Regelverfahren für eine Tieftemperatur-Rektifikationsanlage

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, bei dem ein Fluid in eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne einer Tieftemperatur-Rektifikationsanalge eingeleitet wird, welche die bei höherem Druck arbeitende Kolonne und eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne aufweist, und bei dem Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne geleitet wird.

[0002] Bekannt sind Regelverfahren zur Änderung der Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, bei denen in der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne ein Sollwert für den Sumpfpegel als Stellgröße eingestellt wird. Durch Änderung des Sollwerts des Sumpfpegels wird die Anlage auf eine geänderte Menge an Einsatzfluid eingestellt. Die Änderung der Kapazität wird auch Lastwechsel genannt. Bei einer mit einem Lastwechsel einhergehenden Änderung der Menge des Einsatzfluids tritt in der Rektifikationskolonne vorübergehend eine Änderung des Verhältnisses von Flüssigkeit zu Dampf (F/D-Verhältnis) auf. Diese Änderung zieht eine unerwünschte Änderung der Reinheit der Produkte nach sich. Die bekannten Regelverfahren haben daher zum Ziel, das F/D-Verhältnis möglichst konstant zu halten, so dass die Produkte der Rektifikationsanlage für verschiedene Lastfälle der Anlage die gleiche Reinheit aufweisen. Dies wird bei allen bekannten Verfahren durch eine Regelung des Sumpfpegels erreicht, die den Pegelstand als Stellgröße benutzt. Derartige Regelverfahren sind beispielsweise aus den Druckschriften EP 0 684 436 oder US 3,912,476 bekannt.

[0003] Darüber hinaus ist es bekannt, zum Konstanthalten des F/D-Verhältnisses Pufferspeicher einzusetzen. Diese Methode ist jedoch mit einem erheblichen baulichen Aufwand verbunden.

[0004] Bekannt ist außerdem, dass nicht nur bei Kapazitätsänderungen Maßnahmen ergriffen werden müssen, um das F/D-Verhältnis konstant zu halten, sondern auch bei auftretenden Betriebsstörungen. Beispielsweise führen Schwankungen in der Luftmenge bei einer Luftzerlegungsanlage zu unterschiedlichen Flüssigkeitszuläufen in den Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne. Bei der bekannten Sumpfstandregelung, die den Sumpfstand konstant hält, wird die geänderte Flüssigkeitszulaufmenge auch als ebenso geänderte Flüssigkeitsablaufmenge weitergegeben. Das heißt, dass aus dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne variable Stöme in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne gelangen. Dies wirkt sich in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne negativ aus, weil die variable Flüssigkeitsaufgabe die Rektifikation stört.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine Tieftemperatur-Rektifikation mit gleichbleibender Produktreinheit bei Lastwechsel, wie auch bei Betriebsstörungen mit schwankender Einsatzfluidmenge gewährleistet.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Menge der Flüssigkeit, die aus dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne entnommen wird und der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne zugeführt wird, über eine Durchflussregelung geregelt wird, wobei eine Stellgröße für die Durchflussregelung auf eine gewünschte Durchflussmenge eingestellt ist und sich der Pegelstand der Flüssigkeit im Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne ohne Sollwertvorgabe entsprechend der entnommenen Menge an Flüssigkeit einstellt. Dabei ist als Durchflussregelung bevorzugt eine FIC-Einheit (Flow Indicated Control) als Regelungskomponente eingesetzt. Diese Einheit weist üblicherweise einen Durchflussmesser, sowie mindestens ein mit dem Durchflussmesser über eine Regelungsleitung verbundenes, ansteuerbares Ventil auf.

[0007] Bevorzugt ist die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eine Tieftemperatur-Rektifikationsanlage zur Luftzerlegung. Besonders bevorzugt wird zur Erhöhung der Betriebssicherheit zusätzlich zur Durchflussregelung ein Sumpfpegelanzeiger (Level Indicator) eingesetzt, dessen Zweck darin besteht, die Überschreitung eines festgelegten Maximalwerts für den Sumpfpegel anzuzeigen, sowie die Unterschreitung eines festgelegten Minimalwerts. Zweckmäßigerweise wird bei den beschriebenen Unter- bzw. Überschreitungen ein Warnsignal abgegeben.

[0008] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage zusätzlich zu der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne und der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne eine Argonkolonne mit einem Kopfkondensator aufweist und Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne in den Kopfkondensator und von dem Kopfkondensator in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne geleitet wird, wobei mittels der Durchflussregelung ein Ventil angesteuert wird, das die Menge an zuzuführendem Fluid in die bei niedriegerem Druck arbeitende Kolonne bestimmt, und ein Ventil angesteuert wird, das die entsprechende Menge an Fluid in den Kopfkondensator der Argonkolonne eintreten lässt.

[0009] Besonders vorteilhaft wird der Öffnungsgrad der beiden Ventile mittels einer Split-Range-Regelung vorgegeben. Dabei erfolgt eine Aufteilung der aus dem Sumpf entnommenen Flüssigkeitsmenge. Vorteilhaft wird die Verteilung der Menge auf die beiden Ventile in Anteilen vorgegeben. Bei einer Änderung der Durchflussmenge passen sich die Ventilstellungen entsprechend ihrer Anteile automatisch an.

[0010] Mit besonderem Vorteil wird bei einer Erhöhung der Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage keine außerhalb der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne gespeicherte stickstoffreiche Flüssigkeit in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne eingeführt. Bevorzugt werden der Sumpf und das anschließende Leitungsnetz in der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne, sowie gegebenenfalls der Kopfkondensator der Argonkolonne als Flüssigkeitspuffer bei Laständerungen eingesetzt. Damit wird das konstanthalten des F/D-Verhältnisses erleichtert. Mit Vorteil wird auch eine Kombination von beidem als Pufferspeicher eingesetzt.

[0011] Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass auch bei Schwankungen der Einsatzfluidmenge nur eine konstante Flüssigkeitsmenge aus dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne entnommen wird. Dadurch bleibt die Flüsigkeitsaufgabe in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne konstant und ungestört. Die Rektifikation in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne bleibt unverändert gut. Die Produktreinheit bleibt erhalten. Des Weiteren ist eine Durchflussregelung eine einfach, mit geringem Aufwand an Bauteilen zu realisierende, zuverlässige Regelungsmethode.

[0012] Die Änderung der Einsatzfluidmenge macht sich jeweils nur in einer Änderung des Sumpfpegels bemerkbar, der sich ohne Sollwertvorgabe entsprechend der aus dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne entnommenen Menge an Flüssigkeit einstellt. Zur Erhöhung der Sicherheit sind lediglich ein Maximalwert und ein Mmimalwert für den Sumpfpegel festgelegt. Bei Überschreitung des festgelegten Maximalwerts für den Sumpfpegel sowie bei Unterschreitung des festgelegten Minimalwerts wird zweckmäßigerweise ein Wamsignal abgegeben. Innerhalb dieser Grenzen kann der Sumpfpegel der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne fallen oder steigen, ohne dass das störende Auswirkungen auf die Rektifikation hat.

[0013] Für den Fall, dass eine Überschreitung des festgelegten Maximalwerts oder eine Unterschreitung des festgelegten Minimalwerts für den Sumpfpegel durch ein Warnsignal angezeigt wird, stehen mehrere Maßnahmen zu Verfügung, die alle darauf abzielen, den Sumpfpegel wieder in den unkritischen Bereich zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert zu bringen. Allen Maßnahmen ist gemein, dass ein oder mehrere der Fluidströme, die aus der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne heraus oder in diese hinein strömen, in ihrem Durchsatz verändert werden.

[0014] Beispielsweise wird bei einer Überschreitung des Maximalwerts für den Sumpfpegel die Entnahmemenge an Flüssigkeit aus dem Sumpf erhöht oder die Einsatzluftmenge vermindert. Es kann auch die Einspeisemenge der stickstoffreichen Flüssigkeit in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne oder in einen Speichertank erhöht werden.

[0015] Im Falle einer Unterschreitung des Minimalwerts für den Sumpfpegel in der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne werden die genannten Maßnahmen mit umgekehrtem Vorzeichen durchgeführt.

[0016] Im folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

Figur 1

zeigt einen Ausschnitt einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine FIC-Regelung aufweist.

Figur 2

zeigt einen Ausschnitt einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage mit Argonkolonne, wobei zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine FIC-Regelung vorgesehen ist, die zwei Ventile ansteuert.

[0017] Im einzelnen ist in der Figur 1 eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne 1, eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 2, ein Unterkühler 3, sowie eine FIC-Regelung 4 (Flow Indicated Control 4), ein Ventil 5, sowie eine Regelungsleitung 6 gezeigt. Die aus dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 1 entnommene Flüssigkeit wird über den Unterkühler 3 zu der FIC-Regelung 4 geleitet, die einen Durchflussmesser aufweist. Der Durchfluss und die sich daraus ergebende Einspeisung über das Ventil 5 in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 2 wird so geregelt, dass das F/D-Verhältnis in der Kolonne 2 auch bei sich ändemder Einsatzluftmenge konstant bleibt. Mit besonderem Vorteil wird der Durchfluss des Fluids gemessen nachdem das Fluid den Unterkühler 3 passiert hat. Zur Erhöhung der Sicherheit ist im Bereich des Sumpfes der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 1 vorteilhaft ein Sumpfpegelanzeiger 7 (Level Indicator 7) angebracht, der bei Überschreitung eines festgelegten Maximalwerts für den Sumpfpegel sowie bei Unterschreitung eines festgelegten Minimalwerts ein Signal abgibt.

[0018] Die Figur 2 zeigt zusätzlich zu den bereits im Abschnitt über die Figur 1 beschriebenen Komponenten eine Argonkolonne 8, einen Kopfkondensator 9 der Argonkolonne 8, sowie eine zweite Regelungsleitung 10, die ein zweites Ventil 11 ansteuert, durch das die Zufuhrmenge an Fluid in den Kopfkondensator 9 der Argonkolonne 8 eingespeist wird. Die FIC-Regelung 4 ist in diesem Beispiel als Split-Range-Regelung 4 ausgeführt, wodurch sichergestellt ist, dass die Aufteilung der aus dem Sumpf entnommenen Flüssigkeitsmenge auf die beiden Ventile 5, 11 bei einer Änderung der Durchflussmenge durch die FIC-Einheit so angepasst wird, dass sich die Ventilstellungen entsprechend ihren Fluidanteilen automatisch nachregeln.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung der Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage, bei dem ein Fluid in eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne (1) einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eingeleitet wird, welche die bei höherem Druck arbeitende Kolonne (1) und eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (2) aufweist, und bei dem Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (1) in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (2) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Flüssigkeit, die aus dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (1) entnommen wird und der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne (2) zugeführt wird, über eine Durchflussregelung (4) geregelt wird, wobei eine Stellgröße für die Durchflussregelung (4) auf eine gewünschte Durchflussmenge eingestellt ist und sich der Pegelstand der Flüssigkeit im Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (1) ohne Sollwertvorgabe entsprechend der entnommenen Menge an Flüssigkeit einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage eine Tieftemperatur-Rektifikationsanlage zur Luftzerlegung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tieftemperatur-Rektifikationsanlage zusätzlich zu der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (1) und der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne (2) eine Argonkolonne (8) mit einem Kopfkondensator (9) aufweist und Flüssigkeit von dem Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (1) in den Kopfkondensator (9) und von dem Kopfkondensator (9) in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (2) geleitet wird, wobei mittels der Durchflussregelung (4) ein Ventil (5) angesteuert wird, das die Menge an zuzuführendem Fluid in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne (2) bestimmt, und ein Ventil (11) angesteuert wird, das die entsprechende Menge an Fluid in den Kopfkondensator (9) der Argonkolonne (8) eintreten lässt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der beiden Ventile (5, 11) mittels einer Split-Range-Regelung (4) vorgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erhöhung der Kapazität einer Tieftemperatur-Rektifikationsanlage keine außerhalb der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne (1) gespeicherte stickstoffreiche Flüssigkeit in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne (1) eingeführt wird.

Claims

1. Process for controlling the capacity of a cryogenic rectification plant, in which a fluid is introduced into a column (1), working at a relatively high pressure, of a cryogenic rectification plant, which plant includes the column (1) working at relatively high pressure and a column (2) working at lower pressure, and in which process liquid from the bottom of the column (1) working at relatively high pressure is passed into the column (2) working at lower pressure, characterized in that the quantity of liquid which is removed from the bottom of the column (1) operating at relatively high pressure and is fed to the column (2) working at lower pressure is controlled by means of a through-flow control (4), a control variable for the through-flow control (4) being set to a desired through-flow quantity, and the level of the liquid in the bottom of the column (1) working at relatively high pressure being set according to the quantity of liquid removed without any desired value being preset.

2. Process according to Claim 1, characterized in that the cryogenic rectification plant is a cryogenic rectification plant for air separation.

3. Process according to Claim 1 or 2, characterized in that the cryogenic rectification plant, in addition to the column (1) operating at relatively high pressure and the column (2) operating at lower pressure, also has an argon column (8) with a top condenser (9), and liquid from the bottom of the column (1) operating at relatively high pressure is passed into the top condenser (9) and from the top condenser (9) into the column (2) operating at lower pressure, a valve (5) which determines the quantity of fluid to be supplied into the column (2) operating at lower pressure being actuated by means of the through-flow control (4), and a valve (11) being actuated so as to allow the corresponding quantity of fluid to enter the top condenser (9) of the argon column (8).

4. Process according to Claim 3, characterized in that the degree of opening of the two valves (5, 11) is predetermined by means of split range control (4).

5. Process according to one of Claims 1 to 4, characterized in that if the capacity of a cryogenic rectification plant is increased, no nitrogen-rich liquid stored outside the column (1) operating at relatively high pressure is introduced into the column (1) operating at relatively high pressure.

Revendications

1. Procédé de régulation de la capacité d'une installation de rectification cryogénique, dans lequel un fluide est introduit dans une colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression d'une installation de rectification cryogénique, laquelle présente la colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression et une colonne (2) fonctionnant à plus basse pression, et dans lequel le liquide est guidé du puisard de la colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression dans la colonne (2) fonctionnant à plus basse pression, caractérisé en ce que la quantité de liquide qui est prélevée du puisard de la colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression et qui est alimentée à la colonne (2) fonctionnant à plus basse pression est régulée par le biais d'une régulation de débit (4), une valeur de réglage pour la régulation de débit (4) étant ajustée à une quantité de débit souhaitée et le niveau du liquide dans le puisard de la colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression s'ajustant en fonction de la quantité de liquide prélevée sans fourniture de valeur de consigne préalable.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de rectification cryogénique est une installation de rectification cryogénique de décomposition de l'air.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'installation de rectification cryogénique présente en plus de la colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression et de la colonne (2) fonctionnant à plus basse pression, une colonne d'argon (8) avec un condenseur de tête (9) et du fluide provenant du puisard de la colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression est introduit dans le condenseur de tête (9) et du condenseur de tête (9) dans la colonne (2) fonctionnant à plus basse pression, une soupape (5) étant commandée au moyen de la régulation de débit (4), laquelle détermine la quantité de fluide à acheminer dans la colonne (2) fonctionnant à plus basse pression, et une soupape (11) étant commandée, laquelle laisse entrer la quantité correspondante de liquide dans le condenseur de tête (9) de la colonne d'argon (8).

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le degré d'ouverture des deux soupapes (5, 11) est prédéfini au moyen d'une régulation split-range (4).

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans le cas d'une augmentation de la capacité d'une installation de rectification cryogénique, aucun liquide riche en azote stocké en dehors de la colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression n'est introduit dans la colonne (1) fonctionnant à relativement haute pression.

Zeichnung