混合气体的分离方法、以及氮气分离装置和氮气消费系统的制作方法

专利名称：混合气体的分离方法、以及氮气分离装置和氮气消费系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混合气体的分离方法、以及氮气分离装置和氮气消费系统。更详细地说，涉及一种在加压下，将以氮气为主要成分的原料气体供给填充有分子筛碳的2台或以上的吸附塔中的一台，使高压吸附和低压再生在各个吸附塔中交替地重复进行，氮气作为产品气体分离出的混合气体的分离方法中，它是吸附塔的低压再生步骤按照使包含吸附塔内的气体向大气排气和以产品气体对吸附塔内进行清洗的步骤占99～20％，和包含封闭吸附塔，只打开进行经产品气体的吸附塔内清洗的管线而预升压的步骤占1～80％而构成的混合气体分离方法，检测进行高压吸附的吸附塔出口氧气浓度，根据其氧气浓度设定值，使低压再生自动改变，经济而有效的混合气体的分离方法，以及氮气分离装置和氮气系统。
背景技术：
近年来，在金属处理、半导体制造、化学工业中的密封气体等各种领域，氮气的需求量增大，作为该氮气制造方法，大多采用压力回转吸附法(以下简称PSA法)，使用分子筛碳等碳多孔体，从加压空气中分离氮气。所谓PSA法，是在原料气体为空气时，使用通常2台或以上的填充有分子筛碳的吸附塔，向一个吸附塔中供给加压空气进行氧气吸附，以氮气作为产品气体取出，同时在其它吸附塔中进行解吸，使氧气的吸附和解吸在多个吸附塔之间交替地重复进行，利用氧气和氮气的吸附速度之差，连续地制备氮气的方法。
特别是最近，利用PSA的氮气的新型应用领域正在扩大，印刷电路板上软钎焊焊接电子部件原来在大气中进行，现在正在研究在氮气气氛下进行。在氮气气氛下进行软钎焊焊接，其优点是使用无铅软焊料也可以防止印刷电路板或软焊料的氧化，但要求利用PSA稳定地制造、供给氮气。
根据图2说明，使用2台吸附塔，通过PSA法分离空气等以氮气为主要成分的混合气体，得到氮气产品的现有的方法。首先，从原料气供给管1导入空气等以氮气为主要成分的原料气体，利用压缩机2进行压缩，通过冷却器3导入吸附塔4或5。在各吸附塔中填充有分子筛碳，一个吸附塔吸附时，另外一个吸附塔正在解吸(再生)。
即，在利用吸附塔4进行吸附时，阀7、11和12为打开状态，阀8、9、10、13和14为关闭状态。另外，再生中的吸附塔使吸附中的吸附塔生成的氮气通过小孔15，清洗(冲洗)吸附塔。通过所述氮气冲洗，因为可以更加有效地实施PSA法而被广泛采用，如后所述，有时也将产品储槽6的氮气供给吸附塔(例如专利文献1、2)。
专利文献1特开平1-94915号公报专利文献2特开平3-207420号公报经过所定的时间之后，阀8、10和13成打开状态，阀7、9、12和14成关闭状态，吸附塔5进行吸附，吸附塔4解吸，使上述操作反复进行，制造氮气作为产品气体。
这些阀按照定时器设定的时间，逐次进行自动切换，制造的氮气储藏在产品储槽6中，经过流量测定装置17，从产品气体取出管19取出，然后消费。16是测定产品气体纯度用的氧气浓度计。吸附在分子筛碳上的气体(氧气)的解吸利用减压或大气压下进行，阀8或11在打开的状态时，使吸附在分子筛碳上的气体解吸，解吸气体由排气管18排气。
可是，在实际情况下，氮气的使用量不一定确定，有时会间歇使用，即使不间歇使用，使用量随时间也大多有变动。另外，对于1台氮气制造装置，多数情况下和多台氮气消费单元配合使用，使用量通常会变化。例如专利文献3中公开了使用特定的吸附材料的PSA装置和向自动软钎焊焊接装置内的装配，但是对于解决使用量变动问题完全没有涉及。作为缓和这种变动的对策，通常采取在具有平均使用量左右的能力的氮气制造装置中，设置大规模的氮气储槽来吸收变动，或通过液氮等其它的气源补充与固定使用量对应的能力的该装置和变动时的不足部分等的方法。
专利文献3特开平10-5522号公报但是，设置大规模的氮气储槽，将相应地大幅度地增大设备费用，包括设置面积，另外，根据氮气使用量的变动幅度，做成的氮气储槽体积庞大，在多数情况下在现实中不可能实现。另外，变动时的不足部分依赖于其它气体源的方法，不仅使工艺复杂化、气体源的补给等而产生的设备费增加，而且也消弱了本装置按无人操作方式供给廉价气体的优点。
另外，在所设置的该装置可以对应最大使用量时，即使氮气的使用量减少，吸附在分子筛碳上的气体量也几乎不变，因而使用的原料气体量的减少很小，所需动力的减少也很小。这可以从下面例子中容易理解，例如，将产品氮气的纯度设为一定值，原料气的供给量为350，产品氮气的使用量为100，伴随吸附塔切换的排气量为250而进行运转时，即使产品氮气的使用量减半至50，由于排气量恒定，原料气体供给量为300，充其量仅减少10％多。另外，在减少了氮气的使用量时，氮气的纯度进一步提高，制备需要以上的过剩纯度不仅在应用上几乎没有意义，而且在不同情况下，有时会带来不好的影响。能量方面也是浪费。
解决这种问题的方法，已知是在有效地控制PSA方式的同时，进行气体分离的方法(专利文献4、5)。在此所述的方法是按照生成物气体达到一定量时就进行下一步操作这样设置的方法，但是，这些方法都是只在使用泡沸石系等作为吸附材料，利用气相中的平衡吸附进行分离时可以实施；在实施PSA法时，在使用分子筛碳，利用吸附速度的差进行气体分离时，吸附量、分离能力随时间变化，不适用。
专利文献4特开昭54-16375号公报。
专利文献5特开昭60-193520号公报。
另外，已知有与使用分子筛碳的PSA的控制有关的方法(专利文献6)。该文献公开的方法是检测从产品氮气储槽出来的产品氮气中的氧气浓度，确定吸附塔中的吸解吸切换周期(下面有时称为半周期时间)的方法，但是在该方法中，由于将吸附塔出来的氮气一旦储存在产品氮气储槽中，就不能对应急剧流量变动带来的氧气浓度的变化。
专利文献6特公平4-69085号公报。
也有检测来自吸附塔的氮气中的氧气浓度，确定吸附塔的切换时间的方法(专利文献7)。但是利用该方法尽管可以使残存的氧气浓度保持稳定，由于导致原料气体量的增加，能量方面存在问题。并且，该方法由于是在达到设定的氧气浓度时切换吸附塔，在吸附材料劣化的情况，或者要发挥出能力的100％或以上时，切换周期会越来越短，必要的原料气体量会渐增加。而且在加压原料气体的压缩机等能力不足的情况下，切换周期一旦缩短，吸附塔的达到压力则下降，因而吸附材料的分离效率恶化，有时将不能制造产品气体。
专利文献7特开2000-42339号公报。

发明内容
另外，现有减量运转控制方法(专利文献8)，采用以吸附剂上吸附的气体作为产品气体的PSA方法，根据产品气体的取出量可以自动改变吸附塔的切换阀的切换周期，降低电消耗量。这里公开的减量运转控制方法是一种节约能量的方法，被认为有用。
专利文献8特许2872678号公报但是，利用该方法由于不能保持残存氧气浓度恒定，所以产品氮气纯度容易过高。因而本发明的目的在于提供一种能够使产品氮气的纯度稳定，同时可以稳定地供给产品氮气，通过经济有效地利用PSA方式进行的混合气体的分离方法、以及氮气分离装置和氮气消费系统。
本发明者发现，一种利用PSA方式进行的混合气体的分离方法中，使吸附塔的低压再生步骤按照使包含吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内进行清洗的步骤占97～20％，和包含封闭吸附塔，只打开进行通过产品气体对吸附塔内清洗的管线而预升压的步骤占3～80％而构成的混合气体的分离方法，在此之前已经申请了专利(专利文献9)。
专利文献9特开2002-159820该混合气体的分离方法提供一种经济有效的PSA方式，但是，本发明者为开发更加优良的混合气体的分离方法进行了反复详细地研究，结果发现，着眼于根据产品气体的取出量而吸附塔的氧气浓度发生变化，通过根据吸附塔的出口氧气浓度的设定值，使吸附塔的切换周期自动地改变，可以实施非常良好的混合气体分离方法，直至完成本发明。在PSA方式中，将吸附塔的低压再生步骤，分割成包含吸附塔内的气体向大气排气和通过产品气体对吸附塔内进行清洗的步骤(步骤A)；和包含封闭吸附塔，通过产品气体对吸附塔内进行清洗的步骤(步骤B)，通过应用根据吸附塔的出口氧气浓度使吸附塔的切换周期自动改变的方式，由此可以达到更加优良的PSA方式，这是从现有技术中不容易想到的惊人效果。
即，本发明的第1方面提供一种混合气体的分离方法，在加压下，将以氮气为主要成分的原料气体供给至填充有分子筛碳的至少2台吸附塔中的一台，进行高压吸附，吸附结束后的吸附塔进行低压再生，在各个吸附塔中交替地重复进行高压吸附和低压再生，将氮气作为产品气体分离出的混合气体的分离方法中，其特征在于，它是吸附塔的低压再生步骤按使包含吸附塔内的气体向大气排气和产品气体对吸附塔内进行清洗的步骤占99～20％，和包含封闭吸附塔，只打开进行通过产品气体对吸附塔内清洗的管线而预升压的步骤占1～80％而构成的混合气体分离方法，检测进行高压吸附的吸附塔的出口氧气浓度，根据其氧气浓度设定值，使低压再生自动变化。
本发明的第2方面是一种使用了该混合气体的分离方法的氮气分离装置。另外，本发明的第3方面是一种组合了所述的氮气分离装置和氮气消费单元的氮气消费系统。
本发明通过根据吸附塔的出口氧气浓度设定值，使低压再生进行自动变化，可以提供一种经济有效的分离混合气体的方法。利用本发明的方法，由于消费的原料气体量减少，可以实施经济有效的PSA方式。另外，由于可以避免产品出现过剩的纯度，对氮气消费设备的影响少，所以具有大的产业应用性。
发明实施方式在本发明的混合气体分离方法中，吸附塔中填充有分子筛碳。分子筛碳是一种存在3～5的超微孔，以细孔径一致的木炭、煤、焦炭、椰子壳、树脂、沥青等为原料，在高温进行碳化制造的木质系、煤系、树脂系、沥青系等碳质材料经细孔调整的气体用吸附材料。
使用所述分子筛碳，采用PSA法，可以从以氮气为主要成分的混合气体中分离氮气作为产品气体。在本发明的混合气体的分离方法中，在至少2台吸附塔中填充分子筛碳，在加压下向吸附塔中的一台供给以氮气为主成分的原料气体，进行高压吸附，吸附结束后的吸附塔在低压进行解吸，在各个吸附塔交替地重复进行高压吸附和低压再生，使氮气作为产品气体分离。
本发明使用的原料气体是一种以氮气为主要成分的气体，所述原料气体的具体实例中普通的有空气，但是只要是以氮气为主要成分，可以利用PSA方式实施的气体，即使含有二氧化碳等其它的气体也无妨。其中所述主成分是指50体积％或以上。
如前所述，现有的填充分子筛碳的PSA方式中以产品气体的取出量一定为基础，即使产品气体的取出量减少，所需动力的减少也很小。在产品气体的取出量减少时，在最佳的所需动力下经济有效地控制PSA方式，称为调低(turndown)控制，本发明涉及一种所述的调低控制的改进。首先，说明对经常以一定的纯度取出氮气时的取出量和半周期时间的关系。
图3是表示产品氮气流量(Nm3/h)和半周期时间(秒)的关系的一个实例。例如以半周期时间为60秒，以100Nm3/h取出产品氮气纯度99.99％(氧气浓度100ppm)的氮气时，当半周期时间延长为120秒时，则得到相同纯度的氮气为约60Nm3/h。这时吸附塔出口的氧气浓度随时间如图4所示进行变化。本发明的最为特征之处在于，着眼于该吸附塔的出口中的氧气浓度的变化，在达到设定的氧气浓度时切换吸附塔，使半周期时间自动地变化，这样可以更加有效地进行调低。
另外，分子筛碳随时间的经过，有吸附性能大幅度地改变的特性，取出的产品氮气量在半周期时间内大幅度地变动时，有时氮气纯度一时地降低。因而利用流量检测装置检测氮气流量的瞬时值，检测半周期时间内的最高瞬时值，确定半周期时间。另外，检测半周期时间中新的最高值，经过对应该瞬时值的半周期时间时，立刻结束吸附步骤或解吸步骤，转入下一步骤。这样通过进行根据氮气流量的瞬时值和半周期时间的控制，可以不降低氮气纯度，连续运转。作为原料气体使用空气而分离氮气的情况下，使用图1更加具体地说明本发明。
图1是在前面图2说明的现有的PSA方式中，在吸附塔出口新设氧气浓度计20，使用流量计等流量检测装置调低产品气体流量的一个实例。空气等原料气体利用压缩机2从原料气体供给管1加压，利用冷却器3冷却至常温左右后，通过阀7进入吸附塔4，利用填充的分子筛碳，分离成容易吸附的氧气、二氧化碳气体等和难以吸附的氮气等，分离的氮气经由阀12，一旦储存在产品储槽6中之后，就可以进行消费。
在本发明的混合气体的分离方法中，吸附塔的低压再生步骤按以下构成使包含吸附塔内的气体向大气排气和产品气体对吸附塔内进行清洗的步骤占99～20％，和包含封闭吸附塔，只打开进行通过产品气体对吸附塔内清洗的管线预升压的步骤占1～80％。
通常，在PSA方式的再生步骤中，为了使吸附塔内的原料气体向大气排气和清洗吸附塔内的气体放出接连，排气管18、排气阀8或11就那么开放着。本发明将该排气管18、排气阀8或11的开放时间缩短在占再生步骤的99～20％的范围内(步骤A)，将剩余的1～80％作为不放出清洗吸附塔内的气体，而使吸附塔升压的预升压步骤(步骤B)。也就是，在步骤B中，只将进行产品气体对吸附塔内清洗的管(相当于图1中具有小孔15的管路)置于开放状态。这样通过设定控时，实施PSA法，由此可以不降低氮气纯度而提高产品气体的收率。
图5是2台吸附塔的情况下，各个吸附塔的操作流程。图5中，对以原料气体为空气时的第1吸附塔的操作进行说明。在第1吸附塔4为吸附状态时，利用压缩机2加压的空气通过冷却器3，通过阀7供给至第1吸附塔4。在此吸附氧气，氮气通过阀12，作为产品储存在产品储槽6中。阀10、9、14、13处于关闭的状态，阀7、12处于开放的状态。阀11从开放的状态变成关闭的状态。另外，来自孔15的产品氮气流入第2吸附塔5，冲洗吸附塔内。
然后，打开阀14和9，使第1和第2吸附塔连通，进行两吸附塔的均压。通过该步骤回收加压空气，在图5中记成回收。之后，第1吸附塔进行再生。在第1吸附塔的再生步骤中，在步骤A中，阀7、9、14、12、11处于关闭的状态，阀10、13、8处于开放的状态。然后，来自孔15的产品氮气流入第1吸附塔4中，冲洗吸附塔内。在步骤B中，关闭阀8。然后打开阀14和9，连通第1和第2吸附塔，两吸附塔进行均压。以后定期地重复该操作，连续地制造氮气。
图6是表示以上操作中的各吸附塔内的压力变化的线图，图7是表示使吸附塔的低压再生步骤不由包括吸附塔内的气体向大气排气和产品气体对吸附塔内进行清洗的步骤，和包含封闭吸附塔，产品气体对吸附塔内清洗的步骤而构成的现有方式的吸附塔内的压力变化的线图。正如图6和图7说明的，在一个吸附塔从吸附步骤转换至再生步骤时，另外一个吸附塔利用预升压提高吸附塔的压力，因而可以缩短加压空气的回收时间。特别是在大型装置中，由于使产生原料气的加压空气的空气压缩机在无负荷状态下运转的时间减少，经常发现提高产品气体收率的效果。
另外，通过进行预升压提高吸附压力，在产品氮气纯度提高的同时，氮气贮槽的压力也升高，所以产品气的供给压力也可能提高。
在本发明的混合气体的分离方法中，吸附塔的出口处的氧气浓度用氧气浓度计20不断地进行检测，根据氧气浓度的设定值，使低压再生自动地变化。实际上，使其从氧气浓度计20输出直接信号，或者从取得氧气浓度计信号的仪器输出达到设定值的信号，将输出的信号输入控制阀切换的定序器等，进行再生步骤和吸附步骤的切换。在吸附塔的出口处进行的氧气浓度测定，考虑成本、应答时间延迟减少的方面，优选在阀12和13汇合的管路中等多个吸附塔的出口管路汇合的部位进行。
在本发明的混合气体的分离方法中，检测吸附塔的出口处的氧气浓度，根据氧气浓度的设定值使低压再生自动地变化，但是，发生急剧流量变动时，不仅根据吸附塔的出口氧气浓度进行控制，而且综合了借助产品气体流量进行控制，是有效的。
解吸结束的吸附塔在进行吸附前，利用氮气进行冲洗。清洗可以如图2所说明的，通过孔而使用吸附塔出口的氮气，但优选如图8所示，通过质流控制器等清洗气体流量检测装置21和三通阀22使用来自产品储槽6的氮气而进行，能够适当变更冲洗气体量。
消费的氮气气体量利用流量检测装置17不断地检测瞬时值，进行测定。考虑成本方面，优选使用流量计作为检测流量装置。在本发明的混合气体的分离方法中，产品氮气量利用流量计等流量检测装置进行测定，根据该产品气体的量，自动变化低压再生步骤中的产品气体对吸附塔内进行的清洗量，从更加节能效果方面优选。再生步骤中，应用于吸附塔内清洗的产品气体的流量过少，清洗度不够，导致再生不良，反之，过多则能量浪费，因而优选设定每1台吸附塔的吸附剂填充量为10～100％/分。
为了使产品气体对吸附塔内进行的清洗量(冲洗气体量)不分级自动变化，可以使用上述的质流控制器等检测冲洗气体量，根据流量计检测的产品气体的流量，使质流控制器等进行动作，改变清洗量。改变清洗气体量，除使用质流控制器的方法之外，也可以利用如下方法，使用活门和孔，设置多根清洗管，根据产品气体量开关该清洗管的活门。
检测在氧气浓度计20上预先设定的氧气浓度，以半周期为终结，首先使阀11处于关闭的状态。期间，利用孔15使吸附塔4和5连接，进行经清洗气体的预升压。然后阀7和12形成关闭状态，在阀9和14一旦形成开放而进行均匀步骤之后，阀10和13处于开放状态，解吸操作终结的吸附塔5进行吸附操作。另外，吸附终结的吸附塔4通过打开阀8减压至大气压左右，使吸附于分子筛碳的氧气等气体解吸，进行解吸操作。
在进行调低时，固定半周期时间不变的场合下，和根据氧气浓度使半周期时间变动的场合下比较所需动力时，本发明的效果更加明显。图9是表示产品氮气气体流量(Nm3/h)和消耗电力(kWH)关系的图，例如在使产品流量从64Nm3/hr降低至30Nm3/hr时，利用本发明的方法可知消耗电力约减少37％。另外图10是表示产品氮气气体中的氧气浓度和产品氮气流量关系的图。固定半周期时间不变，改变流量，则氧气浓度显著地变化，与此相对，利用本发明的方法几乎没有变化。
本发明的混合气体的分离方法中，当该产品气体的发生能力100％运转时，使用使该吸附塔的切换周期为30秒～120秒的分子筛碳，优选100％运转时切换周期为30秒或以上。产品气体的发生能力按100％运转时，从成本和能量方面考虑优选使用使吸附塔的切换周期为30秒～120秒的分子筛碳，例如适合于吸附塔切换周期为60秒、100秒、120秒的クラレケミカル株式会社制的商品名1.5GN-H、1.5GN-S、2GN等。
图11是设置多台压缩机的情况的例子。为了使原料气体的空气处于加压状态，使用多台压缩机2～2″进行时，利用质量流量计检测的氮气使用量比某量低时，据此停止例如1台压缩机，用2台压缩机进行空气加压。在作为原料气体的加压空气使用量减少时，即使是压力调整器式的，也需要20～30％程度的电量。为此预先设置多台压缩机，根据使用空气量的减少，利用压力调整器使压缩机成为无负荷状态，或通过减少压缩机的运转台数，可以测定所需动力的减少。而且作为压缩机，使用将直流电流变换成交流电流的，即逆变控制的压缩机，更能发挥节能的效果，优选使用。
本发明的混合气体的分离方法优选用于氮气分离装置，该氮气分离装置和氮气气体消费单元配合，优选用作氮气气体消费系统使用。氮气气体消费系统，可以是氮气气体分离装置1台，氮气气体消费单元1台或多台，也可以是氮气气体分离装置多台，氮气气体消费装置多台，都优选使用。将这些实施形态模块式地表示于图12和图13中。所述的氮气气体消费系统优选作为自动软钎焊焊接装置使用。
图14是作为氮气气体消费单元，设置多台自动软钎焊焊接装置情况的例子。自动软钎焊焊接装置本身是公知的，但是如本发明，设置多个自动软钎焊焊接装置时，即使自动软钎焊焊接装置的运转台数变动，其产品氮气气体纯度的变动也非常小。下面利用实施例更加具体地说明本发明。
实施例1使用填充有クラレケミカル株式会社制的椰子壳系分子筛碳1.5GN-H的クラレケミカル株式会社制PSA单元RK-22i(吸附剂体积0.248m3/塔)，和组合了コベルコ制逆变压缩机VS410AD-H的PSA分离装置，设定氮气纯度99.99％(氧气浓度100ppm)。吸附塔的出口氧气浓度的测定如图1所示在出口管路汇合的部位，使用フジクラ株式会社制的氧气浓度计。另外再生步骤中的清洗量为吸附剂量的30％/分。
本装置的氮气纯度99.99％时的100％运转能力为30Nm3/hr，使用的分子筛碳的切换周期大约为60秒。运转本装置，在吸附压力0.8MPa下以30Nm3/hr得到纯度99.99％的氮气气体。其中再生步骤为，包含吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内的清洗的步骤A为60秒(98％)，包含预升压的步骤B为1秒(2％弱)，消耗电力为26kWH。
实施例2除将氮气气体设定为15Nm3/hr运转之外，其它和实施例1相同进行操作，稳定地得到纯度99.99％的氮气。这时的半周期时间大约为150秒。其中再生步骤为，包含吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内的清洗的步骤A为60秒(40％)，包含预升压的步骤B为90秒(60％)，消耗电力为17kWH，大幅降低。
实施例3除利用流量计测定产品气体的量，为改变清洗量而准备2根清洗量为吸附材料量的15％/分的清洗管，在氮气气体一变成15Nm3/hr以下，就变成1根清洗管的方式进行控制而运转外，其它和实施例2进行相同操作，半周期时间大约为160秒。其中再生步骤为，包含吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内的清洗的步骤A为60秒(38％)，包含预升压的步骤B为100秒(62％)，消耗电力为16kWH，进一步减少。
实施例4除将氮气气体设定为10Nm3/hr运转之外，其它和实施例1进行相同操作，稳定地得到纯度99.99％的氮气。这时的半周期时间大约为300秒。其中再生步骤为，包含吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内的清洗的步骤A为60秒(20％)，包含预升压的步骤B为240秒(80％)，消耗电力为15kWH。
实施例5除将氮气气体设定为25Nm3/hr运转之外，其它和实施例1进行相同操作，半周期时间大约为75秒。其中再生步骤为，包含吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内的清洗的步骤A为70秒(93％)，包含预升压的步骤B为5秒(7％弱)，消耗电力为23kWH。
比较例1除将氮气气体设定为0Nm3/hr运转之外，其它和实施例1进行相同操作，半周期时间大约为600秒。其中再生步骤为，包含吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内的清洗的步骤A为60秒(10％)，包含预升压的步骤B为540秒(90％)，消费电力减少为13kWH，但是，在该条件下从0开始增加产品气体量时，产品气体的纯度许久不稳定。
比较例2使用填充有クラレケミカル株式会社制的椰子壳系分子筛碳1.5GN-H的クラレケミカル株式会社制PSA单元RK-22，和组合有コベルコ制压缩机SG370AD-H的PSA分离装置，根据产品气体的取出量，自动改变吸附塔的切换周期进行运转时，在吸附压力0.8MPa下，以30Nm3/hr得到纯度99.99％的氮气。在将氮气设定为10Nm3/hr进行运转时，氮气的纯度为99.99％以上，品质过高，考虑到成本，这不一定是理想的结果。氮气气体量为30Nm3/hr和10Nm3/hr时的消耗电力分别为26kWH、22kWH。
比较例3和实施例1使用相同的装置，只用步骤A(不进行预升压)将氮气气体设定为15Nm3/hr而运转，由此实施再生步骤。半周期时间大约为150秒，消费电力为17kWH。但是产品气体纯度为99.99％以上，质量过高，考虑到成本不一定是理想的结果。
实施例6除使用具有填充有クラレケミカル株式会社制的椰子壳系分子筛碳1.5GN-S的吸附塔(吸附剂体积0.358m3/塔)的クラレケミカル株式会社制PSA单元，和组合有コベルコ制逆变式压缩机VS410AD-H的PSA分离装置之外，其它和实施例1进行相同的操作。本装置的氮气纯度99.99％时的100％运转能力为30Nm3/hr，使用的分子筛碳的切换周期大约为100秒。运转本装置，在吸附压力0.8MPa下，以30Nm3/hr得到纯度99.99％的氮气。其中再生步骤为，吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内的清洗构成的步骤A为100秒(99％)，预升压构成的步骤B为1秒(1％)，消费电力为25kWH。
实施例7除使用具有填充有クラレケミカル株式会社制的椰子壳系分子筛碳2GN的吸附塔(吸附剂体积0.446m3/塔)的クラレケミカル株式会社制PSA单元，和组合了コベルコ制逆变式压缩机VS410AD-H的PSA分离装置之外，其它和实施例1进行相同的操作。本装置的氮气纯度99.99％时的100％运转能力为30Nm3/hr，使用的分子筛碳的切换周期大约为120秒。运转本装置，在吸附压力0.8MPa下，以30Nm3/hr得到纯度99.99％的氮气。其中再生步骤为，吸附塔内的气体向大气的排气和产品气体对吸附塔内的清洗构成的步骤A为118秒(98％)，预升压构成的步骤B为2秒(2％)，消费电力为26kWH。
实施例8对实施例1的氮气分离装置，连接2台每1台消费15Nm3/hr的氮气气体的氮气消费单元，进行运转，除此之外和实施例1进行相同的操作，氮气气体消费装置的运转数无论为1台时或2台时，都可以供给纯度稳定的氮气气体。
实施例9实施例1的氮气分离装置2台和每1台消费15Nm3/hr的氮气气体的氮气消费单元4台进行连接，进行运转，除此之外和实施例1进行相同的操作，即使在氮气气体消费单元的运转数变动的情况下，也可以供给纯度稳定的氮气气体。
实施例10对实施例1的氮气分离装置，连接2台每1台消费15Nm3/hr的氮气气体的自动软钎焊焊接装置，进行运转，除此之外，其它和实施例7进行相同的操作，无论自动软钎焊焊接装置的运转数为1台的情况下还是2台的情况下，都可以供给纯度稳定的氮气气体。另外软钎焊焊接产品的质量稳定，在产品的质量方面没有发现问题。
产业上利用的可能性利用本发明，可以根据吸附塔出口的氧气浓度设定值，自动地改变低压再生，提供经济有效地分离混合气体的方法。本发明的方法由于消费的原料气体量减少，可以经济有效地实施PSA方式，优选应用于金属的热处理、半导体制造等，特别是自动软钎焊焊接装置。


图1是本发明的PSA装置流程的一个例子。
图2是现有的PSA装置的流程。
图3是表示半周期时间和产品氮气气体流量关系的图。
图4是表示吸附塔出口氧气浓度变化的图。
图5是表示2台吸附塔时的吸附塔的操作流程。
图6是表示按本发明的吸附塔的压力变化的线图。
图7是表示按现有的PSA方式的吸附塔的压力变化的线图。
图8是表示清洗的另外方案的流程。
图9是表示产品氮气气体流量和消耗电力的关系的图。
图10是表示产品氮气流量和产品氮气气体中的氧气浓度的关系的图。
图11是设置多台压缩机的流程的一个例子。
图12是1台氮气气体分离装置，多台氮气气体消费单元构成的氮气气体消费系统的模块图。
图13是多台氮气气体分离装置，多台氮气气体消费装置构成的氮气气体消费系统的模块图。
图14是设置多台自动软钎焊焊接装置作为氮气气体消费装置的流程的一个例子。
符号说明1原料气供给管2压缩机2′压缩机2′压缩机3冷却器4吸附塔5吸附塔6产品储槽7～14阀15孔15′孔16氧气浓度计17流量测定装置18排气管19产品气体取出管20氧气浓度计21清洗气体流量检测装置22三通阀23～24阀
权利要求
1.一种混合气体的分离方法，其特征是，在加压下，将以氮气为主要成分的原料气体供给至填充有分子筛碳的至少2台吸附塔中的1台，进行高压吸附，吸附结束后的吸附塔进行低压再生，在各个吸附塔中交替地重复进行高压吸附和低压再生，将氮气作为产品气体分离的混合气体的分离方法中，它是吸附塔的低压再生步骤按照使包含吸附塔内的气体向大气排气和通过产品气体对吸附塔内进行清洗的步骤占99～20％，和包含封闭吸附塔、只打开进行通过产品气体对吸附塔内清洗的管线的预升压的步骤占1～80％而构成的混合气体分离方法，检测进行高压吸附的吸附塔的出口氧气浓度，根据其氧气浓度的设定值，使低压再生自动变化。
2.如权利要求1记载的混合气体的分离方法，其中该出口氧气浓度的测定在多个吸附塔的出口管路汇合的部位进行。
3.如权利要求1或2记载的混合气体的分离方法，其中该产品气体的量利用流量计测定，根据该产品气体的量，自动变化低压再生步骤中通过产品气体的吸附塔内的清洗量。
4.如权利要求1～3任何一项记载的混合气体的分离方法，其中使用了使得在该产品气体的发生能力为100％运转时，该吸附塔的切换周期为30秒～120秒的分子筛碳，而且在100％运转时的切换周期为30秒或以上。
5.如权利要求1～4任何一项记载的混合气体的分离方法，其中，加压该原料气体的压缩机是一种逆变控制的压缩机，根据产品气体的取出量使该压缩机的开工率自动地变化。
6.使用权利要求1～5记载的混合气体的分离方法的氮气分离装置。
7.将权利要求6所述的氮气分离装置和氮气消费单元相组合的氮气消费系统。
8.如权利要求7记载的氮气消费系统，其中，该氮气分离装置为1台，该氮气消费单元为1台或多台。
9.如权利要求7记载的氮气消费系统，其中，该氮气分离装置为多台，该氮气消费单元为多台。
10.如权利要求7～9任何一项记载的氮气消费系统，其中，该氮气消费单元为自动软钎焊焊接装置。
全文摘要
提供一种使产品氮气的纯度稳定化，利用可更为经济有效地进行的PSA方式进行混合气体分离的方法、以及氮气分离装置和氮气消费系统。使吸附塔的低压再生步骤按照使包括吸附塔内的气体向大气排气和产品气体对吸附塔内进行清洗构成的步骤占99～20％，和包含封闭吸附塔，只有进行通过产品气体对吸附塔内清洗的管线开放的预升压的步骤占1～80％而构成，检测进行高压吸附的吸附塔出口氧气浓度，根据其氧气浓度的设定值，使低压再生自动改变，利用该混合气体的分离方法可以解决上述课题。
文档编号B01D53/047GK1660468SQ20041005956
公开日2005年8月31日 申请日期2004年5月31日 优先权日2004年2月27日
发明者猪木博文 申请人:可乐丽化学株式会社