(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】
(24)【登録日】2024-05-02
(45)【発行日】2024-05-14
(54)【発明の名称】窒素ガス分離方法および窒素ガス分離装置
(51)【国際特許分類】
B01D 53/047 20060101AFI20240507BHJP
C01B 21/04 20060101ALI20240507BHJP
【ＦＩ】
B01D53/047
C01B21/04 D
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019239140
(22)【出願日】2019-12-27
(65)【公開番号】P2021107058
(43)【公開日】2021-07-29
【審査請求日】2022-06-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000001085
【氏名又は名称】株式会社クラレ
(74)【代理人】
【識別番号】100115381
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 昌崇
(74)【代理人】
【識別番号】100137143
【弁理士】
【氏名又は名称】玉串 幸久
(72)【発明者】
【氏名】中島 拓人
(72)【発明者】
【氏名】小林 牧治
【審査官】壷内 信吾
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－０４９０１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－３０２２１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－０７７６１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１６７２０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２４０７２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２７０９５３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｄ ５３／０２－５３／１２
Ｃ０１Ｂ １５／００－２３／００
Ｂ０１Ｊ ２０／００－２０／２８，２０／３０－２０／３４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む所定流量の原料ガスを所定圧力の加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、前記原料ガスよりも高濃度の窒素ガスが含まれる製品ガスを得る窒素ガス分離方法であって、第１流量よりも大きな流量である第２流量で製品ガスを製品槽から取り出す際に、前記吸着工程は、特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間行う、窒素ガス分離方法。
【請求項2】
吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む所定流量の原料ガスを所定圧力の加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、前記原料ガスよりも高濃度の窒素ガスが含まれる製品ガスを得る窒素ガス分離方法であって、第１流量よりも大きな流量である第２流量で製品ガスを製品槽から取り出す際に、前記吸着工程は、特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間行い、
前記吸着工程において、前記吸着工程に付されている吸着塔から前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記製品ガスの一部を洗浄ガスとして送り、
前記脱着工程に付されている吸着塔へ送られる前記洗浄ガスの流量は、前記第１時間に対する前記第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量とされる、窒素ガス分離方法。
【請求項3】
吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む所定流量の原料ガスを所定圧力の加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、前記原料ガスよりも高濃度の窒素ガスが含まれる製品ガスを得る窒素ガス分離方法であって、第１流量よりも大きな流量である第２流量で製品ガスを製品槽から取り出す際に、前記吸着工程は、特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間行い、
前記吸着工程において、前記吸着工程に付されている吸着塔から前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記製品ガスの一部を洗浄ガスとして送る一方で、前記洗浄ガスを前記脱着工程に付されている吸着塔へ送ることを一時的に停止し、
前記停止する時間は、前記第１時間に対する前記第２時間の長さの差または比に応じて大きくなる時間とされる、窒素ガス分離方法。
【請求項4】
吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む所定流量の原料ガスを所定圧力の加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、前記原料ガスよりも高濃度の窒素ガスが含まれる製品ガスを得る窒素ガス分離方法であって、前記製品ガスの流量を流量計により計測し、
前記製品ガスの圧力を圧力計により検出し、
前記流量計により計測された流量が前記吸着工程において特定の濃度の製品ガスを製品槽から第１時間取り出すときの第１流量よりも大きく、かつ、前記圧力計により検出された圧力が前記第１時間の吸着工程を行ったときに製品槽から取り出される製品ガスの圧力である第１圧力よりも低い場合に、前記吸着工程の長さが前記第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第１流量よりも大きな流量である第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間になるように吸着工程の時間を延長する、窒素ガス分離方法。
【請求項5】
吸着剤が充填され、少なくとも窒素ガスと酸素ガスを含む所定流量の原料ガスが所定圧力の加圧下で導入される第１吸着塔と、吸着剤が充填され、少なくとも窒素ガスと酸素ガスを含む所定流量の原料ガスが所定圧力の加圧下で導入される第２吸着塔と、
前記第１吸着塔及び第２吸着塔において吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し行うための制御を行う制御部と、
前記第１吸着塔及び第２吸着塔において原料ガスから得られた窒素ガスを含む製品ガスが導入される製品槽と、
前記製品ガスの流量を計測する流量計と、
前記製品ガスの圧力を検出する圧力計と、を備え、
前記制御部は、
前記流量計により計測された流量が前記吸着工程において特定の濃度の製品ガスを製品槽から第１時間取り出すときの第１流量よりも大きく、かつ、前記圧力計により検出された圧力が前記第１時間の吸着工程を行ったときに製品槽から取り出される製品ガスの圧力である第１圧力よりも低い場合に、前記吸着工程の長さが前記第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第１流量よりも大きな流量である第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間になるように吸着工程の時間を延長する
、窒素ガス分離装置。
【請求項6】
前記制御部は、前記吸着工程において、前記吸着工程に付されている吸着塔から前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るための制御を行い、前記脱着工程に付されている吸着塔へ送られる前記洗浄ガスの流量は、前記第１時間に対する前記第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量とされる、請求項５に記載の窒素ガス分離装置。
【請求項7】
前記制御部は、前記吸着工程において、前記吸着工程に付されている吸着塔から前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るための制御を行う一方で、前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記洗浄ガスを送ることを一時的に停止するための制御を行い、前記停止する時間は、前記第１時間に対する前記第２時間の長さの差または比に応じて大きくなる時間とされる、請求項５に記載の窒素ガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒素ガス分離方法および窒素ガス分離装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、窒素ガスは金属の熱処理、半導体の製造、化学プラントの防爆シール等に用いる工業用ガスから食品保存用の充填ガスに至るまで多岐にわたる分野で使用されており、その使用量も年々増大している。この窒素ガスの製造方法として、速度分離型の吸着剤である分子ふるい炭素を充填した吸着槽に原料ガスである高圧の空気を送入し、前記吸着剤に酸素ガスを吸着させて窒素ガスを分離するいわゆる圧力変動吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＰＳＡ）式製造方法が用いられている。このようなＰＳＡ方式による窒素ガス分離方法としては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。
【0003】
特許文献１の窒素ガス分離方法は、常に安定して高純度の窒素ガス（例えば、９９．９９％）を供給することを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００５－２７０９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一方、窒素ガスの純度は高純度でなくても多量の窒素ガスを取り出したいというユーザの要望がある。このようなユーザの要望に応えるため、製品ガスとして取り出す窒素ガスの流量を増加させることにより、低純度の窒素ガスを多量に得る方法が考えられる。
【0006】
しかしながら、この場合、窒素ガスの取り出し量が増加するため、製品ガスとして取り出す窒素ガスの圧力が低下してしまい、ユーザが望む製品ガスの圧力が得られないという問題がある。
【0007】
そこで、本発明は、上記の課題に基づいてなされたものであり、その目的は、取り出す製品ガスの圧力が低下することを抑制しつつ、より多くの製品ガスを得ることができる窒素ガス分離方法および窒素ガス分離装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る窒素ガス分離方法は、吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む所定流量の原料ガスを所定圧力の加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、前記原料ガスよりも高濃度の窒素ガスが含まれる製品ガスを得る窒素ガス分離方法である。第１流量よりも大きな流量である第２流量で製品ガスを製品槽から取り出す際に、前記吸着工程は、特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間行う。
【0009】
本発明によれば、第１流量よりも大きな流量である第２流量で製品ガスを製品槽から取り出すので、特定の濃度の製品ガスを取り出す場合に比べて低い濃度の製品ガスであっても多量の製品ガスを取り出したい、というユーザの要望に応えることができる。しかも、吸着工程は、特定の濃度の製品ガスを第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間行うので、特定の濃度の製品ガスを取り出す場合に比べて、製品ガスの圧力が低下することを抑制することができる。
【0010】
本発明に係る窒素ガス分離方法は、吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む所定流量の原料ガスを所定圧力の加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、前記原料ガスよりも高濃度の窒素ガスが含まれる製品ガスを得る窒素ガス分離方法であって、第１流量よりも大きな流量である第２流量で製品ガスを製品槽から取り出す際に、前記吸着工程は、特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間行う。さらに、前記吸着工程において、前記吸着工程に付されている吸着塔から前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記製品ガスの一部を洗浄ガスとして送り、前記脱着工程に付されている吸着塔へ送られる前記洗浄ガスの流量は、前記第１時間に対する前記第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量とされる。
【0011】
この構成によれば、吸着工程において、特定の濃度の製品ガスを第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間製品ガスを製品槽から取り出すが、洗浄ガスの流量を小さくするため、脱着工程に付されている吸着塔へ送られる洗浄ガスの量は多くならない。しかも、洗浄ガスの流量は、第１時間に対する第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量とされるので、特定の濃度の製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るときの洗浄ガスの量と同等の量で済ますことができる。このため、吸着工程において、製品ガスの一部が洗浄ガスとして必要以上に排出されてしまうことを抑制することができる。
【0012】
本発明に係る窒素ガス分離方法は、吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む所定流量の原料ガスを所定圧力の加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、前記原料ガスよりも高濃度の窒素ガスが含まれる製品ガスを得る窒素ガス分離方法であって、第１流量よりも大きな流量である第２流量で製品ガスを製品槽から取り出す際に、前記吸着工程は、特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間行う。さらに、前記吸着工程において、前記吸着工程に付されている吸着塔から前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記製品ガスの一部を洗浄ガスとして送る一方で、前記洗浄ガスを前記脱着工程に付されている吸着塔へ送ることを一時的に停止し、前記停止する時間は、前記第１時間に対する前記第２時間の長さの差または比に応じて大きくなる時間とされる。
【0013】
この構成によれば、吸着工程において、特定の濃度の製品ガスを第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間製品ガスを製品槽から取り出すが、脱着工程に付されている吸着塔へ洗浄ガスを送ることを一時的に停止するため、脱着工程に付されている吸着塔へ送られる洗浄ガスの量は多くならない。しかも、停止する時間は、第１時間に対する第２時間の長さの差または比に応じて大きくなる時間とされるので、洗浄ガスの量は、特定の濃度の製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るときの洗浄ガスの量と同等の量で済ますことができる。このため、吸着工程において、製品ガスの一部が洗浄ガスとして必要以上に排出されてしまうことを抑制することができる。
【0014】
本発明に係る窒素ガス分離方法は、吸着剤が充填された２基以上の吸着塔に窒素ガスと酸素ガスとを含む所定流量の原料ガスを所定圧力の加圧下で供給し、各吸着塔が吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し、前記原料ガスよりも高濃度の窒素ガスが含まれる製品ガスを得る窒素ガス分離方法である。前記窒素ガス分離方法では、前記製品ガスの流量を流量計により計測し、前記製品ガスの圧力を圧力計により検出し、前記流量計により計測された流量が前記吸着工程において特定の濃度の製品ガスを製品槽から第１時間取り出すときの第１流量よりも大きく、かつ、前記圧力計により検出された圧力が前記第１時間の吸着工程を行ったときに製品槽から取り出される製品ガスの圧力である第１圧力よりも低い場合に、前記吸着工程の長さが前記第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第１流量よりも大きな流量である第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間になるように吸着工程の時間を延長する。
【0015】
本発明によれば、特定の濃度の製品ガスを製品槽から取り出すときの製品ガスの第１流量よりも大きい流量で製品ガスを製品槽から取り出すので、取り出される製品ガス中の窒素ガス濃度が特定の濃度よりも下がる。この製品ガスの取り出しに際し、流量計により計測された流量が吸着工程において特定の濃度の製品ガスを製品槽から第１時間取り出すときの第１流量よりも大きく、かつ、圧力計により検出された圧力が第１時間の吸着工程を行ったときに製品槽から取り出される製品ガスの圧力である第１圧力よりも低い場合に、吸着工程の長さが第１時間よりも長い第２時間になるように吸着工程の時間を延長する。このため、第１圧力で特定の濃度の製品ガスを取り出す場合に比べて、製品ガスの圧力が低下することを抑制しつつ、より多くの製品ガスを得ることができる。
【0016】
本発明に係る窒素ガス分離装置は、吸着剤が充填され、少なくとも窒素ガスと酸素ガスを含む所定流量の原料ガスが所定圧力の加圧下で導入される第１吸着塔と、吸着剤が充填され、少なくとも窒素ガスと酸素ガスを含む所定流量の原料ガスが所定圧力の加圧下で導入される第２吸着塔と、前記第１吸着塔及び第２吸着塔において吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程を繰り返し行うための制御を行う制御部と、前記第１吸着塔及び第２吸着塔において原料ガスから得られた窒素ガスを含む製品ガスが導入される製品槽と、前記製品ガスの流量を計測する流量計と、前記製品ガスの圧力を検出する圧力計と、を備える。前記制御部は、前記流量計により計測された流量が前記吸着工程において特定の濃度の製品ガスを製品槽から第１時間取り出すときの第１流量よりも大きく、かつ、前記圧力計により検出された圧力が前記第１時間の吸着工程を行ったときに製品槽から取り出される製品ガスの圧力である第１圧力よりも低い場合に、前記吸着工程の長さが前記第１時間よりも長い第２時間であって、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記特定の濃度の製品ガスを前記第１流量で取り出したときの圧力に対する、前記吸着工程の実施時間を前記第１時間として前記製品ガスを前記第１流量よりも大きな流量である第２流量で取り出したきの圧力の低下量に比べ、圧力低下量が抑制される時間として設定される前記第２時間になるように吸着工程の時間を延長する。
【0017】
本発明によれば、特定の濃度の製品ガスを製品槽から取り出すときの製品ガスの第１流量よりも大きい流量で製品ガスを製品槽から取り出すので、取り出される製品ガス中の窒素ガス濃度が特定の濃度よりも下がる。この製品ガスの取り出しに際し、流量計により計測された流量が吸着工程において特定の濃度の製品ガスを製品槽から第１時間取り出すときの第１流量よりも大きく、かつ、圧力計により検出された圧力が第１時間の吸着工程を行ったときに製品槽から取り出される製品ガスの圧力である第１圧力よりも低い場合、前記吸着工程の長さが前記第１時間よりも長い第２時間になるように吸着工程の時間が延長される。このため、第１圧力で特定の濃度の製品ガスを取り出す場合に比べて、製品ガスの圧力が低下することを抑制しつつ、より多くの製品ガスを得ることができる。
【0018】
上記構成において、前記制御部は、前記吸着工程において、前記吸着工程に付されている吸着塔から前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るための制御を行ってもよい。前記脱着工程に付されている吸着塔へ送られる前記洗浄ガスの流量は、前記第１時間に対する前記第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量とされてもよい。
【0019】
この構成によれば、吸着工程において、第１濃度の製品ガスを第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間製品ガスを製品槽から取り出すが、洗浄ガスの流量を小さくするため、脱着工程に付されている吸着塔へ送られる洗浄ガスの量は多くならない。しかも、洗浄ガスの流量は、第１時間に対する第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量とされるので、第１濃度の製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るときの洗浄ガスの量と同等の量で済ますことができる。このため、吸着工程において、製品ガスの一部が洗浄ガスとして必要以上に排出されてしまうことを抑制することができる。
【0020】
上記構成において、前記制御部は、前記吸着工程において、前記吸着工程に付されている吸着塔から前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るための制御を行う一方で、前記脱着工程に付されている吸着塔へ前記洗浄ガスを送ることを一時的に停止するための制御を行ってもよい。前記停止する時間は、前記第１時間に対する前記第２時間の長さの差または比に応じて大きくなる時間とされてもよい。
【0021】
この構成によれば、吸着工程において、第１濃度の製品ガスを第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間製品ガスを製品槽から取り出すが、脱着工程に付されている吸着塔へ洗浄ガスを送ることを一時的に停止するため、脱着工程に付されている吸着塔へ送られる洗浄ガスの量は多くならない。しかも、停止する時間は、第１時間に対する第２時間の長さの差または比に応じて大きくなる時間とされるので、洗浄ガスの量は、第１濃度の製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るときの洗浄ガスの量と同等の量で済ますことができる。このため、吸着工程において、製品ガスの一部が洗浄ガスとして必要以上に排出されてしまうことを抑制することができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、取り出す製品ガスの圧力が低下することを抑制しつつ、より多くの製品ガスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態に係る窒素ガス分離装置を説明するために必要となる主要な構成要素を簡略化して示したものである。したがって、本発明の各実施形態に係る窒素ガス分離装置は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成要素を備え得る。以下、図１を参照しながら、第１実施形態の窒素ガス分離装置について説明する。
【0025】
（第１実施形態）
窒素ガス分離装置１０は、窒素ガスと酸素ガスとを含む原料ガスから窒素ガスを分離して、窒素ガスを含む製品ガスを得るものである。原料ガスとしては、例えば、空気を使用することができるが、これに限定されるものではなく、少なくとも窒素ガスと酸素ガスを含むガスであればよい。
窒素ガス分離装置１０は、窒素ガスと酸素ガスとを含む原料ガスから窒素ガスを分離して、窒素ガスを含む製品ガスを得るものである。原料ガスとしては、例えば、空気を使用することができるが、これに限定されるものではなく、少なくとも窒素ガスと酸素ガスを含むガスであればよい。
【0026】
窒素ガス分離装置１０は、図１に示すように、原料ガス供給部２と、第１吸着塔３Ａと、第２吸着塔３Ｂと、製品ガス取り出しラインＬ３と、製品槽４と、制御部２０と、を備える。尚、第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂは、合計３基以上設けられてもよい。
【0027】
原料ガス供給部２は、ガス供給機１と、ガス供給機１の吐出口に接続された原料ガス供給ラインＬ１と、原料ガス供給ラインＬ１と第１吸着塔３Ａの入口とを接続する第１吸着塔入口ラインＬ１Ａと、原料ガス供給ラインＬ１と第２吸着塔３Ｂの入口とを接続する第２吸着塔入口ラインＬ１Ｂと、を有する。
【0028】
ガス供給機１は、原料ガスを吸入口から吸い込み、吸い込んだ原料ガスを加圧して吐出口から吐出し、原料ガス供給ラインＬ１および第１及び第２吸着塔入口ラインＬ１Ａ、Ｌ１Ｂを介して第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂに所定圧力の原料ガスを供給する。尚、原料ガスとして空気が使用される場合は、ガス供給機１は、大気から空気を吸い込む。空気以外のガスを原料ガスとする場合は、例えば、ガス供給機１は、原料ガスを容器に入れた原料ガス源７に接続される（図１参照）。尚、ガス供給機１は、圧縮機、昇圧機またはブロワによって構成されてもよい。
【0029】
第１吸着塔入口ラインＬ１Ａ上には、第１吸気バルブＣＶ１が設けられている。第２吸着塔入口ラインＬ１Ｂには、第２吸気バルブＣＶ３が設けられている。さらに、第１吸着塔入口ラインＬ１Ａと第２吸着塔入口ラインＬ１Ｂとを接続する第１均圧ラインＬ７が設けられている。第１均圧ラインＬ７上には、第１均圧バルブＣＶ７が設けられている。第１及び第２吸着塔入口ラインＬ１Ａ、Ｌ１Ｂには、原料ガス排出ラインＬ２が接続されている。
【0030】
原料ガス排出ラインＬ２は、第１吸着塔入口ラインＬ１Ａ上における第１吸気バルブＣＶ１の下流側に接続された第１排出ラインＬ２Ａと、第２吸着塔入口ラインＬ１Ｂ上における第２吸気バルブＣＶ３の下流側に接続された第２排出ラインＬ２Ｂと、第１排出ラインＬ２Ａと第２排出ラインＬ２Ｂとの合流点に接続された排出合流ラインＬ２Ｃと、を有する。
【0031】
第１吸着塔３Ａ及び第２吸着塔３Ｂは、酸素ガスを吸着する吸着剤が充填されている。第１吸着塔３Ａ及び第２吸着塔３Ｂは、原料ガスが供給されると、原料ガス中の酸素ガスが吸着剤に吸着して、窒素ガスを高純度に含む製品ガスを生成する。第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂ内に充填される吸着剤としては、酸素ガスを吸着できるものであればいずれのものでもよく、例えば、分子篩炭素を使用することができる。
【0032】
分子篩炭素とは、多数の細孔を備える木炭、石炭、コークス、やし殻、樹脂、ピッチなどの原料を高温で炭化し、細孔径を約３～５オングストロームに調整した木質系、石炭系、樹脂系、ピッチ系などの吸着剤である。このような分子篩炭素は、窒素ガスよりも酸素ガスを吸着しやすい性質を有しており、空気等の窒素ガスと酸素ガスとを含む混合気体から、酸素ガスを選択的に吸着する性質を有する。また、分子篩炭素は、高圧条件下において酸素ガスの吸着能が増大する。そのため、分子篩炭素は、第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂ内を加圧することにより酸素ガスを多く吸着することができ、その後、第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂ内を減圧することにより酸素ガスを脱着させることができる。
【0033】
第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂにおいて生成された製品ガスは、製品ガス取り出しラインＬ３を通してユーザに供給される。製品ガス取り出しラインＬ３は、第１吸着塔３Ａの出口に接続された第１吸着塔出口ラインＬ３Ａと、第２吸着塔３Ｂの出口に接続された第２吸着塔出口ラインＬ３Ｂと、第１吸着塔出口ラインＬ３Ａと第２吸着塔出口ラインＬ３Ｂとが合流する製品ガス合流ラインＬ３Ｃと、を有する。
【0034】
第１吸着塔出口ラインＬ３Ａには、第１取出バルブＣＶ５が設けられている。第２吸着塔出口ラインＬ３Ｂには、第２取出バルブＣＶ６が設けられている。さらに、第１吸着塔出口ラインＬ３Ａにおける第１取出バルブＣＶ５の上流側と、第２吸着塔出口ラインＬ３Ｂにおける第２取出バルブＣＶ６の上流側と、を接続する第２均圧ラインＬ８が設けられている。第２均圧ラインＬ８には、第２均圧バルブＣＶ８が設けられている。これらのバルブＣＶ１～ＣＶ８は、開閉切り換え可能な弁によって構成されている。
【0035】
第２均圧ラインＬ８には、第２均圧ラインＬ８における第２均圧バルブＣＶ８を迂回するように洗浄ガス流量調節ラインＬ５が接続されている。洗浄ガス流量調節ラインＬ５は、第２均圧ラインＬ８よりも管径が小さくなるように構成されている。すなわち、洗浄ガス流量調節ラインＬ５は洗浄ガス用のラインなので、製品ガスの一部として流す洗浄ガスの流量は、第２均圧ラインＬ８を流れる製品ガスの流量よりも小さくなるようにしている。
【0036】
洗浄ガス流量調節ラインＬ５には、洗浄ガス流量調節バルブ５が設けられている。洗浄ガス流量調節バルブ５は、吸着工程に付されている吸着塔から脱着工程に付されている吸着塔へ製品ガスの一部を洗浄ガスとして送り、脱着工程に付されている吸着塔内に残存する原料ガスの排出を促進するために設けられている。洗浄ガス流量調節バルブ５は、後述の制御部２０の制御により洗浄ガス流量調節ラインＬ５の開度を調節可能に構成されている。尚、洗浄ガス流量調節バルブ５及び洗浄ガス流量調節ラインＬ５は省略されてもよい。すなわち、洗浄ガスを流さない構成にしてもよい。
【0037】
製品ガス合流ラインＬ３Ｃには、製品槽４が配置されている。製品槽４は、供給された製品ガスを適宜貯留する一次貯留空間を有する容器によって構成されており、製品槽４内に貯留された製品ガス中の窒素ガス濃度を平準化するものである。
【0038】
製品ガス合流ラインＬ３Ｃにおける製品槽４の下流側には、酸素濃度計２１、流量計２２および製品ガス流量調節バルブＣＶ９が設けられている。製品ガス流量調節バルブＣＶ９は、開度を調節可能に構成されている。製品ガス流量調節バルブＣＶ９の開度を調節することにより、製品槽４から取り出される製品ガスの流量を調節することができる。製品槽４から取り出される製品ガスの流量は、ユーザのニーズに応じて適宜設定することができる。
【0039】
酸素濃度計２１は、製品槽４から取り出される製品ガスに含まれる酸素ガス濃度を計測して製品ガス中の窒素ガス濃度を算出するためのものである。酸素濃度計２１は、製品ガス合流ラインＬ３Ｃ上における製品槽４の下流側に配置されている。
【0040】
流量計２２は、製品槽４から取り出される製品ガスの流量を計測する。流量計２２は、製品ガス合流ラインＬ３Ｃ上における酸素濃度計２１と製品ガス流量調節バルブＣＶ９との間に配置されている。流量計２２は、製品槽４から取り出される製品ガスの流量を把握するためのものであり、製品槽４から取り出される製品ガス中の流量を計測する。尚、流量計２２は、製品ガス合流ラインＬ３Ｃ上における製品槽４と酸素濃度計２１との間に配置されてもよい。
【0041】
制御部２０は、バルブＣＶ１～ＣＶ８及び洗浄ガス流量調節バルブ５に電気的に接続されており、第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂにおいて吸着工程、均圧工程、脱着工程および均圧工程を繰り返し行うことができるようにバルブＣＶ１～ＣＶ８の開閉及び洗浄ガス流量調節バルブ５の開度を制御する。
【0042】
具体的に、制御部２０は、第１吸着塔３Ａを吸着工程に、第２吸着塔３Ｂを脱着工程に付すときには、第１吸気バルブＣＶ１と第１取出バルブＣＶ５と第２排出バルブＣＶ４とを開くとともに、第２吸気バルブＣＶ３と第１取出バルブＣＶ６と第１排出バルブＣＶ２とを閉じる。
【0043】
制御部２０は、第１吸着塔３Ａを脱着工程に、第２吸着塔３Ｂを吸着工程に付すときには、第１吸気バルブＣＶ１と第１取出バルブＣＶ５と第２排出バルブＣＶ４を閉じるとともに、第２吸気バルブＣＶ３と第２取出バルブＣＶ６と第１排出バルブＣＶ２とを開く。
【0044】
制御部２０は、第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂを均圧工程に付すときには、第１吸気バルブＣＶ１と第２吸気バルブＣＶ３と第１取出バルブＣＶ５と第２取出バルブＣＶ６とを閉じるとともに、第１均圧バルブＣＶ７と第２均圧バルブＣＶ８とを開く。
【0045】
制御部２０は、窒素ガス分離装置１０が始動されると、予め設定された時間だけ、各工程が行われるようにバルブＣＶ１～ＣＶ８の開閉状態を維持する制御を行う。また、制御部２０は、窒素ガス分離装置１０が始動されると、予め設定された開度に洗浄ガス流量調節バルブ５を調節する制御を行う。
【0046】
次に、上記のように構成された窒素ガス分離装置１０を使用した窒素ガス分離方法について説明する。
【0047】
まず、窒素ガス分離装置１０が始動されると、予め設定された時間だけ吸着工程、均圧工程、脱着工程、均圧工程が繰り返し行われる。このとき、吸着工程において洗浄ガス流量調節バルブ５の開度も予め設定された開度に調節される。
【0048】
例えば、第１吸着塔３Ａにおいて吸着工程を行うときには、第２吸着塔３Ｂにおいて脱着工程が行われる。吸着工程は、原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを含む製品ガスを生成する工程である。脱着工程は、吸着剤に吸着している酸素ガスを吸着剤から脱着することによって吸着剤を再生する工程である。
【0049】
第１吸着塔３Ａの吸着工程と第２吸着塔３Ｂの脱着工程は、第１吸気バルブＣＶ１と第１取出バルブＣＶ５と第２排出バルブＣＶ４と洗浄ガス流量調節バルブ５とを開き、第１排出バルブＣＶ２と第２吸気バルブＣＶ３と第１取出バルブＣＶ６と第１及び第２均圧バルブＣＶ７、ＣＶ８とを閉じることによって開始される。
【0050】
第１吸着塔３Ａの吸着工程では、まず、原料ガス源７から原料ガス供給ラインＬ１および第１吸着塔入口ラインＬ１Ａを通して第１吸着塔３Ａに原料ガスが供給される。第１吸着塔３Ａに供給された原料ガスは、原料ガス中の酸素ガスが吸着剤に吸着されることにより、原料ガスから窒素ガスが分離して窒素ガスを含む製品ガスが生成される。第１吸着塔３Ａにおいて生成した製品ガスは、第１吸着塔出口ラインＬ３Ａおよび製品ガス合流ラインＬ３Ｃを通して製品槽４に供給されて平準化され、製品槽４から製品ガス合流ラインＬ３Ｃを通して流出される。第１吸着塔３Ａにおいて生成した製品ガスの一部は、洗浄ガスとして洗浄ガス流量調節ラインＬ５を介して第２吸着塔３Ｂへ送られる。
【0051】
一方、第２吸着塔３Ｂの脱着工程では、第２吸着塔入口ラインＬ１Ｂ、第２排出ラインＬ２Ｂ、排出合流ラインＬ２Ｃを介して第２吸着塔３Ｂ内の原料ガスが洗浄ガスとともに第２吸着塔３Ｂ内の圧力よりも低い外部へ圧力差によって排出される。これにより、第２吸着塔３Ｂ内の圧力が減圧され、吸着剤に吸着していた酸素ガスが吸着剤から脱着する。脱着した酸素ガスは、原料ガスと洗浄ガスとともに第１吸着塔３Ｂから排出される。これにより、第１吸着塔３Ｂ内の吸着剤が再生される。
【0052】
吸着工程および脱着工程が終了すると、第１吸着塔３Ａ内のガスを第２吸着塔３Ｂへ移動させる均圧工程が開始される。均圧工程は、第１吸気バルブＣＶ１と第１取出バルブＣＶ５と第２排出バルブＣＶ４と洗浄ガス流量調節バルブ５とを閉じ、第１及び第２均圧バルブＣＶ７、ＣＶ８を開くことによって開始される。
【0053】
均圧工程では、第１吸着塔３Ａ内に充満していたガスが第１均圧ラインＬ７および第２均圧ラインＬ８を通じて第２吸着塔３Ｂに移動する。
【0054】
均圧工程が終了すると、第１吸着塔３Ａの脱着工程と第２吸着塔３Ｂの吸着工程が行われる。第１吸着塔３Ａの脱着工程と第２吸着塔３Ｂの吸着工程は、第１排出バルブＣＶ２と第２吸気バルブＣＶ３と第２取出バルブＣＶ６と洗浄ガス流量調節バルブ５とを開き、第１及び第２均圧バルブＣＶ７、ＣＶ８を閉じることによって開始される。
【0055】
第２吸着塔３Ｂの吸着工程では、原料ガス源７から原料ガス供給ラインＬ１および第２吸着塔入口ラインＬ１Ｂを通して原料ガスが第２吸着塔３Ｂに供給される。このとき、原料ガス中の酸素ガスが吸着剤に吸着し、原料ガスから窒素ガスが分離して窒素ガスを含む製品ガスが生成される。第２吸着塔３Ｂにおいて生成した製品ガスは、第２吸着塔出口ラインＬ３Ｂと製品ガス合流ラインＬ３Ｃとを通して製品槽４に供給されて平準化され、製品槽４から製品ガス合流ラインＬ３Ｃを通して流出される。第２吸着塔３Ｂにおいて生成した第２濃度の製品ガスの一部は、洗浄ガス流量調節ラインＬ５を介して第１吸着塔３Ａへ送られる。
【0056】
一方、第１吸着塔３Ａの脱着工程では、第１吸着塔入口ラインＬ１Ａ、第１排出ラインＬ２Ａ、および、排出合流ラインＬ２Ｃを通して第１吸着塔３Ａ内の原料ガスが洗浄ガスとともに第１吸着塔３Ａ内の圧力よりも低い外部へ圧力差によって排出される。これにより、第１吸着塔３Ａ内の圧力が減圧され、吸着剤に吸着していた酸素ガスが吸着剤から脱着する。脱着した酸素ガスは、原料ガスと洗浄ガスとともに第１吸着塔３Ａから排出される。これにより、第１吸着塔３Ａ内の吸着剤が再生される。
【0057】
第１吸着塔３Ａの脱着工程および第２吸着塔３Ｂの吸着工程が終了すると、第２吸着塔３Ｂ内のガスを第１吸着塔３Ａに移動させる均圧工程が行われる。
【0058】
均圧工程が終了すると、第１吸着塔３Ａの吸着工程と第２吸着塔３Ｂの脱着工程が行われる。以後、第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂにおいて上記のサイクルが繰り返される。
【0059】
窒素ガス分離装置１０では、第１濃度の製品ガスを第１流量で製品槽４から取り出すことも、第１濃度よりも低い第２濃度の製品ガスを第１流量よりも大きい第２流量で製品槽４から取り出すこともできる。第１濃度は、例えば、９９％以上９９．９９９％以下の範囲の製品ガス中の窒素ガス濃度である。第１濃度は、例えば、９９％よりも高く９９．９９９％以下であってもよい。第２濃度は、第１濃度よりも低い濃度であり、例えば、９０％以上９９％以下の範囲の濃度である。第１流量および第２流量は、それぞれ窒素ガス分離装置１０のサイズや性能等に応じて適宜設定すればよいが、第２流量は第１流量よりも大きい流量であり、例えば、第１流量の１．２倍～１０．０倍程度であってもよい。
【0060】
第１濃度の製品ガスを第１流量で製品槽４から取り出す場合には、制御部２０は、窒素ガス分離装置１０を第１濃度の製品ガスを第１流量で取り出すモードで始動するとともに、製品槽４から取り出される製品ガスの流量が第１流量となるように製品ガス流量調節バルブＣＶ９の開度を第１開度に調節する。このとき、制御部２０は、予め設定された時間である第１時間の吸着工程を行うとともに、予め設定された開度に洗浄ガス流量調節バルブ５を調節する。
【0061】
一方、第２濃度の製品ガスを第２流量で製品槽４から取り出す場合には、制御部２０は、窒素ガス分離装置１０を第２濃度の製品ガスを第２流量で取り出すモードで始動するとともに、製品槽４から取り出される製品ガスの流量が第１流量よりも大きい第２流量となるように製品ガス流量調節バルブＣＶ９の開度を第２開度に調節する。このとき、制御部２０は、予め設定された時間である第２時間の吸着工程を行う。第２時間は、第１時間よりも長い時間である。同時に、制御部２０は、予め設定された開度に洗浄ガス流量調節バルブ５を調節する。このとき、洗浄ガス流量調節バルブ５の開度は、第１時間の吸着工程を行うときの洗浄ガスの量と同程度の洗浄ガスの量となるように、第１時間の吸着工程を行う場合に比べて小さくなるように調節される。
【0062】
上記第１吸着塔３Ａの吸着工程の初期の段階では、吸着剤に酸素ガスが十分に吸着されるため、高純度の窒素ガスを含む製品ガスが第１吸着塔３Ａから製品槽４に供給される。
【0063】
吸着工程においては、吸着剤に酸素ガスが吸着されていくことによって吸着剤の吸着能力が低下していくため、第１吸着塔３Ａから製品槽４に供給される製品ガス中の窒素ガス濃度は徐々に低下していく。吸着工程において、窒素ガス濃度が許容できる濃度を下回らないところで吸着工程を終了するように設定された時間が第１時間である。第１流量で製品ガスを製品槽４から取り出す際に、吸着工程の時間を第１時間としたサイクルで窒素ガス分離装置１０を運転した際に製品槽４から取り出される製品ガス中の窒素ガス濃度の平均濃度が第１濃度である。第１流量で製品ガスを製品槽４から取り出す際に、吸着工程の時間を第１時間としたサイクルで窒素ガス分離装置１０を運転した際に製品槽４から取り出される製品ガスの平均圧力が第１圧力である。第１流量、第１時間および第１濃度は、ユーザの要望に応じて適宜設定することができる。
【0064】
第１流量よりも大きな第２流量で製品ガスを製品槽４から取り出す場合、製品ガス中の窒素ガス濃度が低下するとともに、製品槽４内の製品ガスの圧力が低下しやすくなる。このため、第１時間よりも長い第２時間の吸着工程を行うことにより、製品槽４内の製品ガスの圧力は、第１圧力とほぼ同程度の圧力まで上昇させることが可能になる。したがって、第２流量で製品ガスを製品槽４から取り出すときは、第１時間よりも長い第２時間の吸着工程が行われる。これにより、製品槽４から第２流量で取り出される製品ガス中の窒素ガス濃度が第１流量で製品ガスを製品槽４から取り出す場合に比べて低くなるが、製品槽４から第２流量で取り出される製品ガスの圧力は、製品槽４から第１流量で取り出される製品ガスの第１圧力に比べて低下することを抑制することができる。
【0065】
第２流量で製品槽４から取り出す場合には、洗浄ガス流量調節バルブ５の開度が調節される。このとき、洗浄ガス流量調節バルブ５の開度は、第１流量で製品ガスを製品槽４から取り出す場合に吸着工程の全体で使用する洗浄ガスの量と同程度の洗浄ガスの量となるように、第１時間に対する第２時間の長さの比に応じて洗浄ガスの流量が小さくなるように調節される。
【0066】
例えば、第１時間の吸着工程の長さが４０秒に設定され、第２時間の吸着工程の長さが８０秒に設定された場合には、第２時間の吸着工程の長さは、第１時間の吸着工程の長さの２倍である。このため、第２時間の吸着工程を行うときの洗浄ガス流量調節バルブ５の開度は、第１時間の吸着工程を行うときの洗浄ガス流量調節バルブ５の開度の１／２にされる。尚、第２時間の吸着工程を行うときの洗浄ガス流量調節バルブ５の開度は、第１時間の吸着工程を行うときの洗浄ガス流量調節バルブ５の開度の１／２になるように調節されなくてもよい。
【0067】
また、第１時間の吸着工程の長さが４０秒に設定され、第２時間の吸着工程の長さが１２０秒に設定された場合には、第２時間の吸着工程の長さは、第１時間の吸着工程の長さの３倍である。このため、第２時間の吸着工程を行うときの洗浄ガス流量調節バルブ５の開度は、第１時間の吸着工程を行うときの洗浄ガス流量調節バルブ５の開度の１／３にされる。尚、この場合、第２時間の吸着工程を行うときの洗浄ガス流量調節バルブ５の開度は、第１時間の吸着工程を行うときの洗浄ガス流量調節バルブ５の開度の１／３になるように調節されなくてもよい。例えば、洗浄ガス流量調節バルブ５の開度は、第１時間に対する第２時間の長さの差に応じて洗浄ガスの流量が小さくなるように調節されてもよい。
【0068】
第１実施形態の窒素ガス分離方法では、第１流量よりも大きな流量である第２流量で製品ガスを製品槽４から取り出すことができるので、第１濃度（特定の濃度）の製品ガスを取り出す場合に比べて低い濃度の製品ガスであっても多量の製品ガスを取り出したい、というユーザの要望に応えることができる。しかも、吸着工程は、第１濃度の製品ガスを第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間行うので、第１濃度の製品ガスを取り出す場合に比べて、製品ガスの圧力が低下することを抑制することができる。
【0069】
第１実施形態の窒素ガス分離方法では、吸着工程において、第１濃度の製品ガスを第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間製品ガスを製品槽から取り出すが、洗浄ガスの流量を小さくするため、脱着工程に付されている吸着塔へ送られる洗浄ガスの量は多くならない。しかも、洗浄ガスの流量は、第１時間に対する第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量とされるので、第１濃度の製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るときの洗浄ガスの量と同等の量で済ますことができる。このため、吸着工程において、製品ガスの一部が洗浄ガスとして必要以上に排出されてしまうことを抑制することができる。
【0070】
以上に説明した窒素ガス分離装置１０を使用した窒素ガス分離方法は、本発明の一実施形態であり、その具体的構成については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。以下、第１実施形態の変形例に係る窒素ガス分離装置１０を使用した窒素ガス分離方法について説明する。第１実施形態の変形例において上記第１実施形態と対応する要素は、上記第１実施形態と同様の符号を付して、その説明を省略する。以下、第１実施形態と相違する点について説明する。
【0071】
（第１実施形態の変形例）
上記第１実施形態では、洗浄ガスの流量は、第１時間に対する第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量に制御されたが、洗浄ガスを脱着工程に付されている吸着塔へ送ることを一時的に停止するように制御してもよい。この場合、洗浄ガス流量調節バルブ５は、単なる開閉弁として構成されてもよい。停止する時間は、第１時間に対する第２時間の長さの差に応じて大きくなる時間に制御される。例えば、第１時間が４０秒であり、第２時間が８０秒に設定された場合、第１時間に対する第２時間の長さの差は４０秒である。この場合、停止する時間は、４０秒に設定される。また、第１時間が４０秒であり、第２時間が１２０秒に設定された場合、第１時間に対する第２時間の長さの差は８０秒である。この場合、停止する時間は、８０秒に設定される。尚、洗浄ガスを脱着工程に付されている吸着塔に送ることを停止する時間は、厳密にこれらの時間に調節されなくてもよい。例えば、停止する時間は、第１時間に対する第２時間の長さの比に応じて大きくなるように調節されてもよい。
上記第１実施形態では、洗浄ガスの流量は、第１時間に対する第２時間の長さの比または差に応じて小さくなる流量に制御されたが、洗浄ガスを脱着工程に付されている吸着塔へ送ることを一時的に停止するように制御してもよい。この場合、洗浄ガス流量調節バルブ５は、単なる開閉弁として構成されてもよい。停止する時間は、第１時間に対する第２時間の長さの差に応じて大きくなる時間に制御される。例えば、第１時間が４０秒であり、第２時間が８０秒に設定された場合、第１時間に対する第２時間の長さの差は４０秒である。この場合、停止する時間は、４０秒に設定される。また、第１時間が４０秒であり、第２時間が１２０秒に設定された場合、第１時間に対する第２時間の長さの差は８０秒である。この場合、停止する時間は、８０秒に設定される。尚、洗浄ガスを脱着工程に付されている吸着塔に送ることを停止する時間は、厳密にこれらの時間に調節されなくてもよい。例えば、停止する時間は、第１時間に対する第２時間の長さの比に応じて大きくなるように調節されてもよい。
【0072】
第１実施形態の変形例では、吸着工程において、第１濃度の製品ガスを第１流量で取り出すための吸着工程の実施時間である第１時間よりも長い第２時間製品ガスを製品槽から取り出すが、脱着工程に付されている吸着塔へ洗浄ガスを送ることを一時的に停止するため、脱着工程に付されている吸着塔へ送られる洗浄ガスの量は多くならない。しかも、停止する時間は、第１時間に対する第２時間の長さの差または比に応じて大きくなる時間とされるので、洗浄ガスの量は、第１濃度の製品ガスの一部を洗浄ガスとして送るときの洗浄ガスの量と同等の量で済ますことができる。このため、吸着工程において、製品ガスの一部が洗浄ガスとして必要以上に排出されてしまうことを抑制することができる。
【0073】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態の窒素ガス分離装置２００及び窒素ガス分離装置２００を使用した窒素ガス分離方法について説明する。第２実施形態において上記第１実施形態と対応する要素については、第１実施形態と同様の符号を付して、第１実施形態の説明を援用する。以下、第２実施形態の窒素ガス分離装置２００について第１実施形態と相違する点について説明していく。
次に、第２実施形態の窒素ガス分離装置２００及び窒素ガス分離装置２００を使用した窒素ガス分離方法について説明する。第２実施形態において上記第１実施形態と対応する要素については、第１実施形態と同様の符号を付して、第１実施形態の説明を援用する。以下、第２実施形態の窒素ガス分離装置２００について第１実施形態と相違する点について説明していく。
【0074】
第２実施形態の窒素ガス分離装置２００は、図２に示すように、製品ガスの圧力を検出する圧力計２０１を更に備える点、流量計２２により計測された流量と圧力計２０１により検出された圧力とに基づいて第１時間よりも長い第２時間の吸着工程を行うか否かが判断される点で第１実施形態の窒素ガス分離装置１０と相違している。
【0075】
流量計２２は、制御部２０と接続されており、計測された流量を示す流量情報を制御部２０に送信するように構成されている。
【0076】
圧力計２０１は、製品槽４内の製品ガスの圧力を計測するように製品槽４に設置されている。尚、圧力計２０１は、製品ガス合流ラインＬ３Ｃにおける製品槽４の下流側に設置されてもよい。圧力計２０１は、制御部２０と接続されており、検出された圧力を示す圧力情報を制御部２０に送信するように構成されている。
【0077】
制御部２０は、流量計２２から受信した流量情報が第１流量を示す場合、第１時間の吸着工程を行う制御をする。
【0078】
制御部２０は、流量計２２により計測された流量が第１流量よりも大きく、かつ、圧力計２０１により検出された圧力が第１圧力よりも低い場合に、吸着工程の長さが第２時間の長さになるように吸着工程の時間を延長する制御を行う。具体的には、制御部２０は、第１時間の吸着工程を行うときのバルブＣＶ１～ＣＶ８の開閉状態を吸着工程が第２時間経過するまで維持する制御を行う。尚、洗浄ガス流量調節バルブ５の調節方法は、第１実施形態と同様なので、省略する。
【0079】
第２実施形態の窒素ガス分離装置２００及び窒素ガス分離方法では、第１濃度の製品ガスを製品槽４から取り出すときの製品ガスの第１流量よりも大きい第２流量で製品ガスを製品槽４から取り出すので、取り出される製品ガス中の窒素ガス濃度が第１濃度よりも下がる。この製品ガスの取り出しに際し、流量計２２により計測された流量が第１流量よりも大きく、かつ、圧力計２０１により検出された圧力が第１圧力よりも低い場合、吸着工程の長さが第２時間の長さになるように吸着工程の時間を延長する。このため、第１圧力で第１濃度の製品ガスを製品槽４から取り出す場合に比べて、製品ガスの圧力が低下することを抑制しつつ、より多くの製品ガスを得ることができる。
【0080】
第２実施形態の窒素ガス分離装置２００及び窒素ガス分離方法では、流量計２２により計測された流量が第１流量よりも大きく、かつ、圧力計２０１により検出された圧力が第１圧力よりも低い場合に、吸着工程の長さが第２時間の長さになるように吸着工程の時間を延長したが、圧力計２０１により検出された圧力が第１圧力に達するまで吸着工程を行うように制御されてもよい。
【0081】
このようにすると、第１流量よりも大きい第２流量で製品槽４から取り出される第２濃度の製品ガスの圧力は、第１流量で製品槽４から取り出される製品ガスの圧力と同等の圧力に保持される。このため、取り出す製品ガスの圧力が低下することを抑制しつつ、より多くの製品ガスを得ることが容易になる。
【実施例】
【0082】
吸着工程において製品槽４から取り出される製品ガスの圧力は、ガス供給機１から第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂに供給される原料ガスの流量と圧力が一定であることを前提とした場合、製品槽４から取り出される製品ガスの流量および吸着工程の時間に応じて変化する。以下、図１に示す窒素ガス分離装置１０を用いて具体的に実施した例について説明する。
【0083】
（実施例１）
実施例１では、ガス供給機１から第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂに供給される原料ガスとしての空気の圧力と流量とがそれぞれ０．７２５ＭＰａと５．７５ｍ３／ｍｉｎになるようにガス供給機１を設定した。吸着工程において流量計２２より計測される第２流量が１００Ｎｍ３／ｈになるように製品ガス流量調節バルブＣＶ９を調節した。この流量は、第１流量（６０Ｎｍ３／ｈ）よりも大きい流量である。さらに、吸着工程の時間である第２時間を６０秒に設定した。
実施例１では、ガス供給機１から第１及び第２吸着塔３Ａ、３Ｂに供給される原料ガスとしての空気の圧力と流量とがそれぞれ０．７２５ＭＰａと５．７５ｍ３／ｍｉｎになるようにガス供給機１を設定した。吸着工程において流量計２２より計測される第２流量が１００Ｎｍ３／ｈになるように製品ガス流量調節バルブＣＶ９を調節した。この流量は、第１流量（６０Ｎｍ３／ｈ）よりも大きい流量である。さらに、吸着工程の時間である第２時間を６０秒に設定した。
【0084】
（実施例２）
実施例２は、吸着工程の時間である第２時間が８０秒に設定された点で実施例１と相違している。実施例２の他の条件は、実施例１と同じである。
実施例２は、吸着工程の時間である第２時間が８０秒に設定された点で実施例１と相違している。実施例２の他の条件は、実施例１と同じである。
【0085】
（実施例３）
実施例３は、第２流量が実施例１、２よりも大きな流量（１２５Ｎｍ３／ｈ）に設定されている点、吸着工程の時間である第２時間が実施例１、２よりも長い時間（１８０秒）に設定されている点で実施例１、２と相違している。
実施例３は、第２流量が実施例１、２よりも大きな流量（１２５Ｎｍ３／ｈ）に設定されている点、吸着工程の時間である第２時間が実施例１、２よりも長い時間（１８０秒）に設定されている点で実施例１、２と相違している。
【0086】
（比較例）
比較例では、吸着工程の時間である第２時間が第１時間と同じ長さ（４０秒）に設定されている点で実施例１、２と相違している。比較例の他の条件は、実施例１、２と同じである。
比較例では、吸着工程の時間である第２時間が第１時間と同じ長さ（４０秒）に設定されている点で実施例１、２と相違している。比較例の他の条件は、実施例１、２と同じである。
【0087】
上記実施例１～３および比較例において、それぞれ、酸素ガス濃度計２１により計測された酸素ガス濃度から算出された窒素ガス濃度と製品槽４内の製品ガスの平均圧力を表１に示す。
【0088】
【表1】
【0089】
本試験では、基準として、製品ガスの第１流量を６０Ｎｍ３／ｈ、第１濃度を９９．９９％とし、吸着工程時間である第１時間を４０秒とした。表１に示すように、実施例１では、製品ガスの流量を１００Ｎｍ３／ｈ（第２流量）とし、吸着工程時間を６０秒（第２時間）としたサイクルで窒素ガス分離装置１０を運転した際の製品窒素ガスの平均濃度は、９９％であり、製品ガスの平均圧力は０．５１ＭＰａであった。このことから、実施例１では、製品槽４内における第２濃度の製品ガスの平均圧力は、第１流量（６０Ｎｍ３／ｈ）で第１濃度（９９．９９％）の製品ガスを第１時間（４０秒）の吸着工程時間で取り出した際（基準時）の製品槽４内の平均圧力（０．５５ＭＰａ）とほぼ同程度になることが分かる。
【0090】
実施例２では、製品槽４内の第２濃度の製品ガスの平均圧力は０．６２ＭＰａであり、基準時の製品ガスの平均圧力（０．５５ＭＰａ）とほぼ同程度になることが分かる（表１参照）。
【0091】
上記と同様に、実施例３では、製品槽４内の第２濃度の製品ガスの平均圧力は０．５５ＭＰａであり、基準時の製品槽４内の平均圧力（０．５５ＭＰａ）と同程度になっている（表１参照）。このことから、製品槽４内の第２濃度の製品ガスの平均圧力は、製品槽４から取り出す製品ガスの流量を大きくしても、吸着工程の長さを大きくすることにより、基準時の製品槽４内の平均圧力と同程度の圧力にできることが分かる。
【0092】
比較例では、製品槽４内の第２濃度の製品ガスの平均圧力は、０．３７ＭＰａであり、基準時の製品槽４内の平均圧力（０．５５ＭＰａ）よりも低い圧力になっている（表１参照）。これは、比較例では、第１流量よりも大きな第２流量で製品ガスを製品槽４から取り出すにも関わらず、吸着工程時間が第１時間と同じ長さ（４０秒）に設定されているため、製品槽４内の第２濃度の製品ガスの平均圧力が、基準時の製品槽４内の平均圧力と同程度の圧力まで上昇する前に吸着工程が終了したためであると考えられる。
【0093】
このことから、第１流量よりも大きな第２流量で製品ガスを製品槽４から取り出しても、実施例１～３のように、吸着工程の長さを第１時間よりも大きな第２時間の長さに設定することにより、第１濃度の製品ガスを取り出す場合に比べて、製品ガスの圧力が低下することを抑制することができる。
【符号の説明】
【0094】
３Ａ 第１吸着塔
３Ｂ 第２吸着塔
４ 製品槽
１０ 窒素ガス分離装置
２０ 制御部
２２ 流量計
２０１ 圧力計
３Ｂ 第２吸着塔
４ 製品槽
１０ 窒素ガス分離装置
２０ 制御部
２２ 流量計
２０１ 圧力計
【図1】
【図2】