СПОСОБ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДИСТИЛЛЯЦИОННОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2008 года по МПК B01D59/00 B01D59/28 B01D3/42 

Изобретение относится к области контроля и управления, а именно к способам измерения циркуляционного потока и стабилизации уровня жидкого компонента в испарительной системе дистилляционной колонны, предназначенной для получения целевого продукта, например стабильного изотопа О¹⁸, методом низкотемпературной дистилляции оксида азота NO.

Известен способ контроля и управления работой дистилляционной колонны с конденсатором паровой фазы и нагревателем-испарителем жидкой фазы для получения целевого продукта, что обеспечивается регулятором баланса потоков, состоящего из уровнемера, измеряющего уровень жидкости в испарителе, и электронной логической части, управляющей задатчиком регулятора потока отвала (см. Мусхелишвили Г.Н. «Элементы, устройства и системы автоматического управления процессами концентрирования стабильных изотопов в насадочных колоннах», Изд-во Тбилисского университета, г. Тбилиси, 1978, с.18-21, с.147-152).

Недостатком этой системы управления гидродинамикой колонны является то, что баланс потоков предполагается осуществлять за счет управления потоком отвала логической электронной схемой в зависимости от изменения уровня жидкой фазы, связь которого с величиной потока отвала не известна. При фиксированной тепловой мощности нагревателя-испарителя, определяющей некоторую установившуюся величину циркуляционного потока, возмущающее воздействие по изменению тепловой мощности нагревателя-испарителя неустранимо изменяет величину циркуляционного потока в колонне, а электронная логическая схема управления балансом потоков осуществляет релейный закон управления потоком, создающий колебательный режим изменения циркуляционного потока в колонне, что неприемлемо, например, для процесса получения изотопа О¹⁸ (совместно с О¹⁷ и N¹⁵) методом низкотемпературной дистилляции оксида азота.

А также то, что описанная структура системы управления гидродинамикой колонны неприменима, например, для 3-секционной колонны, предназначенной для получения изотопа кислорода О¹⁸ методом низкотемпературной дистилляции оксида азота NO, так как содержит три нагревателя-испарителя с различием тепловых мощностей нагревателей-испарителей (соответственно циркуляционных потоков) по секциям более 30 раз, каждый из которых является источником возмущающих воздействий, в условиях, когда для обеспечения высокой концентрации изотопов О¹⁸ (совместно с О¹⁷ и N¹⁵) в 3-секционной колонне предъявляются особые требования по точности стабилизации гидродинамического режима.

Указанные действия требуют высокой квалификации обслуживающего персонала, и в силу значительной инерционности процессов и временных запаздываний реакций изменения внешних потоков на процесс накопления/исчерпывания вещества в колонне, в ручном режиме управления совершаются неточно, с ухудшением технологических и экономических показателей эксплуатации процессов разделения изотопов, вплоть до потери работоспособности колонны.

Для безаварийной высокоэффективной работы колонны, в частности ее испарительной секции, необходим способ автоматического управления гидродинамикой колонны, основанный на анализе внутренних показателей состояния технологического режима колонны, выявления процесса накопления/исчерпывания вещества в колонне при ее длительной эксплуатации.

Задачей патентуемого изобретения является обеспечение измерения циркуляционного потока в колонне как основы обеспечения эффективного и стабильного процесса изотопного обмена для производства изотопов азота и кислорода высокой концентрации, определение процесса захлебывания/ исчерпывания вещества в колонне.

Техническим результатом является измерение и управление циркуляционным потоком стабилизация уровня жидкого продукта в испарителе дистилляционной колонны.

Указанная цель достигается тем, что в способе контроля и управления работой дистилляционной колонной с конденсатором паровой фазы и нагревателем-испарителем жидкой фазы для получения целевого продукта, включающем оценку величины циркуляционного потока и поддержание его на определенном значении, величина циркуляционного потока определяется посредством измерения мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем колонны, при поддержании ее величины на значении, обеспечивающем неизменность уровня жидкой фазы в нагревателе-испарителе колонны.

А также тем, что поддержание уровня жидкой фазы в нагревателе-испарителе колонны осуществляют путем изменения тепловой мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, в зависимости от изменения уровня жидкой фазы в нагревателе-испарителе колонны, причем при увеличении указанного уровня мощность, рассеиваемую испарителем, увеличивают, а при уменьшении указанного уровня мощность, рассеиваемую испарителем, уменьшают.

А также тем, что мощность, рассеиваемую испарителем, изменяют по сигналам автоматического регулятора, на который поступают сигнал от датчика уровня жидкой фазы в сосуде, встроенном в нагреватель-испаритель жидкой фазы колонны, и сигнал, соответствующий заданному значению уровня жидкой фазы.

На фиг.1 представлена схема дистилляционной колонны, в частности ее испарительная система, реализующая патентуемый способ.

На фиг.2 - структурная схема системы автоматической стабилизации уровня жидкого оксида азота NO в нагревателе-испарителе.

В испарительной системе 1 в нагреватель-испаритель 2 встроен сосуд 3 в виде цилиндра, в котором конденсируется часть нисходящего дистилляционного потока. В верхней части сосуда 3 располагается датчик уровня 4, который связан с регулятором 5 с интегральной составляющей в законе регулирования, управляющим тепловой мощностью, рассеиваемой нагревателем-испарителем 2.

Мощность, рассеиваемая нагревателем-испарителем 2, измеряется датчиком мощности 6.

Датчик уровня 4, регулятор 5, нагреватель-испаритель 2 с сосудом 3 образуют систему автоматической стабилизации уровня жидкого продукта, например жидкого оксида азота NO, в испарительной системе 1. Регулятор мощности 5 управляется сигналами от датчика 4 уровня Н и заданного сигнала уровня Н_з.

Регулятор 5 обеспечивает неизменность уровня Н жидкого оксида азота NO в сосуде 3.

Например, при величине потока жидкой фазы NO G=15 мЛ_ж/мин нагревателем-испарителем 2 рассеивается 150 Вт, достаточных для полного испарения приходящего жидкого NO, т.е. неизменности уровня NO в сосуде 3 нагревателя-испарителя колонны при заданной мощности N₃ нагревателя-испарителя 2, при этом Н = H_з.

При изменении величины потока циркуляции G в испарительной системе 1, например при увеличении G, уровень Н жидкого оксида азота NO в сосуде 3 увеличивается, что приводит за счет работы регулятора 5 с интегральной составляющей в законе регулирования к плавному увеличению мощности N₃ на нагревателе-испарителе 2 до тех пор, пока не восстановится прежний заданный уровень H_з жидкого оксида азота NO в сосуде 3. При этом мощность, подаваемая на нагреватель-испаритель 2, увеличится, что измеряется датчиком мощности 6, соответствующим, например, мощности 160 Вт.

Если уровень жидкого оксида азота измеряется в сосуде 3 площадью сечения А, то накопление A dH жидкого оксида азота NO за время dt связано с пришедшим количеством жидкого оксида азота NO, равным G_ж(t)dt, и испаренным количеством оксида азота NO, равным G_г(t)dt, уравнением баланса.

A dH = G_ж(t)dt - G_г(t)dt

A dH / dt = G_ж(t) - G_г(t),

откуда H = [G_ж(t) - G_г(t)] t / A

Следовательно, уровень жидкого NO в сосуде 3 не изменен только в случае точного полного испарения приходящего потока жидкого G_ж за счет тепловой мощности нагревателя-испарителя 2, которая измеряется датчиком мощности 6 (с точностью до тепловых потерь нагревателя-испарителя 2).

При введении в испарительную секцию 1 дистилляционной колонны системы автоматической стабилизации уровня Н жидкого оксида азота NO в сосуде 3, встроенном в нагреватель-испаритель 2, имеет место сигнал величины мощности N₃, рассеиваемый нагревателем-испарителем 2 и термодинамически соответствующий возбуждению циркуляционного потока G = G_ж = G_г в колонне. При этом для определения величины циркуляционного потока не требуются дополнительные измерительные средства.

Ранее было показано, что уровень Н жидкого оксида азота NO в сосуде 3 нагревателя-испарителя 2 не изменен во времени только в случае полного испарения (превращения) в поток G_г паровой фазы оксида азота NO всего приходящего жидкого G_ж за счет тепловой мощности нагревателя-испарителя 2, которая измеряется датчиком мощности 6.

Иными словами, датчик 4 уровня Н жидкого оксида азота NO является интегратором с передаточной функцией

где ΔG(P) = G3_ж(Р) - G3_г(P), P - оператор Лапласа.

Любое нарушение равенства G3_ж = G3_г вызывает увеличение или уменьшение во времени уровня Н в сосуде 3.

Поэтому метрологическая погрешность датчика абсолютного значения уровня 4 (например, аддитивная) и/или изменение уставки Нз не влияет на процесс измерения циркуляционного потока G₃ через мощность N₃ нагревателя-испарителя 2 при работе системы автоматической стабилизации Н.

Для измерения уровня Н целесообразно применять датчики уровня с высокой чувствительностью к малому изменению измеряемого параметра (емкостного типа или высокочувствительные дифференциальные манометры, как измерители перепада давления столба жидкого оксида азота NO величиной Н).

Например, в случае применения для измерения Н уровнемера емкостного типа ДУЕ-1 (например, фирмы "Старорусприбор", г. Старая Русса, Россия), комплектованного датчиком КНД-3 с проходом через вакуумную зону и с диапазоном измерения Н=10 см при классе точности преобразователя (0.5-1)%? реальная точность измерений Н ориентировочно равна +/-(0.5-1)мм.

В случае применения высокочувствительных дифференциальных манометров типа САПФИР для измерения уровня Н=10 см жидкого оксида азота при классе точности 0.25% типоразмера 0.25 кПа, точность измерения уровня составляет около 0.25 мм уровня NO_ж.

Существование зоны нечувствительности датчика приводит к определенной временной задержке выявления нарушения циркуляционного потока относительно заданного мощностью нагрева при последующей автоматической ликвидации выявленного нарушения циркуляционного потока.

Если предположить наличие у датчика зоны нечувствительности 1 мм, то при площади сечения А=100 см² сосуда 3 и объеме, соответствующем 1 мм высоты сосуда 3 и равном А·0.1 см=10 см³, нарушение потока циркуляции в 1 мл_ж/мин будет выявлено за время 10 мин и далее восстанавливается системой стабилизации уровня Нз за счет увеличения тепловой мощности нагревателя-испарителя 2 до тех пор, пока уровень Н не возвратится к значению, отстоящему от заданной величины H_з на 1 мм.

Для подтверждения высказанных положений проведен анализ работы системы автоматической стабилизации уровня Н в сосуде 3 нагревателя-испарителя 2 на основании данных о конструктивах конкретной испарительной секции.

Исходные предположения:

- передаточная функция датчика уровня, установленного в сосуде 3 с площадью сечения 100 см²

при размерности Н[см], ΔG[мл_ж/мин],

- передаточная функция нагревателя-испарителя с учетом его тепловой инерционности, коэффициента преобразования тепловой мощности в поток испаренного оксида азота NO 1[мл_ж/мин]/10[Вт], совместно с датчиком уровня в виде

при размерности М[Вт] (см. фиг.2).

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид

где Wp(P) - передаточная функция регулятора.

Наличие датчика интегратора после точки ввода возмущающего воздействия (изменения циркуляционного потока) в систему не обеспечивает астатизм первого порядка по уровню Н относительно возмущающих воздействий по изменению циркуляционного потока и управляющих воздействий Нз, поэтому необходимо применение в законе регулирования Wp(P) дополнительного интегрирующего элемента. Наличие интегратора второго порядка в контуре системы управления с отрицательной обратной связью создает необходимость применения дополнительных фазоопережающих элементов, имеющих место, в частности, в стандартном ПИД-законе регулирования.

Методом синтеза последовательных корректирующих цепей в линейных системах автоматического управления в терминах логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик и при ограничениях передаточной функции корректора возможностями стандартного ПИД-закона регулирования обеспечена монотонность переходных процессов в системе при времени регулирования порядка 500-600 с при передаточной функции регулятора Wp(P) вида

Результаты моделирования системы в среде MATLAB подтверждает, например, неизменность заданной величины H₃ при возрастании циркуляционного потока от 15 до 16 мл/мин жидкого оксида азота NO за счет увеличения измеряемой мощности нагрева от 150 до 160 Вт.

Таким образом, патентуемый способ контроля и управления колонной обеспечивает измерение основного параметра, характеризующего работу дистилляционной колонны-циркуляционного потока через измерение мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем в при автоматической стабилизации уровня жидкого продукта в испарительной секции колонны.

Изобретение может быть использовано при получении стабильных изотопов, например изотопа О¹⁸, методом низкотемпературной дистилляции NO. Способ контроля и управления работой дистилляционной колонны с конденсатором паровой фазы и нагревателем-испарителем жидкой фазы для получения целевого продукта включает измерение уровня жидкой фазы в сборном сосуде для жидкой фазы, встроенном в нагреватель-испаритель жидкой фазы колонны. Параметры циркуляционного потока изменяют путем изменения тепловой мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем в зависимости от изменения уровня жидкой фазы: при его увеличении величину мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, увеличивают, а при его уменьшении величину мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, уменьшают. Мощность, рассеиваемую нагревателем-испарителем, изменяют по сигналам автоматического регулятора, на который поступают заданный сигнал уровня жидкой фазы и сигнал от датчика уровня жидкой фазы. Изобретение обеспечивает эффективность и стабильность процесса изотопного обмена, 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля и управления работой дистилляционной колонны с конденсатором паровой фазы и нагревателем-испарителем жидкой фазы для получения целевого продукта, включающий измерение уровня жидкой фазы и изменение параметров циркуляционного потока, отличающийся тем, что измерение уровня жидкой фазы проводят в сборном сосуде для жидкой фазы, встроенном в нагреватель-испаритель жидкой фазы колонны, а изменение параметров циркуляционного потока осуществляют путем изменения тепловой мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем колонны, в зависимости от изменения уровня жидкой фазы, причем при его увеличении величину мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, увеличивают, а при уменьшении уровня жидкой фазы величину мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, уменьшают.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность, рассеиваемую нагревателем-испарителем колонны, изменяют при помощи автоматического регулятора, на который поступают заданный сигнал уровня жидкой фазы и сигнал от датчика уровня жидкой фазы3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину циркуляционного потока количественно оценивают по величине мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, соответствующей постоянству во времени уровня жидкой фазы.