1. Анализ систем автоматизации технологического процесса

2008 год: Ввод в эксплуатацию комбинированной установки алкилирования.

2010 год: Ввод в эксплуатацию установки гидрообессеривания бензина каталитического крекинга.

2011 год: Ввод в эксплуатацию установки производства водорода.

2012 год: Ввод в эксплуатацию установки гидроочистки дизельного топлива (Prime D по лицензии Axens).

2012 год: Ввод в эксплуатацию 4-ой установки регенерации моноэтаноламина.

Сегодня "Мозырский НПЗ" производит широкий ассортимент нефтепродуктов. Среди них:

Топлива:

· Дизельное топливо

· Топливо печное бытовое

· Топочный мазут

· Бензины автомобильные

Битумы нефтяные:

· Кровельные нефтяные битумы

· Строительные нефтяные битумы

· Битумы дорожные по СТБ EN 12591-2010, EN 12591:2009

Сжиженные газы:

· Газы углеводородные сжиженные топливные

Другие продукты:

· Вакуумные газойли

· Сера техническая

· Керосин экологически улучшенный

· Бензин прямогонный

· Газойль каталитический

· Бензол нефтяной

План расположения оборудования должен показывать размещение средств технического обеспечения АСУТП на площадке.

План расположения средств технического обеспечения, выполняемый при разработке технического проекта, должен определять расположение пунктов управления и средств технического обеспечения, требующих специальных помещений или отдельных площадей для размещения.

Документ допускается включать в раздел "Структура комплекса технических средств" документа "Описание комплекса технических средств".

План расположения оборудования и проводок должен показывать планы и разрезы помещений, на которых должно быть указано размещение средств технического обеспечения Системы. Документ допускается включать в раздел "Структура комплекса технических средств" документа "Описание комплекса технических средств".

1.4 Литературный и патентный обзор

Литературный обзор:

1. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности./под ред Голубятников В.А., Шувалов В.В.:- М.:Химия,1991;

2. Системы автоматического регулирования химико технологических процессов.под ред.Н.И.Гельперина.-М.

3. Производство мономеров и сырья для нефтехимического синтеза Черный И.Р. М.: Химия, 1973.

Патентный обзор

Патент на изобретение №: 2209811

Автор: Гольдштейн Ю.М., Андреев В.С., Морошкин Ю.Г., Зязин В.А., ХодыревА.А.,ФоминВ.Ф.,ПилипенкоИ.Б.

Патентообладатель: ОАО НИИ "Ярсинтез"

Дата подачи заявки:08.01.2002

Дата начала действия:08.01.2002

Дата публикации патента:10.08.2003

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, в частности касается процессов повышения химической стабильности вторичных бензинов термодеструктивных процессов. Способ осуществляется путем контактирования бензина с ионитным кислотным катализатором с последующим выделением из катализата целевого продукта. Контактированию подвергают бензиновые фракции, содержащие растворенные газообразные углеводороды C₁ - C₆ в количестве 5 - 25 мас.% на 100% жидких углеводородов, и процесс осуществляют при 40 - 90^oС, 0,2 - 1,2 МПа и объемной скорости подачи сырья 0,8 - 6,0 ^-1. 1 табл.

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, в частности касается процессов повышения химической стабильности вторичных бензинов термодеструктивных процессов.

Низкая химическая стабильность топлив связана со склонностью непредельных углеводородов, получаемых в процессах термической и термокаталитической переработки различных нефтяных фракций, к реакциям окисления с образованием высокомолекулярных смолистых веществ. Наиболее активными углеводородами, приводящими к значительному снижению химической стабильности, которая характеризуется индукционным периодом и содержанием фактических смол в бензинах, являются циклические и алифатические диены, легкие олефиновые углеводороды, причем образующиеся на их основе пероксиды вовлекают в реакции окисления и менее активные углеводороды (моноолефиновые, парафиновые). Кроме того, пероксиды снижают октановое число бензинов (до 5 пунктов). [А.М. Данилов. Присадки и добавки. Улучшение экологических характеристик нефтяных топлив. - М.: Химия, 1996 г., с. 52]. Низкий индукционный период (100-300 мин) и высокое содержание фактических смол (до 40 мг/100 см³) не позволяют вовлекать термические бензины в товарные бензины без предварительного облагораживания, так как резко ухудшаются эксплуатационные свойства последних.

Известно повышение химической стабильности бензинов вторичного происхождения с помощью введения специальных антиокислительных присадок (фенолы, ароматические амины, нитросоединения, хиноны, диенофилы и др., антиоксиданты смешанного типа), которые вводят в количестве 0,01 - 0,10%. Присадки увеличивают стабильность бензинов в основном по индукционному периоду, однако с их помощью не удается достичь его нормируемого значения (не менее 900 мин). Кроме того, содержание смолистых веществ остается достаточно высоким. Например, наиболее доступный и широко применяемый ионол (агидол-1) увеличивает индукционный период бензина термокрекинга со 130 до 380 мин и снижает содержание смолистых образований лишь со 120 до 105 мг/100 см³, а присадка, связывающая диены - малеиновый ангидрид уменьшает смолы до 62 мг/100 см³, но при этом индукционный период не изменяется (130 мин исходный бензин и 135 мин с присадкой) [Там же, с. 122].

Одним из самых распространенных способов облагораживания вторичных бензинов является их гидроочистка [В.П. Суханов. Каталитические процессы в нефтепереработке. - М.: Химия, 1979 г., с. 120]. Однако вследствие большого содержания непредельных углеводородов (до 60%) и жестких условий гидроочистки (температура 350-400^oC, давление 3-15 МПа, циркуляция водородсодержащего газа 500:1) катализаторы гидроочистки быстро снижают свою активность за счет интенсивного смолообразования. В связи с этим рекомендуется подвергать гидроочистке смесь прямогонного (85%) и вторичного (15%) бензинов. Недостатком является также значительное (на 5-10 пунктов) снижение октанового числа [Там же, с. 236].

Различные технические приемы, например, смешение перед гидрированием крекинг-бензина с дизельным топливом или вакуумным газойлем [Авт. свид. СССР N 336994, 1980 г. ], или смешение тяжелых фракций только с тяжелой частью бензина с последующим гидрированием смеси, дополнительной стадией контактирования выделенного бензина-гидрогенизата в смеси с исходной легкой частью бензина на специальном алюмосиликатном катализаторе [Авт. свид. СССР N 1395653, 1988 г.] значительно усложняют процесс облагораживания термических бензинов путем гидроочистки. Кроме того, практически все стадии проводятся в жестком высокотемпературном режиме (до 550^oC), что требует дополнительных операций и оборудования для подогрева и теплообмена.

Известно использование катализаторов кислотного типа для улучшения качества вторичных бензинов. В способе [Пат. США N 4753720, 1988 г.] бензин каталитического крекинга контактируют с кислотным кристаллическим цеолитом при температуре 400-480^oC, давлении от атмосферного до 4,5 кг/см² и скорости подачи сырья не менее 10 ч^-1, в результате чего октановое число увеличивается на 1,0 - 3,6 пунктов. Однако не указывается химическая стабильность целевого продукта, которая при наличии активных диолефиновых и олефиновых углеводородов, дополнительно образующихся при высоких температурах на кислотных катализаторах, по-видимому, остается низкой. Кроме того, используются дорогостоящие катализаторы, имеющие короткий срок службы в жестких рабочих условиях.

Широко известно применение сульфокатионитов в различных процессах органического и нефтехимического синтеза. [Н.Г. Полянский. Катализ ионитами. - М. : Химия, 1973 г., 216 с. Сульфокатиониты - катализаторы современных нефтехимических процессов. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1990 г., 76 с.]. Однако использование твердых ионитных кислотных катализаторов для стабилизации вторичных бензинов весьма ограничено. Так, по известному способу [Пат. США N 3482952, 1969 г.] для получения бензина, имеющего сниженные испаряемость и химическую активность в атмосфере кислорода крекинг-бензин фракционируют на несколько потоков и первый наиболее легкий (-9,4^o до 76,7^oC) подвергают этерификации низшими спиртами в присутствии кислотного катализатора, содержащего функциональную - SO₃H⁺ группу, преимущественно сульфированную катионообменную смолу на основе полистирола и дивинилбензола. Эфирсодержащий поток смешивают с общим потоком бензина (-9,4 до 218^oC), или разделяют перегонкой на несколько потоков для проведения стадии алкилирования одного из них в присутствии любого известного катализатора алкилирования. Далее алкилированная фракция смешивается с основным потоком бензина. Известный способ многостадиен, включает трудоемкие операции, дополнительные реагенты и катализаторы, связан с дополнительными энергетическими затратами.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение химической стабильности вторичных бензинов, вовлекаемых в качестве компонента в товарные автобензины.

Поставленная задача решается тем, что, в способе стабилизации бензина термодеструктивных процессов путем контактирования с ионитным кислотным катализатором с последующим выделением из катализата целевого продукта, контактированию подвергают бензиновые фракции, содержащие растворенные газообразные углеводороды C₁-C₆ в количестве 5-25 мас.% на 100% жидких углеводородов, и процесс осуществляют при 40 - 90^oC, 0,2-1,2 МПа и объемной скорости подачи сырья 0,8 - 60 ч^-1.

Преимуществом предлагаемого способа является использование контактирования с катализатором промежуточного нестабильного бензина, получаемого в процессах термической и термокаталитической деструкции, который содержит физически растворенные газообразные углеводороды C₁-C₆ в количестве до 25 - 30 мас. %. Эти углеводороды содержат активные непредельные соединения, которые в присутствии ионитного кислотного катализатора, содержащего функциональную группу [-SO₃H⁺], подвергаются реакциям полимеризации, алкилирования, изомеризации между собой и с жидкими углеводородами. В результате содержание соединений, приводящих к образованию в бензине смолообразнных продуктов окисления, уменьшается, причем в первую очередь убираются самые реакционноспособные диеновые и третичные олефиновые углеводороды.

Мягкие условия проведения процесса стабилизации вторичных бензинов в предлагаемом способе, а именно пониженные температуры 40 - 90^oC, преимущественно 45 - 55^oC, сохраняют катализатор от десульфирования и усиленного блокирования реакционных центров катионита высокомолекулярными полимерами.

Широкий интервал используемых объемных скоростей 0,8-60 ч^-1, преимущественно 1,5-40 ч^-1, в зависимости от содержания растворенных газообразных углеводородов C₁-C₆ (от 5 до 25 мас.%) позволяет регулировать процесс стабилизации, не допуская сильного полимерообразования. Давление 0,2 - 1,2 МПа способствует поддержанию системы в жидком виде и сохранению растворенных газообразных углеводородов в сырье процесса. При малом содержании газов в бензине применяют низкие давления, при увеличенном газосодержании и парциальном давлении смеси давление в реакционной системе увеличивают.

Предлагаемый способ стабилизации не снижает октановое число целевого продукта, в связи с чем не требуется дополнительных стадий для его увеличения.

1.5 Требования, предъявляемые к системе управления и параметрам, подлежащим контролю, регулированию

Особенность работы установки заключается в поддержании определенного уровневого, температурного и расходного режимов.

Система автоматического контроля и управления АСУ ТП должна обеспечи-вать надежность управления работой всех аппаратов во всех режимах - предпусковом, пусковом, нормальном технологическом режиме, режиме остановки (плановом и аварийном).

Система контроля и управления АСУ ТП будет выполнена на базе микропро-цессорного программно-технического комплекса.

Система АСУ ТП представляет единый ПТК, с единой базой данных, как для «верхнего уровня», так и для контроллера.

Параметры, подлежащие контролю и регулированию сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Параметры, подлежащие контролю и регулированию

2. Математическая модель объекта управления

Участок состоит из теплообменника (процесс нагревания), колонны стабилизации (процесс ректификации), водяных холодильников №1, №2 (процесс охлаждения), фильтра (процесс фильтрования), сборник орошения (процесс хранения острого орошения).

Бензиновая фракция насосом (двигатель М1) подается в теплообменник, где нагревается до Т_нбф=150°С и самотеком поступает на 30-ю тарелку колонны стабилизации. Кроме того, вниз колонны подается горячая флегма (F_гф^*), а так же возвращается часть острого орошения (F_ор=50 м³/ч). Жидкая фаза стекает по тарелкам вниз, при этом из нее под действием поднимающихся с низа колонны паров продолжают испаряться легкокипящие компоненты. На каждой тарелке происходит контакт газов со стекающей с вышележащих тарелок жидкой фазой. В результате наиболее тяжелые, имеющие более высокую температуру кипения компоненты конденсируются и, смешиваясь со стекающим с тарелки потоком жидкости, опускаются вниз. Конденсируясь, компоненты газового потока отдают потоку флегмы тепло, за счет которого из нее испаряются наиболее легкие, кипящие при более низкой температуре компоненты. Давление в колонне стабилизации Р_кс=0,9 МПа можно поддерживать расходом паров нестабильной головки (F_пнг^*). Температуру верхней части колонны Т_кс= 100°С можно поддерживать расходом острого орошения F_ор=50 м³/ч. Температура низа колонны стабилизации Т_нкс=200°С может поддерживается циркуляцией горячей флегмы (F_гф^*). Уровень бензина в колонне стабилизации L_нк1=55% можно поддерживать расходом подогретой бензиновой фракции на выходе из теплообменника (F_нбф^*).

С верха колонны пары нестабильной головки подаются в водяной холодильник №2, куда подается вода, охлаждаются до Т_ор=50°С и в виде острого орошения поступают в сборник орошения.

Часть нестабильной головки пройдя сборник орошения возвращается в колонну стабилизации в виде острого орошения , а избыток поступает в парк. Уровень острого орошения L_ор =45% может поддерживаться расходом избыточного острого орошения (F_иор^*). Давление в сборнике острого орошения Р_ор=1,1 МПа может поддерживаться расходом установленного на сбросе газа (F_г^* ).

Из нижней части колонны стабилизации насосом (двигатель М4) бензин через фильтр направляется в теплообменник, отдает тепло бензиновой фракции и охлажденный стабильный бензин поступает в водяной холодильник №1, куда подается вода, охлаждается до Т_сб=40°С и стабильный бензин выводится из системы в парк F_cб=230 м³/ч.

Схема анализа процесса стабилизации бензина как ОУ: а) схема материальных потоков и их информационных переменных; б) структурная схема САУ

2.2 Анализ и выбор методов управления данным объектом

При разработке АСР выбирают один или несколько показателей эффективности процесса, устанавливают необходимые ограничения, находят статические и динамические характеристики объекта регулирования. Анализ статических характеристик позволяет оценить степень влияния одних величин на другие и выявить те регулируемые величины, которые оказывают максимальное воздействие на процесс. Если в объекте имеется несколько независимых величин, их регулируют раздельно, вводя соответствующие контуры регулирования. В объектах с зависимыми регулируемыми величинами используются контуры регулирования, в которых учитывается степень воздействия управляющих сигналов на регулируемые величины.

В нашем случае система автоматического управления процесса состоит из следующих контуров регулирования:

САР температуры вверху колонны стабилизации .

Для регулирования температуры установлен датчик (1-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер (6-3), который связан с регулирующим органом расхода острого орошения на выходе из сборника орошения (1-4).

САК температуры на 35-й тарелке в колонне стабилизации.

Для измерения температурына 35-й тарелке в колонне стабилизации установлен термопреобразователь сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА ТХАУ Метран-271 (диапазон измерений 0 - 300 °С) (3-1). Далее сигнал поступает на вход модуля аналогового ввода контроллера.

САК температуры на 30-й тарелке в колонне стабилизации.

Для измерения температурына 30-й тарелке в колонне стабилизации установлен термопреобразователь сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА ТХАУ Метран-271 (диапазон измерений 0 - 300 °С) (4-1). Далее сигнал поступает на вход модуля аналогового ввода контроллера.

САК температуры на 25-й тарелке в колонне стабилизации.

Для измерения температурына 2-й тарелке в колонне стабилизации установлен термопреобразователь сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА ТХАУ Метран-271 (диапазон измерений 0 - 300 °С) (5-1). Далее сигнал поступает на вход модуля аналогового ввода контроллера.

САР температуры внизу колонны стабилизации.

Для регулирования температуры внизу колонны стабилизации установлен датчик (8-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер(8-3), который связан с регулирующим органом расхода горячей флегмы на входе в колонну стабилизации.

САР уровня внизу колонны стабилизации.

Для измерения уровня внизу колонны стабилизации установлен датчик (10-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера.

САР уровня внизу колонны стабилизации.

Для регулирования уровня внизу колонны стабилизации установлен датчик (9-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер (9-3), который связан с регулирующим органом расхода нагретой бензиновой фрации на входе в колонну стабилизации (9-4).

САР давления в сборнике орошения.

Для регулирования давления в сборнике орошенияустановлен датчик (13-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер (13-3) который связан с регулирующим органом расхода газа (13-4) на линию жирного газа.

САР уровня в сборнике орошения .

Для регулирования уровня в сборнике орошения установлен датчик (15-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер (15-3), который связан с регулирующим органом расхода избытка острого орошения в парк(15-4).

САР температуры на выходе из водяного холодильника №2.

Для регулирования температуры на выходе из водяного холодильника №2 установлен датчик (12-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер(12-3), который связан с регулирующим органом расхода воды на входе в водяной холодильник №2 (12-4).

САР давления вверху колонны стабилизации.

Для регулирования давления вверху колонны стабилизации установлен датчик (7-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер (7-33) который связан с регулирующим органом расхода паров нестабильной оловки (7-4) в водяной холодильник №2.

САР температуры на выходе из водяного холодильника №1.

Для регулирования температуры на выходе из водяного холодильника №1 установлен датчик (18-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер(18-3), который связан с регулирующим органом расхода воды на входе в водяной холодильник №1 (18-4).

САР расхода стабильного бензина на выходе из водяного холодильника №1 в парк.

Для регулирования расхода стабильного бензина установлен датчик (19-1), сигнал с которого поступает на модуль аналогового ввода контроллера. C контроллера (модуля дискретного вывода) сигнал поступает на электропневматический позиционер (18-3), который связан срегулирующим органом расхода стабильного бензина в парк (18-4).

САК температуры на выходе после теплообменника.

Для измерения температурына на выходе из теплообменника установлен термопреобразователь сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА ТХАУ Метран-271 (диапазон измерений 0 - 300 °С) (25-1). Далее сигнал поступает на вход модуля аналогового ввода контроллера.

2.3 Анализ технологического процесса как объекта управления

В подавляющем большинстве случаев требования к системам автоматического регулирования (CAP) процесса ректификации ограничиваются стабилизацией параметров, влияющих на процесс разделения. Такие CAP целесообразны при небольших возмущениях и колебаниях качества продукта. При значительных изменениях количества и состава исходной смеси неизбежны продолжительные отклонения от заданного состава исходных продуктов, Чем больше количество стабилизированных независимых переменных, тем проще осуществить устойчивое регулирование работы 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 температуру исходной смеси, обычно поступающей с печи.

Ректификационные установки служат для разделения жидких однородных смесей на составляющие вещества (или группы веществ) в результате противоточного взаимодействия смеси паров и жидкой смеси

Постановка задачи управления. Поскольку затраты на ректификацию являются одной из самых существенных составляющих в себестоимости продукции, задача автоматизации ректификационных установок часто ставится как задача оптимального управления, которой подчиняются задачи автоматического регулирования отдельных параметров. В зависимости от назначения ректификационной колонны используют различные критерии оптимальности

Питание должно поступать в ректификационную колонну с постоянной скоростью. Регулирование расхода питания можно рассматривать как стабилизацию параметров независимо от процесса в ректификационной колонне. На практике это можно сделать, если имеется питающая емкость с достаточным запасом исходной смеси.

Особенностью процессов протекающих в колонне является их большая сложность. Эта сложность проявляется в значительном числе и многообразии параметров, определяющих течение процессов, в большом числе внутренних связей между параметрами, их взаимном влиянии друг на друга, причем изменение одного параметра вызывает нелинейные изменения других параметров.

Для получения математической модели процесса ректификации используются уравнения материального баланса, составленные для всей смеси в целом и для отдельных компонентов. Вид уравнений существенно зависит от типа аппарата и режима его работы.

2.4 Анализ и выбор метода управления данным объектом

Различают одномерные и многомерные объекты. Одномерные объекты имеют одну выходную величину и описываются одним уравнением статика и одним уравнением динамики. Многомерные объекты содержат несколько выходных величины. Наиболее простыми из многомерных объектов являются двумерные объекты. Их выходные величины могут влиять или не влиять одна на другую.

Для применения общих принципов теории управления к управлению технологическим процессом необходимо его представить как объект управления.

Рассмотрим управление низа ректификационной колонны

Выбранный метод управления данным объектом обеспечивает регулирование температуры низа колонны путем изменения расхода пара, что приведет к уменьшению себестоимости продукции.

Выведем дифференциальные уравнения процесса ректификации, используя тепловой баланс. Примем следующие допущения:

сырье бинарная смесь;

колонна имеет идеальные теоретические тарелки, следовательно, пары, покидающие любую тарелку, находятся в состоянии равновесия с жидкостью; коэффициент полезного действия тарелок равен 100%;

жидкость на тарелках перемешивается мгновенно, это позволяет рассматривать тарелки как звенья системы с сосредоточенными параметрами;

все тарелки имеют одинаковую (неизменную во времени) задержку жидкости;

задержкой паров между тарелками пренебрегаем как величиной высшего порядка малости;

гидравлическое запаздывание потоков жидкости и паров не рассматривается.

2.5 Структурная схема проектируемой автоматической системы управления

Для математического описания переходного процесса ректификационную колонну разделим на элементарные звенья с одной степенью свободы. Каждое звено эквивалентно теоретической тарелке колонны. Жидкость концентрируется на теоретических тарелках и в низу колонны.

Математическое выражение теплового баланса в течение переходного периода для всех теоретических тарелок и низа колонны дает систему дифференциальных уравнений первого порядка .

Для выявления факторов, влияющих на качество процесса разделения, запишем уравнения материального и теплового баланса установки. Материальный баланс по потокам разделяемой смеси и продуктов описывается уравнением:

Уравнения материального баланса для куба колонны:

где V--паровой поток в нижней части колонны

SK -- площадь горизонтального сечения куба колонны; Сж -- поток жидкости в нижней части колонны

Для флегмовой емкости:

где Vi -- паровой поток в верхней части колонны;

Sфл -- площадь горизонтального сечения флегмовой емкости.

Проанализируем переменные, входящие в систему уравнений, и выделим основные возмущения, возможные регулирующие воздействия и выходные координаты.

Поскольку исходная смесь поступает в ректификационную установку из предыдущих аппаратов технологической линии, колебания расхода, состава и температуры питания являются основными возмущениями в процессе ректификации. К возможным источникам возмущений следует отнести также энтальпию греющего пара, теплоносителя и хладоагента, а также потери тепла в окружающую среду. Из перечисленных возмущений стабилизируют обычно только температуру питания; расход питания контролируют; состав питания контролируют в редких случаях, когда имеются автоматические анализаторы состава; остальные возмущения, как правило, не контролируют.

К регулирующим воздействиям можно отнести расходы горячей флегмы, теплоносителя и хладоагента, отборы дистиллята и кубового продукта, расходы флегмы и инертных газов.

Концентрация продуктов, уровень в колонне и флегмовой емкости, давление в колонне являются выходными координатами процесса.

При стационарном режиме в ректификационной колонне устанавливается определенный профиль концентраций по высоте колонны (рис.1), причем каждому значению Gn соответствует свой профиль концентраций.

рис.1

Наибольшей чувствительностью по отношению к возмущениям и к регулирующим воздействиям обладают промежуточные тарелки в верхней и нижней части колонны, называемые контрольными тарелками. Коэффициенты усиления для них принимают максимальное значение по сравнению с коэффициентами усиления других тарелок в данной секции колонны. Поэтому составы на контрольных тарелках часто используют в качестве регулируемых координат вместо составов продуктов. Однако необходимо иметь в виду, что составы, являются связанными координатами, причем стабилизация составов на контрольных тарелках при наличии возмущений приведет к отклонению составов продуктов от заданных значений.

Динамические характеристики ректификационных колонн. При изучении динамики изменения концентрации на каждой ступени разделения в колонне можно выделить три составляющие процесса: изменение объема жидкости при изменении ее расхода; изменение концентрации, вызванное изменением скорости парового потока; изменение концентрации в объеме жидкости на тарелке. Точный учет всех названных факторов не представляется возможным ввиду сложности математического описания процесса. Поэтому обычно влиянием первых двух факторов на изменение концентрации пренебрегают и ограничиваются третьей составляющей процесса.

Изменение состава жидкой фазы на изолированной тарелке, на которой обеспечивается идеальное перемешивание, связано с изменением состава или скорости потоков дифференциальным уравнением первого порядка. При последовательном соединении нескольких тарелок их постоянные времени взаимосвязаны, и прямые методы точного анализа оказываются весьма трудоемкими. Значения постоянных времени зависят от наклона кривой фазового равновесия, времени пребывания на тарелке, скоростей потоков в колонне и расхода питания. Для того чтобы оценить

Рис. 2. Влияние возмущений по расходу питания на профиль концентраций в ректификационной колонне

Рис. 3. Линейная аппроксимация кривой фазового равновесия

Для колонн с несколькими ступенями разделения сохраняется такая же качественная зависимость между наклоном кривой фазового равновесия и постоянными времени, как и для одно-тарельчатой колонны, хотя сама зависимость гораздо сложнее.

Рассмотрим ректификационную колонну. Предположим, что зависимость между концентрациями легколетучего компонента в жидкой и паровой фазах описывается уравнением . Тогда уравнения материального баланса (в которых Сж обозначено через L) для тарелок запишутся в виде

а с учетом того, что

После перехода к отклонениям

получим систему уравнений:

Преобразование уравнений по Лапласу приводит к уравнениям в изображениях вида:

Или

Где

Решение системы уравнений относительно У1 и У2 приводит к следующим выражениям:

в которых полиномы преобразуются к произведению простейших сомножителей с приведенными постоянными времени Та, Ть, Тс. При этом передаточные функции получаются в виде:

причем наибольшая постоянная времени в знаменателе передаточных функций (обозначим ее через Та) приблизительно равна среднему времени пребывания Тср (при b = l).

Увеличение наклона линии фазового равновесия, как и для однотарельчатой колонны, приводит к уменьшению постоянных времени и коэффициентов усиления колонны. Если b близко к единице, то наибольшая постоянная времени примерно равна общему объему жидкости в колонне, деленному на расход питания.

2.6 Анализ существующих нелинейностей в контурах регулирования

Технологические объекты и другие звенья системы автоматического регулирования могут содержать нелинейные элементы. И в линейных регуляторах имеются области с нелинейной характеристикой, например за пределами зоны пропорциональности, которые не принимались во внимание. Если же эти области учитываются, их следует связать с другими основными нелинейностями контура регулирования.

Нелинейные характеристики систем регулирования определяются самими объектами, датчиками и регулирующими клапанами. Для каждой системы нелинейные характеристики элементов компенсируются таким образом, чтобы коэффициент передачи контура регулирования был постоянным. Это обеспечивает работоспособность схемы регулирования при различных условиях протекания процесса. Компенсация нелинейности осуществляется, как правило, регулятором, выполняющим функции линеаризующего устройства.

Наиболее распространенным примером датчика с нелинейной характеристикой может служить дифманометр, используемый при измерении расхода жидкости по перепаду давления потока. Выходная величина дифманометра изменяется в зависимости от квадрата расхода жидкости, проходящей через сужающее устройство.

При нелинейной характеристике датчика контур регулирования будет по-разному работать при различных расходах жидкости. Если диапазон пропорциональности регулятора настроить на требуемое демпфирование колебаний контура при 50%-ном расходе жидкости, то при 100%-ном расходе колебания в контуре регулирования будут затухать медленно, а при расходе, близком к нулю, система будет плохо реагировать на возмущения. Это может быть легко устранено введением в конструкцию датчика устройства для извлечения квадратного корня, которое линеаризует зависимость выходного сигнала датчика от расхода жидкости.

Нелинейная зависимость между перепадом давления на диафрагме и расходом приводит к тому, что при изменении расхода степень устойчивости системы регулирования изменяется. Увеличение коэффициента усиления обьекта с увеличением расхода теоретически может быть скомпенсировано, если эффективное значение коэффициента усиления клапана будет изменяться обратно пропорционально расходу. Практически клапана с такой характеристикой не существует. Если требуется обеспечить качественное регулирование расхода при условии, что его значение может изменяться более чем вдвое, то для получения сигнала, пропорционального расходу, необходимо использовать преобразователь, осуществляющий операцию извлечения корня. Безусловно, указанная нелинейность отсутствует, если в качестве датчика используется магнитный расходомер.

Другой тип нелинейности встречается при использовании позиционера. Небольшое изменение сигнала на входе в позиционер приводит к тому, что на клапан подается максимальный управляющий сигнал. При дальнейшем увеличении сигнала на входе в позиционер его выходной сигнал не изменяется. Таким образом, частотные характеристики зависят от величины сигнала, и настройки регулятора, удовлетворительные при больших возмущениях, не обеспечивают нужного качества регулирования при малых возмущениях.

Иногда для лучшего регулирования отдельных объектов применяют клапаны с нелинейной характеристикой. На практике часто используют клапан, называемый «равнопроцентным». «Равнопроцентные» клапаны в отечественной литературе называют клапанами с логарифмической характеристикой. У клапанов с логарифмической характеристикой относительное перемещение штока вызывает пропорциональное изменение расхода жидкости при любом положении штока.

Клапаны с логарифмической характеристикой обладают характерной особенностью: изменение размера клапана не влияет на коэффициент передачи данного контура регулирования. Относительный расход жидкости, умноженный на максимальный расход ее через клапан, равен действительному расходу жидкости через клапан. Следовательно, коэффициент передачи клапана является функцией действительного расхода жидкости и не зависит от размеров клапана. Это одна из причин, обусловивших широкое использование клапанов с логарифмической характеристикой. Клапаны с логарифмической характеристикой очень широко используются для компенсации нелинейностей, связанных с потерями давления в трубопроводах, а также для компенсации изменения динамического коэффициента передачи объекта.

Из других наиболее распространенных типов клапанов можно указать на быстродействующие тарельчатые клапаны и дроссельные заслонки. Как правило, эти устройства имеют нелинейные характеристики, которые заранее не рассчитываются.

Обычно регулирование расхода осуществляется изменением давления воздуха, подаваемого на клапан с нелинейной характеристикой. Если при этом измерение текущего значения параметра выполняется методом переменного перепада давления (при котором выходной сигнал датчика нелинейно зависит от расхода), то обе нелинейности компенсируют друг друга.

Контур регулирования считают линейным, если его динамический коэффициент передачи постоянен, независимо от того, применяются ли в контуре только линейные элементы или он содержит также и нелинейные элементы, специально вводимые для компенсации других нелинейностей процесса.