(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルゴンの回収を最適化するシステムであって、
大気空気を取り入れ且つ処理するように構成された空気入力サブシステム、
前記空気入力からの処理された空気流を受け取り、未精製アルゴン流を出力する少なくとも１つの蒸留塔であって、前記空気入力システムの下流に位置している少なくとも１つの蒸留塔、
前記未精製アルゴン流を受け取り且つ処理し、粗製アルゴン流を出力する粗製アルゴン塔、及び
前記粗製アルゴン流の窒素濃度が選択された値を超えるのを防ぐとともに、前記未精製アルゴン流の酸素濃度が減少するように前記未精製アルゴン流の組成を自動制御するコントローラであって、このコントローラは、少なくとも１つの制約変数及び少なくとも１つの操作変数の制御をもたらす多変数予測コントローラであり、少なくとも１つの制約変数は、液体窒素還流の不純度及び未精製アルゴン流の中間点純度の少なくとも１つを含む、
システム。
【請求項２】
空気取り入れサブシステム、少なくとも１つの蒸留塔、粗製アルゴン蒸留塔、及びコントローラを含んだシステムにおいて、空気分離ユニットにおけるアルゴンの回収を最適化する方法であって、
（ａ）大気空気の流れを前記空気取り入れサブシステムに向けて、前記大気空気を処理する工程、
（ｂ）処理された前記空気を前記空気取り入れサブシステムから少なくとも１つの蒸留塔に向けて、少なくとも１つの未精製アルゴン流を生成する工程、
（ｃ）前記少なくとも１つの未精製アルゴン流を前記少なくとも１つの蒸留塔から粗製アルゴン蒸留塔に送り、前記粗製アルゴン蒸留塔で前記未精製アルゴン流を処理し、粗製アルゴン流を出力する工程、及び
（ｄ）前記粗製アルゴン流の窒素濃度が選択された値を超えるのを防ぐとともに、前記未精製アルゴン流の酸素濃度が減少するように前記未精製アルゴン流の組成をコントローラにより自動制御する工程であって、このコントローラは、少なくとも１つの制約変数及
び少なくとも１つの操作変数の制御をもたらす多変数予測コントローラであり、少なくとも１つの制約変数は、液体窒素還流の不純度及び未精製アルゴン流の中間点純度の少なくとも１つを含む工程、を含む
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアルゴンの回収を空気分離ユニットで最適化するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
低温空気分離ユニット（ＡＳＵｓ）は酸素、窒素およびアルゴンの気体を、空気の冷却、液化および蒸留により製造するために使用されている。基本的なシステムでは、空気は高圧および低圧の低温蒸留塔を使用して加圧および分離される。高圧塔において、窒素は空気から分離され、酸素リッチの液体をその底部に、かつ窒素リッチの液体および蒸気をその上部に生成する。これらの生成物は抽出され、かついくらかは別々に低圧塔に供給される。アルゴン、窒素および酸素の間の相対的な揮発性の違いにより、実質的に純粋な気体窒素は低圧塔の上部付近に生じ、実質的に純粋な液体酸素はその塔の底部付近に生じ、かつアルゴンリッチの酸素ガスはその塔の中心に向けて生じる。中央の、未精製アルゴンと呼ばれる、アルゴンリッチのフラクションは低圧塔から得られ、かつ流れを経由し補助的に粗製アルゴン塔に供給される。未精製アルゴン流は、それから凝縮されるために低圧塔に送り返される酸素リッチの還流に、および生成物として送られるかまたはさらなる精製を受けるかのどちらも可能である粗製アルゴンに精留される。
【０００３】
未精製アルゴン流は、酸素を含有することに加えて、典型的に少量の窒素を含む。窒素の存在はアルゴンを回収するときに様々な処理関心を生む。回収されるアルゴンの量を最大にするために、低圧塔から抽出される未精製アルゴンの量を最大にし、未精製アルゴン流から抽出される酸素の量を最小にすることが必要である。しかし、低圧塔から得られる未精製アルゴンが増えると、低圧塔から得られ、かつ粗製アルゴン塔に送られる窒素の量もまた増加する。もし窒素の量が多くなり過ぎる場合には、粗製アルゴン塔の上部の窒素圧は、アルゴン凝縮器の熱移動能力に対する有害効力を有し、塔の上部でのガスの流通に消極的な作用を及ぼすであろう。特に、粗製アルゴン塔での窒素濃度が閾値を過ぎる場合、ガス流れは塔内で持ち上げる液体を支えることに不十分になる。液体は粗製アルゴン塔に落下し、かつ低圧塔に戻る。これは粗製アルゴン塔に「ダンピング」するというように知られている。ダンピングの影響はアルゴン回収の損失だけでなく、酸素および窒素の生成物純度を汚染する低圧塔への十分な量の液体の導入を含む。ダンピングは、それから、高いアルゴン回収速度での操作の高価な経済的なペナルティーである。ダンピングを避けるために、プラントはアルゴンをプラントにとっての最大回収速度よりも極めて低い速度で意図的に回収する。アルゴンは空気分離生成物の貴重な副生成物である；従って、アルゴン塔生成物流れの削減は経済的に望まれない。加えて、アルゴンの回収をプラントの形態にかかわらず（すなわち、空気分離ユニットが製造を試行している生成物にかかわらず）最大にすることが望ましい。
【０００４】
異なる手法の変形は、ダンピングのリスクを最小にする一方、空気分離システムでのアルゴンの回収を最大にすることを試みる技術で知られている。例えば、Allamらによるの米国特許４，８４２，６２５は低温空気分離方法を記載しており、ここでアルゴン塔への供給ガスの圧力は制御バルブにより減少され、かつアルゴン塔はそれの最低である可能な圧力で操作され、頭上の凝縮器と頭上の凝縮器から低圧塔への粗製酸素蒸気の自由な戻りとの間の最小温度差と矛盾が無い。
【０００５】
Howardらによる米国特許５，３１３，８００および５，４４８，８９３はアルゴンの回収を最大にするための方法を記載しており、ここで組成測定は精留の１つまたはそれ以上の前もって選ばれたステージでのプロセス変量のモードであり、それらはプラントのプロセス変量に対する高感度を示すように同定されている。それからアルゴン供給物の全体的な窒素濃度は測定からの擬似数学的相関により見積もられる。
【０００６】
また、Howardらによる米国特許５，４６９，７１０は、アルゴンの回収を改良するための低温空気分離システムを記載しており、ここでアルゴン塔上部凝縮器からの蒸気は冷却を生じさせるためにターボ−膨張し、かつ低圧塔にそれから渡る。
【０００７】
Al-Chalabiらによる米国特許４，７８４，６７７は空気を酸素、アルゴン、および窒素生成物を得るために分離する方法を制御し、かつ粗製アルゴンを生成する塔への供給流の組成を制御するための方法および装置を記載する。供給流の窒素含有量はリアルタイムで直接分析され、かつ前もって決められた範囲内で維持される。分析の結果はそれから、例えば還流または生成物回収速度を調節することにより、処理の操作を制御するために使用される。
【０００８】
上述のシステムのそれぞれはある効果および優位性を供するが、ダンピングの機会を最小化しつつアルゴンの回収を最適化する粗製アルゴン塔を含む空気分離システムを供する必要がまだ存在する。
【発明の概要】
【０００９】
従って、総合空気分離およびシステムの作動中アルゴン回収を最適化する処理制御システムを供することが本発明の課題である。
【００１０】
多変数予測コントローラ（ＭＶＰＣ）をシステム条件を調節するために使用することは本発明のもう１つの課題である。
【００１１】
擬似操作変数を未精製アルゴン（以下、明細書中で「未精製アルゴン」を「バブル」と称する）の純度の上限および下限を粗製アルゴン流の窒素がそれの制御可能な最大値に到達するまで漸次押し下げるために使用する、ＭＶＰＣを含むアルゴン生成空気分離システムを供することは本発明のさらに他の課題である。
【００１２】
任意のＡＳＵ操作形態での最大のアルゴン回収を、未精製アルゴン流のアルゴン純度をその流れの窒素（Ｎ２）の量が制御可能な最大値になるまで最小にし、かつ粗製アルゴン流の流れをその流れの酸素（Ｏ２）含有率がその制御可能な最大値になるまで最大にすることで達成するＭＶＰＣを含む空気分離システムを供することは本発明のさらに他の課題である。
【００１３】
前述の課題は個々におよび／または組み合わせて達成される。また、本発明は二つまたはそれ以上の課題の組み合わせが必要であると解釈されることを意味するものではない。但し、ここに付随される請求項で特に要求される場合は除く。
【００１４】
本発明によると、空気分離システムは低圧塔、高圧、粗製アルゴン塔、および、同時に（１）低圧塔から得られた未精製アルゴン流のアルゴン純度を粗製アルゴン塔にある粗製アルゴン流を測定した粗製アルゴン流の窒素（Ｎ２）の量が制御可能な最大値になるまで最小にし、かつ（２）粗製アルゴン塔から得られる粗製アルゴン流の流れを粗製アルゴン流の酸素（Ｏ２）含有量が制御可能な最大値になるまで最大にさせる多変数予測コントローラを含む。本発明の上述およびさらに他の課題、特徴、および有利性は、それについての特別な実施の以下の詳細な記載により、特に様々な図での類似の参照番号は類似の構成部材を示すために使用されるところの付随する図面と関連して考慮に入れられたとき、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＭＶＰＣコントローラを含む例示的空気分離ユニットの模式図。
【図２】粗製アルゴン塔から出る粗製アルゴン流を測定した粗製アルゴン流の窒素の量を含む、未精製アルゴン流の未精製アルゴン純度の制御を示すチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
空気分離ユニット（ＡＳＵ）を含む典型的なシステムは、ここで参照によりその全てにおいて関連付けられる、米国特許６，６２２，５２１に開示されている。図１を参照すると、ＡＳＵは大気空気がプラントに空気入力サブシステムを経由して取り入れられるように配置され得る。空気入力サブシステム１１０はガイド翼１４１を有する入口１４０、フィルター１４２、および空気コンプレッサ、乾燥機、および冷却器のような構成部材を含んだ処理装置１４４を含んでよい。乾燥機は、１つまたは複数のモレキュラーシーブス、吸収ベッド、乾燥剤、および前端逆転交換器をさらに含み得る。例示的実施において、乾燥機はその空気分離ユニット内の他の構成部材からの排気窒素の流れを使用する。冷却器は、さらに、高効率の主たる熱交換器を具備してよい。冷却、乾燥高圧空気の処理された流れ１４６は高圧の、低温蒸留塔１２０に向けられる。高圧塔の構成物は制限されず、かつ本技術分野で従来知られているもの（例えば、トレーおよび閉鎖的な塔）でよい。例示的実施では、空気は約−１７０℃（約−２７４°Ｆ）の温度で高圧塔１２０に入る。
ＡＳＵは低圧の、低温蒸留塔１２２をまた含む。低圧塔の構成物は限定されず、かつ本技術分野で従来知られているもの（例えば、トレーおよび閉鎖的な塔）でよい。高圧および低圧塔は１つの装置内に収容されて良く、主たる凝縮器１８２を共有する。択一的に、塔１２０、１２２は分離装置であり得る。低圧塔１２２は典型的に０．２８１２４−１．０５４６５ｋｇｆ／ｃｍ２（４−１５ｐｓｉ）の圧力で作動するが、より高いまたはより低い圧力もまた可能である。高圧塔１２０（「中間圧力」塔しても知られている）は低圧塔の作動圧力のおよそ７〜８倍で作動するが、より高いまたはより低い圧力は使用されることができる。
【００１７】
高圧塔１２０において、窒素は、冷却された高圧空気から、窒素リッチの蒸気が凝縮器１８２に凝縮しながら、分離される。凝縮した窒素リッチの蒸気はトラフ１８４のような収集装置を使用して収集される。凝縮した窒素を主に含む流れ１６４（ＬＩＮ還流、または「純粋」または「低品質」の窒素還流と呼ばれる）は高圧塔１２０から得られ、かつ低圧塔１２２用の供給物１６８となる。バルブ１２６は低圧塔１２２へのＬＩＮ還流１６８の流速を制御する。加えて、中間圧力の気体窒素１７７（「ＭＰ ＧＡＮ」）は高圧塔から得ることができ得る。
【００１８】
高圧塔１２０の底部は酸素リッチの液体（「リッチリキッド」と呼ばれる）を収集する。典型的に、その塔の底部に収集されたリッチリキッドは約４０％酸素を含む。このリッチリキッドは流し出され、かつ様々な目的のために使用され得る。図１に示されるように、リッチリキッドの流れ１４８は高圧塔１２０から得られ、かつ低圧塔１２２および粗製アルゴン蒸留塔１２４の両方のための供給物として使用される。リッチリキッドはまた高圧塔から得られ、かつ、図示してないが、他のＡＳＵ構成部材の供給物としてまたは生成物としてのいずれかにも使用され得る。
【００１９】
低圧塔１２２への供給物は、高圧塔１２０からのリッチリキッド供給物１５０、高圧塔１２０からのＬＩＮ還流供給物１６８、粗製アルゴン塔からの気化した酸素リッチリキッド還流１５６、および酸素リッチリキッドリターン供給物１５１を含む。加えて、補助的窒素リッチ流１１４（「ＬＩＮアシスト」）もまた低圧塔１２２に補助的タンク液化器（図示しない）のようなほかのソースから供され得る。
【００２０】
酸素、窒素およびアルゴンの相対的な揮発性の違いにより、低圧塔はリッチリキッド１５０、ＬＩＮ１６８およびリッチリキッドリターン１５１をそれら別個の構成部材に分離する。特に、低圧塔１２２の底部はＡＳＵからのＬＯＸ出力流１７８として排出され得る純粋な液体酸素（ＬＯＸ）を収容する。やがて上述のＬＯＸは気体酸素（ＧＯＸ）１７６になり、それは排出され、かつＧＯＸ生成物として生成物出力１０４を経由して収集されるか、または大気にＧＯＸ排気口１０８を経由して排気される。バルブ１１２および１８８はＧＯＸ生成物流およびＧＯＸ排気流の流れをそれぞれ制御する。低圧塔１２２の上部は「純粋な」気体窒素（「低圧窒素」または「ＬＰ ＧＡＮ」と呼ばれる）を収容し、それは塔から窒素リッチ生成物流１７２として排出され得る。加えて、排気窒素流１７４は低圧塔１２２から排出され得る。
【００２１】
上述に記載したように、高圧塔１２０から得られた少量のリッチリキッド１４８は供給物１５０として低圧塔１２２に送達される。加えて、少量のリッチリキッドは供給物１５２として粗製アルゴン蒸留塔１２４に送達される。粗製アルゴン塔の構成物は限定されず、かつ本技術分野において従来知られるものからなり得る。例。塔はトレー、密封塔などを含んでよい。加えて、塔は低温またはデオキソ（deoxo）の塔でよい。リッチリキッドと共に、酸素、アルゴンおよび少量の窒素を含む流れ１９０（「アルゴンリッチ酸素流」または「未精製アルゴン流」と呼ばれる）は低圧塔１２２から得られ、かつ還流として粗製アルゴン塔１２４に供給される。粗製アルゴン塔は、市場向きの液体アルゴンまたはさらに純化される粗製アルゴンを生成するために、いくらかの残留する窒素をパージするのと同様に、酸素をアルゴンから洗浄する。粗製アルゴン塔は、低圧塔にそれから供給され得る主に酸素リッチリキッド還流１５４を含む流れとして粗製アルゴン塔から得られる酸素を凝縮させる凝縮器を含む。粗製アルゴン塔はまたアルゴンリッチ流１９６（「粗製アルゴン流」）を生成物として生成し、それは未精製アルゴン流よりもアルゴンの大きな割合を有する。粗製アルゴン流の組成は酸素組成分析器（Ａｌ）１９５および窒素組成分析器（Ａｌ）１９７を使用して測定され得る。アルゴンの量はそれからこれらの値から推定されてよい；択一的に、アルゴン組成分析器が使用されて良い。バルブ１９８は粗製アルゴン流１９６の流れを制御する。バルブは、同様に、コントローラ１９９（例えばおよびＦＩＣコントローラ）で制御される。粗製アルゴン流を制御することは粗製アルゴン生成物の全体的な純度を制御し得る。一般的に、粗製アルゴン流を増加させることは粗製アルゴン生成物に存在する酸素の量を増加させる。従って、粗製アルゴン生成物を「純アルゴン」塔（図示しない）のようなその他の処理装置を使用してさらに処理することは必要であり得る。アルゴン生成物の最終純度はプラントの能力、産業基準、顧客仕様などに基づく任意の所望のレベルに調節されてよい。
【００２２】
本技術の熟練者に明らかにされるであろうから、空気分離ユニットの多くの異なる配置は形成されて良く、より多数またはより少数のタイプの生成物を生成する。例えば、システムはアルゴン、窒素および酸素のＡＳＵを通る様々な点での含有率（例えば体積比率）を決定する組成分析器も含んでよい。さらに、加えて、付随的な流れは高圧および低圧塔のどちらかまたは両方に入ってよい。
【００２３】
空気分離ユニットは、フィールドコントローラ、制御コントローラ、アドバンスド処理コントローラ、遠方レベルコントローラ、オペレーションコントロールセンター、モニターシステム、および分散コントロールシステムを制限なしに含む、本技術分野にて知られているコントロール要素の階層により制御される。ＡＳＵ内での活性度は、バルブ、ポンプ、コンプレッサ、ガイド翼、および他のデバイスのような多数のフィールドデバイスにより直接制御される。フィールドデバイスは、同様に、比例−集積−微分（ＰＩＤ）コントローラ、ＦＩＣコントローラ、ＬＩＣコントローラ、デッドバンドコントローラ、ギャップコントローラ、モデルフリー適応（ＭＦＡ）コントローラ、またはハンドインディケータコントローラ（ＨＩＣｓ）のような制御コントローラで制御される。それらのコントローラの設定値は手動で、またはその他（例えば高レベル）コントローラのいずれか、またはその両方で入力されてよい。
【００２４】
制御コントローラはＡＳＵプラントのフィールド装置を遠隔またはアドバンスド処理コントローラによって供された設定値に基づく高速制御アルゴリズムを使用して調節する。図１を参照すると、コントローラ１３０（例えばＰＩＤコントローラ）は高圧塔１２０への空気の流れ１４６を調節するために、空気取り入れサブシステム１１０のガイド翼を制御するために使用される。加えて、コントローラ１３４（例えばＦＩＣコントローラ）は低圧塔１２２へのＬＩＮ流１６８の流速を調節するバルブ１２６を制御するために使用される。さらに、コントローラ１３２（例えばＬＩＣコントローラ）は、リッチリキッド流１５０の低圧蒸留塔１２２への流速を調節するバルブ１６２を制御するために使用される。
コントローラ１３８（例えばＬＩＣコントローラ）もまた、高圧塔１２０から粗製アルゴン塔１２４へのリッチリキッドの流速を調節するために使用される。コントローラ１３６（例えばＦＩＣコントローラ）は、粗製アルゴン塔１２４から低圧塔１２２への気化した酸素リッチ還流１５６の流速を調節するバルブ１２８を制御するために使用される。加えて、コントローラ１０２、１０６（例えばＦＩＣコントローラ）はＧＯＸ生成物バルブ１１２およびＧＯＸ排気バルブ１８８をそれぞれ制御するために使用される。最後に、コントローラ１９９は粗製アルゴン塔１２４からの粗製アルゴン流の流れを制御するバルブ１９８を制御する。
【００２５】
アドバンスド処理コントローラ１３１はこれらの制御コントローラの各々を操作する。具体的には、フィールドデバイス、制御コントローラ、およびアドバンスド処理コントローラは、空気分離ユニットのパラメータをモニタし、かつ制御することに使用されるより大きな処理制御システムの一部である。例示的な処理制御システムは、ここでその全体における参照により関連付けられる公開特許願書米国２００２／００１７１１３にて開示されている。
【００２６】
制御要素の適切な操作を通して、空気分離ユニットは、生成物の品質を特別なレベルで維持し、生成物の収率を最適化し、処理を安定化し（例えば、処理条件を処理および装置の制約限界内でＡＳＵ作動を維持し、装置が新しい供給物または生成目的物に対して立ち上げられたときに瞬間的な妨害を最小限にするために調節する）、かつある電力消費量に対して供給スループットを最大にさせるために設計された方法で、操作される。
【００２７】
上で記載されたように、アルゴンの回収の最適化はある難点を示す。アルゴンの回収を最大にするために、未精製アルゴン流は最適化され、かつその酸素含有率は最小化されなくてはならない。しかし、未精製アルゴン流の酸素含有率を減少させながら未精製アルゴン流を増加させることはその流れの窒素濃度の明らかな増加を生み、かつ結果的に、粗製アルゴン塔に送達される窒素量の増加を生む。これは塔のダンピングの危険を増加させる。
【００２８】
さらに、未精製アルゴン流のアルゴン量の増加は粗製アルゴン塔１２４から抜ける粗製アルゴン流１９６の回収可能な量の増加を生む。従って、生成物としてより多くの粗製アルゴンを得るために、塔から抜ける粗製アルゴン流１９６の流れを増加させることが必要である。粗製アルゴン流の流れの増加はそこの酸素量を増加させる。この方法では、粗製アルゴン流の流れを制御することはＡＳＵを最終生成物に求められる純度のガイドラインを叶えることを可能にする。
【００２９】
この知識をもって、アルゴンの回収をＡＳＵを含むシステムで最大にすることを達成させるために、同時に粗製アルゴン流の窒素濃度が制御可能な最大（すなわち閾）値を超えることを妨ぎながら、未精製アルゴン流の濃度はその未精製アルゴン流の酸素濃度（「未精製アルゴン純度」または「バブル純度」と言われる）を減少させることで最大にさせられるべきであるということが決定されている。加えて、粗製アルゴン塔から発生する粗製アルゴン流の流れは粗製アルゴン流の酸素濃度がそれ自身の制御可能な最大値（すなわち、産業基準により決定されるものとしての粗製アルゴン流生成物に用いられる最大の酸素濃度値）になるまで最大にされるべきである。ＡＳＵシステム内のそれぞれの構成要素（アルゴン、酸素および窒素）の濃度は典型的に百分率体積が測定される；しかし、他の従来の測定法も使用され得る。
【００３０】
未精製アルゴンおよび粗製アルゴンの流れに対する組成制御パラメータは、上で記載したように、それぞれ連続的に、操作変数を調節し、処理の制約をモニタし、それに留意し、かつ測定された処理妨害の効果を取り入れることによりシステムの設定値を自動的に規定し、制御するために集積マトリックス手法を用いるシステム内でコントローラを集積させることで、自動的に本発明のシステムで達成される。特に、多変数予測コントローラ（ＭＶＰＣ）は、制約変数の応答を予測し、かつ遷移および定常の状態偏差を最小化するために計算される方法で操作変数を移動させるために動的応答モデルを使用することに供される。ＭＶＰＣはコントローラ１３１と統合されることができ、または択一的に以下に記載するようなシステム操作を制御するために、上に記載した１つまたは複数の他のコントローラと同様にコントローラ１３１と関連する分離コントローラであり得る。
【００３１】
多変数予測コントローラ（ＭＶＰＣ）は、制御コントローラへの出力を直接処理するよりはむしろ、設定値またはターゲットに書き込むアドバンスド処理コントローラである。ＭＶＰＣはさらに制約変数と操作変数の間の関係を同定し、かつそれから同定した関係を使用する処理を最適化する。制約変数は依存変数であり、その目的範囲外のその偏差は最小化される。操作変数は、制約変数に作用する設定値の変化を定義する、操作またはコンピュータで調節された変数である。操作変数は、あるコントロールパラメータに対する高いまたは低い限界だけでなく、それの変化速度をも指定する。さらに、ＭＶＰＣは反復的な処理妨害（例えば、温度変化およびシステム不調のような、内部または外部変動により引き起こされるもの）を障害変数と制御変数の間の関係を同定することで説明する。処理妨害に対する応答は、独立操作変数（供給速度および還流速度のような操作変数）を乱し、依存変数（制御変数）（例えば、生成物の品質および塔の温度）の応答を測定し、かつ異なる処理障害のレベルに対する応答のモデルを発展させることで、創られる。例えば、独立操作変数は、依存変数とのそれらの相互作用を研究するために、約±３％の摂動を受けてよい。
【００３２】
従って、ＭＶＣＰは、粗製アルゴン流の窒素濃度をそれの制御可能な最大値に適応させるために未精製アルゴン流の酸素濃度（バブル純度）を最小にするためだけでなく、粗製アルゴン流（すなわち、粗製アルゴン流の流）を粗製アルゴン流の酸素含有量がその制御可能な最大値になるまで最大にさせるために、ＡＳＵでの制御コントローラの操作および制約変数のための設定値を書き込む。適切な多変数予測コントローラは登録商標GmaxCとしてテキサス州ヒューストンのIntelligent Optimization, Inc. of Houston, Texasから入手可能な、goal-maximaizingコントローラである。「GMAXC」と題する技術広報：Goal Maximizing Controller（Version 5.3.9 Windows（登録商標） 32bit Operating System）はここでそれら全ての参照により取り入れられる。
【００３３】
アルゴンの回収を本発明の空気分離ユニットで最大にするために、様々な制約変数および操作変数がシステム内で確立される。例示的制約変数は、（１）気体酸素流１７６の純度（例えば、酸素の割合が測定された、ＧＯＸ純度）、（２）未精製アルゴン流１９０の純度（例えば、酸素の割合が測定された、バブル純度）、（３）周囲１０８に排気された気体酸素の流量（排気ＧＯＸ）、（４）低圧窒素流１７２の不純度（酸素の量を測定（例えば、ｐｐｍでの割合））、（５）ＬＩＮ還流１６８の不純度（酸素の量を測定（例えば、ｐｐｍでの割合））、（６）未精製アルゴン流の粗製アルゴン塔の中間点１５５での純度（酸素の割合を測定された、未精製アルゴン中間点の純度）、（７）粗製アルゴン流１９６の酸素の量（酸素の量を測定（例えば、ｐｐｍの百分率））、および（８）粗製アルゴン流１９６の窒素量（例えば百分率窒素を測定）を含むが、制限はされない。追加の制約変数またはこれより少ない制約変数が使用されて良く、これらはシステムの要求およびＡＳＵの所望される出力に依存する。例示的操作変数は、（１）低圧塔から出る気体酸素１７６の流量（ＧＯＸフロー）、（２）低圧塔に入るＬＩＮ還流１６８の流量（ＬＰ塔還流）、（３）低圧塔に入るＬＩＮアシストの流量（ＬＩＮアシスト）、（４）粗製アルゴン塔１２４から得られる粗製アルゴン１９６の流量、および（５）装置１４０に引き入れられる空気の流量を含む。制約変数と同様に、追加の操作変数またはこれより少ない操作変数が使用されて良く、これらはシステムの要求に依存する。
【００３４】
制約変数により確立されるパラメータを満たすために任意の１つまたはそれ以上の操作変数は（手動および／または自動で）制御され、それは同様に、粗製アルゴン塔１２４に供給される未精製アルゴン流の組成だけでなく、粗製アルゴン塔１２４から発生する未精製アルゴン流１９６の組成もまた制御する。操作変数の１つまたは複数の組合せを制約変数および未精製および粗製アルゴン流の組成の１つまたは複数の所望される変化を生むために制御することはＡＳＵ技術において既知である。
【００３５】
上述の操作変数と共に、本発明のＭＶＰＣは未精製アルゴン純度制約変数の上限および下限を規定し、かつ変化させる、追加の擬似操作変数を使用する。未精製アルゴン流のアルゴンの純度は酸素濃度を測定することにより間接的に測定され、「未精製アルゴン純度」または未精製アルゴン流１９０の「バブル純度」と呼ばれる。択一的に、アルゴンの濃度もまた未精製アルゴン中で直接測定されることができたことは特筆される。流れ１９０のアルゴン流は、例えば粗製アルゴン塔からの蒸留に位置する粗製分析器（Ａｌ）２０２を利用することで決定されることができる。さらに、その分析器は未精製アルゴン流内、または分離装置を通ずる任意の点のいずれかでの、アルゴン、酸素および窒素の任意の１つまたは複数の濃度を測定し得る。
【００３６】
ＭＶＰＣは、未精製アルゴン流のバブル純度を所望の値または値の範囲で、またはそれらの付近で維持する擬似操作変数である未精製アルゴンリミット（以下、バブルリミットと称する）をさらに利用する。バブルリミットは、フィールドデバイスまたは制御要素を直接制御しないので、擬似操作変数である。バブルリミットは上部および下部設定値をバブル純度が維持され得る範囲内に規定し、かつ制御コントローラは、１つまたは複数の制約変数の制御を達成するために、バブル純度を制御するのと同様に、操作変数を既知の方法で制御するために操作される。１つまたは複数の制約値がＭＶＰＣで観察されるとすぐに、ＭＶＰＣは制約値およびバブル純度の制御を増強する必要があるために様々なフィールドデバイスを再調製する。上部および下部設定値を規定することに加えて、バブルリミットの上下設定値の変更できる割合を規定する。例えば、制約変数、バブル純度および未精製アルゴン流の窒素濃度の応答に依存して、ＭＶＰＣは上限および下限のバブルリミット値を毎分０．１０％未満で改良してよい。
【００３７】
使用において、バブルリミット（すなわち、未精製アルゴン流のバブル純度を所望の値又は値の範囲で、又はそれらの近傍で維持する擬似操作変数）はバブル純度をバブル下限（すなわち、未精製アルゴン流の、最小限の可能な酸素濃度（未精製アルゴン流中の酸素濃度の量を、その濃度未満に減少することが実施不能であるという実際上の下限））にゆっくりと押し下げるために機能し、かつさらに上部および下部の設定値を粗製アルゴン流のＮ２が制御可能な最大値（すなわち、持ち上げられた液体を崩壊させないまたは粗製アルゴン塔内で「ダンピング」をもたらさない、粗製アルゴン流内で許容できる窒素の最高の濃度百分率）になるまで押し下げるために作動する。Ｎ２に対するこの制御可能な最大値は、空気分離ユニットのタイプ、粗製アルゴン塔の構成物、所望生成物の出力、およびその出力の純度レベルに依存して変化する。例えば、あるシステムに対する粗製アルゴン流でのＮ２に対する制御可能な最大限は、具体的には約５％未満、好ましくは４％未満、さらに好ましくは２％未満である。バブルリミットの低設定値（または未精製アルゴン流での最小値の所望バブル純度に相当するバブル下限）は、典型的には、擬似多変数バブルリミットの出力となるように設定され、かつ高設定値（未精製アルゴン流での最大値の所望バブル純度に相当するバブル上限）はバブル下限から差し引かれる値に調整可能ではなく固定されている。オフセットの値は限定されず、かつ特別なＡＳＵの要求に依存する。例えば、オフセット値は約０．８０％の範囲にあり得る。
【００３８】
ＭＶＰＣは、バブル下限（すなわち流れの酸素の可能な濃度の最低値）に常に達しながら未精製アルゴン流のバブル純度をバブルリミット内に留まらせるという試行で調節し、粗製アルゴンの窒素パーセント量は結局上がり、かつ操作変数バブルリミットはそれから粗製アルゴン塔での窒素の過堆積の過剰を除外するために上昇し、それにより窒素の量がその制御可能な最大限界に達することを防ぐ。より低い未精製アルゴン純度で、より多くのアルゴンが粗製アルゴン塔から抽出され得る。
【００３９】
未精製アルゴン流のアルゴン純度を窒素の含有量がそれの制御可能な最大値になるまで最小にすることに加え、ＭＶＰＣは同時にかつ自動的に粗製アルゴン流をその流れの酸素含有量がそれの制御可能な最小値になるまで最大にするために修正される。すなわち、ＭＶＰＣは粗製アルゴンの酸素（Ｏ２）をその制御可能な最大値（すなわち、所望出力のための粗製アルゴン流１９６に用いられる酸素の最高の量）に、その流れの流速を増加させることで、ゆっくり押し上げる。粗製アルゴン流の酸素含有率の制御可能な最大値は変化することができ、かつ産業上の要求に典型的に基づく。例えば、この値は具体的に約４ｐｐｍ（デオキシアルゴンＡＳＵ装置に対して４％）以下、好ましくは約３．５ｐｐｍ（デオキシアルゴンＡＳＵ装置に対して３．５％）以下、かつさらに好ましくは約２ｐｐｍ（デオキシアルゴンＡＳＵ装置に対して２％）以下である。
【００４０】
バブル純度、バブルリミット値、および窒素濃度の図１のシステムでの処理の間の制御およびＭＶＰＣ制御されたシステムの利用は図２に示されたチャートに見ることができる。図はバブル下限（擬似操作変数）３１０、バブル上限（バブル下限からのオフセット）３００、オフセット値３３０、測定されたバブル純度（制約）値３４０（体積％ Ｏ２）、および粗製アルゴンの窒素の測定された量（体積％ Ｎ２、粗製アルゴン塔で測定されたとして）を示す。これらのバブル純度および窒素濃度値は所要実時間（例えば、秒または分）の単位にわたって連続的に測定され、かつバブルリミット値は、窒素の濃度が粗製アルゴン塔で制御可能な最大値を超えることを防ぎながら、最大のアルゴン回収をシステムで保証するためにそれに応じて上で記載したように調節される。分かり得るように、ＭＶＰＣは、バブルリミット３００、３１０を通して、バブル純度３６０を連続的に下に漸次押し下げるが、それはユーザー定義の増加量（例えば、０．１０％／ｍｉｎ）に制限される。時間は進行するので、システムはフィールド要素を、操作変数により規定された設定値を満たすために、調節器で指示されるものとして連続的に調節する。バブルリミット３００、３１０は窒素純度３５０が制御可能な最大値（例えば、約２％Ｎ２）に達するまで下向きに進行する。測定された窒素濃度は制御可能な最大値に達するので、ＭＶＰＣはバブルリミット値３００、３１０および未精製アルゴン流３４０のバブル純度を上昇させるための上述のシステム操作を制御し、それにより窒素の濃度はその制御可能な最大値を下回る安全なレベルまで減少させられる結果となる。
【００４１】
従って、本発明のＭＶＰＣ−ベースのアルゴン回収システムは、未精製アルゴン流の窒素濃度が粗製アルゴン流で測定された制御可能な最大量を超えないことを同時に保証しながら、その流れのアルゴン濃度を最大化させるために、未精製アルゴン流の酸素濃度（測定されたバブル純度値により示されるもの）を最低の可能な値まで減少させることの自動制御を達成する。ＭＶＰＣ−ベースＡＳＵはこの動的に、システムの形態によらずアルゴン回収を最大化させることを達成する。すなわち、本発明のシステムはアルゴン回収処理をシステム生産の組合せ（例えば、ＬＩＮ／ＬＯＸ／ＧＡＮ／ＧＯＸ、など）に関わらず最適化させる。
【００４２】
アルゴンの回収を多変数予測コントローラを用いて最大化させる新規の空気分離システムが記載されたので、他の修正、変形および変化は本技術の熟練者によってここで明らかにされた教えの観点で提案されるであろうことは信じられる。これら全ての変形、修正および変化は付随する請求項により規定される本発明の範囲内に相当する。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
アルゴンの回収を最適化させるシステムであって：
大気の空気を取り入れ、かつ処理するために構成されている空気入力サブシステム；
前記空気入力からの処理された空気流を受け取り、かつ未精製アルゴン流を出力するための、少なくとも１つの蒸留塔であり、ここで少なくとも１つの蒸留塔は前記空気入力システムの下流に位置している；
前記未精製アルゴン流を受け取り、処理し、かつ粗製アルゴン流を出力するための粗製アルゴン塔；および
前記粗製アルゴン流の窒素濃度を選択された値を超えることを防ぎながら、前記未精製アルゴン流の酸素濃度を減少させるために、前記未精製アルゴン流の組成を自動的に制御させるためのコントローラ、
を具備するシステム。
［２］
前記コントローラは、粗製アルゴン流の酸素濃度を選択された値に調節するために粗製アルゴン流の組成をさらに制御する［１］記載のシステム。
［３］
前記粗製アルゴン流の前記酸素濃度に関する前記選択された値は約４％以下である［２］記載のシステム。
［４］
前記粗製アルゴン流の前記酸素濃度に関する前記選択された値は約４ｐｐｍ以下である［２］記載のシステム。
［５］
前記粗製アルゴン流の前記窒素濃度に関する前記選択された値は約５％未満である［１］記載のシステム。
［６］
前記コントローラは、少なくとも１つの制約変数、および少なくとも１つの操作変数に対する制御をもたらす多変数予測コントローラである［１］記載のシステム。
［７］
前記少なくとも１つの制約変数は気体酸素流純度、未精製アルゴン流純度、排気された気体酸素の流量、低圧窒素純度、液体窒素還流の不純度、未精製アルゴン流中間点の純度、前記粗製アルゴン流の酸素量、および前記粗製アルゴン流の窒素量の少なくとも１つを含む［６］記載のシステム。
［８］
前記少なくとも１つの操作変数は前記低圧塔から出る前記気体酸素流量、前記低圧塔に入る液体窒素還流量、前記低圧塔に入る液体窒素アシスト流量、前記粗製アルゴン塔から得られる粗製アルゴン流量、および前記空気入力サブシステムからの空気流量の少なくとも１つを含む［６］記載のシステム。
［９］
前記コントローラは、酸素濃度の上限に達するために前記未精製アルゴン流の酸素濃度を増加させるか、または酸素濃度の下限に達するために前記未精製アルゴン流の前記酸素の前記濃度を減少させるかのいずれかにより前記未精製アルゴン流の組成を選択的に調節することによって、さらに制御を果たす［６］記載のシステム。
［１０］
空気取り入れサブシステム、少なくとも１つの蒸留塔、粗製アルゴン蒸留塔、およびコントローラを含むシステムにおいて；アルゴンの前記回収を空気分離ユニットで最適化させる方法で：
（ａ）大気空気の流れを前記空気取り入れサブシステムに向けて、かつ前記大気空気を処理する工程；
（ｂ）少なくとも１つの未精製アルゴン流を生成するために、前記処理された空気を前記空気取り入れサブシステムから少なくとも１つの蒸留塔に向ける工程；
（ｃ）前記未精製アルゴン流を処理し、かつ粗製アルゴン流を出力するために、前記少なくとも１つの未精製アルゴン流を前記少なくとも１つの蒸留塔から粗製アルゴン蒸留塔に向ける工程；および
（ｄ）前記粗製アルゴン流の窒素濃度が選択された値を超えることを防ぎながら前記未精製アルゴン流の酸素の濃度を減少させるために、前記コントローラを通して前記未精製アルゴン流の前記組成を自動的に制御する工程、
を含む方法。
［１１］
工程（ｅ）：
（ｅ．１）前記粗製アルゴン流の前記酸素濃度が選択された値に達するまで前記粗製アルゴン流の前記組成を自動的に制御すること
をさらに含む［１０］記載の方法。
［１２］
前記粗製アルゴン流の前記酸素濃度に関する前記選択された値は約４．０ｐｐｍ以下である［１１］記載の方法。
［１３］
前記粗製アルゴン流の前記酸素濃度に関する前記選択された値は約４．０ｐｐｍ以下である［１１］記載の方法。
［１４］
前記粗製アルゴン流の前記窒素濃度に関する前記選択された値は約５％未満である［１０］記載の方法。
［１５］
前記コントローラは少なくとも１つの制約変数および少なくとも１つの操作変数の制御を果たす多変数予測コントローラである［１０］記載の方法。
［１６］
前記少なくとも１つの制約変数は気体酸素流純度、未精製アルゴン流純度、排気された気体酸素の流量、低圧窒素純度、液体窒素還流不純度、未精製アルゴン流中間純度、前記粗製アルゴン流の酸素の量、および前記粗製アルゴン流の窒素の量の少なくとも１つを含む［１５］記載の方法。
［１７］
前記少なくとも１つの操作変数は前記低圧塔から出る気体酸素流量、前記低圧塔に入る液体窒素還流の量、前記低圧塔に入る液体窒素アシスト流の量、前記粗製アルゴン塔から得られる粗製アルゴン流の量、前記空気取り入れ口から得られる空気流の量の少なくとも１つを含む［１５］記載の方法。
［１８］
前記コントローラは、酸素濃度の上限に達するために前記未精製アルゴン流の酸素の前記濃度を増加させるか、または酸素濃度の下限に達するために前記未精製アルゴン流の酸素の前記濃度を減少させるかのいずれかにより、前記未精製アルゴン流の前記組成の選択的調節を通して制御をさらに果たす［１５］記載の方法。
【図１】
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【図２】
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