(57)【要約】【課題】大掛かりな設備を使用することなく高濃度酸素空気を低コストで連続的に製造する方法およびその利用方法を提供する。【構成】圧縮空気系統Ａから圧縮空気を窒素分離膜装置２０に供給し、そこで空気中から窒素を分離して高濃度酸素空気を取得する。【選択図】        図１
2004189561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気系統Ａから圧縮空気を窒素分離膜装置２０に供給し、そこで空気中から窒素を分離し、高濃度酸素空気を取得することを特徴とする高濃度酸素空気の製法。
【請求項２】
請求項１において、前記窒素分離膜装置２０から流出する高濃度酸素空気を吸引手段２５または吸引加圧手段２７で吸引して取得することを特徴とする高濃度酸素空気の製法。
【請求項３】
請求項１において、前記窒素分離膜装置２０を１段目の窒素分離膜装置２０とし、その１段目の窒素分離膜装置２０から流出する高濃度酸素空気を吸引加圧手段２７で吸引加圧し、その加圧した高濃度酸素空気を２段目の窒素分離膜装置２０に供給し、そこで高濃度酸素空気から残留する窒素を分離し、酸素濃度をより高めた高濃度酸素空気を取得することを特徴とする高濃度酸素空気の製法。
【請求項４】
請求項３において、２段目の窒素分離膜装置２０から流出する高濃度酸素空気をさらに３段目もしくはそれ以上の窒素分離膜装置２０を用いてそれぞれ残留する窒素を分離し、さらに酸素濃度を高めた高濃度酸素空気を取得することを特徴とする高濃度酸素空気の製法。
【請求項５】
請求項３または４において、２段目以降の窒素分離膜装置２０で高濃度酸素空気を取得した残りの空気を１段目の窒素分離膜装置２０の入口側または圧縮空気系統Ｂに戻すことを特徴とする高濃度酸素空気の製法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかの製法によって取得した高濃度酸素空気を燃焼反応利用装置４０または酸素利用装置５０に供給することを特徴とする高濃度酸素空気の利用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮空気系統の圧縮空気を利用して酸素を高濃度に含む空気を低コストで製造する方法およびその利用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの分野で酸素ガスが利用されているが、高純度の酸素ガスは深冷分離法やＰＳＧ法等により製造され、それをボンベに充填して利用施設に輸送するか、または直接配管で利用施設に輸送する方法が採用されている。
【０００３】
しかし、それ程高純度ではなくても、酸素をある程度高濃度に含む空気を利用する装置や設備も多く存在する。例えば燃焼装置のような燃焼反応利用装置、またはオゾン発生装置のような酸素利用装置等では高濃度酸素を利用することによって燃焼効率や装置効率を高めることができる。そのような装置や設備では比較的少量の高濃度酸素空気を低コストで供給することが要求される。
一方、分野は異なるが窒素分離膜装置を用いて空気中から高濃度窒素空気を取得して利用する方法が知られている。
【０００４】
図８は窒素分離膜による窒素分離の原理を説明する模式的な図である。窒素分離膜１は周壁に微細な孔を多数設けた中空糸状に形成され、その１次側（内側）の一方の端部から空気２を供給すると、酸素成分を多く含む空気３が微細な孔から２次側（外側）に分離され、他方の端部から高濃度窒素空気４が流出する。
窒素分離膜装置はこのような中空糸を多数束ねて筒状の容器内に収容した窒素分離膜モジュールを１本または複数本を並列接続して構成される。
【０００５】
図９は窒素分離膜モジュールの外形図で、図１０はその縦断面図である。これらの図において、窒素分離膜モジュール５は細長い筒状の容器６と、容器６内に多数束ねて収容した中空糸からなる分離膜７と、空気の入口部８と、酸素を多く含む空気（酸素濃度２５〜５０％程度）が流出する出口部９および高濃度窒素空気が流出する出口部１０を有し、高濃度窒素空気は回収して利用される。なお窒素を分離する際に副生物として分離された酸素を多く含む空気はそのまま大気中に放出される。このような窒素分離膜モジュール５として、例えばアクアエア社（米国）製のＰＡＡ２３０や、宇部興産製のＮＭ−Ｃ１０Ａが市販されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、酸素ガスを利用する装置や設備では、酸素ボンベまたは液体酸素を購入するか、ＰＳＧ方式の酸素発生装置を購入する必要があった。しかし酸素ボンベや液体酸素は常に補充が必要であり、緊急な場合や輸送困難な場所など、入手困難な場合もある。
【０００７】
またＰＧＳ方式の酸素発生装置は、装置寸法が大きく電気等のランニングコストやメンテナンス（吸着剤の交換等）費用も大きい。そのため高純度の酸素ガスを必要としない装置や設備であってもこれらの問題から装置設置をあきらめるケースが多かった。
そこで本発明はこれら問題を解決し、低コストで高濃度酸素空気を効率よく製造する方法およびその利用方法の提供を課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは種々研究の結果、前記窒素分離膜装置を利用して副生物である酸素を多く含む空気、すなわち高濃度酸素空気を取得することにより、前記問題を解決できるという知見を得、それをもとに本発明を完成した。
すなわち本発明の高濃度酸素空気の製法は、圧縮空気系統から圧縮空気を窒素分離膜装置に供給し、そこで空気中から窒素を分離し、高濃度酸素空気を取得することを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
上記製法において、前記窒素分離膜装置から流出する高濃度酸素空気を吸引手段または吸引加圧手段で吸引して取得することができる（請求項２）。
【００１０】
さらに前記製法において、前記窒素分離膜装置を１段目の窒素分離膜装置とし、その１段目の窒素分離膜装置から流出する高濃度酸素空気を吸引加圧手段で吸引加圧し、その加圧した高濃度酸素空気を２段目の窒素分離膜装置に供給し、そこで高濃度酸素空気から残留する窒素を分離し、酸素濃度をより高めた高濃度酸素空気を取得することができる（請求項３）。
【００１１】
上記複数段の窒素分離膜装置を用いた製法において、２段目の窒素分離膜装置から流出する高濃度酸素空気をさらに３段目もしくはそれ以上の窒素分離膜装置を用いて残留する窒素をそれぞれ分離し、さらに濃度を高めた高濃度酸素空気を取得することができる（請求項４）。
【００１２】
さらに上記複数段の窒素分離膜装置を用いたいずれかの製法において、２段目以降の窒素分離膜装置で高濃度酸素空気を取得した残りの空気を１段目の窒素分離膜装置２０の入口側または圧縮空気系統Ｂに戻すことができる(請求項５）。
【００１３】
また、本発明に係る高濃度酸素空気の利用方法は、前記いずれかの製法によって取得した高濃度酸素空気を燃焼反応利用装置または酸素利用装置に供給することを特徴とする（請求項６）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明に係る高濃度酸素空気の製法を実施する装置のプロセスフロー図であり、図示の窒素分離膜装置２０は図１０に示す窒素分離膜モジュール５を１本または複数本を並列接続して構成される。
【００１５】
窒素分離膜装置２０に圧縮空気を供給する圧縮空気系統は、工場や施設に設定される空気作動式の装置や設備に圧縮空気を供給する配管系統であり、通常、空気圧縮機の出力側にフィルタ装置および圧力調整弁などを設けて構成される。窒素分離膜装置２０は圧縮空気の入口部２１、高濃度酸素空気の出口部２２、窒素リッチな空気の出口部２３を有する。
【００１６】
窒素分離膜装置２０は圧縮空気系統の途中または本管の末端に接続される。本実施形態（以下の実施形態も同じ）では途中または末端を問わず窒素分離膜装置２０への供給側配管を圧縮空気系統Ａ、高濃度酸素空気を取得した残りの空気の排出側を圧縮空気系統Ｂとして示す。なお圧縮空気系統Ｂは圧縮空気系統Ａに合流させることができる。
【００１７】
本実施形態において、窒素分離膜装置２０の入口側、具体的にはその入口部２１に圧縮空気系統Ａが接続され、出口部２３に圧縮空気系統Ｂが接続され、さらに出口部２２に配管２４が接続される。圧縮空気系統Ａから窒素分離膜装置２０の入口部２１に供給される圧縮空気は、窒素分離膜で酸素濃度の高い空気と残りの空気に分離され、残りの空気は出口部２３を経て圧縮空気系統Ｂに排出する。
また酸素濃度の高い空気は出口部２２を経て配管２４から高濃度酸素空気（酸素濃度２５〜５０％程度）として取得される。
【００１８】
図２は本発明に係る高濃度酸素空気の他の製法を実施する装置のプロセスフロー図である。本実施形態が図１の例と異なる部分は、窒素分離膜装置２０の高濃度酸素空気の出口部２２に接続される配管２４に真空ポンプ等の吸引手段２５またはブロワや加圧ポンプ等の吸引加圧手段２７を設けた点であり、そのほかは同様に構成される。なお吸引手段２５は少なくとも入口側に供給される空気を吸引する機能を有し、吸引加圧手段２７は入口側に供給される空気を吸引し、出口側から加圧された空気を吐出する機能を有する。
【００１９】
窒素分離膜装置２０の出口部２２から流出する高濃度酸素空気は吸引手段２５又は吸引加圧手段２７で吸引される。すると窒素分離膜の１次側と２次側の差圧は大きくなり、窒素分離膜装置２０の酸素分離能力は図１の例より増大する。なお、吸引手段２５の出口側に接続した配管２６から流出する高濃度酸素空気は加圧状態となって負荷設備等に供給される。
【００２０】
図３は本発明に係る高濃度酸素空気の他の製法を実施する装置のプロセスフロー図である。本実施形態と図２の例と異なる部分は、高濃度酸素空気を取得するために２段に接続した窒素分離膜装置２０を使用する点にあり、その他は同様に構成される。
【００２１】
図３における左側の窒素分離膜装置２０を１段目の窒素分離膜装置２０とすると、その１段目の窒素分離膜装置２０の入口部２１に圧縮空気系統Ａが接続され、出口部に圧縮空気系統Ｂが接続され、さらに出口部２２に配管２４を介してブロワや加圧ポンプなどの吸引加圧手段２７の入口側が接続される。
また図３における右側の窒素分離膜装置２０を２段目の窒素分離膜装置２０とすると、その２段目の窒素分離膜装置２０の入口部２１が前記吸引加圧手段２７の出口側に接続され、出口側２３が配管２８を介して圧縮空気系統Ｂに接続され、さらに出口側２２が配管２９に接続される。
【００２２】
１段目の窒素分離膜装置２０の入口部２１に供給された圧縮空気は、窒素分離膜で酸素濃度の高い空気と残りの空気に分離され、残りの空気は出口部２３から圧縮空気系統Ｂに排出し、酸素濃度の高い空気が出口部２２から流出する。流出する酸素濃度の高い空気は吸引加圧手段２７で吸引加圧されて２段目の窒素分離膜装置２０の入口部２１に供給される。その際、加圧吸引手段２７の吸引作用により図２の例と同様に１段目の窒素分離膜装置２０の酸素分離能力が増大する。
【００２３】
２段目の窒素分離膜装置２０に供給された酸素濃度の高い空気は、そこで残留する窒素がさらに分離され、より濃度の高い高濃度酸素空気がその出口部２２から流出し、配管２９を経て負荷設備等に供給される。この濃度酸素空気を取得した残りの空気は出口部２３から配管２８を経て圧縮空気系統Ｂに排出する。このように２段目の窒素分離膜装置２０から流出する窒素を含む空気を１段目の窒素分離膜装置２０の圧縮空気供給側に戻すと、圧縮空気系統における圧縮空気の消費量を抑制できる。
【００２４】
図４は図３の変形例を示すプロセスフロー図である。本実施形態と図３の例と異なる部分は、２段目の窒素分離膜２０の出口部２３が配管２８を介して１段目の窒素分離膜２０の入口側に接続されている点であり、そのほかは同様に構成される。このように接続すると２段目の窒素分離膜装置２０で高濃度酸素空気を分離した残りの空気、すなわち通常の空気より酸素濃度の高い空気が１段目の窒素分離膜装置２０の圧縮空気供給側に戻されるので、１段目の窒素分離膜２０による高濃度酸素空気の精製効率をより高めることができる。さらに図３の例と同様に圧縮空気系統における圧縮空気の消費量も抑制できる。そのほかの作用は図３と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００２５】
図５は本発明に係る高濃度酸素空気のさらに他の製法を実施する装置のプロセスフロー図である。本実施形態は図３または図４の２段階分離方式を拡張して３段階分離方式としたものである。なお本実施形態では、図５における一番左側に位置するものを１段目の窒素分離膜２０、中央に位置するものを２段目の窒素分離膜２０、右側に位置するもの３段目の窒素分離膜２０とする。
【００２６】
１段目の窒素分離膜装置２０と２段目の窒素分離膜装置２０との相互の接続関係は図４の例と同様であり、両者の間に第１の吸引加圧手段２７が設けられる。
そして２段目の窒素分離膜装置２０の出口部２２は配管２９を介して第２の加圧吸引手段２７の入口側に接続され、その第２の加圧吸引手段２７の出口側は配管３０を介して３段目の窒素分離膜装置２０の入口部２１に接続される。さらに３段目の窒素分離膜装置２０の出口部２３は配管３１を介して１段目の窒素分離膜２０の入口側に接続され、出口部２２は配管３２を介して第３の吸引加圧手段２７の入口側に接続され、第３の加圧吸引手段２７の出口側は負荷設備等への配管３３に接続される。
【００２７】
１段目の窒素分離膜装置２０の入口部２１に供給された圧縮空気は、窒素分離膜で窒素を分離して酸素濃度の高い空気と残りの空気に分離され、残りの空気は出口部２３から圧縮空気系統Ａに排出し、酸素濃度の高い空気は出口部２２から流出する。流出した酸素濃度の高い空気は第１の吸引加圧手段２７で吸引加圧されて２段目の窒素分離膜装置２０の入口部２１に供給される。その際、第１の加圧吸引手段２７の吸引作用により、図２の例と同様に１段目の窒素分離膜装置２０の酸素分離能を増大させることができる。
【００２８】
第１の吸引加圧手段２７から２段目の窒素分離膜装置２０に供給された酸素濃度の高い空気は、そこで更に残留する窒素が分離され、分離された窒素を含む空気が出口部２３から配管２８を経て１段目の窒素分離膜２０の入口側に排出する。一方、２段目の窒素分離膜装置２０の出口部２２から流出する酸素濃度のより高い空気は、第２の吸引加圧手段２７で吸引加圧されて３段目の窒素分離膜装置２０の入口部２１に供給される。その際も第２の吸引加圧手段２７の吸引用により、２段目の窒素分離膜装置２０の酸素分離能力が増大する。
【００２９】
第２の吸引加圧手段２７から３段目の窒素分離膜装置２０に供給された酸素濃度のより高い空気は、そこで更に残留する窒素が分離され、分離された窒素を含む空気は出口部２３から配管３１を経て１段目の窒素分離膜２０の入口側に排出する。また３段目の窒素分離膜装置２０の出口部２２から流出する酸素濃度がさらに高い空気は第３の吸引加圧手段２７で吸引加圧され、高濃度酸素空気として配管２９から負荷設備等に供給される。その際も第３の吸引加圧手段２７の吸引作用により、３段目の窒素分離膜装置２０の酸素分離能力を増大させることができる。
【００３０】
本実施形態のように窒素分離膜装置２０を直列に複数段接続し、次々と窒素分離を繰り返すと、後段の窒素分離膜装置２０になるほど酸素濃度の高い高濃度酸素空気が流出する。従って窒素分離膜装置２０の段数は図５のような３段に限らず、所望の酸素濃度に適合する段数の窒素分離膜装置２０を直列に接続してシステムを構成することができる。
【００３１】
図６は前記いずれかの実施形態の製法により取得した高濃度酸素空気を燃焼反応利用装置４０に供給する方法を説明するプロセスフロー図であり、図７は同様に取得した高濃度酸素空気を酸素利用装置５０に供給する方法を説明するプロセスフロー図である。なお図６、図７における高濃度酸素空気の製造プロセスは図１の実施形態を例に示しているが、図２〜図５の実施形態の製法により取得した高濃度酸素空気も同様に使用できる。
【００３２】
燃焼反応利用装置４０としては、例えば蒸気発生用または燃焼ガス発生用の小型燃焼器のように空気中の酸素を燃焼反応に利用する装置がある。これらの小型燃焼器に供給する燃焼用空気の一部または全部を高濃度酸素空気に置き換えて燃料を燃焼すると、通常の空気を供給して燃焼する場合より高い燃焼効率で運転できる。
【００３３】
また酸素利用装置５０としては、例えばオゾン発生装置のような空気中の酸素を利用して他の物質を製造する装置がある。酸素利用装置５０に高濃度酸素空気を供給すると、通常の空気を供給する場合より装置効率を高めることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明の高濃度酸素空気の製法は、圧縮空気系統から圧縮空気を窒素分離膜装置に供給し、そこで空気中から窒素を分離し、高濃度酸素空気を取得することを特徴とする。本製法はこのように小型、構造が簡単、メンテナンスフリーおよび電源不要な窒素分離膜装置を用いて高濃度酸素空気を製造するので、ＰＳＧ法のような大掛かりな設備を使用することなく、高濃度酸素空気を低コストで安定して且つ連続的に製造することができる。
【００３５】
また、工場や施設に設定される空気作動式の装置や設備などに圧縮空気を供給する圧縮空気系統を利用するので、高濃度酸素空気を製造するための特別な圧縮空気系統を設置する必要がない。
さらに圧縮空気系統に含まれている酸素の一部を分離して取得するので、窒素分離膜の下流側における圧縮空気系統の酸素濃度が低下し、それによって下流側に接続される配管系統や機器等の防錆効果を向上させることができる。
【００３６】
上記製法において、窒素分離膜装置から流出する高濃度酸素空気を吸引手段または吸引加圧手段で吸引して取得することができる。このようにすると窒素分離膜の１次側と２次側の差圧が大きくなるので、窒素分離膜装置の酸素分離能力を増大できる。
【００３７】
さらに前記製法において、前記窒素分離膜装置を１段目の窒素分離膜装置とし、その１段目の窒素分離膜装置から流出する高濃度酸素空気を吸引加圧手段で吸引加圧し、その加圧した高濃度酸素空気を２段目の窒素分離膜装置に供給し、そこで高濃度酸素空気から残留する窒素を分離し、酸素濃度をより高めた高濃度酸素空気を取得することができる。このようにすると窒素分離膜装置の酸素分離能力を増大しながら、より濃度の高い高濃度酸素空気を取得することができる。
【００３８】
上記複数段の窒素分離膜装置を用いた製法において、２段目の窒素分離膜装置から流出する高濃度酸素空気をさらに３段目もしくはそれ以上の窒素分離膜装置を用いて残留する窒素をそれぞれ分離し、さらに酸素濃度の高い高濃度酸素空気を取得することができる。このようにすると窒素分離膜装置の酸素分離能力を増大しながら、任意の酸素濃度の高濃度酸素空気を容易に取得することができる。
【００３９】
さらに上記複数段の窒素分離膜装置を用いたいずれかの製法において、２段目以降の窒素分離膜装置で高濃度酸素空気を取得した残りの空気を１段目の窒素分離膜装置の入口側または圧縮空気系統に戻すことができる。このようにすると圧縮空気系統における圧縮空気の消費量を抑制できる。
【００４０】
また、前記いずれかの製法によって取得した高濃度酸素空気を燃焼反応利用装置または酸素利用装置に供給することができる。このように燃焼反応利用装置に高濃度酸素空気を供給して燃焼すると、通常の空気を供給して燃焼する場合より高い燃焼効率で運転できる。また、酸素利用装置に高濃度酸素空気を供給すると、通常の空気を供給する場合より装置効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高濃度酸素空気の製法を実施する装置のプロセスフロー図。
【図２】本発明に係る高濃度酸素空気の他の製法を実施する装置のプロセスフロー図。
【図３】本発明に係る高濃度酸素空気の他の製法を実施する装置のプロセスフロー図。
【図４】図３の変形例を示すプロセスフロー図。
【図５】本発明に係る高濃度酸素空気のさらに他の製法を実施する装置のプロセスフロー図。
【図６】本発明の製法により取得した高濃度酸素空気を燃焼反応利用装置４０に供給する方法を説明するプロセスフロー図。
【図７】本発明の製法により取得した高濃度酸素空気を酸素利用装置５０に供給する方法を説明するプロセスフロー図。
【図８】窒素分離膜による窒素分離の原理を説明する模式的な図。
【図９】窒素分離膜モジュールの外形図。
【図１０】窒素分離膜モジュールの縦断面図。
【符号の説明】
１  窒素分離膜
２  空気
３  酸素成分を多く含む空気
４  高濃度窒素空気
５  窒素分離膜モジュール
６  容器
７  分離膜
８  入口部
９，１０  出口部
２０  窒素分離膜装置
２１  入口部
２２，２３  出口部
２４  配管
２５  吸引手段
２６  配管
２７  吸引加圧手段
２８〜３３  配管
４０  燃焼反応利用装置
５０  酸素利用装置
Ａ，Ｂ  圧縮空気系統
【図１】
2004189561.tif 000003
【図２】
2004189561.tif 000004
【図３】
2004189561.tif 000005
【図４】
2004189561.tif 000006
【図５】
2004189561.tif 000007
【図６】
2004189561.tif 000008
【図７】
2004189561.tif 000009
【図８】
2004189561.tif 000010
【図９】
2004189561.tif 000011
【図１０】
2004189561.tif 000012