JPH1190157A - 吸着により空気を分離するための方法およびプラント - Google Patents
吸着により空気を分離するための方法およびプラントInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】圧力スイング吸着により空気の分離をするため
の方法およびそれを実施するプラントを提供する。 【解決手段】本発明によれば、吸着装置（１）に流入す
る気体は、少なくとも１ｍ3 に等しい体積（Ｖ）の吸着
剤を含み、メートルとして計測されたその高さ（Ｈ）は
少なくとも０．８×Ｖ0.35に等しい環状床に、気体流を
実質的に放射状に通過させることにより確立される。大
気空気から酸素を製造するために適用される。
の方法およびそれを実施するプラントを提供する。 【解決手段】本発明によれば、吸着装置（１）に流入す
る気体は、少なくとも１ｍ3 に等しい体積（Ｖ）の吸着
剤を含み、メートルとして計測されたその高さ（Ｈ）は
少なくとも０．８×Ｖ0.35に等しい環状床に、気体流を
実質的に放射状に通過させることにより確立される。大
気空気から酸素を製造するために適用される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも１つの
吸着装置を有するプラントにおいて圧力スイング吸着に
より空気を分離するための方法に関する。
吸着装置を有するプラントにおいて圧力スイング吸着に
より空気を分離するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】「圧力スイング吸着」（ＰＳＡ）という
術語は、吸着装置または各吸着装置の圧力が高圧と低圧
との間を変化する、実質的に等温の選択的吸着により大
気空気から酸素を製造するために提案されてきたさまざ
まなサイクルを意味するものとして用いられる。サイク
ルの高圧は大気圧力以上でありうるし、一方、サイクル
の低圧は大気圧力以下でありうる。これらの方法は、吸
着装置の吸着、減圧／再生および再圧縮の工程のさまざ
まな組み合わせを有する。
術語は、吸着装置または各吸着装置の圧力が高圧と低圧
との間を変化する、実質的に等温の選択的吸着により大
気空気から酸素を製造するために提案されてきたさまざ
まなサイクルを意味するものとして用いられる。サイク
ルの高圧は大気圧力以上でありうるし、一方、サイクル
の低圧は大気圧力以下でありうる。これらの方法は、吸
着装置の吸着、減圧／再生および再圧縮の工程のさまざ
まな組み合わせを有する。
【０００３】ＰＳＡ法において吸着剤の中で複雑な熱現
象が起こる。それらは、一方で、吸着された成分の吸着
又は脱着の熱により、他方で、流動する流体と吸着剤と
の間の熱交換による。これらの現象の結果として、熱勾
配が吸着剤の床の中で形成される傾向があることが観察
される（例えば、米国特許第５，５２９，６１０号を参
照されたい）。
象が起こる。それらは、一方で、吸着された成分の吸着
又は脱着の熱により、他方で、流動する流体と吸着剤と
の間の熱交換による。これらの現象の結果として、熱勾
配が吸着剤の床の中で形成される傾向があることが観察
される（例えば、米国特許第５，５２９，６１０号を参
照されたい）。
【０００４】しかしながら、ある特定の吸着剤は、温度
により変化する効率を有する。したがって、熱勾配は吸
着装置の性能について影響を有する。有害であるときに
はこの影響を減少させるか、例えば金属棒により吸着剤
内部の熱移動を増大させる（米国特許第４，０２６，６
８０号）ことによりそれを利用するか、またはその温度
帯についての幾つかのタイプの吸着剤を適合させるため
に多数の床を用いることによるかのいずれかの、さまざ
まな手段が提案されてきた。
により変化する効率を有する。したがって、熱勾配は吸
着装置の性能について影響を有する。有害であるときに
はこの影響を減少させるか、例えば金属棒により吸着剤
内部の熱移動を増大させる（米国特許第４，０２６，６
８０号）ことによりそれを利用するか、またはその温度
帯についての幾つかのタイプの吸着剤を適合させるため
に多数の床を用いることによるかのいずれかの、さまざ
まな手段が提案されてきた。
【０００５】流入流のほとんどが吸着され、次いで脱着
されるとき、空気から酸素を製造する場合において熱勾
配が特に顕著であり、その結果としてそれぞれのサイク
ルにおいて非常に多量の吸着／脱着の熱が関わり合うこ
とは理解されるであろう。
されるとき、空気から酸素を製造する場合において熱勾
配が特に顕著であり、その結果としてそれぞれのサイク
ルにおいて非常に多量の吸着／脱着の熱が関わり合うこ
とは理解されるであろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本出願人は、驚くべきこ
とに、吸着剤の床に特定の形状を与えることにより、Ｐ
ＳＡ空気分離法の効率が実質的に増大しうることを見出
した。
とに、吸着剤の床に特定の形状を与えることにより、Ｐ
ＳＡ空気分離法の効率が実質的に増大しうることを見出
した。
【０００７】すなわち、本発明による方法は、すくなく
とも１ｍ3 に等しい体積Ｖの吸着剤を含み、その高さＨ
がメートルとして計測されて少なくとも０．８×Ｖ0.35
に等しく、典型的には１×Ｖ0.35ないし３×Ｖ0.35であ
る環状の固定床を気体流が実質的に放射状に通過するこ
とにより、吸着装置に流入する気体が確立されることを
特徴とする。
とも１ｍ3 に等しい体積Ｖの吸着剤を含み、その高さＨ
がメートルとして計測されて少なくとも０．８×Ｖ0.35
に等しく、典型的には１×Ｖ0.35ないし３×Ｖ0.35であ
る環状の固定床を気体流が実質的に放射状に通過するこ
とにより、吸着装置に流入する気体が確立されることを
特徴とする。
【０００８】また、本発明は、このタイプの方法を実施
することを意図する空気分離プラントに関する。
することを意図する空気分離プラントに関する。
【０００９】加圧された空気源およびこの空気源に選択
的に接続されうる少なくとも１つの吸着装置を含むタイ
プの本発明のプラントは、吸着剤の体積Ｖが少なくとも
１ｍ3 に等しく、吸着装置は吸着剤の環状の固定床を含
み、およびメートルとして計測された環状の床の高さＨ
は、少なくとも０．８×Ｖ0.35に等しいことを特徴とす
る。
的に接続されうる少なくとも１つの吸着装置を含むタイ
プの本発明のプラントは、吸着剤の体積Ｖが少なくとも
１ｍ3 に等しく、吸着装置は吸着剤の環状の固定床を含
み、およびメートルとして計測された環状の床の高さＨ
は、少なくとも０．８×Ｖ0.35に等しいことを特徴とす
る。
【００１０】典型的にＨ≧１×Ｖ0.35であり、３×Ｖ
0.35を超えない。
0.35を超えない。
【００１１】１つの態様において、環状の床は断熱材を
備えたベースにより支持される。
備えたベースにより支持される。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明を例示する態様が以後添付
された図面を参照して記載され、そこで、単一の図が本
発明によるプラントを図式的に表す。
された図面を参照して記載され、そこで、単一の図が本
発明によるプラントを図式的に表す。
【００１３】図１は、大気空気の処理のためのＰＳＡ法
により酸素から窒素を分離するために好適な吸着剤の環
状の床２を含む吸着装置１を図式的に示す。吸着剤２
は、例えばモレキュラーシーブ５Ａのような、当該技術
において既知のいずれかのタイプの粒子材料である。
により酸素から窒素を分離するために好適な吸着剤の環
状の床２を含む吸着装置１を図式的に示す。吸着剤２
は、例えばモレキュラーシーブ５Ａのような、当該技術
において既知のいずれかのタイプの粒子材料である。
【００１４】吸着装置１は、円筒形殻４、低部凸面ドー
ム５および上部凸面ドーム６からなる垂直軸Ｘ−Ｘの外
側ケーシング３を有する。ドーム５は外側側面管７を備
え、漏れ止め様式でドームを通過する直径ｄの中央管８
を有する。
ム５および上部凸面ドーム６からなる垂直軸Ｘ−Ｘの外
側ケーシング３を有する。ドーム５は外側側面管７を備
え、漏れ止め様式でドームを通過する直径ｄの中央管８
を有する。
【００１５】環状ディスクの形態にある堅い低部ベース
９は、ドーム５の上方に短距離を取って管８の周囲に溶
接される。ベース９の下に存在する管８の部分は穿孔さ
れていないが、このベースの上方に存在するそれの部分
は穿孔されている。上部プレート１０は管８の上部末端
を閉ざす。環状グリル１１は、管８の穿孔された部分を
共軸的に取り囲み、ベース９の周囲にその足部で溶接さ
れる。グリルの頂部は、それ自体殻４の上部末端に溶接
された環状コーナーピース１２に溶接される。
９は、ドーム５の上方に短距離を取って管８の周囲に溶
接される。ベース９の下に存在する管８の部分は穿孔さ
れていないが、このベースの上方に存在するそれの部分
は穿孔されている。上部プレート１０は管８の上部末端
を閉ざす。環状グリル１１は、管８の穿孔された部分を
共軸的に取り囲み、ベース９の周囲にその足部で溶接さ
れる。グリルの頂部は、それ自体殻４の上部末端に溶接
された環状コーナーピース１２に溶接される。
【００１６】吸着剤２は、管８とグリル１１との間に範
囲を定められた全空間を満たす。可撓性隔壁１３は、そ
の巻かれていない縁部１４がコーナーピース１２に漏れ
止め様式において接着的に結合されているが、プレート
１０に対してその中央領域を介して、および吸着装置の
実質的に全上部表面に対してその中間の環状領域を介し
て弾性的に圧接する。隔壁が吸着剤上に恒久的に適切に
適用されることを保証するために、ドーム内のオリフィ
ス１６に接続される気体源１５を用いて、吸着サイクル
の最大圧力を超過する圧力がドーム６内で維持される。
囲を定められた全空間を満たす。可撓性隔壁１３は、そ
の巻かれていない縁部１４がコーナーピース１２に漏れ
止め様式において接着的に結合されているが、プレート
１０に対してその中央領域を介して、および吸着装置の
実質的に全上部表面に対してその中間の環状領域を介し
て弾性的に圧接する。隔壁が吸着剤上に恒久的に適切に
適用されることを保証するために、ドーム内のオリフィ
ス１６に接続される気体源１５を用いて、吸着サイクル
の最大圧力を超過する圧力がドーム６内で維持される。
【００１７】従って、吸着装置は、その体積Ｖが少なく
とも１ｍ3 に等しく、その高さＨが隔壁１３からベース
９を隔てる距離に等しく、その径方向の厚さｅが管８と
グリル１１との間の距離に等しい吸着剤の環状床を含
む。
とも１ｍ3 に等しく、その高さＨが隔壁１３からベース
９を隔てる距離に等しく、その径方向の厚さｅが管８と
グリル１１との間の距離に等しい吸着剤の環状床を含
む。
【００１８】実施に当たって、吸着装置は、少なくとも
大気圧に等しい、サイクルの高圧下の空気源１７に管７
が接続される吸着相、少なくとも１つのサイクルの低圧
への減圧工程を含む吸着剤の再生相、および高圧への再
圧縮の相を含むサイクルを経る。このサイクルは、提案
されてきた多くのサイクルのいずれか１つでありうる。
大気圧に等しい、サイクルの高圧下の空気源１７に管７
が接続される吸着相、少なくとも１つのサイクルの低圧
への減圧工程を含む吸着剤の再生相、および高圧への再
圧縮の相を含むサイクルを経る。このサイクルは、提案
されてきた多くのサイクルのいずれか１つでありうる。
【００１９】吸着相の間に、処理される空気は、ケーシ
ング３の殻４からグリル１１を分離する環状空間１８に
入り、実質的に放射状（径方向）に内側に向かって床２
を通過し（実線矢印）、その間に窒素が吸着される。作
られる酸素は管８の中に集まり、その低部末端を通して
吸着装置を出ていく。
ング３の殻４からグリル１１を分離する環状空間１８に
入り、実質的に放射状（径方向）に内側に向かって床２
を通過し（実線矢印）、その間に窒素が吸着される。作
られる酸素は管８の中に集まり、その低部末端を通して
吸着装置を出ていく。
【００２０】再生相の間に、管７は大気または真空ポン
プ１４に接続され、管８は閉ざされるかまたは、例えば
吸着装置の脱圧縮相の間に得られた生成物酸素または不
純酸素のような溶出気体源２０に接続されうる。すべて
の場合において、気体の実質的に放射状（径方向）の流
れは、上記のものについて反対の方向において作り出さ
れ、すなわち、遠心方向（ドットおよびダッシュからな
る矢印）において床２を通過し、管８を経由して吸着装
置を出て行く。
プ１４に接続され、管８は閉ざされるかまたは、例えば
吸着装置の脱圧縮相の間に得られた生成物酸素または不
純酸素のような溶出気体源２０に接続されうる。すべて
の場合において、気体の実質的に放射状（径方向）の流
れは、上記のものについて反対の方向において作り出さ
れ、すなわち、遠心方向（ドットおよびダッシュからな
る矢印）において床２を通過し、管８を経由して吸着装
置を出て行く。
【００２１】床２の形状は、Ｈ≧０．８×Ｖ0.35であ
り、有利にはＨ≧Ｖ0.35およびＨ≦３×Ｖ0.35であり、
好ましくは、Ｈは１．０×Ｖ0.35ないし２．５×Ｖ0.35
である。
り、有利にはＨ≧Ｖ0.35およびＨ≦３×Ｖ0.35であり、
好ましくは、Ｈは１．０×Ｖ0.35ないし２．５×Ｖ0.35
である。
【００２２】驚くべきことに、径方向の厚さｅの床につ
いて、短い試験機ユニットから高い工業的サイズのユニ
ットにスケールアップするとき性能が向上するが、この
結果を予測する理論においては何も存在せず、対照的
に、気体流の分布は工業的ユニットの場合において、よ
り不利であることが見出された。
いて、短い試験機ユニットから高い工業的サイズのユニ
ットにスケールアップするとき性能が向上するが、この
結果を予測する理論においては何も存在せず、対照的
に、気体流の分布は工業的ユニットの場合において、よ
り不利であることが見出された。
【００２３】この結果は、吸着剤の隣接領域の温度を変
化させる気体流に平行な表面ＳL を通過する熱の側面か
らの入力が、その時比例的にずっと小さいという事実に
帰する。
化させる気体流に平行な表面ＳL を通過する熱の側面か
らの入力が、その時比例的にずっと小さいという事実に
帰する。
【００２４】このように、気体流に対して直角の熱勾配
のより低い相対的重要性から、気体流に対して垂直の全
断面にわたるより均一に機能する吸着剤が導かれ、それ
ゆえ、よりよい全性能が導かれる。
のより低い相対的重要性から、気体流に対して垂直の全
断面にわたるより均一に機能する吸着剤が導かれ、それ
ゆえ、よりよい全性能が導かれる。
【００２５】驚くべきことに、その上、酸素の分離につ
いての比エネルギーは、もし同じ体積Ｖの同じ吸着剤が
その床を通じて垂直に流動する気体流について高さｅの
通常の円筒形床の形態において配置されるであろう場合
より本発明による吸収装置についてのほうが実質的によ
り小さいことが見出された。
いての比エネルギーは、もし同じ体積Ｖの同じ吸着剤が
その床を通じて垂直に流動する気体流について高さｅの
通常の円筒形床の形態において配置されるであろう場合
より本発明による吸収装置についてのほうが実質的によ
り小さいことが見出された。
【００２６】この有利な結果は、吸着装置の細長い形状
が、特に小さく、それらが、すなわち軸Ｘ−Ｘに平行で
ある気体流に垂直の方向において熱勾配を減少させる通
常の円筒形床を有する吸着装置の場合におけるよりも小
さい、気体流に平行な上方および下方表面積ＳL に対応
するという事実によることがもう一度考慮される。
が、特に小さく、それらが、すなわち軸Ｘ−Ｘに平行で
ある気体流に垂直の方向において熱勾配を減少させる通
常の円筒形床を有する吸着装置の場合におけるよりも小
さい、気体流に平行な上方および下方表面積ＳL に対応
するという事実によることがもう一度考慮される。
【００２７】場合に応じて、断熱材が、吸着剤内部の垂
直熱勾配を更に小さくするように、９Ａで図式的に表示
されるものとして、ベース９について備え付けられう
る。
直熱勾配を更に小さくするように、９Ａで図式的に表示
されるものとして、ベース９について備え付けられう
る。
【００２８】変形として、床２は少なくとも２つの同心
の単純な環状床からなることができ、そのそれぞれは異
なる吸着剤により形成され得る。
の単純な環状床からなることができ、そのそれぞれは異
なる吸着剤により形成され得る。
【図１】本発明によるプラントを図式的に表す図であ
る。
る。
１…吸着装置 ２…吸着剤床 ３…ケーシング ４…円筒形殻 ５…低部凸面ドーム ６…上部凸面ドーム ７…外側側面管 ８…中央管 ９…ベース ９Ａ…断熱材 １０…上部プレート １１…環状グリル １２…コーナーピース １３…隔壁 １４…縁部 １５…気体源 １６…オリフィス １７…空気源 １８…環状空間 ２０…溶出気体源 ｄ…中央管の直径 Ｖ…吸着剤の体積 Ｈ…吸着剤の高さ ｅ…吸着剤の径方向厚さ ＳL …吸着剤の上下表面積 Ｘ−Ｘ…軸
Claims (9)
- 【請求項１】 すくなくとも１ｍ3 に等しい体積Ｖの吸
着剤を含み、その高さＨがメートルとして計測されて少
なくとも０．８×Ｖ0.35に等しい環状の固定床を気体流
が実質的に径方向に通過することにより、吸着装置にお
ける気体流を確立することを特徴とする少なくとも１つ
の吸着装置を有するプラントにおいて圧力スイング吸着
により空気を分離するための方法。 - 【請求項２】 前記高さ（Ｈ）が少なくともＶ0.35に等
しいことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 前記高さ（Ｈ）が３×Ｖ0.35を超えない
ことを特徴とする請求項２記載の方法。 - 【請求項４】 吸着剤の体積Ｖが少なくとも１ｍ3 に等
しく、 吸着装置は吸着剤の環状の固定床を含み、およびメート
ルとして計測された環状の床の高さＨは、少なくとも
０．８×Ｖ0.35に等しいことを特徴とする加圧された空
気源およびこの空気源に選択的に接続されうる少なくと
も１つの吸着装置を含むタイプの、圧力スイング吸着に
より空気の分離をするためのプラント。 - 【請求項５】 前記高さ（Ｈ）が少なくともＶ0.35に等
しいことを特徴とする請求項４記載のプラント。 - 【請求項６】 前記高さ（Ｈ）が３×Ｖ0.35を超えない
ことを特徴とする請求項５記載のプラント。 - 【請求項７】 環状床が断熱材を備えたベースにより支
持されていることを特徴とする請求項４ないし７のいず
れか１項記載のプラント。 - 【請求項８】 前記環状床が少なくとも２つの同心の単
純な吸着剤の環状床を含むことを特徴とする請求項４な
いし７のいずれか１項記載のプラント。 - 【請求項９】 前記環状床が異なる吸着剤からなること
を特徴とする請求項８記載のプラント。
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