JP2514044B2 - 気体分離装置 - 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 Adsorp−tion）の
空気分離装置に関し、例えば窒素発生装置又は酸素発生
装置として用いて好適な気体分離装置に関する。

〔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。そして、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〕

ところで、吸着塔からの窒素ガスの取出量と取出され
た窒素ガス中の酸素濃度との関係は、第６図に示すよう
な特性にあり、窒素ガスの取出量を多くすれば酸素濃度
が高まり、製品ガスとしての純度が低下する。

このため、従来技術においては、製品タンクの取出側
に取出量を調節ないし制限する絞り弁を設け、取出量を
予め手動で設定しておくことにより、所望濃度の窒素ガ
スを発生させる構成としている。また、製品タンクを備
えていない形式の窒素発生装置では吸着塔からの取出用
配管に上記と同様の絞り弁を設け、窒素発生量を予め設
定しておく構成としている。

しかし、上記従来技術によるものは、窒素発生装置と
して実際に設置され、稼動状態に入った後は、前記絞り
弁の弁開度は殆んど再調節されないのが実情である。従
って、窒素ガスの発生量ないし取出量は常に不変であ
る。

ところが、吸着塔から発生する窒素ガスの濃度は、吸
着剤の性能変化はもとより、気温、湿度等の外部環境に
よっても変動し、所望の濃度の窒素ガスが得られないと
いう問題点があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みなされた
もので、取出すべき製品ガスの濃度を常時監視し、製品
ガス濃度に応じて取出用調整弁の弁開度を制御すること
により、所望濃度の製品ガスが得られるようにした気体
分離装置を提供することにある。

〔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、該吸着塔に圧縮された気体を供
給して昇圧状態とする気体供給用弁と、前記吸着塔内の
気体を排出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
からなる空気分離装置において、前記取出用弁を介して
前記吸着塔から取出す製品ガスの取出量を調整する取出
用調整弁と、該取出用調整弁から取出すべき製品ガスの
濃度を設定する濃度設定手段と、前記取出用調整弁から
取出す製品ガスの濃度を測定する濃度測定手段と、該濃
度測定手段による測定濃度が前記濃度設定手段により設
定濃度となるように、前記取出用調整弁を制御する弁制
御手段とを備えたことを特徴とする。

〔作用〕

このように構成することにより、濃度測定手段による
測定濃度が濃度設定手段による設定濃度より低下したと
きには、取出用調整弁の弁開度を絞って取出量を減らし
て濃度を高め、逆に測定濃度が設定濃度より上ったとき
には、取出用調整弁の弁開度を大きくして取出量を増や
し、常に所望濃度となるように制御する。これにより、
設定濃度に従った一定濃度の製品ガスが得られ、濃度設
定の自由度を高め、高品質なガス分離が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明に係る気体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プログラムサイ
クル毎に弁開度が所定開度ずつ調整されるようになって
いる。

24は共通取出配管21内の酸素濃度を測定する酸素セン
サで、該酸素センサ24からの濃度検出信号は後述のコン
トローラ26に入力されるようになっている。なお、前記
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。

25は共通取出配管21から取出される窒素純度、即ち酸
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は取出すべき窒素ガス濃度に応じて適宜に設定さ
れるものである。

また、26は例えばマイクロコンピュータ等によって構
成される弁制御手段としてのコントローラで、該コント
ローラ26の入力側は酸素センサ24、濃度設定スイッチ25
と接続され、出力側は取出用調整弁23と接続されてい
る。ここで、前記コントローラ26はその記憶回路に第２
図に示すプログラムが格納され、後述する作動によって
取出される窒素濃度を濃度設定スイッチ25による設定値
に維持するように、取出用調整弁23の弁開度を制御す
る。

さらに、27はシーケンサで、該シーケンサ27は所定の
プログラムに基づいて、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
を開閉制御する。

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。

最初、窒素発生装置としての基本的動作について、第
３図、第４図を参照しながら述べる。

いま、窒素発生装置を起動すると、マイクロコンピュ
ータ（図示せず）の制御の下に、シーケンサ27が作動
し、窒素発生が行われる。

まず、第３図中の、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３図中のは空気供給用弁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３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12を
開弁することによって、第３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。そ
して、起動後しばらくすると、発生する窒素ガスの純度
は安定する。なお、以上の窒素発生動作は従来公知であ
る。

次に、取出用調整弁23を用いて取出すべき窒素濃度を
所望の設定値に制御するための処理動作について、第２
図を参照しつつ述べる。

まず、濃度設定スイッチ25により、取出すべき窒素ガ
スの純度、例えば窒素ガス中の酸素濃度を所定の値Ｐ、
例えば、0.5％に設定する。すると、コントローラ26は
この設定値を読込む（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％であり、濃
度設定スイッチ25によって99.5％の値を設定するように
してもよい。

次に、酸素センサ24は共通取出配管21内を流れる窒素
ガス中の酸素濃度を測定し、濃度検出信号を出力してい
るから、コントローラ26はこの濃度検出信号から測定値
Ｍを読込む（ステップ２）。

次のステップ３では、コントローラ26は読込んだ設定
値Ｐと測定値Ｍとを比較し、両者の値が等しいか否か比
較する。いま、両者の値が等しいと判定したときには、
窒素純度は99.5％の設定特性に保持されているものであ
るから、ステップ７に移っても５分間待機し、再びステ
ップ２に移って次のプログラムサイクルを繰返す。

一方、ステップ３で設定値Ｐと測定値Ｍが等しくない
と判定したときには、ステップ４に移り、測定値Ｍの方
が大きいか否か比較する。ステップ４で「YES」と判定
したときには、酸素濃度の測定値Ｍが設置値Ｐよりも高
いことであり、逆にいえば窒素ガスの純度が低下してい
ることを示しているから、コントローラ26は次のステッ
プ５に移って、取出用調整弁23に弁開度を小さくするた
めの閉弁方向信号を出力し、取出量を減少させる。ここ
で、前記取出用調整弁23は閉弁方向信号が入力されるこ
とにより、全閉から全開までの全ストロークに対して所
定の弁開度、例えば全ストロークの1/100だけ弁開度を
絞る。従って、ステップ５では１回のプログラムサイク
ルで取出量を1/100だけ減らすことになり、この結果と
して吸着塔1,2の窒素ガス発生量が減少し、当該窒素ガ
ス中の酸素濃度が低下し、窒素純度が高まる。そして、
ステップ５による処理を実行したら、ステップ７に移っ
てこの状態を５分間保持し、再びステップ２に移る。

さらに、ステップ４で「NO」と判定したときには、酸
素濃度の測定値Ｍが設定値Ｐよりも低いことであり、逆
にいえば窒素ガスの純度が高すぎることを示しており、
コントローラ26はステップ６に移って、取出用調整弁23
に弁開度を大とするための開弁方向信号を出力し、取出
量を増大させる。即ち、取出用調整弁23は開弁方向信号
が入力されることにより、全ストロークの1/100だけ弁
開度を広げ、取出量を1/100だけ増やし、窒素純度を下
げる。そして、ステップ６の処理を実行したら、ステッ
プ７からステップ２に移る。

かくして、実施例では５分の待機時間をもった１回の
プログラムサイクル毎に取出用調整弁23の弁開度を全ス
トロークの1/100ずつ弁開度を調整し、この処理を繰返
すことにより、窒素ガス濃度を濃度設定スイッチ25に設
定した値に保持させることができる。

さらに、第５図は本実施例の変形例を示し、酸素セン
サ24′を窒素タンク18に設けたものであるが、このよう
に構成しても前述と同様の作動を行なわせることができ
る。

なお、実施例では本発明の気体分離装置を窒素発生装
置に適用した場合を例示したが、酸素発生装置又は炭酸
ガス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、実施例では製品タンクとしての窒素タンク18を備
えた形式のものを例示したが、該窒素タンク18を省略す
る構成としてもよい。さらにまた、取出用調整弁23は全
ストロークの1/100ずつ調整するものとして述べたが、
電磁弁のソレノイドアクチュエータへの通電時間に応じ
て弁開度を調整するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

本発明に係る気体分離装置は以上詳細に述べた如くで
あるから、下記各項の効果を奏する。

吸着剤が劣化したり、装置自体が経時的に性能低下
したまたは多少の不調が生じても、常に所望濃度の製品
ガスを生産することができる。

周囲温度や湿度の影響で、吸着塔で発生する製品ガ
ス濃度が変動しても、当該製品ガス濃度を自動的に調整
することができ、高品質なガスを得ることができる。

濃度設定手段の設定のみで、濃度設定が可能である
から、従来技術のように直接絞り弁の開度を変更するも
のに比較し、極めて簡便に濃度変更ができ、使用条件に
応じた適宜濃度のガスを得ることができる。

【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図は取出用調整弁の弁制御処理を示す流れ
図、第３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４図はタイムチャートで、第４図
（イ）は１サイクルの間を示す線図、第４図（ロ）は第
１の吸着塔の作動状態を示す線図、第４図（ハ）は第２
の吸着塔の作動状態を示す線図、第５図は本実施例によ
る窒素発生装置の変形例を示す要部構成図、第６図は窒
素ガス取出量と酸素濃度との関係を示す特性線図であ
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……排出配管、11,12……気体排出用弁、13,1
4,15……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、24,24′……酸素セ
ンサ、25……濃度設定スイッチ、26……コントローラ、
27……シーケンサ。

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
   塔に圧縮された気体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出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からなる空気分離装置におい
   て、前記取出用弁を介して前記吸着塔から取出す製品ガ
   スの取出量を調整する取出用調整弁と、該取出用調整弁
   から取出すべき製品ガスの濃度を設定する濃度設定手段
   と、前記取出用調整弁から取出す製品ガスの濃度を測定
   する濃度測定手段と、該濃度測定手段による測定濃度が
   前記濃度設定手段による設定濃度となるように、前記取
   出用調整弁を制御する弁制御手段とを備えたことを特徴
   とする気体分離装置。