Управление ректификационной установкой

Ректификационные установки служат для разделения многокомпонентной смеси на составляющие ее компоненты в результате противоточного взаимодействия смеси паров и жидкой смеси. Обычно целью любой системы регулирования ректификационной установки является разделение многокомпонентной смеси с соблюдением качества по одному из конечных продуктов при минимальных потерях конечного продукта на другом конце колонны. Оптимизация может иметь своей целью увеличение прибыли за счет, например, сокращения эксплуатационных затрат или увеличения производительности.

Разработка любой стратегии управления обычно начинается с идентификации всех входов и выходов ректификационной колонны, а также типов возможных управляющих воздействий. Выполним анализ различных стратегий управления ректификационной колонной (рис. 26), предназначенной для разделения бинарной смеси, содержащей легколетучий компонент на дистиллят и кубовую жидкость. Принимаем следующие обозначения , , — расходы питания, флегмы, дистиллята; , — уровни в кубе-испарителе (нижней части) колонны, во флегмовой емкости; , , — тепловые нагрузки подогревателя питания (разделяемой исходной смеси), дефлегматора, кипятильника (ребойлера).

Уравнение материального баланса колонны учитывает расходы сырья, дистиллята и кубового продукта, объемы жидкости в кубе и флегмовой емкости, запас жидкой фазы на тарелках.

Контрольно-измерительные приборы, установленные на колонне, позволяют определять уровни дистиллята во флегмовой емкости и кубового продукта в кубе-испарителе колонны, температуру и давление в колонне. Изменение уровня дистиллята во флегмовой емкости и кубового продукта в кубе-испарителе свидетельствует о нарушении материального баланса или изменении запаса жидкой фазы на тарелках колонны. Последнее обстоятельство объясняет невозможность быстрой корректировки материального баланса даже при использовании наиболее совершенных и точных расходомеров.

Рис. 26. Входные и выходные параметры ректификационной колонны

Управляющими переменными служат: теплота, сообщаемая исходному сырью в подогревателе питания; тепловая нагрузка кипятильника (ребойлера); теплота, отбираемая в дефлегматоре. Кроме того, существенную роль играет и температуры исходного и конечного продуктов. Последние параметры, хотя и редко, но используются в схемах управления колонной, за исключением тех случаев, когда кубовый остаток из колонны направляется на подогрев исходного продукта.

При разработке стратегии системы управления рабочее давление в колонне обычно считается неизменным, а его значение определяется, например, физическими свойствами углеводородов исходной смеси и конструктивными параметрами самой колонны. Регулирование рабочего давления в колонне входит в функции контура регулирования теплового баланса.

Регулируя материальный баланс в колонне на основании показаний уровнемеров, а давление — по количеству теплоты, переданной в кипятильнике (ребойлере), можно наметить в общих чертах схему регулирования температуры в колонне, определяющую тепловой баланс в колонне. Такой процесс является саморегулирующимся, так как количество переданной теплоты является функцией перепада температур в теплообменнике. Так, например, с увеличением тепловой нагрузки подогревателя питания температура дистиллята начнет повышаться, но сама разница температур будет снижаться, вызывая уменьшение теплового потока, т. е. возникнет обратная отрицательная связь, что и приводит к так называемому эффекту саморегулирования.

Величина перепада температур потоков в теплообменнике зависит от многих факторов. Чем больше эта разность, тем меньшую площадь поверхности теплообмена можно использовать. Необходимо учитывать, что слишком большая разность температур способна привести к такому режиму кипения в трубках теплообменника, при котором значительно снижается коэффициент теплопередачи. Кроме того, слишком высокая температура может испортить продукт и повредить трубы теплообменника.

Основным параметром обратной связи системы регулирования является расход флегмы, тогда как тепловая нагрузка кипятильника позволяет регулировать расход паровой фазы в колонне.

Первый вывод

В систему уравнений входят переменные, из которых необходимо выделить возможные возмущающие воздействия, возможные регулирующие воздействия и регулируемые параметры (выходные координаты).

Основные возмущающие воздействия: колебания расхода, состава и температуры питания.

Второстепенные возмущающие воздействия: изменения энтальпии греющего пара (в подогревателе питания), теплоносителя (в кипятильнике), хладагента (в дефлегматоре); потери теплоты в окружающую среду

Контролируемые возмущающие воздействия: изменения температуры питания , расхода питания , концентрации легколетучего компонента в питании (исходной смеси).

Неконтролируемые возмущающие воздействия: изменения энтальпии греющего пара, теплоносителя, хладагента; потери теплоты в окружающую среду.

Управляющие воздействия: изменения расходов греющего пара , теплоносителя , хладагента , флегмы изменение отбора (расхода) дистиллята , кубового продукта

Примечание

Управляющее воздействие по каналу расхода не рассматриваем.

Регулируемые параметры (выходные координаты): концентрация легколетучего компонента в дистилляте, концентрация легколетучего компонента в кубовом продукте, уровень жидкости в кубе колонны и флегмовой емкости , давление в колонне

Второй вывод

Из уравнений материального и теплового балансов следует, что ректификационная колонна с сопутствующими ей элементами представляет собой объект с большим числом взаимосвязанных параметров, что находит свое подтверждение при рассмотрении простейшей матрицы входов-выходов ректификационной колонны.

На следующем шаге разработки структуры системы регулирования необходимо определить, как воздействовать на входные параметры.

Регулирование материального баланса можно осуществить за счет изменения расходов соответствующих потоков с помощью подходящих клапанов. Регулирование теплового баланса возможно двумя способами, продемонстрированными на рис. 28: изменением разности температур в теплообменнике или изменением поверхности теплообмена. В данном случае регулировать тепловой баланс колонны можно, изменяя поверхность теплообмена в дефлегматоре.

Рис. 28. Схемы регулирования теплового баланса ректификационной установки:

а — изменение разности температур путем изменения давления пара в паровом пространстве теплообменника; 6 — изменение поверхности теплопередачи за счет изменения уровня конденсата в теплообменнике

На следующем этапе разработки стратегии управления производится анализ статических и динамических характеристик выбранных схем управления.