JPH04254402A - 窒素ガス分離装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は吸着剤の備える選択的吸
着特性を利用し、窒素ガス以外に少なくとも酸素ガスを
含有する原料ガスから窒素ガスを分離回収する装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、窒素ガスは金属の熱処理，半導体
の製造，化学プラントの防爆シール等に用いる工業用ガ
スから食品保存用の充填ガスに至るまで多岐にわたる分
野で使用されており、その使用量も年々増大している。 従来、この窒素ガスの製造方法として、速度分離型の吸
着剤である分子ふるい炭素（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｓｉ
ｅｖｉｎｇ　Ｃａｒｂｏｎ：ＭＳＣ）を充填した吸着槽
に原料ガスである高圧の空気を送入し、前記吸着剤に酸
素ガスを吸着せしめて窒素ガスを分離するいわゆる圧力
変動吸着（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐ
ｔｉｏｎ：ＰＳＡ）式製造方法が用いられてきた。

【０００３】そしてこの方法を実施するための装置とし
て、従来、図２に示すような装置が知られている。この
装置は吸着槽部（Ａ），製品供給部（Ｂ），給気配管部
（Ｃ），排気配管部（Ｄ），取り出し配管部（Ｅ）及び
これら各部（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）の作動を制
御する制御装置（図示せず）からなるものである。以下
、各部（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）について詳述す
る。

【０００４】前記吸着槽部（Ａ）は並列に設けた二基の
吸着槽（１９）（２０）からなるものであり、該吸着槽
（１９）（２０）は密封円筒形状をしており、その内部
に前記吸着剤であるＭＳＣを充填している。

【０００５】前記製品供給部（Ｂ）は、製品槽（２１）
と、液体窒素貯蔵槽（２４）と、蒸発器（２３）とを備
えており、この液体窒素貯蔵槽（２４）と蒸発器（２３
）とを配管（２５）で連結し、製品槽（２１）と蒸発器
（２３）とを配管（２８）で連結したものである。そし
てこの配管（２８）は電磁弁（２９）を備え、製品槽（
２１）はその下部に、窒素供給弁（８）及び流量検出器
（２２）を具備する窒素供給管（１５）を備えている。

【０００６】前記給気配管部（Ｃ）は給気弁（１）を有
するとともに前記吸着槽（１９）の下部に接続した給気
管（１０ａ）と、給気弁（３）を有するとともに前記吸
着槽（２０）の下部に接続した給気管（１０ｂ）と、こ
れら給気管（１０ａ）（１０ｂ）に接続した給気管（１
０）と、該給気管（１０）の他端に接続したバッファタ
ンク（１８）と、該バッファタンク（１８）に接続した
空気圧縮機（１７）とからなるものである。

【０００７】前記排気配管部（Ｄ）は前記吸着槽（１９
），前記給気弁（１）間の給気管（１０ａ）から分岐し
た排気管（１６ａ）と、前記吸着槽（２０），前記給気
弁（３）間の給気管（１０ｂ）から分岐した排気管（１
６ｂ）と、これら排気管（１６ａ）（１６ｂ）に接続し
た排気管（１６）からなり、前記排気管（１６ａ）は排
気弁（２）を有し、前記排気管（１６ｂ）は排気弁（４
）を有している。

【０００８】前記取り出し配管部（Ｅ）は取り出し弁（
６）を有するとともに前記吸着槽（１９）の上部に接続
した取り出し管（１１）と、取り出し弁（７）を有する
とともに前記吸着槽（２０）の上部に接続した取り出し
管（１２）と、これら取り出し管（１１）（１２）に接
続した取り出し管（１４）と、均圧弁（５）を有する均
圧管（１３）とからなるものである。そして前記均圧管
（１３）はその一端が前記取り出し弁（６）と吸着槽（
１９）との間の取り出し管（１１）に接続し、他端が前
記取り出し弁（７）と吸着槽（２０）との間の取り出し
管（１２）に接続した構成となっており、前記取り出し
管（１４）の他端が前記製品槽（２１）に接続している
。

【０００９】次に、以上の構成を備える装置を用いて窒
素ガスを分離する基本的態様について前述した図２及び
図３に基づいて説明する。図３に示すように、各吸着槽
（１９）（２０）に対し、吸着工程，均圧工程，再生工
程の各工程を連続的に繰り返すが、そのサイクルの位相
は各吸着槽（１９）（２０）で異なっており、同図に示
す通りである。

【００１０】以下、図３に示す時間Ｔ１　〜Ｔ４　にお
ける装置各部の態様について説明する。

【００１１】Ｔ１　；このとき、吸着槽（１９）（２０
）はそれぞれ均圧工程を終了した段階であって、図２の
給気弁（１）（３），排気弁（２）（４），取り出し弁
（６）（７）は閉じており、均圧弁（５），窒素供給弁
（８）は開いた状態にある。その後均圧弁（５）を閉じ
て、給気弁（１）及び取り出し弁（６），排気弁（４）
を開くことにより、吸着槽（１９）を吸着工程に、吸着
槽（２０）を再生工程に移行せしめる。即ち、吸着槽（
１９）においては、空気圧縮機（１７）により加圧した
原料ガスである空気を、バッファタンク（１８），給気
管（１０），給気弁（１）を介して吸着槽（１９）に送
気する。

【００１２】これと同時に、取り出し弁（６）を開くこ
とにより、取り出し管（１４）を介して、製品槽（２１
）内の濃縮窒素ガスを吸着槽（１９）に送気する。この
とき、吸着槽（１９）は前記原料ガスである空気と濃縮
窒素ガスとにより迅速に昇圧せしめられるとともに、こ
の昇圧により、吸着槽（１９）内に充填したＭＳＣに酸
素ガスを吸着せしめ、空気から窒素ガス成分を分離する
。この分離した窒素ガス成分は給気側の圧力の方が製品
槽側の圧力よりも高いことから、取り出し管（１１），
取り出し弁（６），取り出し管（１４）を介して、製品
槽（２１）に送気，充填せしめられる。また、運転中は
常に製品取り出し弁（８）が開であり一定量の濃縮窒素
が製品取り出し管（１５），製品取り出し弁（８）を介
しユーザーに供給される。

【００１３】一方、吸着槽（２０）においては、排気弁
（４）を開くことにより、排気管（１６）を介して、吸
着槽（２０）内の高圧残存ガスを大気に放出せしめ、槽
内の圧力を低下せしめる。これにより、酸素を吸着し分
離効率の低下したＭＳＣから酸素を放出せしめ、これを
通常の状態に再生せしめる。

【００１４】Ｔ２　；この段階では、図２の給気弁（１
），取り出し弁（６），排気弁（４）を閉じて、均圧弁
（５）を開くことにより、吸着槽（１９）（２０）を均
圧工程に移行せしめる。即ち、前記操作により吸着槽（
１９）内に充満していた高圧の濃縮窒素を吸着槽（２０
）に移動せしめ、該吸着槽（２０）内を効率よく昇圧せ
しめる。

【００１５】Ｔ３　；この段階では図２の均圧弁（５）
を閉じて、給気弁（３），取り出し弁（７），排気弁（
２）を開くことにより、吸着槽（１９）を再生工程に、
吸着槽（２０）を吸着工程に移行せしめる。

【００１６】Ｔ４　；この段階では図２の給気弁（３）
，取り出し弁（７），排気弁（２）を閉じて、均圧弁（
５）を開くことにより、吸着槽（１９）（２０）を均圧
工程に移行せしめる。

【００１７】以後Ｔ１　〜Ｔ４　の操作を順次繰り返す
ことにより、連続して高濃度窒素ガスを得ることができ
る。 尚、前記Ｔ１　〜Ｔ４　における製品槽（２１）内の圧
力は、図４に示すように上限値Ｐ１　と下限値Ｐ２　と
の間で図示の如く変動する。

【００１８】ところで、前記製品槽（２１）からの窒素
ガスの取り出し量が一定量を超えた場合、前記吸着槽（
１９）（２０）及び前記製品槽（２１）内の平均圧力が
低下するとともに、吸着剤の特性からこれに起因して吸
着剤の酸素吸着量が低下し、所望の濃度の窒素ガスの供
給が困難であるため、これに対処すべく、従来は、前記
流量検出器（２２）により窒素ガスの取り出し量を監視
し、これが所定量を超えた場合には、前記液体窒素貯蔵
槽（２４）から蒸発器（２３）を介して高濃度窒素ガス
を製品槽（２１）に供給し、製品槽（２１）の窒素濃度
が所定濃度以下になるのを防止していた。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、製品槽及び
吸着槽の圧力が低下するのは前述した製品槽からの窒素
ガスの取り出し量が所定量を超えた場合のみならず、雰
囲気温度が所定基準値より変動した場合にも吸着剤の特
性により同様に吸着槽と製品槽内の圧力が低下し問題と
なる。即ち、かかる場合に、従来の装置は、製品槽から
の窒素ガスの取り出し量が一定量を超えた場合のみ、液
体窒素貯蔵槽から窒素ガスを補給するものであるため、
雰囲気温度の変動に対応して製品槽の窒素ガス濃度を所
定濃度に維持することができないのである。

【００２０】本発明は以上の実状に鑑みなされたもので
あって、雰囲気温度が変動しても、供給する窒素ガスの
濃度を所定の濃度に維持することが可能な窒素ガス分離
装置の提供を目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、吸着剤を充填した吸着槽に窒素ガス以外に
少なくとも酸素ガスを含有する原料ガスを送入し，前記
吸着剤に酸素ガスを吸着せしめることにより、前記原料
ガスから窒素ガスを分離してこれを製品槽に貯留する装
置において、該製品槽と液体窒素貯蔵槽とを蒸発器を介
して連結するとともに、前記製品槽の圧力に応じて作動
する液体窒素供給手段を前記製品槽と蒸発器との間に設
けたことを特徴とするものである。

【００２２】

【作用】上記構成を備える本発明によれば窒素ガス取り
出し量が基準値より増加し若しくは周囲温度が基準値よ
り変動することにより吸着剤の特性から前記製品槽内の
圧力が所定圧より低下した場合に、この圧力低下に応じ
て液体窒素供給手段が蒸発器を介して液体窒素貯蔵槽か
ら高濃度の窒素ガスを製品槽に供給するので、圧力低下
により製品槽内の窒素ガス濃度が低下するのを防止する
ことができる。ここに、蒸発器は液体窒素貯蔵槽に液体
として貯蔵される窒素を蒸発せしめ、気体とするもので
ある。

【００２３】

【実施例】以下、本発明装置の実施例について添付図面
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例を示す説
明図である。同図に示すように実施例装置は前述した従
来装置の配管（２８）に設けられる電磁弁（２９）に替
え液体窒素供給手段（Ｆ）を設けたものであって、他の
構成部分は従来装置と同じ構成であるので、同一の符号
を付してその詳しい説明は省略する。

【００２４】前記液体窒素供給手段（Ｆ）は前記蒸発器
（２３），製品槽（２１）間の配管（２８）に設けた減
圧弁（２６）と逆止弁（２７）とからなるものである。 この逆止弁（２７）は前記蒸発器（２３）側の圧力が製
品槽（２１）側の圧力よりも高い場合に、蒸発器（２３
）側から製品槽（２１）側への窒素ガスの流入を可能と
し且つ、蒸発器（２３）側の圧力が製品槽（２１）側よ
りも低い場合の製品槽（２１）から蒸発器（２３）側へ
のガスの流入を阻止するものである。

【００２５】次に、前記液体窒素供給手段（Ｆ）により
製品槽（２１）に窒素ガスを供給する態様について説明
する。

【００２６】まず、前記製品槽の上部に設けた減圧弁（
２６）の設定圧を製品槽（２１）における圧力の下限値
Ｐ２に調整する。そして、前述の如く、製品槽（２１）
からの窒素ガスの取り出し量が所定基準量を超えた場合
並びに温度が所定基準値（２０℃）から上昇または下降
した場合には前記製品槽（２１）内の圧力が下限値Ｐ２
よりも低下するが、この場合には前記蒸発器（２３）側
の圧力が製品槽（２１）側の圧力よりも高い状態であり
、減圧弁（２６），逆止弁（２７）を介して窒素ガスが
製品槽（２１）に供給され、製品槽（２１）の圧力が設
定圧力より低下するのを防止することができる。 また、この構成によれば、製品槽（２１）内の圧力が低
下した場合に、即時に且つ自動的に高濃度の窒素ガスを
製品槽（２１）内に供給することができる。

【００２７】尚、この例では液体窒素供給手段（Ｆ）を
減圧弁（２６）と逆止弁（２７）とから構成したがこれ
に限るものではなく、前記製品槽（２１）に圧力センサ
を設け、蒸発器（２３），製品槽（２１）間に減圧弁及
び補給弁を設け、前記圧力センサ及び補給弁に接続し補
給弁の作動を制御するコントローラを設けて構成しても
よい。この場合には前述と同様減圧弁を適宜に設定し調
整するとともに、圧力センサにより製品槽（２１）の圧
力を監視し、製品槽（２１）の圧力が所定圧以下に低下
した場合に前記コントローラにより前記補給弁を開き、
製品槽（２１）に窒素ガスを供給するようにする。

【００２８】

【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、窒素ガ
スの取り出し量が一定量を超え製品槽内の圧力が低下し
た場合だけでなく、温度が所定の基準値より変動して製
品槽内の圧力が低下した場合にも、高濃度の窒素ガスを
補給することが可能であるので製品槽の窒素ガス濃度を
所定濃度に維持することができ、安定した窒素ガスが供
給できる。従って、窒素ガス分離装置の仕様をベースロ
ードに合わせておけば良く、その仕様のオーバスペック
を回避でき、イニシャルコストおよびランニングコスト
の低減，装置の軽量，コンパクト化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一実施例を示す説明図である。

【図２】従来の装置を示す説明図である。

【図３】従来の装置における工程を示すタイムチャート
である。

【図４】従来の装置における製品槽内の圧力の変動を示
すグラフである。

【符号の説明】

１，３　　　　給気弁 ２，４　　　　排気弁 ５　　　　均圧弁 ６，７　　　　取り出し弁 ８　　　　窒素供給弁 １７　　　　空気圧縮機 １８　　　　バッファタンク １９，２０　　　　吸着槽 ２１　　　　製品槽 ２３　　　　蒸発器 ２４　　　　液体窒素貯蔵槽 ２６　　　　減圧弁 ２７　　　　逆止弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　吸着剤を充填した吸着槽に、窒素ガス
   以外に少なくとも酸素ガスを含有する原料ガスを送入し
   、前記吸着剤に酸素ガスを吸着せしめることにより、前
   記原料ガスから窒素ガスを分離して、これを製品槽に貯
   留する装置において、該製品槽と液体窒素貯蔵槽とを蒸
   発器を介して連結するとともに、前記製品槽の圧力に応
   じて作動する液体窒素供給手段を前記製品槽と蒸発器と
   の間に設けたことを特徴とする窒素ガス分離装置。