Способ управления процессом экстрактивной ректификации Советский патент 1993 года по МПК B01D3/42 G05D27/00 

возвращаются в колонну в виде флегмы, и тяжелые компоненты, отводимые в виде кубового продукта, осуществляется в присутствии экстрагента, подаваемого в колонну из емкости 4. Подвод тепла в колонну осуществляется через выносной кипятильник 5. Охлаждение экстрагента осуществляется в холодильнике 6.

Тяжелым ключевым компонентом является а-бутилен, а легким ключевым - н-бу- тан.

Система управления включает датчики 7, 8,9 расхода, регуляторы 10,11.12, клапаны 13, 14,15 на линиях экстрагента, флегмы и теплоносителя, датчики 16,17.18 расхода, состава и температуры сырья, температуры и 20 уровня экстрагента в емкости 4, 21 перепада давления по высоте колонны, датчики 22, 23 расходов хладагента в холодильник 6 на охлаждение экстрагента и в дефлегматор 2 на конденсацию паров, выходящих с верха колонны, датчики 24, 25 состава дистиллата и кубового продукта, а также вычислительный блок 26, регулирующие блоки 27, 28 и сумматоры 29 и 30.

Регуляторы 10,11,12 являются стандартными аналоговыми регуляторами, реализующими ПИ- и ПИД-законы регулирования (например, регуляторы типа ПР3.31). Блоки 26-30 могут быть выполнены на стандартных средствах вычислительной техники, выпускаемых в нашей стране серийно.

Наиболее просто способ может быть реализован в виде комплекса программ для ЭВМ.

В изобретении компенсация возмущений по расходу и составу сырья осуществляется по модели процесса экстрактивной ректификации с одновременной оптимизацией статического режима.

При этом определяются оптимальные значения концентраций тяжелого и легкого ключевых компонентов и управляющих воздействий: расхода флегмы, теплоносителя и экстрагента. Так как в производственном процессе часто возникают ситуации, связанные с ограниченностью запасов каких- либо продуктов или энергоресурсов, то оптимизация должна осуществляться не по одному, заранее выбранному критерию, а по некоторой совокупности критериев, характеризующих отдельные требования к ка- честву получаемых продуктов и энергозатратам, т.е. с использованием методов многокритериальной оптимизации.

Для сокращения области поиска оптимальных режимов (концентраций тяжелого и легкого компонентов, расходов экстрагента, флегмы и теплоносителя) используется система ограничений на максимальные зна0

5

0

5

чения этих параметров. Ограничения формируются в зависимости от достигнутых значений параметров (уровень экстрагента в емкости 4, перепад давления по высоте колонны, расходы хладагента и теплоносителя и т.д.), учитывающих реально складывающуюся обстановку на объекте, и желаемых показателей качества.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью регуляторов 10, 11, 12 осуществляется стабилизация расходов экстрагента, флегмы и- теплоносителя на заданном уровне.

Регулирующие блоки 27 и 28 осуществляют стабилизацию на заданном значении концентрации тяжелого компонента в дис- тиллате воздействием на расход флегмы и легкого ключевого компонента в кубовом продукте воздействием на расход теплоносителя. Расчет управляющих воздействий расходов флегмы и растворителя этими блоками осуществляется по следующему закону:

KpfEfn-ll-EMH-lUEinJ. MEi(n-1}-E(nJ

(iH

Unln

,

если E((n 0

HUlm(n (m.K

еслиЕ| р) Е™, и Uimln U(nJ Uim., если E(n}E{n} 0 ec/mll(nj UMr, еслми(п) Uim.,.

30

где - управляющее воздействие в цикле n; Кр, Ku настроечные параметры;

, - ошибка регулирования в n и п- циклах;

- производная ошибки регулирования;

Emax - максимально допустимое значение ошибки регулирования;

Umin, минимальное и максимальное значение управляющего воздействия.

При изменении расхода или состава сырья, которые определяются вычислительным блоком 26 по информации от датчиков 16 и 17, осуществляется расчет максимальных значений (верхних ограничений) расходов:- экстрагента:

FVlHL rUnl Kt. )

ели ЦпК- Lmi« и ДР1п) ДР™«

ecnnb,i Ц) LIM и ДРН ЛР«м«.

где , - максимальное значение в цикле n и заданное значение в цикле п-1 расхода экстрагента;

Цп, Lmin. Lmax - текущее, минимальное и максимальное значения уровня экстрагента в емкости 4;

, APmax - текущее и максимальное значения перепада давления по высоте колонны;

ДРтах - перепад давления, при котором жидкость не проходит через сливной патрубок, а пар не проходит через тарелку. Перепад давления определяется нагрузками по жидкости и пару, конструкцией тарелок и рассчитывается по формуле

ЛР 0,57

. PG U& .

0.4 (1.25-Ј) +

+ (1 -j$r+fr 0 -2с+ 119.8 -N. Па

(3)

f)Q,p - плотность пара и жидкости,

UG - скорость пара, м/с;

АО - общая площадь отверстий на тарелке, м ;

Ас - активная площадь тарелки, м2;

N - число тарелок в колонне;

g - 9,81 м/с2;

Zc - уровень жидкости на тарелке, м.

Максимальный перепад давления определяется по формуле (3), но вместо UG используется максимальная скорость газа, определяемая по формуле

UGmax KG V pL -yOG pG

KG - коэффициент. - флегмы:

Rmax КЗ IIn S

«pna« FW. 2XFL-XW 1rinj 1 -XW е Rmax

xo

R

max

(4)

(5) (6)

флегмовое число; - максимальный расход флегмы;

ZXFL - концентрация легкокипящих омпонентов в сырье;

S - разделительный эффект:

s- 5хО-х Л/

оптимизируемых параметров, т.к. является оптимальным с точки зрения безопасности процесса (при может произойти отключение насосного оборудования системой защиты, а при ДРтах наступит захлебывание колонны, что приводит к получению некондиционных продуктов в течение длительного времени).

При выполнении условий

и ЛРтах вычислительный блок 26 осуществляет оптимизацию режима по полному вектору поисковых переменных //-{XD, XW, FS°, R°, GT/H°}.

Используя рассчитанные максимальные значения расходов экстрагента, флегмы и теплоносителя, информацию от датчиков 16, 17, 18, 19, 22 и 23 вычислительный блок 26 рассчитывает заданные значения .концентраций а-бутилена в дистиллате и н-бутана в кубовом продукте, используя программу многокритериальной оптимизации по уравнениям математической модели процесса экстрактивной ректификации.

25

30

35

SH« - Q + R

1 (Г+ R) (1 q + R XFL)

(9) где (i - относительная летучесть н-бутана

aitR+a2(1- ) (10) F + R D

3o, at, аз - постоянные коэффициенты; NN - число тарелок в колонне; TR - средняя температура в укрепляющей секции;

D - расход дистиллата:

40

n 2XFLr TO РГп1 и 1 -XW-XD rLnj

(11)

)

45

q - доля пара в сырье: XFi

q-Z 1 - q (1

Ь KKi-1

(12)

Область использования: автоматизация процессов ректификации в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Сущность способа: измеряют концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте, температуру, расход и уровень экстрагента в емкости, температуру сырья, расходы хладагента в Изобретение относится к автоматизации процессов ректификации и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Цель изобретения - сокращение потерь тяжелого и легкого ключевых компонентов, удельного расхода экстрагента и экономия энергоресурсов. холодильник и дефлегматор и перепад давления по высоте колонны стабилизируют на заданном значении концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте изменением расхода теплоносителя, определяют максимальное значение расхода экстрагента в зависимости от максимального и измеренного значений уровня в емкости и измеренного значения перепада давления по высоте колонны, определяют максимальное значение расхода флегмы в зависимости от расхода и состава сырья и заданных значений концентраций тяжелого и легкого ключевых компонентов, определяют максимальное значение расхода теплоносителя в зависимости от измеренного значения перепада давления по высоте колонны, корректируют расход экстрагента, флегмы и теплоносителя в зависимости от ранее определенных максимальных значений расходов экстрагента, флегмы и теплоносителя, измеренных значений температуры сырья и экстрагента и расходов хладагента в холодильник и дефлегматор и стабилизируют полученное значение расхода экстрагента. 1 ил. На чертеже представлена схема системы управления, реализующая данный способ. Процесс экстрактивной ректификации осуществляется в колонне 1. Разделение близкокипящих компонентов, содержащихся в сырье, на легкие компоненты, которые конденсируются в дефлегматоре 2 и собираются по флегмовой емкости 3, откуда отводятся в качестве дистиллята и ел с со ю СП СА) ы

XW.XD - заданные значения концентраций н-бутана и «-бутиленов в кубовом продукте и дистиллате;

Кз - константа.

- теплоносителя:

,

(8)

расход теплоносителя в колон6т/нтах К4 . гдеСт/итах ну;

К4 - константа.

В случае, если или АР шах, рассчитанное по формуле (2) значение расхода экстрагента передается в качестве задания регулятору 10 и исключается из числа

m - число компонентов в сырье; XFi - концентрация i-ro компонента в 50 сырье;

KKi - константа фазового равновесия I- го компонента, определяемая по формуле:

КК,ех р (А- )(13)

55 А,В,С - коэффициенты;

Т - температура сырья, определяемая датчиком 18..

(R + 1) - q} K7

(14)

GT/H - расход теплоносителя в куб колонны;

К - коэффициент,

,(15) где W - расход кубового продукта.

Решенные уравнения (7)-{14) определяют также значение расходов флегмы, экс- трагента и теплоносителя которые обеспечивают поддержание XD и XW на рассчитанном значении и доставляют минимум векторному критерию

, 12, з} f(16) где h minFs ,. (17)

n-xpKi-xw)

(18)

(19)

XW

(W Цп+D Цо-Сэн)

GSH - стоимость расходуемых энергоресурсов.

Стоимость энергоресурсов складывается из затрат тепловой энергии на испарение сырья и флегмы и определяется по формуле

Зт/н Рт/н Цт/н(20) где FT/H - расход теплоносителя, измеряемый датчиком 9;

Цт/н - цена Гкал теплоносителя, руб/Гкал;,

стоимости хладагента,, расходуемого на конденсацию паров в дефлегматоре 2

Gx/a1 Ux/aT Fx/a1,(21).

где Цх/а1 - цена 1 м хладагента;

Fx/ai - расход хладагента, измеряемый датчиком 23;

и стоимости хладагента, используемого на охлаждение экстрагента в холодильнике 6;

Gx/a2 Fx/A2 Цх/а2,(22)

где Fx/a2 - расход хладагента, измеряемый- датчиком 22;

Рассчитанные значения концентраций а-бутилена в дистиллате и н-бутана в кубовом продукте выдаются в качестве задания регулирующим блоком 27 и 28, а значения расходов флегмы и теплоносителя через сумматоры 29 и 30 - в качестве задания регуляторам 11, 12.

В течение времени

Tp(To6mlrc+ Јmin),(23)

где To6min, min минимальные значения постоянной времени объекта и запаздывания; величины расходов флегмы и теплоносителя выдерживаются постоянными.

После этого регулирующие блоки 27 и 28 по информации от датчиков состава 24, 25 и вычислительного блока 26 рассчитывают значения расходов флегмы и теплоносителя а соответствии с законом (1) и через сумматоры 29 и 30 выдают их в качестве заданий регуляторам 11, 12 с целью стабилизации концентраций тяжелого и легкого

ключевых компонентов на вновь рассчитанном значении.

Пример. Параметры технологического режима колонны экстрактивной ректифика- ции бутан-бутиленовой фракции имеют следующие значения:

т/ч; ,6 т/ч; ,5 т/ч;

,5 т/ч; ,5 т/ч; ,2 т/ч;

Gix/a 342 т/ч; G2x/a 3675 т/ч; ,7; ,02: ,008;

,73; ,9 т/т; ,18;

« 2,03; L 28%;AP 0,036 МПа:

APmax 0,052 МПа;

Рх/э1 342,8т/ч; Fx/a2 3675 т/ч. Пусть концентрация легколетучих компонентов в сырье уменьшилась до ZXFL 0,67. Тогда максимальные значения расходов флегмы, экстрагента и теплоносителя будут иметь значения:

Rmax 2,3

,5-0,35(30-28)72,8 т/ч

max.

F

GT/Hmax 150 0,,8 т/ч

Так как текущее значение уровня экстрагента в емкости меньше минимального, то Fsmax принимается за оптимальное зна- 0 чение.

Оптимизация режима по критериям (17)-(19) приводит к следующим значениям режимных параметров:

,01; ,02;. ,67 или т/ч;

,63; ,3т/ч:

,8 т/ч; т/ч;

Fx/ai 336 т/ч; Fx/a2 3670 т/ч: 0 ,07 т/ч.

Формула изобретения

Способ управления процессом экстрактивной ректификации путем измерения расхода сырья, стабилизации на заданном 5 значении концентраций тяжелого ключевого компонента в дистиллате изменением расхода флегмы, регулирования расхода теплоносителя, отличающийся тем, что, с целью сокращения потерь, тяжелого и 0 легкого ключевых компонентов, удельного расхода экстрагента и экономии энергоресурсов, измеряют концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте, температуру сырья, расходы хладагента в 5 холодильник и дефлегматор и перепад давления по высоте колонны, стабилизируют на заданном значении концентрацию легкого ключевого компонента в кубовом продукте изменением расхода теплоносителя, определяют максимальное значение расхода экстрагента в зависимости от максимального и измеренного значений уровня в емкости и измеренного значения перепада давления по высоте колонны, определяют максимальное значение расхода флегмы в зависимости от расхода и состава сырья и заданных значений концентраций тяжелого и легкого ключевых компонентов, определяют максимальное значение расхода тепло20.

дкстрагент

лГ

ffi-o Ч )

L

0

носителя в зависимости от измеренного значения перепада давления по высоте колонны, корректируют расход экстрагента, флегмы и теплоносителя в зависимости от максимальных значений расходов экстрагента флегмы и теплоносителя, измеренных значений температуры сырья и экстрагента и расходов хладагента в холодильник и дефлегматор и стабилизируют полученное значение расхода экстрагента.