Регулирование типовых тепловых процессов

Теплообменные аппараты классифицируются по виду теплообменной поверхности (с поверхностью из трубок, с плоской поверхностью, с поверхностью непосредственного контакта теплоносителей); по физическому процессу, происходящему с основным технологическим веществом (нагреватели, холодильники, испарители, конденсаторы); по характеру работы во времени (рекуперативные, регенеративные и т. д.) и другим признакам. Поверхностные теплообменники довольно широко используются в химической технологии, поскольку теплоносители в таких аппаратах разделены тепло-передающей поверхностью: в трубчатых теплообменниках — стенки трубок, в пластинчатых теплообменниках — плоские или рифленые листы. Распространенной конструкцией теплообменной аппаратуры трубчатого типа является кожухотрубный теплообменник. Кожу-хотрубные теплообменники делят на теплообменники с неизменяемым агрегатным состоянием веществ, например, теплообменники типа газ—газ, газ—жидкость, жидкость—жидкость, а также теплообменники с изменяющимся агрегатным состоянием веществ (например, паро-газовые, паро-жидкостные теплообменники, испарители, конденсаторы).

Особенностью теплообменников с изменяющимся агрегатным состоянием веществ, рассматриваемых как объекты регулирования, является равенство температур жидкой и паровой фаз при постоянном давлении и отсутствии переохлаждения образующегося конденсата (перегрева образующегося пара). Поскольку температура жидкой и паровой фаз одинакова, она не может служить показателем процесса испарения или конденсации. Тогда в качестве основного показателя процесса теплообмена выбирают уровень жидкой фазы.

В испарителях или конденсаторах, предназначенных для испарения или конденсации жидкости, задача регулирования сводится к поддержанию материального баланса по технологическому потоку (газу или жидкости).

В кожухотрубных паро-жидкостных теплообменниках, предназначенных для нагревания жидкости до заданной температуры за счет теплоты конденсации греющего пара, основной задачей регулирования является стабилизация температуры жидкости на выходе из теплообменника.

Теперь с учетом выявленных основных возмущающих и управляющих воздействий можно предложить несколько вариантов систем регулирования температуры жидкости на выходе из промышленных кожухотрубных паро-жидкостных теплообменников.

Первый вариант. Для регулирования выходной температуры жидкости без статической ошибки можно применить одноконтурную замкнутую САР с использованием ПИ-регулятора или ПИД-регулятора (рис. 22), изменяющего расход греющего пара. Недостатки такого регулирования: при сильных возмущающих воздействиях по каналам расхода или температуры жидкости на входе в теплообменник качество переходного процесса оказывается неудовлетворительным.

Второй вариант. Если имеют место возмущающие воздействия по каналам расхода или температуре жидкости на входе , то ограничиваются их статической компенсацией. Реализовать такой подход возможно применением каскадной САР соотношения расходов пара и жидкости с коррекцией по третьему параметру — температуре жидкости на выходе теплообменника (рис. 23).

Третий вариант. При сильных возмущающих воздействиях по каналам изменения давления или температуры греющего пара возможно применить каскадную систему регулирования температуры (или давления) в межтрубном пространстве теплообменника с коррекцией задания по (рис. 24). Температура (или давление) в межтрубном пространстве теплообменника — промежуточная координата, значительно быстрее реагирующая на указанные возмущающие воздействия, чем температура жидкости на выходе теплообменника

Рис.22. Одноконтурная замкнутая САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидко-стном теплообменнике

Рис.23. Каскадная САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидкостном теплообменнике (с регулятором соотношения расходов во внутреннем контуре)

Рис. 24.Каскадная САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидкостном теплообменнике (с регулятором температуры конденсата во внутреннем контуре): / — регулятор температуры жидкости на выходе из теплообменника; 2 — регулятор температуры конденсата в кожухе

Рис. 25.Регулирование жидкости в схеме кожу-хотрубного паро-жидкостного теплообменника с байпасированием холодного потока: / — регулятор температуры жидкости на выходе из теплообменника; 2 — регулятор температуры жидкости после смешения

Четвертый вариант. Чтобы обеспечить высокое качество регулирования температуры, желательно иметь дополнительное управляющее воздействие. Для этого жидкость, поступающую на нагревание, перед теплообменником делят на два потока и . Часть жидкости (поток ) направляют в теплообменник и нагревают до температуры несколько выше заданной. Другая часть жидкости (поток ) минует теплообменник, оставаясь холодной. За теплообменником нагретый и холодный потоки смешиваются для получения жидкости заданной температуры. Таким образом, реализуется схема с байпасированием (рис. 25). В этом случае регулятор температуры / стабилизирует температуру после теплообменника (вспомогательная функция). Регулятор температуры 2 регулирует температуру жидкости после смешения (основная задача). При этом качество регулирования определяется динамикой основного контура, в

котором объект представляет собой безынерционное звено, поскольку постоянная времени процесса смешения нагретой и холодной жидкостей практически равна нулю.

1.3. Регулирование массообменных процессов

К массообменным процессам, получившим наибольшее распространение в химической технологии, относят абсорбцию, ректификацию, экстракцию, кристаллизацию, адсорбцию, сушку. К общим особенностям регулирования массообменных процессов можно отнести то, что в результате проявления различного рода случайных возмущающих воздействий нарушаются материальные и тепловые балансы, изменяются температура и давление, что приводит к нарушению состава и качества получаемых продуктов. Поэтому одной из основных задач регулирования массообменных процессов является задача стабилизации режимных параметров, решение которой позволяет сохранить материальные и тепловые балансы.

Аппараты, в которых осуществляется большинство массообменных процессов, как правило, — крупногабаритные аппараты колонного типа (диаметр таких аппаратов может достигать несколько метров, высота равняется нескольким десяткам метрам), поэтому вполне естественно, что постоянные времени и запаздывание таких аппаратов могут составлять десятки минут. Если для регулирования массообменных процессов использовать одноконтурные системы регулирования, то они будут характеризоваться большой длительностью переходных процессов и большой максимальной ошибкой. Чтобы повысить качество переходных процессов, для регулирования массообменных процессов используют комбинированные САР, для которых характерно введение коррекции по наиболее сильным возмущающим воздействиям, а также каскадные САР, характеризуемые применением дополнительных сигналов из промежуточных точек массообменных аппаратов.

Рассмотрим особенности регулирования массообменных процессов на примере регулирования ректификационной установки.

1.3.1. 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.