Способ управления многокорпусной выпарной установкой

 

Изобретение относится к управлению многокорпусными выпарными установками с естественной циркуляцией в первом корпусе и с принудительной - в остальных, используется в химической промышленности и позволяет повысить экономичность выпаривания многокомпонентных растворов путем предотвращения кристаллизации нецелевого компонента в первом корпусе. При управлении многокорпусной выпарной установкой в исходном растворе измеряют концентрацию нецелевого компонента, в первом корпусе измеряют температуру кипения выпариваемого раствора, а концентрацию целевого компонента в упаренном растворе поддерживают изменением расхода исходного раствора, при этом расход пара в растворное пространство первого корпуса определяют и поддерживают в соответствии с выражением D_зад=D_общ - S_o/K(1 - b_o/b_I),D_зад=D_зад, если D_зад≥0; D_зад=0, если D_зад 0, где D_общ - общий расход пара, подаваемого в греющую камеру и растворное пространство первого корпуса; S_o - расход исходного раствора; K - коэффициент, характеризующий зависимость расхода выпаренной воды в первом корпусе от расхода пара в его греющую камеру; b_o - концентрация нецелевого компонента в исходном растворе; b_I - максимально допустимая концентрация нецелевого компонента в первом корпусе, определяемая в зависимости от концентрации целевого компонента и температуры кипения в этом корпусе; b_I= 20,66+0,05t_I+0,585a_I, t_I - температура кипения в первом корпусе; а_I - концентрация целевого компонента в первом корпусе. 2 ил.

Изобретение относится к управлению многокорпусными выпарными установками (далее по тексту МВУ), первый корпус которых с естественной, а остальные с принудительной циркуляцией, предназначенными для выпаривания многокомпонентных растворов, нецелевой компонент которых в процессе выпаривания выделяется в виде твердой фазы. Оно может быть использовано в химической промышленности. Целью изобретения является повышение экономичности выпаривания многокомпонентных растворов в установке, первый корпус которой с естественной, а остальные с принудительной циркуляцией. В растворное пространство первого корпуса в зависимости от расхода исходного раствора, его концентрации и концентрации целевого компонента в выпариваемом растворе и в измерении концентрации целевого компонента в упаренном растворе новым является то, что в исходном растворе измеряют концентрацию нецелевого компонента, в корпусе с естественной циркуляцией измеряют температуру кипения выпариваемого раствора, концентрацию целевого компонента в упаренном растворе поддерживают изменением расхода исходного раствора, а расход пара в растворное пространство корпуса с естественной циркуляцией определяют и поддерживают в соответствии с выражением где D_общ общий расход пара, подаваемого в греющую камеру и растворное пространство корпуса с естественной циркуляцией; S_p расход исходного раствора; K коэффициент, характеризующий зависимость расхода выпаренной воды в корпусе с естественной циркуляцией от расхода пара в его греющую камеру; B_o концентрация нецелевого компонента в исходном растворе; B_I максимально допустимая концентрация нецелевого компонента в корпусе с естественной циркуляцией, определяемая в зависимости от концентрации целевого компонента и температуры кипения в этом корпусе. При определении значения расхода пара, подаваемого в растворное пространство корпуса с естественной циркуляцией МВУ, например для упаривания электролитической щелочи, в зависимости от допустимой концентрации нецелевого компонента NaCl в выпариваемом растворе, не требуется измерять концентрацию нецелевого компонента в условиях, когда его концентрация близка к значениям, при которых происходит его кристаллизация, а также в условиях высокой температуры (приблизительно 160^o C) и высокой агрессивности целевого компонента NaOH. В то же время измерение концентрации целевого компонента - NaOH и температуры кипения выпариваемого раствора в корпусе с естественной циркуляцией, по значениям которых определяется допустимая концентрация нецелевого компонента в этом корпусе, не представляет затруднений. Действительно, концентрация NaOH может быть легко и надежно определена, например, по значению температурной физико-химической депрессии, т.е. по разности между температурой кипения раствора и температурой насыщения его вторичного пара. В результате использования ранее не применявшейся для управления МВУ концентрирующей многокомпонентные растворы совокупности регулирующих воздействий, включающей подачу исходного раствора по концентрации целевого компонента в упаренном растворе и подачу пара в растворное пространство первого корпуса в зависимости от допустимой концентрации нецелевого компонента в выпариваемом растворе первого корпуса и концентрации его в исходном растворе, проявляется новое техническое свойство одновременно поддержание как концентрации целевого компонента в упаренном растворе, так и предельно допустимой концентрации нецелевого компонента в первом корпусе, обеспечивающей надежную работу корпуса с естественной циркуляцией. Благодаря этому достигается положительный эффект увеличивается кратность использования тепла, а следовательно, повышается экономичность работы описанной выше МВУ за счет исключения необходимости перехода на работу без корпуса с естественной циркуляцией. На фиг. 1 представлена блок-схема управления МВУ по предлагаемому способу; на фиг. 2 блок-схема узла I фиг.1 регулирования подачи пара. Схема включает МВУ, состоящую из первого корпуса 1 с естественной циркуляцией и последующих корпусов 2 с принудительной циркуляцией, расходомер 3 для измерения общего расхода пара, подаваемого в греющую камеру, и растворное пространство корпуса с естественной циркуляцией; расходомер 4 исходного раствора, концентратомер 5 нецелевого компонента в исходном растворе, концентратомер 6 целевого компонента в выпариваемом растворе в корпусе с естественной циркуляцией, измеритель 7 температуры кипения раствора в корпусе с естественной циркуляцией, функциональный блок 8, предназначенный для определения максимально допустимой концентрации нецелевого компонента в корпусе с естественной циркуляцией в зависимости от концентрации целевого компонента в выпариваемом растворе этого корпуса и температуры кипения его;функциональный блок 9, предназначенный для определения требуемого расхода пара в растворное пространство, расходомер пара 10, подаваемого в растворное пространство корпуса с естественной циркуляцией, регулятор 11 расхода этого пара, регулирующий клапан 12, установленный на трубопроводе подачи пара в растворное пространство корпуса 1 с естественной циркуляцией, концентратомер 13 целевого компонента в упаренном растворе, регулятор 14 концентрации целевого компонента в упаренном растворе, задатчик 15 регулятора 14 и регулирующий клапан 16, установленный на трубопроводе исходного раствора. Устройство работает следующим образом. За исходное состояние принимаются установившийся процесс, когда концентрация целевого компонента в упаренном растворе равна заданной, а концентрация нецелевого компонента в выпариваемом растворе в корпусе 1 с естественной циркуляцией равна предельно допустимой в соотношении с текущими значениями концентрации целевого компонента в выпариваемом растворе и температуре кипения его в корпусе 1. Рассмотрим работу системы управления при некоторых возмущающих воздействиях. При изменении концентрации целевого компонента в исходном растворе через определенное время изменится концентрация в выпариваемом растворе корпуса 1 и температура кипения в нем. По сигналам концентратомера 6 и измерителя 7 температуры функциональный блок 8 по заданной заранее зависимости определит новое предельно допустимое значение концентрации нецелевого компонента в выпариваемом растворе корпуса 1 с естественной циркуляцией, соответствующее новым значениям концентрации целевого компонента в выпариваемом растворе этого корпуса и температуры кипения его. В соответствии с этим изменится сигнал на выходе функционального блока 8, в связи с чем функциональный блок 9 по сигналам блока 8, расходомера 4 исходного раствора концентратомера 5 и расходомера 3 пара по формуле определяют новое требуемое значение расхода пара, подаваемого в растворное пространство корпуса 1. Сигнал блока 9 о новом требуемом значении расхода пара в растворное пространство поступает на регулятор 11, который, сравнивая этот сигнал с сигналом расходомера 10 пара и воздействуя на регулирующий клапан 12, обеспечит подачу необходимого расхода пара. Количество воды, выпариваемое в корпусе 1 с естественной циркуляцией, изменится так, что концентрация нецелевого компонента в нем станет равной предельно допустимому значению, определенному функциональным блоком 8. При этом в ту же сторону изменится и концентрация целевого компонента в корпусе 1 и температура кипения в нем, что опять приведет к перерасчету блоком 8 предельно допустимой концентрации нецелевого компонента в корпусе 1. Так будет до тех пор, пока под воздействием изменения концентрации целевого компонента в исходном растворе не начнет изменяться его концентрация в упаренном растворе. Концентрация целевого компонента в упаренном растворе измеряется концентратомером 13, сигнал которого поступает на регулятор 14. Сравнивая сигналы концентратомера 13 о текущем значении концентрации целевого компонента в упаренном растворе и задатчике 15 о заданном ее значении, регулятор 14 для достижения заданного значения этой концентрации с помощью регулирующего клапана 16 начнет изменять расход исходного раствора. В результате изменения расхода исходного раствора начнет изменяться (теперь уже в обратную сторону) концентрация целевого и концентрация нецелевого компонента в корпусе 1. Таким образом, постепенно будет найден режим работы МВУ, характеризующийся расходом исходного раствора, расходом пара в греющую камеру и в растворное пространство корпуса 1 и обеспечивающий одновременное поддержание заданной концентрации целевого компонента в упаренном растворе и концентрации нецелевого компонента в корпусе 1 с естественной циркуляцией не выше предельно допустимого значения, благодаря чему последний работает надежно, а вся МВУ экономично. При другом возмущающем воздействии изменении концентрации нецелевого компонента в исходном растворе функциональный блок 9 по сигналам концентратомера 5, функционального блока 8, расходомера 3 общего пара и расходомера 4 исходного раствора по формуле определяет расход пара в растворное пространство корпуса 1. Поддержание этого расхода пара обеспечит переход на новый концентрированный режим выпаривания в корпусе 1. При этом в нем изменится и концентрация целевого компонента. Как и при предыдущем возмущающем воздействии система управления по предлагаемому способу "найдет" новый режим МВУ только после того, как изменится концентрация целевого компонента в упаренном растворе и регулятор 14 изменит расход исходного раствора так, чтобы эта концентрация стала равной заданному значению. Одновременно с этим будет обеспечено и значение концентрации нецелевого компонента в выпариваемом растворе корпуса с естественной циркуляцией ниже предельно допустимой величины, что, как показано выше, является необходимым условием экономичной работы МВУ. При другом возмущающем воздействии, например снижении производительности корпусов 2 с принудительной циркуляцией в связи с забивкой части греющих трубок конгломератами кристаллов нецелевого компонента, произойдет снижение концентрации целевого компонента в упаренном растворе. По сигналу концентратомера 13 регулятора 14 постепенно снизит расход исходного раствора настолько, что концентрация целевого компонента в упаренном растворе станет равной заданной. При этом функциональный блок 9 с учетом сигнала расходомера 4 о новом значении расхода раствора по формуле определит новое значение расхода пара в растворное пространство корпуса 1. Увеличение расхода пара в растворное пространство корпуса 1 приводит к снижению количества выпариваемой в нем воды из исходного раствора, благодаря чему концентрация нецелевого компонента в корпусе с естественной циркуляцией уменьшится, что, как и в предыдущих случаях, гарантирует надежную работу этого корпуса, а следовательно, и экономичную работу МВУ. Таким образом, при всех рассмотренных выше возмущающих воздействиях обеспечивается одновременное поддержание заданной концентрации целевого компонента в упаренном растворе, а концентрация нецелевого компонента в выпариваемом растворе корпуса 1 ниже предельно допустимого значения, т.е. обеспечивает надежную работу корпуса с естественной циркуляцией и благодаря этому экономичную работу МВУ. П р и м е р. Для осуществления предложенного способа из элементов выпускающихся Московским заводом тепловой автоматики, была собрана система управления. Узел регулирования подачи пара (фиг. 2) в растворное пространство корпуса 1 с естественной циркуляцией включает в себя блок умножения 17, блок деления 18, два суммирующих блока 19(а), 19(б), регулятор 11 и исполнительный механизм (ИМ), состоящий из регулирующего клапана с электропневмопреобразователем. Блок-схема этого узла представлена на фиг. 2. Для объединения перечисленных выше блоков в систему уравнения преобразовано к виду Концентрация целевого компонента b_o в баке исходного раствора определялась периодически по результатам лабораторных анализов. Сигнал о ее значении вводился с помощью задатчика ЗУ-05 в блок умножения 17, на другой вход которого поступал сигнал индукционного расходомера о расходе исходного раствора S_o. На выходе блока умножения 17 получался сигнал S_ob_o, который поступал на один из входов блока деления 18. На другой вход блока деления поступал сигнал о допустимой концентрации нецелевого компонента в корпусе 1 с естественной циркуляцией. Как было сказано выше, допустимая концентрация нецелевого компонента определялась в зависимости от концентрации целевого компонента и температуры кипения раствора в корпусе 1. Концентрация b_I определялась путем автоматического вычисления ее с помощью суммирующего блока 19(а) по результатам измерения концентрации целевого компонента a_I и температуры кипения раствора в корпусе 1 по выражению, полученному аппроксимацией данных, приведенных в литературе. Аппроксимирующее выражение b_I=20,65+0,05t_I-0,585a_I содержит постоянную величину, значение которой с учетом коэффициента масштабного перехода вводится с помощью задатчика ЗУ-05 на один из входов суммирующего блока 19(а). На другие входы этого блока поступают сигналы о температуре кипения раствора и концентрации целевого компонента a_I в корпусе 1. Полученный с помощью блока 19(а) сигнал о значении b_I используется в блоке деления 18 в качестве делителя сигнала S_ob_o. Результат деления поступает на вход блока 19(б), куда поступают сигналы об общем расходе пара и расходе исходного раствора. На выходе блока 19(б) получается о заданном (требуемом) значении расхода пара в растворное пространство корпуса 1. Этот сигнал подается на задающий регулятор 11. На другой вход регулятора поступает сигнал о текущем значении расхода пара в растворное пространство. Сравнивая текущее значение расхода с заданным, регулятор 11 вырабатывает по требующемуся П-, ПИ- или ПИД-закону управляющий сигнал. На выпарную установку поступал раствор с концентрацией целевого компонента NaOH равное 9,6% и нецелевого компонента NaCl 16,7% в количестве 217 т/ч. Пар ТЭЦ поступал в греющую камеру корпуса 1. Его расход составлял 48,1 т/ч. Температура кипения раствора в корпусе 1 была 155^o C. При этом в корпусе 1 концентрация целевого компонента составляла 11,7% а нецелевого 20,4% Выделения нецелевого компонента в корпусе 1 не происходило, так как в указанных условиях растворимость нецелевого компонента составляет 21,7% В этих условиях в соответствии с приведенным выше математическим выражением подача пара ТЭЦ в растворное пространство корпуса 1 не производилась. В последнем корпусе концентрация целевого компонента была равна 50% В связи с изменением условий работы электролизеров на выпарную установку стал поступать раствор с концентрацией целевого компонента NaOH 9,6% а нецелевого компонента NaCl 18,5% Расход этого раствора составлял 226 т/ч, а расход пара оставался прежним 48,1 т/ч. В этих условиях в корпусе 1 концентрация нецелевого компонента без вмешательства в процесс возросла бы до 22,4% что привело бы к выделению твердой фазы нецелевого компонента. При управлении по предложенному способу система управления "определила" и выдержала расход пара ТЭЦ в растворное пространство корпуса 1 (при К=0,81) D_зад= 48,1-226/0,81 (1-18,5/21,7)=8,1 т/ч. В результате этого снизилось количество воды, выпариваемое в корпусе 1, и концентрация нецелевого компонента составила 21,6% а концентрация целевого компонента в упаренном растворе упала до 44,5% Поэтому регулятор концентрации целевого компонента постепенно снизил расход исходного раствора до 209 т/ч, а регулятор расхода пара в растворное пространство корпуса 1 установил расход пара D_зад=48,1-209/0,81 (1-18,5/21,7)= 11,3 т/ч. При этом концентрация целевого компонента NaOH в упаренном растворе оказалась равной заданному значению (≈ 50%), а концентрация нецелевого компонента NaCl в корпусе 1 была чуть ниже предела растворимости и составляла 21,6% Для оценки экономического эффекта определим затраты пара на 1 т 100%-ного каустика при работе МВУ по предложенному способу и при работе по известному способу то есть с выключением корпуса 1. По предложенному способу перерабатывалось 209 т раствора с концентрацией 9,6% NaOH, что дает 20 т 100%-ного каустика. Удельный расход пара составляет при этом 48/20= 2,4 т/т. Так как концентрация продукционного каустика составляет 50% то при этом выпаривается 130 т воды. Известно, что при работе по трехкорпусной схеме на выпаривание 1 т воды расходуется 0,448 т пара. Таким образом, на получение 20 т 100%-ного каустика из 209 т исходного раствора при работе МВУ по трехкорпусной схеме потребуется 130 х 0,448=58 т пара. Удельный расход пара составит 58/20=2,9 т/т.

Формула изобретения

Способ управления многокорпусной выпарной установкой с естественной циркуляцией в первом корпусе и с принудительной в остальных корпусах, заключающийся в изменении расхода пара в растворное пространство первого корпуса в зависимости от расхода известного раствора, его концентрации и концентрации целевого компонента в выпариваемом растворе и в измерении концентрации целевого компонента в упаренном растворе, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности процесса выпаривания многокомпонентных растворов путем предотвращения кристаллизации нецелевого компонента в первом корпусе, измеряют в исходном растворе концентрацию нецелевого компонента, в первом корпусе измеряют температуру кипения выпариваемого раствора, а концентрацию целевого компонента в упаренном растворе поддерживают изменением расхода исходного раствора, при этом расход пара в растворное пространство первого корпуса поддерживают в соответствии с выражением

где D_общ общий расход пара, подаваемого в греющую камеру и растворное пространство первого корпуса;
S₀ расход исходного раствора;
К коэффициент, характеризующий зависимость расхода выпаренной воды в первом корпусе от расхода пара в его греющую камеру;
b₀ концентрация нецелевого компонента в исходном растворе;
b₁ максимально допустимая концентрация нецелевого компонента в первом корпусе, определяемая в зависимости от концентрации целевого компонента в выпариваемом растворе этого корпуса и температуры кипения в нем b₁ 20,66 + 0,05t₁ + 0,585a₁, где t₁ температура кипения в первом корпусе, а₁ концентрация целевого компонента в первом корпусе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---