CN102834159A - 周期吸附控制方法和控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供控制吸附剂床单元的方法和控制系统，其中测量吸附剂床单元的吸附剂床内的吸附剂床杂质浓度。通过控制进料周期时间——在此期间吸附剂床吸附杂质——来控制吸附剂床浓度，以使吸附剂床浓度保持在目标吸附床浓度。测定目标吸附床浓度以使产物杂质浓度保持在产物杂质浓度目标值。该方法和控制系统可包括响应产物杂质浓度水平和相关目标值以确定目标吸附床浓度的监督控制级和基于测得和目标吸附床浓度之间的误差计算进料周期时间的主要控制级。比例积分控制可用于此类用途。

Description

周期吸附控制方法和控制器
发明领域
本发明涉及控制含有一个或多个吸附床以吸附进料流内的一种或多种杂质由此产生产物流的吸附单元（absorption unit）的方法和实现这种方法的控制器。更特别地，本发明涉及这样的方法和控制器，其中取样吸附剂床内的杂质浓度，并控制吸附剂床吸附杂质的进料周期时间，以使在该床内测得的浓度接近确保以特定纯度水平产生产物流的目标值。
发明背景
多种工艺使用能更容易吸附进料流内所含的一种或多种杂质胜过进料流内的其它杂质的吸附剂，以产生具有比进料流低的杂质浓度的产物流。吸附剂包含在吸附床内，在此类工艺中可以使用一个或多个吸附床。例如，此类工艺可用于提纯来自重整器的含氢流。在这种情况下，进料流内存在水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳、其它烃和氮。氢是较不容易吸附的组分，因此构成产物流。杂质或组分水蒸汽、二氧化碳等是更容易吸附的杂质并通过吸附从进料流中除去以产生产物流。吸附剂位于吸附剂床内，其可以由具有一个或多个吸附剂层的容器构成。在含氢流的情况下，可以为吸附剂床提供氧化铝首层以吸附水蒸汽、活性炭层以吸附二氧化碳和重质烃、和最终沸石吸附剂层以吸附一氧化碳和氮。
在任何吸附工艺中都会到达吸附剂满载杂质且吸附剂床必须再生的时刻。因此，吸附工艺采用这样的周期——在此期间吸附剂床在线并吸附杂质或组分和随后离线并再生。吸附工艺可通过所用周期来区分，例如，变压吸附、变温吸附和真空变压吸附。在上文给出的关于生产氢产物流的实例中，所用周期是变压吸附（pressure swing adsorption）。
在变压吸附中，两个或更多个含有吸附剂床的吸附剂容器以不同相周期使用以致在一个床吸附杂质的同时，再生另一个或其它床。变压吸附周期可具有如下单元：吸附，其中供应产物；通过一个或多个均衡步骤减压；接着是该床向另一床提供吹扫气体以从该床中解吸吸附组分的步骤；排料步骤，其中打开该床的入口端以排出吸附的组分；接着是用另一床提供的吹扫气体的吹扫步骤以从该吸附剂床的吸附剂中进一步解吸组分。随后是一个或多个均衡步骤，其中将吸附剂床部分再增压，和产物再增压步骤，其中将吸附剂床完全再增压并能够恢复在线工作。各吸附剂床经过该周期的所有单元，因此连续输送产物。在变温吸附法中，通过用热气将吸附剂床加热至高温以降低吸附剂容量和由此使杂质解吸来再生吸附剂床。在已加热后，在恢复在线工作前冷却该吸附剂床。在真空变压吸附中，吸附剂床在真空下至少部分再生。例如，在这种周期中使用容易吸附氮、二氧化碳和水蒸汽的吸附剂制造氧气。这种方法可利用单吸附床，因此将产物排放到缓冲罐中以便可连续制造产物。在这种方法中也可以使用多个吸附剂床以便以高于单吸附剂床的速率制造产物。
在任何这样的吸附工艺中，将吸附剂床连接到具有阀的流控制网络（flow control network）以使该床进行特定周期的各种步骤。控制进行上述工艺或其它工艺的吸附单元的流控制网络内的阀以打开和关闭从而经预定时期使各吸附剂床进行生产和再生。但是，如本领域中已知的那样，吸附剂床的进料受到如流量、浓度和温度变化之类的干扰以致产物流不符合产品规格或换言之，具有太高的产物杂质浓度。控制产物纯度的主要方式已知是调节各吸附剂床在吸附步骤中花费的进料周期时间。如果产物流内的产物杂质浓度太高，则缩短进料周期时间。另一方面，如果产物杂质浓度低于目标值，则延长进料周期时间以再提高产物产量。照惯例，操作者监测产物杂质浓度，随后手动调节进料周期时间。这可以通过反馈控制系统自动化。但是，在这两种情况下，干扰后的产物纯度变化都存在延迟，或换言之，干扰出现后的纯度变化不即时。因此，在手动或自动控制的情况下，选择采取控制动作的目标值以使产物决不超越产品规格。其结果是平均进料周期时间短于实际满足产品规格所需的时间，因此产物的生产率小于本来获得的水平。也已经使用前馈控制系统，其中在线测量进料组成和流速。这种系统的主要问题在于，必须使用模型评估进料中的这类变化对产物纯度的影响，这不完美，因此保守选择目标值以致生产率较低。
美国专利No. 4,693,730提供一种控制系统，其中感测来自发生减压的吸附剂床的流出物的特征，随后响应感测的特征采取校正动作。例如，感测的特征可以是流出物中的杂质含量，校正动作可以是改变进料周期时间。在该专利中设想的控制系统中，将流出物浓度与目标值进行比较。在达到目标值后，如果产物气体杂质含量不在所需值，则使用实际和所需值之间的误差计算新目标值。但是，这种流出物浓度在干扰时不发生即时变化，因此，所选目标值是保守目标值。
美国专利No. 7,025,801公开了变压吸附单元的控制方法，其中监测进料流的流速并在倾向于驱使产物纯度偏离其规格的流速提高时，减小周期时间，反之亦然。另外，还测量产物流的纯度。在产物纯度提高到产品规格以上时，减小周期时间，反之亦然。在流速未提高的情况下进料流内的杂质浓度提高时和在来自控制器的数据指示这一事件时，调节周期时间和可能该变压吸附周期内的其它步骤。因此，该专利的方法设想了具有上述缺点的反馈和前馈控制。
如所述，本发明提供控制吸附单元的控制方法和系统等优点，其中感测吸附剂床本身内而非进料流、产物流或流出物流内的杂质浓度。受干扰时这种杂质浓度的变化比进料、流出物或产物中更快。因此，能够选择不像现有技术中那样保守的目标值，以实现更长周期时间和更高生产率。
发明概述
本发明一方面提供控制吸附剂床单元的方法。根据这种方法，在吸附剂床单元的吸附剂床内测量杂质的吸附剂床浓度（adsorbent bed concentration of an impurity）。该吸附剂床从送入吸附剂床的进料流中吸附杂质，由此产生含有不大于目标产物浓度的杂质的产物浓度（product concentration of the impurity）的产物流。该吸附剂床单元根据下述周期运行，在此期间将进料流送入吸附剂床，此后通过杂质的解吸再生吸附剂床内的吸附剂，且该周期包括进料周期时间——在此期间将进料流引入吸附剂床，吸附杂质并产生产物流。
通过控制吸附剂床单元内所用的进料周期时间以使吸附剂床浓度趋于接近使产物浓度保持在不大于目标产物浓度的水平的目标吸附剂床浓度，来控制产物流内的产物浓度。在这方面，控制进料周期时间以使进料周期时间随吸附剂床浓度提高而降低和随吸附剂床浓度降低而提高。
在产物流内该杂质的产物浓度响应干扰而变化之前，在吸附剂床内，在其吸附剂床浓度改变的位置测量吸附剂床浓度，以致控制吸附剂床浓度以使吸附剂床浓度保持在目标吸附剂床浓度，也会使产物流内该杂质的产物浓度保持在不大于目标产物浓度的水平。
在本发明的一个实施方案中，可以构造该吸附剂床以吸附至少两种杂质。因此，上述杂质是所述至少两种杂质中的一种杂质，产物浓度是至少两个产物浓度中的一个产物浓度，且目标产物浓度是至少两个目标产物浓度中的一个目标产物浓度。测量所述至少两个产物浓度和吸附剂床浓度，并通过连续计算将在吸附剂床单元控制器内设定进料周期时间的控制参数来控制进料周期时间，并将该控制参数输入吸附剂床单元控制器。该吸附剂床单元控制器经设计以控制连接到吸附剂床的流控制网络内的阀，以便在进料周期时间期间将进料流送入吸附剂床。
在这种实施方案中计算该控制参数，以在将该控制参数输入吸附剂床单元控制器时吸附剂床浓度接近目标吸附剂床浓度。通过计算所述至少两种杂质各自的潜在目标吸附剂床浓度，以产生具有不大于所述至少两个目标产物浓度的水平的所述至少两个产物浓度的产物流，来确定目标吸附剂床浓度。利用潜在目标吸附剂床浓度的最小值作为目标吸附剂床浓度，以使吸附剂床浓度的控制也将所有所述至少两个产物杂质浓度都控制至小于所述至少两个目标产物杂质浓度。
在本发明的另一具体实施方案中，该杂质为第一杂质，吸附剂床浓度为第一吸附剂床浓度，产物浓度为第一产物浓度且目标产物浓度为第一目标产物浓度。该吸附剂床经构造以吸附在该吸附剂床的第一层中的第一杂质及第二杂质和在邻接第一层并在第一层上游设置的该吸附剂床的第二层中的第三杂质。通过控制进料周期时间来控制的吸附剂床浓度是该第一层内第一杂质的第一吸附剂床浓度（the first adsorbent bed concentration of the first impurity within the first layer）以使第一吸附剂床浓度趋于接近第一目标吸附剂床浓度。测量产物流内的第一产物杂质浓度和第二杂质的第二产物杂质浓度，在第一层中测量第一吸附剂床浓度和在第二层中在其另一所选位置测量第三杂质的第二吸附剂床浓度，以使第三杂质浓度的测量指示在第二杂质突破到第一层之前的杂质水平变化。
在这样的另外实施方案中，通过连续计算将在吸附剂床单元控制器内设定进料周期时间的控制参数来控制进料周期时间。将该控制参数输入吸附剂床单元控制器。该吸附剂床单元控制器控制连接到吸附剂床的流控制网络内的阀，以便在进料周期时间过程中将进料流送入吸附剂床。计算该控制参数以在将该控制参数输入吸附剂床单元控制器时第一吸附剂床浓度接近第一目标吸附剂床浓度。另外，通过计算第一杂质、第二杂质和第三杂质的潜在第一目标吸附剂床浓度，以产生具有不大于第一目标产物浓度的第一产物杂质和不大于第二目标产物浓度的第二杂质的第二产物浓度的产物流，来确定第一目标吸附剂床浓度，且第二吸附剂床浓度不大于所选第二目标吸附床浓度以防止第三杂质突破到第一层。随后利用潜在目标吸附剂床浓度的最小值作为目标吸附剂床浓度，以使第一吸附剂床浓度的控制也将第一产物浓度、第二产物浓度和第二吸附剂床浓度控制至分别小于目标第一产物杂质浓度、目标第二产物杂质浓度和目标第二杂质浓度。
在上述本发明的这两个具体实施方案的任一个中，可以在具有包括监督控制器以计算潜在目标吸附剂床浓度的监督控制级级（supervisory level of control）和包括主控制器以计算控制参数的主要控制级级（primary level of control）的产物纯度控制器内连续计算控制参数。该产物纯度控制器以控制器频率连续运行，且监督控制器和主控制器各自是比例积分控制器。
在本发明的另一方面中，提供吸附剂床单元的控制系统。在这种控制系统中，取样口（portal）位于吸附剂床单元的吸附剂床内，以取样吸附剂床内的杂质的吸附剂床浓度。该吸附剂床在进料周期时间过程中从送入吸附剂床的进料流中吸附杂质，由此产生含有不大于目标产物浓度的杂质的产物浓度的产物流。气体分析器与取样口切实相连并构造成生成与吸附剂床浓度相关的数据。产物纯度控制器响应该数据，构造成计算将设定吸附剂床单元内所用的进料周期时间的控制参数，以通过该控制参数控制吸附剂床浓度以接近目标吸附剂床浓度，其使该杂质的产物浓度保持在不大于目标产物浓度的水平。计算该控制参数以使进料周期时间随吸附剂床浓度提高而降低，和随吸附剂床浓度降低而提高。该取样口位于，在产物流内该杂质的产物浓度响应干扰而改变之前吸附剂床中的吸附剂床浓度改变的位置，以致控制吸附剂床浓度以接近目标吸附剂床浓度也会使产物流内该杂质的产物浓度保持在不大于目标产物浓度的水平。
吸附剂床单元控制器响应由产物纯度控制器计算的控制参数。该吸附剂床单元控制器控制该吸附剂床单元的流路内的阀以使该吸附剂床单元根据下述周期运行——在此期间在进料周期时间过程中将进料流送入吸附剂床，此后通过杂质的解吸再生吸附剂床内的吸附剂。
在该控制系统的具体实施方案中，构造该吸附剂床以吸附至少两种杂质。因此，上述杂质是所述至少两种杂质中的仅一种杂质，产物浓度是至少两个产物浓度中的一个产物浓度且目标产物浓度是至少两个目标产物浓度中的一个目标产物浓度。此外，该气体分析器是定位以产生与产物流中的所述至少两个产物浓度和吸附剂床浓度相关的数据的多个气体分析器中的一个气体分析器。
产物纯度控制器以控制器频率连续运行以计算控制参数并包括监督控制级和主要控制级。监督控制级构造成由在至少两个监督控制器内计算出的潜在目标吸附床浓度的最小值计算目标吸附剂床浓度。所述至少两个监督控制器响应与所述至少两个产物浓度相关的该数据，并构造成计算潜在目标吸附剂床浓度以产生具有不大于所述至少两个目标产物浓度的所述至少两个产物浓度的产物流。主要控制级具有响应与吸附剂床浓度和与通过监督控制级计算出的目标吸附剂床浓度相关的一部分数据的主控制器。该主控制器构造成由吸附剂床浓度和目标吸附剂床浓度计算该控制参数。
在本发明的另一具体实施方案中，该杂质是第一杂质，吸附剂床浓度是第一吸附剂床浓度，产物浓度是第一产物浓度且目标产物浓度是第一目标产物浓度。构造该吸附剂床以吸附在该吸附剂床的第一层中的第一杂质及第二杂质和在邻接第一层并在该第一层上游设置的该吸附剂床的第二层中的第三杂质。因此，吸附剂床浓度是第一层内第一杂质的第一吸附剂床浓度以使第一吸附剂床浓度趋于接近第一目标吸附剂床浓度，产生也具有不大于第二目标产物浓度的第二杂质的第二产物浓度的产物流，且第二层内第三杂质的第二吸附剂床浓度不大于所选第二目标吸附床浓度以防止第三杂质突破到第一层。
该取样口是第一取样口，且第二取样口位于该吸附剂床的一定位置以取样第二层内的第三杂质的第二吸附剂床浓度。该气体分析器是定位以产生与第一产物浓度、第二产物浓度、第一吸附剂床浓度和第二吸附剂浓度相关的数据的多个气体分析器中的一个气体分析器。
产物纯度控制器以控制器频率连续运行并具有监督控制级和主要控制级。监督控制级构造成由在响应与第一产物浓度、第二产物浓度和第二吸附剂床浓度相关的数据的监督控制器内计算出的潜在第一目标吸附剂床浓度的最小值计算第一目标吸附剂床浓度。该监督控制器构造成计算潜在第一目标吸附剂床浓度以产生具有分别不大于第一目标产物浓度和第二产物目标浓度的第一产物杂质浓度和第二产物杂质浓度的产物流，且第二吸附剂床浓度不大于第二目标吸附剂床浓度。主要控制级具有主控制器，其响应与第一吸附剂床浓度和与在监督控制级内计算出的第一目标吸附剂床浓度相关的一部分数据并构造成由第一吸附剂床浓度和第一目标吸附剂床浓度计算该控制参数。
在包括监督和主要控制级以控制第一及第二产物杂质、和第三杂质的第二吸附剂床杂质含量的本发明的任何实施方案中和在其任何方面中，各比例和积分控制器具有比例元素和积分元素。各比例元素和各积分元素具有调谐因子。各监督控制器通过在之前计算出的潜在第一目标吸附剂床浓度上加上比例元素和积分元素来计算潜在第一目标吸附剂床浓度。各比例和积分元素具有误差项。第一产物浓度、第二产物浓度、第一吸附剂床浓度和第二吸附剂床浓度各自连续测量并换算成以10为底的对数值，将它们平均以产生平均对数值。在与第一杂质相关的第一监督控制器中通过从第一目标产物浓度的以10为底的对数中减去第一产物浓度的平均对数值来计算误差项。通过从第二目标产物浓度的以10为底的对数中减去第二产物浓度的平均对数值来计算与第二杂质相关的第二监督控制器中的误差项，和通过从第二目标吸附剂床浓度的以10为底的对数中减去第二吸附剂床浓度的平均对数值来计算与第三杂质相关的第三监督控制器中的误差项。在主控制器中通过从第一目标吸附剂床浓度的以10为底的对数中减去第一吸附剂床浓度的平均对数值来计算误差项。
另外，比例元素可包括在监督控制器和主控制器的当前运行过程中计算出的误差和在监督控制器和主控制器的之前运行过程中计算出的误差之间的差值。控制器频率周期可设定为等于吸附床单元的当前总周期时间。此外，可以通过将当前误差乘以当前总周期时间来进一步确定积分元素。
该方法和控制系统都可用在该周期是变压吸附周期且吸附剂床是多个吸附剂床之一的环境中。进料流可以是含氢流且产物流可以是氢产物流。在这种情况下，第一杂质是一氧化碳，第二杂质是氮且第三杂质是二氧化碳。为了吸附此类杂质，第一层含有沸石吸附剂并紧邻位于吸附剂床的出口。第二层含有活性炭吸附剂以吸附二氧化碳。
附图简述
尽管说明书以清楚指出被申请人视为其发明的主题的权利要求书结束，但据信，联系附图时可以更好地理解本发明，其中：
图1是用于实施本发明的方法的控制系统的示意图，其与用于由蒸汽甲烷重整设施中生成的变换流（shifted stream）制氢的变压吸附单元相连图解；
图2是图2中所用的变压吸附单元的示意图；
图3是图1中所用的本发明的控制系统和方法的一个优选实施方案的示意图；且
图4是图3中所示的控制系统和方法的控制逻辑图；
图5是以现有技术的方式响应干扰控制的图2中所示的变压吸附系统的一氧化碳产物浓度的图示；
图6是以本发明中阐述的方式响应干扰控制的图2中所示的变压吸附系统的一氧化碳产物浓度的图示；
图7是图2中所示的根据本发明的吸附系统控制的图示，其显示该吸附系统对重设一氧化碳的目标产物浓度的响应。
详述
参照图1，显示设施1，如重整设施，其具有蒸汽甲烷重整器10，产生主要含有氢和杂质的进料流12，该杂质包括大约5%和大约25体积%二氧化碳、小于大约.5体积%水蒸汽、小于大约3体积%甲烷、小于大约1体积%一氧化碳、小于大约1体积%氮和更小浓度的重质烃。将进料流12引入变压吸附单元14以吸附杂质和由此产生以小于产品规格允许水平的量含有上述杂质的氢产物流16。要指出，下列设施1的论述无意限制本发明的用途，即本发明同样适用于其它类型的吸附单元的控制，该单元意在吸附其它类型的杂质和根据其它类型的吸附周期（例如含有单个或多个吸附剂床的真空变压吸附和变温吸附）运行。
蒸汽甲烷重整器10对含烃流18，例如，天然气施以蒸汽甲烷重整。在蒸汽甲烷重整器10中，从含烃流18中除去硫物类（species）并添加过热蒸汽以产生反应物流，再将其引入位于蒸汽甲烷重整器10的燃烧辐射热交换段（fired, radiant heat exchange section ）中的填满催化剂的重整管中。烃与蒸汽反应产生氢和一氧化碳，其在水煤气变换反应器中进一步反应产生进料流12。来自蒸汽甲烷重整器的辐射段的烟气用于在蒸汽甲烷重整器10的对流段（从中排出烟道气流16）中产生过热蒸汽。
将进料流12引入具有根据如下论述的变压吸附周期运行的六个吸附剂床22、24、26、28、30和32的吸附单元14。进一步为吸附单元14提供吸附单元控制器 34以产生大致由箭头36标示的控制信号，从而控制包括吸附剂床22至32的流控制网络内的阀，并由此对吸附剂床22至32施以变压吸附周期。各吸附剂床22至32依次在线设置以吸附进料流12内的杂质，并因此产生氢产物流16。另外，再生各吸附剂床以解吸之前吸附的杂质和由此产生尾气流38。尾气流38又用于点燃蒸汽甲烷重整器10的辐射段内的燃烧器，也可送往设施1内的燃料集管。
通过根据本发明构造和运行的产物纯度控制器40控制产物流16的纯度。产物纯度控制器40带有监督控制级42和主要控制级44以计算进料周期时间——在此期间各吸附剂床22至32在线(on-line)并吸附进料流12内的杂质——或直接影响进料周期时间的其它控制参数。如下文更详细论述的那样 ，监督控制级42基于产物流16内氮和一氧化碳的目标产物杂质浓度和吸附剂床32内二氧化碳的目标杂质浓度计算在吸附剂床 32内要实现的一氧化碳的目标吸附剂床浓度。这些上述目标值大致如箭头46所示输入监督控制级。箭头46代表所述三个不同目标值，即一氧化碳目标产物杂质浓度158、氮目标产物杂质浓度166和二氧化碳目标吸附剂床杂质浓度172，将它们输入并入监督控制级42中的三个独立控制器。将这些目标值与大致如箭头48所示的产物流16中一氧化碳和氮的实际测量值和如箭头50所示的吸附剂床32内二氧化碳的吸附剂床杂质浓度的实际测量值进行比较。与各实际浓度水平相关的数据随后如箭头52所示输入监督控制级42。如所论述，箭头48由也将在下文论述的与一氧化碳产物杂质浓度48a和氮产物杂质浓度48b相关的数据构成。监督控制级42随后计算一氧化碳浓度的目标吸附床浓度，其使得产物流16的氮和一氧化碳浓度不大于它们各自的目标浓度且吸附剂床32内的二氧化碳浓度不大于其目标吸附剂床浓度。也如下文所论述，所示监督控制级42和主要控制级44根据比例积分控制逻辑运行。如所论述，可根据本发明使用其它类型的控制逻辑。
随后将吸附剂床32中的一氧化碳的目标吸附床浓度如箭头54所示输入主要控制级44。由吸附剂床32内一氧化碳浓度的这种目标值和实际测量值（其也作为输入信号56输入主要控制级44），计算使吸附剂床32内的一氧化碳浓度接近通过监督控制级计算出的目标一氧化碳浓度的床周期时间。由于这种目标吸附床浓度基于氮和一氧化碳的产物杂质浓度、二氧化碳的吸附剂床杂质浓度和它们的相关目标值，一氧化碳浓度的控制会控制产物流16中氮和一氧化碳的杂质含量和吸附剂床32内的二氧化碳浓度。
计算出的进料周期时间随后作为输入信号58引入吸附床单元控制器34，因此以相同方式控制各其它吸附剂床22至30。也如图1中所示，出于下述目的，也可以将总床周期时间60作为输入信号62和64输入监督控制级42和主要控制级44。作为总床周期时间60传输的数据可包括指示总周期时间（吸附剂床开始其吸附杂质的在线工作并离线（off-line）和再生）的数据以及指示该周期已完成。另外，尽管监督控制级42、主要控制级44和吸附单元控制器34作为分立的单元显示，但它们可以都在单个单元中，或吸附单元控制34是由吸附剂床单元14的制造商提供的独立控制器，且监督控制级42和主要控制级44可以在可编程用于此类用途的独立控制器中。
参照图2，仍以举例说明而非限制为目的，给出关于上文简述的吸附剂床单元14的流控制网络的运行的解释。为易于解释，未显示阀和吸附剂床单元控制34之间的常规电连接。假设下列论述中的所有阀都是关闭的，除非明确指明在变压吸附周期的特定阶段中打开。在这方面，该周期整个具有12个阶段，其中在两个阶段中，吸附剂床在线和生产，在这两个阶段的后期，在线吸附剂床将另一吸附剂床再增压以恢复在线。在这两个阶段后，使吸附剂床离线并通过经受三个连续的被称作减压均衡步骤（equalization down step）的压力均衡步骤来再生，其中降低吸附剂床内的压力并将空隙空间气体供应至其它吸附剂床以在恢复在线工作之前部分再增压这些床。接着是吹扫气体提供步骤，其中吹扫气体从吸附剂床排放到进行吹扫步骤的另一吸附剂床以从该吸附剂床中除去吸附组分。吹扫气体提供步骤后接着排料步骤，其中通过入口端将吸附剂床减压至大气压以使吸附组分解吸由此供应作为尾气流38的尾气，随后是吹扫步骤，其中向该吸附剂床的出口端供应吹扫气体以使吸附组分进一步解吸和经入口排出，以便继续供应尾气。此后是三个连续的被称作增压均衡步骤（equalization up step）的均衡步骤，其中床内的压力提高，随后是产物再增压步骤，其中使吸附剂床恢复至运行压力并在下一阶段中恢复在线工作。
具体而言，在该周期的第一阶段中，吸附剂床22在第一吸附步骤中并被供以进料流12以产生产物流16。同时，吸附剂床24借助吸附剂床30进行第三增压均衡步骤，其中吸附剂床30将气体排放到吸附剂床24中并由此进行第三和最终减压均衡步骤。第三吸附剂床26借助吸附剂床32进行第一增压均衡步骤，其中进行其第一减压均衡步骤的吸附剂床32的均衡气体被排放到吸附剂床26中。吸附剂床28进行排料并排出解吸的杂质以形成尾气流38。出于此类目的，阀70、86、108、114、118、124和128设定在打开位置。在该周期的第二阶段中，吸附剂床22进行第二吸附步骤并也将产物气体供应至吸附剂床24，后者用吸附剂床22产生的一部分产物进行产物增压步骤。吸附剂床26借助进行第二减压均衡步骤的吸附剂床32进行第二均衡步骤。吸附剂床28借助处于吹扫气体提供步骤中的吸附剂床30进行吹扫步骤。阀70、128、86、108、114和118留在打开位置，阀98、100和116设定在打开位置且阀124重置在关闭位置。
在该周期的第三阶段中，已再增压的吸附剂床24现在以产物流16的形式供应产物。吸附剂床22现在通过经受第一减压均衡步骤来再生，其中其向处于第一增压均衡步骤的吸附剂床28供应均衡气体。吸附剂床26进行第三增压均衡步骤，其中其从因此处于第三减压均衡步骤的吸附剂床32中接收气体。吸附剂床30在排料步骤中。出于此类目的，阀72、88、104、110、120、126和130设定在打开位置。阀70、128、86、108、114、118、98、100和116重置于关闭位置。在该周期的第四阶段中，吸附剂 22进行第二减压均衡步骤并将均衡气体送往进行第二增压均衡步骤的吸附剂床28，同时吸附剂床24制造产物并将产物增压气体送往吸附剂床26。吸附剂床30在吹扫步骤中并从处于吹扫气体提供步骤的吸附剂床32接收吹扫气体。阀72、88、104、110、120和130留在打开位置和阀100、102和118设定在打开位置。阀126重置于关闭位置。
在该周期的第五阶段中，吸附剂床26现在制造产物气体，因此现在在线产生产物流16。在这种阶段中，吸附剂床22借助吸附剂床28通过向进行第三增压均衡步骤的吸附剂床28提供均衡气体来进行第三减压均衡步骤。如今离线的吸附剂床24通过向进行第一增压均衡步骤的吸附剂床30提供均衡气体以进行第一均衡步骤来开始再生。吸附剂床32处于排料阶段，其向尾气流38供应尾气。出于此类目的，阀74、90、106、116、122和132设定在打开位置和阀72、88、104、110、120、130、100、102和118重置在关闭位置。在该周期的第六阶段中，吸附剂床22处于吹扫气体提供步骤，其借助现在处于吹扫步骤的吸附剂床32。吸附剂床24通过将均衡气体送往进行第二增压均衡步骤的吸附剂床30来进行第二减压均衡步骤。吸附剂床24将一些产物作为产物增压气体送往吸附剂床28。阀74、90、106、122和132保持打开，阀92、102和120设定在打开位置且阀116设定至关闭位置。
在该周期的第七阶段中，吸附剂床28现在产生产物且吸附剂床24离线。吸附剂床22进行排料（blow down）步骤。在此期间，吸附剂床24通过向进行第三增压均衡步骤的吸附剂床30提供均衡气体来进行第三减压均衡步骤。吸附剂床26和32进行第一床到床均衡，其中进行第一减压均衡步骤的吸附剂床26向进行第一增压均衡步骤的吸附剂床32供应均衡气体。阀76、80、108、114、118、124和134设定在打开位置。阀74、90、106、122、132、92、102和120回到关闭位置。在该周期的第八阶段中，吸附剂床28继续制造产物并向吸附剂床30提供产物增压。吸附剂床22现在通过从因此处于吹扫气体提供步骤的吸附剂床24接收吹扫气体而处于吹扫步骤，吸附剂床26和32进行第二床到床均衡，其中吸附剂床26进行第二减压均衡步骤，其向进行第二增压均衡步骤的吸附剂床32供应均衡气体。阀76、80、108、104、124和134留在打开位置，阀92、94和122设定在打开位置，且阀118重置至关闭位置。
在该周期的第九阶段中，使吸附剂床30在线并使吸附剂床28离线以便再生。吸附剂床22通过从进行第一减压均衡步骤的吸附剂床28接收均衡气体来进行第一增压均衡步骤。在此期间，吸附剂床24在排料步骤中，吸附剂床26通过向处于第三增压均衡步骤的吸附剂床32提供均衡气体来进行第三减压均衡步骤。阀77、82、104、110、120、126和136设定在打开位置。在该周期的第十阶段中，吸附剂床30向吸附剂床32提供产物增压。吸附剂床22通过从进行第二减压均衡步骤的吸附剂床28接收高压均衡气体来进行第二增压均衡步骤。在相同过程中，吸附剂床26在吹扫气体提供步骤中以向处于吹扫步骤的吸附剂床24供应吹扫气体。阀77、82、104、126和136留在打开位置，阀94、96和124设定在打开位置，并关闭阀120。
在该周期的第十一阶段中，现在使吸附剂床32恢复在线工作以提供产物流16并使吸附剂床30离线以便再生。在此期间，吸附剂床22通过从进行第三减压均衡步骤的吸附剂床28接收均衡气体而处于第三增压均衡步骤。吸附剂床24进行第一增压均衡步骤并从处于第一减压均衡步骤的吸附剂床30接收均衡气体。吸附剂床26在排料步骤中。阀78、84、106、116、122和138设定在打开位置，阀77、82、104、126、136、94、96和124重置在关闭位置。在该周期的第十二阶段中，吸附剂床22从吸附剂床32接收产物增压气体以便能恢复在线工作。吸附剂床24通过从处于第二减压均衡步骤的吸附剂床30接收均衡气体来进行第二增压均衡步骤。吸附剂床26处于吹扫步骤并接收处于吹扫气体提供步骤的吸附剂床28输出的吹扫气体。出于此类目的，78、84、106、116和138留在打开位置，阀96和98设定在打开位置，并关闭阀122。在第十二阶段结束后，该周期回到第一阶段并如上所述重复。
尽管已大致论述了产物纯度控制器和吸附剂床单元14及其控制，下面给出关于产物纯度控制器40的更详细论述。特别参照图3，产物纯度控制器40优选是能用制逻辑编程以代表监督控制级42和主要控制级42的可编程逻辑控制器和下文论述的在此类等级内的特定控制器。例如，产物纯度控制器40可以是利用可编程软件，例如获自Rockwell Automation Inc. of 1201 South Second Street, Milwaukee, WI 53204-2496 USA的RSLOGIXTM 500软件的ALLEN-BRADLEY®控制器。可以使用其它类似控制器，上述这种仅用于举例说明。
在本发明的具体例举的应用中，吸附剂床32以及其它吸附剂床22至30带有具有入口142和出口144的容器140。在吸附剂床32内含有三个吸附剂层，即沸石层146、活性炭层148和任选氧化铝层150。引入的变换气流12先进入氧化铝层 150以吸附湿气，随后进入活性炭层148以吸附二氧化碳和重质烃，如甲烷。此后一氧化碳和氮吸附在沸石层中。重要的是指出，必须控制吸附床单元的运行以使二氧化碳决不突破活性炭层148到沸石层146。其原因在于，二氧化碳强吸附在沸石床中以致吸附剂床32极难再生。另一重要的控制考虑因素在于，如果一氧化碳高于产品规格要求的水平，该产物流没有任何实际用途。最后，氮倾向于朝吸附剂床出口144富集在沸石床146中。由于所有这些考虑因素，控制吸附剂床单元14以使二氧化碳决不突破到沸石层146，并控制进料周期时间以使产物流16中的一氧化碳浓度决不升至产品规格中列出的水平以上。一氧化碳产物浓度的控制也控制氮产物浓度。如下所述，感测活性炭层148和沸石层146内的二氧化碳浓度和一氧化碳浓度作为吸附剂床浓度并与目标值进行比较，因为已经发现，此类吸附剂床浓度的变化比下游变化快得多出现，因此，可以使该控制更迅捷以使进料周期时间平均尽可能长以使产物流的产量最大化。
监督控制级42采用三个单独控制器，即一氧化碳监督控制器152、氮监督控制器154和二氧化碳监督控制器156。在所示实施方案中，这些控制器基于比例和积分控制逻辑运行并因此存在比例和积分误差项，它们可以是误差和误差积分的函数。但是，在所示实施方案中，使用这种控制的速度形式，因此比例项是在该控制器的当前运行过程中测得的当前误差与在该控制器的之前运行过程中测得的在先误差之间的差值的函数。速度形式的积分项是当前误差的函数。
这些控制器各自计算在沸石床中要获得的一氧化碳浓度的目标吸附剂床浓度，其使产物流16内的一氧化碳和氮浓度各自保持等于和低于产物流16内的目标产物杂质浓度和目标吸附剂床浓度，就活性炭床148内的二氧化碳而言，防止二氧化碳突破到沸石层148中。
先转向一氧化碳监督控制器，这种控制器根据下列公式运行：
MV1i = MV1i-1 + Kc1 * (ε1i- ε1i-1) + Kc1/τI1 * Δt * ε1i
其中：
MV1i = 当前周期的潜在CO目标吸附剂床浓度
MV1i-1= 同时最后周期（at same time last cycle）的潜在CO目标吸附剂床浓度
Kc1 = 床内回路的CO增益率
ε1i = 床内CO的当前周期的误差
ε1i-1 = 床内CO的同时最后周期的误差
τI1 = CO床内回路的复位时间
Δt = 总周期时间
在产物纯度控制器40的每次运行过程中，通过将产物纯度控制器的前一运行过程中测得的潜在CO 目标吸附剂床浓度值MV1i-1加上该控制的比例和积分元素，计算MVli。通过计算当前周期的误差ε1i，通过从如箭头158所示设定为一氧化碳监督控制器152内的输入信号的目标产物杂质浓度中减去一氧化碳的产物杂质浓度，测定比例元素Kc1 * (ε1i- ε1i-1)。通过借助连向吸附剂床单元14的产物集管162的气体分析器160取样产物流16内的杂质浓度，并将与这种浓度相关的数据如箭头48a所示送往一氧化碳监督控制器152，测定浓度。如所论述，箭头48a实际代表控制逻辑的数个步骤，其中将数据换算成以10为底的对数形式，维持连续观测平均值（running average ）并将该平均值引入一氧化碳监督控制器152。从当前误差中减去在产物纯度控制器40的前一运行过程中以相同方式测得的误差ε1i-1，并将该差值乘以本领域中被称作“增益率(gain)”的调谐因子Kc1（其在产物纯度控制器40的运行过程中以相同方式测得）。通过将当前误差乘以Kc1/τI1的商与Δt（其是通过吸附剂床单元控制器34测得的当前周期时间，其如箭头62所示，特别如箭头62a所示输入控制器）的乘积，测定积分元素。项“τI1”是复位时间并且是在产物纯度控制器40的运行过程中以已知方式测得的另一调谐因子。
氮监督控制器154根据下列公式运行：
MV2i = MV2i-1 + Kc2 * (ε2i- ε2i-1) + Kc2/τI2 * Δt * ε2i
其中：
MV2i = 当前周期的潜在CO目标吸附剂床浓度
MV2i-1= 同时最后周期的潜在CO目标吸附剂床浓度
Kc2 = N2产物回路的增益率
ε2i = N2产物的当前周期的误差
ε2i-1 = N2产物的同时最后周期的误差
τI2 = N2产物回路的复位时间
Δt = 总周期时间
氮监督控制器154以与一氧化碳监督控制器152相同的方式进行计算。但是，对此类控制器而言，通过从由气体分析器168测得的产物流16中的产物氮杂质浓度中减去目标氮产物杂质浓度（其是箭头166所示的输入信号），测定误差“ε”。将已换算成以10为底的对数形式的代表平均浓度的数据如箭头48b所示输入氮监督控制器154。独立测定和设置调谐因子“Kc2”。
二氧化碳监督控制器根据下列公式运行：
MV3i = MV3i-1 + Kc3 * (ε3i- ε3i-1) + Kc3/τI3 * Δt * ε3i
其中：
MV3i = 当前周期的潜在CO目标吸附剂床浓度
MV3i-1= 同时最后周期的潜在CO目标吸附剂床浓度
Kc3 = CO产物回路的增益率
ε3i = CO产物的当前周期的误差
ε3i-1 = CO产物的同时最后周期的误差
τI3 = CO产物回路的复位时间
Δt = 总周期时间
二氧化碳监督控制器156以与一氧化碳监督控制器152相同的方式进行计算。但是，对此类控制器而言，通过从由气体分析器172测得的活性炭层148中的二氧化碳的吸附剂床浓度中减去目标二氧化碳产物杂质浓度（其是箭头170所示的输入信号），测定误差“ε”，其仍将换算成以10为底的对数形式的代表测量平均值的数据如箭头50所示传输到二氧化碳监督控制器156中。气体分析器172通过由位于小于活性炭层148的一半长度的位置并优选位于该长度的大约1/3处的管道形成的气体口（gas portal）174取样二氧化碳浓度，以便在如在沸石层146和活性炭层148之间界面处出现的下游变化之前感测浓度变化。独立测定和设置调谐因子“Kc3”和“τI3”， 周期时间是如箭头62b所示的输入信号。
一氧化碳监督控制器152、氮监督控制器154和二氧化碳监督控制器如箭头176、178和180所示输出它们各自的MV1i、MV2i和MV3i值，随后将这些值引入如方框182中所示比较这三个值并确定最小值的逻辑中，并将其作为输入信号184引入主控制器44。主控制器44根据下列公式运行：
MV4i = MV4i-1 + Kc4 * (ε4i- ε4i-1) + Kc4/τI4 * Δt * ε4i
其中：
MV4i = 当前周期的总进料周期时间
MV4i-1= 同时最后周期的总进料周期时间
Kc4 = CO床内回路的增益率
ε4i = 当前周期的误差
ε4i-1 = 同时最后周期的误差
τI4 = CO床内回路的复位时间
Δt = 总周期时间
主控制器44以与监督控制级42中的控制器类似的方式运行，只是其输出进料周期时间。通过在产物纯度控制器40的之前运行过程中测得的进料周期时间上加算具有调谐因子“Kc4”的比例项和具有调谐因子“τI4”的积分项（两者均以本领域中已知的方式独立测定和应用）来测定这种输出信号MV4i，并将总进料周期时间作为输入信号64输送至吸附床控制器36。误差项是一氧化碳的吸附剂床浓度和如箭头184所示输入这种控制器的目标吸附剂床浓度或在监督控制级42中测得的最小值之间的差值。通过连向气体分析器188的取样口186测定这种吸附剂床浓度，其产生输入主控制器44中的与这种浓度相关的数据。取样口186位于沸石层146内与出口144相比更接近入口142的位置，并且在该层的前一半内并优选在该层的前1/3内。输出信号进料周期时间MV4i如箭头190所示输入吸附剂床单元控制器34。
参照图4，显示产物纯度控制器40的编程逻辑。产物纯度控制器40以等于吸附剂床单元14的总周期时间（即，从使吸附剂床22在线并吸附杂质的时间点到再生和随后再恢复在线之间的总时间）的控制器频率运行。在此期间，如逻辑步骤200中所示，从上述气体分析器中或从记录此类读数的监督控制和数据采集程序中读取产物流16内氮和一氧化碳的产物浓度的当前值（“产物中的N2”和“产物中的CO”）以及活性炭和沸石层148和146内二氧化碳和一氧化碳的当前吸附剂床浓度（“碳层中的CO2”和“筛层（sieve layer）中的CO”）。将各值如逻辑步骤202中所示换算成以10为底的对数值（“LOG10”）。如逻辑步骤204中所示维持换算的LOG10值的连续观测平均值。在该吸附剂床单元内的吸附剂床的完整周期结束时，从还含有如逻辑步骤206所示被控制器利用的周期时间“Δt”的吸附床单元控制器36向该可编程逻辑控制器发送周期结束命令，并通过记录来自前一周期的误差和如逻辑步骤208中所示由平均值计算当前误差来计算各变量的误差。要指出，如图1中的标号60所示发送周期结束命令和周期时间。在这方面，如果使用单控制器，其可以以已知方式编程以将相关值“开”和“关”和周期时间发送给这种程序的监督和主要控制功能。此外，如果吸附单元控制器34是单独单元，则可以出于此类目的在控制器34上连接单独的计时器，或如果可得，可以向产物纯度控制器40发送来自这种单独单元的相关数据。计算出的值随后用于如模拟监督控制器170、158和156的逻辑步骤210、212和214中所示计算一氧化碳的潜在目标吸附剂床浓度，即MV1i、MV2i和MV3i。比较结果并如182中所示发现最小值，并将其输入含有由主控制器44实施的计算的逻辑步骤216。如逻辑步骤216中所示，记录来自前一周期的误差并通过从之前已在逻辑步骤204中计算出的沸石床内一氧化碳杂质浓度的平均LOG10值中减去该最小目标一氧化碳浓度来计算误差。随后在逻辑步骤218中计算进料周期时间并随后将输出信号MV4i作为进料周期时间引入吸附剂床单元控制器34。如箭头220所示，程序的执行回到逻辑步骤200，且产物纯度控制器执行上述步骤。显而易见的是，控制器频率周期与通过吸附床单元控制器36控制的吸附床单元14的总周期时间重合。
在本发明的有利运行的一个实例中，本文所述类型的吸附剂床单元根据现有技术和本发明运行。折干计算和按体积计，进料混合物含有：75.6%氢；15.6%二氧化碳；3.4%一氧化碳；4.8%甲烷和0.7%氮。在现有技术的控制方法中，利用比例积分控制逻辑仅基于产物纯度调节进料周期时间。下表概括这些结果：
表
现有技术的控制 本发明的控制
周期时间 540 606
第一床层 沸石 沸石
第一床层中吸附剂的量 2150 磅/吨/天氢 2000磅/吨/天氢
第二床层 活性炭 活性炭
第二床层中吸附剂的量 1775 磅/吨/天氢 1700 磅/吨/天氢
第三床层 氧化铝 氧化铝
第三床层中吸附剂的量 300 磅/吨/天氢 275 磅/吨/天氢
高压 (psig) 250 250
低压 (psig) 6 6
进料速度 (Ft3/hr (ntp) 689 692
氢纯度 99.999% 99.9985%
氢回收率 80.8% 84.6%
总床尺寸系数 4200磅/吨/天氢 4000
温度 311 K 311 K
床直径 2.16英寸 2.16英寸
床长度 20英尺 20英尺
从该表中显而易见，上述本发明的控制方法使周期时间更长并提高氢回收率。床尺寸系数的降低表明在给定量的吸附剂下产生更多氢。
参照图5，以现有技术的方式控制图2的并具有上表中所示的特征的吸附剂床单元14，即通过比例积分控制运行并基于产物流16中的一氧化碳浓度的反馈控制。通过将进料流12中的一氧化碳浓度从4.5%提高至5.5%来引发干扰。进料流混合物在干扰前由74%氢、16%二氧化碳、5%甲烷、4.5%一氧化碳和0.5%氮构成并在干扰后由73%氢、16%二氧化碳、5%甲烷、5.5%一氧化碳和0.5%氮构成。从该图中显而易见，3 ppm和4 ppm之间的产物纯度波动持续多于20小时。另外参照图6，如上所述根据现有技术控制图2的并具有上表中所示的特征的吸附剂床单元14。通过将进料流12中的一氧化碳浓度从4.5%提高至5.5%来引发干扰。进料流混合物在干扰前由74%氢、16%二氧化碳、5%甲烷、4.5%一氧化碳和0.5%氮构成并在干扰后由73%氢、16%二氧化碳、5%甲烷、5.5%一氧化碳和0.5%氮构成。没有观察到测得的产物纯度的显著波动。
参照图7，在一氧化碳158的第一目标产物浓度从7.5 ppm降至1 ppm一氧化碳时举例说明上述控制系统中的响应。从该图中显而易见，在10小时内，产物流16中一氧化碳的第一产物浓度以极小偏差遵循目标值。就控制响应而言，通过监督控制级42测得的第一目标吸附剂床浓度158降低，在10小时后，吸附剂床32的第一层146中一氧化碳的第一吸附剂床浓度开始遵循目标值。如果测得的一氧化碳的第一产物浓度高于目标值，则由主要控制计算产生的进料周期时间最初降低。在一氧化碳的第一产物浓度接近第一目标产物浓度后，进料周期时间提高以实现更高氢产物回收率。
尽管本发明已被描述为是与制氢连同使用的变压吸附单元的控制，但本发明具有更大适用性。例如，本发明同样适用于控制包含一个或多个吸附床的吸附床单元，其中使用单吸附剂吸附两种或更多种杂质。在这种情况下，在主要控制级中在吸附床内取样仅单种关键杂质浓度并在监督控制级中在产物流内取样两种或更多种杂质。如上论述的产物纯度控制器具有通过变压吸附单元14的周期时间设定的控制器频率。因此，在该计算中使用LOG10纯度水平的平均值。这已被发现有利，因为测量杂质的峰值不会影响变压吸附单元14的控制。据说，可以构造本发明的一个实施方案，其中控制系统以更高频率或几乎连续方式运行。这种控制的问题在于，不能连续调节进料周期时间并且必须编程该单元以放弃基于进料中或分析本身的运行中的瞬态条件的无关结果。使用LOG10形式的数据的优点在于，该控制可以在高和低杂质水平下都以相同响应运行。如果杂质水平在如空气提纯用途中预计的窄带内，则在简化系统中，可以不使用这样的LOG10换算。
如上论述，监督控制级42和主要控制级42基于比例积分控制的速度形式运行。本发明的一个实施方案可以以位置形式运行，因此比例项简单使用当前误差且积分项使用误差的积分。在另一极端下，该控制可以是仅比例控制。这后两种可能性不如所例举的实施方案合意。另一可能性，尽管不如所例举的实施方案合意，但不使用总周期时间“Δt”。本发明的另一些实施方案可以使用比例、积分和微商控制。另外，本领域技术人员会想到，各监督控制器152、154和170和主控制器44可各自基于其它控制理论，如模糊逻辑运行。模型预测控制是可以与本发明一起使用的另一类型的控制理论。在这种控制方案中，氮和一氧化碳的产物杂质浓度以及一氧化碳和二氧化碳的吸附剂床杂质组成。另外，也可任选测量进料流、温度和组成。将这些变量的所有当前和之前值以及进料周期时间的历史值输入预测模型。该预测模型基于这些值该产物组合物将来会怎样。优化程序——该计算机程序的第二部分——迭代计算对进料周期时间的必要修改以将测得的产物纯度与所需产物纯度之差减至最低。一旦计算未来进料周期时间的最优轨道，选择在时间上最接近当前进料周期时间的进料周期时间值并用作当前进料周期时间。
应提到的另一要点在于，尽管产物纯度控制器40计算进料周期时间，即吸附剂床进行吸附的时间，且吸附单元控制器34响应该结果并提高完整周期中各床的进料周期时间，最终结果在于总周期时间提高。可以认识到，产物纯度控制器40或如上论述的任何其它类型的控制系统可通过周期时间本身的计算来运行。此外，编程某些吸附床单元控制器以响应容量系数。尽管容量系数的定义随制造商而变，但容量系数通常等于设计周期时间与进料流的设计流速的乘积除以进料流流速当前值与控制单元所用的周期时间值的乘积。由于这种吸附床单元控制器具有测量流速的必要仪器，设计流速和周期时间代表吸附床单元14设计运行的运行速率，可以将其输入上文给出的控制公式或另一类型的系统，而且该控制器可测定容量系数以输入该吸附控制单元，而非进料周期时间。因此，可以确切地说，本发明的任何实施方案可大致被说成计算调节进料周期时间的控制参数且此类控制参数可以是进料周期时间本身、总周期时间或容量系数，所述容量系数也是周期时间和因此进料周期时间的函数。
尽管已参照优选实施方案论述本发明，但可以在不背离如所附权利要求所述的本发明的精神和范围的情况下作出本领域技术人员会想到的许多修改和省略。

Claims (17)

1.控制吸附剂床单元的方法，包括：
测量吸附剂床单元的吸附剂床内的杂质的吸附剂床浓度，该吸附剂床从送入吸附剂床的进料流中吸附该杂质，由此产生含有不大于目标产物浓度的该杂质的产物浓度的产物流；
该吸附剂床单元根据周期运行，在该周期期间将进料流送入吸附剂床和其后通过该杂质的解吸再生该吸附剂床内的吸附剂，且该周期包括进料周期时间，在该进料周期时间过程中将进料流引入该吸附剂床、吸附该杂质并产生该产物流；
通过控制吸附剂床单元内所用的进料周期时间以使吸附剂床浓度趋于接近使产物浓度保持在不大于目标产物浓度的水平的目标吸附剂床浓度，来控制该产物流内的产物浓度，控制进料周期时间以使进料周期时间随吸附剂床浓度提高而降低和随吸附剂床浓度降低而提高；和
在该产物流内该杂质的产物浓度响应干扰而变化之前，在吸附剂床内，在其吸附剂床浓度改变的位置测量吸附剂床浓度，使得控制吸附剂床浓度以使吸附剂床浓度保持在目标吸附剂床浓度也会使产物流内该杂质的产物浓度保持在不大于目标产物浓度的水平。
2.权利要求1的方法，其中：
构造该吸附剂床以吸附至少两种杂质；
该杂质是所述至少两种杂质中的一种杂质，产物浓度是至少两个产物浓度中的一个产物浓度且目标产物浓度是至少两个目标产物浓度中的一个目标产物浓度；
测量所述至少两个产物浓度和吸附剂床浓度；
通过连续计算将在吸附剂床单元控制器内设定进料周期时间的控制参数来控制进料周期时间；
将该控制参数输入吸附剂床单元控制器，其控制连接到吸附剂床的流控制网络内的阀，以便在进料周期时间过程中将进料流送入吸附剂床；
计算该控制参数以在将该控制参数输入吸附剂床单元控制器时吸附剂床浓度接近目标吸附剂床浓度；
通过计算所述至少两种杂质各自的潜在目标吸附剂床浓度以产生具有不大于所述至少两个目标产物浓度的水平的所述至少两个产物浓度的产物流，来确定目标吸附剂床浓度，并利用潜在目标吸附剂床浓度的最小值作为目标吸附剂床浓度以使吸附剂床浓度的控制也将所有所述至少两个产物杂质浓度都控制至小于所述至少两个目标产物杂质浓度。
3.权利要求1的方法，其中：
该杂质为第一杂质，吸附剂床浓度为第一吸附剂床浓度，产物浓度为第一产物浓度且目标产物浓度为第一目标产物浓度；
构造该吸附剂床以吸附在该吸附剂床的第一层中的第一杂质及第二杂质和在邻接第一层并在第一层上游设置的该吸附剂床的第二层中的第三杂质；
通过控制进料周期时间来控制的吸附剂床浓度是第一层内第一杂质的第一吸附剂床浓度以使第一吸附剂床浓度趋于接近第一目标吸附剂床浓度；
测量产物流内的第一产物杂质浓度和第二杂质的第二产物杂质浓度，在第一层中测量第一吸附剂床浓，和在第二层中在其另一所选位置测量第三杂质的第二吸附剂床浓度以使第三杂质浓度的测量指示在第二杂质突破到第一层之前的杂质含量变化；
通过连续计算将在吸附剂床单元控制器内设定进料周期时间的控制参数来控制进料周期时间；
将该控制参数输入吸附剂床单元控制器，该吸附剂床单元控制器控制连接到吸附剂床的流控制网络内的阀，以便在进料周期时间过程中将进料流送入吸附剂床；
计算该控制参数以在将该控制参数输入吸附剂床单元控制器时第一吸附剂床浓度接近第一目标吸附剂床浓度；且
通过计算第一杂质、第二杂质和第三杂质的潜在第一目标吸附剂床浓度以产生具有不大于第一目标产物浓度的第一产物杂质和不大于第二目标产物浓度的第二杂质的第二产物浓度的产物流，来确定第一目标吸附剂床浓度，且第二吸附剂床浓度不大于所选第二目标吸附床浓度以防止第三杂质突破到第一层，和通过利用潜在目标吸附剂床浓度的最小值作为目标吸附剂床浓度以使第一吸附剂床浓度的控制也将第一产物浓度、第二产物浓度和第二吸附剂床浓度控制至分别小于目标第一产物杂质浓度、目标第二产物杂质浓度和目标第二杂质浓度。
4.权利要求2的方法，其中：
在具有包括监督控制器以计算潜在目标吸附剂床浓度的监督控制级和包括主控制器以计算控制参数的主要控制级的产物纯度控制器内连续计算控制参数；
该产物纯度控制器以控制器频率连续运行；且
监督控制器和主控制器各自是比例积分控制器。
5.权利要求3的方法，其中：
在具有包括监督控制器以计算潜在目标吸附剂床浓度的监督控制级和包括主控制器以计算控制参数的主要控制级的产物纯度控制器内连续计算控制参数；
该产物纯度控制器以控制器频率连续运行；且
监督控制器和主控制器是各自具有比例元素、积分元素的比例积分控制器，且各比例元素和各积分元素具有调谐因子；
各监督控制器通过将之前计算出的潜在第一目标吸附剂床浓度加上比例元素和积分元素来计算潜在第一目标吸附剂床浓度；
各比例和积分元素具有误差项；
第一产物浓度、第二产物浓度、第一吸附剂床浓度和第二吸附剂床浓度各自连续测量并换算成以10为底的对数值，将它们平均以产生平均对数值；
误差项：在与第一杂质相关的第一监督控制器中通过从第一目标产物浓度的以10为底的对数减去第一产物浓度的平均对数值来计算；在与第二杂质相关的第二监督控制器中通过从第二目标产物浓度的以10为底的对数减去第二产物浓度的平均对数值来计算，和在与第三杂质相关的第三监督控制器中通过从第二目标吸附剂床浓度的以10为底的对数减去第二吸附剂床浓度的平均对数值来计算；且
在主控制器中通过从第一目标吸附剂床浓度的以10为底的对数减去第一吸附剂床浓度的平均对数值来计算误差项。
6.权利要求5的方法，其中比例元素包括在产物纯度控制器的当前运行过程中计算出的误差和在产物纯度控制器的之前运行过程中计算出的误差之间的差值。
7.权利要求5的方法，其中控制器频率周期等于吸附床单元的当前总周期时间。
8.权利要求5或权利要求6的方法，其中通过将当前误差乘以当前总周期时间来进一步确定积分元素。
9.权利要求8的方法，其中：
该周期是变压吸附周期；
该吸附剂床是多个吸附剂床之一；
进料流是含氢流且产物流是氢产物流；
第一杂质是一氧化碳；
第二杂质是氮；
第三杂质是二氧化碳；
第一层含有沸石吸附剂并紧邻位于吸附剂床的出口；且
第二层含有活性炭吸附剂。
10.吸附剂床单元的控制系统，其包含：
取样口，其位于吸附剂床单元的吸附剂床内以取样吸附剂床内的杂质的吸附剂床浓度，该吸附剂床在进料周期时间过程中从送入吸附剂床的进料流中吸附杂质，由此产生含有不大于目标产物浓度的杂质的产物浓度的产物流；
气体分析器，其与该取样口切实相连并经构造以生成与吸附剂床浓度相关的数据；
产物纯度控制器，其响应该数据并经构造以计算将设定吸附剂床单元内所用的进料周期时间的控制参数以通过该控制参数控制该吸附剂床浓度以接近目标吸附剂床浓度，这将该杂质的产物浓度保持在不大于目标产物浓度的水平，计算该控制参数以使进料周期时间随吸附剂床浓度提高而降低和随吸附剂床浓度降低而提高；
该取样口位于在产物流内该杂质的产物浓度响应干扰而变化之前吸附剂床中的吸附剂床浓度改变的位置，以致控制吸附剂床浓度以接近目标吸附剂床浓度也会使产物流内该杂质的产物浓度保持在不大于目标产物浓度的水平；
吸附剂床单元控制器，其响应由产物纯度控制器计算的控制参数并控制该吸附剂床单元的流路内的阀以使该吸附剂床单元根据周期运行，在该周期期间在进料周期时间过程中将进料流送入吸附剂床和其后通过杂质的解吸再生吸附剂床内的吸附剂。
11.权利要求10的控制系统，其中：
该吸附剂床经构造以吸附至少两种杂质；
该杂质是所述至少两种杂质中的一种杂质，该产物浓度是至少两个产物浓度中的一个产物浓度，且目标产物浓度是至少两个目标产物浓度中的一个目标产物浓度；
该气体分析器是经定位以产生与产物流中的所述至少两个产物浓度和吸附剂床浓度相关的数据的多个气体分析器中的一个气体分析器；且
产物纯度控制器以控制器频率连续运行以计算控制参数并包括监督控制级和主要控制级；
该监督控制级经构造以由在至少两个监督控制器内计算出的潜在目标吸附床浓度的最小值计算目标吸附剂床浓度，所述至少两个监督控制器响应与所述至少两个产物浓度相关的该数据，并经构造以计算潜在目标吸附剂床浓度以产生具有不大于所述至少两个目标产物浓度的所述至少两个产物浓度的产物流；且
该主要控制级具有响应与吸附剂床浓度和与通过监督控制级计算出的目标吸附剂床浓度相关的一部分数据的主控制器，并经构造以由吸附剂床浓度和目标吸附剂床浓度计算该控制参数。
12.权利要求10的控制系统，其中：
该杂质是第一杂质，该吸附剂床浓度是第一吸附剂床浓度，该产物浓度是第一产物浓度且该目标产物浓度是第一目标产物浓度；
该吸附剂床经构造以吸附在该吸附剂床的第一层中第一杂质及第二杂质和在邻接第一层并在该第一层上游设置的该吸附剂床的第二层中的第三杂质；
该吸附剂床浓度是第一层内第一杂质的第一吸附剂床浓度以使第一吸附剂床浓度趋于接近第一目标吸附剂床浓度，产生也具有不大于第二目标产物浓度的第二杂质的第二产物浓度的产物流，且第二层内第三杂质的第二吸附剂床浓度不大于所选第二目标吸附床浓度以防止第三杂质突破到第一层；
该取样口是第一取样口，且第二取样口位于该吸附剂床的一定位置以取样第二层内的第三杂质的第二吸附剂床浓度；
该气体分析器是定位以产生与第一产物浓度、第二产物浓度、第一吸附剂床浓度和第二吸附剂浓度相关的数据的多个气体分析器中的一个气体分析器；
产物纯度控制器以控制器频率连续运行并具有监督控制级和主要控制级；
该监督控制级经构造以由在监督控制器内计算出的潜在第一目标吸附剂床浓度的最小值计算第一目标吸附剂床浓度，该监督控制器响应与第一产物浓度、第二产物浓度和第二吸附剂床浓度相关的数据，并经构造以计算潜在第一目标吸附剂床浓度以产生具有分别不大于第一目标产物浓度和第二产物目标浓度的第一产物杂质浓度和第二产物杂质浓度的产物流，且第二吸附剂床浓度不大于第二目标吸附剂床浓度；且
该主要控制级具有主控制器，其响应与第一吸附剂床浓度和与在该监督控制级内计算出的第一目标吸附剂床浓度相关的一部分数据，并经构造以由第一吸附剂床浓度和第一目标吸附剂床浓度计算该控制参数的。
13.权利要求12的控制系统，其中：
该监督控制器和该主控制器是具有比例元素、积分元素的比例积分控制器，且各比例元素和各积分元素具有调谐因子；
各监督控制器经构造以通过将在之前计算出的潜在第一目标吸附剂床浓度加上比例元素和积分元素来计算潜在第一目标吸附剂床浓度；
各比例和积分元素具有误差项；
第一产物浓度、第二产物浓度、第一吸附剂床浓度和第二吸附剂床浓度各自在产物纯度控制器的运行过程中连续测量并换算成以10为底的对数值，将它们平均以产生平均对数值；
误差项：在与第一杂质相关的第一监督控制器中通过从第一目标产物浓度的以10为底的对数减去第一产物浓度的平均对数值来计算；在与第二杂质相关的第二监督控制器中通过从第二目标产物浓度的以10为底的对数减去第二产物浓度的平均对数值来计算，和在与第三杂质相关的第三监督控制器中通过从第二目标吸附剂床浓度的以10为底的对数减去第二吸附剂床浓度的平均对数值来计算；且
在主控制器中通过从第一目标吸附剂床浓度的以10为底的对数减去第一吸附剂床浓度的平均对数值来计算误差项。
14.权利要求13的控制系统，其中该比例元素包括在监督控制器和主控制器的当前运行过程中计算出的误差和在监督控制器和主控制器的之前运行过程中计算出的误差之间的差值。
15.权利要求13的控制系统，其中该控制器频率等于吸附床单元的当前总周期时间。
16.权利要求13或权利要求14的控制系统，其中通过将当前误差乘以当前总周期时间来进一步确定该积分元素。
17.权利要求16的控制系统，其中：
该周期是变压吸附周期；
该吸附剂床是多个吸附剂床之一；
该进料流是含氢流且该产物流是氢产物流；
该第一杂质是一氧化碳；
该第二杂质是氮；
该第三杂质是二氧化碳；
该第一层含有沸石吸附剂并紧邻位于吸附剂床的出口；且
该第二层含有活性炭吸附剂。
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