JPH0732483U - 供給空気から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 乾燥窒素及び或は酸素生成物生成の為の改良
システムを提供すること。 【構成】 供給空気がライン１を介してエアコンプレッ
サ２に送られ、湿った圧縮空気がそこからライン３を通
して膜乾燥システム４に送られる。膜乾燥システム４に
於て水が膜材料を通して選択的に透過され、そしてライ
ン５を介して廃棄ガスとしてシステムから排出される。
供給空気は、乾燥非透過ガスとして膜乾燥システム４か
らライン６を介して回収されて吸着システム７に送ら
れ、乾燥した供給空気を極低温空気分離システムに送る
以前にこの乾燥した供給空気から汚染物質を除去するた
めに使用される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は空気の極低温分離に関し、詳しくは極低温空気分離システムへの供給 空気の前処理に関する。

【０００２】

【従来技術】

窒素及び酸素は多くの化学的プロセス処理、精練、金属製造その他工業用途 のために所望されている。空気分離による窒素生成のための種々の技術が知られ ているが、空気からの窒素及び或は酸素生成のため或は油井ガスからの窒素除去 のために、極低温分留プロセス及びシステムが広く使用されている。各極低温用 途に於て凍結点の高い汚染物は除去されねばならない。除去されない場合にはそ うした汚染物質は一次ガス分離が為される低温状態で固化する。そうした汚染物 質は一般に斯界に周知の冷凍／吸着プロセスを組合せることによって除去される 。空気分離動作でのこうした前−浄化には、切り替え式熱交換器及び低温端側の ゲルトラップの組合せ或は機械的空気冷却器／ゼエオライトモレキュラーシーブ 吸着体の組合せを使用し得る。

【０００３】 前者の形式のプロセス処理用ユニットでは、事実上全ての汚染物質は、前記空 気が極低温廃棄物及び生成物ガス流れに対して熱膨張した場合に凍結分離される 。しかしながら残念なことに、切り替え式熱交換器ユニットの自己浄化には、空 気供給量に比較して多くのパージガス流量が必要とされる。その結果、そうした 浄化サイクルでの空気回収は所望されざる程に制限される傾向がある。切り替え 式熱交換器ユニットはまた、周期ベースで開閉し、空気供給及び廃棄物パージ流 れを切り替えるべき多くの弁を必要とする。それら弁はしばしば、極低温システ ムの絶縁コールドボックス部分内に位置付けられ、その保守が困難である。更に は、効率的に動作するためには熱交換器−ゲルトラップ組合体を低温で作働させ る必要があり、従ってプラント始動中にかなりの冷却期間を必要とする。

【０００４】 これとは対照的に、切り替え式熱交換器及びゲルトラップ組合体及び、米国特 許第４，３７５，３６７号に記載されるような機械式冷却／吸着ユニット組合体 は、始動時の数分以内に清浄な、乾燥した供給空気流れを供給し得る。機械式冷 却器は約２６．７°Ｃから約４５°Ｃ（約８０から１１５°Ｆ）のアフタークー ラー温度を約４．４°Ｃ（４０°Ｆ）に低下させる。より高い温度で飽和した空 気は、凝縮を通して生じた水の大半を失い、吸着ユニットの入り口での水集中を 低減する。吸着動作は、その一方が吸着目的の為に使用され、他方が再生されて なる一対の圧力容器を使用して代表的に実施される。この一対の圧力容器にはア ルミナ、ゼオライトモレキュラーシーブ或はシリカゲルの如き吸着材が充填され 、これら吸着材が供給空気流れからの残留水蒸気、炭酸ガス及びその他汚染物質 を除去する。吸着床は通常、汚染物質を含まない流れを使用して大気圧に近い圧 力で再生される。前記汚染物質を含まない流れは極低温廃棄物或は乾燥空気の何 れかであり、それらはその脱着能力向上の為に加熱され得る。機械式冷却器の運 転は吸着床の吸着能力を増長させ、入り口での水集中を低下させ、結局、運転上 のパージ流れ及びエネルギー要件を低減させることによって吸着床の性能を実質 的に改善する。機械式冷却器の最小生成物露点は、管壁上での氷の堆積を回避す る必要上、約３．３°Ｃ（約３８°Ｆ）に制限される。機械式冷却器にはまた、 供給空気から形成された凝縮物を除去し且つ吸着床を過剰の水から保護する為の 水分離器を追加設置する必要がある。そうした動作に使用される機械式冷却器は 、特に小規模プラントの為には資本及び動力要件の点で高価となりがちである。 加うるに、そうした機械式冷却器は一般に費用の嵩む保守作業を必要とする。

【０００５】 そうした要因に鑑み、極低温ガス分離ユニットへの浄化された乾燥空気をもっ と経済的に提供させるべく、先に参照した構成部品、詳しくは機械式冷却器及び 水分離器を排除するか或はその機能を改変する新規な方法及びシステムに対する 要望が斯界に於て所望されて来ている。この観点から考慮された一つの方策は、 供給空気から水を選択的に透過させる為の膜システムの使用である。水を選択的 に透過させ得る一方で、透過しにくい成分を含む空気その他ガスを非−透過ガス として回収し得る幾つかの材料が知られている。そうした材料を使用する膜シス テムを機械式冷却器の機能に代替可能である。膜システムは比較的簡易であり且 つ運転及び保守が容易であることが周知である。しかしながら、そうした膜シス テムの通常の運転に際しては、供給空気流れから水を除去するためには貴重な生 成物ガスを大量に同方向に透過させる必要がある。機械式冷却器を使用して達成 される露点水準を達成する為には１０乃至２０％のオーダーでのステージカット 状態での膜システムの運転が必要となる。そうした状況は結局、達成し得る全プ ロセス回収水準を低下させ、プロセス上の動力要件を増大し、従って経済的に見 て一般に魅力的なものではない。機械式冷却器或は前記切り替え式熱交換器及び ゲルトラップ組み合わせに代えての膜乾燥システムの使用はそうした要因によっ て躊躇されるものの、新規な、改良された全体プロセス及びシステムに於て膜乾 燥システムを使用し、現在使用される技術に対する必要性を排除することにより 斯界における望ましい進歩がもたらされる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

乾燥窒素及び或は酸素生成物生成の為の改良システムを提供することであり、 空気分離の為に極低温システムを使用する、供給空気からの水除去の為の膜シ ステムの使用の為に所望される改良システムを提供することであり、 空気分離の為に極低温システムを使用する、システム全体の乾燥効果を助長し 得る膜乾燥システムを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

所望される乾燥窒素生成物及び或は酸素生成物を生成する為に膜乾燥システム が、吸着ユニット−極低温ガス分離ユニットシステムと関連して使用される。膜 乾燥システムは好ましくは向流流れ模様を使用して動作され、その低圧の透過側 で還流作用が為される。極低温空気分離ユニットからの排気ガスがパージガスと して使用される。従って膜の面積要件は低減され、所望される生成物回収量はか なり増長される。

【０００８】

【実施例の説明】 本考案の前記目的は、プロセス及びシステムの全プロセス再生を受入れ難い水 準にまで低下させること無く供給空気からの所望通りの水除去が実現される状況 の下で、供給空気乾燥のための膜システムとその下流の吸着−極低温空気分離シ ステムとを一体化させることにより達成される。そうした状況は、分離プロセス 用のシステム及び使用される特定の膜構成物における水除去のための選択性及び 乾燥膜システム内に向流流れ模様を実現する膜束態様と有益に関係付けられる。 これが窒素及び或は酸素をして、乾燥動作中の前記生成物の損失を最小限とする 状態での乾燥形態における回収を可能ならしめる。本考案の実施に際しては極低 温空気分離システムからの廃棄ガスが、膜乾燥システム及び前記極低温空気分離 システムの上流の吸着システムに対するパージガスとして使用される。本考案は 、乾燥高純度窒素生成物及び或は乾燥高純度酸素生成物流れをして、乾燥動作の 要件によって所望の生成物の損失が最小限とされる状態で入手可能ならしめる。 本考案のプロセス及びシステム全体が図面を参照して例示される。本考案の実施 に際して使用される極低温空気分離システム全体及び供給空気の乾燥を助長する 為に極低温空気分離システムと一体化される膜乾燥システムに関するより詳しい 説明が以下に為される。

【０００９】 図１を参照するに、供給空気はライン１を介してエアコンプレッサ２に送られ 、湿った圧縮空気はそこからライン３を通して膜乾燥システム４に送られる。こ の膜乾燥システム４に於て水が膜材料を通して選択的に透過され、そしてライン ５を介して廃棄ガスとしてシステムから排出される。供給空気は、乾燥非透過ガ スとして膜乾燥システム４からライン６を介して回収されて吸着システム７に送 られ、乾燥した供給空気を極低温空気分離システムに送る以前にこの乾燥した供 給空気から汚染物質を除去するために使用される。吸着システム７は吸着材から 成る２つの床、即ち、一方の床がその意図された吸着目的のために使用され、そ の間、他方の床が再生される床８及び９を含むものとして示されている。乾燥さ れ、精製された供給空気は、ライン１０を通して前記吸着システム７から極低温 空気分離システム１１に送られ、そこから所望の乾燥高純度生成物ガスがライン １２を通して回収される。極低温空気分離システム１１からの乾燥した廃棄物流 れがライン１３を通して抜き出される。この乾燥した廃棄物流れ、即ち酸素或は 窒素流れの一部分はライン１４を通して抜き出され、吸着システム７つまり床８ 或は９を通して、再生中の床のための乾燥吸着性パージガスとして送達される。 吸着性の廃棄物流れはライン１５を通して吸着システム７から抜き出される。こ の吸着性の廃棄物流れは、吸着性パージガス及び再生中に吸着床から脱着された 汚染物質を含んでいる。極低温空気分離システム１１からの乾燥した廃棄物流れ の残余部分は、膜乾燥システムの低圧の透過側の乾燥パージガスとして膜乾燥シ ステム４に導入するべく、ライン１６内を送達される。前記乾燥パージガスは膜 表面からの透過廃棄ガスの除去を容易化するために使用され、そうした透過廃棄 ガスと共にライン５を通して排出される。

【００１０】 図１に例示される本考案の具体例は、冷却器の必要性を排除したものである。 この冷却器は、そうでない場合は従来通りの前精製極低温空気分離プラントの圧 縮空気流れから水及び二酸化炭素を除去するための冷却器／吸着床組合せ体の一 部として使用されるものである。冷却器は、それが資本上及び動力上高価である こと及び費用を要する保守を必要とすることから、その排除が先に示した如く所 望されるものである。これに対し本考案の実施に使用される膜乾燥システムは、 極めて簡素且つ安価なものとして周知であり、然も費用を要する保守を必要とし ない。膜乾燥システムと吸着−極低温空気分離システムとを一体化する本考案の この具体例は、従来からの前精製極低温空気分離プラントに勝る有益な進歩をも たらすものであるが、斯界におけるそれ以上の開発もまた所望される。本考案の 図１に例示される具体例の１つの限定事項は、代表的には膜乾燥システムへの供 給空気の約１０乃至２０％であるところの、膜乾燥システムのための透過パージ ガス要件が、前精製吸着システムのための１０乃至１５％のパージ要件に加えら れることである。結局、比較的大きな、即ち約２０乃至３５％ものシステムの全 パージ要件によって、そうした大量の廃棄ガスを入手し得ない場合の極低温空気 分離システムにおける窒素及び酸素の高い回収率達成は困難となる。

【００１１】 図２に示される具体例はシステムの全パージ要件を最小化するためも対する必 要性を解決するものである。この具体例ではライン２０中の空気はエアコンプレ ッサ２１内で圧縮され、圧縮された空気はライン２２を通して合体ユニット２３ に送られ、そこからライン２４を通して水が除去される。こうして処理された圧 縮空気の流れは、２ステージ膜乾燥システムの最初の第１ステージ膜乾燥システ ム２６へとライン２５を通して送られる。供給空気中に尚存在する水の大半はこ の第１ステージ膜乾燥システム２６内で除去され、今後説明される乾燥パージ流 れによる透過側での還流作用が為される。部分的に乾燥され、圧縮された供給空 気は、非透過ガスとして第１ステージ膜乾燥システム２６からライン２７を介し て第２ステージ膜乾燥システム２８へと送られ、そこで残留水が除去される。 この第２ステージ膜乾燥システムからの乾燥供給空気は前吸着システムへのラ イン２９内を非透過流れとして送達され、極低温空気分離システムへの送達に先 立って精製される。前精製吸着システム３０は２つの吸着床、即ち吸着床３１及 び３２を具備するものとして示されるが、一般に、一方のそうした吸着床が乾燥 供給空気の精製のために使用される一方で、他方の吸着床は再生されることを理 解されよう。

【００１２】 前精製吸着システム３０を離れる、乾燥し、精製された供給空気はライン３３ を介して極低温空気分離システム３４へと送達され、そこから所望の乾燥高純度 窒素或は乾燥高純度酸素生成物がライン３５を介して回収される。極低温空気分 離システム３４からの乾燥した廃棄ガスはライン３６を介して抜き出され、熱交 換器内で加熱され、ライン３８を通して何れかの吸着床、即ち任意の時間に於て 再生されている吸着床３１或は３２の何れかの再生に使用するためのパージガス として、前精製吸着システム３０に送られる。供給空気中に存在する事実上全て の水が膜乾燥システムで除去されることから、前精製吸着システム３０から出る 消費されたパージガスは、二酸化炭素及び炭化水素の如きその他の汚染物質を含 むにもかかわらず比較的乾燥している。 消費されたパージガスはライン３９中を第１ステージ膜乾燥システム２６へと 送達され、そこで膜の透過側におけるパージガスとして使用される。このパージ ガスは、前記第１ステージ膜乾燥システム２６を貫いて透過する水蒸気と共に、 廃棄物として排出されるべくライン４０を通して抜き出される。再循環されるそ うしたパージガスの、前記第１ステージ膜乾燥システム２６を貫いての送達が、 前記透過する水の前記膜の透過側から遠方への搬出を容易化し、これが、前記第 １ステージ膜乾燥システム２６に送られる供給空気流れからの所望の水除去を維 持するための、前記第１ステージ膜乾燥システム２６を横断しての高い駆動力を 維持する。

【００１３】 供給空気を第１ステージ膜乾燥システム２６によって達成される以上に乾燥す るために、図２の具体例では第２ステージ膜乾燥システム２８が使用される。こ の第２ステージ膜乾燥システム２８でのパージのために、極低温プロセスから入 手し得る任意の乾燥した低圧流れ、即ち極低温空気分離システム３４からの廃棄 ガス、高純度窒素或は高純度酸素生成物ガス、膨張した供給空気その他の如きを 乾燥パージガスとして使用可能である。図２では極低温空気分離システム３４か らの廃棄ガスの一部分は、第２ステージ膜乾燥システム２８でパージガスとして 使用されるべく、ライン４１を通しこの第２ステージ膜乾燥システム２８に送ら れるものとして示される。このパージガスが膜の透過側で膜表面からの透過水搬 送を容易化しそれにより、第２ステージ膜乾燥システム２８に送られる供給空気 流れに所望される追加的乾燥を維持するための高い駆動力が第２ステージ膜乾燥 システム２８を横断して維持される。パージガスは、追加的な透過水と共にライ ン４２を通して第２ステージ膜乾燥システムから抜き出される。

【００１４】 当業者には、第２ステージ膜乾燥システム２８の使用は任意の特定の乾燥高純 度窒素及び或は乾燥高純度酸素生成に於て所望される供給空気の乾燥の度合に依 存する随意的なものであることを認識されよう。図２の具体例における如く、そ れが使用される場合は第２ステージ膜乾燥システム２８は第１ステージ膜乾燥シ ステム２６よりは典型的に小型であり、また供給空気からの水除去の大半が第１ ステージ膜乾燥システム内で為されることから、必要なパージガス量はずっと少 い。 全膜乾燥パージ要件が２０％であり、前精製吸着システム３０のパージ要件が １５％である場合、そうした具体例におけるパージガスは前精製のために使用さ れるよりも５％だけ余分に必要である。膜乾燥システムにおける事実上全ての水 の除去もまた、前精製吸着システムへの水負荷を大幅に低減する。これが結局、 前精製吸着システム再生のために必要な熱エネルギーを大幅に低減し、圧縮機廃 棄熱を前精製吸着システム再生のために使用することを恐らく可能とする。

【００１５】 水は前精製吸着システム内では極めて吸着性が強いことから、前精製吸着シス テムへの供給空気から水の大半を除去することは、二酸化炭素、炭化水素その他 除去を所望されるその他のものに関わる吸着能力の改善をもたらす。これが、所 望される改良前精製につながることを認識されよう。水除去に適する膜乾燥シス テムはまた一般に、二酸化炭素除去のために比較的選択性を有することをも銘記 されたい。そうした二酸化炭素の除去もまた下流の吸着ユニットでの負荷を低減 する。 前精製吸着システムでの水の吸着は本来発熱を伴うものであり、大量の熱が発 生することもまた銘記されたい。これは前精製吸着システムを出る空気温度を上 昇させ、結局、極低温システムでの冷却負荷を増大する。膜乾燥システムを使用 しての、前精製吸着システムへの供給空気からの水の除去は、この前精製吸着シ ステムでの吸着中に発生する熱を大幅に低減し、それによって下流の極低温プロ セスを有利なものとする。 従って本考案の実施に際しては、吸着−極低温システムへの供給空気を乾燥す るために、膜乾燥システムを、一般的に斯界で使用される従来通りの方策をはる かに上回る所望の進歩を実現する態様で、前精製吸着−極低温空気分離システム と効果的に一体化し得ることを理解されたい。膜乾燥システムの動作は膜の透過 側でのパージガスの使用によって助長される。この場合、吸着−極低温システム からの乾燥廃棄ガス或は極低温空気分離システムからの乾燥高純度窒素生成物流 れの一部が、膜乾燥システムで所望のパージガスとして使用するべくこの膜乾燥 システムに送達される。

【００１６】 圧縮された供給空気、窒素流れその他から水分を選択的に除去するための幾つ かの膜が知られている。残念ながら、米国特許第４，７８３，２０１号に記載さ れるように、クロスフロー透過態様で動作される場合、そうした膜は、例えば比 較的中庸の圧力露点である約４．４°Ｃ（４０°Ｆ）を達成するための約１０． ５ｋｇ／ｃｍ² （１５０ｐｓｉｇ）での動作に際してはステージカット、即ち透 過ガス対供給空気流れの比率を３０％とする必要がある。明らかに、そうしたク ロスフロー膜ユニットでの生成物ガス回収は極めて少なく、従ってそうしたシス テム全体の動力要件及び乾燥面積要件は興味を失う程に大きい。しかしながら、 本考案の実施に際し、一体化システムの利益を助長するために膜乾燥システムは 向流態様で所望通りに動作され、その場合乾燥した還流乾燥パージガスが膜の透 過側に送られ、それがこの透過側からの水分の搬出を容易化すると共に、膜を横 断しての水分除去のための高い駆動力を維持する。こうしたプロセス上の特徴に より、要求膜面積及び一定の生成物露点、即ち乾燥水準を達成するために必要な 生成物透過損失は最小限となる。本考案の好ましい具体例では、窒素及び酸素の 同方向透過による生成物損失を、全生成物流れの１％未満、好ましくは０．５％ 未満に維持することが望ましい。

【００１７】 膜乾燥システムに使用される膜構成物の水に対する選択性は、窒素及び酸素に 対するそれよりも大きくされるべきである。つまり、水分は窒素よりも一段と速 かに選択的に透過されなければならない。水／窒素分離係数は、供給空気からの 有益な水分除去のためには少なくとも５０好ましくは１，０００とすべきである 。先に示したように、そうした膜乾燥システムはまた約１０乃至２００の範囲の 二酸化炭素／空気分離係数をも有するべきである。加うるに、膜構成物の窒素及 び酸素に対する透過速度は比較的低くされるべきである。セルロースアセテート はそうした基準を満足する好ましい膜分離材料である。エチルセルロース、シリ コーンラバー、ポリウレタン、ポリアミド、ポリスチレンその他の如き種々のそ の他の材料をも使用し得ることを認識されたい。

【００１８】 所望の膜構成物から成る膜材料を有し、ここに記載され且つ請求の範囲に記載 された如く圧力変化式吸着システム及び極低温空気分離システムと一体化された 膜乾燥システムは、好ましくは先に示したように向流態様で動作される。中空繊 維膜形態その他適宜の膜形態、例えば螺旋巻き膜に於て、クロスフロー形式の流 れ模様を提供するための束ねた形状が商業的実施に際して一般に使用されてきた 。クロスフロー動作に於ては膜の等価側に於ける透過ガスの流れ方向は膜の供給 側での供給空気のそれと直交する。例えば、中空繊維束を使用して中空繊維膜の 外側に供給空気を通過させるに際しては、繊維の孔は一般に中空繊維の外側表面 を覆って流れる供給空気流れ方向に直交する。同様にその逆、即ち供給空気を中 空繊維の孔を通して送通させるに際しては、透過ガスは中空繊維の孔内部の供給 空気流れと一般に直交する方向で一般に中空繊維の表面を通過し、次いで外側シ ェル内を透過ガスのための出口手段の方向に流動する。ヨーロッパ特許出願第０ ，２２６，４３１号に示されるように、向流流れ模様は中空繊維束を、その一方 の端部付近の円周部分を除き外側表面全体を長手方向に包囲させることによって 創出し得る。これが供給空気、或は透過ガスをして所望の移動態様、即ち内側か ら外側へ或は外側から内側への移動に依存して中空繊維の外側を、向流流れ状態 で中空繊維孔内の透過ガス或は供給空気流れと平行に通過可能ならしめる。

【００１９】 例えば中空繊維束の外側の供給空気は、繊維束の中心軸に対し直交するのでは なくむしろ平行に流動せしめられる。膜繊維を中空繊維束の中心軸と平行な真直 なアセンブリ状態で設けるか或は別様にはクロスフロー動作におけるように、前 記中心軸周囲に螺旋状に巻付け得ることを理解されよう。何れにせよ、不透過性 バリヤ材料は不透過性フィルム例えばポリビニリデンその他の巻付け体とし得る 。別様には不透過性バリヤは、不透過性コーティング材料、例えば無毒性溶媒と 共に塗布したポシロキサン、或は膜の束を覆って組み込みそして前記束上でシュ リンクさせたシュリンクスリーブであり得る。前記ヨーロッパ特許に記載される ように中空繊維束その他の膜の束を包囲する不透過性バリヤは、ガス流れをして 中空繊維束内部からの或はそこへの流動を許容する開口を有し、従ってガスは中 空繊維束の軸と実質的に平行な方向に流動する。本考案の目的のためには流れ模 様は湿った高純度窒素供給流れの向流流れであるべきであり透過ガスは、先に説 明した如く膜乾燥システム内の膜材料を貫く水分及び水素と共に供給されるパー ジガスを含む。

【００２０】 膜乾燥動作は斯界では通常、稠密繊維膜を使用して実施されることを銘記され たい。稠密繊維のための膜厚は壁厚でもあり、不斉膜の薄膜部分或は複合膜の分 離層と比較するに非常に厚い。稠密繊維のためには、大きな圧力容量を達成する ために壁厚を厚くする必要がある。斯くして稠密繊維の透過率は極め小さく、従 って窒素生成物を十分に乾燥するためには非常に大きな表面積を使用する必要が ある。これとは対照的に、本考案の目的のためにより好ましい不斉膜或は複合膜 は、膜分離層の肉厚が非常に薄く、膜の比較的多孔質の実質部分が、膜の分離特 性を決定する非常に薄い部分のための機械的強度及び支持を提供する。従って不 斉膜或は複合膜のために必要な表面積は稠密繊維膜のためのそれよりもずっと少 い。不斉膜或は複合膜を使用することによって透過性が稠密繊維膜におけるより も改良されることから、窒素生成物の乾燥に関連する本考案の好ましい具体例に おける不斉膜及び複合膜の性能を更に改良し、そうした膜でのクロスフロー動作 に於て生じ得る同方向透過による貴重な生成物窒素の損失を大幅に低減すること が所望される。

【００２１】 本考案の目的のために使用される極低温空気分離システムは空気の極低温精留 によって所望量の高純度窒素及び或は酸素を生成可能な、市販入手され得る任意 の従来通りのものであり得ることを理解されたい。極低温空気分離システムの詳 細は本考案の内容の一部ではなく、極低温システムと膜乾燥システムとの、そし て従来通りの前精製吸着システムとの一体化に関するものである。そうした極低 温空気分離技術の代表例は米国特許第４，４５３，９５７号及び４，５９４，０ ８５号に記載される。同様に、本考案の実施に使用される前精製吸着システムは 、斯界に周知の任意の所望の吸着システムを含み、所望されざる汚染物質を乾燥 供給空気流れから、それが極低温空気分離システムに送達される以前に除去する 能力を有する。使用される前精製吸着システムは、乾燥供給空気流れから、二酸 化炭素及び或は残留水を含むその他汚染物質を除去する能力を有する、市販入手 され得る任意の従来通りのシステムとし得る。前精製吸着システムは一般に、高 い圧力下で供給空気から前記汚染物質を選択的に吸着し、そしてこの汚染物質を 、システムから除去するために低い圧力、例えば大気圧に近い圧力で脱着する。 そうした圧力系は代表的にはい対の吸着床を使用し、その場合一方の吸着床が吸 着目的のために使用され、その間他方の吸着床が再生される。前記吸着床で使用 される代表的な吸着材量には、アルミナ、ゼオライトモレキュラーシーブ或はシ リカゲルが含まれる。別様にはそうした圧力系は所望の吸着が低温で実施され、 吸着が高い温度で達成される熱変化式吸着周期で動作される。

【００２２】 本考案の目的のためにはパージ率、即ち還流パージガスに対する非ー透過側の 生成物ガス流れの比率は面積要件、生成物損失そして残留酸素の逆拡散を最小限 としておくために、少なくとも約１０％、好ましくは２０％以上であることが所 望される。パージ率要件はまた、比較的低い生成物ガス圧力下で、もっと高いガ ス圧力下におけるよりもずっと大きくなる傾向がある。 本考案の実施のための具体例に於ては、極低温空気分離システムは５０トンの 乾燥高純度窒素を生成するようになっている。従来通りの前精製極低温システム では空気をベースとしての窒素の回収は代表的に５２％のオーダーであり、供給 空気流れの約４８％が低圧の廃棄物として入手され得る。極低温システムは約４ ６°Ｃ（１１５°Ｆ）の空気温度で供給空気圧力を絶対値での約６．４ｋｇ／ｃ ｍ² （９１ｐｓｉａ）とし、廃棄ガス圧力を絶対値での約１．３ｋｇ／ｃｍ² （ １８ｐｓｉａ）とする状態下で好都合に動作され得る。従来通りのシステムに於 ては、アフタークーラー露点を約４６°Ｃ（１１５°Ｆ）、冷却器精製空気露点 を約４．４°Ｃ（４０°Ｆ）、そして吸着性生成空気露点を−１００°Ｆとする のが好都合である。そうしたシステムのために使用される従来通りの機械式冷却 器は、約３０，０００ドルもし、その上約１０ｋｗの電力を消費する。そうした 機械式冷却器及び水分分離器での空気圧力降下は絶対値での約０．１ｋｇ／ｃｍ ² （約２ｐｓｉａ）のオーダーである。

【００２３】 機械式冷却器は、図１に示される具体例におけるように、本考案の実施に際し ては膜乾燥システムと好ましく代替される。この膜乾燥システムの酸素／窒素分 離係数は５．９でありそして水／空気分離係数は１，０００以上である。膜乾燥 システムは望ましくは螺旋形状に巻いた中空繊維膜を含み、膜を包囲するための ポリビニリデンから成る不透性バリヤを使用して動作され、それにより向流流れ 模様を創出する。乾燥動作中の透過による圧縮空気損失を最小限のものとするた めに、ステージカット、即ち供給流れに対する膜透過流れの割合は極めて小さく 保たれる。しかしながら先に示した如く、実動上でのステージカットの一部は所 望される水廃棄によるものであり、従ってもし所望の乾燥を達成しようとする場 合には避け難いものであることを認識されたい。従って、酸素及び窒素の同方向 透過による乾燥ステージカットを最小限とすることで、即ち供給空気の約５％、 好ましくは０．５％未満とすることで乾燥は助長される。１８乃至２０％のオー ダーの乾燥還流パージ率が、特定の動作状況及び先に参照された膜特性の下で使 用された。膜乾燥システムは、少なくとも１８％の乾燥還流パージ率を入手し得 るという条件で資本及び動力費用の大幅な低下及びその他利益を達成することが 見出された。

【００２４】 膜乾燥システムが吸着−極低温システムに供給される約４．４°Ｃ（４０°Ｆ ）の空気露点を提供することに限定されないことが、この膜乾燥システムの追加 的利益である。使用パージ率及び膜特性によって質の変化された空気を提供する ために一定の膜面積を使用し得る。所望の空気の残留水濃度を、更に多くのパー ジガスの使用、或はさらに多くの膜面積の使用に加えての更に高い水分離特性の 膜の使用によって低減し得る。そのようにして残留水を任意に低減することが、 前精製吸着システムの吸着床によって除去されるべき水蒸気量を低減し、それに より前記システムの生産能力を増大し且つそのパージガス要件及びエネルギー要 件を低減する。従って、最適膜乾燥露点は、膜乾燥システム及び前精製吸着シス テムにおける水除去のための相対費用に基く。

【００２５】 本考案の請求の範囲に述べた範囲から離れることなく、ここに記載した様なプ ロセス及びシステムの詳細を種々に変化及び改変し得ることを認識されたい。使 用される不斉膜構造或は複合膜構造は本考案の膜乾燥システムに使用され得る。 稠密膜は通常生成物乾燥用途のために使用されるが、そうした稠密膜は本考案の 実施に使用し得るものの、先に銘記したその固有の制限事項の故に本考案でのそ の使用は好ましくない。 本考案の実施に際して使用される透過性膜は一般に膜束アセンブリに於て使用 される。この膜束アセンブリは代表的には膜システムの主要要素を構成する膜モ ジュ−ルを形成するための包囲体内部に位置決めされる。膜システムは単一或は 平行或は列状動作のために配列された多くのそうしたモジュ−ルを含み得る。膜 モジュ−ルは好都合な中空繊維形態或は螺旋巻形態、平坦な薄板折畳み形態、そ の他所望の膜形状の膜束を使用して作製し得る。膜モジュ−ルは供給空気側及び その反対側の透過ガス出口側を有するよう構成される。中空繊維膜のためには供 給空気側は、内側から外側への動作のためには孔側であり、外側から内側への動 作のためには中空繊維の外側とし得る。供給空気をシステムに導入し、透過流れ 及び非−透過流れを両方共に抜き出すための手段が設けられる。

【００２６】 先に示したように、本考案で使用されるパージガスは、ここに参照された供給 源からの如き乾燥或は比較的乾燥したパージガスとすべきである。ここで使用さ れるように、比較的乾燥したパージガスは乾燥窒素生成物ガス類は乾燥供給空気 中の水分分圧を越えない水分分圧を有し、好ましくは前記パージガスの水分分圧 は、先に説明されたパージガスの供給源に関してそうであるように、生成物ガス 流れの水分分圧の半分未満である。 膜は、供給空気を、乾燥高純度窒素精製のための空気吸着−極低温空気分離シ ステムに送達する以前に乾燥するために非常に所望されるシステム及び方法を提 供する。好都合な膜乾燥システムで乾燥が実施されることにより、従来からの水 分除去のためのより高価で且つ複雑な吸着或は冷凍技術及びシステムの使用が回 避される。膜乾燥システムのプロセス流れを極低温空気分離システム及び前精製 吸着システムのプロセス流れと一体化することにより、比較的乾燥したパージガ スを使用しての膜乾燥システムの低圧の透過側でのパージが好都合に達成される 。向流流れ模様を確立するための膜束配列構成を使用することによって、乾燥動 作の好ましい具体例を、乾燥高純度窒素の回収量を増大させる状態で実施し得、 クロスフロー透過動作で生じていた大量の圧縮空気の同方向透過が回避される。

【００２７】

【考案の効果】

乾燥窒素及び或は酸素生成物生成の為の改良システムが提供され、 空気分離の為に極低温システムを使用する、供給空気からの水除去の為の膜シ ステムの使用の為に所望される改良システムが提供され、 空気分離の為に極低温システムを使用する、システム全体の乾燥効果を助長し 得る膜乾燥システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】極低温供給空気分離システムからの廃棄ガス
が、極低温空気分離システムへの供給空気乾燥のための
膜乾燥システムの為のパージガスとして使用される、本
考案の具体例での概略流れ図式図である。

【図２】極低温空気分離システムの為の前精製吸着シス
テムから除去されたパージガスが、供給空気のための膜
乾燥システムでのパージガスとして使用される具体例に
おける概略流れ図式図である。

【符号の説明】

２ エアコンプレッサ ４ 膜乾燥システム ７ 吸着システム １１ 極低温空気分離システム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０１Ｂ 21/04 Ｂ Ｍ Ｆ２５Ｊ 3/08 (72)考案者 ラビ・プラサド アメリカ合衆国ニューヨーク州イースト・ アマースト、シェイディ・グローブ206 (72)考案者 オスカー・ウィリアム・ハース アメリカ合衆国ニューヨーク州チークトワ ガ、フォンダ・ドライブ291 (72)考案者 ハリー・チュン アメリカ合衆国ニューヨーク州バファロ ー、ウェルウィン・サークル33

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 供給空気から乾燥高純度窒素及び或は乾
   燥高純度酸素を生成するための装置であって、 （ａ）湿った供給空気中に存在する水を選択的に透過さ
   せ得る膜乾燥システムと、 （ｂ）膜乾燥システムから非−透過ガスとして除去され
   た乾燥供給空気から二酸化炭素、残留水その他汚染物質
   を選択的に吸着し得る前精製吸着システムと、 （ｃ）空気の極低温生成及び、乾燥高純度窒素生成物ガ
   ス及び或は乾燥高純度酸素生成物ガスを乾燥廃棄ガスと
   共に生成するための極低温空気分離システムと、 （ｄ）比較的乾燥したパージガスを膜乾燥システムの低
   圧の透過側に送達して膜表面からの水蒸気の搬出を容易
   化し且つ膜乾燥システムからの水分分離を助長するべく
   供給空気流れからの膜を通しての水蒸気除去のための駆
   動力を維持するための導管手段とによって構成され、 比較的乾燥したパージガスが低温空気分離システム及び
   或は前精製吸着システムからの廃棄ガス或は生成物ガス
   或は大気より成立ちそれにより、膜乾燥システムの透過
   側に提供されるパージガスが、供給空気の損失を最小限
   とする状態での所望の水分除去を容易化してなる供給空
   気から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成す
   るための装置。
2. 【請求項２】 極低温空気分離システムからの廃棄ガス
   の一部分を、前精製吸着システムのためのパージガスと
   して前精製吸着システムに送達するための導管手段を具
   備している請求項１に記載の供給空気から乾燥高純度窒
   素及び或は乾燥高純度酸素を生成するための装置。
3. 【請求項３】 極低温空気分離システムからの廃棄ガス
   を前精製吸着システムのためのパージガスとして前精製
   吸着システムに送達するための導管手段を具備し、前精
   製吸着システムからの廃棄ガスが膜乾燥システムのため
   のパージガスを含んでいる請求項１に記載の供給空気か
   ら乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生成するた
   めの装置。
4. 【請求項４】 膜乾燥システムは２ステージ型膜システ
   ムを含み、前精製吸着システムからの廃棄ガスは膜乾燥
   システムの第１ステージにパージガスとして送達される
   請求項３に記載の供給空気から乾燥高純度窒素及び或は
   乾燥高純度酸素を生成するための装置。
5. 【請求項５】 膜乾燥システムは、透過ガスが湿った供
   給空気流れと一般に平行に流動する向流流れ模様のため
   に適合する膜束を含んでいる請求項１或は３に記載の供
   給空気から乾燥高純度窒素及び或は乾燥高純度酸素を生
   成するための装置。