JPH072205B2 - 圧力変動吸着装置の減量運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧力変動吸着装置の減量運転方法に関し、詳
しくは減量運転状態においても所定の濃度の製品ガスを
安定して製造するとともに、消費動力を低減させること
のできる圧力変動吸着装置の減量運転方法に関する。

〔従来の技術〕

圧力変動吸着装置（以下PSA装置という）は、各種ガス
の分離あるいは精製法として広く用いられており、特に
窒素を優先的に吸着するゼオライト等の吸着剤を用いて
原料空気中から酸素ガスを分離製造する酸素製造装置と
して多く用いられている。

このPSA装置を使用した酸素製造装置は、上記ゼオライ
ト等の吸着剤を充填した吸着塔を、例えば３基使用して
各吸着塔をそれぞれ吸着，再生，充圧の各工程に順次切
替えて連続的に製品酸素ガスを製造するもので、このよ
うな酸素製造装置では、酸素を消費する装置の操業状態
に応じて酸素の製造量を増減させる必要があり、一般に
上記酸素製造量の調整は、製品酸素導出量を制御すると
ともに、上記吸着，再生，充圧の各工程の切替え時間を
制御することにより行われている。例えば50％の減量運
転を行う場合には、酸素導出量を1/2に絞るとともに各
工程の切替時間（サイクルタイム）を２倍としている。
この減量運転中の動力費を低減させる手段として、特開
昭60−193520号公報に記載された圧力変動吸着法による
ターンダウン制御方法には、吸着工程にある吸着塔から
導出されている富酸素ガスの流れ特性（富酸素ガスの
量，速度、濃度，圧力等）を監視し、この流れ特性があ
らかじめ設定された所定の値に達するまで吸着工程以外
の工程（ステップ）を停止させ、その間原料空気を供給
する圧縮機の能力を調節するとともに、真空再生工程に
使用する真空ポンプをアンロード状態とすることが示さ
れている。第４図は、上記公報明細書に示されたターン
ダウン制御による各吸着塔の圧力変動パターンを示すも
ので、３基の吸着等A,B,Cを使用して50％の減量運転を
行っている状態を示している。図においてステップ１
は、吸着塔Ａが吸着工程、吸着塔Ｂが加圧（充圧）工
程、吸着塔Ｃがパージ（再生）工程にある状態であり、
ステップ２は、吸着塔Ａがステップ１から継続して吸着
工程、吸着塔Ｂ及び吸着塔Ｃが待機工程にある状態であ
る。即ち、吸着塔Ａについてみれば、酸素導出量が通常
の100％運転に比べて50％に絞られているため、ステッ
プ1,2を通して通常運転の２倍の時間で所定量の製品酸
素ガスを導出している。またこの間のステップ１におい
て、吸着塔Ｂは、吸着塔Ａから導出される製品酸素ガス
で加圧が行われて所定の圧力とされ、また吸着塔Ｃは、
真空ポンプにより大気圧より低い所定の圧力まで減圧さ
れる。そして、所定の圧力とされた両吸着塔B,Cは、充
圧及び再生工程を終えてステップ２の待機工程に移り、
吸着塔Ｃが減圧するための真空ポンプがアンロード状態
とされ、吸着塔Ｂへの製品酸素ガスの導入が止められ
る。このステップ２においては、吸着塔Ｂを加圧する製
品酸素ガス量が不要となり、原料空気量と酸素導出量の
バランスが変化するため、吸着塔Ａに原料空気を供給す
る圧縮機を吸着塔Ａ内の圧力に応じてON−OFFさせて調
節している。以下ステップ3,4で吸着塔Ｂが吸着工程に
入り、ステップ5,6で吸着塔Ｃが吸着工程に入るサイク
ルを繰返していく。この方法では、上記真空ポンプのア
ンロードと圧縮機のON−OFFとにより動力費の低減を図
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述のターンダウン制御方法では、吸着
工程にある吸着塔Ａにおけるステップ１のガス流量と、
ステップ２のガス流量に大きな差を生じるために運転状
態が安定せず、吸着圧力が大きく変動するために吸着能
力にも悪影響を及ぼす。例えば通常運転の場合、製品ガ
ス量を１とすれば、一般に原料空気量は10,加圧ガス量
は５の割合となる。そして50％の減量運転を行うと、製
品ガス量が0.5となり、上記充圧工程が行われている間
（ステップ１）の吸着塔Ａにおいては、10の流入量に対
して5.5の流出量となる。次いで充圧が終了して待機工
程（ステップ２）に入ると、加圧ガスが不要になるため
流出量が製品ガスのみとなり0.5に急激に低下する。こ
のように、流入量に対して流出量が急激に低下した場合
には、塔内圧力が急激に上昇することになる。そのため
上記方法では、塔内圧力に応じて作動する圧力スイッチ
により圧縮機のON−OFFを行い、塔内を所定の圧力に保
つようにしている。しかしこのような圧力スイッチは、
接点切替のためにある程度の圧力差が必要であり、吸着
塔内の圧力は、この圧力差分だけ頻繁に圧力変動を繰返
すことになる。上記明細書では、この圧力変動は、系の
性能に対しては何らの支障も来さないと述べられている
が、このような圧力変動が系の性能に影響するというこ
とは既知のことである。さらに圧縮機のタイプによって
は、圧縮機の回転数を制御することにより原料ガス供給
量を調節することができると述べられているが、制御系
が複雑になり装置のコストアップを招く。

また上記方法においては、製品である富酸素ガスの量，
速度，濃度，圧力等の富酸素ガスの流れ特性の少なくと
も１種を監視して、この特性が所定の値に達することに
よって工程を促進させる条件としている。しかしなが
ら、製品の使用量が頻繁に変化するような場合には、上
記特性が所定の値に達するまでの時間がその時々で変化
するため、極端な場合には、各サイクルごとに切替時間
が違ってくることがある。従って、吸着塔内のガス濃度
分布帯の位置がその都度違うことになり、安定した製品
濃度で運転することが困難となる。

そこで本発明は、減量運転中の消費動力を低減させると
ともに、吸着工程にある吸着塔の圧力変動を極力低減し
て、安定した製品ガスの製造を行うことのできる圧力変
動吸着装置の減量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は、原料ガス中の
特定成分を優先的に吸着する吸着剤を充填した複数の吸
着塔を、吸着，再生，充圧の各工程に順次切替えること
により連続的に製品ガスを製造する圧力変動吸着装置を
減量運転するにあたり、吸着工程を終了した状態にある
吸着塔を再生する各工程、（Ａ）該吸着塔内のガスを再
生工程が終了した状態にある吸着塔内に放出する均圧工
程、（Ｂ）均圧工程を終えた該吸着塔内のガスを真空ポ
ンプで吸引する真空再生工程、（Ｃ）真空ポンプで塔内
ガスを吸引しながら該吸着塔内に製品ガスを導入するパ
ージ再生工程、の（Ａ）乃至（Ｃ）の工程の内、少なく
ともひとつの工程の後に圧力変動吸着措置の減量運転に
見合う所定時間の待機工程を設け、該待機工程中は、前
記真空ポンプをアンロード状態とし、他の充圧工程ある
いは吸着工程にある吸着塔はその工程を継続させるとと
もに、充圧工程にある吸着塔に導入するガス量を製品減
量に見合う量に制御することを特徴とする圧力変動吸着
装置の減量運転方法を提供するものである。

〔作用〕

このように、再生工程にある吸着塔のみを待機状態と
し、他の吸着及び充圧工程にある吸着塔は、導出あるい
は導入ガス量を製品減量に応じた量に減量させて、その
ままその工程を継続させるようにして減量運転を行うこ
とにより、吸着工程にある吸着塔、即ち製品ガスを導出
している吸着塔内の圧力変動を殆んど無くすことがで
き、安定して製品ガスの製造を行うことができる。また
再生工程にある吸着塔が待機工程にある時に真空ポンプ
をアンロード状態とすることにより、真空ポンプの消費
動力の低減を図ることができる。さらに工程切替を、製
品減量に応じた時間により制御することにより複雑な制
御系を必要とせず、装置のコストアップを招くこともな
い。

〔実施例〕

以下、本発明の方法を図面に示す実施例装置に基づいて
さらに詳細に説明する。

尚、本実施例は、本出願人が先に出願した特願昭61−28
8359号（特開昭63−144104号公報参照）に記載されてい
るPSA装置及びその運転手順をもとにしている。

まず第２図に示すように、PSA装置１は、３基の吸着塔2
a,2b,2c、原料ガスを供給する送風機３、製品ガスを送
出する圧縮機４、吸着塔の再生，充圧工程に用いられる
流量調節機構5a,5bと真空ポンプ６、及び各吸着塔2a,2
b,2cを吸着，再生，充圧の各工程に順次切替えるための
多数の弁により構成されている。

ここで、第３図に示すように、第一の吸着塔2aが吸着工
程、第二の吸着塔2bが充圧工程、第三の吸着塔2cが再生
工程にある場合について説明する。

原料ガスは、送風機３から切替弁7aを経て吸着塔2aに導
入され、該吸着塔2a内で吸着分離が行われて吸着塔2aの
出口から製品ガスが流出する。この製品ガスは、切替弁
8a,弁９を経て圧縮機４に送られ、消費先に圧送され
る。

このとき、第二の吸着塔2bには、その両端の切替弁10b,
11bから第三の吸着塔2c内のガスが導入される均圧工程
（第３図（Ａ））が行われ、次いで両切替弁10b,11bが
閉じられるとともに、出口側の切替弁12bが開かれて流
量調整機構5aから製品ガスが導入され、所定の圧力に加
圧される（第３図（Ｂ）及び（Ｃ））。

また第三の吸着塔2cは、再生工程を構成する各工程、即
ち第３図（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、前記均圧工程
（Ａ）と、該均圧工程を終えた後に切替弁13c,切替弁14
aを開いて真空ポンプ６により塔内の排気減圧を行う真
空再生工程（Ｂ）と、該塔内が所定の真空度になったと
ころで切替弁15cを開いて流量調整機構5bから所定量の
製品ガスを塔出口側から塔内に導入するパージ再生工程
（Ｃ）が順次行われる。

以下、前記明細書に記載されていると同様に、順次切替
弁7a,7b,7c,8a,8b,8c,10a,10b,10c,11a,11b,11c,12a,12
b,12c,13a,13b,13c,15a,15b,15cをそれぞれ切替開閉す
ることにより、第一の吸着塔2aが再生工程、第二の吸着
塔2bが吸着工程、第三の吸着塔2cが充圧工程となるサイ
クル、及び第一の吸着塔2aが充圧工程、第二の吸着塔2b
が再生工程、第三の吸着塔2cが吸着工程となるサイクル
が繰返されて行われる。

このように構成されたPSA装置１は、各サイクルの時間
を、吸着工程にある吸着塔2aの吸着工程所要時間をもと
にして決定され、例えば60秒サイクルで吸着，再生，充
圧が順次各塔に切替えられる。このとき再生工程にある
吸着塔2cでは、例えば均圧工程（Ａ）を10秒間，真空再
生工程（Ｂ）を20秒間，パージ再生工程（Ｃ）を30秒間
として行われている。また充圧工程にある吸着塔2bで
は、均圧工程が前記のごとく10秒間行われた後に、製品
ガスによる充圧が50秒間行われる。

そして、このPSA装置１の減量運転を行う際には、弁９
により製品ガス流量が絞られて吸着工程時間が製品減量
に見合う分延長され、他の充圧，再生工程も含めて１サ
イクルの時間が延長される。例えば、通常運転時の製品
ガス量が20Nm³/H,60秒サイクルのもので2/3の減量運転
を行う場合には、製品ガス量が2/3の13Nm³/Hとなり、サ
イクルタイムが3/2の90秒となる。

本発明の方法では、上記サイクル時間の延長分30秒を、
再生工程にある吸着塔を再生するための前記各工程、即
ち該吸着塔内のガスを再生工程が終了した状態にある吸
着塔内に放出する均圧工程（Ａ）、均圧工程を終えた該
吸着塔内のガスを真空ポンプで吸引する真空再生工程
（Ｂ）、真空ポンプで塔内ガスを吸引しながら該吸着塔
内に製品ガスを導入するパージ再生工程（Ｃ）の（Ａ）
乃至（Ｃ）の工程の内、少なくともひとつの工程の後に
挿入して待機工程（Ｔ）とする。

第１図は、前記第３図に示した１サイクルにおいて、上
記待機工程（Ｔ）を前記均圧工程（Ａ）の後に挿入した
１サイクルを示している。即ち、第１図（Ａ）に示す均
圧工程から第１図（Ｂ）に示す真空再生工程に至る間に
第１図（Ｔ）に示す待機工程（Ｔ）を設けたもので、均
圧工程（Ａ）終了後に切替弁10b,11bを閉じて再生工程
にある吸着塔2cを待機状態としている。この時真空ポン
プ６は、均圧工程（Ａ）から引続いて待機工程（Ｔ）で
も弁14aが閉じられ、弁14bが開かれたアンロード状態を
継続する。

この第１図に示す１サイクル中、吸着工程にある第一の
吸着塔2aは、上述のごとく製品ガス量が絞られた吸着工
程を継続しており、また充圧工程にある第二の吸着塔2b
は、前記均圧工程を所定時間行った後に前記切替弁10b,
11bが閉じられるとともに切替弁12bが開かれて製品ガス
による充圧が開始される。この第二の吸着塔2bの製品ガ
スによる充圧工程は、上記１サイクルの延長時間も含め
て継続して行われる。即ち、前述のごとく通常50秒間で
行われる充圧が80秒間に亘って行われるもので、上記時
間延長に見合うように前記流量調整機構5aが作動して、
この場合は加圧ガスの流量を5/8に調整し、この延長さ
れたサイクルの終了時に所定の充圧が終了するように調
整する。

また前記待機工程（Ｔ）を終えた第三の吸着塔2cは、上
記真空再生工程（Ｂ）及びパージ再生工程（Ｃ）が通常
のサイクルと同様に行われる。

このようにしてPSA装置１の減量運転を行うことによ
り、真空ポンプ６の消費動力を低減させるとともに、吸
着工程にある吸着塔2aの流量変動や圧力変動を殆んど無
くすことができる。

例えば前述のとおり、通常運転の際に製品ガス量が1,加
圧ガス量が5,原料ガス量が10のPSA装置で50％の減量運
転を行う場合、製品ガス量を0.5に調整するとともにサ
イクルタイムを２倍に延長し、さらに加圧ガス量を製品
減量に見合う量、即ち約2.5に調整する。これにより、
吸着工程にある吸着塔からは常に３の量の製品ガスが導
出されることになり、吸着中の流量変動、即ち圧力変動
を無くすことができる。

一方原料ガス量は、上記減量運転の程度に応じて送風機
３の能力を調整してもよいが、送風機３として、ある程
度の送風圧力に達すると、その送風量が限界に達するフ
ァンタイプの送風機を用いると、吸着工程にある吸着塔
の圧力が、製品ガス導出量の減少に伴い上昇してもある
程度の圧力及び流量で均衡を保つことができる。従っ
て、減量運転を行っている際の吸着工程中の吸着塔の圧
力は、通常運転時に比べて上昇するが、減量運転中は、
その圧力で安定するため圧力変動を生じることがなく、
安定した吸着運転を行うことができる。尚、パージ再生
工程（Ｃ）に用いられる製品ガス量は極少量であるか
ら、吸着工程にある吸着塔の圧力には殆んど影響を与え
ることがない。

このような待機工程（Ｔ）は、第１図（Ｂ）の真空再生
工程（Ｂ）の後、あるいは第１図（Ｃ）のパージ再生工
程（Ｃ）の後にも同様に挿入することができる。即ち、
真空再生工程（Ｂ）の終了時に切替弁13c,弁14aを閉じ
るとともに弁14bを開くことにより、あるいはパージ再
生工程（Ｃ）の終了時に、同様に切替弁13c,弁14aを閉
じて弁14bを開くとともに、流量調整機構5bに接続する
切替弁15cを閉じることにより、再生工程にある吸着塔2
cを同様の待機工程とすることができる。いずれの待機
工程中も、真空ポンプ６はアンロード状態とされ、他の
吸着塔2a,2bの吸着及び充圧工程は、前述のごとく継続
されており、消費動力の低減が図られるとともに、所定
の製品ガスが安定して製造されている。

この待機工程（Ｔ）を含めた各工程の切替は、製品減量
に応じてサイクルタイムを延長するのみで行うことがで
き、各種弁や流量調整機構の制御は、この延長時間に応
じて自動的に作動するように設定することができる。ま
た複雑な制御機器等を用いることなく常に一定の運転状
態を得ることができ、所定の純度の製品ガスを安定して
送出することが可能となる。

本発明の減量運転方法を、第２図に示す構成の製品酸素
量20Nm³/HのPSA酸素製造装置に適用したところ、減量運
転を行っても安定した状態で製品酸素ガスを製造するこ
とができた。その結果を下表に示す。

尚、本発明の方法は、上記実施例に示したPSA装置に限
らず、他の例えば吸着塔を４本以上有するもの等、酸素
をはじめとして各種ガスの分離，精製用の各種型式のPS
A装置に適用することができる。またさらに、基礎にな
るPSA法が、例えば特開昭63−144103号公報に記載され
た方法のように、再生工程中の均圧工程において、吸着
工程終了直後の吸着等内の排気を同時に行う方法にも適
用することができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように、吸着塔を再生する均圧工
程，真空再生工程，パージ再生工程の内、少なくともひ
とつの工程の後に真空ポンプをアンロード状態とする待
機工程を設けるとともに、他の充圧工程あるいは吸着工
程は、ガス量を製品減量に見合う量に制御して継続させ
るから、真空ポンプの消費動力が低減して製品ガスのコ
ストダウンを図れるとともに、吸着工程にある吸着塔の
流量変動や圧力変動を防止して安定した吸着分離を行う
ことができる。またセンサー等を用いた複雑な制御機器
を用いずに時間のみで制御することができるので、ガス
流量や圧力の変動の少ない常に一定の運転状態が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は減量運転時の概略工程図、第２図はPSA装置の構
成図、第３図は通常運転時の概略工程図、第４図は従来
の減量運転方法における各吸着塔の圧力変化を示す図で
ある。 １…PSA装置、2a,2b,2c…吸着塔、３…送風機、5a…流
量調整機構、６…真空ポンプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料ガス中の特定成分を優先的に吸着する
   吸着剤を充填した複数の吸着塔を、吸着，再生，充圧の
   各工程に順次切替えることにより連続的に製品ガスを製
   造する圧力変動吸着装置を減量運転するにあたり、吸着
   工程を終了した状態にある吸着塔を再生する各工程、
   （Ａ）該吸着塔内のガスを再生工程が終了した状態にあ
   る吸着塔内に放出する均圧工程、（Ｂ）均圧工程を終え
   た該吸着塔内のガスを真空ポンプで吸引する真空再生工
   程、（Ｃ）真空ポンプで塔内ガスを吸引しながら該吸着
   塔内に製品ガスを導入するパージ再生工程、の（Ａ）乃
   至（Ｃ）の工程の内、少なくともひとつの工程の後に圧
   力変動吸着装置の減量運転に見合う所定時間の待機工程
   を設け、該待機工程中は、前記真空ポンプをアンロード
   状態とし、他の充圧工程あるいは吸着工程にある吸着塔
   はその工程を継続させるとともに、充圧工程にある吸着
   塔に導入するガス量を製品減量に見合う量に制御するこ
   とを特徴とする圧力変動吸着装置の減量運転方法。