JPS63315504A

JPS63315504A - 酸素濃縮装置の起動方法

Info

Publication number: JPS63315504A
Application number: JP62147869A
Authority: JP
Inventors: Masaomi Tomomura; 友村　政臣; Jinichi Tomuro; 戸室　仁一; Tetsuro Haga; 鉄郎芳賀; Shunsuke Nokita; 舜介野北; Akio Yamamoto; 昭夫山本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-06-16
Filing date: 1987-06-16
Publication date: 1988-12-23
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: JP2532097B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ゼオライト等の窒素及び炭酸ガスを選択的に
吸着する吸着剤を用いて圧力スイング吸着（ＰＳＡ法と
称する）によって空気から酸素と窒素を分離し、酸素濃
縮ガスを得る酸素濃縮装置の起動方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、空気から酸素を分離し、酸素濃縮ガスを得る方法
として深冷分離法が知られているが省エネルギー及び起
動の容易さの観点から最近ではＰＳＡ法による吸着分離
法が検討され、電炉及び漂白等で工業化されている。一
般に、ＰＳＡ法では合成ゼオライト、改質ゼオライト及
び天然ゼオライト等の窒素を選択的に吸着する吸着剤を
充填した複数個の吸着塔を用い常温かつ比較的低圧にお
ける加圧操作、吸着操作及び脱着操作を経て空気から酸
素濃縮ガスと窒素濃縮ガスを分離する。

この種の装置として関連するものには、例えば特公昭５
５−３２１号、同５４−９５８７号等があげられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術による酸素の供給は一般に大型の専用プラ
ン゛トから生成されたものを高圧ガスボンベに充填して
これを持ち運んでいたものであるが、これでは災害時な
ど緊急の場合に用をなさない恐れもあり、あるいは保存
等に難が多く、さらには高圧による危険と取扱い規制を
供なう。また、酸素濃縮装置を設置するにあたってもこ
れらは装置が大型で、従来の運転方法では連続的に使用
しなければ起動後ただちに酸素を生成できないという問
題があった。そこで、本発明は起動及び再起動後ただち
に濃縮酸素を利用しうる酸素濃縮装置の起動方法を提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、酸素濃縮装置運転終了時に、切替弁を開放
してバッファタンクから酸素濃縮ガスを吸着塔に供給し
た状態で停止することにより、任意時間停止後の再起動
後直ちに酸素濃縮ガスを生成できるようにすることから
達成できる。

〔作　用〕

本発明の酸素濃縮ガスの起動方法においては、バッファ
タンクから酸素濃縮ガスを塔上部に供給することによっ
て、塔上部の酸素分圧が増加し、塔底部に窒素吸着帯が
移動するため、吸着操作を実施した場合、塔上部から製
品として酸素濃度の高いガスが直ちに得られるので、起
動時間が短くてすむ。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

２個の吸着塔ＩＡ、ＩＢにはそれぞれ原料ガス送大切り
替え用の弁１１Ａ、　ＩＩＢ、減圧時脱着ガス抜き出し
切り替え用の弁１２Ａ、１２Ｂ、製品ガス送り出し切り
替え用の弁１５Ａ、１５Ｂ、バッファタンク２からのガ
ス送大切り替え用の弁１６Ａ、　１６Ｂ、を備えている
。原料ガス２１は圧縮機３により吸着圧力まで加圧され
た後、弁１１で選択された吸着塔１に供給される。吸着
工程で分離濃縮されたガスは弁１５で選択された吸着塔
１から取り出され製品タンク２に一時的に貯えられ、大
部分が製品ガス２２として系外に取り出される。製品タ
ンク２に貯えられたガスの残部は弁１６で選択された吸
着塔１に送られ、常圧パージ、予備加圧に使用される。

脱着ガスに関しては、大気圧開放時は弁１２で選択され
た吸着塔ｌから脱着ガス２３が大気に放出され、減圧時
は弁１２で選択された吸着塔１から真空ポンプ４で吸引
された脱着ガス２３が大気に放出される。

２個の吸着塔１１Ａ、ＩＩＢは経時的に吸着と再生が繰
り返されるが、空気から酸素を分離濃縮する場合を例と
してその内容を更に詳細に説明する。

吸着塔ＩＡに原料ガスである空気を供給する工程を工程
Ｉとし、以下連続する工程を順を追って説明する。

工程■においては、圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁１１Ａを通
り吸着塔ＩＡに供給され、製品酸素として弁１５Ａを通
り製品タンク２に貯蔵される。

この間に、吸着塔ＩＢは弁１２Ｂを開いたまま、真空ポ
ンプ４により減圧排気される。

工程■においては、吸着塔ＩＡは弁１２Ａを開いたまま、真空ポンプ４によ
り減圧排気される。

この間に、圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁
１１Ｂを通り吸着塔ＩＢに供給され、製品酸素として弁
１５Ｂを通り製品タンク２に貯蔵される。

通常は工程■完了後は再び工程Ｉに戻るが、装置運転終
了時には、工程■完了後に工程■の状態でサイクルを止
める。

工程■においては、バッファタンク２からの酸素富化ガスは弁１６Ａを通り
、吸着塔ＩＡに供給される。この操作により、吸着塔Ｉ
Ａの塔上部の酸素分圧が増加するため、任意時間停止後
の再起動後直ちに酸素濃縮ガスを生成しうる。

弁の開閉シーケンスは第１表の通りとなる。

（本頁以下余白）第１表第１図に示す圧力スイング吸着装置を、第１表の操作手
順によって運転した。操作条件は、吸着塔容積２１が２
基、吸着圧力１．５気圧、再生圧力０．３４気圧、サイ
クル時間１２０Ｓとした。

通常運転、すなわち工程Ｉ及び■を行わせた場合及び本
発明による運転を行なわせた場合について第２図に示す
。

その結果、通常運転時には、酸素濃度９０％の製品ガス
を得るのに３０分を要したが、本発明による運転を行な
わせた結果、同一操作条件において、１分以内に所定濃
度の製品ガスが得られ、ＰＳＡの起動性能の改善が図れ
た。

さらに、本発明のもう一つの実施例を第３図により説明
する。

４個の吸着塔ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ，ＩＤにはそれぞれ原料
ガス送大切り替え用の弁１１Ａ−Ｄ、減圧時脱着ガス抜
き出し切り替え用の弁１２Ａ　−Ｄ、大気開放時脱着ガ
ス抜き出し切り替え用の弁１３Ａ〜Ｄ、直列接続時の中
間濃縮ガス送り出し切り替え用の弁１４Ａ−Ｄ、製品ガ
ス送り出し切り替え用の弁１５Ａ−Ｄ、製品ガス送大切
り替え用の弁１６Ａ〜Ｄを備えている。原料ガス２１は
圧縮機３により吸着圧力まで加圧された後、弁１１で選
択された吸着塔１に供給される。吸着工程で分離濃縮さ
れたガスは弁１６で選択された吸着塔１から取り出され
製品タンク２に一時的に貯えられ、大部分が製品ガス２
２として系外に取り出される。製品タンク２に貯えられ
たガスの残部は弁１５で選択された吸着塔１に送られ、
減圧パージ、予備加圧に使用される。

脱着ガスに関しては、大気圧開放時は弁１３で選択され
た吸着塔１から吸着ガス２４が大気に放出され、減圧時
・減圧パージ時は弁１２で選択された吸着塔１から真空
ポンプ４で吸引された脱着ガス２３が大気に放出される
。

４個の吸着塔ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ，１０は経時的に吸着と
再生が繰り返されるが、空気から酸素を分離濃縮する場
合を例としてその内容を更に詳細に説明する。

工程Ｉにおいては、圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁１１Ａを通
り吸着塔ＩＡに供給される。吸着塔ＩＡで粗濃縮された
酸素は弁１４Ａを通り吸着塔ＩＢに供給され、更に濃縮
される。吸着塔ＩＢから取り出されるガスは製品酸素と
して弁１６Ｂを通り製品タンク２に貯蔵される。

この間に、吸着塔ＩＣ及び吸着塔ＩＤが再生されるが、
操作は前半の工程１ａと後半の工程１ｂとに分かれる。

前半の工程１ａにおいて、吸着塔ＩＣは前工程（後述す
る工程ＩＶｂに相当）に引き続き弁１２Ｃを開いたまま
真空ポンプ４により減圧排気されるが、これに加えて弁
１５Ｃを開き吸着塔ｌＣの圧力がほぼ０．４気圧に保た
れるよう流量制御弁１９で流量を調節しながら製品酸素
を吸着時と逆方向に流し、吸着剤からの窒素の脱着を促
進する。一方、前工程で空気を供給されていた吸着塔Ｉ
Ｄは弁１３Ｄを開き大気圧付近まで降圧し吸着剤に吸着
されていたガスの一部を脱着ガス２４として大気に放出
する。

この時、必要に応じて本工程の全期間または一部の期間
弁１５Ｄを開き製品酸素を吸着時と逆方向に流すことに
より吸着剤からの窒素の脱着を促進し、大気に放出する
脱着ガス２４の量を増大させ真空ポンプ４の所要動力を
一層低減することも可能である。

後半の工程１ｂにおいて、吸着塔ＩＣは弁１５Ｃを開い
たまま流量制御弁１９を全開とし、製品酸素を吸着時と
逆方向に流し、吸着圧力である１、５気圧付近まで加圧
する。一方、吸着塔ＩＤは弁１２Ｄを開き大気圧付近か
ら０．４気圧まで真空ポンプ４により減圧され脱着ガス
２３を排気する。

次の工程■においては、圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁１１Ｂを通
り吸着塔ＩＢに供給される。吸着塔ＩＢで粗濃縮された
酸素は弁１４Ｂを通り吸着塔ＩＣに供給され、更に濃縮
される。吸着塔ＩＣから取り出されるガスは製品酸素と
して弁１６Ｃを通り製品タンク２に貯蔵される。

この間に、吸着塔ＩＤ及び吸着塔ＩＡが再生されるが、
操作は前半の工程Ｕａと後半の工程ｎｂとに分かれる。

前半の工程Ｕａにおいて、吸着塔ＩＤは工程■ｂに引き
続き弁１２Ｄを開いたまま真空ポンプ４により減圧排気
されるが、これに加えて弁１５Ｄを開き吸着塔ＩＤの圧
力がほぼ０．４気圧に保たれるよう流量制御弁１９で流
量を調節しながら製品酸素を吸着時と逆方向に流し、吸
着剤からの窒素の脱着を促進する。一方、前工程で空気
を供給されていた吸着塔ＩＡは弁１３Ａを開き大気圧付
近まで降圧し吸着剤に吸着されていたガスの一部を脱着
ガス２４として大気に放出する。この時、必要に応じて
本工程の全期間または一部の期間弁１５Ａを開くことは
工程１ａと同様である。

後半の工程ｎｂにおいて、吸着塔ＩＤは弁１５Ｄを開い
たまま流量制御弁１９を全開とし、製品酸素を吸着時と
逆方向に流し、吸着圧力である１、５気圧付近まで加圧
する。一方、吸着塔ＩＡは弁１２Ａを開き大気圧付近か
ら０．４気圧まで真空ポンプ４により減圧され脱着ガス
２３を排気する。

次の工程■においては、圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁１１Ｃを通
り吸着塔ＩＣに供給される。吸着塔ＩＣで粗濃縮された
酸素は弁１４Ｃを通り吸着塔ＩＤに供給され、更に濃縮
される。吸着塔ＩＤから取り出されるガスは製品酸素と
して弁１６Ｄを通り製品タンク２に貯蔵される。

この間に、吸着塔ＩＡ及び吸着塔ＩＢが再生されるが、
操作は前半の工程ｍａと後半の工程ｍｂとに分かれる。

前半の工程ｍａにおいて、吸着塔ＩＡは工程■ｂに引き
続き弁１２Ａを開いたまま真空ポンプ４により減圧排気
されるが、これに加えて弁１５Ａを開き吸着塔Ｉへの圧
力がほぼ０．４気圧に保たれるよう流量制御弁１９で流
量を調節しながら製品酸素を吸着時と逆方向に流し、吸
着剤からの窒素の脱着を促進する。一方、前工程で空気
を供給されていた吸着塔ＩＢは弁１３Ｂを開き大気圧付
近まで降圧し吸着剤に吸着されていたガスの一部を脱着
ガス２４として大気に放出する。この時、必要に応じて
本工程の全期間または一部の期間弁１５Ｂを開くことは
工程Ｔａと同様である。

後半の工程ｍｂにおいて、吸着塔ＩＡは弁１５Ａを開い
たまま流量制御弁１９を全開とし、製品酸素を吸着時と
逆方向に流し、吸着圧力である１、５気圧付近まで加圧
する。一方、吸着塔ＩＢは弁１２Ｂを開き大気圧付近か
ら０．４気圧まで真空ポンプ４により減圧され脱着ガス
２３を排気する。

最後に工程■においては、圧縮機３で１．５気圧に加圧された空気が弁１１Ｄを通
り吸着塔ＩＤに供給される。吸着塔ＩＤで粗濃縮された
酸素は弁１４Ｄを通り吸着塔ＩＡに供給され、更に濃縮
される。吸着塔ＩＡから取り出されるガスは製品酸素と
して弁１６Ａを通り製品タンク２に貯蔵される。

この間に、吸着塔ＩＢ及び吸着塔ＩＣが再生されるが、
操作は前半の工程ｒＶａと後半の工程ＩＶｂとに分かれ
る。

前半の工程■ａにおいて、吸着塔ＩＢは工程■ｂに引き
続き弁１２Ｂを開いたまま真空ポンプ４により減圧排気
されるが、これに加えて弁１５Ｂを開き吸着塔ＩＢの圧
力がほぼ０．４気圧に保たれるよう流量制御弁１９で流
量を調節しながら製品酸素を吸着時と逆方向に流し、吸
着剤からの窒素の脱着を促進する。一方、前工程で空気
を供給されていた吸着塔ＩＣは弁１３Ｃを開き大気圧付
近まで降圧し吸着剤に吸着されていたガスの一部を脱着
ガス２４として大気に放出する。この時、必要に応じて
本工程の全期間または一部の期間弁１５Ｃを開くことは
工程１ａと同様である。

後半の工程ＩＶｂにおいて、吸着塔ＩＢは弁１５Ｂを開
いたまま流量制御弁１９を全開とし、製品酸素を吸着時
と逆方向に流し、吸着圧力である１、５気圧付近まで加
圧する。一方、吸着塔ＩＣは弁１２Ｃを開き大気圧付近
から０．４気圧まで真空ポンプ４により減圧され脱着ガ
ス２３を排気する。

通常運転では工程■完了後は再び工程■に戻る。

なお、弁１１〜１６については特に記載されているもの
を除き次の工程へ移行する時に閉じられる。

本発明によれば、装置運転終了時には、工程■完了後に
工程Ｖに移行し、その状態にてサイクルを止め、任意時
間停止後の再起動時に工程■から開始し、工程Ｉ〜■を
順次繰り返す。

工程■において、タンク２からの酸素富化ガスは弁１６
Ａ、１６Ｂを通り、それぞれ吸着塔ＩＡ、ＩＢに供給さ
れに。この操作により、吸着塔ＩＡ。

ＩＢの塔上部の酸素分圧が増加するため、任意時間停止
後の再起動後直ちに酸素濃縮ガスを生成しうる。従って
、本発明による弁の開閉シーケンスは第２表の通りとな
る。

（本頁以下余白）第　　２　　表吸着塔ｌとして内径３９Ｒ２長さ１．７ｍの塔を４−個
用い、それぞれの塔に約１．２　ｋｇの５Ａ型ゼオライ
トを吸着剤として充填し、前半工程１０秒、後半工程５
０秒、計１分を一工程とし、上記の工程を繰り返した時
の酸素濃度の経時変化を第４図に示した。比較のために
、本発明を実施せずに工程Ｉ〜■を運転した通常運転の
場合の結果を第４図に併記した。本発明によってＰＳＡ
の起動特性が改善できることが分った。

本発明の酸素′ａ縮ガスの起動方法を自動車用エンジン
に適用する場合の構成図を第５図に示す。

エンジンの混合器のような被供給装置５１から供給され
たガスをＰＳＡ酸素濃縮装置５２に導いて、酸素富化ガ
スを生成し、そのガスを自動車用エンジンに導いてエン
ジンの燃焼効率を高めることができる。ＰＳＡ酸素濃縮
装置５２として、本発明の起動方法、すなわち、第１図
の装置により、第１表のシーケンスを行なわせることに
より、酸素濃度の立ち上がりが早くなるため、自動車へ
の適用が可能となり、エンジンの起動特性の向上が図れ
る。

その際に、自動車のイグニッションキーを切った場合に
、前記第１表の工程■まで行わせてから工程を完了させ
る。

また、本発明は医療用にも良好に適用できる。

すなわち、従来のＰＳＡでは、起動してから正常運転に
至るまでに数１０分要し、災害時など緊急の場合に難が
あったが、本発明により、起動、再起動後ただちに酸素
富化ガスを得ることが可能となるため、吸着法による酸
素濃縮の信頼性の向上が図れた。

さらに、本発明は微生物の培養にも適用できる。

すなわち、微生物は成長に伴って酸素を消費するが、成
長速度に応じて酸素を供給できれば増殖効率が高くなる
。そのためには、酸素要求量に対する負荷応答性の高さ
が要求されており、本発明によって、微生物培養への適
用が可能となる。

さらに、本発明の酸素濃縮装置の起動方法を石炭ガス化
複合発電（Ｔｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｇａ５１ｆｉｃａｔ
ｊｏｎ　Ｃｏｎｂｉｎｅｄ　Ｃｙｃｌｅ　　；通称ＩＧ
ＣＣ）に適用した場合の構成図を第６図に示す。酸素吹
きＩ　ＧＣＣを実用化するためには、昼間と夜間の電力
使用量に応じたＤ　Ｓ　Ｓ　（Ｄａｉｌｙ　５ｔａｒｔ
　ａｎｄ　５ｔｏｐ）運転が不可決であり、そのために
は酸素ン農縮装置の起動時間を短縮しなければならない
。本発明は、その要求を満たすものであり、ＰＳＡ酸素
濃縮装置をＩＧＣＣに適用することが可能となった。

〔発明の効果〕

本発明の酸素濃縮ガスの起動方法によれば、起動後直ち
に酸素濃縮ガスを得ることができるので、負荷応答性を
要求される酸素利用機器への利用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の２塔式酸素濃縮装置のシス
テム図、第２図は第１図のシステム運転時の起動特性図
、第３図は本発明の他の実施例の４塔式酸素濃度装置の
システム図、第４図は第３図のシステム運転時の起動特
性図、第５図は本発明の応用例の構成図、第６図は本発
明のもう一つの応用例の構成図である。１・・・吸着塔、２・・・バッファタンク、３・・・圧
縮機、４・・・真空ポンプ、１１〜１６・・・切替弁。

Claims

【特許請求の範囲】

１、空気中の酸素に比べて窒素及び炭酸ガス等をより多
く吸着する吸着剤を充填した少なくとも２以上の吸着塔
に加圧空気を供給し、該吸着剤により濃縮された酸素を
吸着塔から取り出すとともに、該吸着工程終了後、上記
吸着塔の加圧空気供給口を大気開放し、上記吸着工程時
に吸着剤に吸着された窒素及び炭酸ガス等を吸着剤から
分離させて外部に放出する操作を交互に動作させて生成
した酸素濃縮ガスを所定のバッファタンクに加圧貯溜す
る酸素濃縮装置の起動方法において、当該酸素濃縮運転
終了時に、切替弁を開放してバッファタンクから酸素濃
縮ガスを吸着塔に供給した状態で停止することにより、
任意時間停止後の再起動後直ちに酸素濃縮ガスを生成し
うるようにすることを特徴とする酸素濃縮装置の起動方
法。