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

Подождите немного. Документ загружается.

гуляторами температуры в верхней и нижней частях колонны;

наличие в исходной смеси примесей компонента с температурой

кипения ниже температуры кипения основного низкокипящего

компонента; большие запаздывания в массо- и теплопередаче

при большой высоте тарельчатых колонн.

Как правило, стабилизация расхода флегмы связана с пе-

рерасходом теплоносителя, подаваемого в кипятильник, так как

флегма подается заведомо в избытке из расчета компенсации

самого сильного возмущения.

Регулирование энтальпии исходной смеси. При значительных

изменениях состава исходной смеси регулирование температуры

не дает нужного эффекта, так как заданное регулятору значение

температуры не всегда будет соответствовать температуре ки-

пения. В этих случаях целесообразнее поддерживать постоян-

ную энтальпию смеси. Для -расчета энтальпии устанавливают

вычислительное устройство, на вход которого подаются значе-

ния состава, температуры и давления исходной смеси. Регули-

рующее воздействие вносится путем изменения расхода тепло-

носителя, подаваемого в теплообменник исходной смеси.

Регулирование температуры паров, возвращаемых из кипя-

тильника в колонну. Если основные возмущения связаны с из-

менением параметров теплоносителя, подаваемого в кипятиль-

ник, а не с изменением параметров исходной смеси, то датчик

температуры нижней части колонны следует устанавливать на

линии пара, движущегося из кипятильника. При этом резко

уменьшаются запаздывания в системе.

Перекрестное регулирование температуры и уровня в кубе

ректификационной колонны. Такое регулирование применяется

пррг разделении смесей сжиженных газов, а также низкокипя-

щих жидкостей с близкими температурами кипения. При уве-

личении содержания низкокипящего компонента в кубе колон-

ны температура уменьшается. Регулятор температуры прикры-

вает клапан на линии отбора остатка, а связанное с этим уве-

личение уровня в кубе заставляет регулятор уровня увеличи-

вать подачу пара. Начинается более интенсивное испарение

жидкости из куба колонны преимущественно за счет низкокипя-

щего компонента. Температура и уровень возвращаются к за-

данным значениям. Таким образом, остаток выводится из куба

в большом количестве только в том случае, если его состав со-

ответствует заданному. При обычном же способе регулирования

температуры и уровня в кубе возможен значительный расход

кубовой жидкости с большим содержанием низкокипящего ком-

понента.

Регулирование процесса отбора промежуточной фракции

(рис. 4.35). При ректификации многокомпонентных смесей ряд

компонентов отбирается из промежуточной части колонны в ви-

де пара. Затем пар конденсируется в дефлегматоре. Конденсат

собирается в емкости, откуда возвращается в колонну, а час-

тично отбирается в виде одного из целевых продуктов. Для то-

10*

179

Рис. 4.35. Схема регулиро-

вания процесса ректифика-

ции при отборе промежу-

точной фракции:

Исходная!

смесь ^

—^^ Хладоноситель

1 — колонна; 2 —дефлегматор;

3 — емкость.

го, чтобы обеспечивался заданный состав промежуточной фрак-

ции, на тарелке отбора этой фракции необходимо поддерживать

постоянный состав или температуру жидкости (постоянство дав-

ления пара над тарелкой поддерживается регулятором давле-

ния верхней части колонны). Какой из этих параметров следу-

ет брать в качестве регулируемого, определяется требованиями

к чистоте промежуточной фракции (на схеме регулируется тем-

пература). Наиболее часто регулирующее воздействие осуществ-

ляется изменением расхода промежуточной фракции, возвра-

щаемой в колонну. Если к составу верхнего продукта не предъ-

являются высокие требования, то регулирующие воздействия

могут реализоваться изменением расхода флегмы, так как

уменьшение расхода флегмы приводит к уменьшению концент-

рации низкокипящего компонента в целевой промежуточной

фракции, и наоборот. Для соблюдения материального баланса

по промежуточной фракции уровень в емкости регулируют.

Каскадно-связанное регулирование. Ректификационные ко-

лонны являются объектами управления с большими запаздыва-

ниями, поэтому возмущения успевают существенно изменить

режим всей колонны прежде, чем изменится состав целевых

продуктов и начнется их компенсация основными регулятора-

ми схемы. Улучшения качества управления процессом можно

добиться введением дополнительных контуров регулирования.

Каскадно-связанное регулирование почти всегда применяют

при регулировании состава конечных продуктов, что объясня-

ется невысокой надежностью анализаторов состава. В качестве

вспомогательного параметра при регулировании состава в верх-

ней части колонны (или на контрольной тарелке) используют

расход флегмы (рис. 4.36,а). Если регулируют состав дистилля-

та, то вспомогательным параметром лучше брать температуру

на контрольной тарелке. Можно использовать и трехконтурную

систему (рис. 4.36,6), в которой первым вспомогательным кон-

туром будет регулятор температуры, а вторым — регулятор

расхода.

.180

Хладоноситель

ных систем регулирования:

1 — колонна; 2 — дефлегматор.

При регулировании состава кубового остатка вспомогатель-

ными параметрами могут быть расход теплоносителя (либо его

давление, если в качестве теплоносителя используют пар), или

температура в нижней части колонны, или же оба параметра.

Когда расход исходной смеси определяется предыдущим

технологическим процессом и сильно изменяется во времени,

большой эффект могут дать регуляторы соотношения расходов

исходной смеси и флегмы (или исходной смеси и теплоносите-

ля, подаваемого в кипятильник) с коррекцией по составу дис-

тиллята (или остатка). Если же сильным изменениям подвер-

жен и состав исходной смеси, то целесообразно установить вы-

числительное устройство (ВУ), которое по текущим значениям

параметров исходной смеси и с учетом состава целевых про-

дуктов будет рассчитывать значения расходов флегмы и тепло-

носителя и корректировать работу соответствующих регулято-

ров (рис. 4.37).

]В последнее время находит применение способ автоматиче-

ского изменения точки ввода исходной смеси в колонну. Для

этого устанавливают специальное устройство, которое в зави-

симости от состава переключает линии подачи питания на соот-

ветствующие тарелки.

Во всех приведенных выше схемах вследствие недостаточной

надежности анализаторов состава целесообразно вводить огра-

ничения на корректирующий сигнал по составу, что устраняет

-нежелательные последствия, возможные при выходе анализато-

ра из строя.

При регулировании температуры в верхней и нижней частях

колонны в качестве вспомогательных параметров обычно берут

расходы соответственно флегмы и теплоносителя, подаваемого

в кипятильник, при регулировании давления — расход хладоно-

сителя, подаваемого в дефлегматор.

Регулирование процесса в колонне с дефлегматором и кон-

денсатором. Если температуры кипения компонентов смеси

•близки, конденсация паров, выходящих из колонны, осуществ-

.181

Рис. 4.37. Схема регулирования соотношения расходов с коррекцией по со-

ставу целевых продуктов:

/ — колонна; 2 — дефлегматор; 3 — кипятильник.

ляется раздельно. В дефлегматоре конденсируется только вы-

сококипящий компонент, конденсат отделяется в сепараторе от

паро-жидкостной смеси и возвращается в колонну. Пары низко-

кипящего компонента проходят через дефлегматор и затем кон-

денсируются в конденсаторе.

Для того чтобы в дефлегматоре конденсировался только вы-

сококипящий компонент, необходимо поддерживать на опреде-

ленном уровне температуру парожидкостной смеси, выходящей

из дефлегматора. Для этого устанавливают регулятор темпера-

туры (рис. 4.38,а), воздействующий на расход хладоносителя,

подаваемого в дефлегматор. Давление в колонне стабилизиру-

матором и конденсатором:

1 — колонна; 2 — дефлегматор; 3 — конденсатор; 4— сепаратор.

.182

ется в этих случаях путем изменения расхода хладоносителя,

поступающего в конденсатор.

В некоторых ректификационных установках дефлегматоры

размещают непосредственно на колонне (рис. 4.38,6). Пары,

идущие из колонны, конденсируются в такой степени, чтобы

обеспечить заданное орошение. При этом расход хладоносите-

ля в дефлегматоре должен соответствовать составу или темпе-

ратуре продукта в верхней части колонны.

Регулирование при использовании экстремальных регулято-

ров и вычислительных машин. При управлении процессом рек-

тификации могут ставиться задачи получения продуктов макси-

мально возможной чистоты, достижения максимальной произ-

водительности колонны, получения минимальной себестоимости

целевого продукта и т. п. В этих случаях возникает необхо-

димость в применении экстремальных регуляторов или управ-

ляющих вычислительных машин.

Экстремальный регулятор, например, служит для изменения

расхода флегмы с целью получения максимально возможной

чистоты дистиллята. На работу такого регулятора накладыва-

ются ограничения по расходу флегмы.

Процесс ректификации является одним из самых сложных

процессов химической технологии, поэтому применение простых

регуляторов, как правило, не исчерпывает всех возможностей

увеличения производительности и уменьшения себестоимости

продукции. Большой эффект может дать применение управля-

ющих машин, на которые возлагаются следующие функции: вы-

числение оптимальной нагрузки колонны и установление зада-

ния регулятору расхода смеси; вычисление оптимальных соот-

ношений расходов смеси и флегмы, смеси и теплоносителя и

установление задания регуляторам расхода флегмы и теплоно-

сителя; корректировка вычисленных соотношений расходов по

составу целевого продукта; вычисление номера оптимальной та-

релки питания и переключение устройств ввода питания на эту

тарелку; вычисление оптимального значения энтальпии исход-

ной смеси и установление задания регулятору расхода теплоно-

сителя, подаваемого в теплообменник для нагревания смеси;

переход от одного алгоритма управления к другому при измене-

нии цели управления, при переходе с пускового режима на нор-

мальный и с нормального режима на останов (алгоритм маши-

ны включает ограничения, например, по качеству целевых про-

дуктов) и т. д.

Если ректификации подвергается многокомпонентная смесь,

управляющая машина рассчитывает номер тарелки для отбора

промежуточного продукта и производит переключение уст-

ройств отбора на нужную тарелку.

Регулирование периодической ректификации. Схемы регули-

рования периодически действующих ректификационных колонн

значительно отличаются от приведенных выше. Кроме введения

дополнительного программного устройства, которое осуществ-

Сжатый воздух

Дистиллят

Рис. 4.39. Регулирование колонны периодического действия:

а — функциональная схема; б — график определения экономически выгодной продолжи-

тельности процесса; / — стоимость дистиллята; //—производственные затраты; А — мо-

мент окончания процесса; / — колонна; 2 — дефлегматор; 3 — кипятильник.

ляет переключение ректификационной установки с одной опера-

ции на другую, видоизменяются следующие узлы регулирования

(рис. 4.39,а).

Регулятор состава (температуры) в нижней части колонны

заменяется регулятором расхода теплоносителя. Это объясня-

ется тем, что время, необходимое для разделения исходной сме-

си в таких колоннах, обратно пропорционально скорости под-

вода тепла в куб колонны. Поэтому расход теплоносителя целе-

сообразно поддерживать на постоянном, максимально возмож-

ном для данных технологических условий, значении.

Регулятор давления в периодических колоннах отсутствует,

а регулятор температуры в верхней части колонны снабжается

специальным блоком. Этот блок получает информацию о сте-

пени открытия клапана на магистрали флегмы и настраивается

на определенное значение, соответствующее минимальному рас-

ходу отбираемого дистиллята, ниже которого процесс стано-

вится экономически невыгодным, так как произведение себе-

стоимости дистиллята на его количество, уменьшаясь, достига-

ет уровня эксплуатационных затрат (рис. 4.39,6). В этот мо-

мент заканчивается отбор дистиллята и начинается следующая

операция — отбор остатка.

Регулирование процесса экстрактивной ректификации. Осо-

бенностью данного вида ректификации является введение в

верхнюю часть колонны растворителя, снижающего парциаль-

ное давление одного из компонентов. Растворитель должен по-

даваться в строгом соотношении с расходом исходной смеси»

.184

Рис. 4.40. Типовая схема автоматизации процесса абсорбции:

1,3 — холодильники; 2 — абсорбционная колонна.

так как в противном случае происходит или неоправданное

увеличение нагрузки колонны или же некачественное разделе-

ние компонентов смеси. С целью поддержания соотношения рас-

ходов исходной смеси и растворителя устанавливают регулятор

соотношения. Остальные узлы регулирования экстракционной

колонны и колонны регенерации -растворителя аналогичны при-

веденным выше.

Абсорбция

Типовое решение автоматизации. В качестве объекта управле-

ния процессом абсорбции примем абсорбционную установку, со-

стоящую из абсорбционной колонны и двух холодильников —

на линиях абсорбента и газовой смеси (рис. 4.40). Показателем

эффективности процесса является концентрация У извлекаемого

компонента в обедненной смеси, а целью управления — дости-

жение определенного (минимально возможного для данных

производственных условий) значения этой концентрации.

Концентрация У

определяется разностью количеств извле-

каемого компонента, поступающего с газовой смесью и погло-

щаемого из нее абсорбентом.

Количество компонента, поступающего в колонну, рассчиты-

вается по уравнению M = G

, т. е. однозначно определяется

расходом газовой смеси G

и начальной концентрацией в ней

извлекаемого компонента У

.185

Количество же компонента, который переходит из газовой

фазы в жидкую, определяется следующим образом:

М' = KFA

где К — коэффициент массопередачи; F — поверхность контакта; Д — средняя

движущая сила процесса.

Если учесть, что для конкретной колонны коэффициент К и

поверхность

— величины малоизменяющиеся, то количество

АГ в основном будет зависеть от движущихся сил на входе в

аппарат Ai и на выходе из аппарата Д2, т. е. от положения ра-

бочей и равновесной линий процесса (рис. 4.41). Положение

равновесной линии определяется температурой и давлением про-

цесса (рис. 4.42), а положение рабочей линии — начальной и ко-

нечной концентрациями компонента в обеих фазах. Если цель

управления достигнута, концентрация У

будет постоянной;

в жидкой фазе (Х

) она определяется удельным расходом жид-

кости GJGс (где G

— расход абсорбента).

Таким образом, концентрация У

зависит от расхода газовой

смеси, концентраций Х

, отношения расходов G

, темпе-

ратуры и давления в аппарате.

Изменения расхода газовой смеси могут быть сильными воз-

мущениями, поэтому расход газа следует стабилизировать. Из-

менять же его с целью регулирования показателя эффективно-

сти нецелесообразно, так как при этом производительность аб-

сорбера может оказаться ниже расчетной, и, следовательно,

экономичность процесса снизится.

Концентрации Х

и У

определяются режимами других тех-

нологических процессов; с их изменением в объект регулиро-

вания будут вноситься возмущающие воздействия.

Отношение расходов GJG

можно поддерживать постоянным

путем стабилизации обоих расходов. Это отношение можно ис-

пользовать также для регулирования процесса, причем изме-

нять его следует путем изменения расхода G

Температура в абсорбере зависит от многих параметров:

температуры, теплоемкости и расхода газовой и жидкой фаз,

]

интенсивности массообмена

между фазами (процесс аб-

сорбции экзотермичен), по-

терь тепла в окружающую сре-

ду. Часть этих параметров

обычно подвержена значитель-

ным колебаниям во времени;

это относится, например, к ин-

тенсивности массообмена, ко-

торая для достижения цели

Рис. 4.41. Диаграмма х — у:

х и (/—содержание поглощаемого компо-

нента в жидкости и газе.

.186

а.

А С

При Р

При Р,

&-С

А С'

При

/у^

При

>t,

X о

Рис. 4.42. Влияние давления (а) и температуры (б) на процесс абсорбции:

х и у — содержание поглощаемого компонента в жидкости и газе.

управления должна быть переменной при изменяющихся кон-

центрациях Х

, У

. Такие возмущения приводят к нарушению

теплового баланса и, следовательно, к изменению температу-

ры в абсорбере. Чтобы этого не происходило, температуру сле-

довало бы регулировать, однако в рассматриваемом абсорбе-

ре нет внутреннего охлаждения, поэтому ограничиваются ста-

билизацией температур абсорбента и газовой смеси на входе

в абсорбер путем изменения расходов хладоносителей.

Давление в абсорбере целесообразно стабилизировать путем

изменения расхода обедненной смеси.

Итак, стабилизировать все параметры, влияющие на пока-

затель эффективности, практически невозможно. Поэтому в ка-

честве регулируемой величины следует взять концентрацию У

а регулирующие воздействия реализовать изменением отноше-

ния расходов GJG

. Для улучшения качества регулирования по-

казателя эффективности надо предусмотреть узлы регулирова-

ния расхода G

, температур t

и t

давления в колонне.

В нижней части абсорбера должно находиться некоторое ко-

личество жидкости, обеспечивающее гидравлический затвор,

что исключает поступление газовой смеси из абсорбера в линию

насыщенного абсорбента и позволяет регулировать давление в

абсорбере. Постоянное количество этой жидкости поддержива-

ется регулированием уровня в абсорбере путем изменения рас-

хода насыщенного абсорбента.

В качестве параметров, которые необходимо контролировать,

следует выбрать расход и температуру исходного и насыщенно-

го абсорбентов, исходной и обедненной газовой смеси, хладоно-

сителей, а также концентрацию извлекаемого компонента в

обедненной смеси, уровень в нижней части колонны, температу-

ру по высоте колонны, давление и перепад давления в ней. Сиг-

нализации подлежат отклонения давления в колонне от пре-

дельных значений.

Схемой автоматизации должно быть предусмотрено устрой-

ство защиты, исключающее значительное повышение давления

в колонне. Это устройство при определенном значении давления

обеспечивает прекращение питания регуляторов воздухом. Вы-

.187

бор регулирующих органов (НО или НЗ), установленных на

магистралях, должен производиться так, чтобы регулирующий

орган на магистрали обедненной смеси открылся, а на всех ос-

тальных — закрылся.

Регулирование концентрации извлекаемого компонента в на-

сыщенном абсорбенте. Такая цель управления часто ставится

при проведении процесса абсорбции в производстве кислот.

В этом случае из газовой смеси необходимо поглощать такое

количество компонента, которое бы обеспечило постоянство

концентрации Х

В качестве основного регулируемого параметра здесь сле-

дует брать эту концентрацию (часто используется также плот-

ность продукта), а регулирующее воздействие должно осуществ-

ляться применением расхода абсорбента. При этом датчик со-

става с целью уменьшения запаздывания может быть установ-

лен не на линии насыщенного абсорбента, а в кубе колонны.

Регулирование состава при переменном расходе газовой сме-

си. Если расход газовой смеси определяется технологическим

режимом предшествующего процесса, то стабилизировать его

нельзя, а изменения его являются для абсорбера сильными

возмущениями. Для качественного регулирования процесса эти

возмущения следует компенсировать до распространения их в

объекте. Эту задачу решает регулятор соотношения расходов

газовой смеси и абсорбента с коррекцией по концентрации У

Регулирование процесса при постоянной концентрации из-

влекаемого компонента в газовой смеси. Если на установку по-

ступает смесь постоянного состава, то исключается одно из

сильных возмущающих воздействий. Тогда достаточно вместо

регулирования концентрации У

ограничиться стабилизацией

расходов газовой смеси и абсорбента.

Если при этом расход газовой смеси изменяется во времени,

устанавливают регулятор соотношения расходов газовой смеси

и абсорбента без коррекции по концентрации.

Регулирование процесса изотермической абсорбции. Неко-

торые процессы абсорбции протекают с большим выделением

тепла, что ухудшает массопередачу. В связи с этим возникает

необходимость в отборе части тепла из абсорбера, для чего ус-

танавливают охлаждающие змеевики непосредственно в колон-

не. Расход хладоносителя, подаваемого в змеевик, должен оп-

ределяться тепловым режимом всего абсорбера. Если змеевики

установлены по всей высоте абсорбера, то параметром, характе-

ризующим тепловой режим абсорбера, является температура

хладоносителя на выходе из абсорбера. Если же змеевики

установлены только в нижней части абсорбера, регулируемой

величиной является температура насыщенного абсорбента.

Регулирование перепада давления в колонне. Некоторые кон-

струкции абсорбционных колонн очень чувствительны к нару-

шению гидродинамического режима: даже незначительные из-

менения скорости газа в колонне ведут к неустойчивым режи-

.188