專(zhuān)利名稱(chēng)：從低溫空氣分離體系中回收氧的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從優(yōu)選有級(jí)間冷凝器/重沸器的低溫空氣分離體系中以穩(wěn)定量和/或速率回收氧的方法。
在低溫溫度下，用慣常高低壓方法將空氣分離成氧和氮，先把空氣壓縮至約5-6個(gè)絕對(duì)大氣壓，然后再于彼此熱連結(jié)的高、低壓蒸餾塔中進(jìn)行精餾。高壓塔在相應(yīng)于進(jìn)料空氣壓力的超大氣壓下運(yùn)行，進(jìn)料空氣先在高壓塔中經(jīng)預(yù)分離成液體部分的粗氧和基本純的液氮。所得的此兩部分液體為所說(shuō)低壓蒸餾運(yùn)行構(gòu)成進(jìn)料部分和精餾回流液。
氮和氧的相對(duì)揮發(fā)度迫使氧聚集在該低壓蒸餾塔底部的貧化區(qū)，而氮?jiǎng)t聚集在此低壓蒸餾塔的頂部。
具體講，流體和蒸氣逆流接觸穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)塔，氧和氮間的蒸氣壓差使氮以蒸氣形式濃縮，氧則以流體形式濃縮。分離塔中壓力越低，由于較高的相對(duì)揮發(fā)度，也就越容易將空氣分成氧和氮。因此，一般在相當(dāng)?shù)偷膲毫ο?，通常僅在每平方英寸幾磅的表壓下最終分離為產(chǎn)品氧和氮。
為了恒定生產(chǎn)氧和氮，所以要求低溫空氣分離工藝的組合變量在整個(gè)生產(chǎn)循環(huán)中要保持恒定。然而，業(yè)已觀(guān)察到，引起任一組合變量偏差的波動(dòng)都足以改變工藝從而生產(chǎn)出劣質(zhì)氧和/或使生產(chǎn)速率降低。其結(jié)果是低溫空氣分離工藝運(yùn)行的效率低，所得產(chǎn)品氧質(zhì)量差，產(chǎn)品氧流量降低。
為了保證所產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量和工藝效率，需對(duì)所生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量及輸出速率經(jīng)常進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在輸出速率或產(chǎn)品質(zhì)量不符合要求時(shí)，一般需將如待氣化的流體這樣一類(lèi)的產(chǎn)品源進(jìn)行更換。這種辦法費(fèi)時(shí)費(fèi)事，所以不是解決該問(wèn)題的好辦法。
本發(fā)明的目的是提供一種基本上很少或不需更換產(chǎn)品源、又能連續(xù)生產(chǎn)具有所要純度的組分的低溫空氣分離方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種使用級(jí)間冷凝器/重沸器的低溫空氣分離方法，該冷凝器/重沸器是自動(dòng)監(jiān)控的，將所測(cè)數(shù)據(jù)同預(yù)先確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這樣該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)先確定的數(shù)據(jù)間的任何偏差均會(huì)產(chǎn)生一種控制信號(hào)，該信號(hào)可用于調(diào)節(jié)該體系中的輸入和/或輸出物料中的至少一種物料，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量和/或供料速率又重新回到所要求的水平。
本發(fā)明的再一目的是提供一種從低溫空氣分離體系中連續(xù)生產(chǎn)氧和氮的成本低且易于操作的方法。
閱讀本說(shuō)明書(shū)和附圖后即會(huì)清楚地知道上述目的和其他目的。
本發(fā)明涉及一種使用至少一個(gè)蒸餾塔對(duì)空氣進(jìn)行低溫分離以生產(chǎn)氧和氮的方法，所說(shuō)方法包括下述步驟(a)將含氧流體，優(yōu)選富氧流體和含氮流體，優(yōu)選富氮流體中的至少一種物料送入所說(shuō)蒸餾塔，據(jù)此使所說(shuō)流體分離成富氮蒸氣和富氧液體；(b)將低溫流體送入冷凝器/重沸器裝置，優(yōu)選將該裝置設(shè)于塔的底部，其中，該低溫流體與塔中的流體相隔離，該低溫流體用于在所說(shuō)塔中提供回流液或分級(jí)蒸氣，以生產(chǎn)上行到塔頂部的富氮蒸氣和靠重力下降到塔底部的富氧流體；(c)從塔底排出所需氧純度的富氧產(chǎn)品和從塔頂排出富氮產(chǎn)品；(d)選定輸入處、輸出處或所說(shuō)冷凝器/重沸器裝置內(nèi)的組合變量和所說(shuō)塔中對(duì)工藝變化呈現(xiàn)出十分敏感的至少一個(gè)區(qū)域內(nèi)的組合變量間相互關(guān)系的預(yù)定值，這樣，所說(shuō)關(guān)系將生產(chǎn)出具有所要純度水平的輸出產(chǎn)品；和(e)測(cè)定輸入處、輸出處或所說(shuō)冷凝器/重沸器裝置內(nèi)的組合變量和所說(shuō)塔內(nèi)至少一個(gè)區(qū)域內(nèi)的組合變量，把這些數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系同(d)步的預(yù)定值進(jìn)行比較，其間一旦有偏差便產(chǎn)生命令信號(hào)，使該體系中輸入或輸出物料中的至少一種供料改變，直至測(cè)定值和(d)步中的預(yù)定值相同，從而確保在所要求純度的水平下連續(xù)生產(chǎn)出輸出產(chǎn)品。
所說(shuō)蒸餾塔應(yīng)優(yōu)選設(shè)有位于塔頂部和供給富氧流體的中間區(qū)域之間的第二中間冷凝器/重沸器裝置。該中間冷凝器/重沸器將使該塔中的下行液體進(jìn)行潛熱交換，這樣，此部分液體便氣化并作為中間氣提蒸氣。
本發(fā)明方法優(yōu)選在慣常雙塔體系中進(jìn)行，其中將進(jìn)料空氣送入壓力較高的塔，在該高壓塔中將該進(jìn)料空氣分離為富氮蒸氣和富氧液體。然后使富氮蒸氣冷凝，隨后按上述方法把富氮液體和富氧液體送入低壓塔，再于該塔中，按所要求純度水平分離成富氮蒸氣和富氧流體。如使用雙塔體系，則可將中間冷凝器/重沸器裝置設(shè)于高壓塔中，并在此塔中測(cè)定輸入或輸出處的組合變量。
在本說(shuō)明書(shū)中和權(quán)利要求中術(shù)語(yǔ)“塔”意為蒸餾或分餾塔或區(qū)，即液相和蒸氣相于其中逆流接觸，以對(duì)流體混合物進(jìn)行有效分離的接觸塔或區(qū)，如使蒸氣相或液相在串聯(lián)或垂直設(shè)置于該塔內(nèi)的塔盤(pán)或塔板上或在填充件上進(jìn)行接觸而達(dá)到分離的塔或區(qū)。關(guān)于蒸餾塔的進(jìn)一步討論參見(jiàn)B.D.Smith，等人“Distillation”第13-3頁(yè)，連續(xù)蒸餾工藝，紐約R.H.perry和C.H.Chilton，McGraw-Hill Book公司編輯，化學(xué)工程師手冊(cè)，第5版，第13節(jié)。術(shù)語(yǔ)“雙塔”意指其上端同低壓塔的下端有熱交換關(guān)系的高壓塔。關(guān)于雙塔的進(jìn)一步討論參見(jiàn)Ruheman，″The Separation of Gases″，牛津大學(xué)出版社，1949，第7章，商業(yè)空氣分離。
蒸氣和流體接觸的分離工藝取決于這些組分間的蒸氣壓差，蒸氣壓高的組分(或較易揮發(fā)或低沸點(diǎn)組分)濃縮于蒸氣相中，而蒸氣壓低的組分(或較不易揮發(fā)或高沸點(diǎn)組分)則濃縮于液相中。蒸餾是一借助對(duì)流體混合物進(jìn)行加熱使揮發(fā)性組分濃縮于蒸氣相中，揮發(fā)性較差的組分濃縮于液相中的分離工藝。部分冷凝是一對(duì)蒸氣混合物進(jìn)行冷卻使揮發(fā)性組分濃縮于蒸氣相中，揮發(fā)性較差的組分濃縮于液相中的分離工藝。精餾或連續(xù)蒸餾是一通過(guò)對(duì)蒸氣相和液相逆流處理，而同時(shí)進(jìn)行多次部分氣化和部分冷凝的分離工藝。蒸氣相和液相的逆流接觸是絕熱的。這包括兩相間的積分或微分接觸。利用精餾原理分離混合物的分離工藝設(shè)備，常常可互換地稱(chēng)作精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。
至于其中所用術(shù)語(yǔ)“冷凝器/重沸器”意為蒸氣于其中借助與氣化塔底進(jìn)行間接熱交換被冷凝，以提供塔蒸氣上流的熱交換裝置。
術(shù)語(yǔ)“間接熱交換”意為使兩流體間彼此無(wú)任何物理接觸或相互混合所進(jìn)行的熱交換。
至于其中所用術(shù)語(yǔ)“填充料”意指用作塔內(nèi)填物的為所說(shuō)流體在兩相逆流流動(dòng)期間，在液-氣界面進(jìn)行傳質(zhì)提供表面的預(yù)定結(jié)構(gòu)、大小、形狀的任何實(shí)心或空心體。
在冷凝器/重沸器裝置輸入或輸出處所測(cè)的組合變量為溫度、壓力、氧含量、氮含量、氬含量等。用于冷凝器/重沸器裝置的低溫流體可以是氮、空氣、氬或可在液氧貯槽中冷凝的任何流體。該冷凝器/重沸器裝置為潛熱交換器，所以這些裝置的組合變量會(huì)影響該體系的運(yùn)行?？稍谡麴s塔中選定的區(qū)域，優(yōu)選對(duì)該體系工藝變化特別敏感的區(qū)域，測(cè)定的組合變量有溫度、壓力、氧含量、氮含量、氬含量等。為了生產(chǎn)一定純度的富氧產(chǎn)品，除可通過(guò)用計(jì)算值外，還可通過(guò)對(duì)該體系進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行等，來(lái)確定冷凝器/重沸器裝置(低溫流體在塔內(nèi)不移動(dòng))輸入或輸出處組合變量和在雙塔體系低壓塔所選定的區(qū)域內(nèi)的組合變量間的關(guān)系。把生產(chǎn)特定純度富氧產(chǎn)品所需的關(guān)系輸入慣常計(jì)算機(jī)等。在該體系運(yùn)行期間，可測(cè)定冷凝器/重沸器裝置和塔內(nèi)所選區(qū)域的同一組合變量，把這些數(shù)據(jù)關(guān)系同儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中的預(yù)定關(guān)系值進(jìn)行比較。在預(yù)定關(guān)系值和實(shí)測(cè)值之間有任何偏差時(shí)，計(jì)算機(jī)均會(huì)發(fā)出命令信號(hào)來(lái)改變?cè)摴に囍械闹辽僖粋€(gè)組合變量直至預(yù)定關(guān)系值同實(shí)測(cè)值相同。對(duì)工藝的這種自動(dòng)控制將連續(xù)有效地生產(chǎn)所要純度的富氧產(chǎn)品，停工期極少或根本就不停工?？烧{(diào)節(jié)的工藝變量有富氧流體和富氮流體的供料速率、進(jìn)料或出料的溫度、塔內(nèi)壓力、產(chǎn)品氧流速、空氣流量和進(jìn)或出冷凝器/重沸器的流量。例如，為了生產(chǎn)所要純度富氧產(chǎn)品，測(cè)定冷凝器/重沸器的溫度和塔內(nèi)預(yù)選區(qū)域的溫度間的關(guān)系，然后在該體系運(yùn)行期間，測(cè)定這些地方的溫度，如果關(guān)系值不相同，則改變進(jìn)料速率，例如富氧流體的進(jìn)料速率，直至所說(shuō)關(guān)系值相同。這使產(chǎn)品運(yùn)行期間能使理想工藝條件得以維持，因此可連續(xù)生產(chǎn)出所要的富氧產(chǎn)品。
塔內(nèi)組合變量可以是對(duì)氮進(jìn)行的溫度測(cè)定，然后由溫度和已知壓力下飽和流體氮含量間的關(guān)系來(lái)計(jì)算氮含量。例如，當(dāng)知道溫度、壓力、組成三個(gè)變量中的兩個(gè)變量時(shí)，通過(guò)處理飽和狀態(tài)(氣液平衡)下的液體的蒸氣關(guān)系，可計(jì)算剩下的那個(gè)變量。如使用慣常的塔盤(pán)技術(shù)，可在能得到此流體有代表性的測(cè)定的該塔盤(pán)上的任一點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)定的校正。例如，液/氣發(fā)生傳質(zhì)的塔盤(pán)活性區(qū)或該塔盤(pán)下導(dǎo)管，是測(cè)定溫度的有代表性的地方的例子。如果使用塔結(jié)構(gòu)填料，在某一截面上，能得到有代表性測(cè)定的任何方法均可使用，例如設(shè)于液體重新分配器上的液槽處。進(jìn)行補(bǔ)償溫度測(cè)定的慣常儀器，包括如慣常熱電偶，蒸氣壓式溫度計(jì)或更優(yōu)選電阻溫度議(RTD)均可使用。也可根據(jù)對(duì)組合變量進(jìn)行的任何其他直接或間接測(cè)定來(lái)確定溫度的測(cè)定。雖然溫度是優(yōu)選測(cè)定變量，很明顯所作的其他組合測(cè)定，例如壓力或用如氣相色譜或質(zhì)譜對(duì)氮含量進(jìn)行測(cè)定的直接間歇測(cè)定均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。一旦測(cè)定了組合變量，便可由所定義的塔內(nèi)選定區(qū)域的氮含量和組合測(cè)定間的關(guān)系計(jì)算氮含量。這由通過(guò)估算技術(shù)得出氮濃度的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行?？赏ㄟ^(guò)非線(xiàn)性熱動(dòng)模擬或?qū)嶋H的設(shè)備數(shù)據(jù)來(lái)建立該數(shù)學(xué)模型。實(shí)際設(shè)備數(shù)據(jù)代表了塔內(nèi)敏感性的塔盤(pán)區(qū)域所取的液樣，提供了所測(cè)的組合變量。由所測(cè)的組合變量來(lái)計(jì)算精餾塔的每一分級(jí)的氮含量的優(yōu)選方法，是線(xiàn)性和/或非線(xiàn)性回歸技術(shù)。相關(guān)的有代表性的其他技術(shù)的例子，包括使用動(dòng)態(tài)Kalman-Bucy濾波器、靜態(tài)Brosilow推理估算器和主組分回歸估算器。估算的結(jié)果則反應(yīng)了塔內(nèi)的氮含量。雖然這里討論了精餾塔的一個(gè)單級(jí)的組合變量的測(cè)定，但優(yōu)選的辦法是在精餾塔的多個(gè)分級(jí)的工藝敏感性高的區(qū)域內(nèi)，測(cè)定兩個(gè)或兩個(gè)以上的組合變量。
如用溫度作為在精餾每一選定分級(jí)待測(cè)的組合變量，則可用穩(wěn)態(tài)模擬或設(shè)備實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，從確定的關(guān)系和模型關(guān)系推出氮的濃度。定義用于計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算所選區(qū)域級(jí)間冷凝器/重沸器處的總氮含量或溫度的模型關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式的基本形式為Ya＝(a)T1＋(b)T2＋(c)T3＋…等，其中的Ya是計(jì)算得到的所選定區(qū)域的氮的總含量，(a)、(b)、和(c)等是推出的分級(jí)溫度T的系數(shù)?？捎枚嗑€(xiàn)性回歸來(lái)確定誤差最小的系數(shù)。線(xiàn)性和非線(xiàn)性回歸方法是眾所周知的，可用許多慣常計(jì)算機(jī)程序來(lái)進(jìn)行多線(xiàn)性回歸。應(yīng)指出的是上面的系數(shù)(a)、(b)、和(c)等是累計(jì)法計(jì)算的氮含量的累積值。
本發(fā)明的一實(shí)施方案中的方法，提供了有效控制使用中間或級(jí)間冷凝器/重沸器的空氣分離塔的溫度分布的有效方法。這借助用于中間冷凝器/重沸器各流體的中間組合測(cè)量，和塔的組合測(cè)量，即能使控制器有效地維持對(duì)于潛熱傳遞的足夠溫度差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。適用于本發(fā)明的熱動(dòng)態(tài)傳感裝置可以是足以向體系提供足夠信息所需設(shè)備的任何組合設(shè)備，從所說(shuō)傳感裝置中發(fā)出的命令信號(hào)來(lái)使體系維持在所需純度氧水平下運(yùn)行?？捎檬謩?dòng)或慣常的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)來(lái)發(fā)出該命令指令。


圖1是本發(fā)明使用一個(gè)蒸餾塔的一實(shí)施方案的略圖。
圖2是本發(fā)明使用雙塔低溫空氣分離體系的一優(yōu)選實(shí)施方案的略圖。
圖3是蒸餾塔各級(jí)由于產(chǎn)品氧流量減少0.48％的溫度差的圖。
圖1為一般用于雙塔體系的低壓?jiǎn)握麴s塔。富氧流體2經(jīng)閥4送入塔1中間區(qū)6。富氮流體8經(jīng)閥10送入塔1頂部12。流體2和流體8間的熱力學(xué)先決條件是流體8所含的氮量應(yīng)大于流體2中所含的氮量。塔1的重沸是通過(guò)對(duì)潛熱交換器或冷凝器/重沸器單元16中的低溫空氣流體14進(jìn)行冷凝或部分冷凝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)間接熱交換，使塔1底部的液氧從冷凝器/重沸器單元16中氣化，所產(chǎn)生的蒸氣，作為塔1的初級(jí)氣提蒸氣。塔1中的中間重沸，是低溫流體18穿過(guò)閥門(mén)20后進(jìn)入冷凝器/重沸器單元22來(lái)實(shí)現(xiàn)的。塔1中的下行部分液體是靠間接熱交換實(shí)現(xiàn)從冷凝器/重沸器單元22中氣化，產(chǎn)生的蒸氣用作中間氣提蒸氣。這就導(dǎo)致產(chǎn)品氮24上行到塔頂部12并從這里排出，產(chǎn)品氧26下行到塔底15，然后從底部排出。
組合傳感裝置能夠測(cè)定塔1氣提段內(nèi)的組合變量。該氣提段是指塔1中的流體2的輸入處和塔底15間的這一部分空間。在塔1中的這部分空間的兩種測(cè)量示于圖1。這些測(cè)量包括由電阻溫度裝置、蒸氣壓溫度計(jì)、氣相色譜、質(zhì)譜、順磁分析儀或能測(cè)定氧或氮的任何其他組合傳感裝置產(chǎn)生的信號(hào)。所說(shuō)測(cè)量包括對(duì)塔各個(gè)位置的氮或氧的濃度進(jìn)行估算。應(yīng)予指出的是對(duì)組合測(cè)量/分析不必在塔內(nèi)進(jìn)行。所包括的適宜取樣(空氣或流體)裝置和導(dǎo)管可使待進(jìn)行的組合測(cè)量在塔外或冷卻箱外進(jìn)行。如有必要，可另設(shè)一個(gè)包含22的容器，這樣可以把流體抽出并送到這樣一個(gè)容器中來(lái)分析。
示出的組合變量/溫度或壓力(可能的取樣)傳感裝置34，位于冷凝器/重沸器單元22的冷凝側(cè)，信號(hào)經(jīng)線(xiàn)路36送到控制器29(計(jì)算機(jī))。來(lái)自此裝置的信號(hào)直接送到控制器29并用作計(jì)算輸出的附加輸入。在冷凝器/重沸器位于塔內(nèi)工藝敏感性(由于下行流體中氮或氧含量的變化造成溫度迅速變化)高的位置時(shí)，這種測(cè)量可以提高工藝的適用性。把組合測(cè)量裝置30、32和34發(fā)出的信號(hào)，送到控制器29，在這里把他們的值(或計(jì)算出來(lái)的某些值)同上述預(yù)先輸入控制器29的給定值進(jìn)行比較。具體而言，塔1中的組合變量和冷凝器/重沸器單元22的組合變量間的預(yù)先選定的給定值，經(jīng)線(xiàn)路38輸入控制器29。如果測(cè)出給定值和測(cè)量值不同，控制器29就會(huì)發(fā)出輸出信號(hào)，該信號(hào)則會(huì)對(duì)該體系中的工藝流量或某些其他變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖1所示，該信號(hào)控制閥28的開(kāi)啟位置，這樣就控制了從塔1中排出的空氣氧流量。根據(jù)塔1中對(duì)工藝變量敏感性高的位置來(lái)選定組合測(cè)量30和32的位置即可改善可控性。對(duì)塔運(yùn)行的這種改進(jìn)本身表現(xiàn)為無(wú)需停止設(shè)備的運(yùn)行，產(chǎn)品的收率也會(huì)增加。
圖2為本發(fā)明的使用雙塔體系的優(yōu)選方案。具體而言，用慣常技術(shù)把初級(jí)進(jìn)料空氣42在示出的高壓塔40和低壓塔60中壓縮、凈化和冷卻到接近其露點(diǎn)的溫度。然后在類(lèi)似于圖1所示的塔1運(yùn)行的塔60的冷凝器/重沸器單元43中，使該進(jìn)料空氣42部分液化。從單元43送出的初級(jí)進(jìn)料空氣42送到高壓塔40的底部，進(jìn)料空氣42在這里精餾為塔頂餾出氮44(盤(pán)架蒸氣)和從塔40底部排出的富氧液體46(釜液)并送到塔60作為富空氣進(jìn)料氣。
塔頂餾出氮或盤(pán)架蒸氣44一般將含0.1-2％摩爾氧。此時(shí)，塔頂餾出氮44離開(kāi)高壓塔40后便分成了兩部分，48這一部分氮被部分溫?zé)?，抽出后進(jìn)行渦輪膨脹以作工藝?yán)鋬?。然后把膨脹的?8溫?zé)岬绞覝睾罂捎米鳟a(chǎn)品或廢物。另一部分塔頂餾出氮50在類(lèi)似于在圖1所示的初級(jí)低壓塔中的級(jí)間冷凝器/重沸器22的冷凝器/重沸器52中冷凝。所得的液化氮(盤(pán)架液體)54分成兩股液流。56的這股氮液流流入高壓塔40的頂部以作回流，另一股氮液流58低溫冷卻后送入低壓塔60的頂部。液氮回流液流58相當(dāng)于圖1中的物流8。在低壓塔60中形成兩種產(chǎn)品。低壓氮?dú)?2從塔60頂部排出，低壓液體氧64則從塔60的底部排出。62和64這兩種物流分別相當(dāng)于圖1中的24和26兩物流。但應(yīng)指出的是氧64在圖2中是以流體形式排出的，液氧中90％或90％以上的氧用泵將其升壓，并相對(duì)于空氣流而氣化，空氣流則壓縮到比所說(shuō)初級(jí)進(jìn)料空氣更大的壓力。把氣化的氧和氮溫?zé)岬绞覝?，抽出作為產(chǎn)品。
相對(duì)于氣化氣流64而被液化的增壓空氣進(jìn)料66可被分成兩股，一股是液態(tài)空氣進(jìn)料68供給低壓塔60中，而進(jìn)料空氣70則送入高壓塔40中。雙塔體系的運(yùn)行在本領(lǐng)域內(nèi)是公知的。
示于圖1的本發(fā)明的重要特點(diǎn)也適用于圖2所示的低壓塔60。具體而言，可測(cè)定冷凝器/重沸器單元52輸入或輸出處的組合變量并可將此測(cè)變量同塔60內(nèi)供料線(xiàn)46以下的部分所測(cè)量的組合變量進(jìn)行比較?？蓪⒋岁P(guān)系同根據(jù)預(yù)先選定純度的輸出氧產(chǎn)品的預(yù)定值進(jìn)行比較，這樣，實(shí)測(cè)值和預(yù)選值間只要一有偏差，計(jì)算機(jī)29等便會(huì)發(fā)出命令信號(hào)，來(lái)改變受控供料或其他變量，使體系回到可生產(chǎn)出所要純度的氧產(chǎn)品的預(yù)選工藝條件下運(yùn)行。關(guān)于圖1所解釋的本發(fā)明的新特點(diǎn)也適用于圖2。
圖3描繪示于圖3的體系中氧產(chǎn)品流量?jī)H減少0.48％所造成的分級(jí)溫度差的圖。對(duì)此循環(huán)而言，有兩個(gè)明顯的峰值，一個(gè)在氣提段，另一個(gè)在富集段。從此循環(huán)看出，這些峰的位置和大小是可以變化的。根據(jù)本發(fā)明，組合變量/溫度變量的測(cè)定可位于敏感性最大的區(qū)域，如圖3所示的分級(jí)4或分級(jí)19處。此例子僅是用于說(shuō)明本發(fā)明的，決不意味著本發(fā)明僅適用于此唯一循環(huán)。
本發(fā)明可適用許多空氣分離工藝。雖然塔敏感性最大的點(diǎn)的位置和敏感性的大小對(duì)每一循環(huán)都將是不同的，但本發(fā)明的基本原理仍然適用。同樣，雖然沒(méi)畫(huà)出這些附圖，但本發(fā)明的原理可適用于對(duì)塔產(chǎn)生級(jí)間回流的級(jí)間冷凝器/重沸器。這時(shí)，冷凝流體是塔1的上升蒸氣，此沸騰流體則在塔外(從塔流體中分凝出來(lái)的)。本發(fā)明所涉及的一方面是對(duì)設(shè)有級(jí)間冷凝器/重沸器的塔內(nèi)流體和用于級(jí)間冷凝器/重沸器運(yùn)行的外部流體(或幾種)進(jìn)行組分測(cè)量的方法?？蓪⑦@些測(cè)量結(jié)果用于通過(guò)控制器/計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)工藝流量進(jìn)行控制以使塔的運(yùn)行穩(wěn)定。圖1所示的是一單塔和單級(jí)間冷凝器/重沸器。而許多空氣分離循環(huán)則使用多塔和/或多冷凝器/重沸器。本發(fā)明的方法可適用于設(shè)有級(jí)間冷凝器/重沸器的塔的每一區(qū)段。
不需用圖1控制器29的輸出信號(hào)來(lái)控制產(chǎn)品氧流速。此輸出信號(hào)直接用來(lái)對(duì)將會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)回流比引起變化的任何工藝流速或壓力(或其兩者)進(jìn)行控制。可控制的變量的另一例子是圖1中的重沸流體14的流量。在標(biāo)準(zhǔn)雙塔工藝中(在圖1的潛熱交換器16中冷凝氮)，可使用送到低壓塔底部的空氣流或從冷凝器16分出的氮蒸氣流來(lái)對(duì)冷凝量(塔蒸氣流量)進(jìn)行控制。如該工藝使用級(jí)間冷凝器(例如潛熱交換器22)，為改變塔的級(jí)間重沸，可借助閥20來(lái)對(duì)物流18的流量或壓力進(jìn)行控制。根據(jù)控制器29的輸出信號(hào)，可用例如進(jìn)料液流2和8來(lái)改變塔1內(nèi)的回流比。這些流體以液體形式貯于另外的槽/池中(圖1中未示出)。用這些液體作控制變量(控制器29的輸出信號(hào))有助于快速控制調(diào)控能力。而此時(shí)的前提是塔內(nèi)液體不能完全排空或溢出。
控制器29可進(jìn)行慣常的比例-積分-微分輸出，或構(gòu)成為了多變量模型基控制的需要而進(jìn)行的計(jì)算。這時(shí)，在此組控制變量中，包括從傳感裝置30、32和34中發(fā)出的多個(gè)信號(hào)。得到的多變量控制器的輸出信號(hào)可同時(shí)控制多個(gè)工藝流量(例如物料流2、8、14、26和36)。從傳感裝置30、32和34中產(chǎn)生的信號(hào)，可與其他設(shè)備的測(cè)量相結(jié)合以構(gòu)成附加測(cè)量，組合測(cè)量和/或控制變量。圖1畫(huà)出了包括傳感裝置30和32的兩種測(cè)量。即可進(jìn)行單測(cè)量，也可進(jìn)行多種測(cè)量。這些測(cè)量在輸入控制器29的控制規(guī)則系統(tǒng)前可形成一復(fù)合溫度(或組合變量)。
已知利用級(jí)間冷凝器/重沸器對(duì)于減小多空氣分離循環(huán)的熱動(dòng)低效率和能耗是非常有效的辦法。有許多在氮?dú)馓岫蝺?nèi)具有級(jí)間冷凝器的低純氧工藝和熱聯(lián)合氬分離工藝。在幾乎每種情況下，這些工藝的最佳化迫使所說(shuō)冷凝器設(shè)置在塔高敏感段內(nèi)。這樣，對(duì)潛熱傳遞維持足夠的溫度推動(dòng)力是至關(guān)重要的。如果沒(méi)有組合或溫度測(cè)量，這些工藝的有效進(jìn)行將是十分困難的。塔運(yùn)行中的正常波動(dòng)可迅速消除級(jí)間冷凝器運(yùn)行所需的溫度差。這種情況很容易導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)行停止。本發(fā)明則力圖穩(wěn)定塔的組分(和溫度)分布。
從級(jí)間冷凝器/重沸器工藝中可得出幾個(gè)重要選擇方案。圖1畫(huà)出了利用組合變量或溫度信號(hào)38作控制器29的輸入信號(hào)的控制器29。此組合信號(hào)或溫度信號(hào)是給控制器29的定點(diǎn)輸入38。圖1示出了直接設(shè)置在級(jí)間冷凝器/重沸器分級(jí)上的組合或溫度裝置，對(duì)傳感器而言，這是一優(yōu)選位置。然而并非需要均是如此。使用在分級(jí)的周?chē)蚋浇慕M合測(cè)量裝置或溫度測(cè)量裝置，也能對(duì)級(jí)間冷凝器/重沸器的流體溫度作出估計(jì)(及獲得潛熱傳遞所需的推動(dòng)力)。作為另一方式，如用溫度測(cè)量作組合測(cè)量，可計(jì)算出溫度差(涉及裝置30和32的有效溫度差)，而產(chǎn)生的涉及此值的信號(hào)可作為控制器29的輸入信號(hào)。此計(jì)算也可為控制器29進(jìn)行運(yùn)算的一部分。
也可將級(jí)間冷凝器/重沸器設(shè)于其中產(chǎn)生重沸或回流的塔的外部。此時(shí)把流體從塔中排出并送到另一個(gè)設(shè)置冷凝器/重沸器的容器中。按流體在初級(jí)分餾器中一樣的辦法，對(duì)該容器中的流體組成進(jìn)行測(cè)定。如前面所指出的那樣，用任何已知辦法從塔中取出液體，然后在塔的外面測(cè)它的溫度或組成，其結(jié)果沒(méi)有大的差別。
為在新的空氣分離設(shè)備中獲得傳質(zhì)(蒸餾)，目前使用的塔構(gòu)筑填料(或堆積填料)是主要的手段。從塔盤(pán)蒸餾塔中得到組合或溫度測(cè)量數(shù)據(jù)(如塔盤(pán)下液管)是相對(duì)簡(jiǎn)單的。對(duì)塔的填充段，情況卻不是這樣。再分配點(diǎn)是設(shè)置在唯一容易獲得或分析有代表性流體樣的位置。所以，最好把傳感或取樣裝置30和32設(shè)于塔的重分配點(diǎn)及級(jí)間冷凝器/重沸器的位置。
實(shí)施例使用的低溫空氣分離體系基本如圖1所示，在圖1所示的冷凝器/重沸器22的輸出處測(cè)定溫度的組合變量。塔內(nèi)液體的溫度的組合變量也可在圖1所示的32處進(jìn)行。把這些讀數(shù)按圖1所示的路線(xiàn)送入計(jì)算機(jī)29即可獲知溫度差。該體系實(shí)際運(yùn)行期間，可將圖1所示的冷凝器/重沸器輸出處的溫度同塔內(nèi)液體在32處的溫度間的差(溫差)與所輸入于該計(jì)算機(jī)中的確定的所需要的溫差進(jìn)行比較。只要此兩數(shù)間有偏差，計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)出信號(hào)來(lái)改變體系中的氧流量。此信號(hào)將一直持續(xù)到實(shí)測(cè)溫度差同預(yù)先確定的溫度差無(wú)任何偏差時(shí)為止，此時(shí)，該體系就會(huì)按預(yù)先選定的操作條件連續(xù)生產(chǎn)氧。用于此實(shí)施例中的計(jì)算機(jī)可以是任何慣常計(jì)算機(jī)，如IBM Pc或其他適宜計(jì)算機(jī)。
當(dāng)然，雖然本發(fā)明已作了特別詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)把這些詳細(xì)說(shuō)明解釋為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種用至少一個(gè)蒸餾塔對(duì)空氣進(jìn)行低溫分離生產(chǎn)富氧的方法，該方法包括下述步驟(a)將至少一種含氧和氮的流體送入所說(shuō)蒸餾塔，據(jù)此將流體分離成上行到塔頂部的富氮蒸氣和下行到塔底的富氧液體；(b)把低溫流體送入冷凝器/重沸器裝置，其中該低溫流體與塔中的流體相隔離，并用于提供塔中的回流液或氣提蒸氣，以生產(chǎn)上行到塔頂可從塔頂排出的富氮蒸氣和靠重力下行到塔底可從塔底排出的富氧液體；(c)確定輸入、輸出處或冷凝器/重沸器裝置內(nèi)的組合變量和在塔內(nèi)的對(duì)工藝變化呈現(xiàn)出十分敏感的至少一個(gè)選定區(qū)域內(nèi)的組合變量間的關(guān)系的預(yù)定值，這樣此關(guān)系值將產(chǎn)生所需純度的輸出氧；(d)測(cè)定輸入、輸出處或冷凝器/重沸器裝置內(nèi)的組合變量和所說(shuō)塔的至少一個(gè)選定區(qū)域內(nèi)的組合變量，將所測(cè)的這些組合變量的關(guān)系同步驟(c)的預(yù)定值的關(guān)系進(jìn)行比較，并根據(jù)其間產(chǎn)生的任何偏差，便發(fā)出命令信號(hào)來(lái)改變工藝的至少一種輸入或輸出控制，直至該實(shí)測(cè)值和步驟(c)的預(yù)定值之間無(wú)任何差異，據(jù)此確保按所需純度水平連續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)品。
2.權(quán)利要求1的方法，其中組合變量是從塔內(nèi)的兩個(gè)所選區(qū)域內(nèi)獲得的。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在冷凝器/重沸器裝置處的組合變量選自溫度、壓力、氮和氧，在所選區(qū)域的組合變量選自溫度、壓力、氮和氧。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在冷凝器/重沸器裝置包括塔內(nèi)級(jí)間的第一冷凝器/重沸器設(shè)備，而組合變量取自第二冷凝器/重沸器設(shè)備。
5.權(quán)利要求1的方法，其中的命令信號(hào)控制該體系生產(chǎn)氧的流速。
6.一種從具有至少一個(gè)包含多級(jí)精餾的低壓蒸餾塔和提供洗滌至少一個(gè)低壓塔中上升蒸氣的富氮回流液的至少一個(gè)高壓塔的低溫空氣分離體系中回收氧的方法，所說(shuō)方法包括的下述步驟(a)將富氧流體送入低壓塔的中間區(qū)域；(b)把來(lái)自高壓塔的富氮流體送入低壓塔的中間區(qū)域之上的頂部；(c)把低壓塔底的低溫流體送入第一冷凝器/重沸器裝置以氣化氧，使氧蒸氣用作氣提蒸氣；(d)將低溫流體送入第二冷凝器/重沸器裝置使氧流體部分氣化；(e)選擇冷凝器/重沸器裝置中的一個(gè)裝置的輸入或輸出處的組合變量和低壓塔內(nèi)對(duì)工藝變化十分敏感的至少一個(gè)區(qū)域的組合變量間的差的預(yù)定值，所選定的差的預(yù)定值將生產(chǎn)所需純度的氧產(chǎn)品；(f)測(cè)定低壓塔內(nèi)至少一個(gè)選定區(qū)域的組合變量和至少一個(gè)冷凝器/重沸器設(shè)備的輸入或輸出處的組合變量；(g)把步驟(b)的實(shí)測(cè)值和步驟(e)的選定值進(jìn)行比較，并根據(jù)其間的任何偏差便產(chǎn)生一個(gè)命令信號(hào)，來(lái)改變?cè)摴に嚨闹辽僖环N輸入或輸出控制直至無(wú)偏差，以確保連續(xù)生產(chǎn)所要純度的氧產(chǎn)品。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所說(shuō)第二冷凝器/重沸器裝置位于所說(shuō)低壓塔內(nèi)或位于所說(shuō)高壓塔內(nèi)。
8.權(quán)利要求6的方法，其中所說(shuō)第二冷凝器/重沸器裝置位于所說(shuō)低壓塔和高壓塔外的另一區(qū)域。
9.權(quán)利要求6的方法，其中組合變量取自低壓塔中兩個(gè)選定區(qū)域。
10.權(quán)利要求6的方法，其中在第二冷凝器/重沸器裝置處的組合變量選自溫度、壓力、氮和氧，所選區(qū)域的組合變量選自溫度、壓力、氮和氧。
11.權(quán)利要求6的方法，其中命令信號(hào)控制體系的氧生產(chǎn)速率或體系進(jìn)料空氣的流速。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種從低溫空氣分離體系中回收氧的方法，其中將在潛熱交換器的輸入或輸出處的所測(cè)數(shù)據(jù)和塔內(nèi)所測(cè)數(shù)據(jù)同預(yù)選數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這樣，其間任何偏差便產(chǎn)生改變?cè)擉w系輸入各參量的信號(hào)，直至實(shí)測(cè)值和預(yù)定值無(wú)任何偏差，因而可確保該體系在預(yù)定的最佳操作條件下運(yùn)行。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1126306SQ95105370
公開(kāi)日1996年7月10日 申請(qǐng)日期1995年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月13日
發(fā)明者H·E·霍華德, D·P·邦納奎斯特 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司