เครื่องปฏิกิริยาควบคุมความดันคืออะไร? หลักการ เทคโนโลยี และการใช้งาน

ตอบคําถามหลัก:เครื่องปฏิกิริยาควบคุมความดันคืออะไร และมันรักษาการควบคุมความดันอย่างแม่นยําอย่างไร ในกระบวนการเคมีความดันสูง?เครื่องปฏิกิริยาควบคุมความดัน คือ เครื่องปฏิกิริยาเคมีที่ مجهزด้วยระบบควบคุมความดันที่ใช้งานเพื่อรักษาความดันในการทํางานในระดับ +/- 0.01 ถึง +/- 0.1 MPa ของค่าตั้งค่าในช่วงการทํางานจากระยะว่าง (-0.1 MPa) ถึง 50 MPa (การออกซิเดชั่นน้ําแบบเหนือวิกฤต) ส่วนประกอบสําคัญประกอบด้วยตัวควบคุมความดันกลับ (BPR) บนช่องออกของน้ําหอม / น้ําเหลวสายวงจรควบคุม PID (Proportional-Integral-Derivative) กับการตอบสนองจากเครื่องส่งแรงดัน (เวลาตอบสนอง 0).1-5 วินาที), พัดไนโตรเจนหรือก๊าซไร้สรรค์สําหรับการบํารุงความดันบนหัว และอุปกรณ์ลดความดันตาม ASME UG-125 (PSV ตั้งที่ MAWP,ด้วยการสะสมที่จํากัด 110% MAWP สําหรับวาล์วปลดปล่อยเดียว)หน่วยปฏิกิริยาเหล่านี้มีความจําเป็นสําหรับการไฮโดรเจน (2-15 MPa), โพลิมเมอริเซชั่น (1-30 MPa), การสกัด CO2 ภายในระยะสั้น (7-48 MPa),และการสังเคราะห์ทางความร้อนน้ํา (10-40 MPa) ในกรณีที่ความดันมีผลต่อการปฏิกิริยาโดยตรง, พฤติกรรมระยะ และการเลือกผลิตภัณฑ์

1หลักการและเทคโนโลยีควบคุมความดันหลัก

ระบบปฏิกิริยาควบคุมความดันพึ่งพาหลักวิศวกรรมสามหลัก

• การควบคุมความดันกลับและการปรับระบายเครื่องปรับความดันกลับ (BPR) เป็นวาล์วที่ติดสปริงหรือโครงกุมที่ติดตั้งบนช่องออกของเรอคเตอร์ที่รักษาความดันด้านบนโดยการปรับระดับการไหลออกบีพีอาร์ที่บรรทุกด้วยกลม (Air-Loaded หรือ I/P-controlled) ใช้สัญญาณความดันของนักบิน (0.02-0.1 MPa ของอากาศหรือไนโตรเจน) เพื่อตั้งความดันการควบคุมจากระยะไกล, ทําให้สามารถปรับโดยอัตโนมัติ การปรับขนาด BPR ต้องการการคํานวณ Cv (ปริมาตรการการไหลของ) ตาม ISA-75.01: Cv = Q x sqrt ((SG / delta-P) โดยที่ Q คือการไหลเวียน SG คือแรงโน้มถ่วงเฉพาะ และ delta-P คือการลดความดันผ่านวาล์วระบบปฏิกิริยาไฮโดรเจน 100 ลิตรที่มีความดันการทํางาน 5 MPa และการไหลของก๊าซอัด 10 L/นาทีต้องการ Cv = 10 x sqrt ((0.09/4.9) = 135.
• PID Control Loop และ Feedback ของเครื่องส่งแรงดันสายวงควบคุมความดันประกอบด้วยตัวส่งความดัน (Rosemount 3051S ความแม่น +/- 0.04% ของ span, เวลาตอบสนอง 100 ms), เครื่องควบคุม PID (DCS หรืออิสระ, อัตราการสแกน 0.1-1 วินาที)และองค์ประกอบควบคุมสุดท้าย (BPR หรือวาล์วควบคุม)การปรับ PID ใช้วิธี Ziegler-Nichols หรือ Cohen-Coon: สําหรับปฏิกิริยาไฮโดรเจน 5 MPa ปริมาตรการปรับทั่วไปคือ Kp = 2-5, Ti = 10-30 วินาที, Td = 2-5 วินาทีการควบคุมกระแส (ความดันในวงจรภายนอก), การไหลเวียนวงจรภายใน) ปรับปรุงการตอบสนองกับความผิดปกติความดันอย่างรวดเร็วจากการบริโภคหรือการผลิตก๊าซ
• การป้องกันความดันเกินและความสอดคล้องกับ ASME UG-125ASME ตอนที่ 8 ภาค 1 UG-125 ต้องการให้ทุกภาชนะความดันมีอุปกรณ์ลดความดัน (PRV หรือกระบอกระเบิด) ด้วยความดันตั้งที่ไม่เกินความดันทํางานสูงสุดที่อนุญาต (MAWP)สําหรับการป้องกันแวลล์เดียว, การสะสมจํากัดที่ 110% MAWP; สําหรับวาล์วหลายวาล์ว, 116% MAWP. ไดสก์ระเบิด (การกระทํากลับหรือการกระทําไปข้างหน้า) ให้การป้องกันการเปิดที่ผิดปกติที่มีเวลาตอบรับ < 5 มิลลิวินาที,ขณะที่ PSV ที่ติดสปริงตอบสนองใน 50-200 มิลลิวินาทีการจัดตั้งที่ทั่วไปใช้แผ่นระเบิดข้างบนของ PSV (กฎความอดทน 3% ต่อ ASME UG-135 สําหรับการสูญเสียท่อเข้า) เพื่อแยก PSV จากการปนเปื้อนกระบวนการในขณะที่ให้ความอุดหนุน

2การตั้งค่าการควบคุมความดันหลัก

การจัดตั้งตัวประกอบปฏิกิริยาควบคุมความดันอุตสาหกรรมถูกเลือกโดยช่วงความดัน สภาพระยะ และความต้องการความแม่นยําในการควบคุม:

• ระบบควบคุมความดันระยะก๊าซด้วยพัดอินเตอร์ผ้าห่มไนโตรเจนหรืออาร์กอนบํารุงความดันในอากาศระเหยของตัวประกอบการโดยใช้ตัวควบคุมความดันที่ลดความดันบนช่องเข้า (ตั้งความดันที่ต้องการ เช่น 0.3 MPa) และตัวควบคุมความดันกลับบนช่องอากาศ (ชุด 0.05-0.1 MPa มากกว่าแรงกดของพัด) การปรับแต่งนี้เป็นมาตรฐานสําหรับปฏิกิริยาที่มีความรู้สึกต่อการออกซิเดชั่น, การประมวลผลสารละลายที่เผาไหม้, และปฏิกิริยาที่สร้างก๊าซที่ไม่เหมาะสมความแม่นยําในการควบคุมคือ +/-00.02 MPa กับปริมาณควัน 50-100 ลิตร
• การควบคุมความดันกลับในระยะของของเหลวสําหรับระบบ supercriticalสําหรับการสกัด CO2 แบบเหนือวิกฤต (7-48 MPa) และการออกซิเดชั่นน้ําแบบเหนือวิกฤต (22-40 MPa) เครื่อง BPR ระยะเหลวบนช่องออกของเตาปฏิกรณ์จะรักษาความดันด้วยความละเอียด +/- 0,1 MPaBPR ต้องรับอุณหภูมิ 200C (CO2) หรือ 600C (SCWO) และกระแสของ 5-200 kg/hการลดความดันหลายขั้นตอน (BPR ครั้งแรกถึง 5 MPa, ครั้งที่สองถึง 0.1 MPa) ป้องกันการหลุมและการต้มกระทันหัน เครื่องวัดกระแสมวล Coriolis บนช่องออกให้การตรวจสอบระยะตามความหนาแน่น
• การควบคุมความดันความแตกต่างสําหรับเรอแคเตอร์ไหลต่อเนื่องในระบบการไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง ความดันถูกรักษาโดย BPR บนทางออกในขณะที่ปั๊มอาหาร (HPLC หรือการวัด) ควบคุมการไหลผ่านทางเข้าความดันความแตกต่าง (เดลต้า-P = P_in - P_out) ขับกระแสผ่านเตียงกิตาซิสเตอร์คงที่หรือช่องไมโครเรอคเตอร์สําหรับโรงงานปฏิกิริยาอัดระบายน้ําที่กระจายได้ 10 MPa กับการไหลผ่าน 50 mL/นาทีผ่านตัวเรกตาซิสต์ 200 g (ความยาวของเตียง 100 mm, ส่วนว่าง 0.4)สมการเออร์กุนคาดการณ์ว่า เดลต้า-พี = 150 x มู x วี 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) ซึ่งต้องการ BPR ที่รับมือ 10 MPa และไหลไปถึง 200 mL/นาที

แมตริกซ์การเปรียบเทียบการตั้งค่าควบคุมความดัน

คําถามที่พบบ่อย (FAQ)

คําถาม: ความต้องการของ ASME UG-125 สําหรับการลดความดันบนปฏิกิริยาควบคุมความดันคืออะไร?

A: ASME ภาค VIII ภาค 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)สําหรับอุปกรณ์การปลดปล่อยเดียว การสะสม (ความดันสูงสุดระหว่างการปลดปล่อย) ไม่ควรเกิน 110% ของ MAWP สําหรับอุปกรณ์หลาย (PSV + แผ่นระเบิดในขณะเดียวกัน)การสะสมจํากัด 116% ของ MAWPกติกา 3% (UG-135) จํากัดการลดความดันในท่อเข้าเป็น 3% ของความดันตั้งเพื่อให้แน่ใจว่าการทํางานของ PSV อย่างถูกต้อง

คําถาม: เครื่องปรับความดันกลับ (BPR) มีขนาดเท่าไรสําหรับโรงงานปฏิกิริยาเคมี?

A: การปรับขนาด BPR ใช้สมการสัมประสานการไหลของ ISA-75.01: Cv = Q x sqrt ((SG / delta-P) โดยที่ Q คืออัตราการไหลสูงสุด (gpm สําหรับของเหลว, scfm สําหรับของก๊าซ), SG คือแรงโน้มถ่วงเฉพาะ,และ delta-P คือความดันลดลงผ่านวาล์วสําหรับเตาปฏิกรณ์ไฮโดรเจน 100 ลิตรที่ 5 MPa กับการไหลผ่านอากาศของไนโตรเจน 10 L/min: Cv = 10 x sqrt ((0.96 / 49) = 1.40BPR ที่เลือกควรมี Cv จํานวน 1.5-2.0 เท่าของค่าที่คํานวณไว้สําหรับขอบเขต และวัสดุต้องเข้ากันได้กับสื่อและอุณหภูมิกระบวนการ

คําถาม: ปารามิเตอร์การปรับ PID คืออะไรที่ปกติสําหรับการควบคุมความดันของปฏิกรณ์

A: สําหรับเรอคเตอร์ชุดขนาดกลาง (100-2000 ลิตร) กับการควบคุมความดันในระยะก๊าซ ปริมาตรการปรับ PID แบบ Ziegler-Nichols คือ: การเพิ่มสัดส่วน Kp = 2-5, เวลารวม Ti = 10-30 วินาทีเวลาอนุพันธ์ Td = 2-5 วินาที, ด้วยอัตราการสแกนของตัวควบคุม 0.1-1 วินาที ความถี่เวลากระบวนการ (ปริมาณภาชนะความดันหารด้วยอัตราการเปิดช่อง) โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10-100 วินาทีสําหรับไมโครเรอแรคเตอร์ที่มีการตอบสนองเร็วกว่า (< 1 mL), อัตราการสแกนของ 10-50 มิลลิวินาทีและ Kp = 0.5-2 ใช้วงจรการไหลของภายใน) ปรับปรุงการปฏิเสธการรบกวนสําหรับปฏิกิริยาที่มีการบริโภคแก๊สที่รวดเร็วหรือการผลิต.

คําถาม: ทําไมถึงมีการติดตั้งแผ่นระเบิดข้างบนของ PSV ในปฏิกิริยาควบคุมความดันบางแห่ง?

A: ผังกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจายกระจาย(2) ความหลากหลายของความผิดพลาดเปิด, เนื่องจากแผ่นกระจกกระจกจะเปิดใน < 5 มิลลิวินาทีเมื่อเทียบกับ 50-200 ms สําหรับ PSV; (3) เครื่องวัดความดันที่บอกได้ระหว่างแผ่นกระจกกระจกและ PSV จะตรวจพบว่าแผ่นกระจกแตก, ส่งผลให้มีการเปลี่ยนกติกา 3% (ASME UG-135) ใช้กับท่อเข้ารวมบวกกับการกระแทกดันดิสก์ตก, จําเป็นต้องมีการวิเคราะห์ทางไฮดรอลิกอย่างละเอียด เพื่อให้แน่ใจว่า PSV ยังคงทํางานอย่างถูกต้องเมื่อแผ่นระเบิดเปิด