KR20140070557A - 공기 분리 플랜트 제어 - Google Patents

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KR20140070557A
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

공기 분리 플랜트를 제어하는 방법 및 상기 플랜트에 의해서 생산되는 아르곤 생성물의 생산을 최적화하기 위한 제어 시스템이 제공된다. 플랜트의 각각의 컬럼, 응축기 리보일러 및 아르곤 리플럭스 응축기의 모델을 가지는 컴퓨터 프로그램이 연속적으로 실행된다. 상기 모델은, 조립되었을 때, 모델로 인가되는 입력 변수에 응답하여 제어되는 변수의 현재 값을 계산할 수 있는 각각의 컬럼 내의 각각의 분리 스테이지의 스테이지 모델을 포함한다. 상기 제어되는 변수는, 제어되는 변수가 아르곤 생성물의 생산을 최적화하도록 선택된 목표 범위 내에 있도록, 공기 분리 플랜트에 대한 공기 피드 스트림, 저압 컬럼으로부터 제거되는 생성물 산소 스트림, 및 미정제 아르곤 피드 스트림의 유량을 포함하는 조작되는 변수를 제어하는 제어기에 대한 입력으로서의 역할을 한다.

Description

공기 분리 플랜트 제어{AIR SEPARATION PLANT CONTROL}
본원 발명은 아르곤 생성물의 생산을 최대화하기 위해서 공기 분리 플랜트를 제어하기 위한 방법 및 제어 시스템에 관한 것이다. 보다 특히, 본원 발명은, 폐 질소 스트림 내의 아르곤 농도 및 아르곤 컬럼으로 피딩되는(fed) 미정제(crude) 아르곤 피드 스트림이 내의 질소 농도의 추정 농도들이 아르곤 생성물의 생산을 최대화하게 될 목표 범위 내에 있도록, 플랜트의 증류 컬럼(distillation column; 증류탑)으로 피딩되는 공기의 유량(flow rate), 생성물 산소 및 미정제 아르곤 피드 스트림을 제어하는, 방법 및 시스템을 제공한다.
아르곤 생성물은, 공기 분리 플랜트 내에서 실시되는 극저온 정류(rectification)의 이용을 통해서 공기로부터 아르곤을 분리하는 것에 의해서 생산된다. 생산된 아르곤은 일반적으로 산소 및 질소를 제거하기 위해서 추가적으로 처리되는 미정제 아르곤 생성물이 될 수 있거나 또는 산소를 매우 적게 함유한 정제된(purified) 아르곤 생성물이 될 수 있다.
아르곤을 생산하도록 디자인된 공기 분리 플랜트에서, 공기가 먼저 압축되고 이어서 수증기, 이산화탄소, 일산화탄소 및 탄화수소와 같은 보다 높은 비등(boiling) 오염물질들로부터 정제된다. 이어서, 결과적인 압축되고 정제된 공기 스트림은, 공기의 정류의 결과로서 생산된 폐 스트림 및 생성물 스트림과의 간접적인 열교환을 통해서 증류 컬럼 시스템 내에서의 정류에 적합한 온도까지 냉각된다. 이러한 열 교환은 종종 메인 열 교환기라고 지칭되는 열 교환기 내에서 실시되고, 상기 메인 열 교환기는, 생성물 스트림의 압력을 기초로 하고 온난(warm) 단부와 저온 단부 사이에서 하위분할된(subdivided), 냉각되는 공기의 평행한 유동을 가지는 열 교환기의 집합이 될 수 있다.
이슬점의 또는 그 근처의 온도까지 냉각된 후의 압축되고 정제된 공기가, 이어서, 저압 컬럼 보다 높은 압력에서 동작하고 저압 컬럼에 열적으로 링크된 고압 컬럼 내로 도입된다. 케틀(kettle) 액체라고도 종종 지칭되는 미정제 액체 산소 컬럼 하단부(bottoms) 및 질소-풍부(rich) 증기 컬럼 오버헤드(overhead)가 고압 컬럼 내에서 생성된다. 이어서, 미정제 액체 산소의 스트림이 저압 컬럼 내에서 추가적으로 정류되어, 산소-풍부 액체 컬럼 하단부 및 질소-풍부 증기 컬럼 오버헤드를 생성한다. 고압 컬럼 내에서 생성된 질소-풍부 증기의 응축에 대해서 산소-풍부 액체 컬럼 하단부가 부분적으로 증발되어 양 컬럼에 대한 리플럭스(reflux; 역류)를 생성한다. 컬럼 내에 수용된 트레이 또는 패킹 내에서 하강하는 액체 상과 상승하는 증기 상 사이의 물질 이송(mass transfer) 접촉을 통해서, 증류가 양 컬럼 중 어느 하나의 컬럼에서 실시된다. 저압 컬럼 내에서 액체 상이 하강함에 따라, 소정 지점(a point)까지, 그 액체 상은 산소와 유사한 휘발성을 가지는 아르곤으로 풍부화된다. 아르곤 농도가 최대인 지점 근처에서, 미정제 기체 아르곤의 스트림이 제거되고 이어서 아르곤 컬럼으로 도입되어, 아르곤을 산소로부터 분리하고 아르곤 생성물을 생산한다. 전형적으로, 아르곤 생성물은 아르곤 컬럼에 대한 리플럭스의 일부로부터 액체로서 취해진다. 이해할 수 있는 바와 같이, 아르곤이 부가가치가 있는 생성물이기 때문에, 아르곤 생산이 최대화될 수 있도록 공기 분리 플랜트를 제어하는 것이 바람직하다.
US 4,784,677에서, 아르곤 컬럼에 대한 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도 및 폐 질소 스트림 내의 산소 농도를 측정하는 것에 의해서, 아르곤 생성물이 제어된다. 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 함량을 제어하기 위해서, 저압 컬럼으로 피딩되는 액체 질소 리플럭스의 유량이 상기 측정을 기초로 조절된다. 리플럭스 레이트(rate)를 감소시키면 질소 함량이 감소될 것이고 리플럭스 레이트를 증가시키면 질소 함량이 증가될 것이다. 그러한 제어의 주요 목적은, 아르곤 컬럼 내의 질소 함량이 너무 높아지는 것을 방지하기 위한 것이고 그에 의해서 아르곤 컬럼에 대한 리플럭스를 응축시키고 아르곤 생성물을 형성하기에 충분한 아르곤 응축기 내의 온도차를 방지하기 위한 것이다. 극단적으로, 아르곤 컬럼이 동작하지 않을 수 있고 아르곤 액체를 그 섬프(sump) 내로 또는 저압 컬럼 내로 다시 덤핑(dump)할 것이다. 그러한 제어 체계의 단점은, 저압 컬럼에 대한 리플럭스의 변화가 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 함량을 즉각적으로 변화시키지 않는다는 것이다. 또한, 저압 컬럼에 대한 리플럭스 레이트가 감소될 때, 미정제 아르곤 피드 스트림의 유량이 또한, 아르곤 생성물 내의 결과적인 감소와 함께, 감소될 것이다.
US 5,313,800에서, 아르곤 컬럼에 대한 미정제 아르곤 피드 내의 질소 농도가 측정되지 않는다. 오히려, 그러한 농도는, 미정제 산소 피드 지점과 미정제 아르곤 피드가 드로잉되는(drawn) 위치 사이에서 저압 컬럼 내의 온도 측정을 획득함으로써 유도된다. 그러한 유도는, 온도 측정치를 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도와 상호 관련시키는 수학적 모델로부터 얻어진다. 그러한 추정된 내용물(content)로부터, 아르곤 컬럼에 대한 유량이 제어될 수 있다. 구체적으로, 고압 컬럼으로부터의 미정제 액체 산소가 아르곤 응축기로 피딩되고 부분적으로 증기화된다. 그러한 증기화의 결과로서 생성된 증기 상 스트림 및 액체 상 스트림이 저압 컬럼으로 피딩된다. 미정제 아르곤 컬럼 피드 스트림의 질소 내용물의 연산(compute)에 응답하여, 증기 상 스트림의 유동이 제어되고, 이는 다시 아르곤 응축기 내의 압력을 제어하고, 그에 따라 아르곤 컬럼에 대한 피드 레이트를 제어한다.
US 7,204,101는 아르곤 생산을 최대화하기 위해서 복수가변형(multivariable) 제어기를 이용한다. 그러한 제어기는, 질소의 농도가 제어가능한 최대치를 초과하는 것을 방지하면서 피드 내의 산소 농도를 감소시켜 미정제 아르곤 컬럼 피드 내의 아르곤 농도를 최대화함으로서, 아르곤 회수를 최적화시키도록 동작한다. 제어기는, 기체 산소 생성물, 미정제 아르곤 컬럼 피드, 저압 컬럼에 의해서 생산된 질소 스트림, 저압 컬럼으로의 질소 리플럭스와 같은 스트림 내의 산소 농도 및 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도의 직접적인 측정에 의해서 증류 컬럼 시스템 내로의 공기 피드의 양, 저압 컬럼으로부터의 기체 산소 생성물 유동, 저압 컬럼으로의 액체 질소 리플럭스 및 아르곤 컬럼으로 피딩되는 미정제 아르곤의 유동의 유량을 제어함으로써, 기능한다.
이러한 타입의 제어에서의 문제점은, 아르곤 생성물 내에서 질소가 일단 임계 농도에서 확인되면, 아르곤 생성의 손실을 수반하는 아르곤 컬럼의 중단을 방지기 위한 효과적인 제어를 취하기에 너무 늦는 경우가 빈번하다는 것이다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 본원 발명은, 임의의 그러한 직접적인 측정에 의존하지 않고, 그에 따라, 종래 기술의 제어 시스템과 같이 보수적일(conservative) 필요가 없는 개선된 아르곤 생산 제어를 허용하고 따라서 증대된 아르곤 생산을 허용한다.
하나의 양태에서, 본원 발명은 아르곤 생성물의 생산을 최적화하기 위한 공기 분리 플랜트를 제어하는 방법을 제공한다. 본원 발명의 이러한 양태에 따라서, 컴퓨터 프로그램이 연속적으로 실행된다. 컴퓨터 프로그램은, 고압 컬럼, 저압 컬럼, 아르곤 컬럼, 고압 컬럼 및 저압 컬럼과 동작적으로 연관된(operatively associated) 응축기 리보일러(reboiler), 및 아르곤 컬럼에 연결된 아르곤 리플럭스 응축기의 각각의 모델로 프로그래밍된다. 상기 모델은 고압 컬럼, 저압 컬럼, 및 아르곤 컬럼의 각각의 내부에 각각의 분리 스테이지의 스테이지 모델을 포함하고, 상기 응축기 리보일러 및 아르곤 리플럭스 응축기 각각은 단일 스테이지 모델로 이루어진다. 스테이지 모델은, 스테이지 모델들 사이의 내부 증기 및 액체 유동에 의해서 서로 연결되고, 스테이지 모델을 포함하는 모델들은 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각으로의 피드(feed) 및 각각으로부터의 드로우(draw)의 위치에 배치된 스테이지 모델로의 및 스테이지 모델로부터 외부 증기 및 액체 유동에 의해서 서로 연결된다.
컴퓨터 프로그램의 각각의 실행 중에, 스테이지 모델에 대해 내부 및 외부 증기 및 액체 유동을 이용하여 동적 재료 균형, 증기-액체 평형 계산, 및 에너지 균형 계산을 실시함으로써, 조작되는 변수에 응답하여 제어되는 변수의 현재 값을 계산된다. 제어되는 변수는, 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도 또는 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도를 직접적으로 참조할 수 있는 저압 컬럼 내의 스테이지 모델에 대해서 계산된 양을 포함한다. 조작되는 변수는 공기 분리 플랜트에 대한 공기 피드 스트림, 저압 컬럼으로부터 제거된 생성물 산소 스트림, 및 미정제 아르곤 피드 스트림의 유량의 세트를 포함한다.
모델에 의해서 계산된 제어되는 변수의 현재 값이 제어기로 입력되고 제어기는 제어기 내에서 미리 셋팅된 목표 범위 내의 농도 값을 가지는 제어되는 변수를 초래할 제어되는 변수의 현재 값으로부터 조작되는 변수를 계산하고, 이는 아르곤 생성물의 아르곤 생성물 수율을 최대화할 것이다. 조작되는 변수는 제어기에 의해서 계산된 유량의 세트를 가지도록 공기 분리 플랜트 내에서 제어된다.
모델은 공정 스트림의 산소 농도를 계산하도록 구성될 수 있고, 모델에 의해서 계산된 산소 농도와 공기 분리 플랜트 내의 산소 농도의 측정치 사이의 차이를 최소화하도록 편향(bias)될 수 있다. 결과적으로, 제어되는 변수의 현재 값의 계산의 정확도가 보장될 수 있다. 그러한 실시예에서, 공정 스트림은 저압 컬럼으로부터 회수된 폐 질소 스트림 및 생성물 산소 스트림, 저압 컬럼으로 피딩된 질소 리플럭스 스트림, 저압 컬럼으로부터 아르곤 컬럼으로 피딩된 미정제 아르곤 피드 스트림 및 아르곤 컬럼에 의해서 생성된 아르곤 생성물 스트림 내에 포함된 아르곤 생성물을 포함한다. 컴퓨터 프로그램의 각각의 실행 중에, 모델이 편향되어 공정 스트림의 계산된 산소 농도와 측정된 산소 농도 사이의 차이를 최소화한다.
증기 액체 평형 계산은 각각의 스테이지 모델 내의 평형 증기 상 조성을 계산한다. 평형 증기 상 조성이 계산된 후에, 평형 증기 상 조성으로부터 결정된 산소의 증기 상 농도와 분리 조정 인자를 곱하여 산소의 조정된 증기 상 농도를 생성함으로써 모델이 편향된다. 또한, 평형 증기 상 조성으로부터 또한 결정된 질소 농도가 산소의 조정된 증기 상 농도와 함께 이용되어 아르곤 농도를 계산하고, 그에 따라 각각의 스테이지 모델 내의 산소, 질소, 및 아르곤의 몰 분율(molar fraction)의 합이 1.0과 같아진다. 공통 분리 조정 인자는 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각으로의 피드 및 각각으로부터의 드로우의 위치들 사이에 규정된 각각의 컬럼 섹션 내에 위치된 스테이지 모델에 대해서 이용된다. 각각의 컬럼 섹션의 단부에서 계산된 산소 농도와 측정된 산소 농도 사이의 차이가 최소화되도록 공통 분리 조정 인자가 계산된다.
다른 양태에서, 본원 발명은 아르곤 생성물의 생산을 최적화하기 위해서 공기 분리 플랜트를 제어하기 위한 제어 시스템을 제공한다. 본원 발명의 이러한 양태에 따라서, 고압 컬럼, 저압 컬럼, 아르곤 컬럼, 고압 컬럼 및 저압 컬럼과 동작적으로 연관된 응축기 리보일러, 및 아르곤 컬럼으로 연결된 아르곤 리플럭스 응축기의 각각의 모델로 프로그래밍된 컴퓨터 프로그램이 제공된다. 상기 모델은 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각의 내부에 각각의 분리 스테이지의 스테이지 모델을 포함하고, 응축기 리보일러 및 아르곤 리플럭스 응축기 각각은 단일 스테이지 모델로 이루어진다. 스테이지 모델은, 스테이지 모델들 사이의 내부 증기 및 액체 유동에 의해서 서로 연결되고, 스테이지 모델을 포함하는 모델들은 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각으로의 피드 및 각각으로부터의 드로우의 위치에 배치된 스테이지 모델로의 및 스테이지 모델로부터의 외부 증기 및 액체 유동에 의해서 서로 연결된다.
컴퓨터 프로그램의 각각의 실행 중에, 스테이지 모델에 대해 내부 및 외부 증기 및 액체 유동을 이용하여 동적 재료 균형, 증기-액체 평형 계산, 및 에너지 균형 계산을 실시함으로써, 조작되는 변수에 응답하여 제어되는 변수의 현재 값이 계산되도록, 컴퓨터 프로그램이 구성된다. 제어되는 변수는, 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도 또는 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도를 직접적으로 참조할 수 있는 저압 컬럼 내의 스테이지 모델에 대해서 계산된 양을 포함한다. 조작되는 변수는 공기 분리 플랜트에 대한 공기 피드 스트림, 저압 컬럼으로부터 제거된 생성물 산소 스트림, 및 미정제 아르곤 피드 스트림의 유량의 세트를 포함한다.
모델에 의해서 계산된 제어되는 변수의 현재 값을 입력으로서 가지는 제어기가 제공된다. 제어기는 제어기 내에서 미리 셋팅된 목표 범위 내의 농도 값을 가지는 제어되는 변수를 초래할 제어되는 변수의 현재 값으로부터 조작되는 변수를 계산하고, 이는 아르곤 생성물의 아르곤 생성물 수율을 최대화할 것이다. 제어기에 의해서 계산된 유량의 세트를 가지도록 공기 분리 플랜트 내에서 조작되는 변수를 제어하기 위한 수단이 제공된다.
컴퓨터 프로그램은 또한 공기 분리 플랜트 내에서 측정된 공정 스트림의 산소 농도에 응답하도록 디자인될 수 있고, 상기 모델은 공정 스트림의 산소 농도를 계산하도록 구성되고 상기 모델에 의해서 계산된 산소 농도와 공기 분리 플랜트 내의 산소 농도의 측정치 사이의 차이를 최소화하도록 편향될 수 있다. 이는, 제어되는 변수의 현재 값의 계산의 정확도를 보장할 수 있다. 공정 스트림은 저압 컬럼으로부터 회수된 폐 질소 스트림 및 생성물 산소 스트림, 저압 컬럼으로 피딩된 질소 리플럭스 스트림, 저압 컬럼으로부터 아르곤 컬럼으로 피딩된 미정제 아르곤 피드 스트림 및 아르곤 컬럼에 의해서 생성된 아르곤 생성물 스트림 내에 포함된 아르곤 생성물을 포함한다. 컴퓨터 프로그램의 각각의 실행 중에, 모델이 편향되어 공정 스트림의 계산된 산소 농도와 측정된 산소 농도 사이의 차이를 최소화하도록, 컴퓨터 프로그램이 구성된다.
모델의 편향과 관련하여, 증기 액체 평형 계산이 각각의 스테이지 모델 내의 평형 증기 상 조성을 계산하도록 컴퓨터 프로그램이 프로그래밍될 수 있다. 평형 증기 상 조성이 계산된 후에, 평형 증기 상 조성으로부터 결정된 산소의 증기 상 농도와 분리 조정 인자를 곱하여 산소의 조정된 증기 상 농도를 생성함으로써 모델이 편향되고, 이어서, 또한 평형 증기 상 조성으로부터 결정된 질소 농도가 산소의 조정된 증기 상 농도와 함께 이용되어 아르곤 농도를 계산하고, 그에 따라 각각의 스테이지 모델 내의 산소, 질소, 및 아르곤의 몰 분율의 합이 1.0과 같아진다. 공통 분리 조정 인자는 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각으로의 피드 및 각각으로부터의 드로우 위치들 사이에 규정된 각각의 컬럼 섹션 내에 위치된 스테이지 모델에 대해서 이용된다. 각각의 컬럼 섹션의 단부에서 계산된 산소 농도와 측정된 산소 농도 사이의 차이가 최소화되도록 공통 분리 조정 인자가 계산된다.
제어기는 모델 예측형(predictive) 제어기일 수 있다. 또한, 제어 수단이 제어 밸브 및 상기 제어 밸브의 각각과 연관된 PID 제어기의 세트일 수 있다. 이차적인 제어기에 의해서 계산된 조작되는 변수가 PID 제어기에 대한 목표가 되도록 PID 제어기가 이차적인 제어기에 연결된다.
본원 발명의 어느 한 양태에서, 제어되는 변수가 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도 및 폐 질소 스트림 내의 아르곤 농도를 포함할 수 있다.
비록 출원인이 발명으로 간주하는 청구 대상을 구분적으로 나타내는 청구항들로 명세서가 결론지어지지만, 발명은 첨부 도면과 함께 보다 잘 이해될 수 있을 것으로 생각한다.
도 1은 아르곤 생성물을 생산하도록 디자인되고 본원 발명의 방법에 따라서 제어되는 공기 분리 플랜트의 개략도이다.
도 2는 본원 발명의 제어 시스템의 개략도이다.
도 3은 본원 발명에 따라서 모델링되고 도 1에 도시된 컬럼 중 임의의 컬럼에 대해서 적용될 수 있는 단일 분리 스테이지의 개략도이다.
도 4는 아르곤 생성물의 생산을 최적화하기 위해서 도 1에 도시된 공기 분리 플랜트와 관련하여 이용되고 도 2에 도시된 제어 시스템에서 이용되는 컴퓨터 프로그램의 논리 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 아르곤 생성물 스트림(112)으로서 공기 분리 플랜트(1)로부터 배출되는 아르곤 생성물을 생산하도록 디자인된 공기 분리 플랜트(1)가 도시되어 있다. 전형적으로, 아르곤 생성물 스트림(112)은 약 98% 순도를 가질 수 있고, 그에 따라, 당업계에 공지된 하류 프로세스에 의해서 산소 및 질소가 제거되어야 하는 미정제 아르곤 생성물일 수 있을 것이다. 그러나, 공기 분리 플랜트(1)가 단지 예시적인 목적을 위해서 설명된 것이고 그에 따라 본원 발명이 설명된 플랜트로 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 공기 분리 플랜트(1)가 2 ppm 미만의 산소 및 질소 불순물을 가지는 아르곤 생성물을 생산하도록 디자인될 수 있다. 그러한 경우에, 아르곤 컬럼이, 그러한 생성물을 생산하기 위한 충분한 분리 스테이지를 집합적으로 구비하는 2개의 컬럼으로 형성될 수 있을 것이다. 도시된 공기 분리 플랜트(1)의 동작이 보다 용이하게 이해될 수 있도록, 본원 발명의 제어 시스템을 도 1에 도시하지 않았다. 그러나, 그러한 제어 시스템은 도 2 및 4에 구체적으로 도시되어 있고 도 1에 도시된 주요 요소를 포함한다.
공기 분리 플랜트(1)에서, 유입되는 피드 공기 스트림(10)이 메인 공기 압축기(12) 내에서 압축되고 이어서 제 1 및 제 2 압축 공기 스트림(14 및 16)으로 분할된다. 비록 도시하지는 않았지만, 전형적으로, 후행-쿨러(after-cooler)가 메인 공기 압축기(12)의 바로 하류에 제공되어 압축물의 열을 제거할 수 있을 것이고, 수분, 이산화탄소 및 탄화수소와 같은 높은 비등 오염물질을 제거하기 위한 흡착 베드(bed)를 가지는 선행(pre)-정제 유닛이 상기 후행-쿨러의 바로 하류에 위치될 수 있을 것이다. 제 1 압축 공기 스트림(14)은, 전형적으로 브레이징된 알루미늄 플레이트 핀(fin) 구성으로 구축되는 메인 열 교환기(18) 내에서 냉각된다. 비록 메인 열 교환기가 단일 유닛으로 도시되어 있지만, 전형적으로, 그러한 메인 열 교환기는 병렬 유닛들로 분할될 수 있을 것이고 온난 및 저온 열 교환기로 추가적으로 하위 분할될 수 있을 것이다. 어떠한 경우에도, 제 1 압축 공기 스트림(14)이 고압 증류 컬럼(20)의 하단부 내로 도입되고 제 2 압축 공기 스트림(16)이 터빈 로딩형 부스터(turbine loaded booster) 압축기 배열체(22)로 도입된다. 터빈 로딩형 부스터 압축기 배열체(22)는, 제 2 압축 공기 스트림(16)을 추가적으로 압축하기 위한 부스터 압축기(24), 압축물의 열을 제거하기 위한 후행-쿨러(26), 및 부스터 압축기(24)를 구동하고 저온 배기 스트림(30)을 생산하는 터보팽창기(28)를 구비한다. 저온 배기 스트림(30)은, 공기 분리 플랜트(1) 내로 냉각시키기 위해서 저압 컬럼(32) 내로 도입된다.
고압 컬럼(20)이 저압 컬럼(32) 보다 높은 압력에서 동작하도록, 고압 컬럼(20) 및 저압 컬럼(32)이 디자인된다. 전형적으로, 고압 컬럼(20)은 5.5 바라(bara)에서 동작하고 저압 컬럼(32)은 약 1.25 바라의 압력에서 동작한다. 고압 컬럼(20)은, 후술되는 응축기 리보일러(34)에 의해서 열적으로 링크된다. 고압 컬럼(20)은 물질 이송 접촉 요소(36 및 38)를 구비하고 저압 컬럼(32)은 물질 이송 접촉 요소(42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 및 58)를 구비한다. 당업계에 주지된 바와 같이, 그러한 요소 모두는 구조화된 패킹, 트레이, 및 덤핑된 팩킹 또는 상기 요소의 조합으로 형성될 수 있다. 상기 요소의 목적은 상기 컬럼 내에서 정련(refine)하고자 하는 특별한 혼합물의 상승하는 증기 상과 하강하는 액체 상과 접촉하는 것이다. 예를 들어, 제 1 압축 공기 스트림(14)을 고압 컬럼(20) 내로 도입하는 것은 상승하는 증기 상의 형성을 개시하고, 상기 상승하는 증기 상은, 물질 이송 접촉 요소(36 및 38)를 통해서 상승함에 따라, 하강하는 액체 상과의 접촉에 의해서 질소가 보다 더 풍부해지기 시작하고, 상기 하강하는 액체 상은 산소가 보다 더 풍부해지며, 그에 따라 미정제 액체 산소 컬럼 하단부(60)를 생산한다. 미정제 액체 산소 컬럼 하단부(60)로 이루어진 미정제 액체 산소 스트림(62)이 저압 컬럼(32) 내에서 추가적으로 정련되어, 저압 컬럼(32) 내에서 산소-풍부 액체 컬럼 하단부(64)를 생산한다.
고압 컬럼(20) 내의 결과적인 증류가 질소-풍부 증기 컬럼 오버헤드를 생산한다. 질소-풍부 증기 컬럼 오버헤드로 구성된 질소-풍부 증기 스트림(66)이 질소-풍부 액체 스트림(68)을 생산하기 위한 응축기 리보일러(34) 내에서 응축되며, 상기 질소-풍부 액체 스트림(68)은 고압 컬럼(20) 및 저압 컬럼(32)으로 리플럭스시키기 위한 리플럭스 스트림(70 및 72)으로 분할되고 그에 따라 그러한 컬럼 내에서 하강 액체 상의 형성을 개시시킨다. 이러한 응축은, 저압 컬럼(32) 내에서 상승하는 증기 상을 개시하기 위해서 부분적으로 증기화되는 산소-풍부 액체 컬럼 하단부(64)와의 간접적인 열 교환을 통해서 달성된다. 생성물 질소 스트림(74), 폐 질소 스트림(76), 및 생성물 산소 스트림(78) 모두가 저압 컬럼(32)으로부터 제거되고, 제 1 압축 공기 스트림(14)과의 간접적인 열 교환을 통해서, 메인 열 교환기(18) 내에서 가온된다(warmed). 리플럭스 스트림(72)의 일부가 고압 생성물 질소 스트림(80)으로서 선택적으로 배출될 수 있다. 미정제 아르곤 피드 스트림(82)이 또한 저압 컬럼(32)으로부터 제거되고 추가적인 정련 및 아르곤 생성물 스트림(112)의 후속 생산을 위해서 아르곤 컬럼(84) 내로 도입된다.
아르곤 컬럼(84)은 또한 미정제 아르곤 피드 스트림(82)의 정류를 실시하고 그에 의해서 아르곤 생성물 스트림(112)을 생산하기 위한 전술한 타입의 물질 이송 접촉 요소(86, 88, 90, 92 및 94)를 구비한다. 아르곤-풍부 증기 컬럼 오버헤드가 아르곤 컬럼(84) 내에서 생산되고, 그러한 오버헤드로 구성된 아르곤-풍부 증기 스트림(96)이 제거되고 바람직하게 아르곤 벤트(vent) 스트림(98) 및 보조적인 아르곤-풍부 증기 스트림(100)으로 분할된다. 아르곤 벤트 스트림(98)은 아르곤 응축기(102) 내의 질소 축적을 방지하기 위해서 벤팅된다. 보조적인 아르곤-풍부 증기 스트림(100)이 아르곤 응축기(102) 내에서 응축된다. 아르곤 응축기(102)는, 아르곤 컬럼(84)에 대한 아르곤-풍부 액체 리플럭스 스트림(110) 및 아르곤 생성물 스트림(112)으로 분할되는 아르곤-풍부 액체 스트림(108)을 생성하기 위해서 쉘(shell(106) 내에 수용되는 코어(104)를 구비한다. 산소 함유 액체 컬럼 하단부(114)가 아르곤 컬럼(84) 내에서 생성되고 그러한 컬럼 하단부로 이루어진 산소 함유 스트림(116)이 저압 컬럼(32)으로 다시 복귀된다. 미정제 액체 산소 스트림(62)이 아르곤 응축기(102)의 쉘(106) 내로 직접적으로 도입되며, 그에 따라 아르곤 응축기(102) 내에서 열 교환 듀티(duty)를 제공하여 보조적인 아르곤-풍부 증기 스트림(100)을 응축시킨다. 응축물이 제 2의 보조적인 미정제 액체 산소 스트림(120)을 부분적으로 증기화시켜 쉘(106) 내의 섬프 액체(122) 및 증기 상을 생성한다. 증기 상으로 구성된 증기 상 스트림(124)이 쉘(106)로부터 제거되고, 섬프 액체(122)로 이루어진 액체 상 스트림(126)이 또한 쉘(106)로부터 제거되고, 상기의 양 스트림이 저압 컬럼(32) 내로 도입된다. 그러한 방식에서, 아르곤 응축기(102) 내에서의 열 교환 듀티를 실시하면서, 추가적인 정련을 위해서, 미정제 액체 산소 스트림이 저압 컬럼(32) 내로 도입된다.
아르곤 생성물 스트림(112)에서 아르곤 수율을 최대화하도록, 도 2에 도시된 제어 시스템(2)에 의해서, 공기 분리 플랜트(1)가 제어된다. 제어 시스템(2)은, 바람직하게 모델 예측형 제어기인 제어기(202)에 연결된 컴퓨터 프로그램(200)을 이용한다. 컴퓨터 프로그램(200)은, 일반적으로 화살촉(203)으로서 도시된, 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤 농도 및 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소 농도인 제어되는 변수("CV")를 생성한다. 컴퓨터 프로그램(200) 내로의 입력은, 여러 가지 유동의 플랜트 측정치, 고압 컬럼(20), 저압 컬럼(32) 및 아르곤 컬럼(84)으로 도입되고 그로부터 드로잉되는 스트림의 일부의 온도 및 압력, 일부 그러한 스트림의 산소 농도이다. 이러한 입력은 일반적으로 화살촉(204)으로 도시되어 있다. 부가적으로, 플랜트 디자인 정보가 또한 화살촉(205)으로 일반적으로 표시된 바와 같은 입력이다. 이와 관련하여, 컴퓨터 프로그램(200)이 그러한 플랜트 디자인 정보로 미리-프로그래밍될 수 있을 것이다. 입력(204 및 205)에 대해서는 이하에서 보다 구체적으로 설명할 것이다. 제어기(202)는, 일반적으로 화살촉(206)으로서 도시되고, 공기 분리 플랜트(1)의 현재 동작을 위해서 최적화될 아르곤 생성물 스트림(112) 내에서의 아르곤 회수를 보장하는 목표 범위 내에 제어되는 변수(203)가 위치되도록 셋팅되게 될, 제어되는 변수(203)를 이용한다. 목표 범위는 제어기 내에서 미리-프로그래밍된다. 조작되는 변수(206)는, 최소한, 공기 피드 스트림(10), 생성물 산소 스트림(78) 및 미정제 아르곤 피드 스트림(82)의 유량의 세트이다. 이러한 조작되는 변수는 피드 공기 스트림(10)을 위한 유입구 안내 베인(vane)(207), 생성물 산소 스트림(78)을 위한 제어 밸브(208), 및 미정제 아르곤 피드 스트림(82)을 위한 제어 밸브(209)에 의해서 제어된다. 부가적으로, 다른 조작되는 변수가 제어될 수 있고, 즉 리플럭스 스트림(78)의 유량이 밸브(210)에 의해서 제어되고 생성물 아르곤 스트림(112)의 유량이 밸브(212)에 의해서 제어된다. 바람직하게, 밸브(207-212)가 제어기(202)에 의해서 직접적으로 제어될 수 있는 한편, 그 밸브는 "PID" 제어기로 알려져 있는 공지된 비례, 적분, 미분 제어기(214, 216, 218, 220 및 222)에 의해서 제어된다. 제어기(202)는 이러한 각각의 밸브를 통한 유동에 대한 목표를 셋팅하고, 제어기(214-222)는 이러한 밸브의 개방을 조정하기 위한, 그에 따라 각각 유량계(228, 248, 250, 238 및 258)에 의해서 감지되는 바와 같은 관련된 유동을 조정하기 위한 신호를 제공한다.
전술한 바와 같이, 제어기(202)는 모델 예측형 제어기이다. 그러한 제어기의 이용은 당업계에 잘 알려져 있고 조작되는 변수의 단계적 변화를 실시하는 것 플랜트 측정의 응답을 관찰하는 것에 의해서 유도되는 단계적(step) 응답 모델을 포함한다. 모델 예측형 제어기는 이러한 단계적 응답 모델을 이용하여, 안정적인 동작을 위한 특정 범위 내에서 제어되는 변수를 유지하게 될 조작되는 변수에 대한 값을 연산한다. 예로서, 그러한 제어기는 미국 매사추세츠 벌링톤에 소재하는 Aspen Technology, Inc.로부터 획득할 수 있는 DMCPLUS 제어기일 수 있을 것이다. 이해할 수 있는 바와 같이, PID 제어가 또한 가능하나, 복잡한 제어 어레이를 초래할 수 있을 것이다. 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 목표화된 질소 농도 범위와 관련하여, 그러한 범위는, 질소가 증가됨에 따라 그러한 스트림 내의 아르곤 농도가 또한 증가될 것임을 기초로 하여 선택된다. 그러나, 만약 질소 농도가 너무 증가된다면, 질소가 아르곤 컬럼(84)의 상단부에 축적될 것이고 아르곤 응축기(102)에 걸친 온도차를 감소시킬 것이다. 이는 아르곤 컬럼(84)으로의 리플럭스를 감소시키는 효과를 나타내는데, 이는, 질소의 증가된 존재로 인해서, 응축하고자 하는 아르곤 풍부 증기 스트림(96)이 고압 컬럼 하단부로부터 공급되는 액체 상 미정제 산소 스트림(62) 보다 더 저온이 될 것이기 때문이다. 미정제 아르곤 피드 스트림(82)에 대해서 이용가능한 아르곤이 최대화되도록, 폐 질소 스트림 내의 아르곤 농도의 목표 범위가 목표 설정된다. 제어되는 변수에 대한 목표 범위는 특별한 플랜트 디자인에 의존할 것이고 임의의 주어진 플랜트 디자인에서 시간 경과에 따라서 변화될 수 있을 것이다. 그러나, 모든 경우에, 그러한 범위의 정확한 값이 실험적으로 결정될 수 있을 것이다.
조작되는 변수와 관련하여, 피드 공기 스트림(10)의 유량 감소가 또한 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤의 양을 감소시킬 것이다. 그러나, 이는 또한 저압 컬럼(32) 내의 질소 트래픽(traffic)의 양을 감소시킬 것이고, 그에 따라 저압 컬럼 내의 액체 대 증기 비율을 증가시키는 효과를 제공하여 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소 농도 증가를 유도할 것이다. 미정제 아르곤 피드 스트림(82)의 유량 감소는 그러한 스트림 내의 질소 농도를 증가시킬 것이고 미정제 아르곤 피드 스트림(82)의 유량 증가는 그러한 스트림 내의 질소 농도를 감소시킬 것이다. 생성물 산소 스트림의 유량 증가는 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소 농도를 증가시킬 것이고 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤 농도를 감소시킬 것이다. 만약 아르곤 생성물 스트림(112)의 유량이 감소된다면, 아르곤 생성물 스트림(112) 내의 산소 농도가 또한 감소될 것이다. 만약 리플럭스 스트림(70)의 유량이 증가된다면, 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤 농도가 감소될 것이고, 그에 의해서 아르곤 회수 또는 수율을 증가시킬 것이다.
또한 추가적으로 가능한 조작되는 변수는, 당업계에 주지된 바와 같은, 노즐 위치 또는 터보팽창기(28)의 속도의 제어에 의한 터보팽창기(28)를 통한 유동을 제어하는 것이다. 그러한 유동의 증가는 또한 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소를 증가시킬 것이고 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤 농도를 감소시킬 것이다. 다른 가능한 제어 핸들링은 응축된 질소 스트림(68)으로부터의 액체 질소 드로우 또는 컬럼에 대한 액체 질소 부가이다. 액체 질소의 부가는 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤 농도를 감소시킬 것이고 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소 농도를 증가시킬 것이다. 액체 질소 생성물 생산의 증가는 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤 농도를 증가시킬 것이고 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 아르곤 농도를 감소시킬 것이다.
컴퓨터 프로그램(200)은 고압 컬럼(20), 저압 컬럼(32), 및 아르곤 컬럼(84) 뿐만 아니라 응축기 리보일러(34) 및 아르곤 응축기(102)의 모델을 포함한다. 이러한 모델은 각각의 컬럼에서 실시하고자 하는 각각의 분리 스테이지의 스테이지 모델을 포함한다. 스테이지 모델 및 그에 따른 컬럼의 각각의 전체적인 모델이 설명되는 방식에 따라서 분리 조정 인자에 의해서 편향될 수 있다. 응축기 리보일러(34) 및 아르곤 응축기(102) 그들의 섬프가 단일 스테이지 모델로서 분리적으로 모델링되거나, 또는, 다시 말해서, 증기 액체 평형 스테이지를 분리한다.
컬럼의 모델에서, 각각의 분리 스테이지가 도 3에 도시된 스테이지 모델에 의해서 모델링된다. 각각의 스테이지 모델에 대해서, 동적 재료 균형이 계산되고, 증기 액체 평형 상호관련(correlation)이 실시되고, 정상 상태(steady state) 에너지 균형이 계산된다. 각각의 스테이지 모델은 스테이지로 진입하거나 스테이지를 떠나는 모든 외부 또는 내부 액체 및 증기 스트림 또는 유동의 스트림 조성 또한 그러한 스트림의 유량, 온도 및 압력을 계산한다. 예를 들어, 스테이지들 사이의 내부 유동이 "증기 유입(Vapor in)", "증기 유출", "액체 유입" 및 "액체 유출"이 된다. 외부 유동이 존재하는 경우에, 외부 유동은 "액체 피드(Feed liq)", "가스 피드" 및 "액체 드로우(Draw liq)" 및 "가스 드로우"가 되고, 이들 모두는 특별한 컬럼에 대한 피드 및 드로우로 인해서 발생된다. 이와 관련하여, 특별한 스테이지 모델의 "액체 유출"의 내부 유동이 다른 컬럼에 대한 외부 유동이 될 수 있고 그에 따라, 특별한 스테이지 모델에 대한 외부 유동이 될 수 있다. 컬럼(20, 32 및 84)의 각각이 계산, 예를 들어, McCabe-Thiele 도표로부터 결정되는 몇 개의 분리 스테이지를 가진다. 물질 이송 접촉 요소의 각각, 예를 들어 고압 컬럼(20)의 패킹 섹션(36 및 38)에 수용된 물질 이송 접촉 요소가, 사용된 특별한 물질 이송 접촉 요소와 관련된 디자인 정보로부터 추가적으로 결정된 그러한 분리 스테이지 중 몇몇을 가지고, 그러한 데이터는 컴퓨터 프로그램(200)에 대한 입력으로서의 역할을 하는 플랜트 디자인 정보(205)의 일부를 구성한다.
동적 재료 균형, 증기 액체 평형 상호관계, 및 정상 상태 에너지 균형의 계산은, 모두 당업자에게 공지된 계산이고, 증류 컬럼의 디자인에서 이용될 수 있을 것이다. 동적 재료 균형으로 시작하면, 액체 상(ith) 성분에 대한 재료 균형은, 예를 들면 "i"는, 아르곤의 경우 1로, 산소의 경우 2로, 그리고 질소의 경우 3으로 셋팅될 수 있다. 각각의 스테이지에 대한 동적 재료 균형은 이하의 식과 같이 작성될 수 있으며:
Figure pct00001
여기에서 Mi 는 스테이지 상의 ith 성분의 몰 홀드업(molar holdup)이고, x는 액체 상 몰 분율이고 y는 증기 상 몰 분율이다. 도 3을 특히 참조하면, 스테이지의 일부가 외부 피드 또는 드로우를 가지지 않고 결과적으로, 상기 식 내의 일부 항이 특별한 스테이지에 대해서 0이 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 스테이지를 떠나는 또는 스테이지에서의 액체 홀드-업으로서의 액체 상 몰 분율이 이하의 식으로부터 계산된다:
Figure pct00002
여기에서, n은 혼합물 내의 성분의 수이다. 예를 들어, 공기 분리의 경우에 n = 3 인데, 이는 그러한 계산이 질소, 산소 및 아르곤을 포함하는 조성에 대해서와 같이 이상적으로 이루어지기 때문이다. 아래 첨자 "j"는 특별한 성분의 몰의 수를 나타내고, 그에 따라, 특별한 몰 분율이 모두 3개의 분율의 전체 몰의 수로 나눈 특별한 분율의 몰의 수이다. 액체 상 동적 재료 균형은 수치적 적분 체계(예를 들어, Euler 방법)를 이용하여 적분되며, 그에 따라 액체 상 조성 및 모든 스테이지의 총 홀드업을 연산한다. 적분 시간 간격은 1 초가 되도록 선택될 수 있고, 또는 수치적 적분의 안정성을 보존하는 다른 선택된 시간 간격으로 선택될 수 있다. 스테이지를 떠나고 스테이지 아래로 유입되는 액체 유동(도 3에서 각각 "액체 유출" 및 "액체 유입")(L)이 총 몰 홀드업의 선형 함수인 것으로 가정되고 이하의 식으로부터 결정될 수 있다.
Figure pct00003
비례 상수(α)는 정상-상태 물질 균형을 통해서 컬럼 섹션으로부터 정상-상태 액체 체 유동을 측정하는 것에 의해서 또는 전체 3개의 컬럼 시스템의 재료 균형으로부터 유도된 정상-상태 액체 유동을 이용하여, 그것을 이론적인 스테이지(HETP)와 균등한 디자인된 높이를 이용하여 예상되는 홀드업으로 나눔으로써 획득된다. 만약 Lss 가 컬럼 섹션에서 내려가는 정상-상태 액체 유동이라면, α는 이하의 식으로부터 얻어질 수 있고:
Figure pct00004
여기에서 Acolumn 은 컬럼 섹션의 횡단면적이고,
Figure pct00005
는 몰 액체 밀도이고, HETPk 는 컬럼 섹션 내의 kth 스테이지에 대한 이론적인 스테이지의 높이 등가이다. 이러한 3개의 양은, 참조 번호 '205'에 의해서 표시된 모델에 대한 입력의 다른 부분으로서 또한 역할하는 플랜트 디자인 정보이다. 상기 식에서의 합계는 '36' 및 '38'과 같은 컬럼 패킹 또는 트레이 섹션 내의 모든 스테이지에 걸쳐서 실시된다. 예를 들어, 정상-상태 액체 유동이 아르곤 컬럼(84)에 대해서 이하와 같이 계산될 수 있다. 컬럼으로 진입하는 증기의 유동이, 이하에서 설명되는 바와 같이, 유동 변환기(250)에 의해서 측정되고, 또한 아르곤 생성물 스트림(112)의 유동이 이하에서 설명되는 유량계(258)에 의해서 측정된다. 아르곤 응축기(102)가 액체를 상단부로부터 아르곤 컬럼(84) 내로 리플럭스하고 이러한 액체 전부가 아르곤 컬럼(84)의 하단부 외부로 유동하기 때문에, Lss 는 아르곤 컬럼(84) 내로의 증기 아르곤 유동과 아르곤 컬럼(84)으로부터 외부로의 아르곤 생성물 유동 사이의 차이와 같게 셋팅된다. α의 값은 단지 한차례 계산되고 프로그램 실행의 나머지에 대해서 고정된다.
액체 상 조성이 재료 균형으로부터 추정되면, 증기 상 평형 조성이 Raoult의 법칙을 이용한 스테이지 압력, 액체 조성 및 증기-액체-평형("VLE") 계산을 이용하여 용이하게 연산될 수 있다. 각각의 스테이지에서의 압력이 컬럼 내의 상단부 압력과 하단부 압력 사이의 선형 내삽(interpolation)을 통해서 연산되고 스테이지의 수가 디자인 정보로부터 획득된다. 만약 압력이 컬럼의 극단에서만(예를 들어, 상단부 또는 하단부에서만) 측정된다면, 다른 극단에서의 압력이 다음과 같이 연산될 수 있다:
Figure pct00006
여기에서
Figure pct00007
은 컬럼에 걸친 디자인 압력 강하이고 또한, 화살촉(205)에 의해서 표시된 바와 같이, 프로그램에 대한 입력인 플랜트 디자인 정보를 구성한다.
Raoult의 법칙 VLE 계산은 이하의 식
Figure pct00008
를 이용하여 액체 상 조성(xi)으로부터 증기 상 조성(yi)을 연산하고, 여기에서
Figure pct00009
는 이하의 관계식과 같은 공지된 방법에 의한 성분 i의 포화된 증기압이고, 상기 관계식은:
Figure pct00010
이고,
여기에서 P는 스테이지 압력이고, Ai, Bi 및 Ci 는 상호관계 상수이고 T는 평형 절대 온도이다. 포화된 증기 압력이 평형 온도의 함수이다. 평형 온도가 상기 값에 대해서 풀이하는 것에 의해서 계산되고, 그러한 계산은 이하를 초래할 것이다:
Figure pct00011
다시 말해서, 평형 온도는, 증기 성분의 몰 분율의 합이 1과 같아지는 온도이다. VLE 계산으로부터의 출력은 해당 스테이지에 대한 평형 온도 및 모든 성분의 증기 상 조성이다.
평형 증기 조성이 VLE 계산으로부터 일단 추정되면, 분리 조정 인자("SAF")가 상이한 컬럼 섹션에 대해서 적용되어 모든 스테이지에서 평형 조성을 조정할 수 있고, 그에 따라 산소 조성이 측정되는 특정 스테이지에서 조정된 스테이지 조성과 측정된 조성 사이의 차이가 최소화되어 모델을 편향시킨다. 각각 산소 농도 센서(270, 272, 274, 276, 278 및 280)에 의해서, 미정제 아르곤 스트림(82), 폐 질소 스트림(76), 질소 리플럭스 스트림(72) 및 아르곤 생성물 스트림(112), 산소 생성물 스트림(78) 및 질소 생성물 스트림(74) 및 아르곤 생성물 스트림(112) 내의 산소 함량을 1분마다 실제로 측정한다. 증기 상 조성의 이러한 조정은 이하의 식으로 표현되며:
Figure pct00012
여기에서, y*는 VLE 관계식을 이용하여 연산된 평형 조성이고 EO2 는 특별한 컬럼으로 피드가 진입하고 특별한 컬럼을 드로우가 떠나는 지점들 사이에 규정된 컬럼 섹션에 대한 특정된 또는 연산된 SAF이다: "yO2"는 SAF에 의해서 조정된 산소에 대한 조정된 증기 상 조성이다. 식으로부터 자명한 바와 같이, "yN2"가 질소 성분에 대한 연산된 평형 조성과 같기 때문에, 몰 성분 분율의 합이 1.0과 같아지도록 아르곤 농도가 선택된다. 어떠한 경우에도, 스테이지 모델의 각각이 편향되는 방식으로 모델 내로 조립될 때, 컬럼에 대해서 조립된 모델이 그에 의해서 편향된다.
저압 컬럼(32)에 대한 그러한 계산의 예에서, 물질 이송 접촉 요소(40, 42; 46, 48, 50; 52; 54, 56; 및 58)를 각각 포함하는 5개의 컬럼 섹션이 존재한다. 조성(yref2)은 기준 조성이다. 예를 들어, 저압 컬럼(32)의 하단부 섹션에 대한 SAF(요소 40, 42)가 다음과 같이 계산될 수 있고:
Figure pct00013
여기에서 이러한 경우에 yref2 = yGO2(산소 농도 센서(276)에 의해서 측정된 바와 같은 생성물 산소 스트림(78)의 산소 조성), yO2 , CAD 는 산소 센서(270)에 의해서 측정된 바와 같은 미정제 아르곤 스트림 산소 조성이고, 그리고 y*O2 , CAD 는 위에서 연산된 바와 같은 미정제 아르곤 드로우 스테이지에서의 평형 산소 조성이다. 또한, 분리 인자가 다른 섹션에 대해서, 예를 들어 섹션(46, 48, 50; 52; 및 54, 56)에 대해서 연산된다. 그러나, 이러한 섹션에 대해서, 이용된 측정된 산소 농도는 산소 센서(270)(미정제 아르곤 피드 스트림(82)) 및 산소 센서(272)(폐 질소 스트림(76))의 농도이고, 섹션(58)에 대해서, 산소 센서(278)(질소 생성물 스트림(74))의 농도이다. 고압 컬럼(20)의 경우에, 이용되는 산소 농도는 산소 센서(274)에 의한 실제 측정으로 공기 및 다른 것에 대해서 가정되는 것이다. 아르곤 컬럼의 경우에, 산소 측정은 산소 센서(270 및 280)에 의해서 취해진다. 모델의 정확한 결과를 보장하도록 돕는다는 점에서, 이러한 모델의 편향이 바람직하다. 그러나, 그러한 편향이 실시되지 않거나 또는 대안적으로, SAF가 컬럼 내에서 단일 스테이지 모델에 대해서 연산되고 동일한 SAF가 컬럼 전체를 통해서 공통적으로 적용되는, 본원 발명의 실시예가 가능하다. 또 다른 대안은, SAF을 임의로 셋팅하고, 연산된 산소 농도와 측정된 산소 농도의 사이의 차이가 특정 공차 내에 있을 때까지 셋팅된 SAF이 증가되고 감소되는 프로그램 실행 반복을 가지는 것이다. 이어서, 결과적인 SAF가 연산에서 이용될 수 있을 것이다.
액체 및 증기 상 조성의 연산 후에, 정상 상태 에너지 균형이 연산되고, 여기에서 각각의 스테이지로 진입하고 각각의 스테이지를 떠나는 스트림의 각각의 엔탈피가 경험적인 상호관계를 이용하여 연산될 수 있다. 엔탈피는 이하의 식에서 표현된 정상-상태 열 균형을 이용하여 스테이지를 떠나는 증기 유동을 연산하기 위해서 이용된다:
Figure pct00014
기술된 접근 방식의 설명으로서, 폐 질소 스트림(76)이 저압 컬럼(32)으로부터 드로잉되는 스테이지를 고려한다. 이러한 스테이지의 경우에,
Figure pct00015
위에서 기술된 동적 재료 균형 식에서 이용된 Lin 및 Vin 유동은 스테이지로부터 유입되는 액체 및 증기 유동이고, 그 위에서 폐 질소 스트림(76)이 드로잉되고 그 아래에 그러한 드로우 지점이 각각 위치된다. 폐 질소 스트림(76)의 조성은, 폐 질소 스트림(76)이 드로잉되는 스테이지의 VLE 계산으로부터 결정된 스테이지 증기 조성과 동일하다. 이어서, 폐 질소 스트림(76)의 산소 농도 측정을 이용하여 분리 조정 인자를 연산한다. 이어서, 해당 스테이지의 연산된 산소 농도와 계산된 산소 농도 사이의 차이를 최소화하도록, 분리 조정 인자가 변화된다. 동일한 계산이 컬럼 시스템의 다른 컬럼 섹션에 대해서 이루어진다.
응축기 리보일러(34)는, 고압 컬럼(20)의 상단부와 저압 컬럼(32)의 섬프 사이에서 열을 교환하는 열 교환기이다. Vboilup 을 연산하기 위해서 미리-결정된 상관관계를 이용하는 것은 시뮬레이션을 불안정하게 하는 경향을 가질 수 있는데, 이는 작은 오류 조차도 저압 컬럼의 하단부에서의 연산된 산소 분율의 불안정성을 초래하기 때문이다. 따라서, 이러한 스테이지에서 연산된 산소 분율을 안정화시키고 매칭시키기 위한 증기 보일업(boilup) 유동이 이용된다. 유동의 실제 계산은 증기 보일업을 추정하기 위한 비례 적분 제어 모델을 이용하며, 여기에서 제어 모델의 설정점이 이러한 스테이지의 측정된 산소 조성이 되고, 제어 모델의 출력이 증기 보일업 유동이 되며, 공정 출력이 스테이지의 연산된 산소 조성이 된다. 비례 적분 제어 모델은, 측정된 산소 조성과 매칭시키기 위해서, 증기 보일업 레이트를 조작/추정하기 위한 시도를 한다. 이러한 접근 방식은 연산 체계를 안정화시키고 정확한 결과를 생성한다. 그러한 제어 체계는, 당업계에 주지된 방식으로 그러한 방법의 비례 및 적분 항에 대해서 적용될 수 있는 튜닝 매개변수의 사양(specification)을 필요로 한다.
고압 컬럼(20)의 경우에, 섬프 레벨의 변화는, 섬프 레벨의 변화에 고압 컬럼의 횡단면 면적 및 참조용 물리적 특성 표에 의해서 또는 기지의(known) 연산 또는 상호관계를 통해서 획득된 액체 밀도를 곱하는 것에 의해서, 홀드업의 변화로 변환된다. 섬프를 떠나는 액체 유동, 다시 말해서, 미정제 액체 산소 스트림(62)이 이하의 식에서 기술된 동적 재료 균형에 의해서 연산되고:
Figure pct00016
여기에서 Lin 은 고압 컬럼 섬프 위의 스테이지로부터의 유동이다. 단순함을 위해서, 이러한 식에서의 증기 유동(V)이 영인 것으로 가정될 수 있다. 미정제 액체 산소 스트림(62)의 유동을 획득하기 위해서, 그러한 계산 대신에 유량계를 이용할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이어서, 모든 다른 스테이지에 대한 동적 재료 균형 식
Figure pct00017
을 이용하여 액체 상의 몰 조성을 연산하고, VLE 계산을 이용하여 평형 증기 상 조성을 연산한다.
이어서, 각각의 스테이지로 진입하고 그로부터 떠나는 연산된, 그리고 적용가능한 경우에, 실제 액체 및 증기의 조성을 이용하여, 스테이지의 모델이 조립되어, 고압 컬럼(20), 저압 컬럼(32) 및 아르곤 컬럼(84)의 각각의 모델을 생성할 수 있다. 각각의 컬럼 내의 스테이지 모델이 함께 링크되거나 연결되는데, 이는 스테이지 모델 내로 진입하는 액체("액체 유입")가 위에 배치되는(overlying) 스테이지 모델("액체 유출")로부터 연산된 해당 액체 유동이 되고 스테이지 모델 내로 도입된 증기 유동("증기 유입")이 아래에 배치되는(underlying) 스테이지 모델("증기 유출")에 의해서 계산된 증기 유동이 되기 때문이다. 또한, 스테이지 모델을 포함하는 모델이 추가적으로 링크되는데, 그 이유는 특별한 컬럼 내의 스테이지 모델로부터의 액체 및 증기 유동("드로우 액체" 및 "드로우 가스")이 다른 컬럼의 스테이지 모델로 피딩되는 유동("피드 액체" 및 "피드 가스"일 수 있기 때문이다.
상기 설명으로부터 자명한 바와 같이, 본원 발명과 관련하여 채용된 모델링은 평형 온도와 함께 각각의 분리 스테이지에서의 증기 및 액체 조성을 연산할 것이다. 제어되는 변수가 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소 농도 및 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤 농도라는 것을 본원 발명이 고려하고 있지만, 계산의 입자성(granularity)이 주어진다면, 제어되는 변수가 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소 농도로만 구성되는 본원 발명의 실시예가 가능하다. 부가적으로, 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 실제 질소 농도를 참조할 수 있는 또는 직접적인 관련(bearing)을 가지는 스테이지 모델에 의해서 연산되는 다른 양이 존재한다. 결과적으로, 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소 농도의 계산 대신에, 마찬가지로, 저압 컬럼 내의 아르곤 기포 형상을 계산하는 것과 같은 엄격한(rigorous) 스테이지 모델을 통해서 연산된 양의 조합으로서 연산될 수 있는 제어되는 변수를 계산할 수 있다. 이러한 제어되는 변수의 예는 다음과 같고:
Figure pct00018
여기에서 합산이 저압 컬럼 내의 모든 스테이지에 걸쳐서 실시되고, k는 스테이지 번호이고, CADstage 는 미정제-아르곤 드로우 스트림의 스테이지 번호이고, 그리고 yAr ,k 는 저압 컬럼 내의 kth 스테이지의 증기 상 몰 분율이다.
본원 발명의 가능한 실시예에서 고압 컬럼(20), 저압 컬럼(32) 및 아르곤 컬럼(84) 로의 피드 및 컬럼으로부터의 드로우의 유동, 온도 및 압력을 직접적으로 측정하는 것이 가능하지만, 이는 고가의 센서 어레이를 초래할 수 있을 것이다. 따라서, 설명된 실시예에서, 이러한 양의 일부가 직접적으로 측정되고 다른 양은 전술한 스테이지 모델로부터 유도되고 또 다른 양은 추정된다.
고압 컬럼(20)를 먼저 참조하면, 고압 컬럼으로 진입하기 전에 제 1 압축 공기 스트림(14)의 유량, 압력 및 온도가 유량계(230), 압력 변환기(232) 및 온도 변환기(234)에 의해서 직접적으로 측정된다. 조립된 스테이지 모델의 이용과 함께 고압 컬럼(20)의 상단부 스테이지의 온도를 계산하는 것에 의해서, 질소 리플럭스 스트림(70)의 온도가 추정된다. 고압 컬럼(20)의 상단부의 압력이 압력 변환기(236)에 의해서 측정된다. 고압 컬럼(20)의 상단부 스테이지에서의 증기의 조성이 또한 조립된 스테이지 모델의 출력이 된다. 이러한 정보는, 증기 응축 온도 그러므로 질소 리플럭스 스트림(70)의 온도를 추정하기 위한 이슬점 온도 계산에서 이용된다. 질소 리플럭스 스트림(70)이 압력은 압력 변환기(236)에 의해서 측정된 압력 보다 1psi 높은 것으로 가정된다. 질소 리플럭스 스트림(70)의 유량은, 유량계(238)에 의해서 측정된 질소 리플럭스 스트림(72)의 유량 보다 적은 질소-풍부 증기 스트림(66)과 같은 것으로 유동이 가정되는 재료 균형을 통해서 계산된다. 질소-풍부 증기 스트림(66)의 유량은, 고압 컬럼(20)의 상단부 스테이지를 떠나는 증기 유동으로서, 조립된 스테이지 모델에 의해서 연산된다. 질소-풍부 증기 스트림(66)의 온도는, 고압 컬럼(20)의 분리 스테이지의 온도로서, 조립된 스테이지 모델로부터 연산된다. 질소-풍부 증기 스트림(66)의 압력은 압력 변환기(236)에 의해서 측정된 압력이 된다. 미정제 액체 산소 스트림의 유량, 온도 및 압력은, 고압 컬럼의 하단부 스테이지에 대한 동적 재료 균형에 의해서 계산된다.
저압 컬럼(32)을 참조하면, 터보팽창기(28)의 배기 스트림(30)의 유량이 유량계(240)에 의해서 측정된다. 배기 스트림(30)이 저압 컬럼(32)으로 진입하는 스테이지에서의 압력은, 압력 변환기(240)에 의해서 저압 컬럼(32)의 상단부에서의 압력을 측정하는 것에 의해서 계산되고, 해당 압력을 계산하기 위해서 저압 컬럼 내의 물질 이송 접촉 요소(40-58)의 디자인 압력 강하를 이용하는 것에 의해서 배기 스트림(30)이 진입하는 스테이지에서의 압력을 결정한다. 이어서, 배기 스트림(30)이 저압 컬럼으로 진입하는 곳의 해당 스테이지 압력 보다 2 psi 높은 것으로 배기 스트림의 압력이 가정된다. 이러한 가정된 압력, 기지의 공기 조성 및 이슬 온도 계산을 이용하여, 배기 스트림(30)의 온도를 계산할 수 있다.
해당 스트림이 상응하는 스테이지 압력 보다 2 psi 높은 압력으로 진입하고 해당 압력에서 포화된 액체가 되는 것으로 가정함으로써, 액체 질소 리플럭스 스트림(72)의 온도가 계산된다. 이어서, 기포 온도 계산을 이용하여 온도를 연산한다. 액체 질소 리플럭스 스트림(72)의 압력이 위에서 주어진 가정된 유입 압력이 되고, 유량이 유량계(238)에 의해서 측정된다. 생성물 질소 스트림(74)의 온도가 저압 컬럼(32)의 상단 스테이지의 온도로서 조립된 스테이지 모델을 이용하여 연산된다. 생성물 질소 스트림(74)의 유량은 저압 컬럼(32)의 상단 스테이지를 떠나는 증기 유동으로서 조립된 스테이지 모델을 이용하여 연산된다. 이러한 유량은 또한 유량계(244)에 의해서 측정될 수 있을 것이다. 생성물 질소 스트림(242)의 압력이 압력 변환기(242)에 의해서 제공된 실제 측정으로부터 알려진다. 폐 질소 스트림(76)의 온도는, 폐 질소 스트림(76)이 드로잉되는 스테이지의 온도로서 조립된 스테이지 모델을 이용하여 연산된다. 폐 질소 스트림(76)의 압력은, 폐 질소 스트림(76)이 드로잉되는 스테이지의 압력으로서 전술한 바와 같은 선형 내삽을 이용하여 연산된다. 폐 질소 스트림(76)의 유량은 유량계(246)에 의해서 측정된다.
산소 생성물 스트림(78)의 유량은 유량계(248)를 이용하여 측정되고 그리고 그러한 스트림의 온도는 메인 응축기 스테이지의 온도로서 조립된 스테이지 모델에 의해서 연산된다. 산소 생성물 스트림(78)의 압력이 저압 컬럼(32)의 하단부에서 측정될 수 있거나 또는 저압 컬럼(32)의 측정된 상단부 압력에 대해서 디자인 압력 강하를 부가함으로써 연산될 수 있다.
미정제 아르곤 피드 스트림(82)의 온도는, 미정제 아르곤 스트림이 저압 컬럼(32)으로부터 드로잉되는 스테이지의 온도로서 조립된 스테이지 모델을 이용하여 연산된다. 그러한 스트림의 압력은 저압 컬럼에 대해서 측정된 상단부 압력을 이용하는 선형 내삽을 통해서 연산되거나 측정될 수 있다. 유량이 유량계(250)에 의해서 측정된다. 아르곤 컬럼(84)으로부터 드로잉된 산소 함유 액체 스트림(116)의 온도가 아르곤 컬럼(84)의 하단부 스테이지의 온도로서 엄격한 모델을 통해서 연산된다. 산소 함유 액체 스트림(116)의 압력은, 상기에서 연산된 바와 같이 이러한 스트림이 저압 컬럼(32)으로 진입하는 스테이지에서의 압력과 동일한 것으로 가정되고, 그러한 스트림의 유량은 아르곤 컬럼(84)의 하단부 스테이지를 떠나는 액체의 유량으로서 아르곤 컬럼(84)의 조립된 스테이지 모델을 통해서 연산된다.
아르곤 응축기(102)로부터 제거되는 증기 상 스트림(124)의 온도는 아르곤 응축기 스테이지의 온도로서 조립된 스테이지 모델의 이용으로 연산되고 유량은 아르곤 응축기 스테이지를 떠나는 증기 유동으로서 조립된 스테이지 모델을 이용하여 연산된다. 압력은 압력 변환기(252)에 의해서 측정된다. 액체 상 스트림(126)의 온도가 증기 상 스트림(124)의 온도와 같은 것으로 가정되고 그러한 스트림의 압력은 압력 변환기(252)에 의해서 측정된 압력의 합계와 같은 것으로 가정되며, 아르곤 응축기의 하단부와 저압 컬럼(32) 내로의 물리적 진입 지점 사이의 물리적 압력 헤드, 또는 다시 말해서, 저압 컬럼(32) 내로의 진입 지점에 대한 아르곤 응축기(102)의, 플랜트 디자인 데이터로부터의 고도(elevation) 정보가 그러한 연산을 위해서 이용된다. 액체 상 스트림(126)의 유량이 유량계(254)에 의해서 측정된다. 응축된 아르곤 스트림(108)의 압력은 압력 변환기(256)에 의해서 측정되고 그러한 압력은 아르곤 리플럭스 스트림(110)과 아르곤 생성물 스트림(112)의 압력이 될 것이다. 아르곤 리플럭스 스트림(110)의 유량은, 아르곤 컬럼의 상단부 스테이지로부터의 증기 유동과 측정된 아르곤 생성물 드로우 유동 사이의 차이에 의해서 연산된다. 아르곤 생성물 스트림(112)의 유량이 유량계(258)에 의해서 측정된다. 그러한 양 스트림의 온도는 아르곤 응축기(102) 내의 응축 증기의 온도로서 조립된 스테이지 모델을 이용하여 연산된다.
고압 컬럼(20) 내의 섬프 레벨은 레벨 검출기(260)에 의해서 측정된다. 고압 컬럼(20) 내의 측정된 섬프 레벨은, 전술한 방식으로 미정제 산소 액체 산소 스트림(62)의 유량을 연산하기 위해서 이용된다.
도 4를 부가적으로 참조하면, 컴퓨터 프로그램(200)을 위한 논리 흐름도가 도시되어 있다. 바람직하게, 컴퓨터 프로그램은 60초마다 실행된다. 도시된 바와 같이, 각각의 실행에서, 블록(302)에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 프로그램(200)이 전술한 바와 같이 그리고 일반적으로 화살촉(204)에 의해서 표시된 바와 같이 여러 변환기들로부터의 측정된 압력, 온도 및 유량뿐만 아니라 산소 농도를 판독한다. 이러한 측정된 양을 참조할 수 있는 데이터가, 예를 들어, 무선으로 또는 간결함을 위해서 도시하지 않은 데이터 전송 라인을 통해서 컴퓨터 프로그램(200)에 대한 입력으로서 원격 전송된다. 그러한 데이터 전송에서의 중간 단계가 추후의 검색을 위해서 디스크, 컴퓨터 메모리 상에 데이터를 기록할 수 있다. 이러한 데이터는, 전술한 바와 같이 모든 스테이지에 대해서 압력 값을 연산하는 계산부(304)로 전달된다. 다음 블록(306)은 센서 측정치를 이용하여, 전술한 방식에서의 스트림(30)의 압력 및 온도와 같이, 컬럼으로 진입하는 압력 및 온도를 연산한다.
블록(306) 이후에, 적분 타이머가 블록(308)에서 제로로 셋팅된다. 이러한 타이머는, 예를 들어, 1초일 수 있는 적분 시간 단계를 지속적으로 추적한다. 매 스테이지에서의 평형 증기 상 조성("y*") 및 온도가, 이전 시간 단계로부터의 액체 상 조성 및 앞서 설명된 증기 액체 평형 연산을 이용하여, 블록(310)에서 연산된다. 이어서, 분리 조정 인자가 이전 시간-단계로부터 각각의 컬럼 섹션에 대해서 연산되고 그리고 블록(312)에서 평형 증기 조성을 적용하여 모든 스테이지에 대해 조정된 증기 조성("y")을 연산한다. 이러한 지점에서, 제어되는 변수, 즉, 폐 질소 스트림(76) 내의 아르곤 농도 및 미정제 아르곤 피드 스트림(82) 내의 질소 농도가 계산된다.
이어서, 모든 스테이지로부터의 액체 유동이 이전 시간 단계에서 연산된 몰 액체 홀드업을 이용하여 블록(314)에서 연산된다. 모든 스테이지로 진입하고 그리고 모든 스테이지를 떠나는 모든 스트림에 대한 엔탈피가 물리적 특성 상호관계를 이용하여 블록(316)에서 연산되고, 컬럼 섹션에 대한 새로운 SAF가 블록(318)에서 전술한 방법을 이용하여 연산된다. 각각의 스테이지로부터의 증기 유동이 전술한 에너지 균형 식을 이용하여 블록(320)에서 연산된다. 블록(322)에서, 저압 컬럼 섬프로부터의 증기 보일업이 비례 적분 제어 방법을 이용하여 연산된다. 블록(324)에서, 이러한 모든 연산된 변수가 모든 스테이지에 대해서 한-차례의-단계(one time-step)에 의해서 동적 재료 균형 상미분식(ordinary differential equation)의 수학적 적분에서 이용된다. 블록(324)의 한 차례의 단계 적분의 결과가 모든 스테이지에 대한 새로운 액체 몰 홀드업의 조성 및 모든 스테이지에 대한 새로운 액체 상 조성이 된다. 이어서, 적분 타이머가 한 차례의 단계(예를 들어, 1초)만큼 블록(326)에서 증분된다. 블록(328)은, 적분 타이머가 1분 또는 60초에 도달하였는지의 여부를 체크한다. 만약 적분 타이머가 1 분 미만이라면, 적분 타이머가 적어도 1분과 같아질 때까지 블록(310) 내지 블록(328)이 반복된다.
적분 타이머가 적어도 1분과 같아지면, 블록(312)으로부터 연산된 제어 변수가, 제어기(202)가 접속할 수 있는 메모리 블록 도는 데이터베이스 블록을 통해서, 화살촉(203)에 의해서 표시된 입력에서와 같이 제어기(202) 내로 피딩된다. 이어서, 컴퓨터 프로그램은, 블록(302)으로 연산을 시작하기 위한 다음 분(minute)이 시작될 때까지 대기하고 시퀀스가 다시 반복된다.
바람직한 실시예를 참조하여 본원 발명을 설명하였지만, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 첨부된 청구항에 기술된 바와 같은 본원 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도, 많은 변화, 부가 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims (10)

  1. 아르곤 생성물의 생산을 최적화하기 위한 공기 분리 플랜트를 제어하는 방법으로서:
    고압 컬럼, 저압 컬럼, 아르곤 컬럼, 고압 컬럼 및 저압 컬럼과 동작적으로 연관된(operatively associated) 응축기 리보일러, 및 아르곤 컬럼에 연결된 아르곤 리플럭스 응축기의 각각의 모델로 프로그래밍된 컴퓨터 프로그램을 연속적으로 실행하는 단계를 포함하고,
    상기 모델은 고압 컬럼, 저압 컬럼, 및 아르곤 컬럼의 각각의 내부에 각각의 분리 스테이지의 스테이지 모델을 포함하고, 상기 응축기 리보일러 및 아르곤 리플럭스 응축기 각각은 단일 스테이지 모델로 이루어지며;
    상기 스테이지 모델은, 스테이지 모델들 사이의 내부 증기 및 액체 유동에 의해서 서로 연결되고, 상기 스테이지 모델을 포함하는 모델은 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각으로의 피드(feed) 및 각각으로부터의 드로우(draw)의 위치에 배치된 스테이지 모델로부터 및 스테이지 모델로의 외부 증기 및 액체 유동에 의해서 서로 연결되고;
    상기 컴퓨터 프로그램의 각각의 실행 중에:
    스테이지 모델에 대해 내부 및 외부 증기 및 액체 유동을 이용하여 동적 재료 균형, 증기-액체 평형 계산, 및 에너지 균형 계산을 실시함으로써, 조작되는 변수에 응답하여 제어되는 변수의 현재 값을 계산하고, 상기 제어되는 변수는, 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도 또는 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도를 직접적으로 참조할 수 있는 저압 컬럼 내의 스테이지 모델에 대해서 계산된 양을 포함하고, 상기 조작되는 변수는 공기 분리 플랜트에 대한 공기 피드 스트림, 저압 컬럼으로부터 제거된 생성물 산소 스트림, 및 미정제 아르곤 피드 스트림의 유량의 세트를 포함하고,
    모델에 의해서 계산된 제어되는 변수의 현재 값을 제어기로 입력하고, 제어기 내에서, 제어기 내에서 미리 셋팅된 목표 범위 내의 농도 값을 가지는 제어되는 변수를 초래할 제어된 변수의 현재 값으로부터 조작되는 변수를 계산하고, 상기 조작되는 변수는 아르곤 생성물의 아르곤 생성물 수율을 최대화할 것이고,
    상기 제어기에 의해서 계산된 유량의 세트를 가지도록 상기 조작되는 변수를 공기 분리 플랜트 내에서 제어하는, 공기 분리 플랜트 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어되는 변수가 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도 및 폐 질소 스트림 내의 아르곤 농도를 포함하는, 공기 분리 플랜트 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모델은 공정 스트림의 산소 농도를 계산하도록 구성될 수 있고, 모델에 의해서 계산된 산소 농도와 공기 분리 플랜트 내의 산소 농도의 측정치 사이의 차이를 최소하도록 편향(bias)될 수 있으며, 그에 따라 제어되는 변수의 현재 값의 계산의 정확도가 보장되며;
    상기 공정 스트림은 저압 컬럼으로부터 회수된 폐 질소 스트림 및 생성물 산소 스트림, 저압 컬럼으로 피딩된 질소 리플럭스 스트림, 저압 컬럼으로부터 아르곤 컬럼으로 피딩된 미정제 아르곤 피드 스트림 및 아르곤 컬럼에 의해서 생성된 아르곤 생성물 스트림 내에 포함된 아르곤 생성물을 포함하며;
    상기 컴퓨터 프로그램의 각각의 실행 중에, 모델이 편향되어 공정 스트림의 계산된 산소 농도와 측정된 산소 농도 사이의 차이를 최소화하는, 공기 분리 플랜트 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증기 액체 평형 계산은 각각의 스테이지 모델 내의 평형 증기 상 조성을 계산하고;
    상기 평형 증기 상 조성이 계산된 후에, 평형 증기 상 조성으로부터 결정된 산소의 증기 상 농도와 분리 조정 인자를 곱하여 산소의 조정된 증기 상 농도를 생성함으로써 모델이 편향되며, 이어서 평형 증기 상 조성으로부터 또한 결정된 질소 농도가 산소의 조정된 증기 상 농도와 함께 이용되어 아르곤 농도를 계산하고, 그에 따라 각각의 스테이지 모델 내의 산소, 질소, 및 아르곤의 몰 분율의 합이 1.0과 같아지며;
    상기 공통 분리 조정 인자는 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각으로의 피드 및 각각으로부터의 드로우의 위치들 사이에 규정된 각각의 컬럼 섹션 내에 위치된 스테이지 모델에 대해서 이용되고;
    각각의 컬럼 섹션의 단부에서 계산된 산소 농도와 측정된 산소 농도 사이의 차이가 최소화되도록 공통 분리 조정 인자가 계산되는, 공기 분리 플랜트 제어 방법.
  5. 아르곤 생성물의 생산을 최적화하기 위해서 공기 분리 플랜트를 제어하기 위한 제어 시스템으로서,
    고압 컬럼, 저압 컬럼, 아르곤 컬럼, 고압 컬럼 및 저압 컬럼과 동작적으로 연관된 응축기 리보일러, 및 아르곤 컬럼으로 연결된 아르곤 리플럭스 응축기의 각각의 모델로 프로그래밍된 컴퓨터 프로그램,
    모델에 의해서 계산된 제어되는 변수의 현재 값을 입력으로서 가지는 제어기 -상기 제어기는 아르곤 생성물의 아르곤 생성물 수율을 최대화할, 상기 제어기 내에서 미리 셋팅된, 목표 범위 내의 농도 값을 가지는 제어되는 변수를 초래할 제어되는 변수의 현재 값으로부터 조작되는 변수를 계산하도록 구성됨-, 및
    상기 제어기에 의해서 계산된 유량의 세트를 가지도록 공기 분리 플랜트 내에서 조작되는 변수를 제어하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 모델은 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각의 내부에 각각의 분리 스테이지의 스테이지 모델을 포함하고, 응축기 리보일러 및 아르곤 리플럭스 응축기 각각은 단일 스테이지 모델로 이루어지며;
    상기 스테이지 모델은, 스테이지 모델들 사이의 내부 증기 및 액체 유동에 의해서 서로 연결되고, 스테이지 모델을 포함하는 모델들은 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각으로의 피드(feed) 및 각각으로부터의 드로우(draw)의 위치에 배치된 스테이지 모델로의 및 스테이지 모델로부터의 외부 증기 및 액체 유동에 의해서 서로 연결되며;
    상기 컴퓨터 프로그램의 각각의 실행 중에, 스테이지 모델에 대해 내부 및 외부 증기 및 액체 유동을 이용하여 동적 재료 균형, 증기-액체 평형 계산, 및 에너지 균형 계산을 실시함으로써, 조작되는 변수에 응답하여 제어되는 변수의 현재 값이 계산되도록 컴퓨터 프로그램이 구성되고, 상기 제어되는 변수는 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도 또는 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도를 직접적으로 참조할 수 있는 저압 컬럼 내의 스테이지 모델에 대해서 계산된 양을 포함하며, 상기 조작되는 변수는 공기 분리 플랜트에 대한 공기 피드 스트림, 저압 컬럼으로부터 제거된 생성물 산소 스트림, 및 미정제 아르곤 피드 스트림의 유량의 세트를 포함하는, 공기 분리 플랜트 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어되는 변수가 미정제 아르곤 피드 스트림 내의 질소 농도 및 폐 질소 스트림 내의 아르곤 농도를 포함하는, 공기 분리 플랜트 제어 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로그램은 또한 공기 분리 플랜트 내에서 측정된 공정 스트림의 산소 농도에 응답하고, 상기 모델은 공정 스트림의 산소 농도를 계산하도록 구성되고, 상기 모델에 의해서 계산된 산소 농도와 공기 분리 플랜트 내의 산소 농도의 측정치 사이의 차이를 최소화하여 제어되는 변수의 현재 값의 계산의 정확도를 보장할 수 있도록 편향될 수 있으며;
    상기 공정 스트림은 저압 컬럼으로부터 회수된 폐 질소 스트림 및 생성물 산소 스트림, 저압 컬럼으로 피딩된 질소 리플럭스 스트림, 저압 컬럼으로부터 아르곤 컬럼으로 피딩된 미정제 아르곤 피드 스트림 및 아르곤 컬럼에 의해서 생성된 아르곤 생성물 스트림 내에 포함된 아르곤 생성물을 포함하고;
    상기 컴퓨터 프로그램의 각각의 실행 중에, 모델이 편향되어 공정 스트림의 계산된 산소 농도와 측정된 산소 농도 사이의 차이를 최소화하도록 상기 컴퓨터 프로그램이 구성되는, 공기 분리 플랜트 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램이,
    증기 액체 평형 계산이 각각의 스테이지 모델 내의 평형 증기 상 조성을 계산하도록 프로그래밍되고;
    상기 평형 증기 상 조성이 계산된 후에, 평형 증기 상 조성으로부터 결정된 산소의 증기 상 농도와 분리 조정 인자를 곱하여 산소의 조정된 증기 상 농도를 생성함으로써 모델이 편향되고, 이어서, 또한 평형 증기 상 조성으로부터 결정된 질소 농도가 산소의 조정된 증기 상 농도와 함께 이용되어 아르곤 농도를 계산하고, 그에 따라 각각의 스테이지 모델 내의 산소, 질소, 및 아르곤의 몰 분율의 합이 1.0과 같아지도록 프로그래밍되고;
    상기 공통 분리 조정 인자는 고압 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 각각으로의 피드 및 각각으로부터의 드로우의 위치들 사이에 규정된 각각의 컬럼 섹션 내에 위치된 스테이지 모델에 대해서 이용되도록 프로그래밍되고;
    각각의 컬럼 섹션의 단부에서 계산된 산소 농도와 측정된 산소 농도 사이의 차이가 최소화되도록 상기 공통 분리 조정 인자가 계산되도록 프로그래밍되는, 공기 분리 플랜트 제어 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기가 모델 예측형(predictive) 제어기인, 공기 분리 플랜트 제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 수단이 제어 밸브 및 상기 제어 밸브의 각각과 연관된 PID 제어기의 세트이고,
    이차적인 제어기에 의해서 계산된 조작되는 변수가 상기 PID 제어기에 대한 목표가 되도록 상기 PID 제어기가 이차적인 제어기에 연결되는, 공기 분리 플랜트 제어 시스템.
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