Сокращение временных задержек в аналитической приборостроении с помощью редукторов

Как использовать редуктор для снижения временной задержки в аналитической системе

Майк Стробел, руководитель полевого инжиниринга

Процессные измерения мгновенны, но ответы анализатора никогда не являются таковыми. От крана до анализатора всегда есть временная задержка. К сожалению, эта задержка часто недооценивается или неправильно понимается.

В аналитических системах пробоотбора временная задержка определяется как количество времени, которое требуется для новой пробы, чтобы достичь анализатора. Отдельная статья блога объясняет, как работает временная задержка и советы по ее минимизации на высоком уровне, но в этом материале мы сфокусируемся на том, как контролировать временную задержку с редуктором. Редукторы контролируют давление, и давление в аналитической системе тесно связано со временем. В случае газовых систем с контролируемым расходом, чем ниже давление, тем короче временная задержка.

Временная задержка может происходить в любых из основных частей аналитической приборостроительной системы, включая процессную линию, кран и пробонбиратель, полевую станцию, транспортную линию, систему подготовки пробы, систему переключения потоков и анализатор. Диаграмма ниже является примером типичной системы пробоотбора процессного анализатора.

Временная задержка кумулятивна. Она состоит из общего количества времени, которое требуется жидкости для перемещения от контролируемого процесса к анализатору. Вы можете узнать больше о том, как измерять временную задержку здесь. Сейчас мы сфокусируемся на полевой станции и важной роли, которую редуктор играет в снижении временной задержки там.

Перед полевой станцией

Минимизация временной задержки начинается с расположения крана. Лучше разместить кран максимально близко к процессному анализатору, но также вверх по течению от источников процессной временной задержки, таких как баки, цистерны, мертвые участки, стагнационные линии и избыточное или устаревшее оборудование.

При отборе жидкости давление на кран должно быть достаточным для доставки пробы через транспортные линии или быстрый контур без насоса — дорогого компонента, вводящего дополнительные переменные производительности.

Во многих случаях вы можете не иметь возможности диктовать расположение крана. Вам может придется мириться с существующим расположением крана, и часто, с существующим расположением сарая анализатора тоже. Если кран находится на большом расстоянии от анализатора, быстрый контур рекомендуется как средство быстрой доставки жидкости к анализатору и возврата неиспользованной части в процесс.

В большинстве аналитических приборостроительных систем еще одним источником временной задержки является пробонбиратель. Чем больше объем пробонбирателя, тем больше задержка. Объем будет влиять и длиной, и шириной пробонбирателя. При попытке минимизировать временную задержку выбирайте пробонбиратель с низким объемом.

На полевой станции

В случаях, когда процессный анализатор требует жидкостную пробу, редуктор на полевой станции не используется. Лучше держать жидкости под высоким давлением, чтобы избежать образования пузырей. В случае газовой пробы, полевная станция используется как средство снижения давления в транспортных линиях.

Временная задержка уменьшается в прямой пропорции абсолютному давлению. При половине давления вы получите половину временной задержки. Полевная станция расположена максимально близко к крану. Чем раньше давление снижается, тем лучше. Давайте посмотрим на три возможных приложения для редуктора на полевой станции. С каждым редуктор конфигурируется немного иначе.

Приложение редуктора №1

В первом приложении цель — снизить давление газа. Падение давления не ожидается производить конденсацию. Поэтому может быть использован простой редуктор снижения давления. Редуктор снижения давления поддерживает постоянное давление на выходе. Чувствительный элемент, обычно диафрагма или поршень, движется в ответ на давление вниз по течению, позволяя управляющему элементу, чаще всего конусообразному клапану, менять площадь прохода отверстия, через которое проходит газ. По мере того как чувствительный элемент толкается вверх в ответ на более высокое давление, управляющий элемент движется ближе к седлу редуктора, и площадь отверстия становится меньше. По мере того как чувствительный элемент движется вниз с более низким давлением, отверстие становится больше. В большинстве аналитических редукторов ручка на редукторе позволяет оператору устанавливать выходное давление сжатием или расслаблением нагрузочной пружины, которая движет движениями чувствительного элемента против выходного давления.

Металлическая диафрагма идеальна в приложениях, где входное давление не варирует резко или где химическая совместимость важна. Однако в приложениях, где давление может быть нестабильным или иметь скачки, поршневой редуктор может быть более уместным.

Приложение редуктора №2

Во втором приложении редуктора, падение давления ожидается вызывать конденсацию. С падением давления почти все газы теряют энергию, известную как эффект Джоуля-Томсона — результатом охлаждения. Если газ близок к своей точке росы, это охлаждение может вызвать конденсацию. В некоторых случаях потеря тепла может быть достаточно большой, чтобы вызвать конденсацию, таким образом потенциально замораживая редуктор. Из-за эффекта Джоуля-Томсона может потребоваться обогреваемый редуктор, чтобы держать температуру газа выше точки росы. Обогреваемый редуктор — это редуктор снижения давления, в котором системная жидкость течет через обогреваемый элемент. Требуется нагревательный картридж.

Вы можете рассчитать количество энергии (или ваттажа), требуемое от нагревательного картриджа, чтобы вы можете специфицировать один в правильном диапазоне мощности. У каждого газа есть коэффициент Джоуля-Томсона, который подставляется в формулу вместе с падением давления и расходом для производства количества ватт, требуемых.

Приложение редуктора №3

В нашем третьем приложении редуктора, жидкость должна стать газовой перед тем, как она может быть проанализирована газовым хроматографом или другим анализатором. В этом случае используется испарительный редуктор (vaporizing regulator). Испарительные редукторы могут быть сложны для выбора, но могут быть надежным средством подготовки жидкостной пробы, если правильно размерены и установлены. Цель испарительного редуктора — мгновенно перевести всю пробу в газ, чтобы обеспечить, что испаренная проба репрезентативна жидкостному процессу.

С испарительными редукторами нужно уделять пристальное внимание температуре и паровому расходу. Если расход слишком велик, проба будет только частично испарена, и жидкости будут течь через редуктор и к анализатору. Если температура испарителя слишком высока, жидкостная проба вверх по течению будет испарена. Вы можете узнать больше об управлении испарением в системах пробоотбора здесь.

Наконец, убедитесь, что вы правильно настроили ваш испарительный редуктор, чтобы избежать создания значительной временной задержки. По мере того как жидкость меняется от жидкости к газу, объем увеличится драматично. Величина увеличения будет зависеть от молекулярного веса жидкости. Обычно измеренный паровой расход после редуктора будет >300 раз жидкостного расхода перед испарительным редуктором.

Например, с паровым расходом 600 см³/мин, жидкостной расход может быть менее 2 см³/мин. В этом случае жидкость займет 25 минут, чтобы пройти через 3 метра (примерно 10 футов) трубки 6 мм (1/4 дюйма). Чтобы сократить это время, мы должны сократить объем трубки перед редуктором. Например, с только 30,5 см (1 фут) трубки 3,2 мм (1/8 дюйма), это заняло бы только 30 секунд для жидкости, чтобы достичь редуктора. К этому времени, однако, мы должны добавить временную задержку в пробонбирателе. Чем уже пробонбиратель, тем быстрее отклик.

Другое средство достижения более быстрого отклика — переместить испаритель ближе к анализатору с помощью жидкостного быстрого контура. На диаграмме ниже редуктор расположен после фильтра быстрого контура со вторым жидкостным медленным байпас-контуром, обеспечивающим, что хороший жидкостной поток продолжается прямо до испарительного редуктора. Цель — минимизировать медленно движущийся жидкостной объем, идущий к испарительному редуктору.

Сделайте правильный выбор редуктора для уменьшения задержки

Редуктор — критически важный инструмент в адресации временной задержки в аналитической системе. Чем ниже давление в газовой системе, тем быстрее время отклика. В общем, чем раньше давление может быть снижено в газовой системе, тем лучше. В случаях, когда жидкость испаряется, рассмотрите жидкостной быстрый контур, чтобы держать жидкость движущейся прямо до испарительного редуктора. Полевная станция — одно место в сложной аналитической приборостроительной системе, где временная задержка может быть значительно снижена, но подход к временной задержке должен всегда быть комплексным. Чтобы сократить временную задержку, все потенциальные причины задержки в системе должны быть изучены.

Если вы боретесь с временной задержкой в ваших аналитических системах, за пределами следования советам выше относительно выбора редуктора, есть несколько других мест, куда вы можете обратиться за помощью. Мы предлагаем несколько курсов обучения системам пробоотбора, преподаваемых экспертами по пробоотбору, мы предлагаем предварительно спроектированные аналитические подсистемы, спроектированные согласно лучшим практикам, и наша команда полевого инжиниринга также может приехать на объект, чтобы помочь вам идентифицировать и устранять проблемы с вашими аналитическими системами. Чтобы узнать больше или начать разговор о снижении задержки в вашей аналитической системе, нажмите кнопку ниже.