(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力変動吸着分離法により空気中の酸素を分離採取するための吸着剤を充填した吸着筒の設計方法において、該吸着剤のサイズが、吸着剤が球状のときは直径を、吸着剤が円柱状、楕円球状、楕円柱状のときは相当直径を、ａ［ｍｍ］としたときに、前記吸着筒の直径を、該吸着筒内を流れる空気量に対する空筒速度ｕ［ｍ／ｓ］が、ｕ＝０．０７ａ＋０．０９５の±２５％の範囲になるように設定することを特徴とする圧力変動吸着分離用吸着筒の設計方法。
【請求項２】
前記吸着剤は、該吸着剤をタイラー標準ふるいで粒径分布を測定したときに、該粒径分布が１２メッシュから２０メッシュまでの範囲の吸着剤粒子が少なくも７０％以上含まれていることを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着分離用吸着筒の設計方法。
【請求項３】
前記吸着剤は、該吸着剤の直径又は相当直径ａが、１．０±０．２ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着分離用吸着筒の設計方法。
【請求項４】
前記吸着剤が、Ｃａ−Ａ型ゼオライト、あるいは、Ｎａ−Ｘ型及び該Ｎａ−Ｘ型のＮａの少なくも一部をＣａ，Ｍｇ，Ｌｉでイオン交換したゼオライトのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着分離用吸着筒の設計方法。
【請求項５】
前記圧力変動吸着分離法が、真空再生を行う圧力変動吸着分離法であることを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着分離用吸着筒の設計方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の設計方法により設計された筒径の吸着筒を備えていることを特徴とする圧力変動吸着分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力変動吸着分離用吸着筒の設計方法及び圧力変動吸着分離装置に関するものであって、詳しくは、圧力変動吸着分離法により空気中の酸素を分離採取するために使用する吸着剤のサイズに対応した最適条件で圧力変動吸着分離法を実施することができる吸着筒の形状の設計方法、及び、この吸着筒を使用した圧力変動吸着分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力変動吸着分離法（ＰＳＡ）により、多成分混合ガスを原料ガスとし、目的成分ガスを分離採取するための主たる操作は、原料ガスを加圧した後、吸着剤を充填した吸着筒に導入し、吸着剤に原料ガスを接触させて原料ガス中の易吸着成分を選択的に吸着させるとともに、難吸着成分を分離回収する吸着操作と、吸着筒の圧力を減圧し、易吸着成分を吸着している吸着剤から易吸着成分を脱着させ、吸着剤を再生する再生操作とにより行われている。
【０００３】
上記再生操作の方法は、大きく二つに分けられ、一つは吸着筒を大気圧以下まで減圧して行う方法（真空再生法）と、大気圧程度まで減圧して行う方法（常圧再生法）とがある。真空再生法での吸着操作は、原料ガスの圧縮動力を小さくするため、比較的大気圧に近い圧力条件で行われることが多く、大容量の製品ガス発生に適している。一方、常圧再生法では、再生操作が大気圧で行われるので、吸着圧力と大気圧との圧力差を十分とるために吸着圧力を高く設定する必要があり、原料ガスの圧縮動力は多くなるが、真空ポンプや製品ガス圧縮機を必要としないので、少容量の製品ガスを発生する際に多く使用されている。特に、原料ガスを空気とし、製品ガスを酸素としたとき、医療用等で少量の製品酸素が若干の圧力を持っていることが供給上都合がよい場合等に用いられることが多い。
【０００４】
また、圧力変動吸着分離法に用いられる装置の構成は、原料ガス圧縮機と、少なくとも一つの吸着筒と、製品槽と、必要に応じて設けられる吸着剤再生用の真空ポンプや製品ガスの圧送機とを備えるとともに、これらの機器を連結する分離プロセスに対応した配管とにより形成されている。さらに、圧力変動吸着分離装置では、コンピューター、シーケンサー等の制御機器を用いて、予め入力された分離プロセスのプログラムに従って電気信号を出力し、自動切換え弁の開閉を制御し、前述の吸着・再生の操作を繰り返すことにより製品であるガスが分離回収される。
【０００５】
このような圧力変動吸着分離法で用いられる吸着剤には、例えば空気から酸素を製品として得る場合は、吸着除去すべき対象成分が窒素であるため、窒素を選択的に吸着する吸着剤としてゼオライトを使用している。このゼオライトとしては、例えば、Ｃａ−Ａ型、Ｎａ−Ｘ型、Ｃａ−Ｘ型、Ｂａ−Ｘ型が好適である。最近は、Ｎａ−Ｘ型のＮａイオンを種々のイオンで交換したゼオライト、特にＬｉイオンで交換したゼオライトＬｉ−Ｘ型が広く用いられている。
【０００６】
また、圧力変動吸着分離装置の一般的設計法に関しては、Ａ．Ｉ．ＬａＣａｖａ等の文献、ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ／ＪＵＮＥ  １９９８，ｐｐ．１１０−１１８がある。この文献では、圧力変動吸着分離装置の構成機器の設計法について詳細に説明しているが、圧力変動吸着分離プロセスの開発は、小型装置による実験から始まるとし、小型実験で得られる性能は工業規模装置より高めの値を与えるので、リスク回避の一つの方法は、中間規模のパイロット装置を作ることであると記載している。続けて、「パイロット装置の筒高さは必要とされる実装置規模と同等とすべきである。一般的には２ｍ程度である。」と言う記述がある。この文献に述べられているように、一般的な吸着筒の設計方法として、実装置の吸着筒の大きさは、以下のようにして決められている。
【０００７】
まず、用いる吸着剤を決めて小型装置での実験、パイロット装置での実験を行い、用いた吸着剤重量当たり（容積当たりでも良い）の製品量を求める。次に、実装置で必要とされる製品量を前項の吸着剤量当たり発生製品量で割ると、必要とする吸着剤重量（あるいは吸着剤容積）が求められる。そして、吸着筒の充填高さを実験と同一とすると、「吸着剤重量＝吸着剤充填容積×吸着剤充填密度」という関係から、吸着筒の直径が求められる。上記方法により、過去様々な種類の吸着剤を用いた圧力変動吸着分離法による装置設計が行われてきた。
【０００８】
また、ここで用いられる吸着剤の形状も様々である。特に、吸着剤の粒径は、一般的には１／１６インチサイズ、１／８インチサイズのペレットや、８〜１２メッシュのビーズ等が多く採用されているが、更に小さい粒径の吸着剤も用いられていた。通常、大きい吸着剤粒子を用いた場合は、吸着剤充填層の圧力損失は小さいが、吸着剤内部への吸着分子の拡散経路が長くなるため、総括の物質移動係数は小さくなる。
【０００９】
一方、相対的に小さい吸着剤粒子を用いた場合は、吸着剤充填層の圧力損失は大きいが、物質移動係数は大きくなるという傾向を持つとされている。吸着剤充填層の圧力損失は、原料空気の供給にあたって大きい動力を必要とすることになり、また、物質移動係数の大きさは、いわゆる吸着帯長さ（Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｚｏｎｅ）に関係するため、必要とする吸着剤量に関わってくる。さらに、真空再生を行う場合は、吸着筒下部の圧力と上部の圧力とに差ができ、吸着筒内の場所毎に吸着剤の再生程度が異なるという問題が発生する。
【００１０】
このため、用いる吸着剤粒子径をいかなる寸法、形状にするかは、吸着装置設計にとって大きい問題であったが、様々な寸法、形状の吸着剤を、どのように使い分けるかについての定量的な指針が従来は無かった。そこで、効率的な吸着装置の設計、すなわち、吸着剤使用量を最少とし、かつ、圧力変動吸着分離装置としての性能をいかに良くするか、特に、電力原単位に優れた装置とするための方法が種々工夫されている。
【００１１】
例えば、分離技術１１巻５号ｐ１１〜１７（１９８１）では、ガス中の水分除去を例として、小粒径吸着剤と大粒径吸着剤との組み合わせを提案している。この場合、上流側に大粒径、下流側に小粒径の吸着剤をそれぞれ配置することにより、上流側での圧力損失を小さくできるとともに、下流側での吸着帯の幅（長さ）を小さくできるということが述べられている。すなわち、大粒径吸着剤のみを用いた場合の、圧力損失は小さいが吸着剤使用量は多いという問題と、小粒径吸着剤のみを用いた場合の、圧力損失は大きいが吸着剤使用量は少ないという問題とを、小粒径吸着剤と大粒径吸着剤とを組み合わせることで融和、調和し、それぞれの粒径の吸着剤が持つ相反する問題の解決を図っている。しかし、吸着剤層床の厚さについては、充填層の圧力損失に関するエルガンの式を示し、粒子径と共に充填空隙率が重要との指摘をしているのみであり、動力的に最少となる大粒径吸着剤、小粒径吸着剤の積み方は示唆されていない。
【００１２】
一方、特開平１１−１７９１３２号公報には、従来技術として、過去の圧力変動吸着分離法に関する特許の中から、用いる吸着剤粒子径とそのときの吸着剤層床の厚さ、更に、圧力変動吸着分離操作のサイクル時間とを開示した多くの例を挙げ、同じ直径の粒子について、床の厚さは互いにかなり異なり、正確に選定できないこと、吸着筒内の死容積による形状的束縛が考慮されていないことを指摘している。
【００１３】
その上で、同公報には、吸着剤層床の厚さが吸着剤が球状であるときは、実質的に直径のみに依存し、死容積の形状的束縛を考慮して圧力変動吸着分離法のエネルギー消費にマイナスの影響を持たないような圧力変動吸着分離法を提供すると述べて、吸着剤粒度と吸着剤層床の厚さとの関係を開示し、吸着剤層床の好適な範囲、吸着剤粒度の好適な範囲を示している。しかし、与えられた関係式では変数が２個あり、粒子径を決めても不等式の範囲内で通常用いられるような床厚さが幅広く示されるのみであって、この径を持つ粒子が最も性能を良くするというようなことは述べられていない。
【００１４】
また、圧力変動吸着分離法に用いられる吸着塔の設計に関して、用いる吸着剤の種類は、吸着剤メーカーから購入できるものの中から、静的／動的吸着性能を考慮して決定されるが、酸素を採取する圧力変動吸着分離装置に用いられる吸着剤の粒子径として、該装置の性能を最も高めることができるもの、すなわち、電力原単位を低くすることができる粒子径はどのようなものであるか、このような吸着剤をどのようなガス流速の元で使用すべきか、そのときの充填高さをいかにすべきか、については、先のＬａＣａｖａ等の文献が示すように、実験を基準として決めるほかに手段が無く、技術的改善が求められていた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、酸素を製品とする圧力変動吸着分離装置の電力原単位を指標とし、吸着剤の粒子形状や寸法を様々に変えて、電力原単位が最も低くなるような粒子形状、寸法を種々検討した。
【００１６】
さらに、様々な粒子形状、寸法の吸着剤に対して最適な吸着筒の形状、すなわち、吸着剤の形状特性に対して最適なガス空筒速度があることを明らかにし、選定した吸着剤の形状特性に基づいて吸着筒の径を決定することにより、従来以上の圧力変動吸着分離性能が得られることを見出した。
【００１７】
本発明は、上記知見に基づいて成されたものであって、圧力変動吸着分離法により空気中の酸素を製品として採取するにあたり、電力原単位を低減できる特定寸法及び形状の吸着剤に対して最適な形状の吸着筒の設計方法及び圧力変動吸着分離性能に優れた圧力変動吸着分離装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の圧力変動吸着分離法により空気中の酸素を分離採取するための吸着剤を充填した吸着筒の設計方法は、該吸着剤のサイズが、吸着剤が球状のときは直径を、吸着剤が円柱状、楕円球状、楕円柱状のときは相当直径を、ａ［ｍｍ］としたときに、空筒速度ｕ［ｍ／ｓ］が、ｕ＝０．０７ａ＋０．０９５の±２５％の範囲になるように設定することを特徴としている。
【００１９】
特に、前記吸着塔に使用される吸着剤は、該吸着剤をタイラー標準ふるいで粒径分布を測定したときに、該粒径分布が１２メッシュから２０メッシュまでの範囲の吸着剤粒子が少なくも７０％以上含まれていること、あるいは、吸着剤の直径又は相当直径ａが、１．０±０．２ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明では、前記吸着剤として、Ｃａ−Ａ型ゼオライト、Ｎａ−Ｘ型、該Ｎａ−Ｘ型のＮａの少なくも一部をＣａ，Ｍｇ，Ｌｉでイオン交換したゼオライトのいずれかを好適に使用できる。さらに、前記圧力変動吸着分離法が、真空再生を行う圧力変動吸着分離法であることが好ましい。また、本発明は、上述の吸着筒を備えた圧力変動吸着分離装置の場合に、より有効である。
【００２１】
ここで、圧力変動吸着分離プロセスは、吸着筒内の圧力、温度、ガス流量、ガス組成が時間と共に複雑に変化する非定常プロセスであり、装置性能を把握するためには、実験と共にダイナミックシミュレーションが有効である。以下ダイナミックシミュレーションを用いて本発明を説明する。
【００２２】
日本酸素技報Ｎｏ．１７，ｐ１８−２４（１９９８）には、酸素を製品とする圧力変動吸着分離法（以下、酸素ＰＳＡという）のシミュレーション方法が記載されている。ここで、対象としている酸素ＰＳＡは２塔式であり、そのプロセスは、充圧／製品回収工程、均圧工程、真空再生工程、パージ再生工程、均圧工程からなり、いくつかの仮定の下に理論モデルが組み立てられている。また、基礎方程式は、全体の物質収支、各成分の物質収支、吸着速度式、平衡吸着量推算式、熱収支式等から成っている。
【００２３】
さらに、物質収支は、原料空気を供給する空気ブロワー送気量と、製品量及び吸着剤を再生する排気用真空ポンプの排気ガス量の和とが等しくなるように、空気ブロワー吐出圧力及び／又は真空ポンプ到達真空度を調整要素として取られる。前記物質収支によって圧力変動吸着分離装置（ＰＳＡ装置）に付属する回転機の条件が決まり、従って、回転機に必要な電力量が求められ、ひいてはＰＳＡ装置にとって最も重要な性能の一つである電力原単位が求められる。
【００２４】
先のシミュレーターに、吸着剤特性として粒子径と粒子内物質移動係数の関係式（河添邦太郎：化学工学，３１．４．３５４−３５８．（１９６７））を入れて、吸着剤粒子径と吸着速度とを関係付けた。勿論、実測により総括物質移動係数と粒子径との関係を求めても差し支えない。
【００２５】
また、吸着剤粒子径が電力原単位に直接影響する要素と考えられるので、吸着剤充填層に対してエルガンの式を適用し、充填する吸着剤粒子径を変えることによる充填層高さ方向の圧力損失を計算し、吸着筒内の各高さにおける吸着圧力／再生圧力を求めて製品酸素量及び消費動力に対する影響を演算した。
【００２６】
前記シミュレーターを用いて、まず、真空再生式ＰＳＡ装置（ＶＳＡ）において、空気ブロワー容量、真空ポンプ容量、用いる吸着剤量を一定の条件の下に、用いる吸着剤粒子径を決め、吸着筒径を種々変えて規定濃度の酸素ガス（例えば９３％Ｏ２）が得られる量を求めた。空気ブロワーと真空ポンプとの消費動力の和を、製品酸素ガス量で割ると電力原単位が求まり、電力原単位が最少値になるときの吸着筒径がその吸着剤粒子径における最も望ましい吸着筒径になる。
【００２７】
一方、前記計算により、ＰＳＡ装置に原料空気として供給すべき原料空気量が求められる。ここに、原料空気量を標準状態（０℃、１ａｔｍ絶対圧）に換算し、吸着筒断面積で割った値を空筒速度と定義する。用いる吸着剤粒子径を変えて前記同様に計算すると、吸着剤粒子径毎に最適な空筒速度が得られる。
【００２８】
さらに付言すれば、ＰＳＡ装置の設計において、実験あるいはシミュレーションから、所定のＰＳＡ操作の実行によって酸素の回収率、吸着剤単位量当たりの酸素発生量が得られる。すなわち、実装置において要求される酸素量（純酸素量換算値）に対して、
必要原料空気量＝(純酸素換算)必要酸素量／(酸素回収率×空気中酸素含有率)
必要吸着剤量＝要求酸素量／吸着剤単位量当たり酸素発生量
吸着塔断面積＝必要原料空気量／空筒速度
吸着剤充填高さ＝必要吸着剤量／(充填密度×吸着塔断面積)
というような計算により、吸着筒の形状（筒径）が決定できる。なお、酸素回収率は、原料空気中に含まれる酸素の含有量をベースにしている。
【００２９】
本発明において、吸着剤粒子径とは、球形粒子においては直径を、その他の形状においては相当直径を意味する。例えば、直径ｄ、高さｈの円柱状（ペレット状）の吸着剤の場合は、
表面積／体積＝（２ｄ＋４ｈ）／（ｄ×ｈ）
に対して、相当直径ａを持つ球と仮定した場合、前記式と同様にすると、
表面積／体積＝６／ａ＝（２ｄ＋４ｈ）／（ｄ×ｈ）から、
ａ＝３ｄ×ｈ／（ｄ＋２ｈ）となる。
【００３０】
このような関係については、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｈｅｌｄ  ａｔ  Ｓｃｈｌｏｓｓ  Ｅｌｍａｕ，Ｂａｖａｒｉａ，Ｗｅｓｔ  Ｇｅｒｍａｎｙ，（１９８３）のｐ４９〜に記載されているが、本発明で採用する相当直径は、これに限定されるものでなく、粒径分布のピーク値あるいは分布の平均値等、簡易的な方法で決めた直径も包含する。
【００３１】
そして、本発明で使用する吸着剤は、従来、一般的に用いられてきた吸着剤の形状及び寸法、すなわち、１／８インチサイズ、１／１６インチサイズのペレット形状あるいは８〜１２メッシュのビーズ形状等の形状及び寸法を持つ吸着剤における前記直径又は相当直径に対して、前記シミュレーターにて演算し、圧力損失と物質移動係数の大きさとの関わり合いで、直径又は相当直径が１ｍｍの吸着剤を使えば、原単位的に最も良い値まで最適化が可能という結論を得、さらに、該結論は、プロセスとは関係しないことも示すとともに、最適な空筒速度を求め、選定した吸着剤の形状及び寸法と空筒速度との関係を導きだし、前記関係式に基づいて吸着筒の径を決定することにより、ＰＳＡ法によって空気から酸素ガスを分離回収する装置におけるＰＳＡ性能を従来以上のものとすることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、上述のシミュレーションの対象としたＰＳＡ装置を示す系統図である。なお、ここでは、２筒式のＰＳＡ装置を示したが、特にこれに限定するものではないこと言うまでもない。
【００３３】
図１に示す２筒式ＰＳＡ装置は、原料空気ブロワー１１、二つの吸着筒１２ａ，１２ｂ、サージタンク１３、真空ポンプ１４、吸着筒１２ａ，１２ｂ内にそれぞれ充填した吸着剤及び関係配管（弁を含む）と制御装置とにより形成されている。空気の流れを簡単に説明すると、大気中の空気は、原料空気ブロワー１１で５００〜５０００ｍｍＡｑ（４９００〜４９０３０Ｐａ）まで加圧された後、吸着筒１２ａ，１２ｂのいずれか、例えば吸着筒１２ａに導入される。吸着筒１２ａでは、水分等の不純物及び窒素ガスが吸着剤に吸着され、吸着されにくい酸素ガスが吸着筒１２ａの頂部から導出される。導出された酸素ガスは、サージタンク１３に送られ、その一部が製品として導出されるとともに、残部は再生中の他方の吸着筒１２ｂのガスパージや再生済みの吸着筒１２ｂの充圧に使用される。一方、吸着剤に吸着されたガスは、真空ポンプ１４で吸着筒内が減圧されることにより脱着し、これによって吸着剤が再生される。真空ポンプ１４からは排ガスが排出される。
【００３４】
本装置におけるＰＳＡプロセスの一例を図２に示す。ＰＳＡプロセスとしては、これに限定されることなく幾多のプロセスが利用できる。代表例としての図２のプロセスを説明すると、対象としている２塔式ＰＳＡのプロセスは、（イ）充圧／製品回収工程、（ロ）均圧工程、（ハ）真空再生工程、（ニ）パージ再生工程、（ホ）均圧工程、の各工程からなるものである。各工程について、２塔のうちの１筒、吸着筒１２ａに着目して説明する。
【００３５】
（イ）充圧／製品回収工程では、原料空気ブロワー１１から供給される原料空気が吸着筒１２ａの下部から導入され、該吸着筒１２ａ内を上昇し、この間に不純物である水、炭酸ガス、窒素が吸着除去されて該吸着筒１２ａの頂部から酸素ガスが導出され、サージタンク１３を経て製品として採取される。
【００３６】
（ロ）均圧工程では、該吸着筒１２ａへの原料空気の導入及び該吸着筒１２ａからの製品取り出しが一旦停止される。そして、該吸着筒１２ａのガスは、該吸着筒１２ａの上下部から同時に他の吸着筒１２ｂへ導かれる。
【００３７】
（ハ）真空再生工程では、該吸着筒１２ａの底部から筒内のガスを真空ポンプ１４に導いて該吸着筒１２ａを減圧再生する。
【００３８】
（ニ）パージ再生工程では、前記真空再生工程が所定の真空度に到達したとき、サージタンク１３から採取した酸素の一部を該吸着筒１２ａの頂部から導入し、かつ、真空ポンプ１４による減圧を続行する。
【００３９】
（ホ）均圧工程では、前記パージ再生が終了したとき、前記均圧工程（ロ）とガスの流れを逆にし、他の吸着筒１２ｂからのガスを該吸着筒１２ａの頂部及び底部から受け入れる。そして、該吸着筒１２ａの圧力が所定の均圧終了圧力まで上昇したとき、（イ）の吸着工程に戻り、該吸着筒１２ａの底部から原料空気を導入し、該吸着筒１２ａを加圧し、所定の圧力に到達したときに、該吸着筒１２ａ頂部からサージタンク１３へ製品の導出が始まる。
【００４０】
以上の各工程を両吸着筒１２ａ，１２ｂについて交互に繰り返すことにより、製品酸素ガスを連続的に採取することができる。また、各工程の切り替え条件を、前記説明では圧力を条件として記述したが、時間を条件としてもよい。
【００４１】
本シミュレーションを行うにあたり、吸着筒１２ａ，１２ｂには、原料空気流入端側に水分吸着用として活性アルミナが、下流側に窒素吸着分離用のゼオライトとして高度にＬｉイオン交換したＸ型がそれぞれ充填されていると仮定した。そして、各吸着剤の充填容積は、活性アルミナを約０．４ｍ３、ゼオライトを約２．２ｍ３とし、各計算で一定とした。その他のＰＳＡの運転条件を以下に示す。
【００４２】
サイクルタイム          ８２秒
充圧／製品回収工程      ３７秒
均圧工程                  ４秒
真空再生工程            ２７秒
パージ再生工程          １０秒
均圧工程                  ４秒
原料空気温度          ３００Ｋ
製品純度              ９３．０％
パージガス流量      １６０Ｎｍ３／ｈ
【００４３】
また、計算に用いたパラメーターを以下に示す。なお、計算の精度として、計算格子は、格子長さ０．０１ｍの等間隔格子を使用し、時間刻み０．１ｓｅｃで時間積分を行った。
【００４４】
0003884328.tif 000002
【００４５】
また、ＰＳＡ操作が定常状態になるまでを約２０００サイクルとし、該定常状態における装置性能をシミュレーション結果とした。
【００４６】
まず、吸着剤粒子の相当直径ａが０．６ｍｍ、１．０ｍｍ、１．６ｍｍの３種類について、原料空気の空筒速度を変えたときの電力原単位の変化を求めた。このように、各粒子径については電力原単位を最小にするような最適流速が存在する。求めた結果から、相当直径ａが１．０ｍｍにおける電力原単位が最少値を示した値を基準として電力原単位の比を算出し、原料空気の空筒速度ｕと相関させたものを図３に示す。
【００４７】
次に、図３から、各粒子相当直径ａと、各粒子相当直径ａにおいて電力原単位が最少となる原料空気の空筒速度ｕとを求め、吸着剤の粒子相当直径ａと電力原単位が最少となる原料空気の空筒速度ｕとの関係を算出した。その結果を図４に示す。
【００４８】
そして、図４から、吸着剤の相当直径ａと電力原単位が最少となる原料空気の空筒速度ｕとの関係が直線で近似でき、以下の式で表されることがわかる。
ｕ＝０．０７ａ＋０．０９５
【００４９】
さらに、図３から、各粒子相当直径ａに対する電力原単位の比が電力原単位の最少値から許容できる上昇範囲として約３％以内にするためには、設計上の空筒速度Ｕの上下限は、
０．７５ｕ≦Ｕ≦１．２５ｕ
となる。
【００５０】
これらの結果からわかるように、吸着剤粒子の相当直径ａによって最適な原料空気空筒速度が存在する。また、電力原単位として最小値が得られた点と吸着剤粒子の相当直径ａとの関係を求めたものを図５に示す。
【００５１】
図５から明らかなように、吸着剤粒子の相当直径ａが１ｍｍにおいて、酸素ＰＳＡ装置の電力原単位が最小値を示すことがわかる。
【００５２】
ここで、一般に市販されている吸着剤粒子の形状、特に、ビーズ状の吸着剤においては、粒径分布を持ち、大小粒子径の混合物となっている。吸着剤の粒子径が問題となるような装置においては、特定の粒子径のところに粒径分布のピーク値を持つようにふるい分けされて販売されている。
【００５３】
本発明においては、ＰＳＡ装置用吸着剤として特定の相当直径（直径を含む）を有する吸着剤を用いることによってＰＳＡ装置の電力原単位を最少とするものであるから、前述の粒径分布のピークが特定値の範囲内にあることが望ましい。
【００５４】
また、吸着剤の粒径分布の測定は、タイラー標準ふるい等のふるいを用いて測定されるが、用いるふるいの目開きにより１４メッシュから以下、１６メッシュまで以上の範囲粒子が概ね１ｍｍの径を持つことになる。一般には、このような狭い範囲で粒子径を選ぶと、商品として販売できる量が少なくなることから、ある程度ふるいに幅を持たせて、その範囲にある粒子の量（例えば重量％）が一定の割合以上とすることが行われている。
【００５５】
本発明で使用する吸着剤としては、１ｍｍを中心とするその前後として、１２メッシュ以下２０メッシュ以上の粒子が、重量％で全体の７０％以上を占めるものが望ましい。これより高いパーセンテージであればなお望ましいが、これより小さい割合であると、すなわち、より大きい、あるいは、より小さい粒子が相対的に多く含まれていると、得られるＰＳＡ装置の性能として、期待される電力原単位の最小値が得られないことになる。
【００５６】
なお、先のふるいの目開きを数値として表すと、２０メッシュが０．８３３ｍｍ、１２メッシュが１．３９７ｍｍであるから、粒子径としては概ね１±０．２ｍｍが許容されることになる。前述の粒径分布による表現を取れば、１±０．２ｍｍの範囲の相当直径又は直径を持つ量が全吸着剤量の少なくも７０％ともいうことができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、酸素ＰＳＡ装置の電力原単位を最小にすることができる。また、吸着剤に対して特定の関係が成立するように吸着筒を形成することにより、酸素ＰＳＡ装置の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  シミュレーションの対象とした酸素ＰＳＡ装置を示す系統図である。
【図２】  酸素ＰＳＡプロセスの一例を示す図である。
【図３】  原料空気の空筒速度と電力原単位の比との関係を示す図である。
【図４】  粒子相当直径と電力原単位が最少となる原料空気の空筒速度との関係を示す図である。
【図５】  電力原単位として最小値が得られた点と吸着剤粒子の相当直径との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１…原料空気ブロワー、１２ａ，１２ｂ…吸着筒、１３…サージタンク、１４…真空ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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