KR101969614B1

KR101969614B1 - 제품 가스 공급 방법 및 제품 가스 공급 시스템

Info

Publication number: KR101969614B1
Application number: KR1020147016538A
Authority: KR
Inventors: 카즈오 하루나; 타다노리 하시모토; 히로시 야마사키
Original assignee: 스미토모 세이카 가부시키가이샤
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2019-04-16
Also published as: TW201343237A; TWI592206B; JP2013154294A; WO2013114707A1; KR20140117362A; JP5039861B1

Abstract

가스 공급원으로부터 제품 가스를 압축해서 제1 압력에서 소비 측에 공급하기 위한 시스템은, 상기 가스 공급원으로부터의 제품 가스를 압축하기 위한 압축 수단(2)과, 상기 압축 수단보다도 하류의 제1 측정점에 있어서, 상기 소비 측에 공급되는 제품 가스의 유량을 소비 가스 유량으로서 측정하기 위한 소비 가스 유량 측정 수단(5)과, 상기 압축 수단을 경유한 상기 제품 가스가 상기 소비 가스 유량 측정 수단에 공급되기 전에 해당 제품 가스의 유량을 조절하기 위한 공급 가스 유량 조절 수단(3)과, 상기 압축 수단보다도 하류이고 상기 제1 측정점보다도 상류인 제2 측정점에 있어서, 상기 소비 가스 유량 측정 수단에 의해 측정된 소비 가스 유량의 변동에 따라서, 상기 소비 가스 유량의 측정값 이상인 공급 가스 유량 설정값이 되도록, 상기 공급 가스 유량 조절 수단에 의한 유량 조절을 행하게 하기 위한 제어 수단(7)과, 상기 제1 측정점과 상기 제2 측정점 사이의 제3 측정점에 있어서의 상기 제품 가스의 압력을, 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 조절하기 위한 압력 조절수단(4)을 포함한다.

Description

제품 가스 공급 방법 및 제품 가스 공급 시스템{PRODUCT GAS SUPPLY METHOD AND PRODUCT GAS SUPPLY SYSTEM}

본 발명은, 가스 공급원으로부터 제품 가스를 압축해서 소정의 압력에서 소비 측에 공급하는데 적합한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, 특히 압력변동 흡착식 가스 분리법에 의해, 목적 가스 및 불필요 가스를 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스가 부화된 제품 가스를 분리하고, 소비 측에 소정의 압력에서 공급하는데 적합한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

압력변동 흡착식 가스 분리법(PSA법)은, 공기 등의 산소 및 질소를 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스 성분으로서의 산소 또는 질소를 분리 회수하거나, 실리콘 결정로(結晶爐)로부터 배출되는 가스로부터 고가의 아르곤을 회수 정제하거나, 수소 함유 가스로부터 수소를 회수 생성하거나, 바이오가스로부터 연료용의 메탄을 회수하거나, 이산화탄소 함유 가스로부터 이산화탄소를 고순도로 회수하는데 적합한 방법으로서 알려져 있다. 예를 들면 PSA법에 의해 얻어지는 산소가 부화된 가스(제품 가스)는, 화학반응, 전로제강, 쓰레기 소각, 제지, 수처리 시설에서의 산소 폭기 등, 산소를 다량으로 소비하는 분야에 있어서 사용되고 있다. PSA법에 의한 산소 가스의 분리에 있어서는, 예를 들어, 흡착제가 충전된 적어도 1개의 흡착탑을 구비한 PSA 가스 분리장치를 이용해서, 흡착 공정과 탈착 공정을 포함하는 사이클이 각 흡착탑에서 반복해서 행해진다.

예를 들어, PSA법에 의해 얻어지는 산소 가스를 화학품 제조용으로 사용할 경우, 산소 가스의 압력이 화학반응에 영향을 주므로, 안정적인 소비 가스 압력으로 유지해서 산소 가스를 공급하는 것이 요구된다. 또, 화학품 제조 시 사용되는 산소 가스의 압력으로서는, 통상, 200㎪(게이지압) 이상의 높은 압력을 필요로 하므로, PSA법에 의해 분리된 산소 가스를 송풍기나 압축기 등의 압축 수단에 의해 압축한 후에 소비 측에 공급하고 있다. 그 한편, 화학반응에 있어서의 산소 가스의 소비량(소비 가스량)은 항상 일정하지 않고, 변동할 수 있다.

산소 가스의 소비량(소비 가스량)이 변동하면, 산소 가스의 공급량(압축기로부터 송출되는 가스량)의 조절만을 행해도, 가스의 흐름 차압이 변화되므로, 소비 가스 압력을 일정하게 유지할 수 없다. 즉, 소비 가스량이 증가한 경우, 배관 내의 흐름 차압이 커지므로, 압축기를 경유한 산소 가스의 압력(공급 가스 압력)이 일정한 그대로에서는 소비 가스 압력이 강하된다. 한편, 소비 가스량이 감소된 경우, 흐름 차압이 작아지므로, 압축기를 경유한 산소 가스의 압력(공급 가스 압력)이 일정한 그대로에서는 소비 가스 압력이 상승한다. 이 때문에, 소비 가스량의 변동에 관계 없이 소비 가스 압력을 일정하게 유지하기 위해서는, 산소 가스의 공급량(공급 가스량)을 조절하는 동시에, 소비 가스량에 상응하는 공급 가스 압력으로 조절하는 것이 필요하다.

하기 특허문헌 1에는, 미리 입력 설정된 산소 가스의 소비량(소비 가스량)의 변동에 따라서, PSA 가스 분리장치에 있어서 실행하는 사이클의 전환 타이밍을 변경해서 산소 가스의 발생량을 조절하는 동시에, 분리된 산소 가스를 압축하기 위한 송풍기의 회전수를 제어함으로써, 산소 가스의 공급량과 공급 가스 압력을 조절하는 방법이 표시되어 있다. 그러나, 이 방법에서는, 사전에 소비 가스량을 상정해서 입력해둘 필요가 있다. 또, 그 소비 가스량의 설정값에 따라서 송풍기의 회전수를 조절할 필요가 있으므로, 소비 가스량이 마음대로 변동한 경우에 있어서는, 소비 가스 압력의 조절에 대응할 수 없었다.

이러한 문제를 해소하기 위하여, 압축기나 송풍기 등의 압축 수단의 하류 측에 버퍼 탱크를 설치하고, 또한 버퍼 탱크의 출구부에 압력조정밸브를 설치한다고 하는 대책이 강구될 경우가 있다. 버퍼 탱크를 설치할 경우, 버퍼 탱크에 의해 산소 가스(제품 가스)를 저장하면서 소비 가스량의 변동을 흡수하고, 소비 가스량이 증가 또는 감소해도, 소비 가스 압력이 항상 거의 일정해지도록 조절하고 있었다. 그러나, 이 경우, 소비 가스량이 감소하면, 송풍기나 압축기를 경유한 제품 가스의 공급 가스 압력이 소비 가스 압력보다도 훨씬 높은 압력까지 올라가게 되어, 압축기 등의 소비 동력이 과대해지고 있었다.

JP

2000-356323

A

본 발명은, 이러한 사정 하에 안출된 것으로, 제품 가스를 압축해서 소비 측에 공급함에 있어서, 소비 가스량이 변동해도, 소비 동력을 억제하면서 안정적인 소비 가스 압력에서 제품 가스를 소비 측에 공급하는데 적합한 방법 및 시스템을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

본 발명의 제1의 측면에 따르면, 가스 공급원으로부터 제품 가스를 압축해서 제1 압력에서 소비 측에 공급하는 방법이 제공된다.

이 방법은, 상기 가스 공급원으로부터의 제품 가스를 압축 수단에 의해 압축하는 단계와, 상기 압축 수단보다도 하류의 제1 측정점에 있어서, 상기 소비 측에 공급되는 제품 가스의 유량을 소비 가스 유량으로서 측정하는 단계와, 상기 제1 측정점에 있어서의 상기 소비 가스 유량 측정값의 변동에 응해서, 상기 압축 수단보다도 하류이고 상기 제1 측정점보다도 상류인 제2 측정점에 있어서, 상기 소비 가스 유량의 측정값 이상인 공급 가스 유량 설정값이 되도록 상기 압축 수단을 경유한 상기 제품 가스의 공급 가스 유량을 조절하는 단계와, 상기 제1 측정점과 상기 제2 측정점 사이의 제3 측정점에 있어서의 상기 제품 가스의 압력을, 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 조절하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 가스 공급원은, 목적 가스 성분 및 불필요 가스 성분을 함유하는 혼합 가스로부터, 압력변동 흡착식 가스 분리법에 의해 목적 가스 성분이 부화된 제품 가스를 분리하는 압력변동 흡착식 가스 분리 장치이다.

바람직하게는, 상기 제2 압력으로의 압력조절은, 상기 제품 가스의 일부를 외부로 방출함으로써 행한다.

바람직하게는, 상기 제2 측정점에 있어서의 상기 공급 가스 유량의 조절은, 상기 제2 측정점보다도 상류 측에 있어서 상기 압축 수단을 경유한 상기 제품 가스의 일부를 상기 압축 수단의 흡입 측으로 순환시킴으로써 행한다.

바람직하게는, 소비 가스 유량 측정값이 다른 복수의 범위에 각각 대응하는 복수의 공급 가스 유량 설정값을 설정하고, 상기 공급 가스 유량을 조절하는 단계에서는, 소비 가스 유량 측정값이 소정 범위를 하회해서 감소했을 때, 현재의 공급 가스 유량 설정값으로부터 그 다음으로 작은 공급 가스 유량 설정값이 되도록 상기 제2 측정점에 있어서의 공급 가스 유량을 감소시키고, 소비 가스 유량 측정값이 상기 소정 범위를 초과하여 증가했을 때, 현재의 공급 가스 유량 설정값으로부터 그 다음으로 큰 공급 가스 유량 설정값이 되도록 상기 제2 측정점에 있어서의 공급 가스 유량을 증가시킨다.

바람직하게는, 상기 제2 압력은, 게이지압으로 상기 제1 압력보다도 1 내지 10% 높은 범위에 있다.

상기 소비 가스 유량의 측정값은, 단위시간당 상기 제1 측정점을 통과한 적산 평균 가스량이다.

본 발명의 제2의 측면에 따르면, 가스 공급원으로부터 제품 가스를 압축해서 제1 압력에서 소비 측에 공급하기 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은, 상기 가스 공급원으로부터의 제품 가스를 압축하기 위한 압축 수단과, 상기 압축 수단보다도 하류의 제1 측정점에 있어서, 상기 소비 측에 공급되는 제품 가스의 유량을 소비 가스 유량으로서 측정하기 위한 소비 가스 유량 측정 수단과, 상기 압축 수단을 경유한 상기 제품 가스가 상기 소비 가스 유량 측정 수단에 공급되기 전에 해당 제품 가스의 유량을 조절하기 위한 공급 가스 유량 조절 수단과, 상기 압축 수단보다도 하류이고 상기 제1 측정점보다도 상류인 제2 측정점에 있어서, 상기 소비 가스 유량 측정 수단에 의해 측정된 소비 가스 유량의 변동에 응해서, 상기 소비 가스 유량의 측정값 이상인 공급 가스 유량 설정값이 되도록, 상기 공급 가스 유량 조절 수단에 의한 유량 조절을 행하게 하기 위한 제어 수단과, 상기 제1 측정점과 상기 제2 측정점 사이의 제3 측정점에 있어서의 상기 제품 가스의 압력을, 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 조절하기 위한 압력 조절수단을 포함한다.

바람직하게는, 상기 공급 가스 유량 조절 수단은, 상기 제2 측정점에 있어서의 상기 제품 가스의 유량을 측정하기 위한 공급 가스 유량계와, 상기 압축 수단 및 상기 가스 유량계를 묶는 배관으로부터 제품 가스를 도출하여, 해당 압축 수단의 흡입 측으로 순환시키기 위한 우회로와, 해당 우회로를 통류하는 상기 제품 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절밸브를 포함한다.

바람직하게는, 상기 압력 조절수단은, 상기 제3 측정점에 있어서의 제품 가스의 압력을 측정하는 압력계와, 상기 공급 가스 유량계 및 상기 소비 가스 유량 측정 수단을 잇는 배관에 접속된 방출용 배관과, 해당 방출용 배관을 통류하는 제품 가스의 압력을 조절하기 위한 유량 조절밸브를 포함한다.

본 발명의 그 밖의 특징 및 이점은, 첨부 도면을 참조해서 이하에 행하는 상세한 설명에 의해, 보다 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 제품 가스 공급 방법을 실행하는데 사용할 수 있는 제품 가스 공급 시스템의 개략 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 제품 가스 공급 방법에 있어서 소비 가스량에 맞춰서 소비 가스 압력을 조절하기 위한 처리 순서의 일례를 나타낸 순서도;
도 3은 비교예에 따른 제품 가스 공급 방법을 실행하는데 사용할 수 있는 제품 가스 공급 시스템의 개략 구성도;
도 4는 비교예에 따른 제품 가스 공급 방법에 있어서의 버퍼 탱크의 내부압력의 변화를 나타낸 도면.

본 발명의 바람직한 실시의 형태에 따른 제품 가스 공급 방법에 대해서, 도면을 참조해서 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 실시형태에 따른 제품 가스 공급 방법을 실행하는데 사용할 수 있는 제품 가스 공급 시스템(X)의 개략 구성을 나타내고 있다. 제품 가스 공급 시스템(X)은, PSA 가스 분리장치(1)와, 압축기(2)와, 유량 조절 기구(3)와, 압력 조절 기구(4)와, 소비 가스 유량계(5)와, 이들을 연결하는 배관(6)과, 제어장치(7)를 구비한다. 기능적으로는, 제품 가스 공급 시스템(X)은, 목적 가스 및 불필요 가스를 함유하는 혼합 가스로부터 목적 가스가 부화된 제품 가스를 분리하고, 해당 제품 가스를 압축해서 소비 측(예를 들어, 도시하지 않은 소비 유닛)에 공급하는 것이다. 이하에 있어서는, PSA 가스 분리장치(1)는, 산소(목적 가스 성분) 및 질소(불필요 가스 성분)를 함유하는 공기(혼합 가스)로부터 산소를 분리할 경우에 대해서 설명한다.

PSA 가스 분리장치(1)는, 주로 질소(불필요 가스 성분)를 우선적으로 흡착하기 위한 흡착제가 충전된 적어도 1개의 흡착탑(도시 생략)을 구비한다. 해당 흡착탑은, 압력 변동 흡착식 가스 분리법에 의해 산소·질소 함유 가스인 공기로부터 질소를 선택적으로 흡착해서, 산소 부화 가스(제품 가스)를 추출하는 것이다. 흡착탑에 충전되는 흡착제로서는, 예를 들어, Ca-A형 제올라이트, Ca-X형 제올라이트 및 Li-X형 제올라이트를 들 수 있다. 이들 흡착제는, 단독으로 사용해도 복수종을 병용해도 된다.

PSA 가스 분리장치(1)에서 실행되는 압력변동 흡착식 가스 분리법에서는, 단일의 흡착탑에 대해서, 흡착 공정, 탈착 공정 및 재생 공정을 포함하는 사이클이 반복된다. 흡착 공정은, 탑 내가 소정의 고압 상태에 있는 흡착탑에 공기를 도입해서 해당 공기 중의 질소 및 그 밖의 불필요 가스 성분(이산화탄소, 수분 등)을 흡착제에 흡착시켜, 해당 흡착탑으로부터 산소 부화 가스(제품 가스)를 도출하기 위한 공정이다. 탈착 공정은, 흡착탑 내를 감압해서 흡착제로부터 질소를 탈착시켜, 해당 질소(및 흡착탑 내에 공존하는 그 밖의 가스 성분)를 외부에 배출하기 위한 공정이다. 재생 공정은, 재차의 흡착 공정에 흡착탑을 대비시키기 위해, 예를 들면 세정 가스(예를 들면 산소 부화 가스)를 탑 내에 통류시키게 함으로써, 질소에 대한 흡착제의 흡착 성능을 회복시키기 위한 공정이다. PSA 가스 분리장치(1)는, 공지의 구조를 갖는 것이면 된다.

압축기(2)는, PSA 가스 분리장치(1)에 의해 분리된 산소 부화 가스(제품 가스)를 압축해서 소비 측에 보낸다.

유량 조절 기구(3)는, 압축기(2)를 경유한 제품 가스의 유량을 조절하기 위해서, 공급 가스 유량계(31)와, 바이패스 배관(32)과, 바이패스 밸브(33)를 포함한다. 공급 가스 유량계(31)는, 압축기(2)를 경유해서 배관(6) 내를 통과하는 제품 가스의 순간 유량을 제2 측정점(상류 측 측정점)에 있어서 측정한다. 바이패스 배관(32)은, 배관(6)에 접속되어 있고, 압축기(2)를 경유한 제품 가스의 일부를 재차 압축기(2)의 흡입 측에 순환시킨다. 바이패스 배관(32)의 일단부는, 압축기(2)의 토출 측(하류 측) 또한 공급 가스 유량계(31)의 상류 측에 있어서 배관(6)에 접속되어 있다. 바이패스 배관(32)의 타단부는, 배관(6)에 있어서의 압축기(2)의 흡입 측(상류 측)에 접속되어 있다. 바이패스 밸브(33)는, 바이패스 배관(32)에 설치되어 있다. 바이패스 밸브(33)는, 그 개방도를 조절함으로써, 바이패스 배관(32)을 통류하는 제품 가스의 유량을 조절한다. 바이패스 밸브(33)의 개방도 조정은, 후술하는 제어장치(7)로부터의 신호에 의해 행해진다.

소비 가스 유량계(5)는, 압축기(2)를 경유해서 소비 측에 보내지는 제품 가스의 유량(소비 가스량)을 제1 측정점(하류 측 측정점)에 있어서 측정한다. 소비 가스 유량계(5)는, 공급 가스 유량계(31)의 하류 측에 설치되어 있고, 단위시간당에 통과한 가스량(적산 평균 가스량 혹은 이동 평균 가스량)을 측정한다. 여기에서, 적산 평균 가스량이란, 예를 들어 PSA 가스 분리장치(1)에서 실행되는 1 내지 30사이클, 바람직하게는 5 내지 10사이클에 대응하는 소정의 측정 시간 중에 통과한 적산 가스량에 의거해서 산출되는 평균 가스량이다. 이동 평균 가스량이란, 측정 시간을 일정하게 유지하면서 시간경과에 따라서 측정 개시 시와 측정 종료 시를 어긋나게 하면서 측정한 적산 가스량에 의거해서 산출되는 평균 가스량이다.

압력 조절 기구(4)는, 공급 가스 유량계(31)와 소비 가스 유량계(5)의 중간부인 제3 측정점에 있어서의 제품 가스의 압력(제2 압력)을 조절한다. 압력 조절 기구(4)는, 배관(6)에 접속된 방출용 배관(41)과, 퍼지 밸브(42)와, 압력 제어기(43)를 포함한다. 방출용 배관(41)은, 공급 가스 유량계(31)를 통과한 제품 가스의 일부를 외부로 방출시키기 위하여, 일단부가 공급 가스 유량계(31)와 소비 가스 유량계(5) 사이에 접속되는 동시에, 타단부가 외부로 개방되어 있다. 퍼지 밸브(42)는, 방출용 배관(41)에 설치되어 있고, 개방도 조절이 가능하다. 압력 제어기(43)는, 배관(6) 내를 통류하는 제품 가스의 압력을 상시적으로 측정하고, 측정 압력에 따라서 퍼지 밸브(42)의 개방도를 조절함으로써, 해당 제품 가스의 압력을 소망의 값으로 제어한다. 압력 조절 기구(4)에 있어서는, 압력 제어기(43)에 의한 측정 압력에 따라서 퍼지 밸브(42)의 개방도가 소망의 값으로 조절된다.

제어장치(7)는, 소비 가스 유량계(5)에 의해서 측정된 제품 가스의 소비 가스량(유량 측정값)에 의거해서, 유량 조절 기구(3)에 의한 제품 가스의 유량 조절을 행한다. 제어장치(7)는, 소비 가스량(유량 측정값)의 변동에 따라서, 공급 가스 유량계(31)에서의 측정 유량이 상기 유량 측정값 이상인 소정의 유량 설정값이 되도록 바이패스 밸브(33)의 개방도를 조절한다. 제어장치(7)에 있어서는, 소정의 프로그램을 실행함으로써, 바이패스 밸브(33)의 개방도 조절을 행한다.

본 실시형태에서는, 제어장치(7)에 의해서 다음과 같은 제어가 행해진다. 제어장치(7)에는, 소정 범위의 소비 가스량(유량 측정값)에 대응해서 할당된 복수의 유량 설정값이 입력 설정되어 있다. 소비 가스 유량계(5)에 의해서 측정된 소비 가스량(유량 측정값)이 소정 범위를 초과해서 감소했을 때, 제어장치(7)는, 현재의 유량 설정값으로부터 그 다음으로 작은 유량 설정값이 되도록, 공급 가스 유량계(31)에 신호를 보내서 바이패스 밸브(33)를 개방하는 방향으로 개방도 조절하고, 바이패스 배관(32)을 통류하는 제품 가스의 유량을 증가시킨다. 이것에 의해, 공급 가스 유량계(31)를 통과하는 제품 가스의 유량이 감소한다. 한편, 소비 가스량(유량 측정값)이 소정 범위를 초과하여 증가했을 때, 제어장치(7)는, 현재의 유량 설정값으로부터 그 다음으로 큰 유량 설정값이 되도록, 공급 가스 유량계(31)에 신호를 보내서 바이패스 밸브(33)를 폐쇄하는 방향으로 개방도 조절하고, 바이패스 배관(32)을 통류하는 제품 가스의 유량을 감소시킨다. 이것에 의해, 공급 가스 유량계(31)를 통과하는 제품 가스의 유량이 증가한다.

소비 가스 유량계(5)를 경유한 제품 가스는, 소정의 용도로 상시 소비된다.

상기 구성의 제품 가스 공급 시스템(X)의 가동 시에는, PSA 가스 분리장치(1)에 공기(혼합 가스)가 도입된다. PSA 가스 분리장치(1)에서는, 흡착탑마다 흡착 공정, 탈착 공정 및 재생 공정을 포함하는 사이클이 반복되어, 산소가 부화된 제품 가스가 연속적으로 취출된다.

PSA 가스 분리장치(1)로부터의 제품 가스는, 압축기(2)에 의해서 압축되어, 소정의 소비 가스 압력에서 소비 측에 공급된다. 해당 소비 가스 압력은, 소비 측의 용도에 따라서 다르지만, 예를 들어, 0.2㎫G(G는 게이지압을 나타냄. 이하 마찬가지임)이다. 또한, 소비 측의 설비 등에 있어서의 제품 가스의 소비량(소비 가스량)은 변동할 수 있다. 압축기(2) 및 공급 가스 유량계(31)를 경유해서 소비 측에 보내지는 제품 가스의 공급량(공급 가스량)은, 소비 측에 있어서의 제품 가스의 최대소비량에 대응하도록 설정된다. 예를 들어, 소비 측에서의 제품 가스의 최대소비량이 200N㎥/h(N은 표준상태를 나타냄. 이하 마찬가지임)인 경우, PSA 가스 분리장치(1)로부터 취출되는 제품 가스의 취득량은 200N㎥/h이며, 압축기(2)를 통류하는 제품 가스의 유량은 200N㎥/h로 된다.

압력 조절 기구(4)에서는, 압력 제어기(43)에서의 제품 가스의 압력(공급 가스 유량계(31)와 소비 가스 유량계(5)의 중간부에 있어서의 제품 가스의 공급 가스 압력: 이하, 적당히 「중간부 압력」이라 칭함)이, 게이지압으로 해서 소비 가스 압력(제1 압력)보다도 1 내지 10% 높은 범위가 되도록 조절되고, 바람직하게는 소비 가스 압력보다도 5% 정도 높아지도록 조절된다. 예를 들면, 소비 가스 압력이 0.2㎫G인 경우, 중간부 압력은, 0.21㎫G로 조절하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 중간부 압력이 소비 가스 압력보다도 조금 높아지도록 조절하는 것은, 소비 가스 유량계(5)의 상류 측과 하류 측 사이에서 적절한 가스 흐름 차압을 생기게 하기 위함이다.

소비 측에서의 소비 가스량이 감소해서 공급 가스량이 소비 가스량보다도 많아지면, 중간부 압력이 상승한다. 이 경우, 퍼지 밸브(42)를 개방하는 방향으로 해당 퍼지 밸브(42)의 개방도를 조절한다. 이 결과, 중간부 압력을 상승시키고 있던, 과잉의 제품 가스의 일부가, 방출용 배관(41)을 개재해서 외부로 방출된다. 이와 같이, 중간부 압력의 조절은 제품 가스의 일부를 외부로 방출함으로써 행한다.

도 2는, 제품 가스 공급 시스템(X)의 가동 시에 있어서, 소비 가스량에 맞춰서 소비 가스 압력을 조절하기 위한 처리 순서의 일례를 나타낸 순서도이다. 또, 도 2에 있어서는, 소비 측에서의 제품 가스의 최대소비량이 200N㎥/h인 경우에 대해서 나타내고 있다.

제품 가스 공급 시스템(X)의 가동에 앞서서, 제어장치(7)에 소비 가스 유량계(5)에 설정하는 측정 시간을 입력한다. 이 측정 시간은, PSA 가스 분리장치(1)에서의 제품 가스의 발생량의 변동이 평균화되는 정도인 것이 바람직하다. 이러한 측정 시간으로서는, 예를 들어, PSA 가스 분리장치(1)에서 실행되는 1 내지 30사이클에 대응하는 시간, 바람직하게는 5 내지 10사이클에 대응하는 시간이 설정된다. 소비 가스 유량계(5)에서 측정되는 소비 가스량(유량 측정값)은, 단위시간당의 가스량이 되지만, 소비 가스 유량계(5)에서 전술한 이동 평균 가스량을 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 제어장치(7)에, 소정 범위의 소비 가스량에 응해서 할당된 복수의 유량 설정값을 입력 설정한다. 여기에서, 유량 설정값은, 제품 가스의 최대소비량 200N㎥/h에 대한 부하 설정 가스량(부하율)으로서 설정된다. 예를 들면, 100% 부하(200N㎥/h), 90% 부하(180N㎥/h), 80% 부하(160N㎥/h), 70% 부하(140N㎥/h), 60% 부하(120N㎥/h) 등 10% 피치로 복수의 유량 설정값을 설정한다. 유량 설정값으로서의 부하율을 10% 피치로 설정할 경우, 각 부하율에 대응하는 「소정 범위의 소비 가스량」은, 예를 들어 이하와 같이 된다.

100% 부하 → 180N㎥/h < 소비 가스량 ≤ 200N㎥/h

90% 부하 → 160N㎥/h < 소비 가스량 ≤ 180N㎥/h

80% 부하 → 140N㎥/h < 소비 가스량 ≤ 160N㎥/h

70% 부하 → 120N㎥/h < 소비 가스량 ≤ 140N㎥/h

60% 부하 → 100N㎥/h < 소비 가스량 ≤ 120N㎥/h

제품 가스 공급 시스템(X)의 가동 개시 후에 있어서, 소비 가스 유량계(5)에 의한 소비 가스량의 측정과 중간부 압력의 조절이 상시 행해진다(S10). 다음에, 현재의 부하율(유량 설정값)이 판정된다. 현재의 부하율이 80%일 경우, 100% 부하인지의 여부의 판정(S11)에서 "아니오"가 되고, 90% 부하인지의 여부의 판정(S12)에서 "아니오"가 되며, 80% 부하인지의 여부의 판정(S13)에서 "예"가 된다. 다음에, 중간부 압력의 판정으로 진행된다.

여기에서, 실제의 소비 가스량(소비 가스 유량계(5)에 의한 유량 측정값)이 160N㎥/h일 경우, 공급 가스 유량계(31)에서 80% 부하 설정의 신호를 제어장치(7)로부터 받아서 바이패스 밸브(33)의 개방도가 조절되어, 공급 가스 유량계(31)를 통과하는 공급 가스량이 이미 160N㎥/h로 되고 있다. 이 때문에, 중간부 압력은 상승하지 않고, 퍼지 밸브(42)는 폐쇄된 상태를 유지한다. 그 결과, 방출용 배관(41)로부터의 방출 가스량은 0N㎥/h가 되어, 공급 가스량과 소비 가스량은 잘 밸런스를 이룬다.

이때, 중간부 압력은, 압력 조절 기구(4)에 의해서 소비 가스 압력인 0.2㎫G보다도 약간 높은 0.21㎫G로 조절되어 있으므로, 「중간부 압력 < 0.21㎫G」인지의 여부의 판정(S24)에서 "아니오"가 되고, 다음 「소비 가스량>140N㎥/h」인지의 여부의 판정(S25)으로 이동한다. 여기에서는, 소비 가스량(160N㎥/h) > 140N㎥/h)이므로, S25는 "예"로 판정되어, 80% 부하가 계속된다(S37). 다음에, 현재의 부하율의 판정으로 되돌아간다.

그 후, 소비 가스량(유량 측정값)이 증가해서 170N㎥/h가 되면, 현재의 부하율의 판정에서는, 80% 부하인지의 여부의 판정(S13)에서 "예"가 된다. 이때, 실제의 소비 가스량(170N㎥/h)은, 80% 부하에서의 공급 가스량(160N㎥/h)보다도 많아지고 있어, 80% 부하에 대응하는 소정 범위의 소비 가스량(140N㎥/h < 소비 가스량 ≤ 160N㎥/h)을 초과하여 증가하고 있다. 이 때문에, 중간부 압력이 강하해서 「중간부 압력 < 0.21㎫G」인지의 여부의 판정(S24)에서 "예"가 되어, 부하율이 90% 부하로 변경된다(S36). 여기에서, 공급 가스 유량계(31)에서 90% 부하 설정의 신호를 제어장치(7)로부터 받아서 바이패스 밸브(33)를 폐쇄하는 방향으로 개방도를 조절하여, 바이패스 배관(32)을 통류해서 순환하는 제품 가스량을 감소시킨다. 이러한 처리에 의해, 공급 가스 유량계(31)를 통과하는 공급 가스량을 180N㎥/h로 증가시킨다.

이때, 공급 가스량(180N㎥/h)이 소비 가스량(170N㎥/h)보다도 많고, 제품 가스가 10N㎥/h 과잉으로 공급되게 되므로, 중간부 압력이 상승한다. 그래서, 압력 제어기(43)에 의해 퍼지 밸브(42)를 개방하는 방향으로 해당 퍼지 밸브(42)의 개방도를 조절하고, 공급 과잉인 제품 가스를, 방출용 배관(41)을 개재해서 외부로 방출시킨다. 이것에 의해, 중간부 압력은, 압력 조절 기구(4)에 의해서 소비 가스 압력인 0.2㎫G보다도 조금 높은 0.21㎫G로 조절된다. 그 후, 현재의 부하율의 판정으로 되돌아가, 소비 가스량이 170N㎥/h인 채이면, 90% 부하인지의 여부의 판정(S12)에서 "예"가 되고, 「중간부 압력 < 0.21㎫G」인지의 여부의 판정(S22)에서 "아니오"가 되며, 다음의 「소비 가스량 > 160N㎥/h」인지의 여부의 판정(S23)에서 "예"가 되어, 90% 부하가 계속된다(S34). 그 후에도 현재의 부하율의 판정으로 되돌아가, 마찬가지의 처리 조작이 반복된다.

그 후, 소비 가스량(유량 측정값)이 감소해서 150N㎥/h가 되면, 현재의 부하율의 판정에서는, 90% 부하인지의 여부의 판정(S12)에서 "예"가 된다. 이때, 실제의 소비 가스량(150N㎥/h)은, 90% 부하에서의 공급 가스량(180N㎥/h)보다도 적어지고 있어, 90% 부하에 대응하는 소정 범위의 소비 가스량(160N㎥/h < 소비 가스량 ≤ 180N㎥/h)을 하회해서 감소하고 있다. 이 때문에, 중간부 압력은, 상승해서 0.21㎫G 이상이 된다. 따라서, 다음의 「중간부 압력 < 0.21㎫G」인지의 여부의 판정(S22)에서 "아니오"가 되고, 다음의 「소비 가스량 > 160N㎥/h」인지의 여부의 판정(S23)으로 이동한다. 여기에서는, 소비 가스량(150N㎥/h) <160N㎥/h이므로, S23에서는 "아니오"로 판정되고, 부하율이 80% 부하로 변경된다(S35). 여기에서, 공급 가스 유량계(31)에서 80% 부하 설정의 신호를 제어장치(7)로부터 받아서 바이패스 밸브(33)를 개방하는 방향으로 개방도를 조절하여, 바이패스 배관(32)을 통 류해서 순환하는 제품 가스량을 증가시킨다. 이러한 처리에 의해, 공급 가스 유량계(31)를 통과하는 공급 가스량을 160N㎥/h로 감소시킨다.

이때, 공급 가스량(160N㎥/h)이 소비 가스량(150N㎥/h)보다도 많고, 제품 가스가 10N㎥/h 과잉으로 공급되게 되므로, 중간부 압력이 상승한다. 그래서, 전술의 소비 가스량이 170N㎥/h인 경우와 마찬가지로 압력 제어기(43)에 의해 퍼지 밸브(42)를 개방하고, 공급 과잉인 제품 가스를, 방출용 배관(41)을 개재해서 외부로 계속해서 방출시킨다. 이것에 의해, 중간부 압력은, 압력 조절 기구(4)에 의해서 소비 가스 압력인 0.2㎫G보다도 조금 높은 0.21㎫G로 유지된다. 그 후, 현재의 부하율의 판정으로 되돌아가, 소비 가스량이 150N㎥/h인 채이면, 80% 부하의 판정(S13)에서 "예"가 되고, 「중간부 압력 < 0.21㎫G」인지의 여부의 판정(S24)에서 "아니오"가 되며, 다음의 「소비 가스량 > 140N㎥/h」인지의 여부의 판정(S25)에서 "예"가 되어, 80% 부하가 계속된다(S37). 그 후에도 현재의 부하율의 판정으로 되돌아가, 마찬가지의 처리 조작이 반복된다.

이와 같이, 제품 가스 공급 시스템(X)을 이용해서 행하는 제품 가스 공급 방법에 의하면, 소비 가스량이 변동해도, 공급 가스량 및 중간부 압력을 적당히 조절함으로써, 안정적인 소비 가스 압력에서 제품 가스를 소비 측에 계속해서 공급할 수 있다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 중간부 압력(제2 압력)이 소비 가스 압력(제1 압력)보다도 조금 높아지도록 조절되어 있다. 이러한 방법은, 압축기(2)에 의한 소비 동력을 억제하는데 적합하다.

도 2의 순서도를 참조해서 전술한 방법에서는, 유량 설정값으로서의 부하율을 10% 피치로 설정할 경우를 예로 들었다. 그러나, 부하율을 더욱 미세하게 설정하면(예를 들면 5% 피치 등), 과잉으로 되어서 방출되는 가스량을 적게 할 수 있고, 소비 가스량의 변동에 맞춘 원활한 공급 가스량의 조절이 가능해진다.

이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 본 발명의 범위는 전술한 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 발명의 사상으로부터 일탈하지 않는 범위 내에서 각종 변경이 가능하다.

본 발명에 따른 제품 가스 공급 방법은, 상기 실시형태와 같은 산소를 목적 가스로 할 경우로 한정되지 않고, 다른 성분 가스를 목적 가스로 할 경우에 적용할 수도 있다.

[실시예]

다음에, 본 발명의 이점을 실시예 및 비교예에 의해 설명한다.

[발명 실시예]

본 실시예에서는, 도 1에 나타낸 제품 가스 공급 시스템(X)을 이용해서, 이하에 나타낸 조건 하에서, 혼합 가스로서의 공기로부터 제품 가스인 산소 부화 가스를 분리하여, 압축해서 소비 측에 공급하였다.

본 실시예에서 이용한 PSA 가스 분리장치(1)는, 2개의 흡착탑을 구비한 2탑식의 PSA 산소 분리장치였다. 각 흡착탑에는, 흡착제로서의 제올라이트 분자체를 충전하고, 공기로부터 제품 가스로서의 부화 가스를 분리하였다. PSA 가스 분리장치(1)로부터 취출되는 제품 가스의 취득량은 200N㎥/h였다. 압축기(2)는 200N㎥/h의 용량을 지니고 있었다.

본 실시예에 있어서의 제품 가스 공급 시스템(X)의 가동 시에는, 중간부 압력(제2 압력)이 0.21㎫로 되도록 조절하면서, 제품 가스의 소비 가스량을 200N㎥/h로부터 150N㎥/h로 감소시켜서 10분간 운전하였다. 다음에 소비 가스량을 150N㎥/h로부터 170N㎥/h로 증가시켜서 제품 가스 공급 시스템(X)을 10분간 운전하였다. 다음에 소비 가스를 170N㎥/h로부터 본래의 200N㎥/h로 되돌려서 제품 가스 공급 시스템(X)의 운전을 더욱 10분간 계속하였다. 이상의 30분간에 있어서, 압축기(2)의 소비 동력을 측정하면서 제품 가스를 계속해서 소비하였다.

소비 가스량의 변동에 따른 공급 가스량의 조절 및 중간부 압력의 조절은, 도 2에 나타낸 순서도의 처리 순서에 따라서 행하였다.

그 결과, 소비 가스량이 변동해도, 소비 가스 압력은 0.2㎫G로 안정적이고, 압축기(2)에서의 30분간의 적산 소비 동력은 4.3㎾로 되어, 1시간당의 평균 소비 동력은 8.6㎾h로 되었다.

[비교예]

본 비교예에서는, 도 3에 나타낸 제품 가스 공급 시스템(Y)을 이용해서, 이하에 나타낸 조건 하에서, 혼합 가스로서의 공기로부터 제품 가스로서의 산소 부화 가스를 분리하고, 압축해서 소비 측에 공급하였다.

본 비교예에서 이용한 PSA 가스 분리장치(101)의 구성 및 가스 분리의 양상은, 상기 발명 실시예와 마찬가지로 해서 PSA 가스 분리장치(101)로부터 취출되는 제품 가스의 취득량은 200N㎥/h였다. PSA 가스 분리장치(101)의 하류 측에 압축기(102)를 설치하였다. 해당 압축기(102)는, 상기 실시예의 압축기(2)와 마찬가지의 것으로 하였다. 배관(103)에는, 압축기(102)를 경유한 제품 가스를 다시 압축기(102)에 도입해서 순환시키기 위한 바이패스 배관(104)을 접속하였다. 바이패스 배관(104)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태로 전환 가능한 전환 밸브(105)를 설치하였다. 압축기(101)의 하류 측에 제품 가스의 공급 가스량을 측정하기 위한 가스 유량계(106)를 설치하고, 가스 유량계(106)의 하류 측에 버퍼 탱크(107)를 설치하였다. 버퍼 탱크(107)는, 그 내부 용량을 22㎥로 하고, 최고 압력이 0.9㎫G, 최저압력이 0.21㎫G인 내부 압력에서, 소비 가스량의 변동을 흡수할 수 있게 하였다. 버퍼 탱크(107)의 출구부에는, 압력조정밸브(108)와 소비 가스 유량계(109)를 설치하고, 소비 가스 압력이 0.2㎫G로 되도록 감압하여, 안정적으로 소비 가스를 보낼 수 있게 하였다.

본 비교예에 있어서의 제품 가스 공급 시스템(Y)의 가동 시에는, 우선 전환 밸브(105)를 폐쇄한 상태로 하여, 소비 가스량을 200N㎥/h로부터 150N㎥/h로 감소시켜서 10분간 운전하였다. 다음에 소비 가스량을 150N㎥/h로부터 170N㎥/h로 증가시켜서 제품 가스 공급 시스템(Y)을 10분간 운전하였다. 다음에 소비 가스를 170N㎥/h로부터 본래의 200N㎥/h로 되돌려서 제품 가스 공급 시스템(Y)의 운전을 더욱 10분간 계속하였다. 이상의 30분간에 있어서, 압축기(102)의 소비 동력을 측정하면서 제품 가스를 계속해서 소비하였다.

본 비교예에 있어서의 버퍼 탱크(107)의 내부압력의 변화를 도 4에 나타낸다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 버퍼 탱크(107)의 내부압력은, 소비 가스량이 150N㎥/h일 때, 그리고 170N㎥/h일 때에 계속해서 상승하고, 측정 개시로부터 20분 후에 최고 압력 0.9㎫G에 도달하였다. 그 후 4분간은 전환 밸브(105)를 개방함으로써, 압축기(102)의 토출 측과 흡입 측의 압력을 동등하게 해서 언로드(unload) 상태로 하였다. 버퍼 탱크(107)의 내부압력이 0.21㎫G로 저하한 경우 전환 밸브(105)를 폐쇄하였다. 나머지 6분간은 소비 가스량과 공급 가스량이 밸런스를 이루고 있고, 버퍼 탱크(107)의 내부압력은 일정하였다.

그 결과, 소비 가스량이 변동해도, 소비 가스 압력은 0.2㎫G로 안정적이고, 압축기(102)에서의 30분간의 적산 소비 동력은 6.4㎾로 되어, 1시간당의 평균 소비 동력은 12.8㎾h로 되었다.

[평가]

상기 실시예와 비교예를 비교하면 이해할 수 있는 바와 같이, 실시예의 경우에는, 소비 가스량이 변동해도, 소비 동력을 억제하면서 안정적인 소비 가스 압력에서 제품 가스를 공급하는 것이 가능하였다.

X: 제품 가스 공급 시스템 1: PSA 가스 분리장치
2: 압축기 3: 유량 조절기구
31: 공급 가스 유량계 32: 바이패스 배관
33: 바이패스 밸브 4: 압력 조절 기구
41: 방출용 배관 42: 퍼지 밸브
43: 압력 제어기 5: 소비 가스 유량계
6: 배관 7: 제어장치

Claims

가스 공급원으로부터 제품 가스를 압축해서 제1 압력에서 소비 측에 공급하는 방법으로서,
상기 가스 공급원으로부터의 제품 가스를 압축 수단에 의해 압축하는 단계;
상기 압축 수단보다도 하류의 제1 측정점에 있어서, 상기 소비 측에 공급되는 제품 가스의 유량을 소비 가스 유량으로서 측정하는 단계;
상기 제1 측정점에 있어서의 상기 소비 가스 유량 측정값의 변동에 응해서, 상기 압축 수단보다도 하류이고 상기 제1 측정점보다도 상류인 제2 측정점에 있어서, 상기 소비 가스 유량의 측정값 이상인 공급 가스 유량 설정값이 되도록 상기 압축 수단을 경유한 상기 제품 가스의 공급 가스 유량을 조절하는 단계; 및
상기 제1 측정점과 상기 제2 측정점 사이의 제3 측정점에 있어서의 상기 제품 가스의 압력을, 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 조절하는 단계를 포함하고,
상기 제2 압력으로의 압력조절은, 상기 제품 가스의 일부를 외부로 방출함으로써 행하는 것인 제품 가스 공급 방법.
제1항에 있어서, 상기 가스 공급원은, 목적 가스 성분 및 불필요 가스 성분을 함유하는 혼합 가스로부터, 압력변동 흡착식 가스 분리법에 의해 목적 가스 성분이 부화된 제품 가스를 분리하는 압력변동 흡착식 가스 분리 장치인 것인 제품 가스 공급 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 측정점에 있어서의 상기 공급 가스 유량의 조절은, 상기 제2 측정점보다도 상류 측에 있어서 상기 압축 수단을 경유한 상기 제품 가스의 일부를 상기 압축 수단의 흡입 측으로 순환시킴으로써 행하는 것인 제품 가스 공급 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
소비 가스 유량 측정값이 다른 복수의 범위에 각각 대응하는 복수의 공급 가스 유량 설정값을 설정하고,
상기 공급 가스 유량을 조절하는 단계에서는, 소비 가스 유량 측정값이 소정 범위를 하회해서 감소했을 때, 현재의 공급 가스 유량 설정값으로부터 그 다음으로 작은 공급 가스 유량 설정값이 되도록 상기 제2 측정점에 있어서의 공급 가스 유량을 감소시키고, 소비 가스 유량 측정값이 상기 소정 범위를 초과하여 증가했을 때, 현재의 공급 가스 유량 설정값으로부터 그 다음으로 큰 공급 가스 유량 설정값이 되도록 상기 제2 측정점에 있어서의 공급 가스 유량을 증가시키는 것인 제품 가스 공급 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 압력은, 게이지압으로 상기 제1 압력보다도 1 내지 10% 높은 범위에 있는 것인 제품 가스 공급 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소비 가스 유량의 측정값은, 단위시간당 상기 제1 측정점을 통과한 적산 평균 가스량인 것인 제품 가스 공급 방법.
가스 공급원으로부터 제품 가스를 압축해서 제1 압력에서 소비 측에 공급하기 위한 시스템으로서,
상기 가스 공급원으로부터의 제품 가스를 압축하기 위한 압축 수단;
상기 압축 수단보다도 하류의 제1 측정점에 있어서, 상기 소비 측에 공급되는 제품 가스의 유량을 소비 가스 유량으로서 측정하기 위한 소비 가스 유량 측정 수단;
상기 압축 수단을 경유한 상기 제품 가스가 상기 소비 가스 유량 측정 수단에 공급되기 전에 해당 제품 가스의 유량을 조절하기 위한 공급 가스 유량 조절 수단;
상기 압축 수단보다도 하류이고 상기 제1 측정점보다도 상류인 제2 측정점에 있어서, 상기 소비 가스 유량 측정 수단에 의해 측정된 소비 가스 유량의 변동에 따라서, 상기 소비 가스 유량의 측정값 이상인 공급 가스 유량 설정값이 되도록, 상기 공급 가스 유량 조절 수단에 의한 유량 조절을 행하게 하기 위한 제어 수단; 및
상기 제1 측정점과 상기 제2 측정점 사이의 제3 측정점에 있어서의 상기 제품 가스의 압력을, 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 조절하기 위한 압력 조절수단을 포함하고,
상기 압력 조절 수단은 상기 제품 가스의 일부를 외부로 방출하도록 구성되는 것인, 제품 가스 공급 시스템.
제7항에 있어서, 상기 가스 공급원은, 목적 가스 성분 및 불필요 가스 성분을 함유하는 혼합 가스로부터, 압력변동 흡착식 가스 분리법에 의해 목적 가스 성분이 부화된 제품 가스를 분리하는 압력변동 흡착식 가스 분리 장치인 것인 제품 가스 공급 시스템.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 압력 조절수단은, 상기 제3 측정점에 있어서의 제품 가스의 압력을 측정하는 압력계와, 상기 공급 가스 유량계 및 상기 소비 가스 유량 측정 수단을 잇는 배관에 접속된 방출용 배관과, 해당 방출용 배관을 통류하는 제품 가스의 압력을 조절하기 위한 유량 조절밸브를 포함하는 것인 제품 가스 공급 시스템.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 공급 가스 유량 조절 수단은, 상기 제2 측정점에 있어서의 상기 제품 가스의 유량을 측정하기 위한 공급 가스 유량계와, 상기 압축 수단 및 상기 가스 유량계를 묶는 배관으로부터 제품 가스를 도출하고, 해당 압축 수단의 흡입 측으로 순환시키기 위한 우회로와, 해당 우회로를 통류하는 상기 제품 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절밸브를 포함하는 것인 제품 가스 공급 시스템.
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