[发明专利]空气分离设备控制

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制空气分离设备以使氩气产品的生产最大化的方法和控制系统。更具体地，本发明提供如下的方法和系统：其中对进料至空气分离设备的蒸馏塔的空气、产品氧气和粗氩气进料流的流量加以控制，使得废氮气流中的氩气浓度和进料至氩气塔的粗氩气进料流中的氮气浓度的估计浓度在使氩气产品的生产最大化的目标范围内。

背景技术

氩气产品是通过利用在空气分离设备内进行的低温精馏从空气中分离氩气来生产。生产的氩气可以是粗氩气产品(通常对其进一步处理以除去氧气和氮气)、或者含有非常少量氧气的经纯化的氩气产品。

在被设计用于生产氩气的空气分离设备中，首先将空气压缩然后除去较高沸点的杂质，例如水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳和烃类。然后，将所得的经压缩和纯化的空气流通过与空气精馏产生的废气流和产品流进行间接热交换而冷却到适合于其在蒸馏塔系统内进行精馏的温度。该热交换是在热交换器(有时被称为主热交换器)中进行，其可以是具有正在被冷却的空气的平行流的一组热交换器、被再划分为热端和冷端、基于产品流的压力。

然后，在冷却至或接近其露点的温度后，将经压缩和净化的空气导入热连接到低压塔的在高压下操作的高压塔，然后导入低压塔。在高压塔中产生粗液氧塔底物(有时被称为釜液)和富氮蒸气塔顶馏出物。然后，在低压塔中将粗液氧流进一步精制，以产生富氧液体塔底物和富氮蒸气塔顶馏出物。使富氧液体塔底物部分气化同时使高压塔中产生的富氮蒸气冷凝，以形成用于两个塔的回流。通过在包含在塔内的塔板或填料中下降的液体相与上升的蒸气相之间的传质接触，而在任一塔中进行蒸馏。当液体相在低压塔内部下降时，到某一个点时，其变得富含具有与氧气有相似挥发性的氩气。在氩气浓度为最大值的点附近取出粗氩气流，然后导入氩气塔以便从氧气中分离出氩气并制备氩气产品。通常，从提取回流的一部分以液体氩气产品送至氩气塔。正如可以理解的，因为氩气是一种增值产品，所以期望通过控制空气分离设备而使氩气的生产最大化。

在US 4,784,677中，通过测量流向氩气塔的粗氩气进料流中的氮气浓度和废氮气流中的氧气含量控制氩气生产。基于此类测量来调节进料至低压塔的液氮回流的流量，以控制粗氩气进料流中的氮气含量。降低回流速率将降低氮气含量，反之亦然。这种控制的主要目的是防止氩气塔中的氮气含量过大，从而防止在氩气冷凝器中产生足以将流到氩气塔的回流冷凝而形成氩气产品的温度差。在极端情况下，氩气塔将会不运行并将其液体弃入其贮槽中或者送回低压塔中。这种控制方案的一个缺点是流到低压塔的回流中的变化不会立即改变粗氩气进料流中的氮气含量。此外，当减小流向低压塔的回流速率时，粗氩气进料流的流量也将被减小，继而导致氩气生产的减小。

在US 5,313,800中，不测量流到氩气塔的粗氩气进料中的氮气浓度。相反，通过获得在低压塔内在粗氧气进料点和抽出粗氩气进料的位置之间的温度测量值，而推导该浓度。该推导是从使温度测量与粗氩气进料流中的氮气浓度相互关联的数学模型中获得。基于这种估算的含量，可以控制流至氩气塔的流量。具体地，将来自高压塔的粗液氧气进料至氩气冷凝器并部分蒸发。将由于这种蒸发产生的蒸气相流和液体相流进料至低压塔。控制蒸气相流的流动以继而控制在氩气冷凝器内的压力，因此响应于粗氩气塔进料流中氮气含量的计算而控制流至氩气塔的进料速率。

US 7,204,101利用多变量控制器使氩气的生产最大化。该控制器是通过减小进料中的氧气浓度而使粗氩气塔进料中的氩气浓度最大化以优化氩气回收，同时防止氮气浓度超过可控制的最大值。该控制器是通过对例如氧气产品、粗氩气塔进料、由低压塔产生的氮气流、流至低压塔的氮气回流中的氧气浓度，和粗氩气进料流中的氮气浓度进行直接测量并且通过控制进料至蒸馏塔系统中的空气的量、来自低压塔的氧气产品流、流至低压塔的液氮回流和流到氩气塔的粗氩气流的流量而起作用。

此类型控制的问题是一旦在氩气产品中出现临界浓度的氮气，常常太迟而不能采取有效的控制措施来防止氩气塔关闭以及氩气生产损失。正如将在下文中讨论的，本发明合并了控制方法，该控制方法不依赖于任何此类直接测量，因而能够改善无须与现有技术控制系统一样传统的氩气生产控制，由此增加氩气的产量。

发明概述