JPH0423563B2 - - Google Patents
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- JPH0423563B2 JPH0423563B2 JP59250503A JP25050384A JPH0423563B2 JP H0423563 B2 JPH0423563 B2 JP H0423563B2 JP 59250503 A JP59250503 A JP 59250503A JP 25050384 A JP25050384 A JP 25050384A JP H0423563 B2 JPH0423563 B2 JP H0423563B2
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2
Landscapes
- Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
- Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は空気等のO2、N2を主成分とする混合
気体より選択的にO2を吸着するO2吸着剤を使用
してのO2、N2を主成分とする混合気体よりO2、
N2を分離する方法に関するものである。 〔従来の技術〕 O2吸着剤を利用した空気からのO2、N2吸着分
離法は、装置が小型簡易であり、又無人運転に近
い殆ど保守を必要としない利点をもつ為、N2製
造量10〜1000Nm3−N2／ｈ程度の中小型N2製造
装置として近年使用例が増えてきており、深冷分
離装置で作られる液窒素を輸送して使用するケー
スについての代替が進行している。なおO2吸着
剤としては活性炭系のモレキユラーシーブスカー
ボン4Aが最つとも実用に供されている。 この装置の代表的なものの概要を述べると、装
置は空気圧縮機、及び２塔又はそれ以上のO2吸
着塔、又場合によつては空気ポンプ等から構成さ
れる。この装置において、１塔に圧縮空気を送る
と、充填されたO2吸着剤により空気中のO2は吸
着されて、残る高圧N2は吸着塔の後方に流出し
回収される。一方、他塔では吸着したO2を減圧
条件で放出させ（時として製品N2の一部を向流
で流すとか、真空ポンプで強力にO2を除去する
方法もとられる）再生する。これを交互にくり返
して連続的にO2、N2を分離する。上記の吸着塔
に充填していたO2吸着剤の代表的なものは、ベ
ルグバウフオルシユング社により実用化された窓
径約４Åを有すると推定されるカーボンモレキユ
ラーシーブスであり、O2、N22成分混合ガスから
O2の方がN2よりも吸着速度の速い事を利用して
O2を選択的に吸着するものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 この吸着によるO2、N2分離装置は中小型領域
で有利と前述したが、1Nm3のN2を製造するの
に、99％N2で0.45KWh、99.9％N2で0.65KWhを
必要とし、大容量深冷分離法で製造されるN2の
045KWhに比し消費電力は大きい。 又O2については上記運転条件に於いて、1Nm3
のN2を製造する時に25〜30％のO2富化空気が脱
着側から3.5〜4Nm3回収される。 又装置容量の増大に対するスケールメリツトが
少く、1000Nm3−N2／ｈ以上の領域では深冷分
離法に競合できないといわれている。 従つて、これら欠点についての改善方法が種々
考えられるが、本発明に関連して改善方法を述べ
ると以下のような障害が通常出現する。 先ず、消費電力の低減については、送風圧力を
低くして低圧で吸着操作を行なう事が考えられる
が、O2吸着量が圧力にほぼ比例して低下する為、
装置の容量が極めて増大する。次に、N2製造量
（O2富化空気）の増大を図る為に、サイクルタイ
ムの短縮が考えられるが、バルブ、吸着剤、回転
機械の消耗の増大が考えられ、限度がある。 そこで本発明者らは、上記欠点を改善した低
温、低圧吸着条件下での高性能なO2、N2の分離
方法につき鋭意研求、実験を進める過程で、少く
とも２価以上の鉄を含有するNa−Ａ型ゼオライ
トは、低温、低圧吸着条件下でO2吸着量が増大
するとともにO2選択性が増大する事を見出し、
室温領域での高圧吸着、大気圧（真空減圧）再生
に比べ、吸着塔の増大を計る事なく大幅な消費電
力の低減を計り得る事を見出し本発明を完成する
に到つたものである。 〔問題点を解決するための手段〕 すなわち本発明は、少くとも２価以上の鉄を含
有するNa−Ａ型ゼオライトを少くとも２塔の吸
着塔に充填し、室温以下の温度下で、酸素及び窒
素を主成分とする混合気体を大気圧以上3ata以下
で、吸着塔に流入させて該混合気体に含まれる酸
素を選択的に吸着させ、該吸着塔出口から高純度
窒素又は窒素富化ガスを流出させ、一方酸素を吸
着した吸着塔を0.08ata以上0.5ata以下に減圧さ
せて再生してO2富化空気を製造することを特徴
とする低温、低圧条件下での混合気体からの酸素
及び窒素の分離方法を提案するものである。 〔実施例〕 本発明の有効性を実証する為第１図に示す空気
分離装置で空気からの少くとも２価以上の鉄を含
有してなるNa−Ａ型ゼオライトのO2吸着剤によ
るO2、N2分離を試みた。 このO2吸着剤は次のようにして調製した。先
ず、PH９〜11を呈するNa−Ａ型ゼオライトスラ
リー溶液にFeCl2又はFeCl30.1M濃度水溶液を、
Na−Ａ型ゼオライト重量に対し鉄元素換算で0.1
〜1wt％となるように添加し、吸着剤の表面に沈
澱させる。この時、母液のPHが６以下になると
FeとNaイオンとの交換が起り、O2選択性を失う
ので避ける必要がある。この後、ろ過水洗を行な
い、カオリン及びシリカゾルをバインダーとして
混合し、成型後、650℃以上の高温の焼成により、
上記Na−Ａ型ゼオライトはO2選択性を呈するよ
うになる。なおFeと同時にＫを添加することに
より低温での熱処理でもO2選択性を得る事がで
きる。 本発明に於いては上記調製範囲の中、Feを
0.5wt％（as Fe）添加し、温度720℃、２時間で
焼成したものを使用した。 以下第１図に基づいて実施した内容を説明す
る。 入口側ライン１を通じて圧縮機２で1.05〜3ata
に加圧された空気は、流路３から脱湿脱CO2塔４
に入り、極めて清浄な加圧空気となる。流路３′
の後流に設置されたバルブ５は開となつており、
清浄な加圧空気は流路６及び開状態のバルブ７を
通じて吸着塔８に入る。吸着塔８に入つた加圧空
気はO2吸着剤９でO2が吸着除去されて後方に行
くに従がいN2濃度が上昇する。この後加圧空気
は開状態のバルブ１０，１１，１２及びバルブ１
１，１２の間に挿入された製品N2タンク１３を
通じて製品N2として回収される。 一方、吸着塔８′は閉状態のバルブ１０′、開状
態のバルブ１６及び流路１７を通じて連結された
真空ポンプ１８で減圧されひかれており、この為
吸着塔８′は負圧状態で吸着塔８′中のO2吸着剤
９′に吸着されていたO2は容易に離脱されO2吸着
剤９′は短時間で再生される。 吸着塔８のO2吸着剤９が飽和し、一方吸着塔
８′のO2吸着剤９′からO2が離脱して再生が済む
と、入口空気の流路６を６′に切り換え、今迄述
べた方法を交互に行なうと製品N2及びO2富化空
気が連続的に回収できる。 なお、入口の清浄な加圧空気のライン３′と離
脱O2を主成分とするガスライン１７の間は熱交
換器１９で、熱交換可能となつており、製品N2
ライン２１と流路３′との間も又熱交換器２２で
熱交換可能となつている。又流路３′には圧縮式
冷凍機２０が設置されている為、極めて能率的に
吸着塔８及び８′は冷却され低温条件に設定され
る。なお、吸着塔の切り換えにあたつては、単純
に流路６から６′へ（又はその逆）切り換えるだ
けでなく、切り換え直後の昇圧に伴なう入口空気
の吹きぬけを防ぎ、かつ吸着塔の後方に残存する
N2及び前方の加圧空気の系外への放出を最小に
する為、先ず、バルブ１０，１０′を全開にして
他の全てのバルブを全閉として吸着直後の吸着塔
８の後方の残存N2を再生直後の吸着塔８′に一部
移す。この時、吸着塔８の圧力をP0（ata）、吸着
塔８′の圧力をP1（ata）とすると、均圧後の圧力
は約P0＋P1／２（ata）となる。ここの後、約 P0＋P1／２（ata）となつた吸着塔８′はバルブ１ ０′，１１を開として製品N2タンク１３と吸着塔
を均圧化して吸着塔８′を更に高圧のN2で満た
す。製品N2タンク１３との均圧時の圧力P2（ata）
は吸着塔８，８′の死容積（吸着塔内の吸着剤で
占められていない空間の容積）をV1（ｌ）、製品
N2タンクの容量をV2（ｌ）とし、均圧前の製品
N2タンク１３の圧力をP0（ata）にほぼ等しいと
すると、均圧化圧力P2（ata）は、概略 P2＝P0＋P1／２V1＋P0V2／V1＋V2 となり、単に塔を切り換える時のP1（ata）から
P0（ata）への急速な昇圧に比べ、以上の操作で
はP1（ata）、P0＋P1／２（ata）、P2（ata）、P0（ata
） とゆるやかに昇圧する為、昇圧時の空気の吹き抜
けを防止しつつ、脱着工程での残存N2、高圧空
気の系外への放出を最小にするような対策が可能
となつている。なお脱着工程でのO2富化空気の
回収を主体とする運転では上記操作は製品O2濃
度を下げて有効でない事はいうまでもない。 以上の操作方法で第１図に示した空気分離装置
で空気分離を行なつた。装置の操作諸元を第１表
に示す。
気体より選択的にO2を吸着するO2吸着剤を使用
してのO2、N2を主成分とする混合気体よりO2、
N2を分離する方法に関するものである。 〔従来の技術〕 O2吸着剤を利用した空気からのO2、N2吸着分
離法は、装置が小型簡易であり、又無人運転に近
い殆ど保守を必要としない利点をもつ為、N2製
造量10〜1000Nm3−N2／ｈ程度の中小型N2製造
装置として近年使用例が増えてきており、深冷分
離装置で作られる液窒素を輸送して使用するケー
スについての代替が進行している。なおO2吸着
剤としては活性炭系のモレキユラーシーブスカー
ボン4Aが最つとも実用に供されている。 この装置の代表的なものの概要を述べると、装
置は空気圧縮機、及び２塔又はそれ以上のO2吸
着塔、又場合によつては空気ポンプ等から構成さ
れる。この装置において、１塔に圧縮空気を送る
と、充填されたO2吸着剤により空気中のO2は吸
着されて、残る高圧N2は吸着塔の後方に流出し
回収される。一方、他塔では吸着したO2を減圧
条件で放出させ（時として製品N2の一部を向流
で流すとか、真空ポンプで強力にO2を除去する
方法もとられる）再生する。これを交互にくり返
して連続的にO2、N2を分離する。上記の吸着塔
に充填していたO2吸着剤の代表的なものは、ベ
ルグバウフオルシユング社により実用化された窓
径約４Åを有すると推定されるカーボンモレキユ
ラーシーブスであり、O2、N22成分混合ガスから
O2の方がN2よりも吸着速度の速い事を利用して
O2を選択的に吸着するものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 この吸着によるO2、N2分離装置は中小型領域
で有利と前述したが、1Nm3のN2を製造するの
に、99％N2で0.45KWh、99.9％N2で0.65KWhを
必要とし、大容量深冷分離法で製造されるN2の
045KWhに比し消費電力は大きい。 又O2については上記運転条件に於いて、1Nm3
のN2を製造する時に25〜30％のO2富化空気が脱
着側から3.5〜4Nm3回収される。 又装置容量の増大に対するスケールメリツトが
少く、1000Nm3−N2／ｈ以上の領域では深冷分
離法に競合できないといわれている。 従つて、これら欠点についての改善方法が種々
考えられるが、本発明に関連して改善方法を述べ
ると以下のような障害が通常出現する。 先ず、消費電力の低減については、送風圧力を
低くして低圧で吸着操作を行なう事が考えられる
が、O2吸着量が圧力にほぼ比例して低下する為、
装置の容量が極めて増大する。次に、N2製造量
（O2富化空気）の増大を図る為に、サイクルタイ
ムの短縮が考えられるが、バルブ、吸着剤、回転
機械の消耗の増大が考えられ、限度がある。 そこで本発明者らは、上記欠点を改善した低
温、低圧吸着条件下での高性能なO2、N2の分離
方法につき鋭意研求、実験を進める過程で、少く
とも２価以上の鉄を含有するNa−Ａ型ゼオライ
トは、低温、低圧吸着条件下でO2吸着量が増大
するとともにO2選択性が増大する事を見出し、
室温領域での高圧吸着、大気圧（真空減圧）再生
に比べ、吸着塔の増大を計る事なく大幅な消費電
力の低減を計り得る事を見出し本発明を完成する
に到つたものである。 〔問題点を解決するための手段〕 すなわち本発明は、少くとも２価以上の鉄を含
有するNa−Ａ型ゼオライトを少くとも２塔の吸
着塔に充填し、室温以下の温度下で、酸素及び窒
素を主成分とする混合気体を大気圧以上3ata以下
で、吸着塔に流入させて該混合気体に含まれる酸
素を選択的に吸着させ、該吸着塔出口から高純度
窒素又は窒素富化ガスを流出させ、一方酸素を吸
着した吸着塔を0.08ata以上0.5ata以下に減圧さ
せて再生してO2富化空気を製造することを特徴
とする低温、低圧条件下での混合気体からの酸素
及び窒素の分離方法を提案するものである。 〔実施例〕 本発明の有効性を実証する為第１図に示す空気
分離装置で空気からの少くとも２価以上の鉄を含
有してなるNa−Ａ型ゼオライトのO2吸着剤によ
るO2、N2分離を試みた。 このO2吸着剤は次のようにして調製した。先
ず、PH９〜11を呈するNa−Ａ型ゼオライトスラ
リー溶液にFeCl2又はFeCl30.1M濃度水溶液を、
Na−Ａ型ゼオライト重量に対し鉄元素換算で0.1
〜1wt％となるように添加し、吸着剤の表面に沈
澱させる。この時、母液のPHが６以下になると
FeとNaイオンとの交換が起り、O2選択性を失う
ので避ける必要がある。この後、ろ過水洗を行な
い、カオリン及びシリカゾルをバインダーとして
混合し、成型後、650℃以上の高温の焼成により、
上記Na−Ａ型ゼオライトはO2選択性を呈するよ
うになる。なおFeと同時にＫを添加することに
より低温での熱処理でもO2選択性を得る事がで
きる。 本発明に於いては上記調製範囲の中、Feを
0.5wt％（as Fe）添加し、温度720℃、２時間で
焼成したものを使用した。 以下第１図に基づいて実施した内容を説明す
る。 入口側ライン１を通じて圧縮機２で1.05〜3ata
に加圧された空気は、流路３から脱湿脱CO2塔４
に入り、極めて清浄な加圧空気となる。流路３′
の後流に設置されたバルブ５は開となつており、
清浄な加圧空気は流路６及び開状態のバルブ７を
通じて吸着塔８に入る。吸着塔８に入つた加圧空
気はO2吸着剤９でO2が吸着除去されて後方に行
くに従がいN2濃度が上昇する。この後加圧空気
は開状態のバルブ１０，１１，１２及びバルブ１
１，１２の間に挿入された製品N2タンク１３を
通じて製品N2として回収される。 一方、吸着塔８′は閉状態のバルブ１０′、開状
態のバルブ１６及び流路１７を通じて連結された
真空ポンプ１８で減圧されひかれており、この為
吸着塔８′は負圧状態で吸着塔８′中のO2吸着剤
９′に吸着されていたO2は容易に離脱されO2吸着
剤９′は短時間で再生される。 吸着塔８のO2吸着剤９が飽和し、一方吸着塔
８′のO2吸着剤９′からO2が離脱して再生が済む
と、入口空気の流路６を６′に切り換え、今迄述
べた方法を交互に行なうと製品N2及びO2富化空
気が連続的に回収できる。 なお、入口の清浄な加圧空気のライン３′と離
脱O2を主成分とするガスライン１７の間は熱交
換器１９で、熱交換可能となつており、製品N2
ライン２１と流路３′との間も又熱交換器２２で
熱交換可能となつている。又流路３′には圧縮式
冷凍機２０が設置されている為、極めて能率的に
吸着塔８及び８′は冷却され低温条件に設定され
る。なお、吸着塔の切り換えにあたつては、単純
に流路６から６′へ（又はその逆）切り換えるだ
けでなく、切り換え直後の昇圧に伴なう入口空気
の吹きぬけを防ぎ、かつ吸着塔の後方に残存する
N2及び前方の加圧空気の系外への放出を最小に
する為、先ず、バルブ１０，１０′を全開にして
他の全てのバルブを全閉として吸着直後の吸着塔
８の後方の残存N2を再生直後の吸着塔８′に一部
移す。この時、吸着塔８の圧力をP0（ata）、吸着
塔８′の圧力をP1（ata）とすると、均圧後の圧力
は約P0＋P1／２（ata）となる。ここの後、約 P0＋P1／２（ata）となつた吸着塔８′はバルブ１ ０′，１１を開として製品N2タンク１３と吸着塔
を均圧化して吸着塔８′を更に高圧のN2で満た
す。製品N2タンク１３との均圧時の圧力P2（ata）
は吸着塔８，８′の死容積（吸着塔内の吸着剤で
占められていない空間の容積）をV1（ｌ）、製品
N2タンクの容量をV2（ｌ）とし、均圧前の製品
N2タンク１３の圧力をP0（ata）にほぼ等しいと
すると、均圧化圧力P2（ata）は、概略 P2＝P0＋P1／２V1＋P0V2／V1＋V2 となり、単に塔を切り換える時のP1（ata）から
P0（ata）への急速な昇圧に比べ、以上の操作で
はP1（ata）、P0＋P1／２（ata）、P2（ata）、P0（ata
） とゆるやかに昇圧する為、昇圧時の空気の吹き抜
けを防止しつつ、脱着工程での残存N2、高圧空
気の系外への放出を最小にするような対策が可能
となつている。なお脱着工程でのO2富化空気の
回収を主体とする運転では上記操作は製品O2濃
度を下げて有効でない事はいうまでもない。 以上の操作方法で第１図に示した空気分離装置
で空気分離を行なつた。装置の操作諸元を第１表
に示す。
【表】
第１表の操作条件で空気からO2、N2を分離し
た。この時の結果を第２図以下に要約する。以下
第２図から逐次少くとも２価の鉄を含有するNa
−Ａ型ゼオライトO2吸着剤（以下Na−Ａ−Feと
記す）による空気からの圧力スイング式O2、N2
吸着分離の従来のカーボン分子篩４Ａでの室温高
圧吸着による空気分離に対する主たる改善点を説
明する。 第２図は吸着圧力と動力原単位との関係を示す
グラフであり、第２図に於いて、横軸は吸着圧力
P0ata、縦軸は1Nm3／ｈでN2を製造するに必要
な消費電力（KW）である。吸着剤としてFe（）
を0.5wt％含有するNa−Ａを使用し、温度−30
℃、脱着圧力P1＝0.1ata、出口N2濃度99.9％に設
定して、吸着塔圧力を1.05〜4.5ataに変更した時
の消費電力を調べたものである。 第２図から判るように、圧力の低下に伴ない大
幅な動力原単位の低減が計られており、吸着圧力
3ata以下でカーボン分子篩４Ａの0.65KWh／Ｎ
m3−N2（99.9％N2）に対し、より小さな動力原単
位で空気から窒素及びO2富化空気を分離し得る
極めて有用な事実を見出した。これは従来の実用
化されたいかなるO2吸着剤を利用した空気分離
方法においても低圧、低温領域でのO2吸着が利
用されていない事、又従来のいかなる文献にも記
載されていない事からも全く新しい事実といえ
る。 次に、上記の有効性が成立する領域である吸着
圧力P0＝1.2ata、出口N2濃度99.9％、温度−30℃
に操作条件を設定して脱着圧力P1を0.1〜0.5ata
迄変更して動力原単位を測定しこれを第３図に示
した。第３図は脱着圧力と動力原単位との関係を
示すグラフである。第３図に於いて横軸は脱着圧
力P1（ata）、縦軸はN21Nm3／ｈ製造時の動力原
単位を示す。カーボン分子篩でのN2製造動力原
単位が0.65KWh／Ｎm3−N2（99.9％N2）である事
からそれよりも低原単位を示す脱着圧力0.1〜
0.3ataの領域が有効と考えられる。 次いで、吸着塔を室温から−30℃の領域での冷
却条件下での吸着分離を試みた。これは、低温条
件に設定する事により吸着量の上昇とO2選択性
の向上が一般的におこるので吸着時の破過帯が縮
少し装置の小型化と分離効率の向上が期待できた
為である。その他の操作条件を吸着圧力1.2ata、
再生圧力0.1ata、製品N2濃度99.9％に設定し、温
度を室温から漸次低温へ下げてN21Nm3／ｈ製造
時の動力原単位を求めた。第４図は操作温度と動
力原単位との関係を示すグラフである。第４図に
おいて横軸は温度、縦軸は動力原単位を示してい
る。 第４図から判るように、温度の低下に伴ない動
力原単位は低下し続けた。−60℃迄の領域での本
発明のO2吸着剤の動力原単位を調べたが、空気
の吸着分離に関して特に問題は発生しなかつた。
更に、小規模な試験での予測によると、−100℃程
度でもその有効性は失なわれない。しかしなが
ら、−70℃以下の温度では、冷却に要する消費電
力が−30℃の約４倍、−60℃の２倍となり設備費
も割高となる為、実用上好ましくない。 第５図は温度と吸着塔出口N2中のO2濃度との
関係を示すグラフであり、図中横軸は温度、縦軸
は吸着塔出口N2中のO2濃度を示している。操作
条件を吸着圧力P0＝1.2ata、脱着圧力P1＝
0.1ata、空筒速度Ｕ＝0.4cm／secに設定し、温度
を40℃から−100℃まで変化させて吸着分離を行
つた。 第５図から、判るように、本発明のO2吸着剤
では吸着塔出口N2中のO2濃度が低温域に於いて
温度の低下に伴ない大幅に減少する。 以上述べてきた事は、主として動力費、O2純
度に関連する事であるが、次に初期設備費に関連
する項目についてのべる。吸着圧力P0＝1.2ata、
脱着圧力P1＝0.1ataにおいて、出口製品N2中の
O2濃度が0.1％になるように製品N2採取量を調製
し、温度を40℃から−100℃まで変化させて、1N
m3／ｈのN2（O2濃度0.1％）を採取するに必要な
吸着剤量を評価し、この結果を第６図に示した。
第６図は温度と上記の吸着剤量との関係を示すグ
ラフであり、図中横軸は温度、縦軸は前述の毎時
1Nm3のN2を製造するに必要な吸着剤重量〔Kg〕
である。 第６図から判るように、カーボン分子篩が室
温、４〜6atmでの吸着条件で毎時1Nm3のN2の製
造を行なう場合必要吸着剤が25Kgであるのに対
し、本吸着条件下では圧力が大気圧付近に低下し
ても−30℃の温度条件では25Kgと大差ない。 以上詳細に述べたように、本発明によれば、少
くとも２価以上の鉄を含有するNa−Ａ型ゼオラ
イトを使用し、吸着工程圧力を3ata以下、脱着工
程力を0.1〜0.3ataの圧力領域下におき、室温以
下の温度域を利用して混合気体例えば空気の圧力
スイング式吸着分離を行えば、従来毎時1Nm3の
N2を製造するのに要する動力原単位が深冷分離
法で0.45〜0.65KWh現行の吸着分離で0.65KWh
以上を要していたものを、一挙に0.25KWh近傍
迄低減せしめ、併せて吸着剤使用量も現行の吸着
剤法と同程度に維持し得る。 以上主としてO2吸着剤を利用したN2製造につ
いて述べたが、次にO2富化空気製造について説
明する。 この場合、本発明では大気圧近傍での空気の送
風が可能な為、O2吸着塔の後方からN2にO2が随
伴しても動力原単位は上昇しない。むしろ出口
N2中のO2濃度を上昇してO2吸着塔のO2分圧を上
げて回収O2濃度を上昇するのが望ましい。 本発明者等は、第１図の装置を使用し、入口空
気量10Nl／切換時間、出口N2中濃度５％迄上昇
せしめ、温度−30℃、吸着圧力1.1ata、再生圧力
0.1ataの条件で脱着側再生ラインから約65％のO2
濃度のO2富化空気4Nlを採取した。 更に、回収O2の一部を吸着終了直後の塔に空
気流れと同一方向に流して残留N2をパージする
と約80％迄O2濃度は上昇した。この条件下での
物質収支に基づいて動力原単位を計算すると、
100％−O2換算値で0.27KWh／Ｎm3−O2となり、
極めて有効な（深冷法が0.45KWh／Ｎm3−O2）
O2富化空気の製造手法となり得る。 以上詳細に説明したように、本発明は所要の動
力原単位及び吸着剤量が従来の吸着剤法に比べ少
なく、産業上非常に有用な混合気体からの酸素及
び窒素の分離方法を提案するものである。
た。この時の結果を第２図以下に要約する。以下
第２図から逐次少くとも２価の鉄を含有するNa
−Ａ型ゼオライトO2吸着剤（以下Na−Ａ−Feと
記す）による空気からの圧力スイング式O2、N2
吸着分離の従来のカーボン分子篩４Ａでの室温高
圧吸着による空気分離に対する主たる改善点を説
明する。 第２図は吸着圧力と動力原単位との関係を示す
グラフであり、第２図に於いて、横軸は吸着圧力
P0ata、縦軸は1Nm3／ｈでN2を製造するに必要
な消費電力（KW）である。吸着剤としてFe（）
を0.5wt％含有するNa−Ａを使用し、温度−30
℃、脱着圧力P1＝0.1ata、出口N2濃度99.9％に設
定して、吸着塔圧力を1.05〜4.5ataに変更した時
の消費電力を調べたものである。 第２図から判るように、圧力の低下に伴ない大
幅な動力原単位の低減が計られており、吸着圧力
3ata以下でカーボン分子篩４Ａの0.65KWh／Ｎ
m3−N2（99.9％N2）に対し、より小さな動力原単
位で空気から窒素及びO2富化空気を分離し得る
極めて有用な事実を見出した。これは従来の実用
化されたいかなるO2吸着剤を利用した空気分離
方法においても低圧、低温領域でのO2吸着が利
用されていない事、又従来のいかなる文献にも記
載されていない事からも全く新しい事実といえ
る。 次に、上記の有効性が成立する領域である吸着
圧力P0＝1.2ata、出口N2濃度99.9％、温度−30℃
に操作条件を設定して脱着圧力P1を0.1〜0.5ata
迄変更して動力原単位を測定しこれを第３図に示
した。第３図は脱着圧力と動力原単位との関係を
示すグラフである。第３図に於いて横軸は脱着圧
力P1（ata）、縦軸はN21Nm3／ｈ製造時の動力原
単位を示す。カーボン分子篩でのN2製造動力原
単位が0.65KWh／Ｎm3−N2（99.9％N2）である事
からそれよりも低原単位を示す脱着圧力0.1〜
0.3ataの領域が有効と考えられる。 次いで、吸着塔を室温から−30℃の領域での冷
却条件下での吸着分離を試みた。これは、低温条
件に設定する事により吸着量の上昇とO2選択性
の向上が一般的におこるので吸着時の破過帯が縮
少し装置の小型化と分離効率の向上が期待できた
為である。その他の操作条件を吸着圧力1.2ata、
再生圧力0.1ata、製品N2濃度99.9％に設定し、温
度を室温から漸次低温へ下げてN21Nm3／ｈ製造
時の動力原単位を求めた。第４図は操作温度と動
力原単位との関係を示すグラフである。第４図に
おいて横軸は温度、縦軸は動力原単位を示してい
る。 第４図から判るように、温度の低下に伴ない動
力原単位は低下し続けた。−60℃迄の領域での本
発明のO2吸着剤の動力原単位を調べたが、空気
の吸着分離に関して特に問題は発生しなかつた。
更に、小規模な試験での予測によると、−100℃程
度でもその有効性は失なわれない。しかしなが
ら、−70℃以下の温度では、冷却に要する消費電
力が−30℃の約４倍、−60℃の２倍となり設備費
も割高となる為、実用上好ましくない。 第５図は温度と吸着塔出口N2中のO2濃度との
関係を示すグラフであり、図中横軸は温度、縦軸
は吸着塔出口N2中のO2濃度を示している。操作
条件を吸着圧力P0＝1.2ata、脱着圧力P1＝
0.1ata、空筒速度Ｕ＝0.4cm／secに設定し、温度
を40℃から−100℃まで変化させて吸着分離を行
つた。 第５図から、判るように、本発明のO2吸着剤
では吸着塔出口N2中のO2濃度が低温域に於いて
温度の低下に伴ない大幅に減少する。 以上述べてきた事は、主として動力費、O2純
度に関連する事であるが、次に初期設備費に関連
する項目についてのべる。吸着圧力P0＝1.2ata、
脱着圧力P1＝0.1ataにおいて、出口製品N2中の
O2濃度が0.1％になるように製品N2採取量を調製
し、温度を40℃から−100℃まで変化させて、1N
m3／ｈのN2（O2濃度0.1％）を採取するに必要な
吸着剤量を評価し、この結果を第６図に示した。
第６図は温度と上記の吸着剤量との関係を示すグ
ラフであり、図中横軸は温度、縦軸は前述の毎時
1Nm3のN2を製造するに必要な吸着剤重量〔Kg〕
である。 第６図から判るように、カーボン分子篩が室
温、４〜6atmでの吸着条件で毎時1Nm3のN2の製
造を行なう場合必要吸着剤が25Kgであるのに対
し、本吸着条件下では圧力が大気圧付近に低下し
ても−30℃の温度条件では25Kgと大差ない。 以上詳細に述べたように、本発明によれば、少
くとも２価以上の鉄を含有するNa−Ａ型ゼオラ
イトを使用し、吸着工程圧力を3ata以下、脱着工
程力を0.1〜0.3ataの圧力領域下におき、室温以
下の温度域を利用して混合気体例えば空気の圧力
スイング式吸着分離を行えば、従来毎時1Nm3の
N2を製造するのに要する動力原単位が深冷分離
法で0.45〜0.65KWh現行の吸着分離で0.65KWh
以上を要していたものを、一挙に0.25KWh近傍
迄低減せしめ、併せて吸着剤使用量も現行の吸着
剤法と同程度に維持し得る。 以上主としてO2吸着剤を利用したN2製造につ
いて述べたが、次にO2富化空気製造について説
明する。 この場合、本発明では大気圧近傍での空気の送
風が可能な為、O2吸着塔の後方からN2にO2が随
伴しても動力原単位は上昇しない。むしろ出口
N2中のO2濃度を上昇してO2吸着塔のO2分圧を上
げて回収O2濃度を上昇するのが望ましい。 本発明者等は、第１図の装置を使用し、入口空
気量10Nl／切換時間、出口N2中濃度５％迄上昇
せしめ、温度−30℃、吸着圧力1.1ata、再生圧力
0.1ataの条件で脱着側再生ラインから約65％のO2
濃度のO2富化空気4Nlを採取した。 更に、回収O2の一部を吸着終了直後の塔に空
気流れと同一方向に流して残留N2をパージする
と約80％迄O2濃度は上昇した。この条件下での
物質収支に基づいて動力原単位を計算すると、
100％−O2換算値で0.27KWh／Ｎm3−O2となり、
極めて有効な（深冷法が0.45KWh／Ｎm3−O2）
O2富化空気の製造手法となり得る。 以上詳細に説明したように、本発明は所要の動
力原単位及び吸着剤量が従来の吸着剤法に比べ少
なく、産業上非常に有用な混合気体からの酸素及
び窒素の分離方法を提案するものである。
第１図は本発明の分離方法を実施するのに用い
られる空気分離装置の例示図、第２図は吸着圧力
と動力原単位との関係を示すグラフ、第３図は脱
着圧力と動力原単位との関係を示すグラフ、第４
図は温度と動力原単位との関係を示すグラフ、第
５図は温度と吸着塔出口N2中のO2濃度との関係
を示すグラフ、第６図は温度と1Nm3−N2／ｈを
製造するに必要な吸着剤との関係を示すグラフで
ある。 ２…圧縮機、４…脱湿脱CO2塔、８…吸着塔、
１３…製品O2タンク、１８…真空ポンプ、２０
…圧縮式冷凍機。
られる空気分離装置の例示図、第２図は吸着圧力
と動力原単位との関係を示すグラフ、第３図は脱
着圧力と動力原単位との関係を示すグラフ、第４
図は温度と動力原単位との関係を示すグラフ、第
５図は温度と吸着塔出口N2中のO2濃度との関係
を示すグラフ、第６図は温度と1Nm3−N2／ｈを
製造するに必要な吸着剤との関係を示すグラフで
ある。 ２…圧縮機、４…脱湿脱CO2塔、８…吸着塔、
１３…製品O2タンク、１８…真空ポンプ、２０
…圧縮式冷凍機。
Claims (1)
- １ 少くとも２価以上の鉄を含有するNa−Ａ型
ゼオライトを少くとも２塔の吸着塔に充填し、室
温以下の温度で、酸素及び窒素を主成分とする混
合気体を大気圧以上3ata以下で吸着塔に流入させ
て該混合気体に含まれる酸素を選択的に吸着さ
せ、該吸着塔出口から高純度窒素又は窒素富化ガ
スを流出させ、一方酸素を吸着した吸着塔を
0.08ata以上0.5ata以下に減圧させて再生し酸素
富化空気を回収することを特徴とする低温、低圧
条件下での混合気体からの酸素及び窒素の分離方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59250503A JPS61129020A (ja) | 1984-11-29 | 1984-11-29 | 混合気体からの酸素及び窒素の分離方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59250503A JPS61129020A (ja) | 1984-11-29 | 1984-11-29 | 混合気体からの酸素及び窒素の分離方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61129020A JPS61129020A (ja) | 1986-06-17 |
| JPH0423563B2 true JPH0423563B2 (ja) | 1992-04-22 |
Family
ID=17208847
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59250503A Granted JPS61129020A (ja) | 1984-11-29 | 1984-11-29 | 混合気体からの酸素及び窒素の分離方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61129020A (ja) |
-
1984
- 1984-11-29 JP JP59250503A patent/JPS61129020A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61129020A (ja) | 1986-06-17 |
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