JPH0154281B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、酸素受容体を用いて酸化をとうして
酸素を吸収して減圧のもとで脱着を行なうことに
よつて酸素を回収する化学的方法で空気を分離す
る方法に関する。さらに詳細には、本発明は減圧
脱着領域で各段の吸収域に対して別個に脱着を行
なうアルカリ金属の亜硝酸塩及び硝酸塩の混合物
を用いて直列に配置した複数段の化学的酸素吸収
域で空気から酸素を製造する方法に関する。 （従来の技術） 空気の分離は、長い間吸収及び低温技術を用い
て行なわれてきた。これらの技術は、空気中の百
分率の高い成分、すなわち窒素及び酸素を回収す
るのに成功を収めてきた。しかしながら、吸収及
び低温技術はそれぞれ高い圧力と極低温を必要と
するため高いエネルギーを集中的に用いる。 種々の化学的媒体により酸素を窒素から分離す
ることは知られている。空気からの酸素は、非可
逆的に多数の化学的相互反応を生ずることが知ら
れている。さらに、空気からの酸素との可逆的な
反応が起ることも知られている。しかしながら、
酸素と化学薬剤とのこれらの可逆的反応の大部分
は、比較的低いパーセントの酸素のみを回収する
には十分であるか、あるいはその回収技術は、工
業的連続操業にとつては好ましいものではない。
可逆的化学反応で空気から酸素を分離するのに実
施可能の代案を提供するものとして、アルカリ金
属の亜硝酸塩と硝酸塩を組み合わせて使用するこ
とが知られている。 米国特許第4132766号には、再生可能な化学的
方法で空気から酸素を分離する方法が記載されて
いる。空気は、酸素受容体を構成する溶融アルカ
リ金属塩と接触させられる。酸化された酸素受容
体は、取り出されて減圧させられ受容体から遊離
酸素を再生している。その後、再生された受容体
は、さらに新たな酸化を行なうように循環使用す
ることができる。 米国特許第4287170号には、空気から窒素と酸
素を別々に回収する方法が記載されている。この
方法では、溶融アルカリ金属塩混合物が酸素によ
つて酸化され、その後この塩混合物を減圧して酸
素を回収する第１の吸収−脱着サイクルが用いら
れている。残留酸素を含む吸収領域からの流出物
は、その後第２の吸収領域へ送られ、そこで例え
ば酸化マグネシウム等の脱気剤と接触させて残留
酸素が取り除かれる。この吸収領域からの流出物
は、市販純度を有する窒素生成物となる。酸化さ
れた脱気剤は、還元ガスと接触させて還元を行う
ことにより混合物状態の純粋な組成ではない副生
成物として残留酸素及び還元ガスを含む排気流出
物が生成される。 米国特許第4340578号には、空気を酸素と酸素
を除去した流れとに分離するための別の方法が開
示されており、この方法では空気を圧縮し加熱し
かつアルカリ金属塩の混合物と接触させることに
よつて金属塩混合物を酸化するとともに酸素を除
去した流出流を得ている。その後、酸化された金
属塩の混合物を減圧領域で減圧をして酸素生成物
を回収している。再生された塩混合物は吸収ある
いは接触領域へ循環使用される。そして、酸素の
除かれたガスとなつている吸収領域からの流出物
は、燃料により燃焼させて膨張させ処理スチーム
との間で熱交換を行ない、反応に必要な熱及び供
給空気及び生成酸素の圧縮に必要な動力を得てい
る。この特許には、多段の吸収及び脱着が考慮さ
れている旨の指摘があるけれど、このような多段
での吸収及び脱着についての正確なフロー図は記
載されていない。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は、以下に述べるようにより廉価な資本
額でエネルギー効率の改良を達成する並列脱着か
ら成る特有なシステムを使用して高圧酸素を先行
技術のものよりも大量に回収できる、上記先行技
術の溶融アルカリ金属塩の混合物を用いて空気か
ら酸素を回収するための改良方法を提供するもの
である。 （問題を解決するための手段） 本発明は、加圧空気を吸収領域内で酸素受容体
と接触させて酸化を行ない、酸化された酸素受容
体を分離して脱着領域内で減圧によつて分解させ
て酸素と再生された酸素受容体とを得て、再生さ
れた酸素受容体を吸収領域へ循環使用する、空気
を酸素と窒素に連続的に化学的に分離する方法に
関し、加圧空気を複数段の吸収領域内で酸素受容
体を用いて分離し、各吸収領域は酸素を回収し酸
素受容体を再生するための別個の脱着領域に接続
されていることを特徴とするものである。 所望によつて、付帯した複数の脱着領域を有す
る２段の吸収域で分離を行なうこともできる。あ
るいは、第１の吸収領域が互いに直列に連結され
た２段の付帯脱着域をを有し、個々の脱着領域内
で比較的高圧の酸素と比較的中程度の圧力の酸素
を回収するようにすることもできる。 本発明の方法の利点は、本方法の吸収領域から
の流出流として市販純度を有する窒素生成物が回
収されるという点にある。 酸素受容体は、アルカリ金属の亜硝酸塩とアル
カリ金属の硝酸塩との溶融溶液から成ることが好
ましい。 上記分離が、互いに他の脱着領域と並列に作動
する付帯した別個の脱着領域をもつ直列に連結さ
れた３つの吸収領域内で行なわれることが好まし
い。 また、本化学的分離方法では、約1.05Kg／cm²
（15psia）で処理空気の約25％の高圧酸素と、約
0.42Kg／cm²（6psia）で処理空気の約52％の中圧
酸素と約0.18Kg／cm²（2.5psia）で処理空気の約13
％の低圧酸素が回収されることが好ましい。 本発明は、溶融アルカリ金属塩を用いた空気の
化学的分離法に関する先行技術を改良するもので
ある。この先行技術は、上掲の米国特許第
4132766、4287170及び4340578号とに代表されて
おり、これらの特許はここに本発明の説明中に参
照して組み入れてある。 （作 用） 本発明は、空気を酸素受容体と接触させ、酸化
状態の酸素受容体を減圧によつて再生する多重吸
収−脱着サイクルを利用している。そして、各吸
収領域から流出する酸素を除去した流れは次の吸
収領域に送られて所定量供給空気中に含まれてい
る大部分の酸素が回収される。 アルカリ金属の溶融亜硝酸塩及び硝酸塩から成
る酸素受容体を、遊離酸素の一部と反応するよう
な条件下で例えば空気のような遊離酸素を含むガ
ス状混合物と接触させて凝結相酸化された酸素受
容体が得られる。凝結相物質は、排出されてくる
酸素の除去されたガスから容易に分離され、分解
反応によつて比較的純粋な形でその酸素を放出さ
せられる。分解反応は、減圧及び／あるいは加熱
によつて起こされ、ストリツプガス供給して促進
させてもよい。分解すると、酸化されていた酸素
受容体は元の酸素受容体に戻され、酸素を多く含
んだ放出ガスが集められる。そして、このサイク
ルがくり返される。先行技術には、空気の化学的
分離法としてバツチ式及び連続式の両方の処理方
法が開示されているが、これら両方の方法とも本
願で新たに開示されている方法に適用することが
できる。特に、各酸化反応及び分解反応が互いに
熱交換を行うようにして行なわれた場合には、高
いエネルギー効率が達成でき、それによつて、酸
化反応による発熱によつて吸熱分解反応で必要な
熱の大部分がまかなわれる。 酸素受容体は、液体でかつ処理条件で空気と反
応させた場合にも液体状態を保ち、かつ生成酸素
中に望ましくない不純物を混入させない組成物で
あることが好ましい。本発明は、酸素受容体の特
有な性質を利用する方法から成り、それによつて
酸素の生成に必要なエネルギー量を実質的に削減
している。 酸素受容体は、アルカリ金属塩の溶融混合物で
ある。塩のアニオン組成は、50―94％の硝酸塩と
４―25％の亜硝酸塩及び0.5―25％の過酸化物及
び超酸化物の複合体からなり、ここに％はモル・
パーセントを意味する。カチオン組成としては、
ナトリウムとカリウムのあらゆる割合からなるも
のが掲げられるが、30％―70％のナトリウム及び
残部がカリウムから成るものが好ましい。 （発明の効果） 本発明の方法で多重吸収−脱着サイクル構成を
用いることによつて本願で記載した方式の化学的
分離方法における所定量の供給空気から回収され
る高中圧の酸素量が増加する。単一段階での吸収
−脱着構成と比較すると、本発明に係る多重段階
方法の収率は以下のとうりである。

【表】 各種の脱着領域での高圧酸素の回収率が上がれ
ばその結果、酸素生成物を所望のレベルまで再圧
縮するのに必要な機械的エネルギーが少なくな
り、かつ本方法に含まれる機械装置に費される資
本額も少なくなる。好ましい実施態様では、３つ
の吸収領域が直列になつておりそれぞれの吸収領
域に並列に３つの脱着領域が連結されているが、
理論的には吸収−脱着サイクルの数は幾つでも可
能である。吸着装置の圧力は1.4―42Kg／cm²（20
―600psia）が考慮されており、脱着装置の圧力
は0.14―７Kg／cm²（２―100psia）が考慮されて
いる。 （実施例） 本発明をさらに良く理解してもらうために、好
ましい実施態様を図面を参照して以下に説明す
る。好ましい実施態様を第１図に図示してある
が、本発明の利点を理解するために先行技術を表
わしている第３図と対比すべきである。 第１図において、ライン１０の加圧清浄空気の
供給流が３つの分離した吸収領域１４，１６及び
１８を有する多段吸収装置に導入されて本発明の
方法が実施される。各領域で、空気を酸素受容
体、好ましくは亜硝酸塩と硝酸塩混合物からなる
アルカリ金属塩の溶融塩溶液に対して向流通過さ
せている。酸素を除去した流出流は、ライン２０
で吸収装置２０から取り出される。この流出流
は、市販純度を有する窒素からなることが好まし
い。吸収領域１４を通過する最初の供給空気は、
新鮮なあるいは再生をした酸素受容体と接触させ
られる。酸素受容体は、空気の流れから酸素を除
去する際に酸化される。一部酸素が除去された流
れは、次に後続の吸収領域１６を通過する。酸化
された酸素受容体は、ライン２２で取り出され、
脱着容器２６を構成する脱着領域に導入される前
にバルブ２４により速やかに減圧される。減圧下
に、酸素受容体から酸素が放出され、オーバーヘ
ツドライン２８により容器２６から出ていく。こ
の酸素は、純度の高い高圧酸素生成物である。供
給圧が７Kg／cm²（100psia）の場合、この酸素生
成物は1.05Kg／cm²（15psia）で得られかつ処理空
気中の酸素の25％からなることが好ましい。 再生条件で還元された酸素受容体は、ライン３
０で取り出され、ポンプ３２及びライン３４で昇
圧して吸収装置１２に戻される。 第１段階で酸素が除去されたが依然として残留
酸素を含んでいる空気の流れは、次に吸収装置１
２の中間領域１６内で第２の量の酸素受容体と接
触させられる。この空気の流れからさらに酸素が
除去され、かつこの除去工程で新鮮なあるいは再
生された酸素受容体が酸化される。そして、酸素
がさらに除去された空気は、吸収装置１２の次の
領域１８を通過させられる。領域１６で酸化され
た酸素受容体は、ライン３６で取り出されバルブ
３８により急速に減圧される。酸素受容体は、脱
着容器４０をなす脱着領域に導入されて、そこで
減圧条件下に結合酸素が解離されてオーバーヘツ
ドライン４２で容器４０から出ていく。この酸素
は、７Kg／cm²（100psia）の供給量に対して0.42
Kg／cm²（6psia）で回収され、処理空気中の52％
の酸素からなるのが好ましい。再生状態に還元さ
れた酸素受容体は、ライン４４で容器４０から底
部流として取り出されポンプ４６とライン４８を
通つて昇圧され本方法の多段吸収領域の吸収装置
１２の中間領域１６に循環返流される。 次に、さらに酸素の除去された空気流は第３番
目の最后の吸収領域１８でさらに別の新鮮なある
いは再生された酸素受容体と接触をし、これら２
つの成分の向流中で酸素受容体が酸化され空気流
中の酸素がさらに除去される。吸収装置１２のこ
の最終領域１８から市販純度の窒素を取り出し、
ライン２０で生成物として回収するのが好まし
い。酸化された酸素受容体は、ライン５０で取り
出され脱着容器５４を構成する第３番目の脱着領
域に導入される前にバルブ５２で急速に減圧させ
る。減圧条件のもとに、結合酸素は酸素受容体か
ら解放されてライン５６でオーバーヘツド流とし
て回収される。この酸素は、７Kg／cm²（100psia）
で送られてくる供給流に対して0.14Kg／cm²
（2psia）で回収されて全システムで処理される空
気中の13％の酸素からなるのが好ましい。そし
て、再生状態に還元された酸素受容体は、ポンプ
６０とライン６２で当初の昇圧状態で吸収領域へ
返還される。 図示はしてないが、ライン２８，４２及び５６
から別個に回収された酸素生成物は、最終ライン
５６及び中間ライン４２の酸素回収サイクルを最
初のライン２８の酸素回収サイクルの圧力にまで
段階的に再圧縮を行なうことによつて一つの高圧
流にまとめることができる。各吸収−脱着サイク
ルは、アルカリ金属の亜硝酸塩及び硝酸塩及び少
量の過酸化物並びに超酸化物との溶融混合物とか
ら成る同一のタイプの酸素受容体で行なうことが
好ましいが、各々分離した吸収−脱着サイクルを
吸収領域の各段階で特定の濃度及び圧力で酸素を
回収ように外注ブレンドされた個々の別々な酸素
受容体溶液とすることも考えられる。 第１図の本方法のフロー図の配置に示されてい
るように、各吸収段階は各々直列に連結されてい
て第１の吸収領域を通つて流れてくる空気流は次
に第２の吸収領域を通つて送られ最后に最終吸収
領域を通過させられる。吸収領域のこの直列配列
と対照的に、脱着領域は並列にかつ不連続な様態
で配置されている。言い換えると、各直列の吸収
領域は、それ自身の分離した別個の脱着領域を備
えている。１つの脱着領域で再生された酸素受容
体は、他の脱着領域へは通されない。吸着領域及
び脱着領域のこの特有な配置によつて高圧酸素の
回収率が増大し、エネルギー効率が上り、かつ本
発明の装置の資本額が低下させられる。 第１図の好ましい実施態様の代案の実施態様が
第２図に示されている。第２図において、別個の
吸収領域２１２と２１６が用いられかつ並列の脱
着領域には例えば２２６及び２３４のような直列
に配置されている複数段の脱着域を含むことがで
きる空気を化学的に分離するための吸収−脱着方
法が図示してある。この方法は、先の好ましい実
施態様と同様に作動し、空気は吸収容器を構成す
る吸収領域２１２にライン２１０で昇圧して導入
される。酸素受容体を構成する溶融アルカリ金属
塩がライン２２０で導入され空気と向流接触をし
て酸化され空気流中の含有酸素を窒素及び残余の
成分とから分離する。そして酸素の除去された流
出流は、ライン２１４で取り出されて第２の吸収
領域２１６に導入される。 吸収領域２１２からの酸化された酸素受容体
は、ライン２２２で取り出されてバルブ２２４を
通つて急速に減圧される。酸化された酸素受容体
は、脱着容器を構成する脱着領域の第１段階２２
６で一部再成されオーバーヘツドライン２２８で
結合酸素がガス相として減圧下で取り出される。
一部再生された酸素受容体は、ライン２３０で底
部流として取り出されバルブ２３２を通つて直ち
に一層低圧レベルに減圧されて脱着容器を構成す
る第２番目の直列脱着段２３４へ導入される。一
部再生された酸素受容体は、中圧でライン２３６
により残留結合酸素をガス相として除去し、より
大きな減圧下で１部再生されていた酸素受容体を
完全に再生する。完全に再生された酸素受容体
は、ライン２３８で底部流として取り出されポン
プで最初の上昇圧力にまで昇上されてライン２２
０でポンプ２４０によつて吸収領域２１２に戻さ
れる。 ライン２１４中の酸素が１部除去された供給空
気流は、次にライン２４２で吸収領域２１６に導
入される酸素受容体の第２の流れと２回目の接触
をさせられる。酸素受容体は、この吸収段で酸素
の除去された空気流と向流接触を行ない、酸素が
さらに除去された流出流はライン２１２から取り
出される。この流出流は、市販純度の窒素である
ことが好ましい。酸化された酸素受容体は、ライ
ン２４４で底部流として取り出されバルブ２４６
を通つて直ちに減圧される。酸化された低圧の酸
素受容体は、さらに別の脱着容器を構成する脱着
領域２４８に導入される。減圧のもとに、酸素受
容体と化合した結合酸素は解放され、流れ２５２
中に酸素ガス相として回収される。この流れ中で
低圧酸素は、ライン２２８で回収される高圧酸素
の圧力までにブローワー圧縮機２５０によつて昇
圧される。再生された酸素受容体は、ライン２５
４で取り出され、ポンプ２５６及びライン２４２
によつてその最初の圧力で戻される。この代案の
実施態様では、脱着領域を並列に配置するととも
に吸収領域を直列とした場合のいくつかの利点が
得られる。しかしながら、第２図の第１の吸収−
脱着サイクルはその脱着領域に直列に配置された
脱着段を有するが、脱着領域では酸素生成物の圧
力は好ましい実施態様で可能な程には高く維持さ
れていないという点において第２図のものは、第
１図の好ましい実施態様の変種となつている。 第１図の好ましい実施態様及び第２図の代案の
実施態様の両方とも溶融塩の酸素受容体によつて
空気を化学的に分離している第３図に図示した既
知の操作法と対比してみるべきである。任意の熱
の吸収領域について従来教示はされてはいるが、
第３図では単一の吸収容器３１２は直列に配列さ
れた吸収領域３１４と３１６とからなる。空気は
３１０で導入され、酸素が除去された流出流はラ
イン３１８で取り出される。酸素受容体はライン
３７８で導入され、酸化された酸素受容体はライ
ン３２０で取り出されてバルブ３２２で減圧され
容器３２４，３３２及び３４０を構成する３つの
吸収領域で幾つかの圧力レベルで再生される。容
器３２４で最初に再生された後、酸素生成物はラ
イン３２６で回収され、一方１部再生された酸素
受容体はライン３２８で取り出されてライン３３
０で減圧される。容器３３２でさらに減圧され
て、ライン３３４で新たな酸素が取り出され、一
方、さらに再生された酸素受容体はライン３３６
で取り出されて、バルブ３３８で再度一層減圧さ
れる。低圧の酸素受容体は、容器３４０で完全に
再生され、低圧の酸素がライン３４２で取り出さ
れ、一方、ライン３４４の完全に再生された酸素
受容体はポンプ３４６でポンプ圧を加えられライ
ン３４８で戻される。 本発明と先行技術との差違は、新鮮な酸素受容
体が供給空気中に含まれている酸素と接触する機
会があるかどうかということにある。先行技術で
は、新たな吸収段は酸素受容体の単一の流れによ
つて達成されるので、酸素と結合する能力が減少
する。このようにして酸化された酸素受容体は、
相対的圧力を連続的に小さくするように還元し本
発明で回収されているのと同様の量の酸素が回収
されるようにしなければならない。従つて、第１
図に見られるように、別個なサイクルの新鮮な酸
素受容体が、吸収装置容器の種々の領域で供給空
気流と接触して、このような新鮮な酸素受容体と
結合可能な最大量の酸素を効率的に回収を行な
う。このようにして結合した酸素を回収するに
は、供給空気の流れから除去される所定量の酸素
に対してより低度な減圧が必要とされる。言い換
えると、酸素受容体の運搬能力を上げることによ
つて、より多くの酸素が減圧のレベルが高位でも
回収が可能となる。本発明の空気の化学的分離方
法は、各サイクルの吸収−脱着工程の各濃度ある
いは各分圧及び相対的圧力レベルにより定まる分
離平衡機構に依存しているので、酸素の回収率を
このように上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好ましい実施態様の簡略化
したフロー図であり、第２図は、本発明の代案の
実施態様の簡略化したフロー図であり、そして第
３図は、化学的空気分離方法における先行技術の
簡単化したフロー図である。 １０，２０，２２，３０，３４，３６，４４，
４８，５０，５８，２１０，２１４，２１８，２
２０，２２２，２３０，２３８，２４２，２４
４，２５４，３１０，３１８，３２０，３２６，
３２８，３３４，３３６，３４２，３４４，３４
８……ライン、１２，３１２……吸収装置、１
４，１６，１８，２１２，２１６，３１４，３１
６……吸収領域、２４，３８，５２，２２４，２
３２，２４６，３２２，３３０，３３８……バル
ブ、２６，４０，５４，２２６，２３４，２４
８，３２４，３３２，３４０……脱着領域、２
８，４２，５６，２２８，２３６，２５０……オ
ーバーヘツドライン、３２，４６，６０，２４
０，２５６，３４６……ポンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加圧空気を吸収領域内で酸素受容体と接触を
   させて酸化を行ない、酸化された酸素受容体を分
   離し脱着領域で減圧によつて分離し酸素生成物と
   再生した酸素受容体を得て、該再生酸素受容体を
   該吸収領域に循環使用する空気を酸素と窒素に分
   離するための連続的化学方法において、前記加圧
   空気を複数段の吸収領域内で酸素受容体を用いて
   分離し、各段の吸収領域が酸素生成物を回収しか
   つ酸素受容体を再生するための個別の脱着領域に
   接続されていることを特徴とする連続的化学方
   法。 ２ 付帯した脱着領域を有する２つの吸収領域内
   で前記分離を行なうことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載された方法。 ３ 第１番目の吸収領域は、２段の脱着域からな
   る付帯脱着領域を有し、該２段の脱着域は互いに
   直列に接触しており前記脱着領域から比較的高い
   圧力の酸素生成物と比較的中程度の圧力の酸素と
   を回収するようにしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載された方法。 ４ 最終吸収領域から市販純度を有する窒素生成
   物を回収することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載された方法。 ５ 酸素受容体がアルカリ金属の亜硝酸塩及びア
   ルカリ金属の硝酸塩の溶融溶液からなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載された方
   法。 ６ 塩のアニオン組成が50―94％の亜硝酸塩と４
   ―25％の硝酸塩と0.5―25％の過酸化物からなり、
   カチオン組成が30―70％のナトリウム及び残りが
   カリウムからなることを特徴とする特許請求の範
   囲第５項に記載された方法。 ７ 別個の付帯脱着領域を有する３つの吸収領域
   内で前記分離を行なうことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載された方法。 ８ 酸素生成物が、高圧、中圧、低圧で回収され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載
   された方法。 ９ 高圧酸素は約1.05Kg／cm²（15psia）、中圧酸
   素が約0.42Kg／cm²（6psia）で低圧酸素が約0.18
   Kg／cm²（2.5psia）であることを特徴とする特許
   請求の範囲第８項に記載された方法。 １０ 約25％の酸素が高圧で回収され、約52％の
   酸素が中圧で回収され、約13％の酸素が低圧で回
   収されることを特徴とする特許請求の範囲第８項
   に記載された方法。 １１ 各脱着領域で回収された酸素生成物が、少
   なくともO₂が99.5％の純度を有する市販純度の酸
   素であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載された方法。