Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системный анализ и особенности управления типовыми объектами химической технологии. Учебное пособие
.pdf
21
Технологическая схема содержит: реактор, охладитель (Т1),
отделитель высокого давления (ОВД), отделитель низкого давления
(ОНД), необходимое число контролирующий и регулирующей
аппаратуры. Контроль давления для надежности производится двумя
датчиками и если системой диагностики установлено, что датчик,
используемый в контуре регулирования, вышел из строя, то система
автоматически переключается на работу с исправным датчиком.
Контроль температуры производится в указанных коленах
реактора, до и после охладителя, в отделителях высокого (ОВД) и
низкого (ОНД) давлений.
Для поддержания рабочего режима реакторного узла
технологическая схема использует регуляторы: основной регулятор и
регуляторы уровня и давления в отделителях ОВД и ОНД. На рисунке
обозначены доступные для работы на тренажёре два регулятора:
главный регулятор и регуляторы уровня в ОВД.
Рис. 8. Мнемосхема реакторного узла
22
Рис. 9. Панель управления регулятором уровня
При нажатии на кнопку «регулятор уровня» ОВД на экран будет
вызвана панель управления регулятором уровня (рис. 9).
Регулятор уровня снабжен исполнительным механизмом с двумя
положениями «отрыт» или «закрыт». Он имеет два заданных уровня
«MAX» и «MIN».
На панели рис. 9 имеется график изменения уровня в этом
контуре.
Оператор имеет возможность изменять задания, а также
изменять режим работы регулятора.
При нажатии на кнопку «главный регулятор» (рис. 8) на экран
будет вызвана панель главного регулятора (рис. 10).
Панель имеет два графика.
Верхний воспроизводит изменения основных параметров
процесса: температуры (1 – кривая желтого цвета), давления (2 –
кривая белого цвета), положение клапана на выходе реактора (3 –
кривая голубого цвета), содержание кислорода в исходной смеси (4 –
кривая красного цвета). Отметим, что в реальном производстве
автоматический анализ содержания кислорода в исходной смеси не
проводится.
На нижний график в виде столбиков, выведены температуры во
всех точках реактора, охладителя, ОВД и ОНД.
23
Рис. 10. Панель главного регулятора
1
3
4
Справа от графиков находится область, на которой расположены
средства контроля и управления главным регулятором.
В верхней части находится окно, в которое выводится
сообщение о текущем режиме работы регулятора: «РАБОТА» –
включен ПИД-регулятор, идёт процесс синтеза продукта (рис. 6, С);
«ПЕРИОДИЧЕСКИЙ СБРОС» – идёт сброс давления по времени
(рис. 6, А и В); «СБРОС ПО ТЕМПЕРАТУРЕ» – если температура
превысила установленную величину и существует опасность
возникновения аварийной ситуации.
Ниже расположены средства включения / отключения
программного управления (отключать программное управление не
рекомендуется).
Далее расположены средства управления ПИД-регулятором
давления, который работает без отключения, если включено
программное управление.
Ещё ниже расположено окно текущей величины температуры и
средства контроля и ввода граничной величины, превышение который
немедленно инициирует процедуру сброса давления в реакторе.
24
После этого следует область контроля и управления
параметрами процедуры сброса давления.
При нажатии кнопки РУЧНОЙ СБРОС будет немедленно
запущена процедура сброса.
Для параметров, определяющих автоматический сброс,
существуют следующие возможности: ввести время
«ПЕРИОДИЧЕСКОГО СБРОСА», глубину сброса (рис. 6, А),
максимальную величину открытия клапана при сбросе давления и
минимальную величину открытия клапана при восстановлении
давления.
В самом низу расположено окошко, в которое выведена
величина концентрации кислорода в исходной смеси. Тренажер
допускает возможность её изменения в заданных пределах, для этого
необходимо щелкнуть по окошку.
Отдельные параметры главного регулятора могут
корректироваться. Для этого необходимо щелкнуть по кнопке
«настройка» на панели главного регулятора (рис. 10), тогда на экран
будет выведена панель настройки главного регулятора (рис. 11).
Рис. 11. Панель настройки главного регулятора
25
Задание 2
Цель: Освоить методику управления реактором непрерывного
действия, добившись максимальной степени конверсии сырьевого
потока в полиэтилен.
1. Вызовите на выполнение программу «Трен_2». Программа
настраивается в автоматическом режиме в течение 2–3 сек.
2. Вызовите на экран панель главного регулятора, щелкнув по
кнопке «главный регулятор» на панели рис. 8.
3. Подождите, пока объект не придёт в стабильное состояние.
4. Подбирая значение концентрации кислорода и переменных,
определяющих автоматический сброс, добейтесь следующих
состояний:
– максимальная температура (желтый столбик) должна
находиться на 31-ом колене реактора;
– сброс по температуре должен происходить за 1 или 2
секунды до наступления момента начала периодического
сброса.
Имейте в виду, что чувствительность процесса к содержанию
кислорода очень высока. Поэтому вдали от искомого состояния
содержание можно изменять с шагом 0,1 %, а вблизи с шагом
0,01%.
5. Объясните, почему мероприятия, приведённые в п. 4, позволяют
обеспечить максимальное превращение сырья в готовый
продукт.
26
2. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ
РЕКТИФИКАЦИИ
Ректификация это тепло-массообменный процесс, применяемый
для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по
температурам кипения [4].
Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и
жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар имеет
более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт
жидкость. В результате такого взаимодействия, при достаточно
большом времени контакта, пар и жидкость могут достичь состояния
равновесия, т. е. температуры потоков станут одинаковыми; при этом
их составы будут связаны уравнениями равновесия. Такая схема
взаимодействия потоков известна как «теоретическая тарелка».
В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зоны
потоков пара и жидкости может не достигаться, в связи с чем эти
потоки будут иметь разные температуры, а их составы будут
определяться не только уравнениями равновесия, но более сложными
зависимостями. Чтобы не вдаваться в эти сложности вводится понятие
коэффициент полезного действия (кпд) тарелки.
Процесс ректификации может осуществляться по периодической
или непрерывной схемам.
При периодической ректификации смесь разделяют на
отдельные компоненты (или фракции, кипящие в определённом
интервале температур) путём последовательного их отбора при
изменяющихся во времени рабочих параметрах процесса.
Ректификация по непрерывной схеме позволяет одновременно
получать два и более продукта в стационарных условиях протекания
процесса.
Процесс ректификации осуществляют в аппаратах –
ректификационных колоннах. Для создания потока паров в нижнюю
часть колонны подводят тепло, а поток жидкости (орошения, флегмы)
создают путём отвода тепла их верхней части колонны, конденсируя
соответствующее количество паров.
Процесс ректификации один из наиболее энергоемких процессов
в промышленности. При разделении смеси расходуется большое
количество энергии, при этом, чем глубже разделение (чем чище
получаемые продукты), тем больше энергии необходимо затратить на
27
разделение смеси. Энергия затрачивается на тепло, подводимое в низ
колонны для создания потока пара и вверх колонны для конденсации
пара.
Следует учитывать, что колонна, в которой осуществляется
процесс разделения, как правило, работает в достаточно узком
диапазоне циркулирующих в ней потоков. При имеющемся потоке
жидкости, поток пара не должен быть слишком мал, чтобы избежать
явления провала жидкости и не должен быть слишком велик, чтобы
избежать явления уноса жидкости с тарелок. С другой стороны, при
имеющимся потоке пара, поток жидкости не должен быть слишком
велик, чтобы избежать явления «захлёбывания» колонны и не
слишком мал, чтобы избежать явления, когда время контакта пара и
жидкости слишком мало.
Рабочий диапазон тарелок определяется, прежде всего, их
конструкцией. Известны сотни различных конструкций тарелок,
многие из них имеют чисто познавательное значение, многие,
несмотря на разницу конструкций, обладают равноценными
основными показателями.
Если выделить из всей совокупности тарелок только
стандартные (освоенные в производстве), то получим следующий не
полный перечень:
– колпачковые (желобчатые, капсульные, S-образные);
– клапанные, жалюзийно-клапанные;
– ситчатые;
– решетчатые;
– струйные.
Задача управления процессом ректификации заключается в
получении продуктов с качеством не ниже заданного и с
минимальным расходом энергии, при ограничениях на потоки внутри
колонны (провал жидкости, унос жидкости, захлёбывание, слабое
взаимодействие пара и жидкости).
Сложность задачи состоит, прежде всего, в том, что очень
трудно осуществить точное непрерывное измерение состава продуктов
при высокой степени разделения. На практике обычно ограничиваются
стабилизацией температуры на некоторой промежуточной
(контрольной) тарелке, на которой изменения температуры,
вызванные возмущениями, достаточно велики и могут быть точно
измерены. Однако температура кипения не может служить точной
мерой разделения, достигаемого в процессе, так как она, в свою
28
очередь, зависит от давления и количества примесей. Постоянство
состава продукта (или температуры) на некоторой промежуточной
тарелке также ещё не является гарантией того, что состав на верхней
или нижней тарелке также будет постоянным.
Для непосредственного измерения степени чистоты получаемого
продукта используются такие приборы, как инфракрасные
анализаторы, рефрактометры и хроматографы. Это дорогостоящие
приборы, кроме того, системы регулирования, использующие эти
анализаторы, характеризуются большой инерционностью (минута и
более) и меньшей надёжностью.
Анализ динамики колонн показывает [1], что большой объем
жидкости на тарелках колонны, в кипятильнике, конденсаторе и во
флегмовой ёмкости приводит к тому, что процессы регулирования в
колонне оказываются достаточно продолжительными.
Экспериментальное исследование характеристик разомкнутой
системы показывает, что наибольшая постоянная времени объекта по
каналам «расход питания – состав продукта» и «состав питания –
состав продукта» составляет от 1 до 3 ч. Так как объем жидкости в
колонне распределён между многочисленными тарелками, то процесс
характеризуется также чистым запаздыванием – временем, по
истечении которого влияние изменения расхода питания или
орошения может быть отмечено на промежуточных тарелках.
Величина этого запаздывания достигает нескольких минут.
В тренажёре для имитации работы колонны используется
релаксационная модель, которая составлена при следующих
допущениях:
– в колонне происходит разделение бинарной смеси;
– питание колонны осуществляется при температуре начала
кипения смеси;
– колонна снабжена полным конденсатором и сифонным
выносным кипятильником;
– в колонне автоматически поддерживается постоянное давление;
– количество паров, покидающих тарелки колонны, одинаково и
соответствует количеству подведённого тепла;
– количество жидкости, стекающей с тарелок верхней
(укрепляющей) секции колонны, одинаково и равно количеству
флегмы, подаваемой на орошение, а для нижней секции равно
количеству флегмы и потоку питания;
29
– количество жидкости, стекающей с тарелок нижней (отгонной)
i
NK
i
1NK
0i
NF
i
x
i
y
d
L
w
V
F
F
x
i
T
d
T
w
T
d
y
w
x
i
q
i
z
секции, включая тарелку питания, одинаково и равно потоку
орошения, увеличенного на поток питания.
При описании модели используются следующие обозначения:
– текущий номер тарелки в колонне;
– количество тарелок в колонне;
= (
) – конденсатор;
– кипятильник;
– номер тарелки питания;
– относительная летучесть компонент;
,
– составы жидкости и паров, покидающих i-ую тарелку;
– поток флегмы из флегмовой ёмкости;
– поток паров, поднимающихся с куба колонны;
,
– поток и состав питания (жидкий);
– температура на i-ой тарелке;
,
– температура кипения лёгкого и тяжёлого компонентов
смеси при заданном давлении;
,
– составы дистиллята и кубового продукта;
– отношение потока пара, покидающего i-ую тарелку к
сумме всех потоков поступающих на неё (доля отгона);
– суммарный состав жидкости и пара, поступающего на i-ую
тарелку.
Динамика модели, прежде всего, определяется инерцией
составов на тарелках колонны, в кипятильнике и во флегмовой
ёмкости. Инерция этих элементов определяется через коэффициенты
инерции, рассчитанные как отношение объемного потока жидкости
протекающего через соответствующий элемент к объёму жидкости,
находящегося внутри этого элемента.
30
Обозначим через
dwl
k,k,k
i
ii
*
i
d
bc
x
2
*
i
x
iiii
zdbc 42
)(z)(qb
iii
111
11
ii
qd
NFi
dw
w
i
LV
V
q
dw
idiw
i
LV
xLyV
z
11
NFi
,
FLV
V
q
dw
w
i
FLV
FxxLyV
z
dw
Fidiw
i
11
i
i
i
x)((
x
y
11
– коэффициенты, определяющие
инерцию изменения состава на тарелках колонны, в кипятильнике и во
флегмовой ёмкости.
Для реализации динамической модели используются следующие
зависимости (подробный вывод формул приведён в [5]):
. (9)
Где:
– равновесная концентрация жидкости;
;
;
;
при
при
Реализация динамической модели производится следующим
образом. Последовательно и непрерывно ведётся расчет составов
сверху вниз и снизу вверх по следующим зависимостям:
;
;
,
;
.
. (10)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]