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発明の名称 可変生産流量を伴う吸着によるガスの処理方法および装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−174832
公開日 平成10年(1998)6月30日
出願番号 特願平9−203396
出願日 平成9年(1997)7月29日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 (外4名)
発明者 フィリップ・アンドレアーニ
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 大気圧以上の高サイクル圧と大気圧を下回る低サイクル圧との間の圧力スウィング吸着によりガスを処理するための方法であって、少なくとも1つの容器と可逆的圧縮/吸入排気機械とに接続された単一吸着装置を使用し、生産相(b)と、サイクルの該低圧までの向流吸入排気によるパージ工程(d)を含む再生相と、最終の並流再圧縮工程(a)を含む再圧縮相とを包含するサイクルを上記吸着装置内で行い、生産流量が第1の値NDから、非常に異なる第2の値Dに低下(あるいは増加)したときに、該生産相(b)、パージ工程(d)および最終再圧縮工程(a)中に該機械の回転速度を低下(あるいは増加)させ、該生産相(b)中に該吸収装置を出るガス生成物の流れ断面積を減少(あるいは、増加)させ、かつ該生産相(b)、パージ工程(d)および最終再圧縮工程(a)の持続時間を増加(あるいは減少)させることを特徴とする処理方法。
【請求項2】 該再生相が、少なくとも一部が該サイクルの低圧で行われる向流流出/吸引排気の最終工程(e)であって、その間に、第1の容器に貯蔵されたガスが向流として該吸着装置に送られ、同時にガスが向流としてこの吸着装置から吸引排気される工程(e)を包含し、生産流量が、該工程(e)中に該第1の値DNから該第2の値Dへ減少(あるいは増加)したとき、該機械の回転速度、並びに該吸着装置と該第1の容器との間のガスについての流れ断面積を減少(あるいは増加)させ、かつ流出/吸引排気工程(e)の持続時間を増加(あるいは減少)させることを特徴とする請求項2記載の処理方法。
【請求項3】 該再生相が、第1の並流減圧工程(c)であって、その間に、ガスが該吸着装置から第2の容器に流れるところの工程(c)を包含し、該再圧縮相が、この容器からのガスによる第1の向流再圧縮工程(f)を包含し、生産流量が、該第1の値DNから該第2の値Dへ減少(あるいは増加)したとき、該第1の並流減圧工程(c)および該第1の向流再圧縮工程(f)の持続時間をほぼ一定に維持することを特徴とする請求項1または2記載の処理方法。
【請求項4】 該可逆的機械の回転方向を該第1の並流減圧工程(c)および該向流再圧縮工程(f)中に逆転させ、生産流量が該第1の値DNから該第2の値Dに減少(または増加)したとき、該可逆的機械の減速および加速勾配の傾斜を該逆転中に変更することを特徴とする請求項3記載の処理方法。
【請求項5】 生産流量が、該第1の値DNから該第2の値Dへ減少(あるいは増加)したとき、吸着装置と第2の容器との間のガスについての流れ断面積を、該第1の並流減圧工程(c)および該第1の向流再圧縮工程(f)中、ほぼ一定に維持することを特徴とする請求項3または4記載の処理方法。
【請求項6】 大気圧以上の高サイクル圧と大気圧を下回る低サイクル圧との間の圧力スウィング吸着によりガスを処理するための装置であって、可変開放弁を備えた第1のラインを介して、出口と呼ばれる一端において少なくとも1つの第1の容器に接続された吸着装置、上記吸着装置の入口と呼ばれる他端に接続した可逆的圧縮/吸引排気機械、および上記可逆的機械に接続した速度調整器を備えることを特徴とする処理装置。
【請求項7】 吸着装置が、その出口が可変開放弁を備えた第2のラインを介して第2の容器に接続されていることを特徴とする請求項6記載の処理装置。
【請求項8】 該ラインが、その可変開放弁の両末端部をよぎって、他の弁特に可変開放弁を備えたバイパスを有することを特徴とする請求項6または7記載の処理装置。
【請求項9】 可変開放弁をまたはそのそれぞれを、および速度調整器を協調的に制御するためのユニットを備えたことを特徴とする請求項6ないし8のいずれか1項記載の処理装置。
【請求項10】 該ユニットが、該可逆的機械の減速および加速勾配の傾斜を該速度調整器により課された回転速度の関数として調節するための手段を備えたことを特徴とする請求項9記載の処理装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大気圧を超える高サイクル圧と大気圧を下回る低サイクル圧との間での圧力スウィング吸着によりガスを処理するための方法に関する。本発明は、特に、大気空気からの酸素の生産に適用される。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、生産流量が高度に可変的である状況、特にある時間インタバル中に公称流量(nominal flow rate)での操作から低下した流量での操作に切り替えることが必要である場合に、サイクルの極圧を一定に保つことが可能であるように、単一吸着装置もしくは単吸着装置を使用することを可能とする方法および装置を提供することにある。
【0003】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するために、本発明の主題は、大気圧以上の高サイクル圧と大気圧を下回る低サイクル圧との間の圧力スウィング吸着によりガスを処理するための方法であって、少なくとも1つの容器と可逆的圧縮/吸入排気(pumping)機械とに接続された単一吸着装置を使用し、生産相と、サイクルの低圧までの向流吸入排気によるパージ工程を含む再生相と、最終の並流再圧縮工程を含む再圧縮相とを包含するサイクルを上記吸着装置内で行い、生産流量が第1の値NDから非常に異なる第2の値Dに低下(あるいは増加)したときに、生産相、パージ工程および最終再圧縮工程中に上記機械の回転速度を低下(あるいは増加)させ、生産相中に上記吸収装置を出るガス生成物の流れ断面積(cross-sectional flow area)を減少(あるいは、増加)させ、かつ生産相、パージ工程および最終再圧縮工程の持続時間を増加(あるいは減少)させることを特徴とする方法にある。
【0004】また、本発明の主題は、上記方法を実施させるための装置にある。本発明の1つの側面によれば、本装置は、可変開放弁を備えた第1のラインを介して、出口と呼ばれる一端において少なくとも1つの第1の容器に接続された吸着装置、上記吸着装置の入口と呼ばれる他端に接続した可逆的圧縮/吸引排気機械、および上記可逆的機械に接続した速度調整器(speed variator)を備える。
【0005】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の態様を図面を参照して説明する。
【0006】図1に示されるプラントは、典型的に約90ないし95%の純度を有する酸素富化空気または不純酸素(簡便のために、「酸素」という)を生産することを意図されたものである。
【0007】図示の態様において、このプラントは、本質的に、単一吸着装置1、2つの容器2および3、有利にはルーツ型のものである可逆的多重ローブ圧縮/吸引排気機械4、機械4に接続した速度調整器5、および電子制御ユニット6を備えている。吸着装置1の入口7、すなわちガス生成物が出るその端部は、可変開放弁9を備えたライン8を介して容器2に接続されている。出口7は、また、可変開放弁11を備えた他のライン10を介して容器3に接続されている。
【0008】機械4の2つの入口/輸送ポートのうち、一方のポートは、吸着装置の出口7とは反対端にある、吸着装置の入口12に直接接続されており、他方のポートは、大気に直接接続されている。ここで、「直接」という表現は、対応する経路に弁が提供されていないことを意味する。
【0009】生産ライン13は、容器3から延出し、流量計14はこのライン13により輸送されたガス生成物の流量を測定する。流量計は、測定した流量を表す信号を制御ユニット6に送り、この制御ユニット6は、この情報に基づいて、機械4の回転速度と弁9および11を開放する程度を、以下詳述するように、調節する信号を速度調整器5および弁9、11に送る。
【0010】上記装置により、例示として図2に示すようなサイクルが、公称流量DNで酸素を生産するために、吸着装置1内で行われる。1分ないし数分のサイクル時間Tを選ぶことができる。当該例においては、T=90秒である。時間tが横軸に、絶対圧Pが縦軸にプロットされている図2において、矢印のついた線は、吸着装置からのおよび吸着装置へのガス流の動きおよび到達地を示している。
【0011】次に、図1ないし図3を参照して完全サイクルの例を説明する。サイクルは、両極端圧の間で、すなわちおおよそ大気圧ないし2×105 Paの、より特には、おおよそ1ないし1.6×105 Paという高いまたは最大の圧力PMと、おおよそ0.2ないし6.5×105 Paという低いまたは最小の圧力Pmとの間で変化する。
【0012】このサイクルは、以下の連続工程:(a)t=0からt1(=20秒):処理すべき大気空気による最終並流再圧縮工程。この工程中に、機械4はその公称速度VN(図3)で圧縮機として動作され、弁9および11は閉じられ、圧力は中間圧PIから高圧PMに近い圧力まで増加し;
(b)t1からt2(=30秒):高サイクル圧PMで行われる多かれ少なかれ等圧的な生産工程。この工程中に、機械4はなお速度VNで圧縮機として動作され、弁11は開放され、ガス生成物(不純酸素)は吸着装置の出口7を介して取り出され、容器3へ送られる。
【0013】(c)t2からt3(=40秒):PI以上の中間高圧までの第1の並流減圧工程。この工程中に、弁11は閉じられ、弁9は開放され、実質的にガス生成物の組成を有するガスが吸着装置の出口7から容器2へ送られる。
【0014】この工程中に、機械4は、減速勾配R1、ついで反対方向の加速勾配R2(図3)に従うことによってその回転方向が逆転される。なお、上記2つの勾配は、同じ傾斜を有しても有していなくてもよい。時間t3で、機械4の回転速度は、−VNである。
【0015】(d)t3からt4(=70秒):低圧PMまでの向流吸引排気によるパージ工程。この工程中に、高度吸着性成分(窒素および不純物)に富むガスが吸着装置の入口から向流として引き出され、周囲大気中に排出される。また、この工程中に、機械4は、速度−VNで真空ポンプとして動作され、弁9および11は閉じられる。
【0016】(e)t4からt5(=80秒):ガス生成物による低圧Pmでの多かれ少なかれ等圧的な向流流出(elution)/吸引排気工程。この工程中に、弁11は、生産工程(b)中とは異なる程度に開放され、容器3からのガス生成物は、向流として吸着装置中に送られ、同時に速度−VNで回転する機かい4による向流吸引排気が行われる。
【0017】(f)t5からT:バランス(balancing)容器2空のガスによる中間圧PIまでの第1の向流再圧縮工程。この工程中に、弁11は閉じられ、弁9は上記第1の向流減圧工程(c)とは一般に異なる程度に開放される。その結果、容器2からのガスは、向流として、吸着装置の出口7を通って入る。また、この工程中、機械4は、再び、減速勾配R3、ついで反対方向の加速勾配R4(図3)に従うことによってその回転方向が逆転される。なお、上記2つの勾配は、同じ傾斜を有しても有していなくてもよい。時間Tで、機械4の回転速度は、+VNである。
【0018】工程(b)は、吸着装置の生産相を構成し、工程(c)、(d)および(e)は、吸着装置の再生相を構成し、工程(f)および(a)は、吸着装置の再圧縮相を構成する。
【0019】ライン13における酸素生成物に対する要求が、公称流量DNから減少した流量D=α・DN(α<1>)へと低下して、実質的に減少したとき、この変化が流量計14により検出され、制御ユニット6が対応する情報を受け取る。
【0020】この制御ユニットは、次に、図4および図5に例示するような様態でサイクルを変更するために、速度調整器5および弁9および11(開放の程度、および開放位置と閉鎖位置との間の切り替え時間)に対して同時に作用する。
【0021】一方では、最終再圧縮工程(a)、生産工程(b)、パージ工程(d)および流出工程(e)中の機械4の回転速度を以下説明するファクターRだけ減少させる。
【0022】それゆえ、回転速度は、工程(a)および工程(b)に関する+R・VNから、工程(d)および工程(e)に関する−R・VNへ切り替わる。
【0023】他方、工程(a)、(b)、(d)および(e)の持続時間は、これを1/R倍しただけ延長される。対照的に、第1の並流減圧工程(c)および第1の向流再圧縮工程(f)の持続時間は、公称流量での操作に関しては不変である。
【0024】従って、工程(c)および(f)中に、機械4は、前と同じ時間インタバル中、+R・VNの回転速度から−R・VNの回転速度の回転速度へ、あるいはその逆に、切り替わらなければならない。よって、速度調整器5は、それに対応して変更された勾配R’1、R’2、R’3およびR’4(図5)に従うことによって機械の減速および加速を行わせる。
【0025】最後に、減少した流量で操作するときに圧力PMおよびPmを維持するために、弁9および11が開放される程度は、工程(b)および(e)中は、対応して減少される。
【0026】これにより、図4に示すサイクルが与えられ、このサイクルは図2におけると同じ工程(a)ないし(f)を有するが、以下の関係を持つものである。
【0027】サイクルの期間:T’=T/α工程(a)、(b)、(d)および(e)の持続時間:t’1、t’2−t’1、t’4−t’3、t’5−t’4。これらは、公称流量で操作される対応の持続時間を同じファクター1/R倍したものに等しい。
【0028】より具体的には、t3−t2(=c)=T−t5(=f)=10秒である上記例においてガス生成物に対する要求がDNに比例するようになった場合、R=(T−20)/((T/α)−20)。
【0029】変形例として、図1に破線で示すように、制御ユニット6により制御される別の可変開放弁16を備えたバイパス15を弁11の末端部をよぎって提供することもでき、この場合、生産相(b)中2つの弁11および16の一方を開放し、流出工程(e)中他方の弁を開放する。このようなバイパスがない場合、弁11を開放する程度は、生産工程(b)および流出工程(e)中では異なる。さらに、変形として、流出(相e)を容器3からのガスを用いて行い、再圧縮(相f)の少なくとも一部を容器2からのガスによって行う。
【0030】機械4の回転速度の公称速度は、その回転方向によって異なり得、その場合には、上記の式は、減少した流量での操作についての回転速度を計算するために当該2つの値に適用される。




 

 


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