(57)【要約】【課題】ＰＡＳ法によりガス分離を行うものにおいて、負荷に対応して脱着工程の真空ポンプの消費電力を適正に抑制し、安価に製品ガスを製造する。【解決手段】空気を吸着塔２に供給して含まれる強吸着性ガスを吸着剤に吸着させる吸着工程と、吸着塔２を減圧排気して吸着剤に吸着した強吸着性ガスを減圧脱着する脱着工程とを繰り返してガスの分離を行うものにおいて、吸着塔２を減圧排気する真空排気装置を、並列に接続した全て排気量の異なる複数台の真空ポンプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃより構成し、ガス量に合わせて運転する真空ポンプを選定する。【選択図】        図１
2005040677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着塔と、吸着塔を減圧排気する真空排気装置とを備え、吸着塔に加圧ガスを供給し、吸着剤に強吸着性ガスを吸着させて弱吸着性ガスを取出す吸着工程と、吸着塔を減圧排気し、吸着剤に吸着した強吸着性ガスを減圧脱着して吸着剤を脱着再生する脱着工程とを繰り返してガスの分離を行い、製品ガスを製造する圧力変動吸着法によるガス分離装置において、吸着塔を減圧排気するための前記の真空排気装置が、全て排気容量の異なる複数台の真空ポンプを並列に接続して構成されていることを特徴とするガス分離装置。
【請求項２】
前記脱着工程において、前段の吸着工程で供給された加圧ガスの供給流量に対応して真空排気装置の真空ポンプを選定し、選定された真空ポンプの運転により吸着塔の減圧排気を行うことを特徴とする請求項１記載のガス分離装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）によってガスの分離を行うガス分離装置およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を用いたガス分離装置は、一般に原料ガスのガス分離に用いられており、吸着塔に収納した吸着剤に強吸着性ガスを吸着させ、吸着剤に吸着しなかった弱吸着性ガスを吸着塔から取出して製品ガスとして利用する方式や、吸着剤に吸着した強吸着性ガスを脱着して製品ガスとして利用する方式が採られている。
【０００３】
また、吸着剤に強吸着性ガスを吸着させる吸着工程を、原料ガスを大気圧より十分高い圧力に加圧して実行し、吸着剤に吸着した強吸着性ガスを脱着する脱着工程を、圧力を大気圧まで下げて実行する常圧再生方式のガス分離装置と、比較的低い加圧ガスにより吸着工程を実行し、真空排気装置を用いて大気圧以下の真空に減圧して脱着工程を実行する真空再生方式のガス分離装置がある。このうち、常圧再生方式のガス分離装置においては、得られた製品ガスの一部を脱着工程の吸着塔のパージガスに用いることによって再生を推進する方式が採られている。
【０００４】
一方、真空再生方式のガス分離装置では、吸着剤の脱着性能が高まる真空領域まで圧力を下げて脱着処理が行われるので、脱着工程の吸着塔のパージガス量が常圧再生方式のものに比べて極めて少量で済み、製品ガスの収率、すなわち、吸着塔に投入した原料ガス中の製品ガス成分流量に対する製品ガス中の製品ガス成分流量の割合が高くなるという利点がある。したがって、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を用いたガス分離装置では、効率のよい真空再生方式が一般に採用されている。
【０００５】
図３は、従来の真空再生方式の圧力変動吸着法によるガス分離装置の基本構成を示すフロー図である。本図には４基の吸着塔２を備えた酸素製造用のガス分離装置が示されている。吸着工程においては、原料ガスとしての空気が原料ガス圧縮機１によって取込まれ、４基の吸着塔２に投入される。投入された空気の成分ガスのうち窒素ガス等の強吸着性ガスは吸着塔２に内蔵された吸着剤によって吸着され、弱吸着性ガスである酸素ガスが吸着塔２から製品ガスとして取出される。脱着工程においては、吸着塔２の出口の遮断弁を閉じ、真空ポンプ３につながる真空排気系によって排気することによって吸着塔２の内部が減圧され、吸着剤に吸着された強吸着性ガスの窒素ガスが脱着されて排出される。減圧排気によってある程度の真空度に達した時点で上記の遮断弁を開け、バッファタンク４貯えられた製品ガスを逆流させることによって、吸着塔２の内部がパージされ、吸着剤の再生が完了する。
【０００６】
図３に例示したごとき真空再生方式の圧力変動吸着法によりガスを分離するガス分離装置においては、減圧排気に用いる真空ポンプの消費電力が装置の全消費電力の５０％〜７０％を占めるので、真空ポンプの消費電力の低減が本方式のガス分離装置の重要課題となっており、吸着塔や配管等の内容積を極力減少させて真空ポンプの容量を低減する等の工夫が重ねられている。また、この種のガス分離装置は定格負荷（１００％）運転だけでなく、製品ガスの取り出し流量が減少する部分負荷運転も要求され、例えば、活性汚泥法による汚水の浄化処理に使用される酸素製造ガス分離装置の場合には、送入する酸素量を適正に保持しないと浄化処理装置のランニングコストが上昇したり、装置に不具合が生じる危険性があるため、酸素製造ガス分離装置の部分負荷運転は必須となる。また、強アルカリ性の液体の中和に用いる炭酸ガスを製造するためのガス分離装置や、触媒の還元処理に用いる水素を製造するためのガス分離装置においても必要に応じて部分負荷運転を行うことが要求される。
【０００７】
このようにこの種のガス分離装置は部分負荷運転を行う場合があるので、定格負荷運転のみならず部分負荷運転においても真空ポンプの消費電力の低減を図ることが必要である。したがって、例えば特許文献１においては、吸着工程で得られた製品ガスのうち外部への取り出し分を除いた残余のガスを全て脱着工程のパージガスとして使用することとし、外部に取出す製品ガス流量が低下した場合には、パージガス流量を増大して吸着塔の再生圧力を高め、処理時間を短縮して真空ポンプの消費電力を低減する方式を採っている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２７７３２２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、圧力変動吸着法によってガスの分離を行うガス分離装置においては効率のよい真空再生方式が採られているが、本方式では減圧排気に用いる真空ポンプの消費電力が装置の全消費電力の過半を占めるので、この真空ポンプの消費電力を低く抑えることが重要であり、特に部分負荷運転を行うガス分離装置においては製品ガス流量に見合った真空ポンプの消費電力の低減が必要となる。
【００１０】
前記の特許文献１に見られるガス分離装置では、製品ガスのうち外部への取り出し分を除いた残余のガスを全て脱着工程のパージガスとして使用することにより、部分負荷時の処理時間を短縮して真空ポンプの消費電力を低減することとしているが、この方式のガス分離装置では原料ガス圧縮機は特に制御されていないので、吸着塔に投入される原料ガスの流量は原料ガス圧縮機の吐出圧力と吸着塔の圧力との差圧で定まり、外部へ取出される製品ガスの流量に依らずほぼ一定である。したがって、この方式のガス分離装置では、部分負荷運転の際には真空ポンプの消費電力が低減されるが、同時に製品ガスの収率が大幅に低下してしまうという問題点がある。
【００１１】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消し、製品ガスの分離製造が部分負荷運転状態で行われる際にも、脱着工程に用いられる真空ポンプの消費電力が適正に抑制され、廉価な運転コストで製品ガスを得ることのできる圧力変動吸着法によるガス分離装置とその運転方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
（１）吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着塔と、吸着塔を減圧排気する真空排気装置とを備え、吸着塔に加圧ガスを供給し、吸着剤に強吸着性ガスを吸着させて弱吸着性ガスを取出す吸着工程と、吸着塔を減圧排気し、吸着剤に吸着した強吸着性ガスを減圧脱着して吸着剤を脱着再生する脱着工程とを繰り返してガスの分離を行い、製品ガスを製造する圧力変動吸着法によるガス分離装置において、吸着塔を減圧排気するための上記の真空排気装置を、全て排気容量の異なる複数台の真空ポンプを並列に接続して構成することとし、
（２）上記のガス分離装置の運転の際、脱着工程で用いる真空排気装置の真空ポンプを、前段の吸着工程で供給された加圧ガスの供給流量に対応して選定し、選定された真空ポンプを運転することによって吸着塔の減圧排気を行うこととする。
【００１３】
圧力変動吸着法によるガス分離装置において、上記（１）のごとく吸着塔を減圧排気するための真空排気装置を全て排気容量の異なる複数台の真空ポンプを並列に接続して構成すれば、運転する真空ポンプを複数台の真空ポンプから１台あるいは複数台選定することによって異なる真空排気量の真空排気装置を得ることができる。したがって、上記（２）のごとく前段の吸着工程で供給された加圧ガスの供給流量に対応して脱着工程で用いる真空ポンプを選定すれば、真空排気装置の消費電力を適正値に節減して運転できるので、廉価な運転コストで製品ガスを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧力変動吸着法によるガス分離装置とその運転方法を実施例を挙げて詳しく説明する。
【００１５】
図１は、本発明の圧力変動吸着法によるガス分離装置の実施例の基本構成を示すフロー図である。図に見られるように、本実施例のガス分離装置の図３に示した従来例との相違点は、第１に、原料ガス圧縮機１の回転数が流量計５の測定流量をもとにインバータ（ＶＶＶＦ）によって制御されている点にあり、第２の相違点は、真空排気装置が互いに排気容量の異なる３台の真空ポンプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃを並列に接続して構成されている点にある。したがって、本実施例の構成においては、原料ガス圧縮機１の回転数の制御により加圧ガスの供給量が調整可能であるとともに、３台の真空ポンプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃより運転する真空ポンプを選定することによって真空排気量を調整することが可能である。
【００１６】
具体例として、定格１００  Ｎｍ３／ｈの酸素製造用のガス分離装置で、定格時の真空排気装置の消費電力が６０  ｋＷ、真空排気装置の負荷変化パターンが図２のごときガス分離装置の場合には、従来例では６０  ｋＷの真空ポンプが真空排気装置として用いられるが、本実施例の構成では、例えばそれぞれ９  ｋＷ、１５  ｋＷ、３６  ｋＷの並列に配した３台の真空ポンプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃが真空排気装置として用いられる。このように構成すれば、運転する真空ポンプを３台の真空ポンプ３Ａ，３Ｂ，３Ｃより適宜選定することにより、消費電力が９  ｋＷ（１５％負荷；真空ポンプ３Ａ  のみ）、１５  ｋＷ（２５％負荷；真空ポンプ３Ｂのみ）、２４  ｋＷ（４０％負荷；真空ポンプ３Ａ  と３Ｂ）、３６  ｋＷ（６０％負荷；真空ポンプ３Ｃのみ）、４５  ｋＷ（７５％負荷；真空ポンプ３Ａ  と３Ｃ）、５１  ｋＷ（８５％負荷；真空ポンプ３Ｂと３Ｃ）、６０  ｋＷ（１００％負荷；３台Ｓべて）の７通りの真空排気運転が可能となり、運転負荷に対応して真空ポンプの消費電力を低減することができる。
【００１７】
なお、本実施例のガス分離装置では原料ガス圧縮機１の回転数をインバータによって制御し供給する空気の流量を調整する方式を採用しているので、部分負荷運転に対応して原料ガス圧縮機１の消費電力を低減することができる。空気より酸素を分離製造する圧力変動吸着法によるガス分離装置の収率は７０  ％程度であるので、空気中の酸素濃度を２１  ％とすると、１００  Ｎｍ３／ｈの酸素を製造するために必要な投入空気流量は、１００  Ｎｍ３／ｈ÷０．７÷０．２１＝６８０  Ｎｍ３／ｈである。この流量の空気を投入するために必要となる原料ガス圧縮機１の消費電力を、ＪＩＳ  Ｂ８３３０に記載の式を用いて算出すれば、２３．０  ｋＷとなる。なお、本算出に際しては、吸着塔最高到達圧力が一般に４  ｋＰａＧであることを勘案して吐出圧力を４  ｋＰａＧとし、消費電力算定の際のポンプ効率を７０  ％、モーター効率を８５  ％とした。本実施例のガス分離装置では部分負荷運転時の収率も定格負荷運転時と同じ値の７０  ％に選定できるので、例えば７５  ％部分負荷時の投入空気流量は、７５  Ｎｍ３／ｈ÷０．７÷０．２１＝５１０  Ｎｍ３／ｈとなり、この流量の空気を投入するために必要となる原料ガス圧縮機１の消費電力は、１７．２  ｋＷとなる。
【００１８】
【表１】
2005040677.tif 000003
表１は、このようにして算出した真空ポンプと原料ガス圧縮機の消費電力を各負荷帯に対応して示したものである。本装置では真空ポンプと原料ガス圧縮機のほかに制御装置で電力が消費されるが、その消費電力は、真空ポンプと原料ガス圧縮機の消費電力に比べて極めて小さい。したがって、表１においては、この値を無視して、真空ポンプと原料ガス圧縮機の消費電力の総和を本装置の消費電力とした。表に見られるように、本装置では、１００％負荷運転のときの全消費電力が８３．０  Ｋｗであるのに対して、８５％負荷運転では全消費電力が７０．５  ｋＷと、１００％負荷運転に比べて１２．５  ｋＷ低くなる。すなわち、６０  ｋＷの真空ポンプにより真空排気装置を構成していた従来の装置に比べて、３台の真空ポンプを用いた本装置では８５％負荷運転のとき消費電力が１２．５  ｋＷ低減される。同様に、運転負荷が７５％、６０％、４０％、２５％、１５％の場合には、それぞれ  ２０．８  ｋＷ、３３．２  ｋＷ、４９．８  ｋＷ、６２．３  ｋＷ、７０．５  ｋＷの消費電力が低減されることとなる。したがって、図２に示したごとき負荷変化パターンにより運転されるガス分離装置の年間の消費電力の低減量は、１２．５ｋＷ×８００ｈ＋２０．８ｋＷ×８００ｈ＋３３．２ｋＷ×１０００ｈ＋４９．８ｋＷ×８００ｈ＋６２．３ｋＷ×８００ｈ＋７０．５ｋＷ×１３００ｈ＝  ２．４１×１０５  ｋＷｈとなる。この年間の消費電力の低減量は、真空排気装置として６０  ｋＷの真空ポンプ１台を備えた従来の装置の年間の消費電力  ８３．０ｋＷ×８０００ｈ  ＝  ６．６４×１０５  ｋＷｈの約３６％に相当する。
【００１９】
この年間の消費電力の低減量から年間の電気料金の削減料を算定すると、電灯・電力併用、業務用５０  ｋＷ以上６０００Ｖの契約形態での電気料金  １５  円／ｋＷｈを用いて、２．４１×１０５  ｋＷｈ  ×  １５  円／ｋＷｈ  ＝  ３．６２×１０６  円となる。したがってこの実施例のごとき構成とすれば、年間のランニングコストが約３６０万円削減できることとなる。
【００２０】
一方、この実施例の構成では、従来６０  ｋＷの真空ポンプ１台が組込まれていた真空排気装置にそれぞれ９  ｋＷ、１５  ｋＷ、３６  ｋＷの３台の真空ポンプが組込まれ、かつ、原料ガス圧縮機を  ＶＶＶＦ制御するように構成されているため装置のイニシャルコストが増大するが、真空排気装置のイニシャルコストの増大は  ６０〜１２０万円程度と見込まれ、また、安価なオリフィス型の流量計を用いれば圧縮機の  ＶＶＶＦ制御に伴うイニシャルコストの増大は  ４０〜６０万円程度となるので、本実施例の構成の採用によるイニシャルコストの増大は高々１８０万円と見込まれる。この額は上述の年間のランニングコストの削減額の約半分であり、約半年の運転でイニシャルコストの増大分が相殺されることとなる。
【００２１】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、
吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着塔と、吸着塔を減圧排気する真空排気装置とを備え、吸着塔に加圧ガスを供給し、吸着剤に強吸着性ガスを吸着させて弱吸着性ガスを取出す吸着工程と、吸着塔を減圧排気し、吸着剤に吸着した強吸着性ガスを減圧脱着して吸着剤を脱着再生する脱着工程とを繰り返してガスの分離を行い、製品ガスを製造する圧力変動吸着法によるガス分離装置において、吸着塔を減圧排気するための上記の真空排気装置を、全て排気容量の異なる複数台の真空ポンプを並列に接続して構成することとしたので、製品ガスの分離製造が部分負荷運転状態で行われる際にも、脱着工程に用いられる真空ポンプの消費電力が適正に抑制され、廉価な運転コストで製品ガスを得ることのできる圧力変動吸着法によるガス分離装置が得られることとなった。
【００２２】
また、上記のガス分離装置の運転の際、脱着工程で用いる真空排気装置の真空ポンプを、前段の吸着工程で供給された加圧ガスの供給流量に対応して選定し、選定された真空ポンプを運転することによって吸着塔の減圧排気を行うこととすれば、真空ポンプの消費電力が適正に抑制され、廉価な運転コストで製品ガスを得ることができるので、上記のガス分離装置の運転方法として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力変動吸着法によるガス分離装置の実施例の基本構成を示すフロー図
【図２】図１に示した実施例のガス分離装置の真空排気装置の代表的な年間負荷変化パターン図
【図３】従来の圧力変動吸着法によるガス分離装置の基本構成を示すフロー図
【符号の説明】
１    原料ガス圧縮機
２    吸着塔
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ    真空ポンプ
４    バッファタンク
５    流量計
【図１】
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【図２】
2005040677.tif 000005
【図３】
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