JPH05221A - 混合気体の分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混合ガ
スである原料空気を供給し、他方端から窒素ガスを取り
出す装置において、吸着工程の当初から所定の高純度窒
素ガスを取り出すことができる装置を提供する。 【構成】 吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混合ガ
スである原料空気を供給し、前記吸着剤に窒素ガス以外
のガスを吸着せしめ、前記吸着塔の他方端から窒素ガス
を取り出す装置において、前記吸着塔を複数の吸着塔
（３０），（３１）から構成する。該複数の吸着塔（３
０），（３１）の端部同士を吸着塔（３０），（３１）
の口径より小さい口径の連結管（４）で連結して一列の
吸着塔列を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、吸着剤を充填した吸着
塔の一方端から混合ガスである原料空気を供給し、前記
吸着剤に窒素ガス以外のガスを吸着せしめ、前記吸着塔
の他方端から窒素ガスを取り出す装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば２塔の吸着塔を備えるＮ₂
−ＰＳＡ装置として図２に示すような装置が知られてい
る。同図に基づきこの装置を詳述すると、この装置は、
まずモレキュラーシービングカーボンを吸着剤として収
納する２つの吸着塔（１１０），（１１１）を備える。

【０００３】そしてこの下端部には、原料空気供給用の
管（１０３）の下流端が弁（１２３），（１２５）を介
してそれぞれ接続されている。また、上記吸着塔（１１
０），（１１１）の下端部には、排ガス排出用の排出管
（１０５）の上流端が弁（１２４），（１２６）を介し
てそれぞれ接続されている。

【０００４】一方、上記吸着塔（１１０），（１１１）
の上方端には、製品ガス管（１０４）の上流端が弁（１
２０），（１２１）を介して接続されている。さらに、
２つの吸着塔（１１０），（１１１）は均圧管（１０
６）によって弁（１２２）を介して互いに連絡されてい
る。また、製品槽（１１２）の下方端には、製品ガス管
（１０４）の下流端が接続され、製品槽（１１２）の下
方端には、製品ガス取出管（１０７）が弁（１２７）を
介し接続されている。

【０００５】そして以上の構成を備える装置に対して、
吸着工程，均圧工程，脱着工程で構成される工程を１サ
イクルとして実施し、上述した窒素ガスを製造する。た
だし、２つの吸着塔（１１０），（１１１）において
は、工程の位相が１／２サイクルずれた状態で連続運転
され、製品ガス管（１０４）と吸着塔（１１０），（１
１１）とを接続する弁（１２０），（１２１）が開閉す
ることにより、分離した高純度窒素ガスを製品槽（１１
２）に連続的に蓄えるようになっている。

【０００６】次に、上記１サイクルの工程を前記吸着塔
（１１０）を中心に説明する。まず、弁（１２０），
（１２３），（１２６），（１２７）を開き、弁（１２
１），（１２２），（１２４），（１２５）を閉じて、
前工程で常圧再生済みの吸着塔（１１０）にコンプレッ
サー（１０２）から弁（１２３）を介して原料空気を供
給する一方、製品槽（１１２）からは製品ガス管（１０
４）を介して高純度窒素ガスを還流し、これら原料空気
と高純度窒素ガスにより吸着塔（１１０）を昇圧する。

【０００７】そして、上記原料空気内の酸素成分が上記
吸着塔（１１０）内の吸着剤に優先的に吸着され、吸着
塔（１１０）内の圧力が製品槽（１１２）内の圧力と同
圧となった後、さらに原料空気が供給されて昇圧される
と、窒素ガスが吸着塔（１１０）の上端から取り出さ
れ、製品ガス管（１０４）及び弁（１２０）を介して高
純度窒素ガスが製品槽（１１２）に蓄えられる（吸着工
程）。

【０００８】次に、吸着塔（１１０）内の吸着剤が飽和
状態に達すると、弁（１２０），（１２３），（１２
６）を閉じ、弁（１２２）を開いて、吸着塔（１１０）
内の残存ガスを均圧管（１０６）及び弁（１２２）を介
して、常圧再生終了後の吸着塔（１１１）内に供給しこ
れを昇圧する（均圧工程）。

【０００９】次に、上記均圧工程終了後、弁（１２２）
を閉じ、弁（１２１），（１２４），（１２５）を開く
ことにより、吸着塔（１１０）内に残ったガスを、弁
（１２４）を介して排気管（１０５）から放出し、上記
吸着工程で吸着剤に吸着されていた酸素成分を脱着する
と共に、これを大気に排出する（再生工程）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
Ｎ₂ −ＰＳＡ装置においては以下に述べるような問題が
あった。

【００１１】即ち、吸着工程初期の昇圧時において、製
品槽（１１２）からの還流ガスとコンプレッサー（１０
１）からの原料空気とが、吸着塔（１１０），（１１
１）内で急激に衝突する結果、低純度の窒素ガスが吸着
塔上部にまでおよぶことがあり、吸着塔（１１０），
（１１１）内が昇圧される前に吸着塔（１１０），（１
１１）上部に移動したガスは、吸着剤との接触時間が非
常に短いため、酸素成分がほとんど吸着されないまま後
方の原料空気により吸着塔（１１０），（１１１）外に
押し出され、製品槽（１１２）へと蓄えられる。これに
より、製品ガスの純度が低下するのである。

【００１２】この発明は、このような従来の問題を解決
するためになされたものであり、吸着塔の昇圧時に発生
する２種のガスの衝突，攪乱を防止し、製品窒素ガスの
純度を向上させることが出来る装置の提供を目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混合
ガスである原料空気を供給し、前記吸着剤に窒素ガス以
外のガスを吸着せしめ、前記吸着塔の他方端から窒素ガ
スを取り出す装置において、前記吸着塔を複数の吸着塔
から構成し、且つ該複数の吸着塔の端部同士を吸着塔の
口径より小さい口径の連結管で連結せしめて一列の吸着
塔列を形成し、該吸着塔列の一方端から前記原料ガスを
供給して、他方端から窒素ガスを取り出し得るようにし
たことを要旨とするものである。

【００１４】

【作用】次に上述した本発明の作用を吸着塔が二塔であ
る場合を例に説明する。吸着工程において、まず、一列
に形成した吸着塔列の一方の吸着塔の端部から所定圧の
原料空気を供給する一方、他方の吸着塔の端部から高純
度の窒素ガスを還流する。

【００１５】すると、前記一方の吸着塔内には原料空気
が流入し、他方の吸着塔内には高純度の窒素ガスが流入
して原料空気と高純度窒素ガスは吸着塔間の略中間部で
ある連結管部内で衝突する。即ち、供給された原料空気
は所定の速度分布で吸着塔内を移動するが、移動速度の
速い原料空気は吸着剤との接触時間が短いため、酸素ガ
ス等が十分に吸着されず低純度の窒素ガスのまま連結管
に向け移動し、同部で他方の吸着塔内を移動してきた高
純度窒素ガスと衝突する。

【００１６】これに際し、連結管の口径を吸着塔の口径
よりも小さくしているので、衝突によるガスの攪乱によ
り低濃度の窒素ガスが前記他方の吸着塔の他方端に達す
るのが防止される。

【００１７】しかして、原料空気の継続供給により一方
の吸着塔内が昇圧されると、前記低純度の窒素ガスは徐
々に他方の吸着塔内に移動し、その移動過程で残余の酸
素ガス等が吸着剤に吸着され、所定濃度の窒素ガスとな
って他方の吸着塔の端部から漏出する。

【００１８】以上、吸着塔が二塔である場合について説
明したが、吸着塔が三塔以上である場合も同様である。
即ち、供給される原料空気と還流される高純度窒素ガス
は一列に形成される吸着塔列の略中央で衝突するが、こ
の衝突の位置と高純度の窒素ガスを取り出す吸着塔との
間に少なくとも一つの前記連結管が介在するため、充分
に吸着作用を受けていない低純度の窒素ガスが純度の窒
素ガスを取り出す吸着塔内の同取り出し部に達するのを
防止することができる。従って、吸着工程当初から所定
の高純度窒素ガスを得ることが出来る。

【００１９】尚、設ける吸着塔の数が多ければ多い程高
純度の窒素ガスが得られるが、求められる窒素ガス濃
度，経済性等を考慮して適宜に設定する必要がある。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付図面に基
づいて説明する。

【００２１】図１は本発明の一実施例を示す説明図であ
る。同図に示すように、実施例装置はコンプレッサー
（２）と、４つの吸着塔（３０），（３１），（３
２），（３３）と、製品槽（３４）とを備えている。

【００２２】そして、弁（１５）を有する連結管（４）
の一方端を前記吸着塔（３１）の下部に接続し、他方端
を前記吸着塔（３０）の上部に接続して吸着塔（３０）
と吸着塔（３１）とを一列に連結し、また、弁（１６）
を有する連結管（５）の一方端を前記吸着塔（３２）の
下部に接続し、他方端を前記吸着塔（３３）の上部に接
続して吸着塔（３２）と吸着塔（３３）とを一列に連結
している。尚、連結管（４），（５）の口径は吸着塔
（３０），（３１），（３２），（３３）のそれと比べ
充分に小となっている。

【００２３】また、弁（１０）を有する供給管（３）の
一方端を前記コンプレッサー（２）に接続すると共に他
方端を吸着塔（３０）の下部に接続し、また、前記弁
（１０），コンプレッサー（２）間の供給管（３）から
分岐し、弁（１９）を有する供給管（３′）の端部を吸
着塔（３３）の下部に接続している。

【００２４】また、弁（１１）を有する排気管（７）の
一方端を前記吸着塔（３０）と弁（１０）との間の供給
管（３）に接続し、他方端を開放すると共に、弁（２
０）を有する排気管（７′）の一方端を吸着塔（３３）
と弁（１９）との間の供給管（３）に接続し、その他方
端を前記排気管（７）に接続している。

【００２５】また、弁（１２）を有する製品ガス管
（６）の一方端を前記吸着塔（３１）の上部に接続する
一方、その他方端を製品槽（３４）の上部に接続すると
共に、弁（１３）を有する製品ガス管（６′）の一方端
を前記製品ガス管（６）に接続し、その他方端を前記吸
着塔（３２）の上部に接続している。

【００２６】そして、弁（１４）を有する均圧管（４
０）の一方端を前記弁（１２）と前記吸着塔（３１）と
の間の製品ガス管（６）に接続すると共に、その他方端
を前記弁（１３）と吸着塔（３２）との間の製品ガス管
（６′）に接続している。また、弁（１７）を有する均
圧管（４１）の一方端を前記弁（１５）と吸着塔（３
１）との間の連結管（４）に接続すると共に、その他方
端を前記弁（１６）と吸着塔（３２）との間の連結管
（５）に接続している。また、弁（１８）を有する均圧
管（４２）の一方端を前記弁（１５）と吸着塔（３０）
との間の連結管（４）に接続し、他方端を前記弁（１
６）と吸着塔（３３）との間の連結管（５）に接続して
いる。

【００２７】そして弁（２１）を有する製品供給管（３
５）の一方端を製品槽（３４）の下部に接続し、その他
方端を所定の窒素ガス使用側に接続している。

【００２８】次に上述した実施例装置により窒素ガスを
製造する態様について説明する。

【００２９】まず、吸着塔（３０），（３１），（３
２），（３３）が均圧工程を終了したところから説明す
る。この時、弁（１０），（１１），（１２），（１
３），（１５），（１６），（１９），（２０）は閉じ
ており、弁（１４），（１７），（１８），（２１）は
開いている。

【００３０】次に、吸着塔（３０），（３１）に対し吸
着工程を、吸着塔（３２），（３３）に対し再生工程を
実施するものとする。このためには、まず、弁（１
４），（１７），（１８）を閉じ、弁（１０），（１
１），（１５），（１６），（２０）を開く。これによ
り吸着塔（３０）には原料の圧縮空気が供給されて吸着
塔（３０）が昇圧されると共に吸着塔（３１）には製品
槽（３４）から製品ガス（窒素ガス）が還流されて吸着
塔（３１）が昇圧されると同時に前記原料空気と製品ガ
スは連結管（４）の略中央で衝突する。即ち、吸着塔
（３０）に供給された原料空気は所定の速度分布で吸着
塔（３０）内を他方端である連結管（４）に向け移動す
る。そして、この移動過程で吸着剤に接触して、原料空
気のうち酸素ガスが吸着剤に吸着され窒素ガス濃度が高
められる。しかるに、上述した如く、供給される原料空
気は所定の速度分布を有しているため、移動速度の速い
ものは吸着剤との接触時間が短く、充分に酸素ガスが吸
着除去されない低濃度の窒素ガスのまま連結管（４）に
向け移動する。

【００３１】一方、製品ガスも同様に所定の速度分布で
吸着塔（３１）内を移動するが、製品ガスの圧力と原料
空気の圧力が略等しい場合にはこれらは略同速度で移動
するため、これらは吸着塔列の略中央である連結管
（４）内で衝突することになるのである。これに際し、
連結管（４）の口径を吸着塔（３０），（３１）のそれ
よりも充分に小さくしているので、衝突によりガスが拡
散し、低濃度の窒素ガスが吸着塔（３１）の製品ガス管
（６）付近に到達するのが防止される。

【００３２】尚、この例では弁（１５）を開くこととし
たが、弁（１５）を閉じておけば低純度の窒素ガスが吸
着塔（３１）内に移動するのを確実に防止することがで
き、さらに好適である。しかして、これによれば原料空
気は吸着塔（３１）には供給されず、吸着塔（３０）の
みに供給され、吸着塔（３０）においては窒素ガス以外
のガスが吸着剤に吸着されてある程度の純度の窒素ガス
で充満され、ついで弁（１５）を開くと、吸着塔（３
０）で分離された低純度の窒素ガスは吸着塔（３０）と
吸着塔（３１）との圧力差によって徐々に吸着塔（３
１）に移動する。これにより吸着塔（３１）における吸
着時間が十分に確保されて低純度の窒素ガスは所定純度
の窒素ガスとなる。

【００３３】以上により、従来問題となっていた低純度
の窒素ガスが吸着塔（３１）から排出されるという不具
合を解消することが出来る。

【００３４】他方、吸着塔（３２），（３３）において
は、塔内に充満している低純度の窒素ガスが塔外に放出
されて、塔内の吸着剤が再生される。

【００３５】ついで、吸着塔（３０），（３１）に所定
時間吸着工程を実施した後、弁（１０），（１２），
（１５），（１６），（２０）を閉じて、弁（１４），
（１７），（１８）を開いて均圧工程を実施する。これ
により、吸着塔（３１）内の上部に存在するガスが均圧
管（４０）を介して吸着塔（３２）の上部から塔内に移
動すると共に吸着塔（３１）内の下部に存在するガスが
均圧管（４１）を介して吸着塔（３２）の下部から塔内
に移動する一方、吸着塔（３０）内のガスが均圧管（４
２）を介して吸着塔（３３）に移動する。これにより、
吸着塔（３２），（３３）内は、吸着塔（３０），（３
１）内の窒素ガスにより置換される。

【００３６】吸着工程終了時においては、吸着塔（３
０）内の窒素ガスは吸着塔（３１）内のそれより低純度
であるが、弁（１７）及び（１８）を設けなければ、吸
着塔（３０），（３１）内の窒素ガスは弁（１４）のみ
を介して吸着塔（３２），（３３）に移動するため、吸
着塔（３２）の上部は最も純度の低い吸着塔（３０）内
の窒素ガスで置換され、吸着塔（３２），（３３）に吸
着工程を実施すると、当初は所定純度以下の窒素ガスが
取り出されるのである。

【００３７】これを解消すべく実施例では弁（１７），
（１８）を設け、吸着塔（３０）の低純度窒素ガスが吸
着塔（３２）に移動するのを防止すると共に、吸着塔
（３１）の上記の高純度の窒素ガスを吸着塔（３２）の
上部に移動させ且つ吸着塔（３１）の比較的低純度の窒
素ガスを吸着塔（３２）の下部に移動させることによ
り、吸着工程の実施当初より所定純度の窒素ガスを取り
出すことが出来る。

【００３８】ついで、弁（１４），（１７），（１８）
を閉じ、弁（１１），（１５），（１３），（１６），
（１９）を開いて吸着塔（３０），（３１）に対し再生
工程を、吸着塔（３２），（３３）に対し吸着工程を実
施する。

【００３９】以後、吸着塔（３０），（３１）並びに吸
着塔（３２），（３３）に対して交番的に吸着工程，均
圧工程を実施することにより所定純度の窒素ガスを製品
槽（３４）に貯留することが出来る。

【００４０】＜具体例＞図１に示す実施例装置並びに図
２に示す従来の装置に対し、原料である空気を２３５Ｎ
Ｌ／ｍｉｎ（コンプレッサーの設定圧力８．５ｋｇｆ／
ｃｍ² ）で供給し、窒素ガスを５０ＮＬ／ｍｉｎ取り出
すようにしたところ、吸着工程の当初の取り出し窒素ガ
ス純度が従来の装置では９９．９０％であったのに対
し、実施例装置では９９．９５％となり、０．０５％の
改善を図ることが出来た。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、複
数の吸着塔の端部同士を連結管で連結して一列の吸着塔
列を形成し、しかも連結管の口径を吸着塔の口径よりも
小径としているので、吸着工程において吸着塔に供給さ
れる原料空気と高純度窒素ガスとが衝突するに際し、低
純度窒素ガスが拡散して高純度窒素ガスを取り出す吸着
塔内の同取り出し部に到達するのが防止される。従っ
て、吸着工程の当初において、低純度の窒素ガスが取り
出されるという不具合を生じず、当初から所定の高純度
窒素ガスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一実施例の概要を示す説明図であ
る。

【図２】従来の窒素ガス分離装置の概要を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

２ コンプレッサー ３ 供給管 ４ 連結管 ５ 連結管 ６ 製品ガス管 ７ 排気管 ３０ 吸着塔 ３１ 吸着塔 ３２ 吸着塔 ３３ 吸着塔 ３４ 製品槽 ４０ 均圧管 ４１ 均圧管 ４２ 均圧管

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 吸着剤を充填した吸着塔の一方端から混
   合ガスである原料空気を供給し、前記吸着剤に窒素ガス
   以外のガスを吸着せしめ、前記吸着塔の他方端から窒素
   ガスを取り出す装置において、前記吸着塔を複数の吸着
   塔から構成し、且つ該複数の吸着塔の端部同士を吸着塔
   の口径より小さい口径の連結管で連結せしめて一列の吸
   着塔列を形成し、該吸着塔列の一方端から前記原料ガス
   を供給して、他方端から窒素ガスを取り出し得るように
   したことを特徴とする混合気体の分離装置。