JP3160307B2 - 精留されるべき空気の吸着による精製方法並びにその装置 - Google Patents

精留されるべき空気の吸着による精製方法並びにその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空気精留設備のコール
ドボックスに入る前に、吸着によって大気からの空気を
乾燥−脱炭する方法並びにその装置に関し、その方法及
び装置では、圧縮空気は冷却されてから吸着剤中を一方
向に通過させて吸着によって精製され、次いで空気精留
設備の廃ガスが前記吸着剤を再生するためにその吸着剤
中を反対方向に通過し、その通過後に吸着剤が再び吸着
段階に戻されるという種類のものである。
【０００２】
【従来の技術】公知の空気精留設備では、圧縮された大
気からの空気はコールドボックスに入る前に、例えば二
重床（アルミナ床とそれに続くモレキュラーシーブス
（登録商標）床）のような適切な吸着剤を通過させて選
択吸着によって乾燥され脱炭される（水及びＣＯ２の除
去による精製）。そのためには、並列した２個の吸着剤
床が用いられ、その一方は、他方が向流で、すなわち吸
着段階中の空気の流れとは反対方向で再生されている間
は活性である。
【０００３】再生を行うには、取り入れ空気量のほぼ１
５〜７０％の流量で入手できる空気精留設備の廃ガスが
用いられる。この廃ガスは、酸素製造設備の場合には不
純窒素であり、窒素製造設備では気化された酸素富化液
体（酸素富化空気）である。通常の技術によれば、再生
の第１工程では、廃ガスはほぼ１００〜３５０℃という
比較的高温に加熱され、吸着剤床を完全に通過する熱前
線をつくる。吸着剤は、このような高温では非常に低下
した吸着特性を有するので、コールドボックス内に不純
物（水とＣＯ２）及び熱波を送り込むのを避けるため
に、吸着段階での使用前に冷却することが必要である。
【０００４】このことは、加熱されない、したがって室
温付近の廃ガスが吸着剤を通って向流で流れる間に吸着
剤を冷却する最終工程を、再生段階が有していなければ
ならない理由である。現在非常に広く用いられているこ
の技術は、重大な欠点を有している。特に、−冷却工程
の使用が避けられず、このことは、この工程が吸着剤の
再生の観点から何の有用性も持たないのに設備とその運
転を複雑にする、−一部の時間の間しか利用されない電
力設備を備えなければならない、−高温での再生は吸着
器の壁付近での熱損失を引き起こし、したがって吸着剤
中で均一な再生を得るために、また従業員の保護のため
にも断熱が必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、特に
ガス状酸素及び／又はガス状窒素を製造する小型設備の
場合に、これらの欠点を除いた空気の吸着による乾燥−
脱炭方法を提供することである。本発明はまた、このよ
うな方法を実施するための吸着による乾燥−脱炭装置も
目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そのために本発明は、前
記した種類の方法において、再生に用いられる廃ガス
が、再生の全期間にわたって、吸着剤中に導入される空
気温度より高い、ほぼ一定の抑制された再生温度にある
こと、及び吸着段階と再生段階のサイクル期間が少くと
も３０分間に等しいことを特徴としている。本発明の実
施態様によれば、再生温度と吸着温度との差は５０℃を
超えず、典型的にはほぼ１０〜２０℃であり、吸着温度
は５℃と２０℃との間に含まれ、典型的には約１０℃で
ある。
【０００７】他の特徴によれば、 −精製空気は、コールドボックスに入る前に再生温度よ
りわずかに高い温度まで加熱され、 −前記加熱は、場合によっては予冷されている設備の圧
縮機から出る空気との熱交換によって行われ、 −前記加熱は、過圧縮によって行われ、場合によっては
過圧縮のエネルギーは、設備に設けられた寒冷発生ター
ビンによって供給され、 −冷却後、その冷却によって含有水分を部分的に除去さ
れた圧縮空気は、吸着剤中に導入される前に加熱され、
好ましくは部分的に加熱され、 −廃ガスは、吸着剤中に導入される前に、好ましくは圧
縮機から出る空気との熱交換によって加熱される。
【０００８】本発明の第１の実施態様による装置は、精
製空気と空気精留設備の圧縮機から出る、場合によって
は予冷後の空気とを熱交換する熱交換器を有している。
本発明の第２の実施態様による装置は、完全に冷却され
た空気と完全には冷却されていない空気とを熱交換する
補助熱交換器を有する。
【０００９】上記第２の装置は、圧縮機の下流に、第１
熱交換器、前記補助熱交換器及び最終熱交換器を直列に
有し、第１熱交換器は、圧縮機から出る空気と空気精留
設備のコールドボックスから出る廃ガスとの熱交換を行
う。
【００１０】本発明による第３の実施態様による装置
は、精製空気の少くとも一部の過圧縮機を含み、過圧縮
機は場合によっては空気精留設備の寒冷発生タービンに
よって駆動される。本発明を実施する実施態様を、添付
の図面を参照して以下に説明しよう。図面では、図１な
いし図５に、本発明による乾燥−脱炭装置を有する五つ
の空気精留設備のフローシートが示されている。
【００１１】
【実施例】各図には、最終冷却装置１ａ（水冷又は空
冷）を出口に備えた空気圧縮機１、乾燥−脱炭装置２及
び熱交換装置４と精留塔５を収容したコールドボックス
３を有する空気精留設備が見られる。精留塔５は管路５
ａを経て製品（ガス状酸素及び／又はガス状窒素）を、
管路５ｂを経て設備の廃ガス、すなわち不純窒素又は酸
素富化空気で構成される再生用ガスを放出する。
【００１２】図示された各実施例では、乾燥−脱炭装置
２は、典型的には５〜２５×１０５Ｐａに圧縮された空
気の冷却手段６、完全に冷却された空気から凝縮水を除
去するための気液分離器７、及び適合する１組の弁９を
備え並列に取りつけられた２本の吸着容器８を有してい
る。各吸着容器８は５Ａ又は１３Ｘ型のモレキュラーシ
ーブス（登録商標）床１０、場合によっては吸着に先立
ってアルミナ床１１を収容している。
【００１３】図１では、冷却手段６は、直列に配置され
た２個の熱交換器１２及び１３を有している。大気中の
空気は、空気圧縮機１によってほぼ５〜２５×１０５Ｐ
ａ、一般に５〜１２×１０５Ｐａの絶対圧力に圧縮さ
れ、１ａでの冷却後、ほぼ４５℃の温度で圧縮機を出
る。この空気は、熱交換器１２で予冷され、次いで例え
ば冷凍機によって冷却される熱交換器１３で、５〜２０
℃の吸着温度まで冷却される。
【００１４】凝縮された水は、気液分離器７内で除去さ
れ、空気は、吸着段階にある吸着容器８（図１の左側の
容器）に導入される。精製後、主として水である不純物
の吸着熱によって数℃温度が上昇した空気は、熱交換器
１２を向流で通過し、そこで約４０℃まで加熱される。
この加熱空気は、空気精留設備のコールドボックス内の
熱交換装置４に導入される。
【００１５】吸着前線が吸着容器８の出口に達したと
き、その容器は弁９の操作によって再生段階に移行す
る。再生段階は、熱交換装置４で向流の空気により加熱
された精留設備の廃ガスが、管路１４を経て約３５℃で
熱交換装置４から出て、その温度で容器８に向流で導入
され、次いで管路１５を経て排出されるという単一の工
程を有する。
【００１６】再生が終了すると、吸着容器８は再び吸着
段階に戻され、場合によっては容器を再び圧力下にした
後に戻される。吸着と再生のサイクル期間は、少くとも
３０分間であり、実際には１時間と４時間との間であ
る。再生用ガスの流量が十分であれば、例えば２５〜３
０℃という一層有利な低い再生温度が適用できる。この
場合最終冷却装置１ａは、圧縮空気を熱交換器１２へ入
る前に、例えば３０〜３５℃という再生温度よりも数度
高くするように寸法決めされる。
【００１７】したがって水で飽和され、約４００ｖｐｍ
（気相でのｐｐｍ）のＣＯ２を含む９×１０５Ｐａ（絶
対圧）の空気１５０Ｎｍ３／ｈｒを次の二つのやり方で
処理することができ、ここでＴＡは吸着温度、Ｄｇ／Ｄ
ａは空気流量に対する再生用ガス流量の比、ＴＲは再生
温度、ｔは各吸着段階と再生段階のサイクル期間を意味
する。
【００１８】
【００１９】図２には１ないし１５の同一構成要素が見
られるが、乾燥−脱炭装置２については異なる配置をし
ている。実際、最終冷却装置１ａで約３０℃に冷却され
て空気圧縮機１から出る空気は、熱交換器１２で約１５
℃の中間温度まで冷却され、次いで熱交換器１３で５〜
１０℃まで冷却される。気液分離器７で凝縮水を除去
後、空気は熱交換器１２で約２５℃に加熱され、次いで
吸着段階にある吸着容器８に送られる。
【００２０】したがって吸着は約２５℃で行われるが、
空気は水で飽和されてはおらず、５〜１０℃の露点を有
している。それ故、吸着熱は図１の場合のそれよりも高
くはなく、精製空気は約３０℃で熱交換装置４内に導入
される。したがって再生用ガスは約２５℃で熱交換装置
１２から取り出され、吸着剤の再生は、管路１４に配置
された加熱器１６を用いて、３５℃の温度で行われる。
この再生用ガスの加熱は、図３に示されたように、管路
１４を冷却装置１ａから出る圧縮空気と熱交換関係に置
くことによって得ることができ、図３はこの相違点を除
いては図２と同一である。
【００２１】図３の図式によって、廃ガス（気化された
酸素富化液体）８０Ｎｍ３／ｈｒを供給するガス状窒素
製造用装置向けの９×１０５Ｐａ（絶対圧）、１３０Ｎ
ｍ３／ｈｒの圧縮空気を次の条件で処理することができ
る。 −吸着段階：空気の露点 ５℃、ＣＯ２含有量 約４０
０ｖｐｍ、吸着温度ＴＡ １５℃； −再生段階：再生温度ＴＲ ３０〜３５℃； −各吸着段階及び再生段階のサイクル期間：１時間３０
分。
【００２２】図４及び図５は、再生用ガスを所望の温度
にするための他のやり方を示している。図４において、
圧縮機１で圧縮され、冷却装置１ａで予冷され、熱交換
器１３で吸着温度に冷却され、そして気液分離器７で凝
縮水を除かれた空気は、吸着容器８で吸着によって精製
される。精製空気の一部は、モーター圧縮機１８の圧縮
機１７によって過圧縮され、次いで三つの部分、高温部
４ａ、中温部４ｂ及び低温部４ｃを有する熱交換装置４
を通過する。精製空気の残部は中温部４ｂ及び低温部４
ｃのみを通過する。中温部４ｂと低温部４ｃとの間で、
圧縮機１７で圧縮された空気の一部が採取されて、モー
ター圧縮機１８のタービン１９で膨張され、次いで精留
塔５内に送られる。
【００２３】この実施例では、設備の寒冷生産に役立つ
タービン１９は、圧縮機１７を駆動し、圧縮機１７は適
切な量の空気を再生温度よりわずかに上の温度に加熱す
る。こうして精留塔５の廃ガスは、熱交換装置４の温端
部では再生温度に加熱されている。
【００２４】図４に示されたように、製品管路５ａは、
熱交換装置４の低温部４ｃ及び中温部４ｂしか通過でき
ずに、したがって大気温度付近で熱交換装置４から取り
出される。 数値的例として、 −吸着圧力：６×１０５Ｐａ（絶対圧） −吸着温度：１５℃ −精製空気の温度：２０℃ −過圧縮空気の温度：３５℃ −過圧縮空気の圧力：７×１０５Ｐａ（絶対圧） −膨張空気の圧力：１×１０５Ｐａ −再生温度：３０℃ を示すことができる。図５は、精製空気の全量が圧縮機
１７で過圧縮されるという限定された場合に相当する。
【００２５】その他のすべての点で、図５は図４と同一
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による乾燥−脱炭装置を有する空気精
留設備の一実施態様のフローシート。
【図２】 同様な設備の他の実施態様のフローシート。
【図３】 図２の実施態様の変形のフローシート。
【図４】 同様な設備のさらに他の実施態様のフローシ
ート。
【図５】 図４の実施態様の変形のフローシート。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機 １ａ 最終冷却装置 ２ 乾燥−脱炭装置 ３ コールドボックス ４ 熱交換装置 ５ 空気精留塔 ６ 圧縮空気冷却手段 ７ 気液分離器 ８ 吸着容器 １０ モレキュラーシーブス床 １１ アルミナ床 １２，１３ 熱交換器 １６ 加熱器 １７ 圧縮機 １８ モーター圧縮機 １９ タービン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ソフイエ・ガスタン フランス国．76330・ノートル・ダム・ ド・グラバンシヨン．プラス・レオン・ マルタン（番地その他表示なし) (72)発明者 ピエール・プチ フランス国．92290・シヤトナイ・マラ ブリイ．リユ・デユ・ジエネラル・ド・ ゴール．16．レシダンス・ボルタイル (72)発明者 フランソワ・ヴエネ フランス国．75017・パリ．リユ・ジユ ーフロイ．36 (56)参考文献 特開 平１−159018（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−99316（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−41565（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−147576（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−133320（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 53/04 B01D 53/26 F25J 3/08

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮空気が吸着温度に冷却され吸着剤中
    を第1の方向に通過させて吸着によって精製され、次い
    で空気精留設備からの廃ガスが再生温度で前記吸着剤を
    再生するために吸着剤中を反対方向に通過し、その後に
    吸着剤が吸着段階に戻される種類の、空気精留設備のコ
    ールドボックスに空気が入る前に吸着によって該大気か
    らの空気を乾燥−脱炭する方法において、再生に用いら
    れる廃ガスが、再生の全期間にわたって、熱交換によっ
    て、吸着剤中に導入される空気温度より高い、ほぼ一定
    の抑制された再生温度に加熱されること、再生温度と吸
    着温度との差が５０℃を超えないこと、吸着／再生サイ
    クルの時間が少なくとも３０分間と等しいこと、及び吸
    着剤を出る精製空気が再生温度より低い温度にあること
    を特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 精製空気が、コールドボックスに入る前
    に再生温度より僅かに高い温度に加熱されることを特徴
    とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記加熱が空気精留設備の圧縮機から出
    る空気との熱交換によって行われることを特徴とする請
    求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記加熱が過圧縮によって行われること
    を特徴とする請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 冷却後、その冷却によって部分的に水分
    が精製された圧縮空気が、吸着剤中に導入される前に加
    熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 廃ガスが、吸着剤中に導入される前に加
    熱されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 圧縮機で圧縮され吸着温度に冷却された
    空気を精製するための吸着剤を備え、空気が吸着剤を第
    １の方向に通過し、該吸着剤は反対方向に該吸着剤を通
    過する精留設備からの廃ガスによって再生され得るもの
    である、空気精留設備のコールドボックスに空気が入る
    前に吸着によって該大気からの空気を乾燥−脱炭する装
    置において、該吸着剤で精製された空気が圧縮機を出る
    空気と次いで該吸着剤に入る前の廃ガスとの熱交換関係
    におかれた第１の熱交換手段及び第２の熱交換手段を具
    備し、それによって廃ガスを吸着温度より高く、再生温
    度と吸着温度との差が５０℃を超えないい再生温度に加
    熱することを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】 第１熱交換手段を、廃ガスを再生温度と
    吸着温度との差が５０℃を超えず吸着温度より高い再生
    温度に加熱するため、圧縮空気と廃ガスとを熱交換関係
    におくようにした熱交換器で置き換えることを特徴とす
    る請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 完全に冷却された圧縮空気と完全には冷
    却されていない圧縮空気とが熱交換関係におかれた該熱
    交換器及び補助熱交換器を直列に具備することを特徴と
    する請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 第1の熱交換手段を、コールドボック
    スに入る前に該吸着剤で精製された空気の少なくとも一
    部を圧縮する圧縮機で置き換えて、該圧縮機及びコール
    ドボックスの交換ラインの部分が、再生温度と吸着温度
    との差が５０℃を超えない、再生温度に廃ガスを加熱す
    るために利用することを特徴とする請求項７に記載の装
    置。
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