JPS62238977A - 空気分離装置の制御方法 - 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、空気分離装置の制御方法に関するものである
。

〔従来の技術〕

空気分離装置の制御方法としては、特公昭５５−９６２
７号に記載された方法がある。二の方法の要旨は、プラ
ント各部の運転条件を入力として原料空気量を演算し、
原料空気流量調節器の設定値として出力しようとするも
のである。しかしながら、この方法においては、制御結
果によるフィードバックについては何ら考慮されていな
い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の方法心こおいては、あらかじめ想定した以外
の外乱により製品純度に影響がでた場合においても、同
等処理できないという欠点があった。

本発明の目的は、上記欠点を除き製品純度に影響がでた
場合、もしくは影響が出そうな場合には、自動的に具体
的処置を施すことにより、製品純度を回復させることが
できる空気分離装置の制御方法を提供することにある。

〔問題を解決するための手段〕

上記問題点は、製品純度、精留塔内温度又は温度差等の
制御結果が目標値を外れた場合、精留塔の運転条件を変
更することにより解決される。

〔作　　　用〕

製品純度が規定値か否かを判断し、規定値以上であれば
、原料空気量の演算式における液体空気中の酸素濃度は
規定値として原料空気量を計算し、それぞれのマイナー
制御系に設定値を出力し、製品純度が規定値以下の場合
は、原料空気量の演算式における液体空気中の酸素濃度
を異常時の値に変更して原料空気量を計算し、それぞれ
のマイナー制御系に設定値を出力して、製品純度を規定
値以上に回復させる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を空気分離装置の一種である窒素
発生装置を例にとり詳細に説明する。

？ＪＪ　１図は空気分離プロセスと制御装置の結合を示
す図である。本図によりプロセスを説明する。

まず、管１より導入された原料空気は原料空気圧縮機２
により深冷液化精留分離に必要な所定圧力約７に９／ｃ
ＩＩＧまで圧縮される。圧縮された空気は前処理装置３
Ｉこより水分、炭酸ガス等の不純物が吸着除去される。

不純物が除去された清浄な空気は一部が計装用空気、シ
ール用空気等として管６より抜出され残りが深冷液化精
留分離装置ｉｍ４に導かれ冷却液化精留分離されて製品
ガス窒素が管５より製品液体窒素が管６より得られる。

本構成中深冷液化精留分離部の要部について第２図畳こ
より詳細に説明する。

原料空気は管２１より一部液の状態で精留塔２０１に吹
込まれ、ガスは精留塔内の上昇ガスとなる。

上昇ガスは復述する。環流液と気液接触しながら塔頂で
高純度の窒素ガスとなる。高純度の音素ガスの一部は管
ηより製品ガスとして取出される。

残りは、窒素凝縮器２０２で液化され前述の環流液とな
る。環流液の一部は製品液体窒素として管ｎより取出さ
れる・ 残りの環流液に前述の上昇ガスと気液接触しなから精留
塔内を下降し塔底部で液体空気となる。

液体空気は管Ｕを通り弁５で断熱膨張し温度低下し前述
の窒素の液化用冷媒として窒素凝縮器２０２に供給され
る。窒素凝縮器に供給された液体空気は前述の窒素ガス
な液化することにより自身は蒸発して廃ガスとなり管３
より排出される。

上記構成に・おいて、物質収支な考える。管こより供給
する空気量をＱ／１．、管ｎより取出すガス窒素量をＱ
ＧＮ、管ｎより取出す液体窒素量をＱＬＮ、塔底より出
ていく液体空気量をＱＬＡ、液体空気中の酸素濃度なＸ
とすると、下記の関係式が成立する。

ＱＡ＝ＱＬＡ＋ＱＧＮ＋ＱＬＮ　　・・・・・・・・・
　（１）また原料空気中（大気中）の酸素濃度は２１％
であり、製品窒素中の酸素濃度は０％であることから酸
素（二ついて物質収支を考えると、原料空気中の酵素分
はすべて精留塔下部よりの液体空気の中に含まれて送出
されることになり下記の関係式が成立する。

ＸＸＱＬＡ＝０．２１　ＸＱＡ　　・・・・・・・・・
・・・・・・　（２）ただし、Ｘ：液体空気中のｌＩＩ
！２素濃度（３）式を（１）式に代入すると すなわち（５）式は必要な製品窒素量と液体空気中の酸
素濃度を設定すれば必要な原料空気量が求まることを示
し、（６）式は供給可能な原料空気量と液体空気中の酸
素濃度を設定すれば採取可能な製品窒素量が求まること
を示している。

上記において液体空気中の酸素濃度Ｘは、装置の安全上
の理由から空気中の微量アセチレン等が窒素凝縮器２０
２中の液体空気中で濃縮蓄積析出しないようアセチレン
の液体空気中における浴解反と気液平衡の関係より決定
されるが詳細については省略する。

なお上記は単に物質収支についてのみ説明したが精留塔
の安定運転条件のためには精留塔内の下降液（環流液）
と上昇ガスの比（以下Ｌ／Ｖ　、！−表す）を一定にす
る必要がある。

第２図の精留郡全体の熱収支を考えると製品としてガス
窒素のみ採取している場合は、液体窒素は零のため、精
留部から外部に出ていくものは管がよりのをガスと管ｎ
よりのガス窒素ですべてガス状であり、精留部に入る原
料空気もガス状であればほぼバランスすると考えてよい
。ところが、一部、製品として液体窒素を採取する場合
は液として抜出すために、熱収支的にこの液量に相当す
る液化のための寒冷忽が必要となって鳴る。本精留部に
おける外部より入ってくる部分は管２１の原料空気だけ
であり、すなわち採取すべき液体窒素量に相当する分量
だけ、液として入ってくる必要があり、その量はほぼ製
品液体窒素と開蓋と考えてよい。

以上のことより精留塔内の上昇ガス量Ｖは、原料空気量
から液として入ってくるものを差引いた値であり、下記
の如く表わされる。

Ｖ＝ＱＡ−ＱＬＮ　　　　　　・・・・・・・・・・・
・・・・　（７）一方精留塔内の下降液ｆｆ１Ｌは、上
昇ガスから製品ガス９素と製品液体窒素を差引いたもの
であり次の如く表わされる。

Ｌ＝ｖ−ＱＧＮ−ＱＬＡ　　　曲間・・・曲　（８）（
８）に（７）を代入すると Ｌ＝ＱＡ−ＱＬＮ−ＱＧＮ−ＱＬＮ　・・・・・・・・
・　（９）：、　　Ｌ＝ＱＡ−ＱＧＮ−２ＱＬＮ　　　
・・・・・・・・・・・・・・・　（１α（７）および
ＩＩよりＬ／Ｖを求めると、又は 叩式は全製品ガスの場合壷こ比較して、液製品量だけ原
料空気が多く必要であることを示している。

また、（１３式において同一空気量の時に液製品な△Ｑ
ＬＮだけ増やした場合のガス製品を減じる鳳△ＱＧＮは
分子な定数として得られる下記関係式より求まる。。

ＱＧＮ＋（２−Ｌ／Ｖ　）ＱＬＮ＝ＱＧＮ−△ＱＧＮ＋
（２−Ｌ／ｖ）（Ｑ、ＬＮ＋△ＱＬＮ）・　　（１４１
、’、　　△ＱＧＮ−（２−Ｌ／Ｖ）△ＱＬＮ　　、、
・−−−−・−（１５）すなわち同−原料空気量で、液
製品を増減する場合ガス製品は（２−Ｌ／Ｖ）倍の割合
で操作しなければ同一条件とならないことを示している
。

また、（１２１式又は（１３式において液製品零の時の
必要原料空気量は下記となる。

一方向じり（５）式から液製品零の時の必要原料空気量
は下記となる。

＋１６１．　Ｑηより左辺は等しいため下記の関係式が
得られる。

；、　　Ｌ　／ｖ　＝ｏ、　２工 、　　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・　ｕ
９σ９１を（１２１又はｕＪに代入すると０．２１ すなわち、式■、ｃｕ’を用いればガス製品採取時の液
体空気中の酸素濃度Ｘを設定することにより、液製品を
併用採取する場合もガス製品のみ採取の時と同じ精留条
件での運転が可能となる。

また、前記説明は、精留塔を中心として必要な原料空気
量を求めたものであり、装置全体としての原料空気量Ｑ
Ａは（支））、？２υ式に計装用空気装置シ。

−ル用空気等の雑ガス量ＱＢＧを加えればよい。

すなわち下記の如鳴となる。

又は 次に第１図ないし第２図により制御！Ｊ置の構成および
制御内容について説明する。

第１図において計算機１００は入カイツターフェイス１
０６を経由してディジスイッチ１０１により必要なガス
製品窒素量、ディジスイッチ１０２により必要な液製品
窒素量、押ボ“タンスイッチ１０３により必要なガス製
品窒素量および液製品窒素量の読込指仝、ディジスイッ
チ１０４によりその他制御定数等のパラメーター、押ボ
タンスイッチ１０５により制御定数等のパラメーター読
込み指令が、それぞれ取込めるようになっている。一方
、計算Ｗ　１００からは、入出力インターフェイス１０
７を経由して原料空気流量制御用マイナーループＦＣＩ
、ガス製品窒素部員制御用マイナーループＦＣ２および
液製品窒素流量制御用マイナーループＦＣ３への流量設
定値がそれぞれ出力されるようになっている。

上記構成において、計算機１００は必要な製品量の読込
指令押ボタンスイッチ１０３が押されたことを検出する
と必要な製品発生量をディジスイッチ１０１および１０
２から読取り、この必要製品発生型をもとこ、最適なる
原料空気流量、ガス製品窒素量および液製品窒素Ｊ１１
に演算してそれぞれのマイナー調節ループＰＣＩ、ＦＣ
２，Ｆｅ２への設定値として出力する。

マイナー調節ループは計算機からの設定値に基いて、そ
れぞれのループにおいて実際の流量が設定値に合致する
ように制御する。

本制御時の計算ａ　１００の演算は前述した如く式の又
は式■を使用することにより最適なる設定値を得る二と
ができる。しかして、本式における原料空気流量ＱＡは
第１図における原料空気圧縮機２により確保できるもの
である。

しかしながら、本制御方法の場合、すべてが計画通６月
二作動するという前提条件のもとての制御であり、何ら
かの外乱、例えば製品量調節部ＰＣ２の制御が不調で、
一時的番こ製品抜出量が増加した場合等においては、マ
テリアルバランスが成り立たなくなり、製品の純度（第
１図のｋＰＪ−１）場こ影響をおよぼす。また、最終的
に製品の純度が低下するまでの過程においては、第２図
における精留塔２０１の純度分布が変化してくるため飽
和温間が変化し、例えば温度計ＴＥ−１０１の温度が低
下して（る。なお、この温度については絶対値ではなく
、例えば温度計Ｔｇ−１０２との温度を検出することに
しても、同様の現象を示すことはいうまでもない。

しかる１こ本発明においては、上記事態になった場合は
、前述した式（２２１又は式θのＸの値を自動約４こ変
更して原料空気量を増加し、製品純度の回復を図るよう
にしたものである。以下上′の方法について第３図のフ
ローチャート番こより説明する。

まず、ブロック５００において製品の純度が規定値か否
かを判断し、規定値以上であればブロック５０１に移り
、式に又は式（２３１ＩこおけるＸは規定値としてブロ
ック５０３で原料空気量を計厚し、それぞれマイナー制
御系に設定値を出力して終了となる。

つぎに、ブロック５００において製品純度が規定値以下
の場合は、ブロック５０２に移り、式の又は式ののＸの
値を異常時の値に変更してブロック５０３で原料空気量
を計算し、それぞれのマイナー制御系に設定値を出力し
て終了となる。

なお、本説明中ブロック５００は製品純度で説明したが
、前述した如く精留塔温度又は温度差において判断する
ことにより、更に早い時点で対応させることができる。

また、上述の制御方法は窒素発生装置について説明した
が、他の酸素発生装置においては、式■又は式（至）が
異なる計算式となるが、本発明の制御方法を適用できる
ことはいうまでもない。

上述の実施例では、演算に液体空気中の酸素濃度Ｘを用
いたが、精留塔内の下降液と上昇ガスの比Ｌ／Ｖを用い
ても同様であることは前述のｄ明より明らかであろう。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明によれば、いかなる外乱におい
ても製品純度を乱すことなく、最適制御を行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はプロセスと制御の結合を示す系統図、第２図は
精留塔部分の系統図、第３図は制御の流れを示すフロー
チャートである。 １．５，６．２１〜２４．２６・曲・管、２・・曲原料
空気圧縮機、３・・・・・・前処理装置、４・・・・・
・深冷液化精留分離装置、５・・開弁、１００・・・・
・・計算機、ｉｏｔ　。 １０２　、　１０４・・曲ディジスイッ：Ｆ−，１０３
、１０５・・・・・・押ボタンスイッチ、１０６・・・
・・・入カイツターフェイス、１０７・・・−人出力イ
ンターフェイス、　２０１・・・・・・￥１図 一一一」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、あらかじめ設定されている製品採取量と精留塔の運
   転条件により必要な原料空気量を演算し、該必要原料空
   気量を原料空気量調節ループの設定値として出力する空
   気分離装置の制御方法において、制御結果が目標値を外
   れた場合、精留塔の運転条件を変更することを特徴とす
   る空気分離装置の制御方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記制御結果は製
   品純度であることを特徴とする空気分離装置の制御方法
   。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記制御結果は精
   留塔内温度又は温度差であることを特徴とする空気分離
   装置の制御方法。