СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ В ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК B01D3/42 F25J3/04 

Изобретение относится к области управления ректификационными колоннами и может быть использовано для автоматического регулирования объемной доли кислорода в продукционном кислороде, а именно в воздухоразделительных установках (ВРУ), 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. В верхней ректификационной колонне (ВРК) происходит окончательное разделение и получение целевых продуктов: чистого азота и кислорода [1] При работе установки под влиянием возмущающих воздействий происходят нарушения технологического режима, что приводит к снижению качества целевого продукта.

Известен способ регулирования состава продукционного кислорода путем изменения его расхода [2] Данный способ имеет ряд недостатков. Поскольку в качестве выходной величины данной системы выбрана концентрация продукционного кислорода, которая является одним из основных параметров целевого продукта, то необходимо предусмотреть запас по концентрации продукционного кислорода, что приводит к дополнительным энергозатратам. В противном случае при работе системы регулирования будет иметь место снижение качества получаемого продукта. Причем вследствии больших запаздываний и инерционности ректификационных колонн процесс регулирования продолжителен во времени и имеет большую динамическую ошибку, а следовательно дополнительные затраты будут значительными. Необходимо отметить, что в ряде случаев указанная система не обеспечивает автоматическое регулирование с требуемой точностью концентрации продукционного кислорода.

Известен способ регулирования процесса ректификации [3] например процесса разделения воздуха путем регулирования расхода кислорода из верхней колонны в зависимости от расхода воздуха в нижнюю колонну и от отклонения от заданного значения концентрации кислорода в аргонной фракции. В данном способе использовано допущение, что заданной концентрации продукционного кислорода, соответствует постоянное значение концентрации кислорода в аргонной фракции, что является недостатком данной системы, поскольку при изменении количества перерабатываемого воздуха одной и той же концентрации кислорода в аргонной фракции соответствуют различные значения концентрации продукционного кислорода. При поддержании постоянной концентрации кислорода в аргонной фракции происходят колебания концентрации продукционного кислорода, причем, чем больше амплитуда колебаний расхода воздуха в установку, тем значительнее отклонения концентрации продукционного кислорода от требуемого значения. Таким образом, способ [3] не пригоден в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую точность поддержания концентрации продукционного кислорода.

В качестве прототипа выбран способ регулирования процесса ректификации воздуха [4] в котором поддерживается соотношение давления в верхней колонне и расхода продукционного кислорода путем воздействия на его расход. Величина указанного соотношения определяется из условия постоянства концентрации кислорода на контрольной тарелке или, другими словами, в контролируемом сечении ВРК. Значение задания концентрации кислорода в контролируемом сечении ВРК корректируется для различных режимов по отклонению от задания концентрации кислорода в продукционном кислороде.

Наиболее существенным недостатком описанного способа [4] является то, что корректирующий контур включается после отклонения концентрации продукционного кислорода от задания, т. е. при нарушении технологического режима. Причем, чем больше частота и амплитуда возмущающих воздействий, тем ниже эффективность системы регулирования [4] и меньше выигрыш даже по сравнению с одноконтурной системой [2]
При переменных режимах функционирования, связанных с изменением количества воздуха в установку, известные технические решения, в том числе [2, 3] не обеспечивают требуемой точности стабилизации объемной доли кислорода в продукционном кислороде.

Решаемая задача снижение энергозатрат на получение продуктов разделения воздуха за счет повышения точности стабилизации и уменьшения времени регулирования объемной доли кислорода в продукционном кислороде.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе регулирования процесса ректификации в ВРУ путем изменения расхода продукционного кислорода, включающем измерение объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК и продукционном кислороде, задание объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК по объемной доле кислорода в продукционном кислороде, дополнительно измеряют расход воздуха в установку, определяют новое соответствующее ему значение объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК и корректируют предыдущее значение объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК в соответствии с новым значением расхода воздуха в установку через определенный временной интервал.

Рассмотрим геометрическую интерпретацию предлагаемого способа.

На фиг. 1 представлен график изменения расхода воздуха V_в в установку разделения на интервале [0,Т] где показано, что производительность установки на интервале (О,t₁) равна V(1)в

, а моменты времени t₁ и t₂ изменяются до значений V(2)в и V(3)в соответственно.

Семейство статических характеристик У_к f(l), т. е. зависимость объемной доли кислорода У_к от высоты аппарата l при расходе воздуха в установку V_в в качестве параметра представлено на фиг. 2. Каждая характеристика получена из условия постоянства объемной доли кислорода в продукционном кислороде для расходов воздуха V(1)в

, V(2)в, V(3)в. Точки А₁, А₂, А₃ соответствуют значениям объемной доли кислорода в контролируемом сечении (КС) для расходов V(1)в, V(2)в, V(3)в, при которых объемная доля кислорода в продукционном кислороде равна заданной.

Как видно из фиг. 2, для поддержания заданного значения объемной доли кислорода в продукционном кислороде, необходимо, чтобы задание регулятора на интервале (0, t₁) соответствовало точке А₁ и было равно Ypl(1)к,кт

, а в момент времени t₁, при изменении расхода воздуха в установку со значения V(1)в до V(2)в необходимо изменить задание регулятора до значения Ypl(2)к,кт (точка А₂) и поддерживать его до значения времени t₂, а на третьем интервале (t₂, Т) задание должно быть равно Ypl(3)к,кт (точка А₃).

Из приведенной геометрической интерпретации видно, что для различных значений V_в можно получать продукционный кислород заданного состава за счет корректировки задания регулятора объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК по расходу воздуха, что в свою очередь обеспечит более высокую точность и уменьшит время регулирования объемной доли кислорода в продукционном кислороде.

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 заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, следовательно оно соответствует требованию "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Предлагаемый способ регулирования процесса разделения воздуха реализуется в воздухоразделительной установке для получения, например, продукционного кислорода.

Функциональная схема системы регулирования процесса регулирования в воздухоразделительной установке приведена на фиг. 3, где показаны: нижняя ректификационная колонна 1 и верхняя ректификационная колонна 2; конденсатор-испаритель 3; колонна сырого аргона 4, соединенная с верхней ректификационной колонной 2; датчик расхода продукционного кислорода 5 установлен на потоке продукционного кислорода; датчик объемной доли кислорода в аргонной фракции 6 установлен на потоке аргонной фракции из верхней ректификационной колонны 2 в колонну сырого аргона 4; датчик объемной доли кислорода в продукционном кислороде 7 установлен на потоке продукционного кислорода; датчик расхода воздуха 8 установлен на потоке воздуха в установку. Сигналы от датчиков расхода воздуха 8, расхода продукционного кислорода 5, объемной доли кислорода 6 и 7 поступают в регулирующий блок 9, подключенный к исполнительному элементу 10, установленному на потоке продукционного кислорода.

Функционирование системы регулирования осуществляется следующим образом. В течении интервала времени, на котором значение расхода воздуха остается постоянной, блок 9 работает как стандартная каскадная схема, в которой регулируется объемная доля кислорода Yrnк

в контролируемом сечении ВРК, а именно в аргонной фракции, путем коррекции задания регулятора расхода продукционного кислорода. Если при этом все же происходит отклонение концентрации продукционного кислорода У_к от задания, то в зависимости от величины и знака рассогласования ΔY_к корректирующий регулятор изменит задание Yplк,кт таким образом, чтобы восстановить требуемое значение У_к. При изменении расхода воздуха на величину ΔVplв по формуле: Ypl(n)к,кт = Yзд(n-1)к,кт + k•ΔV_в, где Ypl(n)к,кт, Ypl(n-1)к,кт задание объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК, соответственно текущее и предыдущее значения, к коэффициент пропорциональности) рассчитывают и через определенный временной интервал Δt корректируют предыдущее значение задания объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК.

Устройство регулирования объемной доли кислорода в продукционном кислороде ВРУ (фиг. 4) содержит последовательно соединенные датчик 5 расхода продукционного технического кислорода и регулятор 11 с двумя входами (первый для ввода сигнала от датчика технологического параметра, второй для ввода сигнала, корректирующего задание регулятора), исполнительный элемент 10, регулирующий расход продукционного кислорода. Датчик 7 объемной доли кислорода в аргонной фракции (контролируемое сечение верхней ректификационной колонны) и через регулятор 12, имеющий два входа (первый для ввода сигнала от датчика технологического параметра, второй для ввода сигнала, корректирующего задание регулятора), соединены с вторым входом регулятора 11. Датчик 6 объемной доли кислорода в продукционном кислороде через регулятор объемной доли кислорода в продукционном кислороде 13 и сумматор 14 соединены с вторым входом регулятора 12. Датчик 8 расхода воздуха в установку через блок расчета корректирующего воздействия 15 и блок задержки 16 соединен с сумматором 14.

Устройство работает следующим образом. Контур, состоящий из датчика 5 расхода продукционного кислорода, регулятора 11 и исполнительного элемента 10, стабилизирует расход продукционного кислорода в соответствии с задающим и корректирующим сигналом, поступающим от контура измерения объемной доли кислорода в аргонной фракции (блоки 6, 12). При работе ВРУ в установившемся режиме сигнал с сумматора 14 равен нулю. При возмущениях, связанных с перераспределением потоков внутри ВРУ, значение объемной доли продукционного кислорода отклоняется от заданного уровня и регулятор 13 на основании измерений (датчик 7) вырабатывает корректирующее воздействие, изменяющее задание регулятора 12. При отклонении расхода воздуха в установку от номинального уровня корректирующее воздействие вырабатывает контур 8-15-16. Т. к. изменение расхода воздуха в установку отражается на изменении объемной доли кислорода в аргонной фракции с большим транспортным запаздыванием, то в контур, вырабатывающий корректирующее воздействие по изменению расхода воздуха в установку, вводится блок задержки аналогового сигнала 16. Сигнал с выхода блока задержки 16 поступает на сумматор 14 и через регуляторы 12 и 11 на исполнительный элемент 10.

Применение предлагаемого способа позволит уменьшить динамическую ошибку процесса регулирования по объемной доле кислорода в продукционном кислороде и снизить за счет этого расход электроэнергии на 0.3 ЫЫЫ2

Использование: при управлении ректификационными колоннами позволяет снизить энергозатраты на получение продуктов разделения воздуха за счет повышения точности стабилизации и уменьшения времени регулирования объемной доли кислорода в продукционном кислороде. Сущность изобретения: по изменению расхода продукционного кислорода перед исполнительным элементом (датчик 5), по изменению объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК (датчик 6), по изменению объемной доли кислорода в продукционном кислороде (датчик 7) и по изменению расхода воздуха на входе в установку (датчик 8) регулирующий блок 9 вырабатывает регулирующее воздействие на исполнительный элемент 10. При этом в регулирующем блоке 9 по отклонению значения объемной доли кислорода в продукционном кислороде от заданного регулятором 13 вырабатывается одно корректирующее воздействие, а по отклонению расхода воздуха в установку блоком расчета корректирующего воздействия 15 через определенный интервал времени, учитываемый блоком задержки 16, вырабатывается другое корректирующее воздействие. Оба корректирующих воздействия вводят в сумматор 14, сигнал которого изменяет задание регулятора 12 объемной доли кислорода в контролируемом сечении ВРК. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ регулирования процесса ректификации в воздухоразделительной установке путем изменения расхода продукционного кислорода, включающий измерение значения объемной доли кислорода в контролируемом сечении верхней ректификационной колонны и в продукционном кислороде, задания значения объемной доли кислорода в контролируемом сечении верхней ректификационной колонны по объемной доле кислорода в продукционном кислороде, отличающийся тем, что дополнительно измеряют расход воздуха в установку, определяют новое соответствующее ему значение объемной доли кислорода в контролируемом сечении верхней ректификационной колонны и корректируют заданное значение объемной доли кислорода в контролируемом сечении верхней ректификационной колонны в соответствии с новым значением расхода воздуха в установку через определенный временной интервал. 2. Устройство регулирования процесса ректификации воздуха, содержащее датчик и регулятор расхода продукционного кислорода и исполнительный элемент, соединенные последовательно, соединенные между собой датчик и регулятор объемной доли кислорода в контролируемом сечении верхней ректификационной колонны, выход которого подключен к второму входу регулятора расхода продукционного кислорода, датчик и регулятор объемной доли кислорода в продукционном кислороде, соединенные между собой, отличающееся тем, что оно снабжено сумматором, блоком задержки, блоком расчета корректирующего воздействия и датчиком расхода воздуха в ректификационную колонну, причем выход сумматора соединен с вторым входом регулятора объемной доли кислорода в контролируемом сечении верхней ректификационной колонны, к первому входу сумматора подключен регулятор объемной доли кислорода в продукционном кислороде, к второму входу блок задержки, соединенный с блоком расчета корректирующего воздействия, вход которого связан с датчиком расхода воздуха в ректификационную колонну.