JP2005262000A

JP2005262000A - 窒素ガス生成方法

Info

Publication number: JP2005262000A
Application number: JP2004074315A
Authority: JP
Inventors: Hideo Endo; 英夫遠藤
Original assignee: Yokota Technica Co Ltd
Current assignee: Yokota Technica Co Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】所望の酸素濃度の窒素ガスを生成できる窒素ガス生成方法を提供する。
【解決手段】吸着剤を充填した複数の吸着槽１，２を備え、これらの吸着槽１，２に窒素ガスを主成分とする原料ガスを圧縮機３により供給し、それぞれの吸着槽１，２で吸着と脱着を交互に繰り返して原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成する方法において、製品窒素ガスの酸素濃度を酸素濃度計１５で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期をシーケンサ１７によって所定の値に調整し、且つ前記酸素濃度計１５による酸素濃度の検出値に応じて製品窒素ガスの酸素濃度が設定酸素濃度になるようコントローラ１６によって圧縮機３の回転数を制御して、所望酸素濃度の窒素ガスを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料ガスから窒素ガスを分離して、所望の酸素濃度の窒素ガスを生成できるＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式の窒素ガス生成方法に関する。

一般に、ＰＳＡ方式の窒素ガス生成装置は、分子篩炭等の吸着剤を充填した２基の吸着槽を備え、圧縮機により空気等を２基の吸着槽に交互に選択的に送り込み、一方の吸着槽で高圧吸着、他方の吸着槽で低圧脱着（再生）が行われ、これらが１〜２分程度の一定の切り替え周期で繰り返されることによって、窒素ガスを連続的に生成する（例えば特許文献１参照）。そして、従来は、吸着・脱着の切り替え周期と圧縮機の回転数は一定であって、生成される窒素ガスの酸素濃度は一定である。
特開平９−９４４２４号公報

しかし、窒素ガス生成装置を使用する技術分野においては、所望の酸素濃度の窒素ガスを自由に得られることが要望される場合がある。

本発明が解決しようとする課題は、原料ガスから窒素ガスを分離して、所望の酸素濃度の窒素ガスを生成できるＰＳＡ方式の窒素ガス生成方法を提供することである。

上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、吸着剤を充填した吸着槽を複数備え、これらの吸着槽に窒素を主成分とする原料ガスを圧縮機により供給し、それぞれの吸着槽で吸着と脱着を交互に繰り返して原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成する方法において、
製品窒素ガスの酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期を所定の値に調整し、且つ前記酸素濃度計による酸素濃度の検出値に応じて製品窒素ガスの酸素濃度が設定酸素濃度になるよう原料ガスの供給量を調整して、所望酸素濃度の窒素ガスを生成することを特徴とする。

本発明は上記方法が好ましいが、次のようにしてもよい。すなわち、
本発明は、吸着剤を充填した吸着槽を複数備え、これらの吸着槽に窒素を主成分とする原料ガスを圧縮機により供給し、それぞれの吸着槽で吸着と脱着を交互に繰り返して原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成する方法において、
製品窒素ガスの酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期を所定の値に調整して、所望酸素濃度の窒素ガスを生成することを特徴とする。

また、次のようにしてもよい。すなわち、吸着剤を充填した吸着槽を複数備え、これらの吸着槽に窒素を主成分とする原料ガスを圧縮機により供給し、それぞれの吸着槽で吸着と脱着を交互に繰り返して原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成する方法において、
製品窒素ガスの酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、製品窒素ガスの酸素濃度が設定酸素濃度になるよう原料ガスの供給量を調整して、所望酸素濃度の窒素ガスを生成することを特徴とする。

ＰＳＡ方式の窒素ガス生成において、分子篩炭等の吸着剤は窒素と酸素の吸着速度差が吸着時間により変化するので、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期が変化すると、生成する窒素ガスの酸素濃度は変化する。また、原料ガスの圧力すなわち原料ガスの供給量が変化すると、生成する窒素ガスの酸素濃度が変化する。したがって、本発明によれば、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期を所定の値に調整し、また、原料ガスの供給量を制御することによって、所望の酸素濃度の窒素ガスを生成することができる。

以下、本発明の好ましい一実施形態を図面を参照しながら説明する。

本発明の方法を実施するための装置は、ＰＳＡ方式の窒素ガス供給装置であり、吸着剤として分子篩炭（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＳｅｉｖｉｎｇＣａｒｂｏｎ）を用いている。分子篩炭は窒素と酸素の吸着速度差が異なり、加圧下において酸素を優先的に吸着し、空気から窒素を分離できる。吸着した酸素は減圧すると脱着でき、分子篩炭を再生できる。

窒素ガス供給装置は、図１に示されているように、分子篩炭を充填した２基の吸着槽１，２を備え、この２基の吸着槽１，２が、それぞれ高圧吸着工程・低圧脱着（再生）工程を交互に繰り返すことにより、連続的に空気から窒素を分離することができる。これを実現するための構成を図１〜図５に基づいて説明する。

図１において、３は圧縮空気を供給するインバータ式の圧縮機、４はインバータ、５，６はエアー供給弁、７，８は排気弁、９，１０は製品供給弁、１１，１２は均圧弁、１３は製品排出弁であり、いずれの弁５〜１３も電磁弁で構成されている。１４は窒素ガスを貯蔵する製品窒素ガスの貯槽である。１５は製品貯槽１４内の酸素濃度を検出するための酸素濃度計であり、この酸素濃度計１５で検出された酸素濃度の値はＰＩＤコントローラ１６に入力される。コントローラ１６は、酸素濃度計１５の検出値と設定酸素濃度の値との偏差に基づいてインバータ４の周波数を制御して圧縮機３の回転数をコントロールする。また、酸素濃度計１５の検出値と設定酸素濃度の値がコントローラ１６を通じてシーケンサ（ＰＬＣ）１７に入力される。シーケンサ１７は、各弁５〜１３の開閉を制御し、例えば、酸素濃度計１５の検出値と設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期を自動調整する。

以下、上記窒素ガス供給装置の作用を説明する。

ＰＳＡ方式の本装置は、圧縮機３により加圧された空気が２基の吸着槽１，２に交互に選択的に送り込まれ、加圧空気が送り込まれた吸着槽で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽１４に送られる。すなわち、一方の吸着槽１が吸着工程、他方の吸着槽２が脱着工程にあるとき、弁５〜１２は次の状態にある。エアー供給弁５、排気弁８、及び製品供給弁９は開、エアー供給弁６、排気弁７、製品供給弁１０、及び均圧弁１１，１２は閉の状態にある。この状態で、圧縮機３によって加圧された空気は一方の吸着槽１に送り込まれ、その加圧空気は一方の吸着槽１内で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽１４に送られる。一方、他方の吸着槽２では、前の吸着工程で吸着された酸素が脱着され、排気される。

上記の吸着工程と脱着工程が所定時間行われると、次に、一方の吸着槽１が脱着工程、他方の吸着槽２が吸着工程に切り替わる。すなわち、エアー供給弁６、排気弁７、及び製品供給弁１０は開、エアー供給弁５、排気弁８、製品供給弁９、及び均圧弁１１，１２は閉の状態になり、この状態で、圧縮機３によって加圧された空気は他方の吸着槽２に送り込まれ、その加圧空気は他方の吸着槽２内で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽１４に送られる。そして、一方の吸着槽１では、前の吸着工程で吸着された酸素が脱着され、排気される。

なお、均圧弁１１，１２は吸着工程から脱着工程に切り替わる途中で、開になり、２基の吸着槽１，２を均圧化する。すなわち、吸着工程終了時、弁５〜１０が一旦、全て閉になり、均圧弁１１，１２が開になる。均圧工程終了後、上記脱着工程に移る。

このように、弁５〜１０を開閉させることにより、一方の吸着槽１が吸着時は、他方の吸着槽２は脱着を行い、次のサイクルで、一方の吸着槽１は脱着、他方の吸着槽２は吸着を行うよう構成されている。これらが所定の切り替え周期で繰り返されて窒素ガスが連続的に生成される。製品排出弁１３は、装置運転後所定時間が経過した後、シーケンサ１７により開になるようにされている。

上記ＰＳＡ方式の窒素ガス供給装置において、分子篩炭は窒素と酸素の吸着速度差が吸着時間によって変化するので、吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期を変化させれば、生成する窒素ガスの酸素濃度は変化する（図３参照）。

また、上記ＰＳＡ方式の窒素ガス供給装置において、加圧空気の圧力すなわち加圧空気の供給量すなわち圧縮機３の回転数が変化することによっても、生成する窒素ガスの酸素濃度は変化する（図５参照）。

本実施形態の窒素ガス供給装置は、吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期、すなわちエアー供給弁５，６、排気弁７，８、及び製品供給弁９，１０の開閉をシーケンサ１７で自動調整し、更に、圧縮機３の回転数すなわちインバータ４の周波数をコントローラ１６で制御することによって、所望の酸素濃度の窒素ガスが生成されるように構成されている。

以下、酸素濃度が５００ｐｐｍの窒素ガスを発生させる場合を例にとって説明する。

シーケンサ１７による吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期の自動調整を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。図２に示されているように、最初は、吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期がシーケンサ１７に初期値として入力されている時間に設定される。この切り替え周期の初期値は、設定酸素濃度よりも低い酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期であればよいが、低酸素濃度の窒素ガスができるだけ多量に生成されるよう設定するのが好ましい。したがって、酸素濃度が０ｐｐｍ又はそれにより近い酸素濃度で、切り替え周期は最短時間に設定するのが好ましい。本実施形態では、図３に示す周波数及び切り替え周期と酸素濃度との関係を示す試験データから、３５秒（周波数が５０Ｈｚで酸素濃度０ｐｐｍ）に設定してある。

圧縮機３から２基の吸着槽１，２に交互に選択的に送り込まれた加圧空気は、３５秒の切り替え周期で、吸着・脱着が繰り返され、酸素が吸着除去されて生成された窒素ガスが製品貯槽１４に送られる。

製品貯槽１４の窒素ガスの酸素濃度が酸素濃度計１５で検出され、その検出値とコントローラ１６に入力された設定酸素濃度の値（５００ｐｐｍ）がシリアル通信によってシーケンサ１７に入力される。シーケンサ１７は、検出値＜（設定値＋一定値）を判断し、これを満足しない場合は、上記３５秒の切り替え周期で運転が続行される。なお、上記の一定値は任意の値でよく、本実施形態では３００ｐｐｍに設定してある。

上記の切り替え周期での運転により、製品貯槽１４内の製品窒素ガスの酸素濃度は低下してくる。そして、検出値＜（設定値＋一定値）を満足することがシーケンサ１７によって判断されると、シーケンサ１７は吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期を設定酸素濃度に応じた切り替え周期に変更する。この切り替え周期は、次のようにして決定されている。すなわち、図３に示されているように、インバータ周波数（すなわち圧縮機３の回転数）が相異すれば、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度の値は相異している。そして、最小の酸素濃度の値が高くなるほど周波数は低くなっている。したがって、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度が設定酸素濃度となる周波数によれば、最小の消費電力で設定酸素濃度の窒素ガスを得ることができる。したがって、この周波数で圧縮機３が運転されたときに設定酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期が選択される。すなわち、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度が設定酸素濃度となる周波数で設定酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期が選択される。これにより、圧縮機３の消費電力を最小限にできる。

図３及び図４により説明すると、生成される窒素ガスにおいて設定酸素濃度５００ｐｐｍが酸素濃度の最小値となるのは、周波数が３２Ｈｚのときである。この周波数で圧縮機３を運転すれば、低消費電力で設定酸素濃度（５００ｐｐｍ）の窒素ガスを生成できる。したがって、この周波数の下で酸素濃度が設定酸素濃度（５００ｐｐｍ）になる切り替え周期、すなわち６０秒が選択される。したがって、検出値＜（設定値＋一定値）が満足されると、吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期は、シーケンサ１７によって６０秒に変更され、以後、この切り替え周期で運転が続行される。

このように、吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期は、シーケンサ１７によって、最初は初期値に設定され、製品貯槽１４内の窒素ガスの酸素濃度が設定酸素濃度に近づくと、設定酸素濃度に応じた切り替え周期に変更され、以後、この切り替え周期で運転される。

一方、圧縮機３の回転数は、上記吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期の下で、製品貯槽１４内の窒素ガスの酸素濃度が設定酸素濃度（５００ｐｐｍ）になるように、酸素濃度計１５による検出値と設定酸素濃度の値との偏差に応じて、インバータ４の周波数が自動調整されて圧縮機３の回転数が制御され、吸着槽１，２へ送り込まれる加圧空気の供給量が自動調整される。

以上のようにして、吸着槽１，２の吸着・脱着の切り替え周期が、酸素濃度の検出値と設定酸素濃度に応じて適切に自動調整されるとともに、圧縮機３の回転数が酸素濃度の検出値に応じて製品窒素ガスの酸素濃度が設定酸素濃度になるよう制御されることによって、所望の酸素濃度の窒素ガスが生成される。

本発明の方法を実施するための窒素ガス供給装置の構成例を示す図である。シーケンサによる吸着・脱着の切り替え周期の自動調整を示すフローチャートである。周波数及び切り替え周期と酸素濃度との関係を示すグラフである。図３の一部分の拡大図である。切り替え周期が３０秒の下でのインバータ周波数と酸素濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１，２・・吸着槽、３・・圧縮機、４・・インバータ、５，６・・エアー供給弁、７，８・・排気弁、９，１０・・製品供給弁、１１，１２・・均圧弁、１３・・製品排出弁、１４・・製品貯槽、１５・・酸素濃度計、１６・・コントローラ、１７・・シーケンサ。

Claims

吸着剤を充填した吸着槽を複数備え、これらの吸着槽に窒素を主成分とする原料ガスを圧縮機により供給し、それぞれの吸着槽で吸着と脱着を交互に繰り返して原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成する方法において、
製品窒素ガスの酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期を所定の値に調整し、且つ前記酸素濃度計による酸素濃度の検出値に応じて製品窒素ガスの酸素濃度が設定酸素濃度になるよう原料ガスの供給量を調整して、所望酸素濃度の窒素ガスを生成することを特徴とする窒素ガス生成方法。
吸着剤を充填した吸着槽を複数備え、これらの吸着槽に窒素を主成分とする原料ガスを圧縮機により供給し、それぞれの吸着槽で吸着と脱着を交互に繰り返して原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成する方法において、
製品窒素ガスの酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期を所定の値に調整して、所望酸素濃度の窒素ガスを生成することを特徴とする窒素ガス生成方法。
吸着剤を充填した吸着槽を複数備え、これらの吸着槽に窒素を主成分とする原料ガスを圧縮機により供給し、それぞれの吸着槽で吸着と脱着を交互に繰り返して原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成する方法において、
製品窒素ガスの酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、製品窒素ガスの酸素濃度が設定酸素濃度になるよう原料ガスの供給量を調整して、所望酸素濃度の窒素ガスを生成することを特徴とする窒素ガス生成方法。