JPH0555171B2 - - Google Patents

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JPH0555171B2
JPH0555171B2 JP62011105A JP1110587A JPH0555171B2 JP H0555171 B2 JPH0555171 B2 JP H0555171B2 JP 62011105 A JP62011105 A JP 62011105A JP 1110587 A JP1110587 A JP 1110587A JP H0555171 B2 JPH0555171 B2 JP H0555171B2
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adsorption
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Ichiro Funada
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Kobe Steel Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧力スイング吸着（Pressure Swing
Adsorption）法によつてN2ガスを脱着回収する
方法及び装置に関し、詳細には脱着されてくる製
品ガス中の不純成分を極力少なくして高純度の
N2ガスを高効率で製造する方法に関するもので
ある。
［従来の技術］ N2を主成分としO2を不純成分として含有する
原料ガス（主に空気）から、PSA装置を利用し
てN2を分離精製する方法には、大別して(1)O2を
吸着剤に吸着除去し、N2を通過ガスとして製品
化する方法と、(2)N2をいつたん吸着させてO2と
分離し次いでN2を脱着して製品化する方法の２
つがある。
後者の方法を更に詳述にすると、吸着塔内に充
填した吸着剤にN2成分を大気圧程度或は加圧状
態で吸着させ、次にこの吸着塔を真空ポンプ等を
使つて減圧し、吸着されていたN2を製品ガスと
して高純度で取出す方法であり、この方法を実施
する為の装置の一例を示す第２図は、前処理装置
２０を備えた３塔式PSA装置の概略説明図であ
る。尚以下の説明においてはN2およびO2を含有
する原料ガスとして空気を用いる場合を取りあげ
るが、本発明の適用対象となる原料ガスは空気に
限定されるものではない。
圧縮機１によつて加圧された原料空気は前処理
塔２１ａ，２１ｂのいずれかに供給されてH2O
及びCO2が吸着除去され、調圧タンク２２に送ら
れた後、３塔の吸着塔３ａ〜３ｃのいずれかへ供
給される。各吸着塔３ａ〜３ｃにおいては第３図
に示す工程順序に沿つて且つ各吸着塔３ａ〜３ｃ
毎に時間差を置いてN2の分離精製が行なわれる。
以下吸着塔３ａに注目して前記工程順序を説明
する。まず吸着工程では調圧タンク２２を通過し
たO2とN2の混合ガスが自動開閉弁（以下単に弁
という）V1を介して吸着塔３ａ内に受け入れら
れる。そして吸着塔３ａ内に充填された吸着剤が
N2を吸着し、該吸着塔３ａを通過した排ガスは
弁V4及び排ガス排出管４を介して前処理装置２
０へ還流させた後装置外へ排出する。
上記吸着剤としては天然ゼオライトや合成ゼオ
ライトが使用されている。
上記吸着工程においてはN2の吸着が先行する
が、N2とO2の分子構造が良く似ており、またそ
れぞれの分子の大きさにも大差がないのでO2の
一部が空孔内に物理的に捕足されことは避けられ
ない。従つて直ちに吸着工程に入るとこのO2が
N2と一緒に脱着されて製品N2の純度を低下させ
る。そこで脱着に先立つて洗浄を行なう必要があ
るが、経済性（製品回収率の向上）を考慮して回
収工程を更に前置することが多いので次に回収工
程について説明する。この回収工程では他の吸着
塔（図では３ｃ）において前記洗浄工程（詳細に
ついては後述）の終了したN2リツチの排ガスを
バイパス管１０ｃ経由で吸着塔３ａ内に導入す
る。そうすると吸着剤に前述の如く捕足されてい
たO2の一部がN2によつて置換除去され、前記排
ガス排出管４より放出される。従つて吸着剤によ
つてN2が追加的に吸着されるという意味で上記
の如く回収工程であると述べたが、O2の一部が
除去されるという観点から見れば予備洗浄工程で
あると位置付けることもできる。
洗浄工程に入ると、製品ガスタンク９から洗浄
ガス用管８経由で高密度N2ガスを吸着塔３ａ内
へ導入し、吸着剤中に尚残存するO2をN2によつ
て置換除去し吸着剤中のN2濃度を高める。吸着
塔３ａ通過したガスは置換除去してきたO2を含
有しているとは言え元々はN2純度の高いもので
あるからN2濃度の高いガスであり、このまま大
気中へ放出することは極めて不経済である。そこ
でバイパス管１０ａを通して吸着塔３ｂへ送り、
該排ガス中のN2を吸着させるという前述の回収
工程を実施するのである。
こうして洗浄工程の終了した吸着塔３ａは脱着
ガス回収管５ａ及び弁V7を介して真空ポンプ６
に接続し、塔内を減圧して吸着剤からN2を脱着
させ、高純度のN2を製品ガスタンク９内に貯留
する。以上述べた様に各吸着塔毎に上記工程を繰
り返すと共に、各吸着塔管では１／塔数ずつ各工
程のサイクルをずらして諸工程を実行し、全体と
して見ればいずれかの塔で脱着工程が行なわれる
様にスケジユールが組まれるので高純度N2は連
続的に生産されることとなる。
［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来方法では次に示す様な２つの大きな問
題点がある。
まず第１に製品N2の純度が、原料空気の加圧
力や脱着圧力、さらには工程時間等を工夫したと
しても、99.9％程度とするのが限度であるとされ
ていることであり、鉄鋼加工の熱処理工程等で要
求される99.9％以上の高純度を達成することはで
きなかつた。その為PSA装置によつて製造され
るN2ガスの用途は狭い範囲に制約されていた。
第２に前記洗浄工程におけるO2ガスの置換除
去効率を高めようとすれば本工程の運転時間を長
くしなければならないが、せつかく精製したN2
が洗浄ガスとして多量に使われることになるので
N2回収率が低下すると共に単位時間当たりの工
程実行回数が減少することになり、装置の運転効
率を低下させて電圧原単位が大きくなり不経済で
ある。即ち洗浄工程を実施しているといつても、
N2回収率との見合いで行なわれなければならな
いという制限があり、N2純度の大幅な向上に寄
与するには至つていないのである。
そこで本発明者らは99.9％以上の高純度N2ガ
スを効率良く製造することができる様なPSA方
法を提供すべく種々研究を重ねた結果、本発明を
完成させ得るに至つた。
［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成した高純度窒素製造方法は吸着
工程、回収工程、洗浄工程及び脱着工程を順に繰
返す圧力スイング吸着方法において、吸着剤とし
て空孔径７〜10Åの、合成ゼオライトを使用する
と共に、 Ｔ＝Ｌ／Ｖ 但しＬは前記吸着剤の充填長さ（単位：ｍ） Ｖは前記吸着塔の吸着工程における平均空塔速
度（単位：ｍ／秒） で示される平均接触時間Ｔ（単位：秒）を30秒以
下とする点に要旨を有するものである。
［作用］ 吸着塔内に原料ガスを圧入する場合のガス導入
速度はポンプ圧の脈動や塔内における導入ガス圧
の上昇に伴なう抵抗等によつて常に変動してお
り、原料ガスと吸着剤の接触条件を厳密に表現す
ることは困難である。そこで便宜上原料ガスが吸
着剤と接触する平均接触時間Ｔを次の様に仮定す
ることとした。即ち吸着工程における吸着塔内の
圧力は工程初期と終期では大きな差異が存在する
ので、該工程における塔内の平均圧力を基にして
原料ガスの導入速度を算定し、これを平均空塔速
度Ｖ（ｍ／秒）とする。この様にすれば前記平均
接触時間Ｔ（単位：秒）は、 Ｔ＝吸着塔内の吸着剤充填長さＬ（ｍ）／平均空
塔速度Ｖ（ｍ／ｓ） で表わすことができるが、この平均接触時間を30
秒以下とすることにより、第１図（グラフ）に示
す様に製品N2ガス純度を99.9％以上に維持でき
ることが分かつたのである。この様な短時間接触
であればN2やO2の吸着剤の表層部に接触するだ
けとなり、吸着剤の空孔に物理的に捕足される
O2が奥部の空孔に到達するのが抑制される。従
つて回収又は洗浄工程におけるN2による置換が
迅速且つ確実に行なわれることとなり、洗浄後の
残存O2量を可及的に低減させることができた。
こうして製品N2を高純度化すると共に、O2とN2
の置換が短時間に完了し、洗浄ガスの節約による
回収総量の向上及び洗浄工程時間の短縮による高
効率な操業が行なわれる様になつた。尚N2純度
を更に向上し99.998〜99.999％を達成しようとす
れば平均接触時間Ｔを16秒以下とすることが推奨
される。
尚上記平均空塔速度は多段式コンプレツサーや
流量調整弁によつて調整可能であり、又第２図の
ような調圧タンクによつても調整できる。
ところで前述の如くN2分子とO2分子の大きさ
は近似しており（前者が約3.6Å、後者が約3.4
Å）、吸着剤として合成ゼオライトを採用したと
きの空孔径が５Åであると、上記空孔に捕足され
たO2分子は空孔内に比較的強く抱かれると共に、
置換の為のN2分子が近づいても、O2分子外周と
空孔内面とを間隔が狭いためにN2分子の進入が
阻害され置換の進行は不十分となる。そこで空孔
径を７〜10Åに調整した合成ゼネライトを領して
みたところ、空孔が大きい為にO2分子の捕足力
も弱く、またN2分子の進入も容易となるので、
N2分子との置換が比較的たやすく行なわれる様
になることが分かつた。即ち洗浄ガスによるO2
の置換除去が迅速且つ確実に行え、N2の高純度
化及び洗浄工程の効率化に優れた効果を発揮す
る。従つて第１図に示す如く、本発明の一実施例
である空孔径８〜９Åの合成ゼオライトを利用し
た場合は、空孔径５Åのものを使用する場合に比
べて平均接触時間を長くしてもより高純度のN2
ガスを得ることが可能となる。
合成ゼオライトは、空孔径７〜10Åのものを95
％以上含む様な分布を示めすものが好ましく更に
好ましいのは、空孔径８〜９Åのものを85％以上
有するものである。
尚CO2は分子の大きさが約4.4Åであり、いつ
たん空孔内に捕足されるとO2以上に置換が困難
であり、また空孔径５Åの合成ゼオライトを使用
したときは通常の減圧脱着（100〜150Torr）で
も取り出すことが困難であるため、吸着剤として
の性能が時間と共に低下していくという問題があ
る。この点空孔径７〜10Åの合成ゼオライトを使
用するとN2による置換や前述の減圧脱着によつ
てCO2を除去することが容易となり、吸着剤の機
能を長期に亘つて維持することが可能となる。
［実施例］ 実施例 １ 第２図に示したPSA装置を用い、調圧タンク
２２から吸着塔３ａ〜３ｂへ原料ガス（O2、N2
混合ガス）を供給した。前記定義に係る平均接触
時間を変えていき、製品N2ガス純度及び回収量
への影響を調べた。実験に当たつては吸着剤充填
長さＬ及び直径Ｄの比が0.2〜20となる様な種々
な吸着塔を用い、吸着剤としては空孔径が５Å及
び８〜９Åに調整された合成ゼオライトを採用し
た尚８〜９Åの合成ゼオライトの空孔径分布を天
然ゼオライトと比較して第４図に示した。尚脱着
圧力は100Torrとし各工程の実行時間は、吸着工
程５〜15秒：回収工程45〜55秒：洗浄工程45〜55
秒：脱着工程55〜65秒とした。
その結果第１図に示す様に前記平均接触時間を
短くすればするほど、高純度のN2ガスが得られ
ることが分かつた。例えば空孔径８〜９Åの合成
ゼオライトを使用し、Ｌ／Ｄが３〜20の吸着塔を
用いた場合は、平均接触時間が20秒のとき製品
N2ガス純度が約99.9％になり、平均接触時間を
７秒にしたとき99.999％を達成した。尚純度
99.999％を達成したときの原料空気供給量は
150Nm3／ｈで、製品N2ガス回収量は50Nm3／ｈ
であつた。
また空孔径８〜９Åの合成ゼオライトを使用し
Ｌ／Ｄが0.2〜2.5のときは、平均接触時間を30秒
以下とすれば製品N2ガス純度は99.9％以上が確
保されることが分かつた。
第２図に示したPSA装置におけるガスフロー
は、原料ガス、洗浄ガス及び置換後の排ガスがい
ずれも吸着塔の上方から下方に向かつて流れる様
に設定されており、吸着剤の充填層を乱すことは
なく、さらに吸着剤に捕足されたO2をN2との置
換後、直ちに塔外へ放出させる様に、即ち置換後
吸着塔中央部側へ移動させられて再捕足されると
いつた不都合が発生しない様に配慮した。また脱
着時のガス流れ方向も吸着塔の上方から下方に向
かうことになるので、圧力変動による衝撃が吸着
剤に与えられることもない。
実施例 ２ 合成ゼオライトの空孔径による性能差を比較す
る為次の実験を行なつた。
直径40mm、長さ500mmの吸着塔に上記合成ゼオ
ライトを充填し、原料空気を平均接触時間７秒で
導入し、回収・洗浄工程の後100Torrで減圧脱着
した。
吸着剤としては第４図に示す空孔分布（８〜９
Åにピークを有する）からなる合成ゼオライトと
従来の５Åを中心とするものを用いた。
その結果８〜９Åにピークを有するものを充填
した吸着塔では、回収と洗浄の全所要時間50秒で
O2とN2の置換がほぼ完了し、純度99.999％のN2
ガスを得ることができた。これに対し５Åのもの
では置換脱着速度が遅く所定の回収・洗浄工程時
間内（53秒）には十分なN2置換が行なわれず、
N2ガス純度は99.94％程度に止まつた。
第５図は８〜９Åの空孔を85％以上有する合成
ゼオライトを充填した吸着塔を備えた３塔式
PSA装置に原料空気を60Nm3／ｈで供給したとき
の製品N2ガス純度とガス量の相関を示すグラフ
である。尚比較例として天然ゼオライト及びモレ
キユラシーブカーボンを使用したときのグラフを
併記したが、合成ゼオライト（８〜９Å）の場合
には、N2ガス量が限界値（約20Nm3／ｈ）を超
えると急激に純度の低下をきたすものの、それま
では99.998％以上の高純度を維持できることが分
かつた。これに対して天然ゼオライト又はモレキ
ユラシーブカーボンを用いた場合には、N2ガス
量の増加につれて徐々に純度が低下し、しかもそ
の純度は99.98％が限界であり、この純度を維持
するためにはN2ガス量が低下し、製品原単位が
大きく非常に不経済となることが明らかになつ
た。
［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されているので、吸着
剤に捕足されたO2の大部分を短時間内のうちに
確実にN2と置換でき、製品N2ガスを99.9％以上
の高純度とすることができた。また吸着時間のみ
ならず回収、洗浄時間も短縮され効率的な操業が
できる様になつた。
【図面の簡単な説明】
第１図は平均接触時間と製品N2ガス純度との
関係を示すグラフ、第２図はN2ガス製造用PSA
装置の概略を示す説明図、第３図は第２図PSA
装置における吸着塔１塔の工程順序を示す説明
図、第４図は吸着剤の空孔径分布を示すグラフ、
第５図は製品N2ガスのガス量と純度の相関を示
すグラフである。 １……圧縮機、２……製品N2ガス取出管、３
ａ〜３ｃ……吸着塔、４……排ガス排出管、５ａ
〜５ｂ……脱着ガス回収管、６……真空ポンプ、
８……洗浄ガス用管、９……製品ガスタンク、１
０ａ〜１０ｃ……バイパス管、２０……前処理装
置、２１ａ，２１ｂ……前処理塔、２２……調圧
タンク。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ N2を主成分としO2を含有するガスを吸着塔
    内に導入してN2を吸着剤に吸着させる吸着工程、
    次いで該吸着剤に捕捉されているO2をN2に置換
    する回収工程及び洗浄工程を行ない、さらに吸着
    塔を減圧することにより高純度N2を脱着回収す
    る脱着工程が順次繰返される圧力スイング吸着方
    法において、上記吸着剤として空孔径７〜10Åの
    合成ゼオライトを使用すると共に、 Ｔ＝Ｌ／Ｖ 但しＬは前記吸着剤の充填長さ（単位：ｍ） Ｖは前記吸着塔の吸着工程における原料ガスの
    平均空塔速度（単位：ｍ／秒） で示される平均接触時間Ｔ（単位：秒）を30秒以
    下とすることを特徴とする高純度窒素製造方法。 ２ 合成ゼオライトとして空孔径７〜10Åの空孔
    を有するものが95％以上を占めるものを使用する
    特許請求の範囲第１項に記載した高純度窒素製造
    方法。 ３ 原料ガス、洗浄ガス、及び置換後の排ガスの
    吸着塔への導入、並びに着脱ガスの排出は、吸着
    塔内のガス流れが同一方向となる様にする特許請
    求の範囲第１又は２項のいずれかに記載した高純
    度窒素製造方法。
JP62011105A 1987-01-19 1987-01-19 高純度窒素製造方法及び装置 Granted JPS63182206A (ja)

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