Способ автоматического регулирования процесса разделения воздуха в криогенном комплексе и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в системах управления процессами разделения в криогенных комплексах.

Целью изобретения является повышение точности регулирования и экономичности.

На чертеже представлена схема предложенного устройства.

Устройство содержит нижнюю ректификационную колонну (НРК) 1, верхнюю ректификационную колонну (В Р К) 2, соединенные между собой через конденсатор-испаритель 3 сборник 4 жидкого азота, переохладитель

5, блок 6 теплообменников, турбодетандеры 7, 8, 9, исполнительные органы 10, 11, 12, 13, 14, 15, регуляторы 16, 17, 18, основные регуляторы 19, 21, корректирующие регуляторы 20, 22, датчики 23, 24 и 25 уровня криогенной жидкости, датчики 26, 27, 28, 29 концентрации кислорода.

Исполнительный орган (вентиль) 10 установлен в криогенной магистрали дроссельного потока воздуха, соединенной с НРК 1. С Через переохладитель 5 проходят криогенные трубопроводы, которые соединяют: куб азотной флегмы НРК 1 через исполнительный орган 11 (регулирующий

00

о ю

ю

Os CD

клапан) с первым вводом в ВРК 2, сборник 4 жидкого азота через исполнительный орган 12 со вторым вводом потока орошения в ВРК 2, сборник 4 жидкого азота через исполнительный орган 13.с устройством выдачи жидкого азота в криогенное хранилище. При этом к исполнительному оргйну 11 подключен через регулятор 16 датчик 23 уровня азотной флегмы, установленный в кубе HP К 1, а к исполнительному органу 13 подключен через регулятор 18 датчик уровня жидкого азота, установленный в сборнике 4 жидкого азота. В криогенной магистрали жидкого кислорода на выходе из конденсатора-испарителя установлен исполнительный орган 15, к которому через регулятор 17 подключен датчик 24 уровня жидкого кислорода, установленный в конденсаторе-испарителе. К исполнительному органу 12 подключен через основной регулятор 21 датчик 28 концентрации кислорода, установленный на промежуточной тарелке ВРК 2, к основному регулятору 21 через корректирующий регулятор 20 подключен датчик 29 концентрации кислорода, установленный на выходе из верхней части ВРК 2. Сборник 4 азота соединен криогенным трубопроводом потока азотной флегмы с вводом в НРК 1 через исполнительный орган 14, к которому подключен основной регулятор 19с датчиком концентрации кислорода 26 на промежуточной тарелке ГРК 1, а к основному регулятору 19 через корректирующий регулятор 22 подключен датчик концентрации кислорода 27, установленный на выходе из верхней части НРК 1.

Процесс разделения воздуха и его регулирование осуществляются следующим образом. В НРК 1 подают охлажденные в блоке 6 поток воздуха, предварительно расширенный в агрегате 7, и дроссельный поток воздуха Вдр. через вентиль 10. В результате предварительного разделения в НРК 1 образуется кубовая жидкость (азотная флегма), в нижней части колонны и чистый азот в верхней части. Азотная флегма из нижней части отводится, охлаждается в переохладителе 5 и подается в среднюю части ВРК 2.

При этом расход азотной флегмы регулируют, меняя положение исполнительного органа 11 в соответствии с командным сигналом регулятора 16, на который поступает информация в виде электрического сигнала от датчика 23 уровня азотной флегмы. Чистый газообразный азот конденсируется в конденсаторе-испарителе 3 и сливается в сборник 4 жидкого азота, в который поступает также жидкий азот из циркуляционного холодильного цикла. Из сборника 4

выходят три потока, первый - азотной флегмы, которая подается в НРК 1, второй поток подается в ВРК 2, и третий поток жидкого азота - выдают потребителю в систему криогенного хранилища. Указанные потоки охлаждаются в переохладителе 5. Из нижней части ВРК 2 через конденсатор-испаритель 3 отводится продукционный жидкий кислород на дальнейшее переохлаждение. Рас0 ход жидкого кислорода регулируют исполнительным органом 15 по командному сигналу регулятора 17 в соответствии с сигналом от датчика уровня жидкого кислорода. Из верхней части ВРК 2 отводят поток

5 чистого газообразного азота, который вместе с потоком азота, расширенным турбоде- тандерами 8 и 9, поступает в переохладитель 5, затем в блок 6 теплообменников.

0 в установившемся режиме работы установки на ее выходах получают продукты раз- деления воздуха и с определенной величиной концентрации: жидкий и газообразный азот, жидкий кислород и др. Под

5 действием внешних возмущений режим работы установки нарушается, что приводит к значительным отклонениям концентрации выходных криогенных продуктов. Для восстановления требуемых величин концентра0 ции в предложенном способе стабилизируют технологические параметры: концентрацию кислорода и азота, уровень жидкого азота в сборнике 4. Для поддержания заданного значения концент5 рации кислорода основным регулятором 21 изменяют положение исполнительного органа 12 в соответствии с величиной рассогласования текущего и заданного значений концентрации кислорода на промежуточной

0 контрольной тарелке, и изменяют расход потока азотной флегмы в ВРК 2, восстанавливая заданное значение.

Дополнительно измеряют текущее значение -концентрации в верхней части верх5 ней колонны (в газообразном азоте) и при отклонении текущего значения от заданного, в соответствии с сигналом рассогласования, корректирующим регулятором 20 изменяют задание основному регулятору

0 21, после чего концентрация кислорода в газообразном азоте принимает требуемое значение.

Одновременно, в НРК 1, регулируют расход потока азотной флегмы, воздействуя

5 регулятором 19 на исполнительный орган 14, в соответствии с сигналом рассогласования между текущим и заданным значениями концентрации кислорода на промежуточной контрольной тарелке. Дополнительно измеряют текущее значение концентрации кислорода на выходе из верхней части НРК 1, после чего корректируют это значение с заданным, изменяя корректирующим регулятором 2 задание основному регулятору 19, так чтобы концентрация кислорода восстановила требуемое значение.

При воздействии на исполнительные органы 12,14 изменяется уровень в сборнике 4 жидкого азота, который влияет на расход азотной флегмы в НРК 1 и ВРК 2. Поэтому уровень жидкого азота поддерживают в сборнике 4 постоянным, для чего измеряют текущее значение уровня, сравнивают с заданием и при рассогласовании этих значений регулятором 18 воздействуют на исполнительный орган 13, регулируя поток жидкого азота потребителю. Таким образом поддерживая постоянное значение уровня в сборнике 4, компенсируют взаимосвязь между управляющими воздействиями, а именно потоками жидкого азота вНРК1иВРК2.

Согласно заявляемому устройству, реализующему описанный выше способ, ввод отдельных криогенных трубопроводов, соединяющих сборник 4 с вводом потока орошения в ВРК 2 и потребителем жидкого азота, исполнительных элементов в них и в криогенном трубопроводе, соединяющем сборник4сНРК1, позволяет одновременно регулировать процессы ректификации в обеих колоннах, вследствие чего сокращается инерционность выхода установки на заданные параметры.

Введенная при этом каскадная схема автоматического регулирования, используя регуляторы 18, 19, 20, 21, 22 и датчики 25, 26,27,28 и 29, управляет параметрами: уровень в сборнике 4 жидкого азота, концентрация кислорода на промежуточных тарелках НРК 1 и ВРК 2, концентрация кислорода в чистом азоте. Так. информация о составе продукта поступает от датчика 28 концентрации кислорода на промежуточной тарелке верхней ректификационной колонны 2 на вход основного регулятора 21. в нем формируется командный сигнал, поступающий на вход исполнительного органа 12, который меняет свое положение в соответствии с командным сигналом и регулирует расход потока орошения жидкого азота в ВРК2. При этом текущее значение выравнивается с заданным. Одновременно, придействии внешних дестабилизирующих факторов, срабатывает цепь коррекции, при этом задание, которому соответствует определенный электрический сигнал основного регулятора 21, изменяется электрическим сигналом, поступающим на вход основного регулятора 21 через корректирующий регулятор 20 в соответствии с информацией, поступившей отдатчика 29 концентрации кислорода на выходе из верхней части ВРК 2. На НРК 1 аналогично работает схема, в

которой на основной регулятор 19 поступают электрические сигналы: отдатчика 26, а через корректирующий регулятор 22 - от датчика 27.

Основной регулятор 19 формирует ко0 мандный сигнал на исполнительный орган 14.

Воздействие на исполнительные органы 12, 14 приводит к изменению уровня Б сборнике 4 жидкого азота. Для стабилиза5 ции параметра уровень жидкого азота в сборнике 4, информация от датчика 25 уровня жидкости в виде электрического сигнала поступает на вход регулятора 18, в нем формируется командный сигнал на исполни0 тельный орган 13, который, меняя свое положение, регулирует расход потока жидкого азота потребителю.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я

1. Способ автоматического регулирова5 ния процесса разделения воздуха в криогенном комплексе путем измерения концентраций компонентов получаемых криогенных продуктов и технологических потоков на промежуточных тарелках ниж0 ней и верхней ректификационных колонн расходов потоков орошения в последних и расхода жидкого азота из сборника жидкого азота, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования и эко5 номичности, дополнительно измеряют текущее значение концентрации кислорода на выходе из верхних частей нижней и верхней ректификационных колонн и уровень в сборнике жидкого азота, при этом расход

0 потока орошения в нижней колонне измеряют по сигналу рассогласования заданного и текущего значений концентраций кислорода на промежуточной тарелке нижней колонны, и заданное значение корректируют по сигналу рассогласования заданного и те5 кущего значений концентраций кислорода на выходе из верхней части нижней колонны, расход потока орошения в верхней колонне изменяют . по сигналу рассогласования заданного и текущего зна0 чений концентрации кислорода на промежуточной тарелке верхней колонны, и заданное значение корректируют по величине рассогласования заданного и текущего значений концентраций кислорода на выхо5 де из верхней части верхней колонны, а расход потока жидкого азота регулируют по сигналу рассогласования заданного и текущего значений уровня в сборнике жидкого азота.

2. Устройство для автоматического регулирования процесса разделения воздуха в криогенном комплексе, содержащее верхнюю с вводом потока орошения и нижнюю ректификационные колонны с промежуточ- ными тарелками, переохладитель, сборник жидкого азота, соединейный с нижней ректификационной колонной, потребитель жидкого азота, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирова- ни,я;и экономичности, устройство дополни- тфьно содержит три исполнительных органа, два основных регулятора, три корректирующих регулятора, датчик уровня жидкости, установленный в сборнике жид- кого азота и подключенный посредством третьего корректирующего регулятора к второму исполнительному органу, и четыре датчика концентрации кислорода, первый из которых установлен на промежуточной

тарелке верхней колонны и сообщен посредством первого основного регулятора с первым исполнительным органом, второй установлен на выходе из верхней части верхней колонны и сообщен посредством первого корректирующего регулятора с первым основным регулятором, третий установлен на промежуточной тарелке нижней колонны и сообщен посредством второго основного регулятора с вторым исполнительным органом, а четвертый установлен на выходе из верхней части нижней колонны и сообщен посредством второго корректирующего регулятора с вторым основным регулято ром, при этом сборник жидкого азота сообщен посредством переохладителя и второго исполнительного органа с потребителем жидкого азота, а посредством третьего исполнительного органа - с нижней ректификационной колонной.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Сущность изобретения: установка содержит каскадную схему управления, с помощью которой осуществляют автоматическое регулирование процесса путем управляющего воздействия на расходы потоков азотной флегмы одновременно в верхнюю и нижнюю ректификационные колонны в соответствии с основным и корректирующим сигналами. При этом используют информацию о концентрации кислорода в чистом газообразном азоте на выходах из верхней части нижней и верхней колонн, а также регулируют расход потока жидкого азота потребителю по сигналу от датчика уровня жидкого азота в сборнике. 2 с. п. ф-лы, 1 ил. ел