JP6753298B2

JP6753298B2 - 空気液化分離方法および空気液化分離装置

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Publication number: JP6753298B2
Application number: JP2016243281A
Authority: JP
Inventors: 章夫姫田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: JP2018096645A

Description

本発明は、原料空気から酸素、窒素、およびアルゴンガスを分離する空気液化分離方法および空気液化分離装置に関するものであり、殊に、原料空気の酸素濃度が低下しても安定して製品酸素を供給できる方法および装置に関する。

例えば製鉄所などに設置される空気の液化分離装置、いわゆる深冷空気液化分離装置において、原料空気は、原料空気圧縮機により圧縮した後、水洗冷却塔で予冷され、さらにＭＳ吸着器で水分や炭酸ガスが除去されて、主熱交換器で冷却される。冷却された原料空気は、高圧部および低圧部を有する精留塔で酸素と窒素及びアルゴン原料ガスに分離され、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。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送り出し、さらに精留が行われる。

製鉄所等の敷地内に、このような空気液化分離装置のプラントが複数併設されている場合、隣接する他のプラントが放散する窒素の影響を受けて、原料となる空気中の窒素濃度が一時的に上昇し、これに伴い酸素濃度が一時的に低下することがある。近年用いられている高収率酸素製造用空気液化分離装置においては、一時的に原料空気中の窒素濃度が増加し酸素濃度が低下すると、精留バランスが崩れて精留が不安定になる。特に、アルゴンを分離精製する空気液化分離装置では、精留不能となったり、製品酸素純度の低下を起こしやすい。

これに対し、供給する製品酸素量を一時的に減量して対応する方法もあるが、原料空気の酸素濃度低下が頻発すれば、その都度製品酸素量を調整しなければならず、操作が煩雑になる。しかも、必要とされる製品酸素量が供給できなくなるという問題が生じる。

そこで、特許文献１には、原料空気中の酸素濃度が低下し、精留が不安定になることを防止する手段として、主凝縮器の液体酸素を高圧部に注入する方法が開示されている。

特開２０１６−８０２９７号公報

しかしながら、粗アルゴン塔を有する空気液化分離装置の場合、上記特許文献１のように、アルゴンの供給量が変わらず酸素のみを増量する方法では、粗アルゴン中の酸素濃度が上昇し、アルゴン精製装置の脱酸素塔での酸素反応量が増えすぎて過熱し、能力超過に至る場合がある。

本発明の目的は、粗アルゴン塔を有する高収率酸素製造用の深冷空気液化分離装置において、原料空気中の酸素濃度が低下しても安定して製品酸素の製造量および純度を維持することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を、原料空気管を介して水洗冷却塔、ＭＳ吸着器、主熱交換器、高圧部と低圧部とを有する精留塔の順に供給して、前記精留塔で製品酸素、製品窒素、及び粗アルゴンを生成する空気液化分離方法であって、前記原料空気中の酸素濃度の一定時間における平均値が、予め設定した閾値を下回ると、前記原料空気の供給量を増量するとともに、前記原料空気の増加量に応じて、前記精留塔からの粗アルゴンの抜き取り量を増量し、前記平均値が元に戻ると、前記原料空気の供給量および粗アルゴンの抜き取り量を元に戻すことを特徴とする、空気液化分離方法を提供する。

前記空気液化分離方法において、前記原料空気中の酸素濃度の１０〜３０分間の平均値が２０．５％を下回ると、前記原料空気の供給量を２％増量し、前記平均値が２０．９％になると、前記原料空気の供給量を元に戻してもよい。前記原料空気の供給量を増量する際、前記粗アルゴンの抜き取り量を２％増量してもよい。

前記原料空気中の酸素濃度をリアルタイムで計測することが好ましい。

また、本発明は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機から原料空気管を介して水洗冷却塔、ＭＳ吸着器、主熱交換器、高圧部と低圧部とを有する精留塔が順に配置され、前記精留塔で製品酸素、製品窒素、及び粗アルゴンを生成する空気液化分離装置であって、前記原料空気中の酸素濃度を検知する酸素濃度検知部と、前記酸素濃度に応じて前記原料空気の供給量及び前記粗アルゴンの抜き取り量を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記酸素濃度の一定時間における平均値が、予め設定した閾値を下回ると、前記原料空気の供給量を増量するとともに、前記原料空気の増加量に応じて、前記精留塔からの粗アルゴンの抜き取り量を増量し、前記平均値が元に戻ると、前記原料空気の供給量および粗アルゴンの抜き取り量を元に戻すことを特徴とする、空気液化分離装置を提供する。

前記空気液化分離装置において、前記酸素濃度検知部は、前記ＭＳ吸着器と前記主熱交換器との間に設けられたジルコニア式酸素濃度計でもよい。

本発明によれば、原料空気の酸素濃度が一時的に低下しても、粗アルゴン中の酸素濃度上昇を抑制しつつ、製品酸素を安定的に精留することができる。

本実施の実施形態にかかる空気液化分離装置の構成を示す図である。図１の空気液化分離装置の精留塔の低圧部内の平常時の状態を示す説明図である。図１の空気液化分離装置の精留塔の低圧部内の、酸素濃度が低下したときの状態を示す説明図である。図１の空気液化分離装置の精留塔の低圧部内の、酸素濃度が低下した後、原料空気の供給量を増量したときの状態を示す、本発明の実施形態の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

空気液化分離装置１は、吸入フィルタ１０を介して吸い込まれた空気を圧縮して原料空気として供給する原料空気圧縮機１１と、冷却水と原料空気と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に分離するパッキントレータイプの精留塔１５と、を有している。これらの機器は、原料空気管２０を介して、この順で直列に接続されている。さらに、精留塔１５の下流側には、精留塔１５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が設けられている。

原料空気管２０の、ＭＳ吸着器１３と主熱交換器１４との間には、原料空気の酸素濃度を検出する酸素濃度検知部としての酸素濃度計２１、および、原料空気の流量を計測する流量計２２が設けられている。酸素濃度計２１は、応答性が速くリアルタイムで計測できるものが好ましく、例えばジルコニア式酸素濃度計が用いられる。流量計２２は、例えばオリフィス流量計が用いられる。

精留塔１５は、高圧で温度が高い高圧部１５ａと、高圧部よりも低圧で温度が低い低圧部１５ｂとを有している。なお、本実施の形態では、低圧部１５ｂは高圧部１５ａの上方に配置されているが、そうした態様に限らず、低圧部１５ｂと高圧部１５ａを別置タイプにする等といった種々の態様とすることも可能である。主熱交換器１４を通って精留塔１５の高圧部１５ａへ接続される原料空気管２０は、その一部が分岐し、その分岐管２０ａは膨張タービン２３を介して低圧部１５ｂに接続されている。低圧部１５ｂに送られる原料空気は、膨張タービン２３により減圧されることで、高圧部１５ａに送られる原料空気よりも低温になる。

低圧部１５ｂの上部には、低圧部１５ｂから純度の高い製品窒素を抽出する窒素抽出管３１が設けられている。窒素抽出管３１により抽出された製品窒素は、過冷却器５１を通過した後、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が行われる。

また、低圧部１５ｂの下部には、低圧部１５ｂから製品酸素を抽出する酸素抽出管３２が設けられている。酸素抽出管３２により抽出された製品酸素は、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が行われる。

低圧部１５ｂの上部の、窒素抽出管３１との接合部よりも下方には、製品窒素よりも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、過冷却器５２を通過し、さらに主熱交換器１４で原料空気と熱交換を行った後、ＭＳ吸着器１３に送られる。ＭＳ吸着器１３では、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。廃窒素抽出管３３には圧力調整弁４３が設けられ、この圧力調整弁４３により、低圧部１５ｂ内の圧力を一定に保ち、圧力が高くなると余分な廃窒素を排出するようになっている。

高圧部１５ａの底部には、液体空気抽出管３４が設けられている。液体空気抽出管３４から抽出された液体空気は、過冷却器５１および膨張弁４４により低圧部１５ｂの圧力に減圧された後、低圧部１５ｂの高さ方向中央部に導入される。

高圧部１５ａの上部には頂部還流窒素抽出管３５が設けられている。頂部還流窒素抽出管３５から抽出された中圧窒素ガスは、過冷却器５１および膨張弁４５により低圧部１５ｂの圧力に減圧された後、低圧部１５ｂの上部に導入されて還流液化窒素となる。さらに、高圧部１５ａの高さ方向中央部には中部還流窒素抽出管３６が設けられ、中部還流窒素抽出管３６から抽出された窒素ガスは、過冷却器５２および膨張弁４６により低圧部１５ｂの圧力に減圧された後、低圧部１５ｂの上部の、頂部還流窒素抽出管３５からの導入部分よりも下方に導入されて還流液化窒素となる。

高圧部１５ａと低圧部１５ｂとは、主凝縮器３０を介して接続されている。なお、主凝縮器３０は、精留塔１５内の高圧部１５ａと低圧部１５ｂとの間に内蔵されてもよい。

低圧部１５ｂの下部の酸素濃度が高い部分よりも上方に、アルゴンガスの濃度が比較的高い部分が生じ、その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抽出管３７が設けられている。アルゴン原料ガス抽出管３７は、粗アルゴン塔１６の下部に接続される。粗アルゴン塔１６に供給されたアルゴン原料ガスは上昇ガスとなり、粗アルゴン塔１６の上部に設けられた後述する凝縮器５３で液化され還流液となって下降し、粗アルゴン塔１６の底部には液体酸素が滞留する。

粗アルゴン塔１６の底部に滞留した液体酸素は、粗アルゴン塔１６の底部に接続された第二の液体空気抽出管３８により、例えば低圧部１５ｂにおけるアルゴン原料ガス抽出管３７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凝縮器５３が設けられている。高圧部１５ａの底部に設けられた液体空気抽出管３４から抽出された液体空気の一部は、この凝縮器５３に供給される。凝縮器５３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、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。

粗アルゴン塔１６内のアルゴンガスは、粗アルゴンとして粗アルゴンガス抽出管３９から抽出され、熱交換器５４を介してアルゴン精製装置５５に送られる。熱交換器５４からアルゴン精製装置５５へ向けて粗アルゴンを送り出す管６１の途中には、アルゴン量検出器６２が設けられ、アルゴン精製装置５５から熱交換器５４へ向けて精製されたアルゴンを送り出す管６３の途中には、温度計６４が設けられている。

以上の空気液化分離装置１には、制御部１００が設けられている。制御部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、各種機器の動作状態の監視や動作の制御、各計測機器の測定値を用いた演算、弁の開閉制御等を行う。

次に、上記の空気液化分離装置１を用いた、本実施形態にかかる空気液化分離方法を説明する。

空気液化分離装置１で製品酸素及び製品窒素を生成するにあたっては、先ず、原料空気圧縮機１１で圧縮されて高温高圧となった原料空気が、水洗冷却塔１２に供給される。このとき、原料空気圧縮機１１出口の原料空気の温度は、概ね１００℃程度である。

水洗冷却塔１２では、原料空気が１０℃程度まで冷却されるとともに除塵が行われる。除塵された原料空気は、ＭＳ吸着器１３に供給される。ＭＳ吸着器１３では、主熱交換器１４および精留塔１５での氷やドライアイスの発生を防止するために、原料空気から水分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部１５ａに供給され、高圧部１５ａの底部には液体空気が徐々に溜まっていく。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２３に導かれ、膨張タービン２３で減圧された原料空気が低圧部１５ｂに供給される。

高圧部１５ａでは、原料空気が粗精留され、液体空気と窒素に分離される。高圧部１５ａで分離された窒素の一部は、主凝縮器３０で凝縮されて液化され、液化された窒素は低圧部１５ｂの上部に還流する。また、高圧部１５ａで分離された液体空気は、液体空気抽出管３４を通り膨張弁４４を介して気液混合状態で低圧部１５ｂの中間部に供給される。

低圧部１５ｂでは、原料空気がさらに精留され、低圧部１５ｂの上部には窒素が溜まり、低圧部１５ｂの上部ほど窒素の純度が高くなる。また、低圧部１５ｂの下部には製品酸素が溜まる。低圧部１５ｂの上部に溜まった純度の高い製品窒素は、窒素抽出管３１を通って主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換が行われて昇温し、図示しない圧縮機で所定圧力に圧縮されて需要先へ供給される。

また、低圧部１５ｂの下部に溜まった製品酸素は、酸素抽出管３２を通って主熱交換器１４に送られ、主熱交換器１４で原料空気と熱交換が行われて昇温し、図示しない圧縮機で所定圧力に圧縮されて需要先へ供給される。

粗アルゴン塔１６から抽出された粗アルゴンガスは、熱交換器５４を介してアルゴン精製装置５５に送られ、アルゴン精製装置５５内に設けられた脱酸素塔において、水素ガスを加えて酸素が除去され、再び熱交換器５４を介して、さらにアルゴンを最終精製する図示しない精製器へ送られる。アルゴン精製装置５５へ送られるアルゴン量はアルゴン量検出器６２で測定され、さらにアルゴン精製装置５５から送られたアルゴンガスの温度を温度計６４で測定することにより、アルゴン精製処理がアルゴン精製装置５５の能力を超えないように監視する。

以上のような空気液化分離装置１において、図２は、原料空気が通常の大気、すなわち酸素濃度が２０．９％のときの、精留塔１５の低圧部１５ｂの内部の状態を示す。原料空気の窒素濃度は７８．１％、アルゴン濃度は０．９３％とする。低圧部１５ｂの上部は窒素濃度が高いエリア１５１であり、下部は酸素濃度が高いエリア１５３、その中間が、アルゴン濃度が高いエリア１５２となっている。なお、図２では、各エリア１５１、１５２、１５３の境界を直線状に示したが、実際は、境界部分には複数種類の気体が混じる範囲が存在し、後述の図３、図４についても同様である。この状態で、原料空気293,000Ｎｍ^３／Ｈの原料空気中の酸素量は、
293,000（Ｎｍ^３／Ｈ）×20.9％＝61,230（Ｎｍ^３／Ｈ）
であり、空気液化分離装置１の酸素収量を98％とすると、
61,230（Ｎｍ^３／Ｈ）×98％＝60,000（Ｎｍ^３／Ｈ）
で、製品酸素の製造能力が60,000Ｎｍ^３／Ｈとなる。

図３は、原料空気取込口付近の窒素濃度が上昇（７８．５％）することで、原料空気中の窒素濃度が高く、それにより酸素濃度が２０．５％、アルゴン濃度が０．９１％に低下した際、従来通り（一定）の原料空気の供給量、酸素、窒素およびアルゴンガスの抽出量とした場合の低圧部１５ｂの内部の状態を示す。この場合、窒素−酸素バランスが変化し、低圧部１５ｂ内の窒素濃度が高くなり、粗アルゴン塔１６に供給されるアルゴン原料ガスに混入する窒素の量が増え、粗アルゴン塔１６の精留が不安定になる。また、沸点の低い窒素の濃度上昇により低圧部１５ｂ内の温度が下がり、アルゴン濃度が高いエリア１５２が下方に下がってくる。アルゴンが低圧部１５ｂ内の還流液に接すると、低圧部１５ｂの温度が下がっているためにアルゴンが還流液中に溶解しやすく、低圧部１５ｂ下部の液体酸素の純度が低下するという現象が起きる。すなわち、酸素量が減少するとともに、酸素純度が低下する。この状態では、原料空気293,000Ｎｍ^３／Ｈの原料空気中の酸素量は、
293,000（Ｎｍ^３／Ｈ）×20.5％＝60,000（Ｎｍ^３／Ｈ）
であり、空気液化分離装置１の酸素収量を98％とすると、
60,000（Ｎｍ^３／Ｈ）×98％＝58,800（Ｎｍ^３／Ｈ）
で、製品酸素の製造能力が図２の場合よりも２％低下する。すなわち、酸素純度、酸素量ともに低下している。

図４は、原料空気の酸素濃度が２０．５％に低下した際に、原料空気の供給量を２％増量した場合の低圧部１５ｂの内部の状態を示す。このときの原料空気は、図３の場合と同様に、窒素濃度が高くなっている。この場合、空気液化分離装置１に供給される酸素の絶対量は戻るものの、原料空気中の窒素濃度が高いため、低圧部１５ｂ内の窒素−酸素バランスは悪いままであり、このままでは酸素純度が低下する。そこで、アルゴン原料ガスの抜き取り量を２％増量することで、アルゴン濃度が高いエリア１５２が下がるのを抑制し、酸素量と酸素濃度の確保を図る。また、原料空気の供給量を増量することで、低圧部１５ｂ内の窒素量も当然増えるため、低圧部１５ｂ内の圧力が一定になるように廃窒素の放出量を増やす。廃窒素の放出量は、廃窒素抽出管３３に設けた圧力調整弁４３によって低圧部１５ｂ内の圧力が一定に維持されるように調整される。

すなわち、本実施形態においては、酸素濃度計２１で原料空気中の酸素濃度をオンラインで計測し、一定の時間例えば１０〜３０分間の酸素濃度の平均値が所定の閾値例えば２０．５％を下回ったことを制御部１００が検知すると、原料空気圧縮機１１の稼働量を増やして、不足する酸素量に相当する原料空気量として例えば２％増量する。そして、低圧部１５ｂからアルゴンを抜き取るアルゴン原料ガス抽出管３７に設けた弁４７の開度を調整し、増量した原料空気中に含まれるアルゴンの増分量に相当する２％増量した粗アルゴンを抽出する。原料空気中の酸素濃度が平常値（２０．９％）に戻ったら、原料空気の供給量および粗アルゴンの抜き取り量を元に戻す。原料空気の供給量の増減は、例えば０．５％／分程度で行うことが好ましい。

以上のように、本発明によれば、原料空気の酸素濃度が一時的に低下しても、製品酸素の製造量および酸素純度を一定に保つことができ、さらに粗アルゴン塔の精留を安定させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

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空気液化分離装置
１０吸入フィルタ
１１原料空気圧縮機
１２水洗冷却塔
１３ＭＳ吸着器
１４主熱交換器
１５精留塔
１５ａ高圧部
１５ｂ低圧部
１６粗アルゴン塔
２０原料空気管
２０ａ分岐管
２１酸素濃度計
２２流量計
２３膨張タービン
３０主凝縮器
３１窒素抽出管
３２酸素抽出管
３３廃窒素抽出管
３４液体空気抽出管
３５頂部還流窒素抽出管
３６中部還流窒素抽出管
３７アルゴン原料ガス抽出管
３８（第二の）液体空気抽出管
３９粗アルゴンガス抽出管
４３圧力調整弁
４４、４５、４６膨張弁
４７弁
１００制御部

Claims

原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を、原料空気管を介して水洗冷却塔、ＭＳ吸着器、主熱交換器、高圧部と低圧部とを有する精留塔の順に供給して、前記精留塔で製品酸素、製品窒素、及び粗アルゴンを生成する空気液化分離方法であって、
前記原料空気中の酸素濃度の一定時間における平均値が、予め設定した閾値を下回ると、前記原料空気の供給量を増量するとともに、前記原料空気の増加量に応じて、前記精留塔からの粗アルゴンの抜き取り量を増量し、前記平均値が元に戻ると、前記原料空気の供給量および粗アルゴンの抜き取り量を元に戻すことを特徴とする、空気液化分離方法。
前記原料空気中の酸素濃度の１０〜３０分間の平均値が、２０．５％を下回ると、前記原料空気の供給量を２％増量し、前記平均値が２０．９％になると、前記原料空気の供給量を元に戻すことを特徴とする、請求項１に記載の空気液化分離方法。
前記原料空気の供給量を増量する際、前記粗アルゴンの抜き取り量を２％増量することを特徴とする、請求項２に記載の空気液化分離方法。
前記原料空気中の酸素濃度をリアルタイムで計測することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気液化分離方法。
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機から原料空気管を介して水洗冷却塔、ＭＳ吸着器、主熱交換器、高圧部と低圧部とを有する精留塔が順に配置され、前記精留塔で製品酸素、製品窒素、及び粗アルゴンを生成する空気液化分離装置であって、
前記原料空気中の酸素濃度を検知する酸素濃度検知部と、前記酸素濃度に応じて前記原料空気の供給量及び前記粗アルゴンの抜き取り量を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記酸素濃度の一定時間における平均値が、予め設定した閾値を下回ると、前記原料空気の供給量を増量するとともに、前記原料空気の増加量に応じて、前記精留塔からの粗アルゴンの抜き取り量を増量し、前記平均値が元に戻ると、前記原料空気の供給量および粗アルゴンの抜き取り量を元に戻すことを特徴とする、空気液化分離装置。
前記酸素濃度検知部は、前記ＭＳ吸着器と前記主熱交換器との間に設けられたジルコニア式酸素濃度計であることを特徴とする、請求項５に記載の空気液化分離装置。