JPH0693966B2 - 圧力スイング吸着における連続精製の変動を微小にする装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧力スイング吸着（以下PSAという）による混
合ガスの連続精製において、精製ガスの流量変動および
圧力変動を微小にする装置に関する。

（発明の背景及び従来の技術） 連続精製PSAにおける流量変動および圧力変動は、昇圧
ガス流量が連続的に一定流量でないためと、PSAの工程
切替サイクル時間で所定の圧力に昇圧されてないことが
原因となって生じてくる。

昇圧ガスの流量調節は、昇圧の進行に伴って精製ガスの
圧力と昇圧工程を行っている吸着塔の差圧が減少するサ
イクルを繰り返し行っているため流量調節弁によって流
量制御を行わない限り一定流量にすることが困難であ
る。しかし、昇圧ガス流量を一定流量にするため流量調
節弁を設置し制御を行ったとしても、所定の時間より早
く所定の圧力に昇圧された場合は、昇圧ガスが流れず精
製ガスの圧力と流量が上昇する。また、所定の時間まで
に所定の圧力に昇圧できない場合は、次の吸着工程の切
替時点で精製ガスとの圧力の差により精製ガスは大きな
流量変動と圧力変動を起こす。

ところが、所定の時間で所定の圧力に昇圧し、かつ、一
定の昇圧ガス流量の値を求めることは、精製ガスの圧力
の変更、吸着塔の吸着工程切り替え期間の変更、外気温
度によって吸着剤の吸着量の変化によって昇圧ガス量が
変動するため、困難であった。

そこで、昇圧ガス流量を制御する装置としては、例えば
特開昭64-63019に記載されている。この装置によると、
昇圧ガス流量の制御を吸着塔の出口に撓続された精製ガ
スの出口の切替弁を調節弁にすることによって、昇圧工
程時に精製ガスの一部を昇圧工程を行う吸着塔に逆流さ
せ、吸着塔の圧力または精製ガスの流量の変化に応じて
前記調節弁を動作させて、昇圧ガス流量を一定にするも
のである。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記従来の昇圧ガス流量を制御する装置にあっ
ては、調節弁が吸着工程において、流動抵抗をなるべく
小さくする必要がある切替弁の機能と、昇圧工程におい
て、小流量の昇圧ガスを流量調節弁の１次側圧力と２次
側圧力の差圧が昇圧工程の初期と末期で大幅に異なって
も一定流量で調節できる機能の両方を兼備しなければな
らないが、現状では上記の両方の機能を満足する弁の入
手が困難である。また、昇圧工程を連続的に行ってない
ので昇圧ガス工程を行っていない期間は精製ガスの急激
な流量増加が起こる。さらに、所定の時間で所定の圧力
に昇圧する方法がないので、吸着工程の切り替え時に圧
力，流量変動を生じる。

従って、圧力，流量の変動を嫌うプロセスの中に連続精
製を行うPSAを組み込む場合においては、PSA前後に圧力
変動と流量変動を低減させる非常に大きなサージタンク
が必要となり、建設コストの増大と、設置のための敷地
の確保が大きな問題となる。

本発明は従来技術が有する上記問題点に鑑みてなされた
ものであって、その目的とするところは昇圧ガスの流量
を、吸着塔の昇圧を所定の時間で所定の圧力にし、かつ
連続定量にするように制御することにより、連続的にガ
ス精製を行うPSAにおいてサージタンクを設置すること
なく圧力変動と流量変動を微小にすることである。

（課題を達成するための手段） 上記目的を達成するために本発明が講ずる技術的手段
は、３塔以上の吸着塔をサイクル使用する圧力スイング
吸着により、供給される混合ガスから選択的に１種又は
それ以上のガス成分を除去する混合ガスの連続精製装置
であって、精製ガスの一部を昇圧に利用するものにおい
て、各吸着塔に夫々設けられ各々吸着塔の圧力を常時読
み取って電気信号に変換する吸着塔圧力読み取り手段
と、精製ガス管路に設けられ精製ガス圧力を常時読み取
って電気信号に変換する精製ガス圧力読み取り手段と、
処理前ガス管路に設けられ処理前ガス温度から吸着剤の
温度を常時読み取って電気信号に変換する吸着状態温度
読み取り手段と、圧力スイング吸着における吸着塔工程
切替シーケンスプログラムに基づいて昇圧工程を実行す
る吸着塔を識別し、該吸着塔の圧力読み取り手段の検出
値を前記各吸着塔の圧力読み取り手段の検出値の中から
選別して読み取る昇圧吸着塔圧力読み取り手段と、上記
吸着塔工程切替シーケンスプログラムに基づいて昇圧工
程進行時間を読み取る工程進行時間読み取り手段と、上
記の各読み取り手段が読み取った値と吸着工程切替シー
ケンスプログラムで設定された昇圧工程設定時間及び昇
圧工程進行時間から昇圧ガス流量設定値を常時連続的に
演算する演算手段と、精製ガス管路から分岐して昇圧工
程を実行する吸着塔に連絡する昇圧ガス管路に設けられ
昇圧ガスの実流料を読み取って電気信号に変換する昇圧
ガス流量読み取り手段と、上記昇圧ガス管路に設けられ
た流量調節弁と、前記演算手段で演算された昇圧ガス流
量設定値と昇圧ガス流量読み取り手段が読み取った昇圧
ガス実流量を比較し、昇圧ガス実流量が昇圧ガス流量設
定値と同じになるように流量調節弁の開度と制御する昇
圧ガス流量調節器とを具備するものである。

（作用） 以上のように構成した圧力スイング吸着における連続精
製の変動を微小にする装置にあっては、昇圧ガス流量が
一定量かつ所定の時間に所定の圧力となる昇圧ガス流量
設定値が演算され、昇圧ガスの実流量が上記設定値に一
致するように制御される。そして、上記昇圧ガス流量設
定値の演算は昇圧工程の初期から終期迄連続的に常時行
なわれ、吸着塔の各工程時間の変更，精製ガスの圧力の
変更，処理前ガスの温度及び吸着剤の再生の程度並びに
外気温度等による吸着剤の吸着性能の時間的変動に応じ
て逐次昇圧ガス流量設定値を補正し、それに基づいて昇
圧ガス流量が連続的に制御される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

第１図はA,B,Cと３塔の吸着塔（9a）（9b）（9c）をサ
イクル使用して混合ガス、即ち処理前ガスを連続精製す
るPSA装置のフロー図である。

図から明らかなように、各吸着塔（9a）（9b）（9c）は
各々の下部を処理前ガス管路（１）に，上部を精製ガス
管路（２）に夫々処理前ガス入口切替弁（5a）（5b）
（5c），精製ガス出口切替弁（6a）（6b）（6c）を介し
て連絡して並列に配置されている。

また、各吸着塔（9a）（9b）（9c）は脱着ガス管路
（４）に処理前ガス管路（１）の処理前ガス入口切替弁
（5a）（5b）（5c）より下流側を介して連絡すると共に
昇圧ガス管路（３）に精製ガス管路（２）の精製ガス出
口切替弁（6a）（6b）（6c）より上流側を介して連絡し
ている。

そして、脱着ガス管路（４）及び昇圧ガス管路（３）に
は各吸着塔（9a）（9b）（9c）に対して一個宛の脱着ガ
ス出口切替弁（8a）（8b）（8c）昇圧ガス入口切替弁
（7a）（7b）（7c）が設けられている。そして、このPS
A装置は上記切替弁の切替により吸着，脱着（減圧），
昇圧の各工程を繰り返し行う。

前記処理前ガス管路（１）はガス発生装置から延び、該
装置で発生した混合ガス（処理前ガス）をPSA装置に連
絡供給する。

また昇圧ガス管路（３）は精製ガス管路（２）から分岐
されたもので、精製ガスの一部を昇圧ガスとして昇圧工
程を行う吸着塔に供給する。

図においてＡ吸着塔（9a）は吸着工程にあり、処理前ガ
ス管路（１）より導入した処理前ガスから１種またはそ
れ以上のガスを吸着剤によって選択的に除去し、精製ガ
スとして精製ガス管路（２）を介して連続的に送出して
いる。

Ｂ吸着塔（9b）は脱着工程であり、前工程である吸着工
程において処理前ガスを吸着剤によって吸着した脱着ガ
スを脱着ガス管路（４）を通して排出している。尚、こ
の脱着工程の初期においてＢ吸着塔（9b）は吸着工程を
終えてまだ高い圧力であり、Ｃ吸着塔（9c）は脱着工程
を終えて低い圧力になっている。そこでＢ吸着塔（9b）
は脱着ガスの排出を行う前に昇圧ガス入口切替弁（7b）
（7c）を開いてＣ吸着塔（9c）との間で均圧を行う。

Ｃ吸着塔（9c）は昇圧工程であり、精製ガス管路（２）
から分岐した昇圧ガス管路（３）より精製ガスの一部が
昇圧用にＣ吸着塔（9c）に導入される。

そして、本発明においては、精製ガスの圧力変動及び流
量変動が起きないように上記昇圧ガスを、昇圧ガス管路
（３）に設ける昇圧ガス、流量調節弁（17）で、吸着塔
の昇圧を所定の時間（工程切替サイクル時間）で所定の
圧力（精製ガス圧力）にし、かつその流量が連続定量に
なるように調整する。

上記昇圧ガスの流量を上記のように制御する制御手段は
コンピュータで構成する。

即ちコンピュータは、周知のようにCPUと、プログラム
が格納されたメモリーと、制御用データが格納されたメ
モリーとを備え、制御用入力信号として、精製ガスの圧
力、昇圧工程を行なっている吸着塔の圧力、吸着剤温
度、昇圧ガス流量がA/Dコンバータを介して入力され、
かつ制御出力信号がD/Aコンバータを介して昇圧ガス流
量調節弁（17）に出力されるようになっている。

そのため、PSA装置には前期精製ガスの圧力を読み取る
手段とし精製ガス管路（２）の昇圧ガス管路（３）分岐
部より下流に、精製ガスの圧力を電気信号に変換する精
製ガス圧力計（12）を、吸着塔の圧力を読み取る手段と
して各吸着塔（9a）（9b）（9c）に、吸着塔の圧力を電
気信号に変換する吸着塔圧力計（11a）（11b）（11c）
を夫々接続する。

また吸着剤温度を読み取る手段として処理前ガス管路
（１）に、処理前ガスの温度（吸着剤の温度に近似し規
則的に影響をあたえる）を電気信号に変換する処理前ガ
ス温度計（18）を設ける。

更に昇圧ガスの流量を読み取る手段として昇圧ガス管路
（３）に、昇圧ガスの流量を電気信号に変換する昇圧ガ
ス流量計（16）を接続する。

本発明による昇圧ガス流量の制御に際しては上記各読み
取り手段からの入力データ等に基づいて吸着塔の昇圧を
定流量で、かつ所定の工程時間で所定の圧力にするため
の昇圧ガス流量設定値を演算し、その演算値と実際の昇
圧ガス流量とを比較して、実際の昇圧ガス流量が、演算
された昇圧ガス流量設定値に一致するように昇圧ガス流
量調節弁（17）の開度を調節する。

上記制御用入力信号は昇圧工程の初期から終期にわたる
全期間にわたって常時継続的に入力し、それにより昇圧
ガス流量設定値は逐次補正される。

ここで、昇圧ガス流量の演算原理について以下に説明す
る。

VOL:定められた昇圧期間に吸着塔に昇圧する昇圧ガス量
［Nm³/1工程］ Ｖ ：吸着塔に充填している吸着剤の充填量［m³］ P1:精製ガスの圧力［Kg/cm2G］ P2:昇圧工程を行っている吸着塔の圧力［Kg/cm2G］ TSP:定められた昇圧期間［sec］ TPV:昇圧工程の進行時間［sec］ ｆ ：吸着剤の昇圧ガス吸着量 ［Nm³−gas/m³−吸着剤/Kg/cm²］ QSP:昇圧ガス流量設定値［Nm³/h］ ｔ ：吸着剤温度［℃］ とすれば、吸着塔の昇圧に必要な昇圧ガス量VOLは、吸
着剤の吸着量と吸着圧力の関係より VOL＝（P1−P2）・Ｖ・ｆ …… となり、また、昇圧ガス流量と昇圧工程の残り時間の関
係から VOL＝QSP（TSP−TPV）/3600 …… これより未知である昇圧ガス流量は、次式の通りとな
る。

QPS＝（P1−P2）・Ｖ・f/｛（TSP−TPV）/3600｝…… ここで、ｆは吸着塔に充填した吸着剤の温度によって定
まる値であり、以下の通り近似することができる。

ｆ＝a1・ｔ＋a2 …… 但し、a1,a2は吸着剤の種類と使用条件によって定まる
定数 また、Ｖは装置によって決定される定数で予め求めてお
くことができる。

従って、上記各変数P1,P2,TSP,TPV,tと上記の演算
式によって昇圧ガス流量設定値QSPを求めることができ
る。

尚、上記精製ガスの圧力P1は、精製ガス圧力計（12），
吸着剤温度ｔは処理前ガス温度計（18）から直接読み取
ることができるが、昇圧工程を行っている吸着塔の圧力
P2は、各吸着塔圧力計（11a）（11b）（11c）が読み取
った値と工程切替用シーケンスプログラムから選択特定
して読み取る。

また、定められた昇圧期間TSP,昇圧工程の進行時間TPV
は夫々工程切替用シーケンスプログラムから読み取る。

斯る演算はコンピュータの演算手段（14）により行なわ
れ、その演算値と、昇圧ガス流量計（16）の読み取り値
に基づいて昇圧ガス流量調節器（15）が昇圧ガス流量調
整弁（17）を作動させて昇圧ガスの流量制御を行う。

このときに、昇圧工程を行う吸着塔の圧力は、均圧工程
完了時において、第３図に示すようにケースI,ケースI
I,ケースIIIのようなバラツキを生じる。これは、吸着
剤の吸着能力の変動，脱着工程における最終圧力値の変
動等が原因となるが、上記のように、P1,P2をその都度
読み取り演算するため、昇圧初期の圧力に対応した昇圧
ガス流量が演算され、昇圧完了時には所定の圧力に一定
量で昇圧される。

また、処理前ガスの温度の変化によって、吸着剤の吸着
能力が変化し吸着剤の昇圧ガス吸着量ｆが変動するが、
ｆを上記式の通り処理前ガス温度ｔによって算出して
いるため、吸着剤の吸着能力の変化による演算の精度は
低下しない。

さらに、精度よく昇圧完了時において所定の圧力に昇圧
させるため、昇圧進行時点での昇圧ガス流量の値の演算
を昇圧工程初期から末期まで常時連続に行っている。即
ち昇圧工程を行っている間で、昇圧ガス流量の演算と制
御を第４図に示す，，，，…のところでP1,P
2,TSP,TPVの読み取りと、演算手段（14）による昇圧ガ
ス流量の値の演算と、昇圧ガス流量調節器（15）による
流量制御を繰り返し行っている。

これにより、様々な原因により吸着能力の時間的変動が
生じても昇圧を行う吸着塔の圧力と昇圧進行時間の関係
が昇圧初期の圧力値と昇圧完了時の目標圧力とを直線で
結ばれる昇圧軌道になるように昇圧ガスの流量を制御す
ることとなる。

次に第２図に示すフローチャートに従って、制御の手順
の一例を説明する。なお、第２図に示すフローチャート
の説明中 は処理手順（ステップ）の番号を示す。

先ず、 でメモリーに格納された制御データーから吸着剤の充填
量Ｖを読み取り続いて でPSAの運転中か停止中かのフラグを別途のPSA工程切替
シーケンスプログラムから読み取り、運転中のときには に移行し、停止中のときには に戻る。

では昇圧工程の吸着塔がどれであるかを上記工程切替シ
ーケンスプログラムから読み取る。

即ち、 においては先ず昇圧工程の吸着塔がＡ吸着塔（9a）かど
うかを読み取り、Ａ吸着塔（9a）でないときにはＢ吸着
塔（9b）であるかどうかを読み取る。

そして、昇圧工程吸着塔がＡ吸着塔（9a）のときには でＡ吸着塔（9a）の圧力を、Ｂ吸着塔（9b）のときには でＢ吸着塔（9b）の圧力P₂を夫々の吸着塔圧力計（11
a）（11b）から読み取り に移行する。

また、 での昇圧工程吸着塔読み取りがA,Bいずれの吸着塔（9
a）（9b）でもないときにはＣ吸着塔（9c）であるとい
うことになるので でＣ吸着塔（9c）の圧力P₂をその吸着塔圧力計（11c）
から読み取って に移行する。

では精製ガスの圧力P₁を精製ガス圧力計（12）から読み
取る。

続いて、 で夫々前記工程切替シーケンスプログラムから昇圧工程
設定時間TSP、昇圧工程進行時間TPVを読み取る。

更に、 で処理前ガス温度ｔを処理前ガス温度計から読み取り、 でメモリーに格納された制御データーから吸着剤の温度
係数a₁,a₂を読み取って、これら処理前ガス温度ｔと吸
着剤の温度係数a₁,a₂に基づいて吸着剤の昇圧ガス吸着
量ｆを で演算ｆ←a₁t＋a₂する。

そして、 で上記各ステップにおいて読み取った値と における演算値に基づいて昇圧ガス流量設定値QSPを演
算QSP←（P₁−P₂）Vf/｛（TSP−TPV）/3600｝し、この
演算値に基づいて で昇圧ガス流量設定値QSPの補正を行い、これを昇圧ガ
ス流量調節器（15）に伝送する 一方、昇圧ガス流量調節器（15）は伝送される昇圧ガス
流量設定値QSPと昇圧ガス流量計（16）が検出する昇圧
ガス実流量を常時比較しており、両者の差に応じてバル
ブ開度信号を昇圧ガス流量調節弁（17）に出力する。

そして、昇圧ガス流量調節弁（17）は上記昇圧ガス流量
調節器（15）のバルブ開度信号を受けてバルブ開度を可
変し、昇圧ガス流量を調節する。

以上の結果、昇圧ガスの流量は吸着塔の昇圧を所定の工
程切替サイクル時間で所定の圧力にし、かつ連続定量に
なるように自動制御される。

この制御装置を連続精製PSAに実施した結果、PSAの前後
にサージタンクを設置せずに、精製ガスの流量変動及び
圧力変動を２％以下に抑えることができた。

（効果） 本発明は上記のように構成したから以下に記載する効果
を奏する。

１）昇圧ガスの流量が吸着塔の昇圧を所定の工程切替サ
イクル時間で所定の圧力にし、かつ連続定量になるよう
に制御されるので、連続精製PSAは精製ガスの流量，圧
力の変動をサージタンクを設置してなくても微小にする
ことができ、装置設置面積と建設費を縮小できる。

２）吸着塔の各工程時間の変更、精製ガスの圧力の変
更，処理前ガスの温度及び吸着剤の再生の程度並びに外
気温度等による吸着剤の吸着性能の時間的変動に対して
も自動的に演算して制御を行うため、昇圧ガス流量はい
ずれの場合でも定量となり、処理後の精製ガス流量及び
圧力も定量・定圧となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧力スイング吸着における連続精製の
変動を微小にする装置の作動原理を説明するフローシー
ト、第２図は制御手順を示すフローチャート、第３図は
本発明方法と装置によりPSA法を実施したときに昇圧工
程における均圧圧力のバラツキと昇圧曲線の関係を示す
グラフ、第４図は本発明方法と装置によりPSA法を実施
ししたときに昇圧工程における、吸着塔に充填してある
吸着剤の吸着特性の変動と昇圧曲線の関係を示すグラフ
である。 図中 1:処理前ガス管路 2:精製ガス管路 3:昇圧ガス管路 4:脱着ガス管路 5a〜5c:処理前ガス入口切替弁 6a〜6c:精製ガス出口切替弁 7a〜7c:昇圧ガス入口切替弁 8a〜8c:脱着ガス出口切替弁 9a〜9c:注着塔 11a〜11c:吸着塔圧力計（吸着塔圧力読み取り手段） 12:精製ガス圧力計（精製ガス圧力読み取り手段） 13:昇圧を行なう吸着塔の圧力を選択して読み取る手段 14:昇圧ガス流量演算手段 15:昇圧ガス流量調節器 16:昇圧ガス流量計（昇圧ガス流量読み取り手段） 17:昇圧ガス流量調節弁 18:処理前ガス温度計（吸着剤温度読み取り手段） 19:昇圧工程進行時間読み取り手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３塔以上の吸着塔をサイクル使用する圧力
   スイング吸着により、供給される混合ガスから選択的に
   １種又はそれ以上のガス成分を除去する混合ガスの連続
   精製装置であって、精製ガスの一部を昇圧に利用するも
   のにおいて、 各吸着塔に夫々設けられ各々吸着塔の圧力を常時読み取
   って電気信号に変換する吸着塔圧力読み取り手段と、 精製ガス管路に設けられ精製ガス圧力を常時読み取って
   電気信号に変換する精製ガス圧力読み取り手段と、 処理前ガス管路に設けられ処理前ガス温度から吸着状態
   の温度を常時読み取って電気信号に変換する吸着状態温
   度読み取り手段と、 圧力スイング吸着における吸着塔工程切替シーケンスプ
   ログラムに基づいて昇圧工程を実行する吸着塔を識別
   し、該吸着塔の圧力読み取り手段の検出値を前記各吸着
   塔の圧力読み取り手段の検出値の中から選択して読み取
   る昇圧吸着塔圧力読み取り手段と、 上記吸着塔工程切替シーケンスプログラムに基づいて昇
   圧工程進行時間を読み取る昇圧工程進行時間読み取り手
   段と、 上記各読み取り手段が読み取った値と吸着工程工程切替
   シーケンスプログラムで設定された昇圧工程設定時間及
   び昇圧工程進行時間から昇圧ガス流量設定値を常時連続
   的に演算する演算手段と、 精製ガス管路から分岐して昇圧工程を実行する吸着塔に
   連絡する昇圧ガス管路に設けられ昇圧ガスの実流量を常
   時読み取って電気信号に変換する昇圧ガス流量読み取り
   手段と、 上記昇圧ガス管路に設けられた流量調節弁と、前記演算
   手段で演算された昇圧ガス流量設定値と昇圧ガス流量読
   み取り手段が読み取った昇圧ガス実流量を比較し、昇圧
   ガス実流量が昇圧ガス流量設定値と同じになるように流
   量調節弁の開度を制御する昇圧ガス流量調節器と、 を具備することを特徴とする圧力スイング吸着における
   連続精製の変動を微小にする装置。