Автоматизация процесса ректификации.

Характеристика ректификационной установки как объекта управления. Основные переменные процесса.

 

Автоматическое регулирование процесса ректификации – одна из наиболее сложных задач, возникающих при автоматизации химических производств. Это объясняется сложным характером технологического процесса, взаимной зависимостью основных регулируемых параметров, а также большой инерционностью и запаздыванием, присущим ректификационным колоннам, как объектам регулирования.

 

Ректификационные колонны и установки как ОУ представляют собой сложные динамические системы с ярко выраженной распределенностью параметров по температуре, концентрации, составу, давлению, если колонна имеет большое количество тарелок (более 50); с нелинейностью статических характеристик, значительной инерционностью и запаздыванием практически по всем каналам управлений и возмущений, взаимосвязанностью параметров, наличием значительного числа возмущений и помех и т.д.

Н-р, зависимость состава конечного продукта от расхода пара, подаваемого в кипятильник и расхода флегмы, подаваемой на орошение. Нелинейность статических характеристик вызывает неоднозначность связи между регулирующими воздействиями и регулируемыми величинами.

Распределенность параметров требует применения распределенных управляющих воздействий.

Н-р, существенная распределенность процесса по температуре и концентрации по высоте аппарата требует и распределенных управляющих воздействий, т.е. одним регулирующим органом невозможно поддерживать определенную температуру или концентрационный профиль по высоте аппарата. Необходимо два управляющих воздействия, т.е. температуру верха регулируем подачей флегмы, а температуру куба – подачей теплоносителя в кипятильник или в куб колонны.

Нелинейность характеристик указывает на то, что управляющее воздействие не может быть однозначным на всем диапазоне.

Н-р, увеличение расхода пара в кипятильник вначале вызывает повышение концентрации низкокипящих компонентов в дистилляте, а затем, понижение. В этом случае важно работать в режимах по паровой нагрузке слева от точки экстремума.

Типовая установка для ректификации двухкомпонентной смеси состоит из емкости исходной смеси, теплообменника, в котором исходная смесь подогревается до температуры кипения, ректификационной колонны с кипятильником, конденсатора и флегмовой емкости.

Задача управления процессом ректификации заключается в получении продуктов разделения (дистиллята и кубового остатка) определенной чистоты при заданной производительности установки и минимальном расходе греющего пара.

Показателем эффективности процесса ректификации является состав целевого продукта (дистиллят или кубовый продукт), а целью управления – поддержание этого состава на заданном значении (или целью регулирования является сохранение материального и теплового балансов в колонне).

Если целевым продуктом является дистиллят, то для достижения цели управления следует регулировать:

1. Расход исходной смеси (контур 1);

2. Температуру исходной смеси (контур 2);

3. Регулирование давления в верхней части колонны (контур 3);

4. Температуру колонны (контур 5);

5. Уровень в кубе колонны (контур 4);

6. Состав дистиллята.

Контролю подлежат: расходы исходной смеси, дистиллята, флегмы, кубового остатка, теплоносителей и хладагента; составы и температура конечных продуктов; температуры исходной смеси, теплоносителей и хладагентов; температуры по высоте колонны; давление в верхней и нижней частях колонны, а также перепад давления по высоте колонны.

Сигнализации подлежат: уровень в кубе колонны, давление в колонне, температура в колонне, расход исходной смеси.

 

Основные переменные процесса:

Основными возмущающими воздействиями для колонны являются изменения состава, расхода и температуры питания, давления в колонне, давления в линии греющего пара.

Воздействие некоторых из перечисленных факторов на процесс ректификации можно устранить или значительно уменьшить с помощью локальных САР. По отношению к главному объекту регулирования – колонн – эти САР являются «внешними» и не оказывают влияния на процессы регулирования в колонне.

1. Кол-во исходной смеси, поступающей в колонну. Если недостаточно поступает в колонну, то содержание низкокипящих компонентов в дистилляте и кубовом продукте снижается; если питание поступает в избытке, то содержание низкокипящих компонентов в дистилляте и кубовом продукте повышается. Задача состоит в том, чтобы в дистилляте НКК было как можно больше, а в кубовом продукте не было совсем. При избытке и недостатке сырья в колонне режимы по давлению и температуре резко меняются. Отсюда, чтобы ректификационная колонна работала наиболее экономично и выдавала чистые продукты, расход исходной смеси необходимо застабилизировать с помощью АСР расхода. регулятор по расходу устанавливают до теплообменника Т-1, чтобы измерять расход однофазной системы.

Расход исходной смеси, поступающей в колону, можно стабилизировать при наличии буферной емкости, которая аккумулирует колебания расхода на входе ректификационной установки. Для этого применяют регулятор расхода. Если буферная емкость на входе установки отсутствует, то колебания расхода питания колонны устранить невозможно. Если колонна получает питание не со склада, а с предыдущего аппарата, работающего непрерывно, но с переменной нагрузкой, то в данном случае расход питания застабилизировать тоже невозможно. И тогда его рассматривают как возмущение процесса.

Давление в линии греющего пара регулируется с помощью регулятора давления.

2. Состав исходной смеси. Колебания состава исходной смеси приводят к изменению состава и температуры жидкостей и паров в колонне. При изменениях состава для обеспечения заданной четкости разделения, необходимо изменить кол-во флегмы, подаваемой на орошение, или отбор дистиллята. Это следует из матер. баланса колонны.Для соблюдения матер. баланса при изменении состава, необходимо также изменить подачу пара в кипятильник колонны. Состав исходной смеси определяется или ходом предыдущего технологического процесса или сортностью питания. Поэтому стабилизировать его перед входом в объект нельзя. Это наиболее тяжелое возмущающее воздействие.

3. Температура (и энтальпия – теплосодержание) исходной смеси. Исходная смесь вводится в колонну, как правило, при температуре кипения. Если она поступает при более низкой температуре, то должна будет нагреться до кипящего состояния в кубе колонны за счет тепла, подаваемого в кипятильник. Но, т.к. тяжелые (высококипящие компоненты) кипят при более высокой температуре, то тепла тратится больше, экономичность процесса снижается. Кроме того, подача «холодного» питания повышает кол-во флегмы внизу колонны, тем самым ухудшая кач-во (состав) кубового продукта. Для поддержания заданной температуры кипения используется контур 2. Следует заметить, что при колебаниях состава исходной смеси лучше регулировать не температуру, а энтальпию (это возможно лишь с применением ЭВМ). Для регулирования по энтальпии в ЭВМ заводят состав исходной смеси; давление и температуру исходной смеси.

Температура исходной смеси автоматически стабилизируется регулятором, который воздействует на расход пара, подаваемого в теплообменник.

 

4.Регулирование давления в колонне. Существенно влияет на ход процесса ректификации давление в колонне, поэтому его необходимо стабилизировать. Давление изменяется по высоте колонны и в разных точках отличается на величину гидравлического сопротивления участка, расположенного между данными точками. В большинстве случаев гидродинамический режим процесса ректификации остается достаточно стабильным и гидравлическое сопротивление можно считать постоянным. Поэтому достаточно стабилизировать давление в одной точке, например, в верхней части колонны.

Давление определяет температуру кипения смеси, однозначно связанную с составом (лишь при постоянном давлении). В ректификационных установках, особенно продуктовых (конечных), состав дистиллята или кубового продукта является показателем эффективности процесса ректификации и целью управления процессом. К АСР состава, так же как и к АСР давления предъявляются требования по качественным показателям их работы.

Типовой метод регулирования давления изменением расхода хладагента, подаваемого в конденсатор, обладает большими запаздываниями, поэтому, где это возможно, применяются др. схемы регулирования.

Недостатком данного метода является то, что контур инерционен, т.к. в него включена емкость металлоконденсатора.

Дросселированием потока в шлеммовой трубе.

Недостаток этого метода: конденсатор попадает в режим переменных давлений, что неблагоприятно сказывается на работе верха колонны.

Если в парах, выходящих из верхней части колонны, имеют место неконденсирующиеся в конденсаторе компоненты или инертные газы, то применяют схему регулирования давления сбросом этих компонентов из флегмовой емкости.

Улучшение кач-ва регулирования м/б достигнуто установкой 2-х регулирующих клапанов на линии хладагента и на линии сдувки; но область работы этих клапанов д/б различной: вначале исчерпывает свой ресурс клапан на подаче хладагента, а затем включается в работу клапан на

сдувках.

Заметим, что стабилизация давления в верхней части колонны необходимо не только для поддержания состава продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны, т.к. при понижении давления может произойти «захлебывание» колонны, а при повышении давления снижается скорость парового потока, что связано со снижением производительности. Состав дистиллята обычно регулируют изменением расхода флегмы или отбора дистиллята.

В качестве анализатора состава используются хроматографы и газоанализаторы. Отбор информации по составу м/б осуществлен с верхней контрольной тарелки (для колонн с большим числом контактных устройств) или на линии отбора дистиллята (для небольших колонн, где запаздывания невелики). При регулировании состава кубового остатка регулирующее воздействие вносят изменением расхода греющего агента в кипятильник колонны.

5. Перекрестное регулирование температуры и уровня в кубе ректиф. колонны. Такое регулирование применяется при разделении смеси сжиженных газов, а также низкокипящих жидкостей с близкими температурами кипения, когда имеет место сильная связь между обычными регуляторами температуры и уровня. При повышении содержания низкокипящих компонентов в кубе колонны температура понижается. Регулятор температуры прикрывает клапан на линии отбора кубового продукта, а связанное с этим повышение уровня в кубе заставляет регулятор уровня повышать подачу пара. Начинается более интенсивное испарение жидкости из куба колонны преимущественно за счет низкокипящих компонентов, температура и уровень возвращаются к заданным значениям. Т.о., кубовый остаток выводится из куба в большом кол-ве только в том случае, если его состав соответствует заданному. При обычном же способе регулирования температуры и уровня в кубе колонны возможен значительный расход кубовой жидкости с большим содержанием низкокипящих компонентов.