JPH0487613A - 混合ガス分離法 - 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〕 本発明は混合ガスを分離する方法に関し、更に詳しくは
圧力スイング式（ＰＳＡ式）ガス分離法の運転操作法に
関する。

〔従来の技術〕

特定の成分ガスを選択的に吸着する性質を有する吸着剤
を利用して、加圧条件下で吸着性ガスを吸着させて難吸
着性ガスを分離し、減圧条件下で吸着性ガスを脱着して
吸着剤を再生する方法は圧力スイング式ガス分離法（Ｐ
ＳＡ法）と呼ばれ、従来より広く空気分離装置等の産業
分野で使用されている。

このＰＳＡ式ガス分離装置のなかで、最も広く使用され
ている空気より０２ガスを分離する。２ガス製造装置を
例として、従来の方法を下記に説明する。

第１図は従来のＰＳＡ法によるｏ２ガス製造法の基本方
式である３塔式のフロシートを示したもので、第２図は
その操作パターンを図示したものである。

第３図は従来の３塔式を更に効率アップするように改良
された４塔式のフロシートを示したものであって、第４
図はその操作パターンを示したものである。

この２つの方法は０２ガスの収率、Ｄ２濃度変動幅等で
一長一短を有している。

先ず、第１図と第２図に基き、具体的に３塔式の構造と
機能を説明する。

この装置は第１図に示す通り、吸着剤が充填された３基
の吸着塔Ａ、Ｂ、Ｃ，原料空気を加圧供給する原生ブロ
ワ１吸着を減圧条件下で脱着再生する真空ポンプ２およ
び第２図の操作パターンに従って、ガス流を切換る切換
弁ＶＡＩ〜４、ＶＢ１〜４、ＶＣ１〜４より構成されて
いる。

次に機能を説明する。

第１図は第２図のサイクルタイム１の状態を示している
。

Ａ塔では原生ブロワｌによって切換弁ＶＡ１を経由して
原料空気が吸着塔Ａに供給されている。吸着塔Ａ内には
Ｎ２ガスを選択的に吸着する性質を有するゼオライトモ
レキュラシーブスが充填されているので、原料空気中の
Ｎ２ガスはこの吸着剤床間を連通する際に、Ｎ２ガスが
しだいに吸着されて、Ｏ７ａ縮ガスが切換弁ＶΔ−２を
経由して排出される。

Ｂ塔の操作は復圧工程と呼ばれるもので、脱着再生工程
に引き続き行われる。この工程では製品０２ガスの一部
を連続的に吸着塔Ｂに還流して、はぼ吸着圧力に達する
まで０２ガスで復圧させる。この工程は吸着にも、脱着
再生にも寄与しない工程であって、吸着塔を一塔余分に
必要とするが、もしこの工程を省略すれば、供給された
原料空気が未処理で脱着再生工程で減圧状態になってい
る塔出口まで一気に流れ、０２濃度が４０〜６０％まで
しか濃縮できないので不可欠な工程である。

Ｃ塔は脱着再生工程を示し、吸着工程の終了した吸着塔
を真空ポンプ２で減圧し、吸着性ガスを吸着剤より脱着
して吸着剤を再生する。

この３塔式ＰＳＡ方式はＯ３純度等は問題ないが、復圧
工程を必要とするので、設備が大型化する欠点がある。

この欠点をカバーし、かつエネルギ消費量を低減するた
めに改良された方式が第３図に示す４塔式であって第４
図に示す操作パターンを示すものである。

この方式は厳密に定義すれば２塔−２系列式と呼ばれる
ものである。この方式では前記３塔式における復圧工程
にかわり、吸着工程終了時に吸着塔上部に残存する０２
富化空気を回収し、３塔式の復圧工程と同じ機能をもた
せたものである。

また真空再生後に吸着塔に残る真空エネルギーを活用し
て、原料空気を吸着管３により吸着塔に導入する吸気工
程を有する。

第３図に示す４塔弐ＰＳＡ混合ガス分離装置を空気から
０２を製造する装置について説明する。

第４図は従来の４塔式ＰＳＡ混合ガス分離装置の操作パ
ターンである。

まず、従来の操作パターンについて、第３図（ａ）〜（
ｆ）によってＡ搭の操作を中心に説明する。

ここでフロシート中で白ぬきの弁は開状態を示し、黒ぬ
きの弁は閉状態を示す。

第４図のサイクルタイムは１〜４に区分されるが、サイ
クル２．４は図に示すように回収工程と脱着再生工程、
回収工程と吸気工程に更に区分されている。

第３図（ａ）は第４ｒＸＩのサイクル−１の状態を示す
。原料空気は原生ブロワ１で圧送され、加圧管４を通っ
て、切換弁ＶＡ−２よりＡ塔に供給される。供給された
空気中のＮ２ガス成分（吸着性ガス）は内部に充填され
ている吸着剤粒子間を通る間に吸着され、難吸着性の０
２ガスが切換弁ＶＡ−４を通って塔上部の排気管６より
排出される。

次に、第４図のサイクル−２の前半の回収工程について
、第３図ら）で説明する。サイクル−１の終了時には、
Ａ塔の上部には濃縮された０２ガスが多量に残存するが
、これは切換弁ＶＡＢ−５を開けて連絡管５ＡよりＢ塔
に回収する。

この間、真空ポンプ２Ｂを有効に活用するた狛、切換弁
Ｖ−６が開となる。

続いて第４図のサイクル−２の後半のサイクル脱着再生
工程について第３図（Ｃ）で説明する。

Ａ塔の吸着剤に吸着されたＮ２ガスは真空ポンプ２Ａで
減圧することによって吸着剤より脱着されて、切換弁Ｖ
Ａ−３を経て真空ポンプ２Ａを通って系列に排出される
。

第３図（ｄ）は第４図のサイクル−３を示す。この間、
Ａ塔は引きつづき真空ポンプ２Ａで減圧され、脱着再生
工程が継続される。

第３図（ｅ）は第４図のサイクル−４の前半の回収工程
を示す。Ｂ塔上部の０２残存ガスが切換弁ＶＡＢ−５を
開とすることによって連絡管５ΔよりＡ塔に回収される
。

第３図（ｆ）は第４図のサイクル−４の後半の工程を示
す。Ａ塔は真空状態にあるので、吸気管３を通って切換
弁ＶＡ−１より空気がＡ塔に導入される。

上記の４サイクルをくり返し行うことによって連続的に
０□ガスが製造される。

この従来のＡ塔式ＰＳＡ法の欠点は回収ガスの０２純度
が製品０２ガスより低いため、製品０２ガスの濃度変化
が大きいことである。特に高純度を要求される場合、０
２ガスの収率も低下する。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はＡ塔式ＰＳＡ法の問題点を解決しようとするも
のである。４塔式法の欠点は前項で延べたごとく、０．
ガスの濃度変動幅が大きいことである。この原因は回収
ガスの純度低下に主によるものである。

第５図に従来法の場合の吸着塔内ガス分布を示す。この
第５図において、吸着塔のＢと０間のガスが他塔より回
収されたものであるが、Ｂ部が初期に回収され、０部が
終期に回収されたものである。初期に回収されたものほ
ど０２純度が高く、０部に近いほど純度が低い。しかる
に吸着工程においては０部のガスが先頭となって吸着塔
より排出される。換言すれば、０２純度の低いガスはど
吸着剤床中の滞留時間が短い状態で排出されるので０２
純度が低い原因となる。また０２ガスの出口側の吸着剤
はどＮ２ガスを多量に吸着した状態となるので、分圧平
衡の吸着原理（Ｎ、ガス分圧に比例的に吸着される）よ
り高純度に濃縮できない。０２ガス回収、吸気工程にお
いて、最悪のケースでは第５図の吸着塔のＢ部に充満す
る高濃度に濃縮された０２ガスが原料空気のＡ−Ｂ部へ
の吸着によって押し出され入口側吸着剤床で高純度に濃
縮された０、ガスによって出口側Ｃ部（すなわち出口側
）に充満することによって、吸着剤中のＮ２ガスが脱着
して、製品０．ガスに混入することもある。

第６図に従来法の０部濃度変化例を示すように、吸着工
程においては、０部純度の低いガスが先頭となって排出
された後、０２純度が高いガスが排出されることが判る
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は （１）特定の成分ガスを優先的に吸着する吸着剤を使用
して、加圧と減圧操作を交互にくり返す圧力スイング法
により多成分からなる混合ガスを難吸着性ガスと吸着性
ガスに分離する混合ガスの分離法において、吸着分離工
程の終期に吸着塔の出口部に残存する難吸着性ガス成分
に富むガスを、吸着剤の脱着再生工程の終了した吸着塔
に回収し、更に該吸着塔に製品難吸着性ガスの一部を逆
流させて吸着塔上部に前記回収によって存在している純
度の低い難吸着性ガスを原料ガス人口方向に移動させる
ことによって、分離される難吸着性ガスの収率を高める
とともに、純度の安定化を計ることを特徴とする混合ガ
ス分離法。

（２）難吸着性ガス加圧工程が難吸着性ガスの吸着分離
工程時間の３０％以下で行われることを特徴とする請求
項（１）記載の混合ガス分離法。

である。

すなわち、本発明は装置としては原則的には第３図に示
した従来の４塔式のものを用い、以下に説明する第７図
に示す操作パターンによって、０□純度低下の問題点を
解決するものである。

第７図の操作パターンが第４図のそれと異なる点は、Ａ
塔について云えばサイクル−４の後半に逆流工程が追加
されている点である。この方法では回収工程の終期に他
塔の吸着工程で製造した０２ガスの全量又は一部を吸着
塔上部から逆流させ、吸着塔上部に残存している純度の
低い０２ガスを吸着剤床の下部方向へ圧送させるととも
に、原字ブロワの加圧力を利用して原料空気を下部より
圧入するものである。

これを第８図に具体的に示す。第８図において第３図と
同一部分には同一符号を付したので説明を省略する。第
８図ではＤ塔で製造された０２ガスの一部が切換弁ＶＤ
−，１１を経て排気管６を通って切換弁ＶＡ−４よりＡ
塔の上部に供給され、Ａ塔の頂部のガスをＡ塔の吸着剤
層に押し詰んでいる状態を示している。

〔作用〕

第９図に本発明法における吸着塔内のガス分布を示す。

回収ガスは吸着剤床のＢ−Ｃ間に圧送され、Ｃ−Ｄ間に
は製品０２ガス純度に近い高純度の０２ガスが充満して
いる。この０□逆流工程中に塔上部の吸着剤はＮ２分圧
の低い逆流０２ガス流で脱着再生されるとともに、Ｎ２
ガスを含有する回収ガスは吸着剤床の人口方向に圧送さ
れる。

吸着工程ではこのガスは再び再生された吸着剤床を通過
するため、０２純度は向上する。また９０％以上の高純
度０２を製造す場合、０２ガス収率も向上する。

〔実施例〕

第３図に示す機器構成のパイロットプラントを用い、第
７図に示した操作パターンによってテストを実施した。

この時の装置仕様および操作条件は表−１に示す通りで
ある。

この装置の中心機器である吸着塔は第３図のＡ−Ｄに示
す通り４塔で構成されており、表−１に示す通り米国ユ
ニオンカーバイド社製の１３ｘ型ゼオライトモレキユラ
シーブスが各々２５０ｋｇ／塔充填されている。

また原字ブロワ１は乾式ルーツブロワを使用し、真空ポ
ンプ２Ａ、２Ｂとしては水封式ナツシュポンプを使用し
た。

上記装置は第４図に示す操作パターン（従来法）及び第
７図に示す操作パターン（本発明実施例法）で運転を行
ったが、この場合の切換サイクルタイムは表−１に示し
た通り吸着工程は５０５ｅｃ０、回収工程は１０　ｓｅ
ｃ、、脱着再生工程は９０　ｓｅｃ、とした。

これに発明効果を実証するために、第７図に示す操作パ
ターンの逆流工程をＯ〜１５　ｓｅｃ、追加してテスト
した（逆流工程Ｏｓｅｃ、は従来法である）。また操作
圧力は吸着圧力を１．３　ａｔａ、に設定した。一方、
脱着圧力は操作条件、真空ポンプ能力より０．２　ａｔ
ａ、となった。

表　　１ 表−２にテスト機の運転結果を示し、第１０図にその結
果をグラフ化して示した。この結果は従来の問題点が大
巾に改良されたことを示している。

また、この結果は吸着工程時間５０　ｓｅｃ、に対し、
逆流工程時間が１５　ｓｅｃ、（吸着工程時間の３０％
の時間）以内が有効であることを示している。

〔発明の効果〕

本発明により高純度の難吸着性ガスが多量に、かつ得ら
れる難吸着性ガスの濃度変動幅も小さくしうる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の３塔式ＰＳＡ混合ガス分離装置の概略図
、第２図は第１図の装置の操作パターンを示す図表、第
３図は従来の４塔式ＰＳＡ混合ガス分離装置の概略図、
第４図は第３図の装置の操作パターンを示す図表、第３
図（ａ）〜（ｆ）は第４図の操作パターンを説明するた
めの第３図の４塔弐ＰＳＡ混合ガス分離装置の具体的な
操作例を説明するための概略図、第５図は従来の４塔式
ＰＳＡ混合ガス分離装置を第４図の操作パターンに従っ
て操作した時の吸着塔内の状態を説明するための概略図
、第６図は従来の４塔弐ＰＳＡ混合ガス分離装置を第４
図の操作パターンに従って操作した時の製品難吸着性ガ
ス（０２）の濃度変化を示す図表、第７図は本発明の一
実施例の４塔弐ＰＳＡ混合ガス分離装置の操作パターン
を示す図表、第８図は本発明の一実施例の４塔式ＰＳＡ
混合ガス分離装置に本発明の特徴的工程である製品難吸
着性ガス（０□）を逆流させている状態を示す概略図、
第９図は本発明による製品難吸着性ガス（０，）を逆流
させた時の吸着塔内の状態を説明するための概略図、第
１０図は本発明を実施した場合の製品難吸着性ガス（０
２）の製造量及び濃度変化幅を示す図表である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）特定の成分ガスを優先的に吸着する吸着剤を使用
   して、加圧と減圧操作を交互にくり返す圧力スィング法
   により多成分からなる混合ガスを難吸着性ガスと吸着性
   ガスに分離する混合ガスの分離法において、吸着分離工
   程の終期に吸着塔の出口部に残存する難吸着性ガス成分
   に富むガスを、吸着剤の脱着再生工程の終了した吸着塔
   に回収し、更に該吸着塔に製品難吸着性ガスの一部を逆
   流させて吸着塔上部に前記回収によって存在している純
   度の低い難吸着性ガスを原料ガス入口方向に移動させる
   ことによって、分離される難吸着性ガスの収率を高める
   とともに、純度の安定化を計ることを特徴とする混合ガ
   ス分離法。
2. （２）難吸着性ガス加圧工程が難吸着性ガスの吸着分離
   工程時間の３０％以下で行われることを特徴とする請求
   項（１）記載の混合ガス分離法。