книги из ГПНТБ / Автоматизация переработки каменноугольной смолы

Качество исходного и получаемого пеков контроли­ ровали несколько раз в смену, отбирая пробы и анали­ зируя их в лаборатории на температуру размягчения. Такой способ контроля качества не обеспечивал непре­ рывное наблюдение за процессом и оперативное управ­ ление им.

Колебания температуры нагрева и показателей каче­ ства среднетемпературиого пека приводят к частым на­

уменьшении температуры нагрева или температуры раз­ мягчения среднетемпературного пека температура жид­ кой фазы в реакторах и температура размягчения высо­ котемпературного пека снижаются. Обеспечить постоян­ ство качества высокотемпературного пека в данном слу­ чае возможно лишь при использовании автоматики.

Следующей важной задачей обеспечения постоянства качества высокотемпературного пека является стабили­ зация расходов исходного сырья. При отсутствии конт­ роля расходов исходного сырья оперативно не устраня­ ются самопроизвольные изменения расхода любого из компонентов исходной смеси. В результате этого нару­ шается соотношение компонентов в исходной шихте, что отрицательно сказывается на работе как отделения пекоподготовки, так и пекококсовых печей.

Например, сокращение расхода среднетемпературно­ го пека без соответствующего изменения расхода возду­ ха приводит к повышению температуры жидкой фазы в реакторе и может быть причиной местного «переокисления» пека н превращения его в обуглероженную мас­ су. При этом сгустки пека с высокой температурой раз­ мягчения осаждаются в пекопроводе и могут привести к вынужденной остановке агрегата. Кроме того, проис­ ходящее при сокращении расхода среднетемпературного пека увеличение в исходной шихте содержания пековой смолы и пековых дистиллятов приводит к изменению свойств высокотемпературного пека: повышается в нем количество у-фракции. При коксовании такого пека в результате пиролитического разложения паров у-фрак- ции в подсводовом пространстве растет заграфиченность камеры.

Важное значение для соблюдения технологического режима пекоподготовки имеет обеспечение постоянства температуры нагрева п расхода пековой смолы, подава­

185

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ АВТОМАТИЗАЦИИ ОТДЕЛЕНИЯ ПЕКОПОДГОТОВКИ

Для получения требуемого качества регулирования технологического процесса необходимо, чтобы система автоматизации обладала определенными свойствами. Так как система автоматического регулирования состо­ ит из объекта автоматизации и регулятора, ее свойства определяются свойствами этих элементов. Поэтому син-^ тез систем автоматического регулирования включает две задачи: исследование свойств объектов автоматизации и расчет на основании полученных данных автоматичес­ кого регулятора, позволяющего обеспечить системе тре­ буемое качество регулирования.

К объектам автоматического регулирования относят­ ся технологические аппараты, машины или агрегаты, в которых требуемый режим работы должен поддержи­ ваться регулятором [49].

Основными характеристиками технологических аппа­ ратов как объектов автоматизации являются емкость, степень самовыравнивания, время запаздывания и по­ стоянная времени объекта. Емкость объекта характери­ зует его способность аккумулировать энергию или ве­ щество, мерой накопления которых является величина регулируемого параметра. Количество вещества или энергии, которые необходимо ввести в объект, чтобы из­ менить регулируемый параметр на единицу измерения, называют коэффициентом емкости. Величиной коэффи­ циента емкости определяется скорость изменения регу­ лируемого параметра. Чем больше величина коэффици­ ента емкости объекта, тем меньше скорость изменения регулируемого параметра при прочих равных условиях.

Технологические объекты по числу емкостей подраз­ деляют на одноемкостные и многоемкостные. Одноемко­ стные объекты характеризуются одновременным'и одинакойым изменением регулируемой величины во всех точках при приложении к объекту возмущения любой формы. К одноемкостным объектам относятся все резер­ вуары и аппараты, в которых регулируется уровень жид­ кости. Большинство технологических объектов имеют не одну, а несколько емкостей, разделенных сопротивления­ ми. Многоемкостнымн объектами являются различные

187

теплообменные аппараты с передачей тепла че^іез стен­ ку, сложные гидравлические системы и др.

Для многоемкостных объектов характерны переход­ ное запаздывание и зависимости между емкостями со стороны потребления и подачи, соотношение между ко­ торыми существенно влияет на процесс регулирования [15, 20].

Самовыравниванием называют свойство объекта ав­ томатического регулирования самостоятельно восстанав­ ливать нарушенное равновесие процесса. Это свойство является следствием внутренней отрицательной обрат­ ной связи в объекте. Чем больше величина самовыравнивания, тем меньше отклонение регулируемого пара­ метра от состояния равновесия, существовавшего до приложения возмущающего воздействия. Самовыравнпвание способствует стабилизации регулируемого пара­ метра в объекте и облегчает работу регулятора [22, 51].

Объекты, обладающие положительным самовыравни­ ванием, называются устойчивыми или статическими. В объекте, не обладающем свойством самовыравнивания, регулируемая величина после внесения возмущения свободно изменяется, неограниченно возрастая или уменьшаясь, если нет управляющего воздействия. Такие объекты называются нейтральными или астатическими. Способность объекта автоматического регулирования к самовыравниванию характеризуется степенью или коэф­ фициентом самовыравниванпя р, численно равным отно­ шению величины возмущающего воздействия к отклоне­

Величину, обратную коэффициенту самовыравнивания, называют коэффициентом усиления объекта А0б

Для объектов, имеющих линейные статические ха­ рактеристики, коэффициент усиления объекта является постоянным и не зависит от нагрузки.

188

Запаздывание процесса в объекте

Практически во всех объектах автоматического регу­ лирования изменение регулируемой величины начинает­ ся не одновременно с приложением возмущающего или управляющего воздействия, а через некоторое время т, называемое запаздыванием. Различают два типа запаз­ дывания— передаточное (транспортное или чистое) и переходное (емкостное или инерционное). Передаточ­ ным запаздыванием называется время to от момента вне­ сения возмущения до начала изменения регулируемой величины. Это запаздывание смещает во времени реак­ цию на выходе объекта по сравнению с входным воздей­ ствием на время то, не изменяя его величину и форму.

ным объектам и вызвано наличием в них межъемкост­ ных тепловых, гидравлических и других сопротивлений. Величина переходного запаздывания определяется по кривой разгона объекта как время с момента начала из­ менения регулируемого параметра до времени, опреде­ ляемого местом пересечения касательной к кривой раз­ гона в точке перегиба с осью абсцисс. Чем больше пере­ ходное запаздывание, тем медленнее начальное изменение регулируемого параметра после внесения возмущаю­ щего воздействия. Переходное запаздывание в процессе эксплуатации объекта может значительно увеличивать­ ся, что обусловлено изменением в нем межъемкостных сопротивлений.

Для решения практических задач обычно использу­ ется суммарное время запаздывания х, равное сумме передаточного и переходного запаздываний. Постоянная времени объекта — это условное время изменения регу­ лируемой величины от начального значения до нового установившегося при мгновенном единичном возмуще­ нии со стороны регулирующего воздействия и условии, что скорость изменения регулируемой величины постоян­ на и равна максимальной для данного переходного про­ цесса.

Постоянная времени Т характеризует способность объекта накапливать или рассеивать вещество или энер­

189

гию. Чем больше-постоянная времени объекта, тем боль­ ше его инерционность и тем медленнее реакция на регу­ лирующее воздействие.

Математическим описанием объектов автоматизации называется совокупность уравнений, таблиц и графиков, количественно описывающая статические и динамичес­ кие связи между параметрами объекта, используемыми для управления им. Существующие методы математиче­ ского описания объектов автоматизации делятся на ана­ литические и экспериментальные. Аналитические мето­ ды исследования объекта регулирования требуют глубо­ ких знаний кинетики процесса в различных режимах. Вследствие недостаточной изученности физико-химичес­ ких процессов, протекающих в аппаратах пекоподготовки, объекты автоматизации пекоподготовки исследовали в основном экспериментальными (активными) методами.

СБОРНИКИ ИСХОДНОГО И КОНЕЧНОГО СЫРЬЯ

К сборникам исходного и конечного сырья относят­ ся пекоприемники среднетемпературного и высокотемпе­ ратурного пека, хранилища и сборники пековой смолы. Пекоприемники используются для приема и подачи сред­ нетемпературного пека из отделения дистилляции ка­ менноугольной смолы в реактор или для подачи высоко­ температурного пека из последнего реактора в камеры пековых печей. Основным назначением пекопрнемников является обеспечение бесперебойной работы отделения пекоподготовки •— создание резерва по исходному сырью и конечному продукту. Схема пекоприемника приведена на рис. 86.

Пек поступает сверху, а выдается в реактор — снизу. Так как пек в реактор качается насосом, расход его не зависит от уровня жидкости в емкости, а равновесие ме­ жду притоком Qп и расходом Qp может быть при любом уровне h пека в пекоприемнике. Допустим, что равнове­ сие между притоком и расходом пека нарушилось на ве­ личину АQ

AQ = Qn- Q p , (Ѵ-3>

тогда за время At количество жидкости в емкости изме­ нится на величину AQAt, что соответственно приведет и к отклонению уровня пека в емкости на некоторое зна­

190

чение Ah, определяемое из уравнения материального баланса

где F — площадь горизонтального сечения пекоприем-

ника.

Устремляя At к нулю, получаем дифференциальное уравнение изменения уровня в пекоприемнике

dll

(V-5)

dt

Так как пекоприемник представляет собой горизон­ тально расположенный цилиндр, площадь его пепереч-

ного сечения не постоянна, а зависит от уровня пека в нем. Пренебрегая торцовыми выпуклостями пекоприем­ ника, как величинами малого порядка, зависимость пло­ щади поперечного сечения от уровня можем выразить следующей формулой: ______

и проинтегрировав его, получим уравнение переходного

где to и ho — начальные условия — время и уровень пека. Кривая переходного процесса при возмущении рас­ ходом пека на AQ= 5 м3/ч и начальных условиях t0= 0,

h0= l,5 м приведена на рис. 87.

Анализ кривой переходного процесса показывает, что пекоприемник как объект автоматизации является ин­

191

тегрирующим звеном. Скорость изменения уровня пека в пекоприемнике пропорциональна входной величине — разбалансу между притоком и расходом пека.

Так как площадь поперечного сечения пекоприемника непостоянна, скорость изменения уровня dhjdt зави­ сит также и от значения начального уровня пека hu. В верхней и нижней части пекоприемиика dh/dt повы­ шается, что приводит к увеличению нелинейности кри­ вой разгона. В пределах 0,75—2,25 м изменение уровня имеет слабую нелинейность, которой можно пренебречь. В этой области пекоприемник можно рассматривать как линейный объект. Для этих пределов изменения уровня уравнение (Ѵ-7) будет иметь вид

где 0,0475лі~2— постоянный коэффициент для указанных пределов изменения уровня.

Пекоприемник, являясь интегрирующим звеном, не имеет самовыравнивания. Поэтому при постоянном зна­ чении входной величины AQ уровень пека может неог­ раниченно возрастать или убывать в зависимости от зна­ ка изменений входной величины. Аналогичными свойст­ вами как объекта автоматизации обладают все остальные технологические емкости, расход продукта из кото­ рых не зависит от уровня в емкости. К таким объектам относятся сборники и испарители для пековой смолы.

ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ

Трубчатая печь используется для нагрева пековой смолы перед подачей ее в реактор. Температура нагре­ ва пековой смолы на выходе трубчатой печи зависит от многих факторов: расхода и входной температуры ис­ ходной пековой смолы, расхода и теплоты сгорания топ­ лива, состояния трубчатого змеевика, качества пековой смолы и др. Так как в трубчатую печь пековая смола поступает в смеси с пековыми дистиллятами, качество ее, помимо влажности, зависит также и от количества и показателей качества добавляемых компонентов.

При повышении влажности или ухудшении качества пековой смолы (например, уменьшение плотности ее) увеличивается отгон легкокипящих компонентов и со­

192

кращается выход нагретой пековой смолы. Поэтому для стабилизации ее расхода в реактор необходима кор­ рекция подачи пековой смолы на входе трубчатой печи при изменениях ее качества. Температура исходной пе­ ковой смолы II ее давление также влияют на изменение выходной температуры. Однако если изменения входной температуры не превышают 3—4% от номинального значения, то их влиянием можно пренебречь.

Как уже отмечалось вы­ ше, трубчатая печь в отделе­ нии пекоподготовки может работать в режиме одноилм двухступенчатого нагре­ ва пековой смолы. В гл. Ill рассмотрены статические и динамические свойства труб­ чатой печи для нагрева ка­ менноугольной смолы. Как видно из проведенных иссле­ дований, трубчатая печь представляет собой много­ емкостный инерционный объект с запаздыванием как по основным, так и вспомо­ гательным каналам регули­ рования. Трубчатая печь для нагрева пековой смолы в отличие от печи для нагре­ ва каменноугольной смолы рассчитана на вдвое мень­ шую производительность и

имеет ряд конструктивных изменении, ь связи с этим ниже приведены основные характеристики ее, необходи­ мые в дальнейшем для расчета схем автоматического ре­ гулирования процесса нагрева пековой смолы. Характе­ ристики приведены для трубчатой печи, работающей в режиме двухступенчатого нагрева.

Изображенные на рис. 88 кривые разгона подтверж­ дают, что трубчатая печь для нагрева пековой смолы по основным каналам регулирования может быть аппрокси­ мирована двумя типовыми звеньями — звеном чистого запаздывания и звеном апериодическим второго поряд­ ка. В табл. 19 приведены показатели, характеризующие.

динамические свойства трубчатой печи по основным ка­ налам регулирования в рабочем диапазоне нагрузок.

Как видно из табл. 19, трубчатая печь имеет наи­ меньшие инерционность и запаздывание по каналу регу­ лирования температуры газов над перевальной стенкой.

РЕА КТО РЫ

На рис. 89 приведена структурная схема технологиче­ ской цепи, состоящей из последовательно соединенных трех реакторов. Исходное сырье — среднетемепратурный пек и нагретую пековую смолу в смеси с пековыми ди­ стиллятами— подают в первый реактор технологичес­ кой цепи, а высокотемпературный пек получают в пос­ леднем. К основным факторам, определяющим процесс производства высокотемпературного пека, относятся расход исходного сырья, температура его нагрева и ка­ чество, давление технологического воздуха и расход в каждом реакторе, температура жидких фаз во всех реак­ торах.

Учитывая недостаточную изученность физико-химиче­ ских процессов, протекающих при обработке исходного сырья кислородом воздуха, математическое описание реакторов как объектов автоматизации составили на ос­ новании экспериментального исследования зависимостей

194