專利名稱：氮氣制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及氮氣制造裝置。
背景技術(shù)：
通常，利用變壓吸附方式(Pressure Swing Adsorption, PSA方式)的氮氣制造裝置(氮氣PSA裝置)作為簡便的氮氣供給單元而用于多種用途。近些年，作為用戶要求，對這種氮氣制造裝置期望著進一步的省電力化、省空間化。以往，作為這種氮氣制造裝置已知有以下所示的裝置。圖7為表示現(xiàn)有氮氣制造裝置一例的圖。如圖7所示，氮氣制造裝置101具備壓縮機102、兩個吸附槽(第一吸附槽103和 第二吸附槽104)、制品槽105、設(shè)置于各吸附槽的入口和出口的自動切換式開關(guān)閥111a、lllb、112a、112b、113a、113b、114、115、流量調(diào)節(jié)閥 116 和制品氣體出口閥 117。壓縮機102為對原料氣體(空氣)加壓的裝置。此外，兩個吸附槽103、104中分別填充有優(yōu)先吸附原料氣體中的氧的吸附劑109。在各吸附槽103、104中，吸附除去原料氣體中的氧，得到富含氮的制品氣體。此外，第一吸附槽103和第二吸附槽104在槽的下游側(cè)和上游側(cè)通過配管相互連接。而且，這里的槽的上游側(cè)是指槽的下部側(cè)(原料氣體入口側(cè))；槽的下游側(cè)是指槽的上部側(cè)(制品氣體出口側(cè))，從原料氣體的流動來說位于下游側(cè)的位置。制品槽105設(shè)置在兩個吸附槽103、104的下游側(cè)，通過開關(guān)閥113a與第一吸附槽103連接，通過開關(guān)閥113b與第二吸附槽104連接。使用這種PSA方式的氮氣制造裝置101從原料氣體分離氮氣的方法已知有重復(fù)進行加壓吸附工序、均壓降壓工序、減壓再生工序、均壓升壓工序的各工序的方法。在PSA方式中，第一吸附槽103和第二吸附槽104中的一個為加壓吸附工序時，另一個為減壓再生工序，一個為均壓降壓工序時，另一個為均壓升壓工序。因此，對于第一吸附槽103依次進行加壓吸附工序、均壓降壓工序、減壓再生工序和均壓升壓工序時，第二吸附槽104中依次進行減壓再生工序、均壓升壓工序、加壓吸附工序和均壓降壓工序。以下，以第一吸附槽103的工序為基準進行說明。首先，加壓吸附工序中，將通過壓縮機102加壓的原料氣體導(dǎo)入第一吸附槽103并對第一吸附槽103加壓，使原料氣體中的氧優(yōu)先被吸附劑109吸附，得到富含氮的氣體。接著，均壓降壓工序中，將第一吸附槽103內(nèi)殘留的氣體送入第二吸附槽104。接著，減壓再生工序中，將第一吸附槽103釋放于大氣中而使壓力下降的同時，從吸附劑109解吸氧而使吸附劑109再生。進而，均壓升壓工序中，第一吸附槽103導(dǎo)入來自第二吸附槽104的氣體。若基于圖7進一步具體說明，則在第一吸附槽103處于加壓吸附工序時，開關(guān)閥111a、113a打開，其它開關(guān)閥關(guān)閉。[0016]因此，由壓縮機102壓縮的原料氣體通過開關(guān)閥Illa導(dǎo)入到第一吸附槽103。進而，第一吸附槽103中由吸附劑109吸附原料氣體中的氧，富含氮成分的制品氣體通過開關(guān)閥113a送入制品槽105。而且，由第一吸附槽103導(dǎo)出的制品氣體的一部分通過流量調(diào)節(jié)閥116導(dǎo)入第二吸附槽104內(nèi)，用于吸附劑109的再生。隨著工序時間過去，吸附氧的吸附劑區(qū)域接近制品出口端 ，所以在規(guī)定時間加壓吸附工序被停止。接著，第一吸附槽103進入均壓降壓工序，第二吸附槽104進入均壓升壓工序時，則開關(guān)閥114、115為打開狀態(tài)，其它開關(guān)閥為關(guān)閉狀態(tài)。在該工序中，由第一吸附槽103通過開關(guān)閥114、115向第二吸附槽104供給第一吸附槽103內(nèi)的相對高壓且尚不滿足制品品質(zhì)、但比較富含氮成分的氣體(均壓氣體)。將這種由第一吸附槽103的制品氣體出口側(cè)(上部側(cè))向第二吸附槽104的制品氣體出口側(cè)(上部側(cè))導(dǎo)入氣體，由第一吸附槽103的原料氣體入口側(cè)(下部側(cè))向第二吸附槽104的原料氣體入口側(cè)(下部側(cè))導(dǎo)入氣體的方法稱為上下部同時均壓法。例如非專利文獻I、專利文獻I等公開了上下部同時均壓法。接著，通過打開第一吸附槽103的開關(guān)閥112a，第一吸附槽103進入減壓再生工序。減壓再生工序中殘留于槽內(nèi)的氣體由開關(guān)閥112a排放到大氣，隨著槽內(nèi)壓力下降，吸附劑109吸附著的氧解吸。此時，由第二吸附槽104導(dǎo)出的制品氣體的一部分通過流量調(diào)節(jié)閥116導(dǎo)入到第一吸附槽103內(nèi)進行槽內(nèi)吹掃，用于吸附劑109的再生。之后，通過打開開關(guān)閥114、115，關(guān)閉其它開關(guān)閥，第一吸附槽103進入均壓升壓工序，第二吸附槽104進入均壓降壓工序。在該工序中，由第二吸附槽104向第一吸附槽103供給第二吸附槽104內(nèi)的相對高壓且尚不滿足制品品質(zhì)、但比較富含氮的氣體(均壓氣體)。通過重復(fù)以上工序，從原料氣體中分離氮氣。專利文獻I :日本特開昭51-50298號公報非專利文獻I !Separation Science and Technology, 23, 2379 (1988)然而，近些年，對于使用這種現(xiàn)有的PSA方式實施的氮氣制造方法要求裝置的進一步小型化、氮氣產(chǎn)率的提高和省電力化，但實際情況是沒有提供切實有效的方法。

實用新型內(nèi)容為解決上述問題，本實用新型提供以下辦法。S卩，方案I中的發(fā)明為氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/40以上1/5以下。此外，方案2中的發(fā)明為方案I所述的氮氣制造裝置，其特征在于，連接兩個所述主吸附槽的所述管道為連接各所述主吸附槽的上游側(cè)之間的管道或者連接中間部和上游側(cè)的管道。[0032]此外，方案3中的發(fā)明為方案I或2所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑的氧吸附速度比填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑的氧吸附速度快。此外，方案4中的發(fā)明為方案I至3中任意一項所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑為分子篩活性炭。此外，方案5中的發(fā)明為方案I至4中任意一項所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑為分子篩活性炭。此外，方案6中的發(fā)明為氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/20以上1/7以下。
·[0036]此外，方案7中的發(fā)明為方案6所述的氮氣制造裝置，其特征在于，連接兩個所述主吸附槽的所述管道為連接各所述主吸附槽的上游側(cè)之間的管道或者連接中間部和上游側(cè)的管道。此外，方案8中的發(fā)明為方案6或7所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑的氧吸附速度比填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑的氧吸附速度快。此外，方案9中的發(fā)明為方案6至8中任意一項所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑為分子篩活性炭。此外，方案10中的發(fā)明為方案6至9中任意一項所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑為分子篩活性炭。此外，方案11中的發(fā)明為氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/20以上1/10以下。此外，方案12中的發(fā)明為方案11所述的氮氣制造裝置，其特征在于，連接兩個所述主吸附槽的所述管道為連接各所述主吸附槽的上游側(cè)之間的管道或者連接中間部和上游側(cè)的管道。此外，方案13中的發(fā)明為方案10或11所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑的氧吸附速度比填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑的氧吸附速度快。此外，方案14中的發(fā)明為方案11至13中任意一項所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑為分子篩活性炭。此外，方案15中的發(fā)明為方案11至14中任意一項所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑為分子篩活性炭。此外，方案16中的發(fā)明為氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/10以上1/7以下。此外，方案17中的發(fā)明為方案16所述的氮氣制造裝置，其特征在于，連接兩個所述主吸附槽的所述管道為連接各所述主吸附槽的上游側(cè)之間的管道或者連接中間部和上游側(cè)的管道。此外，方案18中的發(fā)明為方案16或17所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑的氧吸附速度比填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑的氧吸附速度快。此外，方案19中的發(fā)明為方案16至18中任意一項所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑為分子篩活性炭。 此外，方案20中的發(fā)明為方案16至19中任意一項所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑為分子篩活性炭。根據(jù)本實用新型，可減少主吸附槽中填充的吸附劑的量，可使氮氣制造裝置小型化。此外，可提高氮氣的回收率，從而可使氮氣制造裝置省電力化。

圖I為表示本實用新型一個實施方式的氮氣制造裝置的簡要系統(tǒng)圖。圖2為表示本實用新型一個實施方式的氮氣制造方法的工序圖，圖2的(a)表示操作I的工序，圖2的(b)表示操作2的工序，圖2的(c)表示操作3的工序，圖2的⑷表示操作4的工序。圖3的(a)和圖3的(b)為表示有無副吸附槽帶來的產(chǎn)率和能力與制品氣體中的氧濃度之間關(guān)系的曲線圖。圖4的(a)和圖4的(b)為表示相對于副吸附槽中填充的吸附速度不同的各吸附劑的產(chǎn)率和能力與制品氣體中的氧濃度之間關(guān)系的曲線圖。圖5為表示相對于容積不同的各副吸附槽的產(chǎn)率和能力關(guān)系的曲線圖。圖6為表示對吸附劑的吸附速度測定的結(jié)果的曲線圖。圖7為表示現(xiàn)有的氮氣制造裝置的簡要系統(tǒng)圖。符號說明I氮氣制造裝置、2壓縮機、3制品槽、4第一主吸附槽、5第二主吸附槽、6副吸附槽、9、15 吸附劑、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34 配管、41a、41b A 口閥、42a、42b排出閥、43a、43b副吸附槽入口閥、44a、44b副吸附槽出口閥、45a、45b出口閥、46均壓閥、47流量調(diào)節(jié)閥
具體實施方式
以下，利用附圖詳細說明適用本實用新型的氮氣制造裝置和氮氣制造方法。〈氮氣制造裝置〉本實用新型的氮氣制造裝置I為PSA方式的制造裝置，如圖I所示，主要由壓縮機2、第一主吸附槽4、第二主吸附槽5、副吸附槽6和制品槽3構(gòu)成。[0063]壓縮機2為壓縮原料氣體(空氣)的裝置，通過入口閥41a并通過配管21、22、23與第一主吸附槽4連接，通過入口閥41b并通過配管21、22、24與第二主吸附槽5連接。此外，第一主吸附槽4和第二主吸附槽5填充有在原料氣體中相比氮優(yōu)先吸附氧的吸附劑9 (第一吸附劑)。該吸附劑9優(yōu)選使用分子篩活性炭。分子篩活性炭具有作為平衡吸附量同時吸附幾乎相同量的氧、氮的性質(zhì)，但由于相比氮以更快的吸附速度吸附分子直徑小的氧，所以通過選定適合于使用的分子篩活性炭的循環(huán)時間，可選擇性地濃縮分離氮。通常，吸附速度快的吸附劑因適合于短的循環(huán)操作，氮氣生產(chǎn)率高，慢的吸附劑因氧和氮的吸附速度差變大，具有較大的分離比(氮回收率)，認為可進行氮回收率高的操
作。 S卩，氮生產(chǎn)率與分離比處于折衷(trade off)關(guān)系，PSA裝置制造商根據(jù)各自判斷從市場上銷售的分子篩活性炭中選定。制品槽3為儲藏由第一主吸附槽4和第二主吸附槽5導(dǎo)出的氮氣的槽，通過出口閥45a并通過配管25、26、27與第一主吸附槽4連接，通過出口閥45b并通過配管28、26、27與第二主吸附槽5連接。作為制品槽3內(nèi)儲藏的制品氣體的氮氣通過設(shè)置有制品氣體出口閥14的配管29導(dǎo)出。此外，第一主吸附槽4的上游側(cè)和下游側(cè)分別與第二主吸附槽5的上游側(cè)和下游側(cè)連接。 第一主吸附槽4的上游側(cè)與第二主吸附槽5的上游側(cè)通過配管23和配管24連接，而配管23和配管24之間被四根配管22、30、31、32連接。配管22設(shè)置有入口閥41a、41b，在該入口閥41a和入口閥41b之間連接有配管21。此外，配管30上設(shè)置有排氣閥42a、42b，該排氣閥42a和排氣閥42b之間連接有與外部空氣導(dǎo)通的配管35。配管31上設(shè)置有副吸附槽入口閥43a、43b，在該副吸附槽入口閥43a和副吸附槽入口閥43b之間連接有配管36。此外，配管32上設(shè)置有副吸附槽出口閥44a、44b，在該副吸附槽出口閥44a和副吸附槽出口閥44b之間連接有配管37。而且，配管36與副吸附槽6的上游側(cè)連接，配管37與副吸附槽6的下游側(cè)連接。進而，副吸附槽6中填充有與氮相比更吸附氧的吸附劑15 (第二吸附劑)。此外，第一主吸附槽4的下游側(cè)與第二主吸附槽5的下游側(cè)通過配管25和配管28連接，配管25和配管28之間由兩根配管33、34連接。配管34上設(shè)置有均壓閥46，配管33上設(shè)置有調(diào)節(jié)再生氣體流量的流量調(diào)節(jié)閥47。配管26設(shè)置有出口閥45a、45b，在該出口閥45a和出口閥45b之間連接有配管27。<氮氣制造方法>接下來，對本實施方式的氮氣制造方法進行說明。首先，本實施方式的氮氣制造方法為重復(fù)進行加壓吸附工序、均壓降壓工序、減壓再生工序、均壓升壓工序的各工序的方法。而且，第一主吸附槽4和第二主吸附槽5中的一個為加壓吸附工序時，另一個為減壓再生工序，一個為均壓降壓工序時，另一個為均壓升壓工序的關(guān)系。因此，對于第一主吸附槽4依次進行加壓吸附工序、均壓降壓工序、減壓再生工序和均壓升壓工序時，第二主吸附槽5中依次進行減壓再生工序、均壓升壓工序、加壓吸附工序和均壓降壓工序。以下，以第一主吸附槽4中的工序為中心進行說明。首先，加壓吸附工序中，將通過壓縮機2加壓至適當(dāng)壓力的原料氣體導(dǎo)入第一主吸附槽4，并將第一主吸附槽4設(shè)定為規(guī)定壓力，使原料氣體中易吸附的氧優(yōu)先被吸附劑9吸附，將難吸附的氮導(dǎo)出至制品槽3。接著，均壓降壓工序中，將第一主吸附槽4內(nèi)殘留的氣體送入第二主吸附槽5。接著，減壓再生工序中，將第一吸附槽4釋放于大氣而使壓力下降，使吸附劑9吸附著的氧解吸而使吸附劑9再生。進而，均壓升壓工序中，第一主吸附槽4接收來自第二主吸附槽5的氣體。之后，第一主吸附槽4再次進入到加壓吸附工序，通過重復(fù)以上工序，從原料氣體中分離氮氣。即，第一主吸附槽4和第二主吸附槽5通過交替重復(fù)吸附和再生，連續(xù)地由原料氣體制造氮氣。參照圖2和表1，更詳細地說明使用上述氮氣制造裝置I的氮氣制造方法。而且，圖2的(a)、(b)、(c)和⑷為分別表示操作I、操作2、操作3和操作4的各工序的圖，圖中的箭頭表示氣體流向，圖中的粗線表示有氣體在流通的配管。此外，表I示出了第一主吸附槽4、第二主吸附槽5和副吸附槽6中的各工序關(guān)系。[表 I]
槽名稱操作I操作2操作3操作4
第一主吸附槽加壓(吸附)均壓降壓減壓(再生)均壓升壓^
第二主吸附槽減壓(再生)均壓升壓加壓(吸附)均壓降壓^
副吸附槽減壓(再生)加壓(吸附)減壓(再生)加壓(吸附)圖2的(a)所示的操作I中，第一主吸附槽4正進行加壓吸附工序，第二主吸附槽5正進行減壓再生工序，副吸附槽6正進行減壓再生工序。操作I中，入口閥41a、出口閥45a、排氣閥42b、副吸附槽入口閥43b打開，通過流量調(diào)節(jié)閥47來適當(dāng)?shù)乜刂茝牡谝恢魑讲?的下游側(cè)向第二主吸附槽5的下游側(cè)流出的氣體流量，其它開關(guān)閥關(guān)閉。該操作I中，由于入口閥41a打開，由壓縮機2壓縮的原料氣體通過配管21、22、23導(dǎo)入第一主吸附槽4，第一主吸附槽4內(nèi)被加壓。進而，第一主吸附槽4內(nèi)，原料氣體中易吸附的氧被吸附劑9優(yōu)先吸附，難吸附的
氮從第一主吸附槽4導(dǎo)出。而且，由于出口閥45a打開，由第一主吸附槽4導(dǎo)出的氮氣通過配管25、26、27導(dǎo)入制品槽3。另一方面，第二主吸附槽5中，由于排氣閥42b打開，第二主吸附槽5內(nèi)的氣體通過配管24、30、35排放到大氣，因而第二主吸附槽5內(nèi)的壓力下降(減壓)。而且，從第一主吸附槽導(dǎo)出的氮氣的一部分通過配管33并經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥47調(diào)節(jié)成所希望的流量而導(dǎo)入第二主吸附槽5，由該氮氣沖洗從第二主吸附槽5的吸附劑9解吸的氧，促進吸附劑9的再生(吹掃再生)。此時，由于副吸附槽入口閥43b打開著，副吸附槽6內(nèi)的氣體通過配管36、31、30、35排放到大氣，副吸附槽6內(nèi)的壓力下降(減壓)，進行吸附劑15的再生。接著，圖2的(b)所示的操作2中，第一主吸附槽4進行均壓降壓工序，第二主吸附槽5進行均壓加壓工序，副吸附槽6進行加壓吸附工序。該操作2中，加壓吸附工序結(jié)束而槽內(nèi)壓力相對較高的第一主吸附槽4內(nèi)的氣體被回收到減壓再生工序結(jié)束而槽內(nèi)壓力相對較低的第二主吸附槽5中，結(jié)果，第一主吸附槽4被減壓，第二主吸附槽5和副吸附槽6被加壓。操作2中，副吸附槽入口閥43a、副吸附槽出口閥44b和均壓閥46打開，其它開關(guān) 閥關(guān)閉。第一主吸附槽4內(nèi)的氣體從第一主吸附槽4的下游側(cè)通過配管25、34、28導(dǎo)入到第二主吸附槽的下游側(cè)。而且，由于流量調(diào)節(jié)閥47調(diào)節(jié)流量，所以從第一主吸附槽4導(dǎo)出的氣體的大部分不通過配管33，而通過配管34導(dǎo)入到第二主吸附槽5。此外，由于副吸附槽入口閥43a和副吸附槽出口閥44b打開，所以第一主吸附槽4內(nèi)的氣體從第一主吸附槽4的上游側(cè)通過配管23、31、36、副吸附槽6、配管37、32、24導(dǎo)入到第二主吸附槽5的上游側(cè)。在此，在用PSA法進行的氮分離中，加壓吸附工序結(jié)束時存在于吸附槽的制品氣體出口附近的氣體的制品品質(zhì)為接近下限的值。另一方面，存在于原料氣體入口附近的氣體的組成幾乎為空氣。分布于吸附槽內(nèi)的氮濃度，從制品氣體出口向原料氣體入口形成有濃度分布。從第一主吸附槽4的下游側(cè)導(dǎo)出的氣體為被第一主吸附槽4內(nèi)的吸附劑9吸附氧后的氣體，因而是尚不滿足制品品質(zhì)、但相對高純度的氮氣。然而，從第一主吸附槽4的上游側(cè)導(dǎo)出的氣體為還未通過吸附劑9充分減少氧的氣體，因而可認為是氮濃度接近空氣的氣體。并且，如果將該從第一主吸附槽4的上游側(cè)導(dǎo)出的、相對低的氮濃度的氣體導(dǎo)入副吸附槽6的上游側(cè)，則副吸附槽6內(nèi)被加壓，通過副吸附槽6內(nèi)填充的吸附劑15 (氧除去單元)吸附低純度氮氣中的氧，從而降低氧濃度。其結(jié)果，從副吸附槽6的下游側(cè)導(dǎo)出并導(dǎo)入第二主吸附槽5的上游側(cè)的氣體(回收氣體)為純度高的氮氣，可防止第二主吸附槽5被低純度氮氣污染。而且，通過節(jié)流孔等進行的調(diào)節(jié)來能夠最佳地調(diào)節(jié)副吸附槽6中流動的氣體速度(流量)。由于副吸附槽6變大會導(dǎo)致設(shè)備費用上升，或副吸附槽6保持的氣體量變大而存在向各主吸附槽4、5回收的氣體量減少等不良影響，所以可兼顧考慮這些而選定副吸附槽6的尺寸。此外，流過副吸附槽6中的氣體的流速比流過各主吸附槽4、5的原料氣體的流速快，所以與吸附劑15接觸的時間短。即，副吸附槽6填充的吸附劑15與普通吸附操作不同，為均壓時間內(nèi)的短時間、高流速下的操作。[0111]因此，優(yōu)選填充在副吸附槽6中的吸附劑15相比填充在各主吸附槽4、5中的吸附劑9為氧氣吸附速度更快的吸附劑。這種吸附劑15可使用例如通過如下方法調(diào)節(jié)氧的吸附速度的吸附劑。通常，分子篩活性炭通過將多孔碳原料加熱至400 900°C的同時與包含苯、甲苯等烴的不活潑氣體接觸幾分鐘至幾十分鐘而使烴的熱分解碳沉淀至多孔碳原料的細孔入口來制造。因此，通過調(diào)節(jié)碳沉淀程度，可分別制作吸附速度快的吸附劑、吸附速度慢的吸附齊U。得到通過用此辦法調(diào)節(jié)后的分子篩活性炭，進行其吸附速度測定，從而可選定吸附速度比主吸附槽填充的吸附劑快的吸附劑。此外，通過使吸附劑的粒徑變小，也可加快吸附速度。S卩，作為氧的吸附速度快的吸附劑，可利用造粒為顆粒直徑較小的吸附劑或?qū)⒓毧字睆秸{(diào)節(jié)為較大的吸附劑等。接著，對圖2的(C)所示的操作3進行說明。操作3中，操作I的第一主吸附槽4和第二主吸附槽5的作用相替換，在第一主吸附槽4進行減壓再生工序，在第二主吸附槽5進行加壓吸附工序，在副吸附槽6進行減壓再生工序。操作3中，入口閥41b、出口閥45b、排氣閥42a和副吸附槽入口閥43a打開，其它開關(guān)閥關(guān)閉。該操作3中，由于入口閥41b打開，由壓縮機2壓縮的原料氣體通過配管21、22、24導(dǎo)入到第二主吸附槽5的上游側(cè)，第二主吸附槽5內(nèi)被加壓。進而，在第二主吸附槽5內(nèi)，原料氣體中易吸附的氧被吸附劑10優(yōu)先吸附，難吸附的氮從第二主吸附槽5的下游側(cè)導(dǎo)出。而且，由于出口閥45b打開，由第二主吸附槽5導(dǎo)出的氮氣通過配管28、26、27導(dǎo)入至制品槽3。此外，由于排氣閥42a打開，第一主吸附槽4內(nèi)的氣體通過配管23、30、35排放到大氣，因而第一主吸附槽4內(nèi)的壓力下降(減壓)。而且，從第二主吸附槽5的下游側(cè)導(dǎo)出的氮氣的一部分通過配管28、33、25并經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥47調(diào)節(jié)成所希望的流量而導(dǎo)入到第一主吸附槽4。進而，由該氮氣沖洗從第一主吸附槽4的吸附劑9解吸的氧，促進吸附劑9的再生(吹掃再生)。此外，由于副吸附槽入口閥43a打開著，副吸附槽6內(nèi)的氣體通過配管36、31、30、35排放到大氣，副吸附槽6內(nèi)的壓力下降(減壓)，從而進行吸附劑15的再生。接著，對圖2的(d)所示的操作4進行說明。操作4中，操作2的第一主吸附槽4和第二主吸附槽5的作用相替換，在第一主吸附槽4進行均壓升壓工序，在第二主吸附槽5進行均壓降壓工序，在副吸附槽6進行加壓吸附工序。該操作4中，加壓吸附工序結(jié)束而槽內(nèi)壓力相對較高的第二主吸附槽5內(nèi)的氣體被回收到減壓再生工序結(jié)束而槽內(nèi)壓力相對較低的第一主吸附槽4中，結(jié)果，第二主吸附槽5被減壓，第一主吸附槽4和副吸附槽6被加壓。操作4中，副吸附槽入口閥43b、副吸附槽出口閥44a和均壓閥46打開，其它開關(guān)閥關(guān)閉。由于均壓閥46打開，第二主吸附槽5內(nèi)的氣體從第二主吸附槽5的下游側(cè)通過配管28、34、25導(dǎo)入到第一主吸附槽4的下游側(cè)。[0128]而且，由于在流量調(diào)節(jié)閥47調(diào)節(jié)流量，所以導(dǎo)入到第一主吸附槽4的氣體的大部分不通過配管33，而通過配管34。此外，由于副吸附槽入口閥43b和副吸附槽出口閥44a打開，所以第二主吸附槽5內(nèi)的氣體從第二主吸附槽5的上游側(cè)通過配管24、31、36、副吸附槽6、配管37、32、23導(dǎo)入到第一主吸附槽4的上游側(cè)。于是與操作2 —樣地，由于從第二主吸附槽5的上游側(cè)導(dǎo)出的回收氣體導(dǎo)入到副吸附槽6的上游側(cè)，副吸附槽6內(nèi)被加壓，由填充在副吸附槽6內(nèi)的吸附劑15吸附以減少低純度氮氣中的氧。其結(jié)果，從副吸附槽6的下游側(cè)導(dǎo)出并導(dǎo)入到第一主吸附槽4的上游側(cè)的回收氣體為高純度氮氣，可防止第一主吸附槽4被低純度氮氣污染。通過重復(fù)如上的操作I至操作4，各主吸附槽4、5重復(fù)加壓吸附工序、均壓降壓工序、減壓再生工序和均壓升壓工序，從原料氣體中分離氮氣，可有效地得到制品氮氣?！ざ?，上述實施方式中對以出口閥45a、45b為開關(guān)閥的情況進行了說明，但也可為止回閥，副吸附槽出口閥44a、44b也可為止回閥。此外，也可使用節(jié)流孔、配管(tube)節(jié)流代替流量調(diào)節(jié)閥47進行的流量調(diào)節(jié)法。根據(jù)本實施方式的氮氣制造裝置I和氮氣制造方法，可減少第一主吸附槽4和第二主吸附槽5中填充的吸附劑的量，從而可使裝置小型化。此外，可提高氮氣的回收率，從而也可使氮氣制造裝置省電力化。即，現(xiàn)有的氮氣制造裝置在均壓升壓工序中，向一個吸附槽的上游側(cè)直接導(dǎo)入從另一個吸附槽的上游側(cè)導(dǎo)出的回收氣體。然而，本申請發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，在由加壓吸附工序切換至均壓降壓工序這一時刻，從吸附槽的上游側(cè)導(dǎo)出的氮氣中含有較多的雜質(zhì)氧。因而，本實施方式在均壓升壓工序中，將從一個主吸附槽的上游側(cè)導(dǎo)出的包含較多氧的氮氣導(dǎo)入到副吸附槽6，由填充在副吸附槽6的吸附劑吸附并減少氧之后，導(dǎo)入到另一個主吸附槽的上游側(cè)。由此，在均壓升壓工序中，可防止另一個主吸附槽被污染，其結(jié)果，氮回收率提高的同時，氮產(chǎn)生能力提高，從而可減少填充到各主吸附槽的吸附劑量。通常，氮氣生產(chǎn)率(產(chǎn)生的氮氣量除以PSA裝置使用的吸附劑量的值=能力)和氮回收率為用于評價PSA裝置性能的標準。因此，根據(jù)本實施方式，由于可減少填充到主吸附槽的吸附劑量，因而可以說氮氣生產(chǎn)率優(yōu)異，此外，由于氮回收率也得到提高，所以可以說作為氮氣制造裝置是優(yōu)異的裝置。此外，氮回收率高是指即使在相同的原料氣體量也可分離較多的氮來作為制品。相反，當(dāng)設(shè)為相同的制品氣體量時，可減少原料氣體，可實現(xiàn)空氣壓縮機動力的電力節(jié)省。優(yōu)選本實施方式中填充在副吸附槽6中的吸附劑15相比填充在各主吸附槽4、5中的吸附劑9為氧吸附速度更快的吸附劑。通過使用此吸附劑15，可最佳地發(fā)揮設(shè)置副吸附槽6而從回收氣體中除去氧的效果。不過，即使使用與填充在各主吸附槽4、5中的吸附劑9相同特性的吸附劑，若與未設(shè)置副吸附槽6的情況相比，本實用新型也有足夠的效果。[0144]以上，基于實施方式說明了本實用新型，但本實用新型不限于上述實施方式，顯然，在不脫離其主旨的范圍內(nèi)可進行多種變更。例如，上述實施方式中，說明了第一主吸附槽4和第二主吸附槽5以在上游側(cè)和下游側(cè)被連接來進行均壓升壓工序的情況，但不限于此情況。在用配管連接第一主吸附槽4的中間部(上游側(cè)與下游側(cè)之間的中間位置)和第二主吸附槽5的上游部，形成連接第一主吸附槽4和第二主吸附槽的管道(line)，從而進行均壓升壓工序的情況下，也可發(fā)揮設(shè)置副吸附槽的效果。此外，可在連接第一主吸附槽4的下游側(cè)和第二主吸附槽5的下游側(cè)的管道上設(shè)置副吸附槽6，也可在連接第一主吸附槽4的中間部和第二主吸附槽5的上游部的管道上設(shè)置副吸附槽6。當(dāng)然，由于從各主吸附槽4、5的下游側(cè)導(dǎo)出的氮氣為較高純度，所以即使將該氣 體導(dǎo)入到副吸附槽6吸附氧，也不大會得到效果。對于副吸附槽的再生也不限于使用在此描述的管道。也可為主吸附槽的再生氣體流過副吸附槽的管道結(jié)構(gòu)，在此情況下也不會損害副吸附槽的效果。此外，上述實施方式中，對主吸附槽的數(shù)量為兩個的情況進行了說明，但并未限定吸附槽的數(shù)量。即使為單槽式，當(dāng)設(shè)置均壓槽時，也可在吸附槽和均壓槽的連接管道上設(shè)置副吸附槽。此外，對由原料氣體(空氣)制造氮氣時進行了說明，但并不一定將其限定于原料氣體和制造氣體的組合，可適用于廣泛采用吸附劑從原料氣體中回收易吸附組分和難吸附組分的氣體分離方法。通過實施例說明本實用新型。然而，本實用新型不由以下實施例做任何限定。(實施例I)實施例I中，調(diào)查了有無副吸附槽產(chǎn)生的性能差異。具體地，對使用圖I所示的本實用新型氮氣制造裝置的情況和使用圖7所示的普通氮氣制造裝置的情況的產(chǎn)率(氮氣回收率)和能力(氮氣生產(chǎn)率)進行調(diào)查。本實施例中的副吸附槽使用容積為主吸附槽的1/10的副吸附槽，吸附劑填充了后述的實驗例所示的吸附劑A。各工序的操作條件如下在吸附工序的最高壓力為約0. 7MPaG，加壓吸附工序時間(減壓再生工序時間)為56秒，均壓工序時間為4秒。通常的氮氣制造裝置在均壓工序中的減壓側(cè)和加壓側(cè)幾乎為相同壓力。設(shè)置副吸附槽的本實用新型的氮氣制造裝置中，副吸附槽的壓力在隨著均壓工序開始迅速上升至約0. 5MPaG后，顯示與處于均壓降壓工序的吸附槽的壓力幾乎相等的值的同時下降并結(jié)束均壓工序。均壓工序結(jié)束時，在兩個槽觀察到0. 02至0. 04MPa程度的壓力差。此外，一個主吸附槽進入減壓再生工序時，副吸附槽的壓力與主吸附槽的壓力一起迅速降低至大氣壓。產(chǎn)率通過制品氮氣流量/原料空氣流量求出，能力通過制品氮氣流量/主吸附槽填充吸附劑總量(為兩個主吸附槽填充的吸附劑總量，不包含副吸附槽填充的吸附劑)求出。結(jié)果示于圖3的(a)和圖3的(b)。[0160]縱軸均表示將沒有副吸附槽時的制品氣體中氧濃度在IOOppmV下的產(chǎn)率或能力為I時的相對值。如圖3的(a)和圖3的(b)所示，例如制品氣體中氧濃度為IOOppm(Volume)時，有副吸附槽時，與沒有吸附槽時相比，產(chǎn)率改善了約9. 0%。此外，有副吸附槽時，與沒有吸附槽時相比，能力改善了約8. O %。(實施例2)實施例2中，對于填充在副吸附槽的吸附劑使用吸附速度不同的分子篩活性炭時進行調(diào)查。具體地，使用容積為主吸附槽的1/10的副吸附槽調(diào)查了相比主吸附槽使用的吸附劑使用相同特性的吸附劑時、使用吸附速度快的吸附劑時和使用吸附速度慢的吸附劑時 的產(chǎn)率和能力。結(jié)果示于圖4的(a)和圖4的(b)。而且，為了比較，圖4的(a)和圖4的(b)中也記載了沒有使用副吸附槽的情況。如圖4的(a)和圖4的(b)所示，在比較產(chǎn)率和能力的曲線圖中，例如在制品氣體中的氧濃度為IOOppm時進行比較時，在使用吸附速度比主吸附槽慢的吸附劑的情況下，也與未設(shè)置副吸附槽的情況相比，實驗值位于上方。該傾向隨著吸附速度變快而變得更明顯。(實施例3)實施例3中，調(diào)查了相對于副吸附槽容積的性能。具體地，調(diào)查了副吸附槽的容積為主吸附槽容積的1/5、1/7、1/10、1/20、1/40時的產(chǎn)率和能力。填充于副吸附槽的吸附劑為后述的實驗例所示的吸附劑A。結(jié)果示于圖5。如圖5所示可知，即使副吸附槽為任意一種容積，與沒有副吸附槽時相比，性能也變高。至少可知副吸附槽的容積為主吸附槽容積的四十分之一以上五分之一以下時，性能比沒有副吸附槽時變高，因此優(yōu)選。此外，圖5示出了制品氣體中的氮濃度為99. 99%時的性能，但在氮濃度為99% 99. 999%的范圍內(nèi)，若設(shè)置副吸附槽，同樣得到性能變高的結(jié)果。而且，副吸附槽變大時，會導(dǎo)致設(shè)備費用上升，并且副吸附槽保持的氣體量變大而存在向主吸附槽回收的氣體量減少等不良影響，所以可兼顧考慮這些而選定副吸附槽的尺寸。(實驗例)實驗例中，使用定容式吸附速度測定裝置(日本 >社製 > 〃 一 7° HP30)調(diào)查吸附劑的吸附速度。具體地，將氧氣、氮氣分別與吸附劑接觸，測定隨著時間經(jīng)過的壓力降低。結(jié)果示于圖6。而且，在圖6中，橫軸表示吸附時間，縱軸表示將相對于初期壓力(Ptl)與平衡壓力(Pe)之差的任意時間的壓力(P)與平衡壓力(Pe)之差進行相對化的(P-Pe)/(P0-Pe)。(P-Pe)/(P0-Pe) = I與曲線之差對應(yīng)于各吸附劑的吸附量。即，吸附劑與氣體接觸的時刻(t = 0)，壓力(P)與初期壓力(P。)相等，從而(P-Pe)/(Pq-Pe) = I隨著時間經(jīng)過，吸附量增加，各吸附劑的(P-PeV(Pci-Pe)值緩慢降低，在壓力⑵變成與平衡壓力(Pe)相等的時刻為吸附飽和狀態(tài)，從而(P-Pe) / (P0-Pe) = O。圖6中，由于越是位于左側(cè)的曲線，越在短時間內(nèi)壓力下降，因此表示吸附的速度快。通常，氧的吸附速度與氮的吸附速度表現(xiàn)出相對應(yīng)的吸附特性。即，氧的吸附速度快的吸附劑相對地對氮的吸附速度也快。因此，根據(jù)圖6，吸附劑A為吸附速度最快的吸附劑，接著是吸附劑B、吸附劑C的順序。對于吸附劑A，在圖6中觀察實施例I中記載的加壓工序結(jié)束(自吸附工序開始4秒后)時的吸附量時，氧的吸附量達平衡吸附量的80%強，但氮的吸附量停留在10%強。另一方面，從圖6觀察吸附速度最慢的吸附劑C時，t = 4秒時的氧吸附量為平衡吸附量的20%強，但氮的吸附量幾乎為O。而且，實施例2中的與主吸附槽中填充的吸附劑相比，吸附速度快的吸附劑、相同特性的吸附劑和吸附速度慢的吸附劑分別為本實驗例中的吸附劑A、吸附劑B和吸附劑C。實施例2中表明，設(shè)置副吸附槽會使氮制造裝置的性能變得更高，且在副吸附槽中填充吸附速度快的吸附劑會使本實用新型的效果更好。
·[0180]因此，由實施例2和本實驗例的結(jié)果可推斷如下。即，由于在副吸附槽填充吸附速度快的吸附劑會使設(shè)置副吸附槽的效果更好，如果能得到吸附速度更快、氧氣/氮氣的吸附速度差大到某種程度的吸附劑，則可進一步提高本實用新型的副吸附槽的效果。
權(quán)利要求1.一種氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/40以上1/5以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮氣制造裝置，其特征在于，連接兩個所述主吸附槽的所述管道為連接各所述主吸附槽的上游側(cè)之間的管道或者連接中間部和上游側(cè)的管道。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑的氧吸附速度比填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑的氧吸附速度快。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑為分子篩活性炭。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑為分子篩活性炭。
6.一種氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/20以上1/7以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮氣制造裝置，其特征在于，連接兩個所述主吸附槽的所述管道為連接各所述主吸附槽的上游側(cè)之間的管道或者連接中間部和上游側(cè)的管道。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑的氧吸附速度比填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑的氧吸附速度快。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑為分子篩活性炭。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑為分子篩活性炭。
11.一種氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/20以上1/10以下。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的氮氣制造裝置，其特征在于，連接兩個所述主吸附槽的所述管道為連接各所述主吸附槽的上游側(cè)之間的管道或者連接中間部和上游側(cè)的管道。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑的氧吸附速度比填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑的氧吸附速度快。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑為分子篩活性炭。
15.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑為分子篩活性炭。
16.一種氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/10以上1/7以下。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的氮氣制造裝置，其特征在于，連接兩個所述主吸附槽的所述管道為連接各所述主吸附槽的上游側(cè)之間的管道或者連接中間部和上游側(cè)的管道。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑的氧吸附速度比填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑的氧吸附速度快。
19.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述主吸附槽中的所述第一吸附劑為分子篩活性炭。
20.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的氮氣制造裝置，其特征在于，填充在所述副吸附槽中的所述第二吸附劑為分子篩活性炭。
專利摘要本實用新型提供與以往相比可提高產(chǎn)率和能力，進一步小型化、省電力化的PAS式的氮氣制造裝置。本實用新型提供的氮氣制造裝置，用于通過變壓吸附方式由原料氣體制造氮的氮氣制造裝置，其特征在于，包括壓縮機，對原料氣體加壓；兩個主吸附槽，填充有第一吸附劑；和副吸附槽，設(shè)置于連接兩個所述主吸附槽之間的管道上，填充有用于降低氣體中的氧濃度的第二吸附劑，所述副吸附槽的容積為所述主吸附槽的容積的1/40以上1/5以下。
文檔編號B01D53/04GK202569898SQ20122010425
公開日2012年12月5日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者國分磨希也, 坂本英久 申請人:大陽日酸株式會社