(57)【要約】【課題】原料空気の供給を増量しても、パッキントレータイプの精留塔内のＬ／Ｖを一定にし、製品窒素中の酸素濃度の上昇を抑制する空気液化分離方法を提供する。【解決手段】原料空気圧縮機１１で圧縮された原料空気を、原料空気管２０を介して水洗冷却塔１２、ＭＳ吸着器１３、主熱交換器１４、高圧部１５ａと低圧部１５ｂとを有するパッキントレータイプの精留塔１５の順に供給して、精留塔１５で製品酸素及び製品窒素を生成する空気液化分離方法であって、原料空気の供給量を増量する際、精留塔１５に設けられた主凝縮器３０内の液面高さを計測し、一定時間毎の液面高さの変化量に相当する蒸発酸素ガス量を、低圧部１５ｂ内に発生する余剰酸素ガスの量として求め、余剰酸素ガスを精留塔１５から放散し、低圧部１５ｂ内の上昇ガスの一時的な増加を抑制する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を、原料空気管を介して水洗冷却塔、ＭＳ吸着器、主熱交換器、高圧部と低圧部とを有するパッキントレータイプの精留塔の順に供給して、前記精留塔で製品酸素及び製品窒素を生成する空気液化分離方法であって、
前記原料空気の供給量を増量する際、前記精留塔に設けられた主凝縮器内の液面高さを計測し、一定時間毎の前記液面高さの変化量に相当する蒸発酸素ガス量を、前記低圧部内に発生する余剰酸素ガスの量として求め、前記余剰酸素ガスを前記精留塔から放散し、前記低圧部内の上昇ガスの一時的な増加を抑制することを特徴とする、空気液化分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料空気から酸素及び窒素を分離する空気液化分離方法に関するものであり、殊に、製品窒素の酸素濃度上昇を抑制する空気液化分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば製鉄所などに設置される空気の液化分離装置、いわゆる深冷空気分離装置において、原料空気は、原料空気圧縮機により圧縮した後、水洗冷却塔で予冷され、さらにＭＳ吸着器で水分や炭酸ガスが除去されて、主熱交換器で冷却される。冷却された原料空気は、高圧部および低圧部を有する精留塔で酸素と窒素に分離され、酸素は製品酸素として、窒素は製品窒素として、それぞれ需要先に供給される。
【０００３】
近年主流となっているパッキントレータイプの精留塔は、従来の棚段式精留塔に比べて塔内の液ホールドアップ量が少ないため、負荷の変化に対して応答が速い反面、アンバランスになった場合に、純度の変化が大きくなる。すなわち、パッキントレータイプの精留塔においては、原料空気を増量し、精留塔の高圧部と低圧部との間に設けられた主凝縮器内の液体酸素の蒸発量が一時的に増大すると、これにより低圧部の塔内の上昇ガス量が過剰になり、製品窒素中の酸素濃度が上昇して純度が低下する。この主凝縮器の液面を一定に制御することは困難である。
【０００４】
特許文献１には、棚段式精留塔の低圧部において、原料空気の増量時に上昇ガスが減少してＬ／Ｖ（上昇ガスに対する下降液の比）が大きくなり、製品酸素中の酸素濃度（酸素純度）が低下することが記載されている。そして、それを解決するために、製品窒素中の酸素濃度を計測し、酸素濃度に応じて還流液化窒素量と廃窒素量を調整してＬ／Ｖを一定にすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６９９６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の精留塔は棚段式であり、原料空気増量時のＬ／Ｖの変化が、本発明が対象とするパッキントレータイプの精留塔とは異なる。そのため、パッキントレータイプの精留塔では同様の調整を行うことができない。また、パッキントレータイプの精留塔で応用するとしても、製品窒素中の酸素濃度を計測し、その計測値に応じてＬ／Ｖを調整しようとすると、一旦酸素濃度が上昇した後で遅れて制御することになるうえ、Ｌ／Ｖの上下動が収束して適切なレベルになるまでに時間を要するという問題がある。そのため、パッキントレータイプの精留塔において、原料空気増量時の製品窒素中の酸素濃度上昇を抑制して製品窒素の品質を安定させる方法が求められている。なお、製品窒素中の酸素濃度は、製品としての品位を確保するために、少なくとも１０ｐｐｍを下回っている必要があり、その中でもより低濃度にすることが求められている。
【０００７】
すなわち、本発明の目的は、原料空気の供給を増量しても、パッキントレータイプの精留塔内のＬ／Ｖを一定にし、製品窒素中の酸素濃度の上昇を抑制する空気液化分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明は、原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を、原料空気管を介して水洗冷却塔、ＭＳ吸着器、主熱交換器、高圧部と低圧部とを有するパッキントレータイプの精留塔の順に供給して、前記精留塔で製品酸素及び製品窒素を生成する空気液化分離方法であって、前記原料空気の供給量を増量する際、前記精留塔に設けられた主凝縮器内の液面高さを計測し、一定時間毎の前記液面高さの変化量に相当する蒸発酸素ガス量を、前記低圧部内に発生する余剰酸素ガスの量として求め、前記余剰酸素ガスを前記精留塔から放散し、前記低圧部内の上昇ガスの一時的な増加を抑制することを特徴とする、空気液化分離方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、原料空気を増量しても、パッキントレータイプの精留塔内のＬ／Ｖを一定にし、製品窒素の純度を安定させることができる。そのため、原料空気の増量速度を高速化させることができ、製品酸素の需要量に広く且つ迅速に対応できる。しかも、制御ソフトを改造するだけで、既存の装置のままで実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の実施形態にかかる深冷空気分離装置の構成を示す図である。
【図２】図１の深冷空気分離装置における経時変化を示すグラフであり、（ａ）は原料空気の流量、（ｂ）は主凝縮器の液面高さ、（ｃ）は余剰酸素ガス量、（ｄ）は製品窒素中の酸素濃度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる深冷空気分離装置１の構成を示す図である。なお、図１では、酸素の流れを太い点線、窒素の流れを細い点線で示している。
【００１２】
深冷空気分離装置１は、吸入フィルタ１０を介して吸い込まれた空気を圧縮して原料空気として供給する原料空気圧縮機１１と、冷却水と原料空気とを接触させることで原料空気の冷却及び除塵を行う水洗冷却塔１２と、水洗冷却塔１２を通過した原料空気から水と二酸化炭素を除去するＭＳ（Molecular Sieve）吸着器１３と、原料空気を所定の温度まで冷却する主熱交換器１４と、原料空気から製品酸素と製品窒素とに分離するパッキントレータイプの精留塔１５と、を有している。これらの機器は、原料空気管２０を介して、この順で直列に接続されている。
【００１３】
精留塔１５は、高圧で温度が高い高圧部１５ａと、高圧部よりも低圧で温度が低い低圧部１５ｂとを有している。なお、本実施の形態では、低圧部１５ｂは高圧部１５ａの上方に配置されているが、そうした態様に限らず、低圧部１５ｂと高圧部１５ａを別置タイプにする等といった種々の態様とすることも可能である。主熱交換器１４を通って精留塔１５の高圧部１５ａへ接続される原料空気管２０は、その一部が分岐し、その分岐管２０ａは膨張タービン２２を介して低圧部１５ｂに接続されている。低圧部１５ｂに送られる原料空気は、膨張タービン２２により減圧されることで、高圧部１５ａに送られる原料空気よりも低温になる。
【００１４】
低圧部１５ｂの上部には、低圧部１５ｂから純度の高い製品窒素を抽出する窒素抽出管３１が設けられている。窒素抽出管３１により抽出された製品窒素は、過冷却器４１を通過した後、主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換が行われる。
【００１５】
また、低圧部１５ｂの下部には、低圧部１５ｂから製品酸素を抽出する酸素抽出管３２が設けられている。酸素抽出管３２により抽出された製品酸素は、主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換が行われる。
【００１６】
低圧部１５ｂの上部の、窒素抽出管３１との接合部よりも下方には、製品窒素よりも純度の低い廃窒素を抽出する廃窒素抽出管３３が設けられている。廃窒素抽出管３３により抽出された廃窒素は、過冷却器４４を通過し、さらに主熱交換器１４で原料空気と熱交換を行った後、ＭＳ吸着器１３に送られる。ＭＳ吸着器１３では、ＭＳ吸着器１３に吸着した二酸化炭素や水分を廃窒素により除去する再生工程が行われる。
【００１７】
高圧部１５ａの底部には、液体空気抽出管３４が設けられている。液体空気抽出管３４から抽出された液体空気は、過冷却器４１および膨張弁４２により低圧部１５ｂの圧力に減圧された後、低圧部１５ｂの高さ方向中央部に導入される。
【００１８】
高圧部１５ａの上部には頂部還流窒素抽出管３５が設けられている。頂部還流窒素抽出管３５から抽出された中圧窒素ガスは、過冷却器４１および膨張弁４３により低圧部１５ｂの圧力に減圧された後、低圧部１５ｂの上部に導入されて還流液化窒素となる。さらに、高圧部１５ａの高さ方向中央部には中部還流窒素抽出管３６が設けられ、中部還流窒素抽出管３６から抽出された窒素ガスは、過冷却器４４および膨張弁４５により低圧部１５ｂの圧力に減圧された後、低圧部１５ｂの上部の、頂部還流窒素抽出管３５からの導入部分よりも下方に導入されて還流液化窒素となる。
【００１９】
高圧部１５ａと低圧部１５ｂとは、主凝縮器３０を介して接続されている。主凝縮器３０は、精留塔１５内の高圧部１５ａと低圧部１５ｂとの間に内蔵されてもよい。
【００２０】
さらに、窒素抽出管３１および廃窒素抽出管３３には、窒素中の酸素濃度をモニタするために、精留塔１５に近い位置にそれぞれ酸素濃度計５１、５２が設置されている。
【００２１】
以上の深冷空気分離装置１には、制御部１００が設けられている。制御部１００は、例えばＣＰＵやメモリなどを備えたコンピュータにより構成され、各種機器の動作状態の監視や動作の制御、後述する各計測機器の測定値を用いた演算、弁の開閉制御等を行う。
【００２２】
次に、上記の深冷空気分離装置１を用いた、本実施形態にかかる空気液化分離方法を説明する。
【００２３】
深冷空気分離装置１で製品酸素及び製品窒素を生成するにあたっては、先ず、原料空気圧縮機１１で圧縮されて高温高圧となった原料空気が、水洗冷却塔１２に供給される。このとき、原料空気圧縮機１１出口の原料空気の温度は、概ね１００℃程度である。
【００２４】
水洗冷却塔１２では、原料空気が１０℃程度まで冷却されるとともに除塵が行われる。除塵された原料空気は、ＭＳ吸着器１３に供給される。ＭＳ吸着器１３では、精留塔１５での氷の発生を防止するために、原料空気から水分と二酸化炭素が除去される。
【００２５】
ＭＳ吸着器１３を通過した原料空気は、主熱交換器１４に供給されて、主熱交換器１４により例えば約−１７０℃程度まで冷却される。冷却された原料空気は、一部液化した状態で高圧部１５ａに供給され、高圧部１５ａの底部には液体空気が徐々に溜まっていく。また、ＭＳ吸着器１３を通過した原料空気の一部は分岐管２０ａにより膨張タービン２２に導かれ、膨張タービン２２で減圧された原料空気が低圧部１５ｂに供給される。
【００２６】
高圧部１５ａでは、原料空気が粗精留され、液体空気と窒素に分離される。高圧部１５ａで分離された窒素は、主凝縮器３０で凝縮されて液化され、液化された窒素は低圧部１５ｂの上部に還流する。また、高圧部１５ａで分離された液体空気は、液体空気抽出管３４を通り膨張弁４２を介して気液混合状態で低圧部１５ｂの中間部に供給される。
【００２７】
低圧部１５ｂでは、原料空気がさらに精留され、低圧部１５ｂの上部には窒素が溜まり、低圧部１５ｂの上部ほど窒素の純度が高くなる。また、低圧部１５ｂの下部には製品酸素が溜まる。低圧部１５ｂの上部に溜まった純度の高い製品窒素は、窒素抽出管３１を通って主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換が行われて昇温し、図示しない圧縮機で所定圧力に圧縮されて需要先へ供給される。
【００２８】
また、低圧部１５ｂの下部に溜まった製品酸素は、酸素抽出管３２を通って主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換が行われて昇温し、図示しない圧縮機で所定圧力に圧縮されて需要先へ供給される。また、主熱交換器１４で熱交換が行われた後、酸素抽出管３２の一部が分岐して、その分岐管３２ａからは、余剰分の酸素ガスが放散される。
【００２９】
以下、余剰酸素ガスの放散について説明する。
【００３０】
製品酸素の需要は、例えば製鉄所の場合、３０分程度の時間毎に大きく変動することがある。上記の深冷空気分離装置１において、製品酸素の需要が増える時間帯には、先ず原料空気の供給量を増やす。ところが、原料空気の供給量が増えると、高圧部１５ａにおいて温度の高い上昇ガスの量が増加し、高圧部１５ａに接続された主凝縮器３０の液蒸発が一時的に増え、主凝縮器３０に接続された低圧部１５ｂの下降液に対する上昇ガスの割合が増え、低圧部１５ｂのＬ／Ｖすなわち上昇ガスに対する下降液の比が小さくなり、その結果として、製品窒素中の酸素濃度が上昇するとともに、主凝縮器３０の液面が下がる。
【００３１】
図２（ａ）〜（ｄ）は、原料空気流量（ａ）が増量された場合に、主凝縮器３０の液面高さ（ｂ）、低圧部１５ｂ内の余剰酸素ガス量（ｃ）、製品窒素中の酸素濃度（ｄ）が経時変化する様子をそれぞれ示すグラフであり、０分時に原料空気の増量を開始し、４０分で主凝縮器３０の液面がほぼ安定したことを示している。なお、原料空気の流量は、例えばオリフィス流量計により計測する。主凝縮器３０の液面は、例えば差圧式液面計で計測する。製品窒素中の酸素濃度は、例えばガルバニ電池式の微量酸素濃度計で計測する。これらの各計測器は、制御部１００に接続される。
【００３２】
図２（ａ）に示すように原料空気を増量し始めると、主凝縮器３０による熱交換量が多くなって上昇ガスが増加し、図２（ｂ）に示すように、主凝縮器３０の液面高さが一時的に急激に下がる。主凝縮器３０の液面は外気温や圧力等の要因によっても変動するが、急激に液面が下がると液体酸素の蒸発量が増大し、図２（ｃ）の実線で示すように低圧部１５ｂ内の余剰酸素ガスが一時的に増加する。そして、余剰酸素ガスの増加から少し遅れたタイミングで、図２（ｄ）の実線で示すように、製品窒素中の酸素濃度が上昇する。窒素中の酸素濃度が例えば１０ｐｐｍを超えると製品窒素として好ましくないため、製品窒素の供給を止めなければならない。本発明では、主凝縮器３０の液面の変化から余剰酸素ガス量を求め、余剰酸素ガスを外部へ放散することにより、製品窒素中の酸素濃度の上昇を抑制することとした。
【００３３】
余剰酸素ガス量は、主凝縮器３０の液面の変化率から計算により求めてもよいし、あるいは試運転を行って予め計測しておくことで、主凝縮器３０の液面の変化率と余剰酸素ガス増加量との関係を求めておいてもよい。そして、原料空気を増量した際に、主凝縮器３０の液面高さの変化量を計測し、制御部１００によって、その変化量に相当する蒸発酸素ガス量を余剰酸素ガス量として求め、その余剰酸素ガスを分岐管３２ａから放散する。こうして、精留塔１５の低圧部１５ｂに一時的に増加した酸素の上昇ガスを放散することで、Ｌ／Ｖの変動を抑制し、製品窒素の純度を適正に保つことができる。
【００３４】
製品窒素および廃窒素中の酸素濃度は、窒素抽出管３１および廃窒素抽出管３３にそれぞれ設けられた酸素濃度計５１、５２によって計測し、確認する。
【００３５】
ここで、主凝縮器３０の液面の変化率から余剰酸素ガス量を算出する方法について説明する。
【００３６】
時間Δｔの主凝縮器３０の液面高さの変化量をΔＬ（ｍ）、主凝縮器３０内の液面近傍における断面積をＳ（ｍ２）、主凝縮器３０の液体酸素の液密度をρ（１．１４ｔｏｎ／ｍ３）、液体酸素１ｔｏｎ当たりの蒸発酸素ガス体積換算量を１６８Ｎｍ３／ｔｏｎとすると、
余剰酸素ガス量（Ｎｍ３）＝（ΔＬ×Ｓ×ρ×１６８）／Δｔ      （１）
で求められる。
【００３７】
主凝縮器３０の液面変化を、例えば２分間毎に差圧式液面計で計測し、この計測値から、上記式（１）で計算した余剰酸素ガス量を求める。図２（ｃ）の実線が、この計算により求めた余剰酸素ガス量であり、これに基づいて、余剰酸素ガスを、酸素抽出管３２から分岐した分岐管３２ａの弁を開いて放散する。さらに、窒素抽出管３１に設けた酸素濃度計５１で、製品窒素中の酸素濃度を確認する。図２（ｄ）の点線は、余剰酸素ガスの放散を行った場合の製品窒素中の酸素濃度変化を示す概念図である。余剰酸素ガスの放散を行うことにより、図２（ｄ）に示すように、余剰酸素ガスの放散を行わない場合を示す実線と比較して、製品窒素中の酸素濃度の上昇が緩やかになり、製品窒素中の酸素濃度を十分に低減できることが期待される。
【００３８】
以上のように、本発明によれば、主凝縮器３０の液面の変化率から余剰酸素ガス量を求め、余剰酸素ガスを放散することで、原料空気増量時に製品窒素中の酸素濃度が上昇する前に酸素を放散し、製品窒素の酸素濃度の上昇を防ぎ純度を安定化させることができる。本発明では、装置稼働中にモニタした製品窒素の酸素濃度の数値によって酸素の放散量を調整する場合のように制御に遅れが生じることがなく、原料空気の増量速度を高速にしても対応できる。しかも、特別な装置等を設置することなく、既存の深冷空気分離装置の制御装置のソフトウェアを改造するだけで実施することができる。
【００３９】
なお、上記実施形態では、余剰酸素ガスは放散することとしたが、需要に応じて製品酸素として供給することもできる。
【００４０】
以上説明したように、本発明は、製品酸素の生成量を増やすために原料空気の供給を増量する際の制御に関するものであるが、一方、製品酸素の生成量を減らす場合には、原料空気の供給を減量しても余剰酸素が発生せず、製品窒素中の酸素濃度が上昇しない。したがって、この場合にはＬ／Ｖを制御する手段は不要であり、原料空気の供給を減量するだけで、通常通りに稼働すればよい。
【００４１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４２】
例えば、原料空気の増量に対する余剰酸素ガスの発生量が、予めプログラムした算出方法によってシミュレーションできるほどに再現性がある場合には（図２（ｃ）の点線参照）、このシミュレーションの値にしたがって余剰酸素ガスを放散してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、パッキントレータイプの精留塔を備えた深冷空気分離装置を用いた空気液化分離方法において、原料空気の増量による製品窒素の酸素濃度上昇を抑制する方法に適用される。
【符号の説明】
【００４４】
１    深冷空気分離装置
１０  吸入フィルタ
１１  原料空気圧縮機
１２  水洗冷却塔
１３  ＭＳ吸着器
１４  主熱交換器
１５  精留塔
１５ａ  高圧部
１５ｂ  低圧部
２０  原料空気管
２０ａ  分岐管
２２  膨張タービン
３０  主凝縮器
３１  窒素抽出管
３２  酸素抽出管
３３  廃窒素抽出管
３４  液体空気抽出管
３５  頂部還流窒素抽出管
３６  中部還流窒素抽出管
４１、４４  過冷却器
４２、４３、４５  膨張弁
１００  制御部
【図１】
2018004091.tif 000003
【図２】
2018004091.tif 000004