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1. WO1988004195 - DISPOSITIF DE SEPARATION DE GAZ MELANGES UTILISANT UN CHANGEMENT DE PRESSION

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[ JA ]
明 細

発明 の名称

圧力変動利用 混合ガ ス分離装置

技術分野

本発明 は例え ば燃料発電 プラントに使用され、ゼォ ライト等のような圧力により吸着能力差のある吸着材 を利用 した圧力変動利用 混合ガ ス分離装置 に関する。 i o 背景技術

現在広 く知られている圧力変動利用混合ガ ス分離装 置 (以下 PSA と称する)の代表例は、特公昭 45- 20082 号公報, 特開昭 47- 14070号公報及び特開昭 48- 16874号 公報 とに示されている。何れの従来例においても、分 離 しようとする原料混合ガスをまず何等かの手段、普 通 にはガスコンブレッサ一などで一定圧力まで舁圧し し かる後、吸着材の内蔵された吸着塔にバルブを介し て 導き、例えば次のようなサイクルを繰り返す事によ り ガスを分離している。

0 即 ち、

(1) 供給ガ スを供給端 より製品ガスの一部を吐出端 よ り導入し、圧力均等化を行う。

は) 供給ガスの導入を続け、より高い圧力に再加圧 す る。

(3) 他塔 に製品ガスの一部を供給し、圧力均等化を

行 》

(4) 並淀滅圧に よ り製品ガスの一部を他塔のバ ― ジ 使 う。

は) 向流滅圧にて吸着成分の脱着を行う 。

(6) 吐出端部よ りパ一 ジを受ける ,

であ る。 3 塔式の運用例を表 1 に示す。

サ イ クル 吸 着 塔 No. 時 間

(秒) 第 1 塔 第 2 塔 第 3 塔

0 - 15 再 加 圧 向 流 滅圧 圧力均等化

( I )

15 - - 35 再 加 圧 掃 気 並 流缄圧

35 - 40 再 加 圧 再 加 圧 圧力均等化

( Π )

40 - 55 圧力均等化 再 加 圧 向 流滅圧

( I )

55 ' - 75 並流 滅圧 再 加 圧

75 ' - 80 圧力均等化 再 加 圧 再 加 圧

( Π )

80 - - 95 两 流 滅圧 圧力均等化 再 加 圧

( I )

95 ' - 115 並 流 滅圧 再 加 圧

115 ' 120 再 加 圧 圧力均等化 再 加 圧

( K )

第 4 図は従来例の一例 と して空気を酸素と窒素にて 分離す る目的に使用される吸着法による空気分離装置 を示 している,これによると、エアフィルタ 26を通つ て除じんされた空気が空気圧锚機 27で約 5 kg / ol に昇 圧され、水冷却器 28で圧縮熱が除去 される。ついで水 分分離器 29で 水分が除去 され、吸著塔 19a 〜 19d へ送 出 れ o

吸着塔 19a 〜 19d の内部にはフィルタとしての機能 を有す るゼォライト等よりなる吸着剤 20a 〜 20d が内 蔵 されている。そこでノルブ 24a 〜 24d をを通って供

I o 給された空気のうち製品ガス成分のみが吸着剤 20a 〜 20d を通過 し、ノルブ 24e 〜 24h を通って製品ガスホ ル ダー 21に送り込まれる。

ところで、吸着剤 20a 〜 20d の吸着能力に対しかな り 大量の空気が送り込まれるので、吸着能力回復のた め 圧力を下げて脱着し、廃空気をバルブ 24 i 〜 24 を 通 して系外へ放出する必要がある。そこで、連続的に 製品ガ スを供給す るには、この高圧下の吸着と低圧下 の 脱着とを周期的に行なう必要から吸着塔は最低 2 塔 必要で あり、ここでは 4 塔(19a〜 19d)設置した例を示 0 し ている。なお、図中 24 m 〜 24 q は均圧バルブである < そ して吸着および脱着の行程をスムーズに行なわせる た めに、バルブ 24a 〜 24q を制御装置 22により制御す る ようにしている。

第 4 図の空気分離装置を より経済的ならしめるため に は、コンパクト化による設備費の削減及び高性能化

に よる道転柽费の削滅が必要で あ る。

前者の 目的のためにはサイクルタイムの短縮、また 後者の 目的のためには吸着工程での昇圧動力及び あ る い は再生工程で の缄圧動力 の低滅が効果的で あ る。 s - しかしながら従来技術では、吸着剤 20a 〜20d が必 要 とする圧力変動サイクルはまず空気圧箱機な どで一 定圧力 に昇圧 され、しかるのち吸着塔 19a 〜 19d の出 入口 にある複数偭のバルブ 24a 〜 24 の開閉操作に よ り達成されており、吸着時初期には圧力エネルギーは

, 0 何等仕事をせず、 ま た、吸着完了後の易吸着ガ スはバ ル ブを介 して膨脹し、その圧縮エネルギーは放散して 失な われ るため、所要動力の増大を招き、そのサイク ルタ イムは 1 〜 5 分が通例であった。これを長い倒に 延長す る ことは何等問題はないが、短縮する倒にはバ

I 5 ルブの 24a 〜 24 £ の耐久性及び開閉速度の点でせ いぜ い 0.1 秒位ま でがやっとであり、それ以下に短縮する 事 は経済性を著 し く損うものであり、実現はほとんど 不可能で あった。

発明の 開示

2 0 そこで、本発明は所要動力 を大幅に低減で き、従来 装置よ り は経済的 に優れた圧力変動利用 混合ガ ス分離 装置を提供す ることを目的とする。

本発明 ば上記 目的を達成す るために、シリンダ内を 摺動す る ビストンにより上記シリンダ内のガス圧力を

Z S 変動 し得る装置において、上記ビストンと上記シリン ダへッドとの間に圧力により吸着能力に差のある吸着 材を配置す る 事を特徴 とするものである β

上記の ように構成することにより、従来必要であつ た吸着工程初期の原料^ スの昇圧エネルギー及び従来 損失 となっていた吸着完了後の易吸着ガスの缄圧勖力 を機械的に 回収す ることができ、これにより所要動力 の大幅低減が可能 となり、設備費低減が達成で きる · 図面 の簡単な説明

第 1 図および第 2 図は本発明に係わる圧力変動利用 i o 混合ガ ス分離装置の一実施例を示す概念図、 第 3 図は 第 2 図の動作を説明するためのタイムチャート、第 4 図 は従来装置を示す概念図で ある。

発明 を実施す るための最良の形態

第 1 図及び第 2 図は、本発明に係る圧力変動利用混 合ガ ス分離装置 の一実施例を示す概念図で ある。第 1 図 では、吸着剤 1 はシリンダ 2 の上端部すなわちシリ ン ダ 2 のへ 'ント' とピストン 3 との間に設けられ、圧力 の変動 はビストン 3 の往復動作によつて得るようにし て いる。ガス吸排口 4 , 5 , 6 , 7 , 8 はシリンダ 2 0 に 設けられ、これらは次の役目を担つている。即ち、

4 は難吸着ガ スの排出口、 5 は原料ガスの吸込□、 6 は易 吸着ガ スの排出口、 7 は易吸着ガスの吸込 Π 、 8 は易 吸着ガスの排出口である。このように構成して、 従来設 けていた空気圧縮機 2 7および吸着塔 1 9 a - 1 9 d の 出入口の圧力制御用のバノレつ♦ 2 4 a 〜 2 4 を除去した も のである。

第 2 図では第 1 図に示す圧力変鲂利用混合ガ ス分離 装 Sを 4 塔並列配置 し、それぞれの作勖時闥を ½ サイ ク ルずつず らした状態を示してある。第 2 図において は、 11はビストン型吸着塔、 12は電動機な どのビスト ン ¾動用原動機、 13ばク ランクシャフト、 14は難吸着 ガ ス排出ラインに設けられた弁、 15は原料ガス導入ラ ィ ンに設けられた弁、 16は易吸着ガス排出ラインに設 け られた弁、 17は易吸着ガ ス移送ラインに設けられた 弁で あり、各機器には 1 サイクルずつずれた状態毎に a , b , c , d を付してある。

以下、 このように構成された圧力変動利用混合ガ ス 分離装置の動作 は、第 3 図のタイムチャートのように な る。第 3 図の上部室が加圧状態で 、下部室が再 ¾圧 状態の ときは、各機器に対 して a を付した状態すなわ ち 第 2 図の最も左側の圧力変動利用混合ガ ス分離装置 を示 し、この場合にはビストン 3 が中立点位置にあり 一方弁 14a, 15a, 16a が閉じており、弁 17a, 17b は開い て いる。この状態からビストン駆動用電動機 12により ビ ストン 3 aを上死点側に移動させる。そして、ピスト ン 3bが上死点に達 して製品ガ ス送り出し状態を、第 2 図の 各機器 に対して b を付した左から 2 番目の圧力変 動利用混合ガ ス 分離装置を示 し、この状態では弁 15b, 16b のみが閉 じており、他の弁 14b, 17 b , 17 c が開いて い る。同様に、第 3 図の減圧脱離の状態は第 2 図の機

器に対して c を付した左から 3 番目の状態を示し、第 3 図の掃気状お、は第 2 図の各機器に対し d を付した左 から 4 番目を示している。以下、同様に動作すること になる。

以上述べ た本発明の実施例によれば、下記のような 効果が得 られる。

(1) 従来必要で あった吸着工程初期の 原料ガ スの昇 圧 エネルギー及び従来損失となっていた吸着完了後の 易 吸着ガスの減圧動力を機械的 に回収することができ これにより所要動力の大幅(約 5 〜 3 0 % ) 低減が可能 と なり、設備費低減が達成 できる。

(2) サイクルタイムの大幅な短縮が可能となり、例 え ば従来 6 0秒だったものを 0 . 6 秒にすると吸着剤の所 要量が約 1 / 5 0となりコンパクト化及び整備费低減が達 成 される。すなわち、従来装置にあっては、バルブ自 体で ガスの圧力制御を行 なっており、このバルブは耐 久性 の面から経済的でないためサイクルの短縮ができ に くく、高速化が困難で あった。これに対し、本実施 例で はガスの圧力制御を、弁ではなく、シリンダ 2 と ビ ストン 3 とにより行なっているので、弁の耐久性に 比べ て高く、サイクルタイムの短縮化が可能となる。

な お、本発明は上記実施例 に限らず、第 2 図の弁 1 7 を廃止 してビストン自体で弁 1 7を代替するシステムと してもよい。

産業上 の利用可能性

以上述べ た本発明 に よれば、所要動力が大幅に低缄 で き、設備费低缄がで きる圧力変動利用混合ガ ス 分離 装置を提供で き る。