Способ автоматического регулирования процесса ректификации в воздухоразделительной установке Советский патент 1993 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к управлению ректификационными колоннами и может быть использовано, например, в криогенной технике.

Цель изобретения - повышение точности регулирования процесса ректификации и получение газообразного продукционного чистого азота требуемой концентрации.

Предлагаемый способ автоматического регулирования процесса ректификации в воздухоразделительной установке осуществляется с помощью устройства, показанного на фиг. 1; на фиг. -2 приведена графическая зависимость концентрации продукционного азота от расхода отбросно- го азота при изменении концентрации чистой азотной флегмы: на фиг, 3 - та же зависимость YA f (VOA) при изменении концентрации грязной азотной флегмы.

Устройство содержит нижнюю ректифи- кационную колонну НРК1, верхнюю ректификационную колонну ВРК2 с линиями боковых потоков грязной и чистой азотной флегмы, газообразного продукционного азота, отбросного азота и продукционного кислорода, конденсатор-испаритель 3, встроенный между НРК1 и ВРК2. переохладитель 4, исполнительные органы 5, 6, 7, 8, 9, датчик уровня 10. датчики концентрации кислорода 11, 12,13, 14, датчик давления 15, регуляторы 16, 17, 18. 19, 20, корректирующие регуляторы 21. 22, 23, элементы задержки 24, 25 и сумматор 26.

В линиях боковых потоков кубовой жидкости, грязной и чистой азотной флегмы установлены соответственно исполнительные органы 5, 6, 7 с подключенными к ним соответственно регуляторами 16,17. 18. Датчики

00

о VI to VI

концентрации кислорода 11 и 12 установлены в линиях грязной и чистой азотной флег- мы и подключены соответственно к регуляторам 17 и 18, при этом в цепь между датчиком 11 и регулятором 17 включен через элемент задержки 24 кооректиоуюший регулятор 21, а в цепь между датчиком 12 и регулятором 18 - через элемент задержки 25 включен корректирующий регулятор 22. Датчик концентрации продукционного азота 14 установлен на выходе из верхней части ВРК2 и подключен к корректирующему регулятору 23, а датчик давления паров 15 установлен на уровне линии отбора отброс- ного азота в ВРК2 и подключен к регулятору 20, с которым через сумматор 26 соединены соответственно корректирующие регуляторы 21, 22 и 23. Регулятор 20 подключен к исполнительному органу 9 в линии отбора отбросного азота. Датчик уровня кубовой жидкости 10 подключен через регулятор 16 к исполнительному органу 5, а датчик концентрации кислорода 13, установленный в конденсаторе-испарителе 3 подключен к регулятору 19, соединенному с исполнительным органом 8 в линии отбора продукционного кислорода.

Процесс ректификации и его регулирования осуществляют следующим образом: воздух под давлением подают в нижнюю ректификационную колонну 1, в которой он подвергается предварительному разделению, в результате чего в колонне образуется кубовая жидкость и азотная флегма. Кубовую жидкость направляют через переохладитель 4 в середину верхней ректификационной колонны 2, при этом расход ее регулируют в соответствии с изменением уровня жидкости в кубе нижней колонны 1 (см. на рис. 1 исполнительный орган 5, регулятор 16, датчик 10).

В процессе ректификации осуществляют орошение верхней колонны 2 для чего используют, охлажденные в переохладителе 4, поток чистой азотной флегмы, образующейся в конденсаторе-испарителе 3 и боковой поток грязной азотной флегмы - из середины колонны 1, Чистая азотная флегма подается через исполнительный орган 7 в верхнюю часть колонны 2, а боковой поток азотной флегмы -на уровень отбора отбросного азота через исполнительный орган 6. При разделении воздуха получают-чистый газообразный продукционный азот и жидкий продукционный кислород, выгрд которых осуществляют соответственно из верхней части колонны 2 и из конденсатора- испарителя 3, причем расход продукционного кислорода регулируют в зависимости от изменения его концентрации, для чего

используют исполнительный орган 8, регулятор 1.9 и датчик концентрации кислорода 13, установленный в конденсаторе-испарителе 3.

Предлагаемый способ регулирования процесса ректификации в воздухораздели- тельной установке реализуется следующим образом. Под влиянием возмущающих воздействий происходит нарушение режима

работы установки, что может привести к снижению качества конечных продуктов. Для поддержания заданных параметров продукционного азота, кислорода измеряют соответственно концентрацию азота в боковых потоках грязной и чистой азотной флегмы соответствующими датчиками кон- ценграции кислорода 11 и 12. В случае отклонения концентрации азота в боковом потоке грязной флегмы от заданного значения изменяют расход ее в верхнюю колонну 2 так, чтобы восстановилось требуемое значение, дополнительно при отклонении текущего значения концентрации азота в чистой азотной от заданной величины изменяют

расход ее потока до восстановления прёж. него заданного значения. Регулируют режим орошения верхней колонны 2, используя регуляторы 17 и 18, которыми воздействуют соответственно на исполни0 тельные органы 6 и 7, изменяющими расход грязной и чистой азотной флегмы,

Однако процесс стабилизации концентрации азота в чистом и боковом потоке гряз- ной азотной флегмы инерционен,

5 компенсация внешних возмущений происходит медленно, и за это время возможно отклонение концентрации чистого газообразного продукционного азота от нормы. Известнотакже, чтоувеличение концен0 грации кислорода в этих потоках связано с уменьшением расхода пара в НРК и следовательно к необходимости уменьшения расхода пара и в ВРК. Причем самопроизвольное изменение расхода пара

5 недостаточно, необходимо дополнительное регулирование. Поэтому измеряют давление паров в верхней колонне 2 на уровне отбросного азота датчиком давления 15, а затем регулируют расход потока отбросного

0 азота через исполнительный орган 9, так чтобы восстановилось заданное значение давления, установленное в регуляторе 20. Восстановление рабочего режима в верхне- ректификационной колонне 2, сопровожда5 ется переходным процессом, во время которого необходимо учитывать динамические связи между управляющими воздействиями, которые так же могут ухудшить концентрацию конечных продуктов. Поэтому в предлагаемом способе постоянно измеряют текущее значение концентрации кислорода в продукционном азоте и корректируют значение задания стабилизированного давления в зависимости от сигналов рассогласования текущих и заданных значений концентрации продукционного азота, бокового потока грязной азотной флегмы и чистой азотной флегмы, причем управляющее воздействие от концентрации чистой азотной флегмы сформированное в корректирующем регуляторе 22, смещают во времени на величину An , которую устанавливают элементом задержки 25, выбирая ее значение равным

ДП Гц -тз1,

где Гц - время запаздывания по каналу концентрация чистой азотной флегмы и газообразного продукционного чистого азота; Тз1 - время запаздывания по каналу расход отбросного азота и концентрация продукционного азота.

Управляющее воздействие от концентрации бокового потока грязной азотной флегмы, сформированное в корректирующем регуляторе 21, смещают во времени на величину Дт2 , которую устанавливают элементом задержки 24, выбирая ее значение равным

ДТ2 Г21 -Г31,

где Г21 - время запаздывания по каналу концентрация бокового потока азотной флегмы и концентрация газообразного продукционного чистого азота.

Управляющее воздействие от концентрации чистого газообразного продукционного азота формируют корректирующим регулятором 23 в соответствии с сигналом от датчика концентрации кислорода в продукционном азоте 14. Электрические сигналы, соответствующие управляющим воздействиям, предварительно смещенным во времени, направляют на сумматор 26, одновременно, компенсируя этим самым инерционность цепей регулирования, которые имеют разные времена запаздывания. После операции алгебраического суммирования, окончательный командный сигнал, поступает на регулятор 20, которым воздействуют на исполнительный орган 9. Таким образом, с помощью Дл и Дг2 компенсируют инерционность системы регулирования, что обеспечивает существенное уменьшение времени переходного процесса и повышает точность регулирования процесса стабилизации концентрации конечных продуктов.

Устройство, реализующее способ автоматического регулирования процесса рек- тификации (в статике описано ранее), работает следующим образом. Электрические сигналы от датчиков концентрации кис- лорода 11, 12 и 14 поступают соответственно на регулятор 17, дололни0 тельно введенный регулятор 18 и корректирующий регулятор 23, в которых при отклонении значения концентрации азота отгаданной величины, формируются сигналы управляющих воздействий. Эти сигналы

5 поступают от регуляторов 17 и дополнительно 18 соответственно на исполнительные органы 6 и 7, которые изменяют расходы потоков азотной флегмы в ВРК2 до тех пор, пока в регуляторах 17 и 18 не установится

0 заданная величина концентрации. Электрический сигнал от датчика давления 15 поступает на регулятор 20, который при отклонении значения давления от задания формирует сигнал управляющего воздейст5 вия, поступающий на исполнительный орган 9, изменяющий расход отбросного азота до восстановления заданной величины давления. Таким образом, регулятор 20 контролирует давление паров в ВРК 2. регулятор

0 17 стабилизирует концентрацию азота в боковом потоке грязной азотной флегмы,.а введенный дополнительно, согласно заявляемому устройству, регулятор 18 стабилизирует концентрацию азота в боковом

5 потоке чистой азотной флегмы на входе в ВРК 2. Взаимодействие этих регулирующих цепей компенсирует значительную инерционность объекта регулирования.

Для согласованности по времени пере0 ходных процессов в системе регулирования, согласно заявляемому устройству, вводятся корректирующие цепи, работающие так. Сигнал от датчика концентрации кислорода 11 через элемент задержки 24

5 поступает на вход корректирующего регулятора 21, в котором при превышении заданного значения напряжения формируется сигнал рассогласования, пропорциональ- ный отклонению текущей концентрации

0 азота в грязной азотной флегме. В корректирующем регуляторе 22 аналогично формируется сигнал рассогласования, пропорциональный отклонению концентрации азота в чистой азотной флегме. Эти сиг5 налы задерживаются на заданное время и приходят на сумматор 26 одновременно с сигналом рассогласования от корректирующего регулятора 23, на который поступает электрический сигнал отдатчика концентрации кислорода в продукционном азоте 14. В

сумматоре 26 электрические сигналы рассогласования складываются алгебраически и результирующий электрический сигнал поступает на вход регулятора 20, который формирует управляющее воздействие на исполнительный орган 9, изменяющий расход потока отбросного азота из ВРК 2.

Таким образом, учет динамических связей между различными управляющими воздействиями позволяет исключить дестабилизирующее влияние возмущений в переходных режимах при работе воздухо- разделительной установки.

Взаимосвязь между регулируемыми параметрами и регулирующими воздействиями приведена на фиг. 2, 3, где показана зависимость концентрации чистого азота YA от расхода отбросного азота VOA при .изменении концентраций чистой азотной флегмы Хфл.4 в качестве параметра (см. фиг. 2) и концентрации грязной азотной флегмы Хфлг (фиг. 3).

Использование предлагаемого способа обеспечивает поддержание заданной концентрации продукционного газообразного чистого азота за счет введения опережающих воздействий, что позволяет повысить точность автоматического регулирования процесса ректификации.

Формула изобретения

Способ автоматического регулирования процесса ректификации в воздухораэдели- тельной установке путем измерения концентрации бокового потока грязной азотной флегмы и изменения этой концентрации путем воздействия на поток орошения в верхнюю ректификационную колонну, отличающийся тем, что, с целью

повышения точности регулирования процесса ректификации и получения газообразного продукционного чистого азота, требуемой концентрации, дополнительно

измеряют текущее значение концентрации продукционного газообразного чистого азота, концентрацию бокового потока чистой азотной флегмы и давление паров в верхней ректификационной колонне, стабилизируют

концентрацию чистой азотной флегмы, воздействуя на ее расход в верхнюю ректификационную колонну, стабилизируют давление паров в этой колонне, воздействуя на расход потока отбросного азота, а значение задания давления паров корректируют в зависимости от сигналов рассогласования текущих и заданных значений концентраций газообразного продукционного чистого азота, боковых потоков грязной и чистой

азотной флегмы, при этом воздействие по концентрации бокового потока чистой азотной флегмы смещают на величину Дгт тц - Гз1 , а воздействие по концентрации бокового потока грязной азотной

флегмы смещают на величину

ЛТ2 Г21 - Г31 ;

где Гц - время запаздывания по каналу концентрации чистой азотной флегмы и газообразного продукционного чистого азота; Г31 - время запаздывания по каналу расхода отбросного азота и концентрации газообразного продукционного чистого азо- та;

Г21 - время запаздывания по каналу концентрации бокового потока грязной азотной флегмы и концентрации газообразного продукционного чистого азота.

о

6 Фие.2

8

10 Упл-103 оль

VQA

vac

Редактор

Техред М.Моргентал

Корректор Н.Король

Использование: криогенная техника, в частности управление процессом ректификации в воздухораспределительных установках. Сущность изобретения: автоматическое регулирование осуществляют путем стабилизации концентраций грязной и чистой азотной флегмы и давления в верхней колонне. Информацию о концентрации продукционного газообразного чистого азота, грязной и чистой азотной флегмы используют для формирования корректирующих сигналов системы стабилизации давления паров в колонне, что позволяет повысить точность регулирования процесса ректификации. 3 ил. ел С

Заказ 1438Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101