CN1088182C - 低温精馏系统产量的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作低温精馏装置的方法，此法不需增设储存或暂存容器，而是根据进料流量的改变，改变塔釜和/或塔顶冷凝器的液位设定点，以控制装置的运转，避免产物纯度偏离额定值。

Description

低温精馏系统产量的控制方法
一般地说，本发明涉及低温精馏，更具体地说，涉及低温精馏系统当产量变化时，即至少一种产物流的需要量变化时，的高效运行问题。
在实施低温精馏过程中，一种进料流，譬如进料空气，被送入低温精馏装置，例如一个双塔装置，进行分离。从低温精馏装置抽出一种或多种产物流并加以回收。进料流的流量是固定的，以便不断产出所需流量的产物。
在低温精馏装置运行当中，对一种或多种产物所要求的流量可以变化。这就要求改变装置的产量，此时也要相应改变进料流量。除非采取特定的控制措施，进料流量的改变会引起一至多塔内液-汽(L/V)比暂时的变化，直到系统恢复平衡或稳定状态为止。造成这种暂时性L/V改变的原因是，进料流量变化引起塔内汽相流量(V)和塔内液相流量(L)变化规律上的差异。这种L/V比变化，因对产物纯度有不利影响，所以是不希望的。由于这个原因，人们希望进料流量改变时以及改交以后，L/V比都始终保持所要求的数值。
低温精馏工业世界为解决这个问题的办法是，为低温精馏装置增设液体贮罐或中间罐，以期以一种可控的方式来改变低温精馏装置的产量，即向塔内加入液体和/或收容塔中流出的液体来调整塔内的L/V比。虽说这样的系统是有效的，但是却增加了容器和伴随管路这一项基本投资。
鉴于这种情况，本发明的一个目的就是，提供一种既能以可控的方式改变低温精馏装置产量，又不需要用贮罐或中间罐来调整塔的L/V比的方法。
本发明能达到上述和其他目的这一点，对于熟悉此项技术的人在读过本公开之后，就变得很清楚了，本发明的一个方面包括：
一种改变低温精馏装置产量的方法，包括：
(a)以第一流量将进料加入到包括一高压塔和一低压塔的低温精馏装置中的所述高压塔中；
(b)把来自高压塔釜的液体送入低压塔；
(c)利用设定于所要求液位的塔釜液位控制器，使高压塔釜内液位保持在所要求的高度；
(d)把进料流量改变到第二流量；以及
(e)根据进料流量的改变量，改变塔釜液位控制器的设定点。
本发明的另一个方面包括：
一种改变低温空分装置产量的方法，包括：
(a)以第一流量将进料空气加入到包括高压塔、低压塔和一个带塔顶冷凝器的氩气塔的低温空分装置中的所述高压塔中；
(b)把来自高压塔釜的液体送入上述塔顶冷凝器，把来自塔顶冷凝器的液体送入低压塔，再把出自低压塔的流体送入氩气塔；
(c)利用设定于所要求液位的塔顶冷凝器液位控制器，使塔顶冷凝器的液位保持在所要求的高度；
(d)把进料空气流量改变到第二流量；以及
(e)根据进料空气流量的改变量，改变塔顶冷凝器液位控制器的设定点。
这里所用“进料空气”一词，系指主要包括含氮、氧及氩等气体的混合物，例如空气。
这里所用“透平膨胀”和“透平膨胀机”二个术语，分别指，让高压气体流经透平以使气体减压、降温从而产生致冷的方法和设备。
这里所用“塔”一词，系指蒸馏或分馏塔或区，即接触塔或区，其中液、汽相呈逆流接触以实现流体混合物的分离，举例说，通过汽、液相在塔内一系列竖向间隔设置的塔盘或塔板，或者填料表面接触。有关蒸馏塔的进一步讨论，可参见<化学工程师手册·第5版>，R.H.Perry和C.H.Chilton编，Mc Graw-Hill Book Company，纽约，第13部分，“连续蒸馏过程”。“双落”一词用以指，一个高压塔，其顶部与一低压塔的底部处于热交换关系。有关双塔的进一步讨论，见Ruheman的<气体的分离>，牛津大学出版社，1949，第VII章，“工业空气分离”。
汽、液接触分离过程依靠组分间蒸汽压的差异。高蒸汽压(或易挥发、低沸点)组分趋于富集在汽相，而低蒸汽压(或难挥发、高沸点)组分趋于富集在液相。部分冷凝是一种分离过程，即通过冷却蒸汽混合物，使易挥发组分浓集在汽相，相应地，难挥发组分浓集在液相。精馏或连续蒸馏是这样一种分离过程，它结合了连续不断的部分蒸发和部分冷凝过程，正如让汽、液相逆流接触而实现的那样。汽、液相逆流接触是一种绝热过程，既可以包括相间整体接触也可以包括局部接触。用精馏原理分离混合物的分离工艺设备叫精馏塔、蒸馏塔或者分馏塔，常常相互通用不加区分。低温精馏是一种至少一部分在150°K或更低的温度下进行的精馏过程。
这里所用“间接换热”一词，系指让两股流体处于热交换关系，而不发生流体间相互的物理接触或相混。
这里所用“氩气塔”一词，系指一种处理包含氩的进料并产出一种氩浓度超过进料浓度产物的塔。
这里所用“塔项冷凝器”一词，系指一种热交换器，它从塔顶蒸汽中产生出塔的下流液。
这里所用“釜”一词，系指蒸馏塔的底部，位于塔盘或填料的下方，用以收集液体的部分。该液体既可以作为产物流抽出，也可以转送到另一塔去。
这里所用“液位控制器”一词，系指一种机械、气动或电子装置，也可以指一种编制在电脑内的数学算法程序，它们用于象罐或塔釜之类的存储容器内的液位反馈控制。
这里所用“设定点”一词，系指处于反馈控制下的过程的应变量(过程输出)的要求值或目标值，设定点是通过手工或由另一控制器或是由编程于电脑中的数字算法输入到控制器中去的。
这里所用“反馈控制”一词，系指根据过程变量偏离其设定点的数值，调整一种或多种过程自变量(过程输入)以便把过程应变量(过程输出)控制在设定点附近。
图1是可以用来实施本发明的低温精馏装置的示意图，它包括一个双塔和一个氩气塔。
图2是可以用来实施本发明的低温精馏装置的示意图，它包括一个双塔，没有氩气塔。
对双塔低温精馏装置，尤其是对备有回收氩气的侧臂塔的此种装置，由于同高压塔内液体流动有关的液流滞后，其产量控制变得困难。进入高压塔底的进料流量的增加立即反映在沿全塔身上升蒸汽量的增加。这是因为，伴随流量改变的压力变化是很轻微的，故不存在因储存在该塔内蒸汽积集或损失而造成的滞后。由于同样原因，高压塔顶部存在的额外蒸汽量立即造成主冷凝器蒸出量和沿低压塔身上升蒸汽量的增加。伴随上述流量改变的低压塔内压力变化也很微小。但是，在高压塔顶冷凝成液体回流并沿整个塔身下降的额外蒸汽物料，需要一段时间才能从高压塔顶到塔釜，再流过连结该塔釜到低压塔中部的回路。此回路还可能包括氩气塔顶冷凝器。由于此种液流延迟效应，和改变产量期间，低压塔内的L/V比将经历一个不稳定或偏离过程，导致不希望出现的产物纯度变化。而且，对应于主冷凝器的额外蒸出，因尚未由低压塔内额外的降液所补偿，主冷凝器液位便下降。为运行安全和高效起见，主冷凝器液位必须维持在较窄的范围内。液位过高，会降低传热效率。液位过低时就得停车，因为可能出现主冷凝器蒸干，而蒸干被认为是一种不安全的做法。当进高压塔釜的进料流量减少时，则出现与上述相反的效果。
本发明针对并解决上述问题，不需要在低温精馏系统中添加额外的容器。本发明在同高压塔釜和/或氩气塔顶冷凝器内的液位控制相关的液位控制设定点上作文章。当进入高压塔釜的进料流量增加时，就降低液位设定点，借此立即向低压塔中部提供额外的液量，以减轻高压塔液流滞后造成的后果。这部分额外的液量起着补偿改变产量期间低压塔内L/V不稳的作用，还为维持主冷凝器液位恒定提供所需要的额外液量。鉴于上述塔釜和氩气塔顶冷凝器是低温精馏装置的标准组成部分，这样做就免去了额外(通常是昂贵的)容器以及附带的控制部分和管线的需要。
较好的是，本发明还利用内部流体组成读数来调整控制器，而不必等待检测产品组成的结果再进行上述调整。在此种较好实例中，本发明利用中间物料组成变量(或者是直接的组成分析，或者是根据温度和温差的推理分析)，该分析点位于液体进料点以下同时又高于(当使用氩气塔时)与氩气塔连接处的低压塔中部。经验表明，从这点取得的变量比一般从控制系统反馈部分测得和采用的其他组成变量其响应速度更快。采用该变量，提供了低压塔中部内L/V比值的指示，故允许更大、更快地改变产量。由于其响应快，反馈系统就能够在产品纯度变化尚未被实际测出时就已经纠正了任何可能导致产品纯度不利改变的L/V改变。
下面，将参考附图更详细地讨论本发明。图1表示的是一个采用双塔和氩气塔的空分装置。先看图1，诸如进料空气的进料20，以一般在5660-339600立方米/小时(200,000-12,000,000标准立方英尺/小时)之间的流量流经压缩机1被压缩到一般为482.3-1722.5kPa(70-250psia)绝压。压缩进料空气流21，随后被送过净化器2以去除象CO2和水蒸汽之类的高沸点杂质，得到的流22再送至主换热器3。控制器100测量并通过操纵压缩机导叶101控制进料空气流22的流量，以便使流22的被测空气流量维持在要求的设定点。
进料空气流经主换热器3而被冷却。通常含有进入低温空分装置进料空气总量的3～20％的部分流24，在部分通过主换热器3之后被抽出，经透平膨胀机5透平膨胀以产生冷量，然后作为流25进入双塔系统的低压塔—塔6，该双塔系统还包括高压塔4。进料空气的主要部分，即流23，从主换热器3出来进入高压塔4，塔4一般操作在447.85-1688.05kPa(65～245psia)的压力之间。
进料空气在高压塔4内低温精馏，分离成氮增浓汽和氧增浓液。氮增浓汽以流41进入主冷凝器11，在此，通过与塔6的塔底液间接换热而冷凝。生成的氮增浓液以流42进入塔4作为回流。生成的氮增浓液的另一部分流28，流经换热器9被过冷，然后得到的流29经阀111节流进入低压塔6，塔6的操作压力低于高压塔4，一般介于110.24-413.4kPa(16-60psia)之间。
从高压塔4的塔釜流出的液体被送入低压塔6。在如图1所示的实例中，从高压塔4塔釜出来的液体在进入低压塔6之前，先流过塔顶冷凝器8。从塔4塔釜流出的氧增浓液以流26流经换热器10而过冷。流出的流27随后通过阀105进入塔顶冷凝器8。塔釜液位控制器104通过调节阀105使塔4的釜内液位保持在该液位设定点所规定的要求液位高度。
在塔顶冷凝器8内，氧增浓液与(管内的)渐渐冷凝的氩气塔顶汽换热而部分汽化。产生的氧增浓汽从塔顶冷凝器8出来，以流38通过阀109继而进入低压塔6。剩余的氧增浓液从塔顶冷凝器8出来，经过阀119继而进入低压塔6。塔顶冷凝器液位控制器118通过调节阀119，使塔顶冷凝器的液位保持在该液位设定点规定的液位高度。
在低压塔6里，各路进料经过低温精馏分离成富氮和富氧流体。富氮汽以流30从塔6抽出，经过换热器9、10和3后变热，然后以流33被抽出。可以把流33的全部或一部分作为产物氮回收，其纯度一般高达98％(摩尔)以上。富氧汽以流34从塔6抽出，流经换热器3变暖，然后以流35被抽出。可以把流35的全部或一部分作为产物氧回收，其纯度一般在99-99.9％(摩尔)范围。在由物流35回收蒸汽产物的同时，抑或作为替换由物流35回收蒸汽产物的措施，还可从塔6以物流40抽出富氧液，其全部或一部分可作为液相产物氧回收，纯度一般在99-99.9％(摩尔)范围之间。若不用氩气塔，象图2所表示的实例那样，则氧纯度一般在90-99.9％(摩尔)范围内。
一股主要含有氧和氩的流体以流36从塔6抽出并进入氩气塔7，在塔7中经低温精馏分离成氩更富汽和氧更富液。氧更富液以流37从氩气塔7流出，进入低压塔6。氩更富汽以流43进入塔顶冷凝器8，在此，与上述的部分汽化、氧增浓液间接换热而冷凝。生成的氩更富液以流44进入氩气塔7作为回流。可以把该氩更富液的部分流45作为产物回收，其氩浓渡一般在95-99.9％(摩尔)之间或更高。
图2表示一个不带氩气塔的双塔低温精馏装置。就本公开目的而言，除上面提到的之外，图2表示的双塔装置操作情况与图1类似，故不再一一赘述。图2中的数字代号与图1中相同部分相对应。在图2表示的实例中，从高压塔4塔釜出来的液流27，不经氩气塔顶冷凝器直接经阀105进入低压塔6。
在低温精馏装置运转期间，可以根据需要改变装置的产量，即增加或减少一种或多种产物流的流量。这种改变可能要求改变进料流量。在实施本发明时，为适应进料流量的改变要改变塔釜液位控制器和/或塔顶冷凝器液位控制器的设定点。若进料流量变成高于第一流量的第二流量，则塔釜液位控制器和/或塔顶冷凝器液位控制器的设定点就改变到较低的液位高度。这样一来，迅速提高了高压塔釜进入低压塔的液流量，从而起到在进料流量增加引起蒸汽流量增加时仍维持低压塔内L/V比稳定的作用。若进料流量变到低于第一流量的第二流量，塔釜液位控制器和/或塔顶冷凝器液位控制器的设定点就改变到较高的数值。这样一来，就迅速减少从高压塔釜进入低压塔的液流量，从而起到，尽管因进料流量减少引起蒸汽流量减少，仍维持低压塔内L/V比稳定的作用。稳定的L/V比保证了产物纯度维持在要求的水平。
在本发明的一个较好实例中，事先测定低压塔内的流体(液或汽)组成，再用这种中间产物组成的测定结果对塔釜液位控制器和/或塔顶冷凝器液位控制器进行微小调节。确定组成的被测流体是来自低压塔内低于高压塔釜液进入低压塔的加入点的流体。如果采用了氩气塔，该流体位置还应高于流体自低压塔流向氩气塔的引出点。上述过程表示于图1和图2中，组成传感器150测定由低压塔抽出的液体或蒸汽的样品组成，例如氧或氮的分数。另一种方案是，可以用一个温度传感器代替组成传感器，来感知流体温度，根据这个温度靠推理可确定流体的组成。
本申请人发现，测定该处流体的组成能做到比测定产物流组成更能及时地对L/V比进行调整，同时准确性并不降低。这是因为，中间产物组成对L/V比值变化更为敏感，且一般对该比值变化的响应更快，尤其当氧纯度在98％以上时更是如此。如果不对低压塔设计做一翻巨大而昂贵的改动，是无法直接测定L/V比值本身的。而且，中间产物组成的数值与稳态下氧产物流的组成更为相关。
当中间物料组成的氮摩尔分数高过某一已知能给出某种纯度的氧产品的设定点时，则说明低压塔的下部L/V比值过高，应该降低以防止氧产物纯度继续下降。类似地，当中间产物组成的氮摩尔分数低到某一已知能给出某种纯度的产物氧的设定点时，则说明低压塔下部L/V比值过低，需要提高以防止氧纯度继续升高。为使中间物料组成恢复到其设定点所需要的L/V改变，可以通过调整液位控制器104、118的设定点以及其他过程流量，例如流35、29和36的流量来达到。调整上述物流流量的方法是熟知的。调整这些液位控制器的设定点可以通过反馈回路来达到，该回路利用一个液位控制器调节液位控制器104和118的全部设定点，使测得的中间物料组成维持在所希望的规定设定点。或者，通过调整液位控制器104和118的设定点，使用同一反馈回路来防止中间物料组成持续上升或下滑，而不需尽力将其维持在任何具体的设定点。
调整液位控制器设定点的较好方法是将中间物料组成的测量值纳入一个多变量控制器，它能综合考虑产物氧、氮和氩的测量值以及塔进料组成测定值，并能够调节液位控制器104和118的设定点以及流35、29和36的流量。
这样，就可以通过实施本发明，改变低温精馏装置的产量，同时控制装置的运行以减少或消除产物纯度偏离额定值，而不需要附加储罐或中间罐系统。虽然本发明是结合了某些较好实例加以详细说明的，但熟悉此项技术的人会认识到，此外尚有其他的本发明实例，仍属本文权利要求的原则和范围之内。

Claims (3)

1.一种用于改变低温精馏装置产量的方法，包括：
(A)以第一流量将流体(23)加入到包括一高压塔(4)和一低压塔(6)的低温精馏装置中的所述高压塔(4)中；
(B)把来自高压塔(4)釜的液体送入低压塔(6)；
(C)使高压塔(4)釜内液位保持在所要求的高度；其特征在于，
(D)利用设定于所要求液位的塔釜液位控制器(104)，使高压塔(4)塔釜的液位保持在要求的高度，
(E)当进料流量改变为超过第一进料流量的第二进料流量时，将塔釜液位控制器(104)的设定点改变到较低的数值；以及
(F)当进料流量改变为低于第一进料流量的第二进料流量时，将塔釜液位控制器(104)的设定点改变到较高的数值；
(K)测定低压塔(6)内低于自高压塔(4)釜来的液体加入到低压塔(6)的加入点处的流体组成，并根据该测定结果调整塔釜液位控制器(104)的设定点。
2.权利要求1的方法，其中，
——所述低温精馏装置除高压塔(4)和低压塔(6)之外，还包括一个带塔顶冷凝器(8)的氩气塔(7)；
——步骤(A)的流体包括进料空气；
——在步骤(B)中，把来自高压塔(4)釜的液体送入上述塔顶冷凝器(8)，并把来自所述塔顶冷凝器的液体送入低压塔(6)，并且所述方法还包括
(G)把出自低压塔(6)的流体送入氩气塔(7)；
(H)利用设定于所要求液位的塔顶冷凝器(8)液位控制器(118)，使塔顶冷凝器(8)的液位保持在所要求的高度；
(I)当进料空气流量改变为超过第一进料空气流量的第二进料流量时，将塔顶冷凝器液位控制器(118)的设定点改变到较低的数值；以及
(J)当进料空气流量改变为低于第一进料空气流量的第二进料流量时，将塔顶冷凝器液位控制器(118)的设定点改变到较高的数值。
3.权利要求2的方法，进一步包括测定低压塔(6)内一点处流体的组成，该点低于从塔顶冷凝器(8)来的液体加入到低压塔(6)的加入点，同时又高于从低压塔送往氩气塔(7)流体的引出点，并且根据上述测定结果调整塔顶冷凝器液位控制器(118)的设定点。
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