Для контроля за максимальным количеством технологических потоков с помощью одного технологического анализатора на заводах зачастую используют многопоточные системы отбора проб. Такие системы позволяют выбрать один технологический поток для анализа и заблокировать все прочие потоки.
Для достижения оптимальных результатов разработчики системы должны обеспечить соответствие многопоточных систем переключения трем ключевым принципам проектирования,> а именно:
• надлежащее изолирование проб для предотвращения межпоточного загрязнения;
• обеспечение высокого быстродействия, чтобы окончательные замеры характеризовали технологические условия в реальном времени;
• сведение к минимуму падения расхода для подавления скачков давления и устранения потенциальных фазовых изменений пробы.
В данной статье рассматриваются методы проектирования, позволяющие достичь этих трех целей для эффективного использования многопоточных систем переключения с целью оптимизации схем применения анализаторов.
Для предотвращения загрязнения анализируемого потока потоком, не выбранным для анализа, каждую пробу необходимо изолировать. Применение противотока или противодавления обеспечивает отвод сред, протекающих через седла отсечных клапанов в направлении от анализируемого потока, предотвращая этим его загрязнение. Устранение застойных участков, т. е. зон пониженного расхода, в которых задерживается более ранний материал пробы, также имеет большое значение для предотвращения загрязнения новой пробы более ранними.
Метод противотока предотвращает появление застойных участков, обеспечивая поток во всех отводах каждого тройника в линии, ведущей к анализатору. Например, система блокировки и продувки, представленная на рисунке 1, позволяет направлять отобранную пробу по всему пути потока и наружу через два выпускных патрубка – один к анализатору и один в перепускную линию или отвод.
Метод противодавления устраняет появление застойных участков путем обеспечения пониженного давления, как правило, атмосферного, во всех седлах закрытых клапанов с другой стороны седла. Таким образом, любая утечка через седло направляется в отвод и не может вызвать загрязнение пробы. Каждый тройник на пути потока для системы двойной блокировки и продувки (DBB) (более подробно обсуждается далее) становится трехходовым клапаном, что обеспечивает отсутствие застойных участков.
Временная задержка – это общее время от момента отбора пробы до получения результата анализатора. Малое время задержки позволяет операторам быстрее вносить необходимые изменения в процесс. Сведение количества застойных участков к минимуму, объемы смешивания и потенциальные поверхности адсорбции, например, фильтры, в общем пути потока к анализатору способствуют высокому быстродействию после переключения потока, как и обеспечение потока во всех линиях, даже если они не подлежат анализу.
При выборе потоков с разными параметрами для анализа следует избегать значительных изменений расхода, т. к. они могут привести к скачкам давления, которые могут повредить компоненты системы отбора проб. Кроме того, резкое увеличение расхода и давления может привести к конденсации газовой пробы.
Сведение изменений расхода к минимуму может быть затруднительным в связи с тем, что системы выбора потока различаются по принципу управления линиями, не выбранными для анализа. Например, в случае систем, полностью прекращающих расход в не выбранных для анализа впускных линиях, более ранние пробы остаются в линиях выше по потоку и их следует вымыть перед следующим анализом. С другой стороны, системы, обеспечивающие непрерывный расход даже при закрытом клапане выбора потока, не поддерживают расход на постоянном уровне, т. к. при выборе потока расход в линии транспортировки увеличивается.
Системы, всегда обеспечивающие одинаковый расход, имеют наибольший потенциал. Для достижения постоянного расхода клапаны выбора потока должны одновременно исключать расход в обходной линии потока при его выборе для анализа, что обеспечивается через общий путь потока к анализатору.
Некоторые ключевые конфигурации конструкции могут способствовать повышению надежности системы и достижению некоторых или всех трех ключевых целей проектирования.
Кольцевой коллектор: Коллектор простой конструкции имеет застойные участки во всех тройниковых соединениях. Однако коллектор кольцевой конструкции (рис. 2) снижает объем застойных участков, особенно если тройники можно ввинтить непосредственно в корпус клапана. С помощью встроенных контуров потока, а также каналов для различных технологических соединений и подключения потока для анализа кольцевой коллектор создает примерно одинаковое сопротивление потоку в каждой поточной линии для поддержания постоянного расхода потока, подаваемого в анализатор, при переключении потоков. К сожалению, конструкция, представленная на рисунке 2, не обеспечивает защиту от возможной утечки клапана, делая ее неподходящей для переключения только технологических потоков.
Обход линии: Введение дополнительного контура непрерывного обхода в линию отбора проб недалеко от системы переключения потоков является самым простым способом сохранения расхода (рис. 3). Для сохранения расхода в обходную линию может входить игольчатый клапан и расходомер или канал для критического потока. Такая конструкция обеспечивает высокое быстродействие при переключении потоков. Однако проба все равно может быть загрязнена утечкой через клапан. Кроме того, в связи с тем, что расход в линии, выбранной для анализа, выше по сравнению с невыбранными для анализа линиями, расход пробы является непостоянным.
Обход с клапаном: Трехходовые клапаны, представленные на рисунке 4, сохраняют расход в невыбранных для анализа линиях и позволяют достичь две из трех целей проектирования. За счет установки расхода анализатора на значение расхода в обходном канале можно устранить изменение расхода во время переключения. При такой конструкции быстродействие также будет выше. Однако загрязнение пробы утечкой через клапан все равно будет возможным, как и небольшие застойные участки.
Система двойной блокировки и продувки: Разработчики системы могут рассмотреть, но необязательно полностью достичь три цели проектирования путем применения системы двойной блокировки и продувки различных конфигураций. Такие системы отличаются высокой эффективностью в устранении застойных участков и изолировании проб для предотвращения их загрязнения. Схема двойной блокировки и продувки, представленная на рисунке 5, включает в себя клапаны двойной блокировки с приводом от общего исполнительного механизма. Сначала основной клапан блокирует входящий поток проб и выполняет продувку соединительной трубки в отвод. Затем вспомогательный клапан блокирует соединительную трубку и открывает каскадный путь, который обеспечивает подачу отобранной пробы в анализатор, что устраняет застойные участки. Общий отводной коллектор, давление которого ниже давления потока, подаваемого в анализатор, отводит жидкость утечки через клапан, сводя межпоточное загрязнение практически к нулю.
Что касается быстродействия, разработчикам необходимо рассмотреть временную задержку в случае разных систем двойной блокировки и продувки. Каскадный путь клапана системы двойной блокировки и продувки приводит к тому, что каждая проба сталкивается с небольшим, но определенным сопротивлением потока. Поэтому потоки, проходящие через большее количество клапанов, отличаются пониженным расходом проб и повышенной временной задержкой.
Добавление обхода линии для сохранения расхода во впускной линии (рис. 6) позволит разработчикам повысить быстродействие анализатора при переключении потоков. Однако это не обеспечивает поддержание расхода в линии отбора проб на постоянном уровне в связи с дополнительным расходом при выборе потока для анализа.
Система двойной блокировки с кольцевым коллектором: Установка кольцевого коллектора в систему клапана двойной блокировки с отводом обеспечивает дополнительные схемы с двухходовым и трехходовым клапанами, которые позволяют работать в направлении достижения всех трех целей проектирования. В базовой цепи клапана, представленной на рисунке 7, используется кольцевой коллектор с двухходовым основным клапаном блокировки и трехходовым вспомогательным клапаном блокировки и отвода. Двойные клапаны блокируют каждый не выбранный для анализа поток в двух местах и продувают линию между ними для предотвращения межпоточного загрязнения. Однако кольцевой коллектор может способствовать появлению небольших застойных участков в каждом соединении.
В конструкции, представленной на рисунке 8, используются трехходовые клапаны в месте первичной блокировки для поддержания непрерывного расхода во впускных линиях независимо от того, выбран ли поток. Однако если все поточные линии имеют разный расход, необходимо добавить первоначальный обход или быстрый контур после клапана выбора потока. Проба из каждой точки отбора проб направляется в клапан выбора потока и проходит через основной клапан блокировки, а потом выходит через обходную линию. При установке расхода в каждой обходной линии на значение, равное расходу, измеренному анализатором, все потоки будут иметь одинаковый расход независимо от того, открыт клапан выбора или закрыт.
Наконец, высокое быстродействие с большей вероятностью достигается в случае системы клапана двойной блокировки с кольцевым коллектором, т. к. сопротивление потока в принципе является одинаковым для всех поточных линий.
Еще одним практичным решением для достижения целей проектирования является компактный узел клапана выбора потока (рис. 9), который позволяет выполнять функции системы двойной блокировки и продувки в одном компактном корпусе клапана. В таком узле предусматривается встроенный исполнительный механизм, который синхронно управляет тремя двухходовыми клапанами.
Объединение нескольких клапанов выбора потока болтовым соединением позволяет управлять большим количеством потоков. Компактные узлы способствуют повышенному быстродействию анализатора даже при пониженном расходе за счет минимальных путей потока и низкого внутреннего объема.
Объединение нескольких клапанов выбора потока в одну систему автоматически вводит кольцевой коллектор, который увеличивает длину клапанного узла. Это способствует поддержанию постоянного расхода потока, идущего в анализатор, при переключении потоков.
С помощью клапана выбора потока система двойной блокировки и продувки изолирует пробы путем отвода жидкости утечки из других потоков через выпуск, предотвращая загрязнение анализируемого потока. Внутренняя конструкция клапана также способствует сохранению аналитической чистоты пробы за счет устранения тройников, не охваченных вытеснением, и пустот на внутреннем пути потока.
Трехпоточная схема, представленная на рисунке 10, является наглядным примером, т. к. она позволяет устранить потенциальные застойные участки у выпускного клапана путем промывки седла выпускного клапана непрерывным потоком жидкости пробы. Такая схема также сводит к минимуму количество застойных участков в кольцевом коллекторе за счет промывки всех закрытых выпускных отверстий выбранным потоком проб.
Многопоточные системы отбора проб являются эффективным решением для снижения общего количества технологических анализаторов. Однако разработчикам рекомендуется прибегать к многопоточному переключению исключительно при замерах одинаковых анализируемых веществ с примерно одинаковой концентрацией в каждой поточной линии. Когда многопоточное переключение представляет собой практичное решение, достижение ключевых целей проектирования в отношении изолирования пробы, высокого быстродействия анализатора и минимального падения расхода позволит повысить надежность анализатора.
