JPH0532087B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は空気等窒素と酸素を主成分とする混合
物ガス原料とし、分子篩炭（以下、MSCと記す）
よりなる吸着床を用いた圧力変動吸着方式（以
下、PSA方式と記す）の分離装置で得られる窒
素純度を高め、然も、窒素価格を低下せしめるた
めの方法に関するものである。

（従来技術） MSCはガスの吸着速度差を利用して、酸素、
炭酸ガス、水分等も短時間のうちに吸着除去し、
一方、窒素は直接取出すことができるという窒素
ガス分離に関して極めてすぐれた特性をもつてい
る。このMSCを吸着剤とし、PSA方式で空気等
の混合ガスから窒素を分離する方法は一般に加圧
吸着、均圧、再生等の各操作を中心に構成されて
おり、複数の吸着槽を用いこれ等の操作を順次切
替えて実施することにより連続的に製品窒素を得
ることが可能となる。

均圧操作とは、吸着操作を完了した吸着槽の内
部に残存する窒素比率が高い加圧状態のガスを再
生操作が終つた他の吸着槽に圧力差を利用して両
槽の圧力がほぼ等しい状態になるまで移動さす操
作であり、原料ガス原単位の低減を意図してい
る。

又、再生操作には大気圧近傍まで減圧すること
によつて吸着していたガスを脱着せしめる常圧再
生と、真空ポンプを用い50〜150Torrの領域まで
減圧する真空再生方式があり、通常、前者は99
％、後者においては99.9％の製品窒素純度（窒素
純度とは窒素とアルゴンの合計容量％、以下同
じ）を得る場合に主として採用されている。この
様な区分は常圧再生による同一のPSA方式窒素
ガス分離装置で99.9％の製品窒素純度を得ようと
すれば、99％の場合に比し空間速度が1/3近傍ま
で減少することによる設備費と運転費の大巾な増
大で、製品窒素の価格面に関しては真空再生を用
いる装置の方が優位となることに由来する。

なお、空間速度とは１分間に得られる標準状態
の製品窒素流量を常時吸着操作に当てられている
MSCの容量、即ち本発明においては１本の吸着
槽に充填されたMSCの容量、で除した値で示す。

分離する窒素の純度を向上さす効果は、単に製
品窒素の高純度化を意味するばかりでなく、その
純度を従来水準に保持する場合設備の小型化並び
に動力費の節減が可能となるため、上記各操作過
程において種々の手段がとられている。例えば、
常圧再生においてた当該操作期間中吸着槽内に少
量の製品窒素を流して吸着床を洗滌する方法（以
下、リンスと記す）、真空再生の場合は50〜
150Torrまで減圧するためにリンスを利用するこ
とは出来ないが、均圧操作を完了して吸着操作に
移行する時点で、当該吸着槽出口部の空間に均圧
操作を実施したことによつて滞留しているガスを
吸着床内へ移動せしめるために必要な量の製品窒
素を逆流させる方法、或いは吸着操作開始直後に
生成する比較的低純度の窒素を系外に放出又は原
料ガス中に返却して再利用する方法等が知られて
いる。

（発明が解決しようとする問題点） 空気等を原料とし、MSCよりなる吸着床を用
いたPSA方式窒素ガス分離装置は、オンサイト
で安価な窒素を必要な時に生産できるほか、安全
性と全自動無人運転を特徴として急速に市場を拡
大してきた。

液体窒素に代表される既存の窒素源と比較した
場合、MSCを用いるPSA方式窒素ガス分離装置
から得られる窒素はその純度面に最大の難点があ
り、順次高純度化の方向に技術開発が進みつつあ
る。

特に、99.9％の純度を有する窒素を常圧再生に
より真空再生の場合を下廻るコストで供給可能と
なれば、真空ポンプ等のプロセスが省略され、設
備保守の面も著しく軽減し、産業界に対して大き
く貢献することが出来る。

（問題点を解決するための手段） 本発明者等は常圧再生を採用したPSA方式窒
素ガス分離装置において得られる製品窒素の高純
度化手段に関し鋭意研究の結果、前記前提条件を
満足しながら純度99.9％の窒素が分離可能な方法
を発明するに到つた。

即ち、窒素と酸素を主成分とする加圧状態の混
合ガスを原料とし、MSCを充填した複数の吸着
槽よりPSA方式窒素ガス分離装置において、 (a) 常圧再生操作を実施している吸着槽Ａは、当
該操作の期間中製品出口側から少量の製品窒素
を吸着床に流す工程、 (b) 上記(a)の常圧再生操作完了段階の吸着槽Ａと
吸着操作を終つた吸着槽Ｂとを配管により連通
することで、加圧状態に置かれている吸着槽Ｂ
の槽内ガスを圧力差によつて吸着槽Ａへ移動す
る工程、 (c) 次に、吸着槽Ａが吸着操作を開始する際、上
記(b)工程の移動ガス量と下記の逆流させる製品
窒素量の合計が、吸着操作期間中に示す吸着槽
最高ゲージ圧力の60％以上に相当するよう、製
品貯槽からの吸着槽Ａ内へ製品窒素を逆流せし
める工程、 を必須条件として構成された窒素ガス分離方法で
ある。

以下、第１図によつて本発明を更に詳しく説明
する。

空気等窒素と酸素を主成分とする加圧状態の原
料混合ガスは弁５を通つて吸着槽１に入り、槽内
に充填されているMSCによつて吸着除去される
成分と吸着されなかつた窒素等の成分に分離さ
れ、製品窒素は弁９を経由して貯槽３に一旦貯蔵
されたのち目的の用途へ供給される。

この間、常圧再生操作中の吸着槽２は弁８を開
放し、大気圧近傍まで減圧することによつて吸着
状態にあつたガスは脱着するが、当該操作期間中
リンス配管途中に設置するオリフイス１３で流量
規制された少量の製品窒素が吸着槽２に供給さ
れ、槽内に充填されたMSCを洗滌する。この残
存ガス、吸着成分及び洗滌後の窒素等は弁８及び
消音器４を経由していずれも系外に放出される。
なお、リンス流量は過大でも過小になつても製品
窒素純度が低下するため、吸着操作において分離
される窒素流量の５〜40％の範囲内で最適値に設
定しなければならない。

吸着槽１内MSCの分離性能が許容限界に到達
する直前に設定された時間が経過すると弁５、弁
９等びに弁８を閉止し、弁１１又は弁１１と１２
を開くことによつて両槽を連通する。吸着操作時
の加圧状態に置かれている吸着槽１内に残存する
窒素比率の高いガスは大気圧近傍まで減圧されて
いる吸着槽２へ上記連通配管を経由して両槽の圧
力差で移動する。特に、弁１１と１２を同時に開
き、弁１１を通過するガス流量が弁１２における
ガス流量を上廻るよう調整することが望ましい。

槽間ガス移動を停止する適期は両槽がほぼ等圧
に近い段階でも構わないが、供給する側の吸着槽
１に対して受入側の吸着槽２の圧力がゲージ圧力
比で0.10〜0.70の範囲に到達した時点で停止する
のが製品窒素の純度面でもより好ましい。

吸着槽２において、次の吸着操作を開始する
際、弁１０を開き製品貯槽から窒素を吸着槽３に
逆流させる。

従来より、吸着槽間の均圧操作において吸着槽
製品出口部の空間に滞留している比較的純度の低
い窒素が次の吸着操作で直接製品貯槽に入ること
を防止するため、上記滞留窒素を吸着床まで移動
さすのに逆流を採用することがある。この場合に
は、製品貯槽における圧力変動との関連で、逆流
窒素を目的達成に必要な最低限の量に抑制する。

常圧再生のMSCを用いたPSA方式窒素ガス分
離装置で通常の製品窒素純度99％を得るとき、再
生期間中リンスを行なつているので均圧操作後の
流効果は製品純度面に殆んど認められず、逆に製
品貯槽の圧力変動等マイナス効果を伴うため、一
般に採用されない。

一方、製品窒素純度99.9％を前提としリンスを
利用することが出来ない真空再生を採用する場合
は、均圧操作後逆流を実施することで製品純度の
向上効果が明らかにされている。

吸着操作開始時、吸着槽内の圧力が低い状態に
置かれていると原料ガスは極めて短時間のうちに
吸着床を通過して、分離不充分な段階の窒素が製
品貯槽に入る。従つて吸着操作初期の低純度窒素
を系外に放出する等の方法も提案されている。

本発明の逆流に関しては、先に説明した滞留ガ
スの除去効果以上に、吸着操作を開始する際、当
該吸着槽内をあらかじめ高純度の窒素で加圧して
置くことの効果に重点を置いており、吸着槽間を
移動したガス量と逆流させる製品窒素量の合計が
吸着操作期間に示す吸着槽最高ゲージ圧力の60％
以上、より好ましくは70％以上に相当するよう、
製品貯槽３から吸着槽２への逆流量を設定しなけ
ればならない。

吸着槽２へ原料ガスを供給開始するまでに逆流
を完了する場合、弁１０を閉止して逆流を停止す
る時点は当該吸着槽の圧力計によつて容易に判断
出来るが、逆流を実施する時期は、上記の如く原
料ガスを供給開始する以前に限定されるものでは
ない。

即ち、弁７と１０を開いて逆流と原料ガスの供
給を同時に実施することも可能である。この方法
を採用するときは槽間ガス移動直後における吸着
槽２の圧力より必要逆流量を求め、これに対応す
る製品貯槽３の圧力低下量を算出し、弁１０と製
品貯槽３間の配管、又は原料ガスの供給配管途中
にオリフイス等を挿入して逆流量を調節する。

製品貯槽を設置する主目的は、吸着操作の開始
直後に生ずる比較的低純度の窒素を混合稀釈し、
製品窒素の純度を均斉化することにある。然し、
本発明の如く、製品貯槽より大量の製品窒素を吸
着槽に逆流せしめる方式においては、製品貯槽の
圧力が大巾に変動し、消費圧力の維持上悪影響を
及ぼすばかりでなく、逆流量を制御することも困
難となる恐れがある。従つて、吸着槽に製品窒素
を逆流している期間をも含め、製品貯槽のゲージ
圧力が吸着操作時に示す吸着槽最高ゲージ圧力の
70％以上を常に保持するように製品貯槽３の内容
積を選定することが望ましい。

吸着槽２は弁７を経由して原料ガス供給を受け
吸着操作を開始するが、常圧再生操作で製品窒素
純度99.9％を確保する上で設備費、動力費等の面
より最低限必要な空間速度1.0min^-1以上、より好
ましくは1.2min^-1以上の水準を保持するために
は、本発明の方法においても吸着操作時の吸着槽
最高圧力が６Kg／cm²Ｇ以上でなければならない。

一方、吸着槽１は吸着槽間のガス移動を停止し
た時点で弁６を開き、先に述べた吸着槽２におけ
る常圧再生操作と同様槽内ガスを系外して減圧に
よる脱着再生を行い、こ期間リンスを実施する。

以降、吸着槽１及び２は180゜の位相差をもつて
吸着と再生の両操作を繰返し、原料ガスより連続
的に99.9％以上の純度を有する窒素を分離するこ
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本の吸着槽よ
りなるPSA方式窒素ガス分離装置を用い、吸着
操作時の吸着槽最高到達圧力が７Kg／cm²Ｇとなる
よう加圧された空気を原料とした。

逆流を含む１回の吸着時間、即ち、半サイクル
時間を100秒とし、吸着操作を完了した吸着槽と
リンスを伴う常圧再生操作を終つた吸着槽は弁１
１と弁１２を開き、供給側の吸着槽に対して受入
側吸着槽の圧力がゲージ圧力比で0.50に到達した
時点でガスの移動を停止する。

次に、吸着操作を開始する吸着槽圧力が5.5
Kg／cm²Ｇに到達するまで製品貯槽から当該吸着槽
へ窒素を逆流した後、原料空気の供給を開始し
た。

以上の条件で空間速度が1.4min^-1となるよう製
品窒素の取出量を設定した結果、本実施例で得ら
れた製品窒素の品質は残存窒素濃度730ppm、大
気圧露点−70℃の近傍の値が安定に得られた。

比較例 １ 実施例１と同一設備を用い、製品貯槽から吸着
操作を開始する吸着槽に窒素を癌流する工程を省
略する以外は全て実施例１と同一条件で空気から
窒素を分離した。

空間速度1.4min^-1における製品窒素中の残存酸
素濃度は2860ppmであつた。

比較例 ２ 実施例１と同一設備を用い、常圧再生操作にお
いてリンスを採用しない点以外は全て実施例１と
同一条件て空気から窒素を分離した。

空間速度1.4min^-1における製品窒素中の残存酸
素濃度は2390ppmであつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本説明の一例を示すフローシートであ
る。 図中１，２は吸着槽、３は製品貯槽、４は消音
器、５，６，７，８，９，１０，１１，１２は切
替弁、１３はオリフイス、１４は減圧弁を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒素と酸素を主成分とする加圧状態の混合ガ
   スを原料とし、分子篩炭を充填した複数の吸着槽
   よりなる圧力変動吸着方式の窒素ガス分離装置に
   おいて、 (a) 常圧再生操作を実施している吸着槽Ａは、当
   該操作の期間中製品出口側から少量の製品窒素
   を吸着床に流す工程、 (b) 上記(a)の常圧再生操作完了段階の吸着槽Ａと
   吸着操作を終つた吸着槽Ｂとを配管により連通
   することで、加圧状態に置かれている吸着槽Ｂ
   の槽内ガスを圧力差によつて吸着槽Ａへ移動す
   る工程、 (c) 次に、吸着槽Ａが吸着操作を開始する際、上
   記(b)工程の移動ガス量と下記の逆流させる製品
   窒素量の合計が吸着操作期間中に示す吸着槽最
   高ゲージ圧力の60％以上に相当するよう、製品
   貯槽から吸着槽Ａ内へ製品窒素を逆流せしめる
   工程、 よりなることを特徴とした窒素ガス分離方法。 ２ 上記１(b)の吸着槽AB間連通配管で槽内ガス
   を移動する際、ガスを供給する側の吸着槽Ｂに対
   する受入側吸着槽Ａの圧力が絶対圧力比0.10〜
   0.70の範囲に到達した時点でガスの移動を終了せ
   しめる、特許請求範囲第１項記載の窒素ガス分離
   方法。 ３ 吸着操作期間中、吸着槽の最高到達圧力が６
   Kg／cm²Ｇ以上である特許請求範囲第１項又は第２
   項記載の窒素ガス分離方法。 ４ 空間速度が1.0min^-1以上である特許請求範囲
   第１項、第２項、又は第３項記載の窒素ガス分離
   方法。