JPH0789013B2 - 少くとも１塔を有する極低温蒸留装置における空気分離法と、極低温蒸留装置 - Google Patents

少くとも１塔を有する極低温蒸留装置における空気分離法と、極低温蒸留装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素の需要量が変化
し、かつ圧縮供給材料空気（以下、単に供給材料空気、
または供給空気と称する）の圧力が変動するような場合
の極低温空気分離装置またはこれによる空気分離方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】大気中のガス、特に酸素を、燃焼ガスタ
ービンに機械的に直結させた供給空気圧縮機を用いた極
低温空気分離単位装置（ＡＳＵ）によって生産するため
の方法は数多く知られており、米国特許第４，２２４，
０４５号および米国特許第３，７３１，４９５号などが
ある。
【０００３】近年エネルギー費用の高騰により、代替エ
ネルギーに対する探索が倍加しており、この探索の成果
の一つとして、最近開発された総合ガス化混合サイクル
（ＩＧＣＣ）発電プラントがある。それは石炭と酸素
（典型的には、８０容量％の以上の酸素が用いられる）
との混合物を用いて該ＩＧＣＣが電力エネルギーを生産
するというものである。
【０００４】上述した発電プラントの運転は、消費者の
電力需要によって変化するので、プラントに対する原
料、特に酸素の投入は電力消費量に見合ったものでなけ
ればならない。しかし、残念なことに（酸素生産用の）
ＡＳＵを燃焼ガスタービンを有するＩＧＣＣと結合させ
るようにした場合には、米国特許第４，２２４，０４５
号に見られるように１つの問題を生ずる。
【０００５】結合させるべきＡＳＵとＩＧＣＣとを機械
的に連結させた場合には、ＡＳＵへの供給空気はガスタ
ービンにより圧縮される。ガスタービンの運転および排
出量はガス化製品の燃焼排ガスおよび部分的にはＡＳＵ
の低圧窒素ガス製品からの排ガス量によって変化する。
前記した問題はＩＧＣＣの標準的な運転方式が一定的で
ないことによって生ずる。前述したようにＩＧＣＣは、
通常電力需要の変化に応じて傾斜運転（以下、ランピン
グともいう）を行う必要がある。ガス化運転を傾斜的に
行うことによってこの運転の結果が燃焼ガスタービンに
現れるが、それは、言い換えればＡＳＵに送られる圧縮
供給ガスの圧力が変動することを意味する。ＩＧＣＣの
傾斜運転は、ＡＳＵからの製品需要の増減、特にガス化
操作のために必要な酸素量が増減することを意味する。
また、この際ＡＳＵにおける生産の増減によって得られ
る製品の純度が変動しないようにすることも重要なこと
である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｉ
ＧＣＣの出現以前は、ＡＳＵ自体の生産は、ＩＧＣＣの
操業に際して要求されるような厳密な運転を必要とせ
ず、その設計もそれに従ってなされていた。即ち、少量
の生産が要求されるときＡＳＵの減量傾斜運転（ランプ
ダウン）が行われた場合において、供給空気の圧力が低
下するが、このようなときにおいても蒸留塔にて得られ
る液体によるフラッシュは、多量の製品を生産する方向
にある（これは、消費者の需要に相反することにな
る）。しかも、フラッシュされる液体は酸素濃度が高い
ので、得られる窒素製品の純度を低下させることにな
る。従って、圧縮供給材料空気の圧力の変動、酸素製品
の需要変動に拘らず、所定の要求純度を維持することが
厳しく求められるようなＩＧＣＣ結合極低温蒸留装置に
おけるランピング運転をどのように制御するかは需要な
課題である。
【０００７】即ち、本発明の目的とするところは、高酸
素製品と高窒素製品との分離するための少なくとも１基
の蒸留塔が備わる極低温蒸留装置を用いて空気分離を行
うに際して、製品需要の変動や供給空気圧力の変動に拘
らず、常に製品に要求される純度維持を行うことができ
るような空気分離方法およびこれを具体的にＩＧＣＣに
適用した空気分離装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、少なくとも１基の蒸留塔が備わる極低温蒸
留装置（２４）において管路（２０）による供給空気を
高酸素製品と高窒素製品とに分離する方法であって、
（ａ）前記供給空気の圧力が増加すると冷凍を高窒素液
体の形態で前記蒸留装置（２４）から取り出し貯蔵手段
（６０）に貯蔵する工程と、（ｂ）前記供給空気の圧力
が減少すると、貯蔵手段（６０）に貯蔵された冷凍を高
窒素液体の形態で前記蒸留装置（２４）に付与する工程
とからなることを特徴とする空気分離方法、および空気
を少なくとも高酸素製品と高窒素製品とに分離して総合
ガス化混合サイクル（ＩＧＣＣ）発電所に供給するに際
し、該ＩＧＣＣにおいて必要とされる純度条件を該ＩＧ
ＣＣによる製品の需要が変動してもまた供給空気の圧力
が変動しても維持されるようにした少なくとも１基の蒸
留塔を備える極低温蒸留装置（２４）であって、（ａ）
蒸留装置（２４）に高窒素液体を還流させるための管路
（４４）と、（ｂ）該高窒素液体を貯蔵するために該管
路（４４）中間に結合して設けられた貯蔵手段（６０）
と、（ｃ）製品需要と供給空気の圧力の増加に伴う、該
還流管路（４４）からの高窒素液体の取り出しおよび取
り出された高窒素液体の該貯蔵容器（６０）中への貯蔵
量を制御するための還流制御手段（５２、１１４および
必要に応じ１１０）と、（ｄ）製品需要と供給空気の圧
力の低下に伴う該貯蔵容器（６０）からの高窒素液体の
還流管路（４４）への付与量とを制御するための還流制
御手段（５４、１１６および必要に応じ１２６）とから
なる空気分離用極低温蒸留装置である。本発明の方法お
よび装置によるときは、製品需要の変動および圧縮供給
材料空気圧力の変動に拘らず、製品を要求純度に維持し
得る効率的に空気分離を行うことができる。
【０００９】
【作用】本発明におけるＡＳＵの概要 ───────────── 本発明を理解するためには、先ず制御される空気分離単
位装置（ＡＳＵ）１０についての理解を進めることが重
要である。本発明のＡＳＵの基本的実施態様の概要を示
す図１において、不純物の少ない圧縮空気を管路２０、
制御弁２２を経て２塔式蒸留装置２４における高圧蒸留
塔３０下部に供給する。
【００１０】該高圧蒸留塔（ＨＰ塔）３０において管路
２０からの低温の不純物のない供給空気を高圧窒素蒸気
オーバーヘッドと高酸素底液に分留する。該高圧窒素蒸
気オーバーヘッドの一部を管路３４を経て低圧蒸留塔
（ＬＰ塔）４２の下方に設けたリボイラー・凝縮機３６
に供給し、沸騰液体酸素による間接熱交換によって凝縮
する。該凝縮窒素液体を該リボイラー・凝縮機から管路
３８を経て高純度還流として還流させる。残部の高圧窒
素オーバーヘッドを、管路３２を経て、流量調整装置７
０および圧縮機により調整し高圧窒素気体製品としてＨ
Ｐ塔３０から取り出す。前記した高酸素底液は、管路４
０によりＨＰ塔３０から取り出し、弁４１を経てＬＰ塔
４２の中間位置に供給する。
【００１１】不純高窒素液体をＨＰ塔３０の上部中間位
置から管路４４により取り出して、ＬＰ塔４２への還流
を形成し、この不純高窒素液体還流をＬＰ塔４２の上部
位置に供給する。該管路４４からの高窒素液体還流と、
管路４０からの減圧された高酸素底液は、該ＬＰ塔４２
において蒸留されて低圧窒素気体オーバーヘッドと高酸
素液体製品を生成する。ＬＰ塔４２の沸騰用熱負荷は、
リボイラー・凝縮機３６の凝縮高圧窒素蒸気オーバーヘ
ッドにより供給される。
【００１２】前記した低圧窒素蒸気オーバーヘッドは、
管路４６により取り出されて、圧力調整装置７４および
圧縮機７６で調整されて低圧窒素気体製品となる。該低
圧窒素気体製品の一部は管路５０を経てＨＰ塔３０の中
間位置に再循環させ、残部はＩＧＣＣの燃焼ガスタービ
ン（図示せず）に供給される。酸素気体製品はＬＰ塔下
部におけるリボイラー・凝縮機３６の出口のやや上方位
置から管路４８により取り出されて、流量調整器と圧縮
器により調整される。
【００１３】ＡＳＵはＩＧＣＣに組み込まれているの
で、管路２０の供給酸素の圧力を、年Ｍ証ガスタービン
による空気の流量のランプアップ。もしくはランプダウ
ンに従って平常作業圧力の５０％の範囲で変化させるこ
とができる。完全にＩＧＣＣに組み込まれたＡＳＵに要
求される能力は、その設計能力の５０％乃至１００％の
範囲で操業できる一方で、１分間当り約３％のランピン
グに対応できることである。例えば、１分間当りの生産
能力が２０００キロトンのＡＳＵでは、装置のランピン
グは、１分間当り０．０４キロトンであることが要求さ
れる。その上大抵のガス化装置にあっては、製品の純度
がランピング中であっても次に品質基準に適合すること
が要求される。 気体酸素製品（ＧＯＸ） ９５％±１％Ｏ２ 気体窒素製品（ＨＰＧＡＮ） ＜０．１％Ｏ２ 廃窒素（ＬＰＧＡＮ） ＜１％Ｏ２ しかしながら従来の典型的なＡＳＵにおいては、大気ガ
ス成分の分離製品（管路４８の酸素製品および管路３２
と管路４６における窒素製品）は一定状態で生産される
ように設計されているが、その一方でＩＧＣＣは前記製
品の生産に対して常にランピングによる生産が要求され
るので、上記ＡＳＵとＩＧＣＣの２つの装置は本質的に
両立することはできない。そこで本発明においては、Ａ
ＳＵ装置においてＩＧＣＣのランピング要求に効果的に
対応することができるようにすることによってその要求
を満足し得るようにしたのである。つまり本発明におい
ては、少なくとも１基の蒸留塔を備えた極低温蒸留装置
における高圧蒸留塔からの冷凍を窒素液体の形態で、供
給空気の圧力が増加するときには適切な貯蔵容器（以下
保圧タンクともいう）により貯蔵しておき、供給空気の
圧力が低下するときは該貯蔵された窒素液体の形態での
冷凍を該貯蔵容器から蒸留装置に付加するものであっ
て、これによってＩＧＣＣにおけるランプアップおよび
ランプダウンに対応して常に要求純度に適応することの
できる空気分離製品を効率よく得ることに成功したもの
である。以下にランプダウンおよびランプアップによる
本発明の実施例をそのフローの概要を示す図１、図２お
よび運転時間経過に対する酸素需要、供給空気圧の変化
を示す図３により説明する。
【００１４】
【実施例】ランプダウン 管４８の気体酸素製品に対する需要の減少は、管２０の
圧縮供給材料空気流量の比例的減少に言い換えられる。
空気はほぼ窒素４に酸素１の割合であるので、管路２０
の空気流量は管４８の所定気体酸素製品のほぼ５倍であ
る。初期に図３に示される定常状態運転にある、管路２
０の圧縮供給材料空気流量としての区分２００は供給材
料空気圧の低下に対応して減少するに従って、蒸留装置
２４の圧力がグラフ区分２０２で示されるように減少し
て、液体をフラッシュさせる。気体の増加は所望の結果
とは反対で、窒素製品純度に対しては潜在的に有害であ
る。その補償には、蒸留装置２４に十分な塔液体残留量
を維持する必要がある。従って、液体窒素の形で冷凍を
滞留タンク６０から還流流路、管路４４を経由して保圧
装置２４に導入する。追加の液体窒素は酸素蒸気を凝縮
して、前記ＬＰ塔４２の下部に追い込み、窒素純度を保
つ。ランプアップ 前記ランプダウンがいったん図３の区分２０３に示され
る定常状態運転に安定させると、管路４８の気体酸素製
品の需要の増加は、管路２０の圧縮供給材料空気流量の
比例的増加に言い換えられる。管路４８の気体酸素製品
の需要の増加に合わせるため、管路２０の圧縮供給材料
空気流量が増加する必要があり、それが結果として、グ
ラフ区分２０４に示されるように蒸留装置２４の圧力を
増加させる。圧力の増加に従って、蒸気が液体に凝縮す
る傾向がある。増圧と蒸気凝縮の補償には、蒸留装置２
４の十分な塔液体残留量を維持する必要がある。従っ
て、液体窒素の形での冷凍を、管路４４を経由して蒸留
塔２４から除去して、保圧タンク６０に貯蔵し、その結
果、製品純度の低下を防ぐ。注目すべきことは、液体窒
素の除去が蒸留装置２４の温度に有意に影響しないこと
である。温度は主として作業圧力により影響される。一般制御 ガスタービン（図示せず）の荷重いかんで、管路２０の
圧縮空気のＡＳＵ１０への供給圧力がそれに応じて変化
する。ＡＳＵ１０を有効に機能させるために、蒸留装置
２４の圧力が圧縮供給材料空気圧に追随することであ
る。この変化をもたらすため、管路４６のＬＰ塔４２か
らの低圧窒素流量を調整して蒸留塔装置２４の圧力を昇
降させる。
【００１５】蒸留装置２４の液体と蒸気は泡立ち点と露
点の状態にあるので、温度は圧力で直接変化する。液体
の残留量を塔内に維持させるため、蒸留装置２４に対す
る冷凍の供給と抜き取りを液体窒素保圧タンク６０を用
いて行う。前記保圧タンク６０を不純窒素還流流路、管
路４４に１つの弁５２を前記還流流路の上流に、別の弁
５４をその下流につけて接続する。さらに、液体窒素保
圧タンク６０を、管路６２のガス流れを前記保圧タンク
６０の上部からＨＰ塔３０の上部に供給することで高圧
に維持する。
【００１６】プラントの圧力が降下するに従い（すなわ
ち、気体酸素製品需要が減少するに従い）蒸留装置２４
内の液体は気体に蒸発し始め、又蒸留装置２４内の温度
も降下し始めるこれの補償には、保圧タンク６０から蒸
留装置２４に入る液体窒素の、ＬＰ塔４２に入る流量を
弁５４で増加させることによる正味移動がある。この間
に、管路４６で過剰低圧窒素製品がＬＰ塔４２から除去
され塔圧を低下させるので、追加還流が管路４６の前記
低圧窒素製品純度を規格内に維持する。
【００１７】逆に、蒸留装置２４の圧力が上昇するに従
い（すなわち、気体酸素製品要求が増加するに従い）、
蒸留装置２４が液体に凝縮し始めて、蒸留装置内の温度
も上昇を始める。これを補うには、保圧タンク６０から
蒸留装置２４に入る液体窒素の、ＬＰ塔４２に入る流量
を弁５４により減少させることによる正味移動がある。
この間に、管路４６でより低圧の窒素製品がＬＰ塔４２
から除去されるので、還流の減少が、管路４８の気体酸
素製品純度を規格内に維持する役目をする。詳細制御 制御装置のさらに詳細な考察が、管路４８の気体酸素製
品をベースにしたフィードフォワード戦略を用い、又そ
のうえ、純度の測定をベースにしたフィードバック戦略
を応用して流量測定の独特の方法を明らかにする。ラン
プアップとランプダウンの双方に適応できる本制御装置
のフィードフォワードの態様は次のように機能する： (a) 管路４８の気体酸素製品の所望の流量をＩＧＣＣの
需要で測定する。
【００１８】(b) 管路４８の気体酸素需要を、物質収支
により、高圧塔３０に入る管路２０の供給材料空気の必
要流量を算出する。
【００１９】(c) ＬＰ塔４２の圧力調節は管路２０の供
給材料空気の圧力変動に直接関係する： △ＰＬＰ＝ＫＬＰ△・Ｐ供給材料空気 （式１） (d) 管路４６の低圧窒素製品の純度制御を管路４４の不
純窒素還流で制御する。先ず、ＨＰ塔３０からの管路４
４の不純窒素還流の流量Ｆ不純還流は、管路２０の供給
材料空気の測定流量Ｆ測定空気に直接関係する。この故
に、 Ｆ不純還流＝Ｋ不純還流・Ｆ測定空気 （式２） 第２に、ＬＰ塔に至る管路４４の不純窒素還流の流量調
整は、管路４４の不純窒素還流流量と、管路４６の低圧
窒素製品流量の間の低比率をベースにする。しかし、こ
の比率はランピング条件中で補正される。その関係式は
次の通り： 比率＝比率ＳＳ＋△比率ＩＮ２＋△比率水位 （式３） ［式中、△比率ＩＮ２は、管路５０の低圧窒素製品再循
環の変化のための補正を示す。そして、前記△Ｒ水位補
正は前記液体窒素保圧タンク水位制御装置１２４からの
出力である。
【００２０】別の実施例では、ＬＰ塔４２に入る管４４
の不純窒素還流の流量を組成分析により調整する。測定
をＬＰ塔４２の中間点純度で行う。この測定は、蒸気が
所定値を上回る時、保圧タンク６０からの追加の液体窒
素の流れを誘発する蒸気の移動を検知して、圧力の減少
の補いをする。この代りの実施例はなるべく十分な応答
時間と信頼度のある酸素分析器を用いることである。
【００２１】(e) 液体窒素保圧タンク６０の液面は管路
４８の気体酸素製品流れの変化に直接関係している： △液面＝Ｋ液面・△ＦＯ２ （式４） (f) 管路３２の純粋窒素製品の所望流量をＩＧＣＣ需要
により測定する。
【００２２】(g) 管路５０の低圧窒素製品再循環の流量
を調整して管路４６の低圧窒素製品の流量を維持する： ＦＲｅＮ２＝ＫＲｅＮ２＋ＦＥＸＰ＋ＦＮ２＋ ＫＲｅＮ２／空気（ＦＳＰ空気−Ｆ空気） （式５） ［式中、ＫＲｅＮ２は線形荷重変換である： △ＫＲｅＮ２＝ＫＲｅＮ２／Ｏ２△ＦＯ２ これを流量調整器５６と弁８２で調整する。
【００２３】(h) 管路２０の空気流量と、管路４８の気
体酸素製品流量の間のゆがみを進み遅れ素子が次のよう
に描く： ［式中△Ｆ空気＝Ｋ空気・△ＦＯ２・］ (i) 前記ＬＰ塔水溜め液面の制御は、蒸留装置２４の冷
凍収支に左右され、又膨脹器流量もしくは液体酸素製品
いずれかによることができる。好ましい実施例はこの制
御を膨脹器流量によって実施する。
【００２４】本制御装置のフィードバック態様は、管路
４６の低圧窒素製品と、管路４８の気体酸素製品と、管
路４４の不純窒素還流を含む特定の気体又は液体の純度
測定値で機能し、流量を更新させて、それぞれの気体も
しくは液体の純度の維持を助ける。詳述すれば、管路４
８の気体酸素製品の純度測定１５２を用いて管路２０の
供給材料空気の流量調整器２６を更新させる。さらに、
管路４６の低圧気体窒素製品の純度測定１５０を用い
て、管路５０の低圧気体窒素製品再循環の流れの流量調
整器５６を更新させる。最後に、管路４４の不純窒素還
流の純度測定１１２を用いて不純窒素還流の流れの流量
調整器１１４を更新させる。
【００２５】この制御装置の細目を当業者に周知の装置
を用いて実施した。図２に示された装置は、圧力調節の
圧力調節器（ＰＩＣ）７４と、流量調整の流量調整器
（ＦＩＣ）２６、５６、７０、７８、１１４、１１６、
１２０と１２２又純度制御の分析制御器、サーボ制御弁
２２、５２、５４、８２と、サーボ制御圧縮機７２、７
６、８０と必要素子の運動と、ランピングの必要制御装
置の計算実施する主計算機１５を具備する。
【００２６】詳細制御装置と、それの相互関係をさらに
十分に理解するため、ランプ制御、詳しくはランピング
のモードに構成されたＡＳＵ１０の機能的モードについ
て、適当な対照標準を参照しながら明細を次に説明す
る。
【００２７】総合集中ＡＳＵの運転には３つの基本的モ
ードがある：(a) 定常状態、これはＡＳＵ１０を運転し
て製品流量と純度を最大限の効率で達成する時；(b) ラ
ンプダウン、これはＡＳＵ１０を運転して、下降需要と
下降空気圧中に製品流量と純度を達成する時；と(c) ラ
ンプアップで、ＡＳＵ１０を運転して、上昇需要と上昇
空気圧中に製品流量と純度を達成する時である。定常状態 図２を参照して、定常状態運転の制御方法は典型的例と
して次からなる。ＨＰ塔３０に至る管路２０の圧縮空気
流量を、管路４８の気体酸素需要に基き弁２２で調整す
る。そのうえ、管路４８の気体酸素製品の純度を正しく
維持するよう調整もする。ＬＰ塔４２の圧力を管路４６
の低圧窒素製品の流量を、弁を通る制御上必要な圧力降
下と矛盾のない可能な限り高い数値で調整することで効
率よく調節する。管路４６の低圧窒素製品中の酸素の濃
度を、管路４４の不純窒素還流の流量と、管路５０の低
圧窒素再循環流量と組合わせた流量で調整する。ランプダウン 一般に、ＡＳＵ１０におけるランプダウンは、管路２０
の供給材料空気圧の減少を必然的に伴い、その結果、Ｈ
Ｐ塔３０とＬＰ塔４２の圧力が同様の速度で減少しない
限り、空気流量調整の可能性はなくなる。重要なこと
は、ＬＰ塔４２の圧力を、管路２０の所定の供給材料空
気流量に合うよう適切に設定してＬＰ塔４２の煮沸を維
持し、管路４８の気体酸素製品要求に合うようにするこ
とである。
【００２８】ＬＰ塔４２の圧力を減少させると、管路４
６の低圧窒素製品流量を、ランプダウン中に前記空気流
量に比例する以上に増加させることになる。しかし、こ
の調整だけで液体窒素残留量がフラッシングし、又結果
として出る蒸気が管路４６の低圧窒素製品の純度の低次
化をもたらす。この故に、別の重要な懸念は、酸素蒸気
の移行が低圧窒素製品純度の低次化をもたらす可能性の
あることである。従って、管路４６の低圧窒素製品流量
の増加に関連して、蒸留装置２４の圧力を減少させる
と、管路４４の液体窒素還流を増加させて、蒸留装置の
増加冷凍要求に合わせ、又酸素蒸気を凝縮し、そして管
路４６の低圧窒素純度を維持させる。
【００２９】前記諸式を特に参照して、管路４８の気体
酸素製品の所望流量をＩＧＣＣの需要、この場合は、減
少により測定する。この減少需要をランプ制御１００を
用いて、管路２０の供給材料空気のフィードフォワード
セットポイントを算出する。このセットポイントをセッ
トポイント加算器１０４によって管路４８の気体酸素製
品のフィードバック純度測定１５２に加算して、流量調
整器２６の流量セットポイントを算出する。供給材料空
気流量に関連するのがＬＰ塔４２の圧力調節の計算であ
る。ＬＰ塔４２の圧力の変化は、直接供給材料空気の変
化に関係する（式１参照）。管路２０の供給材料空気流
量を減少させるため、ＬＰ塔４２内の圧力が減少する。
式１を用い、ランプ制御１００により計算される前記フ
ィードフォワードセットポイントをセットポイント加算
器１０２により、供給材料空気弁２２の位置を監視し
て、供給材料空気弁２２を通る圧力降下を最少限に止
め、その飽和を防ぐ制御器の出力に加算する。加算器１
０２の出力は圧力調整器７４の圧力セットポイントを調
整する。
【００３０】管路２０の供給材料空気流量とＬＰ塔圧４
２調整を測定した次に維持するパラメーターは管路４６
の低圧窒素製品の純度である。これを管路４４の不純窒
素還流流量により制御する。最初に、ＨＰ塔３０からの
不純窒素還流の流量は供給材料空気の測定流量に直接関
連している（式２参照）。管路２０の供給材料空気流量
が減少しつつあるので、管路４４にあるＨＰ塔３０から
の不純窒素還流の流量が減少する。式２を用いてランプ
制御１００により算出されたフィードフォワードセット
ポイントをセットポイント加算器により窒素廃再循環流
量測定５６と不純窒素還流窒素純度測定１１２に加算し
て弁５２で調節されたＨＰ塔３０からの新規不純窒素還
流流量を算出する。
【００３１】次に、ＬＰ塔４２に入る不純窒素還流の流
量を管路４４の不純窒素還流の管路４６の低圧窒素製品
に対する比率に補正（式３参照）を加えて算出する。管
路４６の低圧窒素製品の流量が管路２０の供給材料空気
流量に比例して増加し、圧力調整のため、管路４４の不
純窒素還流と管路４６の低圧窒素製品の間の定比率を維
持したため、管路４４の不純窒素還流が増加することに
なる。さらに、管路４８の気体酸素製品の要求が減少す
る（式４参照）ので、この液面測定１２４を式３の補正
に用いる。これらの計算を用いてＬＰ塔４２に入る不純
窒素還流流量調節の弁５４の新規のセットポイントを測
定する。還流は、管路４６の低圧窒素製品の純度に強い
影響を与えるＬＰ塔４２の上部の液体に対する蒸気の比
率（Ｌ／Ｖ）の制御には特に重大である。
【００３２】それが、ＨＰ塔３０からの流量と、ＬＰ塔
４２への流量の間の相対差異であって、保圧タンク６０
から蒸留装置２４への液体窒素の正味移動、すなわち冷
凍をもたらす。ランプアップ 図２に戻り、ＡＳＵにおけるランプアップは、ＨＰ塔３
０に至る管路２０の供給材料空気圧の増加を必然的に伴
う。その結果、ＨＰ塔３０とＨＰ塔４２の圧力を同様の
速度で増加させる必要がある。
【００３３】ＬＰ塔４２の圧力を増加させるには、管路
４６の低圧窒素製品流量をランプアップ中に、供給材料
空気流量に比例する以上の量だけ減少させる。しかし、
この調整だけで、凝縮を増加させ、気体酸素製品純度を
低下させる。ランプダウンと同じように、圧力と冷凍の
必要性を共に調整する、増加圧力の影響を補償するた
め、蒸留塔の冷凍を管路４４の不純窒素還流を減少させ
ることで減らして、管路４８の気体酸素製品要求に合わ
せる一方、その気体酸素製品純度を維持する。
【００３４】前記諸式を特に参照して、管路４８の気体
酸素製品の所望流量をＩＧＣＣ要求、この場合は増加に
より測定する。この増加要求をランプ制御１００により
用いて管路２０の供給材料空気のフィードフォワードセ
ットポイントを算出する。このセットポイントをセット
ポイント加算器１０４により管路４８の気体酸素製品の
フィードバック純度測定１５２に加算して、流量調節器
２６の流量セットポイントを算出する。供給材料空気流
量に関係するのは、ＬＰ塔４２の圧力調整の計算であ
る。ＬＰ塔４２の圧力の変化は供給材料空気の変化に直
接関係する（式１参照）。管路２０の供給材料空気流量
を増加させるので、ＬＰ塔４２の圧力は増大する。式１
を用いてランプ制御１００により算出するフィードフォ
ワードセットポイントをセットポイント加算器１０２に
より、供給材料空気弁２２の位置を監視して、前記供給
材料空気弁２２を通って降下する圧力を最少限にしてそ
の飽和を防ぐ制御器の出力に加算する。前記加算器１０
２の出力は圧力調整器７４の圧力セットポイントを調整
する。
【００３５】管路２０の供給材料空気流量と、ＬＰ塔圧
調整器の双方を測定した次に維持するパラメーターは低
圧窒素製品の純度である。これを不純窒素還流流量によ
り調整する。先ず、ＨＰ塔３０からの不純窒素還流の流
量は供給材料空気の測定流量に直接関連している（式２
参照）。管路２０の供給材料空気流量が増加しているの
で、ＨＰ塔３０からの管路４４の不純窒素還流の流量が
増加することになる。式２を用い、ランプ制御１００に
より算出されたフィードフォワードセットポイントを、
セットポイント加算器により窒素廃再循環流量測定５６
と不純窒素還流純度測定１１２に加算して、弁５２によ
り調節されたＨＰ塔３０からの新規の不純窒素還流流量
を算出する。
【００３６】次に、ＬＰ塔４２に入る管路４４の不純窒
素還流の流量を管路４４の不純窒素還流の管路４６の低
圧窒素製品に対する比率を使って算出する（式３参
照）。管路４６の低圧窒素製品の流量が、圧力調節の供
給材料空気流量に比例する量以上に減少して、管路４４
の不純窒素還流流量と、管路４６の低圧窒素製品流量の
間の定比率を維持するため、管路４４の不純窒素還流は
減少する。さらに管路４８の気体酸素製品の需要が増加
しているため、保圧タンク６０の液面が増える（式４参
照）ため、この液面測定１２４を式３に補正に用いる。
これらの計算を用いて、ＬＰ塔４２に至る管路４４の不
純窒素還流流量調整の弁５４の新規のセットポイントを
測定する。還流は、管路４８の気体酸素製品の純度に強
い影響を与える。
【００３７】ここでも、それはＨＰ塔３０からの流量
と、ＬＰ塔４２からの流量の相対差異であって、蒸留装
置２４から保圧タンク６０への液体窒素の正味移動、す
なわち冷凍をもたらす。
【００３８】図２に示すＡＳＵ１０に係わる実施例は、
適用できる式の定数と、圧力・流量・液面調節器のチュ
ーニングパラメーターは下記表１及び表２の通りであ
る：
【００３９】
【表１】
【００４０】
【表２】 以上の説明から高窒素液体はＨＰ塔３０の頂部から数枚
下のトレイから抜き取ることができることがわかる。ま
た別の態様により、該液体はＨＰ塔の適当な任意の位置
から抜き取ることが可能である。一般的にいって、この
抜き取り高窒素液体の窒素純度は９０％以上の純度であ
る。
【００４１】
【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば空気の圧
力が変動しても高酸素、高窒素生成物を分離することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の略図である。
【図２】図１の方法で、制御装置をさらに詳細に示す略
図である。
【図３】図１の方法の時間に関する酸素要求と供給材料
空気圧のランプダウンとランプアップ状態を示すプロッ
ト図である。
【符号の説明】
１０ ＡＳＵ（空気分離装置） １５ 主計算機 ２０ 管路（無不純物圧縮供給材料空気） ２２ 制御弁（サーボ） ２４ 蒸留装置 ２６ 流量調整器 ３０ ＨＰ（高圧）蒸留塔 ３２ 管路（残留高圧窒素オーバーヘッド） ３４ 管路（高圧窒素蒸気オーバーヘッド） ３６ リボイラー・凝縮機 ３８ 管路（凝縮液体窒素） ４０ 管路（酸素濃縮残液） ４１ 弁 ４２ ＬＰ（低圧）塔 ４４ 管路（液体窒素還流） ４６ 管路（低圧窒素オーバーヘッド） ４８ 管路（気体酸素製品流） ５０ 管路（低圧窒素製品再循環） ５２ 弁（上流）サーボ ５４ 弁（下流） ５６ 流量調整器（正味廃再循環流量測定） ６０ 保圧タンク ６２ 管路（気体流路） ７０ 流量調整器（ＰＩＣ） ７２ サーボ制御圧縮機 ７４ 圧力調節器 ７６ サーボ制御圧縮機 ７８ 流量調整器 ８０ サーボ制御圧縮機 ８２ 弁（サーボ制御） １００ ランプ制御器 １０２ セットポイント加算器 １０４ セットポイント加算器 １１０ セットポイント加算器 １１２ 純度測定（分析制御器） １１４ 流量調整器（ＦＩＣ） １１６ 流量調整器（ＦＩＣ） １２０ 流量調整器（ＦＩＣ） １２２ 流量調整器（ＦＩＣ） １２４ 液体窒素保圧タンク液面制御器 １５０ 純度測定（分析制御器） １５２ 純度測定（分析制御器）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドナルド．ウィンストン．ウッドワード アメリカ合衆国．18066．ペンシルバニア 州．ニュー．トリポリー．アール．ディ ー．ナンバー１．ボックス．1141 (72)発明者 アーサー．ラムスデン．スミス アメリカ合衆国．18969．ペンシルバニア 州．テルフォード．リッジ．ロード．801 (72)発明者 デクレイン．パトリック．オコナー イギリス国．スレイ．ケーティー91キュー エヌ．チェシングトン．ノース．パレー ド．ブレイ．コート．11 (72)発明者 デヴィド．ミラー．エスピー イギリス国．ロンドン．ダブリュー５．３ ユーエル．エアリング．シー．ウィンドサ ー．ロード．35 (72)発明者 ジョージ．アニバル．マンドラー アメリカ合衆国．18104．ペンシルバニア 州．アレンタウン．シェナンドー．コー ト．1609 (56)参考文献 特開 平３−152382（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−117878（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−80815（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−220081（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−293575（ＪＰ，Ａ) 特公 昭49−45998（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭46−34488（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭56−32542（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平２−17795（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭61−51233（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１基の蒸留塔が備わる極低温
    蒸留装置（２４）において管路（２０）による供給空気
    を高酸素製品と高窒素製品とに分離する方法であって、 （ａ） 前記供給空気の圧力が増加すると冷凍を高窒素
    液体の形態で前記蒸留装置（２４）から取り出して貯蔵
    する工程と； （ｂ） 前記供給空気の圧力が減少すると、貯蔵された
    冷凍を高窒素液体の形態で前記蒸留装置（２４）に付加
    する工程と； からなることを特徴とする空気分離方法。
  2. 【請求項２】 前記工程（ａ）および工程（ｂ）には、
    冷凍の取り出し、貯蔵および付加の工程を高窒素液体の
    還流による方法で行うことが含まれる請求項１記載の空
    気分離方法。
  3. 【請求項３】 前記冷凍の貯蔵工程には、冷凍の貯蔵を
    貯蔵容器（６０）内で行うこと、前記還流量の制御を貯
    蔵装置の上流における制御手段（５４、１１６および必
    要に応じ１２６）および貯蔵装置の下流における制御手
    段（５２、１１４および必要に応じ１１０）によって行
    うことが含まれる請求項２記載の空気分離方法。
  4. 【請求項４】 前記冷凍の貯蔵工程には、冷凍を貯蔵容
    器（６０）において貯蔵することが含まれる請求項１記
    載の空気分離方法。
  5. 【請求項５】 前記蒸留装置（２４）には、高圧蒸留塔
    （３０）および低圧蒸留塔（４２）からなる２塔式装置
    ならびに該高圧蒸留塔（３０）から低圧蒸留塔（４２）
    への高窒素液体の還流路（４４）が含まれる請求項１記
    載の空気分離方法。
  6. 【請求項６】 前記工程（ａ）には、供給空気の圧力が
    増加したときは、低圧蒸留塔（４２）から管路（４６）
    により得られる高窒素製品の流量を、供給空気量に比例
    して減少させることが含まれる請求項５記載の空気分離
    方法。
  7. 【請求項７】 前記工程（ａ）には、供給空気の圧力が
    低下したときは、低圧蒸留塔（４２）から管路（４６）
    により得られる高窒素製品の流量を、供給空気量に比例
    して増加させることが含まれる請求項５記載の空気分離
    方法。
  8. 【請求項８】 前記高窒素液体は、少なくとも９０％窒
    素である請求項１記載の空気分離方法。
  9. 【請求項９】 少なくとも１基の蒸留塔を備える極低温
    蒸留装置（２４）で空気を少なくとも高酸素製品と高窒
    素製品とに分離する空気分離方法において、 （１）製品需要の減少と供給空気の圧力の増加に対し、
    また（２）製品需要と供給空気の圧力の減少に対して必
    要純度を維持するための方法であって、 （ａ） 蒸留装置（２４）に管路（４４）による高窒素
    液体の還流を供給する工程と； （ｂ） 前記管路（４４）による高窒素還流液体の一部
    を、製品需要量の増加および供給空気量の増加に従って
    取り出して貯蔵容器（６０）に貯蔵する工程と； （ｃ） 前記貯蔵高窒素液体の一部を、製品需要量の減
    少および供給空気量の減少に従って前記管路（４４）の
    還流に付加する工程と； からなることを特徴とする空気分離方法。
  10. 【請求項１０】 前記蒸留装置（２４）は、高圧蒸留塔
    （３０）および低圧蒸留塔（４２）からなり、かつ該高
    圧蒸留塔（３０）から低圧蒸留塔（４２）へ高窒素液体
    の還流を付与する還流路（４４）を備える２塔式装置で
    ある請求項９記載の空気分離方法。
  11. 【請求項１１】 前記工程（ｂ）には、供給空気の圧力
    が増加したときは、低圧蒸留塔（４２）から管路（４
    ６）により得られる高窒素製品の流量を、供給空気量に
    比例して減少させる工程が含まれる請求項１０記載の空
    気分離方法。
  12. 【請求項１２】 前記工程（ｂ）には、供給空気の圧力
    が低下したときは、低圧蒸留塔（４２）から管路（４
    ６）により得られる高窒素製品の流量を、供給空気量に
    比例して増加させることが含まれる請求項１０記載の空
    気分離方法。
  13. 【請求項１３】 前記蒸留装置（２４）は、高圧蒸留塔
    （３０）および低圧蒸留塔（４２）からなる２塔式装置
    であり、さらに該装置（２４）には、該低圧蒸留塔（４
    ２）から該高圧蒸留塔（３０）へ高窒素製品の一部を管
    路（５０）を経て再循環させる工程が含まれる請求項９
    記載の空気分離方法。
  14. 【請求項１４】 前記低圧蒸留塔（４２）から高圧蒸留
    塔（３０）への高窒素製品の一部の再循環に際して再循
    環する高窒素製品の純度を制御するための制御装置（８
    ２、５６および必要に応じ１５０）を設けた請求項１３
    記載の空気分離方法。
  15. 【請求項１５】 空気を少なくとも高酸素製品と高窒素
    製品とに分離して総合ガス化混合サイクル（ＩＧＣＣ）
    発電所に供給するに際し、該ＩＧＣＣにおいて必要とさ
    れる純度条件を該ＩＧＣＣによる製品の需要が変動して
    も、供給空気の圧力が変動しても維持されるようにした
    少なくとも１基の蒸留塔が備わる極低温蒸留装置（２
    ４）であって、 （ａ） 該蒸留装置（２４）に高窒素液体を還流させる
    ための管路（４４）と； （ｂ） 高窒素液体を貯蔵するため該管路（４４）に結
    合して設けられた貯蔵手段（６０）と； （ｃ） 製品需要と供給空気の圧力の増加に伴う、該還
    流管路（４４）からの高窒素液体の取り出しおよび取り
    出された高窒素液体の該貯蔵容器（６０）中への貯蔵量
    を制御するための還流制御手段（５２、１１４および必
    要に応じ１１０）と； （ｄ） 製品需要と供給空気の圧力の低下に伴う貯蔵容
    器（６０）からの高窒素液体の還流管路（４４）への付
    与量とを制御するための還流制御手段（５４、１１６お
    よび必要に応じ１２６）と； からなる空気分離用極低温蒸留装置。
  16. 【請求項１６】 前記（ｂ）の貯蔵手段は貯蔵容器であ
    り、前記（ｃ）の還流制御手段は該貯蔵手段の上流側
    に、また前記（ｄ）の還流制御手段は該貯蔵手段の下流
    側に設けられる請求項１５記載の空気分離用極低温蒸留
    装置。
  17. 【請求項１７】 低圧蒸留塔（４２）および高圧蒸留塔
    （３０）からなり、かつ該高圧蒸留塔（３０）から低圧
    蒸留塔（４２）への高窒素液体の還流路（４４）を備え
    た２塔式極低温蒸留装置（２４）において空気を少なく
    とも高酸素製品と高窒素製品に分離するに際して、製品
    需要および供給空気圧力の変動に拘らず要求される純度
    条件を維持するようにした空気分離方法であって、 （ａ） 酸素製品の需要が増加したときに、供給空気圧
    力を増加させ、かつ低圧蒸留塔（４２）からの管路（４
    ６）による高窒素製品の流量を減少させることにより低
    圧蒸留塔（４２）内の圧力を増加させる工程と； （ｂ） 酸素製品の需要が減少したときに、供給空気圧
    力を減少させ、かつ低圧蒸留塔（４２）からの管路（４
    ６）による高窒素製品の流量を増加させることにより低
    圧蒸留塔（４２）内の圧力を増加させる工程と； （ｃ） 酸素製品の需要が増加し供給空気の圧力を増加
    させたときに、該還流路（４４）における高窒素液体の
    一部を取り出して貯蔵手段（６０）に貯蔵する工程と； （ｄ） 酸素製品の需要が減少し供給空気の圧力を減少
    させたときに、該貯蔵高窒素液体の一部を該還流路（４
    ４）の還流高窒素液体に付加する工程と； からなる空気分離方法。
  18. 【請求項１８】 前記低圧蒸留塔（４２）からの管路
    （４８）による高酸素製品の純度を測定し、該純度測定
    値を関数として供給空気の圧力を制御する工程をさらに
    設けた請求項１７記載の空気分離方法。
  19. 【請求項１９】 前記低圧蒸留塔（４２）からの管路
    （４２）による高窒素製品の純度を測定し、該純度測定
    値を関数として該管路（４２）における高窒素製品の流
    量を制御する工程をさらに設けた請求項１７記載の空気
    分離方法。
  20. 【請求項２０】 前記還流路（４４）における高窒素液
    体の純度を測定し、該純度測定値を関数として、還流路
    （４４）における還流量を制御する工程をさらに設けた
    請求項１７記載の空気分離方法。
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