JP2022014270A - 圧力スイング吸着装置、および、圧力スイング吸着装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目的ガスが常にいずれかの吸着塔から取り出されるようにするＰＳＡ装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】３つ吸着塔で１つのグループが形成される。ＰＳＡ装置の制御部６は、このグループのうち１つまたは２つ吸着塔から目的ガスが常に取り出されるように、かつ、この間に残りの１つの吸着塔の吸着剤が再生処理されるように、流路２０、３０、４０、５０の状態を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）装置、および、圧力スイング吸着装置の制御方法に関する。

圧力スイング吸着装置（以下、ＰＳＡ装置）は、原料ガスから特定ガスを吸着して目的ガスを生成し、この目的ガスを製品ガスとして供給する。

特許文献１は、２つの吸着塔で１つのグループを形成するＰＳＡ装置を開示している。特許文献１のＰＳＡ装置は、原料ガスを１つの吸着塔に導入してこの吸着塔を加圧し目的ガスを生成し、この間に、もう一方の吸着塔の吸着剤を再生処理する。生成された目的ガスはバッファタンクへ供給される。ＰＳＡ装置は、次いで、両吸着塔を互いに均圧にする。

それから、ＰＳＡ装置は、原料ガスを、今度は他方の吸着塔に導入してこの吸着塔を加圧して目的ガスを生成し、一方の吸着塔の吸着剤を再生処理する。生成された目的ガスはバッファタンクへ送られる。ＰＳＡ装置は、次いで、両吸着塔を互いに均圧にする。ＰＳＡ装置は、これらの工程を繰り返す。

均圧工程の間、および、均圧工程から、吸着塔が原料ガスの供給によってバッファタンクの圧力に上昇するまでの間、目的ガスがどの吸着塔からもバッファタンクへ供給されることはない。これらの間、バッファタンクに既に貯蔵された目的ガスを製品ガスとして外部に供給し、それにより製品ガスを外部へ連続供給できるようにしている。しかしながら、これにより、バッファタンクの圧力は低下する。

すなわち、目的ガスがどの吸着塔からも取り出されていない時間があることにより、ユーザに提供する製品ガスの圧力低下の低下がもたらされているといえる。

特開第２０１０－７５７７８号公報 実公平０７－００２０２５号公報

本発明は、目的ガスが常にいずれかの吸着塔から取り出されるようにするＰＳＡ装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、圧力スイング吸着法によって原料ガスから特定ガスを吸着して目的ガスを生成する圧力スイング吸着装置であって、
前記原料ガスを圧縮して供給する圧縮機と、
前記特定ガスを前記目的ガスより優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔を３つ含むグループと、
前記吸着塔のそれぞれに接続された供給路を含み、前記原料ガスを、前記供給路を通じて前記圧縮機から前記吸着塔のそれぞれに選択的に供給するために、前記供給路の状態を切り替える供給切替手段と、
前記吸着塔のそれぞれに接続された排出路を含み、前記特定ガスを、前記排出路を通じて前記吸着塔のそれぞれから選択的に排出するために、前記排出路の状態を切り替える排出切替手段と、
前記吸着塔のそれぞれに接続された連通路を含み、前記グループのうち任意の２つの前記吸着塔を、前記連通路を通じて互いに均圧にするために、前記連通路の状態を切り替える連通切替手段と、
前記吸着塔のそれぞれに接続された取出路を含み、前記目的ガスを、前記取出路を通じて前記吸着塔のそれぞれから選択的に取り出すために、前記取出路の状態を切り替える取出切替手段と、
前記供給切替手段、前記排出切替手段、前記連通切替手段、および、前記取出切替手段を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記グループのうち、１つの吸着塔を第１吸着塔として、別の１つの吸着塔を第２吸着塔として、残り１つの吸着塔を第３吸着塔として、
前記原料ガスを前記第１吸着塔に供給し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から取り出す第１工程と、
前記原料ガスを前記第１吸着塔に供給停止するが前記目的ガスを前記第１吸着塔から取り出し続け、前記原料ガスを前記第２吸着塔に供給開始して前記第２吸着塔を加圧する第２工程と、
前記原料ガスを前記第１吸着塔に供給開始し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から取り出し続け、前記２吸着塔を前記原料ガスの供給によって加圧し続ける第３工程と、
前記原料ガスを前記第１および第２吸着塔に供給し続け、目的ガスを前記第１吸着塔から取り出し続け前記第２吸着塔から取り出し始める第４工程と、を連続して実施し、
前記第１から第４工程の間に、前記特定ガスを前記第３吸着塔から排出して前記第３吸着塔の前記吸着剤を再生処理し、
前記原料ガスを前記第１吸着塔へ供給停止し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から取出停止し、前記特定ガスを前記第３吸着塔から排出停止し、前記第１吸着塔と前記第３吸着塔とを互いに連通させて均圧にし、前記原料ガスを前記第２吸着塔に供給し続け前記目的ガスを前記第２吸着塔から取り出し続ける第５工程を、前記第４工程に続いて実施する。

前記制御部は、
前記第１から第５工程を実施した後に、
前記第１から第５工程の実施の際に第１吸着塔だった吸着塔を第３吸着塔として、第２吸着塔だった吸着塔を第１吸着塔として、第３吸着塔だった吸着塔を第２吸着塔として、前記第１から第５工程を再び実施してよい。

前記供給切替手段は、
前記吸着塔のそれぞれに対して設けられ、前記供給路に介在され、前記制御部によって制御される３つの開閉バルブを備えてよい。
前記排出切替手段は、
前記吸着塔のそれぞれに対して設けられ、前記排出路に介在され、前記制御部によって制御される３つの開閉バルブを備えてよい。
前記連通切替手段は、
前記吸着塔のそれぞれに対して設けられ、前記取出路に介在され、前記制御部によって制御される３つの開閉バルブを備えてよい。
前記取出切替手段は、
前記吸着塔のそれぞれに対して設けられ、前記取出路に介在され、前記制御部によって制御される３つの開閉バルブを備えてよい。

さらに、本発明は、圧力スイング吸着法によって原料ガスから特定ガスを吸着して目的ガスを生成するＰＳＡ装置の制御方法であって、
前記ＰＳＡ装置は、前記特定ガスを前記目的ガスより優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔を３つ含むグループを備え、各吸着塔は、供給路、排出路、連通路、および、取出路に接続されており、
前記制御方法は、
前記グループのうち、１つの吸着塔を第１吸着塔として、別の１つの吸着塔を第２吸着塔として、残り１つの吸着塔を第３吸着塔として、
前記原料ガスを前記第１吸着塔に前記供給路を通じて供給し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から前記取出路を通じて取り出す第１工程と、
前記原料ガスを前記第１吸着塔に供給停止するが前記目的ガスを前記第１吸着塔から前記取出路を通じて取り出し続け、前記原料ガスを前記第２吸着塔に前記供給路を通じて供給開始して前記第２吸着塔を加圧する第２工程と、
前記原料ガスを前記第１吸着塔に前記供給路を通じて供給開始し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から前記取出路を通じて取り出し続け、前記２吸着塔を前記原料ガスの供給によって加圧し続ける第３工程と、
前記原料ガスを前記第１および第２吸着塔に前記供給路を通じて供給し続け、前記目的ガスを、前記取出路を通じて、前記第１吸着塔から取り出し続け前記第２吸着塔から取り出し始める第４工程と、を順番に実施し、
前記第１から第４工程の間に、前記特定ガスを前記第３吸着塔から前記排出路を通じて排出して前記第３吸着塔の前記吸着剤を再生処理し、
前記原料ガスを前記第１吸着塔へ供給停止し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から取出停止し、前記特定ガスを前記第３吸着塔から排出停止し、前記第１吸着塔と前記第３吸着塔とを、前記連通路を通じて互いに連通させて均圧にし、前記原料ガスを前記第２吸着塔に前記供給路を通じて供給し続け前記目的ガスを前記第２吸着塔から前記取出路を通じて取り出し続ける第５工程を前記第４工程に続いて実施する。

前記制御方法は、
前記第１から第５工程を実施した後に、
前記第１から第５工程の実施の際に第１吸着塔だった吸着塔を第３吸着塔として、第２吸着塔だった吸着塔を第１吸着塔として、第３吸着塔だった吸着塔を第２吸着塔として、前記第１から第５工程を再び実施してよい。

本発明に係るＰＳＡ装置およびＰＳＡ装置の制御方法によれば、目的ガスを、いずれかの吸着塔から常に取り出すことができるようになる。

本発明の例示のＰＳＡ装置の概略図である。 第１から第５工程を説明する。 第１’から第５’工程を説明する。 第１’’から第５’’工程を説明する。 実施例のサイクル条件を示す。 実施例の原料ガスの条件および実施例の結果を示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態が説明される。図１は、例示のＰＳＡ装置を示す。ＰＳＡ装置は、ＰＳＡ法によって、原料ガスから特定ガスを吸着して、目的ガスを生成する。例えば、ＰＳＡ装置は、空気を原料ガスとする。この場合、ＰＳＡ装置は、窒素を吸着して酸素を生成する酸素ＰＳＡ装置、酸素を吸着して窒素を生成する窒素ＰＳＡ装置、及び、水分を吸着してドライエアを生成するＰＳＡドライヤなどがある。

ＰＳＡ装置は、互いに並列する３つの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃを備え、３つの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃで１つのグループを形成する。不図示の吸着剤が吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ内に充填されている。吸着剤は、特定ガスを目的ガスより優先して吸着する性質を有する。酸素ＰＳＡ装置の場合、例えば、窒素ガスを酸素ガスより優先して吸着するゼオライト吸着剤が用いられる。窒素ＰＳＡ装置の場合、例えば、酸素ガスを窒素ガスより優先して吸着する分子篩活性炭吸着剤が用いられる。ＰＳＡドライヤの場合、乾燥剤が吸着剤として用いられる。

吸着塔が原料ガスの供給によって加圧されると、吸着剤が原料ガス中の特定ガスを吸着し、結果的に、目的ガスが吸着塔内に残る。こうして、目的ガスが吸着塔内で生成される。

ＰＳＡ装置は、さらに、原料ガスを圧縮し、圧縮された原料ガスを各吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに供給するための圧縮機１を備える。圧縮機１は、周知のものが用いられてよい。

ＰＳＡ装置は、さらに、圧縮機１および吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに接続された供給路２０を含む供給切替手段２を備える。供給切替手段２は、原料ガスを、供給路２０を通じて圧縮機１から吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに選択的に供給するために、供給路２０の状態を切り替えるように構成されている。

具体的には、供給路２０は、３つの分岐路２０ａ，２０ｂ，２０ｃを有し、この分岐路２０ａ，２０ｂ，２０ｃが３つの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにそれぞれ接続されている。さらに、供給切替手段２は、開閉バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を備える。バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３は、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに対して設けられ、供給路２０の分岐路２０ａ，２０ｂ，２０ｃに介在され、後述の制御部６によって制御される。バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開閉制御によって、原料ガスを供給する吸着塔を選択することができる。

ＰＳＡ装置は、さらに、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに接続された排出路３０を含む排出切替手段３を備える。排出路３０は、排出口３１を有する。排出切替手段３は、特定ガスを、排出路３０および排出口３１を通じて外部環境へ吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれから選択的に排出するために、排出路３０の状態を切り替えるように構成されている。

具体的には、排出路３０は、３つの分岐路３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有し、この分岐路３０ａ，３０ｂ，３０ｃが３つの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにそれぞれ接続されている。さらに、排出切替手段３は、開閉バルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６を備える。バルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６は、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに対して設けられ、排出路３０の分岐路３０ａ，３０ｂ，３０ｃに介在され、制御部６によって制御される。バルブＶ４,Ｖ５,Ｖ６の開閉制御によって、後述の吸着剤の再生処理のために特定ガスを排出する吸着塔を選択することができる。

ＰＳＡ装置は、さらに、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに接続された連通路４０を含む連通切替手段４を備える。連通切替手段４は、グループのうち任意の２つの吸着塔を互いに均圧にするために、連通路４０の状態を切り替えるように構成されている。

具体的には、連通路４０は、３つの分岐路４０ａ，４０ｂ，４０ｃを有し、この分岐路４０ａ，４０ｂ，４０ｃが３つの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにそれぞれ接続されている。さらに、連通切替手段４は、開閉バルブＶ７，Ｖ８，Ｖ９を備える。バルブＶ７，Ｖ８，Ｖは、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに対して設けられ、連通路４０の分岐路４０ａ，４０ｂ，４０ｃに介在され、制御部６によって制御される。バルブＶ７，Ｖ８，Ｖ９の開閉制御によって、後述の均圧工程を実施するために互いに連通させる２つの吸着塔をグループの中から選択することができる。

ＰＳＡ装置は、さらに、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに接続された取出路５０を含む取出切替手段５を備える。バッファタンクＢＴが取出路５０に介在されている。取出路５０は、取出口５１を有する。取出切替手段５は、目的ガスを、製品ガスとして、取出路５０を通じて吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれから選択的に取り出し、バッファタンクＢＴへ供給し、取出口５１からＰＳＡ装置の外部に供給するために、取出路５０の状態を切り替えるように構成されている。

取出路５０は、３つの分岐路５０ａ，５０ｂ，５０ｃを有し、この分岐路５０ａ，５０ｂ，５０ｃが３つの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにそれぞれ接続されている。さらに、取出切替手段５は、開閉バルブＶ１０，Ｖ１１，Ｖ１２を備える。バルブＶ１０，Ｖ１１，Ｖ１２は、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに対して設けられ、取出路５０の分岐路５０ａ，５０ｂ，５０ｃに介在され、制御部６によって制御される。吸着塔が原料ガスの供給によって加圧されると、目的ガスが吸着塔内で生成されることは上記の通りである。バルブＶ１０，Ｖ１１，Ｖ１２の開閉制御によって、生成された目的ガスを取り出す吸着塔を選択することができる。

ＰＳＡ装置は、さらに、切替手段２－５を、したがって、それらのバルブＶ１－Ｖ１２を制御して、後述の工程を実施する制御部６を備える。制御部６は、例えば、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）などで構成されてよい。

図２－４を参照して、上記ＰＳＡ装置の制御が説明される。以下では、圧縮機１（図１）が、圧縮された原料ガスを供給路２０に供給し続けている。図２－図４のバルブＶ１－Ｖ１２のうち、開状態のものは白塗り、閉状態のものは黒塗りされている。

［第１工程］
第１工程は、原料ガス（圧縮状態である）を、グループのうち、第１工程より前の工程にて既に目的ガスを生成し含んでいる第１吸着塔に供給路２０を通じて供給し、目的ガスを第１吸着塔から取出路５０を通じて取り出す工程である。

図２の第１～５工程では、吸着塔Ｔａが第１吸着塔に該当する。吸着塔Ｔａは、第１工程より前の工程（具体的には１つ前のサイクルにおける図４の第２’’工程）を経て、バッファタンクＢＴの圧力まで加圧されており、目的ガスを生成し続けている。したがって、第１工程の開始時に、目的ガスは吸着塔Ｔａ内に既に含まれており、また第１工程の間、吸着塔Ｔａ内で生成され続けている。バルブＶ１，１０は、第１工程の１つ前の工程（具体的には１つ前のサイクルにおける図４の第５’’工程）に続いて開状態に維持されている。したがって、原料ガスが吸着塔Ｔａに供給路２０を通じて供給され、目的ガスが吸着塔Ｔａから取出路５０を通じて取り出され、バッファタンクＢＴへ供給されている。なお、Ｖ４，Ｖ７は閉じられている。

この第１工程では、ガスを、グループのうち第２吸着塔に対して給排しない。

図２の第１～５工程では、吸着塔Ｔｂが第２吸着塔に該当する。バルブＶ２，Ｖ５，Ｖ８，Ｖ１１が閉じられており、吸着塔Ｔｂに対してガスの給排はない。

この第１工程では、グループのうち残り１つの第３吸着塔の吸着剤の再生処理を開始する。

図２の第１～５工程では、吸着塔Ｔｃが第３吸着塔に該当する。吸着塔Ｔｃは、第１工程より前に実施された工程において、その吸着剤が特定ガスを既に吸着している。バルブＶ６が開かれ、バルブＶ３，９，１２が閉状態になっていることで、特定ガスが、吸着塔Ｔｃの吸着剤から脱着して、吸着塔Ｔｃから排出路３０を通じて排出され、排出口３１から外部環境に放出される。これによって、吸着塔Ｔｃの吸着剤が再生され始める。

［第２工程］
第１工程に続いて第２工程が実施される。第２工程は、原料ガスを第１吸着塔に供給停止するが目的ガスを第１吸着塔から取出路５０を通じて取り出し続け、原料ガスを第２吸着塔に供給路２０を通じて供給開始して第２吸着塔を加圧する工程である。

図２の第２工程では、第１吸着塔としての吸着塔Ｔａに対するバルブＶ１が閉じられ、Ｖ１０は開状態のままである。したがって、原料ガスの吸着塔Ｔａの供給は停止する。一方で、吸着塔Ｔａ内の目的ガスはバッファタンクＢＴへ取り出され続けている。

図２の第２工程では、第２吸着塔としての吸着塔Ｔｂに対するバルブＶ２が開かれて、原料ガスが今度は吸着塔Ｔｂに供給開始され、吸着塔Ｔｂが原料ガスの供給によって加圧されていく。第３吸着塔としての吸着塔Ｔｃでは、第１工程に続いてその吸着剤の再生処理が継続されている。

［第３工程］
第２工程において第２吸着塔の圧力が第１吸着塔の圧力とほぼ同じになると、第２工程に続いて第３工程が実施される。第３工程は、原料ガスを第１吸着塔に再び供給開始し、目的ガスを第１吸着塔から取り出し続け、第２吸着塔を原料ガスの供給によって加圧し続ける工程である。

図２の第２工程において、第２吸着塔としての吸着塔Ｔｂが第１吸着塔としての吸着塔Ｔａとほぼ同圧になると、図２の第３工程では、吸着塔Ｔａに対するバルブＶ１が再び開かれ、原料ガスが吸着塔Ｔｂだけでなく吸着塔Ｔａにも供給され始める。したがって、吸着塔Ｔａにおいて特定ガスの吸着（目的ガスの生成）が再開される。バルブＶ１０は開状態のままであり、目的ガスは吸着塔Ｔａから取り出され、バッファタンクＢＴへ供給され続けている。第３吸着塔としての吸着塔Ｔｃは、第２工程に続いてその吸着剤の再生処理が継続されている。

［第４工程］
第３工程に続いて第４工程が実施される。第４工程は、原料ガスを第１および第２吸着塔に供給路２０を通じて供給し続け、原料ガスを第１吸着塔から取出路５０を通じて取り出し続けかつ第２吸着塔から取出路５０を通じて取り出し始める工程である。

図２の第４工程では、第２吸着塔としての吸着塔Ｔｂに対するバルブＶ１１が開かれる。第３工程に続いて、原料ガスが第１吸着塔としての吸着塔Ｔａ、および、第２吸着塔としての吸着塔Ｔｂに供給され続けている。目的ガスが吸着塔Ｔａから取り出され続けている。第２および第３工程において吸着塔Ｔｂが加圧されているので、吸着塔Ｔｂにおいて特定ガスの吸着（目的ガスの生成）が行われている。バルブＶ１１の開によって、目的ガスが吸着塔Ｔｂからも取り出され始める。したがって、第４工程では、目的ガスが２つの吸着塔から取出路５０を通じて取り出され、バッファタンクＢＴへ供給される。第３吸着塔としての吸着塔Ｔｃは、第３工程に続いてその吸着剤の再生処理が継続されている。

［第５工程］
第４工程に続いて第５工程が実施される。第５工程は、原料ガスを第１吸着塔へ供給停止し、目的ガスを第１吸着塔から取出停止し、特定ガスを第３吸着塔から排出停止し、第１吸着塔と第３吸着塔とを連通路を通じて互いに連通させて均圧にし、原料ガスを第２吸着塔に供給路２０を通じて供給し続け、目的ガスを第２吸着塔から取出路５０を通じて取り出し続ける工程である。

図２の第５工程では、第１吸着塔としての吸着塔Ｔａに対するバルブＶ１，Ｖ１０が閉じられ、第３吸着塔としての吸着塔Ｔｃに対するバルブＶ６が閉じられる。これにより、原料ガスの吸着塔Ｔａへの供給、目的ガスの吸着塔Ｔａからの取出しが停止するとともに、特定ガスの吸着塔Ｔｃから外部環境への排出が停止される。吸着塔Ｔｃの再生処理が完了する。そして、吸着塔Ｔａに対するバルブＶ７、および、吸着塔Ｔｃに対するバルブＶ９が開かれる。これにより、吸着塔Ｔａと吸着塔Ｔｃとが連通路４０を通じて互いに連通し、均圧工程が実施される。

この間、原料ガスが第２吸着塔としての吸着塔Ｔｂに供給され続け、目的ガスが生成され吸着塔Ｔｂから取り出され続けている。

このように、第１～５工程によって、目的ガスが、グループのうち２つの吸着塔の少なくもいずれか一方から常に取り出され、グループのうち残りの吸着塔の吸着剤の再生処理が行われる。すなわち、図２の第１～５工程では、目定ガスが吸着塔Ｔａ，Ｔｂの少なくともどちらか一方から常に取り出され、吸着塔Ｔｃの吸着剤の再生処理が行われる。

次いで、制御部６は、第１～第５工程を実施した後、当該第１から第５工程の実施の際に第１吸着塔だった吸着塔を今度は第３吸着塔として、第２吸着塔だった吸着塔を今度は第１吸着塔として、第３吸着塔だった吸着塔を今度は第２吸着塔として、第１から第５工程を再び実施する。これらの工程は、以下で第１’～第５’工程とする。第１’～第５’工程は、図３に示されている。

すなわち、図３の通り、吸着塔Ｔａが第３吸着塔となりその吸着剤が再生処理される。そして、吸着塔Ｔｂが第１吸着塔となり吸着塔Ｔｃが第２吸着塔となり、これらの吸着塔Ｔｂ，Ｔｃの少なくともいずれか一方から常に目的ガスが取り出さる。

より具体的には、図２の第５工程に続いて、図３の第１’工程が実施される。第１’工程で、吸着塔Ｔａに対するバルブＶ７が閉じられ、バルブＶ４が開かれる。そして、第１’～４’工程の間、吸着塔Ｔａの再生処理が行われる。

第１’工程では、図２の第５工程に続いてバルブＶ２，Ｖ１１の開状態が維持されており、原料ガスが吸着塔Ｔｂに供給され続け目的ガスが吸着塔Ｔｂから取り出され続けている。第１’工程で、吸着塔Ｔｃに対するバルブＶ９が閉じられ、吸着塔Ｔｃに対するガスの給排が停止される。図３の通り、第１’～５’工程の間、前述と同様のバルブの開閉制御によって、目的ガスが吸着塔Ｔｂまたは吸着塔Ｔｃの少なくともいずれか一方から取り出され続け、バッファタンクＢＴに供給される。図３の第５’工程では、吸着塔Ｔａと吸着塔Ｔｂが互いに均圧にされる。

第１’～５’工程の実施後、第１’～５’工程の実施の際に第１吸着塔だった吸着塔を今度は第３吸着塔として、第２吸着塔だった吸着塔を今度は第１吸着塔として、第３吸着塔だった吸着塔を今度は第２吸着塔として、前記第１から第５工程を再び実施する。これらの工程は、以下で第１’’～第５’’工程とする。第１’’～第５’’工程は、図４に示されている。

すなわち、図４の通り、吸着塔Ｔｂが第３吸着塔となり再生処理が行われる（図４の第１’’～４’’工程参照）。そして、吸着塔Ｔｃが第１吸着塔となり吸着塔Ｔａが第２吸着塔となり、前述のバルブの開閉制御によって、目的ガスが、吸着塔Ｔｃ、Ｔａの少なくともどちらか一方から取り出され続け、バッファタンクＢＴに供給される（第１’’～５’’工程参照）。第５’’工程では、吸着塔Ｔｂと吸着塔Ｔｃが互いに均圧にされる。

制御部６は、この第１～５’ ’工程の計１５工程を１つのサイクルとし、このサイクルを繰り返す。従来の２塔式のＰＳＡ装置では、目的ガスを吸着塔から取り出せない時間が生じることは従来の通りである。一方、本願の３塔式のＰＳＡ装置によれば、第１～第５工程、第１’～第５’工程、第１’’～第５’’工程によって、目的ガスが常にいずれかの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃから取り出される。したがって、従来技術で記載したような、目的ガスを製品ガスとして外部に低圧で供給してしまう問題を解消できる。

＜実施例＞
図１の３塔式のＰＳＡ装置を準備した。当該ＰＳＡ装置によって、図２－図４の第１～５’’工程の１５工程からなるサイクルを図５に示されるサイクル条件で実施して製品ガスを生成した。原料ガスとして空気を用い、原料ガスから、特定ガスとして酸素、二酸化炭素、水蒸気を吸着剤によって吸着し、製品ガス（目的ガス）として窒素ガスを生成した。

図６の通り、原料空気の供給圧力は０．６ＭＰａであり、０．６ＭＰａの圧縮空気から、０．５ＭＰａの窒素ガスを取り出せることが確認された。ここで、窒素ガスの圧力は、バッファタンクＢＴの圧力の最小値であり、これが、ユーザ（顧客）に提供できる窒素ガスの圧力とされる（以下、同様）。

以上から、実施例に係る３塔式のＰＳＡ装置は、以下の点で有用であることが分かる。
近年、中大規模の工場は空気圧縮機の省エネ化を推進され、さらに小規模の工場も省エネ化を推進されている。工場の原料空気の吐出圧力の低減による、消費電力の低減が実施されている。現在、原料空気の圧力を、０．８ＭＰａから０．６ＭＰａに変更する工場が多くなっている。

理論的には、原料空気の圧力を、０．８ＭＰａから０．６ＭＰａに下げると、同一の空気量で空気圧縮機の軸動力が、約１４％低減される（この根拠は、後に説明する）。それにより、１０００万円／年の電気料金が８６０万円／年なり、１４０万円／年と大きなコストダウンとなる。

しかしながら、既存のＰＳＡ装置は、０．８～０．９ＭＰａの原料空気の供給を想定して設計されて、市販されている。上記のように省エネ化を推進されている小中大規模の工場がＰＳＡ装置を利用する場合、低圧な空気を使用できず、ＰＳＡ装置専用の空気圧縮機または増圧コンプレッサが必要となる。ＰＳＡ装置専用の設備の導入は、新たなコストがかかり、大きな障壁となっていた。

例えば、特許文献１に開示された２塔式のＰＳＡ装置（比較例）の場合、０．８ＭＰａの圧縮空気から窒素ガスを製品ガスとして生成すると、窒素ガスの圧力は、０．５ＭＰａとなり、０．６ＭＰａの圧縮空気の場合、窒素ガスの圧力は０．３５ＭＰａとなる。０．３５ＭＰａの窒素ガスだと、用途が大きく制限されてしまい、ユーザ（顧客）の要望を満たさないことが多い。したがって、ＰＳＡ装置が採用されない。このように、既存のＰＳＡ装置は、省エネ化の流れに対応できていない現状がある。

実施例に係る３塔式のＰＳＡ装置は、上記結果に示されるように、０．６ＭＰａの圧縮空気から、０．５ＭＰａの窒素ガスを製品ガスとして提供できる。したがって、実施例に係るＰＳＡ装置は、上記の省エネ化の流れに対応でき、顧客の要望を満足させることができる。

特許文献２のように、２つの吸着塔で１つのグループを形成し、このようなグループを２以上備えるＰＳＡ装置を用いれば、０．６ＭＰａの圧縮空気で０．５ＭＰａの窒素ガスを提供することは可能である。しかしながら、この場合、１グループに対して８個のバルブが必要なので、少なくとも１６個のバルブが必要となる。これに対して、実施形態に係るＰＳＡ装置は、１２個のバルブ（Ｖ１～Ｖ１２）で足りるので、コスト、整備性、故障確率などの点で、特許文献２のＰＳＡ装置よりも有利である。

なお、上記は、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、３塔で１つのグループを形成し、このようなグループを複数備え、各グループで図２～図４の工程を１つのサイクルとして実施するＰＳＡ装置が提供されてもよい。

その他、低純度窒素濃度９５～９９．９％においては、２つの吸着塔を均圧にする第５工程、第５’工程、および、第５’’工程の時間を増やことにより、吸着塔に原料ガスを導入し始める第２工程、第２’工程、および、第２’’工程の時間が短縮され、バッファタンクの圧力減少が少なくなり、従来よりも、製品ガス（目的ガス）の約０．１～０．２ＭＰａのより高い圧力を確保することができる。

圧縮空気の圧力を０．８ＭＰａから０．６ＭＰａに下げると、同一の空気量で空気圧縮機の軸動力が約１４％低減することの根拠は、以下の通りである。理論軸動力の計算式は、以下の数１に示される。

数１の右辺の［］内の部分は、吸入圧力と吐出圧力の圧力比の関係式である。２段圧縮、比熱比１．４、吸入圧力０．１０１３ＭＰａＡＢＳとして、吐出圧力を０．６９ＭＰａＧから０．５９ＭＰａＧに下げた場合の理論軸動力の低減率を概算すると以下の通りである。

上記から、吐出圧力を０．１ＭＰａＧ下げると約７％の動力低減になることが分かる。したがって、圧縮空気の圧力を０．８ＭＰａから０．６ＭＰａに下げると、軸動力が約１４％低減することが分かる。

１ 圧縮機
２ 供給切替手段
２０ 供給路
３ 排出切替手段
３０ 排出路
３１ 排出口
４ 連通切替手段
４０ 連通路
５ 取出切替手段
５０ 取出路
５１ 取出口
Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ 吸着塔
ＴＢ バッファタンク
Ｖ１～Ｖ１２ 開閉バルブ

Claims (5)

1. 圧力スイング吸着法によって原料ガスから特定ガスを吸着して目的ガスを生成する圧力スイング吸着装置であって、
   前記原料ガスを圧縮して供給する圧縮機と、
   前記特定ガスを前記目的ガスより優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔を３つ含むグループと、
   前記吸着塔のそれぞれに接続された供給路を含み、前記原料ガスを、前記供給路を通じて前記圧縮機から前記吸着塔のそれぞれに選択的に供給するために、前記供給路の状態を切り替える供給切替手段と、
   前記吸着塔のそれぞれに接続された排出路を含み、前記特定ガスを、前記排出路を通じて前記吸着塔のそれぞれから選択的に排出するために、前記排出路の状態を切り替える排出切替手段と、
   前記吸着塔のそれぞれに接続された連通路を含み、前記グループのうち任意の２つの前記吸着塔を、前記連通路を通じて互いに均圧にするために、前記連通路の状態を切り替える連通切替手段と、
   前記吸着塔のそれぞれに接続された取出路を含み、前記目的ガスを、前記取出路を通じて前記吸着塔のそれぞれから選択的に取り出すために、前記取出路の状態を切り替える取出切替手段と、
   前記供給切替手段、前記排出切替手段、前記連通切替手段、および、前記取出切替手段を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記グループのうち、１つの吸着塔を第１吸着塔として、別の１つの吸着塔を第２吸着塔として、残り１つの吸着塔を第３吸着塔として、
   前記原料ガスを前記第１吸着塔に供給し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から取り出す第１工程と、
   前記原料ガスを前記第１吸着塔に供給停止するが前記目的ガスを前記第１吸着塔から取り出し続け、前記原料ガスを前記第２吸着塔に供給開始して前記第２吸着塔を加圧する第２工程と、
   前記原料ガスを前記第１吸着塔に供給開始し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から取り出し続け、前記２吸着塔を前記原料ガスの供給によって加圧し続ける第３工程と、
   前記原料ガスを前記第１および第２吸着塔に供給し続け、目的ガスを前記第１吸着塔から取り出し続け前記第２吸着塔から取り出し始める第４工程と、を連続して実施し、
   前記第１から第４工程の間に、前記特定ガスを前記第３吸着塔から排出して前記第３吸着塔の前記吸着剤を再生処理し、
   前記原料ガスを前記第１吸着塔へ供給停止し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から取出停止し、前記特定ガスを前記第３吸着塔から排出停止し、前記第１吸着塔と前記第３吸着塔とを互いに連通させて均圧にし、前記原料ガスを前記第２吸着塔に供給し続け前記目的ガスを前記第２吸着塔から取り出し続ける第５工程を、前記第４工程に続いて実施する、
   ことを特徴とする圧力スイング吸着装置。
2. 前記制御部は、
   前記第１から第５工程を実施した後に、
   前記第１から第５工程の実施の際に第１吸着塔だった吸着塔を第３吸着塔として、第２吸着塔だった吸着塔を第１吸着塔として、第３吸着塔だった吸着塔を第２吸着塔として、前記第１から第５工程を再び実施する、
   請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
3. 前記供給切替手段は、
   前記吸着塔のそれぞれに対して設けられ、前記供給路に介在され、前記制御部によって制御される３つの開閉バルブを備え、
   前記排出切替手段は、
   前記吸着塔のそれぞれに対して設けられ、前記排出路に介在され、前記制御部によって制御される３つの開閉バルブを備え、
   前記連通切替手段は、
   前記吸着塔のそれぞれに対して設けられ、前記取出路に介在され、前記制御部によって制御される３つの開閉バルブを備え、
   前記取出切替手段は、
   前記吸着塔のそれぞれに対して設けられ、前記取出路に介在され、前記制御部によって制御される３つの開閉バルブを備える
   請求項１または２に記載の圧力スイング吸着装置。
4. 圧力スイング吸着法によって原料ガスから特定ガスを吸着して目的ガスを生成するＰＳＡ装置の制御方法であって、
   前記ＰＳＡ装置は、前記特定ガスを前記目的ガスより優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔を３つ含むグループを備え、各吸着塔は、供給路、排出路、連通路、および、取出路に接続されており、
   前記制御方法は、
   前記グループのうち、１つの吸着塔を第１吸着塔として、別の１つの吸着塔を第２吸着塔として、残り１つの吸着塔を第３吸着塔として、
   前記原料ガスを前記第１吸着塔に前記供給路を通じて供給し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から前記取出路を通じて取り出す第１工程と、
   前記原料ガスを前記第１吸着塔に供給停止するが前記目的ガスを前記第１吸着塔から前記取出路を通じて取り出し続け、前記原料ガスを前記第２吸着塔に前記供給路を通じて供給開始して前記第２吸着塔を加圧する第２工程と、
   前記原料ガスを前記第１吸着塔に前記供給路を通じて供給開始し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から前記取出路を通じて取り出し続け、前記２吸着塔を前記原料ガスの供給によって加圧し続ける第３工程と、
   前記原料ガスを前記第１および第２吸着塔に前記供給路を通じて供給し続け、前記目的ガスを、前記取出路を通じて、前記第１吸着塔から取り出し続け前記第２吸着塔から取り出し始める第４工程と、を順番に実施し、
   前記第１から第４工程の間に、前記特定ガスを前記第３吸着塔から前記排出路を通じて排出して前記第３吸着塔の前記吸着剤を再生処理し、
   前記原料ガスを前記第１吸着塔へ供給停止し、前記目的ガスを前記第１吸着塔から取出停止し、前記特定ガスを前記第３吸着塔から排出停止し、前記第１吸着塔と前記第３吸着塔とを、前記連通路を通じて互いに連通させて均圧にし、前記原料ガスを前記第２吸着塔に前記供給路を通じて供給し続け前記目的ガスを前記第２吸着塔から前記取出路を通じて取り出し続ける第５工程を前記第４工程に続いて実施する、
   ことを特徴とするＰＳＡ装置の制御方法。
5. 前記制御方法は、
   前記第１から第５工程を実施した後に、
   前記第１から第５工程の実施の際に第１吸着塔だった吸着塔を第３吸着塔として、第２吸着塔だった吸着塔を第１吸着塔として、第３吸着塔だった吸着塔を第２吸着塔として、前記第１から第５工程を再び実施する、
   請求項４に記載のＰＳＡ装置の制御方法。

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