JPH0565206B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガス富化のための改良方法および装
置に関し、更に詳しくは、圧力切換吸着法を用い
たガス富化のための改良方法および装置に関す
る。

ガスストリームからガス成分を分離するための
吸着法の応用は当初、空気から二酸化炭素および
水を除去する目的でおこなわれてきた。ガス吸着
の原理は更に、水素、ヘリウム、アルゴン、一酸
化炭素、二酸化炭素、亜酸化窒素、酸素および窒
素などのガスの富化のための方法に改良されてい
つた。更に、また循環圧縮関係にある少なくとも
２個の吸着容器を用いた改良により、一般的には
圧力切換装置（PSA）と呼ばれるガス富化のた
めの吸着法を生みだした。

空気からの窒素と云つたようなガス製造のため
の代表的なPSA法および装置では、それぞれが
各サイクルにおいて４つの異つた操作工程をもつ
２個の吸着容器が使用される。サイクルの第１工
程では、１個の吸着床が加圧され、同時に窒素を
つくりだし、一方もう１個の床は排出により再生
され、時には生成ガスの交流により再生が促進さ
れる（パージと云う）。第二工程（圧力均等化と
も云われる）においては、吸着床は、吸着床の相
関関係により均圧化される。

サイクルの第三工程では、第一吸着床が再生さ
れ、一方第二床は加圧され、同時に酸素がつくら
れる。サイクルの最終工程では、両床間で均圧化
がおこなわれる。

これらの圧力切換の際、吸着床の圧力条件は、
窒素製造での炭素分子ふるいを用いた方法では15
〜120psigであり、酸素製造での結晶ゼオライト
を用いた方法ではそれより若干低圧である。この
ような方法および装置は、相当に改良されたもの
であるがこのようなガス富化方法は、本質的にか
なりのエネルギーの損失があり、また実際に吸着
自体は、発熱プロセスであり一方、脱着には吸熱
プロセスである。従つて吸着は吸着能力を低下さ
せる自己誘導での温度上昇により制限をうけ、一
方、脱着は自己誘導での温度低下により遅延され
る。更にある条件下およびあるプロセルパラメー
ターによつて放射伝熱が制限される大きなプラン
トにおいて、熱の蓄積が永続的温域および冷却域
をつくりだすことは、たとえそれが工程の不成功
へ結びつくとしても、可能である。

本発明の目的は、圧力切換吸着法を用いてガス
富化を実施するための改良方法および装置を提供
するところにある。

本発明の他の目的は、所要エネルギーが小さい
圧力切換吸着法を用いてガス富化を実施するため
の改良方法および装置を提供するところにある。

更に本発明の他の目的は、吸着剤の単位容積あ
たりの製造量が増加する圧力切換吸着法を用いて
ガス富化を実施するための改良方法および装置を
提供するところにある。

更にまた本発明の目的は、プラント投資コスト
が安い圧力切換吸着法を用いてガス富化を実施す
るための改良方法および装置を提供するところに
ある。

本発明のこれらおよび他の目的は、以下のよう
な圧力切換吸着法を用いたガス富化のための方法
および装置において達成される。即ち、処理すべ
き圧縮ガス混合物を間接的な熱交換関係におい
て、再生される吸着容器中の吸着剤床に通し、そ
こで圧縮熱を使用して脱着工程時の吸着剤床の再
生を改良し、ついでその圧縮ガス混合物を冷却シ
ステムに通過させた後、ガス富化のため、低温
の、効率的な吸着温度で吸着剤床を通過させるの
である。

本発明並びにその他の目的および有利性につい
ての更に十分な理解は、それらの詳細な説明を考
慮すれば、特に以下の添付図によつて明白にされ
るであろう。

本発明に対する理解を容易にするためある種の
バルブおよびパイプ組立て部品は図示しなかつ
た：しかしながら当然それらの付属バルブ、パイ
プおよび器具類は、技術的に認められている工程
と同じように設置されている。本発明では炭素分
子ふるいの吸着床を使用した窒素富化について説
明するが、しかし本発明の工程および装置が、本
質的に圧力切換吸着法を用いたガス富化に応用し
うることは、関連技術者には当然のことである。

さて、第１図は、吸着容器１０および１２を含
む本発明の工程および装置のフローダイアグラム
であり、各容器は、それぞれに伝熱コイル１４お
よび１６が設けられており、それぞれに適応する
吸着剤が充填されている。吸着容器１０および１
２間には後で充分に説明するように冷却システム
１８がとりつけられており、プロセス冷却がおこ
なわれる。コンプレツサー２０にはそのサクシヨ
ン側の入口導管２２および送給導管２４が取付け
られている。

送給導管２４は、バルブ２８を含む導管２６と
バルブ３２を含む導管３０とに連結されている。
導管２６は、バルブ３６を含む導管３４および吸
着容器内の伝熱コイル１４にガスを流す導管３８
に連結されている。導管３０はバルブ４２を含む
導管４０および吸着容器内の伝熱コイル１６にガ
スを流す導管４４に連結されている。

吸着容器１０には、底部導管４６および頂部導
管４８が、吸着容器１２には、底部導管５０およ
び頂部導管５２が設けられている。吸着容器１０
の底部導管４６は、バルブ５６のコントロールに
よる導管５４、バルブ６０のコントロールによる
導管５８、およびバルブ６４のコントロールによ
る導管６２に連結されている。吸着容器１２の底
部導管５０は、バルブ６８のコントロールによる
導管６６、導管５８およびバルブ７２のコントロ
ールによる導管７０に連結されている。導管６２
および７０は、導管７４により排出口あるいは大
気につながつている。

吸着容器１０内の伝熱コイル１４の上端は、導
管７６により冷却システム１８内の伝熱コイル７
８に連結されており、この伝熱コイル７８は、導
管８０により、冷却システム１８の他端で導管４
０および５４に連結されている。吸着容器１２内
の伝熱コイル１６の上端は、導管８２により冷却
システム１８内の伝熱コイル８４に連結されてお
り、この伝熱コイル８４は、導管８６により、冷
却システム１８内の他端で、導管３４および６６
に連結されている。

吸着容器１０の頂部導管４８は、バルブ９０の
コントロールによる導管８８および一定方向フロ
ーバルブ９４がついている導管９２に連結されて
いる。吸着容器１２の頂部導管５２は、導管８８
および一定方向フローバルブ９８がついている導
管９６に連結されている。導管９２および９６
は、ユーザー設備あるいは貯槽（図示せず）へガ
スを送給する製品導管１００に連結されている。
自動排水は、凝縮物を除去するために導管８０／
５４および８６／６６の最下点でおこなわれ、こ
れによつて供給空気中の湿度レベルを低下させ更
に工程能力を向上させる。

さて実際の操作において、先ず装置が運転中
で、吸着容器１０が脱着済、一方吸着容器１２の
再生が必要であり、かつ圧力の平衡あるいはバラ
ンスが吸着容器間でとれていると仮定する。そこ
で第２図では、バルブは白か黒かのいづれかで示
されているがこれらはそれぞれ開あるいは閉の状
態を示す。従つて、バルブ３２，３６，５６およ
び７２は、開でガスが流れており、一方バルブ２
８，４２，６０，６４，６８および９０は閉であ
る。

導管２２中の室温の空気は、コンプレツサー２
０により30〜150psiまで圧縮され、この圧縮によ
り、当初の室温から80〜150℃まで昇温される。
通常、処理される空気の温度は、約０〜38℃なの
で、従つて導管２４中の圧縮空気の温度は80〜
190℃となる。前述のように、吸着容器１２は再
生中である。導管２４中の圧縮空気は、導管３０
および４４を経て吸着容器１２内の伝熱コイル１
６を通過するが、ここで圧縮ガスは間接的な熱交
換により吸着剤床を通過し、そこで高温で吸着ガ
スを脱着させることにより吸着剤床の脱着あるい
は再生を容易にする。吸着容器１２の入口部への
加熱圧縮ガスの導入は、高濃度の酸素が存在する
吸着剤床の入口部に高温度を提供し脱着工程を助
ける。吸着容器１２内の吸着剤の再生では、関連
技術者にとつて公知のように排出並びに圧力の大
気圧あるいはそれ以下への低下がおこなわれる。
再生時ガスストリームは、導管５０により吸着容
器１２から排出された後バルブ７２によりコント
ロールされた導管７０を通過し、導管７４を経て
排出される。吸着容器内の吸着剤床の再生の際、
コイル１６中の圧縮ガスストリームの温度は、65
〜75℃まで低下し同時に吸着剤の下部の温度は２
〜10℃示差的に上昇して吸着剤床の再生効率が向
上する。

伝熱コイル１６からの圧縮ガスストリームは、
導管８２を経由し冷却システム１８中の伝熱コイ
ル８４へ送られる。ここで圧縮空気は−10〜10℃
まで冷却される。ついでこの冷却圧縮ガスは、導
管８６および３４から導管３８を経て吸着容器１
０の吸着剤床内の伝熱コイル１４へ送られ、酸素
吸着を向上させるため吸着剤床の温度を示差的レ
ベル範囲２〜10℃まで低下させる。前述したよう
に、吸着剤が高い温度では脱着能力が向上し、低
い温度では吸着能力が高められる。

吸着容器１０内の伝熱コイル１４から導管７６
へ送られた圧縮ガスストリームは、冷却システム
１８内の伝熱コイル７８へ送られ、−10〜10℃ま
で冷却された後、導管８０中のこの冷却圧縮ガス
ストリームは、導管５４および４６を経由して吸
着容器１０に送られる。

吸着容器１０中の冷却圧縮空気ストリームから
低温で酸素が吸着されて、窒素富化ガスストリー
ムが生成されその吸着容器１０から導管４８を経
て導管９２および１００を通過し、生成物は約22
〜28℃で貯蔵タンクへ送られる。このような方法
での冷却圧縮空気の吸着容器１０への流入は、吸
着容器１０内の吸着剤床が所定のレベルに充填さ
れるポイントになる迄、即ち生成ガス中の酸素レ
ベルが限界値に達する迄続行される。その時まで
に吸着容器１２内の吸着剤床の脱着を終了し、終
了後第３図に示すようにバルブ３２，３６，５６
および７２を閉とし、バルブ２８，４２，６０，
６８および９０を開にし圧力均等化工程が開始さ
れる。

圧力均等化工程は、吸着容器１０および１２内
の吸着剤床の容量およびタイプにもよるが本目的
のための充分な時間、一般に２〜10秒間実施され
る。作業サイクルの所定時間では、第４図に示す
ようにバルブ６０および９０を閉、バルブ６４を
開にしそれにより、吸着容器１２が窒素製造様式
となり、吸着容器１０が再生様式となる。

従つて、先ず導管２４中の圧縮ガスが、導管２
６および３８を経て吸着容器１０の伝熱コイル１
４を通過するが、ここで吸着剤と間接的な熱交換
の関係の下に通過してその中の吸着剤床の脱着あ
るいは再生を容易にする。吸着容器１０中の吸着
剤床の再生は関連技術者に公知である、吸着容器
１２の吸着剤床の再生と同じ方法で実施される。
再生時には、ガスストリームは、吸着容器１０か
ら導管４６へ放出された後、バルブ６４のコント
ロール下導管６２を経て導管７４により排出され
る。吸着容器内の吸着剤床の再生時第１図で述べ
たように、圧縮ガスストリームの温度は低下し、
同時に吸着剤の温度は上昇する。

伝熱コイル１４からの圧縮ガスストリームは、
導管７６を経て冷却システム１８中の伝熱コイル
７８を通過するが、ここで圧縮空気ストリームは
冷却される。その後この冷却圧縮ガスは、導管８
０および４０を通過し、さらに導管４４を経て、
吸着空気１２中の吸着剤床の伝熱コイル１６に入
り、そこで吸着剤床の温度を低下させる。吸着容
器１２中の伝熱コイル１６から導管８２に移送さ
れた圧縮ガスストリームは、冷却システム１８内
の伝熱コイル８４を通過し、冷却された後導管８
６中の冷却圧縮ガスストリームは導管６６および
５０を経由して吸着容器に導入される。

生成窒素富化ガスストリームは、吸着容器１２
から導管５２を通り、ついで導管９６および１０
０を経て貯蔵タンクへ送られる。この方法による
冷却圧縮空気の吸着容器１２への流入は、吸着容
器１２中の吸着剤の床が、所定のレベルまで負荷
されるまで、即ち生成ガス中の酸素のレベルが限
界値に到達する時迄継続される。この時までに吸
着容器１０中の吸着剤床の脱着が終了し、その時
点で、第３図で説明したごとく、第５図に示すよ
うにバルブ２８，４２，６４および６８を閉と
し、バルブ３２，３６，５６，６０および９０を
開とし圧力均等化工程が開始される。

以下の実施例により本発明の方法を説明する
が、これにより本発明の範囲が限定されるべきも
のでないことは当然である。

実施例 １ その中に1″の銅製伝熱管約50′を入れた吸着床
（1′×6′）を有する二床ユニツトに炭素分子ふる
いをかぶせた活性アルミナの4″層を充填し、第１
図に示すようにパイプおよびバルブをとりつけ
た。熱交換器１８にはカスケードの水冷却および
フレオン冷媒システムが備えられている。コンプ
レツサー２０は、最高流量40scfmであり、種々
の導管には、適当な断熱材がとりつけられてい
る。

94℃で100psigまで圧縮した空気を吸着容器１
２内の伝熱コイル１６に５分間通したところ、吸
着床の入口部が約26.6℃まで昇温した。約23.8℃
まで低下した圧縮ガスは、吸着容器１２を通過し
た後、熱交換器１８を通り、そこで約１℃まで冷
却された。ついでこの冷却ガスは、吸着容器１０
の伝熱コイル１４を通過し、床入口部の温度を約
21.4℃まで低下させた後約23.8℃で吸着容器１０
の伝熱コイル１４を出て、熱交換器１８において
１℃まで冷却され、その後吸着容器１０の吸着床
に導入された。0.5％酸素を含有する窒素は、吸
着容器１０から５分間取出され、ユーザー設備あ
るいは貯槽へ送られた。

これと同じ５分間に、ユーザー貯槽から少量の
窒素を取出し、フローバルブ９８をバイパスし
（図示されていないライン）して導管５２を経て
吸着容器１２の出口へ導入した。この少量の窒素
は、吸着容器１２からの酸素脱着を助けるための
パージストリームを提供する。その間酸素−富化
ガスは容器１２から取出され、バルブ７２を経由
し大気へ排出された。

ついで均圧化が５分間実施されるが、その間二
つの吸着容器は、第３図に示すように相互に連絡
された。容器１０中の冷却ガスは、導管８８およ
び５８を通じて容器１２に流入され二つの容器中
の圧力は、殆んど同圧になつた。

次の５分間は、工程を逆にして、前述した吸着
容器１２中の伝熱コイル１６を通してガスを流す
ような方法により温めた空気を吸着容器１０中の
伝熱コイル１４へ通した。

このシステムの利点は、温度を低下させること
により酸素濃度が大きい入口部において吸着容器
の吸着能力が向上することである。更に多量の酸
素が吸着される入口において、脱着時温度を上昇
させることにより、脱着速度および脱着度が向上
し更に次工程の吸着能力が大きくなることであ
る。

その結果、生産能力が吸着および脱着温度間の
１℃の差につき約４％、向上する。この実施例に
おける生産向上率は、標準のPSA法により操作
されたものに比較して約20％である。

本発明による処理されるガスストリームの圧縮
熱は、脱着を促進させることにより、即ち、高温
で脱着をおこなうことにより床吸着剤の再生に使
用される。一方入手しうる冷却水は、ガスストリ
ームの所定成分の吸着を向上させるために用いら
れる、即ち低温で吸着をおこなう。これにより高
生産性、即ち500〜600scfhN₂が達成される。即
ち従来技術によるPSA工程および装置に比較し、
吸着剤の単位容積あたりの生産性が向上される。

本発明を例示した態様により説明してきたが、
これらの種々の変更は、関連技術者には容易であ
り、またこれらの応用はいかなる適用あるいは変
更も含まれているものであることは当然である。
従つて本発明が特許請求の範囲およびその同じ内
容のものに限定されていることを明らかに意図す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の工程および装置のパイプお
よびバルブのフローダイアグラムである。第２図
は、本発明の第一段階における工程および装置の
フローダイアグラムである。第３図は、本発明の
第二段階における工程および装置のフローダイア
グラムである。第４図は、本発明の第三段階にお
ける工程および装置のフローダイアグラムであ
る。第５図は、本発明の第四段階における工程お
よび装置のフローダイアグラムである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも二個の吸着剤床において、吸着工
   程および脱着工程が繰返される圧縮ガス混合物の
   成分選択富化法において、該吸着剤床の脱着時、
   該吸着剤床を通して該圧縮ガス混合物を間接的な
   伝熱関係において通過させ、次いで吸着時の吸着
   剤床を通して該圧縮ガス混合物を間接的な伝熱関
   係で通過させ、その後該ガス混合物を選択富化の
   ために該吸着剤床に導入する改良を特徴とする圧
   縮ガス混合物の成分の選択富化法。 ２ その脱着時に該吸着剤の該床から取出された
   該圧縮ガス混合物が、該成分の吸着による選択富
   化時、吸着剤の該床へ導入される前に冷却される
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 脱着時に該吸着剤の該床から取出された該圧
   縮ガス混合物が、その中の該成分の選択富化時、
   吸着剤の該床を、間接的な伝熱関係で通過する前
   に冷却される特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 該圧縮ガス混合物が−10〜10℃まで冷却され
   る特許請求の範囲第２項記載の方法。 ５ 該圧縮ガス混合物が、−10〜10℃まで冷却さ
   れる特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６ 脱着時に吸着剤の該床から取出された該圧縮
   ガス混合物が、選択富化時に吸着剤の該床を間接
   的な伝熱関係で通過する前で、かつ選択富化時に
   導入される前に冷却される特許請求の範囲第２項
   記載の方法。 ７ 吸着剤の該床が、窒素−富化生成物ストリー
   ムをつくりだすために分子炭素ふるいからつくら
   れている特許請求の範囲第１項記載の方法。 ８ ガス混合物の成分選択富化のための圧力切換
   吸着法を実施するための組立て装置であつて、該
   ガス混合物を圧縮する装置と富化生成物ガススト
   リームを取出すための導管とを含む吸着剤床を有
   する少なくとも二個の吸着容器を含む組立て装置
   において、該各吸着容器内に配置された伝熱コイ
   ルおよび該ガス混合物の成分選択富化時に圧縮ガ
   ス混合物を該各吸着容器の各伝熱コイルに導入
   し、通過させるための導管、とを備え、更に冷却
   システムおよび該各吸着容器の該各伝熱コイルか
   らの出口が冷却システムを介して吸着容器の吸着
   層へ流体連絡する導管を有する装置。 ９ 更に該冷却システムから該吸着床中の該各伝
   熱コイルへ流体連絡するための導管および該冷却
   システムから該各吸着容器へ流体連絡するための
   導管を有する特許請求の範囲第８項記載の装置。 １０ (a) ガス混合物を圧縮すること； (b) 該ガス混合物の吸着した成分の脱着度を向上
   させるために該ガス混合物を吸着剤の第一床へ
   間接的な伝熱関係で通過させること； (c) (b)工程の該ガス混合物を冷却すること； (d) (c)工程のガス混合物を吸着剤の第二床を通じ
   て間接的な伝熱関係で通過させること； (e) (d)工程の該ガス混合物を冷却すること； (f) 該ガス混合物の成分を吸着させるために(e)工
   程の該混合物を吸着剤の該第二床を通じて通過
   させること；および (g) 該成分に富んだ(f)工程からのガス生成物を回
   収すること； の工程から成ることを特徴とするガス混合物の成
   分の選択富化法。 １１ 該(c)工程のガス混合物が−10〜10℃まで冷
   却される特許請求の範囲第１０項記載の方法。 １２ 該(e)工程のガス混合物が−10〜10℃まで冷
   却される特許請求の範囲第１０項記載の方法。 １３ 吸着剤の該第一床が(b)工程時に約２〜10℃
   の温度差に上昇する特許請求の範囲第１０項記載
   の方法。 １４ 吸着剤の該第二床が(d)工程時に約２〜10℃
   の温度差に低下する特許請求の範囲第１０項記載
   の方法。 １５ 該圧縮ガス混合物が80〜190℃、30〜
   150psigまで空気圧縮される特許請求の範囲第１
   ０項記載の方法。 １６ 該吸着剤が炭素分子ふるい（モレキユラシ
   ーブ）であり、かつ、該ガス生成物が富化窒素で
   ある特許請求の範囲第１５項記載の方法。