酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法および併行分離システム
【課題】 ＰＳＡガス分離装置により空気などから高純度酸素ガスを分離取得するとともに、当該ＰＳＡガス分離装置から連続的に供給される脱着ガスから高純度窒素ガスを連続的に効率よく分離取得することのできる、方法およびシステムを提供すること。
【解決手段】 本発明は、ＰＳＡガス分離装置１でのＰＳＡガス分離工程および膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程を含む。ＰＳＡガス分離工程では、窒素を優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、空気などの酸素・窒素含有ガスから、酸素富化ガスと、窒素を主に含み且つ酸素も含む脱着ガスとを、取り出す。膜式ガス分離工程では、酸素を優先的に透過させるガス分離膜２Ａの透過側を大気圧未満の圧力に減圧しつつ、ガス分離膜２Ａにより、脱着ガスを、ガス分離膜２Ａを透過するガスと透過しないガス（窒素富化ガス）とに分離する。
【解決手段】 本発明は、ＰＳＡガス分離装置１でのＰＳＡガス分離工程および膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程を含む。ＰＳＡガス分離工程では、窒素を優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、空気などの酸素・窒素含有ガスから、酸素富化ガスと、窒素を主に含み且つ酸素も含む脱着ガスとを、取り出す。膜式ガス分離工程では、酸素を優先的に透過させるガス分離膜２Ａの透過側を大気圧未満の圧力に減圧しつつ、ガス分離膜２Ａにより、脱着ガスを、ガス分離膜２Ａを透過するガスと透過しないガス（窒素富化ガス）とに分離する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素および窒素を含む混合ガス（例えば空気）から酸素ガスおよび窒素ガスを併行して分離するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気から分離して得られる酸素ガスおよび窒素ガスは、多様な用途に利用されている。酸素ガスは、例えば、ゴミ溶融炉や、灰溶融炉、ガラス溶融炉の高温化、製鋼用電気炉の燃焼効率向上、化学プラントでの酸化反応、廃水処理装置における酸素曝気などに、利用されている。一方、窒素ガスは、例えば、ゴミ溶融炉や化学プラントにおけるガスシールやパージング、熱処理炉の雰囲気ガス調整、食品の包装用ガスシールなどに、利用されている。
【０００３】
空気から酸素ガスや窒素ガスを分離するのに実用的な手法の一つとして、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）が知られている。ＰＳＡ法によるガス分離では、所定成分を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を具備するＰＳＡガス分離装置が用いられ、吸着塔において、少なくとも吸着工程および脱着工程が実行される。吸着工程では、吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の易吸着成分を高圧条件下で吸着剤に吸着させ、難吸着成分からなるガスを塔から導出する。脱着工程では、塔内圧力を降下させて易吸着成分を吸着剤から脱着させ、当該易吸着成分を主に含むガスを吸着塔から導出する。例えば、酸素よりも窒素を優先的に吸着することのできる吸着剤を使用し且つ混合ガスとして空気を吸着塔に導入する場合、酸素は、吸着工程にて難吸着成分として塔外に導出され、窒素は、易吸着成分として、吸着工程にて吸着剤に吸着され且つ脱着工程にて塔外に導出される。
【０００４】
ＰＳＡ法においては、脱着工程にて減圧脱着されて塔外に導出される易吸着成分ガスよりも、吸着工程にて吸着塔を通過する難吸着成分ガスの方が、ガス濃度やガス量について安定している。そのため、ＰＳＡ法では、取得目的のガスを易吸着成分ガスとするよりも難吸着成分ガスとする方が、当該目的ガスを効率よく取得しやすい。したがって、ＰＳＡ法により空気から酸素を分離取得する際には、一般に、使用されるＰＳＡガス分離装置の吸着塔に窒素吸着性の吸着剤が充填され、吸着工程にて当該吸着塔から導出される酸素富化ガスが製品ガスとして回収される。また、ＰＳＡ法により空気から窒素を分離取得する際には、一般に、酸素吸着性の吸着剤が吸着塔に充填され、吸着工程にて当該吸着塔から導出される窒素富化ガスが製品ガスとして回収される。
【０００５】
しかしながら、空気中の酸素を分離取得して利用するとともに空気中の窒素を分離取得して利用する必要が生ずる場合があり、この場合には、空気中に含まれる酸素および窒素を単一のシステムにより併行して分離取得することが可能な技術が望まれる。
【０００６】
図６は、空気中の酸素および窒素を併行して分離するための従来システムの一例である酸素・窒素併行分離システムＸ３を表す。酸素・窒素併行分離システムＸ３は、ＰＳＡガス分離装置６１と、膜式ガス分離器６２と、貯蔵タンク６３と、圧縮機６４，６５と、真空ポンプ６６とを備え、これらは、配管を介して連結されている。配管における所定の箇所には複数の自動弁（図示略）が設けられており、システム稼動時には、各自動弁の開閉状態が適宜選択されることにより、システム内のガスの流れ状態が切り替えられる。ＰＳＡガス分離装置６１は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔（図示略）を備える。また、膜式ガス分離器６２は、酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜６２ａを有する。このような酸素・窒素併行分離システムは、例えば下記の特許文献１に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２５３４３８号公報
【０００８】
酸素・窒素併行分離システムＸ３の稼動時には、ＰＳＡガス分離装置６１の吸着塔において、吸着工程および脱着工程を含む１サイクルが繰り返され、空気から酸素富化ガスが分離取得される。吸着工程では、圧縮機６４が作動してＰＳＡガス分離装置６１の吸着塔に空気が供給され、塔内が所定の圧力にまで上昇した状態において、当該空気中の易吸着成分（主に窒素を含む）を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔ないしＰＳＡガス分離装置６１から酸素富化ガスが導出される。この酸素富化ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用される。脱着工程では、真空ポンプ６６の作動により塔内が所定の圧力にまで降下された状態において、当該吸着塔内の吸着剤から易吸着成分（主に窒素を含む）が脱着され、塔内に残存する酸素とともに当該易吸着成分は脱着ガスとして塔外ないしＰＳＡガス分離装置６１外に排出される。脱着ガス中の酸素濃度は、脱着工程初期においては比較的に高く、時間の経過とともに次第に低下する傾向にある。
【０００９】
ＰＳＡガス分離装置６１からの脱着ガスの酸素濃度は酸素モニタにより常時的に検知され、脱着工程初期の比較的に酸素濃度の高い脱着ガスは、矢印Ｇ’で示すように、システム外に廃棄される。そして、脱着ガスの酸素濃度が所定の値にまで低下した時点で、当該廃棄は停止され、貯蔵タンク６３への脱着ガスの回収に切り替えられ、脱着ガスの回収が開始される。このような脱着ガスの廃棄およびその後の回収は、ＰＳＡガス分離装置６１から脱着ガスが排出されるごとに実行される。
【００１０】
貯蔵タンク６３に回収された脱着ガスは、圧縮機６５の作動により所定の圧力で膜式ガス分離器６２に供給され、膜式ガス分離器６２のガス分離膜６２ａを透過する透過ガスと透過しない非透過ガスとに分離される。脱着ガス中の酸素はガス分離膜６２ａを優先的に透過し、これにより、酸素濃度が低下して窒素純度が高められた窒素富化ガスが非透過ガスとして膜式ガス分離器６２から排出される。この非透過ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用される。酸素・窒素併行分離システムＸ３によると、以上のようにして、空気から酸素富化ガスおよび窒素富化ガスが分離取得される。
【００１１】
酸素・窒素併行分離システムＸ３においては、仮に、ＰＳＡガス分離装置６１からの脱着ガスの全てが、貯蔵タンク６３に一旦回収されずに連続的に圧縮機６５を経て膜式ガス分離器６２に供給され続けると、膜式ガス分離器６２から非透過ガスとして排出される窒素富化ガスの量は、経時的に比較的大きく変動してしまう。膜式ガス分離器６２に供給される脱着ガスの酸素分圧ないし酸素濃度が比較的大きく変動し、これにより、ガス分離膜６２ａにおける酸素透過のドライビングフォースが比較的大きく変動するからである。当該ドライビングフォースの変動は、ガス分離膜６２ａに対する酸素の透過量ないし酸素の非透過量の変動を来し、従って、膜式ガス分離器６２から排出される非透過ガス（窒素富化ガス）の量の変動を来す。そのため、酸素・窒素併行分離システムＸ３において、ＰＳＡガス分離装置６１からの脱着ガスの全てが貯蔵タンク６３に一旦回収されずに連続的に膜式ガス分離器６２に供給され続けると、非透過ガスとして取得される窒素富化ガスを、その供給量が不安定であるために不活性ガスとして適切に利用できない場合が生ずる。
【００１２】
これに対し、上述したような本来の態様で稼動する酸素・窒素併行分離システムＸ３におては、ＰＳＡガス分離装置６１からの脱着ガスの廃棄および回収が所定のタイミングで切り替えられることにより、所定の酸素濃度領域（即ち窒素濃度領域）の脱着ガスが貯蔵タンク６３に一旦回収され、略一定の酸素濃度（即ち略一定の窒素純度）の脱着ガスが貯蔵タンク６３から膜式ガス分離器６２に供給される。そして、膜式ガス分離器６２に供給される脱着ガスの酸素分圧（ないし酸素濃度）の変動が小さいため、ガス分離膜６２ａに対する酸素の透過量の変動は少なく、膜式ガス分離器６２からは、略一定の流量で非透過ガス（窒素富化ガス）が排出されることとなる。
【００１３】
しかしながら、ＰＳＡガス分離装置６１から膜式ガス分離器６２への脱着ガスの流れを分断する切替え用ライン構成および貯蔵タンク６３は、窒素富化ガスの分離取得操作を不連続化してシステムの複雑化を招来するので、好ましくない。加えて、このような切替え用ライン構成および貯蔵タンク６３は、システムの大型化を招来するので好ましくない。また、ＰＳＡガス分離装置６１から膜式ガス分離器６２への脱着ガスの流れを分断する期間が長いほど、貯蔵タンク６３はより大きな容量を必要として大型化する。例えば、ＰＳＡガス分離装置６１の吸着塔での３０秒間の脱着工程の間において、脱着工程開始から２０秒間の脱着初期・中期に排出される脱着ガス（酸素濃度は比較的高くて窒素純度は比較的に低い）を矢印Ｇ’で示すようにシステム外に廃棄し、脱着工程開始から２０〜３０秒間の脱着末期に排出される脱着ガス（酸素濃度は比較的低くて窒素純度は比較的に高い）を貯蔵タンク６３に貯蔵する場合、脱着初期・中期の２０秒間は貯蔵タンク６３に脱着ガスが貯蔵されないので、この間に貯蔵タンク６３から膜式ガス分離器６２にガスを供給するためには、貯蔵タンク６３には、予め、それまでの脱着工程において排出される脱着ガスを膜式ガス分離器６２に送出せずに余分に貯蔵しておく必要がある。このとき、真空ポンプ６６の作動により相応の圧力で脱着ガスを貯蔵タンク６３に導入する必要があるが、真空ポンプ６６の吐出圧力には一定の限界があるので、貯蔵タンク６３に対して脱着ガスを適切に導入するためには、貯蔵タンク６３には充分な容量が必要となる。上述の分断時間が長いほど、貯蔵タンク６３に予め余分に貯蔵しておくべき脱着ガスの量は増大し、従って、貯蔵タンク６３に要求される容量も増大して貯蔵タンク６３が大型化するのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、ＰＳＡガス分離装置により酸素・窒素混合ガスから高純度酸素ガスを分離取得するとともに、当該ＰＳＡガス分離装置から連続的に供給される脱着ガスから高純度窒素ガスを連続的に効率よく分離取得することのできる、方法およびシステムを提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の側面によると、酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するための方法が提供される。この併行分離方法は、圧力変動吸着式ガス分離工程および膜式ガス分離工程を含む。圧力変動吸着式ガス分離工程では、窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔内が相対的に高圧である状態において、吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出し、且つ、吸着塔内が相対的に低圧である状態において、吸着剤から窒素を脱着させ、吸着塔内に残存する酸素と当該窒素とを含む酸素含有脱着ガスを当該吸着塔から導出する。膜式ガス分離工程では、酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜の透過側を大気圧未満の圧力に減圧しつつ、当該ガス分離膜により、酸素含有脱着ガスを、ガス分離膜を透過する透過ガスおよび透過しない非透過窒素富化ガスに分離する。
【００１６】
本併行分離方法においては、ガス分離膜の透過側を大気圧未満の所望の圧力に減圧することにより、圧力変動吸着式ガス分離工程における吸着塔から排出されて膜式ガス分離工程に付される酸素含有脱着ガスの酸素分圧（ないし、体積あたりの物質量で表される酸素濃度）と、当該酸素含有脱着ガスとはガス分離膜により隔てられている透過ガスの酸素分圧（ないし、体積あたりの物質量で表される酸素濃度）とについて、充分な差を設けることができる。酸素含有脱着ガスの酸素分圧（ないし酸素濃度）が変動する場合であっても、当該両酸素分圧について充分な差を設けることにより、ガス分離膜における酸素透過のための充分なドライビングフォースを確保することができるとともに当該ドライビングフォースの変動比率を抑制することができ、従って、ガス分離膜に対する酸素の充分な透過量を達成できるとともに当該透過量の変動比率を抑制することができる。ガス分離膜における酸素透過量が多いほど、当該膜における窒素透過量は少なく、従って、膜式ガス分離工程における非透過窒素富化ガスの発生量は多い。一方、ガス分離膜における酸素透過量の変動比率が小さいほど、膜式ガス分離工程における非透過窒素富化ガスの発生量の変動比率は小さい。このように、本併行分離方法によると、多量の非透過窒素富化ガスを安定した流量で供給することができる。したがって、本併行分離方法によると、ＰＳＡガス分離装置により酸素・窒素混合ガスから高純度酸素ガスを分離取得するとともに、ＰＳＡガス分離装置から連続的に供給される酸素含有脱着ガスから高純度窒素ガスを連続的に効率よく分離取得することが、可能なのである。そのため、本併行分離方法によると、ＰＳＡガス分離装置からの脱着ガスを一旦貯留するためのタンク等を用いる必要はない。
【００１７】
好ましくは、本併行分離方法は、酸素含有脱着ガスが膜式ガス分離工程に付される前に当該酸素含有脱着ガスを圧縮するための圧縮工程を更に含む。この場合、圧縮工程では、酸素含有脱着ガスを０.６ＭＰａ以上の圧力に圧縮するのが好ましい。このような構成は、吸着塔からの酸素含有脱着ガスの酸素分圧と、当該酸素含有脱着ガスとはガス分離膜により隔てられている透過ガスの酸素分圧とについて、充分な差を設けるうえで、好適である。
【００１８】
好ましくは、圧力変動吸着式ガス分離工程における吸着塔から酸素含有脱着ガスを導出するときの当該吸着塔内の減圧と、膜式ガス分離工程における透過側の減圧とは、単一の減圧手段により実現される。このような構成は、本併行分離方法を効率よく実施するうえで好適である。
【００１９】
本発明の第２の側面によると、酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するためのシステムが提供される。この併行分離システムは、圧力変動吸着式ガス分離装置、膜式ガス分離器、および減圧手段を備える。圧力変動吸着式ガス分離装置は、窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を有し、当該吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔内が相対的に高圧である状態において、吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出し、且つ、吸着塔内が相対的に低圧である状態において、吸着剤から窒素を脱着させ、吸着塔内に残存する酸素と当該窒素とを含む酸素含有脱着ガスを当該吸着塔から導出するためのものである。膜式ガス分離器は、酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜を有し、酸素含有脱着ガスを、ガス分離膜を透過する透過ガスおよび透過しない非透過窒素富化ガスに分離して導出するためのものである。減圧手段は、膜式ガス分離器のガス分離膜における透過側を大気圧未満の圧力に減圧するためのものである。本併行分離システムによると、本発明の第１の側面の方法を適切に行うことができる。したがって、本併行分離システムによると、その酸素・窒素併行分離過程において、第１の側面に関して上述したのと同様の効果が奏される。
【００２０】
好ましくは、本併行分離システムは、酸素含有脱着ガスが膜式ガス分離器に供給される前に当該酸素含有脱着ガスを圧縮するための圧縮手段を更に備える。このような構成によると、第１の側面において上述した圧縮工程を行うことができる。
【００２１】
好ましくは、減圧手段は、圧力変動吸着式ガス分離装置の吸着塔から酸素含有脱着ガスを導出するときに当該吸着塔内を減圧するための手段としても併せて機能する。このような構成は、本併行分離システムをコンパクトに構築するうえで好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る酸素・窒素併行分離システムＸ１を表す。酸素・窒素併行分離システムＸ１は、圧力変動吸着式（ＰＳＡ）ガス分離装置１と、膜式ガス分離器２と、原料ガス供給装置３と、ポンプ４，５と、サイレンサ６と、圧縮機７と、気液分離器８と、酸素濃度制御機構９と、これらを連結する配管とを備え、空気（酸素・窒素含有原料ガス）から酸素富化ガスおよび窒素富化ガスを併行して分離すべく、圧力変動吸着式ガス分離工程、圧縮工程、および膜式ガス分離工程を含む酸素・窒素併行分離方法を実施するように構成されている。
【００２３】
ＰＳＡガス分離装置１は、主に窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された少なくとも一つの吸着塔（図示略）を備え、当該吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により酸素・窒素含有原料ガス（本実施形態では空気）から酸素富化ガスを取り出すことのできるものである。吸着塔に充填される吸着剤としては、Ｌｉ−Ｘ型ゼオライトモレキュラーシーブ、Ｃａ−Ｘ型ゼオライトモレキュラーシーブ、およびＣａ−Ａ型ゼオライトモレキュラーシーブなどを採用することができる。単一の吸着塔には、一種類の吸着剤を充填してもよいし、複数種類の吸着剤を充填してもよい。
【００２４】
ＰＳＡガス分離装置１にて実行される圧力変動吸着式ガス分離法では、単一の吸着塔について、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含む１サイクルが繰り返される。吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に空気を導入して当該原料ガス中の窒素およびその他の成分（二酸化炭素，湿分など）を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出するための工程である。脱着工程は、吸着塔内を減圧して吸着剤から窒素を脱着させ、当該窒素を塔外に排出するための工程である。再生工程は、再度の吸着工程に吸着塔を備えさせるべく、例えば洗浄ガスを塔内に通流させることにより、窒素に対する吸着剤の吸着性能を回復させるための工程である。このようなＰＳＡガス分離装置１としては、公知のＰＳＡ酸素分離装置を用いることができる。
【００２５】
膜式ガス分離器２は、導入口２ａおよび導出口２ｂ，２ｃを有し、酸素を優先的に透過させるガス分離膜２Ａを備える。膜式ガス分離器２の内部には所定のガス流路（具体的には図示せず）が設けられ、導入口２ａと導出口２ｂはガス流路の一部を介して連通している。また、導入口２ａから導出口２ｃまでのガス流路の所定箇所に、ガス分離膜２Ａは配設されている。ガス分離膜２Ａは、例えば、ポリイミドやポリスルホンなどよりなる多孔質樹脂膜である。そのような多孔質樹脂膜としては、ユーピレックスＰＴ（宇部興産（株）製）を用いることができる。
【００２６】
原料ガス供給装置３は、酸素・窒素含有原料ガスである空気をＰＳＡガス分離装置１の吸着塔に供給するためのものであり、例えば空気ブロアである。ポンプ４は、ＰＳＡガス分離装置１の吸着塔内を吸引減圧するためのものであり、例えば真空ポンプである。また、ポンプ５は、膜式ガス分離器２におけるガス分離膜２Ａの透過側（ガス分離膜２Ａから導出口２ｃまでのガス流路）を吸引減圧するためのものであり、例えば真空ポンプである。
【００２７】
サイレンサ６は、ポンプ４からのガスの一部を圧縮機７に導きつつ、ポンプ４からのガスの残部をシステム外に排出するためのものであり、ポンプ４からのガスを圧縮機７に導くためのガス流路と、ポンプ４からのガスを消音しつつシステム外に排出するためのガス流路とを有する。
【００２８】
圧縮機７は、サイレンサ６を経たガスを圧縮して気液分離器８に供給するためのものである。また、気液分離器８は、排出口８ａを有しており、圧縮機７から送出されるガスに含まれる水分を当該ガスから分離するためのものである。排出口８ａは、気液分離器８内に回収された水分を気液分離器８外に排出するためのものである。
【００２９】
酸素濃度制御機構９は、膜式ガス分離器２の導出口２ｂに継合された配管Ｌ１に設けられた酸素センサ９ａおよび自動弁９ｂからなり、配管Ｌ１内を通流するガスの酸素濃度に応じて、当該ガスの通流量（即ち、膜式ガス分離器２のガス分離膜２Ａを透過しないガスの量）を調節することにより、当該ガスの酸素濃度を所望の値に調整するためのものである。酸素センサ９ａは、配管Ｌ１内を通流するガスの酸素濃度を常時的に検知するためのものである。酸素濃度制御機構９においては、酸素センサ９ａの検知結果に応じて自動弁９ｂの開口度が所望に調節されるように構成されている。
【００３０】
以上の構成を有する酸素・窒素併行分離システムＸ１の稼動時には、原料ガス供給装置３の作動により、原料ガス供給装置３からＰＳＡガス分離装置１へと空気が供給される。
【００３１】
ＰＳＡガス分離装置１においては、空気は圧力変動吸着式ガス分離工程に付される。具体的には、ＰＳＡガス分離装置１では、圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔ごとに、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含む１サイクルが繰り返される。
【００３２】
吸着工程では、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に、空気が導入される。当該吸着塔では、空気に含まれる窒素およびその他の成分（二酸化炭素，湿分など）が吸着剤により吸着除去され、高純度酸素ガス（酸素富化ガス）が塔外へ導出される。この高純度酸素ガスは、所定の配管を介して酸素・窒素併行分離システムＸ１外に取り出される。
【００３３】
脱着工程では、ポンプ４の作動により、吸着塔が減圧されて吸着剤から窒素およびその他の成分が脱着され、塔内に残存する酸素と当該脱着成分とを含む酸素含有脱着ガスが塔外ないしＰＳＡガス分離装置１外に排出される。脱着工程にある吸着塔から排出される酸素含有脱着ガスにおける圧力の時間変化の一例を表すグラフを、図２に示す。図２のグラフにおいて、横軸は、吸着塔における脱着時間（脱着工程開始からの経過時間）を表し、縦軸は、脱着圧力（酸素含有脱着ガスの圧力）を表す。本圧力変化例では、脱着工程開始時の圧力は大気圧であり、１０秒経過時の圧力は０.０６１１ＭＰａであり、３０秒経過時の圧力は０.０３３２ＭＰａである。また、図２には、脱着工程開始時、１０秒経過時、および３０秒経過時における、酸素含有脱着ガスの酸素濃度（酸素の体積割合）も併せて示した。
【００３４】
再生工程では、例えば洗浄ガスが塔内に通流されることにより、主に窒素に対する吸着剤の吸着性能が回復される。再生工程を終えた吸着塔では上述の吸着が再び行われる。
【００３５】
ＰＳＡガス分離装置１においては、以上のような圧力変動吸着式ガス分離工程が行われることにより、高純度酸素ガスが取り出されるとともに、酸素含有脱着ガスが取り出されるのである。高純度酸素ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用されるか、或は、所定のタンクに貯留される。一方、脱着工程にある吸着塔からＰＳＡガス分離装置１外に排出された酸素含有脱着ガスは、所定の配管およびポンプ４を通ってサイレンサ６へと送られる。そして、酸素含有脱着ガスの一部は、サイレンサ６を通過して圧縮機７に至る。酸素含有脱着ガスの残部は、サイレンサ６にてシステム外に排出される。
【００３６】
サイレンサ６を通過した酸素含有脱着ガスは、圧縮機７にて圧縮され（圧縮工程）、気液分離器８を経て、膜式ガス分離器２に供給される。好ましくは、酸素含有脱着ガスは圧縮機７により０.６ＭＰａ以上の圧力まで圧縮される。また、気液分離器８では、酸素含有脱着ガスから水分が分離される。この水分は、排出口８ａを介して気液分離器８から外部に排出される。
【００３７】
膜式ガス分離器２においては、酸素含有脱着ガスは膜式ガス分離工程に付される。具体的には、導入口２ａから膜式ガス分離器２内に導入される酸素含有脱着ガスＧ１は、膜式ガス分離器２のガス流路内に配設されているガス分離膜２Ａにより、ガス分離膜２Ａを透過する透過ガスＧ２と、透過しない非透過ガスＧ３とに、分離される。透過ガスＧ２は、ガス分離膜２Ａの透過特性に基づいて酸素濃度が高められた酸素富化ガスであり、非透過ガスＧ３は、ガス分離膜２Ａの透過特性に基づいて窒素濃度が高められた高純度窒素ガス（窒素富化ガス）である。
【００３８】
膜式ガス分離工程では、ポンプ５の作動により、ガス分離膜２Ａの透過側は大気圧未満の圧力に減圧される。ポンプ５による減圧圧力は例えば０．０２〜０．０５ＭＰａである。透過ガスＧ２は、導出口２ｃから膜式ガス分離器２外に導出され、この後、ポンプ５を通ってシステム外に排出される。
【００３９】
これとともに、膜式ガス分離工程では、酸素濃度制御機構９の作動により、直接的には非透過ガス量が調節されて、非透過ガスＧ３の酸素濃度が一定に維持される。酸素濃度制御機構９の酸素センサ９ａは、導出口２ｂから膜式ガス分離器２外に導出されて配管Ｌ１内を通る非透過ガスＧ３について酸素濃度を常時的に検知する。検知濃度が所望値を上回る場合には、自動弁９ｂの開口度が小さくされ、配管Ｌ１内を通る非透過ガスＧ３の流量、ひいては膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程にて生ずる非透過ガスＧ３の量（単位時間あたりの発生量）は、低減される。一方、検知濃度が所望値を下回る場合には、自動弁９ｂの開口度が大きくされ、配管Ｌ１内を通る非透過ガスＧ３の流量、ひいては膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程にて生ずる非透過ガスＧ３の量は、増加される。膜式ガス分離工程での非透過ガスＧ３の純度および酸素濃度は、当該非透過ガスＧ３の発生量に依存して変化し得るので、このような非透過ガスＧ３の流量調節により当該非透過ガスＧ３の酸素濃度を制御することができるのである。
【００４０】
膜式ガス分離器２においては、以上のような膜式ガス分離工程が行われることにより、酸素濃度制御が施されつつ高純度窒素ガスが取り出されるのである。この高純度窒素ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用されるか、或は、所定のタンクに貯留される。
【００４１】
酸素・窒素併行分離システムＸ１によると、以上のようにして、空気から高純度酸素ガスおよび高純度窒素ガスを併行して分離することができる。
【００４２】
酸素・窒素併行分離システムＸ１による酸素・窒素併行分離方法おいては、圧力変動吸着式ガス分離工程が行われるＰＳＡガス分離装置１の吸着塔から排出されて膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程に付される酸素含有脱着ガスＧ１の酸素分圧（ないし、体積あたりの物質量で表される酸素濃度）と、当該酸素含有脱着ガスＧ１とはガス分離膜２Ａにより隔てられている透過ガスＧ２の酸素分圧（ないし、体積あたりの物質量で表される酸素濃度）とについて、ガス分離膜２Ａの透過側を大気圧未満の所望の圧力に減圧することにより、充分な差を設けることができる。また、圧縮機７での圧縮工程も、吸着塔からの酸素含有脱着ガスＧ１の酸素分圧と、ガス分離膜２Ａにより隔てられている透過ガスＧ２の酸素分圧とについて、充分な差を設けるのに寄与している。酸素含有脱着ガスＧ１の酸素分圧（ないし酸素濃度）が変動する場合であっても、当該両酸素分圧について充分な差を設けることにより、ガス分離膜２Ａにおける酸素透過のための充分なドライビングフォースを確保することができるとともに当該ドライビングフォースの変動比率を抑制することができ、従って、ガス分離膜２Ａに対する酸素の充分な透過量を得ることができるとともに当該透過量の変動を抑制することができる。ガス分離膜２Ａにおける酸素透過量が多いほど、ガス分離膜２Ａにおける窒素透過量は少ない傾向にあり、従って、膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程における非透過ガス（高純度窒素ガス）Ｇ３の発生量は多い傾向にある。一方、ガス分離膜２Ａにおける酸素透過量の変動比率が小さいほど、膜式ガス分離工程における非透過ガス（高純度窒素ガス）Ｇ３の発生量の変動比率は小さい傾向にある。
【００４３】
このように、本発明に係る酸素・窒素併行分離システムＸ１による酸素・窒素併行分離方法によると、多量の非透過窒素富化ガスを安定した流量で供給することができる。したがって、本併行分離方法によると、ＰＳＡガス分離装置１により空気から高純度酸素ガスを分離取得するとともに、ＰＳＡガス分離装置１から連続的に供給される酸素含有脱着ガスから高純度窒素ガスを連続的に効率よく分離取得することが、可能なのである。そのため、本併行分離方法によると、ＰＳＡガス分離装置１からの酸素含有脱着ガスを一旦貯留するためのタンク等を用いる必要はない。
【００４４】
本発明においては、膜式ガス分離器２に導入される酸素含有脱着ガスＧ１について、圧力をＰ1（ＭＰａ）、酸素濃度（酸素の体積割合）をＸ1、ガス量をＱ1（Ｎｍ3/hour）とし、膜式ガス分離器２から導出される透過ガスＧ２について、圧力（即ち、ガス分離膜２Ａの透過側の圧力）をＰ2（ＭＰａ）、酸素濃度をＸ2、ガス量をＱ2（Ｎｍ3/hour）とし、膜式ガス分離器２から導出される非透過ガス（高純度窒素ガス）Ｇ３について、酸素濃度をＸ3、ガス量をＱ3（Ｎｍ3/hour）とし、ガス分離膜２Ａの面積および厚さをＳ（ｍ2）およびＬ（ｍ）とし、ガス分離膜２Ａの酸素の透過係数をＫ（Ｎｍ2/hour・ＭＰａ）とすると、ガス分離膜２Ａによるガス分離について、理論上は下記の式（１）〜（３）が成立する。式（１）はガス量バランスを表し、式（２）は酸素量バランスを表し、式（３）はガス分離膜２Ａの酸素透過特性を表す。
【００４５】
【数１】
【００４６】
例えば、ガス分離膜２Ａとしてポリイミド多孔質膜であるユーピレックスＰＴ（宇部興産（株）製）を採用して式（３）のＫ（Ｓ／Ｌ）の値を１８６に設定し、ＰＳＡガス分離装置１から図２に示すように排出されていくこととなる、脱着工程開始時（脱着初期）において酸素濃度（Ｘ1）が２０.６％の酸素含有脱着ガスを、圧縮機７により０.７９ＭＰａ（Ｐ1）に圧縮して膜式ガス分離器２に１２５Ｎｍ3/hour（Ｑ1）の供給量で導入し、ガス分離膜２Ａの透過側の圧力を０.０３３２ＭＰａ（Ｐ2）に減圧し、残存酸素濃度（Ｘ3）が１％の非透過ガス（高純度窒素ガス）が得られるように酸素濃度制御機構９により非透過ガス流量を調整する場合には、３つの未知数Ｘ2，Ｑ2，Ｑ3を、上記式（１）〜（３）からなる連立方程式の解として求めることができ、脱着初期には、酸素濃度（Ｘ2）が８８.９％の透過ガスが２７.９Ｎｍ3/hour（Ｑ2）発生し、非透過ガス量（Ｑ3）は９７.１Ｎｍ3/hourとなることが判る。脱着初期におけるこれらの値は、図３の表に掲げる。
【００４７】
Ｋ（Ｓ／Ｌ），Ｐ1，Ｑ1，Ｐ2，Ｘ3の値を一定に保ちつつ、脱着工程開始から１０秒経過時（脱着中期）において酸素含有脱着ガスの酸素濃度（Ｘ1）が図２に示すように１０.０％に至ったときには、上記式（１）〜（３）からなる連立方程式の解としてＸ2，Ｑ2，Ｑ3を求めることにより、当該脱着中期には、酸素濃度（Ｘ2）が５２.２％の透過ガスが２２.０Ｎｍ3/hour（Ｑ2）で発生し、非透過ガス量（Ｑ3）は１０３.２Ｎｍ3/hourとなることが判る。脱着中期におけるこれらの値も、図３の表に掲げる。
【００４８】
Ｋ（Ｓ／Ｌ），Ｐ1，Ｑ1，Ｐ2，Ｘ3の値を一定に保ちつつ、脱着工程開始から３０秒経過時（脱着末期）において酸素含有脱着ガスの酸素濃度（Ｘ1）が図２に示すように５.０％に至ったときには、上記式（１）〜（３）からなる連立方程式の解としてＸ2，Ｑ2，Ｑ3を求めることにより、当該脱着末期には、酸素濃度（Ｘ2）が３５.７％の透過ガスが１４.４Ｎｍ3/hourの量（Ｑ2）で発生し、非透過ガス量（Ｑ3）は１１０.６Ｎｍ3/hourとなることが判る。脱着末期におけるこれらの値も、図３の表に掲げる。
【００４９】
一方、ガス分離膜２Ａの透過側を減圧せずに大気圧（０.１０１ＭＰａ）とする以外は、上述の条件と同様にして、ＰＳＡガス分離装置１から図２に示すように酸素含有脱着ガスが排出される場合の脱着初期、脱着中期、および脱着末期のＸ2，Ｑ2，Ｑ3を式（１）〜（３）に基づいて求めると、その結果は、図４の表に示すとおりである。
【００５０】
図３の表および図４の表の比較から理解できるように、膜式ガス分離工程においてガス分離膜２Ａの透過側を減圧しない場合には（図４参照）、透過ガス量（Ｑ2）は脱着初期から脱着末期にわたって比較的に多く、従って、非透過ガス量（Ｑ3）は脱着初期から脱着末期にわたって比較的に少ない。また、酸素含有脱着ガスの酸素濃度（Ｘ1）の低下に伴う透過ガス量（Ｑ2）の変化量（ないし変動比率）は大きく、従って、非透過ガス量（Ｑ3）の変化量（ないし変動比率）も大きい。これに対し、膜式ガス分離工程においてガス分離膜２Ａの透過側を大気圧未満に減圧する場合には（図３参照）、透過ガス量（Ｑ2）は脱着初期から脱着末期にわたって比較的に少なく、従って、非透過ガス量（Ｑ3）は脱着初期から脱着末期にわたって比較的に多い。また、酸素含有脱着ガスの酸素濃度（Ｘ1）の低下に伴う透過ガス量（Ｑ2）の変化量（ないし変動比率）は小さく、従って、非透過ガス量（Ｑ3）の変化量（ないし変動比率）も小さい。以上のことから、酸素・窒素併行分離システムＸ１における膜式ガス分離工程によると、多量の高純度窒素ガスを安定した流量で供給することができることが、理解できよう。
【００５１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る酸素・窒素併行分離システムＸ２を表す。酸素・窒素併行分離システムＸ２は、ポンプ５を備えない点、および、膜式ガス分離器２の導出口２ｃとポンプ４の吸引側とを継合する配管Ｌ２を備える点において、酸素・窒素併行分離システムＸ１と異なる。
【００５２】
酸素・窒素併行分離システムＸ２におけるポンプ４は、ＰＳＡガス分離装置１の吸着塔内を減圧するための減圧手段として機能するとともに、膜式ガス分離器２におけるガス分離膜２Ａの透過側を減圧するための減圧手段としても機能する。このような構成は、システムをコンパクトに構築するうえで好適である。
【００５３】
酸素・窒素併行分離システムＸ２の稼動時には、ＰＳＡガス分離装置１において、酸素・窒素併行分離システムＸ１に関して上述したのと同様に圧力変動吸着式ガス分離工程が行われることにより、高純度酸素ガスおよび酸素含有脱着ガスが取り出される。また、膜式ガス分離器２において、ガス分離膜２Ａの透過側の減圧手法以外は酸素・窒素併行分離システムＸ１に関して上述したのと同様に、膜式ガス分離工程が行われることにより、高純度窒素ガスが取り出される。本実施形態における膜式ガス分離工程では、ポンプ４の作動により、ガス分離膜２Ａの透過側は大気圧未満の圧力に減圧される。例えば、ポンプ４の作動により、吸着工程にある吸着塔内が吸引減圧されるのと同時に、ガス分離膜２Ａの透過側も減圧される。
【００５４】
したがって、酸素・窒素併行分離システムＸ２による酸素・窒素併行分離方法によると、酸素・窒素併行分離システムＸ１によるのと略同様に、高純度酸素ガスを供給することができるのに加え、多量の高純度窒素ガスを安定した流量で供給することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る酸素・窒素併行分離システムの概略構成を表す。
【図２】図１に示す圧力変動吸着式ガス分離装置から排出される酸素含有脱着ガスについて、圧力の時間変化の一例を表す。
【図３】図１に示す酸素・窒素併行分離システムを使用して実行される本発明の酸素・窒素併行分離方法における膜式ガス分離工程に関し、図２に示すようにＰＳＡガス分離装置から酸素含有脱着ガスが排出される場合の、脱着初期（脱着工程開始時）、脱着中期（１０秒経過時）、および脱着末期（３０秒経過時）にわたる各物理量の変化の一例をまとめた表である。
【図４】図１に示す酸素・窒素併行分離システムの膜式ガス分離器におけるガス分離膜の透過側を減圧せずに実行される膜式ガス分離工程に関し、図２に示すようにＰＳＡガス分離装置から酸素含有脱着ガスが排出される場合の、脱着初期（脱着工程開始時）、脱着中期（１０秒経過時）、および脱着末期（３０秒経過時）にわたる各物理量の変化の一例をまとめた表である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る酸素・窒素併行分離システムの概略構成を表す。
【図６】従来の酸素・窒素併行分離システムの概略構成を表す。
【符号の説明】
【００５６】
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３ 酸素・窒素併行分離システム
１ ＰＳＡガス分離装置
２ 膜式ガス分離器
２Ａ ガス分離膜
３ 原料ガス供給装置
４，５ ポンプ
６ サイレンサ
７ 圧縮機
８ 気液分離器
９ 酸素濃度制御機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素および窒素を含む混合ガス（例えば空気）から酸素ガスおよび窒素ガスを併行して分離するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気から分離して得られる酸素ガスおよび窒素ガスは、多様な用途に利用されている。酸素ガスは、例えば、ゴミ溶融炉や、灰溶融炉、ガラス溶融炉の高温化、製鋼用電気炉の燃焼効率向上、化学プラントでの酸化反応、廃水処理装置における酸素曝気などに、利用されている。一方、窒素ガスは、例えば、ゴミ溶融炉や化学プラントにおけるガスシールやパージング、熱処理炉の雰囲気ガス調整、食品の包装用ガスシールなどに、利用されている。
【０００３】
空気から酸素ガスや窒素ガスを分離するのに実用的な手法の一つとして、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）が知られている。ＰＳＡ法によるガス分離では、所定成分を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を具備するＰＳＡガス分離装置が用いられ、吸着塔において、少なくとも吸着工程および脱着工程が実行される。吸着工程では、吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の易吸着成分を高圧条件下で吸着剤に吸着させ、難吸着成分からなるガスを塔から導出する。脱着工程では、塔内圧力を降下させて易吸着成分を吸着剤から脱着させ、当該易吸着成分を主に含むガスを吸着塔から導出する。例えば、酸素よりも窒素を優先的に吸着することのできる吸着剤を使用し且つ混合ガスとして空気を吸着塔に導入する場合、酸素は、吸着工程にて難吸着成分として塔外に導出され、窒素は、易吸着成分として、吸着工程にて吸着剤に吸着され且つ脱着工程にて塔外に導出される。
【０００４】
ＰＳＡ法においては、脱着工程にて減圧脱着されて塔外に導出される易吸着成分ガスよりも、吸着工程にて吸着塔を通過する難吸着成分ガスの方が、ガス濃度やガス量について安定している。そのため、ＰＳＡ法では、取得目的のガスを易吸着成分ガスとするよりも難吸着成分ガスとする方が、当該目的ガスを効率よく取得しやすい。したがって、ＰＳＡ法により空気から酸素を分離取得する際には、一般に、使用されるＰＳＡガス分離装置の吸着塔に窒素吸着性の吸着剤が充填され、吸着工程にて当該吸着塔から導出される酸素富化ガスが製品ガスとして回収される。また、ＰＳＡ法により空気から窒素を分離取得する際には、一般に、酸素吸着性の吸着剤が吸着塔に充填され、吸着工程にて当該吸着塔から導出される窒素富化ガスが製品ガスとして回収される。
【０００５】
しかしながら、空気中の酸素を分離取得して利用するとともに空気中の窒素を分離取得して利用する必要が生ずる場合があり、この場合には、空気中に含まれる酸素および窒素を単一のシステムにより併行して分離取得することが可能な技術が望まれる。
【０００６】
図６は、空気中の酸素および窒素を併行して分離するための従来システムの一例である酸素・窒素併行分離システムＸ３を表す。酸素・窒素併行分離システムＸ３は、ＰＳＡガス分離装置６１と、膜式ガス分離器６２と、貯蔵タンク６３と、圧縮機６４，６５と、真空ポンプ６６とを備え、これらは、配管を介して連結されている。配管における所定の箇所には複数の自動弁（図示略）が設けられており、システム稼動時には、各自動弁の開閉状態が適宜選択されることにより、システム内のガスの流れ状態が切り替えられる。ＰＳＡガス分離装置６１は、酸素よりも窒素を優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着塔（図示略）を備える。また、膜式ガス分離器６２は、酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜６２ａを有する。このような酸素・窒素併行分離システムは、例えば下記の特許文献１に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２５３４３８号公報
【０００８】
酸素・窒素併行分離システムＸ３の稼動時には、ＰＳＡガス分離装置６１の吸着塔において、吸着工程および脱着工程を含む１サイクルが繰り返され、空気から酸素富化ガスが分離取得される。吸着工程では、圧縮機６４が作動してＰＳＡガス分離装置６１の吸着塔に空気が供給され、塔内が所定の圧力にまで上昇した状態において、当該空気中の易吸着成分（主に窒素を含む）を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔ないしＰＳＡガス分離装置６１から酸素富化ガスが導出される。この酸素富化ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用される。脱着工程では、真空ポンプ６６の作動により塔内が所定の圧力にまで降下された状態において、当該吸着塔内の吸着剤から易吸着成分（主に窒素を含む）が脱着され、塔内に残存する酸素とともに当該易吸着成分は脱着ガスとして塔外ないしＰＳＡガス分離装置６１外に排出される。脱着ガス中の酸素濃度は、脱着工程初期においては比較的に高く、時間の経過とともに次第に低下する傾向にある。
【０００９】
ＰＳＡガス分離装置６１からの脱着ガスの酸素濃度は酸素モニタにより常時的に検知され、脱着工程初期の比較的に酸素濃度の高い脱着ガスは、矢印Ｇ’で示すように、システム外に廃棄される。そして、脱着ガスの酸素濃度が所定の値にまで低下した時点で、当該廃棄は停止され、貯蔵タンク６３への脱着ガスの回収に切り替えられ、脱着ガスの回収が開始される。このような脱着ガスの廃棄およびその後の回収は、ＰＳＡガス分離装置６１から脱着ガスが排出されるごとに実行される。
【００１０】
貯蔵タンク６３に回収された脱着ガスは、圧縮機６５の作動により所定の圧力で膜式ガス分離器６２に供給され、膜式ガス分離器６２のガス分離膜６２ａを透過する透過ガスと透過しない非透過ガスとに分離される。脱着ガス中の酸素はガス分離膜６２ａを優先的に透過し、これにより、酸素濃度が低下して窒素純度が高められた窒素富化ガスが非透過ガスとして膜式ガス分離器６２から排出される。この非透過ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用される。酸素・窒素併行分離システムＸ３によると、以上のようにして、空気から酸素富化ガスおよび窒素富化ガスが分離取得される。
【００１１】
酸素・窒素併行分離システムＸ３においては、仮に、ＰＳＡガス分離装置６１からの脱着ガスの全てが、貯蔵タンク６３に一旦回収されずに連続的に圧縮機６５を経て膜式ガス分離器６２に供給され続けると、膜式ガス分離器６２から非透過ガスとして排出される窒素富化ガスの量は、経時的に比較的大きく変動してしまう。膜式ガス分離器６２に供給される脱着ガスの酸素分圧ないし酸素濃度が比較的大きく変動し、これにより、ガス分離膜６２ａにおける酸素透過のドライビングフォースが比較的大きく変動するからである。当該ドライビングフォースの変動は、ガス分離膜６２ａに対する酸素の透過量ないし酸素の非透過量の変動を来し、従って、膜式ガス分離器６２から排出される非透過ガス（窒素富化ガス）の量の変動を来す。そのため、酸素・窒素併行分離システムＸ３において、ＰＳＡガス分離装置６１からの脱着ガスの全てが貯蔵タンク６３に一旦回収されずに連続的に膜式ガス分離器６２に供給され続けると、非透過ガスとして取得される窒素富化ガスを、その供給量が不安定であるために不活性ガスとして適切に利用できない場合が生ずる。
【００１２】
これに対し、上述したような本来の態様で稼動する酸素・窒素併行分離システムＸ３におては、ＰＳＡガス分離装置６１からの脱着ガスの廃棄および回収が所定のタイミングで切り替えられることにより、所定の酸素濃度領域（即ち窒素濃度領域）の脱着ガスが貯蔵タンク６３に一旦回収され、略一定の酸素濃度（即ち略一定の窒素純度）の脱着ガスが貯蔵タンク６３から膜式ガス分離器６２に供給される。そして、膜式ガス分離器６２に供給される脱着ガスの酸素分圧（ないし酸素濃度）の変動が小さいため、ガス分離膜６２ａに対する酸素の透過量の変動は少なく、膜式ガス分離器６２からは、略一定の流量で非透過ガス（窒素富化ガス）が排出されることとなる。
【００１３】
しかしながら、ＰＳＡガス分離装置６１から膜式ガス分離器６２への脱着ガスの流れを分断する切替え用ライン構成および貯蔵タンク６３は、窒素富化ガスの分離取得操作を不連続化してシステムの複雑化を招来するので、好ましくない。加えて、このような切替え用ライン構成および貯蔵タンク６３は、システムの大型化を招来するので好ましくない。また、ＰＳＡガス分離装置６１から膜式ガス分離器６２への脱着ガスの流れを分断する期間が長いほど、貯蔵タンク６３はより大きな容量を必要として大型化する。例えば、ＰＳＡガス分離装置６１の吸着塔での３０秒間の脱着工程の間において、脱着工程開始から２０秒間の脱着初期・中期に排出される脱着ガス（酸素濃度は比較的高くて窒素純度は比較的に低い）を矢印Ｇ’で示すようにシステム外に廃棄し、脱着工程開始から２０〜３０秒間の脱着末期に排出される脱着ガス（酸素濃度は比較的低くて窒素純度は比較的に高い）を貯蔵タンク６３に貯蔵する場合、脱着初期・中期の２０秒間は貯蔵タンク６３に脱着ガスが貯蔵されないので、この間に貯蔵タンク６３から膜式ガス分離器６２にガスを供給するためには、貯蔵タンク６３には、予め、それまでの脱着工程において排出される脱着ガスを膜式ガス分離器６２に送出せずに余分に貯蔵しておく必要がある。このとき、真空ポンプ６６の作動により相応の圧力で脱着ガスを貯蔵タンク６３に導入する必要があるが、真空ポンプ６６の吐出圧力には一定の限界があるので、貯蔵タンク６３に対して脱着ガスを適切に導入するためには、貯蔵タンク６３には充分な容量が必要となる。上述の分断時間が長いほど、貯蔵タンク６３に予め余分に貯蔵しておくべき脱着ガスの量は増大し、従って、貯蔵タンク６３に要求される容量も増大して貯蔵タンク６３が大型化するのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、ＰＳＡガス分離装置により酸素・窒素混合ガスから高純度酸素ガスを分離取得するとともに、当該ＰＳＡガス分離装置から連続的に供給される脱着ガスから高純度窒素ガスを連続的に効率よく分離取得することのできる、方法およびシステムを提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の側面によると、酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するための方法が提供される。この併行分離方法は、圧力変動吸着式ガス分離工程および膜式ガス分離工程を含む。圧力変動吸着式ガス分離工程では、窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔内が相対的に高圧である状態において、吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出し、且つ、吸着塔内が相対的に低圧である状態において、吸着剤から窒素を脱着させ、吸着塔内に残存する酸素と当該窒素とを含む酸素含有脱着ガスを当該吸着塔から導出する。膜式ガス分離工程では、酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜の透過側を大気圧未満の圧力に減圧しつつ、当該ガス分離膜により、酸素含有脱着ガスを、ガス分離膜を透過する透過ガスおよび透過しない非透過窒素富化ガスに分離する。
【００１６】
本併行分離方法においては、ガス分離膜の透過側を大気圧未満の所望の圧力に減圧することにより、圧力変動吸着式ガス分離工程における吸着塔から排出されて膜式ガス分離工程に付される酸素含有脱着ガスの酸素分圧（ないし、体積あたりの物質量で表される酸素濃度）と、当該酸素含有脱着ガスとはガス分離膜により隔てられている透過ガスの酸素分圧（ないし、体積あたりの物質量で表される酸素濃度）とについて、充分な差を設けることができる。酸素含有脱着ガスの酸素分圧（ないし酸素濃度）が変動する場合であっても、当該両酸素分圧について充分な差を設けることにより、ガス分離膜における酸素透過のための充分なドライビングフォースを確保することができるとともに当該ドライビングフォースの変動比率を抑制することができ、従って、ガス分離膜に対する酸素の充分な透過量を達成できるとともに当該透過量の変動比率を抑制することができる。ガス分離膜における酸素透過量が多いほど、当該膜における窒素透過量は少なく、従って、膜式ガス分離工程における非透過窒素富化ガスの発生量は多い。一方、ガス分離膜における酸素透過量の変動比率が小さいほど、膜式ガス分離工程における非透過窒素富化ガスの発生量の変動比率は小さい。このように、本併行分離方法によると、多量の非透過窒素富化ガスを安定した流量で供給することができる。したがって、本併行分離方法によると、ＰＳＡガス分離装置により酸素・窒素混合ガスから高純度酸素ガスを分離取得するとともに、ＰＳＡガス分離装置から連続的に供給される酸素含有脱着ガスから高純度窒素ガスを連続的に効率よく分離取得することが、可能なのである。そのため、本併行分離方法によると、ＰＳＡガス分離装置からの脱着ガスを一旦貯留するためのタンク等を用いる必要はない。
【００１７】
好ましくは、本併行分離方法は、酸素含有脱着ガスが膜式ガス分離工程に付される前に当該酸素含有脱着ガスを圧縮するための圧縮工程を更に含む。この場合、圧縮工程では、酸素含有脱着ガスを０.６ＭＰａ以上の圧力に圧縮するのが好ましい。このような構成は、吸着塔からの酸素含有脱着ガスの酸素分圧と、当該酸素含有脱着ガスとはガス分離膜により隔てられている透過ガスの酸素分圧とについて、充分な差を設けるうえで、好適である。
【００１８】
好ましくは、圧力変動吸着式ガス分離工程における吸着塔から酸素含有脱着ガスを導出するときの当該吸着塔内の減圧と、膜式ガス分離工程における透過側の減圧とは、単一の減圧手段により実現される。このような構成は、本併行分離方法を効率よく実施するうえで好適である。
【００１９】
本発明の第２の側面によると、酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するためのシステムが提供される。この併行分離システムは、圧力変動吸着式ガス分離装置、膜式ガス分離器、および減圧手段を備える。圧力変動吸着式ガス分離装置は、窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を有し、当該吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔内が相対的に高圧である状態において、吸着塔に混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出し、且つ、吸着塔内が相対的に低圧である状態において、吸着剤から窒素を脱着させ、吸着塔内に残存する酸素と当該窒素とを含む酸素含有脱着ガスを当該吸着塔から導出するためのものである。膜式ガス分離器は、酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜を有し、酸素含有脱着ガスを、ガス分離膜を透過する透過ガスおよび透過しない非透過窒素富化ガスに分離して導出するためのものである。減圧手段は、膜式ガス分離器のガス分離膜における透過側を大気圧未満の圧力に減圧するためのものである。本併行分離システムによると、本発明の第１の側面の方法を適切に行うことができる。したがって、本併行分離システムによると、その酸素・窒素併行分離過程において、第１の側面に関して上述したのと同様の効果が奏される。
【００２０】
好ましくは、本併行分離システムは、酸素含有脱着ガスが膜式ガス分離器に供給される前に当該酸素含有脱着ガスを圧縮するための圧縮手段を更に備える。このような構成によると、第１の側面において上述した圧縮工程を行うことができる。
【００２１】
好ましくは、減圧手段は、圧力変動吸着式ガス分離装置の吸着塔から酸素含有脱着ガスを導出するときに当該吸着塔内を減圧するための手段としても併せて機能する。このような構成は、本併行分離システムをコンパクトに構築するうえで好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る酸素・窒素併行分離システムＸ１を表す。酸素・窒素併行分離システムＸ１は、圧力変動吸着式（ＰＳＡ）ガス分離装置１と、膜式ガス分離器２と、原料ガス供給装置３と、ポンプ４，５と、サイレンサ６と、圧縮機７と、気液分離器８と、酸素濃度制御機構９と、これらを連結する配管とを備え、空気（酸素・窒素含有原料ガス）から酸素富化ガスおよび窒素富化ガスを併行して分離すべく、圧力変動吸着式ガス分離工程、圧縮工程、および膜式ガス分離工程を含む酸素・窒素併行分離方法を実施するように構成されている。
【００２３】
ＰＳＡガス分離装置１は、主に窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された少なくとも一つの吸着塔（図示略）を備え、当該吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により酸素・窒素含有原料ガス（本実施形態では空気）から酸素富化ガスを取り出すことのできるものである。吸着塔に充填される吸着剤としては、Ｌｉ−Ｘ型ゼオライトモレキュラーシーブ、Ｃａ−Ｘ型ゼオライトモレキュラーシーブ、およびＣａ−Ａ型ゼオライトモレキュラーシーブなどを採用することができる。単一の吸着塔には、一種類の吸着剤を充填してもよいし、複数種類の吸着剤を充填してもよい。
【００２４】
ＰＳＡガス分離装置１にて実行される圧力変動吸着式ガス分離法では、単一の吸着塔について、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含む１サイクルが繰り返される。吸着工程は、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に空気を導入して当該原料ガス中の窒素およびその他の成分（二酸化炭素，湿分など）を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出するための工程である。脱着工程は、吸着塔内を減圧して吸着剤から窒素を脱着させ、当該窒素を塔外に排出するための工程である。再生工程は、再度の吸着工程に吸着塔を備えさせるべく、例えば洗浄ガスを塔内に通流させることにより、窒素に対する吸着剤の吸着性能を回復させるための工程である。このようなＰＳＡガス分離装置１としては、公知のＰＳＡ酸素分離装置を用いることができる。
【００２５】
膜式ガス分離器２は、導入口２ａおよび導出口２ｂ，２ｃを有し、酸素を優先的に透過させるガス分離膜２Ａを備える。膜式ガス分離器２の内部には所定のガス流路（具体的には図示せず）が設けられ、導入口２ａと導出口２ｂはガス流路の一部を介して連通している。また、導入口２ａから導出口２ｃまでのガス流路の所定箇所に、ガス分離膜２Ａは配設されている。ガス分離膜２Ａは、例えば、ポリイミドやポリスルホンなどよりなる多孔質樹脂膜である。そのような多孔質樹脂膜としては、ユーピレックスＰＴ（宇部興産（株）製）を用いることができる。
【００２６】
原料ガス供給装置３は、酸素・窒素含有原料ガスである空気をＰＳＡガス分離装置１の吸着塔に供給するためのものであり、例えば空気ブロアである。ポンプ４は、ＰＳＡガス分離装置１の吸着塔内を吸引減圧するためのものであり、例えば真空ポンプである。また、ポンプ５は、膜式ガス分離器２におけるガス分離膜２Ａの透過側（ガス分離膜２Ａから導出口２ｃまでのガス流路）を吸引減圧するためのものであり、例えば真空ポンプである。
【００２７】
サイレンサ６は、ポンプ４からのガスの一部を圧縮機７に導きつつ、ポンプ４からのガスの残部をシステム外に排出するためのものであり、ポンプ４からのガスを圧縮機７に導くためのガス流路と、ポンプ４からのガスを消音しつつシステム外に排出するためのガス流路とを有する。
【００２８】
圧縮機７は、サイレンサ６を経たガスを圧縮して気液分離器８に供給するためのものである。また、気液分離器８は、排出口８ａを有しており、圧縮機７から送出されるガスに含まれる水分を当該ガスから分離するためのものである。排出口８ａは、気液分離器８内に回収された水分を気液分離器８外に排出するためのものである。
【００２９】
酸素濃度制御機構９は、膜式ガス分離器２の導出口２ｂに継合された配管Ｌ１に設けられた酸素センサ９ａおよび自動弁９ｂからなり、配管Ｌ１内を通流するガスの酸素濃度に応じて、当該ガスの通流量（即ち、膜式ガス分離器２のガス分離膜２Ａを透過しないガスの量）を調節することにより、当該ガスの酸素濃度を所望の値に調整するためのものである。酸素センサ９ａは、配管Ｌ１内を通流するガスの酸素濃度を常時的に検知するためのものである。酸素濃度制御機構９においては、酸素センサ９ａの検知結果に応じて自動弁９ｂの開口度が所望に調節されるように構成されている。
【００３０】
以上の構成を有する酸素・窒素併行分離システムＸ１の稼動時には、原料ガス供給装置３の作動により、原料ガス供給装置３からＰＳＡガス分離装置１へと空気が供給される。
【００３１】
ＰＳＡガス分離装置１においては、空気は圧力変動吸着式ガス分離工程に付される。具体的には、ＰＳＡガス分離装置１では、圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔ごとに、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含む１サイクルが繰り返される。
【００３２】
吸着工程では、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に、空気が導入される。当該吸着塔では、空気に含まれる窒素およびその他の成分（二酸化炭素，湿分など）が吸着剤により吸着除去され、高純度酸素ガス（酸素富化ガス）が塔外へ導出される。この高純度酸素ガスは、所定の配管を介して酸素・窒素併行分離システムＸ１外に取り出される。
【００３３】
脱着工程では、ポンプ４の作動により、吸着塔が減圧されて吸着剤から窒素およびその他の成分が脱着され、塔内に残存する酸素と当該脱着成分とを含む酸素含有脱着ガスが塔外ないしＰＳＡガス分離装置１外に排出される。脱着工程にある吸着塔から排出される酸素含有脱着ガスにおける圧力の時間変化の一例を表すグラフを、図２に示す。図２のグラフにおいて、横軸は、吸着塔における脱着時間（脱着工程開始からの経過時間）を表し、縦軸は、脱着圧力（酸素含有脱着ガスの圧力）を表す。本圧力変化例では、脱着工程開始時の圧力は大気圧であり、１０秒経過時の圧力は０.０６１１ＭＰａであり、３０秒経過時の圧力は０.０３３２ＭＰａである。また、図２には、脱着工程開始時、１０秒経過時、および３０秒経過時における、酸素含有脱着ガスの酸素濃度（酸素の体積割合）も併せて示した。
【００３４】
再生工程では、例えば洗浄ガスが塔内に通流されることにより、主に窒素に対する吸着剤の吸着性能が回復される。再生工程を終えた吸着塔では上述の吸着が再び行われる。
【００３５】
ＰＳＡガス分離装置１においては、以上のような圧力変動吸着式ガス分離工程が行われることにより、高純度酸素ガスが取り出されるとともに、酸素含有脱着ガスが取り出されるのである。高純度酸素ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用されるか、或は、所定のタンクに貯留される。一方、脱着工程にある吸着塔からＰＳＡガス分離装置１外に排出された酸素含有脱着ガスは、所定の配管およびポンプ４を通ってサイレンサ６へと送られる。そして、酸素含有脱着ガスの一部は、サイレンサ６を通過して圧縮機７に至る。酸素含有脱着ガスの残部は、サイレンサ６にてシステム外に排出される。
【００３６】
サイレンサ６を通過した酸素含有脱着ガスは、圧縮機７にて圧縮され（圧縮工程）、気液分離器８を経て、膜式ガス分離器２に供給される。好ましくは、酸素含有脱着ガスは圧縮機７により０.６ＭＰａ以上の圧力まで圧縮される。また、気液分離器８では、酸素含有脱着ガスから水分が分離される。この水分は、排出口８ａを介して気液分離器８から外部に排出される。
【００３７】
膜式ガス分離器２においては、酸素含有脱着ガスは膜式ガス分離工程に付される。具体的には、導入口２ａから膜式ガス分離器２内に導入される酸素含有脱着ガスＧ１は、膜式ガス分離器２のガス流路内に配設されているガス分離膜２Ａにより、ガス分離膜２Ａを透過する透過ガスＧ２と、透過しない非透過ガスＧ３とに、分離される。透過ガスＧ２は、ガス分離膜２Ａの透過特性に基づいて酸素濃度が高められた酸素富化ガスであり、非透過ガスＧ３は、ガス分離膜２Ａの透過特性に基づいて窒素濃度が高められた高純度窒素ガス（窒素富化ガス）である。
【００３８】
膜式ガス分離工程では、ポンプ５の作動により、ガス分離膜２Ａの透過側は大気圧未満の圧力に減圧される。ポンプ５による減圧圧力は例えば０．０２〜０．０５ＭＰａである。透過ガスＧ２は、導出口２ｃから膜式ガス分離器２外に導出され、この後、ポンプ５を通ってシステム外に排出される。
【００３９】
これとともに、膜式ガス分離工程では、酸素濃度制御機構９の作動により、直接的には非透過ガス量が調節されて、非透過ガスＧ３の酸素濃度が一定に維持される。酸素濃度制御機構９の酸素センサ９ａは、導出口２ｂから膜式ガス分離器２外に導出されて配管Ｌ１内を通る非透過ガスＧ３について酸素濃度を常時的に検知する。検知濃度が所望値を上回る場合には、自動弁９ｂの開口度が小さくされ、配管Ｌ１内を通る非透過ガスＧ３の流量、ひいては膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程にて生ずる非透過ガスＧ３の量（単位時間あたりの発生量）は、低減される。一方、検知濃度が所望値を下回る場合には、自動弁９ｂの開口度が大きくされ、配管Ｌ１内を通る非透過ガスＧ３の流量、ひいては膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程にて生ずる非透過ガスＧ３の量は、増加される。膜式ガス分離工程での非透過ガスＧ３の純度および酸素濃度は、当該非透過ガスＧ３の発生量に依存して変化し得るので、このような非透過ガスＧ３の流量調節により当該非透過ガスＧ３の酸素濃度を制御することができるのである。
【００４０】
膜式ガス分離器２においては、以上のような膜式ガス分離工程が行われることにより、酸素濃度制御が施されつつ高純度窒素ガスが取り出されるのである。この高純度窒素ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用されるか、或は、所定のタンクに貯留される。
【００４１】
酸素・窒素併行分離システムＸ１によると、以上のようにして、空気から高純度酸素ガスおよび高純度窒素ガスを併行して分離することができる。
【００４２】
酸素・窒素併行分離システムＸ１による酸素・窒素併行分離方法おいては、圧力変動吸着式ガス分離工程が行われるＰＳＡガス分離装置１の吸着塔から排出されて膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程に付される酸素含有脱着ガスＧ１の酸素分圧（ないし、体積あたりの物質量で表される酸素濃度）と、当該酸素含有脱着ガスＧ１とはガス分離膜２Ａにより隔てられている透過ガスＧ２の酸素分圧（ないし、体積あたりの物質量で表される酸素濃度）とについて、ガス分離膜２Ａの透過側を大気圧未満の所望の圧力に減圧することにより、充分な差を設けることができる。また、圧縮機７での圧縮工程も、吸着塔からの酸素含有脱着ガスＧ１の酸素分圧と、ガス分離膜２Ａにより隔てられている透過ガスＧ２の酸素分圧とについて、充分な差を設けるのに寄与している。酸素含有脱着ガスＧ１の酸素分圧（ないし酸素濃度）が変動する場合であっても、当該両酸素分圧について充分な差を設けることにより、ガス分離膜２Ａにおける酸素透過のための充分なドライビングフォースを確保することができるとともに当該ドライビングフォースの変動比率を抑制することができ、従って、ガス分離膜２Ａに対する酸素の充分な透過量を得ることができるとともに当該透過量の変動を抑制することができる。ガス分離膜２Ａにおける酸素透過量が多いほど、ガス分離膜２Ａにおける窒素透過量は少ない傾向にあり、従って、膜式ガス分離器２での膜式ガス分離工程における非透過ガス（高純度窒素ガス）Ｇ３の発生量は多い傾向にある。一方、ガス分離膜２Ａにおける酸素透過量の変動比率が小さいほど、膜式ガス分離工程における非透過ガス（高純度窒素ガス）Ｇ３の発生量の変動比率は小さい傾向にある。
【００４３】
このように、本発明に係る酸素・窒素併行分離システムＸ１による酸素・窒素併行分離方法によると、多量の非透過窒素富化ガスを安定した流量で供給することができる。したがって、本併行分離方法によると、ＰＳＡガス分離装置１により空気から高純度酸素ガスを分離取得するとともに、ＰＳＡガス分離装置１から連続的に供給される酸素含有脱着ガスから高純度窒素ガスを連続的に効率よく分離取得することが、可能なのである。そのため、本併行分離方法によると、ＰＳＡガス分離装置１からの酸素含有脱着ガスを一旦貯留するためのタンク等を用いる必要はない。
【００４４】
本発明においては、膜式ガス分離器２に導入される酸素含有脱着ガスＧ１について、圧力をＰ1（ＭＰａ）、酸素濃度（酸素の体積割合）をＸ1、ガス量をＱ1（Ｎｍ3/hour）とし、膜式ガス分離器２から導出される透過ガスＧ２について、圧力（即ち、ガス分離膜２Ａの透過側の圧力）をＰ2（ＭＰａ）、酸素濃度をＸ2、ガス量をＱ2（Ｎｍ3/hour）とし、膜式ガス分離器２から導出される非透過ガス（高純度窒素ガス）Ｇ３について、酸素濃度をＸ3、ガス量をＱ3（Ｎｍ3/hour）とし、ガス分離膜２Ａの面積および厚さをＳ（ｍ2）およびＬ（ｍ）とし、ガス分離膜２Ａの酸素の透過係数をＫ（Ｎｍ2/hour・ＭＰａ）とすると、ガス分離膜２Ａによるガス分離について、理論上は下記の式（１）〜（３）が成立する。式（１）はガス量バランスを表し、式（２）は酸素量バランスを表し、式（３）はガス分離膜２Ａの酸素透過特性を表す。
【００４５】
【数１】
【００４６】
例えば、ガス分離膜２Ａとしてポリイミド多孔質膜であるユーピレックスＰＴ（宇部興産（株）製）を採用して式（３）のＫ（Ｓ／Ｌ）の値を１８６に設定し、ＰＳＡガス分離装置１から図２に示すように排出されていくこととなる、脱着工程開始時（脱着初期）において酸素濃度（Ｘ1）が２０.６％の酸素含有脱着ガスを、圧縮機７により０.７９ＭＰａ（Ｐ1）に圧縮して膜式ガス分離器２に１２５Ｎｍ3/hour（Ｑ1）の供給量で導入し、ガス分離膜２Ａの透過側の圧力を０.０３３２ＭＰａ（Ｐ2）に減圧し、残存酸素濃度（Ｘ3）が１％の非透過ガス（高純度窒素ガス）が得られるように酸素濃度制御機構９により非透過ガス流量を調整する場合には、３つの未知数Ｘ2，Ｑ2，Ｑ3を、上記式（１）〜（３）からなる連立方程式の解として求めることができ、脱着初期には、酸素濃度（Ｘ2）が８８.９％の透過ガスが２７.９Ｎｍ3/hour（Ｑ2）発生し、非透過ガス量（Ｑ3）は９７.１Ｎｍ3/hourとなることが判る。脱着初期におけるこれらの値は、図３の表に掲げる。
【００４７】
Ｋ（Ｓ／Ｌ），Ｐ1，Ｑ1，Ｐ2，Ｘ3の値を一定に保ちつつ、脱着工程開始から１０秒経過時（脱着中期）において酸素含有脱着ガスの酸素濃度（Ｘ1）が図２に示すように１０.０％に至ったときには、上記式（１）〜（３）からなる連立方程式の解としてＸ2，Ｑ2，Ｑ3を求めることにより、当該脱着中期には、酸素濃度（Ｘ2）が５２.２％の透過ガスが２２.０Ｎｍ3/hour（Ｑ2）で発生し、非透過ガス量（Ｑ3）は１０３.２Ｎｍ3/hourとなることが判る。脱着中期におけるこれらの値も、図３の表に掲げる。
【００４８】
Ｋ（Ｓ／Ｌ），Ｐ1，Ｑ1，Ｐ2，Ｘ3の値を一定に保ちつつ、脱着工程開始から３０秒経過時（脱着末期）において酸素含有脱着ガスの酸素濃度（Ｘ1）が図２に示すように５.０％に至ったときには、上記式（１）〜（３）からなる連立方程式の解としてＸ2，Ｑ2，Ｑ3を求めることにより、当該脱着末期には、酸素濃度（Ｘ2）が３５.７％の透過ガスが１４.４Ｎｍ3/hourの量（Ｑ2）で発生し、非透過ガス量（Ｑ3）は１１０.６Ｎｍ3/hourとなることが判る。脱着末期におけるこれらの値も、図３の表に掲げる。
【００４９】
一方、ガス分離膜２Ａの透過側を減圧せずに大気圧（０.１０１ＭＰａ）とする以外は、上述の条件と同様にして、ＰＳＡガス分離装置１から図２に示すように酸素含有脱着ガスが排出される場合の脱着初期、脱着中期、および脱着末期のＸ2，Ｑ2，Ｑ3を式（１）〜（３）に基づいて求めると、その結果は、図４の表に示すとおりである。
【００５０】
図３の表および図４の表の比較から理解できるように、膜式ガス分離工程においてガス分離膜２Ａの透過側を減圧しない場合には（図４参照）、透過ガス量（Ｑ2）は脱着初期から脱着末期にわたって比較的に多く、従って、非透過ガス量（Ｑ3）は脱着初期から脱着末期にわたって比較的に少ない。また、酸素含有脱着ガスの酸素濃度（Ｘ1）の低下に伴う透過ガス量（Ｑ2）の変化量（ないし変動比率）は大きく、従って、非透過ガス量（Ｑ3）の変化量（ないし変動比率）も大きい。これに対し、膜式ガス分離工程においてガス分離膜２Ａの透過側を大気圧未満に減圧する場合には（図３参照）、透過ガス量（Ｑ2）は脱着初期から脱着末期にわたって比較的に少なく、従って、非透過ガス量（Ｑ3）は脱着初期から脱着末期にわたって比較的に多い。また、酸素含有脱着ガスの酸素濃度（Ｘ1）の低下に伴う透過ガス量（Ｑ2）の変化量（ないし変動比率）は小さく、従って、非透過ガス量（Ｑ3）の変化量（ないし変動比率）も小さい。以上のことから、酸素・窒素併行分離システムＸ１における膜式ガス分離工程によると、多量の高純度窒素ガスを安定した流量で供給することができることが、理解できよう。
【００５１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る酸素・窒素併行分離システムＸ２を表す。酸素・窒素併行分離システムＸ２は、ポンプ５を備えない点、および、膜式ガス分離器２の導出口２ｃとポンプ４の吸引側とを継合する配管Ｌ２を備える点において、酸素・窒素併行分離システムＸ１と異なる。
【００５２】
酸素・窒素併行分離システムＸ２におけるポンプ４は、ＰＳＡガス分離装置１の吸着塔内を減圧するための減圧手段として機能するとともに、膜式ガス分離器２におけるガス分離膜２Ａの透過側を減圧するための減圧手段としても機能する。このような構成は、システムをコンパクトに構築するうえで好適である。
【００５３】
酸素・窒素併行分離システムＸ２の稼動時には、ＰＳＡガス分離装置１において、酸素・窒素併行分離システムＸ１に関して上述したのと同様に圧力変動吸着式ガス分離工程が行われることにより、高純度酸素ガスおよび酸素含有脱着ガスが取り出される。また、膜式ガス分離器２において、ガス分離膜２Ａの透過側の減圧手法以外は酸素・窒素併行分離システムＸ１に関して上述したのと同様に、膜式ガス分離工程が行われることにより、高純度窒素ガスが取り出される。本実施形態における膜式ガス分離工程では、ポンプ４の作動により、ガス分離膜２Ａの透過側は大気圧未満の圧力に減圧される。例えば、ポンプ４の作動により、吸着工程にある吸着塔内が吸引減圧されるのと同時に、ガス分離膜２Ａの透過側も減圧される。
【００５４】
したがって、酸素・窒素併行分離システムＸ２による酸素・窒素併行分離方法によると、酸素・窒素併行分離システムＸ１によるのと略同様に、高純度酸素ガスを供給することができるのに加え、多量の高純度窒素ガスを安定した流量で供給することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る酸素・窒素併行分離システムの概略構成を表す。
【図２】図１に示す圧力変動吸着式ガス分離装置から排出される酸素含有脱着ガスについて、圧力の時間変化の一例を表す。
【図３】図１に示す酸素・窒素併行分離システムを使用して実行される本発明の酸素・窒素併行分離方法における膜式ガス分離工程に関し、図２に示すようにＰＳＡガス分離装置から酸素含有脱着ガスが排出される場合の、脱着初期（脱着工程開始時）、脱着中期（１０秒経過時）、および脱着末期（３０秒経過時）にわたる各物理量の変化の一例をまとめた表である。
【図４】図１に示す酸素・窒素併行分離システムの膜式ガス分離器におけるガス分離膜の透過側を減圧せずに実行される膜式ガス分離工程に関し、図２に示すようにＰＳＡガス分離装置から酸素含有脱着ガスが排出される場合の、脱着初期（脱着工程開始時）、脱着中期（１０秒経過時）、および脱着末期（３０秒経過時）にわたる各物理量の変化の一例をまとめた表である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る酸素・窒素併行分離システムの概略構成を表す。
【図６】従来の酸素・窒素併行分離システムの概略構成を表す。
【符号の説明】
【００５６】
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３ 酸素・窒素併行分離システム
１ ＰＳＡガス分離装置
２ 膜式ガス分離器
２Ａ ガス分離膜
３ 原料ガス供給装置
４，５ ポンプ
６ サイレンサ
７ 圧縮機
８ 気液分離器
９ 酸素濃度制御機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するための方法であって、
窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、前記吸着塔内が相対的に高圧である状態において、前記吸着塔に前記混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を前記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出し、且つ、前記吸着塔内が相対的に低圧である状態において、前記吸着剤から前記窒素を脱着させ、前記吸着塔内に残存する酸素と当該窒素とを含む酸素含有脱着ガスを当該吸着塔から導出するための、圧力変動吸着式ガス分離工程と、
酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜の透過側を大気圧未満の圧力に減圧しつつ、当該ガス分離膜により、前記酸素含有脱着ガスを、前記ガス分離膜を透過する透過ガスおよび透過しない非透過窒素富化ガスに分離するための、膜式ガス分離工程と、を含む、酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法。
【請求項２】
前記酸素含有脱着ガスが前記膜式ガス分離工程に付される前に当該酸素含有脱着ガスを圧縮するための圧縮工程を更に含む、請求項１に記載の併行分離方法。
【請求項３】
前記圧縮工程では、前記酸素含有脱着ガスを０.６ＭＰａ以上の圧力に圧縮する、請求項２に記載の併行分離方法。
【請求項４】
前記圧力変動吸着式ガス分離工程における前記吸着塔から前記酸素含有脱着ガスを導出するときの当該吸着塔内の減圧と、前記膜式ガス分離工程における前記透過側の前記減圧とは、単一の減圧手段により実現される、請求項１から３のいずれか一つに記載の併行分離方法。
【請求項５】
酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するためのシステムであって、
窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、前記吸着塔内が相対的に高圧である状態において、前記吸着塔に前記混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を前記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出し、且つ、前記吸着塔内が相対的に低圧である状態において、前記吸着剤から前記窒素を脱着させ、前記吸着塔内に残存する酸素と当該窒素とを含む酸素含有脱着ガスを当該吸着塔から導出するための、圧力変動吸着式ガス分離装置と、
酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜を有し、前記酸素含有脱着ガスを、前記ガス分離膜を透過する透過ガスおよび透過しない非透過窒素富化ガスに分離して導出するための、膜式ガス分離器と、
前記膜式ガス分離器の前記ガス分離膜における透過側を大気圧未満の圧力に減圧するための減圧手段と、を備える、酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離システム。
【請求項６】
前記酸素含有脱着ガスが前記膜式ガス分離器に供給される前に当該酸素含有脱着ガスを圧縮するための圧縮手段を更に備える、請求項５に記載の併行分離システム。
【請求項７】
前記減圧手段は、前記圧力変動吸着式ガス分離装置の前記吸着塔から前記酸素含有脱着ガスを導出するときに当該吸着塔内を減圧するための手段としても併せて機能する、請求項５または６に記載の併行分離システム。
【請求項１】
酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するための方法であって、
窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、前記吸着塔内が相対的に高圧である状態において、前記吸着塔に前記混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を前記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出し、且つ、前記吸着塔内が相対的に低圧である状態において、前記吸着剤から前記窒素を脱着させ、前記吸着塔内に残存する酸素と当該窒素とを含む酸素含有脱着ガスを当該吸着塔から導出するための、圧力変動吸着式ガス分離工程と、
酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜の透過側を大気圧未満の圧力に減圧しつつ、当該ガス分離膜により、前記酸素含有脱着ガスを、前記ガス分離膜を透過する透過ガスおよび透過しない非透過窒素富化ガスに分離するための、膜式ガス分離工程と、を含む、酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離方法。
【請求項２】
前記酸素含有脱着ガスが前記膜式ガス分離工程に付される前に当該酸素含有脱着ガスを圧縮するための圧縮工程を更に含む、請求項１に記載の併行分離方法。
【請求項３】
前記圧縮工程では、前記酸素含有脱着ガスを０.６ＭＰａ以上の圧力に圧縮する、請求項２に記載の併行分離方法。
【請求項４】
前記圧力変動吸着式ガス分離工程における前記吸着塔から前記酸素含有脱着ガスを導出するときの当該吸着塔内の減圧と、前記膜式ガス分離工程における前記透過側の前記減圧とは、単一の減圧手段により実現される、請求項１から３のいずれか一つに記載の併行分離方法。
【請求項５】
酸素および窒素を含む混合ガスから酸素ガスおよび窒素ガスを併行分離するためのシステムであって、
窒素を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、前記吸着塔内が相対的に高圧である状態において、前記吸着塔に前記混合ガスを導入して当該混合ガス中の窒素を前記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から酸素富化ガスを導出し、且つ、前記吸着塔内が相対的に低圧である状態において、前記吸着剤から前記窒素を脱着させ、前記吸着塔内に残存する酸素と当該窒素とを含む酸素含有脱着ガスを当該吸着塔から導出するための、圧力変動吸着式ガス分離装置と、
酸素を優先的に透過させるためのガス分離膜を有し、前記酸素含有脱着ガスを、前記ガス分離膜を透過する透過ガスおよび透過しない非透過窒素富化ガスに分離して導出するための、膜式ガス分離器と、
前記膜式ガス分離器の前記ガス分離膜における透過側を大気圧未満の圧力に減圧するための減圧手段と、を備える、酸素ガスおよび窒素ガスの併行分離システム。
【請求項６】
前記酸素含有脱着ガスが前記膜式ガス分離器に供給される前に当該酸素含有脱着ガスを圧縮するための圧縮手段を更に備える、請求項５に記載の併行分離システム。
【請求項７】
前記減圧手段は、前記圧力変動吸着式ガス分離装置の前記吸着塔から前記酸素含有脱着ガスを導出するときに当該吸着塔内を減圧するための手段としても併せて機能する、請求項５または６に記載の併行分離システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−４３５９９（Ｐ２００６−４３５９９Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２８９６６（Ｐ２００４−２２８９６６）
【出願日】平成１６年８月５日（２００４．８．５）
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月５日（２００４．８．５）
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
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