JPH0687936B2 - 圧力変動利用混合ガス分離装置 - Google Patents

圧力変動利用混合ガス分離装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は例えば燃料発電プラントに使用され、ゼオライ
ト等のような圧力により吸着能力差のある吸着材を利用
した圧力変動利用混合ガス分離装置に関する。
［従来の技術］ 現在広く知られている圧力変動利用混合ガス分離装置
（以下PSAと称する）の代表例は、特公昭45−20082号公
報、特開昭47−14070号公報及び特開昭48−16874号公報
とに示されている。何れの従来例に於ても、分離しよう
とする原料混合ガスをまず何等かの手段，普通にはガス
コンプレッサーなどで一定圧力まで昇圧され、しかる後
吸着材の内臓された吸着塔にバルブを介して導かれ、例
えば次のようなサイクルを繰り返す事によりガスも分離
している。
即ち、 （１） 供給ガスを供給端より製品ガスの一部を吐出端
より導入し、圧力均等化を行う。
（２） 供給ガスの導入を続け、より高い圧力に再加圧
する。
（３） 他塔に製品ガスの一部を供給し、圧力均等化を
行う。
（４） 並流減圧により製品ガスの一部を他塔のパージ
を使う。
（５） 交流減圧にて吸着成分の脱着を行う。
（６） 吐出端部よりパージを受ける。
であり、３塔式の運用例を表１に示している。
第４図は従来例の一例として空気を酸素と窒素にて分離
する目的に使用される吸着法による空気分離装置を示し
ている。これによると、エアウィルタ26を通って除じん
された空気が空気圧縮機27で約5kg/cm2gに昇圧され水冷
却器28で圧縮熱が除去される。ついで水分分離器29で水
分が除去され、吸着塔19a〜19dへ送出される。
吸着塔19a〜19dの内部にはフイルタとしての機能を有す
るゼオライト等よりなる吸着剤20a〜20dが内臓されてい
る。そこでバルブ24a〜24dを通って供給された空気のう
ち製品ガス成分のみが吸着剤20a〜20dを通過し、バルブ
24e〜24hを通って製品ガスホルダー21に送り込まれる。
ところで、吸着剤20a〜20dは、吸着能力に対しかなり大
量の空気が送り込まれるので、吸着能力回復のため圧力
を下げて脱着し、廃空気をバルブ24i〜24lを通して系外
へ放出する必要がある。そこで、連続的に製品ガスを供
給するにはこの高圧下の吸着と低圧下の脱着とを周期的
に行なう必要から吸着塔19a〜19dは最低２組必要であ
り、ここでは４組設置した例を示している。なお、図中
24m〜24qは均圧バルブである。そして吸着および脱着の
行程をスムーズに行なわせるために、バルブ24a〜24qを
制御装置22により制御するようにしている。
［発明が解決しようとする問題点］ 第４図の空気分離装置をより経済的ならしめるために
は、コンパクト化による設備費の削減及び高性能化によ
う運転経費の削減が必要である。
前者の目的のためにはサイクルタイムの短縮又、後者の
ためには吸着工程での昇圧動力及びあるいは再生工程で
の減圧動力の低減が効果的である。
しかしながら従来技術では吸着剤20a〜20dが必要とする
圧力変動サイクルはまず空気圧縮機などで一定圧力に昇
圧され、しかるのち吸着塔19a〜19dの出入口にある複数
個のバルブ24a〜24lの開閉操作により体制されており吸
着時初期には圧力エネルギーは何等仕事をせず又、吸着
完了後の易吸着ガスの圧縮エネルギーはバルブを介して
膨脹するが、仕事はしないのでエネルギー的には損失で
あり、所要動力の増大を招き、そのサイクルタイムは１
〜５分が通例であった。これを長い側に延長することは
何等問題はないが、短縮する側にはバルブの4a〜4lの耐
久性及び開閉速度の点でせいぜい0.1秒位までがやっと
であり、それ以下に短縮する事は経済性を著しく損うも
のであり、現実はほとんど不可能であった。
そこで、本発明は所要動力を大幅に低減でき、従来装置
よりは経済的に優れた圧力変動利用混合ガス分離装置を
提供することを目的とする。
［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するあめに、シリンダ内を摺動
するピストンにより上記シリンダ内のガス圧力を変動し
得る装置に於て、上記ピストンと上記シリンダのヘッド
との間に圧力により吸着能力に差のある吸着材を配置す
る事を特徴とするものである。
［作用］ 上記のように構成することにより、従来不要であった吸
着工程初期の原料ガスの昇圧エネルギー及び従来損失と
なっていた吸着完了後の易吸着ガスの減圧動力を機械的
に回収することができ、これにより所要動力の大幅低減
が可能となり、設備費低減が達成できる。
［実施例］ 第１図及び第２図は、本発明に係る圧力変動利用混合ガ
ス分離装置の一実施例を示す概念図である。第１図で
は、吸着剤１はシリンダ２の上端部すなわちシリンダ２
のヘッドとピストン３との間に設けられ、圧力の変動は
ピストン３の往復動作によって得るようにしている。ガ
ス吸排口4,5,6,7,8はシリンダ２に設けられ、これらは
次の役目を担っている。即ち、４は難吸着ガスの排出
口、５は原料ガスの吸込口、６は易吸着ガスの排出口、
７は易吸着ガスの吸込口、８は易吸着ガスの排出口であ
る。このように構成して、従来設けていた空気圧縮機27
および吸着塔19a〜19dの出入口の圧力制御用のバルブ24
a〜24lを除去したものである。
第２図では第１図に示す圧力変動利用混合ガス分離装置
を４塔並列配置し、それぞれの作動時間を1/4サイクル
ずつずらした状態を示してある。第２図においては、11
はピストン型吸着塔、12は電動機などのピストン駆動用
原動機、13はクランクシャフト、14は難吸着ガス排出ラ
インに設けられた弁、15は原料ガス導入ラインに設けら
れた弁、16は易吸着ガス排出ラインに設けられた弁、17
は易吸着ガス移送ラインに設けられた弁であり、各機器
には1/4サイクルずつずれた状態毎にa,b,c,dを付してあ
る。
以下、このように構成された圧力変動利用混合ガス分離
装置の動作について、第３図のタイムチャートのように
なる。第３図の上部室が加圧状態で、下部室が再減圧状
態のときは、各機器に対してａを付した状態すなわち第
２図の最も左側の圧力変動利用混合ガス分離装置を示
し、この場合にはピストン３が中立点位置にあり、一方
弁14a,15a,16aが閉じており、弁17a,17bは開いている。
この状態からピストン駆動用電動機12によりピストン3a
を上死点即に移動させる。そして、ピストン3bが上死点
に達して製品ガス送り出し状態を、第２図の各機器に対
してｂを付した左から２番目の圧力変動利用混合ガス分
離装置を示し、この状態では弁15b,16bのみが閉じてお
り、他の弁14b,17b,17cが開いている。同様に、第３図
の減圧脱離の状態は第２図の機器に対してｃを付した左
から３番目の状態を示し、第３図の掃気状態は第２図の
各機器に対しｄを付した左から４番目を示している。以
下、同様に動作することになる。
以上述べた本発明の実施例によれば、下記のような効果
が得られる。
（１） 従来不要であった吸着工程初期の原料ガスの昇
圧エネルギー及び従来損失となっていた吸着完了後の易
吸着ガスの減圧動力を機械的に回収することができ、こ
れにより所要動力の大幅（約５〜30％）低減が可能とな
り、設備費低減が達成できる。
（２） サイクルタイムの大幅な短縮が可能となり、例
えば従来60秒だったものを0.6秒にすると吸着剤の所要
量が約1/50となりコンパクト化及び設備費低減が達成さ
れる。すなわち、従来装置にあっては、バルブ自体でガ
スの圧力制御を行なっており、このバルブは耐久性の面
から経済的でないという前提からであり、サイクルの短
縮ができにくく、高速化が困難であった。これに対し、
本実施例ではガスの圧力制御を、弁ではなく、シリンダ
２とピストン３とにより行なっているので、弁の耐久性
に比べて高く、サイクルタイムの短縮化が可能となる。
なお、本発明は上記実施例に限らず、第２図の弁17を廃
止しピストン自体で弁17を代替するシステムしてもよ
い。
［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば、所要動力が大幅に低減で
き、設備費低減ができる圧力変動利用混合ガス分離装置
を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図は本発明に係わる圧力変動利用混合
ガス分離装置の一実施例の概念図、第３図は第２図の動
作を説明するためのタイムチャート、第４図は従来装置
を示す概念図である。 １……吸着剤、２……シリンダ、３……ピストン、４〜
８……ガス吸排口、11……ピストン型吸着塔、12……ピ
ストン駆動用原動機、13……クランクシャフト、14〜17
……弁。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリンダ内を摺動するピストンにより上記
    シリンダ内ガス圧力を変動し得る装置に於て、上記ピス
    トンと上記シリンダのヘッドとの間に圧力により吸着能
    力に差のある吸着材を配置する事を特徴とする圧力変動
    利用混合ガス分離装置。
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