JP2022054755A - 圧力変動吸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着剤の性能を最大限に引き出すことによって、原料ガスから分離して製造される製品ガスの純度を高めることを可能とした圧力変動吸着装置を提供する。【解決手段】原料ガス導入配管９ｃから分岐されて、原料ガスＧ１の一部を外部に排出する原料ガス排出配管３１を備え、圧縮機５は、加圧吸着工程において、吸着塔２Ａ，２Ｂに加圧された状態で導入される原料ガスＧ１の圧力が予め設定された最大圧力の上限値となったときに、原料ガスＧ１を加圧する負荷運転から原料ガスＧ１の加圧を停止する無負荷運転へと切り替わり、最大圧力の下限値となったときに、無負荷運転から負荷運転へと切り替わる運転制御を有し、加圧吸着工程の終了時において、吸着塔２Ａ，２Ｂに加圧された状態で導入される原料ガスＧ１の圧力が最大圧力の上限値となるように、原料ガス排出配管３１から排出される原料ガスＧ１の排出量を調整する調整手段３２が設けられている。【選択図】図１

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製品ガスとなる窒素を含む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を参照。）。

ＰＳＡ装置では、吸着剤が充填された吸着塔に対して圧縮機により加圧された原料ガスである空気を導入し、この原料ガス中に含まれる不要成分である酸素を吸着剤に吸着させ、原料ガスから分離された窒素を含む製品ガスを吸着塔から導出する加圧吸着工程と、吸着塔内の圧力を減圧し、吸着剤から脱離した不要成分を含む排ガスを吸着塔から導出する減圧再生工程とを交互に繰り返す。

なお、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。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。

特公昭６２－５００６５５号公報

ところで、上述した加圧吸着工程では、吸着剤の性能を最大限に引き出すように、この加圧吸着工程を行う時間と、吸着塔に加圧された状態で導入される原料ガスの最大圧力とを設定している。

また、加圧吸着工程では、吸着塔に加圧された状態で導入される原料ガスの圧力が予め設定された最大圧力の上限値となったときに、原料ガスを加圧する負荷運転（ロード）から原料ガスの加圧を停止する無負荷運転（アンロード）へと切り替わる圧縮機の運転制御を行っている。

しかしながら、従来のＰＳＡ装置では、圧縮機の性能によって、加圧吸着工程が終了する手前で、吸着塔に導入される原料ガスの圧力が最大圧力の上限値に到達してしまうことがある。この場合、加圧吸着工程が終了する前に、圧縮機が負荷運転から無負荷運転へと切り替わるため、吸着塔に導入される原料ガスの最大圧力が一旦低下してしまうなどの圧力変動が発生する。したがって、この場合、吸着剤の性能を最大限に引き出すことが困難となり、窒素富化ガスの純度が低下するなど、製品ガスの純度を一定に保つことが困難となる。

また、加圧吸着工程が終了する前に、吸着塔に導入される原料ガスの圧力が最大圧力の上限値に到達してしまう場合、圧縮機に加わる負荷も大きなものとなる。逆に、圧縮機の性能を下げてしまうと、加圧吸着工程において、加圧吸着工程が終了するまでに吸着塔に導入される原料ガスの圧力が最大圧力とならなくなったり、加圧吸着工程にかかる時間が長くなったりするため、製品ガスの純度が低下することになる。

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、吸着剤の性能を最大限に引き出すことによって、原料ガスから分離して製造される製品ガスの純度を高め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吸着塔と、
前記吸着塔に原料ガスを導入する原料ガス導入配管と、
前記原料ガス導入配管から導入される原料ガスを加圧する圧縮機と、
前記吸着塔に加圧された状態の原料ガスを導入しながら、この原料ガス中に含まれる不要成分を前記吸着剤に吸着させる加圧吸着工程において、前記原料ガスから分離された製品ガスを前記吸着塔から導出する製品ガス導出配管と、
前記吸着塔内の圧力を減圧する減圧再生工程において、前記吸着剤から脱離した不要成分を含む排ガスを前記吸着塔から導出する排ガス導出配管と、
前記原料ガス導入配管から分岐されて、前記原料ガスの一部を外部に排出する原料ガス排出配管と、
前記原料ガス排出配管から排出される原料ガスの排出量を調整する調整手段とを備え、
前記圧縮機は、前記加圧吸着工程において、前記吸着塔に加圧された状態で導入される原料ガスの圧力が予め設定された最大圧力の上限値となったときに、前記原料ガスを加圧する負荷運転から前記原料ガスの加圧を停止する無負荷運転へと切り替わり、前記最大圧力の下限値となったときに、前記無負荷運転から前記負荷運転へと切り替わる運転制御を有し、
前記調整手段は、前記加圧吸着工程の終了時に前記吸着塔に加圧された状態で導入される原料ガスの圧力が前記最大圧力の上限値となるように、前記原料ガス排出配管から排出される原料ガスの排出量を調整することを特徴とする圧力変動吸着装置。
〔２〕 前記調整手段が、前記原料ガス排出配管に設けられた背圧調整弁であ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〕 前記調整手段が、前記原料ガス排出配管に接続されると共に、前記原料ガス排出配管よりも排出抵抗の高いチューブであることを特徴とする前記〔１〕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、吸着剤の性能を最大限に引き出すことによって、原料ガスから分離して製造される製品ガスの純度を高め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、一方の吸着塔と他方の吸着塔との動作の手順を示す工程図である。 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において、一方の吸着塔と他方の吸着塔とに導入される原料ガスの圧力変化を示すグラフである。 図７中に示すグラフの一部を拡大したグラフである。

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。
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％）の窒素を含むものとする。また、窒素富化ガスの純度については、製品ガスＧ２中に含まれる窒素の濃度を示すものとする。

具体的に、このＰＳＡ装置１は、吸着剤Ｓが充填された一対の吸着塔２Ａ，２Ｂを備えている。一対の吸着塔２Ａ，２Ｂを構成する一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとは、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とが各々接続された構成を有している。

本実施形態では、吸着剤Ｓとして、例えば分子篩炭素（ＭＳＣ）を用いている。ＭＳＣは、活性炭の一種であり、酸素と窒素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として吸着剤Ｓから酸素を脱離する。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，２Ｂに原料ガスＧ１を導入する原料ガス導入部４と、吸着塔２Ａ，２Ｂに導入される原料ガスＧ１を加圧する圧縮機５と、吸着塔２Ａ，２Ｂから製品ガスＧ２を導出する製品ガス導出部６と、吸着塔２Ａ，２Ｂから排ガスＧ３を導出する排ガス導出部７と、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとの間の圧力を均圧化する圧力均圧部８とを備えている。

原料ガス導入部４は、一方の吸着塔２Ａの下部側配管３ａと接続された第１の原料ガス導入配管９ａと、他方の吸着塔２Ｂの下部側配管３ａと接続された第２の原料ガス導入配管９ｂと、第１の原料ガス導入配管９ａ及び第２の原料ガス導入配管９ｂと接続された第３の原料ガス導入配管９ｃとを有している。すなわち、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂは、これらの原料ガス導入配管９ａ～９ｃを介して互いに共通に接続されている。原料ガス導入部４は、これらの原料ガス導入配管９ａ～９ｃを通して各吸着塔２Ａ，２Ｂの下部側配管３ａ側から原料ガス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９ａを開閉する第１の原料ガス導入側開閉弁１０ａと、第２の原料ガス導入配管９ｂを開閉する第２の原料ガス導入側開閉弁１０ｂ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１０ａ，１０ｂの開閉を切り替えることによって、各吸着塔２Ａ，２Ｂに対する原料ガスＧ１の導入を切り替える。

第３の原料ガス導入配管９ｃの入側には、圧縮機５が接続されている。圧縮機５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。また、圧縮機５により加圧された原料ガスＧ１は、ドライヤー（図示せず。）に導入され、この原料空気Ｇ１に同伴されるドレンが除去される。

なお、原料ガス導入部４では、圧縮機５の出側に、この圧縮機５により加圧された状態の原料ガスＧ１を一時的に貯留するレシーバータンク（原料ガス貯留槽）を設けた構成としてもよい。これにより、圧縮機５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。

製品ガス導出部６は、一方の吸着塔２Ａの上部側配管３ｂと接続された第１の製品ガス導出配管１１ａと、他方の吸着塔２Ｂの上部側配管３ｂと接続された第２の製品ガス導出配管１１ｂと、第１の製品ガス導出配管１１ａ及び第２の製品ガス導出配管１１ｂと接続された第３の製品ガス導出配管１１ｃとを有している。すなわち、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂは、これらの製品ガス導出配管１１ａ～１１ｃを介して互いに共通に接続されている。製品ガス導出部６は、これらの製品ガス導出配管１１ａ～１１ｃを通して各吸着塔２Ａ，２Ｂの上部側配管３ｂ側から製品ガスＧ２を導出する。

また、製品ガス導出部６は、第１の製品ガス導出配管１１ａを開閉する第１の製品ガス導出側開閉弁１２ａと、第２の製品ガス導出配管１１ｂを開閉する第２の製品ガス導出側開閉弁１２ｂとを有している。製品ガス導出部６は、これらの製品ガス導出側開閉弁１２ａ，１２ｂの開閉を切り替えることによって、各吸着塔２Ａ，２Ｂから製品ガスＧ２の導出を切り替える。

なお、製品ガス導出部６では、第３の製品ガス導出配管１１ｃの出側に、吸着塔２Ａ，２Ｂから導出された製品ガスＧ２を一時的に貯留するバッファータンク（製品ガス貯留槽）を設けた構成としてもよい。

排ガス導出部７は、一方の吸着塔２Ａの下部側配管３ａと接続された第１の排ガス導出配管１３ａと、他方の吸着塔２Ｂの下部側配管３ａと接続された第２の排ガス導出配管１３ｂと、第１の排ガス導出配管１３ａ及び第２の排ガス導出配管１３ｂと接続された第３の排ガス導出配管１３ｃとを有している。すなわち、一対の吸着塔２Ａ，２Ｂは、これらの排ガス導出配管１３ａ～１３ｃを介して互いに共通に接続されている。排ガス導出部７は、これらの排ガス導出配管１３ａ～１３ｃを通して各吸着塔２Ａ，２Ｂの下部側配管３ａ側から排ガスＧ３を導出する。

また、排ガス導出部７は、第１の排ガス導出配管１３ａを開閉する第１の排ガス導出側開閉弁１４ａと、第２の排ガス導出配管１３ｂを開閉する第２の排ガス導出側開閉弁１４ｂとを有している。排ガス導出部７は、これらの排ガス導出側開閉弁１４ａ，１４ｂの開閉を切り替えることによって、各吸着塔２Ａ，２Ｂからの排ガスＧ３の導出を切り替える。

また、第３の排ガス導出配管１３ｃの出側には、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サイレンサー１５が設けられている。

圧力均圧部８は、一方の吸着塔２Ａの下部側配管３ａ及び他方の吸着塔２Ｂの下部側配管３ａと接続された第１の均圧配管１６ａと、一方の吸着塔２Ａの上部側配管３ｂ及び他方の吸着塔２Ｂの上部側配管３ｂと接続された第２の均圧配管１６ｂと、一方の吸着塔２Ａの上部側配管３ｂ及び他方の吸着塔２Ｂの上部側配管３ｂと接続された流量調整配管１７とを有している。圧力均圧部８は、これらの均圧配管１６ａ，１６ｂ及び流量調整配管１７を通して一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂ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と他方の吸着塔２Ｂ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と他方の吸着塔２Ｂ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８は、第１の均圧配管１５ａを開閉する第１の均圧弁１８ａと、第２の均圧配管１５ｂを開閉する第２の均圧弁１８ｂとを有している。圧力均圧部８は、これらの均圧弁１８ａ，１８ｂの開閉を切り替えることによって、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとの間の均圧化を行う。

なお、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した流量調整配管１７の径及び長さを調整することによって、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂ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、本実施形態のＰＳＡ装置１では、このような流量調整配管１７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、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した各原料ガス導入配管９ａ～９ｃ、各製品ガス導出配管１１ａ～１１ｃ、各排ガス導出配管１３ａ～１３ｃ、各均圧配管１６ａ，１６ｂ及び流量調整配管１７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、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した各原料ガス導入側開閉弁１０ａ，１０ｂ、各製品ガス導出側開閉弁１２ａ，１２ｂ、各排ガス導出側開閉弁１４ａ，１４ｂ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、図２に示す手順に従って、上述した一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂ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、図２は、ＰＳＡ装置１において、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとの動作の手順を示す工程図である。

本実施形態のＰＳＡ装置１では、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。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。

したがって、各吸着塔２Ａ，２Ｂ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、加圧吸着工程と、減圧均圧工程と、減圧再生工程と、加圧均圧工程とを順次繰り返すことになる。

具体的に、上記ＰＳＡ装置１の具体的な動作について、図３～図６を参照しながら説明する。
なお、図３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４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５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６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３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１０ａと、第１の製品ガス導出側開閉弁１２ａと、第２の排ガス導出側開閉弁１４ｂとを開放する。一方、第２の原料ガス導入側開閉弁１０ｂと、第２の製品ガス導出側開閉弁１２ｂと、第１の排ガス導出側開閉弁１４ａと、第１の均圧弁１８ａ及び第２の均圧弁１８ｂ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９ａ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１１ａ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１４ｂ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１３ｂ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１６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４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１７ａ及び第２の均圧弁１７ｂを開放する。一方、第１の原料ガス導入側開閉弁１０ａ及び第２の原料ガス導入側開閉弁１０ｂと、第１の製品ガス導出側開閉弁１２ａ及び第２の製品ガス導出側開閉弁１２ｂと、第１の排ガス導出側開閉弁１４ａ及び第２の排ガス導出側開閉弁１４ｂ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１６ａ及び第２の均圧配管１６ｂ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１６ａ及び第２の均圧配管１６ｂ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５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１０ｂと、第２の製品ガス導出側開閉弁１２ｂと、第１の排ガス導出側開閉弁１４ａとを開放する。一方、第１の原料ガス導入側開閉弁１０ａと、第１の製品ガス導出側開閉弁１２ａと、第２の排ガス導出側開閉弁１４ｂと、第１の均圧弁１８ａ及び第２の均圧弁１８ｂ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９ｂ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１１ｂ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１４ａ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１３ａ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１７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６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１８ａ及び第２の均圧弁１８ｂを開放する。一方、第１の原料ガス導入側開閉弁１０ａ及び第２の原料ガス導入側開閉弁１０ｂと、第１の製品ガス導出側開閉弁１２ａ及び第２の製品ガス導出側開閉弁１２ｂと、第１の排ガス導出側開閉弁１４ａ及び第２の排ガス導出側開閉弁１４ｂ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１６ａ及び第２の均圧配管１６ｂ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１６ａ及び第２の均圧配管１６ｂ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，２Ｂにおいて、上述した図２に示す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１に示すように、吸着塔２Ａ，２Ｂに加圧された状態で導入される原料ガスＧ１の一部を外部に排出する原料ガス排出部３０を備えている。

原料ガス排出部３０は、第３の原料ガス導入配管９ｃから分岐された原料ガス排出配管３１と、原料ガス排出配管３１に設けられた背圧調整弁３２とを有している。原料ガス排出部３０は、原料ガス排出配管３１を通して圧縮機５により加圧された原料ガスＧ１の一部を大気中に放出（大気開放）する。また、原料ガス排出部３０は、背圧調整弁３２によって、原料ガス排出配管３１から排出される原料ガスＧ１の排出量を調整する。

ところで、本実施形態のＰＳＡ装置１において、圧縮機５は、上述した加圧吸着工程において、吸着塔２Ａ，２Ｂに加圧された状態で導入される原料ガスＧ１の圧力が予め設定された最大圧力の上限値となるときに、原料ガスＧ１を加圧する負荷運転（ロード）から原料ガスＧ１の加圧を停止する無負荷運転（アンロード）へと切り替わり、この最大圧力の下限値となったときに、無負荷運転から負荷運転へと切り替わる運転制御を行っている。

ここで、上述した図２に示す各工程において、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとに導入される原料ガスＧ１の圧力変化を図７及び図８に示す。なお、図７は、ＰＳＡ装置１において、一方の吸着塔２Ａと他方の吸着塔２Ｂとに導入される原料ガスＧ１の圧力変化を示すグラフである。図８は、図７中に示すグラフの一部を拡大したグラフである。

本実施形態のＰＳＡ装置１では、図７に示すように、加圧吸着工程及び減圧再生工程において、圧縮機５の負荷運転により、加圧吸着工程を行う一方の吸着塔２Ａ（又は他方の吸着塔２Ｂ）内の圧力は、最大圧力となるまで加圧される。これに対して、減圧再生工程を行う他方の吸着塔２Ｂ（又は一方の吸着塔２Ａ）内の圧力は、減圧された状態のまま一定である。

また、本実施形態のＰＳＡ装置１では、加圧均圧均圧及び減圧均圧工程（以下、まとめて「均圧工程」という。）において、圧縮機５が負荷運転から無負荷運転へと切り替わる。これにより、減圧均圧工程を行う一方の吸着塔２Ａ（又は他方の吸着塔２Ｂ）内の圧力は、最大圧力から他方の吸着塔２Ｂ（又は一方の吸着塔２Ａ）との間の圧力差が解消（均圧化）されるまで減圧される。これに対して、加圧均圧工程を行う他方の吸着塔２Ｂ（又は一方の吸着塔２Ａ）内の圧力は、一方の吸着塔２Ａ（又は他方の吸着塔２Ｂ）との間の圧力差が解消（均圧化）されるまで加圧される。

本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した加圧吸着工程の終了時において、図８中の実線で示すように、一方の吸着塔２Ａ又は他方の吸着塔２Ｂに加圧された状態で導入される原料ガスＧ１の圧力が最大圧力の上限値（ＭＡＸ）となるように、原料ガス排出配管１８から排出される原料ガスＧ１の排出量を背圧調整弁３２により調整している。

すなわち、原料ガス排出部３０では、吸着塔２Ａ，２Ｂに加圧された状態で導入される原料ガスＧ１の一部を外部に排出することで、吸着塔２Ａ，２Ｂに導入される原料ガスＧ１の圧力が最大圧力の上限値に到達するタイミングを遅らせる方向に調整している。これにより、加圧吸着工程が終了し、均圧工程に切り替わる時点で、圧縮機５を負荷運転から無負荷運転へと切り替えることが可能である。

一方、上述した加圧吸着工程が終了する手前で、一方の吸着塔２Ａ又は他方の吸着塔２Ｂに導入される原料ガスＧ１の圧力が最大圧力の上限値に到達した場合を図８中の破線で示す。

この場合、加圧吸着工程が終了する前に、圧縮機５が負荷運転から無負荷運転へと切り替わるため、一方の吸着塔２Ａ又は他方の吸着塔２Ｂに導入される原料ガスＧ１の最大圧力が、上限値から下限値（ＭＩＮ）まで一旦低下した後に、再び圧縮機５が無負荷運転から負荷運転へと切り替わる。これにより、一方の吸着塔２Ａ又は他方の吸着塔２Ｂに導入される原料ガスＧ１の圧力が最大圧力の上限値に向かって加圧される。

したがって、この場合、上述した加圧吸着工程内で発生する圧力変動によって、吸着剤Ｓの性能を最大限に引き出すことが困難となる。また、窒素富化ガスの純度が低下するなど、この製品ガスＧ２の純度を一定に保つことが困難となる。

これに対して、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した加圧吸着工程内で発生する圧力変動を抑制しながら、吸着剤Ｓの性能を最大限に引き出すことが可能である。これにより、本実施形態のＰＳＡ装置１では、原料ガスＧ１から分離して製造される製品ガスＧ２の純度を高めることが可能である。

なお、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した原料ガス排出配管１８から排出される原料ガスＧ１の排出量を背圧調整弁３２により調整する構成となっているが、このような背圧調整弁３２を用いた構成に限らず、原料ガス排出配管１８から排出される原料ガスＧ１の排出量を調整可能な任意の調整弁を用いることが可能である。

また、本実施形態のＰＳＡ装置１では、上述した背圧調整弁３２を含む調整弁以外にも、原料ガス排出配管３１から排出される原料ガスＧ１の排出量を調整する任意の調整手段を用いることができる。

例えば、別の調整手段としては、原料ガス排出配管３１よりも排出抵抗の高いチューブを用いて、このチューブを原料ガス排出配管３１に接続した構成すればよい。この構成の場合、チューブの長さや径などを変更することで、原料ガス排出配管３１から排出される原料ガスＧ１の排出量を任意に調整することが可能である。また、チューブは、切断して長さを変更することで、現場での調整が可能である。

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。
例えば、上記ＰＳＡ装置１では、上述した一対の吸着塔２Ａ，２Ｂを備えた構成を例示しているが、そのような構成に必ずしも限定されるものではなく、４つの吸着塔を備えた構成や、６つ又は８つの吸着塔を備えた構成など、その吸着塔の数について適宜変更することが可能である。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
実施例１では、上記ＰＳＡ装置１を用いて、目標製品窒素ガス純度９９．９９％、流量６０Ｎｍ^３／ｈの条件で、原料ガスＧ１となる空気から製品ガスＧ２となる窒素を含む窒素富化ガスを分離して製造した。

（実施例２）
実施例２では、上記ＰＳＡ装置１の構成のうち、上記背圧調整弁３２の代わりに、原料ガス排出配管３１よりも排出抵抗の高いチューブを用いる以外は、実施例１と同じ条件にて、原料ガスＧ１となる空気から製品ガスＧ２となる窒素を含む窒素富化ガスを分離して製造した。また、チューブには、直径６ｍｍ、長さ１ｍのナイロンチューブを用いた。

（比較例１）
比較例１では、上記ＰＳＡ装置１の構成のうち、原料ガス排出部３０を省略した以外は、実施例１と同じ条件にて、原料ガスＧ１となる空気から製品ガスＧ２となる窒素を含む窒素富化ガスを分離して製造した。

これら実施例１，２及び比較例１について、加圧吸着工程中に圧縮機５が負荷運転から無負荷運転へと切り替わる回数（アンロード回数）［回］を測定した。また、製品ガスＧ２中に含まれる酸素濃度［ｐｐｍ］を測定した。なお、加圧吸着工程を行う時間は、７９０秒である。その測定結果をまとめたものを下記表１に示す。

表１に示すように、実施例１，２のＰＳＡ装置では、アンロード回数が０回であるのに対して、比較例１のＰＳＡ装置では、アンロード回数が１回となった。また、実施例１，２のＰＳＡ装置では、比較例１のＰＳＡ装置に比べて、製品ガス中の酸素濃度が低下していることがわかる。

したがって、本発明を適用したＰＳＡ装置では、吸着剤の性能を最大限に引き出すことによって、原料ガスから分離して製造される製品ガスの純度を高めることが可能である。

１…ＰＳＡ装置（圧力変動吸着装置） ２Ａ…一方の吸着塔 ２Ｂ…他方の吸着塔 ３ａ…下部側配管 ３ｂ…上部側配管 ４…原料ガス導入部 ５…圧縮機 ６…製品ガス導出部 ７…排ガス導出部 ８…圧力均圧部 ９ａ…第１の原料ガス導入配管 ９ｂ…第２の原料ガス導入配管 ９ｃ…第３の原料ガス導入配管 １０ａ…第１の原料ガス導入側開閉弁 １０ｂ…第２の原料ガス導入側開閉弁 １１ａ…第１の製品ガス導出配管 １１ｂ…第２の製品ガス導出配管 １１ｃ…第３の製品ガス導出配管 １２ａ…第１の製品ガス導出側開閉弁 １２ｂ…第２の製品ガス導出側開閉弁 １３ａ…第１の排ガス導出配管 １３ｂ…第２の排ガス導出配管 １３ｃ…第３の排ガス導出配管 １４ａ…第１の排ガス導出側開閉弁 １４ｂ…第２の排ガス導出側開閉弁 １５…サイレンサー １６ａ…第１の均圧配管 １６ｂ…第２の均圧配管 １７…流量調整配管 １８ａ…第１の均圧弁 １８ｂ…第２の均圧弁 ３０…原料ガス排出部 ３１…原料ガス排出配管 ３２…背圧調整弁（調整手段） Ｇ１…原料ガス（空気） Ｇ２…製品ガス（窒素富化ガス） Ｇ３…排ガス（酸素） Ｇ４…パージガス Ｇ５…残留ガス

Claims (3)

1. 吸着剤が充填された吸着塔と、
   前記吸着塔に原料ガスを導入する原料ガス導入配管と、
   前記原料ガス導入配管から導入される原料ガスを加圧する圧縮機と、
   前記吸着塔に加圧された状態の原料ガスを導入しながら、この原料ガス中に含まれる不要成分を前記吸着剤に吸着させる加圧吸着工程において、前記原料ガスから分離された製品ガスを前記吸着塔から導出する製品ガス導出配管と、
   前記吸着塔内の圧力を減圧する減圧再生工程において、前記吸着剤から脱離した不要成分を含む排ガスを前記吸着塔から導出する排ガス導出配管と、
   前記原料ガス導入配管から分岐されて、前記原料ガスの一部を外部に排出する原料ガス排出配管と、
   前記原料ガス排出配管から排出される原料ガスの排出量を調整する調整手段とを備え、
   前記圧縮機は、前記加圧吸着工程において、前記吸着塔に加圧された状態で導入される原料ガスの圧力が予め設定された最大圧力の上限値となったときに、前記原料ガスを加圧する負荷運転から前記原料ガスの加圧を停止する無負荷運転へと切り替わり、前記最大圧力の下限値となったときに、前記無負荷運転から前記負荷運転へと切り替わる運転制御を有し、
   前記調整手段は、前記加圧吸着工程の終了時に前記吸着塔に加圧された状態で導入される原料ガスの圧力が前記最大圧力の上限値となるように、前記原料ガス排出配管から排出される原料ガスの排出量を調整することを特徴とする圧力変動吸着装置。
2. 前記調整手段が、前記原料ガス排出配管に設けられた背圧調整弁であ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. 前記調整手段が、前記原料ガス排出配管に接続されると共に、前記原料ガス排出配管よりも排出抵抗の高いチューブであ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。

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