JPS60210507A - 圧力変動吸着法におけるタ−ンダウン制御方法 - 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】 技術分野 本発明は、圧力変動吸着法による富酸素ガスの製造に関
し、更に詳しく述べるならば、富酸素ガスの流出の闇の
流出速度等の特性が低下する期間ａちターンダウンの間
、圧力変動吸着の系を制御する方法に関する。

従来技術 合成ゼオライトや天然ゼオライト等の吸着剤の窒素に対
する選択吸着性を利用し、圧力変動吸着により、空気の
如き酸素／窒素混合ガスを分離して、富酸素ガスを製造
することは知られている（例えば、特公昭５１−４０５
４９号、特開昭５３−９６９８７号及び特開昭５８−８
４０２０号）。

このような方法で富酸素ガスを製造するに当っては、吸
着剤の床を含む複数の吸着塔のそれぞれにおいて、酸素
／窒素混合ガスを導入して窒素を吸着除去し、前吸着性
の酸素が濃縮富化されたガスを吸着塔より導出して製品
ガスとするのである。

そして、吸着塔内の吸着剤を再生するための減圧、パー
ジ、排気等の工程と前記吸着分離工程’ｔｔｌＶＡ次に
各吸着塔内において切換操作するのである。

このような圧力変動吸着の系におけるターンダウン制御
の方法は、特開昭５４−１６３７５号に開示されている
。この方法は、特定の大気圧脚上の加圧サイクルにおけ
る圧力変動吸着の系についてターンダウン制御を行うも
のである。即ち、第１の吸着塔において、供給ガスは加
圧吸着に付され、吸着圧が漸次上昇されながら、生成物
ガスが取り出はれる。そして塔内圧力が最高圧力に達し
た後、供給ガスの導入は他の吸着塔に移されるが、第１
の吸着塔からの生成物ガスは並流減圧によって製品とし
て取シ出され、同時に他の吸着塔における均圧及びパー
ツにもオＵ用される。次に、第１の吸着塔の塔内圧力は
大気圧まで向流減圧され、これによって吸着物質の脱着
が省われ、更に向流パーツによって吸着床の再生が行わ
れる。吸着塔は２個り十からなり、連続的に生成物ガス
ｔ−得ることができる。そして、このような圧力変動吸
着サイクルにおいて、１サイクル、１吸着床当りの生成
物ガスの発生量を設定しておき、生成物ガスの使用要求
量が減少したときに生成物ガスの発生量が上記設定量に
達するまで、前記サイクルを次のステップに前進させず
、一方供給ガスによる加圧が行われている吸着塔では最
大吸着圧に達したときに圧縮機をアンロード（無負荷）
状態にして、供給ガスの導入を停止し、動力を削減する
ものである。しかして、このターンダウン制御は加圧型
の圧力変動吸着サイクルにおいて行われており、圧力変
動範囲が大気圧より低圧の真空側に及ぶような真空型の
圧力変動吸着サイクルにおいてターンダウン制御を行う
例は従来皆無である。

発明の目的 本発明の主要な目的は、増大圧力吸着及び真空脱着（再
生）を含む圧力変動吸着法による富酸素ガスの製造の糸
においてターンダウン制御ヲ行い、この系の動力を効果
的に削減する方法を提供することにある。

発明の構成 本発明は即ち圧力変動吸着法におけるターンダウン制御
方法を提供するものであって、この方法は、 窒素を選択的に吸着する吸着剤の床を充填した３個の吸
着塔を用い、前記吸着塔に酸素及び窒素を主として含む
混合カス全流通させて窒素を吸着除去し、富酸素ガスを
製造するに当り、それぞれの吸着塔において、加圧混合
ガスの供給により塔内圧力を増大させ、窒素を選択的に
吸着きせ、そして富酸素ガスを取り出す増大圧力吸着工
程、向流方向に真空排気する真空再生工程、他塔からの
富酸素ガスによるパーツと同時に向流方向に真空排気す
るノ９−ソ工程、及び他塔からの富酸素ガスの導入によ
りこの他塔との塔内圧力の均等化を行う均圧工程を含む
サイクルを、位相を変えて順次に実施することからなる
圧力変動吸着法において、前記均圧工程の終了後におい
て、富酸素ガスが引続き取シ出されている吸着塔からの
富酸素ガスの取シ呂しの間の少なくとも一期間、流出す
る富酸素ガスの量、速度、濃度及び圧力を含む少なくと
も１種の富酸素ガス流れ特性を監視し、前記特性が所定
の値に達するまで前記工程サイクルを次工程に前進させ
ることなく、一方前記加圧が行われている吸着塔への加
圧混合ガスの供給を、この塔の塔内圧力が所定の圧力に
到達するか又は前記均圧工程が終了すると同時に停止さ
せ、また前記真空排気が行われている他の吸着塔からの
排気を、この塔の塔内圧力が所定の真空圧力に到達する
か又は前記均圧工程が終了すると同時に停止させること
を特徴とする。

発明の構成の具体的説明 本発明においては、吸着剤の床を充填した３個の吸着塔
が用いられ、吸着剤としては合成ゼオライト、例えば、
モレキーラーシープス５Ａ又は１３Ｘ１や天然ゼオライ
ト、例えば、モルデナイト等が用いられる。そして、こ
のような３個の吸着塔Ａ、Ｂ及びＣ′（［−用いて以下
の如きサイクルで吸着及び脱着が繰ｐ返されるのである
。

例えば、１吸着塔当りの１工程サイクルに２回の均圧工
程を含むようなサイクルは、次の態様による。

ステップＩ Ａ塔下部の混合ガス供給口から加圧混合ガスが供給され
る。同時に、既に前ステップにおいて塔内圧力が所定圧
力まで高められ、與品富酸素ガスを放出しているＣ塔上
部の製品出口とＡ塔上部とを連通させることに工り、Ａ
塔とＣ塔間の圧力均等化を行う（第１均圧）。一方、窒
素で飽和されたＢ塔は、向流減圧され、窒素が脱着され
る。

ステップ２ Ａ塔は、加圧混合ガスの供給によって漸次加圧されると
同時に、製品富酸素ガスを放出する。一方、Ｃ塔上部か
らの濃縮酸素がＢ塔の上部に供給され、Ｂ塔内を向流洗
浄しながら、真空ポンプによって系外に排出される（真
空・セージ）。Ｃ塔は、・９−ジ用富酸素方スを並流減
圧により放出し、塔内圧力が更に低下する。

ステップ３ Ａ塔では、製品富酸素ガスが放出されつつ、更に塔内圧
力が亮″！！シ、所定圧力にまで達する。一方、Ｃ塔上
部に残留する富酸素ガスをＢ塔の下部又は上部に供給す
ることにより、Ｂ塔とＣ塔間の圧力の均等化を行う（第
２均圧）。

以上の態様を６塔において位相を変えてステップ９まで
繰シ返し、完全な１サイクルを完了する。

同様に、１回の均圧工程のみを含むようなサイクルにお
いては、前述のステンｆ３を除く、ステップ１及び２か
らなる態様を６塔において位相を　゛変えてステラｆ６
まで繰シ返し、完全な１サイクルを完了する。

このような圧力変動吸着サイクルによれば、一定時間で
の切換によって連続的に富酸素カスが得られる。しかし
ながら、一定速度で製品の冨＃に累ガスを取シ出すよう
な場合は問題は無いのであるが、製品富酸素ガスの使用
要求量等が変化する場合も多く、このような場合におい
ても混合ガス加圧用圧縮機及び排気用真空ポンプにより
消費される動力は削減いれることがなく、全く同じ動力
が消費される。−しかして、本発明は、流出する富酸素
ガスの流れ特性を監視し、この特性が予め設定された所
定の値に達するまでステップを停止はせ、少なくともそ
の間の一期間圧縮機及び真空ポンプをアンロード状態に
して動力を削減することを可能にしたものである。ここ
にいう流れ特性としては、例えば、流出する富酸素ガス
の量、速度、濃度、圧力等がある。

圧縮機及び排気用真空ポンプのアンロードを実施するに
は、次の如き態様がある。即ち、１つの態様においては
、前述の均圧工程（前記９ステツグからなるサイクルに
おいては第１均圧工程）が終了した後で、加圧混合ガス
の供給によル加圧されている吸着塔の塔内圧力が所定圧
力（サイクルにおける最高圧力）に到達すると圧＆ｉ機
がアンロードされ、一方真空排気されている吸着塔の塔
内圧力が所定の真空圧力（サイクルにおける最低圧力に
到達すると真空ポンプがアンロードされる。このときの
圧縮機及び真空ポンプのそれぞれのアンロードは、例え
ば、各塔内圧力又は供給混合ガスライン及び真空排気ラ
イン圧力に感知して作動するような圧力スイッチによシ
行うことができる。

他の態様においては、前述の均圧工程が終了すると同時
に、圧縮機及び真空ポンプが共にアンロードされ、次工
程が開始されると同時に再びロード（負荷）される。こ
の場合、これらの圧縮機及び真空ポンプのロード及びア
ンロードは、例えば、また、第３の態様において法前述
の均圧工程が終了した後で、加圧混合ガスの供給により
加圧されている吸着塔の塔内圧力が所定の圧力（サイク
ルにおける最筋圧力に到達すると圧縮機がアンロードさ
れ、一方真空ポンプは均圧工程が終了すると同時にアン
ロードはれる。この場合には、例１えば、圧縮機のアン
ロードは圧力スイッチにより行うことができ、真空ポン
プのアンロードはステップの停止と同時に行うことがで
きる。尚、この第３の態様による場合は、）や−ジ中に
真空ポンプのＯＮ　−ＯＦ　Ｆが生じないために、脱着
操作が安定して行える利点がある。

以下、添附図面を参照しながら、本発明の具体的な実旋
態様について説明する。尚、以下においては、流れ特性
として富酸素ガスの流出量を計量して監視する場合を例
にとって説明する。

第１図は、本発明方法を説明するための具体的装置の系
統図である。第２図は、９ステツプの場合の本発明方法
の工程操作順序を示す模式図である。第３図は、６ステ
ツプの場合の本発明方法の工程操作順序を示す模式図で
ある。

製品富酸素カスラインに流量計２５を備え、その＠号は
周波数パルス変換され、設定器付のカウンター２７に送
られる。１つの吸着基当９の富酸素ガスの設定流量を１
００％とすれは、例えば５０チの富酸素ガス流量の時に
は設定値に達するまでに、２倍の時間を要する。一方、
製品ガス流量が１００％の時には、例えは、第２図のス
テラｆ２からカウントが開始され、ステップ２〜４即ち
Ａ塔のみが富酸素ガスを放出している期間まで、約６０
秒間で行われ、次のステラｆ５に進む。しかし、製品ガ
ス流量が、例えば、５０％の時には、本発明に従って新
たに設けられるステップ４′において、設定値に対して
カウントアウトされるまで、２倍の１２０秒を要するこ
とになる。そして、カウントアウトされるまで、ステッ
プ４′からステップ５に進まないのである。

ステップ４′又はステップ５で、Ｂ塔は既に所定の圧力
にまで達するため、この吸着塔の吸着圧力又は供給混合
ガスラインの圧力を圧力スイッチ２９で検出することに
よって、加圧側の混合ガス圧縮機２０をアンロードさせ
る。一方、ステラｆ４’では、Ｃ塔の真空排気は終了し
、所定の真空圧力にまで達すると、弁５は閉じられ、弁
７が開かれることにより、真空ポンプ１９の吸込は大気
から直接行われることになるため、下記の（１］式、（
式中、Ｌａは軸馬力（ｋＷ）、△Ｐは吐出圧力と吸込圧
力の差圧（呻／ｃｍ”　）、Ｑ８は理論吸込風量（−７
分）、ηは効率である） に示すように、ΔＰが小さくなる結果、動力は大幅に低
下する。

６ステノプから彦る圧力変動吸着のサイクルの場合も全
く同様である。即ち、第３図に示すように、ステラｆ２
からカウントが開始され、Ａ塔のみが富酸素ガスを放出
している期間の製品カス流量をカウントする。設定値に
達する壕で、本発明に従って新たに設けられるステップ
３′において停ｍｌ　ソー／Ｔ％　−ｙ　＝　−、−Ｉ
ＩＩ　Ｊ　ｒｙ　Ｊｈ−ｈ　−ａ、　＋−例えば、製品
ガス流量が設定値の５０％の時は、ステラｆ３’でＡ塔
は所定の圧力に達し、吸着塔の吸着圧力又は供給混合ガ
スラインの圧力を圧力スイッチ２９で検出することによ
って、加圧側゛の混合ガス圧縮４１２０ｔ−アンロード
させる。一方、Ｂ塔は真空排気されて所定の真空圧力ま
で達すると、弁５は閉じられ、弁７が開かれることによ
り、真空ボン７″１９の吸込は大気から直接行われるこ
とになり、真空ポンプはアンロード状態となる。

このように、製品富酸素ガスの流量の減少につれて、ア
ンミード時間は長くなシ、消費動力は減少する。

尚、第１図において、ＩＡ〜ＩＣ，２Ａ〜２Ｃ。

３Ａ〜３Ｃ，４Ａ〜４Ｃ１５，６Ａ〜６Ｃ１７，９，１
０，１１，１７は弁であり、１８はアフタークーラー、
１９は真空ポンプ、２０は圧縮機、２１はミヌトセノぐ
レータ、２２は製品である富酸素ガスの流出流、２３は
分離除去された窒素を主体とするガスの流出流、２４は
吸込サイレンサー、９Ｒｕ牙リフすス？ｌ／Ｆ畳針　９
６はトランス？ッｉ−、２７はカウンター、２８は制御
盤、そして２９，３０は圧力スイッチである３、制御盤
２８からは、６弁、圧縮機及び真空ボンデに対して制御
信号が送られる。

第４図は、９ステツプからなるサイクルにおいてターン
ダウン制御が行われない場合の各吸着塔における圧力変
動・９ターンの一例を示すグラフである。第５図は、６
ステツプからなるサイクルの場合の同様の圧力変動ノ４
’ターンの一例を示すグラフである。

第６図は、第５図に示すパターンの圧力変動を与えたと
きの圧縮機及び真空ポンプの動力の変化を示すグラフで
あり、グラフ中にはターンダウン制御を行わなかった場
合のほか、本発明に従ってターンダウン制御を行った場
合も併せ示されている。本発明においては、このように
、製品富酸素ガスの流出量の変化に応じて動力が変化追
随きれて、省エネルギーを図る制御を行うことができる
。

上記のようにしてターンダウン制御を行うと、第７図に
示すように（９ステツプの場合）、ターンダウンの間に
おける待機時間が延長される程、製品富酸素ガスの濃度
の低下が大きくなる。これは、待機時間が長くなると、
窒素の吸着前縁の移動速度が遅くなり、逆に窒素の拡散
が生じて、シャープな吸着前線が得られなくなるからで
ある。

そのため、製品ガスの酸素濃度の低下をできるだけ防ぐ
ためには、サイクルタイムの理想時間（例えば、１つの
吸着塔当りのサイクルタイムを６０秒とすると、理想時
間は（設定流量／製品ガス流量）×６０秒となる）を、
待機時間が延長されるに従ってよシ大きく短縮すること
が必要である。

第８図は、設定流量に対する製品ガス流量の割合と各吸
着塔当りのサイクルタイムの関係を示すグラフである。

Ｘは理想サイクルタイムであり、Ｙは製品富酸素ガスの
濃度の低下を押えるために必要な実際上のサイクルタイ
ムを示す。従って、実際の操作においては、Ｙの関係が
得られるようにプログラミングすることによって、ステ
ップの進行をコントロールすることが必要となる。

尚、上記の態様においては、圧縮機及び真空ポンプの動
力削減は圧力スイッチによるアンロード方式によって行
われるが、回転数制御によって圧縮機の混合ガス量及び
真空ポンプの吸込量を訓節して行うことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の説明するための系統図、第２図は
９ステツプの場合の工程操作順序を示す模式図、第３図
は６ステツプの場合の工程操作順序を示す模式図、第４
図は９ステツプの場合の圧力変動パターンの一例を示す
グラフ、第５図は６ステツプの場合の圧力変動・やター
ンの一例を示すグラフ、第６図は６ステツプの場合の圧
縮機及び真空ポンプの動力の変化の一例を示すグラフ、
第７図は９ステツプの場合の各吸着塔における製品ガス
の酸素濃度の経時変化を示すグラフ、そして第８図は設
定流量に対する製品カス流量の割合と各吸着塔当りのサ
イクルタイムの関係を示すグラフである。 図において、Ａ、Ｂ％Ｃは吸着塔、ＩＡ〜ＩＣ。 ２Ａ〜２Ｃ，３Ａ〜３Ｃ１４Ａ〜４Ｃ１５，６Ａ〜６Ｃ
１７，９，１０，１１％１７は弁であｐ１１８はアフタ
ークーラー、１９は真空ポンプ、２゜は圧縮機、２１は
ミストセパレータ、２２は製品である富酸素カスの流出
流、２３は分離除去された窒素を主体とするガスの流出
流、２４は吸込サイレンサー、２５はオリフィス流量計
、　２６ｔｊ：）ランスミツター、２７はカウンター、
２８は制御盤、そして２９．３ｏは圧力スイッチである
。 特許出願人 昭和電工株式会社 特許出願代理人 弁理士　青　木　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　吉　１）　維　夫 弁理士　山　口　昭　之 弁理士　西　山　雅　也 第３目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　窒素を選択的に吸着する吸着剤の床を充填した３
   個の吸着塔を用い、前記吸着塔に酸素及び窒素を主とし
   て含む混合ガスを流通させて窒素を吸着除去し、富酸素
   ガスを製造するに肖り、それぞれの吸着塔において、加
   圧混合ガスの供給により塔内圧力を増大させ、窒素を選
   択的に吸着させ、そして富酸素〃スを取り出す増大圧力
   吸着工程、向流方向に真空排気する真空再生工程、他塔
   からの富酸素ガスによるパージと同時に向流方向に真空
   排気するパージ工程、及び他塔からの富酸素ガスの導入
   によシこの他塔との塔内圧力の均等化を行う均圧工程を
   含むサイクルを、位相を変えて順次に実施することから
   なる圧力変動吸着法において、 前記均圧工程の終了後において、富酸素カスが引続き取
   シ出されている吸着塔からの富酸素ガスの取シ出しの間
   の少なくとも一期間、流出する富酸素ガスの量、速度、
   濃度及び圧力を含む少なくとも１種の富酸素ガス流れ特
   性を監視し、前記特性が所定の値に達するまで前記工程
   サイクルを次工程に前進させることなく、一方前記加圧
   が行われている吸着塔への加圧混合ガスの供給を、この
   塔の塔内圧力が所定の圧力に到達するか又は前記均圧工
   程が終了すると同時に停止させ、また前記真空排気が行
   われている他の吸着塔からの排気を、この塔の塔内圧力
   が所是の真空圧力に到達するか又は前記均圧工程が終了
   すると同時に停止させることを特徴とする圧力変動吸着
   法におけるターンダウン制御方法。