JPH0732858B2 - サイクリックガス流の整圧，整流，均質を同時に行う方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は間欠的かつ周期的に発生するガス、例えば圧力
スイング吸着（以下PSAという）で分離されるガスを圧
力変動，流量変動及び成分変動を微小にして連続的に送
出する方法とそのための装置に関する。

（従来の技術） 間欠的かつ周期的に発生するガス流、即ちサイクリック
ガス流を一定量連続的に送出する場合、サイクリックガ
ス供給源から延びるガス供給管路にガスを一旦収容する
容器が必要となり、例えばPSAの吸着工程によって、処
理前ガスを吸着塔に充填した吸着剤によって選択的に吸
着した１種またはそれ以上のガスを、脱着工程において
一定量連続的に送出する場合、PSA装置とガスのガス送
出機の間に容器が介設される。

ところが、PSAから発生するガス量は、PSAの運転条件の
変更と処理前ガスの組成変動および外気温度の変動によ
って変化するので、容器の出入りのガス量のバランスを
調整して容器のガス保有量を所定の範囲内に収めること
が困難であり、そのため、容器のガス容量を大きくし
て、圧力容器の出入りのガス量のバランスのずれを監視
しながら、圧力容器から送出するガス量の調節またはPS
Aの製品ガスの発生量の調節を手動で行っている。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来の方法及び装置では容器のガス容量を非常に大
きくする必要がある。

即ち、容器のガス容量の挙動は、第６図に示す通りサイ
クリックガス流供給源からガスが供給される１周期にお
けるガス供給量とガス供給期間によって決まる。

ここで、ガス供給期間中に供給サイクリックガスが一定
量で容器に供給される場合は、第７図に示す通りガス供
給期間とガス供給量によって容量変動が求まる。

ここでガス供給期間が０に近づくほど容量変動幅が最大
となり、１周期当りのガス発生量と等しくなる。ガス供
給期間がガス供給周期と等しくなれば、ガス供給流量と
ガス送出流量が等しくなって容器の容量変動幅が微小と
なる。

容器のガス容量は、上記の容量変動と、ガス供給量とガ
ス送出量のバランス調節のガス量の誤差を考慮して設計
されている。容器の容量が小さいほど建設コストが有利
であるが、従来は、ガス供給量とガス送出量のバランス
調節を人間の感に依っており、誤差が大きくなり、従っ
て安全率が大きくなり、容器のガス容量を大きくせざる
をえなかった。そのため容器設置のために多額の建設コ
ストを必要とするばかりでなく広大な設置スペースをも
必要とした。

また従来は容器の出入りのガスバランスの調節に非常に
多くの手間と労力を要していた。

本発明は、従来技術が有する上記問題点に鑑みてなされ
たもので、その目的とする処はサイクリックガス流を一
定量連続的に送出するに際し、サイクリックガス流供給
源からのガス供給管路に介設する容器を出来るだけ小さ
くすると共に送出ガスの整圧，整流，均質を同時に自動
的に行うことができる方法と、装置を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明方法では、間欠的かつ
周期的に流れるサイクリックガス流を均質化装置を備え
た容積可変式容器に供給し、そのガスを均質な連続ガス
流にして上記容器から送出するために、 容器のガス保有量を読み取り、サイクリックガス流の
供給開始時点における容器のガス保有量と供給終了時点
における容器のガス保有量を求め、 容器から送出されるガス流量を読み取って流量積算
し、サイクリックガス流の供給開始時点から供給終了時
点までの期間中の流量積算値を求め、 上記で求めた供給終了時点における容器のガス保有
量から供給開始時点におけるガス保有量を減算した値を
求め、 上記及びで求めたそれぞれの値を加算して容器に
送り込まれるサイクリックガス流１周期分の供給量を求
め、 上記で求めたサイクリックガス流の供給開始時点若
しくは供給終了時点における容器のガス保有量からサイ
クリックガス流の高級開始時点若しくは供給終了時点に
おける予め定められた容器のガス保有量設定値を減算し
た値に、上記で演算した値を加算してサイクリックガ
ス流１周期分の設定送出量を求め、この値をサイクリッ
クガス流１周期の時間で除算して容器から送出するガス
の流量設定値として求め、 容器からのガス送出量をガスの流量調節手段により上記
で求めたガス流量設定値に一致させるように自動制御
させることで、容器のガス保有量を予め定められたガス
保有量設定値の範囲内に収めるものである。

そして、サイクリックガス流がサイクル運転される複数
のガス供給源から供給される場合には、ガス供給源別に
演算されたガス送出流量とガス供給源の数により求めら
れる移動平均値を上記容器からのガス送出流量の設定値
とすることによって供給源別の供給ガス量が変動するの
を容器で吸収する。

また上記方法を実施するための装置は、サイクリックガ
ス流供給源からのガス供給管路の途中に介設される容積
可変式容器と、上記容器より後流のガス供給管路に設け
られサイクリックガス流供給源から間欠的かつ周期的に
上記容器に供給されるガスを連続して送出するガス送出
機と、上記容器に装備されて該容器内に供給されたガス
の成分を均質化する均質化装置と、上記容器より後流側
においてガス供給管路に設けられた流量調節弁と、上記
容器に設けられ該容器のガス保有量を読み取って電気信
号に変換するガス保有量読み取り手段と、サイクリック
ガス流の供給周期開始からの該周期経過時間を読み取る
経過時間読み取り手段と、上記容器より後流においてガ
ス供給管路に設けられ該管路を流れるガスの流量を読み
取って電気信号に変換するガス流量読み取り手段と、上
記ガス流量読み取り手段が読み取ったガス流量を積算す
る積算手段と、上記各読み取り手段が読み取るデータと
サイクリックガス流の供給開始時点若しくは供給終了時
点における定められた容器のガス保有量とサイクリック
ガス流１周期分の時間に基づいてガス送出設定流量を演
算する設定流量演算手段と、上記設定流量演算手段で演
算された設定流量値とガス流量読み取り手段で読み取ら
れた実流量を比較し、両者が一致するように流量調節弁
のバルブ開度を調節する流量調節器とを具備する。

そして、容積可変式容器として有水式ガスホルダーを用
い、均質化手段はサイクリックガス流供給源にガス供給
管路を介して連絡して容積可変式容器内に起立するガス
入管の先端に設けられたガス拡散リングからなり、該ガ
ス拡散リングはガス導入管に連通して上記容器と、同心
状に形成されその上面には内外両周縁に沿って均等に配
置せしめた多数のガス放出孔を有する構造となす。

（作用） 以上のように構成されたサイクリックガス流の整圧，整
流，均質を同時に行う方法にあっては、容積可変式容器
のガス容量を１周期当りのガス送入量以下にできる。

また、この方法を実施する前記構成の装置にあっては、
ガスが間欠的に供給される周期時間帯において、容積可
変式容器へ入るガス量と該容器から送出するガス量を同
量とし、かつ上記容器から出るガス流量が一定とするこ
とができる送出流量が演算され、実際の送出流量が上記
演算値と一致するように流量調節弁により自動的に調節
される。

そして、同時に容積可変式容器に装備した均質化手段に
より送出ガスの成分が均質化される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

この実施例において、間欠的かつ周期的にガスを供給す
るサイクリックガス流供給源（ａ）はPSAにおける脱着
工程を行う吸着塔であり、サイクリックガスはPSAで分
離されるガスである。

図から明らかなように、サイクリックガス流供給源
（ａ）からはガスを供給するためのガス供給管路（１）
が延びており、該ガス供給管路（１）にはコンプレッサ
ー等のガス送出機（ｂ）が設けられると共にこのガス送
出機（ｂ）とサイクリックガス流供給源（ａ）の間に容
積可変式容器（ｃ）が介設される。

従って、ガス供給源（ａ）から供給ガスが間欠的かつ周
期的に容積可変式容器（ｃ）に供給される。このとき、
ガス供給源（ａ）から供給されるガスの圧力が容積可変
式容器（ｃ）のガスの圧力より低いときにはガス供給源
（ａ）と容積可変式容器（ｃ）との間にガス吸引ポンプ
（ｌ）を介設する。

一方、容積可変式容器（ｃ）に間欠的かつ周期的に送入
されたガスは、該容器（ｃ）からガス送出機（ｂ）によ
り連続的に送出される。

上記容積可変式容器（ｃ）はこの実施例の場合有水式ガ
スホルダーで、水槽（５）にガス槽（６）の内嵌してあ
り、ガス容積によってガス槽（６）が上下する有水式ガ
スホルダーとして従来周知の構造，形態を有するもので
あるが、特にガスの均質化手段（ｋ）を装備している。

即ち第３図，第４図に示すように容積可変式容器（以下
有水式ガスホルダー（ｃ）と云い換えて説明する）上流
側のガス供給管路（１）に連続して水槽（５）中心部に
起立するガス入管（２）の上端に、該ガス入管（２）に
連通しかつガス槽（６）と同芯状となるようにガス拡散
リング（３）を設け、その上面部には内外両周縁に沿っ
て多数のガス放出孔（４）を均等に、かつ所要の放出角
度をもって開穿すると共に有水式ガスホルダー（ｃ）下
流の発生ガス管路（１）に連絡するガス出管（７）の入
口を上記ガス拡散リング（３）の中心部近傍に開口せし
める。

上記ガス放出孔（４）は、有水式ガスホルダー（ｃ）の
形状，大きさ、及びガス拡散リング（３）の径に応じ
て、圧力損失が許容される範囲でかつそれぞれのガス流
出量が均一するためガス拡散リング（３）へのガス流入
部からの距離が遠くなる程その径を大きくするように最
適の径及び数が決定される。このガス放出孔（４）の径
は全てのガス放出孔（４）について各孔毎に順次大きさ
を変えるようにしても良いし、複数の孔を１つの単位と
するグループに分け、グループ単位で孔径を変えるよう
にしても良い。

これにより、有水式ガスホルダー（ｃ）内に送入される
発生ガスは、ガス流速によってガス槽（６）内に均等に
拡散し混合し合い均質化して有水式ガスホルダー（ｃ）
から送出される。

そして、この有水式ガスホルダー（ｃ）からのガス送出
に際し、その送出量を連続的に流量と圧力の変動を微少
にして、なおかつ有水式ガスホルダー（ｃ）の容量変動
が所定の範囲内に留まるように流量調節弁（ｄ）で調節
する。

そのために本発明においては有水式ガスホルダー（ｃ）
に供給されるガス量と有水式ガスホルダー（ｃ）から送
出するガス量が、ガスが間欠的に発生する周期時間帯に
おいて、同量であり、かつ有水式ガスホルダー（ｃ）か
ら送出するガス流量が一定となる流量設定値を演算によ
り求め、有水式ガスホルダー（ｃ）から実際に送出する
ガス流量が上記設定値と一致するように流量調節弁
（ｄ）の開度を制御する。流量調節弁（ｄ）は有水式ガ
スホルダー（ｃ）下流の発生ガス管路（１）に設けられ
ている。

上記流量調節弁（ｄ）の開度を調節して発生ガス送出量
を制御する制御手段はコンピュータで構成する。

即ち、コンピュータは、CPUと、プログラムが格納され
たメモリーと、制御用データが格納されたメモリーとを
備え、制御用入力信号として有水式ガスホルダー（ｃ）
のガス保有量、有水式ガスホルダー（ｃ）から送出され
るガス流量がA/Dコンバータを介して入力され、かつ制
御出力信号がD/Aコンバータを介して流量調節器（ｊ）
に出力されるようになっている。

上記有水式ガスホルダー（ｃ）のガス保有量は有水式ガ
スホルダー（ｃ）のガス槽（６）のレベルを知ることで
求めることができる。そのため有水式ガスホルダー
（６）にはガス槽（６）のレベルを読み取って電気信号
に変換する超音波レベル計（ｅ）を設置し、レベルの変
化を常時計測する。

また有水式ガスホルダー（ｃ）から送出されるガス流量
を読み取るためにはガス送出機（ｂ）と流量調節弁
（ｄ）との間においてガス供給管路（１）に流量計
（ｈ）を接続する。

流量計（ｈ）はガス送出機（ｂ）により送出されてガス
供給管路（１）を流れるガスの流量を常時計測して電気
信号に変換する。

以下、流量制御を行うための計測及び演算並びに制御の
方法について詳細に説明する。

第４図はガス発生器から間欠的かつ周期的に有水式ガス
ホルダーに供給され、このガスを連続的かつ一定流量で
送出したときの運転チャートである。

ここで V₁:ガス供給源がガスの供給を開始したときの有水式ガ
スホルダーのガス量〔m³〕 V₂:ガス供給源がガスの供給を終了したときの有水式ガ
スホルダーのガス量〔m³〕 Td:ガス供給源の定められたガス供給期間〔sec〕 Tc:ガス供給源の定められたガス供給周期〔sec〕（サイ
クル） Qi:ガス供給の周期内において有水式ガスホルダーに供
給されるガス量〔m³〕 Qo:ガス供給の周期内において有水式ガスホルダーから
送出されるガス量〔m³〕 ｑp：有水式ガスホルダーから送出されるガス流量値〔m
³/sec〕 ｑs：有水式ガスホルダーから送出するガス流量の演算
設定値〔m³/sec〕 t:経過時間〔sec〕 Vsp:ガス供給源がガスの供給を開始したときの有水式ガ
スホルダーの容量設定値〔m³〕 とすると QiとQoが等しくなれば有水式ガスホルダーのガス量変動
幅はQiが周期ごとに変動しない限りにおいて一定とな
る。

しかし、PSAにおいては実際は処理前ガスの温度や大気
温度等の変化に伴ないガス発生量が変動し、Qiが周期ご
とに変動している。有水式ガスホルダーの容量は定めら
れた下限値と上限値があり、その範囲を外ると、有水式
ガスホルダーを損傷して運転の継続が不可能となる。そ
こで、運転中における有水式ガスホルダーの容量可動範
囲を所定の範囲内に治めるため、 Vspを与えておき、ｑsを求める。

式より流量設定値ｑsを得る。

V₂は、有水式ガスホルダーに設置したレベル計の計測値
と予め組み込んだ有水式ガスホルダーのガス量と有水式
ガスホルダーのレベルの相関式と、ガス供給源からガス
供給の終了を知らせる信号によって演算して求める。

は、有水式ガスホルダー出口に設置した送出ガス流量計
の計測値を一周期におけるガス供給源からガス供給の開
始から終了まで流量積算した値である。

Tcは、PSAの運転を操縦しているPSA工程切替シーケンス
プログラムに組み込まれている定められたガス供給周期
であり、この時間設定値を読み込んで求めることができ
る。

以上の演算値及び読み取り値と、式の計算手順を組み
込んだ演算手段によって、流量設定値を演算し、流量計
（ｈ）から読み取った送出ガス流量値と上記流量設定値
を流量調節器（ｊ）に入力して、流量調節弁（ｄ）のバ
ルブ開度を設定し、流量の制御を行って、送出ガスを連
続的に整流及び整圧する。

次に、第５図に示すフローチャートに従ってコンピュー
タによる制御の手順を説明する。

なお、第５図に示すフローチャートの説明中 は処理手順（ステップ）の番号を示す。

先ず、 でメモリーに格納された制御データから有水式ガスホル
ダー（ｃ）のガス槽（６）断面積Ｓを読み取る。続いて でPSAの工程切替シーケンスプログラムから運転中か停
止中かのフラグを読み取り、停止中のときにはそのまま
待機し、運転中のときには でガス供給源の定められたガス供給期間Tdを、 でガス供給源の定められたガス供給周期Tcを、 でガス供給期間であるか否かのフラグを、夫々上記工程
切替シーケンスプログラムから読み取り、更に で有水式ガスホルダー（ｃ）の容量設定値Vspをメモリ
ーに格納された数値から読み取る。

そして、ガス供給期間でないときには に戻り、ガス供給期間であるときには で有水式ガスホルダーから送出されるガス流量の積算値
Q₁を読み取る。このガス流量積算値Q₁は流量計（ｈ）で
読み取られるガス流量を積算器で積算して求める。

続いて で再び工程切替シーケンスプログラムよりガス供給期間
であるか否かのフラグを見、ガス供給期間中であるとき
には によるガス流量の積算を継続し、ガス供給期間が終了し
たときには で有水式ガスホルダー（ｃ）のレベル計（ｅ）から有水
式ガスホルダー（ｃ）のレベルLsを読み取り、 でガス供給終了時の有水式ガスホルダー（ｃ）のガス容
量V₂を演算する（V₂＝L₂×Ｓ）。

続いて で有水式ガスホルダー（ｃ）から送出されるガス流量の
積算値Q₂を読み取り、 で有水式ガスホルダー（ｃ）から送出するガス流量の設
定値ｑsを演算する（ｐs＝｛（V₂−Vsp）＋（Q₂−
Q₁）｝/Tc）。

そして、 でそれまでの流量設定値を上記 での演算値に変更し、これを流量調節器（ｊ）に伝送す
ると共に 以下を繰り返す。

一方、流量調節器（ｊ）は伝送される流量設定値と流量
計（ｈ）が検出する送出ガスの実流量を常時比較してお
り、両者の差に応じてバルブ開度信号を流量調節弁
（ｄ）に出力する。

そして、量流調節弁（ｄ）は上記流量調節器（ｊ）のバ
ルブ開度信号を受けてバルブ開度を変更し、ガス送出流
量を調節する。

尚、間欠的にガスを供給するガス供給源（ａ）が２つ以
上あり、それぞれの供給ガスが交互に有水式ガスホルダ
ーに送入される場合においては、それぞれのガス供給量
が異なると、ガス送出流量はそのつど変化してしまう。
そこで、それぞれの周期で演算したガス送出流量設定値
をガス発生器の個数による移動平均を求めて流量設定値
の均一化を行う。

即ち、上記フローチャートの説明における の間に現在ガスを供給しているガス供給源（ａ）がどれ
なのかを読み取る が挿通され、 の間に各ガス供給源（a₁…ａn）においてのそれぞれの
流量設定値ｑs₁,qs_２…ｑsnとガス供給源（ａ）の数に
基づいて流量設定値の移動平均値（ｑs＝（ｑs_１＋ｑs
_２…＋ｑsn）/n）を求める を挿入する。

これにより、ガス発生器が２つ以上あり、それぞれの発
生ガスが交互に有水式ガスホルダーに供給される場合で
あっても連続定流量、定圧でガスを送出することができ
る。

（効果） 本発明は以上のように構成し、ガス送出量を周期ごとに
供給量と同量になるように演算制御するため、容積可変
式容器のガス保有量を少なくとも１周忌当りのガス発生
量以下にできる。

即ち容積可変式容器は非常に小さくなり、設置のための
建設コストを大幅に低減することができ、設置スペース
も小さくなる。

また、全て自動的に制御されるため人間の操作を介在さ
せる必要が全くなく、運転管理に要する手間や労力が大
幅に軽減する。

更に、供給されるガスを均質化手段により拡散させ均質
化するので、圧力容器のガス保有量を小さくしても発生
ガス中の成分がガス発生期間中に変化がある場合でも常
に均質のガスを送出することができる。

而して、間歇的ガス流を整流，整圧、均質を同時に、か
つ連続的に行って送出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を説明するフロー図、第２図は容
積可変式容器の横断面図、第３図は同縦断面図、第４図
はガス発生器から圧力容器に間欠的かつ周期的に供給さ
れる発生ガスを連続的かつ一定流量で送出したときの運
転チャート、第５図（ａ）（ｂ）は制御手順を示すフロ
ーチャート、第６図，第７図は容積可変式容器のガス量
の挙動を示す説明図であり、第６図はガス量の挙動をガ
スの発生する１周期におけるガス発生量とガス発生期間
の関係において示し、第７図は発生ガスが一定量で容積
可変式容器に供給される場合をガス発生期間とガス発生
量によって示している。 図中 a:ガス供給源 b:ガス送出機 c:容積可変式容器（有水式ガスホルダー） d:流量調節弁 e:ガス保有量読み取り手段（超音波レベル計） f:積算手段 g:経過時間読み取り手段 h:ガス流量読み取り手段（流量計） i:演算手段 j:流量調節器 k:均質化手段 1:ガス供給管路 2:ガス入管 3:ガス拡散リング 4:ガス放出孔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】間欠的かつ周期的に流れるサイクリックガ
   ス流を均質化装置を備えた容積可変式容器（以下容器と
   言う）に供給し、そのガスを均質な連続ガス流にして容
   器から送出するために、 容器のガス保有量を読み取り、サイクリックガス流の
   供給開始時点における容器のガス保有量と供給終了時点
   における容器のガス保有量を求める手順、 容器から送出されるガス流量を読み取って流量積算
   し、サイクリックガス流の供給開始時点から供給終了時
   点までの期間中の流量積算値を求める手順、 上記の手順で求めた供給終了時点における容器のガ
   ス保有量から供給開始時点におけるガス保有量を減算し
   た値を求める手順、 上記及びの手順で求めたそれぞれの値を加算して
   容器に送り込まれるサイクリックガス流１周期分の供給
   量を求める手順、 上記の手順で求めたサイクリックガス流の供給開始
   時点若しくは供給終了時点における容器のガス保有量か
   らサイクリックガス流の供給開始時点若しくは供給終了
   時点における予め定められた容器のガス保有量設定値を
   減算した値に、上記の手順で演算した値を加算してサ
   イクリックガス流１周期分の設定送出量を求め、この値
   をサイクリックガス流１周期の時間で除算して容器から
   送出するガスの流量設定値として演算する手順、 によりガス流量設定値をもとめ、容器からのガス送出量
   をガスの流量調節手段により上記求められたガス流量設
   定値に一致させるように自動制御させることで、容器の
   ガス保有量を予め定められたガス保有量設定値の範囲内
   に収めることを特徴とするサイクリックガス流の整圧，
   整流，均質を同時に行う方法。
2. 【請求項２】サイクリックガス流がサイクル運転される
   複数のガス供給源から供給される場合は、ガス供給源別
   に演算されたガス送出流量とガス供給源の数により求め
   られる移動平均値を上記容器からのガス送出流量の設定
   値にすることを特徴とする請求項１記載のサイクリック
   ガス流の整圧，整流，均質を同時に行う方法。
3. 【請求項３】サイクリックガス流供給源からのガス供給
   管路の途中に介設される容積可変式容器と、 上記容器より後流のガス供給管路に設けられサイクリッ
   クガス流供給源から間欠的かつ周期的に上記容器に供給
   されるガスを連続して送出するガス送出機と、 上記容器に装備されて該容器内に供給されたガスの成分
   を均質化する均質化装置と、 上記容器より後流側においてガス供給管路に設けられた
   流量調節弁と、 上記容器に設けられ該容器のガス保有量を読み取って電
   気信号に変換するガス保有量読み取り手段と、 サイクリックガス流の供給周期開始からの該周期経過時
   間を読み取る経過時間読み取り手段と、 上記容器より後流においてガス供給管路に設けられ該管
   路を流れるガスの流量を読み取って電気信号に変換する
   ガス流量読み取り手段と、 上記ガス流量読み取り手段が読み取ったガス流量を積算
   する積算手段と、 上記各読み取り手段が読み取るデータとサイクリックガ
   ス流の供給開始時点若しくは供給終了時点における定め
   られた容器のガス保有量とサイクリックガス流１周期分
   の時間に基づいてガス送出設定流量を演算する設定流量
   演算手段と、 上記設定流量演算手段で演算された設定流量値とガス流
   量読み取り手段で読み取られた実流量を比較し、両者が
   一致するように流量調節弁のバルブ開度を調節する流量
   調節器と、を具備することを特徴とするサイクリックガ
   ス流の整圧，整流，均質を同時に行う装置。
4. 【請求項４】上記容器が有水式ガスホルダーであること
   を特徴とする請求項（３）記載のサイクリックガス流の
   整圧，整流，均質を同時に行う装置。
5. 【請求項５】均質化手段が、サイクリックガス流供給装
   置に連絡して容器内に起立するガス入管の先端に設けら
   れたガス拡散リングからなり、該ガス拡散リングはガス
   導入管に連通して上記容器と、同芯状に形成されその上
   面には内外両周縁に沿って均等に配置せしめた多数のガ
   ス放出孔を有することを特徴とする請求項（３）又は
   （４）記載のサイクリックガス流の整圧，整流，均質を
   同時に行う装置。