JP2018043186A - Gas separation equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は気体分離装置に関する。 The present invention relates to a gas separation device.
本技術分野の背景として、特許文献1がある。特許文献1には、吸着槽23, 24が均圧工程のとき排気弁15を閉弁させてコンプレッサ13をアンロード運転させる気体分離装置が記載されている。
There exists
特許文献1によれば吸着工程時にコンプレッサからの圧縮空気の供給を連続して受けることができるが、均圧工程時にコンプレッサにより作られた圧縮空気を排気してしまうため、その分コンプレッサの運転に必要な電力を無駄に消費してしまう。また、排気を行うための機構も必要となる。
According to
本発明では均圧工程時に圧縮空気を排気することなく、無駄な電力消費を抑制した気体分離装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a gas separation device that suppresses wasteful power consumption without exhausting compressed air during the pressure equalization step.
上記課題を解決するため、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気を貯留する空気槽と、前記空気槽の圧力を検出する圧力検出手段と、内部に吸着剤が充填され、前記空気槽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分離する複数の吸着槽と、前記圧縮機本体の運転・停止と前記吸着槽における気体分離工程を制御する制御部とを備え、前記制御部は、複数の前記吸着槽を連通させる均圧工程時に前記圧縮機が通常運転を維持するように前記圧縮機を制御することを特徴とする気体分離装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a compressor for compressing air, an air tank for storing compressed air, a pressure detection means for detecting the pressure of the air tank, and an adsorbent inside. A plurality of adsorption tanks for separating one gas from the compressed air supplied from the air tank and separating the other gas as a product gas; operation and stop of the compressor body; and a gas separation step in the adsorption tank And a control unit that controls the compressor so that the compressor maintains normal operation during a pressure equalization step that allows the plurality of adsorption tanks to communicate with each other. Providing the device.
本発明によれば、均圧工程時に圧縮空気を排気することなく、無駄な電力消費を抑制した気体分離装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas separation apparatus which suppressed wasteful power consumption can be provided, without exhausting compressed air at the time of a pressure equalization process.
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。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The whole structure of the gas separation apparatus in a present Example is demonstrated using FIG.
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。
本実施例では、一例として空気供給ユニット2とPSAユニット3は別筐体に分かれて格納されているが、上記二つのユニットが同じ筐体内に格納されていてもよい。
A
In the present embodiment, as an example, the
この空気供給ユニットは、空気を圧縮する圧縮機4と、圧縮機4を駆動する電動モータ(図示省略)と圧縮空気を貯留させる空気槽5と、空気槽5の圧力を検出する圧力検出手段8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。圧縮機4は圧力検出手段8による検出信号が制御部60に出力され、制御部60により設定された運転圧力と制御圧力により運転制御がなされる。即ち、圧縮機4は空気槽5の圧力が運転圧力以下になると通常運転を開始する。そして、空気槽5の圧力が運転圧力から上昇し、制御圧力以上になると圧縮機4は通常運転状態から停止状態またはアンロード運転状態になるように制御される。なお、制御圧力に到達した場合、圧縮機4の通常運転状態を維持し、空気槽5の空気を排気してもよい。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。
The air supply unit includes a
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。また、本実施例では吸着槽19a,19bの2本の吸着槽により気体分離装置を構成しているが、3本以上の吸着槽により構成される気体分離装置であってもよい。 The compressed air stored in the air tank 5 is supplied to adsorption tanks 19 a and 19 b described later, and a predetermined gas is separated from the compressed air stored in the air tank 5. In the present embodiment, a case where nitrogen is separated by adsorbing oxygen in the adsorption tanks 19a and 19b will be described. However, oxygen may be separated by adsorbing nitrogen, or other air may be separated from compressed air other than the atmosphere. The gas may be separated. In the present embodiment, the gas separation device is constituted by the two adsorption tanks 19a and 19b. However, the gas separation apparatus may be constituted by three or more adsorption tanks.
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いる。
As the
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槽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。
A pipe 16 through which compressed air from the air tank 5 flows is connected to the air tank 5, and pipes 17 a and 17 b branched into two systems are connected to the terminal position of the pipe 16. Supply pipes 18a and 18b for opening and closing the flow paths are provided in the middle of the pipes 17a and 17b, respectively, and adsorption tanks 19a and 19b for adsorbing oxygen molecules and taking out nitrogen gas as product gas are respectively connected. ing. This adsorption tank has a constant volume. The pipes 17a and 17b are connected to pipes 21a and 21b at positions between the supply valves 18a and 18b and the adsorption tanks 19a and 19b, respectively.
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、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、製品ガスの流量をセンシングする流量センサ61が設けられている。また、流量センサ61は必要に応じて構成すれば良い。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56とが設けられている。酸素センサ56および流量センサ61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。 The adsorption tanks 19a and 19b are filled with, for example, an adsorbent that is an adsorbing means for adsorbing oxygen molecules. Specifically, molecular sieve carbon or zeolite is used as the adsorbent. Pipes 31a and 31b that join each other are connected to the adsorption tanks 19a and 19b, respectively. Pipes 32a and 32b are connected to the pipes 31a and 31b so as to connect the adsorption tanks 19a and 19b to each other, and a throttle 33 is provided in the pipes 32a and 32b. Further, pipes 35a and 35b are connected to the pipes 31a and 31b, and upper pressure equalizing valves 36a and 36b for opening and closing the flow paths are provided in the pipes 35a and 35b. The pipes 31a and 31b are provided with take-off valves 38a and 38b for opening and closing the flow paths on the opposite side of the adsorption tanks 19a and 19b from the pipes 35a and 35b, respectively. A pipe 40 is connected to the joining position of the pipes 31a and 31b, and a nitrogen tank 41 as a product gas storage tank for storing nitrogen gas is connected to the pipe 40. A pipe 43 provided with a discharge port 42 is connected to the nitrogen tank 41, and a filter that removes dust and the like and adjusts the gas pressure in order from the nitrogen tank 41 side in the middle of the pipe 43. A regulator 44, a discharge valve 45 for opening and closing the flow path, a flow rate adjusting valve 46 for adjusting the flow rate of the product gas, and a flow rate sensor 61 for sensing the flow rate of the product gas are provided. Moreover, what is necessary is just to comprise the flow sensor 61 as needed. A pipe 48 and a pipe 49 are connected to the pipe 43 between the filter regulator 44 and the discharge valve 45. The pipe 48 has an opening / closing valve 50 for opening and closing the flow path in order from the pipe 43 side, A flow rate adjusting valve 51 for adjusting the flow rate and a silencer 52 are provided. The pipe 49 is provided with an open / close valve 54 that opens and closes the flow path, a flow rate adjustment valve 55 that adjusts the flow rate of gas, and an oxygen sensor 56 that detects the oxygen concentration in order from the pipe 43 side. The oxygen sensor 56 and the flow sensor 61 are communicably connected to the control unit 60 and output detection signals to the control unit 60. The control unit 60 receives the detection signal and controls the generation of nitrogen gas in the adsorption tanks 19a and 19b.
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。
Specifically, the supply valves 18a and 18b, the
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。
Up to now, the configuration of the
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。
In the
気体分離装置1の分離工程では、図2のように以下の(a)〜(d)の工程が順次繰り返される。
In the separation step of the
(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。
(A) Adsorption / refluxing process: The compressed air compressed by the
(b)取出し工程: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より取出して窒素槽41に貯留させる工程。
(B) Extraction process: Continuing from the adsorption process, the compressed air is continuously supplied from the air tank 5 to the
(c)均圧工程:上均圧弁36および下均圧弁26を開くことにより、取出し工程終了後の一対の吸着槽19を連通させて均圧化を図り、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。
(C) Pressure equalization step: By opening the upper pressure equalization valve 36 and the lower pressure equalization valve 26, the pair of
(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および取出し弁38は、閉状態とする。
(D) Regeneration step: A step of regenerating the adsorbent by desorbing oxygen molecules adsorbed by the adsorbent through the pipe 21 by opening the
図2の(1)(2)で示す通り、吸着槽19aで吸着工程・取出し工程(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、図2の(3)で示す通り、(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・取出し工程(工程(a)(b))と再生工程(工程(d))が行われる。 As shown by (1) and (2) in FIG. 2, the adsorption tank 19b performs the regeneration process (process (d)) while the adsorption process and the removal process (process (a) and (b)) are performed in the adsorption tank 19a. ) Is performed. After that, as shown in FIG. 2 (3), (c) pressure equalization step is performed simultaneously, and the adsorption tanks 19a and 19b are replaced and the adsorption step / removal step (steps (a) and (b)) and the regeneration step (step). (D)) is performed.
上記の吸着工程(a)、取出し工程(b)、均圧工程(c)の時間を併せてサイクルタイムと呼ぶ。 The time of said adsorption | suction process (a), extraction process (b), and pressure equalization process (c) is collectively called cycle time.
図3に、従来例における空気槽5、吸着槽19a、19bの圧力変化のグラフを示す。均圧工程時は吸着槽19への空気供給弁18を閉状態にするため、空気槽5の圧力は急激に上昇する。この時、もし空気槽5の圧力が、圧縮機がアンロードまたは停止する所定の制御圧力P1に達すると、圧縮機4が停止してしまう。このとき、均圧工程の次工程である吸着工程に切替わる時に、圧縮機運転による圧力復帰に時間がかかる。そのため、この圧力が復帰する間に空気槽5の圧力は低下し、次の吸着工程での製品ガスの圧力、濃度低下につながる。
In FIG. 3, the graph of the pressure change of the air tank 5 and adsorption tank 19a, 19b in a prior art example is shown. Since the air supply valve 18 to the
また、従来は圧縮機4がアンロードまたは停止するのを回避するために排気弁により圧縮空気を排気することもあった。しかし、これによって無駄なエネルギーを消費していた。
Conventionally, compressed air is sometimes exhausted by an exhaust valve in order to avoid unloading or stopping the
図4に、本実施例における空気槽5、吸着槽19a、19bの圧力変化のグラフを示す。本実施例では、均圧工程の間に図4のように圧縮機4の制御圧力の閾値をP1からP2に上げる。これにより、均圧工程時の供給弁18が閉状態から、空気槽5の圧力が上昇してP1以上になってもP2以下であれば、圧縮機4がアンロードおよび停止するのを回避し、圧縮機4の通常運転状態を維持しやすくなる。また、均圧工程時に排気弁22によって吸着槽19a、19bの圧縮空気を排気する必要がなく、無駄なエネルギー消費を抑えることができる。
In FIG. 4, the graph of the pressure change of the air tank 5 and adsorption tank 19a, 19b in a present Example is shown. In this embodiment, the control pressure threshold of the
本実施例によれば、従来、排気弁により圧縮空気を排気することで圧縮機4のアンロードおよび停止を回避していた制御を無くすことができる。また、均圧工程時に排気弁22によって吸着槽19a、19bの圧縮空気を排気しないため、無駄なエネルギーを押させることができる。また、高圧の空気を供給できるので精製効率を上げることもできる。
According to the present embodiment, it is possible to eliminate the control that has conventionally avoided the unloading and stopping of the
本発明の実施例2について説明する。気体分離装置の構成については前述した図1と同様である。実施例1と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。 A second embodiment of the present invention will be described. The configuration of the gas separation device is the same as that shown in FIG. The same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
本実施例2では均圧工程時P1とP2の圧力幅が少ない場合、または精製ガスの使用が少ない場合など容易に空気槽圧力がP2に達する状態のとき、吸着槽へ空気槽5に貯留している圧縮空気を供給することで排気することなく、圧縮機4を連続運転させることができる。
In Example 2, when the pressure range of P1 and P2 during the pressure equalization process is small, or when the use of purified gas is small, the air tank pressure is easily stored in the air tank 5 when it reaches P2. The
本実施例における気体分離装置1の分離工程は、図5の(1)〜(4)のようになる。(1)〜(3)までは、実施例1と同様である。図5の(3)に示す均圧工程時に図5の(2)に示す取出し工程後の吸着槽19aと次に吸着工程となる吸着槽19bは上均圧弁35、下均圧弁26を開状態にすることにより連通させて19aから19bに窒素ガスを送る。
The separation process of the
圧力検出手段8により検出された圧力が均圧時変更制御圧力P2に達するt秒前に、空気槽5に貯留している圧縮空気を使用するため、図5の(4)のように供給弁18aを開状態とし、さらに空気槽5側にある下均圧弁26を閉状態にする。一方、空気槽5とは反対側(窒素槽41側)にある上均圧弁36は開状態のままである。即ち、均圧工程の前の工程で取出し工程を行っていた方の吸着槽19a側の供給弁18aを開く。これにより、圧縮空気を吸着槽19aに送り吸着槽19aにて精製した窒素ガスを下から押し上げる。さらに、上均圧弁36を介して吸着槽19bに送り込むことで、次吸着工程となる吸着槽19bの槽内状態を好条件(高圧かつ高純度)にすることができる。 Since the compressed air stored in the air tank 5 is used t seconds before the pressure detected by the pressure detection means 8 reaches the equalization change control pressure P2, the supply valve as shown in (4) of FIG. 18a is opened, and the lower pressure equalizing valve 26 on the air tank 5 side is closed. On the other hand, the upper pressure equalizing valve 36 on the side opposite to the air tank 5 (on the nitrogen tank 41 side) remains open. That is, the supply valve 18a on the side of the adsorption tank 19a that has been performing the extraction process in the process before the pressure equalization process is opened. Thereby, compressed air is sent to the adsorption tank 19a, and the nitrogen gas refine | purified in the adsorption tank 19a is pushed up from the bottom. Furthermore, by sending it to the adsorption tank 19b via the upper pressure equalizing valve 36, the internal state of the adsorption tank 19b, which is the next adsorption step, can be brought into favorable conditions (high pressure and high purity).
本実施例によれば、空気槽5の圧力の増加率が大きく、P2以上になりそうな場合でも圧縮機4の停止を回避し、圧縮空気を無駄にすることなく気体分離を行うことができる。
According to the present embodiment, the increase rate of the pressure in the air tank 5 is large, and even when the pressure is likely to be P2 or more, it is possible to avoid the stop of the
t秒は固定でもよい。または圧力の上昇状態により決定してもよい。 t seconds may be fixed. Or you may determine by the raise state of a pressure.
圧力の上昇を促すのは精製ガスの使用流量が少ない場合なので流量センサ61による監視、または窒素槽41、吸着槽19の圧力変動より監視することが可能である。
The increase in pressure is promoted when the flow rate of the purified gas used is small, so that it can be monitored by the flow rate sensor 61 or the pressure fluctuations in the nitrogen tank 41 and the
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。また、本発明は複数の実施例を組み合わせることによって実施してもよい。 The embodiments described so far are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention is not limitedly interpreted by these. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof. Further, the present invention may be implemented by combining a plurality of embodiments.
1・・・PSA式気体分離装置
2・・・圧縮機部
3・・・PSA部
4・・・空気圧縮機
5・・・空気槽
6・・・エアードライヤー
7・・・ドレンフィルタ
8・・・圧力検出手段
18・・・供給弁
19・・・吸着槽
22・・・排気弁
23・・・排気口
26・・・下均圧弁
36・・・上均圧弁
38・・・取出し弁
41・・・窒素槽
60・・・制御部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
圧縮された空気を貯留する空気槽と、
内部に吸着剤が充填され、前記空気槽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分離する複数の吸着槽と、
前記圧縮機本体の運転・停止と前記吸着槽における気体分離工程を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記空気槽の圧力が制御圧力以上になると、前記圧縮機を通常運転状態からアンロード運転状態または停止状態に切り替え、前記吸着槽が前記均圧工程時に前記制御圧力を上昇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。 A compressor for compressing air;
An air tank for storing compressed air;
A plurality of adsorption tanks filled with an adsorbent and separating one gas of compressed air supplied from the air tank and separating the other gas as product gas;
A controller that controls operation and stop of the compressor main body and a gas separation step in the adsorption tank;
When the pressure of the air tank becomes equal to or higher than the control pressure, the control unit switches the compressor from a normal operation state to an unload operation state or a stop state, and the adsorption tank increases the control pressure during the pressure equalization process. The gas separation device according to claim 1.
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