JPH0239293B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、二成分混合ガスの一方の成分が90〜
99容量％或いはそれ以上の割合のガス流を大量に
得る方法に関する。特に、本発明は、カーボンモ
レキユラーシーブ（分子篩）を使用する圧力交替
式吸着装置（Pressure swing adsoption
system）によつて濃縮ガス流を製造する吸着方
法に関する。更に詳しくは、本発明は窒素、水素
もしくはメタンのようなガスの安価な大量供給源
を提供し、極低温の或いは他の圧力交替式の吸着
装置のいずれよりも運転に必要なエネルギーが少
なく、しかし匹適する品質のガスを供給する方法
に関する。

ここで使用する二成分混合ガスという用語は、
空気や異る分子サイズの二成分から主としてなる
他の混合ガスを指称する。濃縮ガスという用語
は、混合ガスが吸着材を通過した後の、比較的吸
着されない方の成分からなる混合ガスを指称す
る。

混合ガスの分別又は分離用の圧力交替式吸着に
は、高圧の混合ガスを、混合ガスの１又は２以上
の成分を吸着混合内において選択的に吸着する吸
着材床を通過させる工程が含まれる。この選択性
は、吸着材中の孔寸法、孔寸法の分布及び孔の全
容積により支配される。即ち、孔寸法より小さい
か又はそれと等しい動的直径（Kinetic
diameter）を有するガス分子は、吸着材上に捕
促あるいは吸着され、一方大きい直径のガス分子
は吸着材床を通過する。吸着材は、事実ガス分子
の大きさによつてガスを篩分けする。

ガス吸着材床を移動するにつれ、孔はガス分子
で満たされる。カラムクロマトグラフイ装置にお
ける固体吸着材を通過移動する液体の吸着前端
（adsorption front）と同様に、床内を移動する
吸着前端が想定できる。ある程度時間が経過する
と、ガス分子の保持に利用できる孔の数は不十分
になる。この時点は破過点（brekthrough
point）、即ち吸着が停止し床から流出するガスが
吸着材へ流入するガスと組成上本質的に同じにな
る点として知られている。この破過点の後では、
床は再生しなければならない。

混合ガスに選択的に成分を吸着する処理を施し
た後、吸着材床を通る混合ガスの流れをさえぎ
り、真空により又は一般に精製した製品ガスの一
部からなる浄化ガスを、原料ガスを流す方向と反
対方向に低圧で通すことにより吸着剤から吸着成
分を一掃して再使用のために再生する。

圧力交替式吸着法には通常少なくとも二つの吸
着材床が備つていて、一方の床が再生されている
間、他方は製品ガスを作り出す吸着状態にあるよ
うになつている。時には、３以上の吸着床が使用
される場合があり、例えば、一つの床が吸着を行
つている間、吸着段階を終えたばかりの床が再生
の準備のためにガス抜きされていて、その間第３
の吸着床が吸着段階のために再加圧されている。
上述の方法を使用する典型的な三床装置では、吸
着材床は並列に配置され、即ち全てのカラムの出
口端が一緒に連結され、且つ全てのカラムの入口
端が一緒に連結されている。三個以上の吸着材床
を使用すると、高純度の製品ガスという所望の目
的を典型的には達成するが、吸着床の増加のため
に再生エネルギーの必要量及び吸着材の必用量の
両方の点でコストが高くなる。

珪質の吸着材又はカーボン含有吸着材を使用
し、吸着及び着脱の間温度或いは圧力を変化させ
る吸着方法を利用した酸素濃度空気の回収法が周
知である。ある種のケイ酸塩例えばゼオライト
は、酸素との混合ガスから窒素を良好に吸着する
のに有効で、ゼオライトを充填したカラムに空気
を通過させると初めに流出してくるガスは事実酸
素含量が高い。しかし、ゼオライトの再生にはエ
ネルギー及び装置で点でかなり費用が必要であ
る。

同様に空気から濃縮窒素を製造するのにカーボ
ンモレキユラーシーブ（分子篩）を使用すること
は良く知られている。これらのシーブは酸素の動
的直径に匹適する寸法の孔構造を有する。圧力交
替式吸着装置に使用すると、これらのシーブは混
合ガスから酸素を選択的に吸着し、他の成分を通
過させる。

四床の圧力交替式吸着ユニツト装置を使用し
て、二酸化炭素、水及び軽質脂肪族炭化水素類と
の混合物から水素を分離するのに成功している。

圧力交替式吸着による他の二成分混合ガスを分
別することも周知である。例えば、水素との混合
物からゼオライト13Xを用いて一酸化炭素を、ま
た燃料ガス混合物との混合ガスから木炭、アルミ
ナ又はシリカを用いて二酸化炭素を分別すること
が知られている。

アルゴンと酸素、又はヘリウムとメタンの二成
分混合ガスが、圧力交替式吸着法を用いる、部分
的に酸化したカーボンからなる吸着材でこれまで
に分離されている。

現在のカーボンモレキユラーシーブ技術に存在
する典型的な問題は、濃縮した製品ガスの収率が
低いこと、大量のモレキユラーシーブが必要であ
ること、及び再生法のエネルギー効率が低いこと
である。

本発明の目的は、吸着剤としてモレキユラーシ
ーブカーボンを含有する、三カラムの圧力交替式
吸着装置のための新規な再加圧法を提供すること
である。この方法は、吸着材の再生におけるエネ
ルギー使用に関する従来からの問題を解決すると
共に濃縮ガスの高収率をもたらす。即ち、次の一
連の工程からなる濃縮ガス製造用三カラム吸着法
を提供する。それぞれカーボンモレキユラーシー
ブを充填した三個の吸着床を使用する濃縮ガス流
製造用吸着方法に於いて、 (a) 二成分混合ガスを3.0〜8.0バールの範囲の吸
着圧で、直列に接続されている第１及び第２の
吸着床を通すことにより、第１の吸着床が破過
点に達するまで濃縮ガスを作り出し、その間第
３の吸着床を70〜100トールの範囲の真空で再
生し； (b) 前記第１の吸着床が破過点に達したならば、
前記二成分混合ガスを前記第２の吸着床に導入
する一方、前記第１の吸着床の圧力をその入口
端を開放することによつて大気圧へ低下させそ
の間前記第３の吸着床の真空再生を停止して、
前記第２の吸着床からの流出ガスを前記第３の
吸着床の入口端に導入して前記吸着圧の40〜90
％の範囲の部分的加圧を行ない、一方前記第１
の吸着床は前記大気圧までの降圧に続いて70〜
100トールの範囲の真空をその入口端に適用す
ることによつて再生し； (c) 前記第３の吸着床を、前記部分的加圧に続い
て濃縮ガスをその出口端から導入することによ
つて前記吸着圧へ十分に加圧し； (d) 次いで二成分混合ガスを前記第２及び第３の
吸着床を直列に通すことにより、第２の吸着床
が破過点に達するまで濃縮ガスを作り出し、そ
の間第１の吸着床は前記工程(b)にひき続いて70
〜100トールの範囲の真空で再生し； かくして一連の吸着床のうちのとなりあう二床
を順次使用して工程(a)から(d)まで繰り返す。

本発明の新規再加圧技術の使用法は、添付図面
を参照することにより良く理解できる。添付図面
には、本発明に従つて二成分混合ガスを分別する
ための、三カラム圧力交替式吸着単位装置が示さ
れている。本発明を好ましい実施態様に即して説
明するが、本発明の概念を離れることなく修正又
は変更を行うことができることを理解すべきであ
る。例えば、空気（窒素と酸素）、メタンと二酸
化炭素、又は水素と一酸化炭素をはじめとし、し
かしこれらに限らず、カーボンモレキユラーシー
ブで分離可能ないずれの二成分混合ガスにも本発
明は十分に使用できる。

図面を詳しく説明すると、順次配置された三本
の耐圧カラムＡ、Ｂ及びＣが示されていて、その
各々には窒素を空気から分別するのに適するカー
ボンモレキユラーシーブの吸着床が充填されてい
る。

耐圧カラムＡ、Ｂ及びＣを連結する一連の弁
は、図面に示した番号により、そしてこの好まし
い配置において遂行される機能により特定でき
る。

(a) 弁０……主空気流弁 (b) 弁１，７及び１３……それぞれ、カラムＡ、
Ｂ及びＣへの空気入口弁 (c) 弁３，９及び１５……再生弁−カラムＡ、Ｂ
及びＣ用の真空ポンプ (d) 弁２，８及び１４……浄化弁−カラムＡ、Ｂ
及びＣのカラム圧を抜く (e) 弁５，１１及び１７……製品流の弁−カラム
Ａ、Ｂ及びＣから (f) 弁１９，２０及び２１……戻し弁−一部分的
加圧の後、製品窒素ガスがカラムＡ、Ｂ及びＣ
の出口端内へ導入される (g) 弁４，６，１０，１２，１６及び１８……ひ
とつのカラムの出口と他のカラムの入口との間
で供給ガスと破過ガスの連結 カラムＡ、Ｂ及びＣは垂直な状態で示されてい
るが、運転方式上不利がなければ、水平或いは垂
直のいずれにも設置し得る。

周囲大気が乾燥され、圧縮されて、弁０を介し
て装置内へ導入される。周囲空気は、吸着前に凝
縮器を通して過剰の水分を除いて改質し得る。と
いうのは、相対湿度40％未満が好ましいからであ
る。過材又はスクラバーを二酸化炭素、二酸化
イオウ又は窒素酸化物のような他のガスを除くた
めに使用し得る。これらの工程は、流出ガス流の
純度を向上させるものであり、規格が純度100％
の窒素を求めていてそのためにこのように予め除
去する必要がある時に採用される。しかしこれら
は付加的なもので、本発明の操作をうまく行う上
で不可欠のものではない。

供給空気は、カラムＡ、Ｂ又はＣのいずれか一
つへ、例えば3.0〜8.0バールの吸着圧で弁０、及
び弁１，７もしくは１３を介して導入される。便
宜上、この方法がカラムＡで始まる仮定して記載
する。窒素ガスが弁４を介してカラムＡから放出
され、弁６を介してカラム１３の入口端へ流れ
る。窒素ガスがカラムＢを出て弁１１を通り、窒
素ガス流量が質量流量計で測定され、そして窒素
ガス中の酸素含量が製品溜の上流において分析さ
れる。窒素ガス流が製品溜から放出されて、その
圧力を一定に保つ。

二つのカーボン床が順次窒素を発生するように
働いている間、第３の床は真空により再生されて
いる。即ち、カラムＡとＢが開いている弁０，
１，４，６及び１１を介して窒素を製造している
間、カラムＣは開いている弁１５を介して70〜
100トール範囲の真空によつて再生されている。
カラムＡを流出するガスが破過点に達した時、弁
１，４及び６は閉じられてカラムＡを隔離し、一
方、弁１１が閉じられ弁７，１０及び１２が開け
られてカラムＢから製品窒素の流れ止め、カラム
Ｃを吸着圧の約40〜90％、好ましくは60〜80％の
圧力に部分的に加圧する。

製品ガス溜からの窒素ガスが弁２１を介してカ
ラムＣに入り、該カラムを吸着圧まで更に加圧
し、その間カラムＡが大気圧まで開口されて、弁
３を介して70〜100トールの範囲の真空により再
生されている。

ここで、窒素は、開いた弁７，１０，１２及び
１７を介して、カラムＢ及びＣにより製造され
る。カラムＢを流出するガスが破過点に達する
と、弁７，１０及び１２が閉じられてカラムＢを
隔離し、弁１７が閉じられ、一方弁１３，１６及
び１８が開けられ、それによりカラムＣからの窒
素流を止め、カラムＡを吸着圧の約40〜90％、好
ましくは60〜80％の圧力に部分的に加圧する。

製品ガス溜からの窒素ガスが弁１９を介してカ
ラムＡに入り、該カラムを吸着圧まで更に加圧す
る、その間カラムＢが弁８を介して大気圧まで開
口される。

ここで、窒素が開いた弁１３，１６，１８及び
５を介してカラムＣとＡにより製造され、この間
カラムＢは弁９を介して70〜100トールの範囲の
真空によつて再生される。

圧縮空気がカラムＡに導入された時に、このサ
イクルが完了する。このような窒素を製造するの
に順次配列した二つのカラム、ＡとＢ、ＢとＣ、
又はＣとＡを使用する一方残るカラムを並行して
再生すると吸着床を最高の効率で使用して大量の
窒素が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の新規方法を実施するための
装置の概略的フローシートを表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれカーボンモレキユラーシーブを充填
   した三個の吸着床を使用する濃縮ガス流製造用吸
   着方法に於いて、 (a) 二成分混合ガスを、3.0〜8.0バールの範囲の
   吸着圧で、直列に接続されている第１及び第２
   の吸着床を通すことにより、第１の吸着床が破
   過点に達するまで濃縮ガスを作り出し、その間
   第３の吸着床を70〜100トールの範囲の真空で
   再生し； (b) 前記第１の吸着床が破過点に達したならば、
   前記二成分混合ガスを前記第２の吸着床に導入
   する一方、前記第１の吸着床の圧力をその入口
   端を開放することによつて大気圧へ低下させ、
   その間前記第３の吸着床の真空再生を停止し
   て、前記第２の吸着床からの流出ガスを前記第
   ３の吸着床の入口端に導入して前記吸着圧の40
   〜90％の範囲の部分的加圧を行ない、一方前記
   第１の吸着床は前記大気圧までの降圧に続いて
   70〜100トールの範囲の真空をその入口端に適
   用することによつて再生し； (c) 前記第３の吸着床を、前記部分的加圧に続い
   て濃縮ガスをその出口端から導入することによ
   つて前記吸着圧へ十分に加圧し； (d) 次いで二成分混合ガスを前記第２及び第３の
   吸着床を直列に通すことにより、第２の吸着床
   が破過点に達するまで濃縮ガスを作り出し、そ
   の間第１の吸着床は前記工程(b)にひき続いて70
   〜100トールの範囲の真空で再生し； かくして一連の吸着床のうちのとなりあう二床
   を順次使用して工程(a)から(d)まで繰り返すことに
   より濃縮ガスを作ることを特徴とする吸着方法。 ２ 二成分混合ガスが空気で、濃縮ガスが窒素で
   ある特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記工程(b)における部分的加圧が吸着床を吸
   着圧の約70％の圧力に加圧するように導入される
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の方法。