JPS5832401B2 - 空気分離装置の運転制御方法 - Google Patents

空気分離装置の運転制御方法

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JPS5832401B2
JPS5832401B2 JP51119534A JP11953476A JPS5832401B2 JP S5832401 B2 JPS5832401 B2 JP S5832401B2 JP 51119534 A JP51119534 A JP 51119534A JP 11953476 A JP11953476 A JP 11953476A JP S5832401 B2 JPS5832401 B2 JP S5832401B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気分離装置の製品酸素、製品窒素の消費量の
変動によって空気分離装置の操業変更を自動的に行なう
運転制御方法を提示したものである。
空気分離装置の操業は従来入手作業で行なわれており、
消費量の変動に追従した製品酸素、製品窒素の発生量の
変更等の操業変更についても人手により行なわれていた
。
空気分離装置は装置全体が大規模で熱容量、（Ｍａｓｓ
）容量が大きいために成る定常状態から別の定常状態
へと運転状態を推移さすいわゆる操業変更には長時間を
要し、しかも操業変更中といえども製品酸素、製品窒素
はそのま３消費側に送られるために一瞬でも品質の悪い
製品を送れない等の要件があるために人手運転では消費
量の変化に追従した製品発生量の変更を行なう経済運転
が困難な状態であった。
空気分離装置の概要を第１図のフロー系統図について説
明すると、空気圧縮機１によって供給された原料空気は
複数個の切替式熱交換器２，３（図では２個のみ図示）
を通って一１７０℃程度に冷却され、精溜塔４の下塔５
に入る。
精溜塔下塔５に入った空気は予備精溜され、下塔５の下
部６に４０％０２純度程度の液体空気が溜まる。
下塔５の上部には窒素ガスが溜まり、この窒素ガスを下
塔５の外側に取出して主コンデンサ（図示せず）によっ
て冷却され液体窒素となって再び下塔５に導かれ分配槽
γに溜められる。
下塔５の下部６の液体空気（４０％０２）および下塔５
の中間部３より取出された９６％程度の窒素純度ガス、
分配槽７の液体窒素などは精溜塔４の上塔９に導かれ、
更に精溜され、上塔の頂部１０には９９．９９９％程晩
の窒素ガスが溜まり、上塔９の底部１１には９９．６％
の液体酸素が溜まる。
９９．９９９％程蜜の窒素ガスは上塔９の頂部１０より
取出され、切替式熱交換器３，２に導かれ、また９９．
６％酸素ガスは上塔９の底部のすぐ上より取出され、同
様に切替式熱交換器３，２に導かれて原料空気を冷却す
る。
原料空気は前記のように精溜塔４で分離された窒素、酸
素を冷媒として切替式熱交換器２，３により冷却される
のであるが、後述の原料空気中のＣＯ２，Ｈ２Ｏなどに
よる熱交換器２，３の閉そくを防止するためには原料空
気と冷媒の窒素、酸素の温度差が約４℃程度に保つ必要
がある。
このために精溜塔４の下塔５の中間部１２より空気を一
部抽出する。
この抽出ガスを切替式熱交換器３に全量または一部分を
導いて前記の熱交換器の効率の良い温度差になるように
調節する。
切替式熱交換器３を出た抽出ガスは膨張タービン１３に
導かれ、外部熱力学的仕事（断熱膨張）をして空気分離
装置に必要な寒冷を発生して、精溜塔４の上塔９の上部
１４よりの９９．９９％程変の窒素ガスに混合され切替
式熱交換器３，２を通って原料空気を熱交換により冷却
して廃窒素ガスとして大気中に放出される。
切替式熱交換器２，３の原料空気中のＣＯ□。
Ｈ２Ｏ，ＣＯなどの不純物が空気流路である管壁に付着
し、この１ヌでは空気流路が閉そくすωで、前記廃窒素
ガスの流路と空気流路とを定期的に切替える。
切替られると管壁に付着した前記ＣＯ２゜Ｈ２Ｏ，ＣＯ
などは廃窒素ガス中に伴なわれて大気中に放出されるの
である。
空気分離装置において自動的に操業変更を行なうために
はつぎの条件を満足する必要がある。
（ａ） 操業変更中といえども連続して製品酸素、製
品窒素は消費者側に送られるので、−瞬たりとも品質の
悪い製品を出してはならない。
（ｂ） 制御パラメータの不適当又は装置の経年変化
による特性の変化に対しても影響を受けないこと。
（Ｃ） 操業変更が不可能な場合には操業変更異状と
して検出できること。
（ｄ） 操業変更終了を的確に早く検出できること。
以上の条件をすべて満足しないと運転制御方法として安
心して使用することはできない。
本発明の運転制御方法は（ａ）〜（ｄ）の条件をすべて
満足するように発明されたものであり、その発明をつぎ
に示す。
■ 空気分離装置は原料である空気を液化し、沸点の差
を利用して酸素と窒素に分離するものであるが、プロセ
スの運転状態を表わす指標として原料空気流量と製品酸
素ガス流量との比がある。
原料空気流量と製品酸素ガス流量の比はｌＮｍ３／ｈｒ
の酸素を製造するのにいくらの空気（Ｎｍ３／ｈｒ）が
必要であるかを示すもので、原料空気流量と製品酸素ガ
ス流量の比が小さい程運転効率が良いことを表わしヒる
。
原料空気流量と製品酸素ガス流量の比が大きい場合には
運転効率は悪いが、必要発生量に対し、必要以上の原料
空気を使用しているので、空気分離プロセスからみれば
必要以上に安定な状態であり、プロセスの外乱に対して
は強い状態である。
本発明の運転制御方法も前記原料空気流量と製品酸素ガ
ス流量の比に注目し、操業変更に入った場合には先づ原
料空気流量と製品酸素ガス流量の比が大きくなるように
操作して、プロセスを必要以上に安定な状態となし、最
後に原料空気流量と製品酸素ガス流量の比が小さくなる
方向に働く操作量を操作して順次この比を小さくし、正
規の値にもどすようにした。
上記操作により空気分離プロセスは外乱に対し常に安定
な状態のもとで操業変更が推移し、操業変更中と言えど
も製品酸素、製品窒素の品質が低下することはない。
■ 操業変更終了直後はまだ不安定な状態にあるので、
プロセスが安定するのを待つために操業変更に基づいた
操業変更禁止時間を設けて、操業変更後、操業変更禁止
時間が経過しない間は、次回の操業変更を受けつけない
ようにする。
■ 操業変更に入ると前述のように先ず原料空気流量と
製品酸素ガス流量の比が大きくなるように操作し、最後
に原料空気流量と製品酸素ガス流量の比が小さくなる方
向に働く操作量を操作するのであるが、最後の原料空気
流量と製品酸素ガス流量の比が小さくなる方向に働く操
作量を操作するに当っては空気分離プロセスの指示計、
制御ループが全て正常な状態のときにのみ原料空気流量
と製品酸素ガス流量の比が小さくなる方向に操作し、指
示計、制御ループのいずれか一つでも異状の場合にはそ
の操作を一時停止して、すべての指示計および制御ルー
プが正常にもどるまで現状の状態に保持してプロセスの
安定を待ち、正常に回復後再度操作を続行する。
■ 操業変更終了は最後に残された原料空気流量と製品
酸素ガス流量との比を小さくする方向に働く操作量が規
定値まで操作が終了したことで判定し、検出する。
■ 操作変更の異状は操業変更に対応した操業変更許容
時間なるものを設け、該当する操業変更許容時間が経過
しても操業変更終了にならないことで検出する。
以上の〜■の発明内容に基づいて空気分離装置の運転制
御方法が構成されている。
つぎに本発明の空気分離装置の運転制御方法における製
品酸素、製品窒素の増量および減量運転を実施例によっ
て具体的に説明する。
第２図は増量運転における操業パターンを示す。
操業変更目標値が示されると過去の実績に基づいて必要
な原料空気量、精溜塔の下塔の空気還流流量（第１図、
１５の流量）、液体窒素還流流量（第１図、２５の流量
）、膨張タービン流量（第１図、１３の流量）、製品酸
素、窒素流量（第１図１６，１７の流量）を求める。
増量の操業パターンはこれらの必要な流量とむだ時間り
および時定数Ｔによって構成されている。
それぞれむだ時間りおよび時定数Ｔを決めることにより
製品酸素、製品窒素の純度を良くする方向から操業変更
を開始することができる。
つまり操業変更を開始すると同時に順次操作が始まる順
にむだ時間りを大きくしている。
第３図は減量運転における操業パターンを示す。
むだ時間りは第２図の増量運転における操業パターンと
異なり製品酸素、窒素流量のむだ時間りが最初に操作す
るため最も短かく、原料空気流量のむだ時間りが最後に
操作するために最も長くなっている。
これは前述のごとく操業変更に当ってまず最初に原料空
気流量と製品酸素ガス流量の比を大きくしてプロセスの
外乱に対して安定な状態にするためである。
第４図は制御演算器を用いて空気分離装置の運転制御方
法における原料空気流量制御演算器のフロー系統図であ
る。
１８は製品酸素、製品窒素の生産目標値が与えられ、こ
れによって必要な原料空気流量が計算される流量計算器
である。
１９は生産増量の時の操業パターンをむだ時間りおよび
時定数Ｔで表わす増量操業パターン制御計算器である。
２０は生産減量の時の操業パターンをむだ時間りおよび
時定数Ｔで表わす減量操業パターン制御計算器である。
２１は生産増量の場合はスイッチ１．生産減量の場合は
スイッチを２．定常運転の場合はスイッチを３にする切
替スイッチである。
２２は必要原料空気流量の計算器１８によって与えられ
る必要原料空気流量と実際の原料空気流量とを比較して
操業変更が終了したかどうかを判定する操業変更監視装
置である。
２３は切替スイッチ２１を介して増量、減量の操業パタ
ーンによる制御計算器１９．２０よりの設定値により流
量制御弁２４を作動制御する原料空気の流量制御器であ
る。
空気分離装置の操業変更する場合は操作員は操業変更に
よる生産目標値を流量計算器１８に指定する。
流量計算器１８では前回指定された生産目標値を覚えて
いるので、前回と今回の生産目標値を比較して増量か、
減量かの判断をすることができ、切替スイッチ２１をそ
れぞれに相当する位置に切替えると共に生産目標値より
過去の操業実績に基づいて必要な原料空気流量を計算し
、操業変更監視装置２２を介して、増量操業パターン制
御計算器１９と減量操業パターン制御計算器２０に指示
し、生産増量の場合は増量操業パターン制御計算器１９
でむだ時間りおよび時定数Ｔよりなる操業パターンから
原料空気流量を計算し、その設定値を切替スイッチ１，
２１を介して原料空気の流量制御器２３に指示する。
原料空気の流量制御器２３は、この設定値により制御弁
２４を作動制御し、原料空気流量の増量を行なう。
また生産減量の場合は減量操業パターン制御計算器２０
でむだ時間りおよび時定数Ｔよりなる操業パターンから
原料空気流量を計算し、その設定値を切替スイッチ２，
２１を介して原料空気の流量制御器２３に指示する。
原料空気の流量制御器２３はこの設定値により制御弁２
４を作動制御し、原料空気の流量を減量する。
なお操業変更監視装置２２は流量計算器１８から与えら
れる必要原料空気流量と流量制御器２３よりフィードバ
ックされる設定値とを常時比較し、設定値が必要原料空
気量に到達したことで判定し、検出する。
以上は原料空気流量の増量又は減量についてその構成お
よび作用について説明したが、第２図、第３図の操業パ
ターンに示される空気還流流量、液体窒素還流流量、膨
張タービン流量、製品酸素、窒素流量などの各々の増量
、減量についても第４図と同じ構成および作用であるの
で実施例の説明を省略する。
空気分離装置の操業変更は製品酸素、製品窒素の増量運
転の場合は第２図に示すように原料空気流量、空気還流
流量、液体窒素還流流量、膨張タービン流量、製品酸素
、窒素流量等を順次増量して、又減量運転の場合は第３
図に示すように製品酸素、窒素流量、空気還流流量、液
体窒素還流流量、膨張タービン流量、原料空気流量等を
順次減量して操業変更を終了するが、操業変更中に空気
分離装置に設けられている製品酸素、窒素純度計、精溜
塔上塔の圧力計などの指示計および液体空気液口、液体
酸素液面などの制御ループがすべて正常な場合のみ増量
、減量運転を行ない、異常な場合には増量操業パターン
制御計算器１９、減量操業パターン制御計算器２０にお
ける操業パターンの計算を一時休止して、正常に回復後
再開するようにする。
このため増量操業パターン制御計算器１９、減量操業パ
ターン制御計算器２０には他の指示計および制御ループ
に異状があればその指示信号により操業パターンの計算
を一時体止し、正常に回復すれば操業パターンの計算を
再開するような制御機構を具備している。
又、操業変更監視装置２２には前記の操業変更許容時間
および操業変更禁止時間を検出するためにタイマと警報
装置を内蔵している。
操業変更において製品酸素、製品窒素の純度などのチェ
ックを受けながら増量又は減量が行なわれるが、操業変
更許容時間内に操業変更の目標値に到達すれば直ちにタ
イマによりカウントが開始され、操業変更禁止時間が完
了すれば警報装置により操作員に知らせる。
この警報より次回の操業変更が実施できる状態になる。
なお操業変更許容時間が経過しても操業変更目標値に到
達しない場合には警報装置により操業変更異状を知らせ
ると共に、この時の状態で操業変更を完了とし、直ちに
タイマによりカウントが開始され操業変更禁止時間に入
る。
この場合操業変更異状が発生したといっても単に操業変
更の目標値まで生産量が変更完了しなかったことのみを
意味し、操業変更中に品質の悪い製品を発生したことを
意味しない。
このことは装置の経年変化や季節による影響があっても
品質の悪い製品を出すことなしに操業変更異状として検
出でき、操作員は安心して、自動操業変更を行なえるこ
とを意味している。
本発明は製品酸素、製品窒素の増量又は減量を行なう空
気分離装置の運転制御方法において、空気分離装置のす
べての指示計および制御ループに異状が発生した場合に
は正常な状態になるまで操業変更を一時中止すると共に
操業変更許容時間および操業変更禁止時間を設けて空気
分離装置の自動操業変更を行なう方法にしたことにより
つぎに示す利点を有する。
（１）製品酸素、製品窒素の消費量の変化に追述した空
気分離装置の経済運転ができる。
（２）品質の悪い製品酸素、製品窒素を出さない。
（３）操業変更異状、操業変更完了の判定、検出が自動
的に行なえるので、操作員は安心して自動操業変更を行
なうことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は空気分離装置のフロー系統図、第２図は増量運
転における操業パターン図、第３図は減量運転における
操業パターン図、第４図は本発明による原料空気流量制
御演算器のフロー系統図である。 １８は流量計算器、１９は増量操業パターン制御計算器
、２０は減量操業パターン制御計算器、２２は操業変更
監視装置、２３は流量制御器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 空気分離装置における製品ガスの定常運転から増量
    又は減量運転への移行を目的とする運転制御方法におい
    て、増量運転へ移行させる場合として、増量運転開始時
    にまず原料空気流量と製品ガス流量の比を一旦設定目標
    値まで相対的に十分大きくし、次いで液体空気還流流量
    、液体窒素還流流量、膨張タービン流量、製品ガス流量
    を各設定目標値に達するまで順次増量し、最後に原料空
    気流量と製品ガス流量の比を製品ガス流量設定目標値に
    対応する正規の値まで小さくして新たな定常運転状態と
    する操業変更操作を行なう一方、減量運転へ移行させる
    場合として、減量運転開始時にまず原料空気流量と製品
    ガス流量の比を一旦設定目標値まで相対的に十分大きく
    し、次いで製品ガス流量、液体空気還流流量、液体窒素
    還流流量、膨張タービン流量を各設定目標値に達するま
    で順次減量し、最後に原料空気流量と製品ガス流量の比
    を製品ガス流量設定目標値に対応する正規の値まで小さ
    くして新たな定常運転状態とする操業変更操作を行なう
    ことを特徴とする空気分離装置の運転制御方法。
JP51119534A 1976-10-04 1976-10-04 空気分離装置の運転制御方法 Expired JPS5832401B2 (ja)

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