JP2954955B2 - 気体分離装置 - Google Patents

気体分離装置

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JP2954955B2 JP1330670A JP33067089A JP2954955B2 JP 2954955 B2 JP2954955 B2 JP 2954955B2 JP 1330670 A JP1330670 A JP 1330670A JP 33067089 A JP33067089 A JP 33067089A JP 2954955 B2 JP2954955 B2 JP 2954955B2
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  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は気体分離装置に係り、特に製品ガスの使用量
に応じて所定の純度及び圧力を有する製品ガスを生成す
るよう構成した気体分離装置に関する。
従来の技術 一般、PSA(Pressure Swing Adsorption)式気体分
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PAS式の窒素発生装置にあっては、
吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を導入して加圧す
る吸着工程と、吸着槽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、吸着工程では吸着槽内の
吸着剤に酸素分子を吸着させて、窒素を製品タンクに取
出し、一方脱着工程では吸着槽内の残存ガスを排気して
吸着された酸素を脱着し、次に吸着工程に備えるように
なっている。
この種の窒素発生装置では、例えば一対の吸着槽が設
けられており、一方の吸着槽が吸着工程のとき他方の吸
着槽では脱着工程が行われ、一方の吸着槽で脱着工程の
とき他方の吸着槽では吸着工程が行なわれるようになっ
ている。そして脱着工程の後吸着槽内の残存ガスは、吸
着剤により酸素分子が吸着されているので通常の空気よ
りも窒素濃度の高い圧縮気体である。そのため、従来の
装置では吸着工程後の残存ガスをそのまま排気せずに一
方の吸着槽で吸着工程が行なわれた後両方の吸着槽が連
通され、吸着工程後の残存ガスを他方の吸着槽に供給し
両方の吸着槽を均圧化して収率を高めるいわゆる均圧工
程が行なわれている。
発明が解決しようとする課題 しかるに、従来の装置においては上記吸着,均圧,脱
着工程の時間が予め決められている。従って、予め決め
られた時間のもと一定の均圧量で各工程の1サイクルが
繰り返される。ところが、従来の装置では予め決められ
た一定時間のみ各工程が実行されるため、吸着槽から生
成される製品ガスの供給量はほぼ一定である。よって、
製品ガスの使用量が少ないときは均圧工程時に供給され
る吸着時間が長くなって製品ガスの純度が低下し、逆に
製品ガスの使用量が多いときには製品ガスの圧力低下が
生じてしまうといった課題がある。
そこで、本発明は上記課題を解決した気体分離装置を
提供することを目的とする。
課題を解決するための手段 本発明は上記気体分離装置において、 製品タンクより吐出された製品ガスの流量又は圧力を
検出する検出手段と、検出手段からの検出信号に基づき
複数の吸着槽の均圧化による均圧ガス量を調整する調整
手段とを具備してなる。
作用 製品ガスの使用量に応じて均圧ガス量を調整すること
により、所望とする製品ガスの純度及び吸着槽からの製
品ガス取出し圧力を確保するようにするものである。
実施例 第1図に本発明になる気体分離装置の一実施例を示
す。
同図中、1,2は第1,第2の吸着槽で、各吸着槽1,2内に
はそれぞれ吸着剤としての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、コンプレ
ッサ3からの圧縮空気はエアドライヤ4,配管6,7を介し
て吸着槽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6,7の途中にはそれぞれ電磁弁か
らなる空気供給用弁8,9が設けられている。
10,11は脱着時に吸着槽1,2からの気体を排出する配管
で、共通排出管12に接続されており、排出配管12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
10,11の途中にはそれぞれ吸着槽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13,14が設けられている。
15,16は吸着槽1,2の出口側に接続され吸着槽1,2内で
生成された窒素をそれぞれ取出す取出配管、17は各配管
15,16と連結した取出配管で、配管15,16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18,19がそれぞれ設けられている。ま
た前記取出配管17は製品タンク20と接続されている。
21は吸着槽1,2の出口側を連通する均圧用配管であ
る。22は配管21の途中に設けられた比例弁からなる均圧
用弁で、均圧用弁22は吸着槽1,2による半サイクルの終
了時に所定時間だけ開弁し、各吸着槽1,2間を均圧にす
る。この均圧用弁22として使用される比例弁は入力電圧
の大きさを変えることにより弁の有効断面積(弁開度)
を変化させることができ、すなわち入力電圧の変化に対
して流量を直線的に変化させることができる特徴をもっ
ている。
24は製品タンク20に接続された取出配管で、その途中
には電磁弁からなる取出用弁25が設けられている。
26は流量計(検出手段)で、製品タンク20により配管
24を介して取り出された製品ガスの流量を計測し、その
計測値を制御回路29に出力する。
27は酸素センサで、製品タンク20に貯溜された気体の
酸素濃度を検出する。又酸素センサ27からの酸素濃度検
出信号は後述する制御回路29に入力される。
なお、酸素センサ27としては酵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ながれるのを利
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。
28は取出配管24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、製品タンク20から取
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、制御回路29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で、入力側には流量計26,
酸素センサ27,濃度設定スイッチ28が接続されている。
又、制御回路29は後述するように流量計26からの流量計
測に基づいて均圧工程時の均圧ガス量を調整する均圧ガ
ス量調整手段29Aを有する。本実施例の場合均圧ガス量
調整手段29Aは製品ガス使用量に応じて均圧用弁22の弁
開度を制御する。
30はプログラマブルコントローラで、制御回路29から
の指示があると予め入力されたプログラムに従い、例え
ば第4図に示す加圧(,),取出(,),均圧
(,)の各工程に応じて、空気供給用弁8,9,気体排
出弁13,14,取出用弁18,19,均圧用弁22,取出用弁25を開
閉制御する。
尚、上記均圧用弁22を除く各電磁弁は、開弁信号の供
給により励磁されたとき開弁し、励磁されないときには
バネ力で閉弁するようになっている。
ここで、上記窒素発生装置の一般的な窒素発生サイク
ルの動作につき説明する。
まず、窒素発生装置としての基本動作について、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、窒素発生が行なわれ
る。
まず、第4図に示すように,,の動作が実行さ
れる。第3図中のは、空気供給用弁9と気体排出用弁
13が開弁し、第2の吸着槽2に原料気体としての圧縮空
気が供給されて第2の吸着槽2は加圧状態にあり、分子
ふるいカーボン2Aに酸素が吸着される。一方第1の吸着
槽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9と気体排出用弁
13の他に、新たに取出用弁19を開弁し、第2の吸着槽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の吸着槽1は減圧状態のままである。
次に、第3図中の均圧操作で、各取出用弁18,19,及
び空気供給用弁9,気体排出用弁13を閉弁するとともに均
圧用弁22を開弁する。これにより、第2の吸着槽2内に
残存する窒素富化ガスは第1の吸着槽1に回収され、各
吸着槽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8,気体排出用弁14を
開弁することによって、第4図(B)に示すように第3
図中の〜に示す後半の半サイクルを繰返す。かくし
て、吸着槽1,2からは各半サイクルの後半で窒素ガスを
取出し、製品タンク20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。
上記窒素発生サイクルにおいて均圧用弁22の開弁によ
り、吸着槽1と2との間で行なわれる均圧操作、すなわ
ち均圧ガス量とN2純度,N2発生量との関係は分子ふるい
カーボン1A,2Aの特性により第5図に示すようになる。
第5図中、線図qLのように均圧量が多いと低純度(99
%)時のN2発生量は増加する。しかし、高純度(99.9
%)時のN2発生量は均圧量には反比例して大幅に減少す
る。換言すれば、N2発生量が少ないときは均圧ガス量を
線図qSのように少なく、N2発生量が多いときには均圧ガ
ス量を線図qLのように多くすることにより、均圧ガス量
を一定としていた従来装置よりもN2純度,及びN2発生量
を所定値以上に確保することができる。
又、窒素ガス発生装置ではある所定値以上のN2ガス取
出し圧力を確保するため、上記一連の窒素発生サイクル
運転中の製品タンク20の最低圧力をN2発生量との関係を
示す線図である。第6図より均圧ガス量が多くなる程保
証圧力(所定圧力)を保ってN2発生量は増えることがわ
かる。換言すれば、N2発生量に応じて必要な均圧ガス量
が決まる。第6図において、N2発生量がQAのとき均圧ガ
ス量は線図qS以上で、N2発生量がQBのとき均圧ガス量は
線図qM以上となり、N2発生量がQCのとき均圧ガス量は線
図qL以上必要となる。
このように、上記N2純度と製品タンク20の最低圧力と
の値を確保しながらN2発生量に対する適当な均圧ガス量
を選択することにより製品ガスを安定供給できることが
わかる。
ここで、窒素発生サイクルの動作に関連して制御回路
29が実行する処理につき説明する。
まず、濃度設定スイッチ28により製品ガスのN2純度又
は酸素濃度を設定する。そして、流量計26からの流量計
測値(製品ガス取出量)を読込む(ステップS1)。尚、
N2発生量及び製品タンク最低圧力は予め入力されている
ものとする。
次のステップS2では、設定値と流量計測値とを比較
し、計測値が設定値より大きいか否かを判定する。この
ステップS2において計測値が設定値より大きくないとき
は、ステップS3に移り計測値が設定値より小さいか否か
を判定する。このステップS3で測定値がより小さくない
ときは、計測値=設定値であるので、そのまま通常の均
圧ガス量の動作が行なわれ(ステップS4)、ステップS1
に戻る。
従って、流量計26により検出された製品ガス使用量が
設定値と等しい場合は、ステップS1〜S4の処理が繰返さ
れる。そのため、均圧用弁22の弁開度は変更されず第5
図,第6図中均圧ガス量が線図qMとなるように設定され
る。
ところが、ステップS2において、計測値が設定値より
大きい場合、ステップS6に移り均圧ガス量を増加させ
る。本実施例の場合比例弁よりなる均圧用弁22の弁開度
を開にする。
設定値<計測値でステップS6に移ると均圧用弁22の弁
開度を開にして第5図,第6図中線図qLの如く均圧ガス
量を増加させる。これにより、ガス使用量増加に伴う圧
力不足が解消される。
又、ステップS3において、設定値>計測値であるとき
は、ステップS7に移り均圧ガス量を減少させる。本実施
例では均圧用弁22の弁開度を絞る。
ステップS7に移ると均圧用弁22の弁開度を絞り、第5
図,第6図中均圧ガス量を線図qSに設定する。これによ
り、製品ガス使用量が減少してもN2純度を高純度にする
ことができる。
このようにして、製品タンク20が取出されるガス使用
量に応じて均圧ガス量を調整することにより、N2純度,
最低圧力を所定値以上に確保することができる。
又、上記実施例では均圧用弁に比例弁を用いて弁開度
を変えることにより均圧ガス量を調整するようにしたた
め、一連の窒素発生サイクル時間を変更せずに済む。
尚、上記実施例では均圧用弁に比例弁を設けたが、こ
れに限らず、例えば均圧用弁の開弁時間を変えることに
より均圧ガス量を調整するようにしても良い。
又、上記実施例では製品ガスの使用量を流量計26によ
り計測したが、これに限らず例えば製品タンク20又は配
管24の圧力を圧力センサで検出して製品ガスの使用量を
求めるようにしても良い。
発明の効果 上述の如く、本発明になる気体分離装置は、製品ガス
使用量に応じて均圧ガス量を調整するようにしたため、
倒えば下流側の製造ライン等により製品ガスの使用量が
変動しても所定以上の純度及び取出圧力を確保すること
ができ、製品ガス使用量にかかわらず、所望とする製品
ガスを安定供給することができる。
よって、製品ガス使用量が少ないとき均圧ガス量を減
少させて製品ガスの純度を高純度に保つことができ、又
製品ガス使用量が多いとき均圧ガス量を増加させること
により製品ガスの圧力不足を防止することができる等の
特長を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明になる気体分離装置の一実施例の概略構
成図、第2図は制御回路が実行する処理を説明するため
のフローチャート、第3図及び第4図は装置の動作を説
明するための工程図、第5図はN2発生量とN2純度との関
係を均圧量別に示す線図、第6図はN2発生量と製品タン
クの圧力との関係を均圧量別に示す線図である。 1……第1の吸着槽、2……第2吸着槽、3……コンプ
レッサ、20……製品タンク、21……均圧用配管、22……
均圧用弁、26……流量計、27……酸素センサ、29……制
御回路、29A……均圧ガス量調整手段。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内部に吸着材が充填された複数の吸着槽に
    順次圧縮した原料気体を供給し、該吸着槽により生成さ
    れた製品ガスを一の吸着槽より製品タンクに取出した
    後、該複数の吸着槽を連通して該複数の吸着槽の圧力を
    均圧化するよう構成した気体分離装置において、 前記製品タンクより吐出された製品ガスの流量又は圧力
    を検出する検出手段と、 前記検出手段からの検出信号に基づき前記複数の吸着槽
    の均圧化による均圧ガス量を調整する調整手段と、 を具備してなることを特徴とする気体分離装置。
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