專利名稱：低溫精餾系統產量的控制方法
一般地說，本發明涉及低溫精餾，更具體地說，涉及低溫精餾系統當產量變化時，即至少一種產物流的需要量變化時，的高效運行問題。
在實施低溫精餾過程中，一種進料流，譬如進料空氣，被送入低溫精餾裝置，例如一個雙塔裝置，進行分離。從低溫精餾裝置抽出一種或多種產物流并加以回收。進料流的流量是固定的，以便不斷產出所需流量的產物。
在低溫精餾裝置運行當中，對一種或多種產物所要求的流量可以變化。這就要求改變裝置的產量，此時也要相應改變進料流量。除非采取特定的控制措施，進料流量的改變會引起一至多塔內液-汽(L/V)比暫時的變化，直到系統恢復平衡或穩定狀態為止。造成這種暫時性L/V改變的原因是，進料流量變化引起塔內汽相流量(V)和塔內液相流量(L)變化規律上的差異。這種L/V比變化，因對產物純度有不利影響，所以是不希望的。由于這個原因，人們希望進料流量改變時以及改變以后，L/V比都始終保持所要求的數值。
低溫精餾工業世界為解決這個問題的辦法是，為低溫精餾裝置增設液體貯罐或中間罐，以期以一種可控的方式來改變低溫精餾裝置的產量，即向塔內加入液體和/或收容塔中流出的液體來調整塔內的L/V比。雖說這樣的系統是有效的，但是卻增加了容器和伴隨管路這一項基本投資。
鑒于這種情況，本發明的一個目的就是，提供一種既能以可控的方式改變低溫精餾裝置產量，又不需要用貯罐或中間罐來調整塔的L/V比的方法。
本發明能達到上述和其他目的這一點，對于熟悉此項技術的人在讀過本公開之后，就變得很清楚了，本發明的一個方面包括一種改變低溫精餾裝置產量的方法，包括(a)以第一流量將進料加入到包括一高壓塔和一低壓塔的低溫精餾裝置中的所述高壓塔中；(b)把來自高壓塔釜的液體送入低壓塔；(c)利用設定于所要求液位的塔釜液位控制器，使高壓塔釜內液位保持在所要求的高度；(d)把進料流量改變到第二流量；以及(e)根據進料流量的改變量，改變塔釜液位控制器的設定點。
本發明的另一個方面包括一種改變低溫空分裝置產量的方法，包括(a)以第一流量將進料空氣加入到包括高壓塔、低壓塔和一個帶塔頂冷凝器的氬氣塔的低溫空分裝置中的所述高壓塔中；(b)把來自高壓塔釜的液體送入上述塔頂冷凝器，把來自塔頂冷凝器的液體送入低壓塔，再把出自低壓塔的流體送入氬氣塔；(c)利用設定于所要求液位的塔頂冷凝器液位控制器，使塔頂冷凝器的液位保持在所要求的高度；(d)把進料空氣流量改變到第二流量；以及(e)根據進料空氣流量的改變量，改變塔頂冷凝器液位控制器的設定點。
這里所用“進料空氣”一詞，系指主要包括含氮、氧及氬等氣體的混合物，例如空氣。
這里所用“透平膨脹”和“透平膨脹機”二個術語，分別指，讓高壓.氣體流經透平以使氣體減壓、降溫從而產生致冷的方法和設備。
這里所用“塔”一詞，系指蒸餾或分餾塔或區，即接觸塔或區，其中液、汽相呈逆流接觸以實現流體混合物的分離，舉例說，通過汽、液相在塔內一系列豎向間隔設置的塔盤或塔板，或者填料表面接觸。有關蒸餾塔的進一步討論，可參見<化學工程師手冊·第5版>，R.H.Perry和C.H.Chilton編，Mc Graw-Hill Book Company，紐約，第13部分，“連續蒸餾過程”。“雙塔”一詞用以指，一個高壓塔，其頂部與一低壓塔的底部處于熱交換關系。有關雙塔的進一步討論，見Ruheman的<氣體的分離>，牛津大學出版社，1949，第VII章，“工業空氣分離”。
汽、液接觸分離過程依靠組分間蒸汽壓的差異。高蒸汽壓(或易揮發、低沸點)組分趨于富集在汽相，而低蒸汽壓(或難揮發、高沸點)組分趨于富集在液相。部分冷凝是一種分離過程，即通過冷卻蒸汽混合物，使易揮發組分濃集在汽相，相應地，難揮發組分濃集在液相。精餾或連續蒸餾是這樣一種分離過程，它結合了連續不斷的部分蒸發和部分冷凝過程，正如讓汽、液相逆流接觸而實現的那樣。汽、液相逆流接觸是一種絕熱過程，既可以包括相間整體接觸也可以包括局部接觸。用精餾原理分離混合物的分離工藝設備叫精餾塔、蒸餾塔或者分餾塔，常常相互通用不加區分。低溫精餾是一種至少一部分在150°K或更低的溫度下進行的精餾過程。
這里所用“間接換熱”一詞，系指讓兩股流體處于熱交換關系，而不發生流體間相互的物理接觸或相混。
這里所用“氬氣塔”一詞，系指一種處理包含氬的進料并產出一種氬濃度超過進料濃度產物的塔。
這里所用“塔項冷凝器”一詞，系指一種熱交換器，它從塔頂蒸汽中產生出塔的下流液。
這里所用“釜”一詞，系指蒸餾塔的底部，位于塔盤或填料的下方，用以收集液體的部分。該液體既可以作為產物流抽出，也可以轉送到另一塔去。
這里所用“液位控制器”一詞，系指一種機械、氣動或電子裝置，也可以指一種編制在電腦內的數學算法程序，它們用于象罐或塔釜之類的存儲容器內的液位反饋控制。
這里所用“設定點”一詞，系指處于反饋控制下的過程的應變量(過程輸出)的要求值或目標值，設定點是通過手工或由另一控制器或是由編程于電腦中的數字算法輸入到控制器中去的。
這里所用“反饋控制”一詞，系指根據過程變量偏離其設定點的數值，調整一種或多種過程自變量(過程輸入)以便把過程應變量(過程輸出)控制在設定點附近。


圖1是可以用來實施本發明的低溫精餾裝置的示意圖，它包括一個雙塔和一個氬氣塔。
圖2是可以用來實施本發明的低溫精餾裝置的示意圖，它包括一個雙塔，沒有氬氣塔。
對雙塔低溫精餾裝置，尤其是對備有回收氬氣的側臂塔的此種裝置，由于同高壓塔內液體流動有關的液流滯后，其產量控制變得困難。進入高壓塔底的進料流量的增加立即反映在沿全塔身上升蒸汽量的增加。這是因為，伴隨流量改變的壓力變化是很輕微的，故不存在因儲存在該塔內蒸汽積集或損失而造成的滯后。由于同樣原因，高壓塔頂部存在的額外蒸汽量立即造成主冷凝器蒸出量和沿低壓塔身上升蒸汽量的增加。伴隨上述流量改變的低壓塔內壓力變化也很微小。但是，在高壓塔頂冷凝成液體回流并沿整個塔身下降的額外蒸汽物料，需要一段時間才能從高壓塔頂到塔釜，再流過連結該塔釜到低壓塔中部的回路。此回路還可能包括氬氣塔頂冷凝器。由于此種液流延遲效應，和改變產量期間，低壓塔內的L/V比將經歷一個不穩定或偏離過程，導致不希望出現的產物純度變化。而且，對應于主冷凝器的額外蒸出，因尚未由低壓塔內額外的降液所補償，主冷凝器液位便下降。為運行安全和高效起見，主冷凝器液位必須維持在較窄的范圍內。液位過高，會降低傳熱效率。液位過低時就得停車，因為可能出現主冷凝器蒸干，而蒸干被認為是一種不安全的做法。當進高壓塔釜的進料流量減少時，則出現與上述相反的效果。
本發明針對并解決上述問題，不需要在低溫精餾系統中添加額外的容器。本發明在同高壓塔釜和/或氬氣塔頂冷凝器內的液位控制相關的液位控制設定點上作文章。當進入高壓塔釜的進料流量增加時，就降低液位設定點，借此立即向低壓塔中部提供額外的液量，以減輕高壓塔液流滯后造成的后果。這部分額外的液量起著補償改變產量期間低壓塔內L/V不穩的作用，還為維持主冷凝器液位恒定提供所需要的額外液量。鑒于上述塔釜和氬氣塔頂冷凝器是低溫精餾裝置的標準組成部分，這樣做就免去了額外(通常是昂貴的)容器以及附帶的控制部分和管線的需要。
較好的是，本發明還利用內部流體組成讀數來調整控制器，而不必等待檢測產品組成的結果再進行上述調整。在此種較好實例中，本發明利用中間物料組成變量(或者是直接的組成分析，或者是根據溫度和溫差的推理分析)，該分析點位于液體進料點以下同時又高于(當使用氬氣塔時)與氬氣塔連接處的低壓塔中部。經驗表明，從這點取得的變量比一般從控制系統反饋部分測得和采用的其他組成變量其響應速度更快。采用該變量，提供了低壓塔中部內L/V比值的指示，故允許更大、更快地改變產量。由于其響應快，反饋系統就能夠在產品純度變化尚未被實際測出時就已經糾正了任何可能導致產品純度不利改變的L/V改變。
下面，將參考附圖更詳細地討論本發明。圖1表示的是一個采用雙塔和氬氣塔的空分裝置。先看圖1，諸如進料空氣的進料20，以一般在200,000到12,000,000標準立方英尺/小時(SCFH)之間的流量流經壓縮機1被壓縮到一般為70～250磅/平方英寸絕壓(psia)。壓縮進料空氣流21，隨后被送過凈化器2以去除象CO2和水蒸汽之類的高沸點雜質，得到的流22再送至主換熱器3。控制器100測量并通過操縱壓縮機導葉101控制進料空氣流22的流量，以便使流22的被測空氣流量維持在要求的設定點。
進料空氣流經主換熱器3而被冷卻。通常含有進入低溫空分裝置進料空氣總量的3～20％的部分流24，在部分通過主換熱器3之后被抽出，經透平膨脹機5透平膨脹以產生冷量，然后作為流25進入雙塔系統的低壓塔—塔6，該雙塔系統還包括高壓塔4。進料空氣的主要部分，即流23，從主換熱器3出來進入高壓塔4，塔4一般操作在65～245psia的壓力之間。
進料空氣在高壓塔4內低溫精餾，分離成氮增濃汽和氧增濃液。氮增濃汽以流41進入主冷凝器11，在此，通過與塔6的塔底液間接換熱而冷凝。生成的氮增濃液以流42進入塔4作為回流。生成的氮增濃液的另一部分流28，流經換熱器9被過冷，然后得到的流29經閥111節流進入低壓塔6，塔6的操作壓力低于高壓塔4，一般介于16到60psia之間。
從高壓塔4的塔釜流出的液體被送入低壓塔6。在如圖1所示的實例中，從高壓塔4塔釜出來的液體在進入低壓塔6之前，先流過塔頂冷凝器8。從塔4塔釜流出的氧增濃液以流26流經換熱器10而過冷。流出的流27隨后通過閥105進入塔頂冷凝器8。塔釜液位控制器104通過調節閥105使塔4的釜內液位保持在該液位設定點所規定的要求液位高度。
在塔頂冷凝器8內，氧增濃液與(管內的)漸漸冷凝的氬氣塔頂汽換熱而部分汽化。產生的氧增濃汽從塔頂冷凝器8出來，以流38通過閥109繼而進入低壓塔6。剩余的氧增濃液從塔頂冷凝器8出來，經過閥119繼而進入低壓塔6。塔頂冷凝器液位控制器118通過調節閥119，使塔頂冷凝器的液位保持在該液位設定點規定的液位高度。
在低壓塔6里，各路進料經過低溫精餾分離成富氮和富氧流體。富氮汽以流30從塔6抽出，經過換熱器9、10和3后變熱，然后以流33被抽出。可以把流33的全部或一部分作為產物氮回收，其純度一般高達98％(摩爾)以上。富氧汽以流34從塔6抽出，流經換熱器3變暖，然后以流35被抽出。可以把流35的全部或一部分作為產物氧回收，其純度一般在99～99.9％(摩爾)范圍。與作為蒸汽產物回收的流35并行或者代替流35，還可以以流40從塔6抽出富氧液，其全部或一部分可作為液相產物氧回收，純度一般在99～99.9％(摩爾)范圍之間。若不用氬氣塔，象圖2所表示的實例那樣，則氧純度一般在90～99.9％(摩爾)范圍內。
一股主要含有氧和氬的流體以流36從塔6抽出并進入氬氣塔7，在塔7中經低溫精餾分離成氬更富汽和氧更富液。氧更富液以流37從氬氣塔7流出，進入低壓塔6。氬更富汽以流43進入塔頂冷凝器8，在此，與上述的部分汽化、氧增濃液間接換熱而冷凝。生成的氬更富液以流44進入氬氣塔7作為回流。可以把該氬更富液的部分流45作為產物回收，其氬濃渡一般在95～99.9％(摩爾)之間或更高。
圖2表示一個不帶氬氣塔的雙塔低溫精餾裝置。就本公開目的而言，除上面提到的之外，圖2表示的雙塔裝置操作情況與圖1類似，故不再一一贅述。圖2中的數字代號與圖1中相同部分相對應。在圖2表示的實例中，從高壓塔4塔釜出來的液流27，不經氬氣塔頂冷凝器直接經閥105進入低壓塔6。
在低溫精餾裝置運轉期間，可以根據需要改變裝置的產量，即增加或減少一種或多種產物流的流量。這種改變可能要求改變進料流量。在實施本發明時，為適應進料流量的改變要改變塔釜液位控制器和/或塔頂冷凝器液位控制器的設定點。若進料流量變成高于第一流量的第二流量，則塔釜液位控制器和/或塔頂冷凝器液位控制器的設定點就改變到較低的液位高度。這樣一來，就迅速提高了從高壓塔釜進入低壓塔的液流量，從而起到，盡管因進料流量增加引起蒸汽流量增加，仍維持低壓塔內L/V比穩定的作用。若進料流量變到低于第一流量的第二流量，塔釜液位控制器和/或塔頂冷凝器液位控制器的設定點就改變到較高的數值。這樣一來，就迅速減少從高壓塔釜進入低壓塔的液流量，從而起到，盡管因進料流量減少引起蒸汽流量減少，仍維持低壓塔內L/V比穩定的作用。穩定的L/V比保證了產物純度維持在要求的水平。
在本發明的一個較好實例中，事先測定低壓塔內的流體(液或汽)組成，再用這種中間產物組成的測定結果對塔釜液位控制器和/或塔頂冷凝器液位控制器進行微小調節。確定組成的被測流體是來自低壓塔內低于高壓塔釜液進入低壓塔的加入點的流體。如果采用了氬氣塔，該流體位置還應高于流體自低壓塔流向氬氣塔的引出點。上述過程表示于圖1和圖2中，組成傳感器150測定由低壓塔抽出的液體或蒸汽的樣品組成，例如氧或氮的分數。另一種方案是，可以用一個溫度傳感器代替組成傳感器，來感知流體溫度，根據這個溫度靠推理可確定流體的組成。
本申請人發現，測定該處流體的組成能做到比測定產物流組成更能及時地對L/V比進行調整，同時準確性并不降低。這是因為，中間產物組成對L/V比值變化更為敏感，且一般對該比值變化的響應更快，尤其當氧純度在98％以上時更是如此。如果不對低壓塔設計做一翻巨大而昂貴的改動，是無法直接測定L/V比值本身的。而且，中間產物組成的數值與穩態下氧產物流的組成更為相關。
當中間物料組成的氮摩爾分數高過某一已知能給出某種純度的氧產品的設定點時，則說明低壓塔的下部L/V比值過高，應該降低以防止氧產物純度繼續下降。類似地，當中間產物組成的氮摩爾分數低到某一已知能給出某種純度的產物氧的設定點時，則說明低壓塔下部L/V比值過低，需要提高以防止氧純度繼續升高。為使中間物料組成恢復到其設定點所需要的L/V改變，可以通過調整液位控制器104、118的設定點以及其他過程流量，例如流35、29和36的流量來達到。調整上述物流流量的方法是熟知的。調整這些液位控制器的設定點可以通過反饋回路來達到，該回路利用一個液位控制器調節液位控制器104和118的全部設定點，使測得的中間物料組成維持在所希望的規定設定點。或者，通過調整液位控制器104和118的設定點，使用同一反饋回路來防止中間物料組成持續上升或下滑，而不需盡力將其維持在任何具體的設定點。
調整液位控制器設定點的較好方法是將中間物料組成的測量值納入一個多變量控制器，它能綜合考慮產物氧、氮和氬的測量值以及塔進料組成測定值，并能夠調節液位控制器104和118的設定點以及流35、29和36的流量。
這樣，就可以通過實施本發明，改變低溫精餾裝置的產量，同時控制裝置的運行以減少或消除產物純度偏離額定值，而不需要附加儲罐或中間罐系統。雖然本發明是結合了某些較好實例加以詳細說明的，但熟悉此項技術的人會認識到，此外尚有其他的本發明實例，仍屬本文權利要求的原則和范圍之內。
權利要求
1.一種用于改變低溫精餾裝置產量的方法，包括(A)以第一流量將流體加入到包括一高壓塔和一低壓塔的低溫精餾裝置中的所述高壓塔中；(B)把來自高壓塔釜的液體送入低壓塔；(C)利用設定于所要求液位的塔釜液位控制器，使高壓塔釜內液位保持在所要求的高度；(D)把進料流量改變到第二流量；以及(E)根據進料流量的改變量，改變塔釜液位控制器的設定點。
2.權利要求1的方法，其中第二進料流量超過第一進料流量，此時將塔釜液位控制器的設定點改變到較低的數值。
3.權利要求1的方法，其中第二進料流量低于第一進料流量，此時將塔釜液位控制器的設定點改變到較高的數值。
4.權利要求1的方法，進一步包括，測定低壓塔內低于自高壓塔釜來的液體加入到低壓塔的加入點的流體組成，并根據該測定結果調整塔釜液位控制器的設定點。
5.一項用于改變低溫空分裝置產量的方法，包括(A)以第一流量將進料空氣加入到包括高壓塔、低壓塔和一個帶塔頂冷凝器的氬氣塔的低溫空分裝置中的所述高壓塔中；(B)把來自高壓塔釜的液體送入上述塔頂冷凝器，把來自塔頂冷凝器的液體送入低壓塔，再把出自低壓塔的流體送入氬氣塔；(C)利用設定于所要求液位的塔頂冷凝器液位控制器，使塔頂冷凝器的液位保持在所要求的高度；(D)把進料空氣流量改變到第二流量；以及(E)根據進料空氣流量的改變量，改變塔頂冷凝器液位控制器的設定點。
6.權利要求5的方法，其中第二進料空氣流量超過第一進料空氣流量，此時將塔頂冷凝器液位控制器的設定點改變到較低的數值。
7.權利要求5的方法，其中第二進料空氣流量低于第一進料空氣流量，此時把塔頂冷凝器液位控制器的設定點改變到較高的數值。
8.權利要求5的方法，進一步包括測定低壓塔內一點處流體的組成，該點低于從塔頂冷凝器來的液體加入到低壓塔的加入點，同時又高于從低壓塔送往氬氣塔流體的引出點，該方法還包括，根據上述測定結果調整塔頂冷凝器液位控制器的設定點。
9.權利要求5的方法，其中利用設定于所要求液位高度的高壓塔釜液位控制器使塔釜的液位保持在要求的高度；該方法進一步包括，對應于進料空氣流量的改變，改變塔釜液位控制器的設定點。
10.權利要求9的方法，其中第二進料流量超過第一進料流量，此時將塔釜液位控制器的設定點改變到較低的數值。
11.權利要求9的方法，其中第二進料流量低于第一進料流量，此時將塔釜液位控制器的設定點改變到較高的數值。
12.權利要求8的方法，其中利用設定于所要求液位高度的高壓塔釜液位控制器使塔釜的液位保持在要求的高度；該方法進一步包括根據上述流體組成測定結果調整塔釜液位控制器的設定點。
全文摘要
一種用于操作低溫精餾裝置的方法，此法不需增設儲存或暫存容器，而是根據進料流量的改變，改變塔釜和/或塔頂冷凝器的液位設定點，以控制裝置的運轉，避免產物純度偏離額定值。
文檔編號F25J3/04GK1122440SQ95105528
公開日1996年5月15日 申請日期1995年5月26日 優先權日1994年5月27日
發明者D·P·邦納奎斯特 申請人:普拉塞爾技術有限公司