JPH10277342A - ガス分離装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 再生を大気圧以下で行うＰＳＡ装置の小型化
及びガス回収率の向上を図れるとともに、消費動力を低
減することができるガス分離装置及び方法を提供する。 【解決手段】 複数の吸着塔Ａ，Ｂの中の一つの吸着塔
のガス出口部と他の吸着塔のガス出口部とを連通させる
出口部均圧弁５ａ，５ｂを有する出口部均圧ライン６
と、一つの吸着塔のガス出口部と他の吸着塔のガス入口
部とを直列に連通させる直列均圧弁７ａ，７ｂを有する
直列均圧ライン９とを備え、一つの吸着塔のガス出口部
と他の吸着塔のガス出口部とを互いに連通させる第１の
均圧操作と、一つの吸着塔のガス出口部と他の吸着塔の
ガス入口部とを直列に連通させる第２の均圧操作とを行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス分離装置及び
方法に関し、特に、空気を原料として酸素や窒素を分離
する圧力変動吸着式のガス分離に好適に利用できるガス
分離装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力変動吸着式ガス分離方法（Ｐｒｅｓ
ｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ、以下Ｐ
ＳＡ法と略記する）は、空気から酸素を濃縮する場合等
において広く工業的に用いられている。空気から酸素を
濃縮する場合には、一般的に、加圧下で吸着剤に空気を
接触させて窒素等を選択的に吸着させ、比較的吸着し難
い酸素を製品ガスとして取り出す吸着工程と、窒素等を
吸着した吸着剤の雰囲気を大気圧あるいは大気圧以下に
減圧して吸着剤から窒素等を脱着させ、吸着剤を再生す
る再生工程とを主要な工程として繰り返す方法である。
製品を連続的に発生させるために、吸着塔は複数個使用
するのが普通である。吸着剤としては、通称ＭＳー５
Ａ，ＭＳー１０Ｘ，ＭＳー１３Ｘあるいはモルデナイト
等のゼオライトが用いられる。

【０００３】ＰＳＡ法の性能を向上させる方法として、
例えば、吸着工程終了時の吸着塔内に残る比較的濃縮さ
れた製品ガスを、再生工程を終了した吸着塔に回収する
均圧操作がある。特開平５−１９２５２７号公報には、
均圧操作を２段階に分け、吸着塔の上部同士を連結して
行う均圧と、吸着塔の上部と他の吸着塔の下部とを連結
する均圧操作を連続的に行う方法が開示されている。し
かし、同公報に示された実施例は、いずれも再生を大気
圧で行う、いわゆる大気圧再生法であって、近年広く実
施されるようになった再生を大気圧以下で行う、いわゆ
る真空再生法については記載されていない。

【０００４】また、特開平１−２３６９１４号公報に
は、真空再生を行なうＰＳＡ法において、吸着工程終了
時に塔内に残留したガスを、主として他の吸着塔の再生
工程時のパージガスとして使用する方法が開示されてい
る。また、同公報には、他の吸着塔からの短時間のガス
回収に続き、原料ガスと製品槽とからの製品ガスの逆戻
しによって再加圧を行う方法も開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、吸着塔の再加
圧における主たる加圧を原料ガスと製品ガスとによって
行う場合は、製品ガス圧力の変動を引き起こし、製品槽
の容積を大きくせざるを得なくなる。また空気による加
圧は、比較的低い圧力状態に対して行われるため、空気
の急激な流入によって不純物成分である窒素が吸着塔の
製品出口端部方向に流れ込む可能性がある。このような
操作は、ガス分離のために負の要因である。

【０００６】そこで本発明は、上述の従来装置及び方法
における欠点を解消し、装置の小型化及びガス回収率の
向上を図れるとともに、消費動力を低減することができ
るガス分離装置及び方法を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のガス分離装置は、吸着剤を充填した複数の
吸着塔を吸着工程と再生工程とに切換えてガスを分離す
る圧力変動吸着式のガス分離装置において、一つの吸着
塔のガス出口部と他の吸着塔のガス出口部とを連通させ
る出口部均圧弁を有する出口部均圧ラインと、一つの吸
着塔のガス出口部と他の吸着塔のガス入口部とを直列に
連通させる直列均圧弁を有する直列均圧ラインとを備え
たことを特徴としている。

【０００８】また、本発明のガス分離装置方法は、一つ
の吸着塔のガス出口部と他の吸着塔のガス出口部とを互
いに連通させることによる第１の均圧操作と、一つの吸
着塔のガス出口部と他の吸着塔のガス入口部とを直列に
連通させることによる第２の均圧操作とを行うことを特
徴とし、特に、前記第１の均圧操作における圧力の上昇
を、前記第１の均圧操作の圧力上昇と前記第２の均圧操
作の圧力上昇との合計の２０〜６０％とすることを特徴
としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明のガス分離装置の一
形態例を示す系統図である。このＰＳＡ装置は、２個の
吸着塔Ａ，Ｂを有する２塔式のＰＳＡ装置であって、循
環経路１を備えた空気圧縮機２と、製品ガスを貯留する
製品槽３と、再生時に塔内を減圧する真空ポンプ４とに
加え、出口部均圧弁５ａ，５ｂを備えた出口部均圧ライ
ン６と、直列均圧弁７ａ，７ｂ及び調節弁８を備えた直
列均圧ライン９とを有している。また、各吸着塔Ａ，Ｂ
には、入口弁１０ａ，１０ｂ、逆止弁１１ａ，１１ｂ、
パージガス導入弁１２ａ，１２ｂ、再生出口弁１３ａ，
１３ｂがそれぞれ設けられ、製品槽３からパージガス導
入弁１２ａ，１２ｂに至るパージライン（兼再加圧ライ
ン）１４には、パージ弁１５，調節弁１６，流量計１７
が設けられ、真空ポンプ４の上流には、放出弁１８が設
けられている。

【００１０】次に、上記構成のＰＳＡ装置の作用及びこ
のＰＳＡ装置を使用したガス分離方法を図２に基づいて
説明する。図２は、主要な構成機器と各工程におけるガ
スの流れとを示す説明図である。

【００１１】工程１：図２（イ）に示す状態 圧縮機２からの原料空気が、入口弁１０ａを通って吸着
工程にある吸着塔Ａに流入し、原料空気中の窒素が吸着
剤に優先的に吸着され、塔出口（製品出口端）に向かっ
て酸素が濃縮される。製品酸素は、逆止弁１１ａを通っ
て製品槽３に流入し、製品槽３を充圧するとともに、製
品槽３内の製品酸素が調節弁１９を通って使用先へ送ら
れる。

【００１２】一方、吸着塔Ｂは、吸着塔Ａが吸着工程を
行っている間、塔内に製品酸素の一部を使用したパージ
ガスを導入し、これを真空ポンプ４により吸引排気する
パージ排気操作を行っている。パージガスは、製品槽３
からパージライン１４，パージ弁１５，調節弁１６，流
量計１７及びパージガス導入弁１２ｂを経て吸着塔Ｂの
製品出口端から塔内に流入し、塔内のガスは、原料入口
側の再生出口弁１３ｂから真空ポンプ４に吸引されて大
気に放出される。このパージ排気工程を行うことによ
り、吸着塔Ｂ内の吸着剤に吸着されている窒素等の脱着
が促進される。

【００１３】工程２：図２（ロ）に示す状態 前記吸着塔Ａにおいて、窒素の吸着前線が吸着塔出口端
に向かって進行し、製品濃度が決められた値より低下し
始めたら工程が切換えられ、空気圧縮機２が循環経路１
を使用した待機運転に入って吸着塔１ａへの原料空気の
供給が止まるとともに、両塔の製品出口端同士が連結さ
れて出口部均圧ライン６を使用した第１の均圧操作が行
われる。これにより、吸着塔Ａの製品出口端から流出し
たガスは、出口部均圧ライン６の出口部均圧弁５ａ，５
ｂを通って吸着塔Ｂの製品出口端から塔内に流入する。
このとき、吸着塔Ｂでは、前記真空ポンプ４による排気
は終了しており、塔内に流入するガスにより吸着塔Ｂが
加圧される。また、吸着塔Ａでは、前記再生出口弁１３
ａが開いて原料入口側からの排気も開始される。なお、
このように両吸着塔Ａ，Ｂが吸着工程を行っていない間
も、製品槽３からの製品酸素の供給は連続して行われて
いる。

【００１４】工程３：図２（ハ）に示す状態 前記工程２において、吸着塔Ａ内の比較的製品品位に近
い酸素が吸着塔Ｂの製品出口側に回収されると、次い
で、製品品位よりはかなり酸素濃度は低いが空気よりは
酸素濃度が高いガスを回収するための第２の均圧操作が
行われる。この工程で吸着塔Ａの製品出口端から流出し
たガスは、出口部均圧弁５ａ，調節弁８，直列均圧弁７
ｂを通る直列均圧ライン９を通って原料入口側から吸着
塔Ｂ内に流入し、吸着塔Ｂは、前工程に引き続いて更に
加圧される。この工程でも、吸着塔Ａは、再生出口弁１
３ａからの排気が継続されている。

【００１５】工程４：図２（ニ）に示す状態 吸着塔Ａは、塔内に保持していた比較的酸素が濃縮され
たガスを、上記工程３で吸着塔Ｂに回収したので、この
工程４では、真空ポンプ４による塔内の排気に移行し、
吸着剤の減圧再生を行う。なお、この塔内の排気の初期
段階において、吸着塔Ａ内の圧力が大気圧より大幅に高
い場合には、真空ポンプ４を保護するため、放出弁１８
を一時的に開いて塔内のガスを真空ポンプ４を経由せず
に大気に直接放出する工程を追加してもよい。

【００１６】一方、吸着塔Ｂには、吸着塔下部の原料入
口側から原料空気が圧縮機２，入口弁１０ｂを経て供給
され、吸着塔上部の製品出口端から製品槽３内の製品酸
素の一部がパージライン１４，パージ弁１５，調節弁１
６，流量計１７，パージガス導入弁１２ｂを経て供給さ
れ、吸着塔Ｂ内の加圧が行われる。

【００１７】そして、吸着塔Ｂ内が所定圧力に上昇する
と、逆止弁１１ｂから製品槽３に向けての製品酸素の流
出が始まり、吸着塔Ｂが、工程１における吸着塔Ａと同
じ吸着工程に入るとともに、吸着塔Ａが図２（イ）に示
す吸着塔Ｂと同じパージ排気工程を行う。これ以降の工
程５〜８では、図２（イ）〜（ニ）における吸着塔Ａと
吸着塔Ｂとが入れ替った状態で工程が進み、最後の工程
８を終えると、図２（イ）に示す状態に戻る。

【００１８】すなわち、一つの吸着塔において、吸着工
程（工程１）、出口部均圧ライン６を使用したガス放出
側となる第１の均圧操作（工程２）、直列均圧ライン９
を使用したガス放出側となる第２の均圧操作（工程
３）、真空ポンプ４による減圧再生操作（工程４）、パ
ージガスを使用したパージ排気操作（工程５）、出口部
均圧ライン６を使用したガス受入側となる第１の均圧操
作（工程６）、直列均圧ライン９を使用したガス受入側
となる第２の均圧操作（工程７）、原料空気と製品酸素
の一部とによる加圧操作（工程８）からなる８工程を順
次行い、２個の吸着塔において、これらの工程を順次切
換えながら行うことにより、連続的に製品酸素を得るよ
うにしている。

【００１９】このような工程において、吸着工程を終了
した吸着塔内に保持される酸素分に富んだガスを吸着剤
の再生を終了した吸着塔内に回収するための均圧操作
を、第１の均圧操作と第２の均圧操作とに分けて行い、
かつ、両均圧操作により移動するガスでガス受入側とな
る吸着塔内を加圧することにより、酸素回収率を向上さ
せることができる。

【００２０】すなわち、第１の均圧操作において、吸着
工程を終了した第１の吸着塔の製品出口部に存在する製
品酸素に近い濃度の酸素分を、次に吸着工程を行う第２
の吸着塔の製品出口端部近くに回収して塔内を加圧し、
次いで、第２の均圧操作において、第１の吸着塔内の製
品品位よりは低いが空気よりは濃縮された状態の酸素分
を、第２の吸着塔の原料入口側に回収して塔内を加圧す
ることにより、不純成分である窒素の量に応じたガスの
流れにより、酸素分の回収と吸着塔の加圧とを行うこと
ができる。これにより、回収するガス量を増やすことが
でき、高い酸素回収率を達成することができる。

【００２１】また、工程２，３では，吸着塔Ａの均圧操
作を行いながら塔下部からの排気を始めるので、真空ポ
ンプ４の遊び時間を無くすことができ、効率的な操作を
することができる。

【００２２】前述の各均圧操作によって回収するガス量
は、良好な性能を引き出す上で重要であり、両均圧操作
（第１と第２の均圧操作の合計）で上昇する塔の圧力を
基準として、第１の均圧操作で回収するガス量（圧力上
昇）を２０〜６０％、第２の均圧操作によって回収する
ガス量（圧力上昇）を８０〜４０％にすることが好まし
い。なかでも、吸着塔上部同士（製品出口端同士）を連
結した第１の均圧操作は、上部−下部（製品出口端−原
料入口側）を連結した第２の均圧操作よりやや少な目に
することがより好ましい。第１の均圧操作で回収するガ
スの量が２０％を著しく下回ると吸着剤当たりの酸素発
生量は増加するものの酸素回収率が低くなり、第１の均
圧操作で回収するガス量が６０％を著しく超えると酸素
回収率は増加するものの吸着剤量当たりの酸素発生量が
低下するので好ましくない。

【００２３】さらに工程４（８）の初期において、これ
から吸着工程が始まる吸着塔Ｂ（Ａ）内の圧力が負圧で
ある場合には、空気圧縮機２の循環経路１をバイパス系
統として使用し、これに設けられている自動弁を工程開
始時の一時期だけ開いて大気空気を空気圧縮機２を通す
ことなく吸着塔Ｂ（Ａ）へ導入することも空気圧縮機２
の保護のために有効である。

【００２４】

【実施例】

実施例１ 図１に示す構成の装置を図２に示すプロセスで運転を行
い、空気から酸素に富む製品ガスを分離する実験を行っ
た。吸着剤にはＭＳ−５Ａ型ゼオライトを使用し、操作
条件は、吸着圧力＝０．２５ｋｇ／ｃｍ² （ゲージ
圧）、再生圧力＝２００ｍｍＨｇ、原料空気温度＝２５
℃、サイクルタイム＝６０秒とし、第１の均圧操作の圧
力上昇割合は４０％とした。

【００２５】その結果、図３の実線に示す通りの酸素濃
度と酸素回収率との関係が得られた。なお、酸素濃度は
容積％であり、酸素回収率は、原料空気中の酸素に対す
る製品ガス中の酸素の百分率である。比較例として、前
記工程２及び工程３を行わず、工程１と工程４とのみを
行った場合の酸素濃度と酸素回収率とは、図３の破線に
示す通りとなった。この結果から、本発明による酸素分
離性能は、比較例に対して著しく良いことがわかる。

【００２６】実施例２ 第１の均圧操作の量を２０％，４０％及び６０％とした
以外は，実施例１と同じ条件で酸素分離の実験を行っ
た。製品酸素濃度が９０容積％であるときの酸素回収率
と吸着剤単位量あたりの酸素発生量とは、表１に示す通
りとなった。第１の均圧操作のガス回収率を１０％にす
ると酸素回収率が表１の値より低下し、第１の均圧操作
の回収率を８０％にすると酸素発生量が表１の値より低
下した。

【００２７】

【表１】 （注）吸着剤当たり発生量は全吸着剤を基準にした。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガス分離
装置及び方法によれば、分離性能が向上するので、装置
を小型化でき、消費動力も低減できる。また、製品量を
一定量に保ったとき、圧力、気温等の条件変動に対して
純度の安定性を増すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のＰＳＡ装置の一形態例を示す系統図
である。

【図２】 各工程におけるガスの流れを示す説明図であ
る。

【図３】 実施例１における酸素濃度と酸素回収率との
関係を示す図である。

【符号の説明】

２…空気圧縮機、３…製品槽、４…真空ポンプ、５ａ，
５ｂ…出口部均圧弁、６…出口部均圧ライン、７ａ，７
ｂ…直列均圧弁、８…調節弁、９…直列均圧ライン、
Ａ，Ｂ…吸着塔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸着剤を充填した複数の吸着塔を吸着工
   程と再生工程とに切換えてガスを分離する圧力変動吸着
   式のガス分離装置において、一つの吸着塔のガス出口部
   と他の吸着塔のガス出口部とを連通させる出口部均圧弁
   を有する出口部均圧ラインと、一つの吸着塔のガス出口
   部と他の吸着塔のガス入口部とを直列に連通させる直列
   均圧弁を有する直列均圧ラインとを備えたことを特徴と
   するガス分離装置。
2. 【請求項２】 吸着剤を充填した複数の吸着塔を吸着工
   程と再生工程とに切換えてガスを分離する圧力変動吸着
   式のガス分離方法において、一つの吸着塔のガス出口部
   と他の吸着塔のガス出口部とを互いに連通させることに
   よる第１の均圧操作と、一つの吸着塔のガス出口部と他
   の吸着塔のガス入口部とを直列に連通させることによる
   第２の均圧操作とを行うことを特徴とするガス分離方
   法。
3. 【請求項３】 前記第１の均圧操作における圧力の上昇
   を、前記第１の均圧操作の圧力上昇と前記第２の均圧操
   作の圧力上昇との合計の２０〜６０％とすることを特徴
   とする請求項２記載のガス分離方法。