Способ автоматического управления процессом жидкостной экстракции Советский патент 1987 года по МПК B01D11/04 G05D27/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению процессом жидкостной экстракции в роторно-дисковых экстракторах и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, в частности, в промышленности, по производству капролактама.

Целью изобретения является уменьшение потерь целевого продукта за сч повышения точности регулирования.

Ввиду того, что содержание капролактама в процессе его экстрагирования толуолом из лактамного масла может изменяться в сырье (лактамном масле) от 55 до 63%, для получения на выходе экстракта (раствор капролактама в толуоле) стабильной концентрации (12%) необходимо корректировать соотношение подачи сырья - экстрагент (лактамное масло - толуол) . Недостаток экстрагента приводит к тому, что часть целевого продукта по условиям равновесного содержания остается в воцной фазе (рафинате) и выводится на уничтожение. Избыток экстрагента также нежелателен, так как снижаетсся концентрация экстракта, усложняется ei o дальнейшая переработка.

Кроме того, даже при оптимальной подаче экстрагента изменение концентрации сырья сказывается на количестве отводимого рафината, величина которого используется для формирования сигнала управления скорости вращения ротора. Известно, что растворимость веществ зависит от температуры, поэтому При изменении температуры изменяется необходимое ко- личество экстрагента на одно и то же количество сырья неизменного состава. Например, при понижении температуры снижается растворимость целевого продукта в органическом экстра- генте, и если не увеличивать расход экстрагента, часть целевого продукта остается в рафинате, что приводит к последствиям, аналогичным описан

ным вьше для случая повышения содер

жания целевого продукта в сырье.Кроме того, с изменением температуры среды в экстракторе необходимо изменять скорость вращения ротора. Известно, что степень диспергироза- Нин фаз определяется характеристической скоростью дисперсной фазы, которая, в свою очередь, зависит от физических констант диспергиру

емых жидкостей, т.е. вязкости, плотности, поверхностного натяжения на границе раздела фаз, Ввиду того что значения этих констант зависят от температуры, в процессе экстракции при изменении температуры среды в экстракторе изменяются условия диспергирования, что приводит к изменению функциональной зависимости замкнутого контура управления.

Ниже показана зависимость скорости вращения ротора от температуры. Предельная нагрузка экстрактора по дисперсной фазе определяется выражением

Q, 0.024 г.к (.-я).(Г.

-Б - 5 ; - 5-/ -

где - доля объема, свободного для прохода жидкости; для роторно-дисковых эк- тракторов g 0,95; X - объемная доля дисперсной

фазы, удерживаемой в колонне при захлебывании, зависит от соотношения подач сплошной и дисперсной фаз; ( - поверхностное натяжение на

границе раздела фаз, Н/м; д - вязкость дисперсной фазы,

Па с; др - разность плотностей фаз,

PJ- - плотность сплошной фазы,

кг/мЗ;

g - ускорение свободного падения,, g 9,8 м/с2;

со - скорость вращения ротора, ,,-1 .

t. 5Dp-диаметр дисков ротора,м;

D| -диаметр отверстий кругов,м;

D-диаметр экстрактора,м;

h-высота секции, м.

Из приведенного уравнения можно записать

Што З-РС-ЗЗВвиду того, что

6.6,-d.(6,)-(6,,-o,,.d

,-/3t ; ГРо- J де

о fo

Ко

t, /i

t соответственно поверхностное натяжение, вязкость и плотность среды при на- г чальной температуре;

соответствующие температурные коэффициенты;fOтемпература среды в экстракторе, С ,

можно записать

ы.|

л

T/l oKPoQ

(.-pt)(V3-t)(PK 7/PoH

U)0

с К у/ЯоИ

Для экстракции капролактама водой из 10%-ного толуольного раствора при (дисперсная фаза - вода, сплошная - толуольный раствор капролактама, соотношение подачи f а / рс 0,2)

имеем:

25

-2

/ -- ГЯГ-- « т/я„-й | - 1,610-.

Тогда

U)

U)o

f

1 - 21,4 -10

-3

Таким образом, при повышении .температуры на 1°С скорость вращения ротора необходимо увеличить на 1% ( Ы 1,01iOo); при изменении температуры на 10°С - на 13% ( ы 1,13u)o); при изменении на - на 32% ( U) 1,32иОс).

На чертеже представлена схема системы для реализации способа.

Система автоматического управления процессом жидкостной экстракции включает роторно-дисковый экстрактор 1, контур автоматической стабилизации соотношения подачи сьфья и экстрагента путем изменения расхода экстрагента, содержащий датчик 2 расхода сырья, блок 3 соотношения расходов и регулируемый клапан 4 подачи экстрагента, контур коррекции подачи экстрагента в зависимости от температуры и качества сырья содержащий датчики 5 и 6 расходов соответственно экстрагента и экстрата, инвертор 7, сумматор 8, блок 9 деления, датчик 10 температуры срег

fO

J5

134804

ды в экстракторе, инвертирующий усилитель 11 и схему сравнения 12, контур автоматической стабилизации уровня раздела фаз путем изменения величины отвода рафината, содержащий датчик 13 уровня раздела фаз и регулируемый клапан 14, контур автоматического управления скоростью вращения ротора, содержащий инвертор 15, сумматор 16, схему 17 сравнения, арифметический блок 18, сумматоры 19 и 20, датчик 21 скорости вращения ротора, исполнительный механизм 22 и электродвигатель 23.

Способ осуществляется следующим образом.

Датчиком 2 измеряют расход сырья и сигнал М величины расхода подают в блок 3 соотношения, который управляет клапаном 4 подачи экстрагента, реализуя зависимость Т Z М, где Т - величина расхода экстрагента; М - величина расхода сырья; Z (3,3 - 4,2) - коэффициент, завися25 щий от состава сырья и температуры ведения процесса.

Коэффициент Z определяют следующим образом. Расход Т экстрагента замеряют датчиком 5 и после инверти30 рования инвертором 7 сигнал Т подают на первый вход сумматора 8, на второй вход которого подают сигнал С количества экстракта, замеренный датчиком 6. На выходе сумматора 8

е формируется сигнал К С - Т, соответствующий количеству извлеченного из сырья целевого продукта. Сигнал К заводят на первый вход блока 9 деления, на второй вход которого заводят сигнал С количества экстракта. Выходной сигнал X К/С блока 9 деления представляет собой текущую концентрацию экстракта. Эталонная концентрация Y для данной температуры формируется усилителем 11 на основании сигнала t датчика 10 температуры среды в экстракторе согласно зависимости

40

45

Y -0,082 t - 10,37.

Схема 12 сравнения на основании сигналов X и Y формирует сигнал Z А (X - Y) + 3,74,

где А - коэффициент обратной связи; устанавливается при настройке из условий заданной точности и устойчивости системы.

51

При понижении (повышении) температуры t уменьшается (увеличивается) величина Y эталонной концентрации экстракта, при этом коэффициент Z повьппается (уменьшается) и количество Т подаваемого экстрагента ав томатически увеличивается ( уменьшается) .

Аналогично отрабатывается изменение состава сырья. При повышении (снижении) содержания целевого продукта в сырье увеличивается (уменьшается) текущая концентрация X экстракта, что приводит к увеличению (уменьшению) количества Т подаваемого экстрагента.

Полная зависимость управления клапаном 4 подачи экстрагента имеет вид: .

Т МС

- A(,g82t) А М

3134806

склонности сырья к эмульгированию, частоты экстрагента и т.д.

Сигнал В формируется следующим образом. Датчик 13 уровня раздела

, фаз управляет клапаном 14, прикрывая его при понижении уровня и открывая при повышении уровня раздела фаз, стабилизируя его тем самым при работе экстрактора на нестабильных

fO нагрузках и с сырьем переменного качества. Кроме того, сигнал Q, несущий информацию о величине отводимого рафината, подают на первый вход схемы 17 сравнения, на второй вход

f5 которой подают сигнал Qp М - К расчетной величины потока рафината, формируемый сумматором 16. Выходной сигнал Б схемы 17 сравнения представляет собой сигнал рассогласования

20 реальной и расчетной величин выходного потока рафината:

Управление скоростью вращения ротора в зависимости от нагрузки и температуры среды в экстракторе осуществляют следующим образом. В качестве нагрузки экстрактора используют сигнал С количества отводимого экстракта. Арифметический блок 18 на основании сигнала t температуры среды в экстракторе и сигнала С количества экстракта формирует сигнал ы скорости вращения ротора на основании зависимости

U)

+ ka

iT

+ jrit

где k, k2 постоянные коэффициенты, определяемые из опытных данных для конкретного экстрактора.

С уменьшением нагрузки С экстрактора скорость вращения ротора увеличивается, компенсируя снижение диспергирования фаз.

Окончательный сигнал uJ расчетной величины скорости вращения ротора формируется сумматором 19 на основании зависимости

U) w -f в,

где В - сигнал коррекции с выхода

схемы 17 сравнения. Сигнал В зависит от факторов, не учтенных в процессе регулирования, т.е. от количества примесей в сырье

25

В

+ 1 при Q Qp; - 1 при Q Qp;

30

Таким образом, расчетная величина со скорости вращения ротора определяется согласно зависимости

UJ

-kiC

.

+ В

45

50

35

Сигнал U) расчетной скорости вращения ротора подают на первый вход сумматора 20, на второй вход которо - го подают с датчика 21 сигнал и) действительной скорости вращения. 40 Выходной сигнал сумматора 20 через исполнительный механизм 22 управляет двигателем 23, поддерживания равенство расчетной и действительной скоростей вращения u) ш.

Таким образом,обеспечивается вращение ротора со скоростью, максимально возможной для данной нагрузки, данного качества сырья и текущего значения температуры среды в экстракторе .

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом жидкостной экстракции,включающий регулирование соотношения расходов сырья и экстрагента изменением расхода экстрагента, регулирование количества рафината по уровню раз713134808

дела фаз, регулирование скорости вра-величине отношения которого к расхо- щения ротора экстрактора в зависимо-ду экстракта рассчитывают текущее зна- сти от расходов сырья, экстрагента ичение концентрации экстракта, по раз- количества рафината, отличаю-ности расхода сырья и количества из- щ и и с я тем, что, с целью уменьше- свлеченного целевого продукта опреде- ния потерь целевого продукта за счетляют расчетную величину количества повышения точности регулирования, до-рафината, при этом расход экстраген- полнительно измеряют температуру ере-та корректируют обратно пропорцио- ды в экстракторе и расход экстракта,нально отклонению текущей концентра- по температуре среды рассчитывают за-foции экстракта от заданной, а скорость данную концентрацию экстракта, по ве-вращения ротора экстрактора корректи- личине разности расходов экстрагентаруют пропорционально температуре сре- и экстракта рассчитывают количестводы и отклонению количества рафината извлеченного целевого продукта, поот его расчетной величины.

Изобретение относится к способу автоматического управления процессом жидкостной экстракции,может быть ис- пользовано в химической промышленности и позволяет уменьшить потери целевого продукта за счет повышения точности регулирования. Способ реализуется системой автоматического регулирования, включающей контур стабилизации соотношения подачи сырья и эк- страгента изменением расхода экстра- гента: датчик (Д) 2 расхода сырья, блок 3 соотношения расходов и клапан (К) 4 подачи экстрагента, контур коррекции подачи экстрагеита по температуре и качеству сырья: Д 5,6 расходов экстрагента и экстракта, инвертор (и) 7, сумматор 8, блок 9 деления, Д 10 Температуры среды, инвертирующий усилитель 11 и схему 12 сравнения, Система содержит также контур стабилизации уровня раздела фаз изменением величины отвода рафината: Д 13 уровня, К 14, контур управления скоростью вращения ротора: И 15, сумматор 16, схема 17 сравнения, арифметический блок 18, сумматоры 19, 20, Д 21 скорости вращения ротора, К 22 и электродвигатель 23. 1 ил. (Л е Зкстрант Ю Сырье %. yHcmpati PaqiuHam 00 00 4:: ас