СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УЗЛОМ РАЗГОНКИ ОТХОДОВ БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD FOR AUTOMATED CONTROL OF WASH RECTIFICATION INSTALLATION WASTES DISTILLATION UNIT

Изобретение относится к автоматическому управлению процессами разгонки отходов брагоректификационной установки (БРУ) непрерывного действия спиртового производства или иных производств. Узел разгонки отходов (УРО) БРУ предназначен для выделения этилового спирта из головной фракции этилового спирта (ГФЭС), получаемой на выходе конденсатора эпюрационной колонны, потоков жидкостей из спиртоловушек, непастеризованного спирта из конденсатора спиртовой колонны, головной фракции из конденсаторов колонны окончательной очистки и бражной колонны, а также погонов промежуточных и сивушных примесей. В ГФЭС может содержаться этиловый спирт до 90-94 об.%, головные примеси (метанол, альдегиды, эфиры и др.) до 2-4% и вода. Оснащается УРО в составе БРУ двумя разгонными колоннами с дефлегматорами и конденсаторами, системой трубопроводов и средствами автоматизации [см. Патент на изобретение RU 2166346, опубл. 10.05.2001], согласно которому процесс разгонки отходов осуществляют следующим образом: потоки жидкостей из конденсаторов бражной и эпюрационной колонн, сепаратора углекислого газа и спиртоловушки грязных погонов, содержащие смесь головных и промежуточных примесей, вместе с потоком промежуточных примесей из спиртовой колонны направляют на питательную тарелку первой разгонной колонны (РК1), из конденсатора которой выводят поток головных примесей, объединяют его с потоками непастеризованного спирта из конденсатора спиртовой колонны, головной фракции из конденсатора колонны окончательной очистки, потоком из спиртоловушки чистых погонов и подают на верхнюю питательную тарелку второй разгонной колонны (РК2). Жидкие фракции из куба РК1, содержащие промежуточные примеси сивушного масла из спиртовой колонны и промывные воды сивушного масла, направляют на нижнюю питательную тарелку РК2, из конденсатора которой отбирают концентрат головной фракции, из паровой фазы 5-11 тарелок ее нижней части выводят сивушное масло, из жидкой фазы 18-20 тарелок отбирают концентрат пропиловых спиртов, а из средней зоны выводят поток этилового спирта и подают его в бражку или последующую переработку. В РК1 под воздействием греющего пара потоки ГФЭС и промежуточных примесей освобождаются от фракций, состоящих, в основном, из метанола, альдегидов и эфиров, которые в составе паров головной фракции (ПГФ) поступают в дефлегматор. В дефлегматоре осуществляется частичная конденсация паров. Высококипящие компоненты ПГФ, состоящие из этилового спирта, воды и промежуточных примесей, переходят в конденсат и из низа дефлегматора подаются в виде флегмы на верхнюю тарелку РК1. Низкокипящие компоненты ПГФ, в состав которых входит метанол, эфиры и альдегиды, поступают в виде пара из дефлегматора в конденсатор для полной их конденсации и подачи на верхнюю питательную тарелку РК2. Избыток этой фракции возвращается в РК1 в составе флегмы. В верхней части РК2 при воздействии греющего пара происходят процессы, аналогичные процессам РК1. По характеру технологического процесса РК1 является эпюрационной колонной, а РК2 - эпюрационно-ректификационной колонной.
Известен способ автоматического управления эпюрационной и ректификационной колоннами БРУ [Мандельштейн М.Л. Автоматические системы управления технологическим процессом брагоректификации. - М.: Пищевая промышленность, 1975, 240 с., с.168-171], заключающийся в стабилизации давления низа колонн подачей греющего пара и стабилизации температуры отходящей из дефлегматоров колонн охлаждающей воды изменением ее расхода на входе в конденсаторы. Недостатком данного способа автоматического управления колоннами является то, что регулирование температуры отходящей воды из дефлегматора колонн не обеспечивает стабильного режима их работы, что может приводить к нарушению процесса эпюрации, ректификации и, следовательно, к увеличению удельных затрат тепловой энергии, повышенному уносу спирта с головной фракцией и уменьшению производительности колонны. При этом температура конденсата на выходе из дефлегматора, который подается на верхнюю тарелку колонны в составе флегмы, изменяется в широком диапазоне, что способствует возникновению в массообменных процессах на тарелках колонны колебательных явлений, являющихся причиной указанных выше недостатков. Причиной значительных изменений температуры конденсата на выходе дефлегматора является то, что в известном способе объект управления по каналу управления: вход - расход охлаждающей воды в конденсатор и 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 дефлегматоре колонны по указанным выше причинам.
Наиболее близким к заявленному решению по технической сущности в части автоматического управления первой и второй разгонными колоннами УРО является способ автоматического управления непрерывно действующим трехколонным брагоректификационным аппаратом [Авт.св. SU 206494 А, опубл. 08.12.1967], в котором регулируют давление низа эпюрационной и ректификационной колонн изменением расхода греющего пара, подаваемого в низ колонн, а подачу воды в конденсатор и дефлегматор колонн регулируют в зависимости от разности заданного и текущего давления верха колонн.
Недостатком данного способа автоматического управления является одновременное регулирование давления низа и верха колонн, которое приводит к возникновению колебательных явлений в массообменных процессах колонн, снижению их производительности и повышенному расходу греющего пара.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа автоматического управления узлом разгонки отходов брагоректификационной установки, заключается в снижении удельных затрат греющего пара.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматического управления узлом разгонки отходов брагоректификационной установки, заключающемся в регулировании давления в нижней части первой и второй разгонных колонн подачей греющего пара, расхода охлаждающей воды, поступающей в конденсаторы и дефлегматоры первой и второй разгонных колонн, причем согласно изобретению расход охлаждающей воды в конденсатор и дефлегматор первой разгонной колонны регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры конденсата на выходе из дефлегматора первой разгонной колонны, расход охлаждающей воды в конденсатор и дефлегматор второй разгонной колонны регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры конденсата на выходе из дефлегматора второй разгонной колонны, измеряют переменный текущий расход кубовой фракции из первой разгонной колонны на нижнюю питательную тарелку второй разгонной колонны датчиком расхода, выходной сигнал которого в виде низкочастотной составляющей текущих измерений значений расхода подают на первые входы регуляторов коррекции заданий на давление низа первой и второй разгонных колонн, на вторых входах которых установлена величина задания номинального расхода, и выделяют низкочастотную составляющую значений измеряемого расхода, корректируют задание на давление низа первой разгонной колонны в функции от разности заданного номинального расхода кубовой фракции и низкочастотной составляющей текущих значений расхода кубовой фракции, корректируют задание на давление низа второй разгонной колонны в функции от разности заданного номинального расхода кубовой фракции и низкочастотной составляющей текущих значений расхода кубовой фракции, при корректировке заданий на давление низа первой и второй разгонных колонн их величину уменьшают при положительном значении разности и увеличивают при ее отрицательном значении.
В предлагаемом способе автоматического управления для каждой из двух разгонных колонн выходной параметр объекта управления «температура конденсата на выходе дефлегматора разгонной колонны» однозначно и достаточно точно для целей управления определяет состояние массообменных процессов в дефлегматоре колонны и позволяет эффективно управлять составом паровой фазы в дефлегматоре и конденсаторе колонны, что, в свою очередь, способствует получению на выходе конденсатора потока жидкой фазы с более высоким содержанием вредных примесей, который может быть выведен из БРУ. Кроме того, конденсат с постоянной температурой, подаваемый на верхнюю тарелку каждой разгонной колонны с выхода их дефлегматоров в составе флегмы, обеспечивает стабилизацию массообменных процессов на тарелках колонны и снижение удельных затрат греющего пара. Необходимо отметить, что в БРУ поток ГФЭС из конденсатора эпюрационной колонны составляет основную массу жидкости для разгонки в РК1 и является переменным во времени по объему и составу компонентов.
В предлагаемом способе автоматического управления осуществляют коррекцию заданий регуляторам давления низа разгонных колонн, которые обеспечивают подачу в них греющего пара. Поскольку кубовая фракция (КФ) из низа РК1, подаваемая на нижнюю питательную тарелку РК2, имеет практически постоянную концентрацию этилового спирта около 90-92 об.%, то можно контролировать с достаточной степенью точности нагрузку УРО по спирту, измеряя величину расхода КФ. Сигналы коррекции заданий регуляторам, управляющим подачей греющего пара в РК1 и РК2, формируют в функции от разности между заданным номинальным расходом (ЗНР) КФ, устанавливаемым исходя из общей производительности БРУ по этиловому спирту, и величиной выделенной низкочастотной составляющей текущих измерений расхода (НСР) КФ. При положительной разности между ЗНР и НСР задания на давления в низу разгонных колонн уменьшают, а при отрицательной - увеличивают. Эти действия позволяют снизить удельный расход греющего пара в УРО БРУ.
На чертеже для реализации предложенного способа автоматического управления представлен узел разгонки отходов в составе БРУ с совмещенной функциональной схемой системы автоматического управления. Узел состоит из первой 1 разгонной колонны, дефлегматоров 2 и 5, конденсаторов 3 и 6, второй 4 разгонной колонны. Приняты обозначения: В - поток охлаждающей воды из конденсатора в дефлегматор, ГФ из КОО - поток головной фракции из колонны окончательной очистки БРУ, ГФЗС - поток головной фракции этилового спирта из эпюрационной колонны БРУ, ЗДНК1 - задание на давление низа РК1, ЗДНК4 - задание на давление низа РК2, ЗТК1 - задание на температуру конденсата на выходе дефлегматора 2, ЗТК2 - задание на температуру конденсата на выходе дефлегматора 5, ЗНР - задание номинального расхода кубовой фракции из РК1, КГФ - концентрат головной фракции, КПС - концентрат пропиловых спиртов, КФ - кубовая фракция, КВД - поток конденсата на выходе дефлегматора, ЛВ - поток лютерной воды, НПС - поток непастеризованного спирта, ОВ - отходящая из дефлегматоров вода, ПГФ - пары головной фракции, ПП - поток промежуточных примесей, СК - спиртовая колонна БРУ, СКЗД1 - сигнал коррекции ЗДНК1, СКЗД4 - сигнал коррекции ЗДНК4, СМ - фракция сивушного масла, СЧП - спиртоловушка чистых погонов, ХВ - поток холодной воды, Ф - флегма.
РК1 снабжена датчиком давления 7, установленным в нижней части колонны и связанным с регулятором 8, который воздействует на исполнительный механизм 9 на линии подачи греющего пара в колонну, датчиком 13 температуры конденсата, установленным на трубопроводе, отводящем конденсат из дефлегматора 2, и связанным с регулятором 14, воздействующим на исполнительный механизм 15 на линии подачи охлаждающей воды в конденсатор 3 и дефлегматор 2. Регулятор 14 изменяет расход охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор и дефлегматор РК1, с помощью исполнительного механизма 15 в функции от разности заданной и текущей температур конденсата на выходе из дефлегматора, измеряемой датчиком температуры 13. РК2 снабжена датчиком давления 10, установленным в нижней части колонны и связанным с регулятором 11, который воздействует на исполнительный механизм 12 на линии подачи греющего пара в колонну, датчиком 16 температуры конденсата, установленным на трубопроводе, отводящем конденсат из дефлегматора 5, и связанным с регулятором 17, воздействующим на исполнительный механизм 18 на линии подачи охлаждающей воды в конденсатор 6 и дефлегматор 5. Регулятор 17 изменяет расход охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор и дефлегматор РК2, с помощью исполнительного механизма 18 в функции от разности заданной и текущей температур конденсата на выходе из дефлегматора, измеряемой датчиком температуры 16. Текущий расход КФ из низа РК1 измеряют датчиком расхода 19, выходной сигнал с которого поступает на вход фильтра низких частот 20, выходной сигнал которого в виде низкочастотной составляющей текущих измерений значений расхода подают на первый вход регулятора 21, на втором входе которого установлена величина ЗНР. Регулятор 21 формирует сигнал коррекции задания на давление низа первой разгонной колонны СКЗД1 в функции от разности ЗНР и НСР. Сигнал с фильтра низких частот 20 подают также на первый вход регулятора 22, на втором входе которого установлена величина ЗНР. Регулятор 22 формирует сигнал коррекции задания на давление низа второй разгонной колонны СКЗД4 в функции от разности ЗНР и НСР.
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 конденсаторы и дефлегматоры колонн. Поток ГФЭС из конденсатора эпюрационной колонны БРУ подают на питательную тарелку РК1. Лютерную воду отводят из низа РК2.
Автоматическое управление УРО в соответствии с заявленным способом осуществляют следующим образом.
Регулятор 8 управляет с помощью исполнительного механизма 9 расходом греющего пара, поступающего в РК1, в зависимости от разности ЗДНК1 и давления в нижней части РК1, измеренного датчиком 7. Тепловой режим дефлегматора 2 и конденсатора 3 управляется регулятором 14, который, изменяя расход охлаждающей воды с помощью исполнительного механизма 15, поддерживает температуру конденсата на выходе дефлегматора 2, измеряемую датчиком 13, в соответствии с заданным значением ЗТК1. Регулятор 11 управляет с помощью исполнительного механизма 12 расходом греющего пара, поступающего в РК2, в зависимости от разности ЗДНК4 и давления в нижней части РК2, измеренного датчиком 10. Тепловой режим дефлегматора 5 и конденсатора 6 управляется регулятором 17, который, изменяя расход охлаждающей воды с помощью исполнительного механизма 18, поддерживает температуру конденсата на выходе дефлегматора 5, измеряемую датчиком 16, в соответствии с заданным значением ЗТК2. Регулятор 21 формирует сигнал коррекции задания на давление низа первой разгонной колонны СКЗД1 в функции от разности ЗНР и НСР, а регулятор 22 формирует сигнал коррекции задания на давление низа второй разгонной колонны СКЗД4 в функции от разности ЗНР и НСР.
Для удаления головных примесей из потоков конденсата на выходе дефлегматоров 2 и 5 необходимо с высокой точностью автоматически стабилизировать температуру этих потоков подачей охлаждающей воды в конденсаторы 3 и 6. Величины заданий ЗТК1 и ЗТК2 регуляторам соответственно 14 и 17 на температуру конденсата на выходе из дефлегматоров 2 и 5 должны обеспечивать переход этилового спирта на тарелках колонны из паровой фазы в жидкую и далее в среднюю зону РК2. Кроме того, стабилизация давлений низа РК1 и РК2 с учетом реальной нагрузки УРО по этиловому спирту обеспечивает разгонку отходов БРУ при минимальных затратах греющего пара.
Существующие способы автоматического управления колоннами УРО БРУ, основанные на регулировании температуры отходящей воды из дефлегматора или давления верха колонны, не обеспечивают стабильность массообменных процессов в колоннах и приводят к частичному возврату метанола, эфиров, альдегидов в бражную и последующие колонны БРУ, что вызывает увеличение удельного расхода греющего пара. Регулирование в заданных пределах температуры конденсата на выходе дефлегматоров РК1 и РК2 повышает точность поддержания технологического режима в колоннах и снижает удельный расход греющего пара.