JP2005349249A - 酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製品ガスとして充分に高純度の酸素ガスおよび窒素ガスを空気等から併行分離することのできる方法を提供すること。
【解決手段】 本発明の方法では、複数の吸着塔１１，１２が用いられ、各塔では以下の吸着・減圧・第１脱着・第２脱着・第３脱着・昇圧の各工程が繰り返される。吸着：塔の一端から混合ガスを導入し、混合ガス中の窒素含有易吸着成分を塔内の吸着剤に吸着させ、塔の他端から酸素ガスを導出する。減圧：他端からパージガスを導出する。第１脱着：吸着剤から易吸着成分を脱着させて一端から窒素ガスを導出しつつ、他端から昇圧ガスを導出する。第２脱着：前工程に引き続き窒素ガスを導出する。第３脱着：他塔からのパージガスを他端から導入しつつ、前工程に引き続き窒素ガスを導出する。昇圧：他塔からの昇圧ガスを導入する。一連の脱着工程（第１〜第３脱着）は、窒素ガスを分取する期間とこの前後の待機期間とに区分される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力変動吸着式ガス分離装置を用いて酸素・窒素含有ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行して分離するための方法に関する。

空気から分離して得られる酸素ガスおよび窒素ガスは、多様な用途に利用されている。酸素ガスは、例えば、ゴミ溶融炉や、灰溶融炉、ガラス溶融炉、製鋼用電気炉の燃焼効率向上、化学プラントでの酸化反応、廃水処理装置における酸素曝気などに、利用されている。一方、窒素ガスは、例えば、ゴミ溶融炉や化学プラントにおける還元ガスシール、熱処理炉の雰囲気ガス調整、食品の包装用ガスシールなどに、利用されている。

空気から酸素ガスや窒素ガスを分離するのに実用的な手法の一つとして、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）が知られている。ＰＳＡ法によるガス分離では、所定成分を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を具備するＰＳＡ装置が用いられ、吸着塔において、少なくとも吸着工程および脱着工程が実行される。吸着工程では、吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の易吸着成分を高圧条件下で吸着剤に吸着させ、難吸着成分からなるガスを塔から導出する。脱着工程では、塔内圧力を降下させて易吸着成分を吸着剤から脱着させ、当該易吸着成分を主に含むガスを吸着塔から導出する。酸素よりも窒素を優先的に吸着することのできる吸着剤を使用し且つ混合ガスとして空気を吸着塔に導入する場合、酸素は、吸着工程にて難吸着成分として塔外に導出され、窒素は、易吸着成分として、吸着工程にて吸着剤に吸着され且つ脱着工程にて塔外に導出される。一方、窒素よりも酸素を優先的に吸着することのできる吸着剤を使用し且つ混合ガスとして空気を吸着塔に導入する場合には、窒素は、吸着工程にて難吸着成分として塔外に導出され、酸素は、易吸着成分として、吸着工程にて吸着剤に吸着され且つ脱着工程にて塔外に導出される。

ＰＳＡ法においては、脱着工程にて減圧脱着されて塔外に導出される易吸着成分ガスよりも、吸着工程にて吸着塔を通過する難吸着成分ガスの方が、ガス濃度やガス量について安定している。そのため、ＰＳＡ法では、取得目的のガスを易吸着成分ガスとするよりも難吸着成分ガスとする方が、当該目的ガスを効率よく取得しやすい。したがって、ＰＳＡ法により空気から酸素を分離取得する際には、一般に、使用されるＰＳＡ装置の吸着塔に窒素吸着性の吸着剤が充填され、吸着工程にて当該吸着塔から導出される酸素富化ガスが製品ガスとして回収される。また、ＰＳＡ法により空気から窒素を分離取得する際には、一般に、酸素吸着性の吸着剤が吸着塔に充填され、吸着工程にて当該吸着塔から導出される窒素富化ガスが製品ガスとして回収される。

しかしながら、空気中の酸素を分離取得して利用するとともに空気中の窒素を分離取得して利用する必要が生ずる場合があり、この場合には、空気中に含まれる酸素および窒素を単一のＰＳＡ装置により併行して分離取得することが可能な技術が望まれる。

図８は、空気中の酸素および窒素を単一のＰＳＡ装置により併行して分離することを目的とする従来の一方法を表す。本従来方法では、２つの吸着塔８１，８２と、窒素回収タンク８３と、酸素回収タンク８４とを備える装置が使用され、吸着塔８１，８２には、各々、窒素よりも酸素を優先的に吸着する吸着剤が充填されている。また、本従来方法では、以下のステップ１〜４からなる１サイクルが繰り返され、単一の吸着塔に着目すると、１サイクルにおいて、吸着工程、酸素生成工程、および再生工程が順次行われる。図８は、具体的には、本従来方法のステップ１〜４におけるガスの流れ状態を表す。

本従来方法のステップ１では、図８（ａ）に示すように、吸着塔８１にて吸着工程が行われ、吸着塔８２にて酸素生成工程が行われる。具体的には、吸着塔８１では、空気Ｇ１１が塔内に導入され、空気Ｇ１１に含まれる易吸着成分（主に酸素を含む）が吸着剤により吸着除去され、窒素が富化されたガスＧ１２が塔外に導出される。このガスＧ１２は、窒素富化ガスとして窒素回収タンク８３に回収される。これとともに、後述の図８（ｄ）に示すステップ４にて吸着工程を経た吸着塔８２では、塔内圧力が降下され、酸素を含む易吸着成分が吸着剤から脱着し、当該易吸着成分を主に含むガスＧ１３が、塔外に排出される。このガスＧ１３は、酸素富化ガスとして酸素回収タンク８４に回収される。

ステップ２では、図８（ｂ）に示すように、吸着塔８１にてステップ１に引き続いて吸着工程が行われ、吸着塔８２にて再生工程が行われる。具体的には、吸着塔８１では、ステップ１に引き続いてガスＧ１２が塔外に導出され、このガスＧ１２は、窒素富化ガスとして窒素回収タンク８３に回収される。これとともに、吸着塔８２では、塔内が大気に開放され、実質的に全ての易吸着成分を吸着剤から脱着させることにより当該吸着剤が再生される。

ステップ３およびステップ４では、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すように、ステップ１およびステップ２において吸着塔８１にて行われたのと同様に、吸着塔８２にて吸着工程が行われ、ステップ１およびステップ２において吸着塔８２にて行われたのと同様に、吸着塔８１にて、酸素生成工程および再生工程が順次行われる。

このような従来方法によると、窒素回収タンク８３に回収される窒素富化ガスについては、比較的に高い窒素濃度で得ることができるが、酸素回収タンク８４に回収される酸素富化ガスについては、高い酸素濃度で得られない。吸着工程を終えた直後の吸着塔（ステップ１の吸着塔８２，ステップ３の吸着塔８１）内には、窒素富化ガスであるガスＧ１２の組成のガスから、原料である空気Ｇ１１の組成のガスまでが残存しており、上述のような酸素生成工程では、吸着剤から脱着される酸素とともに当該塔内残存ガスが、塔外に排出されるからである。すなわち、酸素生成工程にて塔外に排出されるガス１３には、窒素濃度の高い塔内残存ガスが比較的に多量に含まれているため、酸素回収タンク８４に回収される酸素富化ガスについて、高い酸素濃度で得られないのである。このような従来方法は、例えば下記の特許文献１に記載されている。特許文献１によると、回収される酸素富化ガスの酸素濃度は３０％程度でしかない。

図９および図１０は、空気中の酸素および窒素を単一のＰＳＡ装置により併行して分離することを目的とする従来の他の方法を表す。本従来方法は、下記の特許文献２に記載されている濃縮酸素回収方法において、酸素とともに、脱着ガス中の窒素を回収するものである。本従来方法では、２つの吸着塔９１，９２と、酸素回収タンク９３と、窒素回収タンク９４とを備える装置が使用され、吸着塔９１，９２には、各々、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤が充填されている。また、本従来方法では、以下のステップ１〜１０からなる１サイクルが繰り返され、単一の吸着塔に着目すると、１サイクルにおいて、吸着工程、減圧工程、第１脱着工程、第２脱着工程、第３脱着工程（第１パージ工程）、第４脱着工程（第２パージ工程）、第１昇圧工程、および第２昇圧工程が順次行われる。図９および図１０は、具体的には、本従来方法のステップ１〜１０におけるガスの流れ状態を表す。

本従来方法のステップ１では、図９（ａ）に示すように、吸着塔９１にて吸着工程が行われ、吸着塔９２にて、後述の図１０（ｅ）に示すステップ１０に引き続いて第２脱着工程が行われる。具体的には、吸着塔９１では、空気Ｇ２１が塔内に導入され、空気Ｇ２１に含まれる易吸着成分（主に窒素を含む）が吸着剤により吸着除去され、酸素が富化されたガスＧ２２が塔外に導出される。このガスＧ２２は、酸素富化ガスとして酸素回収タンク９３に回収される。これとともに、吸着塔９２では、塔内圧力が降下され、窒素を含む易吸着成分が吸着剤から脱着し、当該易吸着成分を主に含むガスＧ２３（脱着ガス）が、塔外に排出される。このガスＧ２３は、窒素富化ガスとして窒素回収タンク９４に回収される。

ステップ２では、図９（ｂ）に示すように、吸着塔９１にてステップ１に引き続いて吸着工程が行われ、吸着塔９２にて第３脱着工程（第１パージ工程）が行われる。具体的には、吸着塔９１では、ステップ１に引き続いてガスＧ２２が塔外に導出され、このガスＧ２２は、酸素富化ガスとして酸素回収タンク９３に回収される。一方、吸着塔９２では、酸素回収タンク９３からのガスＧ２２がパージガスとして塔内に導入されつつ、ステップ１に引き続き、窒素が富化されたガスＧ２３が塔外に導出される。このガスＧ２３は、窒素富化ガスとして窒素回収タンク９４に回収される。

ステップ３では、図９（ｃ）に示すように、吸着塔９１にて減圧工程が行われ、吸着塔９２にて第４脱着工程（第２パージ工程）が行われる。具体的には、上述の吸着工程を経て吸着塔９２よりも高圧状態にある吸着塔９１からガスＧ２４が導出され、このガスＧ２４は、パージガスとして酸素ガス導出端側から吸着塔９２に導入される。一方、吸着塔９２では、ステップ２に引き続き、窒素が富化されたガスＧ２３が塔外に導出される。このガスＧ２３は、窒素富化ガスとして窒素回収タンク９４に回収される。

ステップ４では、図９（ｄ）に示すように、吸着塔９１にて第１脱着工程が行われ、吸着塔９２にて第１昇圧工程が行われる。具体的には、依然として吸着塔９２よりも高圧状態にある吸着塔９１からガスＧ２４が排出され、このガスＧ２４は、昇圧ガスとして、空気供給端側から吸着塔９２に導入される。これとともに、吸着塔９２では、酸素回収タンク９３からのガスＧ２２が昇圧ガスとして塔内に導入される。

ステップ５では、図９（ｅ）に示すように、吸着塔９１にて第２脱着工程が行われ、吸着塔９２にて第２昇圧工程が行われる。具体的には、吸着塔９１では、塔内圧力が降下され、窒素を含む易吸着成分が吸着剤から脱着し、当該易吸着成分を主に含むガスＧ２３が、塔外に排出される。このガスＧ２３は、窒素富化ガスとして窒素回収タンク９４に回収される。一方、吸着塔９２では、酸素回収タンク９３からのガスＧ２２が昇圧ガスとして塔内に導入されつつ、空気Ｇ２１が塔内に導入される。

ステップ６〜１０では、ステップ１〜５において吸着塔９１にて行われたのと同様に、吸着塔９２にて吸着工程（ステップ６，７）、減圧工程（ステップ８）、第１脱着工程（ステップ９）、および第２脱着工程（ステップ１０）が順次行われ、ステップ１〜５において吸着塔９２にて行われたのと同様に、吸着塔９１にて、第２脱着工程（ステップ６）、第３脱着工程（ステップ７）、第４脱着工程（ステップ８）、第１昇圧工程（ステップ９）、および第２昇圧工程（ステップ１０）が順次行われる。

このような従来方法によると、酸素回収タンク９３に回収される酸素富化ガスについて９５％程度の高い酸素濃度で得ることができる。しかしながら、窒素回収タンク９４に回収される窒素富化ガスは、１０〜１５％程度の比較的高い残存酸素濃度を示してしまう。すなわち、得られる窒素富化ガスの窒素純度は低い。第３脱着工程にある吸着塔（ステップ２の吸着塔９２，ステップ７の吸着塔９１）に、酸素濃度の高いガスＧ２２がパージガスとして導入され、このガスＧ２２が、後に続く一連の工程において酸素回収タンク９３に回収されてしまうためである。窒素ガスにおける残存酸素濃度がこの程度であると、当該窒素ガスを還元ガスとして適切に利用できない場合がある。

特開２０００−６１２４４号公報 特開平１０−１１３５２７号公報

本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、製品ガスとして充分に高純度の酸素ガスおよび窒素ガスを酸素・窒素含有ガスから併行分離することのできる方法を提供することを、目的とする。

本発明により提供される方法は、酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するためのものであって、本方法では、混合ガス供給端および酸素ガス導出端を各々が有し且つ各々の当該両端の間に吸着剤が充填された複数の吸着塔を用い、各吸着塔において、吸着工程、減圧工程、第１脱着工程、第２脱着工程、第３脱着工程、および昇圧工程を含む１サイクルを、繰り返す。吸着工程では、吸着塔に対して混合ガス供給端から混合ガスを導入し、当該混合ガスに含まれ且つ窒素を含む易吸着成分を吸着剤に吸着させ、酸素ガス導出端から酸素富化ガスを導出する。酸素富化ガスとは、混合ガスより高い酸素濃度を有するガスであって、本発明では、製品酸素ガスである。減圧工程では、吸着塔の酸素ガス導出端から第１導出ガスを導出して当該吸着塔の内部圧力を降下させる。第１脱着工程では、吸着塔の吸着剤から易吸着成分の一部を脱着させて混合ガス供給端から窒素富化ガスを導出しつつ、当該吸着塔の酸素ガス導出端から第２導出ガスを導出する。窒素富化ガスとは、混合ガスより高い窒素濃度を有するガスである。第２脱着工程では、第１脱着工程から引き続いて吸着塔の混合ガス供給端から窒素富化ガスを導出する。第３脱着工程では、吸着塔に対して酸素ガス導出端からパージガスを導入しつつ、第２脱着工程から引き続いて吸着塔の混合ガス供給端から窒素富化ガスを導出する。昇圧工程では、吸着塔に昇圧ガスを導入して当該吸着塔の内部圧力を上昇させる。減圧工程中の吸着塔から導出される第１導出ガスは、第３脱着工程中の吸着塔にパージガスとして導入され、第１脱着工程中の吸着塔から導出される第２導出ガスは、昇圧工程中の吸着塔に昇圧ガスとして導入される。また、第１脱着工程、第２脱着工程、および第３脱着工程を含む一連の脱着工程は、窒素富化ガスを分取しない前待機期間および後待機期間、並びに、当該両待機期間の間において窒素富化ガスを分取するための窒素分取期間、に区分される。

上述のようなガス流れを伴う各吸着塔での１サイクルの構成は、脱着工程中の各吸着塔の混合ガス供給端から導出される窒素富化ガスの残存酸素濃度を低減するうえで好適である。具体的には、減圧工程では、吸着工程を終えた塔内の酸素ガス導出端付近に残存するガス（酸素濃度の比較的に高いガス）が酸素ガス導出端から塔外に導出され、このような減圧工程は、後に続く脱着工程にて塔外に導出される窒素富化ガスの残存酸素濃度を低減するのに資する。また、第１脱着工程では、混合ガス供給端から塔外に窒素富化ガスが導出されるとともに、酸素ガス導出端付近のガス（酸素濃度の比較的に高いガス）が酸素ガス導出端から塔外に導出され、このような第１脱着工程は、脱着工程にて塔外に導出される窒素富化ガスの残存酸素濃度を低減するのに資する。更に、第３脱着工程では、他吸着塔からのパージガス（酸素分圧が相対的に高いガス）を低圧下で塔内に導入することによって吸着剤からの易吸着成分（主に窒素を含む）の脱着を促進して塔外に窒素富化ガスが導出され、当該パージガスとして、製品酸素ガスよりも酸素濃度の低いガス（第１導出ガス）が用いられる。このような第３脱着工程は、パージガスとして製品酸素ガスを使用する場合（例えば、図９（ｂ）を参照して従来方法に関して上述したような場合）よりも、当該第３工程中に塔外に導出される窒素富化ガスの残存酸素濃度を低減するうえで好適である。

加えて、本発明においては、第１〜第３脱着工程において導出される窒素富化ガスの残存酸素濃度は、例えば、先ず次第に低下して最低濃度に至った後に次第に上昇するように変化するところ、一連の脱着工程（第１〜第３脱着工程）は、窒素富化ガスを分取しない前待機期間、窒素富化ガスを分取する窒素分取期間、および、窒素富化ガスを分取しない後待機期間の３つに区分されるため、窒素分取期間の開始タイミングおよび終了タイミングを適宜設定することによって、所望以下の残存酸素濃度を有する窒素富化ガスを選択的に分取することができる。

したがって、本方法によると、製品ガスとして充分に高純度の酸素ガスおよび窒素ガスを、例えば空気などの酸素・窒素含有ガスから併行分離することができるのである。

好ましくは、窒素分取期間は、第２脱着工程中に開始し且つ当該第２脱着工程中に終了する。或は、窒素分取期間は、第２脱着工程中に開始し且つこの後の第３脱着工程中に終了する。或は、窒素分取期間は、第３脱着工程中に開始し且つ当該第３脱着工程中に終了する。これらのような構成は、高純度窒素ガスを得るうえで好適な場合がある。

好ましくは、前待機期間および／または後待機期間において分取されない窒素富化ガスの少なくとも一部は、混合ガスの一部として、吸着工程中の吸着塔に導入される。このような構成は、窒素分取期間中に分取される窒素富化ガスの残存酸素濃度を低減したり、当該窒素富化ガスの取得量を増大するうえで、好適である。

図１は、酸素ガスおよび窒素ガスを併行して分離するための本発明の酸素・窒素併行分離方法を実施することのできるガス分離装置Ｘの構成を表す。ガス分離装置Ｘは、吸着塔１１，１２と、酸素回収タンク１３と、窒素回収タンク１４と、空気供給装置２１と、ポンプ２２と、配管３１〜３５と、これら配管３１〜３５に設けられた自動弁４１〜４９とを備える。

吸着塔１１は、空気供給口１１ａおよび酸素ガス導出口１１ｂを有する。空気供給口１１ａは、配管３１および配管３４に継合されており、酸素ガス導出口１１ｂは、配管３２および配管３３に継合されている。同様に、吸着塔１２は、空気供給口１２ａおよび酸素ガス導出口１２ｂを有し、空気供給口１２ａは、配管３１および配管３４に継合され、酸素ガス導出口１２ｂは、配管３２および配管３３に継合されている。また、吸着塔１１，１２の各々には、窒素吸着性の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。単一の吸着塔には、一種類の吸着剤を充填してもよいし、複数種類の吸着剤を充填してもよい。

空気供給装置２１は、本発明における混合ガス（本実施形態では空気）を吸着塔１１，１２に供給するためのものであり、例えばブロアである。また、ポンプ２２は、吸着塔１１，１２を吸引減圧するためのものであり、例えば真空ポンプである。

ガス分離装置Ｘの駆動時においては、自動弁４１〜４９の各々について開閉状態を適宜切り替えることにより、吸着塔１１，１２および配管３１〜３５におけるガスの流れ状態を決定することができ、例えば図２に示す態様で自動弁４１〜４９を切り替えることにより、以下のステップ１〜１０からなる１サイクルを実行することができる。単一の吸着塔に着目すると、１サイクルにおいて、吸着工程、減圧工程、第１脱着工程、第２脱着工程、第３脱着工程、および昇圧工程が順次行われる。図３および図４は、ステップ１〜１０におけるガス分離装置Ｘでのガスの流れ状態を表す。

ステップ１では、図２に示すように各自動弁４１〜４９の開閉状態が選択され、且つ、空気供給装置２１およびポンプ２２が作動することによって、図３（ａ）に示すようなガス流れ状態が達成される。また、ステップ１では、吸着塔１１,１２にて、各々、吸着工程および第２脱着工程が行われる。

図１および図３（ａ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ１では、酸素および窒素を含有する空気Ｇ１が、配管３１および自動弁４１を介して空気供給口１１ａから吸着塔１１に導入される。吸着塔１１では、空気Ｇ１に含まれる易吸着成分（主に窒素を含む）が吸着剤により吸着除去され、酸素濃度の高いガスが酸素富化ガスＧ２として酸素ガス導出口１１ｂから塔外に導出される。この酸素富化ガスＧ２は、自動弁４５および配管３２を介して酸素回収タンク１３に回収される。

これとともに、本ステップでは、第１脱着工程ないし後述のステップ１０を経た吸着塔１２の吸着剤から、窒素を含む易吸着成分が脱着し、当該易吸着成分を主に含む排出ガスＧ３が、吸着塔１２の空気供給口１２ａから塔外に排出される。この排出ガスＧ３は、自動弁４４、配管３４、および自動弁４８を介して装置外に廃棄される。本ステップにおいては、吸着塔１２の内部圧力は次第に降下し、排出ガスＧ３の窒素濃度は当該内部圧力の降下に伴って次第に上昇し、排出ガスＧ３の残存酸素濃度は次第に低下する。この窒素濃度の上昇または残存酸素濃度の低下について、吸着塔１２の内部圧力の降下に対応付けて予め把握しておき、本ステップは、吸着塔１２の内部圧力が降下して所定の値に至るまで（即ち、排出ガスＧ３の窒素濃度が上昇して所定の値に至っていると想定されるまで、或は、排出ガスＧ３の残存酸素濃度が低下して所定の値に至っていると想定されるまで）継続される。圧力センサは、吸着塔１１，１２の各々について備え付けられている。

ステップ２では、図２に示すように各自動弁４１〜４９の開閉状態が選択され、且つ、空気供給装置２１およびポンプ２２が作動することにより、図３（ｂ）に示すようなガス流れ状態が達成される。また、ステップ２では、吸着塔１１,１２にて、各々、ステップ１から引き続いて吸着工程および第２脱着工程が行われる。

図１および図３（ｂ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ２では、吸着塔１１からの酸素富化ガスＧ２は、ステップ１から引き続いて酸素回収タンク１３に回収される。一方、吸着塔１２からの、残存酸素濃度が所望の値以下である排出ガスＧ３は、廃棄されずに、自動弁４４、配管３４、配管３５、および自動弁４９を介して窒素回収タンク１４に回収される。本ステップにおいては、吸着塔１２の内部圧力はステップ１に引き続いて次第に降下し、排出ガスＧ３の窒素濃度は当該内部圧力の降下に伴って次第に上昇し、排出ガスＧ３の残存酸素濃度は次第に低下する。

ステップ３では、図２に示すように各自動弁４１〜４９の開閉状態が選択され、且つ、ポンプ２２が作動することにより、図３（ｃ）に示すようなガス流れ状態が達成される。また、ステップ３では、吸着塔１１にて減圧工程が行われ、吸着塔１２にて第３脱着工程が行われる。

図１および図３（ｃ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ３では、上述の吸着工程を経て吸着塔１２よりも高圧状態にある吸着塔１１の酸素ガス導出口１１ｂからガスＧ４が導出され、このガスＧ４は、パージガスとして、配管３３および自動弁４７を介して、酸素ガス導出口１２ｂから吸着塔１２に導入される。

これとともに、本ステップでは、吸着塔１２からの、残存酸素濃度が所望の値以下である排出ガスＧ３は、ステップ２に引続いて窒素回収タンク１４に回収される。本ステップにおいては、吸着塔１２の内部圧力は、次第に降下するか、或は、先ず次第に降下して最低圧力に至った後に次第に上昇する。排出ガスＧ３の窒素濃度は、次第に上昇するか、或は、先ず上昇した後に低下する。排出ガスＧ３の残存酸素濃度は、次第に低下するか、或は、先ず低下した後に上昇する。この窒素濃度または残存酸素濃度の変化について、吸着塔１２の内部圧力の変化に対応付けて予め把握しておき、本ステップは、吸着塔１２の内部圧力が所定の値に降下するまで、或は、吸着塔１２の内部圧力が最低圧力を経た後に所定の値に至るまで（即ち、排出ガスＧ３の窒素濃度が所定の値に至っていると想定されるまで、或は、排出ガスＧ３の残存酸素濃度が所定の値に至っていると想定されるまで）継続される。

ステップ４では、図２に示すように各自動弁４１〜４９の開閉状態が選択され、且つ、ポンプ２２が作動することにより、図３（ｄ）に示すようなガス流れ状態が達成される。また、ステップ４では、吸着塔１１,１２にて、各々、ステップ３から引き続いて減圧工程および第３脱着工程が行われる。

図１および図３（ｄ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ４では、依然として吸着塔１２よりも高圧状態にある吸着塔１１の酸素ガス導出口１１ｂからガスＧ４が排出され、このガスＧ４は、ステップ３から引き続いてパージガスとして吸着塔１２に導入される。一方、吸着塔１２からの、残存酸素濃度が所望の値以上である排出ガスＧ３は、自動弁４４、配管３４、および自動弁４８を介して装置外に廃棄される。

ステップ５では、図２に示すように各自動弁４１〜４９の開閉状態が選択され、且つ、空気供給装置２１およびポンプ２２が作動することにより、図３（ｅ）に示すようなガス流れ状態が達成される。また、ステップ５では、吸着塔１１,１２にて、各々、第１脱着工程および昇圧工程が行われる。

図１および図３（ｅ）を併せて参照するとよく理解できるように、ステップ５では、依然として吸着塔１２よりも高圧状態にある吸着塔１１の酸素ガス導出口１１ｂからガスＧ４が排出され、このガスＧ４は、昇圧ガスとして、配管３３および自動弁４７を介して、酸素ガス導出口１２ｂから吸着塔１２に導入される。

これとともに、本ステップでは、空気Ｇ１が、配管３１および自動弁４３を介して空気供給口１２ａから吸着塔１２に導入される。空気Ｇ１およびガスＧ４の導入により、吸着塔１２の内部圧力は上昇する。

ステップ６〜１０では、ステップ１〜５において吸着塔１１にて行われたのと同様に、吸着塔１２にて吸着工程（ステップ６，７）、減圧工程（ステップ８，９）、および第１脱着工程（ステップ１０）が順次行われ、ステップ１〜５において吸着塔１２にて行われたのと同様に、吸着塔１１にて、第２脱着工程（ステップ６，７）、第３脱着工程（ステップ８，９）、および昇圧工程（ステップ１０）が順次行われる。

以上のステップ１〜１０からなる酸素・窒素併行分離方法では、酸素回収タンク１３への酸素ガス（酸素富化ガスＧ２）の回収は、ステップ１からステップ２にわたり行われ、且つ、ステップ６からステップ７にわたり行われる。すなわち、本発明における酸素ガスの回収は、一方の吸着塔が吸着工程にあるときに行われる。

また、窒素回収タンク１４への窒素ガス（排出ガスＧ３）の回収は、ステップ２からステップ３にわたり行われ、且つ、ステップ７からステップ８にわたり行われる。具体的には、本実施形態における窒素分取期間は、一方の吸着塔が第２脱着工程にあるときに開始し、その後、当該吸着塔が第３脱着工程にあるときに終了する。すなわち、本方法における第１脱着工程、第２脱着工程、および第３脱着工程を含む一連の脱着工程は、排出ガスＧ３（窒素富化ガス）を分取しない待機期間（前待機期間）と、排出ガスＧ３を分取する分取期間と、排出ガスＧ３を分取しない待機期間（後待機期間）とに区分される。

上述のようなガス流れを伴う吸着塔１１，１２での１サイクルの構成は、脱着工程中の吸着塔１１，１２の混合ガス供給口１１ａ，１２ａから導出される排出ガスＧ３（窒素富化ガス）の残存酸素濃度を低減するうえで好適である。吸着塔１１に着目すると、減圧工程（ステップ３，４）では、吸着工程（ステップ１，２）を終えた塔内の酸素ガス導出口１１ｂ付近に残存するガス（酸素濃度の比較的に高いガスＧ４）が酸素ガス導出口１１ｂから塔外に導出され、このような減圧工程は、後に続く脱着工程（ステップ５〜８）にて塔外に導出される排出ガスＧ３の残存酸素濃度を低減するのに資する。また、第１脱着工程（ステップ５）では、混合ガス供給口１１ａから塔外に排出ガスＧ３が導出されるとともに、酸素ガス導出口１１ｂ付近のガス（酸素濃度の比較的に高いガスＧ４）が酸素ガス導出口１１ｂから塔外に導出され、このような第１脱着工程は、脱着工程（ステップ５〜８）にて塔外に導出される排出ガスＧ３の残存酸素濃度を低減するのに資する。更に、第３脱着工程（ステップ８，９）では、吸着塔１２からのパージガス（酸素分圧が相対的に高いガス）を低圧下で塔内に導入することによって吸着剤からの易吸着成分（主に窒素を含む）の脱着を促進して塔外に排出ガスＧ３が導出され、当該パージガスとして、製品酸素ガス（ガスＧ２）よりも酸素濃度の低いガスＧ４が用いられる。このような第３脱着工程は、パージガスとして製品酸素ガスを使用する場合（例えば、図９（ｂ）を参照して従来方法に関して上述したような場合）よりも、当該第３脱着工程中に塔外に導出される窒素富化ガスの残存酸素濃度を低減するうえで好適である。吸着塔１２においても、同様の減圧工程、第１脱着工程、および第３脱着工程が実行される。

加えて、第１〜第３脱着工程において導出される排出ガスＧ３の残存酸素濃度は、例えば、先ず次第に低下して最低濃度に至った後に次第に上昇するように変化するところ、一連の脱着工程（第１〜第３脱着工程）は、排出ガスＧ３を分取しない待機期間（前待機期間）と、排出ガスＧ３を分取する分取期間と、および、排出ガスＧ３を分取しない待機期間（後待機期間）との３つに区分されるため、窒素分取期間の開始タイミングおよび終了タイミングを適宜設定することによって、所望以下の残存酸素濃度を有する排出ガスＧ３（窒素富化ガス）を選択的に分取することができる。

したがって、本方法によると、製品ガスとして充分に高純度の酸素ガスおよび窒素ガスを、例えば空気などの酸素・窒素含有ガスから併行分離することができるのである。

図５は、上述の実施形態の第１変形例および第２変形例における、自動弁４８，４９の開閉状態と排出ガスＧ３の分取態様とを表す。各変形例における自動弁４１〜４７の開閉状態は図２に示すのと同一であり、従って、各変形例においても、各吸着塔にて、上述の実施形態と同一のガス流れを伴う吸着工程、減圧工程、第１脱着工程、第２脱着工程、第３脱着工程、および昇圧工程が順次行われる。各変形例において、酸素回収タンク１３による酸素富化ガスＧ２の回収態様は、上述の実施形態のそれと同様である。

第１変形例では、第２脱着工程中に自動弁４８が閉状態となり且つ自動弁４９が開状態となることにより、第２脱着工程中に窒素分取期間が開始される。その後、当該第２脱着工程中に自動弁４８が開状態となり且つ自動弁４９が閉状態となることにより、第２脱着工程中に窒素分取期間が終了される。第１および第３脱着工程中の吸着塔からの排出ガスＧ３は分取されない。本変形例の１サイクル中のステップ数は１０である。

第２変形例では、第３脱着工程中に自動弁４８が閉状態となり且つ自動弁４９が開状態となることにより、第３脱着工程中に窒素分取期間が開始される。その後、当該第３脱着工程中に自動弁４８が開状態となり且つ自動弁４９が閉状態となることにより、第３脱着工程中に窒素分取期間が終了される。第１および第２脱着工程中の吸着塔からの排出ガスＧ３は分取されない。本変形例の１サイクル中のステップ数は１０である。

本発明では、上述の実施形態の分取態様に加え、例えば第１および第２変形例のように、排出ガスＧ３を分取してもよい。本発明では、窒素回収タンク１４に回収される窒素富化ガスについて要求される残存酸素濃度に応じて、窒素分取期間は適宜設定される。

図６は、本発明の酸素・窒素併行分離方法を実施することのできるガス分離装置Ｘ’の構成を表す。ガス分離装置Ｘ’は、配管３６および自動弁４９’を更に備える点において、上述のガス分離装置Ｘと異なる。

ガス分離装置Ｘ’によると、前待機期間および後待機期間（脱着工程中の分取期間の前後の待機期間）の全体または一部において自動弁４８を閉状態とし且つ自動弁４９’を開状態とすることによって、窒素回収タンク１４に回収されない排出ガスＧ３の全部または一部を空気Ｇ１に混ぜて吸着塔１１，１２に回帰させることができる。排出ガスＧ３の回帰を伴うこのような方法は、最終的に窒素回収タンク１４に回収される窒素富化ガスの残存酸素濃度を低減したり、当該窒素富化ガスの取得量を増大するうえで、好適である。

図１に示すようなガス分離装置Ｘを使用し、図２および図３（ａ）〜図４（ｅ）に示す
吸着工程、減圧工程、脱着工程（第１〜第３脱着工程）、および昇圧工程からなる１サイクルを各吸着塔にて繰り返しつつ、空気から酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離した。

本実施例において使用したガス分離装置Ｘの各吸着塔は円筒形状（内径６５ｍｍ，内寸高さ６００ｍｍ）を有する。各吸着塔には、Ｌｉ−Ｘ型ゼオライトモレキュラーシーブを１３３０ｇ充填した。各吸着塔には１７４７ＮＬ／ｈの速度で空気を供給し、吸着工程中の吸着塔内の最高圧力を３９．２ｋＰａ（ゲージ圧）とし、一連の脱着工程（第１〜第３脱着工程）中の吸着塔内の最低圧力を−７５.３ｋＰａ（ゲージ圧）とし、減圧工程における吸着塔内の最終圧力を０ｋＰａ（ゲージ圧）とし、装置周囲温度を約２５℃とした。また、吸着工程は１７秒間、減圧工程は１０秒間、第１脱着工程は３秒間、第２脱着工程は１７秒間、第３脱着工程は１０秒間、昇圧工程は３秒間、行った。

本実施例では、第１脱着工程開始時から１５秒後に窒素分取期間を開始し、第１脱着工程開始時から２４秒後に窒素分取期間を終了した。すなわち、本実施例の窒素分取期間は、第２吸着工程中に開始し、その次の第３吸着工程中に終了した。窒素分取期間の開始時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−６８ｋＰａ（ゲージ圧）であり、最低圧力―７５.３ｋＰａ（ゲージ圧）を経て、終了時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−６７.８ｋＰａ（ゲージ圧）であった。

本実施例によると、酸素濃度９３％で２２８ＮＬ／ｈの量の酸素富化ガスを酸素回収タンクに回収するとともに、残存酸素濃度２.４％で２８２ＮＬ／ｈの量の窒素富化ガスを窒素回収タンクに回収することができた。これらの結果については、窒素分取期間の開始・終了時間および当該期間中の塔内圧力とともに、図７の表にまとめる。

本実施例では、窒素分取期間の終了時間を、第１脱着工程開始時から２４秒後に代えて１８秒後とした以外は、実施例１と同様にして、空気から酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離した。本実施例の窒素分取期間は、第２脱着工程中に開始し、当該第２脱着工程中に終了した。本実施例では、窒素分取期間の開始時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−６８ｋＰａ（ゲージ圧）であり、終了時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７２.２ｋＰａ（ゲージ圧）であった。本実施例によると、酸素濃度９３％で２２８ＮＬ／ｈの量の酸素富化ガスを酸素回収タンクに回収するとともに、残存酸素濃度３.０％で９８ＮＬ／ｈの量の窒素富化ガスを窒素回収タンクに回収することができた。これらの結果については、窒素分取期間の開始・終了時間および当該期間中の塔内圧力とともに、図７の表にまとめる。

本実施例では、窒素分取期間の開始時間を第１脱着工程開始時から１８秒後とし、且つ、当該分取期間の終了時間を第１脱着工程開始時から２１秒後とした以外は、実施例１と同様にして、空気から酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離した。本実施例の窒素分取期間は、第２脱着工程中に開始し、その次の第３脱着工程中に終了した。本実施例では、窒素分取期間の開始時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７２.２ｋＰａ（ゲージ圧）であり、最低圧力―７５.３ｋＰａ（ゲージ圧）を経て、終了時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７３.５ｋＰａ（ゲージ圧）であった。本実施例によると、酸素濃度９３％で２２８ＮＬ／ｈの量の酸素富化ガスを酸素回収タンクに回収するとともに、残存酸素濃度２.２％で８６ＮＬ／ｈの量の窒素富化ガスを窒素回収タンクに回収することができた。これらの結果については、窒素分取期間の開始・終了時間および当該期間中の塔内圧力とともに、図７の表にまとめる。

本実施例では、窒素分取期間の開始時間を第１脱着工程開始時から２１秒後とし、且つ、当該分取期間の終了時間を第１脱着工程開始時から２４秒後とした以外は、実施例１と同様にして、空気から酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離した。本実施例の窒素分取期間は、第３脱着工程中に開始し、当該第３脱着工程中に終了した。本実施例では、窒素分取期間の開始時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７３.５ｋＰａ（ゲージ圧）であり、終了時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−６７.８ｋＰａ（ゲージ圧）であった。本実施例によると、酸素濃度９３％で２２８ＮＬ／ｈの量の酸素富化ガスを酸素回収タンクに回収するとともに、残存酸素濃度２.１％で９８ＮＬ／ｈの量の窒素富化ガスを窒素回収タンクに回収することができた。これらの結果については、窒素分取期間の開始・終了時間および当該期間中の塔内圧力とともに、図７の表にまとめる。

図１に示すようなガス分離装置Ｘを使用し、図２および図３（ａ）〜図４（ｅ）に示す
吸着工程、減圧工程、脱着工程（第１〜第３脱着工程）、および昇圧工程からなる１サイクルを各吸着塔にて繰り返しつつ、空気から酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離した。

本実施例において使用したガス分離装置Ｘの各吸着塔は円筒形状（内径６５ｍｍ，内寸高さ６００ｍｍ）を有する。各吸着塔には、Ｌｉ−Ｘ型ゼオライトモレキュラーシーブを１３３０ｇ充填した。各吸着塔には１８８８ＮＬ／ｈｒの速度で空気を供給し、吸着工程中の吸着塔内の最高圧力を３９．２ｋＰａ（ゲージ圧）とし、一連の脱着工程（第１〜第３脱着工程）中の吸着塔内の最低圧力を−８０ｋＰａ（ゲージ圧）とし、減圧工程における吸着塔内の最終圧力を０ｋＰａ（ゲージ圧）とし、装置周囲温度を約２５℃とした。また、吸着工程は１７秒間、減圧工程は１０秒間、第１脱着工程は３秒間、第２脱着工程は１７秒間、第３脱着工程は１０秒間、昇圧工程は３秒間、行った。

本実施例では、第１脱着工程開始時から１５秒後に窒素分取期間を開始し、第１脱着工程開始時から２４秒後に窒素分取期間を終了した。本実施例の窒素分取期間は、第２脱着工程中に開始し、その次の第３脱着工程中に終了した。窒素分取期間の開始時における脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７３.４ｋＰａ（ゲージ圧）であり、最低圧力―８０ｋＰａ（ゲージ圧）を経て、終了時における脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７３.２ｋＰａ（ゲージ圧）であった。

本実施例によると、酸素濃度９３％で２４７ＮＬ／ｈの量の酸素富化ガスを酸素回収タンクに回収するとともに、残存酸素濃度１.９％で２８５ＮＬ／ｈの量の窒素富化ガスを窒素回収タンクに回収することができた。これらの結果については、窒素分取期間の開始・終了時間および当該期間中の塔内圧力とともに、図７の表にまとめる。

本実施例では、窒素分取期間の終了時間を、第１脱着工程開始時から２４秒後に代えて１８秒後とした以外は、実施例５と同様にして、空気から酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離した。本実施例の窒素分取期間は、第２脱着工程中に開始し、当該第２脱着工程中に終了した。本実施例では、窒素分取期間の開始時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７３.４ｋＰａ（ゲージ圧）であり、終了時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７７.３ｋＰａ（ゲージ圧）であった。本実施例によると、酸素濃度９３％で２４７ＮＬ／ｈの量の酸素富化ガスを酸素回収タンクに回収するとともに、残存酸素濃度２.１％で１０１ＮＬ／ｈの量の窒素富化ガスを窒素回収タンクに回収することができた。これらの結果については、窒素分取期間の開始・終了時間および当該期間中の塔内圧力とともに、図７の表にまとめる。

本実施例では、窒素分取期間の開始時間を第１脱着工程開始時から１８秒後とし、且つ、当該分取期間の終了時間を第１脱着工程開始時から２１秒後とした以外は、実施例５と同様にして、空気から酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離した。本実施例の窒素分取期間は、第２脱着工程中に開始し、その次の第３脱着工程中に終了した。本実施例では、窒素分取期間の開始時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７７.３ｋＰａ（ゲージ圧）であり、最低圧力−８０ｋＰａ（ゲージ圧）を経て、終了時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７８.５ｋＰａ（ゲージ圧）であった。本実施例によると、酸素濃度９３％で２４７ＮＬ／ｈの量の酸素富化ガスを酸素回収タンクに回収するとともに、残存酸素濃度１.６％で８４ＮＬ／ｈの量の窒素富化ガスを窒素回収タンクに回収することができた。これらの結果については、窒素分取期間の開始・終了時間および当該期間中の塔内圧力とともに、図７の表にまとめる。

本実施例では、窒素分取期間の開始時間を第１脱着工程開始時から２１秒後とし、且つ、当該分取期間の終了時間を第１脱着工程開始時から２４秒後とした以外は、実施例５と同様にして、空気から酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離した。本実施例の窒素分取期間は、第３脱着工程中に開始し、当該第３脱着工程中に終了した。本実施例では、窒素分取期間の開始時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７８.５ｋＰａ（ゲージ圧）であり、終了時に脱着工程にある吸着塔の内部圧力は−７３.２ｋＰａ（ゲージ圧）であった。本実施例によると、酸素濃度９３％で２４７ＮＬ／ｈの量の酸素富化ガスを酸素回収タンクに回収するとともに、残存酸素濃度２.０％で１００ＮＬ／ｈの量の窒素富化ガスを窒素回収タンクに回収することができた。これらの結果については、窒素分取期間の開始・終了時間および当該期間中の塔内圧力とともに、図７の表にまとめる。

評価

図７にまとめる実施例１〜８の結果から理解できるように、本発明に係る酸素・窒素併行分離方法によると、製品ガスとして充分に高純度の酸素ガスおよび窒素ガスを空気から併行分離することができる。また、本発明に係る酸素・窒素併行分離方法によると、窒素分取期間は適宜設定することによって、窒素回収タンクに回収される窒素富化ガスについて、残存酸素濃度を制御することが可能である。

本発明に係る酸素・窒素併行分離方法を実施するための圧力変動吸着式のガス分離装置の概略構成を表す。 本発明に係る酸素・窒素併行分離方法の一例の各ステップについて、各吸着塔で行われる工程と、図１に示すガス分離装置の各自動弁の開閉状態と、酸素ガスおよび窒素ガスの取得態様とを示す。 本発明に係る酸素・窒素併行分離方法の一例のステップ１〜５におけるガス流れ状態を表す。 図３に示すステップ５の後に続くステップ６〜１０におけるガス流れ状態を表す。 本発明に係る酸素・窒素併行分離方法の他の例を表す。 本発明の酸素・窒素併行分離方法を実施するためのガス分離装置の変形例を表す。 実施例１〜８について条件および結果をまとめた表である。 従来の一のＰＳＡガス分離方法の各ステップにおけるガス流れ状態を表す。 従来の他のＰＳＡガス分離方法のステップ１〜５におけるガス流れ状態を表す。 図９に示すステップ５の後に続くステップ６〜１０におけるガス流れ状態を表す。

符号の説明

Ｘ，Ｘ’ ガス分離装置
１１，１２，８１，８２，９１，９２ 吸着塔
１１ａ，１２ａ 空気供給口
１１ｂ，１２ｂ 酸素ガス導出口
１３，８４，９３ 酸素回収タンク
１４，８３，９４ 窒素回収タンク

Claims (6)

1. 混合ガス供給端および酸素ガス導出端を各々が有し且つ各々の当該両端の間に吸着剤が充填された複数の吸着塔を用い、酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するための方法であって、
   選択された１つの吸着塔について、前記混合ガス供給端から前記混合ガスを導入し、当該混合ガスに含まれ且つ前記窒素を含む易吸着成分を前記吸着剤に吸着させ、前記酸素ガス導出端から酸素富化ガスを導出する吸着工程と、
   前記吸着塔の前記酸素ガス導出端から第１導出ガスを導出して当該吸着塔の内部圧力を降下させる減圧工程と、
   前記吸着塔の前記吸着剤から前記易吸着成分の一部を脱着させて前記混合ガス供給端から窒素富化ガスを導出しつつ、当該吸着塔の前記酸素ガス導出端から第２導出ガスを導出する第１脱着工程と、
   前記第１脱着工程から引き続いて前記吸着塔の前記混合ガス供給端から窒素富化ガスを導出する第２脱着工程と、
   前記吸着塔に対して前記酸素ガス導出端からパージガスを導入しつつ、前記第２脱着工程から引き続いて前記吸着塔の前記混合ガス供給端から窒素富化ガスを導出する第３脱着工程と、
   前記吸着塔に昇圧ガスを導入して当該吸着塔の内部圧力を上昇させる昇圧工程と、を含む１サイクルを各吸着塔において繰り返し行い、
   前記減圧工程中の吸着塔から導出される前記第１導出ガスは、前記第３脱着工程中の吸着塔に前記パージガスとして導入され、
   前記第１脱着工程中の吸着塔から導出される第２導出ガスは、前記昇圧工程中の吸着塔に前記昇圧ガスとして導入され、
   前記第１脱着工程、前記第２脱着工程、および前記第３脱着工程を含む一連の脱着工程は、前記窒素富化ガスを分取しない前待機期間および後待機期間、並びに、当該両待機期間の間において前記窒素富化ガスを分取するための窒素分取期間、に区分される、酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法。
2. 前記窒素分取期間は前記第２脱着工程中に開始する、請求項１に記載の酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法。
3. 前記窒素分取期間は前記第３脱着工程中に開始する、請求項１に記載の酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法。
4. 前記窒素分取期間は前記第２脱着工程中に終了する、請求項１または２に記載の酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法。
5. 前記窒素分取期間は前記第３脱着工程中に終了する、請求項１から３のいずれか一つに記載の酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法。
6. 前記前待機期間および／または前記後待機期間において分取されない窒素富化ガスの少なくとも一部は、前記混合ガスの一部として、前記吸着工程中の吸着塔に導入される、請求項１から５のいずれか一つに記載の酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法。

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