JPH0655027A

JPH0655027A - 高生産性気体分離方法

Info

Publication number: JPH0655027A
Application number: JP4231546A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Noguchi; 豊野口
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1994-03-01
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JP3071314B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】圧力揺動吸着法（ＰＳＡ法）による高負荷運
転と高速再生が可能であり、高い生産性をもちかつ製品
収率の高い小型コンパクトなガス分離器（例えば酸素濃
縮器）を開発する。【構成】ｎ箇からなる圧力振動吸着法システムにおい
て、加圧送入（Ａ−Ｃ）、製品ガス採取（Ｃ−Ｄ）、脱
着パージ（Ｄ−Ｅ）、他箇との均圧操作（Ｅ−Ｇ）、排
出（Ｇ−Ｋ）および昇圧操作（Ｋ−Ａ）を１サイクル操
作（時間：Ｔ）とし、この操作をＴ／ｎ時間ずつずらし
て他箇で実施する操作において、原料送入速度Ｑｐ（ｌ
／ｓ）をＱｐ＝ＫＰＶとする。但しＰ＝初期圧（ａｔ
ａ）、Ｖ＝吸着箇容積（ｌ）、Ｋ＝１〜４である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、原料とする混合気体
から所要気体を分離して抽出するための圧力揺動吸着法
（圧力振動吸着法または圧力変動吸着法ともいう。以
下、ＰＳＡ法と略す）による気体分離に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】第８図は、ＰＳＡ法を実施するために使
用される公知の二筒システム（第１の従来技術）の基本
的な構成を示す図である。第９図は上記システムを利用
して公知のＰＳＡ法を実施した場合の一サイクル（二つ
の吸着分離操作が実施される所要時間）の各弁の作動状
態［以下、これを弁シーケンスと称す：斜線部は弁が開
放されていることを示す（以下同様）］を示す図であ
る。

【０００３】第８図において、二つの吸着筒１ａ、１ｂ
の各々には吸着剤の吸着カラムａ、ｂが充填されてい
る。吸着筒１ａ、１ｂの各々には、分離対象の混合ガス
を導入するための入口１１ａ，１１ｂと、気体混合物か
ら分離された所要のガスを捕集するための出口１２ａ，
１２ｂとがそれぞれ備えられている。上記入口１１ａ，
１１ｂは弁１３ａ，１３ｂを介してパイプラインで互い
に接続されている。そして弁１３ａと弁１３ｂとの間の
パイプラインは気体混合物供給源１４に接続されてい
る。

【０００４】そして気体混合物供給源１４に通じるパイ
プライン上には圧縮機（ポンプ：Ｐ）が設けられてい
る。上記入口１１ａ，１１ｂはさらに弁１５ａ，１５ｂ
を介し、パイプラインを通して互いに接続されている。
そして弁１５ａと、１５ｂとの間にパイプラインは大気
に通じる廃棄ガスライン１６を有している。上記出口１
２ａ，１２ｂは各々弁１７ａ，１７ｂを介してパイプラ
インを通して互いに接続されている。そして弁１７ａと
１７ｂとの間のパイプラインは製品ガスリザーバＲに接
続されている。上記出口１２ａ，１２ｂは、オリフィス
１８を通して互いに接続されている。また、吸着筒１
ａ、１ｂおよび製品ガスリザーバＲの各々には圧力計Ｓ
_A 、Ｓ_B およびＳ_R がそれぞれ備え付けられている。な
お、上記弁は全て電気力もしくは空気圧によって開閉可
能な自動制御弁である。

【０００５】ＰＳＡ法は上記第８図に示したシステムに
おいて以下の方法で実施される。気体混合物（例えば、
空気または工業的に製造された混合ガス）は気体混合物
供給源１４から継続的に加圧下にて吸着筒１ａに入口１
１ａから導入される。気体混合物の導入は弁１３ａを開
放することによりなされる。この操作の間、吸着筒１ａ
のまわりの各弁１５ａ，１７ａはすべて閉じられてい
る。吸着筒１ａへの気体混合物の導入によって、不要気
体成分（被吸着気体）は吸着剤カラム１ａの吸着剤にそ
の入口側から吸着され、吸着気体帯域が形成される。気
体混合物の導入に伴って、上記吸着気体帯域の先端部は
吸着筒に沿って前進する。吸着筒内における圧力がほぼ
所定の最高圧に達したら、弁１７ａが開放され、所要の
気体成分が出口１２ａから取り出され、製品ガスリザー
バＲに捕集される。吸着気体帯域の先端部が丁度カラム
１ａの末端に達するまえに、弁１３ａは閉じられ、吸着
筒内への気体混合物の導入は停止される。ほぼ同時に弁
１７ａが閉じられる。

【０００６】続いて、弁１５ａが開放され、吸着筒内に
加圧された状態で残っている不要気体成分の一部は廃棄
ガスライン１６を通して放出される。なお、廃棄ガスラ
イン１６は吸着筒内のガスをより効果的に放出させるた
めに、真空引きシステム（図示なし）に接続されていて
もよい。この放出工程によって、吸着筒内に残っている
気体部分のほとんどは取り除かれる。しかし、吸着剤カ
ラム１ａの吸着剤によって吸着された気体成分のかなり
の部分は、吸着筒内に残っている。上記の簡単な操作た
けでは吸着されたガス成分の脱着が充分に行われないか
らである。

【０００７】吸着されたガス成分の脱着は所望の気体成
分（製品ガス）の一部を用いて行われる。すなわち、上
記脱着操作は製品ガスの一部を、気体混合物の流通方向
と逆方向に吸着筒１ａの出口１２ａから吸着剤カラム内
に導入、流通させることにより行われる。導入された製
品ガスは吸着された気体成分を脱着し、吸着筒１ａから
廃棄ガスライン１６を介して脱着された気体成分と共に
放出除去される。この場合、真空引きシステムを廃棄ガ
スライン１６に接続しておくことにより一層効果的に脱
着ができる。製品ガスを使用して吸着された気体成分の
上記の脱着の手順は、バージ法と呼ばれている。製品ガ
スの導入は、吸着された気体成分が脱着され、廃棄ガス
ライン１６から放出除去されるまで続けられ、その後、
弁１５ａは閉じられる。

【０００８】以上の工程からなる吸着筒１ａについての
気体分離操作は吸着筒１ｂについても同様に行われる。
ただし、吸着筒１ａの気体分離操作と吸着筒１ｂの気体
分離操作は、吸着筒１ａ（あるいは１ｂ）の操作におけ
る製品ガス捕集工程と吸着筒１ｂ（あるいは１ａ）の操
作における吸着気体成分脱着除去工程とが同時期に進行
するように時間をずらして実施される。すなわち、第９
図に見られるように、吸着筒１ａの製品ガス捕集工程
（弁１７ａは開放状態にある）が進行している間に、吸
着筒１ｂの吸着気体成分脱着除去工程（弁１５ｂは開放
状態にある）が進行するように、あるいは吸着筒１ｂの
製品ガス捕集工程（弁１７ｂは開放状態にある）が進行
している間に、吸着筒１ａの吸着気体成分脱着除去工程
（弁１５ａは開放状態にある）が進行するように各吸着
筒１ａ、１ｂの気体分離操作が実施される。そして吸着
筒１ａ、１ｂの吸着気体成分脱着除去工程において使用
される製品ガスは、それぞれ吸着筒１ｂ、あるいは吸着
筒１ａの製品ガス捕集工程において捕集される製品ガス
の一部が利用される。具体的には、筒１ａと筒１ｂの圧
力差によりオリイフイス１８を介して吸着筒１ａ（ある
いは１ｂ）で分離された製品ガスの一部を直接吸着筒１
ｂ（あるいは１ａ）の出口１２ｂ（あるいは１２ａ）か
ら吸着剤カラムｂ（あるいはａ）に導入することによ
り、吸着筒１ｂ（あるいは１ａ）の吸着気体成分脱着除
去工程が実施される。

【０００９】上記ＰＳＡ法において、吸着筒１ａの気体
分離操作と、吸着筒１ｂの気体分離操作は所望のガスの
要求量を製造するために繰り返される。このようにし
て、製品ガスは製品ガスリザーバに各筒から交互に取り
出され、その結果連続的に捕集されることになる。

【００１０】次に本発明者の先行発明による特開平３−
５２６１５号公報、特開平３−１２３６１７号公報など
により開示した第２の従来技術による構成のＰＳＡ法を
図１０〜１１により具体的に説明する。図１０におい
て、吸着筒１ａ，１ｂには、それぞれ吸着剤２ａ，２ｂ
を収納してあり、それぞれ同一構成のものであって、図
における下方側から混合気体を送入して、不要気体を吸
着させ、所要気体を上方側から吐出するものである。ポ
ンプ３は、取込口１４より与えられる混合気体を加圧し
て、管路４に送出し、加圧された混合気体は、管路１１
ａ，１１ｂを経て吸着筒１ａ，１ｂの下方側から送り込
まれる。吸着筒１ａ，１ｂの上方側から得られる所要気
体は、管路１２ａ，１２ｂから管路５を経て貯留タンク
６に採取され、所要の用途に用いられる。管路１６は、
後記の工程中において、吸着筒１ａ，１ｂ内に残留され
た気体の圧力を放出し、または、同気体を吸出するため
の経路である。

【００１１】各開閉弁１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５
ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，２０は、それぞ
れが配置された管路気体の通過を開閉するための弁であ
って、制御部（図示せず）によって所要の工程を成し遂
げるように開閉動作するものであり、開閉弁１３ａ，１
３ｂは上記の送入操作に寄与し、開閉弁１５ａ，１５ｂ
は上記の排出操作に寄与し、開閉弁１７ａ，１７ｂは上
記の採取操作に寄与し、開閉弁１８ａ，１８ｂは上記の
脱着操作と均圧操作に寄与し、弁２１ａ，２１ｂ均圧弁
で弁１８ａ，１８ｂと同一仕様で、弁１８ａ−弁２１
ａ、弁１８ｂ−弁２１ｂと組合わせて、同時作動し均圧
に寄与し、開閉弁２０は上記の各弁の切換操作時におけ
る管路４の過渡的圧力上昇の緩和ないし解放に寄与す
る。

【００１２】圧力計７ａ，７ｂは、それぞれ吸着筒１
ａ，１ｂの内部の気圧を監視し、圧力計８は貯留タンク
６の内部の気圧を目視で監視する。ポンプ３は連続的に
運転しており、制御部（図示せず）によって運転開始と
運転停止のみを手動操作している。各開閉弁は、１サイ
クルの工程中に、弁シーケンスでみると図１１のよう
に、開閉制御している。図１１において各開閉弁は、ハ
ッチッングを施した期間だけ開通し、他の期間は閉止し
ている。開閉弁１８ａと弁２１ａ、弁１８ｂと弁２１ｂ
は同一仕様の弁で、弁シーケンス上、同一時間帯に同一
の時間開閉操作する。弁１８ａと弁２１ａが同時作動
し、矢印方向に上、下両方向から略同一量のガスが流れ
て２つの筒が均圧する。弁１８ｂと弁２１ｂでも同様で
ある。

【００１３】各部の材質と機能は、それぞれ例えば、吸
着筒１ａ，１ｂはステンレンス鋼、各管路は軟質プラス
チック管、吸着剤２ａ，２ｂは下層が吸湿用の活性アル
ミナ、上層がＭＳ−５Ａ、ポンプ３はダイヤフラム式ポ
ンプ、各開閉弁は電磁弁にしてある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来技術の問題
点について述べる。図８，９を参照するに、このＰＳＡ
法の装置の主要部分は吸着筒とポンプである。従って、
装置を小さくするには先ず吸着筒を小さくする必要があ
る。吸着筒を小さくすると吸着筒圧力が早く上昇する
（早く吸着能力が失われる）ので、吸着筒の使用時間を
短くする。すなわちサイクルタイムを短くすることによ
り、１分間あるいは１時間当たりのサイクル数が増え、
１サイクルの採取量がサイクル長短にかかわらずほぼ一
定とすると、製品採取量リットル／時間が増えるという
ものである。

【００１５】しかし、吸着筒を相似形で小さくすると下
記の問題が生じる。１．原料流入速度増大によるトラブル・不整流になる：吸着剤層の各断面を流れる流速は各断
面で一定である必要があるが、中心部の流速早くなり、
周辺部では遅くなる。・ひどい場合は、吸着層が高速流で持ち上げられ膨張す
る。膨張収縮により吸着剤が摩耗、粉化する。・もっとひどい場合は、ガスと吸着剤、筒内構造物が互
いにぶつかり合って吸着剤の摩耗、粉化、構造物の破壊
が起きる。２．パージ流の制御困難・吸着筒が小さくなるとサイクルが早くなりオリイフイ
スや流量制御弁等による既存のパージ送給手段では、数
秒内（短時間）に製品ガスの迅速精密な流速制御が困難
もしくは不可能となる。以上の結果、分離不十分となるか、あるいは分離不可能
となり、純度不良製品の取得量が増大し、結局収率低下
となり、生産性［吸着剤生産性（例えば、９０％Ｏ₂ リ
ットル／吸着剤ｋｇ・時）］がかえって悪くなる。

【００１６】第２の従来技術の問題点について述べる。
図１０，１１を参照。１．第２の従来技術では原料送入時の原料流の噴出によ
る突入衝激を緩和するために、ポンプ容量を大きくし
ない、または、過渡圧開放弁２０を使用して、この弁
を０．１秒等の瞬間的開閉あるいは断続的に開閉して、
吸着剤に異常圧力上昇が加わらないよう配慮した。２．パルス流の制御についてはパルス弁を断続的に開閉
して、パルス流の短時間内流速制御に成功した。

【００１７】以上の結果、第１の従来技術より著しく生
産性が向上した。しかし、第２の従来技術より一段と吸
着剤生産性を上げるには、さらに次のようなきめ細かな
配慮が必要となり、これらの課題を克服する必要があ
る。原料送入について：ポンプは定速運転しており、原料
送給のロスはたとえ１秒以内等の短時間放出でもゆるが
せにできない。従って、弁２０等で原料ガスを系外へ放
出する等のロスは回避する必要がある。又短時間内で多
量の原料ガスを吸着筒へ送入する必要がある。パージ所要時間の短縮（パージ回数の減少含む）：１
サイクル中パージ再生時間の比率は高いので、できるだ
けパージ所要時間を短縮する必要がある。そのため従来
２〜５回であったパージ回数を１〜２回にし、１つの弁
の開閉時間と次の弁の開閉時間との間隙も小さくする必
要がある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の問題に鑑み本発明
者等は、（１）時間当たりの原料送入量の増大するため
の手段、および（２）パージ操作時間を短縮するための
手段を鋭意研究した。（１）の課題について：吸着筒に対する原料送入量（リ
ットル／ｓｅｃ）は、従来は容積負荷［原料送入量（リ
ットル／ｓｅｃ）／吸着筒（リットル）］と称せられて
きたものであり、従来の容積負荷には吸着筒圧力なる概
念はなかった。本発明者等は、分離に適し、分離が可能
な初期原料送入速度Ｑ_p （リットル／ｓｅｃ）は送入直
前の圧力（初期圧）に比例して増大することを発見し
た。そして初期圧を大気圧以上、好ましくは、１ｋｇ／
ｃｍ² Ｇ近傍にすることにより、従来技術より送入速度
を増大させるこができた。一定時間内における原料ガス
送入量を増大させるか、もしくは原料送入時間を短縮す
ることにり全体のサイクル時間を減少させることができ
（一定時間内のサイクル数は増大する）、生産性を一段
と向上さすことに成功した。

【００１９】（２）の課題のパージ操作−均圧操作の時
間間隙の短縮について：継続する１つの弁による２つの
開閉操作もしくは継続する２つの弁による２つの開閉操
作の間隙時間は従来１ｓｅｃ（多くの場合０．９ｓｅ
ｃ）であった。この間隙時間は「パージ弁開閉操作によ
る吸着筒入口側の瞬間的圧力上昇が急降下し、入口側−
出口側の圧力差が初期値になる迄の時間」であって、ガ
ス送入量が多いと長くなり、筒長が長いと長くなる。ま
た初期圧力差が大きいと短くなる。しかし、ガス送入
量、筒長は設計上適正な限界があるので、本発明におい
ては、初期圧力差を第２の従来技術に比し、約１．５倍
にした。このことにより分離性能を損なうことなく弁操
作間の時間間隙を１サイクル当たり２ｓｅｃ程度短縮す
ることができた。以上の結果、１サイクルにおける製品収率を変えること
なく生産性（吸着剤生産性）を向上さすことができ、本
発明をなすに到った。

【００２０】次に本発明を更に詳細に詳細に説明する。（１）上記のように本発明における課題の一つは、分離
操作が損なわれない範囲で１サイクル当たりの原料送入
量を増大し、製品の取得量を増やすことである。上記の
ように単位時間当たりの原料送入量は従来は空塔（筒）
速度（Ｖ_L ）と称され、下式で表わされる。小型機の場合は、

【００２１】（２）上記のように本発明における他の課
題は、１サイクルタイムを短くし、毎分当たりの取出回
数を増加さすことである。（１）について：中・大型酸素濃縮ＰＳＡ装置の空間速
度の基準値は（化学工学協会編、化学工学便覧、改訂五
版、ｐ．６０８、丸善、１９８８）、５０〜１００１
／ｈ＝０．０１４〜０．０２８１／ｓである。従来型
ＰＳＡ法は（加圧→一定の操作圧保持（製品取出し）→
減圧→）を１サイクルとして、１サイクル操作において
は圧力変動防止の見地から他筒との均圧あるいは製品リ
サイクル加圧等により一定の操作圧近傍に圧を上げてか
ら原料送給弁を開放してポンプによる送入を開始してい
る。

【００２２】従って、ポンプ容量の設計は「一定操作圧
における吐出速度」に基づいて行われ、昇圧速度に対し
ては考慮が払われなかった。第２の従来技術の場合は、
［加圧（製品取出）→最高圧→減圧］を１サイクルとす
るものであって、原料ガス送入中に圧力上昇があって
（その間に製品を取出す）、所定の最高圧に達したら、
直ちに原料ガス送入をストップし、減圧する。従って、
従来方式の中・大型ＰＳＡ装置の場合と異なり、初期圧
から最高圧に至るまでの原料ガスの送給（量）速度が問
題になる。

【００２３】今１つの吸着筒について、図１２に示すよ
うに、容積Ｖ（ｃｃ）、断面積Ｓ（ｃｍ² ）、長さ
Ｌ（ｃｍ）の吸着筒を空筒とし、筒内初期圧Ｐ（ａｔ
ａ）で、１秒間のガス流入により△Ｐ（ａｔａ）の圧力
上昇があったとすると、で近似できるから、空筒速度、線速、接触時間は下記の
表１のようになる。

【００２４】

【表１】表１において空筒速度Ｖ_m を

【００２５】空筒速度Ｖ_m ＝１のときの線速はＬに等し
く、接触時間は１ｓｅｃとなる。実際の系は筒内に吸着
剤があり、初期に急速吸着が行われる（△Ｐが小さくな
る）から表１の値に比較して線速度は小さく、接触時間
は長くなる。適正な空筒速度は吸着系（吸着筒、吸着
剤、原料ガス、温度、圧力等）により定まり実験により
もとめられるべきものである。吸着剤として３０〜６０
メッシュＭＳ−５Ａを使用し、常温下で空気より酸素濃
縮試験を行った結果、適正送入速度は圧力に比例して増
加せしめられることが判明した。送入速度Ｑ_P （リットル／ｓ）としてＱ_P ＝Ｋ・Ｐ・ＶＰ：吸着筒圧力（ａｔａ）Ｖ：吸着筒容積（リットル）Ｋは主としてポンプ性能および吸着剤性能により決まる
定数でＫ＝１〜４である。ＬＶやｔ₁ は△Ｐ／Ｐに関係
し、この値に対しては吸着速度がもっとも大きく作用す
る。上記の式はＭＳ−５Ａによる窒素の吸着と似た系に
広く適用可能と考えられる。

【００２６】実際のポンプ容量の決定にあたっては図７
に例示したごとくポンプの吐出速度は圧力の函数であっ
て圧力が高くなると急激に減少する。従って例えば初期
圧Ｐ₁ のとき、ポンプ送出弁開放後、２〜３秒後の吐出
速度Ｑｐ₂ は、Ｐ₁ のときの吐出速度Ｑｐ₁ の例えば１
／２等になる。このような場合は、適正ポンプ容量とし
てはＫ＝２として２倍位の値を見込んだ方がよい。ポン
プにはダイヤフラム式、ピストン式、回転式等種々の型
式があり、吸着速度等の影響も考えられるので、Ｋ値と
しては１〜４とした。こうすることにより突入衝激、分
離不完全などの現象をおこすことなく、従って、製品取
得率を減ずることなく１サイクルにおける原料送入量を
増加さすことができたのである。

【００２７】（２）サイクルタイムの短縮、取出回数の
増大について：（製品取得量／サイクル）を減少さすこ
となく、サイクルタイムを短縮するには、減圧再生時間
を短くすることが着眼点［上記（１）では加圧速度増大
→加圧時間の短縮をはかった］になる。このためにはパ
ージ操作や均圧操作における個々の弁開閉時間を短縮す
ることならびに、パージ操作同志、乃至パージ操作と均
圧操作の間の待時間の短縮、すなわち１つの弁開閉操作
とつづく次の弁開閉操作との時間間隙を短縮する必要が
ある。この間隙時間は弁の開放により瞬間的に生じた入
口−出口間の差圧△Ｐ₂ が、操作初期の△Ｐ₁ （初期に
筒内流がないとき、△Ｐ₁ ＝０）になるまでの時間と見
なされ、第２の従来技術ではこの時間は１ｓｅｃ前後を
基準にしていた。

【００２８】この時間は、送入量大のとき、時間大、
吸着筒の長さ大のとき、時間大、パージ弁等の上−
下流の圧力差△Ｐの値が大のとき、時間小の関係があ
る。しかし、１つの吸着筒系において、送入量と吸
着筒長さは分離操作上適当な範囲があるので、本発明に
おいてはに着目して研究を行った。本発明では△Ｐを
第２の従来技術が１．０〜１．５ｋｇ／ｃｍ² であった
のに対し、２．０ｋｇ／ｃｍ² に増大し、その結果、上
記時間を０．５ｓｅｃ未満に短縮できることを発見し
た。引続く２回の弁開閉操作の時間間隙を約０．５秒短
縮することができた。

【００２９】以上本発明によれば、原料送入速度増大に
よる高負荷運転と再生工程におけるパージと均圧の適正
配置と再生時間の短縮により、サイクル当たりの製品取
得量を減ずることなくサイクルタイムを短縮し、毎分の
取出量を増大し、第１の従来技術や第２の従来技術に比
し生産性を増大せしめ、且つ装置の小型コンパクト化を
可能にした。

【００３０】

【作用】吸着剤の分離性能を損なうことなく原料ガスの供給速
度を高めることに成功し、１サイクル操作における製品
取得量を増大することができた。最低圧近傍の筒へのパージガスの供給において、パー
ジ弁の開閉操作を０．１秒程度に短縮するとともに、１
つの弁開閉操作と続く次の弁開閉操作との時間間隙を
０．５秒未満に短縮することにより、１サイクル当たり
の製品取得量をかえることなく、サイクルタイムを短縮
し、毎分のサイクル数を増大することにより吸着剤生産
性を増大させることができた。３つの筒の簡単な構成で、原料ガスの送入を増大し、
均圧操作を適正に配置し、１サイクル操作の製品ロスを
少なくし、かつパージ回数を従来技術に必要とされた２
〜５回を１〜２回にし、かつ弁開閉操作の時間間隙を短
縮して、１サイクル操作における製品の取得量を増加さ
せ、サイクル時間短縮を計ることにより、毎分の取出回
数を増大することができた。以上により従来技術に比較して吸着剤生産性が格段に上
昇し、装置を小型化コンパクト化することができた。

【００３１】

【実施例】次に実施例により本発明をさらに詳細に説明
するが、本発明の主旨を逸脱しない限り実施例に限定さ
れるものではない。（実施例１〜２）以下、図１〜図６により３つの吸着筒
による３筒運転形態ＰＳＡ系について実施例１〜２を説
明する。これらの図において、図８〜図１２の符号と同
一符号の部分は、図８〜図１２で説明したものと同一の
機能部分を示すものである。図１において、吸着筒１
ａ，１ｂ，１ｃには、それぞれ吸着剤２ａ，２ｂ，２ｃ
を収納してあり、それぞれ同一構成のものであり、図に
おける下方側から混合気体（空気）を送入して、不要気
体を吸着させ、所要気体を上方側に送出する操作例につ
いて説明する。ポンプ３は、取込口１４より与えらる混
合気体を加圧して、管路４に送出し、加圧された混合気
体は、管路１１ａ，１１ｂ，１１ｃを経て吸着筒１ａ，
１ｂ，１ｃの各下方側から送入する。吸着筒１ａ，１
ｂ，１ｃの各上方側から得られる所要気体は、管路１２
ａ，１２ｂ，１２ｃから管路５を経て貯留槽６に貯留さ
れる。管路１６は、後記の工程途中において、吸着筒１
ａ，１ｂ，１ｃ内に残留された気体の圧力を放出するた
めの経路である。

【００３２】各開閉弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１５
ａ，１５ｂ，１５ｃ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１８
ａ，１８ｂ，１８ｃ，２０，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ
は、それぞれが配置された管路の気体の通過を開閉する
ための弁であって、制御部（図示せず）によって所要の
工程を成し遂げるように開閉動作するものであり、開閉
弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃは上記の送入操作に寄与し、
開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃは排出操作に寄与し、開
閉弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃは採取操作に寄与し、開閉
弁１８ａ，１８ｂ，１８ｃはパージ脱着操作と均圧操作
に寄与し、開閉弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃは均圧操作に
寄与し、開閉弁２０は各弁切換操作時における管路４内
圧力の過渡的上昇の緩和ないし解放に寄与する。開閉弁
１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、流量調整付きの開閉弁また
は単なる開閉型の弁に流量調整弁を直列に設けたものに
してあり、流量調整には、例えばニードル弁を用いてい
る。圧力計７ａ，７ｂ，７ｃは、それぞれ吸着筒１ａ，
１ｂ，１ｃの内部の気圧を監視し、圧力計８は貯留タン
ク６の内部の気圧を目視で監視する。

【００３３】（実施例１）では、各開閉弁は、１サイク
ルの工程中、シーケンスでみとる図２のように、実動作
時間でみると図４のように制御しており、また、圧力計
７ａ，７ｂ，７ｃでみた圧力変化は図５のようにしてあ
る。（実施例２）では、１サイクルの工程中に、シーケ
ンスでみると図３のように制御しており、また、圧力計
７ａ，７ｂ，７ｃでみた圧力変化は図６のようにしてあ
る。図２、図３において、各開閉弁は、ハッチッングを
施した期間だけ開通し、他の期間は閉止している。ま
た、図５、図６の圧力変化は模型的線図を示したもので
あり、実際には、各開閉弁の開閉による各管路内や各吸
着筒内の気体の過渡的な変動を伴った変形曲線になる。

【００３４】１サイクルの工程中における各操作の順序
を、（実施例１）の場合で説明すると、基本的には、各
吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃの各圧力変化を、１サイクルの
期間、つまり、例えば１２秒を３等分した位相差による
３相の変化曲線をもって運転操作しているものであり、
具体的には、吸着筒１ａ内の圧力は、図５の太線のよう
な変化をもった第１相の圧力変化、吸着筒１ｂ内の圧力
は、図５の細線のような変化をもった第２相の圧力変
化、吸着筒１ｃ内の圧力は、図５の破線のような変化を
もった第３相の圧力変化を行うように運転操作してい
る。また、各圧力変化は、最高圧力Ｐ_H と最低圧力Ｐ_L
と、これらの間をほぼ３等分した中間の圧力Ｐ_M １，Ｐ
_M ２との４つの圧力点を経緯するように動作しているも
のである。

【００３５】そして、まず、動作を開始すると、数サイ
クルの間は、各吸着筒１ａ，１ｂ，１ｃ内の各圧力は種
々の過渡的経過をたどるが、やがて、図５の１サイクル
の開始時点Ａにおいて、吸着筒１ａの圧力は上昇途中で
圧力Ｐ_M １に、吸着筒１ｃが下降途中で圧力Ｐ_M １に、
吸着筒１ｂは圧力Ｐ_L から上昇する開始点にある。この
開始時点Ａからの動作を、吸着筒１ａに対する操作、つ
まり、図５の太線の圧力変化を主体にして、順次に説明
する。

【００３６】混合気体の加圧送入操作：時点Ａから、
開閉弁１３ａを３．５秒間だけ開通して、ポンプ３で加
圧された混合気体、つまり、原料気体を吸着筒１ａに送
入する加圧送入操作を行い、吸着筒１ａの圧力を最高圧
力Ｐ_H に移行し、不要気体を吸着剤２ａで吸着して所要
気体を吸着筒１ａの上方側に送出する。また、これと同
時に、時点Ａから、開閉弁１８ｂ，２１ｂを０．５秒間
だけ開通して、吸着筒１ｂ，１ｃの間の均圧操作を行
い、吸着筒１ｂ，１ｃの圧力を中間圧力Ｐ_M ２に移行す
る。次に、時点Ｂから、開閉弁１５ｃを３．０秒間だけ
開通して、管路１１ｃの気体を管路１６に排出し得る状
態にすることにより、吸着筒１ｃの圧力を最低圧力Ｐ_L
に移行する。

【００３７】所要気体の採取操作：時点Ｃから、開閉
弁１７ａを１．０秒間だけ開通して、吸着筒１ａの上方
側から所要気体を、管路５を経て貯留タンク６に採取す
る採取操作を行う。

【００３８】着脱パージ操作：時点Ｄから、開閉弁１
８ｃを０．１秒間だけ開通して、吸着筒１ａの上方側か
ら所要気体を吸着筒１ｃの上方側に送出するパージを行
い、パージした所要気体が吸着剤２ｃに付着した不要気
体成分を脱着しながら下方側へ移行し、既に開通してい
る開閉弁１５ｃを経て、脱着物を含む気体を管路１６に
排出する脱着パージ操作を行う。この間に、吸着筒１ａ
の圧力は一時的に下降し、吸着筒１ｃの圧力は一時的に
上昇するが、脱着パージ操作の終了に従って、元の圧力
に復帰する。

【００３９】第１均圧（降圧）操作：時点Ｅから、開
閉弁１８ａ，２１ａを０．５秒間だけ開通して、吸着筒
１ａ，１ｂの間の均圧操作を行う。この時点では、開閉
弁１３ａ，１５ｃは閉止しており、吸着筒１ａ，１ｂの
圧力を中間圧力Ｐ_M １に移行する。また、これと同時
に、時点Ｅから、開閉弁２０を０．５秒間だけ開通し
て、ポンプ３の過負荷を回避する。

【００４０】第２均圧（降圧）操作：時点Ｆから、開
閉弁１８ｃ，２１ｃを０．５秒間だけ開通して、吸着筒
１ａ，１ｃの間の均圧操作を行い、吸着筒１ａ，１ｃの
圧力を中間圧力Ｐ_M ２に移行する。これと同時に、時点
Ｆから、開閉弁１３ｂを３．５秒間だけ開通して、ポン
プ３で加圧された混合気体、つまり、原料気体を吸着筒
１ｂに送入する加圧送入操作を行い、吸着筒１ｂの圧力
を最高圧力Ｐ_H に移行し、不要気体を吸着剤２ｂで吸着
して所要気体を吸着筒１ｂの上方側に送出する。

【００４１】排出（降圧）操作：時点Ｇから、開閉弁
１５ａを３．０秒間だけ開通して、吸着筒１ａの下方側
から吸着筒１ａ内に残留している気体を管路１６に排出
する排出操作を行う。この操作によって、吸着筒１ａの
圧力は最低圧力Ｐ_L に移行する。次に、時点Ｈから、開
閉弁１７ｂを１．０秒間だけ開通して、吸着筒１ｂの上
方側から所要気体を、管路５を経て貯留タンク６に採取
する採取操作を行う。次に、時点Ｉから、開閉弁１８ａ
を０．１秒間だけ開通して、吸着筒１ｂの上方側から所
要気体を吸着筒１ａの上方側に送出するパージを行い、
パージした所要気体が吸着剤２ａに付着した不要気体成
分を脱着しながら下方側へ移行し、既に開通している開
閉弁１５ａを経て、脱着物を含む気体を管路１６に排出
する脱着パージ操作を行う。この間に、吸着筒１ｂの圧
力は一時的に下降し、吸着筒１ａの圧力は一時的に上昇
するが、脱着パージ操作の終了に従って、元の圧力に復
帰する。さらに、時点Ｊから、開閉弁１８ｂ，２１ｂを
０．５秒間だけ開通して、吸着筒１ｂ，１ｃの間の均圧
操作を行う。この時点では、開閉弁１３ｂ，１５ａは閉
止しており、吸着筒１ｂ，１ｃの圧力を中間圧力Ｐ_M １
に移行する。また、これと同時に、時点Ｊから、開閉弁
２０を０．５秒間だけ開通して、ポンプ３の過負荷を回
避する。

【００４２】第３均圧（昇圧）操作：時点Ｋから、開
閉弁を開閉弁１８ａ，２１ａを０．５秒間だけ開通し
て、吸着筒１ａ，１ｂの間の均圧操作を行い、吸着筒１
ａ，１ｂの圧力を中間圧力Ｐ_M ２に移行する。これと同
時に、時点Ｋから、開閉弁１３ｃを３．５秒間だけ開通
して、ポンプ３で加圧された混合気体、つまり、原料気
体を吸着筒１ｃに送入する加圧送入操作を行い、吸着筒
１ｃの圧力を最高圧力Ｐ_H に移行し、不要気体を吸着剤
２ｃで吸着して所要気体を吸着筒１ｃの上方側に送出す
る。次に、時点Ｌから、開閉弁１５ｂを３．０秒間だけ
開通して、管路１１ｂの気体を管路１６に排出し得る状
態にすることにより、吸着筒１ｂの圧力を最低圧力Ｐ_L
に移行する。次に、時点Ｍから、開閉弁１７ｃを１．０
秒間だけ開通して、吸着筒１ｃの上方側から所要気体
を、管路５を経て貯留タンク６に採取する採取操作を行
う。さらに、時点Ｎから、開閉弁１８ｂを０．１秒間だ
け開通して、吸着筒１ｃの上方側から所要気体を吸着筒
１ｂの上方側に送出するパージを行い、パージした所要
気体が吸着剤２ｂに付着した不要気体成分を脱着しなが
ら下方側へ移行し、既に開通している開閉弁１５ｂを経
て、脱着物を含む気体を管路１６に排出する脱着パージ
操作を行う。この間に、吸着筒１ｃの圧力は一時的に下
降し、吸着筒１ｂの圧力は一時的に上昇するが、脱着パ
ージ操作の終了に従って、元の圧力に復帰する。

【００４３】第４均圧（昇圧）操作：時点Ｏから、開
閉弁１８ｃ，２１ｃを０．５秒間だけ開通して、吸着筒
１ａ，１ｃの間の均圧操作を行う。この時点では、開閉
弁１３ｃ，１５ｂは閉止しており、吸着筒１ａ，１ｃの
圧力を中間圧力Ｐ_M １に移行する。また、これと同時
に、時点Ｏから、開閉弁２０を０．５秒間だけ開通し
て、ポンプ３の過負荷を回避する。以上で１サイクルを完了し、以後、〜を繰り返す。

【００４４】上記の説明から、（実施例２）における図
３、図６による工程の場合における動作は容易に理解し
えられることなので、ここでは、省略するが、均圧操作
を行う時点の設定の仕方で、図６のように、各位相の動
作圧力における中間圧力での横這い部分を中間圧力Ｐ_M
１にすることができることを意味している。各開閉弁を
操作する制御部（図示せず）の構成は、一般のマイクロ
コンピュータを用いたシーケンス制御を、図２、図３の
ように設定することにより各開閉弁の開閉動作を制御し
ている。

【００４５】（変形実施例）本発明においては、下記の
ような実施態様を包含する。１．上記の（実施例１）および（実施例２）では３筒で
説明したが本発明の方法は２筒でも４筒以上でも可能で
ある。初期圧が３ｋｇ／ｃｍ² Ｇ以上の場合は４筒式が
望ましい。２．均圧操作は２筒間上、下同時に等量のガスを移動し
て２筒間圧力を平衡化するのが普通であるが、２筒間均
圧において一方の筒の出口端部を他筒の入口端と接続す
る方法、又出口端部同志を接続する方法等の変形も可能
である。３．１つの筒状体もしくは箱状体の内部を例えば３分割
し、その１つ１つの区割が１つの吸着筒として作用する
構成にすることにより３筒密集形とし、筒と筒との死空
間をなくし、一層装置をコンパクト化することが可能と
なる。４．多流路の入口孔、出口孔を円筒上の相対する面上に
軸方向に位置をずらして形成し内部ピストンをスプール
弁状にして軸方向一定のスピードで前後往復運動さす
スプール弁方式、または入口端部にカムにより上下作動
して開閉するカム弁又は円筒面上軸方向に位置をずら
すか又は位相角をかえて入口孔、出口孔を形成し、内接
する円筒が回転する間に流路が順序連通するごとく形成
したロータリ弁等の公知の多流切換弁機構と吸着筒と
を組合わせることにより、製品全体が著しくコンパクト
になる。

【００４６】（実施例３）図１と同一のシステムを用
い、かつ（実施例１）で示す弁シーケンスで空気より酸
素を分離する酸素濃縮試験を実施した。吸着筒：内径５．３ｃｍ、長さ２３ｃｍ内容積５０７ｃｃ吸着剤：ＭＳ−５Ａ。２ａ（４９７ｇ）、２ｂ（５０１
ｇ）、２ｃ（５０３ｇ）充填した。尚、活性アルミナを
吸着剤層の１８％充填した。その結果、９０％Ｏ₂ が毎
分１０．８リットル連続的に得られた。従って、吸着剤
生産性＝４３２リットル（９０％Ｏ₂ ）／ｋｇ・Ｈｒで
あった。実施例３ではパルスパージと均圧操作との時間
間隙は下記の比較例が０．９ｓｅｃであるのに対して
０．４ｓｅｃに短縮した。又加圧開始時（２ａｔａ）に
おけるＰＶ＝１．０１４（リットル−ａｔａ）で使用ポ
ンプ容量は１．２リットル／ｓ（２ａｔａにおいて）の
仕様のものを使用した。従ってＫは、であった。

【００４７】（比較例）図１０に示した２つの吸着筒で
構成されたシステムを用いる気体分離法を実施し、空気
から酸素を製造した。吸着筒：直径５．３ｃｍ×長さ３７．０ｃｍ（ステンレ
ス筒）内容積８１６ｃｃ吸着剤：種類：ＭＳ−５Ａ充填量：９８３ｇ／システム尚、吸着筒入口端部に活性アルミナを充填した。弁はす
べて電極弁（弁１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂは１／
４インチ型、その他は３／８インチ型）を用いた。ポンプ：毎分６０リットル型ダイヤフラム式圧縮機。酸素の分離は表２に示した弁シーケンスに基づき行っ
た。なお表２において〜は弁の開閉回数を示す。

【００４８】

【表２】

【００４９】（結果）９０％酸素が１．９リットル／分
得られた。吸着剤生産性＝１１６リットル（９０％Ｏ₂ ）／ｋｇ・
Ｈｒ初期圧２ａｔａにおけるＰＶ＝１．６３２（リットル−
ａｔａ）使用ポンプ容量Ｑ_P （２ａｔａ）＝０．５リットル／ｓ従ってＫはＱ_P ／ＰＶ＝０．３であった。

【００５０】

【発明の効果】本発明の方法によればＰＳＡ法による高
負荷運転と高速再生が可能になり、従来技術に比し５〜
１０倍の高い生産性をもちかつ製品収率の高い小型コン
パクトなガス分離器（例えば酸素濃縮器）が可能にな
る。その結果、多くの酸素使用機器（例えば、オゾナイ
ザー、燃焼器等）に付設もしくは内蔵して酸化や燃焼の
省エネルギー的強化や促進に役立つ効果がある。また本
発明の方法における吸着筒や自動弁を集約・一体化し、
かつ既存のターボまたはスーパーチャージャ等の高性能
圧縮機と組合わせることにより非常にコンパクトな数１
０リットル／分級の酸素自動濃縮器を作ることが可能に
なり、例えばそれを自動車に搭載することにより、エン
ジンの空燃比（空気／燃料）の迅速精密な制御やディー
ゼル車排出パーテイクルフィルタトラップ上のカーボン
のバーンアウト等ができるようになって省エネや公害ガ
スの排出低減等に大きな効果を発揮するものである。ま
た本発明の方法は他の混合ガス系（例えば、Ｈ₂ −ＣＯ
₂ 系、Ｎ₂ −ＣＯ₂系、Ｎ₂ −Ｈ₂ 系等）のガス分離に
も適用可能であり、小型コンパクトなガス分離器として
例えば燃料電池等に搭載して、装置全体のコンパクト化
や省エネに役立つ効果も期待されるのでその産業上の利
用価値は甚だ大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３筒式気体分離方法の構成例を示
す。

【図２】本発明の３筒式気体分離方法の弁シーケンス
例を示す。

【図３】本発明の３筒式気体分離方法の弁シーケンス
の他の例を示す。

【図４】本発明の３筒式気体分離方法の弁シーケンス
の実施例を示す。

【図５】本発明の３筒式気体分離方法の圧力シーケン
ス例を示す。

【図６】本発明の３筒式気体分離方法の圧力シーケン
スの他の例を示す。

【図７】ポンプ吐出速度と圧力の関係図を示す。

【図８】第１の従来技術の構成を示す。

【図９】第１の従来技術の弁シーケンスを示す。

【図１０】第２の従来技術の構成を示す。

【図１１】第２の従来技術の弁シーケンス例を示す。

【図１２】本発明の方法の要部原理説明図を示す。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ：吸着筒２ａ，２ｂ，２ｃ，ａ，ｂ：吸着剤３：ポンプ４，１４，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，５，１６，２１：管路６：貯留タンク１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１
７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，２
０，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ：開閉弁７ａ，７ｂ，７ｃ，８：圧力計Ｐ_H ：最高圧力Ｐ_M １，Ｐ_M ２：中間圧力Ｐ_L ：最低圧力Ｑ_P ：原料送入速度Ｐ：初期圧力 △Ｐ：圧力上昇値Ｖ：吸着筒容積Ｋ：常数ｎ：筒数Ｔ：１サイクル時間Ｌ：吸着筒長さＳ：吸着筒断面積

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２以上の気体成分から成る気体混合物中
の不要気体成分を選択的に吸着しうる吸着剤が層状に充
填された少なくとも２以上の吸着搭（搭数をｎとする）
から成る圧力振動吸着法システムにおいて、原料ガスを
大気圧以上の初期圧にて筒内へ加圧送入し、不要ガスを
筒内入口端部より吸着剤に吸着させ、吸着されなかった
ガスを筒出口端部へ前進させて圧縮して最高圧力とし、
最高圧力近傍で筒出口端部より吸着されなかったガスの
一部を製品ガスとして取出し、残部をパージガスとして
最低圧力近傍にある他筒へ非定常流として供給し、加圧
を停止し、他筒とのｎ段階均圧操作による降圧を行い、
最終段階操作により筒内ガスを大気中へ解放して最低圧
力とし、他筒より非定常流によるパージ流れを受入れ
て、吸着能力を復帰し、再び他筒とのｎ段階均圧操作を
経て初期圧に戻る一連の圧力変動操作を１サイクル操作
（時間；Ｔ）とし、この操作をＴ／ｎ時間ずつずらし
て、他筒で実施する循環操作において、初期圧より操作の最高圧にする迄の原料送入速度Ｑ_p
（リットル／秒）が下記の式で表される送入速度で行う
ことを特徴とする気体分離方法。Ｑ_p ＝ｋＰＶＰ（ａｔａ）は初期圧、Ｖ（リットル）は吸着筒容積を
表し、ｋ＝１〜４であり、主としてポンプの圧縮特性と
吸着剤性能により決まる定数である。
【請求項２】上記の循環操作において、パージ流およ
び均圧流が継続する弁の断続的弁開閉操作によってつく
られ、１つの弁開閉操作とそれに続く後の弁開閉操作と
の時間間隙ｔ（ｓｅｃ）が０．１≦ｔ＜０．５であるこ
とを特徴とする請求項１記載の気体分離方法。
【請求項３】上記の気体分離方法において、不要気体
吸着剤がＭＳ−５ＡもしくはＭＳ−１３Ｘであり、原料
ガスが空気であって３筒構成で実施する酸素分離方法で
あることを特徴とする請求項１記載の気体分離方法。
【請求項４】上記の気体分離方法において、１つの筒
又は筐体内を並流区画に分離し、１つの区画を１つの筒
としたことを特徴とする請求項１記載の気体分離方法。
【請求項５】上記の気体分離方法において、流路の切
換弁として多流路をロータリ弁、カム弁、スプール弁等
の１つの弁機構に形成集約したことを特徴とする請求項
１記載の気体分離方法。