JP2013049010A - 混合ガスの分離方法及びその分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用する窒素ガス流量がガス分離装置の定格流量よりも少ない場合に好適である、経済的に有利な混合ガスの分離方法を提供する。
【解決手段】吸着剤を充填した２基以上の吸着塔１２、１３の一方に窒素と酸素を主成分とする混合ガスを加圧下で供給し、各吸着塔１２、１３が吸着工程、均圧工程、排気工程、均圧工程を繰り返すことにより連続して窒素ガスを製品ガスとして分離する。製品窒素ガス流量を一定周期で測定し、測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を設け、当該設けた数値を積算して吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替える。
【選択図】図２

Description

本発明は、混合ガスの分離方法及び分離装置に関する。吸着剤（例えば、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と酸素を主成分とする混合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、使用する窒素ガス流量がガス分離装置の定格流量（設備仕様によって決まる流量）よりも少ない場合に好適である、経済的に有利な混合ガスの分離方法及びその分離装置に関する。

近年、半導体製造プロセスなど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からなる吸着剤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（ＰＳＡ法）が多く実施されている。ＰＳＡ法とは、分子ふるい炭素を充填した２基以上の吸着塔を使用し、吸着塔の一方に加圧した窒素と酸素を主成分とする混合ガスを供給して酸素ガスを優先的に吸着し、非吸着成分である窒素ガスを製品ガスとして分離して取り出す吸着工程を行うとともに、その間他方の吸着塔では塔内の加圧ガスを外部に排出し、大気圧または大気圧以下に減圧することにより吸着した酸素を脱着する排気工程を行い、次いで、吸着工程の終了した塔と排気工程の終了した塔の圧力を均圧にする均圧工程を行い、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、排気工程、均圧工程を繰り返し行うことにより、連続して窒素ガスを得る方法である。

圧力スイング吸着方式のガス分離方法には、２種類以上の異なる成分の吸着量の差を利用した平衡分離方式と、２種類以上の異なる成分の吸着速度の差を利用した速度分離方式がある。窒素ガスを製造する圧力スイング吸着方式のガス分離装置には速度分離方式が用いられており、分子ふるい炭素は加圧下において窒素よりも酸素の方を早く吸着するという特性を利用している。そのため、吸着工程の時間を長くすると、製品ガスとして不必要な酸素だけでなく、製品ガスである窒素も分子ふるい炭素に吸着されるため、製品ガス中の酸素量に対する窒素量の比率が最も大きくなる時間が最適吸着時間とされ、そのときの窒素ガス流量がガス分離装置の定格流量とされる。

しかし、窒素ガスを使用するユーザーが常にガス分離装置の定格流量で設備を運転することは少なく、様々な事情で定格流量より少ない窒素ガス流量が使用されることが多い。このガス分離装置は使用する窒素ガス流量が少なくなると純度が良くなる（酸素濃度が低くなる）という特徴を持っており（図１参照）、定格流量より少ない窒素ガス流量が使用される場合は、必要とされる純度以上の窒素ガスを供給することになる。この場合は原料である空気が必要以上に供給されていることになり、無駄なエネルギー（空気圧縮機を含むガス分離装置の運転に必要な電力）を消費していることになる。

空気圧縮機により圧縮される原料空気の供給量を少なくすることが係る無駄なエネルギーを減少することに有効で、吸着工程を延ばして空気圧縮機の停止時間を長くすることで、省エネルギーを図る方式が提案されている。例えば、特許文献１と２には、使用する窒素ガス流量を検出し、その流量に応じて吸着時間を変化させる運転方法が提案されている（以下、「従来の運転方法１」という）。また、特許文献３には、吸着工程中に使用する窒素ガス流量が一定の値に達した場合に吸着工程を終了する運転方法が提案されている（以下、「従来の運転方法２」という）。

特許第２８７２６７８号明細書 特開２０１０−２０７７５０号公報 特開２００２−１６７２０４号公報

しかし、従来の運転方法１は、吸着工程中に使用する窒素ガス流量が大きく変化した場合、大きい流量に応じた吸着時間で運転を行うと、製品窒素の純度は維持されるが（窒素に含まれる酸素は少なくなるが）、省エネ効果は期待できない。また、小さい流量に応じた吸着時間で運転を行うと、製品窒素の純度が維持されない（窒素に含まれる酸素が多くなる）。
従来の運転方法２は、吸着工程中に取り出し可能な窒素を取り出すことができるため、この方法は平衡分離方式には有効である。しかし、窒素ガスを製造するガス分離装置は上記のように速度分離方式であり、時間の経過とともに分離効率が低下する（吸着時間が長くなると、酸素のみならず窒素も吸着剤に吸着されるようになる）。そのため、使用窒素ガス流量が少ない場合、一定の値に達して吸着工程が終了するまでの時間が長くなり、製品窒素の純度を維持できなくなる。また、使用窒素ガス流量が少ない場合、一定時間経過後に吸着工程を終了させる方法もあるが、省エネ効果が期待できない。

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数基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、使用する窒素ガス流量がガス分離装置の定格流量よりも少ない場合に好適である、経済的に有利な混合ガスの分離方法及びその分離装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第一の発明は、吸着剤を充填した２基以上の吸着塔の一方に窒素と酸素を主成分とする混合ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、排気工程、均圧工程を繰り返すことにより連続して窒素ガス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、製品窒素ガス流量を一定周期で測定し、測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を設け、当該設けた数値を積算して吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替えることを特徴としている。

第二の発明は、第一の発明において、排気工程を終了する積算値の合計が吸着工程を終了する積算値の合計よりも小さいことを特徴としている。

第三の発明は、吸着剤を充填した２基以上の吸着塔の一方に窒素と酸素を主成分とする混合ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、排気工程、均圧工程を繰り返すことにより連続して窒素ガス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、製品窒素ガス流量を一定周期で測定し、測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を設け、当該設けた数値を積算して吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替えるとともに、上記吸着工程を終了するための一定値が時間とともに減少することを特徴としている。

第四の発明は、第三の発明において、排気工程を終了する積算値の合計が吸着工程を終了する積算値の合計よりも小さく、排気工程を終了するための一定値が時間とともに減少することを特徴としている。

第五の発明は、吸着剤を充填した第一吸着塔および第二吸着塔と、上記第一吸着塔および第二吸着塔へ窒素と酸素を主成分とする混合ガスを導入する流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔で混合ガスから分離された窒素ガスを貯蔵する製品ガス塔と、上記第一吸着塔および第二吸着塔から製品ガス塔へ窒素ガスを供給する流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔からの排気用流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔の間を連通させる均圧用流路と、上記製品ガス塔から外部に排出する製品ガスの流量を測定する流量センサーと、制御装置とを備え、均圧用流路を開放する均圧工程の後、上記第一吸着塔および第二吸着塔の一方で吸着剤による吸着工程を行い、他方で吸着剤からガスを脱着させる脱着工程を行う吸脱着動作を、上記両吸着塔を切り換えて繰り返して行う混合ガスの分離装置において、上記流量センサーにより一定周期で測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を制御装置で積算し、吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替えるように制御装置で制御することを特徴としている。

第六の発明は、第五の発明において、排気工程を終了する積算値の合計が吸着工程を終了する積算値の合計よりも小さくなるように制御装置で制御することを特徴としている。

第七の発明は、吸着剤を充填した第一吸着塔および第二吸着塔と、上記第一吸着塔および第二吸着塔へ窒素と酸素を主成分とする混合ガスを導入する流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔で混合ガスから分離された窒素ガスを貯蔵する製品ガス塔と、上記第一吸着塔および第二吸着塔から製品ガス塔へ窒素ガスを供給する流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔からの排気用流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔の間を連通させる均圧用流路と、上記製品ガス塔から外部に排出する製品ガスの流量を測定する流量センサーと、制御装置とを備え、均圧用流路を開放する均圧工程の後、上記第一吸着塔および第二吸着塔の一方で吸着剤による吸着工程を行い、他方で吸着剤からガスを脱着させる脱着工程を行う吸脱着動作を、上記両吸着塔を切り換えて繰り返して行う混合ガスの分離装置において、上記流量センサーにより一定周期で測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を制御装置で積算し、吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替えるとともに、上記吸着工程を終了するための一定値が時間とともに減少するように制御装置で制御することを特徴としている。

第八の発明は、第七の発明において、排気工程を終了する積算値の合計が吸着工程を終了する積算値の合計よりも小さく、排気工程を終了するための一定値が時間とともに減少するように制御装置で制御することを特徴としている。

本発明によれば、製品窒素ガス流量に対応する数値の吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了するので、使用する窒素ガス流量がガス分離装置の定格流量よりも少ない場合、吸着工程を終了させるための一定値を使用窒素ガス流量に合わせて変更することにより、使用窒素ガス流量と製品窒素ガス流量とを対応させることができるので、省エネルギーが可能である。また、吸着工程中に使用窒素ガス流量が変動した場合、吸着工程を終了させるための一定値を変動する使用窒素ガス流量に巧みに合わせることにより、現実の窒素ガスの使用状況に即応した極めて効率的な装置の運転が可能である。

また、排気工程を吸着工程よりも早く終了させることにより、排気工程中にある吸着塔から製品窒素ガスとして使用できる窒素ガスの排出を抑えることができるので、製品窒素ガスの純度を高めることができる。

さらに、製品ガス中の酸素量に対する窒素量の比率が最も大きくなる時間が最適吸着時間であり、その最適吸着時間において製品窒素ガス流量は最大となる。最適吸着時間を超えて吸着を継続すると、製品窒素ガス流量は徐々に低下する。そこで、吸着工程および排気工程を終了するための一定値を、それぞれ吸着時間および排気時間とともに減少させることにより、吸着能力に適応した効率的な装置の運転が可能である。

図１は、製品窒素ガス流量と窒素純度の関係の一例を示す図であり、横軸は窒素ガス流量（ＮＬ/min）、縦軸はその窒素に含まれる酸素濃度（ppm）を示す。 図２は、本発明の混合ガスの分離方法を実施するに好適な分離装置の概略構成図である。 図３は、分子ふるい炭素による酸素と窒素の吸着曲線の一例を示す図であり、横軸は吸着時間、縦軸は吸着量を示す。 図４は、分子ふるい炭素による吸着時間と製品窒素ガス流量の関係の一例を示す図であり、横軸は吸着時間（秒）、縦軸は窒素ガス流量（ＮＬ/min）である。

以下に、本発明の実施が可能な実施形態について説明する。当然のことながら、本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態を利用することもできる。
《混合ガスの分離装置》
図２は、本発明の混合ガスの分離方法を実施するに好適な分離装置の概略構成図である。図２において、１は空気圧縮機、２は圧力センサー、３、４はそれぞれ吸着弁、５、６はそれぞれ排気弁、７、８はそれぞれ出口弁、９、１０はそれぞれ均圧弁、１１は消音器、１２は第一吸着塔、１３は第二吸着塔、１４は製品ガス塔、１５は減圧弁、１６は圧力計、１７は酸素濃度計、１８は流量センサー、１９はニードルバルブ、２０は窒素ガス出口、２１は制御装置、２２は流量調整弁、２３は間欠的に開閉する弁である。

以上のように構成される混合ガスの分離装置によれば、以下に説明するように、空気から窒素を製造することができる。
《第一吸着塔で吸着工程、第二吸着塔で排気工程》
空気圧縮機１で空気を圧縮し、第一吸着塔１２に原料空気を供給する吸着弁３を開にし、第一吸着塔１２から製品ガス塔１４に窒素を供給する出口弁７を開にし、第二吸着塔１３の内部ガスを排気するために排気弁６を開にし、消音器１１を開にして排気する。このとき、吸着弁４、排気弁５、出口弁８、均圧弁９、１０は閉である。排気工程終了条件が成立すると、排気弁６が閉になる。吸着工程と排気工程が同時に終了するのが一般的であるが、排気工程を吸着工程よりも早く終了させることもできる。この場合、第一吸着塔１２は吸着中であるが、第二吸着塔１３は待機状態にある。

《均圧工程》
吸着工程終了条件が成立すると、吸着弁３および出口弁７を閉にする。上記の待機状態がない場合、吸着工程と同時に排気工程も終了し、排気弁６が閉になる。第一吸着塔１２の吸着工程と第二吸着塔１３の排気工程が終了すると、加圧状態の第一吸着塔１２から大気圧に近い状態の第二吸着塔１３に第一吸着塔１２内のガス（主として窒素ガス）を移送するために、均圧弁９と１０が開になる。均圧工程終了条件（第一吸着塔１２と第二吸着塔１３の内部圧力が等しくなる）が成立すると、均圧弁９と１０が閉になる。

《第二吸着塔で吸着工程、第一吸着塔で排気工程》
第二吸着塔１３に原料空気を供給する吸着弁４を開にし、第二吸着塔１３から製品ガス塔１４に窒素を供給する出口弁８を開にし、第一吸着塔１２の内部ガスを排気するために排気弁５を開にし、消音器１１を開にして排気する。このとき、吸着弁３、排気弁６、出口弁７、均圧弁９、１０は閉である。排気工程終了条件が成立すると、排気弁５が閉になる。吸着工程と排気工程が同時に終了するのが一般的であるが、排気工程を吸着工程よりも早く終了させることもできる。この場合、第二吸着塔１３は吸着中であるが、第一吸着塔１２は待機状態にある。

《均圧工程》
吸着工程終了条件が成立すると、吸着弁４および出口弁８を閉にする。上記の待機状態がない場合、吸着工程と同時に排気工程も終了し、排気弁５が閉になる。第二吸着塔１３の吸着工程と第一吸着塔１２の排気工程が終了すると、加圧状態の第二吸着塔１３から大気圧に近い状態の第一吸着塔１２に第二吸着塔１３内のガス（主として窒素ガス）を移送するために、均圧弁９と１０が開になる。均圧工程終了条件が成立すると、均圧弁９と１０が閉になる。
第一および第二吸着塔で上記の吸着、均圧、排気、均圧の各工程を繰り返すことにより、原料空気から窒素を分離し、製品ガス塔１４に窒素ガスを貯蔵し、貯蔵された窒素ガスは減圧弁１５で圧力を調整され、ニードルバルブ１９で流量を制御して、窒素ガス出口２０から各使用箇所に供給される。

以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものでないことは言うまでもなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更や修正が可能である。

《試験条件》
第一吸着塔１２と第二吸着塔１３には、それぞれ４０ｋｇの分子ふるい炭素を充填した。空気圧縮機１から原料空気として０．９ＭＰａに圧縮した空気を６００ＮＬ/minの流量で供給した。空気圧縮機１は圧力センサー２で測定した圧力が０．９ＭＰａを超えると停止し、０．８ＭＰａ以下になると再起動するように制御装置２１で制御した。本明細書において、「ＮＬ」はnormal literを意味する。

製品ガス塔１４に貯蔵された窒素ガスの圧力を減圧弁１５で０．５ＭＰａに調整し、この圧力における流量が１００ＮＬ/minになるようにニードルバルブ１９で流量を調整し、このときの酸素濃度が１００ppmになるように機器を調整した。上記の圧力、流量および酸素濃度は、それぞれ圧力計１６、流量センサー１８、酸素濃度計１７で測定した。また、５秒ごとに開閉を繰り返す弁２３による間欠運転時の窒素ガス流量は１００ＮＬ/minとした。また、均圧工程は、以下のすべての運転条件で３秒間とした。

そして、以下の各運転条件での酸素濃度（ppm）と、空気圧縮機を含む図１の全構成設備の消費電力（kwh）とを測定した。酸素濃度の値は、酸素濃度計１７で計測された値を制御装置２１で積分したものの平均値である。なお、各運転条件どうしの比較を適切に行うため、すべての運転条件における窒素ガス流量が１００ＮＬ/minのときの消費電力を６．４kwhに合わせるように運転した。また、同一運転条件において、窒素ガス流量が異なる場合と間欠運転の場合の各運転時間の長さは同じにした。その結果を以下の表１に示す。

《通常の運転条件（従来技術）》
第一吸着塔１２と第二吸着塔１３のそれぞれの吸着工程は６０秒、排気工程は６０秒、均圧工程は３秒とした。すなわち、第一および第二吸着塔で、６０秒の吸着工程、３秒の均圧工程、６０秒の排気工程、３秒の均圧工程を繰り返した。
間欠運転の場合、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間の操作を繰り返した。この場合の吸着時間は６０秒となるように制御した。また、窒素ガス流量の調整は流量調整弁２２で行った。

《窒素ガス流量によって吸着時間を変化させる運転条件（比較例１）》
流量センサー１８で測定された窒素ガス流量が０ＮＬ/min、２５ＮＬ/min、５０ＮＬ/min、７５ＮＬ/min、１００ＮＬ/minの場合、それぞれの吸着時間を１６０秒、１３５秒、１１０秒、８５秒、６０秒とした。例えば、窒素ガス流量が５０ＮＬ/minの場合、第一および第二吸着塔で、１１０秒の吸着工程、３秒の均圧工程、１１０秒の排気工程、３秒の均圧工程を繰り返した。また、窒素ガス流量の調整は流量調整弁２２で行った。
間欠運転の場合、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間の操作を繰り返した。この場合の吸着時間は６０秒となるように制御した。

《窒素ガス流量の積算値によって吸着時間を変化させる運転条件（比較例２）》
流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値を制御装置２１で積算し、その積算値が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了させるように制御した。流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値の積算は１秒周期で行い、流量が１００ＮＬ/min、７５ＮＬ/min、５０ＮＬ/min、２５ＮＬ/min、０ＮＬ/minの場合、それぞれの流量に対応する数値を１００カウント、７５カウント、５０カウント、２５カウント、０カウントとし、この数値が６０００カウントを超えると吸着工程を終了させた。この場合、流量が０ＮＬ/minの場合、吸着工程は終了しなくなるので、１６０秒経過すると吸着工程を終了させた。例えば、窒素ガス流量が５０ＮＬ/minの場合、１秒ごとに５０カウントされるため、１２０秒で吸着工程が終了する。従って、窒素ガス流量が５０ＮＬ/minの場合、第一および第二吸着塔で、１２０秒の吸着工程、３秒の均圧工程、１２０秒の排気工程、３秒の均圧工程を繰り返した。また、窒素ガス流量の調整は流量調整弁２２で行った。
間欠運転の場合、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間の操作を繰り返すので、１０秒ごとに５００カウントされ、１２０秒で６０００カウントされる。すなわち、１２０秒で吸着工程が終了する。

《本発明の方法１による運転条件》
流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値を制御装置２１で積算し、その積算値が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了させるように制御した。流量センサー１９で測定された窒素ガス流量に対応する数値の積算は１秒周期で行い、流量が１００ＮＬ/min、０ＮＬ/minの場合、それぞれの流量に対応する数値を１００カウント、３７．５カウントとし、この数値が６０００カウントを超えると吸着工程を終了させた。流量が０ＮＬ/minの場合、３７．５カウントとしたのは、吸着工程の時間を６０００/３７．５＝１６０秒とするためである。というのは、流量センサー１８で測定される窒素ガス流量がゼロの場合、第一または第二吸着塔での吸着時間を１６０秒とすることで、酸素濃度計１７で計測される酸素濃度を十分低くするためである。また、流量センサー１８で測定される窒素ガス流量が０ＮＬ/minと１００ＮＬ/minの間のものは、３７．５カウントと１００カウントの間で比例配分した。すなわち、窒素ガス流量が２５ＮＬ/minのものは、３７．５＋（１００−３７．５）×２５／１００≒５３．０カウント、窒素ガス流量が５０ＮＬ/minのものは、３７．５＋（１００−３７．５）×５０／１００≒６８．５カウント、窒素ガス流量が７５ＮＬ/minのものは、３７．５＋（１００−３７．５）×７５／１００≒８４．０カウントされる。従って、窒素ガス流量が５０ＮＬ/minの場合、１秒ごとに６８．５カウントされるため、８７秒（６０００/６８．５≒８７）で吸着工程が終了する。
間欠運転の場合、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間の操作を繰り返すので、１０秒ごとに６８７．５（３７．５×５＋１００×５）カウントされ、８７秒（（６０００/６８７．５）×１０）で吸着工程が終了する。

《本発明の方法２による運転条件》
流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値を制御装置２１で積算し、その積算値が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了させるように制御した。流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値の積算は１秒周期で行い、流量が１００ＮＬ/min、７５ＮＬ/min、５０ＮＬ/min、２５ＮＬ/min、０ＮＬ/minの場合、それぞれの流量に対応する数値を１００カウント、７０．６カウント、５４．５カウント、４４．４カウント、３７．５カウントとし、この数値が６０００カウントを超えると吸着工程を終了させた。このようなカウント数とするのは、各カウント数での吸着工程の時間が６０秒、８５秒、１１０秒、１３５秒、１６０秒となり、そのような吸着時間を採用することにより、流量センサー１８で測定される各窒素ガス流量に対応する、酸素濃度計１７で計測される酸素濃度が１００ppm以下となるからである。
間欠運転の場合、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間の操作を繰り返すので、１０秒ごとに６８７．５（３７．５×５＋１００×５）カウントされ、８７秒（（６０００/６８７．５）×１０）で吸着工程が終了する。

《本発明の方法３による運転条件》
本発明の方法１と２は、吸着工程と排気工程の時間が同じであるが、本発明の方法３は排気工程が吸着工程よりも早く終了する。すなわち、上記したような待機工程を有する場合である。流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値の積算は１秒周期で行い、それぞれの流量に対応する数値が５０００カウントを超えると、排気工程を終了させた以外は、本発明の方法２と同じ方法を実行した。
すなわち、流量センサー１８で測定された窒素ガス流量が１００ＮＬ/min、７５ＮＬ/min、５０ＮＬ/min、２５ＮＬ/min、０ＮＬ/minの場合、それぞれ５０秒、７１秒、９２秒、１１３秒、１３３秒で排気工程が終了し、待機状態になる。
間欠運転の場合、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間の操作を繰り返すので、１０秒ごとに６８７．５（３７．５×５＋１００×５）カウントされ、８７秒（（６０００/６８７．５）×１０）で吸着工程が終了する。

このように、排気工程を吸着工程よりも早く終了させるのは以下の理由による。吸着工程中の吸着剤（例えば、分子ふるい炭素）は窒素よりも酸素を早く吸着し、排気工程中の吸着剤は窒素よりも酸素を早く脱着する。吸着工程中の吸着塔内の圧力は比較的ゆっくりと上昇するが、排気工程中の吸着塔内の圧力は一気に低下するので、分子ふるい炭素によるガスの脱着時間は吸着時間よりもかなり短くなる。そのため、吸着工程の時間と排気工程の時間が同じであれば、酸素ガスが吸着剤から脱着して塔外に排出された後に窒素ガスが吸着剤から脱着して塔外に排出されてしまうという不都合がある。そこで、排気工程を吸着工程よりも短くすることで、排気工程中の吸着塔から製品窒素ガスとして使用できる窒素の排出を抑えることができるので、製品窒素ガスの純度が高くなるという効果が期待できる。

《本発明の方法４による運転条件》
流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値を制御装置２１で積算し、その積算値が予め決められた一定値（時間とともに減少する）を超えると、吸着工程を終了させるように制御した。流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値の積算は１秒周期で行い、流量が１００ＮＬ/min、７５ＮＬ/min、５０ＮＬ/min、２５ＮＬ/min、０ＮＬ/minの場合、それぞれの流量に対応する数値を１００カウント、７５カウント、５０カウント、２５カウント、０カウントとし、この数値が一定値を超えると吸着工程を終了させた。吸着工程を終了させるためのカウント数は、運転開始から６０秒を経過するまでは６０００カウントとしたが、運転開始から６０秒を経過すると、１秒ごとに６０カウント減少するように制御した。従って、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minの場合のカウント数が１００カウントであるから、運転開始から６０秒を経過すると６０００カウントに達するので、この場合の吸着時間は６０秒である。しかし、１００ＮＬ/min以外の窒素ガス流量では、以下のような吸着時間となる。

［窒素ガス流量が７５ＮＬ/minの場合］
吸着時間をｔとすれば、６０００−６０（ｔ−６０）＝７５ｔとなる。従って、ｔ≒７１となり、吸着時間は７１秒となる。
［窒素ガス流量が５０ＮＬ/minの場合］
吸着時間をｔとすれば、６０００−６０（ｔ−６０）＝５０ｔとなる。従って、ｔ≒８７となり、吸着時間は８７秒となる。
［窒素ガス流量が２５ＮＬ/minの場合］
吸着時間をｔとすれば、６０００−６０（ｔ−６０）＝２５ｔとなる。従って、ｔ≒１１３となり、吸着時間は１１３秒となる。
［窒素ガス流量が０ＮＬ/minの場合］
吸着時間をｔとすれば、６０００−６０（ｔ−６０）＝０ｔとなる。従って、ｔ＝１６０となり、吸着時間は１６０秒となる。
［間欠運転の場合］
窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間、窒素ガス流量がゼロで５秒間、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minで５秒間の操作を繰り返すので、１０秒ごとに５００カウントされる。吸着時間をｔとすれば、６０００−６０（ｔ−６０）＝（５００／１０）ｔとなる。従って、ｔ≒８７となり、吸着時間は８７秒となる。

《本発明の方法５による運転条件》
本発明の方法５は本発明の方法４の運転条件において、以下の点が異なる。すなわち、本発明の方法４は、吸着工程と排気工程の時間が同じであるが、本発明の方法５は排気工程が吸着工程よりも早く終了する。すなわち、上記したような待機状態を有する場合である。流量センサー１８で測定された窒素ガス流量に対応する数値の積算は１秒周期で行い、それぞれの流量に対応する数値が５０００カウントを超えると、排気工程を終了させるとともに、排気工程を終了させるためのカウント数は、運転開始から５０秒経過するまでは５０００カウントとしたが、運転開始から５０秒を経過すると、１秒ごとに６０カウント減少するように制御した。すなわち、窒素ガス流量が１００ＮＬ/minの場合のカウント数は１００カウントであるから、運転開始から５０秒を経過すると５０００カウントに達するので、この場合の排気時間は５０秒である。しかし、１００ＮＬ/min以外の窒素ガス流量では、以下のような排気時間となる。

［窒素ガス流量が７５ＮＬ/minの場合］
排気時間をｔとすれば、５０００−６０（ｔ−５０）＝７５ｔとなる。従って、ｔ≒５９となり、排気時間は５９秒となる。
［窒素ガス流量が５０ＮＬ/minの場合］
排気時間をｔとすれば、５０００−６０（ｔ−５０）＝５０ｔとなる。従って、ｔ≒７３となり、排気時間は７３秒となる。
［窒素ガス流量が２５ＮＬ/minの場合］
排気時間をｔとすれば、５０００−６０（ｔ−５０）＝２５ｔとなる。従って、ｔ≒９４となり、排気時間は９４秒となる。
［窒素ガス流量が０ＮＬ/minの場合］
排気時間をｔとすれば、５０００−６０（ｔ−５０）＝０ｔとなる。従って、ｔ≒１３３となり、排気時間は１３３秒となる。

このように、吸着工程と排気工程を終了させるための一定値を時間とともに減少させるのは以下の理由による。空気から窒素ガスを分離する圧力スイング吸着方式ガス分離装置は速度分離方式であり、吸着速度の速い酸素を優先的に吸着剤に吸着させて窒素ガスを分離して取り出す装置である。すなわち、図３に示すように、吸着初期においては吸着剤による窒素の吸着量は少なく、吸着時間の増加とともに吸着剤への窒素の吸着量は徐々に増加する。この吸着初期においては吸着剤への窒素の吸着量が少ないだけでなく、酸素の吸着量もそれほど多くないので、分離して取り出されるガス中の窒素純度が低く（酸素濃度が高い。例えば、１００ppm超）、そのような低純度の窒素ガスは工業用途としては好ましくない。やがて、吸着時間が長くなると、吸着剤への酸素の吸着量がどんどん増えて、分離して取り出されるガス中の窒素純度も満足できるレベルとなる（酸素濃度≦１００ppm）。分離して取り出されるガス中の窒素濃度が最も高くなるときが吸着塔からの窒素ガス取出量が最大となる吸着時間に相当し、これを最適吸着時間といい、図３に例示する。しかし、図４に示すように、吸着時間が長くなると、吸着剤に吸着される窒素量も増えるので、吸着塔から取り出される窒素ガス量は少なくなる。
このような理由により、吸着工程と排気工程を終了させるための一定値を時間とともに減少させることにより、吸着塔の吸着能力に適応した効率的な運転が可能になるのである。

表１より、以下のことが明らかである。
（１）比較例１では、間欠運転時の消費電力の低減が見られない。
（２）比較例２では、窒素ガス流量が２５NL/minの場合、酸素濃度が９０ppmであり、窒素ガス流量が変化した場合、酸素濃度が１００ppmを超えることが考えられるため、好ましい運転条件とは言えない。
（３）本発明１ないし４の運転条件は従来技術に対して明らかに消費電力が低下している。特に、本発明２ないし４の運転条件における消費電力の低下が顕著である。本発明３と５の運転条件は排気工程を吸着工程よりも短くしているので、その結果、酸素濃度が低くなっており、窒素純度の向上に有効な運転条件であると言える。

本発明は、使用する窒素ガス流量がガス分離装置の定格流量よりも少ない場合に好適である混合ガスの分離方法及びその分離装置として有用である。

Claims (8)

1. 吸着剤を充填した２基以上の吸着塔の一方に窒素と酸素を主成分とする混合ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、排気工程、均圧工程を繰り返すことにより連続して窒素ガス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、製品窒素ガス流量を一定周期で測定し、測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を設け、当該設けた数値を積算して吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替えることを特徴とする混合ガスの分離方法。
2. 排気工程を終了する積算値の合計が吸着工程を終了する積算値の合計よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の混合ガスの分離方法。
3. 吸着剤を充填した２基以上の吸着塔の一方に窒素と酸素を主成分とする混合ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、排気工程、均圧工程を繰り返すことにより連続して窒素ガス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、製品窒素ガス流量を一定周期で測定し、測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を設け、当該設けた数値を積算して吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替えるとともに、上記吸着工程を終了するための一定値が時間とともに減少することを特徴とする混合ガスの分離方法。
4. 排気工程を終了する積算値の合計が吸着工程を終了する積算値の合計よりも小さく、排気工程を終了するための一定値が時間とともに減少することを特徴とする請求項３記載の混合ガスの分離方法。
5. 吸着剤を充填した第一吸着塔および第二吸着塔と、上記第一吸着塔および第二吸着塔へ窒素と酸素を主成分とする混合ガスを導入する流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔で混合ガスから分離された窒素ガスを貯蔵する製品ガス塔と、上記第一吸着塔および第二吸着塔から製品ガス塔へ窒素ガスを供給する流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔からの排気用流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔の間を連通させる均圧用流路と、上記製品ガス塔から外部に排出する製品ガスの流量を測定する流量センサーと、制御装置とを備え、均圧用流路を開放する均圧工程の後、上記第一吸着塔および第二吸着塔の一方で吸着剤による吸着工程を行い、他方で吸着剤からガスを脱着させる脱着工程を行う吸脱着動作を、上記両吸着塔を切り換えて繰り返して行う混合ガスの分離装置において、上記流量センサーにより一定周期で測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を制御装置で積算し、吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替えるように制御装置で制御することを特徴とする混合ガスの分離装置。
6. 排気工程を終了する積算値の合計が吸着工程を終了する積算値の合計よりも小さくなるように制御装置で制御することを特徴とする請求項５記載の混合ガスの分離装置。
7. 吸着剤を充填した第一吸着塔および第二吸着塔と、上記第一吸着塔および第二吸着塔へ窒素と酸素を主成分とする混合ガスを導入する流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔で混合ガスから分離された窒素ガスを貯蔵する製品ガス塔と、上記第一吸着塔および第二吸着塔から製品ガス塔へ窒素ガスを供給する流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔からの排気用流路と、上記第一吸着塔および第二吸着塔の間を連通させる均圧用流路と、上記製品ガス塔から外部に排出する製品ガスの流量を測定する流量センサーと、制御装置とを備え、均圧用流路を開放する均圧工程の後、上記第一吸着塔および第二吸着塔の一方で吸着剤による吸着工程を行い、他方で吸着剤からガスを脱着させる脱着工程を行う吸脱着動作を、上記両吸着塔を切り換えて繰り返して行う混合ガスの分離装置において、上記流量センサーにより一定周期で測定した製品窒素ガス流量に対応する数値を制御装置で積算し、吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了して均圧工程に切り替えるとともに、上記吸着工程を終了するための一定値が時間とともに減少するように制御装置で制御することを特徴とする混合ガスの分離装置。
8. 排気工程を終了する積算値の合計が吸着工程を終了する積算値の合計よりも小さく、排気工程を終了するための一定値が時間とともに減少するように制御装置で制御することを特徴とする請求項７記載の混合ガスの分離装置。