JP2014018757A

JP2014018757A - 気体分離装置

Info

Publication number: JP2014018757A
Application number: JP2012161131A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kunitomo; 拓也國友; Takeshi Katsumoto; 武勝本; Haruhiko Shinoda; 治彦信田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: JP5939917B2

Abstract

【課題】本発明は、製品ガスの使用停止後に予備運転を行うことで、運転開始後短時間で高純度の製品ガスを取出すことのできる気体分離装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は上記課題を解決するため、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、前記吸着槽により生成された製品ガスを貯留する貯留タンクと、前記吸着槽における製品ガスの生成を制御する制御部とを備え、前記制御部は製品ガスの使用停止後、使用停止前に製品ガスの吐出口から吐出していた製品ガスの流量よりも少ない流量の製品ガスを吐出しながら、製品ガスを前記吸着槽から前記貯留タンクへ供給する予備運転を行うことを特徴とする気体分離装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は気体分離装置に関する。

本技術分野の背景として、特許文献１、２がある。特許文献１には、高純度窒素ガスを分離する場合、運転開始後得られる窒素ガスが所定の純度にまで到達する時間を短縮することが記載されている。

特開平０３−２０７４２０

特許文献１は、製品窒素ガスの使用を停止した後も装置の運転を１０サイクル以下の範囲内で継続した後装置を停止させ、運転開始時には吸着槽と窒素ガス槽間の配管を閉止した状態で、２０サイクル以下の範囲内で吸着並びに再生操作を行った後、製品ガスの取出しを開始することを特徴としている。

特許文献１は、運転開始時に製品ガスの濃度が十分に高くないため、少なくとも複数サイクル吸着並びに再生操作を行うことが必要であり、特に高純度の窒素ガスを取出す際においては、運転開始時のサイクル数（吸着槽の空運転）が多く必要となるため、取出し開始までの時間は長時間かかってしまう。

本発明は、製品ガスの使用停止後に予備運転を行うことで、運転開始後短時間で高純度の製品ガスを取出すことのできる気体分離装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、前記吸着槽により生成された製品ガスを貯留する貯留タンクと、前記吸着槽における製品ガスの生成を制御する制御部とを備え、前記制御部は製品ガスの使用停止後、使用停止前に製品ガスの吐出口から吐出していた製品ガスの流量よりも少ない流量の製品ガスを吐出しながら、製品ガスを前記吸着槽から前記貯留タンクへ供給する予備運転を行うことを特徴とする気体分離装置を提供する。

本発明によれば、運転開始後短時間で高純度の製品ガスを取出すことのできる気体分離装置を提供することができる。

本発明の実施例１における気体分離装置を示す全体構成図である。本発明の実施例１における予備運転時の気体分離装置の制御フロー図である。本発明の実施例１における予備運転時の気体分離装置の制御フロー図である。本発明の実施例１における運転開始時の気体分離装置の動作フロー図である。従来例における運転開始時の気体分離装置の動作フロー図である。

本発明の実施例１について図１を用いて説明する。本実施例における気体分離装置の全体構成について図１を用いて説明する。

図１に示す気体分離装置１はＰＳＡ式の気体分離装置である。気体分離装置１は、空気を供給する空気供給ユニット２と、製品ガスを生成するＰＳＡユニット３で構成される。この空気供給ユニットは、空気を圧縮する圧縮機４と、圧縮空気を貯留させる空気槽５と、圧縮空気を除湿するエアードライヤー６と、析出したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルタ７を有している。本実施例では、一例として、これら圧縮機４と、空気槽５と、エアードライヤー６とドレンフィルタ７とは筐体に格納されている。一方、ＰＳＡユニット３は、空気供給ユニット２から供給される圧縮空気から所定の気体を分離することにより、製品ガスを生成する吸着槽１９Ａ、１９Ｂと、製品ガス（窒素）を貯留する窒素槽（製品ガス貯留タンク）４１を有している。

空気槽５で貯留された圧縮空気は後述の吸着槽１９Ａ、１９Ｂに供給され、空気槽５で貯留された圧縮空気から所定の気体が分離される。本実施例では、吸着槽１９Ａ、１９Ｂで酸素を吸着することにより、窒素を分離する場合について説明するが、窒素を吸着することにより酸素を分離してもよいし、大気以外の圧縮空気から他の気体を分離するものであってもよい。

圧縮機４として、往複動式、スクリュー式あるいはスクロール式等の圧縮機や、外部から１次圧を供給され再圧縮するブースタ圧縮機等が用いられており、それらは１台のみ搭載されていてもよいし、複数台搭載されていてもよい。

空気槽５には、空気槽５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２系統に分岐した配管１７Ａ、１７Bが接続されている。配管１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ流路を開閉する供給弁１８Ａ、１８Ｂが途中に設けられており、酸素分子を吸着して窒素ガスを製品ガスとして取り出すための吸着槽１９Ａ，１９Ｂがそれぞれ接続されている。この吸着槽は容積一定である。また、配管１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ供給弁１８Ａ、１８Ｂと吸着槽１９Ａ，１９Ｂとの間位置に配管２１Ａ、２１Ｂが接続されており、これら配管２１Ａ、２１Ｂには、途中に流路を開閉する排気弁２２Ａ、２２Ｂ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。この排気サイレンサは各吸着層１９Ａ、１９Ｂ毎に設けられていてもよい。また、配管１７Ａ、１７Ｂには、互いの配管２１Ａ、２１Ｂと吸着槽１９Ａ、１９Ｂとの間位置を結ぶように配管２５Ａ、２５Ｂが接続されており、この配管２５Ａ、２５Ｂには流路を開閉する下均圧弁２６Ａ、２６Ｂが設けられている。

吸着槽１９Ａ，１９Ｂには、例えば、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。吸着剤は、具体的には分子ふるいカーボンやゼオライト等を用いている。吸着槽１９Ａ、１９Ｂには、互いに合流する配管３１Ａ、３１Ｂがそれぞれ接続されている。これら配管３１Ａ、３１Ｂには、互いの吸着槽１９Ａ、１９Ｂ側同士を結ぶように配管３２Ａ、３２Ｂが接続されており、この配管３２Ａ、３２Ｂには絞り３３が設けられている。また、配管３１Ａ、３１Ｂには、互いの配管３２Ａ、３２Ｂよりも吸着槽１９Ａ、１９Ｂとは反対側同士を結ぶように配管３５Ａ、３５Ｂが接続されておりこの配管３５Ａ、３５Ｂには流路を開閉する上均圧弁３６Ａ、３６Ｂが設けられている。また、配管３１Ａ、３１Ｂには、それぞれの配管３５Ａ、３５Ｂよりも吸着槽１９Ａ、１９Ｂとは反対側に流路を開閉する取り出し弁３８Ａ、３８Ｂがそれぞれ設けられている。配管３１Ａ、３１Ｂの合流位置には配管４０が接続されており、この配管４０には窒素ガスを貯留させる製品ガス貯留タンクとしての窒素槽４１が接続されている。この窒素槽４１には、吐出口４２が設けられた配管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ガスの圧力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、製品ガスの流量を調整する流量調整弁４６が設けられている。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、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、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センサー５６とが設けられている。酸素センサー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。制御部６０は検出信号を受けて、吸着槽１９Ａ、１９Ｂにおける窒素ガスの生成を制御する。

具体的には、供給弁１８Ａ、１８Ｂ、排気弁２２Ａ、２２Ｂ、下均圧弁２６Ａ、２６Ｂ、上均圧弁３６Ａ、３６Ｂ、取り出し弁３８Ａ、３８Ｂ、吐出弁４５、開閉弁５０および５４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。

ここまで、気体分離装置１の構成を説明してきたが、ここで気体分離装置において行われる気体分離方法について説明する。

気体分離装置１では、圧縮機４によって空気を圧縮する圧縮工程、圧縮工程により圧縮された空気を空気槽５に貯留する貯蔵工程、圧縮空気をエアードライヤー６により除湿する除湿工程、除湿工程により除湿された空気から気体を分離する分離工程が行われる。

気体分離装置１の分離工程では、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程が順次繰り返される。

（ａ）吸着・還流工程：圧縮機４により圧縮され空気槽５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に供給するとともに、窒素槽４１内に残存する窒素ガスを、取り出し弁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）取り出し工程：吸着工程から引き続いて、空気槽５から圧縮空気を吸着槽１９に供給し続けると同時に、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の開閉により取り出し工程終了後の一対の吸着槽１９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、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および取り出し弁３８は、閉状態とする。

吸着槽１９Ａで吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））が行われている間に吸着槽１９Ｂでは、再生工程（工程（ｄ））が行われる。その後、（ｃ）均圧工程が同時に行われ、吸着槽１９Ａ、１９Ｂを入れ替えて吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））と再生工程（工程（ｄ））が行われる。

上記の吸着工程（ａ）、取り出し工程（ｂ）、均圧工程（ｃ）の時間を併せてサイクルタイムとする。

本実施例では、図２に示すように、装置運転中に装置停止信号が制御部６０に入力された場合、吐出弁４５を閉、開閉弁５０を開とし流量調整弁５１により窒素ガスの吐出流量（吐出口４２から吐出する流量）を第一設定流量Ｑ１（例えば、大気開放する場合の流量）から第二設定流量Ｑ２に切り替えて装置の運転を継続する。このとき、Ｑ１＞Ｑ２の関係とする。第一設定流量Ｑ１から第二設定流量Ｑ２に切り替える手段として、本実施例のように弁の開閉により流路を変更することで切り替えてもよいし、流量調整弁４６により切り替えてもよい。Ｑ２の窒素ガスを吐出しながらの運転を予備運転とする。この予備運転を、窒素槽４１内の窒素ガス濃度Ｄが、あらかじめ設定しておいた濃度Ｄ１になるまで運転を継続し、窒素槽４１内の窒素ガス濃度ＤがＤ≧Ｄ１になったとき装置の運転を停止する。

窒素ガス濃度Ｄが、Ｄ≧Ｄ１となる前に装置運転信号が制御部６０に入力された場合、窒素ガスの吐出流量を第二設定流量Ｑ２から第一設定流量Ｑ１に切り替えて装置の運転を継続する。

予備運転を停止するまでの条件は、図２に示すように窒素槽４１内の窒素ガス濃度によって決定してもよいし、図３に示すようにあらかじめ設定しておいた時間によって決定してもよい。

窒素ガス使用時の流量Ｑ１よりも少ないＱ２の流量で装置の運転を行うことにより、窒素槽４１内の純度が若干低下した窒素ガスを少しずつ吐出しながら吸着槽１９Ａ、１９Ｂで生成された高純度の窒素ガスを窒素槽４１に貯留することができる。吐出する流量は窒素ガス使用時の流量Ｑ１よりも少ないＱ２であるから、窒素槽４１の圧力を低下させずに窒素槽４１の純度を短時間で高めることができる。この予備運転により、窒素槽４１内に、窒素ガス使用時の窒素ガス濃度よりも高純度の窒素ガスを貯留することができる。

次に、予備運転後の運転開始時における気体分離装置の動作について図４−１を用いて説明する。本実施例では、ＰＳＡユニット３の運転開始後、供給弁１８と取り出し弁３８を開とし、空気供給ユニット２からの空気を吸着槽１９Ａもしくは１９Ｂどちらか一方に供給すると同時に、窒素槽４１から予備運転により貯留しておいた高純度の窒素ガスを吸着槽１９Ａもしくは１９Ｂに規定量還流させる。規定量還流させる方法として、取出弁３８の口径により還流量を制御してもよいし、取出弁を開とする時間を制御部９０により変化させることで制御してもよい。

吸着、還流工程、取り出し工程が終了した後に、上均圧弁３６と下均圧弁２６を開とし、一対の吸着槽１９を均圧させる。この均圧工程後、再び吸着、還流工程に切替わると同時に窒素槽４１内の窒素ガスを吐出口４２より吐出開始する。

ここで、従来は、本実施例における予備運転を行っていなかったため、運転開始時において、窒素槽４１の濃度または圧力を確保することができなかった。そのため、図４−２に示すように運転開始時に窒素槽４１と吸着槽１９の間の取出弁３６を閉とし、空気供給ユニット２からの供給空気のみで吸着工程を行うことで、運転開始時の窒素槽４１内の窒素ガスの濃度または圧力の低下を防止していた。一方、本実施例では、予備運転により貯留した窒素槽４１内の高純度の窒素ガスを吸着槽１９に還流させることで、運転開始時の吸着槽１９における窒素ガスの圧力および濃度を上昇させ、吸着槽１９の吸着効率を短時間で高めることができる。これにより運転開始時に生成される窒素ガスの濃度および圧力の低下を防止することができ、上記の空気供給ユニット２からの供給空気のみでの吸着工程が不要となるため、窒素ガス取り出しまでの時間を短縮することができ、省エネが可能である。

本実施例では、１回の吸着、還流工程、取り出し工程後に窒素ガスの取り出しを開始しているが、複数回工程を経た後に窒素ガスの取り出しを開始してもよい。

本実施例によれば、予備運転を行うことにより、運転開始時に窒素槽４１の窒素ガスの濃度と圧力の低下を防止することができ、窒素槽４１の窒素ガスを吸着槽１９に還流させて運転開始時に吸着槽１９で生成される窒素ガスの濃度および圧力の低下を防止することができる。これにより、窒素ガスをすぐに使用したいという顧客のニーズにこたえることができ、なおかつ省エネ効果を得ることができる気体分離装置を提供することができる。

これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１・・・ＰＳＡ式ガス分離装置
２・・・空気供給ユニット
３・・・ＰＳＡユニット
４・・・圧縮機
５・・・空気槽
６・・・エアードライヤー
７・・・ドレンフィルタ
１９・・・吸着槽
４１・・・窒素層
４４・・・フィルタレギュレータ
５２・・・サイレンサ
５６・・・酸素センサ
６０・・・制御部

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、
前記吸着槽により生成された製品ガスを貯留する貯留タンクと、
前記吸着槽における製品ガスの生成を制御する制御部とを備え、
前記制御部は製品ガスの使用停止後、使用停止前に製品ガスの吐出口から吐出していた製品ガスの流量よりも少ない流量の製品ガスを吐出しながら、製品ガスを前記吸着槽から前記貯留タンクへ供給する予備運転を行うことを特徴とする気体分離装置。
前記制御部は、前記貯留タンク内の製品ガス濃度が規定値に達するまで予備運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
前記制御部は、製品ガスの使用停止後、規定時間予備運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
前記制御部は、運転開始時に、予備運転により貯留タンクに貯留された製品ガスを前記吸着槽に還流させることを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
前記制御部は、予備運転により貯留タンクに貯留された製品ガスを前記吸着槽に規定量還流させ後に製品ガスの使用を開始することを特徴とする請求項４に記載の気体分離装置。