СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВИБРИРУЮЩЕЙ КОРЗИНОЙ ПРИЛЛИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ПРИЛЛИРОВАНИЯ МОЧЕВИНЫ Российский патент 2024 года по МПК B01J2/02 B01J2/18 

Область изобретения

Изобретение относится к приллированию мочевины, в частности, к управлению корзиной приллирования, используемой в технологии изготовления мочевины.

Уровень техники

В производстве мочевины исходными реагентами для синтеза мочевины являются аммиак и диоксид углерода. В большинстве установок производства мочевины в секции синтеза мочевины получают водный раствор мочевины. Далее этот раствор подвергают обработке в одной или более регенерационных секций для удаления неконвертированного материала, по большей части в форме карбамата аммония, и получают раствор мочевины в воде с по возможности минимальным содержанием загрязнителей и неконвертированного материала.

В секции конечной обработки производства твердой мочевины из этого очищенного раствора мочевины удаляется вода для формирования высококонцентрированного расплава мочевины.

Известной технологией конвертирования расплава мочевины в твердую мочевину является процесс приллирования, в котором мелкие капли расплава мочевины падают сверху башни приллирования в противотоке охлаждающего воздуха, и затвердевшие капли мочевины собираются внизу башни.

Первой сложной задачей этого процесса является создание подходящих капелек мочевины из поступающего расплава мочевины. Вне зависимости от способа их получения, размер этих капелек будет иметь статистический разброс вокруг некоторого среднего значения, что означает определенный разброс размера гранул твердого продукта вокруг заданного диаметра, например, диаметра 2 мм. Большая дисперсия означает, что значительная часть твердого продукта может иметь размеры за допустимыми пределами (либо из-за того, что гранулы слишком велики, либо слишком малы). Поэтому требуется создавать поток капелек с минимально возможной дисперсией. В идеальном случае, поток частиц, имеющих одинаковый размер, называется монодисперсным потоком.

В способе формирования капелек подают расплав мочевины в быстровращающуюся корзину с перфорированной боковой стенкой. Это корзина установлена в верхней части башни приллирования и вращается вокруг вертикальной оси; соответственно, жидкость выбрасывается из перфорированной боковой стенки в виде маленьких капелек. Было установлено, что для достижения монодисперсного потока целесообразно осуществлять вибрации вдоль вертикальной оси вращения, поскольку вибрация помогает разрушить струи жидкости, выбрасываемые из быстро вращающейся перфорированной корзины, на мелкие и однородные капельки.

Вибрирующие и вращающиеся корзины приллирования описаны в уровне техники. В частности, в ЕР 624957 раскрыта вибрирующая корзина приллирования, а в ЕР 2008709 раскрыто усовершенствование, в котором вибрирует только боковая стенка корзины для снижения вибрирующей массы и соответствующей инерциальной нагрузки.

В более современной разработке вибрирующих корзин приллирования в качестве источника вибрации используется магнитострикционное устройство. Магнитострикционное устройство включает магнитострикционный элемент, меняющий свою длину при намагничивании. При подаче надлежащего (в отношении частоты и величины) меняющегося во времени электрического тока, устройство может создавать механические вибрации с заданной частотой и амплитудой. Использование магнитострикционного устройства представляется перспективным вариантом замены механических или пневматических вибраторов благодаря высокой точности управления вибрацией.

Еще одна задача связана с управлением вибрацией корзины приллирования. Частоту и амплитуду вибрации необходимо регулировать в соответствии с расходом обрабатываемого расплава мочевины, который может быть подвержен изменению или флуктуациям. Другой причиной может быть изменение расхода расплава мочевины, если часть мочевины предназначена для другого использования, например, производства меламина или жидкости для очистки дизельных выхлопных газов (DEF от англ. diesel exhaust fluid), т.е., раствора мочевины с водой для каталитического снижения содержания NOx.

В существующих системах, использующих магнитострикцию, применяется ручное регулирование источника питания магнитострикционного устройства. Этот источник питания обычно устанавливается в башне приллирования вблизи корзины, чтобы свести к минимуму расстояние передачи энергии и соответствующих искажений. Такое локальное ручное управление не может, однако, надлежащим образом и своевременно отслеживать изменение или флуктуации расхода расплав мочевины. Неправильная настройка вибрации может приводить к большей дисперсии жидких капелек.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на устранение описанных ограничений. В частности, изобретение направлено на решение задачи обеспечения точного и непрерывного управления вибрацией магнитострикционной вибрирующей корзины приллирования в зависимости от обрабатываемого количества расплава мочевины в самой корзине.

Эта задача решается способом управления корзиной приллирования в процессе приллирования расплава мочевины в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.

В способе согласно изобретению входящий поток расплава мочевины подается к вибрирующей корзине приллирования, вибрация которой создается магнитострикционным устройством. Управление вибрацией корзины в функции расхода входящего потока расплава мочевины осуществляется следующими шагами:

получения меняющегося во времени входного сигнала, представляющего меняющийся во времени расход расплава мочевины, подаваемого в корзину приллирования;

генерирования первого сигнала и второго сигнала, не зависимо одного от другого, как функцию входного сигнала;

генерирования третьего сигнала, являющегося гармоническим, частота которого модулируется первым сигналом, а величина которого модулируется вторым сигналом, и

использования третьего сигнала для возбуждения упомянутого магнитострикционного устройства.

Генерирование третьего сигнала может включать следующие шаги: первый сигнал подается на функциональный генератор; функциональный генератор вырабатывает выходной гармонический сигнал с заданной величиной и частотой, модулированной первым сигналом; этот выходной сигнал функционального генератора и второй сигнал подаются в управляемый напряжением усилитель (УНУ), в котором величина (например, напряжение) сигнала с выхода функционального генератора модулируется вторым сигналом, с получением в результате выходного сигнала УНУ, образующего упомянутый выше третий сигнал.

Способ может включать усиление третьего сигнала перед его использованием для возбуждения магнитострикционного устройства.

Термин величина может относиться в равной мере к току и/или напряжению.

Термин гармонический сигнал означает синусоидальный сигнал.

В предпочтительном варианте осуществления, третий сигнал является сигналом источника для усилителя мощности, соединенного с источником энергии или электрической сетью, и вырабатывающего сигнал возбуждения, полученный в результате усиления упомянутого третьего сигнала. Этот сигнал возбуждения приводит в действие магнитострикционное устройство.

В предпочтительном применении, частотой вибрации вибрирующей корзины управляют в диапазоне от 0 до 1000 Гц. Соответственно, частота третьего сигнала находится в том же диапазоне от 0 до 1000 Гц. Более предпочтительно, для большинства применений в приллировании мочевины, частота механической вибрации, а значит, и частота третьего сигнала составляет в интервале от 200 до 1000 Гц.

На практике, частота этого третьего сигнала задает частоту вибрации магнитострикционного устройства а, значит, и частоту вибрации корзины приллирования. Предпочтительно, частота этого третьего сигнала является возрастающей функцией расхода в пределах заданного диапазона управления расходом. Другими словами, чем больше расход, тем выше частота. В предпочтительном варианте осуществления, соотношение между частотой и расходом линейное или в основном линейное. Термин в основном линейное означает, что соотношение отклоняется от линейного не более чем на 20% в диапазоне управления. Диапазон управления подразумевает диапазон от минимального расхода до максимального расхода, где осуществляется управление вибрацией.

Амплитуда механической вибрации (т.е., смещение, испытываемое магнитострикционным устройством и передаваемое вибрирующей корзине) также может быть возрастающей функцией расхода. Однако может быть предпочтительнее сохранять постоянной или в основном постоянной амплитуду вибрации вне зависимости от расхода. Соответственно, вариант осуществления вибрации обеспечивает управление величиной третьего сигнала таким образом, что амплитуда механической вибрации, сообщаемой корзине приллирования, является постоянной или в основном постоянной относительно расхода.

Отмечается, что постоянство амплитуды механической вибрации может не соответствовать постоянству величины третьего сигнала (в значениях напряжения), из-за изменения электрического импеданса магнитострикционного устройства с частотой.

Первый и второй сигнал могут быть аналоговыми сигналами в данном диапазоне, например, от 0 до 5 В. Входной сигнал, представляющий мгновенный расход расплава мочевины, направляемого в корзину приллирования, может быть обычным сигналом 4-20 мА.

Способ в соответствии с изобретением предпочтительно может быть интегрирован в распределенную систему управления (РСУ) установки получения мочевины. В частности, в РСУ установки получения мочевины может подаваться входной сигнал о расходе в корзину приллирования, который может быть использован для получения упомянутых выше первого сигнала и второго сигнала. Обычно эта РСУ также управляет процессом получения расплава мочевины, управляя такими компонентами оборудования, как компрессоры, насосы, вентили и т.д.

Соответственно, изобретение может быть реализовано на практике осуществлением способа в РСУ установки получения мочевины, когда установка получения мочевины включает башню приллирования.

В соответствии с различными вариантами осуществления, весь корпус корзины приллирования или только ее боковая стенка, может вибрировать под действием магнитострикционного устройства.

Изобретение также относится к системе управления вибрирующей корзиной приллирования в соответствии с формулой изобретения. Система в соответствии с изобретением может быть интегрирована в систему управления процессом получения мочевины. Например, в варианте осуществления, упомянутая выше РСУ также выполнена с возможностью управления процессом получения расплава мочевины.

Другой особенностью изобретения является процесс приллирования мочевины вибрирующей корзиной приллирования, в котором управление корзиной осуществляется в соответствии с предложенным в изобретении способом.

Изобретение также применимо для реконструкции. Система управления в соответствии с изобретением может быть применена для решения задачи реконструкции и модернизации башни приллирования установки получения мочевины.

Преимуществом изобретения является то, что вибрацией устройства приллирования можно непрерывно управлять в зависимости от потока расплава мочевины. Система реагирует в реальном времени на изменения расхода и регулирует амплитуду и/или частоту вибрации, соответственно. Благодаря такому более точному управлению, сокращается дисперсия капелек расплава мочевины, выбрасываемых корзиной приллирования, что означает получение более однородного и более ценного твердого продукта.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором:

на фиг. 1 представлена блок-схема варианта осуществления изобретения. Подробное описание осуществления изобретения

На фиг. 1 представлена схема системы управления вибрацией корзины 1 приллирования, установленной в башне приллирования мочевины (не показана).

В корзину 1 приллирования подается расплав мочевины (РМ). В процессе работы, корзина 1 вращается вокруг вертикальной оси А и вибрирует, соответственно, вдоль этой оси А, под воздействием магнитострикционного привода 2.

Скорость вращения обычно устанавливается равной примерно от 150 до 200 об/мин. Скорость вращения может также быть изменена в зависимости от расхода расплава РМ мочевины.

Магнитострикционный привод 2 присоединен к корзине 1 приллирования так, что когда привод 2 активизирован, вибрация привода 2 передается вибрирующим частям корзины 1. Вибрирующие части корзины 1 могут включать перфорированную боковую поверхность 14 и, возможно, другие части.

Подходящие магнитострикционные приводы поставляются компанией TdVib LLC, штат Айова, США.

Расход расплава РМ мочевины измеряется подходящим измерительным устройством М (например, в кг/с или м3/ч), которое выдает сигнал 3, например, сигнал 4-20 мА, в распределенную систему 4 управления (РСУ). Система 4 РСУ может быть установлена на подходящих технических средствах на посту управления установки получения мочевины, включающей упомянутую выше башню приллирования мочевины, в которой установлена корзина 1.

Система 4 РСУ выдает первый аналоговый сигнал 5 и второй аналоговый сигнал 6. Оба сигнала имеют величину, например, от 0 до 5 В.

Первый сигнал 5 подя в функциональный генератор (ФГен) 7, который вырабатывает гармонический (т.е., синусоидальный) сигнал 8, имеющий постоянную величину, например 1 В скв, и частоту в заданном диапазоне, например, от 0 до 1 кГц, и модулируемый в соответствии с подаваемым сигналом 5.

Подходящим устройством для использования в качестве функционального генератора 7 является, например, модель HMF2550, поставляемая компанией Rohde&Schwarz.

Описываемый далее гармонический сигнал 8 и второй сигнал 6 из РСУ 4 подаются в управляемый напряжением усилитель (УНУ), обозначенный элементом 9 схемы.

В УНУ 9 величина гармонического сигнала 8 модулируется в соответствии с сигналом 6. Поэтому, выходным сигналом УНУ 9 является гармонический сигнал 10, частота которого зависит от сигнала 5 управления, а величина (например напряжение) зависит от сигнала 6 управления.

УНУ 9 может включать, предпочтительно, системный контроллер THAT 2162 компании That Corp., США.

Сигнал 10 является сигналом источника (например, от 0 до 1 В) усилителя и мощного генератора 11, подключенного к подходящему источнику 12 энергии, например, к электрической сети. Усилитель и мощный генератор 11 вырабатывает сигнал 13 возбуждения (например, от 0 до 130 В скв), который сохраняет входную частоту и величина которого пропорциональна величине сигнала 10. Этот сигнал 13 возбуждает магнитострикционное устройство 2.

В качестве усилителя и мощного генератора 11 может быть использован прибор Titan-Mac01 компании Compact Power Со. Отмечается, что этот усилитель и мощный генератор 11 фактически выдает мощность, необходимую для возбуждения устройства 2.

В изобретении решается упомянутая выше задача обеспечения управления вибрацией в реальном времени, в соответствии с расходом УМ расплава мочевины. Сигнал возбуждения магнитострикционного устройства 2 непрерывно подвергается регулированию в зависимости от расхода расплава мочевины, представляемого сигналом 3.

В процессе работы частота механической вибрации корзины 1 равна частоте сигналов 8, 10 и 13, соответствующей требуемому на практике интервалу (например, до 1000 Гц).

Величину сигнала для заданной амплитуды вибрации следует вычислять с учетом импеданса системы. Например, при заданной амплитуде механической вибрации, соответствующая величина сигнала 13 может быть вычислена решением системы двух динамических уравнений, связывающих механические и электрические параметры системы.

Полезная модель магнитострикционного привода описана в материале: Braghin F, Cinquemani S, Resta F: "A Linear Model of Magnetostrictive Actuators for Active Vibration Control", представленном на 8^th International Conference on Computing, Communications and Control Technologies (CCCT 2010).

В альтернативном варианте, соотношение между величиной сигнала 13 и амплитудой вибрации может быть определено экспериментально.

Ниже приведен пример осуществления. Корзина приллирования используется для обработки потока расплава мочевины с расходом в диапазоне от 15 мт/ч (метрическая тонна в час) до 45 мт/ч. Частота вибрации регулируется в интервале от примерно 400 Гц при минимальном расходе до примерно 900 Гц при максимальном расходе. Частота повышается почти линейно с ростом расхода. Амплитуда механической вибрации, сообщаемой корзине приллирования, составляет от 10 до 15 мкм и остается в основном постоянной относительно расхода. Скорость вращения также управляется в интервале от 180 об/мин при низком расходе, до 200 об/мин при максимальном расходе.

Изобретение относится к приллированию мочевины, в частности, к управлению корзиной приллирования, используемой в технологии изготовления мочевины. В способе управления корзиной приллирования подают расплав мочевины в корзину (1), вибрирующую под действием магнитострикционного устройства (2). Причем вибрация корзины регулируется в зависимости от количества расплава мочевины, подвергаемого приллированию. Получают меняющийся во времени входной сигнал (3), представляющий расход расплава мочевины, подаваемого в корзину приллирования. Генерируют первый сигнал (5) и второй сигнал (6), независимо один от другого, как функцию входного сигнала (3). Генерируют третий сигнал (10), частота которого модулируется первым сигналом, а величина модулируется вторым сигналом. Используют третий сигнал для возбуждения магнитострикционного устройства (2). Обеспечивается точное и непрерывное управление вибрацией магнитострикционной вибрирующей корзины приллирования в зависимости от обрабатываемого количества расплава мочевины в самой корзине. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ управления корзиной приллирования в процессе приллирования расплава мочевины, в котором:

входящий поток расплава мочевины (РМ) подвергают обработке посредством корзины приллирования;

корзина приллирования вращается вокруг вертикальной оси и вибрирует вдоль этой оси;

вибрация корзины вызывается магнитострикционным устройством (2), причем способ включает управление вибрацией корзины в зависимости от расхода входящего потока (РМ) посредством следующих шагов:

получение меняющегося во времени входного сигнала (3), представляющего меняющийся во времени расход расплава мочевины, подаваемого в корзину приллирования;

генерирование первого сигнала (5) и второго сигнала (6), независимо одного от другого, как функцию входного сигнала (3);

генерирование третьего сигнала (10), являющегося гармоническим, частота которого модулируется первым сигналом, а величина модулируется вторым сигналом, и

использование третьего сигнала для возбуждения упомянутого магнитострикционного устройства (2).

2. Способ по п. 1, в котором при генерировании третьего сигнала: первый сигнал (5) подается на функциональный генератор (7); функциональный генератор (7) вырабатывает выходной гармонический сигнал (8) с заданной величиной и частотой, модулированной первым сигналом (5); этот выходной сигнал (8) функционального генератора и второй сигнал (6) подаются в управляемый напряжением усилитель (9), в котором величина сигнала (8) с выхода функционального генератора модулируется вторым сигналом, с получением на выходе усилителя (9) третьего сигнала (10).

3. Способ по п. 2, в котором выполняют усиление третьего сигнала (10) перед его использованием для возбуждения магнитострикционного устройства.

4. Способ по п. 3, в котором третий сигнал (10) является сигналом источника для усилителя (11) мощности, соединенного с источником энергии или электрической сетью и способного вырабатывать сигнал (13) возбуждения магнитострикционного устройства.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором частота третьего сигнала находится в диапазоне до 1000 Гц и, предпочтительно, в диапазоне от 200 до 1000 Гц.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором частота третьего сигнала и, соответственно, и частота вибрации корзины приллирования, являются возрастающей функцией расхода в пределах интервала управления расходом.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором величина третьего сигнала управляется так, что амплитуда механической вибрации, сообщаемой корзине приллирования, постоянна или в основном постоянна относительно расхода, и предпочтительно составляет от 10 до 15 мкм.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором первый сигнал и второй сигнал генерируют посредством распределенной системы управления (РСУ).

9. Способ по п. 8, в котором РСУ также управляет процессом получения расплава мочевины.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором вибрирует только боковая стенка корзины приллирования.

11. Система управления вибрирующей корзиной приллирования в башне приллирования секции конечной обработки установки получения мочевины, выполненная с возможностью осуществления способа по любому из пп. 1-10, причем корзина приллирования содержит магнитострикционный привод, а система включает:

распределенную систему управления (РСУ), выполненную с возможностью приема входного сигнала расхода расплава мочевины, подаваемого в корзину приллирования, и с возможностью вырабатывания первого сигнала и второго сигнала;

функциональный генератор, к которому подводится первый сигнал от РСУ и который способен вырабатывать сигнал заданной величины, модулированный по частоте первым сигналом;

управляемый напряжением усилитель (УНУ), выполненный с возможностью модулирования выходного сигнала функционального генератора вторым сигналом, с получением третьего сигнала;

усилитель мощности, подключенный к источнику энергии или электрической сети и способный усиливать третий сигнал для получения сигнала возбуждения привода корзины приллирования.

12. Способ приллирования с использованием корзины приллирования, в котором:

подводят входящий поток расплава мочевины (РМ) к корзине приллирования;

вращают корзину приллирования вокруг вертикальной оси и осуществляют вибрацию этой корзины вдоль этой оси, причем вибрация корзины вызывается магнитострикционным устройством (2);

управляют вибрацией корзины в зависимости от расхода входящего потока (РМ) посредством следующих шагов:

получение меняющегося во времени входного сигнала (3), представляющего меняющийся во времени расход расплава мочевины, подаваемого в корзину приллирования;

генерирование первого сигнала (5) и второго сигнала (6), независимо одного от другого, как функцию входного сигнала (3);

генерирование третьего сигнала (10), являющегося гармоническим сигналом, частота которого модулируется первым сигналом, а величина которого модулируется вторым сигналом, и

использование третьего сигнала для возбуждения упомянутого магнитострикционного устройства (2).