JP6647971B2

JP6647971B2 - ガス製造システム

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Publication number: JP6647971B2
Application number: JP2016118671A
Authority: JP
Inventors: 智也藤峰; 吉典亀田; 朋史池田; 達也奥原
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2036-06-15
Also published as: JP2017221898A

Description

本発明は、吸着剤を用いたガス製造システムに関する。

従来、混合ガスから目的のガス（以下、「目的ガス」と称する）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、吸着剤に対する目的ガスの吸着量が、目的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目的ガスを吸着剤に選択的に吸着させる工程（吸着工程）と、目的ガスが吸着した後の吸着剤から目的ガスを脱着（吸着していた物質が界面から離れること）させる工程（再生工程）と、において圧力差を付けることで、混合ガスから目的ガスを分離する。

上記吸着工程においては、混合ガスを吸着塔に導入するためにブロワが用いられ、上記再生工程においては、吸着剤から目的ガスを脱着させるために、真空ポンプで吸着塔内を減圧することが一般的に行われている（例えば、特許文献１）。

特許第４７２１９６７号公報

ＰＳＡ法を用いて目的ガスを製造する際に、電力を消費する装置として上記ブロワと真空ポンプが挙げられる。この中で、特に真空ポンプは電力消費量が大きいため、真空ポンプの電力消費量を削減して、電力原単位（単位体積の目的ガスを製造するために必要な電力量）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、電力原単位を低減することが可能なガス製造システム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、本発明のガス製造システムは、少なくとも第１ガスおよび第２ガスを含む混合ガスから、該混合ガスより該第１ガスの含有率が大きい第１富化ガスを分離するガス製造システムであって、前記第１ガスを吸着する吸着剤が内部に収容された吸着塔と、前記吸着塔内を減圧し、前記吸着剤に吸着した前記第１ガスを該吸着剤から脱着させて該吸着塔から排出する真空ポンプと、前記吸着塔から排出され前記真空ポンプに導入される前の前記第１富化ガスと、液化ガスとを熱交換して該第１富化ガスを冷却するとともに、該液化ガスを気化させる第１熱交換器と、前記第１熱交換器によって液化ガスが気化された結果生じる気化ガスを減圧する減圧手段と、前記吸着塔から排出され前記真空ポンプに導入される前の前記第１富化ガスと、前記減圧手段によって減圧された気化ガスとを熱交換して該第１富化ガスを冷却する第２熱交換器と、を備えたことを特徴とする。

また、前記液化ガスは、前記第１ガスを液化した液化ガスであるとしてもよい。

また、前記第１熱交換器および前記第２熱交換器のうちのいずれか一方または両方によって熱交換された液化ガスと、前記真空ポンプから送出された前記第１富化ガスとを貯留する貯留タンクを備えるとしてもよい。

また、前記吸着塔から排出された第１富化ガスは、前記第２熱交換器で冷却された後、前記第１熱交換器で冷却されて前記真空ポンプに導入されるとしてもよい。

また、前記第１ガスは酸素ガスであるとしてもよい。

本発明によれば、電力原単位を低減することが可能となる。

ガス製造システムを説明するための図である。ガス製造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。吸着工程の処理の流れを説明するためのフローチャートである。再生工程の処理の流れを説明するためのフローチャートである。シミュレーション結果を説明する図である。

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。

（ガス製造システム１００）
図１は、ガス製造システム１００を説明するための図である。本実施形態のガス製造システム１００は、ＰＳＡ法を利用しており、以下では、酸素ガス（第１ガス）と窒素ガス（第２ガス）の混合ガスである空気から酸素富化ガスを分離する構成を例に挙げて説明する。

図１に示すように、本実施形態において、ガス製造システム１００は、ガス製造装置１１０と、液体酸素を貯留する液化ガス貯留タンク１２０と、窒素ガス貯留タンク１３０と、酸素ガス貯留タンク１４０（貯留タンク）とを含んで構成される。ガス製造システム１００では、ガス製造装置１１０において空気を酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離し、分離された窒素富化ガスは、窒素ガス貯留タンク１３０に送り込まれ、分離された酸素富化ガスは、液化ガス貯留タンク１２０から送出される液体酸素とともに酸素ガス貯留タンク１４０に送り込まれる。以下、ガス製造装置１１０の具体的な構成について説明する。

（ガス製造装置１１０）
ガス製造装置１１０は、吸着塔２１０（図１中、２１０ａ、２１０ｂで示す）を備えている。吸着塔２１０は、円筒形状に構成される。また、吸着塔２１０は、保温庫２０２に収容されており、保温庫２０２は、吸着塔２１０に収容された、後述する吸着剤２３０を常温より高温（例えば、２５０℃〜９００℃）の所定の温度の雰囲気に曝すように保温している。保温庫２０２に供給される熱は、電気式加熱、ガス燃焼式加熱、または、ガス製造装置１１０が設置されるプラントの排熱を利用してもよい。また、吸着塔２１０における吸着剤２３０が収容される箇所の近傍には加熱部２１２が設けられている。

ブロワ２２０は、酸素ガスと他の物質とを含有する混合ガス（ここでは、空気）を吸着塔２１０内に供給する。具体的に説明すると、ブロワ２２０と吸着塔２１０とを接続（連通）する供給管２２２が設けられており、供給管２２２のうち、ブロワ２２０と吸着塔２１０ａとを接続する管にはバルブ２２４ａが、ブロワ２２０と吸着塔２１０ｂとを接続する管にはバルブ２２４ｂが設けられている。したがって、ブロワ２２０は、供給管２２２を通じて、常温の空気を吸着塔２１０内に供給することとなる。

吸着剤２３０（図１中、クロスハッチングで示す）は、吸着塔２１０内に設けられ（充填され）、所定の圧力および所定の温度環境下で混合ガスに接触すると、混合ガスに含有される酸素ガス（酸素分子）を吸着して、酸素ガスを分離する。

吸着剤２３０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２３０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、酸素ガスを選択的に吸着する（物理吸着）。したがって、吸着剤２３０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ガス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、酸素ガスの吸着および脱着（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。

分離ガス排出部２４０は、空気から、吸着剤２３０に吸着されることで酸素ガスが取り除かれた窒素富化ガスを、吸着塔２１０から排出する。具体的に説明すると、分離ガス排出部２４０は、吸着塔２１０と窒素ガス貯留タンク１３０とを接続（連通）する排出管２４２と、排出管２４２のうち、吸着塔２１０ａと窒素ガス貯留タンク１３０とを接続する管に設けられたバルブ２４４ａと、吸着塔２１０ｂと窒素ガス貯留タンク１３０とを接続する管に設けられたバルブ２４４ｂとを含んで構成される。分離ガス排出部２４０によって排出された窒素富化ガスは、排出管２４２を通って窒素ガス貯留タンク１３０へ送出される。窒素ガス貯留タンク１３０に貯留された窒素富化ガスは、後段のプロセスに順次送出されることとなる。

真空ポンプ２５０は、吸着塔２１０内を減圧して吸着剤２３０に吸着した酸素ガスを吸着剤２３０から脱着させて当該吸着塔２１０から排出する。具体的に説明すると、吸着塔２１０と真空ポンプ２５０とを接続（連通）する排出管２５２が設けられており、排出管２５２のうち、真空ポンプ２５０と吸着塔２１０ａとを接続する管にはバルブ２５４ａが、真空ポンプ２５０と吸着塔２１０ｂとを接続する管にはバルブ２５４ｂが設けられている。したがって、真空ポンプ２５０は、排出管２５２を通じて、吸着塔２１０から酸素富化ガスを排出する。そして、真空ポンプ２５０によって排出された酸素富化ガスは、酸素ガス貯留タンク１４０へ送出される。酸素ガス貯留タンク１４０に貯留された酸素富化ガスは、後段のプロセスに順次送出されることとなる。

蓄熱体２６０（図１中、ハッチングで示す）は、吸着塔２１０における吸着剤２３０よりも空気の供給方向の上流側に配され、ブロワ２２０から当該吸着塔２１０内に供給される空気（混合ガス）、および、真空ポンプ２５０によって当該吸着塔２１０内から排出される酸素富化ガスが通過する。蓄熱体２６２（図１中、ハッチングで示す）は、吸着塔２１０における吸着剤２３０よりも空気の供給方向の下流側に配され、当該吸着塔２１０内から排出される窒素富化ガス（分離ガス）が通過する。

蓄熱体２６０、２６２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。蓄熱体２６０、２６２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。

詳しくは後述するが、本実施形態のガス製造装置１１０では、ブロワ２２０が駆動される工程（吸着工程）と、真空ポンプ２５０が駆動される工程（再生工程）とが排他的に繰り返し行われる。したがって、吸着工程において、ブロワ２２０によって吸着塔２１０に空気が供給される際に、常温の空気が蓄熱体２６０を通過し、吸着工程において蓄熱体２６０は常温となる。一方、再生工程において、真空ポンプ２５０によって吸着塔２１０が減圧されると、高温（例えば、２５０℃〜９００℃）の酸素富化ガスが、蓄熱体２６０を通って排出される。したがって、再生工程において、常温の蓄熱体２６０が高温の酸素富化ガスによって加熱されるとともに、常温の蓄熱体２６０によって高温の酸素富化ガスが冷却されることとなる。

ただし、真空ポンプ２５０によって吸引される酸素富化ガス、つまり、排出管２５２を通過する酸素富化ガスは、常温よりは高温であるため、常温の場合と比較して、単位体積当たりの酸素分子の数が少ない（標準状態の体積（Ｎｍ^３）が小さい）。

そこで、本実施形態のガス製造装置１１０は、排出管２５２に熱交換ユニット２７０を設けておき、排出管２５２を通過する酸素富化ガスを冷却する。熱交換ユニット２７０は、第１熱交換器２８０と、第２熱交換器２８２と、冷媒流通管２８４と、減圧手段２８６とを含んで構成される。

第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２は、排出管２５２に設けられ、液化ガス貯留タンク１２０から排出される液化酸素で、排出管２５２を通過する酸素富化ガスを冷却する。具体的に説明すると、一端が液化ガス貯留タンク１２０に接続されるとともに、他端が酸素ガス貯留タンク１４０に接続される冷媒流通管２８４が設けられており、冷媒流通管２８４は、第１熱交換器２８０を通過した後、第２熱交換器２８２を通過する。また、冷媒流通管２８４における第１熱交換器２８０と第２熱交換器２８２との間には減圧手段２８６が設けられ、液化ガス貯留タンク１２０と第１熱交換器２８０との間には開閉弁２８８が設けられている。

したがって、第１熱交換器２８０は、排出管２５２を通過する酸素富化ガスと、冷媒流通管２８４を通過する液化酸素とを熱交換する。これにより、酸素富化ガスの熱を、液化酸素の潜熱および顕熱とすることができ、液化酸素を気化するとともに、酸素富化ガスを冷却することが可能となる。

減圧手段２８６は、例えば、減圧弁で構成され、第１熱交換器２８０において気化された酸素ガス（気化ガス）を減圧する。減圧手段２８６を備える構成により、気化ガスを断熱膨張させることができ、気化ガスの温度を低下させることが可能となる。

そして、第２熱交換器２８２は、排出管２５２を通過する酸素富化ガスと、冷媒流通管２８４を通過する気化ガス（減圧手段２８６によって温度が低下した気化ガス）とを熱交換する。これにより、酸素富化ガスの熱を、気化ガスに伝達することができ、酸素富化ガスを冷却するとともに、気化ガスを加熱することが可能となる。

こうして、吸着塔２１０から排出された酸素富化ガスは、熱交換ユニット２７０によって冷却された後、真空ポンプ２５０に導入されることとなる。したがって、真空ポンプ２５０によって吸引される酸素富化ガスの単位体積当たりの酸素分子の数を多くする（標準状態の体積（Ｎｍ^３）を大きくする）ことができる。

これにより、熱交換ユニット２７０を備えない構成と同じ電力消費量で真空ポンプ２５０を駆動させたとしても、真空ポンプ２５０から酸素ガス貯留タンク１４０に送り出す酸素富化ガスの量（標準状態の体積）を多くすることができる。また、熱交換ユニット２７０を備えない構成と同じ量（標準状態の体積）の酸素富化ガスを酸素ガス貯留タンク１４０に送り出す場合、真空ポンプ２５０の電力消費量を低減することができる。つまり、酸素富化ガスの電力原単位を低減することが可能となる。

また、本実施形態の熱交換ユニット２７０では、排出管２５２における酸素富化ガスの流れ方向の上流側（吸着塔２１０に近い側）から順に、第２熱交換器２８２、第１熱交換器２８０が設けられている。これにより、第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２を小型化することができ、第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２のコストを低減することが可能となる。

（ガス製造方法）
続いて、ガス製造装置１１０を用いたガス製造方法について説明する。図２は、ガス製造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。

図２に示すように、吸着塔２１０において、吸着工程Ｓ３１０、再生工程Ｓ３２０を繰り返す。なお、初期状態において、不図示の制御手段は、バルブ２２４ａ、２２４ｂ、２４４ａ、２４４ｂ、２５４ａ、２５４ｂ、開閉弁２８８を閉状態にしておくとともに、吸着塔２１０における吸着剤２３０を２５０℃〜９００℃の所定の温度の雰囲気に曝しておく。本実施形態において、吸着塔２１０ａにおいて吸着工程Ｓ３１０を遂行しているときには、吸着塔２１０ｂにおいて再生工程Ｓ３２０を並行して遂行し、吸着塔２１０ａにおいて再生工程Ｓ３２０を遂行しているときには、吸着塔２１０ｂにおいて吸着工程Ｓ３１０を並行して遂行する。

また、後述するように、吸着工程Ｓ３１０では窒素富化ガスが生成され、再生工程Ｓ３２０では酸素富化ガスが生成される。したがって、吸着塔２１０ａと吸着塔２１０ｂとが吸着工程Ｓ３１０と再生工程Ｓ３２０とを排他的に交互に繰り返すことにより、窒素富化ガスおよび酸素富化ガスの生成を連続的に行うことが可能となる。

以下、吸着塔２１０ａを例に挙げて、吸着工程Ｓ３１０、および、再生工程Ｓ３２０の処理について詳述し、実質的に処理が等しい吸着塔２１０ｂにおける吸着工程Ｓ３１０、および、再生工程Ｓ３２０の処理については説明を省略する。

（吸着工程Ｓ３１０）
図３は、吸着工程Ｓ３１０の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

（供給工程Ｓ３１０−１）
不図示の制御手段は、ブロワ２２０を駆動し、バルブ２２４ａを開状態とし、吸着塔２１０ａ内へ空気（混合ガス）を供給する（供給処理）。つまり、常温の空気は、蓄熱体２６０を通って、吸着剤２３０へ到達することとなる。

（吸着工程Ｓ３１０−２）
そして、制御手段は、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１（例えば、１００ｋＰａ〜２００ｋＰａ）以上となったか否かを判定する。制御手段は、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１以上となるまで（Ｓ３１０−２におけるＮＯ）、供給工程Ｓ３１０−１を遂行する。制御手段が供給処理を遂行し、吸着塔２１０ａ内を所定の圧力Ｐ１まで昇圧している間に、空気（混合ガス）中の酸素ガスを吸着剤２３０に吸着させる。一方、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１以上となると（Ｓ３１０−２におけるＹＥＳ）、ブロワ２２０を停止させ、後述する分離ガス排出工程Ｓ３１０−３へと処理を移行する。

（分離ガス排出工程Ｓ３１０−３）
吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１以上となると（Ｓ３１０−２におけるＹＥＳ）、制御手段は、バルブ２２４ａを閉状態とし、バルブ２４４ａを開状態とする。これにより、分離ガス排出部２４０は、吸着剤２３０によって空気から酸素ガスが取り除かれることで製造された窒素富化ガスを吸着塔２１０ａから排出する（分離ガス排出処理）。この際、高温の窒素富化ガスは、蓄熱体２６２を通って排出されることとなり、蓄熱体２６２は、かかる高温の窒素富化ガスによって加熱されることになる。蓄熱体２６２を備えることにより、吸着塔２１０からの放熱を抑制することができる。そして、吸着塔２１０ａから排出された窒素富化ガスは、窒素ガス貯留タンク１３０に送出されることとなる。

（分離ガス排出判定工程Ｓ３１０−４）
そして、制御手段は、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ２（例えば、６０ｋＰａ）未満となったか否かを判定する。制御手段は、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ２未満となるまで（Ｓ３１０−４におけるＮＯ）、分離ガス排出工程Ｓ３１０−３を遂行する。一方、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ２未満となると（Ｓ３１０−４におけるＹＥＳ）、吸着工程Ｓ３１０が終了したとみなし、後述する再生工程Ｓ３２０へと処理を移行する。

（再生工程Ｓ３２０）
図４は、再生工程Ｓ３２０の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

（吸着ガス排出工程Ｓ３２０−１）
上述した分離ガス排出判定工程Ｓ３１０−４において、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ２未満となると（Ｓ３１０−４におけるＹＥＳ）、制御手段は、バルブ２４４ａを閉状態とし、バルブ２５４ａを開状態とするとともに、真空ポンプ２５０を駆動する。これにより、吸着塔２１０ａ内が減圧されて吸着剤２３０に吸着された酸素ガスが吸着剤２３０から脱着し、当該吸着塔２１０ａから酸素富化ガスが排出される（吸着ガス排出処理）。つまり、高温（３００℃以上）の酸素富化ガスは、蓄熱体２６０を通って排出されることとなり、常温の蓄熱体２６０は、かかる高温の酸素富化ガスによって加熱されることになる。一方、常温の蓄熱体２６０によって高温の酸素富化ガスを冷却することができる。また、蓄熱体２６０を備えることにより、吸着塔２１０からの放熱を抑制することができる。

（液化ガス排出工程Ｓ３２０−２）
制御手段は、開閉弁２８８を開状態とする。そうすると、第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２を液化酸素が通過することになり、第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２によって、吸着塔２１０ａから排出され真空ポンプ２５０に導入される前の酸素富化ガスが冷却されることとなる。こうして、吸着塔２１０ａから排出され、熱交換ユニット２７０によって冷却された酸素富化ガスは、酸素ガス貯留タンク１４０に送出されることとなる。また、液化ガス貯留タンク１２０から送出され、第１熱交換器２８０で気化された気化ガス（酸素ガス）は、減圧手段２８６で減圧された後、第２熱交換器２８２で加熱されて酸素ガス貯留タンク１４０に送出される。

（吸着ガス排出判定工程Ｓ３２０−３）
そして、制御手段は、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ３（例えば、２ｋＰａ〜２０ｋＰａ）未満となったか否かを判定する。制御手段は、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ３未満となるまで（Ｓ３２０−３におけるＮＯ）、吸着ガス排出工程Ｓ３２０−１、液化ガス排出工程Ｓ３２０−２を遂行する。一方、吸着塔２１０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ３未満となると（Ｓ３２０−３におけるＹＥＳ）、再生工程Ｓ３２０が終了したとみなし、制御手段は、バルブ２５４ａ、開閉弁２８８を閉状態として、上記吸着工程Ｓ３１０からの処理を繰り返す。

したがって、再生工程Ｓ３２０に続いて遂行される吸着工程Ｓ３１０において、ブロワ２２０によって吸着塔２１０に導入された常温の空気は、再生工程Ｓ３２０において加熱された蓄熱体２６０によって予熱されることとなる。これにより、吸着剤２３０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２３０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。

（シミュレーション）
ガス製造装置１１０によって製造される（排出管２５２を通過する）酸素富化ガスの流量に対する、液化ガス貯留タンク１２０から送出される（冷媒流通管２８４を通過する）液化酸素の流量と、電力原単位の削減分（ｋＷｈ／Ｎｍ^３）との関係についてシミュレーションを行った。

なお、液化酸素の製造に要する電力原単位を０．４ｋＷｈ／Ｎｍ^３とし、液化酸素の温度を−１８３℃とし、第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２を備えないガス製造装置（ガス製造装置１１０において、熱交換が為されずに吸着塔２１０から酸素富化ガスが真空ポンプ２５０で吸引される構成）で酸素富化ガスの製造を行う際に要する電力原単位を０．２５ｋＷｈ／Ｎｍ^３とし、吸着塔２１０から排出される酸素富化ガスの温度を５０℃とし、吸着塔２１０から排出される酸素富化ガスの組成を酸素ガス８０％：窒素ガス２０％としてシミュレーションを行った。

図５は、シミュレーション結果を説明する図である。なお、図５中、第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２、減圧手段２８６を備えた場合のシミュレーション結果を実線で示し、第１熱交換器２８０のみを備えた場合のシミュレーション結果を破線で示す。

図５に示すように、第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２、減圧手段２８６を備えた場合、酸素富化ガスの流量に対する液体酸素の流量が０．５０（酸素富化ガスの流量が１である場合に液体酸素の流量が０．５０）である場合に最も電力原単位の削減分が大きくなることが分かった。また、第１熱交換器２８０のみを備えた場合、酸素富化ガスの流量に対する液体酸素の流量が０．２５である場合に最も電力原単位の削減分が大きくなることが分かった。

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、上述した実施形態において、ガス製造システム１００が空気から酸素富化ガスを分離する構成を例に挙げて説明した。しかし、ガス製造システム１００は、少なくとも第１ガスおよび第２ガスを含む混合ガスから、混合ガスより第１ガスの含有率が大きい第１富化ガスを分離することができればよい。この場合、分離するガス（第１富化ガス）を液化したガスを液化ガスとして用いるとよい。

また、上記実施形態において、酸素富化ガスを冷却する冷却流体として液化酸素を例に挙げて説明した。しかし、冷却流体に限定はなく、液化酸素以外の液化ガス（例えば、液化窒素、ＬＮＧ等）であってもよいし、水、冷媒等であってもよい。また、上記実施形態において、熱交換ユニット２７０は、酸素富化ガスと冷却流体とを熱交換する構成を例に挙げて説明した。しかし、熱交換ユニット２７０は、酸素富化ガスを冷却できれば、構成に限定はない。熱交換ユニットとして、例えば、ペルチェ素子や冷凍機を採用してもよい。

また、上記実施形態において、熱交換ユニット２７０が、第１熱交換器２８０、第２熱交換器２８２、減圧手段２８６を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、熱交換ユニット２７０は、酸素富化ガスを冷却することができれば、構成に限定はない。例えば、熱交換ユニット２７０が第１熱交換器２８０（酸素富化ガスの熱を潜熱と顕熱にする熱交換器）のみ、第２熱交換器２８２（酸素富化ガスの熱を顕熱にする熱交換器）のみを有していてもよい。

また、上記実施形態において、吸着塔２１０から排出された酸素富化ガスが、第２熱交換器２８２で冷却された後、第１熱交換器２８０で冷却されて真空ポンプ２５０に導入される構成を例に挙げて説明した。しかし、吸着塔２１０から排出された酸素富化ガスは、第１熱交換器２８０で冷却された後、第２熱交換器２８２で冷却されて真空ポンプ２５０に導入されるとしてもよい。

また、上記実施形態において、吸着剤２３０として、ペロブスカイト構造の酸化物を例に挙げて説明した。しかし、吸着剤は、所定の圧力および常温より高温の所定の温度環境下で第１ガス（分離目的のガス）を吸着することができれば、限定はない。

また、上述した実施形態において説明したガス製造装置１１０における吸着塔２１０の圧力範囲は、単なる例示に過ぎない。

また、上述した実施形態において、吸着塔２１０ａ、２１０ｂを２つ備えたガス製造装置１１０を例に挙げて説明したため、吸着塔２１０ａと吸着塔２１０ｂとが再生と吸着とを並行して行う場合について説明した。しかし、吸着塔２１０の数に限定はない。つまり、吸着塔２１０の数は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

また、上述した実施形態において、蓄熱体２６０、２６２がステンレス製蓄熱材ハニカムで構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、蓄熱体２６０、２６２の材質に限定はなく、例えば、吸着剤２３０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２６０、２６２においても酸素ガスと窒素ガスとを分離することが可能となる。

さらに、蓄熱体２６０、２６２は、所定の圧力および吸着剤２３０よりも常温に近い温度環境下で空気（混合ガス）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、蓄熱体２６０、２６２において、より効率的に酸素ガスと窒素ガスとを分離することが可能となる。

また、上記実施形態において、蓄熱体２６０、２６２を備える構成を例に挙げて説明したが、蓄熱体２６０および蓄熱体２６２のいずれか一方のみを備えてもよいし、蓄熱体２６０、２６２を備えずともよい。

また、上記実施形態において、吸着剤２３０が酸素ガスを吸着する構成を例に挙げて説明した。しかし、窒素ガスを吸着する吸着剤を用いて酸素富化ガスを製造することもできる。この場合、ガス製造システムは、第１ガスとして窒素ガスを吸着する吸着剤が内部に収容された吸着塔と、吸着塔内を減圧し、吸着剤に吸着した窒素ガスを吸着剤から脱着させて吸着塔から排出する真空ポンプと、吸着塔から排出され真空ポンプに導入される前の窒素富化ガスを冷却する熱交換ユニットと、を備える。そして、このガス製造システムは、少なくとも第１ガスおよび第２ガスを含む混合ガスから第１富化ガス（窒素富化ガス）を分離することにより、第２富化ガス（酸素富化ガス）を製造することとなる。なお、第２富化ガスの製造は、吸着工程（分離ガス排出工程）を遂行することによって為される。

本発明は、吸着剤を用いたガス製造システムに利用することができる。

１００ガス製造システム
１４０酸素ガス貯留タンク（貯留タンク）
２１０（２１０ａ、２１０ｂ）吸着塔
２１２加熱部
２２０ブロワ
２３０吸着剤
２５０真空ポンプ
２７０熱交換ユニット
２８０第１熱交換器
２８２第２熱交換器
２８６減圧手段

Claims

少なくとも第１ガスおよび第２ガスを含む混合ガスから、該混合ガスより該第１ガスの含有率が大きい第１富化ガスを分離するガス製造システムであって、
前記第１ガスを吸着する吸着剤が内部に収容された吸着塔と、
前記吸着塔内を減圧し、前記吸着剤に吸着した前記第１ガスを該吸着剤から脱着させて該吸着塔から排出する真空ポンプと、
前記吸着塔から排出され前記真空ポンプに導入される前の前記第１富化ガスと、液化ガスとを熱交換して該第１富化ガスを冷却するとともに、該液化ガスを気化させる第１熱交換器と、
前記第１熱交換器によって液化ガスが気化された結果生じる気化ガスを減圧する減圧手段と、
前記吸着塔から排出され前記真空ポンプに導入される前の前記第１富化ガスと、前記減圧手段によって減圧された気化ガスとを熱交換して該第１富化ガスを冷却する第２熱交換器と、
を備えたことを特徴とするガス製造システム。
前記液化ガスは、前記第１ガスを液化した液化ガスであることを特徴とする請求項１に記載のガス製造システム。
前記第１熱交換器および前記第２熱交換器のうちのいずれか一方または両方によって熱交換された液化ガスと、前記真空ポンプから送出された前記第１富化ガスとを貯留する貯留タンクを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のガス製造システム。
前記吸着塔から排出された第１富化ガスは、前記第２熱交換器で冷却された後、前記第１熱交換器で冷却されて前記真空ポンプに導入されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガス製造システム。
前記第１ガスは酸素ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガス製造システム。