JPH04110011A - 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） 本発明は、吸着剤の備える選択的咬着特性を利用し、多
成分混合ガスである原料ガスから所望のガス成分を分離
回収する装置に関する。

（従来の技術） 近年、簡単に所望のガスを分離できることから圧力スイ
ング喋着方式（ＰＲＥＳ　５ＩＩＲＥ　５ＷＩＮＧ　Ａ
ＤＳＯＰＴＩＯＮ　：以下ＰＳＡ方式と呼ぶ）によるガ
ス分離装置が注目されている。なかでも空気中の窒素成
分を分離回収する窒素ガス分離装置はガスボンへや液体
窒素タンクに代わる新しい窒素ガスの供給源として年々
その需要を伸ばしている。そして、この窒素ガス分離装
置には、選択的咬着特性を備える吸着剤が一般的に用い
られ、なかでも速度分離型の吸着剤である分子ふるい炭
素（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＣｉｅｖｉｎｇ　Ｃａｒｂｏｎ
　：以下ＭＳＣと呼ぶ）が広く使用されている。第４図
は等温加圧下でＭＳＣに窒素ガスもしくは酸素ガスを吸
着させたときの経過時間と吸着量との関係を表したグラ
フであり、また、第５図は等１下でＭＳＣに窒素ガスも
しくは酸素ガスを吸着させたときの圧力と平衡吸着量と
の関係を表したグラフであるが、これらのグラフは前記
ＭＳＣの特性を最も端的に示すものである。即ち、第４
図に示すように、ＭＳＣは窒素ガスを吸着する速度に比
し、酸素ガスを吸着する速度の方が速いという特性を有
し、また、第５図に示すように、ＭＳＣは圧力が高いほ
ど平衡吸着量が多く、平衡状態の酸素ガスと窒素ガスの
吸着量の差は僅かであるという特性を有する。

次に、以上の特性ををする吸着剤を用いた窒素ガス分離
に於けるその一般的態様について説明する。通常、窒素
ガス分離に用いられる装置は、前記ＭＳＣを充填した２
基以上の吸着槽を備えており、該吸着槽は第３図に示す
ごとく密閉された円筒形状に形成されている。また、該
吸着槽（１０１）はその上端に製品槽と連通ずる取り出
し管（１０２）を備え、下端に原料ガスを供給する装置
（図示せず）と連通ずる給気管（１０３）、該給気管（
１０３）から分岐し大気と連通ずる排気管（１０３ａ）
を備えている。

また、吸着１（１０１）　は充填したＭＳＣを保持する
保持板（１０５）　（１０５）と、前記給気管（１０３
ン、取り出し管（１０２）近傍それぞれに設けた拡散板
（１０４）　（１０４）とをその内部に備えている。そ
して、少なくとも吸着工程−再生工程を含む連続工程を
１サイクルとする工程を前記吸着槽に対して連続的に繰
り返すことにより、高１度で安定した流量の窒素ガスを
得ている。以下、各工程について説明する。

ａ、吸着工程 ＭＳＣを充填じた吸着槽（１０１）　に給気管（１０３
１から高圧空気を送入し、同時に、取り出し管（１０２
＞から製品槽に貯留しな高濃度窒素ガスを送入して吸着
［（１０１）を昇圧するとともに、ＭＳＣに酸素ガスを
吸着せしめる。そして、継続して前記給気管（１０３）
から吸着槽（１０１）内に高圧空気を送入することによ
り、ＭＳＣに酸素を吸着せＬめつつさらに吸着槽（ｌｏ
ｔ）内を昇圧するとともに、この昇圧により吸着槽（１
０１）内の窒素リッチとなった部分のガスを製品槽に送
り出す。

ｂ、再生工程 吸着工程が終了した吸着ｆｆ　（１０１）内のガスを排
気管（１０３ａ）から大気に放出して速やかにその圧力
を低下させる事により、ＭＳＣに吸着していたガスを脱
着させて、該ＭＳＣを再生する。向、真空ポンプ等によ
り吸着槽内を大気圧以下に減圧すれば効率よく吸着剤を
再生することができる。

ところで、前記吸着槽（１０１）に対して以上の工程を
実施するに際し、原料ガスが咬着床（１０６）を通過す
る時間が短いと十分に酸素ガスが吸着されないため分離
効率は低く、窒素ガス濃度も低（なるという問題がある
。また逆に、原料ガスが吸着床（１０６）をｉｌ遇する
時間が長いと窒素ガスは過剰に吸着され分離効率が低下
するという問題がある。

以上から、従来は窒素ガスを分離する効率を最適にする
ために取り出し管（１０２）から流出する窒素ガスの速
度を規制していた。

（発明が解決しようとする諜Ｂ） ところが、前記ＭＳＣは粒状物であるので、これを吸着
槽（１０１）に充填して形成した吸着床（１０６）の充
填密度を均一化するのは困難であり、前記吸着床（１０
６）の任意の横断面を通過するガスの速度は必ずしも一
様でない。即ち、高密度の部位を通過するガス速度は遅
く、低密度の部位を通過するガス速度は速い。従って、
上述した取り出し管（１０２）から流出する窒素ガスの
速度を規制するだけでは前記分離効率を最適にすること
は出来ないのである。

本発明は以上の実状に鑑みなされたものであって、吸着
剤の分離効率を最適にし得るガス分Ｓ装置の提供を目的
とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するための本発明は、吸着剤で形成した
吸着床を備える吸着槽に、多成分混合ガスである原料ガ
スを所定の圧力で送入し、吸着対象のガスを吸着剤に吸
着せしめて所望のガスを前記吸着槽から流出せしめるガ
ス分離装置において、複数の濾材を適宜な間隔で前記吸
着床に設け、前記原料ガスの移動方向に対して二辺上の
多層となるように前記吸着床を構成したことを特徴とす
るものである。

（作用） 以下、本発明の作用について説明する。まず、吸着槽に
多成分混合ガスである原料ガスを所定の圧力で送入する
。送入された原料ガスは吸着床を通過するが、その際前
述した吸着剤の充填密度差により吸着床の横断面に於い
て部分的な速度差を生しる６次に原料ガスは吸着床（２
６）に設けた濾材（２３）を通過するが、ｔｆｘ材の抵
抗により、濾材を通遇する成分と？ｐ材面に沿って流動
する成分とに分離する。そ−てこの浜材面に沿って流動
する成分は濾材面に衝突するガスの動圧とその周囲の圧
力差５二比例して大きくなり、浜村面全面におけるガス
圧力が均一になると原料ガスは均一な速度で濾材を通過
するようになる。

こうして原料ガスは多層二こ形成された吸着床を順次通
過するが、上述した理由により、当初生しる部分的速度
差力＜　ｉ％材により解消され、原料ガスは均一化され
た速度で吸着床を通過する。従って、効率的に吸着対象
ガスを吸着剤に吸着せしめることができる。

（実施例） 以下、本発明装置の実施例について添付図面に基づいて
説明する。第１図は本発明の一実施例を示す説明図であ
る。同図に示すように、実施例に係る窒素ガス発生装置
は２基の吸着槽（３）　（４）と、原料ガスである空気
を加圧供給するコンプレッサー（１）と、加圧した空気
を一時保留する原料槽（２）と、吸着槽（３）　（４）
から分離した窒素ガスを一時貯留する製品槽（５）と、
前記吸着槽（３）（４）の上方に設けた取り出し配管部
（Ａ）　　と、吸着１（３）　（４）の下方に設けた給
気配管分（Ｂ）　および排気配管部（Ｃ）　　とからな
る装置である。以下各部−二ついて説明する。

前記製品槽（５）は弁（１３）を有する製品取り出し管
（２Ｉ）をその下部に備えている。

そして、前記取り出し配管部（Ａ）は弁（１１）を有す
るとともに前記吸着槽（３）の上部に接続する取り出し
管（１７）と、弁（１２）を有するとともに吸着槽（４
）の上部に接続する取り出し管（１８）と、これら取り
出し管（１７）　（１８）と接続する取り出し管（２０
）と、弁（１０）を有するとともに前記吸着槽（３）、
弁（１１）間の取り出し管（１７）並びに前記吸着槽（
４）、弁（１２）間の取り出し管（Ｉ８）の双方に接続
する均圧管（１９）とから構成されるものである。そし
て、前記取り出し管（２０）はその他端が前記製品槽（
５）の上部に接続している。

前記吸気配管部（Ｂ）は、弁（６）を有するとともに前
記吸着槽（３）の下部に接続する給気管（１５）と、弁
（８）を有するとともに前記吸着槽（４）の下部に接続
する給気管（１６）と、これら給気管（１５）　（１６
）に接続する給気管（１４）とからなるものであり、該
給気管（１４）の他端が前記原料槽（２）に接続してい
る。

また、前記排気配管部（Ｃ）　　は、弁（７）を存する
とともに前記吸着槽（３）の下部と弁（６）との間の給
気管（１５）から分岐した排気管（１５ａ）　、弁（９
）を有するとともに前記ａ着槽（４）の下部と弁（８）
との間の給気管（１６）から分岐した排気管（１６ａ＞
　、これら排気管（１５ａ）　（１６ａ）の双方に接続
した排気管（２２）からなるものである。

前記吸着槽（３）　（４）は密閉した中空円筒形状をし
た部材であり、その内部且つ給気管（１５）が接続する
近傍および取り出し管（１７）が接続する近傍それぞれ
に拡散板（２３）を備えている。また、吸着槽（３）　
（４）は前記拡散板（２３）間に適宜な間隔を有する保
持板（２４）　（２４）を備えており、該保持Ｆｉ、（
２４）　（２４）間に粒状物たるＭＳＣを充填し、吸着
床（２６）を形成している。そして、該吸着床（２６）
間に複数のｔｐ材（２５）を適宜な間隔で敷設し、吸着
床（２６）を多層に構成している。

次に、以上の構成を備える窒素ガス分離装置の作動につ
いて第２図に基づいて説明する。第２図は窒素ガス分Ｍ
装！における工程を時系列的に示した説明図である。以
下、同図に示す期間Ｔｌ〜Ｔ２．Ｔ２〜Ｔ３．Ｔ３〜Ｔ
４．Ｔ４〜Ｔ５に於ける装置の作動状態について説明す
る。尚、前記弁（１３）は常時開状態となっている。

■期間ＴＩ−Ｔ２ この区間においては、吸着槽（３）に対し吸着工程を実
施し、吸着槽（４）に対しては再生工程を実施する。こ
の期間以前の第一図に於ける分離装置の弁（６）　（７
）　（８）　（９）　（１１）　（１２）は閉じており
、弁（１０）は開いている。

まず、吸着槽（３）の作動について説明する。まず、吸
着槽（３）下部の弁（６）を開き、原料槽（２）から高
圧空気を吸着槽（３）に送入する。同時に、吸着槽（３
）上部の弁（１１）を開き、製品槽から高圧窒素ガスを
吸着！　（３）に送入する。この操作により、吸着槽（
３）は昇圧され、原料槽（３）、製品槽（５）と略等し
い圧カニこなる。コンブレフ・サー（１）は連続運転し
ているので、吸着槽（３ン　は更己こ昇圧される。

吸着槽（３）内部には粒状ＭＳＣでできた吸着床（２６
）が設けられている。この吸着床（２６）が原料槽（２
）からの空気や製品槽（５）からの窒素で加圧されるこ
とによ／）＃素ガスを吸着し高濃度の窒素ガスが吸着槽
（３）上部の取り出し管（１７）を通り製品槽（５）に
貯留される。

一方、吸着槽（４）においては、該吸着槽（４）の下部
の弁（９）を開くことにより吸着槽（４）のガスを大気
に放出する。これにより、ＭＳＣに吸着されていた酸素
分子は脱着されＭＳＣは再生される。

■期間Ｔ２〜Ｔ３ この期間においては吸着槽（３）　（４）双方に対して
均圧工程を実施すべく第一図に於ける弁（ｌＯ）を開き
、残りの弁をすべて閉じる。吸着工程の終了した吸着槽
（３）は高圧且つ高濃度の窒素ガスが充満しており、均
圧管（１９）および弁（１０）を介してこれを再生工程
の終了した吸着槽（４）に送入する。これにより、染着
槽（４）を比較的高４１の窒素ガスで予備昇圧するため
、次の吸着工程時↓こ高い圧力で吸着工程を実施でき、
また、吸着剤にかかる負担も少なくなり高効率で窒素ガ
スを分離できる。

■期間Ｔ３〜Ｔ４ この期間に於いては、吸着槽（３）二こ灯して再生工程
、吸着１（４）に対して吸着工程を実施すべく、第１図
に於ける弁（７）　（８）　（１２）を開き、弁（６）
　（９）（１０）　（１１）を閉しる。尚、吸着工程、
再生工程は上述した期間Ｔ１〜Ｔ２における工程と同様
である。

■期間Ｔ５〜Ｔに の期間においては吸着槽（３）（４）双方に封して均圧
工程を実施すべく第一図に於ける弁（ＪＯ）を開け、残
りの全ての弁を閉じる。尚、この均圧工程は上述した期
間Ｔ２〜Ｔ３における工程と同様である。

以上詳述した窒素ガス分離装置により下記条件で窒素ガ
スを分離せしめた結果を下表に示す。

（条件） 吸着槽：内容積２００（１）、　　長さ　１２００（鶴
）板材　：１ｆｆｉ気度１０〜２５（ｃｃ＋ｃｄ／５ｅ
ｃ）　の不織布コンプレッサー：吐出量８００（ｎ　ｉ
！　／請ｉｎ）最高圧８．５（ｋｇｆ／　ｃｄｇ　ａｇ
ｅ）は従来の吸着槽を示す斜視図、第４図及び第５図は
吸着剤の特性を示すグラフである。

（１）・・・コンプレッサー、（２）・・・原料槽、（
３）　、　（４）・・・吸着槽、　　（５）・・・製品
槽、（２３）・・・拡散板、　　　（２４）・・・吸着
剤飛散防止板、（２５）・・・７月材、　　　　（２６
）・・・吸着床。

上表に示す遺り、不織布を３枚使用した場合には従来に
比べ、所望１度の窒素ガス発生量が２９％増加した。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、吸着槽を通過す
る原料ガスの速度を吸着槽の全域にわたって均一化する
ことができるので、吸着対象ガスを吸着剤に効率よく吸
着させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る窒素ガス分１［装にの概略を示す
説明図、第２図は窒素ガス分離装置の各吸着槽に対し実
施される工程を示す説明図、第３図ａ、ｃ＠ｔ（ｍｑ／
ｑ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 吸着剤で形成した吸着床を備える吸着槽に、多成分混合
   ガスである原料ガスを所定の圧力で送入し、吸着対象ガ
   スを吸着剤に吸着せしめて所望ガスを前記吸着槽から流
   出せしめるガス分離装置において、複数の濾材を適宜な
   間隔で前記吸着床に設け、前記原料ガスの移動方向に対
   して二以上の多層となるように前記吸着床を構成したこ
   とを特徴とするガス分離装置。