JP7407609B2

JP7407609B2 - Ｐｓａ法によるガス分離装置

Info

Publication number: JP7407609B2
Application number: JP2020019316A
Authority: JP
Inventors: 貞弘山田
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2024-01-04
Anticipated expiration: 2040-02-07
Also published as: JP2021122801A

Description

本発明は、圧力変動吸着法〔以下、ＰＳＡ法という(Pressure Swing Adsorption)によるガス分離装置に関する。

ＰＳＡ法によるガス分離装置（以下、単に「ガス分離装置」という）は、特定のガスを選択的に吸着する性能を有する吸着剤を充填した吸着塔に、複数の組成から成る原料ガスを加圧して供給し、高純度の製品ガスを取り出すものである（例えば、特許文献１参照）。
このガス分離装置について、原料空気から高純度の窒素ガスを取り出す場合を例に挙げて説明する。

上記のようなガス分離装置４１は、図７、図８に示すように、圧縮された原料空気が導入されて原料空気中の不要成分を吸着する吸着剤が充填された一対の第１吸着塔３、第２吸着塔５、及び製品ガスを貯留するバッファタンク（図示なし）を備えている。
ガス分離装置４１は、第１吸着塔３、第２吸着塔５を定期的に切り替えてガス分離を行うため、第１吸着塔３、第２吸着塔５の下部には、原料ガスを導入するための入側ラインユニット７、上部には製品ガスを取り出すための出側ラインユニット９が設けられている。
入側ラインユニット７には、第１入側弁１１、第２入側弁１３、入側均圧ライン１５及び入側均圧弁１７がそれぞれ設けられ、出側ラインユニット９には、第１出側弁１９、第２出側弁２１、出側均圧ライン２３及び出側均圧弁２５がそれぞれ設けられている。

このようなガス分離装置４１を用いたガス分離方法は以下のような工程で行われる。
圧縮機によって圧縮した原料空気を第１吸着塔３内に導入して第１吸着塔３内を加圧し、原料空気中の不要成分を吸着剤に優先的に吸着させて、窒素が濃縮されたガスを得る加圧吸着工程と、この加圧吸着工程と同時に、第２吸着塔５の圧力を下げ、その第２吸着塔５内の吸着剤から前段階で吸着した不要成分を脱離させることで、第２吸着塔５内の吸着剤を再生する減圧再生工程と、第１吸着塔３、第２吸着塔５内に残留するガスを導入する均圧工程と、を第１吸着塔３、第２吸着塔５を切り換えながら連続的に行われる。

ガス分離装置４１を構成する第１吸着塔３、第２吸着塔５、入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９の配置は、メンテナンス性や装置寸法の縮小化を考慮し設計される。そのため、図７、図８に示すように、入側ラインユニット７と、出側ラインユニット９はユニット化して設けられている。
そして、これら各ユニット７、９は、メンテナンスの都合上、第１吸着塔３、第２吸着塔５の前面側に設けられるのが一般的である。

特開平１１－５７３７４号公報

図７、図８に示すように、各ユニット７、９は左右対称に構成され、第１吸着塔３、第２吸着塔５から各ユニット７、９までの配管も同径で同じ長さになるように設定されている。このようにしているのは、ＰＳＡ方式は、第１吸着塔３と第２吸着塔５を定期的に切り替えて使用するため、第１吸着塔３で生成される製品ガスと、第２吸着塔５で生成される製品ガスの性状が同一になるには、左右の切換えによって配管ボリューム等に差異が生じないようにする必要があると考えられていたためである。

この場合、図８に示すように、第１吸着塔３、第２吸着塔５を平面視した際の、第１吸着塔３と第２吸着塔５の各中心（Ｏ１、Ｏ２）を結ぶ中心線を中心線Ａとし、平面視において、出側ラインユニット９における第１吸着塔３と第２吸着塔５とのそれぞれの接続部の中心（Ｃ１、Ｃ２）を結ぶ直線を直線Ｂとしたときに、中心線Ａと、直線Ｂとが平行になるように、第１吸着塔３と第２吸着塔５が配置されている。
そして、バッファタンク３７を含む実際の配置を平面視すると、図９に示すようになっている。

しかし、上記のように配置が固定化されていると、第１吸着塔３、第２吸着塔５を覆う筐体３５の寸法が固定化され、さらなる小型化ができない。
また、ガス分離装置４１を設置する場所に関し、その広さ（面積）は足りるが、配置場所の形状が例えば、隅角の平面視で三角形の場所のような場合には有効的に設置できないという問題がある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、メンテナンス性を考慮すると共に、第１、第２吸着塔の配置の自由度を増すことができるＰＳＡ法によるガス分離装置を提供することを目的としている。

発明者は、第１、第２吸着塔３、５の配置の自由度を増すために鋭意検討した。
まず、入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９はメンテナンス上の都合から従来通り前面側に配置されるべきであると考えた。このように考えると、これら入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９と一つの吸着塔、例えば第１吸着塔３とはできるだけ近傍に設置することが省スペースとなることから、これらの配置は必然的に決定される。そして、他の吸着塔、すなわち第２吸着塔５の配置の自由度を増すことを考えると、第１吸着塔３から弁ユニット（入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９）までの距離と第２吸着塔から弁ユニット（入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９）までの距離が異なり、その配管径は通常同じであることを考えると、２つの吸着塔で、までの接続部の容量が異なることになる。
従来は、これが異なると、左右で製造される製品ガス、すなわち窒素冨化ガスの性状に違いが出て、支障が出ると考えられていた。

そこで、発明者は、このような固定観念について、検証するために、２つの吸着塔で弁ユニット（入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９）までのボリュームが異なることでどのような差異が生ずるかを実験的に確認した。
その結果、ボリュームの違いを所定の範囲に抑えると問題となるような差異が生じないことを確認した。本発明はかかる知見に基づくものである。

（１）本発明に係るＰＳＡ法によるガス分離装置は、２つの吸着塔と、各吸着塔に接続される接続部を有する弁ユニットを有するものであって、
一方の吸着塔と前記弁ユニットを接続する第１接続管と、他方の吸着塔と前記弁ユニットを接続する第２接続管とを備え、前記各吸着塔を平面視した際の、前記各吸着塔の各中心を結ぶ中心線を中心線Ａとし、前記各吸着塔を平面視した際の、各弁ユニットにおける各吸着塔との接続部の中心を結ぶ直線を直線Ｂとしたときに、前記中心線Ａと、前記直線Ｂとが平行ではなく交差する関係になるように、前記２つの吸着塔が配置されていることを特徴とするものである。

（２）また、２つの吸着塔と、各吸着塔に接続される接続部を有する弁ユニットを有するＰＳＡ法によるガス分離装置であって、
一方の吸着塔と前記弁ユニットを接続する第１接続管と、他方の吸着塔と前記弁ユニットを接続する第２接続管とを備え、前記吸着塔を正面視した際の、前記各吸着塔の中心の最も高い点を結ぶ直線を直線Ｃとし、前記吸着塔を正面視した際の、各弁ユニットにおける各吸着塔との接続部の中心を結ぶ直線を直線Ｄとしたときに、前記直線Ｃと、前記直線Ｄとが平行ではなく交差する関係になるように、前記２つの吸着塔が配置されていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記第１接続管と前記第２接続管の容量の比率が、1.0以上17以下に設定されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、吸着塔の配置は対称的に配置する必要がないことから、メンテナンススペースを確保しつつ設置に最も有効なレイアウトに合わせた設計が可能となり、また省スペース化も実現される。

実施の形態１に係るガス分離装置の構成の概要の説明図である。実施の形態１に係るガス分離装置の配置を説明する説明図である。実施の形態１に係るガス分離装置の実際の配置を説明する説明図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が第１吸着塔の上部の正面図である。実施の形態１に係るガス分離装置の実際の配置を説明する平面図である（その１）。実施の形態１に係るガス分離装置の実際の配置を説明する平面図である（その２）。実施の形態２に係るガス分離装置の概要の説明図である。従来例のガス分離装置の概要の説明図である（その１）。従来例のガス分離装置の概要の説明図である（その２）。従来例の実際の配置を説明する説明図である。

［実施の形態１］
本実施の形態に係るＰＳＡ法によるガス分離装置１（以下、単に「ガス分離装置１」という）は、図１に示すように、２つの吸着塔（第１吸着塔３、第２吸着塔５）と、第１吸着塔３の下部に設けられて原料ガスを導入するための入側ラインユニット７、第１吸着塔３の上部には製品ガスを取り出すための出側ラインユニット９がそれぞれ設けられている。
そして、入側ラインユニット７には、第１入側弁１１、第２入側弁１３、入側均圧ライン１５及び入側均圧弁１７がそれぞれ設けられ、出側ラインユニット９には、第１出側弁１９、第２出側弁２１、出側均圧ライン２３及び出側均圧弁２５がそれぞれ設けられている。
入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９は、本発明の弁ユニットに相当する。
なお、図１は装置構成を説明するための説明図であり、第１吸着塔３と第２吸着塔５の配置を示すものではなく、第１吸着塔３と第２吸着塔５の配置は、図２に示す通りである。

第１吸着塔３と第２吸着塔５は、第２吸着塔５が、図２に示すように、第１吸着塔３の背面側に位置するように配置されている。
第１吸着塔３と入側ラインユニット７は、入側第１接続管２７で接続されている。また、第１吸着塔３と出側ラインユニット９は、出側第１接続管２９で接続されている。
第２吸着塔５と入側ラインユニット７は、入側第２接続管３１で接続されている。また、第２吸着塔５と出側ラインユニット９は、出側第２接続管３３で接続されている。

入側第１接続管２７と入側第２接続管３１の容量比（入側第１接続管容量／入側第２接続管容量）、出側第１接続管２９と出側第２接続管３３の容量比（出側第１接続管容量／出側第２接続管容量）は、1.0以上、17以下が好ましく、1.1以上17以下がより好ましく、2.3以上16.9以下が特に好ましい。このような比率にするのは、生成される製品ガスの性状に影響がでないようにするためである。なお、この点については、後述の実施例で実証している。

また、図２に示すように、第１吸着塔３、第２吸着塔５を平面視した際の、第１吸着塔３と第２吸着塔５の各中心（Ｏ１、Ｏ２）を結ぶ中心線を中心線Ａとし、平面視において、出側ラインユニット９における第１吸着塔３と第２吸着塔５とのそれぞれの接続部の中心（Ｃ１、Ｃ２）を結ぶ直線を直線Ｂとしたときに、中心線Ａと、直線Ｂとが平行ではなく交差する関係（本例では、中心線Ａと直線の成す角度が９０°）になるように、第１吸着塔３と第２吸着塔５が配置されている。

なお、入側第１接続管２７と入側第２接続管３１、及び出側第１接続管２９と出側第２接続管３３の配管径は通常同一径であるため、中心線Ａと直線Ｂが交差するような配置にすると、接続管長さが第１接続管と第２接続管で異なるようになる。もっとも、容量比が1.0の場合であって、中心線Ａと直線Ｂが交差するような配置の場合には、第１接続管と第２接続管で管径が異なる態様となる。

上記のような配置は、従来では考えられなかったものであり、実際の筐体３５内での配置は、製品ガスを貯留するバッファタンク３７を含めて図３に示すようになる。
図３に示す例では、入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９を第１吸着塔３の正面に配置し、メンテナンス性を確保しつつ、第２吸着塔５は第１吸着塔３の背面に配置するという構成としている。
このようなレイアウトであれば、バッファタンク３７を含めた各機器を収容する筐体３５を立方体に近い形状にすることができ、全体形状をコンパクトにできる。

もっとも、設置場所が細長い矩形状の場合には、図４に示すように、バッファタンク３７を第２吸着塔５の背面側に配置するようにしてもよい。
また、設置場所が三角形のような場合には、図５に示すような配置にして、これらを覆う筐体を設けるようにしてもよい。

このように、本実施の形態によれば、弁関係のメンテナンス性を確保しつつ第１吸着塔３と第２吸着塔５の配置の自由度が増し、それ故に、ガス分離装置１の設置場所の自由度が増すと共に、装置全体をコンパクトにすることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１においては、第１吸着塔３と第２吸着塔５が同一高さに設置されることを前提にして、平面上の配置の自由度を増すというものであった。
本実施の形態は、高さ方向の配置の自由度を増すためのものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

本実施の形態に係るＰＳＡ法によるガス分離装置３９は、図６に示すように、２つの吸着塔（第１吸着塔３、第２吸着塔５）と、各吸着塔に接続される接続部を有する弁ユニット（入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９）を有するものであって、第１吸着塔３と入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９を接続する入側第１接続管２７及び出側第１接続管２９と、第２吸着塔５と入側ラインユニット７及び出側ラインユニット９を接続する入側第２接続管３１及び出側第２接続管３３とを備え、入側第１接続管２７と入側第２接続管の容量の比率、及び出側第１接続管２９と出側第２接続管の容量の比率が、1.0以上17以下に設定されており、かつ、吸着塔を正面視した際の、各吸着塔の中心の最も高い点を結ぶ直線を直線Ｃとし、吸着塔を正面視した際の、各弁ユニットにおける各吸着塔との接続部の中心を結ぶ直線を直線Ｄとしたときに、直線Ｃと、直線Ｄとが平行ではなく交差する関係になるように、第１吸着塔３と第２吸着塔５が配置されていることを特徴とするものである。

本実施の形態における構成機器は実施の形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態によれば、第１吸着塔３と第２吸着塔５の設置高さを変えることが可能になり、実施の形態１と同様に、弁関係のメンテナンス性を確保しつつ第１吸着塔３と第２吸着塔５の配置の自由度が増し、それ故に、ガス分離装置３９の設置場所の自由度が増すと共に、装置全体をコンパクトにすることができる。

［実施の形態３］
本実施の形態３は、実施の形態１及び実施の形態２を組み合わせた形態であり、第１吸着塔３と第２吸着塔５における平面上の配置、及び高さ方向の配置をそれぞれ変更したものである。これにより、平面上の配置及び高さ方向の配置の両方において自由度を増すことができる。具体的な構成は、実施の形態１及び実施の形態２と同様である。

本発明においては、入側第１接続管２７と入側第２接続管３１（出側第１接続管２９と出側第２接続管３３）の容量について検討したものである。一般的に、配管容量等に差異が生じると製品ガス純度に悪影響を与えると考えられている。本実施例ではこの点を、窒素冨化ガス製造装置を用いた試験により実証した。
試験は、各吸着塔上部の出側第１接続管２９と出側第２接続管３３のボリューム差による製品ガス（窒素冨化ガス）純度への影響を調べるというものである。比較例及び実施例では、出側第１接続管２９と出側第２接続管３３の長さを変え、各々、後段に設けたバッファタンク出口部における窒素冨化ガス中の酸素濃度を計測し評価した。比較例１は、図７及び図８の装置を用いた。比較例２は、図７及び８の装置の上部配管容量を２倍とした装置を用いた以外は、比較例１と同様の装置を用いた。実施例１は、図１及び図２の装置を用いた。実施例２は、図１及び２の装置の上部配管容量比（第１出側接続管／第２出側接続管）を16.9とした以外は、実施例１と同様の装置を用いた。装置の構成とその結果を表１に示す。

表１に示されるように、上部配管容量比（第１出側接続管／第２出側接続管）を変更した実施例１及び２において、従来の装置を用いた比較例１及び比較例２と比較して、窒素冨化ガス中の酸素濃度及び酸素濃度平均に大きな差がでることはなく、容量比の違いが製品ガスの性状に影響を与えることがないことが分かる。
このことから吸着塔上部の接続配管容量が左右異なっていても窒素冨化ガス中の酸素濃度には影響がないことが実証された。

１ガス分離装置(実施の形態１)
３第１吸着塔
５第２吸着塔
７入側ラインユニット
９出側ラインユニット
１１第１入側弁
１３第２入側弁
１５入側均圧ライン
１７入側均圧弁
１９第１出側弁
２１第２出側弁
２３出側均圧ライン
２５出側均圧弁
２７入側第１接続管
２９出側第１接続管
３１入側第２接続管
３３出側第２接続管
３５筐体
３７バッファタンク
３９ガス分離装置(実施の形態２)
４１ガス分離装置(従来例)

Claims

２つの吸着塔と、各吸着塔に接続される接続部を有する弁ユニットを有するＰＳＡ法によるガス分離装置であって、
一方の吸着塔と前記弁ユニットを接続する第１接続管と、他方の吸着塔と前記弁ユニットを接続する第２接続管とを備え、前記各吸着塔を平面視した際の、前記各吸着塔の各中心を結ぶ中心線を中心線Ａとし、前記各吸着塔を平面視した際の、各弁ユニットにおける各吸着塔との接続部の中心を結ぶ直線を直線Ｂとしたときに、前記中心線Ａと、前記直線Ｂとが平行ではなく交差する関係になるように、前記２つの吸着塔が配置され、
前記２つの吸着塔が、前記直線Ｂに対して同じ側に配置され、
前記２つの吸着塔の配置の自由度を増すことができることを特徴とするＰＳＡ法によるガス分離装置。
前記第１接続管と前記第２接続管の容量の比率が、1.0以上17以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のＰＳＡ法によるガス分離装置。