Типовое решение автоматизации для процесса абсорбции

Разработка схем автоматизации процессов абсорбции 1000р

В качестве объекта управления процессом абсорбции примем абсорбционную установку, состоящую из абсорбционной колонны и двух холодильников - на линиях абсорбента и газовой смеси (рис. 4.40). Показателем эффективности процесса является концентрация V извлекаемого компонента в обедненной смеси, а целью управления - достижение определенного (минимально возможного для данных производственных условий) значения этой концентрации.

Концентрация Ук определяется разностью количеств извле¬каемого компонента, поступающего с газовой смесью и погло¬щаемого из нее абсорбентом.
Количество компонента, поступающего в колонну, рассчиты¬вается по уравнению М = ССУН, т. е. однозначно определяется расходом газовой смеси Сс я начальной концентрацией в ней извлекаемого компонента Ун.
Количество же компонента, который переходит из газовой фазы в жидкую, определяется следующим образом:

M=K F y

K – коэффициент массопередачи; F - поверхность контакта; y – средняя движущая сила процесса.
Если учесть, что для конкретной колонны коэффициент К и поверхность Т7 -величины малоизменяющиеся, то количество М в основном будет зависеть от движущихся сил на входе в аппарат Y и на выходе из аппарата y2, т. е. от положения рабочей и равновесной линий процесса (рис. 4.41). Положение равновесной линии определяется температурой и давлением процесса (рис. 4.42), а положение рабочей линии - начальной и конечной концентрациями компонента в обеих фазах. Если цель управления достигнута, концентрация Ук будет постоянной; в жидкой фазе (Хк) она определяется удельным расходом жидкости Gа/Gс (где Gа -расход абсорбента).
Таким образом, концентрация Ук зависит от расхода газовой смеси, концентраций Хн Ун, отношения расходов Gа/Gс, температуры и давления в аппарате.
Изменения расхода газовой смеси могут быть сильными воз¬мущениями, поэтому расход газа следует стабилизировать. Изменять же его с целью регулирования показателя эффективности нецелесообразно, так как при этом производительность абсорбера может оказаться ниже расчетной, и, следовательно, экономичность процесса снизится.
Концентрации Хн и Ун определяются режимами других тех¬нологических процессов; с их изменением в объект регулиро¬вания будут «носиться возмущающие воздействия.
Отношение расходов Gа/Gс можно поддерживать постоянным путем стабилизации обоих расходов. Это отношение можно использовать также для регулирования процесса, причем изменять его следует путем изменения расхода Gа.

Рис. 4.41. Диаграмма х - у: 

х и у - содержание поглощаемого компонента в жидкости н газе.

Рис. 4.42. Влияние давления (а) и температуры (б) на процесс абсорбции:
х и у - содержание поглощаемого компонента в жидкости и газе.

Температура в абсорбере зависит от многих параметров: температуры, теплоемкости и расхода газовой и жидкой фаз,интенсивности массообмена между фазами (процесс абсорбции экзотермичен), потерь тепла в окружающую среду. Часть этих параметров обычно подвержена значительным колебаниям во времени; это относится, например, к интенсивности массообмена, которая для достижения цели управления должна быть переменной при изменяющихся концентрациях Хн, УН. Такие возмущения приводят к нарушению теплового баланса и, следовательно, к -изменению температуры в абсорбере. Чтобы этого не .происходило, температуру следовало бы регулировать, однако в рассматриваемом абсорбере нет внутреннего охлаждения, поэтому ограничиваются стабилизацией температур абсорбента и газовой смеси на входе в абсорбер путем изменения расходов хладоносителей.
Давление в абсорбере целесообразно стабилизировать путем изменения расхода обедненной смеси.
Итак, стабилизировать все параметры, влияющие на показатель эффективности, практически невозможно. (Поэтому в качестве регулируемой величины следует взять концентрацию Ук, а регулирующие воздействия реализовать изменением отношения расходов Gа/Gс. Для улучшения качества регулирования показателя эффективности надо предусмотреть узлы регулирования расхода Gс, температур tс и t давления в колонне.
В нижней части абсорбера должно находиться некоторое количество жидкости, обеспечивающее гидравлический затвор, что исключает поступление газовой смеси из абсорбера в линию насыщенного абсорбента и позволяет регулировать давление в абсорбере. Постоянное количество этой жидкости поддерживается регулированием уровня в абсорбере путем изменения расхода насыщенного абсорбента.
В качестве параметров, которые необходимо контролировать, следует выбрать расход и температуру исходного и насыщенного абсорбентов, исходной и обедненной газовой смеси, хладоносителей, а также концентрацию извлекаемого компонента в обедненной смеси, уровень в нижней части колонны, температуру по высоте колонны, давление и перепад давления в ней. Сигнализации подлежат отклонения давления в колонне от предельных значений.
Схемой автоматизации должно быть предусмотрено устройство защиты, исключающее значительное повышение давления в колонне. Это устройство при определенном значении давления обеспечивает прекращение питания регуляторов воздухом. Выбор регулирующих органов (НО или НЗ), установленных на магистралях, должен производиться так, чтобы регулирующий орган на .магистрали обедненной смеси открылся, а на всех остальных - закрылся.
Регулирование концентрации извлекаемого компонента в насыщенном абсорбенте. Такая цель управления часто ставится при (проведении процесса абсорбции в производстве кислот. В этом случае из газовой смеси необходимо поглощать такое количество компонента, которое бы обеспечило постоянство концентрации Хк.
В качестве основного регулируемого параметра здесь следует брать эту концентрацию (часто используется также плотность продукта), а регулирующее воздействие должно осуществляться применением расхода абсорбента. При этом датчик состава с целью уменьшения запаздывания может быть установлен не на линии насыщенного абсорбента, а в кубе колонны.

Регулирование состава при переменном расходе газовой смеси.

Если расход газовой смеси определяется технологическим режимом предшествующего процесса, то стабилизировать его нельзя, а изменения его являются для абсорбера сильными возмущениями. Для качественного регулирования процесса эти возмущения следует компенсировать до распространения их в объекте. Эту задачу решает регулятор соотношения расходов газовой смеси и абсорбента с коррекцией по концентрации Ук.

Регулирование процесса при постоянной концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси.

Если на установку поступает смесь постоянного состава, то исключается одно из сильных возмущающих воздействий. Тогда достаточно вместо регулирования концентрации Ук ограничиться стабилизацией расходов газовой смеси « абсорбента.
Если при этом расход газовой смеси изменяется во времени, устанавливают регулятор соотношения расходов газовой смеси и абсорбента без коррекции по концентрации.

Регулирование процесса изотермической абсорбции.

Некоторые процессы абсорбции протекают с большим выделением тепла, что ухудшает массопередачу. В связи с этим возникает необходимость в отборе части тепла из абсорбера, для чего устанавливают охлаждающие змеевики непосредственно в колонне. Расход хладоносителя, подаваемого в змеевик, должен оп¬ределяться тепловым режимом всего абсорбера. Если змеевики установлены по всей высоте абсорбера, то параметром, характеризующим тепловой режим абсорбера, является температура хладоносителя на выходе из абсорбера. Если же змеевики установлены только в нижней части абсорбера, регулируемой величиной является температура насыщенного абсорбента.

Регулирование перепада давления в колонне.

Некоторые конструкции абсорбционных колонн очень чувствительны к нарушению гидродинамического режима: даже незначительные из¬менения скорости газа в колонне ведут к неустойчивым режимам ее работы. В этих случаях следует стабилизировать не давление, а перепад давления Рт в колонне изменением расхода обедненной газовой смеси.

Рис. 4.43. Схема регулирования состава абсорбента, поступающего в колонну.

Регулирование процесса при рецикле абсорбента

В некоторых случаях абсорбент, выходящий из куба колонны, лишь частично отбирается с установки, большая же часть его возвращается в. колонну в качестве рецикла. Уровень в колонне при такой технологии регулируют изменением расхода (насыщенного абсорбента, выводимого с установки, а концентрацию Ук изменением расхода свежего абсорбента.
Регулирование состава абсорбента, поступающего в абсорбционную колонну (рис. 4.43). Абсорбент, возвращаемый с участка десорбции, может содержать 'Некоторое количество 'Компонентов газовой смеси, что значительно ухудшает процесс абсорбции. В этом случае необходимо постоянно выводить часть отработанного абсорбента из системы и вводить такое же количество свежего. Это осуществляется в специальной емкости» устанавливаемой между абсорбером и десорбером. При этом состав абсорбента на входе в абсорбер стабилизируется путем изменения расхода свежего абсорбента. Баланс между расходами свежего и отработанного абсорбента, выводимого из системы, поддерживается с помощью регулятора уровня, воздействующего на расход сливаемого абсорбента.
Регулирование по возмущению (использование многоконтурных систем). Если в объект будут поступать возмущения в виде изменения состава и расхода исходной смеси, то расход абсорбента целесообразно изменять в зависимости от этих параметров, т. е. использовать регулирование по возмущению. На схеме показана двухконтурная система, осуществляющая такое регулирование (рис. 4.44).

Благодаря использованию многоконтурных систем можно значительно улучшить качество регулирования процесса и при наличии других возмущений. В качестве вспомогательных па¬раметров выбирают расход абсорбента - при регулировании концентрации извлекаемого компонента в обедненной смеси; расход хладоносителя - при регулировании температур газовой смеси и абсорбента, выводимых из холодильников; расход на¬сыщенного абсорбента - при регулировании уровня.

Регулирование нескольких последовательно установленных абсорбционных колонн. Система автоматического регулирования последовательно установленных абсорберов принципиально не отличается от систем регулирования одного абсорбера. Ко«центрацию Ук регулируют изменением подачи абсорбента, по¬ступающего в первый по ходу абсорбента 'аппарат. Стабилизи¬руются уровни в каждом абсорбере, температуры газовой сме¬си и абсорбента 'на входе в установку и давление в последнем по ходу газа абсорбере. В тех случаях, когда между абсорберами установлены 'промежуточные холодильники для охлаждения абсорбента, необходимо предусмотреть регулирование температуры абсорбента перед абсорберами путем изменения расхода хладоносителей.