СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ АРГОНА Российский патент 1997 года по МПК F25J3/02 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к очистке газов от кислорода методом каталитического гидрирования, и может быть использовано для регулирования процесса очистки от кислорода сырого аргона, получаемого в установках разделения воздуха.

Известен способ управления установкой для очистки инертных газов путем регулирования обратной подачи части сжатого газообразного водорода в основной поток кислородсодержащего инертного газа на вход компрессора, соединенного с очищающим резервуаром [1]
Недостатки этого способа заключаются в том, что часть сжатого компрессором газа перепускается на его вход в зависимости от температуры реакции, в резервуаре при этом расход газа является переменной величиной, что может привести к нарушению режима работы колонны сырого аргона в ВРУ; во-вторых, использование компрессора является экономически невыгодным.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления процессом очистки сырого аргона от кислорода [2] Очистка проводится методом каталитического гидрирования в паре реакторов, последовательно расположенных по ходу газа, путем подачи в реакторы водорода, при этом осуществляют регулирование подачи водорода в реакторы по измерению избытка водорода в очищенном аргоне и поддержание температуры реакции во втором реакторе изменением количества водорода.

Недостатки этого способа заключаются в том, что подача водорода в реакторы производится по значениям регулируемых величин (температуры реакции, избытка водорода в очищенном аргоне) без учета возмущающих воздействий, что при наличии инерционности объекта приводит к значительным отклонениям от заданных значений регулируемых параметров; не учитывается влияние контура поддержания температуры во втором реакторе на работу контура поддержания избытка водорода в очищенном аргоне, что ухудшает качество регулирования и приводит к браку продукционного чистого аргона.

Задача изобретения повышение качества продукционного чистого аргона при внешних возмущающих воздействиях может быть осуществлена за счет введения нового алгоритма управления, который формируют на основании измеренных величин (содержание кислорода в сыром аргоне, давления сырого аргона и водорода, расход сырого аргона и изменения температуры реакции, избыток водорода в чистом аргоне) по расчетным формулам, определяющим сигналы управляющих воздействий, в соответствии с которыми регулируют подачу газообразного водорода в первый и второй реакторы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе автоматического управления процессом очистки аргона от кислорода, проводимой методом каталитического гидрирования в двух последовательно расположенных по ходу газа реакторах путем регулирования подачи водорода во второй реактор в зависимости от избытка водорода в очищенном аргоне и в первый реактор в зависимости от температуры реакции во втором реакторе, дополнительно непрерывно измеряют содержание кислорода в сыром аргоне, расход и давление сырого аргона, давление подаваемого в реактор водорода и регулируют подачу водорода в реакторы в соответствии с сигналами управляющих воздействий, которые формируют в регулирующих устройствах в зависимости от измеренных параметров по формулам

при содержании кислорода в сыром аргоне более 2% в первый и второй реакторы,

при содержании кислорода в сыром аргоне мене 2% во второй реактор,
где y₁, y₂ вычисленные значения сигналов управляющих воздействий;
T₃ и T₀ заданное и текущее значения температуры реакции;
C₃ и C₀ заданное и текущее значения содержания избытка водорода в очищенном аргоне;
C_н текущее значение содержания кислорода в очищаемом аргоне;
Q текущее значение расхода очищаемого аргона;
P_a, P_в текущие значения давления очищаемого аргона и водорода, подвигаемого в реакторы;
k₁, k₂, A₁, A₂, A₃, A₄, A₅ постоянные коэффициенты.

Дополнительное измерение содержания кислорода в сыром аргоне, расход и давление сырого аргона, давление подаваемого в реакторы водорода необходимы для учета внешних возмущающих воздействий при управлении процессом очистки, что позволяет сократить время восстановления регулируемых параметров до заданных значений.

Сигналы управляющих воздействий y₁ и y₂, в соответствии с которыми регулируют расход потока газообразного водорода в первый и второй реакторы, формируют по формулам таким образом, что в алгоритме управления учитывается нелинейный характер зависимости внешних воздействий и регулируемых параметров (температуры реакции и избытка водорода), что позволяет повысить качество регулирования процесса очистки.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичным всем существенным признакам изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Дополнительно был проведен поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, следовательно, оно соответствует требованию "изобретательский уровень" и промышленная применимость".

Осуществление предлагаемого способа автоматического управления процессом очистки аргона поясняется чертежом.

Устройство, реализующее способ, содержит реактор 1 с линиями подачи сырого аргона и отбора обработанного аргона, реактор 2, имеющий с реактором 1 общую линию подачи газообразного водорода, при этом выход реактора 1 подключен через последовательно расположенные водяной охладитель 3 и влагоотделитель 4 к входу реактора 2 с линией отбора чистого продукционного аргона, соединенный через последовательно расположенные водяной охладитель 5 и влагоотделитель 6 с потреблением чистого аргона, при этом в верхней части реактора 2 установлен датчик температуры 7, электрический выход которого через регулятор 8 подключен к первому входу регулирующего устройства 9. В линии отбора чистого аргона реактора 2 установлен датчик избытка водорода в очищенном аргоне 10, электрический выход которого через регулятор 11 подключен к первому входу регулирующего устройства 12, при этом в линии подачи сырого аргона установлены датчики давления сырого аргона 13, концентрации кислорода в сыром аргоне 14, расхода сырого аргона 15, электрические выходы которых подключены соответственно параллельн ко вторым, третьим, четвертым входам регулирующих устройств 9 и 12. В линии подачи водорода установлен датчик давления водорода 16, электрический выход которого подключен параллельно к пятым входам устройств 9 и 12, выход устройства 9 подключен параллельно к шестому входу устройства 12 и электрическому входу клапана 17, установленному в линии подачи водорода в реактор 1, а выход устройства 12 подключен к электрическому входу регулируемого клапана 18, установленному в линии подачи водорода в реактор 2.

Способ автоматического управления процессом очистки аргона от кислорода реализуется следующим образом.

В процессе очистки сырой аргон с содержанием кислорода до 4% последовательно проходит через два заполненных катализатором реактора 1 и 2, в каждый из которых дозируется водород. На выходе реактора 1 обработанный газообразный аргон охлаждается в охладителе 3, а затем через влагоотделитель 4 поступает на вход реактора 2, где происходит дальнейший процесс очистки. С выхода реактора 2 через охладитель 5 и влагоотделитель 6 чистый продукционный газообразный аргон поступает к потребителю. В процессе работы измеряют соответствующими датчиками:
максимальное содержание кислорода в сыром аргоне C_h, расход сырого аргона Q, значение давления сырого аргона и водорода p_a, p_b, температуру реакции в реакторе 2 T₀ и избыток водорода в очищенном аргоне C_b. Подача водорода в реакторы 1и 2 регулируется клапанами 17 и 18, при этом поддерживаются заданный избыток водорода в очищенном аргоне (регулятор 10, блок 12) и заданная температура реакции (регулятор 8, блок 9) необходимая для обеспечения постоянного продукта кислорода, связываемого в реакторе 2.

Под действием внешних возмущающих воздействий происходит нарушение процесса очистки. Для выявления характера влияния возмущенных воздействий на регулируемые параметры избыток водорода в очищенном аргоне C_b и температуру реакции T₀ необходимо определить общее количество водорода, подаваемого в реакторы 1 и 2.

Из расчета основных материальных потоков в реакторе следует, что количество водорода, подаваемого в реактор, определяется соотношением
H 10^-2Q[2C_н+(1-10^-2C_н)C_b]
где H количество подаваемого водорода;
Q расход сырого аргона;
C_н концентрация кислорода в сыром аргоне;
C_b избыток водорода в сыром аргоне.

Для первого реактора C_b 0, а конечная концентрация кислорода в аргоне на выходе из реактора 1 C=C₀. Тогда применительно к реактору 1
H₁ 10^-2Q•2(C_н-C₀),(2)
а с другой стороны

где b_i const;
l_i степень открытия регулируемого клапана подачи водорода в реактор 1,
ΔP = P_в-P_a перепад давлений на клапане;
P_b давление водорода;

Для реактора 2 количество водорода определяется как
H₂=10^-2Q[2C₀+(1-10^-2C₀)C_в] (5)

Затем определяют количество избытка водорода, получаемого на выходе реактора 2:

где C₀ конечная концентрация кислорода в аргоне из реактора 1 C₀ примерно 2%
C_в текущее значение избытка водорода на выходе из реактора 2.

Для обеспечения постоянного процента кислорода, связываемого в реакторе 2, поддерживают температуру реакции, при этом величина температуры пропорциональна концентрации кислорода в очищаемом аргоне
T₀ DC₀, (8)
где D const;
C₀ концентрация кислорода в аргоне из реактора 1 в реактор 2.

Используя формулу (4) имеем


Поскольку степень открытия клапана пропорциональна сигналам управляющих воздействий, в соответствии с которыми регулируют количество водорода, подаваемого в реакторы 1 и 2, y₁ приблизительно равен b_i•l₁; y₂ приблизительно равен b₂•l₂, то регулируемые параметры T₀ и C_в можно представить в виде


Из полученных формул (10, 11) видно, что изменения возмущающих величин Q, p_в, p_a приводят к нелинейному изменению коэффициентов передачи объекта, поэтому получить требуемое качество регулирования, используя известные "ПИ" или "ПИД" алгоритмы регулирования, не представляется возможным. Нелинейное влияние возмущений можно компенсировать вводя в алгоритм регулирования нелинейные обратные функции. Для этого в структуре схемы регулирования используют нелинейные элементы, входящие в состав регулирующих устройств 9 и 12, коэффициенты передачи которых имеют обратную зависимость по отношению к коэффициентам передачи объекта.

При этом выбор и задание постоянных коэффициентов k₁, k₂, B₁, B₁₂, B₂, A_1;, A₂, A₃, A₄, A₅ осуществляют предварительно экспериментальным путем. В предлагаемом алгоритме регулирования взаимосвязи между регулируемыми параметрами температуры и избытка водорода имеют вид линейных зависимостей

при условии A₁•A₂•B₁=1,

Для регулируемого параметра избытка водорода

При выполнении условий
A₃•A₅•B₂=2, A₄ • B₂ B₁₂ следует, что
C_в= ΔC•K₂•A₅•B₂, где ΔC = C₃-C_в (15)
В результате преобразований сигналы управляющих воздействий, в соответствии с которыми регулируют количество водорода, подаваемого в реакторы 1 и 2, имеют следующий вид:

При снижении содержания кислорода в сыром аргоне ниже 2% подача водорода в реактор 1 автоматически прекращается, а в реактор 2 подачу регулируют при y₁ 0.

Технико-экономический эффект по сравнению с известными решениями заключается в повышении качества регулирования процессов, за счет чего создаются условия для экономии водорода и получения заданной чистоты продукционного аргона.

Использование: в криогенной технике, в частности в воздухоразделительных установках при получении чистого аргона из сырого с использованием метода каталитического гидрирования. Сущность изобретения: в установку вводят схему автоматического регулирования, с помощью которой управляют процессом очистки путем управляющих воздействий на расход потока газообразного водорода в первый и второй реакторы. При этом информацию о содержании кислорода в сыром аргоне, давлении сырого аргона и водорода, о расходе сырого аргона, температуре реакции и избытке водорода используют для формирования электрических сигналов управляющих воздействий y₁ и y₂ по расчетным формулам. 1 ил.

Способ автоматического управления процессом очистки аргона от кислорода, проводимый методом каталитического гидрирования в двух последовательно расположенных по ходу газа реакторах путем регулирования подачи водорода во второй реактор в зависимости от избытка водорода в очищенном аргоне и в первый реактор в зависимости от температуры реакции во втором реакторе, отличающийся тем, что дополнительно измеряют содержание кислорода в сыром аргоне, расход и давление сырого аргона, давление подаваемого в реактор водорода и регулируют подачу водорода в реакторы в соответствии с сигналами управляющих воздействий, которые формируют в регулирующих устройствах в зависимости от измеренных параметров по формулам


при содержании кислорода в сыром аргоне более 2% в первый и во второй реакторы,

при содержании кислорода в сыром аргоне менее 2% во второй реактор,
где y₁, y₂ вычисленные значения сигналов управляющих воздействий;
Т_з, Т₀ заданное и текущее значения температуры реакции;
С_з, С_в заданное и текущее значения содержания избытка водорода в очищенном аргоне;
С_н текущее значение содержания кислорода в очищаемом аргоне;
Q текущее значение расхода очищаемого аргона;
Р_а, Р_в текущие значения давлений очищаемого аргона и водорода, подаваемого в реакторы;
К₁, К₂, А₁, А₂, А₃, А₄, А₅ постоянные коэффициенты.