CN109876594B - 空分装置内空气吸附净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空分装置内空气吸附净化系统，涉及化工领域。包括第一吸附塔、第二吸附塔、换热器和PLC控制系统，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔并联，第一吸附塔和第二吸附塔的出口端设置CO₂检测器；换热器进口端与污氮连接，且换热器的出口端串联第一吸附塔和第二吸附塔；PLC控制系统基于CO₂检测器检测的CO₂含量数据控制第一吸附塔和第二吸附塔的切换。通过PLC控制系统的应用，减少了DCS系统接入输出的控制点数，减少DCS操作人员工作量，也避免了人员犯错的几率，提高了系统可靠性。

Description

空分装置内空气吸附净化系统

技术领域

本发明涉及化工领域，具体涉及一种空分装置内空气吸附净化系统。

背景技术

分子筛吸附装置是大型低温精馏空分过程中必需的重要设备，用以将水、CO₂、碳氢化合物等高沸点、高凝点和可燃物等化学组分从空气中脱除，使之降低到工艺要求和安全要求浓度以下。如果吸附达不到工艺要求和安全要求，水、CO₂会导致在空分装置低温部分凝固而堵塞管道，而碳氢化合物与空分装置中的富氧或纯氧接触，发生火灾，甚至爆炸。因此，吸附过程操作是否正常，事关空分装置的正常和安全操作。

目前所用吸附过程，通常有两个吸附塔A1和A2，一个进行吸附，另一个进行再生-冷却，这两个塔在两个过程之间相互切换。当一个塔吸附饱和后，就进行再生，切换到另一个塔进行吸附。这两个塔在时间上要进行协调，并且再生-冷却所用时间不能大于吸附时间。否则，就出现再生-冷却不彻底，影响后续吸附过程效果。但是，如果再生-冷却时间远小于吸附时间，再生-冷却的条件就更为苛刻，造成吸附剂颗粒要承受更大的摩擦和温度应力，使之破碎和粉化，造成吸附塔的压降升高，降低吸附剂的寿命，提高空分装置的动力消耗。此外，还会提高再生加热器E1所需蒸汽消耗。因此，使空分装置两个吸附器的吸附过程与再生-冷却过程时间上相互协调，对降低操作费用有重大意义。但吸附与再生-冷却操作之间的协调，目前更多是通过人工监控和干预，有很大的经验性和主观性，对吸附剂会有着程度不同的伤害，降低了吸附剂的使用时间，也提高了蒸汽消耗和操作费用。

此外，目前所用吸附过程，有很多操作变量也需要人工判断决策，不但提高了人的工作量，也降低了吸附设备操作的可靠性。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种空分装置内空气吸附净化系统，解决了现有的空分吸附装置操作需要人工操作，主观性和经验性强，导致的操作可靠性低、操作费用高的技术问题。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种空分装置内空气吸附净化系统，包括：

第一吸附塔；

第二吸附塔，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔并联，且，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔的出口端设置CO₂检测器；

换热器，所述换热器进口端与污氮连接，且所述换热器的出口端串联所述第一吸附塔和所述第二吸附塔；

PLC控制系统，所述PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量数据控制所述第一吸附塔和所述第二吸附塔的切换。

优选的，所述工艺气输送管上设置有第一流量计，所述换热器的污氮进口处设置有第三流量计，所述PLC基于所述第一流量计的流量大小，控制所述第三流量计的流量大小。

优选的，所述第一吸附塔的进口端设置有第一压力检测器，所述第二吸附塔的进口端设置有第二压力检测器；所述第一吸附塔和所述第二吸附塔串联工艺气输送管，所述工艺气输送管上设置有第三压力检测器；

所述PLC控制系统基于所述第一压力检测器、第二压力检测器以

及第三压力检测器检测的压力数据控制空分装置的开启。

优选的，所述PLC控制系统基于所述第一流量计监控的流量的剧烈降低，控制所述空分装置停车，从而指挥空气吸附净化系统停车；

所述PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量超出联锁工艺要求（3ppm），指挥空气吸附净化系统停车。

优选的，所述PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量数据变化，通过计量切换时间，将第一吸附塔前一阶段吸附时间分配给第二吸附塔作为当前再生-冷却时间。PLC以此协调第一吸附塔、第二吸附塔在吸附和再生-冷却间的交替切换，保障空气吸附净化系统的正常运行。

优选的，还包括：DCS系统，所述DCS系统接受PLC控制系统的压差报警信号，并发出吸附剂更换报警；

且，所述DCS系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量，通过CO₂含量-时间差分获得的脉冲信号间隔时长，计算吸附操作时长，并与吸附器初始吸附操作时长对比，判断是否需要更换吸附剂，并发出吸附剂更换报警；

DCS系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量进行操作异常报警。

优选的，所述PLC控制系统基于所述第一压力检测器、第二压力检测器以及第三压力检测器检测的压力数据控制空分装置的开启具体过程为：

所述第一压力检测器检测的压力值趋向于第三压力检测器检测的压力值，第二压力检测器检测的压力值趋向于大气压强，则第一吸附塔执行吸附，第二吸附塔执行再生-冷却

（三）有益效果

本发明提供了一种空分装置内空气吸附净化系统。与现有技术相比，通过PLC控制系统的应用，具备以下有益效果：

通过PLC控制系统的应用，减少了DCS系统接入输出的控制点数，由于系统绝大部分控制指挥工作，由PLC完成，减少了工艺设备与DCS系统之间的信息交换和控制回路，减少了DCS系统接入输出的控制点数和信号传输设备，缩小了控制室所需建设面积，大量减少了信息传输缆线和支托架长度，从而降低了所需的固定资产投资。

使得整个吸附子系统设计、制造和安装的模块化，缩短了建设周期。通过使吸附子系统模块化，空分吸附装置制造商可以在接受空分装置系统集成商很少量信息交换情况下，完成设计和制造，以及方便施工设计和施工的必要延伸制造，如两吸附器之间的连接管道及其附件。在设备制造商的配合下，模块化制造的吸附子系统，最大程度减少了施工图设计和施工的工作量，从而缩短了建设周期。

通过PLC控制系统的应用，减少了操作人员的工作量，提高系统可靠性。绝大部分控制工作转移给PLC自动进行，可以减少DCS操作人员工作量，也避免了人员犯错的几率，提高了系统可靠性。同时，通过对吸附剂报警系统设计，排除了吸附剂更换的经验性和主观性，合理保证了吸附剂的使用时间和蒸汽用量，避免了操作浪费，也方便了生产辅材采购的调度。

因此，对空分装置吸附器系统进行智能化和模块化，自动处理除吸附剂装卸之外的设计、制造、安装和操作工作，有很大的现实意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为本发明实施例的系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种空分装置内空气吸附净化系统，解决了现有的空分操作需要大量的人工操作，导致的操作可靠性低、工人工作量大的技术问题。实现了智能化，提高操作的可靠性，降低了工人的工作量。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

通过PLC控制系统的应用，减少了DCS系统接入输出的控制点数，以及信号传输缆线所需的固定资产投资。并且，通过PLC控制系统的应用，也使得整个吸附子系统设计、制造和安装的模块化，缩短建设周期。因此，对空分装置吸附器系统进行智能化，自动处理除吸附剂装卸之外的设计、制造、安装和操作，有很大的现实意义。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，一种空分装置内空气吸附净化系统，包括第一吸附塔A1、第二吸附塔A2以及换热器E1，所述第一吸附塔A1和所述第二吸附塔A2并联，且，所述第一吸附塔A1和所述第二吸附塔A2的出口端设置CO₂检测器；所述换热器E1进口端与污氮连接，且所述换热器E1的出口端串联所述第一吸附塔A1和所述第二吸附塔A2。

PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量数据控制所述第一吸附塔A1和所述第二吸附塔A2的操作阶段切换。

上述实施例通过PLC控制系统，减少了传统DCS系统接入输出的控制点数，以及信号传输缆线和支托架所需的固定资产投资。并且，通过PLC控制系统的应用，也使得整个吸附子系统设计、制造和安装的模块化，缩短建设周期。因此，对空分装置吸附器系统进行智能化，自动处理除吸附剂装卸之外的设计、制造、安装和操作，提高操作的可靠性，降低了工人的工作量，有很大的现实意义。

具体实施过程中，如图所示，其中FC1为第一流量计、FC3为第三流量计，上述实施例所述工艺气输送管上设置有第一流量计，所述换热器的污氮进口处设置有第三流量计，所述PLC基于所述第一流量计的流量大小，控制所述第三流量计的流量大小。

具体实施过程中，所述第一吸附塔的进口端设置有第一压力检测器P1，所述第二吸附塔的进口端设置有第二压力检测器P2；所述第一吸附塔和所述第二吸附塔串联工艺气输送管，所述工艺气输送管上设置有第三压力检测器P3；

所述PLC控制系统基于所述第一压力检测器P1、第二压力检测器

P2以及第三压力检测器P3检测的压力数据控制所述空分装置的开启。

具体实施过程中，所述第一吸附塔A1和所述第二吸附塔A2的输出端设置第四压力检测器P4。

具体实施过程中，所述PLC控制系统基于所述第一流量计FC1监控的流量的剧烈降低，控制所述空分装置停车，从而指挥空气吸附净化系统停车；具体实施过程中，该剧烈降低是指第一流量计FC1监控的流量接近零。

所述PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量超出联锁工艺要求，所述要求为3ppm，指挥空气吸附净化系统停车。

具体实施过程中，所述PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量数据变化，通过计量切换时间，将第一吸附塔A1前一阶段吸附时间分配给第二吸附塔A2作为当前再生-冷却时间。PLC以此协调第一吸附塔、第二吸附塔在吸附和再生-冷却间的交替切换，保障空气吸附净化系统的正常运行。来自于第一吸附塔A1吸附操作吸附塔的上一次吸附操作时长，作为第二吸附塔A2本次再生-冷却操作时间的参考，实际再生-冷却操作时间约比其短10min，从而智能化的交替实现双塔吸附和再生-冷却过程。

具体实施过程中，上述实施例还包括DCS系统，所述DCS系统与所述PLC控制系统信号连接。PLC控制系统全面接管吸附子系统的控制工作，并向DCS系统发出系统吸附塔压差报警，工艺系统功能故障则指挥系统主动关闭。DCS系统仅接受来自PLC的吸附塔压差报警信号，直接采集CO₂检测器检测到的CO₂浓度信号，当浓度超出报警值（2ppm），则在DCS中发出操作异常报警，防止PLC功能可能故障造成的错误。此外，DCS根据CO₂浓度信号，计算正常操作状态下的吸附塔吸附操作时间，当正常操作时间低于初始操作时间80%时，DCS发出更换吸附剂报警。

所述DCS系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量，通过CO₂含量-时间差分获得的脉冲信号间隔时长，计算吸附操作时长，并与吸附器初始吸附操作时长对比，判断是否需要更换吸附剂，并发出吸附剂更换报警；具体实施过程中脉冲信号间隔时长即为吸附操作时长；

DCS系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量进行操作异常报警。

上述实施例在具体实施过程中，吸附剂寿命取决于吸附塔压差和脱除吸附物的效果，该吸附塔正常操作压降为0.1~0.5bar，如图1中，吸附塔压差为第三压力检测器P3和第四压力检测器P4的差值，脱除吸附物是指CO₂、H₂O。吸附塔压差和脱除吸附物的效果二者之一发生问题都应更换吸附剂。但是，吸附剂的采购和更换都需要时间，要有一个提前量，因此可以设置一个吸附剂寿命报警系统，DCS系统发出警报，当吸附塔压差超过0.55bar，PLC控制系统向DCS系统发出警报。此外，从提高系统的可靠性考虑，由于吸附系统可能存在功能异常，该报警信号如果通过PLC控制系统发给DCS系统，那么就无法排除因为PLC控制系统功能异常可能发出的错误信号，因此DCS直接获取系统关键参数：CO₂的浓度。DCS系统根据CO₂浓度信号，计算正常操作状态下的吸附塔吸附操作时长，当吸附操作时长低于初始操作时间80%时，DCS发出相应吸附塔更换吸附剂报警。

上述实施例具体实施时，所述PLC控制系统基于所述第一压力检测器、第二压力检测器以及第三压力检测器检测的压力数据控制所述空分装置的开启具体过程为：

所述第一压力检测器检测的压力值趋向于第三压力检测器检测的压力值，第二压力检测器检测的压力值趋向于大气压强，则第一吸附塔执行吸附，第二吸附塔执行再生-冷却。

下面详细介绍，该装置实施的整个流程：

本发明实施例利用PLC控制系统的程序化判断功能，将吸附设备除吸附剂装卸外的所有操作，进行智能化设计，使得吸附设备成为独立的自适应系统，在不需要人工干预下，自动开启、运行和关闭，并能根据操作输出参数，判断吸附剂寿命和发出更换吸附剂的警报。

具体为双吸附塔交替吸附和再生-冷却过程，如图1所示。包括对以下情形：

（1）系统试车：试车过程和长时间停车后的启动，此时没有污氮进行再生-冷却。所以，从干燥后的工艺气中引出一股工厂空气进E1加热，进入备用吸附塔，再生-冷却备用吸附塔。此时，V11必须打开，而V10关闭。如A1执行吸附，A2备用，则V1、V3、V6、V8、V9和V11开，V2、V4、V5、V7和V10关。如A2执行吸附，A1备用，则V2、V4、V5、V7、V9和V11开，V1、V3、V6、V8和V10关。直到污氮气流出现后，关闭V11，一直打开V10。

（2）系统启动：空分装置由于某种原因停车后重新启动。由于吸附塔系统某些阀门的开启和关闭，使其与其他子系统短暂隔离，因此两个吸附塔的吸附和再生-冷却过程都将停止，在系统停车时，关闭所有阀门后，暂停计时。系统重新启动，停止的动作都将继续进行，原先进行吸附操作的吸附塔继续进行吸附，进行再生-冷却的吸附塔继续进行吸附-再生，PLC控制系统也由暂停计时状态转变为延续计时。动作与系统试车同。但若为短时间暂停后启动，污氮气流能维持，那么一直关闭V11，打开V10。

（3）正常操作过程：一吸附塔进行吸附，另一吸附塔进行再生-冷却。如A1执行吸附，A2再生-冷却，则V1、V3、V6、V8和V10开，V2、V4、V5、V7和V11关。如A2执行吸附，A1再生-冷却，则V2、V4、V5、V7和V10开，V1、V3、V6、V8和V11关。V9在再生阶段开，冷却阶段关。

（4）系统关闭：停车情况下，关闭所有阀门（不含疏水系统的阀门），两吸附塔保持各自的状态，以等待系统重启。

本发明实施例的PLC控制系统的具体操作包括：

1、启动

启动判据为系统第三压力检测器P3的压力不小于系统工艺设定压力，PLC控制系统据此启动整个系统。PLC控制系统根据第一压力检测器P1和第二压力检测器P2的压强值，判断指挥第一吸附塔A1和第二吸附塔A2进行吸附或再生-冷却过程。

如第一压力检测器P1压强更接近第三压力检测器P3，第二压力检测器P2接近大气压强，则第一吸附塔A1执行吸附，第二吸附塔A2执行再生-冷却。

PLC控制系统指挥阀门V11全开，阀门V10关闭，直至DCS系统向PLC控制系统提供污氮气信号，PLC指挥打开阀门V10，关闭阀门V11。

2、运行

启动后，为了协调第一吸附塔A1与第一吸附塔A2的行为时间，使得再生-冷却完成稍早于吸附过程。PLC控制系统将物流流量第三流量计与第一流量计关联，根据第一流量计的大小，决定第三流量计的大小，即阀门V10的开度。阀门V9由PLC控制系统根据第一流量计判断工艺气流存在与否，打开或关闭；根据T2，调节V9开度来调节加热蒸汽流量。当再生操作吸附器出口H₂O含量低于工艺要求，关闭阀门V9，进行冷却操作，直至出口气流温度T1低于工艺要求，关闭阀门V10。当CO₂浓度达到吸附切换工艺指标（即正常操作时，出口CO₂浓度工艺设定值：<1ppm）时，第一吸附塔A1与第二吸附塔A2进行切换操作。

3、关闭

a. 空分装置停车

非吸附器系统自身原因，造成的被动停车。由于没有上游补充气体，此时第一流量计剧烈降低，流量-时间差分信号形成一个脉冲。PLC控制系统监控第一流量计与时间的差分关系，得到这个脉冲，指挥系统执行关闭动作。

b. 吸附系统停车

因为吸附系统某些关键功能失效，造成吸附系统停车，譬如阀门不能动作。PLC控制系统接受到这些功能失效产生的后果信号后，主要体现在吸附出口工艺气体CO₂含量超出联锁工艺要求（3ppm），PLC指挥系统执行关闭动作。

综上所述，本发明实施例较现有技术具有以下有益效果：

通过PLC控制系统的应用，减少了DCS系统接入输出的控制点数，由于系统绝大部分控制指挥工作，由PLC完成，减少了工艺设备与DCS系统之间的信息交换和控制回路，减少了DCS系统接入输出的控制点数和信号传输设备，缩小了控制室所需建设面积，大量减少了信息传输缆线和支托架长度，从而降低了所需的固定资产投资。

使得整个吸附子系统设计、制造和安装的模块化，缩短了建设周期。通过使吸附子系统模块化，空分吸附装置制造商可以在接受空分装置系统集成商很少量信息交换情况下，完成设计和制造，以及方便施工设计和施工的必要延伸制造，如两吸附器之间的连接管道及其附件。在设备制造商的配合下，模块化制造的吸附子系统，最大程度减少了施工图设计和现场施工的工作量，从而缩短了建设周期。

通过PLC控制系统的应用，减少了操作人员的工作量，提高系统可靠性。绝大部分控制工作转移给PLC自动进行，可以减少DCS操作人员工作量，也避免了人员犯错的几率，提高了系统可靠性。同时，通过对吸附剂报警系统设计，排除了吸附剂更换的经验性和主观性，合理保证了吸附剂的使用时间和蒸汽用量，避免了操作浪费，也方便了生产辅材采购的调度。

因此，对空分装置吸附器系统进行智能化和模块化，自动处理除吸附剂装卸之外的设计、制造、安装和操作工作，有很大的现实意义。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种空分装置内空气吸附净化系统，其特征在于，包括：

第一吸附塔；

第二吸附塔，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔并联，且，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔的出口端设置CO₂检测器；

换热器，所述换热器进口端与污氮连接，且所述换热器的出口端串联所述第一吸附塔和所述第二吸附塔；

PLC控制系统，所述PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量数据控制所述第一吸附塔和所述第二吸附塔的切换；

DCS系统，所述DCS系统接受PLC控制系统的压差报警信号，并发出吸附剂更换报警；

且，所述DCS系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量，通过CO₂含量-时间差分获得的脉冲信号间隔时长，计算吸附操作时长，并与吸附器初始吸附操作时长对比，判断是否需要更换吸附剂，并发出吸附剂更换报警；

DCS系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量进行操作异常报警。

2.如权利要求1所述的空分装置内空气吸附净化系统，其特征在于，所述第一吸附塔的进口端设置有第一压力检测器，所述第二吸附塔的进口端设置有第二压力检测器；所述第一吸附塔和所述第二吸附塔串联工艺气输送管，所述工艺气输送管上设置有第三压力检测器；

所述PLC控制系统基于所述第一压力检测器、第二压力检测器以

及第三压力检测器检测的压力数据控制空分装置的开启。

3.如权利要求2所述的空分装置内空气吸附净化系统，其特征在于，所述工艺气输送管上设置有第一流量计，所述换热器的污氮进口处设置有第三流量计，所述PLC基于所述第一流量计的流量大小，控制所述第三流量计的流量大小。

4.如权利要求3所述的空分装置内空气吸附净化系统，其特征在于，所述PLC控制系统基于所述第一流量计监控的流量的剧烈降低，控制所述空分装置停车，从而指挥空气吸附净化系统停车；

所述PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量超出联锁工艺要求，指挥空气吸附净化系统停车。

5.如权利要求1所述的空分装置内空气吸附净化系统，其特征在于，所述PLC控制系统基于所述CO₂检测器检测的CO₂含量数据变化，通过计量切换时间，将第一吸附塔前一阶段吸附时间分配给第二吸附塔作为当前再生-冷却时间。

6.如权利要求2所述的空分装置内空气吸附净化系统，其特征在于，所述PLC控制系统基于所述第一压力检测器、第二压力检测器以及第三压力检测器检测的压力数据控制空分装置的开启具体过程为：

所述第一压力检测器检测的压力值趋向于第三压力检测器检测的压力值，第二压力检测器检测的压力值趋向于大气压强，则第一吸附塔执行吸附，第二吸附塔执行再生-冷却。

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