Файл: Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов.pdf

Поддерживать заданный уровень жидкости в сборнике измене­ нием расхода флегмы довольно трудно. Составы продуктов на та­ релках колонны определяются материальным балансом верхней тарелки, поэтому изменение расхода дистиллята па выходе из сбор­ ника не будет влиять на состав продуктов в колонне лишь при по­ стоянстве расходов флегмы и пара. Регулятор же уровня в течение довольно длительного промежутка времени не сможет изменить расход флегмы из-за инерционных свойств сборника. Таким образом, емкость сборника существенно влияет на процесс регулирования состава верхнего продукта.

Если бы изменение расхода флегмы вызывалось тем же регу­ лирующим сигналом, что и изменение расхода дистиллята, то инер­ ционными свойствами сборника можно было бы пренебречь. В этом случае при уменьшении расхода флегмы расход дистиллята должен увеличиваться на такую же величину, чтобы уровень жидкости в сборнике не менялся.

Если же схему регулирования составить так, чтобы изменение

обратном тому, которое было при обычном регулировании уровня с клапаном на линии выхода из сборника только флегмы. Со временем регулятор уровня установит расход флегмы на новом значении. При этом в материальный баланс верхней тарелки колонны вводится опережающее воздействие, несколько увеличивающее скорость ре­ агирования контура регулирования состава. В результате сборник как объект регулирования вместо запаздывания будет обладать опережеппем.

На рпс. 1Х-12, а приведена схема регулирования, где в контур вводится опережающее воздействие. В этой схеме расход флегмы связан с расходом дистиллята и выходной величиной регулятора уровня следующей зависимостью:

того и другого устанавливается коэффициентом К. Запаздывание сборника зависит от его постоянной времени и заданного значения уровня, устанавливаемого на регуляторе. Для отключения этой схемы регулирования коэффициент К устанавливают равным нулю.

Реализация уравнения ( X I ,13) возможна лишь при условии линеаризации выходных сигналов измерителей расхода, т. е. разным значениям расхода будет соответствовать различное время опере­ жения. Величина коэффициента К выбирается такой, чтобы свести к минимуму период колебаний контура регулирования состава верхнего продукта. При этом заданное значение уровня в сборнике может устанавливаться в широких пределах. Таким образом, изме-

286

няя величину коэффициента К, можно придать контуру регулиро­ вания состава различные свойства.

Работа контура регулирования состава продукта. В качестве дат­ чиков в замкнутом контуре регулирования состава продукта при­ меняются анализаторы качества или измерители температуры. Чувствительность этого контура регулирования при использовании измерителя температуры значительно выше, что объясняется сле­ дующими причинами. Во-первых, анализатор качества обычно

От PC дистиллята

располагают на самом верху колонны, в то время как чувствительный элемент измерителя температуры устанавливают ближе к середине колонны. В результате этого измеритель температуры быстрее реагирует на изменения материального баланса колонны. Во-вторых, анализатор качества продукта, как правило, характеризуется на­ личием запаздывания в пробоотборной системе; так, у хроматографа запаздывание наблюдается при разделении поступающей в него пробы. Для уменьшения времени запаздывания пробу продукта рекомендуется отбирать в виде пара.

Рассмотрим работу ректификационной колонны при ступенчатом изменении расхода дистиллята. Результат такого эксперимента приведен на рис. X I - 1 3 .

287

При изменении расхода дистиллята состав верхнего продукта изменяется во времени с большим запаздыванием, характерным для многоемкостных объектов. При этом сначала изменяется рас­ пределение материальных потоков иа верхней тарелке колонны, а затем состав дистиллята. Новое распределение потоков, возникшее в результате изменения расхода флегмы, распространяется вниз по колонне. Дойдя до куба, оно вызывает новую (отраженную) волну изменения потоков вверх по колонне, достигающую через некоторый отрезок времени верхней тарелки. Реакция колонны па ступенчатое возмущение в этом случае аналогична реакции объекта, обладающего одной емкостью н двумя звеньями чистого запаздывания, время запаздывания которых значительно отличается.

О

Рис. XI - 13 . Влпяппе ступенчатого изменения расхода дпстпллята на его состав:

1 — прямая волна; г — отраженная волна; 3 — суммарное воздействие.

Основное влияние иа переходный процесс в контуре регулиро­ вания оказывает звено с меньшим временем запаздывания, которое зависит главным образом от расстояния между клапаном, устано­ вленным на линии дистиллята, и анализатором качества продукта. Это время находится в пределах от 5 до 30 мин. Объем сборника конденсата также существенно влияет на динамические характе­ ристики рассматриваемого объекта. Обычно замкнутый контур регулирования состава верхнего продукта совершает колебания с периодом от 20 минут до двух часов.

Как видно из рис. I I - 4 , отношение эффективного времени чистого запаздывания к эффективной постоянной времени мно го емкостного объекта обычно находится в пределах от 0,15 до 0,30. По этому отношению можно определить динамический коэффициент передачи колонны. Зная последний, а также коэффициенты передачи процесса ректификации и датчика системы регулирования, можно определить требуемый диапазон пропорциональности регулятора.

В рассмотренном выше числовом примере (стр. 274)

d{D[F)

288

Отсюда коэффициент передачи процесса ректификации равен

регулятором расхода исходной смеси. Коэффициент передачи такого контура регулирования расхода Gf при изменении заданного зна­ чения параметра равен коэффициенту передачи клапана в контуре регулирования состава продукта. При наличии линейного изме­ рителя расхода этот коэффициент передачи представляет собой максимальный расход дпстиллята, поделенный на 100%. Поскольку отношение DIF — 0,5, то максимальное значение расхода дистиллята равно 0,5 F, а коэффициент передачи клапана составляет 0,5 .Р/100%.

Так как значение у принято равным 0,95, то шкала анализатора качества продукта должна иметь пределы от 0,90 до 1,00. Следо­ вательно, диапазон измерения анализатора равен 0,10, и коэффи­

Требуемое значение диапазона пропорциональности регулятора

к чистоте дистиллята. Прп необходимости же получения продуктов высокой частоты применяют анализаторы с еще меньшим диапазоном измерения. Если бы в рассмотренном выше примере диапазон изме­ рения анализатора качества дистиллята был равен 0,01, то диапазон пропорциональности регулятора нужно было бы установить рав­ ным 1430%.

Для повышения скорости реакции контура регулирования со­ става верхнего продукта иногда отбирают пробу на тарелке, рас­ положенной ближе к середине колонны. Но как и в случае с датчиком температуры, это не гарантирует получение продукта требуемого качества.

Качествеиное регулирование состава верхнего продукта и вы­ сокую скорость реакции контура регулирования на возмущения можно обеспечить применением каскадной системы регулирования2 9 . При этом необходимо, чтобы регулятор температуры, чувствительный элемент которого располагается между верхом колонны и тарелкой

питания, воздействовал на расход дистиллята, а заданное значение регулятора температуры устанавливалось регулятором состава, реагирующим на качество верхнего продукта.

Регулирование составов верхнего п нижнего продуктов. Суще­ ствует жесткая взаимозависимость между качеством верхнего и нижнего продуктов на выходе пз колонны. Одновременное регулиро­ вание качества этих продуктов по отклонению от заданных значений не приводит к положительным результатам. Для выяснения причин этого явления и выдачи рекомендации но регулированию найдем матрицу относительных коэффициентов передачи процесса.

Эти четыре коэффициента передачи определяют условия регу­ лирования замкнутых контуров. По их обратным величинам могут быть найдены значения относительных коэффициентов передачи процесса, как это было сделано ранее для разомкнутого контура регулирования при помощи уравнения (VII,16) . В результате, в частности, получим:

для случая ректификации бинарной смеси (приведенный выше пример) Куц — 0,5. Так как степень разделения смеси в колонне зависит только от отношения V/F, то KyV = XyS.

Чтобы определить, какое регулирующее воздействие более це­ лесообразно в конкретных условиях — на расход кубового продукта, или на расход дистиллята, следует составить матрицу из коэффи­ циентов передачи процесса, характеризующих степень влияния параметров B/F и S на величину х и у. При этом относительный

регулятор состава какого продукта должен воздействовать на подачу тепла в колонну, а какого — на материальный баланс колонны.

290