JPH01274822A - 圧力変動吸着方式による酸素ガスの精製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、酸素中に不純物と１７で含まれるアルゴン及
び／又は窒素を除去し製品酸素の純度を高めるための方
法に関するものである。

（従来技術） 大量の酸素を得る方法として空気を一旦液化の）え、沸
点差を利用して酸素を分離するいわゆる深冷分離方式に
代表される方法が主流となっていた。この方法は高純度
の酸素が得られる反面、大規模な設備投資を必要とし、
設備場所も限定され一般に消費場所までタンクローリ−
等で輸送する方法がとられている。

近年、小型化が可能で消費場所に隣接して設置すること
ができ、必要な時容易に酸素を供給しうるゼオライトを
吸着剤とする圧力変動吸着方式（以下、ＰＳＡ方式と記
す。）、或いは膜分離方式の酸素ガス分離装置が実用化
され急速に酸素市場へ底開して来た。然し、ゼオライト
系ＰＳＡ方式の場合、吸着剤の特性から約９５容量％（
以下、％と記す、）以上の酸素純度を得ることはできず
、又膜分離方式においては酸素濃度３０〜・４０％の比
較的低純度領域で利用され、いずれもその用途は限定さ
れている。

（発明が解決しようとする問題点） 酸素ＰＳＡ方式の吸着剤として用いられるゼオライトは
窒素、二酸化炭素等を吸着し、酸素、アルゴン等は通過
する特性を有する。従って、空気を原料とした場合、少
なくとも製品酸素中に濃縮されたアルゴンが５％近傍の
不純物として混在する事は避けられない。

これ等の不純物を除去し、得られる酸素純度を改善する
ための研究が始められている０分子篩炭（以下、ＭＳＣ
と記す。）は窒素、アルゴン等と酸素、二酸化炭素等の
グループ間に著しい吸着速度差を有する。空気を原料と
し、先ず、ゼオライト系ＰＳＡ方式でアルゴン等の不純
物を含む粗酸素を分離し、得られたガスをＭ　Ｓ　Ｃ系
ＰＳＡ方式の精製装置に導き、ＭＳＣに吸着された酸素
を脱着すれば、問題となる不純物を除去しうろことが容
易に考えられる。

然し、この方法においては二種類のＰＳＡによって装置
が構成されるため如何に高純度の酸素を高い収率のもと
に精製し、より安価な装置とするかが実用化の上で最大
の問題点となる。

（問題を解決するための手段） 本発明者等は、ＭＳＣ系ＰＳＡ方式を前提として高純度
の酸素を低価格の製造原価で精製することの可能性につ
き鋭意研究の結果、次に述べる方法を発明するに到った
。即ち、 （１）８０％以上の酸素と、残存成分が主としてアルガ
ン及び／又は窒素で構成する加圧状態の原料ガスを用い
、ＭＳＣを充填した２基の吸着槽等よりなるＰＳＡ方式
の酸素ガス精製装置において、酸素の吸着操作を完了し
た吸着槽Ａと、製品酸素を取出すため最終到達圧力が大
気圧を下要わる減圧状態で脱着操作を完了した吸着槽Ｂ
の両排気ガス出口側どうしを連通し、吸着槽Ａ内に存在
するガスの一部を圧力差により吸着槽Ｂへ移動さすこと
を特徴とした酸素ガス精製方法。

（２）（１）項記載の原料ガス及び酸素ガス精製装置に
おいて、 ａ）酸素の吸着操作を完了した吸着槽Ａと製品酸素を取
出すために最終到達圧力が、大気圧を下要わる減圧状態
で脱着操作を完了した吸着槽Ｂの両排気ガス出口側どう
しを連通し、吸着槽Ａ内に存在するガスの一部を圧力差
により吸着槽Ｂへ移動さす工程、 ｂ）次に、両吸着槽の排気ガス出口側どうしを連通した
状態で、製品貯槽と吸着槽Ａの原料ガス入口側を連通し
て製品酸素を両吸着槽に移動さす工程、 を特徴とした酸素ガス精製方法。

（３）（１）項記載の原料ガス及び酸素ガス精製装置に
おいで、酸素の吸着操作を完了した吸着槽Ａと製品酸素
を取出すため最終到達圧力が大気圧を下要わる状態で脱
着操作を完了した吸着槽Ｂの両排気ガス出口側どうしを
連通し、更に吸着槽Ａの原料ガス入口側と製品貯槽を同
時に連通して製品酸素を両吸着檀に移動さすことを特徴
とした酸素ガス精製方法である。

以下、第１図に例示する酸素ガス精製装置を用いて本発
明を更に詳しく説明する。

本発明による装置の吸着槽は２基より構成されなげれば
ならないゆ吸着剤として使用されるＭＳＣは、その吸着
速度差を利用して酸素とその他の成分を分離するもので
ある。従って、吸着槽が３基以上になると設備費の増大
ばかりでなく、吸着している期間の制御がむずかしく性
能が低下する一方、吸着槽を１基とすれば吸脱着両操作
を同時に実施することが不可能となるため、連続的なガ
ス分離はできない。

ゼオライト系ＰＳＡ方式、或いは膜分離等で得られた酸
素濃度８０％以上の酸素ガスと、残存成分がアルゴン及
び／又は窒素等よりなる加圧状態の原料ガスは弁５を経
由して吸着Ｎ１へ入り、槽内に充填されているＭＳＣと
接触し、急速に吸着される酸素を主体とする成分及び吸
着されなかった成分に分離される。非吸着成分は弁１１
１回収槽４゜弁１４を通り排ガスとして系外に放出され
るが、必要によりゼオライト・系ＰＳＡ方式酸素ガス分
離装置等の原料中に混合し、再利用しても構わない。

回収槽４は吸着操作時の排ガス量を制御するために効果
的な役割を果たす。

当該ＭＳＣの分離性能が許容限界に到達し吸着操作を完
了した吸着槽１は製品酸素取出のための脱着操作に、又
、脱着操作を終えた吸着槽２は吸着操作に同時に移行す
ることで連続的に製品を得ることができる。

然【７、吸着操作を完了した吸着槽１内の空隙部には未
だ吸着され℃いない酸素と共に多量のアルゴン等不純成
分が残存しており、直接脱着操作に移行するとこれ等の
成分が製品中に混入して酸素純度の低下原因となる。

本発明者等は吸着槽１内に充填しているＭＳＣの分離性
能が許容限界まで到達するに必要な時間が経過すると弁
５．１０．１１を閉じ、弁１３を開いて吸着槽１内残存
ガスの一部を威圧状態にある吸着槽２へ移動さすことに
よって、得られる製品の高純度化並びに収率の向上に著
しい効果が認められることを明らかに【また。即ち、吸
着槽１内に存在する未吸着状態のガスを脱着操作が完了
した吸着槽２へ移動さすことで、吸着槽１内に存在４−
る酸素以外の不純成分を大巾に減少せしめるほか、移動
ガス中に残存する酸素゛は吸着槽２内のＭＳＣに吸着回
収される。

更に、吸着槽２内の圧力がガス移動により上昇するため
、弁１３を閉止、弁８に引続き弁１２を開いて実施する
吸着槽２の吸着操作開始直後、当該槽内圧力が低過ぎる
ことに起因１．た原料ガスの吸着床内通過速度の増大で
製品収率が低下する現象を改善しうる効果も期待できる
。

吸着槽１は弁１１を閉止した状態で弁７を開き真空ポン
プ１５で吸引し、ＭＳＣに吸着されている酸素を脱着し
て製品貯槽３に一旦たくわえたのち消費きれる。

なお、更に高純度の製品窒素を必要とする場合は、上記
両吸着槽１゜２間のガス移動に引続き、脱Ｍ操作に移行
する前に弁６を開いて製品貯槽にたくわえられている酸
素で吸着槽１内を洗滌し、洗滌後のガスは弁１３を経由
、吸着槽２において含まれる酸素を吸着回収する。

吸着８１１．２間のガス移動を行なう際、同時に製品貯
槽の酸素を用い上記洗滌操作を実施し工も構わない、こ
の方法は制御が簡単となるが、反面吸着槽１．２間のガ
ス移動が吸着槽２内の圧力として絶対圧力で吸着槽１内
の圧力が９０％以上に到達したあとで洗滌操作を実施す
る場合と比較すれば純度面で劣る。

いずれにしても、要求される酸素純度によってこれ等三
種類の方法のうち最も適した方法を選択すればよい。

また、本発明におけるガスの流れを満足さすため吸着操
作を行なうに必要な原料ガス供給圧力は１　ｋｇ／　ｃ
ｍ”Ｇ〜０　、　１　ｋｇ／　ａｍ”Ｇ、製品窒素を取
出すための脱着操作で最終到達真空度は３００　Ｔｏｒ
ｒ〜５０Ｔｏｒｒの範囲に設定することが望ましい。

更に、吸着槽１．２間の残存ガス移動時間は吸、着槽１
内のＭＳＣに吸着されている酸素がこの段階で脱着する
ことを可能な限り防止するため、吸着槽２の圧力が絶対
圧力で吸着槽１の圧力の９０％以上、即ち等圧に近い状
態までに２秒以内で到達する様、両吸着槽間の配管抵抗
等を配飄孝゛る。

又、洗滌操作についても同様の主旨で２秒以内とし、よ
り好ましくは吸着槽間のガス移動と洗滌の操作を合わせ
た所要時間を３秒以内に抑える９以降、吸着槽１，２は
吸着、脱着の同操作を１８０°の位相差をもって交互に
繰返し実施すると連続的に高純度の製品窒素を得ること
ができる。

（実施例） 実施例１ 第１図に示すＭＳＣを充填した２基の吸着槽よりなるＰ
ＳＡ方式Ｖ素ガス精製装置を用い、０５　ｋｇ／　ｅｍ
”Ｇに加圧された９３％の酸素と残存成分が主としてア
ルゴン及び窒素よりなる混合ガスを原料とし、吸着及び
脱着操作は６０秒単位で両吸着槽が１８０°の位相差を
もって交互に切替えるが、上記切替にさきだち弁５，６
．７．８，９゜１０、ｉｌ、１２．１３が全て閉止状態
で弁１３のみを１秒間間いて吸着操作を完ｒした檜より
脱着操作を終った檀−ガス移動を行ない、両槽はほぼ等
圧の状態にした上で切替えを行ない次の吸着及び脱着操
作を開始した。なお、脱着操作時の最終到達真空度は１
５０　Ｔｏｒｒとなるようにして製品酸素を取り出した
。

連続運転時、系外に排出するガス量を調節することによ
り収率９２％に設定した場合の製品貯槽１」４０部にお
ける酸素濃度は９９．０％であった。

実施例２ 実施例１と同一原料ガス及び精製装置を用い、吸脱着操
作切替にききたち１秒間の吸着槽間ガス移動を行なった
のち、弁１３を開いた状態で引続いて１秒間弁６又は９
を開くことにより吸着操作を完了した積と製品貯槽を連
通し、製品酸素で上記吸着種内を洗滌のうえ、弁１３を
経て洗滌後ガス中の酸素をもう−・方の吸着槽で回収す
る方法を追加した。他の条件等は実施例１に準じ、収率
９２％における製品貯槽出口部の酸素濃度は９９゜８％
であった。

実施例３ ２秒間弁１３とｐｒ６又は弁９を開き吸着種間のガス移
動と吸着操作を完了１．た槽、製品貯槽間の連通による
洗滌操作並びに回収を同時に実施する以外全て実施例２
と同一条件で運転した結果、収率９２％における製品貯
槽出口部の酸素濃度は、９９．５％であった。

比較例１ 実施例と同一原料ガス及び精製装置を用い吸着操作が完
了すると直ちに脱着操作、又脱着操作が終ったものにつ
いては直ちに吸着操作を行なうよう両吸着檀は交互に切
替える方法を採用する以外全て実施例１と同一条件で運
転した結果、収率７３％に低下しても、製品貯槽出口部
の酸素濃度は９７．８％にとどまった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例を示すフローシートである。 図中１．２はＭＳＣを充填した吸着槽、３は製品貯槽、
４は回収槽、５．６．７，８．９．１０．１１．１２．
１３は切替弁、１４は排気ガス調節弁、１５は真空ポン
プを示す。 第１図 手続補正書（自＠） 昭和６３年６月１０日

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）８０容量％以上の酸素と、残存成分が主としてア
   ルゴン及び／又は窒素で構成する加圧状態の原料ガスを
   用い、分子篩炭を充填した２基の吸着槽等よりなる圧力
   変動吸着方式の酸素ガス精製装置において、酸素の吸着
   操作を完了した吸着槽Ａと、製品酸素を取出すため最終
   到達圧力が大気圧を下廻わる減圧状態で脱着操作を完了
   した吸着槽Ｂの両排気ガス出口側どうしを連通し、吸着
   槽Ａ内に存在するガスの一部を圧力差により吸着槽Ｂへ
   移動さすことを特徴とした酸素ガス精製方法。
2. （２）特許請求範囲第１項記載の原料ガス及び酸素ガス
   精製装置において、 ａ）酸素の吸着操作を完了した吸着槽Ａと製品酸素を取
   出すため最終到達圧力が、大気圧を下廻わる減圧状態で
   脱着操作を完了した吸着槽Ｂの両排気ガス出口側どうし
   を連通し、吸着槽Ａ内に存在するガスの一部を圧力差に
   より吸着槽Ｂへ移動さす工程、 ｂ）次に、両吸着槽の排気ガス出口側どうしを連通した
   状態で、製品貯槽と吸着槽Ａの原料ガス入口側を連通し
   て製品酸素を両吸着槽に移動さす工程、 を特徴とした酸素ガス精製方法。
3. （３）特許請求範囲第１項記載の原料ガス及び酸素ガス
   精製装置において、酸素の吸着操作を完了した吸着槽Ａ
   と製品酸素を取出すため最終到達圧力が大気圧を下廻わ
   る状態で脱着操作を完了した吸着槽Ｂの両排気ガス出口
   側どうしを連通し、更に吸着槽Ａの原料ガス入口側と製
   品貯槽を同時に連通して製品酸素を両吸着槽に移動さす
   ことを特徴とした酸素ガス精製方法。