Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние техники и технологии адсорбционного разделения газовых смесей: проблемы и перспективы математического моделирования и управления 13
1.1 Короткоцикловая безнагревная адсорбция 13
1.1.1 Применение цеолитов в адсорбционных процессах 15
1.1.2 Применение активных углей в адсорбционных процессах 16
1.1.3 Примеры схемотехнических решений 18
1.2 Анализ современного состояния в области математического моделирования процессов адсорбционного разделения 25
1.2.1 Уравнения материального баланса 25
1.2.2 Уравнения кинетики сорбции 26
1.2.3 Уравнения изотерм сорбции 29
1.2.4 Уравнение изменения давления в слое адсорбента 31
1.2.5 Уравнения теплового баланса 32
1.2.6. Подходы к решению математической модели 34
1.2.7 Параметрическая идентификация и проверка адекватности модели 36
1.3 Системы управления циклическими адсорбционными процессами 37
1.4 Постановка целей и задач исследования 47
ГЛАВА 2. Математическое моделирование циклического процесса адсорбционного разделения газовой смеси с получением водорода 49
2.1 Описание технологической схемы получения водорода 49
2.2 Математическое описание технологического процесса 53
2.3 Алгоритм решения уравнений математической модели модуля «Адсорбер». 64
2.4 Параметрическая идентификация математической модели 68
ГЛАВА 3. Исследование процесса получения водорода методом вычислительного эксперимента 77
3.1 Анализ процесса получения водорода как объекта управления 77
3.2 Анализ результатов вычислительных экспериментов 79
ГЛАВА 4. Разработка системы управления циклическим процессом адсорбционного разделения газовой смеси с получением водорода 109
4.1 Формализация ограничений и принятые допущения в постановке задачи управления 110
4.2 Разработка системы управления процессом адсорбционного получения водорода
4.2.1 Постановка задачи управления 112
4.2.2 Выбор структуры системы управления и синтез алгоритма управления ТП 113
4.2.3 Решение задачи оптимизации 117
4.2.4 Параметрический синтез регулятора давления адсорбции 117
4.2.5 Реализация системы управления 123
4.3 Имитационные исследования системы управления 127
Заключение 136
Список использованной литературы
- Анализ современного состояния в области математического моделирования процессов адсорбционного разделения
- Математическое описание технологического процесса
- Анализ результатов вычислительных экспериментов
- Выбор структуры системы управления и синтез алгоритма управления ТП
Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия все более распространенным становится использование адсорбционных технологий для разделения газовых смесей, позволяющих существенно снизить затраты на очистку газов. Одной из основных областей применения газовой адсорбции явилось извлечение водорода из промышленных газовых смесей. Благодаря высокой химической активности, исключительной легкости и большому количеству тепла, выделяемому при горении, водород находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Основной потребитель этого газа – предприятия нефтепереработки и нефтехимии, куда идет до 50 % водорода, получаемого промышленным способом. В других отраслях промышленности водород используется и как основное сырье, и как вспомогательный материал, и как топливо. Согласно статистическим данным, общее потребление водорода удваивается каждые 15 лет.
Для получения водорода в промышленности используются различные водородсодержащие потоки, к числу которых относятся газы конверсии и окисления углеводородов, нефтезаводские газы, синтез-газ и др. При этом параметры водородсодержащих потоков (например, концентрации сопутствующих водороду веществ, температура, расход и др.) могут случайным образом изменяться, что обусловливает необходимость разработки гибких автоматизированных адсорбционных установок, обеспечивающих функционирование с высоким уровнем экономичности, энерго- и ресурсосбережения независимо от случайных изменений параметров сырья и других технологических переменных. В промышленных масштабах даже незначительный прирост чистоты получаемого водорода позволяет существенно повысить рентабельность производства.
Таким образом, теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования гибких автоматизированных процессов адсорбционного разделения являются актуальной проблемой в научном и практическом плане.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с госзаданием (проектная часть) Минобрнауки Тамбовскому государственному техническому университету №10.3533.2017/ПЧ по теме «Аппаратно-программный комплекс для исследования циклических адсорбционных процессов очистки и разделения газовых смесей».
Цель работы: обобщение научных достижений и разработка на их базе математической модели циклического процесса адсорбционного получения водорода, алгоритма и системы автоматического управления этим процессом, обеспечивающих поддержание максимальной концентрации продукционного водорода при выполнении заданных технологических ограничений (пп. 11, 15 паспорта специальности 05.13.06).
Объект исследования: математические модели и системы управления циклическим процессом адсорбционного разделения газовой смеси с получением водорода.
Предмет исследования: модели, методы и алгоритмы управления, обеспечивающие получение водорода методом адсорбционного разделения газовых смесей с циклически изменяющимся давлением при выполнении заданных технологических ограничений.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач были использованы методы системного анализа, математического моделирования, оптимизации, теории автоматического управления, теории процессов и аппаратов химической технологии.
Научная новизна работы. Разработана математическая модель динамики процесса адсорбционного получения водорода, отличающаяся учетом влияния процессов массо- и теплопереноса и скорости потока многокомпонентной газовой смеси на кинетику смешанно-диффузионного переноса ад-сорбтива и позволяющая рассчитывать профили концентраций компонентов и температуры в газовой и твердой фазах, давления и скорости газовой смеси по высоте адсорбента в зависимости от времени (пп. 4, 6 паспорта специальности 05.13.06).
Проведен анализ циклического процесса адсорбционного разделения газовой смеси с получением водорода как объекта управления: методом математического моделирования исследованы закономерности динамики адсорбционных процессов при действии различных возмущений (неопределенности параметров сырья, технологических переменных), области допустимых режимов функционирования в пространстве управляющих и возмущающих воздействий (пп. 11, 15 паспорта специальности 05.13.06).
Сформулирована задача оптимизации циклического процесса адсорбционного разделения газовой смеси с получением водорода, разработан алгоритм ее решения (пп. 11, 15 паспорта специальности 05.13.06).
Разработан алгоритм адаптивного управления процессом адсорбционного разделения газовой смеси с получением водорода с изменением настроечных параметров АСР (пп. 11, 15 паспорта специальности 05.13.06).
Практическая ценность работы. Методом вычислительного эксперимента проведены исследования закономерностей динамики адсорбционных процессов с циклически изменяющимся давлением при действии различных возмущений (неопределенности параметров сырья, технологических переменных), областей допустимых режимов функционирования в пространстве управляющих и возмущающих воздействий.
С использованием эталонной модели разработано алгоритмическое обеспечение адаптивной системы автоматического управления циклическим процессом адсорбционного разделения газовой смеси с получением водорода, обеспечивающей поддержание максимальной концентрации продукционного водорода при выполнении заданных технологических ограничений.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались: на международных научно-практических конференциях «Приоритетные научные направления: от теории к практике» в 2013 г.; «Научные итоги 2014 года: достижения, проекты, гипотезы» в 2014г.; «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований»
в 2015г.; на научных семинарах кафедры «Информационные процессы и управление» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» и ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст диссертации изложен на 152 страницах машинописного текста, включая 85 рисунков и 7 таблиц.
Анализ современного состояния в области математического моделирования процессов адсорбционного разделения
Пористая структура активных углей содержит поры различных размеров – микропоры, макропоры, мезопоры. Доля пор каждого типа зависит от конкретной марки угля. Начиная с 70-х гг. ХХ в. осуществляется промышленный выпуск молекулярно-ситовых активных углей, имеющих однородно-пористую структуру с порами условного размера 0,4-0,5 нм. Таким образом, адсорбционное разделение на активных углях может проводится на основании различий как в массах, так и в размерах молекул адсорбтива [1].
Активные угли получают из различных видов органического сырья: торфа, бурого, каменного и древесного угля, антрацита, опилок, отходов бумажного производства и кожевенной промышленности. Угли с высокой механической прочностью получают из скорлупы кокосовых орехов и косточек плодов.
К особенностям активных углей относятся гидрофобность и горючесть. Активные угли – практически единственный гидрофобный тип промышленных адсорбентов. Поглощение воды углями происходит чрезвычайно медленно, поэтому влажность среды не оказывает влияния на эффективность адсорбции примесей из газовых и жидких сред, за исключением случая очистки микропримесей с большой продолжительностью стадии адсорбции.
Отрицательной особенностью активных углей является их горючесть. Окисление углей на воздухе начинается при температуре 250С, однако известны случаи пожаров на установках с активным углем при меньших температурах. Для уменьшения пожарной опасности к активным углям иногда добавляют до 5% си-ликагеля, получая, таким образом, силикарбон [3]. 1.1.3 Примеры схемотехнических решений
Первые промышленные адсорбционные установки для извлечения водорода появились в конце 1960-х гг. и отличались небольшой производительностью. Многоадсорберные высокопроизводительные установки были разработаны только к концу 1970-х гг [2]. В настоящее время существует множество технологических схем, реализующих адсорбционное извлечение водорода из различных водо-родсодержащих смесей. Рассмотрим несколько примеров схемотехнических решений из патентной литературы.
В патенте РФ 2 466 928 [5] предложена схема 2-х адсорберной установки для извлечения водорода из метан-водородной смеси, полученной в результате пиролиза метана. Схема установки представлена на рисунке 1.3. В качестве адсорбента используется активный уголь. В установке реализуется напорно-вакуумная схема. Исходная метан-водородная смесь температурой 20-40С подводится к компрессору 103 по трубопроводу 200. Смесь, сжатая до давления P1, подается через клапаны 150-160 в адсорбер 101 или 102, в зависимости от того, какой из адсорберов проходит стадию адсорбции. Предположим, что на данной стадии находится адсорбер 101. При открытом клапане 150 давление в адсорбере 101 поднимается до уровня P1, метан поглощается активным углем, плохо сорбирующийся водород собирается в верхней части адсорбера. Продукционный водород выводится из адсорбера через клапан 151 и по трубопроводу 201 направляется к потребителям. Подача исходной смеси в адсорбер 101продолжается несколько минут, после чего клапаны 150 и 151 закрываются.
Во время адсорбции в адсорбере 101, которая описана выше, происходит регенерация адсорбента в адсорбере 102. Через клапан 162 из адсорбера 102 выводят некондиционную метан-водородную смесь при снижении давления в адсорбере от P1 до Р2. Некондиционную смесь направляют в трубопровод 200, в котором она смешивается с исходной смесью и через клапан 150 поступает в адсорбер 101. При достижении давления Р2 в адсорбере 102 клапан 162 закрывается и открывается клапан 163, через который осуществляется сброс давления в адсорбере 102 от P2 до Р3 с помощью вакуум-насоса 104, таким образом осуществляется десорбция остаточного метана из слоя адсорбента. Метан возвращают на стадию пиролиза по трубопроводу 202.
После завершения стадий адсорбции-регенерации адсорберы переключаются, при этом закрываются клапана 150, 151, 163 и открываются клапана 160, 161 и 152.
Давление на стадии адсорбции P1 – 0,5 - 2,0 МПа. При давлении меньше 0,5 МПа процесс выделения практически прекращается, при давлении больше 2 МПа падает степень извлечения водорода. Интервал давлений отбора некондиционной смеси лежит между давлением P1 и Р2 (атмосферное давление). Давление отбора фракции остаточного метана Р3 определяется характеристиками вакуум-насоса и составляет 0,01 0,005МПа.
В данной установке достигается чистота продукта порядка 99,5%. Содержание водорода в некондиционной фракции составляет от 7 до 16%; содержание водорода в остаточном метане – от 0,5 до 2%.
В патенте US 6 340 382 [6] описывается 4-х адсорберная установка для получения водорода чистотой не менее 99,9% из потока синтез-газа (60-90% водо 20 род, 10-40% примеси CO, CO2, CH4, N2, H2O). Схема установки приведена на рисунке 1.4. В адсорберах применяется многослойный адсорбент, состоящий из слоев активного алюминия, активного угля и цеолитов CaX, LiA или LiX. Слой активного алюминия осушает исходную газовую смесь; в слое активного угля поглощается практически вся фракция углекислого газа (более 99,85 мол.%), а также угарного газа и метана; цеолиты CaX, LiA или LiX сорбируют азот и остаточные фракции углекислого газа, угарного газа и метана.
Рассмотрим работу установки на примере колонны B1. Исходный газ подается компрессором при давлении 0,5-2 МПа к адсорберу B1 через клапан 31 (клапана 32-34 закрыты). На стадии адсорбции из B1 выходит продукционный газ, который через клапан 41 закачивается в ресивер, откуда поступает к потребителям. На следующем шаге продолжается адсорбция в колонне B1, при этом часть продукционного потока начинает поступать в адсорбер B4 для повышения
Математическое описание технологического процесса
При проектировании систем автоматического управления обычно исходят из известного характера воздействия на систему и предполагают, что этот характер, а также параметры системы при работе не изменяются или изменяются незначительно. Однако характеристики реальных внешних воздействий могут существенно отличаться от принятых при расчете системы вследствие неполной априорной (начальной) информации об этих воздействиях. Поэтому и процессы, происходящие в системе, будут отличаться от расчетных или оптимальных, а ошибки системы могут превышать допустимые пределы, что в отдельных случаях делает невозможным применение систем управления с постоянной структурой [35].
Кроме изменения характеристик внешних воздействий не остаются постоянными также некоторые параметры управляемого объекта. Они могут самопроизвольно изменяться по мере «старения» адсорбента, изменения характеристик окружающей среды (температуры, давления, влажности) и по другим причинам [35].
Таким образом, в условиях неполной априорной информации (т. е. в условиях начальной неопределенности) о внешних воздействиях и о параметрах объекта системы управления с постоянной структурой и фиксированными настроечными параметрами, заданными на этапе проектирования, не обеспечивают требуемого качества регулирования.
Для эффективного управления технологическим процессом в указанных условиях становится актуальной разработка гибких систем управления, позволяющих производить динамическое изменение структуры и настроечных параметров системы управления с целью стабилизации или оптимизации заданного критерия качества.
Наиболее рациональным решением является применение адаптивных систем управления. В системах данного класса, как следует из названия, реализуется адаптация, которая уменьшает первоначальную неопределенность с помощью информации, получаемой в процессе управления. В адаптивных (приспосабливающихся) системах автоматически в процессе работы системы пополняется информация об изменении характеристик внешних воздействий и параметров объекта и автоматически производятся изменения в системе управления, обеспечивающие необходимое или наилучшее (оптимальное по какому-либо критерию) качество управления объектом в изменяющихся условиях работы.
Функционально-структурная схема адаптивной СУ в общем виде представлена на рисунке 1.7. Система состоит из двух основных блоков - основной системы управления (устройство управления У0, управляемый объект ОУ, охваченные обратной связью) и блока автоматической адаптации Уа. Основная система в зависимости от ее назначения решает определенную задачу (например, задачу стабилизации, программного управления и др.), а блок адаптации Уа осуществляет настройку устройства управления У0 основной системы, изменяя ее параметры и структуру при изменяющихся условиях работы. В частности, если изменяются задающее z(t) и (или) возмущающее L(t) воздействия, то в результате анализа поступающих в Уа сигналов по заранее заложенному алгоритму вырабатывается управляющее воздействие V, обеспечивая каждый раз минимальную ошибку работы системы [35]. адаптивной СУ: ОУ – объект управления, У0 – устройство управления, Уа – блок адаптации.
Адаптивные системы представляют собой довольно обширный класс систем управления, обладающих специфическими свойствами и реализующих различные стратегии адаптации.
По характеру настройки адаптивные системы подразделяются на [35]: самонастраивающиеся системы; самоорганизующиеся системы; системы с адаптацией в особых фазовых состояниях; обучающиеся системы. В самонастраивающихся системах адаптация достигается изменением настроечных параметров системы управления. В тех случаях, когда изменения характеристик внешних воздействий или параметров системы имеют широкий диапазон и самонастройка системы изменением настроечных параметров не обеспечивает поддержания желаемого режима, прибегают к изменению структуры СУ. Адаптивные системы, в которых адаптация достигается изменением параметров и структуры СУ, называются самоорганизующимися [36].
В системах с адаптацией в особых фазовых состояниях специально организуются особые режимы (режим автоколебаний, скользящие режимы и др.), которые либо служат дополнительным источником рабочей информации об изменяющихся характеристиках объекта, либо придают системе новые свойства, за счет которых динамические характеристики управляемого объекта поддерживаются в допустимых диапазонах независимо от изменений условий работы системы.
Обучающиеся системы управления реализуют процессы обучения, которые заключаются в постепенном накапливании, запоминании и анализе информации о поведении системы и изменении алгоритмов управления в зависимости от приобретаемого опыта. В таких системах качество управления (например, точность) повышается по мере эксплуатации системы. В простейшем случае в самообучающуюся систему вводится второй контур адаптации, который совершенствует алгоритм работы первого контура адаптации по результатам анализа его функционирования [35].
Анализ результатов вычислительных экспериментов
При скорости газовой смеси ниже некоторого предельного значения процесс адсорбции лимитируется процессом внешней массоотдачи, в результате уравнение (2.7) сводится к функции Fk = $\(ck - fk). При скорости газовой смеси выше предельного значения процесс адсорбции лимитируется главным образом внутридиффузионным сопротивлением адсорбента, при этом уравнение (2.7) сводится к функции if = pj (uFk - wk). Объединение уравнений (2.5) и (2.6) в формуле (2.7) осуществляется с применением гиперболического тангенса, обеспечивающего гладкость функции, представленной правой частью уравнения (2.7). Коэффициент позволяет изменять гладкость перехода и тем самым регулировать размеры смашанно-диффузионной области, как показано на рисунке 2.5.
В качестве уравнения изотермы сорбции используется уравнение Ленгмю-ра-Фрейндлиха для многокомпонентной смеси [44]: р (Ад-hJадсhk eKk,Tадс с k+b6 klTадс -І— Qs Щ= : : т Тт Ги 17аП = v- nк- (2-") 1 + IV1 fHj1 1адс \"5,J+"6,J 4дс/ где Tадс - температура адсорбента (К), сk - концентрация k-го компонента газовой смеси (моль/м3), b - параметр изотермы. tghi Q-(vг - vгк рj) 1,5 0,5 -0,5 -1 -1,5 о кр г v г Рисунок 2.5 - Пояснение к уравнению кинетики сорбции. Є1 Є2 Є3 Параметры изотерм по H2, CO2 и CO для цеолита CaA представлены в литературе [44]. Уравнение изменения давления в слое адсорбента представлено уравнением Эргуна [45]: v (2.10) Гі50(і-г)2 п ( 1-е) dz l2 V +1 75MгPг 2 где - порозность слоя адсорбента без учета пористости частиц (м3/м3); - коэффициент сферичности гранул адсорбента; 1г- динамическая вязкость газовой смеси ((Нс)/м2); Мг- молярная масса газовой смеси (кг/моль); рг- плотность газовой смеси (моль/м3); гч- радиус гранулы адсорбента (м).
Начальные условия по скорости vг: vг(z,0)= v(z) (2.11) Граничные условия по скорости Уг на стадии адсорбции: vг (0, т) = вх , г = 0, (2.12) где Gвх - расход газовой смеси на входе адсорбера на стадии адсорбции, определяется расходом через один из клапанов К\Л- К4.і (м3/с); S - площадь поперечного сечения адсорбера (м2). Граничные условия по скорости угна стадии десорбции: G ЭУ(0,Т) V(L,T) = вых, г = 0, (2.13) где Gвых- расход газовой смеси на выходе адсорбера на стадии десорбции, определяется расходом через один из клапанов К12, К13, К14, К2з, К24, К34 (м3/с). Молярная масса газовой смеси находится по формуле: Мг = укМк, (2.14) =1 где у, = —-— мольная доля к-го компонента газовой смеси (моль/моль); tс, 1=1 Динамическая вязкость газовой смеси [46]: [iг = f[q,...cn ,Тг,Рг), к = \,пк (2.15) Уравнение теплового баланса для газовой фазы может быть записано в виде [10]: ее р + с vp-Хг + К- f (Т -Т )-\ (Т -Т) = 0, (2.16) гНг Эх г гFг dz г z dz 2 чУг адс/ d г с где сг- удельная теплоемкость газовой смеси (Дж/(мольК)); vг - скорость газовой смеси (м/с); рг - мольная плотность газовой смеси (моль/м3); Тг- температура газовой смеси (К); Гадс - температура адсорбента (К); є - порозность слоя адсорбента без учета пористости частиц (м3/м3); еобщ- порозность слоя адсорбента с учетом пористости частиц (м3/м3); А,гг- коэффициент теплопроводности газовой смеси (Вт/(мК)); К - коэффициент теплопередачи газовая фаза - твердая фаза
(Вт/(Км2)); /ч = (1-) - коэффициент удельной поверхности гранул адсорбен гч
та (м2/м3); гч- радиус гранул адсорбента (м); Кс - коэффициент теплопередачи от газовой фазы к окружающей среде (Вт/(Км2)); d- диаметр адсорбера (м); Тс температура окружающей среды (К).
В уравнении (2.16) первое слагаемое описывает накопление тепла в газовой фазе; второе слагаемое - конвективную составляющую переноса тепла; третье слагаемое - продольную теплопроводность газовой фазы по высоте слоя адсорбента; четвертое слагаемое - теплоотдачу от газовой фазы к твердой фазе (адсорбенту); пятое слагаемое - теплопередачу в системе газовая фаза - стенка адсорбера - окружающая среда. Начальные условия: Tг(z, 0) = 7г0(z); 0 z L (2.17) Граничные условия на стадии адсорбции: 7г(0, т) = 7гвх(т) (2.18) Граничные условия на стадии десорбции: Тг (L, т) = 7гвых (т) (2.19) Удельная теплоемкость газовой смеси определяется по формуле: с г =10 3 (7г -273,15 ) ук\Лк + ВкТг + СкТг2 + DkTг3 ) , (2.20) к=1 где Ak,Bk,Ck,Dk- коэффициенты аппроксимирующего полинома. Уравнение теплового баланса для твердой фазы имеет вид [10]: Радс Ср адс + Ь \Ср сорб Wk j + OX k=1 ОХ (2.21) 1 К Эх ) адс,2 dz 2 где с адс- удельная теплоемкость адсорбента (Дж/(кгК)); радс - насыпная плотность адсорбента (кг/м3); срсорб - удельная теплоемкость адсорбата (Дж/(мольК)); + gM1 + 2+Jf./ч (rг-3адс ) =0 АНк- теплота сорбции к-го компонента газовой смеси (Дж/моль); Хадс- коэффициент теплопроводности адсорбента (Вт/(мК)); К - коэффициент теплопередачи (Дж/(м2с)); /ч- коэффициент удельной поверхности гранул адсорбента (м2/м3).
В уравнении (2.21) первое слагаемое описывает энтальпию твердой фазы (адсорбента); второе слагаемое - энтальпию адсорбата; третье слагаемое - выделение теплоты сорбции компонентов газовой смеси; четвертое слагаемое - теплопроводность в адсорбенте вдоль оси адсорбера; пятое слагаемое - теплопередачу от газовой фазы к твердой фазе.
Выбор структуры системы управления и синтез алгоритма управления ТП
На рисунке 3.2 представлены графики изменения давления в адсорберах A1 - A4 в зависимости от времени. Анализ графиков на рисунке 3.2 показывает, что динамика давления в адсорберах вполне соответствует циклограмме изменения давления в 4-адсорберной установке для получения водорода, приведенной в главе 2 (рисунок 2.3).
Начальный прямолинейный участок 1-го графика рисунка 3.2 соответствует отрезку 1-2 рисунка 2.3 (адсорбер A1 ), в течение которого осуществляется стадия адсорбции в указанном адсорбере. Здесь можно отметить, что все участки с постоянным давлением соответствуют протеканию стадии адсорбции.
В момент времени, соответствующий точке 2 рисунка 2.3, стадия адсорбции в адсорбере А1 завершается, заполняющий его газ сбрасывается в колонну А3, при этом давление в нем подает (1-й график рисунка 3.2), а в колонне А3 растет (3-й график рисунка 3.2).
В точке 3 рисунка 2.3 оставшийся газ из колонны А1 поступает на противо-точную продувку адсорбера А4, давление в ней продолжает падать (1-й график рисунка 3.2). Когда адсорбент в колонне А4 достаточно регенерирован (точка 4 рисунка 2.3), давление в А4 несколько повышается (4-й график рисунка 3.2), а в А1 продолжает падать.
В точке 5 рисунка 2.3 прекращается подача газа из колонны А1 в А4, остаток газа из А1 сбрасывается в атмосферу, избыточное давление газа в нем падает до нуля (1-й график рисунка 3.1). Регенерация адсорбента в А1 начинается в точке 6 рисунка 2.3. Продукционный газ из колонны А2 противоточно вводится в адсорбер А1, что понижает давление газа в нем (2-й график рисунка 3.2). Продувка завершается в точке 7 рисунка 2.3, давление в адсорбере А1 начинает расти, а в колонне А2 падает (1-й и 2-й графики рисунка 3.2). На отрезке 8-9 рисунка 2.3, дальнейший подъем давления в А1 производится газом из адсорбера А3, что также приводит к падению давления в нем т,с На последнем участке 9-10 рисунка 2.3 давление в адсорбере А! доводится до рабочего давления адсорбции подачей исходной газовой смеси, после чего вновь начинается стадия адсорбции (1-й график рисунка 3.2). Аналогичные, сдвинутые по времени циклические операции производятся в адсорберах А2, А3 и А4.
На рисунках 3.3-3.7 представлены зависимости концентрации, степени извлечения и температуры продукционного Н2 от температуры исходной газовой смеси (Н2-С02-СО). На рисунке 3.3 представлены зависимости концентрации продукционного Н2 от длительности стадии адсорбции адс при температуре исходной смеси 10, 30 и 50 С и отношении длительности шагов десорбции и адсорбции дес/адс = 0,2; 0,5 и 0,8. Из анализа графиков следует, что указанные зависимости носят экстремальный характер. При всех значениях дес /адс кривые имеют максимум, лежащий в диапазоне 35-75 с. При большей длительности стадии адсорбции адсорбент в меньшей степени регенерируется, что снижает чистоту продукта. При меньшей длительности стадии адсорбции давление в адсорбере не достигает рабочего значения, что также приводит к уменьшению чистоты продукта на выходе. При отношении дес/адс = 0,5 наблюдается экстремальная зависимость чистоты продукта от температуры исходной смеси, с ростом температуры концентрация водорода повышается до некоторого максимального значения, после чего начинается ее снижение. Наилучшие результаты достигаются при температуре исходной смеси 30С.
При других отношениях дес/адс (например, 0,2 и 0,8) кривые практически совпадают, а расхождение наблюдается только на концевом участке. Таким образом, температура исходной смеси в наибольшей степени влияет на чистоту продукта при величине дес/адс =0,5. Y H 2 , % (мол.) 100 95 90 80 50 75 100 125 150 175 200 адс с а) Y H 2 , % (мол.) 100 90 85 т -f— 30о С /10о С / 50оС ь. 50 75 100 125 150 175 200 адс?с б) Y H 2 , % (мол.) 100 95 90 80 50 75 100 125 150 175 200 адс ,с в) Рисунок 3.3 - Зависимость концентрации продукционного Н2 от длительности стадии адсорбции тадс при температуре исходной смеси 10, 30, 50 С и отношениях дес /адс = 0,2 (а); 0,5 (б); 0,8 (в). На рисунках 3.4, 3.5 представлены зависимости степени извлечения продукционного водорода от длительности стадии адсорбции адс при температуре исходной смеси 10, 30, 50 С и отношениях дес /адс = 0,2; 0,5 и 0,8. Как следует из графиков, величина дес/адс качественно влияет на вид кривых. При дес/адс = 0,2 и 0,8 зависимость имеет линейный характер, при дес/адс= 0,5 - экстремальный.
Степень извлечения продукта пропорциональна длительности стадии адсорбции при всех рассмотренных значениях температуры исходной смеси и дес /адс = 0,2 и 0,8. Увеличение степени извлечения происходит с одновременным снижением чистоты продукта, что можно объяснить ростом расхода продукционного газа с увеличением длительности стадии адсорбции.
Зависимость степени извлечения от температуры исходной смеси при дес /адс = 0,2 и 0,8 имеет нелинейный характер. На начальном участке отрезка до тадс 125с (рис 3.4 (а)) наивысшая степень извлечения достигается при температуре исходной смеси 10С. На концевом участке отрезке максимум степени извлечения наблюдается при температуре 50С. На рисунке 3.4 (в) максимальная степень извлечения достигается также при температуре 50С на большей части диапазона изменения гадс. Все графики имеют точку перегиба, в которой наклон кривых уменьшается, т.е. снижается чувствительность степени извлечения к длительности стадии адсорбции.