(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を液体酸素と気体窒素に分離する高圧塔と低圧塔と、分離された液体酸素を貯溜する液体酸素貯槽、および、圧縮された原料空気を熱源とし液体酸素を気化させて製品酸素ガスとする酸素蒸発器を備えた空気分離装置において、
製品酸素ガス送出要求量の変動を指示する制御部と、
該制御部からの指示により前記酸素蒸発器から送り出される製品酸素流量を制御する酸素流量制御器と、
原料空気の供給路から分岐され前記酸素蒸発器における熱交換によって液化された液体空気を貯溜するとともに、その貯溜したその液体空気を、分岐された他方の原料空気に合流させて前記高圧塔に供給するための液体空気貯槽とを有し、
さらに、前記制御部から指示される製品酸素流量に対応して、
酸素蒸発器へ供給される必要な圧縮空気量を演算し、前記酸素蒸発器に導入する圧縮空気量を制御する圧縮空気量演算・制御部と、
高圧塔から低圧塔へ送られる必要な窒素リッチ液量を演算し制御する窒素リッチ液量演算・制御部と、
高圧塔から低圧塔へ送られる必要な酸素リッチ液量を演算し制御する酸素リッチ液量演算・制御部と、
低圧塔底部から液体酸素貯槽へ送られる必要な液体酸素量を演算し制御する液体酸素量演算・制御部と、
を備えていることを特徴とする空気分離装置。
【請求項２】
前記低圧塔の塔底部に液体酸素濃度測定器が設けられると共に、低圧塔と液体酸素貯槽を結ぶラインに液体酸素抜出量調節弁が設けられ、低圧塔底部の液体酸素濃度に応じて液体酸素抜出量を調節可能にした請求項１に記載の空気分離装置。
【請求項３】
前記低圧塔の塔頂部に酸素濃度測定器が設けられると共に、高圧塔と低圧塔を結ぶ窒素リッチ液管路に流量調節弁が設けられ、低圧塔頂部の酸素濃度に応じて、高圧塔から低圧塔への窒素リッチ液量を調節可能にした請求項１または２に記載の空気分離装置。
【請求項４】
原料空気を液体酸素と気体窒素に分離する高圧塔および低圧塔と、分離された液体酸素を貯溜する液体酸素貯槽と、圧縮された原料空気を熱源とし液体酸素を気化させて製品酸素ガスとする酸素蒸発器と、原料空気の供給路から分岐され前記酸素蒸発器における熱交換によって液化された液体空気を貯留するとともに、貯留したその液体空気を、分岐された他方の原料空気に合流させて前記高圧塔に供給するための液体空気貯槽とを備えた空気分離装置を操業するに当たり、
該製品酸素ガスの送出要求量に対応して、前記酸素蒸発器へ送られる必要な原料空気量と、前記高圧塔から低圧塔へ送られる必要な窒素リッチ液および酸素リッチ液の量、および、低圧塔底部から液体酸素貯槽へ送られる必要な液体酸素の量を、前記製品酸素ガスの濃度が所定値となる様に夫々演算し、該演算値に基づいて制御運転を行ない、
製品酸素ガスの送出要求量が増加した場合に、前記液体酸素貯槽に貯溜されている液体酸素量を減らす一方で、液体酸素の気化に供せられて増加した液体空気を前記液体空気貯槽に貯蔵し、また、製品酸素ガスの送出要求量が減少した場合には、前記液体酸素貯槽に貯溜されている液体酸素量を増やす一方で、液体酸素の気化に供せられ前記液体空気貯槽に貯溜される液体空気量を減少させることを特徴とする空気分離装置の制御運転方法。
【請求項５】
前記低圧塔の塔底部の液体酸素濃度を測定しておき、該酸素濃度が所定値でない時は、該液体酸素濃度が所定値となる様に、低圧塔と液体酸素貯槽を結ぶ液体酸素抜出管路に設けた流量調節弁を制御する請求項４に記載の制御運転方法。
【請求項６】
前記高圧塔底部における液体酸素の液面と液体酸素貯槽の液面および製品酸素送出量の予測値から、前記低圧塔で必要とされる寒冷のための液体空気量を算出し、圧縮／膨張器への原料空気の供給量を制御する請求項４または５に記載の制御運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料空気から酸素や窒素を分離するための空気分離装置とその制御運転方法に関し、より詳細には、酸素や窒素の需要量の変動に応じて、その変動量を吸収し、当該装置の運転状態を安定に制御し得る様に改善された空気分離装置とその制御運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電設備や製鉄所の如く大量の酸素が消費される工場には、場内に酸素自給のための酸素製造設備を併設することが多く、該酸素製造設備として最も汎用されているのは、空気を原料として酸素を得ることができ、しかも副産物として大量の窒素を得ることのできる空気分離装置である。この空気分離装置は、その規模や付帯設備の性能などによって酸素生産能力は異なるが、該設備の生産能力が最も高められるのは、当該設備に固有の一定（最適）の条件で定常運転したときであり、そのときに最大の生産効率が得られる。
【０００３】
一方、発電設備を考えた場合、電力需要は昼間と夜間とでは大きく変動するため、ガス化発電（IGCC：Integrated Gasification Combined Cycle)に使用される酸素ガス量も昼間と夜間で大きく変動する。そこで通常は、酸素ガス使用量の変動を吸収できるよう貯蔵設備を設けておき、空気分離装置は極力一定の条件で定常運転させる方法が採用されている。
【０００４】
例えば、空気分離装置から送出される製品酸素や製品窒素を圧縮機で圧縮してガスホルダーに一時貯留しておき、製品酸素や製品窒素の需要量に応じてガスホルダーから必要量を送出する方法である。この方法によれば、製品酸素や製品窒素の需要量の変動にかかわらず、空気分離装置を一定の条件で定常運転することができ、当該設備に固有の生産能を最大限に活かすことができる。
【０００５】
しかし、上記ガス化発電プラントの燃料として酸素を供給する場合、製鉄所の例えば転炉に酸素を供給する場合に比べると酸素需要量の変動周期が長いため、一時貯留するガスホルダーの容積を大きくしなければならず、建設費や設備面積の増大による経済的負担が軽視できなくなる。
【０００６】
そこでこの様な問題を解決するため、酸素や窒素を液体で貯留し、需要に応じて該液体酸素や液体窒素を加熱気化させて送出する方法も提案されている。しかしこの様な方法では、酸素需要量の変動には比較的容易に対応できるものの、空気分離設備を構成する精留塔の運転条件や、膨張タービンや主熱交換器でのガス流量が変動する、といった様々な問題が生じ、結果的に当該空気分離装置の効率を低下させる大きな原因になる。
【０００７】
よって、ガスホルダーの如き付帯設備の大型化を伴うことなく、需要量の変動周期が長い設備に酸素ガスを供給するには、製品酸素ガスの需要量に応じて最適量の酸素ガス送出量を確保できる様に空気分離装置を制御運転するのが理想的である。
【０００８】
しかしこれまでの制御運転方法では、空気分離装置を一定の条件で定常運転することを前提としているため、定常運転時における酸素濃度の維持制御はできるものの、製品酸素の要求量の変化に対応して運転条件を自動的に変化させることまでは考えられておらず、運転条件を変える時には、先ず作業員が手動操作によって運転条件を変更し、運転状態が安定したところで自動制御に切り替える方法が採用されている。
【０００９】
このため、製品酸素の要求量に応じて運転条件を変化させるには、作業員に過度の負担を強いることになり、実操業にそぐわない。また空気分離装置では、運転条件を変えた時でも、その変化に対する応答が現われるのが非常に遅いため、これまで提案されている様に、状態変化が生じてから調節器を調節するフィードバック制御では十分に対応できない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスホルダーなどの付帯設備を大型化することなく、需要量の変動周期が長い設備に適用する場合でも、酸素濃度や窒素濃度を低下させることなく、需要量に応じて製品酸素や製品窒素を安定して供給することのできる空気分離装置とその制御運転方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係る空気分離装置とは、原料空気を液体酸素と気体窒素に分離する高圧塔と低圧塔と、分離された液体酸素を貯溜する液体酸素貯槽、および、圧縮された原料空気を熱源とし液体酸素を気化させて製品酸素ガスとする酸素蒸発器を備えた空気分離装置において、
製品酸素ガス送出要求量の変動を指示する制御部と、該制御部からの指示により前記酸素蒸発器から送り出される製品酸素流量を制御する酸素流量制御器と、原料空気の供給路から分岐され前記酸素蒸発器における熱交換によって液化された液体空気を貯溜するとともに、その貯溜したその液体空気を、分岐された他方の原料空気に合流させて前記高圧塔に供給するための液体空気貯槽とを有し、
さらに、前記制御部から指示される製品酸素流量に対応して、
酸素蒸発器へ供給される必要な圧縮空気量を演算し、前記酸素蒸発器に導入する圧縮空気量を制御する圧縮空気量演算・制御部と、高圧塔から低圧塔へ送られる必要な窒素リッチ液量を演算し制御する窒素リッチ液量演算・制御部と、高圧塔から低圧塔へ送られる必要な酸素リッチ液量を演算し制御する酸素リッチ液量演算・制御部と、低圧塔底部から液体酸素貯槽へ送られる必要な液体酸素量を演算し制御する液体酸素量演算・制御部と、を備えているところに要旨を有している。
【００１２】
本発明の上記空気分離槽値においては、他の構成要素として、前記低圧塔の塔底部に液体酸素濃度測定器を設けると共に、該低圧塔と液体酸素貯槽を結ぶラインに液体酸素抜出量調節弁を設け、低圧塔底部の液体酸素濃度に応じて液体酸素抜出量を調節可能にし、あるいは更に、前記低圧塔の塔頂部に酸素濃度測定器を設けると共に、該高圧塔と低圧塔を結ぶ窒素リッチ液管路に流量調節弁を設け、低圧塔頂部の酸素濃度に応じて、高圧塔から低圧塔への窒素リッチ液量を調節できる様にしたものは、製品酸素濃度を一層安定に維持可能にしたものとして推奨される。
【００１３】
また本発明にかかる制御運転方法とは、原料空気を液体酸素と気体窒素に分離する高圧塔および低圧塔と、分離された液体酸素を貯溜する液体酸素貯槽と、圧縮された原料空気を熱源とし液体酸素を気化させて製品酸素ガスとする酸素蒸発器と、原料空気の供給路から分岐され前記酸素蒸発器における熱交換によって液化された液体空気を貯留するとともに、貯留したその液体空気を、分岐された他方の原料空気に合流させて前記高圧塔に供給するための液体空気貯槽とを備えた空気分離装置を操業するに当たり、
該製品酸素ガスの送出要求量に対応して、前記酸素蒸発器へ送られる必要な原料空気量と、前記高圧塔から低圧塔へ送られる必要な窒素リッチ液および酸素リッチ液の量、および、低圧塔底部から液体酸素貯槽へ送られる必要な液体酸素の量を、前記製品酸素ガスの濃度が所定値となる様に夫々演算し、該演算値に基づいて制御運転を行ない、
製品酸素ガスの送出要求量が増加した場合に、前記液体酸素貯槽に貯溜されている液体酸素量を減らす一方で、液体酸素の気化に供せられて増加した液体空気を前記液体空気貯槽に貯蔵し、また、製品酸素ガスの送出要求量が減少した場合には、前記液体酸素貯槽に貯溜されている液体酸素量を増やす一方で、液体酸素の気化に供せられ前記液体空気貯槽に貯溜される液体空気量を減少させるところに要旨が存在する。
【００１４】
上記本発明の制御運転方法を実施するに当たっては、前記低圧塔の塔底部の液体酸素濃度を測定しておき、該酸素濃度が所定値でない時は、該液体酸素濃度が所定値となる様に、低圧塔と液体酸素貯槽を結ぶ液体酸素抜出管路に設けた流量調節弁を制御できる様にすれば、製品酸素濃度を一層安定時維持することができるし、また、前記高圧塔底部における液体酸素の液面と液体酸素貯槽の液面および製品酸素送出量の予測値から、前記低圧塔で必要とされる寒冷のための液体空気量を算出し、圧縮／膨張器への原料空気の供給量を制御する様にすれば、制御運転をより安定に行なうことができるので好ましい。
【００１５】
そして上記制御運転方法によれば、基本的に製品酸素の送出要求量を入力するだけで、それに応じて予め設定されている演算式によって、前記原料空気量や、窒素リッチ液量、酸素リッチ液量、液体酸素量などを適切に予測制御することができ、あるいは更に、低圧塔の液体酸素濃度を実測し該濃度に応じて、液体酸素量調節器や原料空気量調節器、窒素リッチ液量調節器などを微調整することにより、送出される製品酸素ガスの酸素濃度を下げることなく、要求量に応じた製品酸素を安定して送出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、実施例図面を参照しつつ本発明を具体的に説明するが、本発明はもとより図示例に制限されるわけではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００１７】
図１は、本発明に係る空気分離装置を例示する概略説明図であり、原料空気は図面左上の原料空気圧縮機１によって例えば約６００ｋＰａ程度にまで圧縮され、続く冷却器２で常温付近にまで冷却され、次いで吸着精製装置３を通過することにより水分や炭酸ガスが除去された後、３つの方向に分岐して主熱交換器４、酸素蒸発器７および圧縮／膨張器１１方向へ送られる。
【００１８】
主熱交換器４へ送られた圧縮空気は、低圧塔９２の塔頂から送出される製品窒素により液化温度付近（約−１７０℃程度）まで冷却された後、高圧塔９１の底部へ供給される。
【００１９】
他方、酸素蒸発器７へ導かれる圧縮空気は、途中で圧縮機５により更に高圧に圧縮され、冷却器６を経て酸素蒸発器７へ供給され、ここで、液体酸素貯槽１０から送られてくる液体酸素を蒸発させて製品酸素（気体）とする一方、圧縮空気は液体空気となって液体空気貯槽８に貯留される。該液体空気貯槽８内の液体空気は、前記主熱交換器４を経て供給される空気（気体）と一定の比率で高圧塔９１の底部へ供給される。
【００２０】
また、圧縮／膨張器１１へ導かれた圧縮空気は、まず圧縮機１１ａ側に入って昇圧された後、後方冷却器３６で常温付近にまで冷却され、主熱交換器４で更に冷却されて主熱交換器４の中間部から抜き出された後、今度は膨張器１１ｂ側に入り、断熱膨張により減圧されると共に更に冷却されてから低圧塔９２の中間部へ供給される。
【００２１】
主熱交換器４と液体空気貯槽８とから特定比率で高圧塔９１の底部へ供給される空気（液体＋気体）のうち気体空気は、高圧塔９１内を上昇していく過程で冷却され、高沸点成分である酸素は凝縮し還流液となって流下し、残りの気体は窒素濃度が高められつつ塔頂へと上昇する。他方、塔内を流下する液体空気中に含まれる低沸点成分の窒素は気体となって高圧塔９１内を上昇するので、高圧塔９１の底部には酸素濃度の高められた液体空気が貯留することになる。
【００２２】
図２を参照してより詳細に説明すると、高圧塔９１に供給された空気（気体＋液体）のうち気体空気Ｖ１は、塔内を上昇する際に塔頂部からの還流液Ｌ１と接して冷却され、高沸点成分である酸素は液化し還流液Ｌ１と一緒に流下する一方、低沸点成分である窒素は気体空気Ｖ１と共に上昇する。こうして高圧塔９１の上部には窒素濃度の高い窒素リッチガスが滞留する。この窒素リッチガスは、管路９４ａにより低圧塔９２の底部に配置された主凝縮器９４へ導かれ、低圧塔９２の底部に溜まっている液体酸素により冷却されて液化し、管路９４ｂを降下して高圧塔９１の上部９３へ戻る。
【００２３】
そして、上記窒素リッチ液の一部は窒素リッチ液供給路９５により低圧塔９２の上部へ導かれ、残りは還流液Ｌ１として流下する。一方、高圧塔９１の底部に溜まった酸素リッチ液は、酸素リッチ液供給路（管路）９６を通して低圧塔９２の中間部へ供給される。ここで高圧塔９１の上部の窒素濃度を一定に維持するには、塔内を上昇する気体Ｖ１量と降下する液体Ｌ１量の比率を略一定に維持する必要がある。
【００２４】
次に低圧塔９２では、上部から供給される窒素リッチ液が塔内を流下していく過程で、低沸点成分の窒素は気化して塔頂部方向へ上昇し、高沸点成分の酸素は液状のままで流下する。一方、低圧塔９２の中間部に供給される酸素リッチ液も同様にして成分分離が行なわれ、窒素は塔頂部方向へ、酸素は塔底部方向へ移動する。
【００２５】
かくして、低圧塔９２の塔頂部には高濃度の気体窒素が溜り、塔底部には高濃度の液体酸素が溜まる。この際、塔底部の液体酸素濃度を一定に保つには、塔内を上昇する気体Ｖ２量と降下する液体Ｌ２量の比率、および上昇する気体Ｖ３量と降下する液体Ｌ３量の比率をほぼ一定に保たなければならない。
【００２６】
再び図１に基づいて説明すると、低圧塔９２底部に溜まった液体酸素は、液体酸素供給路（管路）９７を通して液体酸素貯槽１０へ導かれ、ここから酸素需要量に応じて管路９８から送出ポンプ１３で昇圧された後、酸素蒸発器７で圧縮空気との熱交換によって加熱されて気体となり、製品酸素供給路（管路）１００から製品酸素ガスとして送出される。他方、低圧塔９２塔頂部の気体窒素は、気体窒素供給路（管路）９９を通して主熱交換器４へ導かれ、圧縮空気との熱交換により加熱されてから製品窒素ガスとして送出される。
【００２７】
こうした空気分離装置の操業過程で、製品酸素ガスの需要量が変化したときの操作条件の変化について、需要量増大の要求があった場合を例にとって説明する。
【００２８】
図１において、製品酸素ガスの需要量が増加すると、その増加量に応じて酸素蒸発器７での加熱蒸発量を増大させるため、該酸素蒸発器７へ供給される圧縮空気量を増加しなければならない。このとき、圧縮／膨張器１１方向への圧縮空気量を変化させる必要はないので、主熱交換器４方向へ流れる圧縮空気量は減少する。しかし、酸素蒸発器７を経て送られてくる圧縮空気は、液体空気貯槽８で一旦貯溜された後、主熱交換器４を経て送られてくる圧縮空気と高圧塔９１の入口側で合流して供給されるので、該高圧塔９１への供給空気層量は一定に維持される。但し圧縮空気の一部は液化しているので、高圧塔９１へ流入する原料空気中の液体酸素の比率は増加する。
【００２９】
高圧塔９１に入った原料空気のうち、ガス状の空気は塔内を上昇するが、液体酸素の比率が増加した分だけその量は減少する。高圧塔９１内を上昇する空気は、前述した如く塔頂部で低圧塔９２底部の液体酸素と熱交換して凝縮し、その一部は液体窒素として抜出されて窒素リッチ液供給路（管路）９５から低圧塔９２の上部へ送られ、残部は高圧塔９１の還流液として流下する。このとき、高圧塔９１塔頂の窒素純度を維持するには、図２でも説明した如く、上昇する気体Ｖ１量と降下する液体Ｌ１量の比率を一定に保つ必要があるので、該比率が一定となる様に調節弁９５ａを調節する。それに伴って、低圧塔９２内の液体量（還流窒素量）Ｌ２は減少する。
【００３０】
低圧塔９２底部で蒸発した気体（酸素蒸気）Ｖ３量は、これを気化させるための気体Ｖ１量が減っているので減少するが、低圧塔９２底部の酸素純度を維持するには、ここでも上昇する気体Ｖ３量と降下する液体Ｌ３量の比率を一定に保つ必要があるので、結果的に降下する液体Ｌ３量も減少する。Ｌ３は、Ｌ２と高圧塔９１から管路９６を通して供給される液体空気ＬＡが合流したものであるが、Ｖ３とＬ３の比率を一定に保つための流量の制約から、ＬＡも減少させねばならない。一方、高圧塔９１底部に供給される原料空気中の液体酸素量は前述の如く増加しているので、高圧塔９１の底部には液体空気が溜まってくる。
【００３１】
同じ理由で、低圧塔９２の底部から抜出される液体空気量も減少させる必要がある。そしてこれら流量の変化量は、理論的にかなりの精度で前もって計算することができる。
【００３２】
この様な空気分離装置において、製品酸素の送出要求量が変化した場合に実施される具体的な制御運転は、次の様にして行なわれる。
【００３３】
即ち図１に示す如く、製品酸素ガス送出要求量の変動を指示する制御部Ｓから製品酸素送出要求量信号Ｓ１が酸素流量制御器１６に送信されると、その信号は制御器１６から送出ポンプ１３のバイパス弁１４ａへ送られ、該バイパス弁１４aの開度調整が行われ、この信号Ｓ１は同時に演算器１２（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）にも送られる。
【００３４】
演算器Ｃ１では、設定された製品酸素送出量に対応する酸素蒸発器７での圧縮空気の使用量を、例えば下記演算式(1)によって算出し、その値を圧縮空気量調節器１５へ指示して圧縮機５の動力を制御する。従って本例では、これら演算器Ｃ１と圧縮空気量調節器１５が、前記1)の圧縮空気量演算・制御部となる。
ＡHP＝β1Ｖ0……演算式(1)
式中、ＡHPは圧縮空気流量、Ｖ0は製品酸素送出流量、βは酸素圧力と空気圧力によって定まる定数（通常は１．３〜１．７の値）、をそれぞれ意味する。
【００３５】
演算器Ｃ２では、製品酸素送出量の変化に対応して高圧塔９１から低圧塔９２へ送る必要な窒素リッチ液量を、下記演算式(2)によって算出し、これを窒素リッチ液量調節器９５ｂに指示して調節弁９５ａの開度調整を行なうことにより、高圧塔９１から低圧塔９２へ送られる窒素リッチ液量を制御する。従って本例では、これら演算部Ｃ２、酸素リッチ液量調節器９５ｂ、調節弁９５ａなどが、前記2)の窒素リッチ液量演算・制御部となる。
ＬＮ＝｛Ａγ1−ＡTγ1−ＡHP（γ1−γ2）｝（1−α1）……演算式(2)
式中、ＬＮは窒素リッチ液量、Ａは原料空気流量、ＡTはタービン流量、γ1は主熱交換器を出る原料空気中の蒸気比（通常１〜０．９６）、γ2は高圧塔９１へ入る圧縮空気ＡHP中の蒸気比、α1は高圧塔９１における気液比（Ｌ1／Ｖ1）を意味する。
【００３６】
次に演算器Ｃ３では、製品酸素送出量の変化に対応して、高圧塔９１から低圧塔９２へ送る必要な酸素リッチ液量を下記演算式(3)によって算出し、この値を酸素リッチ液量調節器９６ｂに指示して調節弁９６ａの開度調整を行なう。従って本例では、これら演算器Ｃ３や酸素リッチ液量調節器９６ｂ、調節弁９６ａなどが、前記3)の酸素リッチ液量演算・制御部となる。
ＬＡ＝−[α3Ａ／ｎ＋ＬＮ(1−α3)(1−γ3)]／[(1−α3)(１−γ4)] ……演算式(3)
式中、ＬＡは酸素リッチ液量、α3は低圧塔９２の底部気液比、γ3は窒素リッチ液中の蒸気比、γ4は酸素リッチ液中の蒸気比、Ａは原料空気流量、ｎは原料空気量／平均酸素製造量（比）を意味する。
【００３７】
また演算器Ｃ４では、製品酸素送出量の変化に対応して低圧塔９２底部から液体酸素貯槽１０へ送られる液体酸素量を下記演算式(4)によって算出し、この値を液体酸素量調節器９７ｂに指示して調節弁９７ａの開度調整を行なう。従って本例では、これら演算器Ｃ４、液体酸素量調節器９７ｂ、調節弁９７ａなどが、前記4)の液体酸素量演算・制御部となる。
Ｏ＝Ａ／ｎ……演算式(4)
式中、Ｏは低圧塔９２から抜出される液体酸素流量、Ａは原料空気流量、ｎは原料空気量／平均酸素製造量（比）を意味する。
【００３８】
そして、例えば製品酸素要求量が増加した場合は、前述の如く圧縮空気量調節器１５の指示によって圧縮機５の動力を調整し、酸素蒸発器７へ送られる圧縮空気量を増大すると共に、窒素リッチ液量調節器９５ｂ、酸素リッチ液量調節器９６ｂおよび液体酸素量調節器９７ｂによって、調節弁９５ａ、９６ａ、９７ａを閉まる方向に制御すると、液体酸素貯槽１０では、供給されるよりも送出される液体酸素量の方が多くなるので、液体酸素貯槽１０の酸素貯留量は減少する。
【００３９】
一方、酸素蒸発器７方向へ供給される原料空気量は、主熱交換器４へ供給される原料空気量よりも多くなるが、高圧塔９１へ供給される主熱交換器４からの原料空気量と酸素蒸発器７から液体空気貯槽８を経由して供給される空気量との供給比は一定であるため、液体空気貯槽８における液体空気貯留量は増加する。
【００４０】
逆に製品酸素要求量が減少した場合には、上記制御および現象と反対の制御を行なうことにより、上記液体空気貯槽８と液体酸素貯槽１０が緩衝帯となって、製品酸素需要量の変動にもかかわらず、原則として必要以上に液体酸素貯槽１０を大きくすることなく、且つ製品酸素の濃度低下を招くことなく、空気分離装置全体としては常に効率の高い状態を維持しつつ制御運転を行なうことが可能となる。
【００４１】
このとき、製品酸素の品質管理をより向上させるため、上記予測制御によって製造された製品酸素の濃度を測定し、その測定結果に基づいて特定の調節器を用いて制御運転を行なういわゆるフィードバック制御を行なうことも極めて有効である。
【００４２】
例えば図３を参照して説明すると、低圧塔９２底部の液体酸素濃度を測定器９７ｃで測定しておき、該酸素濃度が所定の濃度となる様に調節弁９７ａの開度調整を行なったり、また、酸素蒸発器７により気化されて送出される製品酸素の温度を測定器５ｃで測定し、この温度が所定温度となる様に原料空気圧縮機５の動力を制御したり、あるいは更に、低圧塔９２頂部の気体窒素中の酸素濃度を測定器９５ｃで測定し、この酸素濃度が所定値となる様に調節弁９５ａの開度調整を行なう、などが好ましい実施形態として例示される。
【００４３】
本発明の制御運転方法を実施する際にこれらのフィードバック制御を併用すれば、製品酸素濃度の濃度変化をより少なくできるので好ましい。なお、これらのフィードバック制御と前記予測制御を同時に行なうときは、前記フィードバック制御を前記予測制御に優先して行なうことが望ましい。
【００４４】
また圧縮／膨張器１１へ供給する原料空気量を、低圧塔９２底部の液体酸素の液面、液体酸素貯槽１０の液面および製品酸素送出量の予測値から、低圧塔９２で必要な寒冷のための液体空気量を算出して制御することもできる。これにより、従来は運転員の手に委ねられていた原料空気供給量の調整を、円滑且つ迅速に制御することが可能となる。
【００４５】
図４は本発明の他の実施例を示すもので、基本的には前記図１に示した例と同じであるが、空気分離装置の構成が若干異なる。すなわち前述した空気分離装置では、酸素蒸発器７で液化した空気を液体空気貯槽８で貯溜することによって、製品酸素の需要量変動を吸収する構成を採用しているのに対し、本例の空気分離装置では、高圧塔９１底部に溜まる酸素リッチ液を酸素リッチ液貯槽部１７に貯溜させる構成を採用することで、製品酸素の需要量変動を吸収できる様にしている。
【００４６】
以下、図４に基づいて、先に挙げた空気分離装置とは異なる部分について説明する。なお、前記図１と同じ機器・設備には図１と同じ番号を付している。
【００４７】
この例では、主熱交換器４と酸素蒸発器７とから導かれた原料空気は、混合比率を調整されることなく高圧塔９１の底部へ供給される。高圧塔９１では、図２で説明した如く酸素リッチ液と窒素リッチガスとの蒸留分離が行われ、高圧塔９１の底部に酸素リッチ液が溜まる。この酸素リッチ液は管路１７ａを通して酸素リッチ液貯槽１７へ導かれ、ここから、ポンプ１８を経て調節弁９６ａにより流量調整されてから、低圧塔９２の中間部へ供給される。
【００４８】
この様な空気分離装置において、製品酸素の送出要求量が変化した場合、例えば送出要求量が増加した場合には、酸素リッチ液量調節器９６ｂによって調節弁９６ａを閉じる方向に調整されるが、高圧塔９１で生成される酸素リッチ液量は一定であるため、酸素リッチ液が余剰となる。そこで、該余剰の酸素リッチ液を酸素リッチ液貯槽１７に滞留させて吸収することにより、製品酸素需要量の変動に対応する。反対に製品酸素の送出要求量が減少した場合には、酸素リッチ液貯槽１７に蓄えた酸素リッチ液を供給することにより対応すればよい。
【００４９】
この制御例で対象とする空気分離装置の他の実施態様を図５に示す。この装置では、製品酸素の送出要求量変動により高圧塔９１で定量生成する酸素リッチ液量の過不足を、前記図４の例で別途設けた酸素リッチ液貯槽１７に代えて高圧塔９１の底部容積を大きくすることにより対応する。
【００５０】
即ち図５の装置では、精留塔９の高圧塔９１部分の底部を通常より長くし、酸素リッチ液が通常より多く貯溜できる様にしている。もちろん高圧塔９１の底部容積を大きくする形状であれば、その形状は一切制限されない。この様な構成とすることで、貯槽を新たに設けることなく酸素リッチ液量の過不足を吸収することができる。
【００５１】
また前述した様な本発明の基本思想を活かせば、この種の空気分離装置を用いて少量の高圧窒素を製品として得たい場合は、前述した様な液体酸素貯槽に代えて、高圧塔から低圧塔への還流窒素ラインの途中に液体窒素貯槽を設け、該貯槽から高圧窒素を製品として抜出す際に同様の制御法として活用することもできるし、更には、前述した様な液体酸素貯槽と上記の様な液体窒素貯槽を併設し、高圧酸素と高圧窒素を製品として同時並行的に製造する際の制御法として活かすことも可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、ガスホルダーなどの設備を大型化することなく、需要量の変動周期が長い設備に対しても、酸素濃度や窒素濃度を低下させることなく製品酸素や製品窒素を安定して供給できる空気分離装置とその制御運転方法を提供し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の１実施例を示す説明図である。
【図２】  本発明に係る空気分離装置の精留塔における蒸留分離の説明図である。
【図３】  本発明に係る空気分離装置を用いたフィードバック制御法を例示する説明図である。
【図４】  本発明に係る他の空気分離装置と制御運転方法を例示する説明図である。
【図５】  本発明に係る更に他の空気分離装置と制御運転方法を例示する説明図である。
【符号の説明】
１ 原料空気圧縮機
４ 主熱交換器
５ 原料空気圧縮機
７ 酸素蒸発器
８ 液体空気貯槽
１０ 液体酸素貯槽
１１ 圧縮／膨張器
１１ｃ 寒冷供給路
１５ 原料空気量調節器
１７ 酸素リッチ液貯槽
９１ 高圧塔
９２ 低圧塔
９５ 窒素リッチ液供給路（管路）
９５ｂ 窒素リッチ液量調節器
９６ 酸素リッチ液供給路（管路）
９６ｂ 酸素リッチ液量調節器
９７ 液体酸素供給路（管路）
９７ｂ 液体酸素量調節器
９９ 気体窒素供給路（管路）
１００ 製品酸素供給路（管路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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