DE2100397A1 - Automatisches Reguherverfahren fur eine Lufttrennanlage - Google Patents

Automatisches Reguherverfahren fur eine Lufttrennanlage

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DE2100397A1
DE2100397A1 DE19712100397 DE2100397A DE2100397A1 DE 2100397 A1 DE2100397 A1 DE 2100397A1 DE 19712100397 DE19712100397 DE 19712100397 DE 2100397 A DE2100397 A DE 2100397A DE 2100397 A1 DE2100397 A1 DE 2100397A1
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Takarazuka Nakanishi Sadayuki Miyazaki Matsuzi Kobe Hyogo Izumichi Tetsuo (Japan)
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Kobe Steel Ltd , Kobe, Hyogo (Japan)
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Description

Kobe Steel, Ltd., 36-1, Wakihama-cho 1-chome, Fukiai-ku,
Kobe-shi, Hyogo-ken / Japan
Automatisches Regulierverfahren für eine Lufttrennanlage
Priorität: 9,Jan. 197o; Japan; Nr, 28oo/197o
Die Erfindung betrifft ein automatisches Regulierverfahren für eine Lufttrennanlage und insbesondere ein Verfahren zur automatischen Regulierung bzw. Regelung der Rektifizierzustände in einer einzigen Rektifizierkolonne bzw. Säule sowie der Zustände bei der Kälteerzeugung in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte, im folgenden Kältegenerator genannt, bei stabilisiertem Arbeitszustand einer Lufttrennanlage.
In einer Lufttrennanlage mit einer einzigen Rektifizierkolonne, die mit einem Wärmetauscher mit Phasenübergang auf beiden Seiten, im folgenden als Kondensator-Verdainpfer-Einheit bezeichnet, versehen ist, sowie mit einem Kältegenerator, beispielsweise einer Mitteldruck-Expansionsturbine, wird die als Ausgangsmaterial verwendete Luft mit der im Kältegenerator erzeugten Kälte vex'flüssigt. Die verflüssigte Luft wird in der einzigen Rektifizierkolonne rektifiziert. Das in der Kojidenßator-Verdampfer-Einheit gebildete Abgas wird zum Kältegenerator transportiert, wo es als Kältequelle verwendet wird.
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Von den verschiedenen Faktoren für die Erzeugung von Kälte in einem Kältegenerator, beispielsweise den Drucken am Einlaß und Auslaß, der Temperatur und dem Volumenstrom, stehen der Druck am Einlaß und der Volumenstrom in enger Beziehung zu dem Druck auf der Verdampfungsseite und dem Verdampfungsvolumen in der Kondensator-Verdampfer-Einheit der Rektifizierkolonne. Das Über- und Unterverhältnis von Kälte in der gesamten Lufttrennanlage wird danach beurteilt, ob der Flüssigkeitsspiegel der Verdampfungsseite in der Kondensator-Verdampfereinheit eine steigende oder fallende Tendenz hat. Wenn zu wenig Kälte vorhanden ist und dementsprechend der Flüssigkeitsspiegel eine fallende Tendenz zu zeigen beginnt, muß der Druck am Einlaß des Kältegenerators erhöht oder der Volumenstrom im Kältegenerator vergrößert werden. Wenn zuviel Kälte vorhanden ist und deshalb eine steigende Tendenz des Flüssigkeit sspiegels erkennbar ist, muß der Druck am Einlaß des Kältegenerators erniedrigt oder der Volumenstrom im Kältegenera-, tor verringert werden. Um die Rektifikation bei stabilisierten Bedingungen ausführen zu können, sollten jedoch der Druck und das Behändlungsvolumen an Luft in der Rektifizierkolonne nicht abrupt geändert werden. Wie oben erwähnt, wird das in der Kondensator-Verdampfer-Einheit, die in der Rektifizierkolonne angeordnet ist, gebildete Abgas dem Kältegenerator zugeführt. Eine Erhöhung oder Erniedrigung des Drucks am Einlaß des Kältegenerators ergibt deshalb eine Zunahme oder ein Absinken des Drucks auf der Verdampfungsseite der Kondensator-Verdampfer-Einheit. Derartige Druckänderungen würden unvermeidbar eine beträchtliche Änderung des Drucks und des Behandlungsvolumens an Luft in der Rektifizierkolonne hervorrufen, so daß stabilisierte Bedingungen für die Rektifikation nicht gewährleistet werden können.
Für den Fall, daß man eine Druckänderung auf der Verdampfungsseite der Kondensator-Verdampferr-Einheit zuläßt, führt die Aufrechterhaltung des Drucks auf der Kondensationsseite auf
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einem konstanten Wert zu einer Änderung der Temperaturdifferenz zwischen der Kondensations- und der Verdampfungsseite, wodurch der Wärmeaustausch erhöht oder erniedrigt wird, d. h. das Behandlungsvolumen an Luft in der Rektifizierkolonne. Für den Fall, daß das Behandlungsvolumen an Luft konstant gehalten wird, wird dann der Druck auf der Kondensationsseite verändert, damit der Temperaturunterschied zwischen der Kondensationsund der Verdampfungsseite konstant gehalten werden kann.
Die vorstehenden Gesichtspunkte sollen anhand eines Zahlenbei« spiels mit folgenden Größen näher erläutert werden:
Behandlungsvolumen Luft: W = looo Nm /h
Druck auf der Kondensationsseite: 6,4 at (Kondensationstemperatur des gasförmigen Stickstoffs: - 173»5 C).
Druck der verflüssigten Luft mit einem Gehalt von 49 % Sauerstoff auf der Verdampfungsseite: 3i4 at (Verdampfungstemperatur: - 175,5°C)
Teniperaturdifferenz zwischen der Kondeneations- und der Verdampfungsseite der Kondensator-Verdampfer-Einheit:
Δ T ss. 2°C
Wärmeübergang: (λ. = 332oo Kcal/h
Unter diesen Bedingungen entspricht die Druckänderung auf der
ο
Verdampfungsseite von o,2 kg/cm einer Änderung der Verdampfung; temperatur der flüssigen Luft auf der Verdarapfungsseite von o,5 C. Im folgenden wird die Abhängigkeit von Druck und •Volumenstrom näher erläutert.
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a) Konstant gehaltener Druck auf der Kondensationsseite:
Die Temperaturdifferenz der Kondensator-Verdampfer-Einheit beträgt Λ.Τ = 2 + o,5°C. In der Gleichung Q = UAAT, worin U die alle Einflüsse berücksichtigende Wärmeübergangszahl und A die Fläche ist, durch welche der Wärmeübergang erfolgt, ist A konstant und U ebenfalls annähernd konstant, während die übertragene Wärmemenge Q verändert wird. Dementsprechend wird das Behandlungsvolumen an Luft W = looo + 2^o Nm"/h. Die Änderung an behandelter. Luft beträgt somit -h 25 %.
b) Konstant gehaltenes behandeltes Luftvolumen (d. h. konstanter Wärmeaustausch):
Da Q konstant ist, wird der Druck auf der Kondensationsseite so geändert, daß T konstant werden kann. Die Temperatur auf der Kondensationsseite ändert sich auch um + o,5 C entsprechend der Temperaturändei-ung von o,5 C auf der Ver-dampfungsseite. Die Druckänderung entsprechend der vorstehend erwähnten Temperatur beträgt o,35 kg/cm , was wiederum bei einem Druck von 6,4 + o,35 at zu einer Änderung des Drucks auf der Kondensationsseite von + 5>5 % führt.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß die Druckänderung auf der Kondensationsseite der Kondensator-Verdampfer-Einheit einen großen Einfluß auf die Rektifizierbedingungen in der Rektifi-Ziierkolonne ausübt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem bei stabilisierten Bedingungen rektifiziert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist es erforderlich, Druck- und Volumenänderungen der behandelten Luft in dem Rektifizierer so weit wie möglich auszuschließen. Andererseits muß unbedingt
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der Druck auf der Verdampfungsseite, d, h. der Eirilaßdruck am Kältegenerator reguliert werden, wenn man die Wärmebilanz der ganzen Anlage in Betracht zieht.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Steuerung der Kälteerzeugung in einer Lufttrennanlage mit einer einzigen Rektifizierkolonne, in der eine Kondensator-Verdampfer—Einheit angeordnet ist, mit einem Kältegenerator und einem Durchlaß, der die Kondensator-Verdampfer-Einheit und den Kältegenerator verbindet, dadurch gelöst, daß der Durchlaß bzw. die Leitung einen Bypasskanal hat, der mit der Auslaßseite des Kai^e^a»ierators verbunden ist. In dieser Anlage wird das Ausgangsmaterial Luft mit der in dem Kältegenerator erzeugten Kälte verflüssigt, die verflüssigte Luft in der einzigen Rektifizierkolonne rektifiziert und das in der Kondensator-Verdampfer-Einheit gebildete Abgas teilweise dem Kältegenerator über den Durchlaß und das restliche Abgas dem Bypasskanal zugeführt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß der Volumenstrom an Abgas zum Bypasskanal abhängig von der Änderung des Flüssigkeitsspiegels auf der Verdampfungsseite der Kondensator-Verdampfer-Einheit reguliert wird. '
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung beispieIsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage zur Erzeugung von Stickstoff.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Regulierung des Flüssigkeitsspiegels und des Drucks auf der Verdampfungsseite der Kondensator-Verdampfer-Einheit durch Öffnen eines in dem Bypasskanal angeordneten Regulierventils.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird die als Ausgangsmaterial verwendete Luft in einem Rohr 1 zugeführt und in einem Kompressor
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verdichtet. Wenn nur gasförmiger Stickstoff hergestellt werden soll, reicht eine Kompression auf etwa 6 bis 7 kg/cm". Soll gleichzeitig flüssiger Stickstoff hergestellt werden, so koinprimiert man zweckmäßigerweise auf etwa 8 bis 9 kg/cm . Die komprimierte Luft strömt durch eine Leitung 3 zu dem Hochtemperaturteil k und dem Niedertempei-aturteil 5 eines Rückstrom Wärmetauschers , wo der Wärmeaustausch mit. dem zurückgeführr ten Gas vorgenommen wird. Die auf diese Weise bis in die Nähe der Verflüssigungstemperatur abgekühlte Luft wird über ein Sperr- bzw. Rückschlagventil 6 und eine Leitung 7 weitertransportiert und tritt in aen Bodenteil der einzigen Rektifizierkolonne 8 ein} wo si'e verflüssigt und in verflüssigte Luft mit Sauerstoffanreicherung und gasförmige Luft getrennt wird, die Stickstoff in holier Konzentration enthält. Die über eine Leitung Io abgeführte gasförmige Luft wird mit Rückführgas in einem Luftverflässiger 9 in Wärmeaustausch gesetzt. Die sich ergebende verflüssigte Luft wird durch eine Leitung 11 zum Bodenteil des Rektifizierers 8 zurückgeführt.
Die flüssige Luft am Bodenteil des Rektifizierers 8 wird durch eine Leitung 12 zu einem Filter 13 transportiert, wo Verunreinigungen, wie CO und Kohlenwasserstoffe adsorbiert und beseitigt werden. Danach strömt die gefilterte Flüssigkeit durch ein Durchsatzregelventil l4, wo der Druck auf etwa 3 bis k kg/cm reduziert wird, und tritt in die Verdampfungsseite einer Kondensator-Verdampfer-Einheit l6 ein. In der Koiidensator-Verdampfer-Einheit l6 unterliegt die flüssige Luft einem. Wärmeaustausch mit gasförmigem Stickstoff hoher Reinheit, der vom Oberteil des Rektifizierers 8 durch eine Leitung 17- kommt. Dadurch wird der gasförmige Stickstoff verflüssigt. Der flüssige Stickstoff strömt durch eine Leitung l8 zum Oberteil des Rektifizierers 8. Auf der anderen Seite wird die flüssige Luft infolge des Wärmeaustausches verdampft und strömt durch eine Leitung 19 zur weiteren Verwendung als Rückführgas.
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Ein größerer Teil der, wie oben beschrieben, verdampften und durch die Leitung 19 strömenden Luft wird über eine Leitung zu dem Verflüssiger 9 gebracht und strömt durch eine Leitung 21, lvo eine Trennung in zwei Teile erfolgt. Ein Teil strömt über ein Regulierventil 22 und eine Leitung 23 zu dem Niedertemperaturteil 5 für einen Wärmeaustausch mit der als Ausgangsmaterial verwendeten Luft, die vom Kompressor 2 kommt. Dadurch wird das darin enthaltene CO verflüssigt. Der abge« zweigte eine Luftteil strömt dann durch eine Leitung 24 und ein Regulierventil 25 zu einer Expansionsturbine 26. Der1 andere an der Leitung 21 abgetrennte Teil strömt über ein Regulierventil 27 und wird mit dem oben erwähnten Ruokiührgas zusammengeführt. Das zusammengeführte Gas wird in der Expansionsturbine 26 nahezu auf Atmosphärendruck expandiert, wodurch thermodynamische äußere Arbeit geleistet und die Temperatur beträchtlich, abgesenkt wird, so daß Kälte erzeugt wird, die ausreicht, die Erfordernisse der Anlage zu erfüllen. Das expandierte Gas strömt durch Leitungen 28 und 29 zum Verflüssiger 9 und dann durch eine Leitung 3° und das Sperrventil 6 zum Rückstroniwärnietauscher. Das Gas wird infolge des Wärmeaustausches mit der als Ausgangsmaterial verwendeten Luft auf Zimmertemperatur erwärmt und dann durch eine Leitung 31 abgeführt.
Ein kleinerer Restteil der verdampften, durch die Leitung 19 fließenden Luft strömt durch einen Bypasskanal 33 und ein Regulierveiitil 32, wird mit dem Gas von der Leitung 28 vereinigt und strömt durch die Leitung 29 weiter. Das Regulierventil 32 reguliert den Volumenstrom und den Druck am Einlaß der Expansionsturbine 26 und somit die Kälteerzeugung. Wenn der Flüssigkeitsspiegel der flüssigen Luft auf der Verdampfungsseite 15 de*· Kondensator-Verdampfer-Einheit l6 niedriger als ein festgelegter Spiegel wird, arbeitet das Regulierventil in Schließrichtung, wodux-ch der Volumenstrom in der Expansionsturbine 26 zunimmt und der eingestellte Spiegel der flüssigen
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Luft wieder erreicht wird. Wenn der Flüssigkeitsspiegel eine größere Höhe erreicht, arbeitet das Regulierventil 32 in Öffnungsrichtung, wodurch der Volumenstrom in der Expansionsturbine verringert und somit der festgelegte Spiegel der flüssigen Luft wieder erreicht wird.
Es sei hier jedoch erwähnt, daß, wenn das Regulierventil 32 in Schließrichtung derart betätigt wird, daß der Druck auf der Verdampfungsseite 15 der Kondensator-Verdampfer-Einheit l6 abrupt hochgeholt wird, sich eine Gefahr bezüglich einer Störung der stabilisierten Rektifizierbedingungen der einzigen Rektifizierkoloiine cixi&tellen würde. Außerdem würde sich eine beträchtliche Zeitverzögerung in dem Zeitraum von der Wirkung des Regulierventils 32 bis zu tatsächlichen Wiederherstellung des festgelegten Flüssigkeitsspiegels ergeben.
Um eine Überforderung des Regulierventils 32 zu vermeiden, wird zweckmäßigerweise ein Mechanismus vorgesehen, damit der Druck auf der Verdampfungsseite 15 der Kondensator-Verdampfer-Einheit l6 nicht über oder unter bestimmte obere und untere Grenzen von dem Druckniveau abweichen kann, bevor das Regulierventil 32 zu arbeiten beginnt.
In Fig. 2, die zur Veranschaulichung eines derartigen Mechanismus dient, sind die relativen Änderungen des Flüssigkeitsspiegels "L" der flüssigen Luft auf der Verdampfungsseite 15 der Kondensator-Verdampfer-Einheit l6, des Druckes "P" auf der Verdampfungsseite 15 und des Öffnungsgrades 11V" des Bypassregulierventils 32 über der Zeit "t" gezeigt. In dem FaJl, wo sich der Flüssigkeitsspiegel ausgehend von der Zeit t ,ändert und niedriger wird als der festgelegte Grenzwert L , wird der Druck auf der Verdampfungsseite 15 der Kondensator-VerdampferEinheit 16 vom festgelegten Wert P nach oben um G' gesteigert, was dem Niveau- bzw. Spiegelverschiebungsgrad θ entspricht. Gleic zeitig wijrd das Regulierventil 32 in Schließrichtung betätigt,
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— Q «
so daß der Volumenstrom in der Expansionsturbine 26 ansteigt. Während ö'/0 wahlweise einstellbar ist, sollte die Regulieranordnung so getroffen werden, daß eine drastische Druckänderung im Hinblick auf den Flüssigkeitsspiegel nicht eintritt.
Wenn das Regulierventil 32 in Schließrichtung verengt ist, und wenn sich der Flüssigkeitsspiegel selbst wieder einstellt, was durch "e" in dem Diagramm angedeutet ist, und zusammen damit sich der Druck P sowie der Ventilöffnungsgrad V ebenfalls jeweils zu den ursprünglichen Werten P und V bewegen, dann werden derartige Verläufe, wie sie oben geschildert sind, als zufriedenstellend beurteilt. In dem Fall jedoch, wo die Flüs- ' sxgkeitsspiegelabsenkung noch fortdauert und nicht aufhören würde und deshalb wiederum der Druck auf P„ kommen würde, wird eine Reguliermaßnahme ergriffen, um den Ventilöffnungsgrad auf V zu halten, welcher der Öffnungsgrad in diesem Augenblick
2 ist. Ein geeigneter Wert für P„ kann P +· o,o5 «"ν/ο,Ι kg/cm sein. Durch diese Einstellung wird der Kältehaushalt bzw. -Überschuß erfolgreich erreicht, ohne daß der Druck auf der Verdampfungsseite 15 einer großen Änderung ausgehend von der Zeitverzögerung in dem Zeitraum vom Wirkungsbeginn des Regulierventils 32 bis zur tatsächlichen Wiederherstellung des Flüssigkeitsniveaus ausgesetzt wird. D. h. mit anderen Worten, daß der Kältehaushalt ohne zwangsweise Einwirkung auf die M
Rektifizierbedingungen oder eine Störung der Bedingungen aufrechterhalten werden kann.
Wenn der Venti!öffnungsgrad auf VT gehalten werden soll, wenn der Flüssigkeitsspiegel die Tendenz hat, seine Lage wieder einzunehmen, wie es in dem Diagramm bei "d" gezeigt ist, dann beginnt der Druck, der auf P„ gehalten wird, bis zur Wiederherstellung des Flüssigkeitsniveaus auf L , in Richtung der Ventilöffnung zu arbeiten. Wenn sich der Flüssigkeitsspiegel noch weiter absenkt, wird eine Reguliermaßnahme ergriffen,
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- Io -
um das Ventil dahingehend zu betätigen, daß der Druck in der Zeit nach oben geht, wenn sich der Flüssigkeitsspiegel auf L abgesenkt hat. Wenn der Flüssigkeitsspiegel weiter absinkt und der Druck ebenfalls weiter ansteigt und trotz der oben beschriebenen Ventilbetätigung fast die festgesetzte Grenze erreicht» so wird dieser Verlauf durch eine Alarmvorrichtung oder dergleichen angezeigt. Dadurch kann der ursprünglich festgelegte Wert des Druckes oder der Wert von O'/O- zweckdienlich geändert werden, um die Einstellung des Flüssigkeitsspiegels wieder zu erreichen. In dem Fall, wo der Flüssigkeitsspiegel einmal über den. festgelegten Grenzwert L hinausgegangen ist und wieder zu ihm zurückkommt, soll der Ventilöffnungsgrad auf einen konstanten Wert eingestellt werden, so daß der Druck bei dem Offnungsgrad beibehalten wird, der in dem Zeitpunkt aufgebaut wird, in dem der Flüssigkeits~ spiegel L- erreicht hat. Danach, wenn der Flüssigkeitsspiegel den ursprünglich festgelegten Wert L erreicht oder ein bestimmter Zeitraum vergeht, wird der Ventilöffnungsgrad vdeder in den freien Zustand zurückgeführt und die Regulierung abhängig von der Änderung des momentanen Flüssigkeitsspiegels fortgesetzt. Diese Vorgänge sind durch die Buchstaben "a", "b" und "c" in dem Diagramm angedeutet.
Wenn die Anlage den stationären Betriebszustand erreicht, stellt sich der Flüssigkeitsspiegel in allgemeinen in der Zeit "t " oder "t " selbst ein. Eine weitere zusätzliche Regulierung ist kaum erforderlich, wenn nicht der Wärmehaushalt irgendwie von außen gestört wird. Der eingestellte Wert kann jedoch abhängig von der zeitabhängigen Temperaturänderung nach der Zeit "t " eingestellt werden.
Die obigen Erläuterungen gingen von dee Fall aus, bei welchem der Flüssigkeitsspiegel fällt. Die gleichen Erläuterungen treffen jedoch entsprechend für den Fall zu, bei welchem der Flüssigkeitsspiegel steigt.
- Ansprüche -109833/1303

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE
1. JReguliervorrichtung für eine Kälteanlage mit einem Rückstromwärmetauscher, einem Luftverfiüssiger, einer einzigen Rektifizierkolonne, in der eine Kondensator-Verdampfer-Einheit angeordnet ist, und mit einem Kältegenerator, gekennzeichnet durch ein Regulierveiitil (32) in einem Bypasskanal (33) > der eine Stelle der Leitung ΖΛΟ-Schen der Kondensator-Verdampfer-Einheit (l6) und dem LuftverflüsFiger (9) sowie eine Stelle an der Leitung zwischen dem Kältegenerator (26) und dem LuftverfIüssiger (9) verbindet.
2. Verfahren zur Regulierung der Kälteerzeugung bei einer Vorrichtung nach Anspruch I1 bei welchem die Luft in dem Ruckstromwärmetauscher gekühlt und in dem LuftverfIüssiger verflüssigt, die verflüssigte Luft in der einzigen Rektifizierkolonne rektifiziert und in flüssige Luft mit Sauerstoffanreicherung und gasförmigen Stickstoff hoher Reinheit getrennt wird, die flüssige Luft einem Wärmeaustausch in der Kondensator-VerdampferEinheit unterliegt, die erhaltene wieder gasförmige
Luft einem Wärmeaustausch in dem LuftverfIüssiger aus- ™
gesetzt und durch den Rückstromwärmetauscher zum Kältegenerator geführt wird und die erhaltene flüssige Luft durch den LuftverfIüssiger und den Rückstromwärmetauscher ins Freie strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der Offnungsgrad des Regulierventils automatisch so eingestellt wird, daß der Volumenstrom der gasförmigen L\ift, die durch den Bypasskanal strömt, geeignet reguliert wird, wodurch der Spiegel der flüssigen Luft in der Kondensator-Verdampfer-Einheit konstant gehalten und
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die Rektifizierung der verflüssigten Luft in der einzigen Rektifizierkolonne bei stabilen Bedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadur'ch gekennzeichnet, daß das Öffnen des Steuerventils im Bypasskanal als solches zu der Zeit festgelegt ist, wenn der Druck auf der Verdampfungsseite der Kondensator-Verdampfer-Einheit sich im bestimmten Ausmaß ausgehend von einem festgelegten Wert ändert, so daß die Zeitverzögerung für die Wiederherstellung des Flüssigkeitsspiegels ■ reguliert wird.
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