JPH08257341A - 循環ｐｓａプロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、第１と第２のガス成分を含有した
ガス混合物から第１成分高含量ガスを回収するための循
環ＰＳＡプロセスを提供する。 【解決手段】 空気供給による酸素の二床圧力スイング
吸着プロセス（床が非同調的に作動される）にて、均一
な純度の酸素を生成させる。吸着サイクルの工程は加圧
／生成工程と床再生工程を含み、再生処理を受けている
床を、プロセスの非吸着生成物として生成される酸素高
含量ガスの低圧流れでパージする。パージされたガス流
出物中の酸素濃度を継続的・定期的にモニターし、選定
したパージ工程における流出物中の最大酸素濃度を、そ
の前のパージ工程における流出物中の最大酸素濃度と比
較し、そしてその差を使用して、選定したパージ工程の
後のパージ工程のタイミングと継続時間を、次のパージ
工程における酸素濃度間の差を少なくするような仕方で
調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パージ時間をサイ
クルの一部として含んだ多床圧力スイング吸着（ＰＡ
Ｓ）プロセスに関する。さらに詳細には本発明は、多床
ＰＳＡシステムの各床において行われるサイクルを制御
して、本発明のプロセスによって生成される非吸着ガス
組成物の変動を最小限に抑える方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ＰＳ
Ａプロセスは、長年にわたってガス混合物の成分を分離
するのに使用されている。ＰＳＡプロセスは、供給ガス
入口端と非吸着ガス出口端を有していて、ガス混合物の
成分の１種以上を優先的に吸着する吸着剤を充填した細
長い容器中で行う。ガス混合物を（供給ガス入口から非
吸着ガス出口へと）容器に通し、これによって優先的に
吸着された成分をガス流れから取り除く。優先的に吸着
されない成分中に多く含まれている生成物ガスが吸着剤
床を通過し、非吸着ガス出口を介して床を出ていく。吸
着された成分は最初は床の入口端に堆積し、吸着工程が
進むにつれて、吸着された成分が、床の非吸着出口端に
向かって徐々に移動するフロントを形成する。吸着ガス
のフロントが床中のある特定の箇所に達すると吸着工程
が終了し、吸着された成分を床から脱着させることによ
って吸着剤を再生する。吸着剤の再生は、一般には、向
流の形で床を減圧することによって、および／または向
流の形で床を非吸着成分ガスによりパージすることによ
って行う。床を所望の程度にまで再生したら、サイクル
を繰り返す。

【０００３】典型的なＰＳＡサイクルは、加圧工程〔こ
の工程では、ガス（通常は分離されるガス混合物）を吸
着容器中に導入することによって、吸着容器の圧力をプ
ロセスの吸着工程を行うのに必要な圧力にまで上昇させ
る〕、吸着工程もしくは生成工程、および床再生工程を
含む。本サイクルは、他の工程（例えば、多くの加圧工
程や減圧工程）を含んでもよい。

【０００４】従来のＰＳＡプロセスでは、吸着工程は一
般に中圧〜高圧（例えば、約５〜２０絶対バール）にて
行い、また床再生工程は大気圧以下の圧力にて行うこと
が多い。これらのプロセスは一般には効率が良く、常に
高純度の非吸着ガス生成物が得られる。しかしながら、
このようなプロセスはエネルギー集約的である。なぜな
ら、供給ガスを吸着工程での作動圧力にまで圧縮するの
に相当量のエネルギーを費やさなければならないからで
ある。

【０００５】吸着圧力対再生圧力比の小さい低圧ＰＳＡ
プロセスが最近開発された。これらのプロセスは一般に
は、最大１〜３絶対バールまでの吸着圧力、およびほぼ
大気圧の床再生圧力で操作する。供給ガスは、低エネル
ギー装置（例えばブロアー）によって容易にこれらの圧
力に加圧することができ、または床は大気圧にて再生さ
れるので、高エネルギーの減圧発生装置を使用する必要
がない。このような低圧プロセスにおいては、プロセス
性能を高めるために、各サイクルにて生成される非吸着
ガス生成物の一部を使用して吸着ガス成分を含んだ床を
パージするのが普通である。

【０００６】多床吸着システムの種々の床において生成
される生成物ガスの品質変化が極めて小さいことが非常
に望ましい。しかしながら、吸着圧力／排気圧力の比が
小さい操作条件（例えば、３絶対バール／大気圧）で行
われる吸着プロセスに対して多床吸着システムを使用す
ると、生成物の品質がかなり変動する。中圧または高圧
の吸着プロセスに対して多床吸着システムを使用する場
合は、こうした問題は起こらない。なぜなら、吸着圧力
の増大と共に生成物品質の変動が小さくなるからであ
る。

【０００７】米国特許第４,４７２,１７７号は、空気流
れから酸素と窒素を生成させるための減圧スイング吸着
プロセスを開示している。該特許によれば、ほぼ周囲圧
力の空気から窒素を吸着させて、酸素を非吸着生成物と
して生成させる。プロセスの吸着工程の完了後、床に窒
素を通して床中のボイドスペースから酸素をリンスす
る。パージガス流出物中にわずかな酸素が検出された
ら、このリンス工程を終了する。

【０００８】１９９４年７月２８日付け出願の同時係属
中の米国特許出願第０８／１８９,００８号は、パージ
ガスのためのプロセスからのパージ廃棄ガス流れを分析
し、廃棄ガス流れ中のパージガスの濃度が廃棄ガス流れ
に関して予め選定した量に達したらパージ工程を終了す
ることによって、ＰＳＡプロセスにおけるパージガスの
過剰な損失を防止するための方法を開示している。

【０００９】低圧吸着プロセスには利点が多いので、複
数容器システムにおける生成物品質の変動を小さくする
ための改良が絶えず求められている。本発明は、こうし
た目的に適った操作効率と原価効率の良い方法を提供す
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１のガス成
分より第２のガス成分の方をより強固に吸着する２つ以
上の吸着剤床を含んだＰＳＡシステムにおいて、第１の
ガス成分と第２のガス成分を含有したガス混合物から第
１のガス成分を回収するための循環ＰＳＡプロセスを含
む。前記システムの床は、並列に配列されていて、少な
くとも１つの床が吸着作用を果たしつつある一方で、少
なくとも１つの他の床が再生されているよう非同調的に
作動される。本発明のプロセスの部分的サイクルは、少
なくとも以下のような工程を含む： （ａ） 床の再生が完了したばかりの１つ以上の床中に
前記ガス混合物を流入させる工程、これによって床を選
定した吸着圧力（通常は、ほぼ大気圧〜約２０絶対バー
ル）に加圧し、第１のガス成分を多く含んだ非吸着生成
物を生成させる。これと同時に、第２のガス成分を多く
含んだガスを選定した排気圧力（吸着圧力より低い）に
てこれらの床から脱着させることによって、システムの
他の床の１つ以上が再生作用を受ける。床再生時間の少
なくとも一部において、再生されつつある床を非吸着生
成物でパージする。システムの全ての床が工程（ａ）〜
（ｃ）の部分サイクル受け終わるまで（したがって、全
サイクルが完了するまで）、吸着作用を果たしている床
の役割と、再生作用を受けている床の役割を変えて工程
（ａ）を繰り返す。プロセスが実質的に連続サイクルと
なるよう、上記の全サイクルを繰り返し行う； （ｂ） １つ以上の床の床再生中でのある特定事象の生
起時における、再生されている床からの廃棄ガス流れ中
の第１ガス成分の濃度と、１つ以上の他の床のそれより
先の再生中での特定事象の生起時における、これらの床
を出ていくガス流れ中の第１ガス成分の濃度との絶対差
を定期的に測定する工程；及び （ｃ） １つ以上の床と１つ以上の他の床の一方または
両方に関して、床中の第１ガス成分の濃度間の絶対差を
小さくするような仕方でパージの継続時間を定期的に調
節する工程。

【００１１】１つの好ましい実施態様においては、第１
の成分が酸素で、第２の成分が窒素であり、また他の好
ましい実施態様においては、第１の成分が窒素で、第２
の成分が酸素である。最も好ましい実施態様では、処理
されるガス混合物は空気である。

【００１２】プロセスの特定事象とは、再生されている
床を出るガス流れ中の第１成分の極端な濃度の生起、あ
るいはパージ開始後のある特定時間の経過である。好ま
しい実施態様においては、特定事象は、再生されている
床を出るガス流れ中の第１成分の極端な濃度の生起であ
る。最も好ましい実施態様においては、特定事象は、再
生されている床を出るガス流れ中の第１成分の濃度が最
大になることである。

【００１３】排気流れ中における非吸着ガス成分濃度間
の絶対差の測定は、それぞれの床再生工程中に行って
も、あるいは選定した床再生工程中に行ってもよい。同
様に、パージ継続時間の調節は、全ての床再生時間にお
いて行っても、あるいは選定した床再生時間において行
ってもよい。さらに、パージ時間の調節より絶対差の測
定のほうを頻繁に行ってもよい。調節工程（ｃ）が行わ
れる再生時間は、パージ時間の調節が行われない一定数
または可変数の再生時間によって分けることができる。
好ましい実施態様においては、工程（ｂ）において測定
した絶対差が選定した値を越えるときにのみパージ時間
を調節する。

【００１４】排気流れ中の非吸着ガスにおける絶対差の
測定は、ある１つの床が、他の床が再生されるより前の
時間にて再生されるときに測定して得られた測定値の比
較に基づいている。比較は、連続的な床再生時間中に測
定して得られた測定値に基づいたものであっても、ある
いは非連続的な床再生時間中に測定して得られた測定値
に基づいてたものであってもよい。同様に、パージ時間
の調節は、絶対差の測定がなされる再生時間の直後の床
再生時間において行っても、あるいはそれに続く幾つか
の床再生時間において行ってもよい。

【００１５】パージ時間の調節は、システムの１つの床
に対して行ってもよいし、あるいは２つ以上の床に対し
て行ってもよい。好ましい実施態様においては、調節は
２つの床に対して行い、３つ以上の床が逐次的に作動さ
れる場合には、２つの最も拡散的な床（two most diver
gent beds）（すなわち、排気流れ中の非吸着ガスの濃
度の差が最も大きい床）を調節するのが好ましい。

【００１６】本発明のプロセスは、ガスを前の床から後
の床に流すことによって再生時間に入る床をある程度減
圧し、且つ吸着工程に入る床をある程度加圧する工程
（床の均等化）を、工程（ａ）の前に追加の工程として
含んでもよい。本発明のプロセスはさらに、第１成分高
含量ガスを床中に流入させることによって吸着工程に入
る床をある程度加圧する（生成物の裏込め）と同時に、
ガスをこれらの床から排出することによって再生時間に
入る床をある程度減圧する工程を、工程（ａ）の前に追
加の工程として含んでもよい。本発明のプロセスはさら
に、床均等化工程を生成物裏込め工程より先行させ、そ
して生成物裏込め工程を工程（ａ）より先行させた形
で、これら両方の工程を含んでもよい。

【００１７】本発明のプロセスは、一対のツイン床（tw
in beds）または複数対のツイン床で実施するのが好ま
しい。

【００１８】処理されているガスが空気の場合、吸着剤
は合成ゼオライトまたは天然ゼオライトであるのが好ま
しい。空気の分離に対して好ましい吸着剤は、ゼオライ
トＸとゼオライトＡから選ばれる合成ゼオライトであ
る。ゼオライトは、周期表の１Ａ族、２Ａ族、３Ａ族、
３Ｂ族、およびランタニド系列から選ばれるイオンを交
換可能なカチオンとして含んでもよい。好ましいゼオラ
イトは、リチウム交換されたゼオライトＸ、カルシウム
交換されたゼオライトＸ、リチウムおよびカルシウム交
換されたゼオライトＸ、ならびにこれらの組み合わせ物
である。

【００１９】本発明の最も好ましい実施態様において
は、本発明のプロセスは、酸素より窒素のほうをより強
固に吸着する２つの吸着剤床を含んだシステムにて、空
気から酸素高含量ガスを回収するためのＰＳＡプロセス
であり、このとき前記床は、並列に配列されていて、１
つの床が吸着作用を果たしつつある一方で、他の床が再
生されているよう非同調的に作動される。この最も好ま
しいプロセスの工程は、 （ａ） ほぼ大気圧〜約３絶対バールの範囲の吸着圧力
にて空気を第１の床に通す工程、これによって酸素高含
量ガスを非吸着生成物として生成させる一方で、前記吸
着圧力より低い圧力にて第２の床から窒素を脱着させる
ことによって第２の床を再生し、このとき再生時間の少
なくとも一部中において第２の床を酸素高含量ガスでパ
ージし、第２の床を出ていく流れ中の酸素の濃度を再生
時間の少なくとも一部中においてモニターする； （ｂ） 第１の床と第２の床の役割を逆にして工程
（ａ）〜（ｃ）を繰り返す工程； （ｃ） ある与えられた再生時間中に第２の床を出てい
くガス流れ中の酸素の最大濃度と、先行する再生時間中
に第１の床を出ていくガス流れ中の酸素の最大濃度との
間の絶対差を定期的に測定する工程；および （ｄ） そのときの再生時間（current regeneration p
eriod）中に第２の床を出ていくガス流れ中の酸素の最
大濃度と、その次の再生時間において第１の床を出てい
くガス流れ中の酸素の最大濃度との間の絶対差を小さく
するような仕方で、引き続き行われる床再生時間中に一
方または両方の床におけるパージの継続時間を調節する
工程；を含む。

【００２０】添付図面を参照しつつ代表的な実施態様に
ついての以下の説明を読めば、本発明がより明確に理解
されるであろう。

【００２１】図面には、本発明の理解に必要な装置、
弁、およびラインだけが示されている。

【００２２】本発明は、並列に配列されていて非同調的
に作動される２つ以上の吸着剤含有容器を含んだ圧力ス
イング吸着システムを使用して実施することができる。
圧力スイング吸着システムは、例えば、一対の吸着床、
吸着サイクルの種々の相を通じて交互に作動される複数
対の吸着床、あるいはセットとして逐次的に作動される
３つ以上の吸着床のいずれからなっていてもよい。圧力
スイング吸着システムは幾つかのサイクルを繰り返して
操作され、このとき１つのサイクルは、一連の床の各床
が吸着サイクルシーケンスの各工程を１回パスすると完
了する。本明細書では“部分サイクル”という用語は、
プロセスの全ての工程を通して１つの吸着床が配列され
ているサイクルの一部を説明するのに使用されている。
プロセスが２つの交互に作動される床にて行われる場
合、部分サイクルは半サイクルであり、またプロセスに
おいて３つの床が直列で使用される場合、部分サイクル
は１／３−サイクルである。部分サイクルには１つの床
再生時間がある。

【００２３】吸着サイクルの工程は、少なくとも、床加
圧工程、吸着もしくは生成工程、および床再生工程を含
む。加圧工程は１つ以上の段階にて行うことができ、床
均等化工程（吸着工程を終えたばかりの床からの並流の
膨張ガスが、床再生工程を終えたばかりの床に向流の形
で導入される）、第２の段階としての生成物裏込め工程
（非吸着の生成物ガスが、加圧される床に向流の形で導
入される）、および供給物加圧工程（処理されるガス混
合物が並流の形で床に導入される）の１つ以上を含む。
好ましいサイクルは、床均等化工程を最初の加圧段階と
して、そして供給物加圧工程を最後の加圧段階として含
む。生成物の裏込めによる加圧工程は、均等化工程また
は供給物加圧工程で置き換えてもよく、また床均等化工
程と供給物加圧工程との間にはさんでもよい。同様に、
上記の床均等化加圧工程のカウンターパート（counterp
art）および向流の減圧工程もしくは排気工程を含めた
複数の減圧工程を使用して、床の再生を行うことができ
る。

【００２４】本発明に関する限り、吸着サイクルの重要
な工程はパージもしくはリンス工程である。この工程
中、非吸着生成物ガスの貯蔵容器から、あるいは加圧工
程もしくは生成工程の状態にある他の床から得られる非
吸着生成物ガスが、再生される床に低圧で通される。こ
の工程は、供給物加圧工程の開始時または開始後に始め
てもよいし、また床再生工程の残部の一部または全部に
わたって続けてもよい。

【００２５】本発明のプロセスにより、パージ時間中に
失われる非吸着ガスの量を最小に保持しながら、一定の
組成の非吸着ガス生成物流れを確実に生成させることが
可能となる。本発明のプロセスは、床の再生時間中にお
ける特定の事象の生起時に吸着容器を出ていくパージ流
れ中の非吸着ガスの濃度を検知することによって行われ
る。前述したように、特定の事象とは、床の再生時間中
におけるパージ流出物中の非吸着ガスの濃度が極端な濃
度になること（すなわち、パージ流出物中の非吸着ガス
の濃度が最大になること）、あるいは非吸着ガスの濃度
が最小になること（すなわち、パージ流出物中の脱着ガ
スの濃度が最大になること）である。特定事象はさら
に、パージ工程が行われた後の特定時間の経過であって
もよいし、あるいは床からのパージ流出物中の非吸着ガ
スの濃度を示す曲線（時間に対してプロット）に変曲点
が生じることであってもよい。

【００２６】好ましい事象は、パージ流出物中の非吸着
ガスの濃度が最大になることである。この事象を使用す
ることにより、ＰＳＡプロセスの部分サイクル間で生じ
る非吸着生成物の純度格差に対して最も速やかな補正が
なされる。

【００２７】本発明のプロセスを使用して、吸着剤によ
って弱く吸着されるガスを、吸着剤によってより強固に
吸着される他のガスから分離することができる。本発明
のプロセスによって果たすことのできる代表的な分離と
しては、酸素−窒素の分離、二酸化炭素−メタンもしく
は二酸化炭素−窒素の分離、水素−アルゴンの分離、お
よびオレフィン−パラフィンの分離などがある。本発明
のプロセスは、窒素と酸素を含有したガス（例えば空
気）からの窒素または酸素の分離（特に、吸着剤が酸素
より窒素のほうをより強固に吸着するような分離）に特
に適している。

【００２８】本発明は、吸着工程がより高い圧力で行わ
れるＰＳＡプロセス（例えば、約２０絶対バール以上の
圧力で行われる分離）に使用することができるけれど
も、吸着工程時の圧力が約５絶対バールを越えないよう
なプロセスにおいて使用するのが最も有利である。一般
には、本発明は、大気圧よりやや上の圧力〜約５絶対バ
ールの範囲の圧力にて吸着が行われるようなＰＳＡプロ
セスに適用すると有益な結果が得られ、吸着圧力が約
１.２５〜３絶対バールの範囲であるようなプロセスに
おいて使用するのが最も適している。低圧プロセスが好
ましい。なぜなら、システムへの供給ガスの圧力は、エ
ネルギー消費の少ない装置（例えばブロアー）によって
吸着工程を行うのが望ましい範囲にまで容易に増大させ
ることができるからである。床再生工程は吸着圧力より
低い圧力で行われ、２００ミリバール（絶対）以下とい
う低い圧力で行うことができるけれども、大気圧未満の
圧力を避けること、この工程をほぼ大気圧以上にて行う
こと、そしてエネルギー消費の大きい真空発生装置の使
用を避けることが好ましい。本発明のプロセスの吸着圧
力対再生圧力の比は、絶対圧力基準にて一般には約１.
１〜約３の範囲であり、好ましくは約１.２〜約２.５の
範囲である。

【００２９】吸着工程が行われる温度は重要なポイント
ではなく、一般には、約−５０℃の温度から約１００℃
またはそれ以上の温度まで変わりうる。プロセスの最適
の吸着温度は特に、使用する吸着剤の種類、プロセスが
行われる圧力、および分離しようとするガスの種類によ
って変わる。

【００３０】便宜上、二床システム（１つの床が吸着作
用状態にある一方で、他の床が床再生作用を受けるよ
う、床が交互の半サイクルにて１８０°非同調的に作動
される）にて、酸素より窒素のほうを優先的に吸着する
吸着剤を使用して酸素高含量の生成物ガスを分離するの
に適用した場合について本発明を詳細に説明する。しか
しながら、このようなシステムは、本発明のプロセスを
実施するのに適したシステムの代表的なものにすぎない
ことは言うまでもない。本発明の実施に適したシステム
が図１に示されている。図１を参照すると、並列の吸着
ユニットＡとＢ（それぞれが、空気から窒素を選択的に
吸着する吸着剤を含む）、酸素高含量生成物ガスの貯蔵
用リザーバーＣ、酸素センサーＤ、およびプログラム可
能なロジック・コントローラー（ＰＬＣ）Ｅを含んだ吸
着システムが示されている。ライン２を介して供給空気
を吸着ユニットＡとＢに供給する。ライン２は供給ライ
ン４と６に連結しており、これらの供給ラインは、それ
ぞれ吸着ユニットＡとＢの供給入口に連結している。ラ
イン４と６にはそれぞれ弁８と１０が取り付けてあり、
これによって供給空気を吸着ユニットＡとＢに交互に送
り込むことができる。非吸着生成物の出口端では、吸着
ユニットＡとＢがそれぞれ酸素高含量生成物ガス排出ラ
イン１２と１４に連結している。ライン１２と１４に
は、それぞれ弁１６と１８が取り付けてあり、これらの
弁により、吸着ユニットＡとＢのどちらか一方から酸素
高含量生成物ガスの選択的な取り出しを行う。ライン１
２と１４は、弁１６と１８の間の箇所にてライン２０に
連結している。ライン２０は酸素高含量生成物ガスリザ
ーバーＣに連結している。ライン２０を介しての酸素高
含量ガスの流れは弁２１によって制御する。酸素高含量
の生成物ガスは、必要に応じてライン２２を介して、リ
ザーバーＣから生成物貯蔵容器にあるいは最終用途にて
使用するために排出することができる。

【００３１】酸素高含量生成物によるパージガスは、弁
２８と３０を介してそれぞれライン１２と１４に流体連
通状態にて配置することのできるライン２４を介して吸
着ユニットＡとＢに供給することができる。ライン２４
には、非吸着生成物ガスの圧力をパージ工程を行う圧力
にまで低下させるための減圧手段２６が取り付けられて
いる。

【００３２】吸着ユニットＡとＢの非吸着生成物端部
は、吸着ユニット圧力均等化ライン３２を介して流体連
通の状態で配置することができる。ライン３２を介して
のガスの流れは、弁３４を開くことによって起こすこと
ができる。

【００３３】図示のシステムには、脱着された窒素高含
量廃棄ガスを吸着ユニットＡとＢから取り出せるよう、
吸着ユニット排気ライン３６が組み込まれている。排気
ライン３６は、弁３８と４０を介してそれぞれライン４
と６に繋がっている。

【００３４】酸素センサーＤは、テストライン４２を介
して連続的に、あるいは例えば約０．０１〜５秒の頻度
で選定した時間にて廃棄ガスライン３６中の酸素濃度を
測定し、集まったアナログ情報をライン４４を介してＰ
ＬＣＥに伝える。濃度は、瞬間値であっても平均値であ
ってもよい。サンプリング頻度と平均化（平均値を使用
する場合）において使用するサンプリング数を、集めた
濃度情報の選択性と精度が最適化されるように選定す
る。ＰＬＣＥは酸素センサーＤから受け取った情報を解
析し、ＰＬＣＥと弁とを接続しているラインを介してシ
ステムの種々の弁に信号を送る。ライン４８を介して送
られる信号が弁８と１０の作動を制御し、ライン５０を
介して送られる信号が弁３８と４０の作動を制御し、ラ
イン５２を介して送られる信号が弁３４の作動を制御
し、ライン５４を介して送られる信号が弁２８と３０の
作動を制御し、ライン５６を介して送られる信号が弁１
６と１８の作動を制御し、そしてライン５８を介して送
られる信号が弁２１の作動を制御する。

【００３５】本発明のプロセスにおいては、ＰＬＣＥ
は、選定した部分サイクルにおける、システムの１つの
床からのパージ流出物中の非吸着ガス濃度と、前記選定
した部分サイクルより先の部分サイクルにおける、シス
テムの他の床からのパージ流出物中の非吸着ガス濃度と
を比較することによって、パージ流出物中の非吸着ガス
濃度の絶対差の測定を行う。先の部分サイクルは、選定
した部分サイクルの直前の部分サイクルであってもよい
し、あるいは選定した部分サイクルの直前の部分サイク
ルの前の部分サイクルであってもよい。本発明の好まし
い実施態様においては、測定は、連続的な部分サイクル
におけるパージ流出物中の非吸着ガス濃度の比較に基づ
いている。この方法は最新の情報を与え、したがって最
も信頼性が高い。

【００３６】ＰＬＣＥは、幾つかのパターンのいずれに
おいても、選定した弁に対して調節を行うようセットす
ることができる。例えば、パージ工程の継続時間だけが
変えられるよう、パージ弁２８と３０だけに調節を行う
ように命令を与えることもできるし、あるいはある与え
られた部分サイクルにおける生成工程の継続時間とパー
ジ工程の継続時間の両方を変えるために、弁８、１０、
１６、１８、２８、および３０の調節を行うこともでき
る。複数の部分サイクルの全体にわたって直列順序で配
列された３つ以上の床を含むシステムの２つ以上の床に
同時的な調節を行う場合、非吸着ガスの濃度が、サイク
ルの再生工程時における床からのパージ流出物中の非吸
着ガスの平均濃度から最も拡散的であるような床を調節
するのが好ましい。必要に応じて、他の調節組み合わせ
を使用することができる。

【００３７】調節は、部分サイクルの特定のシーケンス
にて行うこともできるし、あるいは無作為に行うことも
できる。例えば、弁の調節は、濃度差測定の後の各部分
サイクルにおいて行うこともできるし、あるいは濃度差
の測定を行った後の全ての第２の部分サイクルや全ての
第３の部分サイクルなどにおいて行うこともできる。調
節は均等に配置された部分サイクルにて行うこともでき
る。すなわち調節は、調節が行われない一定数の部分サ
イクルによって分けられた部分サイクルにて行うことが
できる。あるいは調節は可変の形で配置された部分サイ
クルにて行うこともできる。すなわち調節は、調節が行
われない可変数のサイクルによって分けられた部分サイ
クルにて行うことができる。いずれの場合においても、
調節が行われる部分サイクルを分けている、調節が行わ
れない０〜約５つの部分サイクルが存在するのが好まし
い。

【００３８】ＰＬＣＥは、システムの異なった床からの
パージガス流出物中の非吸着ガス濃度間の差がある選定
した値を越えるときにのみ、床のパージ継続時間を調節
するよう、あるいはＰＳＡプロセスの種々の工程を調節
するようセットすることができる。非吸着ガス純度の不
一致を補正するこの方法は、他の方法に対しても好まし
いことが多い。なぜなら、補正の回数が少なくなるし、
また過剰補正を行うこともより少なくなるからである。

【００３９】下記の表は、本発明を有利に使用すること
のできる多くの吸着サイクルのうちの１つを示してい
る。図１に示した装置にて空気からの酸素高含量ガスの
生成に対して適用した場合の、サイクルの各工程を詳細
に示す。

【００４０】

【表１】 表１ 工程 吸着ユニットＡ 吸着ユニットＢ １ 均等化 均等化 ２ 供給物加圧 排気減圧 ３ 供給物加圧 パージ／排気 ４ 生成 パージ／排気 ５ 生成 排気 ６ 均等化 均等化 ７ 排気減圧 供給物加圧 ８ パージ／排気 供給物加圧 ９ パージ／排気 生成 １０ 排気 生成

【００４１】工程１が始まると、図１の吸収ユニットＡ
がちょうど再生相を完了し、吸収ユニットＢがちょうど
サイクルの生成相を完了する。したがって、吸収ユニッ
トＡ中の圧力は圧力サイクルの最も低いポイントになっ
ており、また吸収ユニットＢ中の圧力は圧力サイクルの
最も高いポイントになっている。工程１中、弁３４が開
いており、システムの他の全ての弁が閉じている。減圧
用ガスが吸収ユニットＢからライン３２を介して並流の
形で流れ出て、吸収ユニットＡに向流の形で流入し、こ
れによって吸収ユニットＡがある程度加圧される。この
工程の目的は、生成相を完了したばかりの吸収ユニット
中に蓄えられている圧力エネルギーの幾らかを保存する
こと、および吸収ユニットＢに再生工程を施す前に、吸
収ユニットＢ中に含まれている比較的酸素高含量のボイ
ドスペースガスの幾らかを回収することにある。この工
程は均等化工程として示されているけれども、吸着ユニ
ットＡとＢ間の完全な均等化が果たされるまでこの工程
を継続する必要はない。

【００４２】工程１が完了したら、弁３４を閉じ、弁８
と４０を開く。工程２（供給物加圧／排気減圧工程）が
始まり、吸収ユニットＡが、ライン２、弁８、およびラ
イン４を介して吸収ユニットＡへの新たな供給物の並流
流れによってさらなる部分加圧を受ける。これと同時
に、ライン６、弁４０、およびライン３６を介して窒素
高含量ガスを排気させることによって、吸着ユニットＢ
中の吸着剤から窒素高含量ガスを向流の形で脱着させ
る。

【００４３】工程２が完了したら、弁８と４０を開いた
ままで弁１６と３０を開き、圧力調節器２６により、ラ
イン２４を介して流れる酸素高含量ガスの圧力を所望の
パージ圧力に調節し、そして工程３が始まる。工程３
中、他の全ての弁は閉じておく。この工程中、吸着ユニ
ットＡ中の圧力が所望の吸着圧力に達するまで、新たな
供給物で吸着ユニットＡの加圧を続ける。同時に、ライ
ン１２、弁１６、ライン２０と２４、弁３０、およびラ
イン１４を通って吸収ユニットＢへの酸素高含量ガスの
流れを使用して、吸収ユニットＢの向流によるパージを
始める。パージガスが吸着ユニットＢを通り、ライン
６、弁４０、およびライン３６を介してシステムから出
ていき、このとき吸着ユニットＢ中の吸着剤から脱着さ
れた窒素高含量ガスが運ばれる。

【００４４】吸着ユニットＡを所望の吸着圧力に加圧す
ると、工程３が終わり、工程４が始まる。工程４中、弁
８、１６、３０、および４０を開いたままで弁２１を開
く。他の全ての弁は閉じたままである。吸着ユニットＡ
において酸素高含量生成物ガスが生成され、ライン１
２、弁１６、ライン２０、および弁２１を介して容器Ｃ
に送られる。その間、ライン２４、弁３０、およびライ
ン１４を介して吸着ユニットＢ中へ、そしてライン６、
弁４０、およびライン３６を介して吸着ユニットＢから
出て大気中へ低圧の酸素高含量生成物ガスを通すことに
よって、吸着ユニットＢのパージを続ける。

【００４５】吸着ユニットＢのパージを所望の程度にま
で行ったら、工程４が終了する。この時点においては、
弁３０を閉じ、弁８、１６、２１、および４０は開いた
ままである。吸着ユニットＢを通してのパージガスの流
れは停止するが、開放した弁４０とライン３６を介して
吸着ユニットＢからの排気を続ける。その間、供給空気
を吸着ユニットＡに送り続け、酸素高含量生成物ガスを
吸着ユニットＡから出して容器Ｃへと流し続ける。供給
空気が吸着ユニットＡを通過していくにつれて、吸着さ
れた窒素ガスのフロントが吸着ユニットＡ中で前方に移
動し、この容器の非吸着生成物出口に達する。フロント
が吸着ユニットＡ中の特定の箇所に達すると、弁８、１
６、２１、および４０を閉じることによって工程５が終
了する。吸着システムが最大効率で操作できるよう、終
了箇所は、吸着ユニットの非吸着生成物ガス出口の近く
であるのが最適である。吸着ユニットＡからの窒素の実
質的な破過（breakthrough）を避けて、酸素高含量生成
物ガスの純度が許容しうる最低レベル未満にまで低下す
るのを防ぐ。工程５が終わると、本発明のプロセスのサ
イクルの第１の半分が完了する。

【００４６】先行する個々の工程時に操作された弁に対
応した弁を操作することにより、工程１〜５中に吸着ユ
ニットＡとＢにおいて果たされた機能を逆にすることに
よってサイクルの第２の半分を行う。したがって、工程
６においては、弁３２だけが開いており；均等化用ガス
が吸着ユニットＡから吸着ユニットＢに流れ；工程７に
おいては、弁１０と３８だけが開いており、フレッシュ
な供給物がライン２と６を介して吸着ユニットＢ中に流
入する一方で、吸着ユニットＡには向流による排気減圧
が施され；工程８においては、弁１０、１８、２８、お
よび３８だけが開いており、吸着ユニットＢがフレッシ
ュな供給ガスで作動圧力に加圧される一方で、吸着ユニ
ットＡにはパージと排気が施され；工程９においては、
弁１０、１８、２１、２８、および３８だけが開いてお
り、吸着ユニットＢは酸素高含量ガスを生成し続け、吸
着ユニットＡにはパージと排気が施され；そして工程１
０においては、弁１０、１８、２１、および３８だけが
開いており、吸着ユニットＢが酸素高含量ガスを生成し
続ける一方で、吸着ユニットＡには最終的な排気が施さ
れる。工程１０が終わると、そのときのサイクル（curr
ent cycle）が完了して次のサイクルが始まり、吸着ユ
ニットＡが吸着作用状態となり、吸着ユニットＢが再生
作用を受ける。

【００４７】上記のサイクルは、比較的高純度（例え
ば、９３容量％以上という高い純度）の酸素高含量生成
物流れの生成を可能にする代表的な操作サイクルであ
る。このプロセスの変形として、均等化工程（工程１と
６）を取り除くことによって、および／または生成物裏
込め工程を加えることによってサイクルを改良すること
ができる。これらの変形においては、それまでは均等化
工程によって与えられた加圧を、生成物裏込め工程およ
び／または供給物加圧工程によって施すことができる。
さらに、必要であれば、工程３と８のパージ／排気操作
のためのパージガスを容器Ｃから供給することができ
る。

【００４８】本発明の重要な特徴は、各部分サイクルの
パージ／排気工程と最終の排気工程中においてライン３
６を通る廃棄ガス中の酸素濃度を測定することにある。
この測定はこれらの工程中に連続的に行うのが好ましい
が、これが絶対に必要というわけではなく、重要なこと
は、特定事象の生起中に廃棄ガス中の酸素濃度を測定す
ることである。この事象は、ガス流れ中の極端な酸素濃
度（本発明の目的上、部分サイクルのパージ／排気工程
および最終の排気工程を含んだ時間中に生じる最大酸素
濃度または最小酸素濃度と定義する）の生起でもよい。
この事象はさらに、部分サイクルのパージ工程開始後の
ある特定時間の経過であってもよい。本発明の目的上、
“事象”という用語は、部分サイクル中における廃棄ガ
ス流れ中の最大酸素濃度の生起、部分サイクル中におけ
る廃棄ガス流れ中の最小酸素濃度の生起、または部分サ
イクルのパージ工程開始後のある特定時間の経過を示す
のに使用している。

【００４９】部分サイクル中において特定事象生起の正
確な時間にて行われた酸素濃度測定の測定値がＰＬＣＥ
に伝送される。ＰＬＣＥは、そのときの部分サイクル中
において測定して得られた測定値と、そのときのサイク
ルの直前の部分サイクル中において測定して得られた対
応する測定値とを比較する。次いでＰＬＣＥは、そのと
きの部分サイクルのすぐ後に続く部分サイクルのパージ
工程のトータル継続時間を、そのときの部分サイクルの
臨界測定値（critical measurement）とその直前の部分
サイクルの臨界測定値との差を小さくするような方向で
調節する。この調節は、そのときの部分サイクルのすぐ
後の部分サイクルにおけるパージ工程の開始時間および
／または終了時間を速めたり遅らせたりすることを伴
う。この調節はプロセスの各部分サイクルに対して繰り
返され、したがって動的制御の吸着プロセスが得られ
る。

【００５０】好ましい事象は酸素濃度の極端な値の生起
であり、最も好ましい事象は、部分サイクルのパージ工
程および排気工程中における最大酸素濃度の生起であ
る。最大値を使用すると、連続的な部分サイクル間の酸
素濃度差に関して最も速やかな減少が得られる。

【００５１】部分サイクルのパージ工程の継続時間を変
えると、部分サイクルの１つ以上の他の工程および／ま
たは部分サイクルの継続時間も変わることは言うまでも
ない。例えば、部分サイクルのパージ工程の継続時間を
増大させることは、パージ工程に先行する排気工程およ
び／またはパージ工程に続く排気工程の継続時間を短く
することを必要とし、および／または部分サイクル全体
の継続時間を増大させることを必要とする。好ましい実
施態様においては、排気工程の継続時間を調節するこ
と、およびトータルの部分サイクル時間を一定に保持す
ることが好ましい。

【００５２】吸着サイクルは、吸着と再生の基本的工程
以外の工程を含んでもよい。例えば、吸着床を複数の工
程で減圧するのが有利であり、このとき第１の減圧生成
物が吸着システムにおける１つの床をある程度加圧する
のに使用され、また第２の減圧生成物が吸着システムに
おける他の床をある程度加圧するのに使用される。

【００５３】効率的な仕方で連続的に作動させるべく完
全に自動化できるよう、従来の装置を使用してシステム
内のガスの流れをモニターし、これを自動的に調節する
ことも本発明の範囲内であることは言うまでもない。

【００５４】以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳細
に説明するが、特に明記しない限り、部、パーセント、
および比は容量基準である。

【００５５】実施例１ 本実験は、図１に示したシステムに類似した実験室スケ
ールの二床ＰＳＡシステムにて、大気空気を供給物とし
て使用して行った。床に使用した吸着剤はＵＯＰＰＳＡ
Ｏ₂ＨＰ１３Ｘゼオライト（ＵＯＰから市販）であっ
た。このＰＳＡシステム全体を、２０℃（供給ガスの温
度）の一定温度に保持した制御環境チャンバー（contro
lled environmental chamber）中に納めた。操作サイク
ルは、表１に記載したものと類似のサイクルであった。
サイクルの継続時間は１２０秒であり、次のように配分
した：工程１と６が５秒；工程２と７が６秒；工程３と
８が２４秒；工程４と９が２５秒；及び工程５と１０が
０秒（すなわち、工程５と１０は除外した）。０.５バ
ール，ゲージ（barg）の吸着圧力で生成工程を行い、排
気圧力は大気圧（０ barg）であった。

【００５６】実験の進行中、工程２、３、７、および８
の継続時間は、ＰＬＣによってなされた読み取り値に対
応して自動的に調節した。酸素センサーにより、パージ
／排気工程中における排気ガス中の酸素濃度を測定し
た。連続的半サイクルにおける排気流れ中の最大酸素濃
度の比較を行い、上記工程の継続時間を、次の半サイク
ルのパージ／排気工程における最大酸素濃度との差を小
さくするような方向で調節した。定常状態の条件が達成
された。定常状態の結果を表２に示す。実験の単一サイ
クルにおける排気流れ中の酸素濃度のプロフィールを図
２に曲線Ａとして示す。

【００５７】

【表２】表２ 酸素の純度，％ ９２.１ 比生産量 ４.９ 酸素の収率，％ ２２.６

【００５８】実施例２ パージ／排気工程中に生起する最大酸素濃度の差を調節
するための試みを行わなかったこと以外は、実施例１に
記載の手順を繰り返した。定常状態の条件を確立するこ
とができず、またテスト時間中に酸素生成物ガスの純度
が６０〜９０％の間で変動した。単一サイクルにおける
排気流れ中の酸素濃度のプロフィールを図２に曲線Ｂと
して示す。

【００５９】図２は、低圧ＰＳＡプロセスにおいて本発
明を使用することによって得られる利点を示している。
図２からわかるように、本発明の手順を使用しなかった
ときの排気流れ中の酸素濃度の変動と比較すると、本発
明の手順を使用したときには、システムからの排気流れ
中の酸素濃度の変動がはるかに少ない。

【００６０】特定の吸着サイクルおよび特定の実施態様
に関して本発明を説明してきたが、これらの特徴は単に
本発明の代表的なものであって、種々の変形も本発明に
含まれる。例えば、吸着サイクルは３つ以上の床均等化
工程を含んでもよく、または本発明は、酸素や窒素以外
のガスを分離するのに使用されるＰＳＡプロセスにおい
ても使用することができる。さらに、個々の工程の継続
時間および操作条件を変えることもできる。本発明の範
囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプロセスによってガス混合物からガス
を回収するのに適したＰＳＡシステムの１つの実施態様
の概略図である。

【図２】本発明のＰＳＡプロセスの１つのサイクルに対
する排気流れ中の酸素濃度の変化と、従来のＰＳＡプロ
セスの１つのサイクルに対する排気流れ中の酸素濃度の
変化との比較を示したグラフである。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のガス成分より第２のガス成分の方
   をより強固に吸着する一連の２つ以上の吸着剤床を含ん
   だシステムにて、第１のガス成分と第２のガス成分を含
   有したガス混合物から第１成分高含量ガスを回収するた
   めの循環ＰＳＡプロセスであって、このとき前記床は並
   列に配列されていて、少なくとも１つの床が吸着作用を
   果たしつつある一方で、少なくとも１つの他の床が再生
   されているよう非同調的に作動され、 （ａ） 前記ガス混合物を前記少なくとも１つの床中に
   流入させる工程、これによって前記少なくとも１つの床
   を選定した吸着圧力に加圧し、第１成分高含量ガスを非
   吸着物質として生成させる一方で、第２成分高含量ガス
   を選定した排気圧力にて前記少なくとも１つの他の床か
   ら脱着させることによって前記少なくとも１つの他の床
   を再生し、このとき再生時間の少なくとも一部におい
   て、前記少なくとも１つの他の床を第１成分高含量ガス
   でパージする； （ｂ） 前記システムの全ての床が工程（ａ）を施され
   るまで、前記少なくとも１つの床と前記少なくとも１つ
   の他の床の役割を変えて工程（ａ）を繰り返す工程； （ｃ） 前記少なくとも１つの他の床の選定した再生時
   間中におけるある特定事象の生起時に前記少なくとも１
   つの他の床を出るガス流れ中の第１成分の濃度と、前記
   少なくとも１つの他の床の前記選定再生時間に先行す
   る、前記少なくとも１つの床の再生時間中における前記
   特定事象の生起時に前記少なくとも１つの床を出るガス
   流れ中の第１成分の濃度との絶対差を定期的に測定する
   工程；および （ｄ） 前記少なくとも１つの床と前記少なくとも１つ
   の他の床の１つ以上において、前記絶対差を小さくする
   ような仕方でパージの継続時間を定期的に調節する工
   程；を含む前記循環ＰＳＡプロセス。
2. 【請求項２】 前記一連の２つ以上の吸着剤床が、１つ
   以上の対の交互に作動される吸着剤床を含む、請求項１
   記載のプロセス。
3. 【請求項３】 前記特定事象が、再生処理を受けている
   床を出るガス流れ中の第１成分の極端な濃度の生起、あ
   るいは床のパージを開始した後の、ある特定時間の経過
   である、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 【請求項４】 前記特定事象が、再生処理を受けている
   床を出るガス流れ中の第１成分の極端な濃度の生起であ
   る、請求項３記載のプロセス。
5. 【請求項５】 前記特定事象が、再生処理を受けている
   床を出るガス流れ中の第１成分の濃度が最大になること
   である、請求項４記載のプロセス。
6. 【請求項６】 工程（ｃ）が行われる再生時間が、工程
   （ｃ）が行われない一定数の再生時間によって分けられ
   る、請求項１または２に記載のプロセス。
7. 【請求項７】 前記一定数の再生時間が０〜約５の範囲
   である、請求項６記載のプロセス。
8. 【請求項８】 工程（ｃ）が行われる再生時間が、工程
   （ｃ）が行われない可変数の再生時間によって分けられ
   る、請求項１または２に記載のプロセス。
9. 【請求項９】 前記少なくとも１つの他の床の前記選定
   した再生時間に先行する前記少なくとも１つの床の前記
   再生時間と、前記少なくとも１つの他の床の前記選定し
   た再生時間とが連続した床再生時間である、請求項１ま
   たは２に記載のプロセス。
10. 【請求項１０】 前記少なくとも１つの他の床の前記選
    定した再生時間と、工程（ｄ）の調節が行われる再生時
    間とが連続した床再生時間である、請求項１または２に
    記載のプロセス。
11. 【請求項１１】 前記少なくとも１つの他の床の前記選
    定した再生時間と、工程（ｄ）の調節が行われる再生時
    間とが連続した床再生時間である、請求項９記載のプロ
    セス。
12. 【請求項１２】 前記第１成分が酸素であり、前記第２
    成分が窒素である、請求項１または２に記載のプロセ
    ス。
13. 【請求項１３】 前記第１成分が窒素であり、前記第２
    成分が酸素である、請求項１または２に記載のプロセ
    ス。
14. 【請求項１４】 工程（ａ）の前に、前記少なくとも１
    つの床をある程度加圧し、そしてガスを前記少なくとも
    １つの他の床から前記少なくとも１つの床に流すことに
    よって、前記少なくとも１つの他の床をある程度減圧す
    る、請求項１または２に記載のプロセス。
15. 【請求項１５】 工程（ａ）の前に、第１成分高含量ガ
    スを前記少なくとも１つの床に流入させることによって
    前記少なくとも１つの床をある程度加圧する一方で、ガ
    スを前記少なくとも１つの他の床から排出することによ
    って前記少なくとも１つの他の床をある程度減圧する、
    請求項１または２に記載のプロセス。
16. 【請求項１６】 請求項２０の追加工程と工程（ａ）と
    の間に、第１成分高含量ガスを前記少なくとも１つの床
    に流入させることによって前記少なくとも１つの床をさ
    らに加圧する一方で、前記少なくとも１つの他の床から
    ガスを排出することによって前記少なくとも１つの他の
    床をさらに減圧する、請求項１４記載のプロセス。
17. 【請求項１７】 前記一連の２つ以上の吸着剤床が、サ
    イクルにて逐次的に作動される少なくとも３つの吸着剤
    床を含み、前記少なくとも１つの床の役割を周期的に果
    たし、且つ前記少なくとも１つの他の床の役割を周期的
    に果たす各床に関して、工程（ｃ）と工程（ｄ）が周期
    的に行われる、請求項１または２に記載のプロセス。