Ректификация

В качестве объекта управления при автоматизации процесса ректификации примем установку для разделения бинарной смеси, состоящей из тарельчатой ректификационной колонны 2, выносного кипятильника 4, дефлегматора 3 и теплообменника для подогрева исходной смеси 1. Показателем эффективности процесса ректификации 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 (дистиллята или остатка) будет являться целью управления (рис. 6)

Состав другого продукта при этом может колебаться в определенных пределах вследствие изменения состава исходной смеси.

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 количеством параметров, характеризующих процесс, многочисленными взаимосвязями между ними, распределенностью их и т.д.

Трудность регулирования процесса объясняется еще частотой и амплитудой возмущений. В объекте имеют место такие возмущения, как изменения начальных параметров исходной смеси, а также тепло- и хладоносителей, изменение 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.

Регулирование процесса при использовании дистиллята в качестве целевого продукта.

Рассмотрим возможности регулирования режимных параметров верхней части ректификационной колонны, которые непосредственно определяют состав дистиллята.

Для получения определенной концентрации С_д дистиллята следует поддерживать на определенном значении давление Р и концентрацию жидкости в верхней части колонны.

Давление Р стабилизируется изменением расхода пара из колонны.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны, так как при уменьшении давления может произойти " захлебывание" колонны (восходящий поток пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам вниз), а при его (давления) увеличении снижается скорость парового потока, что связано с уменьшением производительности.

Концентрацию дистиллята Сд регулируют изменением расхода флегмы: чем выше этот расход, тем больше низкокипящего компонента будет в жидкости, и наоборот.

На практике чаще регулируют состав паров (а в отдельных случаях и непосредственно состав дистиллята) изменением расхода флегмы. Регулирующий орган может быть установлен как на линии флегмы, так и на линии дистиллята. В качестве анализаторов состава используют хроматографы и газоанализаторы.

Итак, для достижения цели управления необходимо стабилизировать давление и состав жидкости в верхней части колонны путем изменения расхода хладоносителя, поступающего в дефлегматор, и расхода флегмы. 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 верхней части колонны приведет к тому, что давление в кубе через несколько минут примет определенное (несколько большее, чем вверху колонны) значение.

Этого нельзя сказать о температуре (составе) жидкости в кубе. В связи с этим, для поддержания нормального режима в кубе возникает необходимость регулирования температуры (или состава). Обычно стабилизируют температуру, т.к. датчик температуры значительно проще и надежнее, чем анализаторы состава.

Регулирующие воздействия в нижней части колонны могут осуществляться изменением расходов кубового остатка и теплоносителя, подаваемого в кипятильник.

Таким образом, если целевым продутом 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, тепло- и хладоносителя; уровень в кубе колонны; температура по высоте колоны, давление в верхней и нижней частях колонны, а также перепад этих давлений.

Сигнализации подлежат значительные отклонения состава целевого продукта, уровня и давления в колонне от заданных значений. При давлении в колонне выше допустимого, а также при прекращении поступления исходной смеси должны сработать автоматические устройства защиты, отключающие ректификационную установку. При этом магистрали теплоносителей, остатка и дистиллята перекрываются, а магистрали хладоносителя и флегмы полностью открываются.

Регулирование процесса при использовании кубового остатка в качестве целевого продукта

Кубовый остаток используют в качестве целевого продукта не реже, чем дистиллят. В этих случаях более жесткие требования предъявляются к поддержанию технологического режима в нижней части колонны, поэтому в кубе колонны устанавливают датчик состава, а в верхней части - датчик температуры. Остальные узлы остаются неизмененными.

Регулирование процесса ректификации при использовании экстремальных регуляторов и ЭВМ.

При управлении процессом ректификации могут ставиться задачи получения продуктов максимально возможной чистоты, достижения максимальной производительности колонны, получения минимальной себестоимости целевого продукта и т.п. В этих случаях возникает необходимость в применении экстремальных регуляторов или управляющих вычислительных машин.

Экстремальный регулятор, например, служит для изменения расхода флегмы с целью получения максимально возможной чистоты дистиллята. На работу такого регулятора накладываются ограничения по расходу флегмы.

Процесс ректификации является одним из самых сложных процессов химической технологии, поэтому применение простых регуляторов, как правило не исчерпывает всех возможностей увеличения производительности и уменьшения себестоимости продукции. Большой эффект может дать применение управляющих машин, на которые возлагаются следующие функции:

1. Вычисление оптимальной нагрузки колонны и установления задания регулятору расхода смеси;

2. Вычисление номера оптимальной тарелки питания и переключение устройств ввода на эту тарелку;

3. Вычисление оптимальных соотношений расходов смеси и флегмы, смеси и теплоносителя и установление задания регуляторам расхода флегмы и теплоносителя;

4. Переход от одного алгоритма управления к другому при изменении цели управления, при переходе с пускового режима на нормальный и с нормального режима на останов.

Если ректификации подвергается многокомпонентная смесь, управляющая машина рассчитывает номер тарелки для отбора промежуточного продукта и производит переключение устройств отбора на нужную тарелку.