JPS6314074A - 空気分離装置における精留塔の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は空気分離装置における精留塔の運転制御方法に
関するものである。

〔従来技術〕

空気を深冷分離して酸素および窒素を採取すると同時に
アルゴンを採取する空気分離装置においては複式精留塔
の上塔の頂部より窒素を採取し、上塔の底部より液体酸
素を採取すると共に上塔の側流よりアルゴン含有ガスを
抜出し、粗アルゴン塔へ供給してアルゴンを採取するこ
とが行なわれている。

アルゴンを採取する場合には精留塔の上塔から粗アルゴ
ン塔に供給されるガスの組成はアルゴン濃度が高く、窒
素含有量の少ないものが望ましいが、空気中のアルゴン
含有量が僅かであること及びアルゴンの沸点が窒素と酸
素の中間にある上にこれらとの比揮発度が小さいのでそ
の分離が比較的困難とされている。その上、比較的高い
アルゴン収率を保ちなから精留塔を運転する場合には、
該上塔の運転を精密に行うことが必要である。すなわち
運転調節方法のいかんによっては、上塔内における各成
分の濃度分布が変化して運転状態が乱れ、その結果、上
塔の側流よシ抜出すアルゴン含有ガスの組成が変動し、
粗アルゴン塔の運転状態の乱れにつながシ粗アルゴンの
純度に悪影響を及ぼすことがある。従来、この精留塔の
運転状態を調節する方法としては、 （１）精留塔上塔の塔頂部よシ抜出される窒素流量を調
節して窒素を発生させる。

（１１）空気分離装置に導入される原料空気量、寒冷発
生機関である膨張タービンの処理量、精留塔上塔の底部
より抜出される酸素量等を個別に調節して精留塔上塔液
面を所定値内に調節する。

等によシ行なわれている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、先に述べた（ｉ）の方法によると、窒素
流量を調節するために精留塔上塔の圧力が変動し、上塔
の精留状態を乱しその側流より抜出すアルゴン含有ガス
の組成に変動を与えたシ、また（１１）の方法によって
も、原料空気流量、膨張タービン流量、酸素流量を個別
に調節するために、精留塔のバランスを乱し、製品の濃
度とくにアルゴン含有ガスの組成に変動を与えていた。

すなわち、本発明は空気分離装置の精留塔における従来
の運転調節法の欠点を解消し、精留塔を安定に運転する
ことを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者等はかかる目的を達成すべく鋭意検討を重ねた
結果、上部塔の上部から抜出される不純窒素ガスの抜出
量を調節することによって上塔内の圧力な一定圧に保持
することによシ精留塔を安定な状態に保持したまま需要
に対応した窒素を抜出し、一方上部塔底部の液面位の変
化に対応して、膨張タービン流量、原料空気流量、及び
ラツハマン流量を所定の制御則に従い調節することによ
シ精留塔のバランスを保持したまま該上部塔の液面の調
節ができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の要旨は、原料空気を圧縮冷却し、複
式精留塔で精留して酸素、窒素及びアルゴンを採取する
空気分離装置において、複式精留塔の上部塔の頂部よシ
製品窒素を所定量抜出すと共に上部塔の圧力を検出し、
該圧力を一定に保持するように上部塔の上部からの不純
窒素ガスの抜出量を自動調節する一方、精留塔の上部塔
底部の液体酸素液面位を検出し該液面位を所定値内に保
つように、所定の制御則に従い自動的に膨張タービン流
量、原料空気流量、ラツハマン流量を調節することを特
徴とする空気分離装置における精留塔の運転制御方法に
存する。

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明を実施するための空気分離装置の一例を
示すものである。第１図において、空気分離装置は空気
圧縮機Ａ、可逆式熱交換器Ｂ、精留塔の下部塔Ｃ１精留
塔の上部塔Ｄ、膨張タービンＥ、粗アルゴン塔Ｆ等から
構成されている。原料空気は導管ｌより空気圧縮機Ａ及
び可逆式熱交換器Ｂを経てそれぞれ圧縮および冷却・精
製されて導管コより精留塔Ｃの底部に導入される。下部
塔Ｃ内では、塔頂に設けられた凝縮器にて精留塔の上部
塔りの底部の液体酸素と熱交換して凝縮した液体空気が
下降し、下部塔の底部に供給され塔内を上昇する原料空
気と棚段上で気液接触して精留が行なわれる。下部塔Ｃ
の頂部よシ液体窒素が取出され、導管３を経て上部塔り
の頂部に還流液として導入される。また下部塔Ｃの中央
部からは空気が取出され、導管Ｓ、膨張タービンＥ及び
導管６を経て一部が上部塔りの中央よシ上部の位置に導
入される。導管６よシ精留塔に導入される流体はラツハ
マンと呼ばれている。さらに下部塔Ｃの塔底部からは酸
素濃度の高い液体空気（酸素濃度約ｌＩｏ％の液体空気
）が抜出され、導管ダを経て上部塔りの中央よシやや上
部の位置に導入される。上部塔り内では、下部塔頂部の
凝縮器と熱交換して発生した気体酸素が上昇ガスとじて
塔内を上昇し、下部塔Ｃより導入された液体空気、さら
に還流液として導入された液体窒素の流下によシ棚段上
で上記上昇気体と向流接触しで精留が行なわれる。しか
して上部塔りの頂部より高純度の窒素が得られ、導管り
より取出され、頂部よりやや低い位置より不純窒素が導
管ｌＯよシ抜出される。また底部からは高純度の酸素が
得られ導管ざより取出される。さらに、上部塔りの中央
部の適切な位置のサイドカット段よシアルボン含有ガス
が抜出され、導管デを経て粗アルゴン塔Ｆに導入される
。

本発明はかかる空気分離装置において、上部料空気流量
計Ｉ、ラツハマン流量計Ｉ＃を設は夫々の信号を計算機
に取込み、該計算機にて第１図に示す制御系を構成した
。すなわち、上塔圧力を所定値に制御する圧力制御系（
ｐｃｔｏｔ　）。

膨張タービン流量、原料空気流量、ラツハマン流量に対
応する各流量制御系（ＦＣＩＯＪ、ＦＣＩＯＪ、ＦＣＩ
ＯＪ　）、プロセスの運転状態から物質収支および熱収
支を考慮して決定される運転条件設定系、さらに上塔液
面制御系ＣＬＣ２０１）から成り、それぞれの制御系は
次の様に働く。

上塔圧力制御系は上塔の圧力を所定値にする様に不純窒
素ガスが抜出される導管ｉｏに設けられた調節弁ｒの弁
開度をＰＩＤ制御により調節する。流量制御系は与えら
れた設定値のもとで、ＰＩＤ制御によシ調節弁Ｈ，Ｈ’
、Ｈ“の弁開度を操作し流量の調節を行う。運転条件設
定系は製品要求量及び空気分離装置の熱収支より得られ
る適正な運転条件を与えるいわゆるフィードフォワード
演算を行う。例えば寒冷発生機関である膨張タービンの
流量への適正な設定値Ｘは熱収支より得られ（１）式で
あられされる。

Ｘ−Ａ、ＸＡＩＲ十Ａ、ＸＬＯ＋Ａ３ＸＬＡ＋Ａ、ＸＬ
Ｎ　　　・・・（１）ただし、ＡＩＲ：原料空気流量 ＬＯ：液体酸素発生量 ＬＡ：液体アルゴン発生量 ＬＮ：液体窒素発生量 ＡＩ　＊　Ａ１　ｔ　Ａ３　ｅ　Ａ４　：係数しかしな
がら、（１）式に基づいて算出された膨張タービン流量
は必ずしも正確に空気分離装置で の熱収支を保持するものｌはなく、その誤差は上塔底部
の液体酸素の液位の変動となってあられれる。そこで、
液面制御系においては液面調節計（ギヤツブ付ＰＩＤ調
節計）が液面をある範囲内に保持する様に前述のフィー
ドフォワード演算の誤差を補償するフィードバック要素
として動作する。つまり、液面調節計の出力は。

膨張タービン流量に対し運転条件設定系より計算された
値と加算され膨張タービン流量の設定値を与える。（（
２）式） また、該液面調節計の出力は原料空気流量。

ラツハマン流量に対しては運転条件設定系と液面調節計
の出力にある係数に、　、　Ｋ、を掛けたものを加算し
たものがそれぞれの設定値となる。

（（３）、（４）式） ％式％（２） ただし、Ｓｖ：設定値 Ｍｖ：出力値 Ｘ　：運転条件設定系より与えちれる膨張タービン流量
Ｙ　：　　　　　　　　　　　　　　原料空気流量２　
：　　　　　　　　　　　　　　　　ラツハマン流量こ
こで、Ｋ１、Ｋ、は液面調節計の出力の原料空気流量、
ラツハマン流量に対する加重ゲインである。

すなわち、該液面が変化した結果、液面制御によシ、膨
張タービン流量がΔＥだけ変化した時、原料空気流量及
びラツハマン流量の変化量はそれぞれ（５）、（６）式
で与えられる。

ΔＡ　−ΔＢ　Ｘ　Ｋ、　　　　　　　−・−−−−−
・・（５１△Ｒ−ΔＥ　Ｘ　Ｋ、　　　　　　・・・・
曲・（６）ここで、精留塔を安定に運転するためには。

ゲインに、　、　Ｋ２は、 ０．６≦に１≦八〇、０．０≦に２≦Ｏ，グの範囲内の
所定値に設定すると良い。

〔実施例〕

本発明空気分離装置の制御の態様を第３〜７図を用いて
説明する。第３〜！図における記号ａは精留塔上塔の液
面、ｂは精留塔上塔中間段より導管９により粗アルゴン
塔へ供給されるアルゴン含有ガス中の酸素濃度、Ｃは膨
張タービン流量、ｄは原料空気流量、ｅはラツハマン流
量を意味する。液面調節計Ｇは液面の目標値に対して所
定のギャップ幅を設定しておき、液面が該所定値を越え
るとＰＩＤ制御を実施するギヤツブ付ＰＩＤ調節計を採
用している。第３図は、上塔液面変動に対して膨張ター
ビン流量のみを操作量とした時、すなわち本発明におい
てに１＝０、Ｋ、＝０とした時のトレンド図である。

上塔液面が下限を越えるとそれに伴い膨張タービン流量
が増加するが、原料空気流量及びラツハマン流量は一定
のままである。この時、上塔の精留状態が乱れアルゴン
含有ガス中の酸素濃度が低下傾向となる。また上塔液面
の回復も遅い。第ｑ図は、膨張タービン流量と原料空気
流量を操作量とし両操作量の変化量を等しくした時、す
なわち本発明においてに、＝　／　、　Ｋ２＝　０とし
た時のトレンド図である。液面が設定値の下限を越える
とそれに伴い膨張タービン流量及び原料空気流量が同量
増加するがラッハマン流量は一定のままである。この時
、アルゴン含有ガス中の酸素濃度は上昇傾向となる。第
５図は、本発明を適用した時、すなわち膨張タービン流
量とともに原料空気流量及びラッハマン流量をある割合
（Ｋ、＝　０．９　、に２−０．コ）で調節した時のト
レンド図である。アルゴン含有ガス中の酸素濃度を乱さ
ずに上塔液面を応答よく所定値内に保持している。

第６、り図における記号ｆは窒素の需要量を示す指標、
ｇは精留塔より発生する窒素の流量、ｈは不純窒素抜出
量、１は上塔圧力、Ｊはアルゴン含有ガス中の窒素濃度
を意味する。第６図は、不純窒素の抜出量を調節しない
場合のトレンド図である。すなわち、窒素需要が増加し
た時、不純窒素抜出し量が一定であるため、上塔の圧力
は低下するため、アルゴン含有ガス中の窒素濃度が増加
する。第７図は、本発明を適用した場合すなわち上塔の
圧力を所定値に保持するように不純窒素の抜出し量を調
節した場合のトレンド図である。窒素需要が増加した時
、上塔圧力を所定値に保持するように不純窒素抜出し量
が減少し、窒素発生量は需要量の増加に伴い増加するた
め、アルゴン含有ガス中の窒素濃度はあまシ変化しない
。

〔発明の効果〕

本発明により、原料空気を深冷分離して、酸素、窒素及
びアルゴンを採取する空気分離装置において、精留塔の
バランスをくずすことなく。

すなわち製品の純度とくに精留塔上塔から抜出され粗ア
ルゴン塔へ供給されるアルゴン含有ガスの濃度に悪影響
を与えることなく自動的に上部塔の圧力を所定値に保持
し所定量の窒素を発生させ、上部塔の液体酸素液面位を
所定値内に保つことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空気分離装置の概略図、第２図は本発明の制御
機構の系統図、第３図〜第７図は制御例を示す図である
。 Ａ：空気圧縮機　　　　Ｂ：可逆式熱交換器Ｃ：精留塔
下部塔　　　Ｄ：精留塔上部塔！＝流量検出器　　　　
Ｊ：圧力検出器ａ：精留塔上塔の液面 ｂ：粗アルゴン塔フィードガス中の酸素濃度Ｃ：膨張タ
ービン流量 ｄ：原料空気流量 ｅニラツバマン流量 ｆ：窒素の需要量を示す指標 ｇ：精留塔よシ発生する窒素の流量 ｈ：不純窒素の抜出し量 ｌ：上塔圧力 ｊ：粗アルゴン塔フィードガス中の窒素濃度票旧、懸屑
、枢− 粟咽・桝屑・候− ■に・解弼・候− 票一・ｍＢ−繋粥

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 原料空気を圧縮冷却し、複式精留塔で精留して酸素、窒
   素及びアルゴンを採取する空気分離装置において、複式
   精留塔の上部塔の頂部より製品窒素を所定量抜出すと共
   に上部塔の圧力を検出し、該圧力を一定に保持するよう
   に上部塔上部からの不純窒素ガスの抜出量を自動調節す
   る一方、精留塔の上部塔底部の液体酸素液面位を検出し
   、該液面位を所定値内に保つように、所定の制御則に従
   い膨張タービン流量、原料空気流量、ラツハマン流量を
   自動調節することを特徴とする空気分離装置における精
   留塔の運転制御方法