УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕКТИФИКАЦИИ

Полезная модель относится к устройствам для управления процессом ректификации и может быть использована в химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, металлургической и пищевой промышленности.
Наиболее близкое к предлагаемому изобретению устройство автоматического регулирования процесса ректификации (Полезная модель №104475 опубл. от 20.05.2011 г.). Устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит ректификационную колонну, датчики температуры, два хроматографа, выходы которых соединены с входами регуляторов температуры верха и низа колонны, регуляторы температуры верха и низа колонны, регуляторы расхода перегретого пара и расхода хладагента, регулятор расхода греющего пара, дефлегматор в верхней части колонны, теплообменники, расположенные в нижней части колонны и в месте подачи питающей смеси, блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны, регулятор температуры питающей смеси.
Недостатком данного устройства, реализующего способ управления процессом ректификации, является жесткая стабилизация температуры верха и температуры низа колонны, что не позволяет применить данное устройство для разделения многокомпонентных смесей.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в поддержании заданного профиля температур по высоте колонны.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной технической задачи и заключающийся в установлении заданного профиля температур по высоте колонны путем адаптивного управления температурой питания, робастной стабилизации верхней точки температурного профиля колонны (температура верха колонны) и адаптивного управления нижней точки температурного профиля (температура низа колонны) путем компенсации возмущения со стороны концентрации питающей смеси, достигается тем, что в известном устройстве автоматического управления процессом ректификации, содержащем ректификационную колонну, датчики температуры, первый, второй и третий хроматографы, причем выход первого хроматографа соединен с входом регулятора температуры верха колонны, регуляторы расхода перегретого пара и расхода хладагента, регулятор расхода греющего пара, дефлегматор в верхней части колонны, теплообменники, расположенные в нижней части колонны и в месте подачи питающей смеси, блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны, регуляторы температуры верха и низа колонны, регулятор температуры питающей смеси, согласно полезной модели, второй хроматограф расположен в месте подачи питающей смеси, а третий - в нижней части колонны, причем устройство снабжено компенсатором с двумя входами, подключенными к выходам второго и третьего хроматографов, а выход соединен с входом регулятора температуры низа колонны, а сам компенсатор реализует функциональную зависимость:
где:
i, j - порядковый номер элемента в массиве (шаги) (i=0,1…N-1, j=0,1…N-1);
N - длина массива;
N·Ts - длина реализации в минутах;
б
Т - настроечный коэффициент дифференциальной части компенсатора;
s
T - длина циклограммы промышленного хроматографа (в минутах);
a
k - подгоночный коэффициент компенсатора;
а
Т - настроечный коэффициент интегральной части компенсатора;
k
s
C(iT) - текущее значение концентрации низа колонны;
n
s
С(jT) - текущее значение концентрации питающей смеси колонны;
dt - настроечный коэффициент модуля ввода аналоговых сигналов, равный 1 секунде;
dCк(i·Ts)=Cк(i·Ts)-Cк((i-1)·Ts) - текущее значение приращения концентрации низа колонны;
dCn(i·Ts)=Cn((i-j)·Ts)-Cn((i-j-1)·Ts) - текущее значение приращения концентрации питающей смеси колонны.
На рисунке 1 представлена функциональная схема устройства управления процессом ректификации.
Устройство состоит из: ректификационной колонны 1, оснащенной датчиками температур 2, блока стабилизации температуры верха колонны 3, содержащего, в свою очередь, дефлегматор 4, первый промышленный хроматограф 7, регулятор температуры верха 6 и регулятор расхода хладагента 5, блока регулирования температуры низа колонны 8, состоящего из теплообменника 9, регулятора температуры низа колонны 10, регулятора расхода перегретого пара 11 и компенсатора возмущений питающей смеси 12, блока идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны 13, блока регулирования температуры питающей смеси 14, регулятора расхода греющей смеси 15 и теплообменника 16.
Устройство работает следующим образом. Информация о текущей температуре, поступающая от датчиков температур 2, расположенных по всей высоте ректификационной колонны 1, поступает одновременно на регулятор температуры верха колонны 6, на регулятор температуры низа колонны 10 и на блок идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны 13, и по этим данным строится модельный профиль колонны. Блок стабилизации температуры верха и блок регулирования температуры низа организованы как каскадные системы регулирования.
Температурный профиль по высоте колонны фиксируется следующими управляющими воздействиями: расходом хладагента, подаваемого в дефлегматор 4, расходом перегретого пара, идущего в теплообменник 9, который расположен в нижней части колонны, и расходом греющего пара, подаваемого в теплообменник 16, который расположен на вводе питающей смеси в колонну. При этом первое воздействие (расход хладагента) определяет «верхнюю» точку температурного профиля, которая отвечает за температуру в укрепляющей части колонны. Температура верха колонны жестко фиксируется блоком стабилизации.
Второе воздействие задает положение «нижней» точки температурного профиля, соответствующей значению температуры в исчерпывающей части колонны. Положение этой точки варьируется, «плавает» в зависимости от сигнала, вырабатываемого компенсатором возмущений питающей смеси 12, реализованным на базе микропроцессорного контроллера промышленного хроматографа. Хроматограф, расположенный на линии питания, и хроматограф, стоящий на выходе товарного продукта, генерируют сигналы о текущих значениях концентраций на тарелке питания и в нижней части колонны. В результате анализа состава проб, формируется сигнал задания для регулятора температуры низа колонны 10. Функциональная зависимость выходного параметра (концентрации низа колонны) от входного (концентрации питающей смеси) для компенсатора 12 определяется формулой, указанной выше.
Третье воздействие (расход греющего пара) задает положение «средней» точки температурного профиля, соответствующей температуре тарелки питания. Положение данной точки определяется сигналом от блока идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны 13 и управляется регулятором температуры питающей смеси 14 путем изменения расхода греющего пара посредством теплообменника 16 регулятором 15.
В каскадной системе регулирования температуры верха колонны (блок 3) выходная величина первого промышленного хроматографа, расположенного в верхней части колонны, поступает на вход регулятора температуры верха колонны 6, вырабатывающего задание регулятору 5, отвечающему за стабилизацию расхода хладагента, подаваемого в теплообменник 4.
В каскадной системе регулирования температуры низа колонны (блок 8) выходная величина компенсатора 12 (отклонение температуры в относительных единицах), обрабатывающего сигналы от второго и третьего промышленных хроматографов, расположенных на линии питания и в линии транспорта товарного продукта, поступает в качестве задания на регулятор температуры низа колонны 10, который, в свою очередь, вырабатывает задание регулятору 11, предназначенному для стабилизации расхода перегретого пара, подаваемого в теплообменник 9.
Таким образом, реализация компенсации возмущающего воздействия со стороны питающей смеси за счет применения классических алгоритмов управления и современных программно-технических средств, позволяет решить поставленную задачу, - поддержание заданного температурного профиля по всей высоте ректификационной колонны.