JP6905508B2 - 濃縮された目的ガスの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、圧力変動吸着法により目的ガスが濃縮された製品ガスを製造するための方法に関する。
空気などの酸素（目的ガス）および窒素（不要ガス）を含む混合ガスから目的ガスとしての酸素を分離回収する方法として、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）が知られている。ＰＳＡ法により得られる濃縮酸素ガス（製品ガス）は、例えば、電炉製鋼、非鉄金属の精錬、ゴミ焼却、製紙、水処理施設での酸素曝気、オゾン発生装置などの酸素を多量に消費する分野において使用される他、小型のものは在宅医療用としても使用される。
ＰＳＡ法により酸素を濃縮回収する技術としては、複数の（例えば２〜４）の吸着塔をを利用して、例えば吸着、減圧、脱着、昇圧を含むサイクルを各吸着塔で繰り返すことにより濃縮酸素ガスが高い回収率で得られるように工夫したものが知られている。吸着および昇圧の操作時にはブロワにより混合ガスが吸着塔へ供給され、減圧および脱着の操作時には真空ポンプにより吸着塔の内部が減圧される。複数の吸着塔を用いて行うＰＳＡ法の中でも、２塔の吸着塔を用いる場合において、電力原単位（単位酸素発生量あたりのガス分離操作に係る消費電力）や装置製造コスト等について、様々な改良が試みられており、電力原単位低減の観点から、ブロワと真空ポンプを効率良く使用する方法が以前から提案されている。
具体的には、２塔式のＰＳＡ法で、連続的に混合ガスの供給を行ない、且つ真空ポンプを連続的に使用して吸引排気を行なうシステムにおいて、製品となる濃縮酸素ガスを用いて吸着剤を洗浄するシステム（例えば特許文献１参照）や、吸着塔内の残留濃縮酸素ガスを用いて吸着剤を洗浄するシステム（例えば特許文献２の実施例３参照）が知られている。
一般的に、ＰＳＡガス分離装置は数年で使用不可になるようなものではなく、１０年以上の長期使用が前提である。このため、電力原単位の低減と装置製造コストの低減はどちらも有用であるが、特に電力原単位の低減が強く望まれている。特許文献１に開示された技術では、混合ガスを常に投入し且つ真空ポンプを連続稼動して電力原単位低減を試みているが、製品となる濃縮酸素ガスを用いて洗浄をしているため、濃縮酸素ガスを無駄に消費し、酸素の回収率が低下するという問題があった。
また、特許文献２の実施例３の技術では、混合ガスを常に投入し且つ真空ポンプを連続稼動しており、吸着塔内の残留濃縮酸素ガスを用いた洗浄を行なっている。しかし、真空ポンプ風量とブロワ風量が同じ条件では、洗浄を行わない同文献の実施例１よりも濃縮酸素ガス発生量が少なくなっており効率よく濃縮酸素ガスを得ることができないという問題があった。
上記のように濃縮酸素ガスを効率よく発生できない問題の原因としては、混合ガスを常に投入し且つ真空ポンプを連続して使用して吸着塔内に残留濃縮酸素ガスを供給すると、酸素濃度が低い混合ガスと残留濃縮酸素ガスとが混ざってしまうため、洗浄ガスの酸素濃度が低くなり、洗浄による吸着剤の再生効果が低下してしまうことが考えられる。
また、特許文献２の技術である、混合ガスを常に投入し且つ真空ポンプを連続使用して吸着塔内の残留濃縮酸素ガスでの洗浄を実施するシステムは、高い圧力を有する吸着塔にブロワを用いて混合ガスを供給することになるため、ブロワでは負荷がかかり電力原単位低減の観点からは好ましくないと考えられていた。
特開平１１−１７９１３３号公報 特開平２−１１９９１５号公報
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスからＰＳＡ法により目的ガスが濃縮された製品ガスを製造するにあたり、目的ガスの回収効率の低下を抑制しつつ電力原単位の低減を図るのに適した方法を提供することを主たる課題とする。
本発明の実施形態に係る目的ガスの製造方法は、目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、上記不要ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された第１の吸着塔および第２の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記目的ガスが濃縮された製品ガスを製造するにあたって、上記課題を解決する。上記方法は、上記第１の吸着塔と第２の吸着塔とを連通させた状態にて、上記第１の吸着塔に上記混合ガスを供給する一方、上記第２の吸着塔から塔内ガスの排気を行うステップ１と、上記第１の吸着塔と第２の吸着塔とを連通させた状態にて、上記第１の吸着塔から塔内ガスの排気を行う一方、上記第２の吸着塔に上記混合ガスを供給するステップ２と、上記第１の吸着塔と上記第２の吸着塔とを連通させない状態にて、上記第１の吸着塔から塔内ガスの排気を行う一方、上記第２の吸着塔に上記混合ガスを供給し、上記第２の吸着塔からの製品ガスの回収を少なくとも一部の時間において行うステップ３と、上記第１の吸着塔と第２の吸着塔とを連通させた状態にて、上記第２の吸着塔に上記混合ガスを供給する一方、上記第１の吸着塔から塔内ガスの排気を行うステップ４と、上記第１の吸着塔と第２の吸着塔とを連通させた状態にて、上記第２の吸着塔から塔内ガスの排気を行う一方、上記第１の吸着塔に上記混合ガスを供給するステップ５と、上記第１の吸着塔と上記第２の吸着塔とを連通させない状態にて、上記第２の吸着塔から塔内ガスの排気を行う一方、上記第１の吸着塔に上記混合ガスを供給し、上記第１の吸着塔からの製品ガスの回収を少なくとも一部の時間において行うステップ６と、を含むサイクルを繰り返し行う。
好ましくは、上記第１の吸着塔および第２の吸着塔への上記混合ガスの供給の少なくとも一部は、ターボブロワを用いて行う。
好ましくは、上記ステップ１および上記ステップ４の各ステップにおいて、当該ステップの開始時と終了時との上記混合ガス導入側である上記吸着塔の圧力低下が、上記ステップ１ないしステップ６を通じた当該吸着塔の最高圧力と最低圧力との圧力差の−５〜２５％、特に０〜１５％の範囲とされる。
好ましくは、上記ステップ１〜６による１サイクルの時間に対して上記ステップ１および上記ステップ４の各ステップの占める時間比率が、２〜１８％、特に６〜１４％である。
好ましくは、上記ステップ２および上記ステップ５の各ステップの終了時において、上記第１の吸着塔と上記第２の吸着塔との圧力差が５ｋＰａ以内である。
好ましくは、上記ステップ３および上記ステップ６の各ステップにおいて上記吸着塔から導出される上記製品ガスは、貯留タンクに一時的に貯留される。
好ましくは、上記ステップ３および上記ステップ６の各ステップは、当該各ステップの初期において、上記混合ガスを導入している上記吸着塔と上記貯留タンクとを連通させて、上記混合ガスの導入に加えて、上記貯留タンク内の上記製品ガスを当該吸着塔に送ることにより昇圧を行う操作を含む。
好ましくは、上記ステップ３および上記ステップ６の各ステップは、当該各ステップの初期において、上記混合ガスを導入している上記吸着塔と上記貯留タンクとを連通させずに、上記混合ガスの導入のみによって当該吸着塔の昇圧を行う操作を含む。
好ましくは、上記混合ガスの温度に応じて、上記ステップ３および上記ステップ６を行うのに最適な継続時間を算出し、上記ステップ３および上記ステップ６の各ステップの継続時間を更新する。
好ましくは、上記目的ガスは酸素であり、上記不要ガスは窒素である。
好ましくは、上記ターボブロワの吐出圧力を大気圧よりも高くする。
本発明の製品ガスの製造方法によれば、混合ガスを常に投入し且つ真空ポンプを連続して使用する場合でも、吸着塔内の残留濃縮目的ガス（製品ガスを多く含むガス）を用いた洗浄を有効に行うことが可能となり、また、上記洗浄中の相対的に高い圧力に混合ガスを供給しても、電力原単位の低減が可能となる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
本発明の実施形態に係る製品ガスの製造方法を実現するための製品ガス製造装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る製品ガスの製造方法の各ステップに対応するガスの流れ図である。 本発明の他の実施形態に係る製品ガスの製造方法の各ステップに対応するガスの流れ図である。 本発明の比較例に係る製品ガスの製造方法の各ステップに対応するガスの流れ図である。 本発明の他の比較例に係る製品ガスの製造方法の各ステップに対応するガスの流れ図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態として、目的ガスとしての酸素および不要ガスとしての窒素を含む混合ガスから濃縮酸素ガス（製品酸素ガス）を製造する方法について、図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る濃縮酸素ガスの製造方法を実行するのに使用することができる製品ガス製造装置Ｘ１の概略構成を示している。
製品ガス製造装置Ｘ１は、２つの吸着塔１０Ａ，１０Ｂと、ターボブロワ２１と、真空ポンプ２２と、貯留タンク２３と、配管３１〜３７と、を含む。製品ガス製造装置Ｘ１は、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して、酸素および窒素を含む混合ガス（通常は空気）から酸素を濃縮分離することが可能なように構成されている。
吸着塔１０Ａ，１０Ｂのそれぞれは、両端にガス通過口１１，１２を有し、ガス通過口１１，１２の間において混合ガスに含まれる窒素を選択的に吸着するための充填剤が充填されている。当該吸着剤としては、例えば、ＬｉＸ型ゼオライト、ＣａＡ型ゼオライト、およびＣａＸ型ゼオライトが挙げられ、これらは単独で使用しても複数種を併用してもよい。
ターボブロワ２１は、混合ガスを吸着塔１０Ａ，１０Ｂに送出するためのものである。真空ポンプ２２は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの内部を減圧するためのものである。真空ポンプ２２としては、例えばルーツ式が用いられる。貯留タンク２３は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂから導出されるガス（後述の製品酸素ガス）を一時的に貯留するための空容器である。
配管３１は、混合ガス導入端Ｅ１を有する主幹ライン３１’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの各ガス通過口１１側に各々が接続された分枝ライン３１Ａ，３１Ｂを有する。主幹ライン３１’には、ターボブロワ２１および自動弁３１ｃが設けられている。分枝ライン３１Ａ，３１Ｂには、開状態と閉状態との間を切替可能な自動弁３１ａ，３１ｂが付設されている。詳細は後述するが、本実施形態において、配管３１の主幹ライン３１’には温度計４０が取り付けられている。
配管３２は、ガス排出端Ｅ２を有する主幹ライン３２’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの各ガス通過口１１側に各々が接続された分枝ライン３２Ａ，３２Ｂを有する。主幹ライン３２’には、真空ポンプ２２が設けられている。分枝ライン３２Ａ，３２Ｂには、開状態と閉状態との間を切替可能な自動弁３２ａ，３２ｂが付設されている。
配管３３は、貯留タンク接続端Ｅ３を有する主幹ライン３３’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの各ガス通過口１２側に各々が接続された分枝ライン３３Ａ，３３Ｂを有する。分枝ライン３３Ａ，３３Ｂには、開状態と閉状態との間を切替可能な自動弁３３ａ，３３ｂが付設されている。
配管３４は、配管３３の分枝ライン３３Ａ，３３Ｂに橋架け状に接続されている。これにより、吸着塔１０Ａ，１０Ｂそれぞれのガス通過口１２は、配管３４を介して連通している。配管３４には、開状態と閉状態との間を切替可能な自動弁３４ａと、流量調節弁３４ｂ（流量調節手段）とが設けられている。
配管３５は、一端が貯留タンク２３に接続されるとともに、他端に製品ガス取り出し端Ｅ４を有する。これにより、貯留タンク２３内に一時的に蓄えられた製品酸素ガスが配管３５を介して外に取り出される。
配管３６は、両端が配管３１の主幹ライン３１'に接続されている。より具体的には、配管３６の一端がターボブロワ２１の吸入口の上流において主幹ライン３１'に接続され、他端がターボブロワ２１の吐出口の下流において主幹ライン３１'に接続されている。配管３６は、主幹ライン３１'に導入される混合ガスを、ターボブロワ２１を通らずに迂回させて吸着塔１０Ａ，１０Ｂへ供給するためのバイパスラインとして機能する。
配管３７は、一端が配管３１の主幹ライン３１'に対して分岐状に接続されており、他端が大気中に開放している。具体的には、配管３７の一端は、主幹ライン３１'に対して、ターボブロワ２１の吐出口側と、バイパス配管３６における主幹ライン３１’への下流側接続端との間において接続されている。配管３７には、流量調節弁３７ａが設けられている。また、主幹ライン３１'に設けられた自動弁３１ｃは、主幹ライン３１'に対する配管３７の接続端と、配管３６における主幹ライン３１'への下流側接続端との間にある。
以上のような構成を有する製品ガス製造装置Ｘ１を使用して、本発明の実施形態に係る製品ガス製造方法を実行することができる。製品ガス製造装置Ｘ１の稼働時において、自動弁３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３６ａ、および流量調節弁３４ｂを適宜切り替えることにより、装置内において所望のガスの流れ状態を実現し、以下のステップ１〜６からなる１サイクルを繰り返すことができる。図２は、ステップ１〜６における製品ガス製造装置Ｘ１でのガスの流れ状態を模式的に表したものである。詳細は後述するが、ステップ３はサブステップ３−１およびサブステップ３−２を含み、ステップ６はサブステップ６−１およびサブステップ６−２を含む。
ステップ１では、自動弁３１ａ，３２ｂ，３４ａおよび流量調節弁３４ｂが開かれ、図２（ａ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。吸着塔１０Ａについては、先に吸着（ＡＳ）を行っていたので（図２（ｈ）に示されるサブステップ６−２参照）、ステップ１の開始時には相対的に高圧状態にあり、塔内には製品酸素ガスを多く含むガスが残留している。なお、吸着を行うサブステップ６−２での吸着塔１０Ａの内部の最高圧力は、例えば５〜４０ｋＰａＧ（ゲージ圧：以下同じ）であり、好ましくは１０〜３０ｋＰａＧである。
一方、吸着塔１０Ｂにおいては、先に脱着（ＤＳ）を行っており（図２（ｈ）に示されるサブステップ６−２参照）、引き続き真空ポンプ２２により塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは、分枝ライン３２Ｂ、主幹ライン３２’を介して系外へ排出される。なお、脱着を行うサブステップ６−２での吸着塔１０Ｂの内部の最低圧力は、例えば−８０〜−４５ｋＰａＧであり、好ましくは−７５〜−５５ｋＰａＧである。
また、ステップ１では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂそれぞれのガス通過口１２が配管３４を介して相互に連通している。ステップ１の開始時の吸着塔１０Ａの内部圧力は、先に吸着を行っていたサブステップ６−２の最高圧力と実質的に同じである。ステップ１の開始後において、吸着塔１０Ａでは、ガス通過口１２からの残留濃縮酸素ガス（製品酸素ガスを多く含むガス）の放出を伴いながら減圧する一方、吸着塔１０Ｂでは、吸着塔１０Ａから放出された残留濃縮酸素ガスがガス通過口１２から導入されて、洗浄効果を有する昇圧・洗浄（ＰＲ／ＲＳ）が行われる。
ステップ１において、吸着塔１０Ａの内部圧力は、例えば流量調節弁３４ｂを適宜調節するか、あるいはステップ１の継続時間を調節することによって制御される。吸着塔１０Ａの内部圧力は、ステップ１の終了時において、開始時よりも低下する場合（減圧：ＤＰ）、開始時と実質的に同一の場合（圧力キープ：ＰＫ）、あるいは開始時よりも上昇する場合（昇圧：ＰＲ）のいずれも起こり得る。ステップ１の終了時における吸着塔１０Ａの内部圧力は、例えば５〜４０ｋＰａＧである。ステップ１の開始時から終了時までの、混合ガス導入側である吸着塔１０Ａの圧力変化は、吸着塔１０Ａの最高圧力と最低圧力との圧力差に対して、例えば−５〜２５％の割合であり、好ましくは０〜１５％である。なお、ステップ１の終了時において、吸着塔１０Ａの内部圧力は吸着塔１０Ｂの内部圧力よりも高い。上記ステップ１は、例えば４秒間継続される。
貯留タンク２３には、製品酸素ガス（濃縮酸素ガス）が充填されている。後述のサブステップ３−１にて吸着塔１０Ｂから導出された製品酸素ガスが貯留タンク２３に送出され、後述のサブステップ６−１にて吸着塔１０Ａから導出された製品酸素ガスが貯留タンク２３に送出される。貯留タンク２３内の製品酸素ガスは、流量調整がなされたうえで配管３５を介して取り出され、使用される。なお、ステップ１を含めたすべてのステップ１〜６において、貯留タンク２３から製品酸素ガスが一定流量にて連続的に取得される。
ステップ２では、自動弁３１ｂ，３２ａ，３４ａおよび流量調節弁３４ｂが開かれ、図２（ｂ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着され（減圧／脱着：ＤＰ／ＤＳ）、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは、分枝ライン３２Ａ、主幹ライン３２’を介して系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。
また、ステップ２では、ステップ１に引き続き吸着塔１０Ａ，１０Ｂそれぞれのガス通過口１２，１２が配管３４を介して連通している。ステップ２の開始時において、吸着塔１０Ａは吸着塔１０Ｂと比べて相対的に高圧状態にある。
ステップ２の開始後において、吸着塔１０Ａでは、ガス通過口１２付近に残存する濃縮酸素ガスが当該ガス通過口１２から放出されつつ減圧する。一方、吸着塔１０Ｂでは、ステップ１に引き続き吸着塔１０Ａから放出された残留濃縮酸素ガスがガス通過口１２から導入されて、昇圧／回収（ＰＲ／ＲＣ）が行われる。
ステップ２では、吸着塔１０Ａと吸着塔１０Ｂとの圧力差が所定範囲となるように、流量調節弁３４ｂの開度が調節される。ステップ２の終了時において、吸着塔１０Ａの内部圧力および吸着塔１０Ｂの内部圧力は近似するか、あるいは同圧である。例えば、ステップ２の終了時における吸着塔１０Ａと吸着塔１０Ｂとの圧力差は５ｋＰａＧ以内である。なお、ステップ２の終了時において、吸着塔１０Ｂの内部圧力は貯留タンク２３の内部圧力よりも低い。上記ステップ２は、例えば４秒間継続される。
本実施形態において、ステップ３は、当該ステップ３の開始時（ステップ２の終了直後）から所定時間経過時まで継続するサブステップ３−１と、サブステップ３−１の後に行うサブステップ３−２とを含む。
サブステップ３−１では、自動弁３１ｂ，３２ａ，３３ｂが開かれ、図２（ｃ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、ステップ２に引き続き真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着（ＤＳ）され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、ステップ２に引き続き混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。
また、サブステップ３−１では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの連通を遮断する一方、吸着塔１０Ｂのガス通過口１２と貯留タンク２３とが主幹ライン３３'、分枝ライン３３Ｂを介して連通している。サブステップ３−１の開始時において、吸着塔１０Ｂは貯留タンク２３と比べて相対的に低圧状態にある。したがって、サブステップ３−１の開始後において、貯留タンク２３内の製品酸素ガスが主幹ライン３３’に放出される。一方、吸着塔１０Ｂでは、貯留タンク２３から放出された製品酸素ガスがガス通過口１２から導入されて、昇圧（ＰＲ）が行われる。サブステップ３−１の終了時において、吸着塔１０Ｂの内部圧力と貯留タンク２３の内部圧力とは、実質的に同圧である。上記サブステップ３−１は、例えば２秒間継続される。
サブステップ３−２では、引き続き自動弁３１ｂ，３２ａ，３３ｂが開かれ、図２（ｄ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、サブステップ３−１に引き続き真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着（ＤＳ）され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、サブステップ３−１に引き続き混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。脱着を行う吸着塔１０Ａでは内部圧力が低下し続け、サブステップ３−２の終了時には吸着塔１０Ａの内部が最低圧力に到達する。当該最低圧力は、例えば−８０〜−４５ｋＰａＧであり、好ましくは−７５〜−５５ｋＰａＧである。
また、サブステップ３−２では、サブステップ３−１に引き続き、吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とが主幹ライン３３'、分枝ライン３３Ｂを介して連通している。サブステップ３−２の開始時において、吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とは実質的に同圧である。サブステップ３−２の開始後において、吸着塔１０Ｂへ混合ガスが供給されることで当該吸着塔１０Ｂの内部圧力が上昇する一方、貯留タンク２３から製品酸素ガスが配管３５を介して取り出されることで当該貯留タンク２３の内部圧力は低下する。このため、吸着塔１０Ｂから貯留タンク２３に向けてガスの流れが生じる。吸着塔１０Ｂでは内部圧力が上昇し、混合ガスに含まれる窒素が吸着剤によって吸着（ＡＤ）される。そして、ガス通過口１２から酸素が濃縮された製品酸素ガスが導出される。当該製品酸素ガスは、分枝ライン３３Ｂおよび主幹ライン３３’を介して貯留タンク２３に送出される。サブステップ３−２では吸着塔１０Ｂの内部圧力が上昇し続け、サブステップ３−２の終了時には吸着塔１０Ｂの内部が最高圧力に到達する。当該最高圧力は、例えば５〜４０ｋＰａＧであり、好ましくは１０〜３０ｋＰａＧである。上記サブステップ３−２は、例えば１５秒間継続される。
以降のステップ４〜６では、図２（ｅ）〜（ｈ）に示したように、ステップ１〜３において吸着塔１０Ａについて行った操作を吸着塔１０Ｂについて行い、吸着塔１０Ｂについて行った操作を吸着塔１０Ａについて行う。
ステップ４では、自動弁３１ｂ，３２ａ，３４ａおよび流量調節弁３４ｂが開かれ、図２（ｅ）に示すようなガス流れ状態が達成される。ステップ５では、自動弁３１ａ，３２ｂ，３４ａおよび流量調節弁３４ｂが開かれ、図２（ｆ）に示すようなガス流れ状態が達成される。サブステップ６−１では、自動弁３１ａ，３２ｂ，３３ａが開かれ、図２（ｇ）に示すようなガス流れ状態が達成される。サブステップ６−２では、引き続き自動弁３１ａ，３２ｂ，３３ａが開かれ、図２（ｈ）に示すようなガス流れ状態が達成される。詳細な説明は省略するが、ステップ４，５及びサブステップ６−１，６−２では、吸着塔１０Ｂは、ステップ１，２及びサブステップ３−１，３−２における吸着塔１０Ａと同じ状態となっており、吸着塔１０Ａは、ステップ１，２及びサブステップ３−１，３−２における吸着塔１０Ｂと同じ状態となっている。
そして、以上のステップ１〜６からなるサイクルを各吸着塔１０Ａ，１０Ｂにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから窒素が有意に除去された製品酸素ガスが連続的に取得される。なお、ステップ１〜６による１サイクルの時間（サイクルタイム）は、５０秒間である。
本実施形態の製品酸素ガスの製造においては、貯留タンク２３内の製品酸素ガスによる洗浄を減らし、あるいは無くすことにより、製品酸素ガスの回収率を高めることができる。また、吸着塔１０Ａ，１０ｂへの混合ガスの供給はターボブロワ２１を用いて行う。ターボブロワ２１は、吐出圧が大気圧よりも高い状態の時に消費電力が小さくなる。そのため上記混合ガスの供給にターボブロワ２１を使用することで、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ内の残留濃縮酸素ガスを用いた洗浄中の相対的に高い圧力状態のところに混合ガスの供給を行なっても（ステップ１，４参照）、効率よく混合ガスを供給できるだけではなく、効率よく消費電力を低減することができる。
本実施形態において、上記ステップ１およびステップ４の各々において、当該ステップの開始時から終了時までの間に、混合ガス導入側である吸着塔１０Ａ，１０Ｂの圧力が低下する場合でも、その低下の割合を、各吸着塔における最高圧力と最低圧力の圧力差の２５％以下、好ましくは１５％以下に抑えるようにしている。このように吸着塔１０Ａ，１０Ｂ内の残留濃縮酸素ガスを用いた洗浄において、混合ガス供給側吸着塔の圧力変化を抑制することで洗浄ガスの酸素濃度低下を抑制し、効率よく吸着剤の再生を行うことができる。
本実施形態においては、ステップ１〜６による１サイクルの時間（５０秒間）に対して、上記ステップ１および上記ステップ４の各ステップの占める時間比率は、例えば２〜１８％とされ、好ましくは６〜１４％とされる。また、ステップ２とステップ５の終了時において、１０Ａ吸着塔と吸着塔１０Ｂの圧力差は５ｋＰａＧ以内である。
製品酸素ガスの取得に際して電力原単位を低減するには、吸着塔内の最低圧力を上げることで真空ポンプの負荷を少なくする方法などもあるが、この方法では吸着と脱着の圧力幅（スイング幅）が小さくなるため、窒素吸着量が減少し、必要吸着剤が増加する。このように電力原単位と必要吸着剤量は通常トレードオフの関係にある。これに対し、上記ステップ１とステップ４の占める時間比率が上記ステップ１〜６によるサイクルタイムの２〜１８％、好ましくは６〜１４％とし、上記ステップ２とステップ５の終了時において、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの圧力差が５ｋＰａＧ以内となるように流量調節弁３４ｂの開度を調節すると、効率よく製品酸素ガス（濃縮酸素ガス）を回収できるようになり、電力原単位を低減しながら必要吸着剤量を削減することができる。
上記ステップ１〜６の進行中、外気温に応じて、上記ステップ３とステップ６を行うのに最適な継続時間を算出し、上記製造サイクルを繰り返す過程において、当該ステップ３とステップ６の継続時間を更新してもよい。主として窒素および酸素を含む混合ガスとして空気を使用して製品酸素ガス（濃縮酸素ガス）を製造する場合、気温の変化により単位容積あたりの酸素含有量が異なる。また、気温の変化により吸着剤の窒素吸着容量が変化する。そのため製品酸素ガスの酸素濃度と製品流量を設定値に維持するには、気温が高くなるとサイクルタイムを短くし、気温が低くなるとサイクルタイムを長くする必要がある。本実施形態においては、混合ガスを吸着塔１０Ａ，１０Ｂへ供給するための配管３１の主幹ライン３１’には、温度計４０（温度測定手段）が設けられている。そして、温度計４０によって測定される混合ガスの温度に応じて、上記ステップ３とステップ６を行うのに最適な継続時間を算出し、当該ステップ３とステップ６の継続時間を更新することで、自動で酸素濃度と製品流量を設定値に維持することができる。
また、上記ステップ３におけるサブステップ３−１は、貯留タンク２３の内部圧力が吸着塔１０Ｂの内部圧力よりも高い間に自動弁３３ｂを開いて、吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とを連通させることにより、製品となる貯留タンク２３内の酸素富化ガスで吸着塔１０Ｂ昇圧を行なうようにしたものである。しかしながら、サブステップ３−１を省略して、サブステップ３−２に自動弁３３ｂを開いて吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とを連通させるタイミングを遅くして、製品となる酸素富化ガスで吸着塔１０Ｂの昇圧を行なわなくてもよい。この場合、先行するステップ２は、吸着塔１０Ｂの内部圧力が貯留タンク２３の内部圧力に等しくなるまで継続され、その後にステップ３（サブステップ３−２）を行うことになる。すなわち、ステップ３におけるサブステップ３−１は省略してもよいものである。同様に、ステップ６におけるサブステップ６−１も省略してもよい。
本実施形態では、ターボブロワ２１の吐出圧力を常に大気圧よりも高くする。上記混合ガスの供給において、大気圧未満である吸着塔１０Ａ，１０Ｂへ混合ガスを供給する場合には、ターボブロワ２１を迂回したバイパス用の配管３６より、混合ガス自体の供給圧を利用して混合ガスの供給を行うことができる。また、バイパス用の配管３６に代えて、別途混合ガスをそれ自体の供給圧を利用して供給する手段を採用してもよい。このように混合ガス自体の供給圧を利用して混合ガスを供給する際、ターボブロワ２１は空運転状態となる。ここで、ターボブロワ２１においては吐出圧が大気圧よりも高い状態の時に消費電力が小さくなるため、ターボブロワ２１の空運転時に当該ターボブロワ２１の吐出圧力を消費電力の低減に有効な吐出圧力（大気圧より高い吐出圧力）に調節することで、電力原単位を低減することができる。ターボブロワ２１の吐出圧力の調節は、例えばターボブロワ２１の下流側にある自動弁３１ｃを閉じるとともに配管３７に設けられた流量調節弁３７ａの開度を調節することにより、行うことができる。
本実施形態の製品酸素ガスの製造によれば、混合ガスを常に投入し且つ真空ポンプ２２を連続して使用する場合でも、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ内の残留濃縮酸素ガスを用いた洗浄を有効に行うことが可能となる。また、洗浄中における混合ガス供給側の吸着塔（ステップ１での吸着塔１０Ａおよびステップ４での吸着塔１０Ｂ）の圧力低下を制限することで、洗浄ガスの酸素濃度低下を抑制し、効率よく吸着剤の再生を行うことができる。このことは、製品酸素ガスを高濃度且つ高回収率で回収するうえでも好ましい。
図３は、ステップ１〜６からなる１サイクルを繰り返す構成の製品ガス製造方法において、図２を参照して上述した場合とステップの一部の構成が異なる他の例を示している。
図３に示したステップ１〜６からなるサイクルにおいて、サブステップ３−１、サブステップ６−１の構成が図２に示した場合と異なっている。サブステップ３−１，６−１以外の他のステップ１，２，３−２，４，５，６−２の構成は図２に示した場合と実質的に同じなので、その説明を適宜省略する。
図３に示した実施形態において、サブステップ３−１では、自動弁３１ｂ，３２ａが開かれ、同図（ｃ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、ステップ２に引き続き真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、ステップ２に引き続き混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。また、本実施形態の場合、サブステップ３−１では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの連通を遮断するとともに、吸着塔１０Ｂのガス通過口１２と貯留タンク２３との連通についても遮断されている（自動弁３３ｂが閉じている）。したがって、吸着塔１０Ｂにおいては、混合ガスの供給のみによって昇圧され、製品酸素ガスによる昇圧は行われない。なお、サブステップ３−１の終了時において、吸着塔１０Ｂの内部圧力は、貯留タンク２３の内部圧力と実質的に同じ、あるいは貯留タンク２３の内部圧力よりも高い。このサブステップ３−１は、例えば４秒間継続される。
サブステップ３−２では、自動弁３１ｂ，３２ａ，３３ｂが開かれ、図３（ｄ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、サブステップ３−１に引き続き真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、サブステップ３−１に引き続き混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。脱着を行う吸着塔１０Ａでは内部圧力が低下し続け、サブステップ３−２の終了時には吸着塔１０Ａの内部が最低圧力に到達する。当該最低圧力は、例えば−８０〜−４５ｋＰａＧであり、好ましくは−７５〜−５５ｋＰａＧである。
また、サブステップ３−２では、サブステップ３−１とは異なり、吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とが主幹ライン３３'、分枝ライン３３Ｂを介して連通している。サブステップ３−２の開始時において、吸着塔１０Ｂの内部圧力は、貯留タンク２３の内部圧力と実質的に同じか、あるいは貯留タンク２３の内部圧力よりも高い。サブステップ３−２の開始後において、吸着塔１０Ｂへ混合ガスが供給されることで当該吸着塔１０Ｂの内部圧力が上昇する一方、貯留タンク２３から製品酸素ガスが配管３５を介して取り出されることで当該貯留タンク２３の内部圧力は低下する。このため、吸着塔１０Ｂから貯留タンク２３に向けてガスの流れが生じる。吸着塔１０Ｂでは内部圧力が上昇し、混合ガスに含まれる窒素が吸着剤によって吸着される。そして、ガス通過口１２から酸素が濃縮された製品酸素ガスが導出される。当該製品酸素ガスは、分枝ライン３３Ｂおよび主幹ライン３３’を介して貯留タンク２３に送出される。サブステップ３−２では吸着塔１０Ｂの内部圧力が上昇し続け、サブステップ３−２の終了時には吸着塔１０Ｂの内部が最高圧力に到達する。当該最高圧力は、例えば５〜４０ｋＰａＧであり、好ましくは１０〜３０ｋＰａＧである。上記サブステップ３−２は、例えば１３秒間継続される。
以降のステップ４〜６では、図３（ｅ）〜（ｈ）に示したように、ステップ１〜３において吸着塔１０Ａについて行った操作を吸着塔１０Ｂについて行い、吸着塔１０Ｂについて行った操作を吸着塔１０Ａについて行う。
そして、以上のステップ１〜６からなるサイクルを各吸着塔１０Ａ，１０Ｂにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから窒素が有意に除去された製品酸素ガスが連続的に取得される。なお、ステップ１〜６による１サイクルの時間（サイクルタイム）は、５０秒間である。
図３に示した本実施形態の製品酸素ガスの製造においても、図２に示した上記実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。
また、本実施形態では、サブステップ３−１およびサブステップ６−１において、貯留タンク２３と吸着塔１０Ｂ，１０Ａとの連通が遮断されている。これにより、吸着塔１０Ｂ，１０Ａは、混合ガスの供給のみによって昇圧され、製品酸素ガスによる昇圧は行われない。そして、本実施形態におけるサブステップ３−１および６−１では、次のサブステップ３−２および６−２に切り換えるタイミングが上述の図２に示した場合と比べて２秒遅くなっており、（図２で示したサブステップ３−１，６−１は２秒間であるのに対し、図３に示したサブステップ３−１，６−１は４秒間）、次のサブステップ３−２および６−２の継続時間が２秒短くなっている。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、ＰＳＡ法により各吸着塔１０Ａ，１０Ｂにて繰り返し行われる、複数ステップからなるサイクルについては、上記実施形態に限定されない。
また、本発明に係る製品ガスの製造方法は、上記実施形態のような酸素を濃縮分離する酸素ＰＳＡへの適用に限定されず、他のガス成分を目的ガスとするＰＳＡ法によるガス分離に適用してもよい。
次に、本発明の有用性を実施例および比較例により説明する。
〔実施例１〕
本実施例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、図２を参照して説明した各ステップからなる製品酸素ガスの製造方法により、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスとしての濃縮酸素ガスを取得した。
吸着塔１０Ａ，１０Ｂとしては容量が約２Ｌ（２ｄｍ3）の円筒型のものを用い、各吸着塔１０Ａ，１０Ｂには、吸着剤としてＬｉＸ型ゼオライトを１．２ｋｇ充填した。なお、後述の他の実施例および比較例においても、本実施例で用いた吸着塔１０Ａ，１０Ｂ、および吸着剤と同じものを用いた。
各ステップの継続時間は、ステップ１が４秒間、ステップ２が４秒間、サブステップ３−１が２秒間、サブステップ３−２が１５秒間、ステップ４が４秒間、ステップ５が４秒間、サブステップ６−１が２秒間、サブステップ６−２が１５秒間であり、ステップ１〜６からなる１サイクルの時間サイクルは５０秒とした。サブステップ３−２，６−２において、吸着操作時の吸着塔１０Ｂ，１０Ａ内部の最高圧力を２０ｋＰａＧとし、脱着操作時の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ内部の最低圧力を−６５ｋＰａＧとした。また、ステップ１，４の終了時において、混合ガス供給側である吸着塔１０Ａ，１０Ｂの内部圧力が１５ｋＰａＧとなるように流量調節弁３４ｂを調節した。このとき、ステップ２，５の終了時における吸着塔１０Ａ，１０Ｂの内部圧力は同一となった。
本実施例において、ステップ１，４の開始時と終了時との混合ガス導入側である吸着塔１０Ａ，１０Ｂの圧力低下は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの最高圧力（２０ｋＰａＧ）と最低圧力（−６５ｋＰａＧ）との圧力差（８５ｋＰａ）に対して５．９％であった。
本実施例では、取得する製品酸素ガスの平均濃度が９３％の条件の時、混合ガス供給量が８２７ＮＬ／ｈ（Ｎは標準状態を示し、以下も同じ。）、製品酸素ガス流量が１０２ＮＬ／ｈであった。また、酸素取得量が１００％濃度換算で１０００Ｎｍ3／ｈを想定した場合、真空ポンプ２２の必要風量は１６３７２ｍ3／ｈ、ターボブロワ２１の必要風量は８８８７Ｎｍ3／ｈとなった。
真空ポンプ２２としての大晃機械工業株式会社（日本国山口県熊毛郡、ＵＲＬ：https://www.taiko-kk.com/）製ルーツ型真空ポンプ（型番：ＴＬＩＦ−４００ＷＰ）と、ターボブロワ２１としての虹技株式会社（日本国兵庫県姫路市、ＵＲＬ：http://www.kogi.co.jp/）製ターボ型ブロワ（型番：１２Ａ１１２Ｘ−Ｙ）の性能曲線を用い、真空ポンプ２２のモーター効率を９５％一定とし、且つターボブロワ２１のモーター効率を６５％一定として電力原単位を算出した。また、大気圧未満の吸着塔に混合ガスを供給する場合、ターボブロワ２１を迂回してバイパス用の配管３６からの混合ガスの供給を想定し、ターボブロワ２１の吐出圧力を０ｋＰａＧとして電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．２８６ｋＷｈとなった。
〔実施例２〕
本実施例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、図３を参照して説明した各ステップからなる製品酸素ガスの製造方法により、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスとしての濃縮酸素ガスを取得した。
本実施例では、各ステップの継続時間は、ステップ１が４秒間、ステップ２が４秒間、サブステップ３−１が４秒間、サブステップ３−２が１３秒間、ステップ４が４秒間、ステップ５が４秒間、サブステップ６−１が４秒間、サブステップ６−２が１３秒間であり、ステップ１〜６からなる１サイクルの時間サイクルは５０秒とした。サブステップ３−１，６−１では、貯留タンク２３内の製品酸素ガスを用いた吸着塔１０Ｂ，１０Ａの昇圧は行わなかった。サブステップ３−２，６−２において、吸着操作時の吸着塔１０Ｂ，１０Ａ内部の最高圧力を２０ｋＰａＧとし、脱着操作時の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ内部の最低圧力を−６５ｋＰａＧとした。また、ステップ１，４の終了時において、混合ガス供給側である吸着塔１０Ａ，１０Ｂの内部圧力が１５ｋＰａＧとなるように流量調節弁３４ｂを調節した。このとき、ステップ２，５の終了時における吸着塔１０Ａ，１０Ｂの内部圧力は同一となった。
本実施例では、取得する製品酸素ガスの平均濃度が９３％の条件の時、混合ガス供給量が８２４ＮＬ／ｈ、製品酸素ガス流量が９９ＮＬ／ｈであった。また、酸素取得量が１００％濃度換算で１０００Ｎｍ3／ｈを想定した場合、真空ポンプ２２の必要風量は１６５８２ｍ3／ｈ、ターボブロワ２１の必要風量は８９８７Ｎｍ3／ｈとなった。
そして、真空ポンプ２２およびターボブロワ２１について上記実施例１と同じ稼働条件で電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．２９０ｋＷｈとなった。
〔実施例３〕
本実施例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、図２を参照して説明した各ステップからなる製品酸素ガスの製造方法により、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスとしての濃縮酸素ガスを取得した。
本実施例では、ステップ１，４の終了時において、混合ガス供給側である吸着塔１０Ａ，１０Ｂの内部圧力が２０ｋＰａＧとなるように流量調節弁３４ｂを調節した。
本実施例において、ステップ１，４の開始時と終了時との混合ガス導入側である吸着塔１０Ａ，１０Ｂの圧力低下は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの最高圧力（２０ｋＰａＧ）と最低圧力（−６５ｋＰａＧ）との圧力差（８５ｋＰａ）に対して０％であった。その他の操作条件は上記の実施例１と同様とした。
本実施例では、取得する製品酸素ガスの平均濃度が９３％の条件の時、混合ガス供給量が８８２ＮＬ／ｈ、製品酸素ガス流量が１０２ＮＬ／ｈであった。また、酸素取得量が１００％濃度換算で１０００Ｎｍ3／ｈを想定した場合、真空ポンプ２２の必要風量は１６９６３ｍ3／ｈ、ターボブロワ２１の必要風量は９２６９Ｎｍ3／ｈとなった。
そして、真空ポンプ２２およびターボブロワ２１について上記実施例１と同じ稼働条件で電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．２９６ｋＷｈとなった。
〔実施例４〕
本実施例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、図２を参照して説明した各ステップからなる製品酸素ガスの製造方法により、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスとしての濃縮酸素ガスを取得した。
本実施例では、ステップ１，４の終了時において、混合ガス供給側である吸着塔１０Ａ，１０Ｂの内部圧力が１０ｋＰａＧとなるように流量調節弁３４ｂを調節した。本実施例において、ステップ１，４の開始時と終了時との混合ガス導入側である吸着塔１０Ａ，１０Ｂの圧力低下は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの最高圧力（２０ｋＰａＧ）と最低圧力（−６５ｋＰａＧ）との圧力差（８５ｋＰａ）に対して１１．８％であった。その他の操作条件は上記の実施例１と同様とした。
本実施例では、取得する製品酸素ガスの平均濃度が９３％の条件の時、混合ガス供給量が７８８ＮＬ／ｈ、製品酸素ガス流量が９７ＮＬ／ｈであった。また、酸素取得量が１００％濃度換算で１０００Ｎｍ3／ｈを想定した場合、真空ポンプ２２の必要風量は１６３２４ｍ3／ｈ、ターボブロワ２１の必要風量は８７５６Ｎｍ3／ｈとなった。
そして、真空ポンプ２２およびターボブロワ２１について上記実施例１と同じ稼働条件で電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．２８９ｋＷｈとなった。
〔実施例５〕
本実施例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、図２を参照して説明した各ステップからなる製品酸素ガスの製造方法により、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスとしての濃縮酸素ガスを取得した。
本実施例では、各ステップの継続時間は、ステップ１が６秒間、ステップ２が４秒間、サブステップ３−１が２秒間、サブステップ３−２が１３秒間、ステップ４が６秒間、ステップ５が４秒間、サブステップ６−１が２秒間、サブステップ６−２が１３秒間であり、ステップ１〜６からなる１サイクルの時間サイクルは５０秒とした。その他の操作条件は上記の実施例１と同様とした。
本実施例では、取得する製品酸素ガスの平均濃度が９３％の条件の時、混合ガス供給量が９２３ＮＬ／ｈ、製品酸素ガス流量が１１０ＮＬ／ｈであった。また、酸素取得量が１００％濃度換算で１０００Ｎｍ3／ｈを想定した場合、真空ポンプ２２の必要風量は１６８６２ｍ3／ｈ、ターボブロワ２１の必要風量は９０１６Ｎｍ3／ｈとなった。
そして、真空ポンプ２２およびターボブロワ２１について上記実施例１と同じ稼働条件で電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．２９６ｋＷｈとなった。
〔実施例６〕
本実施例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、図２を参照して説明した各ステップからなる製品酸素ガスの製造方法により、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から製品ガスとしての濃縮酸素ガスを取得した。
本実施例では、各ステップの継続時間は、ステップ１が２秒間、ステップ２が４秒間、サブステップ３−１が２秒間、サブステップ３−２が１７秒間、ステップ４が２秒間、ステップ５が４秒間、サブステップ６−１が２秒間、サブステップ６−２が１７秒間であり、ステップ１〜６からなる１サイクルの時間サイクルは５０秒とした。その他の操作条件は上記の実施例１と同様とした。
本実施例では、取得する製品酸素ガスの平均濃度が９３％の条件の時、混合ガス供給量が７５０ＮＬ／ｈ、製品酸素ガス流量が９０ＮＬ／ｈであった。また、酸素取得量が１００％濃度換算で１０００Ｎｍ3／ｈを想定した場合、真空ポンプ２２の必要風量は１６７４９ｍ3／ｈ、ターボブロワ２１の必要風量は９１４６Ｎｍ3／ｈとなった。
そして、真空ポンプ２２およびターボブロワ２１について上記実施例１と同じ稼働条件で電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．２９３ｋＷｈとなった。
〔実施例７〕
本実施例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、図２を参照して説明した各ステップからなる製品酸素ガスの製造方法により、混合ガスとしての空気から製品ガスとしての濃縮酸素ガスを取得した。本実施例では、大気圧未満の吸着塔に混合ガスを供給する場合、配管３７の流量調節弁３７ａにてターボブロワ２１の流量調節を行ない吐出圧力を高くすることを想定し、ターボブロワ２１の吐出圧力を２０ｋＰａＧとして電力原単位を算出した。それ以外の各ステップの操作条件は上記の実施例１と同様とし、また真空ポンプ２２およびターボブロワ２１について上記実施例１と同じ稼働条件で電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．２７８ｋＷｈとなった。
〔比較例１〕
本比較例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、特開平１１−１７９１３３号公報（上記特許文献１）に開示された方法を本発明の実施例とできるだけ条件を揃えて行った。本比較例では、図４に示した各ステップからなるサイクルを繰り返し、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から濃縮酸素ガスを取得した。
本比較例において、ステップ１’〜６’からなる１サイクルを繰り返し行った。ステップ１’では、自動弁３１ｂ，３２ａ，３４ａおよび流量調節弁３４ｂが開かれ、図４（ａ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着（ＤＳ）され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。
また、ステップ１’では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂそれぞれのガス通過口１２が配管３４を介して連通している。ステップ１’の開始後において、吸着塔１０Ａでは、ガス通過口１２付近に残存する濃縮酸素ガスが当該ガス通過口１２から放出されつつ減圧（ＤＰ）する。一方、吸着塔１０Ｂでは、吸着塔１０Ａから放出された残留濃縮酸素ガスがガス通過口１２から導入されて、昇圧／回収（ＰＲ／ＲＣ）が行われる。
ステップ２’では、自動弁３１ｂ，３２ａ，３３ｂが開かれ、図４（ｂ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、ステップ１’に引き続き真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着（ＤＳ）され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、ステップ１’に引き続き混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。
また、ステップ２’では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの連通を閉じる一方、吸着塔１０Ｂのガス通過口１２と貯留タンク２３とが主幹ライン３３'、分枝ライン３３Ｂを介して連通している。ステップ２’の開始時において、吸着塔１０Ｂは貯留タンク２３と比べて相対的に低圧状態にある。したがって、ステップ２’の開始後において、貯留タンク２３内の製品酸素ガスが主幹ライン３３に放出される。一方、吸着塔１０Ｂでは、貯留タンク２３から放出された製品酸素ガスがガス通過口１２から導入されて、昇圧（ＰＲ）が行われる。ステップ２’の終了時において、吸着塔１０Ｂの内部圧力と貯留タンク２３の内部圧力とは、実質的に同圧である。
本比較例において、ステップ３’は、当該ステップ３’の開始時（ステップ２’の終了直後）から所定時間経過時まで継続するサブステップ３−１’と、サブステップ３−１’の後に行うサブステップ３−２’と含む。
サブステップ３−１’では、引き続き自動弁３１ｂ，３２ａ，３３ｂが開かれ、図４（ｃ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、ステップ２’に引き続き真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着（ＤＳ）され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、ステップ２’に引き続き混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。脱着を行う吸着塔１０Ａでは内部圧力が低下し続け、サブステップ３−１’の終了時には吸着塔１０Ａの内部が最低圧力に到達する。
また、サブステップ３−１’では、ステップ２’に引き続き、吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とが主幹ライン３３'、分枝ライン３３Ｂを介して連通している。サブステップ３−１’の開始時において、吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とは実質的に同圧である。サブステップ３−１’の開始後において、吸着塔１０Ｂへ混合ガスが供給されることで当該吸着塔１０Ｂの内部圧力が上昇する一方、貯留タンク２３から製品酸素ガスが配管３５を介して取り出されることで当該貯留タンク２３の内部圧力は低下する。このため、吸着塔１０Ｂから貯留タンク２３に向けてガスの流れが生じる。吸着塔１０Ｂでは内部圧力が上昇し、混合ガスに含まれる窒素が吸着剤によって吸着（ＡＳ）される。そして、ガス通過口１２から酸素が濃縮された製品酸素ガスが導出される。当該製品酸素ガスは、分枝ライン３３Ｂおよび主幹ライン３３’を介して貯留タンク２３に送出される。
サブステップ３−２’では、自動弁３１ｂ，３２ａ，３３ｂ，３４ａおよび流量調節弁３４ｂが開かれ、図４（ｄ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ｂにおいては、サブステップ３−１’に引き続き混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。吸着塔１０Ｂでは内部圧力が昇圧し、混合ガスに含まれる窒素が吸着剤によって吸着（ＡＳ）される。そして、ガス通過口１２から酸素が濃縮された製品酸素ガスが導出される。当該製品酸素ガスは、分枝ライン３３Ｂおよび主幹ライン３３’を介して貯留タンク２３に送出される。サブステップ３−２’では吸着塔１０Ｂの内部圧力が上昇し続け、サブステップ３−２’の終了時には吸着塔１０Ｂの内部が最高圧力に到達する。
また、サブステップ３−２’では、吸着塔１０Ｂから導出された製品酸素ガスの一部が洗浄ガスとして配管３４を介して吸着塔１０Ａに導入され、吸着塔１０Ａの吸着剤が洗浄（ＲＳ）される。それと共に、吸着塔１０Ａにおいては、真空ポンプ２２により塔内が減圧されて塔内のガスが塔外へ排出される。
以降のステップ４’〜６’では、図４（ｅ）〜（ｈ）に示したように、ステップ１’〜３’において吸着塔１０Ａについて行った操作を吸着塔１０Ｂについて行い、吸着塔１０Ｂについて行った操作を吸着塔１０Ａについて行う。そして、以上のステップ１’〜６’からなるサイクルを各吸着塔１０Ａ，１０Ｂにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから窒素が有意に除去された製品酸素ガスが連続的に取得される。
本比較例では、各ステップの継続時間は、ステップ１’が４秒間、ステップ２’が２秒間、サブステップ３−１’が１２秒間、サブステップ３−２’が７秒間、ステップ４’が４秒間、ステップ５’が２秒間、サブステップ６−１’が１２秒間、サブステップ６−２’が７秒間であり、ステップ１’〜６’からなる１サイクルの時間サイクルは５０秒とした。サブステップ３−２’，６−２’において、吸着操作時の吸着塔１０Ｂ，１０Ａ内部の最高圧力を２０ｋＰａＧとし、サブステップ３−１’，６−１’において、脱着操作時の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ内部の最低圧力を−６５ｋＰａＧとした。ステップ１’，４’の終了時において、混合ガス供給側である吸着塔１０Ｂ，１０Ａの内部圧力が同一となるように流量調節弁３４ｂを調節した。また、サブステップ３−２’，６−２’において、洗浄ガスとして使用される製品酸素ガスの量は１８０ＮＬ／ｈとした。
本比較例では、取得する製品酸素ガスの平均濃度が９３％の条件の時、混合ガス供給量が８０７ＮＬ／ｈ、製品酸素ガス流量が９５ＮＬ／ｈであった。また、酸素取得量が１００％濃度換算で１０００Ｎｍ3／ｈを想定した場合、真空ポンプ２２の必要風量は１７２８３ｍ3／ｈ、ターボブロワ２１の必要風量は８９６４Ｎｍ3／ｈとなった。
そして、真空ポンプ２２およびターボブロワ２１について上記実施例１と同じ稼働条件で電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．３０８ｋＷｈとなった。
〔比較例２〕
本比較例では、図１に示した製品ガス製造装置Ｘ１を用いて、特開平２−１１９９１５号公報（上記特許文献２）の実施例３に開示された方法を本発明の実施例とできるだけ条件を揃えて行った。本比較例では、図５に示した各ステップからなるサイクルを繰り返し、以下に示す条件下で、混合ガスとしての空気から濃縮酸素ガスを取得した。
本比較例において、ステップ１”〜６”からなる１サイクルを繰り返し行った。ステップ１’では、自動弁３１ａ，３２ｂ，３４ａおよび流量調節弁３４ｂが開かれ、図５（ａ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。吸着塔１０Ａについては、先に吸着を行っていたので（図５（ｆ）に示されるステップ６”参照）、ステップ１の開始時には相対的に高圧状態にあり、塔内には製品酸素ガスを多く含むガスが残留している。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、先に脱着を行っており（図５（ｆ）に示されるステップ６”参照）、引き続き真空ポンプ２２により塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは、分枝ライン３２Ｂ、主幹ライン３２’を介して系外へ排出される。
また、ステップ１”では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂそれぞれのガス通過口１２，１２が配管３４を介して連通している。ステップ１”の開始後において、吸着塔１０Ａでは、ガス通過口１２からの残留濃縮酸素ガス（製品酸素ガスを多く含むガス）の放出を伴いながら減圧（ＤＰ）し、一方、吸着塔１０Ｂでは、吸着塔１０Ａから放出された残留濃縮酸素ガスがガス通過口１２から導入されて、洗浄効果を有する昇圧／回収（ＰＲ／ＲＣ）が行われる。
ステップ２”では、自動弁３１ｂ，３２ａ，３３ｂが開かれ、図５（ｂ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着（ＤＳ）され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給される。
また、ステップ２”では、吸着塔１０Ａ，１０Ｂの連通を閉じる一方、吸着塔１０Ｂのガス通過口１２と貯留タンク２３とが主幹ライン３３'、分枝ライン３３Ｂを介して連通している。ステップ２”の開始時において、吸着塔１０Ｂは貯留タンク２３と比べて相対的に低圧状態にある。したがって、ステップ２”の開始後において、貯留タンク２３内の製品酸素ガスが主幹ライン３３に放出される。一方、吸着塔１０Ｂでは、貯留タンク２３から放出された製品酸素ガスがガス通過口１２から導入されて、昇圧（ＰＲ）が行われる。ステップ２”の終了時において、吸着塔１０Ｂの内部圧力と貯留タンク２３の内部圧力とは、実質的に同圧である。
ステップ３”では、引き続き自動弁３１ｂ，３２ａ，３３ｂが開かれ、図５（ｃ）に示すようなガス流れ状態が達成される。吸着塔１０Ａにおいては、ステップ２”に引き続き真空ポンプ２２により塔内が減圧されて吸着剤から窒素が脱着（ＤＳ）され、塔内のガスがガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ導出される。当該オフガスは系外へ排出される。一方、吸着塔１０Ｂにおいては、ステップ２”に引き続き混合ガスが配管３１を介してガス通過口１１から供給され、混合ガスに含まれる窒素が吸着（ＡＳ）される。脱着を行う吸着塔１０Ａでは内部圧力が低下し続け、ステップ３”の終了時には吸着塔１０Ａの内部が最低圧力に到達する。
また、ステップ３”では、ステップ２”に引き続き、吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とが主幹ライン３３'、分枝ライン３３Ｂを介して連通している。ステップ３”の開始時において、吸着塔１０Ｂと貯留タンク２３とは実質的に同圧である。ステップ３”の開始後において、吸着塔１０Ｂへ混合ガスが供給されることで当該吸着塔１０Ｂの内部圧力が上昇する一方、貯留タンク２３から製品酸素ガスが配管３５を介して取り出されることで当該貯留タンク２３の内部圧力は低下する。このため、吸着塔１０Ｂから貯留タンク２３に向けてガスの流れが生じる。吸着塔１０Ｂでは内部圧力が上昇し、混合ガスに含まれる窒素が吸着剤によって吸着される。そして、ガス通過口１２から酸素が濃縮された製品酸素ガスが導出される。当該製品酸素ガスは、分枝ライン３３Ｂおよび主幹ライン３３’を介して貯留タンク２３に送出される。ステップ３”では吸着塔１０Ｂの内部圧力が上昇し続け、ステップ３”の終了時には吸着塔１０Ｂの内部が最高圧力に到達する。
以降のステップ４”〜６”では、図５（ｄ）〜（ｆ）に示したように、ステップ１”〜３”において吸着塔１０Ａについて行った操作を吸着塔１０Ｂについて行い、吸着塔１０Ｂについて行った操作を吸着塔１０Ａについて行う。そして、以上のステップ１”〜６”からなるサイクルを各吸着塔１０Ａ，１０Ｂにおいて繰り返し行うことにより、混合ガスから窒素が有意に除去された製品酸素ガスが連続的に取得される。
本比較例では、各ステップの継続時間は、ステップ１”が４秒間、ステップ２”が２秒間、ステップ３”が１９秒間、ステップ４”が４秒間、ステップ５”が２秒間、ステップ６”が１９秒間であり、ステップ１”〜６”からなる１サイクルの時間サイクルは５０秒とした。ステップ３”，６”において、吸着操作時の吸着塔１０Ｂ，１０Ａ内部の最高圧力を２０ｋＰａＧとし、脱着操作時の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ内部の最低圧力を−６５ｋＰａＧとした。また、ステップ１”，４”の終了時において、混合ガス供給側である吸着塔１０Ｂ，１０Ａの内部圧力が１ｋＰａＧとなるように流量調節弁３４ｂを調節した。
本比較例では、取得する製品酸素ガスの平均濃度が９３％の条件の時、混合ガス供給量が８１４ＮＬ／ｈ、製品酸素ガス流量が９０ＮＬ／ｈであった。また、酸素取得量が１００％濃度換算で１０００Ｎｍ3／ｈを想定した場合、真空ポンプ２２の必要風量は１８０４７ｍ3／ｈ、ターボブロワ２１の必要風量は９６７７Ｎｍ3／ｈとなった。
そして、真空ポンプ２２およびターボブロワ２１について上記実施例１と同じ稼働条件で電力原単位を算出した。その結果、酸素１Ｎｍ3あたりの消費電力（電力原単位）は０．３１８ｋＷｈとなった。
上記実施例および上記比較例に関して、単位時間あたりの製品酸素ガス発生量（製品酸素ガス流量）と電力原単位の関係を表１に示す。
Figure 0006905508
次に、流量５０００Ｎｍ3／ｈ（１００％酸素濃度換算）の装置を想定し、電気価格を１５円／ｋＷｈ、年間の装置稼働時間を８０００時間、吸着剤価格を１７００円／ｋｇとした場合の、年間電気料金と、使用する吸着剤の価格の一覧を表２に示す。
Figure 0006905508
表１から明らかなように、本発明の製品酸素ガス（製品ガス）の製造方法によると、電力原単位を低減（０．３ｋｗｈ/Ｎｍ3未満程度）することが出来る。
また、吸着塔内の残留濃縮酸素ガスを用いた洗浄時間（上記実施例１〜４におけるステップ１およびステップ４の各ステップの時間）をサイクルタイムの６〜１４％にすることで、高い製品酸素ガス発生量が実現でき、必要となる吸着剤量が削減される。したがって、電力原単位を低減しながら装置製造コストも削減可能となる。

Claims (10)

  1. 目的ガスおよび不要ガスを含む混合ガスから、上記不要ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された第１の吸着塔および第２の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記目的ガスが濃縮された製品ガスを製造する方法であって、
    上記第１の吸着塔と第２の吸着塔とを連通させた状態にて、上記第１の吸着塔に上記混合ガスを供給する一方、上記第２の吸着塔から塔内ガスの排気を行うステップ１と、
    上記第１の吸着塔と上記第２の吸着塔とを連通させた状態にて、上記第１の吸着塔から塔内ガスの排気を行う一方、上記第２の吸着塔に上記混合ガスを供給するステップ２と、
    上記第１の吸着塔と上記第２の吸着塔とを連通させない状態にて、上記第１の吸着塔から塔内ガスの排気を行う一方、上記第２の吸着塔に上記混合ガスを供給し、上記第２の吸着塔からの製品ガスの回収を少なくとも一部の時間において行うステップ３と、
    上記第１の吸着塔と第２の吸着塔とを連通させた状態にて、上記第２の吸着塔に上記混合ガスを供給する一方、上記第１の吸着塔から塔内ガスの排気を行うステップ４と、
    上記第１の吸着塔と第２の吸着塔とを連通させた状態にて、上記第２の吸着塔から塔内ガスの排気を行う一方、上記第１の吸着塔に上記混合ガスを供給するステップ５と、
    上記第１の吸着塔と上記第２の吸着塔とを連通させない状態にて、上記第２の吸着塔から塔内ガスの排気を行う一方、上記第１の吸着塔に上記混合ガスを供給し、上記第１の吸着塔からの製品ガスの回収を少なくとも一部の時間において行うステップ６と、
    を含むサイクルを繰り返し行い、
    上記ステップ３および上記ステップ６の各ステップにおいて上記吸着塔から導出される上記製品ガスは、貯留タンクに一時的に貯留され、
    上記ステップ３および上記ステップ６の各ステップは、当該各ステップの初期において、上記混合ガスを導入している吸着塔と上記貯留タンクとを連通させずに、上記混合ガスの導入のみによって当該吸着塔の昇圧を行う操作を含む、製品ガスの製造方法。
  2. 上記第１の吸着塔および第２の吸着塔への上記混合ガスの供給の少なくとも一部は、ターボブロワを用いて行う、請求項１に記載の製品ガスの製造方法。
  3. 上記ステップ１および上記ステップ４の各ステップにおいて、当該ステップの開始時と終了時との上記混合ガス導入側である上記吸着塔の圧力低下が、上記ステップ１ないしステップ６を通じた当該吸着塔の最高圧力と最低圧力との圧力差の−５〜２５％の範囲とされる、請求項１または２に記載の製品ガスの製造方法。
  4. 上記ステップ１および上記ステップ４の各ステップにおいて、当該ステップの開始時と終了時との上記混合ガス導入側である上記吸着塔の圧力低下が、上記ステップ１ないしステップ６を通じた当該吸着塔の最高圧力と最低圧力との圧力差の０〜１５％の範囲とされる、請求項３に記載の製品ガスの製造方法。
  5. 上記ステップ１〜６による１サイクルの時間に対して上記ステップ１および上記ステップ４の各ステップの占める時間比率が、２〜１８％である、請求項１ないし４のいずれかに記載の製品ガスの製造方法。
  6. 上記ステップ１〜６による１サイクルの時間に対して上記ステップ１および上記ステップ４の各ステップの占める時間比率が、６〜１４％である、請求項５に記載の製品ガスの製造方法。
  7. 上記ステップ２および上記ステップ５の各ステップの終了時において、上記第１の吸着塔と上記第２の吸着塔との圧力差が５ｋＰａ以内である、請求項１ないし６のいずれかに記載の製品ガスの製造方法。
  8. 上記混合ガスの温度に応じて、上記ステップ３および上記ステップ６を行うのに最適な継続時間を算出し、上記ステップ３および上記ステップ６の各ステップの継続時間を更新する、請求項１ないし７のいずれかに記載の製品ガスの製造方法。
  9. 上記目的ガスは酸素であり、上記不要ガスは窒素である、請求項１ないし８のいずれかに記載の製品ガスの製造方法。
  10. 上記ターボブロワの吐出圧力を大気圧よりも高くする、請求項２に記載の製品ガスの製造方法。
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