СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАЗГОННОЙ КОЛОННОЙ БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF DISTILLER BOOSTER COLUMN

Изобретение относится к автоматическому управлению разгонной колонной (РК) брагоректификационной установки (БРУ) непрерывного действия спиртового производства или иных производств. РК - это полная ректификационная колонна, содержащая отгонную и концентрационную части, предназначенная для выделения этилового спирта из головной фракции [см. стр. 208-212 в книге: Цыганков П.С., Цыганков С.П. Руководство по ректификации спирта. - М.: Пищепромиздат, 2001. - 400 с.]. РК в составе БРУ оснащается дефлегматором, декантатором, системой трубопроводов и средствами автоматизации. В данном изобретении рассматривается способ автоматического управления процессом выделения этилового спирта из головной фракции экстрактивной ректификацией. Головная фракция (ГФ) подается непосредственно из конденсатора эпюрационной колонны на питательную тарелку РК, которой является верхняя тарелка отгонной части колонны. Туда же подается погон непастеризованного спирта из спиртовой колонны и поток головных примесей из колонны окончательной очистки, а также потоки из конденсатора, сепаратора бражной колонны и спиртоловушек. Снизу в РК подается греющий пар, а на верхнюю тарелку концентрационной части подают горячую воду температурой (90-95) градусов Цельсия для гидроселекции спирта из потока головной фракции и других погонов. Под воздействием горячей воды ГФ разбавляется и освобождается от примесей, состоящих, в основном, из альдегидов и эфиров. Спирт из ГФ поглощается потоком горячей воды и уносится в низ РК, а на выходе дефлегматора после конденсации паров, выходящих из верха РК, образуется гетерогенная смесь, содержащая воду, эфиры, альдегиды и другие примеси, которая подается в декантатор для расслоения. Нижний слой жидкости из декантатора, обогащенный водой, возвращается на верхнюю тарелку РК в качестве флегмы, а верхний слой, называемый концентратом головной фракции (КГФ), состоящий из эфиров, альдегидов и других летучих веществ, подается в сборник на склад. Кубовая жидкость (КЖ), свободная от эфиров, альдегидов и других летучих примесей, отводится из низа РК и возвращается в бражную колонну БРУ. Содержание этилового спирта на тарелках отгонной части поддерживается в пределах (9-12)% об., а в кубовой жидкости - (6-8)% об., что обеспечивает наилучшие условия выделения из головной фракции эфиров, альдегидов и других летучих примесей. РК для эффективной работы должна иметь 40-45 многоколпачковых тарелок (16-20 тарелок в концентрационной части и 24-26 в отгонной).
Регулирование теплового режима колонны возможно путем стабилизации давления низа колонны подачей греющего пара [см. стр. 448 - 452 в книге: Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. - М.: Пищевая промышленность, 1969. - 456 с. ].
Известен и применяется в производствах пищевого этилового спирта способ автоматического управления разгонной колонной брагоректификационной установки, заключающийся в регулировании температуры отходящей из дефлегматора колонны охлаждающей воды изменением ее расхода на входе в дефлегматор, регулировании температуры (давления) в нижней части колонн подачей греющего пара [см. стр. 215-220 в книге: Цыганков П.С. Ректификационные установки спиртовой промышленности. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 336 с. ].
Недостатком данного способа автоматического управления является то, что регулирование температуры отходящей охлаждающей воды из дефлегматора колонны не обеспечивает стабильного режима работы РК, может приводить к нарушению процесса ректификации в колонне и, следовательно, к увеличению удельных затрат тепловой энергии, а также к возврату эфиров и альдегидов в бражную колонну БРУ с кубовой жидкостью. Температура потока из низа декантатора, который подается на верхнюю тарелку колонны в виде флегмы, может в этом случае изменяться в широком диапазоне, что способствует возникновению колебательных явлений в массообменных процессах на тарелках колонны. Причиной значительных изменений температуры потока воды с примесями спирта из нижней части декантатора является то, что в известном способе объект управления по каналу управления: вход - расход охлаждающей воды в дефлегматор, выход - температура отходящей воды из дефлегматора, обладает большой инерционностью, существенным транспортным запаздыванием, а управляющее воздействие имеет переменные во времени характеристики, поскольку в качестве охлаждающей воды применяется, как правило, вода из рек, прудов или водооборотных систем, которая имеет широкий диапазон колебаний температуры как сезонный, так и суточный. Кроме того, величина выходного параметра объекта управления «температура отходящей из дефлегматора воды» зависит от нагрузки колонны, степени загрязнения поверхностей теплообмена дефлегматора и не является достаточной, в целях управления, оценкой состояния массообменных процессов в РК и дефлегматоре по указанным выше причинам.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа автоматического управления разгонной колонной БРУ, заключается в снижении удельных затрат греющего пара.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматического управления разгонной колонной брагоректификационной установки, заключающемся в регулировании давления в ее нижней части подачей греющего пара, расхода охлаждающей воды, поступающей в дефлегматор разгонной колонны, расхода гидроселекционной воды в верхнюю часть разгонной колонны, причем, согласно изобретению, измеряют температуру конденсата на выходе из дефлегматора колонны с помощью датчика температуры, расход охлаждающей воды в дефлегматор колонны регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры конденсата на выходе из дефлегматора колонны с помощью регулятора, измеряют температуру паровой фазы отгонной части колонны с помощью датчика температуры, а расход гидроселекционной воды в верхнюю часть колонны регулируют с учетом корректирующего сигнала регулятора, выходной сигнал которого формируют в функции от разности задания на температуру паровой фазы над контрольной тарелкой отгонной части колонны и текущего значения температуры паровой фазы над контрольной тарелкой отгонной части колонны.
В предлагаемом способе автоматического управления выходной параметр объекта управления «температура конденсата на выходе дефлегматора разгонной колонны» обладает меньшими, чем в прототипе, инерционностью и транспортным запаздыванием, однозначно и достаточно точно, для целей управления, определяет состояние массообменных процессов в РК и дефлегматоре и позволяет эффективно управлять составом паровой фазы на входе в дефлегматор колонны, что, в свою очередь, способствует получению на выходе из низа декантатора потока жидкой фазы с минимальным содержанием этилового спирта. Кроме того, водная часть конденсата с постоянной температурой, подаваемая из декантатора на верхнюю тарелку колонны в виде флегмы, обеспечивает стабильность и эффективность массообменных процессов на тарелках колонны.
В предлагаемом способе автоматического управления обеспечивается поддержание с требуемой точностью заданной концентрации этилового спирта на тарелках отгонной части колонны и кубовой жидкости в условиях изменяющихся величин потоков головной фракции и других погонов на питательную тарелку и концентраций в них этилового спирта. С этой целью регулируется температура паровой фазы над контрольной тарелкой отгонной части колонны путем вычисления корректирующего сигнала к заданию на расход гидроселекционной воды, подаваемой на верхнюю тарелку концентрационной части РК. Температура паровой фазы, находящейся в равновесии с кипящей жидкой смесью воды и этилового спирта, однозначно связана с концентрациями этилового спирта в паровой и жидкой фазах [см. стр. 44-46 в книге: Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. - М.: Пищевая промышленность, 1969. - 456 с]. При снижении концентрации этилового спирта в жидкостном слое на тарелках РК увеличивается температура кипения жидкости и повышается температура парового пространства над тарелкой. При повышении концентрации этилового спирта в жидкости на тарелках происходит снижение температуры паров над тарелкой. Расход гидроселекционной воды в РК увеличивают при возрастании концентрации этилового спирта и уменьшают при ее снижении. Регулирование температуры паровой фазы над контрольной тарелкой РК обеспечивает стабилизацию концентраций этилового спирта в жидкости на тарелках РК и кубовой жидкости, обеспечивая оптимальные условия удаления вредных примесей, а также осуществляет минимизацию количества вводимой гидроселекционной воды в РК, что позволяет снизить удельный расход греющего пара как в разгонной колонне, так других колоннах БРУ.
На фиг. для реализации предложенного способа автоматического управления представлен узел разгонной колонны с совмещенной функциональной схемой системы автоматического управления в составе БРУ.
Узел состоит из разгонной колонны 1, дефлегматора 2, декантатора 3. Приняты обозначения: ГСВ - поток гидроселекционной воды, ГФ - поток головной фракции спирта и других погонов с примесями (жидкость), ЗДНК - задание на давление низа колонны, ЗРГСВ - задание на расход гидроселекционной воды, ЗТКД - задание на температуру конденсата на выходе дефлегматора, ЗТКТ - задание на температуру паровой фазы над контрольной тарелкой отгонной части РК, КГФ - концентрат головной фракции, КЖ - кубовая жидкость, OB - охлаждающая вода, ПГФ - пары головной фракции с водой, СКТ - сигнал коррекции ЗРГСВ.
Разгонная колонна снабжена датчиком давления 4, установленным в нижней части колонны и связанным с регулятором 5, который воздействует на исполнительный механизм 6 на линии подачи греющего пара в колонну, датчиком 7 температуры конденсата, установленным на трубопроводе, отводящем конденсат из дефлегматора, и связанным с регулятором 8, воздействующим на исполнительный механизм 9 на линии подачи охлаждающей воды в дефлегматор. Регулятор 8 изменяет расход охлаждающей воды, подаваемой в дефлегматор колонны, с помощью исполнительного механизма 9 в функции от разности заданной и текущей температур конденсата на выходе из дефлегматора, измеряемой датчиком температуры 7. Регулятор 11 изменяет расход гидроселекционной воды, подаваемой в верх РК для разбавления ГФ, с помощью исполнительного механизма 12 в функции от разности заданного ЗРГСВ и текущего расхода ГСВ, измеряемого датчиком 10. Регулятор 14 вычисляет корректирующий сигнал к заданию ЗРГСВ в функции от разности ЗТКТ и текущего значения температуры паровой фазы над контрольной тарелкой отгонной части РК, измеряемого датчиком температуры 13.
Подачу материальных потоков осуществляют следующим образом: греющий пар подают из котельной в коллектор, давление в котором поддерживают на заданном уровне регулятором, и направляют в колонну, охлаждающую воду подают под заданным давлением в дефлегматор колонны. Поток ГФ и другие погоны, содержащие этиловый спирт и примеси, подают на питательную тарелку РК. Из декантатора нижний водный слой, содержащий примеси спирта, подают на верхнюю тарелку РК в качестве флегмы, а верхний слой, содержащий эфиры, альдегиды и другие примеси, отводится в сборник на склад. На верхнюю тарелку РК подается горячая гидроселекционная вода. Из низа РК отбирают КЖ, содержащую этиловый спирт, которую направляют в бражку.
Автоматическое управление разгонной колонной, в соответствии с заявленным способом, осуществляют следующим образом.
Регулятор 5 управляет с помощью исполнительного механизма 6 расходом греющего пара, поступающего в колонну, в зависимости от разности ЗДНК и давления в нижней части РК, измеренного датчиком 4. Тепловой режим дефлегматора 2 и декантатора 3 управляется регулятором 8, который, изменяя расход охлаждающей воды с помощью исполнительного механизма 9, поддерживает температуру конденсата на выходе дефлегматора РК, измеряемую датчиком 7, в соответствии с заданным значением ЗТКД. Регулятор 11 управляет с помощью исполнительного механизма 12 расходом гидроселекционной воды, подаваемой в колонну, в зависимости от разности ЗРГСВ и величины текущего расхода ГСВ, измеренного датчиком 10. Регулятор 14 вычисляет корректирующий сигнал к заданию ЗРГСВ в функции от разности ЗТКТ и текущего значения температуры паровой фазы над контрольной тарелкой отгонной части РК, измеряемого датчиком температуры 13, причем, расход ГСВ в РК увеличивают, если текущая температура над контрольной тарелкой становится ниже заданного значения ЗТКТ и уменьшают при превышении заданного значения.
Для удаления этилового спирта в значительной степени из конденсата на выходе дефлегматора РК необходимо с высокой точностью автоматически стабилизировать температуру этого потока подачей охлаждающей воды в дефлегматор. Задание ЗТКД регулятору 8 на температуру конденсата на выходе из дефлегматора РК должно обеспечивать переход значительной части этилового спирта паровой фазы на тарелках колонны в жидкую фазу и далее в кубовую жидкость. Кроме того, стабилизация температуры паровой фазы на контрольной тарелкой отгонной части РК позволяет создать необходимые условия для эффективного выделения этилового спирта из ГФ при минимальных затратах греющего пара.
Существующие способы автоматического управления разгонной колонной, основанные на регулировании температуры отходящей воды из дефлегматора, не обеспечивают стабильность массообменных процессов в колонне и приводят к частичному возврату эфиров, альдегидов в бражную и последующие колонны БРУ, что вызывает увеличение удельного расхода греющего пара. Регулирование температуры конденсата на выходе дефлегматора и температуры паровой фазы над контрольной тарелкой РК в заданных пределах повышает точность поддержания технологического режима в разгонной колонне и снижает удельный расход греющего пара.