JP3119659B2

JP3119659B2 - 気体分離装置

Info

Publication number: JP3119659B2
Application number: JP02161878A
Authority: JP
Inventors: 克史肥田野; 俊之村岡
Original assignee: トキコ株式会社
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 2000-12-25
Anticipated expiration: 2015-12-25
Also published as: JPH0459014A

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PSA式（Pressure
Swing Adsorption）の気体分離装置に係り、特に吸着剤
の脱着精度を高め吸着剤の再生を確実に行なうよう構成
した気体分離装置に関する。

従来の技術一般に、PSA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り出し、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槽に圧縮空気を導入して加圧する吸
着工程と、該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、製品ガスとしての窒素を
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。

発明が解決しようとする課題従来の装置では例えば起動時吸着槽に圧縮空気を供給
してから、目的とする純度の製品ガスが取り出せるよう
になるまでの立上り時間が長いといった課題がある。そ
のため、製品タンク内に貯溜された製品ガスを減圧され
た吸着槽に還流させて吸着槽内に残留していた気体を吸
着槽の排気配管より大気中にパージすることが考えられ
ている。ところが、窒素発生装置において、吸着槽内を
製品ガスでパージする際は、製品タンクと吸着槽との間
に配設された取出用弁を開弁して、製品タンク内に蓄圧
された約5kgf/cm²程度の圧力に圧縮された製品ガスを短
時間還流させることになる。その場合、パージ時間が短
いので吸着槽内の残留気体を効率よくパージすることが
できず、吸着剤に吸着された酸素を十分脱着することが
できず、脱着精度が低いといった課題が生ずる。

そのため、上記の如く圧縮された製品ガスをそのまま
吸着槽に還流させるだけでは、吸着槽に残存する酸素を
完全にパージすることができず、原料気体が吸着槽に供
給されても高純度の窒素ガスが得られるまで時間がかか
り立上り時間を短縮することができないといった課題も
生ずる。

又、脱着精度が高まるようにパージ時間を長くする
と、製品ガスの消費量が増大し、折角製造した製品ガス
が浪費されてしまうことになる。

又、上記パージ方法とは別にパージ時間を長くするた
め、起動時製品タンク内に貯溜された製品ガスを低圧に
減圧して少量ずつ吸着槽に還流させ、徐々に吸着槽内の
残存気体をパージする方法が考えられている。ところ
が、この方法では製品ガスを低圧に減圧する減圧弁が設
けられた専用のパージ配管が必要であり、気体分離装置
の構成が複雑化するばかりか製造コストも増大してしま
うといった課題が生ずる。尚、上記課題は起動時だけで
なく通常の製品ガス生成する際の脱着工程においても生
ずる。

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、内部に一の気体を吸着する吸着剤が充填さ
れた吸着槽に圧縮気体を供給し、該吸気槽と製品タンク
との間に設けられた弁を開弁し該吸着剤により一の気体
が除去されたことで生成された製品ガスを前記製品タン
クに蓄圧する吸着工程と、前記吸着槽内の残存気体を外
部に排出して吸着槽内を減圧する脱着工程とを繰り返す
気体分離装置において、前記気体分離装置の起動時に前記吸着槽内が減圧され
た状態で前記弁を間欠的に開弁し、前記製品タンク内の
製品ガスを複数回に分けて前記吸着槽に還流させる製品
ガス還流手段を具備してなる。

作用本発明によれば、気体分離装置の起動時に吸着槽内が
減圧された状態で吸着槽と製品タンクとの間に設けられ
た弁を間欠的に開弁させて、吸着槽に圧縮気体を供給す
る前に予め製品タンク内の加圧された製品ガスを少量ず
つ複数回に分けて吸着槽に還流させることにより、起動
時の吸着槽内を短時間で製品ガス濃度に高めることがで
きると共に、吸着槽内の残存気体を徐々にパージし、還
流動作を繰り返すことにより効率良く吸着槽内をパージ
（脱着）する。

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からの圧縮空気は空気ドライヤ４及び配管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。

尚、空気ドライヤとしては冷凍式のドライヤが使用さ
れており、冷凍式の場合起動してから約５分間程度の予
冷のための準備運転時間が必要とされている。

10,11は脱着時に吸気槽1,2からの気体を排出する配管
で、共通排出配管12に接続されており、排出配管12の端
部には脱着排ガスを排出するサイレンサ12aが設けられ
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は吸気槽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と連結された取出配管で、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の下端に接続されて
いる。

尚、この取出用弁18,19は後述するように起動時は製
品タンク20内の目的とする純度の窒素ガス（製品ガス）
を吸着槽1,2に還流させる際開弁する還流用弁としても
機能する。

21は吸着槽1,2の出口側を連通する配管、22は配管21
の途中に設けられた電磁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の短
時間だけ開弁し、各吸着槽1,2間を均圧する。

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。

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（組成値）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界液に
入ると電極で酸素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。

28は取出配管24から取出される窒素濃度、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。

30は圧力センサで、製品タンク20内に蓄圧された窒素
ガスの圧力を検出する。

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は第２図に示す処理を実行する還流制御手段29Aを
有する。

制御回路29は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
出用弁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。

ここで、第４図に示す如く加圧、取出、均圧、減圧、
均圧の各工程は大きく分けると製品ガスを生成する吸着
工程と、吸着槽1,2内の残存気体と外部に排出する脱着
工程とに分類される。

尚、上記制御回路29により開閉制御される各電磁弁
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窒素発生サイクルの動作
について説明する。

まず、第２図を参照して窒素発生装置としての起動時
の還流動作について説明し、続いて窒素発生の基本動作
について、第３図，第４図を参照しながら説明する。

いま、窒素発生装置を起動すると、制御回路29は第２
図に示す処理を実行する。

まず、ステップS1（以下ステップを省略する）では、
冷凍式の空気ドライヤ４に通電が行なわれ予冷のための
準備運転を行なう。続いて、気体排出用弁13,14を開弁
させる（S2）。

気体排出用弁13,14の開弁により吸着槽1,2内の残存気
体が排出配管12,サイレンサ12aより大気中に排出され、
t₁秒間経過すると（S3）吸着槽1,2内が略大気圧に減圧
される。

次のS4では圧力センサ30からの検出信号より製品タン
ク20内に蓄圧された窒素ガスの圧力を読み取る。次に、
圧力センサ30により検出された製品タンク20内の圧力に
基づいて、予め決められた窒素ガスの所定流量が還流す
るための総還流時間、即ち取出用弁18,19の総開弁時間
を演算する（S5）。続いて、予め記憶されている１回当
りの開弁時間とS5で求めた還流動作の総開弁時間とより
窒素ガスの還流回数即ち取出用弁18,19の開弁回数ｎを
演算する（S6）。

次のS7では、空気ドライヤ４の準備時間ＴとS6で求め
た開弁回数ｎとより取出用弁18,19が閉弁してから次に
開弁するまでの時間間隔t₂（インターバル）を演算す
る。

上記S7の演算が終わると、取出用弁18,19を開弁して
還流動作が開始される（S8）。吸着槽1,2内は気体排出
用弁13,14の開弁により大気圧に減圧されているので、
取出用弁18,19の開弁と同時に製品タンク20内の窒素ガ
スが取出配管17及び15,16を逆流して吸着槽1,2の上部に
供給される。

取出用弁18,19の開弁後予め記憶された開弁時間が経
過すると一旦取出用弁18,19を閉弁させる（S9）。そし
て、取出用弁18,19の開弁回数をカウントしS6において
求めた開弁回数ｎに達したかどうかを確認する（S1
0）。取出用弁18,19の開弁回数がｎ回に達していないと
きは、S11に移り、S7で算出した時間間隔t₂が経過した
かどうかをみる。従って、取出用弁18,19が閉弁してか
ら時間t₂が経過するとS8に戻り、取出用弁18,19を再び
開弁させる。

このS8〜S11の処理はS6で算出された開弁回数（ｎ
回）繰り返される。その結果、取出用弁18,19は時間間
隔t₂において、間欠的に開弁される。従って、製品タン
ク20内に蓄圧された高純度の窒素ガスは、上記のような
取出用弁18,19の開・閉動作の繰り返しにより少量ずつ
吸着槽1,2の上部に断続的に還流される。

そのため、吸着槽1,2の内部には上方から高純度の窒
素ガスが断続的に複数回供給されることにより、起動時
の吸着槽1,2内の窒素ガス濃度が短時間で製品ガス濃度
に近いより高純度になると共に、窒素ガスが徐々に吸着
槽1,2の下方に移動し、吸着槽1,2内をパージする。尚、
吸着槽1,2内の残存気体は窒素ガスが断続的に供給され
るたびに徐々に排出配管12を介して大気中に排出され
る。

S12では空気ドライヤ４の準備運転に必要な時間Ｔ
（本実施例では約５分間）経過したかどうかをみてい
る。このように長時間窒素ガスが少量ずつ複数回に分け
て間欠的に吸着槽1,2に還流されることにより、分子ふ
るいカーボン1A,2Aに吸着された酸素は比較的少ない窒
素ガス流量で効率良く脱着される。そのため、脱着精度
が高められる。しかも、窒素ガスが複数回に分けて少量
ずつ還流されるので、窒素ガスの消費量を節約すること
ができ、パージ時間が長時間になっても窒素ガスの消費
量は意外に少なく浪費されない。

上記時間Ｔが経過すると空気ドライヤ４の準備運転が
完了し、原料気体の除湿が可能となるとともに、吸着槽
1,2内のパージ（脱着）も完了する（S13）。

続いて、気体排出用弁13,14を閉弁する（S14）。そし
て、コンプレッサ３が始動され（ステップS15）、窒素
発生の準備段階が終了する。

この後は通常の窒素発生動作が行なわれる。その際、
吸着槽1,2内には製品ガスとしての窒素ガスが充満して
いるのて、窒素発生の立上りが速く短時間で目的とする
純度の窒素ガスを生成しうる。

ここで、通常の窒素発生動作について説明する。

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（吸着工程）
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（脱着工程）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図中のは均圧操作で、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、吸着槽1,2内には目的とする純度の窒素ガスが前記
還流動作により充填されているため、起動後短時間で吸
着槽1,2より発生する窒素ガスは目的とする純度で安定
する。

尚、上記実施例では窒素発生装置を例に挙げて説明し
たが、これに限らず例えば酸素発生装置にも適用でき
る。

又、上記実施例では両吸着槽1,2に接続された取出用
弁18,19を同時に開弁するようにしたが、各取出用弁18
と19とを夫々独自に開弁させ開弁動作が時間的にずれる
ようにしても良いのは勿論である。

又、上記実施例では起動時に製品タンク20の製品ガス
を吸着槽1,2へ間欠的に還流させるようにして説明した
が、これに限らず、通常の窒素発生サイクルにおいて、
即ち第４図に示す脱着工程後に上記実施例の如く製品ガ
スを吸着槽1,2へ間欠的に還流させるようにしても良い
のは言うまでもない。

発明の効果上述の如く、本発明になる気体分離装置は、気体分離
装置の起動時に吸着槽が減圧された状態で製品タンク内
に蓄圧された製品ガスを複数回に分けて間欠的に少量ず
つ吸着槽へ還流させるため、吸着槽に圧縮気体を供給す
る前に予め製品タンク内の加圧された製品ガスを少量ず
つ複数回に分けて吸着槽に還流させることにより、起動
時の吸着槽内の製品ガス濃度を短時間でより高めること
ができると共に、吸着槽内の残存気体を徐々にパージ
し、還流動作を繰り返すことにより効率良く吸着槽内を
パージして還流動作を繰返すことにより吸着剤に吸着さ
れていた気体を確実に脱着することができ、脱着精度を
高めることができる。しかも、還流される製品ガスが短
時間に大量に消費されず製品ガスの消費量を節約できる
ので、パージ時間を延長しても製品タンク内の製品ガス
が浪費されない。従って、製品ガスを生成する際には吸
着槽内に目的とする純度の製品ガスが残存しており、短
時間で目的とする純度の製品ガスを生成することができ
る。また、還流用の配管及び弁を別個に設けず、吸着槽
からの製品ガスを取出す取出用弁を還流用として併用す
ることにより装置の構成が複雑化することを防止しうる
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図は製品ガスを還流させる際に制御回路が実
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図は夫々製品ガスを生成する際の工程を説明する
ための工程図である。 1,2……吸着槽、３……コンプレッサ、４……空気ドラ
イヤ、13,14……気体排出用弁、18,19,25……取出用
弁、20……製品タンク、29……制御回路、29A……還流
制御手段、30……圧力センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) D01D 53/04 - 53/053

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に一の気体を吸着する吸着剤が充填さ
れた吸着槽に圧縮気体を供給し、該吸気槽と製品タンク
との間に設けられた弁を開弁し該吸着剤により一の気体
が除去されたことで生成された製品ガスを前記製品タン
クに蓄圧する吸着工程と、前記吸着槽内の残存気体を外
部に排出して吸着槽内を減圧する脱着工程とを繰り返す
気体分離装置において、前記気体分離装置の起動時に前記吸着槽内が減圧された
状態で前記弁を間欠的に開弁し、前記製品タンク内の製
品ガスを複数回に分けて前記吸着槽に還流させる製品ガ
ス還流手段を具備してなることを特徴とする気体分離装
置。