JP2015009201A - 圧力スイング吸着装置とその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最終的に必要とする製品ガスの濃度が比較的低い場合に、その製品ガスの取得量を大幅に向上させることのできる圧力スイング吸着装置とその使用方法の提供。【解決手段】吸着剤が収納された吸着槽１に原料ガスを導入し、吸着ガスを吸着剤に吸着させて製品ガスを吸着槽１から製品ガス供給配管８を介して取り出す吸着工程と、吸着工程終了後、吸着槽１内に残存する回収ガスを回収槽３に回収する回収工程と、回収工程終了後、吸着剤に吸着された吸着ガスを脱着して吸着槽１から排出する脱着工程と、脱着工程終了後、回収槽３内の回収ガスを吸着槽１に供給して吸着槽１内を昇圧する昇圧工程とを繰り返し実行して製品ガスを製造するもので、回収槽３と製品ガス供給配管８とを接続する回収ガス供給配管１１が設けられ、回収槽３内の回収ガスを吸着槽１からの製品ガスに混合して取り出す圧力スイング吸着装置とその使用方法。【選択図】図１

Description

本発明は、吸着剤が収納された吸着槽に吸着ガス（吸着剤に吸着されるガスをこう呼ぶ）と製品ガスとを含む原料ガスを導入し、当該吸着ガスを前記吸着剤に吸着させて当該製品ガスを前記吸着槽から製品ガス供給配管を介して取り出す吸着工程と、当該吸着工程終了後、前記吸着槽内に残存する製品ガスを含む回収ガスを回収槽に回収する回収工程と、当該回収工程終了後、前記吸着剤に吸着された吸着ガスを脱着して前記吸着槽から排出する脱着工程と、当該脱着工程終了後、前記回収槽内の回収ガスを前記吸着槽に供給して当該吸着槽内を昇圧する昇圧工程とを繰り返し実行して原料ガスから製品ガスを製造する圧力スイング吸着装置とその使用方法に関する。

上述したような圧力スイング吸着装置（通常「ＰＳＡ装置」とも称される）、つまり、吸着槽と回収槽などを備え、吸着工程、回収工程、脱着工程、および、昇圧工程を繰り返し実行して、例えば、大気中の空気から高濃度（純度９０％前後）の酸素を製造する圧力スイング吸着装置は知られている（例えば、特許文献１参照）。
更に、このような圧力スイング吸着装置を使用して高濃度の酸素を製造し、製造した高濃度の酸素を２４〜２８％程度にまで空気で希釈して酸素富化空気とした後、その酸素富化空気をガス燃焼用空気として使用するストーカ式ごみ焼却炉も知られている（例えば、特許文献２参照）。
このように、圧力スイング吸着装置により高濃度の酸素を製造し、その後、空気で希釈して使用するのは、装置そのものは小さく、動力も低下でき、その方が効率的であるという理由による（例えば、非特許文献１参照）。

ＷＯ２００４／００７０５６号公報 特開２００２−２６７１３２号公報

広岡永治、外１名、「ゼオライトによる省エネルギー型ＰＳＡ酸素製造装置」、セラミックス、日本セラミックス協会、１９８５年３月、第２０巻、第３号、ｐ．１７５−１８２（特に、ｐ．１８１の右欄参照）

ところで、上記特許文献１に記載の装置を含んで、従来の圧力スイング吸着装置では、吸着工程の実行により吸着槽から直接取り出された高濃度の酸素のみを製品ガス供給配管から取り出す構成とされていた。
そのため、回収工程開始時に回収槽内の圧力が比較的高くなり、吸着槽内と回収槽内との圧力差によって、吸着槽内に残存する高濃度の酸素を含む回収ガスを回収槽に回収する回収工程において、回収ガスを十分に回収することができず、その後の脱着工程時に、高濃度の酸素を含む比較的多量の回収ガスを装置外へ排出する結果を招いていた。

この点に関し、より具体的に説明するため、従来の圧力スイング吸着装置の各工程における吸着槽１と回収槽３内の圧力などを示した図５を参照して説明する。
この図５に示す従来の圧力スイング吸着装置おいては、後述する本発明に係る図１、２の第１実施形態と図３、４の第２実施形態との対応を図るため、（Ａ）〜（Ｅ）に示す各工程において、第１〜第４制御弁Ｖ１〜Ｖ４に関しては、開弁状態にあるものを白抜きで、閉弁状態にあるものを黒塗りで示し、各配管４、７、８、１０に関しては、ガスが通流しているものを太線と矢印で示し、ガスが通流していないものを細線で示してある。
また、吸着槽１、製品槽２、および、回収槽３は、第１と第２実施形態と同様、その容積をそれぞれ０．２５ｍ³、と想定し、原料ガス槽６に関しては、第２実施形態と同様、０．５ｍ³と想定しており、図中に記載の流量（ｍ³Ｎ／ｈ）と圧力（ＭＰａ）は、気温とガス温度が０℃のときの流量と絶対圧力を示す。
その他、後述する図１、２の第１実施形態および図３，４の第２実施形態と同じ構成については、重複を避けるために同じ符号を付すことで説明を省略する。

図５の（Ａ）に示す吸着工程では、第１と第３制御弁Ｖ１、Ｖ３が開弁し、第２と第４制御弁Ｖ２、Ｖ４が閉弁して、コンプレッサ５の駆動により原料ガス供給配管４を通って、例えば、流量１００ｍ³Ｎ／ｈの大気中の空気が、絶対圧力０．７９ＭＰａで吸着槽１に導入される場合、第２製品ガス供給配管８ｂから流量７．５ｍ³Ｎ／ｈの濃度８７％の酸素が取り出される。当該吸着工程は、３０秒間実行され、吸着工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．５６ＭＰａ、回収槽３内の到達圧力が０．２５ＭＰａ程度となる。
図５の（Ｂ）に示す回収工程では、第４制御弁Ｖ４が開弁し、第１〜第３制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が閉弁して、吸着槽１内と回収槽３内の圧力差により、吸着槽１内に残存する高濃度の酸素を含む回収ガスが、回収ガス用配管１０を通って回収槽３に回収されるのであるが、回収工程開始時（吸着工程終了時）、回収槽３内の圧力は０．２５ＭＰａで、後述する本発明の第１と第２実施形態に比べて比較的高くなる。

そのため、回収工程において、回収ガスを十分に回収することができず、図５の（Ｃ）に示す脱着工程時に、高濃度の酸素を含む比較的多量の回収ガスを装置外へ排出する結果を招いていた。
すなわち、最終的に８７％程度の高濃度の酸素を必要とせず、例えば、上記特許文献２に記載のストーカ式ごみ焼却炉のように、高濃度の酸素を製造した後、その高濃度の酸素を空気で希釈して酸素富化空気として使用するような場合、回収工程において、回収ガスを十分に回収することができず、脱着工程時に、高濃度の酸素を含む比較的多量の回収ガスを装置外へ排出して、その結果、必要とする酸素の取得量が低下するという問題があった。

なお、当該回収工程は、１０秒間実行され、回収工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．４１ＭＰａ程度、回収槽３内の到達圧力が０．４０ＭＰａ程度となる。
その他、詳しい説明は省略するが、図５の（Ｃ）に示す脱着工程は、５秒間実行されて、吸着槽１内の到達圧力が０．１０ＭＰａ程度となり、図５の（Ｄ）に示す洗浄工程は、１秒間実行されて、吸着槽１内の到達圧力が０．１０ＭＰａ程度、図５の（Ｅ）に示す昇圧工程は、１０秒間実行されて、回収槽３内の到達圧力が０．２５ＭＰａ程度となる。

本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、最終的に必要とする製品ガスの濃度が比較的低い場合において、その製品ガスの取得量を大幅に向上させることのできる圧力スイング吸着装置とその使用方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による圧力スイング吸着装置は、吸着剤が収納された吸着槽に吸着ガスと製品ガスとを含む原料ガスを導入し、当該吸着ガスを前記吸着剤に吸着させて当該製品ガスを前記吸着槽から製品ガス供給配管を介して取り出す吸着工程と、当該吸着工程終了後、前記吸着槽内に残存する製品ガスを含む回収ガスを回収槽に回収する回収工程と、当該回収工程終了後、前記吸着剤に吸着された吸着ガスを脱着して前記吸着槽から排出する脱着工程と、当該脱着工程終了後、前記回収槽内の回収ガスを前記吸着槽に供給して当該吸着槽内を昇圧する昇圧工程とを繰り返し実行して原料ガスから製品ガスを製造する圧力スイング吸着装置であって、
その特徴構成は、前記回収槽と前記製品ガス供給配管とを接続する回収ガス供給配管が設けられ、当該回収ガス供給配管を介して前記回収槽内の回収ガスを前記吸着槽からの製品ガスに混合して取り出す点にある。

上記特徴構成によれば、回収槽と製品ガス供給配管とを接続する回収ガス供給配管が設けられ、当該回収ガス供給配管を介して回収槽内の回収ガスを吸着槽からの製品ガスに混合して取り出すので、最終的に取り出す製品ガスの濃度は多少低下するものの、回収槽から取り出して製品ガスに混合した回収ガスの量に見合った分だけ、回収槽内の圧力は低くなる。
したがって、吸着槽内と回収槽内との圧力差により吸着槽内に残存する回収ガスを回収する回収工程において、比較的多量の回収ガスを回収槽に回収して、その後の脱着工程時に、装置外へ排出する回収ガスの量を抑制し、その結果、製品ガスの取得量を大幅に向上させることができる。

この点に関してより具体的に、図５に示す従来の圧力スイング吸着装置と図１、２に示す本発明の第１実施形態による圧力スイング吸着装置を例にとって、その酸素富化空気の取得量を比較してみる。
図５の従来装置では、図５の（Ａ）に記載のように、濃度８７％の酸素が７．５ｍ³Ｎ／ｈ製造されるので、例えば、最終的に濃度２７％の酸素富化空気として使用する場合、７．５ｍ³Ｎ／ｈ（酸素濃度８７％）＋７５ｍ³Ｎ／ｈ（希釈空気）＝８２．５ｍ³Ｎ／ｈ（酸素濃度２７％）となる。
それに対し、図１、２の本発明装置では、図１の（Ａ）に記載のように、濃度８５％の酸素が１１．８ｍ³Ｎ／ｈ製造されるので、１１．８ｍ³Ｎ／ｈ（酸素濃度８５％）＋１１４．１ｍ³Ｎ／ｈ（希釈空気）＝１２５．９ｍ³Ｎ／ｈ（酸素濃度２７％）となる。
したがって、濃度２７％の酸素富化空気の取得量の比は、１２５．９／８２．５で、本発明装置によれば、従来の装置の約１．５倍となる。
また、電力使用量に関しては、両装置は同じであり、本発明装置では多量の希釈空気を必要とするため、その希釈空気の供給分だけ多くはなるが、低圧の希釈空気を供給するだけなので少量の電力で済み、電力使用量も約１．５分の１に低減することになる。

本発明による圧力スイング吸着装置の更なる特徴構成は、前記製品ガス供給配管に圧力調整弁が設けられ、当該圧力調整弁より下流側の前記製品ガス供給管に前記回収ガス供給配管が接続されている点にある。

上記特徴構成によれば、製品ガス供給配管に圧力調整弁が設けられているので、吸着槽から取り出される製品ガスの圧力を安定させることができる。
そして、当該圧力調整弁より下流側の製品ガス供給管に回収ガス供給配管が接続されているので、圧力調整弁により製品ガス供給管内を通流する製品ガスの圧力を制御することによって、当該製品ガスに対して回収槽からの回収ガスを確実に混合することができる。

本発明による圧力スイング吸着装置の更なる特徴構成は、前記回収ガス供給配管に流量制御弁が設けられている点にある。

上記特徴構成によれば、回収ガス供給配管に設けられた流量制御弁より回収槽からの回収ガスの量を制御して、製品ガスに対する回収ガスの混合比を所望どおりに維持することができる。

本発明による圧力スイング吸着装置の更なる特徴構成は、前記吸着槽から取り出した製品ガスを収容する製品槽が、当該吸着槽と前記製品ガス供給配管との間に介在されている点にある。

上記特徴構成によれば、吸着槽から取り出した製品ガスを製品槽に収容することができるので、製品ガスを安定的に供給することができる。

本発明による圧力スイング吸着装置の更なる特徴構成は、前記原料ガスが空気、前記吸着ガスが窒素、前記製品ガスが高濃度酸素である点にある。

上記特徴構成によれば、大気中の空気を原料ガスとして高濃度の酸素を製造し、例えば、ストーカ式ごみ焼却炉などに酸素富化空気を供給することが可能となる。

本発明による圧力スイング吸着装置の使用方法の特徴構成は、前記吸着工程、回収工程、脱着工程、昇圧工程の全工程において、前記圧力調整弁により大気圧に調整された製品ガス供給配管に前記流量制御弁により流量制御された回収ガスを供給して使用する点にある。

上記特徴構成によれば、吸着工程、回収工程、脱着工程、昇圧工程の全工程において、所望の濃度に維持されたガスを連続して安定的に供給することができる。

本発明による圧力スイング吸着装置の使用方法の特徴構成は、前記回収ガス供給配管を介して供給される前記回収槽内の回収ガスのみを前記製品ガス供給配管から取り出して使用する点にある。

上記特徴構成によれば、回収槽内の回収ガスのみを取り出して使用することにより、回収槽内の圧力を一層低下させて、装置外に排出される回収ガスの量を更に減少させることができる。

第１実施形態による圧力スイング吸着装置の概略構成図 第１実施形態による圧力スイング吸着装置の概略構成図 第２実施形態による圧力スイング吸着装置の概略構成図 第２実施形態による圧力スイング吸着装置の概略構成図 従来の圧力スイング吸着装置の概略構成図

本発明に係る圧力スイング吸着装置は、例えば、大気中の空気から高濃度の酸素を製造するために使用されるもので、当該圧力スイング吸着装置とその使用方法につき、第１と第２実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による圧力スイング吸着装置は、大気中の空気から高濃度の酸素を製造するもので、図１、２に示すように、吸着槽１を１槽のみ備え、製品槽２と回収槽３も１槽ずつ備えている。吸着槽１は、原料ガスとしての空気から吸着ガスとしての窒素（Ｎ₂）を吸着して、製品ガスとしての高濃度の酸素（Ｏ₂）を製造するもので、吸着槽１内には、空気中の窒素を吸着する窒素吸着剤として、例えば、ＬｉＬＳＸ型ゼオライトが収納され、当該窒素吸着剤の下方には、窒素吸着剤に対する水分の悪影響（吸着性能の低下）を防止するために水分吸着剤としてのシリカゲルが収納されている。
吸着槽１の入口側には、吸着槽１に原料ガスである空気を供給する原料ガス供給配管４が接続され、原料ガス供給配管４には、原料ガスである空気を加圧するためのコンプレッサ５が接続されている。

当該原料ガス供給配管４において、コンプレッサ５より吸着槽１側には、第１制御弁Ｖ１が設けられ、第１制御弁Ｖ１とコンプレッサ５との間には、コンプレッサ５により加圧された空気を一時的に収納しておく原料ガス槽６が接続されている。
吸着槽１の入口側には、更に、第１制御弁Ｖ１より吸着槽１側の原料ガス供給配管４の一部を共用する状態で、洗浄ガス排出配管７が接続され、当該洗浄ガス排出配管７に第２制御弁Ｖ２が設けられている。
吸着槽１の出口側には、製品ガス供給配管８を構成する第１製品ガス供給配管８ａが接続され、第１製品ガス供給配管８ａが、製品槽２に接続されるとともに、製品槽２に製品ガス供給配管８を構成する第２製品ガス供給配管８ｂが接続されている。

すなわち、製品槽２は、製品ガス供給配管８の中間に介在された状態で設けられ、当該製品ガス供給配管８を構成する第１製品ガス供給配管８ａに第３制御弁Ｖ３が、第２製品ガス供給配管８ｂに圧力調整弁９が、それぞれ設けられている。
吸着槽１の出口側には、更に、第３制御弁Ｖ３より吸着槽１側の第１製品ガス供給配管８ａの一部を共用する状態で、回収ガス用配管１０が接続され、当該回収ガス用配管１０が回収槽３に接続されて、回収ガス用配管１０に第４制御弁Ｖ４が設けられている。
回収槽３には、第４制御弁Ｖ４より回収槽３側の回収ガス用配管１０の一部を共用する状態で、回収ガス供給配管１１が接続され、当該回収ガス供給配管１１が、圧力調整弁９より下流側の製品ガス供給配管８に接続されて、回収槽３内の回収ガスを製品ガス供給配管８内を通流する高濃度の酸素に混合して取り出すように構成され、当該回収ガス供給配管１１には流量制御弁１２が設けられている。

つぎに、第１実施形態による圧力スイング吸着装置の使用方法について説明する。
なお、図１、２の（Ａ）〜（Ｆ）に示す各工程において、第１〜第４制御弁Ｖ１〜Ｖ４に関しては、開弁状態にあるものを白抜きで、閉弁状態にあるものを黒塗りで示し、各配管４、７、８、１０、１１に関しては、ガスが通流しているものを太線と矢印で示し、ガスが通流していないものを細線で示してある。
また、吸着槽１、製品槽２、および、回収槽３は、一例として、その容積をそれぞれ０．２５ｍ³、原料ガス槽６を０．５ｍ³と想定し、図中に記載の流量（ｍ³Ｎ／ｈ）と圧力（ＭＰａ）は、気温とガス温度が０℃のときの流量と絶対圧力を示す。

図１の（Ａ）に示す吸着工程では、第１と第３制御弁Ｖ１、Ｖ３が開弁し、第２と第４制御弁Ｖ２、Ｖ４が閉弁して、コンプレッサ５の駆動により原料ガス供給配管４を通って、流量１００ｍ³Ｎ／ｈの大気中の空気が、絶対圧力０．７９ＭＰａで吸着槽１に導入される。吸着槽１内において、空気中に含まれる吸着ガスとしての窒素が吸着剤に吸着され、製品ガスとしての濃度８７％程度の高濃度の酸素が、吸着槽１から取り出され、第１製品ガス供給配管８ａを通って製品槽２に収容されるとともに、圧力調整弁９により０．１２ＭＰａに圧力調整されて、４．３ｍ³Ｎ／ｈ程度が第２製品ガス供給配管８ｂを通って取り出される。
同時に、回収槽３内に収容されている高濃度の酸素を含む回収ガスが、流量制御弁１２により７．５ｍ³Ｎ／ｈ程度に流量制御されて回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、その結果、吸着槽１からの高濃度の酸素に混合されて、第２製品ガス供給配管８ｂから流量１１．８ｍ³Ｎ／ｈの濃度８５％の酸素が取り出される。
当該吸着工程は、３０秒間実行され、吸着工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．５６ＭＰａ、回収槽３内の到達圧力が０．２１ＭＰａ程度となる。

図１の（Ｂ）に示す回収工程では、第４制御弁Ｖ４が開弁し、第１〜第３制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が閉弁して、吸着槽１内と回収槽３内の圧力差により、吸着槽１内に残存する高濃度の酸素を含む回収ガスが、回収ガス用配管１０を通って回収槽３に回収されると同時に、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給される。
当該回収工程中においても、圧力調整弁９により０．１２ＭＰａに圧力調整された４．３ｍ³Ｎ／ｈ程度の高濃度の酸素が製品槽２から取り出されており、その結果、吸着工程時と同様、第２製品ガス供給配管８ｂから流量１１．８ｍ³Ｎ／ｈの濃度８５％の酸素が取り出される。
当該回収工程は、１０秒間実行され、その間、コンプレッサ５は駆動したままで、コンプレッサ５により加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、回収工程終了時には、吸着槽１と回収槽３内の到達圧力が０．３８ＭＰａ程度となり、従来装置（図５）より低減できるので次工程の脱着工程で排出される回収ガスを低減でき、製品ガスの取得量を向上できる。

図１の（Ｃ）に示す脱着工程では、第２制御弁Ｖ２が開弁し、第１、第３、第４制御弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４が閉弁して、吸着槽１内と大気圧との圧力差により、吸着槽１内に残存する回収ガスが、洗浄ガス排出配管７を通って排出され、それに伴って、吸着剤に吸着された窒素が脱着して洗浄ガス排出配管７から排出される。
当該脱着工程中においても、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、製品槽２からの高濃度の酸素と混合されて、吸着工程や回収工程時と同様、第２製品ガス供給配管８ｂから流量１１．８ｍ³Ｎ／ｈの濃度８５％の酸素が取り出される。
当該脱着工程は、５秒間実行され、その間、コンプレッサ５は駆動したままで、加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、脱着工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．１０ＭＰａ程度となる。

図１の（Ｄ）に示す洗浄工程では、第２と第３制御弁Ｖ２、Ｖ３が開弁し、第１と第４制御弁Ｖ１、Ｖ４が閉弁して、製品槽２内と吸着槽１内の圧力差により、製品槽２内の高濃度の酸素が、第１製品ガス供給配管８ａを通って吸着槽１内に流入し、吸着剤から脱着した窒素と一緒に洗浄ガス排出配管７から排出される。
当該洗浄工程中においても、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、製品槽２からの高濃度の酸素と混合されて、吸着工程、回収工程、および、脱着工程時と同様、第２製品ガス供給配管８ｂから流量１１．８ｍ³Ｎ／ｈの濃度８５％の酸素が取り出される。
当該洗浄工程は、１秒間実行され、その間、コンプレッサ５は駆動したままで、加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、洗浄工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．１０ＭＰａ程度となる。

図２の（Ｅ）に示す第１昇圧工程では、第４制御弁Ｖ４が開弁し、第１〜第３制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が閉弁して、回収槽３内と吸着槽１内の圧力差により、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス用配管１０を通って吸着槽１内に流入し、吸着槽１内が昇圧される。
当該第１昇圧工程中においても、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、製品槽２からの高濃度の酸素と混合されて、吸着工程、回収工程、脱着工程、および、洗浄工程時と同様、第２製品ガス供給配管８ｂから流量１１．８ｍ³Ｎ／ｈの濃度８５％の酸素が取り出される。
当該第１昇圧工程は、１０秒間実行され、その間、コンプレッサ５は駆動したままで、加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、昇圧工程終了時には、吸着槽１と回収槽３内の到達圧力が０．２３ＭＰａ程度となる。引続いて、第２昇圧工程を実行する。
図２の（Ｆ）に示す第２昇圧工程では、第３制御弁Ｖ３が開弁し、第１、第２及び第４制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４が閉弁して、製品槽２内と吸着槽１内の圧力差により、製品槽２内の製品ガスが、製品ガス用配管８を通って吸着槽１内に流入し、吸着槽１内がさらに昇圧される。当該第２昇圧工程中においても、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、製品槽２からの高濃度の酸素と混合されて、吸着工程、回収工程、脱着工程、および、洗浄工程時と同様、第２製品ガス供給配管８ｂから流量１１．８ｍ³Ｎ／ｈの濃度８５％の酸素が取り出される。
当該第２昇圧工程は、２秒間実行され、その間、コンプレッサ５は駆動したままで、加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、第２昇圧工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．３３ＭＰａ程度となる。この第２昇圧工程を行った場合でも、回収槽３内の圧力は、第１昇圧工程で到達した０．２３ＭＰａ程度であるため、後続の工程において回収槽３への回収ガスを従来より多く回収できる。

上述したように、第１実施形態による圧力スイング吸着装置によれば、図１の（Ａ）に示した吸着工程、（Ｂ）に示した回収工程、（Ｃ）に示した脱着工程、（Ｄ）に示した洗浄工程、および、図２の（Ｅ）（Ｆ）に示した第１，第２昇圧工程を繰り返し実行して、原料ガスである空気から製品ガスである高濃度の酸素を製造するのである。
そして、吸着工程〜昇圧工程までの全工程において、圧力調整弁９により０．１２ＭＰａに調整された製品ガス供給配管８に流量制御弁１２により流量制御された回収槽３内の回収ガスを供給して使用するのである。
この第１実施形態においては、昇圧工程として、第２昇圧工程を行なうことなく、昇圧工程を第１昇圧工程のみとしてもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態による圧力スイング吸着装置も、大気中の空気から高濃度の酸素を製造するもので、図３，４に示すような構成であって、第１実施形態による圧力スイング吸着装置と同様、回収槽３と製品ガス供給配管８とを接続する回収ガス供給配管１１が設けられている。しかし、当該回収ガス供給配管１１に対して、第１実施形態では流量制御弁１２が設けられていたが、第２実施形態では流量制御弁１２が設けられておらず、この点が第１実施形態と異なる点である。
その他の構成は、図１，２に示した第１実施形態と同じ構成であるため、第１実施形態と同じ符号を付すことで説明を省略する。

つぎに、第２実施形態による圧力スイング吸着装置の使用方法について説明する。
第２実施形態では、吸着槽１、製品槽２、および、回収槽３は、第１実施形態と同様、その容積をそれぞれ０．２５ｍ³と想定し、原料ガス槽６に関しては０．５ｍ³と想定している。
また、図中に記載の流量（ｍ³Ｎ／ｈ）と圧力（ＭＰａ）は、第１実施形態と同様、気温とガス温度が０℃のときの流量と絶対圧力を示し、その他、図中の記載は第１実施形態の図１と同じである。

図３の（Ａ）に示す吸着工程では、第１と第３制御弁Ｖ１、Ｖ３が開弁し、第２と第４制御弁Ｖ２、Ｖ４が閉弁して、コンプレッサ５の駆動により原料ガス供給配管４を通って、流量１００ｍ³Ｎ／ｈの大気中の空気が、絶対圧力０．７９ＭＰａで吸着槽１に導入される。吸着槽１内において、窒素が吸着剤に吸着され、濃度８７％程度の高濃度の酸素が、吸着槽１から取り出され、第１製品ガス供給配管８ａを通って製品槽２に収容される。
第１実施形態と同様に、製品槽２内の酸素を第２製品ガス供給配管８ｂから取り出し、その高濃度の酸素に対して、回収槽３内の回収ガスを回収ガス供給配管１１を通して供給し混合することも可能であるが、当該第２実施形態では、圧力調整弁９により製品槽２からの高濃度の酸素の通流を絶って、回収ガス供給配管１１を介して供給される回収槽３内の回収ガスのみを製品ガス供給配管８から取り出して使用する。その取り出されるガスは、流量２２ｍ³Ｎ／ｈの濃度８１％の酸素が取り出される。
当該吸着工程は、３０秒間実行され、吸着工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．５６ＭＰａ、回収槽３内の到達圧力が０．１２ＭＰａ程度となる。

図３の（Ｂ）に示す回収工程では、第４制御弁Ｖ４が開弁し、第１〜第３制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が閉弁して、吸着槽１内と回収槽３内の圧力差により、吸着槽１内の回収ガスが、回収ガス用配管１０を通って回収槽３に回収されると同時に、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給される。
当該回収工程では、圧力調整弁９により０．１２ＭＰａに圧力調整された高濃度の酸素が第２製品ガス供給配管８ｂを通して製品槽２から取り出され、その高濃度の酸素に回収ガスが混合されて取り出される。
当該回収工程は、１０秒間実行され、コンプレッサ５により加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、回収工程終了時には、吸着槽１と回収槽３内の到達圧力が０．３３ＭＰａ程度となり、第1実施形態（図1）よりさらに低減できるので次工程の脱着工程で排出される回収ガスをさらに低減でき、製品ガスの取得量を向上できる。

図３の（Ｃ）に示す脱着工程では、第２制御弁Ｖ２が開弁し、第１、第３、第４制御弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４が閉弁して、吸着槽１内と大気圧との圧力差により、吸着槽１内の回収ガスが、洗浄ガス排出配管７を通って排出され、それに伴って、窒素が脱着して洗浄ガス排出配管７から排出される。
当該脱着工程中においても、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、製品槽２からの高濃度の酸素と混合されて取り出される。
当該脱着工程は、５秒間実行され、コンプレッサ５で加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、脱着工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．１０ＭＰａ程度となる。

図３の（Ｄ）に示す洗浄工程では、第２と第３制御弁Ｖ２、Ｖ３が開弁し、第１と第４制御弁Ｖ１、Ｖ４が閉弁して、製品槽２内と吸着槽１内の圧力差により、製品槽２内の高濃度の酸素が、第１製品ガス供給配管８ａを通って吸着槽１内に流入し、吸着剤から脱着した窒素と一緒に洗浄ガス排出配管７から排出される。
当該洗浄工程中においても、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、製品槽２からの高濃度の酸素と混合されて取り出される。
当該洗浄工程は、１秒間実行され、コンプレッサ５で加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、洗浄工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．１０ＭＰａ程度となる。

図４の（Ｅ）に示す第１昇圧工程では、第４制御弁Ｖ４が開弁し、第１〜第３制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が閉弁して、回収槽３内と吸着槽１内の圧力差により、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス用配管１０を通って吸着槽１内に流入し、吸着槽１内が昇圧される。
当該第１昇圧工程中においても、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、製品槽２からの高濃度の酸素と混合されて取り出される。
当該第１昇圧工程は、１０秒間実行され、コンプレッサ５で加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、昇圧工程終了時には、吸着槽１と回収槽３内の到達圧力が０．２０ＭＰａ程度となる。引続いて、第２昇圧工程を実行する。
図４の（Ｆ）に示す第２昇圧工程では、第３制御弁Ｖ３が開弁し、第１、第２及び第４制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４が閉弁して、製品槽２内と吸着槽１内の圧力差により、製品槽２内の製品ガスが、製品ガス用配管８を通って吸着槽１内に流入し、吸着槽１内がさらに昇圧される。当該第２昇圧工程中においても、回収槽３内の回収ガスが、回収ガス供給配管１１を通って第２製品ガス供給配管８ｂに供給され、吸着工程、回収工程、脱着工程、および、洗浄工程時と同様、第２製品ガス供給配管８ｂから流量２２ｍ³Ｎ／ｈの濃度８１％の酸素が取り出される。
当該第２昇圧工程は、２秒間実行され、その間、コンプレッサ５は駆動したままで、加圧された空気は原料ガス槽６に収納され、第２昇圧工程終了時には、吸着槽１内の到達圧力が０．３０ＭＰａ程度となる。この第２昇圧工程を行った場合でも、回収槽３内の圧力は、第１昇圧工程で到達した０．２０ＭＰａ程度であるため、後続の工程において回収槽３への回収ガスを従来より多く回収できる。

上述したように、第２実施形態による圧力スイング吸着装置においても、図３の（Ａ）に示した吸着工程、（Ｂ）に示した回収工程、（Ｃ）に示した脱着工程、（Ｄ）に示した洗浄工程、および、図４の（Ｅ）（Ｆ）に示した第１，第２昇圧工程を繰り返し実行して、原料ガスである空気から製品ガスである高濃度の酸素を製造するのである。
そして、特に、吸着工程においては、回収ガス供給配管１１を介して供給される回収槽３内の回収ガスのみを製品ガス供給配管８から取り出して使用することが可能となる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、脱着工程終了後、洗浄工程を実行し、その後、昇圧工程を実行するように構成した例を示したが、脱着工程の実行によって吸着剤から脱着した窒素を排出することが可能であるから、必ずしも洗浄工程を実行する必要はなく、脱着工程終了後、直ちに昇圧工程を実行するように構成することも可能である。
また、吸着槽１を１槽のみ備えた単槽式の圧力スイング吸着装置を示したが、吸着槽１を複数槽備えた複槽式の圧力スイング吸着装置にも適用可能であり、更に、製品ガス供給配管８の中間に製品槽２を介在させた構成を示したが、製品槽２は必ずしも必要ではなく、製品槽２を設けることなく実施することもできる。

（２）上記実施形態では、圧力スイング吸着装置の一例として、大気中の空気から高濃度の酸素を製造する酸素製造用の圧力スイング吸着装置を示したが、例えば、吸着槽１に酸素吸着剤を収納し、大気中の空気から高濃度の窒素を製造する窒素製造用、吸着槽１に二酸化炭素吸着剤を収納し、バイオガスから高濃度のメタンを製造するメタン製造用、あるいは、吸着槽１に水分吸着剤を収納し、各種の乾燥ガスを製造する乾燥ガス製造用など、各種の圧力スイング吸着装置に適用することができる。

１ 吸着槽
２ 製品槽
３ 回収槽
８ 製品ガス供給配管
９ 圧力調整弁
１１ 回収ガス供給配管
１２ 流量制御弁

Claims (7)

1. 吸着剤が収納された吸着槽に吸着ガスと製品ガスとを含む原料ガスを導入し、当該吸着ガスを前記吸着剤に吸着させて当該製品ガスを前記吸着槽から製品ガス供給配管を介して取り出す吸着工程と、当該吸着工程終了後、前記吸着槽内に残存する製品ガスを含む回収ガスを回収槽に回収する回収工程と、当該回収工程終了後、前記吸着剤に吸着された吸着ガスを脱着して前記吸着槽から排出する脱着工程と、当該脱着工程終了後、前記回収槽内の回収ガスを前記吸着槽に供給して当該吸着槽内を昇圧する昇圧工程とを繰り返し実行して原料ガスから製品ガスを製造する圧力スイング吸着装置であって、
   前記回収槽と前記製品ガス供給配管とを接続する回収ガス供給配管が設けられ、当該回収ガス供給配管を介して前記回収槽内の回収ガスを前記吸着槽からの製品ガスに混合して取り出す圧力スイング吸着装置。
2. 前記製品ガス供給配管に圧力調整弁が設けられ、当該圧力調整弁より下流側の前記製品ガス供給管に前記回収ガス供給配管が接続されている請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
3. 前記回収ガス供給配管に流量制御弁が設けられている請求項２に記載の圧力スイング吸着装置。
4. 前記吸着槽から取り出した製品ガスを収容する製品槽が、当該吸着槽と前記製品ガス供給配管との間に介在されている請求項３に記載の圧力スイング吸着装置。
5. 前記原料ガスが空気、前記吸着ガスが窒素、前記製品ガスが高濃度酸素である請求項３または４に記載の圧力スイング吸着装置。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着装置の使用方法であって、
   前記吸着工程、回収工程、脱着工程、昇圧工程の全工程において、前記圧力調整弁により大気圧に調整された製品ガス供給配管に前記流量制御弁により流量制御された回収ガスを供給して使用する圧力スイング吸着装置の使用方法。
7. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着装置の使用方法であって、
   前記回収ガス供給配管を介して供給される前記回収槽内の回収ガスのみを前記製品ガス供給配管から取り出して使用する圧力スイング吸着装置の使用方法。

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