JP6823979B2

JP6823979B2 - 気体分離装置

Info

Publication number: JP6823979B2
Application number: JP2016179103A
Authority: JP
Inventors: 広明齋藤; 勝本　武; 武勝本
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2036-09-14
Also published as: JP2018043186A

Description

本発明は気体分離装置に関する。

本技術分野の背景として、特許文献１がある。特許文献１には、吸着槽２３, ２４が均圧工程のとき排気弁１５を閉弁させてコンプレッサ１３をアンロード運転させる気体分離装置が記載されている。

特開平９−２４２３１

特許文献１によれば吸着工程時にコンプレッサからの圧縮空気の供給を連続して受けることができるが、均圧工程時にコンプレッサにより作られた圧縮空気を排気してしまうため、その分コンプレッサの運転に必要な電力を無駄に消費してしまう。また、排気を行うための機構も必要となる。

本発明では均圧工程時に圧縮空気を排気することなく、無駄な電力消費を抑制した気体分離装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気を貯留する空気槽と、前記空気槽の圧力を検出する圧力検出手段と、内部に吸着剤が充填され、前記空気槽から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして分離する複数の吸着槽と、前記圧縮機本体の運転・停止と前記吸着槽における気体分離工程を制御する制御部とを備え、前記制御部は、複数の前記吸着槽を連通させる均圧工程時に前記圧縮機が通常運転を維持するように前記圧縮機を制御することを特徴とする気体分離装置を提供する。

本発明によれば、均圧工程時に圧縮空気を排気することなく、無駄な電力消費を抑制した気体分離装置を提供することができる。

本発明の実施例１における気体分離装置を示す全体構成図である。本発明の実施例１における気体分離装置の各工程を示す図である。従来例における空気槽、吸着槽の圧力変化を示すグラフである。本発明の実施例１における空気槽、吸着槽の圧力変化を示すグラフである。本発明の実施例２における気体分離装置の各工程を示す図である。

本発明の実施例１について図１を用いて説明する。本実施例における気体分離装置の全体構成について図１を用いて説明する。

図１に示す気体分離装置１はＰＳＡ式の気体分離装置である。気体分離装置１は、空気を供給する空気供給ユニット２と、製品ガスを生成するＰＳＡユニット３で構成される。
本実施例では、一例として空気供給ユニット２とＰＳＡユニット３は別筐体に分かれて格納されているが、上記二つのユニットが同じ筐体内に格納されていてもよい。

この空気供給ユニットは、空気を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４を駆動する電動モータ（図示省略）と圧縮空気を貯留させる空気槽５と、空気槽５の圧力を検出する圧力検出手段８と、圧縮空気を除湿するエアードライヤー６と、析出したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルタ７を有している。圧縮機４は圧力検出手段８による検出信号が制御部６０に出力され、制御部６０により設定された運転圧力と制御圧力により運転制御がなされる。即ち、圧縮機４は空気槽５の圧力が運転圧力以下になると通常運転を開始する。そして、空気槽５の圧力が運転圧力から上昇し、制御圧力以上になると圧縮機４は通常運転状態から停止状態またはアンロード運転状態になるように制御される。なお、制御圧力に到達した場合、圧縮機４の通常運転状態を維持し、空気槽５の空気を排気してもよい。本実施例では、一例として、これら圧縮機４と、空気槽５と、エアードライヤー６とドレンフィルタ７とは筐体に格納されている。一方、ＰＳＡユニット３は、空気供給ユニット２から供給される圧縮空気から所定の気体を分離することにより、製品ガスを生成する吸着槽１９ａ、１９ｂと、製品ガス（窒素）を貯留する窒素槽（製品ガス貯留タンク）４１を有している。

空気槽５で貯留された圧縮空気は後述の吸着槽１９ａ、１９ｂに供給され、空気槽５で貯留された圧縮空気から所定の気体が分離される。本実施例では、吸着槽１９ａ、１９ｂで酸素を吸着することにより、窒素を分離する場合について説明するが、窒素を吸着することにより酸素を分離してもよいし、大気以外の圧縮空気から他の気体を分離するものであってもよい。また、本実施例では吸着槽１９ａ，１９ｂの２本の吸着槽により気体分離装置を構成しているが、３本以上の吸着槽により構成される気体分離装置であってもよい。

圧縮機４として、往複動式、スクリュー式あるいはスクロール式等の圧縮機や、外部から１次圧を供給され再圧縮するブースタ圧縮機等が用いられている。

空気槽５には、空気槽５からの圧縮空気を流す配管１６が接続されており、この配管１６の端末位置には２系統に分岐した配管１７ａ、１７ｂが接続されている。配管１７ａ、１７ｂには、それぞれ流路を開閉する供給弁１８ａ、１８ｂが途中に設けられており、酸素分子を吸着して窒素ガスを製品ガスとして取り出すための吸着槽１９ａ，１９ｂがそれぞれ接続されている。この吸着槽は容積一定である。また、配管１７ａ、１７ｂには、それぞれ供給弁１８ａ、１８ｂと吸着槽１９ａ，１９ｂとの間位置に配管２１ａ、２１ｂが接続されており、これら配管２１ａ、２１ｂには、途中に流路を開閉する排気弁２２ａ、２２ｂが、端末に消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ２３が設けられている。この排気サイレンサは各吸着槽１９ａ、１９ｂ毎に設けられていてもよい。また、配管１７ａ、１７ｂには、互いの配管２１ａ、２１ｂと吸着槽１９ａ、１９ｂとの間位置を結ぶように配管２５ａ、２５ｂが接続されており、この配管２５ａ、２５ｂには流路を開閉する下均圧弁２６ａ、２６ｂが設けられている。

吸着槽１９ａ，１９ｂには、例えば、酸素分子を吸着する吸着手段である吸着剤が充填されている。吸着剤は、具体的には分子ふるいカーボンやゼオライト等を用いている。吸着槽１９ａ、１９ｂには、互いに合流する配管３１ａ、３１ｂがそれぞれ接続されている。これら配管３１ａ、３１ｂには、互いの吸着槽１９ａ、１９ｂ側同士を結ぶように配管３２ａ、３２ｂが接続されており、この配管３２ａ、３２ｂには絞り３３が設けられている。また、配管３１ａ、３１ｂには、配管３５ａ、３５ｂが接続されておりこの配管３５ａ、３５ｂには流路を開閉する上均圧弁３６ａ、３６ｂが設けられている。また、配管３１ａ、３１ｂには、それぞれの配管３５ａ、３５ｂよりも吸着槽１９ａ、１９ｂとは反対側に流路を開閉する取出し弁３８ａ、３８ｂがそれぞれ設けられている。配管３１ａ、３１ｂの合流位置には配管４０が接続されており、この配管４０には窒素ガスを貯留させる製品ガス貯留タンクとしての窒素槽４１が接続されている。この窒素槽４１には、吐出口４２が設けられた配管４３が接続されており、この配管４３の途中位置には窒素槽４１側から順に、塵埃等を除去するとともにガスの圧力を調整するフィルタレギュレータ４４、流路を開閉する吐出弁４５、製品ガスの流量を調整する流量調整弁４６、製品ガスの流量をセンシングする流量センサ６１が設けられている。また、流量センサ６１は必要に応じて構成すれば良い。配管４３のフィルタレギュレータ４４と吐出弁４５との間位置には配管４８および配管４９が接続されており、配管４８には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５０と、ガスの流量を調整する流量調整弁５１と、サイレンサ５２とが設けられている。配管４９には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５４と、ガスの流量を調整する流量調整弁５５と、酸素濃度を検出する酸素センサ５６とが設けられている。酸素センサ５６および流量センサ６１は制御部６０に通信可能に接続されており、検出信号を制御部６０に出力する。制御部６０は検出信号を受けて、吸着槽１９ａ、１９ｂにおける窒素ガスの生成を制御する。

具体的には、供給弁１８ａ、１８ｂ、排気弁２２ａ、２２ｂ、下均圧弁２６ａ、２６ｂ、上均圧弁３６ａ、３６ｂ、取出し弁３８ａ、３８ｂ、吐出弁４５、開閉弁５０および５４は、制御部６０に通信可能に接続されており、制御部６０からの指令で作動する。

ここまで、気体分離装置１の構成を説明してきたが、ここで気体分離装置において行われる気体分離方法について説明する。

気体分離装置１では、圧縮機４によって空気を圧縮する圧縮工程、圧縮工程により圧縮された空気を空気槽５に貯留する貯蔵工程、圧縮空気をエアードライヤー６により除湿する除湿工程、除湿工程により除湿された空気から気体を分離する分離工程が行われる。

気体分離装置１の分離工程では、図２のように以下の（ａ）〜（ｄ）の工程が順次繰り返される。

（ａ）吸着・還流工程：圧縮機４により圧縮され空気槽５に貯留された圧縮空気を、供給弁１８を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽１９に供給するとともに、窒素槽４１内に残存する窒素ガスを、取出し弁３８を開くことで吸着槽１９に還流して吸着槽１９内を昇圧させ、圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程。

（ｂ）取出し工程：吸着工程から引き続いて、空気槽５から圧縮空気を吸着槽１９に供給し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽１９より取出して窒素槽４１に貯留させる工程。

（ｃ）均圧工程：上均圧弁３６および下均圧弁２６を開くことにより、取出し工程終了後の一対の吸着槽１９を連通させて均圧化を図り、次回の吸着工程の吸着効率を高めて、より高純度の窒素ガスを生成するための工程。

（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽１９内を、排気弁２２を開くことにより配管２１を介して、吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程。なお、この再生工程において、排気弁２２以外の吸着槽１９に関連する供給弁１８、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取出し弁３８は、閉状態とする。

図２の（１）（２）で示す通り、吸着槽１９ａで吸着工程・取出し工程（工程（ａ）（ｂ））が行われている間に吸着槽１９ｂでは、再生工程（工程（ｄ））が行われる。その後、図２の（３）で示す通り、（ｃ）均圧工程が同時に行われ、吸着槽１９ａ、１９ｂを入れ替えて吸着工程・取出し工程（工程（ａ）（ｂ））と再生工程（工程（ｄ））が行われる。

上記の吸着工程（ａ）、取出し工程（ｂ）、均圧工程（ｃ）の時間を併せてサイクルタイムと呼ぶ。

図３に、従来例における空気槽５、吸着槽１９ａ、１９ｂの圧力変化のグラフを示す。均圧工程時は吸着槽１９への空気供給弁１８を閉状態にするため、空気槽５の圧力は急激に上昇する。この時、もし空気槽５の圧力が、圧縮機がアンロードまたは停止する所定の制御圧力Ｐ１に達すると、圧縮機４が停止してしまう。このとき、均圧工程の次工程である吸着工程に切替わる時に、圧縮機運転による圧力復帰に時間がかかる。そのため、この圧力が復帰する間に空気槽５の圧力は低下し、次の吸着工程での製品ガスの圧力、濃度低下につながる。

また、従来は圧縮機４がアンロードまたは停止するのを回避するために排気弁により圧縮空気を排気することもあった。しかし、これによって無駄なエネルギーを消費していた。

図４に、本実施例における空気槽５、吸着槽１９ａ、１９ｂの圧力変化のグラフを示す。本実施例では、均圧工程の間に図４のように圧縮機４の制御圧力の閾値をＰ１からＰ２に上げる。これにより、均圧工程時の供給弁１８が閉状態から、空気槽５の圧力が上昇してＰ1以上になってもＰ２以下であれば、圧縮機４がアンロードおよび停止するのを回避し、圧縮機４の通常運転状態を維持しやすくなる。また、均圧工程時に排気弁２２によって吸着槽１９ａ、１９ｂの圧縮空気を排気する必要がなく、無駄なエネルギー消費を抑えることができる。

本実施例によれば、従来、排気弁により圧縮空気を排気することで圧縮機４のアンロードおよび停止を回避していた制御を無くすことができる。また、均圧工程時に排気弁２２によって吸着槽１９ａ、１９ｂの圧縮空気を排気しないため、無駄なエネルギーを押させることができる。また、高圧の空気を供給できるので精製効率を上げることもできる。

本発明の実施例２について説明する。気体分離装置の構成については前述した図１と同様である。実施例１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施例２では均圧工程時Ｐ１とＰ２の圧力幅が少ない場合、または精製ガスの使用が少ない場合など容易に空気槽圧力がＰ２に達する状態のとき、吸着槽へ空気槽５に貯留している圧縮空気を供給することで排気することなく、圧縮機４を連続運転させることができる。

本実施例における気体分離装置１の分離工程は、図５の（１）〜（４）のようになる。（１）〜（３）までは、実施例１と同様である。図５の（３）に示す均圧工程時に図５の（２）に示す取出し工程後の吸着槽１９ａと次に吸着工程となる吸着槽１９ｂは上均圧弁３５、下均圧弁２６を開状態にすることにより連通させて１９ａから１９ｂに窒素ガスを送る。

圧力検出手段８により検出された圧力が均圧時変更制御圧力Ｐ２に達するｔ秒前に、空気槽５に貯留している圧縮空気を使用するため、図５の（４）のように供給弁１８ａを開状態とし、さらに空気槽５側にある下均圧弁２６を閉状態にする。一方、空気槽５とは反対側（窒素槽４１側）にある上均圧弁３６は開状態のままである。即ち、均圧工程の前の工程で取出し工程を行っていた方の吸着槽１９ａ側の供給弁１８ａを開く。これにより、圧縮空気を吸着槽１９ａに送り吸着槽１９ａにて精製した窒素ガスを下から押し上げる。さらに、上均圧弁３６を介して吸着槽１９ｂに送り込むことで、次吸着工程となる吸着槽１９ｂの槽内状態を好条件（高圧かつ高純度）にすることができる。

本実施例によれば、空気槽５の圧力の増加率が大きく、Ｐ２以上になりそうな場合でも圧縮機４の停止を回避し、圧縮空気を無駄にすることなく気体分離を行うことができる。

ｔ秒は固定でもよい。または圧力の上昇状態により決定してもよい。

圧力の上昇を促すのは精製ガスの使用流量が少ない場合なので流量センサ６１による監視、または窒素槽４１、吸着槽１９の圧力変動より監視することが可能である。

これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、本発明は複数の実施例を組み合わせることによって実施してもよい。

１・・・ＰＳＡ式気体分離装置
２・・・圧縮機部
３・・・ＰＳＡ部
４・・・空気圧縮機
５・・・空気槽
６・・・エアードライヤー
７・・・ドレンフィルタ
８・・・圧力検出手段
１８・・・供給弁
１９・・・吸着槽
２２・・・排気弁
２３・・・排気口
２６・・・下均圧弁
３６・・・上均圧弁
３８・・・取出し弁
４１・・・窒素槽
６０・・・制御部

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮された空気を貯留する空気槽と、
内部に吸着剤が充填され、前記空気槽から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして分離する複数の吸着槽と、
前記圧縮機本体の運転・停止と前記吸着槽における気体分離工程を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記空気槽の圧力が制御圧力以上になると、前記圧縮機を通常運転状態からアンロード運転状態または停止状態に切り替え、前記吸着槽が前記均圧工程時に前記制御圧力を上昇させることを特徴とする気体分離装置。
前記制御部は、前記吸着槽が前記均圧工程時に前記空気槽の圧力が前記制御圧力に達した場合、前記空気槽から前記吸着槽へ圧縮空気を供給することを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
前記制御部は前記均圧工程時に前記吸着槽内の気体を排気しないことを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
前記制御部は、分離した前記製品ガスを取り出す取出し工程を前記均圧工程前に行っていた前記吸着槽へ前記空気槽から圧縮空気を供給することを特徴とする請求項２に記載の気体分離装置。
前記制御部は、前記空気槽側にある均圧弁を閉じることを特徴とする請求項２に記載の気体分離装置。
前記制御部は前記空気槽と反対側にある均圧弁は開状態とすることを特徴とする請求項５に記載の気体分離装置。