СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F25J3/04 

Изобретение касается управления ректификационными колоннами и может быть использовано для автоматического регулирования объемной доли кислорода в продукционном азоте в воздухоразделительных установках, работающих при переменных режимах.

Известна воздухоразделительная установка, в которой воздух предварительно разделяют в нижней ректификационной колонне на кубовую жидкость и чистый азот, который затем конденсируется и используется для орошения верхней и нижней колонн. Установка предназначена для получения продуктов разделения воздуха высокой чистоты. Под влиянием возмущающих воздействий происходит нарушение режима работы установки, что приводит к снижению качества целевого продукта.

Решить задачу автоматической стабилизации качества верхнего целевого продукта с помощью стандартных регулирующих устройств невозможно из-за унимодальной зависимости объемной доли кислорода верхнего продукта от расхода азотной флегмы.

В качестве прототипа выбрано известное техническое решение, заключающееся в стабилизации состава целевого продукта путем изменения расхода потока флегмового орошения. Зависимость между регулируемой величиной и регулирующим воздействием в данном случае является однозначной, что позволяет решить задачу стабилизации с использованием стандартных регулирующих устройств. Однако в воздухоразделительных двухколонных установках зависимость между составом верхнего целевого продукта и расходом флегмового орошения унимодальная, поэтому известным способом задача стабилизации не может быть решена.

Рассмотрим геометрическую интерпретацию предлагаемого способа.

На фиг. 1 представлен график изменения расхода воздуха (V_В) в установке разделения на интервале (0, Т), где показано, что производительность установки на интервале (0, τ₁) равна V⁽¹⁾_B, а в моменты времени τ₁ и τ₂ изменяется до значений V⁽²⁾_B, V⁽³⁾_Bсоответственно.

Семейство статических характеристик Y_A=f(G_фл), где объемная доля кислорода в чистом азоте, G_фл расход азотной флегмы), каждая из которых соответствует значениям расхода воздуха V⁽¹⁾_B, V⁽²⁾_B, V⁽³⁾_B на определенных временных интервалах, приведено на фиг. 2. Первому режиму V⁽¹⁾_B, при котором объемная доля кислорода в чистом азоте равна заданной Y^3Д_A, соответствует точка A₁, а необходимый для этого расход азотной флегмы составляет G_фл'. При изменении расхода воздуха в момент времени τ₁ со значения V⁽¹⁾_B до V⁽²⁾_B и расходе азотной флегмы G_фл', рабочей точкой процесса будет B₂ на кривой 2. При этом объемная доля кислорода в чистом азоте станет на ΔY⁽²⁾_A меньше задания. Для восстановления требуемой объемной доли кислорода в чистом азоте, т.е. перехода в точку A₂, необходимо расход азотной флегмы уменьшить до значения G⁽²⁾_фл. В момент времени τ₂ расход воздуха изменится до значения V⁽³⁾_B. Новому значению воздуха V⁽³⁾_B и азотной флегмы G⁽²⁾_флна кривой 3 будет соответствовать рабочая точка B₃, что меньше задания на ΔY⁽³⁾_A. Для обеспечения требуемого значения объемной доли кислорода в чистом азоте, что соответствует точке A₃, необходимо расход азотной флегмы увеличить до значения G⁽³⁾_фл.

На фиг. 2 приведен график функции G_фл(τ), на котором показано, что расход азотной флегмы на интервале (0, τ₁) постоянен и равен G⁽¹⁾_фл, на интервале ( τ₁, τ₂) указанный параметр уменьшают до значения G⁽²⁾_фл, а на ( τ₂, τ₃) увеличивают до значения G⁽³⁾_фл. Из фиг. 2 видно, что при одинаковом знаке отклонение текущего значения от задания соответственно Δ Y⁽²⁾_A, ΔY⁽³⁾_A направление воздействия на управляющий параметр G_фл различно.

Необходимость в различном направлении управляющего воздействия в точках B₂ и B₃ делает невозможным применение для регулирования такого класса объектов, к числу которых относится и ВРУ, стандартных регулирующих устройств. Предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять автоматическую стабилизацию и при неоднозначной зависимости регулируемой величины от управляющего параметра.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе регулирования процесса разделения воздуха путем изменения расхода флегмы ректификационного аппарата по объемной доле кислорода в верхнем целевом продукте дополнительно измеряют расход флегмы, определяют знак производной объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте по расходу флегмы, в соответствии с которым определяют направление воздействия на расход флегмы.

Использование расхода флегмы в качестве регулирующего воздействия для воздухоразделительных установок целесообразно, так как изменение этого параметра оказывает наиболее существенное влияние на объемную долю кислорода в целевом продукте.

Определение соответствия знака производной объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте по расходу флегмы позволяет выбирать направление управляющего воздействия на расход флегмы при наличии унимодальной зависимости между расходом флегмы и объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте во всем диапазоне изменения управляющего воздействия.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Дополнительно был проведен поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, следовательно, оно соответствует требованию "изобретательский уровень", и "промышленная применимость".

Функциональная схема системы регулирования, работающая по предлагаемому способу приведена на фиг. 3.

Система регулирования содержит нижнюю ректификационную колонну 1 и верхнюю ректификационную колонну 2 с линиями потоком кубовой жидкости и азотной флегмы, линией выхода целевого продукта, встроенный между верхней 2 и нижней 1 колоннами, конденсатор-испаритель 3, соединенный через сборник жидкого азота 4 с переохладителем 5, содержащим линии потоков кубовой жидкости и азотной флегмы, на которых установлены соответственно исполнительные органы 6 и 7, датчики содержания объемной доли кислорода в чистом азоте и расхода флегмы 8 и 9, установленные соответственно в линии выхода целевого продукта и в линии бокового потока азотной флегмы, регулирующий блок 10, подключенный к исполнительному элементу 7, входы регулирующего блока соединены с датчиками 8, 9.

Предлагаемый способ регулирования процесса разделения воздуха реализуется в воздухоразделительной установке для получения, например, чистого газообразного продукционного азота. В процессе ректификации осуществляют орошение верхней ректификационной колонны 2, для чего используют охлажденные в переохладителе 5 поток азотной флегмы, поступающий через сборник азота 4 из конденсатора-испарителя 3, и поток кубовой жидкости, поступающий из нижней ректификационной колонны 1. Чистую азотную флегму подают в верхнюю ректификационную колонну 2 через исполнительный элемент 7. С использованием датчиков 8, 9 измеряют соответственно объемную долю кислорода в продукционном чистом азоте и расход азотной флегмы. Информацию о значении этих параметров подают на вход регулирующего блока 10, в котором определяют знак производной объемной доли кислорода в чистом азоте по расходу азотной флегмы в соответствии с которым выбирают направление регулирующего воздействия блока 10, выходной сигнал которого подают на исполнительный элемент 7. В течение интервала времени, на котором знак производной постоянный, регулирующий блок 10 работает как стандартный регулятор. При изменении знака производной в регулирующем блоке 10 происходит изменение полярности сигнала датчика 8, а соответственно и изменение направления регулирующего воздействия блока 10.

Устройство регулирования процесса разделения воздуха (см. фиг. 4) содержит последовательно соединенные датчик 1 объемной доли кислорода в чистом азоте, блок 2 переменной полярности сигналов, стандартный ПИД-регулятор 3, исполнительный элемент 4. Кроме того, устройство содержит датчик 5 расхода азотной флегмы, соединенный с блоком 6 определения производной объемной доли кислорода в чистом азоте по расходу флегмы, второй вход которого соединен с датчиком 1, выход блока 6 подключен к блоку сравнения 7, выход которого соединен с управляющим входом блока 2 переменной полярности сигналов.

Устройство работает следующим образом. Сигнал с выхода датчика 1 объемной доли кислорода в чистом азоте поступает на вход блока 2 переменной полярности сигналов, подключенного к стандартному ПИД-регулятору 3, который соединен с исполнительным элементом 4, установленным на потоке азотной флегмы. При постоянном управляющем сигнале, поступающем на блок 2, устройство работает как одноконтурная система автоматического регулирования.

Для обеспечения устойчивой работы этого устройства при наличии неоднозначной зависимости регулируемой величины от регулирующего параметра необходимо направление регулирующего воздействия выбирать в зависимости от знака производной регулируемой величины по регулирующему параметру. С этой целью выходной сигнал датчика 1 поступает на вход блока 6 определения производной объемной доли кислорода в чистом азоте по расходу азотной флегмы, ко второму входу которого подключен датчик 5 расхода азотной флегмы.

Выходной сигнал блока 6 поступает на вход блока сравнения 7, выходной сигнал которого подается на управляющий вход блока 2.

В блоке 6 проверяется условие ≥ 0 (1). При выполнении этого условия выходной сигнал блока 7 будет равен 1. При этом знак воздействия будет отрицательным, т.е. при положительном приращении регулируемой величины Δ Y_A регулятор будет уменьшать расход азотной флегмы, т.е. знак Δ G_фл будет отрицательным. При отрицательном значении Δ Y_Aрегулятор будет увеличивать расход азотной флегмы, что соответствует положительному значению Δ G_фл, т.е. приращения регулируемой величины ΔY_A и регулирующего воздействия Δ G_фл при управляющем сигнале "1" будут различны по знаку.

Если условие (1) не выполняется, т.е. производная < 0, то сигнал на выходе блока 7 будет равен "0". В этом случае изменится полярность сигнала на выходе блока 2, а следовательно, и направление воздействия регулятора 3 на соответствующие приращения регулируемой величины.

Схема одного из возможных вариантов блока 2 переменной полярности сигналов представлена на фиг. 5. При входном сигнале "1" (например, 24 В) реле блока 2 обесточено и контакты К1.1 и К1.2 будут замкнуты как показано на приведенном чертеже. Если управляющий сигнал, поступающий с выхода блока 7, будет равен "0", то реле переключит контакты К1.1 и К1.2. при этом изменится полярность сигнала на выходе блока 2, а следовательно, и направление воздействия регулятора 3.

Использование: криогенная техника, а именно область управления ректификационными колоннами в установках разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации. Сущность изобретения: информацию об объемной доле кислорода в верхнем целевом продукте с датчика 8 и о расходе флегмы с датчика 9 подают в регулирующий блок 10, где определяют знак производной объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте по расходу флегмы, в соответствии с которым выбирают направление регулирующего воздействия блока 10 и регулируют расход флегмы. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ регулирования процесса разделения воздуха путем изменения расхода флегмы по объемной доле кислорода в верхнем целевом продукте, отличающийся тем, что измеряют расход флегмы, по которому определяют знак производной объемной доли кислорода в целевом продукте, и в соответствии со знаком определяют направление воздействия на расход флегмы. 2. Устройство для регулирования процесса разделения воздуха, содержащее датчик объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте и стандартный регулятор, соединенный с исполнительным элементом, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком переменной полярности сигналов, включенным между датчиком объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте и стандартным регулятором, датчиком расхода флегмы, блоком определения производной объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте по расходу флегмы, первый вход которого соединен с датчиком объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте, а второй вход с датчиком расхода флегмы, и блоком сравнения, включенным между блоком определения производной объемной доли кислорода в верхнем целевом продукте и блоком переменной полярности сигналов.