Аппаратно-программный комплекс для исследования циклических адсорбционных процессов очистки и разделения газовых смесей
HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX FOR THE STUDY OF CYCLIC ADSORPTIVE PROCESSES OF CLEANING AND SEPARATING GAS MIXTURES

Изобретение относится к стендам для исследования циклических адсорбционных процессов, в частности, для исследования тепло- и массообменных процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции.
Известен аппаратно - программный комплекс для оценки состояния системы регуляции дыхания и способ его использования (патент РФ 2550127, МПК А61В). Комплекс включает блок газораспределения, блок подачи газов, блок сбора, обработки данных и управления системой, при этом блок газораспределения выполнен в виде замыкаемого и размыкаемого дыхательного контура, состоящего из соединенных между собой посредством трубок: металлической емкости с мешком, вентилятора, химического поглотителя, регулятора потока, системы клапанов и трехходовых кранов, шлангов, клапанной коробки, устройства с возможностью реализации биологической обратной связи, посредством отметки испытуемым своего состояния, и передачи данных в терминальное устройство блока сбора, обработки данных и управления системой, с программным обеспечением, реализующим управление движением газов и их параметрами, датчиками концентраций газов, датчиками потоков, датчиками измерения физиологических параметров, информация с которых посредством преобразователя передается в терминальное устройство.
Данный стенд обладает функционалом, обеспечивающим взаимосвязь датчиков, измеряющих физические параметры процесса дыхания и программной части, обеспечивающей обработку и визуализацию полученных данных. Однако, данный стенд предназначен для применения в поликлинических условиях, в ограниченных замкнутых объемах, пребывание человека в которых может быть сопряжено с изменениями чувствительности дыхательного центра к дыхательным газам (O2 и CO2) в измененной газовой среде, и не предназначен для исследования процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции.
Известен также стенд для исследования быстрых процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции, принципиальная схема которого (статья авторов R.P. Lively, N. Bessho, D.A. Bhandari, Y. Kawajiri, W.J. Koros «Thermally moderated hollow fiber sorbent modules in rapidly cycled pressure swing adsorption mode for hydrogen purification)), International journal of hydrogen energy №37, 2012, P. 15227-15240) включает две емкости с развернутой шихтой, заполненные нетканым волокнистым пористым материалом, систему пневматических клапанов, а также датчики температуры, массового расхода, связанный с ним контроллер, газовый хроматограф. Датчики через контроллер связаны с персональным компьютером, на котором установлено программное обеспечение для управления процессом газоразделения и визуализации полученных данных в среде Lab View.
К числу основных недостатков этого стенда относится возможность моделирования работы (получения кривых концентрации на выходе из установки в зависимости от времени) только одноадсорберной установки короткоцикловой безнагревной адсорбции (далее - КБА) с развернутой шихтой при относительно малых значениях длительности стадий адсорбции и десорбции, соответствующих быстрым процессам КБА.
Известен также стенд для исследования процесса обогащения газовой смеси водородом по технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции, принципиальная схема которого (статья авторов D.D. Papadias, S.H.D. Lee, S. Ahmed «Facilitating analysis of trace impurities in hydrogen: Enrichment based on the principles of pressure swing adsorption», International journal of hydrogen energy №37, 2012, P. 14413-14426) включает источник газовой смеси, содержащей водород, клапаны, в т.ч. трехходовые, регуляторы давления, датчики давления, адсорбер, заполненный адсорбентом, например, активированным углем, цеолитом СаА, пробоотборную камеру, поворотную головку, которая соединяет адсорбер поочередно с линией отбора продукционного водорода, с линией сброса промывочной смеси, и, далее через ротаметр с атмосферой.
Недостатком данного стенда является невозможность контроля и визуализации данных в режиме онлайн с помощью компьютера и соответствующего программного обеспечения.
Известен также стенд для исследования процесса обогащения газовой смеси водородом по технологии вакуумной короткоцикловой безнагревной адсорбции, принципиальная схема которого (статья авторов F.V.S. Lopes, C.A. Grande, A.E. Rodrigues «Activated carbon for hydrogen purification by pressure swing adsorption: Multicomponent breakthrough curves and PSA performance», Chemical Engineering Science, №66, 2011, P. 303-317) включает источники давления и вакуума, систему клапанов, в т.ч. одно-, двух-, четырехходовых, адсорбционную колонну с установленными по ее высоте термопарами, датчики давления, массового расхода, соединенные с соответствующими контроллерами, газовый хроматограф, персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением для управления схемой и контроля за параметрами процесса обогащения газовой смеси водородом в режиме онлайн.
Недостатком предлагаемого решения является возможность моделирования работы (получения кривых концентрации на выходе из установки в зависимости от времени) только одноадсорберной установки КБА с использованием адсорбера высотой не менее той, которая позволяет размещение термопар по его высоте. Кроме того, в установке контролируется концентрация водорода только на выходе, в то время, как интерес также представляет его остаточная концентрация в сбросовой смеси. Из-за отсутствия измерения концентрации на входе в установку, в качестве рабочих могут использоваться только готовые газовые смеси заранее известного состава. Например, при исследовании процесса обогащения воздуха кислородом, состав исходного воздуха может колебаться, что будет сказываться на концентрации кислорода в продукционной смеси.
Известен стенд для исследования процесса обогащения воздуха кислородом (патент США 8226745, МПК B01D), включающий источники сжатого воздуха, чистого (промывочного) кислорода, систему распределительных клапанов, датчики давления, массового расхода, связанные с персональным компьютером с установленным программным обеспечением, предоставляющим возможность визуализации данных в режиме онлайн. Контроль концентрации компонентов на выходе из установки осуществляется с помощью масс-спектрографа, соединенного с персональным компьютером.
Недостатком указанного стенда является то, что в установке контролируется концентрация кислорода только на выходе, в то время, как интерес также представляет его остаточная концентрация в сбросовой смеси. Из-за отсутствия измерения концентрации на входе в установку, в качестве рабочих могут использоваться только готовые газовые смеси заранее известного состава, что также обусловлено известными признаками технического решения.
Задачей изобретения является повышение точности имитации процесса газоразделения по технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции и обеспечение возможности автоматизированного расчета идентифицируемых коэффициентов математической модели, реализованной в программной части аппаратно-программного комплекса.
Решение технической задачи достигается за счет измерения режимных параметров (давления, объемного расхода, температуры, концентрации компонентов) на линии подачи исходной газовой смеси в установку, на линии отбора продукционной смеси, на линии сброса промывного газа аппаратной части программно-аппаратного комплекса, реализующего принцип короткоцикловой безнагревнеой адсорбции с возможностями реализации схем, включающих от одного до четырех адсорберов и идентификации коэффициентов математической модели (коэффициентов массоотдачи для каждого адсорбируемого компонента) процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции, реализованные в программной части программно-аппаратного комплекса.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Технический результат достигается тем, что аппаратно-программный комплекс для исследования циклических адсорбционных процессов очистки и разделения газовых смесей содержит: соединенные параллельно, исключающие возможность одновременного включения компрессор с электромагнитным клапаном, газовый баллон с электромагнитным клапаном, электромагнитный клапан, связанный с атмосферой, соединенные через осушитель, ресивер, регулятор давления, регулятор расхода, электромагнитные клапаны, с адсорберами с одной стороны, электромагнитные клапаны, соединенные с атмосферой и с адсорберами с той же стороны, электромагнитные клапаны, соединенные параллельно через ресивер с атмосферой, и с газовым баллоном, исключая возможность одновременного соединения с атмосферой и газовым баллоном и с адсорберами с другой стороны, причем в аппаратно-программном комплексе установлены четыре адсорбера с возможностью регулирования высоты слоя адсорбента путем установки верхних крышек на заданную глубину и возможностью организации одновременной работы от одного до четырех адсорберов путем включения или выключения соответствующих электромагнитных клапанов с помощью программируемого логического контроллера, соединенного с персональным компьютером, аппаратной части аппаратно-программного - комплекса согласно программе, задаваемой программным блоком управления через программный блок формирования плана экспериментальных исследований программной части аппаратно-программного - комплекса, реализованной на персональном компьютере, а на линиях подачи исходной газовой смеси в установку, отбора продукционной смеси, сброса промывного газа аппаратной части программно-аппаратного комплекса установлены датчики измерения режимных параметров (давления, объемного расхода, температуры, концентрации компонентов), соединенные с контроллером датчиков, осуществляющим непрерывную регистрацию режимных параметров, и соединенным с персональным компьютером, с последующей идентификацией и расчетом коэффициентов математической модели в программной части аппаратно-программного комплекса, что обеспечивает повышение точности имитации процесса газоразделения по технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции.
Корпуса адсорберов выполнены из полимерного материала с низкой теплопроводностью.
В качестве материала корпуса с низкой теплопроводностью используется полиамид шестиблочный.
В установке используются клапаны с электромагнитным управлением со скоростью срабатывания не более 0,1 с.
Организация аппаратно-программного комплекса в виде четырехадсорберной схемы с возможностью одновременной работы от одного до четырех адсорберов с измерением режимных параметров (давления, объемного расхода, температуры, концентрации компонентов) на линии подачи исходной газовой смеси в установку, на линии отбора продукционной смеси, на линии сброса промывного газа аппаратной части программно-аппаратного комплекса обеспечивает гибкость построения схемы установки короткоцикловой безнагревной адсорбции газоразделения с возможностью имитации работы одноадсорберной, двухадсорберной установки без выравнивания и с выравниванием давлений между адсорберами, трехадсорберной схемы с выравниванием давлений между адсорберами и четырехадсорберной схемы с выравниванием давлений между адсорберами с регистрацией режимных параметров процесса (давления, объемного расхода, температуры, концентрации компонентов) в непрерывном режиме с последующим автоматизированным расчетом коэффициентов математической модели (коэффициентов массоотдачи для каждого адсорбируемого компонента) процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции, реализованном в программной части программно-аппаратного комплекса. Использование в установке двух контроллеров с возможностью соединения с персональным компьютером обеспечивает: непрерывное управление электромагнитными клапанами с целью переключения газового потока со стороны линии подачи исходной газовой смеси в установку: между компрессором и баллоном; со стороны линии сброса промывного газа: между вакуум-насосом и атмосферой; со стороны линии отбора продукционной смеси: между атмосферой и баллоном с помощью программируемого логического контроллера, а также непрерывное получение текущих значений режимных параметров процесса с помощью контроллера датчиков и передачу их на персональный компьютер.
Выполнение адсорберов установки с возможностью регулирования высоты слоя адсорбента путем установки верхних крышек на заданную глубину обеспечивает получение необходимой для эффективного газоразделения высоты слоя адсорбента.
Выполнение корпусов адсорберов из полимерного материала с низкой теплопроводностью обеспечивает теплоизоляцию внутреннего пространства адсорберов (слоя адсорбента) от окружающей среды.
Использование в качестве полимерного материала с низкой теплопроводностью полиамида шестиблочного обеспечивает требуемую теплоизоляцию корпуса при выполнении требований прочности корпуса.
Использование в установке клапанов с электромагнитным управлением со скоростью срабатывания не более 0,1 с обеспечивает требуемую точность организации процесса газоразделения, что необходимо при имитировании работы схем с количеством адсорберов более одного.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения может быть многократно использована в производстве различных модификаций аппаратно-программных комплексов для исследования циклических адсорбционных процессов очистки и разделения газовых смесей с получением технического результата, заключающегося в повышении точности имитации процесса газоразделения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения, где:
На фиг. 1 показана принципиальная схема аппаратно-программного комплекса.
На фиг. 2 показана схема взаимодействия аппаратной и программной частей аппаратно-программного комплекса.
На фиг. 3 показан адсорбер в разрезе.
На представленных чертежах изображены:
1 - компрессор;
2 - электромагнитный клапан;
3 - газовый баллон;
4, 5 - электромагнитные клапаны;
6 - осушитель;
7 - ресивер;
8 - регулятор давления;
9 - регулятор расхода;
10 - электромагнитный клапан;
11 - датчик объемной доли газообразных веществ;
12 - датчик объемного расхода;
13 - датчик температуры;
14 - датчик давления;
15-18 - электромагнитные клапаны;
19-22 - адсорберы;
23-26 - электромагнитные клапаны;
27 - датчик объемной доли газообразных веществ;
28 - датчик объемного расхода;
29 - датчик температуры;
30 - датчик давления;
31-39 - электромагнитные клапаны;
40 - датчик объемной доли газообразных веществ;
41 - датчик объемного расхода;
42 - датчик температуры;
43 - датчик давления;
44 - ресивер;
45, 46 - электромагнитные клапаны;
47 - газовый баллон;
48 - программируемый логический контроллер;
49 - контроллер датчиков;
50 - персональный компьютер;
51 - программный блок формирования плана экспериментальных исследований;
52 - программный блок идентификации и расчета коэффициентов математической модели;
53 - программный блок управления;
54 - корпус адсорбера;
55 - крышки;
56 - штуцеры;
57 - антифрикционные втулки;
58 - конические вставки;
59 - уплотнение конической вставки;
60 - уплотнительные прокладки;
61 - слой адсорбента;
62 - распределительные решетки.
Аппаратно-программный комплекс содержит: компрессор 1, через электромагнитный клапан 2; газовый баллон 3, через электромагнитный клапан 4; электромагнитный клапан 5, связанный с атмосферой, соединенные через осушитель 6, ресивер 7, регулятор давления 8, регулятор расхода 9, электромагнитный клапан 10, датчики: объемной доли газообразных веществ 11, объемного расхода 12, температуры 13, давления 14, через электромагнитные клапаны 15-18 с адсорберами 19-22, соответственно, с одной стороны, образуя линию подачи исходной газовой смеси. Адсорберы 19-22 с той же стороны через электромагнитные клапаны 23-26, датчики: объемной доли газообразных веществ 27, объемного расхода 28, температуры 29, давления 30, соединены с атмосферой, образуя линию сброса промывного газа. Адсорберы 19-22 с другой стороны соединены: между собой через электромагнитные клапаны 31-34, образуя линию выравнивания давлений между адсорберами и через электромагнитные клапаны 35-38, электромагнитный клапан 39, датчики: объемной доли газообразных веществ 40, объемного расхода 41, температуры 42, давления 43, ресивер 44, электромагнитный клапан 45 - с атмосферой, а через электромагнитный клапан 46 с газовым баллоном 47, образуя линию отбора продукционной смеси. Управление электромагнитными клапанами 2, 4-6, 15-18, 23-26, 31-39, 45, 46, регулятором давления 8, регулятором расхода 9 осуществляется по линиям связи 1-25 с помощью программируемого логического контроллера 48. Непрерывный сбор данных с датчиков 11-14, 27-30, 40-43 осуществляется по линиям связи 26-37 с помощью контроллера датчиков 49. Программируемый логический контроллер 48, контроллер датчиков 49 соединены с персональным компьютером 50, с установленным программным обеспечением, включающим программные блоки: формирования плана экспериментальных исследований 51, идентификации и расчета коэффициентов математической модели 52, управления 53.
Адсорберы 19-22 содержат корпус адсорбера 54, в верхней и нижней части которого в резьбовых гнездах установлены крышки 55 с резьбовыми отверстиями по центру, в которых установлены штуцеры 56. Штуцеры 56 своими торцами примыкают к антифрикционным втулкам 57, установленным в конических вставках 58, которые примыкают к корпусу 54 через уплотнение конической вставки 59. На торцах конических вставок 58 установлены уплотнительные прокладки 60, примыкающие к слою адсорбента 61 через распределительные решетки 62.
Сборка устройства осуществляется следующим образом.
Вначале осуществляется сборка адсорберов установки. В вертикально расположенную широкой частью вверх коническую вставку 58 с уплотнением конической вставки 59 с расположенной на ней сверху уплотнительной прокладкой 60 и распределительной решеткой 62 снизу вкручивается антифрикционная втулка 57. Далее в нижнюю часть антифрикционной втулки 57 вворачивается штуцер 56, предварительно вкрученный в крышку 55 и крышка 55 плавно вкручивается в нижнюю часть корпуса 54 до упора. Далее с верхней стороны корпуса адсорбера 54 осуществляется засыпка адсорбента 61. Герметизация верхней половины адсорбера достигается вворачиванием штуцера 56 до упора в антифрикционную втулку 57 при предварительно закрученной крышке 55 в корпус адсорбера 54.
Далее осуществляется сборка аппаратно-программного комплекса и соединение всех элементов полиуретановыми шлангами (показаны условно). Компрессор 1 соединяется с одним концом электромагнитного клапана 2, далее газовый баллон 3, предварительно заполненный анализируемой смесью, соединяется с одним концом электромагнитного клапана 4, после чего свободные концы электромагнитных клапанов 2, 4 присоединяются к двум концам трехходового фитинга (условно не показан). Свободный конец трехходового фитинга соединяется с одним из концов другого трехходового фитинга (условно не показан), второй конец которого соединятся с электромагнитным клапаном 5, связанным с атмосферой, третий конец которого соединяется с осушителем 6. Осушитель 6 соединяется с ресивером 7, далее с регулятором давления 8, далее с регулятором расхода 9, далее через электромагнитный клапан 10 последовательно через трехходовые фитинги (условно не показаны) с установленными датчиками объемной доли газообразных веществ 11, объемного расхода 12, температуры 13, давления 14, далее через трехходовые фитинги (условно не показаны) с электромагнитными клапанами 15-18 с одной стороны. Каждый из электромагнитных клапанов 15-18 с другой стороны соединяется с одним из концов трехходовых фитингов (условно не показаны), другой конец трехходовых фитингов (условно не показаны) соединяется с соответствующим адсорбером 19-22 с одной стороны, соответственно, третий конец каждого трехходового фитинга (условно не показаны) соединяется через электромагнитные клапаны 23-26 последовательно через трехходовые фитинги (условно не показаны) с датчиками объемной доли газообразных веществ 27, объемного расхода 28, температуры 29, давления 30 и далее с атмосферой. Адсорберы 19-22 с другой стороны соединяются между собой через два свободных конца трехходовых фитингов (условно не показаны) и электромагнитные клапаны 31-34, а третьи свободные концы трехходовых фитингов (условно не показаны) соединяются соответственно через электромагнитные клапаны 35-38, два свободных конца трехходового фитинга (условно не показан) через электромагнитный клапан 39, датчики объемной доли газообразных веществ 40, объемного расхода 41, температуры 42, давления 43, ресивер 44, электромагнитный клапан 45 с атмосферой, а третьим концом трехходового фитинга через электромагнитный клапан 46 с газовым баллоном 47, предварительно заполненным промывной смесью. После сборки осуществляется подключение электромагнитных клапанов 2, 4, 5, 10, 15-18, 23-26, 31-39, 45, 46, регулятора давления 8, регулятора расхода 9 по линиям связи 1-25 к программируемому логическому контроллеру и к сети 24 вольта постоянного тока (условно не показана). Далее осуществляется подключение датчиков 11-14, 27-30, 40-43 по линиям связи 26-37 к контроллеру датчиков 49. Далее программируемый логический контроллер 48, контроллер датчиков 49 соединяются с персональным компьютером 50 шлейфом по протоколу RS-232 для взаимодействия с установленным на персональном компьютере 50 программным обеспечением, включающим программные блоки: формирования плана экспериментальных исследований 51, идентификации и расчета коэффициентов математической модели 52, управления 53.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В программной части аппаратно-программного комплекса с помощью программного блока управления 53 формируется задание для программного блока формирования плана экспериментальных исследований 51, который определяет алгоритм работы программно-аппаратного комплекса. Рассмотрим алгоритм работы аппаратно-программно комплекса при реализации наиболее сложной четырехадсорберной схемы процесса очистки и газоразделения.
Исходная газовая смесь подается в установку либо компрессором 1 через электромагнитный клапан 2 (при закрытом электромагнитном клапане 4), либо из газового баллона 3 через электромагнитный клапан 4 (при закрытом электромагнитном клапане 2). Далее, при необходимости, часть смеси может быть стравлена в атмосферу через электромагнитный клапан 5 и поступает в осушитель 6, где осуществляется избирательное поглощение паров воды, далее в ресивер 7, с объемом, достаточным для сглаживания пульсаций подачи исходной смеси. Из ресивера 7 смесь подается через регулятор давления 8, позволяющий обеспечить требуемое давление исходной смеси, регулятор расхода 9, обеспечивающий заданный расход исходной смеси, электромагнитный клапан 10, через электромагнитные клапаны 15-18 в адсорберы 19-22. Контроль параметров подаваемой газовой смеси осуществляется в непрерывном режиме с помощью датчиков объемной доли газообразных веществ 11, объемного расхода 12, температуры 13, давления 14, установленных по месту в линии подачи. В каждом из адсорберов 19-22 в течение цикла, задаваемого программируемым логическим контроллером 48 последовательно реализуются следующие стадии: адсорбция (избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой смеси), сброс остаточного давления до промежуточного значения, десорбция, подъем давления до промежуточного значения, подъем давления до давления адсорбции. Рассмотрим работу установки на примере адсорбера 19. Исходная газовая смесь с давлением, равным давлению адсорбции, подается через электромагнитный клапан 15 (при закрытом электромагнитном клапане 23) в адсорбер 19, заполненный адсорбентом, где за счет избирательности адсорбции смесь освобождается от сорбируемых компонентов и поступает через электромагнитный клапан 35, электромагнитный клапан 39, в ресивер 44, откуда сбрасывается в атмосферу электромагнитным клапаном 45. Контроль параметров полученной смеси осуществляется в непрерывном режиме с помощью датчиков объемной доли газообразных веществ 40, объемного расхода 41, температуры 42, давления 43, установленных перед ресивером 44. Часть смеси, выходящей из адсорбера 19 с помощью открытых электромагнитных клапанов 31, 33 поступает противотоком в адсорбер 21, где осуществляется сброс давления с промежуточного до давления десорбции и десорбция сорбированных компонентов при атмосферном давлении в отходящий поток, направляемый через электромагнитный клапан 25 (при закрытых электромагнитных клапанах 17, 37) в атмосферу. Контроль параметров смеси, сбрасываемой в атмосферу, осуществляется в непрерывном режиме с помощью датчиков объемной доли газообразных веществ 27, объемного расхода 28, температуры 29, давления 30. Одновременно в адсорбере 20 (при закрытых электромагнитных клапанах 16, 24, 36) происходит снижение давления до промежуточного (между давлением адсорбции и десорбции) путем выравнивания давлений с адсорбером 22, в котором происходит повышение давления с давления десорбции до промежуточного давления (при закрытых электромагнитных клапанах 18, 26, 38) за счет сброса газового потока из адсорбера 20 через электромагнитные клапаны 32, 34 в адсорбер 22. Описанные процессы продолжаются в течение времени, равного  времени цикла, далее процесс повторяется для каждого из адсорберов, таким образом обеспечиваются непрерывные потоки газовой смеси на линии подачи исходной газовой смеси в установку, на линии отбора продукционной смеси, на линии сброса промывного газа аппаратной части программно-аппаратного комплекса. Непрерывно получаемые текущие значения режимных параметров процесса с помощью контроллера датчиков 49 передаются на персональный компьютер 50 в программную часть блока идентификации и расчета коэффициентов математической модели 52, где осуществляется автоматизированный расчет коэффициентов математической модели (коэффициентов массоотдачи для каждого адсорбируемого компонента), используемый для расчета процессов газоразделения. В случае необходимости, имеется возможность регенерации адсорбента в адсорберах 19-22 из газового баллона 47 путем открытия электромагнитного клапана 46 при закрытом электромагнитном клапане 39.
Устройство позволяет повысить точность имитации процесса газоразделения по технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции и обеспечить автоматизированный расчет и идентификацию коэффициентов математической модели (коэффициентов массоотдачи для каждого адсорбируемого компонента) процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции, реализованной в программной части программно-аппаратного комплекса.