DE3639268C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln einer Lufttrennanlage, bei dem eine geforderte Stickstoffgasmenge und Betriebszustandsparameter der Anlage verwendet werden, um eine Rohluftmenge zu bestimmen und einen Rohluftmengenregler entsprechend einzustellen.

Ein solches Verfahren ist aus der JP-PS 96 27/1980 bekannt.

Nach dem bekannten Verfahren wird der Zustand jedes Abschnittes der Lufttrennanlage und daraus die der Anlage zuzuführende Rohluftmenge bestimmt; die als Stellgröße an einen Rohluftmengenregler ausgegeben wird.

Bei Anwendung dieses Verfahrens wird die Regelung in bestimmten Betriebszuständen instabil, da unter bestimmten Bedingungen eine höhere Rohluftmenge angefordert wird, als apparativ geliefert werden kann. Mit anderen Worten wird dabei der Einstellwert für den Rohluftmengenregler weiter hochgefahren, obwohl die Kapazität der die Rohluft liefernden Maschinen bereits ausgeschöpft ist. In der Folge bricht dann die Regelung zusammen und es wird ein stark verunreinigendes Produkt abgegeben. Ist beispielsweise Stickstoff das gewünschte Produkt, wird statt des geforderten Reinstickstoffs ein Stickstoff-Sauerstoff- Gemisch abgegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln einer Lufttrennanlage anzugeben, bei dessen Anwendung in allen Betriebszuständen der Anlage eine stabile Regelung möglich ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Rohluft- Lieferkapazität der Anlage als Grenzbedingung mit berücksichtigt, und es werden die voneinander abhängigen Produkt-(Stickstoffgas-) und Rohluftmengen rechnerisch derart bestimmt und durch entsprechende Betätigung von Stellvorrichtungen geregelt, daß unabhängig von der von außen eingegebenen geforderten Produktmenge ein vorgegebener Reinheitsgrad für das Produkt aufrechterhalten bleibt.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelverfahrens näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für ein Lufttrennverfahren mit einer Regelvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils einer Kolonne; und

Fig. 3 ein Ablaufschema des Regelverfahrens.

Das folgende Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelverfahrens wird im einzelnen mit Bezug auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Stickstoff als eine der Arten von Vorrichtungen zur Lufttrennung beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild die Verbindung eines Lufttrennverfahrens und einer Regelvorrichtung. Das Verfahren wird anhand dieser Zeichnung beschrieben. Zuerst wird durch eine Rohrleitung 1 zugeführte Rohluft mit einem Rohluftverdichter 2 auf einen vorbestimmten Druck von etwa 7 kg/cm² verdichtet, der zum Tiefkühlen, Verflüssigen, Rektifizieren und Trennen erforderlich ist. Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Kohlensäuregas und dergleichen werden durch eine Vorbehandlungseinheit 3 aufgenommen und entfernt.

Nachdem die Verunreinigungen so entfernt sind, wird ein Teil der sauberen Luft als Luft für Instrumentation und Abdichten durch eine Rohrleitung 6 entzogen, während der Rest in eine Einrichtung 4 zum Tiefkühlen, Verflüssigen, Rektifizieren und Trennen eingeführt wird, wo er gekühlt, verflüssigt, rektifiziert und getrennt wird. Das resultierende Produktgas Stickstoff wird aus einer Rohrleitung 5 erhalten und das Produkt verflüssigter Stickstoff aus einer Rohrleitung 6.

Der wesentliche Teil der Einrichtung zum Tiefkühlen, Verflüssigen, Rektifizieren und Trennen wird anhand der Fig. 2 genauer beschrieben.

Teilweise im flüssigen Zustand wird die Rohluft durch eine Rohrleitung 21 in eine Kolonne (einen Fraktionierturm) 201 geblasen, wo das Gas in der Kolonne 201 aufsteigt. Während es in einem Gas-Flüssigkeits-Kontakt mit einer im folgenden erwähnten Rückströmflüssigkeit gehalten wird, wird das aufsteigende Gas zu einem Stickstoffgas mit hoher Verunreinigung am Oberteil der Kolonne. Ein Teil des Stickstoffgases mit hoher Reinheit wird durch eine Rohrleitung 22 als Produktgas entzogen, und der Rest wird durch einen Stickstoffkühler 202 verflüssigt und verwandelt sich in die oben erwähnte Rückströmflüssigkeit. Ein Teil dieser Rückströmflüssigkeit wird durch eine Rohrleitung 23 als Produkt- Flüssigstickstoff entzogen.

Die verbleibende Rückströmflüssigkeit bewegt sich in der Kolonne unter Aufrechterhaltung des Gas-Flüssigkeits-Kontaktes mit dem aufsteigenden Gas abwärts und verwandelt sich am Boden der Kolonne in flüssige Luft.

Die flüssige Luft läuft durch eine Rohrleitung 24 und wird in einem Ventil 25 adiabatisch entspannt, wodurch ihre Temperatur abnimmt. Die flüssige Luft wird dann dem Stickstoffkühler 202 als Kühlmedium zum Verflüssigen des Stickstoffs zugeführt. Die so dem Stickstoffkühler 202 zugeführte flüssige Luft verflüssigt das Stickstoffgas, verdampft dabei und wird dabei zu Abgas, das durch eine Leitung 26 abgeführt wird.

Es wird nun das Stoffgleichgewicht der beschriebenen Anlage untersucht. Die folgenden Verhältnisgleichungen können aufgestellt werden, wobei die Symbole folgende Faktoren darstellen:

QA = QLA + QGN + QLN, (1)

mit

QA: Von der Rohrleitung 21 zugeführte Luftmenge,
QGN: Aus der Rohrleitung 22 entnommene Stickstoffgasmenge,
QLN: Aus der Rohrleitung 23 entnommene Flüssigstickstoffmenge,
QLA: Den Kolonnenboden verlassende Flüssigluftmenge,
X: Sauerstoffkonzentration in der flüssigen Luft.

Da die Sauerstoffkonzentration in der Rohluft (Atmosphäre) 21% beträgt und die Sauerstoffkonzentration im Produktstickstoff 0%, soll das Stoffgleichgewicht des Sauerstoffs betrachtet werden. Die ganze Sauerstoffkomponente der Rohluft ist in der flüssigen Luft aus dem unteren Teil der Kolonne enthalten, was die folgende Verhältnisgleichung ergibt:

X × QLA = 0,21 × QA, (2)

wobei X die Sauerstoffkonzentration in der flüssigen Luft ist.

Entsprechend ist

QLA = (0,21/X) × QA. (3)

Wird die Gleichung (3) in die Gleichung (1) eingesetzt, ergibt sich

Die Gleichung (5) besagt also, daß die erforderliche Rohluftmenge bestimmt werden kann, wenn die erforderliche oder geforderte Produktstickstoffmenge und die Sauerstoffkonzentration in der flüssigen Luft eingestellt werden. Die Gleichung (6) beinhaltet, daß die Produktstickstoffmenge, die entnommen werden kann, bestimmt werden kann, wenn die Rohluftmenge, die zugeführt werden kann, und die Sauerstoffkonzentration in der flüssigen Luft eingestellt werden.

Übrigens wird die Sauerstoffkonzentration X in der flüssigen Luft aus dem Verhältnis der Löslichkeit von Azetylen in der flüssigen Luft und dem Gas-Flüssigkeits-Gleichgewichts von Azetylen oder dergleichen in der Luft bestimmt, das konzentriert wird, sich in der flüssigen Luft innerhalb des Stickstoffkühlers 202 aufbaut und sich abscheidet, was die Sicherheit betreffen kann. Auf eine ausführliche Beschreibung wird in diesem Zusammenhang jedoch verzichtet.

Obwohl die obige Beschreibung nur das Stoffgleichgewicht erklärt, muß das Verhältnis der sich abwärts bewegenden Flüssigkeit (Rückströmflüssigkeit) zum aufsteigenden Gas innerhalb der Kolonne (im folgenden als "L/V" bezeichnet) konstant gehalten werden, um einen sicheren Betriebszustand innerhalb der Kolonne einzuhalten.

Als nächstes wird das thermische Gleichgewicht des Kolonnenabschnitts der Fig. 2 als Ganzes betrachtet. Wird allein gasförmiger Stickstoff als Produkt entnommen, ist die Flüssigstickstoffmenge Null, und es sind nur das Abgas aus der Rohrleitung 26 und das Stickstoffgas aus der Rohrleitung 22, die den Kolonnenabschnitt verlassen. Wenn auch die in den Kolonnenabschnitt eintretende Rohluft gasförmig ist, können die Wärmemengen als im wesentlichen ausgeglichen angenommen werden. Wenn jedoch ein Teil des Flüssigstickstoffs als Produkt entzogen wird, ist die Berücksichtigung der Verflüssigungs-Kältemenge (der latenten Wärme) entsprechend der Menge an Flüssigstickstoff im Hinblick auf das thermische Gleichgewicht erforderlich. Der in den Kolonnenabschnitt von außen eintretende Stoff ist nur die Rohluft aus der Rohrleitung 21. Deshalb muß die Rohluft in einer der entzogenen Menge an Flüssigstickstoff entsprechenden Menge als Flüssigkeit einbezogen werden, wobei die entzogene Menge an Flüssigstickstoff als im wesentlichen gleich der Menge an Produkt-Flüssigstickstoff betrachtet werden kann.

Entsprechend ist die in der Kolonne aufsteigende Gasmenge V das durch Subtraktion der Flüssigluftmenge QLA von der Rohluftmenge QA erhaltene Ergebnis:

V = QA - QLN. (7)

Andererseits ist die sich in der Kolonne abwärts bewegende Flüssigkeitsmenge L das durch Subtraktion der Produktstickstoffgasmenge und der Produktflüssigstickstoffmenge QLN vom aufsteigenden Gas erhaltene Ergebnis, das wie folgt ausgedrückt werden kann:

L = V - QGN - QLN. (8)

Einsetzen der Gleichung (8) in die Gleichung (7) ergibt

L = QA - QLN - QGN - QLN. (9)

Es ist also

L = QA - QGN - 2QLN. (10)

Aus den Gleichungen (7) und (10) läßt sich L/V ableiten,

Es folgt

oder

Die Gleichung (12) bedeutet, daß eine größere Menge an Rohluft entsprechend der Produktflüssigkeitsmenge erforderlich ist, als wenn alle Produkte gasförmig sind.

In der Gleichung (13) kann die Menge ΔQGN, die die Produktgasmenge vermindert, wenn die Produktflüssigkeitsmenge um ΔQLN bei der gleichen Luftmenge angehoben wird, aus der folgenden Verhältnisgleichung bestimmt werden, die durch Verwendung des Zählers als Konstante erhalten wird:

QGN + (2 - L/V)QLN = QGN - ΔQGN + (2 - L/V) (QLN + ΔQLN) (14)

.·. ΔQGN = (2 - L/V) ΔQLN. (15)

Diese Gleichung stellt dar, daß, wenn die Menge an Produktflüssigkeit bei gleicher Rohluftmenge angehoben oder erniedrigt wird, das Produktgas bei dem Verhältnis von (2-L/V) gehalten werden muß, um denselben Zustand aufrechtzuerhalten.

In den Gleichungen (12) und (13) ist die erforderliche Rohluftmenge bei der Produktflüssigkeitsmenge Null wie folgt gegeben:

Andererseits kann die erforderliche Rohluftmenge für die Produktflüssigkeitsmenge Null wie folgt aus der Gleichung (5) erhalten werden:

Da die linken Seiten der Gleichungen (16) und (17) gleich sind, kann die folgende Verhältnisgleichung erhalten werden:

Wird die Gleichung (19) in die Gleichung (12) oder (13) eingesetzt, ergibt sich

Es kann in anderen Worten, wenn die Gleichungen (20) und (21) verwendet werden, durch Einstellen der Sauerstoffkonzentration X in der flüssigen Luft zur Zeit der Entnahme des Produktgases der Betrieb für gleichzeitiges Entnehmen von Produktflüssigkeit bei der gleichen Rektifikation vorgenommen werden wie der Betrieb für das Entnehmen von Produktgas allein.

Da die obige Beschreibung die erforderliche Rohluftmenge mit der Kolonne als hauptsächlichem Teil bestimmt, kann die Rohluftmenge für die Anlage als Ganzes dadurch erhalten werden, daß eine sonstige Gasmenge QBG zu den Gleichungen (20) und (21) addiert wird, wie z. B. die Luft für Instrumentierung und Dichtverluste. Die erforderliche Luftmenge QA kann dann wie folgt erhalten werden:

oder

Als nächstes wird der Aufbau und die Wirkungsweise der Regelvorrichtung anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben.

Gemäß Fig. 1 erhält ein Rechner 100 Lesebefehle wie eine erforderliche Produktgas-Stickstoffmenge von einem Einstellschalter 101 über eine Eingangsschnittstelleneinrichtung 106, eine erforderliche Produktflüssigkeits-Stickstoffgasmenge von einem Einstellschalter 102, eine erforderliche Produktgas-Stickstoffmenge und eine Produkt-Flüssigstickstoffmenge von einem Druckknopfschalter 103, andere Parameter wie Steuerkonstanten von einem digitalen Schalter 104, und Parameter-Lesebefehle von einem Druckknopfschalter 105. Andererseits gibt der Rechner 100 Durchflußmengen-Sollwerte an einen Regler FC1 zur Regelung der Rohluft-Durchflußmenge, an einen Regler FC2 zur Regelung der Produkt-Stickstoffgas-Durchflußmenge, und an einen Regler FC3 zur Regelung der Produkt-Flüssigstickstoff-Durchflußmenge jeweils über eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelleneinrichtung 107 ab.

Bei dem beschriebenen Aufbau liest der Rechner 100 die erforderliche Produktbildungsmenge aus den Einstellschaltern 101 und 102, wenn er feststellt, daß der Druckknopfschalter 103 für den Lesebefehl der erforderlichen Produktmenge gedrückt ist, berechnet die optimale Rohluft-Durchflußmege, Produkt-Stickstoffgasmenge und Produkt-Flüssigstickstoffmenge auf der Basis dieser geforderten Produktbildungsmenge, und gibt sie als Sollwerte für die entsprechenden Einstellregler FC1, FC2 und FC3 aus.

Jeder Einstellregler steuert bzw. regelt auf der Basis des Sollwertes vom Rechner, so daß die tatsächliche Durchflußmenge in der Regelschleife in Übereinstimmung mit dem Sollwert ist.

Die Berechnung durch den Rechner 100 in dieser Steuerung erhält die optimalen Sollwerte in Übereinstimmung mit den Gleichungen (22) oder (23). Die Rohluft-Durchflußmenge QA der Gleichungen wird jedoch von dem Rohluftverdichter 2 der Fig. 1 geliefert. Da maschinell ein oberer Grenzwert QA_max für die Rohluftmenge gegeben ist, kann diese Steuerung nicht ausgeführt werden, wenn die aus der Berechnung resultierende Rohluftmenge QA diesen oberen Grenzwert QA_max übersteigt, wobei jedoch der Rechner solche Werte durchaus berechnen kann.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelverfahrens ändert sich der Sollwert der Produktbildungsmenge, wenn ein solcher Zustand auftritt, so daß die aus der Berechnung resultierende Rohluftmenge den oberen Grenzwert nicht übersteigt. Dieses Verfahren wird anhand des Ablaufdiagramms der Fig. 3 erläutert.

Zuerst wird gemäß Block 500 eine vorbestimmte sonstige Gasmenge QBG von einer vorbestimmten maximalen Rohluftmenge QA_max subtrahiert, um eine maximale Luftmenge QA zu erhalten, die in die Kolonne geblasen werden kann. Als nächstes wird bei Block 501 eine Produkt-Stickstoffgasmenge QGN_max, die entnommen werden kann, nach der Gleichung (17) durch Einsetzen der Luftmenge QA und einer Sauerstoffverunreinigung X in der vorgegebenen flüssigen Luft bestimmt.

Daraufhin werden im Block 502 die oben beschriebene entnehmbare Produkt-Stickstoffgasmenge QGN_max und eine von außen eingestellte erforderliche Produkt-Stickstoffgasmenge verglichen. Wenn die erforderliche Produkt-Stickstoffgasmenge größer ist als die entnehmbare Produkt-Stickstoffgasmenge, wird zu Block 503 übergegangen, wonach die entnehmbare Produkt-Stickstoffgasmenge als Sollwert für den Produkt- Stickstoffgasregler FC2 ausgegeben wird. Es muß nicht darauf hingewiesen werden, daß, da kein flüssiges Produkt mehr entnommen werden kann, der Sollwert Null an den Flüssigstickstoffmengenregler FC3 ausgegeben wird. Die maximale Rohluftmenge QA_max wird als Sollwert an den Rohluft-Durchflußmengenregler FC1 ausgegeben, wodurch dieser Abschnitt vollständig ist.

Anderenfalls wird von Block 502, wenn die von außen eingestellte erforderliche Stickstoffgasmenge kleiner ist als die entnehmbare Stickstoffgasmenge QGN_max, auf Block 504 übergegangen, wonach die erforderliche Produkt-Stickstoffgasmenge als Sollwert an den Produkt-Stickstoffgasregler FC2 ausgegeben wird. Gemäß Block 505 wird die von außen erforderliche Produkt-Flüssigstickstoffmenge in eine Gasmenge nach Gleichung (15) umgewandelt. Wie aus der Gleichung (19) zu ersehen ist, kann das Verhältnis L/V in dieser Gleichung (15) selbstverständlich als Funktion der Sauerstoffkonzentration X in der flüssigen Luft ausgedrückt werden.

Daraufhin wird im Block 506 verglichen, ob das durch Subtraktion der erforderlichen Stickstoffgasmenge von dem entnehmbaren Stickstoffgas erhaltene Resultat größer ist als die in Gas umgewandelte erforderliche Flüssigstickstoff-Durchflußmenge oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß die in Gas umgewandelte erforderliche Flüssigstickstoff-Durchflußmenge größer ist, wird zu Block 507 übergegangen, wo das durch Subtraktion der erforderlichen Stickstoffgasmenge von der entnehmbaren Stickstoffgasmenge erhaltene Ergebnis erneut nach Gleichung (15) in die Flüssigkeitsmenge umgewandelt wird, und die umgewandelte Flüssigkeitsmenge wird als Sollwert an den Produkt-Flüssigstickstoffmengenregler FC3 ausgegeben. Die maximale Rohluftmenge QA_max wird als Sollwert an den Rohluft-Durchflußregler FC1 ausgegeben, wodurch dieser Regelabschnitt dann auch vollständig ist.

Vom Block 506 wird, falls die Beurteilung das Gegenteil von dem oben Gesagten ergibt, zum Block 509 übergegangen, wonach die erforderliche Produkt-Flüssigkeitsmenge als Sollwert an den Flüssigstickstoffregler FC3 ausgegeben wird.

Im Block 510 wird die erforderliche Rohluftmenge unter Verwendung der erforderlichen Stickstoffgasmenge, der erforderlichen Stickstoffflüssigkeitsmenge und der vorgegebenen Sauerstoffkonzentration X in der flüssigen Luft nach Gleichung (22) oder (23) errechnet und das Ergebnis als Sollwert an den Rohluftmengenregler FC1 abgegeben. Damit ist auch dieser Abschnitt vollständig.

Aus der Erläuterung des vorliegenden Verfahrens ist es offensichtlich, daß das Verhältnis der sich abwärts bewegenden Flüssigkeit zum aufsteigenden Gas, d. h. L/V, in der gleichen Weise anstelle der Sauerstoffkonzentration X in der flüssigen Luft für die Berechnung verwendet werden kann.

Wie dargestellt, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine optimale Regelung für jeden Sollwert einer erforderlichen Stickstoffmenge.

Claims (3)

1. Verfahren zum Regeln einer Lufttrennanlage, bei dem eine geforderte Stickstoffgasmenge und Betriebszustandsparameter der Anlage verwendet werden, um eine Rohluftmenge zu bestimmen und einen Rohluftmengenregler entsprechend einzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die der Anlage maximal zuführbare Rohluftmenge (QA_max) und ein Parameter für den Betriebszustand einer Kolonne (201), der auf den Reinheitsgrad der flüssigen Luft bezogen ist, verwendet werden, um die entnehmbare Stickstoffgasmenge zu berechnen (Schritte 500 und 501 in Fig. 3); und daß
• - die geforderte Stickstoffgasmenge mit der entnehmbaren Stickstoffgasmenge verglichen wird (Schritt 502);
  • -- wobei die geforderte Stickstoffgasmenge als Sollwert für einen Stickstoffgasmengenregler (FC2) genommen wird, wenn die geforderte Stickstoffgasmenge kleiner oder gleich der entnehmbaren Stickstoffgasmenge ist, wobei die dafür erforderliche Rohluftmenge unter Berücksichtigung des Betriebszustands-Parameters der Kolonne (201) errechnet und als Sollwert für den Rohluftmengenregler (FC1) verwendet wird (Schritte 504 bis 510); beziehungsweise
  • -- wobei die entnehmbare Stickstoffgasmenge als Sollwert für den Stickstoffgasmengenregler (FC2) dient, wenn die geforderte Stickstoffgasmenge größer als die entnehmbare Stickstoffgasmenge ist, wobei dann die maximal zuführbare Rohluftmenge (QA_max) als Sollwert für den Rohluftmengenregler (FC1) genommen wird (Schritt 503).

2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustands-Parameter der Kolonne (201) die Sauerstoffkonzentration (X) der flüssigen Luft am unteren Abschnitt der Kolonne ist.

3. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustands-Parameter der Kolonne (201) ein Rückströmverhältnis in der Kolonne ist.