JP7149573B2 - 圧力スイング吸着装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２種類のガスを含む原料ガスを圧力スイング吸着法によって分離する圧力スイング吸着装置に関する。

圧力スイング吸着装置（以下、ＰＳＡ装置）は、少なくとも２種類のガスを含む原料ガスを圧力スイング吸着法で分離する。

ＰＳＡ装置は、吸着剤が充填された吸着タンクを備える。ＰＳＡ装置は、原料ガスを吸着タンクに供給して吸着タンクを加圧し、当該原料ガスに含まれる特定ガスを吸着剤に吸着させて製品ガスを得る加圧工程を実施する。また、ＰＳＡ装置は、加圧された吸着タンクを減圧し特定ガスを吸着剤から脱着させて排ガスを得る脱圧工程を実施する。

例えば、特許文献１のＰＳＡ装置は、複数の吸着タンクによって吸着ユニットを構成し、この吸着ユニットを複数備え、加圧工程および脱圧工程を吸着ユニット毎に交互に実施することができる。

特許第３６２３１５２号公報

特許文献１のＰＳＡ装置では、ある吸着ユニットで脱圧工程を実施するとき、その吸着ユニット内の全ての吸着タンクから一斉に排ガスが排出され始める。したがって、大きな排気音が生じることは不可避であった。この排気音は、吸着ユニットを構成する吸着タンクの数に整合して大きくなる。

本発明は、複数の吸着タンクからなる吸着ユニットで脱圧工程を実施するときに排気音が低減されるように吸着タンクからの排気を制御することができる圧力スイング吸着装置を提供することを目的とする。

本発明は、第１ガスおよび第２ガスを含む原料ガスを、濃縮された前記第１ガスを含む第１富化ガスと、濃縮された前記第２ガスを含む第２富化ガスとに、圧力スイング吸着法によって分離する圧力スイング吸着装置であって、
前記第２ガスを前記第１ガスに優先して吸着する吸着剤を含み互いに並列する複数の吸着タンクからなる少なくとも１つの吸着ユニットと、
前記原料ガスを前記各吸着タンクに供給するために、前記各吸着タンクの一次側と連通する原料ガス用ラインと、
前記第１富化ガスを前記各吸着タンクから排出するために、前記各吸着タンクの二次側と連通する第１ガス用ラインと、
前記第２富化ガスを前記各吸着タンクから排出するために、前記各吸着タンクの一次側と連通する第２ガス用ラインと、
前記原料ガス用ラインを開閉するための原料ガス用バルブと、
前記第２ガス用ラインを開閉するための第２ガス用バルブと、
前記吸着ユニットの少なくとも１つの前記吸着タンクに対して設けられ、対応する前記吸着タンクの一次側と前記第２ガス用ラインとの連通を切り替えるための一次側切替バルブと、
前記一次側切替バルブを制御する制御部と、を備え、
前記原料ガスを前記原料ガス用ラインから前記吸着タンクに供給し前記吸着タンク内を加圧し前記第２ガスを前記吸着材に吸着させることで前記第１富化ガスを得て、前記第１富化ガスを前記吸着タンクから前記第１ガス用ラインへ排出する加圧工程と、
加圧された前記吸着タンクを減圧し前記第２ガスを前記吸着剤から脱着させることで前記第２富化ガスを得て、前記第２富化ガスを前記吸着タンクから前記第２ガス用ラインへ排出する脱圧工程と、を実施することができ、
前記吸着ユニットで前記脱圧工程が実施されるとき、前記制御部は、前記一次側切替バルブを制御して、前記第２富化ガスが、当該吸着ユニットのある前記吸着タンクから排出され始めた後に、当該吸着ユニットの別の前記吸着タンクから排出され始めるようにする、ことを特徴とする。

好ましくは、前記一次側切替バルブが設けられた前記吸着タンクに対して設けられ、対応する前記吸着タンクの二次側と前記第１ガス用ラインとの連通を切り替えるための少なくとも１つの二次側切替バルブを、さらに備え、
前記加圧工程および前記脱圧工程を実施するときに用いられる前記吸着タンクの数が選択可能に構成されている。

好ましくは、前記吸着ユニットが複数設けられており、
前記加圧工程および前記脱圧工程が前記吸着ユニット毎に実施可能に構成されている。

本発明によれば、複数の吸着タンクからなる吸着ユニットで脱圧工程を実施するときに排気音が低減されるように吸着タンクからの排気を制御することができるＰＳＡ装置が提供される。

本発明に係るＰＳＡ装置の一実施形態の概略図である。 図１のＰＳＡ装置の動作を説明する図である。 図１のＰＳＡ装置の動作を説明する図である。 図１のＰＳＡ装置の動作を説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る圧力スイング吸着装置（以下、ＰＳＡ装置）が説明される。図１は、ＰＳＡ装置を概略的に示す。

ＰＳＡ装置は、少なくとも第１ガスおよび第２ガスを含む原料ガスを、濃縮された第１ガスを含む第１富化ガスと、濃縮された第２ガスを含む第２富化ガスとに、ＰＳＡ法によって分離する。

ＰＳＡ装置は、複数（実施形態では２つ）の吸着ユニット１Ａ，１Ｂを備える。吸着ユニット１Ａ，１Ｂは、それぞれ、互いに並列する複数（実施形態では３つ）の吸着タンク２ａ、２ｂ、２ｃを備える。吸着タンク２ａ、２ｂ、２ｃは、それぞれ、図示されていない吸着剤をその内部に含む。この吸着剤は、第２ガスを第１ガスに優先して吸着する性質を有する。

ＰＳＡ装置が、空気を原料ガスとし、酸素富化ガスを製品ガス（第１富化ガス）とし、窒素富化ガスを排ガス（第２富化ガス）とする酸素ＰＳＡ装置の場合、吸着剤として、窒素ガスを酸素ガスに優先して吸着する例えばゼオライト吸着剤が用いられる。ＰＳＡ装置が、空気を原料ガスとし、窒素富化ガスを製品ガスとし、酸素富化ガスを排ガスとする窒素ＰＳＡ装置の場合、吸着剤として、酸素ガスを窒素ガスに優先して吸着する例えば分子篩活性炭吸着剤が用いられる。ＰＳＡ装置が、空気を原料ガスとし、当該空気中の水分を吸着し、非加熱で乾燥した空気を製品ガスとして製造するクリーンドライエア発生装置の場合、吸着剤として乾燥剤が用いられる。

ＰＳＡ装置は、原料ガスを吸着ユニット１Ａ，１Ｂの各吸着タンク２ａ、２ｂ、２ｃに供給するための原料ガス用ライン３をさらに備える。原料ガス用ライン３は、吸着ユニット１Ａ，１Ｂの各吸着タンク２ａ、２ｂ、２ｃの一次側と一次側分岐ライン４Ａ，４Ｂを介して連通する。ＰＳＡ装置には、不図示のポンプが備えられており、ポンプによって圧縮された原料ガスが、これらのライン３，４Ａ，４Ｂを通じて、吸着ユニット１Ａ，１Ｂの各吸着タンク２ａ、２ｂ、２ｃに供給可能となっている。

ＰＳＡ装置は、原料ガス用ライン３に配置され、原料ガス用ライン３を開閉するための原料ガス用バルブ５Ａ，５Ｂをさらに備える。原料ガス用バルブ５Ａ、５Ｂは、吸着ユニット１Ａ，１Ｂのそれぞれに対して設けられている。原料ガス用バルブ５Ａ，５Ｂによって、対応する吸着ユニット１Ａ，１Ｂへの原料ガスの供給が制御される。

ＰＳＡ装置は、後述のようにして得られる第２富化ガスを、吸着ユニット１Ａ，１Ｂの各吸着タンク２ａ、２ｂ，２ｃから排出するための第２ガス用ライン６をさらに備える。第２ガス用ライン６は、吸着ユニット１Ａ，１Ｂの各吸着タンク２ａ，２ｂ，２ｃの一次側と一次側分岐ライン４Ａ，４Ｂを介して連通する。第２ガス用ライン６は、第２富化ガスを、排ガスとして、ＰＳＡ装置の外部へ排出するための排ガス口を備え、この排ガス口にサイレンサ７が設けられている。

ＰＳＡ装置は、第２ガス用ライン６に配置され、第２ガス用ライン６を開閉するための第２ガス用バルブ８Ａ，８Ｂをさらに備える。第２ガス用バルブ８Ａ，８Ｂは、吸着ユニット１Ａ，１Ｂのそれぞれに対して設けられている。第２ガス用バルブ８Ａ，８Ｂによって、対応する吸着ユニット１Ａ，１Ｂからの第２富化ガスの排出が制御される。

ＰＳＡ装置は、後述のようにして得られる第１富化ガスを、吸着ユニット１Ａ，１Ｂの各吸着タンク２ａ、２ｂ，２ｃから排出するための第１ガス用ライン９をさらに備える。第１ガス用ライン９は、吸着ユニット１Ａ，１Ｂの各吸着タンク２ａ，２ｂ，２ｃと、二次側分岐ライン１０Ａ，１０Ｂを介して連通する。第１ガス用ライン９は、第１富化ガスを、製品ガスとして、ＰＳＡ装置の外部へ排出するための製品ガス口１１を備える。第１ガス用ライン９には、製品ガスタンク（バッファータンク）１２、減圧バルブ１３、圧力計１４が設けられている。

ＰＳＡ装置は、吸着ユニット１Ａ，１Ｂのそれぞれに対して設けられた逆止バルブ１５Ａ，１５Ｂをさらに備えている。逆止バルブ１５Ａ，１５Ｂは、二次側分岐ライン１０Ａ，１０Ｂに配置され、第１富化ガスが、第１ガス用ライン９から、対応する吸着ユニット１Ａ，１Ｂへ逆流するのを防止する。

ＰＳＡ装置には、吸着ユニット１Ａ，１Ｂ間を均圧にするための均圧バルブ１６、１７が設けられている。

ＰＳＡ装置は、各吸着ユニット１Ａ，１Ｂの少なくとも１つ（実施形態では２つ）の吸着タンク２ｂ，２ｃに対して設けられた一次側切替バルブ１８ｂ，１８ｃをさらに備える。一次側切替バルブ１８ｂ，１８ｃは、一次側分岐ライン４Ａ，４Ｂに配置され、対応する吸着タンク２ｂ，２ｃの一次側と第２ガス用ライン６との連通を切り替えるためのものである。

ＰＳＡ装置は、一次側切替バルブ１８ｂ，１８ｃが設けられた吸着タンク２ｂ，２ｃに対して設けられた二次側切替バルブ１９ｂ，１９ｃをさらに備える。二次側切替バルブ１９ｂ，１９ｃは、二次側分岐ライン１０Ａ，１０Ｂに配置され、対応する吸着タンク２ｂ，２ｃの二次側と第１ガス用ライン９との連通を切り替えるためのものである。

ＰＳＡ装置は、各バルブ５Ａ，５Ｂ、８Ａ，８Ｂ，１３，１６，１７，１８ｂ，１８ｃ，１９ｂ，１９ｃに電気的に接続され、これらのバルブを制御する制御部２０をさらに備える。制御部２０は、制御回路などを含む。

ＰＳＡ装置は、上記構成要件を備えることで、吸着ユニット１Ａ，１Ｂ毎に加圧工程および脱圧工程を実施できるように構成されている。

加圧工程とは、原料ガスを吸着タンクに供給して吸着タンクを加圧することで原料ガスに含まれる第２ガスを吸着剤に吸着させて第１富化ガスを得て、第１富化ガスを製品ガスとして吸着タンクから第１ガス用ライン９へ排出する工程である。

脱圧工程とは、加圧された吸着タンクを減圧して第２ガスを吸着材から脱着することで第２富化ガスを得て、第２富化ガスを排ガスとして吸着タンクから第２ガス用ライン６へ排出する工程である。

ＰＳＡ装置は、２つの吸着ユニット１Ａ，１Ｂで加圧工程および脱圧工程を交替しながら実施することで、第１富化ガス（製品ガス）を連続して供給することができる。

また、ＰＳＡ装置は、一次側および二次側切替バルブ１８ｂ，１８ｃ，１９ｂ，１９ｃを備えていることで、加圧工程および脱圧工程を実施する際に用いられる吸着タンク２ａ、２ｂ，２ｃの数を選択可能に構成されている。例えば、加圧工程および脱圧工程の間、第１切替バルブ１８ｃおよび第２切替バルブ１９ｃが閉じつつけられることで、対応する吸着タンク２ｃは用いられず、２つの吸着タンクが２ａ、２ｂが用いられる。

以下で、ＰＳＡ装置の動作が説明される。
ＰＳＡ装置は、吸着ユニット１Ａ，１Ｂで加圧工程および脱圧工程を交替しながら実施する。図２‐図４は、ＰＳＡ装置が、吸着ユニット１Ａで脱圧工程を実施し、吸着ユニット１Ｂで加圧工程を実施しているところを示している。吸着ユニット１Ａ，１Ｂの全ての吸着タンク２ａ、２ｂ，２ｃが用いられる。

図２を参照して、吸着ユニット１Ｂでは、圧縮された原料ガスが原料ガス用ライン３および一次側分岐ライン４Ｂを通じて各吸着ユニット２ａ、２ｂ，２ｃに供給され、各吸着タンク２ａ、２ｂ，２ｃが加圧される。そして、原料ガスに含まれる第２ガスが吸着ユニット２ａ、２ｂ，２ｃの吸着材に吸着される。それにより、第１富化ガスが得られる。

吸着タンク２ａ、２ｂ、２ｃ内の圧力が、製品ガスタンク（バッファータンク）１２内の圧力以上に上昇すると、第１富化ガス（製品ガス）は、吸着ユニット１Ｂの吸着タンク２ａ、２ｂ，２ｃの二次側から取り出され、二次側分岐ライン１０Ｂおよび第１ガス用ライン９を通って製品ガスタンク（バッファータンク）１２に流れ、それから、製品ガス口１１から装置の外部へ排出される。

一方、吸着ユニット１Ａでは、加圧工程が終了し、脱圧工程が開始される。吸着ユニット１Ａの吸着タンク２ａ、２ｂ，２ｃは加圧された状態である。原料ガス用バルブ５Ａは閉じられている。まず、第２ガス用バルブ８Ａが制御部２０によって開かれ、吸着タンク２ａが大気圧に開放される。このとき、一次側切替バルブ１８ｂ，１８ｃは閉じられている。吸着タンク２ａの減圧が開始され、第２ガスが吸着タンク２ａの吸着剤から脱着される。それにより、第２富化ガスが吸着タンク２ａ内に得られる。

第２富化ガスが吸着タンク２ａから排出され始める。第２富化ガスは、排ガスとして、吸着タンク２ａから一次側分岐ライン４Ａを通じて第２ガス用ライン６へ排出され、それから、サイレンサ７（排ガス口）から装置の外部へ排出される。

吸着ユニット１Ａにおいて、第２ガス用バルブ８Ａが開かれて第２富化ガスが吸着タンク２ａから排出され始めてから所定時間経過後（例えば、１秒後）、図３に示される通り、一次側切替バルブ１８ｂが制御部２０によって開かれて、第２富化ガスが、吸着タンク２ｂから排出され始める。第２富化ガスは、排ガスとして、吸着タンク２ｂから一次側分岐ライン４Ａを通じて第２ガス用ライン６へ排出され、それから、サイレンサ７（排ガス口）から装置の外部へ排出される。

吸着ユニット１Ａにおいて、一次側切替バルブ１８ｂが開かれて第２富化ガスが吸着タンク２ｂから排出され始めてから所定時間経過後（例えば、１秒後）、図４に示される通り、一次側切替バルブ１８ｃが制御部２０によって開かれて、第２富化ガスが、吸着タンク２ｃから排出され始める。第２富化ガスは、排ガスとして、吸着タンク２ｃから一次側分岐ライン４Ａを通じて第２ガス用ライン６へ排出され、それから、サイレンサ７（排ガス口）から装置の外部へ排出される。

このように、制御部２０は、第２ガス用バルブ８Ａおよび一次側切替バルブ１８ｂ、１８ｃを時間差で開くようにシーケンス制御し、第２富化ガスが、ある吸着タンク２ａ／２ｂから排出され始めた後に、別の吸着タンク２ｂ／２ｃから排出され始めるようにする。この制御による排気音は、第２富化ガスを全吸着タンク２ａ，２ｂ，２ｃから一斉に排出するときの排気音と比べて低減される。第２ガス用ライン６およびサイレンサ７（排気口）における流量は、前者のほうが後者よりも小さくなるからである。

その後、ＰＳＡ装置は、吸着ユニット１Ａで加圧工程を実施し、吸着ユニット１Ｂで上述のシーケンス制御で脱圧工程を実施する。そして、これが繰り返される。

［実施例］
図１の構成からなる酸素ＰＳＡ装置を準備した。脱圧工程を吸着ユニット１Ａで図２～図４の通りに実施した。３つの吸着タンク２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれ、４８０Ｌ（１６０Ｌ＊０．３ＭＰａ）の内容量を有する。バルブ８Ａ、１８ｂ，１８ｃを順に１秒差で開いて、窒素富化ガス（第２富化ガス・排ガス）を一秒差で吸着タンク２ａ→２ｂ→２ｃの順に排出した。４８０Ｌを各吸着タンク２ａ，２ｂ，２ｃから約１秒で排出した。したがって、実施例では、サイレンサ７（排ガス口）における排気量は、約４８０Ｌ／ｓｅｃである。

［比較例］
実施例１と同様の酸素ＰＳＡ装置を準備した。吸着タンク２ａ，２ｂ，２ｃの内容量は実施例１と同じである。比較例では、バルブ８Ａ，１８ｂ，１８ｃを同時に開いて、窒素富化ガス（第２富化ガス・排ガス）を一斉に排出した。４８０Ｌを各吸着タンク２ａ，２ｂ，２ｃから約１秒で排出した。したがって、比較例では、サイレンサ７（排ガス口）における排気量は、約１４４０Ｌ／ｓｅｃである。

［実施例］と［比較例］とのそれぞれで、排気音の騒音値をサイレンサ７から１００ｍｍ離れた位置で測定器によって測定した。測定器は、メーカ：リオン株式会社、型式：ＮＡ-２９、Ｓ/Ｎ：１０７３２１１９である。測定結果を以下に示す。

上記表から明らかな通り、同じサイレンサ７が使用されたとしても、実施例は、比較例に比べて排気音を低減する。というのも、サイレンサ７（排ガス口）における流量は、実施例のほうが比較例よりも小さいからである。

一次側切替バルブ１８ｂ，１８ｃを備えるＰＳＡ装置自体は従来からある。実施例と比較例との対比から明らかな通り、本発明は、一次側切替バルブ１８ｂ，１８ｃのシーケンス制御によって、既存のＰＳＡ装置にハード的な構成要素を何ら追加することなく、排気音を低減できる点で非常に有効である。すなわち、本発明の排気音の低減はコストがほとんどかからない。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
ＰＳＡ装置は、酸素ＰＳＡ装置、窒素ＰＳＡ装置、クリーンドライエア発生装置に限らず他のＰＳＡ装置でもよい。

実施形態では、吸着ユニット１Ａ，１Ｂが２つ設けられていたが、１つの吸着ユニットだけが設けられてもよい。また、３以上の吸着ユニットが設けられてもよい。

実施形態では、各吸着ユニット１Ａ，１Ｂは、３つの吸着タンク２ａ，２ｂ，２ｃで構成されていたが、２つの吸着タンクで構成されてもよいし、４以上の吸着タンクで構成されてもよい。

一次側切替バルブは、全ての吸着タンクに設けられてもよいが、実施形態のように、一次側切替バルブが設けられていない吸着タンク２ａがあっても、本発明の目的を達成することができる。

１Ａ，１Ｂ 吸着ユニット
２ａ，２ｂ，２ｃ 吸着タンク
３ 原料ガス用ライン
５ 原料ガス用バルブ
６ 第２ガス用ライン（排ガスライン）
７ 排ガス口のサイレンサ
８ 第２ガス用バルブ（排ガス用バルブ）
９ 第１ガス用ライン（製品ガスライン）
１１ 製品ガス口
１８ｂ，１８ｃ 一次側切替バルブ
１９ｂ，１９ｃ 二次側切替バルブ
２０ 制御部

Claims (4)

1. 第１ガスおよび第２ガスを含む原料ガスを、濃縮された前記第１ガスを含む第１富化ガスと、濃縮された前記第２ガスを含む第２富化ガスとに、圧力スイング吸着法によって分離する圧力スイング吸着装置であって、
   前記第２ガスを前記第１ガスに優先して吸着する吸着剤を含み互いに並列する複数の吸着タンクからなる少なくとも１つの吸着ユニットと、
   前記吸着ユニットの各吸着タンクの一次側に接続された一次側分岐ラインと、
   前記原料ガスを前記各吸着タンクに供給するために、前記各吸着タンクの一次側と前記一次側分岐ラインを介して連通する原料ガス用ラインと、
   前記第１富化ガスを前記各吸着タンクから排出するために、前記各吸着タンクの二次側と連通する第１ガス用ラインと、
   前記第２富化ガスを前記各吸着タンクから前記圧力スイング吸着装置の外部へ排出するための排ガス口を備え、前記各吸着タンクの一次側と前記一次側分岐ラインを介して連通する第２ガス用ラインと、
   前記原料ガス用ラインを開閉するための原料ガス用バルブと、
   前記第２ガス用ラインを開閉するための第２ガス用バルブと、
   前記吸着ユニットの少なくとも１つの前記吸着タンクに対して設けられ、前記一次側分岐ラインに配置され、対応する前記吸着タンクの一次側と前記第２ガス用ラインとの連通を切り替えるための一次側切替バルブと、
   前記一次側切替バルブを制御する制御部と、を備え、
   前記原料ガスを前記原料ガス用ラインから前記一次側分岐ラインを通じて前記吸着タンクに供給し前記吸着タンク内を加圧し前記第２ガスを前記吸着材に吸着させることで前記第１富化ガスを得て、前記第１富化ガスを前記吸着タンクから前記第１ガス用ラインへ排出する加圧工程と、
   加圧された前記吸着タンクを減圧し前記第２ガスを前記吸着剤から脱着させることで前記第２富化ガスを得て、前記第２富化ガスを前記吸着タンクから前記一次側分岐ライン、前記第２ガス用ライン、および、前記排ガス口を通じて、前記圧力スイング吸着装置の外部へ排出する脱圧工程と、を実施することができ、
   前記吸着ユニットによる前記脱圧工程中に、前記制御部は、前記一次側切替バルブを制御して、前記第２富化ガスが、当該吸着ユニットのある前記吸着タンクから排出され始めた後に、当該吸着ユニットの別の前記吸着タンクから排出され始めるようにする、
   ことを特徴とする圧力スイング吸着装置。
2. 前記一次側切替バルブが設けられた前記吸着タンクに対して設けられ、対応する前記吸着タンクの二次側と前記第１ガス用ラインとの連通を切り替えるための少なくとも１つの二次側切替バルブを、さらに備え、
   前記加圧工程および前記脱圧工程を実施するときに用いられる前記吸着タンクの数が選択可能に構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。
3. 前記吸着ユニットが複数設けられており、
   前記加圧工程および前記脱圧工程が前記吸着ユニット毎に実施可能に構成されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力スイング吸着装置。
4. 一つの前記吸着ユニット内に、前記一次側切替バルブが設けられていない前記吸着タンクが１つだけある、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力スイング吸着装置。

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