JPH077725U - 窒素コンプレッサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 窒素ガス透過膜ユニットを含み、かつ前記窒
素ガス透過膜ユニットの入口側に入口弁が設けられた空
気分離装置（窒素コンプレッサー）で、窒素ガス透過膜
ユニットの出口側に、複数個の窒素ガスラインが並列に
配置されていて、各窒素ガスラインは、製品取出し弁と
制御弁とが直列に配置されて構成されており、窒素ガス
ラインにおける流量が、各制御弁によって予め製品窒素
純度に対応した製品窒素量となるように設定されてい
る。この際、制御弁の出口側に圧力スイッチを設け、圧
力スイッチからの電気信号により製品窒素流量が一定と
なるように入口弁が制御される構造であることが好まし
い。又、窒素ガスラインと並列に放出弁を設け、この放
出弁から過剰の製品窒素が放出可能であっても良い。 【効果】 製品窒素純度の精度が優れ、各ラインを切り
替えて使用することにより所望の製品窒素ガスを取り出
すことができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ガス分離膜を含むガス膜分離装置、特に、空気を分離して圧力窒素 ガスを取り出す装置（窒素コンプレッサー）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

今日までに、窒素透過膜を用いた空気分離装置がすでに実用化されている。例 えば、従来より知られているガス分離膜を利用した窒素ガス濃縮装置としては、 図３のフロー図に示されるような構成のものがある。図３の装置においては、原 料空気は、まず空気圧縮機からチラーへ送られ、入口流量弁で流量調節されて窒 素ガス透過膜ユニットに送られる。そして、この窒素ガス透過膜ユニットにより 排ガスと製品窒素ガスとに分離され、製品窒素ガスは出口流量調節弁、逆止弁を 経て取り出される。ただし、このような装置では、場合によって空気圧縮機とチ ラーが存在しないこともあり、窒素ガス透過膜ユニットの入口部に所定の流量と 所定の露点の空気が供給されていれば良い。

【０００３】 しかしながら、このような従来の装置の場合、調節弁（ニードル弁）は本来、 弁座と弁（ニードル）との間のガス流路部をガスが流動する時の流動抵抗を調整 でき、これにより、ガス流量が調整されるので、窒素ガス透過膜ユニットの入口 側圧力が一定の場合には出口側のガス流量も一定となるが、入口側の圧力が変動 すれば、その変動に応じて製品窒素流量も変動するため、この変動により製品窒 素濃度が変動するという問題点がある。 又、必要とされる製品窒素ガスの純度に応じて入口流量弁を手動で調節しなけ ればならないので、製品純度の制御幅（変動幅）が大きく、一定純度の製品を得 ることが困難であった。

【０００４】 本考案者等は、このような窒素透過膜分離プロセスにおける製品窒素純度が変 動する原因を検討した結果、製品窒素量を一定に保持すれば、製品窒素純度も保 持できることを見い出し、窒素透過膜分離装置の製品窒素量を一定に保持するこ とが可能な構造として、従来の装置の出口流量調節弁の部分を、制御弁を含む流 路が並列に複数個配列された構造とすることにより、本考案を完成させた。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は、上記の、従来の窒素透過膜による空気分離装置における所定の製品 窒素純度を一定にして安定に取り出すことが困難であるという問題点を解決する ことを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

本考案の窒素コンプレッサーは、窒素ガス透過膜ユニットを含み、しかも前記 窒素ガス透過膜ユニットの入口側に入口弁が設けられた空気分離装置において、 前記窒素ガス透過膜ユニットの出口側には、複数個の窒素ガスラインが並列に配 置されていること、前記窒素ガスラインはそれぞれ、製品取出し弁と制御弁とが 直列に配置されて構成されていること、及び、前記窒素ガスラインにおける流量 が、前記各制御弁によって予め製品窒素純度に対応した製品窒素量となるように 設定されていることを特徴とする。

【０００７】 又、前記の窒素コンプレッサーにおいて、前記制御弁の出口側に圧力スイッチ が設けられており、前記圧力スイッチからの電気信号によって、製品窒素流量が 一定になるように、前記入口弁が制御されることを特徴とするものでもある。 更には、前記窒素ガスラインと並列に放出弁が設けられており、前記放出弁か ら、過剰の製品窒素が放出可能であることを特徴とするものでもある。

【０００８】 まず、本考案による窒素ガス分離膜を利用した窒素コンプレッサーの好ましい 一例における構成図を図１に示し、本考案を説明する。 図１に示した本考案の窒素コンプレッサーにおいては、原料空気は、空気圧縮 機（ＡＣ）により所定の圧力（５．０〜８．５ kg/cm² G ）まで圧縮され、窒素 ガス透過膜分離で都合の悪い不純物やゴミはフィルターで除去され、水分は冷凍 式チラー（ＣＨ）で露点、−１５℃程度まで除湿される。そして、このようにし て得られた清浄空気は、入口弁（ＥＶ）を通り電気ヒータにより一定温度に保た れ、窒素ガス透過分離膜ユニット（ＭＳ）に送り込まれる。

【０００９】 この窒素ガス透過分離膜ユニットとしては、図２に示されるような内部構造を 有する窒素ガス透過分離膜モジュールが使用され、その内部には、マカロニのよ うに真ん中に孔の開いた、たこ糸ほどの太さの糸（中空糸）が配置されている。 この中空糸膜の内側に空気が送り込まれると、中空糸の内外の分圧差によって、 水分、炭酸ガス、酸素などの透過速度の速い分子は中空糸膜を内から外へ通り抜 け、排気される。窒素やアルゴンなど透過速度の遅い分子は中空糸内をそのまま 通り、約０．４〜０．７ kg/cm² の圧力低下で製品窒素として回収される。

【００１０】 本考案の窒素コンプレッサーでは、図１に示されるように、種々の製品窒素純 度に対応するように予め制御弁により流量が設定されている複数個の窒素ガスラ インが、窒素ガス透過膜ユニットの出口側に並列に設置されており、各ラインは それぞれ、製品取出弁１〜３と制御弁１〜３とが直列に配置されて構成されてい る。ただし、図１の窒素コンプレッサーでは、窒素ガスラインが３つ設けられた ものが例示されているが、本考案では窒素ガスラインがこれに限定されるもので はなく、２以上であれば良い。 空気から窒素ガスを得る際の製品窒素量と製品純度との間には、図４に示され るような相関関係があり、製品純度に応じて製品窒素流量が決まる。例えば、図 ４の場合では、窒素透過膜の原料空気圧力は７．０ kg/cm² G であり、製品窒素 純度が９９％Ｎ₂ の場合の製品窒素量は０．６ NL/h であり、これをライン１と する。又、製品窒素純度が９７％Ｎ₂ の場合の製品窒素量は１．１ NL/h であり 、これをライン２とする。更に、製品窒素純度が９５％Ｎ₂ の場合の製品窒素量 は１．６ NL/h であり、これをライン３とし、図１に示すように予め制御弁１〜 ３にて製品窒素量を製品純度に応じて決めておけば、どの純度の場合にも製品窒 素流量が安定しているので、それに対応する製品窒素純度が安定し、又、製品純 度に応じて弁で簡単に切り替えることができる。

【００１１】 尚、この図１の窒素コンプレッサーにあっては、制御弁１〜３として質量制御 弁（マスフローコントロール弁）が設けられており、図１に示されている放出弁 （ＲＶ）は、必要に応じて設けられるものである。質量制御弁の場合には、入口 圧力が変動してもダイアフラムによる圧力調節機構の作用により流量が一定にな るという利点がある。

【００１２】 又、原料空気圧力が５．０ kg/cm² G の時、製品窒素純度を９９％としたい場 合には、その純度に対応する製品窒素流量をライン１により事前に質量制御弁に より１Nm³ /h が流れるように設定しておき、製品窒素純度を９８％としたい場 合には、その純度に対応する製品窒素流量をライン２により事前に質量制御弁に より２Nm³ /h が流れるように設定すれば良い。

【００１３】 本考案の窒素コンプレッサーでは、窒素ガス透過膜ユニットの入口側の流量は 入口弁（ＥＶ）により制御されるが、好ましい構造の装置にあっては、図１に示 されるように、制御弁の出口側に圧力スイッチ（ＰＳ）を設置し、圧力スイッチ からの電気信号によって入口自動弁を制御する。図１において、斜めの２本線が 入った実線で連結されている部分は電気的に連動することを意味しており、圧力 スイッチのＯＮ−ＯＦＦ信号を入口自動弁ＥＶに送り、出口側圧力が上限値にな れば、ＯＦＦ信号が送られて入口自動弁ＥＶが閉状態になり、窒素透過膜への原 料空気の供給が停止されて、出口側圧力が低下し、圧力は下限値になる。そうす れば、圧力スイッチからＯＮ信号が送られるので、入口自動弁は開状態となり、 原料空気は窒素透過膜に供給される。本考案では、このような操作を繰り返すこ とにより入口側の原料空気が設定範囲内で制御されるのである。 従って、本考案の窒素コンプレッサーを用いた場合には、製品窒素純度に対応 した製品窒素量を安定した流量で製品として取り出すことができるので、製品窒 素純度を一定値にすることが可能となる。この際、制御制度を向上させるには、 圧力スイッチによる制御幅を小さくすれば良い。

【００１４】 図５には、制御弁の出口側に圧力スイッチが設けられ、圧力スイッチからの電 気信号によって製品窒素流量が一定になるように、前記入口弁が制御される構造 を有した本考案の窒素コンプレッサーが示されており、ライン１〜３は、例えば それぞれ製品窒素純度が９９％、９７％、９５％となるように設定されている。 よって、必要とする製品窒素純度を応じて、ライン１〜３の内のどのラインを使 用するかを適宜選択すれば良く、例えば製品取出弁１〜３を三方弁のようにすれ ば非常に便利である。 この図５は、窒素ガス透過膜ユニットの出口側を表しているので、この図面の 左側には窒素ガス透過膜ユニット存在している。

【００１５】 又、本考案では、上述の窒素コンプレッサーにおいて、前記窒素ガスラインと 並列に放出弁を設け、この放出弁から、過剰の製品窒素が放出可能な構造として も良く、このような窒素コンプレッサーの場合、製品窒素純度が所定純度に到達 した後、製品窒素ガスとして取り出す際、その純度の変動を出来るだけ少なくす るために、製品窒素ガスラインと並列に配置された逃がし弁の開閉を製品流量制 御弁の出口部に設置された圧力制御機構により制御して、製品窒素量を一定に保 ち、製品窒素純度を一定に制御することもできる。

【００１６】 図６には、制御弁として流量調節弁（ニードル弁）１〜３が設けられたライン １〜３を有する本考案の窒素コンプレッサーのフロー図が示されており、ライン １〜３と並列になるようにして放出弁が設けられている。従って、図６に示され る窒素コンプレッサーにあっては、窒素ガス透過膜ユニットの出口側の製品窒素 流量を製品純度に応じて対応させる機構は、前述の図５の窒素コンプレッサーと 同じであるが、入口側の原料空気量の制御機構が図５の窒素コンプレッサーと異 なっている。即ち、原料空気量は常に少し過剰気味に窒素ガス透過膜ユニットに 送入されており、過剰の製品窒素の一部を放出弁から放出して製品窒素量を一定 に保持できるようになっている。この際、入口弁の開閉調節は、前述の場合と同 様に圧力スイッチによって電気制御される。

【００１７】 以下に本考案の実施例を挙げて本考案を更に具体的に説明するが、本考案は、 これに限定されるものではない。

【実施例】

原料空気量：６．５ NL/h を０．７５ｋＷのベビー・コンプレッサーで７．０ kg/cm² G まで昇圧してその内、６．５ NL/h を原料空気として図２に示すよう な窒素透過膜モジュール・ユニット（サイズ：φ９０×５３０ｍｍ、メーカ名： Air Products and Chemical Inc., PREMEA Division 、品番：ＣＰＡ１）に供給 して、製品窒素量と製品窒素純度との相関を求めた。その結果、図４に示される ような相関があることがわかった。

【００１８】 そして、従来の装置（図３の構成を有する装置で、圧力スイッチがなく、入 口弁は手動で開閉される）、放出弁が設けられ、かつ制御弁として質量制御弁 が用いられている本考案の窒素コンプレッサー（図１の構成を有する装置）、 放出弁が存在せず、制御弁として質量制御弁が用いられている本考案の窒素コン プレッサー（図５の構成を有する装置）、及び、放出弁が設けられ、かつ制御 弁として流量調節弁が用いられている本考案の窒素コンプレッサー（図６の構成 を有する装置）の４種類の装置を用いて原料空気から９９％の製品窒素純度を有 する製品を得て、その時の純度制御幅を測定した。尚、図１、図５及び図６の窒 素コンプレッサーにおいては、圧力スイッチにより入口弁の開閉が電気的に制御 可能な機構を有し、しかも使用されているラインはいずれもライン１だけであっ て、ライン２及び３には製品ガスは流れていない。 前記〜の装置を用いた際の、空気分離実験の結果を以下の表１に示す。表 １における数値は、製品窒素純度の制御精度（制御幅）を示しており、厳密には 製品窒素中の不純物酸素濃度制御幅として表されている。

【００１９】

【表１】 製品窒 製品 従来の 図１ 図５ 図６ 素純度 窒素量 装置（図３） の装置 の装置 の装置 ────────────────────────────────── 99 ％ 0.6 NL/h ±１％ ± 0.4％ ± 0.2％ ± 0.6％

【００２０】 上記表１に示されるように、製品窒素純度の制御精度（制御幅）は、従来の装 置よりも本考案の窒素コンプレッサー（〜）の方が優れている。又、本考 案の窒素コンプレッサーのうちでは、制御弁として質量制御弁が用いられている 及びの装置の精度が良いが、流量制御弁を使用する方が製作費が安価である ので、製作費を優先する場合には図６の装置が好ましい。 又、本考案の窒素コンプレッサー（〜）にあっては、ライン１〜３を適宜 選択して使用することにより、所望の窒素純度を有する製品を取り出すことがで きた。

【００２１】

【考案の効果】

複数個の窒素ガスラインが並列に配置された本考案の窒素コンプレッサーは、 単一の窒素ガスラインを有する従来の窒素コンプレッサーに比べて、製品窒素純 度の制御精度（制御幅）が優れており、しかも、各窒素ガスラインにおける流量 が、各制御弁によって予め製品窒素純度に対応した製品窒素量となるように設定 されているので、それぞれのラインを切り替えて使用することにより、所望の純 度の製品窒素ガスを取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の、ガス分離膜を利用した窒素コンプレ
ッサーの好ましい一例を示す構成図である。

【図２】窒素ガス透過分離膜モジュールの部分破断図で
ある。

【図３】従来のガス分離膜を利用した窒素ガス濃縮装置
である。

【図４】ＣＰＡ−１型窒素膜分離装置の製品窒素純度−
製品量との相関を示すグラフである。

【図５】各質量制御弁により製品窒素純度が設定されて
いる本考案の窒素コンプレサーの構成図である。

【図６】各流量調節弁により製品窒素純度が設定され、
しかも放出弁が設けられている本考案の窒素コンプレサ
ーの構成図である。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒素ガス透過膜ユニットを含み、しかも
   前記窒素ガス透過膜ユニットの入口側に入口弁が設けら
   れた空気分離装置において、 前記窒素ガス透過膜ユニットの出口側には、複数個の窒
   素ガスラインが並列に配置されていること、前記窒素ガ
   スラインはそれぞれ、製品取出し弁と制御弁とが直列に
   配置されて構成されていること、及び、前記窒素ガスラ
   インにおける流量が、前記各制御弁によって予め製品窒
   素純度に対応した製品窒素量となるように設定されてい
   ることを特徴とする窒素コンプレッサー。
2. 【請求項２】 前記制御弁の出口側に圧力スイッチが設
   けられており、前記圧力スイッチからの電気信号によっ
   て、製品窒素流量が一定になるように、前記入口弁が制
   御されることを特徴とする請求項１記載の窒素コンプレ
   ッサー。
3. 【請求項３】 前記窒素ガスラインと並列に放出弁が設
   けられており、前記放出弁から、過剰の製品窒素が放出
   可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒素
   コンプレッサー。