JPH0356767B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は吸着ベツドに給ガスを通すことによつ
て、所望の成分で濃縮されたガス流を放出する吸
着装置に関し、特に給ガスである空気中に含まれ
る酸素または窒素の割合を増加するのに適した装
置に関する。

発明の背景 分子ふるい物質は、空気等の給ガスを通すと共
に、給ガスの種々の成分が一般に吸着体の型およ
びガス圧、温度等のその他の要因に応じて付着す
る吸着ベツド内に吸着体として使用されてきた。
しかし吸着ベツドに１回通すだけでは、給ガス成
分ガスを完全に分離することができず、また吸着
体は限られた少量の吸着成分ガスしか保有できな
いという点で飽和してしまうため、吸着されたガ
スを定期的に除去してその吸着力を再生しなけれ
ばならない。ベツドの飽和および再生は以下の要
領で行われる。給ガスを加圧して、吸着装置の入
力端から入れて出力端に送る。出力端から出され
るガスは当初は所望の成分に富んでいるが、濃縮
ガスを出力端から放出し続けるにつれて、一成分
ガスがベツドに吸着されていくのがはつきりわか
るようになり、前線（この通過後、吸着体が飽和
状態に達する）が入力端から出力端に向かつて吸
着装置内を前進する。前線が出力端に到達する
と、吸着体は飽和してそれ以上吸着ガスを保持で
きなくなり、吸着ガスが出力端から「漏出」する
ため、その後の放出ガスの質が低下する。しかし
給ガス流を止め、ベツドを通気して圧力を下げ、
ベツドを通して出力端から入力端に少量の濃縮ガ
スを逆流させることによつてベツドを再生するこ
とができる。最適には少くとも２個の平行吸着ベ
ツドを用いることにより、所望の成分に富んだガ
スを放出するようにする。すなわち一方のベツド
を給ガスで加圧して所望のガスを放出する間に、
少量の放出ガスをベツドを通して排気口に逆流さ
せて、他方のベツドを再生する。

発明の概要 本発明の背景に関する上記の説明から、給ガス
を吸着ベツドの入口にポンプ送りする前にこれを
予め所望成分で濃縮しておけば吸着ベツドの飽和
が遅れると共に、高純度の所望成分を放出できる
ようになることは明白である。本発明はこのよう
な給ガスの予備濃縮を行うものであり、それぞれ
給ガスの一成分を選択する吸着体を有する第１吸
着ベツドおよび他の成分を選択する吸着体を有す
る第２吸着ベツドで構成される基本的に平行する
複合吸着系列で実現している。濃縮プレナムは、
２個のベツド間に配設され、必要な弁装置と連通
して装置の種々の素子間に制御的にガスを送る。
吸着系列は先行技術と同様に、交互に作動する。
すなわち一方の吸着系列が作動して所望の濃縮ガ
スを放出する間に、他方の吸着系列が再生され
る。さらに詳細に説明すると、所望の濃縮ガスが
第１ベツドから放出されると、第２ベツドから放
出されるガスは第２吸着系列の第２ベツドを通つ
て第２吸着系列のプレナムに逆流する。この作用
により第２吸着系列の第２ベツドが再生されるの
みならず、第２吸着系列の第２ベツドから流出す
る濃縮ガスが第２吸着系列のプレナムに蓄積され
る。その後、第２吸着系列を加圧する間に、給ガ
スは第２吸着系列プレナムのガスに混入するた
め、いく分濃目の給ガスが第２吸着系列の第１ベ
ツドに供給される。

発明の具体例の説明 次に添付図面を参照して本発明の詳細を説明す
る。

本発明によつて構成された複合ベツド型ガス濃
縮装置を第１図に符号１０で示す。本実施例では
ガス濃縮装置１０を酸素濃縮器で実現している。。
この装置はコンプレツサ５４から送られてくる圧
縮された大気を入口５４ａで受取り、出口３２か
ら酸素濃縮流出物を送り出す。装置１０は、それ
ぞれゼオライト５Ａ等の窒素選択性分子ふるい物
質を有するベツド１２と１４、ゼオライト４Ａ等
の酸素選択性分子ふるい物質を有するベツド２０
と２２、およびそれぞれベツド１２と２０および
１４と２２の間に結合されたプレナム室１６と１
８で構成される平行する同一形状の分枝１０ａと
１０ｂとから成つている。図中種々の素子を連結
する線はガス導管である。また逆止め弁２４と２
５を除く例えば弁２６等の弁は、本実施例では制
御器９０で適切な順序で制御される二方弁であ
り、適切には制御器９０から電気動作信号を受取
るソレノイド弁であるが、例えば制御器９０によ
つて機械的に制御される機械動作受取弁にするこ
とができる。このように弁２６と逆止め弁２４と
は、ベツド１２の出力口１２ａと装置の出力口３
２との間に直列接続されている。同様に弁２８と
逆止め弁２５とは、ベツド１４の出力口１４と装
置の出力口３２との間に直列接続されている。直
列接続された弁３０とオリフイス３４とは、出力
口１２ａと１４ａとの間で直列接続された弁３６
とオリフイス３８に並列接続されている。弁４６
はベツド１２の入力口１２ｂとプレナム１６の口
１６ａとの間に接続されており、一方、弁４８は
ベツド１４の入力口１４ｂとプレナム１８の口１
８ａとの間に接続されている。弁４０と４２とは
それぞれ入力口１２ｂと１４ｂとを排気口４４に
接続している。排気口は装置の入力口５４ａに送
られるガスより低い圧力下にあるガスシンクであ
り、本実施例では大気に排気する。弁５０と６４
とは、プレナム室１６の口１６ｂとベツド２０の
入力口２０ａとの間に直列接続されている。弁５
８と６０とはプレナム室１８の口１８ｂとベツド
２２の入力口２２ａとの間に直列接続されてい
る。弁５２とはそれぞれ、弁５０または６４と弁
５８または６０との共通口を装置の入力口５４ａ
に接続している。弁６６と６２とはそれぞれ、口
２０ａと２２ａとを好ましくは排気口４４と同様
の排気口６８に接続している。弁７４と７８とは
それぞれ、ベツド２０の出力口２０ｂとベツド２
２の出力口２２ｂとを窒素出力口７６に接続して
いる。以下に説明するように、装置の出力口７６
から流出するガスは窒素に富んでいるが、第１図
に示す装置は特に酸素ガスの放出に適するもので
あり、このため通常は効果的に酸素ガスを放出す
るように調節するのが好ましい。その場合、従来
方法では出力口７６から放出される窒素ガスの質
は商品的価値が低いため通常は使用に耐えないも
のである。従つて出力口７６は排気口４４または
６８（すなわち本実施例では大気）に排気する。

ガス濃縮装置１０が通常要領で作動すると、一
方の吸着系列（例えば吸着系列１０ａ）は、コン
プレツサ５４によつて加圧されて、給ガスの一成
分（ここでは酸素）に富んだ流圧物を放出する間
に、他方の吸着系列（例えば吸着系列１０ｂ）お
よびその吸着ベツドが再生される。装置は、吸着
系列１０ａがその圧力その他の測定し得るパラメ
ータの変化によつてもしくは経験的に決定される
吸着成分（ベツド１２の場合は窒素およびベツド
２０の場合は酸素）で飽和または飽和に近い状態
になるまでこのモードで作動し続けることによつ
て、時宜ベースで作動する。このとき弁がシフト
して、吸着系列１０ａを再生する間に吸着系列１
０ｂを加圧して所望の濃縮流出物を放出できるよ
うにする。装置はこれらの２つのモードを交互に
繰り返していく。周知のように、順次に加圧され
る３本の平行する吸着系列を装置に備え得ること
は勿論である。

装置１０の作動について簡単に説明しておく。
すなわち第１吸着系列（仮に吸着系列１０ａとし
ておく）の加圧モード中に吸着系列１０ｂを再生
する。明言すると、コンプレツサ５４から弁５２
と５０、プレナム１６及び弁４６を経由して加圧
された給ガスを吸着ベツド１２に送ると、該ベツ
ドは酸素濃縮生成ガスを弁２６および逆止め弁２
４を経由して出力口３２から放出して使用できる
ようにする。これと同時に弁６４を通して加圧給
ガスを吸着ベツド２０に直接送ると、該ベツドは
窒素濃縮ガスを出力口２０ｂから放出する。酸素
濃縮ガスの一部は、弁３０とオリフイス３４およ
び弁３６とオリフイス３８から成る並設路を経由
し、吸着ベツド１４と弁４２を通つて排気口４４
に逆流することによつてベツド１４を再生する。
一方窒素濃縮ガスの少くとも一部は、弁７０とオ
リフイス７２を経由し、吸着ベツド２２および弁
６０と５８を通つてプレナム１８に逆流する。後
者の作用によりベツド２２の物質によつて先に吸
着された酸素分子がプレナム１８に流入する。若
干量の窒素濃縮放出ガスを装置から弁７４を経由
して排気口７６または弁６２を経由して排気口６
８に押出すことができる。後者の排気口はベツド
２２を完全に再生する場合に使用されるものであ
る。第１吸着系列再生モードが完了すると、第１
吸着系列（ここでは吸着系列１０ａ）の素子は排
気される。第２吸着系列加圧モード中に同様の要
領で吸着系列１０ｂを加圧する間に吸着系列１０
ｂを再生することは明らかである。

次に第２図を参照して装置１０の作動の詳細を
説明する。

第２図は第１図に示す種々の弁の状態を装置１
０の作動順序に従つて図式化したものである。最
適には溜めとガス圧調整手段とを含むコンプレツ
サ５４が作動して、加圧された給ガスを間断なく
送り込むと、ステツプ１（吸着系列１０ａは再生
されたばかりであり、また吸着系列１０ｂは吸着
成分で飽和していると思われる）において、弁４
２，５０及び５２が開く（このとき他の弁は閉じ
ている）ため、加圧されたばかりのベツド１４は
排気口４４と連通し、窒素濃縮排ガスがベツド１
４を貫流してこれを再生し始める。同時に、コン
プレツサ５４から送られた加圧ガスがプレナム１
６にたまる。経過を追つて説明していくうちにプ
レナム１６は最初酸素濃縮ガスを含んでいること
が明らかとなろう。ステツプ２では弁４６と４８
も開くため、プレナム１８は大気に連通し、プレ
ナム１６内の加圧された酸素濃縮ガスはベツド１
２を加圧し始める。ステツプ３では弁４８が閉じ
て再びプレナム１８を隔離し、また弁２６，３０
および６４が開く。その結果酸素濃縮流出物は逆
止め弁２４を通つて装置の出口３２に流入し、そ
こで従来要領で使用に供される。また少量の放出
された濃縮流出物は弁３０とオリフイス３４とを
通過し、ベツド１４と弁４２とを通つて排出口４
４に逆流することによつて、従来要領でベツド１
４を再生し続ける。さらにベツド２０には弁６４
を介してコンプレツサ５４から加圧ガスが送られ
る。ステツプ42では弁５８，６０および７０が開
いてベツド２２を再生し始める。さらに詳説する
と、酸素を選択する吸着体であるベツド２２はス
テツプ４に移る直前に加圧されて酸素で飽和す
る。このため弁５８と６０とが開くと、ステツプ
４に移る直前に排気圧がかけられるプレナム１８
とベツド２２の圧力は、ベツド２２内にある加圧
された酸素濃縮ガスがプレナム１８に流入すると
きに等しくなる。同様に窒素濃縮流出物の一部が
ベツド２０から弁７０、オリフイス７２および入
力口２２ｂを通つてベツド２２に流入してベツド
２２を再生し続けるため、酸素濃縮ガスはプレナ
ム１８に流入し続ける。ステツプ５では弁５８が
閉じるが、これは最適にはプレナム内１８の圧力
がコンプレツサ５４から送られる給ガスの圧力に
近づくか、あるいは達すると閉じる。このため今
度は加圧された酸素濃縮給ガスが、プレナム１８
に蓄積される。これと同時に弁６２が開き、ベツ
ド２２からの排気ガスを排気口６８から排気する
ことによつてベツド２２を再生し続けるようにす
る。また弁７４が開き、ベツド２２から送られる
窒素濃縮流出物が排気口７６に流入できるように
すると共に、弁３６が開いて、追加の酸素濃縮流
出物を該弁とオリフイス３８に通し、ベツド１４
を介して排気口４４に逆流させることによつて、
該ベツドの再生を促進できるようにする。ステツ
プ６では弁４２を閉じて、弁３０および３６を経
由して送られてくる酸素濃縮ガスでベツド１４を
加圧する。同様に弁６４と７０とを閉じて、弁６
２を介してベツド２２を排気すると共に、ベツド
２０内の圧力を排気圧まで下げる。最適にはステ
ツプ６の開始と同時にベツド２２の再生を完了す
るようにする。

ベツド２０と２２とを正しい寸法にすると、ス
テツプ４においてプレナム１８とベツド２２（お
よび交替モードではプレナム１６とベツド２０）
の圧力が等しくなると同時にベツド２２（および
交替モードではベツド２０）の再生が完了する点
に留意されたい。その場合はステツプ６で弁７８
と７４とを通してベツド２２と２０とを排気でき
るので、弁６２と６６および排気口６８は必要と
されない。

ステツプ６の終りに、酸素濃縮流出物が吸着系
列１０ａから放出されて第１吸着系列加圧モード
が完了する。吸着系列１０ａは飽和する。すなわ
ちベツド１２は窒素で最適に飽和し、ベツド２０
は酸素飽和する。これと同時に吸着系列１０ｂが
再生される。逆にベツド１４は酸素で飽和加圧さ
れ、ベツド２２は窒素飽和し、またプレナム１８
は酸素濃縮給ガスで加圧される。従つてステツプ
７では装置１０、特に弁が交替モードに切り換わ
り、弁２６，３０，３６，４６，５０，５２，６
０，６２および７４が閉じ、弁４０，５６および
５８が開く。交互に行われる連続モードにおける
装置１０の作動要領については明白であるので、
詳細な説明は省略する。

第３図は第１図に示す装置と類似する複合ベツ
ド型ガス濃縮装置１０−１を示している。図中同
一符号は同一素子を指す。第３図の装置はある種
の素子が省かれている点で第１図の装置とは異な
る。すなわち弁３６およびオリフイス３８と共
に、排気口６８及び弁６２及び６６を使用してい
ない。吸着ベツド２０および２２はそれぞれ、プ
レナム室１６および１８に応じて寸法決めされて
いるため、ベツドを再生し、これに引続いて関連
するプレナム室に酸素を充てんする場合は、これ
が同時に行われる。換言すると、吸着ベツド２０
または２２は、関連するプレナム室１６または１
８内の圧力が給ガスの圧力とほぼ等しくなるとき
に完全に再生されるような寸法になつている。そ
の後ベツドを弁７４または７８を通して適宜に排
気し、窒素ガスを排気口７６から排出する。

装置１０−１の作動は第１図に示す装置１０と
類似している。すなわち弁５０および５２を開け
てコンプレツサ５４から加圧ガスをプレナム１６
１に送り、また弁４２を開けて先に加圧された吸
着ベツド１４と排気口４４とを連通させる。次に
弁４６を開けてプレナム１６から加圧ガスを吸着
ベツド１２に送り、また弁２６を開け逆止め弁２
４を介して酸素濃縮生成ガスを出口３２から放出
する。このとき弁３０を開けて生成ガスの一部を
オリフイス３４および弁３０を経由して吸着ベツ
ド１４に通して排気口４４に逆流させる。弁６４
を開けてコンプレツサ５４から加圧ガスを直接吸
着ベツド２０に送り、続いて弁８，６０および７
０を開けて窒素濃縮流出物が吸着ベツド２０から
オリフイス７２を経由して吸着ベツド２２を通り
プレナム１８に逆流できるようにする。この作用
は先に吸着された酸素分子を吸着ベツド２２から
掃引してプレナム１８に入れることによつて吸着
ベツド２２を再生することは勿論である。プレナ
ム内のガス圧が、コンプレツサ５４から送られる
給ガスの圧力とほぼ等しくなるまでこれを続け
る。ただしこの場合は弁５８，６０および７０を
閉じ、弁７４を開けておく。こうして窒素濃縮ガ
スは排気口７６を通して装置から掃除されるが、
ベツド２０の物質に吸着する酸素の量は増え続け
る。周知の通り、ベツド内の圧力変化の感知また
は経験から決定できる時点でベツド２０が酸素飽
和すると、弁６４、次に弁７４が閉じる。吸着ベ
ツド２０は再生され排気圧下にあつて次の作動モ
ードを待つ。吸着ベツド１２は、最適にはベツド
２０の酸素飽和とほぼ同時に窒素飽和する。その
とき制御装置９０が弁を吸着系列１０ｂ加圧モー
ドにシフトするため、吸着系列１０ｂは出口３２
から酸素濃縮生成ガスを放出し、一方吸着系列１
０ａは再生される。上記および後続モードにおけ
る装置１０−１の作動要領については上記の説明
から明らかである。

また本発明はその他の成分に富んだ流出物の生
成にも適している点に留意されたい。例えばベツ
ド１２および１４については酸素を選択する分子
ふるいを用い、一方ベツド２０および２２につい
ては窒素を選択する分子ふるいを用いることによ
り、複合ベツドガス濃縮装置を窒素濃縮物を放出
するように構成することができる。上記の通り本
発明を説明したが、添付の特許請求の範囲に記載
されている本発明の真意および適用範囲を逸脱す
ることなく種々の修正および変更を成し得ること
は明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガス濃縮装置のブロツク
線図である。第２図は、第１図に示す装置の作動
要領、特に種々の弁の相対的タイミングの説明に
有益なフローチヤートである。および第３図は本
発明による他の好ましいガス濃縮装置のブロツク
線図である。 〔主要部分の符号の説明〕、ガス濃縮装置……
１０，１０−１、吸着系列……１０ａ，１０ｂ、
吸着ベツド……１２，１４，２０，２２、プレナ
ム……１６，１８、弁……３０、オリフイス……
３４、排気口……４４，６８，７６、制御装置…
…９０。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 第１吸着系列与圧モードで、第１吸着ベ
   ツドからなる第１吸着系列から第１成分富化ガ
   スを放出する工程、 (b) 実質的に第１吸着系列と同一の少なくとも第
   ２吸着系列を該第１吸着系列へ結合する工程、
   及び (c) 第１吸着系列から放出される第１成分富化ガ
   スの一部を前記第２吸着系列の第１吸着ベツド
   を通して低圧排気口に逆流させる工程から成
   る、少なくとも第１及び第２ガス成分を有する
   与圧された供給混合気から第１成分富化ガスを
   放出する方法であつて、 (d) 第１吸着系列に第２吸着ベツド２０と、プレ
   ナム室１６とを結合すると共に、第２吸着系列
   に第２吸着ベツド２２とプレナム室１８とを結
   合する工程、 (e) 多少第１成分を富化した与圧された供給混合
   気をプレナム室１６から第１吸着ベツド１２に
   吐出する工程、 (f) 与圧された給ガス混合気を直接第２吸着ベツ
   ド２０に入れて、第１吸着系列与圧モードで第
   ２成分富化ガスを放出する工程、 (g) 第１吸着系列から放出される第２成分富化ガ
   スの少なくとも一部を、第２吸着系列の第２吸
   着ベツド２２を通して第２吸着系列のプレナム
   室１８に逆流させることによつて、第２吸着系
   列のプレナム室１８に第１成分富化ガスを充填
   する工程、 (h) 第２吸着系列の第２吸着ベツド２２と低圧排
   気口とを連通させる工程、 (i) 第２吸着系列与圧モードにおいて与圧された
   供給混合気を第２吸着系列のプレナム室１８を
   通して第２吸着系列の第１吸着ベツド１４に送
   つて第１成分富化ガスを放出すると共に、第２
   吸着系列の第２ベツドに直接送つて第２成分富
   化ガスを放出する工程、及び (j) 第１及び第２吸着系列の工程(a)−(i)を繰り返
   す工程を含むことを特徴とする第１成分富化ガ
   スを放出する方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の方法であつ
   て、更に (a) 第２吸着系列から放出される第２成分富化ガ
   スの少なくとも一部を、第１吸着系列の第２吸
   着ベツドを通して第２吸着系列のプレナム室に
   逆流させることによつて、第１吸着系列のプレ
   ナム室に第１成分富化ガスを充填する工程、及
   び (b) 第１吸着系列の第２吸着ベツドと低圧排出口
   とを連通させる工程を具備することを特徴とす
   る方法。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方
   法であつて、低圧排気口が大気圧下にあることを
   特徴とする方法。 ４ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方
   法であつて、与圧された給ガス混合気が空気であ
   ることを特徴とする方法。 ５ 与圧された供給混合気を周期的に受取る第１
   吸着系列と第１吸着系列の第２ガス成分を吸着す
   るための物質を充填した第１吸着ベツド、 与圧された給ガス混合気を周期的に受取る実質
   的に第１吸着系列と同一の少なくとも第２の吸着
   系列、 排気口、及び 与圧された供給混合気を第１吸着系列に供給す
   ると共に、第１吸着系列から放出される第１成分
   富化ガスの一部を第２吸着系列の第１吸着ベツド
   を通して排気口に逆流させる弁装置からなる、少
   なくとも第１及び第２ガス成分を含む与圧供給混
   合気から第１成分富化ガスを放出する複合ベツド
   型富化装置であつて、第１吸着系列は更に第１の
   ガス成分を吸着するための物質を充填した第２吸
   着ベツド２０とプレナム室１６とを有し、第２吸
   着系列が更に第２吸着ベツド２２とプレナム室１
   ８とを有し、更に、第１と第２吸着系列の第２吸
   着ベツド２０，２２の出力は、弁７０を通して互
   いに結合されており、第１吸着ベツド１２はプレ
   ナム室から与圧供給混合気を受取つて第１成分富
   化ガスを生成し、第２吸着ベツドは与圧混合気を
   圧縮器から直接受取つて第２成分富化ガスを放出
   し、又第１吸着系列から放出される第２成分富化
   ガスの少なくとも一部は、第１吸着系列与圧モー
   ドにおいて第２吸着系列の第２吸着ベツドを通つ
   て第２吸着系列のプレナム室に逆流し、一方与圧
   された供給気は、第２吸着系列与圧モードにおい
   て第２吸着系列に供給されることを特徴とする装
   置。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載の装置であつ
   て、前記弁装置が第２吸着系列から放出される第
   １成分富化ガスの一部を送ることによつて、第１
   吸着系列の第１吸着ベツドを通して排気口に逆流
   させると共に、第２吸着系列から放出される第２
   成分富化ガスの少なくとも一部を送ることによつ
   て、第１吸着系列の第２吸着ベツドを通して第１
   吸着系列のプレナム室に逆流させる手段を含むこ
   とを特徴とする装置。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載の装置であつ
   て、制御装置によつて弁装置が第１吸着系列与圧
   モードと第２吸着系列与圧モードとを交互に繰り
   返すようにしてあることを特徴とする装置。 ８ 特許請求の範囲第５項、第６項又は第７項に
   記載の装置であつて、排気口が大気圧下にあるこ
   とを特徴とする装置。 ９ 特許請求の範囲第５項、第６項又は第７項に
   記載の装置であつて、与圧された供給混合気が空
   気であることを特徴とする装置。