特許 5997912 ラジアル型吸着容器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5997912

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】ラジアル型吸着容器

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/047 20060101AFI20160915BHJP

   C01B 13/02 20060101ALI20160915BHJP

【ＦＩ】

   B01D53/047

   C01B13/02 A

【請求項の数】1

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-33493(P2012-33493)

(22)【出願日】2012年2月20日

(65)【公開番号】特開2013-169491(P2013-169491A)

(43)【公開日】2013年9月2日

【審査請求日】2014年7月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000126115

【氏名又は名称】エア・ウォーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109472

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 直之

(72)【発明者】

【氏名】田中 真子

(72)【発明者】

【氏名】安田 貴彦

【審査官】 神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１９２４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１９１０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１３４２４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００６／０８８４７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２０６５７３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／００２３６８６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｌ ９／００−９／２２

Ｂ０１Ｄ ５３／０２−５３／１２

Ｂ０１Ｄ ５３／１４−５３／１８

Ｂ０１Ｄ ５３／２６−５３／２８

Ｂ０１Ｄ ５３／３４−５３／８５

Ｂ０１Ｊ ８／００−８／４６

Ｂ０１Ｊ ２０／００−２０／３４

Ｃ０１Ｂ １３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状容器の内周部に環状に配置した原料ガス流路と、円筒状容器の中心部に配置した製品ガス流路と、原料ガス流路と製品ガス流路の間に形成された吸着剤層とを含んで構成され、
原料ガスを円筒状容器に導入する導入口が、円筒状容器の軸方向における一端側において上記原料ガス流路と連通し、
製品ガスを円筒状容器から排出する排出口が、円筒状容器の上記一端側において上記製品ガス流路と連通し、
上記原料ガス流路の流路断面積を、上記円筒状容器の軸方向において一定とし、
上記製品ガス流路の流路断面積を、上記円筒状容器の軸方向において一定とし、
製品ガス流路の流路断面積に対する原料ガス流路の流路断面積の比が１．２〜３．３に設定され、
吸着剤層のラジアル方向の差圧が、製品ガス流路の軸方向における差圧の５０倍以上であり、
製品ガス流路の流路断面径が、吸着剤層の軸方向長さの６％以上２２％以下に設定され、
上記原料ガス流路および上記製品ガス流路は、テーパや円錐状の構造を有しない
ことを特徴とするラジアル型吸着容器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空気などの混合ガスから酸素等を製品ガスとして分離するために用いるラジアル型吸着容器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

空気などの混合ガスから酸素等を製品ガスとして分離する有用な方法として、吸着剤を用いた圧力スイング吸着法がある。圧力スイング吸着法には、加圧吸着−大気圧再生方式のＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）式、常圧吸着−真空再生方式のＶＳＡ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）および、加圧吸着−真空再生方式のＰＶＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）式があり、一般にはこれらを総称してＰＳＡ方式と呼ばれている。

【0003】

高純度酸素を得るためのＰＳＡ方式では、窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着容器に原料空気を導入し、加圧下で窒素ガスを吸着して酸素を濃縮する。一方、吸着剤に吸着された窒素ガスは、減圧下で吸着剤から脱着させて再生を行う。この吸着・脱着操作を繰り返し行うことで、高純度の酸素ガスを効率的に分離し生産している。

【0004】

図６は従来の吸着容器を示す。（Ａ）は竪型吸着容器である。このような吸着容器は、例えば特許文献１（特開平８−９９０１２号公報）に開示されている。（Ｂ）は、枕型吸着容器である。

【0005】

吸着容器内の圧力損失によって吸着剤に流動が発生すると、吸着剤同士が互いに摩擦しあって粉化が生じてしまう。これを防ぐために、これらの吸着容器では、ガスの流速および吸着剤の充填高さに制限が設けられている。

【0006】

上記竪型吸着容器は、最も汎用的な吸着容器である。日本国内において陸上輸送を行う場合、道路交通法規上の寸法制限があるため、吸着容器の最大直径はおおよそ３．６ｍまでに制限される。吸着容器には、上述した理由でガスの流速および吸着剤の充填高さに制限があるため、製品ガスの生産能力に限界が生じる。大型装置にしようとすると、吸着容器の直径をさらに大きくしなければならず、そのままでは陸上輸送ができなくなる。したがって、このような大型装置では、装置の設置現場で組み立てを行う必要があり、大幅なコストの増加を招く。

【0007】

上記枕型吸着容器は、上記竪型吸着容器を横置きとし、水平方向に伸長させることにより、最大直径と吸着剤の充填高さを制限内に抑えながら、製品ガス発生量の増量を可能としたものである。ところが、このタイプでは、水平方向に延びた容器内において原料ガスを均一に拡散させる工夫が必要となる。また、装置の設置面積も大きくなってしまう。

【0008】

一般にＰＳＡ方式では、吸着容器において生じる圧力損失がシステムの非効率化を招き、消費動力を増加させる一因となっている。圧力損失を低減させるためには、吸着容器の断面積を増加し、ガスの流速を低下させるか、または吸着剤の充填高さを低くする必要がある。ところが、そのようにすると、設置面積の増加や設備コストの増加をもたらしてしまう。

【0009】

そのために、ＰＳＡ方式の吸着容器には更なる改良が求められており、その解決策として、ラジアル型（ラジアル床型、半径流型）と呼ばれる吸着容器が提案されている。

【0010】

このようなＰＳＡ装置向けのラジアル型吸着容器は、例えば、特許文献２（特開平１０−６６８２０）、特許文献３（特開平５−２３７３２７）及び特許文献４（特開平１１−１２８６４６）に開示されている。

【0011】

ラジアル型吸着容器は、吸着容器内に吸着剤を環状となるように充填し、外側から内側へ向かってラジアル方向にガスを通過させて吸着を行うものである。このタイプでは、環状に充填した吸着剤に対してラジアル方向にガスを通過させるため、原料ガス入口の断面積が大きくなり、ガスの流速を低下させることができる。従って、竪型吸着容器や枕型吸着容器と吸着剤の充填量が同じであれば、ガスの流速が低下することによって圧力損失を低減させることができる。その結果として、分離性能を向上させたり消費動力を削減したりすることが可能となる。また、容器を大型化する場合においては、吸着容器を縦方向に伸長することで製品発生量を増加でき、設置面積を縮小することも可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開平８―９９０１２号公報

【特許文献2】特開平１０―６６８２０号公報

【特許文献3】特開平５−２３７３２７号公報

【特許文献4】特開平１１―１２８６４６号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、ラジアル型吸着容器は、構造上吸着容器の上下方向に流量ばらつきが生じやすく、ガスの流れが不均一になるという問題がある。この偏流があるために、偏ってガスが流れる箇所が生じる。このため、ガスが流れにくい箇所と比べてガスが流れやすい箇所では、早期に吸着性能が限界に達してしまい、吸着容器全体としてはガスの分離性能が低下することになる。そこで、前述した各先行技術文献では、偏流を抑制するために吸着容器の構造にそれぞれ工夫が施されている。

【0014】

特許文献２（特開平１０−６６８２０号公報）では、吸着容器の上下方向の流量ばらつきを抑制するため、原料ガスが流れる吸着容器の外側部分の流路空間をテーパ状としている。さらに、吸着容器を通過した製品ガスは、吸着容器中心部で一旦流下させ、吸着容器下部に集積した後、上方に流して吸着容器外へ取り出すという複雑な配管形状を採用している。

【0015】

特許文献３（特開平５−２３７３２７号公報）および特許文献４（特開平１１−１２８６４６号公報）では、吸着容器の製品ガスが流れる配管内に円錐状の構造物を配置し、流路空間をテーパ状にしている。このように、吸着容器の上下方向の流量ばらつきを抑制するために複雑な構造が採用されている。

【0016】

いずれの先行技術も、ガスの偏流はある程度抑制されるが、構造が複雑で吸着容器の製作が極めて困難で、設備コストが増加するという問題がある。また、このような複雑形状のおかげで、吸着剤の充填作業やメンテナンス等の作業が極めて煩雑となり、作業員の負担が大きくなっている。

【0017】

したがって、ＰＳＡ方式向けのラジアル型の吸着容器では、テーパ形状や円錐状構造物等の複雑な構造を必要とすることなくガスの偏流が抑制でき、構造がシンプルで製作やメンテナンスが容易な吸着容器が求められていた。

【0018】

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、シンプルな構造でガスの偏流を抑制して圧力損失を低減し、分離性能の向上や消費動力の削減が可能で、製作やメンテナンスが容易なラジアル型吸着容器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】

【0019】

上記目的を達成するため、本発明のラジアル型吸着容器は、
円筒状容器の内周部に環状に配置した原料ガス流路と、円筒状容器の中心部に配置した製品ガス流路と、原料ガス流路と製品ガス流路の間に形成された吸着剤層とを含んで構成され、
原料ガスを円筒状容器に導入する導入口が、円筒状容器の軸方向における一端側において上記原料ガス流路と連通し、
製品ガスを円筒状容器から排出する排出口が、円筒状容器の上記一端側において上記製品ガス流路と連通し、
上記原料ガス流路の流路断面積を、上記円筒状容器の軸方向において一定とし、
上記製品ガス流路の流路断面積を、上記円筒状容器の軸方向において一定とし、
製品ガス流路の流路断面積に対する原料ガス流路の流路断面積の比が１．２〜３．３に設定され、
吸着剤層のラジアル方向の差圧が、製品ガス流路の軸方向における差圧の５０倍以上であり、
製品ガス流路の流路断面径が、吸着剤層の軸方向長さの６％以上２２％以下に設定され、
上記原料ガス流路および上記製品ガス流路は、テーパや円錐状の構造を有しない
ことを要旨とする。

【発明の効果】

【0020】

本発明のラジアル型吸着容器は、円筒状容器の軸方向における一端側の導入口から原料ガスが導入され、内周部の原料ガス流路から中心部の製品ガス流路に向かって吸着剤層内を通過し、上記一端側の排出口から製品ガスが排出される。このようにガスが流れることにより、円筒状容器の軸方向における原料ガス流路と製品ガス流路の静圧勾配の傾きが同じ傾向となり、偏流が抑制される。
さらに、上記原料ガス流路の流路断面積を、上記円筒状容器の軸方向において一定とし、上記製品ガス流路の流路断面積を、上記円筒状容器の軸方向において一定とし、製品ガス流路の流路断面積に対する原料ガス流路の流路断面積の比を１．２〜３．３に設定することで、円筒状容器の軸方向における原料ガス流路と製品ガス流路の静圧差の変動幅が所定の範囲内に収まり、効果的に偏流が抑制される。このように、テーパ形状や円錐状構造物等の複雑な構造を使うことなく、偏流を効果的に抑制し、ガスの流れの均一性を高めることができる。

【0021】

したがって、本発明のラジアル型吸着容器によれば、テーパ形状や円錐状構造物等の複雑な構造が不要となることで、吸着容器の製作が容易となり、設備コストの低減が可能となる。また、メンテナンスなども容易となる。また、吸着剤層における圧力損失が低下し、消費動力が大幅に削減される。圧力損失を所定範囲内に抑えながら、吸着容器を縦方向に伸張して大型化することが可能となり、１系列あたりの製品発生量の増加を見込むことができる。さらに、偏流が少ない分だけ吸着剤の利用効率が高くなり、分離効率が向上する。
また、本発明は、吸着剤層のラジアル方向の差圧が、製品ガス流路の軸方向における差圧の５０倍以上であるため、偏流をさらに効果的に抑制することができる。
また、本発明は、製品ガス流路の流路断面径が、吸着剤層の軸方向長さの６％以上２２％以下に設定されているため、偏流をさらに効果的に抑制することができる。
また、本発明は、上記原料ガス流路および上記製品ガス流路は、テーパや円錐状の構造を有しないため、偏流を効果的に抑制し、ガスの流れの均一性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の一実施形態のラジアル型吸着容器を示す図である。

【図2】実施例と比較例のガスの流れおよび静圧差を示す図である。

【図3】比較例の偏流率の変化を示す図である。

【図4】実施例の偏流率の変化を示す図である。

【図5】実施例の偏流率の変化を示す図である。

【図6】従来例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。

【0026】

図１は、本発明の第１実施形態のラジアル型吸着容器を示す。

【0027】

このラジアル型吸着容器は、円筒状容器１の内周部に環状に配置した原料ガス流路２と、円筒状容器１の中心部に配置した製品ガス流路３と、原料ガス流路２と製品ガス流路３の間に形成された吸着剤層４とを含んで構成されている。

【0028】

詳しく説明すると、上記円筒状容器１は、円筒状の軸が上下方向を向くように立てて配置され、上側の開放部が蓋部材１１で蓋されている。円筒状容器１の底部には、二重管構造の配管が設けられている。二重管の外側管１３の端部は、原料ガスを導入する導入口５になっている。二重管の内側管１４は、外側管１３の途中で屈曲して外側管１３の管壁を貫いている。外側管１３の管壁を貫いて外部に露出した端部が、製品ガスを排出する排出口６になっている。

【0029】

上記内側管１４の容器内側の端部には、内底部材１２が取り付けられている。上記内底部材１２の外周部と円筒状容器１の内周部との間には、所定の間隙が形成されている。上記内底部材１２の中心部には、内側管１４の中空流路を内底部材１２の上側空間と連通させるための開口１８が形成されている。

【0030】

上記内底部材１２の外周部に沿って第１メッシュ壁１５が形成されている。また、内底部材１２の中心部に形成された開口１８の内周部に沿って第２メッシュ壁１６が形成されている。さらに、第１メッシュ壁１５と第２メッシュ壁１６の間に、第３メッシュ壁１７が形成されている。上記第１メッシュ壁１５、第２メッシュ壁１６、第３メッシュ壁１７は、それぞれ内底部材１２から円筒状容器１の上部開口近傍の押え部材１９にわたって設けられている。

【0031】

そして、第１メッシュ壁１５と円筒状容器１内周部の間の間隙が、原料ガス流路２として機能する。また、筒状の第２メッシュ壁１６の内側空間が、製品ガス流路３として機能する。また、第１メッシュ壁１５と第２メッシュ壁１６の間の空間には、吸着剤が充填され、この部分に吸着剤層４を形成する。原料ガス流路２の流路断面積は、円筒状容器１の軸方向において一定である。また、製品ガス流路３の流路断面積も、円筒状容器１の軸方向において一定である。

【0032】

この例では、吸着剤層４は、第１メッシュ壁１５と第３メッシュ壁１７の間の外側層２１と、第３メッシュ壁１７と第２メッシュ壁１６の間の内側層２２とから構成されている。外側層２１と内側層２２は、異なる吸着剤を充填することにより形成することができる。たとえば、外側層２１は活性アルミナを充填して形成し、内側層２２はゼオライトを充填して形成することができる。

【0033】

このような構成により、原料ガスを円筒状容器１に導入する導入口５が、円筒状容器１の軸方向における一端側において上記原料ガス流路２と連通している。また、製品ガスを円筒状容器１から排出する排出口６が、円筒状容器１の上記一端側において上記製品ガス流路３と連通している。

【0034】

すなわち、導入口５から導入された原料ガスは、外側管１３を通って円筒状容器１の底部に導入される。内底部材１２の下側空間に導入された原料ガスは、内底部材１２の外周部の外側の間隙を通過して原料ガス流路２に導入される。原料ガス流路２は円筒状容器１の内周部に沿った環状に形成されており、原料ガス流路２に導入された原料ガスは、吸着剤層４の外側から内側に向かってラジアル方向に流れる。その間に吸着対象のガス成分が吸着され、残りのガス成分が分離されて製品ガスとなる。製品ガスは、吸着剤層４の中心部に設けられた製品ガス流路３に流れ出る。製品ガス流路３に流れ出た製品ガスは、内底部材１２の開口１８および内側管１４を通って排出口６から排出される。

【0035】

本実施形態では、上記のようなガスの流れを実現することにより、偏流を抑制している。

【0036】

また、本実施形態では、上記の構造に加え、以下の構成を採用している。
（１）製品ガス流路３の流路断面積に対する原料ガス流路２の流路断面積の比を１．２〜３．３に設定した。
（２）吸着剤層４のラジアル方向の差圧を、製品ガス流路３の軸方向における差圧の５０倍以上とした。
（３）製品ガス流路３の流路断面径を、吸着剤層４の軸方向長さの６％以上２２％以下に設定した。

【0037】

これらについて検証した結果を、以下に詳しく説明する。以下の説明では、原料ガスとして空気を使用し、製品ガスとして酸素を得る場合について検討した。

【0038】

（１）製品ガス流路３の流路断面積に対する原料ガス流路２の流路断面積の比を１．２〜３．３に設定した。

【0039】

図２は、ガスの流れ方向の違いが偏流に影響することを確認するために用いたモデルを示す図である。（Ａ−１）は本発明の実施例であり、原料ガスが円筒状容器１の下部から導入され、吸着剤層４をラジアル方向に通過し、製品ガスが円筒状容器１の下部から排出される構造である（以下「実施例」または「ＲＵ−ｆｌｏｗ」という）。（Ｂ−１）は比較検討例であり、原料ガスが円筒状容器１の下部から導入され、吸着剤層４をラジアル方向に通過し、製品ガスが円筒状容器１の上部から排出される構造である（以下「比較例」または「ＲＺ−ｆｌｏｗ」という）。

【0040】

表１に示すシミュレーション条件により、汎用的な熱流体解析ソフトであるＣＤ−ａｄａｐｃｏ社製の「ＳＴＡＲ ＣＣＭ^＋」を用い、吸着容器内のガスの流れをシミュレーションした。表１において、製品配管流速（ＰＶ）は製品ガス流路３におけるガスの流速を示している。

【0041】

なお、以下の表において、「原料配管」「製品配管」は、それぞれ原料ガス流路２、製品ガス流路３を示す。したがって「配管流速」は、原料ガス流路２または製品ガス流路３におけるガスの流速を示す。なお、このガスの流速は、ラジアル方向でない軸方向のものである。

【0042】

【表1】

【0043】

製品流量：５０００Ｎｍ^３／ｈrのときにおいて、下記の式（１）で表される断面積比をパラメータとし、吸着容器内の偏流率の検証を実施した。
断面積比＝原料ガス流路の流路断面積（ｍ^２）／製品ガス流路の流路断面積（ｍ^２）・・・式（１）

【0044】

偏流率とは、下記の式（２）で与えられる数値である。
偏流率（％）＝[吸着剤層を通過するガスの最大流速（ｍ／ｓｅｃ）／吸着剤層を通過するガスの平均流速（ｍ／ｓｅｃ）−１]×１００・・・式（２）

【0045】

図３は、比較例（ＲＺ−ｆｌｏｗ）における断面積比に対する偏流率の変化を示す図である。
図４は、実施例（ＲＵ−ｆｌｏｗ）における断面積比に対する偏流率の変化を示す図である。

【0046】

比較例（ＲＺ−ｆｌｏｗ）では、断面積比を大きくしていくと偏流率は減少する傾向を見せるが、０まで下がることはなかった。一方、実施例（ＲＵ−ｆｌｏｗ）では、断面積比＝２．５５前後の領域で偏流率をほぼ０％近くまで下げることができた。

【0047】

図５は、実施例（ＲＵ−ｆｌｏｗ）における断面積比に対する偏流率の変化を示す図である。原料流量／製品流量が８．５の場合と６．５の場合を示している。この結果からわかるように、製品ガス流路３の流路断面積に対する原料ガス流路２の流路断面積の比は、１．２〜３．３に設定するのが好ましい。また、この断面積比は、１．９５〜２．５５であればなお好ましい。

【0048】

ラジアル型吸着容器において偏流に影響を及ぼす重要な要因の一つは、原料ガス流路２と製品ガス流路３の圧力差である。この圧力差は、原料ガス流路２および製品ガス流路３における圧力損失と静圧勾配に起因する。

【0049】

図２（Ｂ−２）に示すように、比較例（ＲＺ−ｆｌｏｗ）では、円筒状容器１の軸方向高さに対して、原料ガス流路２と製品ガス流路３の静圧勾配の傾きが逆行する。このため、容器上部に偏流が生じやすい。

【0050】

図２（Ａ−２）に示すように、実施例（ＲＵ−ｆｌｏｗ）では、原料ガス流路２と製品ガス流路３の静圧勾配の傾向が同じである。このため、静圧勾配の値が一定となるよう、原料ガス流路２と製品ガス流路３の断面積比をとることで、偏流の抑制が可能となる。

【0051】

表２に示す設計条件に基づいて製作したラジアル型吸着容器のパイロット機において、性能確認試験を実施した。

【0052】

【表2】

【0053】

表３にパイロット試験の結果を示す。
表４に流体解析シミュレーションにおける偏流の大小による差圧の値を示す。

【0054】

【表3】

【0055】

【表4】

【0056】

表３のパイロット試験結果に示すように、シミュレーションによる設計値は、実測値から大きく外れていない。流体解析シミュレーションでは、表４に示すように、偏流の大小によって静圧差は大きく変動する。すなわち、偏流が小さい場合、原料配管差圧Ｐｆ（原料ガス流路２の差圧）が１．１に対して製品配管差圧Ｐｐ（製品ガス流路２の差圧）が１．６である。一方、偏流が大きい場合、原料配管差圧Ｐｆ（原料ガス流路２の差圧）が１．０に対して製品配管差圧Ｐｐ（製品ガス流路２の差圧）が３７．５になる。表３に示した原料ガス流路２と製品ガス流路３の静圧差は、実測値でも、原料配管差圧Ｐｆ（原料ガス流路２の差圧）が４．１に対して製品配管差圧Ｐｐ（製品ガス流路２の差圧）が２．５である。これは、表４の偏流が大きい場合に比べても十分に小さい値と判断でき、偏流が抑制されていることを確認できた。

【0057】

以上のように、効果的に偏流を抑制するための構成は、流れ構造がＲＵ−ｆｌｏｗであって、製品ガス流路３の流路断面積に対する原料ガス流路２の流路断面積の比を、１．２〜３．３に設定したものである。

【0058】

（２）吸着剤層４のラジアル方向の差圧を、製品ガス流路３の軸方向における差圧の５０倍以上とした。

【0059】

次に、工程変化・流量変動及び製作上の問題に起因する偏流の抑制効果を検証した。

【0060】

ＰＳＡ法では、一般に複数の吸着容器を併設し、原料ガスを導入して吸着を行ない製品ガスを得る吸着工程、吸着工程後に吸着されたガス成分を脱着して吸着剤を再生する再生工程、他の吸着容器からパージガスを受けながら真空排気するパージ工程、他の吸着容器からの均圧ガスおよび原料ガスを受けて復圧する復圧工程を繰り返し行う。

【0061】

このとき、吸着工程および復圧工程と、再生工程およびパージ工程では、ガスの流れ方向が逆になる。すなわち、吸着工程および復圧工程では、上述したように原料ガス流路２から製品ガス流路に向かって内向きラジアル方向にガスが流れる。一方、再生工程およびパージ工程では、それとは逆に、製品ガス流路３から原料ガス流路に向かって外向きラジアル方向にガスが流れるのである。

【0062】

また、工程中に容器内の圧力が昇降するのに伴って、原料ガスの流量および製品ガスの流量も変動する。

【0063】

このようなガスの流れ方向の変化およびガス流量の変動が偏流に与える影響を考慮した。

【0064】

前述と同じ流体解析ソフトを用いて、吸着工程中に流量変動する場合の吸着容器内のガスの流れをシミュレーションした。

【0065】

表５にシミュレーション条件を示す。製品ガス流路３の軸方向における差圧（Ｐｐ）に対する吸着剤層４のラジアル方向の差圧（ΔＰ）であるΔＰ／Ｐｐをパラメータとした。その他の条件は一定にして吸着容器内の偏流状態を検証した。

【0066】

【表5】

【0067】

表６にシミュレーション結果を示す。条件（１）において、吸着工程中に流量変動した場合の最大偏流率は０．６８％であった。また、ΔＰ／Ｐｐの値を小さくしていくと、製品ガス流路３の軸方向における差圧に対して吸着剤層４のラジアル方向の差圧が減少し、偏流率が増加する結果となった。

【0068】

【表6】

【0069】

また、下記の表７に示すように、条件（１）において、パージ工程中にガスの流れが反転した場合の最大偏流率は０．４４％となり、吸着工程中に流量変動した場合の最大偏流率０．６８％よりも小さい値となった。

【0070】

【表7】

【0071】

ΔＰ／Ｐｐを十分大きくすることで、ガスの流れ方向の変化および流量変動によって生じる原料ガス流路２と製品ガス流路３の静圧勾配のずれに起因する偏流の増加を抑制することができる。２０ｋＰａＧ時である吸着工程において、ΔＰ／Ｐｐが７０倍の条件（１）では偏流率が０．０５、ΔＰ／Ｐｐが５３倍の条件（２）で偏流率が０．１１であるのに対し、ΔＰ／Ｐｐが３８倍の条件（３）では偏流率が０．２４に増加している。したがって、効果的に偏流を抑制する条件としては、ΔＰ／Ｐｐを５０倍以上の十分に大きい値とすることが好ましい。

【0072】

（３）製品ガス流路３の流路断面径を、吸着剤層４の軸方向長さの６％以上２２％以下に設定した。

【0073】

下記の表８に示すように、製品ガス流路３の流路断面径と吸着剤層４の軸方向の充填長さの比率を変化させてシミュレーションを行った。上記比率が６〜２４％のときに偏流率は０．０２〜０．１１であるのに対し、上記比率が５％になると偏流率は０．２４に増加する。また、上記比率が２４％では、充填領域の差圧が４０００Ｐａを超え、従来の竪型と同程度になってしまい、ラジアル型とした効果がなくなってしまう。したがって、上記比率は６％以上２２％以下に設定した。上記比率のより好適な範囲は８％以上１２％以下である。

【0074】

【表8】

【0075】

以上のように、本実施形態のラジアル型吸着容器は、円筒状容器１の軸方向における一端側の導入口５から原料ガスが導入され、内周部の原料ガス流路２から中心部の製品ガス流路３に向かって吸着剤層４内を通過し、上記一端側の排出口６から製品ガスが排出される。このようにガスが流れることにより、円筒状容器１の軸方向における原料ガス流路２と製品ガス流路３の静圧勾配の傾きが同じ傾向となり、偏流が抑制される。
さらに、製品ガス流路３の流路断面積に対する原料ガス流路２の流路断面積の比を１．２〜３．３に設定することで、円筒状容器１の軸方向における原料ガス流路２と製品ガス流路３の静圧差の変動幅が所定の範囲内に収まり、効果的に偏流が抑制される。このように、テーパ形状や円錐状構造物等の複雑な構造を使うことなく、偏流を効果的に抑制し、ガスの流れの均一性を高めることができる。

【0076】

したがって、本実施形態のラジアル型吸着容器によれば、テーパ形状や円錐状構造物等の複雑な構造が不要となることで、吸着容器の製作が容易となり、設備コストの低減が可能となる。また、メンテナンスなども容易となる。また、吸着剤層４における圧力損失が低下し、消費動力が大幅に削減される。圧力損失を所定範囲内に抑えながら、吸着容器を縦方向に伸張して大型化することが可能となり、１系列あたりの製品発生量の増加を見込むことができる。さらに、偏流が少ない分だけ吸着剤の利用効率が高くなり、分離効率が向上する。

【0077】

また、吸着剤層４のラジアル方向の差圧が、製品ガス流路３の軸方向における差圧の５０倍以上であるため、
偏流をさらに効果的に抑制することができる。

【0078】

また、製品ガス流路３の流路断面径が、吸着剤層４の軸方向長さの６％以上２２％以下に設定されているため、
偏流をさらに効果的に抑制することができる。

【符号の説明】

【0079】

１：円筒状容器
２：原料ガス流路
３：製品ガス流路
４：吸着剤層
５：導入口
６：排出口
１１：蓋部材
１２：内底部材
１３：外側管
１４：内側管
１５：第１メッシュ壁
１６：第２メッシュ壁
１７：第３メッシュ壁
１８：開口
１９：押え部材
２１：外側層
２２：内側層
２５：充填口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】