(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子ふるいカーボンを充填した吸着筒を、吸着工程と再生工程とに切換えて窒素含有ガス中の窒素を分離濃縮する単塔式吸着分離方法において、前記分子ふるいカーボンとして、吸着開始３００秒後における酸素吸着量の９０％の酸素量を、吸着開始から２０〜５０秒間で吸着する能力及び選択係数が５〜１０の範囲の能力を備えた分子ふるいカーボンを使用することを特徴とする単塔式吸着分離方法。
【請求項２】
前記吸着工程において、吸着剤量１リットル当たり、毎分１１〜２１リットル（標準状態換算）の空気を供給することを特徴とする請求項１記載の単塔式吸着分離方法。
【請求項３】
前記吸着工程と再生工程との切換えサイクルが８０〜１７０秒間であることを特徴とする請求項１記載の単塔式吸着分離方法。
【請求項４】
分子ふるいカーボンを充填した吸着筒を、吸着工程と再生工程とに切換えて窒素含有ガス中の窒素を分離濃縮する単塔式吸着分離装置において、吸着開始３００秒後における酸素吸着量の９０％の酸素量を、吸着開始から２０〜５０秒間で吸着する能力及び選択係数が５〜１０の範囲の能力を備えた分子ふるいカーボンを吸着筒に充填したことを特徴とする単塔式吸着分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単塔式吸着分離方法及び装置に関し、詳しくは、分子ふるいカーボンを用いて窒素ガスを含む混合ガス、特に空気から窒素ガスを分離濃縮する単塔式吸着分離方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
分子ふるいカーボンを用いた圧力変動吸着分離（ＰＳＡ）法により窒素ガスを分離する装置として、２筒式と単筒式とがよく知られている。２筒式ＰＳＡ装置は、吸着工程、再生工程及び均圧回収工程の３工程を基本とし、それぞれ順次に工程を切換えて実施しながら、窒素含有ガス中の窒素ガス、例えば空気中の窒素ガスを分離濃縮するものであって、装置規模は、小型装置から大型装置まで幅広く採用されている。しかし、この２筒式ＰＳＡ装置は、窒素収率の向上や製品純度の維持を図るため、切換弁やその他の付属機器の数が多くなり、複雑で高価な装置になっている。一方の単筒式ＰＳＡ装置は、吸着工程と再生工程とを繰返すものであり、２筒式ＰＳＡ装置に比べると、構成機器が少なく単純であるという利点はあるものの、窒素収率や製品純度の点では劣っていた。
【０００３】
上記単筒式ＰＳＡ装置に対しても、特開平５−１０５４１０号公報や、特開昭６０−３６３０６号公報等に記載されているように、プロセス及び構成機器に関して種々改善が進められてきている。ところが、充填される分子ふるいカーボンが２筒式ＰＳＡ装置に使用されるものと同じ性能のものであるため、単筒式ＰＳＡ装置に適したコンパクト化を十分に発揮しているとはいえず、窒素ガス発生量に対して装置価格が安価であるとはいえなかった。また、単筒式では、２筒式で採用される均圧回収工程を実行できないため、回収率を向上させることは極めて困難なことであった。
【０００４】
すなわち、従来は、窒素を濃縮分離する際には、２筒式ＰＳＡ装置を使用することが普通であり、これに適する分子ふるいカーボンとしては、酸素／窒素の吸着速度比（選択係数）が大きく、かつ、酸素の吸着速度が遅いものを選ぶのが通常であったから、この条件に合致した分子ふるいカーボンが多く開発されてきた。
【０００５】
ところが、単筒式ＰＳＡ装置では、前述のように、２筒式ＰＳＡ装置では可能な均圧工程でのガス回収を行うことができないため、再生工程終了時の大気圧から、吸着工程の最終圧まで加圧空気を供給しながら吸着工程を実施することになる。したがって、吸着筒内の供給ガスの流速が２筒式ＰＳＡより速くなるので、分子ふるいカーボンの分離効率が低下して窒素の濃縮が困難になってしまう。このように、２筒式ＰＳＡ装置に適した分子ふるいカーボンを単筒式ＰＳＡ装置にそのまま応用すると、分離効率を十分に発揮させることが不可能であった。
【０００６】
また、単筒式ＰＳＡ装置は、単純であるが故にシステムを改善する余地が少なく、一般に市販されているような特性の分子ふるいカーボンを使用して操作条件の最適化を図っても、装置の小型化には限界があるので、単筒式ＰＳＡ装置を使用するのは、小規模の窒素発生装置に限られていた。
【０００７】
そこで本発明は、単筒式の利点を生かして装置のコンパクト化が図れるとともに、窒素ガスの収率を大幅に向上させることができる単塔式吸着分離方法及び装置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】
上記目的を達成するため、本発明の単塔式吸着分離方法は、分子ふるいカーボンを充填した吸着筒を、吸着工程と再生工程とに切換えて窒素含有ガス中の窒素を分離濃縮する単塔式吸着分離方法において、前記分子ふるいカーボンとして、吸着開始３００秒後における酸素吸着量の９０％の酸素量を、吸着開始から２０〜５０秒間で吸着する能力及び選択係数が５〜１０の範囲の能力を備えた分子ふるいカーボンを使用することを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明の単塔式吸着分離方法は、前記吸着工程において、吸着剤量１リットル当たり、毎分１１〜２１リットル（標準状態換算）の空気を供給すること、前記吸着工程と再生工程との切換えサイクルが８０〜１７０秒間であることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の単塔式吸着分離装置は、分子ふるいカーボンを充填した吸着筒を、吸着工程と再生工程とに切換えて窒素含有ガス中の窒素を分離濃縮する単塔式吸着分離装置において、吸着開始３００秒後における酸素吸着量の９０％の酸素量を、吸着開始から２０〜５０秒間で吸着する能力及び選択係数が５〜１０の範囲の能力を備えた分子ふるいカーボンを吸着筒に充填したことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の単塔式吸着分離装置の一形態例を示す系統図である。この単塔式吸着分離装置は、特定の分子ふるいカーボンを充填した吸着筒１の製品ガス出口側に、該吸着筒１から得られる製品窒素ガスを貯留する製品ガス槽２を接続したものであって、吸着筒１と製品ガス槽２とは、製品ガス経路３及びパージガス経路４で接続されている。また、吸着筒１の原料ガス入口側には、原料ガス経路５及び排ガス経路６が接続されており、製品ガス槽２には製品ガス供給経路７が接続されている。
【００１２】
さらに、前記製品ガス経路３には逆止弁１１が、パージガス経路４には流量制御弁１２及び逆止弁１３が、原料ガス経路５には制御弁１４及び切換弁１５が、排ガス経路６には切換弁１６及び消音装置１７が、製品ガス供給経路７には圧力制御弁１８及び流量制御弁１９が、それぞれ設けられている。前記切換弁１５と切換弁１６とは、工程の進行に伴って所定のタイミングで開閉されるものであり、その他の弁は、所定の圧力や流量が得られる開度にあらかじめ設定されている。
【００１３】
この単塔式吸着分離装置は、吸着工程と再生工程とを繰返すことにより、窒素含有ガス中の窒素を分離濃縮して製品窒素ガスとする。例えば、原料となる窒素含有ガスが空気である場合、吸着工程では、切換弁１５が開、切換弁１６が閉となり、あらかじめ７ｋｇｆ／ｃｍ２に圧縮された原料空気が、制御弁１４で流量と圧力とを制御された後、切換弁１５を通って原料ガス経路５から吸着筒１内に導入される。空気中の酸素ガスは、吸着筒１内に充填されている分子ふるいカーボンに吸着されて窒素ガスと分離し、吸着しなかった窒素ガスが製品ガス経路３を通って製品ガス槽２に流入する。
【００１４】
所定の時間が経過すると、吸着工程から再生工程への切換えが行われ、切換弁１５が閉、切換弁１６が開となる。これにより、吸着筒１内の酸素ガスが排ガス経路６を経て外部に放出される。また、吸着筒１内の圧力が低下すると、製品ガス槽２内の窒素ガスがパージガス経路４を通って吸着筒１内を逆流し、吸着筒１内に残留する酸素ガスをパージする。この製品窒素ガスの一部を使用した製品パージは、製品窒素ガスの純度を高めるために行われるものであって、パージガス量は、製品純度と製品供給量との兼ね合いで設定される。所定時間経過すると、切換弁１５が開、切換弁１６が閉となって再生工程から吸着工程に切換えられる。
【００１５】
通常、吸着工程は、最高圧力が１０ｋｇｆ／ｃｍ２以下であり、吸着筒１の圧力上昇過程から連続的に窒素ガスを製品ガス槽２に送る方式や、吸着筒１がある一定圧力になってから窒素ガスを製品ガス槽２に送り出す方式等がある。また、吸着工程の時間は、最長、数分から数十分程度であり、再生工程の時間は、数分程度である。さらに、吸着筒が一つだけの単筒式であるから、吸着筒１からの窒素ガスは、間欠的に製品ガス槽２に送られることになるが、製品窒素ガスは、製品ガス槽２から製品ガス供給経路７を経て所定の圧力及び所定の流量で需要先に連続的に供給される。
【００１６】
前記吸着筒１に充填する分子ふるいカーボンとしては、吸着速度が速いものが選択されている。この吸着速度の速い分子ふるいカーボンとは、吸着開始３００秒後における酸素吸着量の９０％の酸素量を、吸着開始から２０〜５０秒間、好ましくは２８〜４５秒間で吸着する能力（以下、初期吸着能力という）を備えた分子ふるいカーボンである。このとき、初期吸着能力が２０秒未満の場合は、酸素と窒素との吸着速度の差（選択係数）が必然的に小さくなるため、酸素／窒素の分離効率が低下してしまう。また、初期吸着能力が５０秒を超えると、時間当たりの窒素発生量が少なくなり過ぎてしまう。
【００１７】
原料となる窒素含有ガスが空気である場合、上記分子ふるいカーボンを使用して窒素を効率よく分離するためには、空気の供給量を、１１〜２１ＮＬ／（ｍｉｎ・Ｌ）の範囲（吸着剤量１リットル当たり、毎分１１〜２１リットル（標準状態換算）の範囲）に設定することが好ましい。供給量がこれより少ないと時間当たりの窒素発生量が少なくなり、これより多くなると酸素／窒素の分離効率が低下する。また、初期吸着能力が２８〜４５秒間の分子ふるいカーボンの場合は、空気の供給量を１３〜１８ＮＬ／（ｍｉｎ・Ｌ）の範囲に設定することにより、更に効率よく窒素を分離することができる。
【００１８】
さらに、前記初期吸着能力が２０〜５０秒間の分子ふるいカーボンにおいては、その酸素／窒素の吸着速度比（選択係数Ｋ）が、５〜１０の範囲であることが好ましい。ここで、選択係数Ｋとは、吸着開始３００秒後の酸素吸着量の９０％の酸素量をｑ（Ｏ２）とし、それを吸着するのに要した時間と同じ時間で吸着した窒素吸着量をｑ（Ｎ２）としたときに、Ｋ＝ｑ（Ｏ２）／ｑ（Ｎ２）で表されるものである。この選択係数Ｋは、できるだけ大きいことが望ましいが、吸着速度を早くしながら選択係数を１０より大きくすることには限度がある。一方、選択係数が５未満であると、分離効率が小さくなり過ぎるので実用的ではない。
【００１９】
また、吸着筒１が吸着工程を開始してから、再生工程を経て次の吸着工程を開始するまでの時間、すなわち、１サイクルの時間は、吸着筒１の容量や原料の供給量にもよるが、通常は８０〜１７０秒が適当である。この１サイクルの時間が８０秒未満の場合は、酸素／窒素の分離効率が低下し、１７０秒を超えると、時間当たりの窒素発生量が少なくなってしまう。
【００２０】
上述のような条件に設定することにより、窒素の収率を高めることができるとともに、所定の純度の製品窒素ガスを所定圧力、所定流量で連続的に製造することが可能となり、単筒式で非常にコンパクトな装置構成とすることができるので、装置コストや運転コストの低減が図れる。
【００２１】
すなわち、２筒式ＰＳＡ装置用として開発されていた比較的吸着速度の遅い従来の分子ふるいカーボンではなく、吸着速度の速い分子ふるいカーボンを使用して単筒式ＰＳＡ装置を形成することにより、コンパクトで低コストの装置で窒素ガスを効率よく分離濃縮することが可能となる。
【００２２】
【実施例】
実施例１
分子ふるいカーボンとして、吸着開始３００秒後の酸素吸着量の９０％の酸素量を４７秒間で吸着する吸着速度の速い分子ふるいカーボンを使用した。吸着筒は内容積（吸着剤充填量）１リットルのものを、製品ガス槽には内容積２．５リットルのものをそれぞれ使用した。吸着終了圧力は６．５ｋｇｆ／ｃｍ２とし、再生は大気圧までの圧力放出として同時に製品パージも行った。パージガス量は１時間当たり１５ＮＬ（ＮＬは標準状態でのガスの体積（リットル）、以下同じ）とした。１サイクルの時間は、吸着工程８０秒、再生工程８０秒の１６０秒とした。運転は室温を２５℃に調節した室内で行った。なお、１サイクルの時間は、使用した分子ふるいカーボンにおける最適な時間をあらかじめ実験により測定したものを選択した（以下同じ）。
【００２３】
窒素含有ガスとして最も手軽な空気を使用して窒素ガスの分離濃縮を行った。得られた製品窒素ガスの純度を製品中の酸素濃度［容積％］で表し、製品中の酸素濃度が０．０１％のときと、０．１％のときの空気供給量、窒素発生量（製品窒素量）及び窒素収率を表１に示す。
【００２４】
なお、以下の表において、空気供給量［ＮＬ／ｍｉｎ］（標準状態に換算した１分当たりの流量（リットル）、以下同じ）は、吸着工程時に吸着筒に供給される空気の流量であり、窒素発生量［ＮＬ／ｍｉｎ］は、製品ガス槽から需要先へ連続的に供給される流量である。窒素収率［％］は、製品窒素量÷｛０．７９×空気供給量×（吸着工程時間÷１サイクル時間）｝×１００で表した。
【００２５】
【表１】
0004195131.tif 000002
【００２６】
実施例２
吸着開始３００秒後の酸素吸着量の９０％の酸素量を３７秒間で吸着する分子ふるいカーボンを使用し、１サイクルの時間は１４０秒（吸着工程７０秒＋再生工程７０秒）とした。これ以外の条件は、実施例１と同じとした。その結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
実施例３
吸着開始３００秒後の酸素吸着量の９０％の酸素量を２３秒間で吸着する分子ふるいカーボンを使用し、１サイクルの時間は１１０秒（吸着工程６０秒＋再生工程５０秒）とした。パージガス量は１時間当たり２０ＮＬとした。これ以外の条件は実施例１と同じとした。その結果を表３に示す。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
比較例１
吸着開始３００秒後の酸素吸着量の９０％の酸素量を６８秒間で吸着する吸着速度の遅い分子ふるいカーボンを使用した。１サイクルの時間は２６０秒（吸着工程１３０秒＋再生工程１３０秒）とし、パージガス量は１時間あたり７ＮＬとした。これ以外の条件は実施例１と同じとした。その結果を表４に示す。
【００３１】
【表４】
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【００３２】
比較例２
吸着開始３００秒後の酸素吸着量の９０％の酸素量を５９秒間で吸着する分子ふるいカーボンを使用し、１サイクル時間は２４５秒（吸着工程１３０秒＋再生１１５秒）とした。パージガス量は１時間当たり１１ＮＬとした。これ以外の条件は実施例１に同じとした。その結果を表５に示す。
【００３３】
【表５】
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【００３４】
実施例１〜３と比較例１〜２の対比
比較例１，２に対する実施例１，２，３の窒素発生量の比率及び窒素収率の比率を表６に示す。この表から明らかなように、本発明の実施例では、同じ吸着筒容積当たりの窒素発生量が、比較例に比べて最大では２．７９倍、最小でも１．５４倍であり、吸着筒当たりの窒素発生量が極めて多くなる効果が得られた。換言すると、窒素発生量当たりでは、極めて内容積の小さな吸着筒でよいことになり、ＰＳＡ装置全体としても極めてコンパクトになる効果が得られる。また、窒素収率についても、実施例の収率を比較例の収率で除した値は表６の通りであり、大幅に改善されていることが認められる。
【００３５】
【表６】
0004195131.tif 000007
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高い収率で、単位吸着筒容積当たり多くの窒素を発生することができる。すなわち、窒素発生量当たりでは、吸着筒を小さくすることができ、ＰＳＡ装置全体を極めてとしてコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の単塔式吸着分離装置の一形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…吸着筒、２…製品ガス槽、３…製品ガス経路、４…パージガス経路、５…原料ガス経路、６…排ガス経路、７…製品ガス供給経路、１１…逆止弁、１２…流量制御弁、１３…逆止弁、１４…制御弁、１５…切換弁、１６…切換弁、１７…消音装置、１８…圧力制御弁、１９…流量制御弁
【図１】
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