Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Информационно-аналитическое исследование 6
1.1 Анализ современных процессов формирования качества продуктов ректификации 6
1.1.1 Сравнительный анализ методов и средств ректификации. 6
1.1.2 Регулирование работы насадочных ректификационных колонн ...20
1.1.3 Системы регулирования с вычислительными устройствами. 25
1.2 Анализ методов расчета ректификационных колонн 31
1.3 Моделирование тепло - массообменных процессов ректификации 36
1.3.1 Анализ основных закономерностей процессов тепло-массопереноса 36
1.3.2 Анализ моделей процесса ректификации в насадочной колонне...44
1.4 Результаты поискового информационно-аналитического исследования.47
1.5 Цели, задачи и объект дальнейшего модельного исследования .48
Глава 2 Разработка математической модели процесса ректификации в насадочной колонне 49
2.1 Синтез математического описания процесса 49
2.2 Описание теплофизических и диффузионных параметров модели 57
2.3 Разработка базового программного продукта 62
Глава 3 Имитационное и материальное моделирование управления формированием качества продукта ректификации 66
3.1 Разработка и исследование цифровой системы управления насадочной колонной периодического действия 66
3.1.1 Создание аппаратно-программного комплекса для имитационного моделирования управления процессом 66
3.1.2 Разработка конструкции флегмоделителя 70
3.1.3 Определение вида управляющих воздействий 71
3.2 Экспериментальные исследования с использованием материальной и виртуальной моделей 74
3.2.1 Описание экспериментально-производственной (пилотной) установки 74
3.2.3 Результаты моделирования и проверка на адекватность 77
Заключение 82
Список использованных источнрпсов. 84
Приложение А 96
Приложение Б 120
Условные обозначения 121
- Регулирование работы насадочных ректификационных колонн
- Анализ основных закономерностей процессов тепло-массопереноса
- Описание теплофизических и диффузионных параметров модели
- Создание аппаратно-программного комплекса для имитационного моделирования управления процессом
Введение к работе
До настоящего времени методы технологического расчета ректификационных установок базируются на понятиях уравнения рабочей линии и теоретической ступени контакта. Данные методы вполне удобны и оправданы для расчета тарельчатых колонн непрерывного действия. В случае расчета процесса ректификации с применением аппаратов насадочного типа могут применяться как методы, базирующиеся на понятии теоретической ступени контакта, так и на понятие высоты единицы переноса. Все эти методы в той или иной мере теоретически обоснованы, но не являются достаточно точными.
В случае периодической ректификации или ректификации с переменной величиной потока питания получение продуктов с заданными параметра качества (управление качеством) обеспечивается путем непрерывной или краткопериодической генерацией управляющих воздействий с целью корректировки параметров процесса.
Для продуктовых колонн, предназначенных для получения одного целевого продукта (например, дистиллята), ставятся следующие задачи оптимального управления:
1) минимизация энергозатрат на получение целевого продукта заданной
концентрации;
2) максимизация производительности по целевому продукту.
Принципы создания современных цифровых АСУТП предполагают
наличие математического описания объекта. В результате проведенного анализа существующих методов расчета насадочных колонн и требований к математическим моделям, являющихся базовыми для создания компьютерных систем прямого цифрового управления, был сделан вывод о целесообразности разработки математического описания процесса ректификации на основе фундаментальных уравнений тепло- массопереноса, обладающего максимальным потенциалом прогностических возможностей.
Кроме того, математическая модель такого рода может служить базой для создания АРМ разработчиков ректификационных установок.
Данная работа посвящена вопросам исследования и совершенствования на базе компьютерного моделирования алгоритмов расчетов и процессов управления формированием качества верхнего продукта в ректификационных насадочных колоннах периодического действия. Такого рода установки широко применяются для реализации процессов утилизации, регенерации а также в малотоннажных производствах.
Регулирование работы насадочных ректификационных колонн
Процесс ректификации характеризуется рядом независимых параметров. Независимые переменные можно разделить на внешние и внутренние. К внутренним независимым переменным относятся: состав дистиллята; состав кубового продукта; отношение количества жидкости, испаряемой в кубе, к расходу исходной смеси; отношение расходов внешнего орошения и дистиллята. Если две переменные принять за независимые, то две другие станут зависимыми. К ним относятся также составы и расходы пара и жидкости в любом сечении колонны, расходы дистиллята и кубового продукта, количество тепла, отбираемого в дефлегматоре.
В подавляющем большинстве случаев требования к системам автоматического регулирования процесса ректификации ограничиваются стабилизацией параметров, влияющих на процесс разделения. Такие системы целесообразны при небольших возмущениях и колебаниях качества продукта. При значительных: изменениях расхода и состава исходной смеси неизбежны продолжительные отклонения от заданного состава исходных продуктов. Чем больше число стабилизированных независимых переменных, тем проще осуществить устойчивое регулирование ректификационной колонны. Однако стабилизировать все независимые переменные, что исключило бы нарушение заданных теплового и материального балансов колонны, невозможно из-за технических или экономических условий проведения процесса разделения. Так, например, практически трудно стабилизировать состав исходной смеси, обычно поступающей из предыдущего аппарата, а изменение состава может быть основным источником возмущения процесса. Кроме того, поскольку исходную смесь стремятся подавать при температуре кипения, необходимо стабилизировать температуру питания.
Питание должно поступать в ректификационную колонну с постоянной скоростью. Регулирование расхода питания можно рассматривать как стабилизацию параметров независимо от процесса, протекающего в ректификационной колонне. На практике это можно сделать, если имеется емкость питания с достаточным запасом исходной смеси.
Состав и температура кипения жидкостей на всех ступенях ректификационной колонны связаны между собой. Изменение этих параметров в любой точке распространяется на всю колонну по истечении времени запаздывания. Поэтому невозможно независимо регулировать эти параметры в нескольких точках колонны.
Вывод кубового продукта осуществляется в соответствии с командными импульсами регулятора уровня. Уровень жидкости в кубе или кипятильнике колонны связан с другими регулируемыми параметрами: температурой (составом) жидкости и давлением в колонне. В зависимости от физических свойств разделяемой смеси, конструкции куба, его тепловой нагрузки и т.п. степень связи регулируемых параметров может изменяться в широких пределах. Если степень связи незначительна, то может быть успешно применена схема стабилизации уровня.
Стабилизацию расхода греющего пара можно рекомендовать лишь при постоянстве состава исходной смеси. Если ее состав меняется, то при постоянной подаче пара в кипятильник неизбежны значительные колебания состава продукта в нем, что недопустимо. При этом расход питания также должен быть постоянным. В противном случае при неизменной подаче пара с уменьшением расхода исходной смеси температура в колонне может повыситься, и степень чистоты дистиллята понизится. При увеличении расхода исходной смеси низкокипящий компонент попадает в кубовый продукт.
Дистиллят обычно отбирается из флегмовой емкости. Колебания уровня в ней практически не оказывают влияния на процесс в колонне. При такой схеме регулирования уровня во флегмовой емкости можно рассматривать как отдельную задачу, не связанную с основным процессом. Хорошая работа ректификационной колонны зависит от качества регулирования давления в колонне. Особенно большое значение имеет давление при разделении компонентов, близких по физико-химическим свойствам.
Системы автоматического регулирования, основанные на постоянстве соотношения потоков. При регулировании качества конечных продуктов наиболее существенными возмущениями являются изменения расхода и состава питания.
Как следует из общего материального баланса колонны, при изменении характеристик питания расход только одного из продуктовых потоков может быть установлен независимо. Расход другого продукта определяется расходом питания и представляет собой зависимую переменную. Таким образом, в качестве потока, на который будет непосредственно или косвенно воздействовать система регулирования, может быть выбран расход дистиллята или кубового продукта. Однако для обеспечения постоянства разделительной способности колонны необходимо поддерживать постоянство отношения дистиллята к нагрузке по пару.
При постоянном давлении в колонне система регулирования, обеспечивающая постоянство соотношения потоков, имеет два основных способа решения. 1. Поддержание постоянства соотношения между расходом дистиллята и греющего пара, подаваемого в куб колонны. Регулятор уровня поддерживает уровень кубового продукта и регулирует его расход. Регулятор соотношения потоков регулирует расход греющего пара, подводимого к кубу, так, чтобы соотношение обоих потоков было постоянным. В свою очередь, поток флегмы регулируется регулятором температуры в зависимости от температуры в верхней части колонны. 2. Поддержание постоянства флегмового числа. Регулятор уровня поддерживает постоянный уровень кубового продукта, регулятор соотношений - постоянство флегмового числа. Расход пара, подаваемого в куб колонны, регулируется регулятором расхода в зависимости от температуры в нижней части колонны. Рассмотренные схемы просты в реализации и применимы в основном для бинарной ректификации. Необходимое условие их применения при многокомпонентной ректификации - наличие однозначного соответствия температуры в точке отбора импульса составу смеси. Первый вариант решения чаще всего используется для регулирования работы колонны, когда к качеству кубового продукта предъявляются более жесткие требования; второй вариант — для отбора дистиллята высокого качества.
Анализ основных закономерностей процессов тепло-массопереноса
Сложность описания и расчета теплообмена с учетом реальных условий его протекания во многом объясняет тот факт, что в настоящее время теплообменную аппаратуру рассчитывают по моделям, предполагающим режим полного вытеснения теплоносителя либо его полное смешение. Эти крайние случаи режимов течения теплоносителя обоснованы для определенных конструкций теплообменных аппаратов и видов теплоотдачи, однако в большинстве случаев использование модели идеального смешения и вытеснения теплоносителя дает большую погрешность в расчете. В связи с этим возникает необходимость использования более реальных моделей движения теплоносителей, обладающих одновременно достаточной простотой [70].
Расчет аппаратуры для осуществления процессов массопередачи сводится к нахождению двух размеров: диаметра и высоты или длины зоны контакта. Диаметр или сечение аппарата определяется заданной производительностью по сплошной фазе (пару) и линейной скоростью потока в полном сечении аппарата, определяемой из гидродинамических условий его работы.
Детерминированное описание переноса вещества в процессах массопередачи основано на фундаментальных законах диффузии Фика.
При построении модели подсистемы «Равновесие» использование в качестве основы описания таких выражений, как уравнения Ван—Лаара, Редлиха-Кистера и др., приводит к необходимости находить значительное число опытных параметров, отвечающих этим уравнениям. Вместе с тем применение таких известных моделей, как уравнения Вильсона и NRTL, позволяет уже без особых затруднений делать подобные обобщения, поскольку в указанных уравнениях заложен определенный механизм анализируемой подсистемы, позволяющий рассматривать описываемое явление с помощью независимых эффектов парных взаимодействий.
Уравнения UNIFAC и NRTL позволяют описывать равновесие не только в парожидкостных неидеальных смесях, характерных для процессов ректификации, но также и в системах расслаивающихся жидкостей. Экспериментально определяемые параметры этих уравнений находят на основе опытных данных по равновесию в бинарных смесях, что дает возможность составлять математические описания равновесия многокомпонентных смесей без наложения ограничений на число компонентов.
При построении подсистемы "Массопередача" для многокомпонентных смесей важную роль в процессах массобмена играют такие эффекты, как реверсивная и осмотическая диффузия и соответствующие эффекты массопередачи. Для описания этих явлений сейчас используются матричные способы представления коэффициентов диффузии и массопередачи, что позволяет учитывать перекрестные эффекты взаимодействия компонентов.
При построении подсистемы "Гидродинамика" рассматривается микро-и макроуровень. Цель анализа гидродинамики на макроуровне - изучение явлений, происходящих на границе раздела фаз и определяющих в конечном итоге эффективность межфазной массопередачи. Исследования обычно сводятся к получению эмпирического выражения функциональных зависимостей, определяющих матрицы коэффициентов массоотдачи. Изучение гидродинамики на макроуровне дает возможность учесть влияние структуры потоков на эффективность диффузионного переноса. В этой области достигнуты наиболее значимые успехи, что позволило создать различные экспериментальные методики для определения свойств и структуры взаимодействующих потоков, а также разработать математические модели типовых структур потоков, на основе которых сейчас можно описать 5 контактные устройства практически любых типов для диффузионных процессов.
Для подсистемы «Теплопередача» в диффузионных процессах разработан математический аппарат, включающий описание на макроуровне тепловых характеристик потоков с учетом эффектов смешения компонентов, а также общее описание процессов теплопередачи от нагревательных устройств. Что касается микроуровня этой подсистемы, то нахождение характеристик теплоотдачи сводится к оценкам состояния поверхностей раздела фаз на базе эмпирических соотношений для коэффициентов теплоотдачи. С разработкой большого числа различных ректификационных колонн возникла необходимость сравнительной оценки их разделяющей способности, то есть количество дистиллята определенной концентрации, полученное в единицу времени из смеси определенного состава при заданных условиях ректификации. Существует несколько методик расчета числа теоретических ступеней разделения.
При расчете числа теоретических ступеней разделения по методу Мак -Кэба и Тиле для периодической ректификации следует учитывать, что по мере изменения состава кубовой жидкости одновременно повсюду в колонне ( в парах и в жидкости) уменьшается доля легколетучего компонента. Расчет числа теоретических ступеней разделения по методу Мак-Кэба и Тиле для непрерывной ректификации предполагает, если диаграмму Мак-Кэба и Тиле построить в логарифмических координатах, то точность расчета увеличится. Аналитические методы определения числа теоретических ступеней и рабочих параметров для непрерывной ректификации идеальных смесей подробно изложены в [68]. Также используются и аналитические методы определения числа теоретических ступеней разделения для периодической ректификации. Один из них определение по разности температур кипения. Если исходить из степени очистки легколетучего компонента, то расчет облегчается. Диаграмма Брэгга-Льюиса позволяет сразу же найти минимальное число теоретических ступеней разделения в зависимости от разности температур кипения для бинарных эквимольных идеальных смесей и др.
Описание теплофизических и диффузионных параметров модели
Для отработки принципов и элементов системы прямого цифрового управления процессом формирования качества в ректификационных колоннах насадочного типа периодического действия был создан аппаратно-программный комплекс, позволяющий проводить эксперименты по выработке и оказанию оптимальных управляющих воздействий на работу виртуальной ректификационной установки. Последняя формировалась на базе разработанной математической модели. Эта же модель заложена в основу функционирования входящей в состав комплекса системы прямого цифрового управления.
Архитектура аппаратной части виртуальной системы управления ректификационной колонной представлена на рисунке 3.1..
В состав аппаратной части виртуальной системы входят следующие компоненты: 1) моделирующая ЭВМ, в аппаратное обеспечение которой включены модуль аналогового вывода РЮ DA8 и модуль аналогового ввода LA2-M3; 2) контроллер ADAM 5000, в состав которого входят модуль аналогового ввода ADAM-5017-A и модуль аналогового вывода ADAM-5024-A. 3) Управляющая ЭВМ, в аппаратное обеспечение которой включен преобразователь RS-232 в RS-424/485 ADAM-4520-D2. При периодическом проведении процесса управление качеством продукта ректификации предполагает непрерывную или краткопериодную генерацию управляющих воздействий с целью корректировки параметров процесса для обеспечения постоянства состава верхнего продукта и требуемой степени разделения. Таким образом, все входы системы, а это: объем загружаемой смеси (Usm), концентрация смеси (Xsm), давление в системе (Psis), начальные температуры воды и масла (7V, Тт); будут влиять на ее выходы (или отклики системы на воздействие вышеупомянутых факторов): концентрация дистиллята (Xd) и расход дистиллята (Ld) [95]. Данная схема управления установкой представлена на рисунке 3.2.
Наиболее универсальным способом задания точности системы контроля является ограничение максимальной ошибки системы управления во всех ее режимах работы при действии всех возможных возмущений и помех. В нашем случае в ходе управления процессом периодической ректификации будут корректироваться значения флегмового числа от Flmin до Fl оо , а также расходы масла (теплоагент обогрева куба) и воды (хладагент конденсатора) {Lm, Lv). Рассматривая систему этанол - вода, расход воды определяется расходом питания и представляет собой независимую переменную. Таким образом, в качестве потока, на который будет непосредственно или косвенно воздействовать система регулирования, может быть выбран расход дистиллята или кубового остатка. Однако, для обеспечения постоянства разделительной способности колонны необходимо поддерживать постоянство отношения дистиллята к нагрузке по пару.
При постоянном давлении в колонне система регулирования, обеспечивающая постоянство соотношения потоков, имеет следующий способ решения: поддержание постоянства соотношения между расходом дистиллята и пара. Регулятор уровня поддерживает уровень кубового продукта и регулирует его расход. В свою очередь, потоком флегмы управляет регулятор температуры в зависимости от температуры в верхней части колонны.
Указанные задачи решаются на основании анализа условий работы технологического оборудования, вьывленных законов и критериев управления объектом, контроля и регистрации технологических параметров к качеству регулирования и контроля.
Для автоматического регулирования и стабилизации процесса данная схема имеет возможность оперирования группами управляемых объектов по самостоятельным независимым друг от друга программам для каждой группы, имеет оперативный контроль исправности управляющих и информационных каналов.
Одним из основных элементов регулирования работы ректификационной колонны является управляемый флегмоделитель. В задачи исследования входила разработка флегмоделителя, который мог бы эффектино работать под управлением ЭВМ.
Функциональное назначение флегмоделителя заключается в обеспечении отбора флегмы в соответствии с переменным флегмовым числом. На одну из предложенных автором и его коллегами конструкций получен патент РФ №2200611 [96].
Схематичное изображение флегмоделителя представлено на рисунке 3.3. Устройство расположено внутри массообменного аппарата и работает следующим образом. Конденсат из дефлегматора ректификационной колонны попадает через приемную стационарную воронку 3 в распределительную качающуюся воронку 4. Для отбора флегмы качающаяся воронка приводится в движение (отклоняется) валом 8 при подаче напряжения на обмотку электромагнита 2; при этом флегма подается в приемное окно патрубка 5. Возврат качающейся воронки 4 в исходное положение, при котором происходит возврат флегмы в пространство массообменного аппарата, обеспечивается возвратным маховиком с грузом 7. Регулирование флегмового числа достигается путем изменения отношения времени нахождения воронки в нейтральном положении Т2, при котором осуществляется возврат флегмы в колонну, ко времени нахождения воронки в рабочем положении її, когда происходит отбор продукта.
Создание аппаратно-программного комплекса для имитационного моделирования управления процессом
Объектом экспериментального исследования являлась малогабаритная ректификационная установка, разработанная в Бийском технологическом институте (см. рисунок 3.7). Целью исследования являлась проверка адекватности полученной модели процесса ректификации по экспериментальным данным. Одной из поставленных задач являлась разработка автоматизированной системы управления. Основное назначение схемы автоматизации - получение продукта разделения заданного качества. При разработке схемы автоматизации использовался принцип декомпозиции. Основные задачи, решаемые системой автоматизации: 1) автоматизация процесса загрузки и выгрузки сырья в куб; 2) автоматизация выгрузки готового продукта; 3) стабилизация основных технологических параметров: давления в системе, стабилизация парового потока по высоте колонне; 4) получение продукта заданного качества. В состав установки входят следующие элементы: куб емкостью 450 л, снабженный рубашкой, колонна диаметром 150 мм и высотой - 1,5 м с насадкой в виде керамических колец Рашига 10x10 xl,5 мм, флегмоделитель электромагнитный, выполненный из нержавеющей стали марки 12X18Н9Т, дефлегматор, два конденсатора и сборник для приема верхнего продукта заданного качества. происходит загрузка сырья. В нижней части колонны создают «горячую зону». Смесь начинает испаряться, поднимаясь по высоте колонны, где создается «холодная зона» от дефлегматора за счет подачи хладоагента с помощью клапана 6-3. Конденсируясь в дефлегматоре, пары поступают в конденсатор, а часть сконденсировавшихся паров возвращается обратно в колонну, где с помощью флегмоделителя (устройство механизма и работа флегмоделителя описаны выше) часть сконденсировавшихся паров, обогащенных низкокипящим компонентом также отбирается в первый конденсатор. Поступление хладоагента в конденсатор регулируется клапаном 3-3. Затем дистиллят поступает во второй конденсатор. Из двух конденсаторов верхний продукт поступает в сборники, выгрузка из которого регулируется клапаном 7-4.
Для автоматизации процесса загрузки сырья в куб используется контур 4. Датчик уровня 4-1 отслеживает верхний и нижней уровень в кубе колонны. Куб колонны загружается периодически: открывается клапан 4—3 и происходит загрузка сырья; при достижении уровня крайнего верхнего положения клапан 4-3 закрывается. Выгрузка продукта происходит при падении концентрации отбираемого продукта в кубе до 1.7% или при достижении уровня жидкости в кубе нижнего предельного значения, при этом открывается клапан 4-4.
Для автоматизации выгрузки готового продукта используется контур 7. Датчик уровня 7-1 отслеживает верхнее предельное значение в приемнике продукта разделения. При достижении уровня верхнего предельного значения открывается клапан 7-4.
Для стабильной работы насадочной колонны необходимо стабилизировать давление в системе и скорость парового потока в колонне. Стабилизацию скорости парового потока в колонне обеспечивает контур 6. Датчики давления 5-1 и 6-1 измеряют разность давления по высоте колонны. Регулирующим параметром является изменение подачи хладагента в дефлегматор (прибор 6-3).
Регулирование числа флегмы: при изменении состава куба, определяемого косвенным путем по изменению температуры в кубе и в верхней части колонны (датчики 1-І и 1-2), производится расчет необходимого числа флегмы и вырабатывается соответствующее управляющее воздействие на делитель флегмы (приборы 8-1, 8-2) [100,101]. На базе виртуальной модели, реализуемой на основе аппаратно-программного комплекса, осуществляли эксперимент, отражающий динамику процесса и системы управления.
Для проверки модели на адекватность были проведены эксперименты на малогабаритной установке, смонтированной в Бийском технологическом институте. Колонна диаметром 150 мм имела высоту 1,5 м. Фотография колонны приведена на рисунке 3.14. В качестве насадки использовали кольца Рашига керамические 10x10x1.5 мм.
Флегмовое число меняли во времени в соответствии с результатами моделирования на аппаратно-программном комплексе.
