JP2012110824A - Ｐｓａ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常エネルギー回収の行われていない均圧工程に着目し、さらに高圧の吸着塔からエネルギー回収を行うことができるＰＳＡ装置を提供すること。
【解決手段】原料ガスが流入するガス流入部１、排ガスが流出するガス流出部２、製品ガスを回収するガス回収部３を備え、内部に原料ガス中の特定成分を選択的に吸着する吸着材ａ１、ａ２を充填した吸着塔Ｕ１，Ｕ２を複数備え、膨張タービンＣ２および圧縮タービンＣ１を備えた過給機Ｃを設け、ガス流入部に圧縮タービンＣ１を介して原料ガスを一の吸着塔Ｕ１、Ｕ２に圧入可能な原料ガス供給路Ｌ１を設け、高圧の一の吸着塔Ｕ１、Ｕ２から前記排出路Ｌ２に流れるガスを膨張タービンＣ２に導入して動力を回収する均圧部４を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料ガスが流入するガス流入部、排ガスが流出するガス流出部、製品ガスを回収するガス回収部を備え、内部に原料ガス中の特定成分を選択的に吸着する吸着材を充填した吸着塔を複数備えたＰＳＡ装置に関する。

一般にＰＳＡ装置は、内部に原料ガス中の特定成分を選択的に吸着する吸着材を充填した複数の吸着塔から構成され、前記吸着塔にガス流入部より原料ガスを導入して前記特定成分を前記吸着材に加圧吸着させ、原ガス中の非吸着ガスを前記ガス回収部より製品ガスとして回収する吸着工程、および、吸着塔内の吸着剤に吸着した前記特定成分を前記吸着材から減圧して、脱着させて前記吸着材を再生する脱着工程を、吸着塔ごとに交互に行って、前記ガス中の特定成分を分離可能に運転される。また、この際、吸着塔から脱着させられる前記特定成分は、ガス流出部より流出される。尚、このような工程の効率化のために、吸着工程の終わった高圧の吸着塔における塔内の非吸着ガスを、脱着工程を終えた低圧の吸着塔における昇圧に用いるべく、一対の吸着塔を接続して圧力差の均衡を図る場合があり、このような工程を均圧工程という。

吸着工程を行う場合、前記吸着塔への原料ガス供給には、通常の昇圧機の他に膨張タービンおよび前記膨張タービンにより駆動される圧縮タービンを備えた過給機が用いられることがある。
また、脱着工程における吸着塔からのガスを利用して前記膨張タービンを回し、前記吸着塔への原料ガス供給動力として利用することが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

特公昭６１−０６１８４９号公報

ところが、上記特許文献１によれば、上述のような過給機を備えたＰＳＡ装置にあっては、高圧の一の塔から排出されるガスが排気される場合に、その排気のもつ圧力を動力エネルギーとして回収することは考えられているものの、その他の工程において、前記膨張タービンは有効利用されておらず、さらなるエネルギー回収工率の向上が望まれている。

そこで、本発明の目的は、上記実情から、通常エネルギー回収の行われていない均圧工程に着目し、さらに高圧の吸着塔からエネルギー回収を行うことができるＰＳＡ装置を提供することにある。

〔構成１〕
上記目的を達成するための本発明のＰＳＡ装置の第一の特徴構成は、原料ガスが流入するガス流入部、排ガスが流出するガス流出部、製品ガスを回収するガス回収部を備え、内部に原料ガス中の特定成分を選択的に吸着する吸着材を充填した吸着塔を複数備え、
膨張タービンおよび前記膨張タービンにより駆動される圧縮タービンを備えた過給機を設け、
前記ガス流入部に前記圧縮タービンを介して原料ガスを一の吸着塔に圧入可能な原料ガス供給路を設け、
前記一の吸着塔から排出されるガスを前記ガス流出部およびガス回収部に移送可能にする排出路を設けるとともに、前記ガスを前記排出路から他の吸着塔に返送可能にする返送路を設け、
高圧の一の吸着塔から前記排出路に流れるガスを前記膨張タービンに導入して動力を回収した後、前記返送路を介して低圧状態にある前記他の吸着塔に返送する均圧部を備えた点にある。

〔作用効果１〕
上記特徴構成によると、ＰＳＡ装置に備えられた各吸着塔は、吸着工程、均圧工程、減圧工程（背景技術にいう脱着工程）を順に行うことができる。
ここで、前記吸着工程に際して、供給される原料ガスは、圧縮タービンを介して前記吸着塔に圧入することができる。また、前記吸着塔から排出される製品ガスは、前記排出路からガス回収部に移送され、製品ガスとして回収可能である。また、減圧工程に際して、前記吸着塔から排出される排ガスは、前記排出路から前記ガス流出部に移送され、排ガスとして流出可能である。

前記吸着工程と減圧工程との間に、均圧工程を行う場合、前記吸着工程を終えて高圧になった吸着塔から前記排出路に流れるガスを前記膨張タービンに導入して動力を回収することができる。この後、前記排出路に流れるガスは、前記返送路を介して低圧状態にある前記他の吸着塔に返送することができ、前記排出路から前記返送路にガスを流す流路をもって均圧工程を行う均圧部を構成することができる。

その結果、均圧工程により、一の吸着塔から他の吸着塔に移流するガスは、膨張して前記膨張タービンの動力を発生させることになるから、圧力としてのエネルギーを動力のエネルギーとして有効に回収することができる。そのため、このＰＳＡ装置によると、エネルギー効率高く動作させることができるようになった。

〔構成２〕
また、本発明のＰＳＡ装置の第二の特徴構成は、上記構成１に加えて、前記回収された動力により原料ガスを圧縮貯蔵する原料ガスタンクを前記ガス流入部の前記圧縮タービンの下流側に設けた点にある。

〔作用効果２〕
上記原料ガスタンクを設けると、前記膨張タービンにより回収された動力は原料ガスの供給タイミングでなくても原料ガスの圧縮貯蔵に用いることができる。そのため、吸着塔においていずれの工程を行っていたとしても、排出路から膨張タービンに高圧のガスが供給されている状況では、その高圧のガスにより膨張タービンを回転させて動力を回収することができる。

つまり、ＰＳＡ装置が２塔の吸着塔から構成されているような場合、均圧工程を行っている場合には、いずれの吸着塔にも原料ガスの供給を行っていないが、吸着工程中に前記排出路を介して膨張タービンに流入するガスの膨張エネルギーは、圧縮タービンの動力に変換された後、原料ガスの圧縮エネルギーとして回収されることになる。

〔構成３〕
また、本発明のＰＳＡ装置の第三の特徴構成は、上記構成２に加えて、前記原料ガス供給路における前記圧縮タービンと前記原料ガスタンクとの間に、逆止機構を設けた点にある。

〔作用効果３〕
上記逆止機構を設けてあれば、圧縮タービンにより圧縮された原料ガスは、確実に原料ガスタンクに供給されて、圧縮貯蔵されるとともに、その圧縮貯蔵された原料ガスタンク内の原料ガスを各吸着塔に供給する際には、過給機の圧縮タービン側に原料ガスが逆流するのを防止して前記吸着塔に供給されるように整流することができる。

〔構成４〕
また、本発明のＰＳＡ装置の第四の特徴構成は、上記構成１〜３に加えて、前記排出路における前記膨張タービンと吸着塔との間に、吸着塔の内圧を制限し、かつ一定に保持する調圧機構を設けた点にある。

〔作用効果４〕
上記調圧機構を設けてあれば、前記一の吸着塔からのガスを所定圧に維持した状態で前記過給機の膨張タービンに安定供給することができ、前記膨張タービンによる動力回収が効率良く行われる。また、吸着工程にある吸着塔の吸着材に原料ガス中の特定成分を一定の圧力で吸着させることができるので、毎回の吸着工程における前記特定成分の吸着量を一定に維持することができる。

ＰＳＡ装置の概略図 ＰＳＡ装置の工程（ａ）〜（ｂ）の運転状態を示す構成図 ＰＳＡ装置の工程（ｃ）〜（ｄ）の運転状態を示す構成図 ＰＳＡ装置の工程（ｅ）〜（ｆ）の運転状態を示す構成図 ＰＳＡ装置の工程（ｇ）〜（ｈ）の運転状態を示す構成図 ＰＳＡ装置の工程（ｉ）〜（ｊ）の運転状態を示す構成図 ＰＳＡ装置の各工程の運転タイムサイクルを示す工程図

以下に、本発明のＰＳＡ装置の実施形態を説明する。尚、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。

＜＜ＰＳＡ装置＞＞
本発明のＰＳＡ装置は、図１に示すように、内部に吸着材ａ１、ａ２が夫々充填された第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２と、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に繋がる各ガス路Ｌ１〜Ｌ６に設けられる開閉弁Ｖ１〜Ｖ６等を開閉制御する制御装置Ｓを備えて構成されている。そして、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２には、ガス路Ｌ１〜Ｌ６として、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に原料ガスを供給する原料ガス供給路Ｌ１と、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２からのガスを排出する排出路Ｌ２、排出路Ｌ２からのガスを対応する第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に返送する返送路Ｌ３が接続されている。また、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２からの排ガスを系外に排出するための排気路Ｌ４、Ｌ５を備え、さらに、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２から回収される濃縮ガスである製品ガスを製品ガスタンクＴ２に回収するための回収路Ｌ６が備えられている。

＜原料ガス＞
本願における原料ガスとしては、種々任意のガスを用いることができるが、ここでは、原料ガスとして空気が用いられ、製品ガスとしての酸素が濃縮されるＰＳＡ装置を例に説明する。また、他に、原料ガスとして空気を用いる場合、酸素以外に窒素等他の成分を濃縮するのに用いることもできるし、空気中に含まれるメタン等の可燃性ガス濃縮、ガス供給ライン中の水素ガス濃縮等に適用することもできる。

＜吸着塔＞
前記第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２は、筒状容器内部に吸着材ａ１、ａ２を充填して構成されている。この第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２には、それぞれ、ガス流入部１、ガス流出部２、ガス回収部３、均圧部４を設けて、それぞれに前記第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２ガス流入、流出させるためのガス路Ｌ１〜Ｌ６等を接続して構成される。

さらに具体的には、前記ガス流入部１には、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に接続される原料ガス供給路Ｌ１が設けられる。また、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に接続されるＬ４およびガス流出部２には排出路Ｌ２および返送路Ｌ３から分岐して接続される排気路Ｌ５が設けられている。また、ガス回収部３にはガス流出部２には排出路Ｌ２および返送路Ｌ３から分岐して接続される回収路Ｌ６が設けられ、前記均圧部４には第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に接続される排出路Ｌ２および返送路Ｌ３が設けられる。
また、前記第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２には、圧力計ＭＵ１、ＭＵ２が設けられている。

＜吸着材＞
本実施形態において吸着材ａ１、ａ２は、窒素ガスを選択的に吸着するゼオライトが用いられる。ただし、吸着材としては、原料ガス中に含まれる特定成分が選択的に吸着される材料であれば、特に制限されず、前記特定成分の種類に応じて適宜選択することができる。ここでは、前記吸着材ａ１、ａ２として、大気圧および２９８Ｋ下における窒素吸着量が１０Ｎｍｌ／ｇ以上であるＮａ−Ｘ型ゼオライトおよびＬｉ−Ｘ型ゼオライトが例示的に用いられる。なお、上記窒素吸着量が好ましくは、２０Ｎｍｌ／ｇ以上がよい。

＜原料ガス供給路＞
原料ガス供給路Ｌ１には、原料ガスを供給する昇圧ポンプＰ１および開閉弁Ｖ１が設けられ、前記原料ガス供給路Ｌ１は、第一、第二原料ガス供給路Ｌ１１、Ｌ１２に分岐して第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に接続され、それぞれの第一、第二原料ガス供給路Ｌ１１、Ｌ１２に開閉弁Ｖ１１、Ｖ１２を設けてある。また、前記開閉弁Ｖ１の上流側に過給機Ｃの圧縮タービンＣ１、前記開閉弁Ｖ１の下流側に原料ガスを圧縮貯蔵する原料ガスタンクＴ１を設けてある。これにより、前記原料ガス供給路Ｌ１から原料ガスを供給する場合には、圧縮タービンＣ１および昇圧ポンプＰ１により昇圧した原料ガスを第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に供給することができるとともに、前記圧縮タービンＣ１で昇圧された原料ガスを、原料ガスタンクＴ１に圧縮貯留できる。また、前記開閉弁Ｖ１は、圧縮タービンＣ１と、原料ガスタンクＴ１との間の逆止機構として働いている。尚、原料ガスタンクＴ１には圧力計ＭＴ１が設けられている。

＜排出路＞
前記排出路Ｌ２は、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に接続される第一、第二排出路Ｌ２１、Ｌ２２を集合して接続され、前記第一、第二排出路Ｌ２１、Ｌ２２には、それぞれ、対応する開閉弁Ｖ２１、Ｖ２２が設けられている。また、集合した排出路Ｌ２には調圧弁Ｖ２ａおよび調圧弁Ｖ２ａをバイパスするバイパス弁Ｖ２ｂを設けるとともに、過給機Ｃの膨張タービンＣ２に接続してある。これにより、前記第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２から排出されるガスは、前記第一、第二排出路Ｌ２１、Ｌ２２を経由して排出路Ｌ２に至り、前記調圧弁Ｖ２ａおよびバイパス弁Ｖ２ｂにより所定圧に調整された状態で、過給機Ｃの膨張タービンＣ２に流入し、前記膨張タービンＣ２を回して動力を圧縮タービンＣ１に伝達することができる。ここで、前記調圧弁Ｖ２ａおよびバイパス弁Ｖ２ｂは、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２の内圧を制限する調圧機構として働いている。

＜返送路＞
前記返送路Ｌ３は、第一、第二返送路Ｌ３１、Ｌ３２に分岐して前記膨張タービンＣ２を経たガスを第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に返送可能に接続されている。また、前記第一、第二返送路Ｌ３１、Ｌ３２には、開閉弁Ｖ３１、Ｖ３２を設けてある。これにより、後述の均圧工程において、たとえば高圧の第一吸着塔Ｕ１から前記排出路Ｌ２に流れるガスを前記膨張タービンＣ２に導入して動力を回収した後、前記返送路Ｌ３を介して低圧状態にある第二吸着塔Ｕ２に返送することができる。

＜排気路＞
前記排気路Ｌ４は、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２より直接ガスを系外に放出するガス路を提供するものであり、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２にそれぞれ接続される第一排気路、第二排気路Ｌ４１、Ｌ４２を合流させて構成されている。前記排気路Ｌ４には、開閉弁Ｖ４および排気ポンプＰ４が設けられ、第一、第二排気路Ｌ４１、Ｌ４２にも開閉弁Ｖ４１、Ｖ４２が設けられている。これにより、例えば、後述の第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２内に吸着材ａ１、ａ２に吸着されたままの状態で残留する強吸着性の雜ガスを排出するための減圧工程を行う場合に、直接塔内の雜ガスを系外に放出して吸着材を再生することができる。

また、前記排気路Ｌ５は、前記排出路Ｌ２および前記返送路Ｌ３を流れるガスを、前記膨張タービンＣ２を通過後、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に返送される前に系外に放出するガス路を提供するものであって、開閉弁Ｖ５を備える。これにより、系外に排出される高圧の排ガスの圧力を前記膨張タービンＣ２で動力として回収後、系外に放出することができる。

＜回収路＞
前記回収路Ｌ６は、前記排出路Ｌ２および前記返送路Ｌ３を流れるガスを、前記膨張タービンＣ２を通過後、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２に返送される前に回収して系外に放出するガス路を提供するものであって、開閉弁Ｖ５および製品ガスタンクＴ２を備える。これにより、前記第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２において前記吸着材ａ１，ａ２から脱着される製品ガスを、製品ガスタンクＴ２に貯留したり、そのままその製品ガスの供給ラインに流通させて利用したりすることが出来る。

＜＜ＰＳＡ装置の運転方法＞＞
以下、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２における酸素ガス製造方法について、図２〜７を用いて説明する。尚、ここでは、第一吸着塔Ｕ１を例に説明し、第二吸着塔Ｕ２についても対応するガス路Ｌ１〜Ｌ６等、開閉弁Ｖ１〜Ｖ６等が用いられ、同様の動作が行えることは明らかであるものとして詳細な説明を省略する。尚、各図中、開状態の開閉弁Ｖ１〜Ｖ６等およびガス流通状態のガス路Ｌ１〜Ｌ６等を白抜き、太線で示し、閉状態または工程に無関係な開閉弁Ｖ１〜Ｖ６等およびガス非流通状態のガス路Ｌ１〜Ｌ６等を黒塗り、細線で示している。また、下記の具体的な工程例では、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２は、内径132mm、長さ850mmの円筒容器であり、吸着材は、Na-X型ゼオライトであり、各吸着容器に対して、7.2kg充填されている構成における圧力および操作時間を示している。

＜吸着工程＞
吸着工程初期では、図２（ａ）に示すように、原料ガスを第一吸着塔Ｕ１に導き、窒素ガスを吸着材ａ１に吸着させる。このとき、原料ガス供給路Ｌ１における開閉弁Ｖ１、Ｖ１１、排出路Ｌ２における開閉弁Ｖ２２、Ｖ２ｂ、排気路Ｌ５における開閉弁Ｖ５を開とし、残余の開閉弁を閉とする。調圧弁Ｖ２ａについては、一次側圧力の設定値に対して、一次側圧力が小さければ自動的に閉になり、大きければ自動的に開となるが、吸着工程の初期では、一次側圧力は小さいので閉になる。ここでは、一次側圧力を０．３ＭＰａとしている。また、このとき、昇圧ポンプＰ１および過給機Ｃが駆動され、排出路Ｌ２に流れるガスにより前記過給機Ｃの膨張タービンＣ２を駆動して、その駆動力を圧縮タービンＣ１に伝達して原料ガスを圧縮するとともに、前記昇圧ポンプＰ１によりさらに昇圧して第一吸着塔Ｕ１に対して圧縮原料ガスを供給することができる。

これにより、第一吸着塔Ｕ１内には、吸着材ａ１に窒素ガスが吸着される。この工程は０．１分間行われる。前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．１６〜０．１８ＭＰａ程度にまで上昇させられ、原料ガスタンクＴ１の内圧は、過給機の駆動により一時的に０．１０ＭＰａ近くでわずかに上昇する。

尚、このとき、第二吸着塔Ｕ２では、排気工程を行っている。

さらに、吸着工程が進むと、図２（ｂ）に示すように、排出路Ｌ２における開閉弁Ｖ２２、Ｖ２ｂ、排気路Ｌ５における開閉弁Ｖ５を閉とし、排出路Ｌ２の開閉弁Ｖ２１、回収路Ｌ６の開閉弁Ｖ６および、開閉弁排気路Ｌ４の開閉弁Ｖ４、Ｖ４２を開とする。調圧弁Ｖ２ａは第一吸着塔Ｕ１の内圧が、設定圧力０．３ＭＰａに達した時点で開となり、排出路Ｌ２に製品ガスが流れ、過給機Ｃが駆動され、原料ガスを圧縮するとともに、前記昇圧ポンプＰ１により原料ガス供給を行う。

これにより、第一吸着塔Ｕ１内には、吸着材ａ１に窒素ガスが吸着され、製品ガスを回収することができる。この工程は１．０分間（吸着工程として合計１．１分間）行われ、前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．３ＭＰａ程度にまで上昇させられるとともに、原料ガスタンクＴ１の内圧が０．１１ＭＰａまで昇圧される。

尚、このとき、第二吸着塔Ｕ２では、減圧工程を行っている。

＜降圧工程＞
第一吸着塔Ｕ１において、続いて行われる降圧工程では、図３（ｃ）に示すように、第一吸着塔Ｕ１内の製品ガスを回収路Ｌ６を経て回収する。このとき、前記排出路Ｌ２における開閉弁Ｖ２１、Ｖ２ｂ、前記回収路Ｌ６の開閉弁Ｖ６、原料ガス供給路Ｌ１の開閉弁Ｖ１および排気路Ｌ４の開閉弁Ｖ４２，Ｖ４を開とし、残余の開閉弁を閉とする。また、このとき、過給機Ｃが駆動され、排出路Ｌ２に流れるガスにより前記過給機Ｃの膨張タービンＣ２を駆動するとともに、その駆動力を圧縮タービンＣ１に伝達して原料ガスを圧縮するとともに、圧縮された原料ガスを原料ガスタンクＴ１に圧縮貯蔵することができる。

これにより、第一吸着塔Ｕ１内の製品ガスは、製品ガスタンクＴ２に貯留される（製品ガス回収圧０．２ＭＰａ）。この降圧工程は０．２分間行われ、前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．３ＭＰａから０．２１ＭＰａ程度にまで低下させられるとともに、原料ガスタンクＴ１の内圧が０．１１ＭＰａから０．１３ＭＰａまで昇圧される。

尚、このとき、第二吸着塔Ｕ２では、減圧工程が継続される。

＜均圧工程（排気）＞
第一吸着塔Ｕ１において、続いて行われる均圧工程では、図３（ｄ）に示すように、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２を連通状態として、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２間でガスの流通を許容し、両者間の均圧を実施する。つまり、均圧工程では、排出路Ｌ２および返送路Ｌ３の開閉弁Ｖ２１、Ｖ２ｂ、Ｖ３２、原料ガス供給路Ｌ１の開閉弁Ｖ１を開とし、残余の開閉弁を全て閉とする。このとき過給機Ｃが駆動され、排出路Ｌ２に流れるガスにより前記過給機Ｃの膨張タービンＣ２を駆動するとともに、その駆動力を圧縮タービンＣ１に伝達して原料ガスを圧縮するとともに、圧縮された原料ガスを原料ガスタンクＴ１に圧縮貯蔵することができる。

これにより、第一吸着塔Ｕ１内の製品ガスが、第二吸着塔Ｕ２に移送されることになる。この均圧工程は、０．２分間行われ、前記第一吸着塔の内圧は、０．２１ＭＰａから０．１３ＭＰａ程度にまで低下させられるとともに、原料ガスタンクＴ１の内圧が０．１３ＭＰａから０．１４ＭＰａまで昇圧される。

尚、このとき第二吸着塔Ｕ２においては、均圧工程(吸気）が行われる

＜休止工程＞
第一吸着塔Ｕ１において、続いて行われる休止工程では、図４（ｅ）に示すように、原料ガス供給路Ｌ１の開閉弁Ｖ１２のみを開状態とし、残余の開閉弁を閉状態として第一吸着塔Ｕ１を休止する。

この休止工程は、０．２分間行われ、前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．１３ＭＰａ程度に維持させられる。

尚、このとき第二吸着塔Ｕ２においては、昇圧工程が行われ、原料ガスタンクＴ１の内圧が０．１４ＭＰａから０．１ＭＰａまで低下される。

＜排気工程＞
第一吸着塔において、続いて行われる排気工程では、図４（ｆ）に示すように、第一吸着塔Ｕ１内部の製品ガスおよび吸着材ａ１に吸着されたガスがさらに排気される。つまり、排気工程では、原料ガス供給路Ｌ１における開閉弁Ｖ１、Ｖ１２、排出路Ｌ２における開閉弁Ｖ２１、Ｖ２ｂ、排気路Ｌ５における開閉弁Ｖ５を開とし、残余の開閉弁を閉とする。また、このとき、昇圧ポンプＰ１および過給機Ｃが駆動され、排出路Ｌ２に流れるガスにより前記過給機Ｃの膨張タービンＣ２を駆動して、その駆動力を圧縮タービンＣ１に伝達して原料ガスを圧縮するとともに、前記昇圧ポンプＰ１によりさらに昇圧して第二吸着塔に対して圧縮原料ガスを供給することができる。

これにより、第一吸着塔Ｕ１内の圧力は低下し、吸着材ａ１に吸着された窒素ガスが一部脱着される。この排気工程は０．１分間行われ、前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．１３ＭＰａから０．１１ＭＰａ程度にまで低下させられるとともに、原料ガスタンクＴ１の内圧は、過給機Ｃの駆動により一時的に０．１０ＭＰａ近くでわずかに上昇される。

尚、このとき、第二吸着塔Ｕ２では、吸着工程の初期が行われる。

＜減圧工程＞
第一吸着塔Ｕ１において、続いて行われる減圧工程では、図５（ｇ）に示すように、第一吸着塔Ｕ１内部の吸着材ａ１に吸着された窒素ガスがさらに排気される。つまり、減圧工程では、原料ガス供給路Ｌ１における開閉弁Ｖ１、Ｖ１２、排出路Ｌ２における開閉弁Ｖ２２、回収路Ｌ６における開閉弁Ｖ６、排気路Ｌ４における開閉弁Ｖ４１、Ｖ４を開とし、残余の開閉弁を閉とする。また、このとき、排気ポンプＰ４が駆動される。また、過給機Ｃが駆動され、排出路Ｌ２に流れるガスにより、前記過給機Ｃの膨張タービンＣ２が駆動されるから、その駆動力により圧縮タービンＣ１が作動して原料ガスを圧縮供給することができる。その原料ガスを、昇圧ポンプＰ１によりさらに昇圧して第二吸着塔Ｕ２に供給することとすると、前記昇圧ポンプの動力を削減することができる。

これにより、第一吸着塔Ｕ１内の吸着材ａ１に吸着された窒素ガスが脱着され排気されることにより、吸着材ａ１が再生される。この工程は１分間行われ、前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．１１ＭＰａから０．０２ＭＰａ程度にまで低下させられる。

尚、このとき、第二吸着塔Ｕ２では、吸着工程が継続され、原料ガスタンクＴ１の内圧は０．１０ＭＰａから０．１１ＭＰａに昇圧される。

さらに減圧工程が進むと、第一吸着塔Ｕ１において、図５（ｈ）に示すように、ガス流路を切り換えて、第一吸着塔Ｕ１内部の減圧が継続される。すなわち、原料ガス供給路Ｌ１における開閉弁Ｖ１、排出路Ｌ２における開閉弁Ｖ２２、Ｖ２ｂ、回収路Ｌ６における開閉弁Ｖ６、排気路Ｌ４における開閉弁Ｖ４１，Ｖ４を開とし、残余の開閉弁を閉とする。また、このとき、昇圧ポンプＰ１および過給機Ｃが駆動されている。

この工程は、０．２分間行われ（減圧工程としては合計１．２分間）、前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．０２ＭＰａ程度に維持させられる。

尚、このとき第二吸着塔Ｕ２においては、降圧工程が行われ、過給機Ｃにより原料ガスが原料ガスタンクＴ１内に圧縮供給される。前記原料ガスタンクＴ１の内圧は０．１１ＭＰａから０．１３ＭＰａまで昇圧される。

＜均圧工程（吸気）＞
第一吸着塔Ｕ１において、続いて行われる均圧工程では、図６（ｉ）に示すように、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２を連通状態として、第一、第二吸着塔Ｕ１、Ｕ２間でガスの流通を許容し、両者間の均圧を実施する。つまり、均圧工程では、排出路Ｌ２および返送路Ｌ３の開閉弁Ｖ２２、Ｖ２ｂ、Ｖ３１、原料ガス供給路Ｌ１の開閉弁Ｖ１を開とし、残余の開閉弁を全て閉とする。このとき過給機Ｃが駆動され、排出路Ｌ２に流れるガスにより前記過給機Ｃの膨張タービンＣ２を駆動するとともに、その駆動力を圧縮タービンＣ１に伝達して原料ガスを圧縮するとともに、圧縮された原料ガスを原料ガスタンクＴ１に圧縮貯蔵することができる。

これにより、第二吸着塔Ｕ２の内の製品ガスが、第一吸着塔Ｕ１に移送されることになる。この均圧工程は、０．２分間行われ、前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．０２ＭＰａから０．１２ＭＰａ程度にまで上昇させられるとともに、原料ガスタンクＴ１の内圧が０．１３ＭＰａから０．１４ＭＰａまで昇圧される。

尚、このとき第二吸着塔Ｕ２においては、均圧工程(排気）が行われる

＜昇圧工程＞
第一吸着塔Ｕ１において、続いて行われる昇圧工程では、図６（ｊ）に示すように、第一吸着塔Ｕ１に対して原料ガスタンクＴ１より原料ガスの供給を行う。つまり、昇圧工程では、原料ガス供給路Ｌ１における開閉弁Ｖ１１のみを開とし、残余の開閉弁を全て閉とする。このとき昇圧ポンプＰ１が駆動され、圧縮された原料ガスを第一吸着塔Ｕ１に供給することができる。

これにより、第一吸着塔Ｕ１の内部は排出路Ｌ２を流れるガスで駆動された膨張タービンＣ２により回収された動力の蓄積された圧縮原料ガスが用いられるので、膨張タービンＣ２により回収されたエネルギーの有効利用が果たされたことになる。ここで、閉止した開閉弁Ｖ１は、原料ガスタンクＴ１から圧縮タービンＣ１への逆止機構として働いている。この昇圧工程は、０．２分間行われ、前記第一吸着塔Ｕ１の内圧は、０．１２ＭＰａから０．１５ＭＰａ程度にまで上昇させられるとともに、原料ガスタンクＴ１の内圧が０．１４ＭＰａから０．１ＭＰａまで低下される。

尚、このとき第二吸着塔Ｕ２においては、休止工程が行われる

昇圧工程を経た第一吸着塔Ｕ１では、再度吸着工程が行われ、各工程が図７に示されるタイムサイクルが行われる。即ち、吸着工程１．１分、降圧工程０．２分、均圧工程０．２分、休止工程０．２分、排気工程０．１分、減圧工程１．２分、均圧工程０．２分、昇圧工程０．２分の合計３．４分のタイムサイクルが繰り返される構成とする。

〔別実施例〕
前の実施例では２塔で交互にタイムサイクルを行ったが、さらに多数塔で交互あるいは順次各工程を行うことができる。また、昇圧工程は吸着工程の予備的な工程として行ったが、本発明では必須ではなく、吸着工程、減圧工程が交互に行われる間に均圧工程の行われる装置系であれば、適用することができる。

１ ： ガス流入部
２ ： ガス流出部
３ ： ガス回収部
４ ： 均圧部
Ｃ ： 過給機
Ｃ１ ： 圧縮タービン
Ｃ２ ： 膨張タービン
Ｌ１ ： 原料ガス供給路
Ｌ１１ ： 第一原料ガス供給路
Ｌ１２ ： 第二原料ガス供給路
Ｌ２ ： 排出路
Ｌ２１ ： 第一排出路
Ｌ２２ ： 第二排出路
Ｌ３ ： 返送路
Ｌ３１ ： 第一返送路
Ｌ３２ ： 第二返送路
Ｌ４ ： 排気路
Ｌ４１ ： 第一排気路
Ｌ４２ ： 第二排気路
Ｌ５ ： 排気路
Ｌ６ ： 回収路
ＭＴ１、ＭＵ１、ＭＵ２ ： 圧力計
Ｐ１ ： 昇圧ポンプ
Ｐ４ ： 排気ポンプ
Ｓ ： 制御装置
Ｔ１ ： 原料ガスタンク
Ｔ２ ： 製品ガスタンク
Ｕ１ ： 第一吸着塔
Ｕ２ ： 第二吸着塔
Ｖ１、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ４、Ｖ４１、Ｖ４２、Ｖ５、Ｖ６ ： 開閉弁
Ｖ２ａ ： 調圧弁
Ｖ２ｂ ： バイパス弁
ａ１、ａ２： 吸着材

Claims (4)

1. 原料ガスが流入するガス流入部、排ガスが流出するガス流出部、製品ガスを回収するガス回収部を備え、内部に原料ガス中の特定成分を選択的に吸着する吸着材を充填した吸着塔を複数備えたＰＳＡ装置であって、
   膨張タービンおよび前記膨張タービンにより駆動される圧縮タービンを備えた過給機を設け、
   前記ガス流入部に前記圧縮タービンを介して原料ガスを一の吸着塔に圧入可能な原料ガス供給路を設け、
   前記一の吸着塔から排出されるガスを前記ガス流出部およびガス回収部に移送可能にする排出路を設けるとともに、前記ガスを前記排出路から他の吸着塔に返送可能にする返送路を設け、
   高圧の一の吸着塔から前記排出路に流れるガスを前記膨張タービンに導入して動力を回収した後、前記返送路を介して低圧状態にある前記他の吸着塔に返送する均圧部を備えたＰＳＡ装置。
2. 前記回収された動力により原料ガスを圧縮貯蔵する原料ガスタンクを前記ガス流入部の前記圧縮タービンの下流側に設けた請求項１に記載のＰＳＡ装置。
3. 前記原料ガス供給路における前記圧縮タービンと前記原料ガスタンクとの間に、逆止機構を設けた請求項２に記載のＰＳＡ装置。
4. 前記排出路における前記膨張タービンと吸着塔との間に、吸着塔の内圧を制限し、かつ一定に保持する調圧機構を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載のＰＳＡ装置。

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