JPH0687933B2

JPH0687933B2 - 圧力変動吸着分離装置

Info

Publication number: JPH0687933B2
Application number: JP61083257A
Authority: JP
Inventors: 鉄郎芳賀; 政臣友村; 舜介野北; 尚澄石津
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-04-12
Filing date: 1986-04-12
Publication date: 1994-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: JPS62241522A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、例えば空気中の窒素を吸着剤に加圧吸着させ
て、非吸着物を製品ガスとして取り出す圧力変動吸着分
離方法の実施に使用する圧力変動吸着分離装置に関す
る。

〔従来の技術〕

一般に圧力変動吸着分離装置による運転サイクルは、大
きく分けて３つに分けられる。すなわち、加圧下で吸着
塔に原料ガスを供給して、非吸着物を製品ガスとして取
り出す吸着工程と吸着塔を減圧して吸着剤を再生する脱
着工程、更に、脱着工程が終了した吸着塔に製品ガスの
一部か、または吸着工程の終了した吸着塔のガスを供給
して圧力を均等化する均圧工程とに分けられる。そし
て、これらの各工程を順次繰り返すことによって連続的
に製品ガスが得られる。

前述した各工程の内、均圧工程の目的は脱着工程によっ
ても系外に排出されない不純物の吸着帯を塔頂より供給
する濃縮ガスにより塔底部附近に押し下げることにあ
る。これにより、塔頂部を濃度の高いガスの状態に維持
でき、次の吸着工程を実施すれば、濃度の高い製品ガス
が得られ、収率の向上につながる。

ところが、脱着工程を終了した吸着塔は低圧力にあり、
一方、均圧化用の製品ガス側、または、吸着工程を終了
した吸着塔側は高圧（加圧）の状態にある。このため、
均圧工程時、電磁弁が瞬間的に開放されると、両者の圧
力差により瞬時に多量のガスが低圧の吸着塔に入り、充
填層内部の濃度分布を乱してしまう。結果的に製品ガス
濃度の低下につながる。このことは、均圧化後の吸着塔
でも同様なことがいえる。すなわち、均圧化後の吸着塔
内は低圧力の状態にあるが、次の吸着工程で電磁弁が瞬
間的に開放される結果、圧縮機等で加圧された原料ガス
の多量が高流速で吸着工程の初期に供給される。このた
め、塔内充填層内のガス濃度分布、いわゆる、吸着帯を
乱してしまう不具合が発生する。

また、脱着工程でも塔内外に圧力差があるため、同様な
不具合が生じる。そして、前工程（吸着工程）で吸着し
た吸着物を塔外に排出して吸着剤を再生する脱着工程で
は、塔内の減圧操作が行われるが、この場合、塔内を急
激に減圧すると、塔内に充填されている吸着剤の損傷が
激しくなる。すなわち、塔内の急激な圧力変化に伴い静
止状態の吸着剤が動いてしまう。いわゆる、吸着剤が踊
ってしまう。圧力変動吸着分離装置は、吸着・脱着工程
を連続的に繰り返すことを基本とするが、前述の吸着剤
の踊りがあると、吸着剤同士の衝突により吸着剤が損傷
してしまう。

前述した不具合の解決法として、例えば、特開昭57−10
5220号公報記載の方法が知られている。これは、ガスの
流速を絞り板、または流量調節弁で制御する方法であ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来方法でも、弁調度が塔内外との圧力差に追従できな
い。このため、急激な圧力変化を伴い、弁開放の初期に
多量のガスが流れて、その後流量が減少する傾向を示
し、初期の多量のガス流れによって吸着帯が乱れてしま
う。

本発明は上述した不具合に鑑みてなされたもので、その
目的とするところは、弁開放初期に多量に流れるガスに
よって生じる吸着帯の乱れを防止し、製品ガス濃度が高
く、収率の高い圧力変動吸着分離装置を提供することに
ある。

〔問題を解決するための手段〕

本発明の圧力変動吸着分離装置は、吸着塔内外へのガス
流れを平滑化して供給する機能を有する流量平滑化弁を
吸着塔に配設した装置である。

本発明の圧力変動吸着分離装置は、（１）複数の吸着塔
の製品ガス出口側間または前記吸着塔の製品ガス出口側
と製品ガス側間に連通する各ガス流路を備えたケーシン
グと該ケーシング内に収納される連結した弁体及び該弁
体を軸方向に往復駆動させる駆動部とを備え、前記吸着
塔の製品ガス出口側に配設した均圧化弁を流量平滑化の
機能を有する構成とした装置、（２）吸着塔の原料ガス
入口側に連通するガス流路と原料ガス供給側に連通する
ガス流路とを有したケーシングと該ケーシング内に収納
される連結した弁体及び該弁体を軸方向に往復駆動させ
る駆動部とを備え、前記吸着塔の原料ガス入口側と原料
ガス供給側間に配設した、原料ガス供給弁を流量平滑化
の機能を有する構成とした装置、（３）吸着塔側に連通
するガス流路と減圧側に連通するガス流路とを有するケ
ーシングと該ケーシング内に収納される連結した弁体及
び該弁体を軸方向に往復駆動させる駆動部とを備え、前
記吸着塔と減圧側間に配設した排気弁を流量平滑化の機
能を有する構成とした装置の３つの装置を有する。

そして、前記流量平滑化の機能を有する構成はいずれも
共通の構成であって、「前記各ガス流路を結ぶ流路間距
離L₁よりも短い第１のガス流路と前記第１のガス流路と
連通して前記流路間L₁よりも長い第２ガス流路を前記弁
体間に保持して、前記第２のガス流路側から第１のガス
流路側に向けて流路断面積を漸次縮小させ、更に、前記
第１のガス流路を有する弁体の端部を他方の弁体に端部
に当接時、前記弁体の移動距離L₃を吸収する移動距離L₄
を前記他方の弁体に確保して、前記ケーシング側のガス
流路を前記弁体の往復駆動によって開閉するようにした
構成」である。

さらに、前記構成は、具体的には例えば、前記連結した
弁体が、後端壁に連結穴を開口した中空連結部を有する
一方の弁体と、先端に断面Ｔ字状の連結ステムを備えた
他方の弁体とからなり、両弁体は、他方の弁体の前記連
結ステムのＴ字状の頭部を一方の弁体の中空連結部内に
臨ませるとともにそのＴ字状の脚部を前記連結穴に摺動
自在に嵌装することにより連結されており、一方の弁体
により他方の弁体が牽引された状態において、両弁体間
には前記各ガス流路を結ぶ流路間距離L₁よりも短い第１
のガス流路と前記第１のガス流路と連通して前記流路間
L₁よりも長い第２ガス流路が保持され、両弁体の端面間
の距離が前記弁体の移動距離L₃として、また、前記一方
の弁体の中空連結部の先端壁の内端面と前記連結ステム
のＴ字状の頭部の先端面との距離が前記移動距離L₄とし
て構成されることにより実現される。

〔作用〕

本発明の圧力変動吸着分離装置においては、上記のよう
に構成したことにより、均圧工程時、吸着工程時或いは
脱着工程時において、弁開放初期の多量のガス流れによ
って生じる吸着帯の乱れを効果的に抑制することができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第26図に基づいて
説明する。

第１図は、本発明の均圧工程時における圧力変動吸着分
離装置の系統を示すものである。１は圧縮機で、本発明
の実施例では空気を圧縮し、該空気は原料ガス供給管２
及び原料ガス供給弁３または４を介して吸着塔５または
６に供給される。前記吸着塔５、６内には、例えば合成
ゼオライト等の吸着剤（図示せず）が充填されている。

10は真空ポンプで、排気管11及び排気弁12または13を介
して吸着塔５、６内の底部に連通している。なお、本発
明の実施例では真空ポンプ10によって脱着を行うが、例
えば脱着圧力を大気圧とする場合、真空ポンプ10は不用
であり、脱着法がそれに限定されるものではない。

14は吸着塔５、６内で濃縮された製品ガスが取り出され
る製品ガス取出し管で、該管は製品ガス取出し弁15また
は16を介して吸着塔５、６の塔頂と連通している。

20は気液分離器で、該分離器は圧縮器１の吐出側に位置
して、原料ガス供給管２中に配設されている。８は気液
分離器20の下部に付設されたドレン弁である。21は均圧
タンクで、製品ガス取出し管14中に配設されている。22
は圧縮機１の吸込側に配設された送入管である。

17は均圧化弁で、流量平滑化の機能を有し該弁は吸着塔
５、６の製品ガス取出し管14の出口側と吸着塔５、６の
製品ガス出口側とを連通する均圧化管19中に配設されて
いる。

前記、均圧化弁17はその詳細を第２図に示すように弁本
体を構成するケーシング30と該ケーシング30内を移動す
る弁体31、32及び前記弁体31、32を駆動させる駆動部７
から、その主要部が構成される。前記筒状のケーシング
30には吸着塔５、６の製品ガス出口側に連通するガス流
路33、34と製品ガス側となる均圧タンク21側に連通する
ガス流路35、36が穿孔されている。

前記各流路33、34、35及び36は、同一線上に存在し、隣
接するガス流路33、35及び34、36は一定の間隙L₁を有し
て位置している。前記弁体31、32は前記の間隙L₁より長
い流路L₂を有して連結され、該流路は前記流路33、35及
び流路34、36を連通するガス流路37となる。

前記ガス流路37は、前記したガス流路33、35または34、
36間を結ぶ流路間距離L₁よりも短い流路距離L₅を有する
第１のガス流路37Aと該ガス流路37Aに連通して前記の流
路間距離L₁よりも長い流路距離L₃を有する第２のガス流
路37Bからなり、これらの各流路37A、37Bは弁体31、32
間に保持されている。そして、前記第２のガス流路37B
側から第１のガス流路37A側に向けて流路断面積が漸次
縮小されている。本発明の実施例では、第１のガス流路
37Aの流路断面積Ｓを縮小させている。

38は断面Ｔ字状の連結ステムで、該ステム38は弁体31の
先端部に形成されている。そして、連結ステム38のＴ字
状の頭部41は弁体32の端部に形成された中空連結部39内
に臨み、該ステム38のＴ字状の脚部は、中空連結部39の
後端壁において前記Ｔ字状の頭部41の外周よりも小さく
形成された連結穴40内に摺動自在に嵌装されている。そ
して、弁体31によって従属する弁体32が牽引されると
き、前記ステム38のＴ字状の頭部41の後端面は中空連結
部39の後端壁の内端面に接する。

前記のように牽引されるとき、牽引側の弁体31と被牽引
側の弁体32の端面42、43間の距離L₃は、前記中空連結部
39の先端壁の内端面とステム38のＴ字状の頭部41の先端
面との間の軸方向の距離L₄とL₃≦L₄の関係に保持されて
いる。

前述したそれぞれの距離関係について第５図から第８図
に基づいて更に詳述すると、弁体31が弁体32を牽引して
ガス流路を開放する方向に移動する際、流路間距離L₁と
弁体31、32間のガス流路37の距離L₂はL₁＞L₂の関係にあ
る。更に、前記ガス流路37の流路断面積が縮小した第１
のガス流路37Aの距離L₅は前記の流路間距離L₁とL₅＜L₁
の関係にある。また、弁体31の端面42と他方の弁体32の
端面43間に保持されるガス流路37Bの距離L₃は前記L₁とL
₁＜L₃の関係にある。更に、弁体31の戻り工程時、弁体3
1の端面42が他方の弁体32の端面43に当接して、前記距
離L₃がL₃＝０となる際、その弁体31の移動距離L₃を吸収
する距離L₄が弁体32に確保され、前記距離L₃、L₄はL₃≦
L₄の関係にある。

前記のような距離関係にある場合、弁体31が弁体32を押
圧して元の位置に戻る戻り工程時、第７図及び第８図に
示すようにそれぞれの距離関係はL₂＝L₅、L₃＝０、L₄≧
０となり、L₅はかわらずL₅＜L₁の関係にある。尚、第５
図から第８図において、第２図及び第３図に示した弁体
31の構成と一部異なるが、基本的な構成では差異がな
い。前述のような構成からなる圧力変動吸着分離装置に
おいて、次に、その作用について、原料ガスとして空気
を供給した場合を例にとり説明する。

先ず、吸着塔５では吸着工程を、他の吸着塔６では脱着
工程を実施する。ここで、原料ガス供給弁３、製品ガス
取出し弁15、及び排気弁13は開放している。一方、原料
ガス供給弁４、排気弁12、製品ガス取出し弁16、均圧化
弁17は閉じている。

前記の弁開閉操作によって、送入管22から吸込まれる原
料ガスは、圧縮機１で加圧され、気液分離器20、原料ガ
ス供給弁３を介して原料ガス供給管２から吸着塔５内に
供給される。吸着塔５では吸着物である窒素は吸着され
る。非吸着物である酸素は、製品ガスとして製品ガス取
出し弁15及び取出し管14を通って均圧タンク21に入る。
その後、製品ガスとして取り出される。

一方、他の吸着塔６では前工程で吸着した吸着物の窒素
ガスを排気弁13及び排気管11を介して、真空ポンプ10で
塔６内を減圧しながら排出する。

前記した工程が第１サイクルとなり、次に第２サイクル
として次の工程が入る。脱着工程が終了した吸着塔６で
は、当該塔６に関与する各弁の内、原料ガス供給弁４、
排気弁13及び製品ガス取出し弁16は閉じられる。

一方、均圧化弁17は開放される。すなわち、第３図
（ａ）から（ｂ）に均圧化弁の作動状況を示すように、
駆動部33によって弁体31、32は一体となって矢印方向に
移動する。これに伴い吸着塔６側に連通するガス流路33
は開放される。同時に該ガス流路33は弁体31、32間のガ
ス流路37を介して均圧タンク21側のガス流路33に連通さ
れることによる。これらの弁の開閉操作によって、減圧
状態にある吸着塔６と加圧状態にある均圧タンク21は連
通される。この結果、均圧タンク21にある製品ガスの酸
素は、均圧化管19を通り吸着塔６内に導入され、当該塔
６は均圧化される。一方、他の吸着塔５では、この吸着
塔６の均圧工程間は第１サイクルからの吸着工程が継続
される。

次に、第３サイクルに入り、吸着塔６では原料ガス供給
弁４及び製品ガス取出し弁16が開放される。一方、排気
弁13が閉じられる。更に、均圧化弁17が閉じられる。す
なわち、弁体31、32が軸方向に移動するに従って第３図
（ｃ）に示すように、弁体31に連動する被牽引側の弁体
32外周面は均圧タンク21側に連通するガス流路35が閉
じ、ガス流れを遮断する。この結果、原料ガスの空気
は、吸着塔６に供給され、同塔６は吸着工程に入る。こ
の吸着工程で濃縮された酸素は、製品ガス取出し弁16及
び製品ガス取出し管14を通って均圧タンク21に入り、そ
の後、系外に導かれて製品ガスとして取り出される。

一方、吸着塔５では脱着工程に入る。同工程では排気弁
12を開放し、他の原料ガス供給弁３、製品ガス取出し弁
15及び均圧化弁17を閉じて、塔内圧力を減圧しながら吸
着剤を再生する。

前記均圧化弁17が閉じている場合、前工程（前記第３サ
イクル）の位置にあった弁体31、32はさらに移動して、
第３図（ｄ）に示すように均圧タンク21側に連通するガ
ス流路35及び36を、その外周面で閉じた状態にある。

第４サイクルでは、先に説明した第２サイクルにおける
吸着塔５と同様に吸着塔６では吸着工程が継続されてい
る。一方、吸着塔５側では、当該塔５と均圧タンク21が
連通されており、均圧タンク21内の酸素が吸着塔５に導
入される。すなわち、第３図（ｅ）に示すように前工程
で均圧タンク21側に連通するガス流路36を閉じていた弁
体31は、その流路36を開放する。同時に、更に各弁体3
1、32は移動して吸着塔５側に連通するガス流路34も開
放することになる。従って、第２サイクルと同様に前記
各ガス流路34、36は弁体31、32間のガス流路37を介して
連通されることになる。この結果、減圧状態にある吸着
塔５と加圧状態にある均圧タンク21は連通されて、均圧
タンク21側の製品ガスは均圧管化19を通り吸着塔５に導
入され、当該塔５は均圧化される。

前述のように吸着工程、脱着工程及び均圧工程が順次連
続的に繰り返される場合、最終工程（第４サイクル）終
了後、均圧化弁17は次のサイクルの状態に戻る。すなわ
ち、第３図（ｆ）から（ｈ）に示すように、弁体31に牽
引される弁体32は均圧タンク21側に連通するガス流路36
を閉じる。同時に同図に示すように弁体32を牽引してい
た弁体31が前記移動方向と反対方向に移動するとこによ
って牽引していた弁体32を押圧して元の位置に戻ること
になる。更に詳述すると、弁体32を牽引していた弁体31
の連結ステム38は弁体32の中空連結部39内を移動し、弁
体31の端面42が他の弁体32の端面43に当接する。この状
態で、各弁体31、32間に保持されるガス流路37の長さL₂
は、弁体31、32が逆方向に移動する際、このガス流路31
に臨む他のガス流路34、36、または流路33、35間の距離
L₁よりも短く保持される。したがって、各弁体31、32が
元の位置に復帰する際、前記の各ガス流路34、36及び3
3、35を開放することなく、弁体31は別の弁体32を押圧
して元の位置に戻り、次の工程に移行する。

以上、第１サイクルから第４サイクルをもって一周期サ
イクルが形成され、製品ガスは連続的に取り出される。

前述したようにして、製品ガスが取り出される場合、均
圧工程の際、吸着塔５または６に供給されるガス流量は
所定時間だけ一定のガス流量が維持されるため、吸着帯
の乱れが抑制される。すなわち、第４図に示すように均
圧工程時、均圧化弁17内の流路断面積Ｓは弁体31、32が
軸方向に移動するに従い徐々にその断面積Ｓが大きくな
っていく。このため、均圧工程の初期、吸着塔５、６内
の圧力が低く、一方、流入するガス側の圧力が高くて、
その圧力差が大きくとも、流路有効断面積Ｓが小さいた
め、一時に多量のガスが流れることはない。一方、ガス
の流れに伴い吸着塔内と流入ガス側との圧力差が小さく
なると、ガス流量が減少していくが、その後前記した流
路、断面積Ｓは第４図に示すように時間の経過と共に増
大していく。したがって、流路断面積Ｓを変化させない
場合、第15図点線ｍで示すような流量変化特性となる
が、前述の如く所定時間Teの間流路の断面積を変化させ
れば、同図実線ｎで示す如くガス流量の低下はなく、均
圧工程時の間、吸着塔５または６内に供給されるガス流
量は平滑化されて供給される。このため、吸着塔の充填
層の吸着帯が高流速で多量に流入するガスによって乱さ
れるのが抑制される。

尚、本発明では均圧工程時、吸着塔内に供給するガスを
均圧タンク21側から供給しているが、均圧タンク21側か
らガスを供給しなくともよいことは勿論である。すなわ
ち、各吸着塔の製品ガス出口側を結ぶ間に均圧化弁を配
設して、均圧工程時一方の吸着塔側から他方の吸着塔側
にガスを供給すればよい。

次に、前述した流量平滑化の機能を有する流量平滑化弁
を吸着工程時の流量平滑化に用いた場合の圧力変動吸着
分離装置について説明する。尚、同構成品及び同機能品
は同符号を用いて説明する。

流量平滑化の機能を有する原料ガス供給弁３及び４は、
第９図にその系統を示し、その詳細を第10図及び第11図
に示すように弁本体を構成するケーシング130と該ケー
シング130内を移動する弁体131、132及び前記弁体131、
132を駆動させる駆動部７から、その主要部が構成され
る。前記筒状のケーシング130には吸着塔５、６の原料
ガス入口側に連通するガス流路133、134と圧縮機１の吐
出側に連通するガス流路135、136が穿孔されている。

隣接するガス流路133、135及び134、136は一定の間隙L₁
を有して位置している。前記弁体131、132は前記の間隙
L₁より長い流路L₂を有して連結され、該流路は前記流路
133、135及び流路134、136を連通するガス流路137とな
る。前述した距離関係は第５図から第８図の場合と同関
係に維持される。

前記ガス流路137は、第１のガス流路137Aとこの流路137
Aに連通する第２のガス流路137Bとからなり流路137、13
5及び134、136の開放方向に沿って、第１のガス流路137
Aはその流路断面積Ｓが縮小するガス流路として形成さ
れている。138は断面Ｔ字状の連結ステムで、該ステム1
38は弁体131の先端部に形成されている。そして、連結
ステム138のＴ字状の頭部141は弁体132の端部に形成さ
れた中空連結部139内に臨み、該ステム138のＴ字状の脚
部は、中空連結部139の後端壁において前記Ｔ字状の頭
部141の外周よりも小さく形成された連結穴140内に摺動
自在に嵌装されている。そして、弁体131によって従属
する弁体132が牽引されるとき、前記ステム138のＴ字状
の頭部141の後端面は中空連結部139の後端壁の内端面に
接する。

前記のように牽引されるとき、牽引側の弁体131と被牽
引側の弁体132の端面142、143間の距離L₃は、前記中空
連結部139の先端壁の内端面とステム138のＴ字状の頭部
141の先端面との間の軸方向の距離L₄とL₃≦L₄の関係に
保持されている。

前述のような構成において、次に、その作用について説
明する。

先ず、吸着塔５で吸着工程を、他の吸着塔６で脱着工程
を実施する場合、前記した各弁の内、原料ガス供給弁３
及び４は第12図、第13図及び第14図に示すように動作す
る。すなわち、第12図（ａ）から（ｂ）に原料ガス供給
弁３の作動状況を示すように、駆動部７によって弁体13
1、132は一体となって矢印方向に移動する。これに伴い
吸着塔５側に連通するガス流路133は開放される。同時
に、該ガス流路133は弁体131、132間に保持されたガス
流路137を介して圧縮機１の吐出側のガス流路135に連通
されることになる。

一方、原料ガス供給弁４は、第14図に（ｈ）に示すよう
に、弁体131の外周面は吸着塔６側に連通するガス連通
するガス流路134を閉じる。この結果、圧縮機１側に連
通するガス流路136から前記流路134に至るガス流れは遮
断される。

前記した弁の開閉状態によって、圧縮機１で加圧された
原料ガスは、気液分離器20、原料ガス供給弁３及び原料
ガス供給管２を介して吸着塔５に供給される。一方、他
の吸着塔６では前工程（吸着工程）で吸着した吸着物の
窒素ろ排気弁13及び排気管11を介して、真空ポンプ10で
吸着塔６内を減圧しながら排出する。

前記した工程が第１サイクルとなり、次に第２サイクル
として次の工程が入り、吸着塔６側に関与する原料ガス
供給弁４は、このサイクルでは閉じられる。

一方、他の吸着塔５では、この吸着塔６の均圧工程間は
第１サイクルからの吸着工程が継続される。

次に、第３サイクルに入り、吸着塔６では原料ガス供給
弁４及び製品ガス取出し弁16が開放される。

前記した原料ガス供給弁４は次のように動作して開放す
る。すなわち、第14図（ｈ）から（ｉ）に原料ガス供給
弁４の動作状況を示すように、駆動部７によって弁体13
1、132は一体となって矢印方向に移動する。これに伴い
吸着塔６側に連通するガス流路134は開放される。同時
に該ガス流路134は弁体131、132間に保持されたガス流
路137を介して圧縮機１の吐出側に連通するガス流路136
に連通する。これらの動作によって、吸着塔６と原料ガ
ス供給側の圧縮機１側が連通される。この結果、原料ガ
スの空気は吸着塔６に供給され、同塔６は吸着工程に入
る。一方、吸着塔５側では脱着工程に入り原料ガス供給
弁３は閉じられる。

前記原料ガス供給弁３が閉じている場合、前工程で開放
していた該弁３は、次のようにして閉じる。すなわち、
第12図（ｃ）に示すように、弁体131に牽引される弁体1
32は圧縮機１側に連通するガス流路135を閉じる。同時
に、第13図（ｄ）から（ｆ）に示すように弁体132を牽
引していた弁体131が前記移動方向と反対方向に移動す
ることによって、牽引していた弁体132を押圧して元の
位置に戻る。更に詳述すると、弁体132を牽引していた
弁体131の連結ステム138は中空連結部139内を移動し、
弁体131の端面142が他の弁体132の端面143に当接する。
この状態で各弁体131、132間に保持されるガス流路137
の長さL₂は、弁体131、132が逆方向に移動する際、この
流路137に臨むガス流路133、135間の距離L₁よりも短く
保持される。したがって、各弁体131、132が元の位置に
復帰する際、前記のガス流路133、135を開放することな
く、弁体131は別の弁体132を押圧して元の位置に戻り、
ガス流れを遮断する。

第４サイクルでは、先に説明した第２サイクルと同様に
吸着塔６では吸着工程が継続されている。一方、吸着塔
５側では均圧化弁17が開放され、当該塔５と均圧タンク
21が連通されて、均圧タンク21内の酸素が吸着塔５内に
供給される。

前述のようにして、製品ガスが取り出される場合、吸着
工程の際、吸着塔５または６に供給されるガス流量は所
定時間Teだけ一定のガス流量が維持されるため、吸着帯
の乱れが抑制される。すなわち、吸着工程時、原料ガス
供給弁３または４内の流路断面積Ｓは弁体131、132が軸
方向に移動してガス流路133、134を開放する際、第４図
に示すように徐々にその断面積Ｓが大きくなっていく。
このため、吸着工程の初期、吸着塔５または６内の圧力
が低く、一方、供給されるガス側の圧力が高くて、その
圧力差が大きくとも、流路断面積Ｓが小さいため、一時
に多量のガスが流れることがない。一方、ガスの流れに
伴い吸着塔５または６内と供給ガス側との圧力差が小さ
くなると、ガス流量が減少していくが、その後、流路断
面積Ｓは第４図に示すように時間の経過と共に増大して
いく。したがって、流路断面積Ｓを変化させない場合
は、第15図点線ｍで示すような流量変化特性となるが、
前述の如く、断面積を変化させれば、同図実線ｎで示す
ガス流量の低下はなく、吸着工程間、吸着塔５または６
内に供給されるガス流量は平滑化されて供給される。こ
のため、吸着塔の充填層の吸着帯が初期に多量に流入す
る高流速のガス流れによって乱されるのが抑制される。

第16図及び第17図は、本発明の吸着工程時に適用される
圧力変動吸着分離装置の他の実施例を示し、吸着塔への
ガス流量を平滑化するそれぞれの原料ガス供給弁３また
は４を一つの原料ガス供給弁150としたものである。第1
0図及び第11図に示した原料ガス供給弁３または４と同
構成品は同符号を用いて説明すると、圧縮機１の吐出側
に連通するガス流路135、136及び吸着塔５または６の原
料ガス入口側に連通するガス流路133、134は一つの共通
したケーシング130に形成されている。前記した各流路1
33、135及び134、136は同一線上に存在し、隣接するガ
ス流路133、135及び134、136同士は一定の間隙L₁を有し
て位置している。そして、前記の間隙L₁よりも長い流路
L₂を有して連結された弁体131、132がケーシング130内
に存在する。そして、各流路の距離関係は、先に説明
し、または第５図から第８図で示した距離関係に維持さ
れている。

前述のようにそれぞれの原料ガス供給弁を一つの弁とし
た場合、吸着塔毎に必要としていた弁数が消滅でき、吸
着塔の塔数が増えれば、その効果は大きくなる。尚、実
施例では、２塔式の圧力変動吸着分離装置を用いた例を
示したが、例えば、３塔式、４塔式であってもよい。

次に、前述した流量平滑化の機能を有する流量平滑化弁
を脱着工程時の流量平滑化に用いた場合、すなわち、本
発明の脱着工程時における圧力変動吸着分離方法を実施
するための圧力変動吸着分離装置について説明する。
尚、同構成品及び同機能品は同符号を用いて説明する。

流量平滑化の機能を有する前記排気弁12及び13は、第18
図に系統を示し、その詳細を第19図及び第20図に示すよ
うに弁本体を構成するケーシング230と該ケーシング230
内を移動する弁体231、232及びこの弁体を駆動される駆
動部７から、その主要部が構成される。前記筒状のケー
シング230には吸着塔５、６の原料ガス入口側に連通す
るガス流路235、236と減圧側（本発明の実施例では、真
空ポンプ10の吸込側）に連通するガス流路233、234が穿
孔されている。隣接するガス流路233、235及び234、236
は一定の間隙L₁を有して位置している。前記弁体231、2
32は前記の間隙L₁より長い流路L₂を有して連結され、該
流路は前記流路233、235及び流路234、236を連結するガ
ス流路237となる。前述した流路の距離関係は、第５図
から第８図に基づいて先に説明した距離関係に維持され
ている。

前記ガス流路237は、第１のガス流路237Aとこの流路237
Aに連通する第２のガス流路237Bとからなり、流路233、
235及び234、236の開放方向に沿って、第１のガス流路2
37Aはその流路断面積Ｓが縮小するガス流路として形成
されている。238は断面Ｔ字状の連結ステムで、該ステ
ム238は弁体231の先端部に形成されている。そして、連
結ステム238のＴ字状の頭部241は弁体232の端部に形成
された中空連結部239内に臨み、該ステム238のＴ字状の
脚部は、中空連結部239の後端壁において前記Ｔ字状の
頭部241の外周よりも小さく形成された連結穴240内に摺
動自在に嵌装されている。そして、弁体231によって従
属する弁体232が牽引されるとき、前記ステム238のＴ字
状の頭部241の端面は中空連結部239後端壁の内端面に接
する。

前記のように牽引されるとき、牽引側の弁体231と被牽
引側の弁体232の端面242、243の間の距離L₃は、前記中
空連結部239の先端壁の内端面とステム238のＴ字状の頭
部241の先端面との間の軸方向の距離L₄とL₃≦L₄の関係
に保持されている。

前述のような構成において、次に、その作用について、
説明する。

先ず、吸着塔５で吸着工程を、他の吸着塔６で脱着工程
を実施する場合、吸着塔５に関与する排気弁12は閉じて
いる。他方、吸着塔６に関与する排気弁13が開放してい
る。ここで、前記した排気弁12及び13は第21図から第23
図に示すように動作する。

すなわち、吸着塔６側の排気弁13は第21図（ａ）から
（ｂ）に作動状況を示すように、駆動部７によって弁体
231、232は一体となって矢印方向に移動する。これに伴
い真空ポンプ10の吸込側に連通するガス流路234は開放
される。同時に、該ガス流路234は弁体231、232間に保
持されたガス流路237を介して吸着塔６側に連通するガ
ス流路237に連通する。これらの動作によって、吸着塔
６と減圧側の真空ポンプ10とが連通される。

一方、吸着塔５側の排気弁12は、第23図に示すように、
弁体231の外周面は真空ポンプ10の吸込側に連通するガ
ス流路233を閉じる。この結果、真空ポンプ10側に連通
するガス流路233から吸着塔５側の流路235に至るガス流
れは遮断されている。前記した弁の開閉状態によって、
圧縮機１で加圧された原料ガスは、気液分離器20、原料
ガス供給弁３及び原料ガス供給管２を介して吸着塔５に
供給される。一方、他の吸着塔６では前工程（吸着工
程）で吸着した吸着物の窒素を排気弁13及び排気管11を
介して、真空ポンプ10で吸着塔６内を減圧しながら排出
する。

前記した工程が第１サイクルとなり、次に第２サイクル
として次の工程が入り、吸着塔６関与する排気弁13は閉
じられる。

前記排気弁13が閉じている場合、前工程で開放していた
該弁13は、次のようにして閉じる。すなわち、第22図
（ｄ）から（ｆ）に示すように、弁体231に牽引される
弁体232は吸着塔６側に連通するガス流路236を閉じる。
同時に、同図に示すように弁体232を牽引していた弁体2
31が前記移動方向と反対方向に移動することによって、
牽引していた弁体232を押圧して元の位置に戻る。更に
詳述すると、弁体232を牽引していた弁体231の連結ステ
ム238は中空連結部239内を移動し、弁体231の端面242が
他の弁体232の端面243に当接する。この状態で各弁体23
1、232間に保持されるガス流路237の長さL₂は、弁体23
1、232が逆方向に移動する際、この流路37に臨むガス流
路233、235間の距離L₁よりも短く保持される。したがっ
て、各弁体231、232が元の位置に復帰する際、前記のガ
ス流路233、235を開放することなく、弁体231は別の弁
体232を押圧して元の位置に戻り、ガス流れを遮断す
る。

次に、第３サイクルに入り、吸着塔６側の排気弁13は閉
の状態に保持され同塔６は吸着工程に入る。

一方、吸着塔５側では脱着工程に入る。該工程では排気
弁12が開放される。前記した排気弁12は次のように動作
して開放する。すなわち、第23図（ｈ）から（ｉ）に排
気弁12の動作状況を示すように、駆動部７によって弁体
231、232は一体となって矢印方向に移動する。これに伴
い真空ポンプ10側に連通するガス流路233は開放され
る。同時に該ガス流路233は弁体231、231間に保持され
たガス流路237を介して吸着塔５側に連通するガス流路2
35に連通する。これらの動作によって、吸着塔５と減圧
側の真空ポンプ10とが連通される。この結果、前工程
（吸着工程）で吸着した吸着物の窒素を排気弁12及び排
気管11を介して、真空ポンプ10で吸着塔５を減圧しなが
ら排出する。

第４サイクルでは、先きに説明した第２サイクルと同様
に吸着塔６では吸着工程が継続されている。一方、吸着
塔５では均圧化弁17が開放され、当該塔５と均圧タンク
21内の酸素が吸着塔５内に供給される。

前述のようにして、製品ガスが取り出される場合、脱着
工程の際、吸着塔５または６から排出されるガス流量は
所定時間Teだけ一定のガス流量が維持されるため、塔内
での急激な圧力変化に伴う吸着剤の動きが抑制される。
すなわち、第４図に示すように脱着工程時、排気弁12ま
たは13の流路断面積Ｓは弁体231、232が軸方向に移動し
て、ガス流路233、234を開放する際、徐々にその断面積
Ｓが大きくなっていく。このため、脱着工程の初期、吸
着塔５または６内の圧力が高く、一方、ガスの排気側の
圧力が低くて、その圧力差が大きくとも、脱着工程初期
の流路有効断面積Ｓが小さいため、一時に多量のガスが
排出されることがない。一方、ガスの排出に伴い吸着塔
内と排出側との圧力差が小さくなると、ガス流量が減少
していくが、その後、流路断面積Ｓは同４図に示すよう
に時間の経過と共に増大していく。したがって、流路断
面積Ｓを変化させない場合、第15図点線ｍで示すような
流路変化特性となるが、前述の如く、所定時間Te間流路
の断面積を変化させれば、同図実線ｎで示す如くガス流
量の低下はなく、脱着工程間、吸着塔から排出されるガ
ス量は平滑化されて排出される。このため、吸着帯の乱
れもなく、かつ、吸着塔の充填層である吸着剤が初期の
急激な圧力変化によって動くのが抑制されると共に、そ
れに伴う吸着剤同士の衝突が防止されるので、吸着剤の
損傷が低減する。

第24図〜第26図は、本発明の脱着工程時に適用される圧
力変動吸着分離装置の他の実施例を示し、吸着塔からの
ガス流量を平滑化するそれぞれの、排気弁12または13を
一つの排気弁250としたものである。第19図及び第20図
に示した排気弁と同構成品は同符号を用いて説明する
と、真空ポンプ10の吸込側に連通するガス流路233、234
及び吸着塔５または６の原料ガス入口側に連通するガス
流路235、236は一つの共通したケーシング230に形成さ
れている。前記した各流路233、235及び234、236は同一
線上に存在し、隣接するガス流路233、235及び234、236
同士は一定の間隙L₁を有して位置している。そして、前
記の間隙L₁よりも長い流路L₂を有して連結された弁体23
1、232がケーシング230内に存在する。そして、各流路
の距離関係は先に説明し、または、第５図から第８図で
説明した距離関係に維持される。前述のようにそれぞれ
の排気弁を一つの弁とした場合、弁数が消滅でき、ま
た、吸着塔の塔数が増えれば、従来の如く吸着塔毎に弁
を付設することがなく、一つの弁ですむので、その効果
は顕著となる。

以上のように脱着工程時、吸着塔内からのガスの排出を
平滑化して排出すれば、吸着剤の動きを抑制することが
でき吸着剤の損傷が防げる。

尚、実施例では、２塔式の圧力変動吸着分離装置を用い
た例を示したが、例えば、３塔式、４塔式であってもよ
い。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、従来技術におけ
る圧力変動吸着分離方法及び圧力変動吸着分離装置にお
いて問題とされた、均圧工程、吸着工程及び脱着工程時
における弁開放初期の多量のガス流によって生ずる吸着
帯の乱れを有効に防止することができ、製品ガス濃度が
高く、収率の高い圧力変動吸着分離装置を提供すること
ができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す圧力変動吸着分離装置
の系統図、第２図は第１図の部分拡大詳細図、第３図は
第２図に示す弁の動作状況を示す動作図、第４図は本発
明による弁の機能を示す機能図、第５図から第８図は本
発明による弁の動作原理を示す原理図、第９図は本発明
の他の実施例を示し、圧力変動吸着分離装置の系統図、
第10図及び第11図は第９図の部分拡大詳細図、第12図及
び第13図は第10図に示す弁の動作状況を示す動作図、第
14図は第11図に示す弁の動作状況を示す動作図、第15図
は弁の流量変化特性図、第16図は本発明の他の実施例を
示す圧力変動吸着分離装置の系統図、第17図は第16図に
示す弁の部分拡大詳細図、第18図は本発明の他の実施例
を示し、圧力変動吸着分離装置の系統図、第19図及び第
20図は第18図に示す弁の部分拡大詳細図、第21図及び第
22図は第20図に示す弁の動作状況を示す動作図、第23図
は第19図に示す動作状況を示す動作図、第24図は本発明
の他の実施例を示す圧力変動吸着分離装置の系統図、第
25図は第24図の部分拡大詳細図、第26図は第25図に示す
弁の動作状況を示す動作図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の吸着塔の製品ガス出口側間または前
記吸着塔の製品ガス出口側と製品ガス側間に連通する各
ガス流路を備えたケーシングと該ケーシング内に収納さ
れる連結した弁体及び該弁体を軸方向に往復駆動させる
駆動部とを備えた均圧化弁を前記吸着塔の製品ガス出口
側に配設すると共に、前記各ガス流路を結ぶ流路間距離
L₁よりも短い第１のガス流路と前記第１のガス流路と連
通して前記流路間距離L₁よりも長い第２のガス流路を前
記弁体間に保持して、前記第２のガス流路側から第１の
ガス流路側に向けて流路断面積を漸次縮小させ、更に、
前記第１のガス流路を有する弁体の端部が他方の弁体の
端部に当接時、前記弁体の移動距離L₃を吸収する移動距
離L₄を前記他方の弁体に確保して、前記ケーシング側の
ガス流路を前記弁体の往復駆動によって開閉するように
構成したことを特徴とする圧力変動吸着分離装置。
【請求項２】連結した弁体が、後端壁に連結穴を開口し
た中空連結部を有する一方の弁体と、先端に断面Ｔ字状
の連結ステムを備えた他方の弁体とからなり、両弁体
は、他方の弁体の前記連結ステムのＴ字状の頭部を一方
の弁体の中空連結部内に臨ませるとともにそのＴ字状の
脚部を前記連結穴に摺動自在に嵌装することにより連結
されており、一方の弁体により他方の弁体が牽引された
状態において、両弁体間には前記各ガス流路を結ぶ流路
間距離L₁よりも短い第１のガス流路と前記第１のガス流
路と連通して前記流路間L₁よりも長い第２ガス流路が保
持され、両弁体の端面間の距離が前記弁体の移動距離L₃
として、また、前記一方の弁体の中空連結部の先端壁の
内端面と前記連結ステムのＴ字状の頭部の先端面との距
離が前記移動距離L₄として構成されていることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の圧力変動吸着分離装
置。
【請求項３】吸着塔の原料ガス入口側に連通するガス流
路と原料ガス供給側に連通するガス流路とを有したケー
シングと該ケーシング内に収納される連結した弁体及び
該弁体を軸方向に往復駆動させる駆動部とを備えた原料
ガス供給弁を前記吸着塔の原料ガス入口側と原料ガス供
給側間に配設すると共に、前記各ガス流路を結ぶ流路間
距離L₁よりも短い第１のガス流路と前記第１のガス流路
と連通して前記流路間距離L₁よりも長い第２のガス流路
を前記弁体間に保持して、前記第２のガス流路側から第
１のガス流路側に向けて流路断面積を漸次縮小させ、更
に、前記第１のガス流路を有する弁体の端部が他方の弁
体の端部に当接時、前記弁体の移動距離L₃を吸収する移
動距離L₄を前記他方の弁体に確保して、前記ケーシング
側のガス流路を前記弁体の往復駆動によって開閉するよ
うに構成したことを特徴とする圧力変動吸着分離装置。
【請求項４】連結した弁体が、後端壁に連結穴を開口し
た中空連結部を有する一方の弁体と、先端に断面Ｔ字状
の連結ステムを備えた他方の弁体とからなり、両弁体
は、他方の弁体の前記連結ステムのＴ字状の頭部を一方
の弁体の中空連結部内に臨ませるとともにそのＴ字状の
脚部を前記連結穴に摺動自在に嵌装することにより連結
されており、一方の弁体により他方の弁体が牽引された
状態において、両弁体間には前記各ガス流路を結ぶ流路
間距離L₁よりも短い第１のガス流路と前記第１のガス流
路と連通して前記流路間L₁よりも長い第２ガス流路が保
持され、両弁体の端面間の距離が前記弁体の移動距離L₃
として、また、前記一方の弁体の中空連結部の先端壁の
内端面と前記連結ステムのＴ字状の頭部の先端面との距
離が前記移動距離L₄として構成されていることを特徴と
する特許請求の範囲第３項記載の圧力変動吸着分離装
置。
【請求項５】吸着塔側に連通するガス流路と減圧側に連
通するガス流路とを有するケーシングと該ケーシング内
に収納される連結した弁体及び該弁体を軸方向に往復駆
動させる駆動部とを備えた排気弁を前記吸着塔と減圧側
間に配設すると共に、前記各ガス流路を結ぶ流路間距離
L₁よりも短い第１のガス流路と前記第１のガス流路と連
通して前記流路間L₁よりも長い第２ガス流路を前記弁体
間に保持して、前記第２のガス流路側から第１のガス流
路側に向けて流路断面積を漸次縮小させ、更に、前記第
１のガス流路を有する弁体の端部を他方の弁体に端部に
当接時、前記弁体の移動距離L₃を吸収する移動距離L₄を
前記他方の弁体に確保して、前記ケーシング側のガス流
路を前記弁体の往復駆動によって開閉するように構成し
たことを特徴とする圧力変動吸着分離装置。
【請求項６】連結した弁体が、後端壁に連結穴を開口し
た中空連結部を有する一方の弁体と、先端に断面Ｔ字状
の連結ステムを備えた他方の弁体とからなり、両弁体
は、他方の弁体の前記連結ステムのＴ字状の頭部を一方
の弁体の中空連結部内に臨ませるとともにそのＴ字状の
脚部を前記連結穴に摺動自在に嵌装することにより連結
されており、一方の弁体により他方の弁体が牽引された
状態において、両弁体間には前記各ガス流路を結ぶ流路
間距離L₁よりも短い第１のガス流路と前記第１のガス流
路と連通して前記流路間L₁よりも長い第２ガス流路が保
持され、両弁体の端面間の距離が前記弁体の移動距離L₃
として、また、前記一方の弁体の中空連結部の先端壁の
内端面と前記連結ステムのＴ字状の頭部の先端面との距
離が前記移動距離L₄として構成されていることを特徴と
する特許請求の範囲第５項記載の圧力変動吸着分離装
置。