RU2083265C1

RU2083265C1 - Method of automatically controlling adsorption purification process

Info

Publication number: RU2083265C1
Application number: RU92008958A
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Блазнин; Т.П. Шакирова; В.А. Гарин; В.В. Плотников
Original assignee: Балашихинское научно-производственное объединение криогенного машиностроения им.40-летия Октября
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1997-07-10

Abstract

FIELD: gas purification. SUBSTANCE: invention relates to adsorption- aided treatment of air to remove water, carbon dioxide, and hydrocarbon vapors before their separation via low-temperature rectification. Desorption degree parameters are determined and controlled depending on parameters of precedent adsorption step and then, based on desorption step parameters, those of subsequent adsorption step are controlled. EFFECT: optimized parameters of process. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к очистке газов от примесей с помощью адсорбентов, а точнее к очистке воздуха от паров воды, диоксида углерода и углеводородов перед его разделением методом низкотемпературной ректификации. The invention relates to the purification of gases from impurities using adsorbents, and more specifically to the purification of air from water vapor, carbon dioxide and hydrocarbons before its separation by low-temperature rectification.

Известен способ управления процессом регенерации адсорбента (а.с. по заявке N 2786981/26, кл. B 01 D 53/02, 1979 ) путем переключения адсорберов со стадии адсорбции на стадию десорбции в зависимости от температуры регенерирующего газа после адсорбента и суммарного расхода регенерирующего газа, проходящего через адсорбер. A known method of controlling the process of regeneration of the adsorbent (as on application No. 2786981/26, class B 01 D 53/02, 1979) by switching the adsorbers from the adsorption stage to the desorption stage, depending on the temperature of the regenerating gas after the adsorbent and the total flow rate of the regenerating gas passing through the adsorber.

Недостатком данного способа управления процессом является то, что продолжительность стадии десорбции и ее параметры (температура регенерирующего газа и его расход) никак не связываются со стадией адсорбции и приводят к увеличению энергозатрат на процесс адсорбционной очистки. The disadvantage of this method of process control is that the duration of the desorption stage and its parameters (temperature of the regenerating gas and its flow rate) are not associated in any way with the adsorption stage and lead to an increase in energy consumption for the adsorption purification process.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является способ автоматического управления процессом регенерации адсорбента (а.с. N 854424, кл. B 01 D 53/02, G 05 D 27/00, 1979) путем переключения адсорберов со стадии адсорбции на стадию десорбции в зависимости от температуры регенерирующего газа после охлаждаемого адсорбента* при этом, дополнительно измеряют температуру регенерирующего газа, подаваемого на охлаждение адсорбента, и регулирует ее с коррекцией по температуре регенерирующего газа после охлаждаемого адсорбента. The closest in technical essence and the achieved positive effect to the proposed invention is a method for automatically controlling the adsorbent regeneration process (as.with. N 854424, class B 01 D 53/02, G 05 D 27/00, 1979) by switching the adsorbers from the stage adsorption to the desorption stage, depending on the temperature of the regenerating gas after the adsorbent is cooled * in addition, the temperature of the regenerating gas supplied to cool the adsorbent is additionally measured and adjusted with a correction for the temperature of the regenerating ha after the cooled adsorbent.

Недостатком данного способа является то, что условия проведения регенерации и ее время не учитывают возможные изменения параметров процесса адсорбции. Кроме того, проведение регенерации с повышением температуры регенерирующего газа на выходе из адсорбера приводят к значительным потерям тепла, что повышает энергозатраты и уменьшает надежность способа из-за невозможности оперативного реагирования на изменения параметров адсорбции. The disadvantage of this method is that the conditions for the regeneration and its time do not take into account possible changes in the parameters of the adsorption process. In addition, carrying out regeneration with increasing temperature of the regenerating gas at the outlet of the adsorber leads to significant heat losses, which increases energy consumption and reduces the reliability of the method due to the impossibility of an immediate response to changes in adsorption parameters.

Целью изобретения является снижение энергозатрат и повышение надежности. The aim of the invention is to reduce energy consumption and increase reliability.

Указанная цель достигается тем, что в способе автоматического управления процессом адсорбционной очистки путем переключения адсорберов с размещенным в них слоем адсорбента со стадии адсорбции на стадию десорбции и наоборот, новым является то, что расход, температуру регенерирующего газа и время нагрева адсорбента на стадии десорбции регулируют в зависимости от расхода, температуры и давления очищаемого газа, измеренных на предыдущей стадии адсорбции, а время последующей стадии адсорбции регулируют в зависимости от расхода регенерирующего газа и его температуру на входе и выходе из адсорбера с дополнительной коррекцией по измеренному времени отработки слоя адсорбента на текущей стадии адсорбции. This goal is achieved by the fact that in the method for automatically controlling the adsorption purification process by switching the adsorbers with the adsorbent layer placed on them from the adsorption stage to the desorption stage and vice versa, it is new that the flow rate, the temperature of the regenerating gas and the adsorbent heating time at the desorption stage are controlled in depending on the flow rate, temperature and pressure of the gas to be purified, measured at the previous adsorption stage, and the time of the subsequent adsorption stage is regulated depending on the flow rate of the regeneration gas and its temperature at the inlet and outlet of the adsorber with additional correction according to the measured time of working out the adsorbent layer at the current stage of adsorption.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the proposed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty."

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

При проведении процесса очистки измеряют расход, давление, температуру очищаемого воздуха и время отработки адсорбционного слоя определенной длины до заданной проскоковой концентрации диоксида углерода в очищенном газе. During the cleaning process, the flow rate, pressure, temperature of the cleaned air and the time of working out the adsorption layer of a certain length to a given breakthrough concentration of carbon dioxide in the purified gas are measured.

По измеренным параметрам с использованием микропроцессора или мини-ЭВМ устанавливаются параметры процесса десорбции: температура десорбции; количество регенерирующего газа и время нагрева адсорбента, обеспечивающих проведение процесса десорбции с минимальными энергозатратами. According to the measured parameters using a microprocessor or minicomputer, the parameters of the desorption process are set: desorption temperature; the amount of regenerating gas and the heating time of the adsorbent, ensuring the desorption process with minimal energy consumption.

При проведении процесса десорбции измеряют действительную температуру и расход регенерирующего газа и по измеренным параметрам уточняют время последующего процесса адсорбции. During the desorption process, the actual temperature and flow rate of the regenerating gas are measured, and the time of the subsequent adsorption process is determined by the measured parameters.

Таким образом при комплексной очистке газа в адсорберах устанавливается однозначная взаимосвязь между параметрами процессов адсорбции и десорбции, что делает процесс очистки стабильным и надежным и дает возможность проведения его с минимальными энергозатратами. Thus, during complex gas purification in adsorbers, an unambiguous relationship is established between the parameters of the adsorption and desorption processes, which makes the purification process stable and reliable and makes it possible to carry it out with minimal energy consumption.

Сравнительный анализ показал, что известные технические решения не имеют признаков, сходных с признаками, отличающими предлагаемое техническое решение от прототипа. A comparative analysis showed that the known technical solutions do not have features similar to those that distinguish the proposed technical solution from the prototype.

Следовательно предлагаемый способ автоматического управления процессом адсорбционной очистки соответствует критерию изобретения " промышленная применимость". Therefore, the proposed method for automatically controlling the adsorption purification process meets the criteria of the invention "industrial applicability".

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации заявляемого способа; на фиг. 2 график экспериментально установленной зависимости параметров адсорбции и десорбции для двухслойной адсорбционной насадки; на фиг. 3 зависимость относительного времени адсорбции от температуры газа, поступающего на очистку и температуры регенерирующего газа при использовании однослойной адсорбционной насадки (цеолит). In FIG. 1 shows a diagram of a device for implementing the proposed method; in FIG. 2 is a graph of the experimentally established dependence of the parameters of adsorption and desorption for a two-layer adsorption nozzle; in FIG. 3 the dependence of the relative adsorption time on the temperature of the gas entering the purification and the temperature of the regenerating gas when using a single-layer adsorption nozzle (zeolite).

Пример конкретного выполнения. An example of a specific implementation.

Предлагаемый способ реализован в устройстве, включающем адсорберы 1, 2 (см. фиг. 1) со слоем адсорбента 3, соединенные с трубопроводом подачи очищаемого газа 4 и вывода очищенного газа 5. The proposed method is implemented in a device including adsorbers 1, 2 (see Fig. 1) with an adsorbent layer 3 connected to the pipeline for supplying the gas to be cleaned 4 and the outlet of the purified gas 5.

Электронагреватель 6 через регулирующий вентиль 7 трубопроводом 8 соединен с воздухоразделительной установкой, а трубопроводом 9 с адсорберами 1, 2. Адсорберы 1, 2 соединены с атмосферой трубопроводом 10, на котором установлен глушитель 11. The electric heater 6 through the control valve 7 is connected by a pipe 8 to the air separation unit, and by a pipe 9 to the adsorbers 1, 2. The adsorbers 1, 2 are connected to the atmosphere by a pipe 10 on which the silencer 11 is mounted.

На трубопроводе 4 установлены устройства 12, 13, 14, соответственно для измерения расхода давления и температуры очищаемого газа. On the pipe 4, devices 12, 13, 14 are installed, respectively, for measuring the pressure flow rate and temperature of the gas to be cleaned.

В слое адсорбента 3 в адсорберах 1, 2 размещено устройство 15 для измерения времени проскока диоксида углерода. In the adsorbent layer 3 in the adsorbers 1, 2 there is a device 15 for measuring the breakthrough time of carbon dioxide.

На трубопроводе 8 между электронагревателем 6 и регулирующим вентилем 7 размещено устройство 16 для измерения расхода регенерирующего газа, а на трубопроводах 9, 10 соответственно, устройства 17, 18 для измерения температуры регенерирующего газа на входе и выходе из адсорберов 1 (2). On the pipe 8 between the electric heater 6 and the control valve 7 there is a device 16 for measuring the flow of regenerating gas, and on the pipelines 9, 10, respectively, of a device 17, 18 for measuring the temperature of the regenerating gas at the inlet and outlet of the adsorbers 1 (2).

Измерительные устройства 12, 13, 14, 15 соединены линиями передачи информации с микропроцессором 19, который соединен линиями передачи управляющих и регулирующих сигналов с программно-временным устройством 20, электронагревателем 6 и регулирующим вентилем 7. The measuring devices 12, 13, 14, 15 are connected by information transmission lines to a microprocessor 19, which is connected by transmission lines of control and regulation signals to a program-time device 20, an electric heater 6, and a control valve 7.

Предлагаемый способ автоматического управления процессом адсорбционной очистки реализуется следующим образом (см. фиг. 1). The proposed method for automatically controlling the adsorption purification process is implemented as follows (see Fig. 1).

Очищаемый газ по трубопроводу 4 подает в адсорбер 1, где он, проходя через слой адсорбента 3, очищается от влаги, двуокиси углерода и других примесей. Очищенный газ из адсорбера 1 по трубопроводу 5 направляют на низкотемпературное разделение. The gas to be purified is piped through 4 to the adsorber 1, where it, passing through the adsorbent layer 3, is cleaned of moisture, carbon dioxide and other impurities. The purified gas from the adsorber 1 through the pipe 5 is sent to low temperature separation.

Регенерирующий газ, отбираемый из воздухоразделительной установки, по трубопроводу 8 подают через регулирующий вентиль 7 в электронагреватель 6, а затем по трубопроводу 9 в адсорбер 1. После адсорбера 1, отработанный газ сбрасывается в атмосферу по трубопроводу 10, на котором установлен глушитель 11, служащий для уменьшения шума при выходе регенерирующего газа и при сбросе давления из адсорбера 1. The regenerating gas taken from the air separation unit is fed through line 8 through the control valve 7 to the electric heater 6, and then through line 9 to the adsorber 1. After adsorber 1, the exhaust gas is discharged into the atmosphere through line 10 on which a silencer 11 is installed, which serves to noise reduction at the exit of the regenerating gas and when the pressure is released from the adsorber 1.

Процесс автоматического управления начинается на первой, после первичной десорбции, стадии адсорбции. The automatic control process begins at the first, after primary desorption, adsorption stage.

Данные об измеренных величинах расхода, давления и температуры очищаемого газа из устройств 12, 13, 14 передаются (тонкие линии на фиг. 1) на микропроцессор 19, где по соответствующему алгоритму производится вычисление продолжительности стадии адсорбции, расхода, температуры регенерирующего газа и времени нагрева адсорбента при десорбции. На стадии адсорбции ее время уточняется по результатам измерения времени проскока диоксида углерода в промежуточном слое адсорбента работающего адсорбера, (устройство 15), а также уточняются параметры десорбции (температура, расход регенерирующего газа и время нагрева адсорбента). Data on the measured values of the flow rate, pressure and temperature of the purified gas from the devices 12, 13, 14 are transmitted (thin lines in Fig. 1) to the microprocessor 19, where, according to the corresponding algorithm, the duration of the adsorption stage, the flow rate, the temperature of the regenerating gas, and the heating time of the adsorbent are calculated during desorption. At the adsorption stage, its time is specified by measuring the time of carbon dioxide leakage in the intermediate adsorbent layer of the working adsorber (device 15), and desorption parameters (temperature, flow rate of the regenerating gas, and heating time of the adsorbent) are also specified.

По вычисленным значениям передаются соответствующие команды на программно-временное устройство 20 (пунктирные линии на фиг, 1), электронагреватель 6 и регулятор расхода 7. При проведении последующей стадии десорбции производится измерение реальных расходов регенерирующего газа, его температуры на входе и выходе из адсорбера (соответственно устройства 17, 18, 19) и времени нагрева адсорбента. According to the calculated values, the corresponding commands are transmitted to the program-time device 20 (dashed lines in FIG. 1), the electric heater 6 and the flow regulator 7. During the next desorption stage, the actual flow rates of the regenerating gas, its temperature at the inlet and outlet of the adsorber are measured (respectively devices 17, 18, 19) and the heating time of the adsorbent.

По измеренным значениям параметров десорбции микропроцессором 19 производится вычисление параметров последующей стадии адсорбции. Затем весь процесс повторяется. Using the measured values of the desorption parameters by the microprocessor 19, the parameters of the subsequent adsorption stage are calculated. Then the whole process is repeated.

На фиг. 2 представлена экспериментальная установленная взаимосвязь параметров адсорбции и десорбции. Приведены значения относительного времени нагрева адсорбционного слоя θ

и доли регенерирующего газа от количества очищаемого газа

от температуры адсорбции t_адс.In FIG. Figure 2 shows the experimental established relationship between the parameters of adsorption and desorption. The values of the relative heating time of the adsorption layer θ

and the proportion of regenerating gas from the amount of gas to be purified

from adsorption temperature t _ads .

Из графика видно, что при одной и той же температуре десорбции и постоянной доле регенерирующего газа с ростом температуры адсорбции относительное время нагрева адсорбента должно определенным образом увеличиваться. The graph shows that at the same desorption temperature and a constant fraction of the regenerating gas, with an increase in the adsorption temperature, the relative heating time of the adsorbent should increase in a certain way.

Если же время нагрева адсорбента остается постоянным, например 0,4 τ_адс(τ_адс время адсорбции), то увеличение температура адсорбции при определенной температуре десорбции требует обязательного увеличения относительной доли регенерирующего газа.If the adsorbent heating time remains constant, for example, 0.4 τ _ads (τ _{ads is} the adsorption time), then an increase in the adsorption temperature at a certain desorption temperature requires a mandatory increase in the relative fraction of the regenerating gas.

Установленная зависимость свидетельствует о том, что между параметрами процесса существует однозначная взаимосвязь. Выбор этих параметров произвольно, без учета этой взаимосвязи приводит или к неоправданно увеличенным затратам энергии, или к невозможности реализации цикла адсорбция-десорбция. The established relationship indicates that there is an unambiguous relationship between the process parameters. The choice of these parameters arbitrarily, without taking into account this relationship, leads either to unjustifiably increased energy costs, or to the inability to implement the adsorption-desorption cycle.

На фиг. 3 представлена зависимость времени адсорбции

( где

время адсорбции при температуре очищаемого газа +5^oC) от температуры регенерирующего газа t_рег в режиме минимальных энергозатрат.In FIG. 3 shows the dependence of the adsorption time

(where

adsorption time at a temperature of the gas to be purified +5 ^o C) from the temperature of the regenerating gas t _reg in the mode of minimum energy consumption.

Из графика видно, что наряду с влиянием параметров адсорбции (расход, давление и температура очищаемого газа) на параметры десорбции (расход, температура регенерирующего газа и время нагрева адсорбента) параметры десорбции в свою очередь влияют на параметры адсорбции. It can be seen from the graph that, along with the influence of adsorption parameters (flow rate, pressure and temperature of the purified gas) on the desorption parameters (flow rate, regenerating gas temperature and adsorbent heating time), the desorption parameters in turn affect the adsorption parameters.

Так при постоянной температуре очищаемого газа в зависимости от температуры регенерирующего газа время последующей стадии адсорбции будет изменяться. С уменьшением температуры регенерирующего газа время последующей стадии адсорбции сокращается. So at a constant temperature of the gas being purified, depending on the temperature of the regenerating gas, the time of the subsequent adsorption stage will change. With decreasing temperature of the regenerating gas, the time of the subsequent adsorption stage is reduced.

Таким образом, результаты экспериментов подтверждают возможность реализации автоматического управления процессом адсорбционной очистки газов. Thus, the experimental results confirm the possibility of implementing automatic control of the process of adsorption gas purification.

На основании установленной взаимосвязи параметров был разработан алгоритм автоматического регулирования и проведена его экспериментальная проверка. Результаты этой проверки представлены в таблице. Based on the established relationship between the parameters, an automatic control algorithm was developed and its experimental verification was carried out. The results of this check are presented in the table.

Сопоставление экспериментальных значений параметров адсорбции и десорбции со значениями, определенными по алгоритму управления
V, V' расход очищаемого газа и регенерирующего газа соответственно нм³/час (760 мм рт ст, 20^oC);
P давление очищаемого газа, кг/см²;
T, T' температура очищаемого газа и регенерирующего газа при нагреве адсорбента, ^oC;
τ_экс, τ_расч время работы адсорберов на очистку экспериментальное и определенное по алгоритму управления;

время нагрева адсорбента экспериментальное и определенное по алгоритму управления.Comparison of experimental values of adsorption and desorption parameters with values determined by the control algorithm
V, V 'flow rate of the purified gas and regenerating gas, respectively, nm ³ / h (760 mm Hg, 20 ^o C);
P pressure of the gas to be purified, kg / cm ² ;
T, T 'temperature of the gas to be purified and the regenerating gas when the adsorbent is heated, ^o C;
τ _ex , τ _calculation; the working time of the adsorbers for cleaning is experimental and determined by the control algorithm;

adsorbent heating time is experimental and determined by the control algorithm.

Использование предлагаемого способа автоматического управления адсорбционной очисткой устанавливает однозначную взаимосвязь между параметрами адсорбции и десорбции, а вся система очистки автоматически выводится на режим с минимальными энергозатратами и поддерживается его, с учетом возможных в процессе эксплуатации колебаний параметров процесса. Расход энергии при этом сократится более, чем в 2 раза. Using the proposed method for automatic control of adsorption cleaning establishes an unambiguous relationship between the parameters of adsorption and desorption, and the entire cleaning system is automatically put into operation with minimal energy consumption and is supported by it, taking into account possible fluctuations in the process parameters during operation. The energy consumption will be reduced by more than 2 times.

Claims

A method for automatically controlling the adsorption purification process by switching the adsorbers with the adsorbent layer placed thereon from the adsorption stage to the desorption stage and vice versa, characterized in that the flow rate, temperature of the regenerating gas and the adsorbent heating time at the desorption stage are controlled depending on the flow rate, temperature and pressure of the cleaned gas measured in the previous adsorption stage, and the time of the subsequent adsorption stage is regulated depending on the flow rate of the regenerating gas and its inlet temperature and exit from the adsorber with additional correction according to the measured time of working out the adsorbent layer at the current stage of adsorption.