JP2010075781A - 圧力スイング吸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】必要とされる流量に応じて吸着タンクの総容積が増減でき、省電力化を達成することが可能な圧力スイング吸着装置を提供する。
【解決手段】２以上の吸着タンクが並列に連結されることにより一つの吸着ユニットが形成され、かつ上記吸着ユニットが２以上並列に連結された多連ユニット式の圧力スイング吸着装置において、上記各吸着ユニットを構成する少なくとも１つの吸着タンクのガス流入側及び排出側にはそれぞれ、当該吸着タンクへのガスの流入及び流出を制御可能な切換バルブが設けられており、装置内の各切換バルブの開閉状態がシーケンス制御され、当該制御によって、ガスが流れる吸着タンクの個数を任意に変えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、必要とされる流量に応じて吸着タンクの総容積を増減できる構成を有し、省電力化を達成することが可能な圧力スイング吸着装置、特に窒素ガスを製造可能な圧力スイング吸着式窒素ガス発生装置（窒素ＰＳＡ装置）、酸素ガスを製造可能な圧力スイング吸着式酸素ガス発生装置（酸素ＰＳＡ装置）に関する。

従来の窒素ＰＳＡ装置は、例えば下記の特許文献１に記載される装置のように、２つの吸着タンクから構成される２塔式タイプであり、この吸着タンクにおいて交互に加圧工程（吸着）、脱圧工程（排気）を繰り返して、連続的に窒素ガスを精製、供給するようになっている。このため、出口での窒素ガスの使用流量によって、必要とされる空気の消費量が決まり、窒素ＰＳＡ装置の大きさやコンプレッサーの仕様が決定されていた。それゆえ、窒素ガスの使用量が減少した場合においても、原料空気の供給量は吸着タンクの容量分が必要なため減少せず、消費電力量がほとんど減少しないという問題点があった。
特開２００２−２３９３３０号公報

又、図３に示されるＰＳＡ装置のように、２以上の吸着タンクが並列に連結されることにより一つの吸着ユニットを形成し、このような吸着ユニットが２以上並列に連結された多連ユニット式のものも知られているが、この装置の場合にも、２塔式のものと同様に、ユニット毎に交互に加圧工程及び脱圧工程が繰り返されるので、窒素ガスの出口流量の大小に関係なく、吸着タンクの容量分だけ空気が常に供給され、窒素ガス流量が減少してもコンプレッサーの消費電力はわずかしか変動しないという欠点があった。
このため、製品ガス（窒素ガス）の使用量が減少した場合に、その減少率に応じて消費電力が削減できるＰＳＡ装置に対する要望がある。

本発明は、従来のＰＳＡ装置における上述の問題点を解決し、使用者が定格流量よりも少量で使用した場合、原料空気量の削減、及びコンプレッサー使用による電力量の削減ができる圧力スイング装置（ＰＳＡ装置）を提供することを課題とする。

上記課題を達成することが可能な本発明の圧力スイング吸着装置は、複数のガス成分からなる混合ガスを各構成ガス成分に分離するのに用いられ、原料空気を吸着タンクへ導入する流路を開閉する吸着バルブ、排気ガスを排出するための排気バルブ、吸着ユニット間を均圧するための均圧バルブ、製品ガスを製品タンクに送るための出口バルブを具備し、２以上の吸着タンクが並列に連結されることにより一つの吸着ユニットを形成し、かつ上記吸着ユニットが２以上並列に連結された多連ユニット式の圧力スイング吸着装置であって、
上記各吸着ユニットを構成する少なくとも１つの吸着タンクのガス流入側及び排出側にはそれぞれ、当該吸着タンクへのガスの流入及び流出を制御可能な切換バルブが設けられていること、及び、
上記切換バルブの開閉状態がシーケンス制御され、当該制御によって、吸着／脱着操作が実施される吸着タンクの個数が変更可能であることを特徴とする。

又、本発明は、上記の特徴を有した圧力スイング吸着装置において、上記吸着タンクに混合ガスを供給するためのコンプレッサーとして、インバータコンプレッサーが設けられていることを特徴とするものでもある。

本発明の圧力スイング吸着装置では、複数の吸着タンクが並列に設置されており、各吸着タンクの出入口にそれぞれ切換バルブが設けられているので、製品ガス使用量を監視し、使用量が減少した場合、減少率に応じて切換バルブを制御し、吸着タンクの使用本数を決定することにより、原料空気量の削減ができる。
又、インバータコンプレッサーを使用し、原料空気を供給した場合、削減量に応じてモータ回転数制御されるため、電力量の削減ができる。

以下、本発明の圧力スイング吸着装置の構成例を図面に示して、本発明を詳細に説明するが、本発明は、図面に例示したものに限定されるものではない。
図１は、４つの吸着タンクが並列に連結されることにより一つの吸着ユニットを形成し、かつ上記吸着ユニットが２個並列に連結され、各吸着タンクの入口側と出口側にそれぞれ切換バルブが設けられた二連ユニット式の本発明の圧力スイング吸着装置の一例における構成を示す図である。
又、図２は、図１の装置とは異なる流路を有した本発明の圧力スイング吸着装置の構成を示す図であり、この装置にあっては、吸着タンクＴ７とＴ８が常時使用され、吸着タンクＴ１〜Ｔ６は必要に応じて使用される。
図３は、４つの吸着タンクが並列に連結されることにより一つの吸着ユニットを形成し、かつ上記吸着ユニットが２個並列に連結され、各吸着タンクの入口側と出口側に切換バルブが設けられていない従来の二連ユニット式の圧力スイング吸着装置の構成を示す図である。

図１に示される本発明の圧力スイング吸着装置は、窒素よりも酸素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した吸着タンクＴ１〜Ｔ８、製品窒素ガスを貯蔵するための製品タンクＢＴ、原料空気を各吸着ユニットへ導入する流路を開閉する吸着バルブＳＶ１，ＳＶ２、排気ガスを排出するための排気バルブＳＶ３，ＳＶ４、吸着ユニット間を均圧するための均圧バルブＳＶ７，ＳＶ８，ＢＶ２、製品ガスを製品タンクに送るための出口バルブＳＶ５，ＳＶ６を具備し、更に、各吸着タンクＴ１〜Ｔ８には入口側（ガス流入側）と出口側（ガス流出側）にそれぞれ切換バルブ（ＳＶ１１，ＳＶ１２，ＳＶ２１，ＳＶ２２，‐‐‐，ＳＶ８１，ＳＶ８２）が設けられている。そして、図面左側のインバータエアコンプレッサーからの圧縮された原料空気をＰＳＡ本体入口から各吸着タンクへ供給して吸着を行なう吸着動作と、低圧下でガスを脱着させる脱着操作が、各切換バルブを切り替えることにより行なわれるようになっており、それぞれの吸着ユニットにおいて吸着・脱着が交互に行なわれ、連続して窒素ガスが発生されるようになっている。尚、本発明では、各吸着タンクＴ１〜Ｔ８に設けられた各切換バルブの開閉状態が個別にシーケンス制御され、一般的には装置内にＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）の増設ユニットを設けて、各切換バルブを必要に応じた動きで制御するようにプログラムが追加される。尚、各切換バルブ駆動のための出力回路と、流量検知のための入力回路は、ＰＬＣのラダープログラムで行なわれる。
本発明の圧力スイング吸着装置の場合、必要とされる窒素ガス流量に応じて、混合ガス（空気）が供給される吸着タンクの数を適宜選択することができ、窒素ガス使用量に応じて、各切換バルブがシーケンス制御されることで、各吸着タンクにおける吸着時間が適正に変更されるようになっている。
この際、各吸着タンクの切換バルブが、予め設定された製品ガス流量に応じて自動制御される構造であっても良く、あるいは、予め稼動させる吸着タンクの個数が設定できるようにしておき、この情報に基づいて各切換バルブが制御される構造であっても良い。

図１の本発明の圧力スイング吸着装置の場合、大量の窒素ガスを製造する必要がある時には、吸着タンクＴ１〜Ｔ８の全てが稼動されるが、必要とされる窒素ガス流量が少量の時には、使用しない吸着タンクの切換バルブが閉状態となるように制御され、図面の上側に位置する吸着タンクＴ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７のうちの１〜３個が稼動するようにし、この数に応じて、図面の下側に位置する吸着タンクＴ２，Ｔ４，Ｔ６，Ｔ８のうちの、使用しない吸着タンクの切換バルブが閉状態となるように制御される。
このようにして、本発明では、必要とされる窒素ガス流量に応じて、使用する吸着タンクと使用しない吸着タンクの個数を設定することができ、切換バルブが閉じられたタンクが存在する時には、吸着タンクを全て使用した時よりも、タンク全体の容量が小さくなるため、供給される圧縮空気の量も少なくてすみ、空気を供給するコンプレッサーの消費電力を抑制することができる。

そして、吸着タンクにおける濃縮にて得られた窒素ガスは、製品ガスを貯蔵するための製品タンクＢＴへ送られ、流量調整されて窒素ガス出口から取り出される。尚、図１において、ＣＶ３は逆止弁、ＰＲ１は圧力調節器、Ｖ１，Ｖ２は電磁弁、ＮＶ１，ＮＶ２は流量調節弁、ＦＭ１は流量計、Ｏ２Ｓは酸素センサモジュールである。本発明では、流量計として、接点付フロート式流量計や電子式流量計を設置することが好ましいが、流量がシーケンサに取り込めるものなら、他の流量計であっても良い。

又、図２の本発明の圧力スイング吸着装置にあっては、吸着タンクＴ１〜Ｔ６の流出側及び流入側にはそれぞれ切換バルブＳＶ１１，ＳＶ１２，‐‐‐，ＳＶ６１，ＳＶ６２が設けられており、これら切換バルブの開閉状態がシーケンス制御されることによって、吸着タンクＴ１〜Ｔ６の稼動が、必要とされる窒素ガス量に応じて選択されるのに対して、吸着タンクＴ７とＴ８の流入側及び流出側には切換バルブが存在せず、吸着タンクＴ７とＴ８は常に稼動状態となる。もちろん、本発明では、吸着タンクＴ１〜Ｔ４に切換バルブが設けられ、しかも、吸着タンクＴ５〜Ｔ８に切換バルブが設けられていない構造であっても良く、各ユニットを構成する並列に連結された吸着タンクの個数も４個以上であっても良い。
本発明では、省電力化を達成するために、混合ガスを供給するためのコンプレッサーとして、インバータコンプレッサーを使用することが好ましく、インバータコンプレッサーの場合、稼動される吸着タンクの本数の増減に合わせて、モータの回転数が制御される。
以下、本発明の実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

〔本発明の圧力スイング吸着装置を用いた場合の窒素ガスの製造例〕
タンク内部に吸着剤として、市販のカーボンモレキュラーシーブスが約６７ｋｇ充填された、塔内径２８６ｍｍ×充填高さ１６７０ｍｍの吸着タンク（１塔の容量１０２リットル）４つを並列に接続したものを吸着ユニットとし、このユニットを２つ並列に連結して、各吸着タンクの流入側と流出側に切換バルブを設置し、これら切換バルブの開閉がＰＬＣ（シーケンサ）にてシーケンス制御されるようになった、図１に示される構成を有した本発明の圧力スイング吸着装置を作製した。
そして、この圧力スイング吸着装置の混合ガス供給側には、市販のインバータコンプレッサー（アトラスコプコ社製、型番：ＧＡ１５ＦＦＶＳＤ）を接続し、全ての吸着タンクが稼動するように切換バルブを制御して、上記装置に圧縮空気を送り込み、各切換弁により工程を制御して吸着分離操作を行った。このコンプレッサーの風量は２．６８ｍ^３／ｍｉｎで、圧力は０．７３ＭｐａＧであり、電圧は２００／５０Ｈｚであった。
上記装置を使用して３０Ｎｍ^３／Ｈの窒素流量を得る際の有効電力量は１８．６ｋＷ／ｈであった。

次に、各吸着ユニットのうちの１つの吸着タンクの切換バルブを閉鎖して（３つの吸着タンクが稼動）、窒素流量２２．５Ｎｍ^３／Ｈと、２０Ｎｍ^３／Ｈの場合について同様の実験を行なった。更に、各吸着ユニットのうちの２つの吸着タンクの切換バルブを閉鎖して（２つの吸着タンクが稼動）、窒素流量１５Ｎｍ^３／Ｈと、１０Ｎｍ^３／Ｈの場合について同様の実験を行なった。最後に、各吸着ユニットのうちの３つの吸着タンクの切換バルブを閉鎖して（１つの吸着タンクのみ稼動）、窒素流量７．５Ｎｍ^３／Ｈの場合について同様の実験を行なった。
各条件下での有効電力量を表１に示す（実験Ｎｏ．１〜６）。

〔従来の圧力スイング吸着装置を用いた場合の窒素ガスの製造例〕
前記の圧力スイング吸着装置の代わりに、各吸着タンクの流入側と流出側に切換バルブが設置されていない図３に示される構成の装置（４つの吸着タンクが常に稼動するタイプの装置）を使用し、窒素流量３０、２５、２０、１５、１０、５Ｎｍ^３／Ｈの場合についての有効電力量を測定した。
各条件下での有効電力量を表１に示す（実験Ｎｏ．７〜１２）。尚、この表１には、最も有効電力量が大きかった窒素流量２５Ｎｍ^３／Ｈの場合の有効電力量（１８．９ｋＷ／ｈ）を１００％とした時の電力量消費率も併記した。

上記の実験結果から、本発明の圧力スイング吸着装置の場合には、必要とされる製品窒素ガス流量が小さい時に、吸着タンクの流入側と流出側に設けられた切換バルブの開閉状態を制御することで、使用されるタンクの本数を減らすことができ、これによって、圧縮空気の供給量が少なくてすみ、その結果、コンプレッサーの省電力化が達成できることが確認された。これに対して、稼動する吸着タンクの数を変えることができない従来の圧力スイング吸着装置の場合には、表１に示されるように、窒素ガス流量が変動しても、ほとんど有効電力量が変動せず、コンプレッサーの省電力化が達成できないことがわかった。

本発明の圧力スイング吸着装置は、必要とされる製品ガスの流量に応じて吸着タンクの個数、即ち吸着タンクの総容積が変えられる構造を有しているので、原料空気の供給量を削減できるだけでなく、コンプレッサー使用による電力量も削減でき、省電力化に有用である。

本発明の圧力スイング吸着装置の一例における構成を示す図である。 図１の装置とは異なる流路を有した本発明の圧力スイング吸着装置の構成を示す図であり、この装置にあっては、吸着タンクＴ７とＴ８の流入側と流出側に切換バルブが存在しない。 各吸着タンクの流入側と流出側に切換バルブが設けられていない従来の二連ユニット式の圧力スイング吸着装置の構成を示す図である。

符号の説明

Ｔ１〜Ｔ８ 吸着タンク
ＳＶ１１，ＳＶ１２，‐‐‐，ＳＶ８１，ＳＶ８２ 切換バルブ
ＳＶ１，ＳＶ２ 吸着バルブ
ＳＶ３，ＳＶ４ 排気バルブ
ＳＬ１ サイレンサー
ＳＶ７，ＳＶ８，ＢＶ２ 均圧バルブ
ＳＶ５，ＳＶ６ 出口バルブ
ＣＶ３ 逆止弁
ＢＴ 製品タンク

Claims (2)

1. 複数のガス成分からなる混合ガスを各構成ガス成分に分離するのに用いられる圧力スイング吸着装置で、原料空気を吸着タンクへ導入する流路を開閉する吸着バルブ、排気ガスを排出するための排気バルブ、吸着ユニット間を均圧するための均圧バルブ、製品ガスを製品タンクに送るための出口バルブを具備し、２以上の吸着タンクが並列に連結されることにより一つの吸着ユニットを形成し、かつ上記吸着ユニットが２以上並列に連結された多連ユニット式の圧力スイング吸着装置において、
   上記各吸着ユニットを構成する少なくとも１つの吸着タンクのガス流入側及び排出側にはそれぞれ、当該吸着タンクへのガスの流入及び流出を制御可能な切換バルブが設けられていること、及び、
   上記切換バルブの開閉状態がシーケンス制御され、当該制御によって、吸着／脱着操作が実施される吸着タンクの個数が変更可能であることを特徴とする圧力スイング吸着装置。
2. 上記吸着タンクに混合ガスを供給するためのコンプレッサーとして、インバータコンプレッサーが設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力スイング吸着装置。

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