JP5939917B2 - Gas separation device - Google Patents
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Description
本発明は気体分離装置に関する。 The present invention relates to a gas separation device.
本技術分野の背景として、特許文献1、2がある。特許文献1には、高純度窒素ガスを分離する場合、運転開始後得られる窒素ガスが所定の純度にまで到達する時間を短縮することが記載されている。
As background of this technical field, there are
特許文献1は、製品窒素ガスの使用を停止した後も装置の運転を10サイクル以下の範囲内で継続した後装置を停止させ、運転開始時には吸着槽と窒素ガス槽間の配管を閉止した状態で、20サイクル以下の範囲内で吸着並びに再生操作を行った後、製品ガスの取出しを開始することを特徴としている。
特許文献1は、運転開始時に製品ガスの濃度が十分に高くないため、少なくとも複数サイクル吸着並びに再生操作を行うことが必要であり、特に高純度の窒素ガスを取出す際においては、運転開始時のサイクル数(吸着槽の空運転)が多く必要となるため、取出し開始までの時間は長時間かかってしまう。
In
本発明は、製品ガスの使用停止後に予備運転を行うことで、運転開始後短時間で高純度の製品ガスを取出すことのできる気体分離装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a gas separation device that can take out a high-purity product gas in a short time after the start of operation by performing a preliminary operation after the use of the product gas is stopped.
本発明は上記課題を解決するため、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、前記吸着槽により生成された製品ガスを貯留する貯留タンクと、前記吸着槽における製品ガスの生成を制御する制御部とを備え、前記制御部は製品ガスの使用停止後、使用停止前に前記貯留タンクから外部に吐出していた製品ガスの流量よりも少ない流量の製品ガスを前記貯留タンクから外部に吐出しながら、製品ガスを前記吸着槽から前記貯留タンクへ供給する予備運転を行うことを特徴とする気体分離装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a compressor that compresses air, an adsorption tank that separates one gas from the compressed air supplied from the compressor and generates another gas as a product gas, and a storage tank in which the product gas generated by the suction tank, wherein a control unit for controlling the generation of a product gas in the adsorption vessel, after deactivation of the control unit the product gas, the reservoir tank before stopping use while discharging a product gas of low flow rate product gas than the flow rate that has been discharged to the outside to the outside from the storage tank from a feature in that the priming operation is supplied to the storage tank the product gas from the adsorption tank A gas separation device is provided.
本発明によれば、運転開始後短時間で高純度の製品ガスを取出すことのできる気体分離装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas separation apparatus which can take out product gas of high purity in a short time after an operation start can be provided.
本発明の実施例1について図1を用いて説明する。本実施例における気体分離装置の全体構成について図1を用いて説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The whole structure of the gas separation apparatus in a present Example is demonstrated using FIG.
図1に示す気体分離装置1はPSA式の気体分離装置である。気体分離装置1は、空気を供給する空気供給ユニット2と、製品ガスを生成するPSAユニット3で構成される。この空気供給ユニットは、空気を圧縮する圧縮機4と、圧縮空気を貯留させる空気槽5と、圧縮空気を除湿するエアードライヤー6と、析出したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルタ7を有している。本実施例では、一例として、これら圧縮機4と、空気槽5と、エアードライヤー6とドレンフィルタ7とは筐体に格納されている。一方、PSAユニット3は、空気供給ユニット2から供給される圧縮空気から所定の気体を分離することにより、製品ガスを生成する吸着槽19A、19Bと、製品ガス(窒素)を貯留する窒素槽(製品ガス貯留タンク)41を有している。
A
空気槽5で貯留された圧縮空気は後述の吸着槽19A、19Bに供給され、空気槽5で貯留された圧縮空気から所定の気体が分離される。本実施例では、吸着槽19A、19Bで酸素を吸着することにより、窒素を分離する場合について説明するが、窒素を吸着することにより酸素を分離してもよいし、大気以外の圧縮空気から他の気体を分離するものであってもよい。 The compressed air stored in the air tank 5 is supplied to adsorption tanks 19 </ b> A and 19 </ b> B described later, and a predetermined gas is separated from the compressed air stored in the air tank 5. In the present embodiment, the case where nitrogen is separated by adsorbing oxygen in the adsorption tanks 19A and 19B will be described. However, oxygen may be separated by adsorbing nitrogen, and other air may be separated from compressed air other than the atmosphere. The gas may be separated.
圧縮機4として、往複動式、スクリュー式あるいはスクロール式等の圧縮機や、外部から1次圧を供給され再圧縮するブースタ圧縮機等が用いられており、それらは1台のみ搭載されていてもよいし、複数台搭載されていてもよい。 As the compressor 4, a double-acting type, screw type or scroll type compressor, a booster compressor which is supplied with primary pressure from the outside and is recompressed, etc. are used, and only one of them is mounted. Alternatively, a plurality of units may be mounted.
空気槽5には、空気槽5からの圧縮空気を流す配管16が接続されており、この配管16の端末位置には2系統に分岐した配管17A、17Bが接続されている。配管17A、17Bには、それぞれ流路を開閉する供給弁18A、18Bが途中に設けられており、酸素分子を吸着して窒素ガスを製品ガスとして取り出すための吸着槽19A,19Bがそれぞれ接続されている。この吸着槽は容積一定である。また、配管17A、17Bには、それぞれ供給弁18A、18Bと吸着槽19A,19Bとの間位置に配管21A、21Bが接続されており、これら配管21A、21Bには、途中に流路を開閉する排気弁22A、22Bが、端末に消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ23が設けられている。この排気サイレンサは各吸着層19A、19B毎に設けられていてもよい。また、配管17A、17Bには、互いの配管21A、21Bと吸着槽19A、19Bとの間位置を結ぶように配管25A、25Bが接続されており、この配管25A、25Bには流路を開閉する下均圧弁26A、26Bが設けられている。
A
吸着槽19A,19Bには、例えば、酸素分子を吸着する吸着手段である吸着剤が充填されている。吸着剤は、具体的には分子ふるいカーボンやゼオライト等を用いている。吸着槽19A、19Bには、互いに合流する配管31A、31Bがそれぞれ接続されている。これら配管31A、31Bには、互いの吸着槽19A、19B側同士を結ぶように配管32A、32Bが接続されており、この配管32A、32Bには絞り33が設けられている。また、配管31A、31Bには、互いの配管32A、32Bよりも吸着槽19A、19Bとは反対側同士を結ぶように配管35A、35Bが接続されておりこの配管35A、35Bには流路を開閉する上均圧弁36A、36Bが設けられている。また、配管31A、31Bには、それぞれの配管35A、35Bよりも吸着槽19A、19Bとは反対側に流路を開閉する取り出し弁38A、38Bがそれぞれ設けられている。配管31A、31Bの合流位置には配管40が接続されており、この配管40には窒素ガスを貯留させる製品ガス貯留タンクとしての窒素槽41が接続されている。この窒素槽41には、吐出口42が設けられた配管43が接続されており、この配管43の途中位置には窒素槽41側から順に、塵埃等を除去するとともにガスの圧力を調整するフィルタレギュレータ44、流路を開閉する吐出弁45、製品ガスの流量を調整する流量調整弁46が設けられている。配管43のフィルタレギュレータ44と吐出弁45との間位置には配管48および配管49が接続されており、配管48には、配管43側から順に、流路を開閉する開閉弁50と、ガスの流量を調整する流量調整弁51と、サイレンサ52とが設けられている。配管49には、配管43側から順に、流路を開閉する開閉弁54と、ガスの流量を調整する流量調整弁55と、酸素濃度を検出する酸素センサー56とが設けられている。酸素センサー56は制御部60に通信可能に接続されており、検出信号を制御部60に出力する。制御部60は検出信号を受けて、吸着槽19A、19Bにおける窒素ガスの生成を制御する。
The adsorption tanks 19A and 19B are filled with, for example, an adsorbent that is an adsorbing means for adsorbing oxygen molecules. Specifically, molecular sieve carbon or zeolite is used as the adsorbent. Pipes 31A and 31B that merge with each other are connected to the adsorption tanks 19A and 19B, respectively.
具体的には、供給弁18A、18B、排気弁22A、22B、下均圧弁26A、26B、上均圧弁36A、36B、取り出し弁38A、38B、吐出弁45、開閉弁50および54は、制御部60に通信可能に接続されており、制御部60からの指令で作動する。
Specifically, the supply valves 18A and 18B, the exhaust valves 22A and 22B, the lower pressure equalizing valves 26A and 26B, the upper pressure equalizing valves 36A and 36B, the take-
ここまで、気体分離装置1の構成を説明してきたが、ここで気体分離装置において行われる気体分離方法について説明する。
Up to now, the configuration of the
気体分離装置1では、圧縮機4によって空気を圧縮する圧縮工程、圧縮工程により圧縮された空気を空気槽5に貯留する貯蔵工程、圧縮空気をエアードライヤー6により除湿する除湿工程、除湿工程により除湿された空気から気体を分離する分離工程が行われる。
In the
気体分離装置1の分離工程では、以下の(a)〜(d)の工程が順次繰り返される。
In the separation step of the
(a)吸着・還流工程:圧縮機4により圧縮され空気槽5に貯留された圧縮空気を、供給弁18を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽19に供給するとともに、窒素槽41内に残存する窒素ガスを、取り出し弁38を開くことで吸着槽19に還流して吸着槽19内を昇圧させ、圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程。 (A) Adsorption / refluxing process: The compressed air compressed by the compressor 4 and stored in the air tank 5 is supplied to the adsorption tank 19 filled with the adsorbent by opening the supply valve 18, and the nitrogen tank 41. A step of recirculating the nitrogen gas remaining therein to the adsorption tank 19 by opening the take-off valve 38 to increase the pressure in the adsorption tank 19 and adsorbing oxygen molecules to the adsorbent using the pressure.
(b)取り出し工程:吸着工程から引き続いて、空気槽5から圧縮空気を吸着槽19に供給し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽19より取り出して窒素槽41に貯留させる工程。 (B) Extraction process: Continuing from the adsorption process, the compressed air is continuously supplied from the air tank 5 to the adsorption tank 19, and at the same time, the nitrogen gas separated and generated by the adsorbent is extracted from the adsorption tank 19 and stored in the nitrogen tank 41. Process.
(c)均圧工程:上均圧弁36および下均圧弁26の開閉により取り出し工程終了後の一対の吸着槽19の均圧化を図り、次回の吸着工程の吸着効率を高めて、より高純度の窒素ガスを生成するための工程。 (C) Pressure equalization process: The pressure equalization of the pair of adsorption tanks 19 after completion of the take-out process is achieved by opening and closing the upper pressure equalization valve 36 and the lower pressure equalization valve 26, and the adsorption efficiency of the next adsorption process is increased to achieve higher purity For generating nitrogen gas.
(d)再生工程:均圧工程終了後の吸着槽19内を、排気弁22を開くことにより配管21を介して、吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程。なお、この再生工程において、排気弁22以外の吸着槽19に関連する供給弁18、下均圧弁26、上均圧弁36および取り出し弁38は、閉状態とする。 (D) Regeneration step: A step of regenerating the adsorbent by desorbing oxygen molecules adsorbed by the adsorbent through the pipe 21 by opening the exhaust valve 22 in the adsorption tank 19 after completion of the pressure equalization step. . In this regeneration process, the supply valve 18, the lower pressure equalizing valve 26, the upper pressure equalizing valve 36 and the take-off valve 38 related to the adsorption tank 19 other than the exhaust valve 22 are closed.
吸着槽19Aで吸着工程・取り出し工程(工程(a)(b))が行われている間に吸着槽19Bでは、再生工程(工程(d))が行われる。その後、(c)均圧工程が同時に行われ、吸着槽19A、19Bを入れ替えて吸着工程・取り出し工程(工程(a)(b))と再生工程(工程(d))が行われる。 While the adsorption process / removal process (process (a) (b)) is performed in the adsorption tank 19A, the regeneration process (process (d)) is performed in the adsorption tank 19B. Thereafter, the (c) pressure equalization step is performed simultaneously, and the adsorption tanks 19A and 19B are exchanged to perform the adsorption step / removal step (steps (a) and (b)) and the regeneration step (step (d)).
上記の吸着工程(a)、取り出し工程(b)、均圧工程(c)の時間を併せてサイクルタイムとする。 The time of the above-described adsorption step (a), take-out step (b), and pressure equalization step (c) is taken as the cycle time.
本実施例では、図2に示すように、装置運転中に装置停止信号が制御部60に入力された場合、吐出弁45を閉、開閉弁50を開とし流量調整弁51により窒素ガスの吐出流量(吐出口42から吐出する流量)を第一設定流量Q1(例えば、大気開放する場合の流量)から第二設定流量Q2に切り替えて装置の運転を継続する。このとき、Q1>Q2の関係とする。第一設定流量Q1から第二設定流量Q2に切り替える手段として、本実施例のように弁の開閉により流路を変更することで切り替えてもよいし、流量調整弁46により切り替えてもよい。Q2の窒素ガスを吐出しながらの運転を予備運転とする。この予備運転を、窒素槽41内の窒素ガス濃度Dが、あらかじめ設定しておいた濃度D1になるまで運転を継続し、窒素槽41内の窒素ガス濃度DがD≧D1になったとき装置の運転を停止する。
In this embodiment, as shown in FIG. 2, when a device stop signal is input to the
窒素ガス濃度Dが、D≧D1となる前に装置運転信号が制御部60に入力された場合、窒素ガスの吐出流量を第二設定流量Q2から第一設定流量Q1に切り替えて装置の運転を継続する。
When the apparatus operation signal is input to the
予備運転を停止するまでの条件は、図2に示すように窒素槽41内の窒素ガス濃度によって決定してもよいし、図3に示すようにあらかじめ設定しておいた時間によって決定してもよい。 The conditions until the preliminary operation is stopped may be determined by the nitrogen gas concentration in the nitrogen tank 41 as shown in FIG. 2, or may be determined by the preset time as shown in FIG. Good.
窒素ガス使用時の流量Q1よりも少ないQ2の流量で装置の運転を行うことにより、窒素槽41内の純度が若干低下した窒素ガスを少しずつ吐出しながら吸着槽19A、19Bで生成された高純度の窒素ガスを窒素槽41に貯留することができる。吐出する流量は窒素ガス使用時の流量Q1よりも少ないQ2であるから、窒素槽41の圧力を低下させずに窒素槽41の純度を短時間で高めることができる。この予備運転により、窒素槽41内に、窒素ガス使用時の窒素ガス濃度よりも高純度の窒素ガスを貯留することができる。 By operating the apparatus at a flow rate Q2 smaller than the flow rate Q1 when using nitrogen gas, the nitrogen gas with a slightly reduced purity in the nitrogen tank 41 is discharged little by little, and the high generated in the adsorption tanks 19A and 19B. Pure nitrogen gas can be stored in the nitrogen tank 41. Since the discharge flow rate is Q2, which is smaller than the flow rate Q1 when nitrogen gas is used, the purity of the nitrogen tank 41 can be increased in a short time without reducing the pressure of the nitrogen tank 41. By this preliminary operation, nitrogen gas having a purity higher than the nitrogen gas concentration when nitrogen gas is used can be stored in the nitrogen tank 41.
次に、予備運転後の運転開始時における気体分離装置の動作について図4−1を用いて説明する。本実施例では、PSAユニット3の運転開始後、供給弁18と取り出し弁38を開とし、空気供給ユニット2からの空気を吸着槽19Aもしくは19Bどちらか一方に供給すると同時に、窒素槽41から予備運転により貯留しておいた高純度の窒素ガスを吸着槽19Aもしくは19Bに規定量還流させる。規定量還流させる方法として、取出弁38の口径により還流量を制御してもよいし、取出弁を開とする時間を制御部90により変化させることで制御してもよい。
Next, the operation of the gas separation device at the start of operation after the preliminary operation will be described with reference to FIG. In this embodiment, after the operation of the PSA unit 3 is started, the supply valve 18 and the take-off valve 38 are opened, and the air from the
吸着、還流工程、取り出し工程が終了した後に、上均圧弁36と下均圧弁26を開とし、一対の吸着槽19を均圧させる。この均圧工程後、再び吸着、還流工程に切替わると同時に窒素槽41内の窒素ガスを吐出口42より吐出開始する。
After the adsorption, reflux process, and take-out process are completed, the upper pressure equalization valve 36 and the lower pressure equalization valve 26 are opened, and the pressure in the pair of adsorption tanks 19 is equalized. After the pressure equalizing step, the adsorption and reflux steps are switched again, and at the same time, discharge of nitrogen gas in the nitrogen tank 41 is started from the
ここで、従来は、本実施例における予備運転を行っていなかったため、運転開始時において、窒素槽41の濃度または圧力を確保することができなかった。そのため、図4−2に示すように運転開始時に窒素槽41と吸着槽19の間の取出弁36を閉とし、空気供給ユニット2からの供給空気のみで吸着工程を行うことで、運転開始時の窒素槽41内の窒素ガスの濃度または圧力の低下を防止していた。一方、本実施例では、予備運転により貯留した窒素槽41内の高純度の窒素ガスを吸着槽19に還流させることで、運転開始時の吸着槽19における窒素ガスの圧力および濃度を上昇させ、吸着槽19の吸着効率を短時間で高めることができる。これにより運転開始時に生成される窒素ガスの濃度および圧力の低下を防止することができ、上記の空気供給ユニット2からの供給空気のみでの吸着工程が不要となるため、窒素ガス取り出しまでの時間を短縮することができ、省エネが可能である。
Here, conventionally, since the preliminary operation in the present example was not performed, the concentration or pressure of the nitrogen tank 41 could not be ensured at the start of the operation. Therefore, as shown in FIG. 4B, when the operation is started, the take-off valve 36 between the nitrogen tank 41 and the adsorption tank 19 is closed at the start of operation, and the adsorption process is performed only with the supply air from the
本実施例では、1回の吸着、還流工程、取り出し工程後に窒素ガスの取り出しを開始しているが、複数回工程を経た後に窒素ガスの取り出しを開始してもよい。 In this embodiment, the extraction of nitrogen gas is started after one adsorption, reflux process, and extraction process, but the extraction of nitrogen gas may be started after a plurality of processes.
本実施例によれば、予備運転を行うことにより、運転開始時に窒素槽41の窒素ガスの濃度と圧力の低下を防止することができ、窒素槽41の窒素ガスを吸着槽19に還流させて運転開始時に吸着槽19で生成される窒素ガスの濃度および圧力の低下を防止することができる。これにより、窒素ガスをすぐに使用したいという顧客のニーズにこたえることができ、なおかつ省エネ効果を得ることができる気体分離装置を提供することができる。 According to the present embodiment, by performing the preliminary operation, it is possible to prevent a decrease in the concentration and pressure of nitrogen gas in the nitrogen tank 41 at the start of operation, and the nitrogen gas in the nitrogen tank 41 is refluxed to the adsorption tank 19. A decrease in the concentration and pressure of nitrogen gas generated in the adsorption tank 19 at the start of operation can be prevented. Accordingly, it is possible to provide a gas separation device that can meet the needs of customers who want to use nitrogen gas immediately and can obtain an energy saving effect.
これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The embodiments described so far are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention is not limitedly interpreted by these. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
1・・・PSA式ガス分離装置
2・・・空気供給ユニット
3・・・PSAユニット
4・・・圧縮機
5・・・空気槽
6・・・エアードライヤー
7・・・ドレンフィルタ
19・・・吸着槽
41・・・窒素層
44・・・フィルタレギュレータ
52・・・サイレンサ
56・・・酸素センサ
60・・・制御部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記圧縮機から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、
前記吸着槽により生成された製品ガスを貯留する貯留タンクと、
前記吸着槽における製品ガスの生成を制御する制御部とを備え、
前記制御部は製品ガスの使用停止後、使用停止前に前記貯留タンクから外部に吐出していた製品ガスの流量よりも少ない流量の製品ガスを前記貯留タンクから外部に吐出しながら、製品ガスを前記吸着槽から前記貯留タンクへ供給する予備運転を行うことを特徴とする気体分離装置。 A compressor for compressing air;
An adsorption tank that separates one gas from the compressed air supplied from the compressor and generates another gas as a product gas;
A storage tank for storing the product gas generated by the adsorption tank;
A control unit for controlling production of product gas in the adsorption tank,
After the use of the product gas is stopped, the control unit discharges the product gas from the storage tank to the outside while discharging a product gas having a lower flow rate than the product gas discharged from the storage tank to the outside before the use is stopped. A gas separation device that performs a preliminary operation of supplying the adsorption tank to the storage tank.
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