JP2020001017A - 圧力変動吸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガス貯留槽や原料ガス分岐配管を効率良く配置し、更なる省スペース化を可能とした圧力変動吸着装置を提供する。【解決手段】吸着剤が充填された複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄと、複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄの中から順次選択される吸着塔に対して加圧された状態の原料ガスを導入する原料ガス導入部４とを備え、原料ガス導入部４は、原料ガスを一時的に貯留する原料ガス貯留槽１０を有し、原料ガス貯留槽１０は、複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄで囲まれる領域の内側に配置されている。【選択図】図６

Description

本発明は、圧力変動吸着装置に関する。

従来より、吸着剤として分子篩炭素（ＭＳＣ：Molecular Sieving Carbon）を用いた圧力変動吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）法によって、原料ガスとなる空気から窒素富化ガスを分離して製造する圧力変動吸着装置（以下、ＰＳＡ装置という。）がある（例えば、下記特許文献１，２を参照。）。

窒素富化ガスは、空気よりも窒素濃度が高く酸素濃度の低いガスのことである。また、窒素富化ガスとして、高純度（99％〜99.999％）の窒素ガスを含むものとする。このような窒素富化ガスは、防爆用のパージガスや熱処理炉の雰囲気ガス用など、多くの用途で利用されている。ＭＳＣは、活性炭の一種であり、酸素と窒素との吸着速度の差を利用して、空気中から酸素を優先的に吸着し、残りの窒素を高純度で分離するものである。

特開平５−７７１９号公報 特許第４３６５４０３号公報

ところで、ＰＳＡ装置では、一対の吸着塔を用いて、窒素富化ガスの分離を交互に切り替えて行うことが一般的である。さらに、一対の吸着塔を並べて配置し、吸着塔の数を増やして、窒素富化ガスの収率を高めることが行われている。

一方、吸着塔の数を増やした場合には、これら複数の吸着塔を設置するためのスペースを確保した上で、各部を接続する配管などを効率良く配置し、省スペース化を図ることが求められる。

また、ＰＳＡ装置の中には、吸着塔に加圧した状態で導入される原料ガスを一時的に貯留する原料ガス貯留槽を備えたものがある。この構成の場合、一対の吸着塔と接続される原料ガス導入配管を配置する必要がある。

しかしながら、従来のＰＳＡ装置では、原料ガス貯留槽や原料ガス導入配管などの各部の配置について特に考慮されておらず、これら各部の設置スペースを縮小化する検討はなされてこなかった。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、各部の配置を効率化し、各部の設置スペースを縮小化することを可能とした圧力変動吸着装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 吸着剤が充填された複数の吸着塔と、
前記複数の吸着塔の中から順次選択される吸着塔に対して加圧された状態の原料ガスを導入する原料ガス導入部とを備え、
前記原料ガス導入部は、前記原料ガスを一時的に貯留する原料ガス貯留槽を有し、
前記原料ガス貯留槽は、前記複数の吸着塔で囲まれる領域の内側に配置されていることを特徴とする圧力変動吸着装置。
〔２〕 前記複数の吸着塔は、対となる一方の吸着塔と他方の吸着塔とが少なくとも２対以上並んで配置された構成を有することを特徴とする前記〔１〕に記載の圧力変動吸着装置。
〔３〕 前記複数の吸着塔は、２対の吸着塔を構成する４つの吸着塔が矩形領域の各頂点に位置するように配置され、
前記原料ガス貯留槽は、前記矩形領域の内側に配置されていることを特徴とする前記〔２〕に記載の圧力変動吸着装置。
〔４〕 前記原料ガス導入部は、前記一方の吸着塔及び前記他方の吸着塔と接続された原料ガス導入配管を有し、
前記原料ガス導入配管の一部は、隣り合う吸着塔との間を通して前記原料ガス貯留槽と接続されていることを特徴とする前記〔２〕又は〔３〕に記載の圧力変動吸着装置。
〔５〕 前記吸着剤として、分子篩炭素を用いることを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載の圧力変動吸着装置。
〔６〕 前記原料ガスとなる空気から窒素を含む窒素富化ガスを分離して製造する窒素富化ガス製造装置であることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載の圧力変動吸着装置。

以上のように、本発明によれば、各部の配置を効率化し、各部の設置スペースを縮小化することを可能とした圧力変動吸着装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る圧力変動吸着装置の一構成例を示す系統図である。 図１に示す圧力変動吸着装置において、一方の吸着塔で加圧吸着工程を行い、他方の吸着塔で減圧再生工程を行う状態を示す系統図である。 図１に示す圧力変動吸着装置において、一方の吸着塔で減圧均圧工程を行い、他方の吸着塔で加圧均圧工程を行う状態を示す系統図である。 図１に示す圧力変動吸着装置において、一方の吸着塔で減圧再生工程を行い、他方の吸着塔で加圧吸着工程を行う状態を示す系統図である。 図１に示す圧力変動吸着装置において、一方の吸着塔で加圧均圧工程を行い、他方の吸着塔で減圧均圧工程を行う状態を示す系統図である。 図１に示す圧力変動吸着装置の構成を示す平面図である。 図１に示す圧力変動吸着装置の構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る圧力変動吸着装置の別の構成例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る圧力変動吸着装置の別の構成例を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

本発明の一実施形態として、例えば図１に示す圧力変動吸着装置（以下、ＰＳＡ装置という。）１について説明する。なお、図１は、ＰＳＡ装置１の一構成例を示す系統図である。

本実施形態のＰＳＡ装置１は、図１に示すように、原料ガスＧ１となる空気（Ａｉｒ）から製品ガスＧ２となる窒素（Ｎ_２）を含む窒素富化ガスを分離して製造する窒素富化ガス製造装置に本発明を適用したものである。

なお、ここで言う窒素富化ガスとは、空気よりも窒素濃度が高く酸素濃度の低いガスのことである。また、窒素富化ガスとして、高純度（99％〜99.999％）の窒素ガスを含むものとする。また、窒素ガスの純度については、製品ガスＧ２中に含まれる不純物（酸素）を除いたガス成分の濃度を示す。

具体的に、このＰＳＡ装置１は、吸着剤Ｓが充填された複数（本実施形態では４つ）の吸着塔２Ａ〜２Ｄを備えている。複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄは、基本的に同じ構成であり、中空円筒状に形成されて、その下部側に下部側配管３ａと、その上部側に上部側配管３ｂとがそれぞれ接続された構成を有している。

なお、吸着塔２Ａ〜２Ｄが後述する加圧吸着工程にある場合、下部側配管３ａは、原料ガスＧ１を吸着塔２Ａ〜２Ｄに導入する配管として用いられる。一方、上部側配管３ｂは、窒素を含む製品ガスＧ２を吸着塔２Ａ〜２Ｄから導出する配管として用いられる。これに対して、吸着塔２Ａ〜２Ｄが後述する減圧再生工程にある場合、下部側配管３ａは、吸着剤Ｓから脱離された酸素を含む排ガスＧ３を吸着塔２Ａ〜２Ｄから導出する配管として用いられる。

また、複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄは、対となる一方の吸着塔と他方の吸着塔とが少なくとも２対以上（本実施形態では２対）並んで配置された構成を有している。本実施形態では、４つの吸着塔２Ａ〜２Ｄのうち、対となる一方の吸着塔２Ａ及び他方の吸着塔２Ｂと、対となる一方の吸着塔２Ｃ及び他方の吸着塔２Ｄとを有している。一対の吸着塔２Ａ，２Ｂと一対の吸着塔２Ｃ，２Ｄとは、互いに同じ構成を有している。

吸着剤Ｓは、各吸着塔２Ａ〜２Ｄの内部に充填されている。本実施形態では、吸着剤Ｓとして、分子篩炭素（ＭＳＣ）を用いている。ＭＳＣは、活性炭の一種であり、酸素（Ｏ_２）と窒素（Ｎ_２）との吸着速度の差を利用して、原料ガスＧ１となる空気中から酸素を吸着し、残った窒素を含む製品ガスＧ２を分離するものである。また、吸着剤Ｓの再生時には、排ガスＧ３として酸素を含む不要なガスを吸着剤Ｓから脱離する。なお、吸着剤Ｓには、上述したＭＳＣ以外にも、圧力差により酸素を選択的に吸着及び脱離できる物質を用いることができる。

本実施形態のＰＳＡ装置１は、吸着塔２Ａ〜２Ｄに対して加圧した状態の原料ガスＧ１を導入する原料ガス導入部４と、吸着塔２Ａ〜２Ｄから製品ガスＧ２を導出する製品ガス導出部５と、吸着塔２Ａ〜２Ｄから排ガスＧ３を導出する排ガス導出部６と、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄとの間の圧力を均圧化する圧力均圧部７とを備えている。

原料ガス導入部４は、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃの下部側配管３ａと接続された第１の原料ガス導入配管８ａと、他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄの下部側配管３ａと接続された第２の原料ガス導入配管８ｂと、第１の原料ガス導入配管８ａ及び第２の原料ガス導入配管８ｂと接続された第３の原料ガス導入配管８ｃとを有している。原料ガス導入部４は、これらの原料ガス導入配管８ａ〜８ｃを通して各吸着塔２Ａ〜２Ｄに対して加圧した状態の原料ガスＧ１を導入する。

また、原料ガス導入部４は、第１の原料ガス導入配管８ａを開閉する第１の原料ガス導入側開閉弁９ａと、第２の原料ガス導入配管８ｂを開閉する第２の原料ガス導入側開閉弁９ｂとを有している。原料ガス導入部４は、これらの原料ガス導入側開閉弁９ａ，９ｂの開閉を切り替えることによって、各吸着塔２Ａ〜２Ｄに対する原料ガスＧ１の導入を切り替える。

また、原料ガス導入部４は、吸着塔２Ａ，２Ｂ側の第３の原料ガス導入配管８ｃ及び吸着塔２Ｃ，２Ｄ側の第３の原料ガス導入配管８ｃと接続された第４の原料ガス導入配管８ｄと、第４の原料ガス導入配管８ｄと接続された原料ガス貯留槽１０と、原料ガス貯留槽１０と接続された第５の原料ガス導入配管８ｅとを有している。

第５の原料ガス導入配管８ｅの入側には、吸着塔２Ａ〜２Ｄに導入される原料ガスＧ１を加圧する圧縮機１１が接続されている。圧縮機１１については、原料ガスＧ１中に含まれる酸素を吸着剤Ｓに吸着させるのに十分な圧力（本実施形態では３００〜９９９ｋＰａＧ）まで、原料ガスＧ１を加圧できるものであればよく、例えば、スクロール式などの様々な方式のものを用いることが可能である。

原料ガス貯留槽１０は、レシーバータンクとして、圧縮機１１により加圧された原料ガスＧ１を一時的に貯留する。これにより、圧縮機１１の出側における急激な圧力上昇を防ぐことが可能である。

加圧された状態の原料ガスＧ１は、第５の原料ガス導入配管８ｅを通して原料ガス貯留槽１０に導入され、第４の原料ガス導入配管８ｄを通して原料ガス貯留槽１０から導出される。

製品ガス導出部５は、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃの上部側配管３ｂと接続された第１の製品ガス導出配管１２ａと、他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄの上部側配管３ｂと接続された第２の製品ガス導出配管１２ｂと、第１の製品ガス導出配管１２ａ及び第２の製品ガス導出配管１２ｂと接続された第３の製品ガス導出配管１２ｃとを有している。製品ガス導出部５は、これらの製品ガス導出配管１２ａ〜１２ｃを通して各吸着塔２Ａ〜２Ｄから製品ガスＧ２を導出する。

また、製品ガス導出部５は、第１の製品ガス導出配管１２ａを開閉する第１の製品ガス導出側開閉弁１３ａと、第２の製品ガス導出配管１２ｂを開閉する第２の製品ガス導出側開閉弁１３ｂとを有している。製品ガス導出部５は、これらの製品ガス導出側開閉弁１３ａ，１３ｂの開閉を切り替えることによって、各吸着塔２Ａ〜２Ｄから製品ガスＧ２の導出を切り替える。

また、製品ガス導出部５は、吸着塔２Ａ，２Ｂ側の第３の製品ガス導出配管１２ｃ及び吸着塔２Ｃ，２Ｄ側の第３の製品ガス導出配管１２ｃと接続された第４の製品ガス導出配管１２ｄと、第４の製品ガス導出配管１２ｄと接続された製品ガス貯留槽１４と、製品ガス貯留槽１４と接続された第５の製品ガス導出配管１２ｅとを有している。

製品ガス貯留槽１４は、バッファータンクとして、吸着塔２Ａ〜２Ｄから導出された製品ガスＧ２を一時的に貯留する。製品ガスＧ２は、第４の製品ガス導出配管１２ｄを通して製品ガス貯留槽１４に導入され、第５の製品ガス導出配管１２ｅを通して製品ガス貯留槽１４から導出される。

排ガス導出部６は、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃの下部側配管３ａと接続された第１の排ガス導出配管１５ａと、他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄの下部側配管３ａと接続された第２の排ガス導出配管１５ｂと、第１の排ガス導出配管１５ａ及び第２の排ガス導出配管１５ｂと接続された第３の排ガス導出配管１５ｃとを有している。排ガス導出部６は、これらの排ガス導出配管１５ａ〜１５ｃを通して各吸着塔２Ａ〜２Ｄから排ガスＧ３を導出する。

また、排ガス導出部６は、第１の排ガス導出配管１５ａを開閉する第１の排ガス導出側開閉弁１６ａと、第２の排ガス導出配管１５ｂを開閉する第２の排ガス導出側開閉弁１６ｂとを有している。排ガス導出部６は、これらの排ガス導出側開閉弁１６ａ，１６ｂの開閉を切り替えることによって、各吸着塔２Ａ〜２Ｄからの排ガスＧ３の導出を切り替える。

第３の排ガス導出配管１５ｃの出側には、サイレンサー１７が接続されている。サイレンサー１７は、排ガスＧ３を大気中に放出（大気開放）する際の騒音を低減する。

圧力均圧部７は、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃの下部側配管３ａ及び他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄの下部側配管３ａと接続された第１の均圧配管１８ａと、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃの上部側配管３ｂ及び他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄの上部側配管３ｂと接続された第２の均圧配管１８ｂと、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃの上部側配管３ｂ及び他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄの上部側配管３ｂと接続された流量調整配管１９とを有している。圧力均圧部７は、これらの均圧配管１８ａ，１８ｂ及び流量調整配管１９を通して一方の吸着塔２Ａ，２Ｃと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄとの間の圧力差を解消（均圧化）する。

なお、ここで言う「圧力差を解消（均圧化）する」とは、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄとの間の圧力差を完全に無くすことではない。すなわち、均圧化が完了しても、実際は一方の吸着塔２Ａ，２Ｃと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄとの間でガスが流れるために必要な圧力差が存在する。また、製品ガスＧ２中における窒素ガスの純度を維持するために、敢えて一定の圧力差を確保する場合もある。

また、圧力均圧部７は、第１の均圧配管１８ａを開閉する第１の均圧弁２０ａと、第２の均圧配管１８ｂを開閉する第２の均圧弁２０ｂとを有している。圧力均圧部７は、これらの均圧弁２０ａ，２０ｂの開閉を切り替えることによって、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄとの間の均圧化を行う。

なお、本実施形態では、上述した流量調整配管１９の径及び長さを調整することによって、一方の吸着塔２Ａ，２Ｃと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄとの間を流れる再生ガスの流量調整が可能な構成となっている。一方、本実施形態では、このような流量調整配管１９を用いる構成以外にも、例えば流量調整弁（ニードル弁）やオリフィスなどの流量調整が可能な構成を採用することが可能である。

また、本実施形態では、上述した各原料ガス導入配管８ａ〜８ｅ、各製品ガス導出配管１２ａ〜１２ｅ、各排ガス導出配管１５ａ〜１５ｃ、各均圧配管１８ａ，１８ｂ及び流量調整配管１９として、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などの金属が用いられているが、原料ガスＧ１や製品ガスＧ２、排ガスＧ３と反応せず、高圧に耐え得ることができる材質のものであればよく、これに必ずしも限定されるものではない。

また、本実施形態では、上述した各原料ガス導入側開閉弁９ａ，９ｂ、各製品ガス導出側開閉弁１３ａ，１３ｂ、各排ガス導出側開閉弁１６ａ，１６ｂとして、自動切替式の開閉弁を用いているが、原料ガスＧ１や製品ガスＧ２、排ガスＧ３と反応せず、高圧に耐え得ることができるものであればよい。

以上のような構成を有する本実施形態のＰＳＡ装置１では、下記表１に示す手順に従って、上述した一方の吸着塔２Ａ，２Ｃと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄとの間で、加圧均圧工程と、加圧吸着工程と、減圧均圧工程と、減圧再生工程との各工程を順次繰り返す。これにより、原料ガスＧ１となる空気中に含まれる窒素を連続的に分離して、製品ガスＧ２である窒素富化ガスを連続的に製造することが可能である。

なお、表１は、ＰＳＡ装置１の各吸着塔２Ａ〜２Ｄにおける動作の手順を説明するための工程表である。

本実施形態のＰＳＡ装置１では、表１に示すように、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂのうち、一方の吸着塔２Ａが加圧吸着工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｂが減圧再生工程を行う。また、一方の吸着塔２Ａが減圧均圧工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｂが加圧均圧工程を行う。

逆に、一方の吸着塔２Ａが減圧再生工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｂが加圧吸着工程を行う。また、一方の吸着塔２Ａが加圧均圧工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｂが減圧均圧工程を行う。

同様に、本実施形態のＰＳＡ装置１では、一対の吸着塔２Ｃ，２Ｄのうち、一方の吸着塔２Ｃが加圧吸着工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｄが減圧再生工程を行う。また、一方の吸着塔２Ｃが減圧均圧工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｄが加圧均圧工程を行う。

逆に、一方の吸着塔２Ｃが減圧再生工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｄが加圧吸着工程を行う。また、一方の吸着塔２Ｃが加圧均圧工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｄが減圧均圧工程を行う。

また、本実施形態のＰＳＡ装置１では、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂと一対の吸着塔２Ｃ，２Ｄとのうち、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂが加圧吸着工程及び減圧再生工程を行っている間に、一対の吸着塔２Ｃ，２Ｄが加圧均圧工程及び減圧均圧工程を完了する。

逆に、一対の吸着塔２Ｃ，２Ｄが加圧吸着工程及び減圧再生工程を行っている間に、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂが加圧均圧工程及び減圧均圧工程を完了する。

したがって、各吸着塔２Ａ〜２Ｄでは、互いの工程をずらして行う以外は、基本的に同じ手順で、加圧均圧工程と、加圧吸着工程と、減圧均圧工程と、減圧再生工程とを順次繰り返すことから、ＰＳＡ装置１の具体的な動作については、図２〜図５に示す吸着塔２Ａ，２Ｂ側の各工程を順に挙げて説明するものとする。

なお、図２は、ＰＳＡ装置１において、一方の吸着塔２Ａで加圧吸着工程を行い、他方の吸着塔２Ｂで減圧再生工程を行う状態を示す系統図である。図３は、ＰＳＡ装置１において、一方の吸着塔２Ａで減圧均圧工程を行い、他方の吸着塔２Ｂで加圧均圧工程を行う状態を示す系統図である。図４は、ＰＳＡ装置１において、一方の吸着塔２Ａで減圧再生工程を行い、他方の吸着塔２Ｂで加圧吸着工程を行う状態を示す系統図である。図５は、ＰＳＡ装置１において、一方の吸着塔２Ａで加圧均圧工程を行い、他方の吸着塔２Ｂで減圧均圧工程を行う状態を示す系統図である。

本実施形態のＰＳＡ装置１では、先ず、図２に示すように、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂのうち、一方の吸着塔２Ａが加圧吸着工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｂが減圧再生工程を行う。

具体的には、第１の原料ガス導入側開閉弁９ａと、第１の製品ガス導出側開閉弁１３ａと、第２の排ガス導出側開閉弁１６ｂとを開放する。一方、第２の原料ガス導入側開閉弁９ｂと、第２の製品ガス導出側開閉弁１３ｂと、第１の排ガス導出側開閉弁１６ａと、第１の均圧弁２０ａ及び第２の均圧弁２０ｂとを閉塞する。

これにより、一方の吸着塔２Ａ側の加圧吸着工程では、第１の原料ガス導入配管８ａを通して一方の吸着塔２Ａの下部側配管３ａ側から加圧された状態の原料ガスＧ１が導入される。

一方の吸着塔２Ａでは、内部に充填された吸着剤Ｓの間を下部側配管３ａ側から上部側配管３ｂ側に向かって原料ガスＧ１が通過する間に、この原料ガスＧ１中に含まれる酸素を吸着剤Ｓに吸着させ、吸着剤Ｓを通過した窒素を含む製品ガスＧ２と分離する。分離された製品ガスＧ２は、一方の吸着塔２Ａの上部側配管３ｂ側から第１の製品ガス導出配管１２ａを通して導出される。

これに対して、他方の吸着塔２Ｂ側の減圧再生工程では、第２の排ガス導出側開閉弁１６ｂを開放することによって、他方の吸着塔２Ｂ内の圧力が減圧される。

他方の吸着塔２Ｂでは、内部圧力が低下するのに伴って、吸着剤Ｓに吸着された酸素を含む排ガスＧ３が吸着剤Ｓから脱離する。脱離した排ガスＧ３は、他方の吸着塔２Ｂの下部側配管３ａ側から第２の排ガス導出配管１５ｂを通して導出される。

また、他方の吸着塔２Ｂ側の減圧再生工程では、吸着剤Ｓを再生するパージガスＧ４として、一方の吸着塔２Ａ側から導出された製品ガスＧ２の一部を他方の吸着塔２Ｂの上部側配管３ｂ側から流量調整配管１９を通して導入することが好ましい。吸着剤Ｓの再生時に、このようなパージガスＧ４を導入することによって、吸着剤Ｓに吸着された酸素の脱離を促進することが可能である。

次に、図３に示すように、一方の吸着塔２Ａが減圧均圧工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｂが加圧均圧工程を行う。

具体的には、第１の均圧弁２０ａ及び第２の均圧弁２０ｂを開放する。一方、第１の原料ガス導入側開閉弁９ａ及び第２の原料ガス導入側開閉弁９ｂと、第１の製品ガス導出側開閉弁１３ａ及び第２の製品ガス導出側開閉弁１３ｂと、第１の排ガス導出側開閉弁１６ａ及び第２の排ガス導出側開閉弁１６ｂとを閉塞する。

これにより、一方の吸着塔２Ａの減圧均圧工程では、一方の吸着塔２Ａ内に残留した相対的に高圧な残留ガスＧ５が一方の吸着塔２Ａの下部側配管３ａ及び上部側配管３ｂ側から第１の均圧配管１８ａ及び第２の均圧配管１８ｂを通して導出される。

これに対して、他方の吸着塔２Ｂの加圧均圧工程では、第１の均圧配管１８ａ及び第２の均圧配管１８ｂを通して他方の吸着塔２Ｂの下部側配管３ａ及び上部側配管３ｂ側から相対的に高圧な残留ガスＧ５が導入される。

残留ガスＧ５は、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとの間の圧力差が解消（均圧化）されるまで、一方の吸着塔２Ａ側から他方の吸着塔２Ｂ側へと導入される。

次に、図４に示すように、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂのうち、一方の吸着塔２Ａが減圧再生工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｂが加圧吸着工程を行う。

具体的には、第２の原料ガス導入側開閉弁９ｂと、第２の製品ガス導出側開閉弁１３ｂと、第１の排ガス導出側開閉弁１６ａとを開放する。一方、第１の原料ガス導入側開閉弁９ａと、第１の製品ガス導出側開閉弁１３ａと、第２の排ガス導出側開閉弁１６ｂと、第１の均圧弁２０ａ及び第２の均圧弁２０ｂとを閉塞する。

これにより、他方の吸着塔２Ｂ側の加圧吸着工程では、第２の原料ガス導入配管８ｂを通して他方の吸着塔２Ｂの下部側配管３ａ側から加圧された状態の原料ガスＧ１が導入される。

他方の吸着塔２Ｂでは、内部に充填された吸着剤Ｓの間を下部側配管３ａ側から上部側配管３ｂ側に向かって原料ガスＧ１が通過する間に、この原料ガスＧ１中に含まれる酸素を吸着剤Ｓに吸着させ、吸着剤Ｓを通過した窒素を含む製品ガスＧ２と分離する。分離された製品ガスＧ２は、他方の吸着塔２Ｂの上部側配管３ｂ側から第２の製品ガス導出配管１２ｂを通して導出される。

これに対して、一方の吸着塔２Ａ側の減圧再生工程では、第１の排ガス導出側開閉弁１６ａを開放することによって、一方の吸着塔２Ａ内の圧力が減圧される。

一方の吸着塔２Ａでは、内部圧力が低下するのに伴って、吸着剤Ｓに吸着された酸素を含む排ガスＧ３が吸着剤Ｓから脱離する。脱離した排ガスＧ３は、一方の吸着塔２Ａの下部側配管３ａ側から第１の排ガス導出配管１５ａを通して導出される。

また、一方の吸着塔２Ａ側の減圧再生工程では、吸着剤Ｓを再生するパージガスＧ４として、他方の吸着塔２Ｂ側から導出された製品ガスＧ２の一部を一方の吸着塔２Ａの上部側配管３ｂ側から流量調整配管１９を通して導入することが好ましい。吸着剤Ｓの再生時に、このようなパージガスＧ４を導入することによって、吸着剤Ｓに吸着された酸素の脱離を促進することが可能である。

次に、図５に示すように、一方の吸着塔２Ａが加圧均圧工程を行っている間、他方の吸着塔２Ｂが減圧均圧工程を行う。

具体的には、第１の均圧弁２０ａ及び第２の均圧弁２０ｂを開放する。一方、第１の原料ガス導入側開閉弁９ａ及び第２の原料ガス導入側開閉弁９ｂと、第１の製品ガス導出側開閉弁１３ａ及び第２の製品ガス導出側開閉弁１３ｂと、第１の排ガス導出側開閉弁１６ａ及び第２の排ガス導出側開閉弁１６ｂとを閉塞する。

これにより、他方の吸着塔２Ｂの減圧均圧工程では、他方の吸着塔２Ｂ内に残留した相対的に高圧な残留ガスＧ５が他方の吸着塔２Ｂの下部側配管３ａ及び上部側配管３ｂ側から第１の均圧配管１８ａ及び第２の均圧配管１８ｂを通して導出される。

これに対して、一方の吸着塔２Ａの加圧均圧工程では、第１の均圧配管１８ａ及び第２の均圧配管１８ｂを通して一方の吸着塔２Ａの下部側配管３ａ及び上部側配管３ｂ側から相対的に高圧な残留ガスＧ５が導入される。

残留ガスＧ５は、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとの間の圧力差が解消（均圧化）されるまで、他方の吸着塔２Ｂ側から一方の吸着塔２Ａ側へと導入される。

以上のようにして、本実施形態のＰＳＡ装置１では、各吸着塔２Ａ〜２Ｄにおいて、上述した各工程を順次繰り返すことによって、原料ガスＧ１となる空気から製品ガスＧ２となる窒素富化ガスを分離して製造することが可能である。

ところで、本実施形態のＰＳＡ装置１は、図６及び図７に示すような構成を有している。なお、図６は、ＰＳＡ装置１の構成を示す平面図である。図７は、ＰＳＡ装置１の構成を示す正面図である。

すなわち、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した４つの吸着塔２Ａ〜２Ｄのうち、対となる一方の吸着塔２Ａ及び他方の吸着塔２ＢがＰＳＡ装置１の正面側において幅方向に並んで設けられている。また、対となる一方の吸着塔２Ｃ及び他方の吸着塔２ＤがＰＳＡ装置１の背面側において幅方向に並んで設けられている。

また、本実施形態のＰＳＡ装置１において、４つの吸着塔２Ａ〜２Ｄは、平面視で矩形（本実施形態では長方形）を為す領域（以下、矩形領域という。）Ｅの各頂点に位置するように、設置面Ｔとなる土台２１の面上に起立した状態で配置（設置）されている。

また、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した設置面Ｔにおける複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄで囲まれる矩形領域Ｅの内側に原料ガス貯留槽１０が位置するように、土台２１の面上に原料ガス貯留槽１０が起立した状態で配置（設置）されている。

また、本実施形態のＰＳＡ装置１において、原料ガス貯留槽１０の中心は、上述した矩形領域Ｅの２つの対角線の交点に位置するように配置されている。一方、複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄの中心は、その設定面Ｔ上の略中央に位置する原料ガス貯留槽１０の周囲を囲む矩形領域Ｅの各頂点に位置するように配置されている。

本実施形態のＰＳＡ装置１では、複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄで囲まれる矩形領域Ｅの内側に原料ガス貯留槽１０を配置することで、原料ガス貯留槽１０の設置スペースを従来よりも縮小化することが可能である。

また、本実施形態のＰＳＡ装置１において、原料ガス導入配管８ａ〜８ｅの少なくとも一部（本実施形態では第５の原料ガス導入配管８ｅ）は、隣り合う吸着塔（本実施形態では吸着塔２Ａ，２Ｄ）の間を通して原料ガス貯留槽１０と接続されている。

本実施形態のＰＳＡ装置１では、原料ガス貯留槽１０と接続された第５の原料ガス導入配管８ｅを、隣り合う吸着塔２Ａ，２Ｄの間を通して複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄで囲まれる矩形領域Ｅの内側から外側へと効率良く引き回すことが可能である。

なお、製品ガス貯留槽１０及びサイレンサー１７は、上述した設置面Ｔにおける複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄで囲まれる矩形領域Ｅの外側に位置するように、土台２１の面上に起立した状態で配置（設置）されている。

本実施形態において、製品ガス貯留槽１４は、上述した矩形領域Ｅよりも外側に位置するように、吸着塔２Ｃに隣接して配置される一方、サイレンサー１７は、吸着塔２Ｄに隣接して配置されている。また、排ガス導出配管１５ａ〜１５ｃの一部（本実施形態では第３の排ガス導出配管１５ｃ）は、隣り合う吸着塔（本実施形態では吸着塔２Ａ，２Ｄ）の間を通してサイレンサー１７と接続されている。

さらに、上述した設置面Ｔにおける複数の吸着塔２Ａ〜２Ｄで囲まれる矩形領域Ｅの外側には、このＰＳＡ装置１の操作を行うための操作盤２２が設けられている。操作盤２２は、土台２１の面上に起立した状態で配置（設置）されている。また、操作盤２２は、上述した各原料ガス導入側開閉弁９ａ，９ｂ、各製品ガス導出側開閉弁１３ａ，１３ｂ、各排ガス導出側開閉弁１６ａ，１６ｂと接続されている。

以上のように、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した各部の配置を効率化し、各部の設置スペースを縮小化することによって、更なる省スペース化及び小型化を図ることが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
具体的に、本発明は、上記ＰＳＡ装置１の構成に必ずしも限定されるものではなく、例えば、図８に示すＰＳＡ装置１Ａの構成や、図９に示すＰＳＡ装置１Ｂの構成とすることも可能である。なお、図８は、ＰＳＡ装置１Ａの構成を示す平面図である。図９は、ＰＳＡ装置１Ｂの構成を示す平面図である。

このうち、図８に示すＰＳＡ装置１Ａは、６つ吸着塔２Ａ〜２Ｆを備えた構成であり、対となる一方の吸着塔２Ａ，２Ｃ，２Ｅと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄ，２Ｆとが３対並んで配置された構成を有している。

また、ＰＳＡ装置１Ａでは、４つの吸着塔２Ａ〜２Ｄで囲まれる矩形領域Ｅ１の内側と、４つの吸着塔２Ｂ，２Ｃ，２Ｅ，２Ｆで囲まれる矩形領域Ｅ２の内側とに、それぞれ原料ガス貯留槽１０が配置されている。

これにより、ＰＳＡ装置１Ａでは、各原料ガス貯留槽１０の設置スペースを従来よりも縮小化することができ、このＰＳＡ装置１Ａの更なる省スペース化及び小型化を図ることが可能である。

一方、図９に示すＰＳＡ装置１Ｂは、８つ吸着塔２Ａ〜２Ｇを備えた構成であり、対となる一方の吸着塔２Ａ，２Ｃ，２Ｅ，２Ｇと他方の吸着塔２Ｂ，２Ｄ，２Ｆ，２Ｈとが４対並んで配置された構成を有している。

また、ＰＳＡ装置１Ｂでは、４つの吸着塔２Ａ〜２Ｄで囲まれる矩形領域Ｅ１の内側と、４つの吸着塔２Ｂ，２Ｃ，２Ｅ，２Ｈで囲まれる矩形領域Ｅ２の内側と、４つの吸着塔２Ｅ〜２Ｈで囲まれる矩形領域Ｅ３の内側とに、それぞれ原料ガス貯留槽１０が配置されている。

これにより、ＰＳＡ装置１Ｂでは、各原料ガス貯留槽１０の設置スペースを従来よりも縮小化することができ、このＰＳＡ装置１Ｂの更なる省スペース化及び小型化を図ることが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ…ＰＳＡ装置（圧力変動吸着装置） ２Ａ〜２Ｈ…吸着塔 ３ａ…下部側配管 ３ｂ…上部側配管 ４…原料ガス導入部 ５…製品ガス導出部 ６…排ガス導出部 ７…圧力均圧部 ８ａ…第１の原料ガス導入配管 ８ｂ…第２の原料ガス導入配管 ８ｃ…第３の原料ガス導入配管 ８ｄ…第４の原料ガス導入配管 ８ｅ…第５の原料ガス導入配管 ９ａ…第１の原料ガス側開閉弁 ９ｂ…第２の原料ガス側開閉弁 １０…原料ガス貯留槽 １１…圧縮機 １２ａ…第１の製品ガス導出配管 １２ｂ…第２の製品ガス導出配管 １２ｃ…第３の製品ガス導出配管 １２ｄ…第４の製品ガス導出配管 １２ｅ…第５の製品ガス導出配管 １３ａ…第１の製品ガス側開閉弁 １３ｂ…第２の製品ガス側開閉弁 １４…製品ガス貯留槽 １５ａ…第１の排ガス導出配管 １５ｂ…第２の排ガス導出配管 １５ｃ…第３の排ガス導出配管 １６ａ…第１の排ガス側開閉弁 １６ｂ…第２の排ガス側開閉弁 １７…サイレンサー １８ａ…第１の均圧配管 １８ｂ…第２の均圧配管 １９…流量調整配管 ２０ａ…第１の均圧弁 ２０ｂ…第２の均圧弁 ２１…土台 ２２…操作盤 Ｓ…吸着剤 Ｇ１…原料ガス Ｇ２…製品ガス Ｇ３…排ガス Ｇ４…パージガス Ｇ５…残留ガス

Claims (6)

1. 吸着剤が充填された複数の吸着塔と、
   前記複数の吸着塔の中から順次選択される吸着塔に対して加圧された状態の原料ガスを導入する原料ガス導入部とを備え、
   前記原料ガス導入部は、前記原料ガスを一時的に貯留する原料ガス貯留槽を有し、
   前記原料ガス貯留槽は、前記複数の吸着塔で囲まれる領域の内側に配置されていることを特徴とする圧力変動吸着装置。
2. 前記複数の吸着塔は、対となる一方の吸着塔と他方の吸着塔とが少なくとも２対以上並んで配置された構成を有することを特徴とする請求項１に記載の圧力変動吸着装置。
3. 前記複数の吸着塔は、２対の吸着塔を構成する４つの吸着塔が矩形領域の各頂点に位置するように配置され、
   前記原料ガス貯留槽は、前記矩形領域の内側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力変動吸着装置。
4. 前記原料ガス導入部は、前記一方の吸着塔及び前記他方の吸着塔と接続された原料ガス導入配管を有し、
   前記原料ガス導入配管の一部は、隣り合う吸着塔の間を通して前記原料ガス貯留槽と接続されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧力変動吸着装置。
5. 前記吸着剤として、分子篩炭素を用いることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の圧力変動吸着装置。
6. 前記原料ガスとなる空気から窒素を含む窒素富化ガスを分離して製造する窒素富化ガス製造装置であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の圧力変動吸着装置。

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