JPH10225609A - パラメトリックガスクロマトグラフィーによる気体のバルク分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で、エネルギー要求量を減らし、
酸素原単位、吸着剤生産性、総合効率を向上させた方法
で、例えば空気から安価に大量に酸素と窒素を併産でき
る気体のバルク分離方法を提供すること。 【解決手段】 難吸着成分（Ａ）及び易吸着成分（Ｂ）
を含む原料混合ガスを成分（Ｂ）を選択的に吸着する吸
着剤を充填した吸着塔を少なくとも２つ含む吸着分離シ
ステムの前記吸着塔の一端（入口端）から他端（出口
端）へ通じ、各吸着塔は特定の工程〜のシーケンス
操作を循環的にうけることにより他端（出口端）から一
定時間毎に、交互に製品として成分（Ａ）及び／または
成分（Ｂ）を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパラメトリックガス
クロマトグラフィーによる気体のバルク分離方法に関す
るものであり、さらに詳しくは、例えば空気より酸素と
窒素を分離生産するなど、難吸着成分（Ａ）と易吸着成
分（Ｂ）を含む原料混合ガスを吸着剤カラムの入口端か
ら出口端へ通して出口端部から一定周期毎に、難吸着成
分（Ａ）と易吸着成分（Ｂ）が分離されて交互に出てく
るようにした、少ない動力消費と高い総合効率で、難吸
着成分（Ａ）と易吸着成分（Ｂ）を分離生産できる気体
のバルク分離方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、酸素、窒素の工業的生産は主とし
て空気液化分離法（深冷法と略す）で行われ、パイプラ
インまたは液酸輸送等の手段により、主として酸素は鉄
鋼冶金方面へ、窒素はＬＳＩ製造の雰囲気ガスなどとし
て電子工業へ供給、使用されている。また、中小規模用
途の一部は空気より公知のオンサイト圧力スイング吸着
法（Pressure Swing Adsorption 、以下ＰＳＡと称す）
を用いて酸素と窒素を分離してパイプライン供給されて
いる。

【０００３】深冷法は、高純度酸素と高純度窒素を大量
に併産できる現行唯一の方法であるが、装置構成が複雑
かつ高級材料を使用するため装置価格が割高な点が問題
である。この深冷法は１９００頃に発明された技術で、
１９５５頃迄に工業装置として基本的なことは完成の域
に達しており、現在も、構成装置部品や機械の効率向
上、低価格化、精留塔の改善等、部分的改良は続けられ
ているが、基本的な効率向上は期待できない状況にあ
る。

【０００４】それに対してＰＳＡは簡単な構成の装置と
常温操作で９０〜９５％の酸素を製造する方法であり、
深冷法が経済的に引合わないような中小規模の用途、例
えば電炉、廃水処理、パルプ漂白、オゾナイザー付加装
置等として使われている。このＰＳＡは１９５７頃に発
明された技術で、当初より最近に至る迄、省エネ改善努
力が続けられ、多数の特許が出願されてきた。また特に
近年傾向として吸着剤生産性［リットル（酸素）／ｋｇ
−（吸着剤）（Ｈ）］（ＰＳＡにおける省資材の指標と
なるもの）が大幅に改善されてきた。また、最近、従来
の吸着剤であるＭＳ−５Ａゼオライトより吸着性能の優
れたＬｉＸ型ゼオライトの採用及び／またはプロセスの
高速化等により、総合効率の高められた新しいＰＳＡが
提案されている（例えば、特開平２−６８１１１号公
報、特開平７−１８５２４７号公報、特開平３−５２６
１５号公報、特開平６−５５０２７号公報など）。

【０００５】近年、エネルギー、環境問題の高まりとと
もに、省エネ、省資材を追究した新発電システムや新製
鉄法の工業化を目指して各種開発プロジェクトが進行中
である。これらの開発プロジェクトの例としては、例え
ば、石炭ガス化複合発電、高温燃料電池、酸素高炉法、
溶融還元製鉄法等があり、実用システムにおいては大量
の酸素や窒素が消費される。従って、省エネと省資材
（もしくは、簡単な構成、低価格の装置など）を総合し
た総合効率の高い酸素・窒素製造装置や酸素・窒素製造
方法に対する期待は大きいものがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】吸着分離システム（装
置）の評価尺度について述べる。次のとの２つの指
標値の小さいもの程よい吸着分離システムである。他の
混合ガスでも同様であるが、酸素製造を例にとって説明
する。 酸素原単位＝ＫＷＨ／ｍ³ （ＮＴＰ）（酸素）→ 省
エネ尺度 酸素製造能力当たりの装置価格 装置価格／ｍ³ （ＮＴＰ）（酸素）／Ｈ → 省資材
尺度 結局、上記の、をひっくるめた酸素製造原価［円／
ｍ³ （酸素）］の小さい程よい。上記の、が共に小
さい場合に総合効率が高いと定義し以下に用いる。

【０００７】現在の“空気分離方法”を代表する深冷法
は、−２００℃近傍の超低温プロセスを主とするもの
で、長年、省エネが追究され、装置部品や機械類の改良
は略限界に到達しており、大幅な総合効率の向上は期待
し難い。他方のＰＳＡは、開発初期は収率向上（省エ
ネ）、最近は“吸着剤生産性”［リットル（９０％酸
素）／ｋｇ（吸着剤）Ｈ］（省資材）［１ｋｇの吸着剤
で１時間に何リットルが生産できるか、の値でこの値が
大きい程、製置がコンパクト（省資材）になる。ＰＳＡ
の省資材的尺度として専ら使用されている。］の向上が
追究され、省エネ、省資材が進んだ。ＰＳＡは４０年近
い開発で略完成の域に到達しているが、尚、次の検討課
題がある。 酸素の純度は、深冷法が９９．５％以上であるのに対
して、ＰＳＡは９０〜９５％と低いにもかかわらず酸素
原単位が略同程度［０．３５〜０．５ＫＷＨ／ｍ³ （Ｎ
ＴＰ）酸素］であるので改善余地がある、また、この値
は空気の完全分離の半透膜仕事（理論値）の０．０６９
（ＫＷＨ／ｍ³ 酸素）に比較してかなり大きな値であ
り、もっと酸素原単位を小さくすること。 初期のＰＳＡの吸着剤生産性は、１０〜１５［リット
ル（９０％酸素）／ｋｇ−（吸着剤）（Ｈ）］程度であ
り、最新のＰＳＡの吸着剤生産性は、４０〜６０［リッ
トル（９０％酸素）／ｋｇ−（吸着剤）（Ｈ）］程度で
あり、もっと吸着剤生産性値を大きくすること。 酸素−窒素が併産できること。現行のＰＳＡは酸素の
みまたは窒素のみ生産する単能機である。現行のＰＳＡ
は酸素−窒素併産は可能であるが、システムが複雑化
し、ＰＳＡの長所が損なわれる。

【０００８】本発明の目的は、簡単な構成で、エネルギ
ー要求量を減らし、酸素原単位を小さくし、吸着剤生産
性を向上させ、総合効率を格段に向上させた方法で、例
えば原料空気から安価に酸素と窒素とを併産できるよう
な気体のバルク分離方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は小型酸素−Ｐ
ＳＡのコンパクト化極限を追究し、幾多の実験・評価を
行った結果“パルス流制御式ＰＳＡ”（ＰＦ−ＰＳＡと
略す）を見いだし先に１６件の特許出願を行った。即
ち、一定の吸着剤量で酸素生産量を増やすためには、よ
り大きなポンプに変え吸着剤への空気負荷を大きくする
必要がある。その結果、吸着塔へ出入するガス流の変動
が激しくなる。そこで、ＰＦ−ＰＳＡは、高速オン−オ
フ弁を一定シーケンスに基づいて断続的に開閉すること
によにり、ガス流を圧力波に変換し、吸着塔へ出入する
ガス流の迅速精密制御に成功し、２塔構成の最も簡単な
システムで吸着剤生産性４００［リットル（９０％酸
素）／ｋｇ−（吸着剤）（Ｈ）］（世界最高値）を達成
した。

【００１０】このＰＦ−ＰＳＡ制御法を大型ＰＳＡに適
用して、大型機においても高い吸着剤生産性を達成した
が、さらに常用ＰＳＡに比し一層の収率向上を企図し
て、実験・評価を重ね、ここに、常用ＰＳＡとは異な
り、ＰＳＡを構成するすべての個別操作を並流で行う本
発明の「全並流域の新しい吸着分離法」を成すに到っ
た。

【００１１】本発明の「全並流域の新しい吸着分離法」
は並流吸着分離操作である点ではガスクロマトグラフィ
ーに似ているが、キャリヤーガスとして非吸着性ガス
（Ｈｅなど）を使用しない点、ガスクロマトグラフィー
が通常すべての条件が一定で行われるのに対してキャリ
ヤーガスの使用条件（圧力、温度、組成、流速など）の
すべてが時々刻々変動する点（パラメトリック、パラメ
ーター変動的）において常用ガスクロマトグラフィーと
も異なるので、以下本発明を“パラメトリックガスクロ
マトグラフィー”と称す（ＰＧＣと略す）。

【００１２】本発明の請求項１の発明は、難吸着成分
（Ａ）及び易吸着成分（Ｂ）を含む原料混合ガスを、そ
の中の成分（Ａ）、成分（Ｂ）に比して少量でかつ吸着
性の著しく強い水分、炭酸ガス、その他の易凝縮性ガス
を前処理装置にて予め除いた後、成分（Ｂ）を選択的に
吸着できる吸着剤をカラム状あるいは層状に充填した吸
着塔を少なくとも２つ含む吸着分離システムの前記吸着
塔の一端（入口端）から他端（出口端）へ通じて成分
（Ａ）及び／または成分（Ｂ）を得るための気体のバル
ク分離方法であって、各吸着塔は下記の工程〜のシ
ーケンス操作を循環的にうけることにより他端（出口
端）から、少ない動力消費と高い総合効率で、一定時間
毎に、交互に製品として成分（Ａ）及び／または成分
（Ｂ）を得ることを特徴とするパラメトリックガスクロ
マトグラフィーによる気体のバルク分離方法である。 原料混合ガスを吸着塔の入口端に通じ、塔内圧力を中
間圧力から、最高操作圧まで上げ原料混合ガス中の成分
（Ｂ）を選択的に吸着し、高められた圧力のもとで他端
（出口端）から成分（Ａ）及び／または成分（Ａ）に富
んだガスを取り出す。 原料供給を続行しつつ、最高操作圧近傍において出口
端から成分（Ａ）及び／または成分（Ａ）に富んだガス
を取り出す。 原料供給を停止し、この吸着塔を並流方向に減圧し、
減圧ガスは同一循環操作中の圧力近似かつ圧力上昇中の
他の吸着塔の入口端へ通ず。 減圧を続行し、大気圧または大気圧を経て真空圧にし
て、この吸着塔から放出及び／または吸引されたガスは
大気へ放出するか、他の吸着塔へ回収するかあるいは成
分（Ｂ）製品としてシステム外へ取出す。 最低操作圧下の吸着塔に対し、同一循環操作中の他の
吸着塔から、成分（Ａ）に富むガス及び／または成分
（Ａ）を並流方向にパージガスとして導入し、吸着塔内
の成分（Ｂ）を成分（Ａ）に置換し、成分（Ｂ）及び／
または成分（Ｂ）に富んだガスを吸着塔出口端から取出
す。 上記操作終了後、同一循環操作中の圧力近似かつ圧力
下降中の他の吸着塔よりのガスを入口端に通じ、操作の
中間圧まで昇圧する。

【００１３】本発明の請求項２の発明は、請求項１記載
の方法において、原料混合ガスの供給を続行しつつ工程
を行うことを特徴とする。

【００１４】本発明の請求項３の発明は、請求項１記載
の方法において、上記工程、工程の減圧操作と工程
の昇圧操作を段階的に行うことを特徴とする。

【００１５】本発明の請求項４の発明は、請求項１記載
の方法において、原料混合ガスが空気であり、製品ガス
が９０％以上の酸素及び／または９０％以上の窒素であ
ることを特徴とする。

【００１６】本発明の請求項５の発明は、請求項１記載
の方法において、上記吸着剤が窒素選択吸着性のゼオラ
イト系モレキュラシーブ物質であることを特徴とする。

【００１７】本発明の請求項６の発明は、請求項１記載
の方法において、吸着分離システムが２つの吸着塔から
なることを特徴とする。

【００１８】本発明の請求項７の発明は、請求項１記載
の方法において、吸着分離システムが３つ以上の吸着塔
からなることを特徴とする。

【００１９】本発明の請求項８の発明は、請求項１記載
の方法において、工程の流出ガスを工程のパージガ
スとして他の吸着塔へ供与し、工程の成分（Ａ）を製
品とすることを特徴とする。

【００２０】本発明の請求項９の発明は、請求項１記載
の方法において、工程の流出ガスを工程のパージガ
スとして他の吸着塔へ供与し、工程の成分（Ａ）を製
品とすることを特徴とする。

【００２１】本発明の請求項１０の発明は、請求項１記
載の方法において、工程の並流減圧ガス及び／または
ポンプで吸引される成分（Ｂ）を製品とすることを特徴
とする。

【００２２】本発明の請求項１１の発明は、請求項１記
載の方法において、吸着分離システム内にシリカゲル、
活性炭、アルミナゲル、活性アルミナ、ゼオライトから
選ばれる前処理用吸着剤を充填した前処理塔を設け、工
程および工程における減圧及び／またはパージ放出
ガスの一部をこの前処理塔の再生用パージガスとして供
与することを特徴とする。

【００２３】本発明の請求項１２の発明は、請求項１記
載の方法において、工程、工程の１吸着塔流出ガス
中の有効成分［目的製品が成分（Ａ）のときは成分
（Ａ）、目的製品が成分（Ｂ）のときは成分（Ｂ）］を
ポンプを介して同一システム内の他の吸着塔へリサイク
ル回収することを特徴とする。

【００２４】本発明の請求項１３の発明は、請求項７記
載の方法において、３塔以上で構成される吸着分離シス
テムで、２つの吸着塔を接続する個別操作は、操作圧近
似の２吸着塔を対象とし、１吸着塔から他の吸着塔へ圧
力差を利用して、並流方向にガスを流し、１吸着塔の圧
力降下と他の吸着塔の圧力上昇を行い、そして最低操作
圧下の吸着塔に対して、パージ操作を行うことを特徴と
する。

【００２５】本発明の請求項１４の発明は、請求項１記
載の方法において、２塔以上で構成される吸着分離シス
テムで２吸着塔を接続する際、吸着塔内圧力が上昇過程
にある吸着塔内気相濃度分布は出口端に向かって成分
（Ａ）がリッチになるようにし、吸着塔内圧力が下降過
程にある吸着塔内気相濃度分布は出口端に向かって成分
（Ｂ）がリッチになるようにし、１つの吸着塔の出口濃
度と他の吸着塔の入口濃度の間に段差がないようガスの
移送量を制御することを特徴とする。

【００２６】本発明の請求項１５の発明は、請求項１０
記載の方法において、工程の成分（Ｂ）を一旦中間槽
へ回収し、工程に先立って、この中間槽内の成分
（Ｂ）をポンプを介して吸着塔の入口端部へ再循環させ
塔内を成分（Ｂ）に置換し、しかるのち、吸着塔内ガス
及び吸着剤中の成分（Ｂ）をポンプにて吸引し、成分
（Ｂ）を高純度品として回収することを特徴とする。

【００２７】本発明の請求項１６の発明は、請求項６記
載の方法において、２塔構成の吸着分離システムにおい
て、２つの吸着塔を並流方向接続して均圧または部分均
圧することを特徴とする。

【００２８】本発明の請求項１７の発明は、請求項１記
載の方法において、工程、の降圧を膨張機関などの
圧力エネルギー回収手段を介して行い、圧力エネルギー
を電気及び／または機械エネルギーとして回収すること
を特徴とする。

【００２９】本発明の請求項１８の発明は、請求項１記
載の方法において、圧力差のある２つの吸着塔を自動オ
ン−オフ弁を介して接続して、ガスを移動さすためのシ
ミュレーター試験において、この自動オン−オフ弁の開
放時間（△ｔｉ）をパラメーターとし、下流側の吸着塔
の入口端部と出口端部の差圧（△Ｐ）の時間（ｔ）的変
化を測定し、図形化し（タテ軸：△Ｐ、ヨコ軸：ｔ）、
この図形が正弦波もしくは正弦波近似波型のときの△ｔ
ｉをパルス時間、半波長幅より△ｔｉを引いた値を△Ｚ
ｉとし、上記自動オン−オフ弁を通過するガス量（Ｖ
ｉ）を次式（１）により定めたとき△ｔ₁ （開）−△Ｚ
₁ （閉）−△ｔ₂ （開）−△Ｚ₂ （閉）・・・・−△ｔ
ｉ（開）−△Ｚｉ（閉）の弁開閉シーケンス（弁開放時
間−時間関係）により上記工程〜の個別操作に必要
かつ十分な気体の移動量（ΣＶｉ）と気体の移動速度
［ΣＶｉ／（Σｔｉ＋ΣＺｉ）］を制御することを特徴
とする。

【００３０】

【数２】

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明の方法は吸着剤カラム一の
端から他端へ原料混合ガスを通じ、出口端部から一定周
期毎に例えば酸素と窒素が交互に出てくる点では常用ガ
スクロマトグラフィー操作に似ているが、次の点で異な
る。 キャリヤーガスとして第３のガス［成分（Ａ）、成分
（Ｂ）以外のガス］を使用していない。ガスクロマトグ
ラフィーで酸素−窒素分離を行うときは、非吸着性のＨ
ｅガスなどを使用している。 本発明の方法においてはキャリヤーガスに相当するガ
スは成分（Ａ）、成分（Ｂ）またはこれらの混合ガスで
ある。また一定流速で供給するものでない。 上記に示す本発明の方法におけるキャリヤーガスの
組成・圧力・温度・流量等は一定のパターンで周期的に
変動し、パラメーター変動的である。 また、本発明の方法は圧力変動による吸脱着効果を利用
する循環操作であって常用ＰＳＡ（圧力変動吸着法）と
似ているが、全操作を通じ、ガスの流れは一方向（並
流）のみであるので、並流と向流の２つの操作が結合し
た常用ＰＳＡとは異なる。

【００３２】以下に常用ＰＳＡよりパラメトリックガス
クロマトグラフィーへ到る経過を簡単に記す。空気より
酸素製造を例にとって説明する。常用ＰＳＡの基本プロ
セスは次の４つの個別操作より成る。一つの塔に着目し
て、原料空気加圧→製品酸素取出→向流減圧→
パージそしてへ戻る。常用ＰＳＡには約２０００件の
特許があるが、その殆どは上記４工程プロセスの変形態
様である。次に代表的なプロセスを説明する。 1) のパージ工程の後で製品酸素の一部を向流方向
（還流）に流し、塔内圧力を操作の中間圧以上まで復圧
させる。 2) 減圧を例えば並流２〜３段と向流１段とに分けて行
い、並流減圧ガスは別の塔へ回収し、向流減圧ガスは大
気へ放出する。 3) との工程の間およびとの工程の間に均圧操
作を入れて塔を減圧または昇圧する。 4) 上記の向流減圧をポンプを用いて促進する（真空
法と称す）。操作の最低圧が真空になる。

【００３３】上記常用ＰＳＡにおける非効率の主因（収
率低下）は主として前記との“向流”操作にあり、
“向流”減圧操作で有効成分の酸素が系外へ放出され
る。この酸素ロスをできるだけ減らすため、長年に亘
り、幾多の改良が加えられ、今日迄多数のＰＳＡ特許が
提案されることになった。

【００３４】そこで本発明者はパルス流制御法の手法の
一部を応用して前記との向流操作におけるガスの量
と純度の時々刻々の変化を詳細に追跡した結果、上記
の向流減圧ロスは上記のパージロスに比較して格段に
大きいこと、向流減圧を初期、中期、後期の３ステップ
に分けたとき、初期ロスが大きいこと、パージ効果は大
きく、かつパージロスは少ないので、この効果を積極的
に活用すべきであることなどが判明した。

【００３５】減圧ロスの回収のため、減圧を並流と向流
のいくつかの個別操作に分割して“多段化”し、有効成
分に富んだ減圧ガスをシステム内に回収することは先行
技術で確立しているが、この場合塔数が３〜４個必要と
なり、構成が複雑化する。そこで本発明においては、減
圧はすべて並流方向とし、有効成分は原則としてすべて
回収すること、吸着塔の再生には“パージ”を積極的に
活用すること、パージ損失を防止するため、塔内濃度勾
配は個別操作間を通じて一定に保持し、混合によるエン
トロピーロスを最小にすること、また特に大容量機にお
いては圧力エネルギーをできるだけ回収すること、ま
た、構成材料が鉄と石（ゼオライト）で、深冷法のごと
き高級材料（銅、アルミ）は全く使用しないことなどに
より、省エネ、省資材性に優れ、かつ酸素−窒素が併産
できるという、従来ＰＳＡにない特長が得られ、将来の
廃棄処分費等のすべてを含めた総合効率は従来の空気分
離方法（深冷法、常用ＰＳＡ）に比較して格段に向上す
る。

【００３６】空気分離を例にとって、本発明の方法を具
体的に説明する。図１は本発明の方法を実施するための
基本システムを示す。この基本システムは、ポンプ
（１）、前処理装置（３）、分離装置（またはシステ
ム）（５）の３部分と接続配管（２，４，６）、製品取
出弁（２７，２８）から成る。 1) 原料空気はポンプ（１）により加圧され、管路
（２）を経て前処理装置（３）へ送られる。 2) 原料空気中の水分、炭酸ガス等は前処理装置（３）
にて除かれ、乾燥空気（ＤＡ）として管路（４）へ送出
される。前処理方法は、吸着式、冷媒式、膜式またはこ
れらの併用式の何れであってもよいが、総括効率の低下
を来さないよう、低価格、省エネで製品ロスの少ないも
のを選択することが好ましい。 3) 乾燥空気（ＤＡ）は分離装置（またはシステム）
（５）へ送られる。ＤＡはこの装置（５）で酸素と窒素
に分離され、一定時間毎、交互に管路（６）に送出され
る。 4) 管路（６）に接続する自動弁（２７）と（２８）を
一定時間毎に交互に開閉することにより製品酸素（Ｏ
₂ ）、製品窒素または排窒素（Ｎ₂ ）として捕集され、
製品ガスは各弁の下流に接続される製品貯槽（記載せ
ず）に貯蔵され、そこから消費端へ送られる。 そして分離態様としては、下記１〜３の場合がある。 １．酸素のみ製品とし、排窒素は大気へ放出する。 ２．窒素のみ製品とし、排酸素は大気へ放出する。 ３．酸素−窒素併産製品とする。 但し、窒素純度が９０％以上のときと、９９％以上のと
きの２通りがある。

【００３７】本発明の方法の主旨は、図１に示す分離装
置または吸着分離システム（５）における次に示す操作
手順にある。なお吸着分離システム（５）には、図４〜
６に示す吸着分離システム内に前処理装置を含まないも
の（大型機対象）、図７〜８に示す吸着分離システム内
に前処理装置を含むもの（中および小型機対象）、その
他分離仕様により異なるものなどいくつかの基本態様が
あるが、基本操作（本発明の方法）は同じである。図７
に示す吸着分離システムは酸素のみ製品とするシステム
例であり、図８に示す吸着分離システムは酸素と低純度
窒素（９０％以上）を製品とするシステム例であり、図
９に示す吸着分離システムは酸素と高純度窒素（９９％
以上）を製品とするシステム例である。

【００３８】本発明の気体のバルク分離方法を、図４
（Ａ）に示す２塔構成の吸着分離システム（装置）を用
いて空気より酸素と窒素を分離する例により説明する。
図４（Ｂ）は、後に詳述するが、圧力エネルギー回収手
段（ＥＸ）を用いて降圧過程の圧力エネルギーを膨張機
関または発電機で回収する場合のシステム例を示す。図
２（Ａ）は、［吸着塔（Ａ）および吸着塔（Ｂ）内の圧
力〜時間］関係を示す圧力シーケンスであり、図２
（Ｂ）は各工程〜の終期における吸着塔（Ａ）およ
び吸着塔（Ｂ）内の気相酸素濃度を模型的に示す説明図
である。なお、図２（Ｂ）中の記号１〜４は酸素濃度を
示し、１は酸素濃度２１％以下、２は酸素濃度２１％、
３は酸素濃度２１〜９０％、４は酸素濃度９０％以上を
示す。この記号１〜４と酸素濃度の関係をまとめて表１
に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】本発明においては、吸着塔（Ａ）、吸着塔
（Ｂ）において次の工程〜の個別操作を順次繰返す
ことにより、吸着塔出口端部から酸素と窒素が一定時間
間隔をおいて交互に取出される。なお、吸着分離システ
ムの供給空気は予め前処理装置で水分、炭酸ガス等を除
去した“乾燥”空気とする。

【００４１】次に工程〜順序を示す。 原料加圧 原料空気はポンプにて加圧され、吸着塔（Ａ）へ入口端
より送入される。そして吸着塔（Ａ）の圧力を中間圧
（Ｐ_M ）から上昇さす。出口端部からは酸素リッチガス
が取出され、最低操作圧（Ｐ_L ）下にある吸着塔（Ｂ）
へ、パージガスとして並流供給される。 製品送出 吸着塔（Ａ）内圧力が最高操作圧（Ｐ_H ）に到達した
ら、原料空気の送入を停止する。最高操作圧（Ｐ_H ）近
傍で製品取出弁が開放され、製品酸素が取出され、図示
しない製品貯槽へ送られる。また、製品酸素の一部は吸
着塔（Ｂ）のパージガスまたは再加圧用のガスとして並
流供給される。 並流減圧（１） 吸着塔（Ａ）の均圧弁を開放して、吸着塔（Ａ）と吸着
塔（Ｂ）を並流接続する。この操作により吸着塔（Ａ）
内圧力は降下し、吸着塔（Ｂ）内圧力は上昇する。この
操作は通常、２つの塔の圧力が平衡化するまで行うが、
（均圧）、平衡化の途中で停止する場合もある（部分均
圧）。 並流減圧（２） 上記工程終了後、吸着塔（Ａ）の出口端を大気へ開放
し、塔内残留ガスを大気へ並流放出し、またさらに真空
ポンプにより吸引し大気圧以下にし、最低操作圧（Ｐ
_L ）にする。 パージ 最低の操作圧下にある吸着塔（Ａ）に対して、吸着塔
（Ｂ）出口端部から酸素リッチガスを並流送入し、吸着
塔（Ａ）内に残留した窒素を並流パージする。 再加圧

【００４２】上記工程〜を終了後、工程と同様、
吸着塔（Ａ）と吸着塔（Ｂ）を並流接続し、吸着塔
（Ａ）は中間圧（Ｐ_M ）迄復圧するとともに吸着塔
（Ｂ）は降圧する。以上の工程−の操作を１サイク
ル操作（１サイクル時間、Ｔ秒）と云う。２塔構成のと
きは、吸着塔（Ａ）と吸着塔（Ｂ）はＴ／２時間遅れて
同一の操作を繰返す。３塔構成のときは、吸着塔
（Ａ）、吸着塔（Ｂ）、吸着塔（Ｃ）はＴ／３時間遅れ
て同一の操作を繰返す。

【００４３】図２（Ｂ）により吸着塔（Ａ）および吸着
塔（Ｂ）内の酸素濃度の変化を説明する。工程、工程
において、吸着塔（Ａ）に、原料空気を送入する（矢
印で示す）ことにより吸着塔（Ａ）内ガス濃度分布は入
口−出口側に向かって図２（Ｂ）に示したように２−３
−４となる。以下同様の記載方法とする。出口端部の製
品酸素は製品として捕集される。一部は吸着塔（Ｂ）へ
パージガスとして供給される（矢印で示す）。

【００４４】工程、工程の並流減圧工程により窒素
の脱着が始まり、吸着塔（Ａ）内ガスの濃度分布は図２
（Ｂ）に示したように１−２−３から１−１−２のごと
く変化する。空気濃度（Ｏ₂ ＝２１％）以下のガスは排
窒素として、大気中へ放出する（粗窒素として回収して
もよい）。

【００４５】工程（パージ）において、吸着塔（Ａ）
入口端部から酸素が並流方向に導入されることにより、
入口端部に吸着されている窒素から順次脱着が始まり、
出口端部方向へ押しやられる。吸着塔（Ａ）内気相濃度
は図２（Ｂ）に示したように１−１−２から４−１−１
のごとく変化する。２塔構成システムでは、この工程で
濃度段差が生じるので、入口端部より乾燥空気（ＤＡ）
をリークさせて、１−１−２→２−１−１→４−２−１
のごとくしてもよい。

【００４６】工程（再加圧または復圧） 吸着塔（Ｂ）を減圧しつつ、吸着塔（Ａ）へ並流供給す
ることにより吸着塔（Ａ）内の酸素濃度は図２（Ｂ）に
示したように４−１−１から３−４−１のごとく変化す
る。次第に出口端へ酸素リッチガスが移動する。工程
に引続き工程（原料空気供給）が始まり図２（Ｂ）に
示したように、３−４−１から２−３−４のごとく圧力
上昇とともに、出口端部は酸素リッチになる。吸着塔
（Ａ）の昇圧工程においては、出口端部へ向かって次第
に酸素リッチになるよう、また降圧工程においては、出
口端部へ向かって次第に窒素リッチになるよう配慮し
て、吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）間の気体移動量を制御
する。また吸着塔（Ａ）と吸着塔（Ｂ）、吸着塔（Ｂ）
と吸着塔（Ａ）を並流接続するとき、接続部で濃度段差
がおきないよう（濃度差による混合がおきないよう）操
作する。

【００４７】本発明の気体のバルク分離方法を、図５に
示す３塔構成の吸着分離システム（装置）を用いて空気
より酸素と窒素を分離する例により説明する。図３
（Ａ）は、［吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）および吸着塔
（Ｃ）内の圧力〜時間］関係を示す圧力シーケンスであ
り、図３（Ｂ）は各工程〜の終期における吸着塔
（Ａ）、吸着塔（Ｂ）および吸着塔（Ｃ）内の気相酸素
濃度を模型的に示す説明図である。なお、図３（Ｂ）中
の記号１〜４は酸素濃度を示し、１は酸素濃度２１％以
下、２は酸素濃度２１％、３は酸素濃度２１〜９０％、
４は酸素濃度９０％以上を示す。この記号１〜４と酸素
濃度の関係をまとめて前記表１に示す。

【００４８】この場合においても原料ガスは前処理すみ
の乾燥空気である。前記の２塔構成システムにおけると
同様、吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）、吸着塔（Ｃ）の各
塔はＴ／３時間おくれて次の〜の６工程操作を順次
繰返す。 原料ガス加圧→製品酸素送出 並流減圧（１） 並流減圧（２） パージ 再加圧（１） 再加圧（２）

【００４９】３塔構成システムにおける操作と２塔構成
システムにおける操作の対比を表２に示す。

【００５０】

【表２】

【００５１】即ち、２塔構成システムにおける、の
操作が３塔構成システムにおいては１つの個別操作に
なり、２塔構成システムにおけるの操作が３塔構成シ
ステムではとの２つの個別操作になる。

【００５２】次に、前記２塔構成システムの説明と重複
しないよう３塔構成システムの個別操作を説明する。吸
着塔（Ａ）に着目して、工程では原料空気を吸着塔
（Ａ）へ加圧送入し、吸着塔（Ａ）内圧力を上昇させつ
つ、製品酸素を取出す。残部は吸着塔（Ｂ）内圧力をＰ
_L →Ｐ_M1（中間圧（１））へ加圧する。工程では原料
空気の送入を続行しつつ出口端部より酸素リッチガスを
吸着塔（Ｂ）入口端部へ並流方向送入し、吸着塔（Ａ）
を減圧しつつ、吸着塔（Ｂ）の圧力を中間圧Ｐ_M1→中間
圧Ｐ_M2（中間圧（２））へ昇圧する。さらに吸着塔
（Ｂ）と吸着塔（Ｃ）とを並流接続することにより吸着
塔（Ａ）→吸着塔（Ｂ）→吸着塔（Ｃ）とガスを流し、
吸着塔（Ｃ）をパージする。このとき各塔気相濃度は図
３（Ｂ）の工程に示したように次のごとくなり吸着塔
（Ａ）［２−２−３］→吸着塔（Ｂ）［３−４−３］→
吸着塔（Ｃ）［３−２−１］各塔接続部で酸素濃度の段
差がおきないよう、塔間流れを制御する。

【００５３】工程では中間圧Ｐ_M2から操作の最低圧Ｐ
_L 迄減圧する。減圧放出ガスは大気へ放出するか、粗窒
素として回収する。またはポンプ（１０）を介して、減
圧流出ガス中の有効成分を、図５中に点線で示した経路
を通じて、同一システム内の他塔へリサイクル回収して
もよい。この際、製品として酸素を目的とする場合は主
として減圧初期と後期の流出分を回収し、窒素を目的と
する場合は、減圧中間期の流出分をリサイクル回収す
る。工程では吸着塔（Ｂ）出口端の酸素リッチガスが
吸着塔（Ｂ）→吸着塔（Ｃ）→吸着塔（Ａ）と並流方向
に流れ、吸着塔（Ａ）内残留窒素をパージする。このと
きの各塔気相濃度は図３（Ｂ）の工程に示したように
次のごとくなり吸着塔（Ｂ）［２−２−３］→吸着塔
（Ｃ）［３−４−３］→吸着塔（Ａ）［３−２−１］各
塔接続部で酸素濃度の段差が生じないよう、塔間ガス流
れを制御する。

【００５４】工程では吸着塔（Ｃ）からの製品酸素の
一部が最低操作圧（Ｐ_L ）下にある吸着塔（Ａ）へリー
クし、吸着塔（Ａ）内圧力をＰ_L →Ｐ_M1へ再加圧する。
工程では、吸着塔（Ｃ）→吸着塔（Ａ）→吸着塔
（Ｂ）の接続により、吸着塔（Ａ）は中間圧Ｐ_M1→Ｐ_M2
迄昇圧する。同時にまた少しおくれて、吸着塔（Ａ）よ
りの酸素リッチガスにより、吸着塔（Ｂ）がパージされ
る。このときの各塔気相濃度は図３（Ｂ）の工程に示
したように次のごとくなり吸着塔（Ｃ）［２−２−３］
→吸着塔（Ａ）［３−４−３］→吸着塔（Ｂ）［３−２
−１］各塔接続部で酸素濃度の段差が生じないよう塔間
流れを制御する。以上で３塔構成システムにおける分離
操作を説明した。

【００５５】３塔構成システムにおける分離操作は２塔
構成システムにおける分離操作に比較して、吸着塔間で
著しい酸素濃度の段差が生じない点、ポンプの空運転期
間がない点で有利である。４塔式以上になると３塔構成
システムより一層酸素濃度の段差が生じにくいが塔数が
増えるとシステムが複雑化し、装置価格の上昇につなが
る。従って、２〜４塔構成システムが適当である。

【００５６】本発明の気体のバルク分離方法を前記説明
の２塔構成システムと３塔構成システムについて一般化
して述べると、（１）２塔間操作は全て並流流れ操作と
する、（２）２塔間接続は圧力近似であって、一つの塔
の昇圧過程と、他の塔の降圧過程を組合わせて行うこ
と、（３）２つの塔の接続にあたり、気体濃度の段差が
おきないよう、各塔間の流れを制御することなどを特徴
とする。

【００５７】本発明においては常温操作を基準とするの
で、エンタルピー損失は最小にすることができる。但
し、季節間における酸素生産量変動を平滑化するため、
原料空気温度を例えば１５〜２５℃の一定温度に保つこ
とは差支えない。また、常温より１０〜１５℃高めの温
度にて操作することも差支えない。操作温度を少し高く
することは物質移動速度を早め、多くの場合操作上好ま
しい影響がある。本発明における操作圧力範囲は、一般
には、ポンプに過大な負荷がかからない大気圧近傍であ
るが下記の２通りに分類される。 （１）最低圧Ｐ_L が大気圧かそれ以上の場合“加圧法”
と称す。この場合は、加圧用ポンプのみでよい。 （２）最低圧Ｐ_L が真空圧である場合“真空法”と称
す。この場合は、加圧用と真空用と２種のポンプが必要
となる。

【００５８】本発明における作動圧力範囲（中・小型機
対象の場合）の例としては次の例を挙げることができ
る。 （１）０〜７ｋｇ／ｃｍ² Ｇ（ゲージ圧）、標準的には
０〜４．５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ（ゲージ圧） （２）０．１〜４ｋｇ／ｃｍ² abｓ（絶対圧）、標準的
には０．２〜３．５ｋｇ／ｃｍ² abs （絶対圧）。

【００５９】本発明の気体のバルク分離方法の実施に適
した吸着分離システム（ハード）例を図４〜図９を用い
てさらに詳細に説明する。図４（Ａ）に示した２塔構成
システムや、図５に示した３塔構成システムによる気体
分離操作は上記の通りである。本発明の方法では、各塔
から酸素リッチガスと窒素リッチガスが交互にでてく
る。この際、次の（１）〜（３）の３つのケースがあ
る。 （１）酸素のみ製品とし、窒素は大気へ放出する場合の
吸着分離システム例を図７に示す。 （２）酸素と低純度窒素を製品とする場合の吸着分離シ
ステム例を図８に示す。 （３）酸素と高純度窒素を製品とする場合の吸着分離シ
ステム例を図９に示す。 窒素を製品とする上記（２）および（３）のケースで
は、一般に真空法が好ましい。中、小規模の生産システ
ムでは、一般に前処理装置と分離装置を別置せずに、前
処理装置（乾燥塔）を後者の分離装置（吸着分離システ
ム）内に含めて１つのシステムとすることが好ましい。

【００６０】このような例を図６、図７に示す。この場
合一般に循環操作毎に乾燥塔の再生を行う。多くの例は
酸素のみを製品とするので、残りの排窒素分を乾燥塔に
対して向流方向に流し乾燥剤をパージ再生する。大型・
超大型装置では最高操作圧を高めて（Ｐ_H を高くすると
装置がコンパクト化できるメリットがある）、降圧過程
の圧力エネルギーを膨張機関または発電機で回収するこ
とが望ましい。実際には、図４（Ｂ）に示すごとく、吸
着塔から他の吸着塔へガスを降圧しつつ移送する際、高
い圧力から両塔間に設けたＥｘ（圧力エネルギー回収手
段）を介して低い圧力へと膨張する。また、減圧最終段
のガスの圧力エネルギーを回収するときは、弁１４ａ
（１４ｂ）−Ｅｘ−１４ｃのごとく流れる。Ｅｘは膨張
機関または発電機で、圧力エネルギーはＥｘにより、機
械的エネルギーまたは電気エネルギーとして回収され、
システム内に保存され、システムの省エネ化に役立てら
れる。図４（Ｂ）のＶはバイパス弁を示す。

【００６１】前処理装置が吸着分離システム内に含まれ
る例について２つのケースを説明する（空気分離例）。 １）図７は酸素の生産のみを目的とする２塔構成システ
ムの例を示す。図７に示した吸着分離システムの操作の
ための“弁シーケンス”を図１３に示す。図７の各部記
号は図４（Ａ）に示したものと同一の動作を示すものは
同一の記号とした。図７において、Ｄ_A 、Ｄ_B は乾燥塔
（シリカゲル、アルミナゲル、活性アルミナ等の乾燥剤
が充填される）、ＡＲは原料空気、Ｏ₂ ：製品酸素、Ｗ
Ｎは排棄窒素、ＷＡは排棄空気を示す。図７には乾燥塔
操作のため弁１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ、１７
ａ、１７ｂが付加される。また弁１８は図４（Ａ）の弁
１５と同一の動作（管路（４）内異常圧力上昇の開放）
を行う弁である。図７による分離操作は基本的には図４
（Ａ）、図１０（Ａ）に示す分離操作と同一である。図
７の吸着分離システムにおける各弁の１サイクルにおけ
る開閉操作（弁シーケンス）を図１３に示す。並流減圧
２段及びパージ工程の不用ガスが、弁１５ａ→Ｄ_A
→弁１６ａとＤ_A 内を向流方向に流れ、Ｄ_A 内の乾燥剤
に吸着されている水分、炭酸ガス等の脱着を促進し、パ
ージガス（ＷＮ）として大気へ放出される。パージに必
要なガスの量は、操作圧Ｐ_H とＰ_L などに関係するが吸
着塔（Ａ）に供給される乾燥空気の５〜３０％である。

【００６２】２）図８は酸素と粗製（低純度）窒素を目
的とする２塔構成システムの例を示す。図８の吸着分離
システムの操作のための“弁シーケンス”例を図１４に
示す。図８の吸着分離システムと図７の吸着分離システ
ムの相違点は、真空ポンプ（１０）がつき、真空ポンプ
（１０）の作動の円滑化のため、真空ポンプ（１０）廻
りに弁１９、２０、２１がつく点、および弁１４ａ、１
４ｂがつく点である。図８による分離操作は、図４
（Ａ）、図１０（Ａ）及び図７、図１３で説明した通り
基本的には同じである。吸着塔（Ａ）について、並流減
圧操作を弁１５ａ−Ｄ_A −弁１６ａ→真空ポンプ（１
０）→弁２１→大気と通じる再生操作と、その後、真空
圧迄引く操作とを分けて実施する。後段のガスは窒素成
分に富むのでこれを弁１４ａ−真空ポンプ（１０）−弁
２０を介して図示しない窒素貯留槽へ回収する。

【００６３】本発明の気体のバルク分離方法を実施する
好適態様としては次のような態様を挙げることができ
る。 １．空気を原料として酸素（酸素濃度９０％以上）を製
品とする。 ２．空気を原料として酸素（酸素濃度９０％以上）およ
び／または窒素（窒素濃度９９％以上）を製品とする。 ３．分離のためのシステムは２〜４塔構成とする。 ４．吸着分離システムを操作する自動弁は電気力および
／または空気圧で作動する、オン−オフ弁とする。 ５．小容量機では原料混合ガスの前処理装置と分離装置
を一体化したシステムとして構成し、一体化、循環操作
を行う。 ６．気体分離操作温度は常温近傍（２５±１０℃）とす
ること。 ７．気体分離操作圧力は加圧法にあっては、０〜４．５
ｋｇ／ｃｍ² Ｇ、真空法にあっては−０．８〜＋３．５
ｋｇ／ｃｍ² とすること（但し、中・小容量機対象）。 ８．成分（Ａ）を目的製品とするときは、塔内への原料
気体送入において、成分（Ｂ）の吸着帯域前縁が塔の末
端に到達する直前で、原料気体送入を停止するのが好ま
しい。また、成分（Ｂ）を目的製品とするときは、塔末
端よりの流出ガス中の成分（Ａ）の濃度が次第に減少
し、入口濃度と出口濃度が等しくなる直前で原料気体送
入を停止するのが好ましい。

【００６４】

【作用】 １．本発明においては、ＰＳＡロス原因である向流減圧
操作を並流減圧操作とし有用成分は原則として全てシス
テム内に回収したこと、システム内に形成された濃度勾
配は各個別操作を通じて、維持することによりエントロ
ピーロスを極小化したこと、システム内で発生する温熱
および冷熱エネルギーは、全てシステム内での有効活用
をはかりエンタルピーロスを極小化したこと、圧力エネ
ルギーは他の吸着塔もしくは膨張機関などの圧力エネル
ギー回収手段で回収したことにより、省エネ性が著しく
向上した。 ２．本発明においては、簡単な構成を用い、かつ安い構
成材料（主とて鉄と吸着剤）を用い、オン−オフ弁とパ
ルス流制御法（ＰＦ）の採用による高負荷運転により、
吸着剤生産性が向上し、コンパクト化が達成されたこと
により、省資材性が著しく向上した。 ３．省エネ性および省資材性の向上をひっくるめた総合
効率が、従来の深冷法や従来のＰＳＡに比して著しく改
善され、例えば原料空気から大量、安価な酸素、窒素の
供給が可能になった。 ４．本発明の方法により、深冷法では達成できない、小
容量機のための超コンパクトユニットも可能となった。 ５．本発明の方法により、従来のＰＳＡでは著しく困難
な酸素、窒素の併産が可能となった。

【００６５】

【実施例】次に実施例により本発明をさらに詳細に説明
するが、本発明の主旨を逸脱しない限り実施例に限定さ
れるものでない。 （実施例１）本発明の気体のバルク分離方法を、図４
（Ａ）に示す２塔構成の吸着分離システム（装置）、図
２（Ａ）の［吸着塔（Ａ）および吸着塔（Ｂ）内の圧力
〜時間］関係を示す圧力シーケンス、および図１０
（Ａ）、（Ｂ）に示す弁シーケンスを用いて空気より酸
素（有用ガス）と窒素（不用ガス）を分離する例により
説明する。吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）にはそれぞれ、
不用ガスを選択的に吸着する吸着剤ａ、ｂを収納してい
る。吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）はそれぞれ、同一仕様
のものである。

【００６６】図４（Ａ）の下方側から混合気体（乾燥空
気）（ＤＡ）を送入し、不用気体（窒素）を吸着させ上
方側に送出する。ポンプ（１）は、原料空気（ＡＲ）を
吸引、加圧して管路（２）に送出し、前処理装置（３）
にて、空気中の水分、炭酸ガス、微量不純成分等を除去
し、加圧乾燥空気（ＤＡ）として管路（４）に送出し、
管路（５ａ）、管路（５ｂ）を経て吸着塔（Ａ）、吸着
塔（Ｂ）の下方の入口端部から送入する。吸着塔
（Ａ）、吸着塔（Ｂ）の上方側（出口端部）から得られ
る有用気体（酸素）は管路（６ａ）、管路（６ｂ）から
管路（７）を経て製品貯槽（記載せず）に貯留される。
管路（６ａ）、管路（６ｂ）には有用気体（酸素）と不
用気体（窒素）が一定時間間隔をおいて交互に送出され
る。管路（８）は不用気体を放出するための経路であ
る。なお、管路（８）に真空ポンプ（１０）を設けて、
不用気体の脱着を促進してもよい。各開閉弁、１１ａ、
１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１
４ｂはそれぞれが配置された管路の気体の通過を開閉す
るための弁であって、制御部（図示せず）によって所要
の工程を成し遂げるよう開閉動作するものである。

【００６７】・開閉弁１１ａ、１１ｂは上記の送入操作
に寄与し、 ・開閉弁１２ａ、１２ｂは所要気体（酸素）の採取操作
に寄与し、 ・開閉弁１３ａ、１３ｂは吸着塔（Ａ）と吸着塔
（Ｂ）、または吸着塔（Ｂ）と吸着塔（Ａ）の並流接続
操作のための弁で、「均圧操作」と「パージ操作」に寄
与する。 ・開閉弁１４ａ、１４ｂは不用気体（窒素）の大気放出
に寄与する。 ・開閉弁（１５）は上記各弁切換操作時における管路
（４）の過度的圧力上昇の緩和ないし、開放に寄与す
る。 ・圧力計（Ｐ_A ）、（Ｐ_B ）はそれぞれ吸着塔（Ａ）、
吸着塔（Ｂ）の内部の圧力を監視する。

【００６８】本実施例１では各開閉弁は１サイクルの工
程中、弁シーケンスでみると図１０（Ａ）、（Ｂ）のよ
うに制御しており、また圧力計（Ｐ_A ）、（Ｐ_B ）でみ
た圧力変化は図２（Ａ）に示したようになっている。図
１０（Ａ）、（Ｂ）において各開閉弁はハッチングを施
した期間だけ開通し、他の期間は停止している。図２
（Ａ）の圧力変化は模型的線図を示したもので、実際に
は各開閉弁の開閉による各管路内や各吸着塔内の過渡的
な変動を伴った変形曲線になる。

【００６９】１サイクル工程における各操作の順序を説
明する。基本的には各吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）の各
圧力変化を１サイクル期間（Ｔ秒）の例えば、Ｔ＝６０
秒の１／２、即ち３０秒の位相差による２相の変化曲線
をもって、運転操作しているものであり、具体的には、
吸着塔（Ａ）内の圧力変化は図２（Ａ）の上部の折れ線
で示す変化をもった第１相の圧力変化を行うように、吸
着塔（Ｂ）の圧力変化は図２（Ａ）の下部の折れ線で示
す変化をもった第２相の圧力変化を行うように運転操作
している。また各圧力変化は最高圧Ｐ_H と最低圧Ｐ_L
と、これらの間をほぼ２等分した中間の圧力Ｐ_M の３つ
の圧力点を経移するように動作している。

【００７０】そしてまず、動作を開始すると、数サイク
ルの間は各吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）内の各圧力は種
々の過渡的経過をたどるが、やがて、図２（Ａ）の１サ
イクルの開始点（Ｔ_S ）において吸着塔（Ａ）の圧力は
上昇途中でＰ_M に、吸着塔（Ｂ）の圧力は下降途中でＰ
_M もしくはその近傍にある。始点Ｔ_S からの動作を、吸
着塔（Ａ）に対する操作、つまり図２（Ａ）の上部に示
す圧力変化を主体にして、以下工程順に説明する。

【００７１】工程 原料加圧操作 ０（＝Ｔ_S ）〜２
５秒 開閉弁１１ａを始点Ｔ_S より２５秒間、開放する。乾燥
空気つまり原料気体を吸着塔（Ａ）に加圧送入する操作
を行い、吸着塔（Ａ）の圧力を中間圧Ｐ_M から最高操作
圧Ｐ_H に移行し、不用気体（窒素）を吸着剤（ａ）で吸
着して、有用気体（酸素）を吸着塔（Ａ）の上方側（出
口端部）に送出する。また、これと同時に開閉弁１４ｂ
を２０秒開通して吸着塔（Ｂ）の圧力を管路（８）に排
出しうる状態にすることにより、吸着塔（Ｂ）の圧力を
中間圧Ｐ_M から最低操作圧Ｐ_L に移行する。この際、真
空ポンプ（１０）にて吸引し、最低操作圧Ｐ_L を大気圧
以下にすることもできる。なお本操作期間中において
も、始点（Ｔ_S ）から、１５秒後、開閉弁（１３ａ）を
５秒間開通して、吸着塔（Ａ）出口端部の酸素リッチガ
スを最低操作圧Ｐ_Lにある吸着塔（Ｂ）に対して、その
入口端部から並流方向に流し、吸着塔（Ｂ）内のパージ
を行う。この操作により吸着塔（Ｂ）内残留不用ガス
（窒素）の脱着が促進され、弁（１４ｂ）、管路（８）
を経て大気へ放出される。なおパージ操作終了後も開閉
弁１３ａを短時間開放しておき、吸着塔（Ｂ）内圧力を
大気圧より高めに保持する［図１０（Ａ）、（Ｂ）の５
ａで示す］。

【００７２】工程 製品取出操作（２０〜２５秒） 工程の操作により、吸着塔（Ａ）の圧力が上昇し、最
高操作圧近傍に達したら、開閉弁（１２ａ）を開通し、
有用成分（酸素）の採取を行う。即ち、開始時点（Ｔ
_S ）から２０秒後、開閉弁（１２ａ）を５秒間開通し、
吸着塔（Ａ）出口端部から有用成分（酸素）を取出す。

【００７３】工程 並流減圧（１）操作（２５〜３０
秒（Ｔ_M ）） 始点Ｔ_S から２５秒経過したら、開閉弁１１ａを閉止
し、弁１３ａを開放、吸着塔（Ａ）と吸着塔（Ｂ）を並
流接続する。この操作により吸着塔（Ａ）の圧力は最高
操作圧（Ｐ_H ）から中間圧（Ｐ_M ）へ降下し、吸着塔
（Ｂ）の圧力は最低操作圧（Ｐ_L ）から中間圧（Ｐ_M ）
迄上昇する。即ち、吸着塔（Ａ）と吸着塔（Ｂ）の圧力
が平衡化することで吸着塔（Ａ）→吸着塔（Ｂ）のガス
の移行が停止する（均圧という）。なお、均圧操作期間
は開閉弁（１５）を５秒間開放し、管路（４）内の圧力
の異常上昇回避する。

【００７４】工程 並流減圧（２）操作（３０（Ｔ
_M ）−４５秒） 始点（Ｔ_S ）から３０秒で、中間点（Ｔ_M ）に達する。
Ｔ_S 〜Ｔ_M （３０秒）で工程〜の操作が終わる。工
程の操作終了後、弁（１４ａ）を２０秒間開放する。
吸着塔（Ａ）の圧力は１５秒後に中間圧（Ｐ_M ）から最
低操作圧（Ｐ_L）へ降下する。

【００７５】工程 パージ操作（４５−５０秒） 工程の操作に続いて行われる工程の操作は１５秒で
停止するが、なお弁（１４ａ）は開放しておく。即ち吸
着塔（Ａ）は２０秒間最低操作圧（Ｐ_L ）に保持され
る。１サイクルの中間点（Ｔ_M ）より１５秒後、弁（１
３ｂ）が５秒間開放され吸着塔（Ｂ）出口端部の酸素リ
ッチガスが吸着塔（Ａ）入口端部から並流方向に導入さ
れ、吸着塔（Ａ）内残留不用成分の脱着を促進する。脱
着された不用ガス（排窒素）は弁（１４ａ）を介して管
路（８）へ送出され大気に放出される。

【００７６】工程 再加圧操作［５５−６０秒（Ｔ
_E ）］ Ｔ_M で開放された弁１４ａは２０秒後閉止される。再加
圧操作に入る迄の５秒間、弁１３ｂを短時間開放し、内
部を正圧（大気圧以上）に保つ［図１１（Ｂ）の５ａで
示す］。Ｔ_M から２５秒後、弁１３ｂを５秒間開放し、
再加圧操作が行われる。この操作の間、吸着塔（Ａ）、
吸着塔（Ｂ）の入口〜出口端部の弁は弁１３ｂを除き全
て閉止される。弁１３ｂの開放により、吸着塔（Ｂ）出
口−吸着塔（Ａ）入口の並流方向に２つの塔が接続さ
れ、吸着塔（Ｂ）はＰ_H →Ｐ_M へ降圧し、吸着塔（Ａ）
はＰ_L →Ｐ_M まで復圧し、原料送入のための準備が整
う。工程操作終了後、再び弁１１ａが開放され、第２
周期が始まる。始点Ｔ_S から５５秒−６０秒間、弁１５
を開放し、管路（４）の異常圧力上昇を回避する。

【００７７】以上主として吸着塔（Ａ）に着目して１サ
イクルにおける各弁の開閉操作を示したが、吸着塔
（Ｂ）についても同様な操作が３０秒遅れて行われる。
吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）間の関連操作等は図１０
（Ａ）、（Ｂ）に示す通りである。上記並流減圧（１）
操作で並流接続された２つの塔の圧力が平衡する途中
で、操作を止め工程の操作に入る別の例もある（部分
均圧法）。また、高い圧力の塔への加圧を続行しつつ、
または低い圧力の塔の減圧を続行しつつ、２つの塔を接
続する別の例もある。

【００７８】本発明の方法における操作では、総合効率
向上のためには、吸着塔に流出入するガス量を迅速精密
に制御する必要がある。一般に、上記の自動開閉弁近傍
の管路にオリフィス等の絞り機構、ダイヤフラム調節弁
等を付設し、弁の開閉時に該管路を流れるガス流量を連
続運転に入る前に調整しておくが、運転開始作業が複雑
になったり、自動開閉弁の他に調節手段を付加すること
は装置の構成を複雑化して装置価格の上昇となったり、
流路抵抗によるエネルギー損失につながる恐れがあるの
で、本発明においては、使用する弁をすべてオン−オフ
弁に統一し、前記６つの工程〜の個別操作のための
最適のガス量をオン−オフ弁の精密シーケンスに基づく
断続的開閉操作により制御することが好ましい。

【００７９】図１０（Ａ）において、パージ供与弁１３
ａまたは１３ｂを図１０（Ｂ）に示すごとく断続的に開
閉する。実施例１においては弁１３ａを１５．０−１
５．５、１７．５−１８．０、２０．０−２０．５のご
とく開閉操作し、酸素リッチガスを最低操作圧Ｐ_L にあ
る吸着塔（Ｂ）に３つの継続する圧力波として送り込ん
でいる。そして第１パルスと第２パルスの２波の合計流
量が「パージ操作」に必要なガス量になるよう制御して
いる。第３パルス（５ａで示す）は吸着塔内圧力を大気
圧より高く保持するための操作である。以上の迅速精密
な流量制御法を“パルス流制御法”（Pulsed Flow Cont
rol Method）という（ＰＦ）。

【００８０】このＰＦを図１６および図１７により詳細
に説明する。図１６は本発明の個別操作のための小型シ
ミュレーターの模型図である。図１６においてＡは吸着
塔、Ｖ₁ ，Ｖ₂ はオン−オフ弁、ａは吸着剤、Ｐ₁ ，Ｐ
₂ は圧力センサー、Ｒはリザーバー、△Ｐは差圧を示
す。実験操作例を次に示す。吸着剤ａは活性化後、窒素
を充填し、大気圧下もしくは真空圧下におき初期条件を
そろえる。初期圧力Ｐ₂ とする。リザーバ（Ｒ）の中に
酸素を入れ、一定圧力（Ｐ₁ ）にしておく（Ｐ₁ ＞
Ｐ₂）。オン−オフ弁Ｖ₁ を０．１秒あけ、吸着塔
（Ａ）の差圧△Ｐの時間的変化を図形記録する。結果を
図１７のＡに示す。オン−オフ弁Ｖ₁ を０．２、０．３
秒・・・等とあけ、吸着塔（Ａ）の△Ｐの時間的変化を
図形記録する。０．２秒あけたときの結果を図１７のＢ
に示す。

【００８１】図１７のＡとＢの山形、波形を比較する。
図１７のＡに示されているように、△ｔ＝０．１のとき
は山形頂部がくずれた鋭角状となる。図１７のＢに示さ
れているように、△ｔ＝０．２のときは山形頂部がほぼ
対称的で正弦波に近似する。後者の場合、一定量のガス
塊がカラム内を圧力波として円滑に伝播していることを
示す。このときのガス塊またはガス波の量は、最小最適
なガス量を示す。図１７のＢの波形図のＨ_B はガス伝播
速度に関係し、Ｔ_B は第１波と第２波の待ち時間（ポー
ズ）を示す。実施例１の工程のパルス操作におけるパ
ルス流制御は、０．５パルス−２．０ポーズ（第１パル
ス）の操作を第２、第３と３操作行っている。このとき
の１パルスの流量は下記式（１）（実験式）で示され
る。

【００８２】

【数３】

【００８３】（実施例２）本発明の気体のバルク分離方
法を、図５に示す３塔構成の吸着分離システム（装
置）、図３（Ａ）に示す［吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）
および吸着塔（Ｃ）内の圧力〜時間］関係を示す圧力シ
ーケンス、および図１１に示す弁シーケンスを用いて空
気より酸素と粗窒素を分離製造する例により説明する。
吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）、吸着塔（Ｃ）はそれぞ
れ、同一仕様のものである。吸着塔（Ａ）、吸着塔
（Ｂ）および吸着塔（Ｃ）の内部には窒素ガスを選択的
に吸着する吸着剤（ＭＳ−５Ａ）がカラム状に充填され
ている。図５の記号の中、実施例１（図４（Ａ））で説
明したのと同一記号は同様の機能を示す。ＤＡは加圧乾
燥空気を示す。 ・開閉弁２１ａ、２１ｂ、２１ｃは加圧乾燥空気の送入
操作に寄与し、 ・開閉弁２２ａ、２２ｂ、２２ｃは製品酸素の採取操作
に寄与し、 ・開閉弁２３ａ、２３ｂ、２３ｃは２塔間の並流接続操
作に寄与し、 ・開閉弁２４ａ、２４ｂ、２４ｃは粗製窒素の採取操作
に寄与する。 ・開閉弁２６ａ、２６ｂ、２６ｃは有効成分の回収操作
に寄与する。 ・管路９ａ、９ｂ、９ｃは２塔間を並流接続さすための
管路である。 ・Ｐ_A 、Ｐ_B 、Ｐ_C はそれぞれ吸着塔（Ａ）、吸着塔
（Ｂ）、吸着塔（Ｃ）の内部の圧力を監視する圧力計で
ある。

【００８４】各開閉弁は１サイクルの工程中、弁シーケ
ンスでみると図１１のように制御しており、また圧力計
Ｐ_A 、Ｐ_B 、Ｐ_C でみた圧力変化は図３（Ａ）に示した
ようにしてある。図１１において、各開閉弁はハッチン
グを施した期間だけ開通し、他の期間は停止している。
図１１において、ハッチング部内の数字は吸着塔（Ａ）
に着目した工程〜順を示す。図３（Ａ）の圧力変化
は模型的線図を示したもので、実際には各開閉弁の開閉
による各管路や、各吸着塔内の過渡的変動を伴った変形
曲線になる。１サイクル工程における各操作順に従って
説明する。始点Ｔ_S からの動作を吸着塔（Ａ）に対する
操作、即ち図３（Ａ）の上部に示す圧力変化を主体にし
て説明する。

【００８５】工程 原料加圧 ０（＝Ｔ_S ）〜２０
秒 乾燥空気を吸着塔（Ａ）に加圧送入し、吸着塔（Ａ）内
の圧力（Ｐ_A にて示す）を中間圧Ｐ_M2から最高操作圧Ｐ
_H に迄上げる。空気中の窒素を吸着剤カラムで吸着し、
酸素を吸着塔（Ａ）の出口端部に送出する。またこの操
作期間中で、吸着塔（Ａ）内圧力がＰ_H 近傍に達したら
酸素送出弁２２ａを５秒間あけて所定量の酸素を管路
（７）へ送出する。管路（７）には製品酸素の貯留槽
（記載せず）が接続されており、そこから消費端へ送ら
れる。また、弁２３ａを１．０秒間開放し、最低操作圧
Ｐ_L 下にある吸着塔（Ｂ）の再加圧（１）を行う（図１
１中５ａで示す）。

【００８６】工程 並流減圧（１） １０〜２０秒 吸着塔（Ａ）に対して乾燥空気の送入を続行しつつ、弁
２３ａを１０秒間開放し、吸着塔（Ａ）と吸着塔（Ｂ）
を並流接続し、吸着塔（Ａ）出口端部の酸素リッチガス
を吸着塔（Ｂ）に回収する、少しおくれて弁２３ｂが開
放される、吸着塔（Ｂ）を中間圧Ｐ_M1からＰ_M2迄、再加
圧を行う。同時に、吸着塔（Ａ）は最高操作圧Ｐ_H から
Ｐ_M2迄降圧する。

【００８７】工程 並流減圧（２） ２０〜３０秒 弁２４ａを１０秒間開放する。吸着塔（Ａ）に残留する
窒素リッチガスは、管路（８）へ送出される。そこから
窒素貯留槽（記載せず）へ送られる。酸素生産が目的の
ときは管路（８）を経て大気中へ放出される。吸着塔
（Ａ）内圧力は最低操作圧Ｐ_L に降下する。減圧流出ガ
ス中の酸素分を回収する場合は、弁２０ｂ−ポンプ（１
０）−弁２６ｂと点線で示す経路を通じて吸着塔（Ｂ）
へリサイクル回収する。

【００８８】工程パージ ３０〜４０秒 この操作期間中、吸着塔（Ａ）は最低操作圧Ｐ_L 下にあ
る。図３（Ａ）に示すごとく、パージ用の酸素リッチガ
スが吸着塔（Ｂ）→吸着塔（Ｃ）→吸着塔（Ａ）と並流
方向に流れ、吸着塔（Ａ）内に残留する窒素リッチガス
を吸着塔（Ａ）へ出口端部へ押し出し、弁２４ａを介し
て管路（８）へ送出される。この操作で重要なことは、
２塔間接続部で濃度勾配の段差がおきないよう、各塔内
の圧力変化が圧力シーケンス図［図３（Ａ）］に沿うよ
う流量調節しなければならないことである。

【００８９】工程 再加圧（１） ４１〜４２．０秒 弁２３ｃを１．０秒間開放し、吸着塔（Ａ）の再加圧
（１）を行う。図１２中の工程で示す。吸着塔（Ａ）
内の圧力は約０．２５ｋｇ／ｃｍ² Ｇへ上昇する。

【００９０】工程 再加圧（２） ５０．０〜６０．
０秒 弁２３ｃを１０秒間開放し、吸着塔（Ｃ）と吸着塔
（Ａ）を並流接続し、吸着塔（Ｃ）を減圧しつつ、吸着
塔（Ａ）の再加圧（２）を行う。少しおくれて吸着塔
（Ａ）と吸着塔（Ｂ）を並流接続し、吸着塔（Ａ）→吸
着塔（Ｂ）へパージガスを供給する。吸着塔（Ａ）内圧
力は０．２５ｋｇ／ｃｍ² →２．５ｋｇ／ｃｍ² 迄昇圧
する。

【００９１】以上、主として吸着塔（Ａ）に着目して１
サイクル時間６０秒における各弁の開閉操作を示した
が、吸着塔（Ｂ）、吸着塔（Ｃ）についても各々６０／
３＝２０秒遅れて同様な操作が行われる。吸着塔
（Ａ）、吸着塔（Ｂ）、吸着塔（Ｃ）間の関連操作等は
図１１に示す通りである。

【００９２】３塔構成以上のシステムの動作において
は、３つの塔が並流接続してガスが流れるので、流量調
節は大切である。２塔式に常用される減圧操作は２つの
塔を並流接続して圧力が平衡化したら操作を停止する。
このときには、ガスの移送量（全量）の制御について
は、考慮する必要がない。但し、圧力の降下（上昇）が
圧力シーケンス図上で直線的で、かつ所定時間で丁度終
わるようにするための流速の調節は必要である。３塔構
成のシステムの場合は、移動さすガスの量（全量）およ
び移動速度（圧力シーケンス間に沿うように）の双方が
最適値であるよう、配慮しなければならない。

【００９３】４塔構成のシステムと分離操作も３塔構成
のシステムの場合と同様の考え方で実行できる。図６に
示す４塔構成の吸着分離システム（装置）および図１２
に示す弁シーケンスを用いて空気より酸素と粗窒素を分
離製造する例により説明する。４塔構成のシステムの場
合も３塔構成のシステムの場合と同様〜の６工程を
行う。４塔構成のシステムの場合の〜の６工程と３
塔構成のシステムの場合の〜の６工程を比較した結
果を表３に示す。

【００９４】

【表３】

【００９５】“並流減圧と再加圧が３段階に分かれる”
ところが３塔構成のシステムと異なる。但し考え方の基
本は同一である。

【００９６】（実施例３）図９に示す２塔構成の吸着分
離システム（装置）および図１５に示す弁シーケンスを
用いて空気より酸素と高純度窒素を製造する例を説明す
る。 吸着塔：内径５３ｍ／ｍ×長さ２３０ｍ／ｍ×２塔 吸着剤：ＭＳ−５Ａ（吸着塔（Ａ）への充填量；２９８
ｇ、吸着塔（Ｂ）への充填量；３０５ｇ） 図９に示す２塔構成の吸着分離システム（装置）と図４
に示す２塔構成の基本吸着分離システムとは、図９の場
合は高純度窒素製造のため、弁と窒素リザーバー（窒素
貯留槽）がつく以外は同じであり、記号説明で図４の記
号と重複する箇所は省く。 ＤＡ：加圧乾燥空気 Ｏ₂ ：製品酸素（純度９３％以上） ＨＮ₂ ：高純度窒素（純度９９．５％以上） ＷＡ：排気空気 Ｒ_O ：製品酸素貯留槽 Ｒ_N ：製品窒素貯留槽 １０：真空ポンプ 各弁はすべて開閉弁である。実施例３では各弁は１サイ
クル工程中、弁シーケンスでみると図１５のように制御
しており、ハッチングを施した期間だけ開通している。
ハッチング部の番号は吸着塔（Ａ）に関しての工程順を
示す。

【００９７】１サイクル操作は次の〜の８つの工程
から成る。実施例１で示した２塔構成の基本シーケンス
との相違点は、基本シーケンスの工程並流減圧（２）
と工程パージ操作の間に、高純度窒素製造のための
「窒素置換操作」と「窒素回収操作」が入るのみであ
る。説明の重複をさけ以下に吸着塔（Ａ）に着目して本
例の分離操作を説明する。 （１サイクルにおける弁開放時間） 工程 原料加圧 ０〜２５秒 工程 製品酸素取出 １５〜２０秒 工程 並流減圧（１） ２５〜３０秒 工程 並流減圧（２） ３０．０〜３２．５秒 工程 窒素置換 ３０．０〜３７．５秒 工程 窒素回収 ３７．５〜５０．０秒 工程 パージ ５０．０〜５０．５、５２．
５〜５３．０秒 工程 再加圧 ５５．０〜６０．０秒

【００９８】工程、、、、、については実
施例１で説明した通りである。工程、について説明
する。 工程 窒素置換 ３０．０〜３７．５秒 １サイクルの開始時点Ｔ_S から３０．０秒後、弁２０
ａ、２０ｂ、１７ａ、１８ａの４つの弁を開け、窒素貯
留槽Ｒ_N 内の高純度窒素を吸着塔（Ａ）入口端から並流
方向に送入し、吸着塔（Ａ）内気相部に残留する酸素分
を出口端部へ押しやり、弁１８ａを経て、空気中へ放出
される。この操作は高純度窒素が吸着塔（Ａ）出口端へ
到達した時点で停止する。

【００９９】工程 窒素回収 ３７．５〜５０．０秒 工程の操作が終了したら、弁１４ａ、２０ｃを開放
し、吸着塔（Ａ）を真空ポンプ（１０）により真空吸引
する。この操作により吸着塔（Ａ）内気相と吸着層に存
在する窒素は吸引され窒素貯留槽（Ｒ_N ）へ送られる。
そこから加圧され高純度窒素（ＨＮ₂ ）として、消費端
に送られる。なお、窒素貯留槽は可撓性構造であること
が好ましい。工程、の操作終了後の真空下の吸着塔
（Ａ）に対して、弁１３ｂの断続的開放操作（ＰＦ制御
法）により、酸素がパージ供給される。本例では、０．
５秒のパルスを２パルス操作している。以上の１サイク
ル操作における、吸着塔（Ａ）、吸着塔（Ｂ）へのガス
の流出入及びポンプの作動状況は図１５に示した弁シー
ケンスで明らかである。かくして３０秒毎に吸着塔
（Ａ）、吸着塔（Ｂ）から交互に９０％以上の酸素と９
９．５％以上の窒素が生産された。

【０１００】実施例３の分離操作は２塔システムのみに
限定されるものでなく、３塔構成以上のシステムでも実
施することができる。３塔以上のシステムでは、ポンプ
（１）、真空ポンプ（１０）の空転期間をなくすことが
容易となる。

【０１０１】上記の実施例１〜実施例３、図１０〜図１
５に示す弁シークエンスは代表例を示すものであり、他
にも種々の変形態様での実施が可能であるが、本発明の
主旨を逸脱しない限り、全て本発明の範囲に属するもの
である。

【０１０２】

【発明の効果】本発明の気体のバルク分離方法は、構成
が簡単な吸着分離システム（装置）を用い、安価な材料
を使用を用い、吸着分離システム（装置）がコンパクト
であるので、従来の深冷法に比し、装置価格が著しく安
くなり、構成材料は環境に無害な鉄と石（吸着剤）であ
るので、廃棄処分費を考慮すると格段に経済的である。
本発明の気体のバルク分離方法は、気体が一定周期の圧
力変動しつつ、一定方向に流れ、この流れ過程を通じ、
濃度勾配を一定に維持すること（等エントロピー過
程）、吸着分離システム内で発生する吸着熱及び脱着熱
（冷熱）をシステム内で有効活用すること（等エンタル
ピー過程）、圧力エネルギーを他の吸着塔の昇圧に使用
するか、または膨張機関などにより機械的および／また
は電気エネルギーとして回収することにより熱力学的省
エネプロセスとなる。以上のように本発明の気体のバル
ク分離方法は、省エネ、省資材的プロセスであるので、
総合効率が著しく向上し、原料混合ガスから大量、安価
な酸素や窒素あるいは水素等を分離して供給することが
可能になった。

【０１０３】近年エネルギー、環境問題の高まりととも
に、酸素高炉法、溶融還元製鉄法、石炭ガス化複合発
電、高温燃料電池等の新製鉄法、新発電システムの大規
模開発プロジェクトが進行中であるが、これら次世代型
技術は大量の酸素・窒素等のガスを消費する。本発明の
気体のバルク分離方法は、上記次世代型技術のための大
量・安価なガス供給手段として、その経済的成立に大き
く寄与するものである。

【０１０４】また、本発明の気体のバルク分離方法は、
自動車に搭載可能な小型コンパクトなガス分離器を可能
にした。即ち、ディーゼル車に搭載して、パティキュレ
ートバーンアウトのための酸素炎として、あるいは燃料
電池電気自動車の酸素、窒素源、水素分離器等として電
池のコンパクト化、省エネ化に役立つ効果も期待され
る。

【０１０５】本発明の気体のバルク分離方法は、空気よ
り酸素と窒素の分離のみならず、他の混合ガス（例えば
Ｈ₂ −ＣＯ₂ 、Ｈ₂ −Ｎ₂ 、Ｎ₂ −ＣＯ等）の分離にも
適用可能である。以上により本発明の気体のバルク分離
方法は産業上の利用価値が甚だ大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の方法を実施するための基本システム
を示す説明図である。

【図２】 （Ａ）は本発明に係わる２塔構成システムの
各塔の圧力シーケンスを示し、（Ｂ）は各吸着塔内の気
相濃度分布の変化を示す説明図である。

【図３】 （Ａ）は本発明に係わる３塔構成システムの
各塔の圧力シーケンスを示し、（Ｂ）は各吸着塔内の気
相濃度分布の変化を示す説明図である。

【図４】 （Ａ）は、本発明に係わる基本システム例
（２塔構成）を示す説明図であり、（Ｂ）は、圧力エネ
ルギー回収手段（ＥＸ）を用いて降圧過程の圧力エネル
ギーを膨張機関または発電機で回収する場合の（Ａ）に
示した基本システム例（２塔構成）の変形態様を示す説
明図である。

【図５】 本発明に係わる３塔構成の基本システム例を
示す説明図である。

【図６】 本発明に係わる４塔構成の基本システム例を
示す説明図である。

【図７】 本発明に係わる２塔構成で乾燥塔を備えた基
本システム例を示す説明図である。

【図８】 本発明に係わる２塔構成で乾燥塔および真空
ポンプを備えた基本システム例を示す説明図である。

【図９】 本発明に係わる２塔構成で、真空ポンプ、製
品酸素貯留槽および製品窒素貯留槽を備えた基本システ
ム例を示す説明図である。

【図１０】 図４に示した基本システム操作のための弁
シーケンス例を示す説明図である。

【図１１】 図５に示した基本システム操作のための弁
シーケンス例を示す説明図である。

【図１２】 図６に示した基本システム操作のための弁
シーケンス例を示す説明図である。

【図１３】 図７に示した基本システム操作のための弁
シーケンス例を示す説明図である。

【図１４】 図８に示した基本システム操作のための弁
シーケンス例を示す説明図である。

【図１５】 図９に示した基本システム操作のための弁
シーケンス例を示す説明図である。

【図１６】 “パルス流制御法”（ＰＦ）による自動弁
のパルス的開閉操作試験を行うための小型シミュレータ
ーの模型図である。

【図１７】 図１６に示した小型シミュレーターを用い
て試験した時の吸着塔内差圧（△Ｐ）の時間的変化を示
すグラフである。

【符号の説明】

ＤＡ 乾燥空気 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 吸着塔 ａ、ｂ 吸着剤 ＡＲ 原料空気（加圧乾燥空気） Ｄ_A 、Ｄ_B 乾燥塔 Ｅｘ 圧力エネルギー回収手段 Ｖ バイパス弁 Ｏ₂ 製品酸素 Ｎ₂ 製品窒素 ＨＮ₂ 高純度窒素 ＷＡ 排気空気 ＷＮ 排気窒素 １ ポンプ ２、４、５ａ、５ｂ、５ｃ、６、６ａ、６ｂ、６ｃ、
７、７ａ、７ｂ、８、９ａ、９ｂ、９ｃ 管路 ３ 前処理装置 ５ 分離装置（またはシステム） ２７、２８ 製品取出自動弁 １０ 真空ポプ １１ａ〜１７ａ、１１ｂ〜１７ｂ、１４ｃ、１５、１
８、１８ａ、１８ｂ、２０ａ〜２０ｅ、１９〜２１、２
１ａ〜２５ａ、２１ｂ〜２５ｂ、２１ｃ〜２５ｃ、２６
ａ〜２６ｄ、３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂ、３１ｃ
〜３４ｃ、３１ｄ〜３４ｄ、３５ａ、３５ｂ、３６ａ、
３６ｂ 自動（開閉）弁

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 難吸着成分（Ａ）及び易吸着成分（Ｂ）
   を含む原料混合ガスを、その中の成分（Ａ）、成分
   （Ｂ）に比して少量でかつ吸着性の著しく強い水分、炭
   酸ガス、その他の易凝縮性ガスを前処理装置にて予め除
   いた後、成分（Ｂ）を選択的に吸着できる吸着剤をカラ
   ム状あるいは層状に充填した吸着塔を少なくとも２つ含
   む吸着分離システムの前記吸着塔の一端（入口端）から
   他端（出口端）へ通じて成分（Ａ）及び／または成分
   （Ｂ）を得るための気体のバルク分離方法であって、各
   吸着塔は下記の工程〜のシーケンス操作を循環的に
   うけることにより他端（出口端）から、少ない動力消費
   と高い総合効率で、一定時間毎に、交互に製品として成
   分（Ａ）及び／または成分（Ｂ）を得ることを特徴とす
   るパラメトリックガスクロマトグラフィーによる気体の
   バルク分離方法。 原料混合ガスを吸着塔の入口端に通じ、塔内圧力を中
   間圧力から、最高操作圧まで上げ原料混合ガス中の成分
   （Ｂ）を選択的に吸着し、高められた圧力のもとで他端
   （出口端）から成分（Ａ）及び／または成分（Ａ）に富
   んだガスを取り出す。 原料供給を続行しつつ、最高操作圧近傍において出口
   端から成分（Ａ）及び／または成分（Ａ）に富んだガス
   を取り出す。 原料供給を停止し、この吸着塔を並流方向に減圧し、
   減圧ガスは同一循環操作中の圧力近似かつ圧力上昇中の
   他の吸着塔の入口端へ通ず。 減圧を続行し、大気圧または大気圧を経て真空圧にし
   て、この吸着塔から放出及び／または吸引されたガスは
   大気へ放出するか、他の吸着塔へ回収するかあるいは成
   分（Ｂ）製品としてシステム外へ取出す。 最低操作圧下の吸着塔に対し、同一循環操作中の他の
   吸着塔から、成分（Ａ）に富むガス及び／または成分
   （Ａ）を並流方向にパージガスとして導入し、吸着塔内
   の成分（Ｂ）を成分（Ａ）に置換し、成分（Ｂ）及び／
   または成分（Ｂ）に富んだガスを吸着塔出口端から取出
   す。 上記操作終了後、同一循環操作中の圧力近似かつ圧力
   下降中の他の吸着塔よりのガスを入口端に通じ、操作の
   中間圧まで昇圧する。
2. 【請求項２】 原料混合ガスの供給を続行しつつ工程
   を行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 上記工程、工程の減圧操作と工程
   の昇圧操作を段階的に行うことを特徴とする請求項１記
   載の方法。
4. 【請求項４】 原料混合ガスが空気であり、製品ガスが
   ９０％以上の酸素及び／または９０％以上の窒素である
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 上記吸着剤が窒素選択吸着性のゼオライ
   ト系モレキュラシーブ物質であることを特徴とする請求
   項１記載の方法。
6. 【請求項６】 吸着分離システムが２つの吸着塔からな
   ることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】 吸着分離システムが３つ以上の吸着塔か
   らなることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】 工程の流出ガスを工程のパージガス
   として他の吸着塔へ供与し、工程の成分（Ａ）を製品
   とすることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】 工程の流出ガスを工程のパージガス
   として他の吸着塔へ供与し、工程の成分（Ａ）を製品
   とすることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 【請求項１０】 工程の並流減圧ガス及び／またはポ
    ンプで吸引される成分（Ｂ）を製品とすることを特徴と
    する請求項１記載の方法。
11. 【請求項１１】 吸着分離システム内にシリカゲル、活
    性炭、アルミナゲル、活性アルミナ、ゼオライトから選
    ばれる前処理用吸着剤を充填した前処理塔を設け、工程
    および工程における減圧及び／またはパージ放出ガ
    スの一部をこの前処理塔の再生用パージガスとして供与
    することを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 【請求項１２】 工程、工程の１吸着塔流出ガス中
    の有効成分［目的製品が成分（Ａ）のときは成分
    （Ａ）、目的製品が成分（Ｂ）のときは成分（Ｂ）］を
    ポンプを介して同一システム内の他の吸着塔へリサイク
    ル回収することを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 【請求項１３】 ３塔以上で構成される吸着分離システ
    ムで、２つの吸着塔を接続する個別操作は、操作圧近似
    の２吸着塔を対象とし、１吸着塔から他の吸着塔へ圧力
    差を利用して、並流方向にガスを流し、１吸着塔の圧力
    降下と他の吸着塔の圧力上昇を行い、そして最低操作圧
    下の吸着塔に対して、パージ操作を行うことを特徴とす
    る請求項７記載の方法。
14. 【請求項１４】 ２塔以上で構成される吸着分離システ
    ムで２吸着塔を接続する際、吸着塔内圧力が上昇過程に
    ある吸着塔内気相濃度分布は出口端に向かって成分
    （Ａ）がリッチになるようにし、吸着塔内圧力が下降過
    程にある吸着塔内気相濃度分布は出口端に向かって成分
    （Ｂ）がリッチになるようにし、１つの吸着塔の出口濃
    度と他の吸着塔の入口濃度の間に段差がないようガスの
    移送量を制御することを特徴とする請求項１記載の方
    法。
15. 【請求項１５】 工程の成分（Ｂ）を一旦中間槽へ回
    収し、工程に先立って、この中間槽内の成分（Ｂ）を
    ポンプを介して吸着塔の入口端部へ再循環させ塔内を成
    分（Ｂ）に置換し、しかるのち、吸着塔内ガス及び吸着
    剤中の成分（Ｂ）をポンプにて吸引し、成分（Ｂ）を高
    純度品として回収することを特徴とする請求項１０記載
    の方法。
16. 【請求項１６】 ２塔構成の吸着分離システムにおい
    て、２つの吸着塔を並流方向接続して均圧または部分均
    圧することを特徴とする請求項６記載の方法。
17. 【請求項１７】 工程、の降圧を膨張機関などの圧
    力エネルギー回収手段を介して行い、圧力エネルギーを
    電気及び／または機械エネルギーとして回収することを
    特徴とする請求項１記載の方法。
18. 【請求項１８】 圧力差のある２つの吸着塔を自動オン
    −オフ弁を介して接続して、ガスを移動さすためのシミ
    ュレーター試験において、この自動オン−オフ弁の開放
    時間（△ｔｉ）をパラメーターとし、下流側の吸着塔の
    入口端部と出口端部の差圧（△Ｐ）の時間（ｔ）的変化
    を測定し、図形化し（タテ軸：△Ｐ、ヨコ軸：ｔ）、こ
    の図形が正弦波もしくは正弦波近似波型のときの△ｔｉ
    をパルス時間、半波長幅より△ｔｉを引いた値を△Ｚｉ
    とし、上記自動オン−オフ弁を通過するガス量（Ｖｉ）
    を次式（１）により定めたとき△ｔ₁ （開）−△Ｚ₁
    （閉）−△ｔ₂ （開）−△Ｚ₂ （閉）・・・・−△ｔｉ
    （開）−△Ｚｉ（閉）の弁開閉シーケンス（弁開放時間
    −時間関係）により上記工程〜の個別操作に必要か
    つ十分な気体の移動量（ΣＶｉ）と気体の移動速度［Σ
    Ｖｉ／（Σｔｉ＋ΣＺｉ）］を制御することを特徴とす
    る請求項１記載の方法。 【数１】