СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БРАЖНОЙ КОЛОННОЙ БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL OF DISTILLATION COLUMN OF DISTILLER

Изобретение относится к автоматическому управлению бражной колонной брагоректификационной установки (БРУ) непрерывного действия спиртового производства или иных производств.
Известен способ автоматического управления бражной колонной брагоректификационной установки [Мандельштейн М.Л. Автоматические системы управления технологическим процессом брагоректификации. М.: Пищевая промышленность, 1975, с.168-171], заключающийся в стабилизации давления низа бражной колонны подачей греющего пара, стабилизации температуры отходящей из водяной секции дефлегматора бражной колонны охлаждающей воды изменением ее расхода на входе в конденсатор бражной колонны, стабилизации температуры верха бражной колонны изменением расхода бражки на тарелку ее питания и подаче бражного дистиллята в полном объеме на тарелку питания эпюрационной колонны.
Недостатки данного способа: регулирование температуры отходящей воды из дефлегматора бражной колонны не обеспечивает стабильного режима работы ее конденсатора и водяной секции дефлегматора, что может приводить к нарушению процесса вываривания бражки, увеличению удельных затрат тепловой энергии и повышенным потерям спирта с бардой. Кроме того, изменения расхода бражки при регулировании температуры верха бражной колонны наносят возмущения по нагрузке для последующих колонн БРУ, что также может привести к уменьшению их производительности, повышенному расходу греющего пара и снижению качества получаемого продукта.
Наиболее близким к заявленному решению по технической сущности в части бражной колонны является способ автоматического управления непрерывно действующим трехколонным брагоректификационным аппаратом [SU 206494 A, опубл. 08.12.1967], в котором регулируют давление низа бражной колонны изменением расхода греющего пара, подаваемого в ее низ, а величину давления при этом задают в функции от рассогласования между заданной и текущей температурами в верхней части бражной колонны, осуществляют регулирование расхода бражки, поступающей в бражную колонну, расход воды в конденсатор и водяную секцию дефлегматора бражной колонны регулируют в зависимости от разности заданной и текущей температур отходящей охлаждающей воды из водяной секции дефлегматора.
Недостатком данного способа автоматического управления в части бражной колонны является то, что регулирование температуры отходящей воды из дефлегматора бражной колонны не обеспечивает стабильного режима работы ее конденсатора и водяной секции дефлегматора, что может приводить к нарушению процесса вываривания бражки и, следовательно, к увеличению удельных затрат тепловой энергии, повышенным потерям спирта с бардой, снижению качества получаемого продукта и уменьшению производительности. Кроме того, данный способ автоматического управления в части бражной колонны не позволяет произвести предварительную эпюрацию бражного дистиллята, образующегося на выходе из водяной секции дефлегматора, и вывести в жидком виде из конденсатора поток с высоким содержанием головных примесей этилового спирта, поскольку не обеспечивает стационарность работы конденсатора и водяной секции дефлегматора бражной колонны. При этом температура бражного дистиллята на выходе из водяной секции дефлегматора изменяется в широком диапазоне. Поток жидкости из конденсатора имеет незначительную концентрацию головных примесей и подается, как правило, на питательную тарелку эпюрационной колонны для дальнейшей переработки. Причиной является то, что объект управления по каналу управления: вход - расход охлаждающей воды в конденсатор и водяную секцию дефлегматора, 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 бражной колонны, степени загрязнения поверхностей теплообмена подогревателя бражки, водяной секции дефлегматора и не является достаточной, в целях управления, оценкой состояния массообменных процессов в дефлегматоре бражной колонны по указанным выше причинам.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа автоматического управления бражной колонной, заключается в улучшении качества получаемого этилового спирта, повышении производительности БРУ и снижении удельных затрат греющего пара.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматического управления бражной колонной брагоректификационной установки, заключающемся в регулировании расхода бражки, давления в ее нижней части подачей пара, в задании величины давления низа бражной колонны в функции от рассогласования между заданной и текущей температурой в верхней части бражной колонны, в регулировании расхода воды, поступающей в конденсатор и водяную секцию дефлегматора бражной колонны, причем согласно изобретению расход воды в конденсатор и водяную секцию дефлегматора бражной колонны регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры бражного дистиллята на выходе из водяной секции дефлегматора бражной колонны.
В предлагаемом способе автоматического управления выходной параметр объекта управления «температура бражного дистиллята на выходе водяной секции дефлегматора бражной колонны» однозначно и достаточно точно для целей управления определяет состояние массообменных процессов в дефлегматоре бражной колонны и позволяет эффективно управлять составом паровой фазы в водяной секции дефлегматора и конденсаторе бражной колонны, что, в свою очередь, позволяет получить на выходе конденсатора поток жидкой фазы с более высоким содержанием продуктов головной фракции этилового спирта, который может быть удален из процесса дальнейшей переработки бражного дистиллята. Данным способом может быть выполнена предварительная эпюрация бражного дистиллята, которая обеспечит возможность повышения производительности эпюрационной и спиртовой колонн БРУ и качества получаемого этилового спирта, а также снизит удельные затраты греющего пара в этих колоннах.
На чертеже представлен узел бражной колонны с совмещенной функциональной схемой системы автоматического управления бражной колонной брагоректификационной установки в производстве этилового спирта для реализации предложенного способа.
Узел состоит из бражной колонны 1, подогревателя бражки 2, водяной секции дефлегматора 3, конденсатора 4, сепаратора бражных газов 5, конденсатора бражных газов 6. Материальные потоки обозначены следующим образом: ВСП - водно-спиртовой пар, ГФЭС - головная фракция этилового спирта (жидкость), ПГС - парогазовая смесь после сепарации бражки, ПГФЭС - пары головной фракции этилового спирта, УГ - углекислый газ.
Бражная колонна 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 бражную колонну, датчиком температуры 10, установленным в верхней части колонны и связанным с регулятором 11. Регулятор 11 связан с входом коррекции задания регулятора 8.
Регулятор 12 изменяет расход охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор 4 и водяную секцию 3 дефлегматора бражной колонны, с помощью исполнительного механизма 13 в зависимости от разности заданной и текущей температур бражного дистиллята на выходе из водяной секции дефлегматора, измеряемой датчиком температуры 14. Расход бражки в колонну 1 измеряется с помощью расходомера 15, связанного с исполнительным механизмом 16 через регулятор 17.
Подачу материальных потоков в БРУ 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, охлаждающую воду подают под заданным давлением в конденсатор и водяную секцию дефлегматора бражной колонны. 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 и водяной секции дефлегматора 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.
Автоматическое управление бражной колонной брагоректификационной установки в соответствии с заявленным способом осуществляют следующим образом.
Регулятор 8 управляет расходом греющего пара, поступающего в бражную колонну, по давлению в ее нижней части. На вход коррекции задания регулятора 8 подается сигнал от регулятора 11 в зависимости от рассогласования текущей и заданной температур верха бражной колонны. Задание регулятору 11 соответствует такой температуре в верхней части бражной колонны, при которой обеспечивается необходимое 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 12, который, изменяя расход охлаждающей воды с помощью исполнительного механизма 13, поддерживает температуру бражного дистиллята на выходе водяной секции дефлегматора бражной колонны, измеряемую датчиком 14, в соответствии с заданным значением. В подогревателе бражки 2, в котором исходная бражка подогревается водно-спиртовым паром из колонны 1, как правило, до температуры от 75 до 80 градусов Цельсия, конденсируется около половины всего потока пара и превращается в бражной дистиллят, содержащий в основном этиловый спирт, воду, промежуточные и концевые примеси, а также часть компонентов головных примесей. Пар из подогревателя 2, поступающий на вход водяной секции дефлегматора, имеет значительно большую концентрацию компонентов головных примесей, чем исходный пар на выходе из колонны 1.
Необходимо отметить, что задание регулятору температуры бражного дистиллята на выходе из водяной секции дефлегматора устанавливают из условия максимального содержания компонентов головной фракции в паровой фазе, поступающей в конденсатор 4, с целью дальнейшего их вывода в жидком виде из процесса переработки бражного дистиллята. Для удаления в значительной степени из бражного дистиллята на выходе водяной секции дефлегматора бражной колонны метанола, метилацетата, этилацетата, этилформиата, ряда альдегидов и других примесей достаточно с высокой точностью автоматически стабилизировать температуру этого потока подачей охлаждающей воды. Задание регулятору 12 на температуру бражного дистиллята на выходе водяной секции дефлегматора бражной колонны может находиться, например, в диапазоне от 74 до 76 градусов Цельсия, что обеспечивает переход в конденсатор 4 компонентов головной фракции в составе паровой фазы. Более точно пределы диапазона заданий на температуру можно определить по результатам анализа состава примесей бражного дистиллята, получаемого из конкретного вида сырья. При этом в водяной секции дефлегматора бражной колонны устанавливается стационарный массообменный процесс между жидкой и паровой фазой. Компоненты головной фракции этилового спирта, как более летучие вещества по сравнению с этиловым спиртом, переходят в паровую фазу в виде азеотропных смесей с водой и другими компонентами или непосредственно в виде паров. Затем паровой поток поступает в конденсатор 4, в котором охлаждается до жидкого состояния, и компоненты головной фракции этилового спирта в составе жидкости могут быть удалены из процесса дальнейшей переработки бражного дистиллята.
Существующие способы автоматического управления бражной колонной, основанные на регулировании температуры отходящей воды из дефлегматора бражной колонны, не обеспечивают поддержание высокоточного температурного режима дефлегматора бражной колонны и возможности предварительной эпюрации бражного дистиллята, что в дальнейшем может снизить качество конечного продукта, уменьшить производительность БРУ и вызвать увеличение удельного расхода греющего пара.
Повышение качества получаемого продукта в предлагаемом способе автоматического управления бражной колонной достигается за счет увеличения точности стабилизации температуры бражного дистиллята на выходе из водяной секции дефлегматора бражной колонны, что обеспечивает более полное выделение в концентрированном виде головных примесей этилового спирта в конденсаторе бражной колонны и их возможное удаление из потока бражного дистиллята, что существенно улучшает проведение процессов в эпюрационной и спиртовой колоннах БРУ и вызывает снижение содержания в конечном продукте количества головных примесей. Этими мерами обеспечивается улучшение физико-химических и органолептических свойств спирта, что соответствует повышению его качества.
Регулирование температуры бражного дистиллята на выходе водяной секции дефлегматора бражной колонны повышает точность поддержания технологического режима бражной колонны, что снижает в ней потери спирта с бардой и удельный расход греющего пара.
Кроме того, задания регуляторам расхода бражки и температуры бражного дистиллята на выходе из водяной секции дефлегматора бражной колонны могут автоматически изменяться системой управления производительностью БРУ и согласования режимов работы отдельных колонн, которая может быть в составе АСУТП БРУ, в зависимости от разности заданной и фактической производительности БРУ по этиловому спирту.