Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЛОКОМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗОПРЕНА

Кривошеев В.П. 1, 2 Филимонцев Е.А. 1 Ефимов И.М. 1
1 ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет»
2 ФГАОУ ВО «Владивостокский государственный университет экономики и сервиса»
Выполнен структурный и параметрический синтез системы управления блоком экстрактивной ректификации четырёхколонной ректификационной установки, предназначенной для выделения изопрена. Основой для выполнения данной работы явились результаты статической оптимизации этой установки по поддержанию статических режимов колонн, обеспечивающих минимизацию энергетических затрат на разделение исходной смеси до получения целевого продукта (изопрена) требуемого качества. При синтезе системы управления многоколонной ректификационной установкой применено имитационное моделирование переходных процессов, варьируя настроечные параметры регуляторов в системах стабилизации, а также компенсаторов в комбинированных системах. Для определения передаточных функций компенсаторов в комбинированных системах использованы передаточные функции объектов по каналам возмущения и управления, найденные из переходных функций по этим каналам. Для определения переходных функций выполнено моделирование динамических режимов. В процессе моделирования динамических режимов данные для расчёта статических режимов ректификационных колонн дополнены информацией о конструктивных параметрах, формирующих инерционные свойства колонн. В данной работе были использованы результаты ранее выполненного параметрического синтеза первой и второй колонн рассматриваемой четырёхколонной ректификационной установки. При скачкообразном изменении расхода питания в головную колонну четырёхколонной ректификационной установки в режиме энергосбережения смоделирован устойчивый переходной процесс извлечения конечного продукта требуемого качества.
изопрен
ректификационная установка
оптимизация
моделирование статических и динамических режимов
синтез системы управления
1. Гималаев М.К. Анализ особенностей динамического поведения ректификационных колонн с целью разработки энергосберегающих систем управления // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 16. № 15. С. 251–253.
2. Sigurd Skogestad. Dynamics and control of distillation columns – a critical survey. Modeling, identification and control. 1997. vol. 18. no. 3. Р. 177– 217.
3. Елизаров В.И., Мерзляков С.А., Шавалеев Р.Р. К построению систем управления процессом ректификации // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 11. С. 177–180.
4. Абзалилова Л.Р. Традиционные и инновационные материалы в промышленности синтетических каучуков в России и мире: учебное пособие. Казань: КНИТУ, 2013. 148 с.
5. Башкатов Т.В., Жигалин Я.Л. Технология синтетических каучуков: учебник для техникумов: 2-е изд. Л.: Химия, 1987. 360 с.
6. Кривошеев В.П., Ануфриев А.В., Реутов В.А., Филимонцев Е.А., Пугачева Н.В. Моделирование и оптимизация системы выделения изопрена из фракции углеводородов C5 пиролиза // Фундаментальные исследования. 2018. № 12–1. С. 25–30.
7. Кривошеев В.П., Филимонцев Е.А., Ефимов И.М. Синтез системы управления ректификационными колоннами К-1 и К-2 в производстве изопрена. // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 12. С 68–72.
8. UniSim Design Suite – Free Trial of Simulation Software Now Available [Electronic resource]. URL: https://www.honeywell-process.com/en-US/explore/products/ advanced-applications/unisim/Pages/unisim-design-suite.aspx (date of access: 01.04.2020).

Процесс ректификации составляет большую долю в процессах химической технологии и в связи с его энергоёмкостью решение задачи энергосбережения привлекает многих исследователей как к оптимизации статических режимов, так и к синтезу систем автоматизации ректификационных колонн для их функционирования в производственных условиях. Этим обусловлен интерес к исследованию динамики процесса ректификации с целью энергосбережения [1, 2] и созданию систем управления этим процессом [3].

Изопрен является одним из важнейших продуктов нефтехимической промышленности. Он используется в качестве мономера для производства синтетического каучука [4]. Фракция С5 пиролиза вызывает интерес как источник изопрена, так как выделение изопрена до требуемой чистоты из этой фракции экономически более выгодно по сравнению с производством изопрена методами химического синтеза [5].

Ранее был выполнен синтез схемы выделения изопрена и проведена статическая оптимизации параметров работы колонн разделения [6]. Позднее [7] на основе результатов статической оптимизации синтезирована система управления начальными колоннами К-1 и К-2 четырёхколонной установки по выделению изопрена требуемого качества.

Целью исследования является структурный и параметрический синтез устойчивой системы управления колоннами К-3 и К-4 четырёхколонной ректификационной установки в режиме энергосбережения для получения конечного продукта с массовой долей изопрена не ниже 0,95 с учётом результатов синтеза системы управления начальными колоннами К-1 и К-2, опубликованных в работе [7].

Технологическая и функциональная схемы выделения изопрена

На рис. 1 показана схема четырёхколонной ректификационной установки выделения изопрена из углеводородов фракции C5 пиролиза.

В данной схеме K-1, K-2, К-4 – колонны традиционной ректификации; а К-3 – колонна экстрактивной ректификации. Данная схема смоделирована в Unisim Design [8].

Во всех колоннах используется конденсатор с полным фазовым переходом при давлении 100 кПа. Колонна K-1 предназначена для отгона легколетучих компонентов фракции С5, а в колонне K-2 из кубового продукта колонны К-1 отгоняется от труднолетучих компонентов смесь, содержащая изопрен. Назначение, параметры колонн К-1 и К-2 в базовом режиме, результаты их статической оптимизации и синтеза системы управления в режиме энергосбережения приведены в статье [7].

В дальнейшем подсистему, состоящую из колонн К-3 и К-4, будем называть блоком экстрактивной ректификации.

На рис. 2 представлен блок экстрактивной ректификации, выделенный из общей схемы четырёхколонной установки (рис. 1).

Дистиллят колонны К-2 в виде потока D2 смешивается в определённом соотношении с экстрагентом (ДМФА).

Полученная смесь поступает в качестве питания на 11-ю тарелку колонны экстрактивной ректификации К-3, содержащую 114 тарелок. Обедненная смесь углеводородов выводится из колонны дистиллятом D3, а поток, содержащий 6 % изопрена и 95 % ДМФА, отбирается в виде кубового продукта W3.

В колонне К-4, содержащей 10 тарелок, происходит процесс регенерации ДМФА и выделение целевого продукта (изопрена). Питание в колонну в виде потока W3 поступает на 9-ю тарелку. Конечный продукт отбирается сверху колонны в качестве дистиллята с массовой долей изопрена не ниже 0,995, а ДМФА отгоняется в виде кубового продукта.

В табл. 1 представлены основные технологические параметры статической модели блока экстрактивной ректификации.

Синтез системы управления блоком экстрактивной ректификации выполняется поэтапно в той же последовательности, что и для колонн К-1 и К-2 [7].

Определение контрольных тарелок

Контрольные тарелки в колоннах К-3 и К-4 определяются по методике, используемой при синтезе систем управления К-1 и К-2 [7]. В качестве контрольных тарелок были выбраны 74 и 10 тарелка для колонны К-3 и К-4 соответственно.

krivoheev1.tif

Рис. 1. Схема выделения изопрена из углеводородов фракции C5 пиролиза

krivoheev2.tif

Рис. 2. Технологическая схема блока экстрактивной ректификации изопрена

Таблица 1

Технологические параметры статической модели блока экстрактивной ректификации

Параметр

Значение

Расход питания, D2 + Е1 (кмоль/ч)

792,7

Содержание изопрена в потоке D2 (мол. дол.)

0,063

Расход дистиллята из колонны К-3, D3 (кмоль/ч)

40,5

Расход кубовой жидкости из колонны К-3, W3 (кмоль/ч)

752,2

Содержание изопрена в потоке W3 (мол. дол.)

0,06

Флегмовое число (К-3)

10,7

Расход дистиллята (К-4), D4 (кмоль/ч)

44,1

Содержание изопрена в продуктовом потоке D4 (мол. дол.)

0,997

Расход кубовой жидкости из колонны К-4, W4 (кмоль/ч)

708,1

Флегмовое число (К-4)

1,0

 

Статическая оптимизация колонн блока экстрактивной ректификации

При статической оптимизации четырёхколонной установки минимизируются энергетические затраты при получении изопрена требуемого качества. Результаты оптимизации, относящиеся к колоннам К-1 и К-2, опубликованы в работе [7].

В табл. 2 и 3 для оптимальных режимов показаны зависимости расхода основных потоков и температур на контрольных тарелках колонн блока экстрактивной ректификации от изменения расхода питания в колонну К-3.

Из результатов статической оптимизации следует, что температура на контрольных тарелках обеих колонн при изменении расхода питания в колонну К-3 изменяется незначительно. Это позволяет стабилизацию качества продуктов, содержащих изопрен, обеспечить стабилизацией температуры на этих тарелках. Анализ зависимости потоков колонн К-3 и К-4 показывает, что расходы потоков этих колонн линейно зависят от расхода питания в колонну К-3. В связи с этим расходы потоков колонны К-4 зависят тоже линейно от расхода питания в колонну К-4, что подтверждается данными, приведёнными в табл. 2 и 3.

Предлагаемая схема системы управления

Схема системы управления блоком экстрактивной ректификации изопрена из фракции C5 пиролиза представлена на рис. 3. Она реализует линейные зависимости расхода потоков в колонне от расхода питания в эту колонну.

Таблица 2

Результаты статической оптимизации колонны К-3

Расход питания F, кг/ч

Расход дистиллята D3, кг/ч

Расход кубового продукта W3, кг/ч

Тепловой поток конденсатора Qd3, кДж/ч

Тепловой поток ребойлера Qw3, кДж/ч

Расход флегмы L3, кг/ч

Температура на КТ, °C

51836,53

2583,79

49252,74

8339381

14686729

20339,20

61,16

54716,34

2729,13

51987,20

8783907

15485928

21414,89

61,16

57596,14

2873,07

54723,07

9243121

16298223

22533,04

61,15

60475,95

3018,42

57457,53

9687651

17097446

23608,73

61,13

63355,76

3163,77

60191,99

10132162

17896699

24684,37

61,10

Таблица 3

Результаты статической оптимизации колонны К-4

Расход питания F, кг/ч

Расход дистиллята D4, кг/ч

Расход кубового продукта W4, кг/ч

Тепловой поток конденсатора Qd4, кДж/ч

Тепловой поток ребойлера Qw4, кДж/ч

Расход флегмы L4, кг/ч

Температура на КТ, °C

51836,53

2644,69

46608,05

1908825

8259594

2488,15

131,17

54716,34

2789,47

49197,73

2012366

8712542

2621,79

131,09

57596,14

2938,27

51784,81

2129317

9191123

2787,47

131,61

60475,95

3081,46

54376,07

2225018

9629511

2901,62

131,19

63355,76

3228,36

56963,62

2338997

10101384

3061,21

131,56

 

krivoheev3.tif

Рис. 3. Схема системы управления блоком экстрактивной ректификации

Формирование потока питания в колонну К-3 обеспечивает система регулирования соотношения расходов потока D2 и экстрагента на значении 1:7,6. В обеих колоннах стабилизируется давление изменением расхода охлаждающего агента в конденсатор. В верхней части колонны К-3 регулируется соотношение расхода дистиллята и расхода питания в колонну, а уровень в конденсаторе регулируется расходом орошения в колонну. В нижней части колонны К-2 применена комбинированная система: регулирование расхода теплового агента в зависимости от расхода питания в колонну с коррекцией по температуре на 74 тарелке. Для уменьшения возмущения в колонну К4 применена каскадная система регулирования расхода потока W3 с коррекцией по уровню в колонне К-3.

В табл. 4 приведены настроечные параметры ПИ-регуляторов, используемых при регулировании колонн К-3 и К-4. Настроечные параметры регуляторов получены имитационным моделированием переходных процессов в системе управления четырёхколонной установкой.

Таблица 4

Настроечные параметры регуляторов блока колонн К-3 и К-4

Позиция на схеме

Наименование

Коэффициент усиления К

Время изодрома Ti, мин

1, 12

Регулятор соотношения расходов

0,1

0,2

2, 8

Регулятор давления

2

0,2

3, 6

Регулятор уровня

4

6

4

Регулятор соотношения расходов

0,15

0,1

5

Регулятор температуры

3,4

0,6

7

Регулятор расхода

0,15

0,1

9, 11

Регулятор уровня

4

4

10

Регулятор температуры

2,4

0,3

Выбор и настройка компенсаторов для К-3 и К-4

В результате моделирования переходных процессов по каналам воздействия на температуру на контрольной тарелке изменением расхода питания (канал возмущения) и изменением расхода теплового потока в куб колонны (канал управления) по известным методикам получены нормированные передаточные функции Wов(S) и Wоу(S), а из условия инвариантности получены передаточные функции компенсаторов для колонны К-3 и К-4. Они представлены в виде (1, 2) соответственно:

krivoheev01.wmf (1)

krivoheev02.wmf (2)

Переходные процессы в блоке экстрактивной ректификации

На рис. 4 и 5 для ступенчатого воздействии ±10 % по расходу питания в головную колонну К-1 отображены отклики в виде изменения соответственно: температуры на контрольной тарелке в колонне К-3 и массового содержания изопрена в кубовом продукте колонны К-3.

На рис. 6–8 для ступенчатого воздействии ±10 % по расходу питания в головную колонну К-1 отображены отклики в виде изменения соответственно: температуры на контрольной тарелке колонны К-4 (ΔT10), расхода изопрена в виде расхода дистиллята колонны К-4 и массовой доли изопрена в дистилляте колонны К-4. Моделирование переходных функций колонн по каналу возмущения и управления, а также откликов на возмущение по расходу питания в К-1, выполнялось в программной среде UniSim [8].

krivoheev4.tif

Рис. 4. Отклик температуры на контрольной тарелке в К-3

krivoheev5.tif

Рис. 5. Отклик содержания изопрена в кубовом продукте К-3

krivoheev6.tif

Рис. 6. Отклик изменения температуры на контрольной тарелке в К-4

krivoheev7.tif

Рис. Рис. 7. Отклик изменения расхода изопрена

krivoheev8.tif

Рис. 8. Отклик содержания изопрена в дистилляте колонны К-4

Из переходных процессов, изображённых на рис. 4–7, следует, что изменение знака возмущения в головную колонну влияет на частоту колебаний в системе. Изменение полярности возмущения по расходу питания в головную колонну влияет на длительность переходных процессов в системе. При возмущении в сторону увеличения расхода питания в колонну К-1 переходной процесс в системе составляет 5,5 ч, а при возмущении в сторону уменьшения переходной процесс в системе составляет 3 ч.

Выводы

На основе результатов минимизации энергетических затрат в статическом состоянии четырёхколонной ректификационной установки (К-1, К-2, К-3, К-4) при получении изопрена требуемого качества с учётом результатов ранее выполненного синтеза системы управления колоннами К-1 и К-2 синтезирована система управления блоком колонн К-3 и К-4 с использованием среды UniSim Design.

Результаты работы подтверждают достижение цели исследования: получение устойчивой системы управления четырёхколонной ректификационной установкой для получения изопрена требуемого качества в режиме энергосбережения.

При анализе графиков переходных процессов по рассмотренным каналам передачи воздействий на промежуточные переменные наблюдается изменение формы этих процессов при смене знака воздействия равного по величине, что свидетельствует о нелинейности ректификационной установки по выделению изопрена.

Выполнение исследований при синтезе системы оптимального управления многоколонной ректификационной установкой по выделению изопрена с использованием среды UniSim Design позволило установить существенное влияние знака ступенчатого возмущающего воздействия в головную колонну на частотный спектр и на длительность переходного процесса в системе управления до получения конечного продукта.


Библиографическая ссылка

Кривошеев В.П., Филимонцев Е.А., Ефимов И.М. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЛОКОМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗОПРЕНА // Современные наукоемкие технологии. – 2020. – № 5. – С. 56-62;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=38032 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674