JPS6380823A - 圧力変動吸着によるガス分離運転方法 - Google Patents

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、圧力変動吸Ｍ（以下ＰＳＡと称する）による
ガス分離運転方法に関する。特に、得られる製品ガスの
純度の向上と製品ガス濃度の安定化ができるＰＳＡの運
転方法に関する。

［従来の技術］ 従来のＰＳＡ方式によるガス分離操作においては、生成
ガスの濃度が常に不安定であった。

従来のＰＳＡガス分離操作を第１図に示ず２塔式のＰＳ
Ａガス分離装置について説明ｒる。

（１）均圧工程１；吸着工程の終了した吸着塔１２と脱
着（再生）工程の終了した吸着塔１３とを連絡し、比較
的に製品ガス組成に近いガス（均圧ガス）を吸着塔１３
へ回収する工程である。この時、パルプ操作は、パルプ
５．６を開き、パルプ１．２．３，４．７を閉じである
。

（２）昇圧工程；原料ガスを均圧ガスが導入された吸着
塔１３へ導入し、塔内を目的の吸着圧力まで昇圧する工
程である。このとき、吸着塔１２は。

ノロ−、ンＺ−ＦＴ！ｌ’！ｋｌ−Ａξ１ノー／＜大〜
Ｌ啼トｈａ易、Ｑ苓［Ｔ−ゴ１トｈ）ｌ千し蔦ＩＴ力に
保持され、吸着剤を再生する（バルブ２゜３，９は開で
、１．４，５．６は閉である）。

〈３）吸着に程：吸着圧力まで昇圧された吸着塔１３へ
吸着に有効な流速で原料ガスを導入し、同時に他端より
製品ガスを取り出す工程である。この間に吸着塔１２は
前工程と同様に吸着剤の再生をＪ１統中である（バルブ
２，３，６．７及び９は開き、バルブ１，４．５は閉じ
ている）。

（４）均圧工程２；吸着工程の終了した吸着塔１３と、
吸着剤の再生が終了した吸着塔１２とを連絡し、均圧工
程１と同じ操作を行なう工程である。

但し、均圧工程１とはガスの流れ方向が逆で、吸着塔１
３は減圧し、吸着塔１２は昇圧される。バルブ操作は均
圧工程１と同じである。

（ホ）脱着工程：吸着が終了し、塔内に残留した均圧ガ
スを他塔へ送出した吸着塔１３を減圧し、吸着剤の再生
を行なう（再生）工程である。この間、吸着塔１２では
昇圧工程、及びその後の吸着工程が為される。パルプ操
作は１例えば、吸着塔１２が昇圧工程にある時は、バル
ブ２，３，５゜６は閉で、バルブ１，４．７及び９は、
開である。　以上で１サイクルが終了し、順次サイクル
を繰り返し製品ガスを得る。サイクル構成から分かるよ
うに配管１４には、製品ガスが間欠的に流出するので９
通常は製品ガスタンク１５を；￥！２置して流出量変化
を緩和した後、配管１６よりほぼ連続的に製品ガスを得
る方法がとられる。

これら１サイクルを構成する各工程は時間または／及び
塔内圧力値を起動信号にして作動管理された各バルブの
開閉を行ない、自動的に切り換えられるのが通常である
。また、必要により、製品ガス濃度を検知して吸着時間
、供給ガス量を変化させて、製品ガス濃度を一定に保持
する操作が行なわれている。

従って、従来の運転方法では、ＰＳＡ操作の実施中に、
供給ガス量の変化、吸着剤の劣化、吸着温度の変動が生
じると、製品ガス濃度を低下させてしまうか、或いは、
低下した製品ガス濃度を検知した後、所定の濃度に復帰
させる方法がとられるだけである。そのために、少なく
とも一定時間にわたり、ａ度の低下した製品ガスを流出
する欠点があった。

従って、濃度の低いガスが流出する以前に吸着工程を停
止しなければならないが、この制御は従来うまくする方
法がなかった。即ち運転が安定化できる方法が見出され
なかった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明のＰＳＡによるガス分ｌｌ！ｌ運転方法は、吸着
工程における吸着塔の温度変化を検知し、検知した温度
変化により生じた信号を用いて吸着剤充填層が破過しな
いように、吸着時間或いは転換時期を制御し、得られる
製品ガスの純度の向−ヒと製品ガス濃度の安定化を行な
うガス分離の運転法を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は９分離すべき原料ガスを圧力変動吸着により分
離するために脱着された吸着塔を吸着の終了した他の吸
着塔との間で均圧し３次に更に昇圧し、所定圧力下で必
要な吸着を行ない１次に均生する吸着−脱着ザイクルを
繰り返す圧力変動吸着によるガス分離運転において。

吸着工程における吸着塔の温度変化を検知し。

検知した温度変化により生じた信号を用いて吸若剤充ｆ
１層が破過しないように、吸着時間或いは転換時期を制
御し、得られる製品ガスの純度の向上と製品ガス濃度の
安定化を行なうことを特徴とｒる前記ガス分離運転方法
である。

［作用］ ＰＳＡ方法では、吸着圧力のガスを均圧後の吸着塔内へ
導入すると、そのガス吸着により吸着剤層の温度が昇温
する現象が見出された。その温度上昇を検知するために
、吸着塔１塔当り１個以上の温度センサーを適切な位置
に設置し、塔内の温度をを視し、塔内の温度が吸着熱に
より昇温したことにより生じた信号（即ち、昇温前後の
温度差または／及び昇温勾配など）により、吸着工程の
終了のバルブ開閉操作を行なうものである。

更に、１塔当り２個以上の温度センサーを設置１、　信
丑菊か掩）スツシＬ：”　−１−１’ｌ　　鴎美丁理抹
了賎における吸着帯の位置の変更を感知、制御φ°るこ
とにより、製品ガスの濃度を変えることができる。

本発明の運転方法では、吸着時間の終了或いは転換時期
を制御し、得られる製品ガスの純度の向−Ｌと製品ガス
濃度の安定化を行うことのできる運転方法を考案したも
のである。

従来のＰＳＡ操作においては、第２図の（ａ）〜（ｅ）
に示したように順次にガスが導入され、同時に製品ガス
を流出させる。

即ち。

（ａ）均圧ガスで塔内が満たされた均圧圧力下の状ｆ！
　（均圧工程１）。

均圧ガスは、吸着圧力にある吸着塔と、再生圧力にある
吸着塔とを連通して９両塔の圧力差によって流通回収さ
れるため、高圧下で吸着塔を流出する時も低圧下で吸着
塔へ導入される時も高い流速で塔内を通過する［第２図
（ａ）］。

（ｂ）ｊ；（料ガスを注入して吸着圧力まで塔内を加圧
した状態（昇圧工程）。

この間、原料ガスは吸着圧力で供給されるために、均圧
工程の終了した吸着塔内とは差圧があるので原料ガスは
塔内で膨張し、高い流速で塔内に充填される。従って、
吸着塔中央部まで達した原料ガスは供給ガスとほぼ同一
・組成のまま充填される［第２図（ｂ）］。

（ｃ）吸着塔の頂部より製品ガスを流出させ、下部より
原料ガスを供給している状態。

この時、当初流出する製品ガスは、（ａ）にて回収され
た均圧ガスである。この均圧ガスに対する吸着塔の有効
長は、最長で吸着塔の長さの約１／２である。従って、
均圧ガスはほとんど吸着分離されずに１回収された時と
ほぼ同一の組成で製品ガスとして流出する［第２図（Ｃ
）］。

（ｄ）続いて、差圧のために膨張し、高い流速で注入さ
れたために十分に吸着分離されていない原料ガスが流出
するので製品ガス濃度は低下する。しかし、流出する製
品ガスは昇圧時＜ｂ＞に塔の中央付近と塔底付近に充填
されたガスとでは吸着塔の有効長が異なるために、この
間、製品ガス濃度は時間とともに上昇する［第２図（ｄ
）］。

（ｅ）その後、吸着圧力に到達後は一膨張することなく
適切な流速で注入された原料ガスが十分に分離されて高
濃度の製品ガスとして流出する［第２図（ｅ）　］　。

以上より、吸着工程では時間経過とともに均圧ガス、高
速注入された原料ガス、適切な流速で注入され十分に吸
着分離された原料ガスの順で塔頂部より流出するために
、吸着工程中に製品ガス濃度は、第３１ｍ（ａ）に示し
たように変化し、更に。

均圧ガス濃度によっても第３図（ｂ）、　（ｃ）に示し
たように、製品ガスの平均濃度は変化する。

従って１図示のように、最初に導入される均圧ガスの濃
度が高ければ、製品ガス濃度の減少も少ないものとなる
。均圧ガス濃度は、−ｈ記（ａ）及び（Ｃ）に述べたよ
うに吸着工程が終了した吸着塔から流出する時の濃度が
ほぼそのまま保持されるので、均圧ガス濃度を高くする
には、ｔｉｔ出する時の碑Ｉ午九面μ→蒔ス、ｔスｉ爪
礒（京ス　梗Ｉがム　ａ几美清（飽和近くになり、破過
すると、前記のように流出するガス濃度が急速に減少し
てしまう。

一方、吸着工程から均圧工程に移る時の吸着帯の挙動を
２成分系（１種は吸着容易で、他種は吸着困難である）
を例に吸若層（塔）の吸着状態について第４図を参照し
て、説明すると次のようである。

（イ）吸着工程中は通常吸着帯が一定の速度で移動し、
一定の濃度で製品ガスが流出する［第４図（ａ）］。

（ロ）その後も吸着工程をａｍすると吸着帯は、吸着塔
の他端へ達し、破過する。破過すると流出する製品ガス
は低下しはじめる。即ち、製品ガス濃度を測定していて
は破過するまでは吸着帯の位置を知ることができず、破
過を知った時は既に製品ガス濃度が低下していることに
なる［第４図（ｂ）及び（ｅ）］。

（ハ）通常の吸着操作（例えば、ＴＳＡ）では、ａ度が
低下したことを確認後、吸着塔の切り換え等の作動を実
施しても１通常吸着時間が長いために流出する製品ガス
量が多く、吸着工程終了時に低い′ａ度の製品ガスが少
駿流出しても実用上９問題は少ないと言える。

（ニ）しかし、ＰＳＡ操作においては９通常吸着器を小
型化し、吸着時間が短縮されるシステムを構成するため
に、吸着工程の終了ごとに濃度が低下した製品ガスを流
出しては、ｆｆｆ！！品ガス濃度に大きな影響を与える
。

（ボ）また、ＰＳＡ操作においては、吸着工程後に続く
均圧工程において、吸着帯が出口側へ移動するために吸
着工程終了時の吸着帯は、ＴＳＡの場合よりも吸着塔の
入口側に位置していなくてはならない、（へ）一方、均
圧工程において移動した吸着帯の位置を検知したのでは
１時間的に短い均圧工程内での制御になり１時間的余裕
がないなどの問題が生じる。また、均圧工程の途中で回
収している均圧ガスの濃度の低下を検知して回収を停止
すると、均圧工程の目的である昇圧エネルギーの回収、
半製品ガスの回収ができなくなる。

（ト）従って、ＰＳＡ操作においては、濃度の高い均圧
ガスを回収するために、均圧工程において移動した吸着
帯が破過しないように、均圧工程の前工程である吸着工
程が終了した時点で予知しなくてはならない。

（チ）そのために、吸着塔出口において製品ガスの濃度
を検知していては、吸着工程の適切な終了時刻を知るこ
とができない。

一−ｊｊ、流体が吸着剤に吸着されると吸着熱を発生ず
るので９周囲の温度が］；昇する。即ち、吸着帯の位置
、塔内の発熱分布、及び、所定位置の温度センサーが示
す時間対温度の関係は第５図に示すようになる。

時刻ｔ、のとき、吸着帯は第５図ａのように進み、同す
に示すような発熱分布で発熱し、Ｌ、の位置にある温度
センサーで測定した温度変化は。

同Ｃ図に示す変化であった。即ち１時刻１．からｔ。

の間に同図に示されるような温度上昇が見られた。この
温度り昇の間に吸着がり、付近で生じたものと判断して
よいと考えて、吸着塔の温度センサー設置位置を設計す
る。

また、第６図は、空気である原料ガスをモレキュラーシ
ーブスを充填した吸着塔に供給した時の塔内温度変化及
び出［」酸素濃度変化を例示したものである。

吸着塔に６個の温度センサーを第６図ａのように設置し
、測定した。各温度センサーの測定結果を同す図に示し
、各温度センサーの数字で各測定結果を示す６時間の経
過とともに、吸着帯が進行していくことが分かる。同Ｃ
図にその時の製品ガス濃度の変化を示ず０時刻１．から
ｔ、において、吸着塔の吸着剤が飽和していないので、
流出する製品ガスは、同Ｃ図に示されるように、はぼ高
い濃度が保持されているが２時刻ｔｓを過ぎて吸着帯が
破過されると、流出ガス濃度は急速に低下する。

以１−のように吸着塔に温度センサーを設置し、それに
より検知された信号を処理すれば、吸着帯の位置を的確
に感知でき、ＰＳＡ操作をより正確に制御できるもので
ある。

以上のように、塔内温度を測定すれば、吸若帯従って、
予め吸着工程終了時の吸着帯の適切な位置を求めて設定
しておけば、供給ガス量の変動、吸着剤の劣化、吸着温
度等の変動に対しても、常に適切な時期に吸着工程を終
了さげることができる。そのために、高濃度の均圧ガス
が回収でき、製品ガスも高い濃度に、且つ、濃度検知制
御法と異なり濃度の低下後作動するのではなく。

濃度の低下を予知して制御できるために常に一定の濃度
に保持できる。

本発明によるＰＳＡ運転方法とその特徴を、２塔弐ＰＳ
Ａ装置を例に説明する。

第１図は２塔弐ＰＳＡの装置の構成を示し、第２図はそ
のＰＳＡの操作運転時における吸着塔内でのガスの吸着
状態を示す、このような吸着塔内に例えば、第６図ａの
ように複数の温度センサーを設置する。

ＰＳＡ装置はゼオライト、活性炭等の吸着剤を充填した
１２及び１３の吸着塔、１〜９の開閉バルブ、１０の送
風機、１１の真空ポンプ、８の保ぶ配管を有し９図では
省略したバルブ開閉を管理する制御系をも有載る。

製品保圧クンク１５は１時間的に変動す゛る製品ガスの
生産量をモ滑化して取出すこと等の目的で、従来のＰＳ
Ａに使用しているものである。

以りのような構成の装置において１例えば、第２図で上
記に説明したようなことが吸着塔内で生しているもので
ある。

先ず、均圧−［程■終ｒ後、バルブ１，４，７゜９を開
け、バルブ２，３．５．６を閉じ（この時吸着塔１３で
は脱着している）、ポンプ１０により原料ガスを供給す
ると、吸着塔１２は圧力が上がり（昇圧され）、吸着圧
力に達する。その後パルプ５を開けると、吸着塔１２に
充填された吸着剤に、吸着除去すべきガス成分が吸着さ
れ塔頂より製品ガスが流出する（昇圧工程と吸着工程）
。

次に、均圧工程２を実施後バルブ１，４．５゜６を閉じ
、バルブ２．３を開け（この時吸着塔１３は昇圧してい
る）、真空ポンプ１１で吸着塔１２は脱着される（均圧
工程２及び脱Ｂ工程）。

前述のように、従来の運転方法では均圧工程１、ｙ１圧
工程において、吸着塔１２は真空状態から均圧ガス又は
原料ガスにより昇圧されるが、第２図の説明図に示され
るように、各ガスは吸着塔内に充填され、移動していく
、各ガスが移動していく間に起こる吸着状態の変化を第
６図ａに示すような温度センサーで澗定検知することが
できる。吸着剤と分離ガスの種類により異なる温度変化
パターンを測定し２分析することによりＰＳＡガス分離
処理を最適に操作することができる。

例えば、吸着工程において吸着に有効な充分な流速で原
料ガスを供給しても、製品ガス濃度は第３図ａ、ｂ、ｃ
に示きれるように変動するものである。即も、順次説明
すると、■最初は均圧ガスが流出４゛るためにガス濃度
の比較的に高い製品ガスが得られ、■次に塔内において
膨張し、大きな流速で塔中央部まで達した原料ガスが、
塔中央より塔頂部までの短い距離を速い流速で通過する
ためにガス濃度の低い製品ガスが得られ、■次に流出し
てくるガスは吸着に有効な流速で吸着塔内を通過４゛る
距離が艮くなるために１次第にガス濃度の高い製品ガス
が得られ、■その後、吸着剤が破過（飽和）するために
、得られる製品ガス濃度は低下する。

このような場合９本発明運転方法によれば、温度センサ
ーによる温度変化を／ｌＩｌ定することにより、吸着塔
内でどのような現象が起こっているかが分かるものであ
る。即ち、流出する均圧ガス・濃度が低いものであるか
、或いは、ガス吸着に破過が生じ工いるものであるかな
どを測定温度変化パターンに対照して、データ蓄積、パ
ターン分析などにより、即時に分かるブシント設計がで
きるものである。

即ち９本発明によると１例えば、吸着」二程終了時期を
９本発明による温度センサーにより検知し、その終了時
に自動的にバルブの開閉作業を行なう。このような運転
Ｊｉ法により、はぼ連続的にＰＳＡガス分離運転ができ
、能率的、ｆｌつ、効率的なガス分離処理の運転が可能
になった。

■二程中変動していくものであるので、ＰＳＡ操作中に
製品ガス濃度の低ドを防ぐために、吸着工程の終了を′
ｓ！ｉ切な位置の温度センサーで検知し、効率運転を行
なうことができる。

［発明の効果］ 本発明のＰＳＡガス分ＰＩｉ運転方法は。

第１に、従来のＰＳＡ法よりも、得られる製品ガス濃度
を安定化し、向上することができること。

第２に、バルブ開閉、切り換えを吸着塔の温度変化によ
り生じた信号で制御し、昇圧工程の終了を適切にｔ告で
さ、バルブ等の開閉を自動的に、適切に行なうことがで
きる運転方法が確保されたことなどの技術的効果が得ら
れた。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の運転方法の１実施例を行なう１例の
ＰＳＡ装置を示す説明図である。 第２図は、第１図の装（〃によるＰＳＡ運転の場図であ
る。 第３図は、従来のＰＳＡ運転方法での製品ガスの濃度変
動状態を示す説明図である。 第４図ａ、ｂ、ｃ、ｄは、吸着工程における吸着帯の移
動状況と製品ガスの濃度の時間に対する変動の状態を示
す説明グラフである。 第５図は１本発明による運転方法に使用する温度センサ
ーの測定位置、吸着時間と吸着帯の位置、塔内の発熱分
布及び温度センナ−の指示値の関係についての説明図で
ある。 第６図は、吸着塔内温度センサーの位置、温度変動、製
品ガス濃度についての説明図である。 ［主要部分の符号の説明］ １〜９．１．開閉バルブ　８．、、、保圧弁ｉｏ、、、
送風ａｌ　　　　　１１．、、真空ポンプ１２．１３．
、、吸着塔　Ｉｓ、、、製品タンク１４．１６．、、配
管 〒：ｔｒｒｔｕ：　組人　　　　１上及■碩楓工差林式
公４を復代理人　　弁理士　　倉　持　　裕（外１名）
第１図 輪 Ｏσ　　　　　　２ 時１蛸　こモ）→ 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 分離すべき原料ガスを圧力変動吸着により分離するため
   に脱着された吸着塔を吸着の終了した他の吸着塔との間
   で均圧し、次に更に昇圧し、所定圧力下で必要な吸着を
   行ない、次に均圧に下げ、更に脱着圧力まで減圧し、吸
   着剤を再生する吸着−脱着サイクルを繰り返す圧力変動
   吸着によるガス分離運転において、 吸着工程における吸着塔の温度変化を検知 し、検知した温度変化により生じた信号を用いて吸着剤
   充填層が破過しないように、吸着時間或いは転換時期を
   制御し、得られる製品ガスの純度の向上と製品ガス濃度
   の安定化を行なうことを特徴とする圧力変動吸着による
   ガス分離運転方法。