JP5917169B2 - 窒素富化ガス製造方法、ガス分離方法および窒素富化ガス製造装置 - Google Patents
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Description
このPSA方式による窒素富化ガスの分離・精製においては、動力として専ら電気が使用されており、近年、ランニングコストの削減や省エネ化に向けた一層の省電力化が望まれている。
図7に示すように、窒素PSA装置101は、原料空気を加圧するための原料空気圧縮機102と、2つの吸着槽(第1吸着槽103Aおよび第2吸着槽103B)と、製品槽104と、を備えている。
また、2つの吸着槽103A,103Bには、それぞれ原料空気圧縮機102から送出される圧縮原料空気中の酸素や二酸化炭素等の不要成分を優先的に吸着する吸着剤105が充填されている。
そして、加圧均圧工程では、加圧吸着工程が完了した第2吸着槽103B内に残留する相対的に高圧なガスを、減圧再生工程が完了した第1吸着槽103A内へ導入する。
したがって、原料空気圧縮機102によって圧縮された圧縮原料空気は、開閉弁111aを通じて第1吸着槽103A内へ導入される。
したがって、この減圧均圧工程においては、第1吸着槽103A内に残留する相対的に高圧なガスが、開閉弁113,115を通じて第1吸着槽103Aから第2吸着槽103B内へ導入される。
この工程では、第1吸着槽103A内に残留したガスが、開閉弁112aを通じて大気に放出され、第1吸着槽103A内の圧力が下がるにつれ、第1吸着槽103A内の吸着剤105に吸着していた不要成分が脱離する。このとき、第2吸着槽103Bから導出された窒素富化ガスの一部は、流量調整弁114を通じて第1吸着槽103A内に導入されて、第1吸着槽103A内の吸着剤105を再生するためのパージガスとして使用される。
この工程において、第2吸着槽103Bから第1吸着槽103Aへ、第2吸着槽103B内の相対的に高圧なガス(均圧ガス)が供給される。
以上の工程を繰り返すことによって、原料空気から窒素富化ガスを分離する。
また、その他に、圧縮原料空気槽107を使用した圧縮原料空気の有効利用方法として、圧縮原料空気槽107内の圧力を都度検知し、原料空気圧縮機102のモータの回転数を制御する方法が知られている(特許文献1)。
加えて、このような制御システムを採用した場合でも、均圧工程時においては第1吸着槽103A,第2吸着槽103Bの上流側にある開閉弁111a,111bが閉止するため、原料空気圧縮機102の回転数を下げることとなる。この結果、圧縮機の持つ性能を満足に発揮することができず、選定すべき原料空気圧縮機102の必要能力の増大につながり、装置が肥大化し、省電力化の点からも好ましくないという問題があった。
本発明は、上記課題を解決した方法および装置を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、吸着剤が充填された複数の吸着槽を用い、窒素ガスを含む原料空気から窒素富化ガスを分離する窒素富化ガス製造方法であって、第1吸着槽内に圧縮機によって圧縮した前記原料空気を導入して前記第1吸着槽内を加圧し、前記原料空気中の酸素や二酸化炭素等の不要成分を前記第1吸着槽内の吸着剤に優先的に吸着させて、窒素が濃縮されたガスを得る加圧吸着工程と、前記第1吸着槽内に残留するガスを第2吸着槽内に導入する減圧均圧工程と、前記圧縮機によって圧縮した原料空気を前記第2吸着槽内に導入するとともに、前記第1吸着槽を大気に開放して前記第1吸着槽内の圧力を下げ、前記第1吸着槽内の前記吸着剤から前記不要成分を脱離させることで、前記第1吸着槽内の前記吸着剤を再生する減圧再生工程と、前記第2吸着槽内に残留するガスを前記第1吸着槽内に導入する加圧均圧工程と、を有し、前記加圧均圧工程において、前記圧縮機と前記第1吸着槽間の配管より分岐して設けられた圧縮原料空気槽に、前記圧縮機によって圧縮した前記原料空気を貯留し、前記加圧吸着工程において、前記圧縮機が吐出する前記原料空気と、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料空気と、を、前記第1吸着槽内に導入することで、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料空気を、前記第1吸着槽内を加圧するガスの一部として使用することを特徴とする窒素富化ガス製造方法である。
<窒素富化ガス製造装置>
本実施形態の窒素富化ガス製造装置1は、PSA方式の製造装置であり、図1に示すように、原料空気圧縮機2と、圧縮原料空気槽3と、2つの吸着槽(第1吸着槽4Aおよび第2吸着槽4B)と、製品槽5と、を備えた構成となっている。
なお、配管37および配管38には、それぞれ第1吸着槽4Aまたは第2吸着槽4B内に導入するガスの圧力を測定する圧力計21a,21bが設けられている。
すなわち、圧縮原料空気槽3は、原料空気圧縮機2と吸着槽4A,4Bとの間において、分岐して設けられている。
なお、圧縮原料空気槽3には、圧縮原料空気槽3内の圧力を測定する圧力計(図示略)が設けられている。
圧縮原料空気槽出口弁18は、開閉弁であっても逆止弁であってもよく、圧縮原料空気槽出口流量調整機構19は、ニードル弁やオリフィス、または配管径を変更する等の手段によって、流量調整が可能であればどのような構成でも構わない。また、圧縮原料空気槽出口弁18および圧縮原料空気槽出口流量調整機構19は、制御が可能な流量調節弁等の1つの機構であっても構わない。
また、配管45には、製品ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計22と、製品ガスの圧力を調整する製品減圧弁23と、製品ガスの流量を測定する製品ガス流量計24が設けられている。
第1吸着槽4Aの上流側と第2吸着槽4Bの上流側とは、配管37と配管38を介して接続されているが、配管37と配管38の間は3つの配管34,35,36で接続されている。
また、配管35には、開閉弁である排気弁12a,12bが設けられており、この排気弁12aと排気弁12bとの間には、大気へと通ずる配管46が接続されている。
また、配管36には、開閉弁である均圧弁13が設けられている。
また、配管43には、出口弁16a,16bが設けられており、この出口弁16aと出口弁16bとの間に配管44が接続されている。
次に、本実施形態の窒素富化ガス製造方法について説明する。
まず、本実施形態の窒素富化ガス製造方法は、加圧吸着工程と、減圧均圧工程と、減圧再生工程と、加圧均圧工程の各工程を繰り返す方法となっている。
次に、減圧均圧工程では、第1吸着槽4A内に残留する相対的に高圧なガスを第2吸着槽4B内に導入する。
そして、加圧均圧工程では、第2吸着槽4B内に残留する相対的に高圧なガスを第1吸着槽4A内へ導入する。
なお、図2Aないし図2Fは、それぞれ操作1ないし操作6の各工程を示す図であり、図中の矢印はガスの流れを示し、図中の太線部分はガスが流通している配管を示している。
また、表1は、各工程における原料空気圧縮機、圧縮原料空気槽、第1吸着槽、第2吸着槽の各状態を示している。
図2Aに示す操作1は、第1吸着槽4Aが加圧吸着工程を行っている状態にあり、第2吸着槽4Bが減圧再生工程を行っている状態にある。具体的には、入口弁11aと、排気弁12bと、出口弁16aと、圧縮原料空気槽出口弁18が開となっており、他の開閉弁は閉となっている。
なお、圧縮原料空気出口流量調整機構19が設けられているので、圧縮原料空気槽3から第1吸着槽4Aへ供給される圧縮原料空気の流量は調整される。これにより、圧縮原料空気槽3から圧縮原料空気を供給する際、急激に圧縮原料空気を導入して第1吸着槽4A内の濃度分布を乱し、性能に悪影響を及ぼすことを防止することができる。
次に、図2Bを参照して、操作2について説明する。
ここで、操作1と操作2の切り替えは、第1吸着槽4Aと圧縮原料空気槽3との差圧がなくなるときに行うことが好ましい。
操作2も操作1と同様に、第1吸着槽4Aが加圧吸着工程を行っている状態にあり、第2吸着槽4Bが減圧再生工程を行っている状態にある。
他の開閉弁については、操作1と同じ状態にある。
次に、図2Cを参照して、操作3について説明する。
操作3では、第1吸着槽4Aが加圧吸着工程から減圧均圧工程に切り替わり、第2吸着槽4Bが減圧再生工程から加圧均圧工程に切り替った状態にある。具体的には、均圧弁13,15と、圧縮原料空気槽入口弁17は開となっており、他の開閉弁は閉となっている。
なお、この際、流量調整機構14では流量が調整されるので、第1吸着槽4Aを導出したガスの多くは、配管41を通らず、配管42を通って第2吸着槽4B内に導入される。
この均圧工程は、加圧吸着工程が終了した第1吸着槽4A内に残留する相対的に高圧なガスを、減圧再生工程が終了している第2吸着槽4B内に回収するために行われる。
次に、図2Dを参照して、操作4について説明する。
操作4では、第1吸着槽4Aが減圧再生工程に切り替わり、第2吸着槽4Bが加圧吸着工程に切り替わった状態にある。具体的には、入口弁11bと、排気弁12aと、出口弁16bと、圧縮原料空気槽出口弁18が開となっており、他の開閉弁は閉となっている。
すなわち、操作4においては、第2吸着槽4Bへの圧縮原料空気の供給は、原料空気圧縮機2と、圧縮原料空気槽3の両方から行われている。
次に、図2Eを参照して、操作5について説明する。
ここで、操作4と操作5の切り替えは、第2吸着槽4Bと圧縮原料空気槽3との差圧がなくなるときに行うことが好ましい。
操作5も操作4と同様に、第1吸着槽4Aが減圧再生工程を行っている状態にあり、第2吸着槽4Bが加圧吸着工程を行っている状態にある。
他の開閉弁については、操作4と同じ状態にある。
次に、図2Fを参照して、操作6について説明する。
操作6では、第1吸着槽4Aが減圧再生工程から加圧均圧工程に切り替わり、第2吸着槽4Bが加圧吸着工程から減圧均圧工程に切り替った状態にある。具体的には、均圧弁13,15と、圧縮原料空気槽入口弁17は開となっており、他の開閉弁は閉となっている。
なお、この際、流量調整機構14では流量が調整されるので、第2吸着槽4Bの下流側より導出したガスの多くは、配管41を通らず、配管42を通って第1吸着槽4A内に導入される。
この均圧工程は、加圧吸着工程が終了した第2吸着槽4B内に残留する相対的に高圧なガスを、減圧再生工程が終了している第1吸着槽4A内に回収するために行われる。
そして、原料空気圧縮機2の風量を安定させて使用する事により、必要な最大風量を低減することができ、その結果、原料空気圧縮機2の設備電力低減につながる。
図3より、圧縮原料空気槽が無い場合、均圧工程時に原料空気圧縮機が無負荷運転に切り替わる事で、加圧吸着工程時に必要な原料空気圧縮機の流量の最大値が、圧縮原料空気槽有りの場合と比較して大きくなることが分かる。
このように本実施形態によれば、原料空気圧縮機2の流量の最大値を低くすることができ、設備電力低減につながる。
例えば、上記実施形態では原料空気から窒素富化ガスを製造する場合について説明したが、必ずしも原料ガスおよび製造ガスの組合せはこれに限定されるものではなく、広く吸着剤を用いて原料ガスから易吸着成分と難吸着成分を回収するガス分離方法に適用させることができる。
加圧均圧工程もしくは減圧均圧工程において、原料空気圧縮機2が無負荷運転に切り替わらないよう圧縮原料空気槽3内に圧縮原料空気を貯留でき、加圧吸着工程において、この圧縮原料空気槽3内に貯留した圧縮原料空気を、第1吸着槽4A(もしくは第2吸着槽4B)内を加圧する加圧ガスの一部として使用できる流量調整機構を有していればよい。
以下では、圧縮原料空気槽が有る場合と無い場合とでの効果の差について、実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
よって、圧縮原料空気槽を付加したプロセスを採用することで、原料空気圧縮機能力の必要風量をより小さくする事ができ、その分設備電力を下げることが可能となる。
Claims (3)
- 吸着剤が充填された複数の吸着槽を用い、窒素ガスを含む原料空気から窒素富化ガスを分離する窒素富化ガス製造方法であって、
第1吸着槽内に圧縮機によって圧縮した前記原料空気を導入して前記第1吸着槽内を加圧し、前記原料空気中の不要成分を前記第1吸着槽内の吸着剤に優先的に吸着させて、窒素が濃縮されたガスを得る加圧吸着工程と、
前記第1吸着槽内に残留するガスを第2吸着槽内に導入する減圧均圧工程と、
前記圧縮機によって圧縮した原料空気を前記第2吸着槽内に導入するとともに、前記第1吸着槽を大気に開放して前記第1吸着槽内の圧力を下げ、前記第1吸着槽内の前記吸着剤から前記不要成分を脱離させることで、前記第1吸着槽内の前記吸着剤を再生する減圧再生工程と、
前記第2吸着槽内に残留するガスを前記第1吸着槽内に導入する加圧均圧工程と、を有し、
前記加圧均圧工程において、前記圧縮機と前記第1吸着槽間の配管より分岐して設けられた圧縮原料空気槽に、前記圧縮機によって圧縮した前記原料空気を貯留し、
前記加圧吸着工程において、前記圧縮機が吐出する前記原料空気と、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料空気と、を、前記第1吸着槽内に導入することで、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料空気を、前記第1吸着槽内を加圧するガスの一部として使用することを特徴とする窒素富化ガス製造方法。 - 吸着剤が充填された複数の吸着槽を用いて、前記吸着剤に対して易吸着性である易吸着成分と、前記吸着剤に対して難吸着性である難吸着成分を含む原料ガスから、前記易吸着成分と前記難吸着成分とを分離するガス分離方法であって、
第1吸着槽内に圧縮機によって圧縮した前記原料ガスを導入して前記第1吸着槽内を加圧し、前記原料ガス中の前記易吸着成分を前記第1吸着槽内の前記吸着剤に優先的に吸着させて、前記難吸着成分が濃縮されたガスを得る加圧吸着工程と、
前記第1吸着槽内に残留する相対的に高圧なガスを第2吸着槽内に導入する減圧均圧工程と、
前記圧縮機によって圧縮した原料ガスを前記第2吸着槽内に導入するとともに、前記第1吸着槽を大気に開放して前記第1吸着槽内の圧力を下げ、前記第1吸着槽内の前記吸着剤から前記易吸着成分を脱離させることで、前記第1吸着槽内の前記吸着剤を再生する減圧再生工程と、
前記第2吸着槽内に残留するガスを前記第1吸着槽内に導入する加圧均圧工程と、を有し、
前記加圧均圧工程において、前記圧縮機と前記第1吸着槽間の配管より分岐して設けられた圧縮原料ガス槽に、前記圧縮機によって圧縮した前記原料ガスを貯留し、
前記加圧吸着工程において、前記圧縮機が吐出する前記原料ガスと、前記圧縮原料ガス槽に貯留された圧縮された前記原料ガスと、を、前記第1吸着槽内に導入することで、前記圧縮原料空気槽に貯留された前記原料ガスを、前記第1吸着槽内を加圧するガスの一部として使用することを特徴とするガス分離方法。 - 吸着剤が充填された複数の吸着槽を用い、窒素ガスを含む原料空気から窒素富化ガスを分離するための窒素富化ガス製造装置であって、
原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された原料空気が導入される複数の吸着槽と、前記圧縮機と前記吸着槽を接続する配管と、該配管に分岐して設けられた分岐管と、該分岐管に接続された圧縮原料空気槽と、を備え、
前記圧縮原料空気槽は、
前記吸着槽が前記圧縮機から圧縮された原料空気を導入しない又は導入流量を制限するときに、前記圧縮機によって圧縮された原料空気を貯留する機能を有し、
前記吸着槽内を加圧する際に、前記圧縮機が吐出する原料空気に加えて、加圧するガスの一部として、前記圧縮原料空気槽内に貯留していた原料空気を前記吸着槽に導出する機能を有することを特徴とする窒素富化ガス製造装置。
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