Типовое решение автоматизации процесса ректификации часть 4

Регулирование процесса отбора промежуточной фракции (рис. 4.35).

При ректификации многокомпонентных смесей ряд компонентов отбирается из промежуточной части колонны в виде пара. Затем пар конденсируется в дефлегматоре.
Конденсат собирается в емкости, откуда возвращается в 'колонну, а частично отбирается в виде одного из целевых продуктов. Для того, чтобы обеспечивался заданный состав промежуточной фракции, на тарелке отбора этой фракции необходимо поддерживать постоянный состав или температуру жидкости (постоянство давления пара над тарелкой поддерживается регулятором давления верхней части колонны). Какой из этих параметров следует брать в качестве регулируемого, определяется требованиями к чистоте промежуточной фракции (на схеме регулируется температура). Наиболее часто регулирующее воздействие осуществляется изменением расхода промежуточной фракции, возвращаемой в колонну. Если к составу верхнего продукта не предъявляются высокие требования, то регулирующие воздействия могут реализоваться изменением расхода флегмы, так как уменьшение расхода флегмы приводит к уменьшению концентрации низкокипящего компонента в целевой промежуточной фракции, и наоборот. Для соблюдения материального баланса по промежуточной фракции уровень в емкости регулируют.

Каскадно-связанное регулирование.

Ректификационные колонны являются объектами управления с большими запаздываниями, (поэтому возмущения успевают существенно изменить режим всей колонны прежде, чем изменится состав целевых продуктов и начнется их компенсация основными регуляторами схемы. Улучшения качества управления процессом можно добиться введением дополнительных контуров регулирования.
Каскадно-связанное регулирование почти всегда применяют при регулировании состава конечных продуктов, что объясняется невысокой надежностью анализаторов состава. В качестве вспомогательного параметра при регулировании состава в верхней части колонны (или на контрольной тарелке) используют расход флегмы (рис. 4.36,а). Если регулируют состав дистиллята, то вспомогательным параметром лучше брать температуру на контрольной тарелке. Можно использовать и трехконтурную систему (рис. 4.36,6), в которой первым вспомогательным кон¬туром будет регулятор температуры, а вторым - регулятор расхода.

Рис. 4.36. Схемы регулировании состава дистиллята с помощью многоконтурных систем регулирования: 1 - колонна; 2 - дефлегматор.

При регулировании состава кубового остатка вспомогательными параметрами могут быть расход теплоносителя (либо его давление, если в качестве теплоносителя используют пар), или температура в нижней части колонны, -или же оба параметра.
Когда расход исходной смеси определяется предыдущим технологическим процессом .и сильно изменяется во времени, большой эффект могут дать регуляторы соотношения расходов исходной смеси и флегмы (или исходной смеси и теплоносителя, подаваемого в кипятильник) с коррекцией по составу дистиллята (или остатка). Если же сильным изменениям подвержен и состав исходной смеси, то целесообразно установить вычислительное устройство (ВУ), которое по текущим значениям параметров исходной смеси и с учетом состава целевых продуктов будет рассчитывать значения расходов флегмы и теплоносителя и корректировать работу соответствующих регуляторов (рис. 4.37).
В последнее время находит применение способ автоматиче¬ского изменения точки ввода исходной смеси в колонну. Для этого устанавливают специальное устройство, которое в зависимости от состава переключает линии подачи питания на соответствующие тарелки.
Во всех приведенных выше схемах вследствие недостаточной надежности анализаторов состава целесообразно вводить ограничения на корректирующий сигнал по составу, что устраняет 'Нежелательные последствия, возможные при выходе анализатора из строя.

Рис. 4.37. Схема регулирования соотношения расходов с коррекцией по составу целевых продуктов:
1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - кипятильник.

При регулировании температуры в верхней и нижней частях колонны в качестве вспомогательных параметров обычно берут расходы соответственно флегмы и теплоносителя, 'Подаваемого в кипятильник, при регулировании давления - расход хладоносителя, подаваемого в дефлегматор.
Регулирование процесса в колонне с дефлегматором и конденсатором. Если температуры кипения компонентов смеси близки, конденсация паров, выходящих из колонны, осуществляется раздельно. В дефлегматоре конденсируется только высококипящий компонент, конденсат отделяется в сепараторе от паро-жидкостной смеси и возвращается в колонну. Пары низкокипящего компонента проходят через дефлегматор и затем конденсируются в конденсаторе.

Рис. 4.38. Схемы регулирования процесса в верхней части колонны с дефлегматором и конденсатором: 1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - конденсатор; 4-сепаратор.

Для того чтобы в дефлегматоре конденсировался только высококипящий компонент, необходимо поддерживать на определенном уровне температуру парожидкостной смеси, выходящей из дефлегматора. Для этого устанавливают регулятор температуры (рис. 4.38,а), воздействующий на расход хладонооителя, подаваемого в дефлегматор. Давление в колонне стабилизируется в этих случаях путем изменения расхода хладоносителя, поступающего в конденсатор.
В некоторых ректификационных установках дефлегматоры размещают непосредственно на колонне (рис. 4.38, б). Пары, идущие из колонны, конденсируются в такой степени, чтобы обеспечить заданное орошение. При этом расход хладоносителя в дефлегматоре должен соответствовать составу или темпе¬ратуре продукта в верхней части колонны.

Регулирование при использовании экстремальных регулято¬ров и вычислительных машин. 

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: вычисление оптимальной нагрузки колонны и установление задания регулятору расхода смеси; вычисление оптимальных соотношений расходов смеси и флегмы, смеси и теплоносителя и установление задания регуляторам расхода флегмы и теплоносителя; корректировка вычисленных соотношений расходов по составу целевого продукта; вычисление номера оптимальной тарелки питания и переключение устройств ввода питания на эту тарелку; вычисление оптимального значения энтальпии исходной смеси и установление задания регулятору расхода теплоносителя, подаваемого в теплообменник для нагревания смеси; переход от одного алгоритма управления к другому при изменении цели управления, при переходе с пускового режима на нормальный и с нормального режима на останов (алгоритм машины включает ограничения, например, по качеству целевых продуктов) и т. д.
Если ректификации подвергается многокомпонентная смесь, управляющая машина рассчитывает номер тарелки для отбора промежуточного продукта и производит переключение устройств отбора на нужную тарелку.

Регулирование периодической ректификации.

Схемы регулирования периодически действующих ректификационных колонн значительно отличаются от приведенных выше. 

Рис. 4.39. Регулирование колонны периодического действия:
а - функциональная схема; б - график определения экономически выгодной продолжи¬тельности процесса; / - стоимость дистиллята; // - производственные затраты; А - но» мент окончания процесса; 1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - кипятильник.

Кроме введения дополнительного программного устройства, которое осуществляет переключение ректификационной установки с одной операции на другую, видоизменяются следующие узлы регулирования (рис. 4.39,а).
Регулятор состава (температуры) в нижней части колонны заменяется регулятором расхода теплоносителя. Это объясняется тем, что время, необходимое для разделения исходной смеси в таких колоннах, обратно пропорционально скорости подвода тепла в куб колонны. Поэтому расход .теплоносителя целесообразно поддерживать на постоянном, максимально возможном для данных технологических условий, значении.
Регулятор давления в периодических колоннах отсутствует, а регулятор температуры в верхней части колонны снабжается специальным, блоком. Этот блок получает информацию о степени открытия клапана на магистрали флегмы и настраивается на определенное значение, соответствующее минимальному расходу отбираемого дистиллята, ниже которого процесс становится экономически невыгодным, так как произведение себестоимости дистиллята на его количество, уменьшаясь, достигает уровня эксплуатационных затрат (рис. 4.39,6). В этот момент заканчивается отбор дистиллята и начинается следующая операция - отбор остатка.
Регулирование процесса экстрактивной ректификации. Особенностью данного вида ректификации является введение в верхнюю часть колонны растворителя, снижающего парциальное давление одного из компонентов. Растворитель должен подаваться в строгом соотношении с расходом исходной смеси, так как в противном случае происходит или неоправданное увеличение нагрузки колонны или же некачественное разделение компонентов смеси. С целью поддержания соотношения расходов исходной смеси и растворителя устанавливают регулятор соотношения. Остальные узлы регулирования экстракционной колонны и колонны регенерации растворителя аналогичны приведенным выше.