Синтез багатоконтурною АСР абсорбційної установки
Автоматизація теплових процесів
Теплові процеси відіграють значну роль в хімічній технології. Хімічні реакції речовин, а також їх фізичні перетворення, як правило, супроводжуються тепловими явищами. Теплові ефекти часто становлять основу технологічних процесів. У зв'язку з цим, питання автоматизації теплообмінників, трубчастих печей, випарних апаратів та інших об'єктів хімічної технології, пов'язаних з передачею тепла, грають істотну роль.
Для стабілізації рівноважної лінії відповідно до вищевикладеного необхідно стабілізувати тиск і температуру в колоні (Рис VII-19). Тиск в колоні стабілізується за допомогою АСР тиску на лінії відводу збідненого газу. Підтримання температурного режиму здійснюється подачею абсорбенту певної температури. Для цього стабілізуємо температуру абсорбенту за допомогою АСР температури, встановленої на холодильнику.
Стабілізація робочої лінії здійснюється стежить каскадно-комбінованої АСР.
Положення робочої лінії абсорбції (нахил відрізка і координати його кінців, що обумовлює середню рушійну силу ) Підтримується регулятором співвідношення FL / FG двох потоків з корекцією за концентрацією витягується компонента QYH у вхідному потоці і заданим значенням QYK концентрації витягується компонента в обедненном газі (вихідний потік).
Для запобігання проскакування газової суміші з абсорбера в лінію насиченого абсорбенту в кубі абсорбера збирають деяку кількість рідини, рівень якої підтримується регулятором, керуючим клапаном, встановленим на лінії відводу насиченого абсорбенту в десорбера.
Рис VII-19 Схема багатоконтурного (каскадно-комбінованого) регулювання процесу абсорбції: 1 - абсорбер; 2 - холодильник.
Автоматизація процесу ректифікації
Завдання управління процесом ректифікації полягає в отриманні цільового продукту заданого складу при встановленій продуктивності установки і мінімальних витратах теплоагентов.
Вихідна суміш нагрівається в теплообміннику 1 (рис. VII-21) водяною парою до температури кипіння і надходить в ректифікаційної колони 3 на тарілку харчування. Перебуває в кубі колони рідина випаровується у виносному кип'ятильнику 2, що обігрівається парою, і у вигляді парової фази проходить вгору по колоні. Паровий потік, виходячи з колони, потрапляє в охолоджуваний хладоагентом, наприклад, водою, дефлегматор 4, де пари конденсують. Новоутворена рідка фаза стікає в флегмового ємність 5, звідки насосом 6 нагнітається у верхню частину колони на зрошення у вигляді флегми і частково відводиться з установки у вигляді дистиляту. Флегма стікає вниз по колоні.
При багаторазовому контакті в ректифікаційної колоні парового і рідкого потоків, що рухаються назустріч один одному і мають різні температури, парова фаза збагачується більш легколетучим низькокиплячих компонентами (НКК), а рідка фаза - труднолетучім висококиплячих компонентах (ЛКК). Частина кубового продукту, звана залишком, відводиться з установки. Цільовими продуктами ректифікаційної установки можуть бути дистилят або кубовий залишок, що визначається технологічною схемою.
Основними регульованими технологічними величинами процесу є склади дистиляту або кубового залишку. На чистоту цих цільових продуктів впливають ряд збурюючих впливів процесу - склад, витрата й температура вихідної суміші, параметри тепло-і хладоагента, тиск у колоні та інші величини. Основні керуючі впливу - це витрати флегми в колону і теплоносія в кип'ятильник. Причому зміна витрати флегми відносно швидко призводить до зміни складу дистиляту і одночасно з великим запізненням і в значно меншому ступені - до зміни складу кубового залишку.
Зміна ж витрати гріючої пари призводить в основному до зміни складу кубового залишку; складу флегми при цьому змінюється набагато слабкіше.
Якщо цільовим продуктом є дистилят, то основною технологічною величиною ректифікаційної установки буде склад парів у верхній частині колони. Склад води регулюють зміною подачі флегми в колону. При цьому регулюючий орган може бути встановлений як на лінії подачі флегми, так і на лінії відводу дистиляту. З точки зору статики це рівноцінно. Однак для підвищення якості регулювання регулюючий орган АСР складу необхідно встановлювати на лінії подачі флегми в колону, при цьому для збереження матеріального балансу зміцнювальної частини колони дистилят необхідно відводити за допомогою АСР рівня у флегмового ємності. Інакше інерційні властивості ємності будуть впливати на якість процесу регулювання, що може призвести до небажаних наслідків.
Згідно з правилом фаз при поділі бінарної суміші, якщо; тиск у колоні постійно, склад дистиляту і температура однозначно пов'язані між собою. Тому для управління; подачею флегми застосовують регулятор температури верхній частині колони.
Якщо число тарілок в колоні велике або різниця температур кипіння поділюваних компонентів невелика, запізнювання в об'єкті досягає декількох десятків хвилин і більше. Тому вимірювання температури у верху колони призводить до великих відхилень технологічного режиму від регламенту, тому що регулюючі дії будуть введені в процес з великим запізненням.
Для підвищення якості регулювання чутливий елемент температури слід встановлювати на так званій контрольної тарілці зміцнювальної частини колони, тобто там, де температура значно більш чутлива до зміни подачі флегми і де забезпечено менше запізнювання при зміні складу вихідної суміші.
В даний час з'явилася можливість регулювати не температуру в колоні, тобто непрямий показник, а безпосередньо складу цільових продуктів. Як аналізаторів складу використовують хроматографи, газоаналізатори, густиноміри, рефрактометри та інші прилади.
Для підвищення чутливості АСР складу вимірюють вміст домішок в цільовому продукті. Проби продукту до аналізаторах складу відбирають також на контрольній тарілці колони, але розташованої ближче до верху (низу) колони, ніж при регулюванні температури. При використанні промислових аналізаторів складу (при їх наявності для даної суміші) слід мати на увазі, що вони менш надійні, ніж вимірювачі температури.
Матеріальний баланс отгонной частини колони підтримується АСР рівня в кубі, що впливає на відведення продукту. Якщо цільовим продуктом є кубовий залишок, то до протікання процесу в отгонной частини колони пред'являються більш жорсткі вимоги, ніж до процесу в зміцнювальної частини. З цією метою регулюють склад кубового залишку, а точніше зміст НКК в кубовому продукті, змінюючи подачу пари, що гріє в кип'ятильник.
Пароутворення в кип'ятильнику визначає гідродинамічний режим колони. При інтенсивному освіту пара може наступити «захлинання», при якому висхідний потік пари перешкоджає стіканню рідини вниз і захоплює краплі рідини вгору. При недостатньому паровому потоці знижується продуктивність установки.
Рис. VII-22 Схема каскадного регулювання процесу ректифікації
Рис. VII-23. Схеми регулювання складу дистиляту (а) і кубового залишку (б) з урахуванням зміни витрат вихідної суміші.
На рис. VII-22 наведена одна з можливих схем регулювання процесу ректифікації з використанням каскадних систем, коли цільовим продуктом є дистилят. У цьому випадку подачею флегми в колону управляє триконтурна система регулювання, в якій регулятор складу дистиляту виробляє коригувальний сигнал, що направляється в якості завдання регулятору температури на контрольній тарілці колони, а останній коригує роботу регулятора подачі флегми в колону. При наявності надійного аналізатора складу контур регулювання температури з розглянутої системи можна виключити.
Для подачі гріючої пари в кип'ятильник застосовують систему регулювання витрати, завдання якої змінює регулятор температури на контрольній тарілці отгонной частини колони.
При подальшому поділі кубового залишку необхідно одночасно забезпечити сталість його рівня в кубі колони і сталість подачі на наступну по технологічної лінії установку. Для цієї мети використовують систему регулювання витрати кубового залишку із стабілізуючим регулятором, завдання якого коригується регулятором рівня продукту в кубі колони.
Якщо цільовим продуктом є кубовий залишок, то для забезпечення його заданої чистоти застосовують систему регулювання витрати гріючої пари в кип'ятильник з коригуванням по температурі в отгонной частини колони і за складом кубового продукту на контрольній тарілці. Можливо також використання більш простої системи без допоміжного контура регулювання температури. Так як в даному випадку до дистиляту підвищених вимог по чистоті не пред'являється, то для управління подачею флегми в колону достатньо системи регулювання витрати. Передбачається також система регулювання витрати балансового надлишку дистиляту, що направляється далі на розділення, з коригуванням його за рівнем під флегмового ємності. Кубовий продукт відводиться з установки за допомогою регулятора рівня в кубі колони.
У порівнянні з одноконтурними каскадні системи забезпечують краще регулювання основних технологічних величин ректифікаційної установки. Однак внаслідок повільного протікання в ній тепло-і масообмінних процесів, вони успішно компенсують лише порівняно малі обурення з складу вихідної суміші.
У промисловій практиці витрата вихідної суміші часто визначається роботою попередньої технологічної установки і досить сильно коливається в часі. Це вимагає введення в АСР складів дистиляту і кубового залишку додаткових контурів за збуренням, що враховують зміну витрати вихідної суміші.
На рис. VII-23 показані системи регулювання складу дистиляту (а) і кубового залишку (б) з урахуванням зміни витрат вихідної суміші. У першому випадку в системі регулювання передбачений регулятор співвідношення витрат вихідної сировини і флегми, керуючий подачею флегми. На цей регулятор подається коригувальний сигнал від регулятора складу продукту в зміцнювальної частини колони. При збільшенні витрати вихідної суміші регулятор співвідношення збільшує витрату флегми в колону, і навпаки. Поточне значення співвідношення витрат вихідної суміші та флегми безперервно коригується регулятором складу залежно від змісту ЛКК на • контрольної тарілці зміцнювальної частини колони.
У другому випадку вихідний сигнал регулятора складу отгонной частини колони направляється на регулятор співвідношення витрат вихідної сировини та гріє, пара, керуючий подачею пари на установку. Можливо також одночасне введення сигналу, пропорційного зміни швидкості подачі сировини на установку, в системи регулювання зміцнювальної і отгонной частин колони.
Такі системи регулювання реагують на зміну витрати вихідної суміші перш, ніж це обурення вплине на перебіг процесу.
При значному зміну складу вихідної суміші в системи регулювання складу дистиляту і кубового залишку вводять додаткові контури регулювання, враховують це обурення. Варіант системи, призначеної для підтримки сталості складу дистиляту, наведено на рис. VII-24, а. Вихідний сигнал регулятора, пропорційний змістом НКК у вихідній суміші, направляється як завдання на регулятор подачі флегми в колону. У свою чергу завдання регулятору, що аналізує склад вихідної суміші, формується регулятором складу на контрольній тарілці зміцнювальної частини колони.
При відсутності аналізатора складу вихідної суміші та при часто спостерігається досить повільне зміну цієї величини зміна змісту НКК або ЛКК у вихідній суміші може бути скомпенсировано підтриманням співвідношення витрат дистиляту або кубового залишку та вихідної суміші. Ці регулятори співвідношення вбудовуються у відповідні системи регулювання основних технологічних величин. Така система регулювання складу дистиляту наведена на рис VII-24, б. При зростанні, наприклад, змісту НКК у вихідній суміші, збільшується кількість парів, що відводяться з колони, що сприймається регулятором співвідношення витрат дистиляту і вихідної суміші, який збільшує подачу флегми в колону, внаслідок чого відбір дистиляту з установки також зростає.
У разі одночасного зміни витрати і складу суміші може бути рекомендована система регулювання складу дистиляту, наведена на рис. VII-25. Вихідні сигнали аналізатора змісту НКК у вихідній суміші і вимірника її витрати направляються в обчислювальний пристрій, який визначає поточну кількість НКК, що надходить у колону в одиницю часу. Вихід цього пристрою впливає на регулятор витрати, керуючий подачею флегми в колону. При цьому сигнал обчислювального пристрою необхідно коригувати за складом верхнього продукту колони. Дана система забезпечує відбір дистиляту заданого складу у відповідності до кількості НКК, що надходить у колону Аналогічна система може бути складена й для регулювання складу кубового залишку.
Введення в системи регулювання основних технологічних величин додаткових контурів, що враховують зміну витрати і складу вихідної суміші призводить до підвищення якості цільового продукту або збільшення його виходу, а також до зниження енерговитрат на проведення процесу.
Рис VII-24. Схеми регулювання складу дистиляту з урахуванням зміни складу вихідної суміші при використанні, аналізатора якості (а) і без нього (б).
Рис. VII-25. Система регулювання складу дистиляту з урахуванням зміни витрат і складу вихідної суміші