JPH04302987A - 窒素製造装置及びその制御方法 - Google Patents

窒素製造装置及びその制御方法

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JPH04302987A
JPH04302987A JP6747691A JP6747691A JPH04302987A JP H04302987 A JPH04302987 A JP H04302987A JP 6747691 A JP6747691 A JP 6747691A JP 6747691 A JP6747691 A JP 6747691A JP H04302987 A JPH04302987 A JP H04302987A
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒素製造装置及びその
運転方法に関し、詳しくは製品窒素ガスの需要変動に効
率よく対応できる窒素製造装置及びその制御方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図２は
従来の一般的な窒素製造装置を示すもので、原料空気Ａ
は、圧縮機１で圧縮され、吸着除去設備２で水分や二酸
化炭素等の不純物を除去されて精製された後に、熱交換
器３ａ，３ｂに導入されて冷却される。冷却された原料
空気Ａは、精留塔４の下部に導入されて精留塔４の内部
で精留分離され、精留塔４上部の窒素ガスと下部の酸素
に富んだ液化空気とに分離する。
【０００３】窒素ガスＧＮは、精留塔４の頂部から導出
されて分岐し、一方の分岐流が熱交換器３ａで原料空気
Ａと熱交換して温度回復後に製品窒素ガスＰＮとして採
取され、他方の分岐流が、凝縮器５に導入されて液化し
、液化窒素ＬＮとなってさらに分岐し、一方が液化窒素
弁６を通して導出され、他方の液化窒素ＬＮが精留塔４
の上部に導入されて還流液となる。
【０００４】一方精留塔４の下部から導出された液化空
気ＬＡは、導管７、液化空気弁８を経て凝縮器５に導入
され、前記窒素ガスＧＮと熱交換を行ない窒素ガスＧＮ
を液化させて自身は気化し、排ガスＷとなって熱交換器
３ｂに導入される。熱交換器３ｂで原料空気Ａと熱交換
を行なって適当温度まで昇温した排ガスＷは、一部が膨
張タ―ビン９に導入されて膨張し、寒冷を発生して再び
熱交換器３ｂ，３ａに導入され、原料空気Ａの冷却を行
なう。
【０００５】そして前記製品窒素ガスＰＮの導管１０に
は、圧力指示調節計（ＰＩＣ）１１が設けられ、該圧力
指示調節計１１の検出値により製品供給弁１２の開度が
制御され、系内を所定の圧力に保つようにしている。
【０００６】また精留塔４の底部から凝縮器５に向かう
前記導管７には、流量指示調節計（ＦＩＣ）１３が設け
られ、該流量指示調節計１３により液化空気弁８の開閉
が制御され、精留塔４から凝縮器５に導入される液化空
気ＬＡが所定の量に保たれている。
【０００７】さらに精留塔４の底部には、該底部に溜る
液化空気ＬＡの液面を計測する液面指示調節計（ＬＩＣ
）１４が設けられ、該液面指示調節計１４の検出値によ
り、前記液化窒素弁６を制御して液化窒素ＬＮの導出量
を調節し、同時に／又は該検出値により、排ガスＷの膨
張タ―ビン９への導入量を調整するバイパス弁１５を制
御して排ガスＷによる寒冷発生量を調節し、精留塔４の
底部に溜る液化空気ＬＡを所定の量に保っている。
【０００８】このような窒素製造装置においては、製品
窒素ガスＰＮの需要変動に対応するために、圧縮機１か
ら精留塔４に供給する原料空気量を調節することが行わ
れている。即ち、圧縮機１には、原料空気吐出管１ａ内
の圧力を検出してガイドベーン１６を制御する圧力指示
調節計１７と、原料空気吐出管１ａ内の流量を検出して
放出弁１８を制御する流量指示調節計１９とが設けられ
おり、製品窒素ガスＰＮの需要変動により生じる原料空
気吐出管１ａ内の圧力及び流量変化に応じて原料空気供
給量を調節している。
【０００９】例えば、製品窒素ガスＰＮの需要が減少す
ると、これに伴い原料空気吐出管１ａ内の圧力が上昇す
るので、圧力指示調節計１７が作動してガイドベーン１
６を絞り、圧縮機１の吐出量を減少させる。さらに需要
が減少して原料空気吐出管１ａ内の流量が減少し、圧縮
機１のサージラインに近付くと、流量指示調節計１９が
、これを検出して放出弁１８を開いて圧縮空気の一部を
放出し、圧縮機１における流量をサージライン以上に保
ちながら、精留塔４に供給する原料空気量を、製品需要
に見合うように減少させる。
【００１０】従って、装置の減量幅が大きい場合には、
放出弁１８から放出される圧縮空気量が多くなり、圧縮
機１の動力費が無駄に消費されることとなる。
【００１１】一方、図３に示す窒素製造装置は、製品窒
素ガスの需要が減少したときに、その減少分を液化して
液化窒素として得るようにしたものである。尚、上記装
置と同一要素のものには同一符号を付して、その詳細な
説明は省略する。
【００１２】この窒素製造装置は、製品窒素ガスＰＮの
導管１０内の圧力を検出する圧力指示調節計１１の出力
を、精留塔４の底部から液化空気を導出する導管７に設
けた流量指示調節計１３に入力して液化空気導出量を調
節し、さらに、該精留塔４底部の液化空気量を、液面指
示調節計１４で検出して前記液化窒素弁６を制御し、液
化窒素ＬＮの導出量を調節するとともに、該検出値によ
り、前記膨張タ―ビン９のバイパス弁１５を制御して寒
冷発生量を調節し、精留塔４の底部に溜る液化空気ＬＡ
を所定の量に保つようにしている。
【００１３】即ち、この窒素製造装置は、製品窒素ガス
ＰＮの需要が少なくなり、導管１０内の圧力が高くなる
と、窒素ガス採取弁１２が絞られ、それに応じて流量指
示調節計１３が作動して液化空気弁８を開き、凝縮器５
に導入する液化空気ＬＡの量を多くして余剰分の窒素ガ
スＧＮを液化するようにしたもので、凝縮器５で液化し
た液化窒素ＬＮを液化窒素貯槽２０に貯留するようにし
たものである。
【００１４】しかしながら、上記装置では、装置の液化
ガス製造能力を超える液化ガス量は採取できず、さらに
製品窒素ガスの需要量が減少する場合は、空気圧縮機の
吐出量を制御し、あるいは大気放風を行う必要がある。 また、長期間にわたり、製品窒素ガスの需要量が減少す
る場合、液化窒素貯槽に採取した液化窒素が十分に溜ま
り、そのため、空気圧縮機の吐出量を制御し、あるいは
大気放風を行う必要がある。
【００１５】そして、このような窒素製造装置において
も、圧力指示調節計１１による流量指示調節計１３の制
御をさらに精度良く行うことが求めらている。また、膨
張タービン９の処理量も、より正確な制御が求められて
いる。
【００１６】そこで本発明は、製品窒素ガスの需要が減
少した場合の運転状態を、原料空気量を減量する減量運
転と、液化窒素を製造する振替え運転とに切換えて、動
力費の無駄や過剰な液化窒素の採取を無くすことができ
る窒素製造装置及びその制御方法を提供することを目的
としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明の窒素製造装置の第１の構成は、原料空気
を圧縮，精製，冷却して精留塔に導入し、液化精留分離
を行い窒素ガス及び／又は液化窒素を製造する窒素製造
装置において、製品窒素ガスの需要変動によって生じる
原料空気吐出管内の圧力変化により作動して圧縮機の吸
入量を制御する吸入量制御手段と、製品窒素ガスの圧力
を検出して製品供給量を制御する手段と、該製品窒素ガ
スの流量を測定する窒素流量検出器と、該窒素流量検出
器の測定値に応じて精留塔下部から導出して凝縮器で窒
素ガスと熱交換する液化空気の抜出し量を制御する液化
空気流量制御手段とを備えていることを特徴とし、また
、第２の構成は、製品窒素ガスの需要変動によって生じ
る原料空気吐出管内の圧力変化により作動して圧縮機の
吸入量を制御する吸入量制御手段と、製品窒素ガスの圧
力を検出して製品供給量を制御する手段と、該製品窒素
ガスの流量を測定する窒素流量検出器と、該窒素流量検
出器の測定値に応じて精留塔下部から導出して凝縮器で
窒素ガスと熱交換する液化空気の抜出し量を制御する液
化空気流量制御手段と、該液化空気流量制御手段により
制御された液化空気の流量に応じて膨張タービンに導入
するタービン流体量を制御するタービンバイパス弁とを
備え、前記原料空気吐出管内の流量があらかじめ設定さ
れた値となったときに、前記窒素流量検出器からの信号
が前記液化空気流量制御手段を作動させるよう構成され
ていることを特徴としている。
【００１８】さらに、本発明の窒素製造装置の制御方法
の第１の構成は、原料空気を圧縮，精製，冷却して精留
塔に導入し、液化精留分離を行い窒素ガス及び／又は液
化窒素を製造する方法において、製品窒素ガスの需要変
動によって該製品窒素ガスの圧力の変化を検出して、製
品供給弁を開閉するとともに、該製品窒素ガスの流量を
検出して、その検出値に基づき精留塔底部より凝縮器へ
導入する液化空気量及び／又は膨張タービンに導入する
タービン流体量を制御することを特徴とし、また、第２
の構成は、製品窒素ガスの需要量が減少したときの余剰
の窒素ガスを液化し、該液化窒素を貯槽に貯留する系統
と、窒素ガスの需要量が減少したときの系内の圧力変化
に応じて圧縮機の吸入量及び／又は吐出量を制御する系
統とを設け、前記製品窒素ガスの需要量が減少したとき
に、製品窒素ガスの流量を検出するとともに、前記貯槽
内の液化窒素量を検出し、流量変動と貯槽内の液化窒素
量とから前記余剰の窒素ガスを液化して貯留する系統と
圧縮機の吸入量及び／又は吐出量を制御する系統のいず
れか一方を優先的に作動させることを特徴としている。
【００１９】
【作　　用】上記構成によれば、製品窒素ガスの需要減
少が、圧縮機の吸入量調節で賄える間は圧縮機の吸入空
気量を減少させる減量運転を行い、これよりも製品窒素
ガスの需要が減少したときには、圧縮機の吸入空気量を
そのままとし、かつ放出すること無く、原料空気余剰分
を液化窒素とする振替え運転を行えるので、圧縮空気の
放出や過剰な液化窒素の生産を行うこと無く、効率の良
い減量運転を行うことができる。また、製品窒素ガスの
需要変動に対応してプロセス系内の制御を正確に行うこ
とができる。
【００２０】
【実施例】以下、本発明を、図１に示す一実施例に基づ
いて、さらに詳細に説明する。尚、前記従来例と同一要
素のものには同一符号を付して、その詳細な説明は省略
する。
【００２１】この窒素製造装置は、前記図２に示した窒
素製造装置に、減量運転制御用として、製品窒素ガスＰ
Ｎの流量を測定する窒素流量検出器（流量演算器ＦＹ）
２１と、液化空気流量制御手段で、前記流量演算器２１
からの信号及び／又は後記する貯槽液面指示調節計から
の信号により作動する流量指示調節計１３と、該流量指
示調節計１３により制御された液化空気の流量を演算し
、該演算結果に基づいてタービンバイパス弁１５を制御
する流量演算器２２と、液化窒素貯槽２０内の液化窒素
量を検出する液面指示調節計２３を設け、これらと、前
述の圧縮機１における圧力指示調節計１７と流量指示調
節計１９、精留塔４底部の液化空気ＬＡの液面を計測し
て液化窒素弁６を制御する液面指示調節計１４、前記流
量指示調節計１３、製品窒素ガスＰＮの導管１０の圧力
を検出して製品供給弁１２の開度を制御する圧力指示調
節計１１とにより、製品窒素ガスＰＮの需要変動に対応
した制御を行うようにしたものである。
【００２２】製品窒素ガスＰＮの需要量が減少して導管
１０内の圧力が高まると、圧力指示調節計１１が作動し
て製品供給弁１２を絞り、製品流量を少なくするととも
に系内の圧力を最適な状態に保持する。即ち、製品窒素
ガス系の圧力上昇に伴う原料空気供給系の圧力上昇を圧
力指示調節計１７が検出してガイドベーン１６を絞り、
原料空気供給量を製品需要に見合うように減らし、かつ
系内の運転圧力を保持するようにする。このとき、流量
演算器２１からの信号により流量指示調節計１３が作動
して液化空気弁８及びタービンバイパス弁１５を開閉し
、系内のバランスを制御する。
【００２３】製品窒素ガスＰＮの需要量がさらに減少し
、導管１０内の流量が少なくなり、該流量に対応する原
料空気供給量が圧縮機１のサージラインに近付くと、流
量演算器２１がこれを検出して流量指示調節計１３に信
号を送り、液化空気弁８を開いて精留塔４からの液化空
気の導出量を多くするとともに、該信号に連動して流量
演算器２２がバイパス弁１５を絞って膨張タービン９の
処理量を増すようにする。即ち、凝縮器５に導入する液
化空気量を増大させて該凝縮器５で製品として余剰の窒
素ガスを液化するとともに、膨張タービン９の処理量を
増大させて窒素ガス液化量増大に見合う寒冷量を発生さ
せ、さらに精留塔底部の液化空気量に対応して液面指示
調節計１４が液化窒素弁６を開き、生成した液化窒素を
液化窒素貯槽等に取り出す。
【００２４】上記のように、圧縮機１の吸入量制御で減
量運転が賄える間は、圧縮機１の吐出量を制御して製品
減量に対応し、製品窒素ガスＰＮの需要減少量が圧縮機
１の吸入量制御で賄えなくなったときに、圧縮空気の放
出を行うことなく吐出量をその状態に保ちながら、余剰
窒素ガスを液化するようにして製品減量に対応するよう
にすることにより、圧縮空気放出による圧縮機１の無駄
な運転や、過剰の液化窒素製造という無駄を無くすこと
ができ、製品窒素ガスの動力原単位を低減することがで
きる。
【００２５】なお、上記液化窒素振替え運転中に、さら
に製品窒素ガスの需要が減少した場合には、従来と同様
に流量指示調節計１９が作動し、放出弁１８を開いて圧
縮空気の放出を開始するので、より広い変動幅に対応す
ることが可能である。
【００２６】また、液化窒素貯槽２０の液化窒素量を液
面指示調節計２３で検出して、該液化窒素量が少ない場
合や、液化窒素の需要が見込まれる場合には、該液面指
示調節計２３の信号と、前記流量演算器２１による製品
窒素ガス量の減少信号とに基づいて流量指示調節計１３
が作動し、凝縮器５に導入する液化空気量を多くし、上
記圧縮機１による減量運転を行わずに、製品窒素ガスの
需要低下と同時に液化窒素振替え運転を開始することに
より、液化窒素の貯留を行うことができる。
【００２７】次に、具体的な数値を挙げて説明する。
【００２８】例えば、原料空気（Ａ）３０００Ｎｍ３　
／ｈを、圧縮機１で８．５ｋｇ／ｃｍ２　Ｇまで昇圧し
、吸着除去設備２，熱交換器３ａ，３ｂを介して精製冷
却した後、精留塔４底部に導入する。この原料空気は、
前述のように、精留されて精留塔４上部の窒素ガスＧＮ
と下部の液化空気ＬＡとに分離する。
【００２９】精留塔４上部の窒素ガスＧＮは、その一部
が凝縮器５で凝縮して精留塔４の還流液となり、残りの
窒素ガス１２００Ｎｍ３　／ｈが、熱交換器３ａ，３ｂ
，導管１０，製品供給弁１２を経て製品窒素ガスＰＮと
して採取される。このとき液化窒素ＬＮの採取量は零で
あり、製品窒素ガスＰＮは最大採取量となっている。
【００３０】一方、精留塔４下部の液化空気ＬＡは、液
化空気弁８で流量を調節されて導管７に導出され、凝縮
器５で前記窒素ガスと熱交換して気化し、排ガスＷとな
って熱交換器３ｂに導入され、一部が分岐して膨張タ―
ビン９を経て再び合流した後、熱交換器３ａを経て排出
される。
【００３１】ここで製品窒素ガスの需要量が７５０Ｎｍ
３　／ｈに減少（−４５０Ｎｍ３　／ｈ）した場合、ま
ず、液化窒素が不要なときには、圧縮機１の原料空気吐
出管１ａ内の圧力上昇を圧力指示調節計１７が検出して
ガイドベーン１６を閉じ、原料空気量を４５０Ｎｍ３　
／ｈ減らして２５５０Ｎｍ３　／ｈにする。一方、液化
窒素を必要とするときには、原料空気量を３０００Ｎｍ
３　／ｈとしたまま、凝縮器５に導入する液化空気量を
多くして余剰分の窒素ガスを液化するとともに、膨張タ
ービン９の処理流体量を増すことにより、液化した窒素
ガスの一部の１２０Ｎｍ３　／ｈを液化窒素として取り
出すことができる。なお、前記図３に示した装置では、
液化窒素が不要の場合でも１２０Ｎｍ３　／ｈの液化窒
素が生成するため、これに対応する貯留設備などを設け
ておく必要がある。
【００３２】さらに製品窒素ガスの需要量が６００Ｎｍ
３　／ｈに減少した場合、余剰となる窒素ガス１５０Ｎ
ｍ３　／ｈ相当分を液化窒素として抜き出さないと、こ
れに相当する圧縮空気を放出しなければならないが、上
記のように凝縮器導入液化空気量及び膨張タービン処理
流体量を増して４０Ｎｍ３　／ｈの液化窒素を抜き出す
ことにより、圧縮空気を放出することなく運転を行うこ
とができる。なお、圧縮機をこれ以上減量運転して吐出
量を２５５０Ｎｍ３　／ｈ以下にすると、サージングが
発生して安定運転を行えなくなる。
【００３３】例えば、製品窒素ガスの需要量が零になっ
た場合、図２に示した装置では、製品窒素ガスの放出を
行う必要が出てくるが、本実施例装置の場合は、２００
Ｎｍ３　／ｈの液化窒素を抜き出すことにより、圧縮空
気を放出することなく安定運転を継続することができる
。 また、図３の装置では、同様に約２００Ｎｍ３　／ｈの
液化窒素を抜き出すことになるが、それ以上は放出しな
ければならない。
【００３４】即ち、装置各部を略同じ条件で設計した場
合、図２に示す装置では、製品窒素ガスの需要量が７５
０Ｎｍ３　／ｈ以下になると圧縮空気の放出による動力
費の無駄を生じ、図３に示す装置では、本実施例よりも
減量に対する対応可能の幅が狭い。
【００３５】一方、本発明においては、製品窒素ガスの
需要量が３０００Ｎｍ３　／ｈから零まで需要変動に対
して幅広く対応でき、しかも減量運転の初期には液化窒
素採取の有無の選択も可能であり、様々な運転状況に対
応して幅広く安定運転を行うことが可能である。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
窒素製造装置における製品窒素ガスの幅広い需要変動に
無駄無く対応でき、運転コストの低減が図れる。
【００３７】また、製品窒素の流量を検出して各部を制
御するので、圧力制御のみの場合に比べて正確性に優れ
、安定運転を行うことができ、運転条件の変化の対応に
際して純度低下等のトラブル発生の心配がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】　　本発明の一実施例を示す窒素製造装置の系
統図である。
【図２】　　従来の窒素製造装置の一例を示す系統図で
ある。
【図３】　　従来の窒素製造装置の他の例を示す系統図
である。
【符号の説明】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　原料空気を圧縮，精製，冷却して精留
    塔に導入し、液化精留分離を行い窒素ガス及び／又は液
    化窒素を製造する窒素製造装置において、製品窒素ガス
    の需要変動によって生じる原料空気吐出管内の圧力変化
    により作動して圧縮機の吸入量を制御する吸入量制御手
    段と、製品窒素ガスの圧力を検出して製品供給量を制御
    する手段と、該製品窒素ガスの流量を測定する窒素流量
    検出器と、該窒素流量検出器の測定値に応じて精留塔下
    部から導出して凝縮器で窒素ガスと熱交換する液化空気
    の抜出し量を制御する液化空気流量制御手段とを備えて
    いることを特徴とする窒素製造装置。
  2. 【請求項２】　　原料空気を圧縮，精製，冷却して精留
    塔に導入し、液化精留分離を行い窒素ガス及び／又は液
    化窒素を製造する窒素製造装置において、製品窒素ガス
    の需要変動によって生じる原料空気吐出管内の圧力変化
    により作動して圧縮機の吸入量を制御する吸入量制御手
    段と、製品窒素ガスの圧力を検出して製品供給量を制御
    する手段と、該製品窒素ガスの流量を測定する窒素流量
    検出器と、該窒素流量検出器の測定値に応じて精留塔下
    部から導出して凝縮器で窒素ガスと熱交換する液化空気
    の抜出し量を制御する液化空気流量制御手段と、該液化
    空気流量制御手段により制御された液化空気の流量に応
    じて膨張タービンに導入するタービン流体量を制御する
    タービンバイパス弁とを備え、前記原料空気吐出管内の
    流量があらかじめ設定された値となったときに、前記窒
    素流量検出器からの信号が前記液化空気流量制御手段を
    作動させるよう構成されていることを特徴とする窒素製
    造装置。
  3. 【請求項３】　　原料空気を圧縮，精製，冷却して精留
    塔に導入し、液化精留分離を行い窒素ガス及び／又は液
    化窒素を製造する方法において、製品窒素ガスの需要変
    動によって該製品窒素ガスの圧力の変化を検出して、製
    品供給弁を開閉するとともに、該製品窒素ガスの流量を
    検出して、その検出値に基づき精留塔底部より凝縮器へ
    導入する液化空気量及び／又は膨張タービンに導入する
    タービン流体量を制御することを特徴とする窒素製造装
    置の制御方法。
  4. 【請求項４】　　原料空気を圧縮，精製，冷却して精留
    塔に導入し、液化精留分離を行い窒素ガス及び／又は液
    化窒素を製造する窒素製造装置の制御方法において、製
    品窒素ガスの需要量が減少したときの余剰の窒素ガスを
    液化し、該液化窒素を貯槽に貯留する系統と、窒素ガス
    の需要量が減少したときの系内の圧力変化に応じて圧縮
    機の吸入量及び／又は吐出量を制御する系統とを設け、
    前記製品窒素ガスの需要量が減少したときに、製品窒素
    ガスの流量を検出するとともに、前記貯槽内の液化窒素
    量を検出し、流量変動と貯槽内の液化窒素量とから前記
    余剰の窒素ガスを液化して貯留する系統と圧縮機の吸入
    量及び／又は吐出量を制御する系統のいずれか一方を優
    先的に作動させることを特徴とする窒素製造装置の制御
    方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110015639A (zh) * 2018-01-10 2019-07-16 欧姆龙健康医疗(中国)有限公司 制氧机
JP2024123964A (ja) * 2023-03-02 2024-09-12 大陽日酸株式会社 空気分離装置及び空気分離方法

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