JP6745694B2 - ガス分離装置の運転方法および、制御装置 - Google Patents

Description

本発明はガス分離装置における運転方法および、制御装置に関する。より詳細には、ガス分離装置は、分子篩炭素、活性炭、ゼオライト等のような吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に対して、空気のような２種類以上のガスが混合された混合ガスにより構成される原料ガスを、吸着塔に加圧下で供給して易吸着成分ガスの吸着を行い、難吸着成分ガスを製品ガスとして分離して取り出す吸着工程と、製品ガスのパージ導入により吸着した易吸着成分ガスを脱着して吸着剤を再生させる脱着工程と、吸着工程が終了した吸着塔のガスを脱着工程が終了した吸着塔へ移動させる均圧工程とを、予め決められたタイマーでそれぞれの吸着塔で交互に繰り返すことにより、吸着剤による易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとの吸着速度差を利用して連続的に製品ガスを得るガス分離装置（ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置ともいう）であり、瞬時電圧低下または停電等により原料ガスの供給が停止しても、原料ガスの供給が再開した際には、ガス分離装置の運転を直ちに再開することができるガス分離装置の運転方法および、制御装置に関するものである。

近年、防爆シール、金属の処理、酸化防止、製品の圧送などの用途で、窒素ガスを供給する手段として、窒素ガス分離装置が広く使われている。

ところで、窒素ガス分離装置は、空気のような窒素ガスと酸素ガスとを多く含む原料ガスを、圧縮機により吸着塔に加圧供給して酸素ガスの吸着を行い、主に窒素ガスを製品ガスとして分離して供給する装置であり、製品ガスの使用先（ユーザー）が求める製品ガス仕様（ガス純度、ガス圧力、ガス流量）で製品ガスを供給する様に設計されているが、装置起動から製品ガス仕様の製品ガス供給までには一定の時間を要する。

このような窒素ガス分離装置では、瞬時電圧低下または停電等により圧縮機が停止すると原料ガスの供給が停止するため、製品ガスの供給が困難となり、停電復帰等で原料ガスの供給が再開されても、製品ガスの供給までに一定の時間を要するため、窒素ガス分離装置の使用課題となっていた。

これに対し、停電や瞬低により原料ガスの供給が停止したとしても、原料ガスの供給が再開したときに、素早くガス分離装置の運転を再開できる従来技術がある。例えば特許文献１に開示される従来技術の運転方法では、原料ガスの供給が停止すると、均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程から次工程には移行せず、原料ガスの供給が再開すると、均圧工程から次工程に移行する。

特許第５５６１８１５号公報

原料ガスの供給が継続している通常運転の場合、均圧工程において脱着工程が終了した吸着塔へ移動したガスは、吸着塔の原料ガス入口付近では酸素濃度が高く、製品ガス出口付近では酸素濃度が低いというガス濃度分布となっているため、次工程の吸着工程では酸素濃度が低いガスが製品槽に供給される。しかしながら、特許文献１では、原料ガスの供給が停止して均圧工程の継続時間が長くなると、吸着塔内のガス滞留により、吸着塔内の酸素濃度分布が平準化していくこととなる。そのため、原料ガスの供給が再開して均圧工程から吸着工程に移行した際に、吸着塔の製品ガス出口付近にある、通常運転よりも酸素濃度の高いガスが製品槽に送り出され、製品ガスの窒素ガス純度が悪化するという問題があった。

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、停電等による原料ガス供給の停止時間が長くなっても、停電復帰等で原料ガスの供給が再開した際に、直ちに製品ガスを再供給できるガス分離装置の運転方法および制御装置を提供することを目的とする。

本発明者らが鋭意研究した結果、原料ガス槽への原料ガスの供給停止から供給再開までの間は、原料ガス槽に蓄圧されていた原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続することにより、吸着塔内のガス滞留を無くし、吸着塔内のガス濃度分布を通常運転時に近い状態にするという、従来技術では不可能であったガス分離装置の運転方法を見出して本発明を完成させた。

従って、上記課題を解決するため、本発明は以下の方法および装置を有する。

本発明は、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返すことにより、原料ガス中の易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとを分離して難吸着成分ガスを製品ガスとして製造し、当該製品ガスを製品槽に貯留するガス分離装置の運転方法であって、吸着工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続し、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するガス分離装置の運転方法である。

前記運転方法において、均圧工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程になるまで運転を継続した後に、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続し、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開してもよい。

この方法では、原料ガスの供給停止から供給再開までの間、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続することにより、吸着工程の吸着塔から脱着工程の吸着塔へ製品ガスが流れているため、吸着塔内でガスの滞留が発生しない。このため、吸着塔内のガス濃度分布は、原料ガス槽への原料ガスの供給が継続している通常運転時のガス濃度分布に近い状態となる。したがって、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品ガスの製品ガス純度が悪化することなく、製品ガスを再供給することができる。

但し、上記方法による運転方法では、原料ガス槽への原料ガスの供給停止時間が長くなると、吸着工程を継続運転している吸着塔から導出される製品ガスの製品ガス純度が悪化してくる場合がある。このような場合、製品ガス純度が悪化してきた製品ガスが製品槽に混入し、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品槽から導出される製品ガスの製品ガス純度が悪化することとなる。従って、原料ガス槽への原料ガスの供給停止時間が長くなっても、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品ガス純度が悪化することなく、製品ガスを再供給することができる運転方法についても見出した。

前記運転方法において、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止している間、前記吸着工程を継続している吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止してもよい。

この方法では、原料ガス槽への原料ガスの供給停止時間が長くなっても、吸着工程を継続している吸着塔から導出される製品ガスが製品槽に導入されないため、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品ガス純度が悪化することなく、製品ガスを再供給することができる。

瞬時電圧低下または停電が発生し、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止した場合の窒素ガス分離装置の運転方法として、前記運転方法を適用してもよい。

また、本発明は、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返すことにより、原料ガス中の易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとを分離して難吸着成分ガスを製品ガスとして製造し、当該製品ガスを製品槽に貯留するガス分離装置に備えられ、吸着塔において吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し行うための制御を行う制御装置であって、吸着工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続するよう制御を行い、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するよう制御を行う制御装置である。

前記制御装置において、均圧工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程になるまで運転を継続した後に、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続するよう制御を行い、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するよう制御を行う制御装置としてもよい。

前記制御装置において、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止している間、前記吸着工程を継続している吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止するよう制御を行う制御装置としてもよい。

この制御装置では、吸着塔の製品出口にある切換え弁を閉じることにより、吸着塔から製品槽への製品ガス純度が低い製品ガスの供給を停止することができ、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品ガスの製品ガス純度が悪化することなく、製品ガスを再供給することができる。また、吸着塔の製品出口にある切換え弁の代わりに逆止弁を設けることにより、吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止することもできる。

瞬時電圧低下または停電が発生し、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止した場合の、窒素ガス分離装置における運転の制御を行う制御装置として、前記制御装置を適用してもよい。

以上説明したように、本発明のガス分離装置の運転方法および制御装置によれば、停電等により原料ガス槽への原料ガス供給が停止しても、停電復帰等で原料ガス槽への原料ガスの供給が再開した際に、製品ガスの製品ガス純度が悪化することなく、直ちに製品ガスを再供給することができる。

図１は、本発明の一実施形態の制御装置を備えた窒素ガス分離装置を含むシステム構成図である。 図２は、本発明の一実施形態の制御装置を備えた窒素ガス分離装置における通常運転時と停電発生時のバルブ開閉状態を示した図である。 図３は、従来技術の窒素ガス分離装置における通常運転時と停電発生時のバルブ開閉状態を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態の制御装置を備えた窒素ガス分離装置を含むシステム構成図である。図１に示されるように、本実施形態においてシステムは、原料ガスを加圧供給する圧縮機１と、原料ガスを蓄圧する原料ガス槽２と、原料ガスから製品ガスを分離して取り出す窒素ガス分離装置１０により構成される。なお、原料ガス槽２は、蓄圧した原料ガスを窒素ガス分離装置１０へ供給するために設けられるが、原料ガス中に含まれる吸着剤の劣化原因となる成分（油分、ＳＯｘ、ＮＯｘ等）を前処理する活性炭槽に原料ガスを蓄圧することにより、代用することもできる。

この窒素ガス分離装置１０は、ガス分離装置の一例であり、吸着塔（第１吸着塔）３Ａと、吸着塔（第２吸着塔）３Ｂと、製品槽４と、バルブＣＶ１〜ＣＶ９と、パージ流量調節器５と、制御装置２０とを備え、各構成要素は配管によって接続されている。バルブＣＶ１〜ＣＶ９は、それぞれ独立に制御される開閉バルブ（たとえばシリンダー弁）である。なお、窒素ガス分離装置１０に備えられる制御装置２０は、窒素ガス分離装置１０における運転の制御を行うことによって、窒素ガス分離装置１０の運転方法を実行する。

具体的には、バルブＣＶ１およびＣＶ３は、それぞれ吸着塔３Ａおよび吸着塔３Ｂに供給される原料ガスが通過する配管経路である原料ガス供給路Ｌ１を開閉する入口弁である。なお、原料ガスは、空気等の窒素ガスと酸素ガスとを含む混合気体である。バルブＣＶ２およびＣＶ４は、それぞれ吸着塔３Ａおよび吸着塔３Ｂから放出されるガスが通過する配管経路であるガス放出路Ｌ２を開閉する放出弁である。バルブＣＶ５およびＣＶ６は、それぞれ吸着塔３Ａおよび吸着塔３Ｂから取り出される製品ガスが通過する配管経路である製品ガス排出路Ｌ３を開閉する出口弁である。製品ガス排出路Ｌ３には、製品槽４が設けられている。バルブＣＶ７およびＣＶ８は、吸着塔３Ａと吸着塔３Ｂの間を移動するガスが通過する配管経路を開閉する均圧弁である。バルブＣＶ９は、製品槽４から導出される製品ガスが通過する製品ガス供給路Ｌ９を開閉する供給弁である。入口ラインＬ１Ａ，Ｌ１Ｂは、その一端が吸着塔３Ａ，３Ｂの原料ガス入口に接続され、他端が原料ガス供給路Ｌ１およびガス放出路Ｌ２に接続されている。バルブＣＶ７が設けられた配管経路である出口連通ラインＬ７は、その一端が吸着塔３Ａの製品ガス出口に接続され、他端が吸着塔３Ｂの製品ガス出口に接続されている。バルブＣＶ８が設けられた配管経路である入口連通ラインＬ８は、その一端が入口ラインＬ１Ａに接続され、他端が入口ラインＬ１Ｂに接続されている。これらバルブＣＶ１〜ＣＶ９は、タイマー設定された制御装置２０により電気的に開閉を制御することができる。

パージ流量調節器５は、パージガスラインＬ５および出口連通ラインＬ７を通過して、吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔へパージされる製品ガスの流量を調節する調節器である。なお、パージ流量調節器５は、手動調節弁、自動調節弁、オリフィス等により製品ガスの流量を調節することができる。

吸着塔３Ａおよび吸着塔３Ｂには、それぞれ酸素ガスを吸着する分子篩炭素が充填されている。分子篩炭素とは、多数の細孔を備える木炭、石炭、コークス、やし殻、樹脂、ピッチなどの原料を高温で炭化し、細孔径を約３〜５Å（オングストローム）に調整した木質系、石炭系、樹脂系、ピッチ系などの吸着剤である。このような分子篩炭素は、窒素ガスよりも酸素ガスを吸着しやすい性質を有しており、空気等の窒素ガスと酸素ガスとを含む混合気体である原料ガスから、酸素ガスを選択的に吸着する性質を有する。すなわち、分子篩炭素が充填された吸着塔３Ａ，３Ｂにおいて、原料ガス中の酸素ガスが易吸着成分ガスであり、窒素ガスが難吸着成分ガスである。また、分子篩炭素は、高圧条件下において酸素ガスの吸着能が増大する。そのため、分子篩炭素は、吸着塔内を加圧することにより酸素ガスを多く吸着することができ、その後、難吸着成分ガスの窒素ガスである製品ガスをパージしながら吸着塔内を減圧することにより酸素ガスを脱着させることができる。このような分子篩炭素の具体例としては、たとえばクラレケミカル（株）製の商品名ＧＮ−ＵＣ−Ｈ、ＧＮ−ＵＣ−Ｓ、１．５ＧＮ−Ｈ、１．５ＧＮ−Ｓなどが挙げられる。窒素ガス分離装置１０では、吸着塔３Ａおよび吸着塔３Ｂにより酸素ガスの吸着および脱着を交互に繰り返し、原料ガスから窒素ガスを分離濃縮して製品ガスを調製する。

図１に加えて図２を参照し、窒素ガス分離装置１０の通常運転時の運転方法と、停電発生時の運転方法を具体的に説明する。図２は、本発明の一実施形態の制御装置を備えた窒素ガス分離装置における通常運転時と停電発生時のバルブ開閉状態を示した図である。

通常運転時では、制御装置２０は、それぞれの吸着塔３Ａ，３Ｂにおいて、吸着工程、均圧工程（第１均圧工程）、脱着工程、均圧工程（第２均圧工程）を１サイクルとする工程を繰り返し行うための制御を行い、原料ガスから窒素ガスを製品ガスとして分離する。これらの各工程は、いずれもタイマー設定されていて、タイマーアップするまでその工程を行い、タイマーアップにより次工程に移る。本実施形態では、吸着工程と脱着工程とのタイマーアップ時間は同じ値に設定され、第１均圧工程と第２均圧工程とのタイマーアップ時間は同じ値に設定されている。その際、一方の吸着塔が吸着工程に付されている間、他方の吸着塔は、脱着工程に付されるよう上記した各バルブが制御装置２０により制御される。なお、吸着塔３Ａと吸着塔３Ｂとは、同じタイマーで制御されてもよいが、本実施形態ではそれぞれ個別のタイマーで制御されている。

具体的には、図２に示されるように、吸着塔３Ａが吸着工程に付されている間、吸着塔３Ｂは脱着工程に付される（（ｉ）の工程）。また、吸着塔３Ａが第１均圧工程に付されている間、吸着塔３Ｂは第２均圧工程に付され（（ｉｉ）の工程）、吸着塔３Ａが脱着工程に付されている間、吸着塔３Ｂは吸着工程に付され（（ｉｉｉ）の工程）、吸着塔３Ａが第２均圧工程に付されている間、吸着塔３Ｂは第１均圧工程に付される（（ｉｖ）の工程）。以下、それぞれの工程について詳細に説明する。

＜（ｉ）の工程＞
（ｉ）の工程は、吸着塔３Ａが吸着工程に付され、吸着塔３Ｂが脱着工程に付される工程である。具体的には、（ｉ）の工程では、制御装置２０の制御により、バルブＣＶ２、バルブＣＶ３およびバルブＣＶ６〜ＣＶ８が閉止され、バルブＣＶ１、バルブＣＶ４、ＣＶ５およびバルブＣＶ９が開放される。そのため、窒素ガス分離装置１０に供給される原料ガスは、吸着塔３Ａに供給される。なお、原料ガスは、圧縮機１により圧縮され、原料ガス槽２において蓄圧された加圧下で、原料ガス槽２から吸着塔３Ａに供給される。すなわち、原料ガスは、原料ガス槽２を介して吸着塔３Ａに供給される。吸着塔３Ａでは、供給された原料ガスのうち、酸素ガスが吸着され、分離された窒素ガスが製品槽４に送られる。吸着塔３Ａ内では、ガスが上に向かうにつれて酸素ガスが次第に吸着されるため、製品ガス出口側ほど窒素ガス濃度が高くなる濃度分布となる。そして、所定の窒素ガス濃度となった製品ガスが製品ガス排出路Ｌ３を通して製品槽４に送られ、製品ガス供給路Ｌ９を通して製品槽４から導出される。製品槽４は、分離された窒素ガスを製品ガスとして適宜貯留する一次貯留空間を有する箱体である。一方、吸着塔３Ｂのガスは原料ガス入口から導出されて入口ラインＬ１Ｂおよびガス放出路Ｌ２を通して窒素ガス分離装置１０の外部（通常は大気中）に放出され、吸着工程中の吸着塔３Ａからパージされる製品ガスにより、吸着した酸素ガスを脱着して分子篩炭素が再生される。

＜（ｉｉ）の工程＞
（ｉｉ）の工程は、吸着塔３Ａが第１均圧工程に付され、吸着塔３Ｂが第２均圧工程に付される工程である。具体的には、（ｉｉ）の工程では、制御装置２０の制御により、バルブＣＶ１〜ＣＶ６が閉止され、バルブＣＶ７〜ＣＶ９が開放される。そのため、吸着塔３Ａの製品ガス出口と吸着塔３Ｂの製品ガス出口がバルブＣＶ７を介して連通する出口連通ラインＬ７と、吸着塔３Ａの原料ガス入口と吸着塔３Ｂの原料ガス入口がバルブＣＶ８を介して連通する入口連通ラインＬ８とにより、吸着塔３Ａのガスが吸着塔３Ｂに移動する。

このため、吸着塔３Ａ内で窒素ガス濃度が高くなっているガスが、吸着塔３Ｂの製品ガス出口側から導入され、また、吸着塔３Ａ内で窒素ガス濃度が低くなっているガスが、吸着塔３Ｂの原料ガス入口側から導入される。このため、吸着塔３Ｂ内でも、上側の方が窒素ガス濃度が高くなる傾向が維持される。したがって、次の（ｉｉｉ）の工程（吸着塔３Ｂにおける吸着工程）において、吸着塔３Ｂから排出される製品ガスの窒素ガス濃度を高くすることができる。

なお、（ｉｉ）の工程では、吸着塔３Ａから吸着塔３Ｂへガスを移動させるだけでなく、製品槽４から吸着塔３Ｂへ製品ガスを移動させたり、吸着塔３Ａの一部ガスを大気放出しながら残るガスを吸着塔３Ｂに移動させる様にしても良い。

＜（ｉｉｉ）の工程＞
（ｉｉｉ）の工程は、吸着塔３Ａが脱着工程に付され、吸着塔３Ｂが吸着工程に付される工程である。具体的には、（ｉｉｉ）の工程では、制御装置２０の制御により、バルブＣＶ１、バルブＣＶ４、バルブＣＶ５、バルブＣＶ７およびバルブＣＶ８が閉止され、バルブＣＶ２、バルブＣＶ３、バルブＣＶ６およびバルブＣＶ９が開放される。そのため、窒素ガス分離装置１０に供給される原料ガスは、原料ガス槽２を介して吸着塔３Ｂに供給される。吸着塔３Ｂでは、供給された原料ガスのうち、酸素ガスが吸着され、分離された窒素ガスが製品槽４に送られる。吸着塔３Ｂ内では、ガスが上に向かうにつれて酸素ガスが次第に吸着されるため、製品ガス出口側ほど窒素ガス濃度が高くなる濃度分布となる。そして、所定の窒素ガス濃度となった製品ガスが製品ガス排出路Ｌ３を通して製品槽４に送られ、製品ガス供給路Ｌ９を通して製品槽４から導出される。一方、吸着塔３Ａのガスは原料ガス入口から導出されて入口ラインＬ１Ａおよびガス放出路Ｌ２を通して窒素ガス分離装置１０の外部（通常は大気中）に放出され、吸着工程中の吸着塔３Ｂからパージされる製品ガスにより、吸着した酸素ガスを脱着して分子篩炭素が再生される。

＜（ｉｖ）の工程＞
（ｉｖ）の工程は、吸着塔３Ａが第２均圧工程に付され、吸着塔３Ｂが第１均圧工程に付される工程である。具体的には、（ｉｖ）の工程では、制御装置２０の制御により、バルブＣＶ１〜ＣＶ６が閉止され、バルブＣＶ７〜ＣＶ９が開放される。そのため、吸着塔３Ａの製品ガス出口と吸着塔３Ｂの製品ガス出口がバルブＣＶ７を介して連通する出口連通ラインＬ７と、吸着塔３Ａの原料ガス入口と吸着塔３Ｂの原料ガス入口がバルブＣＶ８を介して連通する入口連通ラインＬ８とにより、吸着塔３Ｂのガスが吸着塔３Ａに移動する。

このため、吸着塔３Ｂ内で窒素ガス濃度が高くなっているガスが、吸着塔３Ａの製品ガス出口側から導入され、また、吸着塔３Ｂ内で窒素ガス濃度が低くなっているガスが、吸着塔３Ａの原料ガス入口側から導入される。このため、吸着塔３Ａ内でも、上側の方が窒素ガス濃度が高くなる傾向が維持される。したがって、次の（ｉ）の工程（吸着塔３Ａにおける吸着工程）において、吸着塔３Ａから排出される製品ガスの窒素ガス濃度を高くすることができる。

なお、（ｉｖ）の工程では、吸着塔３Ｂから吸着塔３Ａへガスを移動させるだけでなく、製品槽４から吸着塔３Ａへ製品ガスを移動させたり、吸着塔３Ｂの一部ガスを大気放出しながら残るガスを吸着塔３Ａに移動させる様にしても良い。

通常運転の最中である（ｉ）の工程で停電が発生し、原料ガス槽２への原料ガスの供給が停止すると、原料ガス槽２への原料ガスの供給が停止したことを伝える信号が、外部より制御装置２０に入力され、制御装置２０は原料ガス槽２への原料ガスの供給が停止したと判断する。制御装置２０が原料ガス槽２への原料ガスの供給が停止したと判断すると、制御装置２０の制御により、ＣＶ９は閉止される。このとき、ＣＶ１〜ＣＶ８は通常運転の（ｉ）の工程と同じバルブ開閉状態で保持される。そのため、製品槽４からの製品ガスの導出は停止し、吸着塔３Ａは吸着工程を継続し、吸着塔３Ｂは脱着工程を継続する。このとき、制御装置２０において、吸着塔３Ａの吸着工程のタイマーと吸着塔３Ｂの脱着工程のタイマーは、停電が発生したタイミング（原料ガス槽２への原料ガスの供給が停止したタイミング）で停止保持される。

停電復帰し、原料ガス槽２への原料ガスの供給が再開されると、原料ガス槽２への原料ガスの供給が再開したことを伝える信号が、外部より制御装置２０に入力され、制御装置２０は原料ガス槽２への原料ガスの供給が再開したと判断する。制御装置２０が原料ガス槽２への原料ガスの供給が再開したと判断すると、制御装置２０の制御により、ＣＶ９は閉止状態から開放状態へと切り替えられる。このとき、ＣＶ１〜ＣＶ８は通常運転の（ｉ）の工程と同じバルブ開閉状態で保持される。これにより、停止保持していたタイマーの続きからＣＶ１〜ＣＶ９は通常運転の（ｉ）の工程と同じバルブ開閉状態となる。そのため、製品槽４からの製品ガスの導出が再開され、吸着塔３Ａの吸着工程と吸着塔３Ｂの脱着工程が、停止保持していたタイマーの続きから再開される。

また、通常運転の最中である（ｉ）の工程で停電が発生した場合には、制御装置２０は、原料ガス槽２への原料ガスの供給が停止している間、ＣＶ５を閉止する制御を行ってもよい。これにより、吸着工程を継続している吸着塔３Ａから製品槽４への製品ガスの供給を停止することができる。

通常運転の最中である（ｉｉ）の工程で停電が発生し、原料ガスの供給が停止すると、原料ガスの供給が停止したことを伝える信号が、外部より制御装置２０に入力され、制御装置２０は原料ガスの供給が停止したと判断する。制御装置２０が原料ガスの供給が停止したと判断すると、制御装置２０の制御により、ＣＶ９は閉止され、ＣＶ１〜ＣＶ８は通常運転の（ｉｉ）の工程をタイマーアップするまで継続し、その後、通常運転の（ｉｉｉ）の工程と同じバルブ開閉状態に切り替えられて保持される。また、制御装置２０において、通常運転の（ｉｉｉ）に切り替わった吸着塔３Ａの脱着工程のタイマーと、吸着塔３Ｂの吸着工程のタイマーは、通常運転の（ｉｉｉ）に切り替わったタイミング（タイマー０秒のタイミング）で停止保持される。そのため、製品槽４からの製品ガスの導出は停止し、各吸着塔３Ａ，３Ｂは通常運転の（ｉｉ）の工程を経過した後、吸着塔３Ａは脱着工程に切り替わって運転を継続し、吸着塔３Ｂは吸着工程に切り替わって運転を継続する。

なお、（ｉｉ）の工程は１０秒未満程度で行うことができる。また、停電が発生し圧縮機１が停止すると、停電復帰で圧縮機１が再起動して原料ガス槽２への原料ガスの供給が再開されるまでに、約１分程度の時間を要する。従って、通常運転の最中である（ｉｉ）の工程で停電が発生すると、停電復帰して原料ガス槽２への原料ガスの供給が再開されるまでの間に、吸着塔３Ａは脱着工程に切り替わって運転を継続し、吸着塔３Ｂは吸着工程に切り替わって運転を継続していることになる。

停電復帰し、原料ガス槽２を介した吸着塔３Ｂへの原料ガスの供給が再開されると、原料ガス槽２への原料ガスの供給が再開したことを伝える信号が、外部より制御装置２０に入力され、制御装置２０は原料ガス槽２への原料ガスの供給が再開したと判断する。制御装置２０が原料ガスの供給が再開したと判断すると、制御装置２０の制御により、ＣＶ９は閉止状態から開放状態へと切り替えられる。このとき、ＣＶ１〜ＣＶ８は通常運転の（ｉｉｉ）の工程と同じバルブ開閉状態で保持される。これにより、停止保持していたタイマーの続きからＣＶ１〜ＣＶ９は通常運転の（ｉｉｉ）の工程と同じバルブ開閉状態となる。そのため、製品槽４からの製品ガスの導出が再開され、吸着塔３Ａの脱着工程と吸着塔３Ｂの吸着工程が、停止保持していたタイマーの続きから（タイマー０秒から）再開される。

通常運転の最中である（ｉｉｉ）の工程で停電が発生した場合は、（ｉ）の工程で停電が発生した場合で、吸着塔３Ａと吸着塔３Ｂの工程が入れ替わった動作をしているだけであるため、説明を省略する。

また、通常運転の最中である（ｉｖ）の工程で停電が発生した場合についても、（ｉｉ）の工程で停電が発生した場合で、吸着塔３Ａと吸着塔３Ｂの工程が入れ替わった動作をしているだけであるため、説明を省略する。

本実施形態の窒素ガス分離装置１０における制御装置２０の制御により実行される運転方法によれば、停電等による原料ガス供給が停止しても、停電復帰等で原料ガスの供給が再開した際に、製品ガスの窒素純度が悪化することなく、直ちに製品ガスを再供給することができる。

以下に、実施例を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。

すべての実施例と比較例の共通条件として、吸着塔に充填する分子篩炭素はクラレケミカル（株）製の１．５ＧＮ−Ｈを使用した。１リットルの分子篩炭素を充填した２本の吸着塔により構成される窒素ガス分離装置を使用し、０．７０ＭＰａＧに加圧した空気を原料ガスとして、両吸着塔で吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を１サイクルとして繰り返し、窒素ガスを製品ガスとして分離した。その際の両吸着塔における１サイクル時間は１２６秒とした。内訳は、吸着工程に６０秒、均圧工程に３秒、脱着工程に６０秒および均圧工程に３秒とした。吸着工程における吸着塔の到達圧力は０．６４ＭＰａＧとし、製品ガスは５Ｌ／ｍｉｎ（製品ガスの設計窒素純度９９％）で一定とした。また、通常運転の（ｉ）の工程でタイマーが２０秒を経過したタイミングで、停電による原料ガスの供給停止を発生させた。

（実施例１〜３）
図１に示されるような、２本の吸着塔３Ａ，３Ｂにより構成される窒素ガス分離装置１０を含むシステムを使用し、制御装置２０により図２に示されるようなバルブの開閉を制御し、停電が発生して原料ガスの供給が停止してから、停電復帰して原料ガスの供給が再開されるまでの時間を変更した結果を表１の実施例１〜３に示す。

（比較例１）
図３は、従来技術の窒素ガス分離装置における通常運転時と停電発生時のバルブ開閉状態を示した図である。配管構成及びバルブ配置構成は図１と同じ２本の吸着塔３Ａ，３Ｂにより構成される窒素ガス分離装置を含むシステムを使用し、従来技術の窒素ガス分離装置に備えられる制御装置により図３に示されるようなバルブの開閉を制御し、停電が発生して原料ガスの供給が停止してから、停電復帰して原料ガスの供給が再開されるまでの時間が１００秒とした結果を表１の比較例１に示す。

表１に示されるように、実施例２を比較例１と比較すると、実施例２では、原料ガスの供給再開後でも設計窒素ガス純度９９％の製品ガスを供給することができたが、比較例１では、原料ガスの供給再開後に供給した製品ガスの窒素純度は９８．３％となり、設計窒素純度である９９％を確保できなかった。

また、表１に示されるように、実施例１〜３で、停電が発生して原料ガスの供給が停止してから、停電復帰して原料ガスの供給が再開されるまでの時間を変更した結果、１２０秒までの原料ガス停止であれば、設計窒素純度９９％を確保できた。

本発明は、停電等による原料ガス供給の停止時間が長くなっても、停電復帰等で原料ガスの供給が再開した際に、製品ガスの製品ガス純度がほとんど悪化することなく、直ちに製品ガスを再供給することが可能なガス分離装置の運転方法および制御装置である。そのため、本発明を用いた一例としての窒素ガス分離装置は、防爆シール、金属の処理、酸化防止、製品の圧送などの技術分野において好適に利用することができる。

１０ 窒素ガス分離装置
１ 圧縮機
２ 原料ガス槽
３Ａ、３Ｂ 吸着塔
４ 製品槽
５ パージ流量調節器
２０ 制御装置
ＣＶ１〜ＣＶ９ バルブ
Ｌ１ 原料ガス供給路
Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ 入口ライン
Ｌ２ ガス放出路
Ｌ３ 製品ガス排出路
Ｌ５ パージガスライン
Ｌ７ 出口連通ライン
Ｌ８ 入口連通ライン
Ｌ９ 製品ガス供給路

Claims (8)

1. 原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返すことにより、原料ガス中の易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとを分離して難吸着成分ガスを製品ガスとして製造し、当該製品ガスを製品槽に貯留するガス分離装置の運転方法であって、
   吸着工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続し、
   原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するガス分離装置の運転方法。
2. 均圧工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程になるまで運転を継続した後に、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続し、
   原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開する、請求項１に記載の運転方法。
3. 原料ガス槽への原料ガスの供給が停止している間、前記吸着工程を継続している吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止する、請求項１または２に記載の運転方法。
4. 瞬時電圧低下または停電が発生し、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止した場合の窒素ガス分離装置の運転方法である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転方法。
5. 原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返すことにより、原料ガス中の易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとを分離して難吸着成分ガスを製品ガスとして製造し、当該製品ガスを製品槽に貯留するガス分離装置に備えられ、吸着塔において吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し行うための制御を行う制御装置であって、
   吸着工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続するよう制御を行い、
   原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するよう制御を行う制御装置。
6. 均圧工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程になるまで運転を継続した後に、原料ガス槽に蓄圧された原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続するよう制御を行い、
   原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するよう制御を行う、請求項５に記載の制御装置。
7. 原料ガス槽への原料ガスの供給が停止している間、前記吸着工程を継続している吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止するよう制御を行う、請求項５または６に記載の制御装置。
8. 瞬時電圧低下または停電が発生し、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止した場合の、窒素ガス分離装置における運転の制御を行う制御装置である、請求項５〜７のいずれか１項に記載の制御装置。

Images