JP5529211B2 - ガス分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、混合ガスから所定のガスを分離するガス分離装置に関する。

従来、混合ガスから所定のガスを分離する技術として、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）法が知られている。ＰＳＡ法は、吸着剤に対するガスの吸着量が、ガスの種類および各物質（ガス）の分圧によって異なることを利用した分離方法である。ＰＳＡ法では、吸着剤が充填された吸着塔に混合ガスを導入し、混合ガスに含まれる所定のガスを吸着剤に選択的に吸着させる工程（吸着工程）と、所定のガスが吸着した後の吸着剤から所定のガスを脱着させる工程（再生工程）と、において圧力差を付けることで、混合ガスから所定のガスを分離する。

近年、空気から酸素を効率よく分離するＰＳＡ法の技術として、ペロブスカイト型酸化物の吸着剤を利用したＰＳＡ法が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の技術では、上記吸着工程と、再生工程とを２５０℃〜９００℃といった高温下で行う必要がある。そのため、吸着剤（吸着塔）を所定の温度まで加熱したり、所定の温度に維持したりしている。また、このように所定の温度に維持された吸着剤の温度低下を防止するために、吸着塔の内部にヒータを備えておき、吸着塔に導入された常温の混合ガスを加熱し、加熱後の混合ガスを吸着剤に接触させている。

特開２００８−１２４３９号公報

しかし、上述した特許文献１の技術では、ヒータが吸着塔の内部に設けられているため、メンテナンス性に劣る。また、ヒータを稼働させるための電力を要することから、電力消費にかかるランニングコストを低減する技術の開発が希求されている。

本発明は、このような課題に鑑み、簡易かつ低コストなガス分離装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のガス分離装置は、所定の圧力および温度環境下で酸素を吸着する吸着剤を有し、少なくとも一部が、常温よりも高温の雰囲気に曝される吸着塔と、前記吸着塔に接続され、送風装置から送風される、窒素と酸素とを主成分とする混合ガスを当該吸着塔内に導く第１供給路、および、当該第１供給路よりも小流量の前記混合ガスを前記吸着塔内に導く第２供給路と、前記吸着塔に接続され、前記第１供給路および第２供給路から導かれた前記混合ガスから、前記吸着剤に吸着された酸素が取り除かれて生成される、窒素を主成分とする分離ガスを、前記吸着塔から排出する分離ガス排出路と、前記吸着塔から排出される分離ガスと、前記第１供給路から前記吸着塔に導かれる前記混合ガスとの間で熱交換を行う第１熱交換部と、前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤から酸素を脱着させて当該吸着塔から排出する酸素排出部と、脱着された前記酸素と、前記第２供給路から前記吸着塔に導かれる前記混合ガスとの間で熱交換を行う第２熱交換部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の前記第１供給路から前記吸着塔内に導かれる前記混合ガスと、前記第２供給路から前記吸着塔内に導かれる前記混合ガスとの比率は、９０：１０〜６０：４０の範囲内であるとしてもよい。

また、本発明の前記第２熱交換部は、前記第２供給路から前記吸着塔内に導かれる前記混合ガス、および、前記吸着塔から排出される酸素が通過可能であって、当該混合ガスおよび酸素の熱を保持する蓄熱体で構成されているとしてもよい。

また、本発明の前記第２熱交換部は、前記吸着塔の一端側に設けられており、前記酸素排出部、および、前記第２供給路は、前記第２熱交換部が設けられた前記吸着塔の一端側に接続され、前記分離ガス排出路は、前記吸着塔の他端側に接続されているとしてもよい。

また、本発明の前記吸着塔は複数設けられ、前記第２熱交換部は、一の吸着塔において脱着された酸素と、前記第２供給路から他の吸着塔に導かれる前記混合ガスとの間で熱交換を行うとしてもよい。

また、本発明の前記吸着剤は、ペロブスカイト型酸化物であるとしてもよい。

本発明によれば、簡易な構成でありながらも、ガスの分離に要するコストを低減することができる。

第１の実施形態のガス分離装置を説明するための図である。 第１の実施形態のガス分離方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。 第２の実施形態のガス分離装置を説明するための図である 第２の実施形態のガス分離方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。 ガス分離方法の各処理におけるバルブの開閉状態を説明するための図である。 一方の吸着塔において初期吸着工程を遂行する場合のガスの流れを説明するための図である。 ２つの吸着塔が吸着工程と再生工程とを同時並行して遂行する場合のガスの流れを説明するための図である。 ２つの吸着塔が吸着工程と再生工程とを同時並行して遂行する場合のガスの流れを説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１の実施形態：ガス分離装置１００）
図１は、第１の実施形態のガス分離装置１００を説明するための図である。本実施形態のガス分離装置１００は、ＰＳＡ法を利用したガス分離装置であるが、以下では、窒素と酸素とを主成分とする混合ガスとしての空気から酸素および窒素をそれぞれ分離する構成を例に挙げて説明する。なお、ガス分離装置１００は、混合ガスとして、酸素富化空気（通常の空気よりも酸素濃度が高い空気）や、窒素富化空気（通常の空気よりも窒素濃度が高い空気）から酸素および窒素をそれぞれ分離してもよい。

図１に示すように、本実施形態において、ガス分離装置１００は、吸着塔１１０を備えている。吸着塔１１０は、円筒形状に構成される。また、吸着塔１１０のうち、後述する吸着剤１２０が設けられる部分は、保温庫１０２に収容されており、保温庫１０２は、吸着剤１２０を、２５０℃〜９００℃の雰囲気（常温より高温の雰囲気）に曝すように保温している。ここで、常温は、例えば、５℃〜３０℃である。また、保温庫１０２に供給される熱は、電気式加熱、ガス燃焼式加熱、または、ガス分離装置１００が設置されるプラント等の排熱を利用してもよい。

吸着剤１２０（図１中、クロスハッチングで示す）は、吸着塔１１０内に設けられ（充填され）、所定の圧力および温度環境下で空気に接触すると、空気に含有される酸素を吸着して、窒素を分離する。

吸着剤１２０は、例えば、構造式Ａ_１−ｘＢ_ｘＣ_１−ｙＤ_ｙＯ_３−ｚで表されるペロブスカイト型酸化物である。ここで、Ａはランタノイド元素またはアルカリ土類金属元素であり、Ｂはランタノイド元素、アルカリ土類金属元素、アルカリ金属元素の群のうちいずれかの元素ドーパントであり、Ｃはチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）の群から選択される１または複数の元素であり、Ｄはチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）の群から選択される１または複数の元素であり、かつ、Ｃとは異なる元素である。具体的に説明すると、吸着剤１２０は、例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３−ｚ（Ｌａ：Ｓｒ：Ｃｏ：Ｆｅ＝１：９：９：１）である。

ペロブスカイト型酸化物は、所定の温度（例えば、２５０℃〜９００℃）において、酸素を選択的に吸着する（化学吸着）。したがって、吸着剤１２０として、ペロブスカイト型酸化物を利用することにより、空気から選択的に酸素を吸着することができる。また、ペロブスカイト型酸化物は、２５０℃〜９００℃において、圧力を変化させることにより、酸素の吸着および脱着（吸着していた物質が界面から離れること）を容易に行うことが可能となる。

送風装置１３０は、ブロワで構成され、吸着塔１１０に接続された第１供給路１３２、および、第２供給路１３６に空気を送風する。第１供給路１３２には、バルブ１３４、１９０が設けられており、第２供給路１３６にはバルブ１３８が設けられている。なお、バルブ１３４、１３８は、流量調整弁で構成されており、送風装置１３０から送風された空気は、分割されて第１供給路１３２、第２供給路１３６へ送出され、第２供給路１３６は、第１供給路１３２よりも小流量の空気を吸着塔１１０内へ導く。バルブ１９０は、開閉弁で構成されている。

また、第１供給路１３２から吸着塔１１０内に導かれる空気と、第２供給路１３６から吸着塔１１０内へ導かれる空気との比率が、９０：１０〜６０：４０の範囲内となるように、バルブ１３４、１３８の開度が制御される。本実施形態では、第１供給路１３２から吸着塔１１０内に導かれる空気と、第２供給路１３６から吸着塔１１０内へ導かれる空気との比率が８０：２０である場合について説明する。

分離ガス排出路１４０は、吸着塔１１０に接続され、第１供給路１３２および第２供給路１３６から吸着塔１１０に導かれた空気から、吸着剤１２０に吸着された酸素が取り除かれて生成される窒素を主成分とする分離ガスを、吸着塔１１０から排出する。具体的に説明すると、分離ガス排出路１４０は、バルブ１４２、後述する第１熱交換部１５０を通じて、吸着塔１１０から分離ガスを排出する。そして、分離ガス排出路１４０によって排出された分離ガスは、窒素タンク１４６へ送出される。窒素タンク１４６に貯留された分離ガスは、後段のプロセスに順次送出されることとなる。

第１熱交換部１５０は、吸着塔１１０から排出される分離ガスと、第１供給路１３２から吸着塔１１０に導かれる空気との間で熱交換を行う。

このように、第１熱交換部１５０が、高温の分離ガスと常温の空気とで熱交換を行うことにより、吸着塔１１０内に供給される空気を加熱（予熱）することができる。これにより、吸着塔１１０内にヒータを設けずとも、供給する空気を加熱することができる。また、高温の分離ガスを冷却することができるため、後段のプロセスにおいて、冷却処理を施す必要がなくなる。つまり、従来廃棄していた、分離ガスが有する熱を利用して、空気を加熱することができるため、低コストで空気を加熱することが可能となる。

また、供給する空気を加熱する第１熱交換部１５０を吸着塔１１０の外部に設ける構成であるため、メンテナンス性を向上することが可能となる。

また、空気中の窒素と酸素の含有比率は、約８０：２０である。つまり、分離ガスは、吸着塔１１０に供給した空気の８０％の容量となる。したがって、吸着塔１１０に供給する空気量を８０：２０に分割して、熱交換する流体の流量を実質的に等しくすることで、第１熱交換部１５０において８０％の空気と、分離ガス（８０％の窒素）との間で、効率よく熱交換を行うことが可能となる。

酸素排出部１６０は、例えば、真空ポンプで構成され、吸着塔１１０内を減圧して吸着剤１２０に吸着した酸素を吸着剤１２０から脱着させて当該吸着塔１１０から排出する。具体的に説明すると、酸素排出部１６０は、排出管１６２、バルブ１６４を通じて、吸着塔１１０から酸素を排出する。そして、酸素排出部１６０によって排出された酸素は、酸素タンク１６６へ送出される。酸素タンク１６６に貯留された酸素は、後段のプロセスに順次送出されることとなる。

第２熱交換部１７０は、吸着剤１２０から脱着された酸素と、第２供給路１３６から吸着塔１１０に導かれる空気との間で熱交換を行う。本実施形態において、第２熱交換部１７０は、吸着塔１１０の一端側に設けられており、酸素排出部１６０、および、第２供給路１３６は、第２熱交換部１７０が設けられた吸着塔１１０の一端側に接続され、分離ガス排出路１４０は、吸着塔１１０の他端側に接続されている。

また、本実施形態において、第２熱交換部１７０は、第２供給路１３６から吸着塔１１０内に導かれる空気、および、吸着塔１１０において吸着剤１２０から脱着された酸素が通過可能であって、空気と酸素の熱を保持する蓄熱体で構成されている。

詳しくは後述するが、第２熱交換部１７０を蓄熱体で構成することで、再生工程において、脱着された高温の酸素が有する熱を保持できるので、再生工程で保持した熱を吸着工程で空気に付与することができる。

第２熱交換部１７０が蓄熱体で構成される場合、第２熱交換部１７０は、流体が通過する際の圧損が少なく、かつ、蓄熱量が大きいものを使用するとよい。第２熱交換部１７０は、例えば、ライナー間ピッチ２ｍｍ程度、平板厚さ０．５ｍｍ程度のステンレス製蓄熱材ハニカムを挙げることができる。

また、第２熱交換部１７０は、吸着剤１２０と同一の部材で構成されていてもよい。かかる構成により、第２熱交換部１７０においても酸素と窒素を分離することが可能となる。

さらに、第２熱交換部１７０は、所定の圧力および吸着剤１２０よりも常温に近い温度環境下で空気に接触すると、酸素を吸着して、窒素を分離する物質（例えば、活性炭（ＭＳＣ）や、低温で作動する複合酸化物等の吸着剤）で構成されてもよい。これにより、第２熱交換部１７０において、より効率的に酸素と窒素を分離することが可能となる。

なお、本実施形態において第１供給路１３２から吸着塔１１０内に導かれる空気は、第２熱交換部１７０を通過せず、吸着剤１２０に直接導かれる。すなわち、第２熱交換部１７０において高温の酸素によって保持された熱は第２供給路１３６から吸着塔１１０内に導かれる空気にのみ付与される。

補助ヒータ１８２は、第２供給路１３６に設けられており、初期稼働時等に、第２供給路１３６から吸着塔１１０内に導かれる空気を補助的に加熱する。補助ヒータ１８４は、第１供給路１３２に設けられており、初期稼働時等に、第１供給路１３２から吸着塔１１０内に導かれる空気を補助的に加熱する。

（ガス分離方法）
続いて、ガス分離装置１００を用いたガス分離方法について説明する。図２は、ガス分離方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。なお、ここでは、第１供給路１３２における第１熱交換部１５０の入口側の温度をＴ１、出口側の温度をＴ２、分離ガス排出路１４０における第１熱交換部１５０の入口側の温度をＴ３、出口側の温度をＴ４、第２熱交換部１７０における第２供給路１３６からの空気の入口側の温度をＴ５、出口側の温度をＴ６とする。

図２に示すように、ガス分離装置１００を用いてガス分離を行う際には、まず、初期吸着工程Ｓ２１０、初期再生工程Ｓ２２０を行い、その後、吸着工程Ｓ２３０、再生工程Ｓ２４０を繰り返す。

また、初期状態において、バルブ１４２、１６４、１９０は閉状態としている。

（初期吸着工程：ステップＳ２１０）
不図示の制御手段は、吸着塔１１０における吸着剤１２０が配される部分を例えば、６００℃の雰囲気に曝しておく。また、補助ヒータ１８２、１８４を稼働させておく。

次に、制御手段は、送風装置１３０を駆動し、バルブ１４２、１９０を開状態とするとともに、送風装置１３０から送風される空気のうち、８０％が第１供給路１３２に導かれ、２０％が第２供給路１３６に導かれるように、バルブ１３４、１３８を開状態に制御する。

そうすると、送風装置１３０から送風された空気のうち、８０％は第１供給路１３２、第１熱交換部１５０を通って吸着塔１１０内に、２０％は第２供給路１３６、第２熱交換部１７０を通って吸着塔１１０内に導かれる。このとき、第１供給路１３２を流通する空気は、補助ヒータ１８４で加熱されて吸着塔１１０に導かれ、第２供給路１３６を流通する空気は、補助ヒータ１８２で加熱されて吸着塔１１０に導かれる。

そして、吸着塔１１０に導かれた空気は、吸着剤１２０において酸素が吸着され、窒素を主成分とする分離ガスが分離ガス排出路１４０へ導かれることになる。分離ガス排出路１４０に導かれた分離ガスは、バルブ１４２、第１熱交換部１５０を通って、窒素タンク１４６へ送出される。

このように、送風装置１３０から空気を送風するとともに、分離ガス排出路１４０が吸着塔１１０から分離ガスを排出する初期吸着工程Ｓ２１０を遂行すると、第１熱交換部１５０において、８０％の常温の空気と高温の分離ガスとが熱交換を行うことになる。

そうすると、図１に示すように、第１熱交換部１５０において、常温（Ｔ１）の空気が加熱されて、５７５℃（Ｔ２）といった高温の空気となり、６００℃（Ｔ３）といった高温の分離ガスは、冷却されて５０℃（Ｔ４）といった低温の分離ガスとなる。このように、分離ガス排出路１４０から排出される分離ガスの温度（Ｔ３）が６００℃程度になれば、第１熱交換部１５０における熱交換を通じ、８０％に相当する分離ガスによって、吸着塔１１０に導かれる空気の８０％を十分に加熱することができるので、制御手段は、補助ヒータ１８４の稼働を停止できる。つまり、補助ヒータ１８４は、初期吸着工程Ｓ２１０、後述する吸着工程Ｓ２３０の開始直後のみ用いれば足りるので、消費エネルギーを低減することができる。

一方、第２供給路１３６によって導かれる２０％の空気は、補助ヒータ１８２によって加熱されて、吸着塔１１０に導かれる。

（初期再生工程：ステップＳ２２０）
上記の初期吸着工程Ｓ２１０を所定時間行って、吸着剤１２０に所望量の酸素が吸着したところで、制御手段は、送風装置１３０および補助ヒータ１８２の駆動を停止し、バルブ１９０、１４２を閉状態とし、バルブ１６４を開状態とするとともに、酸素排出部１６０を駆動する。これにより、吸着塔１１０内が減圧されて吸着剤１２０に吸着した酸素が吸着剤１２０から脱着し、当該吸着塔１１０から酸素が排出される。つまり、高温の酸素は、第２熱交換部１７０を通って排出されることとなり、常温の第２熱交換部１７０は、かかる２０％に相当する高温（６００℃）の酸素によって加熱されることになる。一方、常温の第２熱交換部１７０によって高温の酸素を５０℃程度（Ｔ５）まで冷却することができる。そして、吸着塔１１０から排出された酸素は、酸素タンク１６６に送出されることとなる。

（吸着工程：ステップＳ２３０）
続いて、制御手段は、バルブ１６４を閉状態にし、酸素排出部１６０の駆動を停止するとともに、送風装置１３０、補助ヒータ１８４を駆動し、バルブ１９０、１４２を開状態とする。

そうすると、送風装置１３０から送風された空気のうち、８０％は第１供給路１３２、第１熱交換部１５０を通って、吸着塔１１０内に、２０％は第２供給路１３６、第２熱交換部１７０を通って吸着塔１１０内に導かれる。第１供給路１３２を流通する空気は、補助ヒータ１８４で加熱されて吸着塔１１０に導かれる。

ただし、吸着塔１１０から排出された高温の分離ガスが第１熱交換部１５０に到達すると、第１供給路１３２を通って吸着塔１１０に供給される８０％の空気と熱交換を行うことができるようになるため、制御手段は、補助ヒータ１８４の稼働を停止させる。

一方、第２供給路１３６を流通する２０％の空気は、上述した初期再生工程Ｓ２２０（前回の再生工程）において、２０％の高温の酸素によって加熱された第２熱交換部１７０で加熱されて、吸着塔１１０に導かれる。

そうすると、図１に示すように、第２熱交換部１７０において、常温の空気が加熱されて、５８０℃（Ｔ６）といった高温の空気となって吸着塔１１０内に導かれ、第２熱交換部１７０は、冷却されて５０℃程度（Ｔ５）といった低温となる。このように、本吸着工程Ｓ２３０を行う前に遂行された初期再生工程Ｓ２２０、再生工程Ｓ２４０によって、第２熱交換部１７０が５８０℃程度になるので、第２熱交換部１７０における熱交換によって、吸着塔１１０に導かれる空気の２０％を十分に加熱することができる。これにより、吸着工程Ｓ２３０においては、補助ヒータ１８２を稼働する必要がない。換言すれば、補助ヒータ１８２は、初期吸着工程Ｓ２１０のみ用いれば足りるので、消費エネルギーを低減することができる。

（再生工程：ステップＳ２４０）
次に制御手段は、送風装置１３０の駆動を停止し、バルブ１９０、１４２を閉状態とし、バルブ１６４を開状態とするとともに、酸素排出部１６０を駆動する。これにより、吸着塔１１０内が減圧されて吸着剤１２０に吸着した酸素が吸着剤１２０から脱着し、当該吸着塔１１０から酸素が排出される。このとき、高温の酸素は、第２熱交換部１７０を通って排出されることとなり、次回行われる吸着工程Ｓ２３０に備えて、低温の第２熱交換部１７０が、高温（６００℃）の酸素によって加熱されることになる。

上述したように、空気中の窒素と酸素の含有比率は、約８０：２０である。つまり、脱着した酸素は、吸着塔１１０に供給した空気の２０％である。したがって、吸着塔１１０に供給する空気量を８０：２０に分割して、熱交換する流体の流量を実質的に等しくすることで、第２熱交換部１７０において２０％の空気と、酸素との間で、効率よく熱交換を行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかるガス分離装置１００およびこれを用いたガス分離方法によれば、簡易な構成でありながらも、ガスの分離に要するコストを低減することができる。また、第２熱交換部１７０が蓄熱体で構成されるため、再生工程Ｓ２４０において酸素から得た熱を、吸着工程Ｓ２３０において供給する空気に付与することができる。つまり、第２熱交換部１７０による空気の加熱と、酸素の冷却とに時間差があってもよい。

（第２の実施形態：ガス分離装置３００）
上述した第１の実施形態において、ガス分離装置１００の第２熱交換部１７０は、蓄熱体で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、第２熱交換部を熱交換器で構成することも可能である。第２の実施形態では、第２熱交換部が蓄熱体ではない熱交換器である場合のガス分離装置３００について説明する。

図３は、第２の実施形態にかかるガス分離装置３００を説明するための図である。図３に示すように、ガス分離装置３００は、２つの保温庫１０２（図３中１０２ａ、１０２ｂで示す）と、２つの吸着塔１１０（図３中１１０ａ、１１０ｂで示す）と、２つの吸着剤１２０（図３中１２０ａ、１２０ｂで示す）と、送風装置１３０と、２つの第１供給路１３２（図３中１３２ａ、１３２ｂで示す）と、２つのバルブ１３４（図３中１３４ａ、１３４ｂで示す）と、２つの第２供給路１３６（図３中１３６ａ、１３６ｂで示す）と、２つのバルブ１３８（図３中１３８ａ、１３８ｂで示す）と、２つの分離ガス排出路１４０（図３中１４０ａ、１４０ｂで示す）と、２つのバルブ１４２（図３中１４２ａ、１４２ｂで示す）と、２つのバルブ１９０（図３中、１９０ａ、１９０ｂで示す）と、窒素タンク１４６と、２つの第１熱交換部１５０（図３中１５０ａ、１５０ｂで示す）と、酸素排出部１６０と、２つの排出管１６２（図３中１６２ａ、１６２ｂで示す）と、２つのバルブ１６４（図３中１６４ａ、１６４ｂで示す）と、酸素タンク１６６と、２つの第２熱交換部３７０（図３中３７０ａ、３７０ｂで示す）と、２つの補助ヒータ１８２（図３中１８２ａ、１８２ｂで示す）と、２つの補助ヒータ１８４（図３中１８４ａ、１８４ｂで示す）と、を含んで構成される。

なお、上述した第１の実施形態における構成要素として既に述べた保温庫１０２、吸着塔１１０、吸着剤１２０、送風装置１３０、第１供給路１３２、バルブ１３４、第２供給路１３６、バルブ１３８、分離ガス排出路１４０、バルブ１４２、窒素タンク１４６、第１熱交換部１５０、酸素排出部１６０、排出管１６２、バルブ１６４、酸素タンク１６６、補助ヒータ１８２、１８４は、実質的に機能が等しいので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違する第２熱交換部３７０について主に説明する。

第２熱交換部３７０は、一方の吸着塔１１０において脱着された酸素と、第２供給路１３６から他方の吸着塔１１０に導かれる空気との間で熱交換を行う。具体的に説明すると、第２熱交換部３７０ａは、吸着塔１１０ｂにおいて脱着された酸素と、第２供給路１３６ａから吸着塔１１０ａに導かれる空気との間で熱交換を行い、第２熱交換部３７０ｂは、吸着塔１１０ａにおいて脱着された酸素と、第２供給路１３６ｂから吸着塔１１０ｂに導かれる空気との間で熱交換を行う。

（ガス分離方法）
続いて、ガス分離装置３００を用いたガス分離方法について説明する。図４は、第２の実施形態にかかるガス分離方法の処理の流れを説明するためのフローチャートであり、図５は、ガス分離方法の各処理におけるバルブの開閉状態を説明するための図である。

図４に示すように、ガス分離装置３００を用いてガス分離を行う際には、まず、吸着塔１１０ａにおいて初期吸着工程を行う（ステップＳ４１０）。続いて、吸着塔１１０ａにおいて再生工程を行うのと同時に、吸着塔１１０ｂにおいて吸着工程を行い（ステップＳ４２０）、吸着塔１１０ａにおいて吸着工程を行うのと同時に吸着塔１１０ｂにおいて再生工程を行う（ステップＳ４３０）。そして、以後、上記のステップＳ４２０およびステップＳ４３０を繰り返す。つまり、吸着塔１１０ａ、１１０ｂそれぞれに着目すると、吸着工程と再生工程とが交互に繰り返して行われることとなる。

また、後述するように、吸着工程では窒素が生成され、再生工程では、酸素が生成される。したがって、吸着塔１１０ａと吸着塔１１０ｂとが吸着工程と再生工程とを排他的に交互に繰り返すことにより、窒素および酸素の生成を連続的に行うことが可能となる。

なお、初期状態において、バルブ１４２ａ、１４２ｂ、１６４ａ、１６４ｂ、１９０ａ、１９０ｂは閉状態としている。

（ステップＳ４１０）
図６は、吸着塔１１０ａにおいて初期吸着工程を遂行する場合のガスの流れを説明するための図である。不図示の制御手段は、吸着塔１１０ａを例えば、６００℃の雰囲気に曝しておく。また、補助ヒータ１８２ａ、１８４ａを稼働させておく。

次に、制御手段は、送風装置１３０を駆動し、図５に示すように、バルブ１４２ａ、１９０ａを開状態とする。また、制御手段は、送風装置１３０から送風される空気のうち、８０％が第１供給路１３２ａに導かれ、２０％が第２供給路１３６ａに導かれるように、バルブ１３４ａ、１３８ａを開状態に制御する。

そうすると、送風装置１３０から送風された空気のうち、８０％は第１供給路１３２ａ、第１熱交換部１５０ａを通って吸着塔１１０ａ内に、２０％は第２供給路１３６ａ、第２熱交換部３７０ａを通って吸着塔１１０ａ内に導かれる。このとき、第１供給路１３２ａを流通する空気は、補助ヒータ１８４ａで加熱されて吸着塔１１０ａに導かれ、第２供給路１３６ａを流通する空気は、補助ヒータ１８２ａで加熱されて吸着塔１１０ａに導かれる。

そして、吸着塔１１０ａに導かれた空気は、吸着剤１２０ａにおいて、酸素が吸着され、窒素を主成分とする分離ガスが分離ガス排出路１４０ａへ導かれることになる。分離ガス排出路１４０ａに導かれた分離ガスは、第１熱交換部１５０ａ、バルブ１４２ａを通って、窒素タンク１４６へ送出される。

このように、送風装置１３０から空気を送風するとともに、吸着塔１１０ａから分離ガス排出路１４０ａを介して分離ガスが排出されると、第１熱交換部１５０ａにおいて、８０％の常温の空気と高温の分離ガスとが熱交換を行うことになる。そうすると、第１熱交換部１５０ａにおいて、常温の空気が加熱されて、例えば、６００℃といった高温の空気となり、高温の分離ガスは冷却されて５０℃程度の低温の分離ガスとなる。

分離ガス排出路１４０ａから排出される分離ガスの温度が６００℃程度になれば、第１熱交換部１５０ａにおける熱交換によって、吸着塔１１０ａに導かれる空気の８０％を十分に加熱することができるので、制御手段は、補助ヒータ１８４ａの稼働を停止できる。つまり、補助ヒータ１８４ａは、初期吸着工程Ｓ４１０の開始直後のみ用いれば足りるので、消費エネルギーを低減することができる。

一方、第２供給路１３６ａによって導かれる２０％の空気は、補助ヒータ１８２ａによって加熱されて、吸着剤１２０に導かれる。

（ステップＳ４２０）
ステップＳ４２０では、以下に説明する、吸着塔１１０ａにおける再生工程（Ｓ４２０−１）と、吸着塔１１０ｂにおける吸着工程（Ｓ４２０−２）とを同時に行う。図７は、吸着塔１１０ａにおいて再生工程を遂行し、吸着塔１１０ｂにおいて吸着工程を遂行する場合のガスの流れを説明するための図である。

（ステップＳ４２０−１）
まず、吸着塔１１０ａにおける再生工程について説明する。制御手段は、初回の再生工程においてのみ、酸素排出部１６０を駆動する。

そして、上記の初期吸着工程Ｓ４１０（以降、後述する吸着工程Ｓ４３０−２）を所定時間行って、吸着剤１２０ａに所望量の酸素が吸着したところで、制御手段は、バルブ１９０ａ、１４２ａを閉状態とし、バルブ１６４ａを開状態とし（図５参照）、補助ヒータ１８２ａの駆動を停止する。これにより、吸着塔１１０ａ内が減圧されて吸着剤１２０ａに吸着した酸素が吸着剤１２０ａから脱着し、当該吸着塔１１０ａから酸素が排出される。

そうすると、高温の酸素は、第２熱交換部３７０ｂを通って、酸素タンク１６６に送出されることとなる。

（ステップＳ４２０−２）
続いて、吸着塔１１０ｂにおける吸着工程について説明する。制御手段は、このステップＳ４２０−２の処理を、上記ステップＳ４２０−１と並行して行う。制御手段は、補助ヒータ１８４ｂを駆動し、バルブ１９０ｂ、１４２ｂを開状態とする（図５参照）。また、制御手段は、送風装置１３０から送風される空気のうち、８０％が第１供給路１３２ｂに導かれ、２０％が第２供給路１３６ｂに導かれるように、バルブ１３４ｂ、１３８ｂを開状態に制御する。なお、このとき、制御手段は、吸着塔１１０ａへの空気の供給を停止すべく、バルブ１３４ａ、１３８ａを閉状態に制御する。

そうすると、送風装置１３０から送風された空気のうち、８０％は第１供給路１３２ｂ、第１熱交換部１５０ｂを通って、吸着塔１１０ｂ内に、２０％は第２供給路１３６ｂ、第２熱交換部３７０ｂを通って吸着塔１１０ｂ内に導かれる。このとき、第１供給路１３２ｂを流通する空気は、補助ヒータ１８４ｂで加熱されて吸着塔１１０ｂに導かれる。

そして、吸着塔１１０ｂに導かれた空気は、吸着剤１２０ｂにおいて、酸素が吸着され、窒素を主成分とする分離ガスが分離ガス排出路１４０ｂへ導かれて、第１熱交換部１５０ｂ、バルブ１４２ｂを通って、窒素タンク１４６へ送出される。

そうすると、分離ガス排出路１４０ｂから排出される分離ガスの温度が６００℃程度となり、第１熱交換部１５０ｂにおける熱交換によって、吸着塔１１０ｂに導かれる空気の８０％を十分に加熱することができるので、制御手段は、補助ヒータ１８４ｂの稼働を停止させる。一方、第２供給路１３６ｂを流通する空気は、第２熱交換部３７０ｂにおいて、上述した再生工程Ｓ４２０−１において脱着された、高温の酸素との間で熱交換によって加熱されて、吸着塔１１０ｂに導かれる。

そして、第２熱交換部３７０ｂにおいて、常温の空気が加熱されて、５８０℃といった高温の空気となり、高温の酸素は、冷却されて５０℃程度といった低温の酸素となる。このように、吸着塔１１０ｂにおける吸着工程Ｓ４２０−２と、吸着塔１１０ａにおける再生工程Ｓ４２０−１とを同時並行して行うことによって、吸着塔１１０ｂに導かれる空気の２０％を十分に加熱することができ、補助ヒータ１８２ｂを利用する必要はない。

（ステップＳ４３０）
ステップＳ４３０では、以下に説明する、吸着塔１１０ｂにおける再生工程（Ｓ４３０−１）と、吸着塔１１０ａにおける吸着工程（Ｓ４３０−２）とを同時に行う。図８は、吸着塔１１０ｂにおいて再生工程を遂行し、吸着塔１１０ａにおいて吸着工程を遂行する場合のガスの流れを説明するための図である。

（ステップＳ４３０−１）
まず、吸着塔１１０ｂにおける再生工程について説明する。上記の吸着工程Ｓ４２０−２を所定時間行って、吸着剤１２０ｂに所望量の酸素が吸着したところで、制御手段は、バルブ１９０ｂ、１４２ｂを閉状態とし、バルブ１６４ｂを開状態とする（図５参照）。これにより、吸着塔１１０ｂ内が減圧されて吸着剤１２０ｂに吸着した酸素が吸着剤１２０ｂから脱着し、当該吸着塔１１０ｂから第２熱交換部３７０ａを通って酸素タンク１６６へと排出される。

（ステップＳ４３０−２）
続いて、吸着塔１１０ａにおける吸着工程について説明する。制御手段は、このステップＳ４３０−２の処理を、上記ステップＳ４３０−１と並行して行う。制御手段は、バルブ１６４ａを閉状態にし、補助ヒータ１８４ａを駆動し、バルブ１９０ａ、１４２ａを開状態とする（図５参照）。

そうすると、送風装置１３０から送風された空気のうち、８０％は第１供給路１３２ａ、第１熱交換部１５０ａを通って吸着塔１１０ａ内に、２０％は第２供給路１３６ａ、第２熱交換部３７０ａを通って吸着塔１１０ａ内に導かれる。このとき、第１供給路１３２ａを流通する空気は、補助ヒータ１８４ａで加熱されて吸着塔１１０ａに導かれる。

そして、吸着塔１１０ａに導かれた空気は、吸着剤１２０ａにおいて、酸素が吸着され、窒素を主成分とする分離ガスが分離ガス排出路１４０ａへ導かれて、第１熱交換部１５０ａ、バルブ１４２ａを通って、窒素タンク１４６へ送出される。

そうすると、分離ガス排出路１４０ａから排出される分離ガスの温度が６００℃程度となり、第１熱交換部１５０ａにおける熱交換によって、吸着塔１１０ａに導かれる空気の８０％を十分に加熱することができるので、制御手段は、補助ヒータ１８４ａの稼働を停止させる。

一方、第２供給路１３６ａを流通する空気は、第２熱交換部３７０ａにおいて、上述した再生工程Ｓ４３０−１で、吸着塔１１０ｂで脱着された高温の酸素との間で熱交換によって加熱されて、吸着塔１１０ａに導かれる。

そして、第２熱交換部３７０ａにおいて、常温の空気が加熱されて、５８０℃といった高温の空気となり、高温の酸素は、冷却されて５０℃程度といった低温の酸素となる。このように、吸着塔１１０ａにおける吸着工程Ｓ４３０−２と、吸着塔１１０ｂにおける再生工程Ｓ４３０−１と同時並行して行うことによって、吸着塔１１０ａに導かれる空気の２０％を十分に加熱することができるので、制御手段は、補助ヒータ１８２ａを稼働する必要がない。

以上説明したように、本実施形態にかかるガス分離装置３００およびこれを用いたガス分離方法によれば、簡易な構成でありながらも、ガスの分離に要するコストを低減することができる。また、第２熱交換部３７０を吸着塔１１０の外に配することができるため、メンテナンス性を向上することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、吸着塔１１０を１つ備えたガス分離装置１００、吸着塔１１０ａ、１１０ｂを２つ備えたガス分離装置３００を例に挙げて説明したが、吸着塔の数に限定はなく、３以上であってもよい。

また、上述した第２の実施形態では、吸着塔１１０ａにおいて、初期吸着工程Ｓ４１０を行うこととしたため、補助ヒータ１８２ｂが不要となるが、吸着塔１１０ｂにおいて、初期吸着工程Ｓ４１０を行う場合、補助ヒータ１８２ａが不要となる。

なお、補助ヒータ１８２、１８４は、吸着塔１１０、第１熱交換部１５０、第２熱交換部１７０、３７０等における放熱分を補うために稼働させてもよい。また、補助ヒータ１８２、１８４は必須の構成ではなく、吸着塔１１０が曝される温度や制御条件によっては、常温の空気を直接吸着塔１１０に導くことも可能である。

また、上述した実施形態において、ペロブスカイト型酸化物として、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３−ｚ（Ｌａ：Ｓｒ：Ｃｏ：Ｆｅ＝１：９：９：１）を例に挙げたが、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３−ｚ（Ｌａ：Ｓｒ：Ｃｏ：Ｆｅ＝１：９：５：５）であってもよい。また、異なる原子の組み合わせのペロブスカイト型酸化物として、Ｂａ_１Ｆｅ_ｙＹ_１−ｙＯ_３−ｚが挙げられる。

また、上述した第１の実施形態において、吸着剤１２０と第２熱交換部１７０とが分離して形成される場合を例に挙げて説明した。しかし、吸着剤１２０と第２熱交換部１７０とが連続して形成されてもよい。例えば、吸着剤１２０と第２熱交換部１７０とが同一の部材で構成されている場合、吸着剤１２０と第２熱交換部１７０とが連続して形成されることとなる。

また、上述した実施形態では、第１供給路１３２から吸着塔１１０内に導かれる空気と、第２供給路１３６から吸着塔１１０内に導かれる空気との比率が８０：２０である場合について説明したが、所望する酸素の濃度に応じて比率を変えてもよい。

また、上述した実施形態では、吸着剤１２０の一端側に第２熱交換部１７０を備える構成について説明したが、吸着剤１２０の両端側に第２熱交換部１７０を備えてもよい。

また、上述した第２の実施形態では、第２熱交換部３７０ａ、３７０ｂが熱交換器で構成される場合を例に挙げて説明したが、第１の実施形態と同様に、蓄熱体で構成してもよく、この場合には、所定の吸着塔に供給される空気と、同一の吸着塔から排出される酸素との間で熱交換が可能である。

本発明は、混合ガスから所定のガスを分離するガス分離装置に利用することができる。

１００、３００ …ガス分離装置
１１０ …吸着塔
１２０ …吸着剤
１３０ …送風装置
１３２ …第１供給路
１３６ …第２供給路
１４０ …分離ガス排出路
１５０ …第１熱交換部
１６０ …酸素排出部
１７０、３７０ …第２熱交換部

Claims (6)

1. 所定の圧力および温度環境下で酸素を吸着する吸着剤を有し、少なくとも一部が、常温よりも高温の雰囲気に曝される吸着塔と、
   前記吸着塔に接続され、送風装置から送風される、窒素と酸素とを主成分とする混合ガスを当該吸着塔内に導く第１供給路、および、当該第１供給路よりも小流量の前記混合ガスを前記吸着塔内に導く第２供給路と、
   前記吸着塔に接続され、前記第１供給路および第２供給路から導かれた前記混合ガスから、前記吸着剤に吸着された酸素が取り除かれて生成される、窒素を主成分とする分離ガスを、前記吸着塔から排出する分離ガス排出路と、
   前記吸着塔から排出される分離ガスと、前記第１供給路から前記吸着塔に導かれる前記混合ガスとの間で熱交換を行う第１熱交換部と、
   前記吸着塔内を減圧して前記吸着剤から酸素を脱着させて当該吸着塔から排出する酸素排出部と、
   脱着された前記酸素と、前記第２供給路から前記吸着塔に導かれる前記混合ガスとの間で熱交換を行う第２熱交換部と、を備えたことを特徴とするガス分離装置。
2. 前記第１供給路から前記吸着塔内に導かれる前記混合ガスと、前記第２供給路から前記吸着塔内に導かれる前記混合ガスとの比率は、９０：１０〜６０：４０の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のガス分離装置。
3. 前記第２熱交換部は、
   前記第２供給路から前記吸着塔内に導かれる前記混合ガス、および、前記吸着塔から排出される酸素が通過可能であって、当該混合ガスおよび酸素の熱を保持する蓄熱体で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス分離装置。
4. 前記第２熱交換部は、前記吸着塔の一端側に設けられており、
   前記酸素排出部、および、前記第２供給路は、前記第２熱交換部が設けられた前記吸着塔の一端側に接続され、
   前記分離ガス排出路は、前記吸着塔の他端側に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス分離装置。
5. 前記吸着塔は複数設けられ、
   前記第２熱交換部は、
   一の吸着塔において脱着された酸素と、前記第２供給路から他の吸着塔に導かれる前記混合ガスとの間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス分離装置。
6. 前記吸着剤は、ペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガス分離装置。

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