JP4440607B2

JP4440607B2 - 気体処理装置の液面調整制御方法

Info

Publication number: JP4440607B2
Application number: JP2003388009A
Authority: JP
Inventors: 紀舟細井; 伸策大友; 成久杉田
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005144381A

Description

本発明は、水、洗浄液、吸収液等の液体を貯留し、その液体中に注入する空気、燃料ガス、化学原料ガス等の気体で気泡を発生させ、かつ注入する気体に含まれる不純物を除去したり、気体の温度を液体の顕熱／潜熱で変化させたりする等の処理が行なわれる気泡発生容器を有する気体処理装置の液面調整制御方法および液面調整制御装置に関する。

化学プラントにおいては、気泡発生容器内に水、洗浄液、吸収液等の液体を貯め、これに空気、燃料ガス、化学原料ガス等の気体を供給し、内部に貯めた液体に供給された気体を直接接触させることにより、供給した気体に含まれる固形不純物を液体で洗浄して取り去ったり、供給した気体に含まれる特定成分を液体に吸収して除去したり、気体の温度を液体の顕熱、潜熱により変化させたりすることがおこなわれる。このような気泡発生容器では、気泡発生により、気体と液体とが接触する面積が増加し、各反応が有効におこなわれることになる。

これら気液反応の代表的装置の例としては、エアリフト式気泡塔（化学工学便覧（改訂五版）Ｐ１０５６（Ｈ７．１１．１５））（非特許文献１）等があり、液体中に供給、排出された気体により発生した気泡によって保有する液体の液面が上昇するホールドアップ現象が発生することが知られている。通常の化学プラントにおいては、操作条件を最適化するため、気泡発生容器に供給する気体、液体の流量、圧力、温度等は、ほぼ一定に保つ運転が行われる。このため、液体中に供給、排出される気体による液面上昇率の変動は少なく、液面を制御する場合であっても特に問題を生ずることはない。

エアリフト式気泡塔（化学工学便覧（改訂五版）Ｐ１０５６（Ｈ７．１１．１５））

従来の気泡発生容器２１における液面制御の例を図３に示す。気泡発生容器２１下部には、気体供給管２７が接続され、これにより気体が気泡発生容器２１に供給される。一方、上部には液体供給管３１が接続され、これより液体２２が気泡発生容器２１に供給される。気泡発生容器２１の頂部には、気体排出管３６が接続され、この気体排出管３６を通して気泡発生容器２１の気体が外部に排出される。気泡発生容器２１の底部には液体排出管３２が接続され、この管を通して液体が外部に排出される。

液体排出管３２には、液体流量制御弁３４が設置されている。気泡発生容器２１の下部には、下部圧力検出部２６が設けられ、上部には上部圧力検出部２５が設けられている。下部圧力検出部２６および上部圧力検出部２５は、液面計２３に接続され、液面計２３からの信号（圧力検出差より求めた液面の高さを示す）は、制御弁制御装置３５に送られるように接続されている。

気体供給管２７より気体が気泡発生容器２１に供給されていない場合の液面２４の液面高さをｈ１とする。気体供給管２７より気体を供給すると、液体内に発生する気泡によりホールドアップ現象が発生し、実液面２８の高さはｈ２となる。液面計２３では、下部圧力検出部２６と上部圧力検出部２５の検知する差圧から液面高さを計測する。気泡がない場合の液の比重をγ１とし、気泡が発生した場合の液の平均比重をγ２とすれば、γ２は液内の気体によりγ１から変化したものであり、気泡発生容器２１内にホールドされている液量に変化がなければ、γ１×ｈ１＝γ２×ｈ２となる。

このため、気泡のある、なしに係らず、下部圧力検出部２６と上部圧力検出部２５の差圧は一定となり、気体供給管２７より気体を供給した場合であっても液面計２３は気体が気泡発生容器２１に供給されていない場合の液面高さｈ１を指示する。実際の液面高さｈ２が上部圧力検出部２５の高さｈ３以下であれば、実液面高さと計測（差圧より求める）による高さに差があったとしても特に問題を生じない場合が多い。

しかし、なんらかの原因により実液面高さｈ２が上部圧力検出部２５の高さｈ３を超えると、上部圧力検出部２５は、気体より高い気泡含有液の圧力を検知し、差圧は小さくなる。

このため、液面計２３は液面レベルが低下したかのような信号を制御弁制御装置３５に伝え、液体流量制御弁３４を閉じて気泡発生容器２１からの液体の排出を減少させ、液面レベルを上昇させるように動作する。これにより、益々実液面は上昇することになり、気泡発生容器２１の機能が損なわれることになる。

したがって、発電プラント等で広い範囲の負荷運用を必要とし、供給する気体の流量が著しく変化する場合に気泡発生容器を用いる場合には、液面を計測するため上部圧力検出部を最も液面が上昇するであろう位置より上部に設け、上部圧力検出部が上昇した液面と接触することがないようにして、性能を維持する必要がある。このためには、気泡発生容器内の上部に上部圧力検出部を設置するための無駄な空間を設ける必要があった。通常、このような気泡発生容器は、高圧で動作することが多く、気泡発生容器内に無駄な空間を設けることにより、気泡発生容器が大きくなり、気泡発生容器の重量が増加したり、コストが増加したり、メンテナンス時に、より高い場所での作業必要になる等の問題があった。

本発明は上記の問題に鑑み、内部液体と気体を直接接触させる気泡発生容器に関し、内部に保有する液体の液面を良好に制御する気体処理装置の液面調整制御方法を提供することにある。

本発明は、水、洗浄液、吸収液等の液体を貯留し、その液体中に注入する空気、燃料ガス、化学原料ガス等の気体で気泡を発生させ、かつ注入する気体に含まれる不純物を除去したり、気体の温度を液体の顕熱／潜熱で変化させたりする等の処理が行なわれる気泡発生容器を有する気体処理装置の液面調整制御方法にあって、気泡による気泡液面を実液面とし、気体の供給量に応じて実液面が上昇する上昇高さを見込んで、液体の液面の高さを下げるように制御することを特徴とする。

また本発明は、気泡を含む液体によるホールドアップ現象による実液面高さの上昇が、液体内に供給される気体の流速に関連することから、液面の制御制限値を気体流量および気体流速に関連する外部設備の負荷、代表温度、代表圧力等により変化させるようにしたものである。

液体のホールドアップ（気泡混合液単位体積中の気体の容積）ε_Ｇ（ｍ^３／ｍ^３）は、Ｈｕｇｈｍａｒｋによれば、 ε_Ｇ＝１／（２＋（０．３５／Ｕ_Ｇ）・（（ρ_Ｌ／１０００）・（σ／０．０７２））^１／３）となる。ここで、Ｕ_Ｇ（ｍ／ｓ）は塔内の気体の流速、ρ_Ｌ（ｋｇ／ｍ^３）は液体の密度、σ（Ｎ／ｍ）は液体の表面張力であり、液体の密度ρ_Ｌ、表面積σが変化しなければ、ホールドアップは気体の塔内流速Ｕ_Ｇの関数として表すことができる。塔内流速は、塔内温度、圧力が変化しなければ塔内流量に比例する。図２は、水＝空気系でガス（空気）流量を変化させた場合のホールドアップを計算した例を示す。

塔内流速を推定するため、気泡容器に供給される気体の流量のみならず、予め塔内流速と相関関係を明確化できる外部設備の負荷、代表温度、代表圧力等であってもよく、これらの値の少なくとも一つ計測し、その信号により液面の制限値を変化させる。

また、運転中に気泡発生容器内の温度、圧力が変化する場合、気泡発生容器に供給される液体の性状が変化する場合、気泡発生容器に供給される気体の性状が変化する場合等において、これらの要素をホールディングの予測に取り入れることにより、液面の制限値の精度向上が図れる。

一般的には、気液混合単位体積中の気泡表面積は、ホールドアップにほぼ比例するため、ホールドアップが増大した場合に、実液面高さを低下させても、気液接触面積に依存する気泡容器の性能への影響は少ないと考えられ、気泡発生容器に供給される気体流量の増加に伴い、気泡発生容器の液面の制御目標値を低下させることにより、ホールドアップにより実液面が制限される高さに達することを防止できる。

本発明によれば、内部液体と気体を直接接触させる気泡発生容器に関して、内部に保有する液体の液面を良好に制御できる効果がある。

以下、本発明の実施例を図１に沿って説明する。

気泡発生容器１には気体供給管７（気体供給系）が接続される。気体供給元管８（気体供給系）には流量計測装置９が設置され、液体供給管１１（液体供給系）と合流して、気体供給管７に接続される。

気泡発生容器１の頂部には、気体排出管１６（気体排出系）が接続され、底部には液体排出管１２（液体排出系）が接続される。液体排出管１２には、液体流量制御弁１４が設置されている。気泡発生容器１には、下部圧力検出部６及び上部圧力検出部５が設置され、各圧力検出部からの配管が液面計３に接続されている。液面計３は、両圧力検出部の圧力検知差より求める液面の高さを示す信号を制御弁制御装置１５に送るように接続されている。制御弁制御装置１５へは、流量計測装置９から流量信号発信器１０を介して、関数発生器１３に流量信号が接続され、関数発生器１３からの信号が送られように接続されている。気泡発生容器１内には、気液分離装置１７が設置されている。

気泡発生容器１内には、液面４を有した液体２が保有され、気体供給元管８から供給された気体を、液体２内部に気体供給管７を通して注入する。ガスの気体と液体を混合させることにより、気体中に含まれる固形不純物を液体により洗浄除去したり、気体中に含まれる特定成分を液体に吸収したり、液体と反応させたりして除去したり、気体の温度を液体の顕熱、潜熱により減温したり、液体の顕熱により昇温したりすることができる。この実施例では、気体に含まれる固形物を除去する場合として示すが、他の目的においても同様に本発明を適用できる。

気体供給元管８から供給された不純固形物を含む気体は、流量計測装置９を通り気体供給管７に送られる。気体中の固形分を洗浄する液は液体供給管１１にから供給され、気体供給管７の入口で、気体供給元管８と合流する。この合流により気体と液とが混合し、気体供給管７から、気泡発生容器１内の液体２内に注入される。

気体中の固形分は、液体との混合により液体と接触し、気体から遊離して液体に混ざるように移動し、気体の洗浄がおこなわれる。気泡発生容器１内の液体は、底部の液体排出管１２より液体流量制御弁１４を通して外部に排出される。洗浄された気体は、気泡発生容器１内の上部側の設けられる気液分離装置１７を通り、気体内部に残留する液滴等を分離し、頂部の気体排出管１６を通り外部に排出される。

上部圧力検出部５が気泡発生容器１の上部の気体の圧力を検出し、下部圧力検出部６は液体底部の圧力を検出し、液面計３に圧力を伝える。液面計３は上部と下部の検知圧力差により液体の液面レベル（液面の高さ）を測定し、その計測値の信号を制御弁制御装置１５へ伝える。

気泡発生容器１に供給される気体は、流量計測装置９により計測され、計測結果は流量信号発信器１０を介して、関数発生器１３に伝えられる。

関数発生装置１３では、計測され気体の供給量に基づいて液面標準レベル（ＮＷＬ）等を発生させる。すなわち、気体の供給量に応じて気泡発生容器１内の気泡液面（実液面）は高くなる。見込まれる気泡液面（実液面）の上昇分に対応して液面を下げるように変えることで気泡発生容器内の気泡液面（実液面）を所定の高さに抑えることができる。この気泡液面（実液面）の上昇分に対応して変化させる液面の高さを液面標準レベル（ＮＷＬ）と言う。液面標準レベルは気体の供給量に応じて上昇する実液面に対応して求まるもので、その関数発生装置１３は、気体の供給量に応じて上昇する実液面の高さと、それに対応する液面標準レベルとの関係をもった関数系を有する。

気体流量に対応して関数発生装置１３が発する液面標準レベル（ＮＷＬ）の信号は制御弁制御装置１５に伝えられ、これに基づいて、制御弁制御装置１５は液体流量制御弁１４を制御し、気泡発生容器１内の液面４の高さを制御する。

また液体流量制御弁１４の開き度合の調整制御は、制御弁制御装置１５により液体流量制御弁１４の開き度合の調整制御は、液面標準レベルの信号と液面計３の液面の高さ信号と一致するよう制御弁制御装置１５により制御される。

図４に、気体（ガス）流量に応じて液面標準レベル（ＮＷＬ）を変化させた場合の、ホールドアップによる実液面の変化例を示す。

本発明を適用しない従来例では、一点鎖線に示すように、気体流量の増加にともないホールドアップが増加し実液面高さが増大する。本発明を適用し、気体流量の増加にともない、関数発生装置１３により液面標準レベル（ＮＷＬ）を変化させることにより、実液面は液面標準レベル（ＮＷＬ）の減少により低下させることができ、実液面の上昇を抑える効果がある。気泡発生容器の大型化を抑えることができ、気体の流量が著しく変化する負荷運転の発電プラント等に用いることができる。

この実施例では、ホールドアップにも最も影響する気体流量を制御に取り入れる例を示したが、ホールドアップに影響する、液体の性状、例えば密度、表面張力等を温度、圧力の関数または外部入力として用いることにより、ホールドアップによる液面の上昇精度を向上させることも可能である。

また、気体流量の測定として、気泡容器入口部としたが、気体流量の測定が困難な場合等では、気体流量と関連し、気体流量を予測できる、気体を供給する外部設備の運転状態例えば負荷、代表温度、代表圧力等を用いることでも本発明の効果が達成できる。

また、気体流量を温度、圧力等により補正すれば、気泡発生容器内の気体流速の予測精度向上でき、ホールドアップによる液面の上昇精度を向上させることも可能である。

上記実施例は、液体流量制御弁１４の開き度合いを調整して液体排水を加減することで、液面の高さを制御するものであるが、これに代えて液体流量制御弁１４の開き度合を変えずに液体供給量を変えることで、液面の高さを制御し、実液面の上昇を抑えることも可能である。

また液体供給量と液体排水を共に変えることによっても、実液面の上昇を抑えることが可能である。

本発明の一実施例に係わるもので、気体処理装置の液面調整制御装置を示す図。気体（ガス）流量とホールドアップの関係を示す図。従来例に係わるもので、気体処理装置の液面調整制御装置を示す図。本発明の一実施例に実液面とＮＷＬ（標準液面レベル）との関係を示す図。

符号の説明

１…気泡容器、２…気体供給管、３…液面計、５…上部圧力検出部、６…下部圧力検出部、７…気体供給管、９…流量計測装置、１３…関数発生器、１４…液体流量制御弁、１５…制御弁制御装置。

Claims

水、洗浄液、吸収液等の液体を貯留し、その液体中に注入する空気、燃料ガス、化学原料ガス等の気体で気泡を発生させ、かつ注入する気体に含まれる不純物を除去したり、気体の温度を液体の顕熱／潜熱で変化させたりする等の処理が行なわれる気泡発生容器と、該気泡発生容器に前記液体を供給する液体供給系と、前記気体を供給する気体供給系と、気泡発生容器から処理後の前記液体を排出させる液体排出系と、処理後の前記気体を排出させる気体排出系とを有し、
前記気泡による気泡液面を実液面とし、前記気体の供給量に応じて前記実液面が上昇する上昇高さを見込んで、前記液体の制御液面の高さを下げるように制御することを特徴とする気体処理装置の液面調整制御方法。
請求項１記載の気体処理装置の液面調整制御方法にあって、
前記気体供給系につながる気体供給源としての外部設備を有し、
該外部設備は、負荷量、代表温度や代表圧力等の運転情報を有し、該運転情報は、前記気体の供給量に対応する関係を有し、この運転情報に応じて前記液面の高さを制御することを特徴とする気体処理装置の液面調整制御方法。
請求項１または２記載の気体処理装置の液面調整制御方法にあって、
前記液体の密度や表面張力等に関する液体性状をも加味して前記液面の高さを制御することを特徴とする気体処理装置の液面調整制御方法。
水、洗浄液、吸収液等の液体を貯留し、その液体中に注入する空気、燃料ガス、化学原料ガス等の気体で気泡を発生させ、かつ注入する気体に含まれる不純物を除去したり、気体の温度を液体の顕熱／潜熱で変化させたりする等の処理が行なわれる気泡発生容器と、該気泡発生容器に前記液体を供給する液体供給系と、前記気体を供給する気体供給系と、気泡発生容器から処理後の前記液体を排出させる液体排出系と、処理後の前記気体を排出させる気体排出系と、
前記気泡による気泡液面を実液面とし、前記気体の供給量に応じて上昇する前記実液面に対応して求められる前記液体の制御液面レベルを液面標準レベルとし、この液面標準レベルに前記液体の液面の高さがなるように制御することで前記実液面の上昇を抑えることを特徴とする気体処理装置の液面調整制御方法。
水、洗浄液、吸収液等の液体を貯留し、その液体中に注入する空気、燃料ガス、化学原料ガス等の気体で気泡を発生させ、かつ注入する気体に含まれる不純物を除去したり、気体の温度を液体の顕熱／潜熱で変化させたりする等の処理が行なわれる気泡発生容器と、該気泡発生容器に前記液体を供給する液体供給系と、前記気体を供給する気体供給系と、気泡発生容器から処理後の前記液体を排出させる液体排出系と、処理後の前記気体を排出させる気体排出系と、前記液体の液面より下方に設けられる下部圧力検出部および前記液体の液面より上方に設けられる上部圧力検出部とが備わる液面計を有し、
前記液面計は前記下部圧力検出部と前記上部圧力検出部の圧力検知差より前記液体の液面の高さを求め、
前記気泡による気泡液面を実液面とし、前記気体の供給量に応じて上昇する前記実液面に対応して求められる前記液体の制御液面レベルを液面標準レベルとし、
前記液体の液面の高さが前記液面標準レベルになるように制御することで前記実液面の上昇を抑えることを特徴とする気体処理装置の液面調整制御方法。
水、洗浄液、吸収液等の液体を貯留し、その液体中に注入する空気、燃料ガス、化学原料ガス等の気体で気泡を発生させ、かつ注入する気体に含まれる不純物を除去したり、気体の温度を液体の顕熱／潜熱で変化させたりする等の処理が行なわれる気泡発生容器と、該気泡発生容器に前記液体を供給する液体供給系と、前記気体を供給する気体供給系と、気泡発生容器から処理後の前記液体を排出させる液体排出系と、処理後の前記気体を排出させる気体排出系と、前記液体排出系に備わる液体流量制御弁と、該液体流量制御弁の開き度合を制御する制御弁制御装置と、前記液体の液面より下方に設けられる下部圧力検出部および前記液体の液面より上方に設けられる上部圧力検出部とが備わる液面計を有し、
前記液面計は前記下部圧力検出部と前記上部圧力検出部の圧力検知差より前記液体の液面の高さを求め、
前記気泡による気泡液面を実液面とし、前記気体の供給量に応じて上昇する前記実液面に対応して求められる前記液体の制御液面レベルを液面標準レベルとし、
前記液体の液面の高さが前記液面標準レベルになるように前記液体流量制御弁の開き度合を制御することで前記実液面の上昇を抑えることを特徴とする気体処理装置の液面調整制御方法。
水、洗浄液、吸収液等の液体を貯留し、その液体中に注入する空気、燃料ガス、化学原料ガス等の気体で気泡を発生させ、かつ注入する気体に含まれる不純物を除去したり、気体の温度を液体の顕熱／潜熱で変化させたりする等の処理が行なわれる気泡発生容器と、該気泡発生容器に前記液体を供給する液体供給系と、前記気体を供給する気体供給系と、気泡発生容器から処理後の前記液体を排出させる液体排出系と、処理後の前記気体を排出させる気体排出系と、前記液体排出系に備わる液体流量制御弁と、前記液体の液面より下方に設けられる下部圧力検出部および前記液体の液面より上方に設けられる上部圧力検出部とを備え、かつ前記下部圧力検出部と前記上部圧力検出部の圧力検知差より求められた前記液体の液面の高さの信号を出す液面計と、前記気泡による気泡液面を実液面とし、前記気体の供給量に応じて上昇する前記実液面に対応して求められる前記液体の制御液面レベルを液面標準レベルとする信号を発する関数発生器と、前記液面計の信号および前記関数発生器の信号を取り込んで、前記液体の液面の高さが前記液面標準レベルになるように前記液体流量制御弁の開き度合を制御することで前記実液面の上昇を抑える制御弁制御装置とを有することを特徴とする気体処理装置の液面調整制御装置。