промежуточная (разделительная) колонна

Максимизировать разделительную способность колонны

, ,

Чтобы выбрать управляющие воздействия, обычно рассматривают уравнения балансов для ректификационной колонны

МБ по потоку разделяемой смеси

(1)

МБ по Низко Кипящему Компоненту

(2)

- тепл. баланс для кипятильника (3)

МБ для куба колонны

(4)

S – площадь горизонтального сечения колонны

МБ для флегмовой емкости

(5)

G_ж, V ₁ – количественны неопределимы

ТБ для подогревателя питания

(6)

ТБ для дефлегматора

(7)

МБ по газовой фазе верха колонны (в укрепляющей части)

(8)

Основные возмущения:

Регулирующие воздействия:

Управляемые величины:

Основные трудности при реализации СУ колонны заключается в том, что ректификационная колонна – это ОУ с большим числом взаимозависимых координат, Þ распределенность параметров, Þ инерционность каналов.

В нормальном режиме работы – незначительная амплитуда отклонений параметров при случайных возмущениях.

Чтобы решить задачу управления, рассматривают статические характеристики ректификационной колонны. Анисимов при решении задач управления предложил рассматривать 4 характеристики: расход питания G_п, концентрация НКН в питательной смеси – c_П, расход целевого продукта – G_д и величина парового потока.

Рассмотрим задачу ректификационной колонной в статических режимах.

По Анисимову для однозначного определения состояния системы требуется задание расхода по питанию, концентрация извлекаемого компонента питания, расход целевого продукта и величина парового потока. Статические характеристики по выходу целевого продукта

Рассмотрим диаграмму, характеризующую связь между величиной парового потока и выхода дистиллята

В зависимости от величины при заданном значении по концентрации и заданном образуется область, в которой определяется необходимое значение режимных параметров работы колонны

1 задача – минимизация энергозатрат при заданном количестве , . Минимум определяется величиной теплового потока (т. А)

2 задача – при заданном обеспечить максимум (т. В)

3 задача – обеспечение максимальной разделительной способности колонны

Выбор этой точки производится по линии соединяющей максимум и минимум (т. С) в зависимости от конкретных условий

Даная диаграмма позволяет оценить влияние ограничений на выбор режима работы колонны

Размеры рабочей области зависят от расхода и концентрации по питанию

 

Аналогично для концентрации питания

Из них Þ

 

Полученные выражения позволяют определить основные факторы, влияющие на состав целевого продукта. Это отношение показывает, что если поддерживать постоянным соотношение между и , то при постоянной будет выполняться условие постоянства концентрации дистиллята и кубового, Þ постоянное качество

Это требование заставляет для повышения качества работы системы вводить корректирующие связи и поддерживать постоянство расхода, т. е. ставить регулятор соотношения целевого продукта и питания

В стационарном режиме работы ректификационной колонны устанавливается определенный профиль концентраций по высоте колонны,

i – номер тарелки

- номер тарелки, куда подается питание

, - контрольные тарелки для дистиллята и кубового (максимальная чувствительность)

Особенность динамических характеристик: динамика изменения концентрации на каждой ступени разделения колонны характеризуется 3-мя составляющими:

· изменение объема жидкости при изменении расхода

· изменение концентрации, вызванное изменением скорости парового потока

· изменение концентрации в объеме жидкости на тарелке

Первыми 2-мя факторами пренебрегают, считая, что колонна работает в стационарном режиме.

При организации управления колонны обычно учитывают след. особенности:

· в потоке исходной смеси не должно быть паровой фазы, если расход измеряется сужающим устройством

· питающая смесь должна иметь температуру кипения

· для обеспечения нормального гидродинамического режима (путем постоянства давления) дефлегматор должен работать в режиме постоянства гидравлического сопротивления, Þ в шлемовой трубе РО не устанавливается

Для управления ректификационной колонной можно выделить несколько типовых схем

Схема №1 В любой ректиф. колонне можно выделить порядка6 контуров, решающих задачу подержания мат. и тепл. балансов

Р1 – поддержание температуры верха колонны, путем изменения расхода дистиллята. Возможна установка анализатора качества – QC

Р2 – регулирует расход теплоносителя и поддерживает температуру исчерпывающей части колонны (тепловой баланс низа колонны)

Р3, Р4 – регуляторы уровня (материальный баланс низа колонны)

Р5 – баланс по паровой фазе, изменением расхода хладоносителя

Р6 – поддерживает значение G_T, в выносном теплообменнике - тем самым обеспечивает определенную величину парового потока исчерпывающей части колонны

Если целевой продут куб, Þ доп. регулятор температуры в кубе и изменяющий задание теплоносителя.

Недостатки схемы: Стабилизация расхода ГП без учета реальной обстановки работы колонны приводит к перерасходу теплоносителя; отсутствие доп. связей по возмущению со стороны питания ведет к большим динамическим ошибкам; диапазон измерения температур соизмерим с погрешностью метода измерения

Схема №2

TY – дифференциатор, FfC – регулятор соотношений (позволяет уменьшить энергозатраты)

Если учитывать температуру, физические свойства среды, то использование SMART-овских средств позволяет измерять комплексный параметр – тепло

Схема №3

В конкретных условиях организация подвода тепла к РК может быть выполнено различными способами

Такая схема управления менее чувствительна к возмущениям по питанию и позволяет уменьшить энергозатраты (20-30%), + увеличивает быстродействие (меньше ТС)

Основная задача – уменьшение энергозатрат

Методы снижения энергозатрат в одиночных РК заключаются в уменьшении подаваемого к кубу тепла и минимизации разности температур верха и низа колонны

Снижение энергозатрат достигается: использование эффективной теплоизоляции аппарата, организация эффективной теплопередачи между горячими продуктами теплоразделения и холодными потоками питания, организация точного поддержания и функционирования колонны при минимально возможных значениях флегмового числа

Это схемы на тарельчатых РК

В насадочных колоннах схемы управления аналогичны, но в них дополнительно добавляются контуры поддержания гидродинамического режима колонны

ВОПРОС №22

Абсорбция – массообменный процесс на поверхности раздела фаз Г-Ж

Управляемая величина – концентрация извлекаемого компонента в обедненной смеси

Цель управления – достижение определенного минимально возможного значения этой концентрации

Абсорбционная установка обычно является промежуточной в ТП, Þ задача оптимального управления – частная задача по отношению к общей задаче управления всем ТП

Обычно это задача минимума технол. составляющей себестоимости целевого продукта. В зависимости от конкретных условий работы установки такая задач сводится либо к минимизации энергозатрат на выделение компонента, либо максимизации степени абсорбции

Конструктивно абсорбер – колонный аппарат, Þ с точки зрения динамики, проблемы управления такие же, как и в ректификации

Концентрация извлекаемого компонента в объединенной смеси определяется разностью количества извлекаемого компонента, поступающего с газовой смесью и поглощаемого из нее абсорбента

Количество компонента, которое переходит из Г фазы в Ж обычно определяется

- коэффициент массопередачи

- поверхность контакта

- ср. значение движущей силы процесса

Если в стационарном режиме работы величины и меняются не значительно, то количество компонента, переходящего из Г фазы в Ж будет зависеть от движущей силы процесса массопередачи на входе в аппарат и на выходе из аппарата

 

Положение линии равновесия определяется значениями температуры и давления, при которых происходит процесс абсорбции и значениями нач. и кон. концентрации компонента в обеих фазах

Если и происходит увеличение давления, то линия равновесия сместится вниз, при росте температуре, линия равновесия сместится вверх.

Интенсификация процесса происходит за счет увеличения давления и уменьшения температуры.

Если задача управления достигнута, т. е. конечная концентрация в Г фазе достигает минимума, то в Ж фазе концентрация извлекаемого компонента определяется удельным расходом жидкости (абсорбента), т. е. отношением расхода абсорбента к расходу смеси . Чем меньше , тем выше .

Изменение расхода газовой смеси – сильное возмущение, оно значительным образом влияет на режим работы абсорбера, Þ в типовых схемах автоматизации его стабилизируют на постоянном уровне

Если менять расход питания с целью управления, Þ снижение производительности абсорбера от расчетной

Концентрации определяются режимными параметрами работы др. технол. установок, Þ в качестве управляющих воздействий можно использовать удельный расход, температуру и давление

Давление в абсорбере стабилизируют изменением расхода обедненной смеси (обедненный газ)

Т. о. концентрация извлекаемого компонента в обедненном газе поддерживается изменением отношения и стабилизацией постоянства температуры и давления

Материальный баланс по Ж фазе поддерживается стабилизацией уровня низа колонны.

Колонные аппараты обычно проектируются на определ. номинальный расход по питанию. Изменять расход по питанию в общем-то нецелесообразно, поэтому стремятся питание стабилизировать. Для организации процесса управления стабилизируют питание и поддерживают Р и Т постоянными. Поскольку Т надо понижать, то теплообменник выполняет роль холодильника

.

Кроме осн.технолог.параметров для оценки эффективности надо рассм.промежуточные положения: градиент по температуре, расход хладоносителя, расходы по выходу. При колебаниях нагрузки схема управления может приобретать след.вид:

 

ВОПРОС №23

Существует несколько форм связи влаги с материалами тв. тела

- поверхностная влага

- сорбционная влага

- кристаллизационная влага

В процессе сушки высушиваемый материал освобождается от поверхностной и сорбционной влаги или только поверхностной. Процесс удаления кристаллизационной влаги – дегидратация – обычно рассматривается отдельно

Сушка материала – достаточно сложный процесс, в котором одновременно происходят тепло и массообмен, Þ при рассмотрении сушки кроме теоретического подхода используется теория подобия и чисто инженерные методы

Осн. типы сушилок (сушилки с различным подводом тепла):

1. конвективные (распылительные, аэрофонтанные, кипящего слоя, конвейерные, трубы-сушилки)

2. кондуктивные – контактный метод (барабанно-кондуктивные, вальцевые, винтовые)

3. радиационный подвод

4. подвод тепла от э/м поля

Рассмотрим типовые схемы автоматизации конвективных сушилок

Барабанная сушилка (БС)

В качестве управляемой величины используются косвенные показатели – температура теплоносителя в аппарате

БС характеризуется значительным временем пребывания (до 1 часа), Þ использование таких показателей как температура и влажность материала на выходе сушильного аппарата не позволяет оперативно управлять процессом

Обычно в качестве УВ используют температуру теплоносителя в таком сечении барабана, где запаздывание мало и произошло значительное испарение части влаги. Это обычно часть барабана, где процесс идет с постоянной скоростью

БС рассчитывается таким образом, чтобы процесс сушки с постоянной скоростью протекал в 1/3 длины барабана, Þ контролируется сечение сушилки на расстоянии 1/3 ее длины по ходу материала

2-х контурные схемы: стабилизация нагрузки барабана (вес материала, который зависит от влагосодержания)

Сушилки КС (СКС)

С точки зрения поддержания качества проще управлять сушилками КС – аппараты без направленного перемещения материала. Если выполняется гипотеза, о том, что на решетке сушилки реализован процесс ИС (псевдосжиженный слой), при этом выполняется условие изотермичности слоя, то температура слоя однозначно связана с влагосодержанием, Þ контроль температуры в слое характеризует и влагосодержание.

Условие изотермичности в крупных установках нарушается, Þ СКС секционируются.

Если меняется температура слоя по высоте, то в качестве информационного сигнала используется значение температуры сушильного агента на выходе из сушилки. Эта температура определяет среднюю температуру материала в слое.

Сложность управления – необходимо одновременно управлять температурой и гидродинамикой аппарата. Обычно для поддержания гидродинамики используется информация о величине гидродинамического сопротивления.

При постоянном расходе теплоносителя гидродинамическое сопротивление эквивалентно количеству материала в КС.

Сложность управления обычно связана с взаимозависимостью параметров: увеличение влагосодержания, приводит к уменьшению температуры, Þ необходимо увеличивать количество материала.

Преимущества сушилок КС:

· малое время пребывания

· условие изотермичности, Þ однозначная зависимость температуры слоя и влажности

ВОПРОС №24

Хим. реактор – осн. аппарат в технологических схемах получения любого хим. продукта

Работа ректора в значительной мере определяет производительность установки в целом, качество и себестоимость полученных продуктов.

Особенность хим. ректоров – в процессе работы взаимодействуют хим., тепловые, гидродинамические и массообменные процессы

Скорость протекания ХР (хим. реакции) определяется уравнениями кинетики и взаимодействием гидродинамических, массообменных, тепловых процессов в аппарате.

Это взаимодействие определяет концентрацию реагентов и условия протекания ХР. В свою очередь хим. превращения в реакторе приводят к изменению тепловых и гидродинамических процессов в аппарате.

Наличие таких перекрестных связей в структ. схеме может приводить к возникновению неустойчивых режимов, автоколебаний, изменению качества получаемого продукта т и должны учитываться при создании СУ.

Конструктивно и в зависимости от характера протекающей ХР, принципов работы:

· гомогенные и гетерогенные

· реакции 1-го порядка и многостадийные реакции

· непрерывные и периодические.

С точки зрения задачи управления можно выделить:

1. управление реактором непрерывного и периодического действия

2. экзотермические и эндотермические реакции

3. ИС и ИВ.

Если гидродинамика характеризуется моделью ИС, то внутри реактора отсутствует диффузионный поток вещества и передача тепла, Þ динамика работы таких реакторов может быть представлена одноточечной моделью – неоднородн. ОДУ, а статика таких реакторов характеризуется нелинейностью.

Т.о. могут возникнуть колебательные режимы или множество точек состояния равновесия, Þ при управлении реакторами ИС осн. проблема – выбор рабочего режима

Осн. особенности реакторов ИС: динамика описывается системой линейных ОДУ; статика описывается нелинейными алгебраическими уравнениями, Þ реактор может иметь несколько состояний равновесия;стат. характеристика реактора в области множественности стационарных состояний имеет петли гистерезиса; Стационарные состояния реактора м.б. устойчивые и не устойчивые.

При определенных постоянных входных значениях параметров реактора в нем могут возникать незатухающие колебания температуры и концентрации (автоколебания).

Обычно задача управления реактора сводится к стабилизации значений температуры и концентрации.

Варианты управления:

1. изменение отклонения температуры в реакторе от заданного воздействия изменим входной температуры реакционной смеси, т. е. на входе реактора д.б. спец. теплообменник. Этот вариант характеризуется значительной инерционностью по каналу управления

2. поддержание температуры изменением входной концентрации реакционной смеси, т. е. изменением расхода одного из регентов (обычно реагент с малым расходом)

3. поддержание концентрации реакционной смеси, изменением входной концентрации реакционной смеси (осн. проблема - измерение концентрации)

4. поддержание концентрации реакционной смеси, изменением входной температуры реакционной смеси

5. поддержание температуры изменением времени пребывания

6. поддержание изменением времени пребывания

7. поддержание температуры воздействием на температуру теплоносителя (хладагента) в рубашке

8. поддержание концентрации воздействием на температуру теплоносителя (хладагента) в рубашке

В результате наиболее простой вариант реактора смешения:

Основной недостаток – инерционность по каналу управляющих воздействий

ВОПРОС №25

САЗ (сист авт защиты) – один из осн. элементов СУ Þ необходимо сформулировать по-другому некоторые аспекты методов управления.

Обычно процессы управления ведутся в режиме нормального функционирования (РНФ). Однако для целого ряда ПП наибольшая интенсификация м.б. получена путем приближения параметров ТП к их критическим значениям.

Из всей совокупности процессов ХП можно выделить процессы, которые при опред. условиях выходят в аварийный режим.

Причины выхода в аварийный режим:

· отступление от технологического регламента

· неисправность технологического оборудования

· отказ СУ

Такие процессы принято называть потенциально опасные (ПОП).

ПОП в РНФ не отличаются от традиционных ТП. Кроме РНФ для ПОП можно выделить след. характерные режимы работы:

1. предварительный режим

Основные управляемые переменные отклоняются за пределы регламентных, Þ мощность отклонения опасных параметров не достаточна для разрушения технол. аппарата

Возврат в регламентные границы м.б. осуществлен, посредством спец. управляющих воздействий (защитных)

2. при недостаточной эффективности защитных управляющих воздействий возникает неуправляемая предаварийная ситуация, Þ возвращение опасных параметров в регламентные нормы не возможно Þ во избежание аварии и ее последствий, ТП либо останавливается, либо ликвидируется

Специфика ПОП состоит в том, что они могут протекать либо в РНФ, либо в режиме предварительного состояния

Способность переходить в предварительное состояние отличает ПОП от обычных ТП, при этом наблюдается, как правило, близость интенсивного режима ведения ТП и предварительного режима работы, т. е. появляется общая граница зоны интенсификации и зоны неустойчивости

 

РНФ характеризуется соответствием осн. управляемых переменных регламентным значениям.

Все отклонения находятся в заданных пределах, задана точность поддержания параметров.

1 фаза: возможен возврат ТП в РНФ

2 фаза: развитие аварийной ситуации становится необратимым

Могут существовать ТП, у которых только 1 фаза.

Если вовремя не принять меры, способствующие прекращению развития аварийной ситуации и возвращения ТП в РНФ, то возникает аварийная ситуация.

Принято выделять 4 группы ПОП:

1. процессы с токсичными веществами

2. ТП с взрывоопасными веществами и смесями

3. ТП с большой скоростью протекания реакции

4. смешанные ТП

В зависимости от вида ПОП выбирают тип защитных управляющих воздействий и САЗ.

Основные причины возникновения аварийных ситуаций

· изменение соотношения подаваемых компонентов (для непрерывных процессов), либо изменение скорости слива одного из компонентов (для периодических процессов). Такая ситуация возникает в результате отказа оборудования, либо СА, либо человеческого фактора

· снижение или отсутствие расхода хладагента. Причины те же

· отсутствие перемешивания, Þ накопление не прореагировавших компонентов м включение мешалки ведет к интенсивному росту скорости реакции, Þ нарушение температурного режима

· попадание посторенних предметов в аппарат

· нарушение состава исходных компонентов, подаваемых в виде состава или смеси

· нарушение режима удаления газов/паров

 

Опасности, характеризующие аварийное состояние

· отравление

· взрыв, сопровождающийся разрушением аппарата и выбросом реакционной массы

· механические разрушения

· выброс

Для управления ПОП в составе АСУТП должны существовать 2 подсистемы:

· подсистема управления в РНФ - подсистема регулирования (АСР)

· подсистема, обеспечивающая управление ТП в предварительном состоянии – АСЗ

Т.о. в решении задачи управления ПОП можно выделить подсистемы АСР, АСЗ, подсистему контроля АСК и систему сигнализаций АСС.

На АСР возлагается функция оптимально управления ПОП в РНФ (средства аналоговой и цифровой техники, использующие сложные алгоритмы управления для реализации которых требуются сложные технические устройства).

В предварительном состоянии: АСР не может справиться с возникшими отклонениями параметров от регламентных и возвратом ТП в РНФ, Þ задачу управления решает АСЗ.

Функции АСЗ: управление ТП при отказе АСР, она должна обеспечивать безаварийность ведения ТП, предотвращать возможность развития аварийной ситуации, а также производить выбор необходимых управляющих защитных воздействий.

Если управляемые переменные в АСР выбираются исходя из условий интенсификации ТП, то в АСЗ, параметры защиты должны характеризовать нахождение ОУ в предварительном состоянии. Т.к. не всегда на основании контроля одного параметра можно сделать заключение о возникновении аварийных ситуаций, то в общем случае АСЗ имеет несколько вх. величин, которые не совпадают с вх. параметрами АСР.

ИП АСЗ могут принципиально отличаться от ИП АСР областью действий, измерением параметров, временной характер, точностью.

Классификация параметров защиты:

первичные – прогнозируют развитие аварийной ситуации– возникают при появлении аварийной ситуации

Первичные параметры – характеризуют причины возникновения аварийной ситуации (расход и соотношение расходов исходных компонентов, расход хладагента, характер режима перемешивания, давление в аппарате, состав исх. компонентов)

Вторичные параметры (температуры реакционной массы, состав реакционной массы и газообразных продуктов, давление в аппарате, расход газообразных продуктов, температура хладагента)

Опыт разработки АСЗ показывает, что

1.контроль по первичным параметрам не всегда возможен

2. контроль по первичным параметрам не всегда эффективен

Þ необходимо широко использовать вторичные параметры, которые универсальны к причинам возникновения аварийной ситуации.

При этом решают задачу комбинированного использования первичных и вторичных параметров.

Защитные воздействия АСЗ в зависимости от степени развития аварийной ситуации сводятся к 2-м типам:

1. воздействия, которые возвращают ТП в РНФ (по, прекращение подачи одного или нескольких компонентов, стравливание изб. давления, подключение доп. ТО)

Воздействия 1-го типа обычно приводят к временному замедлению протекания ТП

2. необратимый останов ТП (подача в реактор разбавителя, дача жесткого хладагента, сброс реакционной массы)

Рассматривая СУ ПОП, можно сказать, что в ней присутствуют как традиционные подсистемы, так и специфические.

I – ТП в РНФ

II – предварительное состояние

АСЗ может использоваться 2-мя способами:

· АСЗ непрерывно контролирует протекание ТП, но реагирует только на аварийные ситуации, т. е. при продолжительных отклонениях какого-либо из основных параметров

· АСЗ подключается к управлению ТП только в момент возникновения аварийной ситуации, как резервная САР.

Осн. задача АСЗ – не допустить развитие аварийной ситуации, в нежелательном направлении при отклонении ТП от РНФ, возвращая его в этот режим. Если это не возможно – любым способ предотвратить аварию. Для АСЗ объектов ХТ характерно, подавленное большинство мер защиты сводится к разовым, но экстремальным по величине мерам воздействия на ТП. При этом исх. информация о ТП носит ярко выраженный позиционный характер (0/1)

Структуры АСЗ м.б. 3-х видов в зависимости от алгоритма защиты, который в свою очередь определяется сложностью ТП, многообразием аварийных ситуаций, эффективностью, экономичностью, надежностью

· простейшие АСЗ

· АСЗ с развитой логикой

· адаптивные АСЗ

Простевшие АСЗ используют достаточно простой алгоритм, когда увеличение (уменьшение) параметра до предельного значения вызывает управляющее воздействие. Одноканальная АСХ, построенная на превышении контролируемого параметра реализует простейший алгоритм, задача которого остановить ТП при возникновении предаварийной ситуации.

УУВ – узел выработки управляющих воздействий (реализует «ИЛИ»)

ЗУ – задатчик

ИП – измерительный преобразователь

УС – компаратор

Если алгоритм более сложный, то вместо УУВ будет ЛУ (логическое устройство)

В алгоритмах защиты 2-го типа используются наборы лог. функций, при этом состав этих функций определяется особенностями ТП. Такие наборы для сложных ТП слишком громоздки, Þ 1-ая из осн. задач при разработке АСЗ – задача минимизации количества лог. элементов до минимума, в результате чего, увеличивается быстродействие и надежность АСЗ.

Наиболее характерные отличия АСЗ со сложными алгоритмами - наличие 2 ступеней воздействий: возвращение ТП в РНФ и задача останова ТП

Используя ЛМПКН можно создавать АСЗ со сложными алгоритмами

Эффективность определятся в зависимости от затрат на создание и эксплуатацию и экономические потери при ложном срабатывании

3 тип АСЗ – в них происходит постройка к наиболее эффективному алгоритму в рамках развития конкретной аварийной ситуации. Требует большой объем информации