空氣分離設(shè)備控制的制作方法
【專(zhuān)利摘要】控制空氣分離設(shè)備的方法和優(yōu)化該設(shè)備生產(chǎn)的氬氣產(chǎn)品的控制系統(tǒng)。連續(xù)地執(zhí)行具有該設(shè)備的各塔、冷凝器再沸器、和氬回流冷凝器的模型的計(jì)算機(jī)程序。所述模型包含各塔內(nèi)的各分離段的段模型，當(dāng)組合模型時(shí)能夠響應(yīng)施加于該模型的輸入變量而計(jì)算受控變量的當(dāng)前值。受控變量用作控制器的輸入，該控制器控制操縱變量使得受控變量經(jīng)被選擇用以?xún)?yōu)化氬氣產(chǎn)品的生產(chǎn)的目標(biāo)范圍內(nèi)；所述操縱變量包括空氣分離設(shè)備的空氣進(jìn)料流的流量、從低壓塔中取出的產(chǎn)品氧氣流的流量、和粗氬氣進(jìn)料流的流量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】空氣分離設(shè)備控制

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于控制空氣分離設(shè)備以使氬氣產(chǎn)品的生產(chǎn)最大化的方法和控制系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明提供如下的方法和系統(tǒng):其中對(duì)進(jìn)料至空氣分離設(shè)備的蒸餾塔的空氣、產(chǎn)品氧氣和粗氬氣進(jìn)料流的流量加以控制，使得廢氮?dú)饬髦械臍鍤鉂舛群瓦M(jìn)料至氬氣塔的粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛鹊墓烙?jì)濃度在使氬氣產(chǎn)品的生產(chǎn)最大化的目標(biāo)范圍內(nèi)。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]氬氣產(chǎn)品是通過(guò)利用在空氣分離設(shè)備內(nèi)進(jìn)行的低溫精餾從空氣中分離氬氣來(lái)生產(chǎn)。生產(chǎn)的氬氣可以是粗氬氣產(chǎn)品(通常對(duì)其進(jìn)一步處理以除去氧氣和氮?dú)?、或者含有非常少量氧氣的經(jīng)純化的氬氣產(chǎn)品。
[0004]在被設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)氬氣的空氣分離設(shè)備中，首先將空氣壓縮然后除去較高沸點(diǎn)的雜質(zhì)，例如水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳和烴類(lèi)。然后，將所得的經(jīng)壓縮和純化的空氣流通過(guò)與空氣精餾產(chǎn)生的廢氣流和產(chǎn)品流進(jìn)行間接熱交換而冷卻到適合于其在蒸餾塔系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行精餾的溫度。該熱交換是在熱交換器(有時(shí)被稱(chēng)為主熱交換器)中進(jìn)行，其可以是具有正在被冷卻的空氣的平行流的一組熱交換器、被再劃分為熱端和冷端、基于產(chǎn)品流的壓力。
[0005]然后，在冷卻至或接近其露點(diǎn)的溫度后，將經(jīng)壓縮和凈化的空氣導(dǎo)入熱連接到低壓塔的在高壓下操作的高壓塔，然后導(dǎo)入低壓塔。在高壓塔中產(chǎn)生粗液氧塔底物(有時(shí)被稱(chēng)為釜液)和富氮蒸氣塔頂餾出物。然后，在低壓塔中將粗液氧流進(jìn)一步精制，以產(chǎn)生富氧液體塔底物和富氮蒸氣塔頂餾出物。使富氧液體塔底物部分氣化同時(shí)使高壓塔中產(chǎn)生的富氮蒸氣冷凝，以形成用于兩個(gè)塔的回流。通過(guò)在包含在塔內(nèi)的塔板或填料中下降的液體相與上升的蒸氣相之間的傳質(zhì)接觸，而在任一塔中進(jìn)行蒸餾。當(dāng)液體相在低壓塔內(nèi)部下降時(shí)，到某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，其變得富含具有與氧氣有相似揮發(fā)性的氬氣。在氬氣濃度為最大值的點(diǎn)附近取出粗氬氣流，然后導(dǎo)入氬氣塔以便從氧氣中分離出氬氣并制備氬氣產(chǎn)品。通常，從提取回流的一部分以液體氬氣產(chǎn)品送至氬氣塔。正如可以理解的，因?yàn)闅鍤馐且环N增值產(chǎn)品，所以期望通過(guò)控制空氣分離設(shè)備而使氬氣的生產(chǎn)最大化。
[0006]在US 4，784，677中，通過(guò)測(cè)量流向氬氣塔的粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛群蛷U氮?dú)饬髦械难鯕夂靠刂茪鍤馍a(chǎn)?；诖祟?lèi)測(cè)量來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)料至低壓塔的液氮回流的流量，以控制粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)夂?。降低回流速率將降低氮?dú)夂?，反之亦然。這種控制的主要目的是防止氬氣塔中的氮?dú)夂窟^(guò)大，從而防止在氬氣冷凝器中產(chǎn)生足以將流到氬氣塔的回流冷凝而形成氬氣產(chǎn)品的溫度差。在極端情況下，氬氣塔將會(huì)不運(yùn)行并將其液體棄入其貯槽中或者送回低壓塔中。這種控制方案的一個(gè)缺點(diǎn)是流到低壓塔的回流中的變化不會(huì)立即改變粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)夂?。此外，?dāng)減小流向低壓塔的回流速率時(shí)，粗氬氣進(jìn)料流的流量也將被減小，繼而導(dǎo)致氬氣生產(chǎn)的減小。
[0007]在US 5，313，800中，不測(cè)量流到氬氣塔的粗氬氣進(jìn)料中的氮?dú)鉂舛?。相反，通過(guò)獲得在低壓塔內(nèi)在粗氧氣進(jìn)料點(diǎn)和抽出粗氬氣進(jìn)料的位置之間的溫度測(cè)量值，而推導(dǎo)該濃度。該推導(dǎo)是從使溫度測(cè)量與粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛认嗷リP(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型中獲得。基于這種估算的含量，可以控制流至氬氣塔的流量。具體地，將來(lái)自高壓塔的粗液氧氣進(jìn)料至氬氣冷凝器并部分蒸發(fā)。將由于這種蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸氣相流和液體相流進(jìn)料至低壓塔?？刂普魵庀嗔鞯牧鲃?dòng)以繼而控制在氬氣冷凝器內(nèi)的壓力，因此響應(yīng)于粗氬氣塔進(jìn)料流中氮?dú)夂康挠?jì)算而控制流至氬氣塔的進(jìn)料速率。
[0008]US 7，204，101利用多變量控制器使氬氣的生產(chǎn)最大化。該控制器是通過(guò)減小進(jìn)料中的氧氣濃度而使粗氬氣塔進(jìn)料中的氬氣濃度最大化以?xún)?yōu)化氬氣回收，同時(shí)防止氮?dú)鉂舛瘸^(guò)可控制的最大值。該控制器是通過(guò)對(duì)例如氧氣產(chǎn)品、粗氬氣塔進(jìn)料、由低壓塔產(chǎn)生的氮?dú)饬鳌⒘髦恋蛪核牡獨(dú)饣亓髦械难鯕鉂舛?，和粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛冗M(jìn)行直接測(cè)量并且通過(guò)控制進(jìn)料至蒸餾塔系統(tǒng)中的空氣的量、來(lái)自低壓塔的氧氣產(chǎn)品流、流至低壓塔的液氮回流和流到氬氣塔的粗氬氣流的流量而起作用。
[0009]此類(lèi)型控制的問(wèn)題是一旦在氬氣產(chǎn)品中出現(xiàn)臨界濃度的氮?dú)?，常常太遲而不能采取有效的控制措施來(lái)防止氬氣塔關(guān)閉以及氬氣生產(chǎn)損失。正如將在下文中討論的，本發(fā)明合并了控制方法，該控制方法不依賴(lài)于任何此類(lèi)直接測(cè)量，因而能夠改善無(wú)須與現(xiàn)有技術(shù)控制系統(tǒng)一樣傳統(tǒng)的氬氣生產(chǎn)控制，由此增加氬氣的產(chǎn)量。
[0010]發(fā)明概述
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供控制空氣分離設(shè)備以?xún)?yōu)化氬氣產(chǎn)品生產(chǎn)的方法。根據(jù)本發(fā)明的此方面，連續(xù)地執(zhí)行某計(jì)算機(jī)程序。該計(jì)算機(jī)程序中編程有各高壓塔、低壓塔、氬氣塔、可操作地與高壓塔和低壓塔關(guān)聯(lián)的冷凝器再沸器、和連接到氬氣塔的氬氣回流冷凝器的各個(gè)的模型。該模型包含在各高壓塔、低壓塔和氬氣塔內(nèi)的各分離段的段模型，冷凝器再沸器和氬氣回流冷凝器各由單段模型組成。段模型通過(guò)在段模型之間的內(nèi)部蒸氣流和液體流而彼此連接，包含段模型的模型通過(guò)外部蒸氣流和液體流而彼此連接，所述外部蒸氣流和液體流流至和流出位于各高壓塔、低壓塔和氬氣塔的進(jìn)料和抽出位置處的段模型。
[0011]在計(jì)算機(jī)程序的各次執(zhí)行期間，通過(guò)利用內(nèi)部和外部蒸氣流量以及液體流量進(jìn)行段模型的動(dòng)態(tài)物料平衡、蒸氣-液體平衡計(jì)算和能量平衡計(jì)算，而響應(yīng)于操縱變量計(jì)算出受控變量的當(dāng)前值。受控變量包括為在低壓塔內(nèi)的段模型計(jì)算的與粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛戎苯酉嚓P(guān)的量，或者粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛取２倏v變量包括流到空氣分離設(shè)備的空氣進(jìn)料流、從低壓塔中取出的產(chǎn)品氧氣流和粗氬氣進(jìn)料流的一組流量。
[0012]將由模型計(jì)算的受控變量的當(dāng)前值輸入控制器，控制器從受控變量的當(dāng)前值來(lái)計(jì)算操縱變量，這將產(chǎn)生具有在控制器中預(yù)設(shè)的使氬氣產(chǎn)品的產(chǎn)率最大化的目標(biāo)范圍內(nèi)的濃度值的受控變量。對(duì)在空氣分離設(shè)備內(nèi)的操縱變量進(jìn)行控制以具有由控制器所計(jì)算的一組流量。
[0013]可以配置所述模型以計(jì)算工藝流的氧氣濃度并且能夠進(jìn)行調(diào)整以使利用所述模型計(jì)算的氧氣濃度與空氣分離設(shè)備內(nèi)部的氧氣濃度測(cè)量值之間的差別最小化。因此，可以確保受控變量當(dāng)前值的計(jì)算準(zhǔn)確度。在該實(shí)施方式中，所述工藝流包含:從低壓塔中抽出的產(chǎn)品氧氣流和廢氮?dú)饬鳌⑦M(jìn)料至低壓塔的氮?dú)饣亓髁?、從低壓塔進(jìn)料至氬氣塔的粗氬氣進(jìn)料流、由氬氣塔生產(chǎn)的包含在氬氣產(chǎn)品流中的氬氣產(chǎn)品。在計(jì)算機(jī)程序的各次執(zhí)行期間，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整以使工藝流的測(cè)量的與計(jì)算的氧氣濃度之間的差別最小化。
[0014]蒸氣-液體平衡計(jì)算計(jì)算出在各段模型內(nèi)的平衡蒸氣相組成。在計(jì)算出平衡蒸氣相組成之后，通過(guò)將平衡蒸氣相組成所確定的蒸氣相氧氣濃度乘以分離調(diào)整因子而對(duì)所述模型進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生經(jīng)調(diào)整的蒸氣相氧氣濃度。氮?dú)鉂舛纫彩菑钠胶庹魵庀嘟M成確定，并且將其與經(jīng)調(diào)整的蒸氣相氧氣濃度一起用于計(jì)算出氬氣濃度，使得在各段模型中的氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾哪柗謹(jǐn)?shù)的總和等于1.0。將常用分離調(diào)整因子用于位于各塔段(columnsect1n)的段模型中，所述塔段限定為在各高壓塔、低壓塔和氬氣塔的進(jìn)料和抽出位置之間。計(jì)算出常用分離調(diào)整因子，使得在各塔段端部的測(cè)量的氧氣濃度與計(jì)算的氧氣濃度之間的差最小化。
[0015]在另一方面，本發(fā)明提供用于控制空氣分離設(shè)備以?xún)?yōu)化氬氣產(chǎn)品生產(chǎn)的控制系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的此方面，提供一種計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序中編程有各高壓塔、低壓塔、氬氣塔、可操作地與高壓塔和低壓塔關(guān)聯(lián)的冷凝器再沸器、和連接到氬氣塔的氬氣回流冷凝器中的模型。所述模型包含在各高壓塔、低壓塔和氬氣塔中的各分離段的段模型，冷凝器再沸器和氬氣回流冷凝器各由單段模型組成。段模型通過(guò)在段模型之間的內(nèi)部蒸氣流和液體流彼此連接，包含段模型的模型通過(guò)外部蒸氣流和液體流而彼此連接，所述外部蒸氣流和液體流流到和流出位于各高壓塔、低壓塔和氬氣塔的進(jìn)料和抽出位置處的段模型。
[0016]將計(jì)算機(jī)程序配置成在計(jì)算機(jī)程序的各次執(zhí)行期間，通過(guò)利用內(nèi)部和外部蒸氣流量和液體流量進(jìn)行段模型的動(dòng)態(tài)物料平衡、蒸氣-液體平衡計(jì)算和能量平衡計(jì)算，而響應(yīng)于操縱變量計(jì)算出受控變量的當(dāng)前值。受控變量包括為在低壓塔內(nèi)的段模型計(jì)算的與粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛戎苯酉嚓P(guān)的量，或者粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛?。操縱變量包括流到空氣分離設(shè)備的空氣進(jìn)料流、從低壓塔中取出的產(chǎn)品氧氣流和粗氬氣進(jìn)料流的一組流量。
[0017]提供由所述模型計(jì)算的受控變量的當(dāng)前值作為輸入的控制器。配置該控制器以基于受控變量的當(dāng)前值計(jì)算操縱變量，這將產(chǎn)生具有在控制器中預(yù)設(shè)的將使氬氣產(chǎn)品的氬氣產(chǎn)品產(chǎn)率最大化的目標(biāo)范圍內(nèi)的濃度值的受控變量。提供一種裝置用于控制空氣分離設(shè)備內(nèi)的操縱變量以獲得由控制器計(jì)算的一組流量。
[0018]可以設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序以對(duì)在空氣分離設(shè)備內(nèi)部測(cè)量的工藝流的氧氣濃度作出響應(yīng)，并設(shè)置所述模型以計(jì)算工藝流的氧氣濃度并且能夠進(jìn)行調(diào)整以使所述模型計(jì)算的氧氣濃度與空氣分離設(shè)備內(nèi)測(cè)量的氧氣濃度之間的差別最小化。這將確保受控變量當(dāng)前值的計(jì)算準(zhǔn)確度。所述工藝流包括:從低壓塔中排放的產(chǎn)品氧氣流和廢氮?dú)饬?、進(jìn)料至低壓塔的氮?dú)饣亓髁?、從低壓塔進(jìn)料至氬氣塔的粗氬氣進(jìn)料流、包含在由氬氣塔生產(chǎn)的氬氣產(chǎn)品流中的氬氣產(chǎn)品。設(shè)置計(jì)算機(jī)程序使得在其各次執(zhí)行期間，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整以使工藝流的測(cè)量的與計(jì)算的氧氣濃度之間的差別最小化。
[0019]就所述模型的調(diào)整而言，可以將計(jì)算機(jī)程序編程為使得蒸氣-液體平衡計(jì)算計(jì)算出在各段模型內(nèi)的平衡蒸氣相組成。在計(jì)算出平衡蒸氣相組成之后，通過(guò)將平衡蒸氣相組成所確定的蒸氣相氧氣濃度乘以分離調(diào)整因子而對(duì)所述模型進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生經(jīng)調(diào)整的蒸氣相氧氣濃度，然后氮?dú)鉂舛纫彩菑钠胶庹魵庀嘟M成確定，并且將其與經(jīng)調(diào)整的蒸氣相氧氣濃度一起使用以計(jì)算出氬氣濃度，使得在各段模型中的氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾哪柗謹(jǐn)?shù)的總和等于1.0。將常用分離調(diào)整因子用于位于各塔段(column sect1n)的段模型中，所述塔段限定為在各高壓塔、低壓塔和氬氣塔的進(jìn)料和抽出位置之間。計(jì)算出常用分離調(diào)整因子，使得在各塔段端部的測(cè)量的氧氣濃度與計(jì)算的氧氣濃度之間的差最小化。
[0020]控制器可以是模型預(yù)測(cè)控制器。此外，控制裝置可以是一組控制閥以及與各控制閥關(guān)聯(lián)的PID控制器。PID控制器連接到二級(jí)控制器，使得由二級(jí)控制器計(jì)算的操縱變量是PID控制器的目標(biāo)值。
[0021]在本發(fā)明的任一方面，受控變量可以包括粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛?、和廢氮?dú)饬髦械臍鍤鉂舛取?br> [0022]

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]盡管后附權(quán)利要求書(shū)的本說(shuō)明書(shū)中明確地指出 申請(qǐng)人:認(rèn)為是其發(fā)明的主題，但一般認(rèn)為結(jié)合附圖將更好地理解本發(fā)明，其中:圖1是設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)氬氣產(chǎn)品且由根據(jù)本發(fā)明的方法控制的空氣分離設(shè)備的示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明的控制系統(tǒng)的示意圖。
[0025]圖3是適用于圖1中所示的任意塔且根據(jù)本發(fā)明而建模的單個(gè)分離段的示意圖。
[0026]圖4是用于圖2所示的控制系統(tǒng)并與圖1所示的空氣分離設(shè)備結(jié)合使用以?xún)?yōu)化氬氣產(chǎn)品生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)程序的邏輯流程圖。
[0027]

【具體實(shí)施方式】
[0028]參照?qǐng)D1，設(shè)計(jì)圖中所示的空氣分離設(shè)備I用于生產(chǎn)作為氬氣產(chǎn)品流112從空氣分離設(shè)備I中排放的氬氣產(chǎn)品。氬氣產(chǎn)品流112通常具有約98%的純度，因此是粗氬氣產(chǎn)品，其中氧氣和氮?dú)獗仨氂帽绢I(lǐng)域已知的下游工藝除去。然而，應(yīng)理解的是，圖示的空氣分離設(shè)備I只是為了示例性目的，因此本發(fā)明并不受限于圖示的設(shè)備。例如，可以設(shè)計(jì)空氣分離設(shè)備I以生產(chǎn)含有小于2 ppm的氧氣和氮?dú)怆s質(zhì)的気氣產(chǎn)品。在這種情況下,IS氣塔將會(huì)由兩個(gè)塔組成，這兩個(gè)塔都具有足夠的分離段用于生產(chǎn)此產(chǎn)品。圖1中未示出本發(fā)明的控制系統(tǒng)，使得可以更容易地理解圖示的空氣分離設(shè)備I的運(yùn)行。但是，這種控制系統(tǒng)具體地示于圖2和圖4中，并且包含圖1中示出的重要元件。
[0029]在空氣分離設(shè)備I中，進(jìn)入的進(jìn)料空氣流10在主空氣壓縮機(jī)12中被壓縮，然后分成第一和第二壓縮空氣流14和16。盡管未圖示出，但通常將后冷卻器直接設(shè)置在主空氣壓縮機(jī)12的下游用以除去壓縮熱，并且預(yù)凈化單元將會(huì)直接位于具有用于除去較高沸點(diǎn)污染物(例如水分、二氧化碳和烴類(lèi))的吸收床的后冷卻器的下游。第一壓縮空氣流14在主熱交換器18中冷卻，主熱交換器18通常是由釬焊的鋁板翅片構(gòu)造所構(gòu)成。盡管圖示主熱交換器為單個(gè)單元，但通常它將會(huì)被劃分成并行單元并且進(jìn)一步被再劃分為較熱和較冷的熱交換器。在任何情況下，將第一壓縮空氣流14導(dǎo)入高壓蒸餾塔20的底部，并且將第二壓縮空氣流16導(dǎo)入裝載渦輪的增壓壓縮機(jī)裝置22。裝載渦輪的增壓壓縮機(jī)裝置22具有用于進(jìn)一步壓縮第二壓縮空氣流16的增壓壓縮機(jī)24、用于除去壓縮熱的后冷卻器26、和驅(qū)動(dòng)增壓壓縮機(jī)24并產(chǎn)生冷排氣流(cold exhaust stream)30的潤(rùn)輪膨脹機(jī)28。將冷排氣流30導(dǎo)入低壓塔32中從而對(duì)空氣分離設(shè)備I實(shí)施制冷。
[0030]指定高壓塔20和低壓塔32為高壓塔20在高于低壓塔32的壓力下操作。通常，高壓塔20在5.5巴的壓力下操作，低壓塔32在約1.25巴的壓力下操作。高壓塔20與將在下文中論述的冷凝器再沸器34熱連接。高壓塔20具備傳質(zhì)接觸元件36和38，低壓塔32具備傳質(zhì)接觸元件42、44、46、48、50、52、54、56和58。正如本領(lǐng)域中眾所周知的，所有的上述元件可以由結(jié)構(gòu)化填料、塔板和無(wú)序堆積的填料或者此類(lèi)元件的組合構(gòu)成。它們的目的是讓特定混合物的上升蒸氣相和下降液體相接觸以在這種塔中精制。例如，在將第一壓縮空氣流14導(dǎo)入高壓塔20后開(kāi)始形成上升的蒸氣相，該上升的蒸氣相當(dāng)其上升經(jīng)過(guò)傳質(zhì)接觸元件36和38時(shí)通過(guò)與下降的液體相接觸而變得更加富含氮?dú)猓鱿陆档囊后w相變得更富含氧氣從而形成粗液氧塔底物60。由粗液氧塔底物60所組成的粗液氧流62在低壓塔32中進(jìn)一步精制，以形成在低壓塔32內(nèi)的富氧液體塔底物64。
[0031]高壓塔20中所形成的蒸餾產(chǎn)生富氮?dú)庹魵馑旔s出物。由富氮?dú)庹魵馑旔s出物組成的富氮?dú)庹魵饬?6在冷凝器再沸器34中冷凝以形成富氮液體流68，其被分成回流流70和72，以回流到高壓塔20和低壓塔32，由此在這種塔中引發(fā)形成下降的液體相。該冷凝通過(guò)與富氧液體塔底物64進(jìn)行間接熱交換完成，將所述富氧液體塔底物64部分氣化以在低壓塔32內(nèi)形成上升的蒸氣相。產(chǎn)品氮?dú)饬?4、廢氮?dú)饬?6和產(chǎn)品氧氣流78均是從低壓塔32中取出，并通過(guò)與第一壓縮空氣流14的間接熱交換在主熱交換器18內(nèi)加熱。回流流72的部分可以任選地以高壓產(chǎn)品氮?dú)饬?0釋放出。粗氬氣進(jìn)料流82也從低壓塔32中取出并且導(dǎo)入氬氣塔84以進(jìn)一步精制并隨后生產(chǎn)氬氣產(chǎn)品流112。
[0032]氬氣塔84也具備上述類(lèi)型的傳質(zhì)接觸元件86、88、90、92和94，以進(jìn)行粗氬氣進(jìn)料流82的精餾并由此制備氬氣產(chǎn)品流112。在氬氣塔84內(nèi)產(chǎn)生富氬氣蒸氣塔頂餾出物，并且將由這種塔頂餾出物組成的富氬氣蒸氣流96取出，將該富氬氣蒸氣流優(yōu)選地劃分成氬氣排出流98和次級(jí)富氬氣蒸氣流100。將氬氣排出流98排出以防止氮?dú)庠跉鍤饫淠?02內(nèi)部蓄積。次級(jí)富氬氣蒸氣流100在氬氣冷凝器102中冷凝。氬氣冷凝器102具備容納在殼體106中的芯部104，以產(chǎn)生富氬液體流108，富氬液體流108被劃分為流到氬氣塔84的富氬液體回流流110、和氬氣產(chǎn)品流112。在氬氣塔84中產(chǎn)生含氧液體塔底物114并且將由這種塔底物組成的含氧氣流116回流到低壓塔32。將粗液氧氣流62直接導(dǎo)入氬氣冷凝器102的殼體106中以提供在氬氣冷凝器102中的熱交換功能從而使次級(jí)富氬氣蒸氣流100冷凝。冷凝使第二次級(jí)粗液氧氣流120部分氣化，以產(chǎn)生在殼體106內(nèi)部的貯槽液(sump liquid) 122和蒸氣相。將由蒸氣相所組成的蒸氣相流124從殼體106中取出并且也將由貯槽液122組成的液體相流126從殼體106中取出，將這兩種流導(dǎo)入低壓塔32。以這種方式，將粗液氧氣流導(dǎo)入低壓塔32中用于進(jìn)一步精制同時(shí)在氬氣冷凝器102內(nèi)進(jìn)行熱交換功能。
[0033]由圖2中所示的控制系統(tǒng)2控制空氣分離設(shè)備I使得氬氣產(chǎn)品流112中的氬氣產(chǎn)率最大化?？刂葡到y(tǒng)2連接到控制器202 (優(yōu)選地是模型預(yù)測(cè)控制器)，使用計(jì)算機(jī)程序200。計(jì)算機(jī)程序200生成通常由箭頭203所表示的受控變量(“CV”)，這些受控變量是廢氮?dú)饬?6中的氬氣濃度和粗氬氣進(jìn)料流82中的氮?dú)鉂舛取?duì)計(jì)算機(jī)程序200的輸入是高壓塔20、低壓塔32和氬氣塔84的導(dǎo)入和抽出流中的部分的流量、溫度和壓力以及這些流中的部分的氧氣濃度的各種設(shè)備測(cè)量。這些輸入通常是由箭頭204表示。另外，設(shè)備設(shè)計(jì)信息也是輸入，通常由箭頭205表示。在這方面，有可能計(jì)算機(jī)程序200預(yù)編程有此類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)信息。將在下文中對(duì)輸入204和205進(jìn)行更具體的論述。控制器202利用受控變量203產(chǎn)生通常由箭頭206表示的操縱變量，設(shè)定這些操縱變量為使得受控變量203在目標(biāo)范圍內(nèi)，該目標(biāo)范圍將確保在氬氣產(chǎn)品流112中回收的氬氣將被優(yōu)化以用于空氣分離設(shè)備I的當(dāng)前操作。將目標(biāo)范圍預(yù)編程于控制器中。處于最小值的操縱變量206是空氣進(jìn)料流10、產(chǎn)品氧氣流78、和粗氬氣進(jìn)料流82的一組流量。這些操縱變量是由用于進(jìn)料空氣流10的進(jìn)口導(dǎo)流葉片207、用于產(chǎn)品氧氣流78的控制閥208、和用于粗氬氣進(jìn)料流82的控制閥209所控制。此外，可以控制其它操縱變量，即由閥210所控制的回流流78的流量、和由閥212所控制的產(chǎn)品氬氣流112的流量。雖然控制器202可以直接地控制閥207-212，但優(yōu)選地這些閥是由已知的被稱(chēng)為“PID”控制器的比例積分微分控制器214、216、218、220和222所控制?？刂破?02設(shè)定分別經(jīng)過(guò)這些閥的流量的目標(biāo)值，控制器214-222提供用于調(diào)節(jié)這些閥的開(kāi)度的信號(hào)，因此分別由流量計(jì)228、248、250、238和258感測(cè)相關(guān)流量。
[0034]如上所述，控制器202是模型預(yù)測(cè)控制器。這種控制器的使用在本領(lǐng)域是眾所周知的，并且包括通過(guò)進(jìn)行操縱變量的階躍變化并觀察設(shè)備測(cè)量的響應(yīng)得到的躍階響應(yīng)模型。模型預(yù)測(cè)控制器利用這些躍階響應(yīng)模型來(lái)計(jì)算操縱變量的值，這些操縱變量將受控變量維持在用于穩(wěn)定操作的規(guī)定范圍內(nèi)。作實(shí)例，這種控制器可以是DMCPLUS控制器，其可以從美國(guó)馬薩諸塞州Burlington的Aspen Technology有限公司獲得。正如可以理解的，也可以是PID控制，但將會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜陣列的控制器。就粗氬氣進(jìn)料流82中的目標(biāo)氮?dú)鉂舛确秶?，基于增加氮?dú)鈺r(shí)這種流中的氬氣濃度也將增加的事實(shí)來(lái)選擇這種范圍。然而，如果氮?dú)鉂舛仍龃筮^(guò)多，氮?dú)鈱⒎e聚在氬氣塔84的頂部并減小橫跨氬氣冷凝器102的溫度差。這將具有減小流向氬氣塔84的回流的效果，因?yàn)榇淠母粴鍤庹魵饬?6由于增加的氮?dú)獬霈F(xiàn)而將比從高壓塔底部提供的液相粗氧氣流62更冷。設(shè)定廢氮?dú)饬髦袣鍤鉂舛鹊哪繕?biāo)范圍使得可用于粗氬氣進(jìn)料流82的氬氣最大化。受控變量的目標(biāo)范圍取決于特定的設(shè)備設(shè)計(jì)，并且在任何給定的設(shè)備設(shè)計(jì)中會(huì)隨著時(shí)間推移而變化。然而，在所有情況下，用于這種范圍的精確值將通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。
[0035]就操縱變量而言，進(jìn)料空氣流10的流量減小也將減小廢氮?dú)饬?6中氬氣的量。然而，這也將減小低壓塔32中的氮?dú)饬髁?，從而?shí)現(xiàn)低壓塔中液體/蒸氣比率的增加，并因此促進(jìn)粗氬氣進(jìn)料流82中氮?dú)鉂舛鹊脑黾?。減小粗氬氣進(jìn)料流82的流量將減小這種流中的氮?dú)鉂舛?，反之亦然。產(chǎn)品氧氣流的流量增加將增加粗氬氣進(jìn)料流82中的氮?dú)鉂舛炔p小廢氮?dú)饬?6中的氬氣濃度。如果減小氬氣產(chǎn)品流112的流量，那么氬氣產(chǎn)品流112中的氧氣濃度也將減小。如果增加回流流70的流量，那么廢氮?dú)饬?6中的氬氣濃度將減小，由此增加氬氣回收或產(chǎn)量。
[0036]又一個(gè)可能的操縱變量是如本領(lǐng)域中眾所周知的，通過(guò)控制渦輪膨脹機(jī)28的速度或噴嘴位置來(lái)控制經(jīng)過(guò)渦輪膨脹機(jī)28的流量。這種流量的增加也將增加粗氬氣進(jìn)料流82中的氮?dú)獠p小廢氮?dú)饬?6中的氬氣濃度。其它可能的控制手段是向塔中加入液氮或者從冷凝氮?dú)饬?8中抽出的液氮。液氮的加入將降低廢氮?dú)饬?6中的氬氣濃度并增加粗氬氣進(jìn)料流82中的氮?dú)鉂舛?。液氮產(chǎn)品產(chǎn)量的增加將增大廢氮?dú)饬?6中的氬氣濃度并減小粗氬氣進(jìn)料流82中的氬氣濃度。
[0037]計(jì)算機(jī)程序200包含高壓塔20、低壓塔32和氬氣塔84以及冷凝器再沸器34以及氬氣冷凝器102的模型。這些模型包括在各塔中所執(zhí)行的各分離段的段模型?？梢岳梅蛛x調(diào)整因子以將要論述的方式對(duì)這些段模型繼而對(duì)每個(gè)塔的總模型進(jìn)行調(diào)整。冷凝器再沸器34和氬氣冷凝器102和它們的貯槽被單獨(dú)地建模成單段模型，或者換言之，單獨(dú)的蒸氣液體平衡段。
[0038]在塔的模型中，利用圖3中所示的段模型對(duì)各分離段進(jìn)行建模。對(duì)各段模型計(jì)算動(dòng)態(tài)物料平衡，進(jìn)行蒸氣液體平衡關(guān)聯(lián)，并且計(jì)算穩(wěn)態(tài)能量平衡。各段模型計(jì)算所有外部和內(nèi)部液體流和蒸氣流或者進(jìn)入或離開(kāi)該段的流的流組成，以及此類(lèi)流的流量、溫度和壓力。例如，各段之間的內(nèi)部流是“蒸氣流入”、“蒸氣流出”、“液體流入”和“液體流出”。外部流，如果有的話，是“進(jìn)料液體”、“進(jìn)料氣體”、以及“抽出液體”和“抽出氣體”，這些均是由特定塔的進(jìn)料和抽出而形成。就這點(diǎn)而言，特定段模型的“液體流出”的內(nèi)部流可以是流到另一個(gè)塔的外部流，因此是特定段模型的外部流。塔20、32和84分別具有通過(guò)計(jì)算(例如McCabe-Thiele圖)所確定的若干分離段。每個(gè)傳質(zhì)接觸元件(例如容納在高壓塔20的填料段36和38中的傳質(zhì)接觸元件)具有若干個(gè)這種分離段，這種分離段是進(jìn)一步由考慮所采用的具體傳質(zhì)接觸元件的設(shè)計(jì)信息所確定，并且這種數(shù)據(jù)構(gòu)成部分的設(shè)備設(shè)計(jì)信息205，該設(shè)備設(shè)計(jì)信息205用作計(jì)算機(jī)程序200的輸入。
[0039]對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言均為已知的動(dòng)態(tài)物料平衡、蒸氣液體平衡相關(guān)性、和穩(wěn)態(tài)能量平衡的計(jì)算，將會(huì)被用于蒸餾塔的設(shè)計(jì)。從動(dòng)態(tài)物料平衡開(kāi)始，液相第i成分的物料平衡，例如“i”可以被設(shè)定為等于1(氬氣)、2(氧氣)和3(氮?dú)??？梢詫⒏鞫蔚膭?dòng)態(tài)物料平衡寫(xiě)成以下方程式:

【權(quán)利要求】
1.控制空氣分離設(shè)備以?xún)?yōu)化氬氣產(chǎn)品生產(chǎn)的方法，所述方法包括: 連續(xù)地執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序編程有各高壓塔、低壓塔、氬氣塔、可操作地與所述高壓塔和所述低壓塔關(guān)聯(lián)的冷凝器再沸器、和連接至所述氬氣塔的氬氣回流冷凝器的模型； 所述模型包含在各所述高壓塔、所述低壓塔和所述氬氣塔內(nèi)的各分離段的段模型，所述冷凝器再沸器和所述氬氣回流冷凝器各由單段模型組成； 所述段模型通過(guò)所述段模型之間的內(nèi)部蒸氣流和液體流彼此連接，包含所述段模型的所述模型通過(guò)外部蒸氣流和液體流彼此連接，所述外部蒸氣流和液體流流至和流出位于各所述高壓塔、所述低壓塔和所述氬氣塔的進(jìn)料和抽出位置的所述段模型； 在所述計(jì)算機(jī)程序的各次執(zhí)行期間: 對(duì)于所述段模型，通過(guò)使用所述內(nèi)部和外部蒸氣流和液體流進(jìn)行動(dòng)態(tài)物料平衡、蒸氣-液體平衡計(jì)算、和能量平衡計(jì)算而響應(yīng)于操縱變量計(jì)算受控變量的當(dāng)前值，所述受控變量包括為所述低壓塔內(nèi)的所述段模型計(jì)算的與所述粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛戎苯酉嚓P(guān)的量或者所述粗氬氣進(jìn)料流中的所述氮?dú)鉂舛龋霾倏v變量包括所述空氣分離設(shè)備的空氣進(jìn)料流、從所述低壓塔中取出的產(chǎn)品氧氣流、和所述粗氬氣進(jìn)料流的一組流量；和將所述模型計(jì)算的所述受控變量的當(dāng)前值輸入控制器中并在所述控制器中從所述受控變量的所述當(dāng)前值計(jì)算所述操縱變量，這將導(dǎo)致具有在所述控制器中預(yù)設(shè)的、使所述氬氣產(chǎn)品的氬氣產(chǎn)品產(chǎn)率最大化的目標(biāo)范圍內(nèi)的濃度值的受控變量；和 控制在所述空氣分離設(shè)備內(nèi)的所述操縱變量以獲得由所述控制器計(jì)算的所述組流量。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述受控變量包括所述粗氬氣進(jìn)料流中的所述氮?dú)鉂舛群驮谒鰪U氮?dú)饬髦械臍鍤鉂舛取?br> 3.權(quán)利要求1所述的方法，其中: 配置所述模型以計(jì)算工藝流的氧氣濃度并且能夠進(jìn)行調(diào)整以使由所述模型計(jì)算的氧氣濃度與在所述空氣分離設(shè)備內(nèi)的所述氧氣濃度測(cè)量值之間的差最小化，從而確保所述受控變量的所述當(dāng)前值的計(jì)算精度； 所述工藝流包含從所述低壓塔中排出的產(chǎn)品氧氣流和廢氮?dú)饬?、進(jìn)料至所述低壓塔的氮?dú)饣亓髁鳌乃龅蛪核M(jìn)料至所述氬氣塔的粗氬氣進(jìn)料流、和由所述氬氣塔生產(chǎn)的氬氣產(chǎn)品流中包含的所述氬氣產(chǎn)品；和 在所述計(jì)算機(jī)程序的各次執(zhí)行期間對(duì)所述模型進(jìn)行調(diào)整，以使所述工藝流的測(cè)量的與計(jì)算的氧氣濃度之間的差最小化。
4.權(quán)利要求3所述的方法，其中: 所述蒸氣液體平衡計(jì)算計(jì)算出在各段模型內(nèi)的平衡蒸氣相組成； 在計(jì)算出所述平衡蒸氣相組成之后，通過(guò)將從所述平衡蒸氣相組成確定的蒸氣相氧氣濃度乘以分離調(diào)整因子而對(duì)所述模型進(jìn)行調(diào)整以生成經(jīng)調(diào)整的蒸氣相氧氣濃度，然后將也從所述平衡蒸氣相組成確定的氮?dú)鉂舛扰c經(jīng)調(diào)整的蒸氣相氧氣濃度一起用于計(jì)算氬氣濃度，使得在各段模型內(nèi)的所述氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾哪柗謹(jǐn)?shù)的總和等于1.0 ； 將常用分離調(diào)整因子用于位于各塔段內(nèi)的所述段模型，所述塔段限定于各所述高壓塔、所述低壓塔和氬氣塔的進(jìn)料和抽出位置之間；和 計(jì)算所述常用分離調(diào)整因子，使得在各塔段端部的所述測(cè)量的氧氣濃度與所述計(jì)算的氧氣濃度之間的差最小化。
5.用于控制空氣分離設(shè)備以?xún)?yōu)化氬氣產(chǎn)品生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包含: 計(jì)算機(jī)程序，其編程有各所述高壓塔、所述低壓塔、所述氬氣塔、可操作地與所述高壓塔和所述低壓塔關(guān)聯(lián)的冷凝器再沸器、以及連接到所述氬氣塔的氬氣回流冷凝器的模型；所述模型，其包含各所述高壓塔、所述低壓塔和所述氬氣塔內(nèi)的各分離段的段模型，所述冷凝器再沸器和所述氬氣回流冷凝器各自是由單段模型組成； 所述段模型通過(guò)在所述段模型之間的內(nèi)部蒸氣流和液體流彼此連接，和包含所述段模型的所述模型通過(guò)外部蒸氣和液體流彼此連接，所述外部蒸氣流和液體流流至和流出位于各所述高壓塔、所述低壓塔和所述氬氣塔的進(jìn)料和抽出位置的所述段模型； 所述計(jì)算機(jī)程序，配置其使得在所述計(jì)算機(jī)程序的各次執(zhí)行期間，通過(guò)利用所述內(nèi)部和外部蒸氣流和液體流進(jìn)行所述段模型的動(dòng)態(tài)物料平衡、蒸氣-液體平衡計(jì)算和能量平衡計(jì)算，而響應(yīng)于操縱變量來(lái)計(jì)算受控變量的當(dāng)前值，所述受控變量包括為所述低壓塔內(nèi)的所述段模型計(jì)算的與所述粗氬氣進(jìn)料流中的氮?dú)鉂舛戎苯酉嚓P(guān)的量或者所述粗氬氣進(jìn)料流中的所述氮?dú)鉂舛?，并且所述操縱變量包括流至所述空氣分離設(shè)備的空氣進(jìn)料流、從所述低壓塔中取出的產(chǎn)品氧氣流、和所述粗氬氣進(jìn)料流的一組流量； 控制器，其具有由所述模型計(jì)算的所述受控變量的所述當(dāng)前值作為輸入，并且配置所述控制器以從所述受控變量的所述當(dāng)前值計(jì)算所述操縱變量，以致使所述受控變量具有在所述控制器中預(yù)設(shè)的、將使所述氬氣產(chǎn)品的氬氣產(chǎn)品產(chǎn)率最大化的目標(biāo)范圍內(nèi)的濃度值；和 裝置，其用于控制所述空氣分離設(shè)備內(nèi)的所述操縱變量，以具有由所述控制器計(jì)算的所述組流量。
6.權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中所述受控變量包括所述粗氬氣進(jìn)料流中的所述氮?dú)鉂舛群退鰪U氮?dú)饬髦械臍鍤鉂舛取?br> 7.權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中: 所述計(jì)算機(jī)程序也對(duì)在所述空氣分離設(shè)備內(nèi)測(cè)量的工藝流的氧氣濃度作出響應(yīng)，并配置所述模型以計(jì)算工藝流的氧氣濃度并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)整以使由所述模型計(jì)算的所述氧氣濃度與所述空氣分離設(shè)備內(nèi)的所述氧氣濃度測(cè)量值之間的差最小化，從而確保所述受控變量的所述當(dāng)前值的計(jì)算精度；和 所述工藝流包括:從所述低壓塔中排出的產(chǎn)品氧氣流和廢氮?dú)饬?、進(jìn)料至所述低壓塔的氮?dú)饣亓髁鳌乃龅蛪核M(jìn)料至所述氬氣塔的粗氬氣進(jìn)料流、和由所述氬氣塔生產(chǎn)的氬氣產(chǎn)品流中包含的所述氬氣產(chǎn)品；和 配置所述計(jì)算機(jī)程序以在其各次執(zhí)行期間調(diào)整所述模型，以使所述工藝流的所述測(cè)量的與計(jì)算的氧氣濃度之間的差最小化。
8.權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中編程所述計(jì)算機(jī)程序使得: 所述蒸氣液體平衡計(jì)算計(jì)算出在各段模型內(nèi)的平衡蒸氣相組成； 在計(jì)算出所述平衡蒸氣相組成之后，通過(guò)將基于平衡蒸氣相組成確定的蒸氣相氧氣濃度乘以分離調(diào)整因子對(duì)所述模型進(jìn)行調(diào)整以生成經(jīng)調(diào)整的蒸氣相氧氣濃度，然后將也基于所述平衡蒸氣相組成確定的氮?dú)鉂舛扰c所述經(jīng)調(diào)整的蒸氣相氧氣濃度一起用于計(jì)算所述氬氣濃度，使得在各所述段模型內(nèi)的所述氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾哪柗謹(jǐn)?shù)的總和等于1.0 ；將常用分離調(diào)整因子用于在位于各塔段內(nèi)的所述段模型，所述各塔段限定在各所述高壓塔、所述低壓塔和氬氣塔的所述進(jìn)料和抽出位置之間；和 計(jì)算所述常用分離調(diào)整因子，使得在各塔段端部的所述測(cè)量的氧氣濃度與所述計(jì)算的氧氣濃度之間的差最小化。
9.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述控制器是模型預(yù)測(cè)控制器。
10.權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中: 所述控制裝置是一組控制閥和與各所述控制閥關(guān)聯(lián)的PID控制器；和將所述PID控制器連接到所述二級(jí)控制器，使得由所述二級(jí)控制器計(jì)算的所述操縱變量是所述PID控制 器的目標(biāo)值。
【文檔編號(hào)】G05B15/02GK104137006SQ201280052578
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月25日
【發(fā)明者】A.辛哈爾, S.布勞因 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司