JPH01184016A - 気体分離装置 - 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ＰＳＡ式（ｐ　ｒｅｓｓｕｒ１３５ＷｉｎＱＡ
　ｄｓｏｒｐｔ　ｉｏｎ　）の気体分離装置に係り、例
えば窒素８ｗｉ素発生１ｉ置として用いて好適な気体分
離装置に関する。

従来の技術 従来の、ＰＳＡ式気体分離装置は、分子ふるいカーボン
からなる吸着剤を用いて、空気を窒素とＨＩＡに分離し
、いずかれ一方を製品ガスとして取出し、使用するもの
であった。

このため、例えばＰＳＡ式窒素発生装買にあっては、吸
着剤を充填した吸着塔に圧縮空気を導入して昇圧する吸
着工程と、該吸着塔内を大気開放し又は真空ポンプで減
圧する脱着工程とを繰返し、吸着工程では吸着塔内の吸
着剤に酸素分子を吸着させて、窒素を外部に取出し、一
方脱着工程では吸着された酸素を脱着し、次の吸着工程
に鑑えるようになっている。

発明が解決しようとする問題点 しかるに従来の気体分離装置では、１台の気体分離装置
からは一種類の気体しか分離生成することができず、よ
って窒素と酸素を夫々生成しようとした場合、窒素発生
装置と酸素発生装置を別個に設けねばならなかった。更
に従来の気体分離装置では例えばＰＳＡ式窒素発生装置
は脱着工程において分子ふるいカーボンに吸着されてい
たＩｌｌｌｌ子分子く含むガスを単に大気放出しており
、またＰＳＡ式酸素発生装置は同じく脱着、Ｌ稈におい
て窒素分子を多く含むガスを大気放出していた。

このため、各発生装置は常に空気から窒素又は酸素を分
離することとなり、一方脱着工程では窒素又は酸素を多
く含むガスを排出しており、窒素発生装置及び酸素発生
装置をまとめて見た場合、各製品ガスの生成効率が悪い
という問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みて創作されたものであり、１台
の分離装置で混合気体に含まれる二種類のガスを分離生
成する構成とすることにより、製品ガスの生成効率を向
上させた気体分離装置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 上記問題点を解決するために本発明では、気体分離装置
に第１の吸着分離手段と、第２の吸着分離手段を設けた
ことを特徴とする。

第１の吸着分離手段は、製品ガスとして取出される第１
及び第２の気体が含まれた混合気体が供給されこの混合
気体より上記第１の気体を吸着する第１の吸着塔を有し
ており、この第１の吸着塔で上記第１の気体を吸着分離
して第２の気体を多く含む製品ガスを生成すると共に、
上記第１の吸着塔の脱着時に第１の気体を多く含む排出
ガスを排出する。

第２の吸着分離手段は、上記第１の吸着分離手段から排
出される排出ガスが供給されこの排出ガスより上記第２
の気体を吸着する第２の吸着塔を設けており、この第２
の吸着塔で上記第２の気体を吸着分離して第１の気体を
多く含む製品ガスを生成する。

作用 気体分子ｆｉ装置を上記構成とすることにより、第１の
吸着分離手段では、第１及び第２の気体が含まれた混合
気体の内、第２の気体を製品ガスとして取出し、残った
第１の気体を多く含むガスを第２の吸着分離手段に送り
込み、第１の気体を製品ガスとして取出すため、１台の
気体分離装置で、二秒類の製品ガスを生成効率良く分離
生成することができる。

実施例 次に本発明の実施例について図面と共に説明する。第１
図は本発明の第１実施例である気体分離装置１の構成図
である。この気体分離装置１は、主として窒素と酸素の
混合気体である空気を供給されて、これを製品ガスたる
窒素と酸素に分離生成する装置である。

同図中、破線で囲まれた２は第１の吸着分離手段であり
、同様に破線で囲まれた３は第２の吸着分離手段である
。後述するように、第１の吸着分離手段２は窒素を製品
ガスとして生成するものであり、また第２の吸着分離手
段３はｌ素を製品ガスとして生成するものである。この
各吸着分離手段２．３はコンプレッサ４に接続されてい
る。

コンプレッサ４は圧縮空気供給源となるもので、コンプ
レッサ４からの圧縮空気は供給配管５．６を介して各吸
着分離手段２．３に供給されるようになっており、また
吸入側の配管７及び配管５゜６の途中には夫々電磁弁か
らなる切換弁８〜１０が設けられている。続いて第１の
吸着分離手段２の構成について説明する。

図中、１１．１２は吸着塔で、各吸着塔１１゜１２内に
は夫々酸素を吸着する吸着剤と魁ての分子ふるいカーボ
ン１１Ａ、１２Ａ（図中、梨地で示す）が充填されてい
る。

１３．１４は脱着時に吸着塔１１．１２からの気体を排
出する配管で、夫々共通排出配管１５に接続されており
、排出配管１５は吸着されたガス（本実施例では吸着さ
れたＩ！素）を排出するようになっている。そして、前
記配管１３．１４の途中には夫々吸着塔１１．１２内の
脱着ガスを半すイクル毎に交互に排出する電磁弁からな
る気体排出用切換弁１６．１７が設けられている。

一方、１８．１９は吸着塔１１．１２からの窒素を夫々
取出す取出配管、２０は該各配管１８゜１９と連結した
取出配管で、各配管１８．１９の途中には半サイクルの
閂だけ後述の制御の下に交互に開弁する電磁弁からなる
還流取出用切換弁２１．２２が夫々設けられている。ま
た前記取出配管２０は生成される窒素ガスを貯溜する製
品タンク２３と接続されている。

また、還流取出用の切換弁２１．２２は吸着塔１１．１
２内を昇圧させるとき、後述するように空気供給用の切
換弁２４．２５の開弁と略同時に開弁され、製品タンク
２３内の窒素ガスを吸着塔１１．１２内に還流させる。

尚、切換弁２４゜２５は供給配管５と各吸着塔１１．１
２の間に配設されている。

２６は吸着塔１１．１２ｆｆｉを連通ずる配管、２７は
配管２６の途中に設けられた電磁弁からなる均圧用切換
弁で、均圧用弁２７は吸着塔１１゜１２による半サイク
ルの終了時に所定の短時間だけ開弁し、各吸着塔１１．
１２間を均圧にする。

製品タンク２３には製品タンク２３の窒素ガスを下流側
に供給する取出配管２８が接続されており、取出配管２
８の途中には取出用弁２９が配設されている。

次に第２の吸着分離手段３の構成について説明する。図
中、３０は吸着塔で、内部には窒素を吸着する吸着剤と
しての分子ふるいカーボン３０Ａ（梨地で示す）が充填
されている。前記したコンプレッサ４に接続された配管
６及び第１の吸着分離手段２に設けられた排出配管１５
は途中連通された上で吸着塔３０に接続されている。尚
、排出配ｆ１１５の途中位置には切換弁３１が、また各
配管６．１５に接続されたドレン管３２にも大気放出用
の切換弁３３が設けられている。

吸着塔３０には取出し配管３０ａ及び取出し用切換弁３
４を介して酸素を貯溜する製品タンク３５が接続されて
いる。更に製品タンク３５には、製品タンク３５の酸素
ガスを下流側に供給する取出配管３６が接続されており
、この取出配管３６の途中には取出用の切換弁３７が配
設されている。

上記構成になる気体分離装置ｉの動作について以下説明
する。

まず吸着塔１１を作用させる場合には、第２図（Ａ）に
示すように切換弁８．９．２４を開き、他の切換弁は閉
じた状態にする。従って、コンプレッサ４からの圧縮空
気は図中矢印で示す経路で吸着塔１１に供給され、吸着
塔１１内の分子ふるいカーボン１１Ａにより空気中の酸
素分子は吸着分離される。次に切換弁２１を開弁すると
吸着塔１１内の窒素成分が多くなった気体が製品タンク
２３内に流入し、ここに貯溜される。以上の窒素生成の
昇圧工程が進むにつれて吸着塔１１内に吸着される酸素
分子の量は多くなり、分子ふるいカーボン１１Ａの吸着
機能は徐々に低下する。そして、分子ふるいカーボンＩ
ＩＡが所定の吸着力以下となった時、切換弁８．９．２
４を閉弁すると共に切換弁２７を開弁する（この状態を
第２図（Ｂ）に示す）。これにより各吸着塔１１．１２
は均圧化される（これを均圧工程という）。

均圧工程が終了すると、切換弁２７は閉弁され、続いて
切換弁１６．３１が開弁され、吸着塔１１内に残存して
いる酸素成分の多い気体は、排出配管１５より排出され
第２の吸着分離手段３に進行し吸着塔３０内に流入する
。

更に、切換弁１０を開弁すると、第２図（Ｃ）に示すよ
うにコンプレッサ４がらの圧縮空気は配管６を介して吸
着塔３０内に流入される。これにより、吸着塔３０内で
は分子ふるいカーボン３゜Ａにより窒素分子が吸着分離
される。この時、吸着塔３０に流入される気体は、第１
の吸着分離手段２から送られてくる気体と、空気との混
合気体である。また第１の吸着分離手段２から送られて
くる気体は、窒素を除かれた酸素成分の多い気体である
。よって吸着ｊＩ３０における皇位時間当りの酸素ガス
の生成層は、空気を直接吸着塔３０で生成する場合に比
べて大となる。また、吸着塔３０に流入する気体はｌｌ
！素の含有量が多いため、相対的に窒素の含有量が少な
くなり、よってこの窒素分子を吸着する吸着塔３０内の
分子ふるいカーボン３０の窒素分子吸着に伴う機能低下
の度合いを遅めることができる。このように、第２の吸
着分離手段における昇圧工程は効率良く行なわれる。　
続いて切換弁３４を開弁すると吸着塔３０内の酸素成分
が多くなった気体が製品タンク３５内に流入し、ここに
貯溜される。以上の酸素生成の昇圧工程が終了すると、
第２図（Ｄ）に示すように切換弁１０．３４を閉弁し切
換弁１６．３１゜３３を開弁し各吸着塔１１．３０内の
残留気体は大気放出される。これにより各吸着塔１１．
３０内の分子ふるいカーボン１１Ａ、３０Ａは脱着され
て膨張し次の工程に備える。

続いて、吸着塔１１と吸着塔１２とを逆にして、上記し
てきた第２図（Ａ）〜（０）で示す工程を繰返して行な
い、吸着塔１２の４圧工程において窒素ガスを生成する
と共に、吸着時に酸素を多く含む気体を第２の吸着分離
手段３の吸着塔３０内に流入し、酸素ガスを生成する。

そして、ここまでを１サイクルとして順次このり°イク
ルを繰返すことにより、製品ガスたる窒素ガス及び酸素
ガスを連続的に生成することができる。

尚、上記実施例において、排出配管１５が短い場合には
、切換弁３１を省略することも可能である。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

第３図は本発廚の第２実施例である気体分離装置３８の
構成図である。気体分離装置３８は大略すると第１の吸
着分離手段２．第２の吸着分離手段３９及び気体供給手
段４０とにより構成されている。

第１の吸着分離手段２は、酸素分子を吸着することによ
り窒素ガスを製品ガスとして生成するものであり、その
構成は前記した第１実施例で示した第１の吸着分離手段
と同一構成である。よって、第１実施例と対応する構成
には第３図に同一符号を付して、その説明を省略する。

第２の吸着分離手段３９は、吸ＩＩ塔４１．４２、製品
タンク４３．切換弁４４〜５２及び供給配管５３、排出
配管５４を含む配９１５５〜６１より構成されている。

この第２の吸着分離手段３９は、吸着塔４１．４２内に
窒素分子を吸着する分子ふるいカーボン４１Ａ、４２Ａ
　（梨地で示す）が充填されている点を除き、他の構成
部品の配設構造は第１の吸着分離手段２の構造と同一構
造とされている。　気体供給手段４０は、気体収納タン
ク６２、コンプレッサ６３．ドライヤ６４及び切換弁６
５〜７０を設けてなる。

気体収納タンク６２は、画成されたふたつのタンク室６
２ａ、６２ｂとにより構成されており、各タンク室６２
ａ、６２ｂには夫々配管７１゜７２を介してコンプレッ
サ６３から圧縮気体が供給され得るよう構成されている
。また、各配管７１．７２の途中には切換弁６５．６６
が設けられている。更にタンク室６２ａには、第１の吸
着分離手段２の供給配管５が接続されており、一方、タ
ンク室６２ｂには第２の吸着分離手段３９の供給配管５
３が接続されている。この供給配管５３の途中位置には
切換弁６７が設けられている。後述するようにこの気体
収納タンク６２のタンク室６２ａには窒素を多く含む気
体が一時収納され、またタンク室６２ｂには酸素を多く
含む気体が一時収納される。コンプレッサ６３は、吸入
側が三つに分岐されており、第１の吸着分離手段２の排
出配管１５から分岐された配管７３．第２の吸着分離手
段３９の排出配管５４及び空気が取入れられる取入れ配
管７４が夫々接続されている。また、排出配管５４には
切換弁７０が、配管７３には切換弁６９が、更に取入れ
配管７４には、取入れられる空気から水分を取除くドラ
イヤ６４と切換弁６８とが夫々設けられている。

上記のように本実施例では、同一構成のふたつの吸着分
離手段２．３９を適宜に組合せ、これを気体供給手段４
０で支配する構成とすることにより、一方の吸着分離手
段２を窒素ガス生成用に、他方の吸着分離手段３９を酸
素ガス生成用に使用するものである。以下、上記構成の
気体分離装置３８の動作について説明する。

まず、気体収納タンク６２内に気体が収納されていない
状態からの動作（始動時の動作）について説明する。こ
の時、第４図（Ａ）に示すように切換弁２４，６６．６
８を開弁しコンプレッサ６３を起動させる。これにより
、空気は取入れ配管７４より、切換弁６８．ドライヤ６
４．コンプレッサ６３．切換弁６６を経て一旦タンク室
６２ａ内に流入し、更に供給配管５を介して吸着塔１１
内に圧縮空気が流入する。よって吸着塔１１において酸
素分子の吸着が行なわれ、切換弁２１を開弁すると製品
ガスたる窒素ガスが製品タンク２３内に流入し、ここに
貯溜される（窒素生成の昇圧工程）。次に第４図（Ｂ）
に示すように、切換弁２１．２４．６６．６８を閉弁し
、切換弁１６゜１７を開弁すると、各吸着塔ＩＣ１２は
均圧化される（均圧工程）。

その後、切換弁１７を閉弁すると共に切換弁５１．４９
を開弁する（第４図（Ｃ）に示す）と、吸着塔１１内の
気体は切換弁１６．排出配管１５゜切換弁５１を介して
第２の吸着分離手段３９の供給配管５３に流入し、更に
切換弁４９を関して吸着塔４１内に流入する。これによ
り吸着塔１１内は更に低圧となり、充填されている分子
ふるいカーボン１１Ａに吸着された酸素分子は脱着され
てゆく。このとき、第２の吸着分離手段３９の吸着塔４
１に流入する気体は、酸素を多く含む気体である。

続いて、切換弁４９．５１を閉弁すると共に切換弁６５
．６９を開弁した上でコンプレッサ６３を作動する（第
４図（Ｄ）に示す）。これにより吸着塔１１内に残留し
ている酸素を多く含む気体は、コンプレッサ６３により
吸引され、配管１３゜７３、切換弁６９を介してコンプ
レッサ６３に到り、圧縮されて＆！管７１．切換弁６５
を介してタンク室６２ａ内に流入してここに一旦貯溜さ
れる。

これにより、吸着塔１１では内圧が真空に近くなり分子
ふるいカーボン１１Ａは再生されＪｌ［が促進されるた
め、次に吸着塔１１において吸着が行なわれる際、効率
良く酸素分子の吸着を行なうことができる。

次にコンプレッサ６３を停止させ、切換弁１６゜６５．
６９を開弁すると共に、切換弁４９．６７を開弁すると
、第４図（Ｅ）に示す如く、タンク室６２ａ内に圧縮貯
溜されていた酸素を多く含む、　気体は、第２の吸着分
離手段３９の供給配管５３及び切換弁４９を介して吸着
塔４１に流入する。

前工程において吸着塔４１内には既に酸素分子を多く含
む気体が充填されており、更に本工程において吸着塔４
１には気体収納タンク６２より酸素を多く含む圧縮気体
が流入するため、吸、１３Ｍ４１における窒素の吸着は
良好に行なわれ、よって酸素ガスを生成効率良く生成す
ることができる。切換弁４６を開弁すると、製品ガスた
る酸素ガスは製品タンク４３内に流入し、ここに貯溜さ
れる（Ｍ索生成の昇圧工程）。

Ｉ！素生成の昇圧工程が終了すると、切換弁４９゜６７
を開弁すると共に切換弁４４．４５を開弁して各吸着塔
４１．４２を均圧化する。続いて均圧工程終了後、第４
図（Ｆ）に示すように、切換弁４４．４５を閉弁すると
伴に切換弁１６，４９゜５１を開弁する。これにより吸
着塔４１は減圧され、分子ふるいカーボン４１Ａに吸着
されていた窒素は脱着され、窒素を多く含む気体は真空
に近い状態とされている第１の吸着分離手段２の吸着塔
１１に配管１５．１３を介して吸引されていく。

よって、吸着塔１１内には窒素を多く含む気体が充填さ
れる。

続いて、切換弁１６．４９．５１を閉弁し、切換弁４４
，７０．６６を開弁すると共にコンプレッサ６３を作動
させる（この状態を第４図（Ｇ）に示す）。これにより
吸着塔４１内に残留した窒素を多く含む気体は、コンプ
レッサ６３に吸引されて排出配管５４．切換弁７０を介
してコンプレッサ６３に到り、ここで圧縮されて配ｅ７
２．切換弁６６を介してタンク室６２ａに流入し、ここ
に−旦貯溜される。

この時、吸着塔４１はコンプレッ＋１６３により減圧さ
れるため、窒素のＷＡ着は良好に進み分子ふるいカーボ
ン４１Ａは確実に再生され、よって次に窒素の吸着を行
なう際、効率良く吸着処理を行なうことができる。一方
、タンク室６２ａへの気体の供給両は、分離生成された
製品ガスが各製品タンク２３．４３に貯溜されるため通
常ネジすることになる。そこで、タンク室６２ａ内には
圧力センサ（図示せず）が設けられており、内圧が所定
値に達しない場合には圧力センサがこれを検出し、図示
しない制御手段が電磁弁である切換弁６８を開弁するよ
う構成されている。よって空気は必要時に自動的に気体
分離装置３８内へ供給されてゆく。またこの時、外部空
気はドライヤ６４を通して気体分離装置３８内に取込ま
れる。

上記の如くタンク室６２ａに貯溜された気体は、少なく
とも通常空気に比べて窒素濃度の高い気体となっている
。よって、再び切換弁２４を開弁して第１の吸着分離手
段２において窒素ガスの分離生成を行なう際、■吸着塔
１１内の分子ふるいカーボン１１Ａは第４図（Ｃ）、（
Ｄ）で説明した工程で確実に１１１２着され再生してお
り、■第４図（Ｆ）で説明した工程により吸着塔１１内
には既に窒素を多く含む気体が充填されており、■更に
気体収納タンク６２から供給される気体は窒素を多く含
む気体であるため、吸着塔１１における酸素の＠６効率
は高められ、又窒素の発生量も従来に比べて地間される
。第２の吸着分離手段３９においても同様のことがいえ
、窒素の吸着効率は高められ酸素の発生量を増大させる
ことができる。

また本実施例では、脱着工程においてコンプレッサ６３
の吸引力を利用して各分子ふるいカーボン１１Ａ、１２
Ａ、４１Ａ、４２Ａを再生するので確実な１２＠を行な
うことができ、次の吸Ｗ　Ｉ　＆における吸着力を高め
ることができる。更に各吸着分離手段２．３９の脱着工
程で排出される排出ガスは、大気放出することなく気体
収納タンク６２−に窒素成分の多い気体と酸素成分の多
い気体で区分されて貯溜され、これらの区分された気体
は各昇圧工程において適宜各吸着分離手段２゜３９に供
給される。これにより、前記のように各製品ガスの生成
量を増大できると共に、常時外部の空気を取込む必要が
なくなる。一般にドライヤ６４は電熱器を利用して空気
を乾燥させるため、多きな電力を消費する。しかるに本
実施例になる気体分離装Ｗ！３８では、常時外部空気を
取込む必要がないため、外部空気を取込む時のみドライ
ヤ６４を作動させる構成とすることにより消費電力の低
減を図ることができる。

尚、上記各構成の内、第１の吸着分離手段２の吸着塔１
１．１２と第２の吸着分離手段３９の吸着塔４１．４２
の容積比、及び気体収納タンク６２の各タンク室６２ａ
、６２ｂの容積比は、空気中に含まれる窒素と酸素の比
より、吸着塔１１゜１２の方を大きく、またタンク室６
２の方を大きくすることが望ましい。

また、上記実施例では吸着塔１１．４１を主とする気体
分離装置３８の半分の構成の動作について説明したが、
吸着塔１２．４２を主とする他の半分の構成についても
略同様の動作を行なうためその動作説明は省略する。

発明の効果 上述の如く本発明によれば、１台の気体分離装置で二種
類の製品ガスを生成できるため、従来のように製品ガス
の種類毎に気体分離装置を必要とすることがなくなり、
また第２の吸着分離手段で生成分離する気体を多く含み
、第１の吸着分離手段で排出される気体を、大気放出す
ることなく第２の吸着分離手段に供給するため、第２の
吸着力　・離手段では生成効率良く製品ガスの生成を行
なうことができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例である気体分離装置の構成
図、第２図は第１図に示す気体分離装置の動作を順を追
って説明するための図、第３図は本発明の第２実施例で
ある気体分離装置の構成図、第４耐は第３図に示す気体
分Ｉ１１装置の動作を順を追って説明するための図であ
る。 １・・・気体分離装置、２・・・第１の吸着分離手段、
３・・・第２の吸着分離手段、４・・・コンプレッサ、
５゜６・・・供給配管、１１．１２・・・吸着塔、１５
・・・排出配管、２３・・・製品タンク、３ｏ・・・吸
着塔、３５・・・製品タンク、３８・・・気体分離装置
、３９・・・第２の吸着分離手段、４ｏ・・・気体供給
手段、４１．４２・・・吸着塔、４３・・・製品タンク
、５３・・・供給配管、５４・・・排出配管、６２・・
・気体収納タンク、６３・・・コンプレッサ、６４・・
・ドライヤ。 特許出願人　ト　キ　コ　株式会社 同　　　弁理士　松　浦　兼　行 ｉ１肉 嬉４図 （Ａ） 棺４図 （Ｂ） 第４図 （Ｃ） 嬉４図 （Ｄ） 省４図 （Ｅ） １！４図 （Ｆ） ′＠４図 （Ｇ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 製品ガスとして取出される第１及び第２の気体が含まれ
   た混合気体が供給され、この混合気体より上記第１の気
   体を吸着する第１の吸着塔を有しており、該第１の吸着
   塔で上記第１の気体を吸着分離して第２の気体を多く含
   む製品ガスを生成すると共に、上記第１の吸着塔の脱着
   時に第１の気体を多く含む排出ガスを排出する第１の吸
   着分離手段と、 上記第１の吸着分離手段から排出される排出ガスが供給
   され、この排出ガスより上記第２の気体を吸着する第２
   の吸着塔を設けており、該第２の吸着塔で上記第２の気
   体を吸着分離して第１の気体を多く含む製品ガスを生成
   する第２の吸着分離手段とを設けてなることを特徴とす
   る気体分離装置。