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

В общем случае состав более чистого продукта должен регулиро­ ваться путем воздействия на подачу тепла в колонну.

Выберем в качестве регулирующих величин расход флегмы и подачу тепла в колонну. Влияние этих параметров на составы целевых продуктов может быть различным. Для доказательства

Далее нормализуем коэффициенты при L и V, как это ранее было сделано в уравнении (VII,16), в результате чего получим:

Влияние параметров i s У на состав дистиллята различно во всех случаях, кроме тех, когда величины "kyD и l.yL равны либо 0, либо"!. Следовательно, для рассматриваемого нами примера одновременно регулировать составы обоих продуктов при таком выборе регули­ рующих величин невозможно. Выходом из этого положения является такое регулирование процесса, при котором обеспечивается сохра­ нение материального баланса.

Применение контуров регулирования по возмущению

Регулирование состава продукта на выходе из колонны по его отклонению от заданного значения не всегда позволяет получить удовлетворительный состав продукта даже при правильном выборе настроечных параметров регулятора, так как в процессе работы изменяются подача тепла в колонну, энтальпия исходной смеси, расход и энтальпия флегмы. В значительно большей степени на качество продукта при такой схеме регулирования оказывают влия­ ние изменения расхода и состава исходного сырья.

В приведенном ранее примере было показано, что диапазон пропорциональности регулятора состава продукта может превы­ шать 1000%. А так как период колебаний такого замкнутого контура регулирования находится в интервале от 20 минут до двух часов, то время изодрома регулятора обычно устанавливают в пределах от 10 минут до одного часа. Ранее было показано, что интегральная ошибка регулирования, возникающая при изменении нагрузки, равна произведению диапазона пропорциональности регулятора

иа его время изодрома. Величина этого произведения при регулиро­ вании процесса ректификации значительно больше, чем при регу­ лировании других процессов.

Большая интегральная ошибка при регулировании состава про­ дукта приводит к значительному понижению качества последнего, поэтому для регулирования процесса ректификации целесообразно применение контуров с прямой связью. Иногда не представляется возможным автоматический анализ состава продукта иа выходе из колонны, что также делает невозможным использование контуров регулирования с обратными связями. Кроме того,- если реальные регулируемые параметры характеризуют собой экономику процесса, то, пспользуя контуры регулирования с прямой связью, можно построить системы оптимального регулирования. Таким образом, при регулировании процессов ректпфнкацпп целесообразно исполь­ зовать контуры регулирования по возмущению.

Схемы регулирования по возмущению. Материальный баланс является основой для регулирования по возмущению любых про­ цессов массопередачп. Ранее было показапо, что отношение расходов дистиллята и исходной смеси является основным параметром, влия­ ющим на составы дистиллята и кубового продукта. Математическая модель контура регулирования по возмущению основывается па уравнении материального баланса:

(XI.14)

Регулирующей величиной является расход дистиллята. Нагрузка колонны зависит от скорости подачи исходной смесп и ее состава z. Если задан состав дистиллята у, то состав кубового продукта х за­ висит от степени разделения колонны, и наоборот.

Самым существенным с точки зрения регулируемости процесса является то, что расход дистиллята на выходе из колонны пропор­ ционален скорости питания. Если даже контур регулирования упро­ щен до того, что он только поддерживает это соотношение, он все равно полезен, так как изменения скорости питания происходят по случайному закону. Известно, что при постоянной степени раз­ деления колонны можно регулировать оба параметра — и х, и у. В этом случае расход дистиллята в определенных пределах пропор­ ционален скорости питания. Однако, чтобы обеспечить постоянную степень разделения колонны, необходимо установить еще один контур регулирования с обратной связью, который будет воздей­

на линии исходной смеси, а не на линии продукта. Основным недо­ статком систем регулирования по возмущению является недоста­ точно, высокая точность регулирования параметров; однако контуры регулирования качества продуктов по отклонению от заданного

292

значения значительно дороже. Если же в системе имеются контуры регулирования с прямой и обратной связями, то требования к точ­ ности регулирования контуров с прямыми связями бывают так низки, что исключается необходимость в анализаторе на линии подачи исходной смеси в колонну (рис. X I - 1 5 ) .

Для более качественной компенсации влияния изменения расхода исходной смеси на состав дистиллята в контур обратной связи вво­ дится делитель, выходной сигнал которого в качестве задания напра­ вляется в контур регулирования расхода дистиллята. При этом отношение D/F поддерживается постоянным.

"гТ

Сырье

Рис. XI - 14 . Схема регулирования составов продуктов на выходе колонны с двумя контурами регулирования по возмущению.

Максимальная степень разделения компонентов. Если скорость подачи сырья в колонну изменяется во времени, то для обеспечения максимальной степени разделения следует подавать максимально возможное количество тепла. Ранее было показано, что такой прием может быть использован для регулирования качества одного из продуктов при одновременном увеличении расхода другого про­ дукта. Из рис. X I - 6 следует, что для регулирования состава ди­ стиллята требуется, чтобы его расход изменялся в зависимости от скорости подачи исходной смеси нелинейно, так как состав кубового продукта при этом непостоянен. Зависимость между D и ^достаточно сложна, но с некоторым приближением может быть описана сле­ дующим уравнением:

где а и Ъ — постоянные коэффициенты, определяемые по графику зависимости D от F. На рис. X I - 6 парабола описывается уравнением

D= z ( 1 , 0 4 F — 0 , 0 8 ^ 2 )

Система регулирования с прямой связью, спроектированная с учетом такой параболической зависимости, приведена на рис. X I - 1 6 .

Если состав кубового продукта является регулируемой пере­ менной, то график зависимости D от F отклоняется от наклонной прямой вверх в соответствии с равенством

293

Если расход кубового продукта значительно меньше, чем ди­ стиллята, то его выбирают в качестве величины, на которую воздей­ ствуют от состава и скорости подачи сырья в колоипу. При отсут­ ствии контура регулирования с обратной связью точность регулп- рования контура с прямой связью имеет первостепенное значение.

7

с одним контуром регулирования по возмущению.

Известно, что наибольшая точность регулирования всегда дости­ гается при воздействии на меньший расход, поэтому для квалифи­ цированного проектированпя системы регулирования прежде всего необходимо составить материальный баланс колопны.

Разделение многокомпонентных смесей. Системы регулирования

Сырье

Рпс. XI - 16 . Формирование нелинейной зависимости меж­ ду параметрами D и F с помощью устройства для из­ влечения квадратного корня и сумматора.

продуктов, отводимых из колонны. Если отводятся только два по­ тока, то расход дистиллята может быть рассчитан как сумма расходов отдельных компонентов, отводимых вверху колонны:

где kL — коэффициент извлечения i-того компонента. Коэффициент извлечения представляет собой долю компонента в исходном сырье, которая отбирается с потоком дистиллята. Более летучие компоненты имеют более высокое значение коэффициента извлечения. Значения

294

коэффициентов извлечения компонентов, отгоняемых сверху ко­ лонны, немного меньше единицы. Значения же коэффициентов извлечения более высококипящих компонентов, чем отгоняемый сверху продукт, приближаются к нулю.

Из материального баланса i-того" компонента следует:

Dyi=Fkizi

В случае бннарной смеси материальный баланс составляют только для низкокипящего компонента:

D_ kz

у

Из предыдущего анализа бинарных систем известна следующая зависимость:

D _ z—x ~F~ у—х

Так как при постоянном значении у величина а; меняется в зави­ симости от разделяющей способности колонны, то коэффициент к также меняется со степенью разделения. Изменение коэффициента к уже было продемонстрировано на рис. X I - 5 . Этот коэффициент изменяется прямо пропорционально отношению DIF.

Определение целесообразности применения контуров с прямой связью для регулирования процессов многокомпонентной ректи­ фикации начинают с анализа исходной смеси. Определяют содер­ жание в ней легкой фракции и более легко летучих компонентов, а также содержание остатка, состоящего из труднолетучих компо­

Часть схемы регулирования с прямой связью, воспроизводящая эту зависимость, приведена на рис. X I - 1 7 . Применение контура регу­ лирования с обратной связью, если оно возможно, позволит с по­ мощью делителя определить коэффициент при z2 (потому что коэф­ фициент к2 изменяется так же, как величина 1/г/2 ).

Регулирование колонны с отбором продукта с промежуточной тарелки — задача несложная. В колонне такого типа состав про­ дукта отбираемого с промежуточной тарелки, обычно является регулируемой величиной. Увеличение расхода дистиллята будет уменьшать концентрацию низкокипящих компонентов в продукте, отбираемом с промежуточной тарелки, а увеличение расхода кубового продукта — уменьшать концентрацию высококипящих компонентов. Увеличение же расхода продукта, отводимого с

295