JPH074499B2 - 圧力変動方式による気体分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧力変動方式（以下、PSA方式ともいう）に
よる気体分離と製品ガスの取り出し手段の改良に関す
る。

（従来の技術） 従来のPSA方式による気体分離は、複数の吸着塔を用
い、その各々の吸着塔の原料ガスの入口（以下、単に入
口ともいう）には、該原料ガスの流れを開閉する制御を
するためのバルブ類，排気ガスを排気口に排出する排気
ガスの流れを開閉する制御をするためのバルブ類，及び
吸着塔の製品ガスの出口（以下、単に出口ともいう）に
は、製品ガスの取り出し及び均圧の制御を行うためやパ
ージ等の制御を行うためのバルブ類が複雑に接続され、
それらのバルブ類の制御も複雑になっている。従ってそ
れらのバルブ類や吸着塔等を相互に接続する配管手段及
び制御部や電気配線も複雑になっている。

例えば特公昭54−9587号，同昭54−17614号，同昭55−2
8725号，同昭56−40625号，同昭57−18932号，特開昭57
−105220号等にその例をみる。

第２図に前記の特開昭57−105220号公報に記載されたフ
ローシートを示す。同公報によると、このフローシート
に示す構成は、２本の吸着塔とこれに圧縮空気を送る空
気圧縮器と空気を溜めておく空気タンクと、これらの空
気を２本の吸着塔に送り込む制御をするための２つのバ
ルブと、排気制御をするための２つのバルブがそれぞれ
の吸着塔の入口側に接続されており、該吸着塔の出口側
にそれぞれの吸着塔から製品ガスを取り出す制御をする
ためのバルブと、さらには均圧ガスを制御するためのバ
ルブと、同じく均圧用の製品ガスの流量を制御するため
の絞り板が、該吸着塔とバッファタンクとの間に接続さ
れている。

本発明は、各吸着塔の出口側に接続するチェックバルブ
や電磁弁等のバルブ類を削減することにより、いっそう
安価でかつ、製造工程が効率化できる改良されたPSA方
式の気体分離装置を提供することを目的とするものであ
る。

（発明が解決しようとする課題） 従来のPSA方式による気体分離は、前述の如くバルブ類
が多く存在するめ、それらを接続する複雑な配管と、こ
れらのバルブ類を制御するための高度な制御手段を有す
る制御部を必要とする。

本発明の第１の目的は、前述のように従来、吸着塔の出
口側に接続されていたチェックバルブや電磁弁等のバル
ブ類をなくし、従って当接バルブ類を制御する制御部も
無くすることにより、いっそう安価で、かつ、製造工程
を効率化できる改良されたPSA方式の気体分離装置を提
供することにある。

また、特公昭51−44361号公報に開示された急速圧力変
動方式（いわゆるラピットPSA方式）の気体分離装置
は、そのシステム構造が大変簡単になっており、吸着塔
の出口側には、バルブ類はなく、単に吸着塔相互を配管
手段で接続しているだけである。しかしながら、このラ
プットPSA方式のシステムは次のような欠点を持ってい
る。

極めて短時間（約0.1〜0.5秒）に所定の原料ガスを吸
着塔に送入しなければならないため、定圧空気源が必要
となり、空気圧縮器の後に比較的大きい容量の空気タン
クを必要とする。

極めて短時間に頻繁に張る部類を切替えるため、大変
長寿命のバルブを必要とするか、通常のバルブを使用し
た場合には、装置の寿命が著しく短くなる。

極めて短時間で所望のガスを必要かつ十分な量だけ吸
着剤に吸着させる必要があるので、特殊な粒形状（非常
に細かい粒子）の吸着剤を必要とする。

本発明は、上記の欠点がなく、しかもバルブるの数が少
ない通常のPSA方式による気体分離装置を提供すること
をも目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 前記の目的を達成するために鋭意研究した結果本発明を
するに至ったものである。本発明のPSA方式による気体
分離装置においては、複数の吸着塔の後にバッファタン
クを持ち、このバッファタンクと各々の吸着塔の出口と
を、配管手段を介して接続し、かつ、該配管手段のう
ち、各々吸着塔の出口に接続した各々の配管手段は、加
圧吸着工程においても、あるいは減圧脱着工程において
も流路の開閉機構を持たないで、ガスの流量の多少を制
限する機能を持つ細管手段（例えばオリフィス等）を付
設するように構成したものである。

この構成により、従来の多くのバルブ類を有する構成の
ものと同等以上の気体分離の性能が得られる。

（作用） 以上のように構成した本発明にかかるPSA方式による気
体分離装置は、吸着塔のそれぞれの製品ガスの出口と、
該製品ガスを貯留するバッファタンクとを、配管手段の
みで接続し、かつ、この配管手段のうち、各々の吸着塔
の出口に接続した各々の配管手段には、ガスの流量の多
少を制御する機能を有する細管手段であるオリフィスを
有し、このオリフィスは所望のガスの流量が得られるよ
うな常に一定の開口面積を有するので、該吸着塔が加圧
吸着工程においても、また、減圧脱着工程においても、
該吸着塔の出口と該バッファタンクとを接続する配管手
段内に製品ガスの流通が生じることになる。

前記の吸着塔が、加圧吸着工程におていは、製品ガスは
該吸着塔の出口より該バッファタンクの方向に流れて、
製品ガスを該バッファタンク内へ貯留する。また該吸着
塔が、減圧脱着工程においては、このバッファタンク内
の製品ガスは、逆に向流的に該吸着剤に充填された吸着
剤を逆流パージすることによって、該吸着剤を脱着浄化
して再生（再活性化）することを促進する。

該バッファタンクの容量と該オリフィスの径（開口面
積）を適当な値に設定することにより、各吸着塔の出口
と、バッファタンクとを、細管手段を有する配管手段の
みで接続するだけで、従来、チェックバルブとともに、
そのチェックバルブに並設されたオリフィス、あるい
は、電磁弁等のバルブとともにその電磁弁等のバルブに
並設されたオリフィスとで構成していたものと同等以上
の気体分離性能が得られる。

以下、図面を参照して本発明の作用を説明する。第１図
は、本発明の１実施例を示すフローシートで、第６図は
２つの吸着塔（吸着塔２・吸着塔３）の内圧とバッファ
タンクの内圧の変化の関係を示す図である。

第５図は、第１図に示すバルブ4,5,6,7の開閉を示すタ
イムチャートである。

前記の吸着塔が、加圧吸着工程においては、該吸着塔の
製品ガスの出口から、ガスの流量の多少を制限する機能
を持つ細管手段であるオリフィスを通してバッファタン
クに流出するガスの流量は、製品ガスとしてバッファタ
ンクより取り出して消費するものと、均圧ガス，パージ
ガスとして、このバッファタンクから減圧脱着工程にあ
る別の吸着塔の出口へ向かって向流的に流れるガスの流
量の和である。

このガスの流量は、各吸着塔の内圧と前記のバッファタ
ンクの内圧との差及び細管手段としてのオリフィスの有
効断面積によって定まり、近似的には一般に次式で表わ
される。

Ｑ＝0.37×Ｓ×SQR（（PL＋1.033）×（PH−PL）×（27
3/（273＋ｔ）） Q :ガス流量（l/秒） S :オリフィス有効断面積（mm²） PH:流入側圧力（kgf/cm²・Ｇ） PL:流出側圧力（kgf/cm²・Ｇ） t :ガスの温度℃ （SQRは平方根を示す。） また、吸着塔が脱着工程時には、パージガスがこのオリ
フィスを通って、バッファタンクからこの脱着工程にあ
る吸着塔の出口の方向に流れ、そのガスの流量は、同じ
くバッファタンクの内圧と脱着工程にある吸着塔の内圧
の差により決定される。

このパージガスにより脱着工程中の吸着剤の脱着再生が
促進されるが、このパージガスの流量は、多すぎても少
なすぎても所望の気体分離性能は得られない。

吸着塔内のマストランスファーゾーン（MTZ）は、該吸
着塔内に急速な流量変動を与えると乱れ、ガスの発生効
率を下げることになる。従って該吸着塔内のガス流の変
化は、連続的に行い、スムーズな吸着工程，均圧工程，
脱着工程への以降が、効率の良い生成物の産出を与える
ことになる。本発明の構成においては、吸着塔の出口側
にバルブ類を持たないので切替による急激なガスの流速
変動がなく、ガスの生成率が従来の技術による構成のも
のに比較していっそう良い結果が得られている。

なお、オリフィスの形状により、圧力損失係数ζが変化
し、そこを流れるガスの流量が異なる性質がある。

オリフィスの有効断面積をＳ（mm²）、直径をｄ（mm）
とすると一般にＳ＝（（π×d²）/4）×（1/SQR（ζ＋
１））となる。

（SQRは平方根を示す。） 第３図に示す如く、オリフィスの流通部の直径が同一で
あっても、そのオリフィスにおけるガスの流通部の形状
により、該オリフィスの圧力損失係数ζが１桁以上も違
い、オリフィスの形状を第４図に示す如くすれば、その
オリフィスを流れるガス流の向きにより、そのオリフィ
スにかかるガスの圧力が同一圧力差であってもガスの流
量を違えるように構成することが出来る。

吸着塔に充填された吸着剤を、該吸着塔が脱着工程時に
おける逆洗パージガスの流量は、加圧工程にある別の吸
着塔の出口からバッファタンクへ向けて流れる製品ガス
の流量より少ないし、パージに必要な最小限度のガス量
で良いので、第４図に示すオリフィスを前記の吸着塔の
出口からバッファタンクの方向に流量の大きくなるよう
な向きに取りつけてもよく、この構成にすることによ
り、ガスの生成効率をよりいっそう高めることもでき
る。

また、バッファタンク内の圧力は、加圧工程にある吸着
塔の出口から、前記の各々の吸着塔の出口へ接続した配
管手段に付設したオリフィスを通して流入してくる製品
ガスを、該バッファタンクから製品ガスとして取り出す
ガスの量と、該バッファタンクから脱着工程にある別の
吸着塔の出口に向けて、前記の配管手段に付設したオリ
フィスを通して流れるパージガスの量との和により必然
的に決定されるが、そのサイクル内の該バッファタンク
内の圧力変動量は、該バッファタンクの容量によって決
まる。

従って、該バッファタンクから取り出す製品ガスの圧力
や流量の許容変動量を目安として、該バッファタンクの
容量を決定すればよい。

（実施例） 以下、本発明の１実施例について、図面を参照して説明
するが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
い。

第１図は、本発明の１実施例を示す電源部の図示を省略
したフローシート図である。

本実施例は、空気中より酸素富化ガスを分離生成する装
置で、２本の、ゼオライト（吸着剤）を充填した吸着塔
2,3に空気圧縮器１より原料ガスである圧縮空気をガス
流路の開閉手段であるバルブ４を介して吸着塔２の入口
へ、同じくバルブ５を介して吸着塔３の入口へそれぞれ
接続し、また前記の吸着剤であるゼオライトを脱着再生
する工程における排気ガスを排気口８へ排気する制御を
するためのバルブ６の吸着塔２の入口と、該排気口８と
の間に付設して、その間を配管手段で接続し、同じくバ
ルブ７を吸着塔３の入口と該排気口８との間に付設し
て、その間を配管手段で接続し、該排気口８は、大気に
開放して前記の排ガスを大気へ排出するように構成し
た。

吸着塔２の出口からバッファタンク13に、配管11のみで
接続し、その配管11の途中にガス流量の多少を制限する
機能を有する細管手段であるオリフィス９を付設する。

同じく、吸着塔３の出口からバッファタンク13に、配管
12のみで接続し、その配管12の途中にも同じくオリフィ
ス10を付設する。これらのオリフィス9,10を流れるガス
の流量は、空気圧縮器１から供給される空気量の５％〜
35％の範囲が好ましい。

バッファタンク13より配管14を通して製品ガスとして酸
素富化ガスが得られる。ここで前記のオリフィス9,10
は、これらのオリフィスを流れるガスの流量の多少を制
限することが目的であるので、オリフィス以外の細管手
段、例えば絞り弁であっても可能であり、その作用効果
に変わりはない。

より具体的な値を示すと、各々の吸着塔の容量を、それ
ぞれ2.3lとし、バッファタンクの容量を2l,各オリフィ
ス径をφ1.4mm,吸着剤はゼオタイトを用いて、1.5kgを
各々の吸着塔に充填して使用する。PSAのサイクルとを
用いて、1.5kgを各々の吸着塔に充填して使用する。PSA
のサイクルタイムは30秒とした。

以上の構成で、製品ガスとして酸素濃度93％以上（V/
V）、その流量が4l/分の酸素富化ガスが得られる。

前記のバルブ4,5,6,7の開閉を示すタイムチャートを第
５図に示す。

この実施例に示す構成において、空気圧縮器１からの圧
縮空気をバルブ４より吸着塔２へ送っているとき、該吸
着塔２の内圧は、第６図の波形Ａで示す形で圧力が上昇
する。このときオリフィス９の両端には、波形Ａの圧力
と、バッファタンク13の圧力波形Ｃで示す圧力との差の
圧力がかかって製品ガスが吸着塔２からバッファタンク
13に流入する。このとき、バルブ5,6は閉の状態にあ
り、バルブ4,7は開の状態とある。

そして、減圧脱着工程にある吸着塔３は、波形Ｂで示す
圧力の変化があり、オリフィス10の両端には、その圧力
と、バッファタンク13の圧力の波形Ｃとの差の圧力がか
かり、製品ガスの一部がパージガスとして、バッファタ
ンクから吸着塔３の出口に向流的に流入してくる。前記
の吸着塔２の加圧吸着工程に入る間に均圧工程と称する
期間があり、その期間はバルブ4,6,7は閉となり、バル
ブ５は開となっており、その継続時間は約1.5秒であ
る。この均圧工程は、圧縮空気の供給が吸着塔２から吸
着塔３の方へ切替えられるとともに、吸着塔３へは、バ
ッファタンク13より製品ガスが向流的に流入し、また、
吸着塔２からは同吸着塔で生成された製品ガスがオリフ
ィス９を通してバッファタンク13に流入するので該バッ
ファタンク13の内圧は高い状態のままに維持する。

次に、吸着塔２は、減圧脱着工程に入る。すなわち、バ
ルブ６を開とする。このとき吸着塔３は、前述の吸着塔
２の加圧吸着工程のときと同じ過程をとり、その圧力が
同じく第６図の波形Ｂで示す如く上昇する。以後は、同
様にこの圧力変動（PSA）のサイクルを繰返して酸素富
化ガスを連続的に濃度生成する。

この実施例では、各々の吸着塔の出口から、配管11及び
12を用いてそれぞれバッファタンク13に接続したが、配
管11のオリフィス９の後で、同じく配管12のオリフィス
10の後でこれら２つの配管をひとつに結合して、１本の
配管としてバッファタンクに入れる方法もある。むし
ろ、この方が、均圧工程時に、加圧吸着直後の吸着塔か
ら、減圧脱着工程能後の吸着塔に均圧用ガスが直接これ
らの吸着塔間に流れるので、バッファタンク内の製品ガ
スの濃度を低めないという利点を有する。なお、前記
の、ガスの細管手段であるオリフィスに代えて配管自体
の一部を細くして絞り機能を持たせても、あるいは、こ
の配管自体を細くして（いわゆるキャピラリー管）流量
制限機能を持たせて、それを流れるガスの流量を、前記
のオリフィスを使用した場合の流量と同等の範囲に制限
する方法にしてもよく、本発明の作用効果に変わりはな
い。

次の３つの吸着塔を使用する場合のシーケンスは、次の
表１のようになり、２つの吸着塔を使用する場合と同等
に、各吸着塔と、バッファタンクの間を、オリフィス等
の細間手段を使用して接続する事により本発明の実施例
と同様な作用効果が得られる。

（発明の効果） 本発明を実施することにより、次のような従来の技術で
は得られない優れた作用効果を奏する。

各々の吸着塔の出口と、バッファタンクとを、ガスの
流量の多少を制限する機能を持つ細管手段を有する配管
手段のみで接続するだけで、従来、吸着塔の出口側に付
設した、チェックバルブとともにそのチェックバルブに
並設されたオリフィス、あるいは、電磁弁等のバルブと
ともにその電磁弁等のバルブに並設されたオリフィスと
で構成していた気体分離装置の性能と同等以上の性能が
得られる。

従って、各々の吸着塔の出口側にバルブ類が不要とな
り、それに伴いそれ等のバルブ類を制御する制御部分や
配線、配管も不要となる。

吸着剤は、通常使用するもので良く、特に、PSAのサ
イクルタイムを、いわゆるラピットPSA方式の気体分離
装置のように極めて短くする必要はない。

第１図に示す如く、空気圧縮器１の後に空気タンクを
設ける必要もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のフローシート図である。第２図は、
公知例のフローシート図である。第３図は、オリフィス
の流入形状と圧力損失係数ζを示す図である。第４図
は、ガス流入の方向により流量の異なるオリフィスの一
例の断面形状を示す図である。第５図は、各バルブの動
作を示すタイムチャートである。 第６図は、本発明の実施例における各部の圧力関係を示
す図である。 第１図における符号の説明。 1:空気圧縮器、2,3:吸着塔、4,5,6,7:バルブ、8:排気
口、9,10:オリフィス、11,12;配管、13:バッファタン
ク、14,15,16:配管。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力変動方式により原料ガスを分離して所
   望の製品ガスを生成する気体の分離装置において、複数
   の吸着塔と、これらの吸塔塔の原料ガスの入口へ供給す
   る原料ガスの流れを開閉する制御をするバルブと、同じ
   く該原料ガスの入口から排気ガスを排気口へ排気する排
   気ガスの流れを開閉する制御をするバルブを接続し、そ
   れぞれの吸着塔の製品ガスの出口と、該製品ガスを貯留
   するバッファタンクとの間を配管手段を介して接続し、
   かつ、該配管手段のうち、各々の吸着塔の製品ガスの出
   口に接続した各々の配管手段は、ガスの流量の多少を制
   限する機能を持つ細管手段を有することを特徴とする圧
   力変動方式による気体分離装置。
2. 【請求項２】前記のガスの流量の多少を制限する機能を
   持つ細管手段としてオリフィスを用いることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の圧力変動方式による気
   体分離装置。
3. 【請求項３】前記のガスの流量の多少を制限する機能を
   持つ細管手段として、ガス流の方向により、その流量が
   変わる形状のオリフィスを用いることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の圧力変動方式による気体分離
   装置。