Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние технологии получения этаноламинов и исследований в области методов автоматизированного контроля процесса ректификации 13
1.1 История развития производства этаноламинов 13
1.2 Краткое описание технологического процесса ректификации этаноламинов 17
1.3 Анализ процесса ректификации этаноламинов как объекта управления 30
1.4 Анализ способов управления технологическим процессом ректификации .35
1.5 Постановка цели и задач исследования .43
2 Математическое моделирование процесса ректификации смеси ди- и триэтаноламина 51
2.1 Общая характеристика физико-химических основ процесса ректификации 51
2.2 Структурная идентификация математического описания процесса ректификации смеси ди- и триэтаноламина 57
2.3 Параметрическая идентификация математического описания процесса ректификации смеси ди- и триэтаноламина. Проверка адекватности модели 66
2.4 Построение модели испарителя .70
3 Разработка датчика контроля концентрации диэтаноламина на стадии ректификации смеси ди- и триэтаноламина 76
3.1 Приборы и методы контроля концентрации диэтаноламина в газовой фазе 76
3.2 Экспериментальные исследования конструкции оптического сенсора для контроля концентрации диэтаноламина 80
4 Синтез комбинированной системы управления процессом ректификации смеси ди- и триэтаноламина с полным разделением компонентов питающей смеси 90
4.1 Принципы автоматического регулирования .90
4.2 Полное разделение компонентов смеси 102
4.3 Построение комбинированной системы управления процессом ректификации смеси ди- и триэтаноламина с полным разделением компонентов питающей смеси .112
4.4 Исследование работоспособности алгоритмов управления 119
5 Разработка и внедрение системы автоматизированного контроля концентрации диэтаноламина в процессе ректификации .123
5.1 Аппаратно-программный комплекс системы автоматизированного контроля концентрации диэтаноламина при ректификации. 123
5.2 Визуализация системы автоматизированного управления процессом ректификации этаноламинов 131
Заключение 136
Список литературы 138
Приложение 1 .152
Приложение 2 .165
- Краткое описание технологического процесса ректификации этаноламинов
- Структурная идентификация математического описания процесса ректификации смеси ди- и триэтаноламина
- Принципы автоматического регулирования
- Визуализация системы автоматизированного управления процессом ректификации этаноламинов
Введение к работе
Актуальность темы. Контроль параметров технологического процесса – необходимое условие выпуска продукции высокого качества и важнейшая функция управления процессом при ректификации этаноламинов, в частности, с обеспечением требуемой степени разделения компонентов исходной смеси. Важной и актуальной задачей является оперативный контроль концентрации диэтаноламина (показателя качества продукта) в автоматизированном режиме.
Этаноламины являются базовым сырьем и входят в состав рецептур готовых продуктов во многих отраслях народного хозяйства: от нефте- и газоперерабатывающей, цементной и металлургической, до косметической, фармацевтической и сельскохозяйственной.
Проблемам контроля состава этаноламинов и оптимального управления ректификацией посвящены работы Зенкевича И.Г., Маслова Л.П., Кучменко Т.А., Кафарова В.В., Анисимова И.В., Бодрова В.И., Покровского В.Б., Александрова И.А. и др. Разработкой оптических методов контроля состава газовых сред занимались Александров С.Е., Сажин С.Г., Кечкина Н.И., Задворнов С.А., Соколовский А.А. и др.
В промышленности этаноламины получают в результате взаимодействия окиси
этилена и аммиака. Получаемая смесь содержит три компонента: моноэтаноламин (МЭА),
диэтаноламин (ДЭА) и триэтаноламин (ТЭА), каждый из которых имеет свою область
применения. Разделение трехкомпонентной смеси путем ректификации производится в двух
колоннах насадочного типа. Управление работой последней из этих колонн по разделению
ДЭА и ТЭА вследствие того, что оба ее выходных потока являются целевыми, требует
регулирования состава (содержания ДЭА в бинарной смеси) как дистиллята, так и кубовой
жидкости. Применение базовых регуляторов состава дистиллята и кубовой жидкости
(температуры верха и низа колонны) из-за наличия перекрестных связей по управляющим
воздействиям этих регуляторов приводит к их неустойчивой работе. На данной стадии
удается получить чистый ДЭА (97%) и технический ТЭА (85%). Для получения чистого ТЭА
(99%) необходима перегонка в дополнительной ректификационной колонне, что связано с
колоссальными энергетическими затратами. Проблема управления качеством этаноламинов
заключается также в том, что ректификационная установка постоянно находится под
воздействием возмущений в виде изменения количества и состава сырья. В этих условиях ее
работа характеризуется длительными переходными процессами со значительными
колебаниями выхода и качества этаноламинов. Существующие методы контроля
возмущающего воздействия по составу питающей смеси этаноламинов (электрохимические,
газожидкостной хроматографии) недостаточно оперативны, дороги и не поддаются
автоматизации. Ранее проведенные исследования показали перспективность применения для решения данной проблемы оптических химических сенсоров (ОХС), что особенно актуально, учитывая возможности их применения в составе автоматизированных систем управления, работающих во взрыво- пожароопасных условиях.
Таким образом, ввиду важнейшего народнохозяйственного значения этаноламинов и необходимости их получения на уровне мировых стандартов качества, проблема обеспечения качества получаемой продукции имеет большое значение для данной отрасли и разработка метода автоматизированного контроля концентрации диэтаноламина в составе бинарной смеси этаноламинов с применением оптического сенсора при ректификации является актуальной задачей.
Объектами исследований являются технологический процесс производства этаноламинов на стадии ректификации смеси ди- и триэтаноламина; оптический сенсор с чувствительным покрытием в виде функционального полимера Д-924-Ст, представляющего собой акридиновый краситель, иммобилизированный на полистиролсульфонате натрия.
Предметом исследований являются математические модели ректификации этаноламинов, методы и алгоритмы управления качеством готовой продукции, а также закономерности функционирования оптического химического сенсора контроля концентрации диэтаноламина.
Целью диссертационной работы является разработка метода активного контроля концентрации диэтаноламина в автоматизированном режиме при ректификации бинарной смеси ди- и триэтаноламина с применением оптического сенсора для повышения качества производимой продукции.
Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих задач:
-
Определение регулируемых параметров, управляющих и возмущающих воздействий технологического процесса ректификации этаноламинов.
-
Разработка алгоритма по повышению разделяющей способности колонны ректификации (с получением чистых ДЭА и ТЭА) на основе анализа существующих методов управления непрерывной ректификацией и способов определения состава этаноламинов.
-
Разработка математической модели ректификации бинарной смеси ДЭА-ТЭА и проведение параметрической идентификации для проверки работы системы автоматизированного контроля концентрации диэтаноламина.
-
Оптимизация разработанного ОХС (покрытие Д-924-Ст) для определения концентрации диэтаноламина в бинарной смеси ДЭА-ТЭА в газовой фазе.
-
Разработка комбинированной системы автоматизированного аналитического контроля концентрации ДЭА с применением оптического сенсора и компенсатора возмущающих воздействий для обеспечения требуемой степени разделения компонентов.
-
Разработка аппаратно-программного комплекса системы автоматизированного контроля концентрации диэтаноламина при ректификации бинарной смеси ди- и триэтаноламина.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Разработана аналитическая математическая модель непрерывного процесса
ректификации этаноламинов в колонне насадочного типа на основе уравнений материально-
энергетического баланса с учетом объемного коэффициента массопередачи и параметров
равновесного состояния парожидкостной смеси этаноламинов, позволяющая научно
обоснованно подойти к выбору алгоритмов управления процессом.
-
Определены параметры модели ректификационного разделения смеси ДЭА и ТЭА путем обработки опытных данных промышленной эксплуатации ректификационной колонны, что позволило адаптировать полученную модель к реальным условиям работы.
-
Предложен способ определения концентрации диэтаноламина методом градуировочного графика с использованием оптического сенсора (покрытие Д-924-Ст), обеспечивающий автоматизированный контроль технологических сред в реальном времени.
-
Разработан алгоритм работы компенсатора внешних возмущающих воздействий, при использовании которого повышается точность и стабильность регулирования технологического процесса ректификации, даже в случае образования азеотропных смесей. На разработанный алгоритм получен патент на изобретение.
-
Разработан алгоритм расчета расхода дистиллята для регулирования состава дистиллята и кубовой жидкости с использованием управления на базе нечеткой логики.
Методы исследования. В диссертации научные исследования основаны на методах системного анализа, статистической обработки данных, теории управления, математического моделирования, идентификации, имитационного моделирования на ЭВМ, теории эксперимента. Экспериментальные исследования проводились на прошедших поверку средствах измерения с применением поверочной газовой смеси.
Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в следующем:
1. Оптимизирована конструкция ОХС с использованием покрытия Д-924-Ст для
контроля концентрации диэтаноламина в процессе ректификации бинарной смеси ДЭА-ТЭА
с определением оптимальных характеристик сенсора: толщина пленки чувствительного
покрытия на уровне 0,52 мкм и рабочая температура 45-50 С.
-
Разработан набор программ для проведения модельных исследований процесса ректификации смеси ди- и триэтаноламина.
-
Разработан набор прикладных программ для визуализации процессов контроля и управления в ректификационной колонне.
-
На базе микропроцессорного контроллера разработана и внедрена распределенная система управления технологическим процессом производства этаноламинов на ООО «Синтез ОКА» (г. Дзержинск), что позволило повысить качество производимой продукции, уменьшить себестоимость чистых компонентов смеси за счет исключения операции доочистки полученных продуктов.
5. Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках
дисциплины «Автоматизация технологических процессов и производств», «Моделирование
систем управления», «Приборы и средства измерений» кафедры «Автоматизация,
транспортные и информационные системы» Дзержинского политехнического института
(филиала) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования (ФГБОУ ВО) «Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева» (ДПИ НГТУ). Акты внедрения прилагаются к диссертации.
Достоверность результатов настоящей работы подтверждена данными по составу смеси ди- и триэтаноламинов, полученными при математическом и имитационном моделировании процесса ректификации смеси ди- и триэтаноламина, совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также опытной эксплуатацией разработанных алгоритмов и систем управления с использованием стандартизированных методик и аттестованного оборудования.
Апробация работы. Основные научные результаты докладывались и обсуждались на Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г.; на Международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии», Нижний Новгород, 2010 г., 2011 г., 2012 г.; на Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, Москва, 2011 г.; на Международной научно-практической конференции «Perspektywiczne opracowania s nauk i technikami -2011», Польша, 2011 г.; на Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Липецк, 2012 г.; на Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», Саратов, 2012 г., Нижний Новгород, 2013 г.; на Международной научно-практической конференции «Dny vedy-2012», Прага, 2012 г.; на Международной научно-практической конференции «Образованието и
науката на XXI век», Белгород, 2012 г.; на 18-й Нижегородской сессии молодых ученых, Нижний Новгород, 2013 г.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Активный метод автоматизированного контроля концентрации ДЭА в процессе ректификации бинарной смеси ди- и триэтаноламина, обеспечивающий повышение разделительной способности колонны с получением чистых компонентов смеси без дополнительной операции доочистки получаемых продуктов.
-
Математическая модель насадочной ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ДЭА-ТЭА с адаптацией к реальным условиям работы, позволяющая прогнозировать состав целевой продукции в зависимости от условий проведения процесса.
-
Оптический сенсор, основанный на измерении ослабления светового потока, происходящего вследствие избирательного поглощения света чувствительным покрытием Д-924-Ст, обеспечивающий измерение концентрации ДЭА в бинарной смеси при ректификации этаноламинов с минимальным запаздыванием в непрерывном режиме, в реальном времени.
4. Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение комбинированной
системы автоматизированного аналитического контроля концентрации ДЭА с применением
оптического сенсора и блока оптимальной обработки информативных сигналов,
позволяющих получить в одной ректификационной колонне чистые ДЭА и ТЭА.
Публикации. По результатам научных исследований опубликованы 23 печатные работы, из которых 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских и докторских диссертаций, монография, материалы международных и всероссийских научно-технических конференций, получен 1 патент на изобретение.
Связь работы с научными программами. Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по теме: «Разработка мобильной мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха (его приземного слоя) для качественного и количественного обнаружения газов основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ)» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Соглашение № 14.577.21.0144 от 28.11.14. Уникальный идентификатор проекта RFMEEFI57714X0144.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 128 наименований, двух приложений. Работа изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка и 20 таблиц.
Краткое описание технологического процесса ректификации этаноламинов
Этаноламины — аминоспирты общей формулы RR NCH2CH2OH, бесцветные вязкие гигроскопичные жидкости, хорошо растворимые в воде, спирте и хлороформе, слабые основания. Обладают свойствами аминов и спиртов. В процессе производства получают смесь этаноламинов [17].
Различают моноэтаноламин, или коламин HOCH2CH2NH2, диэтаноламин (HOCH2CH2)2NН, триэтаноламин (HOCH2CH2)3N, имеющие температуры кипения 171, 271 и 360С и плотности при 20С: 1,0179; 1,0919 и 1,1258 г/см3 соответственно. Регламентом предусмотрен выпуск продуктов, отвечающих требованиям качества согласно таблицам 1.2, 1.3, 1.4.
Несмотря на единый процесс производства, МЭА, ДЭА и ТЭА имеют разные сферы применения и географическую структуру сбыта [21].
Моноэтаноламин технический применяется в газовой и нефтяной промышленности для поглощения кислых газов и серосодержащих органических соединений, в фармацевтической, текстильной, лакокрасочной промышленности, в производстве пластмасс.
Диэтаноламин технический применяется в технологии органического синтеза, в качестве сорбента для очистки природного газа, в производстве моющих средств, косметических препаратов, производстве эмульгаторов, лекарственных веществ, ингибиторов коррозии.
Триэтаноламин технический применяется для газоочистки при получении чистой углекислоты, в текстильной промышленности, в парфюмерии и цементной промышленности, как сырье в ряде реакций органического синтеза.
Этаноламины, полученные путем насыщения концентрированного раствора аммиака окисью этилена, разделяют на компоненты фракционированием приготовленной смеси на стадии ректификации.
Непрерывный технологический процесс получения этаноламинов состоит из следующих стадий [16]:
- подготовка и подача сырья; синтез смесей этаноламинов; отгонка аммиака;
отгонка моноэтаноламина (МЭА) возвратного;
отгонка товарного МЭА;
доотгонка МЭА;
отгонка диэтаноламина (ДЭА);
доотгонка ДЭА;
отгонка триэтаноламина (ТЭА);
- склад готовой продукции.
Выделение товарного ди- и триэтаноламина производится методом непрерывной ректификации в колонне поз. К267 [Приложение 1].
Ректификационная колонна К267 — насадочная.
Насадка — керамические кольца Рашига размером 50505 мм, беспорядочно уложенные (кольца навалом).
Общая высота слоя насадки — 8000 мм.
Диаметр колонны — 800 мм.
Условия работы ректификационной колонны К267:
- температура верха колонны, C - 135-140;
- температура в средней части колонны, C - 160-165;
- температура кубовой жидкости, C - 185-190;
- давление в верхней части колонны, кПа (абс.) - 0.70-1.00;
- давление в кубе колонны, кПа (абс.) - 1.90-2.10;
- флегмовое число - 1. Дистиллят колонны является товарным диэтаноламином. Кубовая
жидкость - товарным триэтаноламином.
В колонну поз. К267 непрерывно от насоса поз. Н262/12 поступает кубовая жидкость колонны поз. К260 (с предыдущей стадии производства).
Период пуска предусмотрена емкость Е266, объемом 3,2 м , обогреваемая горячей водой. Емкость поз. Е266 предназначена также для приема некондиционных продуктов.
Переработка некондиционных продуктов и аварийных сливов производится в колонне поз. К250. Тепло, необходимое для процесса ректификации, подводится через испаритель поз. Т268. В качестве теплоносителя используется пар давлением 1,8 МПа.
Необходимый поток орошения испарителя создается с помощью насоса поз. Н269/12 (один — рабочий, другой — резервный). Этим же насосом кубовая жидкость (товарный триэтаноламин) подается в емкость поз. Е102/12. Затем насосом поз. Н103 триэтаноламин передается на склад готового продукта (корпус 176 ) в емкость поз. Е7/1,2.
Емкости Е102/1,2 снабжены рубашками для обогрева горячей водой с начальной температурой 90 С.
Емкости работают попеременно. Прием продукта ведется в одну из емкостей, по мере ее заполнения производится переключение приема в свободную емкость.
Образующаяся в колонне поз. К267 паровая фаза направляется в конденсатор поз. Т270 (хладоносителем в котором является горячая вода с температурой 80C, поступающая из корпуса 175, из производства МДЭА).
Дистиллят (диэтаноламин) собирается в сборнике поз. Е272 и насосом поз. Н273/1 2 направляется одним потоком — в виде флегмы на орошение колонны К267, вторым — в емкость поз. Е275/1 3, откуда насосом поз. Н274 передается на склад готового продукта (корпус 176 ) в емкости поз. Е3/1,2, Е5/1,2.
В случае получения некондиционного диэтаноламина, продукт направляется в емкости поз. Е266 и Е249, откуда поступает на переработку в колонну поз. К250.
Для создания в системе вакуума используется пароэжекторный вакуум-насос поз. Н271, обеспечивающий в системе остаточное давление — 0,6 1,3 КПа.
В качестве рабочего пара используется вторичный пар P = 0,65 МПа, полученный на узле парогенерации. Образующийся в конденсаторах пароэжекторного насоса конденсат через барометрический бак поз. Е271 самотеком направляется в сборник поз. Е127 узла парогенерации.
Сдувки, выходящие из последней ступени эжекции, направляются в «хвостовой» теплообменник поз. Т105.
Аппараты поз. Е102/1,2; Е272; Е275/1-3 работают под «азотным дыханием». Сдувки «азотного дыхания» из емкостей, а также из герметичных насосов поз. Н269/1,2; Н103; Н273/1,2; Н274 при их заполнении, направляются на термическое обезвреживание.
Для аналитического контроля процесса отгонки диэтаноламина производится отбор проб:
- готового диэтаноламина из емкости Е275 от линии нагнетания насоса Н274 в пробоотборной камере Х132/5;
- кубовой жидкости (триэтаноламина) колонны К267 от линии нагнетания насоса Н269/1,2 в пробоотборной камере Х132/6;
- дистиллята (диэтаноламина) колонны ректификации К267 от линии нагнетания насоса Н273/1,2 в пробоотборной камере Х132/6.
Структурная идентификация математического описания процесса ректификации смеси ди- и триэтаноламина
Принципы и понятия математического моделирования в последнее время получили существенное развитие. Оно связано с интенсивным применением информационных технологий и вычислительной техники. Использование математических моделей при расчете процессов и аппаратов химической технологии дает возможность значительно сократить время от исследования процесса до его внедрения в промышленность.
Математическое моделирование включает три взаимосвязанных этапа [34]:
1) составление математического описания изучаемого объекта;
2) выбор метода решения системы уравнений математического описания и реализация его в форме моделирующей программы;
3) установление соответствия (адекватности) модели объекту.
На рисунке 2.4 изображена общая блок-схема разработки математической модели.
При построении математических моделей широко используется блочный принцип, суть которого состоит в том, что модель строится из отдельных логически законченных блоков, отражающих обычно ту или иную сторону рассматриваемого процесса. Общая структура математической модели может иметь вид, изображенный на рисунке 2.5. В рамках проводимого исследования построение математической модели технологического процесса ректификации этаноламинов было актуальной задачей. Необходимость в ее разработке связана с анализом технологического процесса ректификации этаноламинов как объекта управления, прогнозированием поведения реального объекта управления и исследованием эффективности разработанной системы оптимального управления.
Схема материальных потоков оптимизируемой ректификационной колонны выглядит в соответствии с рисунком 2.6 следующим образом:
Для построения математической модели примем следующие допущения, мало искажающие фактические условия протекания процесса, но значительно упрощающие расчет:
1. мольные теплоты испарения компонентов бинарной жидкой смеси близки по величинам, поэтому при конденсации одного киломоля высококипящего компонента в колонне испаряется один киломоль низкокипящего, отсюда следует, что количество паров (в киломолях), поднимающихся по колонне постоянно;
2. состав пара уG, удаляющегося из колонны в дефлегматор, равен составу дистиллята xD;
3. в расчетах исходят из того, что смесь подается на разделение нагретой до температуры кипения;
4. удобней расчеты процессов ректификации проводить в мольных концентрациях (мольные доли);
5. В зоне массообмена осуществляется идеальное вытеснение по пару и жидкости.
Рассмотрим как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия.
Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т.е. является выносным. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней элементарно малой части насадки, которую будем считать первой, введя нумерацию частей насадки снизу вверх.
Пусть концентрация жидкости на первой части насадки равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно низкокипящий компонент. Поэтому на следующую (вторую) часть насадки поступает пар с большим содержанием низкокипящего компонента.
Испарение жидкости на насадке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно высококипящий компонент, содержание которого в поступающем на насадку паре выше равновесного с составом жидкости на насадке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения одного моль низкокипящего компонента необходимо сконденсировать один моль высококипящего, т.е. фазы на насадке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй элементарно малой части насадки жидкость имеет состав х2, содержит больше низкокипящего компонента, чем на первой (х2 х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 t1). Соприкасаясь с ней, пар состава у1 частично конденсируется, обогащается низкокипящим компонентом и удаляется на вышерасположенную часть насадки, имея состав у2 у1 и т.д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый высококипящий компонент, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю часть насадки колонны в виде почти чистого низкокипящего компонента, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется на дистиллят и флегму, которая направляется в верхнюю часть насадки. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый низкокипящий компонент. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается высококипящим компонентом, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней части насадки, она становится практически чистым высококипящим компонентом и поступает в кипятильник, обогреваемый паром.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения. Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называются также диффузионными [36].
Для диффузионных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой наиболее точно разностью химических потенциалов распределяемого вещества. Диффундирующее вещество в пределах фазы перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией, и в расчетах движущую силу процессов массопереноса выражают приближенно через разность концентраций.
Принципы автоматического регулирования
Принцип действия всякой системы автоматического регулирования заключается в том, чтобы обнаружить отклонения регулируемых величин, характеризующих работу объекта регулирования или протекание процесса от требуемого режима и при этом воздействовать на объект регулирования или процесс так, чтобы устранить эти отклонения.
В процессе управления всегда есть физические величины, которые требуется изменять строго определенным образом.
Системы автоматического регулирования должны на основании измерения регулируемых величин, формировать управляющие воздействия на объект регулирования. Изменение поведения объекта регулирования может осуществляться по принципам разомкнутого или замкнутого циклов [56].
В разомкнутой автоматической системе (рисунок 4.1) управляющее воздействие формируется на основе значения заданной величины. В таких системах отсутствует связь между входом и выходом. Вследствие этого протекание процесса управления в разомкнутых системах не зависит от результатов, т. е. от того, как система выполняет свои функции. В разомкнутой автоматической системе имеет место только прямое воздействие: от оператора к объекту регулирования, от входа к выходу.
Для тoгo чтобы регулируемая величина y(t) объекта регулирования приняла требуемое значение, на eгo вход подается входное воздействие х(t). Однако на практике регулируемая величина y(t) объекта регулирования по ряду причин отклоняется от требуемого значения. Одной из этих причин является влияние различного рода внешних возмущающих воздействий f(t) на объект регулирования. Дрyгой причиной является влияние изменения параметров объекта регулирования или других элементов системы, т.е. влияние параметрических возмущающих воздействий (коэффициентов усиления, постоянных времени и т.д.). Третья причина, вызывающая отклонение регулируемой величины, обусловлена изменением требуемого значения регулируемой величины (изменением требуемой температуры закалочной печи, произвольным изменением угловых координат цели). Если требуемое значение регулируемой величины изменяется, то для соответствующего изменения действительного ее значения необходимо изменять управляющее воздействие h(t) на входе объекта регулирования. При изменении же управляющего воздействия на входе объекта регулирования, обладающего инерционностью, возникает переходный процесс, в течение котopoгo регулируемая величина не будет соответствовать требуемому значению.
Отклонение регулируемой величины от требуемого значения может возникать не только в переходном, но и в установившемся динамическом режиме, когда требуемое значение изменяется, например, с постоянной скоростью или постоянным ускорением. Oтклонение регулируемой величины под влиянием перечисленных причин может достигать недопустимо больших значений, при которых нарушается обеспечиваемый объектом технический процесс. Поэтому возникает задача уменьшения отклонений выходных величин объектов от требуемых значений. Эта задача является основной задачей управления (регулирования).
Под автоматическим управлением понимается осуществление воздействий, получаемых в результате обработки имеющейся информации и направленных на уменьшение отклонения функционирования объекта регулирования от заданного алгоритмом функционирования [58].
Очевидно, что необходимость в управляющем воздействии возникает в тех случаях, когда пpoцecc в объекте регулирования отклоняется от предписаний, заданных алгоритмом функционирования.
В замкнутых автоматических системах (рисунок 4.2) регулируемая величина сравнивается с заданным ее значением и на базе сигнала ошибки формируется управляющее воздействие. Протекание процесса автоматического регулирования зависит от результатов этого сравнения.
Для реализации такого алгоритма регулирования в конструкцию автоматической системы вводится связь, получившая название обратной связи, потому что по ней происходит передача сигнала с выхода объекта регулирования на вход автоматической системы по направлению, обратному направлению передачи управляющего воздействия на объект регулирования.
Объект регулирования и автоматический регулятор образуют замкнутую систему. Точность регулирования в замкнутых автоматических системах, т.е. точность поддержания требуемой функциональной зависимости между входом и выходом, в основном зависит от точности, с которой производится сравнение требуемого и фактического значения регулируемой величины.
Замкнутые системы автоматического регулирования различаются по принципу регулирования:
- по отклонению;
- по возмущению;
- комбинированные. Системы автоматического регулирования, работающие по принципу отклонения, (рисунок 4.3) являются основными в практике автоматизации различных производственных объектов. Они характеризуются наличием обратной связи, осуществляющей подачу части выходного сигнала на вход автоматической системы и образующей замкнутый контур регулирования. Сущность этого принципа регулирования состоит в том, что фактическое значение регулируемой величины постоянно сравнивается с ее заданным значением. При наличии разности этих значений выше заранее установленного порога в системе вырабатывается регулирующее воздействие, направленное на устранение этой разности или на уменьшение ее до некоторого допустимого значения.
Требуемое значение регулируемой величины автоматической системы y(t) определяется задающим воздействием x(t), поступающим от задающего устройства. Отклонение регулируемой величины y(t) от заданного значения может быть вызвано как влиянием различного рода возмущающих воздействий, так и изменением задающего воздействия x(t). Чтобы уменьшить или устранить это отклонение, нужно выработать соответствующее управляющее воздействие h(t) и подать eгo на вход объекта регулирования. Управляющее воздействие при использовании принципа управления по отклонению вырабатывается в результате преобразования отклонения x(t) регулируемой величины от заданного значения.
В автоматических системах, работающих по принципу отклонения, управляющее воздействие h(t) получается в результате преобразования сигнала отклонения, а не caмoгo фактора, вызвавшего отклонение, например, возмущающего воздействия f(t) (т.е. в результате преобразования следствия, а не самой причины), поэтому оно не может оказать на объект обратное влияние без запаздывания по сравнению с возмущающим воздействием. Следовательно, принцип управления по отклонению не дает возможности полного устранения отклонения, т.е. достижения абсолютной инвариантности.
В автоматических системах, работающих по принципу отклонения, управляющее воздействие получается в результате преобразования отклонения, которое может быть вызвано различными факторами. Поэтому в этих системах уменьшается отклонение независимо от тoгo, какими из факторов оно вызвано. Поскольку в автоматических системах, работающих по принципу отклонения, уменьшаются отклонения, возникающие и при изменении параметров элементов автоматической системы, то замкнутые автоматические системы будут менее чувствительны к изменениям параметров ее элементов по сравнению с разомкнутыми автоматическими системами, где отклонения, вызываемые изменением параметров их элементов, не компенсируются.
Автоматические системы, работающие по этому принципу, обладают высокой точностью поддержания регулируемой величины (ввиду наличия постоянного контроля разности заданного и фактического ее значений), но низким быстродействием.
Визуализация системы автоматизированного управления процессом ректификации этаноламинов
Открытая система автоматизации SCADA WinCC состоит из среды разработки и среды исполнения проекта, функционирующей в режиме реального времени [72].
Ядро среды разработки WinCC образует нейтральная по отношению к отраслям промышленности и технологиям базовая система, которая оснащена всеми важнейшими функциями визуализации и обслуживания.
Среда разработки включает в себя следующие программные компоненты:
Control Center - для быстрого обзора всех данных проекта и глобальных установок;
Graphics Designer - для создания мнемосхем и динамических графических объектов изображений процесса;
Alarm Login - для сбора и архивации событий в системе;
TagLogging - для архивирования измеряемых величин. Данные из архива могут визуализироваться в виде трендов и таблиц;
Report Designer - для генерации отчетов по времени в свободно программируемом формате;
Global Scripts - для программирования действий, производимых с объектами;
User Administration - для управления правами доступа пользователей.
Система визуализации автоматизированной системы управления технологическим процессом получения этаноламинов выполняет следующие функции:
- представление оператору информации о параметрах технологического процесса;
- оценка состояния оборудования, дистанционное и автоматическое управление технологическим оборудованием;
- архивация технологических параметров;
- вычисление расчетных показателей.
Информация, выводимая на экраны рабочих станций операторов представлена в форме видеокадров. Структура видеокадров представлена на рисунке 5.5.
Информация, выводимая на экраны рабочих станций операторов (видеокадры, экраны), представляется в следующих видах:
– мнемосхемы с динамическим отображением информации; – графики изменения параметров во времени - тренды;
– таблицы изменения параметров во времени; – текстовая информация (сообщения).
При отображении информации экран разбивается на четыре области (рисунок 5.6).
Области экрана системы визуализации
– область текущих сообщений (верхняя часть экрана), содержит последние 3 сообщения о ходе технологического процесса, кнопки вызова экрана блокировок, справки и отдельных трендов (до 8 трендов), а также текущее время;
– область клавиатуры и информационных табло (нижняя часть экрана), предназначена для вызова экранов, всех трендов параметров, сообщений, таблиц, системы ПАЗ, стадий процесса и экранов сгруппированных трендов.
– область основного изображения (средняя часть экрана), используется для отображения мнемосхем процесса, графиков или таблиц параметров, технологических и аварийных сообщений.
Видеокадры системы визуализации процесса получения этаноламинов представлены в Приложении 1.