УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ

Абсорбция – это процесс поглощения определенных компонентов из исходной газовой смеси при контактировании ее с жидкостью (абсорбентом) с целью разделения этой смеси для получения растворов компонентов. Абсорбционная колонна аналогична укрепляющей части ректификационной колонны.

Рис. 1. Схема абсорбционной установки

Y_К – концентрация извлекаемого компонента в обедненном газе;

Y_Н – концентрация газовой смеси, поступающей в абсорбер;

Х_К – концентрация насыщенного абсорбента;

Х_Н – начальная концентрация абсорбента;

G – расход газовой фазы;

L – расход жидкой фазы;

А – насыщенный газ;

В – исходный абсорбент;

С – обедненный газ;

Д – насыщенный абсорбент;

Целью управления процессом абсорбции является:

1 – поддержание постоянства заданной концентрации извлекаемого компонента в обедненном газе.

2 – соблюдение материального и теплового баланса абсорбционной установки.

3 – получение насыщенного абсорбента заданного состава.

На процесс абсорбции решающее влияние оказывает движущая сила, которая определяется относительным расположением рабочей и равновесной линий процесса.

Показателем эффективности процесса является концентрация извлекаемого компонента в обедненной смеси.

Об эффективности процесса абсорбции можно судить по показателю эффективности j.

Количество поглощаемого компонента в абсорбере определяется следующим уравнением массопередачи:

где к – коэффициент массопередачи;

F – поверхность массопередачи;

Dср – средняя движущая сила процесса

Рис. 2. Характеристика процесса абсорбции по равновесной и рабочей линиям.

На процесс абсорбции решающее влияние оказывает движущая сила, которая определяется относительным расположением рабочей (АВ) и равновесной (ОС) линий процесса. Положение рабочей линии зависит от начальной и конечной концентрации компонента в обеих фазах; а положении равновесной линии – от температуры и давления в аппарате. Из этого следует, что концентрация извлекаемого компонента в обедненной смеси зависит от его начальных концентраций в газовой жидких фазах, расхода поступающей газовой смеси, относительного расхода абсорбента, а также от температуры, и давления в абсорбере. Следует помнить, что чем выше давление и ниже температура, тем правее смещается точка С равновесной линии, возрастает среднедвижущая сила процесса. Следовательно, с ростом давления в абсорбере и с понижением температуры эффективность массопередачи возрастает, т.е. вести процесс абсорбции эффективно при минимальной температуре и максимальном давлении (см. рис. 2).

1.1. Материальный баланс процесса.

Рассмотрим массобменный аппарат с противоточным взаимодействием двух фаз G и L (рис. 1.1.1).

G – расход газовой фазы

L – расход жидкой фазы

В первом приближении будем считать, что потоки газовой жидкой фазы не изменяются по высоте аппарата. Составим материальный баланс по данному компоненту для всего аппарата.

Количество переданной массы М можно выразить:

отсюда соотношение между потоками фаз равно:

Рис. 3. Схема потоков в противоточном массобменном аппарате.

Для определения составов внутренних потоков в произвольном сечении аппарата 1-1 запишем уравнения материального баланса для части аппарата, расположенной ниже этого сечения: , отсюда

Получим уравнение рабочей линии, которое дает зависимость между неравновесными (рабочими) составами фаз в произвольном сечении аппарата. Тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс равен , т.е.

Концентрация Y_К зависит от расхода газовой смеси, концентрации Х_Н и Y_Н, отношение расходов ( ).

Изменение расходов газовой смеси (G) и начальных концентраций извлекаемого компонента в фазах представляют собой основные возмущения процесса абсорбции, т.е. расход газовой фазы G следует стабилизировать с помощью АСР расхода или просто измеряют (см. рис. 4). Изменять же его с целью регулирования показателя эффективности нецелесообразно, т.к. при этом производительность абсорбера может оказаться ниже расчетной и экономичности процесса снизится.

Изменение концентрации – возмущающие воздействия.

Регулирующими воздействиями являются расходы свежего абсорбента, обедненного газа, насыщенного абсорбента.

2. Построение систем управления.

Большинству промышленных объектов химической технологии свойственны значительное чистое (транспортное) запаздывание и большие потери времени (обусловленные высокой инерционностью объектов). В этих случаях даже при оптимальных постройках регуляторов одноконтурных АСР характеризуются большими динамическими ошибками, низкой частоты регулирования и длительными переходными процессами. Для повышения качества регулирования необходим переход от одноконтурной АСР к более сложным системам, использующим дополнительные импульсы по возмущениям или вспомогательным выходным координатам (многоконтурные системы регулирования).

В зависимости от характера корректирующего импульса различают следующие многоконтурные АСР: комбинированные, сочетающие обычный замкнутый контур регулирования с дополнительным каналом воздействия, по которому через динамический компенсатор вводится импульс по возмущению; каскадные – двухконтурные замкнутые АСР, построенные на базе двух стандартных регуляторов и использующие для регулирования кроме основной выходной координаты дополнительный промежуточный выход; с дополнительным импульсом по производной от промежуточной выходной координаты.

2.1. Регулирование по возмущению

Если возмущение идет в виде изменения состава и расхода исходной газовой смеси, то абсорбента целесообразно изменять в зависимости от этих параметров, т.е. использовать регулирование по возмущению.

Базовая система стабилизации режима работы абсорбционной колонны может быть представлена в виде (см. рис. 4).

Рис. 4. Функциональная схема системы стабилизации режима работы абсорбционной установки.

Используя многоконтурные системы, можно значительно улучшить качество регулирования процесса и при наличии других возмущений.

В качестве вспомогательных параметров выбирают:

- расход абсорбента – при регулировании концентрации извлекаемого компонента в обедненной смеси;

- расход хладоносителя – при регулировании температур газовой смеси и абсорбента, выводимых из холодильников;

- расход насыщенного абсорбента – при регулировании уровня.

Основным управляющим воздействием, поддерживающим постоянство концентрации извлекаемого компонента в обедненном газе, является изменение расхода свежего абсорбента. Контур стабилизации расхода свежего абсорбента (контур 10) удовлетворительно обеспечивает качество регулирования только в том случае, когда колебания расхода и концентрация удаляемого компонента насыщенного газа на входе в абсорбер незначительны.

Если колебания расхода насыщенного газа на входе в аппарат превышают допустимые, то контур 10 должен регулировать соотношение расходов насыщенного газа и исходного абсорбента (ведомый – исходный абсорбент), см. рис. 5.

Температура в абсорбере зависит от температур, теплоемкостей и расходов газовой и в большей степени жидкой фаз, а также от интенсивности выделения тепла в процесс абсорбции и потерь тепла в окружающую среду. Большинство этих величин изменяется во времени, что приводит к изменению температуры в абсорбере. Повышение температуры в абсорбере замедляет протекание процесса. Для ее стабилизации на требуемом значении исходный абсорбент перед подачей в абсорбер охлаждают в теплообменнике Т-1 (контур 9).

Повышение давления в абсорбере способствует извлечению ценных компонентов из исходной смеси. Это давление (контур 3) регулируют изменением отвода обедненного газа из абсорбера.

Рис. 5. Функциональная схема регулирования соотношения расходов.

Для предотвращения проскока газовой смеси из абсорбера в линию насыщенного абсорбента, в кубе абсорбера собирают некоторое количество жидкости, уровень которой регулируют изменением отвода насыщенного абсорбента из абсорбера (контур 4) в десорбер. Этот контур обеспечивает также соблюдение материального баланса абсорбера.

Все остальные технологические параметры, влияющие на процесс абсорбции или определяющие его результат – контролируют:

Контур 1 – контроль состава насыщенного газа на входе в абсорбер;

Контур 2 – контроль расхода насыщенного газа на входе в абсорбер;

Контур 5 – контроль состава насыщенного абсорбента на выходе из абсорбера;

Контур 6 – контроль расхода насыщенного абсорбента на выходе из абсорбера;

Контур 7 – контроль состава обедненного газа на выходе из абсорбера;

Контур 8 – контроль расхода обедненного газа на выходе из абсорбера.

Сигнализации подлежат отклонения давления в колонне и концентрация извлекаемого компонента в абгазе от предельных значений.

Схемой автоматизации предусмотрено устройство защиты, которое исключают значительное повышение давления в колонне. Это устройство при определенном значении давления обеспечивает прекращение питания регуляторов воздухом. Выбор регулирующих органов (НО и НЗ) должен производиться так, чтобы регулирующий орган на магистрали обедненной смеси открылся, а на остальных – закрылся.

Для расчета технико-экономических показателей УВМ должны быть поданы сигналы со всех расходов, а также сигнал по составу – Yк.

2.2. Регулирование процесса при рецикле абсорбента

Часто используются абсорберы с рециркуляцией поглотителя (абсорбента). Такая ситуация имеет место в абсорберах с дорогостоящим поглотителем (абсорбентом). В этом случае часть насыщенного абсорбента непрерывно выводится с установки, ее заменяет поступающий свежий поглотитель – абсорбент.

При этом отвод части абсорбента осуществляется по уровню в сборнике, концентрация же регулируется подачей свежего поглотителя.

Рис. 6. Функцилнальная схема управления режимом абсорбции с рециркуляцией.

Материальный баланс обеспечивается регулятором уровня. Необходимо создать систему, которая бы порвала внутренние перекрестные связи.

2.3. Комбинирование АСР

Компенсация изменения расхода насыщенного газа (нагрузки абсорбера по газу) обеспечивается путем использования АСР соотношения расходов этого газа и исходного абсорбента. При переменной концентрации извлекаемого компонента в исходной газовой смеси (насыщенном газе) в последний контур (соотношения расходов) (рис. 5) вводят коррекцию по этой концентрации. Но, так как основной регулируемой величиной процесса абсорбции является концентрация извлекаемого компонента в обедненном газе, то основная коррекция в рассмотренную АСР вводится именно по этому каналу (рис.7).

С помощью такой организации АСР можно свести до минимума потери абсорбируемого компонента, содержащего в уходящем обедненном газе.

Насыщенный абсорбент, отбираем из куба абсорбера, направляется на десорбцию, на извлечение на него поглощенного компонента. Поэтому, если насыщенный абсорбент не является конечным продуктом, то качественное регулирование его состава не обязательно. Достаточно обеспечить его стабильную подачу в десорбер и одновременно поддержать постоянство уровня в кубе абсорбера. С этой целью реализуют следующего вида комбинированную САР: регулирование отвода насыщенного абсорбента из абсорбера с коррекцией по уровню в кубе аппарата.

Рис. 7. Функциональная схема регулирования процесса абсорбции.

Возмущение на температуру исходного абсорбента на входе в абсорбер по расходу хладагента, подаваемого в теплообменник Т-1 компенсирует АСР вида: регулирование расхода хладагента с коррекцией по температуре охлажденного абсорбента.

С учетом вышеизложенного система управления режимом работы абсорбера может быть представлена в виде (см. рис. 7).

Абсорберы, как объекты управления являются сложными объектами, для них характерно наличие больших инерционностей с запаздыванием практически по всем каналам передачи, также ярко выраженная распределенность параметров, что требует при автоматизации применения распределенного контроля по высоте абсорбера, а иногда и распределенных регулирующих воздействий.

Абсорберы обладают свойством самовыравнивания, т.е. способностью приходить к новому установившемуся режиму после снятия возмущения без вмешательства регулятора. Это многоемкостные объекты, динамика которых описывается дифференциальными уравнениями не ниже второго порядка.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Поиск по сайту: