JPH0128312B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は空気液化分離装置の起動運転に関す
るもので、特に、空気液化分離装置の自動起動に
関するものである。

蓄冷器あるいは切換式熱交換器（以下、切換式
熱交換器と略称する。）および膨脹エンジンある
いは膨脹タービン（以下、膨脹機と略称する。）
を有する全低圧式空気分離装置は原料空気中の水
分や炭酸ガスを切換式熱交換器内で空気を冷却す
ると同時に析出除去させ、空気を低温下で液化精
溜せしめるに必要な寒冷を膨脹機で得るプロセス
で構成されている。

切換式熱交換器での水分や炭酸ガスを除去する
機構は、例えば約５Kg/cm²Gに圧縮された空気中
の水分や炭酸ガスをその圧力における飽和蒸気圧
で冷却温度に従い凝結析出させ、切換式熱交換器
内壁に付着させる。次に、この熱交換器を切換え
空気流路を略大気圧の戻りガス流路に切換え、熱
交換器内壁の析出水分、炭酸ガスを戻りガスによ
つて昇華パージせしめ、戻りガスに同伴させて大
気中に放出する。この凝結析出と昇華パージは、
原料空気の圧力と戻りガスの圧力による飽和蒸気
圧の差により実行されるが、空気と戻りガスの
各々の流量差、温度差により影響を受け、第１図
に示すような空気の温度と流量差によつて決まる
水分と炭酸ガスを昇華パージすることが可能であ
る温度差（パージ限界温度差）が規定される。す
なわち、第１図中のＡおよびａ線は水分に関する
ものであり、Ｂおよびｂ線は炭酸ガスに関するも
のであり、ＡおよびＢは空気量と戻りガス量が等
しい場合（空気分離装置起動運転時）であり、
ａ，ｂは戻りガス量が空気量から製品量を差し引
いた量の場合（空気分離装置定常運転時）を表わ
している。従つて、この熱交換器の温度分布は、
いずれの点においても限界温度差の範囲内にある
ことが必要で、例えば、Ｃ線のような温度分布に
する必要がある。このような温度分布を得るため
に、熱交換器の冷端側に原料空気の一部を戻し、
中間部より抜き出す再熱系を設けるか、あるいは
原料空気の一部を中間部より抜き出す中間抽気系
を設けている。（以下、この再熱系あるいは中間
抽気系を再熱系と略称する。） このような切換式熱交換器と必要な寒冷を発生
する膨脹機とを有する空気液化分離装置の起動運
転は空気液化分離装置の各部の温度を一定の基準
に従つて順次冷却してゆき、且つ各部の温度分布
を一定に保つことが必要となるので、慎重な運転
が要求され熟練オペレータを必要としていた。

従来の起動方法の一例を説明すると、第１段階
として、切換式交換器冷端部より出る空気を直接
膨脹機入口に導く起動系統を使用して膨脹機を起
動後、切換式熱交換器のみの冷却運転に入り、膨
脹機で断熱膨脹して低温になつた空気を全量切換
式熱交換器の戻りガス側に戻し、熱交換器冷端部
より出る空気温度が水分がほとんど存在しない温
度（約−60℃）まで熱交換器の冷却を進める。第
２段階として、熱交換器冷端部よりの空気および
膨脹機出口の空気の一部を精溜塔、過冷器、液化
器等を冷却するためにこれら機器に流す。この
際、熱交換器での水分のパージ除去が可能な温度
差を保つように再熱系の流量を調節しながら膨脹
機出口にて炭酸ガスが凝結析出しない温度（約−
130℃）まで冷却を進める。次に第３段階として、
各部の冷却を中止し、切換式熱交換器のみを急速
に冷却して熱交換器内で空気中の炭酸ガスが凝結
析出するようにする。この際、熱交換器の冷端温
度差として炭酸ガスのパージ除去が可能となる温
度差を保つように再熱系の流量を調節し、かつ膨
脹機出口において通過空気が液化することにより
膨脹機が破損をきたすことがないように、切換式
熱交換器冷端部より膨脹機入口に至る起動系統に
設けられた流量調節弁を操作しつつ、冷却を進
め、切換式熱交換器が充分に冷却された状態（例
えば、冷端部より出る空気の温度が−160℃程度
となる状態。）にする。

ついで、第４段階として、第２段階と同様に精
溜塔、過冷器、液化器などを冷却するために、切
換式熱交換器冷端部よりの空気および膨脹機出口
の空気の一部を上記機器に送給する。この際、こ
の空気の送給量を切換式熱交換器の冷端部空気温
度が所定温度（約−160℃）を越えないように、
徐々に、増加するようにし、空気液化分離装置全
体の冷却を行い、下部塔底部に液体空気が溜るま
で冷却し、最終的に精溜塔の各棚段に液が乗るま
で冷却を進めるが、この時も膨脹機出口において
通過空気が液化しないように膨脹機処理量を調整
し、寒冷のバランスを調整する。以上の第１段階
から第４段階の複雑な起動冷却運転を熟練運転員
が遠隔操作および現場操作で人為的に行つていた
ので、操作に手間がかかり、またベテラン運転員
でなければ起動運転が出来ないなどの不都合があ
つた。

この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
前記の複雑な起動運転の各工程を自動制御し、自
動起動運転が可能な空気液化分離装置を提供する
ことを目的とし、切換式熱交換器の再熱系路と切
換式熱交換器の冷端部から膨脹機入口に至る起動
系路とに夫々流量調節弁を設け、さらに切換式熱
交換器冷端部の空気と戻りガスとの温度差を検出
する温度差調節計と、切換式熱交換器再熱系出口
の空気温度を検出する温度調節計と、膨脹機出口
の空気温度を検出する温度調節計と、膨脹機入口
に設けた膨脹機容量を調節する容量調節弁と、切
換式熱交換器内に析出する水分と炭酸ガスを昇華
除去しうる空気と戻りガスとの温度差の関係を組
み込み前記温度差調節計をカスケード制御する折
線変換器と、再熱系出口の空気温度を検出する温
度調節計にプログラム指令を与えるプログラム設
定器と、これら温度調節計からの出力信号を切換
える切換スイツチ機構とを設けて、各温度調節計
からの検出信号をプログラム制御により切換えも
しくは優先させて、前記流量調節弁を制御し、か
つ膨脹機出口の空気温度を検出する温度調節計で
膨脹機の容量を制御して冷却を進め、空気液化分
離装置を自動的に起動させることを特徴とするも
のである。

以下、この発明を図面を参照して詳しく説明す
る。第３図はこの発明の空気液化分離装置の一例
を示す概略構成図で、約５Kg/cm²Gに圧縮された
空気は図示されていない空気流路と戻りガス流路
を切換える自動切換弁機構により管１および管２
から切換式熱交換器３，３′に送入され、膨脹し
て低温となつた戻りガスは管４，５を通り、自動
切換弁機構を経て大気に放出される。切換式熱交
換器３，３′に導入された空気はこの熱交換器３，
３′中で戻りガスと向流熱交換することによつて
冷却され、水分や炭酸ガスを凝結、析出し戻止弁
６を経て管７に至る。空気液化分離装置の起動冷
却時には管７からの空気は３分され、その１部は
管８、起動系流量調節弁９、管１０，１１，１２
および１３を経て、膨脹タービン１４および１５
に送入され、また１部の空気は管１６、再熱系流
量調節弁１７、管１８を経て、切換式熱交換器
３，３′にて凝結、析出した炭酸ガスがパージ除
去されるような温度分布を得るために切換式熱交
換器３，３′の再熱系に導入され、管１９を通り
膨脹タービン１４，１５に送給される。残りの空
気は管２０を通り、精溜塔、液化器、過冷器（い
ずれも図示せず）の冷却に用いられ、管２１，２
２、戻止弁６を経て戻りガスとして切換式熱交換
器３，３′に戻つてくる。一方、膨脹タービン１
４，１５に供給された空気は断熱膨脹して温度が
低下し、寒冷を発生し、管２３，２４，２５を経
た後、さらに三方弁２６で管２７と管２８に分配
され、管２７を通る空気は精溜塔等を冷却して管
２１に戻り、管２８からの空気と合流して、管２
２を経て切換式熱交換器３，３′に入り、ここで
凝結、析出している炭酸ガス、水分を昇華、パー
ジし、流入してくる空気と向流熱交換しつつ、昇
温し、管２，４を通り、自動切換弁機構を経て、
大気に放出される。以上のように構成されたこの
発明の空気液化分離装置において、以下に起動動
作を説明する。

第４図はこの発明の空気液化分離装置を常温状
態から起動させた時の各部分の温度変化を示すも
のであり、図中Ａ線は切換式熱交換器３の再熱系
出口温度を、Ｂ線は膨脹タービン１４，１５入口
温度を、Ｃ線は切換式熱交換器３の冷端部出口空
気温度を、Ｄ線は切換式熱交換器３の冷端部の戻
りガス入口温度を、Ｅ線は膨脹タービン１４，１
５の出口温度を表わしている。時点θ₁で原料空気
を管１（および２）→切換式熱交換器３，３′→
戻止弁６→管７→管８→起動系流量調節弁９→管
１０→管１１→管１２および管１３→膨脹タービ
ン１４および１５→管２３および２４→管２５→
三方弁２６→管２８→管２２→戻止弁６→切換式
熱交換器３，３′→管４および２の経路で流し、
膨脹タービン１４，１５、２台を起動し、切換式
熱交換器３，３′の冷却を開始する。この時点で
は切換式熱交換器３，３′のみが冷却されるので、
第４図の時点θ₁→θ₂のように切換式熱交換器３，
３′は急激に冷却され、切換式熱交換器３，３′の
内部で速みやかに空気中の水分が析出するように
なり、空気分離装置内への水分の侵入が最小限に
される。時点θ₂で切換式熱交換器３冷端部の出口
温度(C)がほとんど水分を含まない温度t₁（約−60
℃）になると、この温度を温度検出器２９で検出
し、この検出信号により三方弁２６を管２７側に
開として空気液化分離装置の全系を冷却する。ま
た、管２０にも原料空気を流す。これによつて空
気液化分離装置の構成機器、弁、配管等が冷却さ
れ、空気は管２１より帰還する。この冷却過程で
は切換式熱交換器３，３′が析出する水分で閉塞
されないように戻りガス中に昇華させ、除去しな
ければならない。そのため、第１図のＡ線に示す
水分のパージ限界温度差内に切換式熱交換器３，
３′の冷端部の出口空気と戻りガスとの温度差を
押えることが必要であり、このために、切換式熱
交換器３，３′冷端部の出口空気管７と戻りガス
管２２に測温体を設け、この測温体で検出した温
度の温度差を検出する温度差調節計３０により、
起動系流量調節弁９と再熱系流量調節弁１７を制
御する。すなわち、切換スイツチ３１の接点３１
ａを接点３１ｂに接続しておき、あらかじめ、第
２図に示したｘ線あるいはｙ線のような冷端空気
温度に対する許容温度差を組込んだ折線変換器３
２からの許容温度差信号と前記温度差とを温度差
調節計３０で比較し、この比較結果により起動系
流量調節弁９、再熱系流量調節弁１７をコントロ
ールする。例えば、空気温度が−70℃とすればｘ
線による許容温度差は約８℃となり、前記温度差
が８℃を越えようとすると、再熱系流量調節弁１
７は開方向に、起動系流動調節弁９は閉方向に制
御される。

このように、切換式熱交換器３，３′の冷端部
の出口空気と戻りガスとの温度差を制御しつつ冷
却を続け、膨脹タービン１４，１５の出口の温度
が炭酸ガスの析出温度t₂（約−130℃）になると、
温度検出器３３および３４でこれを検出し、その
時点θ₃で、三方弁２６を管２７側に閉として全量
管２８に流れるようにし、かつ管２０への流れも
停止して切換式熱交換器３，３′のみを急速に冷
却し、空気中の炭酸ガスが切換式熱交換器３，
３′内で速みやかに凝結、析出するようにする。
この期間θ₃―θ₄においても、前記温度差を制御
し、常に炭酸ガスパージ限界温度差内に保もたれ
るようにする。こうして、切換式熱交換器３，
３′の冷端部空気温度が約−160℃に達すると空気
中の炭酸ガスは略完全に熱交換器３，３′内に析
出し、除去されるが、この時点θ₄からは管２０、
管２７を通して冷却空気を精溜塔等に流しこれら
を冷却するがこの際も前記温度差による制御がな
されている。この運転中、例えば時点θ₅で、膨脹
タービン１４，１５の出口温度がこの出口で空気
が液化する温度（約−188℃）になると、これを
温度検出器３３，３４で検出し、切換スイツチ３
５の接点３５ａを接点３５ｂに接続し、切換スイ
ツチ３６の接点３６ａを接点３６ｂに接続し、切
換スイツチ３１の接点３１ｃを接点３１ａに、接
点３１ｄを接点３１ａに接続し、起動系流量調節
弁９および再熱系流量調節弁１７は膨脹タービン
１４，１５の出口温度調節計３７，３８により制
御され、膨脹タービン１４，１５の出口での空気
の液化が防止される。この操作は再熱系流量を増
して膨脹タービン１４，１５の入口温度を上げる
ことになり、切換式熱交換器３，３′冷端部の温
度差を小さくする方向に動作することになり、前
記の温度差制御を外してもよい。

こうして冷却を進めると時点θ₆で管２７に接続
する下部筒に液体空気が発生しはじめる。

ついで時点θ₇で再熱系の管１９の温度が、熱交
換器３，３″の中間部で空気中の炭酸ガスが析出
しない温度（約−130℃）まで低下すると、これ
を温度検出器３９で検出し、切換スイツチ３１の
接点３１ｅは接点３１ａに接続され、起動系流量
調節弁９および再熱系流量調節弁１７は再熱系出
口温度調節計４０で制御される。この温度調節計
４０はプログラム設定器４１によりカスケード設
定され、管１９の温度が約−130℃のときはその
状態に保持され、この温度が低下すると再熱系の
流量を減少するように、起動系流量調節弁９は開
方向に、再熱系流量調節弁１７は閉方向に制御さ
れる。この操作により膨脹タービン１４，１５の
入口温度が低下し、出口温度も低下するため、２
台で運転されている膨脹タービン１４，１５の
内、あらかじめ優先的に停止するように決められ
ている１台の膨脹タービン例えば１４の容量を減
少させ発生寒冷を減らして、入口温度の低下を防
止する。これには切換スイツチ３５の接点３５ｃ
を接点３５ａに、切換スイツチ３６の接点３６ｃ
を接点３６ａに接続し、膨脹タービン出口温度調
節計３７，３８で容量調整弁４２，４３を制御す
る。なお、容量調整弁４２，４３の代りに膨脹タ
ービン１４，１５の可変ノズルの翼開度を変えた
り、パーシヤルアドミツシヨン弁等を用いてもよ
い。

以上の操作により冷却が進み、空気液化分離装
置の凝縮器等に液化ガスが貯まりはじめると、膨
脹タービン１４，１５の発生寒冷は小さくてよく
なり、いずれか一方の膨脹タービン１４が停止さ
れ、ついで時点θ₈で、再熱系出口温度調節計４０
の調節設定温度をプログラム設定器４１を用い
て、３℃/h〜10℃/hの一定の昇温速度で前記の
−130℃から定常運転時の定格値約−100℃に変更
し、起動系流量調節弁９、再熱系流量調節弁１７
をこれに追従、制御させて再熱系出口温度を−
100℃に昇温させ、起動寒冷状態より定常寒冷状
態にして起動を完了する。

以上の説明は空気液化分離装置を常温状態より
起動するものについてのものであるが、空気液化
分離装置が低温状態にある時の起動は、操作が異
なる。第５図は低温状態にある空気液化分離装置
を起動させた時の各部の温度降下の一例を示すも
のであるが、常温からの起動では第４図のように
膨脹タービン１４，１５出口温度（Ｅ線）が炭酸
ガスの析出する温度t₂に達する時点θ₃では切換式
熱交換器３，３′の再熱系出口温度（Ａ線）は温
度t₃のようにまだかなり高いが、低温状態よりの
起動では全系が低温状態にあるので、時点Θ₁で
膨脹タービン１４，１５を起動すると各部分の温
度は接近して急速に冷却され、炭酸ガス析出温度
t₂に膨脹タービン１４，１５の出口温度（ｅ線）
が達するまえに再熱系出口温度（ａ線）が定常運
転時の温度（約−100℃）に時点Θ₂で達してしま
うことがある。この場合には再熱系出口温度が約
−100℃に達した時点Θ₂で、この温度検出器３９
で検出し、この検出によつて再熱系出口温度調節
計４０の設定をプログラム設定器４１によつて約
−100℃とし、切換スイツチ３１の接点３１ａを
接点３１ｅに接続し、起動系流量調節弁９および
再熱系流量調節弁１７を再熱系出口温度調節計４
０によつて再熱系出口温度が一定（約−100℃）
になるように制御して、全系の温度バランスを取
りながら、膨脹タービン１４，１５の出口温度が
温度t₂に達する時点Θ₃まで冷却を進める。また、
低温状態からの起動の場合は膨脹タービン１４１
台による運転がなされることが多く、この場合起
動過程の最終時点で膨脹タービン１４の出口温度
が空気が液化する温度（−188℃）に至ることが
あるが、この時も、膨脹タービン１４の出口温度
調節計３７で容量調節弁４２を制御し、膨脹ター
ビン１４の容量を調節し、膨脹タービン１４の出
口温度が空気液化温度−188℃にならないように
する。以上のような操作により空気液化分離装置
全体が定常状態の温度に近づくと膨脹タービン１
４，１５の出口温度は安定的に空気液化温度（−
188℃）を上廻るようになり、全系が安定する。
この時点より凝縮器内に液化ガスが貯えられるま
での時間をタイマで設定し、この設定時間が終了
するまでに、第４図の時点θ₃における操作と同様
に、再熱系出口温度調節計４０の調節設定温度を
プログラム設定器４１にて一定の昇温速度（３
℃／ｈ〜10℃/h）で、−130℃から定常運転時の定
格値−100℃に変更し、再熱系出口温度を−100℃
に昇温させて空気液化分離装置を定常状態とし、
低温状態からの起動が完了する。なお、第５図中
のａ線、ｂ線、ｃ線、ｄ線、ｅ線はそれぞれ第４
図のＡ線、Ｂ線、Ｃ線、Ｄ線、Ｅ線に対応するも
のである。

以上説明したようにこの発明の空気液化分離装
置は、切換式熱交換器の再熱系路と切換式熱交換
器の冷端部から膨脹機入口に至る起動系路とに
夫々流量調節弁を設け、さらに切換式熱交換器冷
端部の空気と戻りガスとの温度差を検出する温度
調節計と、再熱系出口の空気温度を検出する温度
調節計と、膨脹機出口の空気温度を検出する温度
調節計と、膨脹機入口に設けられた膨脹機の容量
を調節する容量調節弁と、切換式熱交換器内に析
出する水分と炭酸ガスを昇華除去しうる空気と戻
りガスとの温度差の関係を組込み前記温度調節計
をカスケード制御する折線変換器と再熱系出口の
空気温度を検出する温度調節計にプログラム指令
を与えるプログラム設定器と、これら温度調節計
からの出力信号を切換える切換スイツチ機構とを
有し、各温度調節計からの検出信号をプログラム
制御により切換えもしくは優先させて前記流量調
節弁および前記容量調節弁を制御し、空気液化分
離装置の要部の温度バランスを取りながら冷却を
進め、空気液化分離装置を自動的に起動させるも
のであるので空気液化分離装置の複雑な起動運転
の各工程を自動制御でき、自動起動運転が可能と
なり、操作が簡単になり、未熟な運転員でも起動
運転が出来るなどの利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は切換式熱交換器における水分および炭
酸ガスの昇華パージの限界温度差を示すグラフ、
第２図は折線変換器に設定される水分と炭酸ガス
を昇華除去しうる空気と戻りガスとの温度差を示
すグラフ、第３図はこの発明の空気液化分離装置
の一例を示す概略構成図、第４図は常温状態から
の起動運転の際の空気液化分離装置の要部の温度
分布を示すグラフ、第５図は低温状態からの起動
運転の際の同じく要部の温度分布を示すグラフで
ある。 ３，３′……切換式熱交換器、９……起動系流
量調節弁、１４，１５……膨脹タービン、１７…
…再熱系流量調節弁、３０……温度差調節計、３
１……切換スイツチ、３２……折線変換器、３５
……切換スイツチ、３６……切換スイツチ、３
７，３８……膨脹タービン出口温度調節計、４０
……再熱系出口温度調節計、４１……プログラム
設定器、４２，４３……容量調節弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 蓄冷器あるいは切換式熱交換器と膨脹機と精
   溜塔などを具備する空気液化分離装置において、
   蓄冷器あるいは切換式熱交換器の再熱系あるいは
   中間抽気系と、蓄冷器あるいは切換式熱交換器の
   冷端部から膨脹機に至る起動系にそれぞれ流量調
   節弁を設けると共に蓄冷器あるいは切換式熱交換
   器の冷端部の空気温度と戻りガス温度との温度差
   を検出する温度差調節計と、温度差調節計をカス
   ケード制御するための蓄冷器あるいは切換式熱交
   換器の冷端部の空気温度に対して蓄冷器あるいは
   切換式熱交換器内に析出する水分と炭酸ガスを昇
   華除去しうる戻りガス温度との温度差の関係を組
   込んだ折線変換器と、蓄冷器あるいは切換式熱交
   換器の再熱系あるいは中間抽気系の出口の空気温
   度を検出する温度調節計と、この再熱系出口の温
   度調節計にプログラム指令を与えるプログラム設
   定器と、膨脹機出口の空気温度を検出する温度調
   節計と、膨脹機の入口に設けられ膨脹機の容量を
   調節する容量調節弁と、これら温度調節計からの
   出力信号を切換える切換スイツチ機構とを設け、
   装置の起動時にあたり前記各温度調節計からの検
   出信号をプログラム制御により切換えもしくは優
   先させて前記の各流量調節弁を制御し、かつ膨脹
   機出口の空気温度を検出する温度調節計で膨脹機
   の容量を制御するよう構成したことを特徴とする
   空気液化分離装置。