Способ автоматического управления процессом ректификации и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2509593:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ") (RU)
Изобретение предназначено для автоматического управления процессом ректификации и может быть использовано в химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности. Способ заключается в адаптивном управлении верхней точкой профиля температур путем изменения расхода флегмы в зависимости от величины текущих потерь сырья, компенсации возмущающего воздействия со стороны питающей смеси, прогнозе концентрации по математической модели компенсатора верха колонны. Устройство включает ректификационную колонну, датчики температуры, регуляторы температуры верха и низа колонны, температуры питающей смеси, расхода перегретого пара, расхода хладагента, расхода греющего пара, дефлегматор, два теплообменника, расположенные на линии отвода кубового остатка и на линии подачи питающей смеси, блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны, два хроматографа, расположенные на линии отвода целевого продукта и на линии подачи питающей смеси, выходы которых соединены с входом регулятора концентрации целевого продукта в нижней части колонны, регулятор расхода флегмы, расхода целевого продукта, уровня кубовой жидкости колонны, блок формирования задания для регулятора расхода флегмы и регулятора температуры верха, блок компенсации возмущений. Технический результат: повышение эффективности работы колонны. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Способ автоматического управления процессом ректификации может быть использован в химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, металлургической и пищевой промышленности.
Известен близкий к предлагаемому изобретению способ автоматического регулирования процесса ректификации (Авторское свидетельство СССР SU №1526723, кл. B01D 3/42, G05D 27/00, 1989 г.) путем задания температурного профиля колонны и изменения подачи теплоносителя и орошения в зависимости от изменения температурного профиля ректификационной колонны, который реализует измерение давления в верхней и нижней частях колонны и, в зависимости от измеренных значений давлений, корректирование температурного профиля колонны, определение высоты участка колонны, на котором температура не меньше температуры кипения кубового продукта заданного состава, и высоты участка колонны, на котором температура не превышает температуры кипения дистиллята заданного состава, расчет скорости изменения температуры по высоте колонны и, в зависимости от значений определенных высот участков колонны и скорости изменения температуры по высоте колонны параметров, корректирование расходов теплоносителя и орошения, расхода и теплосодержания питающей смеси.
Недостатком аналога является попытка уменьшить статическую погрешность измерения температурного профиля колонны применением контроля давления в верхней и нижней частях колонны, что неизбежно приводит к появлению неопределенностей по фиксации температуры верха и низа колонны и увеличивает динамические погрешности процесса управления и время регулирования температуры питающей тарелки. Также в известном способе отсутствует компенсация инерционности процесса ректификации, что приводит к ухудшению качества регулирования.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, заложенный в устройстве автоматического регулирования процесса ректификации (патент РФ №104475, МНК B01D 3/42, 2011 г.). Способ автоматического регулирования процесса ректификации, выбранный в качестве прототипа, заключается в идентификации математической модели колонны, определении ее текущего температурного профиля, вычислении текущего значения эффективности работы ректификационной колонны, устанавливаемого в качестве задания регулятору температуры питающей смеси, осуществлении управляющих воздействий, таких как: управление расходом поступающего в первый теплообменник перегретого пара, посредством которого осуществляется робастная стабилизация температуры низа колонны, управление расходом подаваемого в дефлегматор хладагента, посредством которого осуществляется робастная стабилизация температуры верха колонны, и регулирование температуры тарелки питания посредством второго теплообменника регулятором температуры питающей смеси за счет изменения расхода греющего пара, что позволяет реализовать адаптивное управление температурой тарелки питания.
Устройство, реализующее указанный выше способ, содержит ректификационную колонну, датчики температуры, регуляторы температуры верха и низа колонны, два теплообменника, дефлегматор, два хроматографа, регуляторы расхода перегретого пара и расхода хладагента, регулятор расхода греющего пара, регулятор температуры питающей смеси и блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны.
Недостатком прототипа является жесткая (робастная) стабилизация температуры верха и температуры низа колонны, что требует применения хроматографов по низу и по верху колонны. Это не позволяет применять данное устройство для разделения многокомпонентных смесей.
Эффективность работы ректификационной колонны определяется текущим профилем концентраций по высоте колонны, который непосредственно связан с текущим профилем температур по высоте колонны.
Техническая задача, решаемая предлагаемым способом автоматического управления процессом ректификации, состоит в адаптивном управлении профилем температур по всей высоте колонны путем изменения положения верхней точки профиля, что не требует наличия хроматографа по верху колонны.
Технический результат, получаемый при решении поставленной технической задачи, заключается в повышении эффективности работы ректификационной колонны при прогнозе профиля температур по высоте колонны путем вычисления его по математической модели, адаптивного управления температурой тарелки питания, робастной стабилизации нижней точки профиля температур (температуры низа колонны) и адаптивного управления положения верхней точки профиля температур колонны (температуры верха колонны), и достигается тем, что способ автоматического управления процессом ректификации включает в себя идентификацию математической модели колонны, определение ее текущего профиля температур, вычисление текущего значения эффективности работы ректификационной колонны, устанавливаемого в качестве задания регулятору температуры питающей смеси, осуществление управляющих воздействий, таких как: управление расходом поступающего в теплообменник перегретого пара, посредством которого осуществляется робастная стабилизация температуры низа колонны, управление расходом подаваемого в дефлегматор хладагента и регулирование температуры тарелки питания посредством изменения расхода греющего пара, проходящего через теплообменник, который расположен на линии подачи питающей смеси в колонну, согласно изобретению дополнительно реализует адаптивное управление верхней точкой профиля температур путем изменения расхода флегмы в зависимости от величины текущих потерь сырья по верху колонны, определяемых по соотношению
ΔJв(j·Ts)=fu(j·Ts)-Kдр·fn(j·Ts),
где fn(j·Ts)=M{Qод(k·Tc)}·Cn(j·Ts) - прогноз количества сырья (потери) в отбираемом дистилляте; Qод(k·Tc) - расход отбираемого дистиллята, измеренный расходомером; M{Qод(k·Tc)} - математическое ожидание расхода отбираемого дистиллята на периоде одной циклограммы; Cn(j·Ts)=М{Cn(k·Тс)} - текущее значение (среднее) концентрации сырья по верху колонны, вычисляемое по математической модели колонны; Кдр - адаптивный (настроечный) коэффициент; fu(j·Ts)=Qnum(j·Ts)·Cu(j·Ts) - количество сырья (потери) в линии питания; Qnum(j·Ts) - расход питания, измеряемый расходомером; Cu(j·Ts) - концентрация сырья в линии питания, измеренная хроматографом; Тс - время опроса датчиков; j - порядковый номер хроматографической циклограммы; k - порядковый номер элемента в массиве (k=0, 1…N-1); Ts=N·Tc - длина циклограммы промышленного хроматографа (в секундах); N - число элементов в массиве.
Устройство, осуществляющее предлагаемый способ автоматического управления процессом ректификации, включает в себя ректификационную колонну, датчики температуры, регуляторы температуры верха и низа колонны, регулятор температуры питающей смеси, регуляторы расхода перегретого пара и расхода хладагента, регулятор расхода греющего пара, дефлегматор, два теплообменника, расположенные на линии отвода кубового остатка и на линии подачи питающей смеси, блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны, согласно изобретению дополнительно снабжено двумя хроматографами, расположенными на линии отвода целевого продукта и на линии подачи питающей смеси, выходы которых соединены с входом регулятора концентрации целевого продукта в нижней части колонны, содержит регуляторы расхода флегмы, расхода целевого продукта, уровня кубовой жидкости колонны, блок формирования задания для регулятора расхода флегмы и регулятора температуры верха, блок компенсации возмущений, причем выходы блока формирования задания соединены с входами регуляторов расхода флегмы и температуры верха, а вход соединен с выходом компенсатора возмущений.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для реализации способа автоматического управления процессом ректификации.
Устройство состоит из: ректификационной колонны 1, оснащенной датчиками температур 2, дефлегматора 3, регулятора расхода хладагента 4, блока формирования задания 5, компенсатора возмущений 6, теплообменника 7, расположенного на линии отвода кубового остатка 23, регулятора температуры низа колонны 8, регулятора расхода перегретого пара 9, регулятора концентрации целевого продукта в нижней части колонны 10, блока идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны 11, регулятора расхода греющей смеси 12, теплообменника 13, расположенного на линии подачи питающей смеси 19, регулятора температуры верха колонны 14, регулятора расхода флегмы 15, регулятора расхода целевого продукта 16, регулятора уровня кубовой жидкости в колонне 17, регулятора температуры питающей смеси 18, хроматографов 20 и 21, расположенных на линии подачи питающей смеси 19 и на линии отвода целевого продукта 22 соответственно, линии отвода кубового остатка 23, линии связи 24 хроматографа 20 с регулятором концентрации целевого продукта в нижней части колонны 10.
Устройство работает следующим образом. Информация о текущем значении профиля температур ректификационной колонны 1, поступающая от датчиков температуры 2, расположенных по всей ее высоте, поступает на блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны 11, который предназначен для адаптивного управления температурой питающей смеси на тарелке питания колонны.
Идентификация эталонной математической модели проводится по критерию минимума среднеквадратического отклонения температурного профиля, измеренного блоком 2, от температурного профиля, определяемого по математической модели следующим образом:
где Э(iTs) - текущее значение эффективности работы ректификационной колонны, Uj(iTs) - текущее значение температуры j-той тарелки, измеренное термопарой, Mj(iTs) - текущее значение температуры j-той тарелки, определяемого по математической модели, L - термопар в температурном профиле, TS - период опроса датчиков. Вычисленное таким образом текущее значение эффективности работы ректификационной колонны Э(iTs) устанавливается в качестве задания регулятору температуры питающей тарелки. Таким образом, адаптивное управление осуществляется путем изменения задания регулятору температуры питающей смеси 18, который предназначен для формирования задания регулятору расхода греющего пара 12 посредством теплообменника 13, расположенного на линии подачи питающей смеси в колонну 19.
Положение нижней точки профиля температур жестко фиксируется с помощью хроматографа, расположенного на линии отвода целевого продукта 22. Сигнал от хроматографа формирует сигнал задания для регулятора температуры низа колонны 8.
Робастная стабилизация нижней точки профиля температур осуществляется путем изменения перегретого пара, подаваемого в теплообменник 7, регулятором расхода перегретого пара 9. В качестве задания регулятору расхода перегретого пара 9 поступает сигнал от регулятора температуры низа колонны 8, заданием которому служит сигнал от регулятора концентрации целевого продукта 10.
Адаптивное управление верхней точкой профиля температур осуществляется посредством изменения расхода хладагента, подаваемого в дефлегматор 3, регулятором расхода хладагента 4. Заданием для блока 4 служит выходной сигнал регулятора температуры верха колонны 14 (П-регулятора):
ΔT(j·Ts)=-k1·ΔC(j·Ts),
где j - порядковый номер хроматографической циклограммы; Ts - длина циклограммы промышленного хроматографа (в секундах); kl - настроечный коэффициент блока, ΔT(j·Ts) - задание регулятору температуры верха 14; ΔC(j·Ts) - приращение концентрации. Входным параметром блока 14 является прогноз приращения текущего значения концентрации сырья по верху колонны, который формируется в блоке формирования задания 5 по алгоритму
ΔC(j·Ts)=CK(j·Ts)-k2·CП(j·Ts),
где ΔC(j·Ts) - приращение концентрации; CK(j·Ts) - прогноз компенсатором текущего значения концентрации сырья по верху колонны; CП(j·Ts)=М{Сп(k·Тс)} - прогноз текущего значения концентрации сырья по верху колонны, рассчитываемый по математической модели колонны; k2 - настроечный коэффициент; j - порядковый номер хроматографической циклограммы; Тс - время опроса датчика; k - порядковый номер элемента в массиве (k=0,1·N-1); N - число элементов в массиве; Тс - время опроса датчиков; Ts - длина циклограммы промышленного хроматографа (в секундах).
Выходной сигнал компенсатора возмущений Cn(j·Ts) формируется в блоке 6 по алгоритму
где ΔCu(j·Ts)=Cu((j·Ts)-Cu((j·1)·Ts) - входной сигнал компенсатора; Cu(j·Ts), Cu((j-1)·Ts) - текущее и предыдущее значения концентрации сырья в питающей смеси соответственно; ΔCк(j·Ts)=Cк((j·Ts)-Cк((j-1)·Ts) - выходной сигнал компенсатора; Cк((j·Ts), Cк((j-1)·Ts) - текущее и предыдущее значения концентрации сырья по верху колонны, прогнозируемые компенсатором возмущений 6, соответственно; j - порядковый номер хроматографической циклограммы; Ts - длина циклограммы промышленного хроматографа (в секундах); Тд - настроечный коэффициент дифференциальной части компенсатора; ka - настроечный коэффициент пропорциональной части компенсатора; Та - настроечный коэффициент интегральной части компенсатора; Δt - настроечный коэффициент модуля ввода аналоговых сигналов, равный 1 секунде.
Кроме того, в блоке 5 формируется задание для регулятора расхода флегмы 15 в виде приращения расхода флегмы
ΔQф(j·Ts)=k3·ΔJв(j·Ts),
где ΔQф(j·Ts) - задание для регулятора расхода флегмы; ΔJв(j·Ts) - потери сырья по верху колонны на периоде управления; k3-настроечный коэффициент; j - порядковый номер хроматографической циклограммы; Ts -длина циклограммы промышленного хроматографа (в секундах).
Таким образом, компенсации возмущающего воздействия со стороны питающей смеси, за счет применения компенсатора возмущений (дополнительного блока 6), и прогноз концентрации по математической модели компенсатора верха колоны позволяют решить поставленную задачу адаптивного управления верхней точкой профиля температур путем изменения расхода флегмы.
1. Способ автоматического управления процессом ректификации включает в себя идентификацию математической модели колонны, определение ее текущего профиля температур, вычисление текущего значения эффективности работы ректификационной колонны, устанавливаемого в качестве задания регулятору температуры питающей смеси, осуществление управляющих воздействий, таких как: управление расходом поступающего в теплообменник перегретого пара, посредством которого осуществляется робастная стабилизация температуры низа колонны, управление расходом подаваемого в дефлегматор хладагента и регулирование температуры тарелки питания посредством изменения расхода греющего пара, проходящего через теплообменник, который расположен на линии подачи питающей смеси в колонну, отличающийся тем,что дополнительно реализует адаптивное управление верхней точкой профиля температур путем изменения расхода флегмы в зависимости от величины текущих потерь сырья по верху колонны, определяемых по соотношению
ΔJв(j·Ts)=fu(j·Ts)-Kдр·fn(j·Ts),
где fn(j·Ts)=M{Qод(k·Tc)}·Cn(j·Ts) - прогноз количества сырья (потери) в отбираемом дистилляте; Qод(k·Tc) - расход отбираемого дистиллята, измеренный расходомером; M{Qод(k·Tc)} - математическое ожидание расхода отбираемого дистиллята на периоде одной циклограммы; Cn(j·Ts)=М{Cn(k·Тс)} - текущее значение (среднее) концентрации сырья по верху колонны, вычисляемое по математической модели колонны; Кдр - адаптивный (настроечный) коэффициент; fu(j·Ts)=Qnum(j·Ts)·Cu(j·Ts) - количество сырья (потери) в линии питания; Qnum(j·Ts) - расход питания, измеряемый расходомером; ·Cu(j·Ts) - концентрация сырья в линии питания, измеренная хроматографом; Тс - время опроса датчиков; j - порядковый номер хроматографической циклограммы; k - порядковый номер элемента в массиве (k=0, 1…N-1); Ts=N·Tc - длина циклограммы промышленного хроматографа (в секундах); N - число элементов в массиве.
2. Устройство, осуществляющее предлагаемый способ автоматического управления процессом ректификации, включает в себя ректификационную колонну, датчики температуры, регуляторы температуры верха и низа колонны, регулятор температуры питающей смеси, регуляторы расхода перегретого пара и расхода хладагента, регулятор расхода греющего пара, дефлегматор, два теплообменника, расположенные на линии отвода кубового остатка и на линии подачи питающей смеси, блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны, отличающееся тем, что дополнительно снабжено двумя хроматографами, расположенными на линии отвода целевого продукта и на линии подачи питающей смеси, выходы которых соединены с входом регулятора концентрации целевого продукта в нижней части колонны, содержит регуляторы расхода флегмы, расхода целевого продукта, уровня кубовой жидкости колонны, блок формирования задания для регулятора расхода флегмы и регулятора температуры верха, блок компенсации возмущений, причем выходы блока формирования задания соединены с входами регуляторов расхода флегмы и температуры верха, а вход соединен с выходом компенсатора возмущений.
