調節用於氣體的吸附處理的裝置的方法

2023-05-19 08:43:46 1

專利名稱：調節用於氣體的吸附處理的裝置的方法
技術領域：
本發明涉及調節用於氣體的吸附處理的裝置的方法以及通過吸附處理氣體的方法，被處理的氣體流經所述裝置。

背景技術：
文獻EP-A-1336910公開了這種以首字母簡略詞慣例稱作PSA(變壓吸附)的處理裝置的一個示例。這種裝置包括接收氣體的各種部件，例如至少兩個包括吸附劑的罐(在所引用文獻的示例中是10個罐)，作為一種非限制性方式，每個罐包括一層或多層吸附劑(例如活性炭或氧化鋁的分子篩)、向裝置運送氣體混合物的進料管線、從裝置中輸出淨化氣體的生產管線、從裝置中輸出包含輸入氣體中雜質的氣體的廢氣管線。此外，上述部件通過管線連接在一起，每根管線都配備有至少一個閥，用來容許或防止氣體在兩個部件之間流通。
這種裝置讓人完全滿意。但是，為了確保該裝置的使用壽命和/或所生產氣體的質量，和/或所生產的氣流的質量，需要對裝置中的氣體流動特別關注。


發明內容
為此目的，根據本發明，提供了一種調節通過吸附處理氣體的裝置的控制單元的方法， 所述裝置適於執行用於生產氣體的方法，在生產過程中，含有雜質的原料氣體被供應到裝置中，用於生產至少一種通過原料氣體淨化後流出的氣體，所述生產方法包括多個步驟，在所述步驟期間，氣體在所述裝置中流動，所述流動具有多個特徵流動參數， 所述裝置包括多個部件 -運送將要通過吸附淨化的原料氣體的進料管線， -運送淨化氣體的生產管線， -運送廢氣的排出管線，廢氣中包含原料氣體中的雜質， -多個包含至少一種吸附劑材料的罐， 所述裝置還包括 -多個連接管線，每個連接管線將所述部件中的兩個部件連接在一起， -在每個所述連接管線上的閥，每個閥適於選擇性地閉合以防止氣體在連接管線中流動，或者根據可變開度參數開啟以使氣體能在連接管線中流動， 由通過配備有閥的連接管線連接在一起的兩個部件限定出一系統， 所述裝置具有多個特徵裝置參數，以及 -所述控制單元，該控制單元適於在每個步驟中根據每個系統的開度參數控制閥的開度， -對於每個系統，適於測量該系統中氣流的物理參數的測量值的檢測裝置， 所述控制單元適於計算每個系統中用於開啟閥的預測參數、所述物理流動參數的設定值、所述設定值的函數與所述測量值的函數之間的誤差， 所述控制單元適於在每個步驟中根據每個系統的所述開度參數控制閥的開度，所述開度參數基於至少所述用於開啟閥的預測參數以及應用於所述誤差的至少一個校正參數。
所述調節方法包括步驟(a)，在該步驟中，根據所述特徵裝置和流動參數調節所述校正參數。
由於這些設置，可以根據與裝置和流動相關聯的特徵參數一次性調節控制單元，從而能夠在啟動時容易地配置該裝置，並且在例如原料氣體改變時自動地重新配置該裝置。
在本發明的優選實施例中，可進一步採取下列設置中的一種和/或另一種 -校正參數是應用於當前設定值的函數與當前測量值的函數之間的誤差上的比例校正參數； -在氣體生產方法的執行過程中，控制單元適於根據閥先前的開度參數、預測參數的先前值、應用於物理流動參數先前設定值的函數與物理流動參數先前測量值的函數之間的誤差上的所述比例校正參數、以及應用於物理流動參數當前設定值的函數與物理流動參數當前測量值的函數之間的所述誤差上的第二綜合校正參數來進一步控制閥的開度， 在調節方法的步驟(a)中，根據所述特徵裝置和流動參數調節所述第二綜合校正參數； -在氣體生產方法的執行過程中，控制單元適於根據閥先前的開度參數和預測參數的先前值來進一步控制閥的開度；校正參數是應用於所述先前設定值的函數與所述先前測量值的函數之間的誤差上的綜合校正參數， 在調節方法的步驟(a)中，根據裝置和流動參數調節所述綜合校正參數； -在氣體生產方法的執行過程中，控制單元適於根據所述開度參數的最大容許值來進一步控制閥的開度。
根據另一方面，本發明涉及一種使用包括控制單元的裝置通過吸附生產氣體的方法，該控制單元由上述調節方法加以調節，所述氣體生產方法包括多個不同的步驟，所述步驟在階段開始和階段終止之間延伸，在每個步驟期間，對於至少一個包括第一和第二部件、將所述第一和第二部件連接在一起的連接管線、在所述連接管線上的閥、在每個步驟期間在第一和第二部件之間流動的氣體的系統，重複執行下列步驟 (b)計算物理流動參數的設定值， (c)使用檢測裝置測量所述物理流動參數的所述測量值， (d)作為時間、特徵裝置和流動參數、以及所述物理流動參數的設定值的函數來計算用於開啟閥的預測參數；以及 (e)作為在步驟(a)中調節的校正參數以及預測開度參數的函數來計算所述開度參數的值，所述校正參數應用於所述物理流動參數的所述測量值的函數與所述設定值的函數之間的誤差上。
在本發明的優選實施例中，可以可選地進一步採取下列設置中的一種和/或另一種 -在步驟開始時測量系統的操作點，並且在步驟(e)中，通過將一歸一化到該操作點的非線性函數應用於所述測量值和所述設定值上來計算所述誤差； -此外，重複執行下列步驟 (f)作為時間、特徵裝置和流動參數、以及物理流動參數的所述測量值的函數來計算開度參數的最大容許值， (g)將所述最大容許值與步驟(e)中計算出的值進行比較，如果所述最大容許值小於所述計算值，則使用所述最大容許值而不是所述計算值； -所述第一部件是容納有吸附劑的第一罐，第二部件是容納有吸附劑的第二罐，所述生產方法包括平衡步驟，在該平衡步驟中，氣體流入從第一罐到第二罐的連接管線中，直到第二罐中壓力與第一罐中壓力之間的壓力差達到一給定值，並且在該平衡步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以第一和第二罐之間的壓力差作為物理流動參數； -所述第一部件是容納有吸附劑的第一罐，第二部件是容納有吸附劑的第二罐，所述生產方法包括洗提步驟，在該洗提步驟中，氣體流入從第一罐到第二罐的連接管線中以衝洗所述第二罐，並且在該洗提步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以第一和第二罐之間的壓力差作為物理流動參數； -所述裝置包括輸送該裝置生產的氣體的生產管線，以及運送供給到所述裝置的氣體的進料管線，第二部件是容納有吸附劑的第二罐，所述生產方法包括最終重新加壓步驟，在該最終重新加壓步驟中，氣體流入到第二罐的連接管線中以增加第二罐中的壓力值，並且在該最終重新加壓步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以連接到生產和進料管線之一的第一罐與第二罐之間的壓力差作為物理流動參數； -所述第一部件是容納有吸附劑的第一罐，第二部件是廢氣排出管線，所述生產方法包括降壓步驟，在該降壓步驟中，氣體流入第一罐和廢氣排出管線之間的連接管線中，直到第一罐達到低壓水平，並且在該降壓步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以第一罐和廢氣排出管線之間的壓力差作為物理流動參數； -所述裝置還包括運送以供料速率供給到所述裝置的氣體的進料管線， 從裝置中輸送以生產速率生產的氣體的生產管線， 以及平衡罐，在平衡步驟中，氣體從平衡罐流到第二罐，直到第二罐中壓力與平衡罐中壓力之間的壓力差達到一給定值， 第一部件是連接到供料和生產管線之一的第一罐， 第二部件是所述第二罐， 所述生產方法包括連續重新加壓步驟，在該連續重新加壓步驟中，氣體流入所述管線與第二罐之間的連接管線中，直到第二罐中獲得操作壓力，並且在該連續重新加壓步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以生產速率與供料速率之間的差作為物理流動參數； -在生產方法的至少一個步驟中，至少步驟(e)僅在生產方法的該步驟開始一時間間隔後執行，所述時間間隔具有足夠的持續時間，以便物理流動參數達到代表值。
根據另一方面，本發明涉及一種包括程序編碼裝置的程序，當所述程序在可編程機中運行時，所述程序編碼裝置適於執行上述方法。
根據另一方面，本發明涉及通過所述方法生產的氣體。



通過下面結合附圖對作為非限制性示例提供的其中一個實施例的描述，本發明的其它特徵和優點將是顯而易見的。
在附圖中 -圖1是用於通過吸附處理氣體的裝置的示意圖； -圖2是圖1中裝置的吸附器的操作循環圖表，其中示出各個操作階段時間(temps de phase)a，b，...，j； -圖3I至圖3X分別是與圖1中裝置的吸附器有關的圖表，並示出與圖2相同的循環階段時間； -圖4示出閥控制方法的示意圖； -圖5a和圖5b是時間曲線圖，分別示出平衡步驟的壓力偏差設定值和隨時間變化的CV； -圖6示出進行洗提步驟的系統； -圖7示出進行降壓步驟的系統； -圖8示出進行平衡步驟的系統； -圖9示出進行最終重新加壓步驟的系統； -圖10示出進行結合的平衡和連續重新加壓步驟的系統； -圖11示出第二氣體處理裝置的與圖2類似的操作循環圖表；以及 -圖12示出第二氣體處理裝置進行結合的平衡和連續重新加壓步驟的系統。
在各個附圖中，相同的附圖標記表示相同或相似的元件。

具體實施例方式 圖1示出處理不純的氣體流例如不純的氫氣的裝置10。該裝置適於淨化該氫氣流中的雜質，例如溼氣、一氧化碳、氮氣、沼氣、二氧化碳、碳氫化合物等。
為此目的，裝置10包括若干容納氣體的部件，例如運送待淨化氫氣的進料管線1、已淨化氫氣生產管線2以及10個吸附器，該吸附器分別標記為R1，R2，R3，...，R9和R0。每個吸附器包括一罐，罐中容納一種或多種吸附劑材料，當待處理的氫氣流通過時，所述吸附劑材料能保留全部或部分上面所述的雜質。這種或這些材料是可再生的，也就是說，它們能回收在先吸附的雜質。為此目的，裝置10包括廢氣排出管線5，該管線充滿了從再生吸附器中流出的溶解雜質。裝置10還可以包括運送洗提氣體GE的供應管線，例如生產管線2的分支管線。
一方面，裝置10還包括位於上述管線1、2和5與吸附器R1至R0之間的連接管線，包括管線7；另一方面，還包括將吸附器R1至R0連接在一起的連接管線3、4和6，其中一根連接管線4連接到供應洗提氣體GE的管線。通過對裝置10的操作進行描述，連接管線3、4、6和7的準確布置將會變得更加清楚。此外，所有這些連接管線都配備有閥，用於控制流經它們的氣體的流動，通過對裝置的操作的描述，閥的布置也將會變得清楚。
裝置10還包括單元8，用於控制該裝置的吸附器的閥。該單元的編程和操作細節將在下面詳細描述。
該裝置中設置有檢測裝置，例如用於各罐的壓力傳感器或者用於各管線的流量傳感器。
圖2示出裝置10的操作循環。在該圖中，時間t繪製在X軸上，絕對壓力P繪製在Y軸上，箭頭所示的線條表示氣流的移動和目標，以及吸附器R1至R0中的各自流動方向 -當箭頭指向Y軸的增加方向(朝向圖表的頂部)，則認為流體在吸附器中順流。如果向上指向的箭頭位於表示吸附器中壓力的線條下方，那麼氣流通過吸附器的入口端進入吸附器；如果向上指向的箭頭位於表示壓力的線條上方，那麼氣流通過吸附器的出口端從吸附器流出，入口端和出口端分別是待處理的氣體和生產階段提取的氣體； -當箭頭指向Y軸的降低方向(朝向圖表的底部)，則認為流體在吸附器中逆流。如果向下指向的箭頭位於表示吸附器中壓力的線條下方，那麼氣流通過吸附器的入口端從吸附器流出；如果向下指向的箭頭位於表示壓力的線條上方，那麼氣流從吸附器的出口端進入吸附器，入口端和出口端總是待處理的氣體和生產階段提取的氣體。
各吸附器R1至R0遵循圖2所示的循環，與其前面的吸附器相隔稱作「階段時間」的持續時間，該持續時間等於循環的持續時間T除以操作中的吸附器數量(本例中是除以10)。因此，圖2中的循環包括10個階段時間，並且示出「階段時間/吸附器」對偶性，也就是說，在裝置10操作過程中的任意時刻，每個吸附器都處於不同的階段時間，相當於說在裝置操作過程中的任意時刻，吸附器的操作狀態由該吸附器所處的階段時間確定。
現在，首先通過僅僅描述單個階段時間期間吸附器R1至R0的操作來說明裝置10的操作，可以理解，在循環的其餘時間，吸附器的操作可以通過偏移吸附器的順序而重複地推導出來。
為此目的，我們可以考慮例如在其期間吸附器R1被認為是「主導者(maitre)」的階段時間，也就是說，吸附器R1在高於大氣壓Patmo的高壓Pad下開始其吸附階段，如圖3I所示。與此相伴，吸附器R2遵循圖3II所示的圖表，吸附器R3遵循圖3III所示的圖表，以此類推，直到遵循圖3X所示的圖表的吸附器R0。
為了便於閱讀，只有在該階段時間的至少部分時間內開啟的閥示出在圖2以及圖3I至圖3X中，為方便起見，該階段時間標記為時刻t＝0至t＝T/10。為了編號的方便，這些閥用字母V後跟兩個字符X，Y標記來描述該裝置，標記方式如下 -X是與該閥相關聯的吸附器的編號，以及 -Y是具有相同功能的一組閥的編號，其與該裝置的其中一條管線相關聯，編號1與進料管線1的「進料」功能相關聯，編號2與生產管線2的「生產」功能相關聯，編號3與連接管線3的「低壓平衡」功能相關聯，編號4與連接管線4的「洗提」功能相關聯，編號5與管線5的「廢氣排出」功能相關聯，編號6與連接管線6的「高壓平衡」功能相關聯，而編號7與連接管線7的「最終重新加壓」功能相關聯。
重要的是，應該指出，為了描述和表示的方便，實施裝置10操作的閥的布置是有意簡化過的；具體的布置，特別是例如包括更少的閥但包括橫向管線的整套裝置在所屬領域技術人員所知的範圍內，而沒有超出本發明的範圍。
在圖3I至3X所示的階段時間開始之前，即t＝0之前，閥V01、V02、V45和V55至少在圖3I至3X所示階段時間之前的階段時間末段開啟。在後面的階段時間裡，吸附器R1和R0吸附，而其它吸附器再生。
更確切地說，在時刻t＝0 -除了閥V01和V02之外，閥V11和V12也開啟，從而確保部分淨化氫氣流的生產； -閥V26、V27和V96開啟，從而使至少部分分別從吸附器R1、R9和R0流出的流體能重新壓縮吸附器R2； -閥V33和V83開啟，從而使吸附器R3能被從吸附器R8中流出的流體重新壓縮； -閥V64和V65開啟，從而使吸附器R6的壓力能調節至循環低壓，並且使罐R6中的吸附劑材料能被洗提；以及 -除了閥V55之外，閥V54和V74也開啟，從而使吸附器R5能被從吸附器R7流出的流體洗提。
此外，基本在該時刻t＝0，吸附器R9的生產閥閉合，該吸附器R9在圖3I至3X所示階段時間之前的階段時間期間處於吸附狀態。
然後，從時刻t＝X1(在該時刻吸附器R2的壓力基本等於吸附器R9的壓力)開始 -閥V26和V96閉合，因此，吸附器R2隨後的重新壓縮變慢。
然後，從時刻t＝X2(在該時刻吸附器R3的壓力基本等於吸附器R8的壓力)開始 -閥V33閉合，閥V43開啟，從而吸附器R4的重新加壓能開始進行； -閥V44和V45閉合，因此，從吸附器R7流出的全部流體供應給吸附器R5；以及 -閥V36和V96開啟，從而使吸附器R3能被從吸附器R9流出的流體進一步重新壓縮。
最後，在時刻t＝T/10(在該時刻吸附器R2的壓力基本等於吸附器R1的壓力)，閥V27、V96、V83、V74、V33、V43和V36閉合，從而從當前所描述的階段時間轉換到下一階段時間。
因此，儘管圖2中的圖表看起來似乎示出了兩根連接管線6和3，更準確的看法是其實際上涉及單根管線，該管線在相同的階段時間相繼運送兩種不同的流體。
裝置10在循環的其它階段時間內的操作可以從上面的操作推導得出，在下一個階段時間裡，吸附器R2被當作主導者，接下來是R3，如此這般，直到吸附器R0。
對裝置的閥在10個循環階段時間裡的所有控制操作形成通常所稱的待實施的單元控制程序器8。
為此目的引入參數，每個相繼的循環階段時間與用於識別處於該階段時間的吸附器的操作狀態的參數相關聯。
因此，在圖2所示的階段時間上，狀態參數j與其中吸附器開始吸附的階段時間相關聯；狀態參數i與隨後的階段時間相關聯，在該階段時間中吸附器終止吸附；狀態參數h與隨後的階段時間相關聯，在該階段時間中吸附器開始降壓；參數g、f、e、d、c、b和a與此相同。這些狀態參數在圖2中圖表的X軸上標出。因此，有必要引入與階段時間相同數量的參數。
此外，這些參數被稱作「活動者(mobiles)」，其意義在於它們根據循環中所考慮的時刻可對應於10個吸附器中的任意一個。因此，如果在給定的時刻參數j對應於吸附器R1(j＝1)，則在相當於循環時間T的五分之一的一段時間後，該參數j將對應於吸附器R3(j＝3)。
然後，形成參數化序列步驟，用於僅僅在給定階段時間期間控制裝置10，在相對於選定階段時間的時間段內，每個吸附器不是由其編號識別，而是由該吸附器的操作狀態的識別參數識別。換句話說，這相當於在給定階段時間上描述裝置的操作，其方式與針對圖3I至圖3X所描述的方式相同，只是根據選定的階段時間使用可變參數a，...，j中的一個識別各個吸附器。
因此，在每個階段時間，在控制單元8的控制下，可以隨階段時間可變的方式在該裝置中限定一套系統，其選擇性地執行生產、洗提、降壓、連續重新加壓或最終重新加壓功能，並且，每套系統包括至少兩個通過配備有開閥(vanne ouverte)的連接管線連接在一起的部件。
裝置的每個閥的開度由閥開度參數描述。對於這裡所描述的示例，所用的參數從閥的CV(流量係數，該參數與流經閥的流率成正比)得到。根據CV得到閥開度參數(開度百分比)，例如，通過應用閥製造商提供的線性或非線性方程得到閥開度參數。但是，可以使用與本發明的框架適應的任何類型參數，例如閥的位置或其它。
對於放置於將兩個部件例如兩個吸附罐、或者一個吸附罐與一根管線連接在一起的連接管線上的每個閥，執行下面描述的方法，該方法在圖4中概括地示出。
在每個步驟中，重複進行 -計算物理流動參數例如兩部件之間的壓力差的設定值， -根據該設定值，計算考慮中的閥的預測CV； -測量該物理流動參數的真實值，例如兩吸附罐之間的真實壓力差； -根據預測CV以及誤差的校正參數計算將要施加在閥上的CV控制，所述誤差是指物理流動參數的測量值函數與設定值函數之間的誤差，例如壓力差測量值和壓力差設定值之間的誤差； -(必要時)修正閥的開度。
特別地，應該指出，調節可以根據壓力差或者該壓力差的合適函數y實施，y例如是恆等函數、歸一化函數、平方根或其它。
物理流動參數可以是壓力差、流率或任意其它合適的參數。例如，在調節方法的情況中，平衡步驟中供應氣體的罐中的消耗率可以用作物理流動參數；或者，在生產方法中，洗提或降壓步驟的向外流率可以用作物理流動參數。
在調節該裝置的控制單元的方法的實施過程中，對於選自洗提、平衡、降壓、連續降壓或最終降壓步驟中的每一步驟，一次性地設定校正參數。在該方法的實施過程中，如下文結合圖6至12所述定義校正參數。
對於每一步驟，在每一時刻t都例如如圖5a所示在步驟開始時測量的壓力差和在步驟終止時獲得的壓力差之間線性地計算設定值 其中 ΔP(t)是時刻t的壓力差， ΔPinit是步驟開始時刻的壓力差， ΔPfinal是步驟終止時刻的壓力差設定值， t是所考慮步驟的計時器，以及 Tsp是所考慮步驟的預期持續時間。
但是，可以使用任意其它合適的減函數例如平方、指數或其它函數獲得設定值。
在某些實施例中，在每一步驟開始的轉換階段期間，可以設定CV保持恆定十分之幾秒到幾秒(例如從1秒到5秒)，然後才實施這裡所述的方法。在所述轉換間隔期間，可以建立流率和壓力變化。
此外，出於安全原因，在某些應用中，通過構造確保應用到閥上的CV控制不超過與罐中氣體消耗率相應的最大容許CV是有用的。這些值隨時間的變化例如在涉及平衡步驟的圖5b中示出。
因此，在計算CV控制時包括將計算的CV控制與閥的最大容許CV進行比較，以計算出閥中令人滿意的流率，如果計算的CV控制高於最大的CV，則將最大CV發送至閥。
在估計CV時，例如可能使用美國儀表協會(ISA)在ISA-S75.01-1985(R1995)「Flow Equation for Sizing Control Valves」中提出的模型，其中給出了CV、閥流率、閥的上遊和下遊壓力之間的方程。或者，可以使用根據標準、試驗等的任何其它合適的方程。
ISA模型指定這些參數間的關係由下式決定 其中 Q是閥的流率(Nm3/h)， Pamont是閥的上遊壓力[bara]， Y是閥的膨脹係數Y＝(1-x(t)/3FkXt)，範圍在0.67和1之間， x＝ΔP/Pamont，x在xt時飽和(相應於臨界氣流的x)[無量綱]， ΔP是上遊壓力和下遊壓力之間的壓力差[bara]， Fp是與閥相對於管道的調節相關聯的幾何因子[無量綱]， Fk＝k/1.40，其中k＝Cp/Cv是氣體的比熱[無量綱]， Sg是氣體相對於空氣的比重[無量綱]， T是氣體的上遊溫度[K]，和 Z是氣體的壓縮因子[無量綱]。
顯然，可以使用使CV、流率和壓力相關聯的任何其它合適的方程，如果閥配備有消音器時尤其如此。
對於這裡所描述的示例，估計Fp，Z和Fk基本等於1，但是，可以使用任何合適的方程來估計這些參數的值。
所給出的方程用於從設定值ΔP(t)(與圖5a比較)來計算預測CV，設定值ΔP(t)是閥的其它參數的函數。但是，在本發明中，例如流率也可以作為閥參數如CV的函數來計算。
圖6至10示出氣體生產方法的不同步驟的模型，各模型用於在本發明調節方法的實施過程中確定控制單元的待調節的校正參數值。
圖6示出罐Rf和罐Rd(圖2)之間的洗提步驟。在該步驟中，閥Vf4和Vd5完全開啟，閥Vd4受控制。
理論上，可以寫成罐Rf中的壓力Pf服從如下方程式 式中，Veq是等效容積(每巴解除吸附的氫氣流率)[Nm3 H2/bar] 罐Rd的壓力Pd是廢氣排出管線5的壓力，該壓力可認為是恆定的，因此，dPf/dt＝dΔP/dt。
通過聯立方程式(1)、(2)和Y的表達式，獲得洗提步驟時的CV預測項
式中 Qd4＝(ΔPinit-ΔPfinal，SP)3600Veq/TSP， ΔPfinal，SP是洗提步驟的最終壓力差設定值， ΔPinit是洗提步驟開始時測量得到的壓力差， Présiduaire，init是洗提步驟開始時測量得到的管線5中的壓力，以及 TSP是洗提步驟的持續時間設定值。
為了控制閥，從方程式(1)和(2)得出測量得到的變量(壓力)和控制變量(CV)之間的方程式
認為洗提步驟的Y值是常數，求解出該方程
式中，飽和狀態指ΔP不能降低到0以下。根據轉換函數，將方程式(5)寫成飽和積分系統
式中 這樣獲得的因子K完全取決於特徵裝置參數FP和Veq，以及特徵流動參數Sg、T和Z。此外，對於洗提步驟，Y被認為是常數，其值等於0.67。
通過調節使該系統相對於CV呈線性關係，相對於ΔP不呈線性關係，但是相對於非線性函數y(ΔP)＝(arcsinh[√ΔP/Présiduaire，init])呈線性關係，或者相對於y(ΔP)＝[√(ΔP/Présiduaire，init)]大致呈線性關係。
例如，可以使用Ziegler-Nichols方法，該方法用於確定G(s)＝e-θs.K/s類型的積分器系統的PID校正器的參數，其中θ是延遲時間。如果限定了比例增益校正器Kp，那麼該方法給出Kp＝1/Kθ。
θ可以例如通過幹擾待控制過程而模擬確定。該參數可例如選定在約5秒和100秒之間。θ的選擇足夠大用於避免過大的CV波動。θ的選擇足夠小用於達到所需的壓力。
在壓力校正器中增加積分項KI也是可能的。選擇KI＝比率×Kp，例如KI＝0.1Kp。因此，KI也完全取決於特徵裝置和流動參數。
因此，真正的CV寫成 CV＝max[z-1CV+(1-z-1)(CVprévisionnel+Kpε)+KIε；0] (8) 式中 ε＝ymes-ySP，其中ymes是用於調節的測量得到的壓力差ΔP的函數(例如y＝arcsinh[√(ΔP/Présiduaire，init)]或y＝√(ΔP/Présiduaire，init)，ySP是應用於壓力差設定值的相同函數(此處的Présiduaire，init用於歸一化壓力差設定值與測量得到的壓力差之間的誤差)，並且 算子z-1是示例系統的時間段滯後算符。
非線性函數y用於改善遇到幹擾時修正參數的魯棒性。
這裡應該指出，在完全的比例系統中，KI選擇為0，方程式(8)寫成 CV＝max[CVprévisionnel+Kpε；0] (8』) 從預測閥開度參數以及應用於現有設定值的函數與現有測量值的函數之間的誤差的比例校正參數可直接獲得閥開度參數。
在比例積分中，也可從應用於該誤差的積分校正參數、開度參數的先前值、預測開度參數的先前值以及應用於誤差的先前值上的比例校正參數獲得CV。
在可選實施例中，還可以確保調節問題不會導致罐內的超速流動。這種調節問題例如可歸因於校正器的過高調節或者傳感器的故障，其中，校正器使用該傳感器來進行測量。為此目的，計算與該步驟中閥的最大容許CV相應的CVmax。例如，CVmax與容許罐內氣體以消耗率的預定分數(部分)x流動的CV相應，這可以通過Ledoux公式近似(例如，這裡所述的洗提步驟中x＝60％)。
罐中氣體的速度例如可寫成 式中 v是罐頂部或底部的速度[m/s]， Q是流過罐頂部或底部的流率[Nm3/h]， Tads是罐內的溫度[K]， Pads是罐內的壓力[bara]，以及 Sads是罐的橫截面積[m2]。
此外，Ledoux速度可寫為 式中 De是罐中吸附劑的平均等效直徑[m]， ρads是罐中吸附劑的平均密度[kg/m3]，以及 ρgaz是氣體密度[kg/Nm3] 使用方程式(9)和(10)獲得在罐中不應超過的最大流率值。將方程式(1)與ρgaz＝1.29Sg聯立，得到閥的容許CVmax的表達式 應該指出，這樣確定的CVMAX與氣體密度無關，這在無法識彆氣體的情況下是有利的。
根據該可選實施例，在調節的情況下，可以通過如下所示修正方程式(8)來使用CVMAX，以在積分器中在CVMAX處達到飽和 CV＝min[max[z-1CV+(1-z-1)(CVprévisionnel+Kpε)+KIε；0]；CVMAX](12) 由此調節閥Vd4的壓力。
圖7示出罐Re的降壓步驟(圖2)。在該步驟中，閥Ve5受控制。此處的第二部件是廢氣排出管線5。
理論上，可以寫成罐Re的壓力Pe服從於下式 這裡可以使用等效容積，但是，由於離開罐的氣體與純氫氣相對不同，此數量的估計也可更精確。
降壓步驟與洗提步驟非常相似，其區別在於最終壓力差設定值為0。因此，降壓步驟的預測CV項為
式中 Qe5＝(ΔPinit-ΔPfinal，SP)3600 Veq/TSP， ΔPfinal，SP是降壓步驟的最終壓力差設定值(＝0)， ΔPinit是降壓步驟開始時測量得到的壓力差， Présiduaire，init是降壓步驟開始時測量得到的管線5中的壓力，以及 TSP是降壓步驟的持續時間設定值。
為了控制閥，也可以寫成下式
式中 這樣獲得的因子K完全取決於特徵裝置參數Fp和Veq，以及特徵流動參數Sg、T和Z。此外，對於降壓步驟，Y被認為是常數，其值等於0.83。
因此，洗提步驟的方程式對於降壓步驟也是有效的，即 CV＝max[z-1CV+(1-z-1)(CVprévisionnel+KPε)+KIε；0] (17) 並且，在可選實施例中 CV＝min[max[z-1CV+(1-z-1)(CVprévisionnel+Kpε)+KIε；0]；CVMAX](18) 其中，對於降壓步驟x例如等於160％。
由此調節閥Ve5的壓力。
圖8示出在罐Rg和罐Rb之間(圖2)的平衡步驟(沒有連續的重新加壓)。氣體從罐Rg流到罐Rb，直到在這兩個罐之間獲得給定的壓力差(可能為0)。在該步驟期間，閥Vg3完全開啟，閥Vb3受控制。
理論上，可以寫成罐Rb和Rg的壓力服從下列方程式 以及 將方程式(1)、(19)和(20)聯立求解，得到平衡步驟的CV預測項 式中 2.Qb3＝(ΔPinit-ΔPfinal，SP)3600 Veq/TSP， ΔPfinal，SP是平衡步驟的最終壓力差設定值(例如等於0)， ΔPinit是平衡步驟開始時測量得到的壓力差， TSP是平衡步驟的持續時間設定值。
為了控制閥，通過方程式(19)、(20)和(1)獲得測量得到的變量(壓力)和控制變量(CV)之間的方程式 認為平衡步驟的Y為常數，解出該方程 根據轉換函數，方程式(23)也寫成飽和積分系統
式中 這樣獲得的因子K完全取決於特徵裝置參數Fp和Veq，以及特徵流動參數Sg、T和Z。此外，對於沒有連續重新加壓的平衡步驟，Y被認為是常數，其值等於0.8。
該系統被如前所述線性化。
類似地，在可選實施例中，平衡步驟中可以選擇x＝60％，並且可根據方程式(12)相應地計算CVMAX。
由此調節閥Vb3的壓力。
圖9示出罐Rj和罐Ra(圖2)之間的最終重新加壓步驟(柱a的右側)。在該步驟期間，閥Vj2完全開啟，閥Va7受控制。
理論上，可以寫成罐Ra的壓力Pa服從於下式 生產管線2中的生產壓力Pprod大體上恆定，dPa/dt＝-dΔP/dt。
將方程式(1)和(26)聯立求解，得到最終重新加壓步驟的CV預測項 式中 Pprod，init是在最終重新加壓步驟開始時測量得到的生產壓力， Qa7＝(ΔPinit-ΔPfinal，SP)3600Veq/TSP， ΔPfinal，SP是最終重新加壓步驟的最終壓力差設定值， ΔPinit是最終重新加壓步驟開始時測量得到的壓力差， TSP是最終重新加壓步驟的持續時間設定值。
為了控制閥，通過方程式(1)和(26)獲得測量得到的變量(壓力)和控制變量(CV)之間的方程式 認為最終重新加壓步驟的Y為常數，解出該方程
根據轉換函數，方程式(29)寫成飽和積分系統
式中 這樣獲得的因子K完全取決於特徵裝置參數Fp和Veq，以及特徵流動參數Sg、T和Z。此外，對於最終重新加壓步驟，Y被認為是常數，其值等於0.9。
通過調節使該系統相對於CV呈線性關係，相對於arcsinh[√(ΔP/Pprod，init)]不呈線性關係，而直接相對於[√(ΔP/Pprod，init)]呈線性關係。在可選實施例中，獲得閥的容許CVmax的表達式為 其中例如可以採用與運送逆流的罐的安全因子相應的x＝160％。
在調節的情況下，可以通過類似地修正方程式(8)來使用CVMAX，以在積分器中在CVMAX處達到飽和。
由此調節閥Va7的壓力。
圖10示出罐Rj和罐Ra之間連續重新加壓的平衡步驟(圖2中柱a的左手部)。閥Vj2和Vh6完全開啟。閥Va6和Va7受控制。
對於控制平衡閥Va6，由於平衡以及連續重新加壓的綜合影響，難以獲得與表達式(22)相似的表達式。起初，可以忽略連續重新加壓的影響，而僅考慮平衡。因此，我們回到前面針對圖8描述的情形。
由此調節閥Va6的壓力。
為了控制閥Va7，將預測CV項寫為 式中 QSP是流率設定值，以及 Qa6是為了Va6的平衡計算出的流率，如前面針對圖9所述，以及 ΔPinit＝Pprod，init-Pa.init。
為了在生產管線2中獲得基本上恆定的生產氣體流率，可嘗試控制閥Va7的流率。因此，得到該閥的流率Qa7和CV之間的方程式 例如可以通過下列假設建立該系統的模型 其中 這樣獲得的因子K完全取決於特徵裝置參數Fp和特徵流動參數Sg、T和Z。此外，對於連續重新加壓步驟，Y被認為是常數，其值等於0.9。
例如可以由裝置入口處的流率與前一階段時間(在其「最終重新加壓」步驟)的生產流率之間的平均差值獲得流率設定值。以差值形式計算的這一設定值，由於與生產過程中罐吸附有關的偏差，並不嚴格等於流經所述連續重新加壓閥的流率。但是，如果調節器所用的測量值也是這兩種流率之間的差值，那麼兩者一致。如果使入口流率改變，則可以在由此獲得的設定值上應用校正因子。
根據轉換函數，該系統寫成比例系統。
因此，連續重新加壓閥根據具有增益K的比例型模塊來調節流率。如果初始認為閉環具有時間常數θ，那麼，相關的校正器是積分器校正器。
如前所述，θ可以例如通過幹擾待調節過程而模擬確定。該參數可例如選定在約5秒和100秒之間。
由此調節閥Va7的壓力。
在圖9和圖10所示的示例中，重新加壓從生產中的連接到生產管線2的罐開始執行。在另外的示例性實施例中，通過使用作為物理流動參數的生產中的罐和進行重新加壓的罐之間的壓力差，可以從進料管線3開始執行重新加壓。
這裡描述了本發明用於PSA的正常操作循環。但是，本發明也能用於特殊的PSA循環——例如具有8個罐的循環，至少其中一個罐處於維護狀態，或者其它(循環)。
儘管這裡參考包括10個罐的PSA進行了描述，毋庸置疑，這裡描述的調節也適用於其它類型的PSA，例如，具有四個罐的PSA，其循環示於圖11。
可以看到，在該示例性實施例中，結合的平衡和連續重新加壓模型與第一實施例中提出的模型並非完全相同。實際上，閥V23位於連接管線6和7之間的連接點下遊，這與圖9所示情形不同。
因此，圖12示出該第二示例性實施例的結合的平衡和連續重新加壓模型。在該步驟中，閥V43和V12完全開啟，閥V87(或重新加壓閥)和閥V23(或平衡閥)受控制。
理論上，可以寫成供應平衡氣體的罐R4的壓力P4服從如下方程式 接收該氣體的罐R2的壓力P2服從下式 將方程式(1)、(37)和(38)聯立，得到閥V87和連續重新加壓步驟的CV預測項 式中 ΔPinit＝Pprod，init-P4，init 這裡可以看出，為了估計最大容許速度，可考慮如下事實，即以順流模式流經罐的流率等於流經平衡閥V23的流率與流經連續重新加壓閥V87的流率之間的差。
因此，氣體速度可以寫為 因此，由於ρgas＝1.29Sg，閥V23的容許CVMAX的表達式為 應指出，例如可以假設x＝0.6以確定罐R4的安全因子。
由此調節閥V23的壓力。
例如可以規定，對於平衡和連續重新加壓步驟每秒執行計算，對於洗提和降壓步驟每2秒執行計算，對於最終重新加壓步驟每4秒執行計算，但是，可以根據將要獲得的壓力坡度的斜率設定該頻率，例如在0.1和10秒之間。
因此，本發明不限於這裡給出的兩種示例性裝置，本領域技術人員能夠如本文所述實施與新型裝置相應的模型，以調節閥中的流動。
由於調節過程中，過程參數被自動地在變量K中加以考慮，因此，這裡所述的調節容易從一種裝置調換到另一種裝置。
事實上，在該裝置投入使用時，用於調節通過吸附生產氣體的裝置的閥控制單元的校正參數的方法通過軟體例如監控軟體實施，該軟體適於根據特徵流動和裝置參數以及用戶輸入的θ和比率參數調節校正器。因此，在生產過程中，控制單元根據可編程控制器程序運行所述裝置，該程序考慮調節的校正參數以控制閥的開度。
權利要求
1.一種調節通過吸附處理氣體的裝置的控制單元的方法，
所述裝置適於執行用於生產氣體的方法，在生產過程中，含有雜質的原料氣體被供應到裝置中，用於生產至少一種通過原料氣體淨化後流出的氣體，所述生產方法包括多個步驟，在所述步驟期間，氣體在所述裝置中流動，所述流動具有多個特徵流動參數，
所述裝置包括多個部件
-運送將要通過吸附淨化的原料氣體的進料管線(1)，
-運送淨化氣體的生產管線(2)，
-運送廢氣的排出管線(5)，廢氣中包含原料氣體中的雜質，
-多個包含至少一種吸附劑材料的罐(R1，…，R0)，
所述裝置還包括
-多個連接管線(3，4，6，7)，每個連接管線將所述部件中的兩個部件連接在一起，
-在每個所述連接管線上的閥，每個閥適於選擇性地閉合以防止氣體在連接管線中流動，或者根據可變開度參數開啟以使氣體能在連接管線中流動，
由通過配備有閥的連接管線連接在一起的兩個部件限定出一系統，
所述裝置具有多個特徵裝置參數，以及
-所述控制單元(8)，該控制單元適於在每個步驟中根據每個系統的開度參數控制閥的開度，
-對於每個系統，適於測量該系統中氣流的物理參數的測量值的檢測裝置，
所述控制單元(8)適於計算每個系統中用於開啟閥的預測參數、所述物理流動參數的設定值、所述設定值的函數與所述測量值的函數之間的誤差，
所述控制單元適於在每個步驟中根據每個系統的所述開度參數控制閥的開度，所述開度參數基於至少所述用於開啟閥的預測參數以及應用於所述誤差的至少一個校正參數。
所述調節方法包括步驟(a)，在該步驟中，根據所述特徵裝置和流動參數調節所述校正參數。
2.根據權利要求1所述的調節方法，其特徵在於校正參數是應用於當前設定值的函數與當前測量值的函數之間的誤差上的比例校正參數。
3.根據權利要求2所述的調節方法，其特徵在於在氣體生產方法的執行過程中，控制單元適於根據閥先前的開度參數、預測參數的先前值、應用於物理流動參數先前設定值的函數與物理流動參數先前測量值的函數之間的誤差上的所述比例校正參數、以及應用於物理流動參數當前設定值的函數與物理流動參數當前測量值的函數之間的所述誤差上的第二綜合校正參數來進一步控制閥的開度，
在調節方法的步驟(a)中，根據所述特徵裝置和流動參數調節所述第二綜合校正參數。
4.根據權利要求1所述的調節方法，其特徵在於在氣體生產方法的執行過程中，控制單元適於根據閥先前的開度參數和預測參數的先前值來進一步控制閥的開度；校正參數是應用於先前設定值的函數與先前測量值的函數之間的誤差上的綜合校正參數，
在調節方法的步驟(a)中，根據裝置和流動參數調節所述綜合校正參數。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的調節方法，其特徵在於在氣體生產方法的執行過程中，控制單元適於根據所述開度參數的最大容許值來進一步控制閥的開度。
6.一種使用包括控制單元的裝置通過吸附生產氣體的方法，該控制單元由權利要求1至5中任一項所述的調節方法加以調節，所述氣體生產方法包括多個不同的步驟，所述步驟在階段開始和階段終止之間延伸，在每個步驟期間，對於至少一個包括第一和第二部件、將所述第一和第二部件連接在一起的連接管線、在所述連接管線上的閥、在第一和第二部件之間流動的氣體的系統，重複執行下列步驟
(b)計算物理流動參數的設定值，
(c)使用檢測裝置測量所述物理流動參數的所述測量值，
(d)作為時間、特徵裝置和流動參數、以及物理流動參數的所述設定值的函數來計算用於開啟閥的預測參數；以及
(e)作為在步驟(a)中調節的校正參數以及預測開度參數的函數來計算所述開度參數的值，所述校正參數應用於所述物理流動參數的所述測量值的函數與所述設定值的函數之間的誤差上。
7.根據權利要求6所述的生產方法，其特徵在於在步驟開始時測量系統的操作點；並且在步驟(e)中，通過將一歸一化到該操作點的非線性函數應用於所述測量值和所述設定值上來計算所述誤差。
8.根據權利要求6或7所述的生產方法，其特徵在於，重複執行下列步驟
(f)作為時間、特徵裝置和流動參數、以及物理流動參數的所述測量值的函數來計算開度參數的最大容許值，
(g)將所述最大容許值與步驟(e)中計算出的值進行比較，如果所述最大容許值小於所述計算值，則使用所述最大容許值而不是所述計算值。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的生產方法，其特徵在於所述第一部件是容納有吸附劑的第一罐(R1，…，R0)，第二部件是容納有吸附劑的第二罐(R1，…，R0)，所述生產方法包括平衡步驟，在該平衡步驟中，氣體流入從第一罐到第二罐的連接管線中，直到第二罐中壓力與第一罐中壓力之間的壓力差達到一給定值，並且在該平衡步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以第一和第二罐之間的壓力差作為物理流動參數。
10.根據權利要求6至8中任一項所述的生產方法，其特徵在於所述第一部件是容納有吸附劑的第一罐(R1，…，R0)，第二部件是容納有吸附劑的第二罐(R1，…，R0)，所述生產方法包括洗提步驟，在該洗提步驟中，氣體流入從第一罐到第二罐的連接管線中以衝洗所述第二罐，並且在該洗提步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以第一和第二罐之間的壓力差作為物理流動參數。
11.根據權利要求6至8中任一項所述的生產方法，其特徵在於所述裝置包括輸送該裝置生產的氣體的生產管線(2)，以及運送供給到所述裝置的氣體的進料管線(1)，其中，所述第二部件是容納有吸附劑的第二罐(R1，…，R0)，所述生產方法包括最終重新加壓步驟，在該最終重新加壓步驟中，氣體流入到第二罐的連接管線中以增加第二罐中的壓力值，並且在該最終重新加壓步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以連接到生產和進料管線之一的第一罐與第二罐之間的壓力差作為物理流動參數。
12.根據權利要求6至8中任一項所述的生產方法，其特徵在於所述第一部件是容納有吸附劑的第一罐，第二部件是廢氣排出管線(5)，所述生產方法包括降壓步驟，在該降壓步驟中，氣體流入第一罐和廢氣排出管線之間的連接管線中，直到第一罐達到一低壓水平，並且在該降壓步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以第一罐和廢氣排出管線之間的壓力差作為物理流動參數。
13.根據權利要求6或7所述的生產方法，其特徵在於
所述裝置還包括運送以供料速率供給到所述裝置的氣體的進料管線(1)，
從裝置中輸送以生產速率生產的氣體的生產管線(2)，
以及平衡罐，在平衡步驟中，氣體從平衡罐流到第二罐，直到第二罐中壓力與平衡罐中壓力之間的壓力差達到一給定值；
第一部件是連接到供料和生產管線之一的第一罐；
第二部件是所述第二罐(R1，…，R0)；
所述生產方法包括連續重新加壓步驟，在該連續重新加壓步驟中，氣體流入所述管線與第二罐之間的連接管線中，直到第二罐中獲得操作壓力，並且在該連續重新加壓步驟中至少執行步驟(b)至(e)，其中以生產速率與供料速率之間的差作為物理流動參數。
14.根據權利要求6至13中任一項所述的生產方法，其特徵在於在生產方法的至少一個步驟中，至少步驟(e)僅在生產方法的該步驟開始一時間間隔後執行，所述時間間隔具有足夠的持續時間，以便物理流動參數達到代表值。
15.一種包括程序編碼裝置的程序，當所述程序在可編程機上運行時，所述程序編碼裝置適於執行權利要求1至5中任一項所述的方法。
全文摘要
本發明涉及一種調節一單元的方法，該單元用於控制氣體吸附處理用的裝置，該裝置包括接收氣體的至少第一部件和第二部件(2，5，R0，…，R9)；將第一和第二部件連接在一起的連接管道(3，4，6，7)；以及連接管道上的閥，該閥根據可變閥開度參數選擇性地閉合和開啟。控制單元根據基於下列各項的開度參數控制閥的開度閥較早的開度參數、臨時閥開度參數和至少一個校正參數。本發明的方法包括步驟(a)，在該步驟中，根據裝置和流動參數調節校正參數。
文檔編號B01D53/047GK101146593SQ200680009774
公開日2008年3月19日 申請日期2006年2月23日 優先權日2005年3月25日
發明者L·阿利迪熱斯, J-C·奧貝爾, C·德魯阿爾, Y·恩格雷 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司