Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация технических процессов в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

Исходный раствор

/ Маточный раствор

Рис. 4.28. Типовая схема автоматизации процесса кристаллизации:

/ — холодильник; 2— кристаллизатор; 3 — насос суспензии; 4— циркуляционный насос.

ра, суспензии, хладоносителя; G

p — количество образующихся кристаллов в

единицу времени; с

, с

. р, с

Су

— удельные теплоемкости соответственно

раствора, маточного раствора, суспензии, хладоносителя; /

, t

— соот-

ветственно температуры раствора, маточного раствора, суспензии; t*, W —•

соответственно начальная и конечная температуры хладоносителя; г

кр

—теп-

лота кристаллизации.

Многие из этих параметров (t

, t

\ G

и др.) изменяют-

ся во времени, поэтому для обеспечения постоянства температу-

ры в аппарате необходимы соответствующие регулирующие воз-

действия. Наиболее удобным из них является изменение расхо-

да хладоносителя G

Интенсивность охлаждения раствора при постоянной тем-

пературе в аппарате будет определяться скоростью прохож-

дения раствора через аппарат. Для поддержания ее постоянной

стабилизируют расход раствора.

Интенсивность перемешивания раствора в кристаллизаторе

при использовании насоса с постоянными характеристиками

можно считать постоянной.

Концентрация твердой фазы в исходном растворе, темпера-

тура его и наличие примесей являются начальными параметра-

ми процесса, определяемыми предыдущим технологическим

процессом. Их изменения будут приводить к нарушению техно-

логического режима кристаллизации.

В связи с тем что в кристаллизаторе возникают многочис-

ленные возмущения, в качестве регулируемой величины следо-

вало бы взять размеры кристаллов. Однако в настоящее время

отсутствуют датчики как непосредственного, так и косвенного

измерения размеров кристаллов, поэтому ограничиваются ста-

билизацией температуры в аппарате (изменением расходов G

или G

). Для поддержания материального баланса кристалли-

затора следует стабилизировать уровень в аппарате. Регулиру-

ющим воздействием при этом может быть изменение расхода

.169

Рис. 4.29. Схема ре*

гулирования односту-

пенчатого кристалли-

затора выпарного ти-

па:

1 — верхняя камера; 2 —

нижняя камера; 3 — ки-

пятильник.

Разбавленная

сроссрорная

кислота

Упаренная

кислота с

кристаллами

flap

атмоссреру

Пар

барометрический

конденсатор

Греющий

суспензии. Маточный раствор выводится из аппаратов за счет

перелива, поэтому его расход не регулируется. Стабилизация

всех этих параметров обеспечивает, как правило, заданные

размеры кристаллов.

Контролировать следует расходы поступающего раствора,

маточного раствора, суспензии и хладоносителя, их температу-

ру, уровень и температуру в кристаллизаторе. Контролируются

и сигнализируются, кроме того, параметры насосов раствора и

суспензии.

Регулирование концентрации кристаллов в суспензии. В от-

дельных случаях параметром, характеризующим процесс крис-

таллизации, является концентрация кристаллов в суспензии.

Тогда требуется управлять процессом таким образом, чтобы

концентрация кристаллов была постоянной, максимально воз-

можной для данных условий. Концентрация кристаллов в сус-

пензии в некоторой степени характеризует и их размеры; напри-

мер, чем больше концентрация, тем интенсивнее процесс крис-

таллизации и тем больше кристаллы. На практике концентра-

цию кристаллов определяют по плотности суспензии. Регули-

рующие воздействия следует вносить путем изменения расхода

исходной смеси; все остальные узлы регулирования остаются

теми же, что и в типовом решении.

Регулирование кристаллизатора выпарного типа. Кристал-

лизация за счет испарения части растворителя проводится в ап-

паратах выпарного типа, поэтому регулирование процессов в

таких аппаратах аналогично регулированию процесса выпари-

вания (см. с. 163). На рис. 4.29 показана схема регулирования

испарителя-кристаллизатора с естественной циркуляцией, ко-

торая нашла применение при кристаллизации сульфата кальция

из фосфорной кислоты. Особенностью схемы является регули-

рование перепада уровней в верхней и нижней камерах выпар-

ного аппарата.

170

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ректификация

; с

" " '

Типовое решение автоматизации.! В качестве объекта управле-

ния при автоматизации процесса ректификации примем уста-

новку для разделения бинарной смеси, состоящую из тарель-

чатой ректификационной колонны, выносного кипятильника,

дефлегматора и теплообменника для подогрева исходной смеси

(рис. 4.30). Процесс ректификации относится к основным про-

цессам химической технологии. Показателем эффективности его

является состав целевого продукта. В зависимости от техноло-

гических особенностей в качестве целевого продукта могут вы-

ступать как дистиллят, так и кубовый остаток. Поддержание

постоянного состава целевого продукта и будет являться целью

управления. Состав другого продукта при этом может колебать-

ся в определенных пределах вследствие изменения состава ис-

ходной смеси. В дальнейшем будем считать целевым продуктом

дистиллят.

Ректификационная установка является сложным объектом

управления со значительным временем запаздывания (напри-

мер, в отдельных случаях выходные параметры процесса нач-

нут изменяться после изменения параметров сырья лишь через

Рис. 4.30. Типовая схема автоматизации процесса ректификации:

1—теплообменник исходной смеси; 2 — ректификационная колонна; 3 — дефлегматор;

— кипятильник.

.171

1—3 ч), с большим количеством параметров, характеризующих

процесс, многочисленными взаимосвязями между ними, распре-

деленностью их и т. д.

'Трудность регулирования процесса объясняется еще часто-

той и амплитудой возмущений. В объекте имеют место такие

возмущения, как изменения начальных параметров исходной

смеси, а также тепло- и хладоносителей^ изменения свойств

тепло-передающих поверхностей^ отложение веществ на стенках

и т. д. Кроме того, на технологический режим ректификацион-

ных колонн, устанавливаемых под открытым небом, влияют ко-

лебания температуры атмосферного воздуха.

Уравнение зависимости показателя эффективности от пара-

метров процесса (выведено из уравнений материального ба-

ланса) выглядит следующим образом:

CpG

—

CqGQ

-G

где с

, с

, Со — концентрация искомого компонента соответственно в дистил-

ляте, исходной смеси, остатке G

, G

— расход соответственно исходной сме-

си и остатка. . .J

Анализ уравнения показывает, что концентрация С

зависит

непосредственно от начальных параметров исходной смеси.

С их изменением в процесс могут поступать наиболее сильные

возмущения, в частности по каналу состава исходной смеси,

так как состав определяется предыдущим технологическим про-

цессом.

' Расход Gс может быть стабилизирован с помощью регулято-

ра расхода. Диафрагма и исполнительное устройство этого ре-

гулятора должны быть установлены до теплообменника, так

как после нагревания смеси до температуры кипения в этом

теплообменнике поток жидкости может содержать паровую фа-

зу, что нарушает работу автоматических устройств.

Большое значение для процесса ректификации имеет темпе-

ратура исходной смеси. Если смесь начинает поступать в колон-

ну при температуре меньшей, чем температура кипения, она

должна нагреваться до этой температуры парами, идущими из

нижней части колонны. Конденсация паров при этом увеличи-

вается, что нарушает весь режим процесса ректификации. По-

этому температуру исходной смеси стабилизируют изменением

расхода теплоносителя, подаваемого в теплообменник; тем са-

мым ликвидируют одно из возмущений.

Рассмотрим возможности регулирования режимных парамет-

ров верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны,

которые непосредственно определяют состав дистиллята.

Зависимость состава паров, выходящих из укрепляющей ча-

сти колонны (а значит, и состава дистиллята), от других пара-

метров процесса можно проследить по диаграмме (рис. 4.31).

Анализ диаграммы показывает, что концентрация У (показа-

.172

рис. 4.31. Диаграмма температура (t)—концент-

рация низкокипящего компонента в жидкости (х)

и парах (у).

тель эффективности) определяется кон-

центрацией х, температурой кипения t

жидкости и давлением паров Р над жид-

костью. Для получения определенной

концентрации/например У

, в соответст-

вин с правилом фаз следует поддержи-

вать на определенном значениитолько два из перечисленных

параметров, например давление Р и концентрацию Хз.

Давление Р легко стабилизировать изменением расхода па-

ра из колонны. Исполнительное устройство при этом устанавли-

вают не на шлемовой трубе, соединяющей верхнюю часть рек-

тификационной колонны с дефлегматором, а на линии хладоно-

сителя, поступающего в дефлегматор. Это вызвано, в частности,

тем, что при дросселировании пара в шлемовой трубе дефлег-

матор начинает работать в режиме переменного давления, а

это неблагоприятно влияет на процесс конденсации.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходи-

ма не только для поддержания заданного состава целевого

продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамиче-

ского режима колонны, так как при уменьшении давления мо-

жет произойти «захлебывание» колонны (восходящий поток

пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам

вниз), а при его увеличении снижается скорость парового по-

тока, что связано с уменьшением производительности установки.

'Сравнительно просто регулировать также и концентрацию х

изменением расхода флегмы: чем выше этот расход, тем боль-

ше низкокипящего компонента будет в жидкости, и наоборот.

На практике часто регулируют состав паров (а в отдельных

случаях и непосредственно состав дистиллята) изменением рас-

хода флегмы. Регулирующий орган во всех случаях может быть

установлен как на линии флегмы, так и на линии дистиллята,

что равноценно. В качестве анализаторов состава в промышлен-

ности используют хроматографы и газоанализаторы.

Итак, для достижения цели управления необходимо стабили-

зировать давление и состав жидкости в верхней части колонны

путем изменения расхода хладоносителя, поступающего в деф-

легматор, и расхода флегмы. Качество регулирования этих па-

раметров зависит от состава и скорости паров, движущихся из

нижней исчерпывающей части колонны и определяемых ее тех-

нологическим режимом — главным образом давлением, темпе-

ратурой и составом жидкости в кубе колонны.

Необходимость стабилизации давления паров в кубе отпа-

дает, так как ректификационная колонна обладает хорошо вы-

раженными свойствами самовыравнивания по этому параметру

.173

и регулирование давления в укрепляющей части колонны при-

ведет к тому, что давление в кубе через несколько минут при-

мет определенное (несколько большее, чем вверху колонны)

значение.

Этого нельзя сказать о температуре (составе) жидкости в

кубе (как и в верхней части колонны, в кубе, кроме давления,

достаточно регулировать лишь один параметр). Изменение рас-

хода флегмы с целью регулирования второго параметра приво-

дит к изменению параметров в кубе колонны лишь через не-

сколько часов. В связи с этим для поддержания нормального

режима в кубе возникает необходимость независимого регули-

рования одного из этих параметров. Обычно стабилизируют

температуру, поскольку, с одной стороны, датчик температуры

значительно проще и .надежнее, чем анализаторы состава, а с

другой стороны, если целевым продуктом является дистиллят»

то требования к технологическому режиму низа колонны менее

жесткие, чем к верхней части. Итак, в кубе колонны следует

регулировать температуру.

Регулирующие воздействия в нижней части колонны могут

осуществляться изменением расходов кубового остатка и тепло-

носителя, подаваемого в кипятильник. Если учесть, что один из

них, а именно расход остатка, следует использовать для под-

держания материального баланса, т. е. для стабилизации

уровня жидкости в кубе, то единственным регулирующим воз-

действием при регулировании температуры является изменение

расхода теплоносителя, подаваемого в теплообменник.

Таким образом, если целевым продуктом является дистил-

лят, то для достижения цели управления следует регулировать

расход исходной смеси, температуру исходной смеси, давление

в верхней части колонны, состав жидкости в верхней части ко-

лонны, температуру и уровень жидкости в кубе. Контролю под-

лежат: расход исходной смеси, дистиллята, флегмы, остатка,

тепло- и хладоносителей; состав и температура конечных про-

дуктов; температура исходной смеси, тепло- и хладоносителя;

уровень в кубе колонны; температура по высоте колонны, дав-

ления в верхней и нижней частях колонны, а также перепад

этих давлений.

Сигнализации подлежат значительные отклонения состава

целевого продукта, уровня и давления в колонне от заданных

значений. При давлении в колонне выше допустимого, а также

при прекращении поступления исходной смеси должны срабо-

тать автоматические устройства защиты, отключающие ректи-

фикационную установку. При этом магистрали теплоносителей,

остатка и дистиллята перекрываются, а магистрали хладоноси-

теля и флегмы полностью открываются.

Регулирование процесса при использовании кубового остат-

ка в качестве целевого продукта. Кубовый остаток используют

в качестве целевого продукта не реже, чем дистиллят. В этих

случаях более жесткие требования предъявляют к поддержанию

.174

Рис. 4.32. График изменения соста-

ва целевого продукта по высоте ко-

лонны до изменения расхода флег-

мы (/) и после его изменения (2).

технологического режима в

нижней части колонны, поэто-

му в кубе колонны устанавли-

вают датчик состава, а в верх-

ней части — датчик температу-

ры. Остальные узлы регулиро-

вания типовой схемы остаются

неизменными.

Регулирование параметров на контрольных тарелках. Ос-

новными регулирующими воздействиями, с помощью которых

компенсируются возмущения и достигается цель управления,

являются изменения расхода флегмы в верхней части колонны

и расхода теплоносителя, подаваемого в кипятильник, — в ниж-

ней. От правильности выбора параметров, значения которых

влияют на эти расходы, во многом зависит решение задачи при

использовании ректификационной установки.

Если запаздывания в колонне невелики (колонна имеет не-

большое число тарелок, температуры кипения разделяемых

компонентов сильно различаются и т. п.), то в качестве регули-

руемых величин могут быть взяты непосредственно составы ди-

стиллята и остатка. При больших запаздываниях этот вариант

неприемлем, так как регулирующие воздействия начнут реали-

зовываться только после того, как режим всей колонны будет

серьезно нарушен. Восстановление же режима произойдет лишь

после значительного промежутка времени. Гораздо удобнее в

этих случаях использовать в качестве регулируемой величины

состав на промежуточной тарелке, который изменяется значи-

тельно быстрее и сильнее (в 20—50 раз), чем состав на выхо-

де колонны.

График изменения состава по высоте ректификационной ко-

лонны при скачкообразном изменении расхода флегмы (рис.

4.32) показывает, что состав конечных продуктов изменяется

слабо (кривые 1 и 2 в начальных точках почти совпадают) при

значительных изменениях состава (точки А

и А

, Б\ и Б

) на

средних контрольных тарелках укрепляющей и исчерпывающей

частей колонны. Здесь и следует устанавливать датчики соста-

ва. Заметим, что все сказанное в отношении составов продуктов

справедливо и для температур.

Не рекомендуется производить регулирование на контроль-

ной тарелке при сильных изменениях параметров исходной

смеси, поскольку каждому значению параметров смеси соответ-

ствует свое значение состава на контрольной тарелке, которое

следовало бы поддерживать для достижения цели управления.

Регулирование физико-химических переменных целевых про-

дуктов. При разделении многокомпонентных смесей находят

Состав

целевого

продукта,%

.175

Пар

эталонной

жидкости

2 Тепло-

носитель

о**

Рис. 4.33. Схема регулирования состава це-

левого продукта по разности температур

кубового остатка и эталонной жидкости:

/ — ректификационная колонна; 2 — кипятильник;

3— камера конденсации.

применение регуляторы физико-химических переменных этих

продуктов. К таким переменным относятся разность парциаль-

ных давлений паров продукта и эталонной жидкости, плотность,

температура вспышки, разность температур кипения продукта

и эталонной жидкости, начало и конец кипения и др. Особенно

предпочтительны приборы, которые на выходе имеют сигнал,

пропорциональный разности значений параметров эталонной

жидкости и продукта, так как их выход может непосредствен-

но использоваться в схемах регулирования.

На рис. 4.33 показан, в частности, узел регулирования со-

става по разности температур кипения продукта и эталонной

жидкости при постоянном давлении в исчерпывающей части ко-

лонны.

В куб колонны непрерывно подается небольшое количество

насыщенных паров эталонной жидкости — кубового остатка за-

данного состава. В камере 3 они конденсируются; температура

их измеряется термопарой. Другой термопарой измеряется тем-

пература кипящей жидкости в колонне. Термопары соединены

по дифференциальной схеме; разность их термоэлектродвижу-

щих сил подается на регулирующий прибор. Равенство давле-

ний в кубе колонны и в камере 3 обеспечивается небольшой

длиной и достаточно большим диаметром (10—15 мм) трубки,

соединяющей камеру конденсации с колонной.

Регулирование температуры. Температура в колонне обла-

дает значительно меньшим запаздыванием, чем состав. К тому

же датчики температуры проще и надежнее. Поэтому если к

чистоте целевого продукта не предъявляются очень высокие

требования, то расход флегмы (или теплоносителя в кипятиль-

ник) изменяется не по составу, а по температуре в верхней

(нижней) части колонны.

Если возмущения в колонну будут поступать по многим ка-

налам (с изменением параметров исходной смеси, теплоносите-

лей, хладоносителей и т. д.), то улучшения качества регулиро-

вания составов целевых продуктов добиваются стабилизацией

перепада температур на двух рядом лежащих контрольных та-

релках, так как перепад температур в среднем быстрее будет

реагировать на возмущения, чем температура.

Регулирование давления в верхней части колонны. Типовой

метод регулирования давления изменением расхода хладоноси-

теля, подаваемого в дефлегматор, связан с большими запазды-

.176

Рис. 4.34. Схемы регулирования давления в верхней части колонны:

1 — колонна; 2 — дефлегматор; 3— эжектор; 4 — емкость.

ваниями, поэтому нашли применение и другие способы регули-

рования.

Если в парах, выходящих из верхней части колонны, содер-

жатся неконденсирующиеся в дефлегматоре компоненты, при-

меняют/схему регулирования давления сбросом этих компонен-

тов из сепаратора. Роль сепаратора может играть и флегмовая

емкость (рис. 4.34, а). Она обеспечивает запас флегмы, необхо-

димый для стабилизации состава дистиллята при значительных

возмущениях. Для поддержания материального баланса в этой

емкости следует регулировать уровень изменением расхода ди-

стиллята. Стабилизация уровня, кроме того, обеспечивает по-

стоянное гидростатическое давление перед клапаном на линии

флегмы, а следовательно, улучшает качество регулирования

состава.

Улучшение качества регулирования давления в верхней ча-

сти колонны с отдувкой может быть достигнуто установкой

двух исполнительных устройств — на линиях хладоносителя и

отдувки. Область работы этих исполнительных механизмов

должна быть различной.

Для регулирования давления используют и метод байпаси-

рования (рис. 4.34, б). В этом случае часть паров из колонны

(«10%) перепускается помимо дефлегматора во флегмовую

емкость и конденсируется там. Если запаздывание в системе

регулирования давления надо свести к минимальному, дроссе-

лируют пары, выходящие из колонны. Оба способа требуют ис-

12—581

177

пользования крупногабаритных паровых регулирующих орга-

нов, что является их недостатком.

В случае полного отсутствия неконденсирующихся паров

применяется метод регулирования давления изменением вели-

чины поверхности конденсации в дефлегматоре. При уменьше-

нии давления в колонне регулятор давления прикрывает кла-

пан на линии слива конденсата из дефлегматора. При этом уро-

вень конденсата повышается, поверхность конденсации уменьша-

ется, и давление принимает заданное значение.

Если конденсация паров в дефлегматоре осуществляется за

счет испарения хладоагентов (аммиака, фреона и т. п.), то

улучшение качества регулирования давления может быть до-

стигнуто изменением расхода отводимых из дефлегматора па-

ров хладоагента. Это приводит к быстрому изменению давления

и температуры кипения хладоагента и, следовательно, интен-

сивности испарения. Расход жидкого хладоагента может из-

меряться или по уровню в дефлегматоре (рис. 4.34, в), или по

перегреву паров с помощью терморегулирующего вентиля (см.

рис. 4.25).

Разрежение в вакуумных колоннах обычно регулируется из-

менением подачи воздуха или инертного газа в линию между

дефлегматором и паровым (водяным) эжектором (рис. 4.34,г).

Необходимо заметить, что, если возможны сильные измене-

ния расхода хладоносителя, подаваемого в дефлегматор, во

всех приведенных выше схемах наряду с узлом регулирования

давления следует предусмотреть узел стабилизации расхода

хладоносителя.

Регулирование давления в кубе колонны. При значительном

гидравлическом сопротивлении колонны стабилизация давления

в верхней части ее не обеспечивает постоянство давления в ниж-

ней. Если в колонне разгоняется смесь, состав которой более

чувствителен к изменению давления, чем к изменению темпера-

туры, то стабилизируют давление не только в верхней части

колонны, но и в нижней части изменением расхода теплоноси-

теля в кипятильник.

При ректификации ряда жидких смесей к гидродинамическо-

му режиму колонны предъявляются повышенные требования:

в процессе работы должны быть исключены как режим захле-

бывания, так и режим уноса капель жидкости паровым пото-

ком. В этих случаях стабилизируют перепад давления по вы-

соте колонны.

Регулирование расхода флегмы. В отдельных случаях целе-

сообразно не изменять расход флегмы по составу или темпера-

туре в верхней части колонны, а стабилизировать его. Предпо-

сылками для такого регулирования служит следующее: отсут-

ствие приборов для непрерывного автоматического определения

состава дистиллята, в то время как температура в верхней ча-

сти колонны при сравнительно больших изменениях состава

меняется в очень узких пределах; значительная связь между ре-

.178