JPH08245202A - 高濃度オゾンの供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＴＳＡ法によりオゾンを濃縮するにあたり、
吸着剤の冷却を効率よく行うことができ、オゾン原料と
しての酸素を有効に利用することができる高濃度オゾン
の供給装置を提供する。 【解決手段】 低温酸素供給手段からの低温酸素を温度
変動式オゾン吸着手段１４を冷却する寒冷源として供給
する経路と、温度変動式オゾン吸着手段１４を冷却後の
酸素ガスをオゾン発生器１１にオゾン原料として供給す
る経路と、オゾン発生器１１で発生したオゾン・酸素混
合ガスを温度変動式オゾン吸着手段１４に導入する経路
と、温度変動式オゾン吸着手段１４から導出される酸素
ガスをオゾン発生器１１にオゾン原料として循環供給す
る経路と、温度変動式オゾン吸着手段１４に掃気ガス供
給手段１３からの掃気ガスを導入する経路と、温度変動
式オゾン吸着手段１４から脱着したオゾンを掃気ガスに
同伴させて供給する経路とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高濃度オゾンの供給装
置に関し、詳しくは、パルプの漂白や水処理等、比較的
高濃度のオゾンを利用する設備に高濃度オゾンを供給す
るための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】オゾンは、空気，酸素富有ガスあるいは
酸素ガスを原料ガスとして、オゾン発生器での高電圧無
声放電により発生させている。しかしながら、高電圧無
声放電で得られるオゾン濃度は、酸素ガスを原料ガスと
して使用した場合でも１５質量％以下であり、通常は、
効率を考慮して６〜７質量％、多くても１０質量％程度
のオゾン濃度で使用先に供給されている。

【０００３】一方、オゾンの使用先では、オゾンによる
処理の効率向上を図るため、より高濃度のオゾンが望ま
れている。このため、オゾン発生器で発生したオゾン含
有ガスを濃縮して高濃度でオゾンを供給する手段が提案
されている。

【０００４】例えば、オゾンは、シリカゲル等の吸着剤
に低温で吸着するという性質を有していることから、こ
の性質を利用して温度変動式吸着分離（ＴＳＡ）法によ
りオゾンと酸素とを分離し、比較的高濃度のオゾンを得
る方法が行われている。

【０００５】上記ＴＳＡ法によるオゾンの濃縮は、一般
に、シリカゲル等のオゾンを優先的に吸着する吸着剤を
充填した複数の吸着筒を用いて行われるもので、前記複
数の吸着筒を、吸着剤を液体窒素等で低温に冷却した吸
着筒にオゾン発生器から供給されるオゾン含有ガスを導
入して吸着剤にオゾンを吸着させる吸着工程と、吸着工
程終了後の吸着筒の吸着剤を加温してオゾンを脱着させ
るとともに、該吸着筒内に前記オゾン含有ガスとは逆方
向から掃気ガスを導入して脱着したオゾンを掃気ガスに
同伴させて導出する脱着工程と、該脱着工程終了後の吸
着筒の吸着剤を前記吸着工程温度に冷却する冷却工程と
に、順次切換えることにより行われている。

【０００６】また、上記吸着工程において、吸着剤に吸
着しない酸素を回収し、オゾン発生器に導入するオゾン
原料として再利用することにより、原料となる酸素の消
費量を低減させることも行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、空気や酸素富
有ガスあるいは圧力変動式（ＰＳＡ）酸素発生装置で発
生させた酸素ガスをオゾン原料として使用し、かつ、回
収して再利用した場合は、回収するガス中に窒素やアル
ゴンが濃縮されるという問題があった。さらに、ＴＳＡ
法によりオゾンを濃縮する場合は、吸着剤を極低温に冷
却しなければならないため、冷却に要するコストも多大
なものであった。

【０００８】そこで本発明は、ＴＳＡ法によりオゾンを
濃縮するにあたり、吸着剤の冷却を効率よく行うことが
でき、オゾン原料としての酸素を有効に利用することが
できる高濃度オゾンの供給装置を提供することを目的と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高濃度オゾンの供給装置は、オゾン発生器
と、液体酸素又は低温酸素ガスを供給する低温酸素供給
手段と、低温でオゾンを吸着し、昇温することによりオ
ゾンを脱着する温度変動式オゾン吸着分離手段と、掃気
ガス供給手段とを備えた高濃度オゾンの供給装置であっ
て、前記低温酸素供給手段からの低温酸素を前記温度変
動式オゾン吸着手段を冷却する寒冷源として供給する経
路と、該温度変動式オゾン吸着手段を冷却後の酸素ガス
を前記オゾン発生器にオゾン原料として供給する経路
と、該オゾン発生器で発生したオゾン・酸素混合ガスを
温度変動式オゾン吸着手段に導入する経路と、温度変動
式オゾン吸着手段から導出される酸素ガスを前記オゾン
発生器にオゾン原料として循環供給する経路と、前記温
度変動式オゾン吸着手段に前記掃気ガス供給手段からの
掃気ガスを導入する経路と、温度変動式オゾン吸着手段
から脱着したオゾンを前記掃気ガスに同伴させて供給す
る経路とを備えたことを特徴とし、さらに、前記掃気ガ
ス供給手段が、圧力変動式酸素発生手段であること、ま
た、前記温度変動式オゾン吸着手段から脱着したオゾン
を前記掃気ガスに同伴させて供給する経路に、オゾン濃
度安定器を設けたことを特徴としている。

【００１０】

【作 用】上記構成によれば、吸着剤の冷却源として低
温酸素供給手段からの低温酸素、例えば液体酸素を用い
ることにより、他の冷却源を不要にしたり、あるいはそ
の使用量を低減したりすることができる。さらに、冷却
源として使用した後の酸素をオゾン原料として用いるの
で無駄がなく、また、回収して再利用することもでき
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を、図１に示す一実施例に基づ
いてさらに詳細に説明する。図１は、本発明を適用した
高濃度オゾン供給装置の一実施例を示すもので、酸素ガ
スをオゾン原料ガスとして高電圧無声放電によりオゾン
を発生させるオゾン発生器１１と、液体酸素を供給する
ための低温酸素供給手段としての液体酸素貯槽１２と、
掃気ガスを供給するための掃気ガス供給手段として、圧
力変動式吸着分離法により原料空気から酸素を得る圧力
変動式酸素発生手段（以下、酸素ＰＳＡという）１３
と、シリカゲル等の吸着剤を充填した３基の吸着筒Ａ，
Ｂ，Ｃを有する温度変動式オゾン吸着手段１４と、供給
する濃縮オゾンの濃度を更に安定化させるために設けら
れたオゾン濃度安定器１５とを備えている。

【００１２】さらに、配管経路として、液体酸素貯槽１
２の液体酸素を吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃ及びオゾン濃度安定器
１５の冷却源として供給するための液体酸素供給系統２
１と、冷却源として使用して気化した酸素ガスをオゾン
原料ガスとしてオゾン発生器１１に供給するためのオゾ
ン原料供給系統２２と、オゾン発生器１１で発生したオ
ゾン含有酸素ガスを吸着筒に導入するためのオゾン含有
酸素ガス導入系統２３と、吸着筒から導出される酸素ガ
スを回収して送風機２４ａを介してオゾン発生器１１に
導入するための酸素ガス回収系統２４と、酸素ＰＳＡ１
３で発生した酸素ガスを掃気ガスとして吸着筒に供給す
るための掃気ガス供給系統２５と、掃気ガス中に濃縮さ
れたオゾンをオゾン濃度安定器１５を介して使用先に供
給する濃縮オゾン供給系統２６と、これらの配管経路と
吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃとを接続する配管及び各配管に設けら
れた工程切換用の切換弁等とを備えている。

【００１３】また、各吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃ及びオゾン濃度
安定器１５には、それぞれ冷却ジャケット１ａ，１ｂ，
１ｃ，１５ａが設けられており、該冷却ジャケット内に
液体酸素を供給することにより、各吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃ及
びオゾン濃度安定器１５を運転温度に冷却している。さ
らに、各吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃには、吸着筒を脱着操作温度
に加温するためのヒーター２ａ，２ｂ，２ｃがそれぞれ
設けられている。

【００１４】各吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃには、その入口側（図
１において上部側）に、オゾン含有酸素ガス導入系統２
３に接続される入口経路３ａ，３ｂ，３ｃと、オゾン濃
度安定器１５を介して濃縮オゾン供給系統２６に接続さ
れる濃縮オゾン導出経路４ａ，４ｂ，４ｃとがそれぞれ
設けられるとともに、各吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃの出口側に
は、酸素ガス回収系統２４に接続される出口経路５ａ，
５ｂ，５ｃと、掃気ガス供給系統２５に接続される掃気
ガス導入経路６ａ，６ｂ，６ｃとがそれぞれ設けられて
おり、各経路には、各吸着筒Ａ，Ｂ，Ｃの工程を切換え
るための切換弁３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，４１ａ，４１
ｂ，４１ｃ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，６１ａ，６１
ｂ，６１ｃがそれぞれ設けられている。

【００１５】また、前記冷却ジャケット１ａ，１ｂ，１
ｃには、それぞれ切換弁７１ａ，７１ｂ，７１ｃを介し
て液体酸素供給系統２１に接続される液体酸素導入経路
７ａ，７ｂ，７ｃと、オゾン原料供給系統２２に接続さ
れる酸素ガス導出経路８ａ，８ｂ，８ｃとが設けられ、
オゾン濃度安定器１５の冷却ジャケット１５ａには弁１
５ｂを有する液体酸素導入経路１５ｃと、オゾン原料供
給系統２２に接続される酸素ガス導出経路１５ｄとが設
けられている。さらに、オゾン原料供給系統２２には、
酸素ガスの圧力を一定化するためのガスホルダー２２ａ
と圧力調節弁２２ｂとが設けられている。

【００１６】そして、液体酸素供給系統２１と液体酸素
導入経路７ａ，７ｂ，７ｃ，１５ｃとにより、液体酸素
貯槽１２からの低温酸素を温度変動式オゾン吸着手段１
４内の各吸着筒及びオゾン濃度安定器１５を冷却する寒
冷源として供給する経路を、酸素ガス導出経路８ａ，８
ｂ，８ｃ，１５ｄとオゾン原料供給系統２２とにより、
温度変動式オゾン吸着手段１４内の各吸着筒及びオゾン
濃度安定器１５を冷却後の酸素ガスをオゾン発生器１１
にオゾン原料として供給する経路を、オゾン含有酸素ガ
ス導入系統２３と入口経路３ａ，３ｂ，３ｃとにより、
オゾン発生器１１で発生したオゾン・酸素混合ガスを温
度変動式オゾン吸着手段内の各吸着筒に導入する経路
を、出口経路５ａ，５ｂ，５ｃと酸素ガス回収系統２４
とにより、温度変動式オゾン吸着手段１４内の各吸着筒
から導出される酸素ガスをオゾン発生器１１にオゾン原
料として循環供給する経路を、掃気ガス供給系統２５と
掃気ガス導入経路６ａ，６ｂ，６ｃとにより、温度変動
式オゾン吸着手段内の各吸着筒に酸素ＰＳＡ１３からの
掃気ガスを導入する経路を、濃縮オゾン導出経路４ａ，
４ｂ，４ｃと濃縮オゾン供給系統２６とにより、温度変
動式オゾン吸着手段１４内の各吸着筒から脱着したオゾ
ンを掃気ガスに同伴させて供給する経路をそれぞれ構成
し、濃縮オゾン導出経路４ａ，４ｂ，４ｃと濃縮オゾン
供給系統２６とからなる経路に、オゾン濃度安定器１５
を設けている。

【００１７】上記構成の高濃度オゾンの供給装置は、上
記切換弁を所定の順序で切換開閉するとともに、各吸着
筒を冷却又は加温することにより、前記３基の吸着筒
Ａ，Ｂ，Ｃを、吸着剤を低温に保持してオゾン発生器１
１から供給されるオゾン含有酸素ガス中のオゾンを吸着
剤に吸着させる吸着工程と、吸着剤を加温して吸着剤か
らオゾンを脱着させるとともに、吸着筒内に一定量の掃
気ガスを導入して脱着したオゾンを掃気ガスに同伴させ
て導出する脱着工程と、脱着工程後の吸着剤を前記吸着
工程温度に冷却する冷却工程とに順次切換えて所定濃度
に濃縮したオゾンを供給する。

【００１８】次に、オゾンを所定濃度に濃縮して供給す
る操作手順を説明する。なお、最初の段階では、吸着筒
Ａが吸着工程、吸着筒Ｂが脱着工程、吸着筒Ｃが冷却工
程にあるものとする。このとき、吸着工程にある吸着筒
Ａ及びその冷却ジャケット１ａに付随する切換弁３１
ａ，５１ａ，７１ａが開、脱着工程にある吸着筒Ｂに付
随する切換弁４１ｂ，６１ｂが開、冷却工程にある吸着
筒Ｃの冷却ジャケット１ｃに付随する切換弁７１ｃが開
であり、その他の切換弁は全て閉じられている。また、
脱着工程にある吸着筒Ｂは、ヒーター２ｂにより所定温
度に加温されており、オゾン濃度安定器１５の冷却ジャ
ケット１５ａに付随する弁１５ｂは、オゾン濃度安定器
１５を所定温度に保つため、適当な開度に設定されてい
る。

【００１９】まず、液体酸素貯槽１２からの液体酸素
は、液体酸素供給系統２１を通って、吸着工程にある吸
着筒Ａの冷却ジャケット１ａ、冷却工程にある吸着筒Ｃ
の冷却ジャケット１ｃ及びオゾン濃度安定器１５の冷却
ジャケット１５ａに、それぞれの経路を介して供給され
る。これらの冷却ジャケットで吸着剤を冷却することに
より気化した酸素ガスと、脱着工程にある吸着筒Ｂをヒ
ーター２ｂで加温された冷却ジャケット１ｂ内の残留酸
素ガスとは、各冷却ジャケットから各経路を介してオゾ
ン原料供給系統２２に導出され、ガスホルダー２２ａ及
び圧力調節弁２２ｂにより所定の圧力に調節されてオゾ
ン発生器１１にオゾン原料ガスとして導入される。

【００２０】オゾン発生器１１で発生したオゾン含有酸
素ガスは、オゾン含有酸素ガス導入系統２３から入口経
路３ａ，弁３１ａを経て吸着工程にある吸着筒Ａに導入
され、例えば−８０℃に冷却保持されている吸着剤にオ
ゾンが吸着し、オゾンと酸素との分離が行われる。な
お、オゾン含有酸素ガスのオゾン濃度は任意であるが、
オゾン発生器１１の効率を考慮すれば、通常は、６〜７
質量％が適当である。

【００２１】吸着剤にほとんど吸着しない酸素ガスは、
出口経路５ａ，弁５１ａを経て酸素ガス回収系統２４の
送風機２４ａに吸入され、該送風機２４ａで原料供給系
統２２の酸素ガスと同じ圧力に昇圧された後、原料供給
系統２２の酸素ガスに合流してオゾン発生器１１に循環
供給される。

【００２２】また、脱着工程にある吸着筒Ｂでは、ヒー
ター２ｂにより吸着剤が所定温度に加温されるととも
に、掃気ガス供給系統２５から掃気ガス導入経路６ｂ，
切換弁６１ｂを介して一定量の掃気ガスが導入されてお
り、吸着剤から脱着したオゾンは、掃気ガスに伴われて
濃縮オゾン導出経路４ｂ，切換弁４１ｂを経てオゾン濃
度安定器１５に導出され、オゾン濃度安定器１５を介し
て濃縮オゾン供給系統２６から使用先に供給される。一
方、冷却工程にある吸着筒Ｃは、冷却ジャケット１ｃ内
に供給される液体酸素により、前記吸着工程の操作温度
にまで冷却されつつある。

【００２３】そして、所定時間経過した後、吸着筒Ａが
吸着工程から脱着工程に、吸着筒Ｂが脱着工程から冷却
工程に、吸着筒Ｃが冷却工程から吸着工程に、それぞれ
切換えられる。以下、各吸着筒を、吸着工程，脱着工
程，冷却工程の順に順次切換えて繰り返すことにより、
脱着工程にあるいずれかの吸着筒から連続的に濃縮オゾ
ンが導出される。

【００２４】このようにして濃縮オゾンを発生させるに
あたり、吸着工程及び冷却工程にある吸着筒の冷却、及
び必要に応じて設けられたオゾン濃度安定器１５の冷却
を液体酸素で行い、これらの寒冷源として用いることに
より気化蒸発した酸素ガスと、吸着工程で吸着筒を加温
する際に気化蒸発した酸素ガスとを、オゾン発生器に供
給するオゾン原料として使用することにより、他の寒冷
源、例えば液体窒素等を用意することなく運転すること
が可能となる。また、液体酸素は、酸素純度が高いた
め、空気や酸素富有ガスあるいは酸素ＰＳＡからの酸素
ガスを回収して利用する際に問題となる不純物の濃縮も
ない。

【００２５】なお、吸着剤を冷却する低温酸素供給手段
として、上記液体酸素に加えて液体窒素等の低温液化ガ
スや冷凍機等で発生させた低温冷媒等を補助的に用いる
ことができ、上記液体酸素を蒸発させた低温の酸素ガス
を用いることも可能である。また、加温する手段として
は、前記ヒーター以外に、所定温度の酸素ガスを冷却ジ
ャケット内に導入するなどの方法も採用することができ
る。さらに、掃気ガスとしては、酸素ＰＳＡ以外のガス
供給手段、例えば適当な圧力の空気や窒素ガス等も使用
することができ、適当な圧力を有するガスを用いること
により、所望圧力のオゾン含有ガスを得ることができ
る。加えて、脱着工程時の吸着剤の加温をオゾンの脱着
量に応じて制御することにより、オゾンの濃度を安定化
させることができる。また、吸着剤の冷却及び加温の程
度は、吸着剤の種類や冷却及び加温に用いる方式に応じ
て適宜に設定することが可能であり、吸着筒の設置数も
３基に限るものではない。

【００２６】ここで、上述のように液体酸素を吸着剤冷
却用の寒冷源として用いた場合の熱収支を、一例とし
て、オゾン供給量１ｋｇ、温度変動幅５℃の場合で計算
した結果を示す。まず、計算の基となる数値は、以下の
通りである。なお、吸着剤はシリカゲルであり、吸着筒
の材料はステンレススチール（ＳＵＳ３０４）である。

【００２７】 液体酸素：使用量１ｋｇ，温度−１８３℃，蒸発熱５０．９ｋｃａｌ／ｋｇ 吸着剤 ：必要量１２．５ｋｇ，比熱０．２２ｋｃａｌ／ｋｇ℃ 吸着筒 ：重量１０ｋｇ，比熱０．１２ｋｃａｌ／ｋｇ℃ オゾン ：吸着熱２０．８ｋｃａｌ／ｋｇ オゾン吸着のためには、吸着筒及び吸着剤を冷却し、オ
ゾン吸着熱を奪う必要がある。したがって、 吸着剤冷却 １２．５ｋｇ×０．２２ｋｃａｌ／ｋｇ℃×５℃＝１３．７５ｋｃａｌ 吸着筒冷却 １０ｋｇ×０．１２ｋｃａｌ／ｋｇ℃×５℃ ＝ ６ｋｃａｌ オゾン吸着熱 １ｋｇ×２０．８ｋｃａｌ／ｋｇ ＝２０．８ｋｃａｌ

【００２８】合計４０．５５ｋｃａｌ／ｋｇの冷却熱が
必要となるが、液体酸素１ｋｇの蒸発熱が５０．９ｋｃ
ａｌ／ｋｇであるため、液体酸素だけで装置の運転に必
要な寒冷を十分に賄うことが可能となる。また、温度変
動幅を大きくする場合は、液体酸素だけでは寒冷量が不
足するが、別の寒冷源を使用する場合でも、その使用量
を大幅に低減することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高濃度オ
ゾンの供給装置は、温度変動式オゾン吸着手段における
吸着剤冷却用の寒冷源として液体酸素を使用し、該液体
酸素から蒸発した酸素ガスをオゾン原料とするので、寒
冷源として別のガスを用いる場合に比べて運転コストを
低減でき、また、酸素ガスを回収して循環利用する場合
でも不純物の濃縮はほとんど生じることがない。したが
って、高濃度のオゾンを容易に、かつ、低コストで供給
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す高濃度オゾン供給装
置の系統図である。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ，Ｃ…吸着筒、１ａ，１ｂ，１ｃ，１５ａ…冷却
ジャケット、１１…オゾン発生器、１２…液体酸素貯
槽、１３…圧力変動式酸素発生手段（酸素ＰＳＡ）、１
４…温度変動式オゾン吸着手段、１５…オゾン濃度安定
器、２１…液体酸素供給系統、２２…オゾン原料供給系
統、２３…オゾン含有酸素ガス導入系統、２４…酸素ガ
ス回収系統、２５…掃気ガス供給系統、２６…濃縮オゾ
ン供給系統

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オゾン発生器と、液体酸素又は低温酸素
   ガスを供給する低温酸素供給手段と、低温でオゾンを吸
   着し、昇温することによりオゾンを脱着する温度変動式
   オゾン吸着分離手段と、掃気ガス供給手段とを備えた高
   濃度オゾンの供給装置であって、前記低温酸素供給手段
   からの低温酸素を前記温度変動式オゾン吸着手段を冷却
   する寒冷源として供給する経路と、該温度変動式オゾン
   吸着手段を冷却後の酸素ガスを前記オゾン発生器にオゾ
   ン原料として供給する経路と、該オゾン発生器で発生し
   たオゾン・酸素混合ガスを温度変動式オゾン吸着手段に
   導入する経路と、温度変動式オゾン吸着手段から導出さ
   れる酸素ガスを前記オゾン発生器にオゾン原料として循
   環供給する経路と、前記温度変動式オゾン吸着手段に前
   記掃気ガス供給手段からの掃気ガスを導入する経路と、
   温度変動式オゾン吸着手段から脱着したオゾンを前記掃
   気ガスに同伴させて供給する経路とを備えたことを特徴
   とする高濃度オゾンの供給装置。
2. 【請求項２】 前記掃気ガス供給手段は、圧力変動式酸
   素発生手段であることを特徴とする請求項１記載の高濃
   度オゾンの供給装置。
3. 【請求項３】 前記温度変動式オゾン吸着手段から脱着
   したオゾンを前記掃気ガスに同伴させて供給する経路
   に、オゾン濃度安定器を設けたことを特徴とする請求項
   １記載の高濃度オゾンの供給装置。