JPH02187118A - 圧力スイング式ガス分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は圧力スイング法によるガス分離装置に係り、例
えば、圧力スイング法により空気中の窒素ガスを分離濃
縮するのに好適な装置に関するものである。

［従来の技術］ 圧力、スイング法によるガスの分離は、吸着剤を充填し
た２つの吸着槽に対して交互に加圧混合ガスの送入（吸
着工程）と減圧排気（脱着工程）とを行なって、吸着剤
に吸着されないガスの吸着槽からの取出しと、吸着剤に
吸着されたガスの脱着排気どを交互に行なうものである
。例えば、酸素を吸着する吸着剤を用い、混合ガスとし
て空気を用いれば、空気から窒素ガスを分離して取り出
すすことかできる。

圧力スイング法により吸着槽から取出された窒素ガスの
濃度をさらに高濃度化する方法として、取出された窒素
ガス内に残留するａ素ガスに対して水素ガスを添加し、
触媒により化学反応させて酸素ガスを取り除く方法と、
金属化合物の酸化還元を利用し残留酸素を取り除く方法
とが一般的に知られている（昭和６１年１月１５日工業
技術会発行、用井利長編「圧力スイング吸着技術集成」
１５９頁〜１７４頁参照）。

上記の方法以外では特開昭５７−１０６５０４号記載の
ように吸着槽を３槽並列に設け、製品ガスの濃度を高濃
度化しているものもある。尚、上記特開昭５７−１０６
５０４号は圧力スイング法による酸素ガスの濃縮の場合
のものであるが、窒素ガスの濃縮についても同様な効果
を得ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来技術の項で述べた窒素ガス内に残留している酸素ガ
スに対し水素ガスを添加する方法は、水素ガスという非
常に爆発性の高いガスを使用するため危険性があり、ま
た、窒素ガスの使用量の変化に伴なう窒素ガス濃度の変
化に対し非常に微妙な水素ガスの供給コントロールが必
要となり、高濃度の窒素ガスを得るためにはどうしても
水素ガスを過剰に供給することになり、結果的に窒素ガ
２に中に水素ガスが残留するという問題がある。

金属化合物の酸化還元を利用する方法は、水素ガスのよ
うな危険なガスは使用しないが、装置が非常に複雑でか
つ高価であるという問題があるため、−船釣には処理量
の少ない小形な設備に用いられているのが実情である。

一方、特開昭５７−１０６５０４号のように吸着槽の数
を多くして、窒素ガスの濃度を高濃度化する方法は、高
価な吸着剤を多量に使用することになるとともに装置自
体も大きくなるので価格的には前者の方法に比べそれほ
ど安価にはならないし、吸着便の数を多くすることによ
って、装置の信頼性上域も重要となる開閉自在弁の数が
多くなるという問題がある。（例えば、吸着槽が２μの
場合には開閉自在弁の数が７個であるのに対し、吸着槽
が３基なると開閉自在弁の数は１５個と倍以上となる。

） 本発明の目的は、上記のような従来の技術の問題点を解
決し、安価な手段で高濃度な目的ガスが得られる圧力ス
イング式ガス分離装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、同種類の吸着剤を充填した２Ｊ！の吸着槽に
対して交互に加圧混合ガス送入工程と減圧排気工程とを
その間に均圧工程を挾んで実施し、混合ガス送入工程に
ある吸着槽において前記吸着剤で吸着可能なガス（これ
を吸着ガスという）をその吸着槽内の吸着剤に吸着させ
ると共に前記吸着剤で吸収されないガス（これを非吸着
ガスという）を該吸着槽から取り出して配管系を介して
非吸着ガス貯槽へ送り、他方、減圧排気工程にある吸着
槽においてその吸着槽内の吸着剤に吸、とされた吸着ガ
スを脱着させて該吸着槽から排気するように構成した圧
力スイング式ガス分離装置において、前記両吸着槽と非
吸着ガス貯槽とを結ぶ前記配管系に、開閉弁と前記吸着
剤と同種類の吸着剤を充填した第３の吸着槽と非吸着ガ
ス貯槽へのガス流のみを通す第１の逆止弁との直列接続
からなる第１流路系、および上記第１の逆止弁とは流れ
方向が反対の第２の逆止弁とアスピレータとの直列接続
からなる第２流路系を並列に挿入し、該アスピレータと
前記第３の吸着槽とを抽気配管で接続し、該アスピレー
タはその中を前記第２流路系を通るガスが流れるときそ
の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換することによ
り前記抽気配管を介して前記第３の吸着槽内を減圧する
ようにしたことを特徴とする。

［作　　　用］ 本発明の構成において、圧力スイング法による運転がな
され、２つの吸着槽より交互に取出された非吸着ガスは
、あらかじめ開状態にある開閉弁を通り、第３の吸着槽
に入り、第３の吸着槽内の吸着剤により非吸着ガス中に
残留している少量の吸着ガスが吸着され、第１逆止弁を
通り非吸着ガス貯槽に送られる。それ故に、非吸着ガス
貯槽に送られた非吸着ガスの濃度は、第３の吸着槽を有
しない従来のものに比べ当然高濃度になる。

第３の吸着槽内の吸着剤に吸着された吸着ガスは次の様
に処理される。すなわち、２つの吸着槽の均圧工程後に
非吸着ガス貯槽と該吸着槽との圧力差により非吸着ガス
貯槽内の非吸着ガスが該吸着槽へと逆流するが、この逆
流する非吸着ガスは前記第３の吸着槽を含む第１流路系
に並列に設けである第２流路系に流れ、その時のアスピ
レータにおける速度エネルギーにより第３の吸着槽内を
減圧し、第３の吸着槽内の吸着剤に吸着している吸着ガ
スを脱着させ、該吸着剤の再生を行なう。

以上説明した動作が圧力スイング法による装置の運転サ
イクル毎に行なわれるから、第３の吸着槽内の吸着剤も
吸着ガスの吸着および脱着を繰返すことになるので、結
果的には高濃度の非吸着ガスを非吸着ガス貯槽内に得る
ことができ、従来技術での問題点を解決することになる
。

尚、第３の吸着槽内の吸着剤より肌着された吸着ガスは
２つの吸着槽内の吸着剤に一旦再吸着され、そこから最
終的に脱着されることになる。

［実　施　例］ 以下に本発明の一実施例を第１図により説明する。本実
施例は空気から窒素ガスを製造する装置としての実施例
である。

第１図において、１は空気を圧縮する圧縮機、２はアフ
タークーラー　３は空気槽兼ドレンセパレータ、４Ａお
よび４Ｂはカーボンモレキュラーシーブに代表される吸
着剤が詰め込まれている第１吸着槽および第２吸着層、
５および６は第１、第２吸着槽４Ａ、４Ｉ３に圧縮機１
から上記要素２゜３を経た圧縮空気を送り込むための圧
縮空気供給弁、７．８および９は第１．第２吸七槽４Ａ
。

４Ｂから窒素ガスを取り出すため窒素ガス取出し弁兼第
１、第２吸若槽４Ａ、４Ｂの圧力を均圧するための均圧
弁、１０および１１は第１、第２吸着槽４Ａ、４Ｂ内の
吸着剤に吸着されたガス（主に酸素ガス）を真空ポンプ
１２により減圧肌着再生するための減圧排気弁であり、
これらの弁は全て電気信号等により開閉自在な弁である
。１３は第１、第２吸着槽４Ａ、４Ｂから取り出し・た
窒素ガスを貯留するための製品槽である。

１４．１５，１６，１７，１８および１９に示すものが
本発明に基づく構成部品である。１４は電気信号等によ
り開閉自在な弁であり、１５は第１、第２吸着槽４Ａ、
４Ｂと同様にカーボンモレキュラーシーブに代表される
吸着剤が詰め込まれている第３の吸着槽であり、１Ｇは
逆止弁である。

上記弁１４．第３吸着槽１５および逆止弁１６よりなる
流路系においては、第１、第２吸着槽４Ａ。

４Ｂより取り出された窒素ガスはこの逆止弁１６により
窒素ガス製品槽１３の力へのみ流れるよう規制される。

一方、上記流路系１４，１５．１６に対し並列に接続さ
れたアスピレータ１７および逆止弁１８よりなる流路系
においては、逆止弁１８により窒素ガスが窒素ガス製品
枯１３から第１、第２吸右槽４Ａ、４Ｌ３の方へのみ流
れるよう規制される。第３吸着槽１５とアスピレータ１
７の間は抽気配管工９により接続されている。アスピレ
ータ１７は、窒素ガス製品槽１３から第１゜第２吸着槽
４Ａ、４Ｉ３へ窒素ガスが逆止弁１８およびアスピレー
タ１７を通って流れる際、その速度エネルギーを圧力エ
ネルギーに変化させ、その結果、油気配管１９を介して
第３吸着槽１５内を減圧させる機能を有するものであり
、その部分の詳細を第２図に示す。

第２図において１４．１５および１Ｇは、人々、第１図
で説明した開閉自在弁、第３吸着槽および逆圧弁であり
、これらよりなる流路系内での窒素ガスの流れは矢印２
０に示す方向のみに流れる。

アスピレータ１７および逆止弁１８は、上記流路系（１
４，１５，１６）に並列に設けられている流路系を成し
、この流路系内での窒素ガスの流れは矢印２１に示す方
向のみに流れる。そして第３吸着槽１５とアスピレータ
１７との間を接続する第１図で説明した抽気配管１９は
、アスピレータ１７内で窒素ガスの流れの方向と同じ方
向に曲げられ、その先端近くでは窒素ガスの流れを増す
ためアスピレータ１７の断面積を小さくしてアスピレー
タ機能を持たせるようにしである。

この構成により、アスピレータ１７および逆止弁１８よ
りなる流路系に窒素ガスが流れると、その速度エネルギ
ーにより抽気配管１９を介し第３吸着槽１５内は負圧に
なり第３吸着槽１５内の吸着剤は減゛圧再生されるよう
になっている。

以上説明した構成において第１、第２吸着槽４Ａ、４Ｂ
を含む圧力スイング装置を運転し、第１図に示した開閉
自在弁５，６，７，８，９゜１０．１１および１４を例
えばシーケンサ−のような゛もので制御して第３図に示
すような工程で連続的に運転していくと、結果的には空
気中の窒素ガスが濃縮分離されて窒素ガス製品槽１３に
蓄えられていくのであるが、その詳細は第３図によって
説明する。

第３図において、第１段階である取出し・再生工程では
、開閉自在弁６，８，９．１０および１４は開状態゛に
あり、開閉自在弁５，７および１１は開状態にある。圧
縮機１より送られる圧縮空気は開状態にある弁６より第
２吸着槽４Ｂに供給され、第２吸着槽４Ｂ内に充填され
ている吸着剤によって空気中の大部分の酸素ガスが吸着
された残りの窒素ガスが第２吸着槽４Ｂから取り出され
、開状態にある弁８，９および１４を通って第３吸着槽
１５に供給される。ここで第２吸着槽４Ｂより取り出さ
れた窒素ガス内に残留している少量の酸素ガスを第３の
吸着槽１５内の吸着剤に吸着させて取り除くことによっ
て窒素ガスの７ａ度を高濃度化し、これを逆止弁１６を
介し窒素ガス製品槽１３に貯留する。他方、この間第１
吸２僧４Ａ内は開状態にある弁１０を介し真空ポンプ１
２によって減圧されることにより、第１吸看槽４Ａ内に
充填されている吸着剤の再生が行なわれている。

上記の窒素ガス取出し・吸着剤再生工程の時間は窒素ガ
スの取出し工程中にある側の吸着剤（今の場合第２吸着
槽４Ｂ内の吸着剤）の吸着能力が飽和近くになるまでの
時間であり、おおよそ１５０秒程度である。

第２段階である均圧工程では、弁７，８，１０および１
１が開状態にあり、経弁５，６，９および１４が閉状態
にある。この均圧工程は、窒素ガス取出し工程にあった
第２吸着槽４Ｂ内に残留している比較的窒素に富んだガ
スを吸着剤の再生が終わった第１吸着槽４Ａ内に移す工
程であり、圧力スイング装置においては、この均圧工程
は窒の向上を図るための有効な手段であり、大切な工程
となっていて、この均圧工程の時間は約１．５秒程度で
ある。

次の第３段階である取出し・再生工程では、弁５．７，
９，１１および１４が開状態にあり、弁６．８および１
０が閉状態にあり、再び取出し・再生が行なわれるが、
この第３段階では第１段階の場合とは反対に第１吸若槽
４Ａが窒素ガスの取出し工程となり、第２吸着槽４Ｂが
吸着剤の再生工程となる。その後、第４段階として、前
記と同様に、均圧工程を行う。

以上第１段階から第４段階までの各工程を繰返すことに
なるが、第２段階である均圧工程が完了した時点での第
１、第２吸着ＭＪ４Ａおよび４Ｂ内の圧力は窒素ガス製
品槽１３内の圧力より約２ｋｇ７ｃｍ’　ｇ程度低い状
態にあるので、第３段階である取出し・再生工程が始ま
ると、開かれた弁Ｏおよび７を通って窒素ガス製品槽１
３から窒素ガスが第１吸着槽４Ａに逆流する期間が発生
する。この期間は約４秒程度と短いものであり、且つ圧
力差が大きいので逆流による速度エネルギーは非常に大
きい。

本発明では、この窒素ガスの逆流は、先に説明したよう
に、アスピレータ１７および逆止弁１８を有する流路系
で行なわれるので、その速度エネルギーはアスピレータ
１７により圧力エネルギーに変換され、これにより、抽
気配管工９を介して第３の吸着槽１５内は減圧され、結
果的に第３の吸着槽１５内の吸着剤の再生が行なわれる
ことになる。尚、窒素ガスの逆流時間中は弁１４は閉状
態にあるが、この逆流が完了し次第、開状態にされ、た
だちに、窒素ガスを取出して製品槽１３に導く体制に入
ることはいうまでもないことであり、第３図中の弁１４
の開閉状態に示す通りである。

以上説明したように、圧力スイング装置を構成する第１
吸着槽４Ａおよび第２吸２槽４Ｂと窒素ガス製品槽１３
との間に第３の吸着槽１５を設け。

圧力スイング装置を第３図に示すような工程で繰返し運
転すると、第３の吸着槽１５内の吸着剤は第１、第２吸
着槽４Ａ、４Ｂ内の吸着剤と同様に酸素ガスの吸着およ
び脱着再生を繰返すので、結果として本発明によって製
品窒素ガス濃度を高濃度にすることが可能になる。

第３の吸着槽１５に充填する吸着剤の址について述べる
と、第３の吸着槽１５を備えていない従来方式のもので
は窒素ガスの回収率が約３０％のとき製品窒素ガス濃度
９９．９％が限度であるので。

本発明実施例において製品窒素ガス濃度を１００％近く
にするには、第３の吸着槽１５では約０．１％（１００
％−’ＪＥ１．９％）　（７）残留ｉ＊＊を取り除イテ
ヤれば良いことになり、第３の吸着槽１５に充填する吸
着剤の量は第１．第２吸２槽４Ａ、４１３に充填する吸
着剤量の約１／１０程度で充分である。

なお、第３の吸ｆｉ４！１５内の吸着剤から脱着された
酸素ガスは２つの吸、Ｃ槽４Ａ、４Ｂ内の吸着剤に再吸
着され、最終的に減圧排気ＪＴ’ｌ’０．１１を経て真
空ポンプ１２により大気に放出される。

以上は、製品として窒素ガスを得る窒素製造装置として
の実施例であるが、第１．第２および第３吸着槽４Ａ、
４Ｂおよび１５に充填する吸着剤を、窒素ガスは吸着す
るが酸素ガスは吸着しないような吸着剤（例えばモレキ
ュラーシーブゼオライト）とすることにより、高濃度の
ｍ素ガスを製品槽１３中に得る装置としても本発明は実
施可能である。同様の思想に基づき、空気からアルゴン
ガスや炭酸ガス等の分離を行う装置として、又は除湿や
除臭のための装置として、又は貴ガスや危険ガスの回収
のための装置として、本発明は実施し得るものである。

［発明の効果］ 本発明によれば、第３の吸着槽内の吸着剤に対し吸着ガ
スの吸着および脱着を行なわせることができるので、結
果的には圧力スイング式ガス分離装置で得られた非吸着
ガス中に残留している吸着ガスを分離し排気することが
できるので、得られる非吸着ガスの濃度を高濃度化する
ことができる。

また本発明の装置構成も従来技術に比べ簡単で安価であ
り、結果的には単価の安い分離ガスを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す系統図、第２図は第１図
の一部拡大断面図、第３図は同実施例の圧力スイング運
転工程に伴なう各開閉自在弁の開閉状態を示す図である
。 ４Ａ、４Ｂ・・・第１、第２吸着槽 １３・・・窒素ガス製品槽　１４・・・開閉自在弁１５
・・・第３の吸着槽　　１６・・・逆止弁１７・・・ア
スピレータ　　１８・・・逆止弁１９・・・抽気配管 ２０．２１・・・流れ方向を示す矢印 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　同種類の吸着剤を充填した２基の吸着槽に対して交
   互に加圧混合ガス送入工程と減圧排気工程とをその間に
   均圧工程を挾んで実施し、混合ガス送入工程にある吸着
   槽において前記吸着剤で吸着可能なガス（これを吸着ガ
   スという）をその吸着槽内の吸着剤に吸着させると共に
   前記吸着剤で吸収されないガス（これを非吸着ガスとい
   う）を該吸着槽から取り出して配管系を介して非吸着ガ
   ス貯槽へ送り、他方、減圧排気工程にある吸着槽におい
   てその吸着槽内の吸着剤に吸着された吸着ガスを脱着さ
   せて該吸着槽から排気するように構成した圧力スイング
   式ガス分離装置において、前記両吸着槽と非吸着ガス貯
   槽とを結ぶ前記配管系に、開閉弁と前記吸着剤と同種類
   の吸着剤を充填した第３の吸着槽と非吸着ガス貯槽への
   ガス流のみを通す第１の逆止弁との直列接続からなる第
   １流路系、および上記第１の逆止弁とは流れ方向が反対
   の第２の逆止弁とアスピレータとの直列接続からなる第
   ２流路系を並列に挿入し、該アスピレータと前記第３の
   吸着槽とを抽気配管で接続し、該アスピレータはその中
   を前記第２流路系を通るガスが流れるときその速度エネ
   ルギーを圧力エネルギーに変換することにより前記抽気
   配管を介して前記第３の吸着槽内を減圧するようにした
   ことを特徴とする圧力スイング式ガス分離装置。