(57)【要約】【課題】  気液分離槽３１〜３４と、水素・低圧メタン分離槽５１と、脱メタン塔６１と、還流槽７１と、深冷熱交換器４１とを備えた深冷系１において、深冷熱交換器４１における冷却の度合いを安定して制御でき、かつ、系１の能力を十分に生かして、エネルギー損失の少ない運転を行なうことが可能な、深冷系１の制御システム９を提供する。【解決手段】  （Ｉ）水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度を取得する温度取得手段９−１と、（II）低圧メタン留分、中圧メタン留分及び高圧メタン留分の各流量を取得する流量取得手段９−２１〜９−２３と、（III）温度取得手段９−１により取得される温度と、流量取得手段９−２１〜９−２３により取得される各流量に基づいて、深冷熱交換器４１による冷却の度合いを制御する冷却度制御手段９−３とを備えて構成する。【選択図】  図１
2006084063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）水素，メタン及び炭素数２以上の炭化水素（以下「Ｃ２＋留分」という。）を含む原料を供給されて、これを気相成分と液相成分とに分離する気液分離槽と、
（Ｂ）該気液分離槽により分離された気相成分を、水素留分とメタン留分（以下「低圧メタン留分」という。）とに分離する水素・低圧メタン分離槽と、
（Ｃ）該気液分離槽により分離された液相成分を蒸留し、メタン留分を分離する脱メタン塔と、
（Ｄ）該脱メタン塔の塔頂成分を冷却し、気相成分をメタン留分（以下「高圧メタン留分」という。）として分離するとともに、得られた液相成分のうち一部をメタン留分（以下「中圧メタン留分」という。）として更に分離し、残りを該脱メタン塔に還流する還流槽と、
（Ｅ）該気液分離槽の各段で分離された気相成分を、該水素・低圧メタン分離槽により分離された水素留分及び低圧メタン留分、並びに、該還流槽により分離された中圧メタン留分及び高圧メタン留分と熱交換させることにより冷却する深冷熱交換器と
を備えた深冷系に設けられ、該深冷熱交換器による冷却の度合いを制御するシステムであって、
（Ｉ）該水素・低圧メタン分離槽に関する温度を取得する温度取得手段と、
（II）低圧メタン留分、中圧メタン留分及び高圧メタン留分の各流量を取得する流量取得手段と、
（III）該温度取得手段により取得される該水素・低圧メタン分離槽に関する温度と、該流量取得手段により取得される低圧メタン留分、中圧メタン留分及び高圧メタン留分の各流量に基づいて、該深冷熱交換器による冷却の度合いを制御する冷却度制御手段と
を備えたことを特徴とする、深冷系の制御システム。
【請求項２】
該冷却度制御手段が、
該流量取得手段により取得される低圧メタン留分、中圧メタン留分及び高圧メタン留分の各流量に基づいて、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率を算出する比率算出手段と、
該温度取得手段により取得される該水素・低圧メタン分離槽に関する温度と、該比率算出手段により算出される全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率とに基づいて、該深冷熱交換器による冷却の度合いを調整する冷却度調整手段とを備えて構成される
ことを特徴とする、請求項１記載の深冷系の制御システム。
【請求項３】
該冷却度調整手段が、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率を限界値と比較し、その比較結果に基づいて、該深冷熱交換器による冷却の度合いを調整する
ことを特徴とする、請求項２記載の深冷系の制御システム。
【請求項４】
該冷却度調整手段が、中圧メタン留分の流量を調整することにより、該深冷熱交換器による冷却の度合いを調整するように構成された
ことを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の深冷系の制御システム。
【請求項５】
該冷却度調整手段が、深冷系の圧力を調整することにより、該深冷熱交換器による冷却の度合いを調整するように構成された
ことを特徴とする、請求項２〜４の何れか一項に記載の深冷系の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エチレン製造プラントに代表される各種の化学プラント等において主に用いられる深冷系の制御システムに関する。詳しくは、水素，メタン及び炭素数２以上の炭化水素（以下「Ｃ２＋留分」という。）を含む原料を気液分離槽で分離する際に、気相成分を深冷熱交換器によって冷却するとともに、深冷熱交換器の冷媒として、後段で分離された水素留分、低圧メタン留分、中圧メタン留分、高圧メタン留分を用いるように構成された深冷系において、深冷熱交換器による冷却の度合いを制御するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、化学プラントの一種であるエチレン製造プラントを例に挙げて、本発明の背景となる従来技術について説明する。但し、本発明の適用対象範囲は、この例に限定されるものではない。
エチレン製造プラントの典型的な構成の例としては、ナフサ等の原料を分解炉にて熱分解する工程（分解工程）と、得られた分解ガスを急冷・精留する工程（急冷工程）と、急冷・精留された分解ガスを圧縮する工程（圧縮工程）と、圧縮された分解ガスを各成分に分離・精製し、主製品であるエチレン、プロピレン等を得る工程（精製工程）とを備えた構成が挙げられる。
【０００３】
これらのうち、特に精製工程では、先の圧縮工程で圧縮され、水分を完全に除去された分解ガスが、深冷熱交換器にて冷却され、水素留分及び一部のメタン留分（低圧メタン留分）が分離された後、脱メタン塔へフィードされる。脱メタン塔では、塔頂部より残りのメタン留分（中圧メタン留分及び高圧メタン留分）が分離された後、塔底部液は後工程に送られる。後工程では、脱エタン塔、エチレン塔、脱プロパン塔、プロピレン精留塔、脱ブタン塔等の蒸留塔を経由することにより、各成分が分離される。なお、これらの蒸留塔の種類やその順番が異なるプロセスもある。
以下、精製工程の中でも、深冷熱交換器及び脱メタン塔を含む系（以下「脱メタン塔まわりの深冷系」あるいは単に「深冷系」という。）について、より詳細に説明する。
【０００４】
図２は、一般的なエチレンプラントの精製工程における、脱メタン塔まわりの深冷系の構成の一例を模式的に示す図である。図２の深冷系１は、複数の熱交換器２１〜２５、多段（図では４段）の気液分離槽３１〜３４、深冷熱交換器４１、水素・低圧メタン分離槽５１、脱メタン塔６１、還流槽７１、調節弁８１〜８８を備えている。
【０００５】
前段（通常は圧縮工程）から送られてくる分解ガスａ（以下、この分解ガスａを原料と呼ぶことがある。）は、水素、メタン及び炭素数２以上の炭化水素を含んでいる。この分解ガスａは熱交換器２１で冷却され、その一部が凝縮・液化した状態（気液混相流体ａ’）となって、第１段の気液分離槽３１に送られる。
【０００６】
第１段の気液分離槽３１では、送られてきた気液混相流体ａ’が液相成分ｂと気相成分ｃとに分離され、液相成分ｂは後述の脱メタン塔６１へ送られる（なお、第１段の気液分離槽３１から脱メタン塔６１への経路上には通常、液相成分ｂの流量を調節するための流量調節弁８１が設けられる。）。一方、気相成分ｃは深冷熱交換器４１に送られて冷却され、更に熱交換器２２により冷却され、その一部が凝縮・液化した状態（気液混相流体ｃ’）となって、第２段の気液分離槽３２に送られる。
【０００７】
第２段の気液分離槽３２では、送られてきた気液混相流体ｃ’が液相成分ｄと気相成分ｅとに分離され、液相成分ｄは後述の脱メタン塔６１へ送られる（なお、第２段の気液分離槽３２から脱メタン塔６１への経路上には通常、液相成分ｄの流量を調節するための流量調節弁８２が設けられる。）。一方、気相成分ｅは深冷熱交換器４１に送られて冷却され、更に熱交換器２３により冷却され、その一部が凝縮・液化した状態（気液混相流体ｅ’）となって、第３段の気液分離槽３３に送られる。
【０００８】
第３段の気液分離槽３３では、送られてきた気液混相流体ｅ’が液相成分ｆと気相成分ｇとに分離され、液相成分ｆは後述の脱メタン塔６１へ送られる（なお第３段の気液分離槽３３から脱メタン塔６１への経路上には通常、液相成分ｆの流量を調節するための流量調節弁８３が設けられる。）。一方、気相成分ｇは深冷熱交換器４１に送られて冷却され、更に熱交換器２４により冷却されて、その一部が凝縮・液化した状態（気液混相流体ｇ’）となって、第４段の気液分離槽３４に送られる。
【０００９】
第４段（最終段）の気液分離槽３４では、送られてきた気液混相流体ｇ’が液相成分ｈと気相成分ｉとに分離され、液相成分ｈは後述の脱メタン塔６１へ送られる（なお、第４段の気液分離槽３４から脱メタン塔６１への経路上には通常、液相成分ｈの流量を調節するための流量調節弁８４が設けられる。）。一方、気相成分ｉは深冷熱交換器４１に送られて冷却され、その一部が凝縮・液化した状態（気液混相流体ｉ’）となって、水素・低圧メタン分離槽５１に送られる。
【００１０】
水素・低圧メタン分離槽５１では、送られてきた気液混相流体ｉ’が液相成分ｊと気相成分ｋとに分離される。気相成分ｊ（主に水素からなる。）は、水素留分として深冷熱交換器４１に送られ、冷媒として用いられる。一方、液相成分ｇ（主にメタンからなる。）は、流量調節弁８５にてフラッシュされて圧力と温度を低下させられた上で、低圧メタン留分として深冷熱交換器４１に送られ、やはり冷媒として用いられる。
【００１１】
脱メタン塔６１では、気液分離槽３１〜３４から送られてきた液相成分ｂ，ｄ，ｆ，ｈが蒸留されるとともに、塔底よりＣ２＋留分ｌが分離され、後工程ヘとフィードされる。また、脱メタン塔６１の塔頂から分離された成分（塔頂成分）ｍは、塔頂コンデンサ（熱交換器）２５に送られて冷却され、その一部が凝縮・液化した状態（気液混相流体ｍ’）となって、還流槽７１に送られて気液分離される。分離された液相成分の一部ｎは、還流液として脱メタン塔６１へ還流される（なお、還流槽７１から脱メタン塔６１への経路上には通常、還流液ｎの流量を調節するための流量調節弁８６が設けられる。）。液相成分の残りｏ（主にメタンからなる。）は、流量調節弁８７でフラッシュされ、圧力と温度を低下させられて、中圧メタン留分として深冷熱交換器４１に送られ、冷媒として用いられる。また、還流糟７１で分離された気相成分ｐ（主にメタンからなる。）は、高圧メタン留分として深冷熱交換器４１に送られ、やはり冷媒として用いられる（なお、還流槽７１から深冷熱交換器４１への経路上には通常、高圧メタン留分ｐの流量を調節するための流量調節弁８８が設けられる。）。
【００１２】
なお、図２では上述の様に、気液分離槽３１〜３４が４段の場合について説明しているが、気液分離槽の段数が異なる場合もその流れは同様であって、前段から送られてくる気液混相流体が各段の気液分離槽において分離され、液相成分は脱メタン塔へと送られる一方で、気相成分は深冷熱交換器（及び熱交換器）によって冷却され、その一部が凝縮・液化した状態（気液混相流体）で、次段の気液分離槽に（最終段の気液分離槽の場合には、水素・低圧メタン分離槽に）送られるように構成される。また、単一段の気液分離槽の場合も同様に、前段から送られてくる気液混相流体である分解ガス（原料）が分離するとともに、液相成分は脱メタン塔へと送られる一方で、気相成分は深冷熱交換器（及び熱交換器）によって冷却され、その一部が凝縮・液化した状態（気液混相流体）で、水素・低圧メタン分離槽に送られるように構成される。
【００１３】
また、図２では、深冷熱交換器４１と第１段を除く各段の気液分離槽３２〜３４との間に熱交換器２２〜２４が設けられているが、熱交換器の数や配置等は任意である。例えば、各段の気液分離槽間において、一部の熱交換器が省かれていても良く、複数の熱交換器が設けられていても良い。
【００１４】
また、図２では、気液分離槽３１〜３４により得られた気体成分ｃ，ｅ，ｇ，ｉが全て単一の深冷熱交換器４１により冷却される構成となっているが、複数の深冷熱交換器が設けられて、これらの気体成分ｃ，ｅ，ｇ，ｉが別個に冷却されるように構成される場合もある。例えば、最終段以外の気液分離槽３１〜３３により得られた気体成分ｃ，ｅ，ｇを冷却する第１の深冷熱交換器と、最終段の気液分離槽３４により得られた気体成分ｉを冷却する第２の深冷熱交換器とを、別個独立に設ける構成等が挙げられる。
【００１５】
なお、複数の深冷熱交換器を設ける場合、全ての深冷熱交換器で同じ組み合わせの冷媒を使用してもよいが、深冷熱交換器毎に使用する冷媒の組み合わせを変える場合もある。例えば、上述したように第１及び第２の深冷熱交換器を設ける場合であれば、第１の深冷熱交換器では水素留分ｉ，低圧メタン留分ｋ，中圧メタン留分ｏ，高圧メタン留分ｐの全てを冷媒として使用する一方で、第２の深冷熱交換器では水素留分ｉ及び低圧メタン留分ｋのみを冷媒として使用する、等の構成が挙げられる。
【００１６】
また、図２では、気液分離槽３１〜３４により得られた液相成分ｂ，ｄ，ｆ，ｈが何れも脱メタン塔６１へと直接、送られる構成となっているが、これらの液相成分に熱交換等の処理を行なった後で、脱メタン塔へと送るように構成される場合もある。例えば、これらの液相成分ｂ，ｄ，ｆ，ｈの一部又は全部がまず深冷熱交換器４１に送られて、深冷熱交換器４１の冷媒として使用された上で、熱交換により加熱されたこれらの成分ｂ，ｄ，ｆ，ｈが脱メタン塔６１へと送られる構成等が挙げられる。
【００１７】
更には、上述の水素留分ｉ，低圧メタン留分ｋ，中圧メタン留分ｏ，高圧メタン留分ｐ，気液分離槽３１〜３４の液相成分ｂ，ｄ，ｆ，ｈ等の他に、別の流体を深冷熱交換器４１等の冷媒として使用する構成としても良い。また、この深冷熱交換器４１等において、他の流体を併せて冷却する構成としても良い。
【００１８】
また、図２では、単一の脱メタン塔６１が設けられ、液相成分ｂ，ｄ，ｆ，ｈは全てこの脱メタン塔６１へ送られて蒸留される構成となっているが、複数の脱メタン塔が設けられる場合もある。例えば、脱メタン塔６１の前段に別の脱メタン塔（前処理脱メタン塔）を設け、第１段の気液分離槽３１により得られた液相成分ｂをまずこの前処理脱メタン塔で蒸留し、気相成分と液相成分とに分離した後、得られた気相成分を脱メタン塔６１に送って、他の気液分離槽３２〜３４によって得られた液相成分ｄ，ｆ，ｈとともに蒸留する構成等が挙げられる。
【００１９】
また、図２では、流量調節弁８１〜８８等により各メタン留分等の各種流体の流量調整を行なう構成となっているが、これらの流量調節弁の数、配置、調節対象などが適宜変形して実施される場合もある。また、流量調節弁の代わりに圧力調節弁等が設けられる場合もある。
【００２０】
以上のように、エチレンプラントの精製工程における、脱メタン塔まわりの深冷系の構成には、様々な変形例が存在するが、何れの変形例においても、水素，メタン及び炭素数２以上の炭化水素を含む原料を気液分離槽で分離する際に、気相成分を深冷熱交換器によって冷却するとともに、深冷熱交換器の冷媒として、後段で分離された水素留分、低圧メタン留分、中圧メタン留分、高圧メタン留分を用いるように構成されている点では同一である。以下、特に断り書きのある場合を除き、図２に示す深冷系１を前提として説明を行なうが、本発明において対象となる深冷系は図２に示すものには限られない。
【００２１】
【非特許文献１】「エチレンプラントにおける脱メタン塔のプレフラクショネーション」，近藤洋他：「分離技術」第２７巻，第４号，６（２３０）〜１１（２３５），１９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
このように、深冷熱交換器４１の冷媒としては、水素・低圧メタン分離槽５１及び還流槽７１において生成する水素留分ｊ、低圧メタン留分ｋ、中圧メタン留分ｏ、高圧メタン留分ｐが主に用いられているが、深冷熱交換器４１による冷却の度合いを調整する場合には、中圧メタン留分ｏの流量調節弁８７を操作して、この中圧メタン留分ｏの流量（以下、この値をＦMとする。）を変更するという手法が一般的である。液冷媒である中圧メタン留分ｏはフラッシュする際に多大な冷熱を発生し、冷媒としての効果が高いため、この手法は効果的であると考えられてきた。
【００２３】
しかしながら、深冷熱交換器４１による冷却効果を高めようとして、中圧メタン留分流量ＦMを増加させていった場合、深冷熱交換器４１の圧力損失増加により流量調節弁８７以降の中圧メタン留分ｏの圧力が増加するため、流量調節弁８７の差圧が低下する。中圧メタン留分ｏは液冷媒であるので、調節弁８７の差圧が低下するとフラッシュ量が低下し、発生する冷熱の低下を引き起こすため、深冷熱交換器４１での冷却効果が大きく低下してしまう。
【００２４】
具体的に、中圧メタン留分流量ＦMを増加させると、ある値（以下、この値をＦMｃとする。）まではそれに応じて深冷熱交換器４１での冷却効果が上昇するものの、その値ＦMｃを超えて更に中圧メタン留分流量ＦMを増加させると、深冷熱交換器４１における被冷却流体（気相成分ｃ，ｅ，ｇ，ｉ）の温度がそれ以上低下しなくなる、中圧メタン留分流量の限界値ＦMｃが存在する。よって、中圧メタン留分流量ＦMを調整することにより、深冷熱交換器４１での冷却効果の自動制御を行なう場合には、深冷熱交換器４１での冷却効果を上昇させようとして、その限界値ＦMｃを超えてもなお中圧メタンｏの流量ＦMを増加させてしまうため、制御不能となってしまうおそれがある。よって、中圧メタン留分流量の上限値（以下、この値をＦMｕとする。）を設け、この上限値ＦMＬを超えないように中圧メタン留分流量ＦMを制御していた。
【００２５】
中圧メタン留分流量の限界値ＦMｃは一定ではなく、分解ガスａの組成や系の圧力等の条件によって変化する。このため、従来は、限界値ＦMｃが変化した場合でも中圧メタン留分流量ＦMが限界値ＦMｃを超えることのないように、余裕代を持って中圧メタン留分流量の上限値ＦMｕを定め、その上限値ＦMｕを超えないようにして中圧メタン留分流量ＦMを調整していた。このため、中圧メタン留分流量ＦMが限界値ＦMｃよりも低く、ある程度の余裕がある場合でも、上限値ＦMｕに達した場合には、その上限値ＦMｕを超えて中圧メタン留分流量ＦMを増加させることができず、中圧メタン留分流量ＦMを低く抑えて運転せざるを得ない。水素留分ｊの純度を一定以上に維持するためには、例えば（ｉ）深冷系の圧力を上げる（このためには、例えば深冷系前段の圧縮系における圧縮機の動力を上げる必要がある。）、（ii）熱交換器２１〜２５による冷却の度合いを上げる、等の手段を講じる必要があり、何れの場合にも運転時のエネルギー損失が大きくなってしまうという課題があった。また、圧縮系における圧縮機の能力や、熱交換器２１〜２５の能力が限界に達してしまった場合には、それ以上の冷却効果を得ることはできず、ひいては主製品であるエチレンやプロピレン等の生産量が制限されてしまうという課題があった。
【００２６】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、深冷熱交換器における冷却の度合いを安定して制御でき、かつ、系の能力を十分に生かして、エネルギー損失の少ない運転を行なうことが可能な、深冷系の制御システムを提供することに存する。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、中圧メタン流量のみを指標とするのではなく、低圧メタン、中圧メタン及び高圧メタンの各流量を測定し、これらと最終段の気液分離槽の温度とを利用して制御を行なうことで、深冷熱交換器における冷却の度合いを安定的に制御しながら、従来よりも冷却効果を高めることが可能となり、上記課題が効果的に解決されることを見出して、本発明を完成するに至った。
【００２８】
即ち、本発明の趣旨は、（Ａ）水素，メタン及び炭素数２以上の炭化水素（以下「Ｃ２＋留分」という。）を含む原料を供給されて、これを気相成分と液相成分とに分離する気液分離槽と、（Ｂ）該気液分離槽により分離された気相成分を、水素留分とメタン留分（以下「低圧メタン留分」という。）とに分離する水素・低圧メタン分離槽と、（Ｃ）該気液分離槽により分離された液相成分を蒸留し、メタン留分を分離する脱メタン塔と、（Ｄ）該脱メタン塔の塔頂成分を冷却し、気相成分をメタン留分（以下「高圧メタン留分」という。）として分離するとともに、得られた液相成分のうち一部をメタン留分（以下「中圧メタン留分」という。）として更に分離し、残りを該脱メタン塔に還流する還流槽と、（Ｅ）該気液分離槽の各段で分離された気相成分を、該水素・低圧メタン分離槽により分離された水素留分及び低圧メタン留分、並びに、該還流槽により分離された中圧メタン留分及び高圧メタン留分と熱交換させることにより冷却する深冷熱交換器とを備えた深冷系に設けられ、該深冷熱交換器による冷却の度合いを制御するシステムであって、（Ｉ）該水素・低圧メタン分離槽に関する温度を取得する温度取得手段と、（II）低圧メタン留分、中圧メタン留分及び高圧メタン留分の各流量を取得する流量取得手段と、（III）該温度取得手段により取得される該水素・低圧メタン分離槽に関する温度と、該流量取得手段により取得される低圧メタン留分、中圧メタン留分及び高圧メタン留分の各流量に基づいて、該深冷熱交換器による冷却の度合いを制御する冷却度制御手段とを備えたことを特徴とする、深冷系の制御システムに存する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の深冷系の制御システムによれば、深冷熱交換器における冷却の度合いを安定して制御することができ、かつ、系の能力を十分に生かして、エネルギー損失の少ない運転を行なうことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨に反しない限りにおいて種々変形して実施することができる。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態に係る制御システムを適用した深冷系の構成の一例を模式的に示す図である。図１に示す深冷系１の基本的な構成は、図２に示した従来の深冷系１の構成と同一である。即ち、図１の深冷系１は、複数の熱交換器２１〜２５、多段（図では４段）の気液分離槽３１〜３４、深冷熱交換器４１、水素・低圧メタン分離槽５１、脱メタン塔６１、還流槽７１、調節弁８１〜８８を備えている。なお、図２に示した各構成要素と同様の構成要素については、同一の符号により示している。
【００３２】
そして、図１に示す深冷系１には、深冷熱交換器４１，４２における冷却の度合いを制御すべく、制御システム９（深冷系の制御システム）が設けられている。制御システム９は、温度取得手段９−１と、流量取得手段９−２１〜９−２３と、冷却度制御手段９−３とを備えている。
【００３３】
温度取得手段９−１は、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度を取得するものである。ここで「水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度」とは、水素・低圧メタン分離槽５１の温度、又はこれと相関を有する温度を指す。図１の制御システム９では、水素・低圧メタン分離槽の温度と相関を有する温度として、気相成分ｉの温度を測定する場合を示している。図１において、温度取得手段９−１は、最終段の気液分離槽３４から水素・低圧メタン分離槽５１に至る気相成分ｉの経路上に設置されて、気相成分ｉの温度を連続的又は断続的に測定し、その測定値を後述する冷却度制御手段９−３に適宜入力するようになっている。
【００３４】
深冷熱交換器４１による被冷却流体（気相成分ｃ，ｅ，ｇ，ｉ）の冷却の度合いは、水素・低圧メタン分離槽５１の温度、又はこれと相関を有する温度を指標として評価できる。即ち、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度（以下、これをＴｘとする。）が低ければ、深冷熱交換器４１による冷却が十分であるということである。よって、本発明では温度取得手段９−１によって水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘを取得し、この値を冷却度制御手段９−３に入力して、深冷熱交換器４１による冷却の度合いを制御する際の指標として用いている。
【００３５】
なお、水素・低圧メタン分離槽の温度と相関を有する温度を取得する場合、その取得箇所としては、後述の冷却度調整手段９−３２が中圧メタン留分ｏの流量を変更した場合に、この変更に対して素早く応答する箇所が好ましい。
【００３６】
流量取得手段９−２１〜９−２３は、低圧メタン留分ｋ、中圧メタン留分ｏ及び高圧メタン留分ｐの各流量を取得するもので、具体的には、低圧メタン留分ｋ、中圧メタン留分ｏ及び高圧メタン留分ｐの各流路に設置されて、対応する流量を連続的又は断続的に測定し、その測定値を後述する冷却度制御手段９−３に適宜入力するようになっている。
【００３７】
中圧メタン留分ｏの流量のみに着目すると、上述のように、深冷熱交換器４１による冷却効果の上昇が見込める限界値は分解ガスａの組成や系の圧力等の条件によって変化してしまうため、余裕代を持って中圧メタン留分ｏ流量の上限値を定める必要があり、従来はそれが原因で、系の能力を十分に生かしたエネルギー損失の少ない運転を行なうことが困難であった。しかし、本発明では、低圧メタン留分ｋ、中圧メタン留分ｏ及び高圧メタン留分ｐの各流量を流量取得手段９−２１〜９−２３によって取得し、これらの値を冷却度制御手段９−３に入力して、深冷熱交換器４１による冷却の度合いを制御する際の指標として用いている。
【００３８】
冷却度制御手段９−３は、温度取得手段９−１から入力される、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度（図１では気相成分ｉの温度）と、流量取得手段９−２１〜９−２３から入力される低圧メタン留分ｋ、中圧メタン留分ｏ及び高圧メタン留分ｐの各流量とに基づいて、深冷熱交換器４１による冷却の度合いを制御するものである。具体的に、冷却度制御手段９−３は、比率算出手段９−３１と、冷却度調整手段９−３２とを備えて構成される。
【００３９】
比率算出手段９−３１は、流量取得手段９−２１〜９−２３から低圧メタン留分ｋ、中圧メタン留分ｏ及び高圧メタン留分ｐの各流量を入力され、これらの流量に基づいて、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分の流量の比率を算出するように構成されている。ここで、全生成メタン留分量とは、低圧メタン留分流量と中圧メタン留分流量と高圧メタン留分流量の合計量を意味する。
【００４０】
具体的に、低圧メタン留分ｋの流量をＦL、中圧メタン留分ｏの流量をＦM、高圧メタン留分ｐの流量をＦHとすると、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分の流量の比率Ｒは、次式（１）で表される。
Ｒ＝ＦM／（ＦH＋ＦM＋ＦL）      （１）
比率算出手段９−３１はこの式（１）に基づいて、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分の流量の比率Ｒを算出するように構成されている。
【００４１】
一方、冷却度調整手段９−３２は、温度取得手段９−１から水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘを、また、比率算出手段９−３１から全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分の流量の比率Ｒをそれぞれ入力されるとともに、中圧メタン留分ｏの流量調整弁８７に接続され、これを通じて中圧メタン留分ｏの流量を調節できるように構成される。そして、温度取得手段９−１により取得される水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度と、比率算出手段９−３１により算出される全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分ｏの流量の比率Ｒとに基づいて、深冷熱交換器４１による冷却の度合いを調整するように構成されている。
【００４２】
発明者等の検討によると、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒと、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘとの間には相関が見られる。全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒを上昇させていくと、ある程度まではそれに応じて水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘが低下する（即ち、深冷熱交換器４１による冷却効果の向上がみられる）。しかし、ある値（以下、この値をＲｃとする。）を超えてなお全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒを上昇させると、それ以上は水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘが低下しなくなってしまう。即ち、値Ｒｃは、深冷熱交換器４１による冷却効果の上昇が見込める限界値である。
【００４３】
上述のように、中圧メタン留分流量ＦMのみに着目した場合には、深冷熱交換器４１による冷却効果の上昇が見込める限界値ＦMｃは、分解ガスａのフィード量等の条件によって変化してしまう。これに対して、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒの限界値Ｒｃは、分解ガスａのフィード量等の条件によって影響を受けず、ほぼ一定の値になる。よって、本発明では、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒをこの限界値Ｒｃと比較し、その結果に基づいて深冷熱交換器４１の度合いを制御することにより、深冷熱交換器４１の冷却能力を無駄なく発揮することを可能としている。
【００４４】
具体的に、冷却度調整手段９−３２は、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度基準値（以下、この値をＴｒとする。）を設定されており、温度取得手段９−１から入力される水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘをこの基準値Ｔｒと比較することにより、深冷熱交換器４１の冷却度合いが十分かどうかを判断するように構成されている。ここで、基準値Ｔｒとしては、通常は深冷系１の構成や環境条件・運転条件等に応じて適切な値を決定し、制御システム９の運用前又は運用中に、冷却度調整手段９−３２に設定しておく。
【００４５】
水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘが基準値Ｔｒよりも高く、深冷熱交換器４１による冷却を促進する必要がある場合には、冷却度調整手段９−３２は、比率算出手段９−３１から入力された全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒを、その限界値Ｒｃと比較する。なお、この限界値Ｒｃとしては、対象となる深冷系１の構成や環境条件・運転条件等に応じて、予め適切な値を算出し、制御システム９の運用に先立って、冷却度調整手段９−３２に記憶させておく。
【００４６】
比較の結果、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒが、その限界値Ｒｃよりも低い場合には、中圧メタン留分流量ｏにまだ余裕があるということになる。よって、このような場合に、冷却度調整手段９−３２は、中圧メタン留分ｏの流量調整弁８７を操作することにより、中圧メタン留分流量ＦMを増加させ、深冷熱交換器４１による冷却を促進するように構成される。
【００４７】
一方、比較の結果、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒが、その限界値Ｒｃと同一又はこれよりも高い値である場合には、中圧メタン留分流量ｏをこれ以上増加させても深冷熱交換器４１による冷却の促進は見込めないということになる。よって、このような場合に、冷却度調整手段９−３２は、中圧メタン留分流量ＦMを増加させることはせず、図示しない出力部（例えばディスプレイやスピーカ等）を通じて、その旨を知らせる信号（音声や画像等によるアラームやメッセージ等）を制御システム９外に発するように構成される。
【００４８】
一方、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘが基準値Ｔｒよりも低い場合には、深冷熱交換器４１による冷却が過剰で、エネルギーが無駄に消費されている状態であり、エネルギー効率の面では好ましくない。よって、このような場合に、冷却度調整手段９−３２は、中圧メタン留分ｏの流量調整弁８７を操作することにより、中圧メタン留分流量ＦMを減少させ、深冷熱交換器４１による冷却を抑制するように構成される。
【００４９】
以上の構成を有する制御システム９の動作を説明すると、まず、制御システム９の運用に先立ち、対象となる深冷系１の構成や環境条件・運転条件等に応じて、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率の限界値Ｒｃを算出し、冷却度調整手段９−３２に記憶させておく。
【００５０】
制御システム９の運用時には、温度取得手段９−１によって、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度が連続的又は断続的に測定され、その測定値が冷却度制御手段９−３に適宜入力される。また、流量取得手段９−２１〜９−２３によって、低圧メタン留分流量ｋ、中圧メタン留分流量ｏ及び高圧メタン留分流量ｐが連続的又は断続的に測定され、その測定値が冷却度制御手段９−３に適宜入力される。
【００５１】
比率算出手段９−３１は、流量取得手段９−２１〜９−２３から入力される低圧メタン留分流量ｋ、中圧メタン留分流量ｏ及び高圧メタン留分流量ｐの各流量に基づいて、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分の流量の比率Ｒを算出し、得られた値を冷却度調整手段９−３２に適宜入力する。
【００５２】
冷却度調整手段９−３２は、温度取得手段９−１から入力された水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘを、設定された基準値Ｔｒと連続的又は断続的に比較する。そして、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘが基準値Ｔｒよりも高く、深冷熱交換器４１による冷却を促進する必要がある場合には、冷却度調整手段９−３２は、比率算出手段９−３１から入力された全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒを、その限界値Ｒｃと比較する。
【００５３】
比較の結果、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒが、その限界値Ｒｃよりも低い場合には、冷却度調整手段９−３２は、中圧メタン留分ｏの流量調整弁８７を操作することにより、中圧メタン留分流量ＦMを増加させ、深冷熱交換器４１による冷却を促進させる。
【００５４】
一方、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒが、その限界値Ｒｃと同一又はこれよりも高い値である場合には、冷却度調整手段９−３２は、中圧メタン留分流量ＦMを増加させることはせず、その旨を知らせる信号を制御システム９外に通知する。制御システム９のオペレータは、この通知を受けて、深冷熱交換器４１による冷却不足を解消するための適切な対処法を選択して講じればよい。この様な対処法の例としては、（ｉ）例えば、深冷系前段の圧縮系における圧縮機の動力を上げることにより、深冷系全体の圧力を上げる、（ii）熱交換器２１〜２５による冷却度合いを上げる、等の手法が挙げられるが、通常は（ｉ）深冷系全体の圧力を上げる手法が用いられる。
【００５５】
一方、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘが基準値Ｔｒよりも低い場合には、冷却度調整手段９−３２は、中圧メタン留分ｏの流量調整弁８７を操作することにより、中圧メタン留分流量ＦMを減少させる。これによって、深冷熱交換器４１による冷却を抑制し、エネルギーの無駄な消費を防ぐことが可能となる。
【００５６】
以上、説明したように、本発明の制御システム９によれば、中圧メタン留分流量ＦMの増加によって深冷熱交換器４１での冷却効果の上昇が見込める場合のみ、流量調節弁８７を調節して中圧メタン留分流量ＦMを増加させる。すなわち、本実施形態の制御システム９によれば、従来技術のように、中圧メタン留分流量を限界値を超えてもなお増加させてしまい制御不能に陥るおそれがなく、安定的に深冷熱交換器４１での冷却の度合いを制御することが可能となる。また、冷却効果の上昇が見込める限界値ぎりぎりまで中圧メタン留分流量を増加させることができるので、系の能力を十分に生かして、エネルギー損失の少ない運転を行なうことが可能となる。
【００５７】
更には、中圧メタン留分留量流量ＦM等を操作変数として、また、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒや、水素・低圧メタン分離槽５１に関する温度Ｔｘ等を制御変数としてそれぞれ設定し、多変数モデル予測制御を行なうことにより、深冷熱交換器４１での冷却の度合いをより効率的に、安定して制御することが可能となる。更に、脱メタン塔６１の塔頂ガスの組成や塔底液の組成等を制御変数として、熱交換器２５の冷却温度等を操作変数としてそれぞれ用いて、脱メタン塔６１の制御を深冷熱交換器４１の制御と一体化させることにより、より安定した制御が可能となる。
【００５８】
なお、冷却度調整手段９−３２が、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒが限界値Ｒｃと同一又はこれよりも高い値である場合に、上述のように信号により通知するだけでなく、又は信号による通知の代わりに、中圧メタン留分流量の増加以外の手段を使って冷却の度合いを自動的に調整するようにしてもよい。具体的には、冷却度調整手段９−３２を、深冷系前段の冷却系に設置されている圧縮機や、深冷系内に設置されている種々の流量調節弁や熱交換器等と接続しておく。そして、全生成メタン留分量に対する中圧メタン留分流量の比率Ｒが限界値Ｒｃと同一又はこれよりも高い値である場合には、これらの圧縮機、流量調節弁や熱交換器を制御し、深冷系全体の圧力や、熱交換器による冷却の度合い等を調整することにより、深冷熱交換器４１による冷却不足を解消するように構成する。これによって、制御の更なる自動化が可能となる。なお、これらの深冷系全体の圧力や、熱交換器による冷却の度合いの自動調整についても、上述の多変数モデル予測制御に組み込んで、一体的に制御することが好ましい。
【００５９】
また、本発明の制御システムを適用可能な深冷系は、図１に示す構成のものに制限される訳ではなく、本発明の趣旨を超えない限りにおいて、従来技術の説明の欄で例示した各種の変形例を初めとする様々な構成の深冷系に適用することが可能である。例えば、これらの図に示された深冷系１は４段の気液分離槽３１〜３４を備えていたが、単段の気液分離槽や、段数が異なる多段の気液分離槽をそなえた深冷系に対して本発明を適用することも可能である。また、これらの図に示された深冷系１は単一の深冷熱交換器４１をそなえていたが、複数の深冷熱交換器をそなえて構成された深冷系に対して本発明を適用することも可能である。更には、熱交換器２１〜２５の各々の有無や位置が異なる構成の深冷系に対しても、本発明は適用可能である。何れも場合も、深冷系の構成や運転条件、制御の目的等に応じて、適切な変形を加えて本発明の制御システムを適用すればよい。
【００６０】
更に付言すれば、本発明の制御システムが適用可能な深冷系は、エチレン精製プラントの精製工程における脱メタン塔まわりの深冷系に限定されるものではない。水素，メタン及びＣ２＋留分を含む原料を多段気液分離槽で分離する際に、気相成分を深冷熱交換器によって冷却するとともに、深冷熱交換器の冷媒として、後段で分離された水素留分、低圧メタン留分、中圧メタン留分、高圧メタン留分を用いるように構成された深冷系であれば、各種の化学プラントやその他の様々な分野において用いられる任意の深冷系に、本発明を適用することが可能である。
【００６１】
なお、本発明の制御システムは、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ハードディスクや各種周辺機器等を備えた通常のコンピュータシステム（例えば各種ネットワークサーバ、ワークステーション、パーソナルコンピュータ等）を用いることによって、容易に実現することができる。こうしたコンピュータシステムでは、ＣＰＵがハードディスク等に記憶されたコンピュータプログラムに従って各種の演算処理を実行するとともに、ＣＰＵの各種演算処理に必要なデータがＲＡＭに適宜記憶・更新される。また、コンピュータシステムには更に各種の機器（キーボード、マウス等の入力機器、ディスプレイ、プリンタ等の出力機器、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ等の記憶媒体読取・書込装置、通信ネットワークとのインターフェースなど）が内蔵又は接続され、ＣＰＵの演算処理によって制御される。すなわち、これらＣＰＵ，ＲＡＭ，ハードディスク等や各種周辺機器等の機能によって、上記の各手段９−１，９−２１〜９−２３，９−３（９−３１，９−３２）が実現される。
【００６２】
本発明の制御システムの各手段９−１，９−２１〜９−２３，９−３（９−３１，９−３２）に相当する機能は、通常は、ハードディスクに記録されたコンピュータプログラムをＲＡＭに読み出し、そのコンピュータプログラムを起動してＣＰＵで実行することにより、ＣＰＵの動作として、又はＣＰＵとＲＡＭ，ハードディスク，各種周辺機器等との協動動作として実現される。ここで、このコンピュータプログラムを、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＭＯディスク等のコンピュータ読取可能な各種の記憶媒体に記録しておき、必要に応じて随時、コンピュータシステムが有する記憶媒体読取装置を通じて、これを直接、又はハードディスクにインストールして使用するのが好ましい。或いは、コンピュータシステムから情報通信ネットワークを通じてアクセス可能な外部記憶領域（他のコンピュータ等）に当該コンピュータプログラムを記録しておき、必要に応じて随時、前記の外部記憶領域から情報通信ネットワークを通じてこれを直接、又はハードディスクにインストールして使用するのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によれば、深冷熱交換器における冷却の度合いを安定して制御でき、かつ、系の能力を十分に生かして、エネルギー損失の少ない運転を行なうことが可能となる。従って、このような構成の深冷熱交換系が使用されている各種の分野、例えば、エチレン精製プラントに代表される各種の化学プラント等の分野において、極めて高い利用可能性を有するものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御システムを適用した、エチレンプラントの精製工程における脱メタン塔まわりの深冷系の構成を模式的に示す図である。
【図２】一般的なエチレンプラントの精製工程に用いられる従来の脱メタン塔まわりの深冷系の構成の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  深冷系
２１〜２５  熱交換器
３１〜３４  多段気液分離槽
４１  深冷熱交換器
５１  水素・低圧メタン分離槽
６１  脱メタン塔
７１  還流槽
８１〜８８  調節弁
９  深冷系の制御システム
９−１  温度取得手段
９−２１〜９−２３  流量取得手段
９−３  冷却度制御手段
９−３１  比率算出手段
９−３２  冷却度調整手段
【図１】
2006084063.tif 000003
【図２】
2006084063.tif 000004