JP2808641B2 - 酸素富化方法及び酸素富化装置 - Google Patents

酸素富化方法及び酸素富化装置

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JP2808641B2 JP1064394A JP6439489A JP2808641B2 JP 2808641 B2 JP2808641 B2 JP 2808641B2 JP 1064394 A JP1064394 A JP 1064394A JP 6439489 A JP6439489 A JP 6439489A JP 2808641 B2 JP2808641 B2 JP 2808641B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は空気を原料ガスとして温度スイング吸着によ
り窒素を吸着除去して酸素を富化する方法に関し、詳細
には酸素濃度の高い富化ガスを連続して取出し得る様に
した酸素富化方法に関するものである。
[従来の技術] 空気を原料として酸素富化ガス(以下単にO2富化ガス
ともいう)を回収する方法としては、深冷分離法や圧力
スイング吸着法があるが、これらの設備は大がかりとな
り、製造コストも高くつく。
そこでゼオライトや活性炭等の吸着剤を用いた吸着体
を利用して連続的にO2と富化ガスを回収する方法として
特開昭62−45316号や特開昭62−45317号に開示された様
な温度スイング法が考え出されている。該温度スイング
法にはN2ガスを吸着体に吸着させる方法とO2ガスを吸着
体に吸着させる方法があり、本発明方法は前者に関する
ものである。
第3,4図は、N2ガスの吸着に使用される吸着体1の例
を示す斜視説明図である。第3図に示す吸着体1は円筒
形に形成され、軸芯と交差する方向には複数の隔壁2,2
…が設けられて吸着室1a,1b,…,1hを形成し、各吸着室1
a,1b…1hには波形又はハニカム状に成形された吸着材3
が軸芯方向に沿って積層される。そして該吸着体1の内
側中空部には分離板4が配設される。該分離板4は固定
状態のまま保持されると共に、前記吸着体1は矢印X方
向に回転する様に構成される。
この様な吸着体1を使用してO2富化ガスを得る方法
は、次の通りである。まず原料ガスである空気は矢印A1
方向から導入され、吸着体1を半径方向に流通して、そ
の間にN2ガスを吸着剤に吸着し、この吸着排ガスをO2
化ガスとして矢印A2方向に取出す。この吸着を行なう部
分を吸着体1の吸着領域(第3図に示す状態において
は、この時点で吸着室1h,1a…,1cを吸着領域という)と
いう。
一方吸着体1はX方向に回転しているので、第3図に
おいて吸着室1hの位置で吸着を終えた部分は次に吸着室
1gの位置に移動していく。そして吸着室1d〜1gの部分に
おいては矢印E1方向に脱着用ガスが導入され、該脱着用
ガスは吸着体1を半径方向に流通して矢印E2方向に抜出
され、この間に吸着剤に吸着されていたN2ガスを脱着し
て吸着材3を再生する。吸着体1におけるこの脱着再生
部分を再生領域という(第3図に示す状態において吸着
室1d〜1gをいう)。
一方第4図は円柱形の吸着体1を示し吸着材3は半径
方向に積層され、該吸着体1は軸芯を中心にして矢印X
方向に回転する様に構成される。そして分離板4の両側
で第3図の例と同様に吸着領域(矢印A1,A2方向にガス
流通の行なわれる領域)と再生領域(矢印E1,E2方向に
ガスの流通の行なわれる領域)が形成され、N2ガスの吸
着及び脱着が連続して行なわれる。
[発明が解決しようとする課題] 上記の再生領域で使用される脱着用ガスとしては40〜
70℃に加熱された空気や燃焼排ガスが利用され、吸着材
3を昇温させることにより、吸着剤に吸着されているN2
ガスを脱着する様に構成されている。
ところが再生領域を経た後の吸着材3は昇温状態のま
まで吸着領域へ移動していくので、吸着剤の吸着能力は
低くN2ガスの吸着量は著しく少なくなっている。その結
果吸着領域において、未吸着のN2ガスが矢印A2方向に多
量に通過してしまい、O2富化ガス中のO2ガス濃度は原料
空気とほとんど変らず、O2ガス富化性能は非常に低いも
のとなっていた。
この不都合を解消する目的で、前記吸着領域において
吸着材3を冷却するために多量の空気を供給することを
試みたが、吸着材3を冷却するという目的は達成される
ものの、吸着剤におけるN2ガスの吸着は短時間で破過に
達してしまい、矢印A2方向に回収するO2ガス濃度を高め
ることはできなかった。
そこで本発明者らは上記の不都合を解消して吸着剤の
吸着能力を高効率に発揮させ、O2ガス濃度の高い富化ガ
スを連続的に回収する方法を提供する目的で研究を重
ね、本発明を完成した。
[課題を解決するための手段] 上記目的を達成し得た本発明に係る酸素富化方法は、
窒素ガスを吸着する吸着領域、及び窒素ガスを高温ガス
によって脱着する再生領域を備え、前記吸着領域と前記
再生領域を巡回して吸・脱着を繰り返す吸・脱着装置を
用いた酸素富化方法において、上記吸着領域を2つに分
けて第1吸着領域及び第2吸着領域とし、再生を終えた
領域が該第1及び第2吸着領域を順次通過する様にする
と共に、該第2吸着領域に空気を導入し、一方前記第1
吸着領域の出口側ガスを、冷却装置を経て第1吸着領域
の入口側に循環させつつ、該循環系に前記第2吸着領域
を通過したガスを合流せしめ、さらに前記循環系の任意
位置から循環ガスの一部を回収して酸素富化ガスを得る
様にした点に要旨を有するものである。
また本発明に係る酸素富化装置は、窒素ガスを吸着す
る吸着領域、及び窒素ガスを高温ガスによって脱着する
再生領域を備え、前記吸着領域と前記再生領域が巡回し
て吸・脱着を繰り返す吸・脱着装置において、上記吸着
領域を2つに分けて第1吸着領域及び第2吸着領域と
し、前記再生領域、前記第1吸着領域、前記第2吸着領
域の順に巡回する様に構成され、該第2吸着領域には外
部から空気を導入する導入ラインを臨ませ、前記第1吸
着領域には、該第1吸着領域の出口側ガスが冷却装置を
経て第1吸着領域の入口側に循環する循環系路を設ける
と共に、該循環系路には前記第2吸着領域の出口側ガス
を合流する合流部が設けられ、更に前記循環系路の任意
位置から循環ガスの一部を回収して導出する回収系路が
設けられたことに要旨を有する。
[作用及び実施例] 第1図は本発明に使用する吸・脱着処理装置の代表的
な実施例を示す説明図であり、二重の円で示される部分
は第3図における吸着体1の平面視である。N2ガス吸着
用の吸着剤を粉末状にし、これを湿式抄紙法によって紙
状に加工し、さらにこれを段加工して吸着材として円筒
状の吸着体1を形成する。上記吸着剤としては合成ゼオ
ライトCa−X型を使用するのが好ましく、該合成ゼオラ
イトは40℃以上の温度でN2ガスの吸着量が急激に低下す
るので、N2ガスの脱着再生が行ない易い。また吸着剤の
充填密度は100〜500kg/m3とすることが好ましく、これ
より低密度であると吸着量が少なくなり過ぎ、他方これ
より高密度となると圧力損失が過剰となりガスの流通性
が悪化して吸着性能が劣化する。さらに吸着材を形成す
る組成としては、ゼオライトを50〜80部,セルロースパ
ルプを45〜15部,バインダーを5〜15部とすることが好
ましく、バインダーとしては例えば繊維状ポリビニルア
ルコールバインダーを挙げることができる。
第1図に示す吸着体1は矢印X方向に回転する様に構
成され、再生領域13においてはフィルタ6,ファン5c及び
ヒータ9を経て加熱された空気(この他燃焼排ガスであ
っても良い)が吸着体1を矢印E方向に貫通する様に流
通され、吸着剤に吸着されたN2ガスを脱着して系外へ放
出する。この加熱ガスの温度T3は40〜70℃とすることが
好ましく、40℃より低いと脱着性能が低く、70℃より高
いガスを使用するときにはエネルギー消費上不経済であ
り、さらに後述する吸着体の冷却負担が大きくなり過
ぎ、より好ましい範囲は40〜55℃である。また上記吸着
体1の回転速度は毎分1/2〜1/10回転とすることが好ま
しく、これより速いと吸着体1の温度を昇温するのが困
難となり、逆にこれより遅いと吸着・脱着効率が低くガ
ス処理量が少なくなり、より好ましくは毎分1/3〜1/6回
転の範囲が推奨される。
一方吸着領域は第1吸着領域12と第2吸着領域に分け
られ、再生領域13の直後に相当する第1吸着領域12には
循環系路Cが形成され、該循環系路C内にはファン5b及
びクーラ8が設けられ、吸着体1に対して矢印Abに示す
方向に貫通する様にガスが流通(実線で示す)され、鎖
線に示す配管を介して再び入口側へ戻され循回する様に
構成される。尚鎖線で示した部分においてガスは吸着材
に接触して流通するのではなく、配管が吸着体1と交差
する様に設けられていることを示す。そして前記クーラ
8の入口手前側には富化ガス回収系路20が分岐される。
他方第2吸着領域11においては、外部からの原料空気
がフィルタ6及びファン5aを介して吸着体1を貫通する
方向(矢印Aa方向)に流通され、その出口側ガスは前記
循環系路Cにおける第1吸着領域12の入口側へ供給され
る様に構成される。
上記ガス吸・脱着処理装置において、原料空気は第2
吸着領域を通過してある程度のO2ガスの富化が行なわれ
た後、循環系路Cに導入され、ファン5bにおける加圧に
よって第1吸着領域12及びクーラ8を経て循環系路を回
り、第1吸着領域12の吸着フィルタを冷却すると共に、
該冷却温度に見合った吸着平衡までのN2ガス吸着を行な
う。そして循環系路Cを循環するガスの一部は富化ガス
回収系路20から連続的に系外へ取出される。
上記第1吸着領域12においては循環経路20においてク
ーラ8によって冷却されたガスが循環するので、脱着領
域13において昇温された吸着材を冷却するのに必要な風
量を任意に限定することができる。これによって原料空
気の導入量を増やす必要はないので富化ガス回収系路20
におけるO2ガス濃度が低下してしまうといった不都合は
引き起こさない。上記循環系路Cにおける第1吸着領域
12の入口側の温度T2は冷却効率から考えて20〜30℃とす
ることが好ましい。
なお第1吸着領域12及び第2吸着領域11の吸着材温度
は、吸着に適する温度としてほぼ同一になっており、第
1吸着領域12において吸着剤の吸着量は平衡状態まで達
しており、これが第2吸着領域へ移動されたときN2ガス
の吸着を行なわない様に考えられる。しかしながら第1
吸着領域12における吸着平衡状態は上記循環系路Cにお
ける酸素富化したガスによるものであり、これに対し第
2吸着領域における流通されるガスはN2ガス濃度の高い
原料空気が流通されるものであり、第2吸着領域におけ
る吸着剤にはN2ガスをさらに吸着することができ、その
結果第2吸着領域11を通過した排ガスは酸素リッチとす
ることができる。
第2図に示す例は吸着体1の形状を第4図に示したも
のとするときのガス吸・脱着処置装置の例を示す説明図
であり、吸着体1における再生領域13,第1及び第2吸
着領域12,11等の構成及びその他のガス流通系路は第1
図に示した装置と同様であり、さらにN2ガスの吸・脱着
作用も第1図に示した例と同様である。
(実施例) 吸着剤としてゼオライトCa−X型を使用し、これをバ
インダー等を使って紙状に加工した後ハニカム状に成形
し、これを第4図に示す如く円柱状に巻いて直径2.8m,
高さ0.5mの吸着体を製作した。この吸着体の吸着剤密度
は160kg/m3とした。
そして該吸着体の上平面及び底平面を分離板によって
再生領域第1、第2吸着領域の3つの領域に分け(第2
図参照)、毎分1/4回転で吸着体1を回転した。尚上記
分離板と吸着体の接触面は軟性ゴムによってシーリング
した。
そして循環系路20に設けるファン5bの容量は約1500Nm
3/h(温度25℃)とし、脱着再生領域13におけるファン5
cの容量は約1000Nm3/h(温度55℃)とし、さらにO2富化
ガス回収系路20におけるガス取出量及び原料空気供給量
を100Nm3/hとしたとき、富化ガス回収系路20におけるO2
富化ガス中のO2ガスの濃度は30%となった。また上記ガ
ス取出量を130Nm3/hとしたとき、O2ガス濃度は28%とな
った。
[発明の効果] 本発明は以上の様に構成されているので、吸着体を確
実に冷却して優れた吸着性能を発揮し、さらに第2吸着
領域及び循環系路を介して製品ガスを回収するので、高
濃度のO2富化ガスを連続して取出せる様になった。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明に用いるガス吸・脱着処理装置の例を示
す説明図、第2図は第4図に示す吸着体を使用した本発
明に用いるガス吸・脱着処理装置の例を示す説明図、第
3,4図は吸着体の形状を示す斜視説明図である。 1……吸着体、2……隔壁 3……吸着材、4……分離板 5a,5b,5c……ファン、6……フィルタ 8……クーラ、9……ヒータ 11……第2吸着領域、12……第1吸着領域 13……再生領域、20……回収系路 C……循環系路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−199621(JP,A) 特開 昭62−91224(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01D 53/02 - 53/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒素ガスを吸着する吸着領域、及び窒素ガ
    スを高温ガスによって脱着する再生領域を備え、前記吸
    着領域と前記再生領域を巡回して吸・脱着を繰り返す吸
    ・脱着装置を用いた酸素富化方法において、 上記吸着領域を2つに分けて第1吸着領域及び第2吸着
    領域とし、再生を終えた領域が該第1及び第2吸着領域
    を順次通過する様にすると共に、 該第2吸着領域に空気を導入し、 一方前記第1吸着領域の出口側ガスを、冷却装置を経て
    第1吸着領域の入口側に循環させつつ、該循環系に前記
    第2吸着領域を通過したガスを合流せしめ、 さらに前記循環系の任意位置から循環ガスの一部を回収
    して酸素富化ガスを得る様にしたことを特徴とする酸素
    富化方法。
  2. 【請求項2】窒素ガスを吸着する吸着領域、及び窒素ガ
    スを高温ガスによって脱着する再生領域を備え、前記吸
    着領域と前記再生領域が巡回して吸・脱着を繰り返す吸
    ・脱着装置において、 上記吸着領域を2つに分けて第1吸着領域及び第2吸着
    領域とし、前記再生領域、前記第1吸着領域、前記第2
    吸着領域の順に巡回する様に構成され、 該第2吸着領域には外部から空気を導入する導入ライン
    を臨ませ、 前記第1吸着領域には、該第1吸着領域の出口側ガスが
    冷却装置を経て第1吸着領域の入口側に循環する循環系
    路を設けると共に、 該循環系路には前記第2吸着領域の出口側ガスを合流す
    る合流部が設けられ、 更に前記循環系路の任意位置から循環ガスの一部を回収
    して導出する回収系路が設けられたことを特徴とする酸
    素富化装置。
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