(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤を充填した２本の吸着筒を用いて易吸着性ガスと難吸着性ガスを成分とする原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し、難吸着性ガスを製品ガスとして分離するガス分離方法において、
吸着筒Ａにおいて吸着を、吸着筒Ｂにおいて再生を行う工程と、
吸着工程を終えた吸着筒Ａの製品端から再生工程を終えた吸着筒Ｂの製品端へガスを移送する上部均圧工程と、
続いて吸着筒Ａの製品端から吸着筒Ｂの原料端へガスを移送するクロス均圧工程と、
続いて吸着筒Ａにおいて再生を、吸着筒Ｂにおいて吸着を行う工程とを有し、
原料ガスの導入は上部均圧工程及びクロス均圧工程の期間中継続して行うとともに、この期間の当初は吸着筒Ａへ、その後所定時期からは吸着筒Ｂへ導入することを特徴とするガス分離方法。
【請求項２】
吸着工程を終えた吸着筒Ａの製品端と再生工程を終えた吸着筒Ｂの製品端と連通して吸着筒Ａより吸着筒Ｂにガスを移送する上部均圧の期間の前半に吸着筒Ｂの原料端を排気減圧する請求項１記載のガス分離方法。
【請求項３】
再生工程を終えた吸着筒Ｂのクロス均圧による復圧上昇中の圧力が吸着工程を終えた吸着筒Ａの降圧中の圧力より８０〜４００ｍｍＨｇだけ低いときにクロス均圧を終了し、吸着筒Ｂは吸着工程へ吸着筒Ａは再生工程へ移行する請求項１又は２記載のガス分離方法。
【請求項４】
クロス均圧により移送されるガス中の難吸着性ガス濃度が原料ガス中の難吸着性ガス濃度とほぼ等しいときにクロス均圧を終了する請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガス分離方法。
【請求項５】
吸着剤を充填した２本の吸着筒を用いて易吸着性ガスと難吸着性ガスを成分とする原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し、難吸着性ガスを製品ガスとして分離するガス分離方法において、次の▲１▼〜▲３▼の工程を行なうことを特徴とするガス分離方法。
▲１▼吸着筒Ａの原料端から原料ガスを導入しつつ、吸着工程の終了した吸着筒Ａの製品端から再生工程の終了した吸着筒Ｂの製品端にガスを移送する。
▲２▼吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの原料端にガス移送を切替えて、同時に原料ガスの導入を吸着筒Ａの原料端から吸着筒Ｂの原料端に切替える。
▲３▼吸着筒Ａは製品端を閉じ原料端より排気減圧して再生工程に入り、吸着筒Ｂ  は原料端に原料ガスを導入しつつその製品端をバッファタンクに連通させ、吸着工程に入る。
【請求項６】
▲１▼〜▲３▼を１サイクルとする工程を繰り返す（ただし、１サイクル毎に吸着筒Ａを吸着筒Ｂに、吸着筒Ｂを吸着筒Ａに置き換える） 請求項５に記載のガス分離方法。
【請求項７】
吸着剤を充填した２本の吸着筒を用いて易吸着性ガスと難吸着性ガスを成分とする原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し、難吸着性ガスを製品ガスとして分離するＰＳＡガス分離方法において、次の▲１▼〜▲４▼の工程を行なうことを特徴とするガス分離方法。
▲１▼吸着筒Ａの原料端から原料ガスを導入しつつ、吸着工程の終了した吸着筒Ａの製品端から再生工程の終了した吸着筒Ｂの製品端にガスを移送する。
▲２▼吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの製品端へのガス移送をしながら、原料ガスの導入を吸着筒Ａから吸着筒Ｂの原料端に切替える。
▲３▼吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの原料端にガス移送を切替え、原料ガスは継続して吸着筒Ｂに導入する。
▲４▼吸着筒Ａの製品端を閉じ原料端より排気減圧して再生工程に入り、吸着筒Ｂ  は原料端に原料ガスを導入しつつその製品端をバッファタンクに連通させ、吸着工程に入る。
【請求項８】
▲１▼〜▲４▼を１サイクルとする工程を繰り返す（ただし、１サイクル毎に吸着筒Ａを吸着筒Ｂに、吸着筒Ｂを吸着筒Ａに置き換える） 請求項７に記載のガス分離方法。
【請求項９】
吸着剤を充填した２本の吸着筒を用いて易吸着性ガスと難吸着性ガスを成分とする原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し、難吸着性ガスを製品ガスとして分離するＰＳＡガス分離方法において、次の▲１▼〜▲４▼の工程を行なうことを特徴とするガス分離方法。
▲１▼吸着筒Ａの原料端から原料ガスを導入しつつ、吸着工程の終了した吸着筒Ａの製品端から再生工程の終了した吸着筒Ｂの製品端にガスを移送する。
▲２▼吸着筒Ａの原料端へ原料ガスを導入しながら吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの原料端へガスを移送する。
▲３▼原料ガスの導入を吸着筒Ａの原料端から吸着筒Ｂの原料端に切替えて、吸着筒Ａの製品端から吸着筒Ｂの原料端への移送ガスとともに吸着筒Ｂに導入する。▲４▼吸着筒Ａはその製品端を閉じ原料端より排気減圧して再生工程に入り、吸着筒Ｂの原料端に原料ガスを導入しつつその製品端をバッファタンクに連通させ、吸着工程に入る。
【請求項１０】
▲１▼〜▲４▼を１サイクルとする工程を繰り返す（ただし、１サイクル毎に吸着筒Ａを吸着筒Ｂに、吸着筒Ｂを吸着筒Ａに置き換える） 請求項８に記載のガス分離方法。
【請求項１１】
吸着工程の終了した吸着筒Ａに原料ガスを導入しつつと再生工程の終了した吸着筒Ｂの原料端は排気減圧し、しかも吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの製品端にガスを移送する工程を均圧工程の前に行う請求項５〜１０のいずれかに記載のガス分離方法。
【請求項１２】
吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂと、
吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂに原料ガスを導入するガス供給源と、
吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂからの製品ガスを貯留するサージタンクと、
吸着筒Ａの原料端と吸着筒Ｂの製品端及び原料端とを接続する配管と、
吸着筒Ａの製品端と吸着筒Ｂの製品端及び原料端とを接続する配管と、
これら配管を開・閉する弁とを有し、
吸着筒Ａにおいて吸着を、吸着筒Ｂにおいて再生を行う工程と、
吸着筒Ａの製品端と吸着筒Ｂの製品端とを接続する配管を連通させて吸着工程を終えた吸着筒Ａの製品端から再生工程を終えた吸着筒Ｂの製品端へガスを移送する上部均圧工程と、
続いて吸着筒Ａの製品端と吸着筒Ｂの原料端とを接続する配管を連通させて吸着筒Ａの製品端から吸着筒Ｂの原料端へガスを移送するクロス均圧工程と、
続いて吸着筒Ａにおいて再生を、吸着筒Ｂにおいて吸着を行う工程とを有し、原料ガスの導入は上部均圧工程及びクロス均圧工程の期間中継続して行うとともに、この期間の当初は吸着筒Ａへ、その後所定時期からは吸着筒Ｂへ導入することを特徴とするガス分離ガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒素を選択的に吸着する吸着剤を用い、圧力変動吸着により空気のような酸素及び窒素を含む混含ガスから窒素を吸着除去して濃縮酸素ガスを製造するのに適したＰＳＡガス分離方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゼオライトのような吸着剤の窒素に対する選択吸着性を利用し、圧力変動吸着（本願明細書中では「ＰＳＡ」と記す）により、空気の如き酸素と窒素からなる混合ガスを分離して濃縮酸素ガスを製造する技術は公知である。
例えば特開昭５６−５３８０４号公報及び同５８−８４０２０号公報には、濃縮酸素ガスを製造するに当たり、吸着剤の床を含む複数の吸着筒に空気を導入して窒素を吸着除去し、難吸着性の酸素を濃縮させ吸着筒より導出して製品ガスとする方法が開示されている。
【０００３】
そして、吸着筒内の吸着剤を再生するための減圧、パ一ジ、排気等の工程と前記吸着工程を順次、吸着筒を切替えて操作をすることにより連続的に製品ガスを得る。しかし、従来公知のＰＳＡによるこのような濃縮酸素ガスの製造方法においては、酸素の分離回収効率が十分でなかったり、また製品ガス生成量当りのエネルギー消費量が大きかったりする等の問題があり、なお改良の余地がある。ＰＳＡ装置規模の大きいものは装置価格より運転費に重点をおいて酸素収率と電力原単位の点から吸着筒の数を３筒以上にしているものが多い。
しかし、中・小規模のものは装置価格に重点がおかれ、吸着筒が２筒式のものが用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
２筒式ＰＳＡの分離回収効率を高く、かつ製品ガス生成量のエネルギー消費量を小さくしようとする為に、従来技術には次の３つ問題点がある。
問題点１．吸着筒の吸着熱、脱着熱による熱分極化
問題点２．均圧時の圧力及びＯ2ガスの回収
問題点３．均圧時のコンプレッサーの断続
【０００５】
問題点１を詳しく述べれば以下の通りである。
ゼオライト吸着剤を用いて酸素を製品ガスとして分離するＰＳＡ装置においては、混合ガスである原料の空気を吸着筒へ加圧導入するが、ゼオライトが水分、炭酸ガス、窒素ガス等、易吸着性ガスを吸着するに当り、窒素ガス１Ｎリットル当り約０．２Ｋｃａｌの吸着熱を発生する。発生した熱はガス流とともに吸着筒製品端（製品ガスが排出される側のこと、以下同じ）へ移動するためにに吸着筒製品端の温度が上昇し、一部は製品ガスに同伴して吸着筒外へ放出される。
【０００６】
そして、再生時には吸着筒の原料端（原料ガスを導入する側のこと、以下同じ）より減圧排気し、吸着した窒素等を脱着し吸着剤を再生するため逆に吸熱する。この断熱吸熱現象により吸着剤の温度は降下するが、脱着ガスの向流排気するガス流により吸着筒原料端に冷気が移動して吸着筒原料端側の温度が低下する。長時間の運転によって吸着筒の原料端側は−３０〜−４０℃にも降下し、反対に吸着筒の製品端側は＋５０〜６０℃に上昇して筒内に熱分極が生ずる。吸着剤は温度の上昇とともにガス吸着カが劣化する。反対に温度が低下するとガスの吸着カは増加するものの、脱着しにくくなり残留ガスが吸着剤に蓄積し、その結果として酸素と窒素の分離効率が低下する。
【０００７】
この吸着筒内の温度不均一化を防止するために以下の方法が提案されている。
▲１▼温度低下の著しい部分に電熱ヒーターを設置する方法。
▲２▼吸着筒の軸方向に多数の金属板を配置し、この金属板を介して製品端から原料端に熱を伝導して温度の均一化を図る方法。
▲３▼ヒートボンプで吸着筒の製品端、原料端間の熱交換を行う方法。
▲４▼吸着工程により吸着筒の製品端より流出する温度の高い製品ガスの一部を昇圧工程中の他の吸着筒の製品端と原料端に同時に流入させることにより吸着筒の原料端に生ずる低温部と製品端に生ずる高温部の温度差を減少させる方法（特開平７−３１８２８号公報）。
【０００８】
しかし、▲１▼〜▲３▼の方法はいずれも装置を複雑にし、価格を高くするものである。また、▲４▼の方法は製品端と原両端に原料ガスを同時に流入させる点に後述の如く問題があり、酸素収率向上の点で改良が必要である。
【０００９】
前記問題点２に関しては、ＰＳＡ装置において吸着工程終了直後の吸着筒製品端部には難吸着性ガス（製品ガス）がまだ多量に残留しており、再生工程が終了し、次に昇圧・吸着工程に移行する吸着筒にいかにこのガスを効率良く、多く移送、つまり回収するかが製品ガスの収率を高める上で重要である。
【００１０】
さらにエネルギー的に言えば、吸着工程が終わり、その吸着筒内に残る圧力エネルギーを前記昇圧・吸着工程に移行する吸着筒内にいかに効率良く回収するかが重要となる。このために、特開昭５６−４５７２４号公報、特開平７−３１８２８号公報、特開平８−２９４６１３号公報、特開昭６０−１６１３０８号公報、特開昭６０−２２１３０４号公報において均圧工程が提案されている。
【００１１】
以上のうち、特開昭５６−４５７２４号公報、特開平８−２９４６１３号公報の提案は２筒式に関するものであり、特開平７−３１８２８号公報、特開昭６０−１６１３０８号公報、特開昭６０−２２１３０４号公報は３筒式に関するものである。３筒式は吸着筒の数が増えるとともに配管中の弁の数が増え、装置コストが大幅に上昇するので、装置価格より動カ原単位を優先して考慮する大型装置に主に用いられている。
【００１２】
特開平７−３１８２８号公報では、吸着工程中の吸着筒の製品端と再生工程の終了した他の吸着筒の製品端及び原料端を連通して、製品ガスの一部を他の吸着筒へ移送しているが、この方法では吸着工程の終りには製品ガスに比べて酸素濃度の低いガスが製品端に移動してくるので、ある程度の製品ガス濃度の低下を許容しないかぎり、吸着工程終了時に該吸着筒に残留する酸素ガスを他の吸着筒に十分に回収することは困難である。
【００１３】
前記問題点３に関しては、以下の通りである。
３筒式の前記特開平７−３１８２８号の方法の場合、加圧（吸着）、均圧（減圧／昇圧）、減圧（再生工程）が３つ以上の複数の吸着筒により順次回り、コンプレッサーやブロワー等の運転を中断することなくかつこれらの負荷を増大させることなくプロセスを遂行できる。しかし、従来の２筒式の場含、例えば特開平５−１９２５２７号に開示されているように均圧工程中は吸着筒への原料ガスの導入を中断している。したがって、コンプレッサー等を継続して運転した場合には原料ガスの行き場所がないためにその圧カが高くなり、コンプレッサー等の負荷が増大し消費電力が大きくなる。アンロードをかけるとしても加圧された原料ガスを使用しない期間が存在し、コンプレッサー等を遊ばせることとなり、電力原単位が低下する。
【００１４】
本発明は以上３つの問題点をともに解決し、吸着筒内の熱分極を無くし、吸着工程終了後の製品ガス残留を回収し、かつ電力原単位を低下させることのない効率の良いガス分離方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、吸着剤を充填した２本の吸着筒を用いて易吸着性ガスと難吸着性ガスを成分とする原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し、難吸着性ガスを製品ガスとして分離するガス分離方法において、
吸着筒Ａにおいて吸着を、吸着筒Ｂにおいて再生を行う工程と、
吸着工程を終えた吸着筒Ａの製品端から再生工程を終えた吸着筒Ｂの製品端へガスを移送する上部均圧工程と、
続いて吸着筒Ａの製品端から吸着筒Ｂの原料端へガスを移送するクロス均圧工程と、
続いて吸着筒Ａにおいて再生を、吸着筒Ｂにおいて吸着を行う工程とを有し、原料ガスの導入は上部均圧工程及びクロス均圧工程の期間中継続して行うとともに、この期間の当初は吸着筒Ａへ、その後所定時期からは吸着筒Ｂへ導入することを特徴とするガス分離方法である。なお、本発明において吸着筒Ａ、Ｂとは２本の吸着筒を区別するために用いた便宜上の呼称であって、特定のものを意味するものではない。
【００１６】
本発明においては、吸着工程を終えた吸着筒Ａの製品端と再生工程を終えた吸着筒Ｂの製品端と連通して吸着筒Ａより吸着筒Ｂにガスを移送する上部均圧の期間の前半に吸着筒Ｂの原料端を排気減圧することが望ましい。
【００１７】
また本発明において、再生工程を終えた吸着筒Ｂのクロス均圧による復圧上昇中の圧力が吸着工程を終えた吸着筒Ａの降圧中の圧力より低く、両筒の圧力差が８０〜４００ｍｍＨｇの範囲にあるときにクロス均圧を終了し、吸着筒Ｂは吸着工程へ吸着筒Ａは再生工程へ移行することが望ましい。
さらに本発明では、クロス均圧により移送されるガス中の難吸着性ガス濃度が原料ガス中の難吸着性ガス濃度とほぼ等しいときにクロス均圧を終了することが望ましい。このクロス均圧の終了時期の調整は、均圧配管の配管抵抗と、上部均圧、クロス均圧の時間および均圧中の原料ガスの切替時間で行うことができる。
【００１８】
本発明のより具体化された方法として下記がある。
吸着剤を充填した２本の吸着筒を用いて易吸着性ガスと難吸着性ガスを成分とする原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し、難吸着性ガスを製品ガスとして分離するＰＳＡガス分離方法において、次の▲１▼〜▲３▼の工程を行なうガスの分離方法。
▲１▼吸着筒Ａの原料端から原料ガスを導入しつつ、吸着工程の終了した吸着筒Ａの製品端から再生工程の終了した吸着筒Ｂの製品端にガスを移送する。
▲２▼吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの原料端にガス移送を切替えて、同時に原料ガスの導入を吸着筒Ａの原料端から吸着筒Ｂの原料端に切替える。
▲３▼吸着筒Ａは製品端を閉じ原料端より排気減圧して再生工程に入り、吸着筒Ｂ  は原料端に原料ガスを導入しつつその製品端をバッファタンクに連通させ、吸着工程に入る。
【００１９】
以上の▲１▼〜▲３▼を１サイクルとする工程を繰り返す（ただし、１サイクル毎に吸着筒Ａを吸着筒Ｂに、吸着筒Ｂを吸着筒Ａに置き換える）ことにより、連続的にガス分離を実行することができる。
【００２０】
また、本発明は以下のような方法によっても実施される。
吸着剤を充填した２本の吸着筒を用いて易吸着性ガスと難吸着性ガスを成分とする原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し、難吸着性ガスを製品ガスとして分離するＰＳＡガス分離方法において、次の▲１▼〜▲４▼の工程を行なうガスの分離方法。
▲１▼吸着筒Ａの原料端から原料ガスを導入しつつ、吸着工程の終了した吸着筒Ａの製品端から再生工程の終了した吸着筒Ｂの製品端にガスを移送する。
▲２▼吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの製品端へのガス移送をしながら、原料ガスの導入を吸着筒Ａから吸着筒Ｂの原料端に切替える。
▲３▼吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの原料端にガス移送を切替え、原料ガスは継続して吸着筒Ｂに導入する。
▲４▼吸着筒Ａの製品端を閉じ原料端より排気減圧して再生工程に入り、吸着筒Ｂ  は原料端に原料ガスを導入しつつその製品端をバッファタンクに連通させ、吸着工程に入る。
【００２１】
以上の▲１▼〜▲４▼を１サイクルとする工程を繰り返す（ただし、１サイクル毎に吸着筒Ａを吸着筒Ｂに、吸着筒Ｂを吸着筒Ａに置き換える） ことにより、連続的にガス分離を実行することができる。
【００２２】
さらに本発明は以下のような方法によっても実施することができる。
吸着剤を充填した２本の吸着筒を用いて易吸着性ガスと難吸着性ガスを成分とする原料ガスから易吸着性ガスを吸着除去し、難吸着性ガスを製品ガスとして分離するＰＳＡガス分離方法において、次の▲１▼〜▲４▼の工程を行なうことを特徴とする酸素濃縮ガスの製造方法。
▲１▼吸着筒Ａの原料端から原料ガスを導入しつつ、吸着工程の終了した吸着筒Ａの製品端から再生工程の終了した吸着筒Ｂの製品端にガスを移送する。
▲２▼吸着筒Ａの原料端へ原料ガスを導入しながら吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの原料端へガスを移送する。
▲３▼原料ガスの導入を吸着筒Ａの原料端から吸着筒Ｂの原料端に切替えて、吸着筒Ａの製品端から吸着筒Ｂの原料端への移送ガスとともに吸着筒Ｂに導入する。▲４▼吸着筒Ａはその製品端を閉じ原料端より排気減圧して再生工程に入り、吸着筒Ｂの原料端に原料ガスを導入しつつその製品端をバッファタンクに連通させ、吸着工程に入る。
【００２３】
以上の▲１▼〜▲４▼を１サイクルとする工程を繰り返す（ただし、１サイクル毎に吸着筒Ａを吸着筒Ｂに、吸着筒Ｂを吸着筒Ａに置き換える） ことにより、連続的にガス分離を実行することができる。
【００２４】
また以上の本発明のガスの分離方法においては、吸着工程の終了した吸着筒Ａに原料ガスを導入しつつ再生工程の終了した吸着筒Ｂの原料端は排気減圧し、しかも吸着筒Ａの製品端より吸着筒Ｂの製品端にガスを移送する工程を均圧工程の前に行うことができる。
【００２５】
【作用】
以下本発明の作用について、難吸着性ガスが酸素、易吸着性ガスが窒素の場合について説明する。
吸着工程が終了した吸着筒Ａの製品端側には、難吸着性ガスである酸素が高い濃度で含まれるガス、つまり、製品となるべき酸素ガスが多く残存している。そこで本発明はこの酸素ガスを吸着工程を待っている他の吸着筒Ｂの製品端に移送することにより酸素ガスの収率向上を図る。しかし、次第に易吸着性ガスである窒素の濃度が高くなり酸素ガス濃度が低下するので、移送は移送ガス中の酸素ガス濃度が原料ガス中に含まれる酸素濃度未満になる前に終了させる。つまり、酸素ガスが高濃度の部分を既に再生工程が完了し吸着工程を待っている他の吸着筒Ｂの製品端に回収し、続いて酸素ガスが低濃度の部分をこの吸着筒の原料端に回収することにより回収効率の向上を図ろうとするものである。
【００２６】
吸着工程が終了した吸着筒Ａから再生工程が完了し吸着工程を待っている他の吸着筒Ｂの製品端にガスを移送するには、吸着工程の終了した吸着筒Ａと再生工程の終了した吸着筒Ｂとを製品端部同士を接続連通し、高濃度の酸素ガスを移送ガスとし、その圧力差により吸着筒Ｂに移す。この処理を本発明では上部均圧と称する。
【００２７】
この上部均圧により吸着筒Ｂは昇圧する。その値が通常の操作圧の５％〜４０％の範囲（好ましくは５〜３０、最も好ましくは７〜２５％）で上昇したときに上部均圧を終了させるのがよい。その後、吸着筒Ａの製品端と吸着筒Ｂの原料端とを接続し、圧力差によって窒素ガスが高濃度となったガスを吸着筒Ｂに移す。この処理を本発明ではクロス均圧と称する。
【００２８】
本発明では吸着工程の終了した吸着筒Ａの原料端に原料ガスを吸着工程に引き続いて導入するが、この原料ガスの導入により吸着筒Ａ内のガス流れに急激な変動が生じるのを防止することができる。すなわち、吸着筒内の吸着剤中を進行している吸着最前線（ＭＴＺ）の乱れを抑制して、酸素濃度の高いガスを吸着筒Ｂにより効率よく移送することが可能となり、吸着筒Ｂの製品端部に酸素濃度の高いガスが効率よく移送され、製品ガスとして得られる酸素ガスの濃度を高く維持できる。
【００２９】
原料ガスの導入は上部均圧、クロス均圧の間の一定の時点で降圧中の吸着筒Ａの原料端から昇圧中の吸着筒Ｂの原料端に切替えて導入する。そして、クロス均圧は、降圧中の吸着筒Ａの圧カが昇圧中の吸着筒Ｂの圧カより８０〜４００ｍｍＨｇだけ高い状態で終了させることが望ましい。これは吸着筒Ｂの圧カ上昇が次の吸着工程に切り替わったとき、なめらかに引き継がれて上昇しＭＴＺの乱れが少なく高濃度の製品ガスが得られるからである。
【００３０】
上部均圧、クロス均圧に続いて２つの吸着筒Ａ及びＢは、それぞれ吸着筒Ａが再生工程へ、また吸着筒Ｂが吸着工程へ移行し、昇圧中の吸着筒Ｂはバッファタンクに接続される。接続当初、吸着筒Ｂは吸着筒圧が低いので、バッファタンク内の製品ガスが吸着筒Ｂへ逆流し製品ガスにより均圧するが、継続して導入される原料ガスにより昇圧し、製品ガスがバッファタンクに導入される。
【００３１】
一方、降圧された吸着筒Ａは吸着剤の再生に入る。この再生工程中に製品ガスを吸着工程中の吸着筒Ｂより導入してパージし、脱着操作を促進させる。パージガス量はオリフイスにより決定する。
以上の通り、吸着工程終了後、吸着筒Ａ内の製品端側に残る難吸着性ガス（酸素ガス）を再生工程終了後の吸着筒Ｂに移送し、これから酸素ガスと圧力エネルギーを効率良く、昇圧する吸着筒Ｂに回収することにより製品ガスの回収率を高め圧力エネルギーの有効活用を行うことができる。
【００３２】
さらにサイクル全体を通して原料ガスを中断することなく吸着筒Ａまたは吸着筒Ｂに導入することにより、コンプレッサーまたはブロワー稼働の中断の無駄が生ぜず電カ原単位の改良が図られる。
また別の作用として、製品端同士を接続する上部均圧及びその後の製品端と原料端を接続するクロス均圧は、酸素ガス濃度の高い部分を上部均圧で回収することにより昇圧中の吸着筒Ｂの製品端部への易吸着性ガスである窒素の混入を抑制するので製品ガス濃度を高く維持する上で好ましい。その後、酸素濃度が低下し易吸着性ガスである窒素の多くなったガスをクロス均圧により原料端へ移送する。この際、温度が高く、原料ガス中に含まれる難吸着ガスである酸素ガスの濃度も比較的高いガスを吸着筒Ｂの原料端に移送することになり、吸着筒Ｂの原料端の近傍の易吸着性ガスである窒素の分圧が降下し、その結果窒素を最も多く強く吸着する部分が分散されて、冷却の分極を防ぎ吸着筒内の温度の均一化を図ることができる。
【００３３】
上部均圧、クロス均圧を通して各々に移送するガスの量は互いに流れる配管ルートの抵抗と時間を考慮し、配管ルート内に絞り弁を入れて降下、昇圧のスピードを調節する必要がある。このとき降圧状態の吸着筒ＡのＭＴＺをなるべく乱さないでシヤープな形のまま、酸素濃度が原料ガス中の濃度に等しく、かつ降圧中の吸着筒Ａの圧力が昇圧中の吸着筒Ｂの圧カより８０〜４００ｍｍＨｇ高い範囲のときにクロス均圧を終了させることにより、昇圧中の吸着筒Ｂが吸着工程に切替わった際に、難吸着性ガスの十分な回収と筒内のなめらかな昇圧パターンが保たれるので好ましい。
【００３４】
これらの制御を適切に行うための技術手段として、本発明は以下の事項を含んでいる。
▲１▼上部均圧、クロス均圧各々の配管ルートに絞り弁を入れて配管抵抗を適切にして流量をコントロールする。
▲２▼原料ガスを降圧側吸着筒の原料端に導入する時点から昇圧中の吸着筒の原料端へ切替える時点を、上部均圧中にする、上部均圧からクロス均圧への切替えと同時にする、またはクロス均圧ヘ切替えた後、のいずれかにする。
▲３▼各々の時間を制御する。
▲４▼上部均圧時に昇圧側吸着筒の原料端に排気減圧の期間を少し持たせて低圧に維持することにより、吸着工程の終了後に吸着筒内に有する難吸着性ガス（移送ガス）をより多く他の吸着筒へ移行する。
【００３５】
なお、▲４▼のとき、両筒間の圧力差が大きいので多くの移送ガスが再生工程終了後の吸着筒へ移送されるが、この状態を継続しすぎると移送ガス中の難吸着性ガスが当該吸着筒を通過してしまうので、そうなる前に当該吸着筒の原料端を閉じる必要がある。
以上のように上部均圧及びクロス均圧配管抵抗とその各々の工程の時間及び原料ガスの切替タイミング及び上部均圧中に排気、減圧の継続を少し入れるかどうか、その組合せにより、いくつかの適正な組合せを実現させることができる。これを以下の発明の実施の形態により説明する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は本実施の形態を実施するためのＰＳＡ装置を示す図、図３及び図４は上部均圧及びクロス均圧時の吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂにおけるガスの流れを示す図、図５は上部均圧及びクロス均圧の際の吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂへの原料ガス導入の切り替え示す図である。
【００３７】
図１、図２に示ＰＳＡ装置は、２本の吸着筒Ａ１１及び吸着筒Ｂ１２、原料空気導入用のコンプレッサー２１、製品酸素ガス貯留用のサージタンク１３を主な構成要素としており、これら構成要素間を配管で接続している。図１の装置には、配管中に切替え弁１、２、３、４、５、６、７、８、９及び１０、並びに、絞り弁１５、１６、１６'及び１７が配置されている。また、図２の装置には、配管中に切替え弁１、２、３、４、５'、６'、７、８'、９'及び１０’、並びに、絞り弁１５、１８、１８'及び１９が配置されている。このＰＳＡ装置により、吸着筒Ａ１１で吸着工程（吸着筒Ｂ１２は再生工程）、均圧工程（上部均圧及びクロス均圧）、再生工程（吸着筒Ｂ１２は吸着工程）、均圧工程（上部均圧及びクロス均圧）の順からなる工程を１サイクルとして運転を行う。
【００３８】
図１のＰＳＡ装置に基づき吸着工程、上部均圧、クロス均圧、再生工程を順次説明する。
（イ）吸着工程（吸着筒Ａ１１）
まず切替え弁１、５及び８を開き、コンプレッサー２１により加圧空気を吸着筒Ａ１１に継続して導入し、窒素を吸着させ製品酸素ガスをサージタンク１３へ取り出す吸着工程を行う。吸着筒Ａ１１が吸着工程にある間は、吸着筒Ｂ１２は切替え弁４、１０を開放して再生工程を行う。
【００３９】
（ロ）上部均圧工程
吸着工程終了後、上部均圧を行う。上部均圧を行うために切替え弁５及び６を開き吸着筒Ａ１１の製品端と吸着筒Ｂ１２の製品端とを連通すると、圧力差により吸着筒Ａ１１の製品端部に残存していた酸素濃度の高いガスが吸着筒Ｂ１２へ移送される。なお、この時点では切替え弁２、３、４、８及び１０は閉じられているが、切替え弁１は開けられており、吸着筒Ａ１１には原料ガスが連続的に導入している。吸着筒Ａ１１および吸着筒Ｂ１２との関係でガスの流れを示すと図３（ａ）の工程１の通りであり、切替え弁の開・閉を整理して示すと表１のａ欄の工程１の通りである。
上部均圧の期間の前半には、切替え弁４及び１０を開放して吸着筒Ｂ１２の原料端を排気減圧することが望ましい。
【００４０】
（ハ）クロス均圧工程
次に、切替え弁９及び４を開き吸着筒Ａ１１の製品端と吸着筒Ｂ１２の原料端とを連通してクロス均圧を行う。この際同時に切替え弁３を開き原料ガスを吸着筒Ｂ１２に連続的に導入する。一方、切替え弁１、２、６、８及び１０は閉じる。切替え弁３を開いて吸着筒Ａ１１および吸着筒Ｂ１２との関係でガスの流れを示すと図３（ａ）の工程２の通りであり、切替え弁の開・閉を整理して示すと表１のａ欄の工程２の通りである。
クロス均圧は、吸着筒Ｂ１２の圧力が吸着筒Ａ１１の圧力より低く、両筒の圧力差が８０〜４００ｍｍＨｇの範囲にあるとき、さらにクロス均圧により移送されるガス中の酸素ガス濃度が原料ガス中の酸素ガス濃度とほぼ等しいときに終了することが望ましい。
【００４１】
（ニ）再生工程（吸着筒Ａ１１）
クロス均圧が終了後、吸着筒Ａ１１は再生工程に、また、吸着筒Ｂ１２は吸着工程に入る。吸着筒Ａ１１が再生工程となるために、切替え弁１及び５を閉じ、切替え弁２及び切替え弁１０を開く。一方、吸着筒Ｂ１２が吸着工程となるために、切替え弁３、６及び８を開き、切替え弁４を閉じる。原料ガスは引き続き吸着筒Ｂ１２に導入される。吸着筒Ａ１１および吸着筒Ｂ１２との関係でガスの流れを示すと図３（ａ）の工程３の通りであり、切替え弁の開・閉を整理して示すと表１のａ欄の工程３の通りである。
【００４２】
吸着筒Ａ１１の再生工程終了後、つまり吸着筒Ｂ１２の吸着工程終了後、吸着筒Ｂ１２を基準として上部均圧、クロス均圧を行い、再度吸着筒Ａ１１は吸着工程、吸着筒Ｂ１２は再生工程へと移行する。
【００４３】
以上の実施の形態では、上部均圧からクロス均圧への移行とともに原料ガスの導入を吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２へ切り換えているが、上部均圧の実施中に吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２へ切り換えることもできる。この一連のガスの流れを吸着筒Ａ１１および吸着筒Ｂ１２との関係で示したのが図３（ｂ）である。すなわち、上部均圧当初は原料ガスの導入を吸着筒Ａ１１に対して行うが（図３（ｂ）工程１）、上部均圧の所定時期に原料ガスの導入を吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２へ切り換える（図３（ｂ）工程２）。その後、クロス均圧へ移行し（図３（ｂ）工程３）、原料ガスを継続して吸着筒Ｂ１２へ導入しつつ、クロス均圧終了後に吸着筒Ａ１１の再生工程へと移行する（図３（ｂ）工程４）という形態も本発明は包含する。なお、以上の一連の工程を図１に示すＰＳＡ装置にて実行するための切替え弁の開・閉状態は、表１のｂ欄の工程１〜４の通りである。
【００４４】
原料ガスの導入を吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２への切り換えは、他に、クロス均圧の実施中に行うこともできる。この一連のガスの流れを吸着筒Ａ１１および吸着筒Ｂ１２との関係で示したのが図３（ｃ）である。すなわち、上部均圧及びクロス均圧の途中まではガスの導入を吸着筒Ａ１１に対して行うが（図３（ｃ）工程１及び工程２）、クロス均圧の所定時期に原料ガスの導入を吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２へ切り換える（図３（ｃ）工程３）。その後、原料ガスを吸着筒Ｂ１２へ導入し続けた状態で吸着筒Ａ１１の再生工程へと移行する（図３（ｃ）工程４）という形態も本発明は包含する。なお、以上の一連の工程を図１に示すＰＳＡ装置にて実行するための切替え弁の開・閉状態は、表１のｃ欄の工程１〜４の通りである。
【００４５】
【表１】
0003727461.tif 000002
【００４６】
図５は上部均圧、クロス均圧と原料ガスの吸着筒Ａ１１、Ｂへの切替えのタイミングを示した図である。すなわち、図５（ａ）は図３（ａ）に該当し、上部均圧からクロス均圧に切替えると同時に原料ガスの導入も吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２へ切替えることを示すものである。図５（ｂ）は図３（ｂ）に該当し、上部均圧の期間中に原料ガスの導入を吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２へ切替えた後、均圧を上部均圧からクロス均圧に遅れて切替えることを示している。図５（ｃ）は図３（ｃ）に該当し、上部均圧をクロス均圧に切替えた後も原料ガスを吸着筒Ａ１１に導入を続け、後に吸着筒Ｂ１２の原料端に切替えることを示している。
【００４７】
これ等のどの方法を採用した方が良いかは吸着剤の種類、ＰＳＡ操作圧、ＰＳＡ規模、設置条件等で決まる。
濃度の濃い移送ガスを均圧により移送するには相互の筒の圧カと容積と原科ガス量とから原料端管径に対して一定の比率がある。このため、上部均圧、クロス均圧配管に一定の紋り弁を挿入すれば図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれか一つの工程方式に固定することができるが、その絞り弁の比率を変えることにより図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれも実施することができる。すなわち図１に示す配管中の絞り弁１６、１６´、１７を調節することにより上記いずれの工程の流れをも取り得ることができる。なお図１の絞り弁１５はパージガス量の調節用オリフィスとして機能する。
【００４８】
なお、切替え弁７の開・閉についてはこれまで説明していなかったが、脱着操作を促進させるために２本の吸着筒のうち吸着工程にある吸着筒から再生工程中にある吸着筒への製品ガス導入を制御するものであり、図３の（ａ）では工程３、（ｂ）、（ｃ）では工程４で一定時間開く。その時間は絞り弁１５の有効径との関係で定まる。
【００４９】
また、図４に示す工程は、図３の工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各工程１の前に図４の各工程１を加えたものである。これを図１のＰＳＡ装置で実現するには、切替え弁１、５、６、４及び１０を開き、切替え弁２、３、８及び９を閉じればよい。図４の工程１を加えることにより吸着終了後の吸着筒Ａ１１から再生終了後の吸着筒Ｂ１２により多くのガスを移送することができる。
【００５０】
次に、図２に示すＰＳＡ装置に基づき吸着工程、上部均圧、クロス均圧、再生工程を順次説明する。
（イ）吸着工程（吸着筒Ａ１１）
まず切替え弁１及び５'を開き、コンプレッサー２１により加圧空気を吸着筒Ａ１１に継続して導入し、窒素を吸着させ製品酸素ガスをサージタンク１３へ取り出す吸着工程を行う。吸着筒Ａ１１が吸着工程にある間は、吸着筒Ｂ１２は切替え弁４を開放して再生工程を行っている。
【００５１】
（ロ）上部均圧工程
吸着工程終了後、上部均圧を行う。上部均圧を行うために切替え弁８'を開き吸着筒Ａ１１の製品端と吸着筒Ｂ１２の製品端とを連通すると、圧力差により吸着筒Ａ１１の製品端部に残存していた酸素濃度の高いガスが吸着筒Ｂ１２へ移送される。なお、この時点では切替え弁２、３、４、５、６、９及び１０は閉じられているが、切替え弁１は開けられており、吸着筒Ａ１１には原料ガスが連続的に導入されている。吸着筒Ａ１１および吸着筒Ｂ１２との関係でガスの流れを示すと図３（ａ）の工程１の通りであり、切替え弁の開・閉を整理して示すと表２のａ欄の工程１の通りである。
上部均圧の期間の前半には、前述の通り吸着筒Ｂ１２の原料端を排気減圧することが望ましい。
【００５２】
（ハ）クロス均圧工程
切替え弁１０を開き吸着筒Ａ１１の製品端と吸着筒Ｂ１２の原料端とを連通してクロス均圧を行う。この際同時に切替え弁３を開き原料ガスを吸着筒Ｂ１２に連続的に導入する、また、切替え弁１、２、４、５、６、８及び９は閉じる。吸着筒Ａ１１および吸着筒Ｂ１２との関係でガスの流れを示すと図３（ａ）の工程２の通りであり、切替え弁の開・閉を整理して示すと表２のａ欄の工程２の通りである。
クロス均圧は、吸着筒Ｂ１２の圧力が吸着筒Ａ１１の圧力より低く、両筒の圧力差が８０〜４００ｍｍＨｇの範囲にあるとき、さらにクロス均圧により移送されるガス中の酸素ガス濃度が原料ガス中の酸素ガス濃度とほぼ等しいときに終了することが望ましい。
【００５３】
（ニ）再生工程（吸着筒Ａ１１）
クロス均圧が終了後、吸着筒Ａ１１は再生工程、また、吸着筒Ｂ１２は吸着工程となる。吸着筒Ａ１１が再生工程となるために、切替え弁１、４、５、８、９及び１０を閉じ、切替え弁２を開く。一方、吸着筒Ｂ１２が吸着工程となるために、切替え弁３及び６が開に、切替え弁４が閉となる。原料ガスは引き続き吸着筒Ｂ１２に導入される。吸着筒Ａ１１および吸着筒Ｂ１２との関係でガスの流れを示すと図３（ａ）の工程３の通りであり、切替え弁の開・閉を整理して示すと表２のａ欄の工程３の通りである。
【００５４】
吸着筒Ａ１１の再生工程終了後、つまり吸着筒Ｂ１２の吸着工程終了後、吸着筒Ｂ１２を基準として上部均圧、クロス均圧を行い、再度吸着筒Ａ１１は吸着工程、吸着筒Ｂ１２は再生工程へと移行する。
【００５５】
以上の実施の形態では、上部均圧からクロス均圧への移行とともに原料ガスの導入を吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２へ切り換えているが、図１のＰＳＡ装置に関して説明したのと同様に、上部均圧の実施中に吸着筒Ａ１１から吸着筒Ｂ１２へ切り換えることもできるし（図３（ｂ））、クロス均圧の実施中に行うこともできる（図３（ｃ））。なお、図２のＰＳＡ装置によって図３（ｂ）、図３（ｃ）の工程を実現するための切替え弁の開・閉を整理して示すと、それぞれ表２のｂ欄、ｃ欄の通りである。
【００５６】
【表２】
0003727461.tif 000003
【００５７】
なお、切替え弁７は、図４の（ａ）では工程４、（ｂ）、（ｃ）では工程５で一定時間開く。その時間は絞り弁１５の有効径との関係で定まる。
また、図４に示す工程は、図３の工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各工程１の前に図４の各工程１を加えたこと以外は図３に示す工程と同じである。これを図２のＰＳＡ装置で実現するには、切替え弁１、４及び８を開き、切替え弁２、３、５、６、９及び１０を閉じればよい。図４の工程１を加えることにより吸着終了後の吸着筒Ａ１１から再生終了後の吸着筒Ｂ１２により多くのガスを移送することができる。
【００５８】
【実施例】
図１に示すＰＳＡ装置を用いて原料ガスを酸素としてガス分離を実行した。なお、図１と同一部分には同一の符号を示してある。
吸着筒Ａ１１、Ｂは容積２７５Ｌを有し、その中に吸着剤としてゼオライトをそれぞれ１７０Ｋｇ充填してある。本発明の実施例として以下の（イ）〜（ハ）、また比較例として（ニ）の条件（その他条件は表４参照）によるガス分離を行った。
（イ）表１のｃの欄に示す切替え弁の開閉により図３（ｃ）に示す工程（時間は下記）を行った。
工程１：１秒、工程２：１秒、工程３：２秒、工程４：３３秒
（ロ）表２のｃの欄に示す切替え弁の開閉により図４（ｃ）に示す工程（時間は下記）を行った。
工程１：０．５秒、工程２：１秒、工程３：２秒、工程４：１．５秒
工程５：３４秒
（ハ）表１のａの欄に示す切替え弁の開閉により図３（ａ）に示す工程（時間は下記）を行った。
工程１：１．５秒、工程２：２．５秒、工程３：３７秒
（ニ）表３に示す切替え弁の開閉により図６に示すＰＳＡ装置を用いて図７に示す工程（時間は下記）を行った。
工程１：３秒、工程２：１４秒、工程２'：２２秒
【００５９】
【表３】
0003727461.tif 000004
【００６０】
結果を表４に示すが、本発明に係る実施例（イ）〜（ロ）は比較例（ニ）に比べてコンプレッサーの消費電力が少ない。また、単位時間当たりの製品ガス量は３０％以上増加していることが判る。
【００６１】
【表４】
0003727461.tif 000005
【００６２】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明によれば、吸着筒間の熱分極を無くし、吸着工程終了後の製品ガス残留を回収し、かつコンプレッサー等を遊ばせることをなくした効率の良いガス分離を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態にかかるＰＳＡ装置を示す図である。
【図２】  本発明の他の実施の形態にかかるＰＳＡ装置を示す図である。
【図３】  本発明の実施の形態にかかる上部均圧及びクロス均圧時の吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂにおけるガスの流れを示す図である。
【図４】  本発明の他の実施の形態にかかる上部均圧及びクロス均圧時の吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂにおけるガスの流れを示す図である。
【図５】  本発明の実施の形態にかかる上部均圧及びクロス均圧の際の吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂへの原料ガス導入の状態を示す図である。
【図６】  比較例に用いたＰＳＡ装置を示す図である。
【図７】  比較例に用いた従来の工程の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１  吸着筒Ａ
１２  吸着筒Ｂ
１３  サージタンク
２１  コンプレッサー
【図１】
0003727461.tif 000006
【図２】
0003727461.tif 000007
【図３】
0003727461.tif 000008
【図４】
0003727461.tif 000009
【図５】
0003727461.tif 000010
【図６】
0003727461.tif 000011
【図７】
0003727461.tif 000012