Выбор технических средств автоматизации для процесса ректификации бинарной смеси бензол-толуол

 

Значительные изменения  в технологические схемы ректификационных аппаратов внесены в связи  с уменьшением энергетических затрат на разделение. Уменьшение энергетических затрат при ректификации достигается путём рационального использования тепла конденсации орошения, за счёт уменьшения неравновесности встречных потоков в сечении ввода питания и уменьшения потерь, обусловленных термодинамической необратимостью. Рассмотрим наиболее интересные решения, осуществлённые в таких энергоёмких процессах, как разделение воздуха и углеводородных газов.

Воздухоразделительный аппарат состоит обычно из двух колонн, соединённых между собой теплообменником (рис.4).

 

 

Рис.4

1 – нижняя колонна; 2 –конденсатор; 3 – верхняя колонна; 4 – дроссель; l – сжатый и охлаждённый воздух; ll – азот; lll – кислород.

 

 

При давлении в верхней  колонне, равном 5 атм., и в нижней 1,5 атм. теплообменник одновременно выполняет роль конденсатора и подогревателя  верхней и нижней колонн соответственно, что и позволяет использовать тепло конденсации орошения нижней колонны для создания парового потока верхней колонны. В нижней колонне воздух разделяется на жидкость, обогащённую кислородом, и пары азота с небольшим содержанием кислорода. В верхней колонне происходит дальнейшее извлечение азота из обогащённой кислородом смеси. В результате сверху аппарата отбирается азот, а сбоку – почти чистый кислород.

Большой практический интерес  представляют технологические схемы  ректификационных аппаратов с так называемым тепловым насосом, т. е. с рекомпрессией верхнего или нижнего продуктов. При рекомпрессии верхнего продукта тепло, выделяемое при конденсации, используется для подогрева и испарения остатка (рис.5). Для того чтобы температура конденсации была выше температуры низа колонны, пары верхнего продукта компримируют. При ректификации углеводородных газов обычно верхний и нижние продукты имеют близкие температуры кипения, и поэтому требуются сравнительно небольшие затраты на сжатие газа. После прохождения теплообменника часть продукта, используемая как орошение колонны, проходит через дроссель, который снижает давление до его рабочей величины.

 

Рис.5

1 – колонна; 2 – компрессор; 3 – дроссель; 4 –подогреватель; 5 –  конденсатор-холодильник;                l – сырьё; ll- дистиллят; lll – остаток.

 

Весьма перспективными с точки зрения дальнейшего уменьшения энергозатрат является применение конденсационно-испарительных  аппаратов, в частности противоточных  испарителей-дефлегматоров, в которых тепло конденсации паров укрепляющей секции используется для испарения жидкости в исчерпывающей секции колонны. Для этой цели в укрепляющей секции колонны поддерживается большое давление, чем в исчерпывающей; конструктивно аппарат выполняется в виде теплообменника, реализующего теплообмен между парами и жидкостью верхней и нижней частей колонны. На рис.6-а, б показаны принципиальные схемы конденсационно-испарительных аппаратов для разделения паровых и жидких смесей. Работа колонны по таким схемам, например при разделении паровых смесей, будет протекать следующим образом. Исходная паровая смесь поступает в трубное пространство колонны 1. Проходя трубки, она частично конденсируется, в результате чего в верхней части колонны образуется необходимое орошение и происходит укрепление низкокипящих компонентов в парах. Жидкость, стекающая из трубного пространства, через редуктор 3 подаётся на верх колонны в межтрубное пространство 2, где поддерживается пониженное давление. Стекая по межтрубному пространству, жидкость частично испаряется под действием тепла, выделяющегося при конденсации в трубном пространстве. Образующееся паровое орошение создаёт необходимые условия для исчерпывания низкокипящего компонента из кубовой жидкости. Уходящая из межтрубного пространства паровая смесь компрессором 4 вместе с исходной смесью направляется в трубное пространство колонны. Дистиллят отбирается сверху трубного пространства, а остаток – снизу межтрубного пространства колонны.

 

Рис.6

а – разделение паровых  смесей; б – разделение жидких смесей; 1 – укрепляющая (конденсационная) часть колонны; 2 – исчерпывающая (испарительная) часть колонны;              3 – редуктор; 4 – компрессор;  5 – конденсатор-холодильник; l – исходное сырьё; ll- дистиллят; lll – остаток.

Для уменьшения термодинамической необратимости от смешения потоков в сечении ввода питания предлагается осуществлять разделение многокомпонентных смесей в колоннах со связанными тепловыми потоками или с обратимым смешением потоков (рис.7). Как видно из рисунка, предыдущая и последующая колонны связаны противоположно направленными паровыми и жидкостными потоками, соединяющими верх и низ предыдущей колонны с точками ввода питания последующей.

Применение ректификационных колонн со связанными тепловыми потоками позволяет не только уменьшить термодинамическую необратимость при смешении потоков, но и значительно снизить общие затраты тепла и холода. Независимо от числа получаемых продуктов технологические схемы с обратимым смешением потоков имеют всего лишь один дефлегматор и один кипятильник.

 

Рис.7

1 – колонна; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – ёмкость орошения; 4 –подогреватель; l –сырьё;  ll – первая фракция; lll – вторая фракция; lV – третья фракция (остаток).

 

Недостатком указанных  схем по сравнению с обычными является увеличение числа тарелок, потребного для заданного разделения. Кроме того, схемы с обратимым смешением потоков наиболее легко реализуются только при разделении близкокипящих многокомпонентных смесей, так как лишь в этом случае в последней колонне могут быть приняты температуры верха и низа, удовлетворяющие экономичным условиям конденсации и испарения получаемых продуктов.

 

2. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ  СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

 

Упрощённо представим ректификационную колонну на рис.8, изобразив входные  и выходные материальные потоки:

Рис.8 Блок- схема для разделения бинарной смеси

 

Из приведенной блок-схемы  процесса ректификации следует:

1. разделение исходной смеси на составные компоненты происходит только при поглощении из вне необходимого количества тепла Q;
2. состав исходной бинарной смеси однозначно определяется относительными расходами составляющих ее компонентов на выходе из колонны (так как для соблюдения материального баланса колонны количество каждого компонента на выходе из нее должно быть равно количеству на входе).

Ректификационная колонна  является сложным объектом управления со значительным временем запаздывания (например, в отдельных случаях  выходные параметры процесса начинают изменяться после изменения параметров сырья лишь через один – три  часа), с большим числом параметров, характеризующих процесс, многочисленными взаимосвязями между ними, их распределенностью и т.д.

Трудность регулирования  процесса объясняется так же частотой и амплитудой возмущений. Возмущениями являются изменения начальных параметров исходной смеси, тепло- и хладоносителей, изменение свойств теплопередающих поверхностей, отложения веществ на стенках и т.д.

 

 

 

 

 

Кроме того, ректификационные колонны, устанавливаемые под открытым небом, влияют колебания температуры  под открытым небом атмосферного воздуха.

Показатель эффективности  процесса – концентрация Q_д искомого компонента в дистилляте самым непосредственным образом зависит от начальных параметров исходной смеси. С их изменением в процесс могут поступать наиболее сильные возмущения, в частности по каналу состава исходной смеси, так как состав определяется предыдущим технологическим процессом.

Расход сырья F_z может быть стабилизирован с помощью регулятора расхода. Диафрагма и исполнительное устройство регулятора должны быть установлены до теплообменника, так как после нагревания смеси до температуры кипения в этом теплообменнике поток жидкости может содержать паровую фазу, что ухудшает работу автоматических устройств.

Большое значение для  процесса ректификации имеет температура  исходной смеси. Если смесь начинает поступать в колонну при температуре ниже температуры кипения, она должна нагреваться до этой температуры парами, идущими из нижней части колонны. Концентрация паров при этом возрастает, что нарушает весь режим процесса ректификации. Поэтому температуру исходной смеси стабилизируют изменением расхода теплоносителя, подаваемого в теплообменник, тем самым ликвидируют одно из возмущений.

Рассмотрим возможность  регулирования режимных параметров верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны, непосредственно определяющей состав дистиллята.

Зависимость состава  паров, выходящих из укрепляющей  части колонны от других параметров процесса можно проследить по диаграмме (рис.9). Анализ диаграммы показывает, что концентрация у (показатель эффективности) определяется концентрацией х, температурой кипения t и давлением паров Р над жидкостью. Для получения определенной концентрации, например у₃, в соответствии с правилом фаз следует поддерживать на определенном значении только два из перечисленных параметров, давление Р₁ и концентрацию х₃.

Давление Р легко  стабилизировать изменением расхода  пара из колонны. Исполнительное устройство при этом устанавливают не на шлемовой трубе, соединяющей верхнюю часть  колонны с дефлегматором, а на линии хладоносителя, поступающего в дефлегматор. Это вызвано, в частности тем, что при дросселировании пара в шлемовой трубе дефлегматор начинает работать в режиме переменного давления, что неблагоприятно влияет на процесс.

Стабилизация давления верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны, так как при понижении давления может происходить «захлебывание» колонны (восходящий поток пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам вниз), а при его повышении уменьшается скорость парового потока, что связано с уменьшением производительности установки.

 

Рис. 9 Диаграмма температура (Т) –  концентрация НК в жидкости (х) и  паре (у)

 

Сравнительно просто регулировать концентрацию х изменением расхода флегмы, чем выше этот расход, тем больше в жидкости низкокипящего  компонента, и наоборот.

На практике часто регулируют состав паров (в отдельных случаях и  непосредственно состав дистиллята) изменением расхода флегмы. Регулирующий орган во всех случаях может быть установлен как на линии флегмы, так и на линии дистиллята, что равнозначно. В качестве стабилизаторов состава используют хроматографы и газоанализаторы.

Итак, для достижения цели управления необходимо стабилизировать давление и состав жидкости в верхней части колонны. Качество регулирования этих параметров зависит от состава и скорости паров, движущихся из нижней (исчерпывающей) части колонны и определяемых технологическим режимом – главным образом давлением, температурой и составом жидкости в кубе колонны.

Необходимость стабилизации давления паров в кубе отпадает, так как  ректификационная колонна обладает хорошо выраженными свойствами самовыравнивания по этому параметру, и регулирование давления в укрепляющей части колонны приведет к тому, что давление в кубе, через несколько минут, примет определенное (несколько большее, чем в верхней части колонны) значение.

Этого нельзя сказать о температуре (составе) жидкости в кубе (как и  в верхней части колонны, в кубе, кроме давления, достаточно регулировать лишь один параметр). Изменение расхода флегмы с целью регулирования второго параметра приводит к изменению параметров в кубе колонны лишь через несколько часов. В связи с этим для поддержания нормального режима в кубе возникает необходимость независимого регулирования одного из этих параметров. Обычно стабилизируют температуру, поскольку, с одной стороны, задатчик температуры значительно проще и удобнее, чем стабилизаторы состава, а с другой стороны, если целевым продуктом является дистиллят, то требования к технологическому режиму в нижней части колонны менее жесткие, чем в верхней части. Итак, в кубе колонны следует регулировать температуру.

Регулирующие воздействия в  нижней части колонны могут осуществляться изменением расходов кубового остатка и теплоносителя, подаваемого в кипятильник. Если учесть, что расход остатка следует использовать для поддержания материального баланса, т.е. для стабилизации уровня разности в кубе, то единственным регулирующим воздействием при регулировании температуры является изменение расхода теплоносителя.

Таким образом, если целевым  продуктом является дистиллят, то для  достижении цели управления следует  регулировать расход исходной смеси, температуру  исходной смеси, давление в верхней части колонны, состав жидкости в верхней части колонны, температуру и уровень жидкости в кубе. (Если же целевым продуктом является кубовый остаток, то в нижней части колонны регулируют состав жидкости изменением расхода теплоносителя, а в верхней – температуру изменением расхода флегмы.) Контролю подлежат: расход исходной смеси, дистиллята, флегмы; состав и температура конечных продуктов; температура исходной смеси, тепло- и хладоносителя, по высоте колонны; уровень в кубе колонны; давления в верхней и нижней частях колонны, а также перепады этих давлений.

Сигнализации подлежат значительные отклонения состава целевого продукта, уровня и давления в колонне  от заданных значений. При давлении в колонне выше допустимого, а  также при прекращении поступления исходной смеси должны сработать автоматические устройства защиты, отключающие ректификационную установку. При этом магистрали теплоносителей, остатка и дистиллята перекрываются, а магистрали хладоносителей и флегмы полностью открываются.

Регулирование параметров на контрольных  тарелках: основным регулирующим воздействием, с помощью которых компенсируются возмущения и достигается цель управления, являются изменения расхода флегмы в верхней части колонны и  расхода теплоносителя, подаваемого в кипятильник, - в нижней. От правильности выбора параметров, по значениям которых будут осуществляться изменения этих расходов, во многом зависит достижение цели управления.

Если запаздывания в  колонне невелики (колонна имеет  небольшое число тарелок, температуры кипения разделяемых компонентов значительно различаются и т.п.), в качестве регулирующих величин могут быть взяты непосредственно составы дистиллята и остатка. При больших запаздываниях этот вариант неприемлем, так как регулирующие воздействия начнет реализовываться только после серьезных нарушений режима всей колонны. Восстановление режима произойдет лишь после значительного отрезка времени. Гораздо удобнее в этих случаях использовать в качестве регулируемой величины состав на прямоточной тарелке, который изменяется гораздо быстрее и сильнее (в 20-50) раз, чем состав на выходе колонны.