Тема 5.7 Автоматизация массообменных процессов
1 Типовые решения по автоматизации процессов ректификации
2 Типовые решения по автоматизации процессов абсорбции, адсорбции
3 Типовые решения по автоматизации процессов экстракции, сушки
Типовые решения по автоматизации процессов ректификации
В качестве объекта управления при автоматизации процесса ректификации примем установку для разделения бинарной смеси, состоящую из тарельчатой ректификационной колонны, выносного кипятильника, дефлегматора и теплообменника для подогрева исходной смеси (рис.1). Ректификация относится к основным процессам химической технологии. Показателем его эффективности является состав целевого продукта. В зависимости от технологических особенностей целевым продуктом может быть как дистиллят, так и кубовый остаток. Поддержание постоянного состава целевого продукта и является целью управления. В дальнейшем будем считать целевым продуктом дистиллят.
Рисунок 1 – Схема автоматизации процесса ректификации
1- теплообменник исходной смеси; 2 – ректификационная колонна; 3 – дефлегматор; 4 – кипятильник
Ректификационная установка представляет собой сложный объект управления со значительным временем запаздывания с большим числом параметров, характеризующих процесс, с многочисленными взаимосвязями между ними и т. д. В объекте возникают такие возмущения, как изменения начальных параметров исходной смеси, а также тепло- и хладоносителей, изменения свойств теплопередающих поверхностей, что связано с отложением веществ на стенках, и т. д. Концентрация QД искомого компонента в дистилляте — показатель эффективности — зависит самым непосредственным образом от начальных параметров исходной смеси. Расход сырья Fс можно стабилизировать, используя регулятор расхода. Диафрагма и исполнительное устройство этого регулятора должны быть установлены до теплообменника.
Рассмотрим возможности регулирования режимных параметров верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны, которые непосредственно определяют состав дистиллята. Давление Р легко стабилизировать изменением расхода пара из колонны. Исполнительное устройство при этом устанавливают не на шлемовой трубе, соединяющей верхнюю часть ректификационной колонны с дефлегматором, а на линии хладоносителя, поступающего в дефлегматор.
Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны. Сравнительно просто регулировать также и концентрацию изменением расхода флегмы: чем выше этот расход, тем больше низкокипящего компонента будет в жидкости, и наоборот.
На практике часто регулируют состав паров (а в отдельных случаях и непосредственно состав дистиллята) изменением расхода флегмы. Регулирующий орган во всех случаях может быть установлен как на линии флегмы, так и на линии дистиллята, что равноценно. В качестве анализаторов состава в промышленности используют хроматографы и газоанализаторы.
Итак, для достижения цели управления необходимо стабилизировать давление и состав жидкости в верхней части колонны.
Необходимость стабилизации давления паров в кубе отпадает, так как ректификационная колонна обладает хорошо выраженными свойствами самовыравнивания по этому параметру. Этого нельзя сказать о температуре (составе) жидкости в кубе. Изменение расхода флегмы с целью регулирования второго параметра приводит к изменению параметров в кубе колонны лишь через несколько часов. В связи с этим для поддержания нормального режима в кубе возникает необходимость независимого регулирования одного из этих параметров. Обычно стабилизируют температуру. Итак, в кубе колонны следует регулировать температуру. Регулирующие воздействия в нижней части колонны можно осуществлять изменением расходов кубового остатка и теплоносителя, подаваемого в кипятильнику. Если учесть, что один из них, а именно расход остатка, следует использовать для поддержания материального баланса, то единственным регулирующим воздействием при регулировании температуры является изменение расхода теплоносителя.
Таким образом, если целевым продуктом является дистиллят, то для достижения цели управления следует регулировать расход исходной смеси, температуру исходной смеси, давление в верхней части колонны, состав жидкости в верхней части колонны, температуру и уровень жидкости в кубе.
Контролю подлежат: расход исходной смеси, дистиллята, флегмы, остатка, тепло- и хладоносителей; состав и температура конечных продуктов; температура исходной смеси, тепло- и хладоносителя; уровень в кубе колонны; температура по высоте колонны; давление в верхней и нижней частях колонны, а также перепад этих давлений.