JPH0731825A

JPH0731825A - 気体分離装置

Info

Publication number: JPH0731825A
Application number: JP5178925A
Authority: JP
Inventors: Hajime Miyazaki; 元宮崎
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1995-02-03

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は吸着剤の気体分子吸着能力が低下し
ても製品ガス濃度及び圧力が規定値を維持させるよう構
成した気体分離装置を提供することを目的とする。【構成】気体分離装置はコンプレッサ３により圧縮さ
れた空気が吸着槽１，２に供給されると、吸着剤１Ａ，
２Ａが窒素分子を吸着し、酸素ガスを製品タンク２０に
供給する。各電磁弁を開閉制御する制御装置２８は、酸
素濃度センサ２７により製品ガスの濃度が所定値以下に
なったとき、吸着槽１，２への圧縮空気供給時間を短縮
する空気供給時間変更手段２８Ａと、圧縮空気供給時間
が短縮されるとき、アラーム装置３０より警報を発して
吸着剤１Ａ，２Ａが交換時期になったことを報知する交
換時期報知手段２８Ｂと、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＰＳＡ式（Pressure Swi
ng Adsorption ）の気体分離装置に係り、特に吸着剤の
気体分子吸着能力が低下しても製品ガス濃度が低下しな
い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】

【発明が解決しようとする課題】ところが、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。

【０００６】ところが、より高濃度の製品ガスが要求さ
れるとともにより高い圧力が要求される場合、製品ガス
圧力を上昇させるため、１サイクル時間を予め設定され
た最適時間よりも長くなるように変更する必要がある。

【０００７】しかるに、１サイクル時間を長くした場
合、吸着剤の寿命が最適時間で運転される場合よりも短
くなり、吸着剤の交換時期が早まるといった課題が生ず
る。

【０００８】そこで、本発明は上記課題を解決した気体
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】上記請求項１の発明は、
吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給して該吸着
槽内を昇圧させ、該吸着槽内の吸着剤により生成された
製品ガスを該吸着槽から取り出すよう構成された気体分
離装置において、前記吸着槽から取り出される製品ガス
の濃度が所定値以下になったとき、前記吸着槽への圧縮
空気供給時間を短縮する空気供給時間変更手段と、を備
えてなることを特徴とする。

【００１０】又、請求項２の発明は、吸着剤が充填され
た吸着槽に圧縮空気を供給して該吸着槽内を昇圧させ、
該吸着槽内の吸着剤により生成された製品ガスを該吸着
槽から取り出すよう構成された気体分離装置において、
前記吸着槽から取り出される製品ガスの濃度が所定値以
下になったとき、前記吸着槽への圧縮空気供給時間を短
縮する空気供給時間変更手段と、該空気供給時間変更手
段により圧縮空気供給時間が短縮されるとき、吸着剤の
交換時期になったことを報知する交換時期報知手段と、
を備えてなることを特徴とする。

【００１１】

【作用】上記請求項１の発明によれば、空気供給時間変
更手段により吸着槽から取り出される製品ガスの濃度が
所定値以下になっても吸着槽への圧縮空気供給時間を短
縮して製品ガスの濃度を所定値以上に戻す。

【００１２】さらに、請求項２の発明によれば、空気供
給時間変更手段により吸着槽への圧縮空気供給時間を短
縮して製品ガスの濃度を所定値以上に戻すとともに、交
換時期報知手段により吸着剤の交換時期になったことを
報知して吸着剤が使用不能になる前に交換させる。

【００１３】

【実施例】図１乃至図３に本発明になる気体分離装置の
一実施例を示す。尚、本実施例では、気体分離装置を酸
素発生装置として使用する場合について説明する。

【００１４】各図中、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窒素分子を吸着する
ゼオライトよりなる吸着剤１Ａ，２Ａが充填されてい
る。

【００１５】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、上記ゼオライトが空気中の窒
素分子とともに水分を吸着する性質を有するからであ
る。

【００１６】そして、エアドライヤ４より乾燥された空
気は、配管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、配管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。

【００１７】１０，１１は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配管で、共通排出配管
１２に接続されており、排出配管１２は脱着された排ガ
ス（窒素ガス）を排出するようになっている。そして、
前記配管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電磁弁か
らなる排気用弁１３，１４が設けられている。

【００１８】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
出す取出配管、１７は各配管１５，１６と連結した取出
配管で、配管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
配管１７は製品タンク２０と接続されている。又、取出
配管１７には、製品タンク２０に貯留された製品ガス
（酸素ガス）が逆流することを防止する逆流防止弁２１
が配設されている。

【００１９】２２は吸着槽１，２の出口側を連通する均
圧用配管である。２３は配管２２の途中に設けられた均
圧用弁である。この均圧用弁２３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。

【００２０】又、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配管２４が接続されて
いる。この製品ガス供給配管２４には電磁弁よりなる開
閉弁２５が配設されている。

【００２１】２６は圧力センサで、製品タンク２０内の
圧力を測定し、その圧力値に応じた検出信号を出力す
る。

【００２２】２７は酸素濃度センサで、製品タンク２０
内に貯留された製品ガスの酸素濃度を測定し、その酸素
濃度測定値に応じた検出信号を出力する。

【００２３】２８は制御装置で、予め入力されたプログ
ラムに従いシーケンサ２９に制御信号を出力し、例えば
図２，図３に示す吸着、再生（，）、取出、再生
（，）、均圧（、）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１８，１
９、均圧用弁２３を開閉制御する。又、制御装置２７
は、酸素濃度センサ２７により製品ガスの濃度が所定値
以下になったとき、吸着槽１，２への圧縮空気供給時間
を短縮する空気供給時間変更手段２８Ａと、圧縮空気供
給時間が短縮されるとき、アラーム装置３０より警報を
発して吸着剤１Ａ，２Ａが交換時期になったことを報知
する交換時期報知手段２８Ｂと、を有する。

【００２４】ここで、上記酸素発生装置の一般的な酸素
発生サイクルの動作につき説明する。

【００２５】いま、酸素発生装置を起動すると、制御装
置２７の制御の下に、酸素発生が行なわれる。

【００２６】まず、図２に示すように，，の動作
が番号順に実行される。図２中のは、空気供給用弁９
と気体排出用弁１３が開弁し、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て第２の吸着槽２は加圧
状態にあり、吸着剤２Ａに窒素と酸素の一部が吸着され
る吸着工程である。一方、第１の吸着槽１は減圧状態に
あり、吸着していた窒素と若干の酸素が脱着して排出さ
れる再生工程である。

【００２７】次に、図２中のは空気供給用弁９と気体
排出用弁１３の他に、新たに取出用弁１９を開弁し、第
２の吸着槽２内の酸素ガスを取出している取出工程を示
している。このとき、第１の吸着槽１は減圧状態（再生
工程）のままである。

【００２８】次に、図２中のは均圧工程で、取出用弁
１９及び空気供給用弁９、排気用弁１３を閉弁するとと
もに均圧用弁２３を開弁する。これにより、加圧された
第２の吸着槽２内に残存する酸素窒素混合ガスは、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。

【００２９】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）に示すよ
うに図２中の〜に示す後半の半サイクルを繰返す。
かくして、吸着槽１，２からは各半サイクルの後半で酸
素ガスを取出し、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
発生する酸素ガスの濃度は安定する。

【００３０】図４は上記空気供給用弁８，９、排気用弁
１３，１４、取出用弁１８，１９、均圧用弁２３の各弁
が正常に開閉動作して吸着、取出、均圧、再生工程にお
ける圧力変化を示す線図である。同図中、１点鎖線は吸
着槽１の圧力変化を示し、２点鎖線は吸着槽２の圧力変
化を示し、実線は製品タンク２０の圧力変化を示してい
る。

【００３１】又、図４の線図より吸着槽１，２の圧力は
取出工程で圧力Ｐ₁まで昇圧し、再生工程で圧力Ｐ₂ま
で減圧する（Ｐ₁＞Ｐ₂）。製品タンク２０の圧力は圧
力Ｐ ₃と圧力Ｐ₄との間で変動する（Ｐ₃＞Ｐ₄）。

【００３２】ここで、吸着槽１，２に充填された吸着剤
１Ａ，２Ａの特性について説明する。

【００３３】図５は取り出し時間と製品タンク２０の圧
力変化との関係を示す線図である。同図中、取り出し時
間（取出用弁１８又は１９が開弁している時間）が長く
なるにつれて製品タンク２０の圧力も上昇することが分
かる。従って、圧力の高い製品ガスが要求される場合に
は、取り出し時間を長くすれば良い。

【００３４】図６は取り出し時間と酸素濃度との関係を
示す線図である。同図中、所定の濃度を有する製品ガス
を得るためには、取り出し時間を最適時間Ｔａに設定す
る必要がある。ところが、図６から分かるように、取り
出し時間を最適時間Ｔａに近いところでは、酸素濃度が
ほぼ一定であるが、最適時間Ｔａを外れた時間Ｔｂ，Ｔ
ｃの前後では、急激に酸素濃度が低下することが分か
る。

【００３５】本実施例では、上記２つの特性を利用して
高圧力、高濃度が要求される場合、取り出し時間を長め
に設定することにより、例えば圧力５kgf ／cm²，濃度
９０％の酸素ガスを得ることができる。

【００３６】ここで、上記吸着剤１Ａ，２Ａに使用され
るゼオライトについて説明する。

【００３７】ゼオライトは、空気中の窒素分子とともに
水分を吸着する性質を有する。しかも、ゼオライトの性
質上、一度ゼオライトに吸着された水分をゼオライトか
ら脱着することは難しい。

【００３８】そのため、長時間運転を継続すると、ゼオ
ライトの表面に吸着された水分の量が増加し、その分窒
素分子を吸着することができなくなる。その結果、吸着
されなかった窒素分子が製品ガス中に混入し、製品ガス
の濃度が著しく低下する。

【００３９】制御装置２８はこのような問題を解消する
制御を行う。

【００４０】つまり、酸素濃度が低下して規定濃度（例
えば酸素濃度９０％）以下になった場合、取り出し時間
を短くすることにより、その分吸着槽１，２に原料空気
が供給される時間も短くなる。そのため、吸着槽１，２
内の原料空気の絶対量が減少して吸着剤１Ａ，２Ａが吸
着しなければならない窒素分子の総量も減少する。よっ
て、吸着能力が衰えたゼオライトでも十分に対応するこ
とができ、吸着槽１，２から取り出される製品ガスの酸
素濃度が規定濃度に回復する。

【００４１】一方、吸着能力が衰えたゼオライトは、吸
着可能な気体分子、つまり窒素分子と酸素分子の一部の
総量が減少する。そのため、ゼオライトに吸着されずに
気体の状態で吸着槽１，２内に存在する酸素分子の数が
増大し、その結果吸着槽１，２内の圧力が高くなる。従
って、取り出し時間を短くしても製品ガス圧力を高い圧
力に維持することができる。

【００４２】ここで、制御装置２８が実行する処理につ
き図７を参照して説明する。

【００４３】図７中、制御装置２８は、ステップＳ１
（以下「ステップ」を省略する）で、ウォーミングアッ
プモードが設定され、コンプレッサ３及びエアドライヤ
４を始動させる。続いて、通常運転モードが設定される
と、前述した酸素発生サイクル（図２、図３参照）を行
うように各電磁弁を開閉制御する。

【００４４】次のＳ３では、製品タンク２０に設けられ
た酸素濃度センサ２７からの検出信号を読み取り、製品
タンク２０内に貯留された製品ガスの酸素濃度が９０％
以上であるかどうかをチェックする。もし、酸素濃度が
９０％以上であるときは、吸着剤１Ａ，２Ａの吸着能力
が低下していないので、Ｓ２に戻りそのまま通常運転モ
ードを継続する。

【００４５】しかし、Ｓ３において、製品ガスの酸素濃
度が９０％以下に低下したときは、製品ガスの取り出し
時間を１秒短縮するように取り出し時間を変更する。

【００４６】続いて、警報ランプ３０を点灯させて作業
者に吸着剤１Ａ，２Ａの吸着能力が低下したことを知ら
せる。これは、前述したように、ゼオライトは表面に吸
着された水分の量が増加すると、窒素分子を吸着するこ
とができなくなるためである。

【００４７】その結果、吸着されなかった窒素分子が製
品ガス中に混入し、製品ガスの濃度が著しく低下する。
従って、上記警報ランプ３０の点灯により吸着剤１Ａ，
２Ａの交換時期になったことが分かり、吸着剤１Ａ，２
Ａが使用不能になる前に交換することができ、運転途中
にいきなり運転を中断することが防止される。

【００４８】その後、Ｓ６で６０分間待機してから、Ｓ
７に進み圧力センサ２６により測定された製品タンク２
０の圧力を読み取り、製品タンク２０の圧力が５kgf ／
cm²以下かどうかをチェックする。もし、６０分間待機
して製品タンク２０の圧力が５kgf ／cm²以下に低下し
たときは、Ｓ８に進み装置に異常があると判断して装置
を停止させる。

【００４９】しかし、製品タンク２０の圧力が５kgf ／
cm²以上のときは、再びＳ２に戻り通常製品ガスの取り
出し時間を１秒短縮させた状態の運転サイクルで酸素発
生動作を行う。又、製品ガスの酸素濃度が９０％以下で
あるときは、Ｓ４で再度製品ガスの取り出し時間を１秒
短縮させ、酸素濃度が９０％以上になるまで、取り出し
時間の短縮を繰り返す。

【００５０】取り出し時間の変更により、取り出し時間
が通常よりも短くなりその分吸着槽１，２に原料空気が
供給される時間も短くなるため、吸着槽１，２内の原料
空気の絶対量が減少する。そのため、吸着能力が衰えた
吸着剤１Ａ，２Ａでも規定濃度の酸素ガスを生成するこ
とができる。

【００５１】又、吸着能力が衰えた吸着剤１Ａ，２Ａ
は、取り出し時間の短縮しても吸着可能な気体分子、つ
まり窒素分子と酸素分子の一部の総量が減少しているた
め、吸着剤１Ａ，２Ａに吸着されずに気体の状態で吸着
槽１，２内に存在する酸素分子の数が増大し、取り出し
時間を短くしても製品ガス圧力を５kgf ／cm²以上に維
持することができる。

【００５２】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。

【００５３】又、上記実施例では、各吸着槽が窒素分子
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（例えば窒素発生装置等）にも適用できるの
は勿論である。

【００５４】

【発明の効果】上述の如く、請求項１の発明によれば、
空気供給時間変更手段により吸着槽から取り出される製
品ガスの濃度が所定値以下になっても吸着槽への圧縮空
気供給時間を短縮して製品ガスの濃度を所定値以上に戻
すことができ、吸着剤を交換せずに規定濃度の製品ガス
を生成することができるので、吸着剤の使用可能時間を
延長して吸着剤を有効に使用することができる。

【００５５】さらに、請求項２の発明によれば、上記効
果とともに、交換時期報知手段により吸着剤の交換時期
になったことを報知して吸着剤が使用不能になる前に交
換することができので、運転途中にいきなり製品ガスの
供給が停止することを防止して、下流側への製品ガスの
安定供給を継続することができる等の特長を有する。

【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】酸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】吸着槽及び製品タンクの各工程における圧力変
化を示す線図である。

【図５】取り出し時間と製品タンク２０の圧力変化との
関係を示す線図である。

【図６】取り出し時間と酸素濃度との関係を示す線図で
ある。

【図７】制御装置が実行する処理を示すフローチャート
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２３均圧用弁２６圧力センサ２７酸素濃度センサ２８制御装置２８Ａ空気供給時間変更手段２８Ｂ交換時期報知手段

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
供給して該吸着槽内を昇圧させ、該吸着槽内の吸着剤に
より生成された製品ガスを該吸着槽から取り出すよう構
成された気体分離装置において、前記吸着槽から取り出される製品ガスの濃度が所定値以
下になったとき、前記吸着槽への圧縮空気供給時間を短
縮する空気供給時間変更手段と、を備えてなることを特徴とする気体分離装置。
【請求項２】吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を
供給して該吸着槽内を昇圧させ、該吸着槽内の吸着剤に
より生成された製品ガスを該吸着槽から取り出すよう構
成された気体分離装置において、前記吸着槽から取り出される製品ガスの濃度が所定値以
下になったとき、前記吸着槽への圧縮空気供給時間を短
縮する空気供給時間変更手段と、該空気供給時間変更手段により圧縮空気供給時間が短縮
されるとき、吸着剤の交換時期になったことを報知する
交換時期報知手段と、を備えてなることを特徴とする気体分離装置。