(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤を充填した少なくとも２筒の吸着筒を有する圧力変動吸着方式のガス分離装置において、このガス分離装置の工程サイクルが吸着工程にある吸着筒の圧力が所定値ＶC に達したときに、該工程サイクルを前記の吸着工程とは異なる別の工程サイクルに切替えるようにし、かつ、再生工程にある吸着筒に吸着工程にある吸着筒からその吸着工程の昇圧圧力が所定値ＶP に達したときからパージガスを送気開始し、一定時間送気した後にこのパージガスの送気を終了し、その後にこの吸着工程にある吸着筒の圧力が前記の所定値ＶC に達したときに次の工程サイクルに進むように切替える構成としたことを特徴とするガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス分離装置に関する。更に詳しく述べると、特定のガスを選択的に吸着する吸着剤を用いた圧力変動吸着方式（以下、ＰＳＡ方式という）のガス分離装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
合成ゼオライトや天然ゼオライトなどの吸着剤の窒素ガスに対する選択的吸着特性を利用し、空気の如き酸素ガス，窒素ガスなどを含む混合ガスを加圧供給して、この空気から窒素ガスを該吸着剤に吸着除去して吸着しにくい酸素ガスを製品ガスとして製造したり、分子篩炭が酸素ガスと窒素ガスとでは異なる吸着速度を有することを利用して、この分子篩炭を吸着剤として吸着筒に充填し、同じく空気を加圧供給して酸素ガスを吸着除去して窒素ガスを製品ガスとして製造するＰＳＡ方式のガス分離装置がある。
【０００３】
このような方法で、例えば酸素ガスを製造するに当って、ゼオライトを吸着剤として充填した複数の吸着筒のそれぞれに酸素ガス，窒素ガスなどの混合ガスである空気を加圧供給して窒素ガスを吸着除去する吸着工程を行ない、難吸着性の酸素ガスを濃縮し、酸素富化して吸着筒から製品ガスとして取出しするものである。
【０００４】
そして、該吸着筒内の吸着剤に吸着した窒素ガスを脱着して再生するため該吸着筒を減圧するとともに、製品ガスの一部でパージする再生工程を行なう。この再生工程と前記の吸着工程とを順次各吸着筒に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ことができる。
【０００５】
また、別の方法として、空気を原料として窒素ガスを製品ガスとして得る場合には、分子篩炭を吸着剤として吸着筒に充填し、この吸着剤に酸素ガスが短時間に吸着し、窒素ガスがゆっくり吸着する吸着時間差を利用して酸素ガスを吸着除去することにより窒素ガスを濃縮して製品ガスとするものである。
【０００６】
その操作過程は、前記の酸素ガスを得る方法と同じように原料ガスである空気を加圧供給する吸着工程と、吸着筒を減圧して脱着とパージをする再生工程とを各吸着筒に順次切替えて操作することにより連続的に製品ガスとして窒素ガスを得るものである。
【０００７】
従来公知のＰＳＡ方式によるガス分離装置は、製品ガスの分離回収率が十分でなかったり、製品ガスの単位生成量当りのエネルギー消費量が大きかったりするなどの問題があり、更なる改良の必要がある。
このガス分離装置の中でも比較的大規模のものは、そのガス分離装置の価格よりも、運転費の低減に重点をおいて、空気から製品ガスを得る分離回収率や一定量の製品ガスを製造するための電力値を比較する電力原単位の点から、吸着筒を３筒以上にしたり、再生工程時に吸着筒内の圧力を大気圧よりもさらに負圧に引く真空再生法を採用するものが多い。
【０００８】
しかしながら、中・小規模のものは、運転費の低減よりもガス分離装置の価格に重点がおかれるために２筒式のものが用いられることが多い。
本発明は、２筒式ＰＳＡ方式のガス分離装置において、得られる製品ガスの分離回収率と収量の向上及び電力原単位の向上をはかることを目的とするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
空気などの混合ガスを空気圧縮器で加圧して吸着剤を充填している吸着筒に供給するに当たって、我国の夏・冬のように比較的大きい気温の変化がある場合、その気温の変化に左右されて、該ガス分離装置の性能に夏・冬で比較的大きな差が生ずる。
【００１０】
これは、夏では気温の高い分ガスが膨張し、実質的に空気の供給量が減ずることが一因であり、更に吸着剤の性能が温度に影響されて温度が上がると吸着性能が低下することが別の原因である。
一方、ＰＳＡ方式のガス分離装置で従来一般に行なわれている操作方法は、その吸着工程と再生工程とを一定時間毎に切替える定時間切替え方式と、この吸着工程にある吸着筒内の圧力が所定値に達したときに前記の各工程を切替える定圧切替え方式とがある。
【００１１】
中・小規模のガス分離装置の場合には前記のようにこのガス分離装置の価格の点で、原料である空気中の水分除去や導入する空気の温度制御を簡易化しているものもあり、場合によっては省略する場合も多いので外気温度の影響を直接受けることがある。
【００１２】
外気温度は、次の各要因に関係してＰＳＡ方式のガス分離装置に影響を与える。
▲１▼空気圧縮器の取入空気量が変化する。
▲２▼圧縮空気の圧縮熱を冷却するアフタークーラーの冷却水温の変化によって吸着筒へ加圧供給する空気温度が変化する。
▲３▼吸着筒表面からの放熱量や吸着剤の温度の影響によって吸着性能が変化する。
▲４▼原料ガスである空気量の多少によって吸着剤の吸着熱，脱着熱の総量が変化する。
かかる複数の要因が相互に関係してくる。
その結果、工程サイクルを定時間で切替える場合は吸着圧が夏冬で変化する問題があり、我々の研究の結果、定時間切替え方式より定圧切替え方式の方が良い結果が得られることが判った。
【００１３】
しかし、複数の吸着筒を定圧切替え方式により工程サイクルを切替えていると、各々の吸着筒が前記の所定値ＶC になるまでの時間が異なる場合が生ずる。ＰＳＡ方式のガス分離装置の性能の面からみて重要なことは、複数の吸着筒で製造される製品ガスの濃度及び生成量が各吸着筒ごとに一定であることが重要である。
あるひとつの吸着筒より生ずる製品ガスの濃度が低いと、それが原因で全体の製品ガスの濃度が下がってくる。
【００１４】
このように、製品ガスの濃度が下がるかあるいは複数の吸着筒相互間のバランスが崩れると、該ガス分離装置の性能が劣化するので、このバランスを正しく保つためには各吸着筒に加圧供給される原料ガスの量，時間，圧力，取出す製品ガスの量，吸着剤の再生の程度が均一である事が重要である。このバランスが崩れる原因の大きなひとつが各々の吸着筒内の吸着剤がしっかりと再生されているかどうかである。吸着剤の再生を十分に行なうためには減圧を一定値で一定時間保つとともに、パージガスの量が一定量必ず導入されなければならない。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
通常パージガスは難吸着性の製品ガスを使用する。一定量のパージガスの量を供給するためには一定値の圧を有する供給原より一定時間供給する必要がある。
すなわち、吸着剤を充填した少なくとも２筒の吸着筒を有する常圧再生法によるＰＳＡ方式のガス分離装置において、このガス分離装置の工程サイクルが吸着工程にある吸着筒の圧力が所定値ＶC に達したときに、該工程サイクルを前記の吸着工程とは異なる別の工程サイクルに切替えるようにし、かつ、再生工程にある吸着筒に吸着工程にある吸着筒からその吸着工程の昇圧圧力が所定値ＶP に達したときからパージガスを送気開始し、一定時間送気した後にこのパージガスの送気を終了し、その後にこの吸着工程にある吸着筒の圧力が前記の所定値ＶC に達したときに、次の工程サイクルに進むように切替える構成とする。なお、製品ガスの分離回収率向上のため吸着工程と再生工程の間に均圧工程、すなわち２つの吸着筒間を接続してガスを移動して圧力の均等化を図る工程を入れることがある。この工程は従来公知の方法で本発明の構成にも挿入して使用することができる。
【００１６】
吸着筒が２筒の場合、一筒が吸着工程にある間に他筒は再生工程にあり、相互の工程が当該工程サイクルの切替時までに完了しておかなければ互いの吸着筒にアンバランスが生ずる。しかし、吸着工程にある吸着筒の圧力が所定値ＶC に達すると該吸着工程の工程サイクルを打ち切る。この場合、この所定値ＶC に達するまでの時間が各吸着筒間で異なる場合がある。
そして、パージガスとして使用する製品ガスの量は取り出す製品ガスの量よりも多いので、わずかな時間でも余分に流れると、製品ガスとして取り出すガス量が少なくなり、あるいはその製品ガスの濃度が低下することになる。
【００１７】
更にパージガスを通す各通路抵抗に差異があるとそのパージガスの量が違ってくるのでそれが前記の工程サイクルごとに毎回繰り返されると吸着筒間にアンバランスを生ずる。この為、通路は簡単である必要があり、かつ、その流量が一定になるように、出来れば単一通路でそれを双方で使用することが好ましい。そして吸着工程にある吸着筒の圧力が所定値ＶP に達したとき、再生工程にある吸着筒にパージガスを送気開始し、一定時間流した後、閉とする。なお、該再生工程にある吸着筒の圧力はそのときまでに十分低い圧力に達しているので等しいガスの量が吸着筒に流れることになる。
【００１８】
【実施例】
図１に空気を原料ガスとし、酸素を濃縮する好適な１実施例のフローシートを示すが、本発明はこれに限定するものではない。同図に於いて、１１，１２は吸着剤としてゼオライトを充填した吸着筒である。１３は製品ガスを貯留する製品タンクである。１，２，３，４，５′，６′，７，８，２０は自動弁を示し、制御部（図示を省略した）の指示に従い、管路を開閉する。２４，２５は圧力センサーを示し、各々吸着筒１１，１２内の圧力を検出し、制御部へ伝える。
【００１９】
原料である圧縮空気を２１の導入口より取り入れ、自動弁１を開にして吸着筒１１に送気する。吸着筒１１内に充填されたゼオライト（吸着剤）に空気中に７８％ある窒素ガスが吸着除去されて他端より酸素ガスが濃縮されて出てくる（吸着工程）。該酸素ガスは他端に接続される配管の自動弁５′が開であり、ここを通って製品タンク１３に貯められ、取出口２６を経て消費される。
【００２０】
一方、その間、吸着筒１２は自動弁４が開となり、開放端２２より大気に開放されて該吸着筒の圧力は大気まで減じられる。なお、他の自動弁は全て閉である。
なお、真空再生法の場合は該開放端２２が真空ポンプに接続され、真空排気されることになり、該吸着筒１２は真空値まで減圧される。
【００２１】
吸着工程中の吸着筒１１の圧力は次第に高まりその圧力は圧力センサー２５により検出され、所定値ＶP に達すると制御部に電気信号で伝えられ、制御部は自動弁７を開にして、オリフィス１５で流量を制限しながら吸着筒１１から吸着筒１２へパージガスを向流的に流し、吸着筒１２の中の窒素分圧を下げて窒素ガスの脱着を促進させる。
該制御部は、自動弁７を開にした時から計時を開始し、一定時間だけ自動弁７を開にした後、閉とする。その後、圧力センサー２５により吸着工程にある吸着筒１１の圧力を継続して検出し、その圧力がＶC に達すると電気信号で制御部が検出し、該吸着筒の吸着工程（他方の吸着筒では再生工程になる）を終了し、次の工程に移る。すなわち、自動弁１，５′，４を閉とし、本実施例では均圧工程に移る。すなわち、吸着工程の終了した吸着筒１１と再生工程の終了した吸着筒１２の圧力を自動弁８及び２０を開にして、吸着筒１１の圧力を吸着筒１２に移して均圧を図る。この時間は数秒でその後、次の工程に移る。すなわち、吸着筒１１でみれば再生工程で、自動弁２を開にして吸着筒１１の圧力を減圧し、吸着筒１２は自動弁３を開にして圧縮空気を導入し、吸着工程に入る。前述と同様に吸着筒１２に充填された吸着剤に窒素ガスが吸着除去されて他端より濃縮された酸素ガスが導管に接続された自動弁６が開となっているので、ここより製品タンク１３に貯えられる。
【００２２】
前記と同様に吸着筒１２に接続されている圧力センサー２４によりその圧力が検出され、吸着筒１２の圧力が所定値ＶP に達すると制御部が自動弁７を開にして吸着工程にある吸着筒１２から再生工程にある吸着筒１１にパージガスを向流的に流し、吸着筒１１の窒素ガスの脱着を促進させる。該自動弁７は前述と同様、制御部により一定時間開の後、閉じられる。吸着筒１２の圧力を圧力センサー２４で継続的に監視し、該圧力が所定値ＶC に達すると、この工程を終了し、次の工程に移る。すなわち前述の如く自動弁２０及び８を一定の時間開いて均圧工程を実施した後、吸着筒１１の吸着工程に入る。このような各工程を繰り返して、連続して酸素ガスを連続して製造する。
なお、この実施例では圧力センサー２４，２５を各々の吸着筒に接続したが、各々の吸着筒の圧力と製品タンクの圧力には相関関係を有するので製品タンク１３に圧力センサー２３を接続し、この圧力により交互に吸着筒の切替を行ってもよい。
【００２３】
なお、本実施例はゼオライトを吸着剤として用い、酸素ガスを濃縮するガス分離装置の例であったが、分子篩炭を吸着剤として用いて窒素ガスを製造するものであっても同様な方法を用いる装置を作ることができる。
吸着筒容積２８０Ｌの２本の吸着筒に各々１７０ｋｇのゼオライトを充填し、吸着筒圧力の所定値ＶC を２．５ｋｇｆ／ｃｍ2 Ｇの圧力で工程を進めるようにし、同じく前記の所定値ＶP の値を１．９ｋｇｆ／ｃｍ2 Ｇでパージ時間２０秒としたときの製品ガスの酸素濃度９２％を維持できる流量は１８０Ｌ／分であった。
【００２４】
【効果】
本発明にかかる方法により、複数の吸着筒の吸着工程，再生工程を完全に行うことができるので、アンバランスが生じることなく、従ってこのガス分離装置の性能を安定に最大限に発揮できるので、製品ガスの分離回収率とその製品ガスの収量の向上及び電力原単位の向上などを維持できる優れた作用効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好適な１実施例の制御部及び電気配線の図示を省略したフローシートである。
【符号の説明】
１，２，３，４，５′，６′，７，８，２０  自動弁
１１，１２  吸着筒
１３  製品タンク
１５  オリフィス
２１  導入口
２２  開放端
２３，２４，２５  圧力センサー
２６  取出口
【図１】
0003849957.tif 000002