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

единицу. Если, например, V/D = 10, то изменение подачи тепла в колонну на 1 % вызовет изменение расхода дистиллята на 10% .

Количество уходящего из колонны пара зависит от многих фак­ торов. Если исходная смесь поступает в колонну в виде кипящей жидкости, то восходящие потоки пара в колонне над тарелкой пи­ тания и под пей одинаковы. Если же в колонну подается паро-жидко- стная смесь, то расход пара над тарелкой питания больше, чем под

ния. Материальный баланс этой тарелки зависит от энтальпии исходной смеси qF.

1' <LllL

Энтальпия исходной смеси принимается равной энтальпии той ее части, которая подается в колонну в виде пара. Энтальпия жидкости при температуре кипения принимается равной нулю, а энтальпия насыщенного пара — единице. Энтальпия переохлажденной жидко­ сти отрицательна, перегретого пара — выше единицы. Можно при­ нять, что расход пара на входе в конденсатор равен расходу пара непосредственно над тарелкой питания в том случае, если на пути пара от верха колонны до конденсатора нет подвода или отвода тепла. Тогда расход дистиллята

D = V\-qFF-L

Таким образом, расход дистиллята зависит от скорости подачи исходной смеси и ее энтальпии.

Обычно флегма возвращается в колонну не при температуре кипения, а несколько переохлажденной, что вызывает конденсацию некоторой части пара, подходящего к верхней тарелке. Схема ма^ териальных потоков верхней тарелки колонны приведена на рис. X I - 9 . Материальный баланс этой тарелки зависит от энталь­ пии qL потока флегмы.

Если исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения, то потоки пара, подходящего к верхней тарелке и обра­ зующегося в кипятильнике, одинаковы. Если же флегма переохлаж­ дена, то ее энтальпия отрицательна. Это вызывает уменьшение

280

расхода вара, уходящего из колонны, на величину L(JL- ПОТОК флегмы L (1 — gL) называют внутренним орошением. Напишем урав­ нение расхода дистиллята с учетом переохлаждения флегмы и изме­ нения энтальпии исходной смеси:

Таким образом, расход дистиллята зависит не только от ско­ ростей флегмы и пара, но также и от энтальпий исходной смеси и флегмы. Регулирование состава дистиллята при таких условиях затруднительно и часто требует для компенсации влияния вели­ чин qF и qL использования специальных вычислительных устройств 2 6 . Чтобы обеспечить независимость расхода дистиллята от теплового баланса колонны, для регулирования его состава необходимо при­ менять другие методы.

В большинстве применяемых для регулирования температуры колонны схем не рекомендуется изменять подачу тепла. Температура кипящей чистой жидкости на верхней тарелке колонны практически постоянна. По этой причине чувствительный элемент обычно пере­ мещают вдоль колонны до тарелки, где уже ощущается влияние состава кипящей жидкости на ее температуру. Величина последней необходима для суя-гдения о составе продукта и, кроме того, сама представляет известный интерес, так как существует мнение, что она зависит от подачи тепла. Однако выше было показано, что отно­ шение D/F более чем в 100 раз интенсивнее влияет на изменение состава дистиллята, чем отношение V/F.

Если температура в колонне ниже заданной, подача тепла в кипя­ тильник возрастает, вызывая при этом увеличение расхода дистил­ лята. Таким образом, для изменения материального баланса колонны специально нарушают ее тепловой баланс.

Изменение материального баланса. Регулирование качества целе­ вого продукта при условии сохранения теплового баланса колонны осуществляют изменением ее материального баланса. При этом расход одного из потоков должен изменяться регулятором состава продукта. Какой из расходов выбрать в качестве управляющего параметра — расход дистиллята или кубового продукта — зависит от их величины. Большая абсолютная точность будет получена при воздействии на меньший расход, поэтому для решения вопроса нужно составить материальный баланс колонны и сравнить между собой расходы этих потоков.

Если расход дистиллята поддерживается на заданном значении регулятором, то для сохраниения материального баланса колонны необходимо, чтобы расход кубового продукта изменялся регулятором уровня жидкости в кубе колонны. При этом тепло в колонну подают в количестве, необходимом для достижения заданной степени раз­ деления исходной смеси. Если же изменение расхода кубового

281

продукта невозможно, то регулирование состава дистиллята целесо­ образно осуществлять изменением его расхода.

Заметим, что датчик температуры, установленный в верхней части колонны, не обеспечивает достаточно хорошего регулирования состава. При изменении разделяющей способности колонны изме­ няется профиль концентрации продукта по ее высоте, в результате состав продукта на выходе из колонны будет меняться при отсутствии значительных колебаний температуры. Такое изменение состава продукта объясняется тем, что измерительный элемент обычно уста­ навливают на некотором расстоянии от места выхода продукта из колонны. Более того, в ряде случаев, когда смеси разделяются очень плохо, изменение температуры по высоте колонны так мало, что практически не несет никакой информации о качестве продуктов. Поэтому для более качественного регулирования состава продукта на выходе необходимо устанавливать анализаторы состава2 7 .

Изменение теплового баланса. Если кубовой продукт отводится из колонны регулятором уровня в кубе, то можно либо подавать в колонну постоянное количество тепла, либо изменять количество подаваемого тепла с целью регулирования состава кубового про­ дукта. Последнее целесообразно в том случае, если состав дистил­ лята регулируется изменением его расхода. В любом из этих двух случаев применяют каскадную схему регулирования. Обычно в ка­ честве греющего агента, подаваемого в кипятильник колонны, используют водяной пар. Если параметры его постоянны, то для регулирования количества подаваемого тепла в колонну достаточно установить контур регулирования расхода пара.

Нагрузка по пару в колонне определяется по перепаду давления на ее тарелках. Перепад давления во всей колонне может служить показателем расхода пара в ней, если рассматривать тарелки как сопротивления. Контур регулирования перепада давления в колонне путем изменения подачи тепла является таким же быстродейству­ ющим, как обычный контур регулирования расхода. Он очень чув­ ствителен к изменению нагрузки колонны, т. е. к изменению потоков исходной смеси или продуктов в паровой фазе, поднимающихся вверх по колонне.

Если регулирование состава кубового продукта осуществляется изменением его расхода, то уровень в кубе колонны должен под­ держиваться на заданном значении изменением расхода водяного пара в кипятильник. При этом на уровень жидкости в кубе колонны в основном влияет изменение потока испаряющейся в кипятильнике жидкости, стекающей затем в виде флегмы с нижней тарелки ко­ лонны, а не изменения расхода отводимого из куба продукта. Такой контур регулирования по сравнению с обычными контурами регу­ лирования уровня жидкости является более сложным, так как между точками, в которых осуществляется регулирующее воздействие и измеряется текущее значение регулируемого параметра, распо­ ложен кипятильник. Для плавного протекания в нем процесса испарения необходимо, чтобы регулируемый параметр в таком

282

i

контуре затухал медленно. С этой целью при регулировании уровня используют регулятор с широким диапазоном пропорциональности и интегральной составляющей.

Регулирование давления. В ректификационной колонне должен соблюдаться тепловой баланс. Если процесс испарения в колонне более интенсивен, чем процесс конденсации, то количество пара увеличивается, а давление в колонне вследствие этого повышается. Для поддержания равновесия между процессами испарения и кон­ денсации необходимо регулировать давление в колонне.

Пар

1)изменяя расход хладоагента в конденсатор;

2)изменяя поверхность теплообмена конденсатора;

3) частично байнасируя поток паров мимо конденсатора;

4) вводя в конденсатор небольшое количество неконденсирующе­ гося газа.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Способы 1 и 4 являются наиболее распространенными, но не самыми эффективными. В главе I X было указано, что на скорость конден­ сации пара совершенно не влияет изменение расхода хладоагента при скоростях, на которых работает большинство конденсаторов. Однако при этом наблюдается некоторая экономия охлаждающей воды. В этом случае целесообразно применять клапан с логариф­ мической характеристикой.

Способ 2 является наиболее эффективным в случае отсутствия неконденсирующихся газов. Из рис. X I - 1 0 видно, что поверхность теплообмена конденсатора можно изменить путем затопления части его трубок жидкостью. Если приход пара в конденсатор превышает

283

расход жидкости из него, то конденсат, накапливаясь, уменьшает поверхность теплообмена. Это приводит к повышению давления в колонне, что вызывает уменьшение подачи тепла в колонну. Этот контур регулирования является безусловно быстродействующим, так как изменение подачи тепла довольно быстро приводит к изме­ нению расхода пара, поднимающегося в колонне.

Способ 3 эффективен, однако требует применения клапана боль­ ших размеров с крутой характеристикой, устанавливаемого на трубопроводе параллельном конденсатору. В этом случае возможно также применение дроссельной заслонки вследствие малого ее гид­ равлического сопротивления.

По способу 4 в конденсатор вводят некоторое количество не­ конденсирующегося газа, уменьшая этим теплообменную способность конденсатора до значения, определяемого подачей тепла в колонну. При повышении давления для выпуска избытка этого газа открывают линию отдувки. Однако, прп выводе газа из системы он будет увле­ кать некоторое количество продукта, поэтому такой способ регу­ лирования давления в колонне не рекомендуется. Кроме того, не­ конденсирующиеся газы могут растворяться во флегме и вызывать понижение ее температуры кипения. Это окажет влияние па темпе­ ратуры жидкости верхних тарелок колонны и будет препятствовать использованию температуры для регулирования состава продукта. Во время подачи неконденсирующегося газа в систему существует опасность вытеснения из трубок конденсатора паров разделяемых компонентов, что может привести к практически полному прекра­ щению отвода тепла. Во избежание этого конденсатор должен быть сообщен с атмосферой.

Колонны, работающие при атмосферном давлении, регулируются аналогично. Если конденсация пр'отекает очень интенсивно, в кон­ денсаторе возникает разрежение п в него подсасывается атмосферный воздух. В результате паровая смесь в конденсаторе все время будет содержать некоторое количество воздуха, которое будет ограничивать •скорость конденсации пара до величины, определяемой скоростью испарения флегмы. При каждом повышении скорости испарения некоторое количество воздуха и продукта будут выбрасываться в атмосферу, а при каждом ее уменьшении в систему будет всасы­ ваться воздух.

Регулирующее воздействие на клапан, установленный на линии -отдувки, можно подавать от любой из рассмотренных ранее схем регулирования давления.

На рис. X I - 1 1 приведена схема регулирования давления в ко­ лонне с двумя клапанами, установленными на линии подачи хладо­ агеита и линии отдувки. Для более точной работы клапаны обору­ дованы позиционерами. Область работы клапана на линии отдувки должна быть отличной от области работы клапана на линии подвода хладоагеита. Оба клапана должны быть полностью открыты при максимальном значении выходной величины регулятора. С умень­ шением последней клапан на линии отдувки должен закрываться

284

быстрее, чем клапан на линии хладоагента. При этом должна соблю­ даться определенная последовательность. Клапан на линии отдувки при значениях выходной величины регулятора меньших 5 0 % , должен быть полностью закрыт, а клапан на линии хладоагента при значении выходной величины, рдвной 75 % , должен быть еще полностью открыт. Оба клапана должны иметь логарифмическую характеристику.

При ограниченной поверхности конденсации разделяющая спо­ собность колонны может быть доведена до максимально возможного значения путем установления определенной скорости подачи тепла в кипятильник регулятором давления. В этом случае к кипятильнику будет подаваться такое же количество тепла, какое отводится из системы с помощью конден­

расход которого регулируется. Это обеспечивает вывод из системы неконденсирующегося газа, поэтому для регулирования давления может быть применен любой из первых трех перечисленных выше способов с использованием только одного клапана.

При воздействии па расход отводимого в виде пара продукта регулируют его состав, а не давление.

Изменение расхода флегмы. Для поддержания на всех тарелках колонны устойчивых составов разделяемой смеси очень важно обес­ печить постоянную подачу флегмы в колонну. Колебания расхода флегмы с достаточно большим периодом могут распространяться далеко вниз по колонне. По этой причине большинство ректифи­ кационных колонн в настоящее время работает при постоянном расходе флегмы.

Если с целью регулирования состава верхнего продукта воз­ действуют на расход дистиллята, это приводит к изменению расхода флегмы (за исключением случая, приведенного на рис. X I - 1 0 ) . При работе с незатонленным конденсатором уровень жидкости в верхнем сборнике должен воздействовать на расход флегмы. Для быстрого затухания колебаний уровня жидкости устанавливают ПИ-регу- лятор с широким диапазоном пропорциональности. Кроме того, для предотвращения возникновения в системе незатухающих колебаний из-за наличия гистерезиса в клапане последний оборудуют пози­ ционером или применяют каскадную схему с контуром регулиро­ вания расхода.

285

Поддерживать заданный уровень жидкости в сборнике измене­ нием расхода флегмы довольно трудно. Составы продуктов на та­ релках колонны определяются материальным балансом верхней тарелки, поэтому изменение расхода дистиллята па выходе из сбор­ ника не будет влиять на состав продуктов в колонне лишь при по­ стоянстве расходов флегмы и пара. Регулятор же уровня в течение довольно длительного промежутка времени не сможет изменить расход флегмы из-за инерционных свойств сборника. Таким образом, емкость сборника существенно влияет на процесс регулирования состава верхнего продукта.

Если бы изменение расхода флегмы вызывалось тем же регу­ лирующим сигналом, что и изменение расхода дистиллята, то инер­ ционными свойствами сборника можно было бы пренебречь. В этом случае при уменьшении расхода флегмы расход дистиллята должен увеличиваться на такую же величину, чтобы уровень жидкости в сборнике не менялся.

Если же схему регулирования составить так, чтобы изменение

обратном тому, которое было при обычном регулировании уровня с клапаном на линии выхода из сборника только флегмы. Со временем регулятор уровня установит расход флегмы на новом значении. При этом в материальный баланс верхней тарелки колонны вводится опережающее воздействие, несколько увеличивающее скорость ре­ агирования контура регулирования состава. В результате сборник как объект регулирования вместо запаздывания будет обладать опережеппем.

На рпс. 1Х-12, а приведена схема регулирования, где в контур вводится опережающее воздействие. В этой схеме расход флегмы связан с расходом дистиллята и выходной величиной регулятора уровня следующей зависимостью:

того и другого устанавливается коэффициентом К. Запаздывание сборника зависит от его постоянной времени и заданного значения уровня, устанавливаемого на регуляторе. Для отключения этой схемы регулирования коэффициент К устанавливают равным нулю.

Реализация уравнения ( X I ,13) возможна лишь при условии линеаризации выходных сигналов измерителей расхода, т. е. разным значениям расхода будет соответствовать различное время опере­ жения. Величина коэффициента К выбирается такой, чтобы свести к минимуму период колебаний контура регулирования состава верхнего продукта. При этом заданное значение уровня в сборнике может устанавливаться в широких пределах. Таким образом, изме-

286

няя величину коэффициента К, можно придать контуру регулиро­ вания состава различные свойства.

Работа контура регулирования состава продукта. В качестве дат­ чиков в замкнутом контуре регулирования состава продукта при­ меняются анализаторы качества или измерители температуры. Чувствительность этого контура регулирования при использовании измерителя температуры значительно выше, что объясняется сле­ дующими причинами. Во-первых, анализатор качества обычно

От PC дистиллята

располагают на самом верху колонны, в то время как чувствительный элемент измерителя температуры устанавливают ближе к середине колонны. В результате этого измеритель температуры быстрее реагирует на изменения материального баланса колонны. Во-вторых, анализатор качества продукта, как правило, характеризуется на­ личием запаздывания в пробоотборной системе; так, у хроматографа запаздывание наблюдается при разделении поступающей в него пробы. Для уменьшения времени запаздывания пробу продукта рекомендуется отбирать в виде пара.

Рассмотрим работу ректификационной колонны при ступенчатом изменении расхода дистиллята. Результат такого эксперимента приведен на рис. X I - 1 3 .

287

При изменении расхода дистиллята состав верхнего продукта изменяется во времени с большим запаздыванием, характерным для многоемкостных объектов. При этом сначала изменяется рас­ пределение материальных потоков иа верхней тарелке колонны, а затем состав дистиллята. Новое распределение потоков, возникшее в результате изменения расхода флегмы, распространяется вниз по колонне. Дойдя до куба, оно вызывает новую (отраженную) волну изменения потоков вверх по колонне, достигающую через некоторый отрезок времени верхней тарелки. Реакция колонны па ступенчатое возмущение в этом случае аналогична реакции объекта, обладающего одной емкостью н двумя звеньями чистого запаздывания, время запаздывания которых значительно отличается.

О

Рис. XI - 13 . Влпяппе ступенчатого изменения расхода дпстпллята на его состав:

1 — прямая волна; г — отраженная волна; 3 — суммарное воздействие.

Основное влияние иа переходный процесс в контуре регулиро­ вания оказывает звено с меньшим временем запаздывания, которое зависит главным образом от расстояния между клапаном, устано­ вленным на линии дистиллята, и анализатором качества продукта. Это время находится в пределах от 5 до 30 мин. Объем сборника конденсата также существенно влияет на динамические характе­ ристики рассматриваемого объекта. Обычно замкнутый контур регулирования состава верхнего продукта совершает колебания с периодом от 20 минут до двух часов.

Как видно из рис. I I - 4 , отношение эффективного времени чистого запаздывания к эффективной постоянной времени мно го емкостного объекта обычно находится в пределах от 0,15 до 0,30. По этому отношению можно определить динамический коэффициент передачи колонны. Зная последний, а также коэффициенты передачи процесса ректификации и датчика системы регулирования, можно определить требуемый диапазон пропорциональности регулятора.

В рассмотренном выше числовом примере (стр. 274)

d{D[F)

288

Отсюда коэффициент передачи процесса ректификации равен

регулятором расхода исходной смеси. Коэффициент передачи такого контура регулирования расхода Gf при изменении заданного зна­ чения параметра равен коэффициенту передачи клапана в контуре регулирования состава продукта. При наличии линейного изме­ рителя расхода этот коэффициент передачи представляет собой максимальный расход дпстиллята, поделенный на 100%. Поскольку отношение DIF — 0,5, то максимальное значение расхода дистиллята равно 0,5 F, а коэффициент передачи клапана составляет 0,5 .Р/100%.

Так как значение у принято равным 0,95, то шкала анализатора качества продукта должна иметь пределы от 0,90 до 1,00. Следо­ вательно, диапазон измерения анализатора равен 0,10, и коэффи­

Требуемое значение диапазона пропорциональности регулятора

к чистоте дистиллята. Прп необходимости же получения продуктов высокой частоты применяют анализаторы с еще меньшим диапазоном измерения. Если бы в рассмотренном выше примере диапазон изме­ рения анализатора качества дистиллята был равен 0,01, то диапазон пропорциональности регулятора нужно было бы установить рав­ ным 1430%.

Для повышения скорости реакции контура регулирования со­ става верхнего продукта иногда отбирают пробу на тарелке, рас­ положенной ближе к середине колонны. Но как и в случае с датчиком температуры, это не гарантирует получение продукта требуемого качества.

Качествеиное регулирование состава верхнего продукта и вы­ сокую скорость реакции контура регулирования на возмущения можно обеспечить применением каскадной системы регулирования2 9 . При этом необходимо, чтобы регулятор температуры, чувствительный элемент которого располагается между верхом колонны и тарелкой