Способ управления процессом экстрактивной ректификации
Область использования: автоматизация процессов ректификации в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности . Сущность способа: измеряют концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте, температуру , расход и уровень экстрагента в емкости, температуру сырья, расходы хладагента в Изобретение относится к автоматизации процессов ректификации и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности . Цель изобретения - сокращение потерь тяжелого и легкого ключевых компонентов, удельного расхода экстрагента и экономия энергоресурсов. холодильник и дефлегматор и перепад давления по высоте колонны стабилизируют на заданном значении концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте изменением расхода теплоносителя, определяют максимальное значение расхода экстрагента в зависимости от максимального и измеренного значений уровня в емкости и измеренного значения перепада давления по высоте колонны, определяют максимальное значение расхода флегмы в зависимости от расхода и состава сырья и заданных значений концентраций тяжелого и легкого ключевых компонентов, определяют максимальное значение расхода теплоносителя в зависимости от измеренного значения перепада давления по высоте колонны , корректируют расход экстрагента, флегмы и теплоносителя в зависимости от ранее определенных максимальных значений расходов экстрагента, флегмы и теплоносителя , измеренных значений температуры сырья и экстрагента и расходов хладагента в холодильник и дефлегматор и стабилизируют полученное значение расхода экстрагента. 1 ил. На чертеже представлена схема системы управления, реализующая данный способ . Процесс экстрактивной ректификации осуществляется в колонне 1. Разделение близкокипящих компонентов, содержащихся в сырье, на легкие компоненты, которые конденсируются в дефлегматоре 2 и собираются по флегмовой емкости 3, откуда отводятся в качестве дистиллята и ел с со ю СП СА) ы
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) !
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ (21) 4919870/26 (22) 19,03,91 (46) 30.05.93. Бюл, ¹ 20 (71) Воронежское опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-и роизводственного объединения "Химавтоматика" (72) В,А.Воротынцев, P.Н.Бешимов, Т.C,Ãàâрилов, А.И.Каплинский, В.А.Миронов и
Л,В.Кислицына (73) Нижнекамское производственное объединение "Нижнекамскнефтехим" (56) 1. Авторское свидетельство СССР
¹ 831135, кл, В 01 0 3/42, 1979.
2. Авторское свидетельство СССР
¹ 1276349. кл. В 01 D 3/42, 1985. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ
ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ (57) Область использования: автоматизация процессов ректификации в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, Сущность способа: измеряют концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте, температуру, расход и уровень экстрагента в емкости, температуру сырья, расходы хладагента в
Изобретение относится к автоматизации процессов ректификации и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, Цель изобретения — сокращение потерь тяжелого и легкого ключевых компонентов, удельного расхода экстрагента и экономия энергоресурсов.
„, ЯЦ „„1819153 АЗ (я)л В 01 D 3/42. G 05 О 27/00 холодильник и дефлегматор и перепад давления по высоте колонны стабилизируют на заданном значении концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте изменением расхода теплоносителя, определяют максимальное значение расхода экстрагента в зависимости от максимального и измеренного значений уровня в емкости и измеренного значения перепада давления по высоте колонны, определяют максимальное значение расхода флегмы в зависимости от расхода и состава сырья и заданных значений концентраций тяжелого и легкого ключевых компонентов. определяют максимальное значение расхода теплоносителя в зависимости от измеренного значения перепада давления по высоте колонны, корректируют расход зкстрагента, флегмы и теплоносителя в зависимости от ранее определенных максимальных значений расходов экстрагента, флегмы и теплоносителя, измеренных значений температуры сырья и экстрагента и расходов хладагента в холодильник и дефлегматор и стабилизируют полученное значение расхода экстрагента. 1 ил.
На чертеже представлена схема системы управления, реализующая данный способ.
Процесс экстрактивной ректификации осуществляется в колонне 1. Разделение близкокипящих компонентов, содержащихся в сырье, на легкие компоненты, которые конденсируются в дефлегматоре 2 и собираются по флегмовой емкости 3. откуда отводятся в качестве дист ил лата и
1819153 возвращаются в колонну в виде флегмы, и тяжелые KoMooHGHTH, отводимые в виде кубового продукта, осуществляется в присутствии экстрагента, подаваемого в колонну из емкости 4. Подвод тепла в колонну осуществляется через вын0сной кипятильник
5. Охлаждение экстрагента осуществляется в холодильнике 6.
Тяжелым ключевым компонентом является а-бутилен, а легким ключевым — н-бутан.
Система управления включает датчики
7, 8, 9 расхода, регуляторы 10, 11, 12, клапаны 13, 14, 15 на линиях экстрагента, флегмы и теплоносителя, датчики 16, 17, 18 расхода, состава и температуры сырья, 19 температуры и 20 уровня экстрагента в емкости 4, 21 перепада давления по высоте колонны, датчики 22, 23 расходов хладагента в холодильник 6 на охлаждение экстрагента и в дефлегматор 2 на конденсацию паров, выходящих с верха колонны, датчики 24, 25 состава дистиллата и кубового продукта, а также вычислительный блок 26, регулирующие блоки 27, 28 и сумматоры 29 и 30.
Регуляторы 10, 11, 12 являются стандартными аналоговыми регуляторами, реализующими ПИ- и ПИД-законы регулирования (например, регуляторы типа ПР3.31). Блоки
26-30 могут быть выполнены на стандартных средствах вычислительной техники, выпускаемых в нашей стране серийно.
Наиболее просто способ может быть реализован в виде комплекса программ для
ЭВМ.
В изобретении компенсация возмущений по расходу и составу сырья осуществляется по модели процесса экстрактивной ректификации с одновременной оптимизацией статического режима.
При этом определяются оптимальные значения концентраций тяжелого и легкого ключевых компонентов и управляющих воздействий: расхода флегмы, теплоносителя и экстрагента. Так как в производственном процессе часто возникают ситуации, связанные с ограниченностью запасов какихлибо продуктов или энергоресурсов, то оптимизация должна осуществляться не по одному, заранее выбранному критерию, а по некоторой совокупности критериев, характеризующих отдельные требования к качеству получаемых продуктов и энергозатратам, т.е, с использованием методов многокритериальной оптимизации.
Для сокращения области поиска оптимальных режимов (концентраций тяжел0го и легкого компонентов, расходов экстрагента, флегмы и теплоносителя) используется система ограничений на максимальные значения этих параметров. Ограничения формируются в зависимости от достигнутых значений параметров (уровень экстрагента в емкости 4, перепад давления по высоте колонны, расходы хладагента и теплоносителя и т,д.), учитывающих реально складывающуюся обстановку на объекте. и желаемых показателей качества.
Способ осуществляется следующим об10 разом.
С помощью регуляторов 10, 11, 12 осуществляется стабилизация расходов экстрагента, флегмы и теплоносителя на заданном уровне, Регулирующие блоки 27 и 28 осуществляют стабилизацию на заданном значении концентрации тяжелого компонента в дистиллате воздействием на расход флегмы и легкого ключевого компонента в кубовом
20 продукте воздействием на расход теплоносителя. Расчет управляющих воздействий расходов флегмы и растворителя этими блоками осуществляется по следующему закону .
Кр (Е(п-1}Е(пе+ l4 E(n). если E(n)+(n)> 0 и 1.1 пи< U(n)< U
Кр (Е(п-1)-E(n) U(n)»
U(n-1)
Vms о
30 где Ui(n) — управляющее воздействие в ци
nen;
Kp, KU — настроечные параметры;
E)(n), E)(n-1) — ошибка регулирования в и и и-1 циклах;
Е)(п) — производная ошибки регулирования;
40 Emax — максимально допустимое значение ошибки регулирования:
Umin, Um — минимальное и максимальное значение управляющего воздействия.
При изменении расхода или состава
45 сырья, которые определяются вычислительным блоком 26 по информации от датчиков
16 и 17, осуществляется расчет максимальных значений (верхних ограничений) расходов:
50 — экстрагента; е<(п-1ньм Цпе1си . если Lin)< 1.ии и bP(n)< bP „„
Если<(п}. если Lmi»< Цп)< L»ma и bPjn)> bPmm» где F "(n) FS (n-1) — максимально(, зн „ ние в цикле и и заданное значение в цикле и-1 расхода экстрагента:
L(n), Lm)11, Lmax — текУЩее, минимальное и максимальное значения уровня экстрагента в емкости 4;
1819153
ЛР(п), max текущее и максимальное значения перепада давления по высоте колонны;
hPm» — перепад давления. при котором жидкость не проходит через сливной патрубок, а пар не проходит через тарелку, Перепад давления определяется нагрузками по жидкости и пару, конструкцией тарелок и рассчитывается по формуле
ЛР= (0,57 — (0,4 (1,25 — — ) + UE Ao
2 Ас
+ (1 — — ) +/о2 g 2с + 1198) N, Па
Ас (3) о ..=к ч =
PG
Ка — коэффициент. — флегмы: где R — флегмовое число;
Ф " — максимальный расход флегмы;
ZXFL — концентрация легкокипящих компонентов s сырье;
S — разделительный эффект: (4) (7) XW,X0 — заданные значения концентраций н-бутана и а -бутиленов в кубовом продукте и дистиллэте:
Кэ — константа. — теплоносителя:
G т/ н = K4 hP(n), (8) где GT/н " — расход теплоносителя в колонну;
К4 — константа.
В слУчае, если L(n)
Uc — скорость пара, м/с;
Ао — общая площадь отверстий на тарелке, м;
Ас — активная площадь тарелки, м;
2, N — число тарелок в колонне;
g — 9,81 мlс;
Z — уровень жидкости на тарелке, м.
Максимальный перепад давления определяется по формуле (3), но вместо Ug используется максимальная скорость газа, определяемая по формуле оптимизируемых параметров. т.к. является оптимальным с точки зрения безопасности процесса (и ри L(n)
При выполнении условий Lmin 10 и hP(n)< APmax вычислительный блок 26 осуществляет оптимизацию режима по полному вектору поисковых переменных //=(ХО, XW, Fs, R, GT/H ). Используя рассчитанные максималь15 ные значения расходов зкстрагента, флегмы и теплоносителя, информацию от датчиков 16, 17, 18, 19, 22 и 23 вычислительный блок 26 рассчитывает заданные значения,концентраций а-бутилена s дистиллате и н-бу20 тана в кубовом продукте. используя программу многокритериальной оптимизации по уравнениям математической модели процесса экстрактивной ректификации. 25 (9) где а — относительная летучесть н-бутана а = а «+ a a tR+ а2(1- — — ) (10) R ..О РО + R ао, а1, а2 — постоянные коэффициенты; NN — число тарелок в колонне; tR — средняя температура в укрепляющей секции; Π— расход дистиллата: 40 Х ХН вЂ” МЖ = т=л&м "1 Р q — доля пара в сырье: X Fi 45 --1 (12) 1 — q (1 — — ) KKl m — число компонентов в сырье; ХŠ— концентрация i-го компонента в 50 сырье . ККi — константа фазового равновесия Iго компонента, определяемая по формуле: KKi=ex р (А- — ) В Т+ С (13) А,В,С вЂ” коэффициенты; Т вЂ” температура сырья. определяемая датчиком 18. 6т/H={ (R + 1) f — я ) Ц ) Цп) К7 Х ХР— XW (14) (16) (17) (18) г=п1ах l3=N3x(W Uln+D ЦО Оэн) (19) Оэн — стоимость расходуемых энергоресурсов. Стоимость энергоресурсов складывается из затрат тепловой энергии на испарение 2 сырья и флегмы и определяется по формуле От/н — расход теплоносителя в куб колонны; К7 — коэффициент, W=F(n)-D, (15) где W — расход кубового продукта. Решенные уравнения (7)-(14) определяют также значение расходов флегмы, экстра гента и теплоносителя, которые обеспечивают поддержание XD и ХК на рассчитанном значении и доставляют минимум векторному критерию Ч=У1, Ь, з), где 11=rnInFs ключевых компонентов на вновь рассчитанном значении. Пример. Параметры технологического режима колонны экстрактивной ректифика5 ции бутан-бутиленовой фракции имеют следующие значения: F=15 т/ч; Ж-17,6 т/ч, Fs=73,5 т/ч, D=10,5 т/ч, W=4,5 т/ч; О / =6,2 т/ч; О1x/à=342 т/ч; Огх/а=3675 т/ч; 10 XFL=0,7; XD=0,02; XW=0,008; R=1.73; N=4,9 т/т; ЕMV=0,18; NN=126; a= 2,03; L= 28%;ЛР= 0,036 МПа; ЛРщах= 0,052 МПа; Fx/à1=342,8 т/ч, Fx/à2=3675 т/ч. 15 Пусть концентрация легколетучих компонентов в сырье уменьшилась до ZXFL =0,67. Тогда максимальные значения расходов флегмы, экстрагента и теплоносителя будут иметь значения: От/н=Рт/н Цт/н (20) где F /n — расход теплоносителя, измеряемый датчиком 9; Ц /н — цена Гкал теплоносителя, руб/Гкал; стоимости хладагента„расходуемого на конденсацию паров в дефлегматоре 2 Gx/а1 цх/а1 Рх/y„1 (21), где Llx/a1 — цена 1 м хладагента; Fx/a1 — раСХОд ХЛадаГЕНта, ИЗМЕряЕМЫй датчиком 23; и стоимости хладагента, используемого на охлаждение экстрагента в холодильнике 6: Ох/а2=г х/А2 Цх/а2 (22) где Fx/a2 расход хладагента, измеряемый датчиком 22; Рассчитанные значения концентраций а-бутилена в дистиллате и н-бутана в кубовом продукте выдаются в качестве задания регулирующим блоком 27 и 28, а значения расходов флегмы и теплоносителя через сумматоры 29 и 30 — в качестве задания регуляторам 11, 12, В течение времени Тр=(Тобвй+ 28 по информации от датчиков состава 24, 25 и вычислительного блока 26 рассчитывают значения расходов флегмы и теплоносителя в соответствии с законом (1) и через сумматоры 29 и 30 выдают их в качестве задания регуляторам 11, 12 с целью стабилизации концентраций тяжелого и легкого 25 Fmax=73,5-0,35(30-28)=72,8 т/ч О / "=150 0,052=7,8 т/ч Так как влекущее значение уровня экстрагента в емкости меньше минимального, то Fs " принимается за оптимальное зна30 чение. Оптимизация режима по критериям (17К19) приводит к следующим значениям режимных параметров: ХО=0,01; XW=-0,02; 35 ) — — 0,67 или D-=10 т/ч; R=1,63; Ф-16,3 т/ч: Fs=7.2,8 т/ч; W=5 т/ч; Рх/а1=336 T/÷, Fx/a2=3670 т/ч, От/н=6,07 т/ч. Формула изобретения Способ управления процессом экстрактивной ректификации путем измерения расхода сырья, стабилизации на заданном 45 значении концентраций тяжелого ключевого компонента в дистиллате изменением расхода флегмы, регулирования расхода теплоносителя, отличающийся тем, что, с целью сокращения потерь, тяжелого и 50 легкого ключевых компонентов, удельного расхода экстрагента и экономии энергоресурсов, измеряют концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте, температуру сырья, расходы хладагента в холодильник и дефлегматор и перепад давления по высоте колонны, стабилизируют на заданном значении концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте изменением расхода теплоносителя, опре1819153 Составитель В.Воротынцев Техред М,Моргентал Корректор И,шулла Редактор А.Горячева Эфкаэ 1945 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент". f, Ужгород, ул.Гагарина, 101 деляют максимальное значение расхода экстрагента в зависимости от максимального и измеренного значений уровня в емкости и измеренного значения перепада давления по высоте колонны, определяют максимальное значение расхода флегмы в зависимости от расхода и состава сырья и заданных значений концентраций тяжелого и легкого ключевых компонентов, определяют максимальное значение расхода теплоносителя в зависимости от измеренного значения перепада давления по высоте колонны, корректируют расход зкстрагента, флегмы и теплоносителя в зависимости от 5 максимальных значений расходов экстрагента флегмы и теплоносителя, измеренных значений температуры сырья и экстрагента и расходов хладагента в холодильник и дефлегматор и стабилизируют полученное 10 значение расхода экстрагента.
