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技術 ガス分離装置の運転方法および、制御装置

出願人 株式会社クラレ
発明者 小林牧治杉本晃一中島拓人
出願日 2016年9月27日 (4年1ヶ月経過) 出願番号 2016-187910
公開日 2018年4月5日 (2年7ヶ月経過) 公開番号 2018-051447
状態 特許登録済
技術分野 吸着による気体の分離 硫黄、窒素等及びそれらの化合物;過化合物
主要キーワード シリンダー弁 自動調節弁 ガス放出路 連通ライン 製品槽 ガス滞留 一次貯留 製品出口
関連する未来課題
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図面 (4)

課題

瞬時電圧低下及び停電等により原料ガスの供給が停止し、その後原料ガスの供給が再開した際に、直ちに製品ガスを再供給することができるガス分離装置運転方法および制御装置を提供する。

解決手段

原料ガス槽2への原料ガスの供給が停止した際に、製品槽4からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着塔3A,3Bにおける吸着工程と脱着工程のタイマー停止保持して運転を継続し、原料ガスの供給が再開すると、製品槽4からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着塔3A,3Bにおける吸着工程と脱着工程の運転を再開する。

概要

背景

近年、防爆シール、金属の処理、酸化防止製品の圧送などの用途で、窒素ガスを供給する手段として、窒素ガス分離装置が広く使われている。

ところで、窒素ガス分離装置は、空気のような窒素ガスと酸素ガスとを多く含む原料ガスを、圧縮機により吸着塔加圧供給して酸素ガスの吸着を行い、主に窒素ガスを製品ガスとして分離して供給する装置であり、製品ガスの使用先ユーザー)が求める製品ガス仕様ガス純度ガス圧力ガス流量)で製品ガスを供給する様に設計されているが、装置起動から製品ガス仕様の製品ガス供給までには一定の時間を要する。

このような窒素ガス分離装置では、瞬時電圧低下または停電等により圧縮機が停止すると原料ガスの供給が停止するため、製品ガスの供給が困難となり、停電復帰等で原料ガスの供給が再開されても、製品ガスの供給までに一定の時間を要するため、窒素ガス分離装置の使用課題となっていた。

これに対し、停電や瞬低により原料ガスの供給が停止したとしても、原料ガスの供給が再開したときに、素早くガス分離装置運転を再開できる従来技術がある。例えば特許文献1に開示される従来技術の運転方法では、原料ガスの供給が停止すると、均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程から次工程には移行せず、原料ガスの供給が再開すると、均圧工程から次工程に移行する。

概要

瞬時電圧低下及び停電等により原料ガスの供給が停止し、その後原料ガスの供給が再開した際に、直ちに製品ガスを再供給することができるガス分離装置の運転方法および制御装置を提供する。原料ガス槽2への原料ガスの供給が停止した際に、製品槽4からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着塔3A,3Bにおける吸着工程と脱着工程のタイマー停止保持して運転を継続し、原料ガスの供給が再開すると、製品槽4からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着塔3A,3Bにおける吸着工程と脱着工程の運転を再開する。

目的

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、停電等による原料ガス供給の停止時間が長くなっても、停電復帰等で原料ガスの供給が再開した際に、直ちに製品ガスを再供給できるガス分離装置の運転方法および制御装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

吸着剤充填された2基以上の吸着塔原料ガス加圧下で供給し、各吸着塔吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返すことにより、原料ガス中易吸着成分ガス難吸着成分ガスとを分離して難吸着成分ガスを製品ガスとして製造し、当該製品ガスを製品槽貯留するガス分離装置運転方法であって、吸着工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程のタイマー停止保持して運転を継続し、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するガス分離装置の運転方法。

請求項2

均圧工程中に原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程になるまで運転を継続した後に、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続し、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開する、請求項1に記載の運転方法。

請求項3

原料ガス槽への原料ガスの供給が停止している間、吸着工程を継続している吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止する、請求項1または2に記載の運転方法。

請求項4

瞬時電圧低下または停電が発生し、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止した場合の窒素ガス分離装置の運転方法である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の運転方法。

請求項5

吸着剤が充填された2基以上の吸着塔に原料ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返すことにより、原料ガス中の易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとを分離して難吸着成分ガスを製品ガスとして製造し、当該製品ガスを製品槽に貯留するガス分離装置に備えられ、吸着塔において吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し行うための制御を行う制御装置であって、吸着工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続するよう制御を行い、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するよう制御を行う制御装置。

請求項6

均圧工程中に原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程になるまで運転を継続した後に、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続するよう制御を行い、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するよう制御を行う、請求項5に記載の制御装置。

請求項7

原料ガス槽への原料ガスの供給が停止している間、吸着工程を継続している吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止するよう制御を行う、請求項5または6に記載の制御装置。

請求項8

瞬時電圧低下または停電が発生し、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止した場合の、窒素ガス分離装置における運転の制御を行う制御装置である、請求項5〜7のいずれか1項に記載の制御装置。

技術分野

0001

本発明はガス分離装置における運転方法および、制御装置に関する。より詳細には、ガス分離装置は、分子篩炭素活性炭ゼオライト等のような吸着剤充填された2基以上の吸着塔に対して、空気のような2種類以上のガスが混合された混合ガスにより構成される原料ガスを、吸着塔に加圧下で供給して易吸着成分ガスの吸着を行い、難吸着成分ガスを製品ガスとして分離して取り出す吸着工程と、製品ガスのパージ導入により吸着した易吸着成分ガスを脱着して吸着剤を再生させる脱着工程と、吸着工程が終了した吸着塔のガスを脱着工程が終了した吸着塔へ移動させる均圧工程とを、予め決められたタイマーでそれぞれの吸着塔で交互に繰り返すことにより、吸着剤による易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとの吸着速度差を利用して連続的に製品ガスを得るガス分離装置(PSA(Pressure Swing Adsorption)装置ともいう)であり、瞬時電圧低下または停電等により原料ガスの供給が停止しても、原料ガスの供給が再開した際には、ガス分離装置の運転を直ちに再開することができるガス分離装置の運転方法および、制御装置に関するものである。

背景技術

0002

近年、防爆シール、金属の処理、酸化防止製品の圧送などの用途で、窒素ガスを供給する手段として、窒素ガス分離装置が広く使われている。

0003

ところで、窒素ガス分離装置は、空気のような窒素ガスと酸素ガスとを多く含む原料ガスを、圧縮機により吸着塔に加圧供給して酸素ガスの吸着を行い、主に窒素ガスを製品ガスとして分離して供給する装置であり、製品ガスの使用先ユーザー)が求める製品ガス仕様ガス純度ガス圧力ガス流量)で製品ガスを供給する様に設計されているが、装置起動から製品ガス仕様の製品ガス供給までには一定の時間を要する。

0004

このような窒素ガス分離装置では、瞬時電圧低下または停電等により圧縮機が停止すると原料ガスの供給が停止するため、製品ガスの供給が困難となり、停電復帰等で原料ガスの供給が再開されても、製品ガスの供給までに一定の時間を要するため、窒素ガス分離装置の使用課題となっていた。

0005

これに対し、停電や瞬低により原料ガスの供給が停止したとしても、原料ガスの供給が再開したときに、素早くガス分離装置の運転を再開できる従来技術がある。例えば特許文献1に開示される従来技術の運転方法では、原料ガスの供給が停止すると、均圧工程になるまでは運転を継続し、原料ガスの供給が再開されるまでは均圧工程から次工程には移行せず、原料ガスの供給が再開すると、均圧工程から次工程に移行する。

先行技術

0006

特許第5561815号公報

発明が解決しようとする課題

0007

原料ガスの供給が継続している通常運転の場合、均圧工程において脱着工程が終了した吸着塔へ移動したガスは、吸着塔の原料ガス入口付近では酸素濃度が高く、製品ガス出口付近では酸素濃度が低いというガス濃度分布となっているため、次工程の吸着工程では酸素濃度が低いガスが製品槽に供給される。しかしながら、特許文献1では、原料ガスの供給が停止して均圧工程の継続時間が長くなると、吸着塔内ガス滞留により、吸着塔内の酸素濃度分布平準化していくこととなる。そのため、原料ガスの供給が再開して均圧工程から吸着工程に移行した際に、吸着塔の製品ガス出口付近にある、通常運転よりも酸素濃度の高いガスが製品槽に送り出され、製品ガスの窒素ガス純度が悪化するという問題があった。

0008

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、停電等による原料ガス供給の停止時間が長くなっても、停電復帰等で原料ガスの供給が再開した際に、直ちに製品ガスを再供給できるガス分離装置の運転方法および制御装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

本発明者らが鋭意研究した結果、原料ガス槽への原料ガスの供給停止から供給再開までの間は、原料ガス槽に蓄圧されていた原料ガスを利用して、吸着塔における吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続することにより、吸着塔内のガス滞留を無くし、吸着塔内のガス濃度分布を通常運転時に近い状態にするという、従来技術では不可能であったガス分離装置の運転方法を見出して本発明を完成させた。

0010

従って、上記課題を解決するため、本発明は以下の方法および装置を有する。

0011

本発明は、吸着剤が充填された2基以上の吸着塔に原料ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返すことにより、原料ガス中の易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとを分離して難吸着成分ガスを製品ガスとして製造し、当該製品ガスを製品槽に貯留するガス分離装置の運転方法であって、吸着工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続し、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するガス分離装置の運転方法である。

0012

前記運転方法において、均圧工程中に原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程になるまで運転を継続した後に、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続し、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開してもよい。

0013

この方法では、原料ガスの供給停止から供給再開までの間、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続することにより、吸着工程の吸着塔から脱着工程の吸着塔へ製品ガスが流れているため、吸着塔内でガスの滞留が発生しない。このため、吸着塔内のガス濃度分布は、原料ガス槽への原料ガスの供給が継続している通常運転時のガス濃度分布に近い状態となる。したがって、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品ガスの製品ガス純度が悪化することなく、製品ガスを再供給することができる。

0014

但し、上記方法による運転方法では、原料ガス槽への原料ガスの供給停止時間が長くなると、吸着工程を継続運転している吸着塔から導出される製品ガスの製品ガス純度が悪化してくる場合がある。このような場合、製品ガス純度が悪化してきた製品ガスが製品槽に混入し、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品槽から導出される製品ガスの製品ガス純度が悪化することとなる。従って、原料ガス槽への原料ガスの供給停止時間が長くなっても、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品ガス純度が悪化することなく、製品ガスを再供給することができる運転方法についても見出した。

0015

前記運転方法において、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止している間、吸着工程を継続している吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止してもよい。

0016

この方法では、原料ガス槽への原料ガスの供給停止時間が長くなっても、吸着工程を継続している吸着塔から導出される製品ガスが製品槽に導入されないため、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品ガス純度が悪化することなく、製品ガスを再供給することができる。

0017

瞬時電圧低下または停電が発生し、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止した場合の窒素ガス分離装置の運転方法として、前記運転方法を適用してもよい。

0018

また、本発明は、吸着剤が充填された2基以上の吸着塔に原料ガスを加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返すことにより、原料ガス中の易吸着成分ガスと難吸着成分ガスとを分離して難吸着成分ガスを製品ガスとして製造し、当該製品ガスを製品槽に貯留するガス分離装置に備えられ、吸着塔において吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し行うための制御を行う制御装置であって、吸着工程中に原料ガス槽への原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続するよう制御を行い、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するよう制御を行う制御装置である。

0019

前記制御装置において、均圧工程中に原料ガスの供給が停止すると、製品槽からの製品ガスの導出を停止するとともに、吸着工程になるまで運転を継続した後に、吸着工程のタイマーを停止保持して運転を継続するよう制御を行い、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開すると、製品槽からの製品ガスの導出を再開するとともに、停止保持していたタイマーの続きから吸着工程の運転を再開するよう制御を行う制御装置としてもよい。

0020

前記制御装置において、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止している間、吸着工程を継続している吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止するよう制御を行う制御装置としてもよい。

0021

この制御装置では、吸着塔の製品出口にある切換え弁を閉じることにより、吸着塔から製品槽への製品ガス純度が低い製品ガスの供給を停止することができ、原料ガス槽への原料ガスの供給が再開された時に、製品ガスの製品ガス純度が悪化することなく、製品ガスを再供給することができる。また、吸着塔の製品出口にある切換え弁の代わりに逆止弁を設けることにより、吸着塔から製品槽への製品ガスの供給を停止することもできる。

0022

瞬時電圧低下または停電が発生し、原料ガス槽への原料ガスの供給が停止した場合の、窒素ガス分離装置における運転の制御を行う制御装置として、前記制御装置を適用してもよい。

発明の効果

0023

以上説明したように、本発明のガス分離装置の運転方法および制御装置によれば、停電等により原料ガス槽への原料ガス供給が停止しても、停電復帰等で原料ガス槽への原料ガスの供給が再開した際に、製品ガスの製品ガス純度が悪化することなく、直ちに製品ガスを再供給することができる。

図面の簡単な説明

0024

図1は、本発明の一実施形態の制御装置を備えた窒素ガス分離装置を含むシステム構成図である。
図2は、本発明の一実施形態の制御装置を備えた窒素ガス分離装置における通常運転時と停電発生時のバルブ開閉状態を示した図である。
図3は、従来技術の窒素ガス分離装置における通常運転時と停電発生時のバルブ開閉状態を示した図である。

0025

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

0026

図1は、本発明の一実施形態の制御装置を備えた窒素ガス分離装置を含むシステム構成図である。図1に示されるように、本実施形態においてシステムは、原料ガスを加圧供給する圧縮機1と、原料ガスを蓄圧する原料ガス槽2と、原料ガスから製品ガスを分離して取り出す窒素ガス分離装置10により構成される。なお、原料ガス槽2は、蓄圧した原料ガスを窒素ガス分離装置10へ供給するために設けられるが、原料ガス中に含まれる吸着剤の劣化原因となる成分(油分、SOx、NOx等)を前処理する活性炭槽に原料ガスを蓄圧することにより、代用することもできる。

0027

この窒素ガス分離装置10は、ガス分離装置の一例であり、吸着塔(第1吸着塔)3Aと、吸着塔(第2吸着塔)3Bと、製品槽4と、バルブCV1〜CV9と、パージ流量調節器5と、制御装置20とを備え、各構成要素は配管によって接続されている。バルブCV1〜CV9は、それぞれ独立に制御される開閉バルブ(たとえばシリンダー弁)である。なお、窒素ガス分離装置10に備えられる制御装置20は、窒素ガス分離装置10における運転の制御を行うことによって、窒素ガス分離装置10の運転方法を実行する。

0028

具体的には、バルブCV1およびCV3は、それぞれ吸着塔3Aおよび吸着塔3Bに供給される原料ガスが通過する配管経路である原料ガス供給路L1を開閉する入口弁である。なお、原料ガスは、空気等の窒素ガスと酸素ガスとを含む混合気体である。バルブCV2およびCV4は、それぞれ吸着塔3Aおよび吸着塔3Bから放出されるガスが通過する配管経路であるガス放出路L2を開閉する放出弁である。バルブCV5およびCV6は、それぞれ吸着塔3Aおよび吸着塔3Bから取り出される製品ガスが通過する配管経路である製品ガス排出路L3を開閉する出口弁である。製品ガス排出路L3には、製品槽4が設けられている。バルブCV7およびCV8は、吸着塔3Aと吸着塔3Bの間を移動するガスが通過する配管経路を開閉する均圧弁である。バルブCV9は、製品槽4から導出される製品ガスが通過する製品ガス供給路L9を開閉する供給弁である。入口ラインL1A,L1Bは、その一端が吸着塔3A,3Bの原料ガス入口に接続され、他端が原料ガス供給路L1およびガス放出路L2に接続されている。バルブCV7が設けられた配管経路である出口連通ラインL7は、その一端が吸着塔3Aの製品ガス出口に接続され、他端が吸着塔3Bの製品ガス出口に接続されている。バルブCV8が設けられた配管経路である入口連通ラインL8は、その一端が入口ラインL1Aに接続され、他端が入口ラインL1Bに接続されている。これらバルブCV1〜CV9は、タイマー設定された制御装置20により電気的に開閉を制御することができる。

0029

パージ流量調節器5は、パージガスラインL5および出口連通ラインL7を通過して、吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔へパージされる製品ガスの流量を調節する調節器である。なお、パージ流量調節器5は、手動調節弁、自動調節弁オリフィス等により製品ガスの流量を調節することができる。

0030

吸着塔3Aおよび吸着塔3Bには、それぞれ酸素ガスを吸着する分子篩炭素が充填されている。分子篩炭素とは、多数の細孔を備える木炭石炭コークス、やし殻、樹脂ピッチなどの原料高温炭化し、細孔径を約3〜5Å(オングストローム)に調整した木質系石炭系、樹脂系、ピッチ系などの吸着剤である。このような分子篩炭素は、窒素ガスよりも酸素ガスを吸着しやすい性質を有しており、空気等の窒素ガスと酸素ガスとを含む混合気体である原料ガスから、酸素ガスを選択的に吸着する性質を有する。すなわち、分子篩炭素が充填された吸着塔3A,3Bにおいて、原料ガス中の酸素ガスが易吸着成分ガスであり、窒素ガスが難吸着成分ガスである。また、分子篩炭素は、高圧条件下において酸素ガスの吸着能が増大する。そのため、分子篩炭素は、吸着塔内を加圧することにより酸素ガスを多く吸着することができ、その後、難吸着成分ガスの窒素ガスである製品ガスをパージしながら吸着塔内を減圧することにより酸素ガスを脱着させることができる。このような分子篩炭素の具体例としては、たとえばクラケミカル(株)製の商品名GN−UC−H、GN−UC−S、1.5GN−H、1.5GN−Sなどが挙げられる。窒素ガス分離装置10では、吸着塔3Aおよび吸着塔3Bにより酸素ガスの吸着および脱着を交互に繰り返し、原料ガスから窒素ガスを分離濃縮して製品ガスを調製する。

0031

図1に加えて図2を参照し、窒素ガス分離装置10の通常運転時の運転方法と、停電発生時の運転方法を具体的に説明する。図2は、本発明の一実施形態の制御装置を備えた窒素ガス分離装置における通常運転時と停電発生時のバルブ開閉状態を示した図である。

0032

通常運転時では、制御装置20は、それぞれの吸着塔3A,3Bにおいて、吸着工程、均圧工程(第1均圧工程)、脱着工程、均圧工程(第2均圧工程)を1サイクルとする工程を繰り返し行うための制御を行い、原料ガスから窒素ガスを製品ガスとして分離する。これらの各工程は、いずれもタイマー設定されていて、タイマーアップするまでその工程を行い、タイマーアップにより次工程に移る。本実施形態では、吸着工程と脱着工程とのタイマーアップ時間は同じ値に設定され、第1均圧工程と第2均圧工程とのタイマーアップ時間は同じ値に設定されている。その際、一方の吸着塔が吸着工程に付されている間、他方の吸着塔は、脱着工程に付されるよう上記した各バルブが制御装置20により制御される。なお、吸着塔3Aと吸着塔3Bとは、同じタイマーで制御されてもよいが、本実施形態ではそれぞれ個別のタイマーで制御されている。

0033

具体的には、図2に示されるように、吸着塔3Aが吸着工程に付されている間、吸着塔3Bは脱着工程に付される((i)の工程)。また、吸着塔3Aが第1均圧工程に付されている間、吸着塔3Bは第2均圧工程に付され((ii)の工程)、吸着塔3Aが脱着工程に付されている間、吸着塔3Bは吸着工程に付され((iii)の工程)、吸着塔3Aが第2均圧工程に付されている間、吸着塔3Bは第1均圧工程に付される((iv)の工程)。以下、それぞれの工程について詳細に説明する。

0034

<(i)の工程>
(i)の工程は、吸着塔3Aが吸着工程に付され、吸着塔3Bが脱着工程に付される工程である。具体的には、(i)の工程では、制御装置20の制御により、バルブCV2、バルブCV3およびバルブCV6〜CV8が閉止され、バルブCV1、バルブCV4、CV5およびバルブCV9が開放される。そのため、窒素ガス分離装置10に供給される原料ガスは、吸着塔3Aに供給される。なお、原料ガスは、圧縮機1により圧縮され、原料ガス槽2において蓄圧された加圧下で、原料ガス槽2から吸着塔3Aに供給される。すなわち、原料ガスは、原料ガス槽2を介して吸着塔3Aに供給される。吸着塔3Aでは、供給された原料ガスのうち、酸素ガスが吸着され、分離された窒素ガスが製品槽4に送られる。吸着塔3A内では、ガスが上に向かうにつれて酸素ガスが次第に吸着されるため、製品ガス出口側ほど窒素ガス濃度が高くなる濃度分布となる。そして、所定の窒素ガス濃度となった製品ガスが製品ガス排出路L3を通して製品槽4に送られ、製品ガス供給路L9を通して製品槽4から導出される。製品槽4は、分離された窒素ガスを製品ガスとして適宜貯留する一次貯留空間を有する箱体である。一方、吸着塔3Bのガスは原料ガス入口から導出されて入口ラインL1Bおよびガス放出路L2を通して窒素ガス分離装置10の外部(通常は大気中)に放出され、吸着工程中の吸着塔3Aからパージされる製品ガスにより、吸着した酸素ガスを脱着して分子篩炭素が再生される。

0035

<(ii)の工程>
(ii)の工程は、吸着塔3Aが第1均圧工程に付され、吸着塔3Bが第2均圧工程に付される工程である。具体的には、(ii)の工程では、制御装置20の制御により、バルブCV1〜CV6が閉止され、バルブCV7〜CV9が開放される。そのため、吸着塔3Aの製品ガス出口と吸着塔3Bの製品ガス出口がバルブCV7を介して連通する出口連通ラインL7と、吸着塔3Aの原料ガス入口と吸着塔3Bの原料ガス入口がバルブCV8を介して連通する入口連通ラインL8とにより、吸着塔3Aのガスが吸着塔3Bに移動する。

0036

このため、吸着塔3A内で窒素ガス濃度が高くなっているガスが、吸着塔3Bの製品ガス出口側から導入され、また、吸着塔3A内で窒素ガス濃度が低くなっているガスが、吸着塔3Bの原料ガス入口側から導入される。このため、吸着塔3B内でも、上側の方が窒素ガス濃度が高くなる傾向が維持される。したがって、次の(iii)の工程(吸着塔3Bにおける吸着工程)において、吸着塔3Bから排出される製品ガスの窒素ガス濃度を高くすることができる。

0037

なお、(ii)の工程では、吸着塔3Aから吸着塔3Bへガスを移動させるだけでなく、製品槽4から吸着塔3Bへ製品ガスを移動させたり、吸着塔3Aの一部ガスを大気放出しながら残るガスを吸着塔3Bに移動させる様にしても良い。

0038

<(iii)の工程>
(iii)の工程は、吸着塔3Aが脱着工程に付され、吸着塔3Bが吸着工程に付される工程である。具体的には、(iii)の工程では、制御装置20の制御により、バルブCV1、バルブCV4、バルブCV5、バルブCV7およびバルブCV8が閉止され、バルブCV2、バルブCV3、バルブCV6およびバルブCV9が開放される。そのため、窒素ガス分離装置10に供給される原料ガスは、原料ガス槽2を介して吸着塔3Bに供給される。吸着塔3Bでは、供給された原料ガスのうち、酸素ガスが吸着され、分離された窒素ガスが製品槽4に送られる。吸着塔3B内では、ガスが上に向かうにつれて酸素ガスが次第に吸着されるため、製品ガス出口側ほど窒素ガス濃度が高くなる濃度分布となる。そして、所定の窒素ガス濃度となった製品ガスが製品ガス排出路L3を通して製品槽4に送られ、製品ガス供給路L9を通して製品槽4から導出される。一方、吸着塔3Aのガスは原料ガス入口から導出されて入口ラインL1Aおよびガス放出路L2を通して窒素ガス分離装置10の外部(通常は大気中)に放出され、吸着工程中の吸着塔3Bからパージされる製品ガスにより、吸着した酸素ガスを脱着して分子篩炭素が再生される。

0039

<(iv)の工程>
(iv)の工程は、吸着塔3Aが第2均圧工程に付され、吸着塔3Bが第1均圧工程に付される工程である。具体的には、(iv)の工程では、制御装置20の制御により、バルブCV1〜CV6が閉止され、バルブCV7〜CV9が開放される。そのため、吸着塔3Aの製品ガス出口と吸着塔3Bの製品ガス出口がバルブCV7を介して連通する出口連通ラインL7と、吸着塔3Aの原料ガス入口と吸着塔3Bの原料ガス入口がバルブCV8を介して連通する入口連通ラインL8とにより、吸着塔3Bのガスが吸着塔3Aに移動する。

0040

このため、吸着塔3B内で窒素ガス濃度が高くなっているガスが、吸着塔3Aの製品ガス出口側から導入され、また、吸着塔3B内で窒素ガス濃度が低くなっているガスが、吸着塔3Aの原料ガス入口側から導入される。このため、吸着塔3A内でも、上側の方が窒素ガス濃度が高くなる傾向が維持される。したがって、次の(i)の工程(吸着塔3Aにおける吸着工程)において、吸着塔3Aから排出される製品ガスの窒素ガス濃度を高くすることができる。

0041

なお、(iv)の工程では、吸着塔3Bから吸着塔3Aへガスを移動させるだけでなく、製品槽4から吸着塔3Aへ製品ガスを移動させたり、吸着塔3Bの一部ガスを大気放出しながら残るガスを吸着塔3Aに移動させる様にしても良い。

0042

通常運転の最中である(i)の工程で停電が発生し、原料ガス槽2への原料ガスの供給が停止すると、原料ガス槽2への原料ガスの供給が停止したことを伝える信号が、外部より制御装置20に入力され、制御装置20は原料ガス槽2への原料ガスの供給が停止したと判断する。制御装置20が原料ガス槽2への原料ガスの供給が停止したと判断すると、制御装置20の制御により、CV9は閉止される。このとき、CV1〜CV8は通常運転の(i)の工程と同じバルブ開閉状態で保持される。そのため、製品槽4からの製品ガスの導出は停止し、吸着塔3Aは吸着工程を継続し、吸着塔3Bは脱着工程を継続する。このとき、制御装置20において、吸着塔3Aの吸着工程のタイマーと吸着塔3Bの脱着工程のタイマーは、停電が発生したタイミング(原料ガス槽2への原料ガスの供給が停止したタイミング)で停止保持される。

0043

停電復帰し、原料ガス槽2への原料ガスの供給が再開されると、原料ガス槽2への原料ガスの供給が再開したことを伝える信号が、外部より制御装置20に入力され、制御装置20は原料ガス槽2への原料ガスの供給が再開したと判断する。制御装置20が原料ガス槽2への原料ガスの供給が再開したと判断すると、制御装置20の制御により、CV9は閉止状態から開放状態へと切り替えられる。このとき、CV1〜CV8は通常運転の(i)の工程と同じバルブ開閉状態で保持される。これにより、停止保持していたタイマーの続きからCV1〜CV9は通常運転の(i)の工程と同じバルブ開閉状態となる。そのため、製品槽4からの製品ガスの導出が再開され、吸着塔3Aの吸着工程と吸着塔3Bの脱着工程が、停止保持していたタイマーの続きから再開される。

0044

また、通常運転の最中である(i)の工程で停電が発生した場合には、制御装置20は、原料ガス槽2への原料ガスの供給が停止している間、CV5を閉止する制御を行ってもよい。これにより、吸着工程を継続している吸着塔3Aから製品槽4への製品ガスの供給を停止することができる。

0045

通常運転の最中である(ii)の工程で停電が発生し、原料ガスの供給が停止すると、原料ガスの供給が停止したことを伝える信号が、外部より制御装置20に入力され、制御装置20は原料ガスの供給が停止したと判断する。制御装置20が原料ガスの供給が停止したと判断すると、制御装置20の制御により、CV9は閉止され、CV1〜CV8は通常運転の(ii)の工程をタイマーアップするまで継続し、その後、通常運転の(iii)の工程と同じバルブ開閉状態に切り替えられて保持される。また、制御装置20において、通常運転の(iii)に切り替わった吸着塔3Aの脱着工程のタイマーと、吸着塔3Bの吸着工程のタイマーは、通常運転の(iii)に切り替わったタイミング(タイマー0秒のタイミング)で停止保持される。そのため、製品槽4からの製品ガスの導出は停止し、各吸着塔3A,3Bは通常運転の(ii)の工程を経過した後、吸着塔3Aは脱着工程に切り替わって運転を継続し、吸着塔3Bは吸着工程に切り替わって運転を継続する。

0046

なお、(ii)の工程は10秒未満程度で行うことができる。また、停電が発生し圧縮機1が停止すると、停電復帰で圧縮機1が再起動して原料ガス槽2への原料ガスの供給が再開されるまでに、約1分程度の時間を要する。従って、通常運転の最中である(ii)の工程で停電が発生すると、停電復帰して原料ガス槽2への原料ガスの供給が再開されるまでの間に、吸着塔3Aは脱着工程に切り替わって運転を継続し、吸着塔3Bは吸着工程に切り替わって運転を継続していることになる。

0047

停電復帰し、原料ガス槽2を介した吸着塔3Bへの原料ガスの供給が再開されると、原料ガス槽2への原料ガスの供給が再開したことを伝える信号が、外部より制御装置20に入力され、制御装置20は原料ガス槽2への原料ガスの供給が再開したと判断する。制御装置20が原料ガスの供給が再開したと判断すると、制御装置20の制御により、CV9は閉止状態から開放状態へと切り替えられる。このとき、CV1〜CV8は通常運転の(iii)の工程と同じバルブ開閉状態で保持される。これにより、停止保持していたタイマーの続きからCV1〜CV9は通常運転の(iii)の工程と同じバルブ開閉状態となる。そのため、製品槽4からの製品ガスの導出が再開され、吸着塔3Aの脱着工程と吸着塔3Bの吸着工程が、停止保持していたタイマーの続きから(タイマー0秒から)再開される。

0048

通常運転の最中である(iii)の工程で停電が発生した場合は、(i)の工程で停電が発生した場合で、吸着塔3Aと吸着塔3Bの工程が入れ替わった動作をしているだけであるため、説明を省略する。

0049

また、通常運転の最中である(iv)の工程で停電が発生した場合についても、(ii)の工程で停電が発生した場合で、吸着塔3Aと吸着塔3Bの工程が入れ替わった動作をしているだけであるため、説明を省略する。

0050

本実施形態の窒素ガス分離装置10における制御装置20の制御により実行される運転方法によれば、停電等による原料ガス供給が停止しても、停電復帰等で原料ガスの供給が再開した際に、製品ガスの窒素純度が悪化することなく、直ちに製品ガスを再供給することができる。

0051

以下に、実施例を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。

0052

すべての実施例と比較例の共通条件として、吸着塔に充填する分子篩炭素はクラレケミカル(株)製の1.5GN−Hを使用した。1リットルの分子篩炭素を充填した2本の吸着塔により構成される窒素ガス分離装置を使用し、0.70MPaGに加圧した空気を原料ガスとして、両吸着塔で吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を1サイクルとして繰り返し、窒素ガスを製品ガスとして分離した。その際の両吸着塔における1サイクル時間は126秒とした。内訳は、吸着工程に60秒、均圧工程に3秒、脱着工程に60秒および均圧工程に3秒とした。吸着工程における吸着塔の到達圧力は0.64MPaGとし、製品ガスは5L/min(製品ガスの設計窒素純度99%)で一定とした。また、通常運転の(i)の工程でタイマーが20秒を経過したタイミングで、停電による原料ガスの供給停止を発生させた。

0053

(実施例1〜3)
図1に示されるような、2本の吸着塔3A,3Bにより構成される窒素ガス分離装置10を含むシステムを使用し、制御装置20により図2に示されるようなバルブの開閉を制御し、停電が発生して原料ガスの供給が停止してから、停電復帰して原料ガスの供給が再開されるまでの時間を変更した結果を表1の実施例1〜3に示す。

0054

(比較例1)
図3は、従来技術の窒素ガス分離装置における通常運転時と停電発生時のバルブ開閉状態を示した図である。配管構成及びバルブ配置構成図1と同じ2本の吸着塔3A,3Bにより構成される窒素ガス分離装置を含むシステムを使用し、従来技術の窒素ガス分離装置に備えられる制御装置により図3に示されるようなバルブの開閉を制御し、停電が発生して原料ガスの供給が停止してから、停電復帰して原料ガスの供給が再開されるまでの時間が100秒とした結果を表1の比較例1に示す。

0055

0056

表1に示されるように、実施例2を比較例1と比較すると、実施例2では、原料ガスの供給再開後でも設計窒素ガス純度99%の製品ガスを供給することができたが、比較例1では、原料ガスの供給再開後に供給した製品ガスの窒素純度は98.3%となり、設計窒素純度である99%を確保できなかった。

実施例

0057

また、表1に示されるように、実施例1〜3で、停電が発生して原料ガスの供給が停止してから、停電復帰して原料ガスの供給が再開されるまでの時間を変更した結果、120秒までの原料ガス停止であれば、設計窒素純度99%を確保できた。

0058

本発明は、停電等による原料ガス供給の停止時間が長くなっても、停電復帰等で原料ガスの供給が再開した際に、製品ガスの製品ガス純度がほとんど悪化することなく、直ちに製品ガスを再供給することが可能なガス分離装置の運転方法および制御装置である。そのため、本発明を用いた一例としての窒素ガス分離装置は、防爆シール、金属の処理、酸化防止、製品の圧送などの技術分野において好適に利用することができる。

0059

10窒素ガス分離装置
1圧縮機
2原料ガス槽
3A、3B吸着塔
4製品槽
5パージ流量調節器
20制御装置
CV1〜CV9バルブ
L1原料ガス供給路
L1A、L1B入口ライン
L2ガス放出路
L3製品ガス排出路
L5パージガスライン
L7出口連通ライン
L8 入口連通ライン
L9 製品ガス供給路

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