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

поддерживается постоянное отношение D/F, изменение состава дистиллята может быть выражено следующим образом:

Несмотря на то, что ответная реакция контура, не обладающего компенсацией, представляет собой разность двух составляющих

1 1

I I j I

Рпс. X I - 2 1 . Схема прохождения прямой (1) п отраженной (2) волн по колонне прп изменении расходов сырья (о) и дистил­ лята (б).

переходной характеристики, наилучшая компенсация соответствует отношению этих двух составляющих. Отношение изменения у в за­ висимости от F к противоположно направленному изменению у в зависимости от D приведено на рис. X I - 2 4 (сплошная кривая).

У*

к

Переходная характеристика компенсационного устройства, В К Л Ю - чающего два звена инерционного запаздывания и одно звено опере­ жения, при скачкообразном возмущающем воздействии также при­ ведена на рис. X I - 2 4 . Эта модель не очень точно воспроизводит характеристику g(t) процесса, но'лучше, чем любая другая трех­ элементная модель. Модель более высокого порядка сложнее в эксплу­ атации и дороже.

300

Такая компенсация обычно применяется при отводе дистиллята из затопленного конденсатора, количество жидкости в котором предполагается постоянным. При наличии же сборника, в котором уровень жидкости воздействует иа расход флегмы, опережающую

интенсивно, чем на расход дистиллята. Переходная характеристика, аналогичная характеристике, приведенной на рис. X I - 2 4 , может быть получена введением звена инерционного запаздывания в контур прямой связи. Это особенно важно, когда осуществляется регули­ рование по принципу компенсации возмущений нескольких сов­

тепла в колонну с помощью регулятора уровня жидкости в кубе. Это ' влияние будет небольшим, если расход кубового про­ дукта невелик относительно расхода исходной смеси. В данном случае желательно применить динамическую компенсацию, которая

с прямой связью, применяемая в них динамическая компенсация должна быть различной. Ступенчатое увеличение расхода исходной смеси вызывает увеличение скорости испарения в кубе колонны, что приводит к нарушению равновесия между паром и жидкостью на тарелках колонны, постепенно распространяющееся вверх по колонне.

С течением времени отклонение от равновесия вызовет увели­ чение расхода флегмы, вследствие чего равновесие между паром и жидкостью на тарелках колонны восстановится. Однако вследствие внезапного увеличения скорости испарения кубовый продукт в боль­ шей, чем раньше, степени начнет уноситься вверх по колонне, по­ нижая уровень в кипятильнике до тех пор, пока не возрастет расход флегмы. Для обнаружения отклонения от равновесия должен быть установлен анализатор состава или измеритель температуры,

301

который будет указывать, какую поправку следует вносить в контур регулирования в каждый момент времени.

Для качественного регулирования состава кубового продукта в прямой контур регулирования подачи тепла в колонну должен быть установлен динамический элемент gv (t), обладающий инер­ ционным запаздыванием. В контур регулирования расхода дистил­ лята также устанавливают динамический элемент gD (t) с инерцион­ ным запаздыванием, величина которого определяется после наст­ ройки элемента gv (t). Введение таких динамических элементов приемлемо в том случае, когда уровень жидкости в сборнике воз­ действует на орошение.

Зкопомическое обоснование применения контуров регулирования по возмущению. Контуры регулирования с прямой связью (по воз­ мущению) всегда более сложны и состоят из большего числа эле­ ментов, чем контуры регулирования с обрати ой связью (по откло­ нению), поэтому целесообразность их использования должна быть обоснована. Контуры с прямой связью проектируются либо с целью получения продукта заданного состава в узких пределах, либо с целью ведения процесса с наименьшими затратами. Экономическое

При обосновании целесообразности контуров с прямой связью необходимо выявить преимущества, которые достигаются при их применении, по сравнению с применением контуров регулирования с обратной связью. При этом результаты применения последних должны быть предварительно оценены.

Если скорость подачи исходной смеси и ее состав постоянны, то не имеет смысла применять контуры регулирования с прямой связью. Если скорость подачи исходной смеси в колонну подвержена внешним возмущениям, то на линии подачи смеси на некотором расстоянии от колонны устанавливают небольшую емкость. Тогда изменения скорости подачи исходной смеси при случайных возму­ щениях или при воздействии автоматического регулятора будет протекать так быстро, что контур регулирования состава продукта с обратной связью не будет успевать на него реагировать.

Контур регулирования с прямой связью,учитывающий изменение скорости подачи исходной смеси, несложен. Он включает элемент опережения или запаздывания сигнала и делитель, устанавливаемый на линии между датчиком расхода исходной смеси и регулятором расхода дистиллята, как показано на рис. X I - 1 5 .

Второй контур регулирования с прямой связью учитывает изме­ нение состава сырья и воздействует на регулятор расхода дистил­ лята. Стоимость его намного превышает стоимость предыдущего контура, а его применение менее необходимо. Последнее объясняется тем, что состав исходной смеси, подаваемой из промежуточной емкости или другой технологической установки, изменяется с огра­ ниченной скоростью. Во многих ректификационных установках сырьевая емкость обладает даже большей инерционностью (судя

302

по временной характеристике), чем контур регулирования качества получаемого продукта с обратной связью. В этих случаях такая схема регулирования может быть успешно применена для компен­ сации изменения состава исходной смеси.

ной смеси требует анализатора качества сырья, устройства для умножения двух величин и иногда сумматора. Строго говоря, такой контур с прямой связью должен иметь отдельное устройство для динамической компенсации процесса (не считая того, которое уже было рассмотрено и должно быть установлено в прямом контуре регулирования, учитывающем изменение скорости подачи исходной смеси)2 7 . Однако поскольку состав исходной смеси обычно изме­ няется очень медленно, применение отдельного компенсатора в рас­ сматриваемом контуре не оправдано. Контур регулирования состава

Целесообразность применения комбинированного регулирования (по отклонению и по возмущению) определяется четырьмя основными требованиями: 1) повышения качества продукта; 2) увеличения выхода готового продукта; 3) снижения расхода воды, пара и электро­ энергии; 4) уменьшения свободного объема емкостей.

К качеству продуктов, получаемых на промышленных установ­ ках, предъявляются определенные требования. Чтобы гаранти­ ровать получение продукта заданного состава при больших и дли­ тельных изменениях нагрузки, качество получаемого продукта обычно поддерживается на уровне, несколько превышающем мини­ мально допустимый. Регулирование с прямой связью уменьшает отклонение состава продукта при изменениях нагрузки, что поз­ воляет поддерживать его качество ближе к минимально допустимому уровню.

от 0,95 до 0,99. Среднее значение величины у равно 0,97, что пре­ вышает установленное ранее минимальное значение 0,95. Приме­ нение контура регулирования с прямой связью уменьшает размах отклонения параметра у в 4 раза, что позволяет снизить среднее значение у до величины 0,955, т. е. на 0,015 по сравнению с преды­ дущим случаем. А так как расход дистиллята и его состав обратнопропорциональны друг другу, то снижение заданного значения у на 0,015 приводит к увеличению расхода дистиллята при тех же условиях:

Di i/2 95,5

Увеличение выхода продукта на 1,6% без дополнительных эксплуатационных затрат очень выгодно. Поэтому контур

303

регулирования с прямой связью окупает себя всего за несколько недель 2 5 .

Предположим, что система регулирования с прямой связью обеспечивает идеальное регулирование состава продукта, в резуль­ тате чего заданное значение у может быть снижено до 95% . При этом расход продукта увеличивается в 97/95 = 1,021 раза, т. е. по сравнению с последним случаем всего лишь на 0,5%. Отсюда сле­ дует, что применение обычной системы регулирования с прямой евязью позволяет значительно увеличить выход продукта заданного качества при тех же эксплуатационных затратах. Применение же идеальной системы регулирования значительного преимущества не дает.

У

0,99-

Рис. XI - 25 . Графики изменения параметра у во времени, при отсутствии контура регулирования с прямой связью

(1)и прп его наличии (2).

Сточки зрения экономии энергетических затрат эффективны •схемы регулирования, обеспечивающие подачу тепла в колонну соответственно скорости подачи исходной смеси.

Экономия от уменьшения свободного объема аппаратов в основ­ ном может быть получена на новых установках. Напомним, что •основная задача контуров регулирования с прямой связью заклю­ чается в обеспечении высокого качества регулирования процесса ректификации при изменениях скорости подачи и состава исходной •смеси. Промежуточные емкости также используются для поглощения этих возмущений. Заметим, что при регулировании качества про­ дукта с применением контуров прямой связи качество продукта •обычно улучшается настолько, что совершенно отпадает необхо­ димость в промежуточных емкостях. На больших установках эко­ номия только за счет изъятия этих емкостей в несколько раз пре­ вышает стоимость дополнительных приборов и регуляторов.

с прямой связью экономия также возрастает. Например, если один из продуктов ректификационной колонны непосредственно подается

304

как питание на химический реактор, то интенсивность загрязнен­ ности катализатора примесями понижается, что увеличивает срок его службы.

Периодическая ректификация

Процесс периодической ректификации в настоящее время при­ меняется редко, однако с точки зрения регулирования он очень интересен и заслуживает подробного рассмотрения. Система регули­ рования процесса периодической ректификации значительно отли­ чается от системы регулирования процесса непрерывной ректифи­ кации.

Регулирование расхода дистиллята. Время, необходимое для раз­ деления исходной смеси методом периодической ректификации, обратно пропорционально скорости подвода тепла в колонну. Чтобы сократить это время до минимума, необходимо подачу тепла в ко­ лонну поддерживать на максимально возможном уровне в течение всего периода работы колонны. Отличительной чертой процесса периодической ректификации является то, что одна из переменных npoi есса — скорость подачи пара V, которая при непрерывной ректификации играла роль регулирующей величины •— устанавли­ ваем я на постоянном уровне. При этом условии составим мате­ риальный баланс ректификационной колонны, приведенной на рис. I X - 2 6 .

Если в качестве регулирующей величины для поддержания заданного состава верхнего продукта выбран расход дистиллята,

то в процессе регулирования будет также изменяться и расход флегмы, возвращаемой в колонну. В установках непрерывной рек­

что качество продукта в последнем случае зависит только от отно­ шения двух величин, т. е. от отношения D/V. С некоторым прибли­ жением колонну периодической ректификации можно рассматривать

Содержание низкокипящего компопента в кубовом остатке к моменту времени t может быть найдено из уравнения материального баланса:

Wx=W0x0 — D \ych

Откуда

С помощью этого уравнения можно найти величину у, используя модифицированное уравнение Фенске.

Еще раз напомним, что при постоянном отношении D/V состав дистиллята, отводимого из колонны, будет меняться. Количество дистиллята, собираемое в приемнике, зависит от установленных

норм на его качество. Среднее значение у, обозначаемое далее у,

306

Отвод дистиллята из колонны прекращается в тот момент, когда величина у, уменьшаясь, приближается к предварительно уста­ новленному значению.

Регулирование процесса периодической ректификации с по­ стоянной скоростью отвода дистиллята характеризуется следующими особенностями:

1)при сравнительно высоком значении отношения D/V степень разделения продукта невелика и отбор дистиллята из установки заканчивается при относительно высоком содержании низкокипящего компонента в кубовом остатке; в результате степень извлечения низкокипящего компонента из исходной смеси невелика;

2)при малых отношениях D/V, устанавливаемых с целью более полного извлечения низкокипящего компонента, для проведения процесса периодической ректификации требуется намного больше тепла и времени, чем в предыдущем случае.

Регулирование состава дистиллята. Более эффективно колонна периодической ректификации работает при поддержании постоян­ ного состава дистиллята. Для этого при непрерывно изменяющемся составе кубового продукта эффективность работы колонны также должна меняться. Следовательно, отношение D/V в самом начале процесса должно быть достаточно высоким, а затем регулятором состава дистиллята опо должно постепенно уменьшаться до нуля, когда будет достигнута заданная степень отгонки низкокипящего компонента. Система регулирования, обеспечивающая такую работу колонны, приведена на рис. X I - 2 6 . Регулятор температуры должен иметь интегральную составляющую, что позволит при изменяющемся расходе дистиллята поддерживать постоянным его состав.

Расход отбираемого продукта и скорость его изменения по мере, протекания процесса ректификации уменьшаются. Поэтому пол­ ностью выводить из колонны низкокипящий компонент экономи­ чески невыгодно. Отбор дистиллята целесообразно закончить в тот момент, когда произведение стоимости продукта на его количество, отводимое из колонны, уменьшаясь, достигает уровня эксплуата­ ционных затрат (рис. XI - 27) .

Наличие жидкости на тарелках колонны также ограничивает количество отбираемого дистиллята. Выводить из колонны в виде дистиллята следующий, более высококипящий, компонент можно лишь после того, как с ее тарелок удалена находящаясятам жидкость, представляющая собой «некондиционные_ отходы». Эта жидкость обычно собирается в отдельную емкость, откуда снова подается в куб вместе с новой порцией сырья.

Многокомпонентные смеси также могут быть разделены в ко­ лонне периодического действия, при этом каждую фракцию отводят

состава) обычно производится вручную. При отгонке каждого нового продукта возникают «некондиционные отходы», поэтому с увели-

у

чением числа отгоняемых продуктов использование процесса пери­ одической ректификации становится все менее целесообразным.

Максимальное извлечение продукта. При рассмотрении вычисли­ тельных устройств было показано, что можно составить такую программу отвода дистиллята, при которой за определенный период

времени из исходного сырья будет извлекаться максимальное коли­ чество продукта заданного среднего состава3 0 . Из рис. X I - 2 8 видно, что для этого оптимальная скорость отвода дистиллята во времени всегда должна находиться в промежутке между заданной постоянной и постепенно уменьшающейся скоростью, обеспечивающей поддер­ жание заданного состава дистиллята. По окончании процесса ректи­ фикации, проводимого с этой оптимальной скоростью, содеря^ание

308

нпзкокипящего компонента в кубовом остатке по сравнению с дру­ гими случаями будет наименьшим, так как при оптимальной ско­ рости одновременно уменьшаются величины у и D/V.

Зависимости расхода дистиллята от содержания в нем низкокипящего компонента для каждого из этих трех вариантов приведены на рис. X I - 2 9 . Из рисунка видно, как следует составить оптимальную программу ведения процесса периодической ректификации. Опти­ мальная программа требует изменения заданного значения регу­ лятора температуры (или состава) в зависимости от текущего расхода дистиллята. Хотя зависимость у от D, соответствующая оптимальной программе, нелинейна, она с достаточной степенью точности может быть аппроксимирована линейным уравнением:

где к — коэффициент, равный тангенсу угла наклона соответству­ ющей прямой; у о — исходный состав дистиллята. Такая линейная зависимость может быть легко обеспечена системой регулирования, приведенной на рис. X I - 3 0 . Заданное значение регулятора темпе­ ратуры (состава) автоматически устанавливается с помощью сум­ матора и ручного задатчика.

** *

Более полное рассмотрение различных рабочих режимов ректи­ фикационных колонн и систем их регулирования, применяемых в промышленной практике, к сожалению, не представляется воз­ можным. Выбор и составление систем регулирования в каждом случае следует проводить с учетом конкретных особенностей про­ цесса. При этом не следует подгонять конкретный процесс ректи­ фикации к одной из известных систем регулирования, а нужно учитывать характерные особенности процесса и проектировать систему регулирования с учетом этих особенностей.

Г Л А В А XII

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕДАЧИ

Во всех процессах массообмена (за исключением ректификации) разделение смесей на отдельные компоненты протекает в присут­ ствии не одной, а нескольких фаз: газа (пара) — жидкости (абсорб­ ция, увлажнение); жидкости — жидкости (экстракция); жидкости — твердого вещества (выпарка, кристаллизация, адсорбция); пара — твердого вещества (сушка).

Вследствие этого во всех приведенных случаях один из потоков на выходе установки представляет собой либо готовый продукт (например, вторичный пар па выходе из выпарного аппарата), либо

309