JP2011078859A - 圧力スイング式ガス発生装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】停電や瞬低により原料ガスの供給が停止したとしても、原料ガスの供給が再開したときに、いち早く圧力スイング式ガス発生装置（ＰＳＡ装置）の運転を再開できる運転方法を提供する。
【解決手段】第１吸着槽３ａで製品ガスを回収すると共に第２吸着槽３ｂの吸着ガスを脱着させる第１の吸着／脱着工程と、第１の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽と第２吸着槽の圧力を均一にする均圧工程と、均圧工程終了後、第２吸着槽３ｂで製品ガスを回収すると共に第１吸着槽３ａの吸着ガスを脱着させる第２の吸着／脱着工程と、第２の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽と第２吸着槽の圧力を均一にする均圧工程とを順次繰り返すＰＳＡ装置の運転方法において、原料ガスの供給が停止しても均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程から次工程には移行せず、原料ガスの供給が再開した後、均圧工程から次工程に移行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力スイング式ガス発生装置（以下「ＰＳＡ装置」という。）の運転方法に関する。

ＰＳＡ装置は、吸着剤を使用して原料ガスから製品ガスを回収する装置である。例えば空気から窒素を回収するＰＳＡ装置では、吸着剤として一般的にカーボンモレキュラシーブ（ＣＭＳ）を使用する。空気中の酸素の分子径は窒素より小さいので、ＣＭＳの微細孔にいち早く拡散し、吸着される。したがって、ＣＭＳを充填した吸着槽に空気を通せば、製品ガスとして窒素を回収することができる。また、同じ原理にて吸着剤の細孔径や、分子と吸着剤の親和性の差によって、空気中の水分もしくは酸素を吸着することもできる。

図１は、ＰＳＡ装置の一般的な装置構成を示す。図１に示すＰＳＡ装置は、原料ガスを加圧する圧縮機１と、圧縮機１によって圧縮された原料ガスを貯留する原料ガス槽２と、原料ガス槽２からの原料ガスを通過させる２つの吸着槽（第１吸着槽３ａ及び第２吸着槽３ｂ）と、第１吸着槽３ａ及び第２吸着槽３ｂの出側に接続された製品ガス槽４と、それぞれの槽の入口及び出口に自動切替式の弁（６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９，１０）を備える。

そして、このＰＳＡ装置の運転は、（１）原料ガスを第１吸着槽３ａに供給し製品ガスを回収すると共に、第１吸着槽３ａで回収した製品ガスの一部を第２吸着槽３ｂに供給し第２吸着槽３ｂに吸着されている吸着ガスを脱着させる第１の吸着／脱着工程と、（２）第１の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂを連通させて第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂの圧力を均一にする均圧工程と、（３）均圧工程終了後、原料ガスを第２吸着槽３ｂに供給し製品ガスを回収すると共に、第２吸着槽３ｂで回収した製品ガスの一部を第１吸着槽３ａに供給し第１吸着槽３ａに吸着されている吸着ガスを脱着させる第２の吸着／脱着工程と、（４）第２の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂを連通させて第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂの圧力を均一にする均圧工程とを順次繰り返す。このうち、第１の吸着／脱着工程と第２の吸着／脱着工程はそれぞれ５０秒程度、各均圧工程はそれぞれ１５秒程度であり、上記（１）〜（４）の１サイクルは１３０秒程度である。

このようなＰＳＡ装置の運転において、停電や瞬低（瞬時電圧低下）が発生した場合、圧縮機１が停止し、原料ガスの供給が停止する。通常は、約１分で原料ガスの供給を再開できる状態になるが、従来は、運転を継続していて均圧工程終了のタイミングがあった場合、製品ガス槽４の運転圧力が下がり、製品ガスの供給が不可能となる。さらに原料ガスの供給が再開されるタイミングでは、吸着槽との圧力差が通常よりも大きくなるため、吸着剤への負荷が過大となり、製品ガスの純度不良を招く。一旦、純度不良になると、純度確保のために長い時間を要する。また、その対策として、均圧工程終了のタイミングで次の吸着／脱着工程に移行せず、均圧工程を原料ガスの供給再開まで保持した場合、その間に吸着槽内のガス濃度分布に乱れが生じて所定の吸着能力を発揮できなくなると考えられていたため、一旦、原料ガスの供給が停止すると、ＰＳＡ装置の停止操作を行い、その後再起動するようにしていた（図３参照）。このＰＳＡ装置の停止操作及び再起動には約８分必要であり、その間、定格能力で製品ガスを供給するために、大容量の製品ガスのバックアップ供給装置５（図１参照）が必要であった。

特開平８−２９４６１３号公報

本発明が解決しようとする課題は、停電や瞬低により原料ガスの供給が停止したとしても、原料ガスの供給が再開したときに、いち早くＰＳＡ装置の運転を再開できるＰＳＡ装置の運転方法を提供することにある。

上述のとおり、停電や瞬低により原料ガスの供給が停止したとしても、通常約１分で原料ガスの供給を再開することができる。従来は、運転を継続していて均圧工程終了のタイミングがあった場合、製品ガス槽の運転圧力が下がり、製品ガスの供給が不可能となる。さらに原料ガスの供給が再開されるタイミングでは、吸着槽との圧力差が通常よりも大きくなるため、吸着剤への負荷が過大となり、製品ガスの純度不良を招く。一旦、純度不良になると、純度確保のために長い時間を要する。また、その対策として、均圧工程終了のタイミングで次の吸着／脱着工程に移行せず、均圧工程を原料ガスの供給再開まで保持した場合、その間に吸着槽内のガス濃度分布に乱れが生じて所定の吸着能力を発揮できなくなると考えられていたため、ＰＳＡ装置の停止操作を行い、その後再起動するようにしていた。

これに対して、本発明者は、原料ガスの供給が約１分停止し、均圧工程を約１分間継続したとしても吸着槽内のガス濃度分布への影響は少なく、その結果、運転再開後の製品ガスの純度はあまり低下しないのではないかと考え、種々の実験を行ったところ、約１分の原料ガスの供給停止であれば、吸着／脱着工程における純度低下はほとんど影響ないことと、均圧工程終了のタイミングがある場合でも均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程から次工程に移行しないようにすれば、再開後の製品ガスの純度低下は微少であり、かつ製品ガスの圧力の低下もなく、短時間で原料ガス供給前の状態にすることが可能であることがわかり、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、原料ガスを第１吸着槽に供給し製品ガスを回収すると共に、第１吸着槽で回収した製品ガスの一部を第２吸着槽に供給し第２吸着槽に吸着されている吸着ガスを脱着させる第１の吸着／脱着工程と、第１の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽と第２吸着槽を連通させて第１吸着槽と第２吸着槽の圧力を均一にする均圧工程と、均圧工程終了後、原料ガスを第２吸着槽に供給し製品ガスを回収すると共に、第２吸着槽で回収した製品ガスの一部を第１吸着槽に供給し第１吸着槽に吸着されている吸着ガスを脱着させる第２の吸着／脱着工程と、第２の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽と第２吸着槽を連通させて第１吸着槽と第２吸着槽の圧力を均一にする均圧工程とを順次繰り返すＰＳＡ装置の運転方法において、原料ガスの供給が停止しても均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程から次工程には移行せず、原料ガスの供給が再開した後、均圧工程から次工程に移行することを特徴とする。

このように本発明では、原料ガスの供給が停止しても均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程終了後、その状態を保持するので、原料ガスの供給が再開されれば直ちに次工程に移行できる。したがって、従来よりもＰＳＡ装置の運転を早く再開できる。すなわち、従来の運転方法では、ＰＳＡ装置の停止及び再起動に約８分を要し、その間ＰＳＡ装置の運転を停止していたが、本発明では原料ガスの供給停止から供給再開までの約１分の停止で済む。

本発明によれば、停電や瞬低により原料ガスの供給が停止したとしても、原料ガスの供給が再開したときに、いち早くＰＳＡ装置の運転を再開できる。かつ、製品ガスのバックアップ装置をコンパクトにできる。また、原料ガスの供給停止時に製品ガスの供給を継続したとしても、製品ガスの純度低下は限定的であり、用途によってはバックアップ装置が不要となる。

ＰＳＡ装置の一般的な装置構成を示す。 本発明の瞬低発生時の運転方法を示す。 従来の瞬低発生時の運転方法を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

ＰＳＡ装置は先に図１に示したように、原料ガスを加圧する圧縮機１と、圧縮機１によって圧縮された原料ガスを貯留する原料ガス槽２と、原料ガス槽２からの原料ガスを通過させる２つの吸着槽（第１吸着槽３ａ及び第２吸着槽３ｂ）と、第１吸着槽３ａ及び第２吸着槽３ｂの出側に接続された製品ガス槽４とを備える。

そして、このＰＳＡ装置の運転は、（１）原料ガスを第１吸着槽３ａに供給し製品ガスを回収すると共に、第１吸着槽３ａで回収した製品ガスの一部を第２吸着槽３ｂに供給し第２吸着槽３ｂに吸着されている吸着ガスを脱着させる第１の吸着／脱着工程と、（２）第１の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂを連通させて第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂの圧力を均一にする均圧工程と、（３）均圧工程終了後、原料ガスを第２吸着槽３ｂに供給し製品ガスを回収すると共に、第２吸着槽３ｂで回収した製品ガスの一部を第１吸着槽３ａに供給し第１吸着槽３ａに吸着されている吸着ガスを脱着させる第２の吸着／脱着工程と、（４）第２の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂを連通させて第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂの圧力を均一にする均圧工程とを順次繰り返す。このうち、第１の吸着／脱着工程と第２の吸着／脱着工程はそれぞれ５０秒程度、各均圧工程はそれぞれ１５秒程度であり、上記（１）〜（４）の１サイクルは１３０秒程度である。

各工程についてより具体的に説明すると、第１の吸着／脱着工程では、弁６ａ及び弁７ａを開け、原料ガス槽２から０．６９ＭＰａに加圧された原料ガスを第１吸着槽３ａに供給し第１吸着槽３ａを通過させることで、製品ガスを回収する。これと並行して、第１吸着槽３ａで回収した製品ガスの一部を第２吸着槽３ｂに供給し第２吸着槽３ｂに吸着されている吸着ガスを脱着させる。具体的には弁９を小開すると共に弁８ｂを開け、脱着したガスを大気に放出する。この第１の吸着／脱着工程では、図１において上述した弁６ａ，７ａ，８ｂ，９以外の弁は、弁１１を除いて閉じておく。

第１の吸着／脱着工程終了後の均圧工程では、第１の吸着／脱着工程の状態から弁６ａ，７ａ，８ｂを閉じると共に弁９，１０を開け、第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂを連通させて第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂの圧力を均一にする。これにより第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂの圧力は、均圧工程前の第１吸着槽３ａの半分となる。

この均圧工程後の第２の吸着／脱着工程では、均圧工程の状態から弁１０を閉じると共に、弁６ｂ及び弁７ｂを開け、原料ガス槽２から０．６９ＭＰａに加圧された原料ガスを第２吸着槽３ｂに供給し第２吸着槽３ｂを通過させることで、製品ガスを回収する。これと並行して、第２吸着槽３ｂで回収した製品ガスの一部を第１吸着槽３ａに供給し第１吸着槽３ａに吸着されている吸着ガスを脱着させる。具体的には弁９を小開すると共に弁８ａを開け、脱着したガスを大気に放出する。この第２の吸着／脱着工程では、図１において上述した弁６ｂ，７ｂ，８ａ，９以外の弁は、弁１１を除いて閉じておく。

第２の吸着／脱着工程終了後の均圧工程では、第２の吸着／脱着工程の状態から弁６ｂ，７ｂ，８ａを閉じると共に弁９，１０を開け、第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂを連通させて第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂの圧力を均一にする。これにより第１吸着槽３ａと第２吸着槽３ｂの圧力は、均圧工程前の第２吸着槽３ｂの半分となる。

この均圧工程後は上記の第１の吸着／脱着工程に移行する。通常の運転状態では、このように順次各工程を繰り返すことで、連続的に製品ガスを回収する。回収された製品ガスは、製品ガス槽４に貯留された後、ユーザへ供給される。

この連続運転の最中に停電や瞬低により原料ガスの供給が停止した場合、本発明では、従来のようにＰＳＡ装置を停止操作に移行するのではなく、均圧工程になるまでは運転を継続する。そして、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程から次工程には移行せず、原料ガスの供給が再開したら均圧工程から次工程に移行する。

このように本発明では、原料ガスの供給が停止しても均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程終了後、その状態を保持するので、原料ガスの供給が再開されれば直ちに次工程に移行できる。したがって、従来よりもＰＳＡ装置の運転を早く再開できる（図２参照）。

ここで、原料ガスの供給が停止してから再開するまでの時間は、上述のとおり通常約１分である。したがって本発明では、均圧工程終了後、最大約１分、その状態が維持されることになる。そこで、均圧工程終了後、原料ガス（空気）の供給を停止し、その後の製品ガス（窒素）の純度の変化を調査したところ、表１の結果となった。

表１に示すように、定格純度９９．９％の装置を用いた試験結果では、約１分の保持であれば定格純度以上を確保できた。

また、吸着／脱着工程中に原料ガスの供給が停止した場合を想定し、吸着／脱着工程の切り替わり直後に原料ガスの供給を停止した。この場合、本発明ではそのまま運転を継続し、５０秒の吸着／脱着工程後、均圧工程に移行する。原料ガスの供給を停止してから１分後に原料ガスの供給を再開し、原料ガスの供給停止前と供給再開後の製品ガスの純度を比較した。その結果、供給停止前が９９．９６％、供給再開後が９９．９３％で、純度は０．０３％しか低下せず、許容範囲であった。

このように約１分、原料ガスの供給が停止したとしても本発明の方法に従えば、ＰＳＡ装置を停止することなく、原料ガスの供給が再開したらすぐに運転を再開できる。そして、運転再開直後の純度低下も許容範囲内に抑えることができる。

また、本発明おいて、原料ガスの供給が停止している間もユーザへの製品ガスの供給を継続した場合の純度低下は限定的であり（９９．８５％）、用途によっては図１に示すバックアップ装置５は不要になる（表１参照）。逆に純度を確保するためには、図１の製品ガス槽４の容量を、従来の容量に対して約１分の製品ガス供給に見合う容量だけ大きくすれば、図１に示すバックアップ装置５を設ける必要はない。また、バックアップ装置５を設けるとしても、約１分の製品ガス供給に見合う容量であれば良いので、約８分の製品ガス供給に見合う容量が必要であった従来のものに比べ、大幅に容量を小さくできる。

１ 圧縮機
２ 原料ガス槽
３ａ 第１吸着槽
３ｂ 第２吸着槽
４ 製品ガス槽
５ パックアップ装置
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９，１０，１１ 弁

Claims (1)

1. 原料ガスを第１吸着槽に供給し製品ガスを回収すると共に、第１吸着槽で回収した製品ガスの一部を第２吸着槽に供給し第２吸着槽に吸着されている吸着ガスを脱着させる第１の吸着／脱着工程と、
   第１の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽と第２吸着槽を連通させて第１吸着槽と第２吸着槽の圧力を均一にする均圧工程と、
   均圧工程終了後、原料ガスを第２吸着槽に供給し製品ガスを回収すると共に、第２吸着槽で回収した製品ガスの一部を第１吸着槽に供給し第１吸着槽に吸着されている吸着ガスを脱着させる第２の吸着／脱着工程と、
   第２の吸着／脱着工程が終了後、第１吸着槽と第２吸着槽を連通させて第１吸着槽と第２吸着槽の圧力を均一にする均圧工程とを順次繰り返す圧力スイング式ガス発生装置の運転方法において、
   原料ガスの供給が停止しても均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程から次工程には移行せず、原料ガスの供給が再開した後、均圧工程から次工程に移行することを特徴とする圧力スイング式ガス発生装置の運転方法。

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