JP6033228B2 - 一時貯留を有する真空圧力スイング吸着のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空圧力スイング吸着プロセスを用いる、混合ガスの吸着分離方法において、この分離される混合ガスが、真空圧力スイング吸着プロセスに供給される前に、少なくとも１つの圧縮機を用いて吸着圧まで圧縮され、かつ１つまたは複数の吸着器の再生が、少なくとも１つの真空ポンプを用いて行われる前記方法に関する。

さらに、本発明は、真空圧力スイング吸着プロセスを用いる、混合ガスの吸着分離方法を実施するための、少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの吸着器、および少なくとも１つの真空ポンプを有する装置に関する。

真空圧力スイング吸着プロセスもしくはＶＰＳＡプロセスは、技術水準から充分に公知である。このプロセスは、負荷された吸着器の再生が、大気圧より低い圧力で行われる点で、圧力スイング吸着プロセスもしくはＰＳＡプロセスと区別される。この大気圧より低い圧力を達成するため、再生される吸着器は、真空ポンプを用いて再生される。脱着圧は、通常１００〜５００ｍｂａｒ（絶対圧力）である。吸着は、多くの場合、超過圧力にて行われる。この理由から、通常、分離される混合ガスを真空圧力スイング吸着プロセスに供給する前に、所望の吸着圧まで圧縮する圧縮機が備えられている。

真空圧力スイング吸着プロセスの利点は、慣用の圧力スイング吸着プロセスに比べて、比較的高い収率および比較的少ない所要エネルギーが達成されることと見ることができる。この利点は、真空ポンプを備えることにより得られるものであるが、その結果、ＶＰＳＡプロセスの投資費用は、ＰＳＡプロセスに比べて、特に小型設備の場合に増大する。

真空圧力スイング吸着プロセスの間には、通常、前記圧縮機および／または前記真空ポンプが必要とされない方法工程、例えば、均圧工程または放出工程（Ｄｕｍｐ−Ｓｃｈｒｉｔｔ）がある。しかし、この方法工程の間、圧縮機および／または真空ポンプは、バイパス運転でさらに稼働される、というのは、前記方法工程の短さゆえに、運転停止が事実上不可能であるからである。

ＶＰＳＡプロセスは、酸素生成のためのいわゆるオンサイト設備でずっと以前から使用されており、非常に好都合な所要エネルギーを有している。小型設備（１００Ｎｍ³／ｈ未満の容量の設備と理解される）、例えば病院の供給に必要とされるような設備では、ＶＰＳＡプロセスは、追加的に必要な真空ポンプ、および吸着剤の増加した需要に起因する比較的高い投資費用のゆえに、これまで一般に用いられることがなかった。「病院」という概念は、以下において、移動（救急）病院、患者輸送車、診療所、ウェルネス・センターなどとも理解される。

近代的な病院のインフラストラクチャーには、とりわけ、いわゆる「医療用空気」、酸素濃縮空気、ならびに純酸素を患者に供給することが含まれる。「医療用空気」という概念は、通常、酸素約２０％および窒素約８０％を有し、かつ別の成分、例えば水および一酸化炭素に対して、相応の仕様ならびに／または規定を満たす混合ガスと理解される。さらに、病院のインフラストラクチャーには、通常、圧縮空気システムおよび真空システムが含まれる。後者は、真空ポンプおよびバッファタンクを用いて配管系内で真空を維持するシステムであり、この真空は、病院においてあらゆる吸引用途に、例えば手術室において用いられるものである。酸素、圧縮空気、ならびに真空を提供するためには、これまでは一般に、３つの異なる、互いに接続されていない設備が使用されている。

本発明の課題は、真空圧力スイング吸着プロセスを用いて混合ガスを吸着分離するための包括的な（ｇａｔｔｕｎｇｓｇｅｍａｅｓｓ）方法、ならびに包括的な装置であって、前述の欠点を回避し、特に病院における用途に有利なものを提供することである。

前記課題の解決のために、
・真空圧力スイング吸着プロセスに混合ガスが供給されない時間に、圧縮された混合ガスを、少なくとも一時的に、および／もしくは少なくとも部分的に一時貯留し、そして／または消費者に供給し、ならびに／または
・前記１つの吸着器の再生が、前記真空ポンプまたは前記複数の真空ポンプの少なくとも１つを用いて行われない時間に、この再生に不必要な真空ポンプまたはこの再生に不必要な複数の真空ポンプの少なくとも１つを、少なくとも一時的に別の使用目的に用いること
を特徴とする、包括的な方法を提案する。

本発明による装置は、
・少なくとも１つの第１貯留タンクが備えられており、この第１貯留タンクは、真空圧力スイング吸着プロセスに混合ガスが供給されない時間に、少なくとも一時的に、および／もしくは少なくとも部分的に、圧縮された混合ガスがこの第１貯留タンクまたはこの複数の第１貯留タンクの少なくとも１つに運ばれるように、前記圧縮機または前記複数の圧縮機の少なくとも１つと接続されていること、ならびに／または
・少なくとも１つの第２貯留タンクが備えられており、この第２貯留タンクは、前記１つの吸着器の再生が、前記真空ポンプまたは前記複数の真空ポンプの少なくとも１つを用いて行われない時間に、この再生に不必要な真空ポンプまたはこの再生に不必要な複数の真空ポンプの少なくとも１つが、少なくとも一時的にこの第２貯留タンクまたはこの複数の第２貯留タンクの少なくとも１つを排気するように、前記真空ポンプまたは前記複数の真空ポンプの少なくとも１つと接続されていること
を特徴とする装置である。

真空圧力スイング吸着プロセスを用いて、混合ガスを吸着分離するための本発明による方法、ならびに本発明による装置のさらなる有利な実施態様は、従属請求項の対象であり、
・前記吸着分離される混合ガスが空気であること、
・前記吸着分離される混合ガスの圧縮を、１段階または多段階の圧縮ユニットを用いて行うこと、
・前記吸着器または前記複数の吸着器の再生を、１段階または多段階の真空ポンプユニットを用いて行うこと、
・少なくとも一時的に、および／または少なくとも部分的に一時貯留され、圧縮された混合ガスを、吸着段階にある前記１つの吸着器に供給し、この供給を、好ましくは一時貯留のために使用された貯留装置内の調整可能の圧力値を超過する場合に行うこと、ならびに
・前記吸着器または前記複数の吸着器の再生に使用された真空ポンプを、少なくとも一時的に、排気される貯留タンクと接続する場合に、この排気される貯留タンクを、少なくとも一時的に、脱着段階にある前記１つの吸着器と接続し、この接続を、好ましくは前記貯留タンク内の調整可能の圧力値を下回る場合に行うこと、
を特徴とする。

本発明による方法、本発明による装置、ならびに前記方法もしくは前記装置のさらなる有利な実施態様を、以下において図に示した実施例をもとにより詳しく説明する。

本発明による装置の実施例となる実施態様を示す図である。

互いに平行に配置された２つの吸着器ＡおよびＡ’が示されており、この吸着器は、時間により入れ換わって吸着段階および脱着段階を経る。本発明による方法は、基本的に、１つの吸着器のみでも、または２つ以上の吸着器でも実現することができる。前記吸着器の前後に直接接続されており、その機能が当業者によく知られている吸着器バルブは、分かりやすくするため図中に示していない。本発明によるＶＰＳＡ設備は、さらに、圧縮ユニットＣ、真空ポンプユニットＶ、３つの貯留タンクＳ１〜Ｓ３、ならびにバルブもしくはフラップバルブａおよびｂを有している。

本発明による方法様式を、以下において、酸素の豊富な生成流の取得下での空気の吸着分離をもとに説明する。導管１を介して、空気を１段階または多段階に並べられた圧縮ユニットＣに供給し、このユニット内で所望の吸着圧まで圧縮する。圧縮された気流を、引き続き導管１’を介して、前記両方の吸着器ＡもしくはＡ’のうちの吸着段階にある吸着器に供給する。

吸着段階にある前記吸着器ＡもしくはＡ’の頂部にて、導管２を介して酸素の豊富な生成流を抜き出し、場合により一時貯留（Ｓ２）する。この酸素の豊富な生成流を、導管２’を介して貯留タンクＳ２から取り出し、そのさらなる使用に供給することができる。

吸着段階で負荷された吸着器を再生する場合、この吸着器は、導管３を介して真空ポンプユニットＶと接続される。前記負荷された吸着器の再生は、この真空ポンプユニットを用いて、所望の、大気圧よりも低い脱着圧まで行う。再生の間に前記再生される吸着器から抜き出された混合ガスは、導管４を介して排出され、場合によりそのさらなる使用に供給する。

ＶＰＳＡプロセスの方法工程の、吸着器に導入混合ガスが供給されない間、本発明によれば、圧縮ユニットＣは導管５を介して第１貯留タンクもしくは圧縮空気バッファＳ１と接続される。導管５内には、フラップバルブａが備えられており、このバルブは、特定の圧力に達すると開き、それにより圧縮空気バッファＳ１への到達を可能にする。前記フラップバルブａの開弁に必要な圧力は、前記吸着器ＡおよびＡ’に前接続された吸着器バルブが閉じていることにより得られる。圧縮空気バッファＳ１からの圧縮された気流は、導管６を介して取り出される。それとは別に、または一時貯留の他に、圧縮機Ｃを用いて圧縮された気流を、（圧縮空気）消費者に直接供給することもできる。

前記相応の吸着器バルブが閉じることにより、吸着器と真空ポンプユニットＶとの接続が遮断されると、導管８内に備えられたフラップバルブｂが開き、その結果真空ポンプユニットＶを用いて導管４および８を介して、第３貯留タンクもしくは真空バッファＳ３の排気が行われる。タンクＳ３の「充填」は、導管７を介して行われる。

第１貯留タンクもしくは圧縮空気バッファＳ１内の圧力が、好ましくは最大吸着圧を上回る一方で、第３貯留タンクもしくは真空バッファＳ３内の圧力は、最小脱着圧を下回る。

図に示したフラップバルブａおよびｂの代わりに、それぞれそれとは別の機構を使用してよく、この機構は、好適な、および／または所望の時間内に、第１貯留タンクもしくは圧縮空気バッファＳ１と圧縮機Ｃとの接続、ならびに第３貯留タンクもしくは真空バッファＳ３と真空ポンプＶとの接続を作るものである。ＶＰＳＡプロセスの制御装置によって、または差圧測定で制御される切り替えバルブは、単なる例示にすぎない。

本発明による方法のさらなる有利な実施態様は、少なくとも一時的に、および／または少なくとも部分的に一時貯留され、圧縮された混合ガスを、吸着段階にある前記１つの吸着器に供給し、この供給を、好ましくは一時貯留に使用された貯留タンクＳ１内の調整可能の圧力値を超過する場合に行う。圧縮空気の取り出しが少なすぎると、圧縮空気バッファＳ１内の圧力は上昇する。特定の圧力値、例えば８ｂａｒを超過すると、前記圧縮空気バッファＳ１からの圧縮された空気は、好適な時点で、吸着段階にある吸着器ＡもしくはＡ’に供給される。これによりＶＰＳＡプロセスの容量が高まる、というのは、より多くの流入ガスが用いられるからである。さらに、前記圧縮機の不必要に高いエネルギー消費、および／または圧縮空気バッファＳ１内で許容されないほどに高い圧力に達するのを回避することができる。

前記吸着器または前記複数の吸着器の再生に使用された真空ポンプが、少なくとも一時的に、真空にされる貯留タンクと接続されている場合に、本発明による方法のさらなる有利な実施態様によれば、少なくとも一時的に、前記真空にされる貯留タンクを、脱着段階にある前記１つの吸着器と接続し、この接続を、好ましくは前記貯留タンク内の調整可能の圧力値を下回る場合に行う。真空の需要が少なすぎると、真空バッファＳ３内の圧力は低下する。特定の圧力、例えば２００ｍｂａｒ（絶対圧力）を下回ると、真空バッファＳ３は、好適な時点で、フラップバルブｂまたは同等の装置を回避して、脱着段階にある吸着器の再生ガス側と直接接続することができる。これによりＶＰＳＡプロセスの容量が高まる、というのは、再生がより効率的に行われるからである。さらに、前記真空ポンプの不必要に高いエネルギー消費、および／または真空バッファＳ３内の許容されないほどに低い圧力を下回るのを防ぐことができる。

本発明による方法を用いて、例えば純度９３％の酸素を、出力２５Ｎｍ³／ｈにて生成することができる；同時に、圧縮空気３０Ｎｍ³／ｈを生成し、真空吸引力２６ｍ³／ｈを提供することができる。

本発明による方法様式を用いて、ＶＰＳＡプロセスに必要な、圧縮機および１つもしくは複数の真空ポンプを、圧縮空気および真空の生成のために追加的に使用することができる。そのためには、前記機械の不可避に発生するアイドリング時間を利用する。圧縮機および１つもしくは複数の真空ポンプは、これによってより効率的に利用され、技術水準と比べて、圧縮空気および真空の生成のためにさらに備えられる別個の機械は考慮されない。

前述の通り、圧縮機および１つもしくは複数の真空ポンプは、特定の方法工程の間に必要とされない限り、これまでバイパス運転で稼働されていた。このバイパス運転は、導管およびバイパスバルブの追加的な敷設を必要とするが、今後はこの敷設をせずに済ますことができる。

前記機械ならびに前記吸着器の好適な寸法決定により、本発明による方法ならびに本発明による設備は、生成物もしくは酸素、圧縮空気および／または真空それぞれの需要に適応することができる。さらに本発明による方法は、生成物もしくは酸素の取り出しが少ない時間に、さらに圧縮空気および／または真空の生成のためにいっそう多く利用することができる。この場合、ＶＰＳＡプロセスのプロセス工程もしくは方法工程は、好ましくは相応に延長される。

真空圧力スイング吸着プロセスを用いる、混合ガスの吸着分離のための本発明による方法、ならびに本発明による装置は、特に病院における用途に好適である、というのは、前記方法ならびに装置が、たった１つのプロセスもしくはたった１つの設備のみを用いて、酸素、圧縮空気および真空の提供を可能にするからである。しかし、本発明は、基本的に任意の生産設備および（大型）設備で用いることができる。

１〜８ 導管、 Ａ、Ａ’ 吸着器、 Ｃ 圧縮ユニット、 Ｖ 真空ポンプユニット、 Ｓ１〜Ｓ３ 貯留タンク、 ａおよびｂ バルブもしくはフラップバルブ

Claims (10)

1. 真空圧力スイング吸着プロセスを用いる、混合ガスの吸着分離方法であって、
   該分離される混合ガスを、真空圧力スイング吸着プロセスに供給する前に、少なくとも１つの圧縮機を用いて吸着圧まで圧縮し、かつ１つまたは複数の吸着器の再生を、少なくとも１つの真空ポンプを用いて行う前記方法において、
   ・前記吸着器に混合ガスが供給されない時間に、前記圧縮機および第１貯留タンク（Ｓ１）がフラップバルブを介して接続されており、かつ前記フラップバルブが特定の圧力に達して開くことによって、圧縮された混合ガスを、前記第１貯留タンク（Ｓ１）中に少なくとも一時的に、および／もしくは少なくとも部分的に一時貯留し、そして／または消費者に供給し、かつ
   ・前記真空ポンプまたは複数の前記真空ポンプの少なくとも１つを用いた前記吸着器または複数の前記吸着器の再生が行われない時間に、少なくとも一時的に、脱着段階にある前記吸着器または複数の前記吸着器の再生に使用された真空ポンプと、排気される第３貯留タンク（Ｓ３）とを接続するか、
   または
   ・前記真空ポンプまたは複数の前記真空ポンプの少なくとも１つを用いた前記吸着器または複数の前記吸着器の再生が行われない時間に、少なくとも一時的に、脱着段階にある前記吸着器または複数の前記吸着器の再生に使用された真空ポンプと、排気される第３貯留タンク（Ｓ３）とを接続する
   ことを特徴とする前記方法。
2. 前記吸着分離される混合ガスが、空気であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記吸着分離される混合ガスの圧縮を、１段階または多段階の圧縮ユニットを用いて行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記吸着器または複数の前記吸着器の再生を、１段階または多段階の真空ポンプユニットを用いて行うことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 少なくとも一時的に、および／または少なくとも部分的に一時貯留され、圧縮された混合ガスを、吸着段階にある前記１つの吸着器に供給することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記供給を、一時貯留のために使用された前記第１貯留タンク（Ｓ１）内の圧力値が許容されないほどに高くなる前に行うことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 少なくとも一時的に、排気される前記第３貯留タンク（Ｓ３）と、脱着段階にある前記１つの吸着器とを接続する、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記接続を、前記第３貯留タンク（Ｓ３）内の圧力値が許容されないほどに低くなる前に行うことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの吸着器、および少なくとも１つの真空ポンプを有する、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、
   ・少なくとも１つの第１貯留タンク（Ｓ１）が備えられており、該タンクは、前記真空圧力スイング吸着プロセスに混合ガスが供給されない時間に、圧縮された混合ガスが、少なくとも一時的に、および／または少なくとも部分的に、前記第１貯留タンク（Ｓ１）または複数の前記第１貯留タンク（Ｓ１）の少なくとも１つに運ばれるように、特定の圧力に達すると開くフラップバルブを介して前記圧縮機または複数の前記圧縮機の少なくとも１つと接続されていること、かつ
   ・少なくとも１つの第３貯留タンク（Ｓ３）が備えられており、該タンクは、前記真空ポンプまたは複数の前記真空ポンプの少なくとも１つを用いた前記吸着器または複数の前記吸着器の再生が行われない時間に、再生に不必要な真空ポンプまたは再生に不必要な複数の真空ポンプの少なくとも１つが、少なくとも一時的に、前記第３貯留タンク（Ｓ３）または前記複数の第３貯留タンク（Ｓ３）の少なくとも１つを排気するように、脱着段階にある前記吸着器または複数の前記吸着器の再生に使用された真空ポンプまたは複数の真空ポンプの少なくとも１つと接続されていること、または
   ・少なくとも１つの第３貯留タンク（Ｓ３）が備えられており、該タンクは、前記真空ポンプまたは複数の前記真空ポンプの少なくとも１つを用いた前記吸着器または複数の前記吸着器の再生が行われない時間に、再生に不必要な真空ポンプまたは再生に不必要な複数の真空ポンプの少なくとも１つが、少なくとも一時的に、前記第３貯留タンク（Ｓ３）または前記複数の第３貯留タンク（Ｓ３）の少なくとも１つを排気するように、脱着段階にある前記吸着器または複数の前記吸着器の再生に使用された真空ポンプまたは複数の真空ポンプの少なくとも１つと接続されていること
   を特徴とする前記装置。
10. 圧縮ユニットおよび／または前記吸着器または複数の前記吸着器の再生に使用された真空ポンプユニットが、１段階または多段階で構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。

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