸着剤とを充填した複数の吸着塔と、前記圧
    縮機から前記吸着塔の一端に接続された原料ガス導入経
    路と、前記吸着塔の他端に接続され、該吸着塔で精製さ
    れた精製ガスを導出する精製ガス導出経路と、前記精製
    ガス導出経路に接続され、前記吸着剤に吸着された不純
    物を脱着してパージするパージガスを導入するパージガ
    ス導入経路と、前記原料ガス導入経路に接続され、吸着
    塔内を通過したパージガスを導出するパージガス導出経
    路とを備えるとともに、前記吸着塔は、前記原料ガス入
    口側に前記水分吸着剤を、前記精製ガス出口側に前記炭
    酸ガス吸着剤を充填したものであり、かつ、前記水分吸
    着剤の全吸着剤に対する重量割合が０．７以下であるこ
    とを特徴とするガス精製装置。
  11. 【請求項１１】 前記水分吸着剤が、活性アルミナ、シ
    リカゲルあるいはＡ型ゼオライトのいずれか１種類又は
    これらの吸着剤の２種類以上の組合せであることを特徴
    とする請求項１０記載のガス精製装置。
  12. 【請求項１２】 前記炭酸ガス吸着剤がゼオライトであ
    ることを特徴とする請求項１０記載のガス精製装置。
  13. 【請求項１３】 前記原料ガス導入経路に、空気又は冷
    却水を冷却源として原料ガスを冷却する原料ガス冷却器
    を設けたことを特徴とする請求項１０記載のガス精製装
    置。
  14. 【請求項１４】 前記原料ガス導入経路に、循環冷却水
    と圧縮された原料ガスとを気液接触させて原料ガスを冷
    却する水洗冷却塔を設けたことを特徴とする請求項１０
    記載のガス精製装置。
  15. 【請求項１５】 前記原料ガス導入経路に、原料ガス経
    路を一方の熱交換通路とし、パージガス経路を他方の熱
    交換通路とした予熱器を備えたことを特徴とする請求項
    １０記載のガス精製装置。
  16. 【請求項１６】 前記原料ガス導入経路に、前記吸着塔
    に導入する原料ガスの温度を調節する温度制御手段を設
    けたことを特徴とする請求項１３、１４又は１５記載の
    ガス精製装置。
  17. 【請求項１７】 前記精製ガス導出経路に、空気又は冷
    却水を冷却源として精製ガスを冷却する精製ガス冷却器
    を設けたことを特徴とする請求項１０記載のガス精製装
    置。
  18. 【請求項１８】 前記パージガス導入経路に、パージガ
    スを加熱する加熱器を備えたことを特徴とする請求項１
    ０記載のガス精製装置。
  19. 【請求項１９】 前記パージガス導入経路が、他の吸着
    塔に接続した精製ガス導出経路から分岐した経路である
    ことを特徴とする請求項１０記載のガス精製装置。
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