СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OVER ALCOHOL PRODUCTION PLANT USING HEAT PUMP

Изобретение относится к способам и системам автоматического управления процессом ректификации и может найти применение в спиртовой, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен способ автоматического регулирования процессом ректификации [Авторское свидетельство СССР №944600, кл. B01D 3/42, 1982] путем воздействия на подачу теплоносителя и орошения в зависимости от изменения значений температур на тарелках, отличающийся тем, что с целью уменьшения энергозатрат путем улучшения качества регулирования подачу теплоносителя и орошения изменяют в зависимости от суммы логарифмов отношений разности температур, измеренных в различных точках колонны, поддерживая произведение расхода орошения на расход теплоносителя постоянным. Устройство для реализации способа содержит ректификационную колонну, датчики температуры, вычислительные блоки, регулятор, регулятор расхода теплоносителя, регулятор расхода орошения.
Недостатком данного способа и реализующего его устройства является то, что при управлении колонной применяется мультипликативная связь (произведение) двух потоков информации (расходов) от датчиков, имеющих квадратические статические характеристики. Поэтому качество регулирования при таком большом количестве нелинейных, взаимосвязанных, измеряемых параметров находится под большим сомнением, особенно по метрологическим показателям качества управления.
Известен способ автоматического регулирования процессом ректификации и реализующее его устройство [Авторское свидетельство СССР SU №1526723, кл. B01D 3/42, G05D 27/00, 1989], которое содержит ректификационную колонну, датчики температуры, блок коррекции профиля температур по давлению паров, регуляторы расходов теплоносителя и орошения, регулятор расхода питающей смеси, регулятор теплосодержания, датчики давления, дефлегматор в верхней части колонны, первый теплообменник в нижней части колонны, второй теплообменник, расположенный в месте подачи питающей смеси, исполнительные устройства. Способ автоматического регулирования процессом ректификации путем задания температурного профиля колонны и изменения подачи теплоносителя и орошения в зависимости от изменения температурного профиля ректификационной колонны реализует измерение давления в верхней и нижней частях колонны и в зависимости от измеренных значений давлений корректирование температурного профиля колонны, определение высоты участка колонны, на котором температура не меньше температуры кипения кубового продукта заданного состава, и высоты участка колонны, на котором температура не превышает температуры кипения дистиллята заданного состава, расчет скорости изменения температуры по высоте колонны и в зависимости от значений определенных высот участков колонны и скорости изменения температуры по высоте колонны параметров - корректирование расходов теплоносителя и орошения, расхода и теплосодержания питающей смеси.
Недостатком способа является попытка уменьшить статическую погрешность измерения температурного профиля колонны применением контроля давления в верхней и нижней части колонны. Это неизбежно приводит к появлению неопределенностей по фиксации температуры верха и низа колонны, что увеличивает динамические погрешности процесса управления и время регулирования температуры питающей тарелки. Также в известном способе и реализующем его устройстве отсутствует компенсация инерционности процесса ректификации, что приводит к ухудшению качества регулирования.
Известен способ, реализуемый в устройстве для автоматического управления процессом экстрактивной ректификации путем стабилизации перепадов температуры в укрепляющей и исчерпывающей секциях колонны изменением расходов флегмы, экстрагента и теплоносителя, с коррекцией по составу дистиллята и кубового продукта [Авторское свидетельство СССР N 1001954, М. Кл.3 B01D 3/42 от 07.03.83].
Недостатком известного способа является недостаточное качество регулирования составов получаемых продуктов разделения из-за отсутствия компенсации внутренних перекрестных связей по каналам "расход флегмы - температура на нижней контрольной тарелке", "расход теплоносителя - температура на верхней контрольной тарелке" и внешних возмущений по температуре экстрагента и давлению теплоносителя, подаваемого в куб колонны.
Известен способ автоматического регулирования теплового режима ректификационной колонны путем изменения расхода топлива в подогреватель циркулирующего нижнего продукта в зависимости от температуры отгонной части колонны [Шувалов В.В. Огаджанов Г.А. Голубятников В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности.- М.: Химия, 1991. С.439, 440].
Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает стабилизацию парового потока в ректификационной колонне, т.к. на процесс парообразования влияет изменение давления и состава питания, что приводит к низкому качеству регулирования.
Известен способ автоматического регулирования теплового режима ректификационной колонны путем стабилизации перепада давления циркулирующего продукта в подогревателе [Авторское свидетельство СССР №538723, опубл. БИ N 46 15.12.76].
Недостатком известного способа является большая инерционность системы регулирования при возмущении со стороны расхода питания, что приводит к ухудшению качества продуктов разделения.
Известен способ автоматического регулирования процессом ректификации в устройстве [Патент РФ №2449827 B01D 3/42, опубл. Бюл. №13. 10.05.2012], в котором управление работой ректификационной колонны достигается путем учета и компенсации инерционных свойств процесса ректификации, а также вычислением минимального среднеквадратического отклонения текущего значения температуры от прогнозируемого и установления этого значения в качестве задания регулятору температуры питающей тарелки и тем самым изменения температурного профиля по всей высоте колонны.
Недостатком способа является низкая точность управления работой ректификационной колонны, так как процесс регулирования ограничивается процессами, осуществляемыми только внутри колонны.
Известен способ управления процессом ректификации [Абрамов К.В., Софиева Ю.Н. Разработка инвариантной системы управления процессом ректификации // ПРИБОРЫ №3(64), 2012 - с.42-47.] путем применения разомкнутой инвариантной системы регулирования в автоматизированной системе управления (АСУ) ректификационными установками.
Недостатком известного способа являются высокие энергозатраты из-за отсутствия регулирования процесса создание теплоты.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ автоматического регулирования теплового режима ректификационной колонны [Патент РФ №2081664, B01D 3/42, опубл. 20.06.1997] путем стабилизации перепада давления кипящего циркулирующего продукта в подогревателе с коррекцией по температуре отгонной части ректификационной колонны, отличающийся тем, что расход топлива в подогреватель регулируют в зависимости от перепада давления циркулирующего продукта в трубчатом змеевике подогревателя с дополнительной коррекцией по скорости изменения отношения расходов питания и циркулирующего продукта.
Недостатком прототипа является отсутствие регулирования расхода энергии на создание холода и теплоты путем их взаимной компенсации.
Технической задачей изобретения является снижение материальных и энергетических ресурсов на единицу массы готового продукта, повышение точности и надежности управления технологическими параметрами процесса ректификации спирта с использованием теплового насоса.
Для решения технической задачи изобретения предложен способ автоматического управления установкой для получения спирта с использованием теплового насоса, характеризующийся тем, что измеряют по линии подачи расход и состав исходной водно-спиртовой смеси, в линии циркуляции через куб - расход и температуру водно-спиртовой смеси, температуру, в кубе колонны - давление и уровень, на выходе из колонны - температуру паров, в линии рециркуляции теплоносителя - расход, в буферной емкости - уровень, на входе в дефлегматор и выходе из испарителя - температуру теплоносителя, в линии циркуляции хладагента - его давление и расход перед компрессором, давление, температуру и расход - перед терморегулирующим вентилем, давление и температуру - после терморегулирующего вентиля, мощности приводов компрессора и циркулирующих насосов - в линии циркуляции водно-спиртовой смеси через куб и в линии рециркуляции теплоносителя и по измеренным параметрам по программно-логическому алгоритму, заложенному в микропроцессор, осуществляют оперативное управление технологическими параметрами процесса получения спирта, рассчитывают суммарные теплоэнергетические затраты на процесс получения спирта, определяют их производную по количеству испаряемого из водно-спиртовой смеси спирта и в зависимости от знака производной воздействуют на расход исходного продукта в антибатной зависимости.
Технический результат изобретения заключается в снижении материальных и энергетических ресурсов на единицу массы готового продукта, повышении точности и надежности управления технологическими параметрами процесса ректификации спирта с использованием теплового насоса.
исх.с.
На фиг.1 представлена схема, реализующая способ управления установкой для получения спирта с использованием теплового насоса, на фиг.2 представлен график зависимости удельных суммарных энергозатрат R от расхода исходного сырья G.
Схема (фиг.1) содержит ректификационную колонну 1 с насадками 2 ,имеющую куб 3, дефлегматор 4 со змеевиком 5, испаритель 6 со змеевиками 7 и 8, промежуточную буферную емкость 9, компрессор 10, теплообменник (конденсатор) 11 со змеевиками 12, 13, теплообменник (конденсатор) 14 со змеевиками 15, 16, терморегулирующий вентиль 17, циркуляционные насосы 18, 19, двигатели 20-22, двухходовые и трехходовые вентили, соответственно 23 и 24-26 линии подачи исходной водно-спиртовой смеси 27, циркуляции водно-спиртовой смеси через куб 3, имеющей рабочий участок 28, а также участок 29, включаемый в работу во время пуска установки, удаления отработанной водно-спиртовой смеси 30, циркуляции теплоносителя (хладоносителя) 31, удаления эпюрата 32 из дефлегматора 4, циркуляции хладагента 33, датчики: расхода 34-40, состава 41 исходной водно-спиртовой смеси, давления 42-45, температуры 46-52, уровня жидкости 53-54, мощности электроприводов 55-57, микропроцессор 58 (А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, З, И, К, Л, М, Н, О, П, Р, С, Т, У, Ф, X, Ц, Ч, Ш, Щ, Э, Ю - входные каналы управления, а, б, в, г, д, е, ж, з - выходные каналы управления), исполнительные механизмы 59-66.
Вторичные приборы, цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи на схеме не показаны.
Способ автоматического управления установкой для получения спирта с использованием теплового насоса осуществляют следующим образом.
Исходная водно-спиртовая смесь с составом, определяемым датчиком 41, и расходом, контролируемым датчиком 39 по линии подачи 27 через вентиль 23 посредством исполнительного механизма 66, подается в линию циркуляции через куб 3, проходя последовательно по участку 29, а затем по рабочему участку 28. Подача исходного продукта осуществляется до предельно допустимого уровня, контролируемого датчиком 53, информация с которого передается в микропроцессор 58, который в свою очередь передает корректирующий сигнал исполнительному механизму 66 на закрытие вентиля 23.
При этом участок 29 линии циркуляции водно-спиртовой смеси через куб 3 функционирует только в начальный период пуска установки.
После заполнения куба 3 до заданного значения уровня в начальный период пуска установки приводится в работу компрессор 10, в котором происходит сжатие паров хладагента, циркулирующего по линии 33. В результате работы сжатия происходит выделение теплоты, которая затем в теплообменниках (конденсаторах) 11 и 14 передается водно-спиртовой смеси, проходящей через участки 28 и 29 линии циркуляции водно-спиртовой смеси через куб 3.
В результате нагрева исходной водно-спиртовой смеси до температуры ее кипения, например 78…95°С, информация о которой передается с датчика температуры 46 микропроцессору 58, последний передает корректирующий сигнал исполнительному механизму 65 на закрытие вентиля 25 и прекращение циркуляции водно-спиртовой смеси по участку 29. При этом в кубе 3 колонны 1 происходит парообразование с поверхности водно-спиртовой смеси. Затем происходит разделение на контактных устройствах колонны 1, после чего спиртовой пар из верхней части ректификационной колонны 1 подается в дефлегматор 4, где благодаря тому, что через трубки змеевика 5 пропускается охлажденный теплоноситель из испарителя 6, в результате рекуперативного теплообмена между спиртовыми парами и теплоносителем (хладоносителем) происходит конденсация спиртовых паров. После получения теплоносителем теплоты от паров спирта он направляется по линии рециркуляции 31 в испаритель 6, где он охлаждается за счет испарения хладагента в результате его впрыска через терморегулирующий вентиль 17 в трубки змеевика 8, где он кипит за счет подвода теплоты от теплоносителя.
Охладившись в змеевике 7, теплоноситель, циркулирующий в линии 31, перемещается в буферную емкость 9, откуда насосом подается обратно в дефлегматор 4.
Одновременно дополнительно измеряют состав исходного продукта с помощью датчика 41, расход с помощью датчика 38 и температуру с помощью датчика 52 в линии подачи исходной водно-спиртовой смеси 27, расход с помощью датчика 38 и температуру с помощью датчика 52 в линии циркуляции водно-спиртовой смеси через куб 3 на рабочем участке 28, расход с помощью датчика 40 в линии удаления отработанной водно-спиртовой смеси 30, давление с помощью датчика 42 и температуру с помощью датчика 46 в кубе 3, температуру в конце колонны 1 с помощью датчика 47, температуру до и после испарителя с помощью датчиков 48 и 49, расхода с помощью датчика 35 в линии циркуляции теплоносителя (хладоносителя) 31, расхода с помощью датчика 34 в линии удаления эпюра-та 32 из дефлегматора 4, давления в линии циркуляции хладагента 33 на участке между теплообменником-конденсатором 14 и терморегулирующим вентилем 17 до и после компрессора 10, с помощью соответственно датчиков 44, 43, 45, расход с помощью датчиков 36 и 37, температуру с помощью датчиков 50 и 51.
При этом осуществляют оперативное управление технологическими параметрами по программно-логическому алгоритму, заложенному в микропроцессор 58, в который передается информация о ходе процесса получения спирта в ректификационной установке с использованием теплового насоса от датчиков 34-57.
По текущей информации датчиков 39 и 41 соответственно по расходу в линии 27 и состава (в основном воды и спирта) исходного водно-спиртового сырья микропроцессор 58 устанавливает частоту вращения электродвигателя 20 компрессора 10 воздействием на его мощность, значение которой измеряется датчиком 57посредством исполнительного механизма 63.
Из условия материального и теплового балансов микропроцессор 58 устанавливает задание на температуру удаления выпаривания в кубе 3, текущее значение которой измеряется датчиком 52 путем изменения расхода водно-спиртовой смеси в линии ее циркуляции на участке 28 воздействием на мощность электродвигателя 22 циркуляционного насоса 19, значение которой измеряется датчиком 55, посредством исполнительного механизма 63 и с помощью вентиля 25 и исполнительного механизма 65, а также величину давления в кубе 3, измеряемую датчиком 42, воздействием на расход в линии 32 с помощью вентиля 24 посредством исполнительного механизма 60.
При уменьшении температуры в линии циркуляции водно-спиртовой смеси в кубе 3 сначала уменьшают циркуляцию путем воздействия на мощность циркуляционного насоса 19, а затем на увеличение давления в кубе 3 путем воздействия на соотношение расходов удаляемого эпюрата и возврата в колонну воздействием на исполнительный механизм 60 вентиля 24.
По информации с датчика 48 об отклонении фактического значения температуры от заданного на входе в дефлегматор микропроцессор 58 осуществляет коррекцию следующим образом: при отклонении текущей температуры в сторону увеличения сначала уменьшают расход теплоносителя помощью исполнительного механизма 61 воздействием на мощность электродвигателя 22 циркуляционного насоса 19 до достижения предельно минимального значения, затем осуществляют коррекцию величины температуры измеряемой датчиком 51 путем корректирующего воздействия с микропроцессора 58 на снижение мощности привода 20 с помощью исполнительного механизма 63 до достижения температуры теплоносителя (хладоносителя) заданного значения, обеспечивающего конденсацию пара спирта, а при отклонении температуры теплоносителя (хладоносителя) в сторону уменьшения сначала осуществляют коррекцию величины температуры измеряемой датчиком 51 путем корректирующего воздействия с микропроцессора 58 на увеличение мощности привода 20 с помощью исполнительного механизма 63 до достижения температуры теплоносителя (хладоносителя) заданного значения, обеспечивающего конденсацию пара спирта, а затем увеличивают расход теплоносителя с помощью исполнительного механизма 61 воздействием на мощность электродвигателя 22 циркуляционного насоса 19 до достижения предельно максимального значения.
По текущей информации датчика о мощности электроприводов 55-57 компрессора 10 и циркуляционных насосов 18-19 микропроцессор 58 непрерывно определяет энергозатраты на мощность электроприводов компрессора 10 и циркуляционных насосов 22-31.
Затем микропроцессор 58 по измеренным параметрам (суммарной мощности электроприводов 55-57 компрессора 10 и циркуляционных насосов 18-19 и количеству получаемого спирта) рассчитывает технико-экономический показатель (критерий оптимизации), в качестве которого использован суммарный расход электрической энергии, приходящийся на единицу испаряемого (получаемого) спирта:
1
2
3
Э
где N - потребляемая мощность привода компрессора 10, кВт; N и N- потребляемые мощности циркуляционных насосов 18-19, кВт; соответственно в линии циркуляции теплоносителя 31 и в линии циркуляции водно-спиртовой смеси через куб 3; Z - цена за электроэнергию, р/(кВт·ч); G - массовая доля ароматного спирта, получаемого в установке в единицу времени, т/ч.
В соответствии с материальным балансом по спирту зависимость расхода готового спирта от расхода водно-спиртовой смеси можно представить с учетом расхода влаги следующим образом:
ф.к.
исх.с.
н
к
к
где G - расход готового спирта, кг/ч; G - расход исходного продукта (водно-спиртовой смеси), кг/ч; k - коэффициент, w, w - соответственно начальное и конечное содержание воды в продукте, кг/кг (w=0); - коэффициент удаления воды из исходного продукта (водно-спиртовой смеси), кг/ч.
По данным процесса ректификации спирта установлена однозначная функциональная связь между слагаемыми в числителе критерия оптимизации (1) и расходом исходного продукта:
1
2
3
где а, а, а - эмпирические коэффициенты, определяемые экспериментально.
С учетом формул (3)-(5) технико-экономический показатель (критерий оптимизации) (1) приводится к виду
Массовая доля воды G, удаляемая из перерабатываемого продукта в единицу времени, т/ч, будет равна
Приведя формулу (6) к виду, удобному для исследования на экстремум, приравниваем первую производную критерия (6) нулю :
После ряда преобразований получаем
Уравнение (9) равно нулю, если его числитель равен нулю, т.е.
Из уравнения (10) экстремальное значение расхода исходного продукта, соответствующее экстремальному расходу тепловой и электрической энергии, приходящемуся на единицу испаряемой влаги:
Условия экстремума выполняются как при максимуме, так и при минимуме функции. Поэтому необходимо убедиться, что решение, найденное в нашем случае, соответствует именно минимуму. Это можно установить по знаку второй производной критерия оптимизации (6). Взяв вторую производную критерия (6) и приравняв ее нулю, легко доказывается, что: .
Следовательно, в точке экстремума (10) имеет место минимум расхода тепловой и электрической энергии, приходящегося на единицу испаряемой влаги.
Затем микропроцессор 58 осуществляет выбор оптимальных режимов работы ректификационной установки с учетом оценки энергетической эффективности. Для этого микропроцессор 58 по рассчитанному технико-экономическому показателю (критерию оптимизации) (формула 1) определяет производную по количеству испаряемого из водно-спиртовой смеси спирта и в зависимости от знака производной воздействуют на расход исходного продукта, определяемого датчиком 39, в антибатной зависимости воздействием на исполнительный механизм 66 крана 23.
Таким образом, данный метод оценки эффективности предлагаемого способа автоматического управления установкой для получения спирта с использованием теплового насоса позволяет осуществить выбор оптимального расхода исходного продукта по минимальному значению критерия (6) с учетом ограничений, накладываемых на диапазоны изменения режимных параметров процесса ректификации.
Окончание процесса ректификации фиксируется фактом отклонения температуры паров спирта в сторону увеличения, информация о которой передается с датчика 47 в микропроцессор 58, который в свою очередь передает корректирующие сигналы исполнительным механизмам 63, 61 и 64 последовательно на остановку работы компрессора и циркуляционного насоса 18, а затем на открытие трехходового крана 26 для удаления из линии циркуляции водно-спиртовой смеси через куб 3, обедненной спиртом водно-спиртовой смеси, информация о расходе которой передается с датчика 40 в микропроцессор 58.
Пример реализации способа. В качестве конкретного примера по реализации способа рассматривается процесс получения ароматных спиртов в ректификационной установке с использованием теплового насоса.
Пределы регулирования основных параметров процессов получения ароматных спиртов в ректификационной установке с использованием теплового насоса обоснованы в результате экспериментальных исследований: температура кубе 3 ректификационной колонны 1 составляет 75…98°С, величина давления в кубе 3 колонны 1-2,66 кПа, холодопроизводительность теплового насоса 3,2-12,4 кВт, потребление мощности компрессором составляет 1,42…3,8 кВт.
Производительность установки в зависимости от начального состава водно-спиртовой смеси составляет 0,1…0,4 дал/ч.
В качестве объекта исследования использовалась водно-спиртовая смесь 40…65%, которая подавалась в куб 3 ректификационной колонны 1, где на насадках 2 происходило разделение продукта.
Поддержание и регулирование параметров процесса ректификации производилось в соответствии с вышеприведенным в предлагаемом способе алгоритмом, заложенным в микропроцессор 58, который осуществлял выбор оптимальных режимов работы установки с применением теплового насоса с учетом оценки энергетической эффективности. Для этого микропроцессор 58 по рассчитанному технико-экономическому показателю (формула 1) определял удельные суммарные энергозатраты (фиг.2).
Критерий оптимизации (1) для данных режимов процесса получения спирта получен в виде:
ucx.c.
Оптимальное значение расхода исходного продукта G * определяется из условия:
Отсюда следует
Тогда значение критерия оптимизации R*, соответствующее оптимальному значению G*, составит R*=900 р/т.
Из анализа формулы (23) следует, что реализация данного способа с минимальными удельными энергетическими затратами, составляющими 900 р/т, при ограничениях на производительность оборудования и качество получаемого спирта, достигается при расходе исходного продукта 0,1 т/ч (фиг.2). Незначительное отклонение расхода исходного продукта от этого значения неизбежно приводит к перерасходу тепловой и электрической энергии на единицу массы получаемого спирта.
В результате показана возможность оценки эффективности предлагаемого способа автоматического управления установкой для получения спирта с использованием теплового насоса по величине энергетических затрат, приходящихся на единицу массы получаемого спирта. Обоснован выбор оптимального расхода исходного продукта по минимальному значению удельных энергетических затрат с учетом ограничений, накладываемых на диапазоны изменения режимных параметров процесса ректификации.
Предложенный способ автоматического управления установкой для получения спирта с использованием теплового насоса позволяет:
- обеспечить минимальные теплоэнергетические затраты на процесс получения спирта;
- снизить материальные и энергетические ресурсы на единицу массы готового продукта;
- получить готовый продукт высокого качества за счет поддержания наиболее оптимальной продолжительности процесса получения спирта в ректификационной установке с использованием теплового насоса;
- достигнуть большой точности поддержания технологических параметров и надежности системы автоматического регулирования на всех стадиях процесса получения спирта в ректификационной установке с использованием теплового насоса.