JP6378981B2 - 真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置、および、真空下で圧力変動吸着を行うガス分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、混合ガスから所定の物質を分離するガス分離装置およびガス分離方法に関する。

混合ガスから所定の物質（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、吸着剤に対する物質の吸着量が、物質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ガスの分離方法である。ＰＳＡ法では、吸着剤が充填された吸着塔に混合ガスを供給し、混合ガスに含まれる所定の物質を吸着剤に選択的に吸着させる処理（吸着処理）と、所定の物質が吸着した後の吸着剤から所定の物質を脱着させる処理（脱着処理）と、において圧力差を付けることで、混合ガスから所定の物質を分離する。

従来、ＰＳＡ法を利用したガス分離装置では、混合ガスを加圧して吸着塔に供給するブロワと、吸着塔から所定の物質を吸引する真空ポンプとが設けられており、吸着処理においてブロワが駆動され、脱着処理において真空ポンプが駆動される。しかし、従来のガス分離装置では、ブロワおよび真空ポンプの双方が必要となるため、装置自体の容積が大きく設置場所が限定されてしまったり、ブロワや真空ポンプのメンテナンスコストがかかったりするという課題があった。

そこで、混合ガスとしての空気を加圧して吸着塔に供給する機能（加圧機能）と、吸着塔を減圧して吸着剤に吸着した窒素を吸引する機能（減圧機能）とを担う１台の空気ポンプを、吸着塔よりも空気の流れ方向の上流側に設け、この空気ポンプを駆動して吸着処理および脱着処理を実行するガス分離装置が開発されている（例えば、特許文献１）。

特開平１１−９０１５５号公報

上記特許文献１のガス分離装置では、吸着処理および脱着処理が１台の空気ポンプによって実行されるため、従来のガス分離装置と比較して、装置自体の容積を小さくすることができ、また、メンテナンスコストを低減できるといった利点がある。

しかし、このような空気ポンプは、加圧機能および減圧機能の双方を担うため、空気ポンプ内部からのガスの漏出、外部から空気ポンプ内部への空気の流入を防止する必要があり、このためのシール構造が複雑となる。したがって、空気ポンプ自体が高価となるといった課題がある。

本発明は、このような課題に鑑み、低コストで効率よく、混合ガスから所定の物質を分離することが可能な、真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置、および、真空下で圧力変動吸着を行うガス分離方法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、本発明の真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置は、複数の物質を含有する混合ガスが流通する供給流路と、前記供給流路から前記混合ガスが導かれる吸着塔と、前記吸着塔内に設けられ、常温よりも高温で前記混合ガスに接触すると該混合ガスに含有される酸素を吸着する吸着剤と、前記吸着剤を、前記酸素を吸着する温度に保持する温度保持手段と、前記吸着塔よりも前記混合ガスの流通方向の下流側に配され、該吸着塔内を吸引するポンプと、前記供給流路を連通させて、前記ポンプによって前記吸着塔内を吸引することで、該吸着塔内に前記混合ガスを供給して前記吸着剤に前記酸素を吸着させるとともに、該混合ガスから該酸素が取り除かれた分離ガスを該吸着塔内から排出する吸着処理を行い、該供給流路を遮断して、該ポンプによって該吸着塔内を吸引することで、該酸素を該吸着剤から脱着させるとともに、該脱着させることで得られた吸着ガスを該吸着塔内から排出する脱着処理を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の前記ポンプには、前記分離ガスが流通する分離ガス流路および前記吸着ガスが流通する吸着ガス流路が接続され、前記制御手段は、前記吸着処理を行う場合、前記分離ガス流路を連通させるとともに、前記吸着ガス流路を遮断し、前記脱着処理を行う場合、前記分離ガス流路を遮断するとともに、前記吸着ガス流路を連通させるとしてもよい。

また、本発明の前記真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置は、前記吸着剤よりも前記混合ガスの流通方向の上流側、および、下流側の双方に配され、前記混合ガス、前記分離ガス、および、前記吸着ガスが流通するとともに、該分離ガスおよび該吸着ガスのうちいずれか一方または双方の熱を蓄熱して該混合ガスに伝熱する、もしくは、該混合ガスの熱を蓄熱して該分離ガスおよび該吸着ガスのうちいずれか一方または双方に伝熱する蓄熱体を備えるとしてもよい。

また、本発明の前記供給流路は、前記吸着塔の一端および他端の双方に接続され、前記ポンプは、前記吸着塔の一端および他端の双方に接続され、前記制御手段は、前記混合ガスの供給方向、前記分離ガスの排出方向、および、前記吸着ガスの排出方向を制御するとしてもよい。

また、本発明の前記真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置は、前記分離ガスと前記吸着ガスとは容量が異なり、前記制御手段は、前記吸着処理および前記脱着処理を含む処理工程を繰り返し行い、１の処理工程の吸着処理または脱着処理では、前記吸着塔の一端側および他端側のうち、前回の処理工程の吸着処理または脱着処理において容量の多いガスを排出した側と異なる側から該容量の多いガスを排出させ、１の処理工程の吸着処理では、前回の処理工程の吸着処理または脱着処理において容量の多いガスを排出した側から前記混合ガスを供給させるとしてもよい。

また、本発明の前記吸着剤は、化学吸着によって物質を吸着するとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の真空下で圧力変動吸着を行うガス分離方法は、複数の物質を含有する混合ガスが流通する供給流路から該混合ガスが導かれる吸着塔内に設けられた吸着剤に、常温より高温で該混合ガスを接触させることにより、該混合ガスに含有される酸素を該吸着剤に吸着させる真空下で圧力変動吸着を行うガス分離方法であって、前記供給流路を連通させて、該吸着塔よりも該混合ガスの流通方向の下流側に配されたポンプによって該吸着塔内を吸引することで、該吸着塔内に該混合ガスを供給して前記吸着剤に酸素を吸着させるとともに、該混合ガスから該酸素が取り除かれた分離ガスを該吸着塔内から排出する吸着処理を行う工程と、前記供給流路を遮断して、前記ポンプによって該吸着塔内を吸引することで、前記酸素を該吸着剤から脱着させるとともに、該脱着させることで得られた吸着ガスを該吸着塔内から排出する脱着処理を行う工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、低コストで効率よく、混合ガスから所定の物質を分離することが可能となる。

第１の実施形態にかかるガス分離装置を説明する図である。 第１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る。 吸着処理および脱着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。 第２の実施形態にかかるガス分離装置を説明する図である。 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る。 第１の吸着処理および第１の脱着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。 第２の吸着処理および第２の脱着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。

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。

以下の実施形態では、複数の物質を含有する混合ガスから所定の物質（ガス）を分離する、ＰＳＡ法を利用した、真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置（以下、単に「ガス分離装置」と称する）、および、真空下で圧力変動吸着を行うガス分離方法（以下、単に「ガス分離方法」と称する）について説明する。ここでは、混合ガスとして空気を例に挙げ、空気から窒素（Ｎ_２）および酸素（Ｏ_２）をそれぞれ分離する構成を例に挙げて説明する。

（第１の実施形態：ガス分離装置１００）
図１は、第１の実施形態にかかるガス分離装置１００を説明する図である。図１に示すように、ガス分離装置１００は、筒形状（例えば、円筒形状）の吸着塔１１０を備えている。吸着塔１１０内には、吸着剤１２０（図１中、クロスハッチングで示す）が設けられ（充填され）ている。吸着剤１２０は、所定の圧力および温度環境下で空気に接触すると、空気（混合ガス）に含有される酸素（被吸着物）を吸着して、空気から酸素を分離する。

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。

また、吸着塔１１０の内部には、酸素を吸着する温度に吸着剤１２０を加熱する加熱部（温度保持手段）１１２が設けられている。本実施形態では、吸着剤１２０としてペロブスカイト型酸化物を採用しているため、加熱部１１２は、吸着剤１２０を２５０℃〜９００℃に加熱する。加熱部１１２は、例えば、電気ヒータ、ガス燃焼式ヒータ、または、ガス分離装置１００が設置されるプラントの排熱を供給する手段で構成される。

また、吸着塔１１０の外壁には、断熱材（温度保持手段）１１４が配されており、吸着塔１１０から外部への放熱を抑制している。したがって、温度保持手段（加熱部１１２および断熱材１１４）によって、吸着剤１２０が、酸素を吸着する温度（２５０℃〜９００℃）に保持されることとなる。

吸着塔１１０には、吸着塔１１０内に空気を供給するための供給口１１６が設けられており、供給口１１６には、空気が流通する供給配管（供給流路）１３０の一端が接続されている。本実施形態において、供給配管１３０の他端の開口は、大気開放されている。つまり、供給配管１３０は、混合ガスの供給源と、供給口１１６とを接続する配管であると言える。また、供給配管１３０には、供給配管１３０を開閉するためのバルブ１３２が設けられている。

ポンプ１４０は、入口が、第１排出配管１４２を介して、吸着塔１１０に設けられた排出口１１８に接続されており、吸着塔１１０内を吸引する。また、ポンプ１４０の出口には、第２排出配管１４４、分岐ユニット１４６、分離配管１５０（分離ガス流路）を介して、窒素貯留タンク１５２が接続されるとともに、第２排出配管１４４、分岐ユニット１４６、吸着配管１６０（吸着ガス流路）を介して、酸素貯留タンク１６２が接続される。また、分離配管１５０には、分離配管１５０を開閉するためのバルブ１５４が設けられ、吸着配管１６０には、吸着配管１６０を開閉するためのバルブ１６４が設けられている。

制御手段１７０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働してガス分離装置１００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御手段１７０は、ポンプ１４０を駆動制御するとともに、バルブ１３２、１５４、１６４を開閉制御する。

（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、第１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３は、吸着処理および脱着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２に示すように、ガス分離装置１００では、吸着処理および脱着処理を含む処理工程を繰り返し行う。なお、運転開始前においてバルブ１３２、１５４、１６４は閉じられており、制御手段１７０は、ガス分離装置１００の運転開始時にポンプ１４０の駆動を開始する。また、制御手段１７０は、停止指示が入力された場合には、ポンプ１４０を停止し、バルブ１３２、１５４、１６４を閉じる。

（吸着処理：ステップＳ２１０）
制御手段１７０は、バルブ１３２、１５４を開、バルブ１６４を閉にする。そうすると、図３（ａ）に示すように、供給配管１３０が連通されて、空気が吸着塔１１０内に供給され、供給された空気は、吸着塔１１０を流通（通過）してポンプ１４０に到達することとなる。これにより、吸着塔１１０内に空気を供給して吸着剤１２０に酸素を吸着させるとともに、空気から酸素が取り除かれた窒素富化ガス（分離ガス）を吸着塔１１０内から排出する吸着処理が実行されることとなる。

また、制御手段１７０は、バルブ１５４を開、バルブ１６４を閉にする。すなわち、分離配管１５０を連通させるとともに、吸着配管１６０を遮断することから、吸着塔１１０内から排出された窒素富化ガスは、分離配管１５０を流通して窒素貯留タンク１５２に送出されることとなる。

（ステップＳ２１２）
制御手段１７０は、上記吸着処理ステップＳ２１０を開始してから、所定の吸着時間Ｔｑが経過したか否かを判定し、吸着時間Ｔｑが経過するまで（ステップＳ２１２におけるＮＯ）、バルブ１３２、１５４を開状態、バルブ１６４を閉状態に維持し、吸着時間Ｔｑが経過したら（ステップＳ２１２におけるＹＥＳ）、ステップＳ２１４に処理を移す。なお、吸着時間Ｔｑは、吸着塔１１０の容積、吸着剤１２０の種類や大きさ、空気中の酸素濃度、ポンプ１４０の能力に応じて予め設定される。

（脱着処理：ステップＳ２１４）
制御手段１７０は、バルブ１３２、１５４を閉、バルブ１６４を開にする。そうすると、図３（ｂ）に示すように、供給配管１３０が遮断され、ポンプ１４０によって吸着塔１１０内が吸引される（吸着塔１１０内が負圧になる）。これにより、酸素を吸着剤１２０から脱着させるとともに、脱着させることで得られた酸素富化ガス（吸着ガス）が吸着塔１１０内から排出される脱着処理が実行されることとなる。

また、制御手段１７０はバルブ１５４を閉、バルブ１６４を開にする。すなわち、分離配管１５０を遮断するとともに、吸着配管１６０を連通させることから、吸着塔１１０内から排出された酸素富化ガスは、吸着配管１６０を流通して酸素貯留タンク１６２に送出されることとなる。

（ステップＳ２１６）
制御手段１７０は、上記脱着処理ステップＳ２１４を開始してから、所定の脱着時間Ｔｄが経過したか否かを判定し、脱着時間Ｔｄが経過するまで（ステップＳ２１６におけるＮＯ）、バルブ１３２、１５４を閉状態、バルブ１６４を開状態に維持し、脱着時間Ｔｄが経過したら（ステップＳ２１６におけるＹＥＳ）、吸着処理ステップＳ２１０に処理を移す。なお、脱着時間Ｔｄは、吸着塔１１０の容積、吸着剤１２０の種類や大きさ、ポンプ１４０の能力に応じて予め設定される。

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、吸着処理および脱着処理を１台のポンプ１４０で実行することができるため、吸着処理用のブロワと脱着処理用の真空ポンプを備えたガス分離装置と比較して、ガス分離装置１００自体の容積を小さくすることができ、また、メンテナンスコストを低減することが可能となる。

また、本実施形態にかかるガス分離装置１００では、吸着塔１１０よりも空気の流通方向の下流側にポンプ１４０を配する構成により、吸着塔１１０内およびポンプ１４０内を負圧もしくは大気圧に維持することができる。このため、従来のガス分離装置に設けられた、加圧機能および減圧機能の双方を担う空気ポンプと異なり、ポンプ１４０は、外部からポンプ１４０内への空気の流入を防止できるシール構造を備えれば足りる。したがって、従来のガス分離装置と比較して、ポンプ１４０のシール構造を簡素化することができ、ポンプ１４０自体のコストを、加圧機能および減圧機能の双方を担う従来の空気ポンプよりも削減することが可能となる。

また、ポンプ１４０内のみならず、吸着塔１１０、供給配管１３０、第１排出配管１４２、第２排出配管１４４、分岐ユニット１４６、分離配管１５０、吸着配管１６０等のガス分離装置１００の系内全体のシール構造を簡素化することが可能となり、ガス分離装置１００のコストを削減することができる。

また、加圧機能および減圧機能の双方を担う空気ポンプを備えた従来のガス分離装置では、空気ポンプが吸着塔よりも空気の流通方向の上流側に設けられているため、空気ポンプには、空気全量が流通することとなる。

しかし、本実施形態にかかるガス分離装置１００では、吸着塔１１０よりも空気の流通方向の下流側にポンプ１４０を配する構成により、ポンプ１４０には、窒素富化ガスのみもしくは酸素富化ガスのみが流通することとなり、従来のガス分離装置と比較してポンプ１４０の容量を小さくすることが可能となる。したがって、ポンプ１４０自体のコスト（設備費）を低減することができ、また、ポンプ１４０の消費電力を削減することが可能となる。

また、混合ガスが腐食性のガスである場合、吸着塔よりも混合ガスの流通方向の上流側にポンプを配した従来のガス分離装置では、ポンプは、腐食性のガスを吸引することとなるため、ポンプ自体を耐食性とする必要がある。

しかし、本実施形態にかかるガス分離装置１００では、吸着塔１１０よりも混合ガスの流通方向の下流側にポンプ１４０を配しているため、ポンプ１４０は、分離ガスおよび吸着ガスのみを吸引し、混合ガス（腐食性のガス）が流入することはない。したがって、ポンプ１４０を耐食性にする必要はなく、ポンプ１４０自体のコスト（設備費）を低減することができる。

（第２の実施形態：ガス分離装置３００）
図４は、第２の実施形態にかかるガス分離装置３００を説明する図である。図４に示すように、ガス分離装置３００は、吸着塔１１０と、加熱部１１２と、断熱材１１４と、吸着剤１２０と、蓄熱体３２０（図４中、３２０ａ、３２０ｂで示す）と、供給配管（供給流路）１３０Ａ、１３０Ｂと、バルブ１３２Ａ、１３２Ｂと、ポンプ１４０と、接続管３３０、３４０と、バルブ３３２、３４２と、分岐ユニット３５０と、第１排出配管３５２と、第２排出配管１４４と、分岐ユニット１４６と、分離配管１５０と、窒素貯留タンク１５２と、バルブ１５４と、吸着配管１６０と、酸素貯留タンク１６２と、バルブ１６４と、制御手段３７０とを含んで構成される。なお、上述したガス分離装置１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成および機能の異なる蓄熱体３２０、供給配管１３０Ａ、１３０Ｂ、バルブ１３２Ａ、１３２Ｂ、接続管３３０、３４０、バルブ３３２、３４２、分岐ユニット３５０、第１排出配管３５２、制御手段３７０について説明する。

本実施形態の吸着塔１１０は、蓄熱体３２０を収容している。蓄熱体３２０は、吸着剤１２０よりも空気の流通方向の上流側および下流側の双方に配される。換言すれば、吸着塔１１０内において、吸着剤１２０が２つの蓄熱体３２０で挟まれている。また、ポンプ１４０が駆動されることで、空気、窒素富化ガス、および、酸素富化ガスが、蓄熱体３２０を流通することとなる。

蓄熱体３２０は、蓄熱する機能（熱を保持する機能）を有し、窒素富化ガスおよび酸素富化ガスの熱を蓄熱して、蓄熱した熱を空気に付与（伝熱）する。つまり、窒素富化ガスおよび酸素富化ガスと、空気とは、蓄熱体３２０によって間接的に熱交換されることとなる。蓄熱体３２０による熱交換機構（蓄熱機構および伝熱機構）については、後に詳述する。

吸着剤１２０における流体（空気、窒素富化ガス、酸素富化ガス）の流通方向の両側に蓄熱体３２０ａ、３２０ｂを配することにより、吸着剤１２０から外部への熱の流出を、例えば、１０％未満に低減することができる。したがって、吸着剤１２０の加熱に要するエネルギーを低減することができ、吸着剤１２０の加熱に要する電力原単位を削減することが可能となる。つまり、低コストで、窒素富化ガスおよび酸素富化ガスを製造することができる。

蓄熱体３２０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、蓄熱体３２０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、蓄熱体３２０においても酸素を吸着および脱着することが可能となる。さらに、蓄熱体３２０は、所定の圧力および吸着剤１２０よりも常温（例えば、５℃〜３０℃）に近い温度環境下で空気に接触すると、酸素を吸着する物質（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、蓄熱体３２０において、より効率的に酸素を吸着および脱着することが可能となる。

また、本実施形態において、吸着塔１１０の一方の開口３１０Ａ（一端側）に供給配管１３０Ａが接続されており、他方の開口３１０Ｂ（他端側）に供給配管１３０Ｂが接続されており、供給配管１３０Ａにはバルブ１３２Ａが、供給配管１３０Ｂにはバルブ１３２Ｂが設けられている。本実施形態の吸着処理では、空気が開口３１０Ａ（供給配管１３０Ａ）を通じて吸着塔１１０内に供給されるとともに、窒素富化ガスが開口３１０Ｂを通じて吸着塔１１０内から排出される場合と、空気が開口３１０Ｂ（供給配管１３０Ｂ）を通じて吸着塔１１０内に供給されるとともに、窒素富化ガスが開口３１０Ａを通じて吸着塔１１０内から排出される場合があるため、開口３１０Ａ、３１０Ｂそれぞれが、空気の供給口としても、窒素富化ガスおよび酸素富化ガスの排出口としても機能することとなる。

また、吸着塔１１０の開口３１０Ａは、接続管３３０、分岐ユニット３５０、第１排出配管３５２を介してポンプ１４０の入口に接続されている。吸着塔１１０の開口３１０Ｂは、接続管３４０、分岐ユニット３５０、第１排出配管３５２を介してポンプ１４０の入口に接続されている。また、接続管３３０にはバルブ３３２が、接続管３４０にはバルブ３４２が設けられている。

制御手段３７０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働してガス分離装置３００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御手段３７０は、ポンプ１４０を駆動制御するとともに、バルブ１３２Ａ、１３２Ｂ、３３２、３４２、１５４、１６４を開閉制御する。

（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５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６は、第１の吸着処理、第１の脱着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り、図７は、第２の吸着処理、第２の脱着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５に示すように、ガス分離装置３００では、第１の吸着処理および第１の脱着処理を含む処理工程と、第２の吸着処理および第２の脱着処理を含む処理工程を交互に繰り返す。なお、運転開始前においてバルブ１３２Ａ、１３２Ｂ、３３２、３４２、１５４、１６４は閉じられており、制御手段３７０は、ガス分離装置３００の運転開始時にポンプ１４０の駆動を開始する。また、制御手段３７０は、停止指示が入力された場合には、ポンプ１４０を停止し、バルブ１３２Ａ、１３２Ｂ、３３２、３４２、１５４、１６４を閉じる。

（第１の吸着処理：ステップＳ４１０）
制御手段３７０は、バルブ１３２Ａ、３４２、１５４を開、バルブ１３２Ｂ、３３２、１６４を閉にする。そうすると、図６（ａ）に示すように、開口３１０Ａが供給口として機能し、供給配管１３０Ａを通じて空気が吸着塔１１０内に供給され、供給された空気は、吸着塔１１０を流通（通過）してポンプ１４０に到達することとなる。これにより、吸着処理が実行されることとなる。

なお、第１の吸着処理ステップＳ４１０においては、常温の空気が、蓄熱体３２０ａを流通して吸着剤１２０に到達するとともに、吸着剤１２０によって加熱された窒素富化ガスが、蓄熱体３２０ｂを流通することとなる。このため、蓄熱体３２０ｂは、流通過程において窒素富化ガスによって加熱されることとなる。

また、制御手段３７０は、バルブ３４２、１５４を開、バルブ１６４を閉にする。すなわち、接続管３４０、分離配管１５０を連通させるとともに、接続管３３０、吸着配管１６０を遮断することから、吸着塔１１０内から排出された窒素富化ガスは、接続管３４０、分離配管１５０を流通して窒素貯留タンク１５２に送出されることとなる。

（ステップＳ４１２）
制御手段３７０は、上記第１の吸着処理ステップＳ４１０を開始してから、所定の吸着時間Ｔｑが経過したか否かを判定し、吸着時間Ｔｑが経過するまで（ステップＳ４１２におけるＮＯ）、バルブ１３２Ａ、３４２、１５４を開状態、バルブ１３２Ｂ、３３２、１６４を閉状態に維持し、吸着時間Ｔｑが経過したら（ステップＳ４１２におけるＹＥＳ）、ステップＳ４１４に処理を移す。

（第１の脱着処理：ステップＳ４１４）
制御手段３７０は、バルブ１３２Ａ、３４２、１５４を閉、バルブ３３２、１６４を開にする。ここで、バルブ１３２Ｂは閉状態に維持されているため、図６（ｂ）に示すように、供給配管１３０Ｂの遮断が維持されたまま、供給配管１３０Ａを通じて、ポンプ１４０によって吸着塔１１０内が吸引される（吸着塔１１０内が負圧になる）。これにより、脱着処理が実行されることとなる。

なお、第１の脱着処理ステップＳ４１４においては、吸着剤１２０によって加熱された酸素富化ガスが蓄熱体３２０ａを流通することとなるため、蓄熱体３２０ａは、流通過程において酸素富化ガスによって加熱されることとなる。

また、制御手段３７０はバルブ３４２、１５４を閉、バルブ３３２、１６４を開にする。すなわち、接続管３４０、分離配管１５０を遮断するとともに、接続管３３０、吸着配管１６０を連通させることから、吸着塔１１０内から排出された酸素富化ガスは、接続管３３０、吸着配管１６０を流通して酸素貯留タンク１６２に送出されることとなる。

（ステップＳ４１６）
制御手段３７０は、上記第１の脱着処理ステップＳ４１４を開始してから所定の脱着時間Ｔｄが経過したか否かを判定し、脱着時間Ｔｄが経過するまで（ステップＳ４１６におけるＮＯ）、バルブ１３２Ａ、１３２Ｂ、３４２、１５４を閉状態、バルブ３３２、１６４を開状態に維持し、脱着時間Ｔｄが経過したら（ステップＳ４１６におけるＹＥＳ）、ステップＳ４１８に処理を移す。

このように、制御手段３７０は、第１の吸着処理ステップＳ４１０において、吸着塔１１０の一端側から窒素富化ガスを排出し、第１の脱着処理ステップＳ４１４において、吸着塔１１０の他端側から酸素富化ガスを排出する。これにより、吸着剤１２０の両側に配された蓄熱体３２０ａ、３２０ｂを、双方とも加熱することができる。

しかし、１の処理工程（第１の吸着処理ステップＳ４１０、および、第１の脱着処理ステップＳ４１４）において、蓄熱体３２０ａは、高温の酸素富化ガスによって加熱され、蓄熱体３２０ｂは、高温の窒素富化ガスによって加熱される。ただし、空気中における窒素と酸素との割合は、約８：２であるため、蓄熱体３２０を流通する流体の流量に差（約４倍）が生じる。つまり、蓄熱体３２０に対する加熱量に差が生じてしまう。

そこで、制御手段３７０は、後述する第２の吸着処理Ｓ４１８において、前回の処理工程の吸着処理（第１の吸着処理Ｓ４１０）で窒素富化ガスを排出した側と異なる側から窒素富化ガスを排出し、後述する第２の脱着処理Ｓ４２２において、前回の処理工程の脱着処理（第１の脱着処理Ｓ４１４）で酸素富化ガスを排出した側と異なる側から酸素富化ガスを排出する。こうすることで、蓄熱体３２０ａ、３２０ｂを実質的に均一に加熱することが可能となる。

（第２の吸着処理：ステップＳ４１８）
制御手段３７０は、バルブ１３２Ｂ、３３２、１５４を開、バルブ１３２Ａ、３４２、１６４を閉にする。そうすると、図７（ａ）に示すように、開口３１０Ｂが供給口として機能し、供給配管１３０Ｂを通じて空気が吸着塔１１０内に供給され、供給された空気は、吸着塔１１０を流通（通過）してポンプ１４０に到達することとなる。これにより、吸着処理が実行されることとなる。

つまり、第２の吸着処理ステップＳ４１８においては、吸着剤１２０によって加熱された窒素富化ガスが、蓄熱体３２０ａを流通することとなる。このため、蓄熱体３２０ａは、流通過程において窒素富化ガスによって加熱されることとなる。

また、第２の吸着処理ステップＳ４１８においては、常温の空気が蓄熱体３２０ｂを流通して、吸着剤１２０に到達することとなる。このように、制御手段３７０は、第２の吸着処理ステップＳ４１８において、吸着塔１１０の開口３１０Ａ（一端側）および開口３１０Ｂ（他端側）のうち、前回の吸着処理（第１の吸着処理ステップＳ４１０）において窒素富化ガスを排出した側から、空気を供給する。換言すれば、制御手段３７０は、前回高温の窒素富化ガスによって加熱された蓄熱体３２０ｂに空気を流通させることにより、流通過程において、蓄熱体３２０ｂによって空気を加熱するとともに、蓄熱体３２０ｂを、空気によって冷却する。つまり、蓄熱体３２０ｂによって、窒素富化ガスと、空気とを間接的に熱交換させる。これにより、別途の加熱装置を要さずとも、吸着剤１２０に到達する空気を加熱することができ、吸着剤１２０の加熱量を低減することが可能となる。

また、制御手段３７０は、バルブ３３２、１５４を開、バルブ３４２、１６４を閉にする、すなわち、接続管３３０、分離配管１５０を連通させるとともに、接続管３４０、吸着配管１６０を遮断することから、吸着塔１１０内から排出された窒素富化ガスは、接続管３３０、分離配管１５０を流通して窒素貯留タンク１５２に送出されることとなる。

（ステップＳ４２０）
制御手段３７０は、上記第２の吸着処理ステップＳ４１８を開始してから、所定の吸着時間Ｔｑが経過したか否かを判定し、吸着時間Ｔｑが経過するまで（ステップＳ４２０におけるＮＯ）、バルブ１３２Ｂ、３３２、１５４を開状態、バルブ１３２Ａ、３４２、１６４を閉状態に維持し、吸着時間Ｔｑが経過したら（ステップＳ４２０におけるＹＥＳ）、ステップＳ４２２に処理を移す。

（第２の脱着処理：ステップＳ４２２）
制御手段３７０は、バルブ１３２Ｂ、３３２、１５４を閉、バルブ３４２、１６４を開にする。ここで、バルブ１３２Ａは閉状態に維持されているため、図７（ｂ）に示すように、供給配管１３０Ａの遮断が維持されたまま、供給配管１３０Ｂを通じて、ポンプ１４０によって吸着塔１１０内が吸引される（吸着塔１１０内が負圧になる）。これにより、脱着処理が実行されることとなる。

つまり、第２の脱着処理ステップＳ４２２においては、吸着剤１２０によって加熱された酸素富化ガスが、蓄熱体３２０ｂを流通することとなる。このため、蓄熱体３２０ｂは、流通過程において酸素富化ガスによって加熱されることとなる。

また、制御手段３７０はバルブ３３２、１５４を閉、バルブ３４２、１６４を開にする。すなわち、接続管３３０、分離配管１５０を遮断するとともに、接続管３４０、吸着配管１６０を連通させることから、吸着塔１１０内から排出された酸素富化ガスは、接続管３４０、吸着配管１６０を流通して酸素貯留タンク１６２に送出されることとなる。

（ステップＳ４２４）
制御手段３７０は、上記第２の脱着処理ステップＳ４２２を開始してから、所定の脱着時間Ｔｄが経過したか否かを判定し、脱着時間Ｔｄが経過するまで（ステップＳ４２４におけるＮＯ）、バルブ１３２Ａ、１３２Ｂ、３３２、１５４を閉状態、バルブ３４２、１６４を開状態に維持し、脱着時間Ｔｄが経過したら（ステップＳ４２４におけるＹＥＳ）、ステップＳ４１０に処理を移す。

そして、次回の処理工程の第１の吸着処理ステップＳ４１０では、前々回の処理工程の第１の脱着処理Ｓ４１４で酸素富化ガスによって、また、前回の処理工程の第２の吸着処理Ｓ４１８で窒素富化ガスによって加熱された蓄熱体３２０ａを通じて常温の空気を吸着剤１２０に到達させるため、酸素富化ガスおよび窒素富化ガスの熱で常温の空気を加熱することができる。

以上説明したように、本実施形態にかかるガス分離装置３００およびこれを用いたガス分離方法によれば、吸着剤１２０よりも空気の流通方向の上流側、および、下流側の双方に蓄熱体３２０を配するといった簡易な構成で、加熱部１１２による吸着剤１２０の加熱エネルギーを低減することができ、ガス分離装置３００のランニングコストを削減することが可能となる。

また、１の蓄熱体３２０に着目すると、吸着処理において常温の空気（１００％）が通過し、次に行われる脱着処理において高温の酸素富化ガス（約２０％）が通過し、続いて行われる吸着処理において高温の窒素富化ガス（約８０％）が通過するという処理を繰り返す。したがって、１の蓄熱体３２０において、高温の酸素富化ガスおよび高温の窒素富化ガスが排出されるときに保持した熱と、空気が供給されるときに付与する熱とを実質的に等しくすることが出来るため、１の蓄熱体３２０において外部から加えられる熱を理論上ゼロとすることができる。

なお、本明細書のガス分離方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

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、上記実施形態において、混合ガスとして空気を、被吸着物として酸素を、分離ガスとして窒素富化ガスを、吸着ガスとして酸素富化ガスを例に挙げて説明した。しかし、混合ガス、被吸着物、分離ガス、吸着ガスは、吸着剤の種類に応じて適宜変更されるものである。

また、上記実施形態において、吸着剤１２０としてペロブスカイト型酸化物を例に挙げて説明したため、温度保持手段（加熱部１１２および断熱材１１４）が、吸着剤１２０を常温よりも高温に保持する構成を例に挙げて説明した。しかし、温度保持手段は、被吸着物を吸着する温度に吸着剤１２０を保持すればよい。

例えば、吸着剤１２０をＮａ−Ｋ−Ａ系ゼオライトや、Ｎａ−Ｘ系ゼオライトとした場合、温度保持手段は、常温よりも低温（例えば、−３０℃）に吸着剤１２０を保持する。なお、Ｎａ−Ｋ−Ａ系ゼオライトを吸着剤１２０として用いた場合、吸着剤１２０は、混合ガス中の酸素を吸着することとなる。また、Ｎａ−Ｘ系ゼオライトを吸着剤１２０として用いた場合、吸着剤１２０は、混合ガス中のキセノンを吸着することとなる。

また、常温よりも低温に吸着剤１２０を保持する場合、温度保持手段は、被吸着物を吸着する温度に吸着剤１２０を冷却する冷却部と断熱材とを含んで構成されるとよい。

また、被吸着物を吸着する温度が常温より低温である吸着剤１２０を採用する場合、蓄熱体３２０は、混合ガスの熱を蓄熱して分離ガスおよび吸着ガスのうちいずれか一方または双方に伝熱することとなり、混合ガスを冷却することとなる。また、蓄熱体３２０は、外部から吸着剤１２０への熱の流入を低減することとなる。

また、上記実施形態において、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、上記実施形態において、吸着剤１２０と蓄熱体３２０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と蓄熱体３２０とが連続して形成されてもよい。例えば、吸着剤１２０と蓄熱体３２０とが同一の部材で構成されている場合、吸着剤１２０と蓄熱体３２０とが連続して形成されることとなる。

また、上記実施形態において、吸着塔１１０内に蓄熱体３２０が収容される構成を例に挙げて説明した。しかし、蓄熱体３２０は、少なくとも、吸着剤１２０よりも混合ガスの流通方向の上流側、および、下流側の双方に配されればよく、必ずしも吸着塔１１０内に配される必要はない。

また、上記実施形態において、吸着剤１２０が空気から窒素富化ガスと、酸素富化ガスとを分離する構成を例に挙げて説明したため、制御手段３７０は、吸着処理において、窒素富化ガス（分離ガス）を排出する側を前回の吸着処理と異ならせるとともに、前回の吸着処理において窒素富化ガスを排出した側から空気（混合ガス）を供給する構成について説明した。しかし、吸着ガスが分離ガスよりも容量が多い場合に、制御手段は、脱着処理において、吸着ガスを排出する側を前回の脱着処理と異ならせるとともに、吸着処理において、前回の脱着処理において脱着ガスを排出した側から混合ガスを供給するとよい。

また、上記第２の実施形態において、第１の吸着処理および第１の脱着処理、もしくは、第２の吸着処理および第２の脱着処理において、窒素富化ガス（分離ガス）を排出する側と、酸素富化ガス（吸着ガス）を抜く側とを異ならせる構成を例に挙げて説明した。しかし、第１の吸着処理および第１の脱着処理、もしくは、第２の吸着処理および第２の脱着処理において、窒素富化ガス（分離ガス）を排出する側と、酸素富化ガス（吸着ガス）を抜く側とは、同じであってもよい。

また、上記実施形態において、供給配管１３０の他端の開口が大気開放される構成を例に挙げて説明した。しかし、供給配管１３０に混合ガスが流通されればよく、供給配管１３０の他端の開口に混合ガスの供給源（例えば、ボンベ、タンク）を接続してもよい。

また、上記実施形態において、制御手段３７０は、脱着処理において、脱着処理を開始してから、所定の脱着時間Ｔｄが経過したか否かを判定し、脱着時間Ｔｄが経過するまで脱着処理を実行し、脱着時間Ｔｄが経過したら、次回の吸着処理の実行を開始する構成を例に挙げて説明した。しかし、ガス分離装置１００が、吸着塔１１０内の圧力を測定する圧力測定部を備え、制御手段は、圧力測定部が測定した吸着塔１１０内の圧力に基づいて、脱着処理から吸着処理への切り替えを行ってもよい。

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およびガス分離方法に利用することができる。

１００、３００ ガス分離装置
１１０ 吸着塔
１１２ 加熱部（温度保持手段）
１１４ 断熱材（温度保持手段）
１２０ 吸着剤
１３０ 供給配管（供給流路）
１４０ ポンプ
１５０ 分離配管（分離ガス流路）
１６０ 吸着配管（吸着ガス流路）
１７０、３７０ 制御手段
３２０ 蓄熱体

Claims (7)

1. 複数の物質を含有する混合ガスが流通する供給流路と、
   前記供給流路から前記混合ガスが導かれる吸着塔と、
   前記吸着塔内に設けられ、常温よりも高温で前記混合ガスに接触すると該混合ガスに含有される酸素を吸着する吸着剤と、
   前記吸着剤を、前記酸素を吸着する温度に保持する温度保持手段と、
   前記吸着塔よりも前記混合ガスの流通方向の下流側に配され、該吸着塔内を吸引するポンプと、
   前記供給流路を連通させて、前記ポンプによって前記吸着塔内を吸引することで、該吸着塔内に前記混合ガスを供給して前記吸着剤に前記酸素を吸着させるとともに、該混合ガスから該酸素が取り除かれた分離ガスを該吸着塔内から排出する吸着処理を行い、該供給流路を遮断して、該ポンプによって該吸着塔内を吸引することで、該酸素を該吸着剤から脱着させるとともに、該脱着させることで得られた吸着ガスを該吸着塔内から排出する脱着処理を行う制御手段と、
   を備えたことを特徴とする真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置。
2. 前記ポンプには、前記分離ガスが流通する分離ガス流路および前記吸着ガスが流通する吸着ガス流路が接続され、
   前記制御手段は、
   前記吸着処理を行う場合、前記分離ガス流路を連通させるとともに、前記吸着ガス流路を遮断し、
   前記脱着処理を行う場合、前記分離ガス流路を遮断するとともに、前記吸着ガス流路を連通させることを特徴とする請求項１に記載の真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置。
3. 前記吸着剤よりも前記混合ガスの流通方向の上流側、および、下流側の双方に配され、前記混合ガス、前記分離ガス、および、前記吸着ガスが流通するとともに、該分離ガスおよび該吸着ガスのうちいずれか一方または双方の熱を蓄熱して該混合ガスに伝熱する、もしくは、該混合ガスの熱を蓄熱して該分離ガスおよび該吸着ガスのうちいずれか一方または双方に伝熱する蓄熱体を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置。
4. 前記供給流路は、前記吸着塔の一端および他端の双方に接続され、前記ポンプは、前記吸着塔の一端および他端の双方に接続され、
   前記制御手段は、前記混合ガスの供給方向、前記分離ガスの排出方向、および、前記吸着ガスの排出方向を制御することを特徴とする請求項３に記載の真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置。
5. 前記分離ガスと前記吸着ガスとは容量が異なり、
   前記制御手段は、
   前記吸着処理および前記脱着処理を含む処理工程を繰り返し行い、
   １の処理工程の吸着処理または脱着処理では、前記吸着塔の一端側および他端側のうち、前回の処理工程の吸着処理または脱着処理において容量の多いガスを排出した側と異なる側から該容量の多いガスを排出させ、
   １の処理工程の吸着処理では、前回の処理工程の吸着処理または脱着処理において容量の多いガスを排出した側から前記混合ガスを供給させることを特徴とする請求項４に記載の真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置。
6. 前記吸着剤は、化学吸着によって物質を吸着することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の真空下で圧力変動吸着を行うガス分離装置。
7. 複数の物質を含有する混合ガスが流通する供給流路から該混合ガスが導かれる吸着塔内に設けられた吸着剤に、常温より高温で該混合ガスを接触させることにより、該混合ガスに含有される酸素を該吸着剤に吸着させる真空下で圧力変動吸着を行うガス分離方法であって、
   前記供給流路を連通させて、該吸着塔よりも該混合ガスの流通方向の下流側に配されたポンプによって該吸着塔内を吸引することで、該吸着塔内に該混合ガスを供給して前記吸着剤に酸素を吸着させるとともに、該混合ガスから該酸素が取り除かれた分離ガスを該吸着塔内から排出する吸着処理を行う工程と、
   前記供給流路を遮断して、前記ポンプによって該吸着塔内を吸引することで、前記酸素を該吸着剤から脱着させるとともに、該脱着させることで得られた吸着ガスを該吸着塔内から排出する脱着処理を行う工程と、
   を含むことを特徴とする真空下で圧力変動吸着を行うガス分離方法。

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