JP2010234345A - 気体分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に複数の使用状況に対応可能な気体分離装置の提供。
【解決手段】吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給して吸着剤により製品ガスを分離生成し、吸着槽で分離生成された製品ガスを製品槽に充填するように構成された気体分離装置において、製品槽３７が、製品ガスを吸着可能な特性を有する充填剤３７ａを内部に有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体分離装置に関する。

吸着剤を用いて空気から製品ガスを生成する気体分離装置がある（例えば、特許文献１参照）

特開平８−５７２４１号公報

ところで、上記のような気体分離装置において製品ガスの使用状況が変化する場合には、各使用状況に応じたラインを併設して、ラインを切り替える必要があった。

したがって、本発明は、簡易に複数の使用状況に対応可能な気体分離装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、吸着槽で分離生成された製品ガスが充填される製品槽に、吸着槽で分離生成された製品ガスを充填する。

本発明によれば、簡易に複数の使用状況に対応可能となる。

本発明の一実施形態に係る気体分離装置を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る気体分離装置の要部の概略図であって、（ａ）はケース１での使用状況を、（ｂ）はケース２での使用状況を示すものである。 本発明の一実施形態に係る気体分離装置で使用される充填剤の吸着特性を示す特性線図である。

本発明の一実施形態に係る気体分離装置を図面を参照して以下に説明する。
図１に示す本実施形態に係る気体分離装置はＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption )式の気体分離装置１である。気体分離装置１は、空気を圧縮する圧縮機２と、この圧縮機２により生成された圧縮空気を除湿するエアドライヤ３と、エアドライヤ３で除湿後の圧縮空気を流す配管４と、配管４の途中に設けられて除湿後の圧縮空気から塵埃や油等を除去するエアフィルタ５と、配管４の端末に接続されエアフィルタ５で清浄処理された圧縮空気を貯留させる空気槽６とを有している。

圧縮機２として、往復動式、スクロール式あるいはスクリュー式等の圧縮機が用いられている。なお、無給油式の圧縮機が望ましいが、フィルタ等で油を完全に除去できる場合は、給油式の圧縮機を用いてもよい。

また、エアドライヤ３は例えば冷凍式のエアドライヤが用いられている。エアドライヤ３にはドレン水を排出するための排水管８と、排水管８内の流路を開閉するドレン用電磁弁９とが設けられている。

空気槽６には、空気槽６からの圧縮空気を流す配管１１が接続されており、この配管１１の途中には配管１１内を流れる圧縮空気を所定の圧力まで減圧する減圧弁１２が設けられている。また、配管１１の端末には圧縮空気を供給先に供給する複数の配管１３が分岐接続されており、各配管１３にはそれぞれの流路を開閉する駆動用電磁弁１４が設けられている。また、空気槽６には、空気槽内の圧力を検出するために圧力検出器２８ａが配管２９ａを介して接続されている。

また、空気槽６には、空気槽６からの圧縮空気を流す配管１６が接続されており、この配管１６の端末位置には一対の配管１７が接続されている。これら配管１７には、それぞれ流路を開閉する供給弁１８が途中に設けられており、端末には、供給された圧縮空気から酸素分子を吸着して窒素ガス（製品ガス）を取り出すための吸着槽１９がそれぞれ接続されている。また、一対の配管１７には、それぞれ供給弁１８と吸着槽１９との間位置に配管２１が接続されており、これら配管２１には、途中に流路を開閉する排気弁２２が、端末に消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ２３が設けられている。また、一対の配管１７には、互いの配管２１と吸着槽１９との間位置を結ぶように配管２５が接続されており、この配管２５には流路を開閉する下均圧弁２６が設けられている。なお、この下均圧弁２６は、一対のように複数用いてもよい。

一対の吸着槽１９には、圧縮空気から窒素ガスを分離生成するため酸素分子を吸着する吸着手段である吸着剤が充填されている。内部の圧力を検出する圧力検出器が接続されていてもよい。吸着剤は、分子篩カーボンを用いている。

一対の吸着槽１９には、端末位置で互いに合流する配管３１がそれぞれ接続されている。これら配管３１には、互いの吸着槽１９側同士を結ぶようにパージ用の配管３２が接続されており、この配管３２には絞り３３が設けられている。また、一対の配管３１には、互いの配管３２よりも吸着槽１９とは反対側同士を結ぶように配管３５が接続されており、この配管３５には流路を開閉する上均圧弁３６が設けられている。また、この上均圧弁３６は、一対のように複数用いてもよい。また、一対の配管３１には、それぞれの配管３５よりも吸着槽１９とは反対側に流路を開閉する取出弁３８がそれぞれ設けられている。

一対の配管３１の合流位置には配管４０が接続されており、この配管４０には、その中間位置に、複数の吸着槽１９で分離生成された窒素ガスが貯留される窒素槽４１が接続されている。この窒素槽４１には、窒素槽内の圧力を検出するために圧力検出器２８ｂが配管２９ｂを介して接続されている。また窒素槽４１には、端末位置が吐出口４２とされた配管４３が接続されており、この配管４３の途中位置には窒素槽４１側から順に、塵埃等を除去するとともに窒素ガスの流量を調整するフィルタレギュレータ４４、流路を開閉する吐出弁４５、窒素ガスの流量を調整する流量調整弁４６が設けられ、吐出口４２以降に、窒素ガスが貯留される貯留槽３７、塵埃等を除去するとともに窒素ガスの流量を調整するフィルタレギュレータ６２、窒素ガスの流量を調整する流量調整弁３９が接続されている。

配管４３のフィルタレギュレータ４４と吐出弁４５との間位置には配管４８および配管４９が接続されており、配管４８には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５０と、窒素ガスの流量を調整する流量調整弁５１と、サイレンサ５２とが設けられている。配管４９には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５４と、窒素ガスの流量を調整する流量調整弁５５と、酸素濃度を検出する酸素検出器５６とが設けられている。

圧力検出器２８ａ，２８ｂおよび酸素検出器５６は制御部６０に通信可能に接続されており、検出信号を制御部６０に出力する。また、駆動用電磁弁１４、供給弁１８、排気弁２２、下均圧弁２６、上均圧弁３６、取出弁３８、吐出弁４５、流量調整弁４６、流量調整弁３９、開閉弁５０、流量調整弁５１、開閉弁５４および流量調整弁５５は、制御部６０に通信可能に接続されており、制御部６０からの指令で作動する。なお、これら流量調整弁は通信により自動制御してもよいが、手動で設定してもよい。

気体分離装置１にあっては、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程を順次行うように構成されている。

（ａ）吸着工程：圧縮機２により圧縮され空気槽６に貯留された圧縮空気を、供給弁１８を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽１９に導入するとともに、窒素槽４１内に残存する窒素ガスを、取出弁３８を開くことで吸着槽１９に還流して吸着槽１９内を昇圧させ、圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程。
（ｂ）取出工程：吸着工程から引き続いて、空気槽６から圧縮空気を吸着槽１９に導入し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽１９より取り出して窒素槽４１に貯留させる工程。
（ｃ）均圧工程：上均圧弁３６および下均圧弁２６の開閉により取出工程終了後の均圧化を図り、次回の吸着工程の吸着効率を高めて、より高純度の窒素ガスを生成するための工程。
（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽１９内を排気弁２２を開くことにより配管２１を介して大気開放して吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程。なお、この再生工程において、排気弁２２以外の吸着槽１９に関連する供給弁１８、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取出弁３８は、閉状態とする。

制御部６０は、これらの各工程（ａ）〜（ｄ）の切り替えを、あらかじめ設定された時間、あるいは空気槽６、吸着槽１９および窒素槽４１等の圧力条件に基づいて、吸着槽１９に配置された供給弁１８、排気弁２２、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取出弁３８の開閉を制御することにより行う。しかも、各工程（ａ）〜（ｄ）の切り替えを、各吸着槽１９毎に繰り返し行い、各吸着槽１９における工程が連携して実行されるように、すなわち、一方の吸着槽１９で吸着工程および取出工程が完了し、他方の吸着槽１９で再生工程が完了した後、均圧工程を行うように、制御部６０は制御する。

そして、本実施形態においては、貯留槽３７に、図２に示すように、充填剤３７ａが充填されている。この充填剤３７ａは、吸着槽１９に充填された吸着剤と同等の吸着特性を有するもので、分子径の小さい酸素ガスを早く吸着する特性であり、窒素ガスの吸着速度が遅い（吸着しにくい）特性のものである。充填剤３７ａとして、本実施例では多孔室の分子篩カーボンを用いている。なお、他の例として、取り出す製品ガスに応じて、活性炭、活性炭素繊維、シリカゲル、活性アルミナ等、多孔体で比表面積が大きいものを用いることが可能であり、製品ガス種類によって適時選択される。なお、充填剤３７ａは、容積分充填することが望ましいが、必要に応じた充填量であればよく、半分程度でも構わない。

つまり、吸着槽１９の吸着剤および貯留槽３７の充填剤３７ａは、図３に示すように吸着の過程で吸着量が時間とともに次第に増加して最終的に平衡に達する特性を有するものである。図３に実線で示すように、酸素については、吸着初期に単位時間当たりの吸着量である吸着速度が速く、その後、吸着速度が遅くなる吸着特性を有している。また、窒素については、図３に破線で示すように、吸着初期に吸着速度が遅く、その後、吸着速度が早くなり、その後、再び吸着速度が遅くなる吸着特性を有している。また、酸素と窒素とを比較した場合、吸着初期には、酸素の吸着速度が、窒素の吸着速度より高く、最終的な平衡吸着量は同等となっていて、時間毎の吸着量は、窒素が酸素を上回ることがない吸着特性となっている。

また、吸着槽１９の吸着剤および貯留槽３７の充填剤３７ａは、加圧したガスを封入するとその圧力にほぼ比例して酸素ガス分子を吸着し、減圧するとその圧力差分酸素ガス分子が脱着される特性を有している。吸着槽１９の吸着剤および貯留槽３７の充填剤３７ａに吸着されることで見た目上のガスの体積は極端に小さくなる。

本実施形態では、このような充填剤３７ａが充填された貯留槽３７を用いることで、吐出口４２から、装置仕様量の流量Ｑ１（大気開放時）、圧力Ｐ１で、製品ガスが一定に貯留槽３７に供給される状態で、例えば以下の二種類の使用状況に対応可能となっている。

「ケース１」
図２（ａ）に示すように、窒素ガスの使用状況が、吐出口４２から吐出される窒素ガスの吐出量Ｑ１よりも吐出口６１での窒素ガスの使用量Ｑ２が小さく、かつ、ほぼ常時一定量であるが一時的に多量の窒素ガスが使用される場合。

吐出口４２からの窒素ガスは、貯留槽３７に導入され、窒素ガスの圧力上昇と窒素ガスの接触時間とに応じて、充填された充填剤３７ａに吸着される。ケース１では、使用量が少なく流速が遅いため、窒素ガスは、ゆっくりと充填剤３７ａに吸着されながら貯留槽３７に貯蔵されていく。窒素ガスは、レギュレータ６２で圧力Ｐ２に、流量調整弁３９で流量Ｑ２に調整されて吐出口６１から吐出される。

このケース１では、上記したように、窒素ガスの使用量が少ないため、貯留槽３７を通る窒素ガスの流速は遅く、充填剤３７ａとの接触時間も長くなる。その結果、窒素ガスは、ゆっくりと充填剤３７ａに吸着されて貯蔵される。充填剤３７ａによって吸着された窒素ガスは見た目上の体積が極端に小さくなっているため、通常の容積以上の窒素ガスを窒素槽３７では貯蔵できることになる。よって、貯留槽３７は、窒素ガスを、その使用量Ｑ２と装置仕様量Ｑ１との差分を効率良く吸着し、貯蔵することができる。また、貯留槽３７内で充填剤３７ａに吸着された窒素ガスは、減圧すると、その圧力差分脱着されるので、一時的に多量の窒素ガスが使用される場合にも対応できることになる。

「ケース２」
図２（ｂ）に示すように、窒素ガスの使用状況が、吐出口４２から吐出される窒素ガスの吐出量Ｑ１と吐出口６１での窒素ガスの使用量Ｑ３とがほぼ等しく、かつ、常時一定量の窒素ガスが使用される場合。

ガス発生装置部６１からの窒素ガスは、貯留槽３７に導入され、製品ガスの圧力上昇と窒素ガスの接触時間とに応じて、充填された充填剤３７ａに吸着される。ケース２では、使用量が多く流速が速いため、窒素ガスは、あまり充填剤３７ａに吸着されずに流れていく。窒素ガスは、レギュレータ６２で圧力Ｐ３に、流量調整弁３９で流量Ｑ３に調整されて吐出口６１から吐出される。

このケース２では、上記したように、窒素ガスの使用量が多いため、貯留槽３７を通る窒素ガスの流速は速く、充填剤３７ａとの接触時間が短くなる。その結果、窒素ガスは、あまり充填剤３７ａに吸着されずに貯留槽３７を通過する。貯留槽３７内の圧力が一時的に減ったとしても、貯留槽３７は、充填されている充填剤３７ａの体積分だけ容積が小さくなっているので、必要な圧力まで短時間で昇圧されることになり、反応良く流量を確保することができる。

以上に述べた本実施形態によれば、貯留槽３７が、窒素ガスの吸着速度が遅い特性を有する充填剤３７ａを内部に有するため、従来は、貯留槽を設けるラインと貯留槽を設けないラインとの二ラインが必要であった、窒素ガスの吐出量よりも窒素ガスの使用量が小さく、かつ、ほぼ常時一定量であるが一時的に多量の窒素ガスが使用されるケース１の場合と、窒素ガスの吐出量と窒素ガスの使用量とがほぼ等しく、かつ、常時一定量の窒素ガスが使用されるケース２の場合とに、共通のラインで対応できることになる。したがって、簡易に複数の使用状況に対応可能となり、コストを低減できるとともに、設置スペースを小さくでき、切り替え作業が不要となる。しかも、充填剤３７ａを充填することで、窒素ガスの貯蔵量に対して貯留槽３７の容積を小さくすることができる。

また、充填剤３７ａが、吸着槽１９に充填される吸着剤と窒素ガスの吸着速度が同等または同等以下の吸着特性を有する吸着剤であるため、吸着槽１９と貯留槽３７とで、充填される内蔵物を共通化でき、コストを低減することができる。

なお、本実施形態では、製品ガスとして窒素を取り出す気体分離装置で説明したが、他の製品ガスを生成する装置に適用可能であり、その場合は、貯留層３７に充填される充填剤３７ａは製品ガス種類に応じて選択される。

また、本実施形態では、窒素槽４１と貯留槽３７をそれぞれ設ける構成で説明したが、これらを共通化してひとつの貯留槽３７とする構成も可能である。

１ 気体分離装置
１９ 吸着槽
３７ 貯留槽（製品槽）
３７ａ 充填剤

Claims (4)

1. 吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給して前記吸着剤により製品ガスを分離生成し、前記吸着槽で分離生成された製品ガスを製品槽に充填するように構成された気体分離装置において、
   前記製品槽は、前記製品ガスを吸着可能な特性を有する充填剤を内部に有することを特徴とする気体分離装置。
2. 前記充填剤は、前記充填剤による前記製品ガスの吸着初期の吸着速度が、その後の吸着速度より遅い吸着特性を有することを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
3. 前記充填剤は、前記充填剤による前記製品ガスの吸着速度が、前記吸着剤の吸着速度と同等、またはそれ以下であることを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
4. 前記充填剤は、前記吸着剤と同じ材料からなることを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。

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