(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合ガス中の易吸着成分ガスを優先的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸着筒を、吸着工程と再生工程とに順次切換えることにより、連続的に難吸着成分ガスを製品として分離する圧力変動吸着分離方法において、前記吸着工程を終了した吸着筒と前記再生工程を終了した吸着筒の互いの製品吐出側と原料供給側とをそれぞれ連結し、吸着工程を終了した吸着筒内のガスを再生工程を終了した吸着筒内に回収する均圧操作を行うにあたり、再生工程を終了した吸着筒内の排気操作を継続しながら、原料供給側における回収ガスの流量を徐々に増加させることを特徴とする圧力変動吸着分離方法。
【請求項２】
前記均圧操作における原料供給側のガスの回収は、前記吸着筒の排気用配管を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着分離方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧力変動吸着分離方法に関し、例えば、空気を原料ガスとして窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸着筒を用いて難吸着成分ガスである酸素ガスを製品として分離する圧力変動吸着分離方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
圧力変動吸着分離法（以下、ＰＳＡ法という）により空気中の窒素と酸素とを分離して酸素を製品として得る方法は、ゼオライトを吸着剤として従来から広く行われている。このＰＳＡ法による酸素製造装置（酸素ＰＳＡ）は、基本的には、前記ゼオライトを充填した複数の吸着筒を、相対的に高い圧力で操作する吸着工程と、相対的に低い圧力で操作する再生工程とに順次切換えることにより、連続的に製品酸素を得るようにしたものであるが、近年は、製品酸素のコストを低減するため、前記両工程の間に均圧工程や再加圧工程を行うようになってきている。また、均圧工程に代えて、いわゆる並流減圧工程を行い、吸着工程を終了した吸着筒内に残留する濃縮された酸素分を製品あるいはパージ用ガスとして利用することも行われている。
【０００３】
いずれにしても、装置の小型化や製品酸素のコストを低減させるためには、吸着剤の剤当たりの酸素発生量を多くすることと、製品酸素の回収率を高くして電力原単位を下げることが重要なポイントとなる。
【０００４】
例えば、吸着剤の剤当たりの酸素発生量を多くするための一手段として、再生工程において製品ガスの一部により筒内のパージを行い、吸着剤（ゼオライト）からの窒素の脱着を促進することが有効であり、この製品酸素によるパージ操作は、再生方法の違い（常圧再生，真空再生）に拘らず広く採用されている。
【０００５】
一方、均圧工程を行うことにより、吸着工程を終了した吸着筒内の酸素分が濃縮されたガスを再生工程を終了した吸着筒内に回収することができるので、酸素の回収率を高めることができるが、従来の均圧法では、酸素分の回収と同時に窒素分が同伴されることを避けることができないため、吸着剤における有効窒素吸着量が少なくなってしまうという不都合があった。
【０００６】
すなわち、前述のパージ操作を行うことは、主として吸着剤の剤当たりの酸素発生量を向上させるための操作であり、回収率はあまり変わらない。前述の均圧工程を行うことにより、製品酸素の回収率を上げることができるが、吸着剤の剤当たりの酸素発生量は低下する。このように、製品酸素の回収率を高くすることと、剤当たりの酸素発生量を多くすることとは、二律相反する要求であるため、両者を両立させ得るようなプロセスは行われていなかった。
【０００７】
そこで本発明は、難吸着成分である製品ガスの回収率を高くできるとともに、吸着剤の剤当たりの製品ガス発生量も多くすることができる圧力変動吸着分離方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するため、本発明の圧力変動吸着分離方法は、混合ガス中の易吸着成分ガスを優先的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸着筒を、吸着工程と再生工程とに順次切換えることにより、連続的に難吸着成分ガスを製品として分離する圧力変動吸着分離方法において、前記吸着工程を終了した吸着筒と前記再生工程を終了した吸着筒の互いの製品吐出側と原料供給側とをそれぞれ連結し、吸着工程を終了した吸着筒内のガスを再生工程を終了した吸着筒内に回収する均圧操作を行うにあたり、再生工程を終了した吸着筒内の排気操作を継続しながら、原料供給側における回収ガスの流量を徐々に増加させることを特徴とし、さらに、前記均圧操作における原料供給側のガスの回収を、前記吸着筒の排気用配管を用いて行うことを特徴としている。
【０００９】
【作  用】
上記構成によれば、均圧操作を行うことにより、高い製品回収率が期待できるとともに、製品吐出側と原料供給側における均圧量を調整することにより、吸着剤の剤当たりの製品ガス発生量を多くすることができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を、図面を参照しながらさらに詳細に説明する。
図１は、本発明方法を実施するための圧力変動吸着分離装置の一例を示すもので、空気を原料として酸素と窒素を分離し、酸素を製品として採取する酸素ＰＳＡに本発明を適用した一実施例を示すものである。
【００１１】
まず、装置構成としては、吸着剤として窒素を優先的に吸着するゼオライトを充填した３基の吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃを備えた３筒式のＰＳＡ装置であって、このＰＳＡ装置は、前記３基の吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃと、原料である空気を所定圧力に昇圧して前記吸着筒に供給する送風機１と、前記吸着筒内を真空排気する真空ポンプ２と、前記吸着筒から導出された製品酸素を一時貯留する製品貯槽３と、再生工程や加圧工程の際のガス流量を制御する流量制御弁４，５及び製品酸素ガス供給量を制御する流量調節弁６と、各吸着筒を吸着工程，再生工程等に切換えるための多数の自動弁１１，１２，１３，１４，１５，１６（各吸着筒に付随する弁には、それぞれの吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃに対応させてａ，ｂ，ｃを付す。）とを備えている。これらの自動弁の内で、各吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃと真空ポンプ２とを接続する排気用配管１７に設けられる自動弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃには、その開弁速度を調整可能な弁、例えばスピードコントローラー（動作速度の調節器）を備えた弁が用いられている。
【００１２】
上記酸素ＰＳＡ装置は、上記多数の自動弁を所定の順序で開閉して連続的に酸素ガスを発生するものであり、例えば、図２に示す９工程を繰り返して行うことにより、酸素と窒素を主成分とする混合ガス、例えば空気中の酸素と窒素とを分離して製品酸素を発生させる。
【００１３】
以下、本発明の酸素発生方法の第１実施例を、上記酸素ＰＳＡ装置を用いた図２に示す工程図に基づいて説明する。
まず、工程１は、吸着筒Ａが吸着工程に入った段階であり、吸着筒Ｂ，Ｃは、吸着筒Ｂが吸着工程を終了して筒内に残留する比較的酸素分に富んだガスを、再生工程の中のパージ排気段階を終了した吸着筒Ｃに供給する均圧工程を行っている段階であり、吸着筒Ａで酸素と窒素との分離が行われている。
【００１４】
すなわち、送風機１で所定圧力、例えば５００ｍｍＡｑ（約８００Ｔｏｒｒ）に昇圧した原料空気が入口弁１１ａを介して吸着筒Ａに導入され、筒内に充填されているゼオライトに空気中の窒素が吸着して酸素と分離し、非吸着成分である酸素が製品酸素として出口弁１２ａから導出され、製品貯槽３に送られている。
【００１５】
また、吸着工程を終了して筒内圧力が５００ｍｍＡｑの吸着筒Ｂと、パージ排気段階を終了して筒内圧力が２００Ｔｏｒｒの吸着筒Ｃとは、それぞれの製品吐出側と原料供給側とが連結され、吸着筒Ｂ内のガスが上部及び下部の両方から吸着筒Ｃ内に導入される。すなわち、吸着筒Ｂの上部のガスは均圧弁１４ｂから流出し、流量制御弁５で流量を制御されて吸着筒Ｃの加圧弁１３ｃから吸着筒Ｃの上部に導入され、吸着筒Ｂの下部のガスは排気弁１５ｂから排気用配管１７に流出し、吸着筒Ｃの排気弁１５ｃを経て吸着筒Ｃの下部に導入される。
【００１６】
このとき、吸着筒Ｃの排気弁１５ｃは、前段階のパージ排気段階から続けて全開状態であるが、吸着筒Ｂの排気弁１５ｂは、前段階の吸着工程の全閉状態から徐々に開かれて全開状態になる。したがって、筒上部のガスは、流量制御弁５で所定の流量に制御されて移動し、筒下部のガスは、排気弁１５ｂの開速度に合わせて徐々に流量が増加しながら移動する。さらに、真空ポンプ２は前段階から作動中であり、吸着筒Ｂの下部から排気用配管１７を経て吸着筒Ｃの下部に移動するガスの一部は、真空ポンプ２により排気されている。
【００１７】
工程２では、吸着筒Ａは、引き続いて加圧された原料空気を筒下部から受け入れ、筒頂部から製品酸素を発生する吸着工程にあり、吸着筒Ｂは、真空ポンプ２により筒内に残留するガスを排気弁１５ｂ，排気用配管１７を介して排気する真空再生段階に入り、筒内の吸着剤に吸着していた窒素分が脱着排気される。また、吸着筒Ｃは酸素加圧段階に入り、排気弁１５ｃが閉じられ、加圧元弁１６が開かれることにより、製品貯槽３内の製品酸素ガスの一部が流量制御弁４で流量調節されて加圧弁１３ｃから吸着筒Ｃ内に導入される。
【００１８】
工程３では、吸着筒Ａは引き続いて吸着工程にあり、吸着筒Ｂは、筒下部からの真空ポンプ２による排気を継続しながら加圧弁１３ｂが開かれ、製品貯槽３内の製品酸素ガスの一部が流量制御弁４及び加圧元弁１６を介して筒上部から導入されるパージ排気段階に入る。このように製品吐出側から製品酸素ガスを導入しながら原料供給側から真空排気することにより、単に真空排気のみを行った場合に比べて著しく窒素の脱着が進む。また、吸着筒Ｃは、工程２から引き続いて製品酸素ガスの一部による酸素加圧段階が行われており、最終的に吸着操作圧力と略同等の５００ｍｍＡｑまで加圧される。
【００１９】
工程４では、吸着筒Ａが工程１における吸着筒Ｂと同じガス放出側の均圧工程に、吸着筒Ｂが工程１における吸着筒Ｃと同じガス受入れ側の均圧工程に、吸着筒Ｃが工程１における吸着筒Ａと同じ吸着工程になる。以下、工程５では、吸着筒Ａが真空再生段階、吸着筒Ｂが酸素加圧段階になり、工程６では吸着筒Ａがパージ排気段階になる。
【００２０】
さらに、工程７，８、９では、工程１〜３における吸着筒Ａの状態を吸着筒Ｂが、吸着筒Ｂの状態を吸着筒Ｃが、吸着筒Ｃの状態を吸着筒Ａが、それぞれ行い、工程９を終えると工程１に戻る。このように工程１〜９をそれぞれの吸着筒で行い、工程９から工程１に戻って繰り返すことで、吸着工程にある吸着筒から連続的に製品酸素が採取される。
【００２１】
上述した方法は、吸着工程を終了した吸着筒内に存在する比較的酸素分に富んだガスを、再生工程（パージ排気段階）を終了した吸着筒内に回収する均圧工程を行うことにより、製品回収率の向上が図れるとともに、該均圧工程における均圧量を調整することにより、吸着剤の剤当たりの製品ガス発生量も多くすることができる。さらに、均圧工程中にも排気操作を行うことにより、真空ポンプの遊び時間を解消することができる。
【００２２】
但し、上記均圧工程における原料供給側（入口側）の均圧ガスの移動において、単純に排気弁を開いてガスの移動を開始すると、ガス放出側の吸着筒からガス受入側の吸着筒に向かって極めて大きな流速でガスの移動が行われるため、吸着成分である窒素がガス受入側吸着筒の上部まで貫流して性能を低下させたり、吸着剤を吹き上げて吸着剤の粉化を招いたりすることがある。同様に、製品吐出側における均圧操作においても、ガス受入側吸着筒への窒素ガスの流入等の問題がある。
【００２３】
一方、上記問題を回避するために均圧ガスの流入量を制限し過ぎると、定められた均圧工程時間内に十分なガス回収を行うことができず、期待する製品回収率を達成できないことになる。このように、均圧工程におけるガス回収は多すぎても、少なすぎても装置の性能に大きな影響を与える。
【００２４】
また、吸着筒の上下で同時に均圧操作を行う場合は、上下の均圧ガス（回収ガス）のバランスも考慮する必要があるが、上部均圧におけるガスの回収量は、全回収ガス量の１／２〜３／４の範囲が好ましく、特に、約３／５とすることが最も好ましい。逆に、下部均圧におけるガスの回収量は、全回収ガス量の１／４〜１／２の範囲が好ましく、特に、約２／５とすることが最も好ましい。
【００２５】
なお、ここでは、回収ガスの割合を量的な割合で表しているが、実際の調整操作においては、吸着筒内の圧力変化によってこの割合を知ることができる。例えば、８００Ｔｏｒｒで吸着工程を終了した筒と、２００Ｔｏｒｒで再生工程を終了した筒とを連結して均圧操作を行った場合、均圧を最大に行えば、５００Ｔｏｒｒで両筒は同圧になる。実際は、吸着剤の吸着等温線の曲線性が関係するので、５００Ｔｏｒｒよりは低くなる。また、意識的に同圧になる前に均圧操作を停止することもある。
【００２６】
この場合、３００Ｔｏｒｒ分の圧力が回収されたことになるが、この内３／５、すなわち１８０Ｔｏｒｒ分を上部均圧により回収し、１２０Ｔｏｒｒ分を下部均圧により回収することが好ましい。このような回収ガス量の配分は、上部均圧においては配管途中に設けた流量制御弁５で流量を略一定に保つことにより行い、下部均圧においては、自動弁の開速度を調節して流量を徐々に増加させることにより行うことが好ましい。
【００２７】
なお、自動弁の開速度の調節は、例えば、自動弁の開閉操作用に供給される計装空気系統にスピードコントローラーを設け、自動弁の開方向への動作を遅くすることにより行うことができる。
【００２８】
図３及び図４は、上部均圧及び下部均圧におけるそれぞれの弁開度とガスの流量の関係を示すもので、図４の流量は、工程１においてガス放出側となる吸着筒Ｂから流出するガスの流量（図１のＸ点）と、ガス受入側となる吸着筒Ｃに流入する側の流量（図１のＹ点）とを表している。
【００２９】
図３に示す上部均圧においては、吸着筒Ｂの均圧弁１４ｂは均圧工程の開始と同時に全開状態になるが（吸着筒Ｃの加圧弁１３ｃは前工程からすでに全開）、ガスの流量は、流量制御弁５で制御された流量になる。
【００３０】
一方、図４に示す下部均圧においては、吸着筒Ｂの排気弁１５ｂは均圧工程の開始から終了するまでの間に徐々に全開となる。この排気弁１５ｂの開動作は、均圧工程時間の全てを使って全開になるように設定することが特に好ましいが、全開になるまでの時間が均圧工程時間の８０％になるように設定することが好ましい。ガスの流量は、排気弁１５ｂの開動作に伴って増加するが、このとき、真空ポンプ２が作動しており、吸着筒Ｂから流出したガスの一部が真空ポンプ２から排気されるため、吸着筒Ｃに流入するガス量は、その分少なくなる。
【００３１】
そして、図３及び図４に斜線入りで示した部分の面積、すなわちガス量が上述の配分になるように、流量制御弁５及び排気弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃで調節する。または、弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃに流量調節機構を持たせて、これで調節する。
【００３２】
このように、吸着筒の上下で同時に均圧を行うにあたり、下部均圧のガス流量を上記のように徐々に増加させるとともに、真空排気を同時に行うことにより、ガス放出側からガス受入側に急激にガスが流入すること防止でき、しかも、余分な窒素（易吸着成分）がガス受入側に流入することもなくなるので、酸素回収率及び剤当たりの酸素発生量を向上させることができる。
【００３３】
なお、本実施例では、下部均圧を排気用配管１７を利用して行うことにより設備を簡略化しているが、別に下部均圧用の配管及び弁を設けてもよく、流量制御も専用の弁で行うようにしてもよい。さらに、用いる吸着筒の数は３筒に限られるものではなく、２筒式あるいは４筒以上の吸着筒を用いる装置にも適用できる。また、酸素ＰＳＡにおいて使用する吸着剤としては、酸素に比べて窒素を優先的に多量に吸着するゼオライト、例えば、いわゆるＭＳ−５Ａ，ＭＳ−１０Ｘ，ＭＳ−１３Ｘ，モルデナイト，その他、窒素を十分な吸着速度で吸着できる細孔径を持つようにゼオライト中の金属をイオン交換したゼオライト等を用いることができ、酸素と窒素を主成分とする混合ガスとしては、空気に限らず、任意の組成の混合ガスを用いることができる。
【００３４】
また、本発明は、吸着剤を適当に選定することにより、各種の易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとを分離する装置に適用することが可能である。
【００３５】
次に、前記構成の装置を使用して、本発明により下部均圧の流量調節を行った場合（実験１）と、行わなかった場合（実験２）とにおける酸素発生量と酸素回収率とを測定した実験結果を説明する。
【００３６】
吸着筒は、内径１５５ｍｍ×高さ１．６ｍであり、吸着剤には、モレキュラーシーブス５Ａの１．６ｍｍ径ペレットを用いた。運転条件としては、吸着圧力を５００ｍｍＡｑ、真空再生圧力を２００Ｔｏｒｒとした。また、サイクルタイムは６０秒とし、均圧工程時間は５秒とした。実験結果を下記に示す。なお、得られた製品酸素の濃度は、両者とも９３％であった。
【００３７】
0003561886.tif 000002
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧力変動吸着分離方法は、吸着工程を終了した吸着筒と再生工程を終了した吸着筒の互いの製品吐出側と原料供給側とをそれぞれ連結し、吸着工程を終了した吸着筒内のガスを再生工程を終了した吸着筒内に回収する均圧操作を行うにあたり、再生工程を終了した吸着筒内の排気操作を継続しながら、原料供給側における回収ガスの流量を徐々に増加させるようにしたので、ガス放出側からガス受入側に急激にガスが流入すること防止でき、しかも、余分な易吸着成分がガス受入側に流入することもなくなるので、製品回収率及び剤当たりの製品発生量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するための圧力変動吸着分離装置の一例を示す系統図である。
【図２】図１の装置を用いて本発明を実施する際の一実施例を示す工程図である。
【図３】上部均圧における弁開度とガスの流量の関係を示す図である。
【図４】下部均圧における弁開度とガスの流量の関係を示す図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ…吸着筒、１…送風機、２…真空ポンプ、３…製品貯槽、４，５，６…流量制御弁、１７…排気用配管
【図１】
0003561886.tif 000003
【図２】
0003561886.tif 000004
【図３】
0003561886.tif 000005
【図４】
0003561886.tif 000006