JP2009525454A - 極低温蒸留によって空気を分離する一組の装置を調節する方法及び前記方法に従って稼動する一組の空気分離装置 - Google Patents

極低温蒸留によって空気を分離する一組の装置を調節する方法及び前記方法に従って稼動する一組の空気分離装置 Download PDF

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Abstract

極低温蒸留によって空気を分離する一組の装置を調節する方法において、この組はＮ個の空気分離装置(1、2、3、4)を具備し、Ｎ＞１であり、実質的に同一な組成を有しているガスがＮ個の装置から消費ユニット(5)へと送られ、各装置は、ガス混合物、特には空気を蒸留する複数の蒸留塔からなるシステム(1B、2B、3B、4B)と、少なくとも２つの吸着器が使用され、高サイクル圧での吸着相と減圧を伴う再生相とが互いの後に続き、吸着器の減圧で終了する同一のサイクルに位相のずれを有して従うタイプのガス混合物、特には空気を吸着するユニット(1A、2A、3A、4A)とを具備し、この方法は、１つのユニットの吸着器が並列に配置され、各装置は吸着サイクル時間を有し、或る装置を再加圧するステップが他の装置の再加圧の開始とは異なる時刻に始まるように精製ユニットの少なくとも幾つかの動作が調節されることを特徴とするステップを含む。
【選択図】 図６

Description

本発明は、極低温蒸留によって空気を分離する装置を少なくとも２つ備えた、極低温蒸留によって空気を分離する一組の装置を調節する方法に関する。
極低温蒸留のためには、処理されるガスは、コールドボックス内での氷の形成を防止するために乾燥しており且つ脱炭酸されていなければならない。
空気を精製するのに最も有効なシステムの１つは、前処理（head end）精製ユニットにおいてガスを処理することである。このシステムは、一方は吸着で稼動し、他方は再生ステップの１つで稼動する２つのシリンダを備えている。
幾つかのサイトに、複数の極低温蒸留ユニットが設置され、必要量のガスを製造する。
前処理精製については、再生シーケンスの１ステップは、再生されたシリンダを、吸着へと切り替える前に再加圧することにある。
１２０乃至３００分の全サイクルにつき、加圧ステップは、一般には５乃至２０分間を要する。この期間は、再加圧に利用可能な追加の空気流に依存している。
一般に、２乃至１０％の空気流（公称流量に対して）が、シリンダを再加圧するのに使用される。それゆえ、分離装置へと送られる空気の量は、再加圧の間、それだけ減少する。幾つかの空気分離装置を備えた複数のサイトでは、乾燥シーケンスのステップは、互いから独立している。
Ｎ個の空気ユニット（Ｎ≧２）を備えたサイトでは、Ｎ個までの加圧ステップを同時に有する可能性がある。
本発明の１つの目的は、できるだけ少ない同時加圧ステップ数を有することにある。
本発明の一側面によると、極低温蒸留によって空気を分離する一組の装置を調節する方法であって、前記組は、ガス混合物、特には空気を分離する装置をＮ個具備し、Ｎ＞１であり、実質的に同一な組成を有しているガスが前記Ｎ個の装置から消費ユニットへと送られ、各装置は、複数の蒸留塔からなるシステムと、少なくとも２つの吸着器が使用され、高サイクル圧での吸着相と減圧を伴う再生相とが互いの後に続き、前記吸着器の減圧で終了する同一のサイクルに位相のずれを有して従うタイプの吸着ユニットとを具備し、前記方法は、１つのユニットの前記吸着器が並列に配置され、各装置は吸着サイクル時間を有し、或る装置を再加圧するステップが他の装置の再加圧の開始とは異なる時刻に始まるように前記精製ユニットの少なくとも幾つかの動作が調節されることを特徴とするステップを含んだ方法が提供される。
他の任意の側面によると、
− 前記ガス混合物は、各装置について、前記複数の塔からなるシステムの上流で、前記吸着ユニットにおいて精製される。
− 前記吸着ユニットの動作は、前記再加圧ステップの全てが異なる期間に行われるように調節される。
− 前記吸着ユニットの動作は、前記吸着ユニットの少なくとも幾つかが少なくとも時々異なるサイクル時間で動作するように調節される。
− 少なくとも１つの吸着ユニットの前記サイクル時間は、動作の間、前記再加圧ステップが非同時であるように変更される。
前記ガス混合物は空気であり、前記装置の少なくとも２つは、好ましくは加圧されている酸素ガス及び／又は窒素ガスを前記消費ユニットへ供給する。
前記吸着ユニットは、複数のＭ／Ｎ秒が或る装置のサイクルの最後と他の装置のサイクルの最後との間で経過するように調節され、ＭはＮ個の装置についての平均サイクル時間である。
少なくとも１つの吸着ユニットのサイクル時間は、そのサイクルが進行しながら変更される。
少なくとも１つの吸着ユニットの前記サイクル時間は、その吸着ユニットから流出するガスの温度に従って、及び／又は、その吸着ユニットから流出するガスの組成に従って変更される。
１つの装置のための再加圧ステップは、他の装置のための再加圧ステップを開始する少なくとも９０分、好ましくは少なくとも７５分、更に言えば少なくとも５０分、更に言えば少なくとも４０分前又は後に始まる。
各々の装置毎に、前記吸着ユニットは２つの吸着器を具備するのみである。
本発明の他の目的に従うと、ガス混合物、任意に空気を極低温蒸留によって分離する装置の組であって、前記組は、ガス混合物を分離するＮ個の装置を具備し、Ｎ＞１であり、各装置は消費ユニットに実質的に同一な組成を有している前記空気からのガスを供給し、各装置は、複数の蒸留塔からなるシステムと、少なくとも２つの吸着器が使用され、高サイクル圧での吸着相と減圧を伴う再生相とが互いの後に続き、前記吸着器の減圧で終了する同一のサイクルに位相のずれを有して従うタイプの吸着ユニットとを具備し、前記方法は、前記吸着器が並列に配置され、各装置はサイクル時間を有し、或る装置を再加圧するステップが他の装置の再加圧の開始とは異なる時刻に始まるように前記精製ユニットの少なくとも幾つかの動作を調節する手段を具備したことを特徴とするステップを含んだ組が提供される。
任意に、前記組は、前記Ｎ個の装置の第１装置の第１吸着ユニットの上流の複数の塔からなる第１システムから流出した再生ガスを加熱するための、及び、前記Ｎ個の装置の第２装置の第２吸着ユニットの上流の複数の塔からなる第２システムから流出した再生ガスを加熱するための共通のヒータ（ＲＣ）を具備する。
本発明を、ここに添付する図面を参照しながらより詳細に説明する。ここで、
図１は、本発明を用いない場合の或る特定の瞬間における同時加圧数を示し、
図２は、本発明を用いた場合の或る特定の瞬間における同時加圧数を示し、
図３及び４は、本発明に係る４つの空気分離装置からなる組についてのサイクル時間の変動を示し、
図５は、吸着シリンダに流入する流れ及びそこから流出する流れの温度の変動を示し、
図６は、本発明に係る４つの空気分離装置の組を示している。
図１は、同時加圧数をｙ軸にとり、時間をｘ軸にとっており、同一のクライアントへと供給する４つの空気分離ユニットを備えたサイトでは、２、３又は４つの加圧が同時に起こるかも知れず、その結果、幾つかの装置が供給する最終クライアントへの製品の純度及び／又は品質が低下することを示している。
本発明は、揚水式と呼ばれる、即ち、低圧塔の底部から抜き取られた液体酸素が、１つ以上の熱交換器において気化される前に１０バールよりも高い圧力で汲み上げられる酸素製造を伴う、少なくとも２つの塔（中圧塔及び低圧塔）を用いる全ての空気分離法に適用される。
また、本発明は、混合塔の原理によって不純酸素を製造する装置にも適用される。
本発明は、各空気分離ユニットの各サイクルについて、究極的には、様々な空気分離ユニットの全てのシーケンスが非同期化されることを確実にするために、このサイクルが僅かに増加させられなければならないか、又は、これとは逆に僅かに減少させられなければならないかを決定することにある。
シリンダのサイクルの標準終了時において、他のユニットのサイクルの進行状態は、当該シリンダのサイクルが増加又は減少させられねばならない分数を計算するのに役立つ。
例えば、既に再加圧下にあるシリンダのために、他のユニットのサイクル時間が増加させられ（適当な制限内で、例えば１０分内で）、可能であれば、他のシステムの再加圧の終わりを待つ。
図３及び４に示すように、オペレータは、パイロットユニット、ここではユニット４を指定する。パイロットユニットがそのサイクルの終わり（即ち、サイクル時間−デルタデルタマックス）に近づいたときに、全てのユニットについて計算が実行される。
デルタマックスは、サイクル時間を調整するための最大許容変動である。
各ユニットは、１つのサイクルステップ（必然的にパイロットユニットよりも短い）内にある。
それゆえ、我々は、
− ユニット１を時間Ｏとし、
− ユニット２を時間Ｐとし、
− ユニット３を時間Ｑとし、
− パイロットユニット４を時間Ｒとする。ここで、Ｒ＝（サイクル時間）−（デルタマックス）＝４Ｍ−（デルタマックス）である。
Ｍ＝（サイクル時間）／４であるとする。
我々は、サイクルの２つの終わりの間にＭ分間を有するべくユニット１、２、３及び４のサイクルを制限するか又は増加させる未知のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを計算することができる。
システムは、以下の問題を解かなければならない。
４Ｍ−Ｒ＋Ｏ＋Ａ−Ｄ＝Ｍ
Ｐ−Ｏ＋Ｂ−Ａ＝Ｍ
Ｑ−Ｐ＋Ｃ−Ｂ＝Ｍ
Ｒ−Ｑ＋Ｄ−Ｃ＝Ｍ
これらを
Ａ＝Ｒ−Ｏ−３＊Ｍ＋Ｄ
Ｂ＝Ｒ−Ｐ−２＊Ｍ＋Ｄ
Ｃ＝Ｒ−Ｑ−Ｍ＋Ｄ
とする。
任意のＤについては、このシステムは無限の解であるが、我々は、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは−デルタマックス乃至＋デルタマックス内になければならないことを分かっている。
Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＝０となるようにＤを仮定する（システムが安定な場合、その解はＡ＝Ｂ＝Ｃ＝Ｄ＝０でなければならない）。
これは、Ｄ＝（−３＊Ｒ＋Ｏ＋Ｐ＋Ｑ＋６＊Ｍ）／４を与える。
それゆえ、この解は、
Ｄ＝最大（−デルタマックス；最小（＋デルタマックス；（−３＊Ｒ＋Ｏ＋Ｐ＋Ｑ＋６＊Ｍ）／４））
Ｃ＝最大（−デルタマックス；最小（＋デルタマックス；−３＊Ｑ＋Ｒ＋Ｏ＋Ｐ＋２＊Ｍ）／４））
Ｂ＝最大（−デルタマックス；最小（＋デルタマックス；−３＊Ｐ＋Ｑ＋Ｒ＋Ｏ−２＊Ｍ）／４））
Ａ＝最大（−デルタマックス；最小（＋デルタマックス；−３＊Ｏ＋Ｐ＋Ｑ＋Ｒ−６＊Ｍ）／４））
である。
上述した計算法は単純なものであるが、明らかに、他のより複雑な方法が考慮されてもよい。
本発明のおかげで、最大エネルギー需要は、総設計需要と単一の加圧に対応した追加の需要との和に対応する。これは、サイズの減少を、それゆえ、エネルギー入力システムのコストの低減を顕著に助長する。
例えば、空気分離装置が４つであり、再加圧空気の需要が５％であり、水蒸気膨張から空気圧縮エネルギーが生じる場合、４つの装置についての最大蒸気消費は、従来技術に係る４＊設計＋４＊５％＊設計＝４２０設計の代わりに、４＊設計＋５％＊設計＝４０５設計である。
システムが使用しうる最大時間は、ユニットの負荷に依存する。従って、高負荷では、システムは、サイクル時間を５分間（例えば）だけ増加又は減少させ得る。低負荷（シーケンスはより長い）では、システムは、サイクル時間を１０分間だけ増加又は減少させ得る。
低負荷では、サイクル時間は、冷却ステップの進行、即ち、冷却ステップにおいてシリンダから出てくるオフガス（offgas）温度が十分に冷えていることに応じて、１０分間だけ増加させられ、２０分間だけ減少させられてもよい。図５に示すように、シリンダ出口温度は、サイクルの始めにおいて低下し、熱ピークに、図では約１０５分に達するまで増加する。このピークを過ぎると、サイクル時間は、例えば、オフガス温度が標準オフガス温度＋１０℃よりも低いか又は周囲温度＋１０℃よりも低い場合に短縮され得る。
サイクルにおける最大増分についての限度は、シリンダから出てくる二酸化炭素の含量を所定の閾値よりも高く増加させることにより設定され得る。例えば、この含量が閾値を超えて１ｐｐｍの二酸化炭素へと増加すると、シリンダは交換されなければならない。
このようにして、このシステムの２つの装置について始まる２つの再加圧ステップ間の差は、約３７分である。
また、このシステムは、２つ以上にユニットのために同一のヒータを使用するのにも役立つ。これは、ホットガスのための再生期間もまた非同期化されるからである。
空気コンプレッサの全てにおける総圧縮流量は従来技術よりも少なく変化するので、そのエネルギー消費の変化はより少なく、これにより、更なる利益を提供する。
・圧縮エネルギーが水蒸気膨張によって得られる場合、その蒸気消費量の変化はより少ない（蒸気ネットワークにおける外乱がより少なく、それゆえ、蒸気マニホールドの圧力を低下させるリスクがない）。
・コンプレッサが電気モータによって駆動される場合、ユニットの電力消費量を予想するのが遥かに容易であり、これにより、インボイスを最適化する（特には、エネルギーコストが固定部分と可変部分とに基づいている場合）。
図６は、４つの空気分離装置からなる組を示している。この装置１は、圧縮された空気１Ｃを受け取る。この空気は、サイクルが本発明に従って設定された吸着ユニット１Ａにおいて精製され、この吸着ユニットは、再生に役立つオフガス流１Ｗを生成し、この流れ１Ｒは、複数の蒸留塔１Ｂからなるシステムから流出する。精製した空気１Ｅは、塔１Ｂからなるシステムへと送られ、汲み上げられた液体酸素を気化させることによってまたは他の公知の手段によって分離されて酸素ガス流１ＧＯＸを形成する。
装置２、３及び４の各々は、装置１について説明したのと実質的に同様に動作し、それらは詳細には説明しない。装置１乃至４は、例えば、Arpentinierらの"The Technology of Catalytic Oxidations", Editions Technipに記載されたポンプ装置又は混合塔装置であってもよい。流れ１ＧＯＸ、２ＧＯＸ、３ＧＯＸ及び４ＧＯＸは、ガス化ユニット又は部分酸化ユニットなどの消費ユニット５へと送られる。
共通のヒータは、再生流１Ｒ、２Ｒを加熱するのに役立つ。というのは、これら２つの流れの再加熱は、同時には行われないからである。
本発明が水素及び／又は一酸化炭素及び／又はメタン及び／又は窒素をその主成分として有している混合物を分離するための装置の組において使用され得るのを理解するのは容易である。
本発明を用いない、或る特定の瞬間における同時加圧数を示す図。 本発明を用いた、或る特定の瞬間における同時加圧数を示す図。 本発明に係る４つの空気分離装置からなる組についてのサイクル時間の変動を示す図。 本発明に係る４つの空気分離装置からなる組についてのサイクル時間の変動を示す図。 吸着シリンダに流入する流れ及びそこから流出する流れの温度の変動を示す図。 本発明に係る４つの空気分離装置の組を示す図。

Claims (11)

  1. 極低温蒸留によって空気を分離する一組の装置を調節する方法であって、前記組は、Ｎ個の空気分離装置（１、２、３、４）を具備し、Ｎ＞１であり、実質的に同一な組成を有しているガスが前記Ｎ個の装置から消費ユニット（５）へと送られ、各装置は、ガス混合物、特には空気を蒸留する複数の蒸留塔からなるシステム（１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ）と、少なくとも２つの吸着器が使用され、高サイクル圧での吸着相と減圧を伴う再生相とが互いの後に続き、前記吸着器の減圧で終了する同一のサイクルに位相のずれを有して従うタイプの前記ガス混合物、特には空気を吸着するユニット（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ）とを具備し、前記方法は、１つのユニットの前記吸着器が並列に配置され、各装置は吸着サイクル時間を有し、或る装置を再加圧するステップが他の装置の再加圧の開始とは異なる時刻に始まるように前記精製ユニットの少なくとも幾つかの動作が調節されることを特徴とするステップを含んだ方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、
    前記吸着ユニット（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ）の動作は、前記再加圧ステップの全てが異なる期間に行われるように調節される方法。
  3. 請求項１及び２の何れかに記載の方法であって、前記吸着ユニット（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ）の動作は、前記吸着ユニットの少なくとも幾つかが少なくとも時々異なるサイクル時間で動作するように調節される方法。
  4. 請求項３に記載の方法であって、少なくとも１つの吸着ユニット（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ）の前記サイクル時間は、動作の間、前記再加圧ステップが非同時であるように変更される方法。
  5. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記ガス混合物は空気であり、前記装置の少なくとも２つは、好ましくは加圧されている酸素ガス及び／又は窒素ガスを前記消費ユニットへ供給する方法。
  6. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記吸着ユニット（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ）は、複数のＭ／Ｎ秒が或る装置のサイクルの最後と他の装置のサイクルの最後との間で経過するように調節され、Ｍは前記Ｎ個の装置についての平均サイクル時間である方法。
  7. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、少なくとも１つの吸着ユニット（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ）のサイクル時間は、そのサイクルが進行しながら変更される方法。
  8. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、少なくとも１つの吸着ユニット（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ）の前記サイクル時間は、その吸着ユニットから流出するガス（１Ｗ）の温度に従って、及び／又は、その吸着ユニットから流出するガス（１Ｗ）の組成に従って変更される方法。
  9. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、１つの装置のための再加圧ステップは、他の装置のための再加圧ステップを開始する少なくとも９０分前又は後に始まる方法。
  10. 空気を極低温蒸留によって分離する装置の組であって、前記組は、ガス混合物、特には空気を分離するＮ個の装置（１、２、３、４）を具備し、Ｎ＞１であり、各装置は消費ユニット（５）に実質的に同一な組成を有しているガスを供給し、各装置は、複数の蒸留塔からなるシステム（１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ）と、少なくとも２つの吸着器が使用され、高サイクル圧での吸着相と減圧を伴う再生相とが互いの後に続き、前記吸着器の減圧で終了する同一のサイクルに位相のずれを有して従うタイプの前記ガス混合物、特には空気を精製するユニット（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ）とを具備し、前記方法は、前記吸着器が並列に配置され、各装置はサイクル時間を有し、或る装置を再加圧するステップが他の装置の再加圧の開始とは異なる時刻に始まるように前記精製ユニットの少なくとも幾つかの動作を調節する手段を具備したことを特徴とするステップを含んだ組。
  11. 請求項１０に記載の組であって、前記Ｎ個の装置の第１装置の第１吸着ユニットの上流の複数の塔からなる第１システム（１Ｂ）から流出した再生ガス（１Ｒ）を加熱するための、及び、前記Ｎ個の装置の第２装置の第２吸着ユニットの上流の複数の塔からなる第２システム（２Ｂ）から流出した再生ガス（２Ｒ）を加熱するための共通のヒータ（ＲＣ）を具備した組。
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