JPH03238017A - 酸素製造方法 - 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〕 本発明は酸素製造方法にかかり、特に、圧力スイング吸
着法を利用して空気など低濃度酸素を含有するガスから
酸素を分離濃縮する方法に関する。

〔従来の技術〕

酸素製造方法として、５Ａ、１３Ｘ型の合成ゼオライト
または天然ゼオライトなどの吸着剤を用いて圧力スイン
グ吸着法により酸素を製造する方法は一般的に知られて
いる。

この酸素製造方法は、例えば、空気を原料ガスとして、
この原料ガスを吸着剤が充填された吸着塔に供給して窒
素を吸着させ、製品ガスとして酸素ガスを得る。この吸
着操作を継続すると吸着剤が窒素で破過し、酸素の分離
性能を失うため、所定時間ごとに窒素を脱着させて吸着
剤を再生する必要がある。この再生操作は吸着操作時の
圧力よりも吸着塔の圧力を減圧することによって実現で
き、−殻内には真空ポンプを用いた方法によって、吸着
剤の減圧再生が行われる。

圧力スイング吸着法による酸素製造方法は、前述した吸
着操作及び脱着操作を交互に繰り返すことによって行わ
れ、これによって製品酸素ガスが得られる。

ところで、この種の圧力スイング吸着法による酸素製造
方法において、原料ガスから多量の窒素を吸着除去する
には、再生圧力を高真空に設定しなければならず、その
分、再生動力、すなわち、真空ポンプの動力を必要とす
る。結果的にこの種酸素製造装置の電力原単位（ｋｗｈ
／Ｎｍ”−０ｚ）が高くなる不都合が生じる。このため
、一般には、不完全な脱着状態で次の吸着工程に移行さ
せて吸・脱着操作が行われている。

ここで、前述した不都合を解決する手段として、例えば
、特開昭６０−１８０９０３号公報に記載のように、濃
度の高い酸素ガスである製品酸素の一部を減圧再生中の
吸着塔に供給する操作を行うと、多量の窒素を脱着する
ことができる。すなわち、減圧再生中の後半に吸着塔を
真空ポンプで減圧しながら、製品酸素の一部を吸着塔に
供給する。このような操作を行うと、供給した酸素によ
って吸着塔内の酸素の分圧が高くなって窒素が脱着され
、酸素注入操作を行わない場合と比較して多くの窒素が
脱着される。従って、再生圧力を高真空に設定しなくて
もよいので電力原単位が小さくなる利点がある。

一方、酸素注入操作とは別に、高濃度の製品酸素ガスを
得るために、酸素注入操作が終了した後に、吸着塔内の
酸素濃度を高めて塔内圧力を吸着工程開始時に、付近の
圧力まで加圧する酸素加圧工程を行なうと、この操作に
よって吸着工程時、濃度の高い製品酸素ガスが得られる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術によれば、酸素注入工程で窒素の脱着が促進さ
れ、かつ、酸素加圧工程後の吸着工程では高濃度の製品
酸素ガスが得られるが、この種の酸素製造装置の吸着剤
使用量（ｋｇ　／　Ｎ　ｍ　８０２　／ｈ）を低減する
ために、吸着塔数を減らして、例えば、二基からなる酸
素製造装置を構成し、各工程を組み入れると、第１表に
示すように真空ポンプが吸着塔を減圧しない工程（酸素
加圧工程）が３− 発生し、真空ポンプへのガス流れがないため、真空ポン
プが過負荷運転となる恐れがある。

第１表 この不都合を解消するために、第２表に示すように、常
時、真空ポンプがいずれかの吸着塔を減圧するように各
工程の時間配分を行うと、真空ポンプは連続的にガスを
吸引排気し、前述した不都合はなくなる。

第　　２　　表 しかし、一方の吸着塔側の吸着工程から他方の吸着塔側
の吸着工程に移行する場合、各塔の吸着４ 工程が連続的に移行せず断続的となる。この結果、酸素
製造装置の運転時、製品酸素ガスを連続的に得ることが
困難となる。

本発明の目的は、連続的に製品酸素ガスが得られて真空
ポンプの過負荷運転が防止できる酸素製造方法を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明では、吸着剤が充
填された吸着塔に原料空気を供給し、吸着分離された製
品酸素ガスを取り出す吸着工程と前記吸着工程が終了し
た前記吸着塔を減圧して前記吸着剤の再生を行う減圧再
生工程及び前記減圧再生工程が終了した前記吸着塔に酸
素ガスを供給すると共に供給した酸素によって脱着され
たガスを系外に排出する酸素注入工程と、前記酸素注入
工程が終了した吸着塔に酸素ガスを供給して前記吸着塔
を加圧する酸素加圧工程とを、順次、繰り返して製品酸
素ガスを連続的に得る酸素製造方法において、 前記酸素加圧工程時に前記真空ポンプの吸込側を大気に
開放して大気を吸引排気し、前記真空ポンプに連続的に
ガスを流通させることとしたものである。

従って、本発明の目的は、酸素製造装置運転中、酸素注
入工程終了後の酸素加圧工程時に真空ポンプの吸込側を
大気に開放して、大気を真空ポンプに吸引排気させるこ
とによって達成できる。

〔作用〕

吸着工程、減圧再生工程、酸素注入工程及び酸素加圧工
程からなる酸素製造装置の運転中において、酸素加圧工
程時に真空ポンプの吸込側を大気に開放して、真空ポン
プに大気（空気）を吸引排気させれば、真空ポンプは他
工程時を含めて、常時、ガスを吸引排気し、吸引ガスの
停止によって真空ポンプが過負荷運転状態となることが
ない。

そして、前述のように、酸素加圧工程時に真空ポンプに
大気を吸引させて、常時、真空ポンプにガスを流通させ
るようにすると、一方の吸着塔側の吸着工程と他方の吸
着塔側の吸着工程との間に真空ポンプにガスを流通させ
る減圧工程を組み入れる必要がないので、吸着塔の切り
替え時の各吸着工程は連続的となり、酸素製造装置の運
転中に製品酸素ガスは連続的に取り出されることになる
。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により説明する。

本発明の一実施例を第１図に基づいて説明する。

第工図において、酸素製造装置を構成する吸着塔は二基
からなり、吸着塔ｌ及び２内には吸着剤（図示せず）が
充填されている。吸着剤としては、原料ガス（例えば、
空気）中の窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填され、
例えば、５Ａタイプの合成ゼオライト等が充填される。

３は原料ガスＡを吸着塔上または２に供給するブロワで
ある。ブロワ３は原料ガスＡを供給する手段であり、例
えば、圧縮機（図示せず）であってもよいことは勿論で
ある。

４は真空ポンプで、吸着塔１または２を後述する減圧再
生工程及び酸素注入工程時に減圧する。

さらに、真空ポンプ４は、後述する製品酸素加圧加工時
に大気を吸引排気する。本発明の実施例で７ は、減圧再生時の圧力及び酸素注入時の圧力は、真空ポ
ンプ４を構成するモータ（図示せず）の回転数をインバ
ータ４Ｂでコントロールすることによって設定している
。そして、減圧再生時の圧力及び酸素注入時の圧力は任
意に設定される。なお、前述の他の真空ポンプ４の吸込
側に弁（図示せず）を配設して、その弁の開度をコント
ロールして圧力を設定してもよいことは勿論である。

５及び６は開閉弁で、このうち、開閉弁５は吸着塔１に
原料ガスＡが供給されるときに開放となり、それ以外の
ときは閉じる。一方、開閉弁６は吸着塔２側に原料ガス
Ａを供給するとき開放し、それ以外のときは閉じる。開
閉弁５及び６は、吸着塔１及び２の入口側とブロワ３の
吐出側を連通ずる原料ガス供給管ｌＡ中に配設されてい
る。

７及び８は真空ポンプ４側に関与する開閉弁で、この内
、開閉弁７は吸着塔ｌ個が後述する減圧再生工程、及び
、酸素注入工程のときに開放し、他の工程時は閉じてい
る。一方、開閉弁８は吸着塔２側が減圧再生工程及び酸
素注入工程のときに開８− 放し、他の工程時は閉じている。開閉弁７及び８は、吸
着塔上及び２の入口側と真空ポンプ４の吸込側とを連通
ずる脱着ガス排出管２Ａ中に配設されている。

脱着ガス排出管２Ａには分岐した大気吸引管２Ｂが配設
され、大気吸引管２Ｂを介して大気側と真空ポンプ４の
吸込側とが連通される。そして、大気吸引管２Ｂ中には
開閉弁２Ｃが配設され、開閉弁２Ｃは吸着塔上または２
が製品酸素加圧工程時のときに開放し、それ以外のとき
は閉じている。

開閉弁２Ｃが開放のとき、真空ポンプ４は大気を吸引し
て排気する。

９及び１０は吸着塔１及び２の製品ガス取り出し側に配
設された開閉弁で、この内、開閉弁９は吸着塔１側が後
述する吸着工程時にあるときに開放し、他の工程時には
閉じる。一方、開閉弁１０は吸着塔２（ｔｉｌｌが吸着
工程時にあるときに開放し、他の工程時は閉じている。

そして、開閉弁９及び１０は製品ガス取り出し管３Ａ中
に配設されている。

１３は製品酸素タンクで、このタンクは吸着塔１及び２
の出口側と製品ガス取り出し管３Ａを介して連通されて
おり、一定圧力を保持するためのバッファとしての作用
もするため、ある程度の容量を有する。

１４及び１５は開閉弁で、この内開閉弁工４は吸着塔１
側が後述する酸素注入工程中のときに開放し、他の工程
のときは閉じている。一方、開閉弁１５は吸着塔２側が
酸素注入工程中のときに開放し、他の工程のときは閉じ
ている。そして、この間閉弁上４及び１５は製品酸素タ
ンク１３と吸着塔１及び２の出口側とを連通ずる製品酸
素注入管５Ａ中に配設されている。

１６および１７は開閉弁で、吸着塔１および２の出口側
と製品酸素タンク１３とを連通ずる製品酸素ガス加圧管
６Ａ中に配設されている。この開閉弁の内、開閉弁１６
は吸着塔ｌ側が後述する製品酸素加圧工程のときに開放
し、他の工程のときは閉じている。一方、開閉弁１７は
吸着塔２側が製品酸素加圧工程時に開放し、他の工程の
ときは閉じている。開閉弁１６及び１７と製品酸素タン
ク１３とを連通ずる製品酸素ガス６Ａ中には、流量制御
弁１１が配設されている。そして、この制御弁１１は製
品酸素加圧工程時に吸着塔１または２に供給する酸素流
量を制御する。なお、本発明の一実施例では、開閉弁１
４，１５．１６及び１７を各工程に合わせてそれぞれ独
立して設けているが、例えば、開閉弁１４と１６が、さ
らに開閉弁１５と１７が共通であってもよく、この場合
、製品酸素注入管５Ａと製品ガス加圧管６Ａが共通とな
る。

それぞれの開閉弁は、信号の出力線を全て図示していな
いが、シーケンスコントローラＣ１からの出力に基づい
て開閉操作の指令と開閉時間がコントロールされる。そ
して、開閉操作の指令と開閉時間はオペレータ等による
シーケンスコントローラＣ１への入力Ｓ■段設定よって
任意に設定される。第３表には開閉弁の開閉状態の動作
例を示す。

１１− 第　　３　　表 ←−→：開　（−・・−・・・−）：閉１８は流量制御
弁で、この制御弁は開閉弁１４および１５と製品酸素タ
ンク１３とを連通ずる製品酸素注入管５Ａ中に配設され
ている。そして、流量制御弁１８は吸着塔１及び２内に
製品酸素の一部を注入する際、すなわち、酸素注入工程
時、ｌ−１２− 酸素注入流量を制御する。

１９は製品酸素タンク１３の出口側に設けられた流量計
で、製品酸素ガス流量を測定する。

２０は真空ポンプ４の吐出側に設けられた流量計で、減
圧再生工程時及び酸素注入工程時の脱着ガス流量を測定
する。２工はブロワ３の吐出側に設けられた流量計で、
吸着塔１および２に供給する原料ガス流量を測定する。

２２及び２３は酸素濃度で、酸素濃度計２２は製品酸素
ガス中の酸素濃度を測定する。本発明の一実施例では製
品酸素タンク１３の出口側に設けて製品酸素ガス中の酸
素濃度を測定している。また、酸素濃度計２３は脱着ガ
ス中の酸素濃度を測定する。本発明の一実施例では、真
空ポンプ４の吸込側に設けて脱着ガス中の酸素濃度を測
定している。

２４Ａ及び２４Ｂは圧力計で、吸着塔ｌ及び２内の圧力
変化を測定する。２５は酸素圧縮機で、この酸素圧縮機
は吸着工程の吸着塔１または２からの製品酸素ガスを吸
引して、この製品酸素ガスを、例えば、吸着圧力以上の
所定圧力（好ましくは１０ｋｇ／ｄＧ以下）まで加圧し
、それを需要端に供給する。

このような構成からなる酸素製造装置において、次にそ
の作用について原料ガスとして空気を供給した場合を例
にとり説明する。

先ず、各操作工程について説明するに、各操作工程は吸
着工程、減圧再生工程、酸素注入工程及び製品酸素加圧
工程からなる。

吸着工程は原料ガスを吸着塔に供給して、出口側（塔頂
）より濃縮酸素として取り出す工程をさす。

減圧再生工程は吸着工程終了後、吸着塔を真空ポンプで
所定圧力まで減圧して前工程で吸着された窒素を脱着す
る工程をさす。脱着ガスは原料ガスに対して向流方向に
排出される。

酸素注入工程は、減圧再生工程終了後に高濃度の酸素ガ
ス（例えば、製品酸素ガス）を吸着塔に供給すると共に
酸素注入に伴って脱着されたガスを向流方向に排出する
工程をさす。この工程では、吸着塔は真空ポンプによっ
て減圧されている状態にある。

製品酸素加圧工程は、前記酸素注入工程終了後に高濃度
の酸素ガス（例えば、製品酸素ガス）を吸着塔に供給し
て、吸着塔を加圧する工程をさす。

吸着塔に供給する酸素ガスは原料ガスに対して向流方向
に流入する。

製品酸素加圧工程終了後は、先に述べた吸着工程に移行
し、各工程を、順次、連続的に繰り返す。

次に、各工程を二基の吸着塔から構成された前述の酸素
製造装置でその作用を第２図に基づいて説明する。

先ず、第一ステップでは吸着塔上側で吸着工程が実施さ
れ、一方、吸着塔２側では減圧再生工程が実施される。

吸着塔１内に供給された原料空気Ａは、ここで易吸着物
である窒素が選択的に吸着され、非吸着物である酸素は
濃縮されて製品酸素ガスとして、酸素圧縮機２５によっ
て所定圧力に加圧されて製品酸素タンク１３内に入る。

この状態では、吸着塔１に原料ガスＡを供給する開閉弁
５が開放し、さらに、吸着塔１から製品酸素ガスを取り
出す開閉弁９が開放している。

方、吸着塔２側では開閉弁８が開放し、真空ポンプ４に
よって所定の減圧再生圧力まで吸着塔２が減圧再生され
、脱着されたガスは真空ポンプ４を介して系外に排出さ
れる。

次に、第一ステップから第ニステップに移行すると、吸
着塔１側では引き続き吸着工程が実施され、開閉弁５及
び９が開放しているが、吸着塔２側では酸素注入工程が
実施される。この状態では、吸着塔２の塔頂より製品酸
素ガスの一部を供給する開閉弁１５が開放している。ま
た、脱着ガスが排出される開閉弁１５は引き続き開放の
状態にある。この酸素注入工程時、酸素注入流量を制御
する流量制御弁１８は適度の弁開度を維持している。

吸着塔２側が酸素注入工程時、酸素注入に伴って窒素が
脱着され、この窒素は真空ポンプ４を介して系外に排出
される。

次に、第ニステップから第三ステップに移行すると、吸
着塔１側では引き続き吸着工程が実施さ６− れ、開閉弁５及び９が開放しているが、吸着塔２側では
製品酸素加圧工程が実施される。この状態では、吸着塔
２の塔頂より製品酸素ガスの一部を供給する開閉弁エフ
が開放し、一方、脱着ガスが排出されていた開閉弁８は
閉しられる。他方、第一ステップから第ニステップまで
閉していた開閉弁２Ｃが開放し、大気が真空ポンプ４に
吸引され、かつ、排気される。この製品酸素加圧工程時
、加圧酸素供給流量は流量制御弁１１によって制御され
、この制御弁１１は適度の弁開度を維持して開放してい
る。そして、この製品酸素加圧工程の終了時までに吸着
塔２の圧力は、次工程の吸着工程開始時の圧力近く、ま
たは、等しく加圧される。

次に、第三ステップから第四ステップに移行すると、吸
着塔１側は前工程の吸着工程が終了して、減圧再生工程
に移行する。この状態では開閉弁５及び９は閉じられて
、減圧再生用の開閉弁７が開放される。一方、吸着塔２
側では製品酸素加圧工程から吸着工程に移行する。この
状態では、原料ガスを供給する開閉弁６が開放される。

一方、製品酸素ガスを取り出す開閉弁１０が開放される
。

他方、第三ステップで開放された開閉弁２Ｃは閉じられ
る。

次に、第四ステップから第五ステップに移行すると、吸
着塔１側では減圧再生工程から酸素注入工程に移行する
。この状態では製品酸素ガスの一部を供給する開閉弁１
４が開放し、一方、脱着ガスが排出される開閉弁７は引
き続き開放の状態にある。吸着塔２側は引き続き吸着工
程の状態にあり、開閉弁６及び１０は開放されている。

次に、第五ステップから第六ステップに移行すると、吸
着塔１側では酸素注入工程から製品酸素加圧工程に移行
する。この状態では、吸着塔１の塔頂より製品酸素ガス
の一部を供給する開閉弁１６が開放し、一方、脱着ガス
が排出されていた開閉弁７は閉じられる。一方、吸着塔
２側は引き続き吸着工程の状態にあり、開閉弁６及び１
０は開放されて製品酸素ガスが取り出されている。さら
に、この工程では、大気と連通ずる開閉弁２Ｃが開放さ
れ、真空ポンプ４は開閉弁２Ｃを介して大気（空気）を
吸引排気する。

第六ステップが終了すると、第一ステップに戻り、第一
ステップから第六ステップをもって−サイクルとなり、
各ステップを、順次、連続的に繰り返すことによって製
品酸素ガスが連続的に得られる。

本発明の実施例では製品酸素ガスの需要端を図示してい
ないが、例えば、オゾン発生機の酸素源、下水処理場に
おける酸素曝気等があげられる。

このようにして酸素製造装置が運転される場合、酸素注
入工程終了後の酸素加圧工程時に真空ポンプ４の吸込側
を大気に開放して、大気を真空ポンプ４に吸引排気させ
るようにしているので、酸素製造装置の運転時、製品酸
素ガスは連続的に取り出され、かつ、真空ポンプ４が過
負荷運転されることがなくなる。

すなわち、一方の吸着塔が吸着工程を遂行している間、
他方の吸着塔は減圧再生工程、酸素注入工程及び酸素加
圧工程の三工程を遂行することになるが、この三工程の
内、減圧再生工程と酸素注入工程時は真空ポンプ４は吸
着塔を減圧して脱着しており、真空ポンプ４には脱着ガ
スが流れ、かつ、排出されている。ところが、酸素加圧
工程時には真空ポンプ４は吸着塔を減圧して脱着しない
ため、真空ポンプ４の吸込側があたかも閉じられた状態
となり、真空ポンプ４へのガス流れがなくなる。このた
め、真空ポンプ４は過負荷の状態で運転されようとする
が、この酸素加圧工程時に真空ポンプ４の吸込側を大気
に開放して、大気を真空ポンプ４に吸引させ、かつ、排
気させているので、常時、真空ポンプ４はガスを吸引排
気することになり、真空ポンプ４が過負荷の状態となる
ことがない。そして、前述のように、酸素加圧工程時に
真空ポンプ４の吸込側を大気に開放して、大気を吸引排
気させるようにすると、一方の吸着塔側の吸着工程から
他方の吸着塔側の吸着工程に移行させる間に真空ポンプ
４にガスを流通させる工程を組み入れる必要がない。こ
のため、その工程によって各吸着工程が継続することが
なく、各塔間の吸着工程は連続的に遂行されることにな
る。

２０− 本実施例によれば、酸素製造装置の運転時、製品酸素ガ
スは連続的に取り出されて、真空ポンプの過負荷運転も
防止される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、連続的に製品酸素ガスが得られて真空
ポンプの過負荷運転が防止できる酸素製造方法を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す酸素製造装置の系統図
、第２図は第１図のガス流れの状態を示す工程図である
。 、２・・・吸着塔、３・・・ブロワ、４・・・真空ポン
プ、５〜１０・・・開閉弁、１３・・・製品酸素タンク
、１４〜１７・・・開閉弁、Ａ・・・原料ガス、２Ｃ・
・・開閉弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、吸着剤が充填された吸着塔に原料空気を供給し、吸
   着分離された製品酸素ガスを取り出す吸着工程と、前記
   吸着工程が終了した前記吸着塔を減圧して前記吸着剤の
   再生を行う減圧再生工程と、前記減圧再生工程が終了し
   た前記吸着塔に酸素ガスを供給すると共に供給した酸素
   によつて脱着されたガスを系外に排出する酸素注入工程
   と、前記酸素注入工程が終了した前記吸着塔に酸素ガス
   を供給して前記吸着塔を加圧する酸素加圧工程とを、順
   次、繰り返して製品酸素ガスを連続的に得る酸素製造方
   法において、前記酸素加圧工程時に真空ポンプの吸込側
   を大気に開放して、大気を吸引、排気し、前記真空ポン
   プに連続的にガスを流通させることを特徴とする酸素製
   造方法。