DE1523655A1

DE1523655A1 - Optimierungsverfahren

Info

Publication number: DE1523655A1
Application number: DE19661523655
Authority: DE
Inventors: Michel Carmassi; Georges Vandesande
Original assignee: Societe Nationale des Petroles dAquitaine SA
Current assignee: Societe Nationale des Petroles dAquitaine SA
Priority date: 1966-03-08
Filing date: 1966-07-26
Publication date: 1969-07-17
Also published as: GB1155052A; LU51726A1; FR1489044A; ES329383A1; CH458810A; AT278859B; BE683740A; DE1523655B2; US3424560A; CS150175B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer chemischen Anlage, deren Produktatrom am Ausgang gasförmig ist, wobei die Konzentration eines der Bestandteile des Produktatromes in Abhängigkeit einer regelbaren Eingangsgröße schwankt und ein Optimum darstellt. Sie betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, daß die zur Schwefelerzeugung dienenden Anlagen für die schonende Oxydation von Schwefelwasserstoff an die Atmosphäre Gase abgeben, deren Schwefeldioxidund Schwefelwaeeerstoffgehalt in Abhängigkeit von

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dem Verhältnis zwischen dem zugeführten Schwefelwasserstoff und der zugeführten Luft variabel ist. Bei Luftmangel bleibt nach den verschiedenen Reaktionen, die in der Anlage ablaufen, ein Teil des Schwefelwasserstoffes unoxydiert, wodurch ein Ausbeuteverlust hervorgerufen und vor allem die Abgabe dieses G:ses an die Luft bewirkt wird. Ebenso führt ein Luftüberschuß zu einer Leistungsverminderung und zur Abgabe von Schwefeldioxid an die Atmosphäre.

Es.ist ferner bekannt, daß der Schwefeldioxidgehalt leicht durch verschiedene physikalische oder physikoehemische Mittel, namentlich durch die Absorption infraroter Strahlung, bestimmt werden kann.

Ebenso ist es bekannt, daß man den Schwefelwasserstoffgehalt der an die Atmosphäre abgegebenen Gase bestimmen kann, indem man den Schwefelwasserstoff durch Oxydation in Schwefeldioxid umwandelt und die dabei freigesetzte Wärme mißt, die dem Schwefelwasserstoffgehalt streng proportional ist.

Der Einsatz von Rechnern für die Optimierung mechanischer, elektrischer, chemischer oder dgl. Systeme ermöglicht eine optimale Regelung der Anlage durch Bestimmung einer Stellgröße, die eine Punktion der Ausgangsgröße und deren zeitlicher Veränderung ist. Derartige Rechner sind beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 353 156 beschrieben.

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Anwendungen solcher Rechner sind für elektrische Systeme bekannt. Sie ermöglichen es, die Optimierung mit Hilfe einer Gegenreaktionsschleife zu bewirken. Bei der Einregelung chemischer Anlagen auf die optimalen Bedingungen mit Hilfe solcher Systeme muß jedoch das Aufsuchen des Optimums durchgeführt werden, ohne daß ein Hinweis auf die Richtung der Änderung vorliegt, die am Eingang der Einheit vorzunehmen ist.

Die Erfindung bezweckt, diesem llachteil absuhä-fen. Dies gelingt bei dem eingangs genannten Optimierungßverfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man einen Teilstrom als Probe, die der Zusammensetzung des Produktstromes entspricht, ständig in einem Verbrennungsofen katalytisch verbrennt, wobei die Menge der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von der Menge des Produktstromes geregelt wird, die Konzentration des oxidierten Bestandteiles am Ausgang" des Verbrennungsofens in Form eines ersten elektrischen Signals mißt, die Richtung der Verbrennungstemperaturänderung in Form eines zweiten elektrischen Signals mißt, die Richtung dieser Änderung in Polarität umsetzt, diese Polarität mit dem ersten Signal vereinigt, das resultierende Signal in einen Elektronenrechner eingibt, der es zu einer Stellgröße verarbeitet, und diese letztere mit einem Mechanismus verbindet, der die Eintrittsgröße in einem solchen Sinne regelt, daß eine optimale Regelung durch die Polarität, die aus der Temperaturmessung kommt, erzielt wird.

Die Zeichnung veranschaulicht als Beispiel eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs-

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gemäßen Verfahrens und erläuternde Diagramme. Es zeigen»

Pig. 1 einen Sohemaplan dieser Vorrichtung, Pig. 2 im Blockschaltbild eine Vorrichtung zur Analyse

der Restgase und Pig. 3 und 4 Diagramme, welche die Punktion und den

Ablauf dieser Vorrichtung erkennen lassen.

Die in Pig. 1 dargestellte Vorrichtung ermöglicht die Herstellung von Schwefel aus einem Gas, das Schwefelwasserstoff enthält. Das Absperrorgan 1 für den Lufteintritt ist durch einen Servomechanismus 2 regelbar· Das Schwefelwasserstoff haltige Gas gelangt bei 3 in einen Reaktor,4» in dem der Schwefelwasserstoff, etwa nach dem Claus-Verfahren, durch teilweise Verbrennung in Schwefel übergeführt wird. Die Gase gelangen nach der Umsetzung in einen Kondensator 5, aus dem der Schwefel bei 6 abgenommen wird, während die noch nicht umgesetzten Gase in einen katalytisohen Umwandler 7 geleitet werden. An dessen Eingang gestattet ein Regelventil 8 die richtige Einstellung dee Luftgehaltβ der Mischung» Der Sohwefel wird in dem Sammler 9 nach der Reaktion aufgefangen und bei 10 entnommen«

Über die Leitung 11 gelangen die Gaββ dann einerseits durch die Leitung 12 eu einem Analysator 13 und andererseits durch die Leitung 14 zu einem Abesug 15» der sie an die Atmosphäre abgibt.

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Der Analysator 13 speist über zwei Leitungen 17 und 18 einen Rechner 16 mit zwei elektrischen Größen. Die elektrische Größe 18 1st das Signal, das dem gemessenen Schwefeldioxidgehalt entspricht. Aus diesem Signal wird in an sich bekannter Weise mit Hilfe des Reohnere 16 die erste und zweite Ableitung bestimmt und so eine Stellfunktion ermittelt, die über eine elektronische Optimierungsvorriohtung das Lufteinlaßventil 1 regelt. Ein Organ 20 korrigiert die Luftmenge, die duroh das Ventil 1 etrömt, in Abhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen (Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit).

Das Signal, das über die Leitung 17 kommt, entspricht im vorliegenden Pail der lemperaturänderung, die in dem Analysator 13 bfobaohtet wird, wo die entnommene Probe oxidiert wird.

Palis die Probe Schwefelwasserstoff enthält, steigt die Temperatur an, während sie im gegenteiligen Pail stabil bleibt, Das Temperatursignal kann also dazu dienen, die Richtung der dem Regelorgan aufzuerlegenden Änderung zu bestimmen. Temperaturkonstanz zeigt an, daß die lestgase nur Schwefeldioxid enthalten, d.h. daß die Anlage mit einem Überschuß von Luft arbeitet, und daß die herbeizuführende Korrektur das Luft/Sohwefelwasβerstoff-Verhältnis vermindern muß.

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Wenn man dagegen eine Temperaturerhöhung gemessen hat, enthält die Mischung erhebliohe Mengen Schwefelwasserstoff, was bedeutet, daß stur Einregelung der Einheit auf optimale Bedingungen das Verhältnis Luft/Schwefelwasserstoff erhöht werden muß.

Dieses Ergebnis kann in geeigneter Weise der Stellfunktion derart einverleibt werden, daß diese die Regelung im richtigen Sinn orientiert.

Das von dem Rechner 16 ermittelte Steuersignal wird über den Leiter 19 an den Servomechanismus 2 gegeben. Dadurch wird das Verhältnis Luft/Sohwefelwaeseretoff eingestellt, so daß innerhalb sehr kurzer Zeit ein funktionieren der Einheit unter den optimalen Bedingungen erreicht wird.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungefora einer Vorrichtung zur Analyse der Restgase. Bei 21 sieht «an die Hauptleitung. Die Entnahme der Erofee erfolgt durch das Organ 22, auf das ein Mengenmesser 23 folgt. Die Oase werden über die Leitung 24 in den Ofen 27 geleitet. Zwei Leitungen 25 und 26 versorgen diesen Ofen 27 mit Luft bew. Methan in konstanten Durchflußmengen.

Die verbrannten Gase fließen über Leitung 28 zu einem Wärmeaustauscher 29 und dann zu dem Analysator 31 $ der dem Organ 32 ein elektrisches Signal liefert. Auf dieses Organ wird das Mengenverhältnis zwischen Bestgas und Methan bzw.

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luft über Leiter 36 aufgegeben. Die Größe 33 ist damit proportional dem 8-Gehalt der Restgase in der Leitung 21.

Ein Thermoelement liefert über Leiter 30 die Verbrennungstemperatur der Gase in dem Ofen 27. Ein einfaches Organ 34» z.B. ein Differentiatorkreis, zeigt bei 35 die Richtung der Temperaturänderung an. Die bei 33 und 35 verfügbaren Größen ermöglichen es, die Stellgröße zu ermitteln und den Änderungssinn zu bestimmen.

Um das Verständnis des Optimierungeverfahrens zu erleichtern, sei noch die Arbeitsweise der Analyeenvorrichtung im nachstehenden beschrieben. Die Restgase, die in der Leitung strömen, bestehen beispielsweise aus 00₂» NO₂1 HpS, SOp usw. Die Probennahme erfolgt mit Hilfe des Organe 22, das die Sammlung einer repräsentativen Probe gestattet. Das Mengenverhältnis zwischen dieser Probe und der Luft 25 bzw. dem Methan 26 wird eingestellt. Nach einer einfachen Version kann man diese drei Mengen konstant halten. Die Verbrennung ergibt ein Gas, welches Schwefel nur ale SO₂ enthält, und der Sohwefeldiozidgehalt wird direkt auf den HoS- und SOp-Gehalt der Röstgase bezogen, die in der Leitung 21 strömen. Bei einer praktisch ausgeführten Anlage wurden die Mengen eingestellt auf eine stöchiometrisohe Verbrennung von S (Gehalt in H₂Sf SOg) « 1,32 χ β (bei 31 gemeesener Gehalt). Das Thermoelement im Ofen 27 ergibt ein Signal 30, dessen im Organ 34 ermittelt· Ableitung die Polarität 35 bestimmt.

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Die Arbeitsweise des Automationsorganes ist aus Fig. 3 ersichtlich. In dieser Figur ist als Ordinate der Gehalt S des in Leitung 21 strömenden Gasstromes an gebundenem Schwefel und als Abszisse das Mengenverhältnis K zwischen Luft und schwefelwasserstoffhaltigem Gas, das in die Anlage eingeleitet wird, aufgetragen (Kurve 51). Wie man sieht, hat diese Kurve ein Minimum. In der gleichen Figur ist gestrichelt die Temperatur in dem Ofen 27 dargestellt (Kurve 52).

Die Regulierung der Einheit besteht darin, das Mengenverhältnis zwischen Luft und schwefelwasserstoffhaltigem Gas derart einzustellen, daß der Schwefelwasserstoffgehalt und/ oder der ßohwefeldioxidgehalt der Restgase möglichst gering ist.

Das in Fig. 3 gezeigte Minimum ist nicht fest, sondern verschiebt sich in Abhängigkeit von nicht regelbaren äußeren Störungen, z.B. dem HpS-Gehalt des eingeleiteten Gases. Eine Veränderung läßt die Kurve 51 in eine Kurve wie 53 oder 54 übergehen.

Das Optimierungsverfahren besteht zunächst darin, eine Stellgröße mit Hilfe des Rechners aufzufinden. Wenn h der Gehalt des Restgaees an schwefelhaltigem Gas ist, ergibt der Rechner β. B. den Wert

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der zu Oszillationsgrenzzyklen führt, falls die Übertragungsfunktion des Systems die Porm hat

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Dieses Kommutationsverfahren ist von Helein, Perret und Roussell in der Zeitschrift Automatisms, Band IX, März und April 1964| beschrieben. Auf S. I46 findet sich eine Optiniierungsfolge mit einem klassischen Rechner. Man definiert als Optimlerungsseciuens die Ganzheit der Operation, die erforderlioh ist, um die Regelung auf den Optimal«ert zu bringen.

Aus Fig. 4 ersieht man insbesondere, daß der beschriebene ^ivechner die Einheit im zweifachen Sinn, also günstig oder ungünstig, beeinflussen kann.

Die Anwendung des erfindungegeniäßen Verfahrens gestattet es, mit dem bei 34 (Fig. 2) gewonnenen Signal 351 das eine Polarität für das Betätlgungsaignal erstellt, die Binheit im günstigen Sinne zu beeinflussen {55}, So ist eiohergeeteilt, daß di9 !Commutation im günstigen Sinne erfolgt» um dme Mininua au erreichen.

Aufgrund dtr Optimierungβfolge ermittelt der Rechner naoh Erhalt der beiden natürlichen Eomautationen, a.B, 55 und 56,* einen Regelwert, der ein Ausgleioh uwiaohen den beiden Hegelwerten ist, die den oben angegebenen KoaiBut»tionen entepreohen.

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Am Ende der oben⁵ tosaehrietenen Optimierungsfolge ist der Rechner in Ruhe. Bin 2eitsehaltwerk oder eine Änderung der Ausgangsgröße über eine vorgegebene Grenze hinaus lösen eine neue Optimierungsfolga aus, die wie die oben beschriebene abläuft.

Bin zweites Beispiel für die Regelung einer ehemischen Anlage nach dem beschriebenen Verfahren findet man in den thermoelektriachen Zentralen, wo die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder von Kohlen Abgase liefert, die Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff und Wasserdampf enthalten. Der Gehalt an Kohlendioxid seigt an, daß der richtige Reaktionsablauf in Verbindung steht mit der Menge der entwickelten Verbrennungswär¹!, Wenn man der Abgasen eine repräsentative Probe entnimmt und mit ihr eine katalytische Verbrennung des Kohlenmonoxids durchführt» eruhält man so ein Mittel zur Regelung der thermoelektrische!! Zentrale,

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Claims

Patentanwalt
8Münch«rt2l-6otthard*r.8t

Tel.fon 5« 17 62

Societe Nationale dee Petrolee d*Aquitaine Gourbevoie (Frankreich)

Patentansprücheι

1, Verfahren zur Optimierung einer chemischen Anlage, deren Produktetrom am Auegang gasförmig ist, wobei die Konzentration eines der Beetandteile des Produktstromes in Abhängigkeit einer regelbaren Eingangsgröße schwankt und ein Optimum darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teilstrom als Probe, die der Zusammensetzung des Produktstromes entspricht, ständig in einem Verbrennungsofen katalytisch verbrennt, wobei die Meng· der Verbrennungsluft in Abhängigkeit τοη der Menge de· Produktstromes geregelt wird, die Konzentration dee oxidierten Bestandteiles am Ausgang des Verbrennungsofens in Form eines ersten elektrischen Signals mißt, die Richtung der Verl>rennungstemperaturänderung in Form eines zweiten elektrischen Signals mißt, die iohtung dieser Änderung in Polarität umsetzt, diese Polarität mit dem ersten Signal vereinigt, das resultierende Signal in einen Elektronenrechner eingibt, der es zu einer Stellfunktion verarbeitet, und diese letztere mit einem

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Mechanismus verbindet, der die Eintrittsgröße in einem solchen Sinne regelt, daß eine optimale Regelung durch die Polarität, dia aus der Temperaturmessung kommt, erzielt wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1 für eine Anlage zur Erzeugung von Schwefel durch Verbrennung eines schwefelwasserstoffenhaltenden Gases, dadurch gekennzeichnet, daß man eine dem Ausstoß der Anlage entsprechende ^robe entnimmt, diese der katalytischen Verbrennung in einem Verbrennungsofen unterwirft, die Konzentration an Schwefeldioxid am Ausgang des Verbrennungsofens mißt, die Eichtung der Verbrennungstemperaturänderung¹ des Schwefelwasserstoffs mißt und die von einem Folgerechner erarbeitete Stellgröße mit einem Mechanismus verbindet, der die !»uftmenge am Ofeneingang so regelt, daß der Schwefelgehalt im Abgas durch die Polarität, die aus der Temperaturmessung kommt, vermindert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Organ zur kontinuierlichen Entnahme einer gasförmigen Probe, einen Verbrennungsofen, der mit einem brennbaren Gas und einem die Verbrennung unterhaltenden Gas gespeist wird, wobei die Mengen dieser Gase der Probengröße angeglichen werden, ferner einen Oxidationskatalysator in dem Verbrennungsofen, einen Analysator, durch den die oxidierten Gase strömen und der ein elektrisches Signal auslöst, und ein Thermoelement im Inneren des

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Katalysators, wobei das Signal am Ausgang des Analysators und das Signal des Thermoelementes an einem Rechner anlegbar sind.

4. Vorrichtung naoh Anspruch 3, daiurch gekennzeichnet, daß der Analysator ein Infrarotgerät ist, duroh den die Abgase des Verbrennungsofens strömen, wobei dieser Analysator ein Signal liefert, das dem SOp-Gehalt des Verbrennungsgases proportional ist, wobei ferner das Signal des Thermoelements anzeigt, ob in dem Verbrennungsofen eine Verbrennung von Schwefelwasserstoff stattfindet oder nicht, der in der Produktionsanlage nioht umgesetzt ist, und wobei schließlich die genannten elektrischen Signale einem Folgereohner eingegeben werden.

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