JPH0693967B2 - 窒素ガス分離方法 - Google Patents

窒素ガス分離方法

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JPH0693967B2
JPH0693967B2 JP2004317A JP431790A JPH0693967B2 JP H0693967 B2 JPH0693967 B2 JP H0693967B2 JP 2004317 A JP2004317 A JP 2004317A JP 431790 A JP431790 A JP 431790A JP H0693967 B2 JPH0693967 B2 JP H0693967B2
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nitrogen gas
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pressure
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猛 田丸
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Kuraray Chemical Co Ltd
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Kuraray Chemical Co Ltd
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/04—Purification or separation of nitrogen
    • C01B21/0405—Purification or separation processes
    • C01B21/0433—Physical processing only
    • C01B21/045—Physical processing only by adsorption in solids

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  • Analytical Chemistry (AREA)
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  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧力変動吸着装置によって窒素ガスを分離する
場合、運転開始後所定の純良の窒素ガスが得られる迄の
時間を短縮する方式に関するものである。
〔従来技術〕
吸着剤としての分子篩炭(以下MSCという)はガス固有
の吸着速度差を利用して、酸素、炭酸ガス、水分等を短
時間のうちに吸着除去し、窒素のみを取出すことが出来
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
っている。MSCを用い圧力変動吸着方式(以下PSA方式と
いう)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、減圧再生等の各操作を中心に構成
されており、通常2基の吸着槽を用い、両槽において18
0゜の位相差で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ガスを得ることが可能とな
る。本発明における1サイクルとは片方の吸着槽でこれ
等一連の操作を全て1回実施することをいう。製品槽は
操作の切替えに起因する窒素ガス純度の変動及び圧力変
動の緩和等の効果を主目的として装置に組み込まれてい
る。
当該装置は長期間に亘って一定量の窒素ガスを継続的に
使用することが最も望ましい。製品窒素ガスの供給が不
要となり、装置を停止する際は通常、2基の吸着槽を大
気と連通状態にしてMSCに吸着されているガスを脱着し
て置く方法がとられている。これは加圧状態で長時間多
量のガスを吸着して置くと、次の運転再開時MSCを直ち
に十分な再生を行うことが困難になることを配慮したも
のである。吸着槽を大気開放状態にし更に製品槽より窒
素ガスを吸着槽内に流入し洗浄して置く方法も提案され
ている。
装置の運転開始に当たっては、窒素の純度が所定の値に
到達するまで製品槽出口で得られた窒素ガスを大気中に
放出し、所定の純度が確認されると放出を止め製品とし
て供給する方法が、一般的である。吸着槽内の置換を促
進するためこの期間サイクル時間をある程度短縮する場
合もある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
MSCを用いたPSA方式の窒素ガス分離装置の実用化で、安
価な窒素ガス源としての利用分野が急速に拡大して来た
結果、使用量の変動、運転時間の制約等により間けつ運
転を余儀なくされるケースが急増して来た。更に、当該
方式に関する近年の技術開発は著しく、分離される窒素
ガス純度の大巾な向上が可能となった。一方、高純度窒
素ガスを分離する場合、運転開始後得られる窒素ガスが
所定の純度にまで到達する時間(以下、立ち上げ時間と
記す)は等比級数的に増大してくる。従って、この立ち
上げ時間短縮に関する要望が急速に高まっている。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者等はこの装置を運転開始する際、立ち上げ時間
の短縮に関して鋭意研究の結果、次の方法を発明するに
到った。即ち、 (1) 窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料と
し、分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式
の窒素ガス分離装置において、製品窒素ガスの使用を停
止した後も当該装置の運転を10サイクル以下の範囲内で
継続した後停止することを特徴とする窒素ガス分離方
法。
(2) 窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料と
し、分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式
の窒素ガス分離装置において、運転開始時吸着槽と製品
槽間の連結配管を閉止した状態で、20サイクル以下の範
囲内の吸着並びに再生操作を行った後、吸着槽と製品槽
間を連結して製品窒素ガスの取出し開始することを特徴
とする窒素ガス分離方法。
(3) 窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料と
し、分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方式
の窒素ガス分離装置において、運転開始時吸着槽と製品
槽間の連結配管を閉止した状態で、吸着並びに再生操作
を行い吸着槽と製品槽間の両槽内圧力差が1kg/cm2以内
となった時点で当該吸着槽と製品槽を連結し、製品窒素
ガスの取出しを開始することを特徴とする窒素ガス分離
方法である。(1)項と(2)項、又は(1)項と
(3)項の方法を組み合わすとより効果的となる。
以下、第1図を用いて本発明を更に詳しく説明する。
分子篩炭を用いたPSA方式の窒素ガス分離装置は第1図
に示すように通常2槽の吸着槽により加圧吸着、均圧、
減圧再生の各操作を用いて窒素ガスを分離している。
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を通って吸着槽1に入り、槽内に充填されてい
るMSCにより吸着除去される成分と吸着されなかった窒
素等の成分に分離され、製品窒素は弁9を経由して製品
槽3に一旦貯蔵される(加圧吸着操作)。
吸着槽1内MSCの分離性能が許容限界に到達する直前に
なるように設定された時間に達すると弁5、弁9、弁8
を閉止し、弁11又は弁11と12を開くことによって両槽を
連通する、加圧吸着操作時の加圧状態に置かれている吸
着槽1内に残存するガスは大気圧近傍、あるいは大気圧
以下まで減圧されている吸着槽2へ弁11又は弁11及び12
を通って両槽の圧力差で移動する(均圧操作)。
吸着槽1は均圧操作により残存ガスの一部を吸着槽2に
移動させた後、弁11又は弁11と12を閉止し、弁6を開に
することにより、大気圧近傍まで減圧しMSCに吸着され
ていたガスは消音器4を通って系外に排出される。この
時オリフィス13で流量規制された製品窒素ガスが吸着槽
1内を通ることによりMSCを洗浄する方法、吸着槽1内
が大気圧近傍になった後、真空ポンプ等を用いて吸着槽
1内を大気圧以下に減圧させる方法等を用いることによ
り、再生効果を更に高めることができる(減圧再生操
作)。
これらの操作を吸着槽1及び2で180゜の位相差をもっ
て繰り返すことにより、原料ガスより連続的に窒素を分
離することができる。
この様にして分離された窒素は製品槽3に一旦貯蔵され
た後、弁14を経由して連続的に供給される。
一方、製品窒素の使用を停止する時は弁14を閉止し、窒
素の供給を停止する。但し加圧吸着、均圧、減圧再生の
各操作は継続して行ない吸着槽にて窒素を分離し、製品
槽3に貯える。このため製品槽3内の圧力の変動域は窒
素の供給を行なっている通常運転時の圧力変動域よりも
徐々に高くなってくる。窒素の供給後、製品槽3内の圧
力が通常運転時の最高到達圧力を超える状態になった
時、好ましくは製品槽3内の圧力が通常運転時の最高到
達圧力よりも0.1kg/cm2G以上高くなった時点ですべての
操作を停止する。次の装置起動まで製品槽3内の圧力を
この状態で保持しておくことにより、装置起動後所定の
純度の製品窒素が使用可能となるまでの時間は大幅に短
縮される。
但し、窒素の供給停止より装置の停止までのサイクル数
は、原料ガスの圧力、1サイクルの設定時間、製品窒素
の純度等によって異なる。たとえば原料ガスの圧力7kg/
cm2G、1サイクル時間4分、窒素純度が99.9%の場合、
1〜4サイクルで必要条件を満たし、これ以上の操作は
ほとんど効果がない。しかし、製品の純度が高くなる
程、有効なサイクル数は増加する。本発明者らが条件を
変えて試行した結果、10サイクルまでの範囲にわたって
効果が認められた(実施例1〜4)。
又、運転を開始する際、弁9、10を閉止して吸着槽1、
2間で交互に加圧、均圧、減圧を繰り返す。
本発明者らは、この操作を運転開始時に数回〜20回程度
の範囲で繰り返した後、製品槽と吸着槽を連結して通常
の加圧吸着、均圧、減圧再生の各操作を行なうことによ
り、運転開始後所定の純度の製品窒素ガスが使用可能と
なるまでの時間(以下、立ち上げ時間という)が大幅に
短縮できることを見いだした。
運転開始時は吸着槽の圧力が低い状態にあるため、窒素
の分離が不充分であり、このまま製品槽と連結すると製
品槽内に純度が低い窒素ガスが入るため純度の回復に時
間がかかる。そこで吸着槽だけで加圧し、徐々に圧力を
上げていくと共に、吸着槽上部の窒素ガス純度が製品槽
内の純度とほぼ等しくなった時点で両槽を連結し、同時
に製品槽より窒素を供給する。ただし99.999%といった
高純度の窒素を必要とする場合は、両槽を連通した後あ
る程度の時間が経過してから窒素を供給することもあ
る。
この吸着槽だけでの加圧、減圧に要するサイクル時間
は、原料ガスの圧力等条件によっては通常運転時のサイ
クル時間より短い方が有効な場合もある。
また、吸着槽と製品槽を連結させる場合、両槽間の圧力
差が大きいと急に系内の流れの状態が乱され、分離され
る窒素ガスの濃度が低下する。両槽内圧力差1km/cm2以
内となった状態で両槽を連結することが立ち上げ時間短
縮化のために有効である。
〔作用・効果〕
特許請求の範囲第1項に記載した発明はPSA装置を停止
する場合、製品貯槽からの窒素ガスの取出しを停止した
後もしばらくPSA装置の運転を継続して製品貯槽の圧力
を上げてから停止させる方法である。これにより、運転
再開の場合所定純度の窒素ガスが得られる迄の時間、す
なわち立ち上げ時間が著しく短縮できる。運転停止後製
品貯槽は出入口の弁を閉止してその圧力のまま保持され
るが、吸着槽は大気中への放出弁を開放しておくため、
吸着剤は大気と接触した状態となっている。従って、運
転停止中吸着剤には種々の大気中のガス成分が飽和に達
する迄吸着されている。通常の方法で運転再開した場合
は吸着槽内の圧力が次第に上昇し、製品貯槽の圧力に達
すると、吸着槽で分離された窒素ガスが製品貯槽に流入
し始める。しかしてその場合、製品貯槽の内圧が低い
と、貯槽へ流入する窒素ガス純度は正常の場合より著し
く低い。
この時製品貯槽の内圧を高くしておくと、吸着槽の内圧
がその圧力に達する迄吸着槽から製品貯槽への注入が開
始されない。吸着槽の内圧が高くなればなる程その間に
吸着剤の吸着ガス組成及び槽内ガスの窒素濃度分布がよ
り早く正常な運転状態に近くなってゆくと考えられる。
このため分離された窒素ガスの純度が上昇し、その結果
立ち上げ時間が短縮されるものと考えられる。
また特許請求の範囲第2項に記載した運転再開方法の場
合も、最初は吸着槽・製品貯槽間の弁を閉止したままで
吸着槽の運転をするため吸着槽内の圧力は通常の運転開
始時よりも高くなり、内部の吸着剤の吸着ガス組成及び
槽内ガスの窒素濃度分布がより早く正常な運転状態にな
ると考えられる。そのため分離された窒素ガスの純度が
上昇し、その結果、立ち上げ時間が短縮されたものと考
えられる。
近年PSA方式による窒素ガス分離技術が進歩し、純度99.
99%以上のガスが得られるようになった。このような高
純度ガス用のPSAでは一旦運転を停止した後、再開した
場合の立ち上げ時間が低純度ガス用PSAとくらべて著し
く長くなる欠点がある。本発明はこのような高純度ガス
用PSAに適用した場合顕著な効果を示すものである。特
に特許請求の範囲第1項及び第2項或いは第1項及び第
3項の方式を組合せた場合極めて顕著な効果が得られる
ことは実施例10に示す通りである。
〔実施例〕
以下実施例をあげて、更に本発明を具体的に説明する
が、本発明を何ら限定するものではない。
実施例1〜4,比較例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、高圧空気を原料とし、正
常な運転時における吸着槽の到達圧力6.5kg/cm2G,1サイ
クル4分,窒素純度99.99%になる様、製品窒素を一定
量取り出し、安定した時点で製品の供給を停止した。
製品貯槽からの窒素ガスの供給を停止した後、吸着槽の
運転を停止する迄のサイクル数及び製品貯槽到達圧力と
窒素ガス供給停止の24時間後に運転を再開した場合の立
ち上げ時間の関係を第1表に示す。
実施例5〜8 上記比較例1において、運転再開始時吸着槽と製品貯槽
間の弁9,10を閉止したまま吸着槽の運転のみ再開した場
合、吸着槽と製品貯槽を連結する迄の吸着槽のサイクル
数と立ち上げ時間の関係を第2表に示す。
実施例10 実施例1の条件でPSA装置を停止し、24時間後実施例5
の条件で運転再開した場合、立ち上げ時間は8分であっ
た。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一例を示すフローシートである。 1,2:吸着槽 3:製品貯槽 4:消音器 5,6,7,8,9,10,11,12,14:弁 13:オリフィス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料
    とし、分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方
    式の窒素ガス分離装置において、製品窒素ガスの使用を
    停止した後も当該装置の運転を10サイクル以下の範囲内
    で継続した後停止することを特徴とする窒素ガス分離方
    法。
  2. 【請求項2】窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料
    とし、分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方
    式の窒素ガス分離装置において、運転開始時吸着槽と製
    品槽間の連結配管を閉止した状態で、20サイクル以下の
    範囲内の吸着並びに再生操作を行った後、吸着槽と製品
    槽間を連結して製品窒素ガスの取出しを開始することを
    特徴とする窒素ガス分離方法。
  3. 【請求項3】窒素と酸素を主成分とする混合ガスを原料
    とし、分子篩炭を充填した吸着槽を含む圧力変動吸着方
    式の窒素ガス分離装置において、運転開始時吸着槽と製
    品槽間の連結配管を閉止した状態で、吸着並びに再生操
    作を行ない吸着槽と製品槽間の両槽内圧力差が1kg/cm2
    以内となった時点で当該吸着槽と製品槽を連結し、製品
    窒素ガスの取出しを開始することを特徴とする窒素ガス
    分離方法。
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