JPS60227813A - ガス混合物の吸着分離のための圧力揺動法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は全装置中のエネルギー消費量を減少させる吸着
法により、ガス混合物を連続的に分離するための真空脱
着（ｖａｃｕｍ　ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）を用いた改善
された圧力揺動法（ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｗｉｎｇ　ｐ
ｒｏｃｅｓｓ）に関する。

圧力揺動吸着（ＰＳＡ）を用いる方法は、除去しようと
する未処理のガスの成分が比較的高濃度、例えばｌ容量
％以上で存在する場合、或いは吸着剤Ｈにあまり吸着さ
れず、従って熱による再生の間に大きな吸着装置と大量
の再生ガスを必要とするような場合に適用される。一般
に吸着分離は吸着段階の後における吸着された成分の脱
着よりも高い圧力で行われる。大部分の場合、例えば水
素に富んだガスからの水素の回収中またはガスの乾燥中
におけるように、吸着剤を生成ガスの一部でフラッシン
グさせることにより脱着が助けられる。

吸着分離により空気を窒素と酸素とに分離する際、この
フラッシングは所望の生成ガス、即ち非吸着量（ｎｏｎ
−ａｄｓｏｒｂｅｄ　ｐｈａｓｅ）または吸着量（ａｄ
ｓｏｒｂｅｄ　ｐｈａｓｅ）を用いて行われる。

ガスの吸着分離に対してはいくつかの方法が知られてお
り、吸着量の脱着は真空ポンプを用いて行われる。例え
ばモレギュラーｅシーブのゼオラ、イトを用いて酸素に
富んだ空気を回収する方法（ドイツ特許公告明細書環１
８１７００４号）、またはモレキュラー・シーブのコー
クスを使用して空気から窒素を回収する方法［カー・ク
ノブラウフ（Ｋ、　Ｋｎｏｂｌａｕｃｈ　）　、つ゛、
、ＩＬ／メ優ガス・インチルナチオナール（Ｗａｅｒｍ
ｅ　Ｇａｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、第３２巻
（１９８３）ブック２／３　、７８／８０頁］、モレキ
ュラー・シーブのゼオライトを用いてＧＯに富んだガス
から純粋の一酸化炭素を回収する方法［ゲー・クルツ（
Ｇ　、　Ｋｕｒｚ）　、ヘミーｅテクニク（Ｃｈｅｍｉ
ｅ　Ｔｅｃｈｎｉｋ）誌、１９７８年８月号］、及びモ
レキュラー・シーブのゼオライトを用いて空気から窒素
を回収する方法（ＣＢ−ＰＳ　１．４８１．５８９）が
知られている。

これらの方法は常に周囲温度、即ち２０〜３０℃におい
て行われ、吸着は１バール（絶対圧）またはそれ以上の
圧力で行われる。分離しようとするガスを適当な吸着剤
、例えば活性炭、モレキュラー・シーブのコークス、シ
リカゲル、活性酸化アルミニウム、モレキュラー・シー
ブのゼオライトから成る吸着装置を通し１強く吸着され
た成分を少ししか吸着されえない成分から分離し、少し
しか吸着されえない成分を吸着装置から出す。個々の成
分の吸着は通常は多少共深い区域において起る。即ち最
も強く吸着される成分は吸着装置の入口の所に濃縮され
、弱く吸着される成分は吸着装置の出口の方向に向う。

分離しようとするガスが湿っている時には、上述のすべ
ての吸着剤において入口区域で水が吸着される。

減圧で脱着を行う場合には、吸着量の脱着は適当な真空
ポンプを用いて行われ、流れの方向は−・競・に吸着方
向と向流をなして起り、成る場合には適当なフラッシン
グ・ガス、通常は非吸着量の一部を吸着装置の端（吸着
出口）において使用し、脱着の改善を行う。脱着操作の
最終圧力は５〜３００ミリｅバールであり、特に使用す
る真空ポンプの型及び脱着すべき成分に依存している。

脱着段階の後、再び吸着装置を充たして吸着圧力にする
。この目的のためには非吸着量または分離するガス混合
物を使用する。この方法における吸着期間または脱着期
間は３０〜５０秒である。

使用する真空ポンプは回転スライドの移動効果に基づく
水式環状ポンプまたは油式環状ポンプである。

これらの装置が経済的に使用できるかどうかは真空ポン
プの出力、及び投資費用、原料の分配、例えば吸着剤の
再充填等によって影響される。実際上、比出力（Ｎ）、
即ち得られる生成物の量（Ｖｐ）に関する真空ポンプの
エネルギー消費量（Ｎ）を決定することが有利であるこ
とが判った。Ｎ＝Ｎ／Ｖｐ４Ｗｈ／Ｎｍ　３゜現在の真
空ポンプにおいては比エネルギー消費量は種々の工程条
件、例えばガスの脱着量、サイクル時間、最終脱着圧、
被吸着物質の選択性、生成物の生成量に依存する［ケミ
カル・インダストリー（Ｃ：ｈｅｍ、　Ｉｎｄ、）誌、
３５巻、１１月、１９８３年、６８８〜８８２頁］。

・般に、減圧度が低い場合には少ししか材料の脱着は起
らない（例えば１５０ミリバールの代りに２５０ミリバ
ールを使用する場合）。また非吸着量の生成量も減少す
る。これは吸着装置の比エネルギー消費量に悪い影響を
及ぼす、明らかにこの欠点は真空ポンプを大きくしても
克服することができない。何故なら導入されるエネルギ
ーも増加するからである。

例えばモレキュラー−シーブのゼオライトを用いて空気
から酸素を濃縮する場合、吸着温度が例えば２５℃から
１０℃に低下すると脱着が不十分であって、吸着剤１ｋ
ｇ当りの窒素の吸着量が増加し、最終脱着圧が悪影響を
受ける。従って生成物の生成量は減少しく非吸着量）、
真空ポンプの大きさが一定のままならば装置の比エネル
ギー消費量Ｋが増加する。

従って本発明は工程に適合した真空ポンプを用いること
により上記の望ましくないエネルギー消費量の欠点を克
服できるガス混合物の分離法に関する。

本発明によれば、得られる生成物の量に関する真空ポン
プのエネルギー消費量を、適当な真空ポンプの選択及び
配列により形式的に適用された方法と比較して減少させ
得る減圧脱着法が見出だされた。

従って本発明は少なくとも１バール（絶対圧）において
分離すべきガス混合物を少なくとも２個の吸着剤ベッド
に交互に透過させ、吸着器（ａｄｓｏｒｂｅｔ）の出力
側において非吸着成分を取り出し、真空ポンプにより吸
着と向流をなして脱着させ、脱着相を生成物として取り
出す圧力揺動吸着によりガス混合物を精製分離する連続
操作吸着法において、真空ポンプを用い熱交換させるこ
とにより分離すべきガス混合物を加熱し、この際真空ポ
ンプはまた随時、直列に連結されかつ異った吸引能力を
有する少くとも２個の個々の真空ポンプからなることを
特徴とする改良法に関する。

モレキュラー・シーブのゼオライトを使用して酸素に富
んだ空気を製造する方法を参照して本発明方法を説明す
る。第１図においては原料ガス（Ｃｒｕｄｅ　ｇａｓ）
を導入するフラップ（ｆｌａｐｓ）　（１１）及び脱着
されたガスを取り出すためのバルブ（１２）は吸着器の
下側に置かれている。吸着剤ベッドは入ってくる原料ガ
スを予備的に乾燥するためのシリカゲルのような保護層
が下端にあり、その上方にガス流を分離するための吸着
剤を有する主区域がある。吸着処理されたガスを取り出
すためのバルブ（１４）は吸着器の上端にあり、吸着器
は他のバルブ（１３）を通して再び吸着圧のガスが充填
される。この充填操作は圧力が一定に上昇するか充填さ
れたガスが一定の容積に達するようにバルブ１５を用い
てコントロールすることができる。空気を導入するため
のファン（Ｇ）が吸着の際に起る圧力低下を補う。吸着
圧力は約１バール絶対圧である。

第２図は本発明方法の一部の流れ図である。第１図とは
対照的に、周囲の空気の一部または空気の全量を真空ポ
ンプ（Ｖ）の熱交換表面を介して通し、空気の加熱され
た部分を周囲の空気と混合しくバルブ１８）、分離用の
ファン（Ｇ）を介して吸着剤ベッドに通す。加熱された
原料ガス対加熱されていない原料ガスの混合比は吸着器
中における所望の原料ガスの温度、真空ポンプの熱交換
係数、及び予熱されていない原料ガスの温度に依存する
。

原料ガスは常に真空ポンプによって加熱することができ
る。何故ならば真空ポンプはエネルギーに関し比較的効
率が悪い、即ち例えば流れの中に供給されたエネルギー
の大部分が熱に変化することが知られているからである
。この目的のためには、例えばルーツ（Ｒｏｏｔｓ）　
＊ブロウワー・ポンプを使用する場合、ポンプを作動ガ
ス（ポンプから排出されるガス）、及び／又は水で冷却
する。ガス、例えば周囲空気の冷却は熱交換面を拡大す
ることで技術的には可能である。冷却操作、例えばルー
ツ・ブロウワー〇ポンプを使用する作動ガスと別の周囲
空気とを組み合わせることもできる。

本発明の他の具体化例においては第３図のように数個の
真空ポンプを直列に連結する。即ち脱着ガスは直列に連
結されたポンプを通り、ポンプの吸引容積を大気圧側へ
と減少させる。この配列はこの種の真空ポンプが１気圧
絶対圧の吸引圧力に比較して所望の最終圧力の領域でか
なり低い吸引能力しかもっていない場合１例えばルーツ
・ブロウワー・ポンプのような場合には常に有利である
ことが見出だされている。

個々のポンプの大きさは最低のエネルギー消費？達成す
るためには圧力揺動法に適合させるべきである。多くの
場合直列に連結された２個の例えばルーツ・ブロウワー
・ポンプの吸引能力の減少率（ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ）
は約２：１テあり、３個のポンプを連結する場合には３
：２：１である。しかし正確な減少率は脱着される成分
の脱着速度及び真空ポンプの特性曲線に依存する。

下記の実施例により本発明方法の進行と操作条件とを詳
細に示す。パイロット装置及び工業的装置における試験
で得られた値により本発明方法が著しい利点をもってい
ることが示される。

実施例１によりモレキュラー・シーブのゼオライトを使
用して空気の酸素を濃縮する際の原料ガスの温度の影響
を示す。

実施例１ 第１図のＰＳＡ装置を用い、吸着器のベッドの高さの合
計を２，５００１１１！ｌとし、各吸着器の底に９００
ｋｇのシリカゲルを流し込み、その上に粒径２〜５ｍｍ
のモレキュラー争シーブのゼオライテ５Ａを５，５００
ｋｇ　ｍし込んだ。回転真空ポンプを使用した。圧縮機
（Ｒ）を用い吸着器Ａ、Ｂ　、及びＣから酸素に富んだ
空気を除去し、１．１〜１．５パール（絶対圧）に圧縮
することができた。

３個の吸着器を使用し、圧縮機（Ｒ）の所でガスを連続
的に除去しつつ連続処理を行うことができた。次のよう
なタイミングを選んだ。

段階１：０〜７０秒 ２５℃の周囲の空気をファン（Ｇ）、パイプＬ１２、バ
ルブＩＩＡを通し約１バール（絶対圧）の一定圧力にお
いて吸着器の中に澄し、バルブ＋４Ａ、パイプＬ１３を
通し生成物としてファン（Ｒ）から酸素に富んだ空気を
取り出す。バルブ１２Ａ、　１３Ａを閉じる。酸素に富
んだ空気の一部をパイプＬ１３を通し、ガスの量を調節
するバルブ１５、パイプＬ１４、バルブ１３Ｂを介して
同時に吸着器Ｂに波し込み、この間バルブ１４Ｂ　、　
ＩＩＢ　、及び１２Ｂを閉じておく。この段階の前にお
いて脱着を行った、即ち真空に引いた吸着器Ｂに再び吸
着圧力に達するまで酸素に富んだ空気を充填する。例え
ばパイプＬ１３からあまりに速く生成物（充填ガス）を
除去し過ぎたために吸着器Ａが減圧になるのを防ぐため
に、生成物が一定の流速（Ｎ＋ｏ　３／時単位）でパイ
プＬ１４　、バルブＢ１３を通って吸着器Ｂに流れ込む
ようにバルブ１５を調節する。

吸着器Ａの吸着段階、及び吸着器Ｂの充填段階の間に、
真空ポンプＶによりバルブ１２Ｇ　、／＜イブＬｌｌを
介して吸着器Ｃを真空に引く。即ち吸着器ＣのバルブＩ
ＩＣ、１３Ｇ　、　１４Ｃ：を閉じる。７０秒の脱着期
間または吸引時間後、バルブ１２Ｇ及び吸着器Ｃの間に
あるｌ（ｇ圧力計は最終圧力フ０ミリ／く−ルを示した
。

段階２ニア０〜１４０秒 バルブ１２Ａ、パイプ１，１１　、真空ポンプ（Ｖ）を
介して吸着器Ａを真空に引き最終圧力を７０ミリバール
にし、この間バルブＩＩＡ　、　１３Ａ　、　１４Ａを
閉じておく。ファン（Ｇ）、パイプＬ１２　、　／ヘル
プＩＩＢを介して吸着器Ｂに空気を充填し、圧縮器（Ｒ
）によりバルブ１４Ｂ、パイプＬ１３を介して吸着器Ｂ
から生成ガスを取り出す。バルブ１２Ｂ　、１３Ｂを閉
じる。

７０ミリバールの吸着器Ｃに吸着圧力が約１バール（絶
対圧）になるまで充填し、パイプＬ１３からガス調節パ
ルプ１５、パイプＬ１４、バルブ１３Ｇを介して酸素に
富んだ空気を吸着器Ｃに流す。吸着器ＣのバルブＩＩＧ
　、　１２Ｇ、１４Ｇを閉じる。

段階３：　１４０〜２１０秒 パ・イブＬ１３からバルブ１５、パイプＬ１４　、バル
ブ１３Ａを介して酸素に富んだ空気を用い吸着器Ａを最
低の脱着圧（７０ミリバール）から吸着圧の１、ベール
（絶対圧）にする。このためバルブＩＩＡ、１２Ａ、及
び１４Ａを閉じる。

真空ポンプ（Ｖ）を用いパイプＬ１１、バルブ１２Ｂを
介して吸着器Ｂを吸着圧力から７０ミリバールの最終圧
力まで真空に引き、この間／ヘルプ１１Ｂ、１３Ｂ　、
１４Ｂを閉じる。

愛着器Ｃに周囲の空気をファン（Ｇ）、パイプＬ１２、
バルブｔｔＣを介して送り、生成ガスをバルブ１４Ｇ　
、　パイプＬＩ３を介して圧縮器（Ｒ）から取り出し、
この間バルブ１２Ｇ　、　１３Ｇを閉じておく。

２’ＩＯ秒間のサイクルの後にこの工程を繰返す。

即ち吸着器Ａで吸着を行い、吸着器Ｂを充填し、吸着器
Ｃを真空に引く。

圧縮器（Ｒ）を用いて試験開始後（１，５〜１時間以内
に、一定の酸素濃度をもつ生成物流を得ることができた
。

得られた酸素に富んだ空気の量は２４０　Ｎｍ３７時で
あり、酸素含量は８０．５容量％であった。即ち生成物
の酸素の量は２１７　Ｎｍ３７時であった。

実施例２ 処理過程及び処理条件は実施例１と同様である。但し空
気を取り出す温度を＋７〜＋８℃に変更した。処理空気
の温度を＋２５℃から÷７７＋８℃に低下させた場合、
最終圧力は徐々に１０２ミリバールに１−貸シ、酸素に
富んだ空気の酸素濃度は最初の８０．５容量％から８１
容量％に低下することが認められた。従って生成物中の
酸素の量は僅かに１９４Ｎｍ３／時であった。真空ポン
プの動力効率（ｐｏｗｅｒｒｅｇｕｉｒｅｍｅｎｔ）は
実施例１に関し約３ｚ低下した。

実施例３ 実施例２の実験を行った後、第２図の＋７７十８℃の冷
たい周囲空気の４０％を真空ポンプの熱交換器を用いて
加熱し、２５℃で吸引される残りの空気と混合する。最
終脱着圧力は再び８８ミリバールに低下した。酸素に富
んだ空気の生成物が２４０　Ｍｍ”　７時で得られる時
の生成物の酸素濃度、即ち生成物中の酸素の量はθ２容
量％において２２１　Ｎｍ’　７時であった。真空ポン
プの動力効率は実施例１の値と同じであった。従って余
分のエネルギーを要求することなく＋７７十８°Ｃの望
ましくない原料ガス温度で圧力揺動法の最適の使用条件
を再び得ることができた。

実施例４．５及び６においては、実施例１及び第１図の
方法を選び、真空再生を用いた圧力揺動法におけるポン
プの配列の影響を示す。

実施例４ 処理過程は実施例１及び第１図と同様であったが、最低
脱着圧力は４８秒後接５０ミリバールであった。吸着器
の容積は２＋ａ３である。

得られた生成物の量は８７Ｎｍ”　７時であり、酸素の
濃度は９０容量％であった。容量２，２００＋ａ３／時
（１バール）のルーツＯプロウワー・ポンプを真空ポン
プとして選んだ。

連続操作中真空ポンプの動力効率は４７ｋｌｉｌであっ
た。即ち比出力は０．８０１Ｗ時／Ｈｉｍ３０２であっ
た。

実施例５ 処理過程は実施例１と同じ方法で行ったが、第３図の２
連直列のルーツ・ブロウワー脅ポンプから成るポンプ会
スタンドを真空ポンプとして選んだ。吸着器の吸引側に
あるポンプは１バール絶対圧において１，８５０＋ｏ３
／時の公称の排気量を維持し、１バールの後で送気する
第２のポンプは１バール絶対圧において公称８．７０ｈ
３／時の送気量を保つ。

実施例４と同様に酸素９０容量％で生成物を８７Ｎｍ３
／時の量で得た。ポンプの動力または電流要求量は３３
ｋｌｌｌ、即ち比出力は９．５５に％ｌｌ昨７Ｎｍ　３
０２であった。

実施例６ 処理過程は実施例４及び５と同様であったが、３連直列
のルーツ・ブロウワー・ポンプから成るポンプ−スタン
ドを真空ポンプとして選んだ。公称排気量１，８５０＋
ｉ”　７時、１，３００ｍ３７時及び８００ｍ”７時の
ポンプを直列で使用した。酸素９０．５容量％で生成物
を８７Ｎ謹３１時の量で得た。ポンプスタンドの動力要
求量は２８．５ｋＷ、即ち本圧力揺動法の比出力は０．
４？ｋＷ時／Ｎｍ　３０２　テあった。

ガスの量を多くすると、即ち装置を大きくすると真空ポ
ンプの効率は改善される。従って直列に連結した３個の
ルーツ・ブロウワーＱポンプからなるポンプスタンドを
使用した場合、周囲空気（２４℃）から毎時５５０　Ｎ
ａ３の酸素８２．５容量％の０２に富んだ空気を製造す
るための大きな装置を用いた場合、装置全体の比出力と
して０．４３ｋＷ時／Ｎ■３を達成することができた。

このような低いエネルギー消費率を得るためにはポンプ
を正確にバランスさせることが必要である。個々のポン
プの効率を改善することにより、これらの装置の比出力
は幾分、恐らくは０．４　ｋｉ１１時／Ｎｍ　”　０□
まで低下させることができる。

本明細書並びに実施例における説明は本発明を例示する
ものであり、本発明を限定するものではない。従って当
業界の専門家は本発明の精神及び範囲内において他の具
体化例を指摘することができよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の流れ図であり、第２図は本発明の
他の具体化例の流れ図であり、第３図は数個のポンプを
連結した場合の本発明の流れ図を示す。 特許出願人　バイエル・アクチェンゲゼルシャフト

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも１パール（絶対圧）において分離すべき
   ガス混合物を少なくとも２個の吸着剤ベッドに交ηに透
   過させ、吸着器の出力側において非吸着成分を取り出し
   、真空ポンプにより吸着と同温をなしてべ・ンドを脱着
   させ、脱着相を生成物として取り出す圧力揺動吸着によ
   りガス混合物を精製分離する連続操作吸着法であって、
   真空ポンプを用い熱交換させることにより分離すべきガ
   ス混合物を加熱し、この際真空ポンプは異った吸引能力
   を有しかつ直列に連結された２個のポンプ装置を有する
   ことを特徴とする方法。 ２、ポンプ装置はルーツ・ブロウワー・ポンプである特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、ガス混合物は空気である特許請求の範囲第１項記載
   の方法。