JP2022137809A - 圧力スイング吸着装置、および、ガス生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目的ガスを常にいずれかの吸着塔から取り出すことに貢献し得る構成を有する圧力スイング吸着装置を提供する。【解決手段】圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ装置）は、ＰＳＡ法によって原料ガスを目的ガスと特定ガスとに分離する。ＰＳＡ装置は、３つ吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃで１つのグループＧを形成する。ＰＳＡ装置は、原料ガスを供給する供給路２，特定ガスを排出するための排出路３，任意の２つの吸着塔を互いに均圧にするための均圧路４、および、目的ガスを取り出すための取出路５を備える。また、ＰＳＡ装置は、Ｖ１～Ｖ１２を備える。ＰＳＡ装置は、原料ガスを圧縮する第１圧縮手段１Ａ、および、原料ガスを第１圧縮手段１Ａによる圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮する第２圧縮手段１Ｂ／１Ｃを備える。圧力の異なる２つの原料ガスを使ってＰＳＡ法が実施される。【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、当該圧力スイング吸着装置を用いたガス生成方法に関する。

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、目的ガスを常にいずれかの吸着塔から取り出すことに貢献し得る構成を有するＰＳＡ装置を提供すること目的とする。また、本発明は、当該ＰＳＡ装置を用いたガス生成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、
前記原料ガスを圧縮する第１圧縮手段と、
前記原料ガスを、前記第１圧縮手段による圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮する第２圧縮手段と、
前記吸着塔のそれぞれに接続された供給路と、
前記第１圧縮手段により圧縮された前記原料ガスを、前記供給路を通じて前記吸着塔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第１供給切替手段と、
前記第２圧縮手段により圧縮された前記原料ガスを、前記供給路を通じて前記吸着塔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、前記第１供給切替手段とは異なる第２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と、
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と、
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、
前記目的ガスを前記吸着塔から取り出すために、前記吸着塔のそれぞれに接続された取出路と、を備える。

前記第１圧縮手段は、
前記原料ガスを圧縮する圧縮機を含み、
前記供給路は、
前記圧縮機と前記グループとに接続された主路と、
前記主路を迂回するバイパス路と、を含み、
前記第２圧縮手段は、
前記圧縮機によって圧縮された前記原料ガスを増圧するために前記バイパス路に介在された少なくとも１つの増圧弁を含んでよい。

前記第１圧縮手段は、
前記原料ガスを圧縮する第１圧縮機を含み、
前記第２圧縮手段は、
前記原料ガスを前記第１圧縮機による圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮する第２圧縮機を含んでよい。

前記第１圧縮手段は、
前記原料ガスを圧縮する第１圧縮機を含み、
前記第２圧縮手段は、
前記原料ガスを前記第１圧縮機による圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮する第２圧縮機と、
前記第１圧縮機によって圧縮された前記原料ガスをさらに増圧するための増圧弁と、を含み、
前記供給路は、
前記第１圧縮機と前記グループとに接続された主路と、
前記増圧弁が介在し、かつ、前記主路を迂回するバイパス路と、
前記バイパス路と前記第２圧縮機とに接続された補助路と、を含み、
前記圧力スイング吸着装置は、
前記第２圧縮機によって圧縮された前記原料ガスまたは前記増圧弁によって増圧された前記原料ガスのどちらを前記グループに供給するかを選択するための供給選択手段を、さらに、含んでよい。

前記圧力スイング吸着装置は、さらに、
前記目的ガスが前記取出路を通じて前記吸着塔に逆流するのを防止するために前記取出路に介在された逆流防止手段、または、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排出切替手段と、を備えてよい。

前記第１供給切替手段、前記第２供給切替手段、前記排出切替手段、および、前記連通切替手段を制御する制御部をさらに備え、
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圧縮手段によって前記第１吸着塔に前記供給路を通じて供給して、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、かつ、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する第１工程と、
前記原料ガスを前記第２圧縮手段によって前記第１供給塔に前記供給路を通じて供給して、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、かつ、前記原料ガスを前記第１圧縮手段によって前記第２吸着塔に前記供給路を通じて供給して、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始め、かつ、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続ける前記第２工程と、
前記原料ガスを前記第１圧縮手段によって前記第２供給塔に前記供給路を通じて供給して、前記第２吸着塔から前記取出路を通じて取り出し続け、かつ、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する第３工程と、を順番に実施してよい。

前記制御部は、
前記第１から第３工程を実施した後に、
前記第１から第３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３工程を再び実施してもよい。

また、本発明は、上記の圧力スイング吸着装置を用いて、前記目的ガスを生成するガス生成方法が提供される。

本発明によれば、目的ガスを常にいずれかの吸着塔から取り出すことに貢献し得る構成を有するＰＳＡ装置を提供される。また、本発明によれば、上記ＰＳＡ装置を用いたガス生成方法が提供される。

本発明の例示のＰＳＡ装置の概略図である。 第１から第３工程を説明する。 第１’から第３’工程を説明する。 第１’’から第３’’工程を説明する。 実施例のサイクル条件を示す。

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Ｇ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、原料ガスを圧縮して供給するために第１圧縮手段１Ａおよび第２圧縮手段１Ｂ，１Ｃを備える。ＰＳＡ装置は、さらに、圧縮された原料ガスを供給するために、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに接続された供給路２を備える。これらの構成は、後に詳述される。

ＰＳＡ装置は、さらに、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに接続された排出路３を備える。排出路３は、２つの分岐路３ａ，３ｂ，３ｃを有し、この分岐路３ａ，３ｂ，３ｃ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、排出路３は、排出口３０を有する。

ＰＳＡ装置は、さらに、特定ガスを、排出路３および排出口３０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３の状態を切り替える排出切替手段を備える。実施形態の排出切替手段は、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに対して設けられ、排出路３の分岐路３ａ，３ｂ，３ｃに介在される開閉バルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６である。バルブ４Ｖ，５Ｖ，６Ｖの開閉制御によって、特定ガスを排出する吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃを選択可能である。

ＰＳＡ装置は、さらに、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに接続された連通路４を備える。連通路４は、３つの分岐路４ａ，４ｂ，４ｃを有し、この分岐路４ａ，４ｂ，４ｃ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、ＰＳＡ装置は、グループＧ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４の状態を切り替えるための連通切替手段を備える。実施形態の連通切替手段は、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに対して設けられ、連通路４の分岐路４ａ，４ｂ，４ｃに介在される開閉バルブＶ７，Ｖ８，Ｖ９である。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Ｇ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５を備える。バッファタンクＢＴが取出路５に介在されている。取出路５は、３つの分岐路５ａ，５ｂ，５ｃを有し、この分岐路５ａ，５ｂ，５ｃが３つの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにそれぞれ接続されている。取出路５は、さらに、取出口５０を有する。この取出路５は、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ内で生成された目的ガスを、製品ガスとして、取り出し、バッファタンクＢＴへ供給し、取出口５０からＰＳＡ装置の外部に供給するための流路である。

ＰＳＡ装置は、実施形態では、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃから取出路５を通じて取り出された目的ガスが、バッファタンクＢＴから取出路５を通じて吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃへ逆流するのを防止するための逆流防止手段として、分岐路５ａ，５ｂ，５ｃのそれぞれに介在された逆止弁ＣＶａ，ＣＶｂ，ＣＶｃを備えている。

なお、逆止弁ＣＶａ，ＣＶｂ，ＣＶｃに代えて、ＰＳＡ装置は、図示されないが、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、取出路５の状態を切り替えるために、後述の制御部６によって制御される開閉バルブを、取出切替手段として備えてもよい。そして、これらの開閉バルブの開閉制御によって、取出路５の状態を切り替えて、生成された目的ガスを取り出す吸着塔を選択できるようにしてもよい。

第１圧縮手段１Ａは圧縮機（コンプレッサー）であり、原料ガスを圧縮して、圧縮された原料ガスを、供給路２を通じてグループＧに供給する。例えば、圧縮機１Ａは、既存の工場にある圧縮機である。このために、供給路２は、主路２０を備える。主路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、主路２０は、供給口２００を有しており、この供給口２００にて供給路２と圧縮機１Ａとが互いに接続さている。したがって、圧縮機１Ａは、主路２０を通じて、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃにそれぞれ供給する。

さらに、ＰＳＡ装置は、圧縮機１Ａにより圧縮された原料ガスを、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに選択的に供給するために、供給路２（したがって、主路２０）の状態を切り替える第１供給切替手段を備える。第１供給切替手段は、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに対して設けられ、主路２０の分岐路２０ａ，２０ｂ，２０ｃに介在された開閉バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３である。バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開閉制御によって、圧縮機１Ａで圧縮された原料ガスを供給する吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃを選択することができる。

第２圧縮手段１Ｂ，１Ｃは、２種類ある。１つ目の第２圧縮手段１Ｂは、増圧弁である。このために、供給路２は、主路２０を迂回するバイパス路２１を含む。増圧弁１Ｂは、バイパス路２１に介在されている。バイパス路２１は、その下流において３つの分岐路２１ａ，２１ｂ，２１ｃを含む。これら３つの分岐路２１ａ，２１ｂ，２１ｃが、それぞれ、主路２０の分岐路２０ａ、２０ｂ，２０ｃに、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３と吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃとの間の位置において、接続されている。圧縮機１Ａによって圧縮された原料ガスの一部が迂回開始箇所２１０にてバイパス路２１に流れると、増圧弁１Ｂによって増圧され、それから、グループＧに供給される。２以上の増圧弁が第２圧縮手段１Ｂとして設けられてもよい。こうして、圧縮機１Ａによる圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮された原料ガスが得られる。

２つ目の第２圧縮手段１Ｃは、追加の圧縮機である。以下、これを、補助圧縮機と称する。補助圧縮機１Ｃは、圧縮機１Ａの圧縮圧力よりも、高い圧力に原料ガスを圧縮する。このために、供給路２は、補助路２２を備える。補助路２２は、その一端に供給口２２０を有し、供給口２２０において補助圧縮機１Ｃに接続されている。補助路２２は、その他端においてバイパス路２１に接続されている。したがって、原料ガスが、補助圧縮機１Ｃによって、圧縮機１Ａによる圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮され、補助路２２を、それからバイパス路２１を経てグループＧに供給される。

さらに、ＰＳＡ装置は、第２圧縮手段１Ｂ，１Ｃにより圧縮された原料ガスを、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに選択的に供給するために、供給路２（したがって、バイパス路２１）の状態を切り替える第２供給切替手段を備える。第２供給切替手段は、吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃのそれぞれに対して設けられ、バイパス路２１の分岐路２１ａ，２１ｂ，２１ｃに介在される開閉バルブＶ１０，Ｖ１１，Ｖ１２である。バルブＶ１０，Ｖ１１，Ｖ１２の開閉制御によって、第２圧縮手段１Ｂ，１Ｃによって圧縮された原料ガスを供給する吸着塔Ｔａ、Ｔｂ，Ｔｃを選択することができる。

さらに、ＰＳＡ装置は、増圧弁１Ｂによって増圧された原料ガスまたは補助圧縮機１Ｃによって圧縮された原料ガスのどちらをグループＧに供給するかを選択するための供給選択手段を備える。供給選択手段は、実施形態では、バイパス路２１と補助路２２との接続点に設けられて、これら２１，２２の連通状態を切り替える切替バルブＳＶである。このバルブＳＶの切替によって、増圧弁１Ｂによって増圧された原料ガスまたは補助圧縮機１Ｃによって圧縮された原料ガスのどちらをグループＧに供給するかをユーザが選択することができる。

第２圧縮手段１Ｂ／１Ｃの一方が省略されてもよい。例えば、増圧弁１Ｂおよびバイパス路２１が省略される場合、補助路２２が、分岐路２１ａ，２１ｂ，２１ｃと同様に、開閉バルブＶ１０，Ｖ１１，Ｖ１２が介在された３つの分岐路を備え、これらの分岐路が、分岐路２０ａ，２０ｂ，２０ｃまたは各吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃに接続される。

ＰＳＡ装置は、さらに、前述の切替手段としての開閉バルブ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～図４を参照して、上記ＰＳＡ装置によるガス生成のサイクルが例示される。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。また、以下の工程で、圧縮機１Ａによって圧縮されて供給される原料ガスを、「原料ガス」と称し、第２圧縮手段１Ｂ，１Ｃによって圧縮されて供給される原料ガスを、「補助原料ガス」と称する。なお、「補助原料ガス」は、増圧弁１Ｂまたは補助圧縮機１Ｃによって得られるが、どちらの「補助原料ガス」を供給するかは、前述の切替バルブＳＶを用いて選択できる。ＰＳＡ装置では後述する暖気運転が既に行われている。図５は、以下の各工程におけるバルブの開閉状態を示す。

［第１工程］
第１工程は、「原料ガス」をグループＧのうち第１吸着塔に供給する工程である。第１工程において、吸着塔Ｔａが第１吸着塔に該当する。「原料ガス」を、前のサイクルの工程にて既に目的ガスを生成し含んでいる第１吸着塔に主路２０を通じて供給し、目的ガスを第１吸着塔から取出路５を通じて取り出す工程である。

図２の第１～３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’’および３’’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、目的ガスが吸着塔Ｔａ内で生成されて、バッファタンクＢＴに供給されている。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は、１つ前のサイクルにおける図４の第２’’および３’’工程に続いて開状態に維持されている。したがって、第１工程では、「原料ガス」が吸着塔Ｔａに供給され、目的ガスが、製品ガスとして、吸着塔ＴａからバッファタンクＢＴ（図１）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Ｇのうち第２吸着塔に対して給排しない。図２の第１～３工程では、吸着塔Ｔｂが第２吸着塔に該当する。第１工程では、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、また、グループＧのうち残り１つの第３吸着塔の吸着剤を再生処理する。図２の第１～３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工程より前のサイクルの工程において、その吸着剤が特定ガスを既に吸着している。第１工程では、バルブＶ６が開状態で、バルブＶ３，Ｖ９，Ｖ１２が閉状態であることで、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３を通じて排出され、排出口３０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。図２の第２工程は、「補助原料ガス」を、バイパス路２１を通じて第１吸着塔に供給して、目的ガスを第１吸着塔から取出路５を通じて取り出し続け、かつ、「原料ガス」を第２吸着塔に主路２０を通じて供給して、目的ガスを第２吸着塔から取出路５を通じて取り出し始め、かつ、特定ガスを第３吸着塔から排出路３を通じて排出して、第３吸着塔の吸着剤を再生処理し続ける。

図２の第２工程の通り、バルブＶ１が閉じられ、Ｖ１０が開かれる。したがって、吸着塔Ｔａに対して、「原料ガス」の供給は停止するが、「補助原料ガス」が供給開始される。「補助原料ガス」の供給によって吸着塔Ｔａの圧力がさらに上昇し、目的ガスが、吸着塔Ｔａから取出路５を通じてバッファタンクＢＴへ取り出され続けている。

第２工程では、さらに、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。そして、これにより、特定ガスが吸着塔Ｔｂの吸着材に吸着され、目的ガスが生成される。吸着塔Ｔｂの圧力が、二次側圧力（二次側に設けたバッファタンクＢＴ内の圧力）以上に上昇するまでは、吸着塔ＴｂからバッファタンクＢＴへ目的ガスの取出しは行われない。そして、吸着塔Ｔｂの圧力が、二次側圧力を超えると、目的ガスが、逆止弁ＣＶｂを通って、吸着塔Ｔｂから取出路５を通じて取り出され始める。

第２工程では、Ｖ６が開状態のままであり、したがって、特定ガスが、吸着塔Ｔｃから排出路３を通じて排出され、排出口３０から外部環境に放出され続けている。したがって、吸着塔Ｔｃの吸着材の再生処理が継続している。

［第３工程］
第２工程に続いて第３工程が実施される。図２の第３工程は、「原料ガス」を第２吸着塔に供給して、第２吸着塔から取出路５を通じて取り出し続け、かつ、第１吸着塔と第３吸着塔とを、連通路４を通じて互いに連通させて均圧にする。

図２の第３工程の通り、バルブＶ２が開状態のままであり、「原料ガス」が吸着塔Ｔｂに供給され続けており、したがって、目的ガスが吸着塔Ｔｂから取出路５を通じてバッファタンクＢＴに取り出され続けている。

第３工程では、バルブＶ１０が閉じられて、「補助原料ガス」の吸着塔Ｔａへの供給が終了する。バルブＶ６が閉じられて吸着塔Ｔｂの再生処理は終了する。さらに、バルブＶ７，Ｖ９が開かれ、吸着塔Ｔａと吸着塔Ｔｂとが連通路４を通じて互いに連通する。これにより、ガスが、吸着塔Ｔａから連通路４を通じて吸着塔Ｔｃへ送り出され、吸着塔Ｔａと吸着塔Ｔｃが互いに均圧される。

このように、第１～３工程によって、目的ガスが、グループＧ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Ｇ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１～３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。

［第１’～第３’工程］
次いで、制御部６は、第１～第３工程を実施した後、当該第１から第３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３工程を再び実施する。これらの工程は、以下で第１’～第３’工程とする。第１’～第３’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、吸着塔Ｔｂが第１吸着塔となり、吸着塔Ｔｃが第２吸着塔となる。第１’～３’工程の間、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。第１’～２’工程にて、吸着塔Ｔａの再生処理が行われ、第３’工程にて、吸着塔Ｔａと吸着塔Ｔｂとが互いに均圧にされる。第１’～第３’工程は、第１～第３工程と要領が同じであるため、図３および図５において、バルブＶ１～Ｖ１２の開閉状態を示し、その説明が省略される。

［第１’’～第３’’工程］
第１’～３’工程の実施後、第１’～３’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３工程を再び実施する。これらの工程は、以下で第１’’～第３’’工程とする。第１’’～第３’’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、吸着塔Ｔｃが第１吸着塔となり、吸着塔Ｔａが第２吸着塔となる。第１’’～３’’工程の間、吸着塔Ｔｃ，Ｔａ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。第１’’～２’’工程にて、吸着塔Ｔｂの再生処理が行われ、第３’’工程にて、吸着塔Ｔｃと吸着塔Ｔｂとが互いに均圧にされる。第１’’～第３’’工程も、第１～第３工程と要領が同じであるため、図４および図５において、バルブＶ１～Ｖ１２の開閉状態を示し、その説明が省略される。

制御部６は、この第１～３’’工程の計９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「原料ガス」および「補助原料ガス」を使い分ける３塔式のＰＳＡ装置によれば、第１～第３工程、第１’～第３’工程、第１’’～第３’’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。

実施形態の取出路５の逆止弁ＣＶａ，ＣＶｂ，ＣＶｃが開閉バルブに置き換えられて、当該開閉バルブが制御部６によって適切に制御されることでも、目的ガスを常にいずれかの吸着塔Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃから取り出すことができるガス生成のサイクルを実施可能である。

なお、暖気運転は、例えば以下のように行われてよい。
（１）運転開始より約２０秒間、バルブＶ４～Ｖ６を開いて、各吸着塔Ｔａ～Ｔｃの圧抜きをする。
（２）運転開始より約５分間、バッファタンクＢＴより下流のガス出口弁（図示略）を閉状態にして、上記第１～３’ ’工程の計９工程を行い、各吸着塔Ｔａ～Ｔｃの吸着材の吸脱着を１～２回行って、各吸着塔Ｔａ～Ｔｃからの目的ガスの取出しができる準備をする。
（３）運転開始から約５分後に、上記のガス出口弁を開き、ガスを吐出する。

＜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１～３’’工程の９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。

圧縮機１Ａによって得られる原料空気の圧力は０．６ＭＰａとした。また、増圧弁１Ｂによって、圧縮機１Ａによって得られた圧縮空気を０．６５ＭＰａに増圧させた。補助圧縮機１Ｃによって得られる原料空気の圧力は０．６５ＭＰａとした。

第２圧縮手段として、増圧弁１Ｂまたは補助圧縮機１Ｃのどちらを使用した場合も、製品ガスとして、０．６ＭＰａ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）。なお、増圧弁１Ｂまたは補助圧縮機１Ｃのどちらも使用しないとき、０．５ＭＰａの窒素ガスを取り出せることが確認された。原料ガスの量に制限がない場合、増圧弁１Ｂの数の増加や、補助圧縮機１Ｃによる圧縮圧力の増加で、０．７ＭＰａの窒素ガスを得ることもできる。

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、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、０．６ＭＰａ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、０．４ＭＰａとなる。０．４ＭＰａ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の圧縮空気を供給する圧縮機１Ａを用いたとしても、第２圧縮手段１Ｂまたは１Ｃの追加により、０．６５ＭＰａの窒素ガスを製品ガスとして提供できる。

すなわち、工場の圧縮機１Ａの０．６ＭＰａの圧縮空気をメインとして使用し、増圧弁１Ｂまたは補助圧縮機１Ｃでその不足分のみを補うことで、得られる窒素ガスの圧力を０．５ＭＰａ以上とすることが可能である。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。また、増圧弁１Ｂは、安価に準備できるものであり、また、補助圧縮機１Ｃも、不足分を補うための補助的なものでよく、安価に準備できる。したがって、本願のＰＳＡ装置の含む設備のコスト低下に貢献する。

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。

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。

なお、補助圧縮機１Ｃが用いられるときでも、これは、不足分を補うために補助的に用いられるので、高い動力は要求されない。したがって、補助圧縮機１Ｃを用いたとしても総軸動力は従来よりも低減することは可能である。

Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ 吸着塔
Ｇ 吸着塔のグループ
１Ａ 圧縮機（第１圧縮手段／第１圧縮機として）
１Ｂ 増圧弁
１Ｃ 補助圧縮機（第２圧縮手段／第２圧縮機として）
２ 供給路
２０ 主路
２１ バイパス路
２２ 補助路
３ 排出路
４ 連通路
５ 取出路
６ 制御部
Ｖ１～Ｖ１２ 開閉バルブ（各切替手段として）

Claims (8)

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、
   前記原料ガスを圧縮する第１圧縮手段と、
   前記原料ガスを、前記第１圧縮手段による圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮する第２圧縮手段と、
   前記吸着塔のそれぞれに接続された供給路と、
   前記第１圧縮手段により圧縮された前記原料ガスを、前記供給路を通じて前記吸着塔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第１供給切替手段と、
   前記第２圧縮手段により圧縮された前記原料ガスを、前記供給路を通じて前記吸着塔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、前記第１供給切替手段とは異なる第２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と、
   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と、
   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、
   前記目的ガスを前記吸着塔から取り出すために、前記吸着塔のそれぞれに接続された取出路と、を備える、
   ことを特徴とする圧力スイング吸着装置。
2. 前記第１圧縮手段は、
   前記原料ガスを圧縮する圧縮機を含み、
   前記供給路は、
   前記圧縮機と前記グループとに接続された主路と、
   前記主路を迂回するバイパス路と、を含み、
   前記第２圧縮手段は、
   前記圧縮機によって圧縮された前記原料ガスを増圧するために前記バイパス路に介在された少なくとも１つの増圧弁を含む、
   請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
3. 前記第１圧縮手段は、
   前記原料ガスを圧縮する第１圧縮機を含み、
   前記第２圧縮手段は、
   前記原料ガスを前記第１圧縮機による圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮する第２圧縮機を含む、
   請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
4. 前記第１圧縮手段は、
   前記原料ガスを圧縮する第１圧縮機を含み、
   前記第２圧縮手段は、
   前記原料ガスを前記第１圧縮機による圧縮圧力よりも高い圧力に圧縮する第２圧縮機と、
   前記第１圧縮機によって圧縮された前記原料ガスをさらに増圧するための増圧弁と、を含み、
   前記供給路は、
   前記第１圧縮機と前記グループとに接続された主路と、
   前記増圧弁が介在し、かつ、前記主路を迂回するバイパス路と、
   前記バイパス路と前記第２圧縮機とに接続された補助路と、を含み、
   前記圧力スイング吸着装置は、
   前記第２圧縮機によって圧縮された前記原料ガスまたは前記増圧弁によって増圧された前記原料ガスのどちらを前記グループに供給するかを選択するための供給選択手段を、さらに、含む、
   請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
5. 前記目的ガスが前記取出路を通じて前記吸着塔に逆流するのを防止するために前記取出路に介在された逆流防止手段、または、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排出切替手段と、をさらに備える、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着装置。
6. 前記第１供給切替手段、前記第２供給切替手段、前記排出切替手段、および、前記連通切替手段を制御する制御部をさらに備え、
   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圧縮手段によって前記第１吸着塔に前記供給路を通じて供給して、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、かつ、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する第１工程と、
   前記原料ガスを前記第２圧縮手段によって前記第１供給塔に前記供給路を通じて供給して、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、かつ、前記原料ガスを前記第１圧縮手段によって前記第２吸着塔に前記供給路を通じて供給して、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始め、かつ、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続ける前記第２工程と、
   前記原料ガスを前記第１圧縮手段によって前記第２供給塔に前記供給路を通じて供給して、前記第２吸着塔から前記取出路を通じて取り出し続け、かつ、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する第３工程と、を順番に実施する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着装置。
7. 前記制御部は、
   前記第１から第３工程を実施した後に、
   前記第１から第３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３工程を再び実施する、
   請求項６に記載の圧力スイング吸着装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着装置を用いて、前記目的ガスを生成するガス生成方法。

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