JP3143758B2 - 圧力変動吸着装置の減量運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力変動吸着装置の減
量運転方法に関し、詳しくは、吸着塔を真空再生法で行
う圧力変動吸着装置において、その減量運転状態におい
ても所定の濃度の製品ガスを安定して製造するととも
に、消費動力を低減させることのできる運転方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】圧力変動吸着装置（以下ＰＳＡ装置とい
う）は、各種ガスの分離あるいは精製法として広く用い
られており、特に窒素を優先的に吸着するゼオライト等
の吸着剤を用いて原料空気中から酸素ガスを分離製造す
る酸素製造装置として多く用いられている。

【０００３】図５は、３基の吸着塔を使用したＰＳＡ酸
素製造装置の一例を示すものである（特開平２−７８４
１５号公報参照）。

【０００４】このＰＳＡ装置１は、３基の吸着塔２ａ，
２ｂ，２ｃ、原料ガスを供給する送風機３、製品ガスを
送出する圧縮機４、吸着塔の再生，充圧工程に用いられ
る流量調節機構５ａ，５ｂと真空再生を行うための真空
ポンプ６及び各吸着塔２ａ，２ｂ，２ｃを吸着，再生，
充圧の各工程に順次切換えるための多数の弁により構成
されている。

【０００５】ここで、第一の吸着塔２ａが吸着工程、第
二の吸着塔２ｂが充圧工程、第三の吸着塔２ｃが再生工
程にある場合について説明する。

【０００６】原料ガスは、送風機３から切換弁７ａを経
て吸着塔２ａに導入され、該吸着塔２ａ内で窒素が吸着
剤に吸着する吸着分離が行われて吸着塔２ａの出口から
製品ガスである酸素ガスが流出する。この製品酸素ガス
は、切換弁８ａ，弁９を経て圧縮機４に送られ、消費先
に圧送される。

【０００７】このとき、第二の吸着塔２ｂには、その両
端の切換弁１０ｂ，１１ｂから第三の吸着塔２ｃ内のガ
スが導入される均圧工程が行われ、次いで両切換弁１０
ｂ，１１ｂが閉じられるとともに、出口側の切換弁１２
ｂが開かれて流量調整機構５ａから所定流量で酸素ガス
が導入され、所定の圧力に加圧される。

【０００８】また第三の吸着塔２ｃは、再生工程を構成
する各工程、即ち、前記均圧工程と、該均圧工程を終え
た後に切換弁１３ｃを開いて真空ポンプ６により塔内の
排気減圧を行う真空再生工程と、該塔内が所定の真空度
になったところで切換弁１５ｃを開いて流量調整機構５
ｂから所定量の製品ガスを塔出口側から塔内に導入する
パ―ジ再生工程が順次行われる。

【０００９】以下、順次切換弁７ａ，７ｂ，７ｃ，８
ａ，８ｂ，８ｃ，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１１ａ，１
１ｂ，１１ｃ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３
ｂ，１３ｃ，１４，１５ａ，１５ｂ，１５ｃをそれぞれ
所定の順序で切換開閉することにより、第一の吸着塔２
ａが再生工程、第二の吸着塔２ｂが吸着工程、第三の吸
着塔２ｃが充圧工程となるサイクル、及び第一の吸着塔
２ａが充圧工程、第二の吸着塔２ｂが再生工程、第三の
吸着塔２ｃが吸着工程となるサイクルが繰返されて行わ
れる。

【００１０】このように構成されたＰＳＡ装置１は、各
サイクルの時間を、吸着工程にある吸着塔２ａの吸着工
程所要時間をもとにして決定され、例えば６０秒サイク
ルで吸着，再生，充圧が順次各塔に切換えられる。この
とき再生工程にある吸着塔２ｃでは、例えば均圧工程を
１０秒間，真空再生工程を２０秒間，パ―ジ再生工程を
３０秒間として行われている。また、充圧工程にある吸
着塔２ｂでは、均圧工程が前記のごとく１０秒間行われ
た後に、製品ガスによる充圧が５０秒間行われる。

【００１１】このように、ＰＳＡを使用した酸素製造装
置は、ゼオライト等の吸着剤を充填した複数の吸着塔
を、それぞれ吸着，真空再生，充圧の各工程に順次切換
えて連続的に製品酸素ガスを製造するものであるが、こ
のような酸素製造装置では、酸素を消費する装置の操業
状態に応じて酸素の製造量を増減させる必要がある。

【００１２】一般に上記酸素製造量の調整は、製品酸素
導出量を制御するとともに、上記吸着，再生，充圧の各
工程の切換え時間を制御することにより行われている。
例えば５０％の減量運転を行う場合には、酸素導出量を
１／２に絞るとともに各工程の切換時間（サイクルタイ
ム）を２倍としている。

【００１３】この減量運転中の動力費を、製品量に応じ
て低減させる一つの手段として、特開昭６０−１９３５
２０号公報に記載された圧力変動吸着法によるタ―ンダ
ウン制御方法には、吸着工程にある吸着塔から導出され
ている富酸素ガスの流れ特性（富酸素ガスの量，速度，
濃度，圧力等）を監視し、この流れ特性があらかじめ設
定された所定の値に達するまで吸着工程以外の工程（ス
テップ）を停止させ、その間原料空気を供給する圧縮機
の能力を調節するとともに、真空再生工程に使用する真
空ポンプをアンロ―ド状態とすることが示されている。

【００１４】また、特開平２−７８４１５号公報には、
再生工程中に、減量運転に見合う所定時間の待機工程を
設けて真空ポンプをアンロ―ド状態とし、これによって
消費動力の低減を図る方法が記載されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
タ―ンダウン制御方法では、吸着工程にある吸着塔にお
けるガス流量に大きな差を生じるために運転状態が安定
せず、吸着圧力が大きく変動して吸着能力にも悪影響を
及ぼす。

【００１６】例えば、通常運転の場合、製品ガス量を１
とすれば、一般に原料空気量は１０，加圧ガス量は５の
割合となる。そして５０％の減量運転を行うと、製品ガ
ス量が０．５となり、上記充圧工程が行われている間の
吸着塔においては、１０の流入量に対して５．５の流出
量となる。

【００１７】次いで充圧が終了して待機工程に入ると、
加圧ガスが不要になるため流出量が製品ガスのみとなり
０．５に急激に低下することになる。

【００１８】このように、流入量に対して流出量が急激
に低下した場合には、塔内圧力が急激に上昇することに
なる。そのため上記方法では、塔内圧力に応じて作動す
る圧力スイッチにより圧縮機のＯＮ−ＯＦＦを行い、塔
内を所定の圧力に保つようにしている。

【００１９】しかし、このような圧力スイッチは、接点
切換のためにある程度の圧力差が必要であり、吸着塔内
の圧力は、この圧力差分だけ頻繁に圧力変動を繰返すこ
とになる。上記明細書では、この圧力変動は、系の性能
に対しては何らの支障も来たさないと述べられている
が、このような圧力変動が系の性能に影響するというこ
とは既知のことである。

【００２０】さらに、圧縮機のタイプによっては、圧縮
機の回転数を制御することにより原料ガス供給量を調節
することができると述べられているが、制御系が複雑に
なり装置のコストアップを招く。

【００２１】また、上記方法においては、製品である富
酸素ガスの量，速度，濃度，圧力等の富酸素ガスの流れ
特性の少なくとも１種を監視して、この特性が所定の値
に達することによって工程を促進させる条件としてい
る。しかしながら、製品の使用量が頻繁に変化するよう
な場合には、上記特性が所定の値に達するまでの時間が
その時々で変化するため、極端な場合には、各サイクル
ごとに切換時間が違ってくることがある。従って、吸着
塔内のガス濃度分布帯の位置がその都度違うことにな
り、安定した製品濃度で運転することが困難となる。

【００２２】また、後者の待機工程を設けるものは、上
記のような不都合は生じないが、吸着塔内が真空状態の
ときに弁を閉じて待機させるため、特に大型のＰＳＡ装
置では、使用する弁の口径が大きいため、ガスの完全封
止が困難であり、例えば、減量運転の度合いが５０％以
上になると、待機時間が長くなるため、ガスの漏洩が無
視できない量になることがある。

【００２３】また、サイクルタイムを延長した場合の問
題として、通常より長い時間の吸着工程において、原料
空気が吸着剤層を通過し、僅かづつ酸素が取出されるた
め、吸着剤層における空気の流通が遅くなり、吸着にお
ける境膜抵抗が無視できなくなる。

【００２４】このことは、いわゆる吸着帯を長くするよ
うに作用するため、サイクルタイム延長における時間と
量の関係を狂わせ、本来延長できる時間より短い時間で
サイクルを切換えなければならなくなる。これは、消費
動力を削減できる割合が減ることを意味する。

【００２５】そこで本発明は、上述のような真空ポンプ
を用いて真空再生を行うＰＳＡにおいて、真空ポンプの
特性及びＰＳＡの運転方法の特性を考え合わせて、減量
運転を効率よく行い、減量運転中の消費動力の低減を図
れる圧力変動吸着装置の減量運転方法を提供することを
目的としている。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明の圧力変動吸着装置の減量運転方法は、原
料ガス中の特定成分を優先的に吸着する吸着剤を充填し
た複数の吸着塔を、吸着工程と真空再生工程と充圧工程
とに順次切換えて連続的に製品ガスを製造する圧力変動
吸着装置を減量運転するにあたり、前記真空再生を行っ
ている吸着塔に導入するパージガス量を、製品ガスの減
量程度に応じて増量することを特徴としている。

【００２７】

【作 用】上記のように、減量運転時に、真空再生を行
っている吸着塔へのパージガス量を増量することによ
り、真空ポンプの負担が軽減され、消費動力が低減す
る。

【００２８】即ち、図１に示すように、サイクルタイム
が６０秒の３塔式ＰＳＡにおいて、吸着工程時の塔内圧
力を７６０Ｔｏｒｒ，通常運転時の再生圧力を２３０Ｔ
ｏｒｒとした場合、例えば７５％の減量運転を行ってい
るときには、真空再生中の吸着塔内に導入するパージガ
ス量を増量し、真空再生時の塔内圧力、即ち再生圧力が
３４０Ｔｏｒｒ程度になるようにする。

【００２９】一般に、大型の真空再生式ＰＳＡ（以下Ｖ
ＳＡという）に用いられている真空ポンプは、ルーツ型
のものであるが、このタイプの真空ポンプは、図２に示
すような特性、即ち、圧力が低くなり、真空度が高まる
に従って消費動力が増加するという特性を有している。

【００３０】したがって、再生圧力を高くすれば、真空
ポンプの消費動力を低減できることがわかる。なお、Ｖ
ＳＡにおいては、原料ガスの圧力が大気圧より僅かに高
い程度であるため、原料空気を吸着塔に送り込むための
送風機の消費動力は小さく、ＶＳＡの消費動力の大半
は、真空ポンプの消費動力であるといえる。

【００３１】また、ＶＳＡの運転において、再生圧力と
の製品回収率とは、図３に示すように、再生圧力を低く
するほど製品回収率が向上するという関係になってい
る。この両者の関係は、製品回収率が上の方で略直線的
であり、通常運転時、再生圧力２３０Ｔｏｒｒでの製品
回収率を基準量とすると、再生圧力を約４６０Ｔｏｒｒ
にしたとき、製品回収率は基準量の約５０％になる。

【００３２】また、先に述べたＶＳＡのサイクルにおけ
る再生工程においては、単に真空ポンプで排気するだけ
ではなく、製品酸素ガスの一部を用いて吸着剤の洗浄を
行っている。

【００３３】上記洗浄の効果としては、吸着剤の雰囲気
の酸素分圧を高くすることにより、吸着工程で吸着剤に
吸着した窒素が吸着剤から脱着して酸素が替わりに吸着
する、いわゆる置換脱着の作用を利用するものである。

【００３４】このときの酸素パージ量が少なければ、吸
着塔上部のパージガスの入口付近の吸着剤しか上記置換
脱着が行われないことになり、逆にパージ量が多すぎる
と吸着剤は完全に置換脱着できるが、酸素が真空ポンプ
側に流出するというロスを生じることになる。

【００３５】このようなことから、パージガス量には最
適値が存在し、通常の運転においては、この最適値を保
って運転が行われている。

【００３６】一方、パージガス量を多くしていくと、同
時に再生時の真空度が悪くなるという傾向があるが、こ
の傾向を意識的に実施することにより、前述の再生圧力
と製品回収率との関係から、サイクルタイムを変更する
ことなく減量運転を行うことが可能となる。

【００３７】即ち、通常の運転状態から、製品使用量が
減ったことを製品流量計で検知したら、パージガスを増
量して再生圧力を高め、製品回収率を低くすることによ
り、製品量を使用量に合わせて減量することができる。

【００３８】上記パージガスの増量割合は、例えば、図
４に示すように、製品発生量比が０．７になったらパー
ジ量の増加割合を１．３とし、製品発生量比が０．５に
なったらパージ量の増加割合を１．５とするように設定
することができる。

【００３９】このパージ量の制御は、製品量を流量計で
検出し、検出された製品流量を演算器に入力して対応す
るパージ量あるいは弁開度を算出し、これに基づいて流
量調節機構、即ち、パージガスの流量を制御する流量制
御弁の開度を調節する信号を出力するようにすればよ
い。

【００４０】このようにパージガス量を増量して再生圧
力を高めることにより、前記図２に示した真空ポンプの
特性から明らかなように、真空ポンプの消費動力を低減
することが可能になる。

【００４１】なお、真空再生工程においてパージガスを
増量する期間は、該真空再生工程全体としてもよいが、
図１に破線で示すように、吸着筒内が所定の真空度に達
したところで増量するようにしてもよい。

【００４２】また、ＶＳＡの構成は、製品ガスの種類や
量に応じて適宜最適な構成を採用することが可能であ
り、塔数も任意である。

【００４３】

【実施例】前記図５に示した構成のＰＳＡ酸素製造装置
を使用して基準製品量での運転と、製品量を７５％に減
らした減量運転とを行い、単に製品量を減らすだけの減
量運転と、本発明方法による減量運転との単位製品量当
たりの電力消費量を比較した。

【００４４】なお、サイクルタイムは６０秒、通常運転
時の再生圧力は２３０Ｔｏｒｒであり、本発明方法によ
る減量運転においては、真空再生時に吸着筒内に導入す
るパージガス量を通常時の１．２８倍とし、再生圧力を
３４０Ｔｏｒｒとした。

【００４５】その結果、基準製品量発生時の単位製品量
当たりの電力消費量を１００とした場合、本発明方法で
は、これを８２にすることができたのに対し、単に製品
量を減らすだけの減量運転では、１３３であった。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧力変動
吸着装置の減量運転方法は、真空再生工程を行う圧力変
動吸着装置を減量運転するにあたり、前記真空再生を行
っている吸着塔に導入するパージガス量を、製品ガスの
減量程度に応じて増量するようにしたから、減量運転時
における再生工程中の吸着筒内の圧力が高くなって真空
ポンプの消費動力が低減し、減量運転時の製品コストを
低減することができる。

【００４７】即ち、本発明方法によれば、減量運転時に
は、通常運転時と同じサイクルタイムで、製品回収率を
低めて製品量に対応させ、同時に真空ポンプの消費動力
を低減させることができるので、サイクルタイムを延長
したときに生じる不都合を生じることがなくなり、効率
のよい減量運転を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】塔内圧力の変化を説明する図である。

【図２】ルーツ型真空ポンプにおける圧力と消費動力の
関係を示す図である。

【図３】再生圧力と製品回収率の関係を示す図である。

【図４】製品発生量比とパージ量の増加割合の関係を示
す図である。

【図５】真空再生を行う圧力変動吸着装置の一例を示す
系統図である。

【符号の説明】

２ａ，２ｂ，２ｃ…吸着塔 ３…送風機 ６…真空
ポンプ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガス中の特定成分を優先的に吸着す
   る吸着剤を充填した複数の吸着塔を、吸着工程と真空再
   生工程と充圧工程とに順次切換えて連続的に製品ガスを
   製造する圧力変動吸着装置を減量運転するにあたり、前
   記真空再生を行っている吸着塔に導入するパージガス量
   を、製品ガスの減量程度に応じて増量することを特徴と
   する圧力変動吸着装置の減量運転方法。