JP2005270953A

JP2005270953A - 混合ガスの分離方法、並びに窒素ガス分離装置及び窒素ガス消費システム

Info

Publication number: JP2005270953A
Application number: JP2004200319A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Inoki; 博文猪木
Original assignee: Kuraray Chemical Co Ltd
Current assignee: Kuraray Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】製品窒素ガスの純度を安定化し、さらに経済的に有利に実施可能なＰＳＡ方式による混合ガスの分離方法、並びに窒素ガス分離装置及び窒素ガス消費システムを提供すること。
【解決手段】吸着塔の低圧再生工程を、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程９９〜２０％と、吸着塔が閉鎖され、製品ガスによる吸着塔内の洗浄を行うラインのみが開放されている予備昇圧からなる工程１〜８０％となるように構成し、高圧吸着を行っている吸着塔の出口酸素濃度を検出し、その酸素濃度の設定値に応じて低圧再生を自動的に変化させる混合ガスの分離方法により上記課題を達成することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は混合ガスの分離方法、並びに窒素ガス分離装置及び窒素ガス消費システムに関する。さらに詳しくは、分子ふるい炭素を充填した２基以上の吸着塔の一方に窒素を主成分とする原料ガスを加圧下で供給し、それぞれの吸着塔で高圧吸着と低圧再生を交互に繰り返して窒素を製品ガスとして分離する混合ガスの分離方法において、吸着塔の低圧再生工程を、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程９９〜２０％と、吸着塔が閉鎖され、製品ガスによる吸着塔内の洗浄を行うラインのみが開放されている予備昇圧からなる工程１〜８０％となるように構成した混合ガスの分離方法であって、高圧吸着を行っている吸着塔の出口酸素濃度を検出し、その酸素濃度の設定値に応じて低圧再生を自動的に変化させる経済的に有利な混合ガスの分離方法、並びに窒素ガス分離装置及び窒素ガスシステムに関する。

近年、金属の処理、半導体の製造、化学工業におけるシールガスなど各種分野で窒素ガスの需要が増大しており、かかる窒素ガスを製造する方法として、分子ふるい炭素などの炭素多孔体を使用して加圧空気から窒素を分離する圧力スイング吸着法（以下、ＰＳＡ法と略記する）が多く実施されている。ＰＳＡ法とは、原料ガスを空気とした場合、通常２基以上の分子ふるい炭素を充填した吸着塔を使用し、一方の吸着塔に加圧空気を供給して酸素の吸着を行い、窒素を製品ガスとして取り出すとともに、その間他方の吸着塔を脱着に付し、複数の吸着塔間で酸素の吸着と脱着とを交互に繰り返し、酸素と窒素の吸着速度の差を利用して連続的に窒素を得る方法である。

特に最近ではＰＳＡを利用した窒素ガスの新たな利用分野が広がってきており、大気中で行なっていたプリント基板への電子部品のはんだ付けを窒素雰囲気下で行うことが検討されている。窒素雰囲気下ではんだ付けを行えば、鉛フリーはんだを使用してもプリント基板やはんだの酸化を防止できるメリットが生じるが、ＰＳＡで窒素ガスを安定に製造供給することが要求される。

吸着塔を２基使用して空気など窒素を主成分とする混合ガスをＰＳＡ法により分離し、製品ガスとして窒素を得る従来の方式を図２により説明する。まず、空気などの窒素を主成分とする原料ガスを原料ガス供給ライン１から導入し、圧縮機２で圧縮し、冷却器３を通じて吸着塔４又は５へ導入する。各吸着塔には分子ふるい炭素が充填されており、一方の吸着塔が吸着に付されているとき、他方の吸着塔は脱着（再生）に付されている。

すなわち、吸着塔４により吸着が行われているときは、弁７、１１及び１２が開の状態、弁８、９、１０、１３及び１４は閉の状態にある。また、再生中の吸着塔は吸着中の吸着塔より生成した窒素がオリフィス１５を通り、吸着塔を洗浄（リンス）する。かかる窒素によるリンスは、効率よくＰＳＡ法を実施することができるので広く採用されており、後述するように、製品貯槽６の窒素ガスを吸着塔に供給することもある（例えば特許文献１、２）。
特開平１−９４９１５号公報特開平３−２０７４２０号公報

所定の時間が経過した後、弁８、１０及び１３が開の状態、弁７、９、１２及び１４が閉の状態となり、吸着塔５が吸着に付され、吸着塔４が脱着に付され、上記の操作が繰り返されて製品ガスとして窒素が製造される。

これらの弁は、タイマーにより設定された時間に従って逐次自動的に切り換わるようになっており、製造された窒素は製品貯槽６に貯蔵され、流量測定装置１７を経由して製品ガス取り出しライン１９から取り出され、消費される。１６は製品ガスの純度を測定するための酸素濃度計である。分子ふるい炭素に吸着されたガス（酸素）の脱着は、減圧又は大気圧により行われ、弁８又は１１が開の状態のときに分子ふるい炭素に吸着されたガスが脱着され、脱着ガスは排気ライン１８から排気される。

ところで、現実の場において窒素ガスの使用量は必ずしも一定ではなく、間欠的に使用されたり、間欠的でなくても経時的に使用量が変動することが多い。また、１台の窒素製造装置に対し、複数台の窒素消費ユニットと組み合わせて使用されるケースも多く、使用量が変動することが通常である。例えば、特許文献３には、特定の吸着材を使用したＰＳＡ装置と自動はんだ付け装置内への組み込みが開示されているが、使用量の変動への対策については全く触れられていない。この変動を和らげる対策として、通常は、平均使用量程度の能力を有する窒素製造装置に大規模な窒素ガス貯槽を設置して変動を吸収したり、固定使用量に対応する能力の当該装置と変動時の不足分を液体窒素等他のガス源によって補充するなどの方法がとられている。
特開平１０−５５２２号公報

しかしながら、大規模な窒素ガス貯槽を設置することは、設置面積を含めて設備費の大幅な増加につながり、また、窒素ガス使用量の変動幅によっては、窒素ガス貯槽が膨大なものとなるため、現実的に不可能な場合が多い。また、変動時の不足分を他のガス源に依存する方法では、プロセスの複雑化、ガス源の補給等から設備費が増加する上、無人運転で安価なガスを供給できる当該装置のメリットも薄れてくる。

一方、最大使用量に対応可能な当該装置を設置した場合、窒素ガスの使用量が減少しても分子ふるい炭素に吸着されるガス量がほぼ一定であるために、使用する原料ガス量の減少は少なく、所要動力の減少もわずかである。このことは、例えば、製品窒素ガスの純度を一定とし、原料ガスの供給量を３５０、製品窒素ガスの使用量を１００、吸着塔の切り換えに伴う排気ガス量を２５０で運転している場合に、製品窒素ガスの使用量が５０に半減しても、排気ガス量は一定であるため、原料ガス供給量は３００であり、せいぜい１０数％の減少にしかならないことから容易に理解される。また、窒素ガスの使用量が減少した場合、窒素ガスの純度はさらに上昇するが、必要以上の過剰な純度にすることは実用上ほとんど意味がないばかりでなく、場合によっては悪影響を受けることもある。また、エネルギーの面でも無駄である。

このような問題を解決する方法として、ＰＳＡ方式を効率的に制御しながらガス分離を行う方法が知られている（特許文献４、５）。ここに記載された方法は、生成物ガスが一定量に達したとき次の操作に進むように設定された方法であるが、これらの方法は、いずれも吸着材としてゼオライト系などを使用し、気相における平衡吸着を利用して分離する場合にのみ実施可能であり、分子ふるい炭素を使用し、吸着速度の差を利用してガス分離を行うＰＳＡ法を実施する場合は、吸着量、分離能力が経時的に変化し、適用できない。
特開昭５４−１６３７５号公報特開昭６０−１９３５２０号公報

一方、分子ふるい炭素を使用したＰＳＡの制御に関する方法も知られている（特許文献６）。ここに開示されているのは、製品窒素貯槽から出てきた製品窒素ガスの酸素濃度を検出して吸着塔における吸脱着の切り換え周期（以下、半サイクル時間ということがある）を決定する方法であるが、この方法では吸着塔から出た窒素ガスを一旦製品窒素貯槽に貯蔵するため、急激な流量変動による酸素濃度の変化に対応することができない。
特公平４−６９０８５号公報

また、吸着塔から出てきた窒素ガス中の酸素濃度を検出して吸着塔の切り換え時間を決定する方法も知られている（特許文献７）。しかしながら、この方法により残存酸素濃度を一定に保つことはできるが、原料ガス量の増加を引き起こすためエネルギー的には問題である。しかも、この方法では、目的とした酸素濃度に到達した時点で吸着塔を切り換えるため、吸着材が劣化した場合や能力の１００％以上を出そうとしたときに切り換え周期が短くなって行き、必要な原料ガス量が増えて行く。さらに、原料ガスを加圧する圧縮機等の能力が不足している場合は、切り換えサイクルが短縮されると吸着塔の到達圧力が下がるため吸着材の分離効率が悪化し、製品ガスが製造できなくなることがある。
特開２０００−４２３３９号公報

一方、吸着剤に吸着されたガスを製品ガスとするＰＳＡ法で、製品ガスの取り出し量に応じて吸着塔の切換弁の切り換え周期を自動的に変化させ、電力消費量を低減できる減量運転制御方法が知られている（特許文献８）。ここに開示された減量運転制御方法は、エネルギー的に有利な方法であり、有用であると思われる。
特許２８７２６７８号公報

しかしながら、この方法では残存酸素濃度を一定に保つことができないため、製品窒素ガスは過剰な純度になりやすい。したがって、本発明の目的は、製品窒素ガスの純度を安定化することができるとともに、製品窒素ガスを安定に供給することができる経済的に有利なＰＳＡ方式による混合ガスの分離方法、並びに窒素ガス分離装置及び窒素ガス消費システムを提供することにある。

本発明者らは、ＰＳＡ方式による混合ガスの分離方法において、吸着塔の低圧再生工程を、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程９７〜２０％と、吸着塔が閉鎖され、製品ガスによる吸着塔内の洗浄を行うラインのみが開放されている予備昇圧からなる工程３〜８０％となるように構成した混合ガスの分離方法を見出し、先に特許出願した（特許文献９）。
特開２００２−１５９８２０

この混合ガスの分離方法は経済的に有利なＰＳＡ方式を提供するものであるが、本発明者らはさらに優れた混合ガスの分離方法を開発すべく詳細に検討を重ねた結果、製品ガスの取り出し量に応じて吸着塔の酸素濃度が変化することに着目し、吸着塔の出口酸素濃度の設定値に応じて吸着塔の切り換え周期を自動的に変化させることにより、極めて優れた混合ガスの分離方法を実施することができることを見出し本発明に至った。吸着塔の低圧再生工程を、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程（工程Ａ）と、吸着塔が閉鎖され製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程（工程Ｂ）とに分割したＰＳＡ方式に、吸着塔の出口酸素濃度に応じて吸着塔の切り換え周期を自動的に変化させることを適用することによりさらに一層優れたＰＳＡ方式を達成することができることは従来技術から容易に想到されない驚くべきことである。

すなわち、本発明の第１の発明は、分子ふるい炭素を充填した少なくとも２基の吸着塔の一方に窒素を主成分とする原料ガスを加圧下で供給して高圧吸着を行い、吸着を終えた吸着塔は低圧再生を行い、それぞれの吸着塔で高圧吸着と低圧再生を交互に繰り返して窒素を製品ガスとして分離する混合ガスの分離方法において、吸着塔の低圧再生工程を、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程９９〜２０％と、吸着塔が閉鎖され製品ガスによる吸着塔内の洗浄を行うラインのみが開放されている予備昇圧からなる工程１〜８０％となるように構成した混合ガスの分離方法であって、高圧吸着を行っている吸着塔の出口酸素濃度を検出し、その酸素濃度の設定値に応じて低圧再生を自動的に変化させることを特徴とする混合ガスの分離方法である。

本発明の第２の発明は、該混合ガスの分離方法を使用した窒素ガス分離装置である。また、本発明の第３の発明は、このような窒素ガス分離装置と窒素ガス消費ユニットを組み合わせた窒素ガス消費システムである。

本発明により、吸着塔の出口酸素濃度の設定値に応じて低圧再生を自動的に変化させることによって経済的に有利に混合ガスを分離する方法を提供することができる。本発明の方法によれば、消費する原料ガス量が減少するため経済的に有利にＰＳＡ方式を実施することができる。また、過剰な製品純度になることを避けることができるため窒素消費設備に与える影響が少なく、産業上の有用性が大きい。

本発明の混合ガスの分離方法において、吸着塔には分子ふるい炭素が充填される。分子ふるい炭素は、３〜５Åの超ミクロ孔が存在し、細孔径が揃った木炭、石炭、コークス、やし殻、樹脂、ピッチなどを原料として高温で炭化して製造された木質系、石炭系、樹脂系、ピッチ系などの炭素質材料を細孔調整したガス用吸着材である。

かかる分子ふるい炭素を使用し、ＰＳＡ法を実施することにより、窒素を主成分とする混合ガスから窒素を製品ガスとして分離することができる。本発明の混合ガスの分離方法において、少なくとも２基の吸着塔に分子ふるい炭素を充填し、吸着塔の一方に窒素を主成分とする原料ガスを加圧下で供給して高圧吸着を行い、吸着を終えた吸着塔は低圧で脱着を行い、高圧吸着と低圧再生をそれぞれの吸着塔で交互に繰り返して窒素を製品ガスとして分離する。

本発明で使用する原料ガスは、窒素を主成分とするガスであり、かかる原料ガスの具体例としては空気が一般的であるが、窒素を主成分とし、ＰＳＡ方式による実施が可能なガスであれば、炭酸ガスなど他のガスを含んでいても差し支えない。なお、主成分とは５０容量％以上をいう。

前述したように、従来の分子ふるい炭素を充填したＰＳＡ方式における製品ガスの取り出し量は一定を基本としており、製品ガスの取り出し量が減少しても所要動力の減少は少ない。製品ガスの取り出し量が減少したときに最適の所要動力で経済的に有利にＰＳＡ方式を制御することをターンダウン制御というが、本発明は、かかるターンダウン制御の改良に係るものである。まず、窒素ガスを常に一定の純度で取り出した場合の取り出し量と半サイクル時間の関係について述べる。

図３は、製品窒素ガス流量（Ｎｍ³／ｈｒ）と半サイクル時間（秒）との関係を示す一例である。例えば、半サイクル時間を６０秒として製品窒素ガス純度９９．９９％（酸素濃度１００ｐｐｍ）の窒素ガスを１００Ｎｍ³／ｈｒで取り出している場合に、半サイクル時間を１２０秒に延長すると、同じ純度の窒素ガスは約６０Ｎｍ³／ｈｒで得られる。このとき吸着塔出口の酸素濃度は時間の経過とともに図４のように変化する。本発明の最も特徴とするところは、この吸着塔の出口における酸素濃度の変化に着目し、設定された酸素濃度に達したときに吸着塔を切り替えるようにし、半サイクル時間を自動的に変化させることでターンダウンをさらに効率的に行うことにある。

一方、分子ふるい炭素は時間の経過と共に吸着性能が大幅に変わる特性があり、取り出す製品窒素ガスの量が半サイクル時間内で大幅に変動した場合、一時的に窒素純度が低下することがある。したがって、流量検知手段によって窒素流量の瞬時値を検知し、半サイクル時間内の最も高い瞬時値を検出して半サイクル時間を決定する。また、半サイクル時間中に新しい最高値を検出し、その瞬時値に対応する半サイクル時間が経過している場合、すぐに吸着工程又は脱着工程を終了し、次の工程に移る。このように、窒素流量の瞬時値と半サイクル時間による制御を実施することにより、窒素純度を低下させることなく連続運転することが可能となる。原料ガスとして空気を用いて窒素を分離する場合について図１を使用して本発明をさらに具体例に説明する。

図１は、先に図２で説明した従来のＰＳＡ方式に、吸着塔出口に酸素濃度計２０を新設し、製品ガス流量をフローメーターなどの流量検知手段を使用してターンダウンを行う場合の一例である。空気などの原料ガスは原料ガス供給ライン１から圧縮機２により加圧され、冷却器３によって常温近傍まで冷却された後、弁７を通って吸着塔４に入り、充填されている分子ふるい炭素によって、吸着されやすい酸素、炭酸ガス等と吸着されにくい窒素等に分離され、分離された窒素は弁１２を経由し、製品貯槽６に一旦貯蔵された後、消費される。

本発明の混合ガスの分離方法において、吸着塔の低圧再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程９９〜２０％と、吸着塔が閉鎖され、製品ガスによる吸着塔内の洗浄を行うラインのみが開放されている予備昇圧からなる工程１〜８０％となるように構成される。

通常、ＰＳＡ方式の再生工程において、吸着塔内の原料ガスの大気への排気、及び吸着塔内を洗浄したガスの放出を続けるために、排気ライン１８、排気弁８又は１１は開放されたままである。本発明では、この排気ライン１８、排気弁８又は１１の開放時間を再生工程の９９〜２０％の範囲に短縮し（工程Ａ）、残りの１〜８０％を、吸着塔内を洗浄したガスを放出せず、吸着塔を昇圧させる予備昇圧の工程（工程Ｂ）とする。すなわち、工程Ｂにおいては、製品ガスによる吸着塔内の洗浄を行うライン（図１におけるオリフィス１５を有する配管に相当）のみを開放状態とする。このようにタイマーを設定してＰＳＡ法を実施することにより、窒素純度を落とすことなく製品ガスの収率を上げることができる。

図５は、吸着塔を２基とした場合のそれぞれの吸着塔の動作フローである。図５のうち、原料ガスを空気とした場合の第１の吸着塔の動作について説明する。第１の吸着塔４が吸着状態にあるとき、圧縮機２により加圧された空気は冷却器３を通り、弁７を通って第１の吸着塔４に供給される。ここで酸素が吸着され、窒素が弁１２を通り、製品として製品貯槽６に貯留される。弁１０、９、１４、１３は閉の状態にあり、弁７、１２は開の状態にある。弁１１は開の状態から閉の状態となる。また、オリフィス１５から製品窒素が第２の吸着塔５に流入し、吸着塔内をリンスする。

次いで、弁１４及び９を開放して第１及び第２の吸着塔を連通し、両吸着塔を均圧化する。この工程により加圧空気が回収され、図５では回収と記載されている。この後、第１の吸着塔は再生に付される。第１の吸着塔の再生工程のうち工程Ａにおいて、弁７、９、１４、１２、１１は閉の状態にあり、弁１０、１３、８が開の状態にある。そして、オリフィス１５から製品窒素が第１の吸着塔４に流入し、吸着塔内をリンスする。工程Ｂでは、弁８を閉止する。次いで、弁１４及び９を開放して第１及び第２の吸着塔を連通し、両吸着塔を均圧化する。以後この操作を定期的に繰り返し、窒素を連続的に製造する。

図６は、以上の操作における各吸着塔内の圧力変化を示す線図であり、図７は吸着塔の低圧再生工程を、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程と吸着塔が閉鎖され製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程から構成されない従来の方式による吸着塔内の圧力変化を示す線図である。図６及び図７から明らかなように、一方の吸着塔が吸着工程から再生工程に切り替わる際、他方の吸着塔は予備昇圧により吸着塔の圧力が上がっているため、加圧空気の回収時間を短くすることができる。とくに大型の装置では、原料ガスである加圧空気を発生させる空気圧縮機を無負荷状態で運転する時間が減少するため、製品ガス収率の向上効果がよく発現する。

また、予備昇圧を行うことによって吸着圧力が上昇し、製品窒素ガスの純度が向上すると同時に窒素貯槽の圧力も上昇するので、製品ガスの供給圧力も上げることが可能となる。

本発明の混合ガスの分離方法において、吸着塔の出口における酸素濃度は酸素濃度計２０で絶えず検知され、酸素濃度の設定値に応じて低圧再生を自動的に変化させる。実際には酸素濃度計２０から直接信号を出力させるか、酸素濃度計の信号を取り込んだ機器より設定値に達した信号を出力させ、出力された信号を弁の切り替えを制御しているシーケンサ等に入力することで再生工程と吸着工程を切り替えることで行う。吸着塔の出口における酸素濃度の測定は弁１２と１３の合流した配管中など複数の吸着塔の出口配管が合流した部位で行うのがコストの面、及び応答時間遅れが少なくなる点で好ましい。

本発明の混合ガスの分離方法において、吸着塔の出口酸素濃度を検出し、酸素濃度の設定値に応じて低圧再生を自動的に変化させるが、急激な流量変動が生じる場合は吸着塔の出口酸素濃度による制御だけでなく、製品ガス流量による制御を併用すると効果的である。

脱着を終えた吸着塔は吸着に付される前に窒素によりリンスを行う。リンスは、図２で説明したように、吸着塔の出口の窒素をオリフィスを通じて使用してもよいが、図８のように、製品貯槽６からの窒素をマスフローコントローラーなどのリンスガス流量検知手段２１及び三方弁２２を使用して行うとリンスガス量を適宜変更することができ好ましい。

消費される窒素ガス量は流量検知手段１７により瞬時値を絶えず検知して測定される。流量検知手段としてはフローメーターを使用するのがコストの点で好ましい。本発明の混合ガスの分離方法において、製品窒素ガス量はフローメーターなどの流量検知手段で測定され、該製品ガスの量により低圧再生工程中の製品ガスによる吸着塔内の洗浄量を自動的に変化させるとさらに省エネルギー効果の点で好ましい。再生工程において、吸着塔内の洗浄に用いる製品ガスの流量は、あまり少ないと洗浄不足により再生不良がおこり、またあまり多すぎてもエネルギー的に無駄であるので、吸着塔１基あたりの吸着剤充填量の１０〜１００％／分とするのが好ましい。

製品ガスによる吸着塔内の洗浄量（リンスガス量）を無段階で自動的に変化させるには、上述したマスフローコントローラーなどを使用してリンスガス量を検知し、フローメーターによる製品ガスの流量に応じてマスフローコントローラーなどを作動させ洗浄量を変化させればよい。リンスガス量を変化させるには、マスフローコントローラーを使用する方法の他、バルブとオリフィスを使用してリンスラインを複数本準備し、製品ガス量に応じて該リンスラインのバルブを開閉する方法によってもよい。

酸素濃度計２０にて予め設定された酸素濃度を検知すると半サイクルを終了とし、まず弁１１が閉になる。この間オリフィス１５により吸着塔４と５が連結され洗浄ガスによる予備昇圧が行われる。次に弁７及び１２は閉の状態となり、弁９と１４が一旦開になる均圧工程の後、弁１０及び１３が開の状態となって、脱着操作を終えた吸着塔５が吸着操作に付される。一方、吸着を終えた吸着塔４は、弁８を開くことにより大気圧近傍まで減圧され、分子ふるい炭素に吸着された酸素等のガスを脱着させる脱着操作を行う。

ターンダウンを実施する時に半サイクル時間を固定したままの場合と、酸素濃度により半サイクル時間を変動させた場合の所要動力を比較してみると、本発明の効果がさらに明瞭になる。図９は、製品窒素ガス流量（Ｎｍ^３／ｈｒ）と消費電力（ｋＷＨ）の関係を示すグラフであるが、例えば、製品流量を６４Ｎｍ^３／ｈｒから３０Ｎｍ^３／ｈｒに低下させた場合、本発明の方法によれば、約３７％消費電力が減少することがわかる。また、図１０は製品窒素ガス中の酸素濃度と製品窒素ガス流量の関係を示すグラフである。半サイクル時間を固定したまま流量を変化させると酸素濃度が著しく変化するのに対し、本発明の方法によれば、ほとんど変化しないことがわかる。

本発明の混合ガスの分離方法において、該製品ガスの発生能力が１００％稼動時において、該吸着塔の切り替え周期が３０秒〜１２０秒となる分子ふるい炭素を用い、かつ１００％稼動時における切替え周期が３０秒以上とするのが好ましい。製品ガスの発生能力が１００％稼動時において、吸着塔の切り替え周期が３０秒〜１２０秒となる分子ふるい炭素を用いるのがコストとエネルギーの面から好ましく、例えば吸着塔の切り換え周期が６０秒、１００秒、１２０秒に適したものとしてクラレケミカル株式会社製の商品名１．５ＧＮ−Ｈ、１．５ＧＮ−Ｓ、２ＧＮなどを挙げることができる。

図１１は、圧縮機を複数台設置した場合の例である．原料ガスである空気を加圧状態にするために複数の圧縮機２〜２’’を用いて行う場合、マスフローメーターによって検知される窒素の使用量がある量よりも低下した時、それに応じて例えば圧縮機１基を停止し、圧縮機２台で空気を加圧する。原料ガスである加圧空気の使用量が減少した場合、アンローダー式のものでも２０〜３０％程度の電力量がかかる。このため、圧縮機を複数台にしておき、使用空気量の減少に応じて圧縮機をアンローダーにより無負荷状態にしたり、圧縮機の稼働台数を減ずることで所要動力の低減をはかることができる。さらに、圧縮機として、直流電流を交流電流に変換する、いわゆるインバータ制御の圧縮機を使用するとさらに省エネ効果を発揮することができ、好ましい。

本発明の混合ガスの分離方法は窒素ガス分離装置として好ましく使用され、該窒素ガス分離装置は窒素ガス消費ユニットと組み合わされて窒素ガス消費システムとして好ましく使用される。窒素ガス消費システムとしては、窒素ガス分離装置が１台で窒素ガス消費ユニットが１台又は複数台であっても、窒素ガス分離装置が複数台で窒素ガス消費ユニットが複数台であっても好ましく使用される。これらの実施態様を模式的に図１２及び図１３に示す。かかる窒素ガス消費システムは自動はんだ付装置用として好ましく使用される。

図１４は、窒素ガス消費ユニットとして複数台の自動はんだ付装置を設置した場合の例である。自動はんだ付け装置自体は公知であるが、本発明のように複数の自動はんだ付け装置を設置した場合、自動はんだ付装置の稼働台数が変動しても、製品窒素ガス純度の変動は極めてわずかである。以下、実施例により、本発明を更に具体的に説明する。

実施例１
クラレケミカル株式会社製のやし殻系分子ふるい炭素１．５ＧＮ−Ｈを充填したクラレケミカル株式会社製ＰＳＡユニットＲＫ−２２i（吸着剤容積０.２４８ｍ^３／塔）と、コベルコ製インバータコンプレッサＶＳ４１０ＡＤ−Ｈを組み合わせたＰＳＡ分離装置を使用し、窒素純度９９．９９％（酸素濃度１００ｐｐｍ）に設定した。吸着塔の出口酸素濃度の測定は図１に示すように出口配管が合流した部位で、株式会社フジクラ製の酸素濃度計を使用して行った。また、再生工程中のリンス量は吸着剤量の３０％／分で行なった。

本装置の窒素純度９９．９９％時の１００％稼動能力は３０Ｎｍ^３／ｈｒであり、使用した分子ふるい炭素の切替え周期は概ね６０秒であった。本装置を運転したところ、吸着圧力０．８ＭＰａで純度９９．９９％の窒素ガスが３０Ｎｍ^３／ｈｒで得られた。このうち再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程Ａが６０秒（９８％）、予備昇圧からなる工程Ｂが１秒（２％弱）であり、消費電力は２６ｋＷＨであった。

実施例２
窒素ガスを１５Ｎｍ^３／ｈｒに設定して運転する以外は実施例１と同様にして実施したところ、純度９９．９９％で安定して窒素ガスが得られた。このときの半サイクル時間は概ね１５０秒だった。このうち再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程Ａが６０秒（４０％）、予備昇圧からなる工程Ｂが９０秒（６０％）であり、消費電力は１７ｋＷＨと大幅に減少した。

実施例３
製品ガスの量をフローメーターで測定し、洗浄量を変化させるために洗浄量が吸着材量の１５％／分のリンスラインを２本準備し、窒素ガス１５Ｎｍ^３／ｈｒ以下になるとリンスラインが１本になるように制御して運転する以外は実施例２と同じようにして実施したところ、半サイクル時間は概ね１６０秒だった。このうち再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程Ａが６０秒（３８％）、予備昇圧からなる工程Ｂが１００秒（６２％）であり、消費電力は１６ｋＷＨとさらに減少した。

実施例４
窒素ガスを１０Ｎｍ^３／ｈｒに設定して運転する以外は実施例１と同様にして実施したところ、純度９９．９９％で安定して窒素ガスが得られた。このときの半サイクル時間は概ね３００秒であった。このうち再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程Ａが６０秒（２０％）、予備昇圧からなる工程Ｂが２４０秒（８０％）であり、消費電力は１５ｋＷＨであった。

実施例５
窒素ガスを２５Ｎｍ^３／ｈｒに設定して運転する以外は実施例１と同様にして実施したところ、半サイクル時間は概ね７５秒だった。このうち再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程Ａが７０秒（９３％）、予備昇圧からなる工程Ｂが５秒（７％弱）であり、消費電力は２３ｋＷＨであった。

比較例１
窒素ガスを０Ｎｍ^３／ｈｒに設定して運転する以外は実施例１と同様にして実施したところ、半サイクル時間は概ね６００秒だった。このうち再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程Ａが６０秒（１０％）、予備昇圧からなる工程Ｂが５４０秒（９０％）であり、消費電力は１３ｋＷＨに減少したが、この条件では製品ガス量を０から増やした場合、製品ガスの純度がしばらく安定しなかった。

比較例２
クラレケミカル株式会社製のやし殻系分子ふるい炭素１．５ＧＮ−Ｈを充填したクラレケミカル株式会社製ＰＳＡユニットＲＫ−２２と、コベルコ製コンプレッサＳＧ３７０ＡＤ−Ｈを組み合わせたＰＳＡ分離装置を使用し、製品ガスの取り出し量に応じて吸着塔の切替え周期を自動的に変化させる運転を行ったところ、吸着圧力０．８ＭＰａで純度９９．９９％の窒素ガスが３０Ｎｍ^３／ｈｒで得られた。窒素ガスを１０Ｎｍ^３／ｈｒに設定して運転したところ、窒素ガスの純度は９９．９９％以上と過剰品質になり、コスト面からは必ずしも望ましい結果ではなかった。窒素ガス量３０Ｎｍ^３／ｈｒと１０Ｎｍ^３／ｈｒの消費電力はそれぞれ２６ｋＷＨ、２２ｋＷＨであった。

比較例３
実施例１と同じ装置で、再生工程を工程Ａのみ（予備昇圧を行なわない）で窒素ガスを１５Ｎｍ^３／ｈｒに設定して運転して実施した。半サイクル時間は概ね１５０秒だった。消費電力は１７ｋＷＨだった。しかし製品ガス純度は９９．９９％以上の過剰品質となり、コスト面からは必ずしも望ましい結果ではなかった。

実施例６
クラレケミカル株式会社製のやし殻系分子ふるい炭素１．５ＧＮ−Ｓを充填した吸着塔（吸着剤容積０.３５８ｍ^３／塔）を有するクラレケミカル株式会社製ＰＳＡユニットと、コベルコ製インバータコンプレッサＶＳ４１０ＡＤ−Ｈを組み合わせたＰＳＡ分離装置を使用した以外は実施例１と同様にして実施した。本装置の窒素純度９９．９９％時の１００％稼動能力は３０Ｎｍ^３／ｈｒであり、使用した分子ふるい炭素の切替え周期は概ね１００秒であった。本装置を運転したところ、吸着圧力０．８ＭＰａで純度９９．９９％の窒素ガスが３０Ｎｍ^３／ｈｒで得られた。このうち再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程Ａが１００秒（９９％）、予備昇圧からなる工程Ｂが１秒（１％）であり、消費電力は２５ｋＷＨであった。

実施例７
クラレケミカル株式会社製のやし殻系分子ふるい炭素２ＧＮを充填した吸着塔（吸着剤容積０.４４６ｍ^３／塔）を有したクラレケミカル株式会社製ＰＳＡユニットと、コベルコ製インバータコンプレッサＶＳ４１０ＡＤ−Ｈを組み合わせたＰＳＡ分離装置を使用した以外は実施例１と同様にして実施した。本装置の窒素純度９９．９９％時の１００％稼動能力は３０Ｎｍ^３／ｈｒであり、使用した分子ふるい炭素の切替え周期は概ね１２０秒であった。本装置を運転したところ、吸着圧力０．８ＭＰａで純度９９．９９％の窒素ガスが３０Ｎｍ^３／ｈｒで得られた。このうち再生工程は、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程Ａが１１８秒（９８％）、予備昇圧からなる工程Ｂが２秒（２％）であり、消費電力は２６ｋＷＨであった。

実施例８
実施例１の窒素ガス分離装置に１台あたり１５Ｎｍ^３／ｈｒの窒素ガスを消費する窒素ガス消費ユニットを２台接続して運転して行なうこと以外は実施例１と同様にして実施したところ、窒素ガス消費ユニットの稼動数が１台の場合でも２台の場合でも安定した純度で窒素ガスを供給することができた。

実施例９
実施例１の窒素ガス分離装置を２台と１台あたり１５Ｎｍ^３／ｈｒの窒素ガスを消費する窒素ガス消費ユニットを４台接続して運転して行なうこと以外は実施例１と同様にして実施したところ、窒素ガス消費ユニットの稼動数が変動した場合でも安定した純度で窒素ガスを供給することができた。

実施例１０
実施例１の窒素ガス分離装置に１台あたり１５Ｎｍ^３／ｈｒの窒素ガスを消費する自動はんだ付け装置を２台接続して運転して行なうこと以外は実施例７と同様にして実施したところ、自動はんだ付け装置の稼動数が１台の場合でも２台の場合でも安定した純度で窒素ガスを供給することができた。また、はんだ付けされた製品の品質は安定しており製品の品質の面でも問題は認められなかった。

本発明により、吸着塔の出口酸素濃度の設定値に応じて低圧再生を自動的に変化させ、経済的に有利に混合ガスを分離する方法を提供することができる。本発明の方法によれば、消費する原料ガス量が減少するため経済的に有利にＰＳＡ方式を実施することができ、金属の熱処理、半導体の製造など、とくに自動はんだ付装置用に好ましく使用される。

本発明のＰＳＡ装置フローの一例である。従来のＰＳＡ装置のフローである。半サイクル時間と製品窒素ガス流量の関係を示すグラフである。吸着塔出口酸素濃度の変化を示すグラフである。吸着塔を２基とした場合の吸着塔の動作フローである。本発明による吸着塔の圧力変化を示す線図である。従来のＰＳＡ方式による吸着塔の圧力変化を示す線図である。リンスの別の態様を示すフローである。製品窒素ガス流量と消費電力の関係を示すグラフである。製品窒素ガス流量と製品窒素ガス中の酸素濃度との関係を示すグラフである。圧縮機を複数台設置したフローの一例である。窒素ガス分離装置が１台で窒素ガス消費ユニットが複数台からなる窒素ガス消費システムの模式図である。窒素ガス分離装置が複数台で窒素ガス消費ユニットが複数台からなる窒素ガス消費システムの模式図である。窒素ガス消費ユニットとして複数台の自動はんだ付け装置を設置したフローの一例である。

符号の説明

１原ガス供給ライン
２圧縮機
２’ 圧縮機
２’’ 圧縮機
３冷却器
４吸着塔
５吸着塔
６製品貯槽
７〜１４弁
１５オリフィス
１５’ オリフィス
１６酸素濃度計
１７流量測定装置
１８排気ライン
１９製品ガス取り出しライン
２０酸素濃度計
２１リンスガス流量検知手段
２２三方弁
２３〜２４弁

Claims

分子ふるい炭素を充填した少なくとも２基の吸着塔の一方に窒素を主成分とする原料ガスを加圧下で供給して高圧吸着を行い、吸着を終えた吸着塔は低圧再生を行い、それぞれの吸着塔で高圧吸着と低圧再生を交互に繰り返して窒素を製品ガスとして分離する混合ガスの分離方法において、吸着塔の低圧再生工程を、吸着塔内のガスの大気への排気と製品ガスによる吸着塔内の洗浄からなる工程９９〜２０％と、吸着塔が閉鎖され製品ガスによる吸着塔内の洗浄を行うラインのみが開放されている予備昇圧からなる工程１〜８０％となるように構成した混合ガスの分離方法であって、高圧吸着を行っている吸着塔の出口酸素濃度を検出し、その酸素濃度の設定値に応じて低圧再生を自動的に変化させることを特徴とする混合ガスの分離方法。
該出口酸素濃度の測定が複数の吸着塔の出口配管が合流した部位で行われる請求項１記載の混合ガスの分離方法。
該製品ガスの量がフローメーターで測定され、該製品ガスの量に応じて低圧再生工程中の製品ガスによる吸着塔内の洗浄量を自動的に変化させる請求項１又は２記載の混合ガスの分離方法。
該製品ガスの発生能力が１００％稼動時において、該吸着塔の切り替え周期が３０秒〜１２０秒となる分子ふるい炭素を用い、かつ１００％稼動時における切替え周期が３０秒以上である請求項１〜３いずれかに記載の混合ガスの分離方法。
該原料ガスを加圧する圧縮機がインバータ制御された圧縮機であり、該圧縮機の稼働率を製品ガスの取り出し量に応じて自動的に変化させる請求項１〜４いずれかに記載の混合ガスの分離方法。
請求項１〜５記載の混合ガスの分離方法を使用した窒素ガス分離装置。
請求項６記載の窒素ガス分離装置と窒素ガス消費ユニットを組み合わせた窒素ガス消費システム。
該窒素ガス分離装置が１台であり、該窒素ガス消費ユニットが１台又は複数台である請求項７記載の窒素ガス消費システム。
該窒素ガス分離装置が複数台であり、該窒素ガス消費ユニットが複数台である請求項７記載の窒素ガス消費システム。
該窒素ガス消費ユニットが自動はんだ付装置である請求項７〜９いずれかに記載の窒素ガス消費システム。