(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の層の吸着剤材料を中に有する複数の容器と、
それぞれが第１の弁を備える第１の導管を経由して前記複数の容器と連通する供給ガス管路と、
それぞれが第２の弁を備える第２の導管を経由して前記複数の容器と連通する廃棄管路と、
それぞれが第３の弁を備える第３の導管を経由して前記複数の容器と連通する生産管路と、
それぞれが第４の弁を備える第４の導管を経由して前記複数の容器と連通する並列管路と、
前記並列管路の内部の圧力を測定するように構成される第１の圧力測定装置と、
ＰＳＡサイクルが行われている間、前記第１の圧力測定装置によって測定される圧力を監視するように構成される制御装置と、を備える圧力スウィング吸着（ＰＳＡ）システムであって、更に、
前記生産管路の内部の圧力を計測するために設けられた第２の圧力測定装置を備え、
前記ＰＳＡシステムの内部でＰＳＡサイクルが行われている間に、前記第２の圧力測定装置によって測定される圧力を監視するように前記制御装置が構成され、更に、
それぞれが第５の弁を備える第５の導管を経由して前記複数の容器と連通するパージ管路と、
前記パージ管路の内部の圧力を計測するために設けられた第３の圧力測定装置と、
を備え、
前記並列管路は均一化管路であり、
前記ＰＳＡシステムの内部でＰＳＡサイクルが行われている間に、前記第３の圧力測定装置によって測定される圧力を監視するように前記制御装置が構成され、
前記第１の圧力測定装置、前記第２の圧力測定装置及び前記第３の圧力装置によって測定される圧力のみを用いて、前記ＰＳＡシステムの内部で行われるＰＳＡサイクルを監視するように前記制御装置が構成される
ことを特徴とするＰＳＡシステム。
【請求項２】
ＰＳＡサイクルの間で前記複数の吸着剤容器が１段階以上の圧力均一化段階を用いて操作を行う時に、前記ＰＳＡシステムを監視するように前記制御装置が構成される請求項１に記載のＰＳＡシステム。
【請求項３】
さらに前記廃棄管路と連通する廃棄サージタンクを備える請求項１に記載のＰＳＡシステム。
【請求項４】
前記第２の圧力測定装置によって前記パージ管路の内部で測定される圧力を用いて、前記廃棄サージタンクからの排出を制御するように前記制御装置が構成される請求項３に記載のＰＳＡシステム。
【請求項５】
さらに前記廃棄サージタンクの内部の圧力を測定するように構成される圧力測定装置を備え、
前記廃棄サージタンクの内部で測定される圧力を用いて、前記廃棄サージタンクからの排出を制御するように前記制御装置が構成される請求項３に記載のＰＳＡシステム。
【請求項６】
前記複数の容器には４の容器が含まれる請求項１に記載のＰＳＡシステム。
【請求項７】
前記複数の容器には７以上の容器が含まれる請求項１に記載のＰＳＡシステム。
【請求項８】
前記第１の圧力測定装置は圧力スイッチである請求項１に記載のＰＳＡシステム。
【請求項９】
前記第１の圧力測定装置は圧力変換器である請求項１に記載のＰＳＡシステム。
【請求項１０】
１以上の層の吸着剤材料を中に有する複数の容器と、それぞれが第１の弁を備える第１の導管を経由して前記複数の容器と連通する供給ガス管路と、それぞれが第２の弁を備える第２の導管を経由して前記複数の容器と連通する廃棄管路と、それぞれが第３の弁を備える第３の導管を経由して前記複数の容器と連通する生産管路と、それぞれが第４の弁を備える第４の導管を経由して前記複数の容器と連通する並列管路と、を含む圧力スウィング吸着（ＰＳＡ）システムを監視する方法であって、
前記複数の容器を用いてＰＳＡサイクルを行う工程と、
ＰＳＡサイクルの間に少なくとも前記並列管路の内部の圧力を測定する工程と、
前記並列管路の内部で測定される圧力を用いてＰＳＡサイクルの実施を監視する工程と、  を備え、更に、
ＰＳＡサイクルの間に前記生産管路の内部の圧力を測定する工程を備え、前記ＰＳＡサイクルの実施を監視する前記工程に前記生産管路の内部で測定される圧力を用いる工程が含まれ、更に、
ＰＳＡサイクルの間に前記ＰＳＡシステムのパージ管路の圧力を測定する工程を備え、前記パージ管路はそれぞれが第５の弁を備える第５の導管を経由して前記複数の容器と連通し、
前記並列管路は均一化管路であり、
前記ＰＳＡサイクルの実施を監視する前記工程は、前記パージ管路の内部で測定される圧力、前記均一化管路の内部で測定される圧力及び前記生産管路の内部で測定される圧力を用いる工程が含まれ、
前記ＰＳＡサイクルの実施を監視する工程は、前記パージ管路の内部で測定される圧力、前記均一化管路の内部で測定される圧力及び前記生産管路の内部で測定される圧力のみを用いて、行われる
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
ＰＳＡサイクルに１段階以上の圧力均一化段階が含まれる請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
さらに前記パージ管路の内部で測定される圧力を用いることによって、前記廃棄管路と連通する廃棄サージタンクからの排出を制御する工程を備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
さらに廃棄サージタンクの内部で測定される圧力を用いることによって、前記廃棄管路と連通する前記廃棄サージタンクからの排出を制御する工程を備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の容器には４の容器が含まれる請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の容器には７以上の容器が含まれる請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記並列管路の内部の圧力を測定する前記工程に圧力スイッチが用いられる請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記並列管路の内部の圧力を測定する前記工程に圧力変換器が用いられる請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
ＰＳＡサイクルを行う前記工程に用いられる前記複数の容器の全体の容器の数から、ＰＳＡサイクルのそれぞれの段階の間に前記複数の容器のうち少なくとも４の容器が前記供給管路に対して開くように定まる請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
ＰＳＡサイクルの実施を監視する前記工程は、前記並列管路で測定される圧力があらかじめ決められた範囲内であるか監視する工程を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記並列管路で測定される圧力があらかじめ決められた範囲外である場合、機能不全の決定がされる請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の容器のうちパージガスを提供する容器と前記複数の容器のうち前記第１の容器からパージガスを受ける容器との間の距離を最小限にするようにＰＳＡサイクルのすべての段階が構成される請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の容器は直線的に互いに等間隔に配置され、
ＰＳＡサイクルのそれぞれの段階で、パージガスを提供する前記容器とパージガスを受ける前記容器とが１のみの他の容器を間に有するようにＰＳＡサイクルのすべての段階が構成される請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ＰＳＡシステムの起動時に、前記生産管路で圧力を測定し、ある段階の間に前記複数の容器のうち前記供給管路に対して開いている選択された数の容器についてＰＳＡシステムが時間に対する所望の圧力増加率を実現していることを確かめるために、前記生産管路で測定される圧力の実際の圧力増加率が用いられる請求項１０に記載の方法。
【請求項２４】
実際の圧力増加率が所望の圧力増加率と等しくない場合に、機能不全の決定がされる請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に圧力スウィング吸着システムに関する。特に、本発明は圧力スウィング吸着システムにおいて監視及び制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は次の同時継続の出願と関連する。関連する出願は、米国仮出願第６６／７７８９１２号で、“ＰＳＡ圧力測定及び制御”と題し、２００６年３月６日に出願され、参照することにより、この出願の全体が本出願に含まれる。
【０００３】
圧力スウィング吸着（pressure swing adsorption：ＰＳＡ）システムはガスの混合物から１以上のガスを分離するために用いられる。通常ＰＳＡ装置には適切な単数／複数種の吸着剤で満たされた複数の容器が含まれる。そして、ガス分離に作用するためにガスを連続的に導入及び排出する２以上のオンオフ式の弁と、それぞれの容器は連通している。容器内の吸着剤が再生するのに必要な時間に対し、容器が生産管路に対して開いている時間を調整することによって、ＰＳＡサイクルは定まる。ＰＳＡシステムのサイクルの特性が与えられれば、互いに位相をずらして（out of phase）複数の容器が一定の生産物の送出を維持するために要求される。再生段階では圧力の均一化及びパージを行うため、しばしば異なる容器との間でのガスの交換を伴う。
【０００４】
複数の容器のＰＳＡシステムの重要な態様は圧力エネルギーを保存するための圧力均一化の実行である。２つの容器の間での圧力均一化の過程では、廃ガス管路に圧力を排出するよりはむしろ、容易に吸着する成分の回収を改善する。高圧状態の第１の圧力容器からオンオフ式の弁を通ってガスがパイプ部分（ここでは“均一化管路”と記載する。）に導入される時に、圧力の均一化が行われ、均一化管路はガスで満たされる。そしてこの時、低圧状態の第２の容器に第２のオンオフ式の弁を通ってガスが導入される。この圧力均一化段階の間、他の容器を均一化管路と連通する残りすべてのオンオフ式の弁は閉じている。２つの容器が共通の最終圧力に到達するまで、ガスを提供する第１の容器では圧力が低下し、一方、ガスを受け取る第２の容器では圧力が上昇する。
【０００５】
Lomax他の特許文献１で述べられているＰＳＡシステムでは、３段階の圧力均一化を伴う７つの容器のＰＳＡシステムが開示されている。第１の圧力均一化段階の間、高圧の圧力ｐ１の容器は均一化管路に対して開いているのと同時に、中間圧力より低い圧力ｐ３の容器が均一化管路に対して開いている。２つの容器で中間圧力ｐ２に到達するまで、ガスは均一化管路を通って流れる。ここで、ｐ３＜ｐ２＜ｐ１である。第２の圧力均一化段階では、圧力がｐ２に低下した容器が均一化管路に対して開かれているのと同時に、中間圧力より低い圧力ｐ４のもう１つの容器が均一化管路に対して開かれる。２つの容器で中間圧力ｐ３に到達するまで、ガスは均一化管路を通って流れる。ここで、ｐ４＜ｐ３＜ｐ２である。第３の圧力均一化段階では、圧力がｐ３に低下した容器が均一化管路に対して開かれているのと同時に、中間圧力より低い圧力ｐ６のもう１つの容器が均一化管路に対して開かれる。２つの容器で中間圧力ｐ４に到達するまで、ガスは均一化管路を通って流れる。ここで、ｐ６＜ｐ４＜ｐ３である。均一化ガスを提供する容器において圧力は低下するので、吸着段階での吸着剤の不純物を保つ収容能力は平衡等温線によると低下し、それぞれの不純物の組成前線（composition front）はガスが取り出される排出端（discharge end）に向かって移動し続ける。これらの組成前線の伝播（propagation）を防ぐ（take up）のに十分な量の吸着剤を提供することによって、不純物の均一化管路への侵入（breakthrough）を防止することが圧力均一化の望ましい状態である。
【０００６】
生産ガスの清浄性を維持するため、パージは複数の容器のＰＳＡシステムのもう１つの重要な態様である。パージが不十分な場合、この時、減圧段階の間に脱着する不純物が空の空間から運び出されず、結果として次の生産段階で生産物が汚染される。しかし、パージが十分過ぎる場合は、この時、容器を通って戻る生産ガスの体積は、不純物が脱着する空の空間をきれいにするのに要求される所望のパージレベルを超えている。過度のパージによって、生産物の回復において望ましくない低下が起こる。
【０００７】
Lomax他の特許文献１で述べられるＰＳＡサイクルにおいて、パージを提供する（providing purge）容器では、圧力が中間圧力ｐ４から最終圧力ｐ５へ次第に低下する。ここで、ｐ４＞ｐ５である。パージ段階では生産物の清浄性を保つのに十分なパージ−供給（purge−to−feed）比のガスが要求され、パージを提供する容器の外へガスを通すのに必要な体積を達成するようにｐ５が操作されるように要求される。圧力均一化段階ではガス不純物の侵入は望ましくないが、所望のパージ−供給比を達成する程度に圧力がさらに低下するので、パージ段階では少ない量の侵入が起こり得る。したがって、相対的にきれいで、次第に不純物レベルが増加し始める時間変化成分（composition）がこれらの容器と連通しているパイプ（ここでは、“パージ管路”と記載する。）に導入される。パージ管路へ導入されたこれらのガスは、流れ圧縮（constriction）装置を横切って広がり、減圧が行われサイクルにおいて最も低圧状態の第２の容器の上部に導かれる。平衡等温線によると、サイクルの間の最も低圧の状態では吸着剤の周囲の空の空間に不純物のほとんどが集中する。パージを受ける（receiving purge）段階は、パージを提供する容器から導かれるガスを用いて、空の空間からＰＳＡシステムの廃ガス管路へこれらの不純物を運び出すことを続いて伴う。また、提供されるパージ流は、容易に吸着する成分が富んでいて、空の空間の吸着剤周辺の不純物の集中を減らすことで不純物の脱着をさらに補助する。
【０００８】
先のパージ過程（coupling）の終わりにおいてパージ管路に残っているガスは、パージを提供する容器がパージ管路に対して最初に開いた時のガスより不純物の質量が重い。したがって、パージを提供する容器とパージを受ける容器の間のパージ管路の部分では、パージを提供する容器から排出されるガスの流れがパージを受ける容器に到達するまで、この最初によごれたガスを押し出すことによって、パージを受ける容器へ流される。パージを提供する容器とパージを受ける容器との間の距離が一定に保たれていない場合は、パージを受ける容器が受ける時間変化成分も変化することが発明者によって見出された。パージの終わりにおいて容器を通過する最後の軸方向成分に関して、発明者の意思によってシステムの１つ又は複数の容器が均衡を崩し、次の生産段階において、列記されていないガスが生産管路に送出される可能性のあることが発明者によって見出された。
【０００９】
上述したようにパージを行い、提供し及び受ける複数の容器のＰＳＡシステムを比較すると、パージ管路を通るガスを交換する容器の間のオフセットの距離によって生じる問題が示される。例えば、Fuderer他の特許文献２では１０個の容器のシステムが示されていて、これらの容器のうち２つ組み合わせでパージ管路の距離が容器８つ分に跳ね上がっている以外は、パージを提供する容器とパージを受ける容器の距離は容器２つ分離れて連通している。Benkmannの特許文献３では９つの容器のシステムが示されていて、距離が容器７つ分に増加する２段階以外は、連通するパージ容器の距離は容器２つ分離れている。Xu他の特許文献４では１６個の容器のシステムが示されていて、距離が容器１２個分に広がる４段階以外は、連通するパージ容器の距離は容器４つ分離れている。パージの終わりにおいて容器を通過する最後の軸方向成分に関して、発明者の意思によってシステムの１つ又は複数の容器が均衡を崩し、次の生産段階において、列記されていないガスが生産管路に送られる可能性のあることが発明者によって見出された。
【特許文献１】米国特許第６６９９３０７号明細書
【特許文献２】米国特許第３９８６８４９号明細書
【特許文献３】米国特許第４３１５７５９号明細書
【特許文献４】米国特許第６５６５６２８号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した問題を解決するため、本発明者は以下に記述するようなＰＳＡ圧力測定及び制御システムを構成する。
【００１１】
好都合なことに本発明は、１つ以上の層の吸着剤材料を中に有する複数の容器と、供給ガス管路と、廃棄管路と、生産管路を含むＰＳＡシステムを提供する。システムはそれぞれが弁を備える導管を経由して前記複数の容器と連通する少なくとも１つの並列管路も含む。少なくとも１つの圧力測定装置がシステムに設けられ、圧力測定装置は並列管路の内部の圧力を測定するように構成されている。また、サイクルの実施を決定し、システムの適切な操作が行われていることを監視するため、ＰＳＡシステムの内部でＰＳＡサイクルを実施している間に少なくとも１つの圧力測定装置によって少なくとも１つの圧力が測定されるように構成された制御装置が設けられている。
【００１２】
好都合なことに本発明は、ＰＳＡシステムのモジュールで用いられる容器の数にかかわらず、少なくとも１つの圧力測定装置によって測定される少なくとも１つの圧力のみを用いてＰＳＡシステムのモジュールの内部でのＰＳＡサイクルの実施を監視するように、制御装置が構成されているシステムを提供する。
【００１３】
さらに好都合なことに本発明は、複数の容器を用いてＰＳＡサイクルを実施する工程と、ＰＳＡサイクルの間に少なくとも１つの並列管路の内部の圧力を測定する工程と、少なくとも１つの並列管路で測定される圧力を用いてＰＳＡサイクルの実施を監視する工程と、を含むＰＳＡシステムを監視する方法を提供する。
【００１４】
本発明によって、ＰＳＡシステムのモジュールで用いられる容器の数にかかわらず、少なくとも１つの並列管路の内部で測定された圧力のみを用いてモジュールの内部でのＰＳＡサイクルの実施を監視する工程を行うことができる。
【００１５】
さらに本発明は、生産管路の内部で測定される圧力を用いることによって、廃棄管路と連通する廃棄サージタンクからの排出を制御する工程を提供する。
【００１６】
また本発明によって、ＰＳＡサイクルの実施に用いられる複数の容器の全体の容器の数から、ＰＳＡサイクルのそれぞれの段階の間に複数の容器の中で少なくとも４つが供給管路に対して開いているように決定することができる。
【００１７】
また本発明によって、複数の容器の中でパージガスを提供する容器と複数の容器の中で第１の容器からパージガスを受ける容器との間の距離を最小限にするようにＰＳＡサイクルのすべての段階を構成することができる。
【００１８】
さらに本発明は好都合なことに、反応装置からの供給ガスを受ける供給ガス管路を含むＰＳＡシステムに連通する反応装置を含む水素発生システムを監視する方法を提供し、この方法には反応装置の上流の流れの圧力を測定する工程と、複数の容器を用いてＰＳＡサイクルを実施する間に生産管路の内部の圧力を測定する工程と、上流で測定される流れの圧力及び生産管路の内部で計測される高圧の値の平均を用いて反応装置での圧力差を監視する工程とを含む。
【００１９】
本発明のさらなる評価及び付帯する多くの利点については、次の詳細な記載、特に添付した図とともに考慮することによって、容易に明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施形態について、添付の図を参照に、以下に述べる。以下の記述では、本質的に同一の機能及び配置を有する構成要素については同一の参照番号を付し、それぞれの説明は必要な時のみ行う。
【００２１】
本発明の第１の態様によって、制御の観点から、サイクルのそれぞれの段階が適切に行われていること及び均一化管路、パージ管路、生産管路に対するオンオフ式の弁の正確に連続した開閉が行われていることを厳密に確認することが実現される。通常の操作の間正確に弁が機能しているのを確認することに加え、以下のようにＰＳＡシステムのそれぞれの容器の圧力の正確でリアルタイムの情報を用いることができる。
【００２２】
１．）起動の間に容器をあらかじめガスで満たす。
【００２３】
２．）操作停止において容器をあらかじめ決められた圧力に減圧する。
【００２４】
３．）自動又は手動の圧力検査手順によってＰＳＡシステムの漏れのないこと（leak-tightness）を確認する。
【００２５】
所望の目標に到達するためそれぞれの容器に１つ以上の圧力測定装置を用いることができるが、不都合なことにコスト及び困難さが増加する。先に明らかにした均一化管路、パージ管路、生産管路のような並列管路に容器が連通した状態では、いかなる数の容器Ｎが並列管路ｉと連通していても所望の目標に到達するためには、それぞれの並列管路ｉについて１つのみの圧力測定装置が必要であることを本発明者は見い出した。例えば、３段階で圧力均一化を行う７つの容器の構成において、図１Ａに示すように、３つの圧力測定装置Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が３つの並列管路１３０、１４０、１５０のトップヘッドに設けることができる。このように本発明によると、この構成に用いられる圧力測定装置の数は３つで、好都合なことにこれは関連技術に示すようにそれぞれの容器に１つ以上の圧力測定装置を設ける場合（例えば７つの容器及び７つの圧力変換器。）の数の半分より少ない。あるいは、複数のモジュールを並列に用いる構成においてパージ管路及び均一化管路のセンサのみを用いることができる。本発明はいかなる数の均一化段階（例えば１つ、２つ、３つ等）及びいかなる数の容器を含むサイクルにも適応できる。例えば、システムを有効に監視及び制御するため、１つ又は２つのみのセンサが必要とされる単純な２段階の均一化段階のサイクルに本発明は適応できる。
【００２６】
好都合なことに、イーサネット（登録商標）操作のように、ＰＳＡの操作の遠隔監視を機能させるために制御装置システムを伝達手段と接続して用いることができる。監視されたいかなる欠陥モードの根本原因を遠隔で確認するために、伝達手段のネットワークシステム（cab）を経由して受けたデータを用いることができる。このような遠隔監視の操作はいかなるローカルヒューマン−マシーンインターフェイスとでも一緒に又は独立して用いることができ、ローカルヒューマン−マシーンインターフェイスは圧力センサからの情報を基に詳細な欠陥コードを提供する。それぞれの圧力測定装置ｉは２つの十分に定義された圧力値の間を変動するので、圧力変換器のように連続的な圧力測定装置の代わりに単純な圧力スイッチを用いることができる。好都合なことに、単純な圧力スイッチの使用によって圧力測定装置のコストを削減し、ＰＳＡサイクルの各段階の持続情報と組み合わせて圧力測定装置ｉからの情報を用いた単純なデジタル制御システムを実現できる。
【００２７】
本発明の第２の態様によって、一連の流れにおいてパージを行う容器が実質的に可能な限り互いに近くなることを実現できる。システムが多数の容器を含んでいる時、大部分の容器の組み合わせについて選択される容器の距離が大きく離れていることを避けるように、論理的にサイクルが配置されるべきことを本発明は示唆している。今回の記述では次のように配置されたＮ個の容器のＰＳＡサイクルを提案する。
【００２８】
１．）パージを提供する容器２及びパージを受ける容器１で段階１を開始する。
【００２９】
２．）容器２がパージを受けている段階においてパージの提供に容器４を割り当てる。
【００３０】
３．）容器ｉ−２（ｉはｉ≦Ｎ，ｉ≧４を満たす偶数）がパージを受けている段階においてパージの提供に容器ｉを割り当てる。
【００３１】
４．）容器Ｎに到達するまで又はＮが奇数の場合は容器Ｎ−１までステップ３．）を繰り返す。
【００３２】
Ｎが奇数の場合、容器Ｎ−１がパージを受けている段階においてパージの提供に容器Ｎを割り当てる。
【００３３】
５．）ａ．）Ｎが偶数の場合、容器Ｎがパージを受けている段階においてパージの提供に容器Ｎ−１を割り当てる。
【００３４】
ｂ．）Ｎが奇数の場合、容器Ｎ−２がパージを受けている段階においてパージの提供に容器Ｎを割り当てる。
【００３５】
６．）ａ．）Ｎが偶数の場合、容器ｉ＋２（ここでｉ＝Ｎ−３，Ｎ−５，Ｎ−７等，ｉ＞１）がパージを受けている段階においてパージの提供に容器ｉを割り当てる。
【００３６】
ｂ．）Ｎが奇数の場合、容器ｉ＋２（ここでｉ＝Ｎ−４，Ｎ−６，Ｎ−８等，ｉ＞１）がパージを受けている段階においてパージの提供に容器ｉを割り当てる。
【００３７】
本発明の上述した２つの態様によって、複数の容器のＰＳＡシステムの制御及び操作における何重にも及ぶ改善が実現される。表１では、システムにおいて必要とされる吸着剤で満たされた圧力容器全体の数、システムにおいて容器の数に対して必要とされる圧力センサの数、ガス混合体の導入を扱う供給ガス管路に対して開いている容器の数、ＰＳＡ分離を行うのに必要とされるオンオフ式の弁全体の数及びＰＳＡシステム周辺で必要とされる外部との連通手段の数に関してこれらの改善を比較している。
【表１】
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【００３８】
ＰＳＡシステムの制御及び監視と関連する困難さ及びコストは、いかなる数の容器Ｎのシステムにおいても、圧力センサｉを用いることで削減できる。関連技術のシステムでは、本発明と比較すると、システムはそれぞれ１つの容器について連続的に変化する圧力信号を監視し、その例は図１Ｃ（ｄ）、図２Ｃ（ｄ）、図３Ｃ（ｄ）及び図４Ｃ（ｄ）で見ることができる（容器１の圧力パターンは太線で示され、他の容器の圧力パターンも同じ形跡を有しているが、これらは後ろにずれていることに気付く。）。しかし、図１Ａ、図２Ａ、図３Ａ及び図４Ａに示すように、本発明に係るシステムが構成された時、並列管路のそれぞれの圧力測定装置ｉは順番にそれぞれの容器における圧力パルスを記録し、その例は図１Ｃ（ｃ）、図２Ｃ（ｃ）、図３Ｃ（ｃ）及び図４Ｃ（ｃ）で見ることができる。このように、図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃ（ｃ）に描かれているような７つの容器のシステムにおいて、３段階の圧力均一化段階が用いられ、生産管路１３０内の圧力測定装置Ｍ１は定圧状態の最後のそれぞれの瞬間における圧力の落ち込み（dip）を記録する。このように、容器の生産管路との弁が開いている欠陥により定圧状態の最後が起こらない場合は、圧力の落ち込みは正確な時間に現れない。
【００３９】
第１及び第２の均一化を扱う均一化管路１４０の場合において、均一化管路１４０の圧力測定装置Ｍ２によって測定される圧力は、第１の定圧段階の最後に到達する圧力ｐ２と第２の均一化段階の最後に到達するｐ２より低い圧力ｐ３との間を循環する。第３の圧力均一化段階とパージ段階の実施に用いられるパージ管路１５０の圧力測定装置Ｍ３は、最終的な均一化圧力ｐ４とパージ管路１５０のスロットル装置（図示しない）によって発生するシステムで最も低い圧力ｐ６に近い圧力の間で変化する圧力を記録する。圧力測定装置Ｍ２又は圧力測定装置Ｍ３のいずれか一方の場合において、いずれかの段階で機能不全になった場合、適切な時間に圧力記録が所望の値に到達しない。このように、圧力測定装置と一緒に用いられる制御システムは、圧力を監視し、それぞれの３つの圧力測定装置が到達する圧力を関係付け、メンテナンスが行われるまで、メンテナンス及び可能な場合には再構築を必要とする欠陥をオペレータに知らせるために、疑わしい欠陥を識別する。好都合なことに、制御システムは欠陥の可能性の範囲を問題の容器の期待された圧力変化のみと関連する弁にまで狭めることができる。例えば、システムがＰＳＡサイクルを行い続けることができるように、欠陥要素のメンテナンスを行うことができるまで欠陥のある弁／容器がサイクルから取り除かれるようにサイクル配置を切り替えることによって、このような診断プログラムはシステムの可能な再構築をすることができる。
【００４０】
７つ、８つ、９つ及び１０個の容器のＰＳＡシステムについての本発明のＰＳＡサイクルの配置を適応した４つの異なる例がそれぞれ図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃ（ｃ）、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃ（ｃ）、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃ（ｃ）、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃ（ｃ）に描かれていて、それぞれが３段階圧力均一化を開始する。図１Ａ、図２Ａ、図３Ａ及び図４Ａは、圧力測定装置Ｍ１、Ｍ２及びＭ３がそれぞれ生産管路１３０、均一化管路１４０及びパージ管路１５０に示されている状態のそれぞれのＰＳＡシステムのレイアウトにおける配管及び機器の概略図を描いている。図１Ｂ、図２Ｂ、図３Ｂ及び図４ＢはそれぞれのＰＳＡシステムのサイクルの配置結果を示し、図１Ｃ（ｃ）、図２Ｃ（ｃ）、図３Ｃ（ｃ）及び図４Ｃ（ｃ）はこれらそれぞれの配置からの圧力パターンの記録のグラフである。さらに具体的には、図１Ｃ（ｃ）、図２Ｃ（ｃ）、図３Ｃ（ｃ）及び図４Ｃ（ｃ）はそれぞれのＰＳＡサイクルの配置と関連して示された、圧力測定装置がＰＳＡシステムの生産管路、均一化管路及びパージ管路に設けられた本発明に係る圧力パターン（trace）のグラフである。
【００４１】
また、図１Ｃ（ｄ）、図２Ｃ（ｄ）、図３Ｃ（ｄ）及び図４Ｃ（ｄ）はＰＳＡシステムのそれぞれの容器に圧力変換器を設けた関連技術の方法を使用したＰＳＡシステムでの圧力パターンのグラフである。図１Ｃ（ｄ）、図２Ｃ（ｄ）、図３Ｃ（ｄ）及び図４Ｃ（ｄ）のそれぞれにおいて、容器１の圧力パターンは太い線で示され、他の容器の圧力パターンもそれぞれの図において容器１と同じ形の圧力パターンを有しているが、他の容器の跡は図で見られるように後ろにずれている。これら関連技術の圧力パターンは、本発明によって実現される診断能力の改善と単純さを強調する比較として示されている。例えば、本発明の圧力測定装置はそれぞれ装置自身の比較的狭く、固定された圧力範囲を循環する（例えば、生産管路の圧力測定装置Ｍ１は一般にｐ２とｐ１の間を循環し、均一化管路の圧力測定装置Ｍ２は一般にｐ３とｐ２の間を循環し、パージ管路の圧力測定装置Ｍ３は一般にｐ４とｐ６の間を循環する。）のに対して、関連技術のそれぞれの圧力変換器はｐ６とｐ１の間のすべてを循環する（図において、ｐ６＜ｐ５＜ｐ４＜ｐ３＜ｐ２＜ｐ１である。）。
【００４２】
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃ（ｃ）（ｄ）に描かれた４つの構成と関連する弁の表がそれぞれ表２〜表５に示されていて、表２〜表５はそれぞれ図１Ｂ、図２Ｂ、図３Ｂ及び図４Ｂで示されるＰＳＡサイクルの間のさまざまな段階での開いた状態にあるオンオフの弁を示している。
【表２】
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【表３】
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【表４】
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【表５】
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【００４３】
図１Ｂ、図２Ｂ、図３Ｂ及び図４Ｂにおいて、“Ｒｅｃｖ  ＰＥ１”、“Ｒｅｃｖ  ＰＥ２”及び“Ｒｅｃｖ  ＰＥ３”はそれぞれ第１、第２及び第３の圧力均一化ガスを受ける段階を示し、“Ｐｒｏｖ  ＰＥ１”、“Ｐｒｏｖ  ＰＥ２”及び“Ｐｒｏｖ  ＰＥ３”はそれぞれ第１、第２及び第３の圧力均一化ガスを提供する段階を示し、“Ｒｅｃｅｉｖｅ  ＰＧ”はパージを受ける段階を示し、“Ｐｒｏｖｉｄｅ  ＰＧ”はパージを与える段階を示し、“Ｂｌｏｗｄｏｗｎ”はシステムの最も低い圧力までの減圧を示し、“Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ”は容器が高圧で、好ましくは生産ガスに富んでいる段階を示す。本発明では、さまざまな異なるＰＳＡサイクルの構成を実施でき、例えば、圧力均一化段階の数を変化させたり、“Ｆｉｎａｌ  Ｐｒｅｓｓ”段階の間に供給又は再加圧過程を開始したり、又は、当業者に知られているパージカップリング段階の前後（around）における他の変形例を用いることができる。
【００４４】
発明の本態様のもう１つの利点はシステム内のすべての容器の数を大きく増加することなく、供給管路に対してより多くの容器が開く能力である。より高い容量に拡大した時、供給管路に導入されるより多くの処理量のガスを扱うため、しばしばそれぞれの容器の直径を拡大する必要がある。より直径の大きい容器の製作に関連するコストの増加に加え、慣用方法では、流動化（fluidization）の防止が困難になるため容器の内部で吸着剤が落ち、続いてＰＳＡサイクルの間にペレットの磨耗（attrition）が起こる。
【００４５】
Lomax他の米国特許第６９１８９５３号明細書に示される新しいスケーリング手順では、追加のモジュールをシステムに加えることによってＰＳＡ容量を増加できることが示されている。モジュール設計の背景にある概念は、特定数の容器を含んだ単一のモジュール（７つの容器のＰＳＡモジュールのように）が特有の清浄性での操作上限において特定の体積のガスを処理できることである。単一のＰＳＡモジュール内のそれぞれの容器の直径は容器で流動化及び流動（channeling）が起こらないことを保証する程度に十分に小さく、流動化及び流動は直径がより大きい容器では不均一な吸着剤の充填（loading）及び沈殿（settling）の結果生じうる。単一のＰＳＡモジュールを超える処理量に増大するにはさらに追加のＰＳＡモジュールが必要であり、これにより、それぞれの容器内の現在の操作状態を変えることなく、所望のＰＳＡ分離を実施するのに利用できる吸着剤の体積が増加する。例えば、単一のＰＳＡモジュールで扱うことができる２倍のガスの体積の増加によって第２のＰＳＡモジュールの追加を必要となる。第２のモジュール手段の追加は、現在のいかなる容器の内部の特有の状態を変化することなく、２倍の体積の供給ガスがサイクルの間のいかなる時間においても、開いている２倍の数の容器（例えば７個の容器から１４個の容器への増加）の間で分けられることを意味する。
【００４６】
米国特許第６９１８９５３号明細書の代表的な実施形態では、サイクルの間のいかなる時点においても２個の容器が供給ガスに対して開いていて、一方他の５個の容器は均一化、パージ又は減圧（blowdown）のような様々な再構築の段階を行っているそれぞれのＰＳＡモジュールが示されている。しかし、ＰＳＡ容量が２倍のモジュール設計手段を適応するには追加として７個の容器のＰＳＡモジュールをシステムに追加する必要があり、これによりＰＳＡシステムにおいて吸着剤の供給、圧力容器の数及び関連器具が２倍となる。第２のモジュールの追加することで、関連する空気の線に沿って３５個の弁の追加することによって、さらに複雑な段階がもたらされる。
【００４７】
追加のモジュールの追加した上述のスケールと比較すると、例えば個々の７個の容器のＰＳＡモジュールを単一の９個の容器のＰＳＡモジュールに拡大したならば（例えば、上及び底のヘッド部分に２個の容器を拡大することによって）、図３Ｂで見られるように、好都合なことに、この時サイクルの間のいかなる時点においても４個の容器が供給流れに対して開いていることを、本発明は示している。例えば、段階１において、図３Ｂ及び表４は弁６１、７１、８１及び９１が開いていることを示していて、これにより容器６、７、８及び９がそれぞれ供給管路１１０と連通している（図３Ａに示す）。このように、ちょうど２個の容器（容器８及び９）及び対応する１０個の弁をシステムに追加することによって、関連技術に示すように７個の追加の容器及び３５個の追加の弁を有する第２のモジュール全体を導入することなしに、本発明では同一の体積の容器で処理されるガスを維持する。結果として全体で１４個の容器の第２のモジュールを追加した関連技術と比較すると、本発明では全体の容器の数を１４個から９個に減らすことによって吸着剤の供給を３６％削減する。また、本発明において全体の圧力センサの数は３個のみであるが、一方関連技術のシステムでは１４個のセンサが必要となる。さらに、全体の圧力容器の数の削減は米国機械学会（ASME）の承認が必要な圧力容器の数に加え、製作及び組み立てコストも削減する。
【００４８】
本発明の上述のスケーリング方式では、システムにおけるオンオフ式の弁の数を減らし、システムにおける吸着剤の体積を減らし、システムにおける容器の数を減らし及びシステムにおいて必要な外部の関連器具の数を減らすことにより、関連技術のシステムと比較して、複雑さの低減という利点を有する。関連技術のようにそれぞれの容器の圧力プロファイルを監視するというよりはむしろそれぞれの管路において圧力パルスを監視する本発明の能力に加え、パージカップリング手順を用いるマニホールド配置（manifold arrangement）を包含させる本発明の追加能力によって、本発明では容器間のパージ管路の距離の変化又は弁の欠陥により生じるシステムの不均衡の可能性を最小限に抑える。
【００４９】
図１Ｃ（ｃ）、図２Ｃ（ｃ）、図３Ｃ（ｃ）及び図４Ｃ（ｃ）に示す管路１３０、１４０及び１５０が有する平行な流れの多様性の圧力パターンを再確認すると、装置Ｍ３（例えば圧力変換器）で測定したパージ管路の圧力はそれぞれのＰＳＡ容器の減圧及びパージの間に到達する最小の圧力を示す。単数又は複数のＰＳＡモジュールが単純なヘッダーと連通していても、緩和（buffer）タンクと連通していても、それぞれの容器の減圧において到達する最小圧力は等しいことが望ましい。さもなければ、吸着した不純物の脱着及びパージの程度は変化する。取り付けられたヘッダー及び／又は緩和タンクの圧力の代わりとしてパージヘッダーの変換器で到達する最小圧力を用いることによって、分離した圧力変換器の使用を除去することができる。
【００５０】
パージヘッダー／容器において分離した変換器が用いられていようと、パージ管路で変換器が用いられていようと、このヘッダーの圧力はヘッダーからの排出を計量する比例（proportioning）弁の使用によって調整できる。このような弁はパージヘッダーにおいて一定の平均、最高又は最低圧力を産み出すように調整でき、安定して振動するようになっている。好都合なことに、この計量（metering）弁は計量弁の入口上流に機械仕掛けの圧力規制弁を有し、必然的に計量弁の入口の圧力が一定となるようになっている。これにより、圧力入力信号の返答によって弁を通る平均流量を一定の値に維持するように計量弁が調整されている間、弁を通る流量の瞬時の変動が最小限に抑えられる。
【００５１】
本発明の圧力測定技術と関連するこの制御方法を適用する１つの利点は、ＰＳＡシステム３００が水素発生システムの特定の要素を制御する手段として用いられる時に生じる。パージ管路（例えば、パージ管路の圧力測定装置Ｍ３を用いて）で測定される圧力がワイヤ１２６によって比例積分導関数（ＰＩＤ）制御装置と連結した時に水素発生システム内の複雑さは低減される。ワイヤ１２６は廃棄ガス管路１２０と連通する廃棄ガスタンク１２２から放出されるガスの体積を規制する。減圧及びパージと関連して分離した時間間隔で起こるパルス特性を除去するため、相対的にガスの定常流をＰＳＡシステム３００からひきだすことができるように、廃棄ガスタンク１２２の大きさが決められているが、一方で同時に、パージを受ける容器が廃棄ガス管路１２０を経由して廃棄ガスタンク１２２に対して開いている時のＰＳＡシステム３００に課せられる背景圧力を最小限に抑えている。典型的に、タンク１２２から出たガスはライン１２４によってバーナー１２８で再利用され、水素発生システムの反応装置２００を熱するための燃料として用いられる。
【００５２】
ＰＩＤ制御装置Ｃの目的は、パージを受ける段階（例えば“Ｒｅｃｅｉｖｅ  ＰＧ”）を行っている容器が所望の低圧状態のままであるように廃棄ガスタンク１２２から引き出されるガスの量を規制することである。関連技術では、ＰＳＡから送出される流れのパルス特性により、変換器（図５において仮想線で１２３の参照符号をつけて示す）が廃棄ガスタンク１２２に設けられ、減圧及びパージの間に変換器によって記録された圧力の平均が変動可能に制御されるＰＩＤとして用いられ、ＰＩＤの調整によってライン１２４の比例（proportional）弁１２５が制御される。好都合なことに本発明では、変換器１２３（仮想線で示される）は除去され、ＰＩＤ制御装置Ｃを用いた比例弁１２５の制御は圧力測定装置Ｍ３で測定されるパージ管路１５０の到達する最小圧力に基づいて行われる。変換器１２３の除去により水素発生システムの複雑さは低減される。水素発生システムの圧力変換器の全体の数を１個削減することで、水素発生システムの操作又は制御能力に影響与えることなしに複雑さを低減する。
【００５３】
生産管路１３０（例えば、生産管路の圧力測定装置（Ｍ１）を用いて）の圧力測定が水素発生システムの他の要素に組み込まれた時に、本発明の圧力測定技術の追加の利点が生じる。関連技術のシステムでは、追加の圧力変換器（図６において仮想線で１１２の参照符号をつけて示す）が反応装置２００の後ろに配置され、圧力変換器１１４を用いて測定される反応装置システム２００の上流の位置の圧力と圧力変換器１１２を用いて測定される反応装置システム２００の下流の圧力との間の圧力の差に基づいて反応装置システム２００での圧力低下を監視するために用いられる。反応装置の配管が詰まった（例えば、異常操作状態でコークス化されることにより）場合、圧力変換器１１４で測定される圧力と圧力変換器１１２で測定される圧力との差は著しく増大し、反応装置を通るガスの運搬において問題が示される。反応装置の後ろに配置される圧力変換器１１２は厚く湿った環境にさらされる。通常操作の間このガスの温度は３００℃近くであり、圧力変換器の敏感な内部成分に高い熱応力が加えられ得る。操作停止後、処理ガスにさらされている圧力変換器の隔膜に水がかかり得る。大気温度が凍る程度まで低下した場合、この水が凍り、圧力変換器内で隔膜と連通する敏感な成分にダメージを与え得る氷の形成が拡張する。
【００５４】
本発明では関連技術のシステムのこれらの問題への特有の解決法を提供する。圧力低下の大部分が反応装置の通過で起こり、圧縮機とＰＳＡ容器の通過でおこる圧力低下は反応装置の通過と比較して小さいと仮定すると、本発明ではＰＳＡのメインパイプの生産管路１３０で測定される高い圧力の平均に基づいて反応装置での圧力低下の計算を行うことによって、圧力変換器１１２（仮想線で示される）が除去される。この構成では反応装置の後ろのライン内の圧力変換器の測定を除去している。この構成では、反応装置での圧力低下の監視に生産管路の圧力変換器Ｍ１を用いることによって、操作の信頼性が改善され、水素発生システムの複雑さが低減される。
【００５５】
あらかじめ決められた弁が開くのを用いて、連続してＰＳＡシステムが起動又は操作停止する時に、圧力測定技術のさらなる利点が生じる。起動時において、生産管路１３０に対して開いている選択された数の容器でＰＳＡシステム３００が時間に対する所望の圧力増加率が実現していることを確かめるために、生産管路の圧力変換器Ｍ１を用いることができる。この増加率が所望の圧力増加率に比べ速すぎる又は遅すぎる場合は、この時、弁に欠陥が起こっている可能性がある。同様に、生産物を埋め戻す段階に続いて選択された数の容器がある中間圧力に均一化される必要がある場合は、この時、必要なオンオフ式の弁が開かれ、所望の圧力レベルに到達していることを確かめるために、均一化管路の圧力変換器Ｍ２を用いることができる。操作停止時において、容器の圧力の廃棄ガス管路１２０の圧力までの段階的な一連の低下は、均一化管路１４０に対して開いている一連の容器を通して監視できる。いったんすべての容器が廃棄ガス管路１２０の圧力で均一化されると、この時、次の起動の用意ができた清浄な状態でＰＳＡシステム３００を操作停止するようそれぞれの容器の吸着剤周辺の空の空間から不純物を取り除くため、生産管路１３０を通してパージが行われる。
【００５６】
ここでは前述した本発明の好ましい実施形態の代表的な実施形態について開示及び記述し、いかなる場合も請求項を限定するものではない。
【００５７】
上記記述を参照にして多くの実施形態及び本発明の変形例が可能である。したがって、ここで特別に述べられた発明以外に、付記項の範囲内で発明を実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１Ａ】図１Ａは７つの容器のＰＳＡシステムの概略図。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの７つの容器のＰＳＡシステムにおけるＰＳＡサイクルの配置を示した図。
【図１Ｃ】図１Ｃは、（ｃ）は図１Ａの７つの容器のＰＳＡシステムの生産管路、均一化管路及びパージ管路の内部に圧力測定装置が設けられた本発明に係る圧力パターンを、図１ＢのＰＳＡサイクルの配置と対応して示すグラフ、（ｄ）は図１Ａの７つの容器のＰＳＡシステムのそれぞれの容器の内部に圧力測定装置が設けられた関連技術に係る圧力パターンを、図１ＢのＰＳＡサイクルの配置と対応して示すグラフ。
【図２Ａ】図２Ａは８つの容器のＰＳＡシステムの概略図。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの８つの容器のＰＳＡシステムにおけるＰＳＡサイクルの配置を示した図。
【図２Ｃ】図２Ｃは、（ｃ）は図２Ａの８つの容器のＰＳＡシステムの生産管路、均一化管路及びパージ管路の内部に圧力測定装置が設けられた本発明に係る圧力パターンを、図２ＢのＰＳＡサイクルの配置と対応して示すグラフ、（ｄ）は図１Ａの８つの容器のＰＳＡシステムのそれぞれの容器の内部に圧力測定装置が設けられた関連技術に係る圧力パターンを、図２ＢのＰＳＡサイクルの配置と対応して示すグラフ。
【図３Ａ】図３Ａは９つの容器のＰＳＡシステムの概略図。
【図３Ｂ】図３Ｂは、は図３Ａの９つの容器のＰＳＡシステムにおけるＰＳＡサイクルの配置を示した図。
【図３Ｃ】図３Ｃは、（ｃ）は図３Ａの９つの容器のＰＳＡシステムの生産管路、均一化管路及びパージ管路の内部に圧力測定装置が設けられた本発明に係る圧力パターンを、図３ＢのＰＳＡサイクルの配置と対応して示すグラフ、（ｄ）は図３Ａの９つの容器のＰＳＡシステムのそれぞれの容器の内部に圧力測定装置が設けられた関連技術に係る圧力パターンを、図３ＢのＰＳＡサイクルの配置と対応して示すグラフ。
【図４Ａ】図４Ａは１０個の容器のＰＳＡシステムの概略図。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの１０個の容器のＰＳＡシステムにおけるＰＳＡサイクルの配置を示した図。
【図４Ｃ】図４Ｃは、（ｃ）は図４Ａの１０個の容器のＰＳＡシステムの生産管路、均一化管路及びパージ管路の内部に圧力測定装置が設けられた本発明に係る圧力パターンを、図４ＢのＰＳＡサイクルの配置と対応して示すグラフ、（ｄ）は図４Ａの１０個の容器のＰＳＡシステムのそれぞれの容器の内部に圧力測定装置が設けられた関連技術に係る圧力パターンを、図４ＢのＰＳＡサイクルの配置と対応して示すグラフ。
【図５】図５は本発明の利点を示した７つの容器のＰＳＡシステムの概略図。
【図６】図６は本発明の利点を示した水素発生装置の概略図。
【図１Ａ】
0005575399.tif 000007
【図１Ｂ】
0005575399.tif 000008
【図１Ｃ】
0005575399.tif 000009
【図２Ａ】
0005575399.tif 000010
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
0005575399.tif 000012
【図３Ａ】
0005575399.tif 000013
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
0005575399.tif 000015
【図４Ａ】
0005575399.tif 000016
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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