JPH0517135Y2

JPH0517135Y2 -

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Publication number: JPH0517135Y2
Application number: JP10609687U
Authority: JP
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1993-05-10
Anticipated expiration: 2002-07-10
Also published as: JPS6412619U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、空気中の窒素ガスを製品として採取
する圧力変動式空気分離装置に関する。

〔従来の技術〕

空気中の易吸着成分である窒素ガスを製品とし
て採取する圧力変動式空気分離装置（PSA装置）
は、前処理塔で炭酸ガス及び水分を除去された高
圧の空気を吸着塔に導入して、吸着塔内に充填さ
れている吸着剤に窒素ガスを吸着させ、該吸着塔
から窒素ガスを採取するもので、前処理塔には、
アルミナゲルやシルカゲルあるいは合成ゼオライ
ト等を単独又は組合せたものが吸着剤として充填
されており、吸着塔には、窒素ガスを選択的に吸
着する合成ゼオライト等の吸着剤が充填されてい
る。

前記PSA装置は、複数の吸着塔を接続して、
前記処理工程を経た空気を吸着塔に導入する充圧
吸着工程、窒素ガス成分に富む脱着ガスの一部に
よるパージ濃縮工程及び窒素ガス成分に富む脱着
ガスを回収するための放圧脱着工程を各吸着塔で
交互に繰り返して行なつている。

この充圧吸着工程、パージ濃縮工程及び放圧脱
着工程を繰り返すPSA装置では、吸着塔内を所
定の圧力に充圧する際に吸着塔の入口弁を一時に
全開して充圧すると、前処理塔と吸着塔の圧力差
が大きいため、前処理塔の圧力が急激に低下して
しまう。そのため、前処理塔内の吸着剤に吸着さ
れていた炭酸ガスが脱離し、前処理塔内が炭酸ガ
スの破過状態となる。

このような前処理塔の状態を防止するために、
従来のPSA装置では、次のような方法が採られ
てきた。

一つは、前処理塔と吸着塔との間に大きな内容
積をもつリザーバタンクを設け、前処理後の空気
をこのリザーバタンク内に蓄圧した後、吸着塔に
導入する方法であり、もう一つの方法は、前処理
塔の出口配管と吸着塔の入口配管の途中に保圧弁
（背圧弁）を設けて、該保圧弁によつて吸着塔の
充圧中に、前処理塔の圧力を一定に保持する方法
である。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながらリザーバタンクを用いた場合に
は、リザーバタンクの内容積が前処理塔の圧力変
動を小さくするに従つて大きくなり、吸着塔の内
容積の10倍以上になることもあり、PSA装置本
体の設置面積を大きくせざるを得なかつた。

また、保圧弁を設けたものでは、前処理塔の圧
力と吸着塔の圧力との圧力差が大きい吸着塔の充
圧開始時には、原料空気の流量が多く、充圧が進
み両者の圧力差が小さくなるに従つて原料空気の
流量が少なくなるため、一定した流量が得られず
に前処理塔内の流速変化が著しくなり、安定した
前処理を行なえなかつた。そのため、安定した前
処理工程を行うためには、保圧弁と流量制御弁を
組合せて使用するか、保圧弁と前記リザーバタン
クを組合せることが必要であつた。

そこで本考案は、簡単な構成で前処理塔の圧力
の変動や流量の変化を抑えて、安定した前処理を
行なえる圧力変動式空気分離装置を提供すること
を目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本考案は、窒素
ガスを採取する圧力変動式空気分離装置におい
て、空気中の炭酸ガス、水分等の除去を行う前処
理塔と窒素ガスを吸着する吸着塔との間に、吸着
剤を充填した副吸着塔を設けたことを特徴として
いる。

〔作用〕

従つて、前処理後の原料空気は、副吸着塔内の
吸着剤に吸着されて蓄えられるため、大量の空気
を安定した状態で保持でき、吸着塔への充圧の際
にも、前処理塔の圧力や流量の変動を抑えること
ができる。

〔実施例〕

以下本考案の一実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図は、本考案の圧力変動式空気分離装置の
系統図、第２図は、各塔の圧力変動を示す説明図
であつて、圧力変動式空気分離装置１は、前処理
塔２と吸着塔３及び副吸着塔４により構成されて
いる。

前処理塔２は、第１及び第２の２基の前処理塔
２ａ，２ｂで構成され、また吸着塔４は、第１乃
至第３の３基の吸着塔４ａ，４ｂ，４ｃで構成さ
れている。さらに図示されない原料空気の圧縮機
等の機器が適宜配設されている。

前記従来例と同様に、両前処理塔２ａ，２ｂに
は、炭酸ガス及び水分を除去する吸着剤５が充填
されており、吸着塔４には、5A型合成ゼオライ
ト又は13X型ゼオライト等の酸素成分に比べて窒
素成分を選択的に吸着する吸着剤６が充填されて
いる。そして前記副吸着塔３にも、前記吸着塔４
と同様に窒素成分を選択的に吸着する合成ゼオラ
イト等の吸着剤７が充填されている。

以下、ガスの流れに従つて本装置を説明する。

圧縮された空気Ａは、導管８、入口弁９ａから
第１前処理塔２ａに導入されて炭酸ガスや水分を
除去され、出口弁１０ａから導出されて保圧弁１
１を通り、導管１２と導管１３に分岐する。一方
の導管１２の空気Ａ１は、副吸着塔３に導入さ
れ、窒素ガス成分が吸着剤７に吸着されつつ副吸
着塔３の充圧を行う。他方の導管１３側に分岐し
た空気Ａ２は、第１吸着塔４ａの入口弁１４ａか
ら第１吸着塔４ａに導入されて第１吸着塔４ａの
充圧が行われ、窒素ガス成分が吸着剤６に吸着さ
れる。

これにより、第１吸着塔４ａと副吸着塔３は、
同じ圧力で空気が充圧され、吸着剤６，７に窒素
ガス成分が吸着される。

この時、第２前処理塔２ｂは再生工程にあり、
第２吸着塔４ｂは、第２図の工程１で示されるよ
うに、放圧脱着工程、第３吸着塔４ｃはパージ濃
縮（環流）工程にある。即ち、第２吸着塔４ｂか
ら放圧脱着された窒素ガスは、大部分が採取弁１
５ｂから導管１６によつて製品窒素ガスＮとして
採取され、弁２６ａ，２６ｂの操作により窒素ガ
スの一部が環流圧縮機２５によつて所定の圧力ま
で昇圧された後に、導管１８を通つて第３吸着塔
４ｃの環流弁１７ｃからパージガスＰとして第３
吸着塔４ｃに導入される。

第３吸着塔４ｃの出口弁１９ｃからは、酸素成
分に富んだガスＷが放出されて、第３吸着塔４ｃ
のパージ濃縮が行なわれる。この酸素成分に富ん
だガスＷは、導管２０から弁２１ｂを通つて第２
前処理塔２ｂに導入され、第２前処理塔２ｂの再
生ガスとなり、弁２２ｂから導管２３を通つて排
出される。

第１吸着塔４ａが所定の圧力にまで充圧される
と、第１吸着塔４ａの入口弁１４ａ、第２吸着塔
４ｂの採取弁１５ｂ及び第３吸着塔４ｃの環流弁
１７ｃと出口弁１９ｃが閉じられる。次いで副吸
着塔３の出口弁２４が開閉されて、副吸着塔３の
出口付近に濃縮された酸素成分に富んだガスWO
が放出される。

そして放圧脱着工程を終えた第２吸着塔４ｂの
入口弁１４ｂが開かれると、副吸着塔３の吸着剤
７に吸着されていた窒素成分に富んだガスNAが
導管１２，１３から入口弁１４ｂを通つて第２吸
着塔４ｂに導入され、第２吸着塔４ｂの充圧吸着
が行なわれる。

この時、第３吸着塔４ｃは、採取弁１５ｃが開
かれて放圧脱着工程に、また第１吸着塔４ａは、
環流弁１７ａと出口弁１９ａが開かれてパージ濃
縮工程にあり、第３吸着塔４ｃの採取弁１５ｃか
ら導管１６を経て製品窒素ガスＮが採取され、該
ガスの一部がパージガスＰとして第１吸着塔４ａ
に導入される。第１吸着塔４ａの出口弁１９ａか
らは、酸素成分に富んだガスＷが放出されて第２
前処理塔２ｂに導入され排出される（工程２）。

第２吸着塔４ｂが充圧されると、各弁の操作が
行われ、副吸着塔３の出口弁２４から酸素成分に
富んだガスWOが放出され、次いで第３吸着塔４
ｃの入口弁１４ｃが開かれて、第３吸着塔４ｃの
充圧吸着が行なわれる。

この時、第１吸着塔４ａは放圧脱着工程、第２
吸着塔４ｂはパージ濃縮工程であり、第１吸着塔
４ａの採取弁１５ａから製品窒素ガスＮが採取さ
れ、該製品窒素ガスの一部が導管１８、環流弁１
７ｂを通つて第２吸着塔４ｂにパージガスＰとし
て導入される。第２吸着塔４ｂの出口弁１９ｂか
らは、酸素成分に富んだガスＷが放出されて第２
前処理塔２ｂに導入され排出される（工程３）。

第１前処理塔２ａの再生を行う場合は、第１前
処理塔２ａの入口弁９ａと出口弁１０ａを閉じ、
弁２１ａ，２２ａを開き、第２前処理塔２ｂの入
口弁９ｂと出口弁１０ｂを開き、弁２１ｂ，２２
ｂを閉じて、原料の空気Ａを第２前処理塔２ｂに
導入し、吸着塔４からパージされた酸素成分Ｗに
富んだガスを第１前処理塔２ａに導入する。

このように各吸着塔４ａ，４ｂ，４ｃが、充圧
吸着、パージ濃縮、放圧脱着の各工程を順次繰り
返して原料の空気Ａから窒素ガスＮを採取する。

副吸着塔３は、充圧吸着を行なつている吸着塔
４と同じ圧力にまで充圧されているため、各工程
の切替時には、この副吸着塔３から充圧吸着を行
う吸着塔４に窒素成分に富んだガスNAが瞬間的
に送られ、吸着塔４をある程度の圧力にまで充圧
する。

これにより、保圧弁１１の前後での圧力差を小
さくすることができ、前処理塔２の圧力及び流量
の変化を抑えて炭酸ガスの破過を防止することが
できる。また、副吸着塔３の内部に、吸着剤７を
充填したので、大量の空気を保持でき、副吸着塔
３を吸着塔４に比べて小さくすることができ、装
置全体を小型にできる。

さらに、本実施例に示すように、副吸着塔３に
充填する吸着剤７を、例えば5A型合成ゼオライ
トまたは13X型ゼオライト等の酸素ガス成分より
も窒素ガス成分を選択的に多く吸着する吸着剤と
することによつて、副吸着塔３で窒素ガスを吸着
剤７に吸着させて、該窒素ガスを吸着塔４に導入
充圧することで、吸着塔４に導入される空気中の
窒素ガス量を空気成分より多くすることができ、
吸着塔４の出口付近に溜まる酸素ガスを減らすこ
とができ、パージ濃縮工程に用いるパージガスＰ
としての窒素ガスの量を減らし、製品窒素ガスＮ
の採取効率を向上させることができる。

さらに、副吸着塔３に窒素ガスを選択的に吸着
する吸着剤７を充填すると、副吸着塔３の空気の
導入部の反対側に吸着剤７に吸着されない酸素ガ
スが濃縮されるので、この部分に排出弁２４を設
けておくことにより、所定の間隔、例えば吸着塔
４の充圧吸着の直前に、排出弁２４を開閉して副
吸着塔３内部に濃縮された酸素ガスを放出するこ
とができる。

実験例１内容積がそれぞれ350の吸着塔に対して、35
の内容積を持つ副吸着塔を前処理塔と吸着塔の
間に設置し、副吸着塔内に5A型合成ゼオライト
を21Kg充填した。前処理塔を経た空気で４Kgｆ／
cm²abまで充圧した後、降圧脱着工程を完了した
吸着塔を均圧充圧すると、副吸着塔圧力は、１Kg
ｆ／cm²abまで減圧した。このときの副吸着塔の
ガス保持量は、温度24℃において330であり、
副吸着塔容積のおよそ9.5倍のガス保持量を得る
ことができた。

またその際の前処理塔の流量変化を測定した結
果、圧力は、第２図の上段の実線Ａに示すように
ほとんど変化せず、最大でも10％以内であり、前
処理塔の炭酸ガスの破過は見られなかつた。また
副吸着塔を設けない装置での前処理塔の圧力は、
図の点線Ｂで示すように大きく変化し、炭酸ガス
の破過を起こした。

実験例２実験例１と同様に、前処理塔を経由した空気で
副吸着塔を４Kgｆ／cm²abに充圧した後に、副吸
着塔の排出弁を瞬時開閉して大気中にブローを行
なつた。その際のブローガス中の酸素濃度を測定
した結果、酸素濃度は、32％であり、副吸着塔の
出口附近に酸素成分の濃縮が確認出来た。

〔考案の効果〕

本考案は、以上説明したように、窒素ガスを採
取する圧力変動式空気分離装置の前処理塔と吸着
塔との間に、吸着剤を充填した副吸着塔を設けた
ことにより、副吸着塔で大量の空気を保持でき、
吸着塔の充圧吸着の際に前処理塔の内部の空気の
流量や圧力を変動させることがなくなり、一定流
量が得られるため、前処理塔での炭酸ガスの異常
破過を防止できて、炭酸ガスの除去を十分に行う
ことが可能となる。

また保持ガス量の大きい吸着剤を充填すること
で、副吸着塔の大きさを小さくしても、大きな圧
力変動を吸収することができ、従来のリザーバタ
ンクを利用したものに比べて、装置全体がコンパ
クトとなり、設備コストを低減できる。

さらに、前記副吸着塔に充填する吸着剤を、酸
素成分より窒素成分を選択的に多く吸着するもの
とすれば、吸着塔に導入する原料ガスの窒素量が
原料の空気成分より多くなるので収率、収量の増
加を図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案の圧力変動式空気分離装置の
系統図、第２図は、各塔の圧力変動を示す説明図
である。１……圧力変動式空気分離装置、２……前処理
塔、３……副吸着塔、４……吸着塔、５，６，７
……吸着剤、１１……保圧弁、２４……排出弁、
２５……還流圧縮機、Ａ，Ａ１，Ａ２……空気、
Ｎ……製品窒素ガス、NA……窒素成分に富んだ
ガス、Ｐ……パージガス、Ｗ，WO……酸素成分
に富んだガス。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】１窒素ガスを採取する圧力変動式空気分離装置
において、空気中の炭酸ガス、水分等の除去を
行う前処理塔と窒素ガスを吸着する吸着塔との
間に、吸着剤を充填した副吸着塔を設けたこと
を特徴とする圧力変動式空気分離装置。２前記吸着剤は、酸素ガス成分よりも窒素ガス
成分を選択的に多く吸着する合成ゼオライトで
あることを特徴とする実用新案登録請求の範囲
第１項記載の圧力変動式空気分離装置。３前記副吸着塔は、空気導入部の対向側に排出
弁を備えていることを特徴とする実用新案登録
請求の範囲第１項又は第２項記載の圧力変動式
空気分離装置。