JP3753115B2

JP3753115B2 - Gas adsorption / release method and apparatus

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Publication number: JP3753115B2
Application number: JP2002251545A
Authority: JP
Inventors: 信吾高雄; 博之井田
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2004089774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容器に収納された吸着物質に対して容器内の圧力を上昇又は低下させることによって、この吸着物質に対して特定気体を吸着又は放出させる気体の吸着方法、気体の放出方法、気体の吸着装置、気体の放出装置、気体の分離濃縮装置、及び酸素濃縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
純度がさほど要求されない大量の酸素を安価に製造する手法の一つとして、空気中に２０％程度含まれる酸素の濃度を増加する手法がある。この手法を採用した酸素製造装置においては、吸着物質を収納した容器内にコンプレッサーで圧縮された空気を導入し、吸着物質で空気中に大量に含まれる窒素を吸着させることによって容器内に導入された空気中の酸素濃度を相対的に増加させる。具体的には、容器内の圧力が増加すると、時間経過と共に容器内に存在する空気に含まれる窒素が大量に吸着物質に吸着する。その結果、空気中の酸素濃度が相対的に増加する。
【０００３】
この酸素濃度が増加した空気を容器外へ取出す。その後、容器内と外気と連通することにより、容器内の圧力を低下させる。すると、吸着物質に吸着された窒素が放出して容器内に戻り、その後容器外へ排気される。酸素濃度が増加した空気を再度コンプレッサーで圧縮して、容器内へ導入することにより、さらに酸素濃度を増加することができる。そして、このようにして、得られた酸素濃度が増加した空気を例えば冷却して液化酸素を製造する。
【０００４】
なお、吸着する気体の種別に応じて吸着物質の種別や物理的特性が異なる。例えば、窒素分子を効率的に吸着する吸着物質として、天然又は合成のゼオライト（沸石）が実用化されている。
【０００５】
また、この吸着物質が存在する環境（容器内）の気圧を上昇することによって、この吸着物質に特定の気体を吸着させて貯蔵でき、必要な時に、吸着物質が存在する環境（容器内）の気圧を減圧することにより、この貯蔵された特定の気体を取出すことができる気体貯蔵装置を構築することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、特定気体を効率的に吸着物質に吸着させ、吸着物質に吸着された特定気体を効率的に放出させるためには、この吸着物質が存在する環境（容器）の気圧を大きく変化させるとともに、ある程度以上の吸着時間及び放出時間が必要である。
【０００７】
上述したように、酸素製造装置で安価で効率的に高濃度の酸素を大量に製造するためには、コンプレッサーの電力料金の節減や、吸着期間（時間）及び放出期間（時間）の短縮を図る必要があった。このような課題を解消する一つの手法として、吸着物質を大量に使用することが考えられるが、吸着物質を大量に使用すると、吸着物質の材料費が上昇するとともに設備費が上昇する。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、少ない費用で、従来の吸着物質の量や材料を変更することなく、設備の維持費（ランニングコスト）を節減でき、安価で効率的に特定気体に対する吸着、放出が実施できる気体の吸着方法、気体の放出方法、気体の吸着装置、気体の放出装置、及び気体の分離濃縮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】
発明者は、上記の課題を解決するために行った検討の結果、吸着物質を収納した容器内の気体に特定の周波数域の振動を印加することによって、吸着物質に対する特定気体の吸着及び放出の促進を図ることができることを見出した。
【００１０】
そこで、本発明は、気体吸着用の多孔質体からなる吸着物質を収納した容器に、多孔質体からなる吸着物質の性状に応じて定まる吸着物質にて吸着される特性を有した特定気体又はこの特定気体を含む原気体を注入して容器内の気圧を上昇させることによって、特定気体を吸着物質に吸着させる気体の吸着方法において、容器内の特定気体又は原気体に実験的に求められた吸着促進の周波数域の振動を印加して、特定気体の前記吸着物質に対する吸着を促進する。
【００１１】
また別の発明は、上述した気体の吸着方法において、容器内の特定気体又は原気体に印加する振動の吸着促進の周波数域は、吸着物質の物理特性及び吸着させる特定気体の種別に応じて実験的に求められる。
【００１２】
また別の発明は、上述した気体の吸着方法において、容器内の特定気体又は原気体に、騒音又は機械的振動又は流体的振動として印加されている振動のうち吸着を阻害する周波数の振動を検出して、この検出した振動の位相を反転して容器内の特定気体又は原気体に印加して、吸着を阻害する振動と相殺する。
【００１３】
さらに別の発明は、気体吸着用の多孔質体からなる吸着物質を収納した容器内の気圧を低下させることによって、多孔質体からなる吸着物質に吸着された、前記多孔質体からなる吸着物質の性状に応じて定まる吸着物質にて吸着される特性を有した特定気体を放出させる気体の放出方法において、容器内の特定気体に実験的に求められた放出促進の周波数域の振動を印加して、特定気体の前記吸着物質からの放出を促進する。
【００１４】
また別の発明は、上述した気体の放出方法において、容器内の特定気体に印加する振動の放出促進の周波数域は、吸着物質の物理特性及び放出させる気体の種別に応じて実験的に求められる。
【００１５】
また別の発明は、上述した気体の放出方法において、容器内の特定気体に騒音又は機械的振動又は流体的振動として印加されている振動のうち放出を阻害する周波数の振動を検出して、この検出した振動の位相を反転して容器内の特定気体に印加して、放出を阻害する振動と相殺する。
【００１６】
このように構成された気体の吸着方法及び気体の放出方法の動作原理を説明する。
先ず、気体の吸着方法においては、吸着物質が収納された容器内の気体に予め定められた吸着促進の周波数域の例えば音波等の振動を印加することによって、この気体が、印加された振動の吸着促進の周波数に応じて吸着物質の気体を吸着する場所の表面等で流体の振動により、微細な乱れを生起する。この乱れが、吸着物質の隙間を層流となって流れる気体の各分子が吸着物質の気体を吸着する場所の表面等において捕獲（トラップ）されやすくなり、吸着が促進されると考えられる。
【００１７】
また、気体の放出方法においては、吸着物質が収納された容器内の気体に予め定められた放出促進の周波数域の例えば音波等の振動を印加することによって、一旦吸着物質に捕獲（トラップ）された分子が振動によって解放されやすくなり、放出が促進されると考えられる。
【００１８】
このように、同一の気体を同一の吸着物質に対する吸着を促進する振動の周波数域すなわち吸着促進の周波数域と、吸着物質に対する放出を促進する振動の周波数域すなわち放出促進の周波数域との２種類の周波数域が存在する。
【００１９】
このことは、気体を吸着物質に対して吸着動作期間中に放出促進の周波数域の振動が雑振動として混入した場合、吸着物質に対する吸着動作が阻害されることになる。そこで、本発明においては、この吸着を阻害する振動を検出して、この検出した振動の位相を反転して容器内の気体に印加して、吸着を阻害する振動と相殺することによって、結果的に、吸着を阻害する振動を低減でき、さらに吸着促進を図ることができる。
【００２０】
同様に、放出動作期間中に吸着促進の周波数域の振動が雑振動として混入した場合、吸着物質からの気体の放出動作が阻害されることになる。そこで、この吸着を阻害する振動を検出して、この検出した振動の位相を反転して容器内の気体に印加して、放出を阻害する振動と相殺することによって、結果的に、放出を阻害する振動を低減でき、さらに放出促進を図ることができる。
【００２１】
一般に、容器内の気体圧力の変化量を大きくすると吸着物質に対する特定気体の吸着量及び放出量は増大する。また、吸着期間（時間）及び放出期間（時間）を長くすると特定気体の吸着量及び放出量は増大する。
【００２２】
振動を印加することにより吸着又は放出が促進されることは特定気体の吸着量及び放出量が増大することを意味するので、容器内の気体圧力の変化量を小さく、かつ吸着期間（時間）及び放出期間（時間）を短縮しても、振動を印加しない状態と同程度の吸着量及び放出量を得ることが可能である。
【００２３】
したがって、容器内の気圧を加圧、減圧するためのエネルギーを小さくでき、かつ吸着期間（時間）及び放出期間（時間）を短縮でき、設備の維持費（ランニングコスト）を節減でき、安価で効率的に特定気体に対する吸着、放出を実施できる。
【００２４】
また別の発明は、気体吸着用の多孔質体からなる吸着物質を収納した容器に、多孔質体からなる吸着物質の性状に応じて定まる吸着物質にて吸着される特性を有した特定気体又はこの特定気体を含む原気体を注入して容器内の気圧を上昇させることによって、特定気体を前記吸着物質に吸着させる気体の吸着装置において、容器内の特定気体又は原気体に実験的に求められた吸着促進の周波数域の振動を印加して、特定気体の前記吸着物質に対する吸着を促進する。
【００２５】
さらに別の発明は、気体吸着用の多孔質体からなる吸着物質を収納した容器内の気圧を低下させることによって、多孔質体からなる吸着物質に吸着された、多孔質体からなる吸着物質の性状に応じて定まる吸着物質にて吸着される特性を有した特定気体を放出させる気体の放出装置において、容器内の特定気体に実験的に求められた放出促進の周波数域の振動を印加して、特定気体の吸着物質からの放出を促進するようにしている。
【００２６】
このように構成された気体の吸着装置及び気体の放出装置においても、先に説明した気体の吸着方法及び気体の放出方法とほぼ同様の作用効果を奏することが可能である。
【００２７】
さらに別の発明は、原気体に含まれる特定気体以外の気体の濃度を上昇させる気体の分離濃縮装置である。そして、この気体の分離濃縮装置は、
気体吸着放出用の多孔質体からなる吸着物質を収納した容器と、この容器内に収納された原気体中に含まれる多孔質体からなる吸着物質の性状に応じて定まる前記吸着物質にて吸着放出される特性を有した特定気体に対して指定された周波数域の振動を印加するための振動発生装置と、容器内に特定気体を含む原気体を供給する経路に設けられた供給バルブと、容器から特定気体の含有率が低下した原気体を外部装置へ取出す経路に設けられた出力バルブと、容器から特定気体の含有率が上昇した原気体を排出するための排気バルブと、記出力バルブ及び排気バルブを閉じた状態で供給バルブを介して原気体を容器内に供給してから所定の吸着期間経過後に前記出力バルブを所定の出力期間だけ開き、その後、出力バルブ及び供給バルブを閉じると共に排気バルブを所定の放出期間だけ開くバルブ制御手段と、吸着期間前記振動発生装置へ実験的に求められた吸着促進の周波数域を指定すると共に放出期間前記振動発生装置へ実験的に求められた放出促進の周波数域を指定する周波数域制御手段とを備えている。
【００２８】
このように構成された気体の分離濃縮装置においては、吸着物質を収納した容器内において供給された原気体に含まれる特定気体は吸着期間内に吸着物質に吸着される。そして、この特定気体が吸着され、特定気体以外の気体の含有率が上昇した原気体が外部装置へ取出される。その後、放出期間の間、排気バルブを開放して容器内の気圧を低下させて、吸着物質に吸着されている特定気体を放出させる。
【００２９】
この吸着期間に吸着促進の周波数域の音波が容器内に印加され、放出期間に放出促進の周波数域の音波が容器内に印加される。よって、特定気体と分離された特定気体以外の気体の濃度が上昇した原気体が得られる。
【００３０】
また、上述した振動発生装置として、スピーカ、ピエゾフィルム及びピエゾ効果を用いた振動装置、又はこれらを組み合わせた装置、あるいは共振装置を組み合わせた装置等が推奨される。
さらに、別の発明は、気体吸着用の多孔質体からなるゼオライトを収納した容器に、窒素又はこの窒素を含む空気を注入して容器内の気圧を上昇させることによって、窒素を前記ゼオライトに吸着させる気体の吸着装置において、容器内の窒素又は空気に対して実験的に求められた吸着促進の周波数域の振動を印加して、前記窒素の前記ゼオライトに対する吸着を促進する。
さらに、別の発明は、気体吸着用の多孔質体からなるゼオライトを収納した容器内の気圧を低下させることによって、ゼオライトに吸着された窒素を放出させる気体の放出装置において、容器内の窒素に対して実験的に求められた放出促進の周波数域の振動を印加して、窒素のゼオライトからの放出を促進する。
さらに、別の発明は、空気中に２０％程度含まれる酸素の濃度を増加する酸素濃縮装置である。そして、この酸素濃縮装置は、
気体吸着放出用の多孔質体からなるゼオライトを収納した容器と、この容器内に収納された酸素と窒素とを含む空気に対して指定された周波数域の振動を印加するための振動発生装置と、容器内に空気を供給する経路に設けられた供給バルブと、容器から窒素の含有率が低下し酸素の含有率が上昇した空気を酸素使用設備へ取出す経路に設けられた出力バルブと、容器から窒素の含有率が上昇した空気を大気中へ排出するための排気バルブと、出力バルブ及び排気バルブを閉じた状態で供給バルブを介して空気を容器内に供給してから所定の吸着期間経過後に出力バルブを所定の出力期間だけ開き、その後、出力バルブ及び供給バルブを閉じると共に排気バルブを所定の放出期間だけ開くバルブ制御手段と、吸着期間振動発生装置へ実験的に求められた窒素に対する吸着促進の周波数域を指定すると共に放出期間前記振動発生装置へ実験的に求められた窒素に対する放出促進の周波数域を指定する周波数域制御手段とを備えている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の気体の吸着方法及び気体の放出方法が適用された第１実施形態の気体の分離濃縮装置の概略構成を示す模式図である。この第１実施形態の気体の分離濃縮装置においては、原気体としての空気中に存在する特定気体としての窒素を吸着物質に吸着させることによって、結果的に酸素の含有率が高い空気を取出して、例えば液体酸素製造装置等の酸素使用設備へ供給する。
【００３２】
図１において、コンプレッサー１は大気中の空気ａを取込んで例えば４０ｋPaまで圧縮して、供給導管２及び供給バルブ３を介して円筒形状の容器４へ供給する。コンプレッサー１から供給される空気ａの圧力は例えば４０ｋPaに維持されている。高圧に耐える容器４内には、吸着物質５が複数層に亘って収納されている。この実施形態装置においては、特定気体としての空気中の窒素（窒素分子Ｎ₂）を主に吸着するゼオライト（沸石）を吸着物質５として採用している。
【００３３】
この容器４内における上方位置に振動発生装置の一種である音響装置としてのスピーカ６が配設されている。このスピーカ６の下面と上面とを同一気圧に維持してスピーカ６の破損を防止するために、スピーカ６の下面と上面とを連通する連通管７が設けられている。
【００３４】
容器４の側壁の上部位置に導管８の一端が取付けられ、導管８の他端は、酸素使用設備１２に接続された出力管９と、窒素使用設備４６に接続された排気管１０ａと、大気に連通する排気管１０ｂとに分岐されている。出力管９には出力バルブ１１が取付けられ、排気管１０ａには排気バルブ１３ａが取付けられ、他方の排気管１０ｂには排気バルブ１３ｂが取付けられている。
【００３５】
そして、供給バルブ３（Ｖ₁）、排気バルブ１３ａ（Ｖ₂）、排気バルブ１３ｂ（Ｖ₄）、出力バルブ１１（Ｖ₃）は、それぞれ電磁バルブで構成されており、各バルブ３、１３ａ、１３ｂ、１１の開閉はバルブ開閉駆動部１４で一括して制御される。各バルブ３、１３ａ、１３ｂ、１１は通電されたときのみ開き、通電されない状態では閉鎖状態を維持する。また、コンプレッサー１は、コンプレッサー駆動部１５からの駆動信号にて駆動制御される。
【００３６】
信号発生器１６は、コンピュータからなる制御装置１７からの指示に基づいて、吸着促進の周波数域内の一つの周波数Ｆ₁である１ｋHzの信号、又は放出促進の周波数域内の一つの周波数Ｆ₂である３００Hzの信号を生成して、増幅器１８へ送出する。なお、吸着促進の１ｋHzの周波数Ｆ₁及び放出促進の３００Hzの周波数Ｆ₂は実験的に求めた値である。増幅器１８は、入力された各信号を増幅してそれぞれ音波信号として、スピーカ６へ印加する。スピーカ６は、印加された１ｋHzの音波信号又は３００Hzの音波信号を、それぞれ、１ｋHzの振動としての音波又は３００Hzの振動としての音波として出力する。
【００３７】
前記コンピュータからなる制御装置１７は、信号発生器１６へ周波数Ｆ₁、Ｆ₂の出力指示を送出するとともに、バルブ開閉駆動部１４へ各バルブ３、１３ａ、１３ｂ、１１に対する開閉信号を送出する。さらに、制御装置１７はコンプレッサー駆動部１５を介してコンプレッサー１を運転制御する。
【００３８】
そして、制御装置１７は、図２に示すタイムチャートに従って、各バルブ３、１３ａ、１３ｂ、１１を開閉制御し、容器４内に印加する音波の印加タイミング及び音波の周波数を制御する。
【００３９】
制御装置１７は、電源投入されると、コンプレッサー駆動部１５を介してコンプレッサー１を起動して、コンプレッサー１から供給管２へ供給される空気ａの圧力を例えば４０ｋPaに維持させておく。この状態においては、各バルブ３、１３ａ、１３ｂ、１１は閉鎖状態を維持している。また、この状態においては、容器４内の圧力は大気圧（＝９．８ｋPa）である。
【００４０】
空気ａの圧力が４０ｋPaに維持された状態において、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までの期間Ｔ₁だけ供給バルブ３を開放する。その結果、４０ｋPaの空気ａが容器４内に充填され、容器４内の圧力は９．８ｋPaから４０ｋPaの初期圧力まで上昇する。また、時刻ｔ₁から時刻ｔ₃までの吸着期間Ｔ₂だけ、信号発生器１６を駆動して、吸着促進の周波数Ｆ₁（＝１ｋHz）の音波を容器４内の気体（空気）に印加する。したがって、この吸着期間Ｔ₂に容器４内の空気ａに含まれる窒素（窒素分子）の一部がゼオライト（沸石）からなる吸着物質５に吸着される。この結果、容器４内の空気ａに含まれる窒素の含有率が低下するので、相対的に容器４内の空気ａに含まれる酸素の含有率が上昇する。
【００４１】
吸着期間Ｔ₂が終了した時刻ｔ₃から時刻ｔ₄までの出力期間Ｔ₃だけ出力バルブ１１を開放する。その結果、酸素の含有率が高い空気、すなわち酸素濃縮された空気が出力管９を介して、酸素使用設備１２へ出力される。
【００４２】
次に、出力期間Ｔ₃が終了した時刻ｔ₄から時刻ｔ₅まで排気バルブ１３ａを開放して、容器４内と低圧状態の窒素使用設備４６内とを連通させ、容器４内の気圧を低下させる。さらに、出力期間Ｔ₃が終了した時刻ｔ₄から時刻ｔ₅までの放出期間Ｔ₄だけ信号発生器１６を駆動して、放出促進の周波数Ｆ₂（＝３００Hz）の音波を容器４内の気体（空気）に印加する。したがって、この放出期間Ｔ₄に容器４内の吸着物質５に吸着された状態の特定気体である窒素（窒素分子）が放出されて、排気バルブ１３ａを介して窒素使用設備４６内へ出力（排気）される。
【００４３】
放出期間Ｔ₄が終了した時刻ｔ₅から時刻ｔ₆までの期間Ｔ₅だけ、排気バルブ１３ｂ及び供給バルブ３を開放して、高圧の空気ａを容器４内へ供給して、この容器４内に残留している吸着物質５から放出された窒素を大量に含む空気を排気バルブ１３ｂを介して大気へ排気する。
【００４４】
以上で、容器４への空気取込から、酸素濃縮された空気の取出し、分離された窒素の取出し、及び残留空気の排出に至る一つのシーケンス処理が終了したので、時刻ｔ₇以降、次のシーケンス処理を実施する。
【００４５】
このように構成された第１実施形態の気体の分離濃縮装置においては、吸着物質５を収納した容器４内においてコンプレッサー１から供給バルブ３を介して供給された高圧の空気に含まれる特定気体である窒素の一部は吸着期間Ｔ₂内に吸着物質５に吸着される。この吸着期間Ｔ₂において吸着促進の周波数Ｆ₁（＝１kHz）の音波が印加されているので、より大量の窒素が吸着物質５に吸着される。
【００４６】
そして、この窒素の一部が吸着され、窒素以外の気体である酸素の含有率が上昇した空気が出力バルブ１１を介して酸素使用設備１２へ送出される。
【００４７】
その後、放出期間Ｔ₄の間、排気バルブ１３ａが開放され、容器４内の気圧が低下するので、吸着物質５に吸着されている窒素が放出して容器４外の窒素使用設備４６へ排出される。この放出期間Ｔ₄内に放出促進の周波数Ｆ₂（＝３００Hz）の音波が印加されているので、より大量の窒素が吸着物質５から放出される。
【００４８】
（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係わる気体の分離濃縮装置の概略構成を示す模式図である。図１に示すの第１実施形態の気体の分離濃縮装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００４９】
この第２実施形態の気体の分離濃縮装置においては、容器４内には、吸着促進又は放出促進のための振動としての音波を印加するためのスピーカ６の他に、吸着阻害又は放出阻害の音波を相殺するため振動としての音波を印加するためのスピーカ２５が設けられている。
【００５０】
さらに、吸着物質５が収納された容器４の内壁にこの容器４の気体に印加されている騒音を含めた広い周波数領域を有する振動としての音波を検出するマイク２０が取付けられている。このマイク２０で検出された広い周波数領域を有する音信号は信号抽出器２２へ入力される。
【００５１】
この信号抽出器２２は、入力された音信号のうちのコンピュータからなる制御装置１７ａから指定された、吸着を阻害する音波の周波数Ｆ₂（＝３００Hz）、又は放出を阻害する音波の周波数Ｆ₁（＝１ｋHz）を有する信号成分を阻害信号として抽出して、次の位相反転部２３へ送出する。位相反転部２３は、入力された阻害信号の位相を１８０°反転して増幅器２４へ送出する。
【００５２】
増幅器２４は、入力された位相反転された阻害信号の信号レベルをマイク２０で検出された阻害信号の信号レベルに調整して、スピーカ２５へ送出する。スピーカ２５は、入力された位相反転された阻害信号を音波に変換して、容器４内へ印加する。
その結果、容器４内の存在している阻害音は、スピーカ２５から印加された１８０°位相反転された阻害音と相殺される。
【００５３】
そして、制御部１７ａは、第１実施形態の気体の分離濃縮装置における制御装置１７と同様に、図２に示すタイムチャートに従って、各バルブ３、１３ａ、１３ｂ、１１を開閉制御し、信号発生器１６及びスピーカ６を用いて容器４内に印加する音波の印加タイミング及び音波の周波数を制御する。
【００５４】
さらに、この第２実施形態の気体の分離濃縮装置における制御装置１７ａは、図２のタイムチャートにおける時刻ｔ₁から時刻ｔ₃までの窒素を吸着物質５に吸着させている吸着期間Ｔ₂において、吸着を阻害する音波の周波数Ｆ₂（＝３００Hz）を信号抽出部２２へ印加する。したがって、この吸着期間Ｔ₂において容器４内の空気に雑音として印加されている吸着を阻害する音波は相殺されて、そのレベルは大幅に低下する。よって、吸着期間Ｔ₂において、窒素が吸着物質５により効率的に吸着される。
【００５５】
さらに、制御装置１７ａは、図２のタイムチャートにおける時刻ｔ₄から時刻ｔ₅までの窒素を吸着物質５から放出させている放出期間Ｔ₄において、放出を阻害する音波の周波数Ｆ₁（＝１ｋHz）を信号抽出部２２へ印加する。したがって、この放出期間Ｔ₄において容器４内の空気に雑音として印加されている放出を阻害する音波は相殺されて、そのレベルは大幅に低下する。よって、放出期間Ｔ₄において、窒素が吸着物質５からより効率的に放出される。
【００５６】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係わる気体の分離濃縮装置の概略構成を示す模式図である。図１に示す第１実施形態の気体の分離濃縮装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５７】
この第３実施形態の気体の分離濃縮装置においては、容器４内には、吸着促進又は放出促進のための音波を印加するためのスピーカ６の代わりに、複数層に亘って収納された各吸着物質５の隣接位置に、それぞれピエゾフィルム４５が配設されている。各ピエゾフィルム４５には、第１実施形態の気体の分離濃縮装置と同様に、信号発生器１６から、吸着促進の周波数Ｆ₁である１ｋHzの信号、又は放出促進の周波数Ｆ₂である３００Hzの信号が、増幅器４６で増幅されて印加される。
【００５８】
各ピエゾフィルム４５は、信号が印加されると、信号が有する周波数で振動するので、吸着促進の周波数Ｆ₁（＝１ｋHz）の振動、又は放出促進の周波数Ｆ₂（＝３００Hz）の振動を容器４内の気体（空気）に印加する。各振動を印加する期間（タイミング）は、図１に示すの第１実施形態の気体の分離濃縮装置と同じである。
【００５９】
したがって、図１に示す第１実施形態の気体の分離濃縮装置とほぼ同様の作用効果を奏することが可能である。
【００６０】
なお、本発明は上述した第１、第２、第３実施形態に限定するものではない。第１、第２、第３実施形態の気体の分離濃縮装置においては、特定気体としての窒素を吸収物質５に吸着させる気体の吸着装置と、特定気体としての窒素を吸収物質５から放出させる気体の放出装置とを１台の気体の分離濃縮装置に組込んだが、気体の吸着装置と気体の放出装置とを個別の装置として分離することも可能である。
【００６１】
さらに、第１、第２、第３実施形態の気体の分離濃縮装置においては、特定気体として窒素を採用し、吸収物質５としてゼオライトを採用したが、特にこの組合せに限定されることはない。吸着目標の特定気体が定まれば、この特定気体を吸着する物理的特性を有した吸着物質５を採用すればよい。この場合、吸着を促進する音波（振動）の周波数Ｆ₁、及び放出を促進する音波（振動）の周波数Ｆ₂を実験的に求めればよい。
【００６２】
例えば、二酸化炭素（ＣＯ₂）やメタンに対しては吸着物質として活性炭を採用し、水や水素（Ｈ₂）に対してはゼオライト以外の吸着物質としてシリカゲルやカーボンナノチューブや水素吸着金属粉末等を採用すればよい。
【００６３】
さらに、第１、第２、第３実施形態の気体の分離濃縮装置においては、特定気体として窒素を採用し、原気体として空気を採用した。しかし、原気体として、高炉ガス、コークス炉ガス等の排ガスを採用し、この排ガスから、水素（Ｈ₂）、炭酸ガス（ＣＯ₂）、アルコール分等の回収（濃縮）を図ることができる。
【００６４】
（確認試験）
発明者は、上述した各実施形態の効果を確認するために、図５に示す実験装置を用いて、吸着物質に対する気体の吸着実験、及び吸着物質からの気体の放出実験を実施した。
【００６５】
この実験装置においては、ゼオライトからなる吸着物質３１を収納した容器３２内の上部位置に振動ととしての音波を与えるためのスピーカ３３が取付けられている。このスピーカ３３は発振器３４から増幅器３５を介して入力された音波信号を音波に変換して容器３２内の気体（窒素Ｎ₂単体又は窒素を含有する空気）に振動を印加する。さらに、吸着物質３１を収納しないサブタンク３５及び高圧の窒素又は空気が充填されたガスボンベ３６が設けられている。
【００６６】
ガスボンベ３６から窒素単体又は窒素を含有する空気が減圧弁３７で減圧されて、バルブ３８を介してサブタンク３５へ供給され、サブタンク３５からバルブ３９を介して容器３２へ供給される。容器３２内の窒素単体又は窒素を含有する空気はバルブ３９、４０を介して大気中に排気される。容器３２内及びサブタンク３５内の圧力はそれぞれ圧力計４１、４２で測定される。さらに、容器３２内及びサブタンク３５内の温度はそれぞれ温度計４３、４４で測定される。
【００６７】
このような構成の試験装置において、次の測定条件で容器３２内における気体（窒素）の吸着物質３１（ゼオライト）に対する吸着量及び放出量の計時変化の測定を実施した。
【００６８】
被吸着気体（ガスボンベに充填）…純度９９．９９％の窒素、空気中の窒素
印加音波の周波数…印加無し、２０Hz、３００Hz、１ｋHz、２０ｋHz
目標初期圧力…１８ｋPa、３０ｋPa、４８ｋPa、６０ｋPa
吸着物質の充填率…８０％（体積比）
吸着測定時間…４０分（２４００秒）
放出測定時間…２０分（１２００秒）
そして、上述した測定条件毎に次の手順で測定を実施した。
【００６９】
（１）各バルブ３８、３９、４０を閉じる
（２）ガスボンベ３６の減圧弁３７を一つの測定条件の圧力に設定
（３）バルブ３８を開けて被吸着気体（窒素又は空気）をガスボンベ３６からサブタンク３５に導入
（４）サブタンク３８内の圧力が安定したことの確認後バルブ３８を閉じる
（５）発振器３４を起動して、測定条件の周波数の音波の印加を開始する
（６）容器３２内の圧力、及び温度の計測を開始する
（７）バルブ３９を５秒間開放して、容器３２内に被吸着気体（窒素又は空気）を供給した後、バルブ３９を閉じる
（８）吸着試験験時間（２４００秒）の終了後、各バルブ３９、４０を開放して容器３２及びサブタンク３５内の圧力を大気圧まで低下させる
（９）放出試験時間（１２００秒）経過後、各バルブ３９、４０を閉鎖する
（１０）音波の印加を停止する。
【００７０】
次に、測定された容器３２内の圧力Ｐから吸着物質３１に吸着された被吸着気体（窒素）の吸着量Ｑの算出方法を説明する。密閉された容器３２内で窒素が吸着されると、容器３２内の圧力Ｐが吸着量Ｑに対応する分だけ低下するので、その圧力低下分から吸着量Ｑを算出することが可能である。吸着開始時点（時間ｔ＝０）の圧力（初期圧力）をＰ（０）、時間ｔ経過後の圧力をＰ（ｔ）とすると、時間ｔ経過後の吸着量Ｑ（ｔ）は下式で示される。
【００７１】
Ｑ（ｔ）＝［Ｐ（０）―Ｐ（ｔ）］ｖ／ＲＴ mol
となる。ここで、ｖ：被吸着気体の容積、Ｒ：気体定数(=8.3143J／(K・mol))、Ｔ：温度である。
【００７２】
以下、測定結果を図面を用いて説明する。
図６は、初期圧力Ｐ（０）が約４８ｋPa、吸着物質３１の容器３２に対する充填率が８０％における印加振動（音波）の印加周波数条件（印加無し、２０Hz、３００Hz、１ｋHz、２０ｋHz）をパラメータとした、吸着時の容器３２内の圧力Ｐ（ｔ）の期間変化を示す図である。印加無しを含めて何れの印加周波数条件においても、吸着開始直後から約１０秒間は圧力が大きく減少し、それ以降は、ほぼ一定の割合で減少する。図７は、図６の吸着直後から２００秒間を拡大したグラフである。
【００７３】
この圧力低下分から、前述した変換式を用いて算出した窒素の吸着量Ｑ（ｔ）の時間変化特性を図８及び図９に示す。この吸着量Ｑ（ｔ）の時間変化特性でも理解できるように、吸着開始直後は、非常に吸着量Ｑが大きいが、約２０秒経過以降は、ほぼ一定の割合で増加している。
【００７４】
表１に単位時間当たりの吸着量（吸着速度）の推移を示す。
【００７５】
【表１】

【００７６】
この表１からも理解できるように、例えば、振動（音波）を印加しない場合、吸着開始後１０秒経過した時点では単位時間当たりの吸着量Ｑは4.14×10^-2cc/sec/ccであるのに対し、1800〜2400秒経過した時点では単位時間当たりの吸着量Ｑは4.07×10^-4cc/sec/ccと2桁低下する。印加する振動（音波）の周波数に関しては、２０Hz、３００0Hzの低い周波数域では吸着量を減少させる効果を、１ｋHz、２０ｋHzの高い周波数域では吸着量を増加させる効果を示している。
【００７７】
容器３２に最初に供給する被吸収気体（窒素）の初期圧力Ｐ（０）を１８ｋPa、３０ｋPa、４８ｋPa、６０ｋPaに変更した場合における各吸着量Ｑを計測した結果を図１０に示す。この図１０においては、最も吸着を促進する効果のある周波数Ｆ₁（＝１ｋHz）の振動（音波）を印加した場合と、最も吸着を抑制する効果のある周波数Ｆ₂（＝３００Hz）の振動（音波）を印加した場合とを、振動（音波）を印加しない場合と共に示す。
【００７８】
図１１は、吸着終了後に、バルブ４０を開放して、容器３２及びサブタンク３５内の圧力を大気圧まで低下させる放出期間において、吸着物質３１から放出された被吸収気体（窒素）の積算放出量の測定された時間変化を示す図である。この図でも理解できるように、周波数Ｆ₂（＝３００Hz）の振動（音波）を印加した場合は、振動（音波）を印加しない場合に比較して、被吸収気体（窒素）を吸着物質３１から放出させる効果を３倍以上に大きく促進できることが確認できた。
【００７９】
図６〜図１１は容器３１内に窒素のみを供給した場合の実験結果であるが、多成分系である空気の場合について、吸着実験を実施し、空気中の窒素の吸着量を計測した。その結果を窒素のみを供給した場合の実験結果との対比で図１２に示す。
【００８０】
すなわち、図１２は容器３２内の気体（窒素単体、又は空気）に印加する振動（音波）の周波数と窒素の吸着量との関係を示す図である。窒素単体の場合、２０Hz、３００Hzの低周波数の振動（音波）の印加により窒素の吸着量が減少し、１ｋHz、２０ｋHzの低周波数の振動（音波）の印加により窒素の吸着量が増加することが確認できる。多成分系である空気の場合においても、窒素のみの単一成分と同様の傾向を示していることが確認できる。
【００８１】
このように、単体又は空気中に含まれる被吸収気体（窒素）を吸着物質３１に吸着させる吸着期間に、吸着を促進する周波数Ｆ₁（＝１ｋHz）の振動（音波）を容器３２内の気体に印加することにより吸着を促進でき、被吸収気体（窒素）を吸着物質３１から放出させる放出期間に、放出を促進する周波数Ｆ₂（＝３００Hz）の振動（音波）を容器３２内の気体に印加することにより放出を促進できることが確認できた。
【００８２】
図１３は、容器３２内の圧力Ｐと吸着量Ｑとの関係を示す図である。中央の実線で示す吸着量特性Ｙ₁が振動（音波）を印加しない条件を示し、上側の破線で示す吸着量特性Ｙ₂が吸着を促進する周波数Ｆ₁（＝１ｋHz）の振動（音波）を印加した条件を示し、下側の一点鎖線で示す吸着量特性Ｙ₃が放出を促進する周波数Ｆ₂（＝３００Hz）の振動（音波）を印加した条件を示す。容器３２内における大気圧Ｐ₀から規定量の吸着量Ｑ_Sを得るために必要な圧力上昇量を、振動（音波）を印加しない条件の圧力上昇量（Ｐ_S―Ｐ₀）に比較して、周波数Ｆ₁（＝１ｋHz）の振動（音波）を印加した条件の圧力上昇量（Ｐ_A―Ｐ₀）まで大幅に抑制できる。
【００８３】
同様に、容器３２内における規定量の放出量を得るために必要な圧力降下量を、振動（音波）を印加しない条件の圧力降下量に比較して、周波数Ｆ₂（＝３００ｋHz）の振動（音波）を印加した条件の圧力降下量まで大幅に抑制できる。
【００８４】
したがって、容器３２の必要な圧力変化量を小さくできるので、例えば図１、図３におけるコンプレッサー１の電力消費量を大幅に節減できる。発明者の試算では、振動（音波）を印加しない場合の初期圧力２０、４０、６０ｋPaを、振動（音波）を印加する場合に必要な場合の初期圧力１３、３３、５４ｋPaまで低下でき、電力消費量は、それぞれ、５４、２１、１１％低減できる。
また、初期圧力２０、４０、６０ｋPaを変更しない場合は、得られる吸着量をそれぞれ、３３、１５、９％増加できる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の気体の吸着方法、気体の放出方法、気体の吸着装置、気体の放出装置、及び気体の分離濃縮装置においては、少ない費用で、従来の吸着物質の量や材料を変更することなく、設備の維持費（ランニングコスト）を節減でき、安価で効率的に特定気体に対する吸着、放出が実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気体の吸着方法及び気体の放出方法が適用された第１実施形態に係わる気体の分離濃縮装置の概略構成を示す模式図
【図２】同第１実施形態の気体の分離濃縮装置の動作を示すタイムチャート
【図３】本発明の第２実施形態に係わる気体の分離濃縮装置の概略構成を示す模式図
【図４】本発明の第３実施形態に係わる気体の分離濃縮装置の概略構成を示す模式図
【図５】本発明の効果を確認するための試験装置の概略構成を示す模式図
【図６】容器内の圧力の時間変化を実験的に求めた図
【図７】図６の要部を拡大して示す図
【図８】窒素の吸着量の時間変化を実験的に求めた図
【図９】図８の要部を拡大して示す図
【図１０】窒素の吸着量と初期圧力との関係を実験的に求めた図
【図１１】窒素の放出量の時間変化を実験的に求めた図
【図１２】窒素の吸着量と印加された振動（音波）の周波数との関係を実験的に求めた図
【図１３】容器３２内の圧力Ｐと吸着量Ｑとの関係を示す図
【符号の説明】
１…コンプレッサー
２…供給管
３…供給バルブ
４…容器
５…吸着物質
６、２５…スピーカ
７…連通管
９…出力管
１０ａ、１０ｂ…排気管
１１…出力管
１２…酸素使用設備
１３ａ、１３ｂ…排気バルブ
１４…バルブ開閉駆動部
１５…コンプレッサー駆動部
１６…信号発生部
１７、１７ａ…制御部
２０…マイク
２２…信号抽出部
２３…位相反転部
４５…ピエゾフィルム
４６…窒素使用設備[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a gas adsorption method, a gas release method, a gas, and the like, in which a specific gas is adsorbed or released from the adsorbent by increasing or decreasing the pressure in the container with respect to the adsorbent contained in the container. Adsorption device, gas discharge device, gas separation and concentration deviceAnd oxygen concentratorAbout.
[0002]
[Prior art]
One technique for inexpensively producing a large amount of oxygen that is not so required for purity is a technique for increasing the concentration of oxygen contained in air by about 20%. In an oxygen production apparatus that employs this technique, air compressed by a compressor is introduced into a container containing an adsorbent substance, and nitrogen contained in a large amount in the air is adsorbed by the adsorbent substance. Relatively increase the oxygen concentration in the air. Specifically, when the pressure in the container increases, a large amount of nitrogen contained in the air existing in the container is adsorbed on the adsorbing material with time. As a result, the oxygen concentration in the air relatively increases.
[0003]
The air with increased oxygen concentration is taken out of the container. Thereafter, the pressure in the container is reduced by communicating with the outside air in the container. Then, nitrogen adsorbed by the adsorbing material is released and returned to the container, and then exhausted out of the container. The oxygen concentration can be further increased by compressing the air with the increased oxygen concentration again with a compressor and introducing it into the container. In this way, the obtained air having an increased oxygen concentration is cooled, for example, to produce liquefied oxygen.
[0004]
Note that the type and physical characteristics of the adsorbed material differ depending on the type of gas to be adsorbed. For example, natural or synthetic zeolite (zeolite) has been put to practical use as an adsorbent that efficiently adsorbs nitrogen molecules.
[0005]
Also, by increasing the atmospheric pressure in the environment (inside the container) where this adsorbent exists, it is possible to adsorb and store a specific gas on this adsorbent, and when necessary, the environment (in the container) where the adsorbent is present By reducing the atmospheric pressure, a gas storage device that can take out the stored specific gas can be constructed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, in order to efficiently adsorb the specific gas to the adsorbent and efficiently release the specific gas adsorbed to the adsorbent, the atmospheric pressure of the environment (container) in which the adsorbent exists is set. While changing greatly, the adsorption time and discharge | release time of a certain amount or more are required.
[0007]
As described above, in order to produce a large amount of high-concentration oxygen inexpensively and efficiently with an oxygen production apparatus, the power charge of the compressor is reduced, and the adsorption period (time) and the discharge period (time) are shortened. There was a need. As one method for solving such a problem, it is conceivable to use a large amount of the adsorbing substance. However, if a large amount of the adsorbing substance is used, the material cost of the adsorbing substance increases and the equipment cost increases.
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances, and can reduce the maintenance cost (running cost) of equipment without changing the amount and materials of conventional adsorbents at low cost, and is inexpensive and efficient. It is another object of the present invention to provide a gas adsorption method, a gas release method, a gas adsorption device, a gas release device, and a gas separation / concentration device that can perform adsorption and release on a specific gas.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of studies conducted to solve the above problems, the inventor applied adsorption and release of a specific gas to and from the adsorbed material by applying vibrations in a specific frequency range to the gas in the container containing the adsorbed material. I found out that it can be promoted.
[0010]
  Therefore, the present invention providesMade of porous material for gas adsorptionIn the container containing the adsorbent,It had the property of being adsorbed by an adsorbent that was determined according to the properties of the adsorbent made of porous material.In a gas adsorption method for adsorbing a specific gas to an adsorbent by injecting a specific gas or a raw gas containing the specific gas to increase the atmospheric pressure in the container, the specific gas or raw gas in the containerSought experimentallyBy applying vibration in the frequency range for promoting adsorption, adsorption of the specific gas to the adsorbing substance is promoted.
[0011]
  According to another invention, in the gas adsorption method described above, the frequency range of vibration promotion applied to the specific gas or the raw gas in the container depends on the physical characteristics of the adsorbed substance and the type of the specific gas to be adsorbed.Required experimentally.
[0012]
According to another aspect of the present invention, in the gas adsorption method described above, vibration of a frequency that inhibits adsorption is detected from vibrations applied as noise, mechanical vibration, or fluid vibration to the specific gas or raw gas in the container. Then, the phase of the detected vibration is reversed and applied to the specific gas or raw gas in the container to cancel the vibration that inhibits the adsorption.
[0013]
  Yet another invention is:Made of porous material for gas adsorptionBy reducing the pressure in the container containing the adsorbent,Made of porous materialAdsorbed by the adsorbent,It had the property of being adsorbed by an adsorbent material determined according to the properties of the adsorbent material comprising the porous body.In the gas release method for releasing a specific gas, the specific gas in the containerSought experimentallyA vibration in a frequency region for promoting the release is applied to promote the release of the specific gas from the adsorbed material.
[0014]
  According to another aspect of the present invention, in the gas discharge method described above, the frequency range of vibration release promotion applied to the specific gas in the container depends on the physical characteristics of the adsorbed substance and the type of gas to be released.Required experimentally.
[0015]
According to another invention, in the gas discharge method described above, a vibration having a frequency that inhibits the discharge is detected from vibrations applied to the specific gas in the container as noise, mechanical vibration, or fluid vibration. The phase of the detected vibration is reversed and applied to a specific gas in the container to cancel out the vibration that inhibits the release.
[0016]
The operation principle of the gas adsorption method and the gas release method configured as described above will be described.
First, in the gas adsorption method, by applying a vibration such as a sound wave in a predetermined frequency range for promoting adsorption to the gas in the container in which the adsorbed substance is stored, Depending on the frequency of adsorption promotion, minute disturbance is caused by vibration of the fluid on the surface of the place where the gas of the adsorbed material is adsorbed. It is considered that this disturbance is likely to be captured (trapped) on the surface of the place where the gas of the adsorbing material adsorbs the gas molecules flowing in a laminar flow through the gap between the adsorbing materials, and the adsorption is promoted.
[0017]
In addition, in the gas release method, by applying a vibration such as a sound wave in a predetermined frequency range for promoting release to the gas in the container in which the adsorbent is stored, the gas is once captured (trapped). It is thought that the released molecules are easily released by vibration and the release is promoted.
[0018]
As described above, there are two types, namely, a frequency range of vibration that promotes adsorption of the same gas to the same adsorbent, that is, a frequency range of acceleration, and a frequency range of vibration that promotes release of the adsorbed substance, that is, a frequency range of promotion of emission There is a frequency range.
[0019]
This means that the adsorption operation for the adsorbing substance is hindered when the vibration in the frequency region for promoting the release of the gas is adsorbed to the adsorbing substance during the operation period. Therefore, in the present invention, the vibration that inhibits the adsorption is detected, and the phase of the detected vibration is reversed and applied to the gas in the container to cancel the vibration that inhibits the adsorption. In addition, vibration that inhibits adsorption can be reduced, and adsorption can be further promoted.
[0020]
Similarly, when the vibration in the frequency region for promoting adsorption is mixed as miscellaneous vibration during the discharging operation period, the discharging operation of the gas from the adsorbed substance is hindered. Therefore, the vibration that inhibits this adsorption is detected, and the phase of the detected vibration is reversed and applied to the gas in the container to cancel the vibration that inhibits the release, thereby inhibiting the release. Vibration can be reduced, and emission can be further promoted.
[0021]
In general, when the amount of change in gas pressure in the container is increased, the amount of adsorption and release of the specific gas with respect to the adsorbed material increases. Further, when the adsorption period (time) and the discharge period (time) are lengthened, the adsorption amount and the discharge amount of the specific gas increase.
[0022]
The fact that adsorption or release is promoted by applying vibration means that the amount of adsorption and release of the specific gas is increased, so that the amount of change in the gas pressure in the container is reduced, and the adsorption period (hour) and Even if the release period (time) is shortened, it is possible to obtain the same amount of adsorption and release as when no vibration is applied.
[0023]
Therefore, the energy for pressurizing and depressurizing the pressure inside the container can be reduced, the adsorption period (time) and the discharge period (time) can be shortened, and the maintenance cost (running cost) of the equipment can be reduced, and it is inexpensive and efficient. In particular, adsorption and release for a specific gas can be performed.
[0024]
  Another invention is:Made of porous material for gas adsorptionIn the container containing the adsorbent,It had the property of being adsorbed by an adsorbent that was determined according to the properties of the adsorbent made of porous material.In a gas adsorption device that adsorbs a specific gas to the adsorbent by injecting a specific gas or a raw gas containing the specific gas to increase the atmospheric pressure in the container, the specific gas or raw gas in the containerSought experimentallyBy applying vibration in the frequency range for promoting adsorption, adsorption of the specific gas to the adsorbing substance is promoted.
[0025]
  Yet another invention is:Made of porous material for gas adsorptionBy reducing the pressure in the container containing the adsorbent,Made of porous materialAdsorbed by the adsorbent,It had the property of being adsorbed by an adsorbent that was determined according to the properties of the adsorbent made of porous material.In a gas discharge device that discharges a specific gas, the specific gas in the containerSought experimentallyBy applying a vibration in the frequency region for promoting the release, the release of the specific gas from the adsorbent is promoted.
[0026]
The gas adsorbing device and the gas releasing device configured as described above can exhibit substantially the same effects as the gas adsorbing method and the gas releasing method described above.
[0027]
  Yet another invention is a gas separation and concentration device that increases the concentration of a gas other than a specific gas contained in a raw gas. And this gas separation and concentration device is
  Made of porous material for gas adsorption and releaseIncluded in the container containing the adsorbed material and the raw gas stored in this containerAdsorbed and released by the adsorbing material determined according to the properties of the adsorbing material made of a porous materialA vibration generator for applying vibration in a specified frequency range to a specific gas, a supply valve provided in a path for supplying a raw gas containing the specific gas in the container, and a content ratio of the specific gas from the container The output valve provided in the path for taking out the raw gas with reduced gas to the external device, the exhaust valve for discharging the raw gas whose specific gas content has increased from the container, and the output valve and the exhaust valve are closed After the raw gas is supplied into the container through the supply valve, the output valve is opened for a predetermined output period after a predetermined adsorption period, and then the output valve and the supply valve are closed and the exhaust valve is opened for a predetermined discharge period. Valve control means that only opens, and the adsorption period to the vibration generatorSought experimentallySpecify the frequency range of adsorption promotion and release period to the vibration generatorSought experimentallyFrequency range control means for designating a frequency range for promoting emission.
[0028]
In the gas separation and concentration apparatus configured as described above, the specific gas contained in the raw gas supplied in the container containing the adsorbing substance is adsorbed by the adsorbing substance within the adsorption period. And this specific gas is adsorb | sucked and the raw | natural gas which the content rate of gas other than specific gas rose is taken out to an external device. Thereafter, during the release period, the exhaust valve is opened to lower the atmospheric pressure in the container, and the specific gas adsorbed by the adsorbent is released.
[0029]
During this adsorption period, a sound wave in the frequency region for promoting adsorption is applied to the container, and a sound wave in the frequency region for promoting release is applied to the container in the discharge period. Therefore, the raw gas in which the concentration of the gas other than the specific gas separated from the specific gas is increased can be obtained.
[0030]
  Moreover, as the vibration generator described above,SpeakerA vibration device using a piezo film and a piezo effect, a device combining these, or a device combining resonance devices is recommended.
  In another invention, nitrogen is adsorbed onto the zeolite by injecting nitrogen or air containing nitrogen into a container containing a zeolite made of a porous material for gas adsorption to increase the pressure in the container. In the adsorbing apparatus for the gas to be adsorbed, the adsorption of the nitrogen to the zeolite is promoted by applying vibration in the frequency range of the adsorption promotion experimentally obtained to nitrogen or air in the container.
  Furthermore, another invention relates to a gas release device for releasing nitrogen adsorbed on zeolite by lowering the atmospheric pressure in the container containing zeolite made of a porous material for gas adsorption. On the other hand, vibrations in the frequency range of accelerated emission obtained experimentally are applied to promote the release of nitrogen from the zeolite.
  Furthermore, another invention is an oxygen concentrator that increases the concentration of oxygen contained in air by about 20%. And this oxygen concentrator
  A container containing a zeolite made of a porous material for gas adsorption and release, and a vibration generator for applying vibrations in a specified frequency range to air containing oxygen and nitrogen stored in the container; A supply valve provided in a path for supplying air into the container, an output valve provided in a path for extracting air from which the nitrogen content is reduced and the oxygen content is increased to the oxygen using facility, and the container Exhaust valve for exhausting air with increased nitrogen content from the atmosphere to the atmosphere, and a predetermined adsorption period has elapsed since the supply valve was used to supply air with the output valve and exhaust valve closed After that, the output valve is opened for a predetermined output period, and then the output valve and the supply valve are closed and the exhaust valve is opened for a predetermined discharge period. And a frequency band control means for specifying the frequency range of the emission promoting to nitrogen obtained experimentally to release period the vibration generator with specifying the frequency band of promoting adsorption to fit was nitrogen.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas separation and concentration apparatus according to a first embodiment to which a gas adsorption method and a gas release method of the present invention are applied. In the gas separation and concentration apparatus according to the first embodiment, by adsorbing nitrogen as the specific gas existing in the air as the raw gas to the adsorbing substance, as a result, air with a high oxygen content is taken out. , For example, supply to oxygen-using equipment such as liquid oxygen production equipment.
[0032]
In FIG. 1, a compressor 1 takes in air a in the atmosphere, compresses it to 40 kPa, for example, and supplies it to a cylindrical container 4 via a supply conduit 2 and a supply valve 3. The pressure of the air a supplied from the compressor 1 is maintained at 40 kPa, for example. In the container 4 that can withstand high pressure, the adsorbing substance 5 is accommodated in a plurality of layers. In the apparatus of this embodiment, nitrogen in the air as the specific gas (nitrogen molecule N₂) Is mainly used as the adsorbing material 5.
[0033]
A speaker 6 as an acoustic device, which is a kind of vibration generator, is disposed at an upper position in the container 4. In order to prevent the speaker 6 from being damaged while maintaining the lower surface and the upper surface of the speaker 6 at the same atmospheric pressure, a communication pipe 7 that connects the lower surface and the upper surface of the speaker 6 is provided.
[0034]
One end of the conduit 8 is attached to the upper position of the side wall of the container 4, and the other end of the conduit 8 is connected to the output pipe 9 connected to the oxygen using equipment 12, the exhaust pipe 10 a connected to the nitrogen using equipment 46, and the atmosphere. And an exhaust pipe 10b that communicates with the exhaust pipe 10b. An output valve 11 is attached to the output pipe 9, an exhaust valve 13a is attached to the exhaust pipe 10a, and an exhaust valve 13b is attached to the other exhaust pipe 10b.
[0035]
The supply valve 3 (V₁), Exhaust valve 13a (V₂), Exhaust valve 13b (V_Four), Output valve 11 (V_Three) Are each constituted by an electromagnetic valve, and the opening and closing of the

valves

3, 13 a, 13 b and 11 are collectively controlled by the valve opening / closing drive unit 14. Each

valve

3, 13a, 13b, 11 opens only when energized, and maintains a closed state when not energized. The compressor 1 is driven and controlled by a drive signal from the compressor drive unit 15.
[0036]
Based on an instruction from the control device 17 composed of a computer, the signal generator 16 has one frequency F within the frequency range for promoting adsorption.₁A 1 kHz signal, or one frequency F in the emission-promoting frequency range₂A signal of 300 Hz is generated and sent to the amplifier 18. In addition, the frequency F of 1 kHz for promoting adsorption₁And a frequency F of 300 Hz for promoting release₂Is an experimentally determined value. The amplifier 18 amplifies each input signal and applies it to the speaker 6 as a sound wave signal. The speaker 6 outputs the applied 1 kHz sound wave signal or 300 Hz sound wave signal as a sound wave as 1 kHz vibration or a sound wave as 300 Hz vibration, respectively.
[0037]
The control device 17 comprising the computer sends the frequency F to the signal generator 16.₁, F₂And an opening / closing signal for each of the

valves

3, 13 a, 13 b, 11 is sent to the valve opening / closing drive unit 14. Further, the control device 17 controls the operation of the compressor 1 via the compressor driving unit 15.
[0038]
And the control apparatus 17 controls opening and closing of each valve |

bulb

3, 13a, 13b, 11 according to the time chart shown in FIG. 2, and controls the application timing of the sound wave applied in the container 4, and the frequency of a sound wave.
[0039]
When the power is turned on, the control device 17 activates the compressor 1 via the compressor driving unit 15 to maintain the pressure of the air a supplied from the compressor 1 to the supply pipe 2 at, for example, 40 kPa. In this state, the

valves

3, 13a, 13b, and 11 are kept closed. In this state, the pressure in the container 4 is atmospheric pressure (= 9.8 kPa).
[0040]
In a state where the pressure of the air a is maintained at 40 kPa, the time t₁To time t₂Period T₁Only the supply valve 3 is opened. As a result, 40 kPa of air a is filled in the container 4, and the pressure in the container 4 increases from 9.8 kPa to an initial pressure of 40 kPa. Also, time t₁To time t_ThreeAdsorption period T₂Only the signal generator 16 is driven, and the adsorption promoting frequency F₁A sound wave of (= 1 kHz) is applied to the gas (air) in the container 4. Therefore, this adsorption period T₂A part of nitrogen (nitrogen molecules) contained in the air a in the container 4 is adsorbed by the adsorbing substance 5 made of zeolite (zeolite). As a result, since the content rate of nitrogen contained in the air a in the container 4 decreases, the content rate of oxygen contained in the air a in the container 4 relatively increases.
[0041]
Adsorption period T₂The time t when_ThreeTo time t_FourOutput period T until_ThreeOnly the output valve 11 is opened. As a result, air having a high oxygen content, that is, oxygen-enriched air is output to the oxygen using facility 12 through the output pipe 9.
[0042]
Next, the output period T_ThreeThe time t when_FourTo time t_FiveThe exhaust valve 13a is opened until the inside of the container 4 communicates with the inside of the low-pressure nitrogen use facility 46, and the atmospheric pressure in the container 4 is lowered. Furthermore, the output period T_ThreeThe time t when_FourTo time t_FiveRelease period T until_FourOnly the signal generator 16 is driven and the emission promoting frequency F₂A sound wave of (= 300 Hz) is applied to the gas (air) in the container 4. Therefore, this release period T_FourThen, nitrogen (nitrogen molecules), which is a specific gas adsorbed by the adsorbing substance 5 in the container 4, is released and output (exhaust) into the nitrogen using facility 46 through the exhaust valve 13a.
[0043]
Release period T_FourThe time t when_FiveTo time t₆Period T_FiveOnly the exhaust valve 13b and the supply valve 3 are opened, high-pressure air a is supplied into the container 4, and air containing a large amount of nitrogen released from the adsorbent 5 remaining in the container 4 is supplied. Exhaust to the atmosphere via the exhaust valve 13b.
[0044]
This completes one sequence process from taking air into the container 4 to taking out oxygen-enriched air, taking out separated nitrogen, and discharging residual air.₇Thereafter, the following sequence processing is performed.
[0045]
In the gas separation and concentration apparatus of the first embodiment configured as described above, the specific gas contained in the high-pressure air supplied from the compressor 1 via the supply valve 3 in the container 4 containing the adsorbing substance 5 is used. Some nitrogen is absorbed by the adsorption period T₂It is adsorbed by the adsorbing substance 5 inside. This adsorption period T₂Adsorption promotion frequency F₁Since a sound wave of (= 1 kHz) is applied, a larger amount of nitrogen is adsorbed on the adsorbing material 5.
[0046]
Then, a part of the nitrogen is adsorbed, and air in which the content rate of oxygen which is a gas other than nitrogen is increased is sent to the oxygen use facility 12 through the output valve 11.
[0047]
Thereafter, the discharge period T_FourDuring this time, the exhaust valve 13a is opened, and the atmospheric pressure in the container 4 decreases, so that the nitrogen adsorbed by the adsorbing substance 5 is released and discharged to the nitrogen use facility 46 outside the container 4. This release period T_FourThe frequency F of emission promotion₂Since a sound wave of (= 300 Hz) is applied, a larger amount of nitrogen is released from the adsorbing material 5.
[0048]
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas separation and concentration apparatus according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in the gas separation and concentration apparatus of the first embodiment shown in FIG.
[0049]
In the gas separation and concentration apparatus of the second embodiment, in the container 4, in addition to the speaker 6 for applying sound waves as vibrations for promoting adsorption or releasing, the sound waves for inhibiting adsorption or releasing are used. A speaker 25 for applying a sound wave as vibration is provided.
[0050]
Furthermore, a microphone 20 that detects sound waves as vibrations having a wide frequency range including noise applied to the gas in the container 4 is attached to the inner wall of the container 4 in which the adsorbing substance 5 is stored. A sound signal having a wide frequency range detected by the microphone 20 is input to the signal extractor 22.
[0051]
The signal extractor 22 is a frequency F of a sound wave that inhibits adsorption, which is designated by the control device 17a composed of a computer among the input sound signals.₂(= 300 Hz) or the frequency F of the sound wave that inhibits the emission₁A signal component having (= 1 kHz) is extracted as an inhibition signal and sent to the next phase inversion unit 23. The phase inverting unit 23 inverts the phase of the input inhibition signal by 180 ° and sends it to the amplifier 24.
[0052]
The amplifier 24 adjusts the signal level of the input inhibition signal whose phase has been inverted to the signal level of the inhibition signal detected by the microphone 20 and sends it to the speaker 25. The speaker 25 converts the input phase-inverted inhibition signal into a sound wave and applies it to the container 4.
As a result, the inhibitory sound present in the container 4 is canceled out by the 180 ° phase-inverted inhibitory sound applied from the speaker 25.
[0053]
And the control part 17a controls opening and closing of each

valve

3, 13a, 13b, 11 according to the time chart shown in FIG. 2 similarly to the control apparatus 17 in the gas separation concentration apparatus of 1st Embodiment, and a signal generator 16 and the speaker 6 are used to control the application timing of sound waves applied to the container 4 and the frequency of the sound waves.
[0054]
Further, the control device 17a in the gas separation and concentration apparatus of the second embodiment is configured to perform the time t in the time chart of FIG.₁To time t_ThreeAdsorption period T in which up to nitrogen is adsorbed by the adsorbent 5₂Frequency F of the sound wave that inhibits adsorption₂(= 300 Hz) is applied to the signal extraction unit 22. Therefore, this adsorption period T₂, The sound wave that impedes the adsorption applied as noise to the air in the container 4 is canceled out, and its level is greatly reduced. Therefore, the adsorption period T₂, Nitrogen is efficiently adsorbed by the adsorbing substance 5.
[0055]
Further, the control device 17a determines the time t in the time chart of FIG._FourTo time t_FiveRelease period T in which up to nitrogen is released from the adsorbent 5_Four, The frequency F of the sound wave that inhibits the emission₁(= 1 kHz) is applied to the signal extraction unit 22. Therefore, this release period T_FourThe sound wave impeding the emission applied as noise to the air in the container 4 is canceled out, and its level is greatly reduced. Thus, the release period T_Four, Nitrogen is released from the adsorbent 5 more efficiently.
[0056]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas separation and concentration apparatus according to the third embodiment of the present invention. The same parts as those in the gas separation and concentration apparatus of the first embodiment shown in FIG.
[0057]
In the gas separation and concentration apparatus of the third embodiment, each adsorption housed in a plurality of layers is provided in the container 4 instead of the speaker 6 for applying sound waves for promoting adsorption or releasing. Piezofilms 45 are respectively disposed adjacent to the substance 5. Each piezo film 45 is supplied with a frequency F for promoting adsorption from the signal generator 16 as in the gas separation and concentration apparatus of the first embodiment.₁A 1 kHz signal, or a frequency F for promoting emission₂A signal of 300 Hz is amplified by the amplifier 46 and applied.
[0058]
Each piezo film 45 vibrates at the frequency of the signal when a signal is applied.₁(= 1 kHz) vibration or frequency F of emission promotion₂A vibration of (= 300 Hz) is applied to the gas (air) in the container 4. The period (timing) during which each vibration is applied is the same as that of the gas separation and concentration apparatus of the first embodiment shown in FIG.
[0059]
Therefore, it is possible to achieve substantially the same operational effects as the gas separation and concentration apparatus of the first embodiment shown in FIG.
[0060]
Note that the present invention is not limited to the first, second, and third embodiments described above. In the gas separation and concentration apparatus of the first, second, and third embodiments, a gas adsorption device that adsorbs nitrogen as the specific gas to the absorbent material 5 and a gas that releases nitrogen as the specific gas from the absorbent material 5 However, it is also possible to separate the gas adsorbing device and the gas releasing device as separate devices.
[0061]
Furthermore, in the gas separation / concentration apparatus of the first, second, and third embodiments, nitrogen is employed as the specific gas and zeolite is employed as the absorbent material 5, but the combination is not particularly limited. If the specific gas to be adsorbed is determined, the adsorbing substance 5 having physical characteristics for adsorbing the specific gas may be employed. In this case, the frequency F of the sound wave (vibration) that promotes adsorption₁And the frequency F of the sound wave (vibration) that promotes the emission₂Can be obtained experimentally.
[0062]
For example, carbon dioxide (CO₂) And methane, activated carbon is used as an adsorbent, and water and hydrogen (H₂), Silica gel, carbon nanotubes, hydrogen adsorbing metal powder, etc. may be employed as an adsorbing material other than zeolite.
[0063]
Furthermore, in the gas separation and concentration apparatus of the first, second, and third embodiments, nitrogen is employed as the specific gas and air is employed as the raw gas. However, exhaust gas such as blast furnace gas and coke oven gas is adopted as the raw gas, and hydrogen (H₂), Carbon dioxide (CO₂), And recovery (concentration) of alcohol and the like can be achieved.
[0064]
(Confirmation test)
In order to confirm the effects of the above-described embodiments, the inventor conducted an experiment of gas adsorption on the adsorbed material and an experiment of gas release from the adsorbed material using the experimental apparatus shown in FIG.
[0065]
In this experimental apparatus, a speaker 33 for applying a sound wave as vibration is attached to an upper position in a container 32 containing an adsorbing substance 31 made of zeolite. The speaker 33 converts the sound wave signal input from the oscillator 34 through the amplifier 35 into a sound wave, and converts the gas in the container 32 (nitrogen N₂Vibration is applied to a single substance or air containing nitrogen. Further, a sub tank 35 that does not store the adsorbent 31 and a gas cylinder 36 filled with high-pressure nitrogen or air are provided.
[0066]
Nitrogen alone or air containing nitrogen is decompressed by the pressure reducing valve 37 from the gas cylinder 36, supplied to the sub tank 35 via the valve 38, and supplied from the sub tank 35 to the container 32 via the valve 39. Nitrogen alone or air containing nitrogen in the container 32 is exhausted to the atmosphere via

valves

39 and 40. The pressures in the container 32 and the sub tank 35 are measured by

pressure gauges

41 and 42, respectively. Further, the temperatures in the container 32 and the sub tank 35 are measured by

thermometers

43 and 44, respectively.
[0067]
In the test apparatus having such a configuration, measurement of changes in the amount of adsorption and release of gas (nitrogen) with respect to the adsorbed substance 31 (zeolite) in the container 32 was performed under the following measurement conditions.
[0068]
Gas to be adsorbed (filled in gas cylinder) ... 99.99% purity nitrogen, nitrogen in air
Frequency of applied sound wave: No application, 20Hz, 300Hz, 1kHz, 20kHz
Target initial pressure: 18 kPa, 30 kPa, 48 kPa, 60 kPa
Adsorbed material filling ratio: 80% (volume ratio)
Adsorption measurement time: 40 minutes (2400 seconds)
Release measurement time: 20 minutes (1200 seconds)
And it measured by the following procedure for every measurement condition mentioned above.
[0069]
(1) Close each

valve

38, 39, 40
(2) The pressure reducing valve 37 of the gas cylinder 36 is set to the pressure of one measurement condition.
(3) Open the valve 38 and introduce the gas to be adsorbed (nitrogen or air) from the gas cylinder 36 into the sub tank 35.
(4) Close the valve 38 after confirming that the pressure in the sub tank 38 is stable.
(5) Start the oscillator 34 and start the application of the sound wave of the measurement condition frequency.
(6) Start measurement of pressure and temperature in the container 32
(7) Open the valve 39 for 5 seconds, supply the gas to be adsorbed (nitrogen or air) into the container 32, and then close the valve 39.
(8) After completion of the adsorption test time (2400 seconds), the

valves

39 and 40 are opened to reduce the pressure in the container 32 and the sub tank 35 to atmospheric pressure.
(9) After the discharge test time (1200 seconds), the

valves

39 and 40 are closed.
(10) Stop application of sound waves.
[0070]
Next, a method of calculating the adsorption amount Q of the gas to be adsorbed (nitrogen) adsorbed on the adsorbed substance 31 from the measured pressure P in the container 32 will be described. When nitrogen is adsorbed in the sealed container 32, the pressure P in the container 32 decreases by an amount corresponding to the adsorption amount Q. Therefore, the adsorption amount Q can be calculated from the pressure decrease. Assuming that the pressure (initial pressure) at the start of adsorption (time t = 0) is P (0) and the pressure after elapse of time t is P (t), the adsorption amount Q (t) after elapse of time t is expressed by the following equation. Indicated.
[0071]
Q (t) = [P (0) −P (t)] v / RT mol
It becomes. Here, v: volume of the gas to be adsorbed, R: gas constant (= 8.3143 J / (K · mol)), T: temperature.
[0072]
Hereinafter, the measurement results will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 shows parameters of applied frequency conditions (no application, 20 Hz, 300 Hz, 1 kHz, 20 kHz) of applied vibration (sound wave) when the initial pressure P (0) is about 48 kPa and the filling rate of the adsorbent 31 into the container 32 is 80%. It is the figure which shows the period change of the pressure P (t) in the container 32 at the time of adsorption | suction. In any applied frequency condition including no application, the pressure is greatly reduced for about 10 seconds immediately after the start of the adsorption, and thereafter decreases at a substantially constant rate. FIG. 7 is an enlarged graph of 200 seconds immediately after the adsorption in FIG.
[0073]
FIG. 8 and FIG. 9 show the time variation characteristics of the nitrogen adsorption amount Q (t) calculated from the pressure drop using the above-described conversion equation. As can be understood from the time variation characteristics of the adsorption amount Q (t), the adsorption amount Q is very large immediately after the start of adsorption, but increases at a substantially constant rate after about 20 seconds.
[0074]
Table 1 shows the transition of the adsorption amount (adsorption rate) per unit time.
[0075]
[Table 1]

[0076]
As can be understood from Table 1, for example, when no vibration (sound wave) is applied, the adsorption amount Q per unit time is 4.14 × 10 when 10 seconds have elapsed after the start of adsorption.^-2Whereas it is cc / sec / cc, the adsorption amount Q per unit time is 4.07 × 10 when 1800-2400 seconds have passed.^-FourDecrease by 2 digits to cc / sec / cc. Regarding the frequency of the vibration (sound wave) to be applied, the effect of decreasing the adsorption amount is shown in the low frequency range of 20 Hz and 3000 Hz, and the effect of increasing the adsorption amount in the high frequency range of 1 kHz and 20 kHz.
[0077]
FIG. 10 shows the results of measuring the respective adsorption amounts Q when the initial pressure P (0) of the gas to be absorbed (nitrogen) initially supplied to the container 32 is changed to 18 kPa, 30 kPa, 48 kPa, and 60 kPa. In FIG. 10, the frequency F that is most effective in promoting adsorption.₁When the vibration (sound wave) of (= 1 kHz) is applied, and the frequency F that is most effective in suppressing adsorption₂The case where vibration (sound wave) of (= 300 Hz) is applied is shown together with the case where vibration (sound wave) is not applied.
[0078]
FIG. 11 shows the integrated release amount of the absorbed gas (nitrogen) released from the adsorbent 31 during the release period in which the valve 40 is opened after the adsorption is completed and the pressure in the container 32 and the sub tank 35 is reduced to atmospheric pressure. It is a figure which shows the time change measured. As can be seen in this figure, the frequency F₂When the vibration (sound wave) of (= 300 Hz) is applied, the effect of releasing the gas to be absorbed (nitrogen) from the adsorbent 31 can be greatly promoted three times or more, compared with the case where the vibration (sound wave) is not applied. Was confirmed.
[0079]
FIGS. 6 to 11 show experimental results when only nitrogen is supplied into the container 31, and an adsorption experiment was performed in the case of multi-component air, and the amount of nitrogen adsorbed in the air was measured. The results are shown in FIG. 12 in comparison with the experimental results when only nitrogen is supplied.
[0080]
That is, FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the frequency of vibration (sound waves) applied to the gas (nitrogen alone or air) in the container 32 and the amount of nitrogen adsorbed. In the case of nitrogen alone, the adsorption amount of nitrogen decreases by applying low frequency vibration (sound wave) of 20 Hz and 300 Hz, and the adsorption amount of nitrogen increases by applying low frequency vibration (sound wave) of 1 kHz and 20 kHz. I can confirm. Even in the case of air that is a multi-component system, it can be confirmed that the same tendency as that of a single component of only nitrogen is shown.
[0081]
Thus, the frequency F that promotes adsorption during the adsorption period in which the absorbed gas (nitrogen) contained in a single substance or air is adsorbed by the adsorbent 31.₁(Frequency F that promotes the release in the release period in which the gas to be absorbed (nitrogen) is released from the adsorbent 31 can be accelerated by applying vibration (sound wave) of (= 1 kHz) to the gas in the container 32.₂It was confirmed that release can be promoted by applying vibration (sound wave) of (= 300 Hz) to the gas in the container 32.
[0082]
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the pressure P in the container 32 and the adsorption amount Q. Adsorption amount characteristic Y indicated by solid line in the center₁Indicates the condition in which vibration (sound wave) is not applied, and the adsorption amount characteristic Y indicated by the upper broken line₂Frequency F that promotes adsorption₁(= 1 kHz) The condition of applying vibration (sound wave) is shown, and the adsorption amount characteristic Y indicated by the lower one-dot chain line_ThreeFrequency F that promotes emission₂The condition under which vibration (sound wave) of (= 300 Hz) is applied is shown. Atmospheric pressure P in the container 32₀To the specified amount of adsorption Q_SThe amount of pressure increase required to obtain the pressure increase amount under the condition that no vibration (sound wave) is applied (P_S-P₀) Compared to frequency F₁Pressure rise amount (P) under the condition of applying vibration (sound wave) of (= 1 kHz)_A-P₀).
[0083]
Similarly, the amount of pressure drop required to obtain a specified amount of discharge in the container 32 is compared with the amount of pressure drop under the condition that no vibration (sound wave) is applied, and the frequency F₂The amount of pressure drop under the condition of applying vibration (sound wave) of (= 300 kHz) can be greatly suppressed.
[0084]
Therefore, since the required pressure change amount of the container 32 can be reduced, for example, the power consumption of the compressor 1 in FIGS. 1 and 3 can be greatly reduced. According to the inventor's estimation, the

initial pressure

20, 40, 60 kPa when no vibration (sound wave) is applied can be reduced to the initial pressure 13, 33, 54 kPa when necessary when the vibration (sound wave) is applied. The amount can be reduced by 54, 21, and 11%, respectively.
Moreover, when the

initial pressures

20, 40, and 60 kPa are not changed, the obtained adsorption amounts can be increased by 33, 15, and 9%, respectively.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, in the gas adsorption method, the gas release method, the gas adsorption device, the gas release device, and the gas separation / concentration device of the present invention, the conventional amount and material of the adsorbed substance can be reduced at a low cost. Without changing the system, the maintenance cost (running cost) of the facility can be reduced, and adsorption and release to a specific gas can be carried out efficiently at a low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas separation and concentration apparatus according to a first embodiment to which a gas adsorption method and a gas release method of the present invention are applied.
FIG. 2 is a time chart showing the operation of the gas separation and concentration apparatus of the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas separation and concentration apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas separation and concentration apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a test apparatus for confirming the effect of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing experimental changes in pressure in the container over time.
7 is an enlarged view showing the main part of FIG.
FIG. 8 is a graph showing experimental changes in the amount of nitrogen adsorbed over time.
9 is an enlarged view showing the main part of FIG.
FIG. 10 shows the relationship between the amount of nitrogen adsorbed and the initial pressure obtained experimentally.
FIG. 11 is a graph showing experimental changes in the amount of nitrogen released over time.
FIG. 12 is a diagram in which the relationship between the amount of nitrogen adsorbed and the frequency of applied vibration (sound wave) is experimentally determined.
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the pressure P in the container 32 and the adsorption amount Q.
[Explanation of symbols]
1 ... Compressor
2 ... Supply pipe
3. Supply valve
4 ... Container
5 ... Adsorbed material
6, 25 ... Speaker
7 ... Communication pipe
9 ... Output tube
10a, 10b ... exhaust pipe
11 ... Output tube
12 ... Oxygen use equipment
13a, 13b ... exhaust valves
14 ... Valve opening / closing drive part
15 ... Compressor drive
16: Signal generator
17, 17a ... control unit
20 ... Microphone
22 ... Signal extraction unit
23: Phase inversion unit
45. Piezo film
46 ... Nitrogen equipment

Claims

A specific gas having a property of being adsorbed by the adsorbing substance determined according to the properties of the adsorbing substance consisting of the porous body or a specific gas is stored in a container containing the adsorbing substance consisting of a porous body for gas adsorption. In the gas adsorption method of adsorbing the specific gas to the adsorbent by injecting the raw gas containing and increasing the atmospheric pressure in the container,
A method for adsorbing a gas, comprising: applying a vibration in an adsorption promotion frequency range experimentally obtained to the specific gas or raw gas in the container to promote the adsorption of the specific gas to the adsorbent.

2. The frequency range for promoting adsorption of vibration applied to a specific gas or raw gas in the container is experimentally determined according to physical properties of the adsorbed substance and the type of the specific gas to be adsorbed. The gas adsorption method described.

Detect vibration of a frequency that inhibits adsorption among vibrations applied as noise, mechanical vibration or fluid vibration to the specific gas or raw gas in the container, and invert the phase of the detected vibration. The gas adsorption method according to claim 1, wherein the gas is applied to a specific gas or a raw gas in the container to cancel the vibration that inhibits the adsorption.

According to the properties of the adsorbing material made of the porous material adsorbed on the adsorbing material made of the porous material by lowering the atmospheric pressure in the container containing the adsorbing material made of the porous material for gas adsorption. In a gas release method for releasing a specific gas having the property of being adsorbed by the adsorbed substance determined ,
A method for releasing a gas, comprising applying a vibration in an emission promotion frequency range experimentally obtained to the specific gas in the container to promote the release of the specific gas from the adsorbent.

The frequency range of vibration release promotion applied to the specific gas in the container is experimentally determined according to the physical characteristics of the adsorbed substance and the type of gas to be released. Release method.

Among the vibrations applied as noise, mechanical vibration or fluid vibration to the specific gas in the container, the vibration of the frequency that inhibits the release is detected, and the phase of the detected vibration is reversed to detect the vibration in the container. 6. The method for releasing a gas according to claim 4, wherein the method is applied to a specific gas to cancel the vibration that inhibits the release.

A specific gas having a property of being adsorbed by the adsorbing substance determined according to the properties of the adsorbing substance consisting of the porous body or a specific gas is stored in a container containing the adsorbing substance consisting of a porous body for gas adsorption. In the gas adsorption device for adsorbing the specific gas to the adsorbent by injecting the raw gas containing and increasing the atmospheric pressure in the container,
An adsorption apparatus for a gas characterized in that the adsorption of the specific gas to the adsorbed substance is promoted by applying vibration in an adsorption promotion frequency range experimentally obtained to the specific gas or raw gas in the container.

According to the properties of the adsorbing material made of the porous material adsorbed on the adsorbing material made of the porous material by lowering the atmospheric pressure in the container containing the adsorbing material made of the porous material for gas adsorption. In a gas discharge device for discharging a specific gas having the characteristic of being adsorbed by the adsorbing substance to be determined ,
An apparatus for releasing a gas characterized in that the specific gas in the container is applied with vibrations in a frequency range of emission promotion experimentally obtained to promote the release of the specific gas from the adsorbent.

A container containing an adsorbent material made of a porous material for gas adsorption / release ;
A frequency range designated for a specific gas having the characteristic of being adsorbed and released by the adsorbent material determined according to the properties of the adsorbent material composed of the porous material contained in the raw gas contained in the container A vibration generator for applying the vibration of
A supply valve provided in a path for supplying a raw gas containing the specific gas into the container;
An output valve provided in a path for taking out the raw gas having a reduced specific gas content from the container to an external device;
An exhaust valve for discharging the raw gas having a specific gas content increased from the container;
The output valve is opened for a predetermined output period after a predetermined adsorption period has elapsed after supplying the raw gas into the container through the supply valve with the output valve and the exhaust valve closed, and then the output valve And valve control means for closing the supply valve and opening the exhaust valve for a predetermined discharge period;
Frequency band control means for specifying the frequency range of the experimentally determined was emission promoting to the release period the vibration generator with specifying the frequency range of the experimentally determined was promoting adsorption to the adsorption period the vibration generator Separating and concentrating apparatus for gas, comprising:

The vibration generating device is any one of a vibration device using a speaker, a piezo film, and a piezo effect, a device combining them, or a device combining resonance devices. 9. A gas separation and concentration apparatus according to 9.

In a gas adsorption apparatus for adsorbing nitrogen to the zeolite by injecting nitrogen or air containing nitrogen into a container containing a zeolite composed of a porous body for gas adsorption to raise the atmospheric pressure in the container ,
A gas adsorption apparatus characterized by applying adsorption in a frequency range of adsorption promotion experimentally obtained to nitrogen or air in the container to promote adsorption of the nitrogen to the zeolite.

In a gas release device for releasing nitrogen adsorbed on the zeolite by lowering the pressure inside the container containing the zeolite composed of a porous body for gas adsorption,
An apparatus for releasing gas, wherein the release of the nitrogen from the zeolite is promoted by applying vibration in a frequency region for promoting release obtained experimentally to the nitrogen in the container.

A container containing zeolite made of a porous material for gas adsorption and release;
A vibration generating device for applying vibrations in a specified frequency range to air containing oxygen and nitrogen stored in the container;
A supply valve provided in a path for supplying the air into the container;
An output valve provided in a path for taking out the air in which the nitrogen content is reduced and the oxygen content is increased from the vessel to the oxygen using facility;
An exhaust valve for exhausting air having an increased nitrogen content from the container to the atmosphere;
The output valve is opened for a predetermined output period after a predetermined adsorption period has elapsed since the supply of the air into the container through the supply valve with the output valve and the exhaust valve closed, and then the output valve and Valve control means for closing the supply valve and opening the exhaust valve for a predetermined discharge period;
Designate the frequency range for promoting adsorption of nitrogen experimentally determined to the vibration generator for the adsorption period and specify the frequency range for promoted release of nitrogen experimentally determined to the vibration generator for the release period Frequency range control means to
Oxygen concentrator equipped with.