Improving the control system to maintain the temperature of the urea solution in the distillation unit
Improving the control system to maintain the temperature of the urea solution in the distillation unit
Abstract
The article examines the development of an effective control system for a distillation unit, designed to maintain the temperature of the urea solution at the outlet of the medium-pressure distillator within the limits specified by the regulations. The authors note that an increase in temperature will lead to the formation of biuret, disruption of the distillation process, and a reduction in the quality of the urea product. This demonstrates the relevance of the discussed topic and the need to develop an effective control system. Analysis of the technological process as a control object has made it possible to identify the most important elements of the process flow diagram and determine possible external disturbances. An evaluation of existing technical solutions implemented for the medium-pressure distiller has been carried out. Shortcomings have been identified. A concept for an automated control system has been suggested, enabling the compensation of disturbances and, consequently, improving the quality of the distillation process.
1. Введение
Процесс производства карбамида, также известного как мочевина, начинается со смешивания аммиака и углекислого газа под давлением и при высокой температуре в реакторе
. В результате реакции получают карбамидную смолу, которая затем подвергается процессу охлаждения и кристаллизации с последующим получением чистого кристаллического карбамида. Для улучшения качества продукции и повышения эффективности процесса могут применяться дополнительные этапы очистки и обработки.Полученный карбамид широко используется в качестве удобрения, а также в производстве пластмасс, лекарственных препаратов и в других отраслях промышленности
, .Основные узлы технологического процесса карбамида представлены:
– установкой компрессии диоксида углерода;
– узлом синтеза карбамида;
– узлом дистилляции;
– грануляцией карбамида.
В данной статье рассматривается узел дистилляции. В производстве карбамида на стадии дистилляции выполняется очистка и разделение полученной карбамидной смолы, что позволяет устранить примеси и другие остаточные соединения и тем самым способствует получению более чистого и высококачественного продукта.
При реализации управления узлом дистилляции на производстве могут возникнуть следующие проблемы:
1. Непрореагировавший аммиак, образующийся в дистилляторе, является токсичным, горючим и взрывоопасным веществом. Некорректная эксплуатация может нанести ущерб производству и персоналу.
2. Колебания температуры и расхода поступающего в аппарат раствора, а также температуры конденсата пара могут способствовать температурным отклонениям внутри дистилляторов. В свою очередь, это может привести как к образованию побочных продуктов, так к снижению эффективности производства.
Целью работы является предложение концепции эффективной системы управления узлом дистилляции, позволяющей поддерживать значения технологических параметров рассматриваемого процесса в границах, определенных регламентом, обеспечивая компенсацию внешних возмущающих воздействий, с целью повышения качества карбамида.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ дистиллятора как объекта управления.
2. Оценить технические решения, существующие в настоящее время. Выявить возможные проблемы и недостатки в управлении рассматриваемым процессом.
3. Сформировать технические предложения по проектированию автоматизированной системы контроля и управления аппаратами в рамках узла.
Анализ процесса как объекта управления выполнен с применением его формализованного описания путем разработки математической модели. Математическая модель построена на основе аналитического подхода, с использованием фундаментальных законов сохранения вещества и энергии , .
2. Основные результаты
Объектом управления является дистилляция раствора карбамида. Рассматриваемый процесс относится к непрерывным химико-технологическим процессам, не является взрывоопасным и пожароопасным, класс взрывоопасной зоны определен как АН
.Принципиальная технологическая схема процесса включает следующие аппараты:
– дистиллятор среднего давления (СД);
– дистиллятор низкого давления (НД);
– сепаратор карбамата НД;
– напорный бак контура охлаждения конденсатора НД;
– конденсатор карбамата НД (вертикальный кожухотрубчатый теплообменник);
– холодильник циркуляционного конденсата узла НД (пластинчатый теплообменник).
Основными аппаратами в процессе являются дистилляторы СД поз. ТС-201 и НД поз. КТ-301, изображенные на рисунках 1 и 2 соответственно.
Рисунок 1 - Дистиллятор СД поз. ТС-201
Рисунок 2 - Дистиллятор НД поз. КТ-301
Раствор карбамида с концентрацией 45÷50 % дросселируется до давления 2,3÷2,7 МПа и направляется в подогреватель дистиллятора среднего давления, где он подогревается до температуры 145÷149 °C и попадает в сепарационную часть. Отделившаяся газовая фаза в виде аммиака, диоксида углерода направляется в межтрубное пространство рекуперативного подогревателя раствора карбамида. Раствор дросселируется до давления 0,2÷0,4 МПа и направляется в узел дистилляции низкого давления .
Аппарат дистилляции низкого давления КТ-301 представляет собой совмещенные зоны массообмена (вертикального колонного типа с внутренними устройствами) и теплообмена (вертикального кожухотрубного типа с падающей пленкой) и работает под давлением 0,2÷0,4 МПа. В массообменной зоне происходит насыщение восходящей газовой фазы аммиаком и диоксидом углерода, испаряющихся из нисходящего раствора, и обеднение водой, которая конденсируется в раствор. Газовая фаза из дистиллятора низкого давления КТ-301 с температурой 105÷115 °C направляется в конденсатор Т-302. Раствор поступает в трубы теплообменной части, и под действием греющего агента при температуре 130÷140 °C из него выделяются аммиак, диоксид углерода и вода. После конденсатора низкого давления Т-302 газожидкостная смесь направляется на разделение .
Исследование закономерностей протекания процессов в данных аппаратах, позволили сделать выводы о наличии потенциальных «узких» мест в системе, что, в свою очередь, стало основой для выбора наилучшей концепции автоматизированной системы управления .
При анализе дистилляторов СД и НД отмечается, что они являются многомерными объектами управления с сосредоточенными параметрами.
Математическая модель, описывающая процессы происходящие в дистилляторе СД, составлена анатомическим способом с учетом ряда допущений:
– параметры выходного потока совпадают с параметрами жидкости внутри аппарата;
– теплофизические свойства входных потоков, выходного потока и жидкости внутри аппарата совпадают и не зависят от температуры;
– потери вещества и энергии во внешнюю среду отсутствуют;
– расходы конденсата на входе и выходе из аппарата равны.
В основу модели заложены уравнения теплового баланса и материального баланса по жидкой фазе. Математическая модель объекта управления с учетом начальных условий будет иметь вид:
где
h — уровень раствора карбамида в аппарате.
В дистилляторе СД поз. ТС-201 регулируемыми параметрами являются уровень и температура раствора карбамида на выходе из аппарата. Поддержание уровня раствора карбамида осуществляется за счет изменения расхода раствора карбамида на линии выхода его из аппарата ТС-201. Температура раствора на выходе из дистиллятора регулируется за счет изменения расхода парового конденсата из межтрубного пространства, выходящего из подогревателя, и расхода парового конденсата из стриппера, поступающего в подогреватель дистиллятора. Полученная информационная схема объекта управления, отражающая регулируемые параметры, управляющие и возмущавшие воздействия, представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Информационная схема дистиллятора СД ТС-201
Рисунок 4 - Информационная схема дистиллятора НД КТ-301
Результаты анализа технологического процесса, как объекта управления, демонстрируют наличие в дистилляторе СД поз. ТС-201 возмущающих воздействий, которые могут оказывать существенное влияние на время регулирования температуры раствора карбамида и/или на качество готового раствора. Принято решение о необходимости разработки системы компенсации выявленных возмущающих воздействий.
3. Обсуждение
Текущие технические решения в области КИПиА для аппарата поз. ТС-201 представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 - Функциональная схема автоматизации дистиллятора СД
На данный момент, на линии вывода раствора карбамида из аппарата не производится контроля его плотности, так же как на линии подачи в аппарат. Реализовано только измерение температуры раствора на выходе из аппарата. Подача в реактор раствора с температурой выше предполагаемой (выше 120°C), может привести к его перегреву и, как следствие, образованию биуретов, нарушению протекания процесса дистилляции и понижению качества карбамида на выходе.
Рисунок 6 - Алгоритм вычисления управляющего воздействия существующей системы
где
Рисунок 7 - Алгоритм вычисления управляющего воздействия предлагаемой системы управления
Рисунок 8 - Математическая модель в среде Simulink
Выполнен расчет показателей качества процесса управления для рассматриваемых систем. По результатам анализа полученных показателей качества регулирования (табл. 1) установлено, что время регулирования и интегральный квадратичный критерий достигают наименьшего значения для системы с применением комбинированного управления.
Таблица 1 - Критерии качества регулирования
Критерии | Система с управлением по отклонению | Комбинированная система управления |
Статическая ошибка регулирования | 0 | 0 |
Время регулирования | 34900 | 5370 |
Интегральный квадратичный критерий | 6,179·109 | 9,277·108 |
Рисунок 9 - Графики переходных процессов
Примечание: 1 – переходная характеристика, полученная для системы с принцип управления по отклонению; 2 – переходная характеристика, полученная для комбинированной системы
4. Заключение
В статье были рассмотрены вопросы разработки эффективной системы управления узлом дистилляции, позволяющей выполнить компенсацию внешних возмущающих воздействий, с целью повышения качества карбамида.
Анализ дистилляторов СД и НД как объектов управления позволил выявить возмущающие воздействия, возникающие в процессе и оказывающие весомое вливание на качество производимого продукта.
Оценив существующую систему управления, отмечено отсутствие технических решений, позволяющих компенсировать влияние возмущающих воздействий, связанных с изменением концентрации и температуры раствора карбамида на входе в дистиллятор СД.
Предложено вырабатывать управляющее воздействие для регулирования температуры карбамида на выходе из дистиллятора СД с учетом значений плотности раствора карбамида и температуры на входе в аппарат.