DE1523655C - Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung von Verbrennungsvorgangen auf einen Opti malwert - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selbst- dung durch ein Organ zur fortlaufenden Entnal.

tätigen Regelung der Konzentration eines Bestand- einer Probe aus dem Ausgangsprodukt, einen Dur

teiles in einem gasförmigen Ausgangsprodukt, das flußmengenmesser für die Probe, einen mit c

durch Verbrennung eines gasförmigen Eingangs- Messer in Verbindung stehenden Verbrennungso

Produktes gewonnen wird, auf einen Optimalwert 5 der mit Zuleitungen für ein brennbares Gas und

bezüglich des von einem Servomechanismus einstell- die Verbrennung unterhaltendes Gas versehen um

baren Mengenverhältnisses von Verbrennungsluft dem ein Temperaturmesser angeordnet ist, der

zum Eingangsprodukt. der gemessenen Temperatur proportionales elel

Bekanntlich geben Anlagen, die zur Oxydation sches Signal liefert, ferner durch einen Gasmenc

eines gasförmigen Eingangsproduktes zu einem gas- ίο regier, der das Durchflußmengenverhältnis zwisa

förmigen Ausgangsprodukt dienen, an die Atmosphäre der Probe und jedem dieser Gase konstant hält, ei

Gase ab, deren Gehalt an einem Bestandteil in Ab- Analysator mit elektrischer Anzeige für die im C

hängigkeit von dem Verhältnis zwischen dem zu- verbrannten Gase, einen Differenzierkreis zur Erz

geführten Eingangsprodukt und der zugeführten Luft gung einer positiven oder negativen Polarität aus c

variabel ist und einen Optimalwert durchläuft. Bei 15 Signal des Temperaturmessers; je nachdem die

Luftmangel bleibt nach den verschiedenen Reak- Ofen gemessene Temperatur zunimmt oder konst

tionen, die in der Anlage ablaufen, ein Teil des Ein- bleibt, einen Optimierungsrechner mit einem Re

gangsproduktes unoxydiert, wodurch' ein Ausbeute- nungsorgan zur Erzeugung einer Stellgröße aus ei

verlust hervorgerufen und vor allem die Abgabe Signal des- Analysators und einem durch die Polar

dieses Gases an die Luft bewirkt wird. Ebenso führt 20- betätigten Kommutationsorgan, das diese Stellgr

ein Luftüberschuß zu einer Leistungsverminderung. derart orientiert, daß der durch die orientierte St

Zum Erzielen der besten Betriebsbedingungen muß größe betätigte Servomechanismus das Meng

der Oxydationsvorgang auf dem Optimalwert ge- verhältnis von Verbrennungsluft zum Eingai

halten werden. _ produkt vergrößert oder vermindert, je nachdem

Regelvorrichtungen zur selbsttätigen Regelung von 25 Polarität positiv oder negativ ist. Oxydationsvorgängen, die in Abhängigkeit von einer Damit besitzt die hier vorgeschlagene Vorricht

geregelten Größe einen Optimalwert durchlaufen, einen Optimierungsrechner, der ständig und in

sind bekannt. So sind beispielsweise in den deutschen . sich bekannter Weise ein Stellsignal zur Steuen

Patentschriften 858 041 und 1 006 935 Regeleinrich- eines Servomechanismus erarbeitet, der das Verh

tungen beschrieben, um die Temperatur des Ofens 30 nis des Sauerstoffträgervolumens zu dem Eingan

einer Feuerungsanlage durch Änderung der Sauer- produktvolumen ändern läßt, und eine Einrichtu

stoffträgermenge auf einen der verlangten Brennstoff- die dem Rechner einerseits ein dem Gehalt des

menge entsprechenden maximalen Wert zu halten. regelnden Bestandteils in dem gasförmigen Ausgan

Diese vorbekannten Einrichtungen umfassen im produkt proportionales Signal und andererseits

wesentlichen ein Organ, mit dem man dem Schieber, 35 Signal liefert, dessen Polarität für die Änderung ι

der in den Ofen Luft einläßt, Testschwingungen Verbrennungstemperatur einer Probe des Ausgan

geringer konstanter Amplitude um einen regelbaren produkte repräsentativ ist, wodurch das Vorzeicl

Mittelwert herum auferlegen kann, ein weiteres des an dem Servomechanismus angelegten St

Organ, mit dem sich aus der sich aus diesen Test- signals bestimmt wird, so daß letzterer das Verhak

Schwingungen ergebenden Temperatur des Ofens das 40 des Sauerstoffträgers im Eingangsprodukt in

Vorzeichen und die Amplitude der dem Schieber _t Richtung einer Steigerung oder Minderung sich e

auferlegten Änderungen bestimmen lassen, und ein wickeln läßt, je nachdem die Verbrennungstempe

Steuerorgan, mit dem sich die Mittelstellung des tür der Probe ansteigt oder etwa konstant bleibt Schiebers einstellen läßt. Die Zeichnung veranschaulicht als' Beispiel

Diese bekannten Einrichtungen besitzen gewisse 45 Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindt

Nachteile insofern, als die Interpretation der Ände- für die Regelung einer Anlage, die zur Schwel

rungen der Temperatur des Ofens nur möglich ist erzeugung durch schonende Oxydation von Schwel

unter einschränkenden dynamischen Voraussetzun- wasserstoff mittels Luft dient. Es zeigt >.

gen, insbesondere hinsichtlich der Frequenz der Test- F i g. 1 einen Schemaplan dieser Anlage,

Schwingungen, die gering sein muß gegenüber der 50 F i g. 2 im Blockschaltbild eine erfindungsgemL

niedrigsten Eigenfrequenz des Systems, was eine ver- Regelvorrichtung,

hältnismäßig langsame Entwicklungszeit zu dem F i g. 3 und 4 Diagramme, welche die Funkt

Optimum hin und ein schlechtes Verhalten gegen- und den Ablauf dieser Vorrichtung erkennen lass über Strörungen mit sich bringt. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ermögli

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 55 die Herstellung von Schwefel aus einem Gas, ι

Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, Schwefelwasserstoff enthält. Das Absperrorgan 1

mit der der optimale Wert der Konzentration eines den Lufteintritt ist durch den Servomechanismu

Bestandteiles eines durch Oxydation eines gasförmi- der Regelvorrichtung regelbar. Das schwefelwass

gen Eingangsproduktes gewonnenen gasförmigen stoffhaltige Gas gelangt bei 3 in einen Reaktor 4,

Ausgangsproduktes eingeregelt werden kann und die 60 dem der Schwefelwasserstoff, etwa nach dem CIa

eine rasche Regelung zu dem Optimum hin erzielen Verfahren, durch teilweise Verbrennung in Schwe

läßt, ohne der Steuergröße überlagerte Testschwin- übergeführt wird. Die Gase gelangen nach ι

gungen verwenden zu müssen. Das Aufsuchen des Umsetzung in einen Kondensator 5, aus dem c

Optimums kann somit in einem dynamischen Bereich Schwefel bei 6 abgenommen wird, während die nc

erzielt werden; der die Ansprechgeschwindigkeit und 65 nicht umgesetzten Gase in einen katalytischen U

das Verhalten gegenüber Störungen beträchtlich wandler 7 geleitet werden. An dessen Eingang

steigert. _ stattet ein Regelventil 8 die richtige Einstellung ι

Dies gelingt mit der Vorrichtung gemäß der Erfin- Luftgehalts der Mischung. Der Schwefel wird in d

3 4

Sammler 9 nach der Reaktion aufgefangen und bei Leitung 21 strömenden Gasstromes an gebundenem 10 entnommen. Schwefel und als Abszisse das Mengenverhältnis K Über die Leitung 11 gelangen die Gase dann einer- zwischen Luft und schwefelwasserstoffhaltigem Gas, seits durch die Leitung 12 zu dem Analysator 13 der das in die Anlage eingeleitet wird, aufgetragen Regelvorrichtung und andererseits durch die Leitung 5 (Kurve 51). Wie man sieht, hat diese Kurve ein Mini-14 zu einem Abzug 15, der sie an die Atmosphäre mum. In der gleichen Figur ist gestrichelt die Tempeabgibt. ratur in dem Ofen"27 dargestellt (Kurve 52). Das in Der Analysator 13 speist über zwei Leitungen 17 F i g. 3 gezeigte Minimum ist nicht fest, sondern ver- und 18 den Rechner 16 der Regelvorrichtung mit schiebt sich in Abhängigkeit von nicht regelbaren zwei elektrischen Größen. Die elektrische Größe 18 io äußeren Störungen, z. B. dem H.,S-Gehalt des einist das Signal, das dem gemessenen Schwefeldioxid- geleiteten Gases. Eine Veränderung läßt die Kurve 51 gehalt entspricht. Aus diesem Signal wird in an sich in eine Kurve wie 53 oder 54 übergehen,
bekannter Weise mit Hilfe des Rechners 16 eine Die Regulierung der Anlage besteht darin, das Stellgröße ermittelt, die über den Servomechanismus Mengenverhältnis zwischen Luft und schwefeldas Lufteinlaßventil 1 regelt. Ein Organ 20 korrigiert 15 wasserstoffhaltigem Gas derart einzustellen, daß der die Luftmenge, die durch das Ventill strömt, in Ab- Schwefelwasserstoffgehalt und/oder der Schwefelhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen dioxidgehalt der Restgase möglichst gering ist. Diese (Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit). Regulierung wird mit der erfindungsgemäßen Vor-

Das Signal, das über die Leitung 17 kommt, ent- richtung wie folgt ausgeführt:

spricht im vorliegenden Fall der Temperaturände- 20 Die Restgase, die in der Leitung 21 strömen, be-

rung, die in dem Analysator 13 beobachtet wird, wo stehen beispielsweise aus CO.,, N₂, H.,S, SO₂ usw.

die entnommene Probe oxydiert wird. - Die Probennahme erfolgt mit" Hilfe des Organs 22,

Falls die Probe Schwefelwasserstoff enthält, steigt das die Sammlung einer repräsentativen. Probe ge-

die Temperattur an, während sie im gegenteiligen - stattet. Das Mengenverhältnis zwischen dieser Probe

Fall stabil bleibt. Das Temperatursignal kann also 25 und der Luft 25 bzw. dem Methan 26 wird ein-

dazu dienen, die Richtung der dem Regelorgan auf- gestellt. Nach einer einfachen Version kann man

zuerlegenden Änderung zu bestimmen. Temperatur- diese drei Mengen konstant halten. Die Verbrennung

konstanz zeigt an, daß die Restgase nur Schwefeloxid in dem Ofen 27 ergibt ein Gas, welches Schwefel

enthalten, d. h. daß die Anlage mit einem Überschuß nur als SO₂ enthält. Der Schwefeldioxidgehalt dieses

von Luft arbeitet, und daß die herbeizuführende 30 Gases wird in dem Analysator 31 gemessen und

Korrektur das Luft-Schwefelwasserstoff-Verhältnis direkt auf den H₂S- und SO.,-Gehalt der Restgase

vermindern muß. bezogen, die in der Leitung 21 strömen. Der Analy-

Wenn man dagegen eine Temperaturerhöhung sator 31 liefert ein elektrisches Signal 33, das dem

gemessen hat, enthält die Mischung erhebliche Men- S-Gehalt der Restgase in der Leitung 21 proportional

gen Schwefelwasserstoff, was bedeutet, daß zur Ein- 35 ist. Das Thermoelement im Ofen 27 ergibt ein Signal

regelung der Einheit auf optimale Bedingungen das 30, dessen im Organ 34 ermittelte Ableitung die

Verhältnis Luft zu Schwefelwasserstoff erhöht werden Polarität 35 bestimmt. Diese Polarität ist positiv oder

muß. Dieses Ergebnis kann in geeigneter Weise der negativ, je nachdem die Verbrennungstemperatur der

Stellfunktion derart einverleibt werden, daß diese Probe ansteigt oder etwa konstant bleibt. Aus dem

j die Regelung im richtigen Sinn orientiert. Das von 40 Signal 33 des Analysators erzeugt das Rechnungs-

dem Rechner 16 ermittelte Steuersignal wird über orgaH des Rechners 36 eine Stellgröße. Diese Stell-

j den Leiter 19 an den Servomechanismus 2 gegeben. größe wird mittels des durch die Polarität 35 betätig-

S Dadurch wird das Verhältnis Luft zu Schwefelwasser- ten Kommutationsorgans des Rechners 36 orientiert,

! stoff eingestellt, so daß innerhalb sehr kurzer Zeit und die orientierte Stellgröße 37 betätigt den Servo-

] ein Funktionieren der Einheit unter den optimalen 45 mechanismus 38 derart, daß dieser das Absperr-

! Bedingungen erreicht wird. organ 39 des Lufteintrittes 40 in der Richtung einer

] F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Regel- Steigerung oder Minderung des Luftverhältnisses

j vorrichtung gemäß der Erfindung. Bei 21 sieht man einstellt, je nachdem die Polarität positiv oder nega-

die Hauptleitung. Die Entnahme der Probe erfolgt tiv ist.

durch das Organ 22, auf das ein Mengenmesser 23 50 Wenn h der Gehalt des Restgases an schwefel-

folgt. Die Gase werden über die Leitung 24 in den haltigem Gas ist, ergibt der Rechner z. B. die Größe Ofen 27 geleitet. Zwei Leitungen 25 und 26 versorgen

diesen Ofen 27 mit Luft bzw. Methan in konstantem ^.

Durchflußmengenverhältnis. e = K_x \-K₂

j Die verbrannten Gase fließen über Leitung 28 zu 55 d t d /^a
einem Wärmeaustauscher 29 und dann zu dem

j Analysator 31, der ein elektrisches Signal 33 liefert, der zu Oszillationsgrenzzyklen führt, falls die Über-

das dem S-Gehalt der Restgase in der Leitung 21 tragungsfunktion des Systems die Form hat

proportional ist. __rl

Ein Thermoelement liefert über Leiter 30 die Ver- 60 w=— .

brennungstemperatur der Gase in dem Ofen 27. Ein ^ajSj
einfaches Organ 34, z. B. ein Differentiatorkreis,

j zeigt bei 35 die Richtung der Temperaturänderungen. Dieses Kommutationsverfahren ist von Helein, ■ Aus den verfügbaren Größen 33 und 35 erzeugt der Perret und Roussell in der Zeitschrift AutoRechner 36 eine orientierte Stellgröße 37. Diese 65 matisme, Bd. IX, März und April 1964, beschrieben. j Größe betätigt den Servomechanismus 38, das das Auf S. 146 findet sich eine Optimierungsfolge mit » Absperrorgan 39 für den Lufteintritt 40 einstellt; einem klassischen Rechner. Man definiert als Opti- ! In Fig. 3 ist als Ordinate der Gehalt S des in mierungssequenz die Ganzheit der Operation, die

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erforderlich ist, um die Regelung auf den Optimalwert zu bringen.

Aus Fig. 4 ersieht man insbesondere, daß der beschriebene Rechner die Anlage günstig oder ungünstig beeinflussen kann.

Die Anwendung des bei 34 (Fig. 2) gewonnenen Signals'35, das eine Polarität für das Betätigungssignal erstellt, gestattet es, die Anlage im günstigen Sinne zu beeinflussen (55). So ist sichergestellt, daß die !Commutation im günstigen Sinne erfolgt, um das Minimum zu erreichen. Auf Grund der Optimierungsfolge ermittelt der Rechner nach Erhalt der beiden naturlichen Kommütationen, z. B. 55 und 56, einen Regelwert, der ein Ausgleich zwischen den beiden Regelwerten ist, die den oben angegebenen Kornmutationen entsprechen. Am Ende der oben beschriebenen Optimierungsfolge ist der Rechner in Ruhe. Ein Zeitschaltwerk oder eine Änderung der Ausgangsgröße über eine vorgegebene Grenze hinaus lösen eine neue Optimierungsfolge aus, die wie die ao oben beschriebene abläuft.

Ein zweites Beispiel für die Regelung einer chemischen Anlage mittels der beschriebenen Vorrichtung findet man in den thermoelektrischen Zentralen, wo die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder von Kohlen Abgase liefert, die Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff und Wasserdampf enthalten. Der Gehalt an. Kohlendioxid zeigt an, daß der richtige Reaktionsablauf in Verbindung steht mit der Menge der entwickelten Verbrennungswärme. Wenn man den Abgasen eine repräsentative Probe entnimmt und mit ihr eine katalytische Verbrennung des Kohlenmonoxids durchführt, enthält man so ein Mittel zur Regelung der thermoelektrischen Zentrale.

Claims (2)

35 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung der Konzentration eines Bestandteiles in einem gasförmigen Ausgangsprodukt, das durch Verbrennung eines gasförmigen Eingangsproduktes g wonnen wird, auf einen Optimalwert bezüglk des von einem Servomechanismus einstellbar« Mengenverhältnisses von Verbrennungsluft zu Eingangsprodukt, gekennzeichnet durc ein Organ (22) zur fortlaufenden Entnahme ein Probe aus dem Ausgangsprodukt, einen Durc. flußmengenmesser (23) für die Probe, einen η dem Messer (23) in Verbindung stehenden Ve brennungsofen (27), der mit Zuleitungen (25 un 26) für ein brennbares Gas und ein die Ve brennung unterhaltendes Gas versehen und i dem ein Temperaturmesser angeordnet ist, ώ ein der gemessenen Temperatur proportionah elektrisches Signal liefert (über 30), ferner durc ,einen Gasmengenregler (32), der das DurchfM mengenverhältnis zwischen der Probe und jeder dieser Gase konstant hält, einen Analysator (31 mit elektrischer Anzeige für die im Ofen (2^ verbrannten Gase, einen Differenzierkreis (3< zur Erzeugung einer positiven oder negative Polarität aus dem' Signal des Temperaturmesser; je nachdem die im Ofen (27) gemessene Tempe ratur zunimmt oder konstant bleibt, einen Opt^: mierungsrechner (36) mit einem Rechnungsorga zur Erzeugung einer Stellgröße aus dem Signr des Analysators und einem durch die Polaritl: betätigten Kommutationsorgan, das diese Stell größe derart orientiert, daß der durch die orien tierte Stellgröße (37) betätigte Servomechanismu (38) das Mengenverhältnis von Verbrennungsluf zum Eingangsprodukt vergrößert oder vermindert je nachdem die Polarität positiv oder negativ ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch einen Oxydationskatalysator ir dem Verbrennungsofen (27) und ein Thermoelement im Inneren des Katalysators, wobei das Signal (33) am Ausgang des Analysators (31' und das Signal (30) des Thermoelementes an den: Optimierungsrechner (36) anlegbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen