СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАЗГОННОЙ КОЛОННОЙ БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF DISTILLER BOOSTER COLUMN

Изобретение относится к автоматическому управлению разгонной колонной (РК) брагоректификационной установки (БРУ) непрерывного действия спиртового производства или иных производств. РК предназначена для выделения этилового спирта из головной фракции и оснащается в составе БРУ конденсатором, дефлегматором, системой трубопроводов и средствами автоматизации [см. Патент RU 2186104, опубл. 27.07.2002]. Головная фракция этилового спирта (ГФЭС) подается непосредственно из конденсатора эпюрационной колонны на питательную тарелку в верхней части РК. Туда же подаются погоны непастеризованного спирта из спиртовой колонны и головных примесей из колонны окончательной очистки, а также потоки из конденсатора, сепаратора бражной колонны и спиртоловушек. Снизу в РК поступает греющий пар, а на одну из тарелок нижней части РК подают воду для гидроселекции спирта, причем, воду вводят ниже подачи на разгонку ГФЭС. Под воздействием греющего пара ГФЭС освобождается от примесей, 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 РК. Низкокипящие компоненты ПГФ, в состав которых входит метанол, эфиры и альдегиды, поступают в виде пара из дефлегматора в конденсатор для полной их конденсации и вывода из процесса в жидком виде. Избыток этой фракции возвращается в РК в составе флегмы. Этиловый спирт из ГФЭС поглощается потоком воды и уносится в низ РК. Кубовая жидкость (КЖ), свободная от метанола, эфиров, альдегидов и других летучих примесей, отводится из низа РК и возвращается в бражную колонну БРУ. Содержание этилового спирта в кубовой жидкости должно быть (6-8)% об., что обеспечивает наилучшие условия выделения из головной фракции эфиров, альдегидов и других летучих примесей.
Известен способ регулирования теплового режима колонны путем стабилизации давления низа колонны подачей греющего пара [см. стр.448-452 в книге: Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. - М.: Пищевая промышленность, 1969. - 456 с.].
Известен и применяется в производствах пищевого этилового спирта способ автоматического управления разгонной колонной брагоректификационной установки, заключающийся в регулировании температуры отходящей из дефлегматора колонны охлаждающей воды изменением ее расхода на входе в дефлегматор, регулировании температуры (давления) в нижней части колонн подачей греющего пара [см. стр.215-220 в книге: Цыганков П.С. Ректификационные установки спиртовой промышленности. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 336 с.].
Недостатком данного способа автоматического управления является то, что регулирование температуры отходящей охлаждающей воды из дефлегматора колонны не обеспечивает стабильного режима работы РК, может приводить к нарушению процесса ректификации в колонне и, следовательно, к увеличению удельных затрат тепловой энергии, а также к возврату метанола, эфиров и альдегидов в бражную колонну БРУ с кубовой жидкостью. Температура потока конденсата из низа дефлегматора, поступающего на верхнюю тарелку колонны в составе флегмы, может в этом случае изменяться в широком диапазоне, что способствует возникновению колебательных явлений в массообменных процессах на тарелках колонны. Причиной значительных изменений температуры потока конденсата из дефлегматора является то, что в известном способе объект управления по каналу управления: вход - расход охлаждающей воды в 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 РК и дефлегматоре по указанным выше причинам.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа автоматического управления разгонной колонной БРУ, заключается в снижении удельных затрат греющего пара.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматического управления разгонной колонной брагоректификационной установки, заключающемся в регулировании давления в ее нижней части подачей греющего пара, расхода охлаждающей воды, поступающей в конденсатор и дефлегматор разгонной колонны, расхода гидроселекционной воды в разгонную колонну, причем, согласно изобретению, измеряют температуру конденсата на выходе из дефлегматора колонны с помощью датчика температуры, расход охлаждающей воды в дефлегматор колонны регулируют в функции от разности заданного и текущего значений температуры конденсата на выходе из дефлегматора колонны с помощью регулятора, измеряют температуру жидкой фазы на одной из нижних тарелок колонны с помощью датчика температуры, а расход гидроселекционной воды в колонну регулируют с учетом корректирующего сигнала регулятора, выходной сигнал которого формируют в функции от разности задания на температуру жидкой фазы на одной из нижних тарелок колонны и текущего значения температуры жидкой фазы на одной из нижних тарелок колонны.
В предлагаемом способе автоматического управления выходной параметр объекта управления «температура конденсата на выходе дефлегматора разгонной колонны» однозначно и достаточно точно для целей управления определяет состояние массообменных процессов в дефлегматоре РК и позволяет эффективно управлять составом паровой фазы в дефлегматоре и конденсаторе РК, что, в свою очередь, способствует получению на выходе конденсатора поток жидкой фазы с более высоким содержанием вредных примесей, который может быть выведен из БРУ. Кроме того, конденсат с постоянной температурой, подаваемый на верхнюю тарелку РК в виде флегмы, обеспечивает стабилизацию массообменных процессов на тарелках колонны, повышение ее эффективности и снижение удельных затрат греющего пара.
В предлагаемом способе автоматического управления обеспечивается поддержание с требуемой точностью заданной концентрации этилового спирта на тарелках нижней части РК и кубовой жидкости в условиях изменяющихся величин потоков головной фракции и других погонов на питательную тарелку и концентраций в них этилового спирта. С этой целью регулируется температура жидкой фазы на одной из нижних тарелок РК путем вычисления корректирующего сигнала к заданию на расход гидроселекционной воды. Температура кипящей жидкой фазы, являющейся смесью воды и этилового спирта, однозначно связана с концентрациями этилового спирта в жидкой фазе [см. стр. 44-46 в книге: Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. - М.: Пищевая промышленность, 1969. - 456 с.]. При снижении концентрации этилового спирта в жидкостном слое на тарелках РК увеличивается температура кипения жидкости. При повышении концентрации этилового спирта в жидкости на тарелках происходит снижение температуры ее кипения. Расход гидроселекционной воды в РК автоматически увеличивают при возрастании концентрации этилового спирта и уменьшают при ее снижении. Регулирование температуры жидкой фазы на одной из нижних тарелок РК приводит к стабилизации концентраций этилового спирта в жидкости на тарелках РК и КЖ, обеспечивая оптимальные условия удаления вредных примесей, а также осуществляет минимизацию количества вводимой гидроселекционной воды в РК, что позволяет снизить удельный расход греющего пара как в разгонной колонне, так других колоннах БРУ.
На фигуре для реализации предложенного способа автоматического управления представлен узел разгонной колонны с совмещенной функциональной схемой системы автоматического управления в составе БРУ.
Узел состоит из разгонной колонны 1, дефлегматора 2, конденсатора 3. Приняты обозначения: ГСВ - поток гидроселекционной воды, ГФЭС - поток головной фракции спирта и других погонов с примесями (жидкость), ЗДНК -задание на давление низа колонны, ЗРГСВ - задание на расход гидроселекционной воды, ЗТКД - задание на температуру конденсата на выходе дефлегматора, ЗТНТ - задание на температуру жидкой фазы на одной из нижних тарелок РК, КГФ - концентрат головной фракции, КГПП - концентрат головных и промежуточных примесей, КЖ - кубовая жидкость, ОВ - охлаждающая вода, ПГП - пары головных примесей, ПГФ - пары головной фракции, СКТ- сигнал коррекции ЗРГСВ по температуре.
Разгонная колонна снабжена датчиком давления 4, установленным в нижней части колонны и связанным с регулятором 5, который воздействует на исполнительный механизм 6 на линии подачи греющего пара в колонну, датчиком 7 температуры конденсата, установленным на трубопроводе, отводящем конденсат из дефлегматора, и связанным с регулятором 8, воздействующим на исполнительный механизм 9 на линии подачи охлаждающей воды в конденсатор и дефлегматор. Регулятор 8 изменяет расход охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор и дефлегматор колонны, с помощью исполнительного механизма 9 в функции от разности заданной и текущей температур конденсата на выходе из дефлегматора, измеряемой датчиком температуры 7. Регулятор 11 изменяет расход гидроселекционной воды, подаваемой в РК для разбавления ГФЭС, с помощью исполнительного механизма 12 в функции от разности заданного ЗРГСВ и текущего расхода ГСВ, измеряемого датчиком 10. Регулятор 14 вычисляет корректирующий сигнал к заданию ЗРГСВ в функции от разности ЗТНТ и текущего значения температуры жидкой фазы на одной из тарелок низа РК, измеряемого датчиком температуры 13.
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 конденсатор и дефлегматор колонны. Поток ГФЭС и другие погоны, содержащие этиловый спирт и примеси, подают на питательную тарелку РК. Из дефлегматора конденсат подают на верхнюю тарелку РК в качестве флегмы. Поток жидкости из конденсатора, содержащий метанол, эфиры, альдегиды и другие примеси, отводится в сборник на склад, а избыток фракции возвращают с флегмой в РК. На одну из тарелок нижней части РК подается ГСВ. Из жидкой фазы тарелки, лежащей выше тарелки, на которую подается ГСВ, отбирается поток КГПП, содержащий головные и промежуточные примеси этилового спирта. Из низа РК отбирают КЖ, содержащую этиловый спирт, и направляют ее в бражку.
Автоматическое управление разгонной колонной, в соответствии с заявленным способом, осуществляют следующим образом.
Регулятор 5 управляет с помощью исполнительного механизма 6 расходом греющего пара, поступающего в колонну, в зависимости от разности ЗДНК и давления в нижней части РК, измеренного датчиком 4. Тепловой режим дефлегматора 2 и конденсатора 3 управляется регулятором 8, который, изменяя расход охлаждающей воды с помощью исполнительного механизма 9, поддерживает температуру конденсата на выходе дефлегматора РК, измеряемую датчиком 7, в соответствии с заданным значением ЗТКД. Регулятор 11 управляет с помощью исполнительного механизма 12 расходом гидроселекционной воды, подаваемой в колонну, в зависимости от разности ЗРГСВ и величины текущего расхода ГСВ, измеренного датчиком 10. Регулятор 14 вычисляет корректирующий сигнал к заданию ЗРГСВ в функции от разности ЗТНТ и текущего значения температуры жидкой фазы на одной из тарелок низа РК, измеряемого датчиком температуры 13, причем, расход ГСВ в РК увеличивают, если текущая температура над контрольной тарелкой становится ниже заданного значения ЗТНТ, и уменьшают при превышении заданного значения.
Для удаления головных примесей в значительной степени из конденсата на выходе дефлегматора РК необходимо с высокой точностью автоматически стабилизировать температуру этого потока подачей охлаждающей воды в конденсатор и дефлегматор. Задание ЗТКД регулятору 8 на температуру конденсата на выходе из дефлегматора РК должно обеспечивать переход этилового спирта на тарелках колонны из паровой фазы в жидкую и далее в кубовую жидкость. Кроме того, стабилизация температуры жидкой фазы на одной из нижних тарелок РК позволяет создать необходимые условия для эффективного выделения вредных головных и промежуточных примесей из водно-спиртовой жидкости, отводимой из РК как КЖ, при минимальных затратах греющего пара.
Существующие способы автоматического управления разгонной колонной, основанные на регулировании температуры отходящей воды из дефлегматора, не обеспечивают стабильность массообменных процессов в колонне 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 дефлегматора и температуры жидкой фазы на нижних тарелках РК повышает точность поддержания технологического режима в разгонной колонне и снижает удельный расход греющего пара.