СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВЫПАРИВАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ЩЕЛОЧИ В МНОГОКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКЕ (МВУ) Российский патент 2003 года по МПК B01D1/00 B01D1/26 

Изобретение относится к способам автоматического регулирования технологических процессов (ТП) и может быть использовано в производстве товарной каустической соды упариванием электролитической щелочи (электрощелочи), получаемой диафрагменным электролизом водного раствора хлорида натрия.

Вопросы автоматизации процессов выпаривания электрощелочи широко освещены в литературе (см. Ломакин И.Л. и др. Автоматизация хлорных производств. М. : Химия, 1967; Ломакин И.Л. и др. Автоматизация хлорных производств, изд. 2-ое. М. : Химия, 1970), в которой показано, что главной задачей автоматических систем регулирования (АСР) ТП является стабилизация в заданных пределах концентрации NaOH в растворе товарной каустической соды при заданной производительности процесса и минимальных затратах энергии (пара) и других видов сырья и материалов.

Современный процесс выпарки в большинстве случаев осуществляется в две стадии. Первая стадия выпарки реализуется в многокорпусных выпарных установках (МВУ) с получением промежуточного продукта - средних щелоков с заданной концентрацией NaOH. Обычно на первой стадии используется три корпуса, первый из которых обогревается греющим паром и служит для нагрева и упаривания исходной электролитической щелочи, а два других обогреваются вторичным (соковым) паром первого корпуса и служат для получения "средних" щелоков с заданной концентрацией NaOH, которые собираются в промежуточной емкости, служащей буфером между первой и второй стадиями выпарки.

Выпарной аппарат (ВА) второй стадии обогревается греющим паром и служит для упаривания "средних" щелоков до готового продукта (каустика с заданной концентрацией NaOH).

Для дополнительного увеличения концентрации раствора готового каустика за счет тепла, выделяющегося при его вскипании (доупаривания раствора), используется вакуум-кристаллизатор (ВК), установленный после ВА второй стадии.

Известны также схемы выпаривания электрощелоков с их предварительным подогревом и упариванием в дополнительных выпарных аппаратах (ВА) "нулевой" стадии, установленных перед первым корпусом первой стадии. Подогретые и частично упаренные щелока собираются в промежуточную емкость, служащую буфером между нулевой и первой стадиями.

Вакуум в ВА и ВК поддерживается барометрическими конденсаторами, орошаемыми оборотной водой, и вакуум-насосами, предназначенными для отсоса воздуха и неконденсирующихся газов.

Для нормальной работы выпарной установки нужно поддерживать в заданных пределах ряд параметров. Поэтому в цехе выпарки используются несколько отдельных АСР, которые из-за тесной взаимосвязи технологических параметров процесса сильно влияют друг на друга.

Известны способы автоматического регулирования МВУ (см. Ломакин И.Л. и др. Автоматизация хлорных производств. М.: Химия, 1967, стр.182), содержащие следующие автоматические системы регулирования:
- уровня во всех корпусах выпарных аппаратов нулевой, первой и второй стадий выпарки, а также в вакуум-кристаллизаторе,
- концентрации NaOH в растворах средних щелоков (после ВА последнего корпуса первой стадии) и каустической соды (после ВА второй стадии),
- давления греющего пара в кипятильнике ВА первого корпуса первой стадии и кипятильнике ВА второй стадии,
- вакуума в последних корпусах первой и второй стадий выпарки и в вакуум-кристаллизаторе.

Для обеспечения заданной производительности по выпариваемому раствору либо автоматически поддерживают расход электрощелоков на МВУ, либо автоматически стабилизируют давление греющего пара, подаваемого в ВА второй стадии, в соответствии с параметрами, полученными при расчете МВУ и отраженными в регламенте.

Регулирование уровней в ВА способствует стабилизации теплового режима, предотвращает оголение греющих камер и уменьшает потери щелочи со вторичным паром. При этом, учитывая взаимосвязь регулируемых параметров, реализуют различные варианты схем регулирования. В частности, при регулировании концентрации NaOH воздействием на расход раствора, и учитывая, что регулятор уровня также воздействует на расход раствора, возможны две схемы регулирования:
(a) простая, когда регулятор уровня воздействует на отбор раствора, а регулятор концентрации - на его приток,
(b) перекрестная или сложная, когда регулятор уровня воздействует на приток раствора, а регулятор концентрации - на отбор.

Попытки использования в промышленных условиях автоматических анализаторов раствора каустической соды различного типа в известных способах регулирования ТП выпарки связаны с значительными трудностями (см. Ломакин И.Л. и др. Автоматизация хлорных производств. М.: Химия, 1967, стр.187). Из-за сложности датчиков для многокомпонентных растворов и неблагоприятных условий их эксплуатации (например, радиоактивный измеритель концентрации АТЖ-2, см. Ломакин И.Л. и др. Автоматизация хлорных производств. М.: Химия, стр.98) эти попытки, как правило, не имели успеха.

Известны способы регулирования концентрации NaOH на выходе из последнего выпарного аппарата первой стадии (см. Ломакин И.Л. и др. Автоматизация хлорных производств. М. : Химия, 1967, стр.186), без ее непосредственного измерения, регулированием соотношения подачи раствора в ВА и его отбора из него в зависимости от начальной концентрации раствора. Однако этот способ также требует наличия анализатора состава раствора на входе ВА.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ автоматического регулирования концентрации NaOH по величине температурной депрессии (см. Ломакин И.Л. и др. Автоматизация хлорных производств. М. : Химия, 1967, стр.197), т.е. разности температур кипящего раствора щелочи и температуры кипения чистого растворителя (воды) при данном абсолютном давлении (вакууме).

Однако указанный способ до настоящего момента не получил распространения в промышленных процессах выпарки, так как не обеспечивает надежного и правильного измерения температурной депрессии из-за необходимости индивидуальной корректировки специальных технических средств и оборудования применительно к конструкции ВА и конкретным условиям измерения. Кроме того, серийные приборы для измерения разности температур в нужных пределах в настоящее время отсутствуют.

Особенную сложность вызывает измерение температуры кипения чистого растворителя, соответствующей температуре вторичного пара, что связано с его перегревом, наличием уносимого с паром NaOH, зависимостью от колебаний абсолютного давления (вакуума) в ВА и т.п.

Поэтому в промышленности регулирование концентрации NaOH в растворах средних щелоков и/или каустической соды осуществляется регуляторами расхода раствора по одной из схем регулирования с периодической коррекцией задания регуляторам по результатам ручного лабораторного анализа.

Кроме того, указанный способ не предусматривает согласование между заданной производительностью МВУ и нагрузками отдельных стадий по упариваемому раствору, что приводит к колебаниям уровней (часто переполнению или опорожнению) в промежуточных емкостях (баках) и сказывается на устойчивости работы основных АСР уровня в ВА и концентрации NaOH.

Производительность МВУ характеризуется расходом подаваемых на нее электрощелоков и по отдельным стадиям определяется количеством выпаренной воды, т. е. зависит от соотношения давления греющего пара, подаваемого в выпарные аппараты, и вакуума в них.

При наличии единой системы автоматического регулирования вакуума в ВА стабилизация давлений греющего пара в кипятильниках (или греющих камерах) первого ВА первой стадии и ВА второй стадии не обеспечивает автоматического согласования их по количеству подаваемого на МВУ раствора электрощелоков и производительности стадий по выпариваемому раствору, что проявляется в колебаниях уровня в имеющих, как правило, небольшой объем промежуточных емкостях средних щелоков, а при выпарке с ВА нулевой стадии - в емкости после выпарных аппаратов нулевой стадии.

В свою очередь колебания уровня в этих емкостях (особенно при их полном опорожнении) влияют на работу АСР уровня и концентрации при любой схеме их регулирования расходами раствора.

Прямое использование АСР уровня в этих емкостях не решает вопрос согласования нагрузок по упариваемому раствору, т. е. обеспечения заданной производительности МВУ по товарному каустику, так как добавление новой АСР усложняет работу существующих и при наличии возмущений в ТП выпарки приводит к возникновению колебательных процессов в системах регулирования.

Задачей данного изобретения является создание способа автоматического регулирования технологического процесса выпаривания электролитической щелочи в многокорпусной выпарной установке с обеспечением заданной производительности по товарному каустику и его качества (концентрации NaOH) с автоматическим согласованием нагрузок по выпариваемому раствору между отдельными выпарными аппаратами и стадиями выпарки.

Поставленная задача решается следующим образом.

1. Расход электролитических щелоков на выпарку стабилизируется с периодической коррекцией заданной величины в соответствии со стратегией управления, определяемой производительностью электролиза, запасами электролитической щелочи в буферных емкостях, ограничениями на расход греющего пара, состоянием оборудования и т.д.

2. Температура насыщенного водяного пара, используемая при расчете величины температурной депрессии, характеризующей текущее значение концентрации NaOH, непрерывно определяется по текущему значению абсолютного давления (вакуума) в сепараторе последнего ВА стадии получения средних щелоков и ВА стадии получения каустика.

3. Рассчитанное с учетом этой температуры значение температурной депрессии используется в качестве регулируемой переменной в регуляторах концентрации средних щелоков и готового каустика.

4. Автоматического регулирование уровня в промежуточной емкости средних щелоков осуществляется путем автоматической коррекции задания регулятору давления греющего пара в кипятильнике ВА второй стадии, обеспечивая тем самым согласование производительности второй и первой стадий по упариваемому раствору.

5. Автоматическое регулирование уровня в первом аппарате первой стадии выпарки (или в промежуточной емкости нагретой и частично упаренной щелочи при работе МВУ с ВА нулевой стадии) осуществляется путем автоматической коррекции задания регулятору давления греющего пара в кипятильнике ВА первого корпуса первой стадии (обеспечивая тем самым согласование производительности нулевой и первой стадий по упариваемому раствору для схемы с нулевой стадией).

Функциональные схемы АСР ТП выпаривания электролитической щелочи для двух структур МВУ (с нулевой стадией и без нее), реализующих предложенный способ регулирования, приведены соответственно на фиг.1 и фиг.2. Для примера выбрана схема ТП выпарки с ВА с принудительной циркуляцией растворов щелочи и выносными греющими камерами (кипятильниками). Однако предлагаемый способ применим и для других конструкций ВА и структурных схем ТП.

Пример 1.

На фиг. 1 приведена функциональная схема АСР, реализующая предлагаемый способ автоматического регулирования МВУ, первая стадия выпарки которой включает три выпарных аппарата ВА11, ВА12, ВА13 с принудительными контурами циркуляции упариваемого раствора с помощью циркуляционных насосов соответственно Н11, Н12, Н13 через греющие камеры (кипятильники, испарители) И11, И12, И13, связанных по схеме двукратного использования греющего пара (дуплекса), конденсатор смешения Кн15, орошаемый водой оборотной ВО, которая вместе с конденсатом поступает затем в барометрическую емкость ЕБ15 и предназначена для получения средних щелоков (СЩ) заданной концентрации, а вторая стадия выпарки, включающая один выпарной аппарат ВА21 с принудительным контуром циркуляции с помощью циркуляционного насоса Н21 через греющую камеру И21, кожухотрубчатые конденсаторы Кн22, Кн23, связанные конденсатором смешения Кн28 с барометрической емкостью ЕБ27, а вакуумный кристаллизатор ВКр24 - с гидрозатвором Г3т 25 и емкостью Е26, предназначенная для получения каустика заданной концентрации.

Кристаллический хлорид натрия из средних щелоков, собираемых в емкости Е31 и подаваемых затем с помощью насоса Н32, выделяют в гидроциклоне ГЦ33 и далее в центрифуге Ц35 и затем с помощью насоса Н36 в виде пульпы с обедненным рассолом транспортируют на его растворение, а осветвленный от NaCl раствор щелочи вместе с промывными водами ПрВ через емкость Е37 с помощью насоса Н38 подают на вторую стадию выпарки.

Управление МВУ осуществляют с помощью следующих АСР:
- с помощью АСР расхода раствора исходных электрощелоков - FRC310 стабилизируют их подачу из расходной емкости Е00 на заданном (плановом) уровне в МВУ (в ВА 11 первой стадии выпарки (ведущий поток)),
- вывод средних щелоков из ВА13 и каустической соды из ВА21 осуществляют по их температурной депрессии TdRC113 и TdRC121,
- согласование нагрузки по упариваемому раствору производят путем стабилизации уровня раствора в ВА13 с помощью LRCA403, в ВА12 - LRCA402, воздействующих на соответствующие входные потоки растворов, уровень в ВА11 стабилизируют путем ввода корректирующего воздействия от LRCA 401 в АСР стабилизации давления греющего пара в ИИ PRC201, а уровень средних щелоков в Е37 стабилизируют путем ввода корректирующего воздействия от LRC437 в АСР стабилизации давления греющего пара в И21 PRC202, с помощью LRCA411, LRCA412, LRCA421 регулируют уровень конденсата в соответствующих греющих камерах.

Температурную депрессию средних щелоков в ВА13 и каустической соды в ВА21 вычисляют с помощью дополнительных вычислительных устройств (например, в составе регулирующих микропроцессорных контроллеров - МПК), которые позволяют определить температуру насыщенного водяного пара по измеренному значению абсолютного давления (вакуума) в ВА и рассчитать текущую величину температурной депрессии при реализации указанного способа.

Определение температуры кипения растворителя (воды) для расчета температурной депрессии осуществляется следующим образом:
- с помощью высокоточных датчиков измеряют текущие значения абсолютного давления (вакуума) Р13, Р21 в сепараторах ВА получения "средних" щелоков (ВА13) и готового каустика (ВА21),
- эти значения направляют в вычислительные блоки, где они служат аргументом для кусочно-линейной функции, аппроксимирующей известную табличную зависимость температуры кипения воды (температуры насыщенного водяного пара) от его давления (см. Якименко Л.М., Пасманик М.И. Справочник по производству хлора, каустической соды и основных хлорпродуктов. Изд. 2-ое, пер. и доп. М. : Химия, 1976).

Используя полученную температуру кипения растворителя для определения температурной депрессии как разности температур кипящего раствора и насыщенного водяного пара при данном давлении (вакууме), АСР оперативно регулирует эту величину и тем самым регулирует концентрацию NaOH в упариваемом растворе средних щелоков и готового каустика.

Пример 2.

На фиг. 2 приведена функциональная схема АСР, реализующая предлагаемый способ автоматического регулирования МВУ, которая в дополнение к изображенной на фиг.1 содержит "нулевую" или предварительную стадию выпарки - два узла: выпарной аппарат ВА01 с циркуляционным насосом Н01 и греющей камерой И01 и ВА02, Н02 и И02, с емкостью щелоков Е03, с конденсатором смешения К04 и барометрической емкостью ЕБ05. И01 и И02 обогреваются вторичным (соковым) паром от ВА21 (здесь и для выпарного аппарата второй стадии выпарки ВА21 имеет место схема двухкратного использования греющего пара).

Управление такой МВУ осуществляют с помощью таких же АСР, что приведены в примере 1 на фиг.1, только здесь
- стабилизированный с помощью FRC310 поток электролитических щелоков (ведущий поток) из исходной емкости Е00 направляют в ВА01,
- согласование нагрузок ВА01 и ВА02 осуществляют с помощью АСР уровня соответственно LRCA404 и LRCA405, воздействующих на выходные потоки щелоков,
- согласование нагрузок первой и нулевой стадий выпарки при условии, что весь поток щелоков, поступивших в Е03, с помощью насоса Н03 передается в ВА11, как и в примере 1, осуществляется с помощью АСР уровня LRCA401 в ВА путем коррекции давления греющего пара в И11 PRC201.

Пример 3.

На фиг.3 приведен еще один вариант функциональной схемы АСР, реализующий предлагаемый способ автоматического регулирования МВУ с нулевой стадией выпарки, описанный в примере 2.

В отличие от примера 2, здесь согласование нагрузок первой и нулевой стадий выпарки производится с помощью АСР уровня щелоков в емкости Е03 LRCA406 путем коррекции давления греющего пара PRC201 в испарительной камере И11,
- при этом уровень в ВА11 регулируют с помощью АСР LRCA401, воздействующей на входной поток щелоков,
- задачи согласования нагрузок других выпарных аппаратов, второй и первой стадий выпарки, а также получения средних щелоков и каустика заданных концентраций описаны в примерах 1, 2.

Изобретение относится к способам автоматического регулирования технологическими процессами (ТП) и может быть использовано в производстве товарной каустической соды, получаемой методом выпаривания электролитической щелочи (электрощелочи) после диафрагменного электролиза. Задачей данного изобретения является создание способа автоматического регулирования технологического процесса выпаривания электролитической щелочи в многокорпусной выпарной установке с обеспечением заданной производительности по товарному каустику и его качества (концентрации NaOH) с автоматическим согласованием нагрузок по упариваемому раствору между стадиями выпарки. Это осуществляется следующим образом. Температура насыщенного водяного пара, используемая при расчете величины температурной депрессии, характеризующей текущее значение концентрации NaOH, непрерывно определяется по текущему значению абсолютного давления (вакуума) в сепараторе выпарного аппарата (ВА). Рассчитанное таким образом значение температурной депрессии используется в качестве регулируемой переменной в регуляторах концентрации средних щелоков и концентрации готового каустика. Регулирование уровня в промежуточной емкости средних щелоков осуществляют путем автоматической коррекции задания регулятору давления греющего пара в кипятильнике ВА второй стадии, обеспечивая тем самым согласование производительности первой и второй стадии по упариваемому раствору. 3 ил.

Способ автоматического регулирования технологического процесса выпаривания электролитической щелочи в многокорпусной выпарной установке (МВУ), включающего первую стадию выпарки с нулевой предварительной стадией выпарки или без нее с получением средних щелоков и вторую стадию выпарки с получением каустической соды заданных концентраций, включающий автоматическое регулирование уровня в выпарных аппаратах (ВА) нулевой, первой и второй стадий выпарки и вакуум-кристаллизаторе, концентрации NaOH в растворе средних щелоков на выходе первой стадии выпарки и каустической соды на выходе второй стадии выпарки, стабилизации давления греющего пара в кипятильнике первого ВА первой стадии и кипятильнике ВА второй стадии, отличающийся тем, что осуществляют автоматическое регулирование расхода электролитических щелоков на выпарку с периодической коррекцией их подачи на заданном уровне, выходных потоков средних щелоков на выходе первой стадии выпарки и каустической соды на выходе второй стадии выпарки по их температурной депрессии, соответствующей концентрации NaOH в растворах средних щелоков на выходе первой стадии выпарки и каустической соды на выходе второй стадии выпарки, с определением температуры кипения чистого растворителя по измеренным значениям абсолютного давления в сепараторах соответствующих выпарных аппаратов, уровня в промежуточной емкости средних щелоков путем автоматической коррекции задания регулятору давления греющего пара в кипятильники выпарного аппарата второй стадии выпарки, уровня в первом аппарате первой стадии или в промежуточной емкости щелоков при работе МВУ с нулевой стадией выпарки путем автоматической коррекции задания регулятору давления греющего пара в кипятильники первого выпарного аппарата первой стадии выпарки.