DE60314051T2

DE60314051T2 - Verfahren zur Regelung einer Vorrichtung zur Behandlung einer Gascharge durch Druckwechseladsorption

Info

Publication number: DE60314051T2
Application number: DE60314051T
Authority: DE
Inventors: Christian Monereau
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2023-06-14
Also published as: DE60314051D1; US20040055462A1; EP1374973A1; FR2841153B1; US7025801B2; FR2841153A1; ES2287427T3; EP1374973B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Vorrichtung zur Behandlung wenigstens eines Feedgases durch Druckwechseladsorption, bei welcher die Behandlungsvorrichtung, gewöhnlich PSA genannt ("Pressure Swing Adsorption", das heißt Druckwechseladsorption), N Adsorptionsvorrichtungen aufweist, wobei N größer oder gleich 1 ist, die nach einem parametrisierten Zyklus arbeiten, der normalerweise gleichmäßig in höchstens N Phasenzeiten verteilt ist. Herkömmlicherweise wird "Phasenzeit" der Quotient der Dauer des Zyklus und der Anzahl der in Betrieb befindlichen Adsorber genannt.
Die PSA-Einheiten werden für die Produktion von Wasserstoff, von Kohlenmonoxid, von Kohlendioxid, für die Trocknung von Gas, für die Trennung der Bestandteile der Luft mit Produktion von Stickstoff und/oder von Sauerstoff, für die Ballastabgabe in Kohlendioxid usw. verwendet.
Die im Folgenden angegebenen Drücke sind alle in bar absolut angegeben.
Allgemein folgen die Adsorber einer PSA-Einheit zeitlich versetzt einem Funktionszyklus, im Folgenden der Bequemlichkeit halber "PSA-Zyklus" genannt, welcher in ebenso vielen Phasenzeiten gleichmäßig verteilt ist, wie in Betrieb befindliche Adsorber vorhanden sind, und welcher aus Grundetappen gebildet wird, nämlich normalerweise den Etappen:

– einer Adsorption bei im Wesentlichen einem hohen Druck des Zyklus;
– eines Druckabfalls im Gleichstrom, im Allgemeinen von dem hohen Druck des Zyklus ausgehend;
– eines Druckabfalls im Gegenstrom, im Allgemei nen bis zu dem niedrigen Druck des Zyklus;
– einer Elution bei im Wesentlichen einem niedrigen Druck des Zyklus; und
– eines erneuten Druckanstiegs, von dem niedrigen Druck des Zyklus ausgehend bis zum hohen Druck des Zyklus.

Je nach den Anwendungen können die Etappen des Druckabfalls und erneuten Druckanstiegs mehrere Teiletappen aufweisen, wie etwa Druckausgleiche zwischen Adsorbern oder zwischen Adsorber und Kapazität usw.
Das Vorhandensein dieser oder jener von diesen Etappen in dem PSA-Zyklus ändert der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise.
Im Folgenden ist die Funktionsweise einer PSA-Einheit in einem stationären Betriebszustand von Interesse, das heißt außerhalb von Übergangsperioden der Ingangsetzung oder des Abschaltens der Vorrichtung, welche im Allgemeinen speziellen Zyklen entsprechen, die für diesen Zweck ausgearbeitet wurden.
Die hauptsächliche Nebenbedingung der Funktionsweise einer PSA-Einheit in einem stationären Betriebszustand besteht im Reinheitsgrad des erzeugten Gases. Unter dieser Nebenbedingung wird die Funktionsweise des PSA dann im Allgemeinen optimiert, entweder um die Extraktionsausbeute (Menge an erzeugtem Gas/Menge an diesem Gas, die im Feedgas enthalten ist) zu maximieren, oder um die verbrauchte Energie zu minimieren, oder auch um das Volumen des erzeugten Gases zu maximieren.
Zu diesem Zweck wird eine Vorrichtung zur Steuerung der PSA-Einheit verwendet, die in der Lage ist, die Parameter des Funktionszyklus dieser Vorrichtung zu ändern. Herkömmlicherweise wurde vorgeschlagen, dass diese Steuerungsvorrichtung ständig Signale empfangen sollte, die normalerweise für den Durchsatz des Stroms des Feedgases und/oder den Durchsatz des Stroms des erzeugten Gases repräsentativ sind.
In 1 der beigefügten Zeichnungen, welche den Stand der Technik zeigt, sind eine PSA-Einheit 1 zur Produktion von Wasserstoff und eine Steuerungsvorrichtung 2 dargestellt. Die Leitung 3 zur Zufuhr von zu behandelndem Gas ist mit einem Durchflussmesser 4 ausgestattet, dessen Messwerte kontinuierlich zu der Steuerungsvorrichtung 2 übertragen werden.
In Abhängigkeit von der Änderung des Durchsatzes der Zuführung ändert die Steuerungsvorrichtung die Dauer der Phasenzeit derart, dass sich die Phasenzeit umso mehr verkürzt, je stärker sich der Durchsatz erhöht, und umgekehrt. Diese Regelung wird gewöhnlich "Kapazitätsregelung" genannt.
Außerdem ist ein zweiter Regelungstyp bekannt, welcher darin besteht, die Reinheit des behandelten Gases zu berücksichtigen, um gewisse Parameter des Funktionszyklus der PSA-Einheit zu korrigieren. Die PSA-Einheit 1 von 1 weist zu diesem Zweck ein Gerät 6 zur Messung des Wasserstoffgehalts des von der PSA-Einheit erzeugten Gases auf. Die Messwerte dieses Geräts werden auf eine periodische oder kontinuierliche Weise zu der Steuerungsvorrichtung übertragen, um die Funktionsweise der PSA-Einheit zu regeln. Für zum Beispiel eine Spezifikation von erzeugtem Wasserstoff von 99,9 d.h. für einen zulässigen minimalen Gehalt von 99,9 %, führt die Messung eines Wasserstoffgehalts, der gleich 99,99 % ist, dazu, die Phasenzeit durch die Steuerungsvorrichtung erhöhen zu lassen, während eine solche Messung, die 99,91 % beträgt, dazu führt, diese Phasenzeit verringern zu lassen, um eine Sicherheitsspanne zu haben. Dieser Regelungstyp wird gewöhnlich "Regelung über die Reinheitskontrolle" genannt. In gewissen Fällen wird allein die Regelung über die Reinheitskontrolle angewendet, doch die Regelung der PSA-Einheit ist dann heikel.
Neben diesen hauptsächlichen Regelungen kann eine gewisse Anzahl von internen Regelungen der PSA-Einheit existieren, welche bewirken, dass der Druckzyklus unter Bedingungen abläuft, die so regelmäßig wie möglich sind. Beispielsweise kann der Durchsatz bei erneutem Druckanstieg während der Dauer der Etappe durch Einwirkung auf ein Regelventil konstant gehalten werden.
Jedoch erweisen sich in einer gewissen Anzahl von Fällen die hauptsächlichen und internen Regelungen manchmal als ungenügend, um eine Verunreinigung der Produktion zu verhindern.
Insbesondere ist es für die Behandlungsvorrichtungen, welche mehrere Adsorber aufweisen, die sich zu ein und demselben Zeitpunkt in verschiedenen Zuständen befinden, nahezu unmöglich, augenblicklich und in einem erheblichen Umfang die Parameter des PSA-Zyklus zu ändern, zum Beispiel infolge einer sprunghaften Erhöhung des Durchsatzes des Feedgases. Es muss unter anderem auch der erneute Druckanstieg eines Adsorbers beendet werden, bevor er in die Adsorptionsphase überführt wird.
Dasselbe trifft zu, wenn sich der Gehalt an einer Verunreinigung im Feedgas sprunghaft erhöht, insbesondere wenn es sich um eine schwer abzustellende Verunreinigung handelt, wie etwa Stickstoff oder Argon, und insbesondere, wenn diese Verunreinigung in relativ geringer Menge vorhanden ist. Zum Beispiel wird ein Gehalt an Stickstoff, der sich von 50 auf 500 ppm erhöht, die Dauer der Adsorptionsphase nicht verändern, denn seine Auswirkung auf die Durchsatzmessung wird vernachlässigbar sein, doch er wird das Adsorptionsmittel nach und nach verunreinigen. Die Regelung über die Reinheitskontrolle wird reagieren, jedoch mit Verzögerung, und je nach den für diese Regelung gewählten Parametern wird entweder eine momentane Verunreinigung der Produktion erfolgen, oder eine grobe Verstellung des Zyklus, die zu einer erheblichen Verringerung der Ausbaute während eines mehr oder weniger langen Zeitintervalls führt.
Ein angewendetes Mittel, um diesen Nachteil zu beseitigen, besteht darin, Messmittel am Feedgas zu installieren, um die Kennziffern von dessen Zusammensetzung, Druck, Temperatur, Dichte und Durchsatz ständig zu kennen und, davon ausgehend, den Zyklus anzupassen oder sogar den Zyklus zu wechseln, wenn die Änderungen ausreichend groß sind, um das in Abhängigkeit von den gemessenen Daten zu rechtfertigen.
In 1 der beigefügten Zeichnungen ist ein Analysator 8 dargestellt, der es ermöglicht, ständig oder mit einer ausreichenden Häufigkeit die Zusammensetzung des Feedgases zu ermitteln. Diese Information, die zur Steuerungsvorrichtung 2 übertragen wird, ermöglicht es, über die Molekularmasse des Feedgases, die aus dieser Analyse berechnet wird, den genauen Durchsatz des Feedgases zu ermitteln.
Die Kenntnis der Zusammensetzung und des Durchsatzes ermöglicht dann dem System, die optimalen Parameter des Zyklus neu zu berechnen.
Wenn das Feedgas aus einem Gemisch mehrerer Gase besteht, kann man Durchflussmesser und, falls erforderlich, lokale Analysatoren und/oder Dichtemesser installieren, um durch Addition wieder die Zusammensetzung und den Durchsatz des gesamten Feedgases zu ermitteln.
Der Nachteil eines solchen Systems ist, dass es teuer hinsichtlich der Geräte (Analysatoren), der Betriebskosten (Eichgas) und der Wartung (Eichung usw.) ist.
Außerdem führt dann eine fehlerbehaftete Analyse, die zum Beispiel auf eine zu hohe Messabweichung der Apparatur zurückzuführen ist, zu einem Zyklus, der nicht an das reale Feedgas angepasst ist, was entweder eine Produktionsminderung oder eine Verunreinigung hervorruft.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren zur Regelung einer PSA-Einheit vorzuschlagen, dessen Kosten im Vergleich zu den oben genannten Analysesystemen vernachlässigbar sind und welches in einer großen Zahl von Fällen ermöglicht, die Risiken einer Verunreinigung und/oder einer Produktionsminderung bei einer sprunghaften und/oder starken Änderung der Zusammensetzung des Feedgases, mit dem diese Vorrichtung gespeist wird, zu begrenzen.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren zur Regelung einer Vorrichtung zur Behandlung wenigstens eines Feedgases zum Gegenstand, bei welchem die Behandlungsvorrichtung N Adsorptionsvorrichtungen aufweist, wobei N größer oder gleich 1 ist, die nach einem parametrisierten Zyklus arbeiten, bei welchem eine Vorrichtung zur Steuerung der Behandlungsvorrichtung verwendet wird, die in der Lage ist, mindestens einen Parameter des Zyklus in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter des Feedgases oder des erzeugten Gases zu ändern, insbesondere in Abhängigkeit von Werten, die für den Durchsatz und/oder die Zusammensetzung des Feedgases am Eingang der Behandlungsvorrichtung und/oder des erzeugten Gases am Ausgang der Behandlungsvorrichtung repräsentativ sind, und bei welchem bei jeder voraussichtlichen Änderung der Zusammensetzung des zu behandelnden Feedgases an die Steuerungsvorrichtung ein im Voraus festgelegtes Signal gesendet wird, das für diese Änderung repräsentativ ist, und die Steuerungsvorrichtung dieses Signal verarbeitet, um die Parameter eines außerordentlichen Funktionszyklus der Behandlungsvorrichtung zu bestimmen, der an diese voraussichtliche Änderung angepasst ist.
Gemäß weiteren Merkmalen dieses Verfahrens, für sich allein betrachtet oder gemäß allen technisch möglichen Kombinationen:

– ist das im Voraus festgelegte Signal für die Größe der voraussichtlichen Änderung der Zusammensetzung des Feedgases repräsentativ;
– wird an die Steuerungsvorrichtung kontinuierlich ein Referenzsignal gesendet, und bei jeder voraussichtlichen Änderung wird dieses Referenzsignal geändert, um das im Voraus festgelegte Signal zu bilden;
– wird das im Voraus festgelegte Signal entsprechend der Funktionsweise mindestens einer Vorrichtung bestimmt, die stromaufwärts der Behandlungsvorrichtung angeordnet ist und mindestens teilweise das zu behandelnde Feedgas erzeugt;
– ist die Dauer des außerordentlichen Zyklus vorgegeben;
– wird die Dauer des außerordentlichen Zyklus der Steuerungsvorrichtung durch Übertragung eines Endsignals angezeigt, wobei das Endsignal in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Änderung der Zusammensetzung des Feedgases im Voraus festgelegt wird;
– folgen während jedes parametrisierten Zyklus des Betriebs der Behandlungsvorrichtung eine Adsorptionsphase im Wesentlichen bei einem hohen Druck des Zyklus und eine Regenerationsphase, die eine Etappe des Druckabfalls bis zu einem niedrigen Druck des Zyklus und eine Etappe des erneuten Druckanstiegs im Wesentlichen bis zu dem hohen Druck des Zyklus aufweist, aufeinander, und werden die Parameter des außerordentlichen Zyklus, die von der Steuerungsvorrichtung bestimmt werden, aus der Dauer der Phasenzeit und der Dauer mindestens einer der Etappen der Regenerationsphase ausgewählt;
– wird ein Signal, das für den Durchsatz und/oder die Dichte des Stroms des Feedgases repräsentativ ist, regelmäßig zu der Steuerungsvorrichtung gesendet, und die Steuerungsvorrichtung bestimmt die Parameter des außerordentlichen Funktionszyklus der Behandlungsvorrichtung und passt anschließend diese Parameter ausgehend von dem Signal an, das für den Durchsatz und/oder die Dichte des Stroms des Feedgases repräsentativ ist;
– wird ein Signal, das für den Durchsatz und/oder die Zusammensetzung des von der Behandlungsvorrichtung erzeugten Gasstromes repräsentativ ist, regelmäßig zu der Steuerungsvorrichtung gesendet, und die Steuerungsvorrichtung bestimmt die Parameter des außerordentlichen Funktionszyklus der Behandlungsvorrichtung und passt anschließend diese Parameter ausgehend von dem Signal an, das für den Durchsatz und/oder die Zusammensetzung des erzeugten Gasstromes repräsentativ ist; und
– ist die Behandlungsvorrichtung eine Vorrichtung zur Produktion von im Wesentlichen reinem Wasserstoff.

Die Erfindung wird beim Studium der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich, die ausschließlich als Beispiel gegeben wird und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgt, wobei:
1, die weiter oben erwähnt wurde, eine schematische Ansicht einer PSA-Behandlungsvorrichtung ist, die mit einer Steuerungsvorrichtung gekoppelt ist und nach Verfahren nach dem Stand der Technik geregelt wird;
2 eine schematische Ansicht einer Anlage zur kombinierten Produktion von Wasserstoff und Kohlenmonoxid ist, die eine gemäß der Erfindung geregelte PSA-Einheit enthält;
3 ein Funktionsdiagramm der PSA-Einheit von 2 ist; und
4 eine Ansicht ist, die zu der von 1 analog ist und ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
In 2 ist eine Anlage 10 zur kombinierten Produktion von Wasserstoff und Kohlenmonoxid ausgehend von einer Dampfreformierung eines Feedgases, das von Erdgas GN gebildet wird. Die Anlage weist eine Linie 12 zur Behandlung des Erdgases auf, stromabwärts von welcher sowohl eine Kryogeneinheit 14 zur Produktion von Kohlenmonoxid (CO) als auch eine Einheit 16 zur Produktion von Wasserstoff (H₂) angeschlossen sind, die weiter unten detailliert beschrieben sind.
Die Behandlungslinie 12 weist auf, in Richtung des technologischen Ablaufs betrachtet:

– einen Reaktor 18, in welchem das Erdgas entschwefelt wird, die schweren Kohlenwasserstoffe in Methan und in Kohlendioxid zerlegt werden und das Methan in Synthesegas umgewandelt wird, das reich an Wasserstoff ist und Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthält;
– eine Aminwäscheeinheit 20, deren an Kohlendioxid reicher Reststrom abgezogen wird; und
– eine Reinigungseinheit 22, die es gestattet, fast die gesamte Menge an Wasser und an Kohlendioxid zurückzuhalten.

Ein erster Ausgang 24 der Reinigungseinheit 22 ist an die Kryogeneinheit 14 angeschlossen, welche eine Leitung 26 für die Rückführung zur Reinigungslinie aufweist. Ein zweiter Ausgang 28 der Reinigungseinheit 22 ist an die PSA-Einheit 16 angeschlossen, derart, dass er das Feedgas dieser Einheit transportiert.
Die Reinigungseinheit 22 weist zwei Flaschen mit Adsorptionsmitteln 22A, 22B auf, die abwechselnd in die Linie geschaltet werden, um die Reinigung des Gasgemisches am Ausgang der Aminwäscheeinheit 20 durch Adsorption sicherzustellen.
Die Einheit 22 weist außerdem Ventile, Anschlussleitungen und Steuerungsmittel auf, die in 2 nicht dargestellt sind und so beschaffen sind, dass sie gleichzeitig der einen der zwei Flaschen 22A, 22B, die sich im Adsorptionsbetrieb befindet, den aus der Einheit 20 austretenden Strom zuführen und die andere der zwei Flaschen, das heißt diejenige, die sich im Regenerationsbetrieb befindet, mit dem aus der Leitung 26 austretenden Strom spülen.
Was die Einheit 16 anbelangt, so weist sie sechs Adsorber R1 bis R6 auf, die jeweils adsorbierende Materialien enthalten, die geeignet sind, Verunreinigungen wie etwa Wasser, Kohlendioxid, Methan, Kohlenmonoxid, die im Feedgas der Leitung 28 enthalten sind, durch Adsorption anzulagern. Es können verschiedene Typen von adsorbierenden Materialien in Betracht gezogen werden, wie etwa Aktivkohlen, Silikagele und/oder Molekularsiebe.
Die Einheit 16 ist vom Typ PSA. Sie weist zu diesem Zweck nicht dargestellte Rohrleitungen und Ventile sowie eine weiter unten detailliert beschriebene Steuerungsvorrichtung 30 auf, die in der Lage sind zu bewirken, dass jeder Adsorber R1 bis R6 einem Zyklus mit der Periode T folgt, der aus sechs Nenn-Phasenzeiten mit gleicher Dauer besteht und für den ein Beispiel in 3 dargestellt ist. Nimmt man an, dass der dargestellte Zyklus ab dem Zeitpunkt t = 0 bis t = T für den Adsorber R6 gilt, so leitet sich die Funktionsweise des Adsorbers R5 hiervon durch zeitliche Verschiebung um T/6 ab, die des Adsorbers R4 durch zeitliche Verschiebung um 2T/6, und so weiter, bis zu der des Adsorbers R1, die durch zeitliche Verschiebung um 5T/6 erhalten wird.
Aufgrund der Dualität Phasenzeit/Adsorber läuft dies darauf hinaus anzunehmen, dass in 3 der Adsorber R6 der ersten Phasenzeit folgt, die zwischen den Zeitpunkten t = 0 und t = T/6 dargestellt ist, der Adsorber R5 der zweiten Phasenzeit folgt, die zwischen den Zeitpunkten t = T/6 und t = 2T/6 dargestellt ist, und so weiter bis zum Adsorber R1, welcher der sechsten Phasenzeit folgt, die zwischen den Zeitpunkten t = 5T/6 und t = T dargestellt ist.
In 3, in der die Zeiten t auf der Abszissenachse und die Absolutdrücke P auf der Ordinatenachse abgetragen sind, geben die durch die Pfeile gerichteten Linien die Bewegungen und Ziele der Gasströme an, und außerdem die Zirkulationsrichtung in den Adsorbern R1 bis R6: Wenn ein Pfeil in die Richtung wachsender Ordinaten zeigt (zum oberen Teil des Diagramms hin), wird der Strom als im Gleichstrom im Adsorber bezeichnet; falls sich der nach oben gerichtete Pfeil unterhalb der Linie befindet, die den Druck im Adsorber angibt, tritt der Strom über das Eingangsende dieses Adsorbers in den Adsorber ein; falls sich der nach oben gerichtete Pfeil oberhalb der Linie befindet, die den Druck angibt, tritt der Strom über das Ausgangsende des Adsorbers aus dem Adsorber aus, wobei das Eingangs- und Ausgangsende das des zu behandelnden Gases bzw. das des abgezogenen Gases in der Produktion sind. Wenn ein Pfeil in die Richtung abnehmender Ordinaten zeigt (zum unteren Teil des Diagramms hin), wird der Strom als im Gegenstrom im Adsorber bezeichnet; falls sich der nach unten gerichtete Pfeil unterhalb der Linie befindet, die den Druck im Adsorber angibt, tritt der Strom über das Eingangsende dieses Adsorbers aus dem Adsorber aus; falls sich der nach unten gerichtete Pfeil oberhalb der Linie befindet, die den Druck angibt, tritt der Strom über das Ausgangsende dieses Adsorbers in den Adsorber ein, wobei das Eingangs- und Ausgangsende nach wie vor das des zu behandelnden Gases bzw. das des abgezogenen Gases in der Produktion sind. Das Eingangsende der Adsorber ist ihr unteres Ende.
So weist zum Beispiel für den Adsorber R6 der Zyklus eine Adsorptionsphase von t = 0 bis t = 2T/6 und eine Regenerationsphase von t = 2T/6 bis t = T auf.
Genauer, während der Adsorptionsphase gelangt das von der Leitung 28 transportierte unreine Feedgas zum Eingang des Adsorbers mit einem hohen, im Zyklus von 3 mit PH bezeichneten Adsorptionsdruck von ungefähr 20 bar. Ein Strom von im Wesentlichen reinem Wasserstoff wird dann unter demselben Druck am vorderen Ende abgezogen und speist teilweise eine Leitung 32 zur Produktion von Wasserstoff, wobei der Rest im Verlaufe der Etappe des erneuten Druckanstiegs, die weiter unten beschrieben ist, einem anderen Adsorber zugeführt wird.
Die Regenerationsphase weist auf, von t = 2T/6 bis t = 4T/6:

– von t = 2T/6 bis t = t1, wobei t1 kleiner als 3T/6 ist, eine erste Etappe eines Druckabfalls im Gleichstrom, während der der Ausgang des Adsorbers R6 mit dem eines anderen Adsorbers verbunden ist, der sich am Anfang der weiter unten beschriebenen Etappe eines erneuten Druckanstiegs befindet, bis zum Gleichgewicht der Drücke der zwei Adsorber bei einem Gleichgewichtsdruck, der mit PE bezeichnet ist;
– von t1 bis t = t2, wobei t2 kleiner als 4T/6 ist, eine zweite Etappe eines Druckabfalls im Gleichstrom, während der der Strom, der im Gleichstrom aus dem Adsorber R6 austritt, dekomprimiert und dem Ausgang von Adsorbern zugeführt wird, die sich in der weiter unten beschriebenen Etappe der Elution befinden; und
– von t2 bis t = 4T/6 eine Etappe des Druckabfalls im Gegenstrom, während der der Strom, der aus dem Adsorber R6 austritt, einer Restgasleitung 34 zugeführt wird, deren Ausgang an den Reaktor 18 angeschlossen ist; diese Etappe setzt sich bis zu dem niedrigen Druck des Zyklus fort, der mit PB bezeichnet ist und einen Wert von ungefähr 1,6 bar hat.

Die Regenerationsphase weist anschließend, von t = 4T/6 bis t = 5T/6, eine Etappe der Elution auf, während der das adsorbierende Material im Gegenstrom mit einem Elutionsgas gespült wird, um praktisch die gesamte Menge der zuvor adsorbierten Verunreinigungen zu desorbieren.
Der Strom am Ausgang des Adsorbers bildet ein unter dem niedrigen Druck PB stehendes Restgas, das in die Leitung 34 eingespeist wird.
Die Regenerationsphase weist schließlich auf:

– von t = 5T/6 bis t = t3 eine erste Etappe eines erneuten Druckanstiegs im Gegenstrom, während der der Adsorber gleichzeitig einen Teil der Ströme, die aus den in der Adsorptionsphase befindlichen Adsorbern austreten, und den Strom, der aus dem in der ersten Etappe des Druckabfalls im Gleichstrom befindlichen Adsorber austritt, empfängt; und
– von t = t3 bis t = T eine zweite Etappe eines erneuten Druckanstiegs im Gegenstrom, während der der Adsorber ausschließlich einen Teil der Ströme empfängt, die aus den in der Adsorptionsphase befindlichen Adsorbern austreten, bis der hohe Druck PH erreicht ist.

In 4 ist der Aufbau der Steuerungsvorrichtung 30 detaillierter dargestellt. Diese weist einen Steuersequenzer (Control Sequencer) 36 auf, der dazu vorgesehen ist, die PSA-Einheit 16 zu steuern, d.h. die verschiedenen Signale zur Steuerung der Ventile der PSA-Einheit zu senden, um zu bewirken, dass die sechs Adsorber R1 bis R6 dem oben beschriebenen Funktionszyklus folgen. Die Steuerungsvorrichtung 30 weist außerdem einen Mikroprozessor 38 auf, der in der Lage ist, die Steueranweisungen des Sequenzers 36 zu modifizieren, das heißt in der Lage ist, in Reaktion auf nachfolgend näher beschriebene Signale die Parameter des Zyklus zu regeln, die den Adsorbern durch den Sequenzer vorgeschrieben werden.
Zu diesem Zweck ist die Speiseleitung 28 zum Beispiel mit einem Durchflussmesser 40 ausgestattet, der zum Beispiel über einen Signalleiter 42 mit dem Regler 38 verbunden ist. Außerdem ist die Produktionsleitung 32 zum Beispiel mit einem Gerät 44 versehen, das dazu vorgesehen ist, kontinuierlich den Kohlenmonoxidgehalt des im Wesentlichen reinen Wasserstoffstroms, der von der Einheit 16 abgezogen wird, zu analysieren. Das Analysegerät 44 ist zum Beispiel über einen Signallei ter 46 mit dem Regler 38 verbunden. Schließlich ist gemäß einem Aspekt der Erfindung die Steuerungsvorrichtung mit einer externen Signalquelle 50 verbunden, deren Funktion bei der Beschreibung der Funktionsweise der Anlage 10 ausführlich erläutert wird.
Die Funktionsweise der Anlage 10 insgesamt ist folgende.
In einem stationären Betriebszustand, das heißt außerhalb von Übergangsperioden der Ingangsetzung oder des Abschaltens der Anlage, wird der Reaktor 18 mit Erdgas und mit Wasser gespeist und erzeugt ein Gemisch, das reich an Wasserstoff, an Kohlenmonoxid und an Kohlendioxid ist und außerdem Methan, Stickstoff, Wasser sowie Spuren von schweren Kohlenwasserstoffen enthält.
Durch Waschen mit Aminen in der Einheit 20 und durch Reinigung in der Einheit 22 weist der durch die Leitung 24 transportierte Strom gleichzeitig hohe Gehalte an Wasserstoff und an Kohlenmonoxid, die zum Beispiel gleich 73,5 bzw. 21,6 Mol-% sind, und niedrige Gehalte an Stickstoff und an Methan, die zum Beispiel gleich 1,1 bzw. 3,8 Mol-% sind, auf.
Die Kryogeneinheit 14 erzeugt dann einen Strom von im Wesentlichen reinem Kohlenmonoxid, indem in der Leitung 26 ein an Wasserstoff reiches gasförmiges Gemisch abgeleitet wird, das für die Regeneration der einen und danach der anderen der Flaschen 22A und 22B der Reinigungseinheit 22 verwendet wird.
Beispielsweise enthält das von der Leitung 26 transportierte Gemisch somit 97,4 Mol-% Wasserstoff, 0,3 % Stickstoff, 0,3 % Kohlenmonoxid und 2 % Methan. Der Strom am Ausgang der in der Regeneration befindlichen Flasche 22A, 22B wird in die Leitung 28 eingespeist, welche diesen Strom kontinuierlich zur PSA-Einheit 16 transportiert. Die Funktionsweise dieser PSA-Einheit wird durch den Sequenzer 36 der Steuerungsvorrichtung 30 vorgeschrieben, indem zum Beispiel die Adsorber R1 bis R6 veranlasst werden, dem Zyklus von 3 zu folgen.
Dieser Zyklus kann ständig durch den Regler 38 geregelt werden, in Abhängigkeit von Signalen, welche er empfängt.
So werden auf bekannte Weise, wie weiter oben erwähnt, die Messwerte des stromaufwärts angeordneten Durchflussmessers 40 kontinuierlich zum Regler 38 übertragen, derart, dass, wenn sich der Durchsatz des Feedgasstroms in 28 gegenüber dem Nenndurchsatz erhöht, für welchen der Zyklus von 3 vorgesehen ist, der Regler eine neue Phasenzeit berechnet, die kürzer als die Nenn-Phasenzeit des Zyklus von 3 ist. Eine solche Regelung wird in der Technik Kapazitätsregelung genannt. Für zum Beispiel eine Nenn-Phasenzeit, die mit T N / φ bezeichnet wird, beträgt die neue Phasenzeit Tφ:
Der Regler 38 arbeitet dann einen neuen Zyklus aus, der deutlich kürzer als derjenige von 3 ist, und bestimmt einen Zeitpunkt, der geeignet ist, um diesen neuen Zyklus zum Sequenzer zu übertragen, welcher ihn dann der PSA-Einheit vorschreibt. Selbstverständlich kann die Anwendung durch den Sequenzer 36 nicht immer augenblicklich und für sämtliche Adsorber erfolgen. Tatsächlich muss gewartet werden, bis sich jeder Adsorber in einer Übergangs- oder Umschaltkonfiguration befindet, zum Beispiel am Ende eines erneuten Druckanstiegs oder eines Druckabfalls.
Auf dieselbe Art, und ebenfalls auf eine an sich bekannte Weise, wie im Oberbegriff angegeben, überträgt das Gerät 44 kontinuierlich den Kohlenmonoxidgehalt des Stroms des erzeugten Wasserstoffs zum Regler 38. Wenn dieser Gehalt sich einem bestimmten maximalen Wert nähert, der dem Regler 38 bekannt ist, bestimmt der Letztere, wie oben erläutert, einen neuen Zyklus und überträgt ihn zum Sequenzer 36. Eine solche Regelung wird gewöhnlich Regelung über die Reinheitskontrolle genannt. Wenn man erneut die obigen Bezeichnungen verwendet, beträgt die neue Phasenzeit Tφ:
wobei CA ein Korrekturfaktor ist, der von dem Regler 38 berechnet wird. Falls der Kohlenmonoxidgehalt höher als der geforderte ist, wird die Phasenzeit verlängert (CA ist streng größer als 1), was es ermöglicht, die stündlichen Verluste an Wasserstoff zu verringern und somit die Extraktionsausbeute an Wasserstoff zu erhöhen.
Die Kapazitätsregelung und die Regelung über die Reinheitskontrolle, die oben beschrieben wurden, ermöglichen auf diese Weise, die Funktionsweise der PSA-Einheit 16 hinsichtlich der Extraktionsausbeute an Wasserstoff (erzeugte Menge an Wasserstoff in der Vorrichtung/in die Vorrichtung eingespeiste Wasserstoffmenge) ständig zu optimieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine andere Regelung durch die Signalquelle 50 ermöglicht. Diese Letztere ist dazu vorgesehen, dem Regler 38 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt unabhängige, im Voraus festgelegte Signale des Feedgasstroms, der zu dem besagten Zeitpunkt von der Leitung 28 transportiert wird, und des Produktionsstroms, der zu dem besagten Zeitpunkt von der Leitung 32 transportiert wird, zu liefern.
Auf der Grundlage dieser Signale und unabhängig von denjenigen, die von dem Durchflussmesser 40 und dem Gerät 44 gesendet werden, bestimmt der Regler 38 einen neuen Zyklus und überträgt ihn zum Sequencer 36. Die Anwendung dieser "A-priori-Regelung" ist dazu bestimmt, die Grenzen bekannter Regelungen, die weiter oben ausführlich beschrieben wurden, zu überwinden.
Betrachtet man nochmals die Funktionsweise der oben beschriebenen Anlage 10 und untersucht man die Änderungen des Feedgasstroms, der durch die Leitung 28 transportiert wird, so ist anzumerken, dass während der Anwendung des Regenerationsgases, das durch die Leitung 26 transportiert wird, das adsorbierende Material der Reinigungsflasche 22A oder 22B, welche ihre Regeneration beginnt, mit Wasser, mit Kohlendioxid und mit Kohlenmonoxid gesättigt ist. Die ersten Augenblicke der Regeneration des Adsorptionsmittels einer Flasche der Reinigungseinheit 22 werden von einer starken Desorption von Kohlenmonoxid begleitet, wobei der Kohlenmonoxidgehalt des Stroms, der in die Leitung 28 abgeleitet wird, mehr als das Zehnfache von dem des Regenerationsstroms der Leitung 26 erreichen kann. Würde dieser plötzliche und intensive Kohlenmonoxidstoß so, wie er ist, der PSA-Einheit 16 zugeführt, so würde er erhebliche Funktionsstörungen zur Folge haben, welche zu einer Verringerung der Wasserstoffausbeute und/oder einer Verunreinigung des Produktionsstroms der Einheit 16 führen würden. Die Kapazitätsregelung ist unwirksam, denn die Modifizierung des Feedgases betrifft im Wesentlichen seine Zusammensetzung und nicht seinen Durchsatz. Die Verringerung der Reinheit des erzeugten Stroms würde eine Aktivierung der Regelung über die Reinheitskontrolle nach sich ziehen, die jedoch zu spät erfolgen würde, um die Verunreinigung der Adsorber der Einheit 16 zu vermeiden, da die Detektion der Verunreinigung in der Leitung 32 erst mehrere Phasenzeiten nach dem Beginn der sprunghaften Änderung der Zusammensetzung des Feedgasstroms erfolgt.
In dem Maße, wie das Eintreffen des Kohlenmonoxidstoßes vorhersehbar ist und einen Gehalt und eine Dauer auf weist, die aus Erfahrung, durch Berechnung oder sogar durch eine Analyse beim Anfahren der PSA-Einheit bekannt sind, signalisiert die Quelle 50, bevor dieser Stoß auftritt, dem Regler 38 die entsprechenden Veränderungen des Feedgases. Der Regler kann dann neue Zyklusparameter berechnen, insbesondere die Dauer der Phasenzeit, die Dauer der verschiedenen Etappen des Zyklus, die weiter oben beschrieben wurden, usw., und kann zeitweilige atypische Betriebsweisen voraussehen.
Der erhaltene neue Zyklus wird anschließend zu dem Zeitpunkt, der für das Eintreffen des Kohlenmonoxidstoßes vorhergesehen wird, zum Sequenzer 36 gesendet.
Beispielsweise bestimmt der Regler 38 in Reaktion auf das Signal der Quelle 50 eine außerordentliche Phasenzeit Tφ^EXC, auf deren Grundlage die Einheit 16 wenigstens während der Dauer funktioniert, an deren Ende das adsorbierende Material des in der Regeneration befindlichen Adsorbers 22A, 22B im Wesentlichen vom größten Teil des Kohlenmonoxids befreit worden ist. Die Dauer dieses außerordentlichen Zyklus ist entweder vorgegeben, und die entsprechenden Informationen sind dann in der Steuerungsvorrichtung 30 enthalten, oder wird dem Regler 38 durch ein von der Quelle 50 stammendes neues Signal angegeben.
Auf diese Weise wird die Regelung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen wird, zu dem gewünschten Zeitpunkt und während der erforderlichen Dauer angewendet.
Im Gegensatz zu der weiter oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Regelung gibt das übertragene Signal nicht die Zusammensetzung des Feedgases an, sondern zeigt nur den Beginn einer sprunghaften Änderung der Zusammensetzung und gegebenenfalls deren Ende an.
Sie ermöglicht es, sprunghafte Änderungen der Zustandsparameter des Feedgases der PSA-Einheit perfekt vorherzusehen, insbesondere bei der Wiederanbringung in der Linie stromaufwärts von einer Flasche mit regeneriertem Adsorptionsmittel, bei einer Umgehung eines Ausrüstungsteils oder einer Einheit, die sich stromaufwärts befindet, zur Wartung oder Instandsetzung, bei der Zugabe eines sekundären Feedgases zu dem hauptsächlichen Feedgas, um periodisch die Produktion zu erhöhen, beim Wechsel des Feedgases oder bei der Abschaltung einer stromaufwärts von der Reinigung befindlichen Einheit in einer oder mehreren Bestandteilen, wie etwa einer Wäscheeinheit. Tatsächlich entsprechen alle diese Veränderungen im Voraus vorgesehenen periodischen Funktionsweisen, für welche die außerordentliche Zusammensetzung des Feedgases der PSA-Einheit, die sich daraus ergibt, durch Erfahrung, durch Berechnung oder durch eine anfängliche Analyse bestimmt wird.
Während die PSA-Einheit 16 gemäß einem außerordentlichen Zyklus funktioniert, kann die Kapazitätsregelung (die mit dem Durchsatz des Feedgasstroms zusammenhängt) aktiv gelassen werden. Ebenso kann die Regelung über die Reinheitskontrolle aktiv gelassen werden, vorausgesetzt, dass die Korrekturen, die durch diese Regelungen bewirkt werden (zum Beispiel durch den Korrekturfaktor C_A), in Bezug auf die A-priori-Korrektur gemäß der Erfindung von zweiter Ordnung sind. Dies soll heißen, dass der Regler 38 zuerst die Parameter des außerordentlichen Zyklus ausschließlich in Abhängigkeit von den Signalen bestimmt, die von der Quelle 50 gesendet werden, und danach diese Parameter ausgehend von den Informationen anpasst, die von dem Durchflussmesser 40 und/oder dem Analysegerät 44 gesendet werden. Zum Beispiel kann die Phasenzeit des außerordentlichen Zyklus mittels der Beziehung
erhalten werden.
Gemäß einer anderen Variante sendet die Signalquelle 50 kontinuierlich ein Referenzsignal an die Steuerungsvorrichtung 30, wobei dieses Referenzsignal bei jeder voraussichtlichen Änderung der Zusammensetzung des Feedgases gestört wird. Diese Variante ermöglicht der Vorrichtung 30, sich ihre ständige Verbindung zur Einheit 50 zu sichern.
Ebenfalls gemäß einer Variante ist es in dem Falle, wenn die Art der Störung bekannt ist, wenn ihre Intensität jedoch von einem Mal zum anderen variiert, möglich, das einfache Signal des Beginns durch eine die Größe der bevorstehenden Änderung angebende Information zu ersetzen, welche auf diese Weise dem Steuerungssystem 30 ermöglicht, den am besten geeigneten Zyklus festzulegen.
Betrachtet man nochmals das weiter oben angegebene Beispiel, kommt es vor, dass nur ein Teil des Regenerationsgases 26 verwendet wird, um den Adsorber 22A oder 22B zu regenerieren. Das Feedgas der PSA-Einheit wird somit von einem Gasgemisch gebildet, das je nach dem bei der Regeneration verwendeten prozentualen Anteil mehr oder weniger Kohlenmonoxid enthält. In diesem Falle ist das gesendete Signal zum Beispiel für diesen prozentualen Anteil repräsentativ.
Falls die sprunghafte Änderung durch die periodische Hinzufügung einer zweiten Feedgasquelle hervorgerufen wird, ist das Signal zum Beispiel für den Durchsatz des Zusatzgases repräsentativ, oder auch für den Öffnungsgrad des Einleitungsventils.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie durch diese nicht eingeschränkt, sondern sie gestattet Modifikationen und Varianten, die für einen Fachmann im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche offensichtlich sind.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Behandlungsvorrichtung, die ein Gasprodukt erzeugt, durch Druckwechseladsorption wenigstens eines Feedgases, wobei die Behandlungsvorrichtung (16) N Adsorptionsvorrichtungen (R1 bis R6) aufweist, wobei N größer oder gleich 1 ist, die nach einem parametrisierten Zyklus arbeiten, bei welchem eine Vorrichtung (30) zur Steuerung der Behandlungsvorrichtung (16) verwendet wird, die in der Lage ist, mindestens einen Parameter des Zyklus in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter des Feedgases oder des Gasproduktes zu ändern, und wobei bei jeder voraussichtlichen Änderung der Zusammensetzung des zu behandelnden Feedgases an die Steuerungsvorrichtung (30) ein im Voraus festgelegtes Signal gesendet wird, das für diese Änderung repräsentativ ist, wobei die Steuerungsvorrichtung (30) dieses Signal verarbeitet, um die Parameter eines außerordentlichen Funktionszyklus der Behandlungsvorrichtung (16) zu bestimmen, der an diese voraussichtliche Änderung angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Voraus festgelegte Signal für die Größe der voraussichtlichen Änderung der Zusammensetzung des Feedgases repräsentativ ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die Steuerungsvorrichtung (30) kontinuierlich ein Referenzsignal gesendet wird, und dadurch, dass bei jeder voraussichtlichen Änderung dieses Referenzsignal geändert wird, um das im Voraus festgelegte Signal zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Voraus festgelegte Signal entsprechend der Funktionsweise mindestens einer Vorrichtung bestimmt wird, die stromaufwärts der Behandlungsvorrichtung (16) angeordnet ist und mindestens teilweise das zu behandelnde Feedgas erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des außerordentlichen Zyklus vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des außerordentlichen Zyklus der Steuerungsvorrichtung (30) durch Übertragung eines Endsignals angezeigt wird, wobei das Endsignal in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Änderung der Zusammensetzung des Feedgases im Voraus festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während jedes parametrisierten Zyklus des Betriebs der Behandlungsvorrichtung (16) eine Adsorptionsphase im Wesentlichen bei einem hohen Druck des Zyklus (PH) und eine Regenerationsphase, die eine Etappe des Druckabfalls bis zu einem niedrigen Druck des Zyklus (PB) und eine Etappe des erneuten Druckanstiegs im Wesentlichen bis zu dem hohen Druck des Zyklus umfasst, aufeinander folgen, und dadurch, dass die Parameter des außerordentlichen Zyklus, die von der Steuerungsvorrichtung (30) bestimmt werden, aus der Dauer der Phasenzeit (Tφ^exc) und der Dauer mindestens einer der Etappen der Regenerationsphase ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal, das für den Durchsatz und/oder die Dichte des Stroms des Feedgases repräsentativ ist, regelmäßig zu der Steuerungsvorrichtung (30) gesendet wird, und dadurch, dass die Steuerungsvorrichtung (30) die Parameter des außerordentlichen Funktionszyklus der Behandlungsvorrichtung (16) bestimmt und anschließend diese Parameter ausgehend von dem Signal anpasst, das für den Durchsatz und/oder die Dichte des Stroms des Feedgases repräsentativ ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal, das für den Durchsatz und/oder die Zusammensetzung des von der Behandlungsvorrichtung (16) erzeugten Gasstromes repräsentativ ist, regelmäßig zu der Steuerungsvorrichtung (30) gesendet wird, und dadurch, dass die Steuerungsvorrichtung (30) die Parameter des außerordentlichen Funktionszyklus der Behandlungsvorrichtung (16) bestimmt und anschließend diese Parameter ausgehend von dem Signal anpasst, das für den Durchsatz und/oder die Zusammensetzung des erzeugten Gasstromes repräsentativ ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsvorrichtung (16) eine Vorrichtung zur Produktion von im Wesentlichen reinem Wasserstoff ist.