DE102008025225A1 - Adsorption method i.e. pressure change-adsorption method, for adsorptive separation of two-component process gas mixtures, involves carrying out pre-controlling of control valves before valves control pressure ramp and/or pressure transfer - Google Patents

Adsorption method i.e. pressure change-adsorption method, for adsorptive separation of two-component process gas mixtures, involves carrying out pre-controlling of control valves before valves control pressure ramp and/or pressure transfer Download PDF

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Abstract

The method involves carrying out pressure decrease and/or pressure generation by control valves that are controlled by a process controller. Pre-controlling of the control valves is carried out in an intermediate cycle that is upstream to a pressure decrease cycle and/or a pressure generation cycle before the control valves control pressure ramp and/or pressure transfer. The duration of the intermediate cycle amounts to maximum of 1 second, where the intermediate cycle lies between process steps.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, beispielsweise ein Adsorptionsverfahren, bei dem ein Druckabbau und/oder ein Druckaufbau mittels von einer Prozesssteuerung angesteuerter Regelventile erfolgen.The Invention relates to a process, for example an adsorption process, in which a pressure reduction and / or a pressure build-up by means of a Process control actuated control valves done.

Bei einer Vielzahl unterschiedlichster Verfahren sind zwischen einzelnen Prozessschritten bzw. Anlagenteilen Druckabbau- und/oder Druckaufbauschritte zu realisieren. Lediglich beispielhaft genannt seien Adsorptionsverfahren, die der adsorptiven Auftrennung eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches dienen und bei denen wenigstens zwei parallel angeordnete Adsorber, die abwechselnd Adsorptions- und Desorptionsphasen durchlaufen, vorgesehen sind und der Druckabbau und/oder der Druckaufbau mittels von einer Prozesssteuerung angesteuerter Regelventile erfolgt. Gattungsgemäße Adsorptions- bzw. Druckwechseladsorptionsverfahren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie dienen der Reinigung, Zerlegung oder anderweitigen Aufbereitung eines mehrkomponentigen Gasgemisches.at A variety of different methods are between individual Process steps or system parts Pressure reduction and / or pressure build-up steps to realize. By way of example only, adsorption processes, the adsorptive separation of an at least two-component Serve gas mixtures and in which at least two parallel Adsorbers that alternately undergo adsorption and desorption phases, are provided and the pressure reduction and / or the pressure build-up means is carried out by a process control controlled control valves. Generic adsorption or pressure swing adsorption are from the prior art adequately known. They are used for cleaning, cutting or otherwise Preparation of a multi-component gas mixture.

Im Regelfall wird bei derartigen Adsorptionsverfahren das mehrkomponentige Einsatz- bzw. Prozessgas von einer oder mehreren Komponenten befreit, in dem diese an einem oder mehreren unterschiedlichen Adsorbentien adsorbiert und auf diese Weise aus dem Einsatzgas entfernt werden. Die adsorbierte(n) Komponente(n) wird bzw. werden anschließend in einem der Adsorptionsphase nachgeschalteten Verfahrensschritt unter niedrigerem Druck wieder freigesetzt (Desorptionsphase). Die eigentliche Produktkomponente bzw. der eigentliche Produktstrom kann hierbei durch die adsorbierte(n) Komponente(n) oder die nicht adsorbierte(n) Komponente(n) gebildet werden.in the Normally, in such adsorption the multi-component Application or process gas freed of one or more components in which this at a or several different adsorbents and adsorbed on be removed from the feed gas this way. The adsorbed Component (s) is / are then in one of the adsorption phase downstream process step under lower pressure again released (desorption phase). The actual product component or the actual product stream can be characterized by the adsorbed component (s) or the unadsorbed component (s) are formed.

Bei derartigen Adsorptionsverfahren ist innerhalb eines Adsorbers abwechselnd ein Druckaufbau sowie ein Druckabbau über sog. Regelventile zu realisieren. Üblicherweise werden hierzu sog. Druckrampen gefahren, die im Regelfall einen linearen Verlauf aufweisen sollen. Beispielsweise ein Druckabbau von 20 auf 10 bar innerhalb von 20 sec, woraus sich im Falle eines linearen Verlaufes folglich eine Steigerung von –0,5 bar/sec ergibt.at Such adsorption process is alternating within an adsorber to realize a pressure build-up and a pressure reduction via so-called control valves. Usually For this purpose, so-called pressure ramps are driven, which are usually a should have linear course. For example, a pressure reduction from 20 to 10 bar within 20 sec, resulting in the case of a Consequently, an increase of -0.5 bar / sec results in linear progression.

Für eine optimale Prozessführung ist die Ansteuerung der hierfür vorzusehenden, erforderlichen Regelventile über die Regler in der Prozesssteuerung von entscheidender Bedeutung. Stetige Regler sind aus der Prozessleittechnik hinlänglich bekannt; dabei lassen sich 4 Grundtypen angeben: den Proportional-Regler (P-Regler), den Intergral-Regler (I-Regler), den Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) und den Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler). Nachfolgende Beispiele beziehen sich insbesondere auf die Ansteuerung eines Regelventils mittels eines PI-Reglers aus der Prozesssteuerung.For an optimal Litigation is the control of this be provided, required control valves via the controller in the process control crucial. Continuous controllers are from process control technology adequately known; 4 basic types can be specified: the proportional controller (P-controller), the integral controller (I controller), the proportional-integral controller (PI controller) and the proportional-integral-derivative controller (PID controller). The following examples relate in particular to the control a control valve by means of a PI controller from the process control.

Dem (PI-)Regler wird bisher als Soll-Wert beispielsweise eine Druckrampe, wie vorbeschrieben, vorgegeben. Das eigentliche Regelverhalten ist dann von dem Ist-Wert des dem Regelventil zugeordneten Drucksensors abhängig. Aus dem Soll/Ist-Abgleich wird schließlich die Stellgröße y(t) des (PI-)Reglers ermittelt, die in einen entsprechenden Hub oder Stellwinkel (H oder φ) des Regelventils umgesetzt wird.the (PI) controller is so far as setpoint value, for example, a pressure ramp, as described above, given. The actual control behavior is then from the actual value of the control valve associated pressure sensor. Out the target / actual comparison finally becomes the manipulated variable y (t) determined by the (PI) controller, which in a corresponding stroke or Adjustment angle (H or φ) the control valve is implemented.

Maßgeblich beeinflusst wird das Regelverhalten eines Regelventils auch von seiner Kennlinie, die beispielsweise linear oder gleichprozentig ausgelegt sein kann. Die maximale Durchflussöffnung bzw. der maximale KV-Wert eines Regelventils – dabei ist der Durchflussbeiwert KV (Einheit: m3/s) eine Kennzahl, die angibt, welche Menge Wasser (5 bis 30°C) bei einem Druckverlust von 0,98 bar und einem gegebenen Hub H (Ventil) bzw. Stellwinkel φ durch eine Armatur geht – wird durch verschiedene Prozessparameter, wie Durchflussmenge, Druck, Dichte und zulässiger Druckabfall des Regelventils, bestimmt.Significantly influenced the control behavior of a control valve and its characteristic curve, which may be designed, for example, linear or equal percentage. The maximum flow opening or the maximum K V value of a control valve - the flow coefficient K V (unit: m 3 / s) is an index indicating the amount of water (5 to 30 ° C) at a pressure loss of 0, 98 bar and a given stroke H (valve) or adjusting angle φ passes through a valve - is determined by various process parameters, such as flow rate, pressure, density and allowable pressure drop of the control valve.

Zu Beginn einer Druckrampe kann sich der Regler in einem nicht definierten Zustand befinden oder einen Wert annehmen, der wesentlich vom Startwert der nachfolgenden Druckrampe abweicht. Um nun eine vorgegebene Druckrampe verfahrenstechnisch optimal fahren zu können, ist der Startwert bzw. Offset des Regelventils (Hub) von großer Bedeutung (Initialisierungsphase des Reglers), um ein Schwingverhalten des Reglers und somit Abweichungen vom Soll-Wert zu vermeiden.To Beginning of a pressure ramp, the controller may be in an undefined State or assume a value that is significantly different from the starting value deviates from the subsequent pressure ramp. Now a preset pressure ramp procedurally optimal driving, is the start value or Offset of the control valve (stroke) of great importance (initialization phase of the controller), a vibration behavior of the controller and thus deviations to avoid the target value.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das die vorgenannten Probleme vermeidet und insbesondere eine Verbesserung des Regelverhaltens von Regelventilen ermöglicht.task The present invention is a generic method to avoid the problems mentioned above and in particular an improvement of the control behavior of control valves allows.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Voransteuerung der oder wenigstens eines der Regelventile erfolgt, bevor diese bzw. dieses eine Druckrampe und/oder einen Drucksprung regeln.to solution this task is proposed a generic method, which is characterized in that a pre-control of or at least one of the control valves takes place before this or this regulate a pressure ramp and / or a pressure jump.

Unter dem Begriff ”Drucksprung” sei nachfolgend ein Druckaufbau oder Druckabbau, der übergangslos in Form einer Rechteckfunktion (Sollwert-Vorgabe) erfolgt, zu verstehen.Under the term "pressure jump" is below a pressure build-up or pressure reduction, the transitionless in the form of a rectangular function (Setpoint specification) is to be understood.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – die Voransteuerung des oder der Regelventile in einem dem Druckabbau- und/oder Druckaufbautakt vorgeschalteten Zwischentakt erfolgt, wobei diese Zwischentakte zwischen den eigentlichen Prozessschritten liegen und von deutlich kürzerer Zeitdauer – ihre Zeitdauer beträgt üblicherweise längstens 3 sec, vorzugsweise 1 sec – sind,
  • – bei der Voransteuerung eines Regelventiles diesem ein Hub entsprechend dem Startwert (Offset) der Reglerrampe zugewiesen wird, der zugewiesene Hub zwischen –20% und +20% Hub des entsprechenden Startwerts der Reglerrampe liegt,
  • – zeitgleich mit der Ansteuerung eines Regelventiles weitere Ventile geschaltet werden, insbesondere binäre Ventile geschlossen werden, um ein gleichzeitiges Öffnen unterschiedlicher Ventillinien und damit einen unerwünschter Gasaustausch zwischen den Ventillinien zu vermeiden und
  • – sofern das Verfahren ein Druckwechsel-Adsorptionsverfahren ist, die Prozessschritt- bzw. Zykluszeiten höchstens 100 sec, vorzugsweise zwischen 10 und 60 sec betragen.
Further advantageous embodiments of the method according to the invention, which constitute subjects of the dependent claims, are there characterized in that
  • - The pilot control of the control valves or in a pressure reduction and / or pressure buildup upstream intermediate clock takes place, these intermediate clocks are between the actual process steps and a much shorter period of time - their time is usually not more than 3 seconds, preferably 1 sec - are,
  • - in the pilot control of a control valve, this is assigned a stroke corresponding to the starting value (offset) of the controller ramp, the assigned stroke is between -20% and + 20% stroke of the corresponding starting value of the controller ramp,
  • - Be connected at the same time with the control of a control valve more valves, especially binary valves are closed to avoid simultaneous opening of different valve lines and thus an undesirable gas exchange between the valve lines and
  • If the process is a pressure swing adsorption process, the process step or cycle times are at most 100 seconds, preferably between 10 and 60 seconds.

Wird in einem bestimmten Prozessschritt, beispielsweise eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens, ein Regelventil zum Regeln einer Druckrampe angesteuert, so wird diesem nunmehr erfindungsgemäß aus einer Ausgangsposition der Startwert (Offset) zu Beginn des Prozessschrittes durch die Prozesssteuerung übermittelt. Nach einer Initialisierungsphase beginnt der Regler der Prozesssteuerung über das angesteuerte Ventil, den gewünschten Druckverlauf zu regeln. Die Ausgangsposition des Regelventils kann zwischen 0 und 100% Öffnung oder auch der Endwert eines vorherigen Reglers sein. Häufig führt dies zu Beginn der Druckrampe jedoch zu einem unerwünschten, da nicht optimalen Druckverlauf, da das Regelventil eine gewisse Zeit benötigt, um von der jeweiligen Ausgangsposition den gewünschten Startwert zu erreichen.Becomes in a certain process step, for example a pressure swing adsorption process, a control valve is controlled to control a pressure ramp, so is this invention now from a Starting position The starting value (offset) at the beginning of the process step transmitted through the process control. After an initialization phase, the controller starts the process control via the controlled valve, the desired pressure curve to regulate. The starting position of the control valve can be between 0 and 100% opening or also be the final value of a previous controller. Often this leads However, at the beginning of the print ramp to an undesirable, because not optimal pressure curve, because the control valve takes a certain amount of time to separate from the respective one Starting position the desired Start value to reach.

Dies hat zur Folge, dass in dem entsprechenden Prozessschritt unter Umständen zu Beginn des Taktes zuviel Prozessgas – beispielsweise bei einer Ansteuerung von 100% (siehe 1: Gleichstromentspannung E von Adsorber 1 von 20 auf 10 bar bei linearer Druckrampe bzw. Sollwertvorgabe und Druckaufbau R von Adsorber 2 von 1,5 auf 9,8 bar) – oder zu wenig Prozessgas – beispielsweise bei einer Ansteuerung von 0% (siehe 2: Gleichstromentspannung E von Adsorber 1 von 20 auf 10 bar bei linearer Druckrampe bzw. Sollwertvorgabe und Druckaufbau R von Adsorber 2 von 1,5 auf 9,8 bar) – aus dem Adsorber abströmt.This has the consequence that in the corresponding process step under certain circumstances at the beginning of the cycle too much process gas - for example, at a control of 100% (see 1 : DC voltage E of adsorber 1 from 20 to 10 bar with linear pressure ramp or setpoint specification and pressure build-up R of adsorber 2 from 1.5 to 9.8 bar) - or too little process gas - for example with a control of 0% (see 2 : DC voltage E of adsorber 1 from 20 to 10 bar with linear pressure ramp or setpoint specification and pressure build-up R of adsorber 2 from 1.5 to 9.8 bar) - flows out of the adsorber.

Es kann zu einem Schwingverhalten des Reglers kommen, wobei das Gas aus dem Adsorber ungleichmäßig abströmt und somit auch der Druckaufbau bzw. Spülschritt im korrespondierenden Adsorber ungleichmäßig erfolgt. Des Weiteren kann durch dieses Schwingverhalten der vorgegebene Enddruck der Druckrampe (Soll-Wert) unter Umständen nicht erreicht, also über- oder unterschritten werden (Ist-Wert). Die 1 und 2 verdeutlichen diese Ausführungen, wobei in der 1 eine Ansteuerung des Ventils von 100% und in der 2 eine Ansteuerung von 0% ausgehend dargestellt ist.It can come to a vibration behavior of the controller, wherein the gas flows out of the adsorber unevenly and thus also the pressure build-up or purging step in the corresponding adsorber is uneven. Furthermore, the predetermined final pressure of the pressure ramp (setpoint value) may not be reached, ie exceeded or fallen below (actual value), as a result of this oscillation behavior. The 1 and 2 clarify this statement, where in the 1 a control of the valve of 100% and in the 2 a control is shown starting from 0%.

Um dieses verfahrenstechnisch unerwünschte Verhalten zu vermeiden und beispielsweise den Druckabbau bei der Gleichstromentspannung eines Adsorbers optimal fahren zu können, ist eine Voransteuerung des Regelventils vor dem eigentlichen Prozessschritt vorgesehen. In dieser Voransteuerung von etwa 1 sec Dauer wird dem Regelventil, ausgehend von seiner vorherigen Ausgangsposition, eine Öffnung von beispielsweise 50% zugewiesen.Around this procedurally undesirable Behavior to avoid and, for example, the pressure reduction in the To be able to drive DC voltage of an adsorber optimally is a pilot control of the control valve before the actual process step intended. In this pre-control of about 1 sec duration is the Regulating valve, starting from its previous starting position, an opening of For example, 50% assigned.

Somit verkürzt sich die Zeit, in der das Regelventil den für den nachfolgenden Prozessschritt gewünschten Startwert erreicht, erheblich. Dadurch kann der Druckverlauf bereits zu Beginn des oben beschriebenen Prozessschrittes optimal gefahren werden, wie dies anhand der 3 und 4 ersichtlich ist.Thus, the time in which the control valve reaches the desired start-up value for the subsequent process step is considerably shortened. As a result, the pressure curve can be optimally driven already at the beginning of the process step described above, as can be seen from the 3 and 4 is apparent.

Erfindungsgemäß können nunmehr Druckrampen, wie sie beispielsweise in Druckwechseladsorptionsprozessen auftreten, optimaler bzw. gleichmäßiger gefahren werden. Insbesondere bei der sog. Gleichstromentspannung eines Adsorbers, dessen abströmendes Gas zum Druckaufbau und/oder zum Spülen eines zweiten Adsorbers genutzt wird, ergibt sich eine bessere Ausgestaltung des Verfahrensschrittes, wodurch eine höhere Effektivität des Spülens erreicht wird und zudem der definierte Enddruck der Druckrampe optimaler erreicht werden kann.According to the invention can now Pressure ramps, as for example in pressure swing adsorption processes occur, can be driven more optimally or evenly. Especially at the so-called DC stress of an adsorber, its outflowing gas for pressure buildup and / or flushing a second adsorber is used, there is a better design the process step, whereby a higher efficiency of rinsing achieved In addition, the defined final pressure of the pressure ramp is optimized can be achieved.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt somit aufgrund einer verbesserten Prozessführung bzw. -kontrolle bei Adsorptionsverfahren, aber auch bei anderen Verfahren, zu einer Verbesserung der Anlagenkapazität und/oder zu einer Erhöhung der Produktgasausbeute.The inventive method thus leads due to improved process control in adsorption processes, but also with other procedures, to an improvement of the plant capacity and / or to an increase the product gas yield.

Es sei nochmals betont, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht ausschließlich bei Adsorptionsverfahren zur Anwendung kommen kann, sondern immer dann, wenn bei unterschiedlichsten Prozessen zwischen einzelnen Prozessschritten bzw. Anlagenteilen Druckabbau- und/oder Druckaufbauschritte realisiert werden.It It should again be emphasized that the method according to the invention is not exclusive to Adsorption process can be used, but always, if, in the case of very different processes, between individual process steps or System parts Pressure reduction and / or pressure build-up steps realized become.

Claims (7)

Verfahren, beispielsweise Adsorptionsverfahren, bei dem ein Druckabbau und/oder ein Druckaufbau mittels von einer Prozesssteuerung angesteuerter Regelventile erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Voransteuerung der oder wenigstens eines der Regelventile erfolgt, bevor diese bzw. dieses eine Druckrampe und/oder einen Drucksprung regeln.Process, for example adsorption, in which a pressure reduction and / or a pressure Construction carried out by means of a process control controlled control valves, characterized in that a pre-control of or at least one of the control valves takes place before this or this regulate a pressure ramp and / or a pressure jump. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Voransteuerung des oder der Regelventile in einem dem Druckabbau- und/oder Druckaufbautakt vorgeschalteten Zwischentakt erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that the pilot control of the control valve or valves in a pressure reduction and / or pressure build-up clock upstream intermediate clock takes place. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischentakte zwischen den eigentlichen Prozessschritten liegen und ihre Dauer maximal 3 sec, vorzugsweise 1 sec, beträgt.Method according to claim 2, characterized in that that the intermediate clocks between the actual process steps and their duration is a maximum of 3 seconds, preferably 1 second. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Voransteuerung eines Regelventiles diesem ein Hub entsprechend dem Startwert (Offset) der Reglerrampe zugewiesen wird.Method according to Claims 1 to 3, characterized that in the pilot control of a control valve this a hub accordingly assigned to the starting value (offset) of the controller ramp. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zugewiesene Hub zwischen –20% und +20% Hub des entsprechenden Startwerts der Reglerrampe liegt.Method according to claim 4, characterized in that that the assigned hub between -20% and + 20% stroke of the corresponding Start value of the controller ramp is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich mit der Voransteuerung eines Regelventiles weitere Ventile geschaltet werden.Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that at the same time as the pre-drive a control valve more valves are switched. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren ein Druckwechsel-Adsorptionsverfahren ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessschritt- bzw. Zykluszeiten höchstens 100 sec, vorzugsweise zwischen 10 und 60 sec betragen.Method according to one of the preceding claims 1 to 6, the process being a pressure swing adsorption process, characterized in that the process step or cycle times at most 100 sec, preferably between 10 and 60 sec.
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