JP2001327829A

JP2001327829A - 圧力スイング吸着装置

Info

Publication number: JP2001327829A
Application number: JP2000149211A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yasuoka; 憲二安岡; Atsushi Yoshii; 敦志吉井
Original assignee: Kofloc KK
Current assignee: Kofloc KK
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2001-11-27
Anticipated expiration: 2020-05-22
Also published as: JP3623152B2

Abstract

(57)【要約】【目的】シーケンスの簡素化及び故障頻度の低減を図
ることが可能な構造の多連ユニット式の圧力スイング吸
着装置を提供する。【解決手段】２以上の吸着塔が並列に連結された吸着
ユニット４が２以上並列に連結されており、各吸着ユニ
ットの流入側には混合ガスマニホールド１、２が設けら
れ、各吸着ユニットの流出側には分離ガスマニホールド
５、６が設けられ、混合ガスマニホールド‐吸着ユニッ
ト間には分流ガス調節手段３がそれぞれ設けられてお
り、均圧ガス側には均圧ガスマニホールド７、８が、排
ガス側には排ガスマニホールド９、１０が設けられてい
る。そして、各マニホールド毎に切換弁が設置されてお
り、当該切換弁によって圧力スイング吸着装置全体のガ
スの流れが制御できるようになっており、分離ガスマニ
ホールドには分離ガスサージタンク１１が、排ガスマニ
ホールドにはサイレンサー１２が連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の吸着塔から
なる吸着ユニットが複数個並列に配置された多連ユニッ
ト式の圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ装置、pressure s
wing adsorption gas generator ）、特に空気を分離し
て窒素、酸素ガスを発生させる多連ユニット式の圧力ス
イング吸着装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日までに、ＰＳＡ装置を用いて複数の
ガス成分からなる混合ガスを各構成ガス成分に吸着分離
することが知られており、一般的な空気を分離するＰＳ
Ａ装置としては、二つの吸着塔が一つのユニットを形成
した２塔式のものや、水素ガス発生装置のような４つの
吸着塔が並列に連結されてひとつのユニットを形成した
４塔式のものや、それ以上の多塔式ユニットのものがあ
る。しかしながら、これらのＰＳＡ装置はいずれも１ユ
ニット式のものであって、製品ガス発生量に応じて吸着
塔を設計しなければならず、小型化することが困難であ
るという問題点があった。又、多連式の小型ＰＳＡの場
合、各吸着ユニット毎に切換弁、分離ガスサージタンク
を設けるために、切換弁の数が多くなって故障頻度が増
加する傾向となり、設置スペースも大きくせざるを得な
かった。その上、能力が大きくなれば吸着ユニットを増
加するにも限度があり、従来の中型〜大型の２塔式ＰＳ
Ａ装置に変更しなければならなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の多連
ユニット式のＰＳＡ装置における上述の問題点を解決
し、従来の装置よりもさらに効率化及び簡略化が図ら
れ、切換弁の数が少なくて済む構造とし、これによって
シーケンスの簡素化及び故障頻度の低減を図ることを課
題とする。又、各吸着塔を第２種圧力容器の適用も可能
な大容量のものとすることで、従来のＰＳＡ装置よりも
効率的に生産性を高め、併せて軽量化を達成し、これに
よって、製品ガス発生能力を増加させることも本発明の
課題である。

【０００４】本発明者等は、複数の吸着塔からなる従来
の吸着ユニットを並列させて多連ユニット構造とし、時
間差制御によって、各吸着塔に設置された多数の切換弁
をそれぞれ制御するのではなく、各吸着ユニットへ供給
される混合ガス、Ａ塔‐Ｂ塔間を流れる均圧ガス、各吸
着ユニットで分離された分離ガス（製品ガス）、各吸着
ユニットから排出される排ガスをそれぞれ、分流又は合
流させるためのマニホールドをそれぞれ設置し、各マニ
ホールド毎に切換弁を設けて、この切換弁をシーケンサ
ー（又はプリント基板）で制御することにより、同時に
複数の吸着ユニットの各工程（吸着工程、均圧工程、脱
着工程）を切り換えることが可能な構造とし、その結
果、時間差制御による従来の多連式ＰＳＡ装置と同等の
性能にて、混合ガスの分離が行えることを見い出した。

【０００５】又、本発明者等は、吸着塔の材質をアルミ
ニウムとし、吸着塔を、アルミ製筒状体（パイプ）とア
ルミ製フランジにより構成し、これをＯリングでシール
する構造とすることにより、第２種圧力容器の適用も可
能な大容量の吸着塔とすることができ、これによって、
吸着塔（アルミタンク）の容量を従来のものよりも大き
な４０リットルを超えるものとすることで、多連ユニッ
トの小型化および能力（製品ガス流量）増大が実現でき
ることを見い出して、本発明を達成した。

【０００６】

【課題を解決するための手段】複数のガス成分からなる
混合ガスを各構成ガス成分に分離するのに用いられる本
発明のＰＳＡ装置は、２以上の吸着塔が並列に連結され
ることによりひとつの吸着ユニット４を形成し、かつ上
記吸着ユニット４が２以上並列に連結されている多連ユ
ニット式のものであって、上記各吸着ユニット４の混合
ガス流入側に、混合ガスを各吸着塔に分流することが可
能な混合ガスマニホールド１、２が設けられており、上
記各吸着ユニット４の分離ガス流出側には、吸着塔ごと
に分離されたガスを合流させることが可能な分離ガスマ
ニホールド５、６が設けられており、上記混合ガスマニ
ホールド１、２と吸着ユニット４との間には、各吸着ユ
ニット４に流入する混合ガスの流量を調整することが可
能な分流ガス調節手段３がそれぞれ設けられているこ
と、上記各吸着ユニット４を形成している吸着塔間を均
圧とするための均圧ガスの流出入させることが可能な均
圧ガスマニホールド７、８が設けられており、上記各吸
着ユニット４の排ガス流出側には、各吸着塔からの排ガ
スを合流させることが可能な排ガスマニホールド９、１
０が設けられており、各マニホールドには、マニホール
ド毎に切換弁が設置されていて、当該切換弁によって圧
力スイング吸着装置全体のガスの流れが制御でき、同時
に複数の吸着ユニットの吸着工程、均圧工程、脱着工程
を切り換えることが可能であること、及び、上記分離ガ
スマニホールド５、６が分離ガスサージタンク１１と連
結されており、上記排ガスマニホールド９、１０がサイ
レンサー１２と連結されていることを特徴とする。

【０００７】又、本発明は、上記の構成を有する多連ユ
ニット式のＰＳＡ装置において、上記吸着ユニット４を
構成している各吸着塔が、アルミ製筒状体の両端側開口
がＯリングを介してアルミ製フランジによりシールされ
た構造で、当該吸着塔の容量が４０リットル以上であ
り、第２種圧力容器に適用し得るものであることを特徴
とするものでもある。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、図１に本発明のＰＳＡ装置
の一例として、窒素ガス発生装置における構成図を示す
が、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、
２塔式５ユニット窒素ガス発生装置である、本発明のＰ
ＳＡ装置の構成図である。図１に示されるように、本発
明では、２以上の吸着塔が並列に連結されることにより
形成される吸着ユニット４が２以上並列に連結されてお
り、上記各吸着ユニット４の混合ガス流入側には、各吸
着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐に混合ガスを分流す
ることが可能な混合ガスマニホールド（分流器）２と、
Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐に混合ガスを分流することが可能
な混合ガスマニホールド（分流器）１とが設けられてい
る。そして、この混合ガスマニホールド１、２と吸着ユ
ニット４との間には、各吸着ユニット４に流入する混合
ガスの流量を調整可能な分流ガス調節手段３がそれぞれ
設けられている。図１には、分流ガス調節手段３が調節
バルブであるものを示しているが、本発明では、分流ガ
ス調節手段３として、オリフィスや管路抵抗を使用する
こともできる。

【０００９】更に、本発明のＰＳＡ装置においては、図
１に示されるようにして、上記各吸着ユニット４の分離
ガス流出側に、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐
からの分離ガスを合流することが可能な分離ガスマニホ
ールド（合流器）５と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐からの分
離ガスを合流することが可能な分離ガスマニホールド
（合流器）６とが設けられており、均圧ガス側には、吸
着塔間を均圧とし得る均圧ガスマニホールド７、８が設
けられており、排ガス側には、Ａ塔、Ａ’塔、‐‐‐か
らの排ガスを合流することが可能な排ガスマニホールド
（合流器）９と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐からの排ガスを
合流することが可能な排ガスマニホールド（合流器）１
０が設けられている。しかも、本発明では、図１に示さ
れるようにして、上記の各マニホールド毎に直結した切
換弁が設けられており、これらの切換弁の開閉状態を制
御することによって圧力スイング吸着装置全体のガスの
流れが制御可能であるので、同時に複数の吸着ユニット
の工程（吸着工程、均圧工程、脱着工程）切り換えを行
うことができる。これにより、本発明のＰＳＡ装置は、
従来のＰＳＡ装置よりも切換弁の数が少ない。尚、本発
明のＰＳＡ装置における分離ガスマニホールド５、６の
流出側は、分離ガスサージタンク１１と連結され、この
分離ガスサージタンク１１を経て、製品ガスが取り出せ
るようになっており、一方、各吸着ユニットにて生じた
排ガスを合流させて排出させるための排ガスマニホール
ド９、１０には、サイレンサー１２が連結され、サイレ
ンサー１２を通して排気が行われる。

【００１０】本発明では、吸着ユニット４を構成する各
吸着塔を、アルミニウム製筒状体の両端側開口がＯリン
グを介してアルミニウム製フランジ部材によりシールさ
れた構造とすることが好ましく、この場合には、４０リ
ットルを超える容量の第２種圧力容器に適用し得る吸着
塔とすることができ、これによって、各吸着ユニットの
単独能力を増加させることが可能となり、多連ユニット
の小型化および製品ガス発生能力の増加を達成すること
ができる。尚、第２種圧力容器とは、労働安全衛生法
（労安法）に規定されているものである。

【００１１】本発明のＰＳＡ装置では、マニホールドに
直結した切換弁で同時に複数の吸着ユニットの工程を切
り換えて、吸着工程、均圧工程、脱着工程を行うことが
できるので、吸着塔の切り換え時間を、シーケンサーだ
けでなくプリント基板でも制御することが可能である。
この際、切り換え時の圧力変動を小さくするために、通
常、分離ガスサージタンク１１の容量を吸着塔と同容量
とし、例えば２塔式３吸着ユニットの場合は装置全体で
６塔あるので、１つの吸着塔の容量×３本分と同じ容量
を持つ分離ガスサージタンクを設置すれば良い。

【００１２】

【実施例】実施例１：２塔式５ユニット窒素ガス発生装
置（１塔の容量４０リットル）による性能試験塔内径１９８ｍｍ×充填高さ１２８０ｍｍの吸着塔２つ
を１ユニットとし、このユニットを５つ並列にマニホー
ルドで連結して吸着分離部を形成し、分離ガスサージタ
ンクは容量２００リットルとした。マニホールドに直結
する切換弁として給気弁２０Ａ、均圧弁２０Ａ、製品弁
２０Ａ、排気弁４０Ａを電磁弁にて選定した。尚、原料
である空気から窒素ガスを分離するための吸着剤とし
て、吸着塔１塔あたり約２５ｋｇのモレキュラーシーブ
カーボンを使用した。

【００１３】そして、このＰＳＡ装置に、ドライヤー付
き空気圧縮機より約０．９ＭＰａの圧縮空気を１分間当
り２．０ｍ³ 導入し、マニホールドに直結する切換弁に
より工程を制御して吸着分離操作を行った。このように
して各吸着ユニットより分離された製品窒素は、分離ガ
スサージタンクに集められ、製品流量計及び流量調節弁
を経て各窒素ガス純度を有する製品窒素として取り出す
ことができた。

【００１４】その結果、この本発明の２塔式５ユニット
窒素ガス発生装置から、製品窒素純度が９９．９９％
（４Ｎ）の場合、製品窒素ガス量として１時間当り２０
Ｎｍ³ で、窒素ガス中の酸素濃度約５２ｐｐｍの製品窒
素を取り出すことができ、製品窒素ガス純度が９９．９
％（３Ｎ）の場合は、製品窒素ガス量として１時間当り
３０Ｎｍ³ で、窒素ガス中の酸素濃度約５５０ｐｐｍの
製品窒素を取り出すことができた。この際の吸着時間
（サイクルタイム）は８０秒間であった。

【００１５】実施例２：２塔式８ユニット窒素ガス発生
装置による性能試験塔内径１９８ｍｍ×充填高さ１２８０ｍｍの吸着塔２つ
を１ユニットとし、このユニットを８つ並列にマニホー
ルドで連結して吸着分離部を形成し、分離ガスサージタ
ンクは容量３００リットルとした。マニホールドに直結
する切換弁として給気弁２５Ａ、均圧弁２５Ａ、製品弁
２５Ａ、排気弁５０Ａを電磁弁にて選定した。なお吸着
剤は実施例１と同様に吸着塔１塔あたり約２５ｋｇのモ
レキュラーシーブカーボンを使用した。

【００１６】実施例１と同様にして、ドライヤー付き空
気圧縮機より約０．９ＭＰａの圧縮空気を１分間当り
３．０ｍ³ 導入し、分流器（マニホールド）に直結する
切換弁で工程を制御して吸着分離操作を行った。このよ
うにして各吸着ユニットより分離された製品窒素は、分
離ガスサージタンクに集められ、製品流量計及び流量調
節弁を経て下記の製品窒素を得ることができた。製品窒
素純度が９９．９９％（４Ｎ）の場合、製品窒素ガス量
として１時間当り３２Ｎｍ³ で、窒素ガス中の酸素濃度
約４５ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができ、製品窒
素ガス純度が９９．９％（３Ｎ）の場合は、製品窒素ガ
ス量として１時間当り４８Ｎｍ³ で、窒素ガス中の酸素
濃度約４６０ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができ
た。吸着時間は実施例１と同じく８０秒間であった。

【００１７】実施例３：２塔式３ユニット窒素ガス発生
装置（第２種圧力容器、１塔の容量１００リットル）に
よる性能試験塔内径２９０ｍｍ×充填高さ１５２０ｍｍの吸着塔（ア
ルミニウム製パイプの両端がアルミニウム製フランジ部
材によりＯリングシールされた構造を有するもの）２つ
を１ユニットとし、このユニットを３つ並列にマニホー
ルドで連結して吸着分離部を形成し、分離ガスサージタ
ンクは容量３００リットルとした。マニホールドに直結
する切換弁として給気弁２５Ａ、均圧弁２５Ａ、製品弁
２５Ａ、排気弁５０Ａを電磁弁にて選定した。なお吸着
剤は実施例１と同様に吸着塔１塔あたり約６３ｋｇのモ
レキュラーシーブカーボンを使用した。

【００１８】実施例１と同様にして、ドライヤー付き空
気圧縮機より約０．９ＭＰａの圧縮空気を１分間当り
３．０ｍ³ 導入し、マニホールドに直結する切換弁で工
程を制御して吸着分離操作を行った。このようにして各
吸着ユニットより分離された製品窒素は、分離ガスサー
ジタンクに集められ、製品流量計及び流量調節弁を経て
下記の製品窒素を得ることができた。製品窒素純度が９
９．９９％（４Ｎ）の場合、製品窒素ガス量として１時
間当り３０Ｎｍ³ で、窒素ガス中の酸素濃度約５１ｐｐ
ｍの製品窒素を取り出すことができ、製品窒素ガス純度
が９９．９％（３Ｎ）の場合は、製品窒素ガス量として
１時間当り４２Ｎｍ³ で、窒素ガス中の酸素濃度約５０
０ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができた。吸着時間
は実施例１と同じく８０秒間であった。

【００１９】比較例：２塔式５ユニット窒素ガス発生装
置による性能試験（従来の各吸着ユニットの吸着時間を
１４秒ずつ均等にずらす方式）実施例１と同じ吸着ユニットにて、各吸着ユニットの吸
着時間を１４秒ずつ均等にずらして吸着操作を行うため
に各吸着ユニットに口径の小さい（１５Ａ）切換弁を設
置し、原料空気条件、各ユニットの吸着時間は実施例１
に合わせて、吸着操作を行った。その結果、製品窒素純
度が９９．９９％（４Ｎ）の場合、製品窒素ガス量とし
て１時間当り２０Ｎｍ³ で、窒素ガス中の酸素濃度約５
５ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができた。又、製品
窒素ガス純度が９９．９％（３Ｎ）の場合は、製品窒素
ガス量として１時間当り３０Ｎｍ³ で、窒素ガス中の酸
素濃度約５００ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができ
た。

【００２０】上記の性能比較試験の結果、実施例１の装
置と比較例の装置とでは、ＰＳＡ装置としての性能にほ
とんど差異は無く、混合ガス側、分離ガス側、均圧ガス
側及び排ガス側にそれぞれマニホールドが設けられた本
発明のＰＳＡ装置の場合には、各マニホールドごとに設
置された切換弁によってガスの流れが装置全体で制御で
きるので、同時に複数の吸着ユニットの工程を切り換え
る操作も単純化でき、切換弁の少ない（５連の場合は１
／５倍の数）分だけ従来の装置に比べて切換弁のトラブ
ルの頻度が減少し、故障の少ない装置であることが確認
された。又、実施例２及び３のＰＳＡ装置を用いた試験
結果から、本発明のＰＳＡ装置の場合には、ユニットの
数を増やした場合にも、４０リットルを越える大型の吸
着塔とした場合にも、製品ガス純度が低下せず、大量の
製品ガスを効率良く製造することができ、従来の装置よ
りも少ない切換弁数であることにより、装置の制御が単
純化できることが確認された。

【００２１】

【発明の効果】本発明のＰＳＡ装置では、吸着操作が各
ユニット同じに行われるために、制御方法の単純化（シ
ーケンスの簡素化）が達成でき、切換弁の総数が減少す
ることにより故障頻度を低減させることが可能である。
又、吸着タンクが第２種圧力容器対応のものである本発
明のＰＳＡ装置にあっては、１ユニット当りの製品ガス
発生量を増加させることができ、これによって、装置の
コンパクト化を図ることができる。

【００２２】なお、本発明のＰＳＡ装置は、窒素ガス発
生装置に限定されるものではなく、吸着剤にゼオライト
を使用する酸素ガス発生装置にも応用が可能であり、オ
ンサイトの窒素ガス、酸素ガス発生装置としてボンベの
代わりに用途は非常に幅広く使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力スイング吸着装置（２塔式５ユニ
ット窒素ガス発生装置）の一例を示す構成図である。

【符号の説明】

１混合ガスマニホールド２混合ガスマニホールド３分流ガス調節手段（調節バルブ）４吸着ユニット５分離ガスマニホールド６分離ガスマニホールド７均圧ガスマニホールド８均圧ガスマニホールド９排ガスマニホールド１０排ガスマニホールド１１分離ガスサージタンク１２サイレンサー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のガス成分からなる混合ガスを各構
成ガス成分に分離するのに用いられる圧力スイング吸着
装置で、２以上の吸着塔が並列に連結されることにより
ひとつの吸着ユニット４を形成し、かつ上記吸着ユニッ
ト４が２以上並列に連結されている多連ユニット式の圧
力スイング吸着装置において、上記各吸着ユニット４の
混合ガス流入側に、混合ガスを各吸着塔に分流すること
が可能な混合ガスマニホールド１、２が設けられてお
り、上記各吸着ユニット４の分離ガス流出側には、吸着
塔ごとに分離されたガスを合流させることが可能な分離
ガスマニホールド５、６が設けられており、上記混合ガ
スマニホールド１、２と吸着ユニット４との間には、各
吸着ユニット４に流入する混合ガスの流量を調整するこ
とが可能な分流ガス調節手段３がそれぞれ設けられてい
ること、上記各吸着ユニット４を形成している吸着塔間
を均圧とするための均圧ガスの流出入させることが可能
な均圧ガスマニホールド７、８が設けられており、上記
各吸着ユニット４の排ガス流出側には、各吸着塔からの
排ガスを合流させることが可能な排ガスマニホールド
９、１０が設けられており、各マニホールドには、マニ
ホールド毎に切換弁が設置されていて、当該切換弁によ
って圧力スイング吸着装置全体のガスの流れが制御で
き、同時に複数の吸着ユニットの吸着工程、均圧工程、
脱着工程を切り換えることが可能であること、及び、上
記分離ガスマニホールド５、６が分離ガスサージタンク
１１と連結されており、上記排ガスマニホールド９、１
０がサイレンサー１２と連結されていることを特徴とす
る圧力スイング吸着装置。
【請求項２】上記吸着ユニット４を構成している各吸
着塔が、アルミ製筒状体の両端側開口がＯリングを介し
てアルミ製フランジによりシールされた構造で、当該吸
着塔の容量が４０リットル以上であり、第２種圧力容器
に適用し得るものであることを特徴とする請求項１記載
の圧力スイング吸着装置。