Регулирование процессов передачи массы

В процессах обмена массами, за исключением выпрямления, разделение смеси на отдельные компоненты происходит в присутствии не одной, а нескольких фаз: газа (пара) – жидкости (адсорбция, влажность); жидкости – жидкости (экстракция); жидкости – твёрдого вещества (испарение, кристаллизация, адсорбция); пара – твёрдого вещества (высушивание).

Для всех перечисленных процессов одно из течений на выходе аппарата представляет собой или готовый продукт (например, вторичный пар на выходе из испаряющего аппарата), или смесь продуктов, которые находятся в равновесии независимо от материального баланса. Поддерживание неизменности материального баланса любого процесса обмена массами в случае двухфазной системы, как правило, упрощается. При этом исключается одна переменная, что уменьшает количество регулируемых величин на единицу.

Основным регулируемым параметром в процессах обмена массами обычно является состав получаемого продукта, что требует в каждом конкретном случае своего анализатора. Часто процессы обмена массами успешно регулируют по таким параметрам, как прозрачность продукта. Для некоторых процессов, например, высушивание материала, анализаторы не нужны.

3.2.2.1. Регулирование процессов адсорбции. Исходная смесь в виде газов или

пара входит в куб колонны, а обеднённый газ отводится вверху колонны. Схема регулирования адсорбера с поступающими и выходными течениями приведена на рис. 3.5.

Большими буквами обозначены мольные скорости основного адсорбирующего компонента в соответствующих течениях, а маленькими – его мольная доля.

Рис. 3.5. Схема регулирования процесса адсорбции

Регулированию в процессе адсорбции подлежат расходы паровой и жидкой фазы, которые проходят через адсорбер. Скорость подачи входного материала в паровой (газовой) фазе является нагрузкой адсорбера.

Для регулирования состава обеднённого газа на выходе из адсорбера изменяют расход адсорбента L. Температура и давление влияют на процесс адсорбции. Для проведения процесса адсорбции с максимальной скоростью адсорбент нужно подавать в адсорбер при возможно низкой температуре, а давление в адсорбере необходимо поддерживать на высоком уровне.

Адсорбция обычно не является процессом тонкой очистки веществ и практически не бывает последней стадией обработки. Отсюда вытекает, что не обязательно иметь качественное регулирование состава каждого выходного течения, и поэтому анализаторы на выходных трубопроводах не устанавливают.

Более важно при проведении процесса адсорбции обеспечить минимальные затраты (например, затраты вещества V_y) или суммарные производительные расходы. В этом случае создаётся система оптимального управления.

3.2.2.2. Регулирование процессов экстракции, отстаивания. Экстракция

есть процесс перехода вещества с одного растворителя в другое при условии, что они не смешиваются или частично смешиваются. Переходное вещество при нормальных условиях может быть твёрдым, жидким или газообразным. В результате процесса экстракции продукт отделяется от растворителя и от примесей, которые в нём находятся.

Процесс исправления неосуществим для раздела жидкостей, температуры кипения у которых примерно одинаковые. Такие жидкости могут быть разделены экстракцией или экстракцией совместно с выпрямлением.

Когда экстракция проводится путём однократного контакта фаз, то концентрации экстрагированного вещества в обоих выходных течениях будут в равновесии. Пускай вещество, которое растворено в растворителе A, экстрагируется растворителем B.

Регулирование процесса экстрагирования (одноступенчатое или многоступенчатое) всегда основано на соотношении течений A и B. Многоступенчатая экстракция может проводиться в нескольких аппаратах смешивания с отстойными камерами для разделения растворителей при их встречном перемешивании.

Часто процесс экстрагирования проводится в насадочных колоннах, где исходная смесь и экстрагент двигаются в противоположных течениях. Раствор с меньшей прозрачностью подаётся в нижнюю часть колонны и перемещается вверх со скоростью, которая определяется разницей прозрачностей растворителей.

Для поддержания в такой колонне определённого количества обоих растворителей регулируют уровень жидкости в ней и поверхность раздела растворителей.

На рис. 3.6 приведена схема регулирования типовой экстракционной колонны. Место поверхности раздела двух растворителей легко определяется по перепаду давлений в двух пунктах на разной высоте колонны, который соответствует величине подъёмной силы, действующей на чувствительный элемент измерителя уровня.

В каждом из этих случаев выходной сигнал прибора пропорционален средней прозрачности вещества, которое находится в объёме колонны между пунктами отбора. Для раздела двух несмешиваемых растворителей после процесса экстракции, смешивания или конденсации с паровой фазы используют отстойники, в которых регулируется уровень жидкости и высота поверхности раздела фаз.

Рис. 3.6. Схема регулирования насадочной экстракционной колонны

3.2.2.3. Регулирование процесса ректификации. Принципы регулирования

процессов ректификации. Регулирование процесса ректификации – одна из наиболее сложных задач, которые возникают при автоматизации химических производств. Это объясняется сложным характером технологического процесса, взаимной зависимостью основных регулируемых параметров, а также большой инерционностью и запозданием.

Задача управления процессом ректификации заключается в получении целевого продукта заданного состава при определённой продуктивности и минимальных потерях теплоносителей.

Исходная смесь нагревается в теплообменнике 1 (рис. 3.7) водяным паром до температуры кипения и поступает в ректификационную колонну 3 на блок питания. Жидкость куба колонны выпаривается в выносном кипятильнике 2, который обогревается паром, и в виде паровой фазы поднимается вверх по колонне. Паровое течение, выходящее из колонны, попадает в охлаждаемый, например, водой дефлегматор 4, где пар конденсируется. Жидкая фаза стекает в флегмовую ёмкость 5, откуда помпой 6 нагнетается в верхнюю часть колонны на орошение в виде флегмы и частично отводится с установки в виде дистиллята. Флегма стекает вниз по колонне.

Рис. 3.7. Схема стабилизации процесса ректификации:

1 – теплообменник; 2 – кипятильник; 3 – ректификационная колонна; 4 – дефлегматор; 5 – флегмовая ёмкость; 6 – помпа

При многоразовом контакте в ректификационной колонне паровым и жидким течением, которые двигаются навстречу друг другу и имеют разные температуры, паровая фаза обогащается более легколетучими низкокипящими компонентами (НКК), а жидкая фаза – тяжелолетучими высококипящими компонентами (ВКК). Часть кубового продукта, которая называется остатком, отводится от установки. Целевыми продуктами ректификационной установки может быть дистиллят или кубовый остаток, что определяется технологической схемой.

Основными регулируемыми технологическими величинами является состав дистиллята или кубового остатка. На чистоту этих целевых продуктов влияет ряд возмущающих воздействий процесса: состав, расход и температура исходной смеси, параметры теплого и холодного агента, давление в колонне и другие величины. Основные регулируемые воздействия – это расходы флегмы в колонну и теплоносителя в кипятильник. Причём изменение расхода флегмы относительно быстро приводит к изменению состава дистиллята и в значительно меньшей степени к изменению состава кубового остатка, состав флегмы при этом изменяется слабее.

Существует большое количество схем автоматизации ректификационных установок. Например, осуществляется стабилизация отдельных величин с помощью локальных одноконтурных автоматических систем регулирования (АСР). Они связаны между собой и обеспечивают выполнение материального и теплового баланса установки.

Тяжести подачи исходной смеси в колонну являются одним из наиболее мощных возмущающих процессов. Поэтому (когда по технологической схеме возможно) для обеспечения неизменности подачи смеси предусматривают АСР расхода. Воспринимающий элемент и регулируемый клапан этой системы устанавливают на трубопроводе к теплообменнику, чтобы исходная смесь протекала через них только в жидкой фазе. Наличие АСР расхода исходной смеси значительно облегчает работу всех других АСР установки.

Исходная смесь должна подаваться в колонну при температуре кипения. Температура смеси поддерживается на постоянном значении АСР, управляющей подачей нагревающего пара в теплообменник. Для более качественного регулирования температуры воспринимающий элемент АСР и клапан устанавливаются рядом с теплообменником.

Гидравлическое сопротивление колонны почти не изменяется. Поэтому давление в колонне достаточно стабилизировать в одном месте, обычно в верхней части. Когда пар НКК полностью конденсируется, давление регулируют изменением расхода холодного агента, который подаётся в дефлегматор. Когда часть пара не конденсируется или в исходной смеси находятся инертные газы, то регулятор давления воздействует на два клапана, один из которых установлен на линии отвода холодного агента из дефлегматора, а второй – на линии отдувки. Причём рабочие участки характеристик этих клапанов должны быть разными. Ход плунжера первого из них должен находиться в границах примерно 0-75% регулируемого воздействия, а второго – в пределах 50-100%. В результате несконденсированные газы скидываются с флегмовой ёмкости только при больших расходах холодного агента, который поступает в дефлегматор, и при дальнейшем увеличении давления в колонне.

Когда целевым продуктом является дистиллят, то основной технологической величиной ректификационной установки будет состав пара в верхней части колонны. Состав дистиллята регулируют изменением подачи флегмы в колонну. При этом регулируемый орган может быть установлен как на линии подачи флегмы, так и на линии отвода дистиллята. С точки зрения статики это равноценно. Но для повышения качества регулирования регулируемый орган АСР состава необходимо устанавливать на линии подачи флегмы в колонну. При этом для сохранения материального баланса усилительной части колонны дистиллят необходимо отводить с помощью АСР уровня в флегмовой ёмкости. Иначе инерционные особенности ёмкости будут влиять на качество процесса регулирования, что может привести к нежелательным последствиям.

При разделении бинарной смеси, когда давление в колонне постоянное, состав дистиллята и температура однозначно связаны между собой. Поэтому для управления подачей флегмы используют регулятор температуры верхней части колонны. Когда количество блоков в колонне большое или разность температур кипения разделяемых элементов мала, запоздание в объекте достигает нескольких десятков минут и более. Поэтому измерение температуры на верху колонны приводит к большим отклонениям технологического режима от регламента, поскольку регулируемые воздействия будут введены в процесс с большим запозданием.

Для увеличения качества регулирования чувствительный элемент температуры следует устанавливать на так называемом контрольном блоке усилительной части колонны. Это значит там, где температура значительно более чувствительная к изменению подачи флегмы и обеспечено меньшее запоздание при изменении состава исходной смеси.

При мало изменяемом составе исходной смеси подача нагревающего пара в выносной кипятильник стабилизируется АСР расхода.

Материальный баланс отгонной части колонны поддерживается АСР уровня в кубе, которая воздействует на отвод продукта.

Когда целевым продуктом является кубовый остаток, тогда регулируют смещение НКК в кубовом продукте методом изменения подачи нагревающего пара в кипятильник. В случае бинарной смеси таким же образом регулируют температуру на контрольном блоке нижней части колонны. При этом подача флегмы в колонну стабилизируется АСР расхода. В остальном схема автоматизации установки остаётся прежней.

3.2.2.4. Регулирование процесса многокомпонентной ректификации. Когда

исходная смесь многокомпонентная, то её разделение происходит в нескольких ректификационных колоннах, соединённых последовательно, причём возможен отбор продуктов с промежуточных блоков.В последнем случае в регулируемой системе появляются новые независимые переменные. Одна из них связана с местом отбора промежуточного продукта с колонны, другая – с количеством или составом отбираемой фракции. Распространённым способом фиксации этих независимых переменных является определение места отвода продукта из колонны и регулирование количества его относительно другого течения, например, исходной смеси или дистиллята. Состав и тепловое состояние бокового течения такие же, как и в жидкости в блоке, с которого отбирается фракция. Когда состав многокомпонентной исходной смеси значительно колеблется, то возникает необходимость менять количество продукта, который отбирается с промежуточного блока при помощи регулятора температуры или состава для получения дистиллята или высококипящего продукта. В этом случае температура жидкости в блоке, с которого отбирается фракция, фиксируется регулятором температуры. Регулируемый клапан настраивается на трубопроводе отбора продукта.

Рис. 3.8. Схема регулирования колонны при ректификации продукта крекинга:

1 – ректификационная колонна; 2 – теплообменник; 3 – охладитель; 4 – конденсатор; 5 – сборник дистиллята; 6 – разделительные секции.

Рассмотрим схему регулирования параметров процесса ректификации многокомпонентной исходной смеси – продуктов крекинга, представленную на рис. 3.8. По этой схеме главный продукт проходит через охладитель в сепаратор и потом разделяется на конечные бензиновые продукты в установке лёгких концов. Три боковых течения выводятся из колонны, а два из них расщепляются паром для выделения лёгких углеводородов и для перемещения их в хранилище.

Проблема отвода тепла в количестве, достаточном для хорошего разделения, обеспечивается установкой циркулирующих помп. Они перемещают большое количество жидкости с верхней, средней и нижней частей колонны и после охладителей возвращают её в колонну. Температура в разных пунктах колонны регулируется скоростью течений жидкости, прошедшей через охладители.

Регуляторы расхода поддерживают постоянные скорости течений, перемещаемых из колонны, а регуляторы температуры управляют клапанами на обходных течениях, которые направляют часть жидкости в обход холодильников. Воздействие регуляторов температуры не на подачу холодного агента в холодильники, а на обходные течения охлаждающей жидкости является хорошим примером улучшения динамической характеристики системы способом выключения с цепи регулирования звена (охладителя) с большим запозданием.

Температура жидкости внизу колонны регулируется воздействием регулятора температуры на обходное течение, которое меняет количество охлаждённого кубового продукта, возвращающегося в куб. Остаток кубового продукта поступает в верхнюю часть системы теплообмена, размещённую ниже блока.

Отбор верхних и нижних боковых течений сделан так, что только часть жидкости выводится из соответствующих блоков. Уровень в разделителе и сборнике поддерживается регуляторами. Отбор боковых течений управляется регуляторами расхода на выходе из разделителей. В случае среднего бокового течения вся жидкость выводится из блока в разделитель. Здесь регулятор уровня действует на нагнетающий бок помпы.

Для поддержания уровня жидкости в кубе колонны регулятор уровня соединён с регулятором, который управляет отбором нижнего бокового продукта (на схеме не показан). Давление в колонне зависит от давления в реакторе и не поддаётся независимому регулированию.