使空分单元中的氩回收最佳化的方法和系统

摘要

一种使氩回收最佳化的低温空分系统，包括一个空气入口，一个高压蒸馏塔，一个低压蒸馏塔，一个粗氩蒸馏塔，和一个自动控制原氩流的组成以在防止粗氩流中的氮浓度超过预定值的同时降低流中的氧浓度的控制器。另外，该控制器还控制粗氩流的组成直至粗氩流的氧浓度达到预定值。该控制器可以包括一个多变量预测控制器。

说明书

发明领域

本发明涉及使空分单元中的氩回收最佳化的方法和系统。

相关技术

低温空分单元(ASUs)一直用于通过冷却、液化和蒸馏空气而生产氧气、氮气和氩气。在基本系统中，空气是用高压和低压的低温蒸馏塔进行压缩和分离的。在高压塔内，氮被从空气中分离出来，产生了底部的富氧液体和顶部的富氮液体和蒸汽。这些产品被提取出来，某些被单独地输送到低压塔。由于氩、氮和氧之间相对挥发度的差异，在低压塔顶部附近形成了基本上纯的气相氮，在塔底部附近形成了基本上纯的液态氧，并在接近塔中心形成了富氩的氧气。称作原氩(rawargon)的中心富氩馏分被从低压塔中提取出来，由一种流输送到辅助的粗氩(crude argon)塔中。原氩流被精馏成随后被输送回低压塔以进行冷凝的富氧回流，以及或作为产品输送或进一步精制的粗氩。

原氩流除了含有氧之外，典型地含有少量氮。氮的存在在处理氩时引起很多工艺问题。为了使回收的氩量最大化，必须使从低压塔提取出来的原氩量最大化，并使原氩流中提取的氧量最小化。但是，增加从低压塔提取的原氩量也增加了从低压塔中提取出并输送给粗氩塔的氮量。如果氮量变得过高，粗氩塔顶部的氮气压将对氩冷凝器的传热能力产生有害的影响，这将不利地影响气体沿塔向上的流动。具体地说，当粗氩塔中的氮浓度超过一个阈值时，气体的流动将变得不足以支持塔内的液体滞留量。液体沿粗氩塔向下流动，回到低压塔中。这已知为“倾卸(dumping)”粗氩塔。倾卸的结果不仅包括氩回收率的损失，还将相当多的污染氧和氮产品纯度的液体引入低压塔内。因此，倾卸是高氩回收率下操作的一个昂贵的经济惩罚。为了避免倾卸，工厂故意在显著低于该工厂最大回收率的比率下回收氩。氩是空分产品的一个有价值的副产品；因此，减少氩塔产品流动在经济上是不受欢迎的。另外，理想的是不管工厂模式如何(也就是说，不管空分单元试图生产何种产品)都要使氩的回收最大化。

现有技术中已知大量不同的方法试图在使倾卸危险最小化的同时使空分系统中的氩回收最大化。例如，Allam等人的美国专利4,842,625描述了一种低温空分方法，其中氩塔的进料气压被降低至低于一个控制值，而且氩塔在其尽可能低的压力下操作，该尽可能低的压力是和塔顶冷凝器与从塔顶冷凝器到低压塔的粗氧蒸汽无限制回流之间的最小温差相一致的。

Howard等人的美国专利5,313,800和5,448,893描述了一种使氩回收最佳化的方法，其中对位于精馏的一个或多个预选阶段处的工艺变量进行了成分测量，该测量被认为显示了对工厂工艺变量的高选择性。然后，氩原料中的总氮含量可通过模拟数学关系式而由测量计算得出。

也属于Howard等人的美国专利5,469,710描述了一种用于提高氩回收的低温空分系统，其中，来自氩塔顶部冷凝器的蒸汽被涡轮膨胀以致冷，并被随后输送到低压塔中。

Al-Chalabi的美国专利4,784,677描述了一种方法和装置，可用于控制空分过程而得到氧、氩和氮产品，还可用于控制输送给塔以产生粗氩的原料流组成。原料流的氮含量被实时地直接分析，并被保持在一个预选择的范围内。分析的结果可随后用于控制方法操作，例如可通过调节回流或产品排出率。

虽然上面所描述的每个系统都提供了某些效率和优点，但仍需要提供一种能在使倾卸的发生机会最小化的同时使氩回收最佳化的、包括粗氩塔的空分系统。

发明综述

因此，本发明的一个目的是提供一种可使系统操作过程中的氩回收最佳化的综合空分和工艺控制系统。

本发明的另一个目的是使用一个多变量预测控制器(MVPC)来调节系统条件。

本发明还有一个目的是提供一种包括MVPC的产氩空分系统，该MVPC用一个虚拟被控变量逐步向下推动最高和最低的原氩纯度(“气泡”)限，直至粗氩流中的氮达到其可控最大值。

本发明还有一个目的是提供一种包括MVPC的空分系统，该系统通过使原氩流中的氩纯度最小化直至流体中的氮含量(N₂)位于其可控的最大值，并使粗氩流的流动最大化直至流体中的氧含量(O₂)位于其可控的最大值，从而实现了在任何ASU操作模式中的最大氩回收。

前述目的是单独和/或联合实现的，这并不意味着本发明可以解释为需要两个或更多个目的联合在一起，除非通过这里所附的权利要求书而明确需要的之外。

根据本发明，一个空分系统包括一个低压塔，一个高压塔，一个粗氩塔，和一个多变量预测控制器，该系统可以同时地1)使低压塔排放的原氩流的氩纯度最小化，直至根据粗氩流离开粗氩塔处所测量的粗氩流中的氮含量(N₂)位于其可控的最大值，2)使从粗氩塔提取出的粗氩流的流动最大化，直至粗氩流的氧含量(O₂)位于其可控的最大值。本发明的上述和其它目的、特征、优点在考虑到对它们的具体实施方式的如下详细描述之后，尤其是联系附图后将变得显而易见，其中在附图中，不同附图的相同附图标记用来表示相同的部件。

附图概述

附图1是包括MVPC控制器的一个示例性空分单元的示意图。

附图2是说明原氩流中的原氩纯度控制的图表，它包括对粗氩流中的氮量作出的指示，该氮量是在离开粗氩塔的粗氩流中测量的。

优选实施方式的描述

一个包括空分单元(ASU)的典型系统公开在美国专利号6,622,521中，该专利通过参考而全部包括在这里。参见图1，ASU可以如此构型以使大气经由一个空气输入子系统110进入工厂内。该空气输入子系统110可包括一个具有导流叶片141的空气入口140、一个过滤器142、以及包括诸如空气压缩器、干燥器和冷却器等元件的一个空气处理单元144。干燥器可进一步包括一种或多种分子筛、吸附床、干燥剂和前段反向交换剂。在一个示例性实施方式中，干燥器利用来自空分单元中另一元件的废氮气流。另外，冷却器可包括一个高效主换热器。冷却、干燥而且高压的空气146的已处理流被引入高压低温蒸馏塔120中。高压塔的组成不受限制，可为现有技术中常规已知的类型(例如板式或填充塔)。在一个示例性实施方式中，空气在大约-274°F温度下进入高压塔120。

ASU还包括一个低压低温蒸馏塔122。低压塔的组成不受限制，可为现有技术常规已知的类型(例如板式或填充塔)。高压和低压塔可以包含在一个单元内，共享一个主冷凝器182。可选地，塔120、122可为独立的单元。低压塔122典型地在4～15psi压力下操作，尽管更高或更低的压力也是可能的。高压塔120(也称为“中压”塔)在低压塔操作压力的大约7～8倍压力下操作，尽管更高或更低的压力也可使用。

在高压塔120中，氮被从冷却的高压空气146中分离出来，富氮的蒸汽在冷凝器182处冷凝。冷凝的富氮蒸汽用诸如料槽184的收集设备收集起来。主要含有已冷凝氮的流164(称为LIN回流，或“纯”或“贫”氮回流)被从高压塔120排放出来，称为低压塔122的原料168。一个阀126控制LIN回流168进入低压塔122的流量。另外，中压气相氮177(“MP GAN”)可从高压塔排放出来。

高压塔120的底部收集富氧液体(称为“富液”)。典型地，收集在塔底部的富液含有大约40％的氧。该富液可以排出并用于多种用途。如图1所示，富液流148被从高压塔120排出，并用作低压塔122和粗氩蒸馏塔124的原料。尽管未示出，该富液还可从高压塔排出并用作其它ASU组成部分的原料或者产品。

低压塔122的原料包括来自高压塔120的富液原料150、来自高压塔120的LIN回流原料168、来自粗氩塔的已蒸发富氧液体回流156、以及来自粗氩塔的富氧液体回流原料151。另外，补充的富氮流114(“LIN辅助”)也可由诸如辅助罐液化器(未示出)的其它来源提供给低压塔122。

由于氧、氮和氩的相对挥发度差异，低压塔将富液150、LIN 168、富液回流151分离成它们各自的组分。具体地说，低压塔122的底部含有纯液氧(LOX)，它可作为LOX输出流178而排出ASU。在LOX正上方的是气相氧(GOX)176，它或者经由产品输出104而作为GOX产品排放和收集，或者经由GOX放空108而放空到环境中。阀112和188分别控制GOX产品流和GOX放空流的流动。低压塔122的顶部含有“纯的”气相氮(称为“低压氮”或“LP GAN”)，它可作为富氮产品流172排出塔。另外，废氮流174可从低压塔122中排出。

如上所述，从高压塔120排出的富液148的一部分作为原料150而被输送到低压塔122中。另外，该富液的一部分作为原料152而被输送到粗氩蒸馏塔124中。粗氩塔的组成不受限制，可包括现有技术中常规已知的那些。例如，塔可包括板式塔、填充塔等等。另外，塔可为低温或催化去氧(deoxo)塔。含有氧、氩和少量氮的流190(称为“富氩的氧流”)和富液一起从低压塔122排放出来，作为回流输送给粗氩塔124。粗氩塔124从氩中洗去氧，同时排出一些残余的氧以产生可销售液氩或可进一步纯化的粗氩。粗氩塔包括一个冷凝氧的冷凝器173，氧作为主要含富氧液体回流154的流而从粗氩塔排放出来，并可随后输送给低压塔。粗氩塔还可产生作为产品的富氩流196(“粗氩流”)，该富氩流具有比原氩流更高的氩百分比。粗氩流的组成可用氧组分分析器(Al)195和氮组分分析器(Al)197进行测量。氩含量可随后由这些数值导出；可选地，可使用氩组分分析器。阀198控制粗氩流196的流动。该阀反过来又被控制器199(例如，和FIC控制器)控制。控制粗氩的流动能够控制粗氩产品的总纯度。通常，增加粗氩流动就增加了粗氩产品中存在的氧含量。因此，必须用诸如“纯氩”塔(未示出)的其它处理单元来进一步处理粗氩产品。氩产品的最终纯度可以基于工厂能力、工业标准、消费者说明书等而被调节到任何理想水平。

正如本领域技术人员所显而易见的，可以形成空分单元的很多其它构型，从而产生更多或更少类型的产品。例如，系统还可以包括确定ASU中不同点处氩、氮和氧含量(例如体积百分比)的组成分析器。另外，附加的辅助流可进入高压和低压塔之一或二者中。

空分单元受一系列本领域已知的控制元件的控制，它们包括但不限于现场控制器、调节控制器、先行工艺控制器、监视水平控制器、操作控制中心、控制系统及分布式控制系统。ASU中的活动受到多个诸如阀、泵、压缩机、导流叶片的现场设备及其它设备的直接控制。现场设备反过来又受诸如比例积分微分(PID)控制器、FIC控制器、LIC控制器、静区控制器、间隙控制器、无模型自适应(MFA)控制器或手动指示控制器(HICs)的调节控制器的控制。控制器的设定点可通过人类操作员或通过其它(例如更高水平的)控制器或二者同时输入。

调节控制器用基于监视或先行工艺控制器所提供的设定点的高速控制算法(典型地少于一秒)来调节ASU工厂的现场设备。参见附图1，控制器130(例如PID控制器)用于控制空气输入子系统110的导流叶片141，以调节进入高压塔120的空气146的流动。另外，控制器134(例如FIC控制器)用于控制阀126，该阀126调节LIN流168进入低压塔122的流量。另外，控制器132(例如LIC控制器)用于控制阀162，该阀162调节富液流150进入低压蒸馏塔122的流量。控制器138(例如LIC控制器)也用于调节来自高压塔120的富液流152进入粗氩塔124的流量。控制器136(例如FIC控制器)用于控制阀128，该阀128调节来自粗氩塔124的已汽化富氧回流156进入低压塔122的流量。另外，控制器102、106(例如FIC控制器)分别用于控制GOX产品阀112和GOX放空阀188。最后，控制器199用于控制阀198，该阀控制来自粗氩塔124的粗氩流的流动。

一个先行工艺控制器131控制这些调节控制器中的每一个。典型地，现场设备、调节控制器和先行工艺控制器都是一个用来监视和控制空分单元参数的更大工艺控制系统的部分。一个示例性的工艺控制系统公开在已公开专利申请美国2002/0017113中，该专利通过参考而全部包括在这里。

通过控制元件的适当操作，空分单元可以在一种方式下操作，该方式是设计用来使产品质量保持在特定水平，使产品产量最大化，稳定工艺(例如，调节工艺条件以将ASU操作保持在工艺和装备约束限制以内，并使单元跳至新原料或产品对象时的暂时干扰最小化)，而且使既定能耗下的原料产量最大化。

如上所述，使氩回收最佳化带来一些困难。为了使氩回收最大化，原氩的流动必须最佳化，其氧含量必须最小化。但是，在减少原氩流190的氧含量的同时增加原氩的流动，将导致流中的氮浓度明显增加，且因此导致输送给粗氩塔的氮量的增加。这增加了倾卸塔的危险。

另外，增加原氩流中的氩量导致离开粗氩塔124的粗氩流196中可回收量的增加。因此，为了得到更多的作为产品的粗氩，还必须增大离开塔的粗氩流196的流动。增加粗氩流的流动就增加了其中的氧量。以这种方式，控制粗氩流的流动使得ASU可以符合最终产品所要求的纯度指标。

鉴于这一认知，已经确定出，为了获得包括ASU的系统中的最大氩回收，原氩流中的氩浓度必须通过降低原氩流中的氧浓度(称为“原氩纯度”或“气泡纯度”)和同时防止粗氩流中的氮浓度超过一个可控最大值(即阈值)而被最大化。另外，已经确定出，从粗氩塔排出的粗氩流的流动必须被最大化，直至粗氩流的氧浓度位于其可控最大值(即工业标准所确定的粗氩流产品中允许的最高氧浓度值)。ASU系统中各组分(氩、氧和氮)的浓度是典型地以百分体积测量的；但也可采用其它的常规测量。

如上所述，在本发明的系统中，原氩和粗氩流的组成控制参数是通过在系统内集成一个控制器而自动获取的，该控制器采用集成矩阵法，通过连续调节被控变量、控制和考虑工艺限制、并结合所测量工艺干扰的效果来自动限定和控制系统。具体地说，提供一个多变量预测控制器(MVPC)，该控制器用动态响应模型来预测约束变量的响应，并以一种经过计算使暂时和稳定态偏差最小化的方式来移动被控变量。为了如下所述地控制系统操作，MVPC可与控制器131集成在一起，或者可选地，它可以是一个与控制器131及任意一个或多个的上述其它控制器进行联系的单独控制器。

多变量预测控制器(MVPC)是一个先行工艺控制器，它写入设定点或目标而不是直接给调节控制器操作输出。MVPC进一步确定了约束变量和被控变量之间的关系，并随后优化了使用所确定关系的工艺。约束变量是一种从属变量，它在目标范围之外的偏差被最小化。被控变量是一种操作者调节或计算机调节的变量，它限定了影响约束变量的设定点变化。被控变量不仅为既定控制参数设定了高限和底限，而且还设定了它的变化速率。另外，MVPC通过确定干扰变量和控制变量之间的关系，解释了可重复的工艺干扰(例如由诸如温度变化和系统混乱的外部和内部波动所导致的那些)。对工艺干扰的响应是通过扰乱独立工艺变量(诸如原料速率和回流速率的被控变量)、测量从属变量的响应(控制变量)(例如产品质量和塔温)、和研究对不同工艺干扰水平的响应模型而模型化的。例如，可扰乱一个独立工艺变量大约±3％，以研究它们和从属变量之间的相互作用。

因此，MVPC可用来为ASU中的调节控制器的被控和约束变量写入设定点，从而不仅可以使原氩流中的氧浓度(气泡纯度)最小化至其可控最大值，还可以使粗氩的流动(即粗氩流的流动)最大化直至粗氩流中的氧含量位于其可控最大值。合适的多变量预测控制器的一个实例是从德克萨斯州休斯敦的Intelligent Optimization公司获得的目标最大化控制器，商标名为GMaxC。该命名为“GMAXC：目标最大化控制器(版本5.3.9，Windows^TM 32位操作系统”)的技术公告通过参考而全文包括在这里。

为了使本发明的空分单元中的氩回收最大化，在系统内确立了多种约束变量和被控变量。示例性的约束变量包括但不限于，(1)气体氧流动176的纯度(GOX纯度，以例如百分数氧测量)，(2)原氩流动190的纯度(气泡纯度，以例如百分数氧测量)，(3)排放到环境中的气体氧108的纯度(排空GOX)，(4)低压氮流动172的杂质(以氧量(例如百分数或ppm)测量)，(5)LIN回流168的杂质(以氧量(例如百分数或ppm)测量)，(6)在粗氩塔中间点155处原氩流的纯度(原氩中间点纯度，以百分数氧测量)，(7)粗氩流196的氧量(以氧量(例如百分数或ppm)测量)，和(8)粗氩流动196中的氮量(以例如百分数氮测量)。根据ASU的系统要求和理想输出，可以采用附加的或更少的约束变量。示例性的被控变量包括(1)离开低压塔的气相氧176的流量(GOX流动)，(2)进入低压塔的LIN回流168的流量(LP塔回流)，(3)进入低压塔的LIN辅助114的流量(LIN辅助)，(4)从粗氩塔124提取出来的粗氩196的流量，和(5)进入单元140的空气流量。类似于约束变量，根据系统要求可采用附加的或更少的被控变量。

任意一个或多个被控变量被控制(手动和/或自动)以满足约束变量所确立的参数，该参数反过来不仅控制着输送到粗氩塔124的原氩流190的组成，而且还控制着从粗氩塔124脱出的粗氩流196的组成。控制一个或多个结合的被控变量以产生在约束变量和原及粗氩流组成上的一个或多个理想变化，是ASU领域中已知的。

与上述被控变量一起，本发明的MVPC用一个附加的模拟被控变量来限定并改变原氩纯度约束变量的上下限。原氩流的氩纯度是通过测量被称为“原氩纯度”或“气泡纯度”的原氩流190的氧浓度而直接测量的。可选地，据记载，氩的浓度也可以在原氩流中直接测量。流190的氩含量可以例如通过采用位于粗氩塔上游的组分分析器(Al)202确定。另外，该分析器可分析原氩流中或分离单元中任一点处氩、氧和氮任一的任何一个或多个浓度。

MVPC进一步利用气泡限度，该限度是一个将原氩流的气泡纯度保持在或接近于一个理想的值或数值范围的模拟被控变量。气泡限度是一个模拟被控变量，因为它不直接控制现场设备或控制元件。气泡限度提供了保持气泡纯度的最高和最低设定值，并且，操作调节控制器，从而以一种已知的方式来控制被控变量，从而实现一个或多个约束变量的控制并控制气泡纯度。一旦MVPC观测到一个或多个约束值，MVPC根据需要重新调节不同的现场设备，以增强约束变量和气泡纯度的控制。除了提供最高和最低设定值，该气泡限度还进一步提供了最高和最低设定值变化的速度。例如，根据约束变量的响应、原氩流中的气泡纯度和氮浓度，MVPC可以以每分钟不超过0.10％来调节最高和最低气泡限度。

使用中，气泡限度起作用而缓慢推升气泡纯度至气泡低限(即原氩流中的最小可能氧浓度)，而且进一步起作用压低最高和最低设定值，直至粗氩流中的N₂位于其可控最大值(即粗氩流中允许的氮的最大浓度百分数，它不会引起液体滞留以致倒塌或导致粗氩塔的“倾卸”)。N₂的可控最大值根据空分单元的类型、粗氩塔的组成、理想产品产量和产品纯度水平而变化。例如，对既定系统的粗氩流中的N₂而言，可控最大值典型地为小于约5％氮，优选小于约4％，更优选小于约2％。气泡限度的最低设定值(或与原氩流的最小理想气泡纯度相对应的气泡低限)典型地被设定为模拟多变量气泡限度的输出，而最高设定值(或与原氩流的最大理想气泡纯度相对应的气泡上限)典型地是一个固定但可调节的值，它偏移于气泡低值。偏移值不受限制，且取决于特定ASU的要求。例如，偏移值可在大约0.80％范围内。

当MVPC调节原氩流的气泡纯度以试图使之在总是接近气泡底限(即流中氧的尽可能低的浓度)的同时位于气泡限度范围内时，粗氩中存在的氮量终于升高了，而且被控变量气泡限度也随后升高，以消除粗氩塔中过量氮的过度蓄积，从而防止氮量增加到它的最大可控限。在原氩纯度降低的同时，可以从粗氩塔中提取更多的氩。

除了使原氩流中的氩纯度最小化直至氮含量位于其可控最大值，还可以修改MVPC以同时地、自动地使粗氩流动最大化，直至流的氧含量位于其可控最大值。也就是说，MVPC通过增加流的流量而缓慢推动粗氩流中的氧(O₂)至其可控最大值(即对理想产量而言粗氩流196中所允许的氧的最高量)。粗氩流中氧含量的可控最大值可以变化，并且典型地基于工业要求。例如，该数值典型地不超过约4ppm(对脱氧的氩ASU工厂为4％)，优选不超过3.5ppm(对脱氧的氩ASU工厂为3.5％)，且更优选不超过约2ppm(对脱氧的氩ASU工厂为2％)。

在附图1的系统中操作过程中以及利用MVPC受控系统时的气泡纯度、气泡限度值和氮浓度的控制可在附图2所示图表中看出。该表表示出气泡下限(模拟被控变量)310，气泡上限(偏移于气泡低限)300，偏移值330，测量的气泡纯度(约束)值340(O₂体积％)，和粗氩中氮的测量数量(N₂体积％，在粗氩塔中测量)。这些气泡纯度和氮浓度值是在单位流逝时间(例如秒或分钟)内连续测量的，而且如上所述相应地调节气泡限度值，以确保系统中的最大氩回收，同时防止粗氩塔中的氮浓度超过一个最大可控值。正如可看出的，MVPC通过气泡限度300、310而逐渐推动气泡纯度340逐步下降，其受用户所设定的增量的限制(例如0.10％每分钟)。随时间流逝，系统因为受到调节器的引导而连续调节现场元件，以满足被控变量所设定的设定点。气泡限度300、310逐步降低，直至氮纯度350达到最大可控值(例如约2％N₂)。一旦所测量的氮浓度达到了最大可控值，如上述操作MVPC以提高气泡限度值300、310和原氩流340的气泡纯度，从而使氮浓度降低到低于其可控最大值的一个安全水平上。

这样，本发明基于MVPC的氩回收系统就实现了自动控制，该自动控制将原氩流中的氧浓度降低到其最低可能值，从而使流中的氩浓度最大化，同时确保原氩流中的氮浓度不超过粗氩塔中测量的最大可控值。基于MVPC的ASU动态地实现了这一点，从而使氩回收在任何系统模式下都最大化。这就是说，不管系统生产的结合如何(例如，LIN/LOX/GAN/GOX等)，本发明的系统都可使氩回收工艺最佳化。

已经描述了用多变量预测控制器使氩回收最佳化的新型空分系统，可以相信，本领域技术人员考虑到这里所给出的教导将预见到其它的修正、变型和改变。因此应当理解，这样的变型、修正和改变全部被认为落入本发明通过所附权利要求书所限定的范围内。