JP7808966B2 - 窒素ガス製造装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒素ガス製造装置の運転方法に関する。

圧力変動吸着ガス分離法は、吸着工程と再生工程とを繰り返す吸着塔に原料混合ガスを供給し、該吸着塔内に充填した各種吸着剤に易吸着成分を吸着させることによって原料混合ガス中の易吸着成分と難吸着成分とを分離する。例えば、吸着剤として分子ふるい炭素を使用し、圧力変動吸着ガス分離法によって空気から窒素ガスを製造する装置（窒素ガス製造装置、以下、単に、「窒素ＰＳＡ装置」ともいう）が広く実用に供されている。

窒素ＰＳＡ装置の特徴として、製品窒素（製品ガス）の流量（製品流量）が多いと製品窒素の純度（製品純度）は低くなり、製品窒素の流量が少ないと製品窒素の純度は高くなる点が知られている。また、窒素ＰＳＡ装置は、定格運転時に要求された純度の製品窒素を要求された流量で供給できるように設計される。したがって、窒素ＰＳＡ装置では、要求される製品窒素の流量が少ない場合、過剰な純度の製品窒素を供給することになる。

そこで、特許文献１には、定格運転時の製品窒素の流量（設計値）に対して実際の流量（供給量）が少なくなった場合、吸着工程と再生工程との間に複数の吸着塔の間で行う均圧工程において窒素ＰＳＡ装置の運転を停止し、製品タンクの内圧分で製品窒素を供給する窒素ガス製造装置の運転方法が提案されている。

特許文献１に開示された窒素ガス製造装置の運転方法では、均圧工程において窒素ＰＳＡ装置の運転を停止する工程（以下、単に「休止工程」ともいう）中、窒素ＰＳＡ装置が圧縮機からの圧縮空気を必要としないため、圧縮機のモータがアンロード状態（無負荷運転）になることで消費電力が下がる。すなわち、製品窒素の流量（供給量）が少ないほど、製品タンクの内圧分だけで製品窒素を供給できる時間が長くなるため、高い省エネ効果が得られる。

特許第３７８１１８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された窒素ガス製造装置の運転方法では、ＰＳＡ装置の特徴上、吸着工程における吸着塔では、製品流量が少ないと製品純度が高くなるため、要求された仕様の製品ガスが得られる定格運転時よりも高純度の製品ガスを供給する傾向となるという課題があった。また、従来よりもさらに消費電力の低減が可能な窒素ガス製造装置の運転方法が要望されているという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、要求された純度の製品ガスが得られ、消費電力の低減が可能な窒素ガス製造装置の運転方法を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用する。
［１］ 吸着剤が充填された複数の吸着塔を有し、前記吸着塔が少なくとも吸着工程、均圧工程及び再生工程を繰り返し行って、原料ガスである圧縮空気から窒素を分離し、製品ガスとして供給する窒素ガス製造装置の運転方法であって、
製品ガスの取出流量の減少に応じて前記吸着工程の実施時間を延長し、
前記吸着工程の完了後に、前記吸着塔への原料ガスの供給及び前記吸着塔からの製品ガスの取り出しを停止する休止工程を設ける、窒素ガス製造装置の運転方法。
［２］ インバータ式の空気圧縮機を用いて前記圧縮空気を供給する、［１］に記載の窒素ガス製造装置の運転方法。

本発明の窒素ガス製造装置の運転方法によれば、要求された純度の製品ガスが得られ、消費電力の低減が可能となる。

本発明を適用した一実施形態である窒素ガス製造装置の運転方法に適用可能な窒素ガス製造装置を模式的に示す系統図である。 本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法における、定格運転時の各切換弁の開閉状態を説明する図である。 本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法における、減量運転時の各切換弁の開閉状態を説明する図である。 本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法における、定格運転時の各吸着塔のタイムチャートを示す図である。 本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法における、減量運転時の各吸着塔のタイムチャートを示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である窒素ガス製造装置の運転方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

先ず、本発明を適用した一実施形態である窒素ガス製造装置の運転方法について、それに用いる窒素ガス製造装置とあわせて、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である窒素ガス製造装置の運転方法に適用可能な窒素ガス製造装置を示す系統図である。

＜窒素ガス製造装置＞
図１に示すように、本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法に適用可能な窒素ガス製造装置（以下、単に「窒素ＰＳＡ装置」ともいう）１は、空気から窒素を製造するＰＳＡ装置である。
窒素ＰＳＡ装置１は、原料となる空気を供給するための空気圧縮機２と、２基の吸着塔３Ａ，３Ｂと、吸着塔３Ａ，３Ｂから取出した製品窒素ガスを貯留する製品槽４と、両吸着塔３Ａ，３Ｂを吸着工程、均圧工程及び再生工程に切換えるための複数の切換弁ＡＶ１Ａ～ＡＶ５Ａ，ＡＶ１Ｂ～ＡＶ５Ｂ及びＡＶ６と、を備えて概略構成されている。なお、切換弁ＡＶ２Ａ，ＡＶ２Ｂには逆止弁を使用することができる。

空気圧縮機２は、モータの回転数を、圧力等に応じてインバータにより制御可能なインバータ式の空気圧縮機を用いることが好ましい。これにより、運転周波数を可変させることでモータの回転数を制御し、吸着工程中の吸着塔３Ａ，３Ｂが設定された圧力に近づくように（目標圧力に収まるように）、一定圧力制御を行いながら圧縮空気を吸着塔３Ａ，３Ｂに供給できる。

吸着塔３Ａ，３Ｂ内には、酸素・窒素を主成分とする空気中の酸素を優先的に吸着する分子ふるい炭素等の吸着剤が充填されている。

切換弁ＡＶ６は、窒素ＰＳＡ装置１の運転操作において再生工程中にパージ操作を含む場合であって、該パージ操作が本実施形態の窒素ＰＳＡ装置１の休止工程と重なるときに、パージガス供給側の吸着塔からパージガスが流出して該吸着塔の圧力が低下することを防止するためのものである。切換弁ＡＶ６を閉じることで吸着塔を完全に孤立化させることができる。

また、窒素ＰＳＡ装置１では、後述する休止工程中において、製品槽４内の製品窒素ガスは、ユーザーに連続して供給され続けているので、製品槽４の圧力は次第に低下するが、吸着剤として分子ふるい炭素を使用したとき、吸着工程終了後の休止工程中には、塔内のガスが分子ふるい炭素に吸着されて吸着塔内の圧力も次第に低下する。このため、製品槽４と吸着塔３Ａ，３Ｂとの大きさの関係によっては、製品槽４よりも吸着塔３Ａ，３Ｂの圧力低下の方が大きく、吸着塔３Ａ，３Ｂの圧力が製品槽４の圧力よりも低くなり、製品槽４内の製品窒素ガスが吸着塔３Ａ，３Ｂに逆流することがあり得る。したがって、窒素ＰＳＡ装置１において、切換弁ＡＶ２Ａ，ＡＶ２Ｂとして逆止弁を用いることにより、製品槽４から吸着塔３Ａ，３Ｂへの窒素ガスの逆流を確実に防止できる。

また、窒素ＰＳＡ装置１では、運転制御用の機器として、空気圧縮機２から吸着塔３Ａ，３Ｂに圧縮原料空気を供給する供給経路内の圧力を測定する空気圧力計（図示略）と、製品槽４内の圧力を測定する窒素圧力計（図示略）と、製品槽４から使用先（ユーザー）に製品窒素ガスを供給する製品ガス供給経路内の流量（製品取出流量）を測定する窒素流量計（図示略）と、該窒素流量計が測定した窒素流量の流量信号、空気圧力計及び窒素圧力計からの圧力信号に基づいて各種演算処理を行い、その結果に基づいて各切換弁の開閉を制御する弁制御装置（図示略）と、を備えることが好ましい。

＜窒素ガス製造装置の運転方法＞
次に、本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法は、吸着剤が充填された複数の吸着塔を有し、吸着塔が少なくとも吸着工程、均圧工程及び再生工程を繰り返し行って、原料ガスである圧縮空気から窒素を分離し、製品ガスとして供給する窒素ガス製造装置の運転方法であって、製品ガスの取出流量の減少に応じて前記吸着工程の実施時間を延長し、吸着工程の完了後に、前記吸着塔への原料ガスの供給及び前記吸着塔からの製品ガスの取り出しを停止する休止工程を設けるものです。
そして、本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法では、インバータ式の空気圧縮機を用いて圧縮空気を供給することが好ましい。

以下、本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法について、上述した窒素ＰＳＡ装置１を用いる場合を一例として説明する。ここで、図２は、本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法における、定格運転時の各切換弁の開閉状態を説明する図である。また、図３は、本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法における、減量運転時の各切換弁の開閉状態を説明する図である。また、図４は、本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法における、定格運転時の各吸着塔のタイムチャートを示す図である。また、図５は、本実施形態の窒素ガス製造装置の運転方法における、減量運転時の各吸着塔のタイムチャートを示す図である。

（定格運転時）
本実施形態の窒素ＰＳＡ装置１の運転方法では、製品槽４から使用先（ユーザー）に向けて製品窒素ガスを仕様の１００％供給する場合、両吸着塔３Ａ，３Ｂは、従来から行われている吸着工程、再生工程、均圧工程の各工程を、図２示す切換弁の操作と併せて図４に示す操作を繰返して行う。

吸着工程は、図２（Ａ）中の吸着塔３Ａ、及び図２（Ｃ）中の吸着塔３Ｂに示すように、原料空気又は製品ガスを吸着塔に供給しながら吸着塔の圧力をあげる昇圧操作と、原料空気を供給しながら製品ガスを吸着塔から取り出す操作とを含む工程である。

再生工程は、図２（Ａ）中の吸着塔３Ｂ、及び図２（Ｃ）中の吸着塔３Ａに示すように、吸着塔３Ａ，３Ｂの圧力を下げて易吸着成分を吸着剤から脱着させ、吸着塔を再生して次の吸着工程に備えるものである。吸着塔の圧力を下げることと同時に、又はそれに続いて、製品ガスで吸着塔をパージする操作や、その他の操作を加えてもよい。

均圧工程は、図２（Ｂ）及び図２（Ｄ）に示すように、吸着塔３Ａと吸着塔３Ｂとを連通させて塔内のガスを移動させることにより、圧力を回収する工程である。両塔を連通させる方式は、吸着塔の上（製品出口側）同士、下（原料入口側）同士、又は上下両方のいずれでもよく、両塔の圧力は完全に等しくならなくてもよい。

（減量運転時）
本実施形態の窒素ＰＳＡ装置１の運転方法では、製品槽４から使用先（ユーザー）に向けて製品窒素ガスを仕様の１００％未満で供給する場合、両吸着塔３Ａ，３Ｂは、従来から行われている吸着工程、再生工程、均圧工程の各工程に休止工程を加えて、図５に示す操作を繰返して行う。

吸着工程の時間は、減量運転時では、製品槽４から使用先（ユーザー）に向けた製品窒素ガスの供給量（製品窒素ガスの取出流量）の減少に応じて延長する。一例として、製品窒素ガスの供給量が仕様の７０％となった場合、２００％時間を延長することが好ましい。ただし、製品流量、製品タンク容量によって最適な吸着時間の延長時間は決定される。例えば、製品窒素ガス供給量が１００％～９０％では定格の吸着時間とし、製品窒素ガス供給量が９０％～８０％では、吸着時間は定格の１．２倍など製品窒素ガス供給量と吸着時間の関係を装置仕様によって決定する。また、吸着塔の圧力等に応じてインバータにより制御可能なインバータ式の空気圧縮機を用いて行うことが好ましい。具体的には、運転周波数を可変させることでモータの回転数を制御し、吸着工程中の吸着塔３Ａ，３Ｂが設定された圧力に近づくように（目標圧力に収まるように）、一定圧力制御を行いながら圧縮空気を吸着塔３Ａ，３Ｂに供給することで吸着工程を所定の時間となるように延長することができる。

休止工程は、図５に示すように、吸着工程の完了後に設ける。休止工程では、吸着塔３Ａ，３Ｂへの原料ガスの供給、及び吸着塔３Ａ，３Ｂからの製品ガスの取り出しを停止する。すなわち、休止工程は、図４に示すように、切換弁ＡＶ１Ａ～ＡＶ５Ａ，ＡＶ１Ｂ～ＡＶ５Ｂ及びＡＶ６の全てを閉じ、両吸着塔３Ａ，３Ｂへのガスの流入も、流出もない状態とする工程である。

休止工程中は、吸着塔３Ａ，３Ｂへの入口弁ＡＶ１Ａ，ＡＶ１Ｂが閉じられているため、空気圧縮機２はアンロード運転となる。

減量運転時においても、ユーザーは製品ガスを使用しているので、休止工程の時間は、減量運転の程度に応じて、製品槽４の圧力が仕様圧力を満たすように決められる。すなわち、製品槽４の圧力が仕様圧力以上を維持している間に休止工程を終了させ、吸着工程を開始した吸着塔から製品槽４に製品窒素が供給できるように、休止工程の時間が設定される。

（増量減量運転時）
減量運転から通常運転、もしくは製品窒素ガス供給量が増えた場合、上述した減量運転時において説明したように、製品窒素ガス供給量と吸着時間との関係から吸着時間は可変される。
また、減量運転からさらに製品窒素ガス供給量が減った場合も、製品窒素ガス供給量と吸着時間との関係から吸着時間は可変される。

窒素ＰＳＡ装置１においては、製品取出流量が仕様流量のときの通常運転（定格運転）と、任意の製品取出流量に減少させるときの減量運転と、減少後の製品取出流量を仕様流量に戻すときの増量運転とを、製品取出流量に応じて円滑に切換えることができるので、ユーザーは、仕様流量内で製品取出流量を自由に変更することができる。

以上説明したように、本実施形態の窒素ＰＳＡ装置１の運転方法によれば、製品ガスの取出流量の減少に応じて吸着工程の実施時間を延長し、吸着工程の完了後に、吸着塔３Ａ，３Ｂへの原料ガスの供給及び吸着塔３Ａ，３Ｂからの製品ガスの取り出しを停止する休止工程を設けるため、要求された純度の製品ガスが得られ、消費電力の低減が可能となる。

また、本実施形態の窒素ＰＳＡ装置１の運転方法によれば、単位時間当たりのアンロード運転への切換回数を、従来法に比べて非常に少なくすることができる。したがって、空気圧縮機２の故障を抑制することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

以下、本発明の効果を具体的に説明する。なお、本発明は、以下の記載によって限定されるものではない。

＜検証試験＞
実施例として、図１に示す窒素ＰＳＡ装置１を用い、製品ガスの流量が定格運転時（１００％）から７０％、５０％、及び３０％に減量した場合について、消費電力と製品ガス中の酸素濃度を調査した。
比較例として、上述した従来技術に記載の窒素ＰＳＡ装置を用い、上記実施例と同様に、製品ガスの流量が定格運転時（１００％）から７０％、５０％、及び３０％に減量した場合について、消費電力と製品ガス中の酸素濃度を調査した。
表１に、本発明の窒素ＰＳＡ装置１、及び従来技術の窒素ＰＳＡ装置（吸着時間が一定の場合）において、各製品流量に対する消費電力と製品中の酸素濃度を示す。

表１に示すように、比較例の窒素ＰＳＡ装置では、製品流量が１００％から７０％、５０％、３０％と少なくなることによって休止工程の時間が長くなり、消費電力は低減した。しかしながら、製品中の酸素濃度は、製品流量が少なくなるほど低いため、過剰な純度を供給していることが確認された。
これに対し、実施例の窒素ＰＳＡ装置１では、比較例よりもさらに消費電力を低減できるとともに、製品中の酸素濃度も過剰とならないことが確認された。

１ 窒素ＰＳＡ装置（窒素ガス製造装置）
２ 空気圧縮機
３Ａ，３Ｂ 吸着塔
４ 製品槽
ＡＶ１Ａ～ＡＶ５Ａ，ＡＶ１Ｂ～ＡＶ５Ｂ，ＡＶ６ 切換弁

Claims (2)

1. 吸着剤が充填された複数の吸着塔を有し、前記吸着塔が少なくとも吸着工程、均圧工程及び再生工程を繰り返し行って、原料ガスである圧縮空気から窒素を分離し、製品ガスとして供給する窒素ガス製造装置の運転方法であって、
   製品ガスの取出流量の減少に応じて前記吸着工程の実施時間を延長し、
   前記吸着工程の完了後に、前記吸着塔への原料ガスの供給及び前記吸着塔からの製品ガスの取り出しを停止する休止工程を設ける、窒素ガス製造装置の運転方法。
2. インバータ式の空気圧縮機を用いて前記圧縮空気を供給する、請求項１に記載の窒素ガス製造装置の運転方法。