JP2016080297A - 深冷空気分離装置及び深冷空気分離方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】深冷空気分離装置に供給される原料空気中の窒素濃度が上昇した場合であっても、適正にアルゴンの生成を行う。
【解決手段】高圧塔１５ａ及び低圧塔１５ｂを備えた精留塔１５と、高圧塔１５ａで分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器２４を備え、熱交換器２４で液化した窒素を高圧塔１５ａに還流させる主凝縮器１５ｃと、低圧塔１５ｂから供給されるアルゴン原料ガスから粗アルゴンガスを生成する粗アルゴン塔１６と、を有する深冷空気分離システム１は、高圧塔１５ａ底部の液体空気中の酸素濃度、または高圧塔１５ａに供給される原料空気中の酸素濃度の少なくともいずれかを測定する酸素濃度測定機構５０、６０と、高圧塔１５ａの底部に主凝縮器１５ｃ内の液体酸素を供給する液体酸素ポンプ５２と、液体酸素ポンプ５２から高圧塔１５ａへの液体酸素の供給量を制御する酸素流量調節弁５３と、を有している。
【選択図】図１
【解決手段】高圧塔１５ａ及び低圧塔１５ｂを備えた精留塔１５と、高圧塔１５ａで分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器２４を備え、熱交換器２４で液化した窒素を高圧塔１５ａに還流させる主凝縮器１５ｃと、低圧塔１５ｂから供給されるアルゴン原料ガスから粗アルゴンガスを生成する粗アルゴン塔１６と、を有する深冷空気分離システム１は、高圧塔１５ａ底部の液体空気中の酸素濃度、または高圧塔１５ａに供給される原料空気中の酸素濃度の少なくともいずれかを測定する酸素濃度測定機構５０、６０と、高圧塔１５ａの底部に主凝縮器１５ｃ内の液体酸素を供給する液体酸素ポンプ５２と、液体酸素ポンプ５２から高圧塔１５ａへの液体酸素の供給量を制御する酸素流量調節弁５３と、を有している。
【選択図】図１
Description
本発明は、原料空気から酸素、窒素及びアルゴンを分離する深冷空気分離装置及び深冷空気分離方法に関するものである。
従来、例えば製鉄所などに設置される空気の液化分離システム、いわゆる深冷空気分離システムでは、空気圧縮機により圧縮した原料空気を水洗冷却塔で予冷し、その後精留塔で原料空気から酸素と窒素及びアルゴン原料ガスの分離が行われる。そして、精留塔分離された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。また、アルゴン原料ガスは、精留塔の外部に設けられた粗アルゴン塔により、さらに精留が行われる。
このような深冷空気分離システムでは、精留塔の安定運転を行うために様々な運転方法が提案されている。
例えば特許文献１には、低圧塔と高圧塔により構成される精留塔のうち、高圧塔の底部で液体空気の温度が低下した場合、低圧塔へ還流する窒素の流量を増加させて、精留塔全体としての寒冷バランスを維持することで、アルゴン原料ガスの抽出部を安定させることが提案されている。
ところで、本発明者らによれば、空気圧縮機から供給される原料空気中の酸素濃度が一時的に低下する、換言すれば、原料空気中の窒素濃度が一時的に増加する場合が有ることが確認されている。これは、製鉄所内の他の設備からのオフガス等の影響によるものであると推察される。
原料空気中の窒素濃度が増加すると、アルゴン原料ガス中に含まれる窒素濃度も増加してしまい、粗アルゴン塔でのアルゴンの精留に支障が生じてしまう。そこで、原料空気中の窒素濃度が増加した場合は、例えば空気圧縮機から供給する原料空気量を一時的に増加させることで精留塔へ供給する酸素の絶対量を増加させると共に、精留塔から排出する廃窒素の量を増加させることで、精留塔内における相対的な窒素濃度を低下させることが考えられる。これにより、アルゴン原料ガス中の窒素濃度を適正に維持し、粗アルゴン塔の安定運転が図られる。
ところが、精留塔へ原料空気を供給してから窒素、酸素及びアルゴン原料ガスが生成されるまでの時定数が大きいため、原料空気中の窒素濃度増加を検出してから原料空気量を増加させても、アルゴン原料ガス中の窒素濃度上昇を防止することができない。したがって現状は、一時的な窒素濃度上昇に対応するために、原料空気の量を常時増加させた状態にしている。
しかしながら、精留塔内の酸素濃度及び窒素濃度を所望の状態に維持するために、精留塔へ供給する酸素の絶対量を増加させようとすると、空気圧縮機からはその数倍の窒素も同時に供給されることとなる。したがって、原料空気中の一時的な窒素濃度の上昇に対応するために、空気圧縮機の動力を大幅に増大させる必要があり、ランニングコストやエネルギー的な観点から好ましくない。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、深冷空気分離装置に供給される原料空気中の窒素濃度が上昇した場合であっても、適正にアルゴンの生成を行うことを目的としている。
前記の目的を達成するための本発明は、空気圧縮機で圧縮された原料空気から製品窒素及製品酸素を生成する高圧塔及び低圧塔を備えた精留塔と、前記高圧塔で分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器を備え、当該熱交換器で液化した窒素を高圧塔に還流させる主凝縮器と、前記低圧塔から供給されるアルゴン原料ガスから粗アルゴンガスを生成する粗アルゴン塔と、を有する深冷空気分離装置であって、前記高圧塔底部の液体空気中の酸素濃度、または前記高圧塔に供給される原料空気中の酸素濃度の少なくともいずれかを測定する酸素濃度測定機構と、前記高圧塔の底部に液体酸素を供給する液体酸素供給源と、前記液体酸素供給源から前記高圧塔への液体酸素の供給量を制御する酸素流量制御機構と、前記酸素濃度測定機構の測定結果に基づいて、前記酸素流量制御機構を制御する制御装置と、を有することを特徴としている。
本発明によれば、高圧塔の底部に液体酸素を供給する液体酸素供給源と、液体酸素の供給量を制御する酸素流量制御機構を有し、酸素濃度測定機構の測定結果に基づいて、制御装置により酸素流量制御機構を制御するので、例えば空気圧縮機から供給される原料空気中の窒素濃度が上昇した場合であっても、直ちに高圧塔内の酸素濃度を上昇させることができる。その結果、アルゴン原料ガス中の窒素濃度の上昇を防止し、粗アルゴン塔において適正に粗アルゴンガスの生成を行うことができる。また、精留塔内の酸素濃度を所望の状態に維持するために従来のように空気圧縮機から大量の原料空気を供給する必要がなくなるため、深冷空気分離装置を効率的に運用することができる。
前記液体酸素供給源は、前記主凝縮器であってもよい。また、前記主凝縮器内の液体酸素を圧送するポンプを有していてもよい。
前記主凝縮器に液体酸素を供給する他の液体酸素供給源を更に備えていてもよい。
前記高圧塔の底部に接続され、前記高圧塔内の液体空気を前記粗アルゴン塔に供給する液体空気供給管と、前記空気圧縮機から供給される原料空気の一部を膨張タービンへ導く分岐管と、を有し、前記液体空気供給管内の流体と、前記分岐管内の前記膨張タービンへ流入する前の流体との間で熱交換を行う気液熱交換器と、をさらに有していてもよい。
別の観点による本発明は、空気圧縮機で圧縮された原料空気から製品窒素及製品酸素を生成する高圧塔及び低圧塔を備えた精留塔と、前記高圧塔で分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器を備え、当該熱交換器で液化した窒素を高圧塔に還流させる主凝縮器と、前記低圧塔から供給されるアルゴン原料ガスから粗アルゴンガスを生成する粗アルゴン塔と、を有する深冷空気分離装置における深冷空気分離方法であって、前記深冷空気分離装置は、前記高圧塔の底部に液体酸素を供給する液体酸素供給源をさら備え、前記高圧塔底部の液体空気中の酸素濃度、または前記高圧塔に供給される原料空気中の酸素濃度の少なくともいずれかを測定し、前記酸素濃度の測定結果に基づいて、前記高圧塔の底部への液体酸素の供給量を制御することを特徴としている。
前記液体酸素供給源は、前記主凝縮器であってもよい。また、前記主凝縮器内の液体酸素をポンプにより前記高圧塔の底部に圧送してもよい。
前記主凝縮器から前記高圧塔への液体酸素の供給に伴い、他の液体酸素供給源から前記主凝縮器へ液体酸素を供給してもよい。
前記深冷空気分離装置は、前記高圧塔の底部に接続され、前記高圧塔内の液体空気を前記粗アルゴン塔に供給する液体空気供給管と、前記空気圧縮機から供給される原料空気の一部を膨張タービンへ導く分岐管と、を有し、液体空気供給管内の流体と、前記分岐管内の前記膨張タービンへ流入する前の流体との間で熱交換を行う気液熱交換器と、をさらに有し、前記液体酸素供給源から前記高圧塔に液体酸素を供給したときに、前記気液熱交換器で前記液体空気供給管内の流体と、前記分岐管内の前記膨張タービンへ流入する前の流体との間で熱交換を行ってもよい。
本発明によれば、深冷空気分離装置に供給される原料空気中の窒素濃度が上昇した場合であっても、適正にアルゴンの生成を行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる深冷空気分離装置を備えた深冷空気分離システム１の構成を示すプロセスフロー図である。
深冷空気分離システム１は、吸入フィルタ１０を介して吸込まれた空気を圧縮して原料空気として供給する空気圧縮機１１と、冷却水と原料空気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アルゴン原料ガスに分離する精留塔１５と、精留塔で分離されたアルゴン原料ガスから粗アルゴンガスを生成する粗アルゴン塔１６と、を有している。
精留塔１５は高圧塔１５ａと低圧塔１５ｂを有している。高圧塔１５ａは、低圧塔１５ｂの下方に配置されている。また、高圧塔１５ａと低圧塔１５ｂの間には、主凝縮器１５ｃが設けられている。ＭＳ吸着器１３と主熱交換器１４と高圧塔１５ａは、原料空気管２０により直列に接続されている。原料空気管２０には主熱交換器１４の上流側で原料空気の一部を分岐する、分岐管２０ａが設けられている。分岐管２０ａは、低圧塔１５ｂの中段付近に接続されており、分岐管２０ａと低圧塔１５ｂの間には膨張タービン２１が設けられている。膨張タービン２１には、同軸でコンプレッサ２１ａが設けられている。そして、分岐管２０ａにより低圧塔１５ｂに送られる原料空気は、先ずコンプレッサ２１ａにより圧縮される。コンプレッサ２１ａで圧縮された原料空気は、分岐管２０ａに設けられた冷却器２０ｂにより冷却された後に、主熱交換器１４によりさらに冷却される。そして、膨張タービン２１により断熱膨張させることにより低温低圧になる。このように、一旦コンプレッサ２１ａで圧縮した後に膨張タービン２１で膨張させて膨張比を大きくすることで、より多くの寒冷を精留塔１５に補充することができる。
高圧塔１５ａ、低圧塔１５ｂ及び粗アルゴン塔１６の内部には、気体と液体との接触面積を確保するための充填物を収容した棚（図示せず）が複数設けられている。そして、高圧塔１５ａ、低圧塔１５ｂ及び粗アルゴン塔１６の内部では、各塔１５ａ、１５ｂ、１６の上部から供給する低温の液体と、各塔１５ａ、１５ｂ、１６の下部から供給する、前記液体よりも温度の高い気体とを気液接触させることで、気体と液体の熱交換が行われる。
低圧塔１５ｂの底部と主凝縮器１５ｃとの間は、液体酸素管２２により接続されており、低圧塔１５ｂ底部の液体酸素は液体酸素管２２を介して主凝縮器１５ｃに流れ込む。主凝縮器１５ｃの内部には、高圧塔１５ａの頂部に接続された頂部窒素管２３を介して高圧塔１５ａから供給された窒素と、主凝縮器１５ｃ内の液体酸素との熱交換を行う熱交換器２４が設けられている。熱交換器２４で熱交換して冷却された窒素は、高圧塔１５ａに還流すると共に、高圧塔１５ａの頂部に接続された頂部還流管２５を介して低圧塔１５ｂの上部にも還流する。また、熱交換器２４での熱交換により蒸発した液体酸素は、主凝縮器１５ｃの頂部に接続された酸素導入管２８を介して低圧塔１５ｂの底部近傍に導入されて上昇ガスとなる。なお、図１では、低圧塔１５ｂの外部に主凝縮器１５ｃが配置されている精留塔１５を描図しているが、精留塔１５としては、低圧塔１５ｂの内部に主凝縮器１５ｃが配置されたものであってもよい。
高圧塔１５ａにおける頂部還流管２５よりも下方の位置には、低圧塔１５ｂにおける頂部還流管２５が接続された位置より下方に連通する中部還流管２６が接続されている。この中部還流管２６により、高圧塔１５ａの中段部の気体が低圧塔１５ｂに導入される。
また、高圧塔１５ａの底部には、当該高圧塔１５ａの底部に溜まった液体空気を低圧塔１５ｂにおける中部還流管２６よりも下方の位置に導入する第１の液体空気管２９が接続されている。また、第１の液体空気管２９には、粗アルゴン塔１６の上部に設けられた後述するコンデンサ４０に、液体空気を供給する第２の液体空気管３０が分岐して設けられている。また、頂部還流管２５、中部還流管２６及び第１の液体空気管２９における低圧塔１５ｂの近傍、並びに第２の液体空気管３０における粗アルゴン塔１６の近傍には、図示しない膨張弁がそれぞれ設けられ、各管２５、２６、２９、３０内を流れる流体は当該膨張弁により断熱膨張されて低圧塔１５ｂ又は粗アルゴン塔１６に導入される。
低圧塔１５ｂでは、高圧塔１５ａで粗精留された原料空気がさらに精留され、低圧塔１５ｂの上部には窒素が溜まる。このとき、低圧塔１５ｂの上部ほど窒素の純度が高くなる。また、低圧塔１５ｂの下部には製品酸素が溜まる。そして、低圧塔１５ｂの頂部には、低圧塔１５ｂから純度の高い製品窒素を抽出する製品窒素抽出管３１が設けられている。製品窒素抽出管３１により抽出された製品窒素は主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換を行う。
また、低圧塔１５ｂの下部には、低圧塔１５ｂから製品酸素を抽出する製品酸素抽出管３２が設けられている。製品酸素抽出管３２により抽出された製品酸素も主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換を行う。主熱交換器１４で熱交換後の製品窒素及び製品酸素は、例えば製鉄所内へ供給される。
また、低圧塔１５ｂの製品窒素抽出管３１より下方には、製品窒素より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、主熱交換器１４で原料空気と熱交換を行った後、さらにＭＳ吸着器１３に送られる。ＭＳ吸着器１３では、当該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。
また、低圧塔１５ｂの中間部には、アルゴンガスの濃度が比較的高い部分が生じる。低圧塔１５ｂのかかる部分には、当該部分からアルゴン原料ガスを抽出して粗アルゴン塔１６に供給するアルゴン原料ガス管３４が設けられている。アルゴン原料ガス管３４は、粗アルゴン塔１６の下部に供給される。粗アルゴン塔１６に供給された粗アルゴンガスの一部は、粗アルゴン塔１６の底部に液体空気として滞留する。
粗アルゴン塔１６の底部に滞留した液体空気は、粗アルゴン塔１６の底部に接続された第３の液体空気管３５により、例えば低圧塔１５ｂにおけるアルゴン原料ガス管３４の下方に導入される。また、粗アルゴン塔１６の上部には、粗アルゴン塔１６内のアルゴン原料ガスを冷却して凝縮させるコンデンサ４０が設けられている。コンデンサ４０で凝縮したアルゴン原料ガスは、粗アルゴン塔１６の下部に向けて還流し、当該粗アルゴン塔１６内を上昇するアルゴン原料ガスとの間で熱交換が行われる。
コンデンサ４０の上部には、コンデンサ４０で気化した液体空気を低圧塔１５ｂの中段に導入する空気導入管４１が接続されている。空気導入管４１には図示しない調節弁が設けられ、空気導入管４１を流れる空気の流量を制御することで、粗アルゴン塔１６内の圧力が制御される。
第１の液体空気管２９の、例えば高圧塔１５ａの近傍には、当該第１の液体空気管２９内を流れる液体空気中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定機構５０が設けられている。酸素濃度測定機構５０による測定値は、後述する制御装置１００に入力される。なお、酸素濃度測定機構５０の配置は本実施の形態の内容に限定されるものではなく、原料空気中の窒素濃度の増加（酸素濃度の低下）を検出できれば、その配置は任意に設定が可能であり、例えば図１に示すように、原料空気管２０における高圧塔１５ａの上流の位置に酸素濃度測定機構６０を設けるようにしてもよい。
また、主凝縮器１５ｃにおける、液体酸素の液面よりも下方の位置には、当該主凝縮器１５ｃ内から液体酸素を引き抜く液体酸素管５１が接続されている。液体酸素管５１の主凝縮器１５ｃと反対側の端部は、高圧塔１５ａ底部の液体空気の液面より下方の位置に接続されている。液体酸素管５１には、液体酸素を高圧塔１５ａ内に圧送する液体酸素ポンプ５２と、液体酸素の供給量を調整する酸素流量制御機構としての酸素流量調節弁５３が、上流側から下流側に向けてこの順で設けられている。なお、酸素流量調節弁５３は必ずしも設ける必要はなく、例えばインバータなどを用いて液体酸素ポンプ５２の回転数を制御することで液体酸素ポンプ５２からの吐出量、即ち液体酸素の供給量を制御するようにしてもよい。かかる場合、液体酸素ポンプ５２が酸素流量制御機構として機能する。
なお、本実施の形態にかかる深冷空気分離装置は、精留塔１５、即ち高圧塔１５ａと低圧塔１５ｂ、主凝縮器１５ｃ及び粗アルゴン塔１６、並びに高圧塔１５ａ、低圧塔１５ｂ、主凝縮器１５ｃ、粗アルゴン塔１６との間を接続する各種管により構成されている。
以上の深冷空気分離システムには、図１に示すように、制御装置１００が設けられている。制御装置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、酸素濃度測定機構５０、６０での測定結果や、酸素流量調節弁５３、液体酸素ポンプ５２といった各種機器の動作状態を監視すると共に、各種機器の動作の制御を行うことにより、深冷空気分離システム１における深冷空気分離方法が実現される。
本実施の形態にかかる深冷空気分離システム１は以上のように構成されており、次に、深冷空気分離システム１における深冷空気分離方法について説明する。
空気圧縮機１１で圧縮されて高温高圧となった原料空気は、先ず水洗冷却塔１２に供給される。水洗冷却塔１２では、原料空気の冷却及び除塵が行われ、次いで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、原料空気から水と二酸化炭素が除去される。
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塔１５ａに供給され、高圧塔１５ａの底部には液体空気が徐々に溜まっていく。この際、高圧塔１５ａ内の圧力は概ね０．４〜０．５ＭＰａ程度に維持される。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２１に導かれ、膨張タービン２１で断熱膨張した原料空気が低圧塔１５ｂに供給されると共に、精留塔１５に寒冷が補充される。この際、低圧塔１５ｂ内の圧力は概ね０．０４ＭＰａ程度に維持される。
高圧塔１５ａの底部に溜まった液体空気は、第１の液体空気管２９及び第１の液体空気管２９に設けられた図示しない膨張弁を介して気液混合状態で低圧塔１５ｂの中間部に供給される。これにより、窒素よりも沸点の高い酸素が、液体酸素として低圧塔１５ｂの底部に徐々に溜まっていく。それと共に、第２の液体空気管３０から粗アルゴン塔１６のコンデンサ４０に供給される。
低圧塔１５ｂの底部に溜まった液体酸素は液体酸素管２２を介して主凝縮器１５ｃへと流下し、主凝縮器１５ｃ内に溜まっていく。主凝縮器１５ｃでは、頂部窒素管２３を介して高圧塔１５ａから熱交換器２４に供給される窒素と、主凝縮器１５ｃ内の液体酸素とが熱交換され、蒸発した酸素は酸素導入管２８を介して低圧塔１５ｂに導入される。また、主凝縮器１５ｃで冷却された窒素は、高圧塔１５ａと低圧塔１５ｂとの圧力差により、頂部還流管２５及び頂部還流管２５に設けられた図示しない膨張弁を介して低圧塔１５ｂの上部に導入されると共に、冷却により液化して高圧塔１５ａ内の気体と熱交換が行われる。
また、高圧塔１５ａの中間部近傍の気体は、中部還流管２６を介して低圧塔１５ｂの中間部近傍に導入される。そして、この状態が継続すると、高圧塔１５ａ及び低圧塔１５ｂの内部が平衡状態となり、例えば高圧塔１５ａ底部の液体空気が概ね−１７５℃、低圧塔１５ｂ底部の液体酸素が概ね−１８０℃で維持される。そして、製品酸素及び製品窒素が随時製品酸素抽出管３２及び製品窒素抽出管３１から需要先へ供給されると共に、低圧塔１５ｂの中段からは、アルゴン原料ガス管３４を介してアルゴン原料ガスが粗アルゴン塔１６に供給される。この際、廃窒素抽出管３３に設けられた図示しない調節弁から排出する廃窒素の流量を制御することで、低圧塔１５ｂ内の圧力が、概ね０．０４ＭＰａ程度に維持される。
粗アルゴン塔１６では、アルゴン原料ガス管３４から供給されたアルゴン原料ガスがコンデンサ４０で冷却され、凝縮したアルゴン原料ガスは粗アルゴン塔１６の底部へと還流する。そして、粗アルゴン塔１６の底部に溜まった液体酸素は、第３の液体空気管３５を介して低圧塔１５ｂの中段に導入される。また、コンデンサ４０での熱交換により気化した液体空気は、空気導入管４１を介して低圧塔１５ｂの中段に導入される。これにより粗アルゴン塔１６も平衡状態に達し、粗アルゴン塔で精留された粗アルゴンガスが、アルゴンの最終生成装置（図示せず）に導入される。この状態においては、粗アルゴン塔１６の下部に滞留するアルゴン原料ガスは概ね−１８０℃、粗アルゴン塔１６で精留される粗アルゴンガスは概ね−１８４℃程度となる。この際、酸素流量調節弁５３は全閉、また、液体酸素ポンプ５２は停止した状態となっている。なお、液体酸素ポンプ５２については、図示しないミニマムフロー系統を用いてミニマムフロー運転の状態としてもよい。
その後、何らかの理由により空気圧縮機１１から供給される原料空気中の酸素濃度が低下、即ち原料空気中の窒素濃度が増加すると、低圧塔１５ｂ内の窒素量も増加する。そうすると、低圧塔１５ｂ内の窒素濃度の上昇及び酸素濃度の低下に伴い、酸素濃度測定機構５０での酸素の測定値が低下する。
これにより、制御装置１００では、高圧塔１５ａ内の窒素濃度が上昇したことを検知する。そこで制御装置１００は、液体酸素ポンプ５２を起動させると共に、酸素流量調節弁５３を所定開度まで開操作する。この際の所定開度とは、酸素濃度測定機構５０での測定結果により、不足することが想定される酸素を高圧塔１５ａに供給できる程度の開度である。これにより、主凝縮器１５ｃ内の液体酸素が高圧塔１５ａに供給され、高圧塔１５ａ内の酸素濃度が直ちに上昇する。その結果、低圧塔１５ｂ内の酸素濃度も直ちに上昇し、粗アルゴン塔１６に供給されるアルゴン原料ガス中の酸素濃度も所望の値に維持される。
その後、酸素流量調節弁５３の開度は酸素濃度測定機構５０の測定値が所望の値に維持されるように制御される。そして、空気圧縮機１１から供給される原料空気内の酸素濃度が回復すると、酸素濃度測定機構５０での測定値が徐々に上昇するため、制御装置１００により酸素流量調節弁５３の開度が徐々に閉じられて全閉状態となる。これにより、深冷空気分離システム１は通常の運転状態に復帰し、そのまま運転が継続される。
なお、酸素流量調節弁５３の開度の調整にあたっては、酸素濃度測定機構６０の測定値を用いてもよいし、酸素濃度測定機構５０と酸素濃度測定機構６０を併用して、酸素濃度測定機構５０での酸素濃度低下の検出により酸素流量調節弁５３をフィードフォワード制御により開操作し、その後は酸素濃度測定機構６０の測定値に基づいて酸素流量調節弁５３の開度をフィードフォワード制御するようにしてもよい。
以上の実施の形態によれば、高圧塔１５ａの底部に主凝縮器１５ｃ内の液体酸素を供給する液体酸素ポンプ５２と、液体酸素の供給量を制御する酸素流量調節弁５３を有し、酸素濃度測定機構５０の測定結果に基づいて、制御装置１００により酸素流量調節弁５３を制御するので、例えば空気圧縮機１１から供給される原料空気中の窒素濃度が上昇した場合であっても、直ちに高圧塔１５ａ内の酸素濃度を上昇させることができる。その結果、低圧塔１５ｂから粗アルゴン塔１６に供給されるアルゴン原料ガス中の窒素濃度の上昇を防止し、粗アルゴン塔１６において適正に粗アルゴンガスの生成を行うことができる。また、精留塔１５内の酸素濃度を所望の状態に維持するために、従来のように空気圧縮機１１から大量の原料空気を供給する必要がなくなるため、深冷空気分離システム１を効率的に運用することができる。
なお、以上の実施の形態では、主凝縮器１５ｃを液体酸素供給源として用いたが、通常、例えば製鉄所のような設備には液体酸素の貯留設備が設けられている。したがって、例えば図２に示すように外部に設けられた液体酸素の貯留設備を液体酸素供給源７０として用いてもよい。
また、図３に示すように、液体酸素供給源７０から主凝縮器１５ｃ内に液体酸素を供給するようにしてもよい。主凝縮器１５ｃ内の液体酸素を長時間使用すると、主凝縮器１５ｃ内の液体酸素の液面が徐々に低下するため、深冷空気分離システム１に対して何らかの方法で酸素を供給する必要がある。かかる場合、空気圧縮機１１からの原料空気の供給量を増やすことも考えられるが、既述の通り、空気圧縮機１１からの原料空気による酸素の供給にはロスが多い。この点、外部の液体酸素供給源７０から液体酸素の状態で主凝縮器１５ｃ内に液体酸素を供給することで、極めて効率的な酸素の補充を行うことができる。
なお、以上の実施の形態のように、高圧塔１５ａ内に液体酸素を供給すると、精留塔１５内に持ち込まれる寒冷が過剰となり、精留塔１５内のバランスが崩れる場合がある。具体的には、高圧塔１５ａ内の液体空気の温度が液体酸素の供給により低下し、高圧塔１５ａから低圧塔１５ｂの間の第１の液体空気管２９を流れる液体空気の温度が低下する可能性がある。したがって、精留塔１５内のバランスを維持するために、例えば図４に示すように、分岐管２０ａを流れる流体と、第１の液体空気管２９を流れる流体の間で熱交換を行う熱交換器８０、８１を、それぞれ分岐管２０ａと第１の液体空気管２９に設け、第１の液体空気管２９を流れる流体を加熱するようにしてもよい。かかる場合、分岐管２０ａに設ける熱交換器８０は、膨張タービン２１へ流入する前の原料空気と熱交換を行うように配置することが好ましく、より好ましい配置としては、図４に示すように、コンプレッサ２１ａで圧縮されて主熱交換器１４で冷却された後であって膨張タービン２１へ流入する前の位置である。これにより、低圧塔１５ｂ及び粗アルゴン塔１６に持ち込まれる寒冷が維持されるので、精留塔１５や粗アルゴン塔１６におけるバランスが崩れることを防止できる。
本発明は、深冷空気分離システムにおける操業の安定に有用である。
１ 深冷空気分離システム
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
１５ｃ 主凝縮器
１６ 粗アルゴン塔
２０ 原料空気管
２０ａ 分岐管
２１ 膨張タービン
２１ａ コンプレッサ
２２ 液体酸素管
２３ 頂部窒素管
２４ 熱交換器
２５ 頂部還流管
２６ 中部還流管
２７ 気液熱交換器
２８ 酸素導入管
２９ 第１の液体空気管
３０ 第２の液体空気管
３１ 製品窒素抽出管
３２ 製品酸素抽出管
３３ 廃窒素抽出管
３４ アルゴン原料ガス管
３５ 第３の液体空気管
４０ コンデンサ
４１ 空気導入管
５０ 酸素濃度測定機構
５１ 液体酸素管
５２ 液体酸素ポンプ
５３ 酸素流量調節弁
６０ 酸素濃度測定機構
７０ 液体酸素供給源
８０、８１ 熱交換器
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
１５ｃ 主凝縮器
１６ 粗アルゴン塔
２０ 原料空気管
２０ａ 分岐管
２１ 膨張タービン
２１ａ コンプレッサ
２２ 液体酸素管
２３ 頂部窒素管
２４ 熱交換器
２５ 頂部還流管
２６ 中部還流管
２７ 気液熱交換器
２８ 酸素導入管
２９ 第１の液体空気管
３０ 第２の液体空気管
３１ 製品窒素抽出管
３２ 製品酸素抽出管
３３ 廃窒素抽出管
３４ アルゴン原料ガス管
３５ 第３の液体空気管
４０ コンデンサ
４１ 空気導入管
５０ 酸素濃度測定機構
５１ 液体酸素管
５２ 液体酸素ポンプ
５３ 酸素流量調節弁
６０ 酸素濃度測定機構
７０ 液体酸素供給源
８０、８１ 熱交換器
Claims (10)
- 空気圧縮機で圧縮された原料空気から製品窒素及製品酸素を生成する高圧塔及び低圧塔を備えた精留塔と、前記高圧塔で分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器を備え、当該熱交換器で液化した窒素を高圧塔に還流させる主凝縮器と、前記低圧塔から供給されるアルゴン原料ガスから粗アルゴンガスを生成する粗アルゴン塔と、を有する深冷空気分離装置であって、
前記高圧塔底部の液体空気中の酸素濃度、または前記高圧塔に供給される原料空気中の酸素濃度の少なくともいずれかを測定する酸素濃度測定機構と、
前記高圧塔の底部に液体酸素を供給する液体酸素供給源と、
前記液体酸素供給源から前記高圧塔への液体酸素の供給量を制御する酸素流量制御機構と、
前記酸素濃度測定機構の測定結果に基づいて、前記酸素流量制御機構を制御する制御装置と、を有することを特徴とする、深冷空気分離装置。 - 前記液体酸素供給源は、前記主凝縮器であることを特徴とする、請求項１に記載の深冷空気分離装置。
- 前記液体酸素供給源は、前記主凝縮器内の液体酸素を圧送するポンプを有していることを特徴とする、請求項２に記載の深冷空気分離装置。
- 前記主凝縮器に液体酸素を供給する他の液体酸素供給源を更に備えていることを特徴とする、請求項２または３のいずれか一項に記載の深冷空気分離装置。
- 前記高圧塔の底部に接続され、前記高圧塔内の液体空気を前記粗アルゴン塔に供給する液体空気供給管と、
前記空気圧縮機から供給される原料空気の一部を膨張タービンへ導く分岐管と、を有し、
前記液体空気供給管内の流体と、前記分岐管内の前記膨張タービンへ流入する前の流体との間で熱交換を行う気液熱交換器と、をさらに有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の深冷空気分離装置。 - 空気圧縮機で圧縮された原料空気から製品窒素及製品酸素を生成する高圧塔及び低圧塔を備えた精留塔と、前記高圧塔で分離された窒素を凝縮して液化する熱交換器を備え、当該熱交換器で液化した窒素を高圧塔に還流させる主凝縮器と、前記低圧塔から供給されるアルゴン原料ガスから粗アルゴンガスを生成する粗アルゴン塔と、を有する深冷空気分離装置における深冷空気分離方法であって、
前記深冷空気分離装置は、前記高圧塔の底部に液体酸素を供給する液体酸素供給源をさら備え、
前記高圧塔底部の液体空気中の酸素濃度、または前記高圧塔に供給される原料空気中の酸素濃度の少なくともいずれかを測定し、
前記酸素濃度の測定結果に基づいて、前記高圧塔の底部への液体酸素の供給量を制御することを特徴とする、深冷空気分離方法。 - 前記液体酸素供給源は、前記主凝縮器であることを特徴とする、請求項６に記載の深冷空気分離方法。
- 前記主凝縮器内の液体酸素をポンプにより前記高圧塔の底部に圧送することを特徴とする、請求項７に記載の深冷空気分離方法。
- 前記主凝縮器から前記高圧塔への液体酸素の供給に伴い、他の液体酸素供給源から前記主凝縮器へ液体酸素を供給することを特徴とする、請求項７または８のいずれか一項に記載の深冷空気分離方法。
- 前記深冷空気分離装置は、
前記高圧塔の底部に接続され、前記高圧塔内の液体空気を前記粗アルゴン塔に供給する液体空気供給管と、
前記空気圧縮機から供給される原料空気の一部を膨張タービンへ導く分岐管と、を有し、
液体空気供給管内の流体と、前記分岐管内の前記膨張タービンへ流入する前の流体との間で熱交換を行う気液熱交換器と、をさらに有し、
前記液体酸素供給源から前記高圧塔に液体酸素を供給したときに、前記気液熱交換器で前記液体空気供給管内の流体と、前記分岐管内の前記膨張タービンへ流入する前の流体との間で熱交換を行うことを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一項に記載の深冷空気分離方法。
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- 2014-10-20 JP JP2014214011A patent/JP6354517B2/ja active Active
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