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

График изменения состава  по высоте ректификационной колонны  при скачкообразном изменении расхода  флегмы показывает (рис.10), что состав конечных продуктов изменяется слабо (кривые 1 и 2 в начальных точках почти совпадают) при значительных изменениях состава (точки А1 и А2, Б1 и Б2) на средних контрольных тарелках укрепляющей и исчерпывающей частей колонны. Здесь и следует установить датчики.

 

Рис.10 Графики изменения состава целевого продукта по высоте колонны до изменения расхода флегмы (1) и после его изменения (2)

 

Регулирование температуры: температура в колонне обладает значительно меньшим запаздыванием, чем состав. Если к частоте целевого продукта не предъявлять очень высоких требований, то расход флегмы (или теплоноситель в кипятильнике) изменяется не по составу, а по температуре в верхней (нижней) части колонны.

Если возмущения поступают  в колонну по многим каналам (с  изменения параметров исходной смеси, теплоносителей, хладоносителей и т.д.), то улучшение качества регулирования состава целевых продуктов добиваются стабилизацией перепада температур на двух соседних контрольных тарелках, так как перепад температур быстрее реагирует на возмущение, чем температура.

Регулирование давления в верхней части колонны: типовой  метод регулирования давления изменением расхода хладоносителя, подаваемого  в дефлегматор, связан с большим  запаздыванием, поэтому нашли применения и другие способы регулирования давления.

 

Если в парах, выходящих  их верхней части колонны, содержаться  не конденсирующиеся в дефлегматоре компоненты, применяют схему регулирования  давления сбросом этих компонентов  из сепаратора. Роль сепаратора может  играть и флегмовая емкость (рис.11). Она обеспечивает запас флегмы, необходимый для стабилизации состава дистиллята при значительных возмущениях. Для поддержания материального баланса в этой емкости следует регулировать уровень изменением расхода дистиллята. Стабилизация уровня, кроме того, обеспечивает постоянная гидростатического давления пара клапаном на линии флегмы и, следовательно, улучшает качество регулирования состава.

 

Рис.11 Схема регулирования давления в верхней части колонны по методу отдувки

(1 – колонна,2 – дефлегматор,3 - ёмкость)

 

Улучшение качества регулирования  давления в верхней части колонны  с отдувкой может быть достигнуто установкой двух исполнительных устройств  – на линиях хладоносителя и отдувки. Область работы этих ИМ должна быть различной.

Для регулирования давления используют и метод байпасирования (рис.12). В этом случае часть паров  из колонны (»10%) пропускают мимо дефлегматора во флегмовую емкость, где они конденсируются. Если запаздывание в системе регулирования давления надо свести к минимуму, дросселируют пары, выходящие из колонны. Оба способа требуют использование крупногабаритных паровых регулирующих органов, что является их недостатком.

Регулирование температуры  паров, возвращаемых из кипятильника в  колонну: если основные возмущения связаны с изменением параметров теплоносителя, подаваемого в кипятильник, а не с изменением параметров исходной смеси, то датчики температуры нижней части колонны следует устанавливать на линии пара, движущегося из кипятильника. При этом резко уменьшаются запаздывания в системе.

Рис. 12. Схема регулирования давления в верхней части колонны по методу байпасирования (1 – колонна, 2 – дефлегматор,3 – емкость)

 

В соответствии с вышеуказанными рекомендациями разработана функциональная схема автоматизации, которая приведена на рис.1

Параметры контроля и  регулирования приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Параметры контроля и регулирования

 

 

№ на схеме	Наименование установки	Наименование параметра	Ед.изм.	Номинальное значение.Предел изменения	Контроль	Рег-ие
1	2	3	4	5	6	7
I	Трубопровод исходной смеси	Расход исх. смеси	кг/ч	10 000	Да	Да
		Температура исх. смеси	0С	40	Да	--
II	Подогреватель исходной смеси	Температура теплоносителя	0С	130-140	Да	--
		Расход теплоносителя	кг/ч	4000-8000	Да	--
		Температура исх.смеси на выходе	0С	102	Да	Да
III	Ректификационная колонна	Диаграмма температур	0С	90-140	Да	--
		Уровень куб. жид.	м	1-3	Да	Да
		Состав НКК в флегме	%	92	Да	Да
		Разность давления в частях колонны	Па	8800	Да	--
IV	Дефлегматор	Температура охлажд. воды	0С	25	Да	--
		Расход охлажд. воды	кг/ч	3000-5000	Да	--
		Давление в колонне	Па	100	Да	Да
V	Трубопровод ректификата	Расход ректификата	кг/ч	3300	Да	--
		Температура греющего пара	0С	40	Да	--
VI	Кипятильник	Температура греющего пара	0С	130-140	Да	-
		Расход греющего пара	кг/ч	1000-7000	Да	--
		Температура в кубе колонны	0С	132	Да	Да
VII	Трубопровод кубового остатка	Расход куб. остатка	кг/ч	6700	Да	--
		Температура куб. остатка	0С	132	Да	--

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ  СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

 

С учетом предыдущих разделов произведем выбор средств регулирования.

Расход исходной смеси  – для этого в качестве первичного измерительного преобразователя выбираем ротаметр с электрической дистанционной передачей показаний типа РЭ-16ЖУ3.Давление контролируемой среды до 0,6 Мпа (колонна работает под атмосферным давлением »0,1 Мпа), температура -40¸+70 ⁰С (температура исходной смеси =40 ⁰С), класс точности 2,5. Наибольшее удаление вторичного прибора 250 м. Этот ротаметр преобразует измеренный расход в стандартный токовый сигнал 0¸5 mА. Верхний предел измерения 16 м³/ч (расход питающей смеси равен 10 т/ч » 14 м³/ч).

Сигнал с ротаметра  поступает на блок регулирующий аналоговый с импульсным выходом Р27.2 (агрегатный комплекс Каскад-2). Этот регулятор обеспечивает импульсное ПИД-регулирование со следующими данными: Кп=0,3¸10; Ти=20¸20 000 с; Ts=0¸400 с; Tsср=1-10 с; длительность импульсов 0,1-1 с. Выходными сигналами являются: положение контактов, +10 и –10 В постоянного тока и 24 В пульсирующего тока. Данный регулятор имеет задатчик управляющего воздействия.

С регулятора импульсный сигнал подается на испонительное устройство, которое состоит из:

• бесконтактного реверсивного пускателя типа ПБР-2М, предназначенного для управления исполнительными механизмами типа МЭО с синхронным однофазным конденсаторным двигателем;
• исполнительного устройства типа МЭО 630/63-0,25 со следующими данными: номинальный момент 630 Н*м, время перемещения рабочего вала 63 с, передвижение 0,25 об., напряжения питания 220 В, 50 Гц;
• Регулирующего клапана типа 25 и 935, который рассчитан на работу от исполнительного устройства типа МЭО. Позволяет регулировать расход жидких, паровых и газовых сред. Относительный диаметр прохода 80 мм.

На регулятор также  подается сигнал от задатчика ЗУ-11. Для выбора режима управления предусмотрен блок ручного управления БРУ-42.

 

Таблица 2

Выбор технических средств автоматизации

 

№ поз.на схеме	Контрол. или регулир. параметр	Наименование прибора	Тип прибора	Технологическая характеристика	Кол-во
1	2	3	4	5	6
1-1	F	Ротаметр с токовым выходом	РЭ-16ЖУ3	Вход 0¸16 м3/ч Выход 0¸5 mA	1
1-2	F	Прибор индикации и регистрации	КС3 А-550-001	Вход 0¸5 mA	1
1-3	F	Лампа сигнализации			1
1-4	F	Регулирующий прибор	Р27.2	Вход 0¸5 mA Выход: состояния ключей –10 В и +10 В, 24 В пост., пульсир. тока	1
1-5	F	Задатчик	ЗУ-11	Выход 0¸10 В	1
1-6	F	Пускатель	ПБР-2М	Imax=4 А	1
1-7	F	ИМ и регулирующий клапан	МЭО 630/63-0,25; 25 и  935 нж		1
2-1	Т	Термоэлетрич. преобразователь	ТМК	Тизм=-200¸100 0С	1
2-2	Т	Нормирующий ТЭП	Ш78	Выход 0¸5 mA	1
2-3	Т	Прибор индикации и  регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
3-1	Т	ТЭП	ТСМТ 101-50М –С2-10-120	Тизм=-200¸600 0С	1
3-2	Т	Нормируущий ТЭП	ТСМТУ 101-100М 10-120	Выход 0¸5 mA	1
3-3	Т	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
3-4	Т	Лампа сигнализации			1
3-5	Т	Регулирующий прибор	Р27.2	Вход 0¸5 mA Выход: состояния ключей –10 В и +10 В, 24 В пост., пульсир. тока	1
3-6	Т	Задатчик	ЗУ-11	Выход 0¸10 В	1
3-7	Т	Пускатель	ПБР-2М	Imax=4 А	1
3-8	Т	ИМ и регулирующий клапан	МЭО 630/63-0,25; 25 и 935 нж		1
4-1	F	Диафрагма	ДН 6 0,01-100-II-а/р-2 ГОСТ 14321-73	D Р=10 кПа	1
4-2	F	Нормирующий преобразователь	Сапфир 21 ДД 2434	D Р=10 кПа; Выход 0¸5 mA	1
4-3	F	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
5-1	F	Диафрагма	ДН 6 0,01-100-II-а/р-2 ГОСТ 14321-73	D Р=10 кПа	1
5-2	F	Нормирующий преобразователь	Сапфир 21 ДД 2434	D Р=10 кПа	1
5-3	F	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
6-1	Т	ТЭП	ТКХ	Тизм=-200¸600 0С	3
6-2	Т	Многоточечный регистрирующий и индицирующий прибор	КСУ4 047	Быстродействие 2,5 с; рассчитан на работу с термопарами ТКХ, 3 канала	1
7-1	Т	ТЭП	ТКХ	Тизм=-200¸600 0С	5
7-2	Т	Многоточечный регистрирующий и индицирующий прибор	КСУ4 051	Быстродействие 2,5 с; рассчитан на работу с термопарами ТКХ, 6 канала	1
8-1	Т	ТЭП	ТКХ	Тизм=-200¸600 0С	1
8-2	Т	Нормирующий ТЭП	Ш78	Выход 0¸5 mA	1
8-3	Т	Прибор индикации и  регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
8-4	Т	Лампа сигнализации			1
8-5	Т	Регулирующий прибор	Р27.2	Вход 0¸5 mA Выход: состояния ключей –10 В и +10 В, 24 В пост., пульсир. тока	1
8-6	Т	Задатчик	ЗУ-11	Выход 0¸10 В	1
8-7	Т	Пускатель	ПБР-2М	Imax=4 А	1
8-8	Т	ИМ и регулирующий клапан	МЭО 630/63-0,25; 25 и 935 нж		1
9-1	L	Уровнемер	РУС-В ПП-0-III-КНД	Предел измерения уровня 0,4¸2,5 м; Выход 0¸5mA	1
9-2	L	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
9-3	L	Лампа сигнализации			1
9-4	L	Регулирующий прибор	Р27.2	Вход 0¸5 mA Выход: состояния ключей –10 В и +10 В, 24 В пост., пульсир. тока	1
9-5	L	Задатчик	ЗУ-11	Выход 0¸10 В	1
9-6	L	Пускатель	ПБР-2М	Imax=4 А	1
9-7	L	ИМ и регулирующий клапан	МЭО 630/63-0,25; 25 и 935 нж		1
10-1	Р	Преобразователь разности давлений	Сапфир 22 ДД Ех 2430	D Р=10 кПа; Выход 0¸5mA
10-2	Р	Прибор индикации и  регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
11-1	Q	Анализатор-преобразователь	Гамма - М	Диапазон измеряемой концентрации бензола 60¸100 %; Выход 0¸5mA	1
11-2	Q	Прибор индикации и  регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
11-3	Q	Лампа сигнализации			1
11-4	Q	Регулирующий прибор	Р27.2	Вход 0¸5 mA Выход: состояния ключей –10 В и +10 В, 24 В пост., пульсир. тока	1
11-5	Q	Задатчик	ЗУ-11	Выход 0¸10 В	1
11-6	Q	Пускатель	ПБР-2М	Imax=4 А	1
11-7	Q	ИМ и регулирующий клапан	МЭО 630/63-0,25; 25 и 935 нж		1
12-1	Р	Измерительный преобразователь	Сапфир 22 ДА-Ех 2040	Рmax=160 кПа; Выход 0¸5mA	1
12-2	Р	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
12-3	Р	Лампа сигнализации			1
12-4	Р	Регулирующий прибор	Р27.2	Вход 0¸5 mA Выход: состояния ключей –10 В и +10 В, 24 В пост., пульсир. тока	1
12-5	Р	Задатчик	ЗУ-11	Выход 0¸10 В	1
12-6	Р	Пускатель	ПБР-2М	Imax=4 А	1
12-7	Р	ИМ и регулирующий клапан	МЭО 630/63-0,25; 25 и 935 нж		1
13-1	F	Диафрагма	ДН 6 0,01-100-II-а/р-2 ГОСТ 14321-73	D Р=10 кПа	1
13-2	F	Нормирующий преобразователь	Сапфир 21 ДД 2434	D Р=10 кПа; Выход 0¸5 mA	1
13-3	F	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
14-1	F	Диафрагма	ДН 6 0,01-100-II-а/р-2 ГОСТ 14321-73	D Р=10 кПа	1
14-2	F	Нормирующий преобразователь	Сапфир 21 ДД 2434	D Р=10 кПа; Выход 0¸5 mA	1
14-3	F	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
15-1	F	Диафрагма	ДН 6 0,01-100-II-а/р-2 ГОСТ 14321-73	D Р=10 кПа	1
15-2	F	Нормирующий преобразователь	Сапфир 21 ДД 2434	D Р=10 кПа; Выход 0¸5 mA	1
15-3	F	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
16-1	Т	Термоэлетрич. преобразователь	ТМК	Тизм=-200¸100 0С	1
16-2	Т	Нормирующий ТЭП	Ш78	Выход 0¸5 mA	1
16-3	Т	Прибор индикации и  регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
17-1	Т	Термоэлетрич. преобразователь	ТМК	Тизм=-200¸100 0С	1
17-2	Т	Нормирующий ТЭП	Ш78	Выход 0¸5 mA	1
17-3	Т	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1
18-1	F	Диафрагма	ДН 6 0,01-100-II-а/р-2 ГОСТ 14321-73	D Р=10 кПа	1
18-2	F	Нормирующий преобразователь	Сапфир 21 ДД 2434	D Р=10 кПа; Выход 0¸5 mA	1
18-3	F	Прибор индикации и регистрации	КС3	Вход 0¸5 mA	1

 

Таблица 3

Блоки ручного управления

 

№ поз.на схеме	Контрол. или регулир. параметр	Наименование прибора	Тип прибора	Технологическая характеристика	Кол-во
1	2	3	4	5	6
1-8	F	Блок ручного управления	БРУ-42	Выход 0¸10 В	1
3-9	T	Блок ручного управления	БРУ-42	Выход 0¸10 В	1
8-9	T	Блок ручного управления	БРУ-42	Выход 0¸10 В	1
9-8	L	Блок ручного управления	БРУ-42	Выход 0¸10 В	1
11-8	Q	Блок ручного управления	БРУ-42	Выход 0¸10 В	1
12-8	P	Блок ручного управления	БРУ-42	Выход 0¸10 В	1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. СИНТЕЗ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

В качестве описываемого контура был выбран контур регулирования исходной смеси, подаваемой в колонну. Регулирование производится изменением расхода теплоносителя (перегретого пара), подаваемого в подогреватель исходной смеси.

Температура исходной смеси  перед поступлением в колонну  измеряется термометром медным сопротивления с унифицированным выходным сигналом 0¸5 mA. В термометр встроен нормирующий преобразователь ТСМТУ 101-100М-10-20. Токовый сигнал подается на вход Х (зажим 8,10) регулятора Р27.

Блок при совместной работе с реверсивным ИМ постоянной скорости реализует ПИД закон регулирования с передаточной функцией:

 

 

где Кп – коэффициент передачи;

Тим – постоянная времени ИМ, с (время перемещения ИМ из одного крайнего положения в другое при непрерывном включении);      

Тиз – постоянная времени изодрома, с;

Тиз – постоянная времени предварения, с;

Тдф - постоянная времени  демпфирования, с.

Дополнительно на регуляторе имеются следующие органы установки:

D_нч – зона нечувствительности;

Dt_имп – длительность импульсов.

Требуемый коэффициент  передачи регулятора Кп, %, устанавливается  путем изменения коэффициента передачи Кп бллока Р27 (физ. смсл Кп – длительность первого пропорционального импульса на один процент именения сигнала  рассогласования от полного диапазона):

 

Выходной сигнал регулятора формируется путем либо замыкания  или размыкания тиристорных контактов S1 и S2 относительно средней точки, либо подачи импульсов 24 В в сторону «Б» или «М».

В регуляторе предусмотрена  блокировка выходных управляющих импульсов (на вход регулятора) при замыкании зажима «Внешнее управление» на общую точку.

 

 

 

 

 

 

Регулятор состоит из 3-х модулей:

1. Измерительного модуля И00 1.1;
2. Регулирующего модуля РО 27.1;
3. Модуля стабилизированных источников питания ИПСО 1.1.

Входные аналоговые сигналы  поступают на измерительный модуль. Назначение модуля – формирование сигнала рассогласования Ue.

Сигнал рассогласования Ue подается на вход регулирующего модуля РО 27.1. Диапазон изменения сигнала рассогласования 0¸10 В при полярности, зависящей от знака рассогласования.

Регулирующий модуль РО 27.1 формирует последовательность импульсов включения ИМ, обеспечивающую ПИД-закон регулирования.

Сигнал Ue подается на РО 27.1 через внешнюю перемычку (зажим 17,27). Общие точки объединены внутренней перемычкой.

Модуль РО 27.1 имеет  два демпфированных входных канала Х₀₁,Х₀₃ и один Х₀₂ – недемпфированный.

После демпфера сигнал рассогласования  поступает на вход высокоомного усилителя  У₁. Выходной сигнал У₁ через переменный резистор установки зоны нечувствительности D_нч подается на вход трехпозиционного нелинейного элемента НЭ, который может иметь 3 состояния:

• U_вых=0, если входной сигнал находится в пределах зоны нечувствительности D_нч;
• U_вых=+10 В, если входной сигнал более зоны нечувствительности D_нч и положительный;
• U_вых=-10 В, если входной сигнал более зоны нечувствительности D_нч и отрицательный;