Регулирование массообменных процессов

РЕГУЛИРОВАНИЕ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

 

В химической технологии для разделения веществ широко используют массообменные  процессы: абсорбцию, экстракцию, ректификацию, адсорбцию и сушку. Несмотря на разнообразие этих процессов, и способов их аппаратурного  оформления, все они подчиняются единым закономерностям и как объекты автоматизации обладают рядом общих особенностей.

Промышленные аппараты проектируют  для определенных значений режимных параметров и составов исходных веществ, при которых установка обеспечивает заданное качество разделения. В реальных условиях случайные возмущения приводят к нарушению материального и теплового балансов в аппарате, изменению давления и температуры и в конечном итоге — к отклонению составов получаемых продуктов от расчетных. Поэтому одна из основных задач регулирования массообменных процессов — стабилизация режимных параметров с целью поддержания материального и теплового балансов в аппарате при различных возмущениях.

Общей особенностью массообменных  процессов в промышленных условиях является их большая энергоемкость, поэтому система автоматизации должна способствовать снижению энергозатрат на разделение при условии обеспечения заданного качества продуктов.

Большинство массообменных процессов  проводят в аппаратах колонного  типа, диаметр которых в промышленных условиях достигает нескольких метров, а высота — нескольких десятков метров. Приведенные постоянные времени и запаздывание о таких аппаратах составляют минуты и десятки минут, а одноконтурные системы регулирования характеризуются большой динамической ошибкой и большой длительностью переходных процессов. Для повышения качества переходных процессов в системах автоматизации массообменных установок широко используют комбинированные АСР, вводящие коррекцию по наиболее сильным возмущениям, и каскадные АСР, использующие дополнительные сигналы из промежуточных точек аппаратов.

Наибольшие сложности при регулировании  массообменных процессов чаще всего  возникают из-за отсутствия автоматических приборов для непрерывного контроля состава получаемых продуктов. В этих случаях регулирование состава ведут по косвенным параметрам —температуре кипения смеси, ее плотности и т. п. При этом возникают дополнительные сложности, связанные с компенсацией влияния возмущающих факторов на взаимосвязь между косвенным параметром и составом.

 

 Автоматизация ректификационных  установок

 

Ректификационные установки служат для разделения жидких однородных смесей на составляющие вещества (или группы веществ) в результате противоточного взаимодействия смеси паров и  жидкой смеси. Рассмотрим особенности ректификационной установки как объекта автоматизации на примере установки для разделения бинарной смеси с концентрацией в ней легколетучего компонента на дистиллят и кубовую жидкость с концентрациями легколетучего в них и . Примем следующие обозначения (рис. 1): - расходы питания, дистиллята, кубового продукта, греющего пара в кипятильник, теплоносителя в подогреватель питания, хладагента в дефлегматор, флегмы.

Постановка задачи управления. Поскольку  затраты на ректификацию являются одной  из самых существенных составляющих в себестоимости продукции, задача автоматизации ректификационных установок  часто ставится как задача оптимального управления, которой подчиняются задачи автоматического регулирования отдельных параметров. В зависимости от назначения ректификационной колонны используют различные критерии оптимальности.

Рис.1. Принципиальная схема ректификационной установки:

1 – ректификационная колонна; 2 – подогреватель питания; 3 – кипятильник; 4 – флегмовая ёмкость.

 

Статические характеристики ректификационных колонн

Для однозначного определения состояния  системы требуется задание четырех  независимых переменных. Чаще всего  ими являются расход „ и состав питания, отбор дистиллята и паровой поток в нижней части колонны V.

При стационарном режиме в ректификационной колонне устанавливается определенный профиль концентраций по высоте колонны, причем каждому значению или соответствует свой профиль концентраций. Наибольшей чувствительностью по отношению к возмущениям и к регулирующим воздействиям обладают промежуточные тарелки в верхней и нижней части колонны, называемые контрольными тарелками. Коэффициенты усиления для них принимают максимальное значение по сравнению с коэффициентами усиления других тарелок в данной секции колонны. По отношению к возмущениям со стороны питания составы на контрольных тарелках являются промежуточными координатами и обладают меньшей инерционностью, чем составы продуктов. Поэтому составы на контрольных тарелках часто используют в качестве регулируемых координат вместо составов продуктов.

 

Динамические характеристики ректификационных колонн.

При изучении динамики изменения концентрации на каждой ступени разделения в колонне  можно выделить три составляющие процесса: изменение объема жидкости при изменении ее расхода; изменение  концентрации, вызванное изменением скорости парового потока; изменение концентрации в объеме жидкости на тарелке. Точный учет всех названных факторов не представляется возможным ввиду сложности математического описания процесса. Поэтому обычно влиянием первых двух факторов на изменение концентрации пренебрегают и ограничиваются третьей составляющей процесса.

Изменение состава жидкой фазы на изолированной тарелке, на которой  обеспечивается идеальное перемешивание, связано с изменением состава  или скорости потоков дифференциальным уравнением первого порядка. При последовательном соединении нескольких тарелок их постоянные времени взаимосвязаны, и прямые методы точного анализа оказываются весьма трудоемкими. Значения постоянных времени зависят от наклона кривой фазового равновесия, времени пребывания на тарелке, скоростей потоков в колонне и расхода питания. Для того чтобы оценить влияние этих параметров на значения постоянных времени, рассмотрим простейшие примеры колонн с одной и двумя ступенями разделения.

Для колонн с несколькими ступенями  разделения сохраняется такая же качественная зависимость между наклоном кривой фазового равновесия и постоянными времени, как -и для однотарельчатой колонны, хотя сама зависимость гораздо сложнее.

 

Примеры систем автоматизации  ректификационных установок.

Вариант 1. Простейшая система автоматизации ректификационной установки включает шесть одноконтурных ACP (рис. 2.), каждая из которых выполняет одну из рассмотренных выше задач регулирования. В целом эта система обеспечивает стабилизацию состава дистиллята и поддержание материального и теплового балансов в установке. Основным регулятором, стабилизирующим состав дистиллята (при разделении бинарной смеси при постоянном давлении), является регулятор температуры верха колонны 1, воздействующий на отбор дистиллята. Регулятор температуры 2 стабилизирует температуру питания. Регуляторы уровня 3 и 4 обеспечивают поддержание баланса в системе по жидкой фазе, а регулятор давления 5—по паровой фазе. Регулятор расхода 6 стабилизирует подачу греющего пара в кипятильник.

Если задачей регулирования является стабилизация состава кубового продукта, то расход греющего пара задается регулятором температуры низа колонны 6а, а расход дистиллята стабилизируется регулятором 1а. Одновременное регулирование составов (или температур) верха и низа колонны обычно не применяют, так как эти координаты связаны между собой, и их одновременное регулирование по обратной связи может привести к снижению запаса устойчивости системы.

Рис. 2. Система автоматизации  ректификационной установки, построенная на одноконтурных АСР отдельных технологических параметров:

1 - регулятор температуры верха колонны; 2 – регулятор температуры питания; 3 – регулятор уровня в кубе колонны; 4 – регулятор уровня во флегмовой ёмкости; 5 – регулятор давления в колонне; 6 – регулятор расхода греющего пара; 1а – регулятор расхода дистиллята;

6а – регулятор температуры  низа.

 

Несмотря на простоту, рассматриваемая система автоматизации  обладает рядом недостатков. Так, стабилизация расхода греющего пара без учета  реальной обстановки в системе обычно приводит к перерасходу пара, поскольку регулятору расхода устанавливается завышенное задание с учетом возможных колебаний энтальпии греющего пара, переохлаждения флегмы и других возмущений в процессе.

Отсутствие компенсирующих воздействий по возмущениям со стороны питания приведет к большим динамическим ошибкам регулирования составов продуктов, так как регулятор состава (или температуры) на конце колонны получит сигнал об отклонении регулируемой координаты от заданного значения лишь после того, как изменится состав жидкости по всей высоте колонны.

Использование температуры  продукта для регулирования его  состава имеет еще один существенный недостаток: колебания температуры  при изменении состава соизмеримы с ее колебаниями при изменении давления в аппарате и часто оказываются соизмеримы с погрешностью контрольно-измерительного прибора. Например, при разности температур кипения чистых продуктов 20°С (например, =100°С; = 8О°С) и допустимых колебаниях состава продукта ± 1 % соответствующие колебания температуры составят ±0,2 °С. В то же время для потенциометра со шкалой 0—150 °С и классом точности 0,5 погрешность измерения составит 0,75 °С. На практике при разделении близкокипящих смесей веществ сколько-нибудь ощутимые колебания температуры можно наблюдать только в средней части каждой секции колонны. Эту особенность следует учитывать при выборе класса точности и шкалы вторичного прибора, а также места отбора импульса по температуре.

Вариант 2 (рис. 3.) отличается от первого использованием регуляторов 6 соотношения расходов греющего пара и питания (или расходов флегмы и питания), обеспечивающих минимизацию энергозатрат на разделение. Кроме того, для регулирования температуры продукта применяют каскадную АСР с дополнительным импульсом по производной от температуры на контрольной тарелке (регуляторы 1 и 1а), что позволяет уменьшить динамическую ошибку регулирования.

Рис. 3. Система автоматизации  ректификационной установки со статической  компенсацией возмущений по расходу питания и с каскадной АСР температуры верха колонны:

1 – регулятор температуры  верха колонны; 1а – дифференциатор; 2 – регулятор температуры питания; 3,4 – регулятор уровня; 5 – регулятор  давления; 6 – регулятор соотношения.

 

Вариант 3 (рис. 4.) является примером системы автоматизации, которая может быть реализована с применением средств вычислительной техники. Здесь расходы дистиллята и греющего пара регулируются регуляторами / и 6, задания которым корректирует вычислительное устройство 7 в зависимости от расхода и состава питания и энтальпии греющего пара с учетом динамических характеристик колонны. Эта АСР должна обеспечить приближенную инвариантность системы по отношению к контролируемым возмущениям. Однако наличие неконтролируемых возмущений (например, переохлаждение флегмы) приведет к нарушению режима в колонне и отклонению состава продукта от заданного.

 

Рис. 4. Система автоматизации  ректификационной установки с компенсацией возмущений по расходу и составу  питания и температуре греющего пара: 1,6 – регуляторы расхода; 2 – регулятор температуры; 3,4 – регуляторы уровня; 5 – регулятор давления; 7 – вычислительное устройство.

 

Рассмотренные системы  не исчерпывают всего многообразия способов и систем регулирования, применяемых  для ректификационных установок. Так, на рис. 5 показана схема регулирования давления в колонне отводом инертных газов из флегмовой емкости. Регулирование соотношения расходов флегмы и дистиллята с коррекцией по составу дистиллята обеспечивает стабилизацию состава продукта в результате изменения флегмового числа. Производительность колонны по дистилляту поддерживается регулятором расхода 1, а уровень во флегмовой емкости регулируется изменением подачи хладагента в дефлегматор.

 

Рис. 5. Пример системы  регулирования верха тарельчатой ректификационной колонны:

1 – регулятор расхода  дистиллята; 2 – регулятор соотношения  расходов флегмы и дистиллята; 3 – регулятор состава дистиллята; 4 – регулятор давления во флегмовой  ёмкости; 5 – регулятор уровня  во флегмовой ёмкости.

 

В насадочных ректификационных колоннах одним из основных регулируемых параметров является перепад давления, обеспечивающий заданный гидродинамический режим  в аппарате. Обычно перепад давления регулируют изменением подачи греющего пара в кипятильник (регулятор 5 на рис. 6.).

Рис. 6. Пример системы автоматизации  насадочной ректификационной колонны: 1 – регулятор состава; 2,3 – регуляторы уровня; 4 – регулятор давления; 5 – регулятор перепада давления.