JPH11333236A - 気体分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はガス分離膜の分離性能を安定化させ
ることを課題とする。 【解決手段】 窒素ガス発生装置１１は、ガス分離膜か
らなる中空糸膜が充填された膜モジュール１２，１３を
用いて窒素ガスを分離生成するよう構成されている。窒
索ガス発生装置１１が起動された当初、温度センサ３０
による計測温度ｂが設定ガス温度ａに達するまでバイパ
ス管路１５を介してアフタークーラ１９から吐出される
約６０°Ｃの圧縮空気が膜モジュール１２，１３に供給
される。そのため、膜モジュール１２，１３の温度を短
時間で上昇させることができ、従来の装置よりも膜モジ
ュール１２，１３の分離性能の安定化を促進することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気体分離装置に係
り、特に空気から窒素ガスを分離するガス分離膜に空気
圧縮機より圧縮空気を供給して窒素ガスを取り出すよう
構成された気体分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に窒素ガス発生装置における窒素ガ
ス分離方法には、深冷分離式、ＰＳＡ式や膜分離
式等がある。 深冷分離式の窒素ガス分離方法では、空気を冷却して
液化し、液化温度の違いにより窒素と酸素及びその他の
ガスを分離する方法である。

【０００３】ＰＳＡ式は、窒素と酸素の吸着材に対す
る吸脱着速度差を利用して分離する方法である。このＰ
ＳＡ式の場合、小型化も可能であり、窒素ボンベの代替
えとして酸素を嫌う食品の充填剤として利用されている
が、機器構成や制御が複雑になる。 膜分離式は、多数の中空糸が充填された膜モジュール
に空気を通気すると、中空糸を透過する酸素と透過しな
い窒素とに分離することができる。この膜分離式は、上
記ＰＳＡ式のものよりもさらに小型化が可能であり、同
容量のＰＳＡ式のものに比べて取り出される窒素ガスの
純度が若干低くなる。

【０００４】上記従来の深冷分離式の窒素ガス分離方法
では、大量に処理できる利点はあるが、冷却等に多くの
エネルギを要するため、ガスを取り扱うガスメーカの大
規模プラントなどでしか採用できない。また、上記従来
の空気圧縮機を利用したＰＳＡ式のものは、一対の吸着
槽へ交互に圧縮空気を供給して窒素と酸素に分離させる
構成であり、窒素ガス取り出し後には吸着槽内のガスを
排気して吸着剤を再生させる必要がある。そのため、各
吸着槽の給気側及び排気側に電磁弁を設け、複数の電磁
弁を各工程毎に開閉制御しなればならない。

【０００５】これに対し、膜分離式のものは、空気圧縮
機と膜モジュールのみという簡単な構成となるため、装
置の小型化や低価格化が図れると共に、高純度を必要と
しない使用方法に好適である。そのため、膜分離式の気
体分離装置の開発が促進されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記膜
分離式の気体分離装置では、窒素の分離性能を膜モジュ
ールの性状に依存しており、所定の分離性能を保つため
には、膜モジュールへ供給される原料空気の性状（例え
ば、流量、圧力、含水量、温度など）を安定させること
が重要である。特に、膜モジュールは、供給される空気
温度の使用可能範囲が決められており、例えば４０〜６
０°Ｃ程度に設定されている。

【０００７】一方、空気圧縮機は、大略、圧縮空気を生
成するピストン・シリンダ部を有する空気圧縮部と、空
気圧縮部から吐出された圧縮空気を貯溜する空気タンク
とから構成されている。この種の空気圧縮機において
は、空気圧縮部で圧縮された空気温度が約２００°Ｃま
で上昇しているので、このままでは空気が膨張し過ぎて
空気タンクに圧縮空気を溜める際の効率が悪い。そのた
め、空気圧縮部から吐出された圧縮空気は、アフタクー
ラで冷却された後、空気タンクに供給される。そして、
空気タンクでは、所定圧力に加圧された圧縮空気を貯溜
することにより、圧縮空気の安定供給が可能になると共
に、貯溜時間によって空気温度を低下させることができ
る。

【０００８】そのため、空気圧縮機では、空気圧縮部で
生成された圧縮空気が供給される空気タンク内が所定圧
力となり、空気タンク内の空気温度が膜モジュールに適
した温度（例えば４０〜６０°Ｃ程度）に達するまで時
間を要する。従って、従来は、膜モジュールに供給され
る圧縮空気の温度が徐々に上昇して膜モジュールが所定
温度に達して安定するまでには、約１時間以上要するこ
とがある。

【０００９】よって、従来の膜分離式の気体分離装置で
は、上記のような理由により膜モジュールの分離性能が
安定するのは起動後１時間以上経ってからであり、窒素
ガスが安定的に取り出されるまでにはかなりの時間を要
するといった問題がある。そこで、本発明は上記問題を
解決した気体分離装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は以下のような特徴を有する。上記請求項１
記載の発明は、圧縮空気を生成する空気圧縮部と該空気
圧縮部で生成された圧縮空気を貯蔵する空気タンクとか
らなる空気圧縮機と、空気を窒素と酸素とに分離するガ
ス分離膜に空気タンクからの圧縮空気を供給し、該ガス
分離膜から窒素又は酸素の一方を製品ガスとして取り出
す気体分離装置において、前記ガス分離膜の温度が低い
とき、前記空気圧縮部により生成された圧縮空気を前記
空気タンクを介さずに前記ガス分離膜へ供給する空気供
給手段を設けたことを特徴とするものである。

【００１１】従って、上記請求項１記載の発明によれ
ば、ガス分離膜の温度が低いとき、空気圧縮部により生
成された圧縮空気を空気タンクを介さずに直接ガス分離
膜へ供給するため、ガス分離膜の分離性能が安定するま
での時間を短縮することができる。また、上記請求項２
記載の発明は、前記請求項１記載の気体分離装置におい
て、前記ガス分離膜により分離された製品ガスを取り出
す製品ガス取り出し管路に温度検出手段を設け、前記空
気供給手段は、前記温度検出手段により検出された温度
が予め設定された所定温度以下のとき、前記空気圧縮部
により生成された圧縮空気を前記空気タンクを介さずに
前記ガス分離膜へ供給することを特徴とするものであ
る。

【００１２】従って、上記請求項２記載の発明によれ
ば、温度検出手段により検出された温度が予め設定され
た所定温度以下のとき、空気圧縮部により生成された圧
縮空気を空気タンクを介さずにガス分離膜へ供給するた
め、ガス分離膜の分離性能が不安定な状態であるときに
空気圧縮部により生成された圧縮空気が直接供給されて
ガス分離膜の分離性能が安定するまでの時間を短縮する
ことができる。

【００１３】また、上記請求項３記載の発明は、前記請
求項１記載の気体分離装置において、起動開始から予め
設定された所定時間が経過するまで前記空気圧縮部によ
り生成された圧縮空気を前記空気タンクを介さずに前記
ガス分離膜へ供給する空気供給手段を設けたことを特徴
とするものである。

【００１４】従って、上記請求項３記載の発明によれ
ば、起動開始から予め設定された所定時間が経過するま
で空気圧縮部により生成された圧縮空気を空気タンクを
介さずにガス分離膜へ供給するため、起動開始当初のガ
ス分離膜の分離性能が不安定な状態であるときに空気圧
縮部により生成された圧縮空気が直接供給されてガス分
離膜の分離性能が安定するまでの時間を短縮することが
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の実施の
形態について説明する。図１は本発明になる気体分離装
置の一実施例としての窒素ガス発生装置の概略構成図で
ある。図１に示されるように、気体分離装置としての窒
素ガス発生装置１１は、空気圧縮機１０により生成され
た圧縮空気を窒素と酸素に分離するガス分離膜からなる
中空糸膜が充填された膜モジュール１２，１３を用いて
空気を酸素と窒素に分離させ、分離された窒素ガスを製
品ガスとして抽出するよう構成されている。尚、本実施
の形態では、空気から窒素ガスを分離生成する窒素ガス
発生装置１１について説明するが、酸素ガス発生装置に
も適用できるのは勿論である。

【００１６】また、窒素ガス発生装置１１は、膜モジュ
ール１２，１３に圧縮空気を供給する空気供給管路１４
と、空気供給管路１４をバイパスするバイパス管路１５
と、膜モジュール１２，１３で分離された製品ガスとし
ての窒素ガスを取り出す窒素ガス供給管路１６とからな
る系路を有する。空気供給管路１４に配設された空気圧
縮機１０は、空気を圧縮する空気圧縮部１８と、膜モジ
ュール１２，１３を保護するため空気圧縮部１８から吐
出された圧縮空気を冷却するアフタークーラ１９と、ア
フタークーラ１９から吐出された空気が加圧された状態
で溜められる加圧タンク（空気タンク）２０とから構成
されている。さらに、空気供給管路１４には、加圧タン
ク２０の余分が空気を排気させるための三方電磁弁２３
と、三方電磁弁２３からの空気を所定圧に減圧する減圧
弁２４と、減圧弁２４からの空気に含まれる不純物を除
去するエアフィルタ２５と、エアフィルタ２５を通過し
た空気を加熱するヒータ２６と、空気の逆流を防止する
逆止弁２７が配設されている。

【００１７】また、バイパス管路１５は、上流側端部が
加圧タンク２０の吐出側に連通され、下流側端部が膜モ
ジュール１２，１３の流入側に連通されている。そし
て、バイパス管路１５には、アフタークーラ１５より吐
出された高温（約６０°Ｃ）の空気を膜モジュール１
２，１３に供給するための流量調節弁２８、電磁弁２９
が配設されている。このバイパス管路１５及び流量調節
弁２８、電磁弁２９は、上記請求項１記載の空気供給手
段に相当する。

【００１８】また、窒素ガス供給管路１６には、膜モジ
ュール１２，１３から吐出された窒素ガスの温度を測定
する温度センサ（温度検出手段）３０と、窒素ガスの濃
度を測定させるための三方電磁弁３１と、窒素ガスの流
量を所定値に調整する流量調整器３２と、窒素ガスの取
り出し弁として機能する電磁弁３３が配設されている。
尚、温度センサ３０は、膜モジュール１２，１３から吐
出された空気の温度を測定しており、実質的に膜モジュ
ール１２，１３自体の温度を測定することができる。

【００１９】空気圧縮部１８において圧縮された空気
は、アフタークーラ１９を通過して約２００°Ｃから約
６０°Ｃまで冷却された後、加圧タンク２０へ導かれ
る。加圧タンク２０内の圧力は、圧力計２１により監視
されている。アフタークーラ１９により空気圧縮機１８
から吐出された空気が冷却されるのは、加圧タンク２０
内に圧縮された空気を貯溜させる際の効率を高めるため
である。また、アフタークーラ１９は、空気圧縮機１８
から吐出された空気を冷却するため、バイパス管路１５
を介して膜モジュール１２，１３に供給される圧縮空気
の温度を低下させて膜モジュール１２，１３が損傷する
ことを防止している。

【００２０】加圧タンク２０内にて凝縮された水分は、
ドレン弁２２より系外に排出される。また、加圧タンク
２０にて４０°Ｃまで冷却された空気は、三方電磁弁２
３、減圧弁２４、エアフィルタ２５を介してヒータ２６
により約５０°Ｃまで再度加熱され、逆止弁２７を介し
て膜モジュール１２，１３へ導かれる。図２は膜モジュ
ール１２，１３の構成を示す縦断面図である。

【００２１】図２に示されるように、膜モジュール１
２，１３は、筒状のハウジング３５の内部３５ａに窒素
富化膜として機能する中空糸膜３６が多数収納されてい
る。多数の中空糸膜３６は、一本に結束されており、上
流側端部が空気供給管路１４に連通され、下流側端部が
窒素ガス供給管路１６に連通されている。各中空糸膜３
６は、微細な通路３６ａを有する管であり、加圧された
空気が流入されると、窒素分子より小さい酸素分子が中
空糸膜３６の内壁を通過してハウジング３５の内部３５
ａに抽出されると共に、窒素分子が中空糸膜３６の通路
３６ａを通過して窒素ガス供給管路１６に吐出される。
また、ハウジング３５の内部３５ａに抽出された酸素ガ
スは、排気口３５ｂから外部に排気される。

【００２２】上記中空糸膜３６に分離性能は、膜モジュ
ール１２，１３へ供給される原料空気の性状（例えば、
流量、圧力、含水量、温度など）によって変動するた
め、膜モジュール１２，１３へ供給される空気の温度が
変動すると、窒素ガス供給管路１６に吐出される窒素ガ
スの流量も変動してしまう。そのため、膜モジュール１
２，１３に分離性能を安定させるためには、膜モジュー
ル１２，１３の温度を安定させる必要がある。

【００２３】このように、膜モジュール１２，１３にお
いて、圧縮された空気が窒素富化ガスと酸素富化ガスに
分離される。そして、窒素冨化ガスは、窒素ガス供給管
路１６に吐出され、温度センサ３０、三方電磁弁３１を
介して流量調整弁３２に供給される。そして、流量調整
弁３２では、空気供給量を所望の流量に調整した後、電
磁弁３３を介して系外へ吐出される。

【００２４】ここで、アフタークーラ１５より吐出され
た高温（約６０°Ｃ）の空気は、後述するように流量調
節バルブ２８、電磁弁２９の開弁動作によりバイパス管
路１５を介して膜モジュール１２，１３へ供給される。
そのため、膜モジュール１２，１３は、通常流通する空
気の温度（約５０°Ｃ）よりやや高い温度の空気（約６
０°Ｃ）によって暖められるため、中空糸膜３６の安定
時間が短くなる。

【００２５】また、このとき、膜モジュール１２，１３
へ供給されない余分な空気は、加圧タンク２０に供給さ
れる。そして、加圧タンク２０に供給された圧縮空気
は、三方電磁弁２３の切り替え動作により流量調整バル
ブ３７を介して系外に放出される。これは、空気圧縮部
１８の容量が膜モジュール１２，１３の容量よりも大き
く設定されており、膜モジュール１２，１３の分離可能
な流量よりも空気圧縮部１８の空気吐出流量の方が充分
な余裕が持たせてあるからである。また、何らかの原因
で吐出が停止した場合、減圧弁２４に設けられた消音器
３８より系外へ排出される。

【００２６】窒索ガスの純度は、三方電磁弁３１より分
岐された分岐管路３９に配設された流量調整弁４０を介
して分岐管路３９に導かれる酸素濃度計４１にて酸素濃
度を計測することで求まる。上記のように構成された窒
素ガス発生装置１１の各機器は、制御回路４２により制
御される。

【００２７】ここで、制御回路４２が実行する制御処理
について説明する。図３は制御回路４２が実行する制御
処理のフローチャートである。図３に示されるように、
制御回路４２は先ずステップＳＰ１（以下「ステップ」
を省略する）で窒素ガス発生装置１１を起動した後、Ｓ
Ｐ２にてバイパス管路１５に設けられた電磁弁２９を開
くと共に、空気供給管路１４に設けられた三方電磁弁２
３を加圧タンク２０と流量調整バルブ３７とが連通され
るように切り替え動作させる。これにより、アフターク
ーラ１９から吐出される約６０°Ｃの圧縮空気がバイパ
ス管路１５を介して膜モジュール１２，１３に供給され
ると共に、加圧タンク２０に供給された余分な空気が流
量調整バルブ３７を介して排気される。

【００２８】次のＳＰ３では、予め設定された設定ガス
温度ａを読み込む。そして、ＳＰ４では、温度センサ３
０により計測された温度、すなわち膜モジュール１２，
１３から吐出された窒素ガスの計測温度ｂを読み込む。
そして、ＳＰ５において、設定ガス温度ａと計測温度ｂ
とが等しくない場合（ａ≠ｂ）、ＳＰ６に進み、設定ガ
ス温度ａより計測温度ｂが大きいかどうかを判定する。
また、ＳＰ６において、設定ガス温度ａより計測温度ｂ
が小さい場合（ａ＞ｂ）は膜モジュール１２，１３の温
度が設定ガス温度ａに達してしないので、上記ＳＰ４に
戻り、ＳＰ４〜ＳＰ６の処理を繰り返す。これにより、
膜モジュール１２，１３の温度が徐々に上昇し、やがて
設定ガス温度ａに達する。これで、膜モジュール１２，
１３の温度が安定化され、膜モジュール１２，１３から
吐出される窒素ガス流量が所定の目標値となり膜モジュ
ール１２，１３の分離性能が安定する。

【００２９】また、ＳＰ５において、設定ガス温度ａと
計測温度ｂとが等しい場合（ａ＝ｂ）、あるいはＳＰ６
において、設定ガス温度ａより計測温度ｂが大きい場合
（ａ＜ｂ）、ＳＰ７に進み、バイパス管路１５に設けら
れた電磁弁２９を閉じると共に、空気供給管路１４に設
けられた三方電磁弁２３を加圧タンク２０と減圧弁２４
とが連通されるように切り替え動作させる。

【００３０】次のＳＰ８では、空気供給管路１４を介し
て膜モジュール１２，１３に圧縮空気を供給することに
より、中空糸膜３６により分離生成された窒素ガスが膜
モジュール１２，１３から得られる。そして、ＳＰ９で
は窒索ガス発生装置１１が停止されるたかどうかをチェ
ックする。ＳＰ９において、窒索ガス発生装置１１が停
止されていないときは、ＳＰ８とＳＰ９の処理を繰り返
しており、膜モジュール１２，１３から吐出される窒素
ガスの抽出を行う。そして、ＳＰ９において、窒索ガス
発生装置１１が停止されたときは、今回の処理を終了さ
せる。

【００３１】このように、窒索ガス発生装置１１が起動
された当初、温度センサ３０による計測温度ｂが設定ガ
ス温度ａに達するまで加圧タンク２０を介さず、バイパ
ス管路１５を介してアフタークーラ１９から吐出される
約６０°Ｃの圧縮空気が直接膜モジュール１２，１３に
供給されるため、膜モジュール１２，１３の温度を短時
間で上昇させることができ、従来の装置よりも膜モジュ
ール１２，１３の分離性能の安定化を促進することがで
きる。

【００３２】図４は制御回路４２が実行する制御処理の
変形例のフローチャートである。図４に示されるよう
に、ＳＰ１１で窒素ガス発生装置１１を起動した後、Ｓ
Ｐ２にてバイパス管路１５に設けられた電磁弁２９を開
くと共に、空気供給管路１４に設けられた三方電磁弁２
３を加圧タンク２０と流量調整バルブ３７とが連通され
るように切り替え動作させる。これにより、アフターク
ーラ１９から吐出される約６０°Ｃの圧縮空気がバイパ
ス管路１５を介して膜モジュール１２，１３に供給され
ると共に、加圧タンク２０に供給された余分な空気が流
量調整バルブ３７を介して排気される。

【００３３】次のＳＰ１３では、予め設定された時間Ｔ
を読み込む。そして、ＳＰ１４では、所定時間Ｔが経過
したかどうかをチェックする。ＳＰ１４において、所定
時間Ｔが経過すると、上記ＳＰ７〜ＳＰ９と同様にＳＰ
１５〜ＳＰ１７の処理を実行する。このように、窒索ガ
ス発生装置１１が起動された当初の所定時間Ｔは、バイ
パス管路１５を介してアフタークーラ１９から吐出され
る約６０°Ｃの圧縮空気が膜モジュール１２，１３に供
給されるため、膜モジュール１２，１３の温度を短時間
で上昇させることができ、従来の装置よりも膜モジュー
ル１２，１３の分離性能の安定化を促進することができ
る。

【００３４】尚、上記実施の形態では、一対の膜モジュ
ール１２，１３が並列に設けられた構成を一例として挙
げたが、これに限らず、１個の膜モジュールあるいは３
個以上の膜モジュールを設ける構成としても良いのは勿
論である。

【００３５】

【発明の効果】上述の如く、請求項１の発明によれば、
ガス分離膜の温度が低いとき、空気圧縮部により生成さ
れた圧縮空気を空気タンクを介さずにガス分離膜へ供給
するため、ガス分離膜の分離性能が安定するまでの時間
を短縮することができる。また、上記請求項２記載の発
明によれば、温度検出手段により検出された温度が予め
設定された所定温度以下のとき、空気圧縮部により生成
された圧縮空気を空気タンクを介さずにガス分離膜へ供
給するため、ガス分離膜の分離性能が不安定な状態であ
るときに空気圧縮部により生成された圧縮空気が直接供
給されてガス分離膜の分離性能が安定するまでの時間を
短縮することができる。

【００３６】また、上記請求項３記載の発明によれば、
起動開始から予め設定された所定時間が経過するまで空
気圧縮部により生成された圧縮空気を空気タンクを介さ
ずにガス分離膜へ供給するため、起動開始当初のガス分
離膜の分離性能が不安定な状態であるときに圧縮空気が
供給されてガス分離膜の分離性能が安定するまでの時間
を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる気体分離装置の一実施例としての
窒素ガス発生装置の概略構成図である。

【図２】膜モジュール１２，１３の構成を示す縦断面図
である。

【図３】制御回路４２が実行する制御処理のフローチャ
ートである。

【図４】制御回路４２が実行する制御処理の変形例のフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１１ 窒素ガス発生装置 １２，１３ 膜モジュール １４ 空気供給管路 １５ バイパス管路 １６ 窒素ガス供給管路 １８ 空気圧縮部 １９ アフタークーラ ２０ 加圧タンク ２３，３１ 三方電磁弁 ２４ 減圧弁 ２５ エアフィルタ ２６ ヒータ ２７ 逆止弁 ２８ 流量調節弁 ２９，３３ 電磁弁 ３０ 温度センサ ３２ 流量調整器 ３５ ハウジング ３６ 中空糸膜 ３９ 分岐管路 ４０ 流量調整弁 ４１ 酸素濃度計 ４２ 制御回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮空気を生成する空気圧縮部と該空気
   圧縮部で生成された圧縮空気を貯蔵する空気タンクとか
   らなる空気圧縮機と、空気を窒素と酸素とに分離するガ
   ス分離膜に空気タンクからの圧縮空気を供給し、該ガス
   分離膜から窒素又は酸素の一方を製品ガスとして取り出
   す気体分離装置において、 前記ガス分離膜の温度が低いとき、前記空気圧縮部によ
   り生成された圧縮空気を前記空気タンクを介さずに前記
   ガス分離膜へ供給する空気供給手段を設けたことを特徴
   とする気体分離装置。
2. 【請求項２】 前記請求項１記載の気体分離装置におい
   て、 前記ガス分離膜により分離された製品ガスを取り出す製
   品ガス取り出し管路に温度検出手段を設け、 前記空気供給手段は、前記温度検出手段により検出され
   た温度が予め設定された所定温度以下のとき、前記空気
   圧縮部により生成された圧縮空気を前記空気タンクを介
   さずに前記ガス分離膜へ供給することを特徴とする気体
   分離装置。
3. 【請求項３】 前記請求項１記載の気体分離装置におい
   て、 前記空気供給手段は、起動開始から予め設定された所定
   時間が経過するまで前記空気圧縮部により生成された圧
   縮空気を前記空気タンクを介さずに前記ガス分離膜へ供
   給することを特徴とする気体分離装置。