Автоматизация процесса ректификации реферат

Обновлено: 04.07.2024

Типовое решение автоматизации (рис. 3.13). В качестве объекта управления при автоматизации процесса сушки рассмотрим барабанную прямоточную сушилку, в которой сушильным агентом служат дымовые газы, получаемые в топке. Показателем эффективности данного процесса является влажность материала, выходящего из сушилки, а целью управления – поддержание этого параметра на определенном значении.

Влажность сухого материала определяется, с одной стороны, количеством влаги, поступающей с влажным материалом, а с другой – количеством влаги, удаляемой из него в процессе сушки. Количество влаги, поступающей с влажным материалом, зависит от расхода материала и его влажности w. Расход материала определяется производительностью сушилки, которая, как правило, должна быть постоянной.

Поэтому следует идти по пути стабилизации расхода влажного материала, что обеспечивает заданную производительность и устраняет возмущения по данному каналу. Для этой цели устанавливают автоматические дозаторы. Влажность w н зависит от технологического режима предыдущих процессов. С изменением этого параметра в объекте будут иметь место сильные возмущающие воздействия.

Рис. 3.13. Типовая схема автоматизации процесса сушки: 1 – топка; 2 – смесительная камера; 3 – барабан; 4 – бункер; 5 – циклон; 6 – вентилятор; 7 – автоматический дозатор; 8 – электродвигатель барабана

Количество влаги W, которое поглощается сушильным агентом, определяют по формуле

где К – коэффициент массопередачи; F – поверхность контакта сушильного агента и материала; D – средняя движущая сила процесса.

Поверхность F зависит от толщины слоя материала и его гранулометрического состава. Толщина слоя материала будет постоянна при постоянном расходе материала и скорости вращения барабана (в практике для вращения используют асинхронные двигатели с постоянным числом оборотов рабочего вала). Гранулометрический состав определяется ходом предыдущих технологических процессов, а его изменение вносит в объект возмущения. Средняя движущая сила D определяется движущими силами в начале D 1 и в конце D 2 процесса (рис. 3.14). Положение точки А зависит от значений влажности материала w н и сушильного агента j н , которые определяются предшествующими процессами.

Стабилизировать их сложно и по этим каналам будут поступать возмущения.

Рис. 3.14. Диаграмма w–j: ОВ – кривая равновесной влаж- ности; w н , w к – влажность материала на входе в сушилку и вы-ходе из нее; j н , j к – влажность сушильного агента на входе в сушилку и выходе из нее

Положение точки Б определяется значениями влажности материала w к (w к задается, исходя из цели управления) и сушильного агента j к . Величина влажности j к зависит от расхода сушильного агента, проходящего через сушилку. Чем больше этот расход, тем меньше j к и тем левее располагается точка Б на линии влажности j к . Изменение расхода сушильного агента является наиболее эффективным регулирующим воздейст-вием.

Точки Г и Д располагаются на кривой равновесной влажности. Положение этой кривой зависит от температуры и разрежения в барабане сушилки. Разрежение стабилизируется путем изменения расхода сушильного агента, выводимого из сушилки. Температура же определяется всеми начальными параметрами, а также интенсивностью процесса испарения влаги из материала. Стабилизировать ее можно путем изменения расхода или температуры сушильного агента.

Необходимо отметить, что диапазон изменения последнего параметра существенно ограничен, что объясняется требованиями безопасности и возможностью разложения высушиваемого материала.

Таким образом, все параметры, влияющие на показатель эффективности, стабилизировать невозможно. В частности, возмущения будут возникать в результате изменения начальной влажности материала и сушильного агента w н и j н , гранулометрического состава материала и т. д. В барабане может изменяться распределение материала, а также гидродинамические условия его обтекания сушильным агентом. В связи с этим в качестве основного регулируемого параметра целесообразно взять влажность w к (используются влагомеры кондуктометрические, оптические, радиационные, электротермические), а регулирующее воздействие осуществлять изменением расхода сушильного агента. Если сушильный агент готовится в топке, то регулирующий клапан устанавливают на линии топлива (регулятор 4). Соответствие между расходами топлива и воздуха обеспечивается регулято-ром соотношения (регулятор 1). Температура сушильного агента на входе в барабан должна быть стабилизирована путем изменения расхода вторичного воздуха (регулятор 2).

Необходимо регулировать также расход влажного материала (регулятор 3) и разрежение в сушилке путем изменения расхода отобранного сушильного агента (регулятор 5).

При управлении процессом сушки следует контролировать расход топлива, первичного и вторичного воздуха, влажного и сухого материала, температуру сушильного агента на входе в сушилку и на выходе из нее, температуру в сушилке, разреже-ние в смесительной камере.

При значительном отклонении показателя эффективности от заданного значения, опасном повышении температуры сушиль-ного агента на входе в сушилку и остановке электродвигателя барабана должен быть подан сигнал обслуживающему персоналу. Кроме того, при остановке электродвигателя должна быть прекращена подача материала в сушилку.

Регулирование противоточных барабанных сушилок (рис. 3.15). В противоточных сушилках для предотвращения разло-жения материала под действием высоких температур в каче-стве основной регулируемой величины нужно использовать температуру материала на выходе из сушилки и вносить регулирующие воздействия изменением расхода сушильного агента (регулятор 3).

Рис. 3.15. Схема регулирования противоточной барабанной сушилки:

1 – дозатор; 2 – транспортер влажного материала; 3 – барабан; 4 – бункер; 5 – воздухонагреватель; 6 – электродвигатель барабана

Температура воздуха на входе в барабан регулируется изме-нением расхода теплоносителя, подаваемого в воздухоподогреватель регулятором 4, а влажность – изменением расхода циркулирующего воздуха (регулятор 2). Узлы регулирования расхода влажного материала (дозатор) и разрежения (регулятор 1) остаются такими же, как и в прямоточных сушилках. Следует отметить, что изменение расхода сушильного агента в противоточной сушилке может быть осуществлено и в зависимости от влажности w к , а также от температуры в самом барабане.

Отработанный сушильный агент

Рис. 3.16. Схема регулирования ленточной (конвейерной) сушилки:

1 – калорифер; 2 – сушилка; 3 – дополнительный подогреватель; 4 – вен-тилятор; 5 – питатель

Конструкции ленточных и конвейерных сушилок позволяют принимать и особые решения по их автоматизации. При использовании ленточного транспортёра (конвейера) появляется возможность регулирования влаж-ности w к изменением скорости транспортера. При наличии дополнительного подогревателя под транспортером расход теплоносителя в подогреватель стабилизируется, а при рецикле части сушильного агента его расход изменяется в зависимости от влажности j н (на схеме этот узел не показан). Регулирование струйных распылительных сушилок. В сушилках этого типа осуществляется сушка суспензий различных неорганических соединений (предварительно нагретых в теплообменнике) за счет распыливания их сушильным агентом. В струйных (и других) распылительных сушилках, как правило, требуется получить продукт не только заданной влажности, но и постоянного гранулометрического состава.

Дисперсность распыла в струйных сушилках определяется в основном соотношением расходов сушильного агента и сус-пензии. Поэтому к уже известным решениям по автоматизации добавляется узел регулирования размеров частиц изменением соотношения расхода суспензии и суммарного расхода воздуха, поступающего в топку. Если допустима стабилизация подачи суспензии, то дополнительно вводится регулятор суспензии.

В настоящее время при автоматизации струйных сушилок в качестве основной регулируемой величины часто используют не влажность w к , а температуру или влажность отработанного сушильного агента. Регулирование этих параметров в струйных сушилках можно осуществлять и изменением расхода влажного материала, так как продолжительность переходного процесса при изменении расхода распыливаемой суспензии невелика (2– 3 мин).

следует стабилизировать. Все остальные узлы регулирования такие же, как и у струйных сушилок.

В отдельных случаях идут по пути корректирования давления суспензии перед форсункой по основному показателю про-цесса. Такими показателями могут быть влажность высушенно-го продукта, его гранулометрический состав, температура отра-ботанного сушильного агента. Выбор регулируемого параметра определяется целью управления и свойствами суспензии.

На рис. 3.17 показана одна из таких схем с использованием двухконтурной системы регулирования. Регулирующее воздей-ствие осуществляется байпасированием части суспензии с вы-хода насоса суспензии на его вход. В приведенной конструкции сепарация высушенного продукта производится непосредственно в корпусе сушилки мешочными фильтрами.

Для регенерации их предусмотрен встряхивающий механизм, который управляется командным устройством по жесткой временной программе.

Рис. 3.17. Схема регулирования распылительной сушилки с механическими распылителями: 1 – вентилятор; 2 – теплообменник; 3 – сушилка; 4 – мешочный фильтр; 5 – встряхивающее устройство; 6 – механические распылители (форсунки); 7 – питательный насос

Регулирующие воздействия при стабилизации температур могут осуществляться изменением расхода влажного материала или сушильного агента, а также изменением темпе-ратуры последнего. Более предпочтителен первый вариант (рис. 3.18), так как изменение параметров сушильного агента можно производить только в определенном, довольно узком диапазоне (температуры – ввиду терморазложения материала, расхода – вследствие повышенного уноса частиц с сушильным агентом).

Влажный материал Отработанный сушильный агент

Рис. 3.18. Схема регулирования процесса в сушилках с кипящим слоем:

1 – сушилка; 2 – кипящий слой; 3 – решетка; 4 – топка; 5 – промежуточный бункер; 6 – питатели; 7 – вариаторы; 8 – электродвигатели; 9 – циклон

Нормальная работа сушилок КС возможна только при опре-деленной высоте кипящего слоя. Этот параметр стабилизируется по перепаду давления до и после решетки, воздействием на вариатор электродвигателя питателя сухого материала. Можно регулировать перепад давления и из-менением расхода сушильного агента, однако при этом температура в кипящем слое будет сильно колебаться.

Кроме этих регуляторов предусматриваются стандартные узлы регулирования разрежения, начальной температуры су-шильного агента, его расхода, соотношения расходов топлива и первичного воздуха.


Современный технологический процесс нельзя представить без автоматических систем управления. Корректным применением таких систем можно достичь оптимальных параметров эксплуатации, как определенного узла, так и технологического процесса в целом. Одной из основных технологических узлов первичной переработки является процесс перегонки углеводородного сырья. Это по своей сути является высокотехнологичным узлом поточной линии. От точности регулирования технологических параметров процесса ректификации нефтегазоконденсатного смеси, зависит качество выпускаемой продукции [1].

К основным показателям качества предъявляются требования, которые и обеспечивают надежную и четкую работы всей системы. Каждый технологический процесс переработки характеризуется определенными технологическими параметрами, обеспечивающие соответствующие качественные показатели конечной продукции. Эти требования на качество продукции и эксплуатацию должны постоянно жестко соблюдаться.

К основным технологическим параметрам работы ректификационной колонны первичной перегонки нефти относятся: давление в колонне; температурный режим колонны; расход сырьевых и продуктовых потоков; уровень жидкости в аппаратах и емкостях.

Параметры работы ректификационной колонны могут изменяться в более или менее широких пределах, отклоняясь от нормального технологического режима. Поддержание требуемых параметров и восстановление отклоненного параметров режима осуществляются автоматической системой регулирования.

Автоматическое регулирование и управление работой аппаратуры осуществляется при помощи технических средств управления и автоматизации. К ним относятся приборы автоматического контроля, управления и регулирования температуры, давления, расходов потоков, уровней жидкости, параметров электрических машин; свойств потоков нефти, газов и получаемы продуктов (плотность, температура вспышки, фракционный состав, вязкость и др.), а также аппаратура автоматической сигнализации, блокировки и извещения (световые или звуковые).

В связи с тем, что объекты регулирования обладают инерционностью, эффект воздействия управления может проявляться через какой то временной интервал, т. е. запаздыванием. Устранение вредного влияния запаздывания в процессах регулирования достигается применением регуляторов, учитывающих инерционность регулирования или применением связанного (каскадного) регулирования с включением в систему регулирования нескольких регуляторов и датчиков.

Выход и качество дистиллятов получаемых продуктов определяется: фракционным составом исходного сырья; количеством орошения колонны; числом контактных тарелок или высотой насадочных пакетов и их числом; количеством подаваемого и снимаемого в колонну тепла.

Фракционный состав продуктов, выходящих из колонны, зависит от соответствующей температуры и давления той зоны, где они получают в виде дистиллятных паров или жидкости. Фракционный состав сырья, поступаемого на переработку практически постоянно изменяется, что требует корректировки параметров режима колонны для обеспечения заданного качества, получаемых целевых продуктов.

В промышленности традиционно применяются две схемы регулирования фракционного состава дистиллята, уходящего с верха колонны: первая регулировкой температуры верха колонны изменением количества орошения и температуры низа и вторая постоянством этого параметра. В последнем случае в колонне происходит меньшее колебание расхода жидкостных потоков на контактных тарелках, что обусловливает меньшую зависимость качества дистиллята от колебаний свойств сырья и его расхода, хотя имеет место определенная инерционность регулирования.

Схемы регулирования температуры верха и низа ректификационной колонны для обеспечения качества соответствующих продуктов образуют взаимосвязанную систему. Например, увеличение подачи орошения вверх колонны отразится на тепловом балансе всей колонны, т. е. импульс понижения температуры верха, вызванный повышением расхода орошения, дойдет и до низа колонны. При этом для поддержания постоянной температуры низа колонны потребуется увеличение подвода тепла в низ, и вызванный этим импульс дойдет до верха колонны и т. д.

При отсутствии контроля над количеством орошения и тепла (т. е. при регулировании только по температурам) колонна может быть выведена из рабочего режима самой системой регулирования, т. е. колонна перегрузится внутренними потоками пара и жидкости, что резко снизить четкость ректификации и ухудшить качество как верхнего, так и нижнего продукта.

Взаимосвязанные, или каскадные, схемы регулирования работы ректификационных колонн, объединяющие обе схемы регулирования, позволяют избежать перегрузки колонн внутренними потоками и повысить качество регулирования.

На рисунке приведена схема каскадного регулирования температуры верха колонны, следовательно, и качество дистиллятной фракции, уходящей с верха колонны. Пары с верха колонны 1 поступают в конденсатор воздушного охлаждения 2, затем газопарожидкостная смесь проходит в водяной доохладитель 3, после которого она поступает в емкость-сепаратор 4, где от углеводородного и водяного конденсата отделяется несконденсировавщийся газ, который отводится по трубе 5, через регулятор давления PIRC/1.

Давление во всей аппаратуре определяется остаточным давлением паров дистиллята и зависит от температуры после доохлаждения и конденсации в холодильнике 3. В емкости-сепараторе 4 вода отделяется от углеводородного конденсата. Вода собирается в нижней части емкости и по межфазному регулятору уровня LIRC/l выводится из системы по линии V.


Схема каскадного регулирования температуры верха колонны: 1 — верх ректификационной колонны; 2 — конденсатор воздушного охлаждения; 3 — водяной доохладитель; 4 — емкость-сепаратор для отделения газа от воды и углеводородного конденсата; 5 — линия отвода газа; 6 — насос; 7 — линия подачи орошения; 8 — линия откачки балансового количества дистиллята; 9 –коллектор -распределитель орошения; I — пары дистиллята; II — дистиллят; III — газ; IV — охлаждающая вода; V — вода (технологический конденсат); TIRC/1 — регулятор температуры верха; TIRС/2,3,4 — показатели температуры; LIRC/1 — межфазовый регулятор уровня дистиллят/вода PIRC/1 — регулятор давления; FIRС/1,2 — регуляторы расхода орошения и откачки дистиллята

Для надежного вывода дистиллята из емкости-сепаратора установлена вертикальная перегородка, перетекая через которую обезвоженный дистиллят поступает на прием насоса 6, подающий орошение по линии 7 на верхнюю тарелку колонны. Орошение в насадочные колонны вводится через специальный коллектор 9, обеспечивающий равномерное орошение насадки по сечению аппарата. Балансовое количество дистиллята отводится по линии 8, который регулируется прибором принимающим сигнал уровня (LIRC/2) из емкости 4.

Анализаторы качества дистиллята на потоках установлены так, чтобы уменьшит инерционность регулирования, т. е. в тех местах потоков, где возможен оперативный контроль качества.

Таким образом, автоматическим контролем и регулированием системы верхнего дистиллятного потока и орошения ректификационной колонны поддерживается основные технологические параметры, что способствует получению качественной продукции, и надёжность работы перегонной установки.

1. Технология переработки нефти. В 2-х частях. Часть первая. Первичная переработка нефти / Под. ред. О. Ф. Глаголевой, В. М. Капустина. –М.: Химия, Колос С, 2006. — 400 с.

Основные термины (генерируются автоматически): LIRC, верх колонны, колонна, инерционность регулирования, PIRC, автоматический контроль, параметр, схема регулирования, уровень жидкости, фракционный состав.

1 Лекция 12 Автоматизация ректификационных установок Задача управления процессом ректификации состоит в получении целевого продукта заданного состава при установленной производительности установки и минимальных затратах теплоагентов. Исходная смесь нагревается в теплообменнике 1 (рисунок 12.1) водяным паром до температуры кипения и поступает в ректификационную колонну 3 на тарелку питания. Находящаяся в кубе колонны жидкость испаряется в выносном кипятильнике 2, обогреваемом паром, и в виде паровой фазы проходит вверх по колонне. Паровой поток, выходя из колонны, попадает в охлаждаемый хладоагентом, например, водой, дефлегматор 4, где пары конденсируются. Образовавшаяся жидкая фаза стекает в флегмовую емкость 5, откуда насосом 6 нагнетается в верхнюю часть колонны на орошение в виде флегмы и частично отводится с установки в виде дистиллята. Флегма стекает вниз по колонне. Рисунок 12.1 Схема стабилизации процесса ректификации: 1 теплообменник; 2 кипятильник; 3 ректификационная колонна 4 дефлегматор; 5 флегмовая емкость; 6 насосы При многократном контакте в ректификационной колонне парового и жидкого потоков, движущихся навстречу друг другу и имеющих разные температуры, паровая фаза обогащается более легколетучими низкокипящими компонентами (НКК), а жидкая фаза труднолетучими

2 высококипящими компонентами (ВКК). Часть кубового продукта, называемая остатком, отводится с установки. Целевыми продуктами ректификационной установки могут быть дистиллят или кубовый остаток, что определяется технологической схемой. Основными регулируемыми технологическими величинами процесса являются составы дистиллята или кубового остатка. На чистоту этих целевых продуктов оказывают влияние ряд возмущающих воздействий процесса состав, расход и температура исходной смеси, параметры тепло- и хладоагента, давление в колонне и другие величины. Основные управляющие воздействия это расходы флегмы в колонну и теплоносителя в кипятильник. Причем изменение расхода флегмы относительно быстро приводит к изменению состава дистиллята и одновременно с большим запаздыванием и в значительно меньшей степени к изменению состава кубового остатка. Изменение же расхода греющего пара приводит в основном к изменению состава кубового остатка; состав флегмы при этом изменяется намного слабее. Существует большое количество схем автоматизации ректификационных установок. На схеме (см. рисунок 12.1) осуществляется стабилизация отдельных величин с помощью локальных одноконтурных АСР. Эти АСР связаны между собой через процесс и обеспечивают соблюдение материального и теплового балансов установки. Колебание подачи исходной смеси в колонну является одним из наиболее сильных возмущений процесса. Поэтому, если по технологической схеме возможно, то для обеспечения постоянства подачи смеси предусматривают АСР расхода. Воспринимающий элемент (диафрагма, ротаметр) и регулирующий клапан этой системы монтируются на трубопроводе до теплообменника; это делается для того, чтобы исходная смесь протекала через них только в жидкой фазе. Наличие АСР расхода исходной смеси существенно облегчает работу всех других АСР установки. Исходная смесь должна подаваться в колонну при температуре кипения. Температура смеси поддерживается на постоянном значении АСР, управляющей подачей греющего пара в теплообменник. Для более качественного регулирования температуры воспринимающий элемент АСР и клапан устанавливают вблизи теплообменника. Гидравлическое сопротивление колонны почти не изменяется. Поэтому давление в колонне достаточно стабилизировать в одном месте, обычно в верхней части. Если пары НКК полностью конденсируются, то давление регулируют изменением расхода хладоагента, подаваемого в дефлегматор. Если же часть паров не конденсируется или если в исходной смеси содержатся инертные газы, то регулятор давления воздействует на два клапана (см. рисунок 12.1), один из которых установлен на линии отвода хладоагента из дефлегматора, а другой на линии отдувки. Причем рабочие участки характеристик этих клапанов должны быть различны.

3 Ход плунжера первого из них должен находиться в пределах примерно 0-75 % регулирующего воздействия, а второю в пределах %. В результате несконденсировавшиеся газы сбрасываются из флегмовой емкости только при больших расходах хладоагента, поступающего в дефлегматор, и продолжающемся повышении давления в колонне. Если целевым продуктом является дистиллят, то основной технологической величиной ректификационной установки будет состав паров в верхней части колонны. Состав дистиллята регулируют изменением подачи флегмы в колонну. При этом регулирующий орган может быть установлен как на линии подачи флегмы, так и на линии отвода дистиллята. С точки зрения статики это равноценно. Однако для повышения качества регулирования регулирующий орган АСР состава необходимо устанавливать на линии подачи флегмы в колонну, при этом для сохранения материального баланса укрепляющей части колонны дистиллят необходимо отводить с помощью АСР уровня во флегмовой емкости. Иначе инерционные свойства емкости будут влиять на качество процесса регулирования, что может привести к нежелательным последствиям. Согласно правилу фаз при разделении бинарной смеси, если давление в колонне постоянно, состав дистиллята и температура однозначно связаны между собой. Поэтому для управления подачей флегмы применяют регулятор температуры верхней части колонны. Если число тарелок в колонне велико или разность температур кипения разделяемых компонентов невелика, запаздывание в объекте достигает нескольких десятков минут и более. Поэтому измерение температуры в верху колонны приводит к большим отклонениям технологического режима от регламента, так как регулирующие воздействия будут введены в процесс с большим запаздыванием. Для повышения качества регулирования чувствительный элемент температуры следует устанавливать на так называемой контрольной тарелке укрепляющей части колонны, т. е. там, где температура значительно более чувствительна к изменению подачи флегмы и где обеспечено меньшее запаздывание при изменении состава исходной смеси. В настоящее время появилась возможность регулировать не температуру в колонне, т. е. косвенный показатель, а непосредственно состав целевых продуктов. В качестве анализаторов состава используют хроматографы, газоанализаторы, плотномеры, рефрактометры и другие приборы. Для повышения чувствительности АСР состава измеряют содержание примесей в целевом продукте. Пробы продукта к анализаторам состава отбирают также на контрольной тарелке колонны, но расположенной ближе к верху (низу) колонны, чем при регулировании температуры. При использовании промышленных анализаторов состава (при их наличии для данной смеси) следует иметь в виду, что они менее надежны, чем измерители температуры.

5 Рисунок 12.2 Схема каскадного регулирования процесса ректификации Для подачи греющего пара в кипятильник применяют систему регулирования расхода, задание которой изменяет регулятор температуры на контрольной тарелке отгонной части колонны. При дальнейшем разделении кубового остатка необходимо одновременно обеспечить постоянство его уровня в кубе колонны и постоянство подачи на следующую по технологической линии установку. Для этой цели используют систему регулирования расхода кубового остатка со стабилизирующим регулятором, задание которому корректируется регулятором уровня продукта в кубе колонны. Если целевым продуктом является кубовый остаток, то для обеспечения его заданной чистоты применяют систему регулирования расхода греющего пара в кипятильник с корректировкой по температуре в отгонной части колонны и по составу кубового продукта на контрольной тарелке. Возможно также использование более простой системы без вспомогательного контура регулирования температуры. Так как в данном случае к дистилляту повышенных требований по чистоте не предъявляется, то для управления подачей флегмы в колонну достаточно системы регулирования расхода. Предусматривается также система регулирования расхода балансового избытка дистиллята, направляемого далее на разделение, с корректировкой его по

6 уровню во флегмовой емкости. Кубовый продукт отводится с установки посредством регулятора уровня в кубе колонны. По сравнению с одноконтурными каскадные системы обеспечивают лучшее регулирование основных технологических величин ректификационной установки. Однако вследствие медленного протекания в ней тепло- и массообменных процессов, они успешно компенсируют только сравнительно малые возмущения по составу исходной смеси. В промышленной практике расход исходной смеси часто определяется работой предыдущей технологической установки и довольно сильно колеблется во времени. Это требует введения в АСР составов дистиллята и кубового остатка дополнительных контуров по возмущению, учитывающих изменение расхода исходной смеси. Рисунок 12.3 Схемы регулирования состава дистиллята (а) и кубового остатка (б) с учетом изменения расхода исходной смеси На рисунке 12.3 показаны системы регулирования состава дистиллята (а) и кубового остатка (б) с учетом изменения расхода исходной смеси. В первом случае в системе регулирования предусмотрен регулятор соотношения расходов исходного сырья и флегмы, управляющий подачей флегмы. На этот регулятор подается корректирующий сигнал от регулятора состава продукта в укрепляющей части колонны. При увеличении расхода исходной смеси регулятор соотношения увеличивает расход флегмы в колонну, и наоборот. Текущее значение соотношения расходов исходной смеси и флегмы непрерывно корректируется регулятором состава в зависимости от содержания ВКК на контрольной тарелке укрепляющей части колонны.

7 Во втором случае выходной сигнал регулятора состава отгонной части колонны направляется на регулятор соотношения расходов исходного сырья и греющего пара, управляющий подачей пара на установку. Возможно также одновременное введение сигнала, пропорционального изменению скорости подачи сырья на установку, в системы регулирования укрепляющей и отгонной частей колонны. Такие системы регулирования реагируют на изменение расхода исходной смеси прежде, чем это возмущение окажет влияние на протекание процесса. Рисунок 12.4 Схемы регулирования состава дистиллята с учетом изменения состава исходной смеси при использовании анализатора качества (а) и без него (б) При значительном изменении состава исходной смеси в системы регулирования состава дистиллята и кубового остатка вводят дополнительные контуры регулирования, учитывающие это возмущение. Вариант системы, предназначенной для поддержания постоянства состава дистиллята, приведен на рисунке 12.4, а. Выходной сигнал регулятора, пропорциональный содержанию НКК в исходной смеси, направляется как задание на регулятор подачи флегмы в колонну. В свою очередь задание регулятору, анализирующему состав исходной смеси, формируется регулятором состава на контрольной тарелке укрепляющей части колонны. При отсутствии анализатора состава исходной смеси и при часто наблюдаемом довольно медленном изменении этой величины изменение содержания НКК или ВКК в исходной смеси может быть скомпенсировано поддержанием соотношения расходов дистиллята или кубового остатка и исходной смеси. Эти регуляторы соотношения встраиваются в соответствующие системы регулирования основных технологических величин. Такая система регулирования со-

8 става дистиллята приведена на рисунке 12.4, б. При возрастании, например, содержания НКК в исходной смеси, увеличивается количество паров, отводимых из колонны, что воспринимается регулятором соотношения расходов дистиллята и исходной смеси, который увеличивает подачу флегмы в колонну, вследствие чего отбор дистиллята с установки также возрастает. Рисунок 12.5 Система регулирования состава дистиллята с учетом изменения расхода и состава исходной смеси В случае одновременного изменения расхода и состава смеси может быть рекомендована система регулирования состава дистиллята, приведенная на рисунке Выходные сигналы анализатора содержания НКК в исходной смеси и измерителя ее расхода направляются в вычислительное устройство, которое определяет текущее количество НКК, поступающего в колонну в единицу времени. Выход этого устройства воздействует на регулятор расхода, управляющий подачей флегмы в колонну. При этом сигнал вычислительного устройства необходимо корректировать по составу верхнего продукта колонны. Данная система обеспечивает отбор дистиллята заданного состава в соответствии с количеством НКК, поступающего в колонну. Аналогичная система может быть составлена и для регулирования состава кубового остатка. Введение в системы регулирования основных технологических величин дополнительных контуров, учитывающих изменение расхода и состава исходной смеси приводит к повыше-

9 нию качества целевого продукта или увеличению его выхода, а также к снижению энергозатрат на проведение процесса. Контрольные вопросы 1. В чем состоит задача управления процессом ректификации? 2. Назовите основные регулируемые, регулирующие и возмущающие воздействия в процессе ректификации. 3. Какие возмущающие воздействия процесса оказывают влияние на основные регулируемые технологические параметры процесса - составы дистиллята или кубового остатка? 4. Расскажите о схеме стабилизации процесса ректификации с применением одноконтурных АСР. 5. Расскажите о схеме автоматизации процесса ректификации с применением систем каскадного регулирования. 6. Расскажите о схеме регулирования состава дистиллята и кубового остатка с учетом изменения расхода исходной смеси. 7. Проведите сравнение cхем регулирования состава дистиллята с учетом изменения состава исходной смеси при использовании анализатора качества и без него.

Цель проекта – разработка функциональной схемы автоматизации и выбор технических средств процесса ректификации.
В курсовом проекте описан технологический процесс, разработана функциональная схема автоматизации, выбраны технические средства автоматизации процесса ректификации, разработана принципиальная схема системы регулирования одного из наиболее важных параметров процесса.

Оглавление

Введение 4
1 Краткое описание технологического процесса. 7
1.1 Состав сырого бензола 8
1.2 Общие принципы переработки сырого бензола 8
1.3 Непрерывная ректификация 9
2 Выбор контролируемых и регулируемых параметров. 12
3 Выбор технических средств автоматизации. 17
4 Проектирование функциональной схемы автоматизации 30
4.1 Описание ТСА используемых во всех контурах: 31
4.1 Описание каждого контура регулирования с аргументацией выбора ТСА: 33
5 Проектирование принципиальной схемы САР параметра 36
6 Расчет и выбор РО 47
Заключение 50
Список использованных источников 51

Файлы: 1 файл

ТСА КУРСАЧ - копия - копия.docx

Орошение ректификационных колонн, может осуществляться двумя способами:

- флегмой – продуктом частичной конденсации паров, выходящих из колонны в аппарате, так называемом дефлегматором;

- рефлюксом – продуктом полной конденсации паров в конденсаторе-холодильнике.

Отбор головной (сероуглеродной) фракции и бензола, производится без острого пара, так как необходимая температура может быть достигнута при обогреве колонн, глухим паром. Толуол и все последующие продукты, отбираются с применением острого пара. Для редистилляции второго бензола используют острый пар и вакуум.

1.3 Непрерывная ректификация

Рассмотрим ректификационную колонну непрерывного действия (рис. 1), такие колонны наиболее широко применяются в промышленности.

Рисунок 1.1 – схема непрерывно действующей ректификационной установки

Схема непрерывно действующей ректификационной установки: 1 – ректификационная колонна (а – укрепляющая часть, б – исчерпывающая часть); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята (или холодильник–конденсатор); 7 – холодильник остатка (или нижнего продукта); 8,9 – сборники; 10 – насосы.

Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т.е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.

В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно низкокипящий компонент. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием низкокипящего компонента большим чем на предыдущей.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно высококипящий компонент, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль низкокипящего компонента необходимо сконденсировать 1 моль высококипящего компонента, т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый высококипящий компонент, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого низкокипящего компонента, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью – дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый низкокипящий компонент. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается высококипящим компонентом, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым высококипящим компонентом и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром, или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке. Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их низкокипящим компонентом с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому низкокипящему компоненту. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости низкокипящий компонент, т.е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому высококипящему компоненту. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей. В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята. Жидкость, выходящая из низа колонны также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая – остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8. Преимущества непрерывной ректификации по сравнению с периодической: условия работы установки не изменяются в ходе процесса, что позволяет установить точный режим, упрощает обслуживание и облегчает автоматизацию процесса; отсутствуют простои между операциями, что приводят к повышению производительности установки; расход тепла меньше, причем возможно использование тепла остатка на подогрев исходной смеси в теплообменнике.

2 Выбор контролируемых и регулируемых параметров.

Процесс ректификации относится к основным процессам химической технологии. Показателем эффективности его является состав целевого продукта. В зависимости от технологических особенностей в качестве целевого продукта могут выступать как дистиллят, так и кубовый остаток. Поддержание постоянного состава целевого продукта и будет являться целью управления. Состав другого продукта при этом может колебаться в определенных пределах вследствие изменения состава исходной смеси. В дальнейшем будем считать целевым продуктом дистиллят.

В качестве объекта управления при автоматизации процесса ректификации примем установку для разделения бинарной смеси, состоящую из тарельчатой ректификационной колонны 2, выносного кипятильника 4, дефлегматора 3 и теплообменника для подогрева исходной смеси 1 (рис. 1.1).

Ректификационная установка является сложным объектом управления со значительным временем запаздывания (например, в отдельных случаях выходные параметры процесса начнут изменяться после изменения параметров сырья лишь через 1 — 3 ч), с большим числом параметров, характеризующих процесс, многочисленными взаимосвязями между ними, распределенностью их и т. д.

Трудность регулирования процесса объясняется также частотой и амплитудой возмущений. Возмущениями являются изменения начальных параметров исходной смеси, тепло- и хладоносителей, изменения свойств теплопередающих поверхностей, отложение веществ на стенках и т. д. Кроме того, на технологический режим ректификационных колонн, устанавливаемых под открытым небом, влияют колебания температуры атмосферного воздуха.

Показатель эффективности процесса — концентрация QД искомого компонента в дистилляте самым непосредственным образом зависит от начальных параметров исходной смеси. С их изменением в процесс могут поступать наиболее сильные возмущения, в частности по каналу состава исходной смеси, так как состав определяется предыдущим технологическим процессом.

Расход сырья Fс может быть стабилизирован с помощью регулятора расхода. Диафрагма и исполнительное устройство регулятора должны быть установлены до теплообменника, так как после нагревания смеси до температуры кипения в этом теплообменнике поток жидкости может содержать паровую фазу, что нарушает работу автоматических устройств.

Большое значение для процесса ректификации имеет температура исходной смеси. Если смесь начинает поступать в колонну при температуре ниже температуры кипения, она должна нагреваться до этой температуры парами, идущими из нижней части колонны. Конденсация паров при этом возрастает, что нарушает весь режим процесса ректификации.

Поэтому температуру исходной смеси стабилизируют изменением расхода теплоносителя, подаваемого в теплообменник; тем самым ликвидируют одно из возмущений.

Рассмотрим возможности регулирования режимных параметров верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны, непосредственно определяющих состав дистиллята.

Зависимость состава паров, выходящих из укрепляющей части колонны (а значит, и состава дистиллята), от других параметров процесса можно проследить по диаграмме (рис. 1.1). Анализ диаграммы показывает, что концентрация у (показатель эффективности) определяется концентрацией х, температурой кипения t жидкости и давлением паров Р над жидкостью. Для получения определенной концентрации, например у3, в соответствии с правилом фаз следует поддерживать на определенном значении только два из перечисленных параметров, например давление P1 и концентрацию х3.

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. Это вызвано, в частности, тем, что при дросселировании пара в шлемовой трубе дефлегматор начинает работать в режиме переменного давления, что неблагоприятно влияет на процесс конденсации.

Сравнительно просто регулировать также концентрацию х изменением расхода флегмы: чем выше этот расход, тем больше в жидкости низко кипящего компонента, 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 используют хроматографы и газоанализаторы.

Итак, для достижения цели управления необходимо стабилизировать давление и состав жидкости в верхней части колонны. Качество регулирования этих параметров зависит от состава и скорости паров, движущихся из нижней (исчерпывающей) части колонны и определяемых ее технологическим режимом — главным образом давлением, температурой и составом жидкости в кубе колонны.

Необходимость стабилизации давления паров в кубе отпадает, так как ректификационная колонна обладает хорошо выраженными свойствами самовыравнивания по этому параметру, и регулирование давления в укрепляющей части колонны при ведет к тому, что давление в кубе через несколько минут примет определенное (несколько большее, чем в верхней части колонны) значение.

Рисунок 2.1 – Диаграмма температура (Т) — концентрация низкокипящего компонента в жидкости (х) и паре (у)

Рисунок 2.2 – График изменения состава целевого продукта по высоте колонны да изменения расхода флегмы (1) и после его изменения (2)

Этого нельзя сказать о температуре (составе) жидкости в кубе (как и в верхней части колонны, в кубе, кроме давления, достаточно регулировать лишь один параметр). 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, поскольку, с одной стороны, датчик температуры значительно проще и надежнее, чем анализаторы состава, а с другой стороны, если целевым продуктом является дистиллят, то требования к технологическому режиму в нижней части колонны менее жесткие, чем в верхней части. Итак, в кубе колонны следует регулировать температуру.

Регулирующие воздействия в нижней части колонны могут осуществляться изменением расходов кубового остатка и теплоносителя, подаваемого в кипятильник. Если учесть, что расход остатка следует использовать для поддержания материального баланса, т. е. для стабилизации уровня жидкости в кубе, 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. (Если же целевым продуктом является кубовый остаток, то в нижней части колонны регулируют состав жидкости изменением расхода теплоносителя, а в верхней — температуру изменением расхода флегмы.) 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; давления в верхней и нижней частях колонны, а также перепад этих давлений.

Читайте также: