1. Введение

Процесс производства карбамида, также известного как мочевина, начинается со смешивания аммиака и углекислого газа под давлением и при высокой температуре в реакторе

[1]

Полученный карбамид широко используется в качестве удобрения, а также в производстве пластмасс, лекарственных препаратов

[2][3][4]

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.

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 [5], [6].

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

[7]

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.

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 [8].

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 [8].

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 [9].

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

В

дистилляторе

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.

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.

Для компенсации возмущающих воздействий, требуется учитывать плотность раствора карбамида на входе и выходе из аппарата, его температуру на входе в аппарат и заданное значение температуры на выходе из него, при вычислении управляющего воздействия (рисунок 7). Предложено реализовать комбинированную систему управления с применением математической модели [10]. Учет влияния возмущающих воздействий будет способствовать снижению числа образуемых биуретов и повышению качества процесса дистилляции.

где

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.

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.

The additional file for this article can be found as follows: