特開 2024-123964 空気分離装置及び空気分離方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024123964

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】空気分離装置及び空気分離方法

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20240905BHJP

   F25J 3/08 20060101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

F25J3/04 103

F25J3/08

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023031817

(22)【出願日】2023-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100128358

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 良彦

(74)【代理人】

【識別番号】100086210

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 一彦

(72)【発明者】

【氏名】長澤 祐介

(72)【発明者】

【氏名】善方 孝行

【テーマコード（参考）】

4D047

【Ｆターム（参考）】

4D047AA08

4D047AB02

4D047BA03

4D047BA07

4D047BB05

4D047CA04

4D047CA17

4D047DA04

4D047DA05

4D047EA00

(57)【要約】

【課題】空気分離装置の減量運転中に、原料空気温度の上昇に伴って前処理吸着器が過負荷状態となることを予防できる空気分離装置を提供する。
【解決手段】この空気分離装置１は、製品窒素ガス流量検出器２２、前処理吸着器１２へのガス導入経路の温度検出器５１、温度検出器５１で検出した温度から発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算する演算器５２、原料空気圧縮機１１に設けられて製品窒素ガス圧力検出器２０で検出した圧力測定値に基づいて原料空気圧縮機１１の吐出流量を制御するガイドベーン２４、及び、製品窒素ガス流量検出器２２の計測値が演算器５２で演算した最大製品窒素ガス流量よりも大きくなった場合、製品窒素ガス流量制御弁２５に製品窒素ガス流量制御弁２５に製品窒素ガス流量を演算器５２で演算した最大製品窒素ガス流量に調節するよう指示する製品窒素ガス流量指示調節計５３を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮した原料空気中の不純物を除去する前処理吸着器と、前記前処理吸着器で不純物を除去した原料空気を冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器で冷却した原料空気を精留して製品窒素ガスを分離する精留塔と、前記精留塔で分離した製品窒素ガスを前記主熱交換器で原料空気と熱交換させて昇温後に導出する製品窒素ガス導出経路と、を有する空気分離装置において、
前記前処理吸着器へのガス導入経路の温度を検出する温度検出器と、
前記温度検出器で検出した温度から発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算する演算器と、
前記製品窒素ガス導出経路に設けられ、前記製品窒素ガス導出経路における圧力を検出する製品窒素ガス圧力検出器と、
前記製品窒素ガス導出経路に設けられ、製品窒素ガスの流量を検出する製品窒素ガス流量検出器と、
前記製品窒素ガス導出経路に設けられ、前記製品窒素ガス流量検出器で検出された流量に基づいて製品窒素ガスの流量を変更するように制御される製品窒素ガス流量制御弁と、
前記原料空気圧縮機に設けられ、前記製品窒素ガス圧力検出器で検出した圧力測定値に基づいて当該原料空気圧縮機の吐出流量を制御するガイドベーンと、
前記製品窒素ガス流量検出器の計測値が前記演算器で演算した最大製品窒素ガス流量よりも大きくなった場合、前記製品窒素ガス流量制御弁に製品窒素ガス流量を当該演算器で演算した最大製品窒素ガス流量に調節するよう指示する製品窒素ガス流量指示調節計と、を備えることを特徴とする空気分離装置。

【請求項2】

前記製品窒素ガス導出経路における前記製品窒素ガス圧力検出器より後段位置に設けられ、製品窒素ガスを圧縮する製品窒素ガス圧縮機をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。

【請求項3】

前記精留塔は、単精留または複数の単精留であることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。

【請求項4】

前記ガイドベーンは、インバータまたは調節弁であることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。

【請求項5】

前記前処理吸着器から導出されたガスの流量を検出する前処理吸着器流量検出器をさらに備え、
前記ガイドベーンは、前記前処理吸着器流量検出器で検出されたガスの流量に基づいて前記原料空気圧縮機の吐出流量を制御することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の空気分離装置。

【請求項6】

原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮した原料空気中の不純物を除去する前処理吸着器と、前記前処理吸着器で不純物を除去した原料空気を冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器で冷却した原料空気を精留して製品窒素ガスを分離する精留塔と、前記精留塔で分離した製品窒素ガスを前記主熱交換器で原料空気と熱交換させて昇温後に導出する製品窒素ガス導出経路と、前記製品窒素ガス導出経路に設けられて製品窒素ガスの流量を変更するように制御される製品窒素ガス流量制御弁と、を備えた空気分離装置を用いて、原料空気から製品窒素ガスを分離させる空気分離方法であって、
前記製品窒素ガス導出経路から導出する製品窒素ガスの流量変化に伴う当該製品窒素ガス導出経路の圧力変化を検出することと、
検出した前記製品窒素ガス導出経路の圧力変化に基づいて製品窒素ガスを所定の圧力に保つように前記原料空気圧縮機の吐出流量を制御することと、
前記前処理吸着器へのガス導入経路の温度を検出することと、
検出された前記ガス導入経路の温度から前記空気分離装置で発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算し流量設定値として出力することと、
出力された前記流量設定値によって製品窒素ガスの流量を制限するよう前記製品窒素ガス流量制御弁を制御することで、製品窒素ガスの圧力を上昇させ、それにより前記前処理吸着器の空気処理量を減ずることで当該前処理吸着器が過負荷となることを回避することと、を含むことを特徴とする空気分離方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空気分離装置及び空気分離方法に関し、詳しくは、精留塔を使用して原料空気の精留分離を行い、製品窒素ガスを製造する空気分離装置の構成及びその装置を用いての空気分離方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、単精留塔を使用して、原料空気から製品窒素ガスを分離・製造する空気分離装置においては、求められる製品窒素ガスの流量が定格の流量よりも低下した場合、いわゆる減量運転が行われ、製品窒素ガス流量を需要に合わせて低減させるために原料空気流量を減少させていた。その結果、原料空気圧縮機から製品窒素取り出し口間の圧力損失が減少し、製品窒素ガス圧力が上昇してしまう。これによって、動力の改善が求められており、それを改善した空気分離装置およびその制御方法が開示されている（例えば、特許文献１）。

【0003】

特許文献１に記載の空気分離装置およびその制御方法では、求められる製品窒素ガスの流量が減少した場合、原料空気流量を減少させるとともに、製品窒素ガス圧力が所定の圧力となるよう、原料空気の圧力（原料空気圧縮機の吐出圧力）を調整（特に低減）する。特許文献１に記載の空気分離装置によれば、製品窒素ガスの流量が減少しても、原料空気に対し最適な原料空気の流量と圧力とを得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４０９１３８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の原料空気圧縮機およびその制御方法では次の課題が残り、さらなる改善が求められている。

【0006】

すなわち、所定の圧力まで昇圧された原料空気は、アフタークーラーで冷却水によって冷却され、前処理吸着器に導入されて、内部の水蒸気や二酸化炭素等が吸着除去される。原料空気に含まれる水蒸気量は、アフタークーラー出口の原料空気温度によって決定される。例えば、アフタークーラー出口の原料空気温度が４０℃であれば、その温度における飽和水蒸気が原料空気に含まれることになる。原料空気温度が上昇すると、原料空気に含まれる水蒸気の量が相対的に増加し、前処理吸着器で水蒸気を吸着除去する吸着剤の負荷が増加する。そして、空気分離装置では、前処理吸着器の吸着剤に負荷が超過した状態で長時間運転を続けると、前処理吸着器の吸着剤で吸着できる水分量が超過（過負荷状態）となり、除去されるべき水分が前処理吸着器を通過して下流の熱交換器を閉塞させてしまうため、運転が継続できなくなってしまう。また、前処理吸着器の二酸化炭素を吸着する吸着剤層は、吸湿してしまうと加熱による再生が出来なくなり交換が必要となってしまう。

【0007】

そこで本発明は、空気分離装置において、減量運転中に、原料空気温度の上昇に伴って前処理吸着器が過負荷状態となることを予防できる空気分離装置及び空気分離方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の空気分離装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮した原料空気中の不純物を除去する前処理吸着器と、前記前処理吸着器で不純物を除去した原料空気を冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器で冷却した原料空気を精留して製品窒素ガスを分離する精留塔と、前記精留塔で分離した製品窒素ガスを前記主熱交換器で原料空気と熱交換させて昇温後に導出する製品窒素ガス導出経路と、を有する空気分離装置において、前記前処理吸着器へのガス導入経路の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出した温度から発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算する演算器と、前記製品窒素ガス導出経路に設けられ、前記製品窒素ガス導出経路における圧力を検出する製品窒素ガス圧力検出器と、前記製品窒素ガス導出経路に設けられ、製品窒素ガスの流量を検出する製品窒素ガス流量検出器と、前記製品窒素ガス導出経路に設けられ、前記製品窒素ガス流量検出器で検出された流量に基づいて製品窒素ガスの流量を変更するように制御される製品窒素ガス流量制御弁と、前記原料空気圧縮機に設けられ、前記製品窒素ガス圧力検出器で検出した圧力測定値に基づいて当該原料空気圧縮機の吐出流量を制御するガイドベーンと、前記製品窒素ガス流量検出器の計測値が前記演算器で演算した最大製品窒素ガス流量よりも大きくなった場合、前記製品窒素ガス流量制御弁に製品窒素ガス流量を当該演算器で演算した最大製品窒素ガス流量に調節するよう指示する製品窒素ガス流量指示調節計と、を備えることを特徴としている。

【0009】

さらに、本発明の空気分離装置においては、前記製品窒素ガス導出経路における前記製品窒素ガス圧力検出器より後段位置に設けられ、製品窒素ガスを圧縮する製品窒素ガス圧縮機をさらに備えていることが好ましい。

【0010】

さらに、本発明の空気分離装置においては、前記精留塔は、単精留または複数の単精留であることが好ましい。

【0011】

さらに、本発明の空気分離装置においては、前記ガイドベーンは、インバータまたは調節弁であることが好ましい。

【0012】

さらに、本発明の空気分離装置においては、前記前処理吸着器から導出されたガスの流量を検出する前処理吸着器流量検出器をさらに備え、前記ガイドベーンは、前記前処理吸着器流量検出器で検出されたガスの流量にさらに基づいて前記原料空気圧縮機の吐出流量を制御してもよい。

【0013】

本発明の空気分離方法は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮した原料空気中の不純物を除去する前処理吸着器と、前記前処理吸着器で不純物を除去した原料空気を冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器で冷却した原料空気を精留して製品窒素ガスを分離する精留塔と、前記精留塔で分離した製品窒素ガスを前記主熱交換器で原料空気と熱交換させて昇温後に導出する製品窒素ガス導出経路と、前記製品窒素ガス導出経路に設けられて製品窒素ガスの流量を変更するように制御される製品窒素ガス流量制御弁と、を備えた空気分離装置を用いて、原料空気から製品窒素ガスを分離させる空気分離方法であって、前記製品窒素ガス導出経路から導出する製品窒素ガスの流量変化に伴う当該製品窒素ガス導出経路の圧力変化を検出することと、検出した前記製品窒素ガス導出経路の圧力変化に基づいて製品窒素ガスを所定の圧力に保つように前記原料空気圧縮機の吐出流量を制御することと、前記前処理吸着器へのガス導入経路の温度を検出することと、検出された前記ガス導入経路の温度から前記空気分離装置で発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算し流量設定値として出力することと、出力された前記流量設定値によって製品窒素ガスの流量を制限するよう前記製品窒素ガス流量制御弁を制御することで、製品窒素ガスの圧力を上昇させ、それにより前記前処理吸着器の空気処理量を減ずることで当該前処理吸着器が過負荷となることを回避することと、を含むことを特徴としている。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、前処理吸着器へのガス導入経路の温度を検出する温度検出器の検出温度が上昇した場合に、製品窒素ガス流量及び原料空気圧縮機処理量を低減させることで、前処理吸着器が過負荷にならないようにしつつ原料空気圧縮機の動力を削減することができる。よって、原料空気圧縮機のクーラー性能の劣化や冷却水温度上昇等の異常によって前処理吸着器に導入される空気の温度が上昇したとしても、自動的に原料空気圧縮機の処理量を減少させ、前処理吸着器の吸着剤を損傷することなく、空気分離装置の継続運転することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１形態例を示す空気分離装置の系統図である。

【図2】本発明の第２形態例を示す空気分離装置の系統図である。

【図3】実施例の空気分離装置における前処理吸着器入口の原料空気温度と前処理吸着器処理量及び製品窒素ガス流量との関係を示すグラフである。

【図4】実施例の空気分離装置で本発明が採用されている場合のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図5】実施例の空気分離装置で本発明が採用されていない場合のシミュレーション結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、本発明の第１形態例を示す空気分離装置１の系統図である。図１に示す空気分離装置１は、いわゆる単精留塔式の窒素製造装置であり、原料空気を分離・精製させて製品窒素ガスを製造することができる。

【0017】

この空気分離装置１は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機１１と、原料空気圧縮機１１で圧縮した原料空気中の水分や二酸化炭素等の不純物を除去する前処理吸着器１２と、前処理吸着器１２で不純物を除去した原料空気を冷却する主熱交換器１３と、主熱交換器１３で冷却した原料空気を精留分離する単精留塔１４と、精留塔還流液を生成する凝縮器１５と、装置の運転に必要な寒冷を発生する膨張タービン１６と、単精留塔１４で分離した製品窒素ガスを主熱交換器１３で原料空気と熱交換させて昇温後に導出する製品窒素ガス導出経路１７を備えている。

【0018】

またさらに、空気分離装置１は、使用先に供給する製品窒素ガスの圧力及び流量を制御するための機器として製品窒素ガス導出経路１７に設けられて、製品窒素ガス導出経路１７における圧力を検出する製品窒素ガス圧力検出器２０と、製品窒素ガスの流量を検出する製品窒素ガス流量検出器２２と、製品窒素ガス流量検出器２２で検出された流量に基づいて製品窒素ガスの流量を変更するように制御される製品窒素ガス流量制御弁２５とを備えている。また、単精留塔１４の底部と凝縮器１５とを接続する液化空気経路１８には、酸素富化液化空気の流量を制御するための流量指示調節計２６及び流量調節弁２７が設けられている。

【0019】

また、空気分離装置１は、前処理吸着器１２へのガス導入経路の温度を検出する温度検出器５１（ＴＩ１）と、温度検出器５１（ＴＩ１）で検出した温度から発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算する演算器５２（ＴＸ１）とを備えている。さらに、原料空気圧縮機１１には、製品窒素ガス圧力検出器２０で検出した圧力測定値に基づいて原料空気圧縮機１１の吐出流量を制御するガイドベーン２４が設置され、製品窒素ガス流量検出器２２の計測値が演算器５２（ＴＸ１）で演算した最大製品窒素ガス流量よりも大きくなった場合、製品窒素ガス流量を演算器５２（ＴＸ１）で演算した最大製品窒素ガス流量となる様に製品窒素ガス流量制御弁２５を制御する製品窒素ガス流量指示調節計５３とを備えている。

【0020】

空気分離装置１は、その他の構成も備えるが、その他の構成については、図１と以下に詳述する空気分離装置１を用いての原料空気から製品窒素ガスを製造する過程の説明とを照らし合わせて理解いただきたい。

【0021】

フィルター１１ａから吸入された原料空気は、原料空気圧縮機１１で所定の圧力まで昇圧されて、圧縮熱によって約１００℃となる。高温の原料空気はアフタークーラー１１ｂにおいて冷却水との熱交換が行われ、約４０℃まで冷却される。その後、原料空気は、前処理吸着器１２に導入され、原料空気中の水蒸気、二酸化炭素等の不純物が吸着除去され、コールドボックス１９内に導入される。コールドボックス１９内に導入された原料空気は、主熱交換器１３で製品窒素ガスや廃ガスとの熱交換が行われ、その液化温度付近まで冷却されて単精留塔１４の下部に導入される。

【0022】

単精留塔１４に導入された原料空気は、精留操作によって塔上部の窒素ガスと塔底部の酸素富化液化空気とに分離する。酸素富化液化空気は、塔底部から液化空気経路１８に抜き出されて凝縮器１５に導入され、塔上部から経路３１に抜き出されて凝縮器１５に導入される窒素ガスとの熱交換が行われ、全量が気化して廃ガスとなる。この廃ガスは、経路３２から主熱交換器１３に導入されて中間温度まで昇温し、経路３３に抜き出されて膨張タービン１６に導入され、断熱膨張により寒冷を発生させる。膨張後の廃ガスは、経路３４から再び主熱交換器１３に導入され、常温に昇温して経路３５から排出される。

【0023】

凝縮器１５に導入された窒素ガスは、全量が液化して液化窒素となり、経路３６から単精留塔１４の上部に導入されて還流液となる。そして、経路３１に抜き出された窒素ガスの一部が経路３７に分岐し、主熱交換器１３に導入されて常温に昇温し、製品窒素ガス導出経路１７を通って製品窒素ガス流量制御弁２５を介して使用先に供給される。

【0024】

そして、使用先の窒素ガス消費量が定常運転時に比べて減少すると、これに伴って製品窒素ガス導出経路１７の圧力が上昇するので、この圧力上昇を製品窒素ガス圧力検出器２０が検出し、検出した圧力値に応じて圧力指示調節計２１（ＰＩＣ＿Ｃ）によりガイドベーン２４を制御し、原料空気圧縮機１１の吸入空気量を調節する。このとき、ガイドベーン２４は、製品窒素ガス導出経路１７に導出されて使用先に供給される製品窒素ガスの圧力が所定の圧力となるように制御される。

【0025】

ここで、前処理吸着器１２には吸着剤が充填されており、原料空気中の水分（水蒸気）、二酸化炭素等の不純物が吸着除去される。この吸着剤は水分を吸着する層と二酸化炭素を吸着する層とに分かれているが、水分を吸着する層が過負荷となった場合、水分が二酸化炭素を吸着する層に到達し、二酸化炭素を吸着する吸着剤を不可逆的に損傷してしまい、吸着剤を交換する必要が生じる。吸着剤は処理できる原料空気量／吸着時間の上限があるが、前処理吸着器１２の処理量が同一であっても、吸着温度が設計温度よりも高くなった場合や吸着圧力が設計圧力よりも低くなった場合、吸着剤への負荷が大きくなり（過負荷）、設計された吸着時間内であっても所定の原料空気量を処理することはできない。この結果、前処理吸着器１２から主熱交換器１３に導入される原料空気には、水蒸気、二酸化炭素等が混入する。この場合、前処理吸着器１２の再生、吸着剤の交換又は後段の精留塔等の全加熱（空気分離装置の低温部を昇温し、水分、二酸化炭素を除去する操作）が必要となり、空気分離装置の運用上、大きな問題となるおそれがあった。

【0026】

これを対策すべく、空気分離装置１においては、温度検出器５１（ＴＩ１）にて前処理吸着器１２に導入される原料空気の温度が測定され、演算器５２（ＴＸ１）にて原料空気温度から前処理吸着器１２で処理できる最大空気量及びその空気量に対応した製品窒素ガス流量の最大値が算出され、この製品窒素ガス流量の最大値が製品窒素ガス流量指示調節計５３（ＦＩＣ＿Ｃ）の流量設定値ＳＰとして設定される。製品窒素ガス流量指示調節計５３（ＦＩＣ＿Ｃ）からは、製品窒素ガス流量が流量設定値ＳＰとなる様に製品窒素ガス流量制御弁２５に対して制御信号がローセレクタ５４（ＦＹ－Ａ）を経由して出される。

【0027】

一方、製品窒素ガスを所定の圧力とすべく圧力調節計２３（ＰＩＣ＿Ａ）が圧力指示調節計２１（ＰＩＣ＿Ｃ）に併設されており、製品窒素ガスの圧力が設定値となる様に製品窒素ガス流量制御弁２５に対して制御信号がローセレクタ５４（ＦＹ－Ａ）を経由して出される。

【0028】

そして、ローセレクタ５４（ＦＹ－Ａ）によって、製品窒素ガス流量指示調節計５３（ＦＩＣ＿Ｃ）からの制御信号と圧力調節計２３（ＰＩＣ＿Ａ）からの制御信号とが比較されて、より値の小さい方の信号が選択され、その選択された信号によって製品窒素ガス流量制御弁２５が制御される。

【0029】

つまり、従来の特許文献１に記載の空気分離装置においては、必要な製品窒素ガス流量が減少し、それに対応して原料空気圧縮機の減量運転を行う際、基本的には原料空気圧縮機から製品窒素ガス流量制御弁までの圧力損失、流量のみから原料空気圧縮機１１の圧力・流量を制御、すなわち圧力指示調節計２１（ＰＩＣ＿Ｃ）でガイドベーン２４を制御することによって原料空気圧縮機１１の動力を最小限とする運転が行われてきたが、本形態例における空気分離装置１では、前処理吸着器１２に導入される原料空気の温度上昇によって前処理吸着器１２が過負荷状態となる懸念がある場合には、直ちに前処理吸着器１２の過負荷運転の回避を優先するための制御、すなわち製品窒素ガス流量指示調節計５３（ＦＩＣ＿Ｃ）による製品窒素ガス流量制御弁２５の制御に切り替わる制御を可能としている。

【0030】

すなわち、本形態例における空気分離装置１は、前処理吸着器１２が過負荷状態とならない様、製品窒素ガス流量制御弁２５によって製品窒素ガスの流量が制限される。その結果、製品窒素ガス圧力検出器２０の検出値が上昇するので、製品窒素ガスを所定の圧力に保持するため圧力指示調節計２１（ＰＩＣ＿Ｃ）からは圧力を低下させる方向の信号が出力され、原料空気圧縮機１１のガイドベーン２４が制御され、原料空気量が減量される。

【0031】

上述のように、空気分離装置１を用いて、原料空気から製品窒素ガスを分離させる空気分離方法は、製品窒素ガス導出経路１７から導出する製品窒素ガスの流量変化に伴う製品窒素ガス導出経路１７の圧力変化を検出することと、検出した製品窒素ガス導出経路１７の圧力変化に基づいて製品窒素ガスを所定の圧力に保つように原料空気圧縮機の吐出流量を制御することと、前処理吸着器１２へのガス導入経路の温度を検出することと、検出された前記ガス導入経路の温度から空気分離装置１で発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算し流量設定値として出力することと、出力された流量設定値によって製品窒素ガスの流量を制限するよう製品窒素ガス流量制御弁２５を制御することで、製品窒素ガスの圧力を上昇させ、それにより前処理吸着器１２の空気処理量を減ずることで前処理吸着器１２が過負荷となることを回避することと、を含むものである。

【0032】

本形態例の空気分離装置１は、製品窒素ガスの流量を検出する製品窒素ガス流量検出器２２と、前処理吸着器１２へのガス導入経路の温度を検出する温度検出器５１（ＴＩ１）と、温度検出器５１（ＴＩ１）で検出した温度から発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算する演算器５２（ＴＸ１）と、原料空気圧縮機１１に設けられて製品窒素ガス圧力検出器２０で検出した圧力測定値に基づいて原料空気圧縮機１１の吐出流量を制御するガイドベーン２４と、製品窒素ガス流量制御弁２５にガス流量を調節するよう指示する製品窒素ガス流量指示調節計５３とを備えている。そして、空気分離装置１では、製品窒素ガス流量検出器２２の計測値が演算器５２（ＴＸ１）で演算した最大製品窒素ガス流量よりも大きくなった場合、製品窒素ガス流量指示調節計５３は、製品窒素ガス流量が演算器５２（ＴＸ１）で演算した最大製品窒素ガス流量となる様に製品窒素ガス流量制御弁２５を調節することから、前処理吸着器１２に導入される原料空気の温度上昇によって前処理吸着器１２が過負荷状態となる懸念がある場合には、直ちに前処理吸着器１２の過負荷運転の回避を優先するための制御に切り替わるようになる。したがって、空気分離装置１のように構成された空気分離装置によれば、減量運転中に、原料空気温度の上昇に伴って前処理吸着器１２が過負荷状態となることを予防することができる。

【0033】

また、上記空気分離方法では、製品窒素ガス導出経路１７から導出する製品窒素ガスの流量変化に伴う製品窒素ガス導出経路１７の圧力変化を検出し、検出した製品窒素ガス導出経路１７の圧力変化に基づいて製品窒素ガスを所定の圧力に保つように原料空気圧縮機の吐出流量を制御し、前処理吸着器１２へのガス導入経路の温度を検出し、検出された前記ガス導入経路の温度から空気分離装置１で発生可能な最大製品窒素ガス流量を演算し流量設定値として出力し、出力された流量設定値によって製品窒素ガスの流量を制限するよう製品窒素ガス流量制御弁２５を制御し、製品窒素ガスの圧力を上昇させ、それにより前処理吸着器１２の空気処理量を減ずることで前処理吸着器１２が過負荷となることを回避している。したがって、上記空気分離方法によれば、空気分離装置１の減量運転中に、原料空気温度の上昇に伴って前処理吸着器１２が過負荷状態となることを予防することができる。

【0034】

本形態例における空気分離装置１及び空気分離方法によれば、原料空気圧縮機１１のクーラー性能の劣化や冷却水温度上昇等の異常によって前処理吸着器１２に導入される空気の温度が上昇した場合でも、自動的に原料空気圧縮機１１の処理量を減少させ、前処理吸着器１２の吸着剤を損傷することなく継続運転することも可能となる。

【0035】

図２は、本発明の第２形態例を示す空気分離装置１０１の系統図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例に示した空気分離装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。図２に示す第２形態例の空気分離装置１０１は、基本的には図１に示す第１形態例の空気分離装置１と同様の構成を備え、同様の制御による空気分離方法が適用されるが、次の点で異なる。

【0036】

すなわち、第１形態例の空気分離装置１に対し、第２形態例を示す空気分離装置１０１では、前処理吸着器１２から導出されたガスの流量を検出する前処理吸着器流量検出器６０をさらに備え、製品窒素ガス圧力検出器２０で検出した圧力測定値と前処理吸着器流量検出器６０で検出されたガスの流量とに基づいて、ガイドベーン２４が調整され、その結果、原料空気圧縮機の吐出流量を制御している点で異なる。

【0037】

空気分離装置１０１では、圧力指示調節計２１（ＰＩＣ＿Ｃ）の出力値を基に、演算器（ＦＸ＿２）６２で演算し、前処理吸着器出口流量指示調節計６１（ＦＩＣ＿２）の設定値を変更することができる。つまり、前処理吸着器１２が過負荷とならない様に、前処理吸着器１２に導入される原料空気の流量を制御することができる。

【0038】

前処理吸着器１２の入口空気温度上昇時に前処理吸着器出口流量指示調節計６１（ＦＩＣ＿２）の設定値を直接変更しても、製品窒素ガスの使用量に変動が無ければ製品窒素ガス圧力が低下してしまうことになるが、空気分離装置１０１では、前処理吸着器１２の入口温度の計測により製品窒素ガス流量を制限し、これによる圧力上昇を前処理吸着器１２の入口流量の設定値調整に使用し、製品窒素ガスの流量及び圧力を介してガイドベーン２４を間接的に操作する制御構成によりそれを回避している。

【0039】

本形態例の空気分離装置１０１によれば、上述のように、前処理吸着器１２に導入される原料空気の流量を直接制御することにより、前処理吸着器１２が過負荷状態となることを予防することができる。

【0040】

なお、上述の第１形態例及び第２形態例では、原料空気圧縮機１１の吐出流量を制御する流量制御器としてガイドベーン２４を備えているが、ガイドベーン２４としては、インバータまたは調節弁を採用することができる。この他にも、吸入弁であってもよく、圧縮機駆動用電動機の回転数を制御して流量を調節する方式、その他の各種流量制御手段を採用することができる。また、圧力検出器として圧力指示調節計を例示したが、圧力検出と吐出流量制御とは任意の機器を使用して行うことが可能である。また、単精留塔を使用して精留分離を行う例を挙げたが、単精留塔を複数用いて製品収率を改善した空気分離装置等でも同様の制御を行うことが可能である。また、製品窒素のみを製造する空気分離装置を例に挙げたが、さらに酸素を併産する空気分離装置であってもよい。さらに、製品窒素ガス導出経路１７の製品窒素ガス圧力検出器２０より後段位置に製品窒素ガス圧縮機４１を設け、必要に応じて製品窒素ガスを圧送することもできる。このとき、製品窒素ガス導出経路１７の圧力が一定に保たれているため、製品窒素ガス圧縮機４１への外乱を少なくすることができ、製品窒素ガスを所定圧力で安定して供給することができる。

【0041】

なお、上述の第１形態例及び第２形態例で示した空気分離装置（窒素製造装置）は一例であり、また、各図面は必ずしも全ての構成を反映したものではない。例えば、各形態例では、膨張タービンによって装置の運転に必要な寒冷を発生させているが、液化窒素を外部から注入することで、装置の運転に必要な寒冷を得るプロセスの空気分離装置であってもよい。また、上述の圧力・温度は一例であり、装置仕様によって異なった値をとり得る。

【実施例0042】

８００ｋＰａＧの窒素ガスを３５００Ｎｍ^３／ｈ製造する図１の空気分離装置１と同様の構成の空気分離装置（以降「シミュレーションに用いる空気分離装置」又は単に「空気分離装置」と記載する。）を例としたシミュレーションを行った。以降においては、図１の符号を付して説明する。

【0043】

このシミュレーションに用いる空気分離装置１においては、空気圧縮機必要処理量は６１９０Ｎｍ^３／ｈ、その吐出圧力は８７５ｋＰａＧである。この空気分離装置１では、製品窒素ガス使用量が２５８４Ｎｍ^３／ｈ(定格の約７４％運転)まで減少した場合には、原料空気圧縮機１１の必要処理量が５２７０Ｎｍ^３／ｈ、その吐出圧力は８６０ｋＰａＧとなり、約９４ｋＷの動力が削減する。

【0044】

図３は、シミュレーションに用いる空気分離装置における前処理吸着器１２入口の原料空気温度と前処理吸着器処理量及び製品窒素ガス流量との関係を示すグラフである。図４は、シミュレーションに用いる空気分離装置で本発明が採用されている場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図５は、特許文献１のように本発明が採用されていない場合の空気分離装置のシミュレーション結果を示すグラフである。

【0045】

図３に示すように、この空気分離装置では、前処理吸着器１２の入口の原料空気温度が上昇すると、同伴される水蒸気量が上昇するので、その同伴された水蒸気を除去するために、前処理吸着器１２で処理が可能な処理量は減少する。また、前処理吸着器１２で処理が可能な処理量の減少に伴い製品窒素量が減少する。

【0046】

上述したように、演算器５２（ＴＸ１）は、温度検出器５１（ＴＩ１）にて測定された前処理吸着器１２に導入される原料空気の温度によって、前処理吸着器１２で処理できる最大空気量及びその空気量に対応した製品窒素ガス流量の最大値を算出し、製品窒素ガス流量指示調節計５３（ＦＩＣ＿Ｃ）の流量設定値ＳＰとして出力する。

【0047】

この空気分離装置を用い、本発明が採用されている場合と本発明が採用されていない場合について、時間経過に伴って原料空気流量、前処理吸着器１２の出口におけるＣＯ_２濃度、前処理吸着器１２の入口の原料空気温度、及び、前処理吸着器１２に同伴される水分量（持込水分量）がどのように変化するかをシミュレーションした。なお、シミュレーションをするにあたって、前処理吸着器１２は、２塔で構成され１２０分切り替え方式、導入される原料空気温度が３８℃の吸着器を想定した。また、前処理吸着器１２の吸着運転開始後、４０分経過した時点で、何らかの原因で、原料空気温度が２～３℃上昇した場合（図４のＡ、図５のＡ）を想定した。これに伴い、原料空気と共に前処理吸着器１２に同伴される水蒸気は１１～１７％増加する。したがって、増加した水蒸気量、及び温度上昇に伴う吸着性能の低下を考慮して原料空気量を減量する必要がある。

【0048】

本発明が採用されている場合、前処理吸着器１２の入口の原料空気温度が上昇するのに伴い、製品窒素ガス流量調節計５３（ＦＩＣ＿Ｃ）における製品窒素ガス流量設定値を、演算器５２（ＴＸ１）で演算した最大製品窒素ガス流量が下回ると、製品窒素ガス流量調節計５３（ＦＩＣ＿Ｃ）における製品窒素ガス流量設定値が、演算器５２（ＴＸ１）で演算された値に書き換えられる。その結果、本発明が採用されている場合では、図４に示されるように、前処理吸着器１２の入口の原料空気温度が２～３℃上昇した場合（図４のＡ）に、原料空気流量が減量され(図４のＢ)、前処理吸着器１２に同伴される水分量（持込水分量）が一定となる(図４のＣ)。その結果、本発明が採用されている場合では、前処理吸着器１２の吸着運転終了時まで、二酸化炭素及び水蒸気の破過がみられない(図４のＤ)。

【0049】

一方、本発明が採用されていない場合、図５に示されるように、前処理吸着器１２の入口の原料空気温度が上昇しても（図５のＡ）、減量運転されず（図５のＥ）、前処理吸着器１２に同伴される水分量（持込水分量）が増加する(図５のＦ)。その結果、運転終了直前に、二酸化炭素の破過がみられる(図５のＧ)。

【0050】

このようなシミュレーション結果からも、空気分離装置は、本発明が採用されることにより、原料空気圧縮機１１のクーラー性能の劣化や冷却水温度上昇等の異常があった場合でも、前処理吸着器１２の入口空気温度に応じて自動的に空気処理量を減少させ損傷することなく継続運転することが可能となることがわかる。

【符号の説明】

【0051】

１，１０１…空気分離装置、１１…原料空気圧縮機、１１ａ…フィルター、１１ｂ…アフタークーラー、１２…前処理吸着器、１３…主熱交換器、１４…単精留塔、１５…凝縮器、１６…膨張タービン、１７…製品窒素ガス導出経路、１８…液化空気経路、１９…コールドボックス、２０…製品窒素ガス圧力検出器、２１…圧力指示調節計、２２…製品窒素ガス流量検出器、２３…圧力調節計、２４…ガイドベーン、２５…製品窒素ガス流量制御弁、３１－３７…経路、４１…製品窒素ガス圧縮機、５１…温度検出器、５２…演算器 ５３…製品窒素ガス流量指示調節計、５４…ローセレクタ、６０…前処理吸着器流量検出器、６１…前処理吸着器出口流量指示調節計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】