JPH062731Y2 - 気体分離装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は気体分離装置に係り、特にＰＳＡ式(Pressure
Swing Adsorption)の気体分離装置に関し、例えば窒素
発生装置又は酸素発生装置として用いて好適な気体分離
装置に関する。

従来の技術 一般に、ＰＳＡ式気体分離装置は、分子ふるいカーボン
からなる吸着剤を用いて、空気を窒素と酸素に分離し、
いずれか一方を製品ガスとして取出し、使用するもので
ある。

このため、例えばＰＳＡ式窒素発生装置にあっては、吸
着剤を充填した吸着塔に圧縮空気を導入して昇圧する吸
着工程と、該吸着塔内を大気開放し又は真空ポンプで減
圧する脱着工程とを繰返し、吸着工程では吸着塔内の吸
着剤に酸素分子を吸着させて、窒素を外部に取出し、一
方脱着工程では吸着された酸素を脱着し、次の吸着工程
に備えるようになっている。そして、製品ガスである窒
素は吸着塔内を昇圧状態にして取出すものであるため、
発生する窒素ガスは断続的で圧力変化も大きい。このた
め、窒素ガスを一定圧力で、かつ連続的に使用する場合
には取出側に製品タンクを設け、製品タンク内に窒素ガ
スを貯えるように構成されている。

又、上記気体分離装置にあっては、製品タンク内の窒素
濃度を測定する濃度計を設け、装置の始動開始から窒素
濃度が所定値以上に達するまで製品タンク下流側の取出
弁を閉じており、濃度が所定値以上になったとき該取出
弁を手動で開き窒素ガス供給可能としていた。

考案が解決しようとする課題 上記窒素発生装置では、装置を所定の場所に設置したま
ま連続的に運転している場合、高純度の窒素ガスを安定
的に得られる。しかるに、例えば装置の設置場所を変更
するため装置を移動させる場合、あるいは休日、夜間等
で比較的長時間運転を停止している場合、製品タンク内
の窒素濃度は各バルブからの漏れ等により少しずつ低下
してしまうことがある。

即ち、製品タンク内の窒素濃度が低下した状態で、装置
を始動させた場合、製品タンク内の窒素濃度が必要な濃
度に達するまで相当な時間を要することになる。又、吸
着塔においては吸着剤として使用されている分子ふるい
カーボンの特性上、第５図に示す如く定常状態では吸着
塔内での加圧時間を短くしているので分子ふるいカーボ
ンは酸素分子を多く吸着しているが、加圧時間を長くす
ると酸素分子だけでなく窒素分子の吸着を促進され、さ
らには早期に捕捉した酸素分子が窒素分子に入れ替えら
れ、その結果吸着塔内の窒素濃度が低下することも考え
られる。

従って、従来の気体分離装置では、比較的長時間運転を
停止した後、装置を始動する際には通常の吸着、脱着工
程を繰り返すことにより製品タンク内の窒素濃度を例え
ば濃度99.99％の高濃度まで高めることになり、第６図
に示す如く停止時間（Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３）が長いほど始
動開始から供給可能な高濃度の窒素ガスが得られるまで
の待ち時間がかなり長くなってしまうといった課題があ
る。

そこで、本考案は上記課題を解決した気体分離装置を提
供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び作用 本考案は上記気体分離装置において、タンク内の製品ガ
スを吸着塔あるいは吸着塔の上流側に環流せしめる通路
と、通路に設けられた開閉弁と、タンクより取出される
製品ガスの濃度を測定する濃度測定手段と、濃度測定手
段からの信号に基づき製品ガスの濃度が所定以下である
ときのみ前記開閉弁を開閉させる手段とを具備してな
り、タンク内の製品ガス内の製品ガスを環流させること
により始動開始から製品ガス供給可能な濃度に達するま
での時間を短縮するようにしたものである。

実施例 第１図は本考案になる気体分離装置の第１実施例として
の窒素発生装置の概略構成図である。

第１図中、１，２は第１、第２の吸着塔で、各吸着塔
１，２内にはそれぞれ分子ふるいカーボン１Ａ，２Ａが
充填されている。

３は圧縮空気供給源となるコンプレッサで、コンプレッ
サ３からの圧縮空気は、配管６，７を介して吸着塔１，
２にそれぞれ交互に供給されるようになっており、この
ため該配管６，７の途中にはそれぞれ電磁弁からなる空
気供給用弁８，９が設けられている。

又、コンプレッサ３の上流側に配設された配管４は、大
気中の空気を原料気体として供給するための吸気用配管
であって、コンプレッサ３の吸気側に接続されている。
配管４には電磁弁よりなる吸気用弁４ａが配設されてお
り、吸気用弁４ａは装置の作動中開弁している。

５は還流用配管で、一端が後述する窒素タンク２０に接
続され、他端が配管４に接続されている。この還流用配
管５には電磁弁よりなる開閉弁５ａが配設されており、
開閉弁５ａは後述するように窒素タンク２０内の窒素濃
度が所定以下に下がったとき、開き窒素タンク２０内の
窒素ガスを配管５を介してコンプレッサ３の吸気側に還
流させる。

１０，１１は脱着時に吸着塔１，２からの気体を排出す
る配管で、共通排出配管１２に接続されており、排出配
管１２は脱着排ガスを排出するようになっている。そし
て、前記配管１０，１１の途中にはそれぞれ吸着塔１，
２内の脱着排ガスを半サイクル毎に交互に排出する電磁
弁からなる気体排出用弁１３，１４が設けられている。

１５，１６は吸着塔１，２からの窒素をそれぞれ取出す
取出弁配管、１７は各配管１５，１６と連結した取出配
管で、配管１５，１６の途中には半サイクルの間だけ後
述の制御の下に交互に開弁する電磁弁からなる取出用弁
１８，１９がそれぞれ設けられている。また前記取出配
管１７は製品タンクとしての窒素タンク２０と接続され
ている。

２１は吸着塔１，２間を連通する配管、２２は配管２１
の途中に設けられた電磁弁からなる均圧用弁で、均圧用
弁２２は吸着塔１，２による半サイクルの終了時に所定
の短時間だけ開弁し、吸着塔１，２間を均圧にする。

２３は窒素タンク２０に接続された取出配管で、その途
中には電磁弁からなる取出用弁２４が設けられている。
２５は濃度計（濃度測定手段）で取出配管２３より分岐
する分岐配管２６に接続されている。又濃度計２５には
酸素センサが使用されており、濃度計２５は取出配管２
３を介して窒素タンク２０より取出された気体の酸素濃
度を測定する。

即ち、濃度計２５は窒素タンク２０より取出された窒素
ガス中に含まれている酸素濃度を監視しており、酸素濃
度に比例した電流値の信号を出力する。即ち、窒素タン
ク２０内に蓄圧されたガスの窒素濃度が下ると、必然的
に酸素濃度が高まるため、濃度計２５は窒素タンク２０
内の窒素濃度が低濃度となったことを検出できる。又、
濃度計２５からの酸素濃度測定信号は後述する制御回路
２７に入力される。

なお、濃度計２５に使用される酸素センサとしては酸素
分子の常磁性を利用した磁気式酸素センサ、酸素が透過
膜を介して電解液に入ると電極で酸化還元反応が起き電
流が流れるのを利用した電磁式酸素センサ、ジルコニア
磁気の内外面に電極を設け、酸素濃度によって起電力が
発生するのを利用したジルコニア式酸素センサ等が用い
られる。

また、制御回路２７は例えばマイクロコンピュータ等に
よって構成される弁制御手段で、濃度計２５から出力さ
れた信号に基づいて開閉弁５ａを開，閉制御する手段を
有する。

さらに、制御回路２７は開閉弁５ａだけでなく、所定の
プログラムに基づいて、空気供給用弁８，９、気体排出
用弁１３，１４、取出用弁１８，１９、均圧用弁２２、
取出用弁２４を開閉制御する。

尚、上記制御回路２７により開閉制御される各電磁弁
は、開弁信号の供給により励磁されたとき開弁し、励磁
されないときにはバネ力で閉弁するようになっている。

次に、上記のように構成された窒素発生装置の動作につ
き説明する。

まず、窒素発生装置としての基本動作について、第２
図、第３図を参照しながら述べる。

いま、窒素発生装置を始動すると、制御回路２７の制御
に下に、各電磁弁が作動し、窒素（製品ガス）発生が行
われる。

まず、第３図に示すように，，の動作が実行され
る。第２図中のは、空気供給用弁９と気体排出用弁１
３が開弁し、第２の吸着塔２に原料気体としての圧縮空
気がコンプレッサ３より供給される。従って第２の吸着
塔２は昇圧状態にあり、分子ふるいカーボン２Ａに酸素
が吸着され、一方第１の吸着塔１は減圧状態にあり、吸
着していた酸素が脱着し排出されている状態を示してい
る。

次に、第２図中のは空気供給用弁９と気体排出用弁１
３の他に、新たに取出用弁１９を開弁し、第２の吸着塔
２内の窒素ガスを取出している状態を示している。この
とき、第１の吸着塔１は減圧状態のままである。

次に、第２図中のは均圧操作で、均圧用弁２２を開弁
すると共に各取出用弁１８，１９、空気供給用弁９、気
体排出用弁１３を閉弁する。これにより、第２の吸着塔
２内に残存する窒素富化ガスは第１の吸着塔１に回収さ
れ、各吸着塔１，２は均圧となる。なお、前記均圧操作
は通常１〜３秒である。

これにより、１サイクルのうちの前半の半サイクルが終
了したことになり、空気供給用弁８、気体排出用弁１４
を開弁することによって、第３図（Ｂ）に示すように第
２図中の〜に示す後半の半サイクルを繰返す。かく
して、１サイクルを１２０秒とすると、吸着塔１，２か
らは各半サイクルの後半で窒素ガスを取出し、窒素タン
ク２０に供給することができる。

ところが、装置の設置場所を変更するため装置を移動さ
せた場合、あるいは装置を長時間運転しなかった場合、
窒素タンク２０内には窒素濃度の低い換言すれば酸素濃
度の高い製品ガスが充満していることがある。

ここで、装置を始動する際の動作につき説明する。装置
が始動すると上記の如く〜の工程が繰り返されるの
と同時に窒素タンク２０からの窒素ガスをコンプレッサ
３に還流させる。

即ち、上記の工程を行なう前に、窒素タンク２０内に
残存していた気体が配管２３，２６を介して濃度計２５
に供給されており、濃度計２５は窒素タンク２０からの
気体の酸素濃度が所定以上の高濃度である場合、その濃
度に応じた検出信号を制御回路２７に出力する。これに
基づいて制御回路２７は窒素タンク２０に接続された還
流用配管５の開閉弁５ａを開弁させる。従って、窒素タ
ンク２０内の残存気体は還流用配管５を通ってコンプレ
ッサ３の吸気側へ導入される。尚、この時点では吸気用
弁４ａ及び気体供給用弁８，９、取出用弁１８，１９，
２４は閉弁している。

この状態でコンプレッサ３が起動すると、窒素タンク２
０内の窒素ガスは還流用配管５を介して強制的に取り出
され、加圧された状態で圧縮空気タンク３ａに蓄圧され
る。窒素タンク２０内の窒素ガスは長時間の停止により
少しずつ窒素濃度が下るものの、通常原料気体としてコ
ンプレッサ３で圧縮される大気中の空気よりも窒素濃度
の高いガスである。

従って、始動時タンク３ａ内には窒素タンク２０からの
窒素ガスとすでに収容されている圧縮空気とが混合さ
れ、空気より窒素濃度の高い圧縮気体が蓄圧されること
になる。

この後は、通常の〜工程が行なわれる。

次に、の工程で、気体供給用弁９が開弁されるため、
タンク３ａ内の混合圧縮気体が第２の吸着塔２に供給さ
れる。このように、第２の吸着塔２は通常の原料気体よ
りも窒素濃度の高い混合気体を供給されて昇圧すること
になる。このため、分子ふるいカーボン２Ａにより高純
度の窒素ガスが生成される。

従って、の工程で取出用弁１９が開弁されると、通常
よりも窒素濃度の高い窒素ガスが窒素タンク２０内に蓄
圧される。前述の如く、窒素タンク２０内に蓄圧された
窒素ガスの酸素濃度は濃度計２５により監視されてい
る。従って、窒素タンク２０内の窒素ガス中に含まれて
いる酸素濃度が所望とする値よりまだ高い場合、開閉弁
５ａは開弁状態に保持されており、このまま〜の工
程が引き続き行なわれる。

このようにして、開閉弁５ａを開弁したまま〜の工
程を繰返すことにより、窒素タンク２０内の窒素ガスは
急速に窒素濃度が高められていく。従って、長時間の停
止により窒素タンク２０内の窒素濃度が低下していて
も、開閉弁５ａの開弁により窒素タンク２０内の窒素ガ
スをコンプレッサ３に還流させるため、通常の空気を原
料とする場合よりも収率が高められタンク２０内にはよ
り短時間で高純度の窒素ガスが蓄圧される。

窒素タンク２０内の窒素ガスの濃度は上記のように濃度
計２５により監視されているため、窒素タンク２０内に
蓄圧された窒素ガス中の酸素濃度が所定以下の低濃度
（例えば１％程度）になると、濃度計２５より出力され
た検出信号の電流値に基づいて制御回路２７は配管５の
開閉弁５ａを閉弁させ、同時に取出用弁２４を開弁して
タンク２０内に蓄圧された高濃度の窒素ガスの供給を開
始する。従って装置を始動してから窒素タンク２０より
高濃度の窒素ガスを取出せるようになるまでの待ち時間
をより短縮することができる。

第４図に本考案の第２実施例を示す。第４図中、窒素タ
ンク２０には還流用配管３１の一端が接続され、配管３
１の他端は配管７に接続されている。又配管３１には電
磁弁よりなる開閉弁３２が設けられ、配管６には開閉弁
３３が設けられている。

装置を始動する際、窒素タンク２０内の窒素濃度が所定
以下に低下していると、制御回路２７は気体排出用弁１
３，１４を開弁して吸着塔１，２内の気体を排出させ、
吸着塔１，２内を大気圧にする。次に、気体排出用弁１
３，１４が閉弁するとともに、開閉弁３２及び気体供給
用弁８，９が開弁する。同時に、開閉弁３３は閉じる。

よって、タンク２０内の窒素ガスは還流配管３１を介し
て、配管６，７内に流入し、吸着塔１，２内に導入され
る。即ち、吸着塔内１，２はタンク２０内の蓄圧されて
いた窒素ガスにより均圧化される。

その後、開閉弁３２が閉じ、開閉弁３３が開く、そして
コンプレッサ３の起動により第２図及び第３図に示す各
〜の工程が行なわれる。

尚、タンク２０からの窒素ガスは吸着塔１，２の下部か
ら上部へ、即ち、流入口から流出口までの長い距離吸着
剤１Ａ，２Ａに接することができるので吸着塔１，２よ
り取出されるときは充分濃度の高い窒素ガスに再生され
る。

従って、取出用弁１８，１９が開弁されるときには、高
濃度の窒素ガスがタンク２０内に回収される。

尚、タンク２０と吸着塔１，２の容量との関係等の理由
により１回の工程で十分な濃度を有する窒素ガスが得ら
れない場合、再度吸着塔１，２内を大気圧にした後、開
閉弁３２を開いて再度タンク２０内の窒素ガスを吸着塔
１，２内に導入して上記と同じ工程を繰り返す。これに
より、高濃度の窒素ガスがより短時間で得られる。

さらに、上記実施例の変形例としては、次のような装置
も考えられる。

即ち、上記各実施例の如く、還流用配管を使用せずに上
記各実施例と同様な効果を得るため、例えば第１図中取
出用弁１８，１９を開いてタンク２０内の窒素ガスを吸
着塔１，２内に逆送する。

タンク２０内の窒素ガスは濃度が低いといっても大気に
比べればはるかに窒素濃度の高いガスである。従って、
第１図中、取出用弁１８，１９を開くとともに気体供給
用弁８，９を開くことにより、タンク２０内の窒素ガス
が吸着塔１，２内を通り、配管６，７を介してコンプレ
ッサ３まで逆送される。

即ち、吸着塔１，２及び各配管８，９，１５，１６が還
流用配管として機能する。その後、通常の各工程〜
が行なわれることにより、タンク２０内の窒素ガスが再
生され、より濃度の高い窒素ガスが生成される。

尚、上記実施例では濃度計として酸素濃度を監視する酸
素せンサを用いたが、窒素濃度を検出する窒素センサを
使用しても良い。

又、上記実施例では酸素センサ３０に取出配管２６より
分岐した分岐配管２６を接続したが、酸素センサ３０を
窒素タンク２０に直接接続するようにしても良い。

又、上記実施例では１対の吸着塔１，２を有する窒素発
生装置を例に挙げて説明したが、吸着塔の数はこれに限
らないのは勿論である。又、本考案は窒素発生装置だけ
に限らず、例えば酸素発生装置にも適用できる。

考案の効果 上述の如く、本考案になる気体分離装置は、タンク内に
蓄圧された製品ガスの濃度が所定以下のとき、タンク内
の製品ガスを吸着塔の上流側に還流させることにより、
低濃度となったタンク内の製品ガスを再生することがで
き、これにより高濃度を有する製品ガスをより短時間で
生成することが可能となり、長時間停止状態が続いても
始動してから製品ガス供給可能となるまでの待ち時間を
より短縮することができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案になる気体分離装置の第１実施例の概略
構成図、第２図及び第３図は各工程を説明するための工
程図、第４図は本考案の第２実施例の概略構成図、第５
図は分子ふるいカーボンの特性を示す線図、第６図は気
体分離装置の特性を示す線図である。 １，２…吸着塔、１Ａ，２Ａ…分子ふるいカーボン、３
…コンプレッサ、５，３１…還流用配管、５ａ…開閉
弁、２０…窒素タンク、２５…濃度計、２７…制御回
路、３２，３３…開閉弁。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に吸着剤が充填された吸着塔に、圧縮
   した原料気体を供給し、前記吸着塔が昇圧状態にある間
   に取出用弁を開弁させて該吸着剤により生成された製品
   ガスを取出しタンク内に蓄圧する気体分離装置におい
   て、 前記タンク内の製品ガスを前記吸着塔あるいは吸着塔の
   上流側に環流せしめる通路と、前記通路に設けられた開
   閉弁と、前記タンクより取出される製品ガスの濃度を測
   定する濃度測定手段と、前記濃度測定手段からの信号に
   基づき前記製品ガスの濃度が所定以下であるときのみ前
   記開閉弁を開弁させる手段とを具備してなる気体分離装
   置。