JPH0278415A - 圧力変動吸着装置の減量運転方法 - 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〕 本発明は、圧力変動吸着装置の減量運転方法に関し、詳
しくは減量運転状態においても所定の濃度の製品ガスを
安定して製造するとともに、消費動力を低減させること
のできる圧力変動吸着装置の減量運転方法に関する。

〔従来の技術〕

圧力変動吸着装置（以下ＰＳＡ装置という）は、各種ガ
スの分離あるいは精製法として広く用いられており、特
に窒素を優先的に吸着するゼオライト等の吸着剤を用い
て原料空気中から酸素ガスを分Ｍ製造する酸素製造装置
として多く用いられている。

このＰＳＡ装置を使用した酸素製造装置は、上記ゼオラ
イト等の吸着剤を充填した吸着塔を、例えば３基使用し
て各吸着塔をそれぞれ吸着、再生。

充圧の各工程に順次切替えて連続的に製品酸素ガスを製
造するもので、このような酸素製造装置では、酸素を消
費する装置の操業状態に応じて酸素の製造量を増減させ
る必要があり、一般に上記酸素製造量の調整は、製品酸
素導出間を制御するとともに、上記吸着、再生、充圧の
各工程の切替え時間を制御することにより行われている
。例えば５０％の減量運転を行う場合には、酸素導出聞
を１／２に絞るとともに各工程の切替時間（＋）イクル
タイム）を２倍としている。この減量運転中の動力費を
低減させる手段として、特開昭６０−１９３５２０号公
報に記載された圧力変動吸着法によるターンダウン１ｌ
Ｊｔ！０方法には、吸着■稈にある吸着塔から導出され
ているＭＦｌｉ素ガスの流れ特性（富酸素ガスの量、速
度、１１度、圧力等）を監視し、この流れ特性があらか
じめ設定された所定の値に達するまで吸着工程以外の工
程（ステップ）を停止させ、その間原料空気を供給する
圧縮機の能力を調節するとともに、真空再生工程に使用
する真空ポンプをアンロード状態とすることが示されて
いる。第４図は、上記公報明細書に示されたターンダウ
ン制御による各吸着塔の圧力変動パターンを示すもので
、３基の吸着塔Ａ、Ｂ、Ｃを使用して５０％の減電運転
を行っている状態を示している。図においてステップ１
は、吸着塔Ａが吸着工程、吸着塔Ｂが加圧（充圧）工程
、吸名塔Ｃがバージ（再生）工程にある状態であり、ス
テップ２は、吸着塔Ａがステップ１から継続して吸石工
程、吸着塔Ｂ及び吸着塔Ｃが待機工程にある状態である
。即ち、吸着塔Ａについてみれば、酸素導出Ｍが通常の
１００％運転に比べて５０％に絞られているため、ステ
ップ１，２を通して通常運転の２倍の時間で所定出の製
品酸素ガスを導出している。またこの間のステップ１に
おいて、吸着塔Ｂは、吸着塔Ａから導出される製品酸素
ガスで加圧が行われて所定の圧力とされ、また吸着塔Ｃ
は、真空ポンプにより大気圧より低い所定の圧力まで減
圧される。そして、所定の圧力とされた両吸着塔Ｂ、Ｃ
は、充圧及び再生工程を終えてステップ２の待機工程に
移り、吸着塔Ｃを減圧するための真空ポンプがアンロー
ド状態とされ、吸着塔Ｂへの製品酸素ガスの導入が止め
られる。このステップ２においては、吸着塔Ｂを加圧す
る製品酸素ガス量が不要となり、原料空気口とＲ素導出
隋のバランスが変化するため、吸着項八に原料空気を供
給する圧縮機を吸着塔Ａ内の圧力に応じて０Ｎ−ＯＦＦ
させて調節している。以下ステップ３゜４で吸着塔Ｂが
吸着工程に入り、ステップ５，６で吸着塔Ｃが吸着工程
に入るサイクルを繰返していく。この方法では、上記真
空ポンプのアンロードと圧縮機の０Ｎ−ＯＦＦとにより
動力費の低減を図っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述のターンダウン制御方法では、吸着
工程にある吸着塔Ａにおけるステップ１のガス１ｆｆｉ
と、ステップ２のガス流畿に大きな差を生じるために運
転状態が安定せず、吸着圧力が大きく変動するために吸
着能力にも悪影響を及ぼす。例えば通常運転の場合、製
品ガス量を１とすれば、一般に原料空気量は１０．加圧
ガス層は５の割合となる。そして５０％の減Ｍ運転を行
うと、製品ガス量が０．５となり、上記充圧工程が行わ
れている聞（ステップ１）の吸着項八においては、１０
の流入量に対して５．５の流出量となる。次いで充圧が
終了して待機工程（ステップ２）に入ると、加圧ガスが
不要になるため流出量が製品ガスのみとなり０．５に急
激に低下する。このように、流入室に対して流出量が急
激に低下した場合には、塔内圧力が急激に１胃すること
になる。そのため上記方法゛では、塔内圧力に応じて作
動する圧力スイッチにより圧縮機の０Ｎ−ＯＦＦを行い
、塔内を所定の圧力に保つようにしている。しかしこの
ような圧力スイッチは、接点切替のためにある程度の圧
力差が必要であり、吸着塔内の圧力は、この圧力差分だ
け頻繁に圧力変動を繰返すことになる。上記用ＩＩＩで
は、この圧力変動は、系の性能に対しては何らの支障も
来たさないと述べられているが、このような圧力変動が
系の性能に影響するということは既知のことである。さ
らに圧縮機のタイプによっては、圧縮機の回転数を制御
することにより原料ガス供給量を調節することができる
と述べられているが、制御系が複雑になり装置のコスト
アップを招く。

また上記方法においては、製品である富酸素ガスの陽、
速度、１１度、圧力等の富酸素ガスの流れ特性の少なく
とも１種を監視して、この特性が所定の値に達すること
によって工程を促進させる条件としている。しかしなが
ら、製品の使用是が頻繁に変化するような場合には、上
記特性が所定の値に達するまでの時間がその時々で変化
するため、極端な場合には、各サイクルごとに切替時間
が違ってくることがある。従って、吸着塔内のガス濃度
分布帯の位置がその都度違うことになり、安定した製品
濃度で運転することが困難となる。

そこで本発明は、減量運転中の消費動力を低減させると
ともに、吸着工程にある吸着塔の圧力変動を極力低減し
て、安定した製品ガスの製造を行うことのできる圧力変
動吸着装置の減量運転方法を提供することを目的として
いる。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的を達成するために本発明は、原料ガス中の
特定成分を優先的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸
着塔を、吸着、再生、充圧の各工程に順次切替えること
により連続的に製品ガスを製造する圧力変動吸着装置を
減量運転するにあたり、吸着工程を終了した状態にある
吸着塔を再／ｌ［する各工程、（Ａ）該吸着塔内のガス
を再生工程が終了した状態にある吸着塔内に放出する均
圧Ｔ稈、（Ｂ）均圧工程を終えた該吸着塔内のガスを真
空ポンプで吸引する真空再生工程、（Ｃ）真空ポンプで
塔内ガスを吸引しながら該吸着塔内に製品ガスを導入す
るパージ再生工程、の（Δ）乃至（Ｃ）の■稈の内、少
なくともひとつの工程の後に圧力変動吸着装置の減ｍ運
転に見合う所定時間の待機工程を設け、該待機工程中は
、前記真空ポンプを７ンロード状態とし、他の充圧工程
あるい（Ｊ吸着工程にある吸着塔はその工程を継続させ
るとともに、充圧■稈にある吸着塔に導入するガス量を
製品減量に見合う間に制御することを特徴とする圧力変
動吸着装置の減量運転方法を提供するものである。

〔作　用〕

このように、再生工程にある吸着塔のみを待機状態とし
、他の吸着及び充圧工程にある吸着塔は、導出あるいは
導入ガス量を製品減量に応じたｍに減量させて、そのま
まその工程を継続させるようにして減出運転を行うこと
により、吸着工程にある吸着塔、叩ら製品ガスを導出し
ている吸着塔内の圧力変動を殆んど無くすことができ、
安定して製品ガスの製造を行うことができる。また再生
工程にある吸着塔が待機工程にある時に真空ポンプをア
ンロード状態とすることにより、真空ポンプの消費動力
の低減を図ることができる。さらに工程切替を、製品減
量に応じた時間により制御することにより複雑な制御系
を必要とけず、装置のコストアップを沼くこともない。

〔実施例〕

以下、本発明の方法を図面に示す実施例装置に基づいて
ざらに詳細に説明する。

尚、本実施例は、本出願人が先に出願した特願昭６１−
２８８３５９号（特開昭６３−１４４１０４号公報参照
）に記載されているＰＳ△装置及びその運転手順をもと
にしている。

まず第２図に示すように、ＰＳＡ装置１は、３基の吸着
塔２ａ、２ｂ、２ｃ、原料ガスを供給する送Ｊ虱機３、
製品ガスを送出する圧縮機４、吸着塔の再生、充圧工程
に用いられる流出調節機構５ａ、５ｂと真空ポンプ６、
及び各吸着塔２ａ、２ｂ、２ｃを吸着、再生、充Ｓ＝の
各工程に順次切替えるための多数の弁により構成されて
いる。

ここで、第３図に示すように、第一の吸着塔２ａが吸着
工程、第二の吸着塔２ｂが充圧工程、第三の吸着塔２Ｃ
が再生工程にある場合につい一〇説明する。

原料ガスは、送風機３から切替弁７ａを経て吸着塔２ａ
に導入され、該吸着塔２ａ内で吸着分離が行われて吸着
塔２ａの出口から製品ガスが流出する。この製品ガスは
、切替弁８ａ、弁９を経て圧縮１１４に送られ、消費先
に圧送される。

このとき、第二の吸着塔２ｂには、その両端の切替弁１
０ｂ、ｌｌｂから第三の吸着塔２Ｃ内のガスが導入され
る均圧工程（第３図〈Ａ））が行われ、次いで両切替弁
１０ｂ、１１ｂが閉じられるとともに、出口側の切替弁
１２ｂが間かれて流出調整機構５ａから製品ガスが導入
され、所定の圧力に加圧される（第３図（Ｂ）及び（Ｃ
））。

また第三の吸着塔２Ｃは、再生工程を構成する各工程、
即ち第３図（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、前記均圧工
程（Ａ）と、該均圧工程を終えた後に切替弁１３Ｃ１切
替弁１４ａを開いて真空ポンプ６により塔内の排気減圧
を行う真空再生工程（Ｂ）と、該場内が所定の真空度に
なったところで切昌弁１５ｃを開いて流出調整機構５ｂ
から所定巾の製品ガスを浴出口側から塔内に導入するパ
ージ再生工程（Ｃ）が順次行われる。

以下、前記明ＩＩＩ書に記載されていると同様に、順次
切苔弁７ａ、７ｂ、７ｃ、８ａ、８ｂ、８Ｃ。

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、ｌｌａ、１１ｂ、１１ｃ、１
２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１３ａ、１３ｂ。

１３ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃをそｎ−Ｆｈ切替開閉
することにより、第一の吸着塔２ａが再生工程、第二の
ｆ段着Ｉ？！１２ｂが吸着工程、第三の吸着塔２Ｃが充
圧工程となるサイクル、及び第一の吸着塔２ａが充圧工
程、第二の吸着塔２ｂが再生工程、第三の吸着塔２Ｃが
吸着工程となるサイクルが繰返されて行われる。

このように構成されたＰＳＡ［置１は、各ｆサイクルの
時間を、吸着工程にある吸着塔２ａの吸着工程所要時間
をもとにして決定され、例えば６０秒サイクルで吸着、
再生、充圧が順次各項に切替えられる。このとぎ再生工
程にある吸着塔２ｃでは、例えば均圧工程（Ａ）を１０
秒間、真空再生工程（Ｂ）を２０秒間、パ−ジ再生工程
（Ｃ）を３０秒間として行われている。また充圧工程に
ある吸着塔２ｂでは、均圧工程が前記のこと＜１０秒間
行われた後に、製品ガスによる充圧が５０秒間行われる
。

そして、このＰＳＡ装置１の減量運転を行う際には、弁
９により製品ガス流量が絞られて吸着工程時間が製品減
量に見合う分延長され、伯の充圧。

再生工程も含めて１サイクルの時間が延長される。

例えば、通常運転時の製品ガス吊が２０　ＮＴＩ？／１
１゜６０秒サイクルのもので２／３の減量運転を行う場
合には、製品ガス吊が２／３の１３８ｍ’／Ｈとなり、
サイクルタイムが３／２の９０秒となる。

本発明の方法では、上記サイクル時間の延長分３０秒を
、再生工程にある吸着塔を再生するための前記各工程、
即ち該吸着塔内のガスを再生工程が終了した状態にある
吸着塔内に放出する均圧■稈くＡ）、均圧工程を終えた
該吸着塔内のガスを真空ポンプで吸引する真空再生工程
（Ｂ）、真空ポンプで塔内ガスを吸引しながら該吸着塔
内に製品ガスを導入するパージ再生工程（Ｃ）の（Ａ）
乃至（Ｃ）の工程の内、少なくともひとつの工程の後に
挿入して待機工程（Ｔ）とする。

第１図は、萌記第３図に示した１サイクルにおいて、上
記待機工程（Ｔ）を前記均圧工程（Ａ）の後に挿入した
１サイクルを示している。即ち、第１図（Ａ）に示す均
圧工程から第１図（Ｂ）に示す真空再生工程に至る間に
第１図（Ｔ）に示す待機工程（Ｔ）を設けたもので、均
圧工程（△）終了後に切替弁１０ｂ、１１ｂを閉じて再
生工程にある吸着塔２Ｃを待機状態としている。この時
真空ポンプ６は、均圧工程（Ａ＞から引続いて待機工程
（Ｔ）でも弁１４ａが閉じられ、弁１４ｂが開かれたア
ンロード状態を継続する。

この第１図に示す１サイクル中、吸着工程にある第一の
吸着塔２ａは、上述のごとく製品ガス間が絞られた吸着
工程を継続してＪ５す、また充圧工程にある第二の吸着
塔２ｂは、前記均圧工程を所定Ｍ間行った後に前記１７
Ｊ替弁１０ｂ、１１ｂが閉じられるとともに切替弁１２
ｂが聞かれて製品ガスによる充圧が開始される。この第
二の吸着塔２ｂの製品ガスによる充圧工程は、上記１サ
イクルの延長時間も含めて継続して行われる。即ち、前
述のごとく通常５０秒間で行われる充圧が８０秒間に亘
って行われるもので、上記時間延長に見合うように前記
流出調整機構５ａが作動して、この場合は加圧ガスの流
量を５／８に調整し、この延長されたサイクルの終了時
に所定の充圧が終了するように調整する。

また前記待灘工程（Ｔ）を終えた第三の吸着塔２Ｃは、
上記真空再生工程（Ｂ）及びパージ再生工程（Ｃ）が通
常の會ナイクルと同様に行われる。

このようにしてＰＳＡ装置１の減ｍ運転を行うことによ
り、真空ポンプ６の消費動力を低減させるとともに、吸
着工程にある吸着塔２ａの流山変動や圧力変動を殆んど
無くすことができる。

例えば前述のとおり、通常運転の際に製品ガス量が１．
加圧ガス吊が５．原料ガス最が１０のＰＳ△装置で５０
％の減量運転を行う場合、製品ガス遣を０．５に調整す
るとともにサイクルタイムを２倍に延長し、さらに加圧
ガス間を製品減量に見合う是、即ら約２．５に調整する
。これにより、吸着■稈にある吸着塔からは常に３の量
の製品ガスが導出されることになり、吸着中の流準変動
、即ち圧ノコ変動を無くすことができる。

一方原料ガス吊は、上記減量運転の程度に応じて送風機
３の能力を調整してもよいが、送風機３として、ある程
度の送風圧力に達すると、その送［ｉが限界に達するフ
ァンタイプの送風機を用いると、吸着工程にある吸着塔
の圧力が、製品ガス導出量の減少に伴い上昇してもある
程度の圧力及び流量で均衡を保つことがでさ゛る。従っ
て、減量運転を行っている際の吸着工程中の吸着塔の圧
力は、通常運転時に比べて上昇するが、減（ｉｉ運転中
は、その圧力で安定するため圧力変動を生じることがな
く、安定した吸着運転を行うことができる。

尚、パージ再生工程（Ｃ）に用いられる製品ガス量は極
少借であるから、吸着工程にある吸着塔の圧力には殆ん
ど影響を与えることがない。

このような待機工程（Ｔ）は、第１図（Ｂ）の真空再生
工程（Ｂ）の後、あるいは第１図（Ｃ）のパージ再生工
程（Ｃ）の後にも同様に挿入することができる。即ち、
真空再生工程（［３）の終了時に切替弁１３Ｃ１弁１４
ａを開じるどともに弁１４ｂを開くことにより、あるい
はパージ再生工程（Ｃ）の終了時に、同様に切替弁１３
ｃ、弁１４ａを閉じて弁１４ｂを開くとともに、流吊調
整機１ｉｌｉ５ｂに接続する切替弁１５Ｃを開じること
により、再生工程にある吸着塔２ｃを同様の待ＩＩ程と
することができる。いずれの待機工程中も、真空ポンプ
６はアンロード状態とされ、他の吸着塔２ａ、２ｂの吸
着及び充圧工程は、前述のごとく継続されており、消費
動力の低減が図られるとともに、所定の製品ガスが安定
して製造されている。

この待機工程（Ｔ）を含めた各工程の切賛は、製品減ｍ
に応じてサイクルタイムを延長するのみで行うことがで
き、各種弁や流ｍ調整機構の制御は、この延長時間に応
じて自ｌｅＪ的に作動するように設定することができる
。また複雑な制ａ機器等を用いることなく常に一定の運
転状態を得ることかでき、所定の純度の製品ガスを安定
して送出することが可能となる。

本発明の減量運転方法を、第２図に示す構成の製品酸素
量２０８ｍ’／１１のＰＳＡ酸素製造装置に適用したと
ころ、減量運転を行っても安定した状態で製品酸素ガス
をｌ！＃造することができた。その結果を下表に示す。

尚、本発明の方法は、上記実施例に丞したＰＳＡｉ直に
限らず、仙の例えば吸着塔を４本以上有するもの等、酸
素をはじめとして各種ガスの分鱈ｔ。

精製用の各種型式のＰＳＡ装置に適用することができる
。またさらに、１工礎になるＰＳＡ法が、例えば特開昭
６３−１４４１０３号公報に記載された方法のように、
再生工程中の均圧工程において、吸着工程終了直後の吸
着塔内の排気を同時に行う方法にも適用することができ
る。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように、吸着塔を再生する均圧工
程、真空再生工程、パージ再生工程の内、少なくともひ
とつの工程の後に真空ポンプをアンロード状態とする待
機工程を設けるとともに、伯の充圧工程あるいは吸着工
程は、ガス最を製品減量に見合う量に制御して継続させ
るから、真空ポンプの消費動力が低減して製品ガスのコ
ストダウンを図れるとともに、吸着■稈にある吸着塔の
流出変動や圧力変動を防止して安定した吸着分離を行う
ことができる。またセンサー等を用いたＷｊ雑な制御１
１ｉｉを用いずに時間のみで制御することができるので
、ガス流向や圧力の変動の少ない常に一定の運転状態が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は減量運転時の概略工程図、第２図はＰ　Ｓ　Ａ装
置の構成図、第３図は通常運転時の概略工程図、第４図
は従来の減量運転方法における各吸着塔の圧力変化を示
す図である。 １　・Ｐ　Ｓ　Ａ装置　　２ａ、２ｂ、２ｃｍ・・吸着
塔３・・・送風線　　５ａ・・・流量調整機構　　６・
・・真空ポンプ 瑯１因 １）Ｒ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、原料ガス中の特定成分を優先的に吸着する吸着剤を
   充填した複数の吸着塔を、吸着、再生、充圧の各工程に
   順次切替えることにより連続的に製品ガスを製造する圧
   力変動吸着装置を減量運転するにあたり、吸着工程を終
   了した状態にある吸着塔を再生する各工程、（Ａ）該吸
   着塔内のガスを再生工程が終了した状態にある吸着塔内
   に放出する均圧工程、（Ｂ）均圧工程を終えた該吸着塔
   内のガスを真空ポンプで吸引する真空再生工程、（Ｃ）
   真空ポンプで塔内ガスを吸引しながら該吸着塔内に製品
   ガスを導入するパージ再生工程、の（Ａ）乃至（Ｃ）の
   工程の内、少なくともひとつの工程の後に圧力変動吸着
   装置の減量運転に見合う所定時間の待機工程を設け、該
   待機工程中は、前記真空ポンプをアンロード状態とし、
   他の充圧工程あるいは吸着工程にある吸着塔はその工程
   を継続させるとともに、充圧工程にある吸着塔に導入す
   るガス量を製品減量に見合う量に制御することを特徴と
   する圧力変動吸着装置の減量運転方法。