Τι είναι ένας αντιδραστήρας ελέγχου πίεσης; Αρχές, τεχνολογίες και εφαρμογές

Απαντώντας στην βασική ερώτηση:Τι είναι ένας αντιδραστήρας ελέγχου πίεσης και πώς διατηρεί ακριβή ρύθμιση πίεσης σε χημικές διεργασίες υψηλής πίεσης;Ένας αντιδραστήρας ελέγχου πίεσης είναι ένας χημικός αντιδραστήρας εξοπλισμένος με συστήματα ενεργού ρύθμισης πίεσης που διατηρούν την πίεση λειτουργίας εντός των ορίων +/- 0,01 έως +/- 0.1 MPa θεμελιώδους σημείου σε όλα τα εύρη λειτουργίας από το κενό (-0Τα βασικά στοιχεία περιλαμβάνουν ρυθμιστή αντίστροφης πίεσης (BPR) στην έξοδο ατμού / υγρού,ένα PID (Proportional-Integral-Derivative) κυκλικό έλεγχο με ανατροφοδότηση από τον πομπό πίεσης (χρόνος απόκρισης 0).1-5 δευτερόλεπτα), ένα δοχείο αζώτου ή αδρανούς αερίου για τη διατήρηση της άνω πίεσης και συσκευές ελάφρυνσης πίεσης σύμφωνα με την ASME UG-125 (PSV που ορίζεται στο MAWP,με συσσώρευση που περιορίζεται στο 110% MAWP για μία βαλβίδα ανακούφισης)Αυτοί οι αντιδραστήρες είναι απαραίτητοι για την υδρογόνωση (2-15 MPa), την πολυμερισμό (1-30 MPa), την υπερκριτική εκχύλιση CO2 (7-48 MPa),και υδροθερμική σύνθεση (10-40 MPa) όπου η πίεση επηρεάζει άμεσα την κινητική της αντίδρασης, συμπεριφορά φάσης και επιλεκτικότητα του προϊόντος.

1Βασικές αρχές και τεχνολογίες ελέγχου πίεσης

Τα συστήματα αντιδραστήρων ελέγχου πίεσης βασίζονται σε τρεις μηχανικές αρχές:

• Ρυθμισμός αντίστροφης πίεσης και διαμόρφωση ροήςΟ ρυθμιστής αντίστροφης πίεσης (BPR) είναι μια βαλβίδα που φορτίζεται με ελατήριο ή θόλο και τοποθετείται στην έξοδο του αντιδραστήρα, η οποία διατηρεί την πίεση προς τα εμπρός με τη διαμόρφωση της εξόδου.Τα BPR που φορτώνονται με θόλο χρησιμοποιούν ένα πιλοτικό σήμα πίεσης (0.02-0.1 MPa αέρα ή αζώτου) για τη ρύθμιση της πίεσης ελέγχου εξ αποστάσεως, επιτρέποντας την αυτοματοποιημένη ρύθμιση.01: Cv = Q x sqrt ((SG / delta-P), όπου Q είναι η ροή, SG είναι η ειδική βαρύτητα και delta-P είναι η πτώση πίεσης στην βαλβίδα.Για έναν αντιδραστήρα υδρογόνωσης 100 λίτρων με πίεση λειτουργίας 5 MPa και ροή αερίου εξαερισμού 10 L/min απαιτείται Cv = 10 x sqrt(0.09/4.9) = 1.35.
• Πύλη ελέγχου PID και ανατροφοδότηση μεταβιβαστή πίεσηςΟ κυκλώνας ελέγχου πίεσης αποτελείται από πομπό πίεσης (Rosemount 3051S, ακρίβεια +/- 0,04% του εύρους, χρόνος απόκρισης 100 ms), ελεγκτή PID (DCS ή αυτόνομο, ρυθμός σάρωσης 0,1-1 δευτερόλεπτα),και τελικό στοιχείο ελέγχου (BPR ή βαλβίδα ελέγχου)Η ρύθμιση PID χρησιμοποιεί μεθόδους Ziegler-Nichols ή Cohen-Coon: για έναν αντιδραστήρα υδρογόνωσης 5 MPa, οι τυπικές παραμέτρους ρύθμισης είναι Kp = 2-5, Ti = 10-30 δευτερόλεπτα, Td = 2-5 δευτερόλεπτα.Ελέγχος καταρράκτη (εξωτερική πίεση κυκλώματος), εσωτερική ροή κυκλώματος) βελτιώνει την ανταπόκριση σε γρήγορες διαταραχές πίεσης από την κατανάλωση ή την παραγωγή αερίου.
• Προστασία από υπερπίεση και συμμόρφωση με την ASME UG-125Η ASME τμήμα VIII τμήμα 1 UG-125 απαιτεί από κάθε δοχείο υπό πίεση να διαθέτει διάταξη ελάφρυνσης πίεσης (PRV ή δίσκο διάσπασης) με ρυθμιστική πίεση που δεν υπερβαίνει τη μέγιστη επιτρεπόμενη εργασιακή πίεση (MAWP).Για προστασία με μία βαλβίδα, η συσσώρευση περιορίζεται στο 110% MAWP· για πολλαπλές βαλβίδες, στο 116% MAWP.ενώ τα PSV με ελατήριο ανταποκρίνονται σε 50-200 χιλιοστά δευτερόλεπταΜια κοινή διαμόρφωση χρησιμοποιεί ένα δίσκο εκρήξεως ανωτέρω ενός PSV (κανόνας ανοχής 3% ανά ASME UG-135 για απώλειες σωλήνων εισόδου) για την απομόνωση του PSV από την μόλυνση της διαδικασίας, παρέχοντας ταυτόχρονα εφεδρικότητα.

2Οι κύριες ρυθμίσεις ελέγχου πίεσης

Οι βιομηχανικές διαμορφώσεις αντιδραστήρων ελέγχου πίεσης επιλέγονται με βάση το εύρος πίεσης, την κατάσταση φάσης και τις απαιτήσεις ακριβείας ελέγχου:

• Ρυθμιστής υπερυψωτικής πίεσης σε φάση αερίου με αδρανή θήκηΜια κουβέρτα αζώτου ή αργόνου διατηρεί σταθερή άνω πίεση στο χώρο ατμών του αντιδραστήρα χρησιμοποιώντας ρυθμιστή μείωσης πίεσης στην είσοδο (εγκαταστήστε στην επιθυμητή πίεση πλακέτας, π.χ., 0.3 MPa) και ρυθμιστής αντίστροφης πίεσης στο αγωγό εξαγωγής (σύνολο 0.05-0.1 MPa πάνω από την πίεση του πακέτου). Αυτή η διαμόρφωση είναι τυποποιημένη για αντιδράσεις ευαίσθητες στην οξείδωση, επεξεργασία εύφλεκτων διαλυτών και αντιδράσεις που παράγουν μη συμπυκνωτά αέρια.Η ακρίβεια ελέγχου είναι +/-00,02 MPa με όγκο ατμού 50-100 L.
• Ελέγχος της αντίστροφης πίεσης υγρής φάσης για υπερκριτικά συστήματαΓια την υπερκριτική εκχύλιση CO2 (7-48 MPa) και την υπερκριτική οξείδωση νερού (22-40 MPa), ένα BPR υγρής φάσης στην έξοδο του αντιδραστήρα διατηρεί πίεση με ακρίβεια +/- 0,1 MPa.Το BPR πρέπει να αντέχει θερμοκρασία 200C (CO2) ή 600C (SCWO) και ροή 5-200 kg/h.. Η μείωση της πίεσης σε πολλά στάδια (πρώτη BPR έως 5 MPa, δεύτερη έως 0,1 MPa) αποτρέπει την κοιλότητα και την αναμνηστική βρασμό.
• Διαφορετικός έλεγχος πίεσης για αντιδραστήρες συνεχούς ροήςΣε συστήματα συνεχούς ροής, η πίεση διατηρείται από ένα BPR στην έξοδο ενώ μια αντλία τροφοδοσίας (HPLC ή μέτρηση) ελέγχει την ροή εισόδου.Η διαφορική πίεση (delta-P = P_in - P_out) οδηγεί τη ροή μέσω σταθερών καταλύτη ή καναλιών μικροαντιδραστήραΓια αντιδραστήρα συσσωρευτικής ροής 10 MPa με ροή 50 ml/min μέσω καταλύτη 200 g (μήκος κρεβατιού 100 mm, κενό κλάσμα 0,4),Η εξίσωση του Έργκουν προβλέπει ότι το Δ-Π = 150 x mu x v x (1-eps) ^ 2 / (eps ^ 3 x D_p ^ 2) + 1.75 x rho x v^2 x (1-eps) / (eps^3 x D_p), απαιτώντας BPR που διαχειρίζεται 10 MPa και ροή 200 mL/min.

Συγκριτική μήτρα διαμόρφωσης ελέγχου πίεσης

Συχνές ερωτήσεις (FAQ)

Ε: Ποια είναι η απαίτηση του ASME UG-125 για την ελάφρυνση της πίεσης σε αντιδραστήρα ελέγχου πίεσης;

Α: ASME τμήμα VIII τμήμα 1, paragraph UG-125 requires that every pressure vessel be protected by a pressure relief device (spring-loaded PSV or burst disc) with set pressure not exceeding the maximum allowable working pressure (MAWP)Για μία και μόνο συσκευή ανακούφισης, η συσσώρευση (μέγιστη πίεση κατά την ανακούφιση) δεν πρέπει να υπερβαίνει το 110% του MAWP.η συσσώρευση περιορίζεται στο 116% του MAWPΟ κανόνας του 3% (UG-135) περιορίζει την πτώση της πίεσης των σωλήνων εισόδου στο 3% της ρυθμιζόμενης πίεσης για να εξασφαλιστεί η ορθή λειτουργία του PSV.

Ε: Ποιο είναι το μέγεθος ενός ρυθμιστή αντίστροφης πίεσης (BPR) για ένα χημικό αντιδραστήρα;

Α: Η μέτρηση του BPR χρησιμοποιεί την εξίσωση του συντελεστή ροής ISA-75.01: Cv = Q x sqrt ((SG / delta-P), όπου Q είναι η μέγιστη ροή (gpm για το υγρό, scfm για το αέριο), SG είναι η ειδική βαρύτητα,και δέλτα-P είναι η πτώση πίεσης σε όλη την βαλβίδαΓια έναν αντιδραστήρα υδρογόνωσης 100 λίτρων σε 5 MPa με ροή αποχέτευσης αζώτου 10 L/min: Cv = 10 x sqrt ((0.96 / 49) = 1.40Το επιλεγμένο BPR θα πρέπει να έχει ονομαστική Cv 1,5-2,0x της υπολογιζόμενης τιμής για το περιθώριο, και τα υλικά πρέπει να είναι συμβατά με το μέσο επεξεργασίας και τη θερμοκρασία.

Ε: Ποιες παραμέτρους ρυθμίσεως PID είναι τυπικές για τον έλεγχο πίεσης του αντιδραστήρα;

Α: Για αντιδραστήρα μεσαίου όγκου (100-2000 L) με έλεγχο πίεσης αέριας φάσης, οι τυπικές παραμέτρους ρύθμισης PID Ziegler-Nichols είναι: αναλογικό κέρδος Kp = 2-5, ολοκληρωμένος χρόνος Ti = 10-30 δευτερόλεπτα,Χρόνος παράγωγου Td = 2-5 δευτερόλεπταΗ σταθερά χρόνου διαδικασίας (όγκος δοχείου πίεσης διαιρεμένος με τον ρυθμό εξαγωγής) κυμαίνεται συνήθως από 10-100 δευτερόλεπτα.Για μικροαντιδραστήρες ταχύτερης απόκρισης (< 1 ml), χρησιμοποιούνται ταχύτητες σάρωσης 10-50 χιλιοστά του δευτερολέπτου και Kp = 0,5-2.Εσωτερικό κύκλο ροής) βελτιώνει την απόρριψη διαταραχών για αντιδράσεις με ταχεία κατανάλωση αερίου ή παραγωγή.

Ε: Γιατί σε ορισμένους αντιδραστήρες ελέγχου πίεσης τοποθετείται ένας δίσκος εκρήξεως ανωτέρω του PSV;

Α: Ένας δίσκος εκρήξεως ανωτέρω ενός PSV παρέχει τρία οφέλη: (1) απομόνωση του PSV από μόλυνση της διαδικασίας, διάβρωση ή συσσώρευση πολυμερών που θα μπορούσαν να εμποδίσουν το PSV να ανοίξει σε ρυθμισμένη πίεση.(2) αποτυχία ανοιχτή απόλυση, δεδομένου ότι ο δίσκος εκρήξεως ανοίγει σε < 5 χιλιοστά του δευτερολέπτου έναντι 50-200 ms για ένα PSV. (3) ένα δείκτη πίεσης μεταξύ του δίσκου εκρήξεως και του PSV ανιχνεύει ρήξη δίσκου, προκαλώντας αντικατάσταση.Ο κανόνας του 3% (ASME UG-135) εφαρμόζεται στον συνδυασμό των σωλήνων εισόδου και της πτώσης της πίεσης του δίσκου, που απαιτεί προσεκτική υδραυλική ανάλυση για να εξασφαλιστεί ότι το PSV εξακολουθεί να λειτουργεί σωστά όταν ανοίγει ο δίσκος διάσπασης.