система автоматического управления процессом ректификации

Формула изобретения

Система автоматического управления процессом ректификации, содержащая датчики расхода и состава сырья, датчик расхода кубового продукта, соединенный через регулятор с клапаном, блок материального баланса, входы которого связаны с датчиками расхода и состава сырья, а выход соединен с входом динамического блока, связанного своим выходом с сумматором, соединенным с входом регулятора расхода кубового продукта, датчик расхода флегмы, соединенный через регулятор с клапаном, анализатор состава флегмы, соединенный через регулятор с сумматором, связанным с задающим входом регулятора расхода флегмы, анализатор состава на нижней контрольной тарелке или в кубе колонны, соединенный через регулятор с сумматором, связанным с задающим входом регулятора расхода кубового продукта, датчик уровня флегмовой емкости, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены датчик расхода дистиллята, соединенный через регулятор с клапаном, датчик температуры в кубе колонны, соединенный с регулятором, связанным с сумматором, соединенным с клапаном расхода теплоносителя в кипятильник, блок коррекции флегмового числа, связанный своим входом с датчиком состава сырья, компенсаторы возмущений по расходу и составу сырья, входы которых связаны с выходом блока материального баланса, кроме того, второй вход второго компенсатора связан с выходом блока коррекции флегмового числа, а выходы соединены с сумматорами, связанными с клапаном расхода теплоносителя в кипятильник и с задающим входом регулятора расхода флегмы соответственно, компенсаторы перекрестных связей, входы которых связаны с выходом регулятора температуры в кубе колонны и выходом регулятора состава флегмы соответственно, а выходы соответственно соединены с сумматорами, связанными с задающим входом регулятора расхода флегмы и клапаном расхода теплоносителя в кипятильник, датчик уровня в кубе колонны, соединенный через регулятор с задающим входом регулятора температуры в кубе колонны, а датчик уровня флегмовой емкости соединен через регулятор с задающим входом регулятора расхода дистиллята.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к системам автоматического управления процессом ректификации, например, в производстве стирола из этилбензола и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известна система, реализующая способ автоматического управления процессом экстрактивной ректификации, содержащая датчики и регуляторы температуры на контрольных тарелках колонны, датчики и регуляторы составов дистиллята и кубового продукта, а также датчики температуры экстрагента и давления теплоносителя, подаваемого в куб колонны, компенсаторы (см. патент РФ N 2146960, 10.01.1999). В способе осуществляется связанное регулирование температуры на верхней и нижней контрольных тарелках колонны и компенсация внешних возмущений по давлению теплоносителя и температуре экстрагента.

Недостатком известного способа является отсутствие компенсации возмущений по расходу и составу сырья на составы продуктов разделения, а также большая инерционность регулирования состава кубового продукта по отклонению при большом объеме, что приводит к недостаточно высокому качеству регулирования получаемых продуктов разделения заданного состава.

Известна также система для автоматического регулирования расхода кубового продукта в процессе ректификации, содержащая датчики расхода и состава сырья, датчики расхода и состава кубового продукта, корректирующий блок, блоки умножения, масштабирования и суммирования (см. авторское свидетельство СССР N 532849, 15.11.1974). Регулирование расхода кубового продукта осуществляется с коррекцией по его составу и в зависимости от расхода и состава сырья.

Недостатком известной системы является отсутствие компенсации возмущений по расходу сырья на качество дистиллята, а также компенсации внутренних перекрестных влияний расхода флегмы и расхода теплоносителя на составы кубового продукта и дистиллята соответственно.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является система автоматического управления процессом ректификации, содержащая датчики расхода и состава сырья, датчик расхода кубового продукта, соединенного через регулятор с клапаном, блок материального баланса, входы которого связаны с датчиками расхода и состава сырья, а выход соединен с входом динамического блока, связанного своим выходом с сумматором, соединенным с входом регулятора расхода кубового продукта, датчик расхода флегмы, соединенный через регулятор с клапаном, анализатор состава флегмы, соединенный через регулятор с сумматором, связанным с задающим входом регулятора расхода флегмы, анализатор состава на нижней контрольной тарелке или в кубе колонны, соединенный через регулятор с сумматором, связанным с задающим входом регулятора расхода кубового продукта, датчик уровня флегмовой емкости (см. патент США N 4624746, 1986).

Недостатком известной системы также является отсутствие компенсации возмущений по расходу сырья на качество дистиллята, а также компенсации внутренних перекрестных влияний расхода флегмы и расхода теплоносителя на составы кубового продукта и дистиллята соответственно.

Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение качества управления составами дистиллята и кубового продукта колонны при значительных возмущениях по расходу и составу сырья и наличии внутренних перекрестных связей по каналам управления.

Поставленная задача достигается тем, что в известной системе управления процессом, содержащей датчики расхода и состава сырья, датчик расхода кубового продукта, соединенного через регулятор с клапаном, блок материального баланса, входы которого связаны с датчиками расхода и состава сырья, а выход соединен с входом динамического блока, связанного своим выходом с сумматором, соединенным с входом регулятора расхода кубового продукта, датчик расхода флегмы, соединенный через регулятор с клапаном, анализатор состава флегмы, соединенный через регулятор с сумматором, связанным с задающим входом регулятора расхода флегмы, анализатор состава на нижней контрольной тарелке или в кубе колонны, соединенный через регулятор с сумматором, связанным с задающим входом регулятора расхода кубового продукта, датчик уровня флегмовой емкости, причем в систему дополнительно введены датчик расхода дистиллята, соединенный через регулятор с клапаном, датчик температуры в кубе колонны, соединенный с регулятором, связанным с сумматором, соединенным с клапаном расхода теплоносителя в кипятильник, блок коррекции флегмового числа, связанный своим входом с датчиком состава сырья, компенсаторы возмущений по расходу и составу сырья, входы которых связаны с выходом блока материального баланса, кроме того, второй вход второго компенсатора связан с выходом блока коррекции флегмового числа, а выходы соединены с сумматорами, связанными с клапаном расхода теплоносителя в кипятильник и с задающим входом регулятора расхода флегмы соответственно, компенсаторы перекрестных связей, входы которых связаны с выходом регулятора температуры в кубе колонны и выходом регулятора состава флегмы соответственно, а выходы соответственно соединены с сумматорами, связанными с задающим входом регулятора расхода флегмы и клапаном расхода теплоносителя в кипятильник, датчик уровня в кубе колонны, соединенный через регулятор с задающим входом регулятора температуры в кубе колонны, а датчик уровня флегмовой емкости соединен через регулятор с задающим входом регулятора расхода дистиллята.

Технический результат изобретения выражается в том, что снижаются потери продуктов разделения при значительных возмущениях по расходу и составу сырья и наличии перекрестных связей по каналам управления за счет введения компенсации через материальный баланс и внутренней компенсации взаимного влияния расхода флегмы и расхода теплоносителя в кипятильник на составы кубового продукта и дистиллята соответственно.

Совокупность новых признаков в сочетании с известными сообщают предлагаемому изобретению новые свойства, обеспечивающие повышение качества управления составами дистиллята и кубового продукта в условиях значительных возмущений по расходу и составу сырья за счет введения взаимосвязанного управления получаемых продуктов разделения и компенсации внешних возмущений по сырью.

На чертеже показана функциональная схема для реализации предлагаемой системы.

Схема состоит из ректификационной колонны (К1), кипятильника (К2) и дефлегматора (D) и содержит датчики 1,2 расхода и состава сырья, датчик 3 расхода кубового продукта, регулятор 4 и клапан 5, динамический блок 6, связанный своим выходом с входом регулятора 4 расхода кубового продукта, датчик 7 расхода флегмы, регулятор 8 и клапан 9, анализатор 10 состава флегмы, регулятор 11, связанный с задающим входом регулятора 8 расхода флегмы, датчик 12 расхода дистиллята, регулятор 13 и клапан 14, датчик 15 уровня флегмовой емкости, регулятор 16, связанный с задающим входом регулятора 13 расхода дистиллята, датчик 17 температуры в кубе колонны, регулятор 18, клапан 19.

Кроме того, схема содержит блок 20 материального баланса, входы которого связаны сдатчиками 1,2 расхода и состава сырья, а выход соединен с входом динамического блока 6, сумматоры 23,24, 30, блок 27 коррекции флегмового числа, связанный своим входом с датчиком 2 состава сырья, компенсаторы 21,22 возмущений по расходу и составу сырья, входы которых связаны с выходом блока 20 материального баланса, кроме того, второй вход второго компенсатора 22 связан с выходом блока 27 коррекции флегмового числа, а выходы соединены через сумматоры 23,24 с клапаном 19 расхода теплоносителя в кипятильник и с задающим входом регулятора 8 расхода флегмы соответственно, компенсаторы 25, 26 перекрестных связей, входы которых связаны с выходом регулятора 18 температуры в кубе колонны и выходом регулятора 11 состава флегмы, а выходы соответственно соединены через сумматоры 24, 23 с задающим входом регулятора 8 расхода флегмы и клапаном 19 расхода теплоносителя в кипятильник, анализатор 28 состава на нижней контрольной тарелке или в кубе колонны, регулятор 29, связанный через сумматор 30 с задающим входом регулятора 4 расхода кубового продукта, датчик 31 уровня в кубе колонны, регулятор 32, связанный с задающим входом регулятора 18 температуры в кубе колонны.

Система работает следующим образом.

По текущим значениям расхода и состава сырья от датчиков 1, 2 блок 20 материального баланса рассчитывает отбор кубового продукта



где F - расход сырья на колонну; X_F - концентрация тяжелокипящего компонента в сырье; - заданное значение концентрации тяжелокипящего компонента в кубовом продукте; - предельно-допустимое значение концентрации тяжелокипящего компонента в дистилляте.

По информации от блока 20 материального баланса динамический блок 6 с учетом динамики по каналу: "расход сырья - отбор кубового продукта" выдает задающий сигнал цифровому регулятору 4 расхода кубового продукта:



где W_i, W_i-1 - текущее и предыдущее значения выдаваемого сигнала регулятору 4; i - текущий индекс такта квантования; q₀, q₁ - настройки цифрового регулятора, рассчитываемые с учетом динамики по каналу "расход сырья - отбор кубового продукта".

По информации от анализатора 28 состава на нижней контрольной тарелке или в кубе колонны регулятор 29 вырабатывает и выдает управляющий сигнал через сумматор 30 на вход регулятора 4 с целью поддержания концентрации тяжелокипящего компонента на заданном уровне. Точка пробоотбора анализатора 28 состава определяется конкретными возможностями отбора пробы.

Уровень в кубе колонны стабилизируется по сигналу от датчика 31 регулятором 32, который выдает задающий сигнал регулятору 18 температуры в кубе колонны. Поддержание температуры в кубе колонны регулятором 18 осуществляется воздействием на клапан 19 расхода теплоносителя в кипятильник.

С целью компенсации возмущений по расходу и составу сырья компенсатор 21 по информации от блока 20 материального баланса вырабатывает компенсирующий сигнал F_T по расходу теплоносителя в кипятильник

(3)

где - текущее и предыдущее значения отбора кубового продукта, поступающие от блока 20, K - коэффициент пропорциональности;F_T - корректирующий сигнал, выдаваемой компенсатором 21 через сумматор 23 на клапан 19 расхода теплоносителя.

Блок 27 коррекции флегмового числа по информации от датчика 2 состава сырья производит коррекцию флегмового числа Ф в зависимости от концентрации X_F и выдает сигнал на компенсатор 22



где E - коэффициент полезного действия колонны по Мэрфи; A₀, А₁, A₂ - коэффициенты аппроксимации, получаемые в результате решения математической модели, описывающей статические режимы процесса ректификации.

По сигналам от блока 20 материального баланса и блока 27 коррекции флегмового числа компенсатор 22 рассчитывает расход флегмы

R=Ф(F-W). (5)

Выходной сигнал с компенсатора 22 поступает через сумматор 24 на задающий вход регулятора 8 расхода флегмы.

С целью внутренней компенсации взаимного влияния расхода флегмы и расхода теплоносителя в кипятильник на составы получаемых фракций компенсаторы 26, 25 перекрестных связей по сигналам от регуляторов 11, 18 состава дистиллята и температуры в кубе колонны реализуют алгоритмы регулирования, получаемые из условия автономности:





где W(z)- дискретные передаточные функции по каналам: W₀₁₂(z) - расход флегмы - состав кубового продукта; W₀₂₁(z) - расход теплоносителя - состав дистиллята; W₀₁(z)- расход флегмы - состав дистиллята; W₀₂(z)- расход теплоносителя - состав кубового продукта; u_к12(z), u_к21(z)- выходные сигналы с компенсаторов 26, 25 соответственно; u₁(z), u₂(z)- выходные сигналы компенсаторов 26, 25, поступающие с выходов регуляторов 11, 18 соответственно.

Выходные сигналы u_к12(z), u_к21(z) компенсаторов 26, 25 соответственно поступают через сумматоры 23, 24 на клапан 19 и задающий вход регулятора 8.

Для поддержания концентрации тяжелокипящего компонента в дистилляте в пределах допустимого значения регулятор 11 по сигналу от анализатора 10 состава флегмы вырабатывает управляющий сигнал и выдает через сумматор 24 на задание регулятору 8 расходу флегмы.

Уровень в дефлегматоре по информации от датчика 15 поддерживается регулятором 16, который выдает сигнал на задание регулятору 13 расхода дистиллята.

Использование изобретения позволяет существенно повысить качество управления составами дистиллята и кубового продукта при значительных возмущениях по расходу и составу сырья за счет введения внешних компенсаторов, коррекции флегмового числа и учета внутренних перекрестных связей по каналам управления, а также использования прямого цифрового управления.