JPH0938443A

JPH0938443A - 気体分離装置

Info

Publication number: JPH0938443A
Application number: JP7197483A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Muraoka; 俊之村岡
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 1997-02-10

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は製品ガスの生成効率を高めると共
に、還流パージによる製品タンクの圧力低下を防止する
といった課題を解決することを目的とする。【解決手段】吸着槽１，２の上部には、オリフィス２
８が配設されたパージ管路２９が接続されている。この
パージ管路２９は、高圧側の吸着槽から低圧側の吸着槽
に製品ガスを供給し、製品タンク２０の圧力低下を防止
すると共に、再生工程側の吸着槽を還流パージして吸着
剤の再生効率を高めることができる。制御回路２７は、
予め入力されたプログラムに従って制御信号を出力し、
各工程に応じて、空気供給用弁８，９、排気用弁１３，
１４、取出用弁１８，１９、均圧用弁２２を開閉制御す
る。また、制御回路２７は、再生工程の終了前に取出工
程の吸着槽からの製品ガスを再生工程の吸着槽に還流さ
せると共に、当該再生工程の吸着槽の排気を停止させる
制御プログラムが格納されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＰＳＡ式（Pressure
Swing Adsorption ）の気体分離装置に係り、特に吸着
槽の圧力低下を抑えて製品ガスの生成効率を高めるよう
構成した気体分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＰＳＡ式気体分離装置は、分子
ふるいカーボンやゼオライトなどからなる吸着剤を用い
て空気を窒素と酸素に分離し、いずれか一方を製品ガス
として取出し、使用するものである。

【０００３】このため、例えば酸素ガスを取り出すＰＳ
Ａ式気体分離装置にあっては、吸着剤が充填された吸
着槽にコンプレッサからの圧縮空気を導入して吸着剤に
窒素分子と酸素分子の一部を吸着させる吸着工程と、
吸着剤により分離生成された酸素を取出す取出工程と、
該吸着槽内を大気解放しまたは真空ポンプで減圧して
吸着剤を再生する再生工程とを繰返す。即ち、取出工程
では、吸着槽内の酸素を外部に取出し、一方再生工程で
は吸着された窒素と若干の酸素を脱着し、次の吸着工程
に備えるようになっている。

【０００４】また、一対の吸着槽を有する装置では、一
方の吸着槽で取出工程が完了し、他方の吸着槽で再生工
程が完了した後、均圧工程を行う。この均圧工程で
は、両吸着槽間を連通させて取出工程の後の吸着槽に残
留するガスを再生工程の吸着槽へ供給して均圧化を図
り、より高濃度の製品ガスを連続的に生成するようにし
ている。

【０００５】さらに、より高濃度の製品ガスを生成する
ため、吸着工程において製品タンクに貯溜された製品ガ
スを吸着槽に還流させて短時間で吸着槽内の製品ガス濃
度を高めると共に、吸着槽内の圧力を上昇させるように
していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記気体分離装置で
は、上記各工程〜を繰り返して窒素を分離生成して
いるが、コンプレッサの空気タンクから供給された圧縮
空気により吸着槽内が気体分子を吸着し高濃度の製品ガ
スを得るのに最適な圧力に昇圧される。そして、気体分
離装置では、この最適な圧力に昇圧するのに最適な吸着
工程時間が設定され、吸着工程時間に合わせて上記各工
程〜の１サイクル時間が決められている。

【０００７】しかしながら、吸着工程で上記のような製
品ガスの還流を行う場合、製品タンクに貯溜された製品
ガスを吸着槽に還流させることになるため、還流動作を
行うと製品ガスを貯溜する製品タンクの圧力が低下して
製品ガスの供給圧力を確保することが難しく、製品ガス
を効率良く取り出すことが困難となるばかりか、製品ガ
スの供給量が減少してしまうといった問題がある。

【０００８】そこで、本発明は上記問題を解決した気体
分離装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は以下のような特徴を有する。本発明は、吸
着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給し、該吸着槽
内の吸着剤により分離生成された製品ガスを該吸着槽か
ら取り出した後、該吸着槽内の残存気体を排気させて該
吸着剤を再生するよう構成された気体分離装置におい
て、前記吸着剤を再生する工程の終了前に他の吸着槽で
生成された前記製品ガスを当該再生工程の前記吸着槽に
還流させると共に、前記吸着槽の排気を停止させる制御
手段を備えてなることを特徴とするものである。

【００１０】従って、本発明によれば、吸着剤を再生す
る工程の終了前に他の吸着槽で生成された製品ガスを当
該再生工程の吸着槽に還流させると共に、吸着槽の排気
を停止させることにより、製品タンクの圧力低下を防止
できると共に、吸着槽に圧縮空気を供給する前に吸着槽
の圧力を予め上昇させておくことができるので、吸着工
程に入ると短時間で吸着槽を吸着に必要な圧力に上昇さ
せることができる。そのため、高濃度の製品ガスを効率
良く生成することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明になる気
体分離装置の一実施例を説明する。尚、本実施例では、
気体分離装置を窒素発生装置として使用する場合につい
て説明する。図１は窒素発生装置の概略構成図、図２は
各工程の動作を説明するための工程図、図３は１サイク
ルの圧力変化を示すタイミングチャートである。

【００１２】１，２は第１，第２の吸着槽で、各吸着槽
１，２内には夫々空気中の酸素分子を吸着する分子ふる
いカーボンよりなる吸着剤１Ａ，２Ａが充填されてい
る。３は圧縮空気供給源となるコンプレッサで、コンプ
レッサ３からの圧縮空気はエアドライヤ４により除湿さ
れる。これは、上記吸着剤１Ａ，２Ａが空気中の酸素分
子とともに水分を吸着する性質を有するからであり、水
分の吸着による窒素ガス生成効率を低下させることを防
止するためである。

【００１３】そして、エアドライヤ４より乾燥された空
気は、管路６，７を介して吸着槽１，２にそれぞれ交互
に供給される。そのため、管路６，７の途中にはそれぞ
れ電磁弁からなる空気供給用弁８，９が設けられてい
る。１０，１１は排気管路で、吸着剤１Ａ，２Ａの脱着
を行なう再生工程時に吸着槽１，２の残存気体を排出す
るための管路である。また、排気管路１０，１１端部
は、排気用サイレンサ１２に接続されており、この排気
用サイレンサ１２を介して吸着剤１Ａ，２Ａから脱着さ
れた排ガス（酸素ガス）を排出する。そして、排気管路
１０，１１の途中にはそれぞれ吸着槽１，２内の脱着排
ガスを半サイクル毎に交互に排出するように開閉される
電磁弁からなる排気用弁１３，１４が設けられている。

【００１４】１５，１６は吸着槽１，２の出口側に接続
され吸着槽１，２内で分離生成された酸素をそれぞれ取
出す取出管路、１７は各管路１５，１６と連結した取出
管路で、管路１５，１６の途中には半サイクルの間だけ
後述の制御の下に交互に開弁する電磁弁からなる取出用
弁１８，１９がそれぞれ設けられている。また、前記取
出管路１７は製品タンク２０と接続されている。

【００１５】２１は吸着槽１，２の製品ガス吐出側を連
通する均圧用管路である。２２は均圧用管路２２の途中
に設けられた均圧用弁である。この均圧用弁２２は吸着
槽１，２により半サイクルの終了時に所定時間だけ開弁
し、各吸着槽１，２間を均圧にする。

【００１６】また、製品タンク２０には、下流側へ製品
ガスを供給するための製品ガス供給管路２３が接続され
ている。この製品ガス供給管路２３には電磁弁よりなる
開閉弁２４が配設されている。２５は酸素濃度センサ
で、製品ガス供給管路２３から分岐して管路２６に配設
されており、製品タンク２０から吐出された製品ガスの
酸素濃度を測定し、その測定値に応じた検出信号を出力
する。

【００１７】２７は制御回路で、予め入力されたプログ
ラムに従って制御信号を出力し、例えば図２，図３に示
す再生・吸着工程、再生・取出工程、パージ還流
・取出工程、均圧工程の各工程に応じて、空気供給用
弁８，９、排気用弁１３，１４、取出用弁１８，１９、
均圧用弁２２を開閉制御する。また、制御回路２７は、
後述するように再生工程の終了前に取出工程の吸着槽か
らの製品ガス（窒素ガス）を再生工程の吸着槽に供給し
て還流パージさせると共に、当該再生工程の吸着槽の排
気を停止させる制御プログラム（制御手段）が格納され
ている。

【００１８】また、吸着槽１，２の上部には、オリフィ
ス２８が配設されたパージ管路２９が接続されている。
このパージ管路２９は、例えば高圧側の吸着槽１から低
圧側の吸着槽２に製品ガス（高濃度窒素ガス）を供給し
て再生工程側の吸着槽２を還流パージすることにより吸
着剤２Ａの再生効率を高めることができる。従って、再
生工程側の吸着槽２における吸着剤２Ａを短時間で再生
することができると共に、均圧工程の前に吸着槽２の圧
力を上昇させることができる。

【００１９】また、吸着槽１が再生工程となるときは、
パージ管路２９及びオリフィス２８を介して高圧側の吸
着槽２から低圧側の吸着槽１に製品ガスを供給して吸着
剤１Ａの再生効率を高めることができる。尚、オリフィ
ス２８は、パージ管路２９を流れる流量が所定以上に増
大しないように制限しており、その絞り率が製品タンク
２０に取り出される流量を確保するように設定されてい
る。

【００２０】ここで、上記窒素発生装置の窒素発生サイ
クルの動作につき説明する。いま、窒素発生装置を起動
すると、制御回路２７の制御の下に、窒素発生処理が行
なわれる。まず、図２に示すように，，，の工
程が番号順に実行される。

【００２１】第１の吸着槽１は再生工程、第２の吸着
槽２は吸着工程（還流・昇圧工程）空気供給用弁９が開弁され、第２の吸着槽２に原料気体
としての圧縮空気が供給されると共に取出用弁１９が開
弁されて製品タンク２０内の製品ガス（窒素ガス）が第
２の吸着槽２に還流されている。そのため、第２の吸着
槽２は昇圧状態にあり、吸着剤２Ａに酸素分子が吸着さ
れる。

【００２２】一方、第１の吸着槽１は排気用弁１３が開
弁されて残存ガスが排気されて減圧状態にあり、吸着剤
１Ａに吸着していた酸素分子が脱着されて排気される吸
着剤１Ａが再生される。第１の吸着槽１は再生工程（減圧工程）、第２の吸着
槽２は取出工程空気供給用弁９及び取出用弁１９が開弁されているた
め、第２の吸着槽２内の圧力が製品タンク２０の圧力以
上に昇圧されると、第２の吸着槽２で生成された製品ガ
ス（窒素ガス）が製品タンク２０に取り出される。この
とき、第１の吸着槽１は再生状態のままである。

【００２３】そして、上記のように第１の吸着槽１は減
圧され、第２の吸着槽２は昇圧されているので、この圧
力差により第２の吸着槽２から吐出された製品ガスの一
部がパージ管路２９を通過して第１の吸着槽１に供給さ
れる。これにより、再生工程の終了前に第１の吸着槽１
の残存ガスがパージされて排気用弁１３から排気され、
吸着剤１Ａの再生が促進される。

【００２４】第１の吸着槽１はパージ還流工程、第２
の吸着槽２は取出工程排気用弁１３を閉弁させることにより、第１の吸着槽１
の排気が停止される。これにより、第１の吸着槽１はパ
ージ管路２９を介して供給された高濃度の製品ガス（窒
素ガス）で充満される。従って、第１の吸着槽１は、高
濃度の製品ガスの供給により窒素濃度が高められると共
に圧力が上昇する。

【００２５】一方、第２の吸着槽２では、取出用弁１９
が開弁されているので、第２の吸着槽２内で生成された
窒素ガスが製品タンク２０に取り出され、取出工程に維
持されている。このように、第１の吸着槽１が製品タン
ク２０に貯溜された製品ガスではなく、第２の吸着槽２
で生成された製品ガスにより還流パージされるため、製
品タンク２０の圧力が低下が防止される。しかも、第１
の吸着槽１がパージ管路２９を介して供給された製品ガ
スにより還流パージされている間も第２の吸着槽２で生
成された製品ガスのほとんどが製品タンク２０に供給さ
れるため、製品タンク２０の圧力は上昇することにな
り、還流パージによる製品ガスの供給不足を解消するこ
とができる。

【００２６】第１の吸着槽１及び第２の吸着槽２は均
圧工程取出用弁１９及び空気供給用弁９、排気用弁１３が閉弁
されると共に、均圧用弁２２が開弁する。これにより、
取出工程が終了した第２の吸着槽２内に残存する酸素窒
素混合ガスは、上記のように大気圧に減圧された第１の
吸着槽１に供給され、各吸着槽１，２はほぼ均圧とな
る。

【００２７】これにより、１サイクルのうちの前半の半
サイクル〜が終了したことになり、空気供給用弁
８、排気用弁１４を開弁することによって、図３（Ｂ）
（Ｃ）に示す後半〜の半サイクルを実行する。尚、
後半〜の半サイクルでは、第１の吸着槽１と第２の
吸着槽２との動作が前半〜と逆になるだけなので、
後半〜の詳細な説明は省略する。

【００２８】かくして、吸着槽１，２からは交互に高濃
度の窒素ガスが取り出されて製品タンク２０に供給する
ことができる。そして、起動後しばらくすると、吸着槽
１，２より生成される窒素ガスの濃度は安定する。ここ
で、制御回路２７が実行する窒素ガス生成処理につき、
図４のフローチャートを参照して説明する。

【００２９】制御回路２７は、ステップＳ１（以下「ス
テップ」を省略する）で、スタート釦（図示せず）がオ
ンに操作されると、Ｓ２に進み、コンプレッサ３及びエ
アドライヤ４を起動させる。続いて、Ｓ３ではエアドラ
イヤ４が作動可能になるまでの待機時間Ｔが経過するま
で待機状態を保つ。そして、待機時間Ｔが経過すると、
Ｓ４に進み、排気用弁１３、空気供給用弁９、取出用弁
１９を開弁して上記吸着工程（還流昇圧工程）を設定
する。

【００３０】そのため、第２の吸着槽２に原料気体とし
ての圧縮空気が供給されると共に、製品タンク２０内の
製品ガス（窒素ガス）が第２の吸着槽２に還流される。
これにより、第２の吸着槽２は昇圧して酸素分子が吸着
剤２Ａに吸着される。これと同時に、第１の吸着槽１
は、残存ガスが排気されて減圧状態にあり、吸着剤１Ａ
に吸着していた酸素分子が脱着され、吸着剤１Ａが再生
される。

【００３１】次のＳ５で還流昇圧時間ｔ₁が経過したか
否かを判定する。この還流昇圧時間ｔ₁が経過すると、
上記取出工程を設定する。すなわち、空気供給用弁９
及び取出用弁１９が開弁されているため、第２の吸着槽
２内の圧力が製品タンク２０の圧力以上に昇圧される
と、第２の吸着槽２で生成された製品ガス（窒素ガス）
が製品タンク２０に取り出される。

【００３２】これと同時に、第１の吸着槽１は減圧さ
れ、第２の吸着槽２は昇圧されているので、この圧力差
により第２の吸着槽２から吐出された製品ガスの一部が
パージ管路２９を通過して第１の吸着槽１に供給され
る。これにより、再生工程の終了前に第１の吸着槽１の
残存ガスがパージされて排気用弁１３から排気され、吸
着剤１Ａの再生が促進される。

【００３３】そして、Ｓ６に進み、減圧時間ｔ₂が経過
したか否かを判定する。この減圧時間ｔ₂が経過する
と、Ｓ７に進み、排気用弁１３を閉弁してパージ還流
工程を設定する。すなわち、排気用弁１３を閉弁させる
ことにより、第２の吸着槽２で生成された高濃度の製品
ガス（窒素ガス）がパージ管路２９を介して第１の吸着
槽１に供給される。これにより、第１の吸着槽１は、高
濃度の製品ガスの供給により窒素濃度が高められると共
に圧力が上昇する。

【００３４】これと同時に、第２の吸着槽２では、取出
用弁１９が開弁されているので、第２の吸着槽２内で生
成された窒素ガスが製品タンク２０に取り出されてい
る。次にＳ８では、パージ還流時間ｔ₃が経過したか否
かを判定する。このパージ還流時間ｔ₃が経過すると、
Ｓ９に進み、空気供給用弁９及び取出用弁１９を閉弁す
ると共に、均圧用弁２２を開弁させて均圧工程を設定
する。

【００３５】これにより、第２の吸着槽２内に残存する
酸素窒素混合ガスが、大気圧に減圧された第１の吸着槽
１に供給され、各吸着槽１，２はほぼ均圧となる。次に
Ｓ１０では、均圧時間ｔ₄が経過したか否かを判定す
る。この均圧時間ｔ ₄が経過すると、Ｓ１１で均圧用弁
２２を閉弁させて均圧工程を終了させる。続いて、Ｓ
１２で酸素濃度センサ２５により検出された製品タンク
２０の酸素濃度を監視し、規定濃度に達したか否かを判
定する。そして、製品タンク２０の酸素濃度が規定濃度
に達していないときは、後半のサイクルを実行する。

【００３６】これ以降は、後半サイクルが実行されるが
上記Ｓ５〜Ｓ１０と同様な処理なので、ここではその説
明を省略する。Ｓ１３では、停止釦（図示せず）がオン
に操作されたか否かを判定しており、もし停止釦がオフ
のままであるときはＳ４に戻り、上記Ｓ４以降の処理を
繰り返す。しかし、停止釦がオンに操作されたときは、
Ｓ１４に移行してコンプレッサ３及びエアドライヤ４を
停止させる。

【００３７】図５は上記窒素ガス生成制御による吸着槽
１，２の圧力変化及び製品タンク２０の圧力変化を示す
グラフである。尚、図５において、グラフI （一点鎖
線）は吸着槽１の圧力変化を示し、グラフII（実線）は
吸着槽２の圧力変化を示し、グラフIII （破線）は製品
タンク２０の圧力変化を示す。

【００３８】このグラフから上記還流パージ工程で排
気用弁１３を閉弁させることにより、第２の吸着槽２で
生成された高濃度の製品ガス（窒素ガス）がパージ管路
２９を介して第１の吸着槽１に供給されることにより、
均圧工程になる前に第１の吸着槽１の圧力が上昇すると
共に高濃度の製品ガスの供給により窒素濃度が高められ
る。

【００３９】そのため、均圧工程に切り換えられた時点
では、既に第１の吸着槽１の圧力が上昇し、且つ第１の
吸着槽１内の窒素濃度が高められているので、均圧工程
における第１の吸着槽１の圧力上昇及び窒素濃度が短時
間で確保される。従って、次の吸着工程（還流昇圧工
程）に移行したときは、第１の吸着槽１の圧力上昇及び
窒素生成が効率良く行われ、より高濃度の窒素ガス発生
量を確保することができる。

【００４０】尚、上記実施例では、一対の吸着槽１，２
が設けられているが、２個以上の吸着槽を有する装置に
も適用できるのは勿論である。また、上記実施例では、
各吸着剤が酸素分子を吸着する構成であるが、各吸着槽
が他の気体分子を吸着する構成（例えば酸素発生装置
等）にも適用できるのは勿論である。

【００４１】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、吸着剤を
再生する工程の終了前に他の吸着槽で生成された製品ガ
スを当該再生工程の吸着槽に還流させると共に、吸着槽
の排気を停止させるため、吸着槽に圧縮空気を供給する
前に吸着槽の圧力を予め上昇させておくことができるの
で、吸着工程に切り換わってから短時間で吸着槽を吸着
に必要な圧力に上昇させることができる。そのため、均
圧工程に切り換えられた時点では、既に吸着槽の圧力が
上昇し、且つ吸着槽内の濃度が高められているので、均
圧工程における吸着槽の圧力上昇及び濃度が短時間で確
保される。従って、次の吸着工程に移行したときは、吸
着槽の圧力上昇及び窒素生成が効率良く行われ、より高
濃度の窒素ガス発生量を確保することができる。

【００４２】さらに、吸着槽が製品タンクに貯溜された
製品ガスではなく、他の吸着槽で生成された製品ガスに
より還流パージされるため、製品タンクの圧力が低下が
防止される。しかも、吸着槽が還流パージされている間
も他の吸着槽で生成された製品ガスのほとんどが製品タ
ンクに供給されるため、製品タンクの圧力は上昇するこ
とになり、還流パージによる製品ガスの供給不足を解消
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる気体分離装置の一実施例の概略構
成図である。

【図２】窒素生成の各工程を説明するための工程図であ
る。

【図３】各工程の１サイクルを示す工程図である。

【図４】制御回路が実行する窒素ガス生成処理のフロー
チャートである。

【図５】窒素ガス生成制御による吸着槽の圧力変化及び
製品タンクの圧力変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１，２吸着槽１Ａ，２Ａ吸着剤３コンプレッサ８，９空気供給用弁１３，１４排気用弁１８，１９取出用弁２０製品タンク２２均圧用弁２５酸素濃度センサ２７制御回路２８オリフィス２９パージ管路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を
供給し、該吸着槽内の吸着剤により分離生成された製品
ガスを該吸着槽から取り出した後、該吸着槽内の残存気
体を排気させて該吸着剤を再生するよう構成された気体
分離装置において、前記吸着剤を再生する工程の終了前に他の吸着槽で生成
された前記製品ガスを当該再生工程の前記吸着槽に還流
させると共に、前記吸着槽の排気を停止させる制御手段
を備えてなることを特徴とする気体分離装置。