JP6286237B2 - Pretreatment device and pretreatment method for air separation device - Google Patents
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Description
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置に関し、より詳しくは、吸着塔の使用限界を的確に予測するための技術に関する。 The present invention relates to a pretreatment device that supplies a raw material gas to an air separation device that separates oxygen and nitrogen from the raw material gas, and more particularly to a technique for accurately predicting the use limit of an adsorption tower.
従来、深冷式の空気分離装置を用いて、酸素及び窒素が製造されている。該空気分離装置は、空気を冷却して液化し、酸素と窒素とを沸点差を利用して蒸留分離する。空気には低温で固化する水分(以下「H2O」という)や二酸化炭素(以下「CO2」という)などのガスが含まれているため、空気を該空気分離装置に供給する前にこれらを除去しないと、熱交換器の中でこれらが固化し流路が閉塞されてしまうという問題が起こる。そこで、空気から主にH2OとCO2とを除去して該空気分離装置に供給する前処理装置が、該空気分離装置の前段に設けられている。 Conventionally, oxygen and nitrogen are produced by using a cryogenic air separation device. The air separator cools and liquefies air, and separates oxygen and nitrogen by distillation using a difference in boiling points. Since air contains gases such as moisture (hereinafter referred to as “H 2 O”) and carbon dioxide (hereinafter referred to as “CO 2 ”) that solidify at low temperature, these are supplied before the air is supplied to the air separation device. If these are not removed, there arises a problem that they are solidified in the heat exchanger and the flow path is blocked. Therefore, a pre-treatment device that mainly removes H 2 O and CO 2 from the air and supplies the air to the air separation device is provided in the front stage of the air separation device.
該前処理装置は、主にH2OとCO2とを吸着剤に吸着させるタイプのものが普及している。例えば、特許文献1に、原料空気からH2OとCO2などを吸着除去する吸着剤を充填し切り替え使用する複数基の吸着塔を備え、連続的に原料空気の精製を行なう空気液化分離装置の前処理方法が開示されている。
As the pretreatment apparatus, a type in which mainly H 2 O and CO 2 are adsorbed by an adsorbent is widely used. For example,
特許文献1の段落0069を参照すると、活性アルミナなどの水分吸着剤とX型ゼオライトなどの炭酸ガス吸着剤が充填されている吸着塔を用い、最適化することによって、経済的に成り立つ条件を見出し、高温空気条件での前処理装置の設計を可能ならしめた旨が記載されている。
Referring to paragraph 0069 of
また使用済みの吸着塔は、高温のパージガスを用いて吸着物質の脱着を行うことにより再生され、繰り返し使用されている。 The used adsorption tower is regenerated by desorbing the adsorbed material using a high-temperature purge gas, and is used repeatedly.
従来の前処理装置は、CO2を400〜600ppm含む空気を原料とし、CO2の濃度がこの範囲外に変動することがないことを前提に設計されており、吸着剤の吸着能力と原料空気量とから、吸着塔の吸着と再生の切り替えを行うタイミングを事前の計算により求めている。また空気にはCO2の他に水分や僅かな亜酸化窒素(以下「N2O」という)が0.35ppm程度含まれている。 The conventional pretreatment apparatus is designed on the assumption that the air containing 400 to 600 ppm of CO 2 is used as a raw material, and the concentration of CO 2 does not fluctuate outside this range. From the quantity, the timing for switching between adsorption and regeneration of the adsorption tower is obtained by a prior calculation. In addition to CO 2, the air contains about 0.35 ppm of moisture and slight nitrous oxide (hereinafter referred to as “N 2 O”).
従来の前処理装置では、想定される最悪のケースに耐え得るように、吸着塔の設計を、想定範囲中の上限値を用いて計算し、さらにこの計算結果に、経年劣化などを考慮して安全率を掛けている。従って大半の場合は、吸着塔に吸着能力が十分に残っている状態で吸着塔を切り替えることになる。また、吸着剤に吸着能力が十分に残っている場合であっても、再生に際し、飽和まで吸着した吸着塔を再生する際と同様の熱量を与えているので、過剰に再生エネルギーを消費している。 In the conventional pretreatment equipment, the adsorption tower design is calculated using the upper limit value in the assumed range so that it can withstand the worst case assumed. Multiply safety factor. Therefore, in most cases, the adsorption tower is switched in a state where the adsorption capacity remains sufficiently in the adsorption tower. Even if the adsorbent has sufficient adsorption capacity, the same amount of heat is applied during regeneration as in the regeneration of the adsorption tower that has been adsorbed until saturation. Yes.
一方、近隣や同じ敷地内に、製鉄、化学及び発電プラントなどの大量にCO2を放出する設備があるような場合には、風向きなどにより空気中のCO2が設計値を大幅に上回り、例えば1000ppmを超えるようなことが起こり得るので、上記従来の前処理装置では対応できない。 On the other hand, close to or the same site, steel, in the case that there is equipment to release a large amount of CO 2, such as chemical and power plants, such as CO 2 in the air greatly exceeds the design value by wind, e.g. Since things exceeding 1000 ppm may occur, the conventional pretreatment apparatus cannot cope with the above.
本発明は以上のような従来の課題を考慮してなされたものであり、吸着塔に吸着能力が十分に残っている状態で吸着と再生の切り替えをすることがないように吸着剤を有効に利用し、過剰な再生エネルギーの消費を抑えることができ、さらに、空気中のCO2が設計値を大幅に上回る場合にも対応できる前処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the conventional problems as described above, and the adsorbent is effectively used so as not to switch between adsorption and regeneration in a state where the adsorption capacity remains sufficiently in the adsorption tower. It is an object of the present invention to provide a pretreatment device that can be used to suppress excessive consumption of regenerative energy and can cope with a case where CO 2 in the air greatly exceeds the design value.
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去する吸着塔を少なくとも2つと、前記吸着塔の1つを通過したガス中のN2Oの濃度を測定するN2Oセンサとを備え、前記N2Oセンサにより測定されたN2Oの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。 The present invention is a pretreatment device that supplies a raw material gas to an air separation device that separates oxygen and nitrogen from the raw material gas, and passes H 2 O, CO 2 and N in the air through the air. At least two and an adsorption tower for removing 2 O, and a N 2 O sensor for measuring the concentration of N 2 O in the gas which has passed through one of the adsorption tower, measured by the N 2 O sensor N The adsorption tower is switched when the concentration of 2 O reaches a specified value.
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去する吸着塔を少なくとも2つと、前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度を測定するCO2センサとを備え、前記CO2センサにより測定されたCO2の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。 The present invention is a pretreatment device that supplies a raw material gas to an air separation device that separates oxygen and nitrogen from the raw material gas, and passes H 2 O, CO 2 and N in the air through the air. At least two and an adsorption tower for removing 2 O, and a CO 2 sensor for measuring the concentration of CO 2 in the gas taken out from the adsorbent in the adsorption tower, measured by the CO 2 sensor CO When the concentration of 2 reaches a specified value, the adsorption tower is switched.
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去する吸着塔を少なくとも2つと、前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、2箇所以上の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサにより測定された2箇所以上の温度の差が、規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。 The present invention is a pretreatment device that supplies a raw material gas to an air separation device that separates oxygen and nitrogen from the raw material gas, and passes H 2 O, CO 2 and N in the air through the air. 2 at least two adsorption towers for removing 2 O, and a temperature sensor for measuring two or more temperatures at intervals in the air flow direction in the adsorption tower. The adsorption tower is switched when the temperature difference at a location reaches a specified value.
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも2つの吸着塔のうちの1つに空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去するステップと、前記吸着塔の1つを通過したガス中のN2Oの濃度を測定するステップと、前記測定されたN2Oの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。 The present invention relates to a pretreatment method in a pretreatment device for supplying a raw material gas to an air separation device for separating oxygen and nitrogen from the raw material gas, and the air passes through one of at least two adsorption towers. Removing the H 2 O, CO 2 and N 2 O in the air, measuring the concentration of N 2 O in the gas passed through one of the adsorption towers, and measuring the measured And a step of switching the adsorption tower when the concentration of N 2 O reaches a specified value.
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも2つの吸着塔のうちの1つに空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去するステップと、前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度を測定するステップと、前記CO2の濃度を測定するステップにより測定されたCO2の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。 The present invention relates to a pretreatment method in a pretreatment device for supplying a raw material gas to an air separation device for separating oxygen and nitrogen from the raw material gas, and the air passes through one of at least two adsorption towers. Removing the H 2 O, CO 2 and N 2 O in the air, measuring the concentration of CO 2 in the gas taken out from the adsorbent in the adsorption tower, and the CO And a step of switching the adsorption tower when the concentration of CO 2 measured by the step of measuring the concentration of 2 reaches a specified value.
本発明は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも2つの吸着塔のうちの1つに空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去するステップと、前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、2箇所以上の温度を測定するステップと、前記測定された2箇所以上の温度の差が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。 The present invention relates to a pretreatment method in a pretreatment device for supplying a raw material gas to an air separation device for separating oxygen and nitrogen from the raw material gas, and the air passes through one of at least two adsorption towers. And removing H 2 O, CO 2 and N 2 O in the air, measuring the temperature at two or more locations in the adsorption tower at intervals in the air flow direction, And a step of switching the adsorption tower when the measured temperature difference at two or more locations reaches a specified value.
本発明の前処理装置及び前処理方法は、吸着塔を通過したガス中のN2Oの濃度が規定値に達した場合、吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度が規定値に達した場合、あるいは、吸着塔中の2箇所以上の温度の差が規定値に達した場合に、吸着塔を切り替えることができる。 In the pretreatment apparatus and the pretreatment method of the present invention, when the concentration of N 2 O in the gas that has passed through the adsorption tower reaches a specified value, the CO 2 in the gas taken out from the adsorbent in the adsorption tower. When the concentration reaches a specified value, or when the temperature difference between two or more locations in the adsorption tower reaches a specified value, the adsorption tower can be switched.
これにより、吸着塔の使用限界を的確に予測することができ、吸着塔の使用限界を超える少し前に、吸着塔を切り替えることができる。従って、吸着剤を有効に利用し、余分な再生エネルギーの消費を抑えることができ、さらに、空気中のCO2の濃度が設計値を大幅に上回る場合にも対応できる。 Thereby, the use limit of the adsorption tower can be accurately predicted, and the adsorption tower can be switched shortly before the use limit of the adsorption tower is exceeded. Therefore, it is possible to effectively use the adsorbent, to suppress the consumption of extra regeneration energy, and to cope with the case where the concentration of CO 2 in the air greatly exceeds the design value.
以下、本発明の実施形態により本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施の形態によって制限を受けるものではなく、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勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of embodiments of the present invention.However, the present invention is not limited by the following embodiments of the present invention, and appropriate modifications are made within a range that can be adapted to the purpose described above and below. In addition, it is of course possible to carry out them, all of which are included in the technical scope of the present invention.
<実施形態1>
本発明の実施形態1に係る前処理装置は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去する吸着塔を少なくとも2つと、前記吸着塔の1つを通過したガス中のN2Oの濃度を測定するN2Oセンサとを備え、前記N2Oセンサにより測定されたN2Oの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。
<
The pretreatment device according to
本発明の実施形態1に係る前処理方法は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも2つの吸着塔のうちの1つに空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去するステップと、前記吸着塔の1つを通過したガス中のN2Oの濃度を測定するステップと、前記測定されたN2Oの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
A pretreatment method according to
図1は、本発明の実施形態1に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。図1に示す深冷分離プロセスは、空気圧縮機1、前処理装置2、空気分離装置3及び図示しない制御装置Aを備える。
FIG. 1 is a functional block diagram showing an outline of a cryogenic separation process including a pretreatment apparatus according to
空気圧縮機1は、外気を取り入れて圧縮し、水を使って冷却して、圧力を約0.5MPaGに調整した圧縮空気を前処理装置2へ供給する。
The
前処理装置2は、入口側から活性アルミナ、X型ゼオライトなどの吸着剤を用いて、空気圧縮機1より供給される圧縮空気から、少なくともH2O、CO2及びN2Oを除去した原料ガスを生成し、該原料ガスを空気分離装置3へ供給する。
The
空気分離装置3は、深冷式の空気分離装置であり、前処理装置2より供給される原料ガスを冷却して液化し、酸素と窒素とを沸点差を利用して蒸留分離する。
The
図2は、本発明の実施形態1に係る前処理装置2の詳細な構成を示す概略図である。前処理装置2は、第1吸着塔4a、第2吸着塔4b、N2Oセンサ5及び加熱器6を備える。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a detailed configuration of the preprocessing
第1吸着塔4aは、H2O、CO2及びN2Oを除去する活性アルミナ及びX型ゼオライトなどの吸着剤を有する。第2吸着塔4bは、第1吸着塔4aと同様の構成であり、且つ第1吸着塔4aと同様の機能を有する。
The
第1吸着塔4aの使用中に第2吸着塔4bが再生され、第2吸着塔4bの使用中に第1吸着塔4aが再生されるので、吸着塔を交互に切り替えて使用することにより連続運転を可能にしている。
The
第1吸着塔4aの使用中に制御装置Aにより吸着塔の使用限界が近いと判定されると、第2吸着塔4bに切り替えられる。同様に、第2吸着塔4bの使用中に制御装置Aにより吸着塔の使用限界が近いと判定されると、第1吸着塔4aに切り替えられる。
When the controller A determines that the use limit of the adsorption tower is near while the
第1吸着塔4a及び第2吸着塔4bを交互に使用し、一方の使用中に他方を加熱器6により加熱再生の後、冷却しながら待機させる。詳細には、第1吸着塔4aへの圧縮空気の供給を停止する前に、第2吸着塔4bへの圧縮空気の供給を開始し、第2吸着塔4bへ圧縮空気の供給を停止する前に、第1吸着塔4aへの圧縮空気の供給を開始することにより、空気分離装置3への原料ガスの連続供給を可能にしている。
The
また、第2吸着塔4bへの圧縮空気の供給中に第1吸着塔4a内の吸着剤を再生し、第1吸着塔4aへの圧縮空気の供給中に第2吸着塔4b内の吸着剤を再生する。なお、吸着塔は少なくとも2つを要し、3つ以上を切り替えて使用することもできる。
Further, the adsorbent in the
N2Oセンサ5は、第1吸着塔4a及び第2吸着塔4bを通過した後のガス中のN2Oの濃度を測定する。N2Oは吸着剤との結合力がCO2よりも弱いので、N2Oセンサ5により吸着塔を通過したガス中のN2Oの濃度が上昇したことを検知してから一定時間後にCO2の濃度が上昇する。従って、N2Oの濃度を測定することによって、吸着塔出口のCO2濃度上昇を事前に予測し、原料ガス中のCO2の濃度が上昇し始める前の適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。
The N 2 O sensor 5 measures the concentration of N 2 O in the gas after passing through the
制御装置Aは、N2Oセンサ5により測定されたN2Oの濃度が規定値に達したか否かを継続的に判断する。N2Oセンサ5により測定されたN2Oの濃度が規定値に達した場合に、制御装置Aは、吸着塔の使用限界が近いと判定し、該吸着塔を切り替えすべく、別の吸着塔へ圧縮空気の供給を開始する。なお、N2Oは原料ガス中に僅かに検出されても空気分離装置3に悪影響を与えることはない。なお、N2Oの濃度が約0.1ppmに達した場合に、吸着塔を切り替えることが好ましい。
The controller A continuously determines whether or not the concentration of N 2 O measured by the N 2 O sensor 5 has reached a specified value. When the concentration of N 2 O measured by the N 2 O sensor 5 reaches a specified value, the control device A determines that the use limit of the adsorption tower is near, and another adsorption is performed to switch the adsorption tower. Start supplying compressed air to the tower. Note that even if N 2 O is slightly detected in the raw material gas, the
加熱器6は、空気分離装置3の排ガスを加熱し、これを用いて使用済みの吸着塔を高温再生する。一定時間経過後、加熱器6をバイパスした排ガスを用いて、高温再生された吸着剤を冷却しながら待機させる。図2では、空気分離装置3の排ガスの経路を点線で記載している。
The
<実施形態2>
本発明の実施形態2に係る前処理装置は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去する吸着塔を少なくとも2つと、前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度を測定するCO2センサとを備え、前記CO2センサにより測定されたCO2の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。
<
A pretreatment device according to
本発明の実施形態2に係る前処理方法は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも2つの吸着塔のうちの1つに空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去するステップと、前記吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度を測定するステップと、前記測定されたCO2の濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
A pretreatment method according to
図3は、本発明の実施形態2に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。図3に示す深冷分離プロセスは、空気圧縮機1、前処理装置10、空気分離装置3及び図示しない制御装置Bを備える。なお、実施形態1と同様の構成には同一番号を付し、その説明を省略する。
FIG. 3 is a functional block diagram showing an outline of a cryogenic separation process including a pretreatment apparatus according to
前処理装置10は、実施形態1の前処理装置2と同様に、入口側から活性アルミナ、X型ゼオライトなどの吸着剤を用いて、空気圧縮機1より供給される圧縮空気から、少なくともH2O、CO2及びN2Oを除去した原料ガスを生成し、該原料ガスを空気分離装置3へ供給する。
Similarly to the
図4は、本発明の実施形態2に係る前処理装置10の詳細な構成を示す概略図である。前処理装置10は、第1吸着塔4a、第2吸着塔4b、CO2センサ11及び加熱器6を備える。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a detailed configuration of the
CO2センサ11は、第1吸着塔4a及び第2吸着塔4b内の吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度を測定する。CO2センサ11が吸着塔出口のガス中のCO2の濃度を測定する場合には、CO2の濃度が上昇したことを検知したときには、原料ガス中のCO2の濃度は上昇し始めており、空気分離装置3に悪影響を与える。一方CO2センサ11が、吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度を測定する場合には、原料ガス中のCO2の濃度が上昇してから一定時間後に、吸着塔出口のガス中のCO2の濃度が上昇する。従って、吸着塔内の吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度を測定することによって、吸着塔出口のガス中のCO2濃度上昇を事前に予測し、原料ガス中のCO2の濃度が上昇し始める前の適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。
The CO 2 sensor 11 measures the concentration of CO 2 in the gas taken out from the adsorbent in the
制御装置Bは、CO2センサ11により測定されたCO2の濃度が規定値に達したか否かを継続的に判断する。CO2センサ11により測定されたCO2の濃度が規定値に達した場合に、制御装置Bは吸着塔の使用限界が近いと判定し、該吸着塔を切り替えすべく、別の吸着塔へ圧縮空気の供給を開始する。なお、ガスを取り出す場所が吸着塔出口近傍である場合は、CO2の濃度が約1ppmに達した際に、吸着塔を切り替えることが好ましい。 The control device B continuously determines whether or not the concentration of CO 2 measured by the CO 2 sensor 11 has reached a specified value. When the concentration of CO 2 measured by the CO 2 sensor 11 reaches a specified value, the control device B determines that the use limit of the adsorption tower is near and compresses the adsorption tower to another adsorption tower to switch the adsorption tower. Start supplying air. In the case where to retrieve the gas is near the adsorption tower outlet, when the concentration of CO 2 reached about 1 ppm, it is preferable to switch the adsorption column.
<実施形態3>
本発明の実施形態3に係る前処理装置は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置であって、空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去する吸着塔を少なくとも2つと、前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、2箇所以上の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサにより測定された2箇所以上の温度の差が、規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする。これはCO2が吸着剤に吸着されると、吸着熱によって吸着剤の温度が上昇するという特性を利用しており、出口側に近い方の温度センサ(以下「出口側温度センサ」という)が入口側に近い方の温度センサ(以下「入口側温度センサ」という)に比べて温度が上昇した場合には、CO2が入口側温度センサの設置位置から出口側温度センサの設置位置までの間に移動してきたことを示している。
<
A pretreatment device according to
本発明の実施形態3に係る前処理方法は、原料ガスから酸素と窒素とを分離する空気分離装置に、該原料ガスを供給する前処理装置における前処理方法であって、少なくとも2つの吸着塔のうちの1つに空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去するステップと、前記吸着塔中の、前記空気の流れ方向に間隔をとり、2箇所以上の温度を測定するステップと、前記測定された2箇所以上の温度の差が、規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含むことを特徴とする。
A pretreatment method according to
図5は、本発明の実施形態3に係る前処理装置を含む深冷分離プロセスの概略を示す機能ブロック図である。図5に示す深冷分離プロセスは、空気圧縮機1、前処理装置20、空気分離装置3及び図示しない制御装置Cを備える。なお、実施形態1と同様の構成には同一番号を付し、その説明を省略する。
FIG. 5 is a functional block diagram showing an outline of a cryogenic separation process including a pretreatment apparatus according to
前処理装置20は、実施形態1の前処理装置2と同様に、入口側から活性アルミナ、X型ゼオライトなどの吸着剤を用いて、空気圧縮機1より供給される圧縮空気から、少なくともH2O、CO2及びN2Oを除去した原料ガスを空気分離装置3へ供給する。
Similar to the
図6は、本発明の実施形態3に係る前処理装置20の詳細な構成を示す概略図である。前処理装置20は、第1吸着塔4a、第2吸着塔4b、温度センサ21及び加熱器6を備える。
温度センサ21は、吸着塔中の、空気の流れ方向に間隔をとり、2箇所以上の温度を測定する。例えば温度センサ21は、第1温度センサ21a及び第2温度センサ21bを含む。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a detailed configuration of the
The
制御装置Cは、温度センサ21により測定された2箇所以上の温度の差が、規定値に達したか否かを継続的に判断する。2箇所以上の温度の差が規定値に達した場合に、制御装置Cは、吸着塔の使用限界が近いと判定し、該吸着塔を切り替えすべく、別の吸着塔へ圧縮空気の供給を開始する。
The control device C continuously determines whether or not the difference between two or more temperatures measured by the
<吸着塔の使用限界が近いと判定する原理の説明>
図7は、使用途中の吸着モデルを示す概念図である。図8は、使用終了時の吸着モデルを示す概念図である。図7、図8に示す吸着モデルでは、H2O、CO2及びN2Oが、吸着剤ベッドに吸着されている様子を示している。ここで吸着剤ベッドとは、第1吸着塔4a及び第2吸着塔4bに充填された吸着剤の塊をいう。また図7、8中に記載した「ベッド長さ」とは、空気の流れ方向の吸着剤ベッドの長さをいう。
<Description of the principle for determining that the use limit of the adsorption tower is near>
FIG. 7 is a conceptual diagram showing an adsorption model in use. FIG. 8 is a conceptual diagram showing an adsorption model at the end of use. The adsorption model shown in FIGS. 7 and 8 shows a state in which H 2 O, CO 2 and N 2 O are adsorbed on the adsorbent bed. Here, the adsorbent bed refers to a mass of adsorbent packed in the
H2Oは、吸着剤ベッドに吸着される際の吸着剤との結合力が最も強く、CO2、N2Oの順に吸着剤との結合力が弱くなる。従って図7の状態から図8の状態に移行する際には、まず流れる空気中のH2Oが、既に吸着されているCO2を追い出して吸着される。次に、追い出されたCO2と流れる空気中のCO2が、既に吸着されているN2Oを追い出して吸着される。次に、追い出されたN2Oと流れる空気中のN2Oが、何も吸着されていない領域に吸着される。 H 2 O has the strongest binding force with the adsorbent when adsorbed on the adsorbent bed, and the binding strength with the adsorbent becomes weaker in the order of CO 2 and N 2 O. Therefore, when shifting from the state of FIG. 7 to the state of FIG. 8, first, H 2 O in the flowing air is adsorbed by expelling the already adsorbed CO 2 . Next, the expelled CO 2 and the flowing CO 2 are adsorbed by expelling the already adsorbed N 2 O. Next, the expelled N 2 O and the flowing N 2 O are adsorbed in a region where nothing is adsorbed.
該吸着モデルでは、吸着剤ベッドを空気の流れ方向に、吸着物毎に、吸着剤が飽和している飽和ゾーンと、該吸着物を吸着しているが吸着能力が残っているマストランスファーゾーンと、該吸着物を全く吸着していない未使用ゾーンに区分することができる。具体的には、N2Oに注目すると、図7においては、吸着剤ベッドを飽和ゾーンA1とマストランスファーゾーンA2と未使用ゾーンA3に区分することができ、図8おいては、吸着剤ベッドを飽和ゾーンA4とマストランスファーゾーンA5に区分することができ、未使用ゾーンは存在しない。またCO2に注目すると、図7においては、吸着剤ベッドを飽和ゾーンB1と、マストランスファーゾーンB2、未使用ゾーンB3に区分することができ、図8においては、吸着剤ベッドを飽和ゾーンB4とマストランスファーゾーンB5と、未使用ゾーンB6に区分することができる。従って吸着時間が進むにつれて、飽和ゾーン、マストランスファーゾーン及び未使用ゾーンが出口側に移動していき、未使用ゾーンが減少し飽和ゾーンが増えていく。 In the adsorption model, the adsorbent bed in the direction of air flow, for each adsorbate, a saturated zone where the adsorbent is saturated, and a mass transfer zone that adsorbs the adsorbate but remains adsorbed , The adsorbate can be divided into unused zones that do not adsorb at all. Specifically, paying attention to N 2 O, in FIG. 7, the adsorbent bed can be divided into a saturation zone A1, a mass transfer zone A2, and an unused zone A3. In FIG. Can be divided into a saturation zone A4 and a mass transfer zone A5, and there is no unused zone. Further, focusing attention on CO 2 , in FIG. 7, the adsorbent bed can be divided into a saturation zone B1, a mass transfer zone B2, and an unused zone B3. In FIG. It can be divided into a mass transfer zone B5 and an unused zone B6. Therefore, as the adsorption time advances, the saturation zone, the mass transfer zone, and the unused zone move to the outlet side, and the unused zone decreases and the saturation zone increases.
ここで、N2Oの濃度を測定することにより、吸着塔の使用限界が近いと判定することができる。
N2Oは通常空気中に0.35ppm程度含まれており、0.1ppm程度なら空気分離装置の運転に問題は生じない。図8に示す吸着剤ベッドは、N2Oのストランスファーゾーンが出口側に移動して減少し、吸着塔出口のガス中には、N2Oの濃度が0.1ppm程度まで上昇したことを示している。もう暫く使用し続けるとCO2の未使用ゾーンが存在しなくなり、吸着塔を通過したガス中のCO2の濃度が上昇し始めることになる。
Here, by measuring the concentration of N 2 O, it can be determined that the use limit of the adsorption tower is near.
N 2 O is usually contained in the air in an amount of about 0.35 ppm, and if it is about 0.1 ppm, there is no problem in the operation of the air separation device. The adsorbent bed shown in FIG. 8 shows that the N 2 O transfer zone moved to the outlet side and decreased, and the N 2 O concentration in the gas at the outlet of the adsorption tower increased to about 0.1 ppm. Show. If it is used for a while, the CO 2 unused zone does not exist, and the concentration of CO 2 in the gas that has passed through the adsorption tower starts to rise.
上述のように、N2Oは吸着剤との結合力がCO2よりも弱いので、吸着塔を通過したガス中のN2Oの濃度を測定することにより、CO2の未使用ゾーンが存在しなくなりCO2の濃度が上昇し始めるタイミングを精度よく予測することができる。従って、CO2の濃度が上昇し始める前に吸着塔への空気の供給を停止することができる。 As described above, since N 2 O has a weaker binding force with the adsorbent than CO 2 , there is an unused zone of CO 2 by measuring the concentration of N 2 O in the gas that has passed through the adsorption tower. It is possible to accurately predict the timing at which the CO 2 concentration starts to increase. Therefore, the supply of air to the adsorption tower can be stopped before the CO 2 concentration starts to increase.
一方、N2Oの濃度を測定する代わりに、CO2の濃度を直接測定することにより、吸着塔の使用限界が近いと判定することもできる。CO2は通常空気中に400〜600ppm程度含まれており、1ppm程度まで除去しなければ、空気分離装置に問題が生じる可能性がある。 On the other hand, instead of measuring the concentration of N 2 O, it is possible to determine that the use limit of the adsorption tower is near by directly measuring the concentration of CO 2 . CO 2 is usually contained in the air in an amount of about 400 to 600 ppm, and if it is not removed to about 1 ppm, there is a possibility that a problem occurs in the air separation device.
吸着剤の中から取り出したガス中のCO2の濃度を直接測定することにより、CO2のストランスファーゾーンの移動を事前に予測し、適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。 By directly measuring the concentration of CO 2 in the gas taken out from the adsorbent, it is possible to predict the movement of the CO 2 transfer zone in advance and switch the adsorption tower at an appropriate timing.
一方、吸着塔中の、空気の流れ方向に間隔をとり、2箇所以上の温度を測定することにより、吸着塔の使用限界が近いと判定することもできる。吸着塔が分子を吸着する際には、吸着熱が発生する。よって、マストランスファーゾーンと未使用ゾーンでは温度の差が生じるため、空気の流れ方向に2箇所以上の温度を測定し、温度の差を比較するか、あるいは温度分布を解析することにより、CO2の濃度が上昇し始めるタイミングを精度よく予測することができる。従って、吸着塔出口のガス中のCO2の濃度上昇を事前に予測し、適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。 On the other hand, it is also possible to determine that the use limit of the adsorption tower is near by measuring the temperature at two or more locations with an interval in the air flow direction in the adsorption tower. When the adsorption tower adsorbs molecules, heat of adsorption is generated. Therefore, since a temperature difference occurs between the mass transfer zone and the unused zone, CO 2 is measured by measuring two or more temperatures in the air flow direction and comparing the temperature difference or analyzing the temperature distribution. It is possible to accurately predict the timing at which the concentration of water starts to rise. Therefore, it is possible to predict the CO 2 concentration increase in the gas at the outlet of the adsorption tower in advance and switch the adsorption tower at an appropriate timing.
以上のように本発明に係る前処理装置2、10、20においては、吸着塔の使用限界を的確に予測することができ、適正なタイミングで吸着塔を切り替えることが可能となる。従って、吸着剤を有効に利用し、余分な再生エネルギーの消費を抑えることができ、さらに、空気中のCO2の濃度が設計値を大幅に上回る場合にも対応できる。
As described above, in the
1 空気圧縮機
2 前処理装置
3 空気分離装置
4a 第1吸着塔
4b 第2吸着塔
5 N2Oセンサ
6 加熱器
10 前処理装置
11 CO2センサ
20 前処理装置
21 温度センサ
21a 第1温度センサ
21b 第2温度センサ
1
Claims (2)
空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去する吸着塔を少なくとも2つと、
前記吸着塔の1つを通過したガス中のN2Oの濃度を測定するN2Oセンサとを備え、
前記吸着塔は、N 2 Oとの結合力がCO 2 とのそれよりも低い吸着剤を備え、
前記N2Oセンサにより測定されたN2Oの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えることを特徴とする前処理装置。 A pretreatment device for supplying the raw material gas to an air separation device for separating oxygen and nitrogen from the raw material gas,
At least two adsorption towers through which air is passed to remove H 2 O, CO 2 and N 2 O in the air;
An N 2 O sensor that measures the concentration of N 2 O in the gas that has passed through one of the adsorption towers;
The adsorption tower includes an adsorbent having a binding force with N 2 O lower than that with CO 2 ,
A pretreatment apparatus that switches the adsorption tower when the concentration of N 2 O measured by the N 2 O sensor reaches a specified value.
少なくとも2つの吸着塔のうちの1つに空気を通過させて、該空気中のH2O、CO2及びN2Oを除去するステップと、
前記吸着塔の1つを通過したガス中のN2Oの濃度を測定するステップと、
前記測定されたN2Oの濃度が規定値に達した場合に、前記吸着塔を切り替えるステップとを含み、
前記吸着塔では、N 2 Oとの結合力がCO 2 とのそれよりも低い吸着剤を用いることを特徴とする前処理方法。 A pretreatment method in a pretreatment device for supplying the raw material gas to an air separation device for separating oxygen and nitrogen from the raw material gas,
Passing air through one of the at least two adsorption towers to remove H 2 O, CO 2 and N 2 O in the air;
Measuring the concentration of N 2 O in the gas that has passed through one of the adsorption towers;
Switching the adsorption tower when the measured concentration of N 2 O reaches a specified value ,
In the adsorption tower, an adsorbent having a binding force with N 2 O lower than that with CO 2 is used .
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