CS204236B1

CS204236B1 - Method of automatic regulation of the oxygen concentration in the process of the low-temperature air separation

Info

Publication number: CS204236B1
Application number: CS316778A
Authority: CS
Inventors: Ladislav Bina; Jiri Sykora
Original assignee: Ladislav Bina; Jiri Sykora
Priority date: 1978-05-17
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1981-04-30

Description

Vynález se týká způsobu automatické regulace koncentrace produktu nízkoteplotního dělení vzduchu a zapojení k provádění tohoto způsobu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for automatically controlling the concentration of a product of low temperature air separation and to a method for carrying out the method.

Zařízení na nízkoteplotní dělení vzduchu je systém výměníků tepla, rektifikačních kolon a příslušného potrubí, armatur a expanzních turbin. Na kvalitě automatické regulace závisí do značné míry ekonomie celého provozu nízkoteplotního dělení vzduchu. Technologický režim rektifikačního systému je charakterizován průtokem a koncentrací vystupujících produktů a dále průtokem vstupujícího vzduchu.The low temperature air separation plant is a system of heat exchangers, rectification columns and associated piping, fittings and expansion turbines. The economics of the entire low-temperature air separation operation largely depend on the quality of the automatic control. The technological regime of the rectification system is characterized by the flow rate and concentration of the outgoing products, as well as the flow rate of the incoming air.

Doposud známá řešení regulace koncentrace vystupujícího kyslíku z rektifikačního systé mu jsou zároveň regulacemi provozního režimu a spočívají v tom, že se automatická regulace koncentrace vystupujícího kyslíku provádí změnou jeho průtoku. Při zapojení k realizování tohoto způsobu je snímána koncentrace kyslíku a signál úměrný koncentraci je veden přes regulátor do pohonu armatury, která ovlivňuje průtok kyslíku. Tato regulace má však některé nevýhody, které jsou dány především velkým časovým zpožděním celého systému nízkoteplotního dělení vzduchu na jednotkovou poruchu v průtoku vstupujícího vzduchu. Dochází proto při poruše a změně režimu k velkému zpoždění při regulaci regulované veličiny koncentrace na žádanou hodnotu. To vede k tomu, že není optimální výtěžnost kyslíku ze spracovávaného vzduchu a navíc mohou být nepříznivě ovlivněny provozní režimy následujících technologií, které jsou závislé na koncentraci produkovaného kyslíku.The prior art solutions for controlling the concentration of the exiting oxygen from the rectification system are at the same time the operating mode and consist in that the automatic regulation of the exiting oxygen concentration is carried out by changing its flow rate. When wired to implement this method, the oxygen concentration is sensed and a signal proportional to the concentration is routed through the regulator to a valve actuator that affects the oxygen flow. However, this control has some disadvantages, which are mainly due to the large time delay of the entire low-temperature air separation system per unit failure in the incoming air flow. Therefore, there is a large delay in regulating the controlled value of the concentration to the setpoint in case of failure and mode change. This leads to the fact that the oxygen yield from the treated air is not optimal and, in addition, the operating modes of the following technologies, which are dependent on the concentration of oxygen produced, may be adversely affected.

Tyto nevýhody jsou odstraněny způsobem automatické regulace koncentrace produktu nízko teplotního dělení vzduchu podle vynálezu, který je charakterizován tím, že se současně auto maticky reguluje koncentrace vystupujícího kyslíku změnou jeho průtoku spolu s automatickou regulaci průtoku vystupujícího kyslíku buď pouze podle průtoku vstupujícího vzduchu určené204236 ho k dělení, nebo také dle žádané hodnoty koncentrace vystupujícího kyslíku a dusíku. Zapojení k provádění tohoto způsobu je pak charakterizováno tím, že výstup signálu z analyzátoru koncentrace produkovaného kyslíku je propojen přes regulátor koncentrace kyslíku, sčítací člen a regulátor průtoku kyslíku s pohonem armatury na toku kyslíku, přičemž je výstup signálu průtokoměru kyslíku propojen s regulátorem průtoku kyslíku a sčítací člen je propojen přes počítací člen se zařízením pro nastavení Žádané hodnoty koncentrace kyslíku a s vy sílačem na průtokoměru děleného vzduchu, anebo též s výstupem signálu z analyzátoru vystupujícího dusíku.These disadvantages are overcome by the method of automatically controlling the concentration of the low temperature air separation product of the invention, which is characterized in that at the same time the concentration of the exiting oxygen is automatically controlled by varying its flow rate together with the automatic exiting oxygen flow rate or also according to the setpoint concentration of the exiting oxygen and nitrogen. The circuitry for performing the method is then characterized in that the signal output from the oxygen concentration analyzer is coupled via an oxygen concentration regulator, an addition member and an oxygen flow regulator to an armature actuator on the oxygen flow, wherein the oxygen flowmeter signal output is coupled to the oxygen flow regulator. the counting element is connected via the counting element to the device for setting the oxygen concentration setpoint and to the transmitter on the split air flowmeter, or also to the output of the nitrogen analyzer output signal.

Výhodou uvedeného řešení způsobu regulace koncentrace je především»to, že umožňuje vyrábět produkt,příkladně kyslík,o požadované koncentraci při optimální výtěžhosti kyslíku z děleného vzduchu. Uvedený způsob regulace koncentrace kyslíku dle vynálezu umožňuje dále optimální řízení provozu zařízení, přičemž přechodové stavy regulované koncentrace produktu jsou krátké a nejsou překračovány provozní meze.The advantage of said solution of the concentration control method is, in particular, that it makes it possible to produce a product, for example oxygen, of the desired concentration with optimum oxygen recovery from the split air. Said method for controlling the oxygen concentration according to the invention furthermore allows an optimal control of the operation of the plant, the transition states of the controlled product concentration being short and the operating limits are not exceeded.

Příkladný způsob regulace produktu nízkoteplotního dělení vzduchu dle vynálezu je schematicky zobrazen na přiloženém výkresu, kde je zjednodušené technologické schéma rektifikační části velkokapacitního zařízení na dělení vzduchu. Na výkresu jsou pro zjednodušení vynechány výměníky tepla mezi vstupujícím vzduchem a produkty nízkoteplotního dělení. Do za řízení vstupuje vzduch a je měřen průtokoměrem 8 děleného vzduchu. V tlakové koloně 2 je vzduch předběžně rozdělen na bohatou kapalinu, která je ze spodní části tlakové kolony 2 nastřikována do střední části nízkotlaké kolony £.An exemplary method of controlling a low temperature air separation product according to the invention is schematically illustrated in the accompanying drawing, where a simplified flow diagram of a rectification part of a high capacity air separation apparatus is simplified. In the drawing, the heat exchangers between the incoming air and the low temperature separation products are omitted for simplicity. Air enters the device and is measured by the split air flow meter 8. In the pressure column 2, the air is preliminarily divided into a rich liquid which is injected from the bottom of the pressure column 2 into the middle part of the low pressure column 6.

Reflux v tlakové koloně 2 je zajišťován prací hlavního kondenzátoru £ a přídavného kondenzátoru £ na úkor varu kapalného kyslíku. Tyto kondensátory £, £ jsou zároveň vařáky nízkotlaké kolony £. Z hlavy tlakové kolony 2 je nastřikován kapalný dusík do hlavy nízkotlaké kolony £ jako reflux. Výroba chladu je kryta prací expanzní turbiny 2» ^v které expanduje vzduch z tlaku tlakové kolony 2 ne tlak nízkotlaké kolony £. Na výkresu jé znázorněna regulace koncentrace vyráběného kyslíku. Koncentrace kyslíku je měřena analyzátorem 12. koncentrace produkovaného kyslíku. Ze zařízení kyslík vystupuje potrubím 2 a jeho průtok je ovládán armaturami 10. 2 s pneupohony. Průtok vyráběného kyslíku je měřen průtokoměrem 11 kyslíku. Signál úměrný koncentraci vyráběného kyslíku z analyzátoru 12 je veden do regulátoru 13 koncentrace kyslíku.Reflux in the pressure column 2 is provided by the operation of the main condenser a and the additional condenser na at the expense of liquid oxygen boiling. These capacitors 8, 8 are at the same time the boilers of the low pressure column 6. Liquid nitrogen is injected from the head of the pressure column 2 into the head of the low pressure column 6 as reflux. The production of cold is covered by a scrubbing expansion turbine 2 ⁱⁿ which the air expands from the pressure of the pressure column 2 to the pressure of the low pressure column 6. The drawing shows the regulation of the concentration of oxygen produced. The oxygen concentration is measured by the oxygen concentration analyzer 12. Oxygen exits from the device via line 2 and its flow is controlled by valves 10, 2 with pneumatic actuators. The flow of produced oxygen is measured by an oxygen flow meter 11. A signal proportional to the concentration of oxygen produced from the analyzer 12 is sent to the oxygen concentration regulator 13.

Výstupní signál regulátoru 13 koncentrace kyslíku je veden do sčítacího členu £2, do něhož je zároveň přiváděn výstupní signál z počítacího členu £8. V počítacím členu 18 je matematický model procesu nízkoteplotního dělení vzduchu, který je v podstatě jednoduchou bilanční rovnicí. Počítací člen 18 je buá sestaven z počítacích prvků nízkotlaké pneumatiky, nebo může být příkladně zajišťován mikroprocesorem. Počítací člen 18 zpracovává jednak signál úměrný žádané hodnotě koncentrace vyráběného kyslíku, který je sám veden ze zařízení 14 pro nastavení žádané hodnoty koncentrace a dále zpracovává signál úměrný koncentraci druhého produktu, tj. dusíku, který je sem veden z analyzátoru 19 dusíku. Dusík vyptupuje ze zařízení potrubím 6. Dále je do tohoto počítacího členu 18 veden signál, který je úměrný průtoku zpracovávaného vzduchu, který je sem veden z průtokoměru 8. Výstupní signál z počítacího členu 18 je veden do sčítacího členu £2, do kterého je zároveň přiváděn signál z regulátoru 13 koncentrace kyslíku.The output signal of the oxygen concentration regulator 13 is fed to the summing member 52, to which the output signal from the counting member 48 is also supplied. In the counting member 18 is a mathematical model of the low temperature air separation process, which is essentially a simple balance equation. The counting member 18 is either composed of the counting elements of the low-pressure tire, or it can be provided by a microprocessor, for example. The counting member 18 processes a signal proportional to the oxygen concentration setpoint that is itself routed from the concentration setpoint adjusting device 14 and further processes a signal proportional to the concentration of the second product, i.e. nitrogen, that is routed there from the nitrogen analyzer 19. Nitrogen is discharged from the device via line 6. Further, a signal is proportional to the counting member 18, which is proportional to the flow of treated air from the flowmeter 8. The output signal from the counting member 18 is fed to the summing member 52, which a signal is supplied from the oxygen concentration regulator 13.

Výstupní signál ze sčítacího členu 15 je veden jako vstupní žádaná hodnota do regulátoru 16 průtoku kyslíku. Akční signál z regulátoru 16 průtoku kyslíku je veden do pohonu příslušné armatury na toku produktu přes přepínač £2· Znamená to, že v případě, že je produkován kyslík pouze z přídavného kondenzátoru £ je přepínač 17 zapnut tak, že armatura £0 s pohonem na cestě kyslíku z nízkotlaké kolony £ je uzavřena a je regulována pouze armatura 2 s pohonem na cestě kyslíku z přídavného kondenzátoru £. Koncentrace vyráběného kyslíku je nastavována zařízením 14 pro nastavování žádané hodnoty koncentrace kyslíku. Automaticky je regulována koncentrace kyslíku podle průtoku změnou žádané hodnoty průtoku kyslíku. Pomocí počítacího členu, v kterém je jednoduchý model zařízení na dělení vzduchu,je okamžitě změ3 nšn průtok kyslíku buá podle žádané hodnoty koncentrace kyslíku,nebo i s uvažováním koncentrace druhého produktu, dusíku a průtoku spracovávaného vzduchu.The output signal from the adder 15 is applied as an input setpoint to the oxygen flow controller 16. The action signal from the oxygen flow controller 16 is fed to the actuator of the respective valve on the product flow through the switch 62. This means that if oxygen is only produced from the auxiliary capacitor £, the switch 17 is turned on so that the valve 60 with actuator The oxygen path from the low-pressure column 6 is closed and only the valve 2 with the drive on the oxygen path from the additional condenser 6 is controlled. The concentration of oxygen produced is adjusted by the oxygen concentration setpoint 14. The oxygen concentration is automatically regulated according to the flow rate by changing the oxygen flow setpoint. By means of a counting element, in which there is a simple model of an air separation device, the oxygen flow rate is immediately varied according to the oxygen concentration setpoint, or even considering the concentration of the second product, the nitrogen and the air flow rate.

Může být použito například jednoduchého modelu, procesu dělení dle rovniceFor example, a simple model, a division process according to the equation, can be used

20,93 - xa ^XK - ^XA kde20,93 - x and ^X K - ^X A where

KTO

V ^XK ^XA je množství vyráběného kyslíku množství děleného vzduchu koncentrace kyslíku v % ve vyráběném kyslíku koncentrace kyslíku v % v odcházejícím dusíku.In ^X K ^X A, the amount of oxygen produced is the amount of split air the oxygen concentration in% in the oxygen produced The oxygen concentration in% in the outgoing nitrogen.

Podle jiného příkladného řešení zapojení dle vynálezu může být sčítací člen 1 5. počítací člen 18 realizován v řídicím počítači případně i s regulátory 13 koncentrace kyslíku a regulátorem 16 průtoku kyslíku.According to another exemplary embodiment of the invention, the addition member 15 may be implemented in the control computer, optionally with oxygen concentration regulators 13 and oxygen flow regulator 16, respectively.

Využit.:' způsobu regulace podle vynálezu přichází v úvahu především u velkokapacitního zařízení na dělení vzduchu, kde umožňuje zvýšení výtěžnosti kyslíku a tím i snížením měrné spotřeby energie tím, že jsou ztráceny přechodové stavy při regulačních zásazích. Dále se dosáhne optimální výtěžnosti kyslíku o požadované koncentraci v závislosti na složitosti matematického modelu dělení v počítacím členu 18.The control method according to the invention can be used in particular in a large-capacity air separation plant, where it makes it possible to increase the oxygen yield and thus to reduce the specific energy consumption by losing the transient states in the control interventions. Further, an optimum oxygen yield of the desired concentration is obtained depending on the complexity of the mathematical model of separation in the counting member 18.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Method for automatically controlling the oxygen concentration in a low-temperature air separation process, characterized in that at the same time the concentration of the exiting oxygen is controlled automatically by varying its flow rate together with the automatic exiting oxygen flow rate either the concentration of exiting oxygen and the concentration of exiting nitrogen.

Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the signal output from the oxygen concentration analyzer (12) is connected via an oxygen concentration regulator (13), an adder (15) and an oxygen flow regulator (16) with a valve actuator. (9) or (10) on the oxygen flow, wherein the signal output of the oxygen flow meter (11) is coupled to the oxygen flow controller (16) and the adder (15) is connected via a counting member (18) to a setting device (14) of the desired oxygen concentration and with a signal transmitter on the split air flow meter (8), or also with a signal output from the nitrogen nitrogen analyzer (19).

1 drawing