DE2612885A1

DE2612885A1 - Verfahren zur temperaturabstimmung bei umkehrwaermeaustauschern

Info

Publication number: DE2612885A1
Application number: DE19762612885
Authority: DE
Inventors: Akiyoshi Gotoh; Taichi Katsuki; Takumi Mizokawa; Yukio Sawada
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1975-03-28
Filing date: 1976-03-26
Publication date: 1976-11-04
Also published as: GB1548942A; US4034420A; ZA761854B; BR7601866A; SU793419A3; JPS51111950A; JPS5336896B2; DE2612885B2

Description

2612385

T 50 252
Anmelder:

Kobe Steel, Ltd.

3-18, 1-chome, Wakinohama-cho, Fukiai-ku Kobe / Japan

Verfahren zur Temperaturabstimmung bei Umkehrwärraeaustauschsrn

Die Erfindung betrifft ein neues und verbessertes Verfahren zur automatischen Ausgleichung der Temperatur einer Vielzahl von Unikehrwärmeaustauscheinheiten, die zueinander in paralleler Anordnung sind. Da»- Ausgleichverfaiiren umfaßt die folgenden Stufen: Bestimmung der Temperatur in Teilen jedes Kerns der Umkehrwäriueaustauscher, wann immer die Strömungswege eines Zufuhrstroms bzw. Beschickungsstroiiis und eines Wärmemediumstroms umgeschaltet v/erden» Berechnung einer mittleren Temperatur für jeden Kern aus den gemessenen Werten während der letzten, bestimmten Umschaltperiode vom derzeitigen Zeitpunkt,Berechnen einer mittleren Temperatur für alle Austauscher aus der berechneten mittleren Temperatur für jeden Kern, Berechnung der Abweichung und der Abweichungsrichtung der Temperatur der entsprechenden Austauscher, in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen der mittleren Temperatur von jedem Kern und der mittleren Temperatur aller Austauscher, Zurückführen bzw. Zurückkoppeln der Systemabweichung, in Abhängigkeit von der Abweichung und der Abweichungsrichtung zur Ventilkontrolle für den Ausgleich der Temperatur der Umkehrwärmeaustauscher.

Die Erfindung betrifft die Kontrolle von Wärmeaustauschern und insbesondere ein Verfahren zum Ausgleichen der Temperatur einer Vielzahl von Wärmeaustauschern, die in paralleler Beziehung verbunden sind, wobei durch jeden Wärmeaustauscher ein Zufuhrgasstrom bzw. Beschickungsgasstrom und ein Strom aus heißem Medium wie Rücklaufgas hindurchgehen und wobei die beiden Ströme alternativ in bestimmten Inter-

609845/0669

-2- 261288b

vailen umgeschaltet werden.

Es ist im allgemeinen übliche Praxis, Umkehrwärmeaustauscher in einer Lufttrennanlage zu verwenden, deren Leistungswirksamkeit in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen unter einer Vielzahl von Wärmeaustauschern variieren wird. Die Umkehrwärmeaustauscher umfassen im allgemeinen einen Zufuhrluftstrom, einen Rücklaufgasstrom, der unreine Stickstoff- und Sauerstoffgase enthält,und einen getrennten Gasstrom, der das Produkt Stickstoff und das Produkt Sauerstoff enthält. Der Zufuhrluftstrom und der Rücklaufgasstrom werden alternativ und periodisch durch Kontrolle von Umschaltungsventilen umgeschaltet, wogegen das abgetrennte Gas durch einen stationären Wärmeaustauschkanal strömt. Während des Wärmeaustauschverfahrens wird die Zufuhrluft, während sie durch den Zufuhrluftstromkanal hindurchgeht, abgekühlt, und Verunreinigungen, die in der Zufuhr luft vorhanden sind, haften oft an der Wand des Stromkanals in Form von Eis oder gefrorenem CCU · Diese Materialien können sich innerhalb des Wärmeaustauschers akkumulieren, und dies'bewirkt, daß die Anlage nicht stabil betrieben werden kann. In extremen Fällen ist es unmöglich, die Wärmeaustauscher weiter zu betreiben. Zur Lösung dieser Schwierigkeit werden der Luftzufuhrstrom und der Rücklaufgasstrom alternativ umgeschaltet und dadurch wird die Akkumulation dieser Verunreinigungen innerhalb der Wärmeaustauscher während des normalen Betriebs vermieden. Durch dieses Vorgehen wird die Ansammlung von Verunreinigungen und Trockeneis zufriedenstellend durch den Dampfdruckunterschied zwischen diesen Verunreinigungen, die in dem Zufuhrluftstrom und dem Rücklaufgasstrom enthalten sind, vermieden. Da die Menge an Zufuhrluft, die in eine Rektifiziersäule eingeleitet wird, zeitweise während eines kurzen Zwischenraums während der Umschaltung des Zufuhrluftstroms und des Rücklaufgasstroms vermindert wird, ist es bevorzugt, nicht die Ströme von allen Wärmeaustauschern auf einmal umzuschalten, sondern sie nacheinander umzuschalten, wobei ein bestimmter

60984 5/0669

Zeitunterschied zwischen jedem Vorgang liegt. Zur Entfernung der Verunreinigungen von den Wänden des Stromkanals auf wirksame Weise ist es bevorzugt, daß der Temperaturunterschied zwischen dem Zufuhrluftstrom und dem Rücklaufgasstrom innerhalb eines gegebenen annehmbaren Bereichs gehalten wird. Bei der tatsächlichen Durchführung ist jedoch der Temperaturunterschied zwischen dem Zufuhrluftstrom und dem Rücklaufgasstrom in dem Wärmeaustauscher so, daß der Temperaturunterschied am Einlaßende des Wärmeaustauschers für den Zufuhrluftstrom gering ist und in Richtung auf das entgegengesetzte Ende zunimmt. Wenn dieser Temperaturunterschied einen bestimmten Wert überschreitet, d.h. wenn er die Grenzkurve für die Verdampfung von gefrorenem CO₂ schneidet, wird die Entfernung von gefrorenem CO^ unmöglich. Diese Erscheinung wird durch die Tatsache verursacht, daß die spezifische Wärme bei konstantem Druck für das Niedrigdruck-Rücklauf gas innerhalb eines begrenzten, geringen Bereichs variiert, wohingegen die spezifische Wärme bei konstantem Druck für die Hochdruckzufuhrluft bei steigender Temperatur zunimmt. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeit ist es übliche Praxis, eine Umkehrströmungsleitung vorzusehen, damit die Gase, die in der Rektifizierungssäule anfallen, in Umkehrrichtung zu der Strömung der Zufuhr luft in Richtung auf das heiße Ende des Wärmeaustauschers geleitet werden können, und dadurch wird der Temperaturunterschied zwischen dem Zufuhrluftstrom und dem Rücklaufgasstrom innerhalb eines annehmbaren Bereichs reguliert.

Normalerweise besitzt der oben beschriebene Umkehrwärmeaustauscher eine Größe von 1200 χ 1200 mm im Querschnitt, und hinsichtlich der Herstellungsbedingungen wird diese Größe als maximale Größe für industrielle Anlagen angesehen. Bei üblichen, größeren Lufttrennanlagen sind im allgemeinen eine Reihe von Wärmeaustauschern der oben beschriebenen Größe parallel miteinander verbunden. Es ist bei diesen Anlagen übliche Praxis, einen Satz von Thermometern, die in der Mitte und an den kalten Enden von jedem

609845/0669

-⁴ - 261288b

Wärmeaustauscher angebracht sind, zur Überwachung zu verwenden, so daß die Kontrolle der Strömung der Zufuhrluft und des Rücklaufgases durch manuell betriebene Strömungskontrollventile erleichtert wird. Dadurch sollen die Temperaturen an den mittleren und kalten Enden von jedem Wärmeaustauscher innerhalb annehmbarer Bereiche gehalten werden. Eine andere Möglichkeit, die in der Literatur vorgeschlagen wird, besteht darin, ein automatisches Regulierventil an dem Einlaß des Zufuhrluftkanals von jedem Wärmeaustauscher zu verwenden und Temperaturkontrolleinrichtungen mit Temperaturmeßelementen vorzusehen, die am Auslaß des Zufuhrluftkanals angebracht sind und so gebaut sind, daß sie in Kaskase reguliert werden können, so daß eine automatische Eontrolle möglich wird. Bei den kürzlich verwendeten, großen Lufttrennanlagen werden jedoch zwanzig oder mehr Wärmeaustauscherkerne installiert, und die Kontrolle der einzelnen Kerne stört die Kontrolle der anderen Kerne, und dies ergibt eine unzufriedenstellende Lufttrennung und Schwankungen. Daher werden in der Temperaturverteilung innerhalb der Wärmeaustauscher Störungen auftreten_P und dies bewirkt. daß Produktgase geringer Reinheit und mit schlechter Wärme-

austauschwirksamkeit gebildet werden. \

Zur Lösung der obigen Schwierigkeiten hat man vorgeschlagen , ein gesamtes Kontrollsystem für eine Zahl von Wärmeaustauschern zu verwenden, 'anstatt daß die Temperaturverteilung der einzelnen Wärmeaustauscher reguliert wird. Ein gesamtes Kontrollsystem wird z.B. in der US-PS 3 167 113 mit dem Titel "Equalization of Loads on Heat Exchangers" von Louis D. Kleiss beschriebene Diese PatentsehrifI betrifft ein Wärmeaustauschersystem, jedoch kein Umkehrwärraeaustauschersysteis, einschließlich einer⁵ Vielzahl von Wärmeaustauschern, die parallel miteinander verbunden sind. Die | bekannten Systems enthalten Temperaturfühlelemente in der Gasspi £uh*r.leitung stromaufwärts und stromabwärts von dem Wärmeaustauscher und zusätzliche Tempera turf ühlelemente, -"die in der Produktgasleitung stromaufwärts von des Wärmeaustauscher

S09345/Q6S9

-5- 261288b

angebracht sind, und es werden die Temperaturen Tx, Ty und Tz geraessen. Diese Temperaturen können verwendet v/erden, um die Leistung des Wärmeaustauschers folgendermaßen auszudrücken:

Leistung = (Tx - Ty)/(Tx - Tz).

Auf diese V/eise wird die Leistung von jedem Wärmeaustauscher berechnet, und man erhält eine durchschnittliche Leistung für alle Wärmeaustauscher, die zur Kontrolle von Ventilen verwendet wird, die in den Gaszufuhrleitungen stromaufwärts von den entsprechenden Wärmeaustauschern angebracht sind, und dadurch wird die Leistung von allen Wärmeaustauschern ausgeglichen bzw. gleichgemacht. Bei einer anderen, in der genannten Patentschrift beschriebenen Anordnung werden Temperaturfühlelemente bzw. -abtastelement bzw. -meßelemente (diese Ausdrücke werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet) in dem Wärmeaustauscher angebracht, um den Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten, fluiden Materialien zu messen, so daß man ein Abgabesignal erhält, das für die durchschnittlichen Temperaturdifferenz in dem Wärmeaustauscher charakteristisch ist. Dieses Abgabesignal oder Ausgangssignal wird zu einer Kontrollvorrichtung geführt, die Strömungsventile betätigt, die in den Gaszufuhrleitungen stromaufwärts von den Wärmeaustauschern angebracht sind, und dadurch wird der Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten, fluiden Materialien in jedem Wärmeaustauscher ausgeglichen. Gemäß dieser Patentschrift wird die Leistung von jedem Wärmeaustauscher oder der Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten, fluiden Materialien zur Kontrolle der Strömungsregulierventile der entsprechenden Wärmeaustauscher verwendet, ohne daß die Umschaltzeit der Wärmeaustauscher in Betracht gezogen wird.

Wird daher das Hauptprinzip der US-Patentschrift bei Wärmeaustauschersystemen der Umkehrwärmeaustauscherart zum Ausgleich der Temperaturunterschiede zwischen den heißen

609845/0669

und kalten, fluiden Materialien in jedem Wärmeaustauscher verwendet, so wird jeder individuelle Wärmeaustauscher ohne Rücksicht auf den Trend der Temperaturänderungen von allen Wärmeaustauschern kontrolliert, und daher wird ein kontrollierter Betrieb der entsprechenden Wärmeaustauscher gestörtj und die Wärmeaustauscher verursachen untereinander Schwankungserscheinungen. Demzufolge kann man keinen vollständigen thermischen Ausgleich zwischen allen Wärmeaustauschern erhalten., und dadurch werden möglicherweise Störrungen in der Temperaturverteilung in einer Rektifiziersäule verursacht , so daß die Reinheit des Produktgases verschlechtert wird und die Leistungswirksamkeit der Rektifiziersäule, wie oben in Zusammenhang mit der Kontrolle der einzelnen Wärmeaustauscher beschrieben, vermindert wird. Ein weiterer Nachteil, der bei den bekannten Wärmeaustauschern auftritt, liegt darin, daß die Herstellungskosten des Wärmeaustauschersystems hoch sind, da eine Anzahl von Temperaturfühlelementen in verschiedenen Teilen der Wärmeaustauscher angebracht ist« Wird der Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten, fluiden Materialien nur in der Mitte des Wärmeaustauschers gemessen, besitzt er einen niedrigeren Wert als der durchschnittliche Werte des Temperaturunterschieds zwischen den heißen und kalten, fluiden Materialien und hat keine Beziehung zu Änderungen in der Temperaturverteilung innerhalb der Wärmeaustauscher. Das obige Verfahren ist somit zur Kontrolle der Temperaturabstimmung einer Reihe von Umkehrv/ärmeaus taus ehern ungeeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein neues und einzigartiges Verfahren für den Betrieb einer Vielzahl von Umkehrv/ärmeaustausehern zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Verfahren nicht besitzt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ausgleich der Temperatur einer Vielzahl von Umkehrwärmeaustauschern, die jeder mindestens zwei Wärmeaustauscherkerne enthalten, die miteinander in paralleler Beziehung verbunden

8 09845/0669

sind, wobei jeder Wärmeaustauscher einen Zufuhrgasstrom bzw. Becchickungsgasstrom, einen Rücklaufgasstrom und einen Produktgasstrom hat, wobei die Wege des Zufuhrgasstroms und des RücklaufgasStroms alternativ umgeschaltet werden. Bei diesem Temperaturausgleichverfahren wird die Temperatur des besonderen Stroms jedesmal in jedem Wärmeaustauscher gemessen, wenn der Zufuhrgasstrom und der Rücklaufgasstrom umgeschaltet werden. Die Temperatur von jedem Wärmeaustau- * scher wird über eine bestimmte Umschaltungszeit gemessen, und diese Werte werden zur Berechnung der mittleren Temperatur für jeden Wärmeaustauscher verwendet, wobei diese ein Parameter ist, der kontrolliert wird. Die mittlere Temperatur aller Wärmeaustauscher wird von der mittleren Temperatur von jedem Wärmeaustauscher erhalten und als festgesetzter Wert verwendet, mit dem für die Ausgleichszwecke ein Vergleich erfolgt. Der Parameter, der kontrolliert werden soll, und der festgesetzte Wert v/erden verglichen und mindestens ein bestimmter Strom wird in Abhängigkeit von der Systemabweichung zwischen dem kontrollierten Parameter und dem festgesetzten Wert reguliert.

Erfindungsgemäß kann weiterhin der Grad der Ventilöffnung von Temperaturkontrollventilen der Umkehrwärmeaustauscher reguliert werden, insbesondere dann, wenn er außerhalb eines vorbestimmten Kontrollbereichs liegt, indem man den Grad bzw. den Wert der Öffnung mit dem mittleren Wert der Öffnung aller Temperaturkontrollventile vergleicht. Dieser mittlere Öffnungswert wird als festgesetzter Wert verwendet. Die Information, die man beim Vergleich erhält, wird zur Betätigung von anderen automatischen Ventilen verwendet, ausgenommen der Temperaturkontrollventile, auf solche Weise, daß die mittleren Werte für die Ventilöffnung aller Teinperaturkontrollventile innerhalb eines kontrollierten Bereichs gehalten werden. Es wird so eine kontinuierliche Kontrolle des Temperaturausgleichs ermöglicht, wenn man den Wert der Ventilöffnungen der Temperaturkontrollventile innerhalb dieses Kontrollbereichs hält.

.· 6 09845/0669

281238b

Erfindungsgemäß kann man weiterhin die Umschaltperiode bei der Umschaltung der Wärmeaustauscher automatisch in Abhängigkeit von dem Wert des Temperaturausgleichs der Umkehrwärmeaustauscher variieren, während die oben beschriebenen ersten und zweiten Kontrollen durchgeführt werden.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, in der verschiedene Ströme des Umkehrwärmeaustauschers dargestellt sind;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, in der die Temperaturverteilung eines Wärmeaustauschers der Gegenstromart dargestellt ist;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, in der die Temperaturverteilung des Umkehrwärmeaustauschers dargestellt

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Temperaturkontrollsystems für eine Vielzahl von Umkehrwärmeaustausehern;

Fig. 5 eine beispielhafte graphische Darstellung einer Temperaturkontrollsequenz für eine Vielzahl von Umkehrwärmeaus tauschern, die aus fünf Blöcken bestehen, wobei jede einen Kern eines Umkehrwärmeaustauschers umfaßt;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, in der eine Art de-r Regulierung der Öffnungen der Temperaturkontrollventile erläutert wird, wobei der Grad der Öffnung bzw. der Wert der Öffnung von einem der Temperaturkontrollventile der Umkehrwärmeaustauscher eines gegebenen Blocks (d.h. des ersten Blocks) außerhalb eines vorbestimmten Kontroll-bereichs liegt?

Fig. 7 eine graphische Darstellung, in der eine Art . der Kontrolle des Grades der Öffnungen bzw. des Wertes der Öffnungen der Temperaturkontrollventile erläutert wird, wobei die Ventilöffnungen von allen Temperäturkontrollventilsn der Wärmeaustauscher eines gegebenen Blocks außerhalb des

609348/0689

-9- 261288b

Kontrollbereichs liegen;

Fig. 8 eine graphische Darstellung, in der eine Art der Kontrolle des Grades bzw. des Viertes der Öffnung der Temperaturkontrollventile erläutert wird, wobei die Ventilöffnungen der Temperaturkontrollventile der Umkehrwärmeaustauscher von allen Blöcken außerhalb des Kontrollbereichs liegen;

Fig. 9 eine graphische Darstellung zur Erläuterung für Vergleichszwecke der Kontrolle der Temperatur der Wärmeaustauscher während des normalen Betriebs, einmal durch manuelle Verfahren und einmal nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 10 eine graphische Darstellung, in der die Kontrolle der Temperatur und der Wärmeaustauscher dargestellt ist, wenn die Produktionsrate erhöht wird;

Fig. 11 eine graphische Darstellung, in der die Temperaturänderung während des Beginns nach einem planmäßigen, vorübergehenden Abschalten der Wärmeaustauscher dargestellt ist;

Fig. 12 und 13 graphische Darstellungen, in denen die Ergebnisse erläutert werden, die bei der Korrektur des Grades der Ventilöffnung der Temperaturkontrollventile durch Betrieb der Zufuhrluftblockventile erhalten werden;

Fig. 14 und 15 graphische Darstellungen für einen Fall, bei dem die mittlere Temperatur des einen Wärmeaustauschers einen oberen oder unteren kritischen Wert während der letzten Umschaltperiode erreicht, und für einen Fall, bei dem die mittlere Temperatur aller Wärmeaustauscher innerhalb eines Bereichs zwischen den oberen und unteren kritischen Vierten bleibt; und

Fig. 16 eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen der Umschaltzeit und dem Temperaturausgleich dargestellt ist.

Im folgenden wird die Erfindung näher erläutert. Ein Wärmeaustauschersystem mit einer Reihe von Umkehrwärmeaustauschern, mit denen das erfindungsgemäße Temperaturausgleich-

609845/0669

261288b

— IU —

verfahren durchgeführt wird, v/ird bei einem Lufttrennverfahren verwendet. Bei diesem Verfahren ist es erforderlich, eine Schwankung im thermischen Gleichgewicht des Gesamtsystems zu vermeiden, wenn die Temperaturkontrolle bei den Umkehrwärmeaustauschern erfolgt. Wenn das thermische Gleichgewicht im gesamten Anlagesystem aufrechterhalten wird, ist das thermische Gleichgewicht der Umkehrv/ärmeaustauscher notwendigerweise stabil. Es ist daher erforderlich, die Temperaturen der Umkehrwärmeaustauscher zu kontrollieren, so daß das Verfahren in stabilem Zustand abläuft, während ebenfalls die Gesamtmenge an Wärmeübertragung zwischen dem Beschickungsstrom bzw. Zufuhrstrom und dem Heizmedium innerhalb eines konstanten Bereichs liegt.

Zur Lösung dieser Schwierigkeiten ist es erforderlich, daß die Eigenschaften, wie die Strömungsgeschwindigkeiten und die Temperaturen, der Umkehrwärmeaustauseher analysiert werden, so daß die Temperaturen der- Umkehrwärmeaustauscher wirksam kontrolliert werden können und daß verhindert wird, daß das thermische Gleichgewicht verlorengeht. Das wirksamste Verfahren besteht darin, daß man die mittlere Temperatur von jedem Umkehrwärmeaustauscher während einer gegebenen Umschaltungsperiode bestimmt und dann die mittlere Temperatur aller Wärmeaustauscher berechnet. Dieser letztere Wert wird der festgesetzte Werte und die ersteren Werte werden für die Kontrolle der verschiedenen Funktionen verglichen. Auf diese Weise ist es möglich, die Temperaturverteilung innerhalb eines Bereichs zu halten, in dem die durchschnittliche Rate des Wärmeübergangs aller Wärmeaustauscher im wesentlichen konstant ist, und dadurch kann die Kontrolle des Temperaturausgleichs der Wärmeaustauscher auf optimale Weise erfolgen.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Lufttrennverfahrens erläutert, bei dem das erfindungsgemäße Temperaturausgleichverfahren angewendet wird. Es soll jedoch bemerkt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren nich

'+ auf

8Ö984S/0869

das Lufttrennverfahren beschränkt ist und daß es ebenfalls bei anderen Verfahren, wie bei Verfahren zur Verflüssigung von Naturgasen, verwendet werden kann.

Wie zuvor angegeben, ist die Temperaturverteilung in einem Wärmeaustauscher der Gegenstromart so, daß der Temperaturunterschied zwischen dem Beschickungsstrom und dem Heizmedium an den heißen Enden des Wärmeaustauschers gering ist und an den kalten Enden des Wärmeaustauschers groß ist, wie es in der graphischen Darstellung von Fig. 2 dargestellt ist. Wenn jedoch der Wärmeaustauscher mit einem Umkehrströmungskanal ausgerüstet ist, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Umkehrwärmeaustauscher, v/o A einen Zufuhrgasstromkanal, B einen Rücklaufgasstromkanal und C einen Produktgasstromkanal bedeuten, wird die Temperaturverteilung des Wärmeaustauschers auf solche Weise variieren, wie es in der graphischen Darstellung von Fig. 3 dargestellt ist, und der Temperaturunterschied zwischen dem Zufuhrstrom und dem Heizmedium wird in der Mitte des Wärmeaustauschers maximal sein. Der Temperaturunterschied t5 in der Mitte des Wärmeaustauschers ist größer als die Temperaturunterschiede t3 und t4 an den heißen und kalten Enden des Wärmeaustauschers. Wenn eine Schwankung in der Rate der Strömung des Rücklaufgasstroms auftritt, wird der Temperaturunterschied t5 empfindlicher variieren als die Temperaturunterschiede t3 und t4 an den heißen und kalten Enden des Wärmeaustauschers. Es ist so erkennbar, daß die Temperaturkontrolle der Umkehrwärmeaustauscher wirksamer durchgeführt werden kann, wenn man die Temperatur in der Mitte von jedem Wärmeaustauscher mißt.

In Fig. 4 ist ein Beispiel einer Lufttrennanlage dargestellt, bei der das erfindungsgemäße Temperaturausgleichverfahren verwendet wird. Wie gezeigt wird, enthält die Lufttrennanlage eine Vielzahl von Kernen 1, 2, 3> .....n von Umkehrwärmeaustauschern. Üblicherweise enthält die Lufttrennanlage eine Vielzahl von Blöcken, wobei jeder Block einige Kerne von Umkehrwärmeaustauschern umfaßt, wie es

609845/0669

_ ₁₂ _ 261288b

durch den Block I in Fig. 4 dargestellt wird. Jeder der Wärmeaustauscher besitzt einen Zufuhrluftstrom A, einen Rücklaufgasstrom B und einen Produktgasstrom C, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Umschaltung der Strömungswege des Luftstroms A und des Rücklaufgasstroms B erfolgt aufeinanderfolgend bzw. periodisch, einige Blöcke zur Zeit

durch selektive Kontrolle der Umschaltventile V1, V2, V3,

Vn entsprechend einem Kommandosignal von einer Umschaltungsvorrichtung (nicht gezeigt), und dadurch erfolgt der Wärmeübergang zwischen der Zufuhrluft und dem Rücklaufgas.

Temperaturfühlelemente sind in jedem Umkehrwärmeaustauscher zur Messung der Temperaturen 1, T2, .....Tn im mittleren Teil von jedem und der Temperaturen T1, T2, ....

Tn an den kalten Enden von jedem angeordnet. Diese Temperaturen werden während einer gegebenen Umschaltungsperiode (oder zweimal pro Umschaltungsperiode oder einmal alle zwei Umschaltungsperioden) gemessen, wobei jedesmal die Strömungswege des Zufuhrluftstroms und des RücklaufgasStroms der entsprechenden Umkehrv/ärmeaustauseher umgeschaltet werden -und in einer automatischen Kontrollvorrichtung gespeichert werden. In der automatischen Kontrolleinheit werden ii die ¥erts durch die Temperaturen von der Mitte von jedem

Ii ;/äme austauscher 5 die zum Zeitpunkt des Ums ehalt ens der Ströme für die letzte Umschaltungszeit entsprechend der augenblicklichen Zeit gemessen werden, auf den neuesten Stand gebracht. Betrachtet man eine Anlage, bei der die Lufttrennanlage aus fünf Blöcken besteht, wobei jeder Block einen Kern des Umkehrv/ärmeaus tauschers enthält, wie ss m

\ Fig. 5 gezeigt wird, so werden die Temperaturen in äer Mitte

"/on jedem Umkehr-Wärmeaustauscher gemessen und in einer Kon-J trolleinheit zu jedes Zeitpunkt gespeichert ₉ wenn die Ströme j; von einem Block -umgeschaltet werden (in der Reihenfolge 1 »2-3-4-5-1-2). Zu dem Zeitpunkt, der durcia Δ in Fig« 5 dargestellt wird, werden die Temperaturen des Mittelteils ₉ die sum Zeitpunkt B gesessen wurden, in äer Kontrolleinheit «©löscht imd an ihr«'-Stell©-werden die Temperaturen des Mit=

telteils, die zum Zeitpunkt A gemessen wurden, in der Kontrolleinheit gespeichert. Auf diese Weise bringt die Kontrolleinheit die Werte der Temperaturen des Wärmeaustauschers des Mittelteils, die zum Zeitpunkt des Umschaltens für die letzte Periode gemessen werden, auf den neuesten Stand. Die gemessenen Werte der entsprechenden Umkehrwärmeaustauscher für die letzte Umschaltungsperiode werden zur Berechnung der mittleren Temperatur der Mittelteile von jedem Wärmeaustauscher verwendet, und dies ist der Parameter, der kontrolliert wird. Die Temperaturen des Mittelteils von allen Wärmeaustauschern werden zur Berechnung der mittleren Temperatur für alle Wärmeaustauscher verwendet und ergeben den festgesetzten Wert. Anschließend werden die automatischen Kontrollventile von jedem Wärmeaustauscher so kontrolliert, daß der zu kontrollierende Parameter eng an den festgesetzten Wert gebracht wird. Dann wird die Abweichung zwischen dem Vergleich und dem kontrollierten Parameter berechnetj von dies er Abweichung und der Abweichungsrichtung bzw. dem Abweichungstrend wird ein Bedienungswert unter Bezugnahme auf den derzeitigen Grad bzw. Wert der Öffnung des Kontrollventils erhalten. Bei der Berechnung des Bedienungswertes werden grobe und feine Bereiche, bezogen auf die Abweichung und die Abweichungsrichtung, erhalten, und der Bedienungswert wird schließlich erhalten, nachdem der Bedienungswert, der zu einem Zeitpunkt erhalten wird, und der minimale Bedienungswert darunter, bei dem ein Kontrollsignal nicht gebildet wird, geprüft wurden. Die Kontrollventile der entsprechenden Wärmeaustauscher werden in Abhängigkeit von dem Bedienungswert,der wie zuvor beschrieben berechnet wurde, kontrolliert, und dadurch wird die Temperatur der Wärmeaustauscher kontrolliert. Zur Stabilisierung der Betriebskontrolle wird sie während eines bestimmten Intervalls nach einer Tätigkeit gesperrt. Am Ende dieses' Intervalls wird der Kontrollbetrieb erneut in Gang gesetzt. Üblicherweise wird das Zeitintervall, während dessen der Kontrollbetrieb gesperrt wird, in Abhängigkeit davon kontrolliert, wie oft die Umkehrungssignale von

609845/0669

der Kontrolleinheit erzeugt werden, und wird so bestimmt, daß es ungefähr gleich ist der Temperaturzeitkonstante von allen vereinigten Wärmeaustauschern.

Der Kontrollbetrieb erfolgt durch Betätigung entweder der Produktgasströmungskontrollventile 01, 02, 03, .... On, der Rücklaufgasströmungskontrollventile N1, N2, N3, .... Nn, der Zufuhrluftströmungskontrollventile A1, A2, A3,... An_s und der Zufuhrluftblockventile B1, B2_S B3_S .... Bn oder der ümkehrströmungskontrollventile _s die in den Umkehrströmungsleitungen der entsprechenden Wärmeaustauscher an ihren kalten Enden angebracht sind (nicht gezeigt). Die Betriebswerte, die man bei dem oben beschriebenen Temperaturkontrollverfahren erhält, sind in den Fig. 9 bis 11 dargestellt. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren für die Temperaturkontrolle der Wärmeaustauscher sehr wirksam ist. In Fig. 9 sind die Temperaturvariationen in den Mittelteilen der Umkehrwärmeaustauscher bei normalen Betriebsbedingungen dargestellt. Aus. Fig. 9 ist erkennbar, daß bei normalen Betriebsbedingungen ein thermischer Ausgleich aller Wärmeaustauscher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf zufriedenstellende Weise erhalten wird. In Fig. 10 ist als Beispiel dargestellt, wie sich die Temperaturen von entsprechenden Wärmeaustauschern im Mittelteil ändern bei Betriebsbedingungen, bei denen die Gasproduktion gesteigert wird. Aus diesen Beispielen ist erkennbar, daß alle Wärmeaustauscher auf zufriedenstellende Weise betrieben v/erden können, selbst wenn der thermische Ausgleich der Wärmeaustauscher, bedingt durch den erhöhten Produktionsbetrieb, variiert. In Fig. 11 sind die Temperaturvariationen der Wärmeaustauscher während eines Anlaßbetriebs nach einem festgesetzten, zeitweiligen Abstellen dargestellt. Aus Fig. 11 ist erkennbar, daß die Wärmeaustauscher so betrieben werden können, daß ein thermischer Ausgleich auf optimale Weise erfolgt, ohne daß sie durch den Anlaßbetrieb, durch den vorübergehende Schwankungen in dem Produktionsverfahren auftreten oder durch den Übergang bei

809845/0669

den Uinschaltungsperioden für die Umkehrwärmeaustauscher, nachhaltig beeinflußt werden.

Während der Temperaturkontrolle der Wärmeaustauscher ist es möglich, wenn ein Situation auftritt, bei der der Öffnungsgrad .bzw. -wert der Temperaturkontrollventile außerhalb des Bereichs liegt, in dem eine Betriebskontrolle durchgeführt werden kann, diesen Zustand zu korrigieren und die Temperaturkontrollventile zurück in den Kontrollbereich zu bringen, indem man eine Art oder eine Kombination aus zwei oder mehreren Arten von automatischen Ventilen außer den Temperaturkontrollventilen verwendet.

Zur näheren Erläuterung des Berichtigungsverfahrens, das zur Betätigung der Temperaturkontrollventile, wie zuvor angegeben, verwendet wird, wird auf das in Fig. 4 dargestellte Beispiel einer Lufttrennanlage verwiesen, wobei die Lufttrennanlage drei Blöcke aus Umkehrwärmeaustauschern umfaßt und wobei jeder Block drei Kerne umfaßt und wobei Temperaturkontrollventile entweder als Produktgasströmungskontrollveritile 01, 02, 03, ....On oder als Rücklaufgasströmungskontrollventile N1, N2, N3, ..... Nn verwendet werden und wo die Temperaturen im Mittelteil der Wärmeaustauscher für Kontrollzwecke gemessen werden. Das oben beschriebene Berichtigungsverfahren zur Betätigung der Temperaturkontrollventile kann ebenfalls durchgeführt werden, indem man die Temperaturen der Wärmeaustauscher an ihren anderen Teilen mißt und als Temperaturkontrollventile andere Arten der oben erwähnten Kontrollventile verwendet, beispielsweise Zufuhrluftströmungskontrollventile, Umkehrströmungskontrollventile.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Wenn eins der Temperaturkontrollventile

der entsprechenden Umkehrwärmeaustauscher, die einen Block ergeben (Block I in Fig. 4), außerhalb des Kontrollb'ereichs

6 09 84 5/0669

ist, wie in Pig. 6 dargestellt, so wird der Grad bzw. der Wert der Ventilöffnungen der Temperaturkontrollventile der Umkehrwärmeaustauscher in Block I gemessen, damit man einen Kontrollparameter erhält. Gleichzeitig wird ein mittlerer Wert für den Grad bzw. Wert (diese Ausdrücke werden im folgenden synonym verwendet) der Ventilöffnungen im Block I aus den gemessenen Werten der Ventilöffnungen berechnet, und dabei erhält man einen festgesetzten Wert. Die Zufuhrluftströmungskontrollventile A1, A2, A3 von jedem Wärmeaustauscher des Blocks I werden dann so betätigt, daß der Kontrollparameter den festgesetzten Wert erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Abweichung des Kontrollparameters, bezogen auf den festgesetzten Wert, erhalten, und der Grad der Ventilöffnung der Zufuhrluftströmungskontrollventile, der von dem derzeitigen Grad der Öffnungen berichtigt werden muß, wird berechnet. Wenn die Zuführluftströmungskontrollventile A1, A2 und A betätigt v/erden, wird sich die Temperatur im Hittelbereich von jedem Umkehrwärmeaustauscher im Block I ändern, so daß die Werte der Öffnungen der Temperaturkontrollventile zurück in den Kontrollbereich gebracht werden. Wird dementsprechend die Temperaturkontrolle weitergeführt, können die Temperaturkontrollventile wiederholt zurück in den Kontrollbereich gebracht werden. Zur Stabilisierung des Korrekturbetriebs wird der Vorgang zeitweilig unterbrochen. Der Korrekturbetrieb wird anschließend erneut in Gang gesetzt, wenn die Temperaturkontrollventile erneut außerhalb des Kontrollbereichs sind. Das oben beschriebene Korrekturverfahren kann durchgeführt werden, indem man die Temperaturkontrollventile der Produktgasströmungskontrollventile 01,

02, 03, On oder der Rücklaufgasströmungskontrollven-

tile N1, N2, N3, Nn verwendet.

B e i s ρ i e 1 2

Wenn der mittlere Grad der Ventilöffnungen der Temperatürkontrollventile eines bestimmten Blocks den Kontrollbereich überschreitet (vergl. Fig. 7), wird ein mittlerer Grad der Ventilöffnung für jeden Block aus den Ventil-

609845/0669 ~

öffnungen der entsprechenden Temperaturkontrollventile der Umkehrwärmeaustauscher in jedem Block berechnet und eine mittlere Ventilöffnung für alle Blöcke wird aus den mittleren Ventilöffnungen der einzelnen Blöcke berechnet. Diese mittleren Ventilöffnungen der Temperaturkontrollventile für jeden Block sind Kontrollparameter, die korrigiert werden müssen, und die mittlere Ventilöffnung von allen Blöcken wird als festgesetzter Wert verwendet. Die Beschickungsluft-

blockventile B1, B2, B3» Bn werden so kontrolliert,

daß die Kontrollparameter den festgesetzten Wert erreichen. Die Abweichung des Kontrollparameters, bezogen auf den festgesetzten Wert, wird bestimmt und der Wert der Korrektur für den Grad der Ventilöffnungen der Zufuhrluftblockventile B1, B2, Bj5, ..... Bn, bezogen auf den derzeitigen Wert der Ventilöffnungen, wird aus der Abweichung zwischen dem Kontrollparameter und dem festgesetzten Wert berechnet. Wenn die Zufuhrluftblockventile B1, B2, B3_f .... Bn so betätigt werden, wird sich die Temperatur in den Mittelteilen der entsprechenden Umkehrwärmeaustauscher von jedem Block so ändern, daß die mittlere Ventilöffnung der Temperaturkontrollventile in den Kontrollbereich gebracht wird. Die Temperaturkontrollventile können innerhalb des Kontrollbereichs reguliert werden. Damit eine Korrektur der Temperaturkontrollventilöffnungen auf stabile Weise möglich wird, wird der Korrekturbetrieb zeitweilig unterbrochen. Er wird wieder in Gang gesetzt, wenn die mittleren Ventilöffnungen der Temperaturkontrollventile erneut außerhalb des Kontrollbereichs liegen. Das oben erwähnte Korrekturverfahren kann ebenfalls durchgeführt werden, indem man als Temperaturkontrollventile die ProduktgasStrömungskontrollventile 01, 02, 03t ····· On oder die Rückflußgasströmungskontrollventile N1, N2, N3, .... Nn wie zuvor beschrieben verwendet.

Beispiel. 3

Wenn die mittleren Ventilöffnungen allerTemperaturkontrollventile für alle Blöcke außerhalb des Kontrollbereichs liegen (vergl. Fig. 8), wird der Grad der Öffnung der

6 0 9 8 4 5/0669

Temperaturkontrollventile von allen Wärmeaustauschern durch den gleichen Wert geändert, und dies bewirkt, daß die mittleren Ventilöffnungen aller Temperaturkontrollventile in den Kontrollbereich kommen. In diesem Fall wird ein Strömungsausgleich für alle Wärmeaustauscher erhalten, indem man das Hauptproduktgasströmungskontrollventil D reguliert, wenn die Temperaturkontrollventile die Produktgasströmungskontrollventile 01, 02, 03, ..... On sind, oder indem man ein Hauptrücklaufgasströmungskontrollventil C reguliert, wenn die Temperaturkontrollventile die Rücklaufgasströmungskontrollventile ΝΊ, N2, N3, .... Nn sind. Hierdurch wird ein Wärmeausgleich erhalten. Zur Stabilisierung der Korrektur wird der Korrekturbetrieb zeitweilig unterbrochen und der Korrekturbetrieb wird erneut in Gang gesetzt, wenn die mittleren Ventilöffnungen der Temp.eraturkontrollventile erneut außerhalb des Kontrollbereichs liegen.

In den Fig. 12 und 13 sind als Beispiel die tatsächlichen Betriebswerte dargestellt, die man zu bestimmten BetriebsZeitpunkten an den Temperaturkontrollventilen mißt, wobei das Korrekturverfahren verwendet wird. Man erkennt eine merkliche Verbesserung, verglichen mit den üblichen Werten. In den Fig. 12 und 13 sind die Temperaturänderungen für Wärmeaustauscher dargestellt, bei denen das oben beschriebene Florrekturverfahren verwendet wird und bei denen das Korrekturverfahren für die Ventilöffnungen der Temperaturkontrollventile verwendet wird, die die Zufuhrluftblockventile darstellen. Aus Fig. 13 ist erkennbar, daß die Temperaturkontrollventile im Block 3 so korrigiert werden, daß der Grad der Öffnung vermindert wird, wohingegen die Temperaturkontrollventile im Block 8 so korrigiert werden, daß der Öffnungsgrad erhöht wird. Während des Korrekturverfahrens wird eine And erung in dem Temperaturauslaß für den Umkehrstickstoffstrom stattfinden (die ungefähr gleich ist der Temperatur im Mittelteil des Wärmeaustauschers) in einer Richtung, die durch die Richtung bestimmt wird, gemäß der die Ventilöffnungen korrigiert werden. Wird die Temperaturkontrolle

B 0884 5 /0669

261288b

weitergeführt, kann der Grad der Öffnung von nur den Temperaturkontrollventilen der Blöcke 3 und 8 korrigiert werden, ohne daß die Ventilöffnungen der Temperaturkontrollventile von anderen Blöcken nachteilig beeinflußt werden.

Die oben beschriebene Temperaturausgleichskontrolle kann leicht erreicht werden, indem man die Umschaltungszeiten der Wärmeaustauscher in Abhängigkeit von dem Temperaturausgleich der einzelnen Warmeaustauscher automatisch bestimmt und anschließend kann der thermische Ausgleich einer Vielzahl von Wärmeaustauschern kontinuierlich in stabilem Zustand gehalten werden. Wie bereits in Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben wurde, würden, wenn die Ströme in allen Wärmeaustauschern gleichzeitig umgeschaltet oder geändert wurden, die Zufuhrluftkanäle momentan verschlossen, und dabei würde die Zufuhr von Zufuhrluft zu der Rektifiziersäule unterbrochen und in den Wärmeaustauschern würde ein thermisches Ungleichgewicht auftreten. Zur Lösung dieses Problems ist es erforderlich, die Umschaltung der Ströme zu verschiedenen Zeitpunkten, d.h. zu vorbestimmten Umschaltungszeiten, durchzuführen. Diese werden kurz gehalten, so daß ein vollständiges Abschalten von jedem Wärmeaustauscher vermieden werden, für den Fall, wenn der mittlere Wert der Temperaturen der Wärmeaustauscher während der letzten Umschaltungsperiode den oberen oder unteren Grenzwert überschreitet, oder für den Fall, wenn die Temperatur der Wärmeaustauscher sich unregelmäßig ändert, wie bei einem Anlaßbetrieb. Andererseits ist es erforderlich, die Umschaltungsperiode lang zu halten, damit der Einfluß auf die Rektifiziersäule durch Änderung der mittleren Temperaturen der Wärmeaustauscher innerhalb des Bereichs zwischen den oberen und unteren kritischen. Werten vermindert wird.

Ein Verfahren zur Bestimmung der Umschaltungszeit für die Wärmeaustauscher wird näher im Zusammenhang mit den Fig. 14 bis 16 erläutert.

- 80 9 845/0 66 9

- 20 Beispiel 4

Wenn die mittlere Temperatur der entsprechenden Kerne außerhalb des Bereichs zwischen den oberen und unteren kritischen Werten, wie in Fig. 14 gezeigt, liegt, kann die minimale Dauer der Umschaltungszeit, wie in Fig. 16 gezeigt, bestimmt werden.

Beispiel 5

Wenn die mittlere Temperatur aller Wärmeaustauscher innerhalb des Bereichs zwischen den oberen und unteren kritischen Werten bleibt, wird die Umschaltungszeit entsprechend der Erhaltung des Temperaturausgleichs um eine mittlere Temperatur bestimmt, wie es in der graphischen Darstellung von Fig. 16 gezeigt wird. Die Umschaltungsperiode wird durch einen Parameter bestimmt, der dem Temperaturausgleich der Wärmeaustauscher entspricht, d.h. «d T = T_max - T_min. Wenn der Wert von Δ T gering ist, wird die Umschaltungsperiode lang sein, wie es in Fig. 16 dargestellt ist. Wie in der graphischen Darstellung von Fig. 16 gezeigt wird,wird die Umschaltungszeit bei einem maximalen Wert für einen gewünschten Temperaturausgleich in den Wärmeaustauschern gehalten, wenn der Wert von A T, der mit dem Temperaturausgleich in Zusammenhang steht, unterhalb eines kritischen Wertes liegt.

Wird das Verfahren zur Änderung der Umschaltungsperiode der Wärmeaustauscher mit dem oben beschriebenen Temperaturausgleichsverfahren kombiniert, so kann eine Anfangskontrolle des Temperaturausgleichs der Wärmeaustauscher schneller erhalten werden, und ein gesamtes thermisches Ausgleichen für eine Vielzahl von Wärmeaustauschern kann kontinuierlich erhalten werden. Dieses kombinierte Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn im thermischen Gleichgewicht während des Anlassens der Anlage Schwankungen auftreten oder wenn in der Anlage ein Unfall auftritt.

609845/0669

261288b

Erfindungsgemäß ist es möglich, das thermische Gleichgewicht in einer Anzahl von Umkehrwärmeaustauschern aufrechtzuerhalten, und dadurch wird ein stabiler Betrieb ermöglicht und das Produktionsverfahren kann automatisch betrieben werden, was für die Industrie von großem Wert ist.

Ί 9 8 /: ^r: / O 6 6 9

Claims

PATENTANSPRÜCHE :

1.J Verfahren zum automatischen Ausgleichen der Temperatur einer Vielzahl von Kernen von Umkehrwärmeaus tausch ern, die in paralleler Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei jeder Wärmeaustauscher einen Zufuhrstrom und mindestens einen Heizmediumstrom hat und wobei der Zufuhrstrom und der Heizmediumstrom alternativ bei einem gegebenen Intervall umgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur eines bestimmten Kerns der Umkehrwärmeaustauscher mißt, wenn der Zufuhrstrom und der Heizmediumstrom geändert bzw. umgeschaltet werden; die mittlere Temperatur der Kerne von den gemessenen Werten der letzten Umschaltungsperiode, bezogen auf den derzeitigen Zeitpunkt, berechnet; eine mittlere Temperatur für alle Wärmeaustauscher von den berechneten mittleren Werten berechnet; die Abweichung und die Abweichungsrichtung der Temperatur der entsprechenden Wärmeaustauscher in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen der mittleren Temperatur von jedem Kern und der mittleren Temperatur von allen Austauschern berechnet; und eine Systemabweichung in Abhängigkeit von dieser Abweichung und der Abv/eichungsrichtung zur Kontrolle der Ventile für den Temperaturausgleich der Umkehrwärmeaustauscher zurückführt bzw. rückkoppelt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1_? dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Ventilöffnung für jedes Eontrollventil gemessen wird; eine mittlere Ventilöffnung für alle Kontrollventile von den gemessenen Werten berechnet wird! die Abweichung und die Abweichungsrichtung für die Ventilöffnung der entsprechenden Wärmeaustauscher in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen der Ventilöffnung von jedem Ventil und der berechneten mittleren Ventilöffnung aller Kontrollventile berechnet werden; und die Systemabweichung in Abhängigkeit von der- Abweichung und der Abweiehungsrichtung zur Kontrolle der Ventile für den Temperaturausgleich der Uskehrwärmeaustauscher zurückgeführt bzw. rück-

609845/0669

gekoppelt wird,

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeich net durch die weitere Stufe: Änderung der Umschaltungsperiode in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der entsprechenden Kerne von den gemessenen Werten während der letzten Umschaltungsperiode, bezogen auf den derzeitigen Zeitpunkt.

, 609 84 5/0669

Leerseite