NO173906B - Innretning til regulering av driften av et kjemisk prosessanlegg for aa bedre effektiviteten - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning til regulering av driften

av et kjemisk prosessanlegg for å bedre effektiviteten ved å redusere variasjonen av kontrollparametrene i henhold til innledningen av krav 1. Den kan benyttes til alle kjemiske prosessanlegg som mottar reaktive kjemiske forbindelser som råstoff for som produkt å levere minst ett kjemisk element som finnes i råstofforbindelsene, idet driften av anlegget skal oppvise den størst mulige effektivitet for gitte driftsbetin-gelser.

Oppfinnelsen angår spesielt et anlegg for å fremstille svovel ved å reagere hydrogensulfid H2S med atmosfærens oksygen.

Det er kjent at regulering av driften av et kjemisk prosessanlegg generelt oppnås med en servostyring som benytter parameterverdier levert av karakteristikksensorer for elementet eller elementene eller forbindelsene som fås på utgangssiden av anlegget. Disse verdier gjør det mulig å regulere driften av anlegget takket være kontrollorganer som gis et ønskeverdisignal, så vel som signaler som svarer til visse parametre (f.eks. innholdet av restforbindelser ved utgangssiden til anlegget). Disse kontrollorganer skaffer et kontrollsignal som spesielt gjør det mulig å styre organer for regulering av volumstrømmer av forbindelser som innføres i anlegget.

Denne type regulering, som er velkjent i teknikken, benytter minst én kontrollsløyfe og har ulemper som skyldes det faktum at parameterverdiene som leveres av sensorene, er verdier som bare er tilnærmet lik disse karakteristiske parametre og ikke meget presise verdier. Følgelig vil en regulerings-innretning som opererer direkte på verdiene av de karakteristiske parametre levert av sensorene, ikke gjøre det mulig å skaffe en optimal, ønsket kontrollverdi, slik at det kjemiske prosessanlegg drives med optimal effektivitet.

Dette er f.eks. tilfelle for et prosessanlegg som gjør det mulig å fremstille svovel fra reaksjonen av hydrogensulfid

H2S og atmosfærens oksygen, i henhold til den velkjente "claus"-reaks j on.

Denne type anlegg omfatter en kjemisk prosessanordning som spesielt på sin innløpsside har en ovn forbundet med et justerbart strømningsorgan. Disse organer gjør det mulig å injisere råstoff i ovnen i form av reaktive kjemiske forbindelser som hovedsakelig består av hydrogensulfid I^S og luft, hvis oksygen reagerer med en del av hydrogensulfidet i henhold til reaksjonen:

På ovnens utgangsside blir reaksjonsproduktene innført i en eller flere konvertere med katalysatorer som takket være den såkalte "Claus"-reaksjonen gjør det mulig å få det dannede svoveldioksid SC>2 til å reagere med hydrogensulfidet. Denne reaksjon er som følger:

Svovelet fås derfor ved utgangen av konverterne og den totale reaksjon skrives:

Det vann som dannes, elimineres i form av damp, og restgassene fra de tilførte reaktive forbindelser kan videre delvis elimineres takket være en ekstra katalytisk prosessenhet slik som den som benyttes i den katalytiske "sulfreen"-prosess eller en annen prosess.

I dette eksempel på et kjemisk prosessanlegg skjer reguleringen av driften av anlegget kjent som "svovelanlegg"

ved å påvirke volumstrømmen av forbrenningsluft som innføres ved innløpet til ovnen.

Reguleringen av denne type anlegg utføres som kjent i teknikken på følgende måte: Takket være sensorer bestående hovedsakelig av en konsentrasjonsanalysator måles mengdene av de tilførte reaktive restbestanddeler som fremdeles forekommer ved utgangssiden av anlegget. Disse bestanddeler er i det betraktede eksempel hovedsakelig hydrogensulfid H2S og svoveldioksid SO^- For at anlegget skal drives med størst mulig effektivitet/ er det nødvendig at disse mengder er så nær null som mulig. Verdiene for disse mengder tilføres kontrollorganene som også mottar et ønskeverdisignal. Disse kontrollorganer skaffer et kontrollsignal for en solenoidventil til justering av luftstrømmen som injiseres ved anleggets inngangsside.

Ønskeverdisignalet benyttet på kontrollorganet gjør det teoretisk mulig - takket være en tilførsel av tilleggsluft på anleggets inngangsside - å bringe innholdet av hydrogensulfid H2S og av svoveldioksid S02# som forekommer ved utgangssiden av anlegget, tilbake til en nullverdi. Dette ønskeverdisignal avhenger naturligvis av mengdene av disse restgasser som måles av analyseanordningen (f.eks. kromato-grafisk analysator) plassert ved anleggets utgangsside. Imidlertid er verdiene av disse mengder målt tilnærmet og i denne kjente anleggstype gjør ønskeverdisignalet som benyttes på kontrollorganene, det ikke mulig å variere luft-strømmen som injiseres på anleggets inngangsside, slik at mengden av restgasser på dets utgangsside er tilbøyelige til å anta nullverdier. Videre gir bare målingen av mengden av restgasser på anleggets utgangsside ikke tilstrekkelige parametre til å muliggjøre reguleringen av sistnevnte ved dets maksimale effektivitet. Endelig, selv om generelt volum-strømmene av de reaktive komponenter som innføres på anleggets inngangsside måles, blir ikke verdiene av disse volumstrømmer tatt hensyn til ved reguleringen.

Hensikten med oppfinnelsen er å eliminere ulempene ved de kjente innretninger til å regulere driften av et kjemisk prosessanlegg, spesielt ved å ta hensyn til verdiene av et verdiene av disse parametre, for å gjøre det mulig a regulere driften av anlegget ved maksimal effektivitet. Denne korri-gerende beregning er i realiteten en koherensberegning av verdiene av de målte parametre.

Den ovennevnte hensikt oppnås med en innretning i henhold til oppfinnelsen som er kjennetegnet ved at innretningen dessuten omfatter beregningsorganer forbundet til måleorganene for volumstrømmene av de tilførte forbindelser, til måleorganene for mengdene av restforbindelser og til måleorganer som skaffer målesignaler for mengdene av de tilførte forbindelser, idet disse beregningsorganer utfører koherensberegninger på måleverdiene for volumstrømmene og mengdene og reduserer variasjonene av volumstrømmene og mengdene, slik at beregningsorganene på en utgang skaffer ønskeverdisignalet forbedret av koherensberegningen og leverer det til de strømningsregule-rende organer.

I henhold til en første utførelse av oppfinnelsen omfatter de strømningsregulerende organer en strømningsregulator som på en utgang skaffer et korrigert kontrollsignal for en solenoidventil i de justerbare strømningsorganer.

I henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen omfatter de strømningsregulerende organer en strømningsregulator hvis ene utgang skaffer et kontrollsignal for en solenoidventil i de justerbare strømningsorganer, og en adderer hvor en inngang er forbundet med utgangen på regulatoren, idet en annen inngang på denne adderer er forbundet med utgangen på beregningsorganene for å motta ønskeverdisignalet og en utgang på denne adderer leverer et korrigert kontrollsignal for en solenoidventil i de j usterbare strømningsorganer.

Endelig, i henhold til et annet trekk, er de tilførte reaktive forbindelser hydrogensulfid og luft, mens elementet på utgangssiden er svovel.

Oppfinnelsens trekk og fordeler vil forstås bedre av den følgende beskrivelse i samband med den eneste vedføyde teg-ningsfigur. Denne figur representerer skjematisk en innretning i henhold til oppfinnelsen for å regulere driften av et kjemisk prosessanlegg med maksimal effektivitet.

Reguleringsinnretningen 1 gjør det mulig å regulere driften

av et anlegg 2 for å forbedre effektiviteten ved svekking av variasjonen av reguleringsparametrene.

Anlegget 2 omfatter kjemiske prosessanordninger 3 forbundet med justerbare strømningsorganer 4 som mater den kjemiske prosessanordning 3 med respektive tilførte reaktive forbindelser. Disse reaktive forbindeler leveres til kanaler 5, 6, 7 i de strømningsregulerende organer 4, noe som skal beskrives mer detaljert nedenfor. Dette anlegg skaffer på utgangssiden 8 minst ett kjemisk element som forekommer i de tilførte forbindelser.

I tilfelle innretningen benyttes i et anlegg som gjør det mulig å produsere svovel fra de foran beskrevne reaksjoner, leveres hydrogensulfid H2S f.eks. til kanalen 5 forbundet

med prosessanordningen 3 ved en strømningsjusteringsventil eller en solenoidventil 9.

Kanalen 6 mottar luft som inneholder det oksygen som er nødvendig for reaksjonen. Denne kanal er forbundet med prosessanordningene 3 ved en strømningsjusteringsventil eller solenoidventil 10. En kanal 7 mottar også luft som er nød-vendig for reaksjonen. Denne kanal er forbundet med prosessanordningene 3 ved en strømningsjusteringsventil eller en solenoidventil 11. Det er i realiteten takket være denne ventil 11 forbundet med reguleringsinnretningen 1, som gjør at anlegget opererer ved sin optimale effektivitet, noe som vil bli omtalt mer detaljert i det følgende. I dette eksempel omfatter prosessanordningene 3 ovnen og konvertere 12 såvel som en såkalt "sulfreen"-enhet 13 nevnt ovenfor, og produserer svovel med høy renhetsgrad på sin utgangsside 8.

Reguleringsinnretningen 1 omfatter organer 14 til å måle strømmen av tilførte reaktive forbindelser. I tilfelle et anlegg for å produsere svovel omfatter disse måleorganer 14 strømningsmålere 15, 16 som gjør det mulig å måle henholdsvis volumstrømmene av hydrogensulfid og luft injisert i anlegget.

Reguleringsinnretningen omfatter også organer 17 for å måle mengden av tilførte forbindelser som fremdeles forekommer på anleggets utgangsside og som derfor er rester. I tilfelle av et anlegg for å produsere svovel omfatter organene til å måle innholdet av restforbindelser f.eks. to kromatografer

18, 19 som gjør det mulig å bestemme mengden av hydrogen-sulfidgasss i restforbindelsene på utgangssiden. Disse mengder måles på utgangssiden 20 i den siste konverter i prosessanordningene, såvel som utgangen 8 fra "sulfreen11-enheten. Måleorganene 17 skaffer signaler for å måle disse innhold

ved deres respektive utganger.

Endelig omfatter reguleringsinnretningen strømningsregu-leringsorganer 21 forbundet med organene 17 for å måle mengdene av restforbindelser såvel som minst ett justerbart strømningsorgan 4. I tilfelle av et anlegg for å produsere svovel er reguleringsorganene 21 forbundet med en ventil 11 som gjør det mulig å regulere strømmen av luft som innføres til anlegget (ekstra reguleringsluft). Disse regulerings-organer mottar et ønskeverdisignal på en inngang 22, og dette signal gjør det mulig, slik det vil ses i detalj nedenfor, å levere et signal som modifiserer volumstrømmen av den tilsvarende leverte forbindelse (luftstrøm ved den betraktede anvendelse) til en av de justerbare strømningsorganer 4

(ventil eller solenoidventil 11 i den betraktede anvendelse). Denne modifikasjon av strømmen av den tilførte forbindelse gjør det mulig å bringe mengdene av restforbindelser mot nullverdier på anleggets utgangsside.

I henhold til oppfinnelsen omfatter innretningen også beregningsorganer 23 forbundet med organer 14 til å måle volumstrøm-men av tilførte forbindelser, med organer 17 til å måle mengden av restforbindelser på anleggets utgangsside såvel som med måleorganer 24 som skaffer signaler til å måle mengden av tilførte forbindelser. Disse organer til å måle mengden av tilførte forbindelser består i den foreliggende søknad av en kromatograf som gjør det mulig i den behandlede surgass spesielt å bestemme mengden av f.eks. hydrogensulfid H-S, karbondioksid C0_, metan CE., etan C_H_, benzen CÆ, etc.

«s 4 2 6 6 6

Beregningsorganene 23 utfører koherensberegninger på verdiene av målingene av volumstrømmer og mengder, mottatt fra de forskjellige måleorganer. Beregningsorganene 23 skaffer på utgangen 32 ønskeverdisignalet som tilføres reguleringsorganene 21. Koherensberegningene utført av beregningsorganene 23, skal beskrives detaljert nedenfor.

Beregningsorganene 23 omfatter f.eks. en beregningsprosessor

25 forbundet på kjent måte med et lagringsorgan 26, med en terminal 27 med et tastatur og en skjerm og med en skriver 28. Lagringsanordningen 26 gjør det spesielt mulig å mate inn programmer nødvendige for koherensberegningene. Terminalen 27 med tastatur og skjerm gjør det mulig å kommunisere med prosessoren 25, mens skriveren 28 muliggjør f.eks. en regi-strering av resultatene av målingene.

I en første utførelse av innretningen i henhold til oppfinnelsen omfatter reguleringsorganene 21 i tillegg til beregningsorganet 23 og som fås fra koherensberegninger utført på måleverdiene, direkte til en strømningsregulator 29, hvis utgangssignal direkte styrer solenoidventilen 11

som ved den betraktede anvendelse gjør det mulig å regulere luftstrømmen på inngangssiden. Denne regulator 29 mottar også signaler som måler mengden av restforbindelser på anleggets utgangsside.

I en annen utførelse av innretningen i henhold til oppfinnelsen omfatter reguleringsorganet 21 i tillegg til regulatoren 29 en adderer 30, hvortil utgangssignalet fra regulatoren 29 leveres. Utgangssignalet fra beregningsorganene 23 blir ikke lenger levert til inngangen 22 på denne regulator, men til addereren 30, slik som forbindelsen 31 viser.

En utgang på addereren 30 skaffer et korrigert kontrollsignal for solenoidventilen i de justerbare strømningsorganer 4.

Koherensberegningen skal nå forklares detaljert i tilknytning til et beregningseksempel.

Et rør som transporterer et inkompressibelt fluid betraktes, og på dette rør er det installert to massestrømmålere A og B.

Strømningsmåler A har f.eks. en turbinsensor, og strømnings-måler B har en vakuumgenererende måleblendesensor. En samtidig plotting av de to apparater gir:

For strømningsmåler A verdien mA = 100

For strømningsmåler B verdien mfi = 105

Under disse betingelser fås en måling av en enkelt størrelse ved hjelp av uavhengige midler som gir to forskjellige verdier av målingen betegnet M i det følgende.

Det blir nå et spørsmål om å beregne to verdier rn. og m_

A B

som ligger nærmere M enn verdiene m^ og mg.

Produsenten av apparat A angir at man på en strømning M

har utført en serie eksperimenter som har gitt et sett WA,

av målinger av M.

Standardavviket for settet WA er f.eks. sA=2, og dets middel-verdi er M.

Settet W A har en normalfordelingslov, dvs. at sannsynlighets-tettheten for loven på kjent måte er lik:

Produsenten av apparat B angir at man også har utført en serie med n eksperimenter på strømningen M og har fått settet Wfi med målinger av M.

Standardavviket av settet W_ ts er f.eks. s B=4, og dets middel-verdi er M.

Dette sett har også en sannsynlighetstetthet:

I settet WA er sannsynligheten for å få en verdi m'A så nær som mulig til verdien mA uttrykt ved:

hvor dm er differenselementet av variabelen m.

I settet WD er sannsynligheten for å oppnå en verdi m' så nær som mulig til verdien m_ uttrykt ved:

Når de to eventer A og B er uavhengige, er den kombinerte sannsynlighet for å ha A og B samtidig, uttrykt ved:

Prob (An B) = prob (A) x prob (B).

Ved å uttrykke de variable som følger:

kan sannsynligheten for samtidig oppnåelse i settene WA og Wg av verdiene henholdsvis m'A og m'B så nær som mulig de observerte verdier m^ og m^, uttrykkes ved: Undersøkelse av det analytiske uttrykk som kvantifiserer den ønskede sannsynlighet, viser at sannsynligheten øker monotont når uttrykket minker. Med andre ord, sannsynligheten for å få verdiene mA og mg i settene V?A og Wg samtidig er maksimal når uttrykket har et minimum. Når således har et minimum, er de mest sannsynlige ønskede verdier for mA og mfi lik:

Da apparatene A og B måler en enkelt størrelse M, er det nødvendig å se om verdiene av mA og mg er like.

Den logiske skranke y = rn^-mg for estimatene m bemerkes. Det numeriske problem blir deretter samtidig å beregne minimum av:

under beskrankningen y = 0. Da y = 0, er det det samme som å minimere hjelpefunksjonen

hvor k er den nye ukjente i problemet.

Funksjonen z har en ekstremverdi nå de deriverte med hensyn på X og Xg kansellerer hverandre, dvs.

Når alle beregninger er utført, er disse to ligninger uttrykt ved systemet:

Når de variable X og Xg er byttet ut i uttrykket for beskrankningen

Verdien av k som er henvist til i system (1) gir:

Endelig has:

Den numeriske anvendelse av det foregående resultat er:

Den mest sannsynlige verdi (og visselig ikke den nærmeste verdi) av M er lik 101.

De koherente verdier av målingene mA og m^ er:

Vissheten for å få verdier m nærmere den sanne verdi enn de ubehandlede verdier m, fås ved å multiplisere de ubehandlede måleavlesninger og deres behandlede verdier.

Reduksjonen av feil er 50% for målingen A og 66% for målingen B i det tilfelle hvor den samlede måleverdi er 102, og rest-feilen til B forandrer deretter retning.

Effektiviteten av behandlingen øker med antall redundanser

i de ubehandlede målinger og med antallet av gjentatte be-handlinger.

I den betraktede anvendelse av reguleringsinnretningen i henhold til oppfinnelsen i et anlegg for å produsere svovel viser erfaringen at koherensberegningen utført på verdiene for de målte volumstrømmer og mengder muliggjør drift av dette anlegg med en optimal effektivitet. I kjente anlegg som ikke benytter denne koherensberegning i denne type anvendelse, og som særskilt ikke koherensbehandler strømningsverdier for de reaktive forbindelser på inngangssiden såvel som verdiene for disse forbindelser på utgangssiden, blir effektiviteten meget mindre.

Koherensberegningen gjør det også mulig å etablere intervaller for verdier innenfor hvilke de målte verdier må befinne seg. Når verdiene av en av de målte parametre f.eks. ikke befinner seg i det tilsvarende forhåndsbestemte intervall,

er det mulig å utløse en alarm som etter valg gjør det mulig

å stoppe driften av anlegget, da det under disse betingelser sannsynligvis has en driftsfeil av anlegget.

Ved den betraktede anvendelse gjør koherensberegningene det

mulig å forbedre prediksjonen av den luftstrøm som er nød-

vendig for reaksjonen med de tilførte surgasser.

Koherensberegningene gjør det mulig å redusere variasjonene

av målingene som tas og dermed å øke stabiliteten til driften av hele anlegget. Følgelig er det ved den oppnådde regu-leringshastighet ikke lenger nødvendig å foreta målinger så

ofte som i anlegg hvis driftsvariasjon er stor.

Reguleringsinnretningen som nettopp er blitt beskrevet,

særskilt for et anlegg til å produsere svovel, kan naturligvis benyttes for enhver annen art kjemisk prosessanlegg.

Claims (4)

1. Innretning (1) til regulering av driften av et kjemisk prosessanlegg (2) for å bedre effektiviteten ved å redusere variasjonen av kontrollparametrene, hvor anlegget omfatter kjemiske prosessanordninger (3) forbundet med justerbare strømningsorganer (4) som henholdsvis tilfører de kjemiske prosessanordninger reaktive kjemiske forbindelser, hvor prosessanlegget på utgangen (8) frembringer minst ett kjemisk element som forekommer i de tilførte forbindelser, hvor reguleringsinnretningen (1) omfatter måleorganer (14) som skaffer målesignaler for volumstrømmene av de tilførte forbindelser, organer (17) som skaffer signaler som mål på mengdene av de tilførte forbindelser som fremdeles forekommer som restforbindelser på utgangssiden av prosessanordningene (3), strømningsregulerende organer (21) forbundet med organene (17) for måling av restforbindelsene og til minst én (11) av de justerbare strømningsorganer (4), og hvor de strømningsregule-rende organer (21) mottar et ønskeverdisignal og leverer et signal til det justerbare strømningsorgan (11) for å modifi-sere volumstrømmen av den tilsvarende tilførte forbindelse,

slik at mengdene av restforbindelsene på utgangssiden vil gå mot nullverdier, karakterisert ved at innretningen (1) dessuten omfatter beregningsorganer (23) forbundet til måleorganene (14) for volumstrømmene av de tilførte forbindelser, til måleorganene (17) for mengdene av restforbindelser og til måleorganer (24) som skaffer målesignaler for mengdene av de tilførte forbindelser, idet disse beregningsorganer (23) utfører koherensberegninger på måleverdiene for volumstrømmene og mengdene og reduserer variasjonene av volumstrømmene og mengdene, slik at beregningsorganene på en utgang (32) skaffer ønskeverdisignalet forbedret av koherensberegningen og leverer det til de strømningsregulerende organer (21) .

2. Innretning i henhold til krav 1, karakterisert ved at de strømningsreguler-ende organer (21) omfatter en strømningsregulator (29) som på en utgang skaffer et korrigert kontrollsignal for en solenoidventil (11) i de justerbare strømningsorganer (4).

3. Innretning i henhold til krav 1, karakterisert ved at de strømningsregulerende organer (21) omfatter en strømningsregulator (29) hvor en utgang skaffer et kontrollsignal for en solenoidventil i de justerbare strømningsorganer (4) og en adderer (30) hvor en inngang er forbundet med utgangen på regulatoren (29), idet en annen inngang på denne adderer er forbundet med utgangen (32) på beregningsorganene (23) for å motta ønskeverdisignalet, og en utgang på denne adderer skaffer et korrigert kontrollsignal for en solenoidventil (11) i de justerbare strømningsorganer (4).

4. Innretning i henhold til krav 2 eller 3, karakterisert ved at de tilførte reaktive forbindelser er hydrogensulfid og luft, og at elementet som fås på utgangssiden, er svovel.