СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БРАГОРЕКТИФИКАЦИИ
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL OF ALCOHOL DISTILLATION PROCESS

Изобретение относится к автоматическому управлению процессом ректификации многоколонной брагоректификационной установки (МБРУ) непрерывного действия спиртового производства или иных производств.
МБРУ предназначена для получения пищевого этилового спирта высокого качества и содержит колонны: бражную, эпюрации с подачей гидроселекционной воды в ее верхнюю часть, ректификации и деметанольную (окончательной очистки), работающую в режиме эпюрации, с дефлегматорами и конденсаторами.
Известен способ автоматического управления процессом брагоректификации [Мандельштейн М.Л. Автоматические системы управления технологическим процессом брагоректификации. М., Пищевая промышленность, 1975, с.168-171], заключающийся в стабилизации давлений низа колонн подачей греющего пара, стабилизации температуры отходящей из дефлегматоров охлаждающей воды изменением ее расхода на входе в конденсаторы, стабилизации отбора спирта из верхней части колонны ректификации и стабилизации температуры верха бражной колонны подачей бражки на тарелку ее питания. Недостатки данного способа: низкое качество получаемого продукта и стабилизации режимов колонн, а также отсутствие автоматического согласования режимов отдельных колонн.
Известен также способ автоматического управления бражной колонной [SU 390137 А, опубл. 11.07.1973], заключающийся в том, что регулирование подачи бражки осуществляют в зависимости от рассогласования между заданной и фактической производительностью колонны, причем последнюю определяют по расходу бражного дистиллята и концентрации спирта в нем, которую можно определить также в зависимости от давления и температуры на верхней тарелке бражной колонны. Подачу охлаждающей воды в конденсатор и дефлегматор осуществляют в зависимости от температуры отходящей из дефлегматора воды, что приводит к отклонениям от стационарного режима колонны при колебаниях температуры исходной охлаждающей воды и увеличивает потери спирта с бардой, а также повышает удельные затраты греющего пара.
Наиболее близким к заявленному решению по технической сущности является способ автоматического управления непрерывно действующим трехколонным брагоректификационным аппаратом [SU 206494 А, опубл. 08.12.1967], в котором регулирование расхода пара, подаваемого в колонны, осуществляют по давлению в их нижних частях, величину расхода пара, подаваемого в бражную колонну, задают в функции от рассогласования между заданной и текущей температурой в верхней части бражной колонны, осуществляют регулирование расхода бражки, поступающей в бражную колонну, расход воды в конденсатор и дефлегматор бражной колонны регулируют в зависимости от температуры отходящей из дефлегматора охлаждающей воды, расход воды, подаваемой в конденсаторы и дефлегматоры эпюрационной и ректификационной колонн, регулируют по давлению в верхних частях этих колонн, а стабилизацию отбора спирта-ректификата осуществляют в функции от рассогласования между заданным и текущим значениями концентрации этилового спирта на контрольной тарелке ректификационной колонны с учетом скорости изменения концентрации.
Недостатком данного способа автоматического управления является одновременное регулирование давления низа и верха колонн эпюрации и ректификации, которое приводит к возникновению колебательных явлений в массообменных процессах колонн, снижению качества и сверхнормативным потерям конечного продукта, а также снижает производительность установки.
Кроме того, регулирование температуры отходящей воды из дефлегматора бражной колонны не обеспечивает стабильного режима работы ее конденсатора и дефлегматора, что может приводить к нарушению процесса вываривания бражки и, следовательно, к увеличению удельных затрат тепловой энергии и потерям спирта с бардой. Причиной является то, что 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.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа автоматического управления процессом брагоректификации заключается в улучшении качества получаемого спирта, повышении производительности МБРУ и снижении удельных затрат тепловой энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматического управления процессом брагоректификации, заключающемся в регулировании расхода бражки, расхода пара, подаваемого в колонны аппарата в зависимости от давления в их нижних частях, и расхода воды, поступающей в дефлегматоры и конденсаторы установки, в задании величины расхода пара, подаваемого в бражную колонну, в функции от рассогласования между заданной и текущей температурой верхней части бражной колонны, в регулировании с помощью подачи гидроселекционной воды на одну из верхних тарелок колонны эпюрации концентрации спирта в эпюрате на выходе из низа колонны эпюрации на основе прямого измерения его концентрации или определения ее с помощью температуры и давления низа колонны эпюрации, в определении нагрузки колонны ректификации спиртом по потоку эпюрата на ее входе с учетом концентрации эпюрата и величины его расхода, в выделении низкочастотной составляющей переменной нагрузки колонны ректификации по спирту и задании требуемой нагрузки установки по спирту, в корректировке задания на расход бражки в бражную колонну в зависимости от разности низкочастотной составляющей текущей нагрузки колонны ректификации по спирту и требуемого значения нагрузки по спирту для установки брагоректификации, а также в осуществлении стабилизации отбора спирта из колонны ректификации в функции от разности заданного и текущего значений концентрации этилового спирта или их косвенных оценок в виде текущей и заданной температур паров над контрольной тарелкой колонны ректификации с учетом скорости изменения концентрации (температуры), причем, согласно изобретению, расход воды в конденсатор и дефлегматор колонны ректификации регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры флегмы на входе в колонну ректификации, задание на температуру флегмы на входе в колонну ректификации корректируют в зависимости от разности низкочастотной составляющей текущей нагрузки колонны ректификации по спирту и требуемого значения нагрузки по спирту для установки брагоректификации с учетом транспортного запаздывания и инерционности колонны ректификации, расход воды в конденсатор и дефлегматор деметанольной колонны регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры флегмы на входе в деметанольную колонну, задание на температуру флегмы на входе в деметанольную колонну корректируют в зависимости от разности низкочастотной составляющей текущей нагрузки колонны ректификации по спирту и требуемого значения нагрузки по спирту для установки брагоректификации с учетом транспортного запаздывания и инерционности колонны ректификации и деметанольной колонны, расход воды в конденсатор и дефлегматор колонны эпюрации регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры флегмы на входе в колонну эпюрации, задание на температуру флегмы на входе в колонну эпюрации корректируют в зависимости от разности низкочастотной составляющей текущей нагрузки колонны ректификации по спирту и требуемого значения нагрузки по спирту для установки брагоректификации с учетом транспортного запаздывания и инерционности колонны эпюрации, расход воды в конденсатор и водяную секцию дефлегматора бражной колонны регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры бражного дистиллята на входе в колонну эпюрации, а задание на температуру бражного дистиллята на входе в колонну эпюрации корректируют в зависимости от разности низкочастотной составляющей текущей нагрузки колонны ректификации по спирту и требуемого значения нагрузки по спирту для установки брагоректификации с учетом транспортного запаздывания и инерционности колонны эпюрации.
На чертеже представлена МБРУ с совмещенной функциональной схемой системы автоматического управления процессом брагоректификации в производстве этилового спирта для реализации предложенного способа.
МБРУ состоит из бражной 1, эпюрационной 2, ректификационной 3 и деметанольной 4 колонн, подогревателя бражки 5, водяной секции дефлегматора 6 бражной колонны, конденсаторов 7 и дефлегматоров 8. Материальные потоки обозначены следующим образом: В - вода для охлаждения конденсаторов и дефлегматоров, ВГ - вода гидроселекционная, ВСП - водно-спиртовый пар, ПГФЭ - пары головной фракции эпюрата, ЛВ - лютерная вода, ПНС - пары непастеризованного спирта, ПСГП - пары спирта с головными примесями, СР - спирт-ректификат, Ф - флегма; Fспирт - заданная нагрузка установки ректификации по этиловому спирту требуемой концентрации. Под «нагрузкой установки ректификации» понимается в данном случае количество спирта заданной концентрации, подаваемое в колонну 3, в единицу времени, например декалитр в час.
Бражная колонна снабжена датчиком давления 9, установленным в нижней части колонны и связанным с регулятором 10, и датчиком температуры 11, установленным в верхней части колонны и связанным с регулятором 12. Регулятор 12 связан с входом коррекции задания регулятора 10, который воздействует на исполнительный механизм 13 на линии подачи греющего пара в бражную колонну.
Регулятор 14 изменяет расход охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор 7 и водяную секцию 6 дефлегматора бражной колонны, с помощью исполнительного механизма 15 в зависимости от температуры бражного дистиллята, измеряемой датчиком температуры 16 в трубопроводе на входе питательной тарелки колонны эпюрации. Расход бражки в колонну 1 измеряется с помощью расходомера 17, связанного с исполнительным механизмом 18 через регулятор 19, которому передается корректирующее воздействие задания по бражке от регулятора 29.
Эпюрационная колонна снабжена датчиком давления 20, установленным в нижней части колонны и подающим сигнал на регулятор 21, который управляет исполнительным механизмом 22 на линии подачи греющего пара в колонну, и датчиком температуры 23 на трубопроводе флегмы на входе в колонну, воздействующим через регулятор 24 на исполнительный механизм 25 на линии подачи охлаждающей воды в конденсатор и дефлегматор колонны, а датчик расхода гидроселекционной воды 26 воздействует на исполнительный механизм 27 на трубопроводе ВГ через регулятор 28, который связан свом входом коррекции задания с выходом регулятора 30, стабилизирующим концентрацию спирта в эпюрате, сформированную в вычислительном блоке 31 на основе показаний датчиков давления 20 и температуры 32 низа колонны или измеренную в трубопроводе эпюрата прямым методом.
Ректификационная колонна снабжена датчиком давления 33, воздействующим через регулятор 34 на исполнительный механизм 35 на линии подачи греющего пара; датчиком температуры 36 флегмы на входе в колонну, воздействующим на подачу охлаждающей воды в конденсатор и дефлегматор колонны с помощью регулятора 37 и исполнительного механизма 38, а также датчиком температуры 39 паровой фазы над тарелкой питания, воздействующим через регулятор 40 на вход коррекции задания регулятора 41, который стабилизирует отбор спирта-ректификата с помощью датчика расхода 42 и исполнительного механизма 43.
Деметанольная колонна снабжена датчиком давления 44, воздействующим через регулятор 45 на исполнительный механизм 46 на линии подачи греющего пара; датчиком температуры 47 флегмы на входе в колонну, воздействующим на подачу охлаждающей воды в конденсатор и дефлегматор колонны с помощью регулятора 48 и исполнительного механизма 49.
Требуемая производительность МБРУ по бражке устанавливается заданием регулятору 19, которое корректируется регулятором 29 по сигналу рассогласования между заданной производительностью установки ректификации по этиловому спирту-ректификату Fспирт требуемой концентрации и низкочастотной составляющей текущей нагрузки колонны ректификации по спирту, сформированной в блоке вычисления 50 с применением сигнала на выходе блока 31, соответствующего текущей концентрации спирта в эпюрате, и сигнала с датчика 51 расхода эпюрата на входе в колонну 3.
Кроме того, блок вычисления 50 соединен через регулятор 52 с входом коррекции задания регулятора 24 температуры флегмы на входе колонны 2, через регулятор 53 с входом коррекции задания регулятора 14 температуры бражного дистиллята, через регулятор 54 с входом коррекции задания регулятора 37 температуры флегмы колонны 3, через регулятор 55 с входом коррекции задания регулятора 48 температуры флегмы колонны 4.
Подачу материальных потоков в МБРУ осуществляют следующим образом: греющий пар подают из котельной в коллектор, давление в котором поддерживают на заданном уровне регулятором, и направляют в виде острого пара в бражную колонну и кипятильники низа эпюрационной, ректификационной и деметанольной колонн, охлаждающую воду подают под заданным давлением в конденсаторы и дефлегматоры колонн и напорный бак, воду из которого используют в нештатных ситуациях. Бражку в колонну подают насосом из бражной ямы, в которую ее перекачивают из бродильных чанов. Из низа бражной колонны отбирают освобожденную от спирта барду, которая идет на дальнейшую переработку. Поток бражного дистиллята из подогревателя бражки, водяной секции дефлегматора и конденсатора бражной колонны подают по трубопроводу на питательную тарелку колонны эпюрации, на одну из верхних тарелок которой подают гидроселекционную воду, способствующую более полному выделению головных и промежуточных примесей. Из низа колонны эпюрации через переливную трубу с концентрацией спирта в заданном диапазоне эпюрат направляют самотеком на питательную тарелку колонны ректификации. Из колонны ректификации с одной из верхних тарелок отбирают пастеризованный спирт-ректификат и подают на питательную тарелку деметанольной колонны, работающую в режиме эпюрации, для дополнительной очистки спирта-ректификата от вредных примесей, а целевой продукт этиловый спирт высокого качества отбирают из ее низа через переливную трубу. Лютерную воду отводят из низа колонны ректификации.
Управление МБРУ, в соответствии с заявленным способом, осуществляют следующим образом.
Регулятор 10 управляет расходом греющего пара, поступающего в бражную колонну, по давлению в ее нижней части. На вход коррекции задания регулятора 10 подается сигнал от регулятора 12 в зависимости от рассогласования текущей и заданной температуры верха бражной колонны.
Задание регулятору 12 соответствует такой температуре в верхней части бражной колонны, при которой обеспечивается полное вываривание спирта из бражки. Данным образом достигается корректировка расхода пара, подаваемого в колонну, при изменении состава и температуры бражки. Тепловой режим конденсатора и водяной секции дефлегматора управляется регулятором 14, который, изменяя расход охлаждающей воды, с помощью исполнительного механизма 15 поддерживает температуру бражного дистиллята, измеряемую датчиком 16, в соответствии с заданным значением.
В эпюрационной колонне регулятор 21 с помощью исполнительного механизма 22 стабилизирует давление, измеряемое датчиком 20, в нижней части эпюрационной колонны, а расход охлаждающей воды в ее конденсатор и дефлегматор изменяется регулятором 24 в зависимости от температуры флегмы на входе в колонну, измеряемой датчиком температура 23. Расход гидроселекционной воды, измеряемый расходомером 26, стабилизируется регулятором 28 с помощью исполнительного механизма 27. Кроме того, величина задания регулятору 28 корректируется регулятором 30, который поддерживает заданную концентрацию этилового спирта в эпюрате на основе ее оценки, вычисленной в блоке 31, с использованием текущих показаний датчиков давления, температуры низа колонны эпюрации и зависимости от них концентрации эпюрата, заданной табличным или иным способом [Цыганков П.С. Ректификационные установки спиртовой промышленности. М., Легкая и пищевая промышленность, 1984, с.301 и с.326-327].
В нижней части колонны ректификации регулятор 34 с помощью исполнительного механизма 35 стабилизирует давление, измеряемое датчиком 33, а расход охлаждающей воды в ее конденсатор и дефлегматор изменяется регулятором 37 в зависимости от температуры флегмы на входе в колонну, измеряемой датчиком температуры 36. Регулирование отбора спирта-ректификата осуществляется с применением каскадной схемы: регулятор 41 на основе показаний расходомера 42 стабилизирует с помощью исполнительного механизма 43 расход спирта-ректификата из колонны; задание регулятору 41 корректируется регулятором 40 в зависимости от рассогласования между текущей, измеряемой датчиком 39, и заданной температурой пара над тарелкой питания, которые являются косвенной оценкой концентрации этилового спирта в паре. Задание, устанавливаемое регулятору 40, должно соответствовать такой концентрации спирта в паре над тарелкой, которая обеспечивает отбор из колонны спирта-ректификата заданного качества.
В нижней части деметанольной колонны регулятор 45 с помощью исполнительного механизма 46 стабилизирует давление, измеряемое датчиком 44, а расход охлаждающей воды в ее конденсатор и дефлегматор изменяется регулятором 48 с помощью исполнительного механизма 49 в зависимости от температуры флегмы на входе в колонну, измеряемой датчиком температура 47.
Необходимо отметить, что задания для регуляторов давления низа колонн устанавливают исходя из требуемой производительности МБРУ в соответствии с технологическим регламентом производства, а задания регуляторам температуры флегмы устанавливают из условия, чтобы избыточное давление в верхних частях колонн не превышало 2 кПа. Температуру бражного дистиллята стабилизируют в диапазоне допустимых температур тарелки питания эпюрационной колонны.
Автоматическое согласование режимов работы колонн МБРУ осуществляется следующим образом.
В вычислительном блоке 50, на один из входов которого поступает заданная для установки ректификации величина нагрузки по спирту Fспирт заданной концентрации, на основе входного сигнала от расходомера 51 и входного сигнала от вычислительного блока 31, который является оценкой концентрации этилового спирта в эпюрате, формируется оценка текущего значения нагрузки по спирту колонны ректификации в декалитрах в час и заданной концентрации. Далее сигнал сформированной оценки нагрузки подвергается усреднению на скользящем интервале времени, с учетом характеристик реальных возмущений по концентрации бражки, с целью выделения низкочастотной составляющей текущей нагрузки колонны ректификации по спирту. Затем вычисляется разность, которая является выходом вычислительного блока 50, между заданной величиной нагрузки установки по спирту Fспирт и вычисленной низкочастотной составляющей текущего значения нагрузки на входе колонны ректификации по спирту заданной концентрации. На основе выходного сигнала блока 50 формируются: регулятором 29 корректирующая добавка для задания регулятору 19 стабилизации расхода бражки, регулятором 52 корректирующая добавка для задания регулятору 24 стабилизации температуры флегмы на входе в эпюрационную колонну, регулятором 53 корректирующая добавка для задания регулятору 14 стабилизации температуры бражного дистиллята на входе в эпюрационную колонну, регулятором 54 корректирующая добавка для задания регулятору 37 стабилизации температуры флегмы на входе в колонну ректификации и регулятором 55 корректирующая добавка для задания регулятору 48 стабилизации температуры флегмы на входе в деметанольную колонну.
Повышение качества получаемого продукта в данном способе достигается за счет увеличения точности стабилизации температуры флегмы на входе колонн 2, 3 и 4, что обеспечивает более четкое выделение зон концентрирования головных и промежуточных примесей этилового спирта и более полное удаление их из конденсаторов или боковых отборов колонн. Снижение содержания в конечном продукте количества головных и промежуточных примесей, в состав которых входят альдегиды, эфиры, метиловый, пропиловый, изопропиловый спирты и множество других компонентов, обеспечивает улучшение его физико-химических и органолептических свойств, что соответствует повышению качества спирта.
Кроме того, повышение точности поддержания температурного режима дефлегматора и конденсатора колонны ректификации обеспечивает возможное увеличение значения задания регулятору 40 на температуру паров над контрольной тарелкой (тарелкой питания), например, с 88 до 89 градусов Цельсия без снижения качества получаемого спирта. При этом регулятор 40 автоматически увеличит задание регулятору 41 на отбор спирта-ректификата из зоны пастеризации и уменьшит общий объем флегмы, циркулирующей в колонне, что, в конечном счете, обеспечит возможность увеличения производительности колонны ректификации, которая лимитирует, как правило, производительность МБРУ, и позволит снизить удельное количество греющего пара, подаваемого в колонну, без снижения качества получаемого продукта.
Формирование корректирующих сигналов регуляторам 14, 24, 37 и 48 в зависимости от заданной нагрузки установки ректификации спиртом позволяет автоматически изменять температурный режим дефлегматоров колонн при ее изменении, что также минимизирует потребление греющего пара.
Регулирование температуры бражного дистиллята на входе в колонну эпюрации повышает точность поддержания технологического режимов бражной колонны, что снижает потери спирта с бардой и удельный расход греющего пара.
Регулирование температуры флегмы на входе в деметанольную колонну обеспечивает эффективное удаление головных примесей из ее конденсатора в требуемой степени и способствует уменьшению удельного расхода греющего пара.