JPS59137779A - 空気分離装置 - 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】 〔発明のオリ用分野〕 本発明は深冷分離を利用した空気分離装置に係り、特に
、製品たる酸素ガス、液体酸素、その他製品蓋の採取変
更時の空気分離装置の寒冷量制御方法に関する。

〔従来技術〕

周知の如く、深冷分離を利用した空気分離装置に於いて
は、製品ガスの純度が安定に保たれる為に精留塔の運転
状態を安定にすることが不可欠である。従って、製品ガ
スの発生ｉ＃を変史することが要求されると、精留塔内
の落下する液の流量と上昇する蒸気との流量比が一定に
保たれるように、所定の手順に従って空気分離装置の各
操作部を操作しなければならない。しかし、実際問題と
して、この流量比自体を直接検出制御することが出来ず
、又、空気分離装置自体が、各操作部の変化に対して大
きな時定数をもっている為、運転操作は非常に困難な面
がある。この為、製品量変更時等に於いて、製品の純度
を一定に保持したまま自動的に製品量の変更を行うこと
が出来る空気分離装置の寒冷量制御方法の開発が望まれ
ている。

ところで、従来から、定常状態に於ける空気分離装置外
部からの熱侵入や、可逆熱交換器部端の空気と分離ガス
との温度差による熱損失に対する補償や、液体酸素、液
体窒素などの採取時或いは空気分離装置の起動時の寒冷
発生源として、膨張タービンが使用されている。この膨
張タービンを使用した従来の寒冷量制御方法は、膨張タ
ービン出口又は入口温度を一定とする為に、膨張タービ
ン人口側の２１ｆｆｉｌの制御弁、即ち可逆熱交換器の
再熱空気出口主管升とそのバイパス弁との開度を変化さ
せる制御系と、膨張タービンの流量を調整する為の膨張
タービン入口弁の手動操作とを組合せたものである。

このような従来の寒冷量制御方法によると、前述したよ
うに空気分離装置自体が各操作部の変化に対して大きな
時定数をもっているので、製品の要求量の変化に応じて
製品発生ｉＩｋを変化させた場合の寒冷量の過不足を調
整する為、膨張タービン大口弁の開度を手動操作器にて
調整しても、直ちにその結果を知ることが出来ない。従
って、上記操作量が適正でない場合には、発止酸素（製
品）の純度を低下させたわ、可逆熱交換器を過冷却状態
にさせたりする不都合が生じ、一度このような状態にな
ると所定値まで回復させるのに長い時間を要するという
欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の欠点を解消し、製品の発生量の
変更時に、製品の純度を一定に維持しって、装置内が部
分的に過冷却とならない安定な寒冷量制御を行うことが
できる空気分離装置１を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、製品発生蓋の変化に応じて必要な寒冷量を得
ることができれば、安定した空気分離装置の運転が維持
できることに着目し、定常状態に於ける幕冷量をマイナ
ー制御系で一定に維持し、製品の発生量の変化に応じた
寒冷量の調整を総括制御系から各マイナー制御系へ目標
値を与えることにより寒冷量の制御を行うことにより、
上記目的を達成する。

次に、本発明の原理について説明する。総括制御系には
、各操作部の情報を取込む他、装置内に於ける物質収支
、熱収支の演算の為の必要な定数値、計測信号が与えら
れる。製品発生量の変化に応じ、必要とする寒冷量は装
置内に於ける物質収支、熱収支などを考慮しながら、下
記諸量を制御して維持する。即ち、（１）膨張タービン
の空気量。

（２）精留塔主凝縮器の酸素液位。（３）膨張タービン
出口温度。これら３つの諸量を下記の如きマイナー制御
系で制御する。

膨張タービンの空気量は、処理風量目標値と実測値との
比較により膨張タービン人口弁の開度を変化させて制御
する。

精留塔主凝縮器の酸素液位は、膨張タービンの空気量の
目標値を液位の変化に応じて補正し間接的に制御する。

この制御では、装置内の物質収支、熱収支の演算によシ
、膨張タービンの空気量の目標値を与えるというフィー
ドフォワード制御を行つている為、若干の演ｘｉｓを伴
うことになる。

この演算誤差の補償は、誤差が主凝縮器の液位に表われ
ることから主凝縮器の液位を一定とするフィードバック
制御をすることにより行われる。損益 し、主凝縮Ｐ液体酸素中に滞留するアセチレン及び精留
塔下塔の液体空気に滞留する炭化水素を除去する吸着器
の再生、使用の切換時に発生する主凝縮器の液位の一時
的変動をさけて制御する必要がある。

膨張タービンの出口温度は、この目標値と実測値との比
較により、可逆熱交換器の再熱空気出口主管升及びバイ
パス弁の開度を変化することで制御する。この制御は、
空気分離装置の起動時に於ける装置内の円滑な冷却化、
空気分離装置運転時に於ける可逆熱交換器の過冷却防止
、及び膨張タービン内を流れる空気の液化防止を目的と
している。

上記の各マイナー制御系に於ける実測値、その他の必要
な諸量は総括制御系に取込まれ、総括制御系では、装置
内に於ける物質収支、熱収支の演算を事前に与えられた
計算式にて行い、その結果が各マイナー制御系に目標値
の形で与えられる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明の空気分離装置の一実施例を示す制御系
統図である。本空気分離装置は、空気圧縮機１、可逆熱
交換器２、膨張タービン３、精留塔下招４、上塔５の主
要機器にて構成され製品ガスとして酸素を生成する。

原料空気は、空気圧縮器１で所定の圧力まで圧縮され、
図示されないフィルタで原料空気のゴミを除去した後可
逆熱交換器２に送られる。ここで、低温の分離ガスと熱
交換を行って原料空気を冷却すると共に、原料空気中の
水分、炭酸ガスなどの不純物を凝縮させる。不純物が除
かれた低温の原料空気の大部分は、バイブ２２全通して
精留塔下塔４に送られ、一部は再熱回路１８に分流して
膨張タービン３に送られる。この膨張タービン３で断熱
ｊ膨張した原料空気は、ジュールトムソン効果により低
温となって精留塔上塔５に送られる。

下塔４からの還流液体窒素はパイプ２３を通り途中パル
プ１２により流量が調整されて上塔５に送られる。又、
還流液体空気はパイプ２４、炭化水素吸着器６Ａ又は６
Ｂを通り、更にバルブ１１によシ流量が調整され上塔５
に送られる。上塔５で分離された原料空気は、上塔５の
頂部より窒素ガス（Ｎ２）がパイプ２５を、上塔５の下
部より酸素ガス（０２）がパイプ２６を通してそれぞれ
取り出きれる。上記の如く分離された低温の酸素、窒素
は可逆熱交換器２に送られ、ここで、それぞれの通路２
０．２１を介して原料空気の通路１９を通る原料空気と
熱交換される。この熱交換時に凝縮された原料空気中の
不純物は、図示されない上塔５の上部からの分離ガスに
より、可逆熱交換器２の内部で昇華させて大気中に放出
される。このプロセスを美行する為、図示していないが
同一通路に交互に原料空気と分離ガスを流す為に、可逆
熱交換器２と他の熱交換？滓との間で定時間毎に通路の
切換が行われる。又、液体＃！素が、上塔５の塔底より
液体窒素は下塔４の一ヒ部より分離して採取することが
できる。

ここで、製品として取り出される酸素、窒素が一定であ
れば、膨張タービン３による球冷量発生量も一定、即ち
、可逆熱交換器２の部端の空気と分離ガスとの温度差に
よる熱損失及び外部から装置への熱侵入がほぼ一定とな
る為、膨張タービン３の入口弁の操作によシ容易に寒冷
量を副部することができる。しかし、製品である酸素量
、窒素量の要求が変化した場合、更に液体酸素、液体窒
素を採取する場合には、装置各部の所定の操作を必要と
する。ところが、前述したように空気分離装置自体が各
操作部の変化に対して大きな時定数をもっている為、製
品の純度を保持したまま速やかに製品量を変更するとい
う操作は困難である。

上記各部の所定の操作の一つとして、膨張タービン３に
よる寒冷量調整があるがこれも同様の問題があり、この
為、装置内に於ける物質収支、熱収支を考慮して総合的
な制御を行わなければならない。本実施例では、この総
合的な制御を行う為の演算を総括制御系３０が行い、各
部の操作部の（９） 制御は総括制御系３０の信号を受けてマイナー制御系に
より独自に行わせることにより、最適且つ安定な制御を
可能としている。この最適制御系は、第１図に即してい
えば、流畦制愼１系３１、ｇ面制御系３４、温度制御系
３２．３３の各マイナー制御系と、これらマイナー制御
系に目標値を与える総括制御系３０とから構成されてい
る。膨張タービン３の空気量は、流量計３５、制御弁１
０、調節計３１からなるマイナー制御系で所定の流量に
調整されるとともに、膨張タービン３での寒冷発生蓋が
調整される。膨張タービン３の出口温度は、制御弁８、
制御弁９、調節計３２からなるマイナー制御系により所
定の温度に制御される。ｐ＋熱回路１８の出口温度は、
制御弁８、調節計３３からなるマイナー制御系にて所定
の温度に制御される。

尚、上記制御弁８への操作量は、信号選択器３６により
−ｊＰを閉操作させる信号を優先とする。精留塔５の主
凝縮器の酸素液位は、液面計３４、調節計３１によシ、
膨張タービン３を通過する空気量、即ち、寒冷発生量を
調整して間接的に制御される。

（１０） このような各マイナー制御系は総括制御系３０と波線で
示す信号線３７．３８，３９．４０で接続されている。

各マイナー制御系に於ける実測値は、上記信号線を通し
て総括制御系３０に伝送され、文通に、総括制御系３０
内の各演算に基づき各マイナー制御系に与える目標値が
上記信号線を通して各マイナー制御系に伝達される。

次に膨張タービン３の空気量の制御、即ち寒冷発生量の
調節について第２図に従って説明する。

第２図は第１図に於ける膨張タービン３の空気量を制御
するマイナー制御系と、このマイナー制御系に目標値を
与える総括制御系３０の構成を示すブロック図である。

膨張タービン３への空気量は、流量計（検出器）３５に
より検出され、伝送器３５Ａにて信号変換されて実測信
号として調節計３１の人力となる。この調節計３１は、
総括制御系３０からの目標値３７と膨張タービン３の空
気蓋とを比較し、Ｐ■演演算子の出力を制御９Ｐ１０へ
操作量として与え、制御升の開度を変化させて膨張ター
ビン３への空気量を制御する。

（１１） 一方、総括制御系３０からの目標値３７は、酸素、璧累
、液体酸素、液体屋累等の製品の流＋ｉ要求信号３０Ａ
から演算器３０Ｂにて、装置内の物質収支、熱収支に基
づく下記に示す演算を行い、必要な寒冷発生量を得る為
の膨張タービン３の処理風量を求めて目標値信号とする
、いわゆるフィードフォワード制御を行う。

但し、ＷＴは膨張タービン風量（空気１勺、ＷＡは原料
空気量、ＷＬは液体製品量、Ｃは比熱、ＴＡは原料空気
温度、ＴＧは分離ガス温度、ＴＬは液体製品温ｉ、ＴＩ
は膨張タービン人口温度、ＴＯは膨張タービン出口温度
、ＱＬは侵入熱及び他の熱損失の総量を示している。

ところで、膨張タービン３の処理風量を求めるフィード
フォワード演算に伴う誤差の補償は、前述の如く精留塔
５の主凝縮器の酸素液位に現われることに着目して行わ
れる。即ち、主凝縮器の酸素液位を液面計（伝送器）３
４にて検出し、これ（１２） を叱括制御系の演算器３０ｆ）を通して調節計３０Ｅへ
の実測値人力とする一節計３０Ｅは、液位の目標値信号
３０Ｃと前記実測値と全比較し、ＰＩＤ演算後の結果を
加算器３０Ｆに送出する。加算器３０Ｆでは調節計３０
Ｂからの伯°号と演算器３０Ｂからの信号とを加算し目
標値信号３７を調節計３１へ出力する。このようなフィ
ードバック制御を行うことにより前記フィードフォワー
ド演算に伴う誤差の補償が行われる。

次に演算器３０Ｄの機能について第３図に従って説明す
る。第３図に示す如く吸着器７Ａ、７Ｂは使用中８１再
生、待機中すを交互に繰り返してお９、通常側れか一方
の吸着器が使用中の状態にあシ、主凝縮器の液体酸素を
吸着器を通して循環させ、准体酸累中に滞留するアセチ
レンを鉄層除去している。しかし、第２図に示す如く、
時間Ｔの間、吸着器７Ａ、７Ｂは並列運転の状態となり
、この時、主凝縮器の液位がＣの如く太きくｆ：動する
。この外乱を避ける為、液面計３４から調節計３０Ｂに
取込む液位信号は、液位が安定する区間（１３） ｅの時にサンプリングし取込むよう演算器３０Ｄにて処
理する。従って区間ｆの時は、前回測定の液位信号を演
算器３０ｆ）にて記１意し調節計３０Ｅへの人力として
与える。以上、吸着器７Ａ、７Ｂを例として説明したが
、吸着器６Ａ、６Ｂについても同様の現象が現われる為
、同様に演算器３０Ｄに於いて処理される。

膨張タービン３の出口部層及び可逆熱交換器２の再熱空
気出口主管温度の制御系３２．３３については、目標値
を、膨張タービン３の内部を通過する空気が液化しない
よう、又、可逆熱交換器２が過冷却状態とならないよう
に、総括制御系３０から与える。即ち、これらの制御系
は膨張タービン３の流量制御系３１のバンクアップ用と
なっている。

本実施例によれば、製品の変化に応じて必要とする寒冷
菫を得る為に、膨張タービン３の処理風量を制御する物
質収支、熱収支演算によるフィードフォワード制御と、
周期的に変動する精留塔５の主凝縮器の酸素液位をサン
プリングしながらと（１４） の液位を一定とするフィードバック制御とを組み合わせ
て、膨張タービンの空気量、精留塔主凝縮器の酸素液位
、膨張タービン出口温度をマイナー制御系で制御しつつ
、これらマイナー制御系を総括制碩ｊ糸３０により制御
することにより、酸系純度を一定に維持しつつ装置内が
部分的に過冷却とならないように、安定な制御を行う効
果がある。

従って、製品量の変更時に製品の純肛を一定とする為、
余裕を見込んだ操作を行う必要がなく、装置を効率的に
運用することが出来、しいては製品のコストを低減させ
る効果がある。

〔発明の効果〕

以上記述した如く本発明の空気分離装置の寒冷蓋制御装
置によれば、膨張タービンの出口温度、可逆熱交換器再
熱出口主管の温度、膨張タービンの空気ｔ１梢精留塔凝
縮器酸素液面を各マイナー制御系で制御し、これらマイ
ナー制御系を総括制御系が目標値を与えることにより制
御する構成を採ることにより、製品量の変更に対して、
膨張タービンの寒冷量を製品の純度を一定としたまま安
（１５） 定に変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空気分離装置の一実施例を示した制御
系統図、第２図は第１図の膨張タービンの空気量の制（
ｌａ１構成例を示すブロック図、第３図は第１図の吸着
器の切換チャートと主凝縮器の液位の変化に対する制御
タイミングチャート図である。 １・・・空気圧縮機、２・・・可逆熱交換器、３・・・
膨張タービン、４・・・精留塔下塔、訃・・精留塔上塔
、３０・・・総括制御系、３０Ｄ・・・演算器、３０Ｅ
・・・調節計、３０Ｆ・・・加算器、３１・・・流量制
御系、３２．３３（１６） 第１図 宅Ｂ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、原料空気を圧縮して送り出す空気圧縮機と、空気圧
   縮機からの原料空気を分離ガスと熱交換して低温にする
   可逆熱交換器と、可逆熱交換器からの原料空気を貯留す
   る精留塔下塔と、可逆熱交換器から再熱回路を分流した
   原料空気を断熱膨張させて寒冷を発生しこれを精留塔下
   塔へ送る膨張タービンとを有する空気分離装置において
   、膨張タービンの出口温度を制御するための第１のマイ
   ナー制御系と、可逆熱交換器再熱出口主管の温度を制御
   するための第２のマイナー制御系と、膨張タービンの流
   量を制御するための第３のマイナー制御系と、マイナー
   制御系への目標値指令、製品の流量要求信号、精留塔主
   凝縮器の酸素液面信号を各マイナー制御系へ与えて、製
   品の発生量の変化に応じた寒冷量の調整を、精留塔の主
   凝縮器の液位を一定に維持することで行う総括制御系と
   を具備することを特徴とする空気分離装置。