DE69501287T2 - Kapazitätsregelverfahren für ein kryogenisches Rektifikationssystem - Google Patents

Kapazitätsregelverfahren für ein kryogenisches Rektifikationssystem

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Description

    Technische Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft den effizienten Betrieb einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage bei einer Änderung der Kapazität, d.h. einer Änderung des Bedarfs an mindestens einem Produktstrom.
    • Stand der Technik
  • In der Praxis der Tieftemperatur-Rektifikation wird ein Einsatzstrom, wie beispielsweise Luft, in eine Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eingeleitet, wie beispielsweise eine Doppelkolonnenanlage, um darin zerlegt zu werden. Ein oder mehrere Produktströme werden von der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage abgezogen und gewonnen. Die Durchflußrate des Einsatzstromes wird eingestellt, um das Erzeugen von Produkt bei der gewünschten Bedarfsrate zu ermöglichen.
  • Im Verlauf des Betriebes der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage kann sich die Bedarfsrate für eines oder mehrere der Produkte ändern. Dies erfordert eine Änderung der Kapazität der Anlage, wobei die Einsatzdurchflußrate verändert wird. So lange keine spezielle Steuerwirkung unternommen wird, um dies zu verhindern, wird eine Änderung der Einsatzdurchflußrate eine temporäre Veränderung des Verhältnisses von Flüssigkeit zu Dampf (L/V-Verhältnis) innerhalb einer oder mehrerer der Kolonnen bewirken, bis das System zu einem Gleichgewichtsbetrieb oder stetigen Betrieb zurückkehren kann. Die temporäre L/V-Veränderung gründet auf einer Disparität zwischen der Art und Weise, in welcher die Änderung der Einsatzdurchflußrate die Dampfrate (V) innerhalb der Kolonnen verglichen mit einer Änderung der Flüssigkeitsrate (L) innerhalb der Kolonnen verändert. Diese Änderung des L/V-Verhältnisses ist unerwünscht, da sie die Produktreinheit nachteilig beeinflußt. Demgemäß ist es wünschenswert, das L/V-Verhältnis auf dem gewünschten Verhältnis zu halten, während und nachdem eine Änderung der Einsatzdurchflußrate stattfindet.
  • Die Tieftemperatur-Rektifikationsindustrie hat sich mit diesem Punkt befaßt, indem Tieftemperatur-Rektifikationsanlagen mit Flüssigkeitsspeicher- oder -haltetanks bereitgestellt wurden, um die Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage in gesteuerter Weise zu ändern, indem Flüssigkeit einer Kolonne zugeführt und/oder von dieser abgezogen wurde, um das L/V-Verhältnis innerhalb der Kolonne einzustellen. Solche Systeme sind effektiv, jedoch ziehen sie hohe Kapitalkosten für die Tanks und die zugehörige Verrohrung nach sich.
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Ändern der Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage in gesteuerter Weise zu schaffen, ohne daß Speicher- oder Haltetanks nötig wären, um das L/V-Verhältnis einer Kolonne einzustellen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obige und andere Aufgaben, die sich dem Fachmann aus dem Lesen dieser Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, bei welcher es sich handelt um:
  • Verfahren zum Ändern der Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, wobei im Zuge des Verfahrens:
  • (A) ein Fluid bei einer ersten Durchflußrate in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eingeleitet wird, welche die bei höherem Druck arbeitende Kolonne und eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne aufweist;
  • (B) Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne übergeleitet wird;
  • (C) die Flüssigkeit in dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne auf einem gewünschten Pegel gehalten wird;
  • dadurch gekennzeichnet, daß
  • (D) die Flüssigkeit im Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne mittels einer Sumpfpegel-Steueranordnung, bei welcher eine Stellgröße auf den gewünschten Pegel eingestellt ist, auf einem gewünschten Pegel gehalten wird;
  • (E) die Stellgröße der Sumpfpegel-Steueranordnung auf einen niedrigeren Wert verstellt wird, wenn die Einsatzdurchflußrate auf eine zweite Durchflußrate geändert wird, welche die erste Einsatzdurchflußrate übersteigt; und
  • (F) die Stellgröße der Sumpfpegel-Steueranordnung auf einen höheren Wert verstellt wird, wenn die Einsatzdurchflußrate auf eine zweite Durchflußrate geändert wird, welche unter der ersten Einsatzdurchflußrate liegt.
  • Der Begriff "Einsatzluft", wie er hier benutzt wird, bezeichnet ein Gemisch, welches in erster Linie Stickstoff, Sauerstoff und Argon aufweist, wie beispielsweise Luft.
  • Die Begriffe "Turboexpansion" und "Turboexpander", wie sie hier benutzt werden, bezeichnen ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Durchfluß eines Gases hohen Drucks durch eine Turbine, um den Druck und die Temperatur des Gases zu senken und somit Kälte zu erzeugen.
  • Der Begriff "Kolonne", wie er hier benutzt wird, bezeichnet eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder -zone, d.h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines Fluidgemisches zu bewirken, z.B. indem die dampfförmige und die flüssige Phase an einer Reihe von vertikal in Abstand innerhalb der Kolonne angebrachten Böden oder Platten und/oder an Packungselementen in Kontakt gebracht werden. Für eine weiter Beschreibung von Destillationskolonnen sei verwiesen auf das "Chemical Engineers' Handbook", fünfte Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, "Destillation", B.D. Smith et. al., Seite 13-3, The Continuous Distillation Process. Der Begriff der Doppelkolonne wird hier so benutzt, daß er eine bei einem höheren Druck arbeitende Kolonne bezeichnet, deren oberes Ende in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer bei einem niedrigeren Druck arbeitenden Kolonne steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelkolonnen erscheint in Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
  • Trennverfahren mit Dampf-/Flüssigkeitskontakt sind abhängig von dem Unterschied der Dampfdrücke der Komponenten. Die Komponente mit dem hohen Dampfdruck (oder die flüchtigere oder niedrigsiedende Komponente) wird dazu neigen, sich in der Dampfphase zu konzentrieren, wohingegen die Komponente mit dem niedrigeren Dampfdruck (oder die weniger flüchtige oder hochsiedende Komponente) dazu neigen wird, sich in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Partielle Kondensation ist das Trennverfahren, bei dem die Kühlung eines Dampfgemisches benutzt werden kann, um die flüchtige(n) Komponente(n) in der Dampfphase und dadurch die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Rektifikation oder kontinuierliche Destillation ist das Trennverfahren, das aufeinanderfolgende partielle Verdampfungen und Kondensationen kombiniert, wie sie durch eine Gegenstrombehandlung der dampfförmigen und flüssigen Phasen erzielt werden. Das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom ist adiabatisch, und es kann einen vollständigen oder differentiellen Kontakt zwischen den Phasen beinhalten. Trennverfahrensanordnungen, die die Prinzipien der Rektifikation zum Trennen von Gemischen benutzen, werden oft als Rektifikationskolonnen, Destillationskolonnen oder Fraktionierkolonnen bezeichnet, wobei diese Begriffe untereinander ausgetauscht werden können. Tieftemperatur- Rektifikation ist ein Rektifikationsverfahren, das zumindest teilweise bei Tieftemperaturen, wie z.B. bei Temperaturen bei oder unterhalb 150 ºK, ausgeführt wird.
  • Der Begriff "indirekter Wärmeaustausch", wie hier benutzt, bedeutet, daß zwei Fluidströme in eine Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden, ohne daß irgendein physikalischer Kontakt oder eine Durchmischung der Fluide miteinander stattfindet.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Argonkolonne" eine Kolonne, in der ein Argon aufweisender Einsatz verarbeitet und ein Produkt erzeugt werden, welches eine Argonkonzentration aufweist, die diejenige des Einsatzes übersteigt.
  • Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Kopfkondensator" eine Wärmetauschvorrichtung, die aus Kolonnenkopfdampf in der Kolonne nach unten strömende Flüssigkeit erzeugt.
  • Der Begriff "Sumpf", wie er hier benutzt wird, bezeichnet den unteren Teil einer Destillationskolonne unterhalb der Böden oder Packungselemente, in welchem Flüssigkeit angesammelt wird. Die Flüssigkeit kann als Produktstrom abgezogen oder zu einer anderen Kolonne überführt werden.
  • Der Begriff "Pegelsteueranordnung", wie er hier benutzt wird, bezeichnet eine mechanische, pneumatische oder elektronische Vorrichtung oder einen mathematischen Algorithmus, der in einem Computer programmiert ist und dazu verwendet wird, den Flüssigkeitspegel innerhalb eines Speichervolumens, wie beispielsweise eines Tanks oder eines Kolonnensumpfes, mit Rückkopplung zu steuern.
  • Der Begriff "Stellgröße", wie er hier benutzt wird, bezeichnet den erwünschten oder Zielwert für eine abhängige Prozeßvariable (Prozeßausgang) unter Rückkopplungssteuerung, die dem Steuergerät entweder manuell oder mittels eines anderen Steuergeräts eingegeben wird oder als mathematischer Algorithmus in einem Computer programmiert wird.
  • Der Begriff "Rückkopplungssteuerung", wie er hier verwendet wird, bezeichnet das Steuern einer abhängigen Prozeßvariablen (Prozeßausgang) bei oder etwa einer Stellgröße mittels Einstellen einer oder mehrerer unabhängiger Prozeßvariablen (Prozeßeingänge) basierend auf der Abweichung der Prozeßvariablen von ihrer Stellgröße.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • FIG. 1 ist eine schematische Darstellung einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, die eine Doppelkolonne und eine Argonkolonne aufweist, wie sie in der Anwendung der Erfindung verwendet werden kann.
  • FIG. 2 ist eine schematische Darstellung einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage mit einer Doppelkolonne und ohne Argonkolonne, wie sie bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden kann.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Die Steuerung der Kapazität von Doppelkolonnen-Tieftemperatur-Rektifikationsanlagen, insbesondere von jenen, die mit einer Seitenarmkolonne zur Erzeugung von Argon ausgestattet sind, wird aufgrund der hydraulischen Verzögerung erschwert, die mit dem Durchfluß von Flüssigkeit innerhalb der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne verbunden ist. Eine Steigerung des Einsatzdurchflusses in den unteren Abschnitt der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne zeigt sich sofort durch einen Anstieg von Dampf, welcher durch die Kolonne aufsteigt. Dies kommt daher, weil die mit der Durchflußänderung einhergehende Druckänderung sehr gering ist, so daß keine Verzögerung aufgrund der Ansammlung oder Verarmung von innerhalb der Kolonne gespeichertem Dampf stattfindet. Das Vorhandensein des zusätzlichen Dampfes am Kopf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne resultiert in einem sofortigen Anstieg der in dem Hauptkondensator aufkochenden Stoffmenge und des durch die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne aufsteigenden Dampfes aus den selben Gründen, wie sie oben angegeben wurden. Die Druckänderung innerhalb der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne, die mit der Durchflußänderung einhergeht, ist ebenfalls sehr klein. Der zusätzliche Dampf, der am Kopf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne unter Bildung von flüssigem Rückfluß kondensiert, welcher durch die Kolonne absteigt, braucht jedoch eine gewisse Zeit, um von dem Kopf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne zum Sumpf und durch die Leitung zu gelangen, die den Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne mit dem mittleren Bereich der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne verbindet. Diese Leitung kann auch den Kopfkondensator der Argonkolonne beinhalten. Aufgrund dieser hydraulischen Verzögerung erfährt das L/V-Verhältnis innerhalb der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne eine Transiente oder Abweichung während einer Kapazitätsänderung, die zu unerwünschten Änderungen der Produktreinheit führen wird. Ferner sinkt der Flüssigkeitspegel des Hauptkondensators in Ansprechen auf die zusätzliche aufkochende Stoffmenge, die noch nicht durch zusätzliche Flüssigkeit, die in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne absteigt, ausgeglichen wurde. Für einen sicheren und effizienten Betrieb muß der Flüssigkeitspegel des Hauptkondensators innerhalb eines relativ engen Bereiches verbleiben. Ein übermäßig hoher Pegel vermindert die Wärmeübergangseffizienz. Ein zu niedriger Pegel erfordert ein Abschalten der Einheit aufgrund der Möglichkeit des Kochens bis zur Trockenheit innerhalb des Hauptkondensators, was als eine unsichere Betriebspraxis angesehen wird. Die entgegengesetzten Effekte treten auf, wenn der Einsatzdurchfluß, der in den unteren Teil der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne eintritt, vermindert wird.
  • Die Erfindung geht auf diese Probleme ein und löst diese, ohne daß ein zusätzliches Tanksystem in die Tieftemperatur-Rektifiktionsanlage aufgenommen werden muß. Bei der Erfindung wird der Sollwert der Pegelsteuergeräte in Verbindung mit der Steuerung des Flüssigkeitspegels innerhalb des Sumpfes der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne und/oder des Argonkolonnen-Kopfkondensators manipuliert. Die Pegelstellgrößen werden abgesenkt, wenn der in den unteren Bereich der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne eintretende Einsatzdurchfluß erhöht wird, wodurch dem mittleren Bereich der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne unmittelbar zusätzliche Flüssigkeit zugeführt wird, um den Effekt der hydraulischen Verzögerung der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne abzuschwächen. Die zusätzliche Flüssigkeit dient dazu, die L/V-Transiente in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne während der Kapazitätsänderung zu kompensieren und stellt die zusätzliche Flüssigkeit bereit, die erforderlich ist, um den Flüssigkeitspegel des Hauptkondensators beizubehalten. Dadurch wird der Bedarf an jeglichen zusätzlichen (gewöhnlich kostspieligen) Tanks und damit verbundenen Steuerungen und Verrohrungen vermieden, da der Sumpf und der Argonkolonnen- Kopfkondensator normale Komponenten einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage sind.
  • Die Erfindung macht vorzugsweise auch Gebrauch von einer internen Ablesung der Flüssigkeitszusammensetzung, um Einstellungen des Steuergeräts oder der Steuergeräte vorzunehmen, anstatt darauf zu warten, daß die Zusammensetzung des Produkts überprüft wird, bevor solche Einstellungen vorgenommen werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird von einer Zusammensetzungs-Zwischenvariablen Gebrauch gemacht (entweder direkte Zusammensetzungsanalyse oder Folgerungsanalyse basierend auf der Temperatur oder der differentiellen Temperatur), die im mittleren Bereich der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne unterhalb der Flüssigkeitszufuhrstelle erfolgt und die, wenn eine Argonkolonne benutzt wird, oberhalb der Stelle erfolgt, wo die Argonkolonne angeschlossen ist. Es wurde festgestellt, daß diese Variable schneller als andere Zusammensetzungsvariablen anspricht, die gewöhnlich gemessen und im Rückkopplungsteil von Steuersystemen verwendet werden. Der Gebrauch dieser Variablen ermöglicht es, größere und schnellere Kapazitätsänderungen hervorzurufen, indem eine Anzeige des L/V-Verhältnisses innerhalb des mittleren Bereichs der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne bereitgestellt wird. Dieses schnelle Ansprechen erlaubt es dem Rückkopplungssystem, jegliche Änderungen des L/V-Wertes, die zu einer unerwünschten Änderung der Produktreinheiten führen können, zu korrigieren, bevor die Änderung der Produktreinheit tatsächlich gemessen werden kann.
  • Die Erfindung wird bezugnehmend auf die Zeichnungen detaillierter erläutert. FIG. 1 veranschaulicht eine Luftzerlegungsanlage, bei welcher eine Doppelkolonne und eine Argonkolonne eingesetzt werden. Bezugnehmend auf FIG. 1 wird ein Einsatz, wie beispielsweise Einsatzluft 20, bei einer Durchflußrate im allgemeinen im Bereich von 5663 bis 339802 Standardkubikmeter pro Stunde (200000 bis 12000000 Standardkubikfuß pro Stunde (SCFH)) mittels Durchleiten durch einen Kompressor 1 im allgemeinen auf einen Druck komprimiert, der im Bereich von 483 bis 1724 kPa (70 bis 250 Pfund pro Quadratinch absolut (psia)) liegt. Ein komprimierter Einsatzluftstrom 21 wird dann durch einen Reiniger 2 zur Entfernung von hochsiedenden Verunreinigungen, wie beispielsweise Kohlendioxid und Wasserdampf, geleitet, und ein sich ergebender Strom 22 wird einem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt. Ein Steuergerät 100 mißt und steuert die Durchflußrate des Einsatzluftstromes 22 durch Manipulation von Kompressorleitflügeln 101, um die gemessene Luftdurchflußrate des Stromes 22 bei einer gewünschten Stellgröße zu halten. Einsatzluft wird mittels Durchleiten durch den Hauptwärmetauscher 3 gekühlt. Ein Teil 24, der im allgemeinen 3 bis 20 % der gesamten in die Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage eingeleiteten Einsatzluft ausmacht, wird nach einem Teildurchlauf von dem Hauptwärmetauscher 3 abgezogen, mittels Durchleiten durch einen Turboexpander 5 zur Erzeugung von Kälte turboexpandiert und als Strom 25 in eine Kolonne 6 eingespeist, bei der es sich um die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne eines Doppelkolonnensystems handelt, welche eine bei einem höheren Druck arbeitende Kolonne 4 aufweist. Der größere Teil der Einsatzluft wird in einem Strom 23 von dem Hauptwärmetauscher 3 in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 4 eingespeist, die bei einem Druck arbeitet, der im allgemeinen im Bereich von 448 bis 1689 kPa (65 bis 245 psia) liegt. Innerhalb der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 4 wird die Einsatzluft mittels Tieftemperatur-Rektifikation in mit Stickstoff angereicherten Dampf und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit zerlegt. Mit Stickstoff angereicherter Dampf wird in einem Strom 41 in den Hauptkondensator 11 eingeleitet, in welchem er mittels indirektem Wärmeaustausch mit Sumpfflüssigkeit von der Kolonne 6 kondensiert wird. Sich ergebende mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit wird in einem Strom 42 in die Kolonne 4 als Rücklauf eingespeist. Ein Teil 28 der sich ergebenden mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit wird mittels Durchleiten durch einen Wärmetauscher 9 unterkühlt, und ein sich ergebender Strom 29 wird durch ein Ventil 111 in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 6 gedrosselt, die bei einem Druck arbeitet, der unter jenem der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 4 liegt und der allgemein im Bereich von 110 bis 414 kPa (16 bis 60 psia) liegt.
  • Flüssigkeit vom Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 4 wird in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 6 eingeleitet. Bei der in FIG. 1 veranschaulichten Ausführungsform wird Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 4 durch einen Kopfkondensator 8 geleitet, bevor sie in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 6 übergeleitet wird. Mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird in einem Strom 26 aus dem Sumpf der Kolonne 4 herausgeleitet und mittels Durchlauf durch einen Wärmetauscher 10 unterkühlt. Ein sich ergebender Strom 27 wird dann durch ein Ventil 105 und in den Kopfkondensator 8 geleitet. Eine Sumpfpegelsteueranordnung 104 hält die Flüssigkeit im Sumpf der Kolonne 4 bei dem erwünschten Pegel, wie er durch eine Stellgröße definiert ist, die für diesen Pegel mittels Einstellung des Ventils 105 eingestellt wurde. Innerhalb des Kopfkondensators 8 wird die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit gegen kondensierenden Kopfdampf der Argonkolonne teilweise verdampft. Sich ergebender, mit Sauerstoff angereicherter Dampf wird von dem Kopfkondensator 8 durch ein Ventil 109 in einem Strom 38 und in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 6 übergeleitet. Verbleibende mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird von dem Kopfkondensator 8 durch ein Ventil 119 und in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 6 eingespeist. Eine Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung 118 hält die Flüssigkeit in dem Kopfkondensator auf dem gewünschten Pegel, wie er durch eine Stellgröße definiert ist, die für diesen Pegel durch Einstellung eines Ventils 119 vorgegeben ist.
  • Innerhalb der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 6 werden die verschiedenen Einsätze mittels Tieftemperatur-Rektifikation in stickstoffreiche und sauerstoffreiche Fluide zerlegt. Stickstoffreicher Dampf wird von der Kolonne 6 in Strom 30 abgezogen, mittels Durchleiten durch die Wärmetauscher 9, 10 und 3 erwärmt und als Strom 33 abgezogen. Der gesamte Strom 33 oder ein Teil davon kann als Produktstickstoff gewonnen werden, der im allgemeinen eine Reinheit von bis zu 98 Mol% oder mehr aufweist. Sauerstoffreicher Dampf wird von der Kolonne 6 in einem Strom 34 abgezogen, mittels Durchleiten durch den Wärmetauscher 3 erwärmt und als Strom 35 abgezogen. Der gesamte Strom 35 oder ein Teil davon kann als Produktsauerstoff gewonnen werden, welcher eine Reinheit im allgemeinen im Bereich von 99 bis 99,9 Mol% hat. Zusätzlich zu oder anstelle von der Gewinnung von Dampfprodukt in Strom 35 kann Sauerstoffprodukt als Flüssigkeit gewonnen werden, in dem sauerstoffreiche Flüssigkeit von der Kolonne 6 in Strom 40 abgezogen wird, wobei dieser gesamte Strom oder ein Teil davon als Produktsauerstoff mit einer Reinheit im allgemeinen im Bereich von 99 bis 99,9 Mol% gewonnen werden kann. Falls keine Argonkolonne verwendet wird, wie in der Ausführungsform von FIG. 2 veranschaulicht, wird die Sauerstoffreinheit im allgemeinen im Bereich zwischen 90 und 99,9 % liegen. Ein Fluid, bei welchem es sich in erster Linie um Sauerstoff und Argon handelt, wird in einem Strom 36 aus der Kolonne 6 herausgeleitet und in die Argonkolonne 7 geleitet, in welcher es mittels Tieftemperatur-Rektifikation in argonreicheren Dampf und sauerstoffreichere Flüssigkeit zerlegt wird. Sauerstoffreichere Flüssigkeit wird von der Argonkolonne 7 in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 6 in einem Strom 37 eingeleitet. Argonreicherer Dampf wird in einem Strom 43 in den Kopfkondensator 8 eingeleitet, in welchem er gegen die zuvor beschriebene, teilweise verdampfende, mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit kondensiert. Sich ergebende argonreichere Flüssigkeit wird in einem Strom 44 als Rücklauf in die Argonkolonne 7 eingeleitet. Ein Teil 45 der argonreicheren Flüssigkeit kann als Produkt mit einer Argonkonzentration im allgemeinen im Bereich von 95 bis 99,9 Mol% oder mehr gewonnen werden.
  • FIG. 2 veranschaulicht eine Doppelkolonnen-Tieftemperatur-Rektifikationsanlage ohne Argonkolonne. Für die Zwecke dieser Offenbarung ist außer wie oben erwähnt der Betrieb der in FIG. 2 veranschaulichten Doppelkolonnenanlage ähnlich zu dem der in FIG. 1 veranschaulichten Anlage, und er wird daher nicht erneut im Detail beschrieben. Die Bezugszeichen in FIG. 2 entsprechen für die gemeinsamen Elemente jenen von FIG. 1. Bei der in FIG. 2 veranschaulichten Ausführungsform wird ein Flüssigkeitsstrom 27 vom Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 4 durch das Ventil 105 direkt in die bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 6 eingespeist, ohne durch den Argonkolonnen-Kopfkondensator geleitet zu werden.
  • Während dem Betrieb der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage kann ein Bedarf auftreten, die Kapazität der Anlage zu verändern, d.h. die Durchflußrate von einem oder mehreren Produktströmen anzuheben oder abzusenken. Solch eine Änderung kann es erforderlich machen, die Einsatzdurchflußrate zu ändern. In der Praxis dieser Erfindung wird in Ansprechen auf eine Änderung der Einsatzdurchflußrate die Sollgröße der Sumpfpegelsteueranordnung und/oder der Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung verändert. Wenn die Einsatzdurchflußrate auf eine zweite Durchflußrate geändert wird, welche jene der ersten Durchflußrate übersteigt, wird die Sollgröße der Sumpfpegelsteueranordnung und/oder der Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung auf einen niedrigeren Pegel geändert. Dadurch wird der Flüssigkeitsstrom in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne vom Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne schnell vergrößert, was dazu dient, das L/V-Verhältnis in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne trotz des erhöhten Dampfflusses, der sich aus dem erhöhten Einsatzdurchfluß ergibt, stabil zu halten. Wenn die Einsatzdurchflußrate auf eine zweite Durchflußrate verändert wird, die geringer als die erste Durchflußrate ist, wird die Stellgröße der Sumpfpegelsteueranordnung und/oder der Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung auf einen höheren Pegel verändert. Dadurch wird der Flüssigkeitsfluß in die bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne vom Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne schnell abgesenkt, was dazu dient, das L/V-Verhältnis in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne trotz des verringerten Dampfflusses, der sich aus dem verringerten Einsatzdurchfluß ergibt, stabil zu halten. Das stabile L/V-Verhältnis gewährleistet, daß die Produktreinheit auf dem gewünschten Pegel gehalten wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Zusammensetzung des Fluids, sei es flüssig oder dampfförmig, im Inneren der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne bestimmt, und diese Zusammensetzungs-Zwischenbestimmung wird benutzt, um geringfügige Einstellungen der Sumpfpegelsteueranordnung und/oder der Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung vorzunehmen. Das Fluid, dessen Zusammensetzung bestimmt wird, ist Fluid von innerhalb der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne von unterhalb der Stelle, wo Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne eingeleitet wird. Falls eine Argonkolonne verwendet wird, liegt diese Stelle außerdem oberhalb der Stelle, von welcher das Fluid zum Einleiten in die Argonkolonne aus der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne ausgeleitet wird. Dies ist in den Figuren 1 und 2 durch einen Zusammensetzungssensor 150 veranschaulicht, welcher die Zusammensetzung, d.h. den Sauerstoff- oder Stickstoffanteil, einer Flüssigkeits- oder Dampfprobe mißt, die von der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne abgezogen wird. Alternativ kann ein Temperatursensor anstelle des Zusammensetzungssensors verwendet werden, um die Fluidtemperatur zu erfassen, aus der mittels Folgerung die Zusammensetzung des Fluids bestimmt werden kann.
  • Der Anmelder hat herausgetunden, daß eine Bestimmung der Zusammensetzung dieses Fluids eine schnellere Einstellung des L/V-Verhältnisses ermöglicht, als eine Bestimmung der Zusammensetzung eines Produktstromes, ohne daß auf Genauigkeit verzichtet werden muß. Dies liegt daran, daß die Zwischenzusammensetzung empfindlicher auf Veränderungen des L/V- Verhältnisses ist und im allgemeinen schneller auf solche Änderungen anspricht, insbesondere wenn die Sauerstoffreinheit bei oder über 98 % liegt. Das L/V-Verhältnis selbst kann nicht direkt ohne signifikante und kostspielige Modifikation der Auslegung der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne gemessen werden. Ferner wird der Wert der Zwischenzusammensetzung in einfacher Weise mit der Zusammensetzung der Sauerstoffproduktströme im stetigen Zustand korreliert.
  • Wenn der Stickstoffmolenbruch der Zwischenzusammensetzung über einen vorgegebenen Sollwert ansteigt, der bekannterweise für Produktsauerstoff von bestimmter Reinheit sorgt, ist das L/V-Verhältnis in dem unteren Bereich der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne zu hoch und muß gesenkt werden, um ein Abfallen der Sauerstoffproduktreinheit zu verhindern. In ähnlicher Weise ist dann, wenn der Stickstoffmolenbruch der Zwischenzusammensetzung unter einen vorgegebenen Sollwert fällt, der bekannterweise für Produktsauerstoff von bekannter Reinheit sorgt, das L/V-Verhältnis im unteren Bereich der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne zu niedrig und muß angehoben werden, um einen Anstieg der Sauerstoffreinheit zu verhindern. Die L/V-Änderung, die erforderlich ist, um die Zwischenzusammensetzung auf ihren Sollwert zurückzuführen, kann durch Einstellung der Stellgrößen der Pegelsteueranordnungen 104 und 118 sowie anderer Prozeßdurchflußraten, wie z.B. jene der Ströme 35, 29 und 36, erreicht werden. Verfahren zum Einstellen der Durchflußraten jener Ströme sind bekannt. Die Einstellungen der Stellgrößen der Pegelsteueranordnungen können mittels einer Rückkopplungsschleife bewerkstelligt werden, die eine Steueranordnung zum Einstellen all der Stellgrößen der Pegelsteueranordnungen 104 und 118 verwendet, um die gemessene Zwischenzusammensetzung bei einem gewünschten vorgegebenen Sollwert beizubehalten.
  • Alternativ kann die gleiche Rückkopplungsschleife verwendet werden, um einen Anstieg oder ein Abfallen der Zwischenzusammensetzung zu verhindern, ohne daß versucht wird, diese bei einer speziellen Sollgröße zu halten, indem die Stellgröße der Pegelsteueranordnungen 104 und 118 eingestellt wird.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zum Einstellen der Stellgrößen der Pegelsteueranordnungen besteht darin, die Messung der Zwischenzusammensetzung in einem multivariablen Steuergerät zu berücksichtigen, welches die Messung von Produktsauerstoff, -stickstoff und -argon sowie Kolonneneinsatz-Zusammensetzungen berücksichtigt und in der Lage ist, die Stellgrößen der Pegelsteueranordnungen 104 und 118 sowie die Durchflußrate der Ströme 35, 29 und 36 einzustellen.
  • Durch die Anwendung dieser Erfindung kann nun die Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage geändert werden, während der Betrieb der Anlage gesteuert wird, um Abweichungen der Produktreinheit zu verringern oder zu eliminieren, ohne daß zusätzliche Speicher- oder Haltetanksysteme erforderlich wären.

Claims (4)

1. Verfahren zum Ändern der Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, wobei im Zuge des Verfahrens:
(A) ein Fluid (23) bei einer ersten Durchflußrate in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne (4) einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eingeleitet wird, welche die bei höherem Druck arbeitende Kolonne und eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (6) aufweist;
(B) Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (4) in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (6) übergeleitet wird;
(C) die Flüssigkeit in dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (4) auf einem gewünschten Pegel gehalten wird;
dadurch gekennzeichnet, daß
(D) die Flüssigkeit im Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (4) mittels einer Sumpfpegel-Steueranordnung (104), bei welcher eine Stellgröße auf den gewünschten Pegel eingestellt ist, auf einem gewünschten Pegel gehalten wird;
(E) die Stellgröße der Sumpfpegel-Steueranordnung (104) auf einen niedrigeren Wert verstellt wird, wenn die Einsatzdurchflußrate auf eine zweite Durchflußrate geändert wird, welche die erste Einsatzdurchflußrate übersteigt; und
(F) die Stellgröße der Sumpfpegel-Steueranordnung (104) auf einen höheren Wert verstellt wird, wenn die Einsatzdurchflußrate auf eine zweite Durchflußrate geändert wird, welche unter der ersten Einsatzdurchflußrate liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner die Zusammensetzung des Fluids innerhalb der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne (6) an einer Stelle bestimmt wird, die unter der Stelle liegt, wo die Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (4) in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne übergeleitet wird, und wobei die Stellgröße der Sumpfpegel-Steueranordnung (104) basierend auf dieser Bestimmung eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem
- die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eine Tieftemperatur-Rektifikationsanlage zur Luftzerlegung ist, die zusätzlich zu der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (4) und der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne (6) eine Argonkolonne (7) mit einem Kopfkondensator (8) aufweist;
- das im Verfahrensschritt (A) genannte Fluid Einsatzluft aufweist;
- im Zuge des Verfahrensschrittes (B) Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (4) in den Kopfkondensator (8) und von dem Kopfkondensator in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (6) geleitet wird,
und wobei im Zuge des Verfahrens ferner
(G) Fluid aus der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne (6) heraus und in die Argonkolonne (7) geleitet wird;
(H) die Flüssigkeit in dem Kopfkondensator (8) mittels einer Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung (118), bei welcher eine Stellgröße auf den gewünschten Pegel eingestellt ist, auf einem gewünschten Pegel gehalten wird;
(I) die Stellgröße der Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung (118) auf einen niedrigeren Wert verstellt wird, wenn die Durchflußrate der Einsatzluft auf eine zweite Durchflußrate geändert wird, welche die erste Durchflußrate der Einsatzluft übersteigt; und
(J) die Stellgröße der Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung (118) auf einen höheren Wert verstellt wird, wenn die Durchflußrate der Einsatzluft auf eine zweite Durchflußrate geändert wird, welche unter der ersten Durchflußrate der Einsatzluft liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem ferner die Zusammensetzung des Fluids innerhalb der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne (6) an einer Stelle bestimmt wird, die unter der Stelle liegt, wo die Flüssigkeit von dem Kopfkondensator (8) in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne eingeleitet wird, und die oberhalb jener Stelle liegt, wo Fluid zwecks Einleitung in die Argonkolonne (7) aus der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne herausgeleitet wird, und wobei die Stellgröße der Kopfkondensator-Pegelsteueranordnung (118) basierend auf dieser Bestimmung eingestellt wird.
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