книги из ГПНТБ / Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов

чения. Полное охлаждение следует применять только в течение времени запаздывания, равного примерно одной минуте. За это время необходимо отвести тепло из рубашки реактора. Как показано на рпс. V-18, параметры переключения определяются легко, прп этом допускается (в разумных пределах) их неточная уста­ новка.

На рис. Х-19 показано одновременное изменение температуры в реакторе п в рубашке, а также изменеппе выходной величины регулятора с двумя составляющими закона регулирования для типичного реактора. Если настройка регулятора выполнена пра­ вильно, то температура в рубашке в течение времени запаздывания будет падать до тех пор, пока не достигнет заданного значения.

протекания реакции. Настройка системы регулирования реактора должна быть проведена исходя нз наиболее тяжелых условий его работы.

В некоторых реакторах непрерывного действия один из реагентов вводится непрерывно; в то время как остальные загружаются сразу. Скорость, с которой первый реагент поступает в реактор, обычно ограничена скоростью выделения тепла. Чтобы провести реакцию за минимальное время, реактор должен быть нагрет до температуры реакции как можно быстрее, после чего производят максимальное охлаждение. Регулятор температуры должен управлять подачей реагента в реактор через линейную каскадную систему регулиро­ вания расхода. Должна быть предусмотрена блокировка, прекра­ щающая приток реагента в реактор. Блокировка действует до тех пор, пока в реакторе не установится заданная температура реакции. В противном случае в реакторе может случайно накопиться излишек реагента, что приведет к такому бурному выделению тепла, с ко­ торым система охлаждения не сможет справиться.

Регулирование процесса при окончании реакции. По мере при­ ближения реакции к концу выделение тепла в реакторе падает, что приводит к появлению на выходе регулятора температуры снг-

270

нала, вызывающего увеличение расхода реагента. Очевидно, в этпх условиях регулятор работает некорректно и принимать во внимание его показания пе следует. Если невозможно определить момент окончания реакции, необходимо подавать в реактор определенное количество реагента, отмеренное .счетчиком. Иногда окончание реакции сопровождается падением или повышением давления. Тогда по изменению давления в реакторе можиопрекращать подачу в него реагента.

Регулирование реактора периодического действия при окончании реакции имеет еще одну особенность: регулятор не должен иметь

Реагент

Рпс. Х-20. Схема регулирования реактора периодиче­ ского действия по температуре и по параметру, сви­ детельствующему об окончании реакции.

интегральной составляющей. Последнее объясняется тем, что обычно реакция проводится не точно на заданном значении регулируемого параметра. В результате интегральная составляющая все время стремилась бы ликвидировать имеющееся рассогласование и в ко­ нечном счете привела бы к перерегулированию. Поэтому регулятор должен быть пропорционально-дифференциальным с нулевым сме­ щением статической характеристики, т. е. при отсутствии рассогла­ сования параметра клапан должен быть закрыт. При измерении величины рН реагент должен подаваться в реактор через клапан с логарифмической характеристикой (без каскадной системы регу­ лирования расхода) для выравнивания характеристики процесса нейтрализации.

Система регулирования реактора по температуре и по параметру, свидетельствующему об окончании реакции, приведена на рис. Х-20.

271

Г Л А В А XI

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

Получение целевых продуктов заданного состава возможно лишь при условии качественного регулирования процесса ректификации, что представляет довольно трудную задачу по следующим причинам:

1)наличие, значительного времени запаздывания ректифика­

ционных колонн, обусловленное большим числом тарелок;

2)взаимодействие отдельных параметров процесса;

3)невозможность непосредственного анализа состава продуктов разделения;

4)наличие частых и больших по величине возмущений процесса ректификации;

5)трудность формулировки требований, предъявляемых к пара­ метрам процесса. •

В результате интенсивных изысканий в области автоматизации

Факторы, влияющие на качество продуктов разделения

Исследования процесса ректификации начинают с расчета, в ре­ зультате которого определяют число теоретических тарелок, не­ обходимых для получения продукта разделенпя заданной чистоты.

272

Очевидно, что эффективность работы тарелок, место подачи исходной смеси и другие факторы несколько видоизменяют схему процесса. Однако основное влияние на процесс ректификации ока­ зывают указанные выше два фактора, поэтому при проектировании системы автоматизации любой колонны эти факторы учитываются в первую очередь. Основная цель регулирования процесса, ректи­ фикации — сохранение материального и теплового балансов ко­ лонны.

Расход дистиллята. В стационарном состоянии расход исходной смеси F должен быть равен сумме расходов дистиллята D и кубового продукта В:

Должен также соблюдаться материальный баланс по каждому компоненту разделяемой смеси. Обозначая через z, у и х мольную долю иизкокипящего компонента в потоках F, D н В, получим:

из получаемых продуктов. Расход другого продукта является зави­ симой переменной и определяется через расход исходной смеси. Допустим, что расход дистиллята независимо изменяется системой регулирования (причина такого выбора будет рассмотрена ниже). В этом случае для соблюдения материального баланса колопны кубовый продукт должен отводиться из колонны регулятором уровня жидкости в кубе колонны в соответствии с равенством:

B=F—D

Подставляя полученное выражение для В в уравнение мате­ риального баланса низкокипящего компонента, получим зависимость между составами обоих продуктов и расходом дистиллята:

Fz=DyA-(F — D)x

откуда

На рис. X I - 2 соотношение (XI,3) представлено графически в виде наклонной прямой при условии, что величины а; и у постоянны. Мы видим, что для сохранения материального баланса отношение D/F должно изменяться прямо пропорционально величине z. Напомним, что величина z, как и F, является нерегулируемой переменной. Следовательно, если z будет изменяться, то для поддержания по­ стоянных значений хну следует с помощью автоматического регу­ лятора изменять отношение DIF.

Уравнение материального баланса содержит две неизвестные величины: х и у. Чтобы найти их, необходимо иметь еще одно

уравнение. Для определения требуемого числа теоретических таре­ лок п было предложено уравнение Фенске2 8 :

где а — относительная летучесть получаемого продукта при беско­ нечно большом орошении.

и отношения количества поданного в колонну тепла к расходу исход­ ной смеси. Решая уравнение (XI,5) относительно у в зависимости от х и относительно х в завпсимостн от у, получим:

стно с уравнением материального баланса не представляется воз­ можным, поэтому продемонстрируем использование этих уравпенпй

s = 0,95- 0,95 0,05 • 0,05

274

Если при конкретных значениях состава исходной смеси и эффек­ тивности колонны желательно получить любое другое значение х пли у, необходимо установить соответствующее им отношение DIF. Сначала выбирают определенное значение г/, а затем по видоизме­ ненному уравнению Фенске (XI,6) рассчитывают соответствующее ему значение х. Зная величины х, у и z, по уравнению материального баланса находят требуемое значение отношения DIF. На рис. X I - 3 показано влияние изменения отношения DIF для приведенного примера на составы дистиллята и кубового продукта. С увеличением этого отношения уменьшаются значения х и у, но в разной степени.

Тангенсы углов наклона этих кривых представляют собой ко­ эффициенты передачи процесса ректификации. В рассматриваемом случае при отношении DIF, равном 0,5, наклоны этих кривых слу­ чайно имеют одинаковые значения:

вызовет изменение состава дистиллята и кубового продукта па 0,9%.

зависят от отношения расходов дистиллята и исходной смеси; 2) изменения состава исходной смеси могут быть компенсированы

соответствующим изменением отношения DIF;

3) при постоянной степени разделения исходной смеси регули­ рование состава одного из продуктов будет влиять и на состав дру­ гого продукта (для данной степени разделения соотношение между параметрами х и у постоянно).

Расход пара. Для разделения потока исходной смеси на со­ ставляющие его компоненты требуется в кипятильник ректифи­ кационной колонны подводить определенное количество тепла Q. Можно предположить, что оно примерно пропорционально расходу исходной смеси. Количество образующегося при этом пара V про­ порционально количеству подводимого тепла:

(XI . 7)

где Н0 — теплота парообразования. Степень разделения исходной смеси в колонне можно выразить в зависимости от отношения рас­ ходов пара и сырья V/F.

При бесконечном орошении расход дистиллята равен нулю, поэтому скорость подачи исходной смеси также должна быть равна

нулю. Степень разделения смеси при бесконечном орошении, как было установлено по уравнению Фенске, равна:

для данной колонны определяется из условия, что состав регули­ руемого продукта поддерживается на требуемом значении, но из колонны продукт еще не выводится. Если регулируемой величиной

образом, при минимальном соотношении расходов пара и исходной

смеси производительность колонны равна нулю, как и при беско­ нечном орошении. Мипимальная степень разделения SmlanT}n(VlF)m[n равна

области процесса ректификации. Для лучшего понимания этой

276

резко изменяется в зависимости от отношения VJF. Вид этой кривой несколько отличается от кривой Мак-Кэба и Тиле, но характерная

Для оценки влияния параметров VJD и DJF на процесс ректи­ фикации при регулировании состава дистиллята у сначала находят значения S для различных значений VJF и используют их для опре­ деления х.

Затем из материального баланса находят отношение DJF. На рис. X I - 5 представлены графики зависимости величины х и отно­ шения DJF от параметра V/F при z = 0,5 и у, регулируемом на значении, равном 0,95. Для поддержания заданного состава ди­ стиллята необходимо, чтобы отношение DJF менялось с изменением величины V/F, а также с последующим изменением состава кубового продукта.

Тангенс угла наклона кривой состава кубового продукта при

тех же условиях следует, что состав кубового продукта в 100 с лиш­ ним раз более чувствителен к изменениям расхода дистиллята, чем к изменениям подачи тепла.

Если оба параметра х и у регулируются, то степень разделения исходной смеси в колонне должна быть постоянна. При изменении состава исходной смеси это может быть достигнуто путем поддержа­ ния постоянства отношения VJF с одновременным изменением отно­ шения D/F. Однако, чтобы при любых скоростях подачи сырья тепло в колонну поступало в количестве, необходимом для макси­ мально возможной степени разделения сырья, отношение V/F должно изменяться пропорционально скорости подачи исходной смеси. Чтобы было возможно регулирование величины у, отношение DJF также должно меняться со скоростью подачи исходной смеси. Воз­ вращаясь к числовому примеру, предположим, что параметр V по­ стоянно превышает максимальную скорость питания в 2,5 раза. Тогда отношение VJF должно изменяться от бесконечно большого значения до 2,5 при изменении скорости питания от 0 до 100%. Расход дистиллята также должен увеличиваться при изменении скорости питания, но с отклонением от пропорциональности в сто­ рону уменьшения (для обеспечения возможности регулирования процесса ректификации при уменьшающейся степени разделения). График зависимости расхода дистиллята и состава кубового про­ дукта от скорости подачи исходной смеси F при у = 0,95 и z = 0,5

277

приведена схема регулирования процесса ректификации с отводом готовых продуктов из колонны с помощью регуляторов уровня жидкости в промежуточном сборнике и в кубе колонны. В этом случае регулирование процесса путем непосредственного влияния на материальный баланс колонны невозможно. Применять такую схему на практике нецелесообразно.

^> j * Хладоагент

и скорости орошения приведут к колебаниям расхода отводимого дистиллята. Изменение же отношения расходов дистиллята и исход­ ной смеси влияет на качество продуктов разделения. Поэтому расход дистиллята целесообразно регулировать не путем воздействия на скорости пара и флегмы, а непосредственно регулятором расхода. Если расход пара V, выходящего из верхней части колонны, равен расходу пара, образующегося в кипятильнике, то расход дистил­ лята D связан с расходом флегмы L следующим равенством: .

лонну будет вызывать отклонение состава дистиллята от заданного значения. Отношения V/D и L/D обычно намного превышают

279.