JPS6391120A - 圧力切換装置 - 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、ガス富化のための改良方法および装置に関し
、更に詳しくは、圧力切換吸着法を用いたガス富化のた
めの改良方法および装置に関する。

ガスストリームからガス成分を分離するための吸着法の
応用は当初、空気から二酸化炭素および水を除去する目
的でおこなわれてきた。ガス吸着の原理は更に、水素、
ヘリウム、アルゴン、−酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化
璧素、酸素および窒素などのガスの富化のための方法に
改良されていった。更に、また循環圧縮関係にある少な
くとも２個の吸着容器を用いた改良により、一般的には
圧力切換装置（ＰＳＡ）と呼ばれるガス富化のための吸
着法を生みだした。

空気からの窒素と云ったようなガス製造のための代表的
なＰＳＡ法および装置では、それぞれが各サイクルにお
いて４つの異った操作工程をもつ２個の吸着容器が使用
される。サイクルの第１工程では、１個の吸着床が加圧
され、同時に窒素をつくりだし、一方もう１個の床は排
出により再生され１時には生成ガスの交流により再生が
促進される〔パージと云う〕。第二工程（圧力均等化と
も云われる）においては、吸着床は、吸着床の相関関係
により均圧化される。

サイクルの第三工程でば、第一吸着床が再生され、一方
第二床は加圧され、同時に酸素がつくられる。サイクル
の最終工程では、置床間で均圧化がおこなわれる。

これらの圧力切換の際、吸着床の圧力条件は、窒素製造
での炭素分子ふるいを用いた方法では１５〜１２０　ｐ
ｓｉｇであり、酸素製造での結晶ゼオライトラ用いた方
法ではそれより若干低圧である。このような方法および
装置は、相当に改良されたものであるがこのようなガス
富化方法は、本質的にかなりのエネルギーの損失があり
、また実際に吸着自体は、発熱プロセスであり一方、脱
着は吸熱プロセスである。従って吸着は吸着能力を低下
させる自己誘導での温度上昇により制限をうけ、一方、
脱着は自己誘導での温度低下により遅延される。更にあ
る条件下およびあるプロセスパラメーターによって放射
伝熱が制限される大きなプラントにおいて、熱の蓄積が
永続的温域および冷却域をつくりだすことは、たとえそ
れが工程の不成功へ結びつくとしても、可能である。

本発明の目的は、圧力切換吸着法ｉ　Ｊ４’ｌいてガス
富化を実施するための改良方法および装置を提供すると
ころにある。

本発明の他の目的は、所要エネルギーが小さい圧力切換
吸着法を用いてガス富化を実施するための改良方法およ
び装置を提供するところにある。

更に本発明の他の目的は、吸着剤の単位容積ありりの製
造量が増加する圧力切換吸着法を用いてガス富化を実施
するための改良方法および装置を提供するところにある
。

更にまた本発明の目的は、プラント投資コストが安い圧
力切換吸着法を用いてガス富化を実施するための改良方
法および装置を提供するところにある。

本発明のこれらおよび他の目的は、以下のような圧力切
換吸着法を用いたガス富化のための方法および装置にお
いて達成される。即ち、処理すべき圧縮ガス混合物を間
接的な熱交換関係において、再生される吸着容器中の吸
着剤床に通し、そこで圧縮熱を使用して脱着工程時の吸
着剤床の再生を改良し、ついでその圧縮ガス混合物を冷
却システムに通過させた後、ガス富化のため、低温の、
効率的な吸着温度で吸着剤床を通過させるのである。

本発明並びにその他の目的および有利性についての更に
十分な理解は、それらの詳細な説明を考慮すれば、特に
以下の添付図によって明白にされるであろう。

本発明に対する理解を容易にするためある種のパルプお
よびパイプ組立て部品は図示しなかった：しかしながら
当然それらの付属パルプ、パイプおよび器具類は、技術
的に認められている工程と同じように設置されている。

本発明では炭素分子ふるいの吸着床を使用した窒素富化
について説明するが、しかし本発明の工程および装置が
、本質的に圧力切換吸着法を用いたガス富化に応用しう
ろことは、関連技術者には当然のことである。

さて、第１図は、吸着容器（１０１および（１２１を含
む本発明の工程および装置のフローダイアグラムであり
、各容器は、それぞれに伝熱コイルＩおよび（１６）が
設けられており、それぞれに適応する吸着剤が充填され
ている。吸着容器（１０）および（１２１間には後で充
分に説明するように冷却システム（１８）がとりつけら
れており、プロセス冷却がおこなわれる。コンプレッサ
ー（２０）にはそのサクション側の入口導管（２りおよ
び送給導管（２４）が取付けられている。

送給導管（２４）は、パルプ（２８）を含む導管（２６
）とパルプ０力を含む導管（３０）とに連結されている
。導管（２６）は。

パルプ（至）を含む導管■および吸着容器内の伝熱コイ
ル（１４１に液を流す導管（至）に連結されている。導
管（３０）はバルブ０力を含む導管（ト）および吸着容
器内の伝熱コイル（１６）に液を流す導管（財）に連結
されている。

吸着容器００）には、底部導管０６）および頂部導管（
財）が、吸着容器（１２１には、底部導管（１）および
頂部導管（５２〕が設けられている。吸着容器（１０）
の底部導管Ｈは、パルプ〔５６〕のコントロールによる
導管（５４）。

パルプ〔３０〕のコントロールによる導管（５８）、お
よびパルプ（６４）のコントロールによる導管（６２）
に連結されている。吸着容器（１２１の底部導管（５０
）は、パルプ（６８）のコントロールによる導管（６６
）、導管（５８）およびパルプ（７ののコントロールに
よる導管（７０）に連結されている。導管（６２）およ
び（７０）は、導管（７４）により排出口あるいは大気
につながっている。

吸着容器００）内の伝熱コイル０４］の上端は、導管（
７６）により冷却７ステム（Ｉ８）内の伝熱コイル（７
８）に連結されており、この伝熱コイル（７８）は、導
管（８０）により、冷却システム０＆の他端で導管（４
０および（５４）に連結されている。吸着容器（１２）
内の伝熱コイル（１６）の上端は、導管（８２）により
冷却システム（１８）内の伝熱コイル（８４）に連結さ
れており、この伝熱コイル（８４）は、導管（８６）に
より、冷却システムα８）内の他端で、導管（至）およ
び（６６）に連結されている。

吸着容器００）の頂部導管（財）は、バルブ（９０）の
コントロールによる導管（８８）および一定方向フロー
バルブ（９４）がついている導管（９２）に連結されて
いる。

吸着容器（１２）の頂部導管（５２）は、導管（８８）
および−定方向フローパルプ（９８）がついている導管
（９６）に連結されている。導管（９２〕および（９６
）は、ユーザー設備あるいは貯槽（図示せず〕へ液を送
給する製品導管（１００）に連結されている。自動排水
は。

凝縮物を除去するために導管（８［１１）／（５４）お
よび（８６）／（６６）の最下点でおこなわれ、これに
よって供給空気中の湿度レベルを低下させ更に工程能力
を向上させる。

さて実際の操作において、先ず装置が運転中で。

吸着容器（１０１が脱着済、一方吸着容器１２＋の再生
が必要であり、かつ圧力の平衡あるいはバランスが吸着
容器間でとれていると仮定する。そこで第２図では、バ
ルブは白か黒かのいづれかで示されているがこれらはそ
れぞれ開あるいは閉の状態を示す。

従って、バルブ（３２）　、（ト）、　（５６）および
（７２）は。

開で液が流れており、一方バルブ（２８）　、　（４２
）　、　（３０）　。

（６４）　、　（６８）および（９０）は閉である。

導管（２り中の室温の空気は、コンプレッサー（２０）
により３０〜１５０ｐｓｉ　　’！で圧縮され、この圧
縮によシ、当初の室温から８０〜１５０℃まで昇温され
る。通常、処理される空気の温度は、約０〜６８℃なの
で、従って導管（２４Ｉ中の圧縮空気の温度は８０〜１
９０℃となる。前述のように、吸着容器（１２）は再生
中である。導管シ→中の圧縮空気は、導管（３０）およ
び−を経て吸着容器（１２）内の伝熱コイル０６）を通
過するが、ここで圧縮ガスは間接的な熱交換により吸着
剤床を通過し、そこで高温で吸着ガスを脱着させること
によシ吸看剤床の脱着あるいは再生を容易にする。吸着
容器（１２＋の入口部への加熱圧縮ガスの導入は、高濃
度の酸素が存在する吸着剤床の入口部に高温度を提供し
脱着工程を助ける。

吸着容器０２内の吸着剤の再生では、関連技術者にとっ
て公知のように排出並びに圧力の大気圧あるいはそれ以
下への低下がおこなわれる。再生時ガスストリームは、
導管（５０）により吸着容器０２）から排出された後バ
ルブ（７２）によりコントロールされた導管（７０）を
通過し、導管（７４）を経て排出される。

吸着容器内の吸着剤床の再生の際、コイル（１６）中の
圧縮ガスストリームの温度は、６５〜７５℃まで低下し
同時に吸着剤の下部の温度は２〜１０℃示差的に上昇し
て吸着剤床の再生効率が向上する。

伝熱コイル（１６）からの圧縮ガスストリームは、導管
（８２）を経由し冷却システム０８）中の伝熱コイル（
＆４）へ送られる。ここで圧縮空気は一１０〜１０℃ま
で冷却される。ついでこの冷却圧縮ガスは。

導管（８６）および帆から導管（ハ）を経て吸着容器０
０）の吸着剤床内の伝熱コイル０４）へ送られ、酸素吸
着を向上させるため吸着剤床の温度を示差的レベル範囲
２〜１０℃壕で低下させる。前述したように。

吸着剤が高い温度では脱着能力が向上し、低い温度では
吸着能力が高められる。

吸着容器００）内の伝熱コイル（１４１から導管（７６
）へ送られた圧縮ガスストリームは、冷却システム０印
内の伝熱コイル（７８）へ送られ一１０〜１０℃まで冷
却された後、導管（８０）中のこの冷却圧縮ガスストリ
ームは、導管（５４）および（４６）を経由して吸着容
器（１０）に送られる。

吸着容器（１０）中の冷却圧縮空気ス）　ＩＪ−ムから
低温で酸素が吸着されて、窒素富化ガスストリームが生
成されその吸着容器００）から導管（４８）を経て導管
（９２）および（１０［］）を通過し、生成物は約２２
〜２８℃で貯蔵タンクへ送られる。このような方法での
冷却圧縮空気の吸着容器００）への流入は、吸着容器０
０）内の吸着剤床が所定のレベルに充填されるポイント
になる迄、即ち生成ガス中の酸素レベルが限界値に達す
る迄続行される。その時までに吸着容器０２）内の吸着
剤床の脱着を終了し、終了後第６図に示すようにパルプ
Ｏ埠、（至）、　（５６）およヒ（７２）を閉とし、バ
ルブ（２８）　、　（４２）　、　（３０）　、　（６
８）および（９０）を開にし圧力均等化工程が開始され
る。

圧力均等化工程は、吸着容器００）および（１２＋内の
吸着剤床の容量およびタイプにもよるが本目的のための
充分な時間、一般に２〜１０秒間実施される。

作業サイクルの所定時間では、第４図に示すようにバル
ブ（３０）および（９０）を閉、バルブ（６４）を開に
しそれにより、吸着容器（１２１が窒素製造様式となり
。

吸着容器（１０）が再生様式となる。

従って、先ず導管（２４）中の圧縮ガスが、導管ｔ２６
）および（ハ）を経て吸着容器００）の伝熱コイルｆ１
４１を通過するが、ここで吸着剤と間接的な熱交換の関
係の下に通過してその中の吸着剤床の脱着あるいは再生
を容易にする。吸着容器ａＯ）中の吸着剤床の再生は関
連技術者に公知である。吸着容器０２）の吸着剤床の再
生と同じ方法で実施される。再生時には、ガスストリー
ムは、吸着容器００）から導管０６）へ放出された後、
バルブ（６４）のコントロール下導管（６２）を経て導
管（７４）により排出される。吸着容器内の吸着剤床の
再生時第１図で述べたように、圧縮ガスス）　ＩＪ−ム
の温度は低下し、同時に吸着剤の温度は上昇する。

伝熱コイルαａからの圧縮ガスストリームは、導管（７
６）を経て冷却システム吐中の伝熱コイル（７８）を通
過するが、ここで圧縮空気ストリームは冷却される。そ
の後この冷却圧縮ガスは、導管（８［］）および００を
通過し、さらに導管−を経て、吸着空気α２中の吸着剤
床の伝熱コイル（１６Ｊに入り、そこで吸着剤床の温度
を低下させる。吸着容器（１２１中の伝熱コイル叫から
導管（８２）に移送された圧縮ガスストリームは、冷却
システムａａ内の伝熱コイル（８４）を通過し、冷却さ
れた後導管（８０）中の冷却圧縮ガスストリームは導管
（５４）およびθ０を経由して吸着容器に導入される。

生成窒素富化ガスス）　ＩＪ−ムは、吸着容器ＯＺから
導管（５２）を通り、ついで導管（９６）および（１０
０）を経て貯蔵タンクへ送られる。この方法による冷却
圧縮空気の吸着容器（１２）への流入は、吸着容器α２
中の吸着剤の床が、所定のレベルまで負荷されるまで、
即ち生成ガス中の酸素のレベルが限界値に到達する時迄
継続される。この時までに吸着容器（１０）中の吸着剤
床の脱着が終了し、その時点で、第３図で説明したごと
ぐ、第５図に示すようにバルブ（２８）　、（６）、　
（６４）および（６８）を閉とし、バルブ０２゜（至）
、　（５Ｓ）　、　（３０）および（９０）を開とし圧
力均等化工程が開始される。

以下の実施例により本発明の詳細な説明するが。

これによシ本発明の範囲が限定されるべきものでないこ
とは当然である。

実施例１ その中に１“の銅製伝熱管約５０′を入れた吸着床（１
’Ｘ６’）を有する工法ユニットに炭素分子ふるいをか
ぶせた活性アルミナの４“層を充填し、第１図に示すよ
うにパイプおよびバルブをとりつけた。

熱交換器０８１にはカスケードの水冷却およびフレオン
冷媒システムが備えられている。コンプレッサー　（２
０）は、最高流量４０　ｓｃｆｍであり１種々の導管に
は、適当な断熱材がとりつけられている。

９４°Ｃで１００　ｐｓｉｇ　、まで圧縮した空気を吸
着容器（１７Ｊ内の伝熱コイル（１６）に５分間通した
ところ。

吸着床の入口部が約２６．６℃まで昇温しだ。約２６．
８℃まで低下した圧縮ガスは、吸着容器圓を通過した後
、熱交換器０８）を通り、そこで約１℃まで冷却された
。ついでこの冷却ガスは、吸着容器００）の伝熱コイル
ミ力を通過し、床入口部の温度を約２１．４℃まで低下
させた後約２３．８℃で吸着容器００）の伝熱コイル（
１４１を出て、熱交換器（１８）において１℃まで冷却
され、その後吸着容器ＱＯ）の吸着床に導入された。０
，５係酸素を含有する窒素は、吸着容器（１０１から５
分間取出され、ユーザー設備あるいは貯槽へ送られた。

これと同じ５分間に、ユーザー貯槽から少量の窒素を取
出し、フローバルブ〔９８）ヲバイパスシ（図示されて
いないライン）して導管（５２）を経て吸着容器０２）
の出口へ導入した。この少量の窒素は。

吸着容器（１２）からの酸素脱着を助けるためのパージ
ストリームを提供する。その間酸素−富化ガスは容器０
．２）から取出され、バルブ（７２）を経由し大気へ排
出された。

ついで均圧化が５分間実施されるが、その間二つの吸着
容器は、第６図に示すように相互に連絡された。容器０
０）中の冷却ガスは、導管（８８）および（５Ｂ）ｋ通
じて容器（１２）に流入され二つの容器中の圧力は、殆
んど同圧になった。

次の５分間は、工程を逆にして、前述した吸着容器Ｑ２
＋中の伝熱コイル明を通して液を流すような方法により
温めた空気を吸着容器００）中の伝熱コイル（１４１へ
通した。

このシステムの利点は、温度を低下させることにより酸
素濃度が大きい入口部において吸着容器の吸着能力が向
上することである。更に多量の酸素が吸着される入口に
おいて、脱着時温度を上昇させることにより５脱着速度
および脱着度が向上し更に次工程の吸着能力が犬きくな
ることである。

その結果、生産能力が吸着および脱着温度間の１℃の差
につき約４係、向上する。この実施例における生産向上
率は、標準のＰＳＡ法により操作されたものに比較して
約２０係である。

本発明による処理されるガスストリームの圧縮熱は、脱
着を促進させることにより、即ち、高温で脱着をおこな
うことにより原級着剤の再生に使用される。一方入手し
うる冷却水は、ガスストリームの所定成分の吸着を向上
させるために用いられる、即ち低温で吸着をおこなう。

これによυ高生産性、即ち５００〜３００ｓｃｆｈＮ２
　が達成される。即ち従来技術によるＰＳＡ工程および
装置に比較し、吸着剤の単位容積あたりの生産性が向上
される。

本発明を例示した態様により説明してきたが。

これらの種々の変更は、関連技術者には容易であシ、ま
たこれらの応用はいかなる適用あるいは変更も含まれて
いるものであることは当然である。

従って本発明が特許請求の範囲およびその同じ内容のも
のに限定されていることを明らかに意図するものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の工程および装置のパイプおよびバル
ブのフローダイアグラムである。 第２図は、本発明の第一段階における工程および装置の
フローダイアグラムである。 第６図は、本発明の第二段階における工程および装置の
フローダイアグラムである。 第４図は１本発明の第三段階における工程および装置の
フローダイアグラムである。 第５図は１本発明の第四段階における工程および装置の
フローダイアグラムである。 （外４名〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも二個の吸着剤床が、吸着工程および脱着
   工程によって循環される圧縮ガス混合物の成分選択富化
   法において、該吸着剤の該床の脱着時、該吸着剤床へ該
   圧縮ガス混合物を間接的な伝熱関係で通過させることか
   らなる改良を特徴とする圧縮ガス混合物の成分選択富化
   法。 ２、更に、該成分の吸着による選択富化時、その脱着時
   に該吸着剤の該床から取り出された該圧縮ガス混合物を
   吸着剤床に導入する工程を含む、特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３、その脱着時に吸着剤の該床から取出された該圧縮ガ
   ス混合物が、選択富化用吸着剤の該床への導入前に、該
   成分の選択富化時に吸着剤の該床へ間接的な伝熱関係で
   通過される、特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４、その脱着時に該吸着剤の該床から取出された該圧縮
   ガス混合物が、該成分の吸着による選択富化時、吸着剤
   の該床へ導入される前に冷却される、特許請求の範囲第
   ２項記載の方法。 ５、脱着時に該吸着剤の該床から取出された該圧縮ガス
   混合物が、その中の該成分の選択富化時。 吸着剤の該床を、間接的な伝熱関係で通過する前に冷却
   される特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６、該圧縮ガス混合物が−１０〜１０℃まで冷却される
   特許請求の範囲第４項記載の方法。 ７、該圧縮ガス混合物が、−１０〜１０℃まで冷却され
   る特許請求の範囲第５項記載の方法。 ８、脱着時に吸着剤の該床から取出された該圧縮ガス混
   合物が、選択富化時に吸着剤の該床を間接的な伝熱関係
   で通過する前で、かつ選択富化時に導入される前に冷却
   される特許請求の範囲第４項記載の方法。 ９、吸着剤の該床が、窒素−富化生成物ストリームをつ
   くりだすために分子炭素ふるいからつくられている特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 １０、ガス混合物の成分選択富化のための圧力切換吸着
   法を実施するための組立て装置であって、該ガス混合物
   を圧縮する装置と富化生成物ガスストリームを取出すた
   めの導管とを含む吸着剤床を有する少なくとも二個の吸
   着容器を含む組立て装置において、該各吸着容器にその
   中に配置された伝熱コイルと該ガス混合物の成分選択富
   化時そこを通しての該圧縮ガス混合物の通過のための該
   各伝熱コイル用導管とを備えることから成る改良を特徴
   とする組立て装置。 １１、更に圧縮ガス混合物を該各吸着容器の各伝熱コイ
   ルに導入するための導管を有する特許請求の範囲第１０
   項記載の組立て装置。 １２、更に冷却システムおよび該各吸着容器の該各伝熱
   コイルからの出口と液流れ連絡する導管を有する特許請
   求の範囲第１１項記載の組立て装置。 １３、更に該冷却システムから該吸着床中の該各伝熱コ
   イルへ液流れ連絡するための導管および該冷却システム
   から該各吸着容器へ液流れ連絡するための導管を有する
   特許請求の範囲第１２項記載の組立て装置。 １４、（ａ）ガス混合物を圧縮すること； （ｂ）該ガス混合物の吸着した成分の脱着度を向上させ
   るために該ガス混合物を吸着剤の第一床へ間接的な伝熱
   関係で通過させること； （ｃ）（ｂ）工程の該ガス混合物を冷却すること；（ｄ
   ）（ｃ）工程のガス混合物を吸着剤の第二床を通じて間
   接的な伝熱関係で通過させること；（ｅ）（ｄ）工程の
   該ガス混合物を冷却すること；（ｆ）該ガス混合物の成
   分を吸着させるために（ｅ）工程の該混合物を吸着剤の
   該第二床を通じて通過させること；および （ｇ）該成分に富んだ（ｆ）工程からのガス生成物を回
   収すること； の工程から成ることを特徴とするガス混合物の成分の選
   択富化法。 １５、該（ｃ）工程のガス混合物が−１０〜１０℃まで
   冷却される特許請求の範囲第１４項記載の方法。 １６、該（ｅ）工程のガス混合物が−１０〜１０℃まで
   冷却される特許請求の範囲第１４項記載の方法。 １７、吸着剤の該第一床が（ｂ）工程時に約２〜１０℃
   の温度差に上昇する特許請求の範囲第１４項記載の方法
   。 １８、吸着剤の該第二床が（ｄ）工程時に約２〜１０℃
   の温度差に低下する特許請求の範囲第１４項記載の方法
   。 １９該圧縮ガス混合物が８０〜１９０℃、３０〜１５０
   ｐｓｉｇまで空気圧縮される特許請求の範囲第１４項記
   載の方法。 ２０、該吸着剤が炭素分子ふるい（モレキユラシーブ）
   であり、かつ、該ガス生成物が富化窒素である特許請求
   の範囲第１９項記載の方法。