JPH0999208A - 吸着によるガス分離用装置および方法 - Google Patents

吸着によるガス分離用装置および方法

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JPH0999208A
JPH0999208A JP8122037A JP12203796A JPH0999208A JP H0999208 A JPH0999208 A JP H0999208A JP 8122037 A JP8122037 A JP 8122037A JP 12203796 A JP12203796 A JP 12203796A JP H0999208 A JPH0999208 A JP H0999208A
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Jean-Renaud Brugerolle
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Christian Monereau
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 【課題】広い使用範囲と運転条件をカバーしうるモジュ
ールを備えたＶＳＡあるいはＭＰＳＡと呼ばれるタイプ
の吸着によるガス分離装置を提供する。 【解決手段】ユーザーライン（Ｌ）と分離すべきガス混
合物の供給源（Ｓ）との間に、逆回転可能な回転器
（Ｒ）、吸着装置（Ａ）および少なくとも１個のタンク
（Ｃ）が直列に配置されたモジュール（Ｍ）を含む。回
転器（Ｒ）は、最初の加圧と発生相では一方の方向に、
次に第２の減圧と脱着相では反対方向に交互に駆動され
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、ＶＳＡあるいはＭ
ＰＳＡと呼ばれるタイプの圧力変化を利用した吸着によ
るガス分離のための装置に関するものであり、特にコン
プレッサーあるいポンプモードで吸着装置上で動作する
少なくとも１個の回転器を有する中規模あるいは小規模
容量の装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】１９８３年のＵＳ−Ａ−４，５３４，３
４６、最近では１９９３年のＵＳ−Ａ−５，３７０，７
２８に述べられているように、既知の装置は、高圧側と
低圧側があり、同じ方向に同じ速度で常時回転運動する
回転器を有しているが、回転器に最良の効率を与えるた
めに多数の弁を用いることによって均衡を保っており、
一方ではその弁の数が、また他方ではそれらの同時運転
の調節とメンテナンスが製造と利用のコストを非常に大
きなものにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題および解決手段】本発明
は、回路を単純化して弁の数を大きく制限することがで
き、従って使用の大きな融通性をもたらし、特に広い使
用範囲と運転条件をカバーしうる一組のモジュールの並
列接続を可能にする個別吸着モジュールを実現すること
ができる吸着装置を提供することを課題とする。
【０００４】上記課題を解決するために、本発明に従え
ば、本装置は −分離すべきガス混合物の供給源に常時連通している入
口管； −ガス混合物の成分の少なくとも１つが欠乏しているガ
スを貯蔵するための少なくとも１つの貯蔵手段に連結さ
れるべき出口管； −入口管と出口管の間に直列に設けられた逆回転可能な
回転器と吸着装置； −回転器を反対の回転方向に連続的に動かすための手段
を含む少なくとも１個のモジュールを備える。
【０００５】本発明の他の特徴に従えば、 −第１の貯蔵手段が、欠乏ガスの使用のためのラインに
常時連結され、 −少なくとも１つの第２の貯蔵手段が出口管だけに接続
され、； −装置が、ガス混合物の供給源とユーザーラインとの間
に並列に配置された少なくとも２個の個別モジュールを
含む。
【０００６】本発明は、また、広い使用領域に適合す
る、様々なガスの分離のための前記装置を操作するため
の方法を提供することを目的とする。
【０００７】本発明の１つの側面に従えば、吸着装置に
接続された回転器は、第１の相、あるいはガスが吸着装
置へ供給される相の間は一方向に、次に第２の相、ある
いはガスが吸着装置から抽出される相の間は別の方向
に、交互に動作される。
【０００８】本発明のより一層の特徴に従えば、各相の
終了時の一定期間中は回転器の駆動が中断される。
【０００９】本発明に従う装置および方法に関しては、
回転器のどちらの側にも、また特に回転器と吸着装置の
入口の間には遮断弁がまったく存在せず、この回転器が
逆転可能であることによって、交互に且つ連続的に、吸
着工程のための高サイクル圧まで、分離すべきガス混合
物を圧縮し、また脱着工程のための低サイクル圧まで真
空下で吸引することができ、逆転は、逆転の圧差をもた
らす自己回転（autorotation）と回転器の回転装置に及
ぼされる慣性力を最大限に利用することによって柔軟且
つ経済的に行われる。
【００１０】本発明の他の特徴および利点は以下の記述
から明らかとなろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳し
く説明する。以下の説明と図において、同じあるいは類
似した要素には同じ参照番号、場合によっては記号を付
している。
【００１２】図１には、典型的には吸着装置Ａを含む本
発明の吸着モジュールＭが示されている。この吸着モジ
ュールＡは典型的には垂直の形状で、入口１と出口２を
持ち、分離すべきガス混合物の少なくとも１つの成分を
保持することができる少なくとも１つの吸着剤を含んで
いる。入口１は、制御ボックスＢによって制御される電
動機Ｄにより駆動される可逆性回転器Ｒ、典型的にはル
ーツ（Roots ）マシーンあるいは多葉型（multi-lobed
）ローターを有するマシーンを介して入口管Ｉに連結
されている。出口２は、遮断弁Ｖ1 とタンクＣを介して
ユーザーラインＬに接続するための出口管Ｏに連結され
ている。入口管Ｉは分離すべきガス混合物の供給源Ｓに
接続するためのもので、供給源Ｓは本発明の装置により
拒絶された残留ガスを受け入れることができる。本発明
の具体的適用に従えば、分離すべきガス混合物は空気で
あり、供給源Ｓは環境大気であり、吸着装置は生成する
成分、典型的には酸素あるいは場合によって窒素である
成分の不所望成分を吸着によって保持することができる
少なくとも１つの吸着剤を含む。
【００１３】好適には、図１に示すように、出口管Ｏ
は、遮断弁Ｖ1 を介して、図３に関して後述するように
吸着装置Ａの平衡と再加圧相、あるいは後者の平衡と溶
出相において、あらかじめそこに貯蔵されたガスの少な
くとも一部を再貯蔵することによって関与するために、
出口管Ｏだけに機能的に連結された少なくとも１つの貯
蔵器Ｒに接続されている。
【００１４】図２には、圧（上部）と回転器の回転（下
部）に関連するサイクルが示されている。圧のサイクル
は、大気圧Ｐａよりも低い、典型的には０．２〜０．６
×１０5 Ｐａ、好適には０．３〜０．５×１０5 Ｐａの
間のサイクルの低圧Ｐm から、大気圧よりわずかに高
い、典型的には１．０５〜１．５×１０5 Ｐａのサイク
ルの高圧ＰM までの間の加圧と生成の相でＴ0 −Ｔ1 、
並びに圧ＰM と圧Ｐm の間の減圧と脱着の相Ｔ1 −Ｔ2
から成る。回転器はサイクルの各相の中心部分ｊおよび
ｊ’の間だけモーターによって駆動される。従って、ブ
ロワー（加圧器）は圧縮工程ｊにおいて電動機によって
駆動されるので、電動機への供給は、２つの相の間の逆
転時点Ｔ1 の前の短い期間中断され、回転器は、Ｔ1 の
時点で自然停止するまで、工程ｋの間運動エネルギーの
作用により自身のモーメント下で回転し続け、Ｔ1 の時
点で今度は逆向きのガスの通路３と４の間の圧差の作用
下で別の方向に自然回転を開始し、工程ｉ’の終了時
に、その時はポンプで働く回転器の積極的駆動によって
この逆の方向に反復・増幅され、工程ｊ’の間は、機械
的な駆動がＴ2 時点で低圧が達成される直前まで同じよ
うに中断されて、回転装置は工程ｋ’の間、Ｔ2 時点で
停止してｉ段階の間の通路３と４の間の圧差の作用下で
逆方向への回転を開始するまで、自身のモーメント下で
回転し続ける。この回転は、前述したように、工程ｊの
間機械的駆動を伴い、その後それによって増幅される。
本発明者が行った試験は、このような運転様式におい
て、減速する自己回転相ｋおよびｋ’の持続期間はおよ
そ１秒間であり、加速自己回転相の持続期間は約２〜５
秒間であり、大部分の吸着サイクルの全体の続行／持続
期間（容量と適用に応じて２０〜１５０秒間）と完全に
適合することを明らかにした。さらに、必要であれば、
たとえばフライホイールを用いて、回転器の慣性をＶＳ
Ａサイクルに適合させることができ、その場合には必要
に応じてこれらを一方向遠心クラッチに結合する。
【００１５】図３には、図２の圧サイクルが示されてお
り、図３は、吸着装置の入口と出口における、タンクお
よび貯蔵器への／からのガスの流れを表わしている。分
離すべき混合物が回転器Ｒによって吸着装置の入口１内
に導かれる加圧／生産相Ｔ0〜Ｔ1 は、初期段階ａに分
割され、この時には弁Ｖ’1 が開いて、ガスあるいは非
優先的に吸着されたガスもしくはガス混合物、あるいは
生成ガス、たとえば酸素が、吸着装置Ａの出口を介して
向流として同時に導入される。この最初の加圧工程に続
いて、第２の加圧工程ｂが行われ、これは分離すべきガ
ス混合物だけによって提供され、弁Ｖ、Ｖ’1 は閉じて
いる。この第２の加圧工程ｂの終了時に圧は大気圧を越
えており、わずかに高いあるいはサイクルの高圧ＰM と
実質的に等圧での生成（生産）工程ｃのために弁Ｖ1 が
開く。
【００１６】先に説明したように、高サイクル圧での生
成終了時であるＴ1 の時点で、回転器Ｒの回転が逆向き
になり、吸着された成分に富むガス混合物が第２の相Ｔ
1 −Ｔ2 の間を通じて入口１を通って流出する。この第
２の相の第１の工程ｄ中、弁Ｖ1 は吸着装置が上部と下
部から同時に減圧されるように開き、その後、工程ｅ1
の間、弁Ｖ1 とＶ’1 が閉じて、相Ｔ1 −Ｔ2 の終了ま
で、サイクルの低圧Ｐm に達するまで吸着装置の真空化
が続けられる。好ましくは、Ｔ2 時の少し前に、弁Ｖ1
が開いてタンクからの生産ガスによる溶出工程ｅ2 が行
われる。
【００１７】その自律性のゆえに、図１に従う単一吸着
装置デバイスは、相Ｔ0 −Ｔ1 およびＴ1 −Ｔ2 の各々
の期間、ならびにそれらの相を構成する工程に関して、
特別な拘束を課さない。電動機（モーター）Ｄは、２つ
の回転方向に同じ速度で、あるいは異なる速度でブロワ
ーを駆動することができる。好ましくは、回転器Ｒは、
ポンピング相Ｔ1 −Ｔ2 の工程ｊ’の間にに最大速度で
駆動され、相Ｔ0 −Ｔ1 の工程ｊの間はより遅い速度、
典型的には最大速度の約５０％で駆動される。
【００１８】変形例として、モーターへの（電気）供給
は、Ｔ1 時点、またはＴ1 時点後の短い期間経過後であ
っても、中断されうる。この場合、工程ｄの間当然（自
然に）回転器は停止し、逆転する。同様に、減圧終了時
に、モーターをＴ2 時点、またはＴ2 時点後の短い期間
経過後であっても、中断させることができる。モーター
の電気供給が可変速駆動機を介して行われる場合、自然
停止、および回転器の回転の方向の自然逆転を伴うおよ
び／あるいは助けるように可変速駆動機をプログラムす
ることができる。
【００１９】図４には、図１〜図３に関して上述した２
つのモジュールＭ1 およびＭ2 を用いた分離装置が示さ
れている。この場合、出口管Ｏ1 およびＯ2 は各々弁Ｖ
1 、Ｖ2 を介して、遮断弁Ｖp を備えた生産ラインＬの
より上流の部分Ｄで同じタンクＣに連結されている。弁
Ｖp の開閉工程は、図５のグラフで弁Ｖ1 およびＶ2の
隣に示されており、図５には２つのモジュールＭ1 およ
びＭ2 の圧のサイクルが重ね合わせられている。この２
つのモジュールの態様では、加圧／生成相の第１の工程
ａ中の向流ガス取り込みは、工程ｄでその減圧相を開始
するもうひとつの吸着装置による平衡あるいは擬平衡に
よって提供される。さらに、圧と回転器Ｒ1 およびＲ2
の機械的駆動のサイクルは、図２および３と関して前述
したものと同じである。
【００２０】２つのモジュールを用いた装置では、工程
ａの続行／持続期間は、これまで見てきたように、工程
ｄの期間に等しく、相Ｔ0 −Ｔ1 と相Ｔ1 −Ｔ2 の期間
は各々のモジュールで同じであって、１つの吸着装置の
サイクルはもうひとつの吸着装置についてのサイクル相
とずれている。前述したように、各々の回転器はポンピ
ング工程ｊ’の間は最大速度で駆動され、加圧相ｊの間
は低減された速度、典型的には最大速度の半分の速度で
駆動される。
【００２１】以上の説明からわかるように、本発明に従
う吸着によるガス分離装置は、複数のモジュールＭを並
列に含むことができ、種々のモジュール間での同期運転
がマッチングされる。たとえば、３個のモジュールの装
置については、各々のモジュールに関して工程ａおよび
ｄの続行期間が同じであれば、加圧／生成相Ｔ0 −Ｔ1
の期間は減圧／脱着相Ｔ1 −Ｔ2 の期間の半分に等し
く、モジュールは互いの間でサイクルの総期間の３分の
１の個々のサイクルで時間的なずれを示す。１．１〜
１．５×１０5 Ｐａの高サイクル圧と０．５〜０．３×
１０5 Ｐａの低サイクル圧については、どちらの方向に
も駆動モーターの単一速度がエネルギー／備給の最良の
折り合いを示す。
【００２２】少なくとも１種のゼオライト、特にゼオラ
イトＬｉＸからなる吸着剤による、空気からの酸素生成
装置に関しては、圧ＰM およびＰm は典型的には前の段
落で述べたものであり、サイクルの総期間は典型的には
３０秒から１２０秒の間である。
【００２３】本発明に従うモジュールの自律性により、
ｎ個のモジュールをバッテリーに組立ることができ、必
要に応じて、全部あるいは一部を自動的にあるいは手動
で操作することができる。さらに、１個のモジュールの
故障あるいはメンテナスの場合には、少なくとも一時的
には、ｎ−１個のモジュールで装置の運転を容易に確保
することができる。
【００２４】図６には、本発明に従う１個のモジュール
の具体的態様が示されている。図示のように、典型的に
は水平なガスの内部循環を有する垂直な吸着装置Ａは、
底部に配置された出口２を持ち、吸着装置Ａは内部容量
を決定するスカートを形成するスタンド／フレーム５に
よって支持されており、その中に回転器Ｒとその駆動モ
ーターＤが配置されている。フレーム５には防音被覆６
が施されている。図６には、入口管Ｉと回転器Ｒの間に
配置することができる再生器（regenerator ）７が示さ
れている。この再生器７によって、低温期間に、ポンピ
ング相中熱エネルギーの一部を回収して圧縮相中に吸着
装置内に導入されたガス混合物を熱することができる。
同様に、回転器の通路４と吸着装置の入口１の間に、た
とえば大気型の冷却装置を挿入することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う吸着モジュールの一態様を示す概
略図。
【図２】圧および回転器の対応する回転のサイクルを示
す図。
【図３】圧の特徴的なサイクルと、図１のモジュールの
弁の対応する作動相を示すグラフ図。
【図４】２つのモジュールを使用した装置の概略図。
【図５】図４の装置の弁の開閉を示す、図３と同様のグ
ラフ図。
【図６】本発明に従うモジュールの具体的態様を示す概
略図。
【符号の説明】
１…入口 ２…出口 ３，４…通路 ７…再生器 Ａ…吸着装置 Ｃ…タンク Ｄ…モーター Ｉ…入口管 Ｌ…ユーザーライン Ｍ…モジュール Ｏ…出口管 Ｒ…回転器 Ｓ…ガス混合物の供給源

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 分離すべきガス混合物の供給源（Ｓ）と
    常時連通している入口管（Ｉ）；上記ガス混合物の成分
    の少なくとも１つが欠乏しているガスを貯蔵するための
    の少なくとも１つの貯蔵手段（Ｃ，Ｒ）に連結されるべ
    き出口管（Ｏ）；入口管（Ｉ）と出口管（Ｏ）との間に
    直列に設けられた逆回転可能な回転器（Ｒ）および吸着
    装置（Ａ）；並びに回転器（Ｒ）を反対の回転方向に連
    続的に動作させるための手段（Ｂ，Ｄ）を備えた少なく
    とも１個のモジュール（Ｍ）を包含するＶＳＡ型の吸着
    によるガス分離用装置。
  2. 【請求項２】 第１の貯蔵手段（Ｃ）が、欠乏ガスの使
    用のためのライン（Ｌ）に常時連結されていることを特
    徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 少なくとも１つの第２の貯蔵手段（Ｒ）
    が、出口管（Ｏ）のみに連結されていることを特徴とす
    る請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 供給源（Ｓ）と使用ライン（Ｌ）との間
    に並列に配置された少なくとも２個の該モジュール（Ｍ
    i ）を含むことを特徴とする請求項１または２記載の装
    置。
  5. 【請求項５】 第１の通路（３）と供給源（Ｓ）との間
    に接続し得る熱再生器（７）を含むことを特徴とする請
    求項１ないし４のいずれか１項記載の装置。
  6. 【請求項６】 吸着装置（Ａ）が、回転器（Ｒ）を収容
    し、防音手段（６）を含むスタンド（５）上に支持され
    ていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１
    項記載の装置。
  7. 【請求項７】 吸着装置（Ａ）の入口（１）と出口
    （２）が、吸着装置の底部に位置することを特徴とする
    請求項４記載の装置。
  8. 【請求項８】 回転器（Ｒ）が、速度可変の電動機
    （Ｄ）によって動作されることを特徴とする請求項１な
    いし７のいずれか１項記載の装置。
  9. 【請求項９】 回転器（Ｒ）が、ルーツ装置であること
    を特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の装
    置。
  10. 【請求項１０】 分離すべきガス混合物の入口と該ガス
    混合物の成分の少なくとも１つが欠乏しているガスの使
    用のためのライン（Ｌ）に接続されうる出口とを有する
    少なくとも１個のモジュールを含み、該モジュールが、
    直列に、逆回転可能な回転器（Ｒ）および吸着装置
    （Ａ）を備えたＶＳＡ型の吸着によるガス分離用装置を
    使用するための方法であって、連続的な工程欠乏ガス
    （Ｌ）を送るために大気圧よりも高い高サイクル圧でガ
    ス混合物を吸着装置に供給するために第１の相の間、回
    転器を第１の方向に動作させる工程；回転器の駆動を中
    断する工程；０．６×１０5 Ｐａを越えない低サイクル
    圧まで吸着装置を減圧するために第２の相の間、第２の
    方向に回転器を動作させる工程、および回転器の駆動を
    中断する工程方法を包含するサイクルに従う方法。
  11. 【請求項１１】 低サイクル圧が、０．３〜０．５×１
    ０5 Ｐａであることを特徴とする請求項１０記載の方
    法。
  12. 【請求項１２】 各々の相（Ｔ0 −Ｔ1 ）；（Ｔ1 −Ｔ
    2 ）の終了時近くの一定期間（ｋ，ｋ’）、回転器
    （Ｒ）の機械的駆動を中断することを特徴とする請求項
    １０記載の方法。
  13. 【請求項１３】 回転器（Ｒ）の速度が、相によって異
    なることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか
    １項記載の方法。
  14. 【請求項１４】 第１の相（Ｔ0 −Ｔ1 ）の最初の部分
    （ａ）の間、該欠乏ガスが同時に吸着装置（Ａ）の出口
    （２）を通って該吸着装置内に導入されることを特徴と
    する請求項１０ないし１３のいずれか１項記載の方法。
  15. 【請求項１５】 第２の相（Ｔ1 −Ｔ2 ）の最初の部分
    （ｄ）の間、該欠乏ガスが同時に吸着装置（Ａ）の出口
    （２）から排出されることを特徴とする請求項１０ない
    し１４のいずれか１項記載の方法。
  16. 【請求項１６】 第１の相（Ｔ0 −Ｔ1 ）と第２の相
    （Ｔ1 −Ｔ2 ）の最初の部分（ａ；ｄ）が同じ続行期間
    を有することを特徴とする、少なくとも２個のモジュー
    ル（Ｍi ）を使用した請求項１４または１５記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】 各々のモジュール（Ｍi ）に関して、
    第１の相（Ｔ0 −Ｔ1 ）と第２の相（Ｔ1 −Ｔ2 ）が同
    じ続行期間を有することを特徴とする、２個のモジュー
    ル（Ｍi ）を使用した請求項１０ないし１６のいずれか
    １項記載の方法。
  18. 【請求項１８】 各々のモジュール（Ｍi ）に関して、
    第２の相（Ｔ1 −Ｔ2 ）の続行期間が第１の相（Ｔ0 −
    Ｔ1 ）の続行期間の２倍であることを特徴とする、３個
    のモジュールを使用した請求項１０ないし１６のいずれ
    か１項記載の方法。
  19. 【請求項１９】 回転器（Ｒ）が、各々の相において実
    質的に同じ速度で駆動されることを特徴とする請求項１
    ８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 第１の相（Ｔ0 −Ｔ1 ）の間、回転器
    （Ｒ）が第２の相（Ｔ1 −Ｔ2 ）の間の回転速度よりも
    遅い速度で駆動されることを特徴とする請求項１０ない
    し１７のいずれか１項記載の方法。
  21. 【請求項２１】 分離すべき混合物が、空気であること
    を特徴とする請求項１０ないし２０のいずれか１項記載
    の方法。
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