JP6811572B2 - 窒素ガス分離方法および窒素ガス分離装置 - Google Patents

Description

本発明は窒素ガス分離方法および窒素ガス分離装置に関する。より詳細には、窒素ガス分離方法は、分子篩炭素が充填された２基以上の吸着塔に対して、それぞれの吸着塔で吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を交互に繰り返すことにより、分子篩炭素による酸素ガスと窒素ガスとの吸着速度差を利用して連続的に窒素ガスを得る窒素ガス分離方法（以下、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法ともいう）において、高純度の窒素ガスを得る窒素ガス分離方法である。また、窒素ガス分離装置は、分子篩炭素が充填された２基以上の吸着塔を有し、ＰＳＡ法により窒素ガスを連続的に得る装置である。

近年、金属の処理、半導体の製造などの分野で高純度な窒素ガスの需要が増大しており、窒素ガスを供給する方法として、ＰＳＡ法が多く実施されている。

ところで、窒素ガスユーザーにおける窒素ガス使用量は必ずしも一定ではなく、窒素ガス分離装置の設計窒素ガス流量に対して変動した流量で使用されることが多い。特に、窒素ガスの使用量が減少した場合には、窒素ガスの純度は必要以上に高くなり、原料ガスを供給するための空気圧縮機においてもエネルギー的に無駄が生じてしまう。これは、窒素ガスの使用量が減少しても分子篩炭素に吸着されるガス量はほぼ一定であるために、使用する原料ガス量の減少は少なく、所要動力の減少もわずかとなることより説明できる。

これに対して、特許文献１では製品窒素ガス流量に対応する数値の吸着工程開始時からの積算値の合計が予め決められた一定値を超えると吸着工程を終了することで省エネルギーを図る方式が提案されている。また、特許文献２では、吸着塔の出口より流出してくる製品ガス中の酸素濃度に応じて吸着塔の切り換え周期を自動的に変化させることで省エネルギーを図る方式が提案されている。

特許第５５５９７５５号公報 特開２００２−１６７２０４号公報

上記特許文献１及び特許文献２はエネルギー的に有利な方法であり、有用であると思われる。しかしながら、製品窒素ガス流量の減少に応じて吸着時間を延長した場合、延長する時間が長くなるほど吸着工程から均圧工程に切り替わる直前の吸着塔の内部においては酸素ガスの割合がより高くなる。従って、この方法では吸着時間が長くなるにつれ均圧工程においては酸素濃度の高いガスも吸着工程が終了し均圧工程にある吸着塔に回収されるため、製品窒素ガスの純度が悪化し省エネルギー効果を活かしきれていなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、窒素ガス流量が変化した場合に窒素ガスをより省エネルギーで取得することのできる窒素ガス分離方法及び窒素ガス分離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、吸着時間の延長に応じて均圧工程における吸着塔間のガスの均圧度を変化させることにより、酸素濃度の高いガスの脱着工程が終了した吸着塔への回収を防止し、窒素ガスをより省エネルギーで取得することのできること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及び装置を有する。

本発明は、分子篩炭素が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む原料ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、窒素ガスを製品ガスとして分離する窒素ガス分離方法であって、製品ガスの流量の減少に応じて、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を延長し、吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔の塔中間部からガスを導出して、当該ガスを脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させるとともに、前記吸着工程が終了した吸着塔の原料ガス入口付近からガスの一部を放出し、前記均圧工程において、
製品ガス中の酸素濃度が所定の許容範囲内に収まるように前記吸着塔間のガスの均圧度を前記吸脱着時間に応じて設定し、前記吸脱着時間が長いほど前記均圧度が低くなるように、当該均圧度を変化させる窒素ガス分離方法である。ここで、均圧度とは、吸着工程が終了して均圧工程に切り替わる直前の吸着塔の圧力に対する、均圧工程が終了して吸着工程に切り替わる直前の吸着塔の圧力の割合である。

本発明では、製品ガスの流量の減少に応じて、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を延長している。一般的に、製品ガスの流量が減少すると、取得される窒素ガスの純度が良くなる性質がある。しかしながら、場合によっては窒素ガス純度が必要以上に上昇し悪影響をもたらすことがある。また、製品ガスの流量が減少しても分子篩炭素に吸着されるガス量はほぼ一定であるため、使用する原料ガス量の減少は少なく、エネルギー面でも無駄が生じる。

一般的に、製品ガスの純度が同じ場合、製品ガスの流量が減少するほど吸脱着時間は長くなる傾向にある。本発明では製品ガスの流量の減少に応じて吸脱着時間を延長することで、製品ガス純度の過度な上昇を抑えるだけでなく、空気圧縮機により圧縮されて加圧下で供給される原料ガス空気の供給量を少なくすることによる省エネルギーも可能となる。

一方で、吸着時間を延長すると吸着工程から均圧工程に切り替わる直前の吸着塔の内部においては酸素ガスの割合がより高くなる。そのため、吸着時間を延長していない時と同様の均圧度にて均圧工程を実施した場合、酸素濃度の高いガスが脱着工程終了後に均圧工程に付されている吸着塔に移動して回収されてしまう。これにより、均圧工程終了後に吸着工程へと切り替わる吸着塔から取り出される窒素ガスの純度が低下するということが起きてしまう。この窒素ガス純度の低下が大きくなると、原料ガスに対しての窒素ガス収率も下がるため、エネルギー効率が落ちてしまう。そこで、吸脱着時間の延長と同時に吸着塔間のガスの均圧度の変更を組み合わせることで、製品ガスの使用量が減少した場合に、窒素ガス純度を維持したままより長く吸脱着時間を延長することができ、それにより、空気圧縮機により圧縮されて加圧下で供給される原料ガスの供給量を少なくすることによる省エネルギーも可能となる。これにより、窒素ガス分離方法を用いた窒素ガス分離装置の性能向上並びにエネルギー効率向上が可能となる。
また、本発明では、均圧工程において、吸着塔の塔中間部からガスを抜くため、酸素濃度の高いガス以外を脱着工程が終了した吸着塔に移動させて回収することができる。このため、製品ガスの窒素が高純度となり、窒素ガス分離方法を用いた窒素ガス分離装置の性能向上が達成される。
上記均圧工程において、吸着工程が終了した吸着塔の塔中間部とは、吸着塔容積の原料ガス入口側に近い２０％と製品ガス出口側に近い２０％を除いた範囲となる、吸着塔胴体の連通箇所である。脱着工程が終了した吸着塔の塔中間部とは、吸着塔容積の原料ガス入口側に近い２０％と製品ガス出口側に近い２０％を除いた範囲となる、吸着塔胴体の連通箇所である。また、吸着工程が終了した吸着塔のガスの一部を放出する原料ガス入口付近とは、原料ガス入口または吸着塔容積の原料ガス入口側に近い２０％までの範囲となる、吸着塔胴体の放出箇所である。

前記窒素ガス分離方法において、製品ガス流量瞬時値を検出し、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を当該製品ガス流量瞬時値に応じて決定するとともに、吸着工程及び脱着工程中に検出した製品ガス流量瞬時値に対して、当該製品ガス流量瞬時値に対応する吸脱着時間を経過している場合は、吸着工程及び脱着工程を終了し均圧工程へと移行してもよい。

分子篩炭素は時間の経過と共に吸着性能が大幅に変わる特性があり、製品ガスの流量が吸脱着時間中に大幅に増加した場合、一時的に窒素ガス純度が低下する場合がある。したがって、製品ガス流量の瞬時値を検出し、その瞬時値に応じて吸脱着時間を決定する。また吸脱着時間中に新しい瞬時値を検出し、その瞬時値に対応する吸脱着時間が経過している場合はすぐに吸着工程及び脱着工程を終了し、均圧工程へ移行することで窒素ガス純度を低下させることなく連続運転することが可能となる。

前記窒素ガス分離方法において、前記吸着工程に付されている吸着塔の製品ガス出口より流出してくるガス中の酸素濃度を検出し、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を当該酸素濃度に応じて決定してもよい。

窒素ガス分離方法においては、吸着工程及び脱着工程の後半になるにつれて徐々に製品ガス中の酸素濃度が上昇してくる。一方で、製品ガスの流量が減少すると吸着工程及び脱着工程における製品ガス中の酸素濃度の上昇は緩やかになる。この性質を利用して、製品ガス中の酸素濃度を検出し、その酸素濃度が予め設定された酸素濃度になったときに、吸着塔において吸着工程及び脱着工程から均圧工程へと切り替えるようにすることで吸脱着時間を変更することができる。そのため、製品ガスの流量の減少に応じて吸脱着時間を延長する場合と同様に、空気圧縮機により圧縮されて加圧下で供給される原料ガスの供給量を少なくすることによる省エネルギーが可能となる。

前記窒素ガス分離方法において、前記吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔の塔中間部からガスを導出して、当該ガスを前記脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させる際に、前記吸着工程が終了した吸着塔の塔中間部から導出されたガスを分流して、前記脱着工程が終了した吸着塔の塔中間部と原料ガス入口又はその付近とから当該吸着塔にガスを導入してもよい。

前記窒素ガス分離方法において、前記脱着工程中の吸着塔へ製品ガスを導入することによる当該吸着塔内の洗浄を、脱着工程中に停止してもよい。

脱着工程において吸着塔内の洗浄に用いる製品ガスの流量は、あまり少ないと洗浄不足により分子篩炭素の再生不良が起こる一方、所定量以上の洗浄を行っても再生効果が高まるわけではない。そのため、必要以上の洗浄を行うことのないよう製品ガスの導入を脱着工程中に停止することで、製品ガスを無駄に捨てることなく消費電力を削減することができる。

前記窒素ガス分離方法において、前記吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔からガスを導出して、当該ガスを脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させるガスの均圧度を変化させる際に、ガスの均圧度を２０〜５０％の範囲とすることが好ましい。

また、本発明は、窒素ガスと酸素ガスとを含む原料ガスから窒素ガスを製品ガスとして分離する窒素ガス分離装置であって、分子篩炭素が充填された第１の吸着塔と、分子篩炭素が充填された第２の吸着塔と、前記第１の吸着塔及び第２の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部と、を有し、前記制御部は、製品ガスの流量の減少に応じて、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を延長するよう制御を行い、吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔の塔中間部からガスを導出して、当該ガスを脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させるとともに、前記吸着工程が終了した吸着塔の原料ガス入口付近からガスの一部を放出する均圧制御を行い、前記均圧制御において、製品ガス中の酸素濃度が所定の許容範囲内に収まるように前記吸着塔間のガスの均圧度を前記吸脱着時間に応じて設定し、前記吸脱着時間が長いほど前記均圧度が低くなるように、当該均圧度を変化させる窒素ガス分離装置である。

本発明は、前記制御部が、製品ガス流量瞬時値を検出し、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を当該製品ガス流量瞬時値に応じて決定するとともに、吸着工程及び脱着工程中に検出した製品ガス流量瞬時値に対して、当該製品ガス流量瞬時値に対応する吸脱着時間を経過している場合は、吸着工程及び脱着工程を終了し均圧工程へと移行するよう制御を行う窒素ガス分離装置でもよい。

本発明は、前記制御部が、前記吸着工程に付されている吸着塔の製品ガス出口より流出してくるガス中の酸素濃度を検出し、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を当該酸素濃度に応じて決定するよう制御を行う窒素ガス分離装置でもよい。

本発明は、前記制御部が、前記吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔の塔中間部からガスを導出して、当該ガスを前記脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させる際に、前記吸着工程が終了した吸着塔の塔中間部から導出されたガスを分流して、前記脱着工程が終了した吸着塔の塔中間部と原料ガス入口又はその付近とから当該吸着塔にガスを導入するよう制御を行う窒素ガス分離装置でもよい。

本発明は、前記制御部が、前記脱着工程中の吸着塔へ製品ガスを導入することによる当該吸着塔内の洗浄を、脱着工程中に停止するよう制御を行う窒素ガス分離装置でもよい。

以上説明したように、本発明の窒素ガス分離方法及び装置によれば、窒素ガスの純度に応じてより省エネルギーで窒素ガスを得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態の窒素ガス分離方法を用いた窒素ガス分離装置の概略図である。 図２は、本発明の一実施形態の窒素ガス分離方法の各工程を示す図である。 図３は、実施例１と比較例１における窒素発生量と酸素濃度の関係を示す図である。

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を用いた窒素ガス分離装置を示している。図１において、本実施形態の窒素ガス分離装置１０は吸着塔（第１の吸着塔）１Ａと、吸着塔（第２の吸着塔）１Ｂと、製品槽２と、流量測定装置１８と、バルブＣＶ１〜ＣＶ１４と、制御装置２０とを備えている。各構成要素は配管によって接続されている。バルブＣＶ１〜ＣＶ１４は、それぞれ独立に制御される開閉バルブ（たとえば電磁弁）である。

具体的には、バルブＣＶ１及びＣＶ３は、それぞれ吸着塔１Ａ及び吸着塔１Ｂ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。原料ガス供給路Ｌ１は、入口ラインＬ１Ａを通じて吸着塔１Ａに繋がり、入口ラインＬ１Ｂを通じて吸着塔１Ｂに繋がっている。バルブＣＶ２及びＣＶ４は、それぞれ吸着塔１Ａ及び吸着塔１Ｂ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。ガス放出路Ｌ２は、入口ラインＬ１Ａを通じて吸着塔１Ａに繋がり、入口ラインＬ１Ｂを通じて吸着塔１Ｂに繋がっている。バルブＣＶ５及びＣＶ６は、それぞれ吸着塔１Ａ及び吸着塔１Ｂ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２及び流量測定装置１８が設けられている。製品ガス排出路Ｌ３は、出口ラインＬ１Ａ’を通じて吸着塔１Ａに繋がり、出口ラインＬ１Ｂ’を通じて吸着塔１Ｂに繋がっている。バルブＣＶ９〜ＣＶ１３は、吸着塔１Ａと吸着塔１Ｂ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ＣＶ１４は、吸着工程にある吸着塔１Ａまたは吸着塔１Ｂから取り出される製品ガスを洗浄ガスとして脱着工程にある吸着塔１Ａまたは吸着塔１Ｂに導く配管経路である洗浄ラインＬ１４を開閉する洗浄弁である。洗浄ラインＬ１４は、一端が吸着塔１Ａの製品窒素ガス出口に繋がる出口ラインＬ１Ａ’に接続され、他端が吸着塔１Ｂの製品窒素ガス出口に繋がる出口ラインＬ１Ｂ’に接続されている。なお、洗浄ラインＬ１４には、洗浄ガスの流量調節器としてオリフィスが設置されている。

バルブＣＶ９が設けられた配管経路である均圧ラインＬ９（出口連通ライン）は、一端が吸着塔１Ａの製品窒素ガス出口に繋がる出口ラインＬ１Ａ’に接続され、他端が吸着塔１Ｂの製品窒素ガス出口に繋がる出口ラインＬ１Ｂ’に接続されている。バルブＣＶ１０，ＣＶ１１，ＣＶ１２，ＣＶ１３が設けられた配管経路である連通ラインは、均圧ラインＬ１０（中間部連通ライン）と、中間部連通ラインＬ１０から分岐する分岐ラインとを有する。中間部連通ラインＬ１０は、吸着塔１Ａの塔中間部と吸着塔１Ｂの塔中間部とを接続するラインである。分岐ラインは、均圧ラインＬ１５（接続ライン）と、均圧ラインＬ１２（第１導入ライン）と、均圧ラインＬ１３（第２導入ライン）と、を有する。分岐ラインは、中間部連通ラインＬ１０を流れるガスを吸着塔１Ａ，１Ｂの原料ガス入口に導くラインである。

第１導入ラインＬ１２は、一端が入口ラインＬ１Ａに接続され、他端が接続ラインＬ１５に接続されている。第２導入ラインＬ１３は、一端が入口ラインＬ１Ｂに接続され、他端が接続ラインＬ１５に接続されている。接続ラインＬ１５は、一端が中間部連通ラインＬ１０におけるバルブＣＶ１０とバルブＣＶ１１との間の部位に接続され、他端が第１導入ラインＬ１２及び第２導入ラインＬ１３に接続されている。なお、図１の形態では、第１導入ラインＬ１２及び第２導入ラインＬ１３が接続ラインＬ１５を介して中間部連通ラインＬ１０に接続される構成に限られない。例えば、第１導入ラインＬ１２は、一端が入口ラインＬ１Ａに接続され、他端が中間部連通ラインＬ１０に直接接続され、第２導入ラインＬ１３は、一端が入口ラインＬ１Ｂに接続され、他端が中間部連通ラインＬ１０に直接接続されていてもよい。なお、接続ラインＬ１５、第１導入ラインＬ１２及び第２導入ラインＬ１３により構成される分岐ラインは、省略してもよい。

これらバルブＣＶ１〜ＣＶ１４は、タイマー設定された制御装置（制御部）２０により電気的に開閉を制御することができる。

吸着塔１Ａ及び吸着塔１Ｂ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３〜５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。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、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、例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１Ａ及び吸着塔１Ｂにより酸素ガスの吸着及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を動作させることによって、原料ガスから窒素ガスを分離濃縮する窒素ガス分離方法におけるガスの流れを具体的に説明する。図２は、原料ガスから窒素ガスを分離する工程の順序を示している。それぞれの吸着塔１Ａ，１Ｂにおいて、吸着工程、第１均圧工程、脱着工程、第２均圧工程を１サイクルとする工程を繰り返し、原料ガスから窒素ガスを製品ガスとして分離する。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、一方の吸着塔が第１均圧工程に付されている間、他方の吸着塔は第２均圧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。

具体的には、図２に示されるように、吸着塔１Ａが吸着工程に付されている間、吸着塔１Ｂは脱着工程に付される（（ｉ）の工程）。また、吸着塔１Ａが第１均圧工程に付されている間、吸着塔１Ｂは第２均圧工程に付され（（ｉｉ）の工程）、吸着塔１Ａが脱着工程に付されている間、吸着塔１Ｂは吸着工程に付され（（ｉｉｉ）の工程）、吸着塔１Ａが第２均圧工程に付されている間、吸着塔１Ｂ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１Ａが吸着工程に付され、吸着塔１Ｂ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及びバルブＣＶ６〜ＣＶ１３が閉止され、バルブＣＶ１、バルブＣＶ４、バルブＣＶ５及びバルブＣＶ１４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１Ａに供給される。なお、原料ガスは、空気圧縮機により圧縮されて加圧下で窒素ガス分離装置１０に供給される。吸着塔１Ａ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２に送られる。吸着塔１Ａ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、上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出口ラインＬ１Ａ’及び製品ガス排出路Ｌ３を通して製品槽２に送られる。製品槽２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１Ｂの一部のガスは原料ガス入口から導出されて入口ラインＬ１Ｂ及びガス放出路Ｌ２を通して窒素ガス分離装置１０の外部（通常は大気中）に放出される。これにより、吸着した酸素ガスが脱着されて吸着塔１Ｂ内の分子篩炭素が再生される。また、吸着塔１Ａにて分離された窒素ガスの一部は、出口ラインＬ１Ａ’、洗浄ラインＬ１４及び出口ラインＬ１Ｂ’を通して吸着塔１Ｂに送られる。そして、脱着工程に付されている吸着塔１Ｂ内を洗浄しながら通過し、入口ラインＬ１Ｂ及びガス放出路Ｌ２を通して窒素ガス分離装置１０の外部（通常は大気中）に放出される。

この時、制御装置２０は、製品槽２から流出される製品ガスの、流量測定装置１８で検出された流量の減少に応じて、吸脱着時間を延長するよう制御を行うようにしてもよい。これにより、製品窒素ガス純度の過度な上昇を抑えるだけでなく、原料ガスの供給量を少なくすることによる省エネルギーも可能となる。

また、制御装置２０は、流量測定装置１８により常時検出される製品ガス流量瞬時値に応じて吸脱着時間を決定するとともに、（ｉ）の工程中に流量測定装置１８により検出された製品ガス流量瞬時値に対して、当該製品ガス流量瞬時値に対応する吸脱着時間を経過している場合は、（ｉ）の工程を終了して（ｉｉ）の工程へと移行するよう制御を行うようにしてもよい。

また、制御装置２０は、吸着工程に付されている吸着塔１Ａの製品ガス出口より流出してくるガス中の酸素濃度を検出し、当該酸素濃度に応じて吸脱着時間を決定するよう制御を行うようにしてもよい。これにより、原料ガスの供給量を少なくすることによる省エネルギーが可能となる。この場合、製品ガス排出路Ｌ３には、流量測定装置１８とともに酸素濃度計（図示省略）が設けられる。

また、制御装置２０は、（ｉ）の工程中に、バルブＣＶ１４を閉止する制御を行うようにしてもよい。これにより、吸着塔１Ａから吸着塔１Ｂへの洗浄ガス（製品窒素ガス）の導入は停止される。

これにより、分子篩炭素の再生に必要な量以上の洗浄ガス（製品窒素ガス）を無駄に捨てることなく品質を維持したまま消費電力を削減することができる。

＜（ｉｉ）の工程＞
（ｉｉ）の工程は、吸着塔１Ａが第１均圧工程に付され、吸着塔１Ｂが第２均圧工程に付される工程である。具体的には、制御装置２０は、バルブＣＶ１〜ＣＶ６、バルブＣＶ８、バルブＣＶ１２及びバルブＣＶ１４を閉止し、バルブＣＶ７、バルブＣＶ９、バルブＣＶ１０、バルブＣＶ１１及びバルブＣＶ１３を開放する均圧制御を行う。そのため、吸着塔１Ａの製品ガス出口と吸着塔１Ｂの製品ガス出口がバルブＣＶ９を介して連通する出口ラインＬ１Ａ’、出口連通ラインＬ９及び出口ラインＬ１Ｂ’と、バルブＣＶ１０、バルブＣＶ１１及びバルブＣＶ１３を介して吸着塔１Ａの塔中間部から吸着塔１Ｂの塔中間部と原料ガス入口の２箇所に分岐して連通するラインＬ１０，Ｌ１５，Ｌ１３及び入口ラインＬ１Ｂにより、吸着工程の終了した吸着塔１Ａのガスが、脱着工程の終了した吸着塔１Ｂに移動する。さらに、吸着塔１Ａの一部ガスは、吸着塔１Ａの原料ガス入口からバルブＣＶ７のあるガス放出路Ｌ７を介して、窒素ガス分離装置１１の外部（通常は大気中）に放出される。なお、バルブＣＶ１４については開放する均圧制御を行ってもよい。

この時、バルブＣＶ９、バルブＣＶ１０、バルブＣＶ１１及びバルブＣＶ１３を開けるタイミングは同時でもよく、バルブＣＶ９、バルブＣＶ１０、バルブＣＶ１１及びバルブＣＶ１３をいずれかの組み合わせで順番に開けてもよい。但し、バルブＣＶ１１またはバルブＣＶ１３を開ける際は同時にバルブＣＶ１０を開けるものとする。また（ｉｉ）の工程において、バルブＣＶ９を閉鎖しておくことも可能である。この場合、連通するラインＬ１０，Ｌ１５，Ｌ１３及び入口ラインＬ１Ｂを通して、吸着塔１Ａの塔中間部からガスが流出して吸着塔１Ｂに導入される。なお、（ｉｉ）の工程では吸着塔１Ａから吸着塔１Ｂへガスを移動させるだけでなく、製品槽２から吸着塔１Ｂへ製品ガスを移動させてもよい。

また、（ｉｉ）の工程中に、制御装置２０は、製品槽２から流出される製品ガスの流量の減少に応じて、吸着塔１Ａ，１Ｂ間のガスの均圧度を変化させる均圧制御を行う。製品ガスの流量の減少に応じて均圧度を変化させる制御によって、前述のとおり窒素ガス分離装置１０の性能向上並びにエネルギー効率向上が可能となる。吸着塔１Ａ，１Ｂ間のガスの均圧度を変化させる方法としては、均圧ラインに流量制御装置を設置し移動するガスの流量制御を行う方法や、均圧工程実施時間を変化させる方法、また、均圧ラインの数を増やし均圧ラインに設置したバルブの開閉により変化させる方法などが挙げられ、均圧度を変化させる方法は１つに限定されるものではない。また、吸着塔１Ａ，１Ｂ間のガスの均圧度は、省エネルギーの観点から２０〜５０％の範囲であればよいが、さらなるエネルギー効率を考慮すると、２５〜５０％であることが好ましく、３５〜４５％であることがより好ましい。

＜（ｉｉｉ）の工程＞
（ｉｉｉ）の工程は、吸着塔１Ａが脱着工程に付され、吸着塔１Ｂ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及びバルブＣＶ７〜ＣＶ１３が閉止され、バルブＣＶ２、バルブＣＶ３、バルブＣＶ６及びバルブＣＶ１４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１Ｂに供給される。吸着塔１Ｂ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２に送られる。吸着塔１Ｂ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、上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出口ラインＬ１Ｂ’及び製品ガス排出路Ｌ３を通して製品槽２に送られる。製品槽２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１Ａの一部のガスは原料ガス入口から導出されて入口ラインＬ１Ａ及びガス放出路Ｌ２を通して窒素ガス分離装置１０の外部（通常は大気中）に放出される。これにより、吸着した酸素ガスが脱着されて吸着塔１Ｂ内の分子篩炭素が再生される。また、吸着塔１Ｂにて分離された窒素ガスの一部は、出口ラインＬ１Ｂ’、洗浄ラインＬ１４及び出口ラインＬ１Ａ’を通して吸着塔１Ａに送られる。そして、脱着工程に付されている吸着塔１Ａ内を洗浄しながら通過し、入口ラインＬ１Ａ及びガス放出路Ｌ２を通して窒素ガス分離装置１０の外部（通常は大気中）に放出される。

この時（ｉ）の工程と同様に、制御装置２０は、製品槽２から流出される製品ガスの、流量測定装置１８で検出された流量の減少に応じて、吸脱着時間を延長するよう制御を行うようにしてもよい。これにより、製品窒素ガス純度の過度な上昇を抑えるだけでなく、原料ガスの供給量を少なくすることによる省エネルギーも可能となる。

また、制御装置２０は、流量測定装置１８により常時検出される製品ガス流量瞬時値に応じて吸脱着時間を決定するとともに、（ｉｉｉ）の工程中に流量測定装置１８により検出された製品ガス流量瞬時値に対して、当該製品ガス流量瞬時値に対応する吸脱着時間を経過している場合は、（ｉｉｉ）の工程を終了して（ｉｖ）の工程へと移行するよう制御を行うようにしてもよい。

また、制御装置２０は、吸着工程に付されている吸着塔１Ｂの製品ガス出口より流出してくるガス中の酸素濃度を検出し、当該酸素濃度に応じて吸脱着時間を決定するよう制御を行うようにしてもよい。これにより、原料ガスの供給量を少なくすることによる省エネルギーが可能となる。

また、制御装置２０は、（ｉｉｉ）の工程中に、バルブＣＶ１４を閉止する制御を行うようにしてもよい。これにより、吸着塔１Ｂから吸着塔１Ａへの洗浄ガス（製品窒素ガス）の導入は停止される。

これにより、分子篩炭素の再生に必要な量以上の洗浄ガス（製品窒素ガス）を無駄に捨てることなく品質を維持したまま消費電力を削減することができる。

＜（ｉｖ）の工程＞
（ｉｖ）の工程は、吸着塔１Ａが第２均圧工程に付され、吸着塔１Ｂが第１均圧工程に付される工程である。具体的には、制御装置２０は、バルブＣＶ１〜ＣＶ７及びバルブＣＶ１３，ＣＶ１４を閉止し、バルブＣＶ８〜ＣＶ１２を開放する均圧制御を行う。そのため、吸着塔１Ａの製品ガス出口と吸着塔１Ｂの製品ガス出口がバルブＣＶ９を介して連通する出口ラインＬ１Ａ’、出口連通ラインＬ９及び出口ラインＬ１Ｂ’と、バルブＣＶ１０〜ＣＶ１３を介して吸着塔１Ａの塔中間部から吸着塔１Ｂの塔中間部と原料ガス入口の２箇所に分岐して連通するラインＬ１０，Ｌ１２，Ｌ１５及び入口ラインＬ１Ａにより、吸着工程の終了した吸着塔１Ｂのガスが、脱着工程の終了した吸着塔１Ａに移動する。さらに、吸着塔１Ｂの一部ガスは、吸着塔１Ｂの原料ガス入口からバルブＣＶ８のあるガス放出路Ｌ８を介して、窒素ガス分離装置１１の外部（通常は大気中）に放出される。なお、バルブＣＶ１４については開放する均圧制御を行ってもよい。

この時、バルブＣＶ９〜ＣＶ１２を開けるタイミングは同時でもよく、バルブＣＶ９〜ＣＶ１２をいずれかの組み合わせで順番に開けてもよい。但し、バルブＣＶ１０またはバルブＣＶ１２を開ける際は同時にバルブＣＶ１１を開けるものとする。また（ｉｖ）の工程において、バルブＣＶ９を閉鎖しておくことも可能である。この場合、連通するラインＬ１０，Ｌ１２，Ｌ１５及び入口ラインＬ１Ａを通して、吸着塔１Ｂの塔中間部からガスが流出して吸着塔１Ａに導入される。なお、（ｉｖ）の工程では吸着塔１Ｂから吸着塔１Ａへガスを移動させるだけでなく、製品槽２から吸着塔１Ａへ製品ガスを移動させてもよい。

また、（ｉｖ）の工程中に、制御装置２０は、製品槽２から流出される製品ガスの流量の減少に応じて、吸着塔１Ａ，１Ｂ間のガスの均圧度を変化させる均圧制御を行う。製品ガスの流量の減少に応じて均圧度を変化させる制御によって、前述のとおり窒素ガス分離装置１０の性能向上並びにエネルギー効率向上が可能となる。吸着塔１Ａ，１Ｂ間のガスの均圧度を変化させる方法としては、均圧ラインに流量制御装置を設置し移動するガスの流量制御を行う方法や、均圧工程実施時間を変化させる方法、また、均圧ラインの数を増やし均圧ラインに設置したバルブの開閉により変化させる方法などが挙げられ、均圧度を変化させる方法は１つに限定されるものではない。また、吸着塔１Ａ，１Ｂ間のガスの均圧度は、省エネルギーの観点から２０〜５０％の範囲であればよいが、さらなるエネルギー効率を考慮すると、２５〜５０％であることが好ましく、３５〜４５％であることがより好ましい。

以上の（ｉ）〜（ｉｖ）の工程を１サイクルとして、吸着塔１Ａと吸着塔１Ｂとにおいて酸素ガスの吸着および脱着が交互に繰り返され、原料ガスから窒素ガスが分離濃縮された製品ガスが調製される。

本実施形態の窒素ガス分離方法によれば、従来よりも高性能な窒素ガス分離装置を提供することができる。

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ＧＮ−ＵＣ−Ｓ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。その際の吸着工程における吸着塔の到達圧力は０．６４ＭＰａとした。

また、すべての実施例の共通条件として、図１に示されるような、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た。ライン１０は、その一端が吸着塔１Ａの原料ガス入口側から５０％の位置（原料ガス入口と製品ガス出口との間の中央位置）に接続され、他端が吸着塔１Ｂの原料ガス入口側から５０％の位置（原料ガス入口と製品ガス出口との間の中央位置）に接続されている。

（実施例１）
図１に示す装置を使って、製品窒素ガスの流量を１．７Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝１００％），１．１Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝６７％），０．８５Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝５０％），０．５７Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝３３％）と減らしていき、吸脱着時間を８０秒、１２０秒、１６０秒、２４０秒と延長した。また、吸脱着工程中は常に洗浄ガス（製品窒素ガス）による脱着工程に付された吸着塔の洗浄を実施した。そしてそれぞれの状態で、表１に示すように吸着塔間のガスの均圧度を変更し、その時の製品ガス中の酸素濃度と原料空気消費率を測定した。なお、吸着塔間のガスの均圧度は、均圧工程実施時間を変化させることにより変化させた。

（比較例１）
図１に示す装置を使って、製品窒素ガスの流量を１．７Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝１００％），１．１Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝６７％），０．８５Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝５０％），０．５７Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝３３％）と減らしていき、吸脱着時間を８０秒、１２０秒、１６０秒、２４０秒と延長した。そしてそれぞれの状態で、均圧度を４２％で一定とし、その時の製品ガス中の酸素濃度と原料空気消費率を測定した。

図３は、実施例１と比較例１における窒素発生量と酸素濃度の関係を示す図である。表２及び図３に示すように、吸脱着時間が長いほど均圧度が低くなるように均圧度を変化させていくことで、均圧度一定の場合と比較して酸素濃度の増加を招くことなく吸脱着時間を延長することが可能となっていた。つまり、製品窒素ガスの流量が減少した場合に、窒素純度を保持したままより吸脱着時間を延長することができるため、それに伴いより原料空気使用量の少ない省エネルギーな運転が可能となることが判った。

（実施例２）
図１に示す装置を使って、製品窒素ガスの流量を１．７Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝１００％），０．５７Ｌ／ｍｉｎ（製品窒素発生率＝３３％）と減らし、吸脱着時間を８０秒、２４０秒と延長した。そしてそれぞれの状態で、表２に示すように均圧度を変更し、吸脱着時間８０秒の場合は吸脱着工程中常に脱着工程に付された吸着塔の洗浄を実施するのに対し、吸脱着時間２４０秒の場合は吸脱着時間が１２０秒に到達したところで、図１中のバルブＣＶ１４を閉止し洗浄ガス（製品窒素ガス）による洗浄を停止した。その時の製品ガス中の酸素濃度と原料空気消費率を測定した。

表１に示すように、吸脱着時間を延長した際に洗浄ガス（製品窒素ガス）の導入を途中で停止することにより、吸脱着工程中常に洗浄ガス（製品窒素ガス）を導入する場合と同等の窒素ガス純度を維持したまま、より原料空気消費量の少ない省エネルギーな運転が可能となることが判った。

本発明は、使用する窒素ガスの純度に応じて、窒素ガスをより省エネルギーで取得することのできる窒素ガス分離方法及び窒素ガス分離装置として有用である。

１０ 窒素ガス分離装置
１Ａ、１Ｂ 吸着塔
２ 製品槽
１８ 流量測定装置
２０ 制御装置
ＣＶ１〜ＣＶ１４ バルブ
Ｌ１ 原料ガス供給路
Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ 入口ライン
Ｌ１Ａ’、Ｌ１Ｂ’ 出口ライン
Ｌ２ ガス放出路
Ｌ３ 製品ガス排出路
Ｌ７、Ｌ８ ガス放出路
Ｌ９、Ｌ１０、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１５ 均圧ライン
Ｌ１４ 洗浄ライン

Claims (11)

1. 分子篩炭素が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む原料ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、窒素ガスを製品ガスとして分離する窒素ガス分離方法であって、
   製品ガスの流量の減少に応じて、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を延長し、
   吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔の塔中間部からガスを導出して、当該ガスを脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させるとともに、前記吸着工程が終了した吸着塔の原料ガス入口付近からガスの一部を放出し、
   前記均圧工程において、製品ガス中の酸素濃度が所定の許容範囲内に収まるように前記吸着塔間のガスの均圧度を前記吸脱着時間に応じて設定し、前記吸脱着時間が長いほど前記均圧度が低くなるように、当該均圧度を変化させる窒素ガス分離方法。
2. 製品ガス流量瞬時値を検出し、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を当該製品ガス流量瞬時値に応じて決定するとともに、吸着工程及び脱着工程中に検出した製品ガス流量瞬時値に対して、当該製品ガス流量瞬時値に対応する吸脱着時間を経過している場合は、吸着工程及び脱着工程を終了し均圧工程へと移行する請求項１に記載の窒素ガス分離方法。
3. 前記吸着工程に付されている吸着塔の製品ガス出口より流出してくるガス中の酸素濃度を検出し、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を当該酸素濃度に応じて決定する請求項１に記載の窒素ガス分離方法。
4. 前記吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔の塔中間部からガスを導出して、当該ガスを前記脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させる際に、前記吸着工程が終了した吸着塔の塔中間部から導出されたガスを分流して、前記脱着工程が終了した吸着塔の塔中間部と原料ガス入口又はその付近とから当該吸着塔にガスを導入する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒素ガス分離方法。
5. 前記脱着工程中の吸着塔へ製品ガスを導入することによる当該吸着塔内の洗浄を、脱着工程中に停止する請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒素ガス分離方法。
6. 前記吸着塔間のガスの均圧度を変化させる際に、均圧度を２０〜５０％の範囲とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒素ガス分離方法。
7. 窒素ガスと酸素ガスとを含む原料ガスから窒素ガスを製品ガスとして分離する窒素ガス分離装置であって、
   分子篩炭素が充填された第１の吸着塔と、分子篩炭素が充填された第２の吸着塔と、前記第１の吸着塔及び第２の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部と、を有し、
   前記制御部は、
   製品ガスの流量の減少に応じて、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を延長するよう制御を行い、
   吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔の塔中間部からガスを導出して、当該ガスを脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させるとともに、前記吸着工程が終了した吸着塔の原料ガス入口付近からガスの一部を放出する均圧制御を行い、
   前記均圧制御において、製品ガス中の酸素濃度が所定の許容範囲内に収まるように前記吸着塔間のガスの均圧度を前記吸脱着時間に応じて設定し、前記吸脱着時間が長いほど前記均圧度が低くなるように、当該均圧度を変化させる窒素ガス分離装置。
8. 前記制御部は、製品ガス流量瞬時値を検出し、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を当該製品ガス流量瞬時値に応じて決定するとともに、吸着工程及び脱着工程中に検出した製品ガス流量瞬時値に対して、当該製品ガス流量瞬時値に対応する吸脱着時間を経過している場合は、吸着工程及び脱着工程を終了し均圧工程へと移行するよう制御を行う請求項７に記載の窒素ガス分離装置。
9. 前記制御部は、前記吸着工程に付されている吸着塔の製品ガス出口より流出してくるガス中の酸素濃度を検出し、各吸着塔において吸着工程と脱着工程を行う吸脱着時間を当該酸素濃度に応じて決定するよう制御を行う請求項７に記載の窒素ガス分離装置。
10. 前記制御部は、前記吸着工程が終了した吸着塔での均圧工程において当該吸着塔の塔中間部からガスを導出して、当該ガスを前記脱着工程が終了して均圧工程にある吸着塔へ移動させる際に、前記吸着工程が終了した吸着塔の塔中間部から導出されたガスを分流して、前記脱着工程が終了した吸着塔の塔中間部と原料ガス入口又はその付近とから当該吸着塔にガスを導入するよう制御を行う請求項７〜９のいずれか１項に記載の窒素ガス分離装置。
11. 前記制御部は、前記脱着工程中の吸着塔へ製品ガスを導入することによる当該吸着塔内の洗浄を、脱着工程中に停止するよう制御を行う請求項７〜１０のいずれか１項に記載の窒素ガス分離装置。

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