JPH0994424A - 混合気体の分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混合ガス
である原料空気を供給し、他方端から窒素ガスを取り出
す装置において、吸着工程の当初から所定の高純度窒素
ガスを取り出すことができる装置を提供する。 【解決手段】吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混合
ガスである原料空気を供給し、前記吸着剤に窒素ガス以
外のガスを吸着せしめ、前記吸着塔の他方端から窒素ガ
スを取り出す装置において、前記吸着塔を二本以上設け
る。各吸着塔の上端部同士および下端部同士を連結する
配管を設ける。さらに、各吸着塔の長手方向における略
同じ位置同士を連結し、互いに連通せしめる配管を略等
間隔に二本設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸着剤を充填した
吸着塔の一方端から混合ガスである原料空気を供給し、
圧力変動吸着方式により、前記吸着剤に窒素ガス以外の
ガスを吸着せしめ、前記吸着塔の他方端から窒素ガスを
取り出す装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、圧力変動吸着方式（以下、「Ｐ
ＳＡ方式」という）は、主に次の二つの工程からなって
いる。一つは、吸着剤を充填した吸着塔内に二成分以上
からなる原料ガスを高圧で送り込み、吸着剤に非対象ガ
スを吸着せしめて対象ガスを分離する高圧吸着工程であ
り、もう一つは、吸着作用の低下した吸着剤を低圧下で
再生せしめる低圧再生工程である。そして、この二つの
工程を交互に繰り返して対象ガスを分離採取する方式を
いう。

【０００３】このＰＳＡ方式による窒素ガス分離装置
（以下、「Ｎ₂ −ＰＳＡ装置」という）は、一般に二基
以上の吸着塔を備えており、上述の二つの工程に均圧工
程を加えた、高圧吸着工程−均圧工程−低圧再生工程−
均圧工程の各工程を交互に繰り返して高純度の窒素ガス
を採取している。以下各工程について説明する。

【０００４】前記高圧吸着工程（以下、単に「吸着工
程」という）とは吸着剤を充填した吸着塔に高圧の原料
空気を送り込み酸素ガスを吸着せしめ、窒素ガスを分離
する工程である。前記均圧工程とは、吸着工程を終了
し、かつ高圧の窒素ガスが充満している第一の吸着塔
と、低圧再生工程が終了している第二の吸着塔とを連通
して、該第二の吸着塔内に前記第一の吸着塔から窒素ガ
スを送り込むことにより、第二の吸着塔内を効率よく昇
圧せしめる工程である。前記低圧再生工程（以下、単に
「再生工程」という）とは、吸着工程，均圧工程を順次
終了した後、吸着塔内のガスを大気に放出して速やかに
その圧力を低下させることにより、吸着剤が吸着した酸
素ガスを吸着剤から放出せしめ、吸着剤を再生せしめる
工程である。

【０００５】従来、例えば２塔の吸着塔を備えるＮ₂ −
ＰＳＡ装置として図２に示すような装置が知られてい
る。以下、同図に基づきこの装置を詳述する。

【０００６】この装置は、モレキュラーシービングカー
ボンを吸着剤として収納する２つの吸着塔（１０），
（１１）と製品槽（１２）とコンプレッサー（２）とを
備える。

【０００７】そしてこの２つの吸着塔（１０），（１
１）の下端部には、原料空気供給用の供給管（３）の下
流端が弁（２０），（２２）を介してそれぞれ接続され
ている。また、上記吸着塔（１０），（１１）の下端部
には、窒素ガスを取り出した後の原料空気を排出するた
めの排気管（５）の上流端が、弁（２１），（２３）を
介してそれぞれ接続されている。

【０００８】一方、上記吸着塔（１０），（１１）の上
端部には、製品ガス管（４）の上流端が弁（２４），
（２５）を介して接続されている。さらに、２つの吸着
塔（１０），（１１）は均圧管（６）によって弁（２
６）を介して互いに連結されている。また、製品槽（１
２）の上端部には、製品ガス管（４）の下流端が接続さ
れ、製品槽（１２）の下端部には、製品ガス取出管
（７）が弁（２７）を介し接続されている。

【０００９】そして以上の構成を備える装置に対して、
図３に示すような吸着工程，均圧工程，再生工程，均圧
工程で構成される工程を１サイクルとして実施し、窒素
ガスを製造する。ただし、２つの吸着塔（１０），（１
１）においては、工程の位相が１／２サイクルずれた状
態で連続運転され、製品ガス管（４）と吸着塔（１
０），（１１）とを接続する弁（２４），（２５）を開
閉することにより、分離した窒素ガスを交互に製品槽
（１２）に送り、連続的に蓄えるようになっている。

【００１０】次に、上記１サイクルの工程を前記吸着塔
（１０）を中心に説明する。

【００１１】（吸着工程）まず、弁（２５），（２
６），（２１），（２２）を閉じ、弁（２４），（２
０），（２３），（２７）を開く。そして、前工程であ
る再生工程，均圧工程終了後の吸着塔（１０）に、コン
プレッサー（２）から弁（２０）を介して原料空気を供
給する一方、製品槽（１２）からは製品ガス管（４）を
介して窒素ガスを還流し、これら原料空気と窒素ガスに
より吸着塔（１０）を昇圧する。

【００１２】さらに、原料空気が供給されて昇圧される
と、上記原料空気内の酸素ガスが上記吸着塔（１０）内
の吸着剤に優先的に吸着され、残った窒素ガスが吸着塔
（１０）の上端から取り出され、製品ガス管（４）及び
弁（２４）を介して窒素ガスが製品槽（１２）に蓄えら
れる。

【００１３】（均圧工程）次に、吸着塔（１０）内の吸
着剤の吸着作用が飽和状態に達し、原料空気内の酸素ガ
スを吸着出来なくなった時点で、弁（２４），（２
０），（２３）を閉じ、弁（２６）を開く。すると、吸
着塔（１０）内の高圧のガスが均圧管（６）及び弁（２
６）を介して、再生工程終了後の略常圧となっている吸
着塔（１１）に移送され、該吸着塔（１１）内部を昇圧
する。

【００１４】（再生工程）次に、上記均圧工程終了後、
弁（２６）を閉じ、弁（２１）を開く。そして、吸着塔
（１０）内のガスを弁（２１）を介して排気管（５）か
ら放出して、速やかに吸着塔（１０）内の圧力を低下さ
せることにより、上記吸着工程で吸着剤に吸着されてい
た酸素ガスを脱着すると共に、これを大気に排出する。
この吸着塔（１０）の再生工程と同時に、弁（２２），
（２５）を開いて、吸着塔（１１）の吸着工程を開始す
る。

【００１５】上述の四つの工程のうち、均圧工程は、こ
の工程を実施することにより、製品槽内の窒素ガスの純
度を高めることが出来る。その理由は、つぎの二つであ
る。一つは、つぎに吸着工程に入る吸着塔（１１）の内
圧を高く（吸着工程終了時の圧力と常圧の略中間の圧力
に）しておくことが出来る。即ち、もし、この均圧工程
を行わなければ、つぎに吸着工程に入る吸着塔（１１）
を常圧から昇圧しなければならない。このことにより、
吸着塔（１１）を短時間で所定の圧力に上げることがで
き吸着工程の効率を高めることができる。もう一つは、
吸着工程が終了した吸着塔（１０）の上部には、高純度
の窒素ガスが残っており、これを次の再生工程で全て外
気に排出してしまうことは無駄である。そこで、吸着塔
の上部に残っている高純度の窒素ガスをもう一方の吸着
塔（１１）に移すことで有効に利用できるのである。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
Ｎ₂ −ＰＳＡ装置においては以下に述べるような問題が
あった。

【００１７】吸着工程が完了した吸着塔内部のガス濃度
分布は、図４に示すように原料ガス入口より出口にかけ
て、残存酸素濃度が低くなる、即ち窒素ガス濃度が徐々
に高くなっている。

【００１８】ここで、上記均圧工程を実施するにあたっ
て、従来の配管で、均圧工程をおこなうと、吸着塔（１
０）の上部のガスから吸着塔（１１）に移送されるた
め、該吸着塔（１１）内部の窒素ガスの濃度分布が、吸
着塔（１０）における場合とは逆になる。即ち、高純度
の窒素ガスが吸着塔（１１）の下部に入ってしまい、低
純度の窒素ガス（酸素の残存濃度の高いガス）が吸着塔
（１１）の上部来てしまうのである。そのため、吸着塔
（１１）の次の吸着工程の初期において、吸着塔（１
１）上部に移動した低純度の窒素ガスは、吸着剤との接
触時間が非常に短く、酸素成分がほとんど吸着されない
まま、後方の原料空気により吸着塔（１１）から外に押
し出され、製品槽（１２）へと蓄えられる。これによ
り、製品ガスの純度が低下するのである。

【００１９】この発明は、このような従来の問題を解決
するためになされたものであり、均圧工程時、一方の吸
着塔の窒素ガスを他方の吸着塔に移送する際に、一方の
吸着塔の窒素ガス濃度分布を崩さずに他方の吸着塔に移
送することが出来、製品窒素ガスの純度を向上させるこ
とが出来る装置の提供を目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段および効果】上記目的を達
成するための本発明に係る請求項１に記載した発明は、
吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混合ガスである原
料空気を供給し、前記吸着剤に窒素ガス以外のガスを吸
着せしめ、前記吸着塔の他方端から窒素ガスを取り出す
装置において、前記吸着塔を二本以上設け、各吸着塔の
上端部同士および／または下端部同士を連結する配管を
設け、さらに、各吸着塔の長手方向における略同じ位置
同士を連結し、互いに連通せしめる配管を、一本以上設
けたことを特徴とするものである。

【００２１】また、請求項２に記載した発明は、吸着剤
を充填した吸着塔の一方端から混合ガスである原料空気
を供給し、前記吸着剤に窒素ガス以外のガスを吸着せし
め、前記吸着塔の他方端から窒素ガスを取り出す装置に
おいて、前記吸着塔を二本以上設け、各吸着塔の上端部
同士および／または下端部同士を連結する配管を設け、
さらに、各吸着塔の長手方向における略同じ位置同士を
連結し、互いに連通せしめる配管を、略等間隔に二本以
上設けたことを特徴とするものである。

【００２２】本発明によれば、均圧工程時、一方の吸着
塔の窒素ガスを他方の吸着塔に移送する際に、従来装置
のように吸着塔の上端部同士を連結した配管のみでな
く、吸着塔の下端部同士を連結した配管、および各吸着
塔を長手方向に略同じ位置で連結して互いに連通せしめ
た配管を通じても窒素ガスが移送される。これにより一
方の吸着塔の窒素ガス濃度分布を崩さずに他方の吸着塔
に移送することが出来る。従って、吸着工程開始時にお
いても純度の高い窒素ガスを取り出すことができ、製品
窒素ガスの純度を向上させることが出来る。

【００２３】この作用を、図５を用いて説明する。図５
（ａ）に従来装置の均圧工程におけるガス移動状態を示
し、図５（ｂ）に本発明による均圧工程の状態を示す。
図５における吸着塔Ａ、Ｃのガス分布は、吸着工程完了
後で均圧工程前の状態を示し、数字が大きくなるほうが
残存する酸素濃度は低い。同様に吸着塔Ｂ，Ｄのガス分
布は、均圧工程完了後の状態である。

【００２４】ここで、上記均圧工程を実施するにあたっ
て、従来の配管で、均圧工程をおこなうと、図５（ａ）
に示すように、吸着塔Ａの上部のガスから移送されるた
め、吸着塔Ｂ内部の窒素ガスの濃度分布が、吸着塔Ａと
は逆になり、高純度の窒素ガスが吸着塔Ｂの下部に入っ
てしまい、低純度の窒素ガス（酸素の残存濃度の高いガ
ス）が吸着塔Ｂの上部来てしまう。そのため、次の吸着
塔Ｂの吸着工程の初期において、吸着塔Ｂ上部に移動し
た低純度の窒素ガスは、吸着剤との接触時間が非常に短
いため、酸素成分がほとんど吸着されないまま、後方の
原料空気により吸着塔Ｂから外に押し出され、製品槽に
蓄えられる。これにより、製品ガスの純度が低下するの
である。

【００２５】これに対し、本発明においては図５（ｂ）
に示すように、吸着塔Ｃの窒素ガス濃度分布を崩さずに
吸着塔Ｄに移送することが出来る。即ち、吸着塔Ｃの上
部のガスは吸着塔Ｄの上部に、また吸着塔Ｃの下部のガ
スは吸着塔Ｄの下部に移送される。さらに吸着塔Ｃの中
間部のそれぞれの高さ位置のガスも吸着塔Ｄの同じ高さ
位置に移送される。このようにして、吸着塔Ｄの出口側
には純度の高い窒素ガスを移送する事ができる。従っ
て、吸着工程開始時においても純度の高い窒素ガスを取
り出すことができるため、製品槽の窒素ガス純度を向上
させることが出来る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面に基づいて説明する。

【００２７】（装置の構成）図１は本発明の実施の形態
たる装置（以下、「本装置」という）の構成を示す説明
図である。尚、同図に示すように、本装置は図２に示す
従来の装置に比べて、均圧管（３１），（３２），（３
３）を設けた点において異なるものであり、当該同じ構
成の部位は同じ符号を付してその詳しい説明は省略す
る。

【００２８】前記均圧管（３１）は、弁（４１）を有
し、吸着塔（１０），（１１）の下端部同士を連結して
いる。また、均圧管（３２）は弁（４２）を有し、一方
端を、吸着塔（１０）側面の吸着塔（１１）と対向した
面の、上端から略三分の一の位置に接続しており、他方
端を吸着塔（１１）の長手方向に略同じ位置に接続し
て、吸着塔（１０），（１１）を互いに連通せしめてい
る。同様に、弁（４３）を有する均圧管（３３）は、吸
着塔（１０），（１１）を上端から略三分の二の位置で
連結している

【００２９】次に上述した本装置により窒素ガスを製造
する態様、特に均圧工程について前記吸着塔（１０）を
中心に、図１により説明する。

【００３０】（吸着工程）まず、弁（４１），（４
２），（４３）は閉じた状態のままとし、弁（２５），
（２６），（２１），（２２）を閉じ、弁（２４），
（２０），（２３），（２７）を開く。そして、前工程
である再生工程，均圧工程終了後の吸着塔（１０）に、
コンプレッサー（２）から弁（２０）を介して原料空気
を供給する一方、製品槽（１２）からは製品ガス管
（４）を介して窒素ガスを還流し、これら原料空気と高
純度窒素ガスにより吸着塔（１０）を昇圧する。

【００３１】さらに、原料空気が供給されて昇圧される
と、上記原料空気内の酸素ガスが上記吸着塔（１０）内
の吸着剤に優先的に吸着され、残った窒素ガスが吸着塔
（１０）の上端から取り出され、製品ガス管（４）及び
弁（２４）を介して窒素ガスが製品槽（１２）に蓄えら
れる。

【００３２】（均圧工程）次に、吸着塔（１０）におい
て所定時間吸着工程を実施した後、吸着塔（１０）内の
吸着剤の吸着作用が飽和状態に達し、原料空気内の酸素
ガスを吸着出来なくなった時点で、弁（２４），（２
０），（２３）を閉じ、弁（２６），（４１），（４
２），（４３）を開く。すると、吸着塔（１０）内の高
圧のガスが均圧管（６），（３１）及び（３２），（３
３）を介して、再生工程終了後の略常圧となっている吸
着塔（１１）に移送され、該吸着塔（１１）内部を昇圧
する。

【００３３】ここで、本装置においては、均圧管（６）
に加えて、均圧管（３１），（３２），（３３）を設け
ている。そのため、吸着塔（１０）内の高圧のガスを吸
着塔（１１）に移送する際、吸着塔（１０）内の上部に
存在するガスは均圧管（６）を介して吸着塔（１１）の
上部から塔内に移送されると共に、吸着塔（１０）内の
下部に存在するガスは均圧管（３１）を介して吸着塔
（１１）の下部から塔内に移送される。さらに、吸着塔
（１０）の中間部のガスは均圧管（３２），（３３）を
介して吸着塔（１１）の中間部に移送される。

【００３４】これにより、吸着塔（１１）内は、吸着塔
（１０）内の窒素ガスにより置換される。その際、吸着
塔（１０）の窒素ガス濃度分布を崩さずに、吸着塔（１
１）に移送することが出来る。

【００３５】（再生工程）次に、上記均圧工程終了後、
弁（２６），（４１），（４２），（４３）を閉じ、弁
（２１）を開く。そして、吸着塔（１０）内のガス（酸
素ガスを多く含む）を弁（２１）を介して排気管（５）
から放出することにより、上記吸着工程で吸着剤に吸着
されていた酸素ガスを脱着すると共に、これを大気に排
出する。この吸着塔（１０）の再生工程と同時に、弁
（２２），（２５）を開いて、吸着塔（１１）の吸着工
程を開始する。

【００３６】このように、本装置においては、均圧管
（３１），（３２），（３３）を設けることにより、吸
着塔（１０）の上部の高純度の窒素ガスを吸着塔（１
１）の上部に移動させることができ、且つ吸着塔（１
０）の下部の比較的低純度の窒素ガスは吸着塔（１１）
の下部に移動させることができるため、吸着工程の実施
当初より所定純度の窒素ガスを取り出すことが出来る。

【００３７】

【実施例】図１に示す本装置並びに図２に示す従来の装
置に対し、原料である空気を３．９×１０^-3Ｎｍ³ ／ｓ
ｅｃ（コンプレッサーの設定圧力０．８ＭＰａ）で供給
し、窒素ガスを０．８×１０^-3Ｎｍ³ ／ｓｅｃ取り出す
ようにしたところ、吸着工程の当初の取り出し窒素ガス
純度が従来の装置では９９．９０％であったのに対し、
本装置では９９．９９％となり、０．０９％の改善を図
ることが出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態たる本装置の説明図であ
る。

【図２】従来装置の説明図である。

【図３】本装置における各工程のタイムチャートであ
る。

【図４】本装置の吸着塔内部の残存酸素濃度分布を示す
ものである。

【図５】均圧工程でのガスの移動を説明する模式図であ
る。

【符号の説明】

２ コンプレッサー ３ 供給管 ４ 製品ガス管 ５ 排気管 ６ 均圧管 ７ 製品ガス取出管 １０ 吸着塔 １１ 吸着塔 １２ 吸着塔 ３１ 均圧管 ３２ 均圧管 ３３ 均圧管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混
   合ガスである原料空気を供給し、前記吸着剤に窒素ガス
   以外のガスを吸着せしめ、前記吸着塔の他方端から窒素
   ガスを取り出す装置において、 前記吸着塔を二本以上設け、 各吸着塔の上端部同士および／または下端部同士を連結
   する配管を設け、 さらに、各吸着塔の長手方向における略同じ位置同士を
   連結し、互いに連通せしめる配管を、一本以上設けたこ
   とを特徴とする混合気体の分離装置
2. 【請求項２】 吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混
   合ガスである原料空気を供給し、前記吸着剤に窒素ガス
   以外のガスを吸着せしめ、前記吸着塔の他方端から窒素
   ガスを取り出す装置において、 前記吸着塔を二本以上設け、 各吸着塔の上端部同士および／または下端部同士を連結
   する配管を設け、 さらに、各吸着塔の長手方向における略同じ位置同士を
   連結し、互いに連通せしめる配管を、略等間隔に二本以
   上設けたことを特徴とする混合気体の分離装置