Способ автоматического регулирования процесса синтеза аммиака Советский патент 1989 года по МПК C01C1/04 G05D27/00 

Изобретение относ(стся к автоматизации производства aMiwaKa и может быть использовано в промышленности по производству минеральных удобрений, хи шческой и нефтехимической промыпшенности.

Целью изобретения является повышение производительности процесса за счет повьппения точности поддержания заданной концентрации инертов л циркуляционном газе на входе колонны синтеза.

На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа.

Схема содержит поток 1 свежего газа, поток 2 решфкуляционного газа, поток 3 циркуляционного газа, аппараты 4 вторичной конденсации аммиака, поток 5 жидкого аммиака, колонну 6 синтеза аммиака, аппараты 7 первичной конденсации a fмиaкa, поток 8 жидкого аммиака, поток 9 продувочного газа, датчик Ю расхода свежего газа, датчик 11 расхода циркуляционного газа, датчик 12 расхода продувочного газа, датчик П расхода жид.кого аммиака из аппаратов первтпюй конденсации аммиака, пят31502

чик 14 расхода жидкого аммиака из аппаратов вторичной конденсации аммиака, датчики 15-18 состава соответственно свежего газа, циркуля- ционного газа на выходе из аппаратов вторичной конденсации, аммиака, на выходе из колонны синтеза, на вьсходе из аппаратов первичной конденсации аммиака, датчик 19 давления циркуля- ционного газа, датчики 20 и 21 температуры циркуляционного газа соответственно после адтларатов вторичной конденсации i и после аппаратов первичной ковденсации аммиака, регулятор 22 расхода продувочного газа, вьыислительное устройство 23. Схема работает следующим образом. Свежий га;; 1 смешивается с рециркуляционным газом 2 и образует цирру ляционный газ 3. Циркуляционный газ 3 поступает в аппараты 4 вторичной конденсации аммиака, где происходит отделение сконцентрированного аммиака 5. Далее циркуляционный газ по- ступает в колонну 6 синтеза аммиака. Циркуляционный газ, выходящий из колонны синтеза, поступает в аппараты 7 первичной конденсации аммиака, где происходит отделение сконденс}фован- него аммиака 8, оставшийся циркуляционный газ 2 рециркулируют снова на вход аппарата 4 вторичной конденсации аммиака. Для предотвращения накопления в системе инертных при- месей часть циркуляционного газа отводится в виде продувочного газа 9 Сигналы датчиков 10-14 соответственно расходов свежего газа, циркуляционного газа на входе в колонну синтеза, продувочного газа, жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака, с датчика 19 давления циркуляционного газа с датчиков 20 и 21 температуры циркуляционного газа после вторичной и первичной конденсации аммиака поступают в вычислительное устройство 23. Концентрацию метана и аргона в свежем газе замеряют датчиком 15, концентрацию метана, аргона, аммиака в циркуляционном газе на входе в колонну синтеза - датчиком 16, концентрацию аммиака в газе на выходе колонны синтеза - датчиком 17, концентрацию аммиака в газе на выходе аппаратов первичной конденсации аммиака - датчиком 18. Сигналы с датчиков 15-18 поступают в вычислительное устройство 23, Расход продувочного газа регулируется регулятором 22.

Вычислительное устройство 23 рассчитывает необходимый расход продувочного газа и выдает сигнал на регулятор 22 расхода продувочного газа в виде задания, который устанавливает требуемый расход продувочного газа.

Способ осуществляется следуюпщм образом.

В вычислительном устройстве 23 по расходам свежего, продувочного и циркуляционного газов (QCRJ Qnp QH ) жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака (G, G, т/ч), температурам первичной и вторичной конденсации аммиака (t, -гк °) Я лению циркуляционного газа (Рц ати концентрациям метана и аргона в свежем газе (, А.Ц% об.), концентрациям аммиака в циркуляционном газе после колонны синтеза, аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака (Х, X,, Х, об.%), вычисляют концентрации инертов (метана, аргона) в циркуляционном газе на входе в колонну синтеза f(t), ,f,(t), ), об.%, на основании статической модели материального баланса процесса синтеза по инертам:

ев

Qa

az. -IK -гk

М

Рсе.

сб

(1)

f(t) f,(t)+f(t) f(Q Q к a 1 G

0

Ha многих действующих агрегатах

аммиака отсутствует автоматическое измерение концентрации аммиака в технологическом газе. В способе предусмотрен расчет концентраций аммиака X,, Xj, XQ в случае отсутствия измерения

X,, Z+iO e f n - on5/(t, + 2r3))(2)

.,98Q/ rF;7- 0 9.S/()),,

X, + 11

(4)

1, 2, и О, 2 - коэффициенты коррекции, учитываю- пще содержание инертов в циркуляционном газе, об.%;

18 - перепад давления на колонне, ати;

515024666

11 - разность аммиака о г . о .(,- ,,, , .

VaKt си лк , +(.0-) ; (5) В газе на входе и

выходе из колонны, ( д, ..gj) , (6)

поб.%.где (J - расход сконденсированного

Расходы жидкого аммиака из аппа-и чтю о

ратов первичной и вторичной конден-п

сации аммиака (Q , Q,, нм /ч) свежего и проду- V4a, QKi вечного газов (()„ и 0„ )

корректируются или по расходам жид- е чпр/.

кого аммиака с объекта (G,, ), tO

или по концентрациям аммиака (Х, втором случае расходы жидкого

X , X ):аммиака определяют следующим образомГ

S():(100-Xp; Q,Q,-S. Q ,,, ак ок QK

Изобретение относится к автоматизации производства аммиака и может быть использовано в промышленности по производству минеральных удобрений, химической и нефтехимической промышленности. Целью изобретения является повышение производительности процесса за счет повышения точности поддержания заданной концентрации инертов в циркуляционном газе на входе в колонну синтеза. Способ позволяет на основании информации о расходе и составе свежего газа, расходе, составе и давлении циркуляционного газа на входе колонны синтеза, концентрации аммиака в циркуляционном газе на выходе колонны синтеза, температурах первичной и вторичной конденсации аммиака, расходах жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака и концентрации аммиака в циркуляционном газе на выходе аппаратов первичной конденсации аммиака рассчитывать и устанавливать требуемый расход продувочного газа и в зависимости от состояния процесса автоматически определять моменты перехода с режима управления по инертам на режим управления по давлению циркуляционного газа и наоборот. 1 ил.

Q;.. (Q.- QC,- О окг)- 0 - °°

аи

„п

Qa.. - Q-- QO«..

где 6 - изменение объема циркуля-oi n, (0,185+0,0035 ,,) t К ;(8)

ционного газа в колонне, (0,,0014,,)t 10- К.; (9)

Qg - расход газа на выходе изиг, 7

колонны, нм /ч;с сн, г. (0,1 85-t-0,0035) t IQ- К ; (10)

ам . оАдр,(0,085-Ю,0014г) К , (11)

QUKI

ошг расходы жидкого аммиака изгде К - степень растворимости инераппаратов первичной и вто- тов в жидком аммиаке, в наричной конденсации, рассчи-чальный момент времени .

тайные разными способамиj 30

.Концентрация инертов (метана, ар- Растворимость метана и аргона вгона) в циркуляционном газе на входе жидком аммиаке первичной и вторичнойв колонне синтеза I ни /чед.об., определяют решением системы конденсации аммиака, ГУч ЙН 35Уравнений материального баланса про- считьгаают по следующим уравнениям:цесса синтеза по инертам

Q e ce/100 QnpaopCH Qa. ,2 цг цг сн 5 2) Qcb cb/IW) а„рсн4 (QK- Qce - Qa.i) ОкацгСИ4 ,

Q,gAe6/100 QnpappA + , (Рцг 18)a, а,д,; (U) Q, А,/100 а„рд, (Q,- Q.-t- Q,,,) д,ац,д, , (15)

где аярсу, , концентрация мета-куляционном газе (М i и Корна и аргона в про-рекция происходит не чаще 1 раза в дувочном газе - 50 путем решения системы урая .гения два неизвестных из(12-15) относительно KI, А , а .ц , четырех в системеа рдр при исходных данных уравнений.

При отсутствии автоматического из- цгСИ4 цг цгДг A.iUU. мерения концентрации аргона в свежемПри отсутствии автоматического газе () зта концентрация, а такжеизмерения концентрации аргона в iwp- степень растворимости инертов в жид-куляционном газе (Ацг) зта концент- ком аммиаке (К) корректируется порация вводится в вычислительное уст- концентраций метана и аргона в цир-ройство по лабораторным анализам.

f,(t)

Тогда концентрации f,(t), f,(t),

определяются следующим образом: f, (t a rCH4 10Q; f 2(t) 100;

f(t) f,(t) i,(t)

(16)

2 V - / )

где t - текущий момент времени.

Определяют разность концентра1щи инертов в текущем и предыдущем моментах времени ftf ,, &h,, , &f

16, 17,8, 18,1, 21, 21, 21. Прогнозируют первую величину изменения концентрации инертов (AUg)

(21)

ли,

y,(t).

if f.(t)-f,(t-T); if. f ,(t);

uf ) - f,(t-T),

-0 0 - -- 0

где Т 15 мин - цикл расчета.

Разность &1„ характеризует изменение Всех воумущаюпщх и управляющих воздействий, пересчитанных на выход объекта управления по каналу инертов.

Изменение возмующаюп(их воздействий в пересчете на инерты характеризуется уразнением

ufg &Г„ - y(t - Т), -(18)

где y(t-T) - управляющий сигнал в

предыдущем моменте времени t-T.

Определяют составляющую управляющего сигнала по возмущению Yg(t)

Yp(t) -ufp y(t-T) - Af. (19)

Расчет прогноза концент рации инертов ведется по динамической характеристике объекта управления по каналу инертов на основании величин изменения управляющих и возмующающих воздействий и инертов на интервале времени предьщущих 3 ч - времени переходного процесса объекта управления при ступенчатом возмущении.

Динамическая характеристика объекта управления является переходной функцией объекта управления по каналу: возмущающее воздействие (расход продувочного газа) в пересчете на вы- ход - инерты в циркуляционном газе

W(tt-jT)uM(jT):uM(12T), , (20)

где 12 - количество интервалов времени по 15 мин, соответствующее 3,0 ч - времени переходного процесса объекта управления при ступенчатом возмущении;

М - экспериментальные коэффици е-н ты;

Величина uUj, характеризует прогноз изменения инертов в зависимости 10 от составляющей управляющего сигнала по возмущению.

По вычисленным концентрациям инер- (17) предьщущих моментах времени

f,(t-kT), fj(t-kT), k 07Г2 прогно- 15 зируют вторую величину изменения

концентрации инертов (Ли), характеризующую прогноз изменения метана и аргона в зависимости от поступивших ранее управляютдих и возмущающих воз- 20 действий:

(t+12T)+A(t+12T) (t)+A(t) ,

(22)

где M(t+jT) и 25 A(t+jT) - прогноз изменения

концентраций метана и аргона в моменте времени t+jT, ,1, 2,.., в зависимости от поступивших ранее управляющих и возмущающих воздействий,%,

30

35

м(t+jт)м„(t+jт),w(t+jT),

j 0,1,2... A(t+jT)An(t+jT) + (t+jT) ,

где M,T(t+jT) и A(t+jT)

(23) (24)

40

45

50

- прогнозы изменения Концентраций метана и аргона в моменты времени t-jT, зти прогнозы рассчитаны в предыдущий момент времени t-T в зависимости от поступивших до этого момента времени управляющих и возмущающих воздействий.

Прогнозируют третью величину изменения концентрации инертов (ди)

ли,.

- yJt-2T)+y(t-T) , (25)

где у (t-jT) - составляющая управляющего сигнала по отклонению, рассчитанная в моменты времени (t-jT),

j ПТ.

ЛМ г О, О, 2, 5,2, 8,7, 1,5, 14,9,

16, 17,8, 18,1, 21, 21, 21. Прогнозируют первую величину изменения концентрации инертов (AUg)

(21)

ли,

y,(t).

5

м(t+jт)м„(t+jт),w(t+jT),

j 0,1,2... A(t+jT)An(t+jT) + (t+jT) ,

где M,T(t+jT) и A(t+jT)

(23) (24)

0

5

0

- прогнозы изменения Концентраций метана и аргона в моменты времени t-jT, зти прогнозы рассчитаны в предыдущий момент времени t-T в зависимости от поступивших до этого момента времени управляющих и возмущающих воздействий.

Прогнозируют третью величину изменения концентрации инертов (ди)

ли,.

- yJt-2T)+y(t-T) , (25)

у (t-jT) - составляющая управляющего сигнала по отклонению, рассчитанная в моменты времени (t-jT),

j ПТ.

у150246

Величина ДИ характеризует прогноз изменения инертов в зависимости от будущего (через время Т и 2Т) снятия избыточного управляющего воздействия ,по отклонению. Знак - в уравнении (25) означает, что сигнал по отклонению подают в 2 раза больше расчетного и через 30 мин возвращают на расчетное значение с целью более бы- ю строго возвращения инертов на задание. Прогнозируют значение концентрации

инертов (Upppr) как су1чму концентрации инертов Ug(tj Н + АцрИ трех прогнозных величин изменения концент- ра1щи инертов

прогн Ug(t)-Ug + uUn -ь Ли„ .(26)

При отсутствии автоматического измерения концентрации аргона в циркуляционном газе (Ац) эта концентрация определяется по вычисленным статическим оценкам концентрации инертов в предыдущих моментах време- ни f,(t-kT), f(t-kT), k 0,12 и концентрации метлна М . на основании динамической модели объекта и прог- ноз ирования,

Вычисляют составляющую управля- ющего сигнала по отклонению

Qpp Qrp- UQnp,

л Ч- я

ЗцгСН4ЦГ/ Г

Определяется второй корректирующий сигнал (йО„р. )

& Qnp.Kn (PV, -V )-( -Pj )

и(Р.аА-Рцг).

(30)

,„д , Р, р

45

- заданное и измеренное значение давления циркуляционного газа в текущий и пре- 50 дыдущий моменты времени;

К и К - коэффициенты нястрой- ки, т.е. величина

„02. является тре- 5

НО

буемь1м изменением расхода продувочного газа для управления давлением циркуляци y«(t) и

эад - лрогн

(27)

где - заданное значение концентрации инертов.

Вычисляют величину управляющего сигнала в текущем моменте времени y(t)

y(t)y(t)+2yg(t)-y(t-2T) (28)

Коэффициент 2 говорит о том, что составляющую управляющего сигнала по отклонению подают в 2 раза боль- ще, с целью более быстрого возвращения инертов на задание и через 30 мин возвращают на расчетное значение .

Вычисляют первый корректирующий сигнал (iQnp,) обратно пропорционально величине управляющего сигнала y(t). Величина uQnpi является требуемым изменением расхода продувочного газа для управления инертами, величина y(t) является требуемым изменением управляющего воздействия в пересчете на выход объекта управления, т.е. инертов.

Величина Qpp определяется решением системы уравнений материального баланса процесса синтеза (12-15) относительно 0 , цг А. прСН,, прАг Р исходных данных

- а

цгСн y(t)

(29)

онного газа по ПИ- закону регулирования. Сравнивают первый и второй корректирующие сигналы (uQnp, и ) и изменяют расход продувочного газа на максимальную величину этих сигналов.

Qnj Qnp+ ax(iQnp, , UQ.p.). (31)

Таким образом, осуществляется автоматический переход с режима управления продувкой по инертам на режим управления по давлению и обратно в зависимости от состояния процесса, которое отражается в расчетной величине корректирующих сигналов , и Qnpi.

По предлагаемому способу с точностью .% поддерживается концентрация инертов на входе в колонну синтеза.

Ожидаемый экономический эффект от использования изобретения получается в основном за счет увеличения выработки аммиака благодаря увеличению точности поддержания заданной концентрации инертов на 1,8 об.% (с 2 до 0,2 об.%). Увеличение точности стабилизации концентрации инертов на 1,8 об.% позволяет сократить расход продувочного газа на 600-1000 нм /ч или увеличивать, выработку аммиака на 0,2 т/ч. Формула изобретения

Способ автоматического регулирования процесса синтеза аммиака, вклю- чаю1ций регулирование расхода продувочного газа в зависимости от расход и состава свежего газа, расхода, сое тава и давления циркуляционного газа на входе колонны синтеза, концентрации аммиака в циркуляционном газе на выходе колонны синтеза, температур первичной и вторичной конденсации аммиака, отличающий- с я тем, что, с целью повышения производительности процесса за счет повышения точности поддержания заданно

концентрации инертов в. циркуляционном 30 значения, по составляющим управляюгазе на входе колонны синтеза, дополнительно измеряют расходы жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака, концентрацию аммиака в циркуляционном газе на выходе аппаратов первичной конденсации аммиака, вычисляют концентрацию инертов в циркуляционном газе на входе колонны синтеза аммиака по

расходам свежего, продувочного и цир- дО ности между заданным и измеренным

куляционного газов жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака, температурам первичной и вторичной конденсации аммиака, давлению циркуляционного газа, концентрациям метана и аргона в свежем газе, аммиака в циркуля

0

ционном газе после колонны синтеза и аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака, определяют составляющую управляющего сигнала по возмущению как разность между величиной управляющего сигнала в предыдущем моменте времени и вычисленной разностью концентрации инертов в текущем и предьадущем моментах времени, по составляющей управляющего сигнала по возмущению прогнозируют первую величину изменения концентрации инертов, по вычисленным концентрациям инертов в предьщущих моментах времени прогнозируют вторую величину изменения концентрации инертов, по составляющей управляющего сигнала по отклонению в предьщущие моменты времени прогнозируют третью величину изменения концентрации инертов, прогнозируют значение концентрации инертов как сумму вычисленной концентрации инертов и трех прогнозных вели- 5 чин изменения концентрации инертов, вычисляют составляющую управляющего сигнала по отклонению пропорционально отклонению прогнозного значения концентрации инертов от заданного

5

щего сигнала по возмущению и отклонению в текущем и предыдущих моментах времени вычисляют величину управляющего сигнала в текущем моменте времени, вычисляют первый корректирующий сигнал, обратно пропорциональный величине управляющего сигнала в текущем моменте времени, вычисляют второй корректирующий сигнал по раз

значениями давления циркуляционного газа в текущем и предыдущем моментах времени, сравнивают первый и второй корректирующий сигналы и изменя- 45 ют расход продувочного газа пропорционально максимальной величине из зтих сигналов.