JP4025021B2 - 低圧力比ｖｐｓａプラントの調整及び平衡化システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧力スイングガス分離法の制御に関し、詳しくは、吸着／脱着段階の時間及び容器還流時間を、観察された圧力及び純度に基づいて調節することにより、容器圧力を、最大製造量が最適化され且つ達成される圧力よりも若干低く、あるいは所定の値に維持する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムは、フィードブロワ及び真空ブロワ、容器としての床及び吸着材、弁、その他の機器を含むシステム構成部品に、相性の良いものを高度に利用することで価格競争力を持つものとなる。こうした機器を安全に、一貫して有効使用し且つ制御することが肝心である。この非常に過渡的なプロセスの制御を維持するために、プラントにはプログラム論理制御（ＰＬＣｓ）、コンピューター連続制御、そして監視用の各ソフトウェアが装備される。短い床を使用する半径方向流れ吸着材、吸着率の高い高性能吸着材その他の、システム機能の向上に関する近年の開発により、サイクル時間は短縮され、ＰＳＡシステムの運転上の過渡的性質に対するプロセス感度は一段と高くなった。
【０００３】
加えて、低圧力比のＶＰＳＡサイクルにより、単一ステージ式の回転ローブ型真空ポンプへの切替が容易となった。これらの真空ポンプを有効化するためには、その寸法を、その他のシステム部品、例えば、床容積及びフィードブロワに注意深く合致させる必要がある。真空ブロワは、機械的にはその最大圧力差の付近で、また、空気力学的には、真空水準が増大してその効率が鋭く落ち込むポイントで運転される。
【０００４】
理論上は、システム上の適正な運転圧力が確立された場合、これを調節する必要はない。問題は、周囲温度や圧力、制御弁位置決め、プラント調整パラメータ、運転温度、冷却ループ、ブロワ及び圧縮器の機械的損耗、並びに、弁リークの変動等がこれらの圧力水準に与える影響が、システム構成部品が設計ポイントから外れて無理に運転されるオフピーク運転の原因となることである。極端な場合、設備のシャットダウンも起こり得る。従って、安全且つ効率的な運転のためには、プラント運転中はシステムの全体圧力水準を注意深く監視する必要があり、また、必要であれば所望の値にほぼ合致する値に調節する必要がある。
【０００５】
システムにおいて１つ以上の吸着容器を使用する場合には別の問題が生じ得る。即ち、各容器の個別の運転を、最小の単位出力、最小の生成物純度変動、最大の製造量、等から見た最適なシステム性能をもたらすようにマッチングさせるのが難しいことである。全システム圧力水準制御の場合におけるように、システムに外乱が入り込み、しばしばシステムの安定性を変化させることから、床間を平衡化させる必要がある。そうした外乱は、周囲温度、周囲圧力、プロセス設備、プロセス弁位置、プロセス弁応答時間、プラントコンピュータ制御関数その他によりもたらされ得る。外乱の影響は、プロセスのキーパラメータを監視し、プロセス制御システムを介してシステムを設計運転に近づけることで最小化され得る。
【０００６】
米国特許第４，７４７，８５３号には、弁故障時の過剰圧力を制御する方法が記載される。この方法では圧力センサ、流れ制限オリフィス、常開弁が使用される。圧力センサユニットに受け容れ難い圧力が検知されると、常開弁を閉鎖させる信号が送られる。かくして下流側のシステムは市販入手可能な釈放弁あるいは破裂ディスクと類似の様式下において高圧から保護される。
【０００７】
米国特許第５，４０７，４６５号には床平衡化／調整法が記載される。この米国特許では床間の平衡を維持する必要性が認識され、平衡化システムは、各床が類似の軸線方向温度プロファイルを有する状態下に運転される。もし外乱がシステムに入ると、この軸線方向温度プロファイルが各床毎に変化して非平衡状態の指標となる。プラント制御用コンピュータが床温度を監視し、各床を出入りする等化流れ及びパージ流れを、各床の温度プロファイルを類似状態に回復させる設計様式下に調節する。
【０００８】
米国特許出願番号第５，５２９，６０７には、相をずらして運転されるＰＳＡプロセスサイクルにおいて、各床から排出されるパージガスの最大Ｏ₂測定濃度が監視される。次いで、各濃度の差の絶対値が決定され、各床のパージプロセス段階の時間が、この濃度差の絶対値を小さくする方向で調節される。
【０００９】
米国特許第５，４８６，２２６号では、酸素アナライザを使用してＮ₂製造用の炭素ＰＳＡにおける純度が測定される。Ｏ₂濃度が受容限界を超えて上昇すると、サージタンクからの生成物等級のガスの流れが製品純度を回復するように吸着容器に流入され、これにより、純度低下その他の変動後の急速回復手段が提供される。
【００１０】
米国特許第５，２５８，０５６号には、製品要求量の変化を測定し、次いで空気フィード量を調整してこの変化を補償させることにより、プラントの製品製造量を制御する方法が記載される。空気フィード量は、一定の製品純度が維持されるように調節される。システムは、ターンダウン容量及び純度を共に制御するべく空気フィード量を制御する。
【００１１】
米国特許第４，７２５，２９３号には、製品流れの純度水準を監視し、次いで、所望の製品純度を維持するべく空気フィード量を調節することにより、製品流れの不純物水準を制御するシステムが記載される。
【００１２】
米国特許第４，６９３，７３０号には、ＰＳＡの製品流れのガス成分純度を制御するための方法が提案される。この方法では、並流減圧ガスあるいは等化ガス内の不純物濃度が監視されることで変動条件の存否が判断される。もし問題が検出されるとプロセスが調節される。純度問題を補正するために取り得る主たる作業は、以下の通りである。
【００１３】
ａ）吸着段階時間を変化させて物質移動フロントの前縁位置を制御すること。
ｂ）最終の並流減圧段階の終了ポイントを変化させて物質移動フロントの露出（ブレークスルー）を防ぐこと。
ｃ）各容器に対するパージガス量を増やすこと。
【００１４】
この米国特許では、要するに、純度が最も急速に変化し且つ変動が最も容易に検出されるサイクル時間が監視される。それ故、そうした変動を、それが製品に完全に伝わり且つ製品純度上に出現する機会を得る前に検知することが可能である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
吸着／脱着段階の時間及び容器還流時間を、観察された圧力及び純度に基づいて調節し、容器圧力を、最大製造量を最適化し且つ達成する上での圧力よりも若干低いあるいは所定の値に維持する方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、システム圧力を監視して得たデータがＰＬＣに送られる。ＰＬＣは、制御論理に基づいてプロセス段階の時間を調整し、プロセスの所望の最適圧力下での運転を安全に維持する。本発明は、最低圧力と無関係に最低圧力を制御し、それにより、フィードブロワ及び真空ブロワの両方を相互に幾分独立して最適化するための手段を提供する。真空ブロワが単一ステージ装置であることから、サイクルの最適圧力比を維持するのはずっと困難である。これは、大容量の空気が高い吸引圧力（従来使用される２ステージ真空ブロワと比較して）下でプロセス処理されるという事実によるものである。従来は吸着及び脱着の各圧力は、一定の、別個の水準に制御することが意図されていた。
【００１７】
そうした別個の水準で運転するように調節するとプロセスは非効率化する。つまり、一方の部品を調節すると、プロセス流れを介して２つの部品が連結されるという事実に基づき、他方の部品にも影響が及ぶのである。本発明の重要な特徴は、サイクル内の個々の段階の時間及び内部還流流れが同時に調節されることにある。そうした調節は、最低及び最高の各吸着圧力が、所定のプロセス及び設備運転条件のために最適化された常に変化する水準である状態とされた下で、サイクルが所望の圧力比に近い圧力比で運転されるように実施される。
【００１８】
１つ以上の吸着床（以下、容器とも称する）を使用するＰＳＡシステムでは、床間の性能をほぼ平衡状態に維持する必要上、全圧力水準が最適化される範囲内での追加制御が必要となる。ＰＳＡ容器の平衡化は、各容器からの排出流れが、類似の酸素純度水準にある状態とされた下で運転される場合に達成される。システムの順次する各容器が吸着から脱着までの主たる各プロセス段階を経ること、そして、容器内温度、容器圧力水準、流出ガス組成、段階時間の長さ、その他の重要なプロセス指標がその振幅及び振動数において同じであること、言い換えると、容器の運転上の変動がないことが理想である。システムを出る製品ガスは、運転中の容器により生成されるにも係わらず、その純度は一定である。
【００１９】
平衡化した容器を使用した運転は、全システム生産量を最大化する他に、全製造コストを低減させる。そうした最適化を達成するため、従来は、純度、圧力、あるいは温度の各測定値を検出手段として非平衡を検出し、プロセスの平衡を回復する調整を行っていた。本発明は、全排気サイクルの半サイクルにおける個々の容器からの排出流れ（廃棄流れ）を監視し、この半サイクル間に見出された最小酸素濃度を記録する。次いで、等化流れ（サイクルの吸着相にある床から脱着中の床に移動する容器排出流れ）を、その酸素濃度が容器排出流れ中の酸素濃度と類似化させるように調節する。
【００２０】
本発明の重要な特徴は、個々のサイクル段階時間（フィード時間、パージ時間、等化時間）を、全システムを最適圧力水準に保持するように系統的に調節することにある。任意の目的で、システム圧力及び全還流要求量を維持するために何ら時間を選択せずに段階時間を変化させても、性能は最適化されない。本発明では酸素濃度の記録を正確に取る必要はなく、単に、各サイクルのための最小純度を監視してそれらを比較することのみが必要とされる。
【００２１】
従来は、各容器から圧力を記録し、一定間隔での、あるいは最も代表的には段階時間での比較がなされたが、これは、各床圧力が平衡化するが各床自体は著しく非平衡でありそれ故に製造量が最適量未満となる状況を（各床間の温度変化及び吸着材の固有の差に基づいて）もたらし得る。各容器のための等化段階中に取られた床圧力差（床の最高圧力及び最低圧力間の差）の測定値もまた、プロセス平衡化のために使用されたが、この方法を現場で試した結果、排出流れの最小純度を使用する平衡化におけるものと同等の効果は得られないことが示された。
【００２２】
最適サイクル圧力比を設計点に維持すると共に、吸着容器からの排出流れを等化することにより、著しい経済的利益が提供される。サイクル圧力を監視し、引き続きサイクル段階時間を変更して最適値を保持することにより、プラント性能は最大化され、不必要なシャットダウンが回避される。また、システムの最適圧力比を維持することによりプラント製造量が最適化され、電力消費量も最小化される。排出流れの相当純度を使用して吸着容器の排出流れを等化することにより、プラント製造量は著しく改善される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明によればＶＳＰＳＡシステムが、以下に説明するように電力消費量を最小化するため及びシステムを連続且つ高収益性下に運転するべく制御される。そうした制御は、サイクル圧力比（最大圧力／最小圧力）を設計水準付近に維持しつつプラント製造量を最大化することにより達成される。制御は、サイクル段階時間の操作と、等化流れ及びパージガス流れを調節することにより達成される。これらの操作及び調節は、各吸着容器を出入りする流れの組成を平衡化させることに基く、所望水準付近でのサイクル圧力比の維持及びそれによるシステム製造量の最大化を補助する。
【００２４】
全サイクル時間は、個々の段階時間（パージ段階、等化段階、全フィード時間）を変化させてサイクル圧力比を所望水準に制御するように操作される、各吸着容器の製造量は、容器排出流れの組成を監視することにより平衡化される。吸着容器からの排出流れを等化させることでプラントの効率及び製造量が増大される。容器排出流れの等化は、等化流れ及びパージガス流れを調節することにより達成される。
【００２５】
２床ＶＰＳＡシステムのための低圧力比ＰＰＰＯＥ（パージ及び平行等化を伴う製品加圧）サイクルは１２の段階から成り、真空ブロワが連続様式下に使用される。代表的にはこのサイクルは空気から９０〜９４％純度の酸素を製造し、短いサイクル時間で運転され、床の寸法ファクタは小さい。以下のサイクル段階の説明は床“Ａ”のためのものである。床Ａ及びＢは全く同じ段階を経るがその相は１８０度ずらされている。プロセス段階に関し、図１（ＶＰＳＡサイクル段階ダイヤグラム）、図２（ＶＰＳＡプロセス条件及び内側チャンネル圧力）、図３（ＶＰＳＡ設備ダイヤグラム）を参照されたい。
【００２６】
段階１：平行等化を伴う昇圧フィード：本段階中はフィードブロワが作動される。床Ａ（例えば）が、フィードされる空気により底部から、また、減圧中の容器（即ち床Ｂ）から送られる等化ガスにより頂部から、同時に加圧される。
【００２７】
段階２：平行する製品加圧を伴う昇圧フィード：高純度製品が酸素サージタンクから床Ａの頂部に追加され、一方、フィードブロワにより空気がフィードされる。本段階は、吸着フロントをシャープ化し、同時に床圧力を増大させるために使用される。
段階３：昇圧フィード：フィードブロワを通しての床Ａ内への空気フィードが継続される。床Ａの圧力は、プロセスが製品を製造することができるようになる以前に設定圧力に増大する。本段階終了時の圧力は、所定の製品タンク容積及び圧力制御システムのための最大吸着圧力に可能な限り近いものとなる。
【００２８】
段階４：製品製造下の定圧フィード：本段階中、床Ａ内の圧力は、容器へのフィード空気量が、容器の頂部からの製品排出量と平衡されることで比較的一定に維持される。製品ガスは酸素サージタンクに送られる。
段階５：製品製造及びパージ状態下の定圧フィード：床Ａの底部への空気フィードが継続される一方、酸素製品が酸素パージガスとして製品サージタンク及び減圧容器（床Ｂ）に送られる。各流れは容器圧力をほぼ一定に保つように平衡化される。本段階中の酸素製品の純度は比較的一定に維持される。本段階は純度フロントが床Ａの頂部に露出する以前に終了される。
【００２９】
段階６：降圧等化：本段階中、床Ａに送るガス流れはフィード弁の閉鎖により断続される。空気フィードブロワが、システムの排出側に位置付けたベントを開放することにより無負荷化される。床Ａの頂部に残留する低純度ガスが減圧容器（床Ｂ）に移送され、かくして、２つの容器内の圧力がほぼ等化される。本段階は、圧力エネルギーと、容器頂部に収納される比較的高濃度の酸素ガスとの回収を可能とするプロセス増強段階として実施される。
【００３０】
段階７：平行等化状態での降圧排気：本段階中、真空ブロワが排気窒素を除去し、同時に、床Ａが、昇圧吸着容器（床Ｂ）に降下する等化流れにより頂部から減圧される。
段階８、９及び１０：降圧等化：８〜１０の各段階は排気中継続される。排気窒素が床Ａの底部から除去され、一方、床Ａの頂部での流体の出入はない。
【００３１】
段階１１：酸素パージ状態での定圧排気：真空ブロワによる床Ａ底部からの排気窒素除去が継続される一方で、床Ａの頂部に酸素パージガスが追加される。本段階中は、酸素パージガス流れが排気流れと等しくなるよう制御される事実に基づき、圧力は比較的一定に保たれる。
【００３２】
段階１２：昇圧等化：真空ブロワが排気窒素の除去を継続し、一方、加圧容器（床Ｂ）からの等化酸素が減圧容器（床Ａ）内に流入される。本段階中の床Ａの圧力は、床Ａに流入する等化流れが床Ａを出る廃棄流れよりも多いことから上昇する。フィードブロワによる床Ｂへのフィードは本段階中は停止される。
サイクルの圧力比は、フィードブロワの吐出圧（床Ａでは段階５の最後の、床Ｂでは段階１１の）を、真空ブロワの最小吸引圧（床Ａでは段階１１の最後の、床Ｂでは段階５の）で除算することにより算出される。
【００３３】
標準圧力比ＶＰＳＡサイクルでは２ステージ真空ブロワが使用され、真空ブロワアセンブリを横断する大きな圧力差（真空ブロワ吸排圧力差（約〜０．０７ＭＰａ（〜１０．５ｐｓｉｄ））が発生する。低圧力比ＶＰＳＡサイクルは、単一ステージ真空ブロワのみで構成され、真空ブロワを横断して達成される圧力差はかなり小さく（約〜０．０５５ＭＰａ（〜８ｐｓｉｄ））。それ故、圧力比は２ステージ真空ブロワアセンブリのそれよりもかなり小さい（〜３対〜５）。
【００３４】
ＶＰＳＡプラントで使用する単一ステージ真空ブロワは、最大圧力差約〜０．０５８ＭＰａ（〜８．５ｐｓｉｄ）を達成することができる。その必要圧力差を達成するためには、標準圧力比プロセスでは２ステージ真空ブロワを使用するべきであるが、低圧力比ＶＰＳＡサイクルを組み込めば、必要な真空ブロワは１台で済むことから、コストは削減される。単一の真空ブロワを使用可能とするためにはプロセス圧力比（本質的に真空吸引圧力比と関連する）を正確に制御する必要もある。
【００３５】
圧力比を維持するための調整：
圧力の制御は低圧力比ＶＰＳＡサイクルでは重要になる。本発明ではフィードブロワと単一ステージの真空ブロワとが使用される。真空ブロワは、その設計最大値付近の圧力差において、且つ、真空水準の増大に伴い効率が顕著に低下する圧力水準において運転される。図４は、単一及び２ステージの両真空ブロワアセンブリのための、真空ブロワの効率／吸引圧力の比を示すグラフである。吸引圧力が絶対値での約０．０５５ＭＰａ（８ｐｓｉａ（真空ブロワの圧力差が約〜０．０４４（〜６．５ｐｓｉｄ））から、絶対値での０．０４１ＭＰａ（６ｐｓｉａ（真空ブロワの圧力差が約〜０．０５８（〜８．５ｐｓｉｄ））に減少するに従い、圧力比は増大し、一方、装置効率は低下する。装置の設計吸引圧力限界値が絶対値での約０．０４１ＭＰａ（約６ｐｓｉａ）である場合には、吸引圧力がこの限界値に近づくに従い、吸引圧力の真空効率水準を許容値に維持し、プラント製造量をその場合の圧力比において最適化することが重要となる。
【００３６】
周囲条件、設備の選択、調整パラメータ、運転温度、冷却システム及び弁リークの変動は全て、運転圧力水準並びに全システム運転に影響を与える。
条件が一定（外乱がない）であればＰＳＡプロセス圧力は時間の経過に対して一定に維持される。各サイクルでの実際の到達値は、システムのガス貯蔵能力、システムの使用設備、そして個々の段階時間、に依存する。
【００３７】
一般に、空気フィード装置がシステムにガスを追加してシステム圧力を増大して高圧化し、真空ブロワがシステムからガスを除去してシステム圧力を低圧化する。この平衡状態が維持される限り、プロセス圧力はある平均圧力を反復する。この平均圧力は、最高圧力及び最低圧力を合計して２で割った値として定義される。システムからの排出ガス流れがシステムに入るそれよりも多いと、最高圧力、最低圧力そして平均圧力は低下し、あるいは逆もまた同じである。同様に、サイクルが長くなると最高圧力は増大して最低圧力は減少する。サイクルを短くすると最高圧力は減少し、最低圧力は増大する。これは、一定のシステムに出入りする合計流れはより多くなるが、そうした出入りが比例様式であることによるものである。
【００３８】
平均圧力はその都度幾分変化するが、その変化は最高及び最低の各圧力変化に比較すればずっと小さい。それ故、サイクル運転を通しての圧力範囲を、段階時間を長くあるいは短くすることで変化させることができる。実際、最高圧力及び最低圧力の少なくとも一方の制御を、圧力監視下でサイクル時間を変化させ、圧力を許容値範囲内あるいは最大／最小値以下に維持することによって維持することができる。
【００３９】
実際の運転に際しては追加のファクタに遭遇する。それらのファクタには、システムの内部流れ、例えば、等化及びパージの各流れ及び製品流れが含まれる。システムの各容器を出入りする各流れの量は容器圧力に影響を与える。これらの流れは段階時間及び／又は制御弁位置により制御される。段階時間は、一定の全サイクル時間内で調節され得る。弁位置は、一定の段階時間に対する流れを変化させるべく制御することができる。加えて、各容器のための等化制御弁により、所定の段階時間に対する各容器のための流れを異ならせることが可能である。これらの追加の制御変数により、プロセスの圧力水準を、上述の最高圧力及び最低圧力の各水準の制御範囲内での所望水準に調節することが可能であり、また前記変数は容器間の運転に影響することから、各容器間の適正な平衡状態を維持するためにも使用され得る。
【００４０】
段階６及び段階１２のためのサイクル段階時間は、以下に説明するようにフィードブロワがこれらの段階中は無負荷化され、一方、真空ポンプの運転が継続されることから、圧力水準に影響を与えようとする場合は特に重要である。更に、容器間の内部等化流れも存在する。かくして、本段階中は、システムを出入りする２つの流れのみならずシステムの内部流れが、システム圧力に最大の影響を与えるべく変化される。
【００４１】
代表的な真空及びフィード用の各ブロワは、等化、パージ、平行等化及び製品加圧の所望される各中間段階において、絶対値での公称０．０４１〜０．０５１ＭＰａ（６〜７．５ｐｓｉａ）の最低圧力と、絶対値での公称約０．１４４〜０．１５８ＭＰａ（２１〜２３ｐｓｉａ）の最高圧力が提供されるように選択される。予備試験及び現場試験によれば、様々な量の等化、平行等化及びパージから成る幾つかの還流組み合わせを使用して特に望ましい運転性能が得られることが実証された。次いで、等化量をより高水準及びより低水準に変化させ、それぞれにおける引き続くパージ及び平行等化の各割合をより少なくあるいはより多くすることで、各ブロワの排除量を変更することなく最高圧力及び最低圧力の範囲を達成することが可能である。
【００４２】
かくして、最低圧力を上昇あるいは下降させる一方で、最高圧力をほぼ一定に保つことが可能である。更に、この概念をもっと長いあるいは短い吸着段階時間で使用することにより、最低圧力をほぼ一定に維持しつつ、最高圧力を上昇あるいは下降させることもできる。
【００４３】
吸着容器排出流れ間の平衡を維持するための調整：
初期の多重床ＰＳＡシステムでは、床温度及び床圧力の各水準を使用して床間平衡を維持していた。改良型の高率吸着材、小型ビード、小型床寸法ファクタ、短い床を使用する半径方向床の調整は複雑化する。将来のＶＰＳＡシステムは、短い床を使用する、より鮮明（ｓｈａｒｐ）な吸着フロントを有するものとなり、低平衡性の影響はプラント性能上ますます有害なものとなる。
【００４４】
２床Ｏ₂ＶＰＳＡでは、床平衡上の重要な測定値は、各容器の再生段階中の排出流れにおける酸素濃度を監視することにより決定することができる。この監視は、各床の出口位置に、あるいは、好ましくは、廃棄物切替弁の直ぐ下流側の共通配管内に単一の分析装置を使用することにより達成され得る。容器を出る流れチャンネル内に直接センサを位置付けることで、排出チャンネルから流れを抜き取るために要求されるサンプルポンプを排除することが可能である。システムが非平衡を検出すると、等化流れが、平衡を回復する様式下に調節される。排出流れは、コンピュータの算出した設定点を等化流れ制御用の自動制御弁に送ることにより変化される。より高い設定点が自動制御弁に送られると排出流れに流入するガス量が増大される。各床は等化用の個別の制御弁を有し、かくして各床のための流れを異ならせることが可能となる。
【００４５】
平衡を提供するためには相対濃度差のみが要求される。試験によれば、各床は、全脱着段階を通しての排出流れ濃度を監視して、各床のための最小酸素濃度値あるいは変化（ｓｈｉｆｔ）限界値を決定することにより最良に平衡化されることが示された。各値が各床に対して比較され、平衡化のための調節がそれらの値の差に基づき実施される。
【００４６】
試験によれば、廃棄物のブレークスルー水準が平衡化されることでトップ製品のブレークスルー水準が平衡化されて、全サイクル条件に対する最適製造量を達成することが示された。この論理によれば、廃棄物酸素純度が低くなると等化率は増大し、同時に、廃棄物純度が高くなれば等化率は減少する。
【００４７】
図５には、現場で収集された廃棄物酸素トレースが例示される。床“Ａ”が最小廃棄物酸素純度４．１％の下に運転され、床“Ｂ”が最小廃棄物酸素濃度５．０％の下に運転されることを銘記されたい。この場合に適正な調節は、床Ｂを出て床Ａに流入する等化流れを増大させることである。床間の流量調節は注意深く行い、自動制御弁設定を一度に数パーセントのみ変化させる。これらの流量が激変するとプラントは不安定化し、各床が平衡状態に達することはない。
【００４８】
プラントは、２つの各床の最小値が同じである場合、あるいは各最小値の差の絶対値がほぼゼロである場合に調和（ｔｕｎｅ）される。図５には、床平衡中に使用する以下の論理が例示されている。
【００４９】
【表１】

【００５０】
単一ステージ真空ポンプシステムでは、調和は２ステージ真空ポンプシステムにおけるよりもずっと重要である。ＶＰＳＡ酸素システムで使用する吸着材の性能は全圧力比の増大（真空吸引圧力の減少による）に従って一貫して改善される。ＶＰＳＡプロセスで使用する吸着材の性能はプロセスの全圧力比に極めて敏感であることから、単一ステージ真空ポンプシステムのためのプラント性能を最大化することが重要である。低圧力比プロセスが非平衡であると、システム能力に対する不利益は２ステージ真空ポンプシステムにおけるそれよりもずっと大きくなる・
【００５１】
〔データ例〕
表２には、現場及び予備プラントで収集したプロセスデータが示される。このデータには、様々な還流段階及びＶＰＳＡ運転パラメータに対するその影響が示される。
【００５２】
【表２】

【００５３】
このデータによれば、還流段階（パージ及び等化の各段階）における最低圧力を絶対値での約０．０３９〜０．０４８ＭＰａ（５．８〜７．１ｐｓｉａ）として変化させると、圧力比は３．８５〜３．３５の相当変化を生じることが示される。このデータは、本発明が、同一の最高圧力を保持しつつ最低圧力水準に影響を与え得ることを実証するものである。この試験は２ステージ真空ポンプを使用して行われたものであり、単一ステージ真空ポンプを使用すれば、低い方の絶対値での約０．０３９ＭＰａ（５．８ｐｓｉａ）では単位出力は更に高くなり得る。
【００５４】
〔真空ブロワ効率〕
図４には、真空ブロワアセンブリ（単一ステージ及び２ステージの）に対する真空吸引圧力の効率を示すプロットが示される。図４のグラフには、真空ブロワアセンブリの効率がアセンブリを横断する圧力差（吸引圧力の減少に基づく）により変化する状況が示される。このグラフによれば、２ステージ真空ブロワアセンブリではグラフの広いセグメントにおいてその効率が比較的一定に保たれ、吸引圧力が絶対値での約〜０．０３４ＭＰａ（〜５ｐｓｉａ）になるまでは著しい減少を開始しないことが示される。
【００５５】
単一ステージ真空ポンプシステムの場合、高い吸引圧力下では効率は高くなるものの、絶対値での約〜０．０６８ＭＰａ（〜１０ｐｓｉａ）で効率は低下し始める。単一ステージ真空ポンプシステムの効率は、絶対値での約０．０５５ＭＰａ（〜８ｐｓｉａ）の吸引圧力では２ステージ真空ブロワアセンブリよりも悪くなり、吸引圧力が低下すると効率も急降下する。２ステージ真空ブロワアセンブリは吸引圧力の低下に対してはずっと寛容である。本プロットによれば、低圧力比ＰＰＰＯＥサイクルの性能を最適化する場合には、真空ブロワ吸引圧力を全圧力比と共に正確に制御することが重要であることが示される。
【００５６】
〔代表的な調整適用例〕
所定のシステムが、以下の条件、即ち、最低圧力を絶対値での約０．０４４ＭＰａ（６．５ｐｓｉａ）、最高圧力を絶対値での約０．１４８ＭＰａ（２１．５ｐｓｉａ）、パージ段階を４秒間、第２等化段階を２秒間、平行等化段階を２秒間、サイクル時間を３０秒間、運転時の周囲温度を約２６．６℃（８０°Ｆ）とするように調整された。
【００５７】
システムには例えば、周囲温度変化、顧客要求量の変動、その他の幾つかの形態での外乱が入り込む。本例では温度が約−１．１１℃（３０°Ｆ）に低下された。こうした条件では、定容量形の空気フィードブロワが質量ベースで約１０％多い空気を送達し、サイクル時間が変更されるまでは、この質量流れの増大が、温度条件の更新に整合してプラントの最高圧力を変化させる。
【００５８】
最高圧力は、仮に吸着段階時間を短くすれば本適用例で仮定したように維持され得る。真空ポンプは周囲温度変化の影響を大きく受けることがなく、最低圧力は、結局、所望値である絶対値での約０．０４４ＭＰａ（６．５ｐｓｉａ）よりも高くなる。
【００５９】
この場合に考えられるのは、空気フィードブロワに影響を与える周囲温度、より低い新規な床温度、調節された吸着時間、が相互作用して、最低圧力を、所望される絶対値での約０．０４４ＭＰａ（６．５ｐｓｉａ）以上に増大させることである。この相互作用が生じた場合には、パージ段階時間を〜３秒間に短縮すると共に、等化段階時間を〜２．５秒間に延長し、平行等化段階を〜１．５秒間とし、吸着段階時間を若干延長することで、最高圧力に悪影響を及ぼすことなく、最低圧力を最適範囲に回復させることができる。これにより、システムは再度、最高圧力が絶対値での約０．１４８ＭＰａ（２１．５ｐｓｉａ）、最低圧力が絶対値での約０．０４４ＭＰａ（６．５ｐｓｉａ）の所望条件下に運転される。
【００６０】
同様に、最低圧力が低すぎる場合には、パージ段階時間を〜５秒間に延長し、等化段階時間を〜１．５秒間に短縮し、平行等化段階を〜２秒間とし、吸着段階時間を若干短くすることができる。
〔２床Ｏ₂ＶＰＳＡサイクル圧力自動調整制御システム〕
図２には、１２段階から成るＯ₂ 真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）ＰＰＰＯＥサイクルに関する自動調整が例示される。この自動調整は、ＶＰＳＡ／ＰＳＡシステムを、プラントの運転条件範囲を通して、上下の各圧力限界に接近して、しかしそうした限界を越えることなく運転させることを目的としている。
【００６１】
最高圧力設定点は、フィード無負荷圧力（製造業者の推奨最大ブロワ圧力差から設定）のすぐ下の圧力値において確立される。これは、空気フィードブロワのベントを開放して空気フィードブロワを無負荷化することなく、システムを可能な限り所望の最高圧力に近い状態で運転させるためである。
【００６２】
最低圧力設定点は、真空警告圧力（製造業者の推奨最大ブロワ圧力差を使用してＶＰＳＡシステムに設定）のすぐ上の圧力値に設定される。これは、真空ポンプが、高すぎる圧力差の下で運転されて結局はシャットダウンし、プラントをシャットダウンさせるのを防止するためである。またこの設定点とすることで、効率の観点から、プラントが真空ブロワを設定点から外れた圧力下で運転することも防止される。
【００６３】
プロセスサイクル時間は、床の２つの最高圧力（夫々床Ａ及び床Ｂの）の高い方が最高圧力設定点である状態で、あるいは、２つの最低圧力の低い方が最低圧力設定点である状態でシステムを運転させるように自動調節される。
〔圧力比を維持する調整〕
各床の圧力スイングの全体的な大きさは、一方の床がフィード状態（吸着時間）にあり、他方が排気状態にある間の時間を長くあるいは短くすることで、夫々増大あるいは減少される。圧力スイングは、全サイクル時間が延長された場合に、より多くのガスが“定”容量に追加されて最高圧力が上昇し、また、より多くのガスが同じ“定”容量から排気されて最低圧力が減少することで生じる。
【００６４】
〔吸着容器排出流れを平衡化させる調整〕
圧力プロファイルが、真空ブロワを負荷状態とし、一方、空気フィードブロワの無負荷状態時間を変化させることで、より高くあるいはより低くシフトされる。この圧力シフトは、等化段階時間を増減することで達成され得る。この圧力シフトにより、フィード及び排気の相対量が変化するのみならず、一方の床から他方の床に通過される等化ガス量も変化する。この変化は、パージ段階のタイマを変化させることで相殺される。言い換えると、等化時間（及び流れ）の減少にはパージ時間（及び流れ）の増大が付随する。その結果、等化時間が増大し、パージ時間が減少すると、システムの最高圧力及び最低圧力が共に低下する。等化時間が減少し、パージ時間が増大すると最高及び最低の各圧力は上昇する。
【００６５】
適用に際し、圧力比を維持する調整により、２つの床の一方が最高あるいは最低の各圧力設定点の一方に達し、一方、他方の床がこれらの設定点間の圧力を維持するようにサイクルが調整される。次いで、吸着容器排出流れを平衡化させる調整が、最高及び最低の各圧力を設定点に位置付けるように調節する。これら２つの調整概念はループ作用し、全圧力比を維持し、空気のフィード及び排気の各設定点が各一方の床において達成され、何れの床も設定点を超えないようにサイクルを拡張させる。
【００６６】
〔詳細〕
各床の最高圧力及び最低圧力（等化段階６及び１２の開始時点での）が調べられ、各圧力値が設定点と比較され、そのオフセット値が算出される。
段階６：
床Ａの最高圧力オフセット値＝最高圧力設定点−床Ａの最高圧力
床Ｂの最低圧力オフセット値＝床Ｂの最低圧力−最低圧力設定点
段階１２：
床Ｂの最高圧力オフセット値＝最高圧力設定点−床Ｂの最高圧力
床Ａの最低圧力オフセット値＝床Ａの最低圧力−最低圧力設定点
【００６７】
〔フィード時間の自動調整〕
論理上、オフセットデッドバンド（オフセット不感帯）を利用することができる。
段階１２のサイクルの度に、フィード時間調節値が以下の式により算出される。
フィード時間ゲイン定数×オフセット値＝フィード時間調節値
【００６８】
〔例〕
床Ａの最高圧力オフセット値＝０．５
床Ｂの最高圧力オフセット値＝０．３
床Ａの最低圧力オフセット値＝０．２５
床Ｂの最低圧力オフセット値＝０．３
フィード時間ゲイン定数×オフセット値＝フィード時間調節値、であるから（一例としてフィード時間ゲイン定数が１０００であり、補正率が０．０００６であった場合）、
１０００秒／ｐｓｉａ×（０．５ｐｓｉａ＊補正率）＝＋０．３秒
＊：補正率はプログラム論理に内在し、圧力値を制御論理に関する更に取り扱いやすい値に変換するために使用される。
【００６９】
この調節値はオフセット値に応じて正あるいは負のものであり得る。算出される調節値は、±１／２秒を越えないように設定される。
何れかの床の圧力がフィード無負荷圧力あるいは真空警告圧力に達すると上述の算出調節値は無視され、フィード時間は最大調節値（１／２秒）分、短縮される。この時間短縮は任意の半サイクルにおいて実施され得る。フィード時間の最大及び最小の各限界値が、自動調節値を非現実的な値とならないように維持する。
【００７０】
〔還流自動調整〕
パージ及び等化の各段階（還流段階）のための還流オフセット値は、２つの最高オフセット値の最大値（大きさでの）から、２つの最低オフセット値の最大値（大きさでの）を減算することにより算出される。
段階１２の６サイクル毎に、パージ及び等化の各時間の調節値が以下の式により各々算出される。
パージ時間ゲイン定数×オフセット値＝パージ時間調節値
−１×等化時間ゲイン定数×オフセット値＝等化時間調節値
【００７１】
〔例〕
床Ａの最高オフセット値＝０．３５
床Ｂの最高オフセット値＝０．２
床Ａの最低オフセット値＝０．２
床Ｂの最低オフセット値＝０．１５
０．３５−０．２＝０．１５（還流オフセット値）
パージ時間ゲイン定数×オフセット値＝パージ時間調節値、であるから（一例としてパージ時間ゲイン定数が１０００であり、補正率が１／１５００であった場合）、
１０００秒／ｐｓｉａ×（０．１５ｐｓｉａ＊補正係数）＝＋０．１秒
−１×等化時間ゲイン定数×オフセット値＝等化時間調節値、であるから（一例としてパージ時間ゲイン定数が１０００であり、補正率が１／１５００であった場合）、
−１×１０００秒／ｐｓｉａ×（０．１５ｐｓｉａ＊補正係数）＝−０．１秒
これらの調節値もまた正あるいは負の値であり得、±１／２秒に制限される。バージ及び等化の各時間のために、最大及び最小の各限界値が提供される。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【００７２】
【発明の効果】
吸着／脱着段階の時間及び容器還流時間を、観察された圧力及び純度に基づいて調節して、容器圧力を、最大製造量を最適化し且つ達成する上での圧力よりも若干低いあるいは所定の値に維持する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＶＰＳＡサイクルの各段階のダイヤグラム図である。
【図２】 ＶＰＳＡプロセス条件及び内側チャンネル圧力のチャート図である。
【図３】 本発明を実施するためのＶＰＳＡ設備のダイヤグラム図である。
【図４】 単一ステージ及び２ステージの各真空ブロワアセンブリの双方のための真空ブロワ効率対真空ブロワ吸引圧力を示すグラフである。
【図５】 現場で収集された廃棄（排出）酸素トレースの例示図である。

Claims (2)

1. 複数サイクルに渡り運転される少なくとも第１及び第２の各吸着床により実施され、各サイクルは、各吸着床が吸着及び脱着の両作用を通して運転される複数の段階を含む、ガス混合物から好ましいガスを除去するための圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法であって、
   ａ）１のサイクルにおいて、吸着中、各吸着床へのガス混合物の最大フィード圧を監視する段階と、
   ｂ）１のサイクルにおいて、脱着中、各吸着床からの前記ガス混合物の最小排気圧を監視する段階と、
   ｃ）１のサイクルにおける個々の段階時間を、段階ａ）及びｂ）で監視された圧力に従って長く又は短くする段階であって、それによって前記第１及び第２の各吸着床への流れ及びそれらの間における流れを制御して最大製造量を最適化及び達成する段階と、
   を含む圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法。
2. 複数サイクルに渡り運転される吸着床により実施され、各サイクルは、各吸着床が吸着及び脱着の両作用を通して運転される複数の段階を含み、前記吸着床が、加圧ポンプ手段によりフィードされ、真空ポンプ手段により排気される、ガス混合物から好ましいガスを除去するための圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法であって、
   ａ）１のサイクルにおいて、吸着中、吸着床へのガス混合物の最大フィード圧を監視する段階と、
   ｂ）１のサイクルにおいて、脱着中、吸着床からの前記ガス混合物の最小排気圧を監視する段階と、
   ｃ）１のサイクルにおける個々の段階時間を、段階ａ）及びｂ）で監視された圧力に従って長く又は短くする段階であって、それによって前記吸着床への流れ及び前記吸着床からの流れを制御して最大製造量を最適化及び達成する段階と、
   を含む圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法。

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