JP2001279267A

JP2001279267A - 圧力変動吸着分離装置を用いた工業ガス製造方法

Info

Publication number: JP2001279267A
Application number: JP2000090866A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hayano; 博史早野; Yukihiro Kamakura; 幸弘鎌倉; Tetsuya Tsuruta; 哲也鶴田; Ryohei Kusaka; 亮平日下; Tomoki Sugaya; 智樹菅谷
Original assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Current assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス使用先のガス使用量に追従してＰＳＡ装
置の負荷をより正確に制御することができる、ＰＳＡ装
置を用いた工業ガス製造方法を提供する。【解決手段】ＰＳＡ装置を用いた工業ガス製造方法に
おいて、製品ガスホルダにおける圧力変動を測定し、測
定値に基いて製品ガスホルダの変化量平均値補正後の圧
力（Ｐ_n）を求め、変化量平均値補正後の圧力に基いて
ＰＳＡ装置の装置負荷を求めるとともに、製品ガスホル
ダの圧力変動の測定値と装置負荷演算時の重み係数とに
基いてＰＳＡ装置の装置負荷の先行変動量を求め、この
装置負荷先行変動量を、変化量平均値補正後の圧力（Ｐ
_n）に基いて求めた装置負荷に加えて先行装置負荷と
し、この先行装置負荷に基いてＰＳＡ装置への原料ガス
の導入量および各工程の所要時間を制御すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力変動吸着分離
装置を用いた工業ガスの製造方法に関し、特に、ガス使
用先装置におけるガス使用量の変動を予測し、該予測量
に基いて圧力変動吸着分離装置の装置負荷を先行制御す
ることができる、圧力変動吸着分離装置を用いた工業ガ
ス製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工業ガスとしての、例えば水素は、例え
ば都市ガス、ＬＰＧ、ナフサ等の炭化水素を、例えばニ
ッケル系の改質触媒の存在下で水蒸気改質し、発生する
水素リッチの改質ガスを、水素以外の成分を高圧下で選
択的に吸着し、減圧下で脱着する吸着剤、例えばゼオラ
イトを充填した複数の吸着塔を有する圧力変動吸着分離
装置（以下、ＰＳＡ装置ともいう）の前記吸着塔に導入
し、例えば吸着工程、減圧工程、ブローダウン工程、パ
ージ工程、昇圧工程等の処理工程を順次繰り返すことに
より製造され、その純度は、例えば９９．９９９ｖｏｌ
％以上である。

【０００３】図６は、原料改質装置を備えたＰＳＡ装置
を用いた水素製造装置の系統を示す図である。図におい
て、この水素製造装置は、改質原料６１を改質する原料
改質装置６２と、該原料改質装置６２で発生する水素リ
ッチの改質ガス６３を原料ガスとして高純度の水素を分
離回収するＰＳＡ装置６４とに大別され、ＰＳＡ装置６
４は吸着剤として、例えばゼオライトが充填された吸着
塔Ａ、ＢおよびＣと、これら吸着塔を連結する配管およ
び該配管に設けられたバルブ類等とから主として構成さ
れている。６５は、製品ガス６６としての水素を貯留す
る製品ガスホルダである。

【０００４】都市ガス、ＬＰＧ、ナフサ等の改質原料６
１は、必要に応じて公知の方法で脱硫処理されたのち、
原料改質装置６２に導入され、例えばニッケル系の改質
触媒の存在下、８００℃前後の高温域で水蒸気６７と接
触し、水蒸気改質反応によって水素濃度の高い改質ガス
６３となる。改質ガス６３は、後流のＰＳＡ装置６４の
吸着塔Ａに流入し、例えば吸着、減圧、ブローダウン、
パージ、昇圧の各工程を経て水素が分離され、製品ガス
６６として製品ガスホルダ６５に貯留される。吸着塔Ｂ
およびＣにおいても順次同様の圧力変動吸着分離操作が
行われ、高濃度の水素が製品ガスホルダ６５に一時貯留
されたのち、製品ガス６６として図示省略したガス使用
先装置に供給される。６８および６９は、それぞれ改質
装置６２に供給される燃料および燃焼用空気、７０は、
ＰＳＡ装置６４から排出されるオフガスである。

【０００５】このようなＰＳＡ装置を用いた工業ガス製
造方法において、製品ガスの使用先装置におけるガス使
用量の変動に追従して装置負荷を制御することは重要、
かつ困難であり、従来は、送出ガス（製品ガス）ホルダ
内の圧力を実測し、この圧力の変動に基いて直接装置負
荷を決定する方法が採用されていた。図７は、このよう
な従来の、ＰＳＡ装置を用いた水素製造方法における水
素ホルダ圧力とＰＳＡ装置負荷量との関係を示す説明図
である。図において、ＰＳＡの装置負荷量は、水素ホル
ダ圧力の実測値に基いて直接制御しているために、ホル
ダ圧力に対応して大きく変動していることが分かる。

【０００６】すなわち、ＰＳＡ装置を用いた工業ガス製
造方法には、各工程サイクルに基いて生成ガス量、換言
すれば製品ガスホルダ内の圧力がある一定の波形にした
がって変動するという特質があるため、製品ガスホルダ
（以下、単にホルダともいう）の圧力変動に基いて直接
装置負荷を制御する上記従来技術では、製品ガスの圧力
変動が外乱要素となり、使用先装置のガス使用量が一定
であるにもかかわらず、ガス製造装置の負荷が大きく変
動するという欠点があった。このため、ガス使用先装置
のガス使用量の変化に追従して必要量の製品ガスを製造
することは困難であった。このような問題を解決するた
め、近年、例えば製品ガスホルダの容量を大きくし、該
製品ガスホルダの容量でＰＳＡ装置の圧力変動を吸収す
る方法、使用先のガス使用量を測定し、該ガス使用量に
基いてＰＳＡ装置の負荷を算出する方法、装置負荷の応
答性を遅らして移動平均化することにより外乱要素を吸
収する方法等が採用されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術は、装置の大型化、設備費の高騰につなが
るうえ、その負荷追従性は決して満足できるものではな
かった。そこで、ガス使用先装置におけるガス使用量に
追従してＰＳＡ装置の負荷量をより正確に制御すること
ができるＰＳＡ装置を用いた工業ガス製造方法の開発が
望まれていた。本発明の課題は、上記従来技術の問題点
を解決し、ＰＳＡ装置の制御外乱をなくし、ガス使用先
装置のガス使用量の変化に対する装置負荷の追従性を大
幅に改善することができるうえ、装置の小型化、設備費
の低減を図ることができる、ＰＳＡ装置を用いた工業ガ
ス製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者は、製品ガスホルダに連結されたガス使用
先装置におけるガス使用量の変動とＰＳＡ装置のガスホ
ルダ内圧力および装置負荷変動等との関係について鋭意
研究した結果、吸着剤を充填した、少なくとも３塔の吸
着塔を有するＰＳＡ装置の、製品ガスホルダにおける圧
力変動を測定し、該測定値に基いて前記製品ガスホルダ
の変化量平均値補正後の圧力（Ｐ_n）を求め、求めた変
化量平均値補正後の圧力に相当するＰＳＡ装置の装置負
荷を求めるとともに、前記製品ガスホルダにおける圧力
変動の測定値と装置負荷演算時の重み係数とに基いてＰ
ＳＡ装置の装置負荷の先行変動量を求め、該装置負荷先
行変動量を、前記変化量平均値補正後の圧力（Ｐ_n）に
基いて求めた装置負荷に加えて先行装置負荷とし、該先
行装置負荷に基いてＰＳＡ装置への原料ガスの導入量お
よび各工程の所要時間を制御することにより、ＰＳＡ装
置の製品ガスホルダに連結されたガス使用先装置のガス
使用量に追従して製品ガスを製造し、供給できることを
見出し、本発明に到達した。

【０００９】すなわち、本願で特許請求する発明は以下
のとおりである。（１）吸着剤を充填した、少なくとも３塔の吸着塔を有
する圧力変動吸着分離（ＰＳＡ）装置に原料ガスを導入
し、前記各吸着塔で、前記原料ガス中の易吸着成分を吸
着剤に吸着させて難吸着成分を分離、回収する吸着工程
と、該吸着工程が終了した吸着塔を減圧して吸着塔から
流出するオフガスを他の吸着塔のパージガスとして用い
る減圧工程と、該減圧工程が終了した吸着塔をさらに減
圧して吸着剤から離脱するオフガスを回収するブローダ
ウン工程と、該ブローダウン工程が終了した吸着塔に、
他の吸着塔の減圧工程時に該吸着塔から流出するオフガ
スを導入して塔内をパージするパージ工程と、該パージ
工程が終了した吸着塔に製品ガスを導入して昇圧する昇
圧工程とを有する一連の圧力変動吸着分離操作を所定の
インターバルで順次繰り返して前記原料ガス中の特定成
分を回収し、製品ガスホルダを介してガス使用先の装置
に送出する、圧力変動吸着分離装置を用いた工業ガス製
造方法において、前記製品ガスホルダにおける圧力変動
を測定し、該測定値に基いて前記製品ガスホルダの変化
量平均値補正後の圧力（Ｐ_n）を求め、該変化量平均値
補正後の圧力に基いて前記圧力変動吸着分離装置の装置
負荷を求めるとともに、前記製品ガスホルダの圧力変動
の測定値と装置負荷演算時の重み係数とに基いて前記圧
力変動吸着分離装置の装置負荷の先行変動量を求め、該
装置負荷先行変動量を、前記変化量平均値補正後の圧力
（Ｐ_n）に基いて求めた装置負荷に加えて先行装置負荷
とし、該先行装置負荷に基いて前記圧力変動吸着分離装
置への原料ガスの導入量および前記各工程の所要時間を
制御することを特徴とする、圧力変動吸着分離装置を用
いた工業ガス製造方法。

【００１０】（２）前記減圧工程とブローダウン工程と
の間に、減圧工程が終了した吸着塔と前記パージ工程が
終了した他の吸着塔とを連通して塔内圧力を等しくする
均圧工程を有し、前記パージ工程と昇圧工程との間に、
パージ工程が終了した吸着塔と前記減圧工程が終了した
他の吸着塔とを連通して塔内圧力を等しくする均圧工程
を有することを特徴とする上記（１）に記載の、圧力変
動吸着分離装置を用いた工業ガス製造方法。（３）前記原料ガスが水素含有ガスであり、原料ガスか
らの回収成分が水素であることを特徴とする上記（１）
または（２）に記載の、圧力変動吸着分離装置を用いた
工業ガス製造方法。

【００１１】（４）吸着剤を充填した、少なくとも第
１、第２および第３の吸着塔を有する圧力変動吸着分離
（ＰＳＡ）装置に原料ガスを導入し、前記各吸着塔で、
前記原料ガス中の易吸着成分を吸着剤に吸着させて難吸
着成分を分離、回収する吸着工程と、該吸着工程が終了
した吸着塔を減圧して前記吸着塔から流出するオフガス
を他の吸着塔のパージガスとして用いる減圧工程と、該
減圧工程が終了した吸着塔とパージ工程が終了した前記
他の吸着塔を連通して塔内圧力を等しくする均圧工程
と、該均圧工程が終了した吸着塔をさらに減圧して吸着
剤から離脱するオフガスを回収するブローダウン工程
と、該ブローダウン工程が終了した吸着塔に、他の吸着
塔の減圧工程時に該吸着塔から流出するオフガスを導入
して塔内をパージするパージ工程と、該パージ工程が終
了した吸着塔と前記減圧工程が終了した他の吸着塔とを
連通して塔内圧力を等しくする均圧工程と、該均圧工程
が終了した吸着塔に製品ガスを導入して昇圧する昇圧工
程とを有する一連の圧力変動吸着分離操作を所定のイン
ターバルで順次繰り返して前記原料ガス中の特定成分を
回収し、製品ガスホルダを介してガス使用先の装置に送
出する、圧力変動吸着分離装置を用いた工業ガス製造方
法において、前記製品ガスホルダの圧力を測定し、該製
品ガスホルダにおける、第２吸着塔の減圧工程時の平均
圧力（Ｐ_1a）と第３吸着塔の昇圧工程時の平均圧力（Ｐ
_1b）との平均値（Ｐ_n-2）と、第１吸着塔の減圧工程時
の平均圧力（Ｐ_2a）と第２吸着塔の昇圧工程時の平均圧
力（Ｐ_2b）との平均値（Ｐ_n-1）に基いて下記式（１）
により変化量平均値補正後の製品ガスホルダ圧力
（Ｐ_n）を求め、Ｐ_n（ＭＰａ）＝〔（Ｐ_n-2）＋（Ｐ_n-1）〕／２・・・（１）該変化量平均値補正後の製品ガスホルダ圧力（Ｐ_n）に
基いて下記式（２）により前記圧力変動吸着分離装置の
装置負荷（Ｙ_n）を求め、Ｙ_n（％）＝Ａ・Ｐ_n＋Ｂ・・・（２）（ここで、ＡおよびＢは、製品ガスホルダ圧力値から装
置負荷を求めるための一次近似式の係数であり、Ａは、
ゲイン、Ｂは、バイアスである。）次いで、前記製品ガ
スホルダの、前記平均圧力の平均値（Ｐ_n-2）と（Ｐ
_n-1）の差分（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）と装置負荷演算時の重
み係数（Ｋ）に基いて下記（３）式により前記圧力変動
吸着分離装置の装置負荷の先行変動量（Ｚ_n）を予測
し、Ｚ_n＝（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）・Ｋ・・・（３）（Ｋ＝重み係数）該予測した装置負荷先行変動量（Ｚ_n）を、下記式
（４）により、前記変化量平均値補正後のホルダ圧力に
基いて求めた装置負荷量（Ｙ_n）に加えて先行装置負荷
（Ｘ_n）とし、Ｘ_n＝Ｙ_n＋Ｚ_n ・・・（４）以下、同様の操作を順次繰り返して先行装置負荷を求
め、求めた先行装置負荷（Ｘ_n）に基いて前記圧力変動
吸着分離装置への原料ガス導入量および各吸着塔におけ
る前記各処理工程の所要時間を制御することを特徴とす
る、圧力変動吸着分離装置を用いた工業ガス製造方法。

【００１２】（５）前記原料ガスが水素含有ガスであ
り、原料ガスからの回収成分が水素であることを特徴と
する上記（４）に記載の、圧力変動吸着分離装置を用い
た工業ガス製造方法。

【００１３】本発明において、製品ガスホルダの変化量
平均値補正後の圧力とは、単位工程内における、二つの
ホルダ内平均圧力の平均値と、前記単位工程に続く別の
単位工程内における、二つのホルダ内平均圧力の平均値
を、さらに平均した平均圧力をいい、吸着工程、減圧工
程、ブローダウン工程、パージ工程、昇圧工程等を順次
繰り返すＰＳＡ装置特有の性質に起因するホルダ内の圧
力変動を補正した実質的なホルダ内圧力をいう。この製
品ガスホルダの変化量平均値補正後の圧力は、該製品ガ
スホルダが製品ガス使用先装置に連結されていることか
ら、使用先装置のガス使用量を求める指標となる。本発
明において、装置負荷演算時の重み係数（Ｋ）は、ＰＳ
Ａ装置の定格負荷、製品ガスホルダ容量、ガス使用先装
置のガス使用量の変動に対するききぐあいである先行制
御率（フィードフォワードゲイン）等によって補正され
る値であって、実際の装置運転状態により最適値を算出
するチューニングパラメータであり、通常１．０〜１．
５の範囲の定数が用いられる。

【００１４】本発明において、装置負荷の先行変動量と
は、単位工程内における、二つのホルダ内平均圧力の平
均値と、前記単位工程に続く別の単位工程内における、
二つのホルダ内平均圧力の平均値との差分に、装置負荷
演算時の重み係数（Ｋ）を掛けた積として表される、装
置負荷の予測変動量をいう。この予測した変動量（先行
変動量）を、変化量平均値補正後のホルダ内圧力に相当
する装置負荷に加えることにより、装置全体の先行装置
負荷が求まる。本発明において、減圧工程とブローダウ
ン工程との間に、減圧工程が終了した吸着塔とパージ工
程が終了した他の吸着塔とを連通して塔内圧力を等しく
する均圧工程を有し、パージ工程と昇圧工程との間に、
パージ工程が終了した吸着塔と減圧工程が終了した他の
吸着塔とを連通して塔内圧力を等しくする均圧工程を有
することが好ましい。これによって各成分ガスの分離性
が向上し、目的成分の回収率が向上する。均圧工程に要
する時間および塔内圧力は、他の工程における時間およ
び塔内圧力等によって適宜決定される。

【００１５】本発明において、減圧工程で吸着塔から流
出するオフガスを他の吸着塔のパージガスとして用いる
ことなく、その他の目的で使用するか、または系外に排
出することもできる。また、パージ工程におけるパージ
ガスとして、他の吸着塔における減圧工程時に吸着塔か
ら流出するオフガス以外のガスを使用することもでき
る。本発明において、原料ガスから回収する目的成分
は、水素の他、例えば酸素、窒素、一酸化炭素等であっ
てもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明を、原料ガスとして
水素含有ガスを用い、該水素含有ガス中の前記水素を分
離、回収する、ＰＳＡ装置を用いた水素の製造方法を例
にとって詳細に説明する。図１および図２は、本発明の
原理を示す説明図であり、図１は、水素ホルダ圧力と、
該水素ホルダ圧力の単位工程内の平均圧力（以下、変化
量平均値ともいう）と、変化量平均値補正後の水素ホル
ダ圧力（Ｐ_n）に基いて求めた装置負荷量（Ｙ_n）の関
係を示す図、図２は、水素ホルダ内圧力と、該水素ホル
ダ内圧力の変化量平均値と、経時的間隔をもった二つ
の、変化量平均値の平均値（Ｐ_n-2）、（Ｐ_n-1）の差
分（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）と装置負荷演算時の重み係数
（Ｋ）とに基いて求めた装置負荷先行変動量（Ｚ_n）と
の関係を示す図である。

【００１７】図１において、Ａ、Ｂ、Ｃ３塔からなるＰ
ＳＡ装置において、３ステップ分の吸着工程と、１ステ
ップ分の減圧工程、均圧工程、ブローダウン工程、パー
ジ工程、均圧工程および昇圧工程の９ステップからなる
一連の圧力変動吸着分離操作を、前記吸着塔Ａ、Ｂ、Ｃ
でそれぞれ３ステップづつずらして順次繰り返した場合
の、水素ホルダ内圧力をモニタし、Ｂ塔減圧工程時の水
素ホルダ圧力の変化量平均値：Ｐ_1a＝（Ｐ₁₁＋Ｐ₁₂）／
２と、Ｃ塔昇圧工程時の水素ホルダ圧力の変化量平均
値：Ｐ_1b＝（Ｐ₁₃＋Ｐ₂₁）／２との平均値：Ｐ_n-2＝
（Ｐ_1a＋Ｐ_1b）／２が、Ａ塔の吸着工程（ステップ１〜
３）時の平均水素ホルダ圧力：Ｐ_n-2として表されてい
る。

【００１８】一方、Ａ塔減圧工程時の水素ホルダ圧力の
変化量平均値：Ｐ_2a＝（Ｐ₂₁＋Ｐ₂₂）／２とＢ塔昇圧工
程時の水素ホルダ圧力の変化量平均値：Ｐ_2b＝（Ｐ₂₃＋
Ｐ₃₁）／２の平均値：Ｐ_n-1＝（Ｐ_2a＋Ｐ_2b）／２が、
Ｃ塔の吸着工程（ステップ４〜６）時の平均水素ホルダ
圧力：Ｐ_n-1として表されている。ここで下記式（１）
により変化量平均値補正後の水素ホルダ内圧力（Ｐ_n）
を求め、Ｐ_n（ＭＰａ）＝（Ｐ_n-2＋Ｐ_n-1）／２・・・（１）求めた変化量平均値補正後の水素ホルダ内圧力（Ｐ_n）
に基いて下記の一次近似式（２）により前記水素ホルダ
内圧力（Ｐ_n）に相当する、ＰＳＡ装置の装置負荷（Ｙ
_n）を求めることができる。

【００１９】Ｙ_n（％）＝Ａ・Ｐ_n＋Ｂ・・・（２）（ここで、ＡおよびＢは、製品ガスホルダ圧力値から装
置負荷を求めるための一次近似式の係数であり、Ａは、
ゲイン、Ｂは、バイアスである。）また、図２におい
て、水素ホルダ内圧力と、水素ホルダ内圧力の変化量平
均値と、所定工程内における二つの変化量平均値の平均
値（Ｐ_n-2）、（Ｐ_n-1）の差分（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）に
装置負荷演算時の重み係数（Ｋ）を乗じて下記（３）式
により予測した装置負荷の先行変動量（Ｚ_n）との関係
が示されている。Ｚ_n＝（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）・Ｋ・・・（３）この予測した装置負荷先行変動量（Ｚ_n）と前記変化量
平均値補正後のホルダ圧力に基いて求めた装置負荷（Ｙ
_n）の和がＰＳＡ装置の先行装置負荷（Ｘ_n）となる。

【００２０】Ｘ_n＝Ｙ_n＋Ｚ_n ・・・（４）以下、同様の操作を繰り返して先行装置負荷を連続的に
求め、求めた先行装置負荷（Ｘ_n）に応じてＰＳＡ装置
への原料ガスの導入量および各吸着塔における吸着工
程、減圧工程、均圧工程、ブローダウン工程、パージ工
程、均圧工程および昇圧工程の設定時間を決定し、制御
することにより、水素ホルダ内の圧力が大きく変動して
も、ガス使用先装置のガス使用量を予測して該ガス使用
量に追従した量の製品ガス、例えば水素を製造し、使用
先装置に確実に供給することができる。

【００２１】本発明において、吸着塔の数は３塔または
それ以上であり、３の整数倍であることが好ましい。吸
着剤は、回収する目的成分によって異なるが、例えばゼ
オライト、活性炭、活性アルミナ等が使用される。本発
明において、ＰＳＡ装置に導入する原料ガスは、目的成
分を含有するガスであれば、特に限定されるものではな
いが、例えば、都市ガス、ＬＰＧ、ナフサ等を水蒸気改
質した改質ガスが用いられる。改質原料として、メタノ
ールを使用することもできる。

【００２２】本発明において、圧力変動吸着分離操作の
各工程の所要時間は、ＰＳＡ装置への原料ガスの導入
量、原料ガス中の目的成分濃度、吸着塔における目的成
分の吸着量等によって変動するが、例えば吸着工程は、
３００〜３６０秒、減圧工程は、１２０〜１８０秒、ブ
ローダウン工程は、１２０〜１８０秒、パージ工程は、
１２０〜１８０秒、昇圧工程は、１２０〜１８０秒であ
る。また、吸着塔内の吸着工程時の圧力等は、各工程時
間、原料ガス導入量等によって変動するが、例えば吸着
工程時の圧力は、０．７〜０．８ＭＰａ、減圧工程時の
圧力は、０．４〜０．７ＭＰａ、ブローダウン工程時の
圧力は、０．０５〜０．４ＭＰａ、パージ工程時の圧力
は、０．０〜０．０５Ｍｐａ、昇圧工程時の圧力は、
０．２〜０．７ＭＰａである。

【００２３】

【実施例】次に本発明の具体的実施例を説明する。図３
は、本発明の一実施例に適用されるＰＳＡ装置の説明
図、図４は、先行装置負荷量を求める負荷量算出演算方
法のフローを示す図である。図３において、このＰＳＡ
装置は、吸着剤としてゼオライトが充填された、容量８
００リットルの吸着塔Ａ、ＢおよびＣと、該吸着塔で分
離、回収された製品ガスである水素を貯留する水素ホル
ダ２と、前記吸着塔から排出されたオフガスを貯留する
オフガスホルダ３と、前記吸着塔Ａ、Ｂ、Ｃ、水素ホル
ダ２およびオフガスホルダ３をそれぞれ連結する配管類
４および該配管類４に設けられた図示省略したバルブ類
とから主として構成されており、定格負荷は、例えば１
００Ｎｍ³／ｈｒである。なお、１は、原料ガス５の供
給源である。また、水素ホルダ２は、図示省略したガス
使用先装置に連結されている。

【００２４】図３の装置を用い、原料ガス供給源１から
都市ガスを改質した、水素：７６ｖｏｌ％、ＣＯ：２ｖ
ｏｌ％、ＣＯ₂：１９ｖｏｌ％、ＣＨ₄：３ｖｏｌ％の
水素リッチの原料ガス５をＰＳＡ装置の吸着塔Ａ、Ｂお
よびＣに導入し、該吸着塔Ａ、Ｂ、Ｃで３ステップの吸
着工程と、１ステップの減圧工程、均圧工程、ブローダ
ウン工程、パージ工程、均圧工程、および昇圧工程から
なる９ステップを１サイクルとする、一連の圧力変動吸
着分離操作（図１および２参照）を、前記Ａ、Ｂ、Ｃの
吸着塔でそれぞれ３ステップづつずらして順次行い、図
４に示した負荷量算出演算フローに従って製品ガスホル
ダ２における、工程間圧力を測定し（図４のＡ）、吸着
塔Ｂの減圧工程時のホルダ圧力の変化量平均値（Ｐ_1a）
と吸着塔Ｃの昇圧工程時の変化量平均値（Ｐ_1b）との平
均値（Ｐ_n-2）と、吸着塔Ａの減圧工程時のホルダ圧力
の変化量平均値（Ｐ_2a）と吸着塔Ｂの昇圧工程時の変化
量平均値（Ｐ_2b）との平均値（Ｐ_n-1）に基いて下記式
（１）により変化量平均値演算して（図４のＢ）変化量
平均値補正後の製品ガスホルダ圧力（Ｐ_n）を求め、Ｐ_n（ＭＰａ）＝〔（Ｐ_n-2）＋（Ｐ_n-1）〕／２・・・（１）求めた変化量平均値補正後の製品ガスホルダ圧力
（Ｐ_n）に基いて下記式（２）により装置負荷演算して
（図４のＤ）変化量平均値補正後のホルダ圧力に相当す
るＰＳＡ装置の装置負荷（Ｙ_n）を求めた。

【００２５】Ｙ_n（％）＝Ａ・Ｐ_n＋Ｂ・・・（２）（Ｐ_n：ＭＰａ）図５は、図３に示した装置におけるガスホルダ内圧力値
（ＭＰａ）に基いて、対応する装置負荷を求めるための
一次近似式を図示したものであり、図において、図３の
装置における一次近似式のゲインＡは、−５００、バイ
アスＢは、３５０である。従って上記式（２）は、Ｙ_n（％）＝−５００・Ｐ_n＋３５０・・・（２）′ となる。

【００２６】次いで、前記変化量平均値のさらに平均値
である（Ｐ_n-2）と（Ｐ_n-1）の差分（Ｐ_n-2−
Ｐ_n-1）と装置負荷演算時の重み係数（Ｋ）に基いて下
記（３）式によりガス使用変動量予測（図４のＣ）によ
り装置負荷の先行変動量（Ｚ_n）を予測し、Ｚ_n＝（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）・Ｋ・・・（３）（Ｋ＝重み係数）求めた装置負荷先行変動量（Ｚ_n）と前記変化量平均値
補正後のホルダ圧力に相当する装置負荷量（Ｙ_n）に基
いて下記式（４）によって加算（図４のＥ）し、ＰＳＡ
装置の先行装置負荷（Ｘ_n）を求め、Ｘ_n＝Ｙ_n＋Ｚ_n ・・・（４）以下、同様の操作を繰り返して連続して先行装置負荷を
求め、求めた先行装置負荷（Ｘ_n）に基いて装置毎の負
荷量演算（図４のＦ）により前記圧力変動吸着分離装置
への原料ガス導入量および各吸着塔における前記各処理
工程の所要時間を制御して水素を製造したところ、水素
ホルダ２の後流に連結された使用先装置の水素使用量５
０〜１００Ｎｍ³／ｈｒに追従した量の、純度９９．９
９９ｖｏｌ％の水素を製造し、確実に供給することがで
きた。

【００２７】このとき、重み係数（Ｋ）として、水素ホ
ルダ２の容量、フィードフォワードゲイン等によって補
正した、前記図３の装置の運転状況による最適値を算出
するチューニング結果に基いて求めたＫ＝１．３を用い
た。また、このとき原料ガス５の吸着塔への導入量は、
９０〜１８０Ｎｍ³／ｈｒで変動し、吸着工程の時間は
３００〜６００秒、減圧工程の時間は１５０〜３００
秒、均圧工程の時間は２０〜３０秒、ブローダウン工程
の時間は１５０〜３００秒、パージ工程の時間は１５０
〜３００秒、均圧工程の時間は２０〜３０秒、昇圧工程
の時間は１５０〜３００秒でそれぞれ変動した。また、
吸着工程時の吸着塔内圧力は０．７〜０．８ＭＰａ、減
圧工程時の塔内圧力は０．４〜０．７ＭＰａ、均圧工程
における塔内圧力は０．２〜０．４ＭＰａ、ブローダウ
ン工程における塔内圧力は０．０〜０．２ＭＰａ、パー
ジ工程の塔内圧力は０．０〜０．０５ＭＰａ、均圧工程
の塔内圧力は０．２〜０．４ＭＰａ、昇圧工程における
塔内圧力は０．２〜０．７ＭＰａでそれぞれ変動し、水
素ホルダ２の圧力は、０．４〜０．７ＭＰａで変動し、
変化量平均値補正後の水素ホルダ内圧力（Ｐ_n）は０．
５〜０．６ＭＰａで、変化量平均値補正後のホルダ圧力
に相当する装置負荷は６５〜８５％でそれぞれ変動し、
水素ホルダ内圧力の変化量平均値を平均した二つの値
（Ｐ_n-2）と（Ｐ_n-1）の差分（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）と装
置負荷演算時の重み係数（Ｋ）との積で求まる装置負荷
の先行変動量（Ｚ_n）は５〜１０で変動し、ＰＳＡ装置
の先行負荷量は７０〜８０で変動した。

【００２８】本実施例によれば、水素ホルダ２の圧力変
化量平均値補正と、変化量平均値を平均した二つの値の
差分と装置負荷算出時の重み係数（Ｋ）とで求めた装置
負荷先行変動量に基いてＰＳＡ装置の先行負荷を予測
し、この先行負荷に基いてＰＳＡ装置に導入される原料
ガス５の導入量およびＰＳＡ装置の各吸着塔における前
記各工程の所要時間を制御したことにより、ＰＳＡ装置
による制御外乱をなくし、装置負荷追従速度が改善さ
れ、水素使用先装置の水素使用量に追従した水素を安定
に製造し、確実に供給することができた。

【００２９】

【発明の効果】本願の請求項１に記載の発明によれば、
ＰＳＡ装置における制御外乱をなくし、負荷追従速度を
改善することができる。また、巨大な製品ガスホルダを
必要としないので、装置の小型化および設備費の低減を
図ることができる。本願の請求項２に記載の発明によれ
ば、均圧工程を有することにより、上記発明の効果に加
え、各成分ガスの分離性が向上し、目的成分の回収率が
より向上する。

【００３０】本願の請求項３に記載の発明によれば、上
記発明の効果に加え、水素使用先装置の使用量に追従し
て水素を安定に製造し、確実に供給することができる。
本願の請求項４に記載の発明によれば、ＰＳＡ装置にお
ける制御外乱をなくし、負荷追従速度を改善することが
できる。また、巨大な製品ガスホルダを必要としないの
で、装置の小型化および設備費の低減を図ることができ
る。本願の請求項５に記載の発明によれば、上記発明の
効果に加え、水素使用先装置の使用量に追従して水素を
安定に製造し、確実に供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す説明図。

【図２】本発明の原理を示す説明図。

【図３】本発明の一実施例に適用されるＰＳＡ装置の説
明図。

【図４】本発明の一実施例における装置負荷の演算方法
の説明図。

【図５】本発明の一実施例におけるガスホルダ内圧力と
これに相当する装置負荷との関係を示す図。

【図６】ＰＳＡ装置の説明図。

【図７】従来技術の説明図。

【符号の説明】

１…原料ガス供給源、２…水素ホルダ、３…オフガスホ
ルダ、４…配管類、５…原料ガス、Ａ、Ｂ、Ｃ…吸着
塔、６１…改質原料、６２…原料改質装置、６３…改質
ガス、６４…ＰＳＡ装置、６５…製品ガスホルダ、６６
…製品ガス、６７…水蒸気、６８…燃料、６９…燃焼用
空気、７０…オフガス。

フロントページの続き (72)発明者菅谷智樹神奈川県横浜市鶴見区東寺尾５−２−10 Ｆターム(参考） 4D012 CA20 CB16 CD07 CE01 CE02 CF01 CF03 CJ01 CJ02 CJ07 4G040 EA02 EA03 EA06 EB16 EB43 EC02 FA04 FB04 FC03 FD01 FD02 FE01 4H060 AA01 BB08 BB22 BB33 CC12 DD01 DD02 DD03 EE03 FF03 FF13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸着剤を充填した、少なくとも３塔の吸
着塔を有する圧力変動吸着分離（ＰＳＡ）装置に原料ガ
スを導入し、前記各吸着塔で、前記原料ガス中の易吸着
成分を吸着剤に吸着させて難吸着成分を分離、回収する
吸着工程と、該吸着工程が終了した吸着塔を減圧して吸
着塔から流出するオフガスを他の吸着塔のパージガスと
して用いる減圧工程と、該減圧工程が終了した吸着塔を
さらに減圧して吸着剤から離脱するオフガスを回収する
ブローダウン工程と、該ブローダウン工程が終了した吸
着塔に、他の吸着塔の減圧工程時に該吸着塔から流出す
るオフガスを導入して塔内をパージするパージ工程と、
該パージ工程が終了した吸着塔に製品ガスを導入して昇
圧する昇圧工程とを有する一連の圧力変動吸着分離操作
を所定のインターバルで順次繰り返して前記原料ガス中
の特定成分を回収し、製品ガスホルダを介してガス使用
先の装置に送出する、圧力変動吸着分離装置を用いた工
業ガス製造方法において、前記製品ガスホルダにおける圧力変動を測定し、該測定
値に基いて前記製品ガスホルダの変化量平均値補正後の
圧力（Ｐ_n）を求め、該変化量平均値補正後の圧力に基
いて前記圧力変動吸着分離装置の装置負荷を求めるとと
もに、前記製品ガスホルダの圧力変動の測定値と装置負
荷演算時の重み係数とに基いて前記圧力変動吸着分離装
置の装置負荷の先行変動量を求め、該装置負荷先行変動
量を、前記変化量平均値補正後の圧力（Ｐ_n）に基いて
求めた装置負荷に加えて先行装置負荷とし、該先行装置
負荷に基いて前記圧力変動吸着分離装置への原料ガスの
導入量および前記各工程の所要時間を制御することを特
徴とする、圧力変動吸着分離装置を用いた工業ガス製造
方法。
【請求項２】前記減圧工程とブローダウン工程との間
に、減圧工程が終了した吸着塔と前記パージ工程が終了
した他の吸着塔とを連通して塔内圧力を等しくする均圧
工程を有し、前記パージ工程と昇圧工程との間に、パー
ジ工程が終了した吸着塔と前記減圧工程が終了した他の
吸着塔とを連通して塔内圧力を等しくする均圧工程を有
することを特徴とする請求項１に記載の、圧力変動吸着
分離装置を用いた工業ガス製造方法。
【請求項３】前記原料ガスが水素含有ガスであり、原
料ガスからの回収成分が水素であることを特徴とする請
求項１または２に記載の、圧力変動吸着分離装置を用い
た工業ガス製造方法。
【請求項４】吸着剤を充填した、少なくとも第１、第
２および第３の吸着塔を有する圧力変動吸着分離（ＰＳ
Ａ）装置に原料ガスを導入し、前記各吸着塔で、前記原
料ガス中の易吸着成分を吸着剤に吸着させて難吸着成分
を分離、回収する吸着工程と、該吸着工程が終了した吸
着塔を減圧して前記吸着塔から流出するオフガスを他の
吸着塔のパージガスとして用いる減圧工程と、該減圧工
程が終了した吸着塔とパージ工程が終了した前記他の吸
着塔を連通して塔内圧力を等しくする均圧工程と、該均
圧工程が終了した吸着塔をさらに減圧して吸着剤から離
脱するオフガスを回収するブローダウン工程と、該ブロ
ーダウン工程が終了した吸着塔に、他の吸着塔の減圧工
程時に該吸着塔から流出するオフガスを導入して塔内を
パージするパージ工程と、該パージ工程が終了した吸着
塔と前記減圧工程が終了した他の吸着塔とを連通して塔
内圧力を等しくする均圧工程と、該均圧工程が終了した
吸着塔に製品ガスを導入して昇圧する昇圧工程とを有す
る一連の圧力変動吸着分離操作を所定のインターバルで
順次繰り返して前記原料ガス中の特定成分を回収し、製
品ガスホルダを介してガス使用先の装置に送出する、圧
力変動吸着分離装置を用いた工業ガス製造方法におい
て、前記製品ガスホルダの圧力を測定し、該製品ガスホルダ
における、第２吸着塔の減圧工程時の平均圧力（Ｐ_1a）
と第３吸着塔の昇圧工程時の平均圧力（Ｐ_1b）との平均
値（Ｐ_n-2）と、第１吸着塔の減圧工程時の平均圧力
（Ｐ_2a）と第２吸着塔の昇圧工程時の平均圧力（Ｐ_2b）
との平均値（Ｐ_n-1）に基いて下記式（１）により変化
量平均値補正後の製品ガスホルダ圧力（Ｐ_n）を求め、Ｐ_n（ＭＰａ）＝〔（Ｐ_n-2）＋（Ｐ_n-1）〕／２・・・（１）該変化量平均値補正後の製品ガスホルダ圧力（Ｐ_n）に
基いて下記式（２）により前記圧力変動吸着分離装置の
装置負荷（Ｙ_n）を求め、Ｙ_n（％）＝Ａ・Ｐ_n＋Ｂ・・・（２）（ここで、ＡおよびＢは、製品ガスホルダ圧力値から装
置負荷を求めるための一次近似式の係数であり、Ａは、
ゲイン、Ｂは、バイアスである。）次いで、前記製品ガ
スホルダの、前記平均圧力の平均値（Ｐ_n-2）と（Ｐ
_n-1）の差分（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）と装置負荷演算時の重
み係数（Ｋ）に基いて下記（３）式により前記圧力変動
吸着分離装置の装置負荷の先行変動量（Ｚ_n）を予測
し、Ｚ_n＝（Ｐ_n-2−Ｐ_n-1）・Ｋ・・・（３）（Ｋ＝重み係数）該予測した装置負荷先行変動量（Ｚ_n）を、下記式
（４）により、前記変化量平均値補正後の製品ガスホル
ダに基いて求めた装置負荷量（Ｙ_n）に加えて先行装置
負荷（Ｘ_n）とし、Ｘ_n＝Ｙ_n＋Ｚ_n ・・・（４）以下、同様の操作を順次繰り返して先行装置負荷を求
め、求めた先行装置負荷（Ｘ_n）に基いて前記圧力変動
吸着分離装置への原料ガス導入量および各吸着塔におけ
る前記各処理工程の所要時間を制御することを特徴とす
る、圧力変動吸着分離装置を用いた工業ガス製造方法。
【請求項５】前記原料ガスが水素含有ガスであり、原
料ガスからの回収成分が、水素であることを特徴とする
請求項４に記載の、圧力変動吸着分離装置を用いた工業
ガス製造方法。