DE10217093A1 - Verfahren zur Regelung eines Trennsäulen-Systems zur Gaszerlegung - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines Trennsäulen-Systems zur Gaszerlegung

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Abstract

Das Verfahren dient zur Regelung eines Trennsäulen-Systems zur Gaszerlegung, das eine Hochdrucksäule (3) und eine Niederdrucksäule (4) aufweist. An mindestens einer Stelle (50) innerhalb der Hochdrucksäule (3) wird die Temperatur (T¶HDS¶) gemessen (TIC1). Die Reinheit mindestens eines Produkts des Tennsäulen- Systems wird in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (T¶HDS¶) geregelt. Alternativ zusätzlich wird die Temperatur (T¶MiS¶) an mindestens einer Stelle (52) innerhalb einer Mischsäule (5) gemessen (TIC2) und das Konzentrationsprofil in der Mischsäule (5) in Abhängigkeit von der in der Mischsäule (5) gemessenen Temperatur (T¶MiS¶) eingestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Trennsäulen-Systems zur Gaszerlegung, insbesondere zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft.
  • In einer ersten Variante weist das Trennsäulen-System eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule. Dabei kann es sich beispielsweise um ein klassisches Linde- Doppelsäulen-System, bei dem der Kopf der Hochdrucksäule und der Sumpf über einen Hauptkondensator in wärmetauschender Verbindung stehen. Die erste Variante der Erfindung ist aber auch auf jedes andere Zwei-Säulen-System anwendbar, in dem eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule besteht und das beispielsweise zwei oder mehr Kondensator-Verdampfer aufweist.
  • Das Trennsäulen-System kann aber auch als Drei- oder Mehrsäulensystem (insbesondere zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung) ausgebildet sein. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung.
  • Die Grundlagen der Gaszerlegung und der Tieftemperaturzerlegung von Luft sowie der Aufbau von Doppelsäulenanlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No. 2, 1967, Seite 35) beschrieben.
  • Üblicherweise wird die Reinheit der Produkte eines Trennsäulen-Systems durch eine direkte Messung der chemischen Zusammensetzung eines Produkts geregelt. Solche Messungen dauern jedoch vergleichsweise lange und erfordern aufwändige und teure Messapparaturen (Analysatoren).
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Regelung der Produktreinheit auf kostengünstige Weise durchzuführen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Temperatur (THDS) an mindestens einer Stelle innerhalb der Hochdrucksäule gemessen wird und dass die Reinheit mindestens eines Produkts des Trennsäulen-Systems in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (THDS) geregelt wird.
  • Eine Temperaturmessung benötigt keine aufwändige Apparatur. Der Messwert ist unmittelbar verfügbar und ein analoger Regler oder ein digitales Prozessleitsystem kann praktisch ohne Zeitverzögerung die entsprechende Stellgröße nachfahren. Die Temperaturmessung in der Hochdrucksäule kann an einer einzigen Stelle erfolgen, an der die Konzentration besonders empfindlich auf Schwankungen der Betriebsparameter reagiert. Alternativ kann mittel zwei oder mehr Messungen an unterschiedlichen Stellen ein Temperaturprofil aufgenommen werden und die Regelung in komplexerer Abhängigkeit, beispielsweise des Temperaturgradienten an einer oder mehreren Stellen vorgenommen werden. Die Temperaturmessung erfolgt vorzugsweise im unteren oder mittleren Drittel der Hochdrucksäule.
  • Vorzugsweise wird als Stellgröße die Rücklaufmenge in der Hochdrucksäule verwendet, indem die Rücklaufmenge in der Hochdrucksäule und/oder die Menge mindestens eines Flüssigkeitsstroms, der aus der Hochdrucksäule entnommen wird, in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (THDS) eingestellt wird. Auf diesem Wege kann die Reinheit der Produkte des Hochdrucksäule, insbesondere des Kopfprodukts (Stickstoff im Falle der Luftzerlegung) beeinflusst werden.
  • In einer zweiten Variante weist das Trennsäulen-System mindestens eine Rektifiziersäule und eine Mischsäule auf, wobei eine flüssige Fraktion aus der Rektifiziersäule entnommen und auf die Mischsäule aufgegeben wird und der Mischsäule ein gasförmiger Produktstrom entnommen wird. Die Mischsäule dient zur Erzeugung eines Druckgasstroms mittels direkter Verdampfung der flüssigen Fraktion im Gegenstrom-Stoffaustausch mit einem Heizfluid (zum Beispiel Luft). Mischsäulen- Verfahren und -Vorrichtungen sind aus EP 531182 A1, DE 198 03 437 A1, DE 199 51 521 A1 und EP 1139046 A1 sowie aus den nicht vorveröffentlichen deutschen Patentanmeldungen 101 39 727.5 und 102 09 421 bekannt.
  • Das Trennsäulen-System kann beispielsweise eine Einzelsäule als Rektifiziersäule aufweisen, oder aber eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule und gegebenenfalls weitere Säulen wie oben zur ersten Variante beschrieben.
  • Gemäß der zweiten Variante der Erfindung wird die Temperatur (TMiS) an mindestens einer Stelle innerhalb der Mischsäule gemessen wird und dass das Konzentrationsprofil in der Mischsäule in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (TMiS) eingestellt. Die Temperaturmessung (an Stelle einer Analyse) hat auch an dieser Stelle die oben beschriebenen Vorteile.
  • Die erste und die zweite Variante der Erfindung können - beispielsweise bei einem Zwei-Säulen-Luftzerleger mit Mischsäule - auch in Kombination angewendet werden.
  • Bei dem Mischsäulen-Verfahren gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine flüssige Zwischenfraktion von einer Zwischenstelle der Mischsäule abgezogen, und die Menge dieser Zwischenfraktion wird in Abhängigkeit von der in der Mischsäule gemessenen Temperatur (TMiS) eingestellt.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Rektifiziersäule wird bei dem Ausführungsbeispiel durch eine Doppelsäule gebildet wird, die eine Hochdrucksäule 3 und eine Niederdrucksäule 4 aufweist. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule 3 beträgt vorzugsweise 4,3 bis 6,9 bar, beispielsweise etwa 5,0 bar. Die Niederdrucksäule 4 wird unter vorzugsweise 1,3 bis 1,7 bar, beispielsweise etwa 1,5 bar betrieben. Außerdem weist das Trennsäulen- System eine Mischsäule 5 auf, deren Betriebsdruck vorzugsweise 3 bis 5 bar, zum Beispiel etwa 5 bar beträgt.
  • Ein Luftverdichter, in dem die Gesamtluft auf etwas über Hochdrucksäulendruck gebracht wird, und eine anschließende Luftreinigung sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Über Leitung 1 wird verdichtete und gereinigte Luft unter einem Druck von 5,1 bar herangeführt und in drei Teilströme, den ersten Einsatzluftstrom 101, den zweiten ELS 201 und den dritten ELS 301 aufgeteilt. Alle drei strömen einem Hauptwärmetauscher 2, in dem in indirektem WAT mit Produktströme abgekühlt werden.
  • Der erste ELS 101 strömt vom kalten Ende des Hauptwärmetauschers 2 direkt in den unteren Bereich der Hochdrucksäule 4 und wird keinerlei druckverändernden Maßnahmen unterworfen.
  • Etwas oberhalb der Temperatur des kalten Endes des Hauptwärmetauschers 2 wird der zweite ELS 201 über Leitung 202 entnommen und in den unteren Bereich der Mischsäule 5 eingespeist.
  • Nur bis zu einer Zwischentemperatur abgekühlt wird der dritte ELS 301. Anschließend wird er über Leitung 302 aus dem Hauptwärmetauscher 2 entfernt und in einer Entspannungsmaschine (Einblaseturbine) 303 arbeitsleistend auf etwa Niederdrucksäulendruck entspannt. Über die Leitungen 304 und 305 wird er schließlich gasförmig in die Niederdrucksäule 4 eingeblasen.
  • Das Rektifiziersystem ist in den Ausführungsbeispielen als klassischer Linde- Doppelsäulen-Apparat mit einem Kondensator-Verdampfer 6 als Hauptkondensator ausgeführt. Die Erfindung kann jedoch auch bei Rektifiziersystemen mit anderer Kondensator- und/oder Säulenkonfiguration eingesetzt werden.
  • Sauerstoffangereicherte Flüssigkeit 7 aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 3 wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 8 abgekühlt und nach Drosselung 9 der Niederdrucksäule 4 an einer Zwischenstelle zugeführt. Gasförmiger Stickstoff 10 vom Kopf der Hochdrucksäule 3 wird zu einem Teil 11 im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt und über Leitung 12 als Druckstickstoffprodukt (PGAN) gewonnen. Der Rest 13 wird im Hauptkondensator 6 im wesentlichen vollständig kondensiert. Der hierbei gewonnene flüssige Stickstoff 14 wird als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 3 aufgegeben.
  • Eine Zwischenflüssigkeit 15 (unreiner Stickstoff) der Hochdrucksäule 3 wird nach Unterkühlung 8 und Drosselung 16 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule 4 aufgegeben. Gasförmiger Unreinstickstoff 17 vom Kopf der Niederdrucksäule 4 wird in den Wärmetauschern 8 und 2 angewärmt und schließlich über Leitung 18 abgezogen. Er kann als Regeneriergas bei der Luftreinigung eingesetzt werden (nicht dargestellt).
  • Aus dem Sumpf der Niederdrucksäule wird flüssiger Sauerstoff 19 abgezogen, in einer Pumpe 20 auf etwas über Mischsäulendruck gebracht, unter dem erhöhten Druck über Leitung 21 zum kalten Abschnitt des Hauptwärmetauschers geführt, dort etwas angewärmt und schließlich über Leitung 22 auf den Kopf der Mischsäule 5 aufgegeben. (Die Spülleitung 23 dient zum gefahrlosen ausschleusen schwerer flüchtiger Bestandteile; über sie wird kontinuierlich oder diskontinuierlich ein kleiner Teil des Sumpfprodukts der Niederdrucksäule 3 abgelassen.)
  • Vom Kopf der Mischsäule 5 wird gasförmiger unreiner Drucksauerstoff 24 abgezogen, im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt und über Leitung 25 als gasförmiges Druckprodukt (GOX) gewonnen. Der Mischsäule werden Sumpfflüssigkeit 26/27 und eine Zwischenflüssigkeit 28/29 entnommen und nach Unterkühlung 8 an geeigneten Stellen der Niederdrucksäule 4 zugeführt.
  • Gemäß der ersten Variante der Erfindung wird an einer Zwischenstelle 50 der Hochdrucksäule 3 eine Temperaturmessung (TIC1, temperature indication and control) vorgenommen. In Abhängigkeit vom aktuellen Messwert wird über eine Steuerleitung 51 die Flüssigkeitsmenge eingestellt, die über Leitung 15 aus der Hochdrucksäule abgezogen wird. Hierdurch kann die Rücklaufmenge innerhalb der Hochdrucksäule und damit die Reinheit des an Kopf abgezogenen Druckstickstoffs 10, 11 geregelt werden.
  • Unabhängig davon ist in dem Ausführungsbeispiel auch die zweite Variante der Erfindung realisiert. Hierzu wird an einer Zwischenstelle 52 der Mischsäule 5, die zwischen dem Zwischenabzug 28 und dem Sumpf angeordnet ist, eine Temperaturmessung (TIC2) vorgenommen. (In einer anderen Variante der Erfindung kann die Messung oberhalb des Zwischenabzugs 28 vorgenommen werden.) In Abhängigkeit vom aktuellen Messwert wird über eine Steuerleitung 53 die Flüssigkeitsmenge eingestellt, die über Leitung 28/29 aus der Mischsäule abgezogen wird. Hierdurch kann das Konzentrationsprofil innerhalb der Hochdrucksäule und damit die Zusammensetzung des an Kopf abgezogenen unreinen Drucksauerstoffs 24/25 geregelt werden.
  • In dem Rektifiziersystem des erfindungsgemäßen Verfahrens können neben den gasförmigen Produkten auch kleinere Mengen flüssigen Sauerstoffs und/oder flüssigen Stickstoffs erzeugt werden.
  • Analog zur ersten Variante kann grundsätzlich eine Temperaturmessung in einer Trennsäule zur Regelung der Reinheit eines oder mehrerer Produkte dieser Säule, insbesondere im Wege der Einstellung der Rücklaufmenge, eingesetzt werden.
  • Der Grundgedanke der Erfindung ist auch auf Hochrein-Anlagen zur Gewinnung von hoch reinem Stickstoff oder hoch reinem Sauerstoff anwendbar. Die Temperaturmessung erfolgt dabei an geeigneter vorgelagerter Stelle. Dadurch kann man eine kostengünstige Abschaltung von diskontinuierlich arbeitenden Analysatoren (zum Beispiel Gaschromatographen) erreichen. Auch Einsäulen-Verfahren zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung können mit Hilfe einer Temperaturmessung innerhalb der Säule geregelt werden.
  • Die hier gezeigten Beispiele stellen prozesstechnische Regelungen dar. Die Abschaltung der Produkte erfolgt vorzugsweise weiterhin über Analysatoren.
  • Unabhängig von der auf Temperaturmessungen gestützten prozesstechnischen Kontrolle beziehungsweise Einstellung kann auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Überwachung beziehungsweise Abschaltung der Produkte über Analysatoren erfolgen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Regelung eines Trennsäulen-Systems zur Gaszerlegung, das eine Hochdrucksäule (3) und eine Niederdrucksäule (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (THDS) an mindestens einer Stelle (50) innerhalb der Hochdrucksäule (3) gemessen (TIC1) wird und dass die Reinheit mindestens eines Produkts des Trennsäulen-Systems in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (THDS) geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufmenge in der Hochdrucksäule (3) und/oder die Menge mindestens eines Flüssigkeitsstroms (15), der aus der Hochdrucksäule (3) entnommen wird, in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (THDS) eingestellt (51) wird.
3. Verfahren zur Regelung eines Trennsäulen-Systems zur Gaszerlegung, das mindestens eine Rektifiziersäule (4) und eine Mischsäule (5) aufweist, wobei eine flüssige Fraktion (19, 21) aus der Rektifiziersäule (4) entnommen und auf die Mischsäule (5) aufgegeben wird und der Mischsäule (5) ein gasförmiger Produktstrom (24) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TMiS) an mindestens einer Stelle (52) innerhalb der Mischsäule (5) gemessen (TIC2) wird und dass das Konzentrationsprofil in der Mischsäule (5) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur (TMiS) eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennsäulen-System außerdem eine Mischsäule (5) aufweist, auf die eine flüssige Fraktion (19, 21) aus der Niederdrucksäule (4) aufgegeben wird und aus der ein gasförmiger Produktstrom (24) entnommen wird, wobei die Temperatur (TMiS) an mindestens einer Stelle (52) innerhalb der Mischsäule (5) gemessen (TIC2) wird und dass das Konzentrationsprofil in der Mischsäule (5) in Abhängigkeit von der in der Mischsäule (5) gemessenen Temperatur (TMiS) eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine flüssige Zwischenfraktion (28, 29) von einer Zwischenstelle der Mischsäule (5) abgezogen wird und dass die Menge dieser Zwischenfraktion in Abhängigkeit von der in der Mischsäule (5) gemessenen Temperatur (TMiS) eingestellt (53) wird.
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