В начало

Управление ректификационной установкой (Тема)

 

Ректификационные установки служат для разделения многокомпонентной смеси на составляющие ее компоненты в результате противоточного взаимодействия смеси паров и жидкой смеси. Обычно целью любой системы регулирования ректификационной установки является разделение многокомпонентной смеси с соблюдением качества по одному из конечных продуктов при минимальных потерях конечного продукта на другом конце колонны. Оптимизация может иметь своей целью увеличение прибыли за счет, например, сокращения эксплуатационных затрат или увеличения производительности.

Разработка любой управления обычно начинается с идентификации всех входов и выходов ректификационной колонны, а также типов возможных управляющих воздействий. Выполним анализ различных стратегий управления ректификационной колонной, предназначенной для разделения бинарной смеси, содержащей легколетучий компонент на дистиллят и кубовую жидкость.

 

 

 

FF, FR, FD – расходы питания, флегмы, дистиллята;

LB, LD – уровни в кубе-испарителе (нижней части) колонны, во флегмовой емкости;

QF, QD, QB – тепловые нагрузки подогревателя питания (разделяемой исходной смеси), дефлегматора, кипятильника (ребойлера).

Рис. Входные и выходные параметры ректификационной колонны

 

Уравнение материального баланса колонны учитывает расходы сырья, дистиллята и кубового продукта, объемы жидкости в кубе и флегмовой емкости, запас жидкой фазы на тарелках.

Контрольно-измерительные приборы, установленные на колонне, позволяют определять уровни дистиллята во флегмовой емкости и кубового продукта в кубе-испарителе колонны, температуру и давление в колонне. Изменение уровня дистиллята во флегмовой емкости и кубового продукта в кубе-испарителе свидетельствует о нарушении материального баланса или изменении запаса жидкой фазы на тарелках колонны. Последнее обстоятельство объясняет невозможность быстрой корректировки материального баланса даже при использовании наиболее совершенных и точных расходомеров.

Управляющими переменными служат: теплота, сообщаемая исходному сырью в подогревателе питания; тепловая нагрузка кипятильника (ребойлера); теплота, отбираемая в дефлегматоре. Кроме того, существенную роль играет и температуры исходного и конечного продуктов. Последние параметры, хотя и редко, но используются в схемах управления колонной, за исключением тех случаев, когда кубовый остаток из колонны направляется на подогрев исходного продукта.

При разработке стратегии системы управления рабочее давление в колонне обычно считается неизменным, а его значение определяется, например, физическими свойствами углеводородов исходной смеси и конструктивными параметрами самой колонны. Регулирование рабочего давления в колонне входит в функции контура регулирования теплового баланса.

Регулируя материальный баланс в колонне на основании показаний уровнемеров, а давление – по количеству теплоты, переданной в кипятильнике (ребойлере), можно наметить в общих чертах схему регулирования температуры в колонне, определяющую тепловой баланс в колонне. Такой процесс является саморегулирующимся, так как количество переданной теплоты является функцией перепада температур в теплообменнике. Так, например, с увеличением тепловой нагрузки подогревателя питания температура дистиллята начнет повышаться, но сама разница температур будет снижаться, вызывая уменьшение теплового потока, т.е. возникнет обратная отрицательная связь, что и приводит к так называемому эффекту саморегулирования.

Величина перепада температур потоков в теплообменнике зависит от многих факторов. Чем больше эта разность, тем меньшую площадь поверхности теплообмена можно использовать. Необходимо учитывать, что слишком большая разность температур способна привести к такому режиму кипения в трубках теплообменника, при котором значительно снижается коэффициент теплопередачи. Кроме того, слишком высокая температура может испортить продукт и повредить трубы теплообменника.

Основным параметром обратной связи системы регулирования является расход флегмы, тогда как тепловая нагрузка кипятильника позволяет регулировать расход паровой фазы в колонне.

В систему уравнений входят переменные, из которых необходимо выделить возможные возмущающие воздействия, возможные регулирующие воздействия и регулируемые параметры (выходные координаты).

Основные возмущающие воздействия: колебания расхода, состава и температуры питания.

Второстепенные возмущающие воздействия: изменения энтальпии греющего пара (в подогревателе питания), теплоносителя (в кипятильнике), хладагента (в дефлегматоре); потери теплоты в окружающую среду.

Контролируемые возмущающие воздействия: изменения температуры питания, расхода питания, концентрации легколетучего компонента в питании (исходной смеси).

Неконтролируемые возмущающие воздействия: изменения энтальпии греющего пара, теплоносителя, хладагента; потери теплоты в окружающую среду.

Управляющие воздействия: изменения расходов греющего пара, теплоносителя, хладагента, флегмы изменение отбора (расхода) дистиллята, кубового продукта.

Управляющее воздействие по каналу расхода не рассматриваем.

Регулируемые параметры (выходные координаты): концентрация легколетучего компонента в дистилляте, концентрация легколетучего компонента в кубовом продукте, уровень жидкости в кубе колонны и флегмовой емкости, давление в колонне.

Из уравнений материального и теплового балансов следует, что ректификационная колонна с сопутствующими ей элементами представляет собой объект с большим числом взаимосвязанных параметров, что находит свое подтверждение при рассмотрении простейшей матрицы входов-выходов ректификационной колонны.

На следующем шаге разработки структуры системы регулирования необходимо определить, как воздействовать на входные параметры.

Регулирование материального баланса можно осуществить за счет изменения расходов соответствующих потоков с помощью подходящих клапанов. Регулирование теплового баланса возможно двумя способами: изменением разности температур в теплообменнике или изменением поверхности теплообмена. В данном случае регулировать тепловой баланс колонны можно, изменяя поверхность теплообмена в дефлегматоре.

 

 

 

а – изменение разности температур путем изменения давления пара в паровом пространстве теплообменника;

6 – изменение поверхности теплопередачи за счет изменения уровня конденсата в теплообменнике

 

Рис. Схемы регулирования теплового баланса ректификационной установки

 

На следующем этапе разработки стратегии управления производится анализ статических и динамических характеристик выбранных схем управления.

 

Эволюция систем управления ректификационной установкой

Первый вариант. Простейшая система управления ректификационной установкой включает шесть одноконтурных САР и обеспечивает стабилизацию состава дистиллята и поддержание материального и теплового балансов в установке. Основным регулятором, стабилизирующим состав дистиллята (при разделении бинарной смеси при постоянном давлении), является регулятор температуры верха колонны, воздействующий на отбор (расход) дистиллята. Регулятор температуры 2 стабилизирует температуру питания. Регуляторы уровня 3 и 4 поддерживают материальный баланс в системе по жидкой фазе. Регулятор расхода 6 стабилизирует подачу греющего пара в кипятильник.

Если задачей регулирования является стабилизация состава кубового продукта, то расход греющего пара задается регулятором температуры низа колонны 6а, а расход дистиллята стабилизируется регулятором 1а.

 

 

 

1 – регулятор температуры верха колонны;

– регулятор расхода дистиллята;

2 – регулятор температуры питания;

3 – регулятор уровня в кубе колонны;

4 – регулятор уровня во флегмовой емкости;

5 – регулятор давления в колонне;

6 – регулятор расхода греющего пара;

– регулятор температуры низа колонны

Рис. Система управления ректификационной установкой, основанная на одноконтурных САР отдельных технологических параметров

 

Одновременное регулирование составов (или температур) верха и низа колонны обычно не применяют, так как эти координаты связаны между собой, и их одновременное регулирование по обратной связи может привести к снижению запаса устойчивости системы.

Недостатки. Стабилизация расхода греющего пара без учета реальной обстановки в системе обычно приводит к перерасходу пара, поскольку регулятору расхода устанавливается завышенное задание с учетом возможных колебаний энтальпии греющего пара, переохлаждения флегмы и других возмущающих воздействий в процессе.

Отсутствие компенсирующих воздействий по возмущениям со стороны питания приведет к большим динамическим ошибкам регулирования составов продуктов, так как регулятор состава (или температуры) на конце колонны получит сигнал об отклонении регулируемой координаты от заданного значения лишь после того, как изменится состав жидкости по всей высоте колонны.

Использование температуры продукта для регулирования его состава имеет еще один существенный недостаток: колебания температуры при изменении состава соизмеримы с ее колебаниями при изменении давления в колонне и часто оказываются соизмеримы с погрешностью измерительных устройств.

На практике при разделении близкокипящих смесей веществ сколько-нибудь ощутимые колебания температуры можно наблюдать только в средней части каждой секции колонны. Эту особенность следует учитывать при выборе измерительного устройства, а также места отбора импульса по температуре.

Второй вариант. Чтобы обеспечить минимизацию энергозатрат на разделение, применяют регулятор соотношения расходов греющего пара и питания (или расходов флегмы и питания) 6. Кроме того, для регулирования температуры продукта применяют каскадную САР с дополнительным импульсом по производной от температуры на контрольной тарелке (регуляторы 7 и 1а), что уменьшает максимальную ошибку регулирования.

 

 

1 – регулятор температуры верха колонны;

la – дифференциатор;

2 – регулятор температуры питания;

3 – регулятор уровня в кубе колонны;

4 – регулятор уровня во флегмовой емкости;

5 – регулятор давления в колонне;

6 – регулятор соотношения расходов питания и греющего пара.

 

Рис. Система управления ректификационной установки со статической компенсацией возмущающих воздействий по расходу питания и с каскадной САР температуры верха колонны

 

Третий вариант реализуется с применением средств вычислительной техники. Здесь расходы дистиллята и греющего пара регулируются регуляторами 1 и 6, задания которым корректирует вычислительное устройство 7 в зависимости от расхода и состава питания и энтальпии греющего пара, учитывая динамические характеристики ректификационной колонны. Эта САР должна обеспечить приближенную инвариантность системы по отношению к контролируемым возмущающим воздействиям.

 

 

 

1 – регулятор расхода дистиллята;

2 – регулятор температуры теплоносителя;

3 – регулятор уровня в кубе колонны;

4 – регулятор уровня во флегмовой емкости;

5 – регулятор давления в колонне;

6 – регулятор расхода греющего пара;

7 – вычислительное устройство

 

Рис. Система управления ректификационной установки с компенсацией возмущающих воздействий по расходу и составу питания и температуре греющего пара

 

Неконтролируемые возмущающие воздействия (например, переохлаждение флегмы) могут привести к нарушению режима в ректификационной колонне и отклонению состава конечного продукта от заданного.

 

Пин-код Warface: Наган M1895
Пин-код Warface: Наган M1895


WINDOWS 7 ULTIMATE FULL SP1 32/64 BIT ORIGINAL
WINDOWS 7 ULTIMATE FULL SP1 32/64 BIT ORIGINAL


Поднятие статистики WoT
Поднятие статистики WoT