книги из ГПНТБ / Автоматизация переработки каменноугольной смолы

Испаритель I I ступени. Основными факторами, определяющими режим работы испарителя II ступени, являются температура смолы после II ступени трубчатой печи и количество орошения, подавае­ мого на верхнюю тарелку.

Исходя из технологических требовании, при исследовании ста­ тических характеристик испарителя II ступени особое внимание уде­ ляется качеству пека, определяемому в основном температурой его размягчения. Качество II антраценовой фракции главным образом зависит от температурного режи­ ма верхней части испарителя, а также от состава исходного сырья

(каменноугольной смолы).

На рис. 36 дана статическая зависимость, характеризующая изменение температуры размягче­ ния среднетемпературного пека от температуры нагрева смолы во

11ступени трубчатой печи. Как видно из графика, увеличение тем­ пературы нагрева смолы с380 до 405°С вызывает повышение тем­ пературы размягченияпекана 14град.

Статическая зависимость количество рефлюкса■— температура паров на выходе из испарителя II ступени, представленная на рис. 37, показывает, что в интервале температур 330—350°С при увеличении расхода рефлюкса на 360 кг/ч температура паров, вы­ ходящих изиспарителя IIступени,уменьшается всреднемна6град.

Ректификационная колонна. Как и в двухколонных агрегатах,

показателем эффективности работы ректификационной колонны слу­ жит степень распределения нафталина по фракциям (фенольной, нафталиновой, поглотительной и антраценовой), поэтому исследо­ вание статических характеристик сводилось к изучению зависимо­ стей между содержанием нафталина во фракциях и факторами, определяющимитехнологическийрежим.

К основным факторам технологического режима относятся рас­ ход рефлюкса, подаваемого на верхнюю тарелку, количество отбо­ ров фенольной, нафталиновой и поглотительной фракций, а также

расход перегретого водяного пара, подаваемого через барботер в нижнюю частьколонны.

При оптимальном технологическом режиме на верхнюю тарелку колонны подается 2900—3100 кг/ч рефлюкса, что обеспечивает под­ держание температуры выходящих паров в пределах 115— 125°С. Изменение подачи рефлюкса с3100до 2700 кг/ч приводит к увели­ чению температуры паров на выходе из колонны в среднем на 12град.При этом содержание нафталина впоглотительной, нафта­ линовой фракциях и фенолов в фенольной фракции (рис. 38, кри­ вые 2,3 и 4) уменьшается соответственно на 1,0;9,4и 4,6%, в то

время как содержание нафталина в фенольной фракции увеличи­ вается на 20,7% (кривая 1). Из рассматриваемых зависимостей

видно, что изменениеколичества подаваемого на колонну рефлюкса оказывает основное влияние на качество фенольной фракции.

Количество отбора фенольной фракции меняется незначитель­ но и составляет0,22—0,24м3/ч.Колебания отбора фенольной фрак­ ции приводят к изменению количества промежуточного рефлюкса, который оказывает влияние иа распределение нафталина по фрак­ циям. При изменении количества отбора фенольной фракции с0,24 до 0.373 м3/ч содержание нафталина в поглотительной и нафтали­ новой фракциях уменьшается на 2,2и 1,3% (рис. 39,кривые 3,4), ав фенольной фракции— увеличивается на 2,8% (кривая 1). Зави­

симость содержания фенолов в фенольной фракции от количества ее отбора представлена кривой 2. При увеличении отбора на 0,13 м3/ч содержание фенолов в фенольной фракции уменьшается на 5,3%. Анализ статических характеристик показывает, что коли­ чество отбора фенольной фракции больше всего влияет на содер­ жаниевнейфенолов.

В практике цехов заданную концентрацию нафталиновой фрак­ ции поддерживают изменением количества ееотбора. При этом про­ исходит изменение содержания нафталина и в других фракциях. Как видно из рис.40 (кривые 1, 3 и 4), при уменьшении количест­

ва отбора нафталиновой фракции иа 0,1 м3/ч содержание нафтали­ на в поглотительной, нафталиновой и фенольной фракциях увели­

чивается соответственно на 1,2;4,4и 2,1%, а содержание фенолов в фенольной фракции при этом возрастает на 1,5% (кривая 2). Из

полученных данных можно сделать вывод, что изменение количе­

82

ства отбора нафталиновой фракции в большей степени оказывает

влияниенаеекачество.

Колебания отбора поглотительной фракции приводят к замет­ ному изменению количества промежуточного рефлюкса, что вызы­ ваеткачественные изменения в смежных фракциях. Наиболее силь-

но эти изменения сказываются на поглотительной (2) и нафтали­ новой фракциях (1) (рис. 41). При увеличении отбора на 0,1 м3/ч

содержание нафталина в этих фракциях и количество отгона до 270°С в поглотительной фракции уменьшается соответственно на

2,6; 4,5 и 10,3%. Таким образом, количество отбора поглотитель­ ной фракции в большей степени сказывается на еекачестве, харак­

теризуемомотгономдо270°С.

Пассивный метод исследования

Для процесса фракционирования каменноугольной смолы на одноколонных трубчатых агрегатах математически обрабатывали статистический материал, собранный в процессе нормальной рабо­ ты всехтехнологическихаппаратов.

Анализ полейкорреляции иэмпирических линий регрессии меж­ ду показателями качества фракций и каждым в отдельности фак­ тором технологического режима позволили предположить наличие между ними в рабочих интервалах линейной стохастической связи,

Для оценки достоверности полученных коэффициентов корреля­ ции и регрессии рассчитывали доверительные интервалы при дове­

рительной вероятности 95% по общепринятым формулам при /і=90 иt=l,99длякоэффициентовкорреляции

где f n fl-■эмпирические значения коэффициентов корреляции и

регрессии;

pи а--теоретические значения коэффициентов корреляции и регрессии;

<Уу ист.ѵ— среднеквадратичные отклонения функции и аргумента.

В качестве зависимых и независимых переменных взяты сле­ дующие параметры технологического процесса фракционирования каменноугольнойсмолы:

Ух— содержаниенафталина вфенольнойфракции; Уч— содержаниенафталина внафталиновойфракции;

Уз — содержание нафталина в поглотительной фракции; У\ — отгондо270°С впоглотительнойфракции;

Уь — отгондо300°С вIантраценовойфракции; Уз — температурапоглотительнойфракции; Ух — температуранафталиновойфракции; Уз — температурафенольнойфракции;

*і— расходфенольнойфракции; *з— расходнафталиновойфракции; хз — расходпоглотительнойфракции; Хі — расходIантраценовойфракции;

— расходрефлюкса; Хд — содержаниенафталинавсмоле;

*7 — содержание нафталина в нафталиновой фракции; Хд — содержание нафталина в поглотительной фракции;

—содержаниенафталинавфенольнойфракции;

х10 — расходперегретоговодяногопара.

Результаты математической обработки приведены ниже: Ух — — 63,23+ 67,72*!+ 1,05*7— 4,57*6

у2 = 98,46— 6,69*х+ 2,2*з— 13,09*2— 1,02*5

Среднестандартизованные значения функций имеют вид:

84

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

1)содержание нафталина вфенольном фракции восновном за­ виситотрасхода рефлюкса;

2)содержание нафталина в нафталиновой фракции в большей степенизависитотколичестваееотбора;

3)качество поглотительной фракции, отгон до 270°С в основ­ ном зависит от количества ее отбора и содержания нафталина в

смоле.

Для выбора косвенных параметров качества основных выходиых величии изучены парные уравнения регрессии,характеризую­ щие ихвзаимосвязьстемпературами:

где іді—ty^— содержание нафталина в фенольной, нафталиновой и

поглотительнойфракциях;

tx — — температуры фенольной ипоглотительнойфракций.

Анализ приведенных уравнений указывает на тесную взаимосвязь между рассматриваемыми признаками и дает возможность

заключить, что температуры фенольной и поглотительной фракций, уравнения (Ш-34)— (Ш-36) могут сбольшой надежностью служить

косвенными параметрами качества фенольной, нафталиновой и по­ глотительнойфракций (коэффициенты регрессий вуравнениях,пред­ ставленных в стандартизованном масштабе, соответственно равны 0,793;0,785и0,357).

Уравнения множественной регрессии (III-1) и (Ш-П), харак­ теризующие значения основных выходных величин в зависимости

от влияния совокупности рассматриваемых технологических пара­ метров, представляют собой математическую модель статики про­

цесса фракционирования каменноугольной смолы на одноколонных трубчатых агрегатахидают возможность правильно выбрать управ­ ляющие воздействия, параметры, подлежащие стабилизации, регу­ лированию, а также параметры, влияние которых необходимо ком­ пенсировать.

2.АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ВКВАЗИСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

Окончательное выяснение необходимых параметров и точек автоматической стабилизации, регулирования и контроля осуществляется на основании анализа стати­ ческих характеристик процесса в квазистационарном режиме [12]. Такой анализ выполняют для отдельных объектов, последовательно расположенных в цепи тех­ нологической схемы процесса.

85

ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ

Согласно технологическим требованиям, для нор­ мального протекания процесса фракционирования ка­ менноугольной смолы необходимо поддерживать на по­ стоянном уровне два основных выходных параметра: температуру нагрева исходной смолы в змеевике I сту­ пени и температуру нагрева обезвоженной смолы в зме­ евике II ступени трубчатой печи. Причем, отклонения температуры нагрева обезвоженной смолы в змеевике II ступени не должны превышать М — ±2,Ъ град, а от­ клонения температуры нагрева исходной смолы в змее­ вике I ступени Ді?=±5 град.

Из анализа математической модели статики процесса нагрева смолы в трубчатой печи следует, что возмуща­ ющими воздействиями являются количество коксового газа, расход смолы на Іи II ступень, тяга в борове, влажность исходной смолы, теплота сгорания коксового газа, качественный состав смолы п температура на вхо­ де обезвоженной смолы в змеевике II ступени.

Исключив влияние неучтенных факторов, таких как теплота сгорания газа, температура смолы на входе в змеевик II ступени, незначительно изменяющихся в ходе технологического процесса и исключив также влияние, возникающее при изменении качественного состава смо­ лы на I и II ступенях, за основные возмущающие воз­ действия примем следующие параметры:

Ф — количество коксового газа, подаваемого на обо­ грев печей;

ф— величина тяги в борове;

у— количество смолы на I ступень печи;

а — количество смолы на II ступень печи; со — влажность исходной смолы.

В нерегулируемом объекте в процессе эксплуатации

Для оценки необходимости автоматизации процесса рассмотрено несколько случаев сложения возмущающих воздействий (температуры смолы после II и I ступеней) с учетом реакции параметра на направление возмуще­ ний.

Случай I — ф, ф, у, а увеличиваются (рис. 42), регу­ лируемый параметр достигает границы допустимой об-

86

(линия 2). Регулируемый параметр достигает границы

Рис.42.Анализ статических характеристиктрубчатой печи (IIступени)

допустимой области отклонений при возмущениях г/2=

= ± 0,8%.

Случай III — ф увеличивается, -ф, у, а уменьшаются (линия 3). Регулируемый параметр достигает границы допустимой области отклонений при возмущениях г/3=

= 6,6 %.

Случай IV — ф, а увеличиваются, ф, у уменьшаются (линия 4). Регулируемый параметр достигает допусти­ мой области отклонений при возмущениях 2/4= ±3% .

Рассмотрение других комбинаций сложения возму­ щений нецелесообразно, так как регулируемый параметр будет достигать границ допустимой области отклонений при величинах возмущений, равных полученным или

87

больших. Таким образом, самым опасным случаем сло­ жения возмущающих воздействий является второй, при котором для'выхода параметра из области допустимых отклонений необходимы минимальные возмущения.

Основными возмущающими воздействиями, влияю­ щими на температуру смолы в змеевике I ступени, явля-

Рис.43.Анализ статических характеристиктрубчатой,печи (Iступени)

возмущающих воздействий в нерегулируемом объекте. Как видно из графика, самым опасным является слу­ чай, когда ср и ф увеличиваются, а у и со уменьшаются При этом температура смолы после I ступени достига­ ет границ допустимой области отклонений при величи­ нах возмущений г/= ±3,4% (линия 1).

88

Из изложенного следует, что без автоматического ре­ гулирования температуры смолы в змеевиках I и II сту­ пеней трубчатой печи можно обойтись только при такой организации производства, которая обеспечит отклоне­ ние величин ер, яр, у, а, и для температуры смолы после

II ступени менее 0,32% [г/і = /гг/і =0,4(±0,8) =0,32% ] от их поминальных значений, а для температуры смолы

после I ступени — менее 1,36% [Уг=^Уг = 0,4(±3,4) = = 1,36%], где /г = 0,4 — коэффициент приведения для не­ учтенных второстепенных возмущающих воздействий.

Помимо этого, как следует из анализа, необходимо осуществить компенсацию влияния на температуру смо­ лы после II ступени трубчатой печи возмущающих воз­ действий со стороны расхода смолы и тяги.

АНТРАЦЕНОВАЯ (ПЕКОВАЯ) КОЛОННА

Основным показателем эффективности работы антра­ ценовой колонны является качество I антраценовой фракции, характеризуемое ее физико-химическими свой­ ствами: плотность и количество отгона до 300—360°С. Согласно данным статистического анализа, косвенным параметром, определяющим качество антраценовой фракции, может служить температура жидкой фазы на тарелке ее отбора. Поэтому анализ статических характе­ ристик антраценовой колонны в квазистационарном ре­

Исходя из технологических требований, температура I антраценовой фракции должна выдерживаться в пре­ делах (А^=2,5 град), определяющих границы области допустимых отклонений. По данным математического анализа, статики антраценовой колонны, основными воз­ мущающими воздействиями, оказывающими влияние на температуру I антраценовой фракции, являются коли­ чество ее отбора, расход орошения, температура и коли­ чество смолы, поступающей в пековую колонну или в ис­ паритель II ступени. Обозначим указанные воздействия соответственно через q, ф, ф, у.

ние величины ф и гЬЗ%-ные колебания величины у.

89

На рис. 44 показано поведение параметра для четы­ рех наиболее опасных случаев сложения возмущающих

этом условии регулируемый параметр достигает границ допустимой области отклонений при возмущениях «/= = 1 %. Следовательно, обойтись без автоматического ре­ гулирования можно в том случае, если организация под-

Рис. 44. Анализ статических характеристик антраценовой колонны

готовки и подачи продукта в объект обеспечит суммар­ ную величину возмущающих воздействий менее ±0,4%

У = W = 0,4(± 1)= ± 0,4.

Поскольку существует долевое влияние, которое ока­ зывает рефлюкс на температуру I антраценовой фракции,

90