JP2013154294A - 製品ガス供給方法、および製品ガス供給システム - Google Patents
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Abstract
【課題】ＰＳＡ法で得られた製品ガスを圧縮して消費側に供給するにあたり、消費ガス量が変動しても、消費動力を抑制しつつ安定した消費ガス圧力にて製品ガスを供給するのに適した方法を提供する。
【解決手段】目的ガスを含む混合ガスからＰＳＡ法により目的ガスが富化された製品ガスを分離し、製品ガスを圧縮して第１の圧力にて供給する方法であって、ＰＳＡガス分離装置１にて混合ガスから製品ガスを分離するステップと、製品ガスを圧縮機２により圧縮するステップと、流量計５により圧縮機２を経た製品ガスの流量を測定するステップと、この流量測定値の変動に応じて、流量計５より上流側の流量計３１において流量測定値以上である所定の流量設定値となるように圧縮機２を経た製品ガスの流量を調節するステップと、流量計５と流量計３１との間における製品ガスの圧力を、上記第１の圧力より大きい第２の圧力に調節するステップと、を含む。
【選択図】図１
【解決手段】目的ガスを含む混合ガスからＰＳＡ法により目的ガスが富化された製品ガスを分離し、製品ガスを圧縮して第１の圧力にて供給する方法であって、ＰＳＡガス分離装置１にて混合ガスから製品ガスを分離するステップと、製品ガスを圧縮機２により圧縮するステップと、流量計５により圧縮機２を経た製品ガスの流量を測定するステップと、この流量測定値の変動に応じて、流量計５より上流側の流量計３１において流量測定値以上である所定の流量設定値となるように圧縮機２を経た製品ガスの流量を調節するステップと、流量計５と流量計３１との間における製品ガスの圧力を、上記第１の圧力より大きい第２の圧力に調節するステップと、を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧力変動吸着式ガス分離法により、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから目的ガスが富化された製品ガスを分離し、消費側に所定の圧力にて供給するのに適した方法およびシステムに関する。
空気などの酸素および窒素を含む混合ガスから目的ガスとしての酸素、窒素を分離回収したり、シリコン結晶炉から高価なアルゴンを回収精製したり、水素含有ガスから水素を回収生成したり、バイオガスから燃料用のメタンを回収したり、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を高純度で回収する方法として、圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ法）が知られている。例えばＰＳＡ法により得られる酸素が富化された酸素ガス（製品ガス）は、化学反応、電炉製鋼、ゴミ焼却、製紙、水処理施設での酸素曝気など、酸素を多量に消費する分野において使用されている。ＰＳＡ法による酸素ガスの分離においては、例えば吸着剤が充填された少なくとも１つの吸着塔を有するＰＳＡガス分離装置を用いて、吸着工程と、脱着工程とを含むサイクルが各吸着塔で繰り返し行われる。
例えば、ＰＳＡ法により得られる酸素ガスを化学品製造用に使用する場合、酸素ガスの圧力が化学反応に影響を与えるので、安定した消費ガス圧力に維持して酸素ガスを供給することが求められる。また、化学品製造に際して使用される酸素ガスの圧力としては、通常、数百ｋＰａ（ゲージ圧）以上の高い圧力を必要とするので、ＰＳＡ法により分離された酸素ガスをブロアや圧縮機（圧縮手段）により圧縮したうえで消費側に供給している。その一方、化学反応における酸素ガスの消費量（消費ガス量）は常に一定ではなく、変動しうる。
酸素ガスの消費量（消費ガス量）が変動すると、酸素ガスの供給量（圧縮機から送り出されるガス量）の調節だけを行っても、ガスの流れ差圧が変化するので、消費ガス圧力を一定に維持することができない。すなわち、消費ガス量が増加した場合、配管内の流れ差圧が大きくなるので、圧縮機（圧縮手段）を経た酸素ガスの圧力（供給ガス圧力）が一定のままでは消費ガス圧力が降下する。一方、消費ガス量が減少した場合、流れ差圧が小さくなるので、圧縮機（圧縮手段）を経た酸素ガスの圧力（供給ガス圧力）が一定のままでは消費ガス圧力が上昇する。このため、消費ガス量の変動にかかわらず消費ガス圧力を一定に維持するには、酸素ガスの供給量（供給ガス量）を調節するとともに、消費ガス量に見合った供給ガス圧力に調節することが必要である。
特許文献１には、あらかじめ入力設定された酸素ガスの消費量（消費ガス量）の変動に応じて、ＰＳＡガス分離装置において実行するサイクルの切り替えタイミングを変更して酸素ガスの発生量を調節するとともに、分離された酸素ガスを圧縮するためのブロアの回転数を制御することにより、酸素ガスの供給量と供給ガス圧力を調節する方法が示されている。しかしながら、この方法では、事前に消費ガス量を想定して入力しておく必要がある。また、その消費ガス量の設定値に応じてブロアの回転数を調節する必要があることから、消費ガス量が随意に変動した場合においては、消費ガス圧力の調節に対応することができなかった。
このような問題を解消するために、圧縮機等の下流側にバッファタンクを設け、更にバッファタンクの出口部に圧力調整弁を設置するといった対策が講じられる場合がある。バッファタンクを設ける場合、バッファタンクにより酸素ガス（製品ガス）を貯蔵しながら消費ガス量の変動を吸収し、消費ガス量が増加または減少しても、消費ガス圧力が常に一定になるように調節していた。しかしながら、この場合、消費ガス量が減少すると、ブロアや圧縮機を経た製品ガスの供給ガス圧力が、消費ガス圧力よりもはるかに高い圧力まで引き上げられることになり、圧縮機等の消費動力が過大となっていた。
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、ＰＳＡ法で得られた製品ガスを圧縮して消費側に供給するにあたり、消費ガス量が変動しても、消費動力を抑制しつつ安定した消費ガス圧力にて製品ガスを供給するのに適した方法およびシステムを提供することを課題としている。
本発明の第１の側面によって提供される製品ガス供給方法は、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、圧力変動吸着式ガス分離法により目的ガスが富化された製品ガスを分離し、上記製品ガスを圧縮して第１の圧力にて供給する方法であって、上記混合ガスから圧力変動吸着式ガス分離法により上記製品ガスを分離するステップと、上記製品ガスを圧縮手段により圧縮するステップと、第１の測定点において上記圧縮手段を経た上記製品ガスの流量を測定するステップと、上記第１の測定点における上記製品ガスの流量測定値の変動に応じて、上記第１の測定点よりも上流側である第２の測定点において上記流量測定値以上である所定の流量設定値となるように上記圧縮手段を経た上記製品ガスの流量を調節するステップと、上記第１の測定点と上記第２の測定点との間の第３の測定点における上記製品ガスの圧力を、上記第１の圧力よりも大である第２の圧力に調節するステップと、を含むことを特徴とする。
好ましくは、上記第２の圧力への圧力調節は、上記製品ガスの一部を外部に放出することにより行う。
好ましくは、上記第２の測定点における上記製品ガスの流量の調節は、上記第２の測定点よりも上流側において上記圧縮手段を経た上記製品ガスの一部を上記圧縮手段の吸入側に循環させることにより行う。
好ましくは、それぞれが所定範囲の上記流量測定値に対応して割り当てられた複数の上記流量設定値を設定し、上記流量を調節するステップでは、上記流量測定値が上記所定範囲を下回って減少したとき、現在の上記流量設定値からその次に小さい上記流量設定値となるように上記第２の測定点における上記製品ガスの流量を減少させ、上記流量測定値が上記所定範囲を超えて増加したとき、現在の上記流量設定値からその次に大きい上記流量設定値となるように上記第２の測定点における上記製品ガスの流量を増加させる。
好ましくは、上記第２の圧力は、ゲージ圧にして上記第１の圧力よりも１〜１０％高い範囲にある。
好ましくは、上記流量測定値は、単位時間あたりに上記第１の測定点を通過したガス量である。
本発明の第２の側面によって提供される製品ガス供給システムは、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、圧力変動吸着法により目的ガスが富化された製品ガスを分離し、上記製品ガスを圧縮して供給するためのシステムであって、上記混合ガスから上記不要ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記製品ガスを分離するための圧力変動吸着式ガス分離装置と、上記製品ガスを圧縮するための圧縮手段と、上記圧縮手段を経た上記製品ガスの流量を測定するための流量測定手段と、上記圧縮手段を経た上記製品ガスが上記流量測定手段に供給される前に当該製品ガスの流量を調節するための流量調節手段と、上記流量測定手段によって測定された流量測定値に基づいて、上記流量調節手段による流量調節を行うための制御手段と、上記流量調節手段を経た上記製品ガスが上記流量測定手段に供給される前に当該製品ガスの圧力を調節するための圧力調節手段と、を備えることを特徴としている。
好ましくは、上記流量調節手段は、上記圧縮手段を経た上記製品ガスの流量を測定するためのガス流量計と、上記圧縮手段を経た上記製品ガスを上記ガス流量計よりも上流側から導出し、当該圧縮手段の吸入側に循環させるための迂回路と、当該迂回路を通流する上記製品ガスの流量を調節するための流量調節弁と、を有する。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
本発明の好ましい実施の形態に係る製品ガス供給方法について、図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本実施形態に係る製品ガス供給方法を実行するのに使用することができる製品ガス供給システムＸの概略構成を示している。製品ガス供給システムＸは、ＰＳＡガス分離装置１と、圧縮機２と、流量調節機構３と、圧力調節機構４と、消費ガス流量計５と、これらをつなぐ配管６と、制御装置７と、を備え、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから目的ガスが富化された製品ガスを分離し、当該製品ガスを圧縮して消費側に供給することが可能なように構成されている。本実施形態では、ＰＳＡガス分離装置１において、目的ガスとしての酸素および不要ガスとしての窒素を含む空気（混合ガス）から、酸素を分離する場合について説明する。
ＰＳＡガス分離装置１は、主に窒素（不要ガス）を優先的に吸着するための吸着剤が充填された少なくとも１つの吸着塔（図示略）を備え、当該吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により酸素・窒素含有ガスである空気から酸素富化ガス（製品ガス）を取り出すことができるものである。吸着塔に充填される吸着剤としては、例えば、Ｃａ−Ａ型ゼオライト、Ｃａ−Ｘ型ゼオライト、およびＬｉ−Ｘ型ゼオライトが挙げられ、これらは単独で使用しても複数種を併用してもよい。
ＰＳＡガス分離装置１で実行される圧力変動吸着式ガス分離法では、単一の吸着塔について、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含むサイクルが繰り返される。吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に空気を導入して当該空気中の窒素およびその他の成分（二酸化炭素、湿分など）を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガス（製品ガス）を導出するための工程である。脱着工程は、吸着塔内を減圧して吸着剤から窒素を脱着させ、当該窒素を塔外に排出するための工程である。再生工程は、再度の吸着工程に吸着塔を備えさせるべく、例えば洗浄ガスを塔内に通流させることにより、窒素に対する吸着剤の吸着性能を回復させるための工程である。このようなＰＳＡガス分離装置１としては、公知のＰＳＡ酸素分離装置を用いることができる。
圧縮機２は、ＰＳＡガス分離装置１によって分離された酸素富化ガス（製品ガス）を圧縮して消費側に送り出すためのものである。
流量調節機構３は、圧縮機２を経た製品ガスの流量を調節するためのものであり、供給ガス流量計３１と、バイパス配管３２と、バイパス弁３３とを有する。供給ガス流量計３１は、圧縮機２を経て配管６内を通過する製品ガスの瞬間流量を第２の測定点において測定するためのものである。バイパス配管３２は、配管６に接続されており、圧縮機２を経た製品ガスの一部を再び圧縮機２の吸入側に循環させるためのものである。バイパス配管３２の一端部は、圧縮機２の吐出側（下流側）かつ供給ガス流量計３１の上流側に接続され、バイパス配管３２の他端部は、圧縮機２の吸入側（上流側）に接続されている。バイパス弁３３は、バイパス配管３２に設けられている。バイパス弁３３は、バイパス配管３２を通流する製品ガスの流量を調節するためのものであり、開度調節が可能な弁である。バイパス弁３３は、後述する制御装置７からの信号によって開度調節がなされる。
消費ガス流量計５は、圧縮機２を経て消費側に送られる製品ガスの流量（消費ガス量）を第１の測定点において測定するためのものである。消費ガス流量計５は、上記した供給ガス流量計３１の下流側に設けられており、単位時間あたりに通過したガス量（積算平均ガス量もしくは移動平均ガス量）を測定するものである。ここで、積算平均ガス量とは、例えばＰＳＡガス分離装置１で実行される上記サイクルについて、１サイクルから３０サイクル、好ましくは５サイクルから１０サイクルなど、一定の測定時間中に通過した積算ガス量である。移動平均ガス量とは、測定時間を一定に維持しつつ時間経過にともなって測定開始時と測定終了時をずらしながら測定した積算ガス量を示すものである。
圧力調節機構４は、供給ガス流量計３１と消費ガス流量計５との中間部である第３の測定点における製品ガスの圧力（第２の圧力）を調節するためのものである。圧力調節機構４は、配管６に接続された放出用配管４１と、パージ弁４２と、圧力制御器４３とを有する。放出用配管４１は、供給ガス流量計３１を通過した製品ガスの一部を外部に放出させるためのものであり、一端が供給ガス流量計３１と消費ガス流量計５との間に接続されるとともに他端が外部に開放している。パージ弁４２は、放出用配管４１に設けられており、開度調節が可能な弁である。圧力制御器４３は、配管６内を通流する製品ガスの圧力を常時的に測定し、測定圧力に応じてパージ弁４２の開度を調節することにより、当該製品ガスの圧力を所望の値に制御するためのものである。圧力調節機構４においては、圧力制御器４３による測定圧力に応じてパージ弁４２の開度が所望に調節されるように構成されている。
制御装置７は、消費ガス流量計５によって測定された製品ガスの消費ガス量（流量測定値）に基づいて、流量調節機構３による製品ガスの流量調節を行うためのものである。制御装置７は、消費ガス量（流量測定値）の変動に応じて、供給ガス流量計３１での測定流量が上記流量測定値以上である所定の流量設定値となるようにバイパス弁３３の開度を調節する。制御装置７においては、所定のプログラムを実行することにより、バイパス弁３３の開度調節を行う。
本実施形態では、制御装置７によって次のような制御がなされる。制御装置７には、所定範囲の消費ガス量（流量測定値）に対応して割り当てられた複数の上記流量設定値が入力設定される。消費ガス流量計５によって測定された消費ガス量（流量測定値）が所定範囲を超えて減少したとき、制御装置７は、現在の流量設定値からその次に小さい流量設定値となるように、供給ガス流量計３１に信号を送ってバイパス弁３３を開く方向に開度調節し、バイパス配管３２を通流する製品ガスの流量を増加させる。これにより、供給ガス流量計３１を通過する製品ガスの流量が減少する。一方、消費ガス量（流量測定値）が所定範囲を超えて増加したとき、制御装置７は、現在の流量設定値からその次に大きい流量設定値となるように、供給ガス流量計３１に信号を送ってバイパス弁３３を閉じる方向に開度調節し、バイパス配管３２を通流する製品ガスの流量を減少させる。これにより、供給ガス流量計３１を通過する製品ガスの流量が増加する。
消費ガス流量計５を経た製品ガスは、所定の用途に常時消費される。
上記構成の製品ガス供給システムＸの稼動時には、ＰＳＡガス分離装置１へ空気（混合ガス）が導入される。ＰＳＡガス分離装置１では、吸着塔ごとに吸着工程、脱着工程、および再生工程を含むサイクルが繰り返され、酸素が富化された製品ガスが連続的に取り出される。
ＰＳＡガス分離装置１からの製品ガスは、圧縮機２によって圧縮され、所定の消費ガス圧力にて消費側に供給される。当該消費ガス圧力は、消費側の用途によっても異なるが、例えば０．２ＭＰａ（ゲージ圧）である。また、消費側の設備等における製品ガスの消費量（消費ガス量）は変動し得る。圧縮機２および供給ガス流量計３１を経て消費側へ送られる製品ガスの供給量（供給ガス量）は、消費側における製品ガスの最大消費量に対応するように設定される。例えば、消費側での製品ガスの最大消費量が２００Ｎｍ3／ｈの場合、ＰＳＡガス分離装置１から取り出される製品ガスの取得量は２００Ｎｍ3／ｈであり、圧縮機２を通流する製品ガスの流量は２００Ｎｍ3／ｈとされる。
圧力調節機構４では、圧力制御器４３での製品ガスの圧力（供給ガス流量計３１と消費ガス流量計５との中間部における製品ガスの供給ガス圧力。以下、適宜「中間部圧力」という）が、ゲージ圧にして消費ガス圧力（第１の圧力）よりも１〜１０％高い範囲となるように調節され、好ましくは消費ガス圧力よりも５％程度高くなるように調節される。消費ガス圧力が０．２ＭＰａ（ゲージ圧）の場合、中間部圧力は、０．２１ＭＰａ（ゲージ圧）に調節される。このように、中間部圧力が消費ガス圧力よりも少し高くなるように調節するのは、消費ガス流量計５の上流側と下流側との間で適切なガス流れ差圧を生じさせることを考慮したものである。
例えば、消費側での消費ガス量が減少して供給ガス量が消費ガス量よりも多くなると、中間部圧力が上昇するので、パージ弁４２を開く方向に当該パージ弁４２の開度を調節する。これにより、中間部圧力を上昇させていた、過剰な製品ガスの一部が、放出用配管４１を介して外部に放出される。このように、中間部圧力の調節は、製品ガスの一部を外部に放出することにより行う。
図２は、製品ガス供給システムＸの稼動時において、消費ガス量に合わせて消費ガス圧力を調節するための処理手順の一例を示すフローチャートである。なお、図２においては、消費側での製品ガスの最大消費量が２００Ｎｍ3／ｈの場合について示している。
製品ガス供給システムＸの稼動に先立ち、制御装置７に消費ガス流量計５の測定時間を入力する。この測定時間は、ＰＳＡガス分離装置１での製品ガスの発生量の変動が平均化される程度であることが好ましい。このような測定時間としては、ＰＳＡガス分離装置１にて実行される上記サイクルについて、１サイクル以上３０サイクル以下であって、好ましくは５サイクルから１０サイクルの時間などが挙げられる。消費ガス流量計５で測定される消費ガス量（流量測定値）は、単位時間あたりのガス量になるが、消費ガス流量計５にて上述の移動平均ガス量を測定することが好ましい。
さらに、制御装置７に、所定範囲の消費ガス量に応じて割り当てられた複数の流量設定値を入力設定する。ここで、流量設定値は、製品ガスの最大消費量２００Ｎｍ3／ｈに対する負荷設定ガス量（負荷率）として設定される。例えば、１００％負荷（２００Ｎｍ3／ｈ）、９０％負荷（１８０Ｎｍ3／ｈ）、８０％負荷（１６０Ｎｍ3／ｈ）、７０％負荷（１４０Ｎｍ3／ｈ）、６０％負荷（１２０Ｎｍ3／ｈ）など１０％刻みで設定する。流量設定値としての負荷率を１０％刻みで設定する場合、各負荷率に対応する「所定範囲の消費ガス量」としては、例えば、１００％負荷では「１８０Ｎｍ3／ｈ＜消費ガス量≦２００Ｎｍ3／ｈ」、９０％負荷では「１６０Ｎｍ3／ｈ＜消費ガス量≦１８０Ｎｍ3／ｈ」、８０％負荷では「１４０Ｎｍ3／ｈ＜消費ガス量≦１６０Ｎｍ3／ｈ」、７０％負荷では「１２０Ｎｍ3／ｈ＜消費ガス量≦１４０Ｎｍ3／ｈ」、６０％負荷では「１００Ｎｍ3／ｈ＜消費ガス量≦１２０Ｎｍ3／ｈ」、とされる。
製品ガス供給システムＸの稼動開始後において、消費ガス流量計５による消費ガス量の測定と中間部圧力の調節とが常時行われる（Ｓ１０）。そして、現在の負荷率（流量設定値）が判定される。現在の負荷率が８０％である場合、１００％負荷であるか否かの判定（Ｓ１１）でＮＯとなり、９０％負荷であるか否かの判定（Ｓ１２）でＮＯとなり、８０％負荷であるか否かの判定（Ｓ１３）でＹＥＳとなる。次に、中間部圧力の判定へと進む。
ここで、実際の消費ガス量（消費ガス流量計５による流量測定値）が１６０Ｎｍ3／ｈである場合、供給ガス流量計３１にて８０％負荷設定の信号を制御装置７より受けてバイパス弁３３の開度が調節され、供給ガス流量計３１を通過する供給ガス量が既に１６０Ｎｍ3／ｈになっている。このため、中間部圧力は上昇せず、パージ弁４２は閉じた状態となる。その結果、放出用配管４１からの放出ガス量は０Ｎｍ3／ｈとなり、供給ガス量と消費ガス量はうまくバランスする。
このとき、中間部圧力は、圧力調節機構４によって消費ガス圧力である０．２ＭＰａ（ゲージ圧）よりも少し高い０．２１ＭＰａ（ゲージ圧）に調節されているので、「中間部圧力＜０．２１ＭＰａＧ」であるか否かの判定（Ｓ２４）でＮＯとなり、次の「消費ガス量＞１４０Ｎｍ3／ｈ」であるか否かの判定（Ｓ２５）へと移る。ここでは、消費ガス量（１６０Ｎｍ3／ｈ）＞１４０Ｎｍ3／ｈであるので、Ｓ２５はＹＥＳと判定され、８０％負荷が継続される（Ｓ３７）。次に、現在の負荷率の判定に戻る。
その後、消費ガス量（流量測定値）が増加して１７０Ｎｍ3／ｈになると、現在の負荷率の判定では、８０％負荷であるか否かの判定（Ｓ１３）でＹＥＳとなる。このとき、実際の消費ガス量（１７０Ｎｍ3／ｈ）は、８０％負荷での供給ガス量（１６０Ｎｍ3／ｈ）よりも多くなっており、８０％負荷に対応する「所定範囲の消費ガス量（１４０Ｎｍ3／ｈ＜消費ガス量≦１６０Ｎｍ3／ｈ）」を超えて増加している。このため、中間部圧力が降下して「中間部圧力＜０．２１ＭＰａＧ」であるか否かの判定（Ｓ２４）でＹＥＳとなり、負荷率が９０%負荷に変更される（Ｓ３６）。ここで、供給ガス流量計３１にて９０％負荷設定の信号を制御装置７より受けてバイパス弁３３を閉じる方向に開度調節し、バイパス配管３２を通流して循環する製品ガス量を減少させる。このような処理により、供給ガス流量計３１を通過する供給ガス量を１８０Ｎｍ3／ｈに増加させる。
このとき、供給ガス量（１８０Ｎｍ3／ｈ）が消費ガス量（１７０Ｎｍ3／ｈ）よりも多く、製品ガスが１０Ｎｍ3／ｈ過剰に供給されることになるので、中間部圧力が上昇する。そこで、圧力制御器４３によりパージ弁４２を開く方向に当該パージ弁４２の開度を調節し、供給過剰な製品ガスを、放出用配管４１を介して外部に放出させる。これにより、中間部圧力は、圧力調節機構４によって消費ガス圧力である０．２ＭＰａ（ゲージ圧）よりも少し高い０．２１ＭＰａ（ゲージ圧）に調節される。その後、現在の負荷率の判定に戻り、消費ガス量が１７０Ｎｍ3／ｈのままであれば、９０％負荷であるか否かの判定（Ｓ１２）でＹＥＳとなり、「中間部圧力＜０．２１ＭＰａＧ」であるか否かの判定（Ｓ２２）でＮＯとなり、次の「消費ガス量＞１６０Ｎｍ3／ｈ」であるか否かの判定（Ｓ２３）でＹＥＳとなり、９０％負荷が継続される（Ｓ３４）。その後も現在の負荷率の判定に戻り、同様の処理操作が繰り返される。
その後、消費ガス量（流量測定値）が減少して１５０Ｎｍ3／ｈになると、現在の負荷率の判定では、９０％負荷であるか否かの判定（Ｓ１２）でＹＥＳとなる。このとき、実際の消費ガス量（１５０Ｎｍ3／ｈ）は、９０％負荷での供給ガス量（１８０Ｎｍ3／ｈ）よりも少なくなっており、９０％負荷に対応する「所定範囲の消費ガス量（１６０Ｎｍ3／ｈ＜消費ガス量≦１８０Ｎｍ3／ｈ）」を下回って減少している。このため、中間部圧力は、上昇して０．２１ＭＰａＧ以上となる。したがって、次の「中間部圧力＜０．２１ＭＰａＧ」であるか否かの判定（Ｓ２２）でＮＯとなり、次の「消費ガス量＞１６０Ｎｍ3／ｈ」であるか否かの判定（Ｓ２３）へと移る。ここでは、消費ガス量（１５０Ｎｍ3／ｈ）＜１６０Ｎｍ3／ｈであるので、Ｓ２３はＮＯと判定され、負荷率が８０%負荷に変更される（Ｓ３５）。ここで、供給ガス流量計３１にて８０％負荷設定の信号を制御装置７より受けてバイパス弁３３を開く方向に開度調節し、バイパス配管３２を通流して循環する製品ガス量を増加させる。このような処理により、供給ガス流量計３１を通過する供給ガス量を１６０Ｎｍ3／ｈに減少させる。
このとき、供給ガス量（１６０Ｎｍ3／ｈ）が消費ガス量（１５０Ｎｍ3／ｈ）よりも多く、製品ガスが１０Ｎｍ3／ｈ過剰に供給されることになるので、中間部圧力が上昇する。そこで、上述の消費ガス量が１７０Ｎｍ3／ｈの場合と同様に圧力制御器４３によりパージ弁４２を開き、供給過剰な製品ガスを、放出用配管４１を介して外部に放出し続ける。これにより、中間部圧力は、圧力調節機構４によって消費ガス圧力である０．２ＭＰａ（ゲージ圧）よりも少し高い０．２１ＭＰａ（ゲージ圧）に維持される。その後、現在の負荷率の判定に戻り、消費ガス量が１５０Ｎｍ3／ｈのままであれば、８０％負荷の判定（Ｓ１３）でＹＥＳとなり、「中間部圧力＜０．２１ＭＰａＧ」であるか否かの判定（Ｓ２４）でＮＯとなり、次の「消費ガス量＞１４０Ｎｍ3／ｈ」であるか否かの判定（Ｓ２５）でＹＥＳとなり、８０％負荷が継続される（Ｓ３７）。その後も現在の負荷率の判定に戻り、同様の処理操作が繰り返される。
このように、製品ガス供給システムＸを用いて行う製品ガス供給方法によると、消費ガス量が変動しても、供給ガス量および中間部圧力を適宜調節することにより、安定した消費ガス圧力にて製品ガスを消費側に供給し続けることができる。
また、本実施形態においては、中間部圧力（第２の圧力）が消費ガス圧力（第１の圧力）よりも少し高くなるように調節されている。このような方法は、圧縮機２による消費動力を抑制するのに適している。
図２のフローチャートを参照して上述した方法では、流量設定値としての負荷率を１０％刻みで設定する場合を例に挙げたが、負荷率をさらにきめ細かく設定すれば（例えば５％刻みなど）、過剰となって放出するガス量を少なくすることができ、消費ガス量の変動に合わせたなめらかな供給ガス量の調節が可能となる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲は上記した実施形態に限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
本発明に係る製品ガス供給方法は、上記実施形態のような酸素を目的ガスとする場合に限定されず、他の成分ガスを目的ガスとする場合に適用することもできる。
次に、本発明の有用性を実施例および比較例により説明する。
〔実施例〕
本実施例では、図１に示した製品ガス供給システムＸを用いて、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスたる酸素富化ガスを分離し、圧縮して消費側に供給した。
本実施例では、図１に示した製品ガス供給システムＸを用いて、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスたる酸素富化ガスを分離し、圧縮して消費側に供給した。
本実施例では、ＰＳＡガス分離装置１として２つの吸着塔を備えた２塔式のＰＳＡ酸素分離装置を用いた。本装置の各吸着塔には、吸着剤としてのゼオライトモレキュラシーブを充填した。この装置を用いて空気から製品ガスを分離した。ＰＳＡガス分離装置１から取り出される製品ガスの取得量は、２００Ｎｍ3／ｈであった。
圧縮機２としては、２００Ｎｍ3／ｈの容量を有するものが用いられた。
本実施例における製品ガス供給システムＸの稼動時には、中間部圧力（第２の圧力）が０．２１ＭＰａとなるように調節しながら、製品ガスの消費ガス量を２００Ｎｍ3／ｈから１５０Ｎｍ3／ｈに減少させて１０分間、次に消費ガス量を１５０Ｎｍ3／ｈから１７０Ｎｍ3／ｈに増加させて１０分間、次に消費ガスを１７０Ｎｍ3／ｈからもとの２００Ｎｍ3／ｈに戻して１０分間運転を継続した。この３０分間において、圧縮機２の消費動力を測定しながら製品ガスを消費し続けた。
消費ガス量の変動に伴う供給ガス量の調節および中間部圧力の調節は、図２で示したフローチャートの処理手順に沿って行った。
その結果、消費ガス量が変動しても、消費ガス圧力は０．２ＭＰａ（ゲージ圧）で安定し、圧縮機２での３０分間の積算消費動力は４．３ｋＷとなり、１時間あたりの平均消費動力は８．６ｋＷｈとなった。
〔比較例〕
本比較例では、図３に示した製品ガス供給システムＹを用いて、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスたる酸素富化ガスを分離し、圧縮して消費側に供給した。
本比較例では、図３に示した製品ガス供給システムＹを用いて、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスたる酸素富化ガスを分離し、圧縮して消費側に供給した。
本比較例で用いたＰＳＡガス分離装置１０１の構成およびガス分離の態様は、上記実施例と同様とし、ＰＳＡガス分離装置１０１から取り出される製品ガスの取得量は２００Ｎｍ3／ｈであった。ＰＳＡガス分離装置１０１の下流側に圧縮機１０２を設けた。当該圧縮機１０２は、上記実施例の圧縮機２と同様のものとした。配管１０３には、圧縮機１０２を経た製品ガスを再び圧縮機１０２に導入して循環させるためのバイパス配管１０４を接続した。バイパス配管１０４には、開状態と閉状態とに切換え可能な切換弁１０５を設けた。圧縮機１０１の下流側に製品ガスの供給ガス量を測定するためのガス流量計１０６を設け、ガス流量計１０６の下流側にバッファタンク１０７を設けた。バッファタンク１０７は、その内部容量を２２ｍ3とし、最高圧力が０．９ＭＰａ（ゲージ圧）、最低圧力が０．２１ＭＰａ（ゲージ圧）の内部圧力にて、消費ガス量の変動を吸収することができるようにした。バッファタンク１０７の出口部には、圧力調整弁１０８と消費ガス流量計１０９とを設け、消費ガス圧力が０．２ＭＰａ（ゲージ圧）となるように減圧し、安定して消費ガスを送ることができるようにした。
本比較例における製品ガス供給システムＹの稼動時には、まず切換弁１０５を閉じた状態とし、消費ガス量を２００Ｎｍ3／ｈから１５０Ｎｍ3／ｈに減少させて１０分間、次に消費ガス量を１５０Ｎｍ3／ｈから１７０Ｎｍ3／ｈに増加させて１０分間、次に消費ガスを１７０Ｎｍ3／ｈからもとの２００Ｎｍ3／ｈに戻して１０分間運転を継続した。この３０分間において、圧縮機１０２の消費動力を測定しながら製品ガスを消費し続けた。
本比較例におけるバッファタンク１０７の内部圧力の変化を図４に表す。同図に示されるように、バッファタンク１０７の内部圧力は、消費ガス量が１５０Ｎｍ3／ｈのときおよび１７０Ｎｍ3／ｈのときに上昇し続け、測定開始から２０分後に最高圧力０．９ＭＰａ（ゲージ圧）に達した。その後４分間は切換弁１０５を開くことにより、圧縮機１０２の吐出側と吸入側の圧力を等しくしてアンロード状態とした。バッファタンク１０７の内部圧力が０．２１ＭＰａに低下したところで切換弁１０５を閉じた。残り６分間は消費ガス量と供給ガス量がバランスしており、バッファタンク１０７の内部圧力は一定であった。
その結果、消費ガス量が変動しても、消費ガス圧力は０．２ＭＰａ（ゲージ圧）で安定し、圧縮機１０２での３０分間の積算消費動力は６．４ｋＷとなり、１時間あたりの平均消費動力は１２．８ｋＷｈとなった。
上記の実施例と比較例とを比較すると理解できるように、実施例の場合には、消費ガス量が変動しても、消費動力を抑制しつつ安定した消費ガス圧力にて製品ガスを供給することが可能であった。
Ｘ 製品ガス供給システム
１ ＰＳＡガス分離装置
２ 圧縮機
３ 流量調節機構
３１ 供給ガス流量計
３２ バイパス配管
３３ バイパス弁
４ 圧力調節機構
４１ 放出用配管
４２ パージ弁
４３ 圧力制御器
５ 消費ガス流量計
６ 配管
７ 制御装置
１ ＰＳＡガス分離装置
２ 圧縮機
３ 流量調節機構
３１ 供給ガス流量計
３２ バイパス配管
３３ バイパス弁
４ 圧力調節機構
４１ 放出用配管
４２ パージ弁
４３ 圧力制御器
５ 消費ガス流量計
６ 配管
７ 制御装置
Claims (8)
- 目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、圧力変動吸着式ガス分離法により目的ガスが富化された製品ガスを分離し、上記製品ガスを圧縮して第１の圧力にて供給する方法であって、
上記混合ガスから圧力変動吸着式ガス分離法により上記製品ガスを分離するステップと、
上記製品ガスを圧縮手段により圧縮するステップと、
第１の測定点において上記圧縮手段を経た上記製品ガスの流量を測定するステップと、
上記第１の測定点における上記製品ガスの流量測定値の変動に応じて、上記第１の測定点よりも上流側である第２の測定点において上記流量測定値以上である所定の流量設定値となるように上記圧縮手段を経た上記製品ガスの流量を調節するステップと、
上記第１の測定点と上記第２の測定点との間の第３の測定点における上記製品ガスの圧力を、上記第１の圧力よりも大である第２の圧力に調節するステップと、を含むことを特徴とする、製品ガス供給方法。 - 上記第２の圧力への圧力調節は、上記製品ガスの一部を外部に放出することにより行う、請求項１に記載の製品ガス供給方法。
- 上記第２の測定点における上記製品ガスの流量の調節は、上記第２の測定点よりも上流側において上記圧縮手段を経た上記製品ガスの一部を上記圧縮手段の吸入側に循環させることにより行う、請求項１に記載の製品ガス供給方法。
- それぞれが所定範囲の上記流量測定値に対応して割り当てられた複数の上記流量設定値を設定し、
上記流量を調節するステップでは、上記流量測定値が上記所定範囲を下回って減少したとき、現在の上記流量設定値からその次に小さい上記流量設定値となるように上記第２の測定点における上記製品ガスの流量を減少させ、上記流量測定値が上記所定範囲を超えて増加したとき、現在の上記流量設定値からその次に大きい上記流量設定値となるように上記第２の測定点における上記製品ガスの流量を増加させる、請求項１ないし３のいずれかに記載の製品ガス供給方法。 - 上記第２の圧力は、ゲージ圧にして上記第１の圧力よりも１〜１０％高い範囲にある、請求項１ないし４のいずれかに記載の製品ガス供給方法。
- 上記流量測定値は、単位時間あたりに上記第１の測定点を通過したガス量である、請求項１ないし５のいずれかに記載の製品ガス供給方法。
- 目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、圧力変動吸着法により目的ガスが富化された製品ガスを分離し、上記製品ガスを圧縮して供給するためのシステムであって、
上記混合ガスから上記不要ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記製品ガスを分離するための圧力変動吸着式ガス分離装置と、
上記製品ガスを圧縮するための圧縮手段と、
上記圧縮手段を経た上記製品ガスの流量を測定するための流量測定手段と、
上記圧縮手段を経た上記製品ガスが上記流量測定手段に供給される前に当該製品ガスの流量を調節するための流量調節手段と、
上記流量測定手段によって測定された流量測定値に基づいて、上記流量調節手段による流量調節を行うための制御手段と、
上記流量調節手段を経た上記製品ガスが上記流量測定手段に供給される前に当該製品ガスの圧力を調節するための圧力調節手段と、を備えることを特徴とする、製品ガス供給システム。 - 上記流量調節手段は、上記圧縮手段を経た上記製品ガスの流量を測定するためのガス流量計と、上記圧縮手段を経た上記製品ガスを上記ガス流量計よりも上流側から導出し、当該圧縮手段の吸入側に循環させるための迂回路と、当該迂回路を通流する上記製品ガスの流量を調節するための流量調節弁と、を有する、請求項７に記載の製品ガス供給システム。
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