Способ автоматического управления производством экстракционной фосфорной кислоты Советский патент 1988 года по МПК C01B25/22 G05D27/00 

S9 «

hd

о

Изобретение относится к автоматизации процесса получения экстракционной фосфорной кислоты и может быть использовано в промьплленности по производству минеральных удобрений.

Целью изобретения является повьше- ние производительности процесса и снижение потерь сырья и энергии.

На чертеже представлена структур- ная схема системы автоматического управления, реализующая данный способ управления.

Схема содержит реакционное отде- .ление 1, сборник-распределитель 2, дозреватель 3 кристаллов, вакуум- испаритель 4, конденсатор 5, эжек- торный вакуум-насос 6, вакуум-фильтр 7, сборник 8 оборотного раствора разбавления, сборник. 9 первого фильтра- та, трубопроводы 10-12 подачи серной .кислоты, апатита и раствора разбавления в экстрактор, трубопроводы 13-21 соответственно подачи пара на эжек- торньй вакуум-насос, воды на промыв- ку фосфогипса, охлаждающей воды в конденсатор, пульпы в вакуум-испаритель, охлажденной пульпы в сборник- распределитель, пульпы с дозревателя на фильтр, фосфогипса в отвал, про- дукционной кислоты в сборник раствора разбавления и на склад, датчики 22 и 23 расхода апатита и серной кислоты, датчик 24 плотности пульпы, датчик 25 концентрации серной кисло- ты в жидкой фазе пульпы, датчик 26 расхода раствора разбавления, датчик I 27 плотности жидкой фазы пульпы и концентрации в ней фосфорной кислоты датчики 28 и 29 температуры пульпы в зоне реакции экстрактора и в сборнике-распределителе, датчик 30 расхода воды в конденсатор, датчик 31 разрежения в вакуум- 1спарителе, датчик 32 уровня в дозревателе, датчик 33 расхода пара на вакуум-насос, датчик 34 расхода пульпы на фильтр, датчик 35 концентрации фосфорной кислоты в оборотном растворе разбавления, датчик 36 расхода воды на фильт датчики 37 и 38 уровня в сборнике раствора разбавления и,в сборнике первого фильтрата, локальные регуляторы 39-44 стабилизации потоков и регуляторы 45-46 уровней соответственно в сборниках 8 и 9, а также регуляторы по отклонению соответственно концентрации серной кислоты в жидкой фазе пульпы, соотноше

5 0 5 0 с

0

5

ния жидкой и твердой фаз в пульпе, температуры пульпы в зоне реакции, разрежения в вакуум-испарителе, температуры пульпы в сборнике-распределителе, концентрации фосфорной кислоты в жидкой фазе пульпы, уровня пульпы в дозревателе экстрактора, концентрации фосфорной кислоты в оборотном растворе разбавления и вычислительные устройства 55-62.

В качестве ведущего потока в схеме управления данным производством выбран расход апатита, в качестве ведомых - расходы серной кислоты, оборотного раствора разбавления, пульпы на фильтр, воды в-конденсатор,

, Вычислительные устройства 55, 57, 58, 61 предназначены для расчета ведомых потоков в зависимости от расхода апатита по математическим формулам, которые приблизительно обеспечивают соблюдение материального и теплового балансов производства. Для расхода пара в эжекторный насос ведущим потоком выбран расход воды в конденсатор, а для расхода воды на промывку фосфогипса - расход пульпы на фильтр. Последние две связи обеспечиваются соответственно вычислительными устройствами 59 и 62,

Вычислительное устройство 55 пред- назначено также для расчета значения требуемой температуры пара в вакуум- испарителе Tj(.j,, которое затем используется устройством 56 для расчета требуемого разрежения.

Устройство 62 предназначено для уменьшения влияния возмущения расхода пульпы на расход оборотного раствора разбавления и концентрацию в нем фосфорной кислоты при изменении нагрузки по апатиту, а также при регулировании отношения жидкой и твердой фаз пульпы либо ее уровня в экстракторе.

Способ осуществляют следующим образом.

Работа устройства 62 основана на поддержании материального баланса потоков жидкости на вакуум-фильтре, выраженного через расход воды на промывку фосфогипса

stж

Вп L р р - L п + L пр L$r где Lp.p - расход оборотного раствора

разбавления;

Lf, - расход жидкой фазы в пульпе, подаваемой на фильтр;

LPP - расход продукционной кислоты на складу

Lj,p - расход жидкости, уносимой

в отвал с фосфогипсом. При этом используется выражение

L

П

. + 1

-(а,

n-pj)

де LP j - соответственно расход

пульпы на фильтр и отношение в ней жидкой и твердой фаз;

, а - экспериментально определяемые, например, методом наименьших квадратов для каждого конкретного процесса коэффициенты аппроксимации зависимости k а , + . отношения жидкой и твердой фаз в

фосфогипсе 1 L Фг

k

Ll

Фг

1 -

Фг

и расхода твердой фазы пульпы с фосфогипсом L

Ln

по статистике из1 +

меренных на объекте значний влажности фосфогипса ифг, а также переменных Ln и jfi

Данное вьфажение основано на экпериментально установленном факте: отношение k увеличивается пропорцинально расходу твердой фазы пульпы на фильтр Ьф.

Устройство 63 предназначено для расчета отношения жидкой и твердой фаз пульпы по измеряемым в экстракторе плотности пульпы РР, и плоности ее жидкой фазы р . Для раста используется формула

.(1-4) г

где

Fn-f

р - плотность твердой фазы

Рт

пульпы (обычно

3000 кг/мз). Устройство 64 предназначено для вычисления соотношения измеренных расходов раствора разбавления и ап„ L Р.р

тита С(5

Измеренное датчиком 22 значение расхода апатита поступает на вычистельные устройства 55, 57, 58, 61 которые работают следующим образом

Устройство 55 вычисляет корень Чсп нсп уравнения

Ч г.С,- (ь- -У

1

+ - qSq О,

/,,

где требуемая температура паря в вакуум-испарителе, при которой охлаждение пульпы обеспечивает стабильность температуры пульпы ири заданной нагрузке с - требуемая по регламенту

температура пульпы в сбор- 6-м ике /;

LP - производительность насоса, подающего пульпу в вакуум- испаритель.

С п - теплоемкость пульпы,

25.00 -32, кг

-2,41

кДж

кг град

25

зо

га .

коэффициенты аппроксимации табличной функции удельной энергии парообразования от температуры насыщенного водяного пара ( 1

7.сп);

180 град, tn 2,1 - коэффициенты экспериментально полученной зависимости температуры пульпы, поступающей из вакуум-испарителя в сборник 2, от температуры образующегося в нем пара

Ч

(г л т + );

, кДж

774 - часть энергии

ч кг

реакции, которую должна удалить из экстракто1за система охлаждения пульпы, чтобы температура пульпы в экстракторе оставалась неизменной при изменении расхода апатита (в расчете на 1 кг прореагировавшего в экстракторе апатита),

кроме того, вычисляет расход воды в конденсатор, который должен обеспечить охлаждение образующегося в вакуу ум-испарителе пара от температуры кипения пульпы до температуры tyj., по формуле

55

- KifcFJ

60 2С Ktnt .

qs«

где К,, F - соответственно коэффициент теплопередачи и

площадь поверхности теплообмена конденсатора} Qj - энергия, выносимая из конденсатора в эжектор несконденсировавшимися газами (постоянная для

эжектора величина); t (5 - температура используемой для охлаждения конденсатора воды (постоянная величина),

а также выдает рассчитанное значение L. в качестве задания регулятору 41 для реализации его на объекте.

Устройство 56 вычисляет требуемое в вакуум-испарителе давление пара по формуле, которую получают аппроксимацией табличной функции состояния на- сыще нного пара:

РИСП 0,113 + 0,00579(„,- 48,5) + 0,ОООТ23(г„сп - 48,5)2 где , требуемое значение температуры пара, вычисленное устройством 55,

а также вычисляет и передает на задание регулятору 50 требуемые значения разрежения в вакуум-испарителе:

ЛР

Р

йтм

- Р

wen

где POJTM атмосферное давление.

Устройство 57 рассчитывает расход серной кислоты по формуле L5 1,235 и подает его в ка естве задания регулятору 39.

Устройство 58 рассчитывает расход раствора разбавления по формуле

Lp,p 1,6S«( f - 0,21) , где Yi - требуемая по технологическому регламенту величина соотношения жидкой и твердой фаз пульпы,

а также выдает рассчитанное значение Lp4 стабилизирующему регулятору 40 в качестве задания.

Устройство 59 вычисляет расход несконденсировавшихся в конденсаторе газов по формуле

G/i k.,Lji3,

где k - коэффициент, подбираемый

экспериментально для технологического оборудования, вычисляет требуемый расход пара- на эжекторньм вакуум-насос по зависимости, которая описывает его паспортные данные:

пар

f( Л Р, G-2) 6,2-32 ( ЛР +

+ 0,85) + 0,5(G7 - 15),

5

где Р - требуемое разрежение в ва- куум-испарите;2е, вычисленное устройством 56,

а также выдает регулятору 42 в качестве задания вычисле 1ное значение

ntxr

Устройства 60 и 61 обеспечивают

компенсацию возмущения расхода оборотного раствора соответственно на концентрацию фосфорной кислоты в жидкой фазе пульпы и на ее уровень в экстракторе при управлении соотношения жидкой и твердой фаз пульпы устройством 58 или регулятором 48.

Устройство 60 вычисляет по текуще му значению соотношения С требуемую концентрацию фосфорной кислоты в оборотном растворе разбавления:.

Кпо,- К

ОА335()

p.p. ,|

- и

где К.(, ф - концентрация фосфорной кислоты в жидкой фазе пульпы, полученное значение концентрации Крр выдает регулятору 54 в качестве задания.

Устройство 61 вычисляет по теку- ш;ему значению соотношения С;, и расходу апатита SQ, требуемьй расход пульпы на фильтр по формуле Lr, (1,935 + С )Sg, которая получена с учетом, что Со - Ьр /Sg, и, кроме того, полученное значение L t передает в качестве задания регулятору 43.

Устройство 62 вычисляет значение производной

0

л §Л

дГ, }ГГ

9 §i т

()

а также требуемый расход воды на

промывку фосфогипса по формуле - о 8П

LBH- snt (п Ln ),

45

50

55

где Lgf, , L - соответственно расход воды на промывку и расход пульпы на вакуум-фильтр в момент включения регулятора,

и,кроме того, выдает регулятору 44 в

качестве задания вычисленное значение

расхода воды Lgn.

Таким образом, с помощью устроЙ9тв 55-62 осуществляются расчет и передача стабилизирующим регуляторам для реализации на объекте технологических режимов, которые соответствуют различным нагрузкам по сырью - расходу апатита .

Вследствие ограниченной точности математических моделей, положенных в основу вычислительных устройств 55-62, а также наличия погрешностей измерительных каналов в разомкнутой системе управления по возмущению все же возникают отклонения основных регулируемых величин от заданных значений. Для устранения этих отклонени используются регуляторы 47-49, 53, работающие в режиме по отклонению. Данные регуляторы вырабатывают управляющие воздействия и с их помощью корректируют задания стабилизирующих регуляторов.

Таким образом, окончательное регулирование процесса осуществляется с помощью контуров управления по отклонению.

Рассмотрим работу этих контуров. Пусть в контуре регулирования соотношения жидкой и твердой фаз пульпы возникает возмущение, которое приводит к отклонению данной переменной от задания регулятору. При увеличени (уменьшении) рассчитанного блоком 63 соотношения жидкой и твердой фаз регулятор 48 через сумматор уменьшает (увеличивает задание регулятору 40 (увеличивает) задание регулятору 40. В результате отработки этим регулятором нового задания уменьшается (увличится) расход оборотного раствора разбавления. Устройством 64 отмечается уменьшение (увеличение) соотношения измеряемых расходов раствора разбавления и сырья, поскольку расход вырья при этом не изменяется.

Устройство 61 через сумматор уменьшает (увеличивает) задание регулятору 43. В результате уменьшается (увеличивается) подача пульпы на фильтр. При этом уровень пульпы в экстракторе не изменяется, поскольку изменение подачи раствора разбавления в экстрактор равно изменению подачи пульпы на фильтр.

Уменьшение (увеличение) подачи пульпы, на фильтр уменьшает (увеличивает) толщину слоя осадка фосфогипса на фильтровальной ткани, при этом уменьшается (увеличивается) вынос с фосфогипсом жидкой фазы. Чтобы сохранить прежнее количество поступающей в промывной раствор жидкости устройство 62 упреждает действие данного возмущения: через сумматор оно уменьшает (увеличивает) задание регулятору

44 стабилизации подачи воды на промывку фосфогипса. В результлте этого меньшения (увеличения) подачи воды регулятором 44 количество промывного раствора не изменяется.

Уменьшение (увеличение) регулятором 40 по сигналу от регулятора 48 оборотного раствора вызьшает увели0 чение (уменьшение) уровня в сборник е 8, поскольку подача в этот сборник промывного раствора не изменяется благодаря работе устройства 62. Чтобы удержать прежним уровень з сбор5 нике 8 регулятор 45 уменьшает (увеличивает) подачу в него продукционной кислоты из сборника 9.

Поскольку в это время уменьшается (увеличивается) подача пульпы на

0 фильтр, поступление продукционной кислоты в сборник 9 также уменьшается (увеличивается). Очевидно, что, если правильно подобраны коэффициенты а и а, устройства 62 и при от5 сутствии суЕ1,ественных измерительных

погрешностей уровень в сборнике 9 : не изменится, это не повлечет изменение регулятором 38 количества отводимой кислоты на склад. Изменение

0 соотношения расходов поступающего в сборник 8 промывного раствора и подаваемой из сборника 9 продукционной кислоты вызывает изменение концентрации оборотного раствора разбавления, поскольку эти потоки имеют различные концентрации. В данном случае концентрация раствора разбавления уменьшается (увеличивается), Чтобы не вызвать действия регулятора

Q 54 на изменение концентрации раствора разбавления устройство 60 через сумматор уменьшает (увеличивает) ему задание.

В результате оборотный раствор разбавления с новой концентрацией поступает в экстрактор. Благодаря этому при регуап1ровании соотношения жидкой и твердой фаз пульпы концентрация фосфорной кис:юты в жидкой фазе пульпы не изменяется.

Рассмотрим управление процессом при изменении концентрации фосфорной кислоты в жидкой фазе пульпы.

Пусть регулятором 52 отмечено, что концентрация (Ьосфорнон кислоты в жидкой фазе ny:ii.nbi, например, ниже (выше) задания. Данный регулятор через сумматор увеличивает (уменьшает) задание реа улятору 54, которые, в CHOW

5

5

0

5

очередь, через сумматор уменьшает (увеличивает) подачу воды на промывк фосфогипса.

Уменьшение (увеличение) расхода воды влечет за собой уменьшение уровня в сборнике 8. Для сохранения этог уровня регулятор 45 увеличивает (уменьшает) расход продукционной кислоты из сборника 9 в сборник 8, Поскольку концентрация продукционной кислоты вьше концентрации промывного раствора, концентрация оборотного раствора разбавления увеличивается (уменьшается). Таким образом, при неизменном расходе оборотного раствора разбавления увеличивается (уменьшается) концентрация в нем фосфорной кислоты, а значит, увеличивается (уменьшается) подача в экстрактор PjOj и одновременно уменьшается (уве личивается) подача воды, что, в нечном итоге, приводит к повышению (снижению) концентрации фосфорной кислоты в жидкой фазе пульпы.

Важно, что при этом не нарушается ни уровень пульпы в экстракторе, ни соотношение жидкой и твердой фаз пульпы.

При возникновении в системе возмущения на уровень пульпы в экстракторе регулятор 53 от датчика 32 уровня через сумматор изменяет задание регулятору 43. По мере отработки нового задания этим регулятором изменяется раЬход воды на промывку с помощью устройства 62. При этом расход оборотного раствора разбавления и концентрация в нем фосфорной кислоты остаются неизменными,.благодаря чему не изменяются другие регулируемые переменные: соотношение жидкой и твердой фаз в пульпе и концентрация фосфорной кислоты в жидкой фазе пульпы. Изменение вывода пульпы из экстрактора при неизменных остальных потоках выравнивает в нем уровень.

Рассмотрим реакцию системы управления на возмущение по температуре пульпы в экстракторе. Если измеренная температура пульпы в реакционном отделении экстрактора повышается (понижается), регулятор 49 уменьшает (увеличивает) задание регулятору 51, требуя снижения (повышения) температуры пульпы в сборнике-распределителе 2. Регулятор 51 увеличивает (уменьшает) задание регулятору 50, требуя от него увеличения (уменьшения) разрежения в испарителе, регулятор 50 через сумматор увеличивает (уменьп1ает) подачу воды в конденсатор. При увеличе1 ии (уменьшении) расхода воды в конденсатор по сигналу от датчика 30 расхода воды устройство 59 увеличивает (уменьшает) расход воды пара на эжекторный насос, Увеличение (уменьшение) расходов воды и пара влечет увеличение (уменьшение) разрежения в системе, в результате увеличивается (уменьшается) отбор тепла от пульпы в вакуум-испарителе

5 и снижается (повьшается) ее температура в сборнике-распределителе. Теперь в реакционное отделение экстрактора пульпа поступает с более низкой (высокой) температурой, в результате

Q чего там также понижается (повышается) температура.

Рассмотрим как системой регулирования подавляется возмущение от изменения температуры охлаждающей кон5 денсатор воды. При увеличении (уменьшении) температуры разрежение в системе понижается (повьш1ается), на что регулятор 50 реагирует увеличением (уменьшением) задания регулятору 41,

0 В результате увеличения (уменьшения) регулятором 41 расхода воды и подачи пара на вакуум-насос разрежение восстанавливается. За время переходного процесса в контуре регулирования разрежения температура пульпы в.экстрак торе практически не изменяется.

Если при постоянном разрежении в вакуум-испарителе возмущение возникает в результате изменения интенсивности испарения воды либо изменения .перетока из сборника 2 дозреватель 3, изменяется температура пульпы в распределительном сборнике. Регулятор 51 на это отрегулирет корректировкой задания регулятору 50, а тот, в свою

5

0

5

0

5

очередь, - изменением количества подаваемой в конденсатор воды, а через устройство 59 - и пара в эжекторный насос. Этим он воздействует на интенсивность испарения в вакуум-испарителе, В результате данное управление восстанавливает температуру в сборнике 2.

Таким образом, рассмотренное возмущение практически не вызывает изменения температуры пульпы в реакционной отделении и дозревателе, поскольку вовремя компенсируются регулятором.

Использование данного способа управления позволяет повысить часовую производительность технологической линии на 8%, снизить расход сырья на 1,5% и серной кислоты на 2% и снизить энергетические затраты на 3,5%.

Формулаизобретения

1 , Способ автоматического управления производством экстракционной фосфорной кислоты, включающий регулирование концентрации избыточной серной кислоты в жидкой фазе пульпы экстрактора изменением подачи серной кислоты в экстрактор в зависимости от расхода сырья, подаваемого в экстрактор, регулирование уровня пульпы в дозревателе изменением подачи пульпы в вакуум-фильтр в зависимости от расхода сырья, подачи воды в вакуум- фильтр в зависимости от расхода сьфья регулирование отношения жидкой и твердой фаз пульпы в экстракторе и температуры пульпы в экстракторе, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса и снижения потерь сырья и энергии, дополнительно измеряют кон- центрацию пульпы и ее жидкой фазы в экстракторе, концентрацию и расход оборотного раствора разбавления, по концентрации пульп 1 и ее жидкой фазы определяют отношение жидкой и тне дой фаз пульпы в экстракторе, вычисляют отношение расходов сырья и оборотного раствора разбавления, регулируют отношение жидкой и твердой фаз пульпы в экстракторе изменением подачи оборотного раствора разбавления с коррекцией по расходу сырья в экстрактор, концентрацию жидкой фазы пульпы в экстракторе изменением концентрации оборотного раствора разбавления, воздействием на подачу воды в вакуум-фильтр с коррекцией по расходу пульпы в вакуум-фильтр, отношению жидкой и твердой фаз пульпы в экст ракторе и соотношению расходов сырья и оборотного раствора разбавления, а подачу пульпы в вакуум- фильтр дополнительно корректируют в зависимости от соотношения расходов сьфья и оборотного раствора разбавления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно регулируют разрежение в вакуум-испарителе изменением расхода воды в конденсатор в зависимости от расхода сьфья в экстрактор с коррекцией по температуре пульпы в экстракторе и сборнике-распределителе, а подачу пара на эжекторньй насос регулируют в зависимости от расхода воды в конденсатор.

Изобретение относится к автоматизации процесса получения экстракционной фосфорной кислоты,и может быть ис пользовано в промьшшенности по производству минеральных удобрений. Целью изобретения является повышение производительности процесса и снижение потерь сырья и энергии. В качестве ведущего потока в схеме управления выбран расход апатита, а в качестве ведомых - расходы серной кислоты, оборотного раствора разбавления, пульпы на фильтр и воды в конденсатор . Вычислительные устройства (ВУ) 55, 57, 58, 61 предназначены для расчета ведомых потоков в зависимости от расхода апатита. Для расхода пара в эжекторный насос ведущчу потоком выбран расход воды в конденсатор, а для расхода воды.на промыв ку фосфогипса - расход пульпы на фильтр. ВУ 55 предназначено также для расчета значения требуемой температуры пара в вакуум-испарителе, которое затем используете ВУ 56 для расчета требуемого разрежения. ВУ 62 предназначено для уменьшения влияния возмущения расхода пульпы на расход оборотного раствора разбавления и концентрацию -в нем фосфорной кислоты при изменении нагрузки по апатиту, а также при регулировании отношения жидкой и твердой фаз пульпы либо ее уровня в экстракторе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. О)