JP2009011904A - 気体分離装置及び気体分離装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転を開始してからすぐに高濃度の製品ガスを得ることのできる気体分離装置を提供する。
【解決手段】気体分離装置を、少なくとも２本の吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２と貯留タンクとを備えて、吸着塔Ｔ_１を加圧するとともに吸着塔Ｔ_２を減圧する第一工程と、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の原料ガス導入端同士及び製品ガス導出端同士を連通させて吸着塔Ｔ_２の圧力を吸着塔Ｔ_１の圧力に近づける第二工程と、吸着塔Ｔ_２を加圧するとともに吸着塔Ｔ_１を減圧する第三工程と、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の原料ガス導入端同士及び製品ガス導出端同士を連通させて吸着塔Ｔ_１の圧力を吸着塔Ｔ_２の圧力に近づける第四工程とを含む少なくとも４つの工程を繰り返し行う圧力変動吸着方式のものとし、停止信号が入力された際には、第二工程と第四工程のうちいずれかの工程が終了した時点で運転を停止し、起動信号が入力された際には、停止したときと同じ時点から運転を開始するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着塔の圧力を変動させることにより原料ガスに含有される特定ガスを分離するための気体分離装置と、該気体分離装置の運転方法とに関する。

原料ガスＧ_０（例えば空気）に含有される特定ガスＧ_１（例えば窒素や酸素）を分離するための気体分離装置は幅広い分野で使用されている。この気体分離装置には、特定ガスＧ_１を選択的に吸着しうる吸着剤を収容した吸着塔に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔の圧力を高めることにより、原料ガスＧ_０に含有される特定ガスＧ_１を前記吸着剤に吸着させる圧力変動吸着（ＰＳＡ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式のものや、原料ガスＧ_０を気体分離膜に接触させて原料ガスＧ_０に含有される特定ガスＧ_１と特定ガスＧ_１以外の特定ガスＧ_２とに分離する膜分離方式のものなどがある。なかでも、圧力変動吸着方式の気体分離装置は、特定ガスＧ_１を効率よく分離することができるために、高濃度の製品ガスＧ_２が必要な分野で主流となっている。

圧力変動吸着方式の気体分離装置には、特定ガスＧ_１を選択的に吸着しうる吸着剤を収容するための吸着塔を１本しか備えていないものもあるが、特定ガスＧ_１をより効率的に分離できるように、吸着塔を複数本備えているものも多い。例えば、２本の吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２を備えた気体分離装置にあっては、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２から製品ガスＧ_２を交互に導出することができるために、製品ガスＧ_２を連続的に生成することが可能になる。吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２から導出された製品ガスＧ_２は、貯留タンクに一時的に貯留され、その後、必要に応じて気体分離装置の外部へ取り出されるのが一般的である。

従来の圧力変動吸着方式の気体分離装置は、運転を停止する際に、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２を大気圧まで減圧してその内部にある吸着剤のガス吸着能を回復させていた。このため、運転を開始した際には、製品ガスＧ_２に含有される特定ガスＧ_１の濃度が停止操作前の水準となるまでに長い時間を要していた。気体分離装置の運転を開始してから特定ガスＧ_１の濃度が停止前の水準となるまでに要する時間は、特定ガスＧ_１の種類などによっても異なるが、通常、３０分以上、場合によっては１時間近くかかることもある。このため、気体分離装置の省エネルギー化が困難であるというだけでなく、製品ガスＧ_２が必要になるときよりもかなり前に気体分離装置を起動しなければならず、非常に煩わしかった。

このような実状に鑑みてか、特許文献１には、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２を大気圧以上に加圧した状態で運転を停止し、運転を開始した際には、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２のうち、再生工程（吸着塔を減圧することにより該吸着塔に収容されている吸着剤のガス吸着能を回復させる工程）を終えている方から吸着工程（吸着塔を加圧することにより該吸着塔に収容されている吸着剤に特定ガスＧ_１を吸着させる工程）を開始するようにした圧力変動吸着方式の酸素濃縮装置（気体分離装置）が提案されている。

この気体分離装置は、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２を大気圧まで減圧して停止するものと比較して、速やかに製品ガスＧ_２の濃度を高めることができるものとなっていた。しかし、この気体分離装置は、吸着塔Ｔ_１を加圧するとともに吸着塔Ｔ_２を減圧する工程と、吸着塔Ｔ_２を加圧するとともに吸着塔Ｔ_１を減圧する工程とを交互に繰り返す単純なものとなっていた。このため、必ずしも高い収率（吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２へ導入される原料ガスＧ_０の流量（Ｑ_０とする）に対する吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２から導出される製品ガスＧ_２の流量（Ｑ_２とする）の比（Ｑ_２／Ｑ_０））を実現できるものとはなっていなかった。

ところで、圧力変動吸着方式の気体分離装置においては、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２で行う工程を切り替える際に、吸着塔Ｔ_１と吸着塔Ｔ_２とを連通させ、吸着工程を終えた吸着塔に残っていたガスＧ_２を、再生工程を終えた吸着塔へ予め移送しておくこと（均圧操作と呼ばれる）が行われている。均圧操作には、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の原料ガス導入端（通常、下端）同士を連通させる操作（下部均圧操作）を行うものや、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の原料ガス導出端（通常、上端）同士を連通させる操作（上部均圧操作）を行うものや、吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端に連通させるとともに吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端に連通させる操作（クロス均圧操作）を行うものや、これらの操作を組み合わせたものなど、多種多様である（例えば、特許文献２）。

均圧操作を行うと、吸着工程を終えた吸着塔に残っていたガスをすぐに捨てるのではなく、これから吸着工程を開始する吸着塔の圧力を高めるのに使用することができるので、収率を向上することができる。しかし、均圧操作を行うと、高濃度の製品ガスＧ_１を得ることができるようになるまでの時間が長くなるという欠点があった。

特開昭６１−１８７９１６号公報 特開昭６０−１３２６２０号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、運転を開始してからすぐに高濃度の製品ガスを得ることができ、消費エネルギーを低減することも可能な気体分離装置を提供することを目的とするものである。

上記課題は、特定ガスＧ_１を選択的に吸着しうる吸着剤を収容した少なくとも２本の吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２と、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２から導出された製品ガスＧ_２を一時的に貯留するための貯留タンクとを備えた圧力変動吸着方式の気体分離装置であって、
（ａ）吸着塔Ｔ_１に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔Ｔ_１を加圧するとともに、吸着塔Ｔ_２の内部に存在するガスＧ_３を原料ガス導入端から吸着塔Ｔ_２の外部へと排出して吸着塔Ｔ_２を減圧する第一工程と、
（ｂ）吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端に連通させるとともに、吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端に連通させ、吸着塔Ｔ_２の圧力を吸着塔Ｔ_１の圧力に近づける第二工程と、
（ｃ）吸着塔Ｔ_２に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔Ｔ_２を加圧するとともに、吸着塔Ｔ_１の内部に存在するガスＧ_４を原料ガス導入端から吸着塔Ｔ_１の外部へと排出して吸着塔Ｔ_１を減圧する第三工程と、
（ｄ）吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端に連通させるとともに、吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端に連通させ、吸着塔Ｔ_１の圧力を吸着塔Ｔ_２の圧力に近づける第四工程とを含む少なくとも４つの工程を繰り返し行い、
停止信号が入力された際には、第二工程と第四工程のうちいずれかの工程が終了した時点で運転を停止し、起動信号が入力された際には、停止したときと同じ時点から運転を開始することを特徴とする気体分離装置や、この気体分離装置の運転方法を提供することによって解決される。

第二工程における吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端に連通させる操作（操作Ｏ_１とする。）と、第二工程における吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端に連通させる操作（操作Ｏ_２とする。）と、第四工程における吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端に連通させる操作（操作Ｏ_３とする。）と、第四工程における吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端に連通させる操作（操作Ｏ_４とする。）はいずれも、吸着塔Ｔ_１の圧力と吸着塔Ｔ_２の圧力とを近づける（結果的に等しくならなくてもよい。）ように作用することから、本明細書においては、「均圧操作」と呼ぶことがある。とくに、原料ガス導入端が吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の下端であり、かつ製品ガス導出端が吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の上端である場合における操作Ｏ_１，Ｏ_３を「下部均圧操作」と呼び、操作Ｏ_２，Ｏ_４を「上部均圧操作」と呼ぶことがある。

また、第一工程における吸着塔Ｔ_１を加圧する操作と、第三工程における吸着塔Ｔ_２を加圧する操作はいずれも、それに収容された吸着剤に特定ガスＧ_１を吸着させる操作であるために、本明細書においては、「吸着操作」と呼ぶことがある。一方、第一工程における吸着塔Ｔ_１を減圧する操作と、第三工程における吸着塔Ｔ_２を減圧する操作はいずれも、それに収容された吸着剤から特定ガスＧ_１を脱着させて吸着剤を再生し、そのガス吸着能を回復させる操作であるために、本明細書においては、「再生操作」と呼ぶことがある。

さらに、「停止信号」とは、気体分離装置によって行われる各種動作のうち少なくとも気体分離に係る動作を停止することを目的として発せられる信号のことをいう。また、「起動信号」とは、気体分離装置によって行われる各種動作のうち少なくとも気体分離に係る動作を起動することを目的として発せられる信号のことをいう。停止信号や起動信号は、人間が停止ボタンや起動ボタンなどの入力装置を操作するなど、人為的な操作に由来して発せられる信号だけでなく、コンピュータプログラムによる処理など、人為的な操作に由来せずに発せられる信号をも含む概念であるとする。

このように、吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端と吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端とを連通させる均圧操作（操作Ｏ_１，Ｏ_３）と、吸着塔Ｔ_１の原料ガス導出端と吸着塔Ｔ_２の原料ガス導出端とを連通させる均圧操作（操作Ｏ_２，Ｏ_４）とを行うことによって、吸着工程を終えた吸着塔に残っていたガスをすぐに捨てるのではなく、これから吸着工程を開始する吸着塔の圧力を高めるのに使用することができるので、収率（吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２へ導入される原料ガスＧ_０の流量（Ｑ_０とする）に対する吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２から導出される製品ガスＧ_２の流量（Ｑ_２とする）の比（Ｑ_２／Ｑ_０））を高めることが可能になる。

また、操作Ｏ_１と操作Ｏ_２とを同時に行うことによって、あるいは操作Ｏ_３と操作Ｏ_４とを同時に行うことによって、遷移帯（吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の内部における特定ガスＧ_１の濃度が変化する領域のこと。吸着帯とも呼ばれる。）の両側から圧力をかけることが可能になるので、均圧操作を行った際に生じうる、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯の乱れ（広がりや移動）を小さく抑えることが可能になる。

さらに、これらの操作が終了した時点で気体分離装置を停止することによって、気体分離装置の運転を開始してからすぐに高濃度の製品ガスＧ_０を安定して得ることもできるようになる。そして、気体分離装置の停止時間（気体分離装置の運転を停止してから次に開始するまでの時間のこと。後述する時間ｔ_２に相当。）を長くすることも可能になる。したがって、後述するように、気体分離装置を効率的に運転することもできるようになり、気体分離装置の運転時間（気体分離装置の運転を開始又は開始してから次に停止するまでの時間のこと。後述する時間ｔ_３に相当。）の合計を短縮することが可能になる。

本発明の気体分離装置の具体的な運転方法は、上記の条件を満たしていればとくに限定されないが、運転を開始してから時間ｔ_１が経過するまでの間は空打ち状態で運転を行い、運転を開始してから時間ｔ_１が経過した後は、空打ち状態を解除して運転を行うように制御することも好ましい。ここで、「空打ち状態」とは、吸着塔Ｔ_１と吸着塔Ｔ_２のいずれからも製品ガスＧ_２が導出されることのない状態のことをいう。これにより、空打ち状態での運転を行っている間に、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯を安定させることができるので、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯の乱れに由来する低濃度の製品ガスＧ_２の貯留タンクへの流入を防止することが可能になる。

また、本発明の気体分離装置において、運転を停止してから時間ｔ_２が経過すると自動的に運転を開始し、運転を開始してから時間ｔ_３（ただし、ｔ_３＞ｔ_１）が経過すると自動的に運転を停止するように制御され、時間ｔ_２が所定時間を超えないようにすることも好ましい。このように、気体分離装置を自動的に間歇運転することによっても、高濃度の製品ガスＧ_２を安定的に得ることが可能になる。この場合、実質的な準備時間は、気体分離装置を最初に起動した直後の１回分だけとすることもできる。したがって、気体分離装置の運転に要するエネルギーをさらに削減することも可能になる。

時間ｔ_２は、特定ガスＧ_１の種類などによっても異なり、とくに限定されないが、特定ガスＧ_１が窒素である場合（気体分離装置が酸素濃縮用のものである場合）には２４時間以下に設定すると好ましく、特定ガスＧ_１が酸素である場合（気体分離装置が窒素濃縮用のものである場合）には、２時間以下に設定すると好ましい。

以上のように、本発明によって、運転を停止した後に生じうる吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯の乱れを小さく抑えることができ、運転を開始してからすぐに高濃度の製品ガスを得ることができ、消費エネルギーを低減することも可能な気体分離装置が提供される。

本発明の気体分離装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本発明の気体分離装置の好適な実施態様を示したシステムフロー図である。

１ 気体分離装置の概要
本発明の気体分離装置は、図１に示すように、原料ガスＧ_０に含有される特定ガスＧ_１を吸着するための２本の吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２と、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２から導出された製品ガスＧ_２を一時的に貯留するための貯留タンク１３とを備えた圧力変動吸着方式のものとなっている。吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２のそれぞれには、特定ガスＧ_１を選択的に吸着しうる吸着剤が収容されている。本実施態様の気体分離装置において、原料ガスＧ_０は、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の上流側に接続されたフィルタ１（原料ガス取入口）から取り入れられ、ガス圧縮機２によって吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２へと圧送されるようになっている。

この気体分離装置では、下記表１に示すように、
（ａ）吸着塔Ｔ_１に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔Ｔ_１を加圧するとともに、吸着塔Ｔ_２の内部に存在するガスＧ_３を原料ガス導入端から吸着塔Ｔ_２の外部へと排出して吸着塔Ｔ_２を減圧する第一工程と、
（ｂ）吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端に連通させるとともに、吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端に連通させ、吸着塔Ｔ_２の圧力を吸着塔Ｔ_１の圧力に近づける第二工程と、
（ｃ）吸着塔Ｔ_２に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔Ｔ_２を加圧するとともに、吸着塔Ｔ_１の内部に存在するガスＧ_４を原料ガス導入端から吸着塔Ｔ_１の外部へと排出して吸着塔Ｔ_１を減圧する第三工程と、
（ｄ）吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端に連通させるとともに、吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端に連通させ、吸着塔Ｔ_１の圧力を吸着塔Ｔ_２の圧力に近づける第四工程と、
を含む少なくとも４つの工程が繰り返し行われるようになっている。

吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２に収容する吸着剤の種類は、該吸着剤に吸着させる特定ガスＧ_１の種類によって異なり、とくに限定されない。吸着剤に吸着させる特定ガスＧ_１が窒素である場合には、窒素を選択的に吸着しうる各種の窒素吸着剤を用いることができる。例えば、Ａ型ゼオライトやＸ型ゼオライトなどの合成ゼオライトが例示される。とくに、Ｘ型ゼオライトは優れた窒素吸着能を発揮するために好ましく、そのなかでも、リチウムイオンで交換されたゼオライトは、少ない圧力差で原料ガスに含まれる窒素を多く吸着することができるために好ましい。

また、吸着剤に吸着させる特定ガスＧ_１が酸素である場合には、酸素を選択的に吸着しうる各種の酸素吸着剤を用いることができる。例えば、分子ふるいカーボン（カーボンモレキュラーシーブ）が例示される。

さらに、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の高さもとくに限定されない。しかし、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の低い小型の気体分離装置では、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２における原料ガス導入端から製品ガス導出端までの距離が短くなりすぎて、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯の乱れを防止することが困難となり、本発明の気体分離装置を採用する意義が低くなるおそれがある。このため、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の高さは、通常、１ｍ以上とされる。吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の高さは１．５ｍ以上であると好ましく、２ｍ以上であるとより好ましい。一方、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２を高くしすぎると、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の輸送が困難になるおそれがある。このため、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の高さは、通常、４ｍ以下とされる。吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の高さは３．５ｍ以下であると好ましく、３ｍ以下であるとより好ましい。

ところで、ガス圧縮機２の種類もとくに限定されないが、本実施態様の気体分離装置においては、圧送する原料ガスＧ_０の流量を連続的に変化させることのできるインバータ制御方式ではなく、圧送する原料ガスＧ_０の流量を連続的に変化させることのできないオンオフ制御方式のエアコンプレッサを用いている。このため、本実施態様の気体分離装置は、インバータ制御方式のエアコンプレッサを用いた場合よりも製造コストを安く抑えることができるようになっている。オンオフ制御方式のエアコンプレッサは、本発明の気体分離装置に好適に組み込むことができる。

２．１ 第一工程
気体分離装置の動作についてより詳しく説明する。本実施態様の気体分離装置において、第一工程は、吸着塔切替弁４，７と電磁弁１１とが開き、吸着塔切替弁５，６と下部均圧弁８と上部均圧弁１０と電磁弁１２とが閉じた状態で行われるようになっている。

この第一工程では、フィルタ１（原料ガス取入口）から取り入れられた原料ガスＧ_０がガス圧縮機２で圧縮され、吸着塔切替弁４を通じて吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端（本実施態様の気体分離装置においては下端）から導入される。原料ガスＧ_０によって吸着塔Ｔ_１の圧力が高まると、原料ガスＧ_０に含有されている特定ガスＧ_１は、吸着塔Ｔ_１の内部に収容されている吸着剤に吸着され、原料ガスＧ_０よりも特定ガスＧ_１の濃度の低い（特定ガスＧ_１以外の成分が濃縮された）製品ガスＧ_２が生成される。製品ガスＧ_２は、吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端（本実施態様の気体分離装置においては上端）から吸着塔Ｔ_１の外部へと導出され、電磁弁１１を通じて貯留タンク１３へと導入される。

このとき、吸着塔Ｔ_２の内部に存在するガスＧ_３は、吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端（本実施態様の気体分離装置においては下端）から吸着塔Ｔ_２の外部へと導出され、消音器１６（ガス排出口）を通じて気体分離装置の外部へと排出される。吸着塔Ｔ_２に収容されていた吸着剤に吸着されていた特定ガスＧ_１は、吸着塔Ｔ_２の圧力が低下したことによって吸着剤から脱着し、ガスＧ_２とともに気体分離装置の外部へと排出される。この第一工程において、吸着塔Ｔ_２に収容されていた吸着剤の特定ガスＧ_１の吸着能が回復する。

２．２ 第二工程
第二工程は、吸着塔切替弁５，６と電磁弁１２とを閉じたまま、吸着塔切替弁４，７と電磁弁１１とを閉じ、下部均圧弁８と上部均圧弁１０とを開くことによって行われるようになっている。

この第二工程では、吸着塔Ｔ_１における原料ガス導入端の側（本実施態様の気体分離装置においては下側）に存在する、特定ガスＧ_１の濃度の比較的高いガス（特定ガスＧ_１の濃度が原料ガスＧ_０に近いガス）が、吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端（本実施態様の気体分離装置においては下端）から吸着塔Ｔ_１の外部へと導出され、下部均圧弁８を通じて吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端（本実施態様の気体分離装置においては下端）から吸着塔Ｔ_２の内部へと導入される。

この均圧操作（本実施態様の気体分離装置においては下部均圧操作）によって、次の第三工程が開始されるよりも前に吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端の側の圧力を予め高めておくことが可能になり、第三工程が開始されると速やかに製品ガスＧ_２を生成することが可能になる。

また、吸着塔Ｔ_１における製品ガス導出端の側（本実施態様の気体分離装置においては上側）に存在する、特定ガスＧ_１の濃度の比較的低いガス（特定ガスＧ_１の濃度が製品ガスＧ_２に近いガス）が、吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端（本実施態様の気体分離装置においては上端）から吸着塔Ｔ_１の外部へと導出され、上部均圧弁１０を通じて吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端（本実施態様の気体分離装置においては上端）から吸着塔Ｔ_２の内部へと導入される。

この均圧操作（本実施態様の気体分離装置においては上部均圧操作）によって、次の第三工程が開始されるよりも前に吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端の側の圧力を予め高めておくことが可能になり、第三工程が開始されると速やかに製品ガスＧ_２を生成することが可能になる。

このように、下部均圧操作と上部均圧操作とを同時に行うことによって、次の第三工程が開始されるよりも前に吸着塔Ｔ_２の圧力を予め高めておくことが可能になるだけでなく、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯を乱れにくくすることも可能になるので、第三工程が開始されると速やかに製品ガスＧ_２を生成することが可能になる。

２．３ 第三工程
第三工程は、吸着塔切替弁４，７と電磁弁１１とを閉じたまま、下部均圧弁８と上部均圧弁１０とを閉じ、吸着塔切替弁５，６と電磁弁１２とを開くことによって行われるようになっている。

この第三工程では、フィルタ１（原料ガス取入口）から取り入れられた原料ガスＧ_０がガス圧縮機２で圧縮され、吸着塔切替弁６を通じて吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端（本実施態様の気体分離装置においては下端）から導入される。原料ガスＧ_０によって吸着塔Ｔ_２の圧力が高まると、原料ガスＧ_０に含有されている特定ガスＧ_１は、吸着塔Ｔ_２の内部に収容されている吸着剤に吸着され、原料ガスＧ_０よりも特定ガスＧ_１の濃度の低い（特定ガスＧ_１以外の成分が濃縮された）製品ガスＧ_２が生成される。製品ガスＧ_２は、吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端（本実施態様の気体分離装置においては上端）から吸着塔Ｔ_２の外部へと導出され、電磁弁１２を通じて貯留タンク１３へと導入される。

このとき、吸着塔Ｔ_１の内部に存在するガスＧ_３は、吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端（本実施態様の気体分離装置においては下端）から吸着塔Ｔ_１の外部へと導出され、消音器１６（ガス排出口）を通じて気体分離装置の外部へと排出される。吸着塔Ｔ_１に収容されていた吸着剤に吸着されていた特定ガスＧ_１は、吸着塔Ｔ_１の圧力が低下したことによって吸着剤から脱着し、ガスＧ_２とともに気体分離装置の外部へと排出される。この第三工程において、吸着塔Ｔ_１に収容されていた吸着剤の特定ガスＧ_１の吸着能が回復する。

２．４ 第四工程
第四工程は、吸着塔切替弁４，７と電磁弁１１とを閉じたまま、吸着塔切替弁５，６と電磁弁１２とを閉じ、下部均圧弁８と上部均圧弁１０とを開くことによって行われるようになっている。第四工程が終わると、再び第一工程へと戻るように制御される。

この第四工程では、吸着塔Ｔ_２における原料ガス導入端の側（本実施態様の気体分離装置においては下側）に存在する、特定ガスＧ_１の濃度の比較的高いガス（特定ガスＧ_１の濃度が原料ガスＧ_０に近いガス）が、吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端（本実施態様の気体分離装置においては下端）から吸着塔Ｔ_２の外部へと導出され、下部均圧弁８を通じて吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端（本実施態様の気体分離装置においては下端）から吸着塔Ｔ_１の内部へと導入される。

この均圧操作（本実施態様の気体分離装置においては下部均圧操作）によって、次の第一工程が開始されるよりも前に吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端の側の圧力を予め高めておくことが可能になり、第一工程が開始されると速やかに製品ガスＧ_２を生成することが可能になる。

また、吸着塔Ｔ_２における製品ガス導出端の側（本実施態様の気体分離装置においては上側）に存在する、特定ガスＧ_１の濃度の比較的低いガス（特定ガスＧ_１の濃度が製品ガスＧ_２に近いガス）が、吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端（本実施態様の気体分離装置においては上端）から吸着塔Ｔ_２の外部へと導出され、上部均圧弁１０を通じて吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端（本実施態様の気体分離装置においては上端）から吸着塔Ｔ_１の内部へと導入される。

この均圧操作（本実施態様の気体分離装置においては上部均圧操作）によって、次の第一工程が開始されるよりも前に吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端の側の圧力を予め高めておくことが可能になり、第一工程が開始されると速やかに製品ガスＧ_２を生成することが可能になる。

このように、下部均圧操作と上部均圧操作とを同時に行うことによって、次の第一工程が開始されるよりも前に吸着塔Ｔ_１の圧力を予め高めておくことが可能になるだけでなく、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯を乱れにくくすることも可能になるので、第一工程が開始されると速やかに製品ガスＧ_２を生成することが可能になる。

２．５ 間歇運転
本実施態様の気体分離装置は、運転を開始してから時間ｔ_３が経過すると自動的に停止信号が入力されて運転を停止し、運転を停止してから時間ｔ_２が経過すると自動的に起動信号が入力されて運転を開始するように設定されている。このように、気体分離装置を自動的に間歇運転することによって、長期休暇などを隔てた場合であっても、運転を開始してからすぐに高濃度の製品ガスＧ_２を得ることが可能となっている。

停止信号が入力された際には、第二工程と第四工程のうちいずれかが終了した時点で停止するように制御される。停止信号が入力されてから気体分離装置の運転を停止するまでの間は、第一工程から第四工程までを１サイクル以上行ってもよいが、本実施態様の気体分離装置は、停止信号が入力された直後の第二工程又は第四工程で運転を停止するようになっている。

すなわち、第一工程を行っているときに停止信号が入力された場合には、その第一工程を終えて次の第二工程を開始し、その第二工程が終了した時点で運転を停止するようになっている。また、第二工程を行っているときに停止信号が入力された場合には、その第二工程を終了した時点で運転を停止するようになっている。さらに、第三工程を行っているときに停止信号が入力された場合には、その第三工程を終えて次の第四工程を開始し、その第四工程が終了した時点で運転を停止するようになっている。さらにまた、第四工程を行っているときに停止信号が入力された場合には、その第四工程を終了した時点で運転を停止するようになっている。

このように、第二工程又は第四工程のいずれかが終了した時点で運転を停止することによって、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の製品ガス導出端同士を連通させる操作（上部均圧操作）と、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の原料ガス導入端同士を連通させる操作（下部均圧操作）とが終了した時点で運転を停止することが可能になる。したがって、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯の両側から圧力をかけることが可能になり、遷移帯を乱れにくくすることが可能になる。したがって、気体分離装置の運転を開始してからすぐに高濃度の製品ガスＧ_１を得ることもできる。

一方、起動信号が入力された際には、停止したときと同じ時点から運転を開始するようになっている。すなわち、第二工程が終了した時点で運転が停止していた場合には、第二工程が終了した時点から、また、第四工程が終了した時点で運転が停止していた場合には、第四工程が終了した時点から、運転を開始するようになっている。

起動信号が入力されて運転を開始する場合には、すぐに次の工程（第二工程の終了時から運転を開始した場合には第三工程、第四工程の終了時から運転を開始した場合には第一工程）を行ってもよいが、本実施態様の気体分離装置においては、次の工程へ移行する前に、空打ち状態での運転を行うようになっている。

すなわち、運転を開始してから時間ｔ_１が経過するまでの間は、空打ち状態で運転を行い、運転を開始してから時間ｔ_１が経過した後は、空打ち状態を解除した状態で運転を行うようになっている。本実施態様の気体分離装置において、空打ち状態での運転は、電磁弁１１，１２を閉じた状態で上記の第一工程から第四工程までのサイクルを行うことによって実行することができる。

時間ｔ_１はとくに限定されないが、短くしすぎると吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯が安定せず、その遷移帯の乱れに由来する低濃度の製品ガスＧ_２が貯留タンクへ流入するおそれがある。このため、時間ｔ_１は、通常、第一工程から第四工程までのサイクル（通常、３０〜１２０秒）を１回以上行うことのできる長さに設定される。一方、時間ｔ_１を長くしすぎると、準備時間の短縮が困難になるおそれがある。このため、時間ｔ_１は、通常、前記サイクルの５回分以下の長さに設定される。

時間ｔ_２の上限値は、特定ガスＧ_１の種類などによっても異なり、とくに限定されないが、長くしすぎると、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の内部にある特定ガスＧ_１が拡散して、運転を停止している間に吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯が乱れやすくなるおそれがある。このため、特定ガスＧ_１が窒素である場合（気体分離装置が酸素濃縮用のものである場合）には、時間ｔ_２を２４時間以下に設定すると好ましく、１０時間以下に設定するとより好ましい。また、特定ガスＧ_１が酸素である場合（気体分離装置が窒素濃縮用のものである場合）には、時間ｔ_２を２時間以下に設定すると好ましく、１時間以下に設定するとより好ましい。

時間ｔ_２の下限値も、特定ガスＧ_１の種類などによって異なり、とくに限定されない。しかし、時間ｔ_２を短くしすぎると、気体分離装置の省エネルギー化が困難になるおそれがある。このため、時間ｔ_２の下限値は、通常、１５分以上とされる。とくに、特定ガスＧ_１が酸素である場合（製品ガスＧ_２として窒素濃縮ガスを得る場合）には、時間ｔ_２を６０分以上に設定すると好ましい。また、特定ガスＧ_１が窒素である場合（製品ガスＧ_２として酸素濃縮ガスを得る場合）には、時間ｔ_２を２０分以上に設定すると好ましい。

時間ｔ_３の下限値は、必要な製品ガスＧ_２の流量などによって異なり、とくに限定されない。しかし、時間ｔ_３を短くしすぎると、気体分離装置を運転している間に吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の遷移帯を安定させることができなくなるおそれがある。このため、時間ｔ_３は、通常、１５分以上に設定される。時間ｔ_３は、３０分以上であると好ましく、６０分以上であると好ましい。

時間ｔ_３の上限値も、必要な製品ガスＧ_２の流量などによって異なり、とくに限定されない。しかし、時間ｔ_２と時間ｔ_３との和ｔ_２＋ｔ_３が短くなりすぎると、間歇運転の切替が頻繁になり、気体分離装置の省エネルギー化が困難になるおそれがある。このため、時間ｔ_３は、通常、和ｔ_２＋ｔ_３が３０分以上となる範囲で設定される。時間ｔ_３は、和ｔ_２＋ｔ_３が６０分以上となる範囲で設定されると好ましく、和ｔ_２＋ｔ_３が９０分以上となる範囲で設定されるとより好ましい。

本発明の気体分離装置を用いて酸素を濃縮する場合（特定ガスＧ_１が窒素である場合）に、運転を停止していた時間ｔ_２（１時間、１０時間、１５時間、３０時間、６０時間）によって、運転を停止した直後における製品ガスＧ_２の酸素濃度と、運転を再開（開始）した直後における製品ガスＧ_２の酸素濃度との間にどのような差が生じるのかについて調べたところ、下記表２の結果が得られた。

ただし、原料ガスＧ_０には空気を用い、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２に収容する吸着剤には窒素を選択的に吸着しうるゼオライトを用いた。空打ち状態での運転を行う時間ｔ_１は９０秒、運転を開始してから停止するまでの時間ｔ_３は６０分で統一した。吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２には、高さ１．４ｍ、容積０．１２ｍ^３のものを用いた。ガス圧縮機２の風量は１２５０Ｌ／分、製品ガスＧ_２の流量は１００Ｌ／分、製品ガスＧ_２の圧力は０．０３ＭＰａＧとした。

上記表２を見ると、時間ｔ_２が１時間、１０時間、１５時間の場合においてはいずれも、運転再開後における製品ガスＧ_２の酸素濃度が９５％となっており、運転停止前と同じ水準を保っていることが分かる。これに対し、時間ｔ_２が３０時間の場合においては、運転開始後における製品ガスＧ_２の酸素濃度が９３％、時間ｔ_２が６０時間の場合においては、運転開始後における製品ガスＧ_２の酸素濃度が９０％と、運転停止前の水準をわずかに下回っていることが分かる。ただし、時間ｔ_２が３０時間の場合においては、気体分離装置の運転を再開してから約５分で９５％まで回復し、時間ｔ_２が６０時間の場合においては、気体分離装置の運転を再開してから約１０分で９５％まで回復した。

これに対し、運転停止時に吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の圧力を大気圧まで低下させたこと、運転再開後の空打ち状態での運転を行わなかったこと、以外は上記の条件と同じ条件で測定を行ったところ、運転を停止していた時間ｔ_２は１時間と短かったにもかかわらず、運転開始後における製品ガスＧ_２の酸素濃度は７０％とかなり低くなることが確認できた。この後、製品ガスＧ_２の酸素濃度が９０％まで回復するのに約１０分、酸素濃度が９５％まで回復するのには約３０分も要した。

以上ことから、本発明の気体分離装置が、運転を再開してから短時間で高濃度の酸素濃縮ガスを得ることのできるものであることが分かった。

本発明の気体分離装置を用いて窒素を濃縮する場合（特定ガスＧ_１が酸素である場合）に、運転を停止していた時間ｔ_２（１時間、２時間、１５時間）によって、運転を停止した直後における製品ガスＧ_２の酸素濃度と、運転を再開（開始）した直後における製品ガスＧ_２の酸素濃度との間にどのような差が生じるのかについて調べたところ、下記表３の結果が得られた。

ただし、原料ガスＧ_０には空気を用い、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２に収容する吸着剤には酸素を選択的に吸着しうる分子ふるいカーボンを用いた。空打ち状態での運転を行う時間ｔ_１は１２０秒、運転を開始してから停止するまでの時間ｔ_３は６０分で統一した。ガス圧縮機２の風量は２５Ｌ／分、製品ガスＧ_２の流量は５Ｌ／分、製品ガスＧ_２の圧力は０．４ＭＰａＧとした。

上記表３を見ると、時間ｔ_２が１時間の場合においては、運転開始後における製品ガスＧ_２の酸素濃度が０．０３％となっており、運転停止前と同じ水準を保っていることが分かる。これに対し、時間ｔ_２が２時間の場合においては、運転開始後における製品ガスＧ_２の酸素濃度が０．０５％と、運転停止前の水準をわずかに下回っている。しかし、この場合においても、気体分離装置の運転を開始してから約５分で０．０３％まで回復した。また、時間ｔ_２が１５時間の場合においては、運転開始後における製品ガスＧ_２の酸素濃度が０．４０％となったが、気体分離装置の運転を開始してから約３０分で０．０３％まで回復した。

これに対し、運転停止時に吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２の圧力を大気圧まで低下させたこと、運転再開後の空打ち状態での運転を行わなかったこと、以外は上記の条件と同じ条件で測定を行ったところ、運転を停止していた時間ｔ_２は１時間と短かったにもかかわらず、運転開始後における製品ガスＧ_２の酸素濃度は０．５％とかなり高くなる（窒素濃度がかなり低くなる）ことが確認できた。この後、製品ガスＧ_２の酸素濃度が０．０３％まで回復するのに約３０分も要した。

以上のことから、本発明の気体分離装置が、運転を再開してから短時間で高濃度の窒素濃縮ガスを得ることのできるものであることが分かった。

本発明の気体分離装置の好適な実施態様を示したシステムフロー図である。

符号の説明

１ フィルタ（原料ガス取入口）
２ ガス圧縮機
３ 冷却コイル
４ 吸着塔切替弁
５ 吸着塔切替弁
６ 吸着塔切替弁
７ 吸着塔切替弁
８ 下部均圧弁
９ オリフィス
１０ 上部均圧弁
１１ 電磁弁
１２ 電磁弁
１３ 貯留タンク
１４ 圧力調整弁
１５ 流量計
１６ 消音器（ガス排出口）
１７ ミストセパレータ
１８ ドレン排出弁

Claims (6)

1. 特定ガスＧ_１を選択的に吸着しうる吸着剤を収容した少なくとも２本の吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２と、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２から導出された製品ガスＧ_２を一時的に貯留するための貯留タンクとを備えた圧力変動吸着方式の気体分離装置であって、
   （ａ）吸着塔Ｔ_１に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔Ｔ_１を加圧するとともに、吸着塔Ｔ_２の内部に存在するガスＧ_３を原料ガス導入端から吸着塔Ｔ_２の外部へと排出して吸着塔Ｔ_２を減圧する第一工程と、
   （ｂ）吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端に連通させるとともに、吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端に連通させ、吸着塔Ｔ_２の圧力を吸着塔Ｔ_１の圧力に近づける第二工程と、
   （ｃ）吸着塔Ｔ_２に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔Ｔ_２を加圧するとともに、吸着塔Ｔ_１の内部に存在するガスＧ_４を原料ガス導入端から吸着塔Ｔ_１の外部へと排出して吸着塔Ｔ_１を減圧する第三工程と、
   （ｄ）吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端に連通させるとともに、吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端に連通させ、吸着塔Ｔ_１の圧力を吸着塔Ｔ_２の圧力に近づける第四工程と
   を含む少なくとも４つの工程を繰り返し行い、
   停止信号が入力された際には、第二工程と第四工程のうちいずれかの工程が終了した時点で運転を停止し、
   起動信号が入力された際には、停止したときと同じ時点から運転を開始することを特徴とする気体分離装置。
2. 運転を開始してから時間ｔ_１が経過するまでの間は空打ち状態で運転を行い、
   運転を開始してから時間ｔ_１が経過した後は、空打ち状態を解除して運転を行う請求項１記載の気体分離装置。
3. 運転を停止してから時間ｔ_２が経過すると自動的に運転を開始し、運転を開始してから時間ｔ_３が経過すると自動的に運転を停止するように制御され、時間ｔ_２が所定時間を超えないようにした請求項１又は２記載の気体分離装置。
4. 時間ｔ_２を２４時間以下に設定した酸素濃縮用の請求項３記載の気体分離装置。
5. 時間ｔ_２を２時間以下に設定した窒素濃縮用の請求項３記載の気体分離装置。
6. 特定ガスＧ_１を選択的に吸着しうる吸着剤を収容した少なくとも２本の吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２と、吸着塔Ｔ_１，Ｔ_２から導出された製品ガスＧ_２を一時的に貯留するための貯留タンクとを備えた圧力変動吸着方式の気体分離装置の運転方法であって、
   （ａ）吸着塔Ｔ_１に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔Ｔ_１を加圧するとともに、吸着塔Ｔ_２の内部に存在するガスＧ_３を原料ガス導入端から吸着塔Ｔ_２の外部へと排出して吸着塔Ｔ_２を減圧する第一工程と、
   （ｂ）吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端に連通させるとともに、吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端に連通させ、吸着塔Ｔ_２の圧力を吸着塔Ｔ_１の圧力に近づける第二工程と、
   （ｃ）吸着塔Ｔ_２に原料ガスＧ_０を供給して吸着塔Ｔ_２を加圧するとともに、吸着塔Ｔ_１の内部に存在するガスＧ_４を原料ガス導入端から吸着塔Ｔ_１の外部へと排出して吸着塔Ｔ_１を減圧する第三工程と、
   （ｄ）吸着塔Ｔ_２の原料ガス導入端を吸着塔Ｔ_１の原料ガス導入端に連通させるとともに、吸着塔Ｔ_２の製品ガス導出端を吸着塔Ｔ_１の製品ガス導出端に連通させ、吸着塔Ｔ_１の圧力を吸着塔Ｔ_２の圧力に近づける第四工程と
   を含む少なくとも４つの工程を繰り返し行い、
   停止信号が入力された際には、第二工程と第四工程のうちいずれかの工程が終了した時点で運転を停止し、
   起動信号が入力された際には、停止したときと同じ時点から運転を開始することを特徴とする気体分離装置の運転方法。

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