(57)【要約】【課題】原料空気の条件が変動しても前処理設備の運転を最適化できる空気液化分離装置の前処理設備の運転方法を提供する。【解決手段】吸着塔１７の再生工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した精製器入口における原料空気の流量、温度及び圧力のそれぞれから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とする。【選択図】図１
2020157173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤を充填した複数の吸着塔を温度変動吸着法により吸着工程と再生工程とに順次切り換え使用する精製器によって、少なくとも、原料空気中の水分及び二酸化炭素を除去して空気液化分離装置に導入する原料空気を精製する空気液化分離装置の前処理設備の運転方法において、前記工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した前記精製器の入口における原料空気の流量、温度及び圧力のそれぞれから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とすることを特徴とする空気液化分離装置の前処理設備の運転方法。
【請求項２】
吸着剤を充填した複数の吸着塔を温度変動吸着法により吸着工程と再生工程とに順次切り換え使用する精製器によって、少なくとも、原料空気中の水分及び二酸化炭素を除去して空気液化分離装置に導入する原料空気を精製する空気液化分離装置の前処理設備の運転方法において、前記工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力及び二酸化炭素濃度のそれぞれから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とすることを特徴とする空気液化分離装置の前処理設備の運転方法。
【請求項３】
吸着剤を充填した複数の吸着塔を温度変動吸着法により吸着工程と再生工程とに順次切り換え使用する精製器によって、少なくとも、原料空気中の水分及び二酸化炭素を除去して空気液化分離装置に導入する原料空気を精製する空気液化分離装置の前処理設備の運転方法において、前記工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力、二酸化炭素濃度、炭化水素濃度及び亜酸化窒素濃度のそれぞれから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とすることを特徴とする空気液化分離装置の前処理設備の運転方法。
【請求項４】
吸着剤を充填した複数の吸着塔を温度変動吸着法により吸着工程と再生工程とに順次切り換え使用する精製器によって、少なくとも、原料空気中の水分及び二酸化炭素を除去して空気液化分離装置に導入する原料空気を精製する空気液化分離装置の前処理設備の運転方法において、前記工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力、二酸化炭素濃度、炭化水素及び亜酸化窒素の少なくとも一つから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とすることを特徴とする空気液化分離装置の前処理設備の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気液化分離装置の前処理設備の運転方法に関し、詳しくは、空気液化分離装置に供給される原料空気中の水分及び二酸化炭素をはじめとする不純物成分を温度変動吸着法により吸着除去して原料空気を精製する空気液化分離装置の前処理設備の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気液化分離装置における深冷部の前段には、複数の吸着塔を吸着工程と再生工程とに順次切り換え使用する吸着装置を用いた前処理設備を設置し、吸着塔に充填した吸着剤に原料空気中の水分や二酸化炭素、炭化水素類、窒素酸化物のような不純物成分を吸着除去させて原料空気を精製するようにしている。この前処理設備における吸着装置の運転方法として、吸着工程にある吸着塔に流入する原料空気の温度を測定し、測定した原料空気温度に応じて吸着工程と再生工程との切替時間を変更することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。また、吸着塔に導入する原料空気中の二酸化炭素の積算量から切替時間を変更することも行われている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５８３０２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１１３５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の方法では、一つの吸着工程中の原料空気の温度や二酸化炭素の積算量といった条件に基づいて切替時間を変更しているため、例えば、一つ前の条件に基づいて切替時間を長くし、長時間の再生工程を行っているときに、何らかの外的要因で原料空気の温度上昇や二酸化炭素量の増加が発生した場合、吸着工程中の吸着塔で水分や二酸化炭素を確実に除去するためには、切替時間を短くして吸着工程時間を短縮させる必要があり、再生工程の時間を十分にとれなくなるおそれがある。また、製品ガス使用量の変動によって原料空気量が大きくかつ急激に変動した場合も、対応が困難になるおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は、原料空気の条件が変動しても前処理設備の運転を最適化できる空気液化分離装置の前処理設備の運転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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離装置の前処理設備の運転方法は、第１の構成として、吸着剤を充填した複数の吸着塔を温度変動吸着法により吸着工程と再生工程とに順次切り換え使用する精製器によって、少なくとも、原料空気中の水分及び二酸化炭素を除去して空気液化分離装置に導入する原料空気を精製する空気液化分離装置の前処理設備の運転方法において、前記工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した前記精製器の入口における原料空気の流量、温度及び圧力のそれぞれから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とすることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の第２の構成は、前記工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力及び二酸化炭素濃度のそれぞれから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とすることを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明の第３の構成は、前記工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力、二酸化炭素濃度、炭化水素濃度及び亜酸化窒素濃度のそれぞれから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とすることを特徴としている。
【０００９】
加えて、本発明の第４の構成は、前記工程を複数の運転ステップに分割し、一つの運転ステップの長さ及び再生ガスの流量を、前回の運転ステップ中にあらかじめ設定された間隔で測定した前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力、二酸化炭素濃度、炭化水素及び亜酸化窒素の少なくとも一つから推算した運転ステップの長さ中で最も短い運転ステップの長さを次の運転ステップの長さとし、推算した再生ガスの流量の中で最も多い再生ガスの流量を次のステップの再生ガスの流量とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の空気液化分離装置の前処理設備の運転方法によれば、精製器に導入される原料空気の条件に応じて精製器の運転状態を的確に制御できるので、原料空気の精製を確実に行うことができ、運転コストの低減を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明方法を適用可能な前処理設備を備えた空気液化分離装置の一例を示す系統図である。
【図２】基本的な運転サイクルの一例を示す説明図である。
【図３】本発明方法の運転制御手順を説明するための説明図である。
【図４】精製器負荷の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１乃至図４は、本発明における空気液化分離装置の前処理設備の運転方法を説明するためのもので、図１は、本発明方法を適用可能な前処理設備を備えた空気液化分離装置の一例を示す系統図である。図１に示す空気液化分離装置は、原料空気を圧縮、精製するための前処理設備１１と、原料空気を冷却して液化分離する深冷部１２とを備えている。
【００１３】
前処理設備１１は、空気濾過器１３で塵埃を除去した原料空気を圧縮機１４で所定圧力に圧縮し、予冷設備１５で圧縮熱を除去した後、精製器１６で原料空気中の不純物、例えば、水分、二酸化炭素、炭化水素、亜酸化窒素といった不純物を除去するもので、精製器１６には、前記不純物を除去可能な吸着剤を充填した複数の吸着塔１７を吸着工程と再生工程とに順次切り替えて原料空気の精製を連続して行える温度変動吸着法を採用した吸着装置が用いられている。この吸着装置には、吸着塔１７の一端側及び他端側に複数の切替弁が設けられており、これらの切替弁を所定の順序で切替開閉することにより、各吸着塔が吸着工程と再生工程とに切り替えられる。
【００１４】
また、吸着装置には、再生工程を行っている吸着塔に加熱ガスと冷却ガスとを切替供給するための再生ガス供給部１８が設けられており、再生工程における加熱段階では、深冷部から導出した低温の排ガスを加熱器１８ａで所定温度に加熱して加熱段階を行っている吸着塔に導入し、加熱段階後の冷却段階では、低温の排ガスをバイパス経路１８ｂを通して低温のまま冷却段階を行っている吸着塔に導入するように各弁が切替開閉される。
【００１５】
図２は、基本的な運転サイクルの一例を示すもので、本例では、吸着工程と再生工程との切替時間を２４０分に設定して１サイクルを形成しており、再生工程は、圧縮空気の導入により加圧された塔内の圧力を大気圧に下げる脱圧段階を１０分、加熱器１８ａで加熱された加熱再生ガスを塔内に流通させて吸着剤を加熱再生する加熱段階を９０分、低温再生ガスを塔内に流通させて吸着剤を吸着工程に適した温度に冷却する冷却段階を１１６分、塔内に精製原料空気の一部を導入して塔内を吸着工程圧力に昇圧する充圧段階を２４分の各段階に区分けされている。
【００１６】
本発明方法では、前記１サイクルを複数の運転ステップ（以下、ステップという。）に区分けし、各ステップごとに得た情報に基づいて制御するようにしている。例えば、流量変更時の応答性を考慮して６０秒を基本的な１ステップの時間とすると、１サイクルは、吸着工程が２４０ステップ、再生工程では、脱圧段階が１０ステップ、加熱段階が９０ステップ、冷却段階が１１６ステップに区分けされる。
【００１７】
また、各ステップで得る情報としては、精製器１６の入口における原料空気の流量、温度、圧力のほか、二酸化炭素濃度、炭化水素濃度、亜酸化窒素濃度といった吸着剤で吸着除去可能な不純物成分であり、原料空気中の水分量は、予冷設備１５から導出した原料空気中に飽和量の水分が含まれているとして、原料空気の流量、温度及び圧力に基づいて容易に算出できる。これらの情報は、精製器１６の入口部に、各情報に対応した流量計、温度計、圧力計、各種分析計を配置することで容易に得ることができる。
【００１８】
さらに、各情報の値は、あらかじめ設定された間隔、例えば、１秒間隔、５秒間隔などの間隔で測定した測定値の移動平均で算出するようにしている。例えば、５秒間隔で測定値を採取していて１ステップが６０秒であるときには、６０秒間で測定した１２（６０／５）回の測定値の和を１２で除した移動平均の値を、制御用に使用する値として採用する。そして、各ステップにおける最後の測定値を含めて移動平均を求め、ここから採用した値が、前のステップで採用した値に比較して上昇しているときには、前のステップに対する上昇割合に基づいて次のステップの時間を短縮するとともに、吸着塔の再生ガスを増加させ、逆に前のステップで採用した値に比較して下降しているときには、下降割合に基づいて次のステップの時間を延長するとともに、再生ガスを減少させる。また、一つの移動平均の値が上昇し、他の移動平均の値が下降したときでも、同様に演算処理することにより、次のステップの条件を算出すればよい。
【００１９】
例えば、図３に示すように、１サイクル中のｎ番目のステップ（ステップｎ）におけるステップの時間及び再生ガスの流量は、一つ前のステップ、すなわち、ステップｎ−１での最終の測定結果を含めた移動平均に基づいて決定され、次のステップであるステップｎ＋１におけるステップの時間及び再生ガスの流量は、ステップｎでの最終の測定結果を含めた移動平均によって決定される。
【００２０】
ここで、図４に示すように、工程切替時の原料空気の流量が１００００Ｎｍ３／ｈ、１ステップの時間が６０秒、再生ガス流量が１６００Ｎｍ３／ｈである設計条件で運転しているときに、工程切替後に原料空気の流量が次第に減少して精製器負荷が減少するような場合、５秒間隔で測定した原料空気の流量が次第に変化し、ステップｎ−１の終了直前に測定した流量を含めた１２回分の移動平均が９８７３Ｎｍ３／ｈとなり、流量が１００００Ｎｍ３／ｈから減少、すなわち、原料空気量の減少に伴って精製器負荷が低下していると判断した場合は、再生ガスの流量を１６００Ｎｍ３／ｈから１５８０Ｎｍ３／ｈ（１６００＊（９８７３／１００００））に減少させるとともに、次のステップｎの時間を６０秒から６１秒（（６０／９８７３）＊１００００）に延長する。
【００２１】
同様に、ステップｎ＋１は、ステップｎの終了直前に測定した流量の移動平均に基づいて再生ガスの流量及びステップｎ＋１の時間が設定される。例えば、流量の移動平均が９５５０Ｎｍ３／ｈになったときには、再生ガスの流量を１５８０Ｎｍ３／ｈから１５２８Ｎｍ３／ｈ（１５８０＊（９５５０／９８７３））に減少させるとともに、次のステップｎ＋１の時間を６１秒から６３秒（（６１／９５５０）＊９８７３）に延長する。一方、後半で原料空気の流量が次第に増加して精製器負荷が増大するような場合は、移動平均で求めた値が１より大きくなるので、次のステップにおける再生ガスの流量が増加するとともに、ステップの時間が短縮されることになる。
【００２２】
このように、前回のステップで算出した移動平均の変化に応じて今回のステップの長さ及び再生ガスの流量を変化させることにより、精製器１６を負荷に応じた最適な条件で運転することができ、各回の吸着工程において吸着剤で吸着する不純物量を略一定量に制御でき、原料空気中の不純物を確実に除去できるとともに、吸着剤の再生も、略一定の加熱再生ガスによって確実に行うことができる。特に、ステップの長さ及び再生ガスの流量を変化させるための値を移動平均によって算出しているので、測定値をそのまま制御用に用いる場合に比べて、測定値のばらつきや誤差を吸収することができ、例えば、再生ガスの流量を変化させるための弁が頻繁に作動することがなくなる。
【００２３】
通常の大気条件では、原料空気中の各不純物成分の濃度はほとんど変化せず、原料空気の圧力や温度もほとんど変化しないので、深冷部１２で分離した製品ガスの使用量の変動に伴う原料空気の流量変化を測定するだけでも十分な制御を行うことが可能である。特に、製鉄所向けの空気液化分離装置のように、製品ガスの需要変動が大きいときに極めて有効である。
【００２４】
また、周辺に工場が多く、二酸化炭素が増減するおそれのあるときには、原料空気中の二酸化炭素濃度を制御用の情報として加えることにより、二酸化炭素の濃度が上昇したときでも、二酸化炭素を吸着剤で確実に除去できるとともに二酸化炭素を吸着した吸着剤の再生も確実に行うことができる。さらに、周囲に化学コンビナートや製鉄所がある場合、あるいは、化学コンビナートや製鉄所の敷地内に配置された空気液化分離装置の場合は、吸着剤で除去可能な炭化水素や亜酸化窒素も制御用の情報に加えることにより、より確実な運転を行うことができる。また、通常の運転では、最大負荷を想定した設計条件に比べて吸着塔の切替間隔が長くなるので、例えば一日あたり６サイクルの切替運転を５サイクル以下にすることができ、吸着塔の再生に要するエネルギーを削減することができる。
【００２５】
実際の空気液化分離装置の運転では、必要な製品流量の減少によって原料空気の流量が減少し、その結果、次のステップにおける再生ガスの流量を減少させ、ステップの時間を長くすることが必要な場合でも、前記精製器１６の入口における原料空気中の二酸化炭素濃度が一時的に上昇し、その二酸化炭素濃度の上昇からは、次のステップにおける再生ガスの流量の増加と、ステップの時間の短縮が必要となる場合がある。
【００２６】
すなわち、前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力、原料空気中の二酸化炭素濃度、炭化水素濃度又は亜酸化窒素濃度といった条件は、基本的に独立してステップの長さ、再生ガスの流量に影響を及ぼす要素である。本発明では、各要素から求められた最も短いステップの長さを採用するとともに、最も多い再生ガスの流量を採用するようにしているので、原料空気の条件に応じた最適なステップの長さ及び再生ガスの流量を設定することができる。したがって、各条件に応じて吸着工程及び再生工程を最適化できるので、各種不純物の除去及び吸着剤の再生を確実に行うことができる。
【００２７】
また、本発明では、前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力、原料空気中の二酸化炭素濃度、炭化水素濃度及び亜酸化窒素濃度といった各種条件の内、任意の要素の一つだけを採用してもよい。しかし、より多くの場合にも前記精製器の適切な運転を担保するためには、前記精製器の入口における原料空気の流量、温度及び圧力を基に単位時間あたりの移動平均を算出する方法、前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力及び前記精製器の入口における原料空気中の二酸化炭素濃度を基に単位時間あたりの移動平均を算出する方法、又は、前記精製器の入口における原料空気の流量、温度、圧力及び前記精製器の入口における原料空気中の二酸化炭素濃度、炭化水素又は亜酸化窒素の濃度を基に単位時間あたりの移動平均を算出する方法を採用することが望ましい。
【００２８】
さらに、本発明では、特定のステップの長さと再生ガスの流量とを対応させることが可能である。つまり、前のステップから求められた次のステップの運転ステップの長さが１０％長くなった場合、単純に再生ガスの流量を１０％減少させることができる。つまり、各ステップにおいて、運転ステップの長さと再生ガスの流量との積の値を一定とすることができる。このような制御方法を採用すると、各制御方法において、各要素からステップの長さのみを演算すればよく、再生ガスの流量は簡単に決めることができる。
【００２９】
なお、１ステップの時間は任意に設定することができ、測定間隔も任意に設定することができる。また、空気液化分離装置の起動時などの特別+な場合は、運転状態が安定するまで制御を行わないように設定することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１１…前処理設備、１２…深冷部、１３…空気濾過器、１４…圧縮機、１５…予冷設備、１６…精製器、１７…吸着塔、１８…再生ガス供給部、１８ａ…加熱器、１８ｂ…バイパス経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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