JP2514041B2 - 空気分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、PSA式（Pressure Swing Adsorption）の
空気分離装置に関し、特に窒素発生装置又は酸素発生装
置として用いて好適な空気分離装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、PSA式空気分離装置は、分子ふるいカーボン
からなる吸着剤を用いて、空気を窒素と酸素に分離し、
いずれか一方を製品ガスとして取出し、使用するもので
ある。

このため、例えばPSA式窒素発生装置にあっては、吸
着剤を充填した吸着塔に圧縮空気を導入して昇圧する吸
着工程と、該吸着塔内を大気開放し又は真空ポンプで減
圧する脱着工程とを繰返し、吸着工程では吸着塔内の吸
着剤に酸素分子を吸着させて、窒素を外部に取出し、一
方脱着工程では吸着された酸素を脱着し、次の吸着工程
に備えるようになっている。

ところで、製品ガスである窒素は吸着塔内を昇圧状態
にして取出すものであるため、発生する窒素ガスは断続
的で圧力変化も大きい。このため、窒素ガスを一定圧力
で、かつ連続的に使用する場合には取出側に製品タンク
を設け、該製品タンク内に窒素ガスを貯えるように構成
されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

然るに、窒素発生装置を最初に稼動する場合には製品
タンク内は空気が入っているにしかすぎず、一方長時間
にわたって稼動を停止した場合にも製品タンク内の窒素
ガス濃度（純度）は相当低下している。

そこで、窒素発生装置を起動して窒素の発生を開始す
ると共に、製品タンクに設けた取出用弁を開弁して窒素
ガスの取出しを開始すると、運転時間の経過につれて製
品タンク内の濃度が高まっていき、実際に製品ガスとし
て使用可能な純度に達する。

このため、起動してから製品ガスとして使用しうるま
で、無駄な予備運転時間を必要とし、製品タンクが大き
くなるに従って予備運転時間が長くなるという問題点が
ある。

この問題点を解決すべく、本発明者が研究した結果、
次のことがわかった。

イ吸着塔から取出される製品ガスの濃度（純度）と製品
ガスの取出量とはほぼ反比例しており、取出量を少なく
すると純度が高くなる。

ロ装置を起動してから、製品タンク内の純度が上昇する
速度は、該製品タンク内の製品ガス取出量によって変わ
り、取出量が多い方が純度が高くなる速度が早い。

ハ製品タンクからの単位時間当りの取出流量の変化に応
じて該製品タンク内の最終純度が変化し、当該取出流量
を少なくするに従って最終純度が高くなる。

本発明はこのような点に着目してなされたもので、起
動当初は製品タンクからの取出流量を大としておき、時
間の経過と共に取出流量を絞っていくことにより、短時
間で目的純度に到達しうるようにした空気分離装置を提
供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明は、内部に吸着
剤を充填した吸着塔と、該吸着塔に圧縮空気を供給して
昇圧状態とする気体供給用弁と、前記吸着塔内の気体を
排気して減圧状態とする気体排出用弁と、前記吸着塔が
昇圧状態にある間に製品ガスを取出す取出用弁と、該取
出用弁から取出した製品ガスを貯蔵する製品タンクとか
らなる空気分離装置において、前記製品タンクには流量
調整しつつ製品ガスを取出すための取出用調整弁を設
け、起動時から前記製品タンク内の製品ガスが所定純度
に達するまでの間、該取出用調整弁を大なる流量から小
なる流量へと順次流量制御する流量制御手段を設けたこ
とを特徴とする。

〔作用〕 流量制御手段に各取出流量に対する取出時間と残存不
純気体濃度との関係を記憶させておくことにより、該流
量制御手段が取出時間に対応する取出用調整弁の弁開度
を演算し、該取出用調整弁による取出流量を徐々に小流
量に変化させることができ、所定の設定純度に到達する
時間を短縮することができる。

〔実施例〕

以下、本発明に係る空気分離装置を窒素発生装置に適
用した場合を例に挙げ、添付図面を参照しつつ詳細に説
明する。

第１図は本実施例の全体構成図を示す。

図中、1,2は第1,第２の吸着塔で、該各吸着塔1,2内に
はそれぞれ分子ふるいカーボン1A,2Aが充填されてい
る。

３は圧縮空気供給源となるコンプレッサで、該コンプ
レッサ３からの圧縮空気は配管4,5を介して吸着塔1,2に
それぞれ交互に供給されるようになっており、このため
該配管4,5の途中にはそれぞれ電磁弁からなる空気供給
用弁6,7が設けられている。

8,9は脱着時に吸着塔1,2からの気体を排出する配管
で、該各配管8,9は連結して共通排出配管10となり、該
排出配管10は脱着排ガスを排出するようになっている。
そして、前記配管8,9の途中にはそれぞれ吸着塔1,2内の
脱着排ガスを半サイクル毎に交互に排出する電磁弁から
なる気体排出用弁11,12が設けられている。

一方、13,14は吸着塔1,2からの窒素をそれぞれ取出す
取出配管、15は該各配管13,14と連結した取出配管で、
該配管13,14の途中には半サイクルの間だけ後述の制御
の下に交互に開弁する電磁弁からなる取出用弁16,17が
それぞれ設けられ、また前記取出配管15は製品タンクと
しての窒素タンク18と接続され、窒素ガスを貯えるよう
になっている。

19は吸着塔1,2間を連通する配管、20は該配管19の途
中に設けられた電磁弁からなる均圧用弁で、該均圧用弁
20は吸着塔1,2による半サイクルの終了時に所定の短時
間だけ開弁し、該各吸着塔1,2間を均圧にする。

21は窒素タンク18に接続された共通取出配管で、該共
通取出配管21の途中には電磁弁からなる共通取出用弁22
が設けられると共に、電磁式の取出用調整弁23が設けら
れている。ここで、前記取出用調整弁23は例えば電磁可
変絞り弁が用いられ、後述の処理によって窒素タンク18
からの取出流量を調整しうるようになっており、起動時
に窒素タンク18の内の窒素濃度（酸素濃度）が所定の純
度に達した以後は共通取出用弁22によって取出操作され
る。

次に、24は窒素タンク18内の窒素濃度を検出する酸素
センサで、該酸素センサ24からの濃度検出信号は後述の
マイクロコンピュータに入力されるようになっている。
なお、酸素センサ24としては酸素分子の常磁性を利用し
た磁気式酸素センサ、酸素が透過膜を介して電解液に入
ると電極で酸化還元反応が起き電流が流れるのを利用し
た電磁式酸素センサ、ジルコニア磁器の内外面に電極を
設け、酸素濃度によって起電力が発生するのを利用した
ジルコニア式酸素センサ等が用いられる。

一方、25は起動に際して窒素タンク18内の酸素濃度を
設定する濃度設定スイッチで、該濃度設定スイッチ25は
装置を起動してから予備運転時間後に窒素タンク18内に
残留する酸素濃度を適宜所望の濃度に設定するもので、
この設定値から製品ガスとしての窒素純度が決定され
る。

26は例えばCPU,MPU等からなる処理回路、27はRAM,ROM
等からなる記憶回路で、該処理回路26、記憶回路27によ
ってマイクロコンピュータ28を構成している。そして、
マイクロコンピュータ28は酸素センサ24、濃度設定スイ
ッチ25、シーケンサ29と接続されている。なお、シーケ
ンサ29はマイクロコンピュータ28からの弁開閉信号に基
づいて、空気供給用弁6,7、気体排出用弁11,12、取出用
弁16,17、均圧用弁20、共通取出用弁22、取出用調整弁2
3等を開閉制御するものである。

ここで、前述の記憶回路27には第２図に示す特性線図
がデータテーブルとして格納されていると共に、第３図
に示す取出用調整弁23の流量制御処理動作を実行するプ
ログラム、通常の窒素発生用処理動作用プログラム（図
示せず）が格納されている。

然るに、第４図の特性線図は取出用時間と窒素タンク
18内の酸素濃度との関係を、取出用調整弁23の取出流量
が１/min,0.6/min,0.4/min,0.2/minの各場合に
ついて示したものである。ここで、この特性はある体積
の窒素タンク18について、該窒素タンク18内が空気であ
る状態（この状態の酸素濃度は20.9％である）から、取
出用調整弁23を用いて取出流量を上記のように設定した
場合の取出時間に対する酸素濃度の割合を示すもので、
１/minの場合には運転後約10分で酸素濃度が２％に低
下するものの、0.9％以下には低下しないことを示して
おり、0.2/minの場合には２％に低下するのに約１時
間必要とするものの、約４時間取出せば0.3％まで低下
可能なことを示している。従って、これらの特性を合成
してやれば、第２図中の点線で示す最適合成曲線の如
く、２時間で0.3％まで酸素濃度を低下させることがで
きる。

かくして、処理回路26は記憶回路27内のデータテーブ
ルをアクセスし、取出用調整弁23の弁開度と時間を演算
し、該取出用調整弁23を制御することによって、可及的
に短時間で酸素濃度を低下させる機能を有している。

本実施例はこのように構成されるが、次にその作動に
ついて述べる。

初めに、窒素発生装置としての基本的動作について、
第４図、第５図を参照しながら述べる。

いま、窒素発生装置を起動させると、マイクロコンピ
ュータ28の制御の下に、シーケンサ29が作動し、窒素発
生が行われる。

まず、第４図中のは、空気供給用弁７と気体排出用
弁11が開弁し、第２の吸着塔２に圧縮空気が供給され
て、分子ふるいカーボン2Aに酸素が吸着され、一方第１
の吸着塔１は減圧状態にあり、吸着していた酸素が脱着
して排出されている状態を示している。

次に、第４図中のの空気供給用弁７と気体排出用弁
11の他に、新たに取出用弁17を開弁し、第２の吸着塔２
内の窒素ガスを取出している状態を示している。このと
き、第１の吸着塔１は減圧状態のままである。

次に、第４図中のは均圧操作で、各取出用弁16,17
を閉弁すると共に、空気供給用弁７、気体排出用弁11を
閉弁し、一方均圧用弁20を開弁する。これにより、第２
の吸着塔２内に残存する窒素富化ガスは第１の吸着塔１
に回収され、該各吸着塔1,2は均圧となる。なお、前記
均圧操作は通常１〜３秒である。

これにより、１サイクルのうちの前半の半サイクルが
終了したことになり、空気供給用弁６、気体排出用弁12
を開弁することによって、第４図中の〜に示す後半
の半サイクルを繰返す。かくして、１サイクルを120秒
とすると、吸着塔1,2からは各半サイクルの後半で窒素
ガスを取出し、窒素タンク18に供給することができる。
なお、以上の窒素発生動作は従来公知である。

而して、窒素発生装置を起動させてから、窒素タンク
18内の窒素ガスが製品ガスとして使用しうるようになる
までの間、取出用調整弁23による取出流量の制御動作に
ついて、第３図に基づき述べる。

まず、濃度設定スイッチ25によって、窒素タンク18内
の酸素濃度を所定の値、例えば0.5％に設定する（ステ
ップ１）。なお、この設定濃度が0.5％ということは、
窒素純度は99.5％である。

次に、窒素発生装置を起動すると、マイクロコンピュ
ータ28によって前述した減圧、昇圧動作が開始され、一
方処理回路26の制御の下に次のステップ２で記憶回路27
のデータテーブルから最短時間で設定濃度に達する特
性、即ち取出流量１/minとその設定時間、例えば30分
とを読出し、取出用調整弁23が１/minとなるように弁
開度を設定する。

一方、マイクロコンピュータ28は酸素センサ24からの
酸素検出濃度を読込み、次のステップ３で窒素タンク18
内が設定濃度に達したか否か判定し、「YES」なら処理
を終了する。また、「NO」の判定ならば、ステップ４に
移って設定時間に達したか否かの待ちループを形成す
る。なお、１/minでは酸素濃度は0.9％以下には低下
しないから、ステップ３は当然に「NO」の判定である。

次に、ステップ４で設定時間30分が経過したと判定し
たら、マイクロコンピュータ28はデータテーブルから次
の最短時間で設定濃度に達する特性、即ち取出流量0.6
/minとその設定時間、例えば45分とを読出し、取出用
調整弁23が0.6/minとなるように弁開度設定する（ス
テップ５）。そして、ステップ６で酸素センサ24からの
酸素検出濃度を読込んで設定濃度に達したか否か判定
し、ステップ７では設定時間に達したか否か判定する。

次に、ステップ８で「YES」と判定したら、ステップ
８に進んで前述と同様に吐出流量0.4/minとその設定
時間、例えば30分を読出し、ステップ9,10で同様の処理
を行なう。

さらに、ステップ10で「YES」と判定したら、ステッ
プ11に進んで吐出流量0.2/minとその設定時間、例え
ば100分を読出し、ステップ12,13で同様の処理を行な
う。この際、例えば15分経過後に設定濃度0.5％に達し
たとしたら、全処理を終了することになる。

かくして、具体例の場合には全体として丁度２時間で
設定濃度に達したことになり、第２図中の点線で示す最
適合成曲線に沿って酸素濃度が低下したことになる。従
って、起動してから、窒素タンク18内の窒素ガスが製品
ガスとして使用しうるようになるまでの予備運転時間
は、最短の２時間で足りたことになり、無駄な運転時間
をなくすことができる。

なお、実施例では本発明の空気分離装置を窒素発生装
置に適用した場合を例示したが、酸素発生装置に適用し
てもよい。また、吸着塔は第1,第２の吸着塔1,2を用い
た２塔式を例示したが、１塔式でもよく、また３塔式以
上のものに適用してもよい。さらに、実施例では取出用
調整弁による取出流量は１/min〜0.2/minの４段階
の特性を用いるものとして述べたが、これに限るもので
はなく、また取出用調整弁23の弁開度を連続的に変化さ
せてもよい。

〔発明の効果〕

本発明に係る空気分離装置は以上詳細に述べた如くで
あって、起動時から所定純度に達するまでの間、取出用
調整弁による取出流量を大なる流量から小なる流量へと
流量制御することにより、製品ガスの純度を高める構成
としたから、短時間で所望の純度に高めることができ、
起動時の予備運転時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に適用する窒素発生装置を示す全体構
成図、第２図は取出流量を異ならしめたときの取出時間
と製品タンク内の酸素濃度との関係を示す特性線図、第
３図は取出用調整弁の流量制御処理動作を示す流れ図、
第４図は１サイクルの間での各吸着塔の接続状態を示す
動作説明図、第５図はタイムチャートで、第５図（イ）
は１サイクルの間を示す線図、第５図（ロ）は第１の吸
着塔の作動状態を示す線図、第５図（ハ）は第２の吸着
塔の作動状態を示す線図である。 1,2……吸着塔、1A,2A……分子ふるいカーボン、３……
コンプレッサ、4,5,8,9,19……配管、6,7……空気供給
用弁、10……共通排出配管、11,12……気体排出用弁、1
3,14,15……取出配管、16,17……取出用弁、18……窒素
タンク、20……均圧用弁、21……共通取出配管、22……
共通取出用弁、23……取出用調整弁、24……酸素セン
サ、25……濃度設定スイッチ、28……マイクロコンピュ
ータ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に吸着剤を充填した吸着塔と、該吸着
   塔に圧縮空気を供給して昇圧状態とする気体供給用弁
   と、前記吸着塔内の気体を排気して減圧状態とする気体
   排出用弁と、前記吸着塔が昇圧状態にある間に製品ガス
   を取出す取出用弁と、該取出用弁から取出した製品ガス
   を貯蔵する製品タンクとからなる空気分離装置におい
   て、前記製品タンクには流量調整しつつ製品ガスを取出
   すための取出用調整弁を設け、起動時から前記製品タン
   ク内の製品ガスが所定純度に達するまでの間、該取出用
   調整弁を大なる流量から小なる流量へと順次流量制御す
   る流量制御手段を設けたことを特徴とする空気分離装
   置。