JP2001269532A - 圧力変動吸着式空気分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＰＳＡ法による窒素製造装置から排出される
脱着ガスを酸素富化ガスとして有効利用することができ
る圧力変動吸着式空気分離方法を提供する。 【解決手段】 分子ふるい炭素を充填した吸着筒を吸着
工程と再生工程とに切換えて空気中の窒素と酸素とを分
離し、前記吸着工程で吸着筒から流出するガスを製品窒
素ガスとして採取する圧力変動吸着式空気分離ユニット
を複数ユニット設け、各圧力変動吸着式空気分離ユニッ
トの運転サイクルを相互にずらして運転するとともに、
前記再生工程で吸着筒から流出するガスの少なくとも一
部を合流させ、製品酸素富化ガスとして採取する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力変動吸着式空
気分離方法に関し、詳しくは、吸着剤として分子ふるい
炭素を使用した圧力変動吸着式空気分離装置を使用して
空気中の窒素と酸素とを分離する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、圧力変動吸着（ＰＳＡ）法によ
る窒素製造装置の基本的な形態例を示す系統図である。
この窒素製造装置は、吸着剤として分子ふるい炭素を充
填した２個の吸着筒１１ａ，１１ｂを、相対的に高い圧
力で分子ふるい炭素に酸素を吸着させて窒素を流出させ
る吸着工程と、相対的に低い圧力で分子ふるい炭素に吸
着した酸素を脱着させる再生工程とに交互に切換えて空
気中の窒素と酸素とを分離し、吸着工程で吸着筒から流
出する窒素に富んだガスを製品窒素として採取するもの
である。

【０００３】第１吸着筒１１ａが吸着工程を行う場合、
原料空気は、空気圧縮機１２で所定の圧力に加圧され、
入口弁１３ａを通って第１吸着筒１１ａの下部に導入さ
れる。第１吸着筒１１ａに導入された空気は、加圧下で
酸素が分子ふるい炭素に優先的に吸着されて窒素に富ん
だ製品ガスが該吸着筒１１ａの上部から出口弁１４ａを
経て製品槽１５に取出される（吸着工程）。

【０００４】吸着工程終了後の第１吸着筒１１ａ内に
は、窒素が相当量残留しているので、吸着工程が終了し
た第１吸着筒１１ａと、再生工程が終了した第２吸着筒
１１ｂとを、均圧弁１６，１７の双方又はいずれか一方
を介して連結し、第１吸着筒１１ａ内のガスを第２吸着
筒１１ｂ内に回収する（均圧工程）。なお、この均圧工
程で、一方の吸着筒の出口部と他方の吸着筒の入口部と
を連結した上下部均圧を行う場合もある。

【０００５】その後、吸着工程が終了した第１吸着筒１
１ａ内のガス（脱着ガス）を排気弁１８ａから排出し、
筒内圧力を大気圧まで、あるいは、真空ポンプによって
真空まで減圧し、さらに必要に応じて、これと同時に第
２吸着筒１１ｂ内のガス又は製品槽１５から製品窒素ガ
スの一部を第１吸着筒１１ａの製品出口部分から供給し
てパージ再生を行い、吸着剤に吸着された酸素を脱着し
て再生する（再生工程）。すなわち、各吸着筒１１ａ，
１１ｂについて、均圧操作を挟んで吸着工程と再生工程
とを交互に繰り返すことにより、空気から窒素に富むガ
スを連続的に分離回収する。なお、吸着筒１１ｂ側の入
口弁１３ｂ、出口弁１４ｂ、排気弁１８ｂも、吸着筒１
１ａ側の各弁と同様に、吸着筒１１ｂの工程の進行に伴
って開閉作動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、空気を
分離して窒素を製品とする従来のＰＳＡ法では、再生工
程時に排出される脱着ガスが空気に比べて酸素濃度が高
いものとなるため、その有効利用が望まれていたが、酸
素濃度、排気ガス流量共に、再生工程の経過時間に伴っ
て大きく変動するため、有効利用には至らず、そのほと
んどが廃棄されていた。

【０００７】そこで本発明は、ＰＳＡ法による窒素製造
装置から排出される脱着ガスの酸素濃度や流量の変動を
小さく抑えながら平均酸素濃度を高くし、脱着ガスを酸
素富化ガスとして有効利用することができる圧力変動吸
着式空気分離方法を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の圧力変動吸着式空気分離方法は、分子ふる
い炭素を充填した吸着筒を、相対的に高い圧力で行われ
る吸着工程と相対的に低い圧力で行われる再生工程とに
切換えて空気中の窒素と酸素とを分離し、前記吸着工程
で吸着筒から流出するガスを製品窒素ガスとして採取す
る圧力変動吸着式空気分離ユニットを複数ユニット設
け、各圧力変動吸着式空気分離ユニットの運転サイクル
を相互にずらして運転するとともに、前記再生工程で吸
着筒から流出するガスの少なくとも一部を合流させ、製
品酸素富化ガスとして採取することを特徴としている。

【０００９】特に、前記複数の圧力変動吸着式空気分離
ユニットの設置数をＮ（２以上の自然数）、各ユニット
中の吸着筒の設置数をＭ（１以上の自然数）、定数Ｌを
１から（Ｎ×Ｍ−１）までの自然数としたとき、（Ｎ−
１）番目のユニットと、Ｎ番目のユニットとにおける運
転サイクルを、Ｌ／（Ｎ×Ｍ）サイクル（但し、Ｌ／
（Ｎ×Ｍ）＝１／Ｍとなる場合を除く）ずらして運転す
ることを特徴とし、さらに、前記再生工程の時間θに対
して、再生工程で吸着筒から流出するガスのうち、再生
工程開始後、０．０１θ〜０．９θの間に流出したガス
を前記製品酸素富化ガスとして採取することを特徴とし
ている。

【００１０】

【発明の実施の形態】図２は本発明の圧力変動吸着式空
気分離方法を実施するための圧力変動吸着式空気分離装
置（ＰＳＡ装置）の一形態例を示す系統図である。この
ＰＳＡ装置は、図１に示した２筒式の窒素製造装置を一
つの吸着ユニットとし、この吸着ユニットを３ユニット
設置して連結し、空気圧縮機５１，製品窒素貯槽５２，
真空ポンプ５３，製品酸素貯槽５４，酸素ブロワ５５を
共通使用する機器として付設したものである。なお、主
たる製品である窒素ガスの発生量を同一量とする場合
は、図２の装置における各吸着筒の大きさは、図１の装
置における吸着塔の１／３の大きさとなる。つまり、吸
着ユニットの設置数をＮ（２以上の自然数）とすれば、
各吸着筒の大きさを１／Ｎとすればよい。

【００１１】すなわち、吸着筒１１ａ，１１ｂを備えた
第１吸着ユニット１０と、吸着筒２１ａ，２１ｂを備え
た第２吸着ユニット２０と、吸着筒３１ａ，３１ｂを備
えた第３吸着ユニット３０と、前記空気圧縮機５１等の
機器とを、所定の配管で接続するとともに、各配管の所
定位置に所定の弁を設けたものである。なお、以下の説
明において、前記図１に示した窒素製造装置の構成要素
と同一の構成要素には、第１吸着ユニット１０では同一
の符号を、第２吸着ユニットでは各構成要素の符号に１
０をプラスした２０番台の符号を、第３吸着ユニットで
は各構成要素の符号に２０をプラスした３０番台の符号
を、それぞれ付してあり、これらについての詳細な説明
は省略する。

【００１２】各排気弁１８ａ，１８ｂ，２８ａ，２８
ｂ，３８ａ，３８ｂの下流側には、再生工程時に各吸着
筒から排出される脱着ガスの流路を、前記真空ポンプ５
３方向と前記製品酸素貯槽５４方向とに切換えるための
切換弁１９，２９，３９がそれぞれ設けられている。ま
た、真空ポンプ５３の上流部には、脱着ガスを大気に放
出する際に開弁する放出弁５６と、脱着ガスを真空排気
する際に開弁する真空排気弁５７とが設けられている。

【００１３】各吸着ユニット１０，２０，３０は、基本
的に、図１に示した窒素製造装置と同様に、各吸着筒を
吸着工程と再生工程とに切換えてそれぞれ運転すること
により、分子ふるい炭素に対して難吸着成分である窒素
と易吸着成分である酸素とを分離する。そして、吸着工
程で各吸着筒から流出するガスを製品窒素として採取
し、再生工程で各吸着筒から流出するガスの一部を製品
酸素富化ガスとして採取する。

【００１４】このようなＰＳＡ装置においては、製品と
して採取する窒素や酸素富化ガスの濃度や流量を均一化
することが好ましいため、全ての吸着ユニットにおいて
同一のタイミングで各工程を切換えることは望ましくな
い。また、ランダムに各工程を切換えることは、運転管
理の点等から望ましいものではない。

【００１５】特に、再生工程において吸着筒から排出さ
れる排気ガスは、再生工程の進行に伴って流量、酸素濃
度、共に大きく変動する。例えば、後述の実施例、比較
例における測定結果を示す図３に示すように、再生工程
開始直後は、吸着筒の圧力が高い（圧力差が大きい）た
めに流量が多く、一方、吸着剤からの酸素の脱着が十分
に進行していないために酸素濃度は低くなっている。再
生工程が進んで吸着筒の圧力が低下していくのに伴って
排気ガスの流量は次第に減少していくが、酸素濃度は、
吸着剤からの脱着ガス、すなわち、吸着剤に吸着してい
た酸素が脱着したガスが排出される状態になるので、再
生工程がある程度進行した段階でピークとなり、その後
次第に減少していく。

【００１６】このような流量変動及び酸素濃度変動を有
する排気ガスから、ある程度の酸素濃度を有する酸素富
化ガスを効果的に採取するためには、再生工程初期及び
再生工程末期の酸素濃度が低い排気ガスは採取せずに、
放出してしまうことが好ましい。

【００１７】具体的には、再生工程の時間をθ秒とする
とき、始めの０．０１θ秒と終わりの０．１θ秒とを除
いた、中間の０．０１θ〜０．９θ秒の間の排気ガスを
酸素富化ガスとして採取することにより、吸着剤から脱
着した酸素を多く含むガス、すなわち、酸素濃度が比較
的高い排気ガスのみを効果的に採取することができ、酸
素富化ガスにおける平均酸素濃度を高くすることができ
る。排気ガスを採取する時間帯を０．０４θ〜０．７θ
秒とすれば、酸素濃度変動幅をより一層少なくすること
ができ、平均酸素濃度をより高くすることができる。さ
らに、時間帯を０．０４θ〜０．６θ秒に狭めることに
より、平均酸素濃度を更に高くできるだけでなく、流量
変動も小さく抑えることが可能となる。

【００１８】すなわち、再生工程開始後０．０１θ秒に
達する前及び０．９θ秒を過ぎた後は、排気ガス中の酸
素濃度が非常に低いため、これを採取すると濃度変動幅
が大きくなり、平均酸素濃度が低くなってしまう結果と
なる。また、０．０１θ秒に達する前は、排気ガス量が
非常に多いので、流動の変動幅も大きくなってしまう。

【００１９】また、再生工程で各吸着筒から排出される
排気ガスの一部を合流させ、これを製品酸素富化ガスと
して採取するにあたって、各吸着筒が同時に再生工程を
行うと、各排気ガスの流量及び酸素濃度の変動パターン
が同じになるので、これらを合流させても流量や酸素濃
度の変動を緩和することはできない。すなわち、排気ガ
スを合流させて流量や酸素濃度を均一化させるために
は、各吸着筒における再生工程の開始タイミングを相互
にずらすことが必要になる。

【００２０】これらのことから、図２に示したように、
２筒式の吸着ユニットを３ユニット設けた場合は、各吸
着ユニットの運転サイクルを、１運転サイクル時間の１
／６，２／６，４／６あるいは５／６時間ずつ相互にず
らして運転することにより、製品ガスの濃度や流量を均
一化できるとともに、運転管理も容易に行うことが可能
となる。

【００２１】これを一般式で表すと、吸着ユニットの設
置数をＮ（２以上の自然数）、各ユニット中の吸着筒の
設置数をＭ（１以上の自然数）、定数Ｌを１から（Ｎ×
Ｍ−１）までの自然数としたとき、（Ｎ−１）番目のユ
ニットと、Ｎ番目のユニットとにおける運転サイクル
を、Ｌ／（Ｎ×Ｍ）サイクルずらして、但し、Ｌ／（Ｎ
×Ｍ）＝１／Ｍとなる場合は除いて運転することとな
る。

【００２２】例えば、２筒式の吸着ユニットを２ユニッ
ト設けた場合は、Ｎ＝２，Ｍ＝２であるから、Ｌは１，
２又は３となり、このうち、Ｌ／（Ｎ×Ｍ）＝１／Ｍと
なる場合、すなわち、Ｌ／（２×２）＝１／２となるＬ
＝２を除いた１又は３がＬの値となる。そして、（Ｎ−
１）番目のユニットと、Ｎ番目のユニットとにおける運
転サイクルのずれは、Ｎ＝２であるから、１番目のユニ
ットと２番目のユニットとにおける運転サイクルを１／
４又は３／４サイクルずらして運転することとなる。

【００２３】図４乃至図６は、２筒式の吸着ユニットを
２ユニット設けた場合（Ｎ＝２，Ｍ＝２，Ｌ＝１，２又
は３）のプロセスパターン例をそれぞれ示すものであっ
て、第１吸着ユニット１０と第２吸着ユニット２０とに
おける運転サイクルをＬ／（Ｎ×Ｍ）サイクルずらした
プロセスパターンにおける各吸着筒１１ａ，１１ｂ，２
１ａ，２１ｂの状態を表している。

【００２４】なお、以下のプロセスパターンの説明にお
いて、吸着工程は、吸着筒を所定圧力に加圧する段階、
すなわち、製品窒素を採取しない段階と、製品窒素を採
取する段階とを含んでいるが、この吸着工程では吸着筒
から排気ガスは排出されない。また、再生工程は、吸着
剤から脱着したガス（脱着ガス）を吸着筒から排気ガス
として排出する工程であって、大気圧までの降圧、パー
ジ、大気圧以下までの減圧排気等の操作を含んでいる。
均圧工程（図中のバツ印）は、各吸着筒についてみれば
ガスの流出はあるが、各吸着ユニット内でガスの移動で
あり、ユニット外への排気ガスは排出されていない。し
たがって、排気ガスは再生工程でのみ排出されることに
なる。また、ここでは各吸着筒が、吸着、均圧、脱着、
均圧の順で各工程を行うことで１サイクルとしている
が、均圧工程は必須工程ではなく、省略することができ
る。

【００２５】まず、図４は、Ｌ＝１の場合、すなわち、
１／（２×２）＝１／４であるから、第１吸着ユニット
１０と第２吸着ユニット２０とにおける運転サイクルを
１／４サイクルずらした運転状態である。図４から明ら
かなように、排気ガスは、均圧工程の時間を除いて両吸
着ユニット１０，２０からそれぞれ排出され、しかも、
各吸着筒における再生工程の開始タイミングがずれてい
ることから、両吸着ユニットからの排気ガスの流量及び
酸素濃度が相互に異なるパターンとなっているので、両
排気ガスを合流させることにより、流量及び酸素濃度の
変動が緩和される。しかも、各吸着ユニットからの排気
ガスのうち、酸素濃度の低い部分を廃棄して残る部分を
合流させることにより、合流後のガスの平均酸素濃度を
高めることができるので、酸素富化ガスとしての用途が
十分に期待できる。

【００２６】図５は、Ｌ＝２の場合であって両吸着ユニ
ット１０，２０における運転サイクルを２／４サイクル
ずらした運転状態である。すなわち、Ｌ／（Ｎ×Ｍ）＝
１／Ｍとなる場合である。この場合は、両吸着ユニット
の第１吸着筒と第２吸着筒とにおける再生工程が同じタ
イミングで始まっているので、各吸着ユニットからの排
気ガスの流量及び酸素濃度のパターンが同じになるの
で、排気ガスを合流しても流量及び酸素濃度の変動を緩
和することができない。

【００２７】図６は、Ｌ＝３の場合であって両吸着ユニ
ット１０，２０における運転サイクルを３／４サイクル
ずらした運転状態である。この場合は、図４に示したＬ
＝１の場合と同様に、各吸着筒の再生工程の開始タイミ
ングがずれているので、排気ガスを合流させることによ
って流量及び酸素濃度の変動を緩和することができる。

【００２８】図７乃至図１２は、図２に示したように、
２筒式の吸着ユニットを３ユニット設けた場合（Ｎ＝
３，Ｍ＝２，Ｌ＝１〜５）のプロセスパターン例をそれ
ぞれ示すものであって、第１乃至第３吸着ユニット１
０，２０，３０における運転サイクルをＬ／（Ｎ×Ｍ）
サイクルずらしたプロセスパターンにおける各吸着筒１
１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂの状態
を表している。

【００２９】まず、図７はＬ＝１の場合、すなわち、１
／（３×２）＝１／６であるから、第１吸着ユニット１
０と第２吸着ユニット２０とにおける運転サイクルを１
／６サイクル、第２吸着ユニット２０と第３吸着ユニッ
ト３０とにおける運転サイクルを１／６サイクル、それ
ぞれずらした運転状態である。このプロセスパターンで
は、均圧工程の時間を除いて、各吸着ユニット１０，２
０，３０から排気ガスがそれぞれ排出されており、しか
も、各吸着筒における再生工程の開始タイミングがずれ
ているので、各吸着ユニットからの排気ガスを合流させ
ることにより、流量及び酸素濃度の変動を緩和すること
ができる。

【００３０】図８はＬ＝２の場合、すなわち、２／（３
×２）＝２／６であるから、第１吸着ユニット１０と第
２吸着ユニット２０とにおける運転サイクルを２／６サ
イクル、第２吸着ユニット２０と第３吸着ユニット３０
とにおける運転サイクルを２／６サイクル、それぞれず
らした運転状態である。この場合も、図７のパターンと
同様に、再生工程の開始タイミングがずれているので、
各吸着ユニットからの排気ガスを合流させることによ
り、流量及び酸素濃度の変動を緩和することができる。

【００３１】図９はＬ＝３の場合、すなわち、３／（３
×２）＝３／６であるから、第１吸着ユニット１０と第
２吸着ユニット２０とにおける運転サイクルを３／６サ
イクル、第２吸着ユニット２０と第３吸着ユニット３０
とにおける運転サイクルを３／６サイクル、それぞれず
らした運転状態である。このパターンは、Ｌ／（Ｎ×
Ｍ）＝１／Ｍとなる場合であり、各吸着ユニットにおけ
る各吸着筒の再生工程が同じタイミングで始まっている
ので、排気ガスの流量及び酸素濃度のパターンが各吸着
筒で同じになるので、排気ガスを合流しても流量及び酸
素濃度の変動を緩和することができない。

【００３２】図１０はＬ＝４の場合、すなわち、４／
（３×２）＝４／６であるから、第１吸着ユニット１０
と第２吸着ユニット２０とにおける運転サイクルを４／
６サイクル、第２吸着ユニット２０と第３吸着ユニット
３０とにおける運転サイクルを４／６サイクル、それぞ
れずらした運転状態である。この場合も、図７のパター
ンと同様に、再生工程の開始タイミングがずれているの
で、各吸着ユニットからの排気ガスを合流させることに
より、流量及び酸素濃度の変動を緩和することができ
る。

【００３３】図１１はＬ＝５の場合、すなわち、５／
（３×２）＝５／６であるから、第１吸着ユニット１０
と第２吸着ユニット２０とにおける運転サイクルを５／
６サイクル、第２吸着ユニット２０と第３吸着ユニット
３０とにおける運転サイクルを５／６サイクル、それぞ
れずらした運転状態である。この場合も、図７のパター
ンと同様に、再生工程の開始タイミングがずれているの
で、各吸着ユニットからの排気ガスを合流させることに
より、流量及び酸素濃度の変動を緩和することができ
る。

【００３４】図１２は、均圧工程時間を相対的に長く設
定した場合であって、第１吸着ユニット１０の第１吸着
筒１１ａの再生工程が終了したときに第２吸着ユニット
２０の第１吸着筒２１ａの再生工程が始まり、第２吸着
ユニット２０の第１吸着筒２１ａの再生工程が終了した
ときに第３吸着ユニット３０の第１吸着筒３１ａの再生
工程が始まり、第３吸着ユニット３０の第１吸着筒３１
ａの再生工程が終了したときに第１吸着ユニット１０の
第１吸着筒１１ａの再生工程が始まるようにしている。
第２吸着筒１１ｂ，２１ｂ，３１ｂも同様のパターンで
再生工程を行うようにしており、運転サイクルとしては
２／６サイクル分ずれていることになる。

【００３５】この場合も、ＰＳＡ装置全体でみれば、常
に二つの吸着ユニットにおいて再生工程が行われてお
り、かつ、再生工程の位相がずれているので、排気ガス
を合流させることによって流量変動や酸素濃度変動が緩
和された酸素富化ガスを得ることができる。

【００３６】図１３乃至図１６は、２筒式の吸着ユニッ
トを４ユニット設けた場合（Ｎ＝４，Ｍ＝２，Ｌ＝１〜
７）のプロセスパターン例をそれぞれ示すものであっ
て、第１乃至第４吸着ユニット１０，２０，３０，４０
における運転サイクルを１／８、２／８、３／８、 ４
／８サイクルずらしたプロセスパターンにおける各吸着
筒１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂ，
４１ａ，４１ｂの状態を表している。

【００３７】まず、図１３はＬ＝１の場合、すなわち、
１／（４×２）＝１／８であるから、第１吸着ユニット
１０と第２吸着ユニット２０とにおける運転サイクルを
１／８サイクル、第２吸着ユニット２０と第３吸着ユニ
ット３０とにおける運転サイクルを１／８サイクル、第
３吸着ユニット３０と第４吸着ユニット４０とにおける
運転サイクルを１／８サイクル、それぞれずらした運転
状態である。この状態では、各ユニットの運転位相が全
てずれており、均圧工程の時間を除いて、各吸着ユニッ
ト１０，２０，３０，４０から排気ガスがそれぞれ排出
されており、しかも、各吸着筒における再生工程の開始
タイミングがずれているので、各吸着ユニットからの排
気ガスを合流させることにより、流量及び酸素濃度の変
動を緩和することができる。

【００３８】図１４はＬ＝２の場合で、各ユニット相互
における位相のずれが２／８＝１／４となっている。こ
の場合は、第１吸着ユニット１０と第３吸着ユニット３
０、第２吸着ユニット２０と第４吸着ユニット４０、と
における再生工程が同一のタイミングで行われているの
で、第１、第３吸着ユニット同士、第２、第４吸着ユニ
ット同士の間では、排気ガスを合流させる意味がない
が、全ての吸着ユニットからの排気ガスを合流すれば、
前記同様にして流量及び酸素濃度の変動を緩和すること
ができる。

【００３９】図１５はＬ＝３の場合で、各ユニット相互
における位相のずれが３／８となっている。この場合
は、図１３のＬ＝１の場合と同様に、各ユニットの運転
位相が全てずれているので、排気ガスの合流によって流
量及び酸素濃度の変動が緩和される。

【００４０】図１６は、Ｌ＝４の場合であって、Ｌ／
（Ｎ×Ｍ）＝１／Ｍとなってしまう場合である。この場
合は、各吸着ユニットの再生工程が同じタイミングで行
われてしまうので、排気ガスを合流しても流量及び酸素
濃度の変動を緩和することができない。

【００４１】以下、Ｌ＝５又はＬ＝７の場合は、図１３
又は図１５と同じようなパターンとなり、Ｌ＝６の場合
は、図１４と同じようなパターンとなる。したがって、
これらの場合も、各吸着ユニットからの排気ガスを合流
させることにより、流量及び酸素濃度の変動を緩和する
ことができる。

【００４２】なお、上記各例では、各吸着ユニットにお
ける吸着筒の設置数を２としているが、１又は３以上に
することもでき、吸着ユニットの数を５以上とすること
もできる。

【００４３】次に、図２に示したＰＳＡ装置を図７に示
すプロセスパターンで運転する場合を簡単に説明する。
まず、第１吸着ユニット１０の第１吸着筒１１ａが吸着
工程を開始した時点では、第１吸着ユニット１０の第２
吸着筒１１ｂは再生工程に切り替わった時点であり、第
２吸着ユニット２０の第１吸着筒２１ａは再生工程の後
半段階、第２吸着ユニット２０の第２吸着筒２１ｂは吸
着工程の後半段階、第３吸着ユニット３０の第１吸着筒
３１ａは再生工程の前半段階、第３吸着ユニット３０の
第２吸着筒３１ｂは吸着工程の前半段階をそれぞれ行っ
ている。

【００４４】このとき、開いている弁は、入口弁１３
ａ，２３ｂ，３３ｂ、出口弁２４ｂ，３４ｂ（出口弁１
４ａは吸着筒１１ａの圧力が上昇してから開く）、排気
弁１８ｂ，２８ａ，３８ａ及び放出弁５６であり、第１
吸着ユニット１０の切換弁１９は排気ライン側に、第
２、第３吸着ユニットの切換弁２９，３９は酸素回収側
に、それぞれ切換えられている。したがって、吸着筒２
１ｂ，３１ｂから製品窒素が採取されるとともに、吸着
筒２１ａ，３１ａから製品酸素富化ガスが採取されてい
る状態となっている。

【００４５】切換弁１９は、極めて短時間で流路が酸素
回収側に切換えられ、吸着筒１１ｂからも製品酸素富化
ガスが採取される。これは、図３に示したように、再生
工程初期の酸素濃度が低い排気ガスを放出するためであ
る。

【００４６】時間の経過に伴い、出口弁１４ａが開いて
吸着筒１１ａからの製品窒素の採取が始まり、切換弁２
９が排気ライン側に切換えられて吸着筒２１ｂからの酸
素濃度の低い排気ガスの放出が始まる。

【００４７】そして、第２吸着ユニットの両筒における
再生工程及び吸着工程が終了すると、入口弁２３ｂ、出
口弁２４ｂ、排気弁２８ａが閉じられ、均圧弁２６，２
７が開いて均圧工程が始まり、吸着筒２１ｂ内のガスが
吸着筒２１ａ内に送り込まれる。この均圧工程が終了す
ると、吸着筒２１ａの入口弁２３ａが開いて吸着筒２１
ａが吸着工程（加圧段階）となり、排気弁２８ｂが開い
て吸着筒２１ｂが再生工程を開始する。

【００４８】この時点で、第２吸着ユニット２０は最初
の第１吸着ユニット１０と同じ段階になり、第３吸着ユ
ニット３０は最初の第２ユニット２０と同じ段階にな
る。第１吸着ユニット１０は、第１、第２吸着筒が入れ
替わった状態で最初の第３ユニット３０と同じ段階にな
る。

【００４９】以下、上述のようにして各弁が開閉し、あ
るいは流路が切換えられて工程が進行し、吸着工程の各
吸着筒から製品窒素が所定の圧力で製品窒素貯槽５２に
採取され、再生工程の各吸着筒から排出される排気ガス
の一部が製品酸素富化ガスとして製品酸素貯槽５４に合
流採取される。この製品酸素貯槽５４の圧力は、通常大
気圧程度であり、それほど高くないため、製品酸素富化
ガスは、酸素ブロワ５５によって需要先に供給される。

【００５０】なお、再生工程の後半で減圧再生を行う場
合は、切換弁１９，２９，３９が排気ライン側に切換え
られるとともに放出弁５６が閉じ、真空排気弁５７が開
いて真空ポンプ５３による真空排気が行われる。減圧再
生を行わない場合は、真空ポンプ５３は省略できる。パ
ージ再生を行う場合は、同一ユニット内の吸着工程にあ
る吸着筒から、あるいは、製品窒素貯槽５２から所定流
量の窒素ガスが再生工程にある吸着筒に出口側から導入
される。均圧工程は、上部均圧、下部均圧、上下部同時
均圧等の適宜な均圧方法を単独で又は適宜組合わせて採
用することができる。

【００５１】このように、１又は複数の吸着筒を備えた
吸着ユニットを複数備えたＰＳＡ装置を使用し、各吸着
ユニットのプロセス開始時刻（位相）をずらして運転
し、各吸着ユニットからの排気ガスを合流させることに
より、各ユニット単独の排気ガスに比べて流量変動及び
酸素濃度変動を緩和することができる。しかも、再生工
程の時間θに対して、再生工程で吸着筒から流出するガ
スのうち、再生工程開始後、０．０１θ〜０．９θの間
に流出したガスを採取することにより、平均酸素濃度を
高くすることができる。

【００５２】特に、複数の圧力変動吸着式空気分離ユニ
ットの設置数をＮ（２以上の自然数）、各ユニット中の
吸着筒の設置数をＭ（１以上の自然数）、定数Ｌを１か
ら（Ｎ×Ｍ−１）までの自然数としたとき、（Ｎ−１）
番目のユニットと、Ｎ番目のユニットとにおける運転サ
イクルを、Ｌ／（Ｎ×Ｍ）サイクル（但し、Ｌ／（Ｎ×
Ｍ）＝１／Ｍとなる場合を除く）ずらして運転して排気
ガスを合流採取することにより、運転操作が簡便とな
り、合流後の酸素富化ガスの流量、濃度をより安定化さ
せることができる。さらに、合流させた排気ガス（酸素
富化ガス）を、適当な容量のバルーンやタンクからなる
製品酸素貯槽５４に一旦貯留してから需要先に送り出す
ことにより、ガス流量や酸素濃度を略均一にすることが
できる。

【００５３】また、各吸着ユニットの位相をずらして運
転するため、原料空気の消費量が一定ではなくなるた
め、空気圧縮機５１の後段に適当な容量の空気貯槽を設
けることにより、空気圧縮機５１における処理空気量の
変動を緩和することができ、空気圧縮機５１の小型化や
消費電力に平準化及び節減を図ることができる。

【００５４】なお、このようにして得られる酸素富化ガ
スは、様々な分野の用途に供することができ、例えば、
ゴミ焼却を始めとする各種燃焼システムにおいて、窒素
ガスを防爆・保安ガスとして用い、酸素富化ガスを支燃
ガスとして用いることにより、ＰＳＡ装置を有効に利用
することができ極めて有益なものとなる。

【００５５】

【実施例】比較例 図１に示した２筒式ＰＳＡ装置を使用し、図４に示した
第一吸着ユニットのプロセスで運転して空気を分離し、
製品窒素と排気ガス（酸素富化ガス）とに分離した。１
サイクルの時間は、吸着工程１２０秒、均圧工程５秒、
再生工程１２０秒、均圧工程５秒の合計２５０秒とし
た。原料空気量は７．７０Ｎｍ^３／ｈ、製品窒素量は
３．３０Ｎｍ^３／ｈとした。また、再生工程では、筒内
ガスを放出する操作を１０秒間行った後、出口側からパ
ージガスを０．４７Ｎｍ^３／ｈで導入してパージ再生を
１１０秒間行うようにした。

【００５６】排気ガスの流量及び酸素濃度は、図３に示
すように変動した。横軸は時間であり，縦軸は排気ガス
流出量と排気ガス中の酸素濃度とを表している。なお、
図３では、２筒式ＰＳＡの場合、１サイクル中の排気ガ
スは、両吸着筒から交互に同じようにして流出するの
で、一つの吸着筒から排気ガスが流出する１２５秒から
２５０秒までの半サイクル分のみを記載している（以
下、同様）。

【００５７】このときの排気ガスの流量は、平均流量が
４．３０Ｎｍ^３／ｈであり、最小流量は２Ｎｍ^３／ｈ、
最大流量は２３．４Ｎｍ^３／ｈ、流量変動幅は２１．４
Ｎｍ ^３／ｈとなった。また、排気ガスの酸素濃度（容積
％、以下同様）は、平均濃度が３５．６％であり、最小
濃度は２０．３％、最大濃度は４７．９％、濃度変動幅
は２７．６％となった。

【００５８】実施例１ ２筒式ＰＳＡを３ユニット設置した図２に示す系統のＰ
ＳＡ装置を使用し、図７に示すパターンのプロセスで運
転を行った。各吸着筒の大きさを比較例１の１／３と
し、原料空気量及び製品窒素量を同一とした（原料空気
量７．７０Ｎｍ^３／ｈ、製品窒素量３．３０Ｎｍ^３／
ｈ）。また、各吸着ユニットにおける１サイクルの時間
も、、吸着工程１２０秒、均圧工程５秒、再生工程１２
０秒（降圧１０秒、パージ１１０秒）、均圧工程５秒の
合計２５０秒として比較例と同じにした。但し、パージ
ガスの流量は、吸着筒の大きさに合わせて約１／３の
０．１６Ｎｍ^３／ｈとした。

【００５９】切換弁１９，２９，３９を酸素回収側に固
定し、各吸着ユニットから排出される全ての排気ガスを
全部合流させて製品酸素富化ガスとした。製品酸素貯槽
５４の入口部における酸素富化ガスの流量変動状態を図
１７に、酸素濃度の変動状態を図１８にそれぞれ示す。
このときの酸素富化ガスの流量は、平均流量が比較例と
同じ４．３０Ｎｍ^３／ｈであり、最小流量は２．１１Ｎ
ｍ^３／ｈ、最大流量は９．９２Ｎｍ^３／ｈ、流量変動幅
は７．８１Ｎｍ^３／ｈとなった。また、酸素濃度は、平
均濃度が比較例と同じ３５．６％であったが、最小濃度
は２８．７％、最大濃度は３９．７％、濃度変動幅は１
１．０％に緩和された。

【００６０】実施例２ 各吸着筒の再生工程の際に、切換弁１９，２９，３９を
それぞれ操作し、再生工程開始後２秒間の排気ガスを排
気ライン側に排出し、以降の排気ガスを製品酸素富化ガ
スとして採取するようにした。この他は、実施例１と同
様とした。

【００６１】実施例３ 再生工程開始後５秒間の排気ガスを排気ライン側に排出
し、以降の排気ガスを製品酸素富化ガスとして採取する
ようにした。この他は、実施例２と同様とした。このと
きの製品酸素貯槽５４の入口部における酸素富化ガスの
流量の変動状態を図１９に、酸素濃度の変動状態を図２
０にそれぞれ示す。酸素富化ガスの流量は、平均流量
３．５４Ｎｍ^３／ｈ、最小流量２．００Ｎｍ^３／ｈ、最
大流量６．５７Ｎｍ^３／ｈ、流量変動幅４．５７Ｎｍ^３
／ｈとなった。また、酸素濃度は、平均濃度３６．５
％、最小濃度は３２．０％、最大濃度は３９．７％、濃
度変動幅は７．７％となった。

【００６２】実施例４ 再生工程開始後７秒間の排気ガスを排気ライン側に排出
し、以降の排気ガスを製品酸素富化ガスとして採取する
ようにした。この他は、実施例２と同様とした。

【００６３】実施例５ 各吸着筒の再生工程の際に、切換弁１９，２９，３９を
それぞれ操作し、再生工程開始後１００秒以後の排気ガ
スを排気ライン側に排出し、これ以前の排気ガスを製品
酸素富化ガスとして採取するようにした。この他は、実
施例１と同様とした。

【００６４】実施例６ 再生工程開始後８０秒以後の排気ガスを排気ライン側に
排出し、これ以前の排気ガスを製品酸素富化ガスとして
採取するようにした。この他は、実施例５と同様とし
た。

【００６５】実施例７ 各吸着筒の再生工程の際に、切換弁１９，２９，３９を
それぞれ操作し、再生工程開始後５秒以前、１００秒以
降の排気ガスを排出し、５〜１００秒の間に流出した排
気ガスを製品酸素富化ガスとして採取するようにした。
この他は、実施例１と同様とした。

【００６６】実施例８ 再生工程開始後５秒以前、８０秒以降の排気ガスを排出
し、５〜８０秒の間に流出した排気ガスを製品酸素富化
ガスとして採取するようにした。この他は、実施例７と
同様とした。

【００６７】実施例９ 再生工程開始後５秒以前、７０秒以降の排気ガスを排出
し、５〜７０秒の間に流出した排気ガスを製品酸素富化
ガスとして採取するようにした。この他は、実施例７と
同様とした。このときの製品酸素貯槽５４の入口部にお
ける酸素富化ガスの流量の変動状態を図２１に、酸素濃
度の変動状態を図２２にそれぞれ示す。酸素富化ガスの
流量は、平均流量２．６０Ｎｍ^３／ｈ、最小流量１．１
９Ｎｍ^３／ｈ、最大流量５．７７Ｎｍ^３／ｈ、流量変動
幅４．５８Ｎｍ^３／ｈとなった。また、酸素濃度は、平
均濃度４１．０％、最小濃度は３６．７％、最大濃度は
４４．７％、濃度変動幅は８．０％となった。

【００６８】比較例及び各実施例における酸素富化ガス
の流量変動幅、平均流量、酸素濃度変動幅及び平均酸素
濃度をまとめて表１に示す。

【００６９】

【表１】

【００７０】これらの結果から、比較例に比べて各実施
例では、酸素富化ガスの流量変動幅及び酸素濃度変動幅
がいずれも緩和されていることがわかる。また、再生工
程開始直後の排気ガスは廃棄し、それ以降の排気ガスを
全て製品酸素富化ガスとする場合、再生開始後の廃棄時
間を長くすると、実施例１に比べて酸素富化ガスの流量
変動幅は小さくなるが、平均酸素濃度はそれほど変動し
ないことことがわかる（実施例２〜４）。また、再生工
程終了前の排気ガスを排気する場合、排気開始時間を早
くすると、実施例１に比べて酸素富化ガスの平均酸素濃
度は上昇するが、流量変動幅はほとんど変動しないこと
がわかる（実施例５，６）。そして、再生工程時間θ＝
１２０秒において、再生工程開始から５秒後（約０．０
４θ）から１００秒（約０．８３θ）、８０秒（約０．
６７θ）、７０秒（約０．５８θ）間での間の排気ガス
を合流させて製品酸素富化ガスとすることにより、平均
流量はやや小さくなるものの、流量変動幅が小さく、酸
素濃度変動幅も小さい製品酸素富化ガスが得られること
がわかる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧力変動
吸着式空気分離方法によれば、窒素を主たる製品とする
ＰＳＡガス分離法において、排気ガスの流量変動幅を小
さくし、排気ガス中の酸素濃度の変動幅を小さくするこ
とができるとともに、排気ガスの平均酸素濃度を高くす
ることができるので、従来は廃棄されていた排気ガス
を、製品酸素富化ガスとして有効に利用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 圧力変動吸着法による窒素製造装置の基本的
な形態例を示す系統図である。

【図２】 本発明の圧力変動吸着式空気分離方法を実施
するための圧力変動吸着式空気分離装置の一形態例を示
す系統図である。

【図３】 吸着筒から排出される排気ガスの流量及び酸
素濃度の変動状態を示す図である。

【図４】 ２筒式の吸着ユニットを２ユニット設けた場
合のプロセスパターンの第１例を示す図である。

【図５】 ２筒式の吸着ユニットを２ユニット設けた場
合のプロセスパターンの第２例を示す図である。

【図６】 ２筒式の吸着ユニットを２ユニット設けた場
合のプロセスパターンの第３例を示す図である。

【図７】 ２筒式の吸着ユニットを３ユニット設けた場
合のプロセスパターンの第１例を示す図である。

【図８】 ２筒式の吸着ユニットを３ユニット設けた場
合のプロセスパターンの第２例を示す図である。

【図９】 ２筒式の吸着ユニットを３ユニット設けた場
合のプロセスパターンの第３例を示す図である。

【図１０】 ２筒式の吸着ユニットを３ユニット設けた
場合のプロセスパターンの第４例を示す図である。

【図１１】 ２筒式の吸着ユニットを３ユニット設けた
場合のプロセスパターンの第５例を示す図である。

【図１２】 ２筒式の吸着ユニットを３ユニット設けた
場合のプロセスパターンの第６例を示す図である。

【図１３】 ２筒式の吸着ユニットを４ユニット設けた
場合のプロセスパターンの第１例を示す図である。

【図１４】 ２筒式の吸着ユニットを４ユニット設けた
場合のプロセスパターンの第２例を示す図である。

【図１５】 ２筒式の吸着ユニットを４ユニット設けた
場合のプロセスパターンの第３例を示す図である。

【図１６】 ２筒式の吸着ユニットを４ユニット設けた
場合のプロセスパターンの第４例を示す図である。

【図１７】 実施例１における酸素富化ガスの流量変動
状態を示す図である。

【図１８】 実施例１における酸素富化ガスの酸素濃度
変動状態を示す図である。

【図１９】 実施例３における酸素富化ガスの流量変動
状態を示す図である。

【図２０】 実施例３における酸素富化ガスの酸素濃度
変動状態を示す図である。

【図２１】 実施例９における酸素富化ガスの流量変動
状態を示す図である。

【図２２】 実施例９における酸素富化ガスの酸素濃度
変動状態を示す図である。

【符号の説明】

１０…第１吸着ユニット、２０…第２吸着ユニット、３
０…第３吸着ユニット、１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１
ｂ、３１ａ，３１ｂ…吸着筒、１８ａ，１８ｂ，２８
ａ，２８ｂ，３８ａ，３８ｂ…排気弁、１９，２９，３
９…切換弁、５４…製品酸素貯槽

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分子ふるい炭素を充填した吸着筒を、相
   対的に高い圧力で行われる吸着工程と相対的に低い圧力
   で行われる再生工程とに切換えて空気中の窒素と酸素と
   を分離し、前記吸着工程で吸着筒から流出するガスを製
   品窒素ガスとして採取する圧力変動吸着式空気分離ユニ
   ットを複数ユニット設け、各圧力変動吸着式空気分離ユ
   ニットの運転サイクルを相互にずらして運転するととも
   に、前記再生工程で吸着筒から流出するガスの少なくと
   も一部を合流させ、製品酸素富化ガスとして採取するこ
   とを特徴とする圧力変動吸着式空気分離方法。
2. 【請求項２】 前記圧力変動吸着式空気分離ユニットの
   設置数をＮ（２以上の自然数）、各ユニット中の吸着筒
   の設置数をＭ（１以上の自然数）、定数Ｌを１から（Ｎ
   ×Ｍ−１）までの自然数としたとき、（Ｎ−１）番目の
   ユニットと、Ｎ番目のユニットとにおける運転サイクル
   を、Ｌ／（Ｎ×Ｍ）サイクル（但し、Ｌ／（Ｎ×Ｍ）＝
   １／Ｍとなる場合を除く）ずらして運転することを特徴
   とする請求項１記載の圧力変動吸着式空気分離方法。
3. 【請求項３】 前記再生工程の時間θに対して、再生工
   程で吸着筒から流出するガスのうち、再生工程開始後、
   ０．０１θ〜０．９θの間に流出したガスを前記製品酸
   素富化ガスとして採取することを特徴とする請求項１記
   載の圧力変動吸着式空気分離方法。