(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤が充填された複数の吸着槽を用い、窒素ガスを含む原料空気から窒素富化ガスを分離する窒素富化ガス製造方法であって、
第１吸着槽内に圧縮機によって圧縮した前記原料空気を導入して前記第１吸着槽内を加圧し、前記原料空気中の不要成分を前記第１吸着槽内の吸着剤に優先的に吸着させて、窒素が濃縮されたガスを得る加圧吸着工程と、
前記第１吸着槽内に残留するガスを第２吸着槽内に導入する減圧均圧工程と、
前記圧縮機によって圧縮した原料空気を前記第２吸着槽内に導入するとともに、前記第１吸着槽を大気に開放して前記第１吸着槽内の圧力を下げ、前記第１吸着槽内の前記吸着剤から前記不要成分を脱離させることで、前記第１吸着槽内の前記吸着剤を再生する減圧再生工程と、
前記第２吸着槽内に残留するガスを前記第１吸着槽内に導入する加圧均圧工程と、を有し、
前記加圧均圧工程において、前記圧縮機と前記第１吸着槽間の配管より分岐して設けられた圧縮原料空気槽に、前記圧縮機によって圧縮した前記原料空気を貯留し、
前記加圧吸着工程において、前記圧縮機が吐出する前記原料空気と、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料空気と、を、前記第１吸着槽内に導入することで、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料空気を、前記第１吸着槽内を加圧するガスの一部として使用することを特徴とする窒素富化ガス製造方法。
【請求項２】
吸着剤が充填された複数の吸着槽を用いて、前記吸着剤に対して易吸着性である易吸着成分と、前記吸着剤に対して難吸着性である難吸着成分を含む原料ガスから、前記易吸着成分と前記難吸着成分とを分離するガス分離方法であって、
第１吸着槽内に圧縮機によって圧縮した前記原料ガスを導入して前記第１吸着槽内を加圧し、前記原料ガス中の前記易吸着成分を前記第１吸着槽内の前記吸着剤に優先的に吸着させて、前記難吸着成分が濃縮されたガスを得る加圧吸着工程と、
前記第１吸着槽内に残留する相対的に高圧なガスを第２吸着槽内に導入する減圧均圧工程と、
前記圧縮機によって圧縮した原料ガスを前記第２吸着槽内に導入するとともに、前記第１吸着槽を大気に開放して前記第１吸着槽内の圧力を下げ、前記第１吸着槽内の前記吸着剤から前記易吸着成分を脱離させることで、前記第１吸着槽内の前記吸着剤を再生する減圧再生工程と、
前記第２吸着槽内に残留するガスを前記第１吸着槽内に導入する加圧均圧工程と、を有し、
前記加圧均圧工程において、前記圧縮機と前記第１吸着槽間の配管より分岐して設けられた圧縮原料ガス槽に、前記圧縮機によって圧縮した前記原料ガスを貯留し、
前記加圧吸着工程において、前記圧縮機が吐出する前記原料ガスと、前記圧縮原料ガス槽に貯留された圧縮された前記原料ガスと、を、前記第１吸着槽内に導入することで、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料ガスを、前記第１吸着槽内を加圧するガスの一部として使用することを特徴とするガス分離方法。
【請求項３】
吸着剤が充填された複数の吸着槽を用い、窒素ガスを含む原料空気から窒素富化ガスを分離するための窒素富化ガス製造装置であって、
原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された原料空気が導入される複数の吸着槽と、前記圧縮機と前記吸着槽を接続する配管と、該配管に分岐して設けられた分岐管と、該分岐管に接続された圧縮原料空気槽と、を備え、
前記圧縮原料空気槽は、
前記吸着槽が前記圧縮機から圧縮された原料空気を導入しない又は導入流量を制限するときに、前記圧縮機によって圧縮された原料空気を貯留する機能を有し、
前記吸着槽内を加圧する際に、前記圧縮機が吐出する原料空気に加えて、加圧するガスの一部として、前記圧縮原料空気槽内に貯留していた原料空気を前記吸着槽に導出する機能を有することを特徴とする窒素富化ガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素富化ガス製造方法、ガス分離方法および窒素富化ガス製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、圧力変動吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＰＳＡ）方式によって、窒素を含む原料空気（以下、単に「原料空気」という。）から分離・精製した窒素に富んだガス（以下、「窒素富化ガス」という。）は、防爆用のパージガスや熱処理炉の雰囲気ガス用など、多くの用途で利用されている。
このＰＳＡ方式による窒素富化ガスの分離・精製においては、動力として専ら電気が使用されており、近年、ランニングコストの削減や省エネ化に向けた一層の省電力化が望まれている。
【０００３】
従来、この種のＰＳＡ方式による窒素富化ガス製造装置（以下、「窒素ＰＳＡ装置」という。）としては、図７に示すものが知られていた。
図７に示すように、窒素ＰＳＡ装置１０１は、原料空気を加圧するための原料空気圧縮機１０２と、２つの吸着槽（第１吸着槽１０３Ａおよび第２吸着槽１０３Ｂ）と、製品槽１０４と、を備えている。
【０００４】
また、それぞれの吸着槽１０３Ａ，１０３Ｂの原料空気圧縮機１０２が接続された側（以下、「上流側」という。）および製品槽１０４が接続された側（以下、「下流側」という。）には、自動切替式の開閉弁１１１ａ，１１１ｂ、１１６ａ，１１６ｂが設けられており、その他に窒素ＰＳＡ装置１０１には、自動切替式の開閉弁１１２ａ，１１２ｂ，１１３，１１５と、流量調整が可能な流量調整弁１１４が設けられている。また、製品槽１０４の出口側には、自動切替式の開閉弁１０６が設けられている。
また、２つの吸着槽１０３Ａ，１０３Ｂには、それぞれ原料空気圧縮機１０２から送出される圧縮原料空気中の酸素や二酸化炭素等の不要成分を優先的に吸着する吸着剤１０５が充填されている。
【０００５】
このような窒素ＰＳＡ装置１０１を用いて原料空気から窒素富化ガスを分離する方法としては、加圧吸着工程と、減圧均圧工程と、減圧再生工程と、加圧均圧工程の各工程を繰り返す方法が知られている。
【０００６】
この方法の場合、第１吸着槽１０３Ａおよび第２吸着層１０３Ｂのうち、一方が加圧吸着工程の際には他方は減圧再生工程となっており、一方が減圧均圧工程の際には他方が加圧均圧工程となっている。したがって、第１吸着槽１０３Ａについて、加圧吸着工程、減圧均圧工程、減圧再生工程、および加圧均圧工程がこの順で行われた際には、第２吸着槽１０３Ｂにおいては、減圧再生工程、加圧均圧工程、加圧吸着工程、減圧均圧工程がこの順で行われていることとなる。以下では、第１吸着槽１０３Ａの工程を基準にして説明する。
【０００７】
まず、加圧吸着工程では、原料空気圧縮機１０２によって加圧された圧縮原料空気を第１吸着槽１０３Ａ内に導入して、第１吸着槽１０３Ａ内を加圧し、原料空気中の不要成分を優先的に吸着剤１０５に吸着させることで、窒素富化ガスを得る。次に、減圧均圧工程では、第１吸着槽１０３Ａ内に残留する相対的に高圧なガスを第２吸着槽１０３Ｂ内に導入する。
【０００８】
次に、減圧再生工程では、第１吸着槽１０３Ａを大気に解放して第１吸着槽１０３Ａ内の圧力を下げて、吸着剤１０５に吸着されていた不要成分を脱離させ、第１吸着槽１０３Ａの外へ排出する。この際、加圧吸着工程を実施している第２吸着槽１０３Ｂの下流側より取り出した窒素富化ガスを、第１吸着槽１０３Ａの下流側を通して第１吸着槽１０３Ａ内に導入することで、不要成分の脱離を促進させることが好ましい。
そして、加圧均圧工程では、加圧吸着工程が完了した第２吸着槽１０３Ｂ内に残留する相対的に高圧なガスを、減圧再生工程が完了した第１吸着槽１０３Ａ内へ導入する。
【０００９】
図７に基づいて更に具体的に説明すると、第１吸着槽１０３Ａが加圧吸着工程にあるとき（すなわち、第２吸着槽１０３Ｂが減圧再生工程にあるとき）、開閉弁１１１ａ，１１２ｂ，１１６ａは開となっており、その他の開閉弁は閉となっている。
したがって、原料空気圧縮機１０２によって圧縮された圧縮原料空気は、開閉弁１１１ａを通じて第１吸着槽１０３Ａ内へ導入される。
【００１０】
第１吸着槽１０３Ａ内に導入された圧縮原料空気は、酸素や二酸化炭素等の不要成分が吸着剤１０５に吸着され、窒素成分に富んだ窒素富化ガスとなって、開閉弁１１６ａを通じて製品槽１０４へ送られ、製品ガスとなる。この際、窒素富化ガスの一部は流量調整弁１１４を通じて第２吸着槽１０３Ｂ内へ導入され、第２吸着槽１０３Ｂ内の吸着剤１０５の再生に使用される。
【００１１】
次に、第１吸着槽１０３Ａが減圧均圧工程に、第２吸着槽１０３Ｂが加圧均圧工程に入ると、開閉弁１１３，１１５は開となり、その他の開閉弁は閉となる。
したがって、この減圧均圧工程においては、第１吸着槽１０３Ａ内に残留する相対的に高圧なガスが、開閉弁１１３，１１５を通じて第１吸着槽１０３Ａから第２吸着槽１０３Ｂ内へ導入される。
【００１２】
次に、開閉弁１１１ｂ，１１２ａ，１１６ｂを開とし、その他の開閉弁を閉とすることで、第１吸着槽１０３Ａは減圧再生工程に、第２吸着槽１０３Ｂは加圧吸着工程に入る。
この工程では、第１吸着槽１０３Ａ内に残留したガスが、開閉弁１１２ａを通じて大気に放出され、第１吸着槽１０３Ａ内の圧力が下がるにつれ、第１吸着槽１０３Ａ内の吸着剤１０５に吸着していた不要成分が脱離する。このとき、第２吸着槽１０３Ｂから導出された窒素富化ガスの一部は、流量調整弁１１４を通じて第１吸着槽１０３Ａ内に導入されて、第１吸着槽１０３Ａ内の吸着剤１０５を再生するためのパージガスとして使用される。
【００１３】
その後、開閉弁１１３，１１５を開とし、その他の開閉弁を閉とすることで、第１吸着槽１０３Ａは加圧均圧工程に入り、第２吸着槽１０３Ｂは減圧均圧工程に入る。
この工程において、第２吸着槽１０３Ｂから第１吸着槽１０３Ａへ、第２吸着槽１０３Ｂ内の相対的に高圧なガス（均圧ガス）が供給される。
以上の工程を繰り返すことによって、原料空気から窒素富化ガスを分離する。
【００１４】
ところで、加圧均圧工程または減圧均圧工程の際には、開閉弁１１１ａ，１１１ｂが閉止されるので、その間は原料空気圧縮機１０２から吸着槽１０３Ａ，１０３Ｂへ圧縮原料空気が供給できず、原料空気圧縮機１０２の出口部において、急激な圧力上昇が起こる問題がある。
【００１５】
そこで、窒素ＰＳＡ装置１０１の開閉弁１１１ａ，１１１ｂの閉止による急激な圧力上昇を防ぐため、図８のように原料空気圧縮機１０２の下流側に圧縮原料空気槽１０７を設けることがある。
また、その他に、圧縮原料空気槽１０７を使用した圧縮原料空気の有効利用方法として、圧縮原料空気槽１０７内の圧力を都度検知し、原料空気圧縮機１０２のモータの回転数を制御する方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１１−１５６５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、図８のような圧縮原料空気槽１０７を使用する方法では、加圧均圧工程または減圧均圧工程直前の第１吸着槽１０３Ａまたは第２吸着槽１０３Ｂ内の圧力が、原料空気圧縮機１０２の最大使用圧力と近似する場合（すなわち、圧縮原料空気槽１０７内の圧力が原料空気圧縮機１０２の最大使用圧力と近似する場合）、均圧工程時の圧力上昇保護には寄与できない。
【００１８】
また、無負荷運転機構を有する原料空気圧縮機１０２を用いることで、均圧工程時に原料空気圧縮機１０２を無負荷運転に切り替えて、圧力上昇を防止することは可能だが、一度、無負荷運転に切り替わった原料空気圧縮機１０２は、再び負荷運転に切り替わるまでに時間を要するという問題がある。加えて、原料空気圧縮機１０２が無負荷運転に切り替わることで、加圧吸着工程時における吸着槽内の圧力上昇が遅くなり、圧縮機としての性能を十分利用しきれず、また、原料空気圧縮機１０２にて加圧する容積が圧縮原料空気槽１０７の分増えることから、加圧吸着工程時の昇圧に不利となりＰＳＡ性能の低下を招くという問題があった。
【００１９】
また、特許文献１に記載されている方法では、原料空気圧縮機１０２を効率的に利用するため、インバータ制御システムを採用する必要があり、コストが増大するという問題があった。
加えて、このような制御システムを採用した場合でも、均圧工程時においては第１吸着槽１０３Ａ，第２吸着槽１０３Ｂの上流側にある開閉弁１１１ａ，１１１ｂが閉止するため、原料空気圧縮機１０２の回転数を下げることとなる。この結果、圧縮機の持つ性能を満足に発揮することができず、選定すべき原料空気圧縮機１０２の必要能力の増大につながり、装置が肥大化し、省電力化の点からも好ましくないという問題があった。
【００２０】
このような背景のもと、省電力、省コスト、省スペースの観点から、圧縮機のもつ性能を十分に発揮できる運転方法および装置が望まれていることから、圧縮機の負荷変動を少なくし、より連続的な運転を行う方法が要望されていたが、有効適切なものが提供されていないのが実情であった。
本発明は、上記課題を解決した方法および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】
【００２１】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提供している。以下では、第１吸着槽の工程を基準にして説明する。
請求項１に係る発明は、吸着剤が充填された複数の吸着槽を用い、窒素ガスを含む原料空気から窒素富化ガスを分離する窒素富化ガス製造方法であって、第１吸着槽内に圧縮機によって圧縮した前記原料空気を導入して前記第１吸着槽内を加圧し、前記原料空気中の酸素や二酸化炭素等の不要成分を前記第１吸着槽内の吸着剤に優先的に吸着させて、窒素が濃縮されたガスを得る加圧吸着工程と、前記第１吸着槽内に残留するガスを第２吸着槽内に導入する減圧均圧工程と、前記圧縮機によって圧縮した原料空気を前記第２吸着槽内に導入するとともに、前記第１吸着槽を大気に開放して前記第１吸着槽内の圧力を下げ、前記第１吸着槽内の前記吸着剤から前記不要成分を脱離させることで、前記第１吸着槽内の前記吸着剤を再生する減圧再生工程と、前記第２吸着槽内に残留するガスを前記第１吸着槽内に導入する加圧均圧工程と、を有し、前記加圧均圧工程において、前記圧縮機と前記第１吸着槽間の配管より分岐して設けられた圧縮原料空気槽に、前記圧縮機によって圧縮した前記原料空気を貯留し、前記加圧吸着工程において、前記圧縮機が吐出する前記原料空気と、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料空気と、を、前記第１吸着槽内に導入することで、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料空気を、前記第１吸着槽内を加圧するガスの一部として使用することを特徴とする窒素富化ガス製造方法である。
【００２２】
また、請求項２に係る発明は、吸着剤が充填された複数の吸着槽を用いて、前記吸着剤に対して易吸着性である易吸着成分と、前記吸着剤に対して難吸着性である難吸着成分を含む原料ガスから、前記易吸着成分と前記難吸着成分とを分離するガス分離方法であって、第１吸着槽内に圧縮機によって圧縮した前記原料ガスを導入して前記第１吸着槽内を加圧し、前記原料ガス中の前記易吸着成分を前記第１吸着槽内の前記吸着剤に優先的に吸着させて、前記難吸着成分が濃縮されたガスを得る加圧吸着工程と、前記第１吸着槽内に残留する相対的に高圧なガスを第２吸着槽内に導入する減圧均圧工程と、前記圧縮機によって圧縮した原料ガスを前記第２吸着槽内に導入するとともに、前記第１吸着槽を大気に開放して前記第１吸着槽内の圧力を下げ、前記第１吸着槽内の前記吸着剤から前記易吸着成分を脱離させることで、前記第１吸着槽内の前記吸着剤を再生する減圧再生工程と、前記第２吸着槽内に残留するガスを前記第１吸着槽内に導入する加圧均圧工程と、を有し、前記加圧均圧工程において、前記圧縮機と前記第１吸着槽間の配管より分岐して設けられた圧縮原料ガス槽に、前記圧縮機によって圧縮した前記原料ガスを貯留し、前記加圧吸着工程において、前記圧縮機が吐出する前記原料ガスと、前記圧縮原料ガス槽に貯留された圧縮された前記原料ガスと、を、前記第１吸着槽内に導入することで、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料ガスを、前記第１吸着槽内を加圧するガスの一部として使用することを特徴とするガス分離方法である。
【００２３】
また、請求項３に係る発明は、吸着剤が充填された複数の吸着槽を用い、窒素ガスを含む原料空気から窒素富化ガスを分離するための窒素富化ガス製造装置であって、原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された原料空気が導入される複数の吸着槽と、前記圧縮機と前記吸着槽を接続する配管と、該配管に分岐して設けられた分岐管と、該分岐管に接続された圧縮原料空気槽と、を備え、前記圧縮原料空気槽は、前記吸着槽が前記圧縮機から圧縮された原料空気を導入しない又は導入流量を制限するときに、前記圧縮機によって圧縮された原料空気を貯留する機能を有し、前記吸着槽内を加圧する際に、前記圧縮機が吐出する原料空気に加えて、加圧するガスの一部として、前記圧縮原料空気槽内に貯留していた原料空気を前記吸着槽に導出する機能を有することを特徴とする窒素富化ガス製造装置である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、原料空気圧縮機を間欠的ではなく連続的に安定して使用でき、圧縮機の最大（定格）風量を下げることが可能となり、結果、窒素ＰＳＡ装置の省電力化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である窒素富化ガス製造装置の概略を示す系統図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施形態である窒素富化ガス製造方法の操作１の工程を示す工程図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施形態である窒素富化ガス製造方法の操作２の工程を示す工程図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の一実施形態である窒素富化ガス製造方法の操作３の工程を示す工程図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の一実施形態である窒素富化ガス製造方法の操作４の工程を示す工程図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の一実施形態である窒素富化ガス製造方法の操作５の工程を示す工程図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、本発明の一実施形態である窒素富化ガス製造方法の操作６の工程を示す工程図である。
【図３】図３は、ＰＳＡ方式の窒素富化ガス製造装置における、圧縮原料空気槽の有無による原料空気圧縮機の必要風量を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の他の実施形態である窒素富化ガス製造装置の概略を示す系統図である。
【図５】図５は、圧縮原料空気槽の有無による収率と製品ガス中の酸素濃度の関係を示すグラフである。
【図６】図６は、圧縮原料空気槽の有無による能力と製品ガス中の酸素濃度の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、従来の窒素富化ガス製造装置の概略を示す系統図である。
【図８】図８は、従来の窒素富化ガス製造装置の概略を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した窒素富化ガス製造装置および窒素富化ガス製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
＜窒素富化ガス製造装置＞
本実施形態の窒素富化ガス製造装置１は、ＰＳＡ方式の製造装置であり、図１に示すように、原料空気圧縮機２と、圧縮原料空気槽３と、２つの吸着槽（第１吸着槽４Ａおよび第２吸着槽４Ｂ）と、製品槽５と、を備えた構成となっている。
【００２７】
原料空気圧縮機２は、原料空気を圧縮する装置であり、第１吸着槽４Ａとは入口弁１１ａを通じて配管３１，３４，３７を介して、第２吸着槽４Ｂとは入口弁１１ｂを通じて配管３１，３４，３８を介して接続されている。
【００２８】
また、第１吸着槽４Ａおよび第２吸着槽４Ｂには、原料空気中の窒素よりも酸素や二酸化炭素等の不要成分を優先的に吸着する吸着剤６が充填されている。この吸着剤６としては分子篩活性炭を用いることが好ましい。
なお、配管３７および配管３８には、それぞれ第１吸着槽４Ａまたは第２吸着槽４Ｂ内に導入するガスの圧力を測定する圧力計２１ａ，２１ｂが設けられている。
【００２９】
圧縮原料空気槽３は、配管３１に分岐して設けられた分岐管３２を介して原料空気圧縮機２と接続されている。また、圧縮原料空気槽３は、第１吸着槽４Ａとは入口弁１１ａを通じて配管３２，３１，３４，３７を介して、第２吸着槽４Ｂとは入口弁１１ｂを通じて分岐管３２と配管３１，３４，３８を介して接続されている。
すなわち、圧縮原料空気槽３は、原料空気圧縮機２と吸着槽４Ａ，４Ｂとの間において、分岐して設けられている。
【００３０】
分岐管３２には、自動切替式の開閉弁である圧縮原料空気槽入口弁１７が設けられており、この圧縮原料空気槽入口弁１７の上流側と下流側を連結するように、別の配管３３が設けられている。
なお、圧縮原料空気槽３には、圧縮原料空気槽３内の圧力を測定する圧力計（図示略）が設けられている。
【００３１】
この圧縮原料空気槽３は、後述するように、第１吸着槽４Ａおよび第２吸着槽４Ｂが原料空気圧縮機２から圧縮された原料空気を導入しない又は導入流量を制限するときに、原料空気圧縮機２によって圧縮された原料空気を貯留する機能を有している。加えて、第１吸着槽４Ａまたは第２吸着槽４Ｂ内を加圧する際に、加圧ガスの一部として、圧縮原料空気槽３に貯留していた原料空気を第１吸着槽４Ａまたは第２吸着槽４Ｂに導出する機能も有している。
【００３２】
また、配管３３には、圧縮原料空気槽３側から順に圧縮原料空気槽出口弁１８、および、圧縮原料空気槽出口流量調整機構１９が設けられている。
圧縮原料空気槽出口弁１８は、開閉弁であっても逆止弁であってもよく、圧縮原料空気槽出口流量調整機構１９は、ニードル弁やオリフィス、または配管径を変更する等の手段によって、流量調整が可能であればどのような構成でも構わない。また、圧縮原料空気槽出口弁１８および圧縮原料空気槽出口流量調整機構１９は、制御が可能な流量調節弁等の１つの機構であっても構わない。
【００３３】
製品槽５は、第１吸着槽４Ａおよび第２吸着槽４Ｂから導出される窒素富化ガスを貯留するタンクであり、第１吸着槽４Ａとは出口弁１６ａを通じて配管３９，４３，４４を介して、第２吸着槽４Ｂとは出口弁１６ｂを通じて配管４０，４３，４４を介して接続されている。
【００３４】
製品槽５内に貯留された製品ガスは、製品ガス出口弁２５が設けられた配管４５を介して所望の用途に供するために導出されるように構成されている。
また、配管４５には、製品ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計２２と、製品ガスの圧力を調整する製品減圧弁２３と、製品ガスの流量を測定する製品ガス流量計２４が設けられている。
【００３５】
また、第１吸着槽４Ａの上流側および下流側は、それぞれ第２吸着槽４Ｂの上流側および下流側と接続されている。
第１吸着槽４Ａの上流側と第２吸着槽４Ｂの上流側とは、配管３７と配管３８を介して接続されているが、配管３７と配管３８の間は３つの配管３４，３５，３６で接続されている。
【００３６】
配管３４には、開閉弁である入口弁１１ａ，１１ｂが設けられており、この入口弁１１ａと入口弁１１ｂとの間に配管３１が接続されている。
また、配管３５には、開閉弁である排気弁１２ａ，１２ｂが設けられており、この排気弁１２ａと排気弁１２ｂとの間には、大気へと通ずる配管４６が接続されている。
また、配管３６には、開閉弁である均圧弁１３が設けられている。
【００３７】
また、第１吸着槽４Ａの下流側と第２吸着槽４Ｂの下流側とは、配管３９と配管４０を介して接続されており、配管３９と配管４０との間は３つの配管４１，４２，４３で接続されている。
【００３８】
配管４１には、再生ガスの流量を調整する流量調整機構１４が設けられており、配管４２には、開閉弁である均圧弁１５が設けられている。流量調整機構１４は、ニードル弁やオリフィス、または配管径を変更する等の手段によって、流量調整が可能であればどのような構成でも構わない。
また、配管４３には、出口弁１６ａ，１６ｂが設けられており、この出口弁１６ａと出口弁１６ｂとの間に配管４４が接続されている。
【００３９】
なお、入口弁１１ａ，１１ｂと、排気弁１２ａ，１２ｂと、均圧弁１３，１５と、出口弁１６ａ，１６ｂと、圧縮原料空気槽入口弁１７と、圧縮原料空気槽出口弁１８は、後述する各工程において、切り替えプログラムによって自動的に開閉可能なように構成されている。
【００４０】
＜窒素富化ガス製造方法＞
次に、本実施形態の窒素富化ガス製造方法について説明する。
まず、本実施形態の窒素富化ガス製造方法は、加圧吸着工程と、減圧均圧工程と、減圧再生工程と、加圧均圧工程の各工程を繰り返す方法となっている。
【００４１】
また、第１吸着槽４Ａおよび第２吸着槽４Ｂのうち、一方が加圧吸着工程の際には他方は減圧再生工程となっており、一方が減圧均圧工程の際には他方は加圧均圧工程となる関係となっている。以下では、第１吸着槽４Ａの工程を基準にして説明する。
【００４２】
まず、加圧吸着工程は、原料空気圧縮機２によって加圧された原料空気を第１吸着槽４Ａ内に導入して、第１吸着槽４Ａ内を所定の圧力にし、原料空気中の吸着しやすい酸素や二酸化炭素等の不要成分を吸着剤６に優先的に吸着させて、吸着しにくい窒素富化ガスを製品槽５に導出する。
次に、減圧均圧工程では、第１吸着槽４Ａ内に残留する相対的に高圧なガスを第２吸着槽４Ｂ内に導入する。
【００４３】
次に、減圧再生工程では、第１吸着槽４Ａを大気に解放して圧力を下げ、吸着剤６に吸着していた酸素や二酸化炭素等の不要成分を脱離させて吸着剤６を再生する。この際、加圧吸着工程を実施している第２吸着槽４Ｂの下流側より取り出した窒素富化ガスを、第１吸着槽４Ａの下流側を通して第１吸着槽４Ａ内に導入することで、不要成分の脱離を促進させることが好ましい。
そして、加圧均圧工程では、第２吸着槽４Ｂ内に残留する相対的に高圧なガスを第１吸着槽４Ａ内へ導入する。
【００４４】
その後、再び第１吸着槽４Ａは加圧吸着工程に移行し、以上の工程を繰り返すことで、原料空気から窒素富化ガスを分離する。すなわち、第１吸着槽４Ａと第２吸着槽４Ｂは、吸着と再生を交互に繰り返すことによって、連続的に原料空気から窒素富化ガスを製造する。
【００４５】
上記した窒素富化ガス製造装置１を用いた窒素富化ガス製造方法について、より詳細に図２および表１を参照して説明する。
なお、図２Ａないし図２Ｆは、それぞれ操作１ないし操作６の各工程を示す図であり、図中の矢印はガスの流れを示し、図中の太線部分はガスが流通している配管を示している。
また、表１は、各工程における原料空気圧縮機、圧縮原料空気槽、第１吸着槽、第２吸着槽の各状態を示している。
【００４６】
【表１】
0005917169.tif 000002
【００４７】
＜＜操作１＞＞
図２Ａに示す操作１は、第１吸着槽４Ａが加圧吸着工程を行っている状態にあり、第２吸着槽４Ｂが減圧再生工程を行っている状態にある。具体的には、入口弁１１ａと、排気弁１２ｂと、出口弁１６ａと、圧縮原料空気槽出口弁１８が開となっており、他の開閉弁は閉となっている。
【００４８】
この操作１では、入口弁１１ａが開いているので、原料空気圧縮機２によって圧縮された圧縮原料空気は、配管３１，３４，３７を介して第１吸着槽４Ａ内に導入され、第１吸着槽４Ａ内が加圧される。そして、原料空気中の酸素や二酸化炭素等の不要成分が第１吸着槽４Ａ内の吸着剤６によって優先的に吸着されて窒素が濃縮された窒素富化ガスが得られる。この得られた窒素富化ガスは、出口弁１６ａが開いているので、配管３９，４３，４４を介して第１吸着槽４Ａから製品槽５へ導出される。
【００４９】
また、排気弁１２ｂが開いているので、第２吸着槽４Ｂは、配管３８，３５，４６を介して大気に開放されており、第２吸着槽４Ｂ内の圧力が低下し、第２吸着槽４Ｂ内の吸着剤６から不要成分が脱離し、吸着剤６が再生する。
【００５０】
このとき、第１吸着槽４Ａから吐出する窒素富化ガスの一部は、流量調整機構１４によって流量調整されながら、配管３９，４１，４０を介して、第２吸着槽４Ｂの下流側から第２吸着槽４Ｂ内に導入される。そして、この導入された窒素富化ガスによって、第２吸着槽４Ｂ内がパージされることにより、第２吸着槽４Ｂ内の吸着剤６の再生が促進される。
【００５１】
また、圧縮原料空気槽出口弁１８が開いているので、圧縮原料空気槽３に貯留された原料空気は、圧縮原料空気槽出口流量調整機構１９によって適当な流量に調整されながら、分岐管３２および配管３３，３１，３４，３７を介して、第１吸着槽４Ａ内に導入され、第１吸着槽４Ａを加圧するガスの一部として使用される。
【００５２】
すなわち、操作１においては、第１吸着槽４Ａへの圧縮原料空気の供給は、原料空気圧縮機２と、圧縮原料空気槽３の両方から行われている。
なお、圧縮原料空気出口流量調整機構１９が設けられているので、圧縮原料空気槽３から第１吸着槽４Ａへ供給される圧縮原料空気の流量は調整される。これにより、圧縮原料空気槽３から圧縮原料空気を供給する際、急激に圧縮原料空気を導入して第１吸着槽４Ａ内の濃度分布を乱し、性能に悪影響を及ぼすことを防止することができる。
【００５３】
＜＜操作２＞＞
次に、図２Ｂを参照して、操作２について説明する。
ここで、操作１と操作２の切り替えは、第１吸着槽４Ａと圧縮原料空気槽３との差圧がなくなるときに行うことが好ましい。
操作２も操作１と同様に、第１吸着槽４Ａが加圧吸着工程を行っている状態にあり、第２吸着槽４Ｂが減圧再生工程を行っている状態にある。
【００５４】
もっとも操作１と異なり、圧縮原料空気槽出口弁１８が閉じているので、圧縮原料空気槽３から圧縮された原料空気が供給されることはなく、第１吸着槽４Ａへの圧縮原料空気の供給は、原料空気圧縮機２からのみとなる。
他の開閉弁については、操作１と同じ状態にある。
【００５５】
＜＜操作３＞＞
次に、図２Ｃを参照して、操作３について説明する。
操作３では、第１吸着槽４Ａが加圧吸着工程から減圧均圧工程に切り替わり、第２吸着槽４Ｂが減圧再生工程から加圧均圧工程に切り替った状態にある。具体的には、均圧弁１３，１５と、圧縮原料空気槽入口弁１７は開となっており、他の開閉弁は閉となっている。
【００５６】
この操作３では、均圧弁１５が開いているので、第１吸着槽４Ａ内の相対的に高圧なガスは、第１吸着槽４Ａの下流側から、配管３９，４２，４０を介して、第２吸着槽４Ｂの下流側より第２吸着槽４Ｂ内へ導入される。
なお、この際、流量調整機構１４では流量が調整されるので、第１吸着槽４Ａを導出したガスの多くは、配管４１を通らず、配管４２を通って第２吸着槽４Ｂ内に導入される。
【００５７】
また、均圧弁１３が開いているので第１吸着槽４Ａ内の相対的に高圧なガスは、第１吸着槽４Ａの上流側から、配管３７，３６，３８を介して、第２吸着槽４Ｂの上流側より第２吸着槽４Ｂ内へ導入される。
【００５８】
また、圧縮原料空気槽入口弁１７が開いているので、原料空気圧縮機２から吐出した圧縮原料空気は、圧縮原料空気槽３内へ導入され、貯留される。
この均圧工程は、加圧吸着工程が終了した第１吸着槽４Ａ内に残留する相対的に高圧なガスを、減圧再生工程が終了している第２吸着槽４Ｂ内に回収するために行われる。
【００５９】
＜＜操作４＞＞
次に、図２Ｄを参照して、操作４について説明する。
操作４では、第１吸着槽４Ａが減圧再生工程に切り替わり、第２吸着槽４Ｂが加圧吸着工程に切り替わった状態にある。具体的には、入口弁１１ｂと、排気弁１２ａと、出口弁１６ｂと、圧縮原料空気槽出口弁１８が開となっており、他の開閉弁は閉となっている。
【００６０】
入口弁１１ｂが開いているので、原料空気圧縮機２によって圧縮された原料空気は、配管３１，３４，３８を介して第２吸着槽４Ｂ内に導入され、第２吸着槽４Ｂ内が加圧される。そして、原料空気中の酸素や二酸化炭素等の不要成分が第２吸着槽４Ｂ内の吸着剤６によって優先的に吸着され、窒素が濃縮された窒素富化ガスが得られる。この得られた窒素富化ガスは、出口弁１６ｂが開いているので、配管４０，４３，４４を介して第２吸着槽４Ｂから製品槽５へ導出される。
【００６１】
また、排気弁１２ａが開いているので、第１吸着槽４Ａは、配管３７，３５，４６を介して大気に開放されており、第１吸着槽４Ａ内の圧力が低下し、第１吸着槽４Ａ内の吸着剤６から不要成分が脱離し、吸着剤６が再生する。
【００６２】
このとき、第２吸着槽４Ｂから吐出する窒素富化ガスの一部は、流量調整機構１４によって流量調整されながら、配管４０，４１，３９を介して、第１吸着槽４Ａの下流側から第１吸着槽４Ａ内に導入される。そして、この導入された窒素富化ガスによって、第１吸着槽４Ａ内がパージされることにより、第１吸着槽４Ａ内の吸着剤６の再生が促進される。
【００６３】
また、圧縮原料空気槽出口弁１８が開いているので、圧縮原料空気槽３に貯留された原料空気は、圧縮原料空気槽出口流量調整機構１９によって適当な流量に調整されながら、分岐管３２および配管３３，３１，３４，３８を介して、第２吸着槽４Ｂ内に導入され、第２吸着槽４Ｂを加圧するガスの一部として使用される。
すなわち、操作４においては、第２吸着槽４Ｂへの圧縮原料空気の供給は、原料空気圧縮機２と、圧縮原料空気槽３の両方から行われている。
【００６４】
＜＜操作５＞＞
次に、図２Ｅを参照して、操作５について説明する。
ここで、操作４と操作５の切り替えは、第２吸着槽４Ｂと圧縮原料空気槽３との差圧がなくなるときに行うことが好ましい。
操作５も操作４と同様に、第１吸着槽４Ａが減圧再生工程を行っている状態にあり、第２吸着槽４Ｂが加圧吸着工程を行っている状態にある。
【００６５】
もっとも操作４と異なり、操作５では、圧縮原料空気槽出口弁１８が閉じているので、圧縮原料空気槽３から圧縮された原料空気が供給されることはなく、第２吸着槽４Ｂへの圧縮原料空気の供給は、原料空気圧縮機２からのみとなる。
他の開閉弁については、操作４と同じ状態にある。
【００６６】
＜＜操作６＞＞
次に、図２Ｆを参照して、操作６について説明する。
操作６では、第１吸着槽４Ａが減圧再生工程から加圧均圧工程に切り替わり、第２吸着槽４Ｂが加圧吸着工程から減圧均圧工程に切り替った状態にある。具体的には、均圧弁１３，１５と、圧縮原料空気槽入口弁１７は開となっており、他の開閉弁は閉となっている。
【００６７】
均圧弁１５が開いているので第２吸着槽４Ｂ内の相対的に高圧なガスは、第２吸着槽４Ｂの下流側から、配管４０，４２，３９を介して、第１吸着槽４Ａの下流側より第１吸着槽４Ａ内に導入される。
なお、この際、流量調整機構１４では流量が調整されるので、第２吸着槽４Ｂの下流側より導出したガスの多くは、配管４１を通らず、配管４２を通って第１吸着槽４Ａ内に導入される。
【００６８】
また、均圧弁１３が開いているので第２吸着槽４Ｂ内の相対的に高圧なガスは、第２吸着槽４Ｂの上流側から、配管３８，３６，３７を介して、第１吸着槽４Ａの上流側より第１吸着槽４Ａ内に導入される。
【００６９】
また、圧縮原料空気槽入口弁１７が開いているので、原料空気圧縮機２から吐出した圧縮原料空気は、圧縮原料空気槽３内へ導入され、圧縮貯留される。
この均圧工程は、加圧吸着工程が終了した第２吸着槽４Ｂ内に残留する相対的に高圧なガスを、減圧再生工程が終了している第１吸着槽４Ａ内に回収するために行われる。
【００７０】
以上のような加圧吸着工程、減圧均圧工程、減圧再生工程、加圧均圧工程の各工程を繰り返すことによって、窒素を含む原料空気から窒素富化ガスを分離する。
【００７１】
本実施形態によれば、原料空気圧縮機を間欠的ではなく連続的に安定して使用でき、原料空気圧縮機の最大（定格）風量を下げることが可能となり、結果、窒素ＰＳＡ装置の省電力化が可能となる。
【００７２】
具体的に述べると、本実施形態では、圧縮原料空気槽３への圧縮原料空気の出し入れを行うことで、原料空気圧縮機２の負荷変動の防止をはかっている。すなわち、原料空気圧縮機２によって圧縮された原料空気が第１吸着槽４Ａ，第２吸着槽４Ｂ内へ導入されない又は導入流量を制限する均圧工程においても、原料空気圧縮機２を無負荷運転に切り替えることなく、圧縮された原料空気を圧縮原料空気槽３内に導入している。
【００７３】
したがって、原料空気圧縮機２は、窒素富化ガス製造装置１に必要な最大風量を充分満足できる性能を有する機種を選定すればよいこととなる。
そして、原料空気圧縮機２の風量を安定させて使用する事により、必要な最大風量を低減することができ、その結果、原料空気圧縮機２の設備電力低減につながる。
【００７４】
ここで、同性能のＰＳＡ方式の窒素富化ガス製造装置における、圧縮原料空気槽の有無による原料空気圧縮機の必要風量の概念を図３に示す。
図３より、圧縮原料空気槽が無い場合、均圧工程時に原料空気圧縮機が無負荷運転に切り替わる事で、加圧吸着工程時に必要な原料空気圧縮機の流量の最大値が、圧縮原料空気槽有りの場合と比較して大きくなることが分かる。
このように本実施形態によれば、原料空気圧縮機２の流量の最大値を低くすることができ、設備電力低減につながる。
【００７５】
また、本実施形態では、圧縮原料空気槽３を用いた結果、均圧工程時に原料空気圧縮機２を無負荷運転に切り替えずに済むので、無負荷運転から負荷運転に切り替わる際に要する時間分の空気ロスを防ぐ事ができる。
【００７６】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態では原料空気から窒素富化ガスを製造する場合について説明したが、必ずしも原料ガスおよび製造ガスの組合せはこれに限定されるものではなく、広く吸着剤を用いて原料ガスから易吸着成分と難吸着成分を回収するガス分離方法に適用させることができる。
【００７７】
また、原料空気圧縮機２と第１吸着槽４Ａ，第２吸着槽４Ｂ間の配管より分岐した圧縮原料空気槽３の位置は、図１に示した場合に限定されない。
加圧均圧工程もしくは減圧均圧工程において、原料空気圧縮機２が無負荷運転に切り替わらないよう圧縮原料空気槽３内に圧縮原料空気を貯留でき、加圧吸着工程において、この圧縮原料空気槽３内に貯留した圧縮原料空気を、第１吸着槽４Ａ（もしくは第２吸着槽４Ｂ）内を加圧する加圧ガスの一部として使用できる流量調整機構を有していればよい。
【００７８】
例えば、図４に示すように、分岐管５１の両端を配管３１に接続させ、分岐管５１に原料空気圧縮機２側から順に圧縮原料空気槽入口弁５２、圧縮原料空気槽５３、圧縮原料空気槽出口弁５４、圧縮原料空気槽出口流量調整機構５５が設けられた構成であってもよい。
【００７９】
この場合、加圧均圧工程（もしくは減圧均圧工程）のときには、圧縮原料空気槽入口弁５２、圧縮原料空気槽出口弁５４を開とする。原料空気圧縮機２からの原料空気は、圧縮原料空気槽入口弁５２および圧縮原料空気槽出口弁５４を介して圧縮原料空気槽５３内に導入される。
【００８０】
そして加圧吸着工程（もしくは減圧再生工程）においては、開閉弁５２が閉となることで、第１吸着槽４Ａ（もしくは第２吸着槽４Ｂ）内には、原料空気圧縮機２と圧縮原料空気槽５３とから圧縮原料空気が導入される。ここで、圧縮原料空気槽出口弁５４は、圧縮原料空気槽５３と加圧吸着工程にある第１吸着槽４Ａ（もしくは第２吸着槽４Ｂ）との圧力差がほぼなくなるときに閉となることが好ましい。
【００８１】
（実施例）
以下では、圧縮原料空気槽が有る場合と無い場合とでの効果の差について、実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【００８２】
実施例（圧縮原料空気槽有り）では、上記実施形態に示したとおり、図１に示したとおりの系統を有する窒素富化ガス製造装置を用いて、図２Ａないし図２Ｆに示す通りの操作を行って、窒素富化ガスを製造した。
【００８３】
比較例（圧縮原料空気槽無し）では、圧縮原料空気槽がないものとして、図７に示したとおりの系統を有する窒素富化ガス製造装置を用いて、加圧吸着工程と、減圧均圧工程と、減圧再生工程と、加圧均圧工程を繰り返すことで窒素富化ガスを製造した。
【００８４】
実施例および比較例における収率結果を図５に、能力結果を図６に示す。なお、図５の縦軸は収率比であり、各酸素濃度における収率値を圧縮原料空気槽が無い場合の酸素濃度値１００（Ｖｐｐｍ）における収率値で割った値である。また、図６の縦軸は能力比であり、各酸素濃度における能力値を圧縮原料空気槽が無い場合での酸素濃度値１００（Ｖｐｐｍ）における能力値で割った値である。
【００８５】
ここで、収率（％）とは、製品窒素富化ガス流量（Ｎｍ３／ｈ）／圧縮原料空気最大必要流量（Ｎｍ３／ｈ）のことを指しており、能力（Ｎｍ３／ｈ・ｔｏｎ）とは、製品窒素富化ガス流量（Ｎｍ３／ｈ）／吸着剤充填量（ｔｏｎ）のことを指している。
【００８６】
図５に示すとおり、圧縮原料空気槽を有することによって、製品ガス中の酸素濃度１００ｐｐｍにおける収率比は、約８％向上することが確認できた。
よって、圧縮原料空気槽を付加したプロセスを採用することで、原料空気圧縮機能力の必要風量をより小さくする事ができ、その分設備電力を下げることが可能となる。
【００８７】
また、図６に示すとおり、圧縮原料空気槽の有無による能力性能低下がないことから、圧縮原料空気槽に貯留された圧縮原料空気は、圧縮原料空気槽出口流量調整機構により流量調整した上で吸着槽へ導入することで、吸着槽内の濃度分布をかき乱すことなく加圧ガスの一部として使用することが可能であるといえる。
【００８８】
なお、図５および図６は、いずれも吸着槽への原料空気導入流量を変化させ、加圧吸着工程における吸着槽の最高到達圧力を一定とした測定結果であるが、吸着槽への原料空気導入流量を一定とし、吸着槽の最高到達圧力を変化させた場合は、圧縮原料空気槽を有する方が、有さない方よりも吸着槽の最高到達圧力が高くなるため、吸着剤の吸着性能が向上し、能力性能も向上する。
【符号の説明】
【００８９】
１・・・窒素富化ガス製造装置、２・・・原料空気圧縮機、３，５３・・・圧縮原料空気槽、４Ａ・・・第１吸着槽、４Ｂ・・・第２吸着槽、５・・・製品槽、６・・・吸着剤、１１ａ，１１ｂ・・・入口弁、１２ａ，１２ｂ・・・排気弁、１３，１５・・・均圧弁、１４・・・流量調整機構、１６ａ，１６ｂ・・・出口弁、１７，５２・・・圧縮原料空気槽入口弁、１８，５４・・・圧縮原料空気槽出口弁、１９，５５・・・圧縮原料空気槽出口流量調整機構、３１，３３〜４４・・・配管、３２，５１・・・分岐管
【図１】
0005917169.tif 000003
【図２Ａ】
0005917169.tif 000004
【図２Ｂ】
0005917169.tif 000005
【図２Ｃ】
0005917169.tif 000006
【図２Ｄ】
0005917169.tif 000007
【図２Ｅ】
0005917169.tif 000008
【図２Ｆ】
0005917169.tif 000009
【図３】
0005917169.tif 000010
【図４】
0005917169.tif 000011
【図５】
0005917169.tif 000012
【図６】
0005917169.tif 000013
【図７】
0005917169.tif 000014
【図８】
0005917169.tif 000015