JPS63230505A - 酸素生成物の生成と回収の方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、圧力スイング吸着（ｐｓＡ）による空気か
らの酸素分離に関する。詳述すれば、周囲空気から不買
的に無室累醒素匝接生成の工程サイクルに関する。

（従来の技術） 多数の先行技術特許が、＃Ｒ素績縮生成物流れを回収す
る周囲空気から窒素を選択吸着する様々の圧力スイング
吸着諸法を記述している。前述の酸素濃縮空気は、多数
の異った用途に有益な利用法があるが、本質的には、無
窒素酸素生成物が、いくつかの化学プロセス、医療用、
静接用やその他の用途に必要とされる。しかし、最も周
知のＰＳＡ法でも、周囲空気から約（資）乃至９３チの
０２シか有効に発生させ得ない。それは、比軟的高純度
酸素生成物が必要な時、生成効率が過度に低下するから
である。

約９５９に以上の酸素純度が必要な場合、頼みは液体酸
素（ＬＯＸ　）を購入するか、空気からの酸素回収の極
低温機構を使用せねばならない。これらの代案は、前者
の例では、前記ＬＯＸ　ｆｔ使用現場に移動させる必要
がろシ、また後者の例では、現場における高純度＃！累
の極低温発生が、プラントの大きさが十分に大きくない
限り、経済的見地からしばしば魅力のないものとなる。

Ｐ８Ａサイクルはまた、二段運転技術による高純度酸素
の生成のために考案され、それによって酸素濃厚流れが
まず周囲空気から生成され、それから残存窒素とアルゴ
ン不純物との除去が続く。しかし、このような二段運転
は煩わしく、多数の吸着装置と複雑な配管を必要とし、
加えて、分離の総効率は極めて低い。

酸素濃縮生成物ガスのＰＳＡ生底法に向けられ、るるい
はそれｔ−開示する先行技術特許は種々あるが、ただ１
つ米国特許第３，７１７，９７４号だけが、９５％　０
ＩＩＮ度の生成物の生成に向けられた実施例を掲げてい
る。空気からの酸素および窒素の生成に使用される沸石
吸着剤は、空気供給から窒素を選択的に吸収するが、ｒ
１１索とアルヅンとの選択性はまるでない。従って、Ｐ
ＳＡ法で実現できる最高可能０□純度は、９５．７％０
２（完全窒素除去）である。

このように、確かに、先行技術ＰＳＡ機構を推進して約
９５１０．ｉｅ含むガス生成物の空気からの生成の実現
または取組ができるが、このような成果が達成できても
、効率は悪い。ＰＳＡ法の効率は、酸素生成物の純度が
増進するに従い低下し、酸素回収はもちろん、特定生成
能力（１サイクル当り沸石の１ボンド当シ生底物酸素を
ポンド換算で）の両方は、０２１Ｍ１度の増進で低下す
る。結果として、大抵のＰＥＡ法は最適生成物として釣
部乃至９２％ｏ２が生成するよう設計されている。

周囲空気の分別と、酸素と窒素との両方ともまたはいず
れか一方を濃縮した流出液の回収の代表的ＰＳＡ多塔装
置を、米国特許第３，９２３，４７７号、４．０１３，
４２９号、４，０６５，２７０号および第４　、３２９
　、１５８号が開示している。これらの特許ならびにそ
の他諸特許は確かに、大気からの窒素過圧吸着と、窒素
含有吸着剤床の真空脱着とを開示しているが、これら特
許のどれも（先に書き留めた米国特許第３．７１７，９
７４号を除く）が、９５チ以上の酸素含量を有する生成
物の生成を開示する。

（発明が解決しようとする課題） 前記米国特許第３，７１７，９７４号に開示されたいく
つかの運転方式のうち、約９５チのＯａＮ度の生成物の
生成は前記特許の第１実施例に限り説明されている。指
定高純度０２生成物を達成するには、９段工程、すなわ
ち、吸着、近周囲圧でのパージングを伴う４減圧工程と
、それに３加圧工程を用いる。

前記的９５−の０２生底物を、実施例によれば、約４０
チの回収と、前記吸着剤の１ボンド当り約０．０３５ミ
リボ／ドモルの生成能力で達成する。前記米国特許実施
例に用いられた７０　ｐｓ　ｉａ　ａ　Ｎ圧力で、吸着
対脱着の圧力比は約４．８である。

この発明によれば、以下詳述するように、高純度酸生成
物は、規定吸層対脱着圧比内の中過圧での吸着と、中過
圧での脱着とを含む単純化され原価効率のよい４段工程
ＰＳＡ運転による従来のものより相当に高収率で大気か
ら得られる。

（諌題を解決するための手段） この発明は、周囲空気から直接、本質的に無窒素（約９
５４０２＋　５．０％Ａｒ＋Ｎａ）［素生成物を一段生
成の新奇圧力スイング吸着（ＰＳＡ　）サイクルを提供
する。この発明の基本特徴は、（１）吸着工程中の絶対
圧力が脱着中に用いられる少くとも約加倍になるよう最
高約８気圧の過圧吸着工程と、減圧工程との使用と、（
２）吸着剤塔のパージング清浄に高価な生成物を一つと
して消費しないこと、である。吸着と脱着との間の高圧
比は、効率の良好な約り５％純度の酸素の生成を可能に
し、また生成物酸素を使用するバージング工程の欠如は
酸素回収を増進させる。

この発明の実施には次の４単純工程が必要でるる：（１
）空気を、窒素吸着に選択的でめる吸着剤床に過圧で通
過させることと、（２）前記吸着剤床をほぼ大気圧水準
に減圧することと、（３）排気して吸着ガスを除去する
ことおよび（４）生成物酸素で再加圧して吸着圧力水準
にすること。

（作　用）　゛ この発明による工程サイクルは、同時運転の多塔式圧力
スイング吸着装置で実施できる。前記塔のおのおのは、
代るかわる次の工程にかかる：（ａ）周囲空気を過圧で
装填する吸着工程と、それにススと続く（ｂ）ガス抜き
取りによる圧力降下と、（ｃ）排気および（ｄ）吸着工
程中に抜き取った純粋生成物酸素の一部で再加圧する工
程。吸着剤塔のおのおのに、優先的に窒素を吸着する分
子篩沸石たとえば、モルデン沸石または、Ｘ、Ｙまたは
Ａ型面または、周期表の第１類および第２１１金属から
選択きれた陽イオンの１成分または２成分結合を用いる
これらの吸着剤の檀々の陽イオン交換型の層を伴う乾燥
剤δの層を供給端において詰め込む。好ましい乾燥剤は
アルミナであり、また好ましい沸石層はカルシウム交換
分子篩Ａ、ＸｌたはＹでめる。

運転の連続性を維持するため、３または４個の平行吸着
剤塔が必要でおる。４塔方式は添付図面のＷＪ１図に示
されている。未処置空気を少くとも約１．５気圧の土量
に圧、縮し、それを父乃至１２０Ｆ（約ｌＯ乃至４８．
９℃）の範囲の温度で、塔Ａ％Ｂ。

Ｃ６るいはＤの当時のオンスドリームのものに導入する
。塔Ａｔ−供給材料で装填するものと想定して、別の未
処理周囲空気を、圧縮機１０で所望過圧水準に上げ、そ
れを供給マニホールド１２に排出し管路１５に入れて開
放弁２０を通過させる。圧縮空気を近周囲温度に冷却し
、わずかの凝縮物も、それがマニホールド１２に排出さ
れる前に冷却器／凝縮器１１で除去される。吸着剤塔に
入る供給ガスはまず乾燥剤５０層を通過し、そのめと窒
Ｘをその中で選択的に吸着する分子篩吸着剤の次の層に
入って通過しまた、余り強く吸着していない酸素（にア
ルゴンを加えて）ｔ−管路鵠と開放弁４１によシマニホ
ールド（９）に排出する。管路加で高純度酸素をサージ
ング受は器Ｓに排出し、その受は器からそれを管路３１
により所望の利用のため抜き取る。サージングのタンク
はいくらかの用途には必要とされない。

“　設定オンスドリーム時間が終結すると、塔Ａ内の吸
着ストロークは停止され、空気供給を別の塔に移し、そ
のめとその塔と関連する弁２１，２２’ｆｆｉたけ田の
１つを開放して吸着工程を開始まる。塔Ａ乃至りのおの
おのは、代るかわる同一サイクル順序を通る。

吸着ストロークが停止すると、その中の塔Ａは、ガスの
向流抜き取りによる減圧に暴露され、それから導管団に
入りその後開放弁５１に通る。ガス抜き取りを、ｅ、Ｍ
工程の塔の圧力水準がほぼ大気圧になるまで継続する。

塔Ａの圧力水準がほぼ大気圧になると、弁５１を閉鎖し
て塔の排気を開始まる。

塔の排気を真空管路ωと真空ポンプ６１によシ遂行する
。このようにして、塔Ａの排気を、弁５１の閉鎖に続き
弁６２を開放して実施する。

塔Ａの排気中また、その順番になっている相場のうちの
前記塔の減圧水準を６０乃至３００トルの範囲に持って
くるが、それは吸着工程の間中維持される絶対圧力水準
の５チまたはそれ以下である。

排気により、前記乾燥剤からの水はもちろん、分子篩吸
着剤層からの吸着窒素および酸素（とその他存在するか
も知れない異物）とを除去する。

弁６２を閉鎖して塔Ａの排気を停止し、その後、弁７２
ヲ開放し、純酸素生成物を供給管路７１　ｔ−経由する
か、るるいは相場によシ生成中の０２強化生成物の一部
を直接移動して貯蔵釜Ｓから前記塔に吸入させて塔Ａの
圧力を所望の過圧に戻し、そのめと前記高圧成層ストロ
ークを受ける。塔Ａが所望の過圧水準に達すると、弁７
２を閉鎖し、弁Ｉおよび４１を再開放して、吸着で始ま
る作業工程の前述順序を反復する。

最適効率達成には釉々の時間を設定できるが、好ましく
は、４吸層塔を備える装置を用い、列挙された順−序の
４工程のおのおのを均等の時間で実施する仁とである。

都合のよいことには、４分サイクルを用い、その１分間
の時間を、（ａ）吸着、（ｂ）減圧、（ｃ）排気および
（ｄ）再加圧の４工程のおのおのに割シ当てることでる
る。４分サイクルにおいて前記４塔のおのおのＫおける
作業と、弁の位置とは第１表に作表されてｈる。

吸着ストロークの初期継続時間を、供給ガス中の窒素が
続けて吸着されるよう設定すると、それは前記ｏ２生成
物流出液への有害な窒素漏出なしに停止する。吸着剤の
再生に用いられる列挙工程の時間を、それら割り当て機
能のおのおのが流出液を完成するだけの十分な時間を提
供するよう設計されている。

上述のように１吸着の後窒素装填塔を前記塔の供給入口
端におけるガス抜き取りによシ減圧する。

このように減圧したガスは、未吸層酸素（吸宥剤床の空
間における）と、図面に示されているように、導’１５
０に排出されるいくらかの共吸看酸索から成る。そのよ
うに抜き取られたガスを消費するかわりに、それを工程
サイクルに入れて相場を部分的に再加圧するのに任意的
に用い、従って０２回収をさらに増加できる。塔Ａにお
ける吸看工？！全停止し、また塔りを排気すると、再加
圧のできる状態にあると仮定して、その塔の向流減圧の
間、塔Ａから抜き取ったガスを、塔ＡおよびＤの圧力が
実質的に均一になるまで供給方向と反対に、排気された
塔（Ｄ）に導入できる。前述圧力均一化に続いて、塔Ａ
の圧力水準を、ガスの連続抜き取りによりほぼ大気圧に
持ってくる一方、塔りの圧力を、サージング釜Ｓからの
高純度酸素を用いるかまたは、先に説明したように別の
塔からの０２生成物の一部の直接移動によって針設され
た過圧吸層圧水準に持ってくる。適切な配弁および配管
は、周知の方法で提供し、圧力均一化工程を実施する必
要かめる。

（実画例） 図示説明された運転は、同時に運転される４吸暦剤′４
を備える好筐しいＰＳＡ装置に向けられているが、１Ｉ
ＩＩの配置も用いることができることがわかる。さらに
付は加えられた実施例として、この発明実施に用いられ
る４段階順序は、第２図に示される時間表を利用する３
塔配置で実施できる。ガス貯蔵タンクと共にわずか１基
２基の吸着塔を使用するこの発明のサイクル順序を実施
することも可能である◇ ０−０．５　　　ＡＤ　　　ＥＶ　　　ＤＳｏ、５−１
．ＯＡＤ　　　ＲＰ　　　ＥＶｌ、０−１．５　　　Ｄ
Ｓ　　　ＡＤ　　　ＥＶｌ、５−２．ＯＥＶ　　　ＡＤ
　　　ＲＰ２．０’−２，５ＥＶ　　　ＤＢ　　　ＡＤ
２．５−３．ＯＲＰ　　　ＥＶ　　　ＡＤＡＤ＝吸看 ＤＳ　＝祝着 ｇｖ　＝排気 ＲＰ　＝再加圧 この発明による運転を、カルシウムＸ分子篩吸着剤の層
を伴う供給空気端にあるアルミナ乾燥剤の層を詰め込ん
だ塔を使用する類似運転で試験された。供給空気を乾燥
剤と吸着剤床に３気圧の圧力で通過させる一方、それか
ら約９５チの０２の濃縮空気の生成一次流出液を本質的
にその供給圧で排出する。その床を向流ガス抜き取９に
より近周囲圧水準に減圧し、そのめとそれを約７５トル
に排気した。前記排気された塔を、９５チの０２と５％
の空気から成る合成ガス混合物を用いて３気圧に再加圧
した。約８乃至１０サイクルのあと、足常環状状態が実
現した。物質収支を第３表に作図した。第２図は、それ
ぞれ（蜀減圧と、（Ｂ）排気の間の吸着ガス数量の関数
として中点値塔圧と流出ガス組成物を示す。前記塔から
の減圧ずみガスと排気ずみガスの平均０２の濃度は、そ
れぞれ１８チと１０％（モル）でめる。これら２つの流
れの平均０２濃度は約１４チでるる。

第　　３　　表 供給空気２１　１，３１　０．２７５　　ｆｉ出液　９
５．５　０．９２４　０．８８０加圧ガス　９５　０，
８３　０．７９５　　減　圧　１８．５　０．６０２　
０．１１３２．１４１．０７０排気１０．００．６１６
０．０６２２．１４２１．０５５ 供給空気速度＝　１０．０１ｂｍｏｌｅｓ　／ｈｒ　／
　ｆｔ”　　　０２生成物０．０９４（９５％Ｏ黛）供
給空気圧＝３気圧　　　　　　　　　　０２回収＝３４
％供給空気温度＝２１℃ （数量はすべて吸着剤１ボンド当シミリポンドモルにて
表示）報告結果かられかるように、大酸素生成能力（吸
着剤の１ボンド当り０．０９４ミリポンドモル）を、９
５チ酸素純度で達成した。代表的ＰＳＡ装°置装９０チ
酸素生成童での比較数字は最高が、５０チ０２の回収率
で吸着剤１ポンド当り約Ｏ，ＯＳ　ミリポンド（米国特
許第４，０１３，４２９号）と、４０チＯＩＩの回収率
で吸着剤１ボンド当り約０．０４ミリポンドモル（米国
特許第４，３２９，１５８号）の順でるる。米国特許第
３．７１７，９７４号で開示された複合ＰＥＡ法の酸素
生産性は、９５チｏ２純度（４０チ回収率）で吸着剤１
ボンド当りわずか０．０３５ミリポンドモルである。従
って、この発明は、所望高純度で、実質的に改良された
０２生放乾力を提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施に応用された装置を示す工程
系統略図、第２図は、吸着塔における中点値圧力のプロ
ット図でろって、第２図Ａは減圧、第２図Ｂは排気の間
のそれぞれの流出ガス組成物を示す図でるる。 ｌＯ・・・圧縮機、１１・・・冷却機／凝縮機、１２・
・・供給マニホールド、１５・・・管路、加・・・開放
弁、２１　／　２２　／　２３・・・弁、５・・・乾燥
剤、加・・・マニホールド、　４１・・・升、艶・・・
導管、５１・・・開放弁、ω・・・真空管路、６２・・
・弁、７１・・・供給管路、７２・・・弁 特許出願人　　エアー、プロダクツ、アンド。 ケミカルス、インコーボレーテッド ＦＩＧ　／ Ｐ　　ａ／ｍ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）約９５％純度の酸素生成物を一段運転において周
   囲空気から生成回収することを特徴とし、（ａ）最高約
   ８気圧の過圧で周囲空気を、連続して固体乾燥剤床に通
   し、また酸素に対立するものとしての窒素の保持に選択
   的である吸着剤から成り、ガス流れ接続している第二床
   の中に入れ通過させる一方、前記第二床から排出し、一
   次流出液として実質的に供給ガス圧で実質的に無窒素と
   なった酸素濃厚生成物を集めることと、（ｂ）工程（ａ
   ）の終りで、空気の前記二床への送り込みを停止し、ま
   たその中へガスをさらに導入することなしに、前記二床
   内の圧力を工程（ａ）の方向に向流する方向にガスを抜
   き取ることによりほぼ大気圧水準に減圧し、それによっ
   て含有ガスが前記吸着剤床を通って前記乾燥剤床に流入
   通過してそこから排出することと、（ｃ）前記列挙され
   たガスの抜き取りに続き、前記二床を前記過圧水準の５
   ％以下の減圧水準になるよう排気し、それを工程（ａ）
   の間に達成することおよび、（ｄ）工程（ａ）で始まる
   列挙された順序に次のサイクルを起こすため工程（ａ）
   の間に集めた一次流出液の一部を含む酸素濃厚ガスを前
   記二床に導入することで前記二床を工程（ａ）の初期過
   圧水準に回復させ、前記工程（ｃ）および（ｄ）のおの
   おのを実施して、ガス流れを工程（ｂ）の方向と向流の
   方向に前記二床を通過させることから成る酸素生成物の
   生成と回収の方法。
2. （２）前記周囲空気の前記連続床通過を１．５乃至８気
   圧範囲の圧力で実施することを特徴とする請求項１によ
   る酸素生成物の生成と回収の方法。
3. （３）前記二床の前記排気を６０乃至３００トル範囲の
   圧力で実施することを特徴とする請求項１による酸素生
   成物の生成と回収の方法。
4. （４）前記工程順序を、周囲空気供給方向に固体乾燥剤
   を前置した４つの前述選択吸着剤床のおのおのにおいて
   実施し、また実質的に均一の時間を規定工程のおのおの
   に振り当てることを特徴とする請求項１による酸素生成
   物の生成と回収の方法。
5. （５）前記規定工程の工程（ａ）からの一次流出液を１
   つの排気した床に導入するに先立って、これらの床の圧
   力を、工程（ｂ）で列挙したガス抜き取りの間に相床か
   ら得たガスを前記これらの床に導入することによって中
   圧にすることを特徴とする請求項４による酸素生成物の
   生成と回収の方法。
6. （６）前記乾燥剤床はアルミナから成り、また前記窒素
   選択吸着剤は分子篩沸石であることを特徴とする請求項
   １による酸素生成物の生成と回収の方法。
7. （７）前記乾燥剤床と、前記窒素選択吸着剤を連続層と
   して単一塔に配置することを特徴とする請求項１による
   酸素生成物の生成と回収の方法。