(57)【要約】本発明は、単塔式圧力スイング吸着法により、酸素含有原料ガスから酸素を分離する方法であり、一連の工程（図３Ａ〜３Ｂ）を含む１サイクルが繰り返し行われる。吸着工程（図３Ａ）では、吸着塔（１）に原料ガスを導入して当該原料ガス中の不要成分を吸着剤に吸着させた後、吸着塔（１）から酸素富化ガスを導出する。回収工程（図３Ｂ）では、吸着塔（１）内に存在する準酸素富化ガスを回収槽（３）に回収する。脱着工程（図３Ｃ）では、不要成分の少なくとも一部を吸着剤から脱着させて吸着塔（１）から排出する。洗浄工程（図３Ｄ）では、吸着塔（１）内の圧力を一定に維持しつつ、回収槽（３）に保持された準酸素富化ガスの少なくとも一部を吸着塔（１）に導入し、且つ、吸着塔（１）から排出ガスを排出する。昇圧工程（図３Ｅ，３Ｆ）では、吸着塔（１）内の圧力を上昇させる。
2004007056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤が充填された単一の吸着塔が用いられる単塔式の圧力スイング吸着法により、気体状の酸素を含有する原料ガスから当該酸素を分離するための方法であって、
前記吸着塔に前記原料ガスを導入して当該原料ガスに含まれる不要成分を前記吸着剤に吸着させた後、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出する吸着工程と、
前記吸着工程終了後に前記吸着塔内に存在する準酸素富化ガスを回収して回収槽に保持する回収工程と、
前記吸着剤に吸着されている前記不要成分の少なくとも一部を、前記吸着塔内の圧力を低下させることにより前記吸着剤から脱着させ、当該吸着塔から排出する脱着工程と、
前記吸着塔内の圧力を一定に維持しつつ、前記回収槽に保持された前記準酸素富化ガスの少なくとも一部を前記吸着塔に導入するとともに、当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程と、
前記吸着塔内の圧力を上昇させる昇圧工程と、を含む１サイクルが繰り返し行われる、酸素ガス分離方法。
【請求項２】
前記洗浄工程では、前記吸着塔に導入される前記準酸素富化ガスの流量、および／または、前記吸着塔から排出される前記排出ガスの流量を制御することにより、前記吸着塔内の圧力は一定に維持される、請求項１に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項３】
前記洗浄工程では、前記吸着塔に導入される前記準酸素富化ガスの流量を流量制御弁により制御しつつ、ポンプにより前記吸着塔から前記排出ガスを排出させることによって、前記吸着塔内の圧力は一定に維持される、請求項１に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項４】
前記吸着工程における前記吸着塔内の最高圧力は４０〜６５ｋＰａ（ゲージ圧）である、請求項１に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項５】
前記回収工程は、前記吸着塔内の圧力が０〜２５ｋＰａ（ゲージ圧）となるまで行う、請求項１に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項６】
前記脱着工程における前記吸着塔内の最低圧力は−６５〜−４０ｋＰａ（ゲージ圧）である、請求項１に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項７】
吸着剤が充填された単一の吸着塔が用いられる単塔式の圧力スイング吸着法により、気体状の酸素を含有する原料ガスから当該酸素を分離するための方法であって、
前記吸着塔に前記原料ガスを導入して当該原料ガスに含まれる不要成分を前記吸着剤に吸着させた後、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出する吸着工程と、
前記吸着塔内の圧力が第１中間圧力に降下するまで前記吸着塔内の第１準酸素富化ガスを回収して第１回収槽に保持する第１回収工程と、
前記吸着塔内の圧力が第２中間圧力に更に降下するまで前記吸着塔内の第２準酸素富化ガスを回収して第２回収槽に保持する第２回収工程と、
前記吸着剤に吸着されている前記不要成分の少なくとも一部を、前記吸着塔内の圧力を低下させることにより前記吸着剤から脱着させ、当該吸着塔から排出する脱着工程と、
前記吸着塔内の圧力を一定に維持しつつ、前記第１回収槽に保持された前記第１準酸素富化ガスの少なくとも一部、または、前記第２回収槽に保持された前記第２準酸素富化ガスの少なくとも一部を、前記吸着塔に導入するとともに、当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程と、
前記吸着塔内の圧力を上昇させる昇圧工程と、を含む１サイクルが繰り返し行われる、酸素ガス分離方法。
【請求項８】
前記昇圧工程では、前記第１回収槽からの前記第１準酸素富化ガスの前記少なくとも一部が前記吸着塔内に導入される、請求項７に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項９】
前記洗浄工程では、前記第２回収槽からの前記第２準酸素富化ガスの前記少なくとも一部が前記吸着塔に導入される、請求項７に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項１０】
前記洗浄工程では、前記吸着塔に導入される前記第２準酸素富化ガスの流量、および／または、前記吸着塔から排出される前記排出ガスの流量を制御することにより、前記吸着塔内の圧力は一定に維持される、請求項９に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項１１】
前記洗浄工程では、前記吸着塔に導入される前記第２準酸素富化ガスの流量を流量制御弁により制御しつつ、ポンプにより前記吸着塔から前記排出ガスを排出させることによって、前記吸着塔内の圧力は一定に維持される、請求項９に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項１２】
前記吸着工程における前記吸着塔内の最高圧力は４０〜６５ｋＰａ（ゲージ圧）である、請求項７に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項１３】
前記第１中間圧力は１５〜３５ｋＰａ（ゲージ圧）であり、前記第２中間圧力は−１０〜１５ｋＰａ（ゲージ圧）である、請求項７に記載の酸素ガス分離方法。
【請求項１４】
前記脱着工程における前記吸着塔内の最低圧力は−６５〜−４０ｋＰａ（ゲージ圧）である、請求項７に記載の酸素ガス分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）により、酸素含有原料ガスから酸素を分離する方法に関する。
【背景技術】  ＰＳＡ法により得られる濃縮酸素ガスは、酸素の連続供給が要求される技術、例えば電炉製鋼、水処理酸素曝気、パルプ漂白、オゾン発生装置などで、広く利用されている。醗酵などの生化学分野においても濃縮酸素ガスは利用されている。更には、焼却技術の分野においても濃縮酸素ガスは利用されている。具体的には、焼却炉残量物の溶融化、排ガスの低ＮＯｘ化、燃焼反応の高効率化などを目的として、空気中で燃焼を行う代わりに濃縮酸素ガス中で燃焼を行う手法が採用される場合がある。
ＰＳＡ法においては、２塔以上の吸着塔を備える装置を使用して行われる多塔式ＰＳＡ法が一般的である。多塔式ＰＳＡ法では、各吸着塔において、吸着工程、脱着工程、洗浄工程、昇圧工程などが繰り返される。これらの工程は、吸着塔間でタイミングがずらされて行われる。多塔式ＰＳＡ法については、種々の改良が試みられている。例えば特開平８−２３９２０４号公報に開示されている多塔式ＰＳＡ法では、吸着工程を終了した吸着塔内の高圧力を、他の吸着塔の昇圧に利用する技術が採用されている。
一方、装置全体の小型化および簡略化、並びにイニシャルコスト削減などの観点から、吸着塔は１塔のみ備える装置を使用して行われる単塔式ＰＳＡ法が採用される場合がある。単塔式ＰＳＡ法についても、製品として得られる濃縮酸素ガスの量や純度などの観点から、種々の改良が試みられている。例えば特開平９−２９０４４号公報に開示されている単塔式ＰＳＡ法では、吸着工程終了後に、吸着塔内に残留するガスを別途設けられた回収槽に回収し、脱着工程終了後に、当該回収ガスを洗浄ガスとして吸着塔に導入することによって吸着塔の洗浄が行われる。
しかしながら、特開平９−２９０４４号公報に開示されている単塔式ＰＳＡ法によると、上述の洗浄工程の初期段階において、回収槽および吸着塔の比較的大きな圧力差に直接的に相応して、大量の洗浄ガスが回収槽から吸着塔へと流入する傾向にある。当該洗浄工程においては、吸着塔内のガスを真空ポンプにより吸引して排出する場合であっても、洗浄ガス流入量がガス排出量を上回わる期間が生ずる。そのような期間では、吸着塔内は、当該洗浄工程前の脱着工程にて達成された所望の低圧力よりも、高圧の状態となってしまう。洗浄工程におけるこのような昇圧現象は、吸着剤の洗浄効率（再生効率）の低下、ひいては濃縮酸素ガスの取得量や回収率の低下の原因となる場合が多く、好ましくない。
【発明の開示】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、単塔式ＰＳＡ法において高い酸素ガス回収率等を達成するのに適した酸素ガス分離方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の側面によると、吸着剤が充填された単一の吸着塔が用いられる単塔式の圧力スイング吸着法により、気体状の酸素を含有する原料ガスから当該酸素を分離する方法が提供される。この方法では、吸着塔に原料ガスを導入して当該原料ガスに含まれる不要成分を吸着剤に吸着させた後、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出する吸着工程と、吸着工程終了後に吸着塔内に存在する準酸素富化ガスを回収して回収槽に保持する回収工程と、吸着剤に吸着されている不要成分の少なくとも一部を、吸着塔内の圧力を低下させることにより吸着剤から脱着させ、当該吸着塔から排出する脱着工程と、吸着塔内の圧力を一定に維持しつつ、回収槽に保持された準酸素富化ガスの少なくとも一部を吸着塔に導入するとともに当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる昇圧工程と、を含む１サイクルが繰り返し行われる。酸素富化ガスとは、所定程度の高い酸素濃度を有するガスである。準酸素富化ガスとは、酸素富化ガスより低くとも相当程度に高い酸素濃度以上の、酸素濃度を有するガスである。
本発明の第１の側面に係る酸素ガス分離方法によると、回収槽に保持された準酸素富化ガスの少なくとも一部を吸着塔に導入するとともに当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程において、吸着塔内は、一定の圧力に維持される。すなわち、洗浄工程に先行する脱着工程の終了時に達成される吸着塔内の所望の低い圧力は洗浄工程にて維持され、洗浄工程での昇圧現象は回避される。単塔式ＰＳＡ法において、洗浄工程中の吸着塔内の圧力を一定に維持することにより、高い酸素ガス回収率等を達成することが可能となる。
本発明の第１の側面において、好ましくは、洗浄工程では、吸着塔に導入される準酸素富化ガスの流量、および／または、吸着塔から排出される排出ガスの流量を制御することにより、吸着塔内の圧力は一定に維持される。
好ましくは、洗浄工程では、吸着塔に導入される準酸素富化ガスの流量を流量制御弁により制御しつつ、ポンプにより吸着塔から排出ガスを排出させることによって、吸着塔内の圧力は一定に維持される。このような構成によると、流量制御弁の開度（絞り量）のみを制御することにより吸着塔内の圧力を一定に維持することが可能であり、圧力制御が容易となる。
好ましくは、吸着工程における吸着塔内の最高圧力は４０〜６５ｋＰａ（ゲージ圧）である。好ましくは、回収工程は、吸着塔内の圧力が０〜２５ｋＰａ（ゲージ圧）となるまで行う。好ましくは、脱着工程における吸着塔内の最低圧力は−６５〜−４０ｋＰａ（ゲージ圧）である。
本発明の第２の側面によると、吸着剤が充填された単一の吸着塔が用いられる単塔式の圧力スイング吸着法により、気体状の酸素を含有する原料ガスから当該酸素を分離する他の方法が提供される。この方法では、吸着塔に原料ガスを導入して当該原料ガスに含まれる不要成分を吸着剤に吸着させた後、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出する吸着工程と、吸着塔内の圧力が第１中間圧力に降下するまで吸着塔内の第１準酸素富化ガスを回収して第１回収槽に保持する第１回収工程と、吸着塔内の圧力が第２中間圧力に更に降下するまで吸着塔内の第２準酸素富化ガスを回収して第２回収槽に保持する第２回収工程と、吸着剤に吸着されている不要成分の少なくとも一部を、吸着塔内の圧力を低下させることにより、吸着剤から脱着させて当該吸着塔から排出する脱着工程と、吸着塔内の圧力を一定に維持しつつ、第１回収槽に保持された第１準酸素富化ガスの少なくとも一部、または、第２回収槽に保持された第２準酸素富化ガスの少なくとも一部を、吸着塔に導入するとともに、当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程と、吸着塔内の圧力を上昇させる昇圧工程と、を含む１サイクルが繰り返し行われる。本発明において、第２中間圧力は第１中間圧力より低い。
本発明の第２の側面に係る酸素ガス分離方法によると、第１または第２回収槽に保持された第１または第２準酸素富化ガスの少なくとも一部を吸着塔に導入するとともに当該吸着塔から排出ガスを排出する洗浄工程において、吸着塔内は、一定の圧力に維持される。すなわち、洗浄工程に先行する脱着工程の終了時に達成される吸着塔内の所望の低い圧力は洗浄工程にて維持され、洗浄工程での昇圧現象は回避される。単塔式ＰＳＡ法において、洗浄工程中の吸着塔内の圧力を一定に維持することにより、高い酸素ガス回収率を達成することが可能となる。
本発明の第２の側面において、好ましくは、昇圧工程では、第１回収槽からの第１準酸素富化ガスの少なくとも一部が吸着塔内に導入される。第１準酸素富化ガスは、吸着工程直後における吸着塔内残留ガスであるため、第２準酸素富化ガスよりも高い酸素濃度を有する。そのため、昇圧工程にて吸着塔内を昇圧するために当該吸着塔に導入され且つ製品ガスとして回収されることとなる昇圧ガスとしては、高い酸素ガス回収率を達成するうえでは、第２準酸素富化ガスよりも第１準酸素富化ガスの方が好適である。
好ましくは、洗浄工程では、第２回収槽からの第２準酸素富化ガスの少なくとも一部が吸着塔に導入される。酸素濃度について、第２準酸素富化ガスは、第１準酸素富化ガスより低いものの、原料ガスより相当程度に高く、洗浄工程において吸着剤からの不要成分の脱着を促進するうえで充分に高い。洗浄工程における洗浄ガスとして第２準酸素富化ガスを利用し、昇圧工程における昇圧ガスとして第１準酸素富化ガスを利用することは、高い酸素ガス回収率を達成するうえで好適である。
好ましくは、洗浄工程では、吸着塔に導入される第２準酸素富化ガスの流量、および／または、吸着塔から排出される排出ガスの流量を制御することにより、吸着塔内の圧力は一定に維持される。
好ましくは、洗浄工程では、吸着塔に導入される第２準酸素富化ガスの流量を流量制御弁により制御しつつ、ポンプにより吸着塔から排出ガスを排出させることによって、吸着塔内の圧力は一定に維持される。このような構成によると、流量制御弁の開度（絞り量）のみを制御することにより吸着塔内の圧力を一定に維持することが可能であり、圧力制御が容易となる。
好ましくは、吸着工程における吸着塔内の最高圧力は４０〜６５ｋＰａ（ゲージ圧）である。好ましくは、第１中間圧力は１５〜３５ｋＰａ（ゲージ圧）であり、第２中間圧力は−１０〜１５ｋＰａ（ゲージ圧）である。好ましくは、脱着工程における吸着塔内の最低圧力は−６５〜−４０ｋＰａ（ゲージ圧）である。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１の実施形態に係る酸素ガス分離方法を実施するためのＰＳＡ分離装置の概略構成を表す。
図２は、第１の実施形態に係る酸素ガス分離方法の各工程における、図１に示すＰＳＡ分離装置の各弁の開閉状態を示す表である。
図３Ａ〜図３Ｆは、第１の実施形態の各工程におけるガス流れ状態を表す。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る酸素ガス分離方法を実施するためのＰＳＡ分離装置の概略構成を表す。
図５は、第２の実施形態に係る酸素ガス分離方法の各工程における、図４に示すＰＳＡ分離装置の各弁の開閉状態を示す表である。
図６Ａ〜図６Ｇは、第２の実施形態の各工程におけるガスの流れ状態を表す。
図７は、実施例１，２および比較例について、条件および結果が掲げられた表である。
図８は、実施例１および比較例における吸着塔内の圧力変化を示すグラフである。
図９は、実施例２における吸着塔内の圧力変化を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】  図１は、本発明の第１の実施形態に係る酸素ガス分離方法を実施するためのＰＳＡ分離装置Ｘ１の概略構成を表す。ＰＳＡ分離装置Ｘ１は、吸着塔１、製品ガスバッファ槽２、および回収槽３を備える。
吸着塔１は、製品ガス出口１ａおよび原料ガス入口１ｂを有し、その内部には吸着剤が充填されている。吸着剤としては、Ｌｉ−Ｘ型ゼオライトモレキュラーシーブ、Ｃａ−Ｘ型ゼオライトモレキュラーシーブ、Ｃａ−Ａ型ゼオライトモレキュラーシーブなどが採用される。
吸着塔１の製品ガス出口１ａは、共用の配管４ａおよび製品ガス用の配管４ｂを介して製品ガスバッファ槽２に繋げられており、且つ、配管４ａおよび回収ガス用の配管４ｃを介して回収槽３に繋げられている。配管４ａには、流量調節弁５が設けられており、配管４ｂ，４ｃには、各々、自動弁６ａ，６ｂが設けられている。
吸着塔１の原料ガス入口１ｂは、共用の配管４ｄおよび原料ガス供給用の配管４ｅ，４ｆを介して原料ガス供給部７に繋げられており、且つ、配管４ｄおよび脱着ガス排出用の配管４ｇ，４ｈを介して脱着ガス回収部８に繋げられている。配管４ｄには、ブロア・ポンプＢＰが設けられており、配管４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈには、各々、自動弁６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆが設けられている。
製品ガスバッファ槽２は、配管４ｉを介して製品ガス回収部９に更に繋げられている。
本実施形態では、以上のような構成を有するＰＳＡ分離装置Ｘ１を使用して、ＰＳＡ法により、酸素含有原料ガスから不要成分を除去することができ、その結果、酸素が富化された製品ガス、即ち酸素富化ガスないし濃縮酸素ガスが得られる。ＰＳＡ分離装置Ｘ１の駆動時においては、各弁５，６ａ〜６ｆの開閉状態が適宜切り替えられることにより、吸着塔１および配管４ａ〜４ｉにおけるガスの流れ状態が決定され、図２に示す吸着工程Ｓ１１、回収工程Ｓ１２、脱着工程Ｓ１３、洗浄工程Ｓ１４、第１昇圧工程Ｓ１５、および第２昇圧工程Ｓ１６からなる１サイクルが繰り返し行われる。図２には、各工程Ｓ１１〜Ｓ１６における各弁５，６ａ〜６ｆの開閉状態も示されている。図３Ａ〜図３Ｆは、各々、工程Ｓ１１〜Ｓ１６におけるガスの流れ状態を示している。図３Ａ〜図３Ｆにおいて、ガス流は太線矢印で表されている。
吸着工程Ｓ１１では、図２に示すように各弁５，６ａ〜６ｆの開閉状態が選択されて、図３Ａに示すようなガス流れ状態が達成される。
図１および図３Ａを併せて参照するとよく理解できるように、吸着工程Ｓ１１では、吸着塔１は、原料ガス供給部７と連通し、且つ、製品ガスバッファ槽２を介して製品ガス回収部９と連通している。原料ガス供給部７の原料ガス（例えば空気）は、ブロア・ポンプＢＰが稼動することにより、配管４ｅ，４ｄ，４ｆおよび原料ガス入口１ｂを介して吸着塔１に導入される。吸着塔１の内部では、吸着剤により不要成分（例えば窒素）が吸着除去され、酸素濃度の高いガスが製品ガスとして製品ガス出口１ａを介して吸着塔１の外部に導出される。このガスは、配管４ａ，４ｂを介して製品ガスバッファ槽２に流入する。製品ガスバッファ槽２に一旦滞留した後、当該製品ガスは、配管４ｉを介して製品ガス回収部９に流入して回収される。
吸着塔１の内部圧力は、例えば、本工程中上昇し続け、本工程終了時に最高値に到達する。本工程における吸着塔１内の最高圧力は、例えば４０〜６５ｋＰａの範囲内とされる。この圧力範囲はゲージ圧の値で表されたものである。後出の各工程の圧力条件についてもゲージ圧で表す。
回収工程Ｓ１２では、図２に示すように各弁５，６ａ〜６ｆの開閉状態が選択されて、図３Ｂに示すようなガス流れ状態が達成される。
図１および図３Ｂを併せて参照するとよく理解できるように、回収工程Ｓ１２では、吸着塔１は、回収槽３と連通している。本工程開始時には、先に吸着工程Ｓ１１が行われていた吸着塔１の内部圧力は、例えば４０〜６５ｋＰａと高いのに対し、回収槽３の内部圧力は、例えば−６５〜−３０ｋＰａと低く設定されている。そのため、本工程開始時に吸着塔１内に存在する比較的に酸素濃度の高い準酸素富化ガスは、本工程において、吸着塔１と回収槽３の間の圧力差に起因して、配管４ｃを介して回収槽３に回収ガスとして移動する。回収槽３に移動する準酸素富化ガスの流量は、流量調節弁５により適宜調節される。
吸着塔１の内部圧力は、例えば、本工程中降下し続ける。本工程は、吸着塔１の内部圧力が例えば０〜２５ｋＰａの範囲内になるまで行われる。
脱着工程Ｓ１３では、図２に示すように各弁５，６ａ〜６ｆの開閉状態が選択されて、図３Ｃに示すようなガス流れ状態が達成される。
図１および図３Ｃを併せて参照するとよく理解できるように、脱着工程Ｓ１３では、吸着塔１は、脱着ガス回収部８と連通している。ブロア・ポンプＢＰが稼動することにより、吸着塔１の内部は減圧されて吸着剤から不要成分が脱着し、気体状態にある当該不要成分は、配管４ｇ，４ｄ，４ｈを介して脱着ガス回収部８に回収される。
吸着塔１の内部圧力は、例えば、本工程中降下し続け、本工程終了時に最低値に到達する。本工程における吸着塔１内の最低圧力は、例えば−６５〜−４０ｋＰａの範囲内とされる。
洗浄工程Ｓ１４では、図２に示すように各弁５，６ａ〜６ｆの開閉状態が選択されて、図３Ｄに示すようなガス流れ状態が達成される。
図１および図３Ｄを併せて参照するとよく理解できるように、洗浄工程Ｓ１４では、吸着塔１は、回収槽３および脱着ガス回収部８と連通している。本工程開始時には、先に脱着工程Ｓ１３が行われていた吸着塔１の内部圧力は相対的に低いのに対し、準酸素富化ガスが収容されている回収槽３の内部圧力は相対的に高い。そのため、回収槽３内に存在する準酸素富化ガスは、吸着塔１と回収槽３の間の圧力差に起因して、配管４ｃおよび製品ガス出口１ａを介して吸着塔１に洗浄ガスとして導入される。これとともに、本工程では、ブロア・ポンプＢＰが稼動することにより、吸着塔１内からガスが吸引され続ける。このような、回収槽３からの洗浄ガスの導入、および、ブロア・ポンプＢＰの吸引により、吸着塔１内の吸着剤が洗浄されて当該吸着剤から不要成分が脱着し、吸着塔１内のガスは原料ガス入口１ｂから排出される。当該排出ガスは、配管４ｇ，４ｄ，４ｈを介して脱着ガス回収部８に回収される。
洗浄工程Ｓ１４では、製品ガス出口１ａを介して吸着塔１に導入される洗浄ガス（準酸素富化ガス）の流量および吸着塔１内でのガス脱着量の和と、原料ガス入口１ｂを介して吸着塔１から排出される排出ガスの流量とを、等しくすることにより、吸着塔１の内部圧力が一定となるように調整される。例えば、経時的に変化する回収槽３の内部圧力（絶対圧）をＰ１（ｋｇ／ｃｍ２）とし、経時的に一定とされる吸着塔１の内部圧力（絶対圧）をＰ２（ｋｇ／ｃｍ２）とし、ブロア・ポンプＢＰの吸引能力をＱ（ｍ３／ｈ）とし、吸着塔１の吸着剤からのガス脱着量をα（ｍ３／ｈ）とする場合、下記の式で与えられる流量係数Ｃｖに応じて流量調節弁５の開度を調節することにより、洗浄ガス流量およびガス脱着量の和と、排出ガス流量とを等しくして、洗浄工程Ｓ１４における吸着塔１の内部圧力を一定に維持することができる。
Ｃｖ＝（Ｑ−α）／（４０６×（（Ｐ１−Ｐ２）×Ｐ２）０．５）
洗浄工程Ｓ１４において吸着塔１の内部圧力を一定に維持するためには、上述のような流量調節弁５の可変制御に代えて、或はこれと共に、ブロア・ポンプＢＰの吸引能力についての可変制御を行ってもよい。
第１昇圧工程Ｓ１５では、図２に示すように各弁５，６ａ〜６ｆの開閉状態が選択されて、図３Ｅに示すようなガス流れ状態が達成される。
図１および図３Ｅを併せて参照するとよく理解できるように、吸着塔１は、製品ガスバッファ槽２および原料ガス供給部７と連通している。本工程では、吸着塔１には、製品ガスバッファ槽２から配管４ｂを介して製品ガスないし酸素富化ガスが導入される。吸着塔１に導入される酸素富化ガスの流量は、流量調節弁５により適宜調節される。これとともに、吸着塔１には、ブロア・ポンプＢＰの稼動により、原料ガス供給部７から配管４ｅ，４ｄ，４ｆを介して原料ガスが供給される。吸着塔１の内部圧力は、本工程中上昇し続け、例えば−３０〜０ｋＰａまで高められる。
第２昇圧工程Ｓ１６では、図２に示すように各弁５，６ａ〜６ｆの開閉状態が選択されて、図３Ｆに示すようなガス流れ状態が達成される。
図１および図３Ｆを併せて参照するとよく理解できるように、吸着塔１は、原料ガス供給部７と連通している。本工程では、前工程から引き続いて、ブロア・ポンプＢＰの稼動により原料ガス供給部７から配管４ｅ，４ｄ，４ｆを介して原料ガスが吸着塔１に供給される。吸着塔１の内部圧力は、本工程中上昇し続け、例えば０〜３０ｋＰａまで高められる。
上述の一連の工程Ｓ１１〜Ｓ１６からなる１サイクルをＰＳＡ分離装置Ｘ１において繰り返し行うことにより、原料ガスから酸素を分離して濃縮酸素ガスを得ることができ、高い酸素ガス回収率を達成できる。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る酸素ガス分離方法を実施するためのＰＳＡ分離装置Ｘ２の概略構成を表す。ＰＳＡ分離装置Ｘ２は、吸着塔１、製品ガスバッファ槽２、および回収槽３Ａ，３Ｂを備える。ＰＳＡ分離装置Ｘ２は、回収槽３、配管４ｃ、および自動弁６ｂに代えて、回収槽３Ａ，３Ｂ、回収ガス用の配管４ｊ，４ｋ、および自動弁６ｇ，６ｈを備える点において、ＰＳＡ分離装置Ｘ１と異なる。
ＰＳＡ分離装置Ｘ２において、吸着塔１の製品ガス出口１ａは、共用の配管４ａおよび製品ガス用の配管４ｂを介して製品ガスバッファ槽２に繋げられているのに加え、配管４ａおよび第１回収ガス用の配管４ｊを介して回収槽３Ａに繋げられ、且つ、配管４ａおよび第２回収ガス用の配管４ｋを介して回収槽３Ｂに繋げられている。配管４ｊ，４ｋには、各々、自動弁６ｇ，６ｈが設けられている。
ＰＳＡ分離装置Ｘ２の他の構成については、ＰＳＡ分離装置Ｘ１に関して上述したのと同様である。
本実施形態では、以上のような構成を有するＰＳＡ分離装置Ｘ２を使用して、ＰＳＡ法により、酸素含有原料ガスから不要成分を除去することができ、その結果、酸素が富化された製品ガス、即ち酸素富化ガスないし濃縮酸素ガスが得られる。ＰＳＡ分離装置Ｘ２の駆動時においては、各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態が適宜切り替えられることにより、吸着塔１および配管４ａ，４ｂ，４ｄ〜４ｋにおけるガスの流れ状態が決定され、図５に示す吸着工程Ｓ２１、第１回収工程Ｓ２２、第２回収工程Ｓ２３、脱着工程Ｓ２４、洗浄工程Ｓ２５、第１昇圧工程Ｓ２６、および第２昇圧工程Ｓ２７を含む１サイクルが繰り返し行われる。図５には、各工程Ｓ２１〜Ｓ２７における各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態も示されている。図６Ａ〜図６Ｇは、各々、工程Ｓ２１〜Ｓ２７におけるガスの流れ状態を示している。図６Ａ〜図６Ｇにおいて、ガス流は太線矢印で表されている。
吸着工程Ｓ２１では、図５に示すように各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態が選択されて、図６Ａに示すようなガス流れ状態が達成され、製品ガス回収部９に濃縮酸素ガスが製品ガスとして回収される。本工程は、具体的には、第１の実施形態における吸着工程Ｓ１１と同様にして実行される。
第１回収工程Ｓ２２では、図５に示すように各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態が選択されて、図６Ｂに示すようなガス流れ状態が達成される。
図４および図６Ｂを併せて参照するとよく理解できるように、第１回収工程Ｓ２２では、吸着塔１は、回収槽３Ａと連通している。本工程開始時には、先に吸着工程Ｓ２１が行われていた吸着塔１の内部圧力は、例えば４０〜６５ｋＰａと高いのに対し、回収槽３Ａの内部圧力は、例えば−３０〜０ｋＰａと低く設定されている。そのため、本工程開始時に吸着塔１内に存在する比較的に酸素濃度の高い準酸素富化ガスは、本工程において、吸着塔１と回収槽３Ａの間の圧力差に起因して、配管４ｊを介して回収槽３Ａに第１回収ガスとして移動する。回収槽３Ａに移動する準酸素富化ガスの流量は、流量調節弁５により適宜調節される。
吸着塔１の内部圧力は、本工程中降下し続ける。本工程は、吸着塔１の内部圧力が例えば１５〜３５ｋＰａの範囲内になるまで行われる。
第２回収工程Ｓ２３では、図５に示すように各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態が選択されて、図６Ｃに示すようなガス流れ状態が達成される。
図４および図６Ｃを併せて参照するとよく理解できるように、第２回収工程Ｓ２３では、吸着塔１は、回収槽３Ｂと連通している。本工程開始時には、先に第１回収工程Ｓ２２が行われていた吸着塔１の内部圧力は、例えば１５〜３５ｋＰａと高いのに対し、回収槽３Ｂの内部圧力は、例えば−６５〜−３０ｋＰａと低く設定されている。そのため、本工程開始時に吸着塔１内に存在する比較的に酸素濃度の高い準酸素富化ガスは、本工程において、吸着塔１と回収槽３Ｂの間の圧力差に起因して、配管４ｋを介して回収槽３Ｂに第２回収ガスとして移動する。回収槽３Ｂに移動する準酸素富化ガスの流量は、流量調節弁５により適宜調節される。
吸着塔１の内部圧力は、本工程中降下し続ける。本工程は、吸着塔１の内部圧力が例えば−１０〜１５ｋＰａの範囲内になるまで行われる。
脱着工程Ｓ２４では、図５に示すように各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態が選択されて、図６Ｄに示すようなガス流れ状態が達成され、吸着塔１の吸着剤から脱着した不要成分が脱着ガス回収部８に回収される。本工程は、具体的には第１の実施形態における脱着工程Ｓ１３と同様にして実行される。
洗浄工程Ｓ２５では、図５に示すように各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態が選択されて、図６Ｅに示すようなガス流れ状態が達成される。
図４および図６Ｅを併せて参照するとよく理解できるように、洗浄工程Ｓ２５では、吸着塔１は、回収槽３Ｂおよび脱着ガス回収部８と連通している。本工程開始時には、先に脱着工程Ｓ２４が行われていた吸着塔１の内部圧力は相対的に低いのに対し、準酸素富化ガスが収容されている回収槽３Ｂの内部圧力は相対的に高い。そのため、回収槽３Ｂ内に存在する準酸素富化ガスは、吸着塔１と回収槽３Ｂの間の圧力差に起因して、配管４ｋおよび製品ガス出口１ａを介して吸着塔１に洗浄ガスとして導入される。これとともに、本工程では、ブロア・ポンプＢＰが稼動することにより、吸着塔１内からガスが吸引され続ける。このような、回収槽３Ｂからの洗浄ガスの導入、および、ブロア・ポンプＢＰの吸引により、吸着塔１内の吸着剤が洗浄されて当該吸着剤から不要成分が脱着し、吸着塔１内のガスは原料ガス入口１ｂから排出される。当該排出ガスは、配管４ｇ，４ｄ，４ｈを介して脱着ガス回収部８に回収される。
洗浄工程Ｓ２５では、洗浄工程Ｓ１４に関して上述したのと同様に、製品ガス出口１ａを介して吸着塔１に導入される洗浄ガス（準酸素富化ガス）の流量および吸着塔１内でのガス脱着量の和と、原料ガス入口１ｂを介して吸着塔１から排出される排出ガスの流量とを、等しくすることにより、吸着塔１の内部圧力が一定となるように調整される。
第１昇圧工程Ｓ２６では、図５に示すように各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態が選択されて、図６Ｆに示すようなガス流れ状態が達成される。
図４および図６Ｆを併せて参照するとよく理解できるように、第１昇圧工程Ｓ２６では、吸着塔１は、回収槽３Ａおよび原料ガス供給部７と連通している。本工程では、吸着塔１には、回収槽３Ａから配管４ｊを介して準酸素富化ガスが導入される。吸着塔１に導入される準酸素富化ガスの流量は、流量調節弁５により適宜調節される。これとともに、吸着塔１には、ブロア・ポンプＢＰの稼動により、原料ガス供給部７から配管４ｅ，４ｄ，４ｆを介して原料ガスが供給される。吸着塔１の内部圧力は、本工程中上昇し続け、例えば−３０〜０ｋＰａまで高められる。
第２昇圧工程Ｓ２７では、図５に示すように各弁５，６ａ，６ｃ〜６ｈの開閉状態が選択されて、図６Ｇに示すようなガス流れ状態が達成され、吸着塔１の内部圧力は例えば０〜３５ｋＰａにまで高められる。本工程は、具体的には第１の実施形態における第２昇圧工程Ｓ１６と同様にして実行される。
上述の一連の工程Ｓ２１〜Ｓ２７からなる１サイクルをＰＳＡ分離装置Ｘ２において繰り返し行うことにより、原料ガスから酸素を分離して濃縮酸素ガスを得ることができる。
第１および第２の実施形態では、上述のように、第１昇圧工程Ｓ１５，Ｓ２６に続いて第２昇圧工程Ｓ１６，Ｓ２７が行われる。本発明では、このような構成に代えて、第２昇圧工程Ｓ１６，Ｓ２７を行わずに、第１昇圧工程Ｓ１５，Ｓ２６に続いて吸着工程Ｓ１１，Ｓ２１を行ってもよい。
【実施例１】  図１に示すようなＰＳＡ分離装置Ｘ１を使用して、図２および図３Ａ〜図３Ｆに示す各工程からなる１サイクルを繰り返し行うことによって、原料ガス（空気）からの酸素の分離を行った。本実施例は、第１の実施形態に対応する。
本実施例では、吸着塔１に充填する吸着剤としてＬｉ−Ｘ型ゼオライトモレキュラシーブを採用した。吸着工程Ｓ１１における吸着塔１内の最高圧力は５０ｋＰａとし、回収工程Ｓ１２における最終圧力は１７ｋＰａとし、脱着工程Ｓ１３における最低圧力は−５０ｋＰａとした。洗浄工程Ｓ１４では、流量調節弁５を適切に調節することにより、吸着塔１内を−５０ｋＰａに維持した。第１昇圧工程Ｓ１５にて製品ガスバッファ槽２から吸着塔１に導入した酸素富化ガスの量は、吸着剤ｋｇあたり１．６Ｎｄｍ３とした。また、１サイクルを４０秒で行った。これらの条件は図７の表に掲げる。
本実施例における吸着塔１の内部圧力の変化を、図８のグラフにて太線Ｅ１で表す。図８のグラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は吸着塔１の内部圧力（ｋＰａ）を表す。
本実施例に係る方法によると、純度９３ｖｏｌ％の濃縮酸素ガスを０．０７２５（Ｎｍ３／ｈｒ・吸着剤ｋｇ）取得することができた。原料ガスに対する酸素回収率は５０％であった。これらの結果は図７の表に掲げる。
図７の表に記載されている単位“Ｎｄｍ３／吸着剤ｋｇ”および単位“Ｎｍ３／ｈｒ・吸着剤ｋｇ”に含まれる“Ｎ”は、当該単位が付されている数値が標準状態換算値であることを意味する。
【実施例２】  図４に示すようなＰＳＡ分離装置Ｘ２を使用して、図５および図６Ａ〜図６Ｇに示す各工程からなる１サイクルを繰り返し行うことによって、原料ガス（空気）からの酸素の分離を行った。本実施例は、第２の実施形態に対応する。
本実施例では、第１回収工程Ｓ２２における最終圧力は２７ｋＰａとし、第２回収工程Ｓ２３における最終圧力は０ｋＰａとした。第１昇圧工程Ｓ１５にて回収槽３Ａから吸着塔１に導入した準酸素富化ガスの量は、吸着剤ｋｇあたり１．６Ｎｄｍ３とした。他の条件については、実施例１と同様である。これらの条件は図７の表に掲げる。
本実施例における吸着塔１の内部圧力の変化を、図９のグラフにて太線Ｅ２で表す。図９のグラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は吸着塔１の内部圧力（ｋＰａ）を表す。
本実施例に係る方法によると、純度９３ｖｏｌ％の濃縮酸素ガスを０．０７２０（Ｎｍ３／ｈｒ・吸着剤ｋｇ）取得することができた。原料ガスに対する酸素回収率は５１％であった。これらの結果は図７の表に掲げる。
〔比較例〕
洗浄工程以外は実施例１と同様にして、原料ガス（空気）からの酸素の分離を行った。本比較例の洗浄工程では、ＰＳＡ分離装置Ｘ１の流量調節弁５の開度を一定に保った。その結果、本比較例の洗浄工程においては、図８のグラフにて破線Ｃで示すように、吸着塔１の内部圧力は−５０〜−４０ｋＰａの範囲で変動した。他の工程における条件および圧力変化については、実施例１と同様である。
本比較例に係る方法により、純度９３ｖｏｌ％の濃縮酸素ガスが０．０６５１（Ｎｍ３／ｈｒ・吸着剤ｋｇ）取得された。原料ガスに対する酸素回収率は４３％であった。これらの結果は図７の表に掲げる。
〔評価〕
洗浄工程における吸着塔１の内部圧力が一定となるように制御された実施例１，２の方法によると、そのような圧力制御が行われていない比較例の方法によるよりも、図７の表に示すように、高い酸素ガス取得量および高い酸素ガス回収率を達成することができる。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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