MX2011010063A

MX2011010063A - Metodo de control de adsorcion y controlador.

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Publication number: MX2011010063A
Application number: MX2011010063A
Authority: MX
Inventors: Mohamed Safdar Allie Baksh; Paul W Belanger; Preeti Chandra; Andrew C Rosinski
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-10-14
Also published as: CN102834159A; CA2756517A1; BRPI1009459B1; US20100242722A1; US8016914B2; WO2010111049A1; BRPI1009459B8; CA2756517C; EP2411119A1; BRPI1009459A2

Abstract

La presente invención tiene por objeto un método y un sistema de control que permite controlar una unidad de cama de adsorbente en la cual se mide una concentración de una impureza de la cama de adsorbente en el seno de una cama de adsorbente de la unidad de la cama de adsorbente. La concentración de la cama de adsorbente se controla mediante la manipulación del tiempo de ciclo de alimentación durante el cual una cama de adsorbente adsorbe las impurezas para mantener la concentración de la cama de adsorbente en una concentración objetivo de la cama de adsorbente. La concentración objetivo de la cama de adsorción se determina de tal manera que la concentración de impureza de producto se mantenga en los objetivos de concentración de impureza de producto. El método y el sistema de control pueden incorporar un nivel de control de supervisión reactivo a los niveles de concentración de impureza de producto y de los objetivos asociados para determinar la concentración objetivo de la cama de adsorción y un nivel de control primario que calcula el tiempo de ciclo de alimentación sobre la base de un error entre las concentraciones objetivo de la cama de adsorción medidas. La presente invención se refiere igualmente a un control integral proporcional que puede utilizarse para tales fines.

Description

M ETODO DE CONTROL DE ADSORCION Y CONTROLADOR Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método para controlar una unidad de absorción que contiene una o más camas de adsorción para adsorber una o más impurezas dentro de una corriente de alimentación , por lo que se produce una corriente de producto y un controlador para realizar tal método. Más particularmente, la presente invención se refiere a tal método y controlador en el cual se muestrea una concentración de una impureza en una cama adsorbente y se manipula i un tiempo de ciclo de alimentación durante el cual la cama adsorbente está adsorbiendo impurezas de manera que la concentración medida en la cama se aproxima a un objetivo que asegura que la corriente de producto será producida con un nivel específico de pureza.

Antecedentes de la Invención Hay una variedad de procesos que emplean adsorbentes que son capaces de adsorber una o más impurezas contenidas en una corriente de alimentación más rápidamente que otras impurezas en la corriente de alimentación para producir una corriente de producto que tiene una concentración menor de las impurezas que la corriente de alimentación. El adsorbente está contenido en una cama de adsorción y se pueden utilizar una o más camas de adsorción en tales procesos. Por ejemplo, tal proceso se puede usar para purificar una corriente que contiene hidrógeno de un reformador. En tal caso, vapor de agua, dióxido de carbono, monóxido de carbono, otros hidrocarburos y nitrógeno están presentes en la corriente de alimentación . El hidrógeno es el componente menos fácilmente adsorbido y como tal constituye la corriente de producto.

Las impurezas o componentes, vapor de agua, dióxido de carbono, etc. son los cornponentes más rápidamente adsorbidos y son removidos de la corriente de alimentación mediante adsorción para producir la corriente de producto. El adsorbente o los adsorbentes se colocan dentro de una cama de adsorción que puede consistir de un recipiente que tiene una o más capas de adsorbente. En el caso de una corriente que contiene hidrógeno, la cama de adsorbente podría estar provista con una capa inicial de alúmina para adsorber el vapor de agua, una capa de carbón activado para adsorber el dióxido de carbono y e hidrocarburos más pesados y una capa final de una zeolita adsorbente para adsorber el monóxido de carbono y el nitrógeno.

En cualquier proceso de adsorción, se llega a un momento en el cual el adsorbente está completamente cargado con impureza o impurezas y la cama de adsorbente debe ser regenerada. Así, los procesos de adsorción emplean un ciclo durante el cual una cama de adsorción está en línea y adsorbe las impurezas o componentes y después, está subsiguientemente fuera de línea y es regenerada. Los procesos de adsorción pueden distinguirse por el ciclo empleado, por ejemplo, adsorción de presión oscilante, adsorción de temperatura oscilante y adsorción por presión de vacío oscilante. En el; ejemplo antes dado con respecto a la producción de una corriente de producto de hidrógeno el ciclo empleado es adsorción por presión oscilante.

En la adsorción por presión oscilante se emplean dos o más i recipientes de adsorbente que contienen las camas de adsorbente en un ciclo fuera de fase de manera que mientras una cama está adsorbiendo las impurezas, otra u otras camas pueden ser regeneradas. Un ciclo de adsorción por presión oscilante puede tener los elementos de adsorción en el cual se suministra un producto, despresurizacion mediante uno o más pasos de igualación seguidos por un paso en el cual la cama proporciona gas de purga a otra cama para causar desadsorción de componentes adsorbidos de la cama. ! Un paso de evacuación, en el cual se abre el extremo de entrada de j la cama para descargar los componentes adsorbidos, seguido por un ! paso de i I purga con gas de purga proporcionado por otra cama para desjadsorber más componentes del adsorbente de la cama de adsorbente. ] Este es i seguido por uno o más pasos de igualación en los cuales la cama de adsorbente se represuriza parcialmente y un paso de represurización por calentamiento de la cama de adsorbente a una temperatura elevada con un gas caliente para reducir la capacidad del adsorbente y así causar que las impurezas sean desadsorbidas. Después de ! haberse calentado, la cama de adsorbente se enfría antes de ser regresada a línea. En la adsorción de presión de vacío oscilante, una cama de adsorbente se regenera, por lo menos en parte, al vacío. Por ejemplo, un adsorbente que adsorberá rápidamente nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua se usa en tal ciclo para producir oxígéno. Tal proceso puede utilizar una sola cama de adsorción y, por lo tanto, el producto se descarga en un tanque de oscilación de manera que el producto puede ser producido continuamente. Se pueden usar también múltiples camas adsorbentes en tal proceso para producir el producto a un régimen más alto que en una cama adsorbente sencilla.

En cualquier proceso de adsorción la cama o camas de adsorbente están conectadas a una red de control de flujo que tiene válvulas para sujetar las camas a los varios pasos del ciclo particular. Las válvulas dentro de la red de control de flujo para una unidad de adsorción que conduce el proceso antes discutido, u otros procesos se controlan para abrir y cerrar para sujetar cada una de las camas de adsorbente a la producción y regeneración en periodos de tiempo pre-especificados. Como se sabe en la técnica, sin embargo, la alimentación a las camas de adsorbente está sujeta a tales alteraciones como variaciones de flujo, concentración y temperatura que pueden resultar en que la corriente de producto no cumpla una especificación del producto o, en otras palabras, que tiene concentraciones de impurezas del producto que están en un nivel muy alto. Se sabe que un medio principal para controlar la pureza del producto es ajustar el tiempo de ciclo de alimentación que cada cama de adsorbente toma en el paso de adsorción . Si la concentración de impurezas del producto en la corriente de producto es muy alta, se acorta el tiempo del ciclo de alimentación . Por otra parte, si la concentración de i mpurezas en el producto está por debajo de un valor objetivo , se alarga el tiempo de ciclo de alimentación para, a su vez, aumentar la prod ucción del producto . Convencional mente , el operador monitorea la concentración de impurezas del producto y entonces ajusta manualmente el tiempo del ciclo de alimentación. Esto puede automatizarse a través de un sistema de control de retroalimentación . En ambos casos, sin embargo, habrá un lapso en u n cambio en la pureza del producto que sigue a una alteración o , en otras palabras, el cambio en pureza por la ocurrencia de una alteración ¡no será instantáneo. Así , en el caso de control ya sea manual o automático , el objetivo para el que se toma una acción de control será seleccionado de manera que el prod ucto nunca excederá la especificación del prod ucto. El resultado de esto es que el tiempo del ciclo de al i mentación en promedio será más corto del que sería requerido para cumplir realmente la especificación del producto y, por lo tanto , el régimen de producción del producto será menor que el qué podría obtenerse de otra manera . Se han usado también sistemas de control de alimentación de vanguardia en los cuales la composición y flujo de alimentación se miden en l ínea. Un problema mayor con tal sistema es que el modelo o modelos que se deben usar para cali brar el efecto de tales cambios en la alimentación sobre la pureza del prod ucto no son perfectos y, por lo tanto, otra vez, los objetivos serán seleccionados conservadoramente con el resultado de regímenes menores de producción .

La patente de E . U . No . 4,693,730 proporciona un sistema de i control en el cual se detecta una característica del efl uente de una cama de adsorbente que experimenta una despresurización y después se toma una acción correctiva para la característica detectada . Por ejemplo, la característica detectada podría ser el nivel de impurezas en el efluente y la acción correctiva podría ser cambiar el tiempo del ciclo de alimentación . En el sistema de control contemplado en esta patente, se compara la concentración del efluente con un objetivo . Después de que se ha logrado el objetivo , si el nivel de impurezas en el gas producto no está en el valor deseado, se usa un error entre el valor real y el deseado para calcular un nuevo valor objetivo . Sin embargo, tal concentración de efluente no experi mentará un cambio instantáneo por una alteración y, por lo tanto , el objetivo seleccionado será un objetivo conservador.

La patente de E . U . No . 7,025,801 describe un método de control para una u nidad de adsorción de presión oscilante en el cual se monitorea el régi men de flujo de la corriente de alimentación y por u n aumento en el régimen de fl ujo que tendería a impulsar la pureza del producto fuera de su especificación , se red uce el tiempo del ciclo y viceversa . Adicionalmente, se mide también la pureza de la corriente de producto. Por un aumento en la pureza del producto por arriba de la especificación del producto, se red uce el tiempo del ciclo y viceversa . Por u n aumento en la concentración de la impureza en la corriente de al imentación sin un aumento del régimen de flujo y por información de un controlador indicativo de tal evento, el tiempo del ciclo se ajusta y posi blemente otros pasos del ciclo de adsorción de presión oscilante. Así , el método de esta patente contempla tanto el control de la retroalimentación como la de la pro-alimentación, q ue tiene las desventajas antes señaladas.

Como se discutirá , entre otras ventajas, la presente invención proporciona un método de control y un sistema para controlar una unidad de adsorción en la cual se detecta la concentración de impureza en la misma cama de adsorbente en lugar de en u na corriente de alimentación , una corriente de producto o una corriente de efluente. El cambio en tal concentración de impureza por una alteración será más rápido que en la ali mentación , el efluente o el prod ucto . Como resultado , los objetivos tienen la capacidad de ser seleccionados de manera que sean menos conservadores que en la técnica anterior lo que resulta en tiempos de ciclo más largos y mayores reg ímenes de producción .

Breve Descripción de la Invención La presente invención , en un aspecto, proporciona un método para controlar una unidad de cama de adsorbente. De acuerdo con tal método , se mide una concentración de impureza de la cama de adsorbente en una cama de adsorbente de la unidad de cama de adsorbente . La cama de adsorbente adsorbe la impureza de una corriente de alimentación ali mentada a la cama de adsorbente, por lo que produce una corriente de prod ucto que contiene una concentración de impureza del producto no mayor que una concentración objetivo de producto. La unidad de cama adsorbente es operada de acuerdo con un ciclo durante el cual se alimenta la corriente de alimentación a la cama de adsorbente y después se regenera el adsorbente de la cama de adsorbente a través de desadsorción de la impureza y el ciclo se incorpora en un momento de ciclo de alimentación durante el cual la corriente de alimentación es introducida a la cama de adsorbente, la impureza es adsorbida y se produce la corriente de producto.

La concentración de producto en la corriente de producto se controla manipulando el tiempo del ciclo de alimentación empleado en la unidad de cama de adsorción de manera que la concentración en la cama de adsorbente tienda a aproximarse a una concentración objetivo en la cama de adsorbente que mantendrá la concentración de producto en un nivel no mayor que la concentración objetivo de producto. Es este respecto, el tiempo de ciclo de alimentación se manipula de manera que el tiempo de ciclo de alimentación disminuirá a medida aumenta que la concentración en la cama de adsorbente y aumentará a medida que disminuye la concentración en la cama de adsorbente.

La concentración de la cama de adsorbente se mide en la cama de adsorbente, en una ubicación de la misma, en la cual la concentración de la cama de adsorbente cambiará antes de la concentración de impureza de producto en la corriente de producto que cambia en respuesta a una alteración de manera que controlando la concentración de la cama de adsorbente para mantener la concentración de la cama de adsorbente en la concentración objetivo de la cama de adsorbente se mantendrá también la concentración de impureza del producto en la corriente de producto en un nivel no mayor que la concentración objetivo de producto.

En una modalidad de la presente invención , la cama de absorbente puede configurarse para absorber por lo menos dos impurezas. Como tal, la impureza mencionada antes es una impureza de por lo menos dos impurezas, la concentración del producto es una concentración de producto de por lo menos dos concentraciones de producto y la concentración objetivo de producto es una concentración objetivo de producto de por lo menos dos concentraciones objetivo de producto. Se miden las por lo menos dos concentraciones de producto y la concentración de la cama de adsorbente y se manipula él tiempo del ciclo de alimentación calculando continuamente un parámetro de control que establecerá el tiempo de ciclo de alimentación en un controlador de unidad de cama de adsorbente y el parámetro de control se alimenta al controlador de unidad de cama de adsorbente. El controlador de la cama de adsorbente está diseñado para controlar las válvulas en una red de control de flujo conectadas a la cama de adsorbente de manera que la corriente de alimentación es alimentada a la cama de adsorbente durante el tiempo del ciclo de alimentación.

El parámetro de control se calcula en tal modalidad de manera que la concentración de la cama de adsorbente se aproximará a la concentración objetivo de la cama de adsorbente cuando se alimenta el parámetro de control al controlador de la unidad de cama de adsorbente. La concentración objetivo de la cama de adsorbente se determina calculando las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente para cada una de las por lo menos dos impurezas de manera que la corriente de producto se produce teniendo las por lo menos dos concentraciones de producto en niveles no mayores que las por lo menos dos concentraciones objetivo de producto. Se usa un valor m ínimo de las concentraciones objetivo potenciales de la cama de i adsorbente como la concentración objetivo de la cama de adsorbente de manera que el control de la concentración de la cama de adsorbente controlará también todas de las por lo menos dos concentraciones de impurezas del producto para que sean menores que las por Ib menos dos concentraciones objetivo de impurezas de producto. j í En otra modalidad específica de la presente invención , la impureza es una primera impureza, la concentración de la cama de ¡ i adsorbente es una primera concentración de la cama de adsorbente, la j concentración de producto es una primera concentración de prjoducto y la concentración objetivo de producto es una primera concentración de producto. La cama de adsorbente está configurada para adsorber la primera impureza y también una segunda impureza en una! primera capa de la cama de adsorbente y una tercera impureza en una jsegunda capa de la cama de adsorbente ubicada adyacente a y corriente arriba de la primera capa. La concentración de la cama de adsorbente que se controla mediante manipulación del tiempo del ciclo de alimentación es i la primera concentración de la cama de adsorbente de la: primera impureza en la primera capa de manera que la primera concentración de la cama de adsorbente tenderá a aproximarse a la ; primera concentración objetivo de la cama de adsorbente. La ; primera concentración de impureza de producto y una segunda concentración I i ! I i I de impureza de producto de la segunda impureza se miden en la corriente de producto, la primera concentración de la cama de adsorbente se mide en la primera capa y una segunda concentración de la cama de adsorbente de la tercera impureza se mide en la segunda capa en otra ubicación de la misma seleccionada de manera que una medición de la tercera concentración de impureza indicará un cambio en el nivel de impureza antes de penetrar la segunda impureza a la primera capa.

En tal otra modalidad , se manipula el tiempo de pido de alimentación mediante el cálculo continuo de un parámetro dé control que establecerá el tiempo de ciclo de alimentación en el controlador de la unidad de la cama de adsorbente. El parámetro de control se alimenta al controlador de la unidad de cama de adsorbente. El controlador de la unidad de cama de adsorbente controla válvulas en una red de control de flujo conectada a la cama de adsorbente de manera que la corriente de alimentación se alimenta a la cama de adsorción durante el tiempo de ciclo de alimentación. El parámetro de control se calcula de manera que la primera concentración de la cama de adsorbente se aproximará a la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente cuando el parámetro de control es alimentado al controlador de la unidad de cama de adsorbente. Adicionalmente, la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente se determina calculando primeras concentraciones objetivo potenciales de la cama de adsorbente para la primera impureza, la segunda impureza y la tercera impureza de manera que la corriente de producto se produce teniendo la primera impureza de producto no mayor que la primera concentración objetivo de producto y la segunda concentración de producto de la segunda impureza no mayor que una segunda i concentración objetivo de producto y la segunda concentración de la cama de adsorbente será no mayor que una segunda concentración objetivo de la cama de adsorción seleccionada para evitar la penetración de la tercera impureza a la primera capa. Se usa entonces un valor mínimo de las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente como la concentración objetivo de la cama de adsorbente de manera que el control de la primera concentración de la i cama de adsorbente controlará también la primera concentración de producto, la segunda concentración de producto y la segunda concentración de la cama de adsorbente es menor que la primera concentración de impureza de producto, la segunda concentración objetivo de impureza de producto y la segunda concentración objetivo de impureza, respectivamente.

En cualquiera de las dos modalidades específicas de la presente invención , antes discutidas, el parámetro de control puede calcularse continuamente en un controlador de pureza de producto que tiene un nivel de control supervisor que incluye controladores de supervisión para calcular las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente y un nivel primario para calcular el parámetro de control . El controlador de pureza de producto se ejecuta continuamente a una frecuencia de controlador y cada uno de los controladores de supervisión y los controladores primarios son controladores integrales proporcionales.

En otro aspecto de la presente invención , se proporciona un sistema de control para una cama de adsorbente . En tal si$tema de control , un portal de muestreo está ubicado en una cama de adsorbente de la unidad de cama de adsorbente para muestrear una concentración de u na impureza de la cama de adsorbente en la cama de adsorbente. La cama de adsorbente adsorbe la impureza de una corriente de alimentación alimentada a la cama de adsorbente durante un tiempo de ciclo de alimentación , por lo que se prod uce una corriente de prod ucto que contiene una concentración de impureza en el producto ijio mayor que una concentración objetivo de producto. Un analizador de gas está asociado operativamente con el portal de muestreo y está configurado para generar información referente a la concentración de la cama de adsorbente . Un controlador de pureza del producto , que responde a la información, está configurado para calcular un parámetro de control que establecerá un tiempo de ciclo de alimentación empleado en la unidad de cama de adsorbente de manera que la concentración de la cama de adsorbente será controlada por el parámetro de control para aproximarse a una concentración objetivo de la cama de adsorbente que mantend rá la concentración de la impureza en el prod ucto en un nivel no mayor que la concentración objetivo del producto . El parámetro de control se calcula de manera que el tiempo del ciclo de alimentación disminuye conforme aumenta la concentración d la cama de adsorbente y aumenta conforme disminuye la concentración de la cama de adsorbente. El portal de muestreo está situado en una ubicación de la cama de adsorbente en la cual la concentración de la cama de adsorbente cambiará antes de que cambie la concentración de impureza en el producto en la corriente de producto en respuesta a una alteración de manera que controlando la concentración de la cama de adsorbente para aproximarse a la concentración de la cama de adsorbente se mantendrá también la concentración de la impureza en el producto en la corriente de producto en un nivel no mayor que la concentración objetivo de producto.

Un controlador de unidad de cama de adsorbente responde al parámetro calculado por el controlador de pureza del producto. El controlador de la unidad de cama de adsorbente controla las válvulas en un circuito de flujo de la unidad de cama de adsorbente dé manera que la unidad de cama de adsorbente es operada de acuerdo con un ciclo durante el cual se alimenta la corriente de alimentación a la cama de adsorbente durante el tiempo de ciclo de alimentación y después se regenera el adsorbente en la cama de adsorbente a través de desadsorción de la impureza.

En una modalidad específica del sistema de control , la cama de adsorbente está configurada para adsorber por lo menos dos impurezas. Como tal , la impureza antes mencionada no es sino una impureza de las por lo menos dos impurezas, la concentración de producto es una concentración de producto de por lo menos dos concentraciones de producto y la concentración objetivo de producto es una concentración objetivo de producto de por lo menos dos concentraciones objetivo de producto. Además, el analizador de gases es un analizador de gases de una pluralidad de analizadores de gases que están posicionados para generar información referente a las por lo menos dos concentraciones de producto en la corriente de producto y la concentración de la cama de adsorbente.

El controlador de pureza del producto ejecuta continuamente en una frecuencia de controlador para calcular el parámetro de control e incluye un nivel de supervisión y un nivel primario de control . El nivel de supervisión de control está configurado para calcular la concentración objetivo de la cama de adsorbente a partir de un valor mínimo de concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente calculadas en por lo menos dos controladores de supervisión. Los por lo menos dos controladores de supervisión responden a la información referente a las por lo menos dos concentraciones de producto y están configurados para calcular las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente de manera que la corriente de producto se produce teniendo por lo menos dos concentraciones de producto no mayores que las por lo menos dos concentraciones objetivo de producto. El nivel primario de control tiene un controlador primario que responde a una porción de la información referente a la concentración de la cama de adsorbente y a la concentración objetivo de la cama de adsorbente calculada por el nivel de control de supervisión . El controlador primario está configurado para calcular el parámetro de control de la concentración de la cama de adsorbente y la concentración objetivo de la cama de adsorbente.

En otra modalidad específica de la presente invención, la impureza tiene una tercera impureza, la concentración de la cama de adsorbente es una primera concentración de cama de adsorbente, la concentración de producto es una primera concentración de producto y i la concentración objetivo de producto es una tercera concentración objetivo de producto. La cama de adsorbente está configurada para adsorber la primera impureza y también una segunda impureza en una primera capa de la cama de adsorbente y una tercera impureza en una segunda capa de la cama de adsorbente ubicada adyacente a y corriente arriba de la primera capa. Como tal, la concentración de la cama de adsorbente es una primera concentración de la cama de adsorbente de la primera impureza en la primera capa de manera que la primera concentración de la cama de adsorbente tenderá a aproximarse a una primera concentración objetivo de la cama de adsorbente, la corriente de producto se produce teniendo también una segunda concentración de producto de la segunda impureza no mayor que una segunda concentración objetivo de producto y una segunda concentración de la cama de adsorbente de la tercera impureza en la segunda capa será no mayor que una segunda concentración objetivo de la cama de adsorción seleccionada para evitar la penetración de la tercera impureza a la primera capa.

El portal de muestreo es un primer portal de muestreo y un segundo portal de muestreo está situado en una ubicación de la cama de adsorbente para muestrear la segunda concentración de la cama de adsorbente de la tercera impureza en la segunda capa. El analizador de gases es un analizador de gases de una pluralidad de analizadores de gases posicionados para generar información referente a la primera concentración de prod ucto , la segunda concentración de producto, la primera concentración de la cama de adsorbente y la segunda concentración de adsorbente.

El controlador de pureza de producto ejecuta continuamente en una frecuencia de controlador y tiene un nivel de supervisión de control y un nivel primario de control. El nivel de supervisión de control está configurado para calcular la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente a partir de un valor m ínimo de la primera concentración potencial objetivo de la cama de adsorbente calculada en los controiadores de supervisión que responden a la información referente a la primera concentración de prod ucto , la segunda concentración de producto y la segunda concentración de la cama de adsorbente. El controlador de supervisión está configurado para calcular la pri mera concentración potencial objetivo de la cama de adsorbente de manera que la corriente de producto se prod uce teniendo la primera concentración de impureza del producto y la segunda concentración de impureza del producto no mayor que la primera concentración objetivo de producto y la segunda concentración objetivo de prod ucto , respectivamente y la segunda concentración de la cama de adsorbente no es mayor que una segunda concentración objetivo de la cama de adsorbente. El nivel primario de control tiene una respuesta de controlador primario para una porción de la información referente a la primera concentración de la cama de adsorbente y la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente calculada erji el nivel de supervisión de control y configurado para calcular el parámetro de control a partir de la primera concentración de la cama de adsorbente y la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente.

En una modalidad de la presente invención y en cualquier aspecto de la misma que incorpore niveles de supervisión y primario para controlar la primera y la segunda impurezas del producto y un segundo nivel de impureza de la cama de adsorbente de una tercera impureza, cada uno del controlador proporcional e integral tiene un elemento proporcional y un elemento integral. Cada elemento proporcional y cada elemento integral tienen factores de afinación . Cada uno de los controladores de supervisión calcula una primera concentración potencial objetivo de la cama de adsorbente de las primeras concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente mediante la adición de una primera concentración potencial objetivo de la cama de adsorbente previamente calculada , el elemento proporcional y los elementos integrales. Cada uno de los elementos proporcional e integral tiene un término de error. La primera concentración de producto, la segunda concentración de producto, la primera concentración de la cama de adsorbente y la segunda concentración de la cama de adsorbente se miden continuamente y se convierten a valores logarítmicos de base diez que se promedian para producir un valor logarítmico promedio. El término de error sé calcula en un primero de los controladores de supervisión relacionado con la primera impureza mediante la resta del valor logarítmico prornedio de la primera concentración de producto a partir de un logaritmo de base diez de la primera concentración objetivo de producto. El término de error en un segundo controlador de supervisión para la segunda impureza se calcula restando el valor logarítmico promedio de la segunda concentración de producto de un logaritmo de base diez de la segunda concentración objetivo de producto y el término de error en un tercero de los controladores de supervisión relacionado con la tercera impureza se calcula restando el valor logarítmico promedio de de la segunda concentración de la cama de adsorbente de un logaritmo de base diez de la segunda concentración objetivo de la cama de adsorbente. El término de error se calcula en el controlador j primario mediante la resta del valor logarítmico promedio de la primera concentración de la cama de adsorbente de un logaritmo de b;ase diez de la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente.

Adicionalmente, el elemento proporcional puede incorporar una diferencia entre el error calculado durante una ejecución corriente de los controladores de supervisión y el controlador primario y el error calculado durante una ejecución anterior de los controladores de supervisión y el controlador primario. El periodo de la frecuencia de controlador se puede establecer igual a un tiempo de ciclo total actual de la unidad de cama de adsorción. Además, el elemento integral puede determinarse además, multiplicando el error actual por él tiempo de ciclo total actual .

Tanto el método como el sistema de control pueden aplicarse en un entorno en el cual el ciclo es un ciclo de adsorción de presión oscilante y la cama de adsorbente es una de una pluralidad de camas de adsorbente. La corriente de alimentación puede ser una corriente que contiene hidrógeno y la corriente de producto puede ser una corriente de producto de hidrógeno. En tal caso, la primera impureza es monóxido de carbono, la segunda impureza es nitrógeno y l tercera impureza es dióxido de carbono. Con el fin de adsorber tales impurezas, la primera capa contiene una zeolita adsorbente y está ubicada adyacente a una salida de la cama de adsorbente. La segunda capa contiene un adsorbente de carbón activado para adsorber el dióxido de carbono. j Breve Descripción de los Dibu jos Aunque la especificación concluye con las reivindicaciones que señalan distintamente el asunto que los Solicitantes consideran como su invención, se cree que la presente invención se entenderá mejor cuando se toma en relación con los dibujos adjuntos, en los cuales: La Figura 1 es una vista esquemática de un sistema de control para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención, ilustrado en relación con una unidad de adsorción de presión oscilante usada en la producción de hidrógeno a partir de una corriente cambiada generada en una instalación de reformación de vapor metano; La Figura 2 es una vista esquemática de una unidad de adsorción de presión oscilante usada en la Figura 2; La Figura 3 es una vista esquemática de una modalidad preferida de un sistema y método de control de la presente invención empleados en la Figura 1 ; y ? La Figura 4 es un diagrama de control lógico del sistema y método de control il ustrados en la Figura 3; La Figura 5 es una representación gráfica de la concentración de producto de monóxido de carbono de un sistema de adsorción de presión osci lante il ustrado en la Figura 2 controlado en una manera como en la técnica anterior en respuesta a una alteración ; La Figura 6 es una representación gráfica de la concentración de producto de monóxido de carbono de un sistema de adsorción de presión oscilante ilustrado en la Figura 2 controlado en una manera expuesta en la presente invención en respuesta a una alteración ; y La Figura 7 es una representación gráfica del control de un sistema de adsorción ilustrado en la Figura 2 , de acuerdo con la presente invención , que ilustra la respuesta del sistema de adsorción para restablecer las concentraciones objetivo de producto de monóxido de carbono .

Descripción Detallada de la Invención Con referencia a la Figura 1 , se ilustra una instalación 1 , tal como una instalación de refi nación , que tiene un reformador 1 0 de vapor metano que produce una corriente 1 2 de alimentación que contiene predominantemente hidrógeno e impurezas que varían desde aproximadamente 5 por ciento y aproximadamente 25 por ciento en volumen de dióxido de carbono, menos que aproxi madamente 5 por ciento en volu men de vapor de agua , menos que aproximadamente 3 por ciento en volumen de metano , menos que aproxi madamente 1 por ciento en volumen de monóxido de carbono , menos que aproximadamente 1 por ciento en volumen de nitrógeno y concentraciones más pequeñas de hidrocarburos más pesados. La corriente 1 2 de ali mentación se introd uce a una unidad 1 4 de adsorción de presión oscilante para adsorber las impurezas y producir así una corriente 1 6 de prod ucto de hidrógeno que contiene las impurezas antes mencionadas en cantidades que son menores que las permitidas por una especificación de producto. Se debe notar que la discusión de la instalación 1 que sigue no tiene la intención de ser limitante en el uso de la presente invención porque la presente invención es igualmente aplicable a otros tipos de unidades de adsorción que están diseñadas para adsorber otros tipos de impurezas y función de acuerdo con otros tipos de ciclos de adsorción , por ejem plo, adsorción al vacío de presión oscilante y adsorción de temperatura oscilante que contiene una sola cama o múltiples camas de adsorbente.

El reformador 10 de vapor metano sujeta a la corriente 1 8 que contiene hidrocarburos, por ejemplo, gas natural , a una reformación de vapor metano . En el reformador 10 de vapor metano , se remueve la especie de azufre de la corriente 18 que contiene hidrocarburos y se agrega vapor sobrecalentado para producir una corriente reactiva que, a su vez, se i ntrod uce en tubos del reformador llenos con catalizador colocados en una sección encendida, de intercam bio de calor radiante del reformador 1 0 de vapor metano . Los hidrocarburos reaccionan con el vapor para producir hidrógeno y monóxido de carbono que se hace reaccionar además en un reactor de cambio de agua-gas para producir la corriente 1 2 de alimentación. Se usa gas de combustión de la sección radiante del reformador de vapor metano para aumentar el vapor sobrecalentado en una sección de convección del reformador 10 de vapor metano a partir de la cual se descarga una corriente 1 6 de gas de chimenea.

La corriente 1 2 de alimentación se introduce a una unidad 1 4 de adsorción que tiene 6 camas 22 , 24, 26, 28 , 30 y 32 de adsorbente que operan de acuerdo con un ciclo de adsorción de presión oscilante, a ser discutido más adelante en la presente. La unidad 1 4 de adsorción se proporciona además con un controlador 34 de unidad de adsorción para produci r señales de control , i ndicadas generalmente por una flecha 36 , para controlar una válvula en una red de control de flujo en la cual se i ncorporan las camas 26 a 32 de adsorbente y por lo que se sujetan las camas 22 a 32 de adsorbente al ciclo de adsorción de presión oscilante. Cada una de las camas 22 a 32 de adsorbente se coloca, a su vez, en l ínea para adsorber impurezas en la corriente 1 2 de alimentación y, como resultado, prod ucir una corriente 16 de producto de hid rógeno. Adicionalmente, cada una de las camas de adsorbente se regenera para desadsorber las impurezas previamente adsorbidas y producir así una corriente 38 de gas de cola . La porriente 38 de gas de cola, a su vez, se usa para encender los quemadores en la sección radiante del reformador 1 0 de vapor metano y también se pueden canalizar a un cabezal de combustible en la instalación 1 .

La pureza de la corriente 1 6 de prod ucto se controla mediante un controlador 40 de pureza de producto configurado y que ópera de acuerdo con la presente invención. El controlador 40 de pureza de producto se proporciona con un nivel de control 42 de supervisión y un nivel primario de control 44 para calcular un tiempo de ciclo de alimentación durante el cual cada una de las camas 22 á 32 de adsorbente está en línea y adsorbe impurezas en la corriente 12 de alimentación u otro parámetro de control que tendrá un efecto directo en el tiempo de ciclo de alimentación. Como se discutirá en mayor detalle más adelante en la presente, el nivel de supervisión dé control 42 calcula una concentración objetivo de cama de absorbente de monóxido de carbono para ser alcanzado en la cama 32 de adsorbente con base en concentraciones objetivo de impureza de producto de nitrógeno y monóxido de carbono en la corriente 16 de producto y una concentración objetivo de impureza de dióxido de carbono en la cama 32 de adsorbente. Estos objetivos antes mencionados se alimentan al nivel de supervisión de control como se indica generalmente mediante la flecha 46. La flecha 46 representa tres objetivos diferentes para ser discutidos, a saber, una concentración 1 58 objetivo de impureza de producto de monóxido de carbono, una concentración 166 objetivo de impureza de producción de nitrógeno y una concentración 172 objetivo de impureza de cama de absorbente de dióxido de carbono que se alimentan a tres controladores separados incorporados al nivel de supervisión de control 42. Estos objetivos se comparan con mediciones reales de monóxido de carbono y nitrógeno en la corriente 1 6 de producto como se indica generalmente por la flecha 48 y mediciones reales de concentraciones de impureza de la cama de adsorbente de dióxido de carbono en la cama 32 de adsorbente como se indica por la flecha 50. I nformación referente a cada uñó de los I niveles de concentración reales se alimentan entonces al nivel de i supervisión de control 42 como se muestra por la flecha 52. Como se discutirá, la flecha 48 está hecha de información referente a la concentración 48a de impureza de producto de monóxido de carbono y la concentración 48b de impureza de producto de nitrógeno también para discutirse más adelante en la presente. El nivel de supervisión de control 42 calcula entonces una concentración objetivo de cama de adsorbente para la concentración de monóxido de carbono que resultará en la corriente 1 6 de producto que tiene concentraciones de nitrógeno y monóxido de carbono mayores que sus concentraciones objetivo respectivas y la concentración de dióxido de carbono en la cama 32 de adsorbente no mayor que su concentración objetivo de la cama de adsorbente. Como se discutirá también más adelante en la presente, el nivel 42 de supervisión de control ilustrado y el nivel 44 primario de control funcionan de acuerdo con lógica de control integral proporcional . Como se discutirá, se pueden usar otros tipos de lógica de control de acuerdo con la presente invención . 1 La concentración objetivo de la cama de adsorción para monóxido de carbono en la cama 32 de adsorbente se alimenta entonces al nivel primario de control 44 como se indica por la flecha 54. A parti r de tal objetivo y una medición real de la concentración de monóxido de carbono en la cama 32 de adsorbente, que se alimenta también como una alimentación 56 al nivel primario de control 44, se calcula un tiempo de ciclo de cama que causará que la concentración de monóxido de carbono en la cama 32 de adsorbente se aproxime a la concentración objetivo de monóxido de carbono calculada mediante el nivel de supervisión de control . Puesto que esta concentración objetivo de la cama de absorción está basada en las concentraciones de impureza de producto de nitrógeno y monóxido de carbono, la concentración de impureza de la cama de adsorbente del dióxido de carbono y sus objetivos relativos, el control de la concentración de monóxido de carbono controlará los niveles de impureza del nitrógeno también en la Figura 1 , el tiempo 60 de ciclo de cama total puede ser alimentado también al nivel de supervisión de control 42 y el nivel 44 de control primario como alimentaciones 62 y 64 para propósitos que serán discutidos más adelante en la presente. La información transmitida como el tiempo 60 de ciclo de cama total puede incluir información indicativa del tiempo de ciclo total en el que una ¡cama de adsorbente empieza su servicio en línea para adsorber impurezas y que está fuera de línea y es regenerado así como también una indicación de que el ciclo ha sido completado. Adicionalmente:, aunque el nivel de supervisión de control 42, el nivel 44 de control primario y el controlador 34 de la unidad de adsorción se ilustran como unidades separadas, podrían estar todos en una sola unidad o el control 34 de la unidad de adsorción podría ser un controlador separado proporcionado por un fabricante de la unidad 14 de la cama de adsorbente y el nivel 42 de control de supervisión y el nivel 44 de control primario podrían estar en un controlador separado programable para tales propósitos.

Con referencia a la Figura 2, se dará una explicación con respecto a la operación de la red de control de flujo de la unidad 14 de cama adsorbente, antes discutida brevemente, otra vez para propósitos de ilustración y no de limitación. Las conexiones eléctricas convencionales entre las válvulas y el control 34 de la unidad de cama de adsorbente no han sido ilustradas por facilidad de explicación . Además, todas las válvulas en la siguiente discusión se suponen que están cerradas a menos que se indique específicamente que están abiertas durante una etapa particular del ciclo de adsorción dé presión oscilante. En este respecto, el ciclo en su totalidad tiene doce etapas en las cuales durante dos etapas una cama de adsorbente está en l ínea y produciendo y en la última de las dos etapas, la cama de adsorbente en línea está re-presurizando otra cama de adsorbente para ser llevada a en-l ínea. Después de las dos etapas, la cama de adsorbente se lleva fuera-de-l ínea y se regenera mediante sujeción a tres pasos sucesivos de igualación de presión aludidos como pasos descendentes de igualación en los cuales se disminuye la presión en la cama de adsorbente y se suministra gas de espacio vacío a otro adsorbente descargado de la cama de adsorbente a otra cama de adsorbente que experimenta un paso de purga para remover los componentes adsorbidos de la cama de adsorbente. El paso de provisión de gas de purga es seguido por un paso descendente de soplado en el cual la cama de adsorbente es despresurizada hasta la presión atmosférica a través del extremo de entrada para caüsar que los componentes adsorbidos se desadsorban para suministrar el gas de cola para la corriente 38 de gas de cola y después un paso de purga en el cual se suministra el gas de purga al extremo de salida de la cama de adsorbente para causar que los componentes adsorbidos se desadsorban adicionalmente y se descarguen a través de la entrada de manera que el gas de cola continúa siendo suministrado. Después de esto, hay tres igualaciones sucesivas, aludidas como pasos ascendentes de igualación en los cuales aumenta la presión en la cama y después un paso de re-presurización de producto en el cual la cama de adsorbente se regresa a la presión de operación y en la siguiente etapa se regresa a en-línea.

Específicamente, en una primera etapa del ciclo, la cama 22 de adsorbente está en un primer paso de adsorción y está siendo alimentada con la corriente 1 2 de alimentación para producir la corriente 16 de producto. Al mismo tiempo, la cama 24 de adsorbente experimenta un tercer paso de igualación con la cama 30 de adsorbente en el cual la cama 30 de adsorbente está descargando gas a la cama 24 de adsorbente y experimenta así un tercer y último paso de igualación . La tercera cama 26 de adsorbente experimenta el primer paso de igualación con la cama 32 de adsorbente en el cual se descarga gas de igualación de la cama 32 de adsorbente que experimenta su primer paso descendente de igualación a la cama 26 de adsorbente . La cama 28 de adsorbente experimenta purga y descarga las impurezas desadsorbidas para formar la corriente 38 de gas de cola. Las válvulas 70, 86, 1 08, 1 1 4, 1 24 y 1 28 se ponen en posiciones abiertas para tales propósitos. En la segunda etapa del ciclo, la cama 22 de adsorbente experimenta un segundo paso de adsorción y suministra también gas producto a la cama 24 de adsorbente que experimenta un paso de presurización de producto con parte del prod ucto que se produce a partir de la cama 22 de adsorbente . La cama 26 de adsorbente experi menta un segundo paso de igualación con la cama 32 de adsorbente que experimenta un segundo paso descendente de igualación. La cama 28 de adsorbente experi menta u n paso de purga con la cama 30 de adsorbente que está en el paso de provisión de gas de purga. Las válvulas 70, 1 28 , 86, 1 08, 1 1 4 y 1 1 8 permanecen en posiciones abiertas, las válvulas 98, 1 00 y 1 1 6 se ponen en posiciones abiertas y la válvula 1 24 se restablece en la posición cerrada.

En la tercera etapa del ciclo , la cama 24 de adsorbente habiendo sido despresurizada está suministrando ahora el producto en la formación de la corriente 1 6 de producto. La cama 22 de adsorbente se regenera ahora sujetándola a un primer paso descendente de igualación en el cual suministra gas de igualación a la cania 28 de adsorbente que está en el primer paso ascendente de igualación . La cama 26 de adsorbente experimenta el tercer paso ascendente de igualación en el cual recibe gas de la cama 32 de adsorbente que está por lo tanto en el tercer paso descendente de igualación. La cama 30 de adsorbente está en un paso de purga. Para tales propósitos las válvulas 28, 88, 1 04, 1 1 0, 120, 1 26 y 130 se fijan en posiciones I abiertas. Las válvulas 70, 1 28, 86, 108, 1 14, 1 18, 98, 1 00 y 1 16 se restablecen en posiciones cerradas. De la cuarta etapa del ciclo, el adsorbente 22 experimenta el segunda paso descendente de igualación y envía gas de igualación a la cama 28 de adsorbente que experimenta el segundo paso ascendente de igualación, mientras que la cama 24 de adsorbente está haciendo producto y envía gas de presurización de producto a la cama 26 de adsorbente. La cama 30 de adsorbente está en un paso de purga y recibe gas de purga de la cama 32 de adsorbente la cual está en el paso de gas de purga proporcionado. Las válvulas 72, 88, 1 04, 1 10, 120 y 1 30 permanecen en las posiciones abiertas y las válvulas 1 00, 102 y 1 1 8 se fijan en posiciones abiertas. La válvula 126 se restablece en la posición cerrada.

En la quinta etapa del ciclo, la cama 26 de adsorbente hace ahora el gas producto y como tal es ahora la corriente 1 6 de producto de producción en-l ínea. En esta etapa, la cama 22 de adsorbente experimenta el tercer paso descendente de igualación con la cama 28 de adsorbente proporcionando gas de igualación a la cama 28 de adsorbente la cual está experimentando el tercer paso ascendente de igualación. La cama 24 de adsorbente, ahora fuera-de-l ínea, empieza la regeneración experimentando el primer paso de igualación mediante la provisión de gas de igualación a la cama 30 de adsorbente que está experimentando el primer paso ascendente de igualación. La cama 32 de adsorbente está ahora en una etapa descendente de soplado suministrando el gas de cola a la corriente 38 de gas de tales propósitos, las válvulas 74, 90, 1 06, 1 1 6, 122 y 132 se' fijan en posiciones abiertas y las válvulas 72, 88, 104, 1 1 0, 120, 1 30, 1 00, 102 y 1 08 se restablecen en posiciones cerradas. En la sexta etapa del ciclo, la cama 22 de adsorbente está en un paso de provisión de gas de purga con la cama 32 de adsorbente la cual está ahora en el paso de purga. La cama 24 de adsorbente experimenta un segundo paso descendente de igualación enviando gas de igualación a la cama 30 de adsorbente que está experimentando el segundo paso ascendente de igualación. La cama 24 de adsorbente está enviando algo del producto como un gas de presurización de producto a la cama 28 de adsorbente. Las válvulas 74, 90, 1 06, 122 y 1 32 permanecen abiertas, las válvulas 92, 1 02 y 1 20 se fijan en posiciones abiertas y la válvula 1 16 se fija en la posición cerrada.

En la séptima etapa del ciclo, la cama 28 de adsorbente está produciendo ahora el producto y la cama 24 de adsorbente es llevada fuera-de-línea. La cama 22 de adsorbente está experimentando un paso de purga. Durante este tiempo, la cama 24 de adsorbente está i experimentando el tercer paso descendente de igualación mediante la provisión de gas de igualación a la cama 30 de adsorbente que está experimentando un tercer paso ascendente de igualación . Las camas 26 y 32 de adsorbente están experimentando las primeras igualaciones de cama a cama con la cama 26 de adsorbente que experimenta un primer paso descendente de igualación para suministrar l gas de igualación a la cama 32 de igualación que experimenta el primer paso ascendente de igualación. Las válvulas 76, 80, 108, 1 1 4, 1 18, 1 24 y 1 34 están puestas en posiciones abiertas. Las válvulas 74, 90, 1 06, i 1 22, 1 32, 92, 102 y 1 20 han regresado a la posición cerrada. En la octava etapa del ciclo, la cama 28 de adsorbente continua haciendo producto y proporciona presurización de producto a la cama 30 de adsorbente. La cama 22 de adsorbente está ahora en un paso de purga recibiendo gas de purga de la cama 24 de adsorbenté la cual está por lo tanto en el paso de provisión de gas de purga y las camas 26 y 32 de adsorbente están experimentando la segunda igualación de cama a cama con la cama 26 de adsorbente que experimenta el segundo paso descendente de igualación suministrando ; gas de igualación a la cama 32 de adsorbente que experimenta el segundo paso ascendente de igualación. Las válvulas 76, 80, 1 08, 104, 1 24 y 1 34 permanecen en la posición abierta, las válvulas 92, 94 y 122 están puestas en la posición abierta y la válvula 1 1 8 se restablece en la posición cerrada.

En la novena etapa del ciclo, la cama 30 de adsorbente se lleva en-l ínea y la cama 28 de adsorbente se saca fuera-de-l ínea para regenerarse. La cama 22 de adsorbente está experimentando el primer paso ascendente de igualación mediante la recepción de gas de igualación de la cama 28 de adsorbente que está experimentando el primer paso descendente de igualación. Durante este tiempo, la cama 24 de adsorbente está en el paso de purga, la cama 26 de adsorbente está experimentando el tercer paso descendente de igualación proporcionando gas de igualación a la cama 32 de adsorbente que está en el tercer paso ascendente de igualación . Las válvulas 77 , 82 , 1 04 , 1 10 , 1 20, 126 y 1 36 están fijas en posiciones abiertas. En la décima etapa del ciclo, la cama 30 de adsorbente está proporcionando presurización de producto a la cama 32 de adsorbente. La cama 22 de adsorbente está experimentando el segundo paso ascendente de igualación recibiendo gas de igualación de alta presión de la cama 28 de adsorbente que está experimentando el segundo paso descendente de igualación . Durante el mismo tiempo, la cama 26 de adsorbente está en el paso de provisión de gas de purga para suministraY gas de purga a la cama 24 de adsorbente que está en el paso de purga . Las válvulas 77, 82 , 1 04, 126 y 1 36 permanecen posiciones abiertas , las válvulas 94, 96 y 1 24 están fijas en posiciones abiertas y la válvula 1 20 está cerrada .

En la onceava etapa del ciclo, la cama 32 de adsorbente se lleva ahora de regreso a en-l ínea para proporcionar la corriente 1 6 de producto y la cama 30 de adsorbente se saca fuera-de-l ínea para ser regenerada . Du rante este tiempo, la cama 22 de adsorbente está en el tercer paso ascendente de igualación recibiendo gas de igualación de la cama 28 de adsorbente que está experimentando el tercer paso descendente de igualación . La cama 24 de adsorbente está experi mentando el pri mer paso ascendente de igualación y recibe gas de igualación de la cama 30 de adsorbente que está en el primer paso descendente de igualación . La cama 26 de adsorbente está en el paso de purga . Las válvulas 78, 84, 1 06, 1 1 6, 1 22 y 1 38 están fijas en posiciones abiertas y las válvulas 77, 82, 104, 1 26, 1 36, 94, 96 y 124 están restablecidas en posiciones cerradas. En la doceava etapa del ciclo, la cama 22 de adsorbente está recibiendo gas de presurización de producto de la cama 32 de adsorbente para ser capaz de ser regresada a en-línea. La cama 24 de adsorbente experimenta un segundo paso ascendente de igualación recibiendo gas de igualación de la cama 30 de adsorbente que está en el segundo paso descendente de igualación . La cama 26 de adsorbente está en el paso de purga y recibe gas de purga enviado por la cama 28 de adsorbente la cual está en el paso de provisión de gas de purga. Para tales propósitos 78, 84, 1 06, 1 1 6 y 1 38 permanecen en posiciones abiertas, las válvulas 96 y 98 están fijas en posiciones abiertas y la válvula 122 está cerrada. Después de la conclusión de la doceava etapa, el ciclo regresa a la primera etapa y se repite como se describe antes.

Habiendo discutido generalmente el controlador de pureza del producto y la unidad 14 de cama de adsorbente y su control , sigue una discusión más detallada referente al controlador 40 de pureza del producto. Con referencia particular a la Figura 3, el controlador 40 de pureza del producto es de preferencia un controlado!' lógico programable que es capaz de ser programado con lógica de control para representar el nivel de supervisión de control 42 y el nivel primario de control 42 y controladores específicos en tales niveles que serán discutidos más adelante en la presente. Por ejemplo, el controlador 40 de pureza de producto podría ser un controlador ALLEN-BRADLEY® que utiliza software programable, por ejemplo, i software RSLOG IX™ 500 obtenido de Rockwell Automation I nc. de 1 201 South Second Street, Milwaukee, Wl 53204-2496 USA. Se pod rían usar otros controladores similares y lo anterior es solamente para propósitos de ejemplo.

En la aplicación específica ilustrada de la presente i nvención , la cama 32 de adsorbente, así como también las otras camas 22 a 30 de adsorbente, se proporciona con un recipiente 1 40 que tiene una entrada 1 42 y una salida 1 44. Contenidas dentro de la cama 32 de adsorbente hay tres capas de adsorbente , a saber una capá 1 43 de zeolita , una capa 1 48 de carbón activado y una capa 1 50 opcional de al úmina. La corriente 12 de gas entrante cambiada , entra primero a la capa 1 50 de alúmi na para adsorber humedad y después a la capa 1 48 de carbón activado para adsorber dióxido de carbono e hid rocarburos más pesados tal como metano. Después, se adsorben monóxido de carbono y nitrógeno en la capa de zeolita. Es importante notar que la operación de la unidad de la cama de adsorción debe controlarse de manera que el d ióxido de carbono nunca penetre la capa 1 48 de carbón activado hasta la capa 1 46 de zeolita . La razón para esto es que el dióxido de carbono sería adsorbido fuertemente en la cama de zeolita haciendo muy difícil regenerar la cama 32 de adsorbente. Otra i mportante consideración de control es que si el monóxido de carbono está arriba de un nivel requerido por la especificación del prod ucto , la corriente de producto no será de algún uso práctico . Fi nalmente, el nitrógeno tiende a concentrarse en la cama 46 de zeolita hacia la salida 144 de la cama de adsorbente. Como consecuencia, de todas estas consideraciones, la unidad 1 4 de cama de adsorbente es i controlada de manera que el dióxido de carbono nunca penetra la capa 1 46 de zeolita y que el tiempo de ciclo de alimentación es controlado de manera que la concentración de monóxido de carbono en la corriente 16 de producto nunca se elevará por arriba del nivel establecido en la especificación del producto . El control de la concentración de monóxido de carbono del producto controlará también la concentración de nitrógeno del producto. Como se discutirá más adelante en la presente, la concentración de dióxido de carbono y las I concentraciones de monóxido de carbono se detectan como concentraciones de la cama de adsorbente en la capa 1 48 de carbón activado y la capa 1 46 de zeolita y se comparan contra d ianas porque se ha encontrado que cambios en tales concentraciones de la cama de adsorbente aparecerán mucho más pronto que los cambios corriente abajo y por lo tanto , el control puede hacerse más agresivo para permiti r que el tiempo de ciclo de alimentación se promedie siempre que sea posible para maximizar la prod ucción de la corri ente de prod ucto.

El nivel de supervisión de control 42 utiliza tres controladores separados, a saber, un controlador 1 52 de supervisión de monóxido de carbono , un controlador 1 54 de supervisión de nitrógeno y un controlador 56 de supervisión de dióxido de carbono . En la modalidad ilustrada, estos controladores funcionan sobre la base de lógica de control proporcional e integral y consecuentemente hay términos de error proporcional e integral que pueden ser una función del érror y la integral del error. Sin embargo, en la modalidad ilustrada, se emplea I una forma de velocidad de tal control y como tal, el¡ término proporcional es una función de una diferencia entre el error actual I según se determina durante la ejecución actual del controlador y un error anterior determinado en la ejecución previa del controlador. El término de integral, que es de la forma de velocidad, es una función del i error actual.

Cada uno de estos controladores calcula una concéntración objetivo de la cama de adsorbente para que se obtenga una concentración de monóxido de carbono en la cama de zeplita que mantendrá cada una de las concentraciones de monóxido de carbono y nitrógeno en la corriente 16 de producto en y por debajo de las | concentraciones objetivo de impureza del producto en la corriente 16 i de producto y una concentración objetivo de la cama de adsorbente, en el caso de dióxido de carbono en la cama 148 de carbón activado, que evitará la penetración del dióxido de carbono hacia la capa 148 de zeolita.

Volviendo primero al controlador de supervisión de morióxido de carbono, tal controlador funciona de acuerdo con la siguiente ecuación: MV1¡ = MV1M + Kc1 * (Q1Í - Q1¡-I) + ci Tn * At * nl¡ ¡ donde: MV1¡ = concentración objetivo de CO potencial de cama de adsorbente para ciclo actual.

MV1M = concentración objetivo de CO potencial de pama de I adsorbente al mismo tiempo que el último ciclo. \ Kc = ganancia para el circuito de CO intra-cama. ? 1¡ = error para ciclo actual para CO de intra.cama. ? 1¡_i = error al mismo tiempo que el último ciclo para CO intra-cama.

T 11 = tiempo de restablecimiento para el circuito intra-cama de CO.

At = tiempo total de ciclo.

Durante cada ejecución del controlador 40 de pureza de producto, MVI¡ se calcula agregando al valor de la concentración potencial de CO de la cama de adsorbente determinada durante una ejecución previa del controlador de pureza del producto, MVIM, los elementos proporcional e integral del control. El elemento proporcional, Kc1 * (D1¡ - Dli-i), se determina calculando el error del ciclo actual, D1Í, restando la concentración de impureza del producto para monóxido de carbono a partir de una concentración objetivo de impureza de producto establecida como una alimentación en el controlador 152 de supervisión de monóxido de carbono como se indica por la flecha 158. La concentración se determina muestreando la concentración de impureza en la corriente 16 de producto por medio de un analizador de gases 160 conectado a un cabezal 162 de producto de la unidad 14 de cama de adsorbente y enviando información referente a tal concentración al controlador 152 de supervisión de monóxido de carbono como se indica por la flecha 48a. Como se discutirá, la flecha 48a representa realmente varios pasos de lógica de control en los cuales la información se convierte a una forma logarítmica de base 10, se mantiene una corrida promedio y el promedio se introduce al controlador 1 52 de supervisión de monóxido de carbono. El error i determinado en la misma manera durante una ejecución previa del controlador 40 de pureza de producto, ? 1 ¡_i , se resta del error actual y la diferencia se multiplica por un factor de afinación Kc1 , conocido en la técnica como la "ganancia", que se determina en una manera conocida durante la operación del controlador 40 de pureza del producto. El elemento integral se determina multiplicando el error actual por un producto de un cociente de KC 1/T y At que es el tiempo actual de ciclo determinado por el controlador 34 de la unidad de cama de adsorbente que es alimentado al controlador como se indica por la flecha 62 y específicamente como se muestra por la flecha 62a. El término "t? " es el tiempo restablecido y es otro factor de vuelta que se determina durante la operación del controlador 40 de pureza de producto en una manera conocida.

El controlador 1 54 de supervisión de nitrógeno funciona de acuerdo con la siguiente ecuación : MV2¡ = MV2 + Kc2 * (s2¡ - e2? ) + KC2/T|2 * At * t2¡ donde: MV2¡ = concentración objetivo de CO potencial de la cama de adsorbente para el ciclo actual .

MV2M = concentración objetivo de CO potencial de la cama de adsorbente al mismo tiempo del último ciclo.

Kc2 = ganancia para el circuito de producto N2. z2\ = error para el ciclo actual para el producto N2. e2 ? = error al mismo tiempo del ciclo para el producto N2.

Ti2 = tiempo de restablecimiento para el circuito de producto N2.

At = tiempo total de ciclo .

El controlador 1 54 de supervisión de n itrógeno realiza cálculos de la misma manera que el controlador 1 52 de supervisión de monóxido de carbono . Sin embargo , para tal controlador el error, se determina restando una concentración objetivo de impureza de producto de nitrógeno, es deci r una alimentación mostrada por la flecha 1 66, de la concentración de i mpu reza de nitrógeno del prod ucto medida en la corriente 1 6 de prod ucto mediante un analizador de gases 1 68. I nformación que representa la concentración promedio que ha sido convertida a una forma logarítmica de base 1 0 se alimenta al controlador 1 54 de supervisión de nitrógeno como se muestra por la flecha 48b. el factor de afinación "Kc2" se determina independientemente y se fija.

El controlador de supervisión de dióxido de carbono funciona de acuerdo con la siguiente ecuación : MV3¡ = MV3M + KC3 * (e3, - e3? ) + KC3/Ti3 * At * E3¡ donde: MV3¡ = concentración objetivo de CO potencial de la cama de adsorbente para el ciclo actual .

MV3 = concentración objetivo de CO potencial de la cama de adsorbente al mismo tiempo del últi mo ciclo.

Kc3 = ganancia para el circuito de prod ucto CO . e3¡ = error para el ciclo actual para el producto CO. ¡ i ? e3 = error al mismo tiempo del ciclo para el producto C¿ .

T| 3 = tiempo de restablecimiento para el circuito de producto CO.

At = tiempo total de ciclo .

El controlador 1 56 de supervisión de dióxido de carbono real iza cálculos de la misma manera que el controlador 1 52 de supervisión de i monóxido de carbono. Sin embargo, para tal controlador el error, se determina restando una concentración objetivo de impijreza de prod ucto de dióxido de carbono, que es una alimentación mostrada i mediante la flecha 170, a parti r de una concentración de la Ca ma de adsorbente del dióxido de carbono medida en la capa 1 48 de carbón I activado mediante un analizador de gases 1 72 que transmite otra vez i información que representa un promedio de las mediciones, convertida a la forma logarítmica de base 1 0, al controlador 1 56 de supervisión de dióxido de carbono como se muestra por la flecha 50. El analizador de gases 1 72 muestrea la concentración de dióxido de carbono a través de un portal 1 74 para gas que está formado por un tubo situado en una ubicación que es menor que una mitad de la longitud de la capa 1 48 de ? carbón activado y de preferencia de aproximadamente un tercio de tal longitud de manera que se detectarán cambios de concentración antes de un cambio corriente abajo tal como ocurriría en la interfasei entre la capa 1 46 de zeolita y la capa 1 48 dé carbón activado. Los factores de afinación "KC3 " y " T | 3" se determinan independientemente y se fijan y el tiempo de ciclo es una alimentación como se muestra por la flecha 62b .

El controlador 1 52 de supervisión de monóxido de carbono , el controlador 1 54 de supervisión de nitrógeno y el controlador de supervisión de dióxido de carbono producen sus respectivos valores de MV1 ¡, MV2¡ y MV3, como se muestra por las flechas 1 76 , 1 78 y 1 80 y después introd ucen tales valores en lógica que compara los tres valores y determina un m ínimo mostrado en el cuad ro 1 82 e introduce el mismo como un aporte 184 al controlador 44 primario. El controlador primario 44 funciona de acuerdo con la siguiente ecuación : MV4¡ = MV4M + KC4 * (£4¡ - e4? ) + KC4/T,4 * M * e4¡ donde: MV4¡ = tiempo de ciclo de alimentación total para el ciclo actual . MV4 = tiempo de ciclo de alimentación total al mismo tiempo del último ciclo .

Kc4 = ganancia para el circuito intra-cama de CO. j ? 4¡ = error para el ciclo actual . ? 4|.i = error al mismo tiempo del último ciclo.

T|4 = tiempo de restablecimiento para el circuito i ntra-cama de CO .

At = tiempo total de ciclo.

El controlador pri mario 44 funciona en una manera similar a aquélla de los controladores en el nivel 42 de control de supervisión excepto porque su prod ucción es el tiempo de ciclo de alimentación . Esta producción , MV4¡, se determina agregándola al tiempo de' ciclo de alimentación determinado durante la ejecución anterior del controlador 40 de pureza de producto, un término proporcional que tiene Un factor de afi nación , "Kc4" , y un término integral que tiene un factor de afinación "T |4" , ambos determinados independientemente y aplicados en una manera conocida en la técnica y el tiempo total de ciclo se entrega al controlador 36 de cama de adsorción como una alimentación 64. El término de error es la diferencia entre la concentración de la cama de adsorbente para el monóxido de carbono y la concentración objetivo de la cama de adsorbente como alimentación a tal controlador como se indica por la flecha 184 o el m ínimo determinado en el nivel se supervisión del control 42. Esta concentración de cama adsorbente se determina mediante un portal 186 de muestreo conectado a un analizador de gases 1 88 que genera información referente a tal concentración que sirve como una alimentación al controlador primario 44. El portal 186 de muestreo está situado en una ubicación dentro de la capa 1 46 de zeolita más cerca a la entrada 142 que a la salida 1 44, otra vez, dentro de la primera mitad de la capa y de preferencia dentro del primer tercio de la capa. La producción, el tiempo de ciclo de alimentación, MV4¡, se alimentan al controlador 34 de unidad de cama de adsorbente como se muestra por la flecha 1 90.

Con referencia a la Figura 4, se ilustra la lógica de la programación del controlador 40 de pureza de producto. El controlador 40 de pureza de producto se ejecuta a una frecuencia de controlador que es igual al tiempo total del ciclo de la unidad 14 de cama de adsorbente, a saber, el tiempo total entre el punto en-línea al que se lleva la cama 22 de adsorbente y está adsorbiendo impurezas hasta que es regenerado y entonces llevado a en-línea otra vez. Durante este tiempo, como se ilustra en el paso 200 de lógica, los valores actuales de las concentraciones de producto del nitrógeno y rjnonóxido de carbono en la corriente 1 6 de producto ("N2 en producto" y "CO en producto") junto con las concentraciones actuales de la cama de adsorbente de dióxido de carbono y monóxido de carbono en las capas i 1 48 y 146 de carbón activado y zeolita ("C02 en capa de carbono" y "CO en capa de malla") se leen desde los analizadores de gases antes discutidos o desde un control de supervisión y programa de adquisición de datos que registra tales lecturas. Cada uno de los valores se convierte a un valor logarítmico base 1 0 ("LOG IO") como se muestra en el paso 202 de lógica . Se mantiene un promedio de corrida de los valores convertidos LOG I O como se muestra en el paso 204 de lógica . Al final del ciclo completo de las camas de adsorbente dentro de la unidad de cama adsorbente, se transmite un comando de fi n de ciclo al controlador de lógica programable desde el controlador 36 de la unidad de cama de adsorción que contiene también el tiempo de ciclo "?G para uso por los controladores como se indica por el paso 206 de lógica y se calcula un error para cada una de las variables registrando el error del ciclo previo y calculando el error actual del promedio como se muestra en el paso 208 de lógica. Se debe notar que el comando de fin del ciclo y el tiempo del ciclo se transmite como se indica por la referencia número 60 en la Figura 1 . En este respecto , si se usa un sólo controlador, se podría prog ramar en una manera conocida para transmiti r los valores relevantes "encender" y "apagar" y el tiempo del ciclo a las funciones de control de supervisión y primaria de tal programa . Además, si el controlador 34 de la unidad de adsorción fuera una unidad separada, entonces se pod ría u nir un temporizador separado al controlador 34 para tales propósitos o si está disponible, información relevante de tal unidad separada se podría transmitir al controlador 40 de pureza de producto. Se usan entonces los valores calculados en el cálculo de las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente para el monóxido de carbono, a saber, MV1 i , MV2¡ y MV3¡ como se muestra en los pasos 210 , 21 2 y 21 4 de lógica que emulan los controladores de supervisión , 1 70 , 1 58 y 1 56. Los resultados se comparan y se encuentra un mínimo como se muestra en 1 82 y se alimenta el mismo al paso 21 6 de lógica que contiene los cálculos realizados por el controlador primario 44. Como se muestra en el paso 216 de lógica, se registra el error del ciclo previo y se calcula un error restando la concentración m ínima objetivo de monóxido de carbono del valor promedio de LOG I O de la concentración de impureza de monóxido de carbono dentro de la cama de zeolita que se ha calculado previamente en el paso 204 de lógica . Se calcula entonces el tiempo de ciclo de alimentación en el paso 21 8 de lógica y el MV4¡ prod ucido se introduce entonces al controlador 34 de unidad de cama de adsorbente como el tiempo de ciclo de alimentación . Como se muestra por la flecha 220, la ejecución de lo programado reg resa al paso 200 de lógica y el controlador de pureza de producto ejecuta los pasos antes deli neados. Como es aparente, un periodo de la frecuencia del controlador es coincidente con el tiempo total de ciclo de la unidad 14 de cama de adsorción controlada por el controlador 36 de la unidad de cama de adsorción .

En un ejemplo de la operación ventajosa de la presente invención , se operó una unidad de cama de adsorbente ,del ti po ilustrado en la presente de acuerdo con la técnica anterior y la presente invención . La mezcla de alimentación en una base seca y en volumen conten ía : 75.6 porciento de hidrógeno ; 1 5.6 porciento de dióxido de carbono; 3.4 porciento de monóxido de carbono ; 4.8 porciento de metano y 0.7 porciento de nitrógeno. En el método de control anterior, el tiempo de ciclo de alimentación se ajustaba sobr la base de la pureza solamente utilizando lógica de control integral proporcional . La siguiente tabla resume los resutados: Tabla Factor de Tamaño Total de 1907 kg/Tons/Día de 1816 Cama Hidrógeno Temperatura 311 K 311 K Diámetro de Cama 5.486 cm 5.486 cm Longitud de Cama 6.1 m 6.1 m Como es aparente a partir de la tabla , el método de control de la presente invención antes descrito, resultó en el tiempo de ciclo de alimentación que es más largo y en i ncremento de la recuperación de hidrógeno. La reducción del factor de tamaño de cama indica que se produce más hid rógeno para la cantidad dada de adsorbente.

Con referencia a la Figura 5 , una unidad 1 4 de cama de adsorbente de la Figura 2 y que tiene las características mostradas en la Tabla anterior se controló en una manera de la técnica anterior, es decir, un control de retroali mentación que opera mediante control integ ral proporcional y con base en la concentración de monóxido de carbono en la corriente 1 6 de prod ucto. Se inició una alteración aumentando la concentración el monóxido de carbono en la corriente 1 2 de alimentación desde 4.5 porciento hasta 5.5 porciento . La mezcla de la corriente de alimentación consistió de 74 porciento de hid rógeno , 1 6 porciento de dióxido de carbono, 5 porciento de metano , 4.5 porciento de monóxido de carbono y 0.5 porciento de nitrógeno antes de la alteración y 73 porciento de hidrógeno, 1 6 porciento de dióxido de carbono, 5 porciento de metano , 5.5 porciento de monóxido de carbono y 0.5 porciento de nitrógeno después de la alteración . Como es aparente a partir de esta Fig ura , una incursión en la pureza del producto de entre 3 ppm y 4 ppm persistió durante más de veinte horas. Con referencia adicional a la Figura 6, una unidad 14 de cama de adsorbente de la Figura 2 y que tiene las características mostradas en la Tabla anterior se controló de acuerdo con la presente invención como se describió antes. Se inició una alteración aumentando la concentración del monóxido de carbono en la corriente 12 de alimentación desde 4.5 porciento hasta 5.5 porciento. La mezcla de la corriente de alimentación consistió de 74 porciento de hidrógeno, 16 porciento de dióxido de carbono, 5 porciento de metano, 4.5 porciento de monóxido de carbono y 0.5 porciento de nitrógeno antes de la alteración y 73 porciento de hidrógeno, 1 6 porciento de dióxido de carbono, 5 porciento de metano, 5.5 porciento de monóxido de carbono y 0.5 porciento de nitrógeno después de la alteración . No se observó incursión notable en la pureza medida del producto.

Con referencia a la Figura 7, se ilustra una respuesta en el sistema de control antes descrito cuando la primera concentración objetivo de monóxido de carbono del producto de 1 58 disminuyó desde 7.5 ppm hasta 1 ppm de monóxido de carbono. Como es aparente a partir de esta Figura, en el curso de diez horas, la primera concentración de monóxido de carbono del producto en la corriente 1 6 de producto siguió el objetivo con poca desviación . En términos de respuesta de control , la primera concentración objetivo 1 58 de lá cama de adsorbente determinada por el nivel de supervisión del control 42 disminuyó y después del periodo de diez horas la primera concentración de monóxido de carbono de la cama de adsorbente en la primera capa 1 46 de la cama 23 de adsorbente empezó a Segui r el objetivo. El tiempo de ciclo de alimentación que resulta de los cálculos del control pri mario disminuye inicialmente dado q ue la primera concentración de monóxido de carbono del prod ucto como se midió está arriba del objetivo. Después de que la primera concentración de monóxido de carbono del prod ucto empieza a aproximarse a la primera concentración objetivo de producto, el tiempo de ciclo de alimentación aumenta para permitir una mayor recuperación de producto de hidrógeno .

Aunque la presente invención se ha descrito para el control de una unidad de adsorción de presión oscilante usada en relación con la producción de hidrógeno, la presente invención tiene mayor apl icabilidad . Por ejemplo, la presente invención tiene la misma aplicabilidad en el control de una unidad de cama de adsorción que incorpora una o más camas de adsorción en las cuales se usa un solo adsorbente para adsorber dos o más impurezas. En tal caso , solamente se muestrearía una sola concentración crítica de impureza en la cama de adsorción en el nivel primario de control y se muestrearían dos o más impurezas en la corriente de producto en el nivel de supervisión de control . El controlador de pureza del producto , como se discutió antes , tiene una frecuencia de controlador que se establece por el tiempo de ciclo de la unidad 1 4 de adsorción de presión oscilante. Así, se usan promedios de los niveles de pureza LOG I O en los cálculos. Se ha encontrado que esto es ventajoso porque los picos de las impurezas medidas no afectarán el control de la unidad 14 de adsorción de presión oscilante. Dicho esto , es posible construir una modalidad de la presente invención en la cual el sistema de control opera a una frecuencia mayor o virtualmente de una manera continua. El problema con tal control sería que el tiempo de ciclo de ali mentación no se puede ajustar continuamente y la unidad tendría que ser programada para desechar un resultado alejado con base en una condición transitoria ya sea en la alimentación o en la operación de los anal izadores mismos. Las ventajas de usar una forma LQGI O de la información es que el control puede funcionar con la misma respuesta en ambos niveles de impureza , alto y bajo . Si los niveles de impureza estuvieran en una banda angosta como sería excepción con aplicaciones de purificación de aire, entonces en un sistema si mplificado, pod ría no usarse tal conversión LOG I O .

Como se discutió antes, el nivel 42 de supervisión de control y el nivel 42 primario de control funcionan sobre la base de una forma de velocidad de control integral proporcional . Es posible que una modalidad de la invención pudiera funcionar en una forma de posición y como tal el término proporcional usaría simplemente el error actual y el término integral usaría la integral del error. En el otro extremo , el control podría ser solamente proporcional . Estas dos últimas posibilidades serían menos deseables que la modalidad ilustrada. Otra posi bilidad , aunque no tan deseable como la modalidad ilustrada, sería no usar el tiempo total del ciclo "?G'. Modalidades adicionales de la presente invención podrían usar control proporcional , integral y derivado si es posible. Adicionalmente, como se les ocurriría a aquellos expertos en la técnica, cada uno de los controladores 1 52, 1 54 y 1 70 de supervisión y el controlador primario 44 podrían funcionar, cada uno, sobre la base de otra teoría de control , tal como la lógica confusa (fuzzy logic). El modelo de control predictivo es otro tipo de teoría de control que se podría usar en relación con la presente invención. En tal esquema de control, las concentraciones de impureza del producto de nitrógeno y monóxido de carbono así como también las composiciones de impureza de la cama de adsorbente de monóxido de carbono y dióxido de carbono. Adicionalmente, se podría medir también opcionalmente el flujo de alimentación, la temperatura y la composición. Todos los valores actuales y previos de estas variables, junto con los valores históricos del tiempo de ciclo de alimentación podrían alimentarse a un modelo predictivo. El modelo predictivo estimará lo que hará la composición de producto en el futuro con base en estos valores. Un optimizador, una segunda parte del programa de computadora, calcularía repetitivamente la modificación necesaria para el tiempo de ciclo de alimentación con el fin de minimizar la diferencia entre la pureza de producto medida y la pureza de producto deseada. Una vez que se calcula la trayectoria óptima del tiempo de ciclo de alimentación en el futuro, el valor del tiempo de ciclo de alimentación más cercano en tiempo al tiempo actual de ciclo de alimentación sería seleccionado y usado como el tiempo actual de ciclo de alimentación.

Otro punto que debe ser mencionado es que aunque el controlador 40 de pureza de producto calcula un tiempo de ciclo de alimentación , es decir un tiempo en el cual la cama de adsorbente está sujeta a adsorción y el controlador 34 de la unidad de Adsorción responde al resultado y aumenta el tiempo de ciclo de alimentación de cada cama en un ciclo completo, el resultado final es que se incrementa el tiempo total de ciclo. Como se puede apreciar, el controlador 40 de pureza de producto o cualquier otro tipo de sistema de control , tal como se discutió antes podría funcionar mediante el cálculo del tiempo de ciclo mismo. Además, ciertos controladores de unidad de cama de adsorción se programan para responder a Un factor de capacidad . Aunque la definición de factor de capacidad variará de acuerdo con el fabricante, comúnmente el factor de capacidad es igual a un producto de un tiempo de ciclo de diseño y régimen de flujo de diseño de la corriente de alimentación dividido entre el producto de un valor actual del régimen de flujo de la corriente de alimentación y un valor del tiempo de ciclo que está en uso por la unidad de control . Puesto que tal controlador de unidad de cama de adsorción tendrá la instrumentación necesaria para medir el régimen de flujo, el régimen de flujo de diseño y los tiempos de ciclo representan reg ímenes operacionales para los cuales está diseñada la unidad 1 4 de cama de adsorción para que opere, lo mismo se podría importar a las ecuaciones de control antes dadas u otro tipo de sistema y en lugar del tiempo de ciclo de alimentación, el controlador determinará un factor de capacidad para alimentar a la unidad de control de adsorción. Así, es exacto establecer que cualquier modalidad de la presente invención podría decirse generalmente que calcula un parámetro que ajustará el tiempo de ciclo de alimentación y que tal parámetro de control podría ser el tiempo mismo de ciclo de alimentación , el tiempo total de ciclo o un factor de capacidad que es también una función del tiempo de ciclo y por lo tanto el tiempo de ciclo de ali mentación .

Aunque la presente invención se ha discutido con respecto a una modalidad preferida, como se les ocurrirá a aquellos expertos en la técnica , se pueden hacer numerosos cambios y omisiones si n apartarse del esp íritu y el alcance de la invención como se expone en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACION ES

1 . Un método de control de una unidad de cama de adsorbente que comprende: medir una concentración de cama de adsorbente de una impureza en la cama de adsorbente de la unidad de cama de adsorbente, la cama de adsorbente que adsorbe la impureza de una corriente de alimentación alimentada a la cama de adsorbente, por lo que se produce una corriente de producto que contiene una concentración de la impureza de producto no mayor que una concentración objetivo de producto; la unidad de cama de adsorbente que se opera de acuerdo con un ciclo durante el cual la corriente de alimentación se alimenta a la cama de adsorbente y después se regenera el adsorbente en la cama de adsorbente mediante la desadsorción de la impureza , el ciclo que i ncorpora un tiempo de ciclo de ali mentación d urante el cual la corriente de al imentación se introd uce a la cama de adsorbente, se adsorbe la impureza y se produce la corriente de prod ucto ; controlar la concentración de prod ucto en la corriente de prod ucto manipulando el tiempo de ciclo de ali mentación empleado en la unidad de cama de adsorbente de manera que la concentración de la cama de adsorbente tiende a aproximarse a una concentración objetivo de la cama de adsorbente que mantend rá la concentración de prod ucto en un nivel no mayor que la concentración objetivo de producto , el tiempo de ciclo de alimentación que se manipula de manera que el tiempo de ciclo de alimentación disminui rá a medida que aumenta la concentración de la cama de adsorbente y aumentará a medida que disminuye la concentración de la cama de adsorbente; y la concentración de la cama de adsorbente que se mide en la cama de adsorbente, en una ubicación de la misma, en la cual la concentración de la cama de adsorbente cambiará antes de que cambie la concentración de la impureza del producto en la corriente de producto en respuesta a una alteración de manera que controlando la concentración de la cama de adsorbente para mantener la concentración de la cama de adsorbente en la concentración objetivo de la cama de adsorbente se mantendrá también la concentración de la impureza de producto en la corriente de producto en un nivel no mayor que la concentración objetivo de producto.

2. El método de la reivindicación 1 , en donde: la cama de adsorbente está configurada para adsorber por lo menos dos impurezas; la impureza es una impureza de por lo menos dos impurezas, la concentración de producto es una concentración de producto de por lo menos dos concentraciones de producto y la concentración objetivo de producto es una concentración de producto de por lo menos dos concentraciones objetivo de producto; se miden las por lo menos dos concentraciones de producto y la concentración de la cama de adsorbente; el tiempo de ciclo de alimentación se manipula calculando continuamente un parámetro de control que establecerá el tiempo de ciclo de alimentación en un controlador de unidad de la cama de adsorbente; se alimenta el parámetro de control al controlador de la unidad de cama de adsorbente que controla válvulas en una red de control de flujo conectada a la cama de adsorbente de manera que la corriente de alimentación se alimenta a la cama de adsorbente durante el tiempo de ciclo de alimentación; se calcula el parámetro de control de manera que la concentración de la cama de adsorbente se aproximará a la concentración objetivo de la cama de adsorbente cuando se alimenta el parámetro de control al controlador de la unidad de cáma de adsorbente; la concentración objetivo de la cama de adsorbente se determina calculando concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente para cada una de las por lo menos dos impurezas de manera que la corriente de producto se produce teniendo las por lo menos dos concentraciones de producto en niveles no mayores que las por lo menos dos concentraciones objetivo de producto y utilizando valor mínimo de las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente como la concentración objetivo de la cama de adsorbente de manera que el control de las concentraciones de la cama de adsorbente controlará también todas las por lo menos dos concentraciones de impureza del producto para que sean menores que las por lo menos dos concentraciones objetivo de impureza del producto.

3. El método de la reivindicación 1 , en donde: la impureza es una primera impureza, la concentración de la cama de adsorbente es una primera concentración de cama de adsorbente, la concentración de producto es una pri mera concentración de producto y la concentración objetivo de producto es una primera concentración objetivo de producto ; la cama de adsorbente está configurada para adsorber la pri mera impu reza y también una segunda impureza en u na primera capa de la cama de adsorbente y una tercera impureza en una segunda capa de la cama de adsorbente ubicada adyacente a y corriente arriba de la primera capa ; la concentración de la cama de adsorbente controlada mediante manipulación del tiempo de ciclo de alimentación es la pri mera concentración de la cama de adsorbente de la primera im pureza en la primera capa de manera que la primera concentración de la cama de adsorbente tenderá a aproximarse a la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente; la primera concentración de impureza del producto y una segunda concentración de impureza de producto de la segunda impureza se miden en la corriente de producto, la primera concentración de la cama de adsorbente se mide en la primera capa y una segunda concentración de la cama de adsorbente de la tercera impureza se mide en la segunda capa en otra ubicación de la misma seleccionada de manera que una medición de la tercera concentración de impureza i ndicará un cam bio en el nivel de impureza antes de la penetración de la segunda impureza hasta la primera capa; el tiempo de ciclo de alimentación es manipulado calculando continuamente un parámetro de control que establecerá el tiempo de ciclo de alimentación en un controlador de unidad de cama de adsorbente ; el parámetro de control se alimenta al controlador de la unidad de cama de adsorbente, el controlador de la unidad de cama de adsorbente que controla válvulas en la red de control de flujo conectadas a la cama de adsorbente de manera que la corriente de alimentación se alimenta a la cama de adsorbente durante el tiémpo de ciclo de alimentación ; el parámetro de control se calcula de manera que la pri mera concentración de la cama de adsorbente se aproximará a la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente cuando se alimenta el parámetro de control al controlador de la unidad de cama de adsorbente; y la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente se determina calculando primeras concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente para la primera impureza, ña segunda impureza y la tercera impureza de manera que la corriente de producto se produce teniendo la primera impureza de prod ucto no mayor que la pri mera concentración objetivo de producto y la segunda concentración de producto de la segunda impureza no mayor que una seg unda concentración objetivo de producto y la segunda concentración de la cama de adsorbente no será mayor que una segunda concentración objetivo de cama de adsorbente seleccionada para evitar la penetración de la tercera impu reza hasta la primera capa y utilizando un valor m íni mo de las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente como la concentración objetivo de la cama de adsorbente de manera que el control de la primera concentración de la cama de adsorbente controlará también la primera concentración de producto, la segunda concentración de producto y la segunda concentración de la cama de adsorbente para que sea menor que la primera concentración objetivo de impureza de producto, la segunda concentración objetivo de impureza de prod ucto y la segunda concentración objetivo de impureza, respectivamente.

4. El método de la reivindicación 2, en donde: el parámetro de control se calcula continuamente en un controlador de pureza de producto que tiene un nivel de supervisión de control que incl uye controladores de supervisión para calcular las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente y un nivel primario de control que incluye un controlador primario para calcular el parámetro de control ; el controlador de pureza de producto ejecuta continuamente una frecuencia de controlador; y > cada uno del controlador de supervisión y los controladores primarios son controladores integrales proporcionales.

5. El método de la reivindicación 3, en donde: el parámetro de control se calcula continuamente en un controlador de pureza de producto que tiene un nivel de supervisión de control que incluye controladores de supervisión para calcular las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente y un nivel primario de control que incluye un controlador primario para calcular el parámetro de control ; el controlador de pureza de producto ejecuta continuamente una frecuencia de controlador; los controladores de supervisión y el controlador primario son controladores integrales proporcionales, cada uno que tiene un elemento proporcional, un elemento integral y cada elemento proporcional y cada elemento integral que tiene factores de afinación; cada uno de los controladores de supervisión calcula una primera concentración potencial objetivo de cama de adsorbente de las primeras concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente agregando a una primera concentración potencial objetivo de la cama de concentración previamente calculada, el elemento proporcional y el elemento integral; cada uno de los elementos proporcional e integral tiene un término de error; la primera concentración de producto, la segunda concentración de producto, la primera concentración de la cama de adsorbente y la segunda concentración de la cama de adsorbente se miden continuamente y se convierten a valores logarítmicos, base diez que se promedian para producir un valor logarítmico promedio; el término de error calculado: en uno primero de los controladores de supervisión relacionado con la primera impureza restando el valor logarítmico promedio de la primera concentración de producto a partir de un logaritmo de base diez de la primera concentración objetivo de producto; en un segundo controlador de supervisión relacionado con la segunda impureza restando el valor logarítmico promedio de la segunda concentración de producto y en un tercero de los controladores de supervisión relacionado con la tercera impureza mediante la resta del valor logarítmico promedio de la segunda concentración de la cama de adsorbente a partir de un logaritmo de base diez de la segunda concentración objetivo de la cama de adsorbente; y el término de error se calcula en el controlador primario mediante la resta del valor logarítmico promedio de la primera concentración de la cama de adsorbente a partir de un logaritmo de base diez de la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente.

6. El método de la reivindicación 5, en donde el elemento proporcional incorpora una diferencia entre el error calculado durante una ejecución actual de controlador de pureza de producto y el error calculado durante una ejecución anterior del controlador de pureza de producto.

7. El método de la reivindicación 5, en donde un periodo de la frecuencia de controlador es igual a un tiempo de ciclo total actual de la unidad de cama de adsorción .

8. El método de la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en donde el elemento integral se determina además multiplicando él error actual por el tiempo de ciclo total actual.

9. El método de la reivindicación 8, en donde: el ciclo es un ciclo de adsorción de presión oscilante; la cama de adsorbente es una de una pluralidad de camas de adsorbente; la corriente de alimentación es una corriente que contiene hidrógeno y la corriente de producto es una corriente de producto de hidrógeno; la primera impureza es monóxido de carbono; la segunda impureza es nitrógeno; la tercera impureza es dióxido ce carbono; la primera capa contiene un adsorbente de zeolita , y está colocada adyacente a una salida de la cama de adsorbente; y 1 la segunda capa contiene un adsorbente de carbón activado. 1 0. Un sistema de control para una unidad de cama de adsorbente que comprende: un portal de muestreo colocado dentro de una cama de adsorbente de una unidad de cama de adsorbente para muestrear una concentración de una impureza de la cama de adsorbente en la cama de adsorbente, la cama de adsorbente que adsorbe la impureza de una corriente de alimentación alimentada a la cama de adsorbente duran te un tiempo de ciclo de alimentación, por lo que se produce una corriente de producto que contiene una concentración de la impureza del producto no mayor que una concentración objetivo de producto; un analizador de gases asociado operativamente al portal de muestreo y configurado para generar información referente a la I concentración de la cama de adsorbente; un controlador de pureza de producto que responde a la información y configurado para calcular un parámetro de control que establecerá el tiempo de ciclo de alimentación empleado en lá unidad de cama de adsorbente de manera que la concentración de la cama de adsorbente será controlada por el parámetro de control para aproximarse a una concentración objetivo de la cama de adsorbente que mantendrá la concentración de la impureza del producto en un nivel no mayor que la concentración objetivo de producto, el parámetro de control calculado de manera que el tiempo de ciclo de alimentación disminuye a medida que aumenta la concentración de la cama de adsorbente y aumenta a medida que disminuye la concentración de la cama de adsorbente; el portal de muestreo que está situado en una ubicación de la cama de adsorbente en la cual la concentración de la cama de adsorbente cambiará antes de que cambie la concentración de la impureza del producto en la corriente de producto en respuesta a una alteración de manera que controlando la concentración de la cama de adsorbente para aproximarse a la concentración objetivo de la cama de adsorbente se mantendrá también la concentración de la impureza del producto en la corriente de producto en un nivel no mayor que la concentración objetivo de producto; y un controlador de cama de adsorbente y que responde al parámetro de control calculado por el controlador de pureza de producto y que controla válvulas en un circuito de flujo de la unidad de cama de adsorbente de manera que la unidad de cama de adsorbente se opera de acuerdo con un ciclo durante el cual la corriente de alimentación se alimenta a la cama de adsorbente durante el tiempo de ciclo de alimentación y después el adsorbente dentro de la cama de adsorbente se regenera a través de desadsorción de la impureza. 1 1 . El sistema de control de la reivindicación 1 0, en donde: la cama de adsorbente está configurada para adsorber por lo menos dos impurezas; la impureza es una impureza de las por lo menos dos impurezas, la concentración de producto es una concentración de producto de por lo menos dos concentraciones de producto y la concentración pbjetivo de producto es una concentración objetivo de producto de por lo menos dos concentraciones objetivo de producto; el analizador de gases es un analizador de gases de una pluralidad de analizadores de gases que están posicionados para generar información referente a las por lo menos dos concentraciones de producto en la corriente de producto y la concentración de la cama de adsorbente; y el controlador de pureza de producto se ejecuta continuamente a una frecuencia de controlador para calcular el parámetro de control e incluye un nivel de supervisión y un nivel primario de control ; el nivel de supervisión de control está configurado para calcular la concentración objetivo de la cama de adsorbente a partir de un valor mínimo de concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente calculadas en por lo menos dos controladores de supervisión , los por lo menos dos controladores de supervisión son responsivos a la información referente a las por lo menos dos concentraciones de producto y están configuradas para calcular las concentraciones potenciales objetivo de la cama de adsorbente de manera que la corriente de prod ucto se produce teniendo las por lo menos dos concentraciones de producto en niveles no mayores que las por lo menos dos concentraciones objetivo de producto ; y el nivel primario de control que tiene un controlador primario que responde a una porción de la información referente a la concentración de la cama de adsorbente y a la concentración objetivo de la cama de adsorbente calculada por el nivel de supervisión de control y configurada para calcular el parámetro de control a partir de la concentración de la cama de adsorbente y la concentración objetivo de la cama de adsorbente. 1 2. El sistema de control de la reivindicación 1 0, en donde: la impureza es una pri mera impureza , la concentración de la cama de adsorbente es una pri mera concentración de la cama de adsorbente , la concentración de producto es una primera concentración de producto y la concentración objetivo de producto es una primera concentración objetivo de prod ucto ; la cama de adsorbente está configurada para adsorber la primera impureza y también una segunda impureza en u na primera capó de la cama de adsorbente y una tercera impureza en una segunda capa de la cama de adsorbente colocada adyacente a y corriente arriba de la primera capa; la concentración de la cama de adsorbente es una primera concentración de cama de adsorbente de la primera impureza en la primera capa de manera que la primera concentración de la cama de adsorbente tenderá a aproximarse a una primera concentración objetivo de la cama de adsorbente, la corriente de producto se prod uce teniendo también una segunda concentración de producto de la segunda impureza no mayor que una segunda concentración objetivo de producto y una segunda concentración de cama de adsorbente de la tercera impureza en la segunda capa será no mayor que una segunda concentración objetivo de cama de adsorción seleccionada para evitar la penetración de la tercera i mpureza hasta la primera capa ; el portal de m uestreo es un primer portal de muestreo y un segundo portal de muestreo está situado en una ubicación de la cama de adsorbente para muestrear la segunda concentración de la cama de adsorbente de la tercera impureza en la segunda capa; el analizador de gases es un analizador de gases de una pluralidad de analizadores de gases posicionados para generar información referente a la primera concentración de producto, la segunda concentración de producto , la primera concentración de la cama de adsorbente y la segunda concentración de adsorbente; el controlador de pureza de producto se ejecuta continuamente a una frecuencia de controlador y tiene un nivel de supervisión de control y un nivel primario de control ; el nivel se supervisión de control está configu rado para calcular la primera concentración objetivo de cama de adsorbente a partir de un valor mínimo de primeras concentraciones potenciales de cama de adsorbente calculadas en los controladores de supervisión que responden a la información referente a la primera concentración de producto, la segunda concentración de producto y la segunda concentración de cama de adsorbente y configuradas para calcular las primeras concentraciones potenciales objetivo de cama de adsorbente de manera que la corriente de producto se produce teniendo la primera concentración de impureza de producto y la segunda concentración de impureza de producto no mayor que la primera concentración objetivo de producto y la segunda concentración objetivo de producto, respectivamente, y la segunda concentración de la cama de adsorbente es no mayor que una segunda concentración objetivo de cama de adsorbente: y el nivel primario de control tiene un controlador primario que responde a una porción de la información referente a la primera concentración de cama de adsorbente y a la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente calculada en el nivel de supervisión de control y configurada para calcular el parámetro de control a partir de la primera concentración de la cama de adsorbente y la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente. 1 3. El sistema de control de la reivindicación 1 2, en donde: los controladores de supervisión y el controlador primario son controladores proporcionales integrales que tienen un elemento proporcional , un elemento integral y cada elemento proporcional y cada elemento integral que tienen factores de afinación; I cada uno de los controladores de supervisión está configurado para calcular una primera concentración potencial objetivo de la cama de adsorbente de las primeras concentraciones objetivo de la bama de adsorbente mediante la adición a una primera concentración potencial objetivo de la cama de adsorbente previamente calculada, el elemento proporcional y el elemento integral ; cada uno de los elementos proporcional e integral que tiene un término de error; la primera concentración de producto, la segunda concentración de producto, la primera concentración de cama de adsorbente y la segunda concentración de cama de adsorbente se miden, cada una continuamente entre las ejecuciones del controlador de pureza de producto y se convierten en valores logarítmicos de base diez, que se promedian para producir un valor logarítmico promedio; el término de error calculado: en un primero de los controladores de supervisión relacionado con la primera impureza mediante ía resta del valor logarítmico promedio de la primera concentración de producto de un logaritmo base diez de la primera concentración objetivo de producto; en un segundo controlador de supervisión relacionado con la segunda impureza mediante la resta del valor logarítmico promedio de la segunda concentración de producto a partir de un logaritmo base diez de la segunda concentración objetivo de producción y en un tercero de los controladores de supervisión relacionado con la tercera impureza mediante la resta del valor logarítmico promedio de la segunda concentración de la cama de adsorbente a partir de un logaritmo base diez de la segunda concentración objetivo de la cama de adsorbente; y el térmi no de error se calcula en el controlador pri mario mediante la resta del valor logarítmico promedio de la primera concentración de la cama de adsorbente a partir de un logaritmo base diez de la primera concentración objetivo de la cama de adsorbente. 1 4. El sistema de control de la reivindicación 1 3, en donde el elemento proporcional incorpora una diferencia entre el error calculado d urante una ejecución actual de los controladores de supervisión y el controlador primario y el error calculado durante una ejecución anterior de los controladores de supervisión y el controlador primario . 1 5. El sistema de control de la reivindicación 1 3, en dónde la frecuencia de controlador es igual a un tiempo de ciclo total actual de la unidad de cama de adsorción . 1 6. El sistema de control de la reivindicación 1 3 o la reivindicación 1 4, en donde el elemento integral se determina además multiplicando el error actual por el tiempo de ciclo total actual . 1 7. El sistema de control de la reivindicación 1 6, en donde: el ciclo es un ciclo de adsorción de presión oscilante; la cama de adsorbente es una de una pluralidad de camas de adsorbente; la corriente de al imentación es una corriente que contiene hidrógeno y la corriente de producto es una corriente de prod ucto de hidrógeno ; la primera impureza es monóxido de carbono ; la segunda impu reza es nitrógeno ; í la tercera i mpureza es dióxido de carbono; la primera capa contiene un adsorbente de zeolita y colocada adyacente a una salida de la cama de adsorbente; y la segunda capa contiene un adsorbente de carbón activado . RESU M E N La presente invención tiene por objeto un método y un sistema de control que permite controlar una unidad de cama de adsorbente en la cual se mide una concentración de una impureza de la cama de adsorbente en el seno de una cama de adsorbente de la unidad de la cama de adsorbente. La concentración de la cama de adsorbente se controla mediante la manipulación del tiempo de ciclo de ali mentación d urante el cual una cama de adsorbente adsorbe las i mpurezas para mantener la concentración de la cama de adsorbente en una concentración objetivo de la cama de adsorbente . La concentración objetivo de la cama de adsorción se determi na de tal manera que la concentración de impureza de producto se mantenga en los objetivos de concentración de impureza de prod ucto. El método y el sistema de control pueden incorporar un nivel de control de supervisión reactivo a los niveles de concentración de impureza de prod ucto y de los objetivos asociados para determinar la concentración objetivo de la cama de adsorción y un nivel de control primario que calcula él tiempo de ciclo de alimentación sobre la base de un error entre las concentraciones objetivo de la cama de adsorción medidas. La presente invención se refiere igualmente a un control integral proporcional que puede utilizarse para tales fines.