(57)【要約】【課題】ＰＳＡ法を用いた吸着分離においてパージ工程を行うことなく、空気から酸素を効率的に分離し、高濃度の酸素を得る。【解決手段】窒素を主として吸着する吸着材が充填されたＰＳＡ吸着塔１に空気を導入し、ガス吸着を行う工程Ａ1、又は、酸素を選択的に透過させる膜分離装置３に空気を導入し、空気よりも酸素濃度が高いガスｇ１を分離する工程Ａ2と、工程Ａ1で吸着されることなく排気されたガスｇ１又は工程Ａ2で分離されたガスｇ１を、酸素を主として吸着する吸着材が充填されたＰＳＡ吸着塔２に導入し、ガス吸着を行う工程Ｂと、この工程ＢでＰＳＡ吸着塔２に吸着されたガスｇ２を脱着し、高酸素濃度ガスとして回収する工程Ｃを有する。酸素を吸着するＰＳＡ吸着塔２に対し、事前にＰＳＡ吸着塔１又は膜分離装置３において酸素濃度を高めたガスを導入することにより、ＰＳＡ吸着塔２においてパージ工程を行うことなく、空気から酸素を効率的に分離し、高濃度の酸素ガスを得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（１）に空気を導入し、ガス吸着を行う工程（Ａ1）と、
工程（Ａ1）で吸着塔（１）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ１）を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（２）に導入し、ガス吸着を行う工程（Ｂ）と、
工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されたガス（ｇ２）を脱着し、高酸素濃度ガスとして回収する工程（Ｃ）を有することを特徴とする酸素分離方法。
【請求項２】
工程（Ａ1）で吸着塔（１）に吸着されることなく排気された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）と、工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を熱交換し、ガス（ｇ３）の顕熱でガス（ｇ１）を昇温させることを特徴とする請求項１に記載の酸素分離方法。
【請求項３】
工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を、工程（Ａ1）のために吸着塔（１）に導入される前の空気に混合することを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素分離方法。
【請求項４】
直列に接続された吸着塔（１）と吸着塔（２）からなる吸着塔列を２列有する設備において、一方の吸着塔列で工程（Ａ1）と工程（Ｂ）を行うとともに、他方の吸着塔列で工程（Ｃ）を行い、且つこれを２つの吸着塔列で交互に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸素分離方法。
【請求項５】
一方の吸着塔列の工程（Ｃ）において吸着塔（２）から脱着されたガス（ｇ２）と、他方の吸着塔列の工程（Ａ1）で吸着塔（１）に吸着されることなく排気された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）を熱交換し、ガス（ｇ２）の顕熱でガス（ｇ１）を昇温させることを特徴とする請求項４に記載の酸素分離方法。
【請求項６】
主として酸素を選択的に透過させて分離する分離膜を備えた膜分離装置（３）に空気を導入し、空気よりも酸素濃度が高いガス（ｇ１）を分離する工程（Ａ2）と、
工程（Ａ2）で分離されたガス（ｇ１）を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（２）に導入し、ガス吸着を行う工程（Ｂ）と、
工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されたガス（ｇ２）を脱着し、高酸素濃度ガスとして回収する工程（Ｃ）を有することを特徴とする酸素分離方法。
【請求項７】
工程（Ａ2）で分離された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）と、工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を熱交換し、ガス（ｇ３）の顕熱でガス（ｇ１）を昇温させることを特徴とする請求項６に記載の酸素分離方法。
【請求項８】
工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を、工程（Ａ2）のために吸着塔（１）に導入される前の空気に混合することを特徴とする請求項６又は７に記載の酸素分離方法。
【請求項９】
２基の並列した吸着塔（２）を有し、これら吸着塔（２）が２つに分岐した接続管を介して膜分離装置（３）に直列に接続された設備において、一方の吸着塔（２）で工程（Ｂ）を行うとともに、他方の吸着塔（２）で工程（Ｃ）を行い、且つこれを２つの吸着塔（２）で交互に行うことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の酸素分離方法。
【請求項１０】
一方の吸着塔（２）の工程（Ｃ）で脱着されたガス（ｇ２）と、工程（Ａ2）で分離された後、他方の吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）を熱交換し、ガス（ｇ２）の顕熱でガス（ｇ１）を昇温させることを特徴とする請求項９に記載の酸素分離方法。
【請求項１１】
圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（１）と、
圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填され、吸着塔（１）に直列に接続された吸着塔（２）と、
吸着塔（１）に空気を供給する送風手段（４）と、
吸着塔（２）に吸着されたガス（ｇ２）を脱着時に排気する排気手段（５）を備え、
排気手段（５）で排気されたガス（ｇ２）が高酸素濃度ガスとして回収されるようにしたことを特徴とする酸素分離設備。
【請求項１２】
さらに、吸着塔（１）に吸着されることなく排気された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）と、吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を熱交換する熱交換器（２４）を備えることを特徴とする請求項１１に記載の酸素分離設備。
【請求項１３】
吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）の排気管（１８）を、送風手段（４）が設けられた空気供給管（８）であって、送風手段（４）の上流側の管部位置に接続したことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の酸素分離設備。
【請求項１４】
直列に接続された吸着塔（１）と吸着塔（２）からなる吸着塔列を２列有し、
２つの吸着塔列で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、該配管系に送風手段（４）と排気手段（５）を設けたことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の酸素分離設備。
【請求項１５】
さらに、一方の吸着塔列の吸着塔（２）から脱着されたガス（ｇ２）と、他方の吸着塔列の吸着塔（１）に吸着されることなく排気された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）を熱交換する熱交換器（２５）を備えることを特徴とする請求項１４に記載の酸素分離設備。
【請求項１６】
主として酸素を選択的に透過させて分離する分離膜を備えた膜分離装置（３）と、
圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填され、膜分離装置（３）に直列に接続された吸着塔（２）と、
膜分離装置（３）に空気を供給する送風手段（４）と、
吸着塔（２）に吸着されたガス（ｇ２）を脱着時に排気する排気手段（５）を備え、
排気手段（５）で排気されたガス（ｇ２）が高酸素濃度ガスとして回収されるようにしたことを特徴とする酸素分離設備。
【請求項１７】
さらに、膜分離装置（３）で分離された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）と、吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を熱交換する熱交換器（２４）を備えることを特徴とする請求項１６に記載の酸素分離設備。
【請求項１８】
吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）の排気管（１８）を、送風手段（４）が設けられた空気供給管（８）であって、送風手段（４）の上流側の管部位置に接続したことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の酸素分離設備。
【請求項１９】
２基の並列した吸着塔（２）を有し、これら吸着塔（２）が２つに分岐した接続管を介して膜分離装置（３）に直列に接続され、
前記接続管を含めた配管系であって、２つの吸着塔（２）で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、該配管系に排気手段（５）を設けたことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれかに記載の酸素分離設備。
【請求項２０】
さらに、一方の吸着塔（２）から脱着されたガス（ｇ２）と、膜分離装置（３）で分離された後、他方の吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）を熱交換する熱交換器（２５）を備えることを特徴とする請求項１９に記載の酸素分離設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力スイング吸着法を利用して、空気から酸素を分離するための酸素分離方法及び設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素は製鉄業において重要な素材であり、国内の酸素需要の約３割を占める。鉄鉱石から粗鋼を製造する際には１トン当たり１２０Ｎｍ３程度の酸素が使用されており、また、昨今のさらなる省エネルギーの必要性から、空気ではなく酸素或いは酸素富化空気を利用した燃焼を指向する傾向が高まっている。このため、酸素の製造コストの低減は産業界における重要課題の一つとも言える。
【０００３】
酸素は空気を原料としたガス分離法によって製造されるのが一般的であり、製鉄所のように大量に酸素を必要とする場合には、酸素の製造に深冷分離法が用いられている。酸素製造の原単位としては、現状では深冷分離法が有利であるが、この方法は、空気を液化して酸素と窒素の沸点差を利用して酸素を分離することから設備規模が大きくなりやすい。このため、原単位では劣るものの、設備がコンパクト化し易い圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）や膜分離法も利用されている。
【０００４】
酸素製造（分離）原単位の削減のために、これまでも多くの試みがなされてきており、特にＰＳＡ法に使用する吸着材や膜材料の提案がなされてきた。吸着材では、リチウムを置換又は担持したゼオライトが窒素に対する吸着性が高いことから、空気から窒素を分離して酸素を得るＰＳＡ装置に実用化されている。また、膜材料では、ポリエチレンテレフタル酸樹脂膜を化学的修飾して酸素透過性を高めた機能性高分子膜が開発され、実用化されている。
【０００５】
また、最近では、ペロブスカイトと呼ばれる無機化合物を吸着材や膜材料として使用する提案がなされている。ペロブスカイトとは一種類の化合物名ではなく、特徴的な結晶構造を有する様々な化合物の総称であり、一般的な表現はＡＢＯｘである。通常、ＡおよびＢの元素に限定はないが、特に酸素の分離に使用されるものは、Ａは第２族、第３族およびランタノイドに属する元素（Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａなど）であり、Ｂは第７族から第９族に属する元素（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏなど）であり、それぞれ１種類の元素であっても、複数種類の元素であってもよい。ペロブスカイトは、温度あるいは酸素分圧の変化により結晶構造が変化し、構造中のＯの数（ｘ）が変わることで酸素を吸収、放出するのが特徴である。この性質を利用したガス分離方法として、圧力スイング吸着法や温度スイング吸着法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−０９７９４１号公報
【特許文献２】特開２００８−０１２４３９号公報
【特許文献３】特開２０１０−０１２３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の圧力スイング吸着法では、ガス分離工程として、空気を導入して吸着材に酸素を吸着させる「吸着工程」と、吸着材から真空ポンプ等の排気手段を使って酸素を脱着させる「脱着工程」が最低限必要であるが、一般に吸着工程と脱着工程のみでは分離されるガスの酸素濃度を９５vol％以上とすることは難しい。酸素濃度をさらに高めるには、吸着塔内の酸素濃度を高めるための「パージ」と呼ばれる工程が必要となり、このため設備の構造（配管や切り替えのための弁など）が複雑になるという問題がある。
【０００８】
したがって本発明の目的は、ＰＳＡ法を用いた吸着分離においてパージ工程を行うことなく、空気から酸素を効率的に分離し、高濃度の酸素を得ることができる酸素分離方法及び設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記のような従来技術の課題を解決すべく検討を重ねた結果、ＰＳＡ法により酸素を吸着する吸着塔に対し、空気を直接導入するのではなく、事前にＰＳＡ法又は膜分離法によって空気から窒素を分離して酸素濃度を高めたガスを導入することにより、ＰＳＡにおいてパージ工程を行うことなく、空気から酸素を効率的に分離し、高濃度の酸素ガスが得られることを見出した。
【００１０】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（１）に空気を導入し、ガス吸着を行う工程（Ａ1）と、工程（Ａ1）で吸着塔（１）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ１）を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（２）に導入し、ガス吸着を行う工程（Ｂ）と、工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されたガス（ｇ２）を脱着し、高酸素濃度ガスとして回収する工程（Ｃ）を有することを特徴とする酸素分離方法。
［2］上記［1］の酸素分離方法において、工程（Ａ1）で吸着塔（１）に吸着されることなく排気された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）と、工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を熱交換し、ガス（ｇ３）の顕熱でガス（ｇ１）を昇温させることを特徴とする酸素分離方法。
【００１１】
［3］上記［1］又は［2］の酸素分離方法において、工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を、工程（Ａ1）のために吸着塔（１）に導入される前の空気に混合することを特徴とする酸素分離方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの酸素分離方法において、直列に接続された吸着塔（１）と吸着塔（２）からなる吸着塔列を２列有する設備において、一方の吸着塔列で工程（Ａ1）と工程（Ｂ）を行うとともに、他方の吸着塔列で工程（Ｃ）を行い、且つこれを２つの吸着塔列で交互に行うことを特徴とする酸素分離方法。
［5］上記［4］の酸素分離方法において、一方の吸着塔列の工程（Ｃ）において吸着塔（２）から脱着されたガス（ｇ２）と、他方の吸着塔列の工程（Ａ1）で吸着塔（１）に吸着されることなく排気された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）を熱交換し、ガス（ｇ２）の顕熱でガス（ｇ１）を昇温させることを特徴とする酸素分離方法。
【００１２】
［6］主として酸素を選択的に透過させて分離する分離膜を備えた膜分離装置（３）に空気を導入し、空気よりも酸素濃度が高いガス（ｇ１）を分離する工程（Ａ2）と、工程（Ａ2）で分離されたガス（ｇ１）を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（２）に導入し、ガス吸着を行う工程（Ｂ）と、工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されたガス（ｇ２）を脱着し、高酸素濃度ガスとして回収する工程（Ｃ）を有することを特徴とする酸素分離方法。
［7］上記［6］の酸素分離方法において、工程（Ａ2）で分離された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）と、工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を熱交換し、ガス（ｇ３）の顕熱でガス（ｇ１）を昇温させることを特徴とする酸素分離方法。
【００１３】
［8］上記［6］又は［7］の酸素分離方法において、工程（Ｂ）で吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を、工程（Ａ2）のために吸着塔（１）に導入される前の空気に混合することを特徴とする酸素分離方法。
［9］上記［6］〜［8］のいずれかの酸素分離方法において、２基の並列した吸着塔（２）を有し、これら吸着塔（２）が２つに分岐した接続管を介して膜分離装置（３）に直列に接続された設備において、一方の吸着塔（２）で工程（Ｂ）を行うとともに、他方の吸着塔（２）で工程（Ｃ）を行い、且つこれを２つの吸着塔（２）で交互に行うことを特徴とする酸素分離方法。
［10］上記［9］の酸素分離方法において、一方の吸着塔（２）の工程（Ｃ）で脱着されたガス（ｇ２）と、工程（Ａ2）で分離された後、他方の吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）を熱交換し、ガス（ｇ２）の顕熱でガス（ｇ１）を昇温させることを特徴とする酸素分離方法。
【００１４】
［11］圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔（１）と、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填され、吸着塔（１）に直列に接続された吸着塔（２）と、吸着塔（１）に空気を供給する送風手段（４）と、吸着塔（２）に吸着されたガス（ｇ２）を脱着時に排気する排気手段（５）を備え、排気手段（５）で排気されたガス（ｇ２）が高酸素濃度ガスとして回収されるようにしたことを特徴とする酸素分離設備。
［12］上記［11］の酸素分離設備において、さらに、吸着塔（１）に吸着されることなく排気された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）と、吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を熱交換する熱交換器（２４）を備えることを特徴とする酸素分離設備。
【００１５】
［13］上記［11］又は［12］の酸素分離設備において、吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）の排気管（１８）を、送風手段（４）が設けられた空気供給管（８）であって、送風手段（４）の上流側の管部位置に接続したことを特徴とする酸素分離設備。
［14］上記［11］〜［13］のいずれかの酸素分離設備において、直列に接続された吸着塔（１）と吸着塔（２）からなる吸着塔列を２列有し、２つの吸着塔列で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、該配管系に送風手段（４）と排気手段（５）を設けたことを特徴とする酸素分離設備。
［15］上記［14］の酸素分離設備において、さらに、一方の吸着塔列の吸着塔（２）から脱着されたガス（ｇ２）と、他方の吸着塔列の吸着塔（１）に吸着されることなく排気された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）を熱交換する熱交換器（２５）を備えることを特徴とする酸素分離設備。
【００１６】
［16］主として酸素を選択的に透過させて分離する分離膜を備えた膜分離装置（３）と、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填され、膜分離装置（３）に直列に接続された吸着塔（２）と、膜分離装置（３）に空気を供給する送風手段（４）と、吸着塔（２）に吸着されたガス（ｇ２）を脱着時に排気する排気手段（５）を備え、排気手段（５）で排気されたガス（ｇ２）が高酸素濃度ガスとして回収されるようにしたことを特徴とする酸素分離設備。
［17］上記［16］の酸素分離設備において、さらに、膜分離装置（３）で分離された後、吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）と、吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）を熱交換する熱交換器（２４）を備えることを特徴とする酸素分離設備。
【００１７】
［18］上記［16］又は［17］の酸素分離設備において、吸着塔（２）に吸着されることなく排気されたガス（ｇ３）の排気管（１８）を、送風手段（４）が設けられた空気供給管（８）であって、送風手段（４）の上流側の管部位置に接続したことを特徴とする酸素分離設備。
［19］上記［16］〜［18］のいずれかの酸素分離設備において、２基の並列した吸着塔（２）を有し、これら吸着塔（２）が２つに分岐した接続管を介して膜分離装置（３）に直列に接続され、前記接続管を含めた配管系であって、２つの吸着塔（２）で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、該配管系に排気手段（５）を設けたことを特徴とする酸素分離設備。
［20］上記［19］の酸素分離設備において、さらに、一方の吸着塔（２）から脱着されたガス（ｇ２）と、膜分離装置（３）で分離された後、他方の吸着塔（２）に導入される前のガス（ｇ１）を熱交換する熱交換器（２５）を備えることを特徴とする酸素分離設備。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＰＳＡ法により酸素を吸着する吸着塔に対し、空気を直接導入するのではなく、事前にＰＳＡ法又は膜分離法によって空気から窒素を分離して酸素濃度を高めたガスを導入することにより、ＰＳＡおいてパージ工程を行うことなく、空気から酸素を効率的に分離し、高濃度の酸素ガスを得ることができる。
また、事前にＰＳＡ法又は膜分離法によって空気から窒素を分離して酸素濃度を高めたガスを、ＰＳＡ法により酸素を吸着する吸着塔に導入する前に、当該吸着塔から排気された高温の脱着ガスや非吸着ガスとの熱交換で昇温させる方法の場合には、ＰＳＡ法により酸素を吸着する吸着塔から排気されるガスによる熱ロスを小さくすることができる。
さらに、ＰＳＡ法により酸素を吸着する吸着塔に吸着されることなく排気されたガスを原料の空気に混合し、原料の一部として再利用する方法の場合には、酸素の回収率をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る第一の酸素分離設備の一実施形態を示す構成図
【図２】本発明に係る第一の酸素分離方法の一実施形態（図１の酸素分離設備を用いた実施形態）において、第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａが吸着工程、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図
【図３】本発明に係る第一の酸素分離方法の一実施形態（図１の酸素分離設備を用いた実施形態）において、第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａが脱着工程、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図
【図４】本発明に係る第一の酸素分離設備の他の実施形態を示す構成図
【図５】本発明に係る第一の酸素分離方法の他の実施形態（図４の酸素分離設備を用いた実施形態）において、第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａが吸着工程、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図
【図６】本発明に係る第一の酸素分離方法の他の実施形態（図４の酸素分離設備を用いた実施形態）において、第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａが脱着工程、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図
【図７】本発明に係る第二の酸素分離設備の一実施形態を示す構成図
【図８】本発明に係る第二の酸素分離方法の一実施形態（図７の酸素分離設備を用いた実施形態）において、吸着塔２ａが吸着工程、吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図
【図９】本発明に係る第二の酸素分離方法の一実施形態（図７の酸素分離設備を用いた実施形態）において、吸着塔２ａが脱着工程、吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図
【図１０】本発明に係る第二の酸素分離設備の他の実施形態を示す構成図
【図１１】本発明に係る第二の酸素分離方法の他の実施形態（図１０の酸素分離設備を用いた実施形態）において、吸着塔２ａが吸着工程、吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図
【図１２】本発明に係る第二の酸素分離方法の他の実施形態（図１０の酸素分離設備を用いた実施形態）において、吸着塔２ａが脱着工程、吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る第一の酸素分離方法及び設備について説明する。
この酸素分離方法は、空気から酸素を分離するための方法であり、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔１に空気を導入し、ガス吸着を行う工程Ａ1と、この工程Ａ1で吸着塔１に吸着されることなく排気されたガスｇ１を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔２に導入し、ガス吸着を行う工程Ｂと、この工程Ｂで吸着塔２に吸着されたガスｇ２を脱着し、高酸素濃度ガスとして回収する工程Ｃを有する。この酸素分離方法は、工程Ａ1と工程Ｂでガス分離を行うことにより高酸素濃度ガスを得るものであり、このため、工程Ｂの吸着工程と工程Ｃの脱着工程間でパージ工程は行わない。
また、この酸素分離方法の好ましい形態では、直列に接続された吸着塔１と吸着塔２からなる吸着塔列を２列有する設備において、一方の吸着塔列で工程Ａ1と工程Ｂを行うとともに、他方の吸着塔列で工程Ｃを行い、且つこれを２つの吸着塔列で交互に行う。
【００２１】
また、この酸素分離方法の実施に供する酸素分離設備は、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔１と、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填され、吸着塔１に直列に接続された吸着塔２と、吸着塔１に空気を供給する送風手段４と、吸着塔２に吸着されたガスｇ２を脱着時に排気する排気手段５を備え、排気手段５で排気されたガスｇ２が高酸素濃度ガスとして回収されるようにしたものである。この酸素分離設備のガス分離手段は、直列に接続された吸着塔１と吸着塔２からなるが、上記のように工程Ｂの吸着工程と工程Ｃの脱着工程間でパージ工程は行わないため、この酸素分離設備は、パージ工程を行うための設備構成は備えない。
また、この酸素分離装置の好ましい形態では、直列に接続された吸着塔１と吸着塔２からなる吸着塔列を２列有し、２つの吸着塔列で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、この配管系に送風手段４と排気手段５を設ける。
【００２２】
図１は、本発明の酸素分離設備の一実施形態を示すものである。
この酸素分離設備は、圧力スイング吸着方式による吸着塔として、窒素を主として吸着する吸着材が充填された２基の吸着塔１ａ，１ｂと、酸素を主として吸着する吸着材が充填された２基の吸着塔２ａ，２ｂを備えている。そして、吸着塔１ａと吸着塔２ａが接続管６ａにより、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが接続管６ｂにより、それぞれ直列に接続されており、したがって、直列に接続された吸着塔１（窒素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔）と吸着塔２（酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔）とからなる吸着塔列を２列有している。接続管６ａの両端は、吸着塔１ａの上端と吸着塔２ａの下端にそれぞれ接続され、また、接続管６ｂの両端は、吸着塔１ｂの上端と吸着塔２ｂの下端にそれぞれ接続されている。
【００２３】
吸着塔１ａ，１ｂに充填される窒素を主として吸着する吸着材とは、空気を通したときに窒素の吸着容量が酸素の吸着容量に較べて大きい吸着材である。この吸着材は、窒素を主として吸着できるものであれば、その種類に特別な制限はないが、吸着性能の面からは、リチウムを置換又は担持したゼオライト（Ｌｉ置換又は担持ゼオライト）が特に好ましい。
吸着塔２ａ，２ｂは、それぞれ吸着塔を５００〜６００℃程度まで加熱するための加熱手段１０を備えている。この加熱手段１０は、吸着塔を外囲するように設置される電熱ヒーター等で構成される。
【００２４】
吸着塔２ａ，２ｂに充填される酸素を主として吸着する吸着材とは、空気を通したときに酸素の吸着容量が窒素の吸着容量に較べて大きい吸着材である。この吸着材は、酸素を主として吸着できるものであれば、その種類に特別な制限はないが、吸着性能の面からはペロブスカイト型吸着材が望ましい。先に述べたように、ペロブスカイトの構造の一般的な表現はＡＢＯｘである。このＡおよびＢの元素に限定はないが、特に本発明のように酸素の分離に使用するものは、Ａは第２族、第３族およびランタノイドに属する元素（Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａなど）であり、Ｂは第７族から第９族に属する元素（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏなど）であり、それぞれ、それらの中から選ばれる１種類の元素であっても、複数種類の元素であってもよい。ペロブスカイトは、温度あるいは酸素分圧の変化により結晶構造が変化し、構造中のＯの数（ｘ）が変わることで酸素を吸収、放出する。ペロブスカイト型吸着材としては、例えば、ＳｒＦｅＯｘ、ＢａＦｅＯｘ、ＳｒＮｉＯｘ、ＳｒＣｏＯｘや、特開２００５−８７９４１号公報、特開２００８−１２４３９号公報に示されるものなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２５】
送風手段４はブロア等で構成され、吸着塔１ａ，１ｂに空気を供給する空気供給管８に設けられている。この空気供給管８の下流側は、吸着塔１ａ，１ｂに対応して２本の分岐供給管８０ａ，８０ｂに分岐している。
吸着塔１ａ，１ｂの吸着ガスを排気するガス排気管９には、真空ポンプ等で構成される排気手段７が設けられている。このガス排気管９の上流側は、吸着塔１ａ，１ｂに対応して２本の分岐排気管９０ａ，９０ｂに分岐している。
そして、分岐供給管８０ａと分岐排気管９０ａが合流してガス給排管１１ａとなり、このガス給排管１１ａが吸着塔１ａの一端（下部側）に接続されている。また、分岐供給管８０ｂと分岐排気管９０ｂが合流してガス給排管１１ｂとなり、このガス給排管１１ｂが吸着塔１ｂの一端（下部側）に接続されている。
【００２６】
排気手段５は真空ポンプ等で構成され、吸着塔２ａ，２ｂの吸着ガスを排気するガス排気管１２に設けられている。このガス排気管１２の上流側は、吸着塔２ａ，２ｂに対応して２本の分岐排気管１２０ａ，１２０ｂに分岐している。
そして、吸着塔１ａと吸着塔２ａを接続する接続管６ａの途中に分岐排気管１２０ａが合流（接続）し、また、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂを接続する接続管６ｂの途中に分岐排気管１２０ｂが合流（接続）している。
吸着塔２ａ，２ｂを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するためのガス排気管１８は、その上流側が吸着塔２ａ，２ｂに対応して２本の分岐排気管１８０ａ，１８０ｂに分岐し、これら分岐排気管１８０ａ，１８０ｂが、吸着塔２ａ，２ｂの上端に接続されている。
【００２７】
分岐供給管８０ａ，８０ｂ、分岐排気管９０ａ，９０ｂ、接続管６ａ，６ｂ、分岐排出管１２０ａ，１２０ｂ、分岐排気管１８０ａ，１８０ｂには、それぞれ開閉弁１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ（自動開閉弁）が設けられ、吸脱着の各工程に応じて開閉されるようになっている。また、ガス排気管１８には背圧弁１９が設けられ、吸着塔内を所定圧力に維持しつつ非吸着ガスを排出できるようにしている。
本発明の酸素分離設備の操業では、後述するように、各吸着塔２ａ，２ｂにおいて、吸着工程と脱着工程間でパージ工程は行わないため、パージ工程を行うための設備構成は備えない。
【００２８】
以下、図１の酸素分離設備を用いた本発明の酸素分離方法の一実施形態について、図２及び図３に基づいて説明する。図２は、第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａが吸着工程、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図、図３は、第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａが脱着工程、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図である。図２及び図３において、太線がガスの流れている流路を示し、開閉弁のなかで黒塗りが閉状態のもの、白抜きが開状態のものである。
なお、吸着塔２ａ，２ｂは、必要に応じて、加熱手段１０により吸着材の酸素吸着・脱着に必要な温度まで加熱される。
【００２９】
図２において、原料である空気ｇ０は、送風手段４によって空気供給管８、分岐供給管８０ａ、ガス給排気管１１ａを通じて吸着塔１ａに導入され、塔内に充填された吸着材（窒素を主として吸着する吸着材）に窒素が主として吸着される（工程Ａ1）。吸着塔１ａで窒素が吸着されることで酸素が濃縮されたガスｇ１は、非吸着ガスとして塔上部から排気され、接続管６ａを通じて吸着塔２ａに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ｂ）。この結果、吸着塔２ａには高酸素濃度ガス（ガスｇ２）が吸着された状態となる。吸着塔２ａに吸着されることなく排気されたガスｇ３（非吸着ガス）は、分岐排出管１８０ａ、ガス排出管１８を通じて背圧弁１９を介して排気される。
【００３０】
一方、上記のように吸着塔１ａ，２ａでガス吸着が行われる工程Ａ1，工程Ｂの間、前回行われた工程Ｂで吸着塔２ｂ内の吸着材に吸着されているガスｇ２（高酸素濃度ガス）が、排気手段５によって吸着塔２ｂから脱着され、接続管６ｂの一部、分岐排気管１２０ｂ、ガス排気管１２を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｃ）。この吸着塔２ｂでのＰＳＡでは、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
また、前回行われた工程Ａ1で窒素が主として吸着された吸着塔１ｂから排気手段７により窒素が多いガスｇ４が脱着され、ガス給排管１１ｂ、分岐排気管９０ｂ、ガス排気管９を通じて排気される。なお、この吸着塔１ｂでのＰＳＡでも、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００３１】
図２の状態で第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａ、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂによる上記工程が完了した時点で、開閉弁の開閉状態を図３に示すように変更して吸着工程を行う吸着塔列と脱着工程を行う吸着塔列との切り替えを行い、以下のようなガス分離を行う。
図３において、原料である空気ｇ０は、送風手段４によって空気供給管８、分岐供給管８０ｂ、ガス給排気管１１ｂを通じて吸着塔１ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（窒素を主として吸着する吸着材）に窒素が主として吸着される（工程Ａ1）。吸着塔１ｂで窒素が吸着されることで酸素が濃縮されたガスｇ１は、非吸着ガスとして塔上部から排気され、接続管６ｂを通じて吸着塔２ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ｂ）。この結果、吸着塔２ｂには高酸素濃度ガス（ガスｇ２）が吸着された状態となる。吸着塔２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ３（非吸着ガス）は、分岐排出管１８０ｂ、ガス排出管１８を通じて背圧弁１９を介して排気される。
【００３２】
一方、上記のように吸着塔１ｂ，２ｂでガス吸着が行われる工程Ａ1，工程Ｂの間、前回行われた工程Ｂで吸着塔２ａ内の吸着材に吸着されているガスｇ２（高酸素濃度ガス）が、排気手段５によって吸着塔２ａから脱着され、接続管６ａの一部、分岐排気管１２０ａ、ガス排気管１２を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｃ）。この吸着塔２ａでのＰＳＡでは、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
また、前回行われた工程Ａで窒素が主として吸着された吸着塔１ａから排気手段７により窒素が多いガスｇ４が脱着され、ガス給排管１１ａ、分岐排気管９０ａ、ガス排気管９を通じて排気される。なお、この吸着塔１ａでのＰＳＡでも、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００３３】
以上の図２、図３の工程を繰り返し行うことで、原料である空気ｇ０から高酸素濃度ガス（ガスｇ２）を連続的に得ることができる。
この酸素分離方法では、吸着塔２（２ａ，２ｂ）でのＰＳＡの吸着工程と脱着工程間でのパージ工程が行われないが、吸着塔２（２ａ，２ｂ）には、事前に吸着塔１（１ａ，１ｂ）で空気から窒素を吸着分離して酸素濃度を高めたガスを導入されるので、吸着塔２（２ａ，２ｂ）には高濃度に濃縮された酸素が吸着され、これを高酸素濃度ガスとして回収することができる。
【００３４】
本発明は、第一段のＰＳＡ装置（吸着塔１）で事前に空気から窒素を分離して酸素濃度を高めたガスとし、このガスを第二段のＰＳＡ装置（吸着塔２）に導入して酸素を吸着し、このＰＳＡ装置（吸着塔２）の脱着ガスを高酸素濃度ガスとして回収するものであるが、上述した実施形態のように、直列に接続された２段のＰＳＡ装置（吸着塔１，２）でガスの吸着・脱着を行うだけでは、得られる酸素回収率には一定の限界がある。
また、さきに述べたように、吸着塔２に充填される吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）としては、吸着性能の面からペロブスカイト型吸着材が好ましいが、この吸着材は５００〜６００℃といった高温状態で使用される（酸素の吸着・脱着）ものであり、このため吸着材の熱が吸着塔２から排出されるガスに着熱して熱ロスとなる問題がある。
【００３５】
本発明の酸素分離方法は、上記のような課題を解決するために、以下のような好ましい形態を採ることができる。
（i）  工程Ａ1で吸着塔１に吸着されることなく排気された後、吸着塔２に導入される前のガスｇ１と、工程Ｂで吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３を熱交換し、ガスｇ３の顕熱でガスｇ１を昇温させる。
（ii）  工程Ｂで吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３を、工程Ａ1のために吸着塔１に導入される前の空気に混合する。
（iii）  直列に接続された吸着塔１と吸着塔２からなる吸着塔列を２列有する設備において、一方の吸着塔列で工程Ａ1と工程Ｂを行うとともに、他方の吸着塔列で工程Ｃを行い、且つこれを２つの吸着塔列で交互に行う酸素分離方法において、一方の吸着塔列の工程Ｃにおいて吸着塔２から脱着されたガスｇ２と、他方の吸着塔列の工程Ａ1で吸着塔１に吸着されることなく排気された後、吸着塔２に導入される前のガスｇ１を熱交換し、ガスｇ２の顕熱でガスｇ１を昇温させる。
【００３６】
上記（i）、（iii）により吸着塔２から排出されるガスへの着熱による熱ロスを少なくすることができるが、特に上記（i）と（iii）を組み合わせ、吸着塔２に導入する前のガスｇ１を吸着塔２から排気された高温のガスｇ２（脱着ガス）とガスｇ３（非吸着ガス）との２段階の熱交換により昇温させることにより、吸着塔２から排出されるガスへの着熱による熱ロスをより効果的に低減させることができる。また、上記（ii）により酸素回収率を高めることができる。このため上記（i）〜（iii）を組み合わせることにより、酸素回収率を高めることができるとともに、吸着塔２から排出されるガスへの着熱による熱ロスを最も効果的に低減させることができる。
【００３７】
また、この酸素分離方法の実施に供する酸素分離設備は、上記課題を解決するために、以下のような好ましい形態を採ることができる。
（1）  さらに、吸着塔１に吸着されることなく排気された後、吸着塔２に導入される前のガスｇ１と、吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３を熱交換する熱交換器２４を備える。
（2）  吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３の排気管１８を、送風手段４が設けられた空気供給管８であって、送風手段４の上流側の管部位置に接続する。
（3）  直列に接続された吸着塔１と吸着塔２からなる吸着塔列を２列有し、２つの吸着塔列で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、該配管系に送風手段４と排気手段５を設けた酸素分離設備において、さらに、一方の吸着塔列の吸着塔２から脱着されたガスｇ２と、他方の吸着塔列の吸着塔１に吸着されることなく排気された後、吸着塔２に導入される前のガスｇ１を熱交換する熱交換器２５を備える。
【００３８】
図４は、本発明の酸素分離設備の他の実施形態を示すものであり、上述した好ましい形態（1）〜（3）を備えた酸素分離設備である。
この酸素分離設備の基本構成は、図１の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
この酸素分離設備は、図１の基本構成に加えて、熱交換器２４ａ，２４ｂ、熱交換器２５ａ，２５ｂを備えている。
【００３９】
熱交換器２４ａ，２４ｂは、吸着塔１ａ，１ｂに吸着されることなく排気された後、吸着塔２ａ，２ｂに導入される前のガスｇ１と、吸着塔２ａ，２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ３（オフガス）を熱交換するものである。
したがって、熱交換器２４ａは、吸着塔２ａを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するための分岐排気管１８０ａと、吸着塔１ａと吸着塔２ａを接続する接続管６ａに対して設けられる。すなわち、熱交換器２４ａの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管１８０ａが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に接続管６ａが接続される。また、熱交換器２４ｂは、吸着塔２ｂを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するための分岐排気管１８０ｂと、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂを接続する接続管６ｂに対して設けられる。すなわち、熱交換器２４ｂの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管１８０ｂが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に接続管６ｂが接続される。
【００４０】
熱交換器２５ａ，２５ｂは、一方の吸着塔列の吸着塔２から脱着されたガスｇ２と、他方の吸着塔列の吸着塔１に吸着されることなく排気された後、吸着塔２に導入される前のガスｇ１を熱交換するものである。
したがって、熱交換器２５ａは、吸着塔２ｂの吸着ガスを排気（脱着）する分岐排気管１２０ｂと、吸着塔１ａと吸着塔２ａを接続する接続管６ａに対して設けられる。すなわち、熱交換器２５ａの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管１２０ｂが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に接続管６ａが接続される。また、熱交換器２５ｂは、吸着塔２ａの吸着ガスを排気（脱着）する分岐排気管１２０ａと、吸着塔１ｂと吸着塔２ｂを接続する接続管６ｂに対して設けられる。すなわち、熱交換器２５ｂの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管１２０ａが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に接続管６ｂが接続される。
【００４１】
接続管６ａ，６ｂにおいては、ガスｇ１の流れ方向で開閉弁１５ａ，１５ｂの下流側に熱交換器２５ａ，２５ｂ、熱交換器２４ａ，２４ｂの順で配置されている。これは、熱交換器２５ａ，２５ｂの一次側のガスｇ２と、熱交換器２４ａ，２４ｂの一次側のガスｇ３は、通常、ガス量がｇ３＞ｇ２であるため、ガス量の少ないガスｇ２を先にガスｇ１の温度が低い状態で熱交換させ、次いで、ガス量の多いガスｇ３と若干温度の上昇したガスｇ１と熱交換する方が、ガスｇ１を効率的に昇温させることができるからである。
また、吸着塔２ａ，２ｂに吸着されることなく排気されるガスｇ３の排気管１８は、送風手段４の上流側の空気供給管８に接続され、ガスｇ３が空気ｇ０に混合されるようにしている。
【００４２】
以下、図４の酸素分離設備を用いた本発明の酸素分離方法の一実施形態について、図５及び図６に基づいて説明する。図５は、第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａが吸着工程、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図、図６は、第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａが脱着工程、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図である。図５及び図６において、太線（実線、点線）がガスの流れている流路を示し、開閉弁のなかで黒塗りが閉状態のもの、白抜きが開状態のものである。
この実施形態では、吸着塔２ａ，２ｂは加熱手段１０で加熱され、塔内の吸着材は吸着工程・脱着工程とも高温状態（例えば、５００℃程度）で使用される。
【００４３】
図５において、原料である空気ｇ０（常温）は、送風手段４によって空気供給管８、分岐供給管８０ａ、ガス給排気管１１ａを通じて吸着塔１ａに導入され、塔内に充填された吸着材（窒素を主として吸着する吸着材）に窒素が主として吸着される（工程Ａ1）。吸着塔１ａで窒素が吸着されることで酸素が濃縮されたガスｇ１（常温）は、非吸着ガス（オフガス）として塔上部から排気され、接続管６ａを通じて吸着塔２ａに導入されるが、この際、熱交換器２５ａにおいて、後述する工程Ｃで吸着塔２ｂから脱着されたガスｇ２（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ２の顕熱で昇温し、さらに熱交換器２４ａにおいて、工程Ｂで吸着塔２ａに吸着されることなく排気されたガスｇ３（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ３の顕熱でさらに昇温する。このように昇温したガスｇ３が吸着塔２ａに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ｂ）。この結果、吸着塔２ａには高酸素濃度ガス（ガスｇ２）が吸着された状態となる。
【００４４】
吸着塔２ａに吸着されることなく排気されたガスｇ３（非吸着ガス）は、分岐排出管１８０ａ、ガス排出管１８を通じて背圧弁１９を介して排気されるが、このガスｇ３にはまだ相当量の酸素が含まれているため、ガス排出管１８を通じて送風手段４の上流側の空気供給管８内に導入し、空気ｇ０と混合して原料ガスの一部とする。
一方、上記のように吸着塔１ａ，２ａでガス吸着が行われる工程Ａ1，工程Ｂの間、前回行われた工程Ｂで吸着塔２ｂ内の吸着材に吸着されているガスｇ２（高酸素濃度ガス）が、排気手段５によって吸着塔２ｂから脱着され、接続管６ｂの一部、分岐排気管１２０ｂ、ガス排気管１２を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｃ）。この際、上述したようにガスｇ２（例えば、約５００℃）が、熱交換器２５ａでガスｇ１（常温）と熱交換し、ガスｇ１の昇温に利用される。この吸着塔２ｂでのＰＳＡでは、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
また、前回行われた工程Ａ1で窒素が主として吸着された吸着塔１ｂから排気手段７により窒素が多いガスｇ４が脱着され、ガス給排管１１ｂ、分岐排気管９０ｂ、ガス排気管９を通じて排気される。なお、この吸着塔１ｂでのＰＳＡでも、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００４５】
図５の状態で第１の吸着塔列を構成する吸着塔１ａと吸着塔２ａ、第２の吸着塔列を構成する吸着塔１ｂと吸着塔２ｂによる上記工程が完了した時点で、開閉弁の開閉状態を図６に示すように変更して吸着工程を行う吸着塔列と脱着工程を行う吸着塔列との切り替えを行い、以下のようなガス分離を行う。
図６において、原料である空気ｇ０（常温）は、送風手段４によって空気供給管８、分岐供給管８０ｂ、ガス給排気管１１ｂを通じて吸着塔１ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（窒素を主として吸着する吸着材）に窒素が主として吸着される（工程Ａ1）。吸着塔１ｂで窒素が吸着されることで酸素が濃縮されたガスｇ１（常温）は、非吸着ガス（オフガス）として塔上部から排気され、接続管６ｂを通じて吸着塔２ｂに導入されるが、この際、熱交換器２５ｂにおいて、後述する工程Ｃで吸着塔２ａから脱着されたガスｇ２（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ２の顕熱で昇温し、さらに熱交換器２４ｂにおいて、工程Ｂで吸着塔２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ３（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ３の顕熱でさらに昇温する。このように昇温したガスｇ３が吸着塔２ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ｂ）。この結果、吸着塔２ｂには高酸素濃度ガス（ガスｇ２）が吸着された状態となる。
【００４６】
吸着塔２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ３（非吸着ガス）は、分岐排出管１８０ｂ、ガス排出管１８を通じて背圧弁１９を介して排気されるが、このガスｇ３にはまだ相当量の酸素が含まれているため、ガス排出管１８を通じて送風手段４の上流側の空気供給管８内に導入し、空気ｇ０と混合して原料ガスの一部とする。
一方、上記のように吸着塔１ｂ，２ｂでガス吸着が行われる工程Ａ1，工程Ｂの間、前回行われた工程Ｂで吸着塔２ａ内の吸着材に吸着されているガスｇ２（高酸素濃度ガス）が、排気手段５によって吸着塔２ａから脱着され、接続管６ａの一部、分岐排気管１２０ａ、ガス排気管１２を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｃ）。この際、上述したようにガスｇ２（例えば、約５００℃）が、熱交換器２５ｂでガスｇ１（常温）と熱交換し、ガスｇ１の昇温に利用される。この吸着塔２ａでのＰＳＡでは、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
また、前回行われた工程Ａ1で窒素が主として吸着された吸着塔１ａから排気手段７により窒素が多いガスｇ４が脱着され、ガス給排管１１ａ、分岐排気管９０ａ、ガス排気管９を通じて排気される。なお、この吸着塔１ａでのＰＳＡでも、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００４７】
以上の図５、図６の工程を繰り返し行うことで、原料である空気ｇ０から高酸素濃度ガス（ガスｇ２）を連続的に得ることができる。
この酸素分離方法では、吸着塔２（２ａ，２ｂ）でのＰＳＡの吸着工程と脱着工程間でのパージ工程が行われないが、吸着塔２（２ａ，２ｂ）には、事前に吸着塔１（１ａ，１ｂ）で空気から窒素を吸着分離して酸素濃度を高めたガスを導入されるので、吸着塔２（２ａ，２ｂ）には高濃度に濃縮された酸素が吸着され、これを高酸素濃度ガスとして回収することができる。
【００４８】
また、吸着塔１から排気された常温のガスｇ１が、吸着塔２から排気された高温のガスｇ２（脱着ガス）とガスｇ３（非吸着ガス）との２段階の熱交換で昇温することにより、吸着塔２から排出されるガスへの着熱による熱ロスを効果的に低減させることができる。さらに、吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３（非吸着ガス）を原料の空気に混合し、原料ガスの一部として用いることにより、酸素の回収率を高めることができる。
【００４９】
次に、本発明に係る第二の酸素分離方法及び設備について説明する。
この酸素分離方法は、空気から酸素を分離するための方法であり、主として酸素を選択的に透過させて分離する分離膜を備えた膜分離装置３に空気を導入し、空気よりも酸素濃度が高いガスｇ１を分離する工程Ａ2と、この工程Ａ2で分離されたガスｇ１を、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填された吸着塔２に導入し、ガス吸着を行う工程Ｂと、この工程Ｂで吸着塔２に吸着されたガスｇ２を脱着し、高酸素濃度ガスとして回収する工程Ｃを有する。この酸素分離方法は、工程Ａ2と工程Ｂでガス分離を行うことにより高酸素濃度ガスを得るものであり、このため、工程Ｂの吸着工程と工程Ｃの脱着工程間でパージ工程は行わない。
また、この酸素分離方法の好ましい形態では、２つの並列した吸着塔２を有し、これら吸着塔２が２つに分岐した接続管を介して膜分離装置３に直列に接続された設備において、一方の吸着塔２で工程Ｂを行うとともに、他方の吸着塔２で工程Ｃを行い、且つこれを２つの吸着塔２で交互に行う。
【００５０】
また、この酸素分離方法の実施に供する酸素分離設備は、主として酸素を選択的に透過させて分離する分離膜を備えた膜分離装置３と、圧力スイング吸着方式による吸着塔であって、酸素を主として吸着する吸着材が充填され、膜分離装置３に直列に接続された吸着塔２と、膜分離装置３に空気を供給する送風手段４と、吸着塔２に吸着されたガスｇ２を脱着時に排気する排気手段５を備え、排気手段５で排気されたガスｇ２が高酸素濃度ガスとして回収されるようにしたものである。この酸素分離設備のガス分離手段は、直列に接続された膜分離装置３と吸着塔２からなるが、上記のように工程Ｂの吸着工程と工程Ｃの脱着工程間でパージ工程は行わないため、この酸素分離設備は、パージ工程を行うための設備構成は備えない。
また、この酸素分離装置の好ましい形態では、２つの並列した吸着塔２を有し、これら吸着塔２が２つに分岐した接続管を介して膜分離装置３に直列に接続された構成を有するとともに、前記接続管を含めた配管系であって、２つの吸着塔２で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、この配管系に排気手段５を設ける。
【００５１】
図７は、本発明の酸素分離設備の一実施形態を示すものである。
本実施形態の吸着塔２ａ，２ｂとそのオフガス排出側設備（配管、弁）は、図１の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
この酸素分離設備は、１基の膜分離装置３と、２基の並列した吸着塔２を有し、これら２基の吸着塔２が２つに分岐した接続管２０を介して膜分離装置３に直列に接続されている。すなわち、接続管２０の一端側が膜分離装置３の透過側に接続されるとともに、他端側が分岐接続管２０ａ，２０ｂに分岐し、それぞれの端部が吸着塔２ａ，２ｂの下端に接続されている。
膜分離装置３の分離膜３０は、主として酸素を選択的に透過させて分離することができる分離膜であり、公知のものを利用できる。ここで、主として酸素を選択的に透過させる分離膜とは、空気を通したときに酸素の透過速度係数が窒素の透過速度係数に較べて大きい分離膜のことである。
送風手段４はブロア等で構成され、膜分離装置３に空気を供給する空気供給管８に設けられている。
【００５２】
排気手段５は真空ポンプ等で構成され、吸着塔２ａ，２ｂの吸着ガスを排気するガス排気管２１に設けられている。このガス排気管２１の上流側は、吸着塔２ａ，２ｂに対応して２本の分岐排気管２１０ａ，２１０ｂに分岐している。
そして、膜分離装置３と吸着塔２ａを接続する分岐接続管２０ａの途中に分岐排気管２１０ａが合流（接続）し、また、膜分離装置３と吸着塔２ｂを接続する分岐接続管２０ｂの途中に分岐排気管２１０ｂが合流（接続）している。
分岐接続管２０ａ，２０ｂ、分岐排気管２１０ａ，２１０ｂには、それぞれ開閉弁２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ（自動開閉弁）が設けられ、吸脱着の各工程に応じて開閉されるようになっている。
本発明の酸素分離設備の操業では、後述するように、各吸着塔２ａ，２ｂにおいて、吸着工程と脱着工程間でパージ工程は行わないため、パージ工程を行うための設備構成は備えない。
【００５３】
以下、図７の酸素分離設備を用いた本発明の酸素分離方法の一実施形態について、図８及び図９に基づいて説明する。図８は、吸着塔２ａが吸着工程、吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図、図９は、吸着塔２ａが脱着工程、吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図である。図８及び図９において、太線がガスの流れている流路を示し、開閉弁のなかで黒塗りが閉状態のもの、白抜きが開状態のものである。
図８において、吸着塔２ａと吸着塔２ｂでのＰＳＡによるガス分離工程は、図２の実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。このＰＳＡでは吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００５４】
図８において、原料である空気ｇ０は、送風手段４によって空気供給管８を通じて膜分離装置３に導入され、分離膜３０を透過することで酸素濃度の高いガスｇ１（空気よりも酸素濃度が高いガス）が分離される（工程Ａ2）。このガスｇ１は接続管２０および分岐接続管２０ａを通じて吸着塔２ａに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ｂ）。この分離工程は、図２の吸着塔２ａの実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
一方、上記のように吸着塔２ａでガス吸着が行われる工程Ｂの間、前回行われた工程Ｂで吸着塔２ｂ内の吸着材に吸着されているガスｇ２（高酸素濃度ガス）が、排気手段５によって吸着塔２ｂから脱着され、分岐接続管２０ｂの一部、分岐排気管２１０ｂ、ガス排気管２１を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｃ）。この吸着塔２ｂでのＰＳＡでは、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００５５】
図８の状態で吸着塔２ａ，２ｂによる上記工程が完了した時点で、開閉弁の開閉状態を図９に示すように変更して吸着工程を行う吸着塔と脱着工程を行う吸着塔との切り替えを行い、以下のようなガス分離を行う。
図９においても、図８と同様に、原料である空気ｇ０が膜分離装置３に導入され、分離膜３０を透過することで酸素濃度の高いガスｇ１が分離され（工程Ａ2）、このガスｇ１は接続管２０および分岐接続管２０ｂを通じて吸着塔２ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ｂ）。この分離工程は、図３の吸着塔２ｂの実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
一方、上記のように吸着塔２ｂでガス吸着が行われる工程Ｂの間、前回行われた工程Ｂで吸着塔２ａ内の吸着材に吸着されているガスｇ２（高酸素濃度ガス）が、排気手段５によって吸着塔２ａから脱着され、分岐接続管２０ａの一部、分岐排気管２１０ａ、ガス排気管２１を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｃ）。この吸着塔２ａでのＰＳＡでは、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００５６】
以上の図８、図９の工程を繰り返し行うことで、原料である空気ｇ０から高酸素濃度ガス（ガスｇ２）を連続的に得ることができる。
この酸素分離方法では、吸着塔２（２ａ，２ｂ）でのＰＳＡの吸着工程と脱着工程間でのパージ工程が行われないが、吸着塔２（２ａ，２ｂ）には、事前に膜分離装置３において空気から窒素を分離して酸素濃度を高めたガスを導入されるので、吸着塔２（２ａ，２ｂ）には高濃度に濃縮された酸素が吸着され、これを高酸素濃度ガスとして回収することができる。
【００５７】
本発明は、膜分離装置で事前に空気から窒素を分離して酸素濃度を高めたガスとし、このガスをＰＳＡ装置（吸着塔２）に導入して酸素を吸着し、このＰＳＡ装置（吸着塔２）の脱着ガスを高酸素濃度ガスとして回収するものであるが、上述した実施形態のように、直列に接続された膜分離装置とＰＳＡ装置（吸着塔２）でガスの分離及び吸着・脱着を行うだけでは、得られる酸素回収率には一定の限界がある。
また、さきに述べたように、吸着塔２に充填される吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）としては、吸着性能の面からペロブスカイト型吸着材が好ましいが、この吸着材は５００〜６００℃といった高温状態で使用される（酸素の吸着・脱着）ものであり、このため吸着材の熱が吸着塔２から排出されるガスに着熱して熱ロスとなる問題がある。
【００５８】
本発明の酸素分離方法は、上記のような課題を解決するために、以下のような好ましい形態を採ることができる。
（i）  工程Ａ2で分離された後、吸着塔２に導入される前のガスｇ１と、工程Ｂで吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３を熱交換し、ガスｇ３の顕熱でガスｇ１を昇温させる。
（ii）  工程Ｂで吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３を、工程Ａ2のために吸着塔１に導入される前の空気に混合する。
（iii）  ２基の並列した吸着塔２を有し、これら吸着塔２が２つに分岐した接続管を介して膜分離装置３に直列に接続された設備において、一方の吸着塔２で工程Ｂを行うとともに、他方の吸着塔２で工程Ｃを行い、且つこれを２つの吸着塔２で交互に行う酸素分離方法において、一方の吸着塔２の工程Ｃで脱着されたガスｇ２と、工程Ａ2で分離された後、他方の吸着塔２に導入される前のガスｇ１を熱交換し、ガスｇ２の顕熱でガスｇ１を昇温させる。
【００５９】
上記（i）、（iii）により吸着塔２から排出されるガスへの着熱による熱ロスを少なくすることができるが、特に上記（i）と（iii）を組み合わせ、吸着塔２に導入する前のガスｇ１を吸着塔２から排気された高温のガスｇ２（脱着ガス）とガスｇ３（非吸着ガス）との２段階の熱交換により昇温させることにより、吸着塔２から排出されるガスへの着熱による熱ロスをより効果的に低減させることができる。また、上記（ii）により酸素回収率を高めることができる。このため上記（i）〜（iii）を組み合わせることにより、酸素回収率を高めることができるとともに、吸着塔２から排出されるガスへの着熱による熱ロスを最も効果的に低減させることができる。
【００６０】
また、この酸素分離方法の実施に供する酸素分離設備は、上記課題を解決するために、以下のような好ましい形態を採ることができる。
（1）  さらに、膜分離装置３で分離された後、吸着塔２に導入される前のガスｇ１と、吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３を熱交換する熱交換器２４を備える。
（2）  吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３の排気管１８を、送風手段４が設けられた空気供給管８であって、送風手段４の上流側の管部位置に接続する。
（3）  ２基の並列した吸着塔２を有し、これら吸着塔２が２つに分岐した接続管を介して膜分離装置３に直列に接続され、前記接続管を含めた配管系であって、２つの吸着塔２で吸着工程と脱着工程を交互に行うためにガスを給排気することができる配管系を備え、該配管系に排気手段５を設けた酸素分離設備において、さらに、一方の吸着塔２から脱着されたガスｇ２と、膜分離装置３で分離された後、他方の吸着塔２に導入される前のガスｇ１を熱交換する熱交換器２５を備える。
【００６１】
図１０は、本発明の酸素分離設備の他の実施形態を示すものであり、上述した好ましい形態（1）〜（3）を備えた酸素分離設備である。
この酸素分離設備の基本構成は、図７の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
この酸素分離設備は、図７の基本構成に加えて、熱交換器２４ａ，２４ｂ、熱交換器２５ａ，２５ｂを備えている。
【００６２】
熱交換器２４ａ，２４ｂは、膜分離装置３で分離された後、吸着塔２ａ，２ｂに導入される前のガスｇ１と、吸着塔２ａ，２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ３（オフガス）を熱交換するものである。
したがって、熱交換器２４ａは、吸着塔２ａを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するための分岐排気管１８０ａと、膜分離装置３と吸着塔２ａを接続する分岐接続管２０ａに対して設けられる。すなわち、熱交換器２４ａの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管１８０ａが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に分岐接続管２０ａが接続される。また、熱交換器２４ｂは、吸着塔２ｂを通過した非吸着ガス（オフガス）を排出するための分岐排気管１８０ｂと、膜分離装置３と吸着塔２ｂを接続する分岐接続管２０ｂに対して設けられる。すなわち、熱交換器２４ｂの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管１８０ｂが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に分岐接続管２０ｂが接続される。
【００６３】
熱交換器２５ａ，２５ｂは、一方の吸着塔２から脱着されたガスｇ２と、膜分離装置３で分離された後、他方の吸着塔２に導入される前のガスｇ１を熱交換するものである。
したがって、熱交換器２５ａは、吸着塔２ｂの吸着ガスを排気（脱着）する分岐排気管２１０ｂと、膜分離装置３と吸着塔２ａを接続する分岐接続管２０ａに対して設けられる。すなわち、熱交換器２５ａの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管２１０ｂが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に分岐接続管２０ａが接続される。また、熱交換器２５ｂは、吸着塔２ａの吸着ガスを排気（脱着）する分岐排気管２１０ａと、膜分離装置３と吸着塔２ｂを接続する分岐接続管２０ｂに対して設けられる。すなわち、熱交換器２５ｂの一次側流路（流路の入口・出口）に分岐排気管２１０ａが接続され、二次側流路（流路の入口・出口）に分岐接続管２０ｂが接続される。
【００６４】
分岐接続管２０ａ，２０ｂにおいては、ガスｇ１の流れ方向で開閉弁２２ａ，２２ｂの下流側に熱交換器２５ａ，２５ｂ、熱交換器２４ａ，２４ｂの順で配置されている。これは、熱交換器２５ａ，２５ｂの一次側のガスｇ２と、熱交換器２４ａ，２４ｂの一次側のガスｇ３は、通常、ガス量がｇ３＞ｇ２であるため、ガス量の少ないガスｇ２を先にガスｇ１の温度が低い状態で熱交換させ、次いで、ガス量の多いガスｇ３と若干温度の上昇したガスｇ１と熱交換する方が、ガスｇ１を効率的に昇温させることができるからである。
また、吸着塔２ａ，２ｂに吸着されることなく排気されるガスｇ３の排気管１８は、送風手段４の上流側の空気供給管８に接続され、ガスｇ３が空気ｇ０に混合されるようにしている。
【００６５】
以下、図１０の酸素分離設備を用いた本発明の酸素分離方法の一実施形態について、図１１及び図１２に基づいて説明する。図１１は、吸着塔２ａが吸着工程、吸着塔２ｂが脱着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図、図１２は、吸着塔２ａが脱着工程、吸着塔２ｂが吸着工程にあるときの開閉弁の開閉状態及びガス流れを示す説明図である。図１１及び図１２において、太線（実線、点線）がガスの流れている流路を示し、開閉弁のなかで黒塗りが閉状態のもの、白抜きが開状態のものである。
図１１において、吸着塔２ａと吸着塔２ｂでのＰＳＡによるガス分離工程は、図２の実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。このＰＳＡでは吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
この実施形態では、吸着塔２ａ，２ｂは加熱手段１０で加熱され、塔内の吸着材は吸着工程・脱着工程とも高温状態（例えば、５００℃程度）で使用される。
【００６６】
図１１において、原料である空気ｇ０（常温）は、送風手段４によって空気供給管８を通じて膜分離装置３に導入され、分離膜３０を透過することで酸素濃度の高いガスｇ１（空気よりも酸素濃度が高いガス）が分離される（工程Ａ2）。このガスｇ１（常温）は接続管２０および分岐接続管２０ａを通じて吸着塔２ａに導入されるが、この際、熱交換器２５ａにおいて、後述する工程Ｃで吸着塔２ｂから脱着されたガスｇ２（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ２の顕熱で昇温し、さらに熱交換器２４ａにおいて、工程Ｂで吸着塔２ａに吸着されることなく排気されたガスｇ３（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ３の顕熱でさらに昇温する。このように昇温したガスｇ３が吸着塔２ａに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ｂ）。この結果、吸着塔２ａには高酸素濃度ガス（ガスｇ２）が吸着された状態となる。
【００６７】
吸着塔２ａに吸着されることなく排気されたガスｇ３（非吸着ガス）は、分岐排出管１８０ａ、ガス排出管１８を通じて背圧弁１９を介して排気されるが、このガスｇ３にはまだ相当量の酸素が含まれているため、ガス排出管１８を通じて送風手段４の上流側の空気供給管８内に導入し、空気ｇ０と混合して原料ガスの一部とする。
一方、上記のように吸着塔２ａでガス吸着が行われる工程Ｂの間、前回行われた工程Ｂで吸着塔２ｂ内の吸着材に吸着されているガスｇ２（高酸素濃度ガス）が、排気手段５によって吸着塔２ｂから脱着され、分岐接続管２０ｂの一部、分岐排気管２１０ｂ、ガス排気管２１を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｃ）。この際、上述したようにガスｇ２（例えば、約５００℃）が、熱交換器２５ａでガスｇ１（常温）と熱交換し、ガスｇ１の昇温に利用される。この吸着塔２ｂでのＰＳＡでは、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００６８】
図１１の状態で吸着塔２ａ，２ｂによる上記工程が完了した時点で、開閉弁の開閉状態を図１２に示すように変更して吸着工程を行う吸着塔と脱着工程を行う吸着塔との切り替えを行い、以下のようなガス分離を行う。
図１２においても、図１１と同様に、原料である空気ｇ０（常温）が膜分離装置３に導入され、分離膜３０を透過することで酸素濃度の高いガスｇ１が分離され（工程Ａ2）、このガスｇ１は接続管２０および分岐接続管２０ｂを通じて吸着塔２ｂに導入されるが、この際、熱交換器２５ｂにおいて、後述する工程Ｃで吸着塔２ａから脱着されたガスｇ２（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ２の顕熱で昇温し、さらに熱交換器２４ｂにおいて、工程Ｂで吸着塔２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ３（例えば、約５００℃）と熱交換し、ガスｇ３の顕熱でさらに昇温する。このように昇温したガスｇ３が吸着塔２ｂに導入され、塔内に充填された吸着材（酸素を主として吸着する吸着材）に酸素が主として吸着される（工程Ｂ）。この結果、吸着塔２ｂには高酸素濃度ガス（ガスｇ２）が吸着された状態となる。
【００６９】
吸着塔２ｂに吸着されることなく排気されたガスｇ３（非吸着ガス）は、分岐排出管１８０ｂ、ガス排出管１８を通じて背圧弁１９を介して排気されるが、このガスｇ３にはまだ相当量の酸素が含まれているため、ガス排出管１８を通じて送風手段４の上流側の空気供給管８内に導入し、空気ｇ０と混合して原料ガスの一部とする。
一方、上記のように吸着塔２ｂでガス吸着が行われる工程Ｂの間、前回行われた工程Ｂで吸着塔２ａ内の吸着材に吸着されているガスｇ２（高酸素濃度ガス）が、排気手段５によって吸着塔２ａから脱着され、分岐接続管２０ａの一部、分岐排気管２１０ａ、ガス排気管２１を通じて排気され、製品ガスである高酸素濃度ガスとして回収される（工程Ｃ）。この際、上述したようにガスｇ２（例えば、約５００℃）が、熱交換器２５ｂでガスｇ１（常温）と熱交換し、ガスｇ１の昇温に利用される。この吸着塔２ａでのＰＳＡでは、吸着工程と脱着工程間でのパージ工程は行われない。
【００７０】
以上の図１１、図１２の工程を繰り返し行うことで、原料である空気ｇ０から高酸素濃度ガス（ガスｇ２）を連続的に得ることができる。
この酸素分離方法では、吸着塔２（２ａ，２ｂ）でのＰＳＡの吸着工程と脱着工程間でのパージ工程が行われないが、吸着塔２（２ａ，２ｂ）には、事前に膜分離装置３において空気から窒素を分離して酸素濃度を高めたガスを導入されるので、吸着塔２（２ａ，２ｂ）には高濃度に濃縮された酸素が吸着され、これを高酸素濃度ガスとして回収することができる。
【００７１】
また、膜分離装置３で分離された常温のガスｇ１が、吸着塔２から排気された高温のガスｇ２（脱着ガス）とガスｇ３（非吸着ガス）との２段階の熱交換で昇温することにより、吸着塔２から排出されるガスへの着熱による熱ロスを効果的に低減させることができる。さらに、吸着塔２に吸着されることなく排気されたガスｇ３（非吸着ガス）を原料の空気に混合し、原料ガスの一部として用いることにより、酸素の回収率を高めることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ａ，１ｂ  吸着塔
２ａ，２ｂ  吸着塔
３  膜分離装置
４  送風手段
５  排気手段
６ａ，６ｂ  接続管
７  排気手段
８  空気供給管
９  ガス排気管
１０  加熱手段
１１ａ，１１ｂ  ガス給排管
１２  ガス排気管
１３ａ，１３ｂ  開閉弁
１４ａ，１４ｂ  開閉弁
１５ａ，１５ｂ  開閉弁
１６ａ，１６ｂ  開閉弁
１７ａ，１７ｂ  開閉弁
１８  ガス排気管
１９  背圧弁
２０  接続管
２０ａ，２０ｂ  分岐接続管
２１  ガス排気管
２２ａ，２２ｂ  開閉弁
２３ａ，２３ｂ  開閉弁
２４ａ，２４ｂ  熱交換器
２５ａ，２５ｂ  熱交換器
３０  分離膜
８０ａ，８０ｂ  分岐供給管
９０ａ，９０ｂ  分岐排気管
１２０ａ，１２０ｂ  分岐排気管
１８０ａ，１８０ｂ  分岐排気管
２１０ａ，２１０ｂ  分岐排気管
ｇ０  空気
ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４  ガス
【図１】
2015163392.tif 000003
【図２】
2015163392.tif 000004
【図３】
2015163392.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015163392.tif 000009
【図８】
2015163392.tif 000010
【図９】
2015163392.tif 000011
【図１０】
2015163392.tif 000012
【図１１】
2015163392.tif 000013
【図１２】
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