JP3623152B2

JP3623152B2 - 圧力スイング吸着装置

Info

Publication number: JP3623152B2
Application number: JP2000149211A
Authority: JP
Inventors: 憲二安岡; 敦志吉井
Original assignee: Kojima Instruments Inc
Current assignee: Kojima Instruments Inc
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2020-05-22
Also published as: JP2001327829A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の吸着塔からなる吸着ユニットが複数個並列に配置された多連ユニット式の圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ装置、ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｇａｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ）、特に空気を分離して窒素、酸素ガスを発生させる多連ユニット式の圧力スイング吸着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日までに、ＰＳＡ装置を用いて複数のガス成分からなる混合ガスを各構成ガス成分に吸着分離することが知られており、一般的な空気を分離するＰＳＡ装置としては、二つの吸着塔が一つのユニットを形成した２塔式のものや、水素ガス発生装置のような４つの吸着塔が並列に連結されてひとつのユニットを形成した４塔式のものや、それ以上の多塔式ユニットのものがある。
しかしながら、これらのＰＳＡ装置はいずれも１ユニット式のものであって、製品ガス発生量に応じて吸着塔を設計しなければならず、小型化することが困難であるという問題点があった。又、多連式の小型ＰＳＡの場合、各吸着ユニット毎に切換弁、分離ガスサージタンクを設けるために、切換弁の数が多くなって故障頻度が増加する傾向となり、設置スペースも大きくせざるを得なかった。その上、能力が大きくなれば吸着ユニットを増加するにも限度があり、従来の中型〜大型の２塔式ＰＳＡ装置に変更しなければならなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の多連ユニット式のＰＳＡ装置における上述の問題点を解決し、従来の装置よりもさらに効率化及び簡略化が図られ、切換弁の数が少なくて済む構造とし、これによってシーケンスの簡素化及び故障頻度の低減を図ることを課題とする。
又、各吸着塔を第２種圧力容器の適用も可能な大容量のものとすることで、従来のＰＳＡ装置よりも効率的に生産性を高め、併せて軽量化を達成し、これによって、製品ガス発生能力を増加させることも本発明の課題である。
【０００４】
本発明者等は、複数の吸着塔からなる従来の吸着ユニットを並列させて多連ユニット構造とし、時間差制御によって、各吸着塔に設置された多数の切換弁をそれぞれ制御するのではなく、各吸着ユニットへ供給される混合ガス、Ａ塔‐Ｂ塔間を流れる均圧ガス、各吸着ユニットで分離された分離ガス（製品ガス）、各吸着ユニットから排出される排ガスをそれぞれ、分流又は合流させるためのマニホールドをそれぞれ設置し、各マニホールド毎に切換弁を設けて、この切換弁をシーケンサー（又はプリント基板）で制御することにより、同時に複数の吸着ユニットの各工程（吸着工程、均圧工程、脱着工程）を切り換えることが可能な構造とし、その結果、時間差制御による従来の多連式ＰＳＡ装置と同等の性能にて、混合ガスの分離が行えることを見い出した。
【０００５】
又、本発明者等は、吸着塔の材質をアルミニウムとし、吸着塔を、アルミ製筒状体（パイプ）とアルミ製フランジにより構成し、これをＯリングでシールする構造とすることにより、第２種圧力容器の適用も可能な大容量の吸着塔とすることができ、これによって、吸着塔（アルミタンク）の容量を従来のものよりも大きな４０リットルを超えるものとすることで、多連ユニットの小型化および能力（製品ガス流量）増大が実現できることを見い出して、本発明を達成した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
複数のガス成分からなる混合ガスを各構成ガス成分に分離するのに用いられる本発明のＰＳＡ装置は、２以上の吸着塔が並列に連結されることによりひとつの吸着ユニット４を形成し、かつ上記吸着ユニット４が２以上並列に連結されている多連ユニット式のものであって、
上記各吸着ユニット４の混合ガス流入側に、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐に混合ガスを分流することが可能な第一混合ガスマニホールド２と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐に混合ガスを分流することが可能な第二混合ガスマニホールド１とが設けられており、上記第一及び第二混合ガスマニホールド１、２と吸着ユニット４との間には、各吸着ユニット４に流入する混合ガスの流量を調整することが可能な分流ガス調節手段３がそれぞれ設けられていること、
上記各吸着ユニット４の分離ガス流出側には、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐からの分離ガスを合流することが可能な第一分離ガスマニホールド５と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐からの分離ガスを合流することが可能な第二分離ガスマニホールド６とが設けられており、各吸着ユニット４の混合ガス流入側には、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐に接続され、各吸着ユニット４を形成している吸着塔間を均圧とするための均圧ガスの流出入させることが可能な第一均圧ガスマニホールド８と、各吸着ユニットのＢ塔、Ｂ’塔、‐‐‐に接続され、各吸着ユニット４を形成している吸着塔間を均圧とするための均圧ガスの流出入させることが可能な第二均圧ガスマニホールド７が設けられており、上記各吸着ユニット４の排ガス流出側には、Ａ塔、Ａ’塔、‐‐‐からの排ガスを合流することが可能な第一排ガスマニホールド９と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐からの排ガスを合流することが可能な第二排ガスマニホールド１０が設けられていること、
上記第一及び第二混合ガスマニホールド１及び２における混合ガス流入側、上記第一及び第二分離ガスマニホールド５及び６における分離ガス流出側、均圧ガスの流出入のために接続された上記第一及び第二均圧ガスマニホールド７‐８間、及び、上記第一及び第二排ガスマニホールド９及び１０における排ガス流出側の位置には、２以上並列に連結された多連ユニットの全ての吸着ユニットにおける吸着工程、均圧工程、脱着工程を各ユニット同じに行うための切換弁がマニホールド毎に直結してそれぞれ設置されていること、及び、
上記第一及び第二分離ガスマニホールド５、６が分離ガスサージタンク１１と連結されており、上記第一及び第二排ガスマニホールド９、１０がサイレンサー１２と連結されていることを特徴とする。
【０００７】
又、本発明は、上記の構成を有する多連ユニット式のＰＳＡ装置において、上記吸着ユニット４を構成している各吸着塔の材質がアルミニウムであり、当該吸着塔が、アルミニウム製筒状体とアルミニウム製フランジにより構成されており、前記アルミニウム製筒状体の両端側開口がＯリングを介して前記アルミニウム製フランジによりシールされた構造で、労働安全衛生法に規定された容量４０リットル以上の第２種圧力容器であることを特徴とするものでもある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、図１に本発明のＰＳＡ装置の一例として、窒素ガス発生装置における構成図を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、２塔式５ユニット窒素ガス発生装置である、本発明のＰＳＡ装置の構成図である。図１に示されるように、本発明では、２以上の吸着塔が並列に連結されることにより形成される吸着ユニット４が２以上並列に連結されており、上記各吸着ユニット４の混合ガス流入側には、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐に混合ガスを分流することが可能な混合ガスマニホールド（分流器）２と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐に混合ガスを分流することが可能な混合ガスマニホールド（分流器）１とが設けられている。そして、この混合ガスマニホールド１、２と吸着ユニット４との間には、各吸着ユニット４に流入する混合ガスの流量を調整可能な分流ガス調節手段３がそれぞれ設けられている。図１には、分流ガス調節手段３が調節バルブであるものを示しているが、本発明では、分流ガス調節手段３として、オリフィスや管路抵抗を使用することもできる。
【０００９】
更に、本発明のＰＳＡ装置においては、図１に示されるようにして、上記各吸着ユニット４の分離ガス流出側に、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐からの分離ガスを合流することが可能な分離ガスマニホールド（合流器）５と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐からの分離ガスを合流することが可能な分離ガスマニホールド（合流器）６とが設けられており、均圧ガス側には、吸着塔間を均圧とし得る均圧ガスマニホールド７、８が設けられており、排ガス側には、Ａ塔、Ａ’塔、‐‐‐からの排ガスを合流することが可能な排ガスマニホールド（合流器）９と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐からの排ガスを合流することが可能な排ガスマニホールド（合流器）１０が設けられている。しかも、本発明では、図１に示されるようにして、上記の各マニホールド毎に直結した切換弁が設けられており、これらの切換弁の開閉状態を制御することによって圧力スイング吸着装置全体のガスの流れが制御可能であるので、同時に複数の吸着ユニットの工程（吸着工程、均圧工程、脱着工程）切り換えを行うことができる。これにより、本発明のＰＳＡ装置は、従来のＰＳＡ装置よりも切換弁の数が少ない。
尚、本発明のＰＳＡ装置における分離ガスマニホールド５、６の流出側は、分離ガスサージタンク１１と連結され、この分離ガスサージタンク１１を経て、製品ガスが取り出せるようになっており、一方、各吸着ユニットにて生じた排ガスを合流させて排出させるための排ガスマニホールド９、１０には、サイレンサー１２が連結され、サイレンサー１２を通して排気が行われる。
【００１０】
本発明では、吸着ユニット４を構成する各吸着塔を、アルミニウム製筒状体の両端側開口がＯリングを介してアルミニウム製フランジ部材によりシールされた構造とすることが好ましく、この場合には、４０リットルを超える容量の第２種圧力容器に適用し得る吸着塔とすることができ、これによって、各吸着ユニットの単独能力を増加させることが可能となり、多連ユニットの小型化および製品ガス発生能力の増加を達成することができる。尚、第２種圧力容器とは、労働安全衛生法（労安法）に規定されているものである。
【００１１】
本発明のＰＳＡ装置では、マニホールドに直結した切換弁で同時に複数の吸着ユニットの工程を切り換えて、吸着工程、均圧工程、脱着工程を行うことができるので、吸着塔の切り換え時間を、シーケンサーだけでなくプリント基板でも制御することが可能である。この際、切り換え時の圧力変動を小さくするために、通常、分離ガスサージタンク１１の容量を吸着塔と同容量とし、例えば２塔式３吸着ユニットの場合は装置全体で６塔あるので、１つの吸着塔の容量×３本分と同じ容量を持つ分離ガスサージタンクを設置すれば良い。
【００１２】
【実施例】
実施例１：２塔式５ユニット窒素ガス発生装置（１塔の容量４０リットル）による性能試験
塔内径１９８ｍｍ×充填高さ１２８０ｍｍの吸着塔２つを１ユニットとし、このユニットを５つ並列にマニホールドで連結して吸着分離部を形成し、分離ガスサージタンクは容量２００リットルとした。マニホールドに直結する切換弁として給気弁２０Ａ、均圧弁２０Ａ、製品弁２０Ａ、排気弁４０Ａを電磁弁にて選定した。尚、原料である空気から窒素ガスを分離するための吸着剤として、吸着塔１塔あたり約２５ｋｇのモレキュラーシーブカーボンを使用した。
【００１３】
そして、このＰＳＡ装置に、ドライヤー付き空気圧縮機より約０．９ＭＰａの圧縮空気を１分間当り２．０ｍ^３導入し、マニホールドに直結する切換弁により工程を制御して吸着分離操作を行った。
このようにして各吸着ユニットより分離された製品窒素は、分離ガスサージタンクに集められ、製品流量計及び流量調節弁を経て各窒素ガス純度を有する製品窒素として取り出すことができた。
【００１４】
その結果、この本発明の２塔式５ユニット窒素ガス発生装置から、製品窒素純度が９９．９９％（４Ｎ）の場合、製品窒素ガス量として１時間当り２０Ｎｍ^３で、窒素ガス中の酸素濃度約５２ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができ、製品窒素ガス純度が９９．９％（３Ｎ）の場合は、製品窒素ガス量として１時間当り３０Ｎｍ^３で、窒素ガス中の酸素濃度約５５０ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができた。この際の吸着時間（サイクルタイム）は８０秒間であった。
【００１５】
実施例２：２塔式８ユニット窒素ガス発生装置による性能試験
塔内径１９８ｍｍ×充填高さ１２８０ｍｍの吸着塔２つを１ユニットとし、このユニットを８つ並列にマニホールドで連結して吸着分離部を形成し、分離ガスサージタンクは容量３００リットルとした。マニホールドに直結する切換弁として給気弁２５Ａ、均圧弁２５Ａ、製品弁２５Ａ、排気弁５０Ａを電磁弁にて選定した。なお吸着剤は実施例１と同様に吸着塔１塔あたり約２５ｋｇのモレキュラーシーブカーボンを使用した。
【００１６】
実施例１と同様にして、ドライヤー付き空気圧縮機より約０．９ＭＰａの圧縮空気を１分間当り３．０ｍ^３導入し、分流器（マニホールド）に直結する切換弁で工程を制御して吸着分離操作を行った。このようにして各吸着ユニットより分離された製品窒素は、分離ガスサージタンクに集められ、製品流量計及び流量調節弁を経て下記の製品窒素を得ることができた。
製品窒素純度が９９．９９％（４Ｎ）の場合、製品窒素ガス量として１時間当り３２Ｎｍ^３で、窒素ガス中の酸素濃度約４５ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができ、製品窒素ガス純度が９９．９％（３Ｎ）の場合は、製品窒素ガス量として１時間当り４８Ｎｍ^３で、窒素ガス中の酸素濃度約４６０ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができた。吸着時間は実施例１と同じく８０秒間であった。
【００１７】
実施例３：２塔式３ユニット窒素ガス発生装置（第２種圧力容器、１塔の容量１００リットル）による性能試験
塔内径２９０ｍｍ×充填高さ１５２０ｍｍの吸着塔（アルミニウム製パイプの両端がアルミニウム製フランジ部材によりＯリングシールされた構造を有するもの）２つを１ユニットとし、このユニットを３つ並列にマニホールドで連結して吸着分離部を形成し、分離ガスサージタンクは容量３００リットルとした。マニホールドに直結する切換弁として給気弁２５Ａ、均圧弁２５Ａ、製品弁２５Ａ、排気弁５０Ａを電磁弁にて選定した。なお吸着剤は実施例１と同様に吸着塔１塔あたり約６３ｋｇのモレキュラーシーブカーボンを使用した。
【００１８】
実施例１と同様にして、ドライヤー付き空気圧縮機より約０．９ＭＰａの圧縮空気を１分間当り３．０ｍ^３導入し、マニホールドに直結する切換弁で工程を制御して吸着分離操作を行った。このようにして各吸着ユニットより分離された製品窒素は、分離ガスサージタンクに集められ、製品流量計及び流量調節弁を経て下記の製品窒素を得ることができた。製品窒素純度が９９．９９％（４Ｎ）の場合、製品窒素ガス量として１時間当り３０Ｎｍ^３で、窒素ガス中の酸素濃度約５１ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができ、製品窒素ガス純度が９９．９％（３Ｎ）の場合は、製品窒素ガス量として１時間当り４２Ｎｍ^３で、窒素ガス中の酸素濃度約５００ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができた。吸着時間は実施例１と同じく８０秒間であった。
【００１９】
比較例：２塔式５ユニット窒素ガス発生装置による性能試験（従来の各吸着ユニットの吸着時間を１４秒ずつ均等にずらす方式）
実施例１と同じ吸着ユニットにて、各吸着ユニットの吸着時間を１４秒ずつ均等にずらして吸着操作を行うために各吸着ユニットに口径の小さい（１５Ａ）切換弁を設置し、原料空気条件、各ユニットの吸着時間は実施例１に合わせて、吸着操作を行った。その結果、製品窒素純度が９９．９９％（４Ｎ）の場合、製品窒素ガス量として１時間当り２０Ｎｍ^３で、窒素ガス中の酸素濃度約５５ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができた。又、製品窒素ガス純度が９９．９％（３Ｎ）の場合は、製品窒素ガス量として１時間当り３０Ｎｍ^３で、窒素ガス中の酸素濃度約５００ｐｐｍの製品窒素を取り出すことができた。
【００２０】
上記の性能比較試験の結果、実施例１の装置と比較例の装置とでは、ＰＳＡ装置としての性能にほとんど差異は無く、混合ガス側、分離ガス側、均圧ガス側及び排ガス側にそれぞれマニホールドが設けられた本発明のＰＳＡ装置の場合には、各マニホールドごとに設置された切換弁によってガスの流れが装置全体で制御できるので、同時に複数の吸着ユニットの工程を切り換える操作も単純化でき、切換弁の少ない（５連の場合は１／５倍の数）分だけ従来の装置に比べて切換弁のトラブルの頻度が減少し、故障の少ない装置であることが確認された。
又、実施例２及び３のＰＳＡ装置を用いた試験結果から、本発明のＰＳＡ装置の場合には、ユニットの数を増やした場合にも、４０リットルを越える大型の吸着塔とした場合にも、製品ガス純度が低下せず、大量の製品ガスを効率良く製造することができ、従来の装置よりも少ない切換弁数であることにより、装置の制御が単純化できることが確認された。
【００２１】
【発明の効果】
本発明のＰＳＡ装置では、吸着操作が各ユニット同じに行われるために、制御方法の単純化（シーケンスの簡素化）が達成でき、切換弁の総数が減少することにより故障頻度を低減させることが可能である。又、吸着タンクが第２種圧力容器対応のものである本発明のＰＳＡ装置にあっては、１ユニット当りの製品ガス発生量を増加させることができ、これによって、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００２２】
なお、本発明のＰＳＡ装置は、窒素ガス発生装置に限定されるものではなく、吸着剤にゼオライトを使用する酸素ガス発生装置にも応用が可能であり、オンサイトの窒素ガス、酸素ガス発生装置としてボンベの代わりに用途は非常に幅広く使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力スイング吸着装置（２塔式５ユニット窒素ガス発生装置）の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１混合ガスマニホールド
２混合ガスマニホールド
３分流ガス調節手段（調節バルブ）
４吸着ユニット
５分離ガスマニホールド
６分離ガスマニホールド
７均圧ガスマニホールド
８均圧ガスマニホールド
９排ガスマニホールド
１０排ガスマニホールド
１１分離ガスサージタンク
１２サイレンサー

Claims

複数のガス成分からなる混合ガスを各構成ガス成分に分離するのに用いられる圧力スイング吸着装置で、２以上の吸着塔が並列に連結されることによりひとつの吸着ユニット４を形成し、かつ上記吸着ユニット４が２以上並列に連結されている多連ユニット式の圧力スイング吸着装置において、
上記各吸着ユニット４の混合ガス流入側に、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐に混合ガスを分流することが可能な第一混合ガスマニホールド２と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐に混合ガスを分流することが可能な第二混合ガスマニホールド１とが設けられており、上記第一及び第二混合ガスマニホールド１、２と吸着ユニット４との間には、各吸着ユニット４に流入する混合ガスの流量を調整することが可能な分流ガス調節手段３がそれぞれ設けられていること、
上記各吸着ユニット４の分離ガス流出側には、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐からの分離ガスを合流することが可能な第一分離ガスマニホールド５と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐からの分離ガスを合流することが可能な第二分離ガスマニホールド６とが設けられており、各吸着ユニット４の混合ガス流入側には、各吸着ユニットのＡ塔、Ａ’塔、‐‐‐に接続され、各吸着ユニット４を形成している吸着塔間を均圧とするための均圧ガスの流出入させることが可能な第一均圧ガスマニホールド８と、各吸着ユニットのＢ塔、Ｂ’塔、‐‐‐に接続され、各吸着ユニット４を形成している吸着塔間を均圧とするための均圧ガスの流出入させることが可能な第二均圧ガスマニホールド７が設けられており、上記各吸着ユニット４の排ガス流出側には、Ａ塔、Ａ’塔、‐‐‐からの排ガスを合流することが可能な第一排ガスマニホールド９と、Ｂ塔、Ｂ’塔、‐‐‐からの排ガスを合流することが可能な第二排ガスマニホールド１０が設けられていること、
上記第一及び第二混合ガスマニホールド１及び２における混合ガス流入側、上記第一及び第二分離ガスマニホールド５及び６における分離ガス流出側、均圧ガスの流出入のために接続された上記第一及び第二均圧ガスマニホールド７‐８間、及び、上記第一及び第二排ガスマニホールド９及び１０における排ガス流出側の位置には、２以上並列に連結された多連ユニットの全ての吸着ユニットにおける吸着工程、均圧工程、脱着工程を各ユニット同じに行うための切換弁がマニホールド毎に直結してそれぞれ設置されていること、及び、
上記第一及び第二分離ガスマニホールド５、６が分離ガスサージタンク１１と連結されており、上記第一及び第二排ガスマニホールド９、１０がサイレンサー１２と連結されていることを特徴とする圧力スイング吸着装置。
上記吸着ユニット４を構成している各吸着塔の材質がアルミニウムであり、当該吸着塔が、アルミニウム製筒状体とアルミニウム製フランジにより構成されており、前記アルミニウム製筒状体の両端側開口がＯリングを介して前記アルミニウム製フランジによりシールされた構造で、労働安全衛生法に規定された容量４０リットル以上の第２種圧力容器であることを特徴とする請求項１記載の圧力スイング吸着装置。