JPH03262512A - 圧力変動吸着式ガス分離方法 - 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、圧力変動吸着式ガス分離装置及びその運転方
法に関し、詳しくは、効率のよい均圧工程を行うことの
できる圧力変動吸着式分離装置及び該装置における均圧
工程の操作方法に関する。

〔従来の技術〕

従来から、混合ガス中の特定成分を分離したり、不純物
成分を除去する手段として、内部に吸着剤を充填した複
数の吸着筒を順次吸着工程に切換えてガスを分離する圧
力変動吸着式ガス分離装置（以下、ＰＳＡと称す）が用
いられている。このＰＳＡは、吸着工程を終了した吸着
筒について再生工程を行い、吸着工程と再生工程とを順
次切換えることにより、連続的に製品ガスを生産するよ
うに構成されている。

上記ＰＳＡは、−膜内に、吸着、均圧、再生。

均圧、充圧の各工程をひとつのサイクルとして、これを
各吸着筒について順次実施している。即ち、ひとつの吸
着筒は、加圧された原料ガスを導入して製品ガスを導出
する吸着工程、該吸着筒内に残存するガス（数）ｃｇ　
／　ｃｄ　Ｇの圧力を有するガス）を再生工程が終了し
た他の吸着筒に導入する均圧工程、該吸着筒内を吸着工
程時よりも低い圧力に減圧する減圧再生工程及び／又は
該吸着筒に製品ガスの一部を逆流させて再生を促進させ
るパージ再生工程、再生工程が終了した該吸着筒に吸着
工程の終了した他の吸着筒内のガスを導入する均圧工程
、該吸着筒内に製品ガスを導入して筒内を吸着工程時の
操作圧力に高める充圧工程の各工程を順次行うように設
定されている。

ここで上記均圧工程は、製品ガスの回収率を向上させる
目的で行われるもので、吸着工程が終了した吸着筒と再
生工程が終了した吸着筒の圧力差を利用してガスを移動
させ、一方の吸着筒を中間圧力まで減圧するとともに、
他方の吸着筒を中間圧力まで充圧するものである。この
均圧工程としては、吸着工程が終了した吸着筒と再生工
程が終了した吸着筒の製品出口部同士を連通して行う出
口部（上部）均圧法と、両筒の原料ガス人口部同士を連
通して行う入口部（下部）均圧法と、出口部均圧と入口
部均圧を同時に行う同時（上下同時）均圧法と、吸着工
程が完了した吸着筒の出口部と再生工程が終了した吸着
筒の人口部を連通して行う直列均圧法とが行われている
。

上記各均圧法の内、いずれの均圧法を用いるかは、ＰＳ
Ａの構成及びその運転方法、特に再生方法や均圧工程に
より回収されるガス量等によって異なる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記いずれの均圧法においても、製品ガ
ス純度が最も高くなる回収ガス量があり、そのガス量を
超えて均圧工程を行うと製品ガス純度が低下する。従っ
て、両筒の圧力が一致するまで均圧を行う、いわゆる完
全均圧は行わないのが一般的である。このことは圧力を
回収するという観点からは不利であるため、製品ガス純
度を低下させずに、できるだけ均圧回収ガス量を大きく
てきる均圧方法が望まれている。

そこで本発明は、製品ガス純度を低下させずに、できる
だけ均圧回収ガス量を多くし、原料ガスに対する製品ガ
スの回収率を向上させて製品ガスの製造原価を低減させ
ることのできる運転を行うことのできるＰＳＡ及びその
運転方法を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的を達成するために、本発明のＰＳＡは、吸
着剤を充填した複数の吸着筒を吸着工程と再生工程とに
切換えてガスを分離する圧力変動吸着式ガス分離装置に
おいて、前記複数の吸着筒の製品ガス出口部を、出口部
均圧弁を有する出口部均圧導管で互いに連通させるとと
もに、吸着筒の製品ガス出口部と他の吸着筒の原料ガス
入口部とを直列均圧弁を有する直列均圧導管でそれぞれ
連通させたことを特徴としている。

また、本発明のＰＳＡの運転方法は、前記再生工程が終
了した吸着筒の製品ガス出口部と吸着工程が終了した吸
着筒の製品ガス出口部とを連通させてガスを移動させる
出口部均圧工程を行った後、再生操作が終了した吸着筒
の原料ガス入口部と吸着工程が終了した吸着筒の製品ガ
ス出口部とを連通させてガスを移動させる直列均圧工程
を行うことを特徴としている。

〔作　用〕

上記のごと＜ＰＳＡを構成して上記のごとき運転方法を
行うことにより、吸着工程を終了した吸着筒内に残る製
品純度の高いガスを効率よく再生工程を終えた吸着筒内
に導入でき、均圧工程において両筒の圧力を略同程度、
即ち完全均圧乃至完全均圧に近い圧力まで均圧工程を行
うことが可能となり、製品ガスの純度低下を生じること
なく、より多くのガスを回収することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す一実施例に基づいて、さらに
詳細に説明する。

第１図は空気（窒素と酸素の混合ガス）を原料として窒
素ガスを生産する２筒式のＰＳＡを示すもので、吸着＠
Ａ、Ｂの内部には、分子篩炭（ＭＳＣ）が充填されてい
る。

このＰＳＡＩには、一対の吸着筒Ａ、Ｂと、原料空気導
入側の空気槽２と、製品ガス供給側の製品槽３と、吸着
筒再生時に用いられる真空ポンプ４及びブロー弁５が設
けられるとともに、それぞれの吸着筒Ａ、Ｂに附随する
大口弁５　ｇ　、　　６　ｂ　％出口弁７ａ、７ｂ、再
生出口弁８ａ、８ｂが設けられており、両吸着筒Ａ、Ｂ
の入口部Ａｔ、Ｂｉには、両吸着筒入口部Ａｔ、Ｂｉを
連通ずる入口部連通導管９が、また、両吸着筒Ａ、Ｈの
出口部Ａｏ、Ｂｏには、両吸着筒出口部Ａｏ、Ｂｏを互
いに連通ずる出口部均圧導管１０がそれぞれ設けられる
とともに、入口部連通導管９には入口部均圧弁９ａ、９
ｂが、出口部均圧導管１０には出口部均圧弁１０ａ、１
０ｂがそれぞれ吸着筒Ａ、　　Ｂに対応して設けられ、
さらに両導管９，１０の各弁の間には、流量調節弁１１
ａを介して両導管９゜１０を連通する直列均圧導管１１
が設けられている。尚、空気槽２の上流側には図示しな
い空気圧縮機や精製設備等が設けられており、製品槽３
の供給側には製品供給弁３ａが設けられている。

このＰＳＡは、第２図に示す工程１から工程６をひとつ
のサイクルとしている。尚、各工程期間中は、説明中の
各弁及び流量調節弁１１ａ以外の弁は閉じられている。

工程ｌ まず、一方の吸着筒Ａが吸着工程、他方の吸着筒Ｂが再
生工程の場合、所定圧力に昇圧された加圧空気は、空気
槽２を介して吸着筒Ａに附随する大口弁６ａから吸着筒
Ａに導入され、筒内のＭＳＣにより酸素が優先的に吸着
除去されて吸着筒出口部Ａｏ側に窒素が濃縮される。濃
縮された窒素は、出口弁７ａを経て製品槽３に貯留され
、製品供給弁３ａから製品窒素ガスとして需要先に供給
される。

この間に、他方の吸着筒Ｂでは再生工程が行われており
、吸着筒Ｂの再生出口弁８ｂが開かれ、筒内のガスがブ
ロー弁５から大気中に排出され、次いて真空ポンプ４に
よって真空排気されることにより筒内の吸着剤に吸着さ
れていたガス（主に酸素ガス）が脱着される。尚、パー
ジ再生では、製品窒素ガスの一部を出口弁７ｂから吸着
筒Ｂに逆流させて再生出口弁８ｂ、ブロー弁５又は真空
ポンプ４から排出することにより筒内の吸着剤に吸着さ
れていたガスを脱着する。

工程２ 一定時間それぞれの吸着工程、再生工程を行い、一方の
吸着筒Ａの吸着が進行し、他方の吸着筒Ｂの再生工程が
終了したときには、人口弁５ａ、出口弁７ａ、再生出目
弁８ｂを閉じた後、出口部均圧弁１０ａ、１０ｂを開い
て両吸着筒Ａ、Ｂの出口部Ａｏ、Ｂｏを連通させる。こ
れにより、吸着筒Ａの出口部Ａｏに存在する窒素ガスが
吸着筒Ｂの出口部Ｂｏへ移動する（出口部均圧工程）。

続けて吸着筒Ａ側の出口部均圧弁１０ａを開いたまま、
吸着筒Ｂ側の出口部均圧弁１０ｂを閉じるとともに、吸
着筒Ｂ側の入口部均圧弁９ｂを開く。これにより、吸着
筒Ａの出口部Ａｏに存在する窒素濃度の高いガスが流量
調節弁１１ａを介して所定流量で吸着筒Ｂの入口部Ｂｉ
へ移動する（直列均圧工程）。

上記出口部均圧工程によるガス移動量及び直列均圧工程
によるガス移動量は、各弁の開閉による連通時間あるい
は流量調節弁１．１　ａの開度によって制御することか
でき、各配管の径や配管途中に絞り板を挿入することな
どでも同様の制御が可能である。

上記のごとく再生工程中の均圧工程を、出口部均圧工程
とこれに続く直列均圧工程とで行うことにより、吸着工
程が終了した吸着筒Ａの出口部ＡＯに存在する窒素濃度
の高いガスを、効率よく再生工程が終了した吸着筒Ｂに
導入することができる。

即ち、吸着工程が終了した一方の吸着筒Ａの出口部Ａｏ
に存在する最も窒素濃度の高いガスを再生処理が終了し
た吸着筒Ｂの出口部Ｂｏから導入することにより、吸着
筒Ｂ内に残存する脱着ガス（酸素）を入口部Ｂｌに移動
させるとともに吸着剤に吸着させることができる。また
、続けて吸着筒Ａ内の窒素濃度の比較的高いガスを吸着
筒Ｂの人口部Ｂ１から導入することにより、該ガス中の
酸素を吸着除去しながら均圧を進めることができる。

従って、吸着工程が終了した吸着筒Ａと再生処理が終了
した吸着筒Ｂとを等しい圧力まで均圧工程を行っても、
該均圧工程の後段の直列均圧工程では吸着筒Ｂの入口部
Ｂｆから原料空気よりも窒素濃度の高いガスが筒内に導
入されるため、吸着筒Ｂの出口ＢＯに向って、より窒素
濃度の高いガスを配置することができる。

尚、上記均圧工程の時間は、ＰＳＡの構成、吸着筒の容
積、吸着剤の種類及び充填量、製品ガスの種類及び純度
、その他の条件により異なるが、吸着剤へのガスの吸着
速度の差を利用してガスを分離するＭＳＣを用いたＰＳ
Ａの場合には、３０秒以内、好ましくは２０秒以内であ
る。さらに該均圧工程中の出口部均圧工程の時間は、５
秒以内、特に３秒以内とすることが好ましい。例えば出
口部均圧工程の時間が長くなると吸着工程を終えた一方
の吸着筒から、窒素純度の低いガスが他方の吸着筒の出
口部に導入されることになり、製品窒素ガスの純度を低
下させてしまうおそれがある。

また、均圧工程時間を長く設定すると、吸着工程が終了
した吸着筒内の吸着剤から脱着する酸素ガスを再生工程
が終了した吸着筒へ移動させることになり、やはり製品
ガスの純度を低下させてしまう。

本発明の方法は、吸着速度の差を利用して分離を行うＭ
ＳＣのような吸着速度が比較的遅い吸着剤（速度分離型
の吸着剤）に対して特に有効である。即ち、この型の吸
着剤においては、吸着速度が遅いため、吸着工程が終了
した吸着筒内のガスの純度変化が入口部から出口部に向
かって緩かであり、いわゆる吸着破過帯か長いため、こ
の吸着筒上部に存在するガスを再生工程が終了した吸着
筒内へ均圧回収する場合、より純度の高いガスを出口部
に向かって配置させることのできる本発明方法が特に有
効である。

工程３ 吸着筒Ａの減圧再生を行うために、再生出目弁８　ａｒ
　ブロー弁５を開いて筒内圧力を大気圧程度まで下げる
（ブローダウン）とと、もに、吸着筒Ｂ内を吸着操作圧
力に高めるために、再生出目弁７ｂを開いて吸着筒Ｂの
出口部ＢＯから製品槽３内の製品窒素ガスを導入する、
及び／又は人口弁６ｂを開いて空気槽２内の原料空気を
吸着塔Ｂに導入する（充圧工程）。この充圧工程により
、吸着筒出口部Ｂｏ側に製品窒素ガスと同じ純度のガス
を配置でき、次の吸着工程初期に該吸着筒Ｂから製品槽
３へ送出するガスの窒素濃度の低下を防ぐことができる
。

工程４ 次に、出口弁７ｂを開のまま、大口弁６ｂを開けること
により、または該入口弁６ｂが開のまま吸着筒Ｂが吸着
工程に入り、ブロー弁５を閉じて真空ポンプ４を作動さ
せることにより吸着筒Ａか再生工程に入る。以下、工程
５及び工程６は、上記工程２及び工程３における吸着筒
Ａ、Ｂを入替えて同様の操作がなされ、工程６の後に工
程１に戻って各工程が繰返されることにより、連続的１
こ窒素ガスを得ることができる。

ここで上記工程を行った本実施例装置と、前記上部均圧
及び上下同時均圧を行った従来装置とを比較する実験を
行った結果を説明する。

第１図に示す構成のＰＳＡを用い、空気を原料ガスとし
て吸着圧を７　、　０　ｋｇ　／　ｃｄ　Ｇとし、再生
は真空ポンプを用いて１００　Ｔｏｒｒまで減圧して行
った。吸着工程、再生工程は、それぞれの時間を９０秒
とし、１ＯＮｒｒｉ’／ｈの製品窒素ガスを連続的に取
り出した場合の製品純度及び回収率を測定した。その結
果を第１表、第２表及び第３図に示す。

第１表は、均圧回収圧（均圧によって加圧される吸着筒
の均圧終了時の圧力）を変えた場合の製品純度（製品窒
素中に含まれる残存酸素濃度で表わす）と回収率を示し
たものであり、第３図はこれをグラフ化したものである
。また、第２表は、残存酸素０．０７０％の純度の製品
窒素ガスを得られるように均圧工程を行った場合の均圧
回収圧と回収率を示すものである。

尚、回収率は均圧工程以外の工程が同し場合は均圧回収
圧に依存し、均圧回収圧が高いほど製品回収率は高くな
る（第３図参照）。

第１表 第２表 上記第１表、第２表及び第３図から明らかなように、本
実施例装置を用いて前記均圧工程を実施することにより
、製品の回収率を同じにする場合には製品純度を向上で
き、製品の純度を同じにする場合には、製品の回収率の
向上とともに均圧回収圧も高めることができる。

尚、本発明は、上記実施例に示すＰＳＡに限らず、３筒
以上の吸着器を備えたＰＳＡや他の吸着剤を用いて他の
製品ガスを製出あるいは精製するＰＳＡにも適用するこ
とができ、特に速度分離型吸着剤を用いたＰＳＡに用い
て効果がある。

また、この均圧法は、上記のように真空ポンプによる真
空再生のみならず、大気に開放して再生を行う常圧再生
法、及び製品ガスにより再生を行うパージ再生法等、再
生法の種類によらず有効である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明装置は、複数の吸着筒の製
品ガス出口部を、出口部均圧弁、を有する出口部均圧導
管で互いに連通させるとともに、製品ガス出口部と他の
吸着筒の原料ガス入口部とを直列均圧弁を有する直列均
圧導管でそれぞれ連通させたことにより、本発明方法に
示す均圧工程、即ち、再生工程が終了した吸着筒の製品
ガス出口部と吸着工程が終了した吸着筒の製品ガス出口
部とを連通させてガスを移動させる出口部均圧工程を行
った後、続けて再生操作が終了した吸着筒の原料ガス人
口部と吸着工程が終了した吸着筒の製品ガス出口部とを
連通させてガスを移動させる直列均圧工程を行うことが
でき、本発明方法を実施することにより、吸着工程を終
了した吸着筒内に残る窒素濃度の高いガスを効率よく再
生工程を終えた吸着筒内に導入できる。

これにより、均圧工程において両筒の圧力を略同程度、
即ち完全均圧乃至完全均圧に近い圧力まで均圧工程を行
うことが可能となり、製品ガス純度の低下を生しること
なく、より多くのガスを回収することができる。

従って、従来の均圧法によるＰＳＡと比較して、同し純
度の製品ガスを発生させた場合の製品回収率を高くする
ことが可能となり原料ガスの供給量を低減でき、圧縮機
の装置コスト、運転コスト等を低減できる。また、従来
の均圧法では、均圧工程で完全均圧近くまで均圧すると
製品純度が著しく低下するのに対して、本発明方法では
、完全均圧に近い均圧あるいは完全均圧を行っても、製
品ガス純度の低下が非常に小さいため、より多くのガス
を回収することができ、圧力の回収、即ちエネルギー回
収の観点からみても有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す系統図、第２図は
運転工程を順を追って示す説明図、第３図は実験結果を
示すグラフである。 １・・・圧力変動吸着式分離装置（ＰＳＡ）２・・・空
気槽　　３・・・製品槽　　４・・・真空ポンプ５・・
・ブロー弁　　６ａ、６ｂ・・・入口弁　　７ａ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、吸着剤を充填した複数の吸着筒を吸着工程と再生工
   程とに切換えてガスを分離する圧力変動吸着式ガス分離
   装置において、前記複数の吸着筒の製品ガス出口部を、
   出口部均圧弁を有する出口部均圧導管で互いに連通させ
   るとともに、吸着筒の製品ガス出口部と他の吸着筒の原
   料ガス入口部とを直列均圧弁を有する直列均圧導管でそ
   れぞれ連通させたことを特徴とする圧力変動吸着式ガス
   分離装置。 ２、前記吸着剤が分子篩炭であることを特徴とする請求
   項１記載の圧力変動吸着式ガス分離装置。 ３、吸着剤を充填した複数の吸着筒を吸着工程と再生工
   程とに切換えてガスを分離する圧力変動吸着式ガス分離
   装置の運転方法において、前記再生工程が終了した吸着
   筒の製品ガス出口部と吸着工程が終了した吸着筒の製品
   ガス出口部とを連通させてガスを移動させる出口部均圧
   工程を行った後、再生操作が終了した吸着筒の原料ガス
   入口部と吸着工程が終了した吸着筒の製品ガス出口部と
   を連通させてガスを移動させる直列均圧工程を行うこと
   を特徴とする圧力変動吸着式ガス分離装置の運転方法。 ４、前記吸着剤が分子篩炭であることを特徴とする請求
   項１記載の圧力変動吸着式ガス分離方法。 ５、前記出口部均圧工程及び直列均圧工程の合計時間が
   ３０秒以内であり、かつ前記出口部均圧工程の時間が５
   秒以内であることを特徴とする請求項４記載の圧力変動
   吸着式ガス分離装置の運転方法。