JPH0226608A - ガス分離プロセスの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、吸着塔を用いて、着目成分を含む混合ガス（
原料ガス）から着目成分を分離回収するガス分離プロセ
スの制御方法に関する。特に原料ガス中の着目成分濃度
の変動が製品ガス中の着目成分濃度に与える影響を予測
し、製品ガス中の着目成分濃度の変動を抑制するように
製品ガスパージ流量を操作するガス分離プロセスの制御
方法に関する。

（従来の技術） 着目成分を含む混合ガスを原料とし、この混合ガスから
着目成分を分離する方法の１つに圧力スイング吸着法（
以下ＰＳＡという）がある。本発明はこのＰＳＡプロセ
スの制御方法に関するものであるので、次にＣＯとＮ２
を含む混合ガスからＣＯを分離するガス分離プロセスを
例に採ってこのＰＳＡプロセスの原理について説明して
おく。

第２図は、４塔からなるガス分１９ＰｓＡプロセスを示
す。このプロセスでは、■吸着、■製品ガスパージ、■
製品ガス排出、■再加圧の４工程を、４塔それぞれで１
工程づつずらせて反覆している。

各工程■〜■の機能は次のとおりである。

■吸着　　　　　：着目成分（ＣＯ）を塔内の吸着剤（
ゼオライト）に吸着 させる。

■製品ガスバージ二着目成分以外の塔内残存ガスを製品
ガスでパージする。

■製品ガス排出　：真空引きにより着目成分を塔内から
製品ガスとして取 り出す。

■再加圧　　　　：原料ガスおよびパージされた排ガス
で塔内を充填する。

阻１〜嵐４の多塔はそれぞれΦ〜■の工程を順に反覆す
る。この際、Ｎａｌ〜隘４の多塔は、工程Φ〜■を一単
位づつずらして行う、従って常に■〜■の工程が同時に
陽１〜ｌ１ｈ４の塔のいずれかで行われていることにな
り、連続的な着目成分（ＣＯ）の分離が可能である０次
に多塔における工程サイクルの一例を示す（同一縦列に
並んだ工程は同時に行われる）。

塔番号　　　工程順序 １１ｋＬ１　　：　　■−■−■−■ 磁２　：　■−■→■−■ 陽３　：　■→■→■→■ −４：　■−■−■−〇 このようなプロセスでは、原料ガス中の着目成分濃度の
変動が製品ガス中の着目成分濃度に影響を与える。従っ
て製品ガス濃度を所定レベルに維持するために従来は、
オペレータが経験に基づいてサイクルタイム（工程の切
り替えから切り替えまでの時間）を増加または減少させ
ていた。これにより、着目成分の吸着量の適正化、およ
び歩留の低下防止を図っていたのである。

（発明が解決しようとする課題） 上記サイクルタイムを操作するのは、原料中着目成分濃
度が変動しても、吸着量を一定に保つため吸着時間を操
作することである。しかし、この操作は、他塔にも影響
を及ぼす０例えば、製品ガスパージ工程にある別の塔の
製品ガスパージ流量が変更されてしまうため、製品ガス
濃度が変動してしまう。

次にオペレータが製品ガスパージ流量を操作する場合を
考える。外乱が加わったとき、各塔間の相互干渉が複雑
なため、どのように製品ガス濃度に影響するかを知るこ
とが非常に難しく、操作は極めて困難である。

そのため、所定濃度の製品ガスを生産するためには、安
全余裕を持った操業となり、歩留りを低下させることと
なる。

従って本発明の目的は、複数基からなるサイクル弐ＰＳ
Ａガス分離プロセスにおける上述の従来技術の問題点を
解決し、多塔のプロセスにおける原料ガス中の着目成分
濃度の変動を、他塔の工程に影響を与えることなく正確
に補償し、ひいては歩留向上につながる制御方法を提供
する事である。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは上述の目的を達成するため研究を重ね、次
のような着想を得た。

多塔のプロセスにおける操作量として製品パージ流量を
用いることにすれば、多塔のプロセスの制御は他塔に影
響を及ぼさなくなる。また、原料中の着目成分濃度は測
定可能であり、製品濃度に影響を与えるまでの間にはむ
だ時間が存在する。

従ってこれを予め補償する予測制御が可能である。

こうして本発明の要旨とするところは、着目成分に対す
る選択吸着性を有する吸着剤を充填した吸着塔に、多成
分混合原料ガスを供給して着目成分を吸着させ、吸着後
、着目成分濃度向上のため、吸着していない不純ガスを
製品ガスでパージし着目成分を濃縮することにより、所
定濃度以上の着目成分を含む製品ガスを分離・精製する
プロセスにおいて、原料ガス中の着目成分濃度変動に着
目し、製品ガス中の着目成分濃度の変動を抑制するよう
に製品ガスパージ流量を操作することを特徴とするガス
分離プロセスの制御方法である。

またガス分離ＰＳＡプロセスにおける入力変数（原料ガ
ス中の着目成分濃度等）と出力変数（製品ガス濃度）の
関係を表す動特性ないし応答特性は自己回帰モデルによ
り容易に同定できる。このモデルを用いれば、製品濃度
（制御目的）のフィードバック制ｍと原料中着目成分濃
度等（測定可能外乱）の予測制御を組み合わせた積分形
最適レギュレータを構成して最適ゲインを決定し、その
ゲインを用いて最適な操作量を計算機等によって求める
定量的な制御が可能である。

（作用） 本発明における製品ガスパージを操作量とする製品濃度
の制御原理は次のとおりである。

ガス分離ＰＳＡ装置において原料中着目成分濃度が変動
すると、製品ガス濃度に影響を与える。

そこで、製品ガスの一部を使い塔内残留の着目成分以外
のガスを排除（パージ）するパージガス流量を変化させ
ることにより製品濃度変動を抑制する。

このように従来のサイクルタイムの代わりに製品ガスパ
ージ流量を用いて多塔のプロセスを制御することにより
、他塔への影響が抑制される。また原料ガス中の着目成
分濃度変動は予め測定できる外乱であるのでプロセスを
適切に同定したモデルから定量的に操作量を求める予測
制御を導入することにより、制御精度および歩留りを向
上することができる。

なお、本発明による具体的制御方法とその作用について
は次の実施例の欄で詳しく説明する。

（実施例） 本発明の具体的制御方法について、ＣＯガスを分離する
４塔からなるＰＳＡ設備を例に採って説明する。

ガス　　ＰＳＡプロセス ＣＯガス分ｊｉｌＰＳＡプロセスについてはすでに第２
図を参照しながら説明したので、ここではそれを補足す
るに留める。

第２図における原料ガスは、ＣＯ約７８％、Ｎ２約１８
％を含む混合ガスであり、転炉ガスからＣＯ！をＣＯｔ
分離ＰｓＡプロセスで除去して得られたものである。一
方製品ＣＯガスのＣＯ濃度規格値は９８％であり、原料
ガス中のＣｏｔｌ度変動にかかわらずこの製品濃度を維
持することが要求される。

本発明においては工程■における製品ガス（ＣＯ）によ
るパージ流量を操作することにより製品濃度を安定的に
９８％以上に維持する。

プロセス　　のｉ 第（ｎ　＋　１）回目の工程の製品ガス中ＣＯ濃度変化
を、第ｎ回またはそれより前の工程における各変数の変
化量の一次結合として表現する自己回帰モデルを、上に
述べたＰＳＡプロセスの入出力変数データから決定する
。すなわち、 ただし、 ΔＹｋ＝Ｙｈ−’ｆ＊−＋１ Δｕｋ　”　’Ｉｌ−ｕＩ＋−１゜ Δｄｍ−ｄｍｄｋ−い ｙｋ　：第に工程　製品ＣＯ濃度（％）ｕｋ　：　　　
　　パージガス流量（Ｎｎ？／ｈｒ）ｄ、：　〃　　　
原料ガス中ＣＯ濃度（％）として、＋１１式における次
数ｍ、及び各係数ａいす１、ｅｔ（ｉ−１〜ｍ）を公知
の自己回帰の手法（赤氾弘次、中用東一部：ダイナミン
クシステムの統計的解析と制御、サイエンス社（１９８
１りで決定する。この＋１１式はＰＳＡプロセスの応答
特性を自己回帰モデルにより同定したものと言うことが
できる。

以下では＋１１式においてｍ＝ｌとなる場合：Δｙａ＋
＋＝ａΔｙｌｌ＋ｂΔｕ、＋ｃΔｄ　、−、−−−（１
１’ただし、ａ−ａ、　、ｂ＝ｂ、　、ｃ＝ｃ。

を例に採って説明する。なお、（１）、（１）゛　式に
おいてΔｄのみ一単位工程分だけ遅らせているのは、Δ
ｄとΔｙの間に一工程時間、すなわち、−工程分の無駄
時間が存在するためである。

′ロジック・　′７、のせ１８ このプロセスの主な外乱である原料ガス中ＣＯ成分濃度
変動は、測定可能である上に、無駄時間も存在するため
、予め、この変動を補償する一種の予測制御が可能であ
る。従って本発明では、第１図に示すような予測制御３
１１および製品ガス濃度のフイードパ７り制御からなる
制御系を構成する。

具体的な制御ロジックを決定する一つの方法として製品
ＣＯ濃度の目標値からの偏差および製品ＣＯ濃度、製品
ＣＯパージ流量、原料中着目成分濃度の変動量を状態変
数に含めた状態方程式を作成し、積分形最適レギュレー
タを設計することが考えられる０次に［１１式から求め
られるプロセスの状態方程式を示す： ただしｅｍ＝ｒ＊　　Ｙｗ、 ｒに目標値。

ここで、操作量の製品ＣＯパージ流量の変化量をΔｕ　
ｌｌ＊　ｌ　としたのは、次工程の製品ＣＯバージ流量
からしか操作できないためであり、第３行が存在する。

第４行は、外乱の無駄時間の存在のため追加されており
、第５行は、外乱が現時刻以後一定値を保つと仮定した
式である。

この状態方程式（２）における最適状態フィードバック
制御則は、 ΔｕＡ、、！　−に＋・ｅａ−に、・Δ３Ｌａ　　Ｋｓ
・ΔＬｌ。

Ｋｇ・Δｄ、−１−に、・Δｄ１１　　・・・・（３）
で表される。ここで、Ｋ、〜に、は、ゲインであり、評
価関数 Ｊ＝　Σ　（ｅｉ”　　＋　　ＲΔｕ　、　２　）を最
小とするように決定する。

操作量である第ｆｉ＋１回目の工程の製品ＣＯパージ流
量は、（３）式を用いて算出することができる。

（３）式右辺の第１〜３項は通常の最適フィードバック
制御に対応し、第４項・第５項は外乱入力ｄに対する予
測制御に対応する。

なお、本発明の効果を確認するためテストプラントにお
いて本発明の制御法と従来のサイクルタイム操作及び製
品ＣＯパージ流量の手動制御を比較する制御テストを行
った。その結果を第３図に示す。この実験は、原料ガス
中のＣＯ濃度をテスト外乱として±５％変動させて制御
性を比較したものである。第３図＋ａ）、山）、ｔｅｌ
は、それぞれサイクルタイム操作、オペレータによる製
品ＣＯパージ流量の手動操作、及び本発明の制御法によ
るそれぞれの結果を示した０図から分かるように従来の
サイクルタイム操作及びオペレータによる製品ＣＯパー
ジ流量の手動操作に比べ、本発明の制御方法によって非
常に高精度の制御性が実現できた。

（発明の効果） 本発明においては以上のように、原料中着目成分濃度等
の変動に対して、製品ガスバージ流量を定量的に操作す
る。従って、本発明は次の効果を有する。

■オフガスとして捨てるガスが減少するので着目成分（
製品）歩留りが向上する。

■製品濃度の偏差（目標値との差）の標準偏差が従来の
サイクルタイム操作に比べて小さくなるため、目標値を
製品濃度規定値の下限に近いところにおいて操業するこ
とが可能となり生産量が増える。

また、同様なことがオペレータによる製品ｃｏパージ流
量の手動操作と比較してもいえる。

０品質の安定した製品が生産できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる制御系の概念図；第２図は、
本発明が適用されるＣＯガス分離ｐｓＡプロセスの概要
を示すブロック図；および第３図は、本発明の制御法と
従来の方法の制御性を比較する制御テストの結果を示す
グラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）着目成分に対する選択吸着性を有する吸着剤を充
   填した吸着塔に、多成分混合原料ガスを供給して着目成
   分を吸着させ、吸着後、着目成分濃度向上のため、吸着
   していない不純ガスを製品ガスでパージし着目成分を濃
   縮することにより、所定濃度以上の着目成分を含む製品
   ガスを分離・精製するプロセスにおいて、原料ガス中の
   着目成分濃度変動に着目し、製品ガス中の着目成分濃度
   の変動を抑制するように製品ガスパージ流量を操作する
   ことを特徴とするガス分離プロセスの制御方法。
2. （２）過去の原料中着目成分濃度、製品ガスパージ流量
   、製品ガス濃度より予め求めておいておいた製品ガス濃
   度応答特性からゲインを決定し、そのゲインを用いて、
   過去の、製品濃度、原料中着目成分濃度、製品ガスパー
   ジ流量から算出した製品ガスパージ流量で操作すること
   を特徴とする請求項１記載のガス分離プロセスの制御方
   法。