Автоматизация технологических процессов основных химических производств

Баланс по паровой фазе.

Структурная схема конденсатора без флегмовой емкости.

Рис.7

Уравнение динамики:

(13).

Уравнение статики:

(14).

Особенности:

G Решение уравнения динамики для pв дает выражение для интегрального звена.
G Если учесть выражение Gyn = f (pв ), то звено получается апериодическим 1 порядка.
G Gyк = f (Gхл ), можно получить на основании теплового баланса конденсатора:

. (15).

На основании (13), (14) и (15) можно принять:Pв =f(Gхл).

Информационная схема верха колонны.

Рис.8.
Информационная схема верха колонны как многосвязного объекта по qв и pв

Рис.9а.
Информационная схема верха колонны как многосвязного объекта по hфл и qв

Рис.9б.
Информационная схема колонны как многосвязного объекта по qв и qн.

Рис.9в.

Математическое описание подогревателя потока питания.
Тепловой баланс

Уравнение динамики.

(16).

Уравнение статики.

Gт Cрт qтвх - Gт Cрт qтвых = Gп Cpп qn0 - Gп Cpп qn , (17)

Обозначения:

- qт вх , qт вых , qn 0 ,qn – температуры потоков теплоносителя и питания на входе и выходе из теплообменника;
- Vn - объем потока питания в трубах теплообменника;
- Cpп, Срт - удельные теплоемкости потоков питания и теплоносителя;
- Gт, Gп - массовые расходы теплоносителя и питания, кг/ч.

На основании (16) и (17) можно считать:

Предпочтительное управляющее воздействие Gт.

Информационная схема подогревателя потока питания

как объекта управления qп0

Рис.10.

Типовая схема автоматизации процесса ректификации.

Рис.11.

Типовое решение автоматизации

процесса ректификации.

1. Регулирование.

Регулирование ?в=f(cд) по подаче флегмы - косвенное регулирование показателя эффективности процесса cд.
Регулирование Pв по подаче хладоагента Gхл - обеспечивает материальный баланс по паровой фазе.
Регулирование hфл по отбору флегмы Gфл - обеспечивает материальный баланс по жидкой фазе верха колонны.
Регулирование hк по отбору кубового продукта Gк - обеспечивает материальный баланс по жидкой фазе низа колонны.
Стабилизация расхода питания Gп - обеспечивает:

- материальный баланс по всему веществу,

- снятие наиболее существенных возмущений,

- заданное положение рабочей области колонны;

- стабилизацию производительности установки.

Стабилизация расхода греющего пара Gгр - обеспечивает:

- тепловой баланс установки;

- стабилизацию Gy0 .

Регулирование ?п0 по подаче Gт обеспечивает:

- заданное положение рабочей линии;

- эффективность процесса разделения;

- тепловой баланс

2. Контроль.

Температуры и расходы всех исходных потоков.
Температуры - ?в, ?н, ?кв, ?кн, ?п0.
Давление - Рв, Рн.
Уровень - hфл, hк.
Концентрации - сд или ск .

3. Сигнализация.

существенные отклонения hфл, hк, ?в от заданий:
повышение
;

резкое снижение или прекращение подачи потока питания

Материальный баланс по целевому компоненту.

Уравнение динамики:

(9).

Уравнение статики:

Gyn Cyn = Gдист Cx n+1 + Gфл Cx n+1 (10).

На основании (9) и (10) можно считать:

Cдист=f(Gyn, Gфл, Gд )

Предпочтительное управляющее воздействие Gфл .

Материальный баланс по легколетучему компоненту.

Уравнение динамики:

(3).

Уравнение статики:

G x1 C x1 = G k C к + G y0 C y0 (4)

Основные допущения:

¨ Кипятильник с полным испарением, т.е. C y0=C x0;
¨ Тепловой баланс кипятильника:

Обозначения:

М0 - масса жидкости в нижней части колонны, кг;
r гр - удельная теплота конденсации пара, дж/кг;
r k - удельная теплота испарения кубовой жидкости, дж/кг.
¨ На основании (3) и (4) можно записать:

Предпочтительное управляющее воздействие Gгр .

Информационная схема низа колонны.

Рис.3.
Информационная схема низа колонны
как многосвязного объекта по hk,
или hk, Ck .

Рис.4

Математическое описание верха колонны.
Структурная схема дефлегматора с флегмовой емкостью.

Рис.5.

Материальный баланс по всему веществу.

Уравнение динамики :

(1).

Уравнение статики :

G x1 = G k + G y0                                                                                           (2),
где ? k - плотность кубовой жидкости , кг/м3;
      S k - сечение куба колонны, м2 ;
      h k - уровень кубовой жидкости, м;
     G x1 , G k , G y0 - массовые расходы потоков в кубе колонны.

На основании (1) и (2) можно считать:

h k = f(G k ,G y0 ).

Предпочтительное управляющее воздействие Gk .

Расчет рабочего флегмового числа.

,
где xf - заданный состав жидкой фазы потока питания;
yf - соответствующий ему равновесный состав паровой фазы потока питания.
Рабочее флегмовое число находят из соотношений:
R=1,3*Rmin+0,3
или
R=?* Rmin,
где ?=1,2-2,5 - коэффициент избытка флегмы.

Тепловой баланс низа колонны (q н= q 0).

Уравнение динамики:

(5).

Уравнение статики:

Gгр rгр + Gх1 Cрх1qх1 = Gy0 rk + GkCpk qн (6).

На основании (5) и (6) можно считать:

qн = f (Gгр, Gк ).

Предпочтительное управляющее воздействие Gгр .

Тепловой баланс верха колонны ( qв = qн ).

Структурная схема n–ой тарелки

Рис.6.

Уравнение динамики:

(11).

Уравнение статики:

Gyn-1*Cpyn-1 *qyn-1 + Gфл*Cрфл *qфл =
Gyn *Cpyn *qв + Gxn *Cpxn *qв (12).

Обозначения:

- Мxn - масса паровой фазы наверху колонны;
- Cpyn, Cpy,n-1, Cрфл, Cpxn - удельные теплоемкости паровой и жидкой фазы на n-ой тарелке;
- Gyn-1, Gyn, Gxn - расходы паровой и жидкой фазы на n-ой тарелке.

На основании (11) и (12) можно считать:

Предпочтительное управляющее воздействие Gфл .

Уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части колонны.

(2),
где

.
Обозначим:

;

Построение рабочих линий процесса ректификации.

Рис.4.

1 - Равновесная линия процесса ректификации;
2 - Линия равных концентраций паровой и жидкой фаз компонента А в колонне.
Составы паровой и жидкой фаз в верхней и нижней частях колонны равны, т.е соответствуют линии 2.

По xд находят точку С.
По xк находят точку А.
По xf проводят вертикаль.
По оси y откладывают величину
из соотношения (1) и получают точку D.
Получают точку М на пересечении СD с вертикалью от xf.
Получают СМ - рабочую линию верха колонны.
Проводят МА - рабочую линию низа колонны.

Диаграмма «Рабочая линия-линия равновесия»
процесса ректификации.

Рис.7.

1 – равновесная линия процесса бинарной ректификации;
2 – Линия равных концентраций в паровой и жидкой фазах
Линия СМ – рабочая линия верха колонны с параметрами:
;
Линия МА – рабочая линия низа колонны с параметрами:

;

.
Анализ диаграммы «Рабочая линия - линия равновесия».

По диаграмме определяют следующие параметры:

- Число ступеней разделения, число теоретических тарелок nт и число реальных тарелок

, где ? - к.п.д. тарелки.
- Движущую силу процесса в любых точках колонны:

, что соответствует направлению массопередачи

, и

Движущие силы
зависят:

- от режимных параметров процесса, определяющих положение равновесной кривой (Р и ?);
- от xf , xд, xк - определяющих положение рабочей линии процесса;
- от R=Gфл/Gд и

, т.е. от Gфл, Gд, Gf;
- от тепловых параметров Gf.

Требуемую движущую силу процесса ректификации можно обеспечить:

- стабилизацией режимных параметров Р или ?;

- стабилизацией параметров потока питания Gf и ? f;

- стабилизацией или изменением флегмового числа R=G фл /Gд .

Объект управления

Схема ректификационной установки.

1 - ректификационная колонна; 2 - подогреватель потока питания;

1 - кипятильник; 4 - конденсатор (дефлегматор); 5 - флегмовая емкость.

Рис. 8.

Описание установки.

Объект управления - ректификационная установка для выделения из исходной жидкой смеси целевого компонента в составе дистиллята.

Процесс массопередачи происходит на тарелках укрепляющей (верхней) и исчерпывающей (нижней) частей колонны в результате взаимодействия жидкой и паровой фаз, движущихся в колонне противотоком.

Движущая сила - разность между равновесной и рабочей концентрациями целевого компонента в жидкой или паровой фазе:

соответственно.

Работа установки.

Исходная смесь Gп (Gxf) нагревается в подогревателе потока питания 2 до температуры кипения ?п0 и подается в колонну 1 на тарелку питания (i=f).

Исходная смесь стекает по тарелкам нижней части колонны в виде жидкостного потока Gx в куб колонны, участвуя в массообменном процессе с паровым потоком Gy.

Из куба колонны выводится кубовый продукт Gкуб. Часть кубового продукта подается в кипятильник 3, где испаряется с образованием парового потока Gy0 , который подается в низ колонны.

Паровой поток поднимается вверх колонны, контактируя с жидким потоком и обогащаясь целевым компонентом.

Обогащенный целевым компонентом паровой поток Gyn выводится из верха колонны и подается в дефлегматор 4, где конденсируется.

Конденсат собирается во флегмовой емкости 5. Из сборника флегмы отбирается два потока:

поток дистиллята Gд - целевой продукт;
поток флегмы Gфл - жидкая фаза, используемая для орошения верха колонны.

Показатель эффективности процесса сд - концентрация дистиллята.

Цель управления процессом - обеспечение сд.=сдзд.

Уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части колонны.

(1),
где y, x - составы паровой и жидкой фаз верха колонны, молярные доли; xд - состав дистиллята.
Обозначим:

Влияние изменения температуры q0 на температуру реакторного процесса q.

При изменении входной температуры q0 в пределах от q02 до q04 работа реактора осуществляется по петле гистерезиса D-A-B-C-D.
Участок статической характеристики А-3-С - путем изменения входной температуры не реализуется.

Возможные стационарные состояния реактора.

При q01 - одно устойчивое состояние в (·)1, но температура в реакторе низкая и реакция идет слабо.
При q02 - два стационарных состояния в (·)D и (·)С:

- (·)D - устойчивое состояние, но при низкой температуре;
- (·)С - неустойчивое состояние с возвратом в (·)D при уменьшении начальной температуры.

При q03-три стационарных состояния в (·)2, (·)3, (·)4:

- (·)2 - устойчивое состояние, но с низкой скоростью реакции;
- (·)4 - устойчивое состояние, почти полное превращение реагентов, но реакция идет с высокой температурой – вне рабочего диапазона;
- (·)3 - изменением начальной температуры не реализуется.

При q04 - два стационарных состояния в (·)А и (·)В:

- (·)А - неустойчивое состояние, с проскоком в (·)В при увеличении начальной температуры;
- (·)В - устойчивое состояние, почти полное превращение реагентов, но реакция идет с высокой температурой – вне рабочего диапазона.

При q05 - одно устойчивое состояние в (·)5, но температура в реакторе вне рабочего диапазона.

Зависимость статической характеристики

от концентрации С0 исходного реагента.

Рис.1.2.

При больших значениях С0 (С01 ) - статическая характеристика неоднозначна даже при низких температурах.
Единственность стационарного состояния возможна только при высоких значениях q0 .
Область отрицательных значений q0 практического смысла не имеет, поэтому показана пунктиром.
Уменьшение входных концентраций (С02 и С03) вызывает смещение неоднозначности статической характеристики в область более высоких температур.

Зависимость статической характеристики от концентрации С0исходного реагента.

Рис.1.2.

При больших значениях С0 (С01) - статическая характеристика неоднозначна даже при низких температурах.
Единственность стационарного состояния возможна только при высоких значениях q0 .
Область отрицательных значений q0 практического смысла не имеет, поэтому показана пунктиром.
Уменьшение входных концентраций (С02 и С03) вызывает смещение неоднозначности статической характеристики в область более высоких температур.

Определение стационарных состояний
по диаграмме «выделения – отвода тепла».

Рис.2.1.

1, 2, 3 - кривые отвода тепла Q при изменении температуры в реакторе q c различными значениями коэффициента теплопередачи a: a1 = a3 и a2 < a1,3.
4 - кривая выделения тепла
.

Система 1-4:

- одно стационарное состояние в (·)А;
- очень низкая температура в реакторе q1 ;
- низкая скорость реакции.

Система 3-4:

- одно стационарное состояние в (·)Е;
- практически полное превращение реагента;
- очень высокая температура q5 , которая может быть вне рабочей зоны реактора.

Система 2-4:

- три стационарных состояния в (·)В, С, D;
- (·)В - очень низкая температура в реакторе q2; низкая скорость реакции; стационарное состояние устойчивое;
- (·)D - практически полное превращение реагента; но очень высокая температура q4 , которая может быть вне рабочей зоны реактора; стационарное состояние устойчивое;
- (·)С - температура в рабочей зоне реактора q3; но стационарное состояние - неустойчивое.

Зависимость характеристики выделения тепла
от времени пребывания реакционной массы в реакторе.

Рис.2.2.

1, 2, 3 - характеристики выделения тепла при Тср1 > Тср2 > Тср3 .
4 - характеристика отвода тепла.
Среднее время пребывания определяется по соотношению:
, где Vрм и Qрм - объем и объемный расход реакционной массы.

При увеличении времени пребывания характеристика выделения тепла смещается влево.

Система 1-4:

- одно устойчивое стационарное состояние в (·)Е;

- практически полное превращение реагента;

- но очень высокая температура, которая может быть вне рабочей зоны реактора;

Система 3-4.

- одно устойчивое стационарное состояние в (·)А;

- очень низкая температура в реакторе;

- низкая скорость реакции.

Система 2-4.

- три стационарных состояния в (·)В , D и С;

- (·)В - очень низкая температура в реакторе; низкая скорость реакции, стационарное состояние устойчивое;

- (·)D - практически полное превращение реагента; но очень высокая температура, которая может быть вне рабочей зоны реактора; стационарное состояние устойчивое;

- (·)С - температура в рабочей зоне реактора; но стационарное состояние - неустойчивое.

Оценка устойчивости стационарных состояний

по диаграмме «выделения – отвода тепла».

Qр = f(q) - характеристика выделения тепла реакции;

Qт = f(q) - характеристика отвода тепла.

Рис.2.3.

Устойчивость реактора в стационарном состоянии В:

при
;
при
;
стационарное состояние в (·)В - устойчивое.

Устойчивость реактора в стационарном состоянии D:

при
;
при
;
стационарное состояние в (·)D - устойчивое.

Устойчивость реактора в стационарном состоянии C:

при
переход в(·)D;
при
переход в (·)В;

стационарное состояние в (·)С - неустойчивое.