(57)【要約】【課題】吸着剤を有効に利用し、過剰な再生エネルギーの消費を抑え、空気中のＣＯ２が設計値を大幅に上回る場合にも対応できる前処理装置を提供する。【解決手段】原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置３に該原料ガスを供給する前処理装置２であって、空気を通過させて該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する第１吸着塔４ａ及び第２吸着塔４ｂと、第１吸着塔４ａ及び第２吸着塔４ｂのうちの１つを通過したガス中のＮ２Ｏの濃度を測定するＮ２Ｏセンサ５とを備え、Ｎ２Ｏセンサ５により測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合に吸着塔を切り替える。【選択図】図２
2014113593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、
空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、
前記吸着塔の１つを通過したガス中のＮ２Ｏの濃度を測定するＮ２Ｏセンサとを備え、
前記Ｎ２Ｏセンサにより測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする前処理装置。
【請求項２】
原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、
空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、
前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定するＣＯ２センサとを備え、
前記ＣＯ２センサにより測定されたＣＯ２の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする前処理装置。
【請求項３】
原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、
空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、
前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、２箇所以上の温度を測定する温度センサとを備え、
前記温度センサにより測定された２箇所以上の温度の差が、規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする前処理装置。
【請求項４】
原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、
少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、
前記吸着塔の１つを通過したガス中のＮ２Ｏの濃度を測定するステップと、
前記測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする前処理方法。
【請求項５】
原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、
少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、
前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定するステップと、
前記測定されたＣＯ２の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする前処理方法。
【請求項６】
原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、
少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、
前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、２箇所以上の温度を測定するステップと、
前記測定された２箇所以上の温度の差が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする前処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置に関し、より詳しくは、吸着塔の使用限界を的確に予測するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、深冷式の空気分離装置を用いて、酸素及び窒素が製造されている。該空気分離装置は、空気を冷却して液化し、酸素と窒素とを沸点差を利用して蒸留分離する。空気には低温で固化する水分（以下「Ｈ２Ｏ」という）や二酸化炭素（以下「ＣＯ２」という）などのガスが含まれているため、空気を該空気分離装置に供給する前にこれらを除去しないと、熱交換器の中でこれらが固化し流路が閉塞されてしまうという問題が起こる。そこで、空気から主にＨ２ＯとＣＯ２とを除去して該空気分離装置に供給する前処理装置が、該空気分離装置の前段に設けられている。
【０００３】
該前処理装置は、主にＨ２ＯとＣＯ２とを吸着剤に吸着させるタイプのものが普及している。例えば、特許文献１に、原料空気からＨ２ＯとＣＯ２などを吸着除去する吸着剤を充填し切り替え使用する複数基の吸着塔を備え、連続的に原料空気の精製を行なう空気液化分離装置の前処理方法が開示されている。
【０００４】
特許文献１の段落００６９を参照すると、活性アルミナなどの水分吸着剤とＸ型ゼオライトなどの炭酸ガス吸着剤が充填されている吸着塔を用い、最適化することによって、経済的に成り立つ条件を見出し、高温空気条件での前処理装置の設計を可能ならしめた旨が記載されている。
【０００５】
また使用済みの吸着塔は、高温のパージガスを用いて吸着物質の脱着を行うことにより再生され、繰り返し使用されている。
【０００６】
従来の前処理装置は、ＣＯ２を４００〜６００ｐｐｍ含む空気を原料とし、ＣＯ２の濃度がこの範囲外に変動することがないことを前提に設計されており、吸着剤の吸着能力と原料空気量とから、吸着塔の吸着と再生の切り替えを行うタイミングを事前の計算により求めている。また空気にはＣＯ２の他に水分や僅かな亜酸化窒素（以下「Ｎ２Ｏ」という）が０．３５ｐｐｍ程度含まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３８４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の前処理装置では、想定される最悪のケースに耐え得るように、吸着塔の設計を、想定範囲中の上限値を用いて計算し、さらにこの計算結果に、経年劣化などを考慮して安全率を掛けている。従って大半の場合は、吸着塔に吸着能力が十分に残っている状態で吸着塔を切り替えることになる。また、吸着剤に吸着能力が十分に残っている場合であっても、再生に際し、飽和まで吸着した吸着塔を再生する際と同様の熱量を与えているので、過剰に再生エネルギーを消費している。
【０００９】
一方、近隣や同じ敷地内に、製鉄、化学及び発電プラントなどの大量にＣＯ２を放出する設備があるような場合には、風向きなどにより空気中のＣＯ２が設計値を大幅に上回り、例えば１０００ｐｐｍを超えるようなことが起こり得るので、上記従来の前処理装置では対応できない。
【００１０】
本発明は以上のような従来の課題を考慮してなされたものであり、吸着塔に吸着能力が十分に残っている状態で吸着と再生の切り替えをすることがないように吸着剤を有効に利用し、過剰な再生エネルギーの消費を抑えることができ、さらに、空気中のＣＯ２が設計値を大幅に上回る場合にも対応できる前処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、前記吸着塔の１つを通過したガス中のＮ２Ｏの濃度を測定するＮ２Ｏセンサとを備え、前記Ｎ２Ｏセンサにより測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定するＣＯ２センサとを備え、前記ＣＯ２センサにより測定されたＣＯ２の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。
【００１３】
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、２箇所以上の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサにより測定された２箇所以上の温度の差が、規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、前記吸着塔の１つを通過したガス中のＮ２Ｏの濃度を測定するステップと、前記測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定するステップと、前記ＣＯ２の濃度を測定するステップにより測定されたＣＯ２の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、２箇所以上の温度を測定するステップと、前記測定された２箇所以上の温度の差が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の前処理装置及び前処理方法は、吸着塔を通過したガス中のＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合、吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度が規定値に達した場合、あるいは、吸着塔中の２箇所以上の温度の差が規定値に達した場合に、吸着塔を切り替えることができる。
【００１８】
これにより、吸着塔の使用限界を的確に予測することができ、吸着塔の使用限界を超える少し前に、吸着塔を切り替えることができる。従って、吸着剤を有効に利用し、余分な再生エネルギーの消費を抑えることができ、さらに、空気中のＣＯ２の濃度が設計値を大幅に上回る場合にも対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態１に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る前処理装置の詳細な構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る前処理装置の詳細な構成を示す概略図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る前処理装置の詳細な構成を示す概略図である。
【図７】使用途中の吸着モデルを示す概念図である。
【図８】使用終了時の吸着モデルを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態により本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施の形態によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００２１】
＜実施形態１＞
本発明の実施形態１に係る前処理装置は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、前記吸着塔の１つを通過したガス中のＮ２Ｏの濃度を測定するＮ２Ｏセンサとを備え、前記Ｎ２Ｏセンサにより測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。
【００２２】
本発明の実施形態１に係る前処理方法は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、前記吸着塔の１つを通過したガス中のＮ２Ｏの濃度を測定するステップと、前記測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態１に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。図１に示す深冷分離プロセスは、空気圧縮機１、前処理装置２、空気分離装置３及び図示しない制御装置Ａを備える。
【００２４】
空気圧縮機１は、外気を取り入れて圧縮し、水を使って冷却して、圧力を約０．５ＭＰａＧに調整した圧縮空気を前処理装置２へ供給する。
【００２５】
前処理装置２は、入口側から活性アルミナ、Ｘ型ゼオライトなどの吸着剤を用いて、空気圧縮機１より供給される圧縮空気から、少なくともＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去した原料ガスを生成し、該原料ガスを空気分離装置３へ供給する。
【００２６】
空気分離装置３は、深冷式の空気分離装置であり、前処理装置２より供給される原料ガスを冷却して液化し、酸素と窒素とを沸点差を利用して蒸留分離する。
【００２７】
図２は、本発明の実施形態１に係る前処理装置２の詳細な構成を示す概略図である。前処理装置２は、第１吸着塔４ａ、第２吸着塔４ｂ、Ｎ２Ｏセンサ５及び加熱器６を備える。
【００２８】
第１吸着塔４ａは、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する活性アルミナ及びＸ型ゼオライトなどの吸着剤を有する。第２吸着塔４ｂは、第１吸着塔４ａと同様の構成であり、且つ第１吸着塔４ａと同様の機能を有する。
【００２９】
第１吸着塔４ａの使用中に第２吸着塔４ｂが再生され、第２吸着塔４ｂの使用中に第１吸着塔４ａが再生されるので、吸着塔を交互に切り替えて使用することにより連続運転を可能にしている。
【００３０】
第１吸着塔４ａの使用中に制御装置Ａにより吸着塔の使用限界が近いと判定されると、第２吸着塔４ｂに切り替えられる。同様に、第２吸着塔４ｂの使用中に制御装置Ａにより吸着塔の使用限界が近いと判定されると、第１吸着塔４ａに切り替えられる。
【００３１】
第１吸着塔４ａ及び第２吸着塔４ｂを交互に使用し、一方の使用中に他方を加熱器６により加熱再生の後、冷却しながら待機させる。詳細には、第１吸着塔４ａへの圧縮空気の供給を停止する前に、第２吸着塔４ｂへの圧縮空気の供給を開始し、第２吸着塔４ｂへ圧縮空気の供給を停止する前に、第１吸着塔４ａへの圧縮空気の供給を開始することにより、空気分離装置３への原料ガスの連続供給を可能にしている。
【００３２】
また、第２吸着塔４ｂへの圧縮空気の供給中に第１吸着塔４ａ内の吸着剤を再生し、第１吸着塔４ａへの圧縮空気の供給中に第２吸着塔４ｂ内の吸着剤を再生する。なお、吸着塔は少なくとも２つを要し、３つ以上を切り替えて使用することもできる。
【００３３】
Ｎ２Ｏセンサ５は、第１吸着塔４ａ及び第２吸着塔４ｂを通過した後のガス中のＮ２Ｏの濃度を測定する。Ｎ２Ｏは吸着剤との結合力がＣＯ２よりも弱いので、Ｎ２Ｏセンサ５により吸着塔を通過したガス中のＮ２Ｏの濃度が上昇したことを検知してから一定時間後にＣＯ２の濃度が上昇する。従って、Ｎ２Ｏの濃度を測定することによって、吸着塔出口のＣＯ２濃度上昇を事前に予測し、原料ガス中のＣＯ２の濃度が上昇し始める前の適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。
【００３４】
制御装置Ａは、Ｎ２Ｏセンサ５により測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達したか否かを継続的に判断する。Ｎ２Ｏセンサ５により測定されたＮ２Ｏの濃度が規定値に達した場合に、制御装置Ａは、吸着塔の使用限界が近いと判定し、該吸着塔を切り替えすべく、別の吸着塔へ圧縮空気の供給を開始する。なお、Ｎ２Ｏは原料ガス中に僅かに検出されても空気分離装置３に悪影響を与えることはない。なお、Ｎ２Ｏの濃度が約０．１ｐｐｍに達した場合に、吸着塔を切り替えることが好ましい。
【００３５】
加熱器６は、空気分離装置３の排ガスを加熱し、これを用いて使用済みの吸着塔を高温再生する。一定時間経過後、加熱器６をバイパスした排ガスを用いて、高温再生された吸着剤を冷却しながら待機させる。図２では、空気分離装置３の排ガスの経路を点線で記載している。
【００３６】
＜実施形態２＞
本発明の実施形態２に係る前処理装置は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定するＣＯ２センサとを備え、前記ＣＯ２センサにより測定されたＣＯ２の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。
【００３７】
本発明の実施形態２に係る前処理方法は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定するステップと、前記測定されたＣＯ２の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
【００３８】
図３は、本発明の実施形態２に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。図３に示す深冷分離プロセスは、空気圧縮機１、前処理装置１０、空気分離装置３及び図示しない制御装置Ｂを備える。なお、実施形態１と同様の構成には同一番号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
前処理装置１０は、実施形態１の前処理装置２と同様に、入口側から活性アルミナ、Ｘ型ゼオライトなどの吸着剤を用いて、空気圧縮機１より供給される圧縮空気から、少なくともＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去した原料ガスを生成し、該原料ガスを空気分離装置３へ供給する。
【００４０】
図４は、本発明の実施形態２に係る前処理装置１０の詳細な構成を示す概略図である。前処理装置１０は、第１吸着塔４ａ、第２吸着塔４ｂ、ＣＯ２センサ１１及び加熱器６を備える。
【００４１】
ＣＯ２センサ１１は、第１吸着塔４ａ及び第２吸着塔４ｂ内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定する。ＣＯ２センサ１１が吸着塔出口のガス中のＣＯ２の濃度を測定する場合には、ＣＯ２の濃度が上昇したことを検知したときには、原料ガス中のＣＯ２の濃度は上昇し始めており、空気分離装置３に悪影響を与える。一方ＣＯ２センサ１１が、吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定する場合には、原料ガス中のＣＯ２の濃度が上昇してから一定時間後に、吸着塔出口のガス中のＣＯ２の濃度が上昇する。従って、吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を測定することによって、吸着塔出口のガス中のＣＯ２濃度上昇を事前に予測し、原料ガス中のＣＯ２の濃度が上昇し始める前の適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。
【００４２】
制御装置Ｂは、ＣＯ２センサ１１により測定されたＣＯ２の濃度が規定値に達したか否かを継続的に判断する。ＣＯ２センサ１１により測定されたＣＯ２の濃度が規定値に達した場合に、制御装置Ｂは吸着塔の使用限界が近いと判定し、該吸着塔を切り替えすべく、別の吸着塔へ圧縮空気の供給を開始する。なお、ガスを取り出す場所が吸着塔出口近傍である場合は、ＣＯ２の濃度が約１ｐｐｍに達した際に、吸着塔を切り替えることが好ましい。
【００４３】
＜実施形態３＞
本発明の実施形態３に係る前処理装置は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去する吸着塔を少なくとも２つと、前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、２箇所以上の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサにより測定された２箇所以上の温度の差が、規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。これはＣＯ２が吸着剤に吸着されると、吸着熱によって吸着剤の温度が上昇するという特性を利用しており、出口側に近い方の温度センサ（以下「出口側温度センサ」という）が入口側に近い方の温度センサ（以下「入口側温度センサ」という）に比べて温度が上昇した場合には、ＣＯ２が入口側温度センサの設置位置から出口側温度センサの設置位置までの間に移動してきたことを示している。
【００４４】
本発明の実施形態３に係る前処理方法は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも２つの吸着塔のうちの１つに空気を通過させて、該空気中のＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去するステップと、前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、２箇所以上の温度を測定するステップと、前記測定された２箇所以上の温度の差が、規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
【００４５】
図５は、本発明の実施形態３に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。図５に示す深冷分離プロセスは、空気圧縮機１、前処理装置２０、空気分離装置３及び図示しない制御装置Ｃを備える。なお、実施形態１と同様の構成には同一番号を付し、その説明を省略する。
【００４６】
前処理装置２０は、実施形態１の前処理装置２と同様に、入口側から活性アルミナ、Ｘ型ゼオライトなどの吸着剤を用いて、空気圧縮機１より供給される圧縮空気から、少なくともＨ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏを除去した原料ガスを空気分離装置３へ供給する。
【００４７】
図６は、本発明の実施形態３に係る前処理装置２０の詳細な構成を示す概略図である。前処理装置２０は、第１吸着塔４ａ、第２吸着塔４ｂ、温度センサ２１及び加熱器６を備える。
温度センサ２１は、吸着塔中の、空気の流れ方向に間隔をとり、２箇所以上の温度を測定する。例えば温度センサ２１は、第１温度センサ２１ａ及び第２温度センサ２１ｂを含む。
【００４８】
制御装置Ｃは、温度センサ２１により測定された２箇所以上の温度の差が、規定値に達したか否かを継続的に判断する。２箇所以上の温度の差が規定値に達した場合に、制御装置Ｃは、吸着塔の使用限界が近いと判定し、該吸着塔を切り替えすべく、別の吸着塔へ圧縮空気の供給を開始する。
【００４９】
＜吸着塔の使用限界が近いと判定する原理の説明＞
図７は、使用途中の吸着モデルを示す概念図である。図８は、使用終了時の吸着モデルを示す概念図である。図７、図８に示す吸着モデルでは、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２及びＮ２Ｏが、吸着剤ベッドに吸着されている様子を示している。ここで吸着剤ベッドとは、第１吸着塔４ａ及び第２吸着塔４ｂに充填された吸着剤の塊をいう。また図７、８中に記載した「ベッド長さ」とは、空気の流れ方向の吸着剤ベッドの長さをいう。
【００５０】
Ｈ２Ｏは、吸着剤ベッドに吸着される際の吸着剤との結合力が最も強く、ＣＯ２、Ｎ２Ｏの順に吸着剤との結合力が弱くなる。従って図７の状態から図８の状態に移行する際には、まず流れる空気中のＨ２Ｏが、既に吸着されているＣＯ２を追い出して吸着される。次に、追い出されたＣＯ２と流れる空気中のＣＯ２が、既に吸着されているＮ２Ｏを追い出して吸着される。次に、追い出されたＮ２Ｏと流れる空気中のＮ２Ｏが、何も吸着されていない領域に吸着される。
【００５１】
該吸着モデルでは、吸着剤ベッドを空気の流れ方向に、吸着物毎に、吸着剤が飽和している飽和ゾーンと、該吸着物を吸着しているが吸着能力が残っているマストランスファーゾーンと、該吸着物を全く吸着していない未使用ゾーンに区分することができる。具体的には、Ｎ２Ｏに注目すると、図７においては、吸着剤ベッドを飽和ゾーンＡ１とマストランスファーゾーンＡ２と未使用ゾーンＡ３に区分することができ、図８おいては、吸着剤ベッドを飽和ゾーンＡ４とマストランスファーゾーンＡ５に区分することができ、未使用ゾーンは存在しない。またＣＯ２に注目すると、図７においては、吸着剤ベッドを飽和ゾーンＢ１と、マストランスファーゾーンＢ２、未使用ゾーンＢ３に区分することができ、図８においては、吸着剤ベッドを飽和ゾーンＢ４とマストランスファーゾーンＢ５と、未使用ゾーンＢ６に区分することができる。従って吸着時間が進むにつれて、飽和ゾーン、マストランスファーゾーン及び未使用ゾーンが出口側に移動していき、未使用ゾーンが減少し飽和ゾーンが増えていく。
【００５２】
ここで、Ｎ２Ｏの濃度を測定することにより、吸着塔の使用限界が近いと判定することができる。
Ｎ２Ｏは通常空気中に０．３５ｐｐｍ程度含まれており、０．１ｐｐｍ程度なら空気分離装置の運転に問題は生じない。図８に示す吸着剤ベッドは、Ｎ２Ｏのストランスファーゾーンが出口側に移動して減少し、吸着塔出口のガス中には、Ｎ２Ｏの濃度が０．１ｐｐｍ程度まで上昇したことを示している。もう暫く使用し続けるとＣＯ２の未使用ゾーンが存在しなくなり、吸着塔を通過したガス中のＣＯ２の濃度が上昇し始めることになる。
【００５３】
上述のように、Ｎ２Ｏは吸着剤との結合力がＣＯ２よりも弱いので、吸着塔を通過したガス中のＮ２Ｏの濃度を測定することにより、ＣＯ２の未使用ゾーンが存在しなくなりＣＯ２の濃度が上昇し始めるタイミングを精度よく予測することができる。従って、ＣＯ２の濃度が上昇し始める前に吸着塔への空気の供給を停止することができる。
【００５４】
一方、Ｎ２Ｏの濃度を測定する代わりに、ＣＯ２の濃度を直接測定することにより、吸着塔の使用限界が近いと判定することもできる。ＣＯ２は通常空気中に４００〜６００ｐｐｍ程度含まれており、１ｐｐｍ程度まで除去しなければ、空気分離装置に問題が生じる可能性がある。
【００５５】
吸着剤の中から取り出したガス中のＣＯ２の濃度を直接測定することにより、ＣＯ２のストランスファーゾーンの移動を事前に予測し、適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。
【００５６】
一方、吸着塔中の、空気の流れ方向に間隔をとり、２箇所以上の温度を測定することにより、吸着塔の使用限界が近いと判定することもできる。吸着塔が分子を吸着する際には、吸着熱が発生する。よって、マストランスファーゾーンと未使用ゾーンでは温度の差が生じるため、空気の流れ方向に２箇所以上の温度を測定し、温度の差を比較するか、あるいは温度分布を解析することにより、ＣＯ２の濃度が上昇し始めるタイミングを精度よく予測することができる。従って、吸着塔出口のガス中のＣＯ２の濃度上昇を事前に予測し、適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。
【００５７】
以上のように本発明に係る前処理装置２、１０、２０においては、吸着塔の使用限界を的確に予測することができ、適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。従って、吸着剤を有効に利用し、余分な再生エネルギーの消費を抑えることができ、さらに、空気中のＣＯ２の濃度が設計値を大幅に上回る場合にも対応できる。
【符号の説明】
【００５８】
１    空気圧縮機
２    前処理装置
３    空気分離装置
４ａ  第１吸着塔
４ｂ  第２吸着塔
５    Ｎ２Ｏセンサ
６    加熱器
１０    前処理装置
１１    ＣＯ２センサ
２０    前処理装置
２１    温度センサ
２１ａ  第１温度センサ
２１ｂ  第２温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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