Устройство для управления реактором полунепрерывного действия

(19) (1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Ж СЬ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Ленинградский ордена Октябрьской Революции и ордена ТрудовогоКрасного Знамени технологический институт им. Ленсовета и Калужскийордена Трудового Красного Знаменикомбинат синтетических душистыхвеществ(56) Авторское свидетельство СССРУ 465216, кл. В 01 Л 19/00, 1973.Авторское свидетельство СССР(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯРЕАКТОРОМ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ,содержащее первый регулирующий клапан на линии слива дозируемого.компонента из расходной емкости и последовательно соединенные датчик и регулятор температуры реакционной массы вреакторе, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности регулирования температуры и(59 4 В 01 .Т 19/00, С 05 Р 27 увеличения производительности реактора за счет сокращения длительностипроцесса дозирования, оно дополнительно содержит датчик уровня дозируемого компонента в расходной емкости, блок уставок, три элемента И идва запорно-регулирующих клапана налинии слива дозируемого компонентаиз расходной емкости, при этом первыйрегулирующий клапан выполнен запорным с минимальной пропускной способностью и экспоненциальной расходнойхарактеристикой, второй запорно-регулирующий клапан выполнен со средней пропускной способностью и линейной расходной характеристикой, третийзапорно-регулирующий клапан выполненс максимальной пропускной способностью и логарифмической расходной характеристикой, датчик уровня соединен с входом блока уставок, первый,второй и третий выходы которого подключены соответственно к первым входам первого, второго и третьего элементов И, вторые входы которых связаны с выходом регулятора температуры,а выходы первого, второго и третьегоэлементов И соединены соответственно с первым, вторым и третьм запорнорегулирующими клапанами.1230667 Составитель Г,Ог Техред Г.Гербер о орректор М,Щароши НИИЛИ 035 Производственно-полиграфическое предприятие, г,ужгород, ул. Проектная Редактор А.ДолиЗаказ 2476/10 Ю бО Ц,иПа юг,5 Тираж 527 ПодписноГосударственного комитета СССРелаи изобретений и открытийМосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5230667 -3 10 15 20 25 30 50 55 1 1Изобретение относится к управле.ию химическими реакторами для проведения экзотермических процессов, в частности к регулированию температуры реакционной массы в реакторе полунепрерывного действия (РПНД), и может найти применение в химической, лакокрасочной, химико-фармацевтической, витаминной, нефтехимической, пищевой и других специализированных отраслях промышленности при синтезе целевых и промежуточных продуктов: лекарственных препаратов, антикоррозионных присадок к моторным топливам, витаминов, душистых веществ и т.д.Целью изобретения является повышение точности регулирования темпера туры и увеличение производительности реактора за счет сокращения длительности процесса дозирования.Для качественного управления РПНД необходимо, чтобы коэффициент переда.чи системы К был равен произведению коэффициентов передачи объекта К и регулятора К и оставался все время постоянным. Коэффициент передачи регулятора К представляет соРбой произведение коэффициентов передачи всех функциональных блоков, участвующих в формировании регулирующего воздействия на объект, в том числе и регулирующего клапана К.Так как коэффициент передачи объекта К по каналу: подача компонента -о.температура реакционной массы, по ходу процесса уменьшается (см. таблицу), то, чтобы сохранить коэффициент передачи системы К постоянным, необходимо увеличить. коэффициент передачи регуляторов, либо снижая пределы пропорциональности на регулирующем блоке, либо увеличивая коэффициент пропускной способности с изменением расходной характеристики регулирующего клапана, Но уменьшать пределы пропорциональности регулятору невозможно: уже в начале процесса дозирования пределы пропорциональности с точки зрения обеспечения устойчивости системы регулирования устанавливаются в пределах 10-207 и качественное регулирование можно достичь за счет применения нескольких параллельно установленных и последовательно вклю. чаемых и отключаемых клапанов. Если выбрать клапан исходя из параметров объекта на конечной стадии дозирования, то для начальной стадии регулирующий клапан окажется с завышенным проходным сечением, не позволяющимобеспечить устойчивое управление процессом: небольшие перемещения што. ка клапана приводят к резким изменениям расхода компонента и к аварийному повышению температуры реакционной массы.Если испольэовать клапан исходя из параметров объекта на начальной стадии, то для конечной стадии проходное сечение клапана окажется Зани. женным и воздействует на процесс путем увеличения расхода компонента. Чтобы не происходило понижение температуры реакционной массы, уменьшают расход хладагента через теплообменные устройства реактора, а это свя. зано с вынужденным возрастанием длительности процесса.Регулирование температуры в РПНД по подаче компонента имеет преимущество с точки зрения более лучшей динамики этого канала, высокой безопасности ведения процесса, обеспечения целенаправленного протекания химической реакции, более эффективного воздействия на критерий тепловой устойчивости реактора. Такой выбор управляющего воздействия позволяет поддерживать расход хладагента на максимально возможном значении, существенно повышая мощность теплосъема.Чтобы ее поднять до более высокого значения, подачу хладагента через рубашку н змеевик осуществляют после довательно, соединяя выход рубашкисо входом змеевика. В этом случае расход хладагента будет выше, чем при параллельном соединении рубашки и змеевика, что вызывает и более высокое значение коэффициента теплоот,- дачи со стороны хладагента.Энергетический поток в большинстве случаев хорошо поддается стабилизации и может быть сравнительно легко исключен из числа каналов, внося" щих возмущение в реактор со стороны колебаний параметров хладагента (его температуры и расхода).Расход дозируемого компонента С из расходной емкости при нестационар ном истечении является функцией не только текущего значения уровня свободной поверхности Н, но и степени открытия регулирующего клапана ф на линии, связывающей расходную емкость с РПНД.Это предопределяет одну из причин нестационарности параметров РПНД,как3 1230 объекта .управления, на стадии Дозирования. Чтобы влияние уровня свободной поверхности дозируемого компонента в расходной емкости на его расход свести к минимуму, необходимо выполнить следующее усло О Стадияпроцесса Время запаздывания, в с Постоянная Коэффициент передачи СтепеньзаполнеПроцесс времениобъекта,Т, с Относительное значеАбсолютния реактора ное значение К 10в К с/м ние , К 10 от.ед. 70,3 Начало 0,25 2,80 Нитрование мети 0,35 0,36 0,45 0,03 14 76 9,1 СерединаКонец ловогоэфирахлоргидринастирола 17 153 0,7 Начало 0,40 7,50 Середина 0,45 1,48 Нитрование ла 10 31 1850 43 13 390 ратолуиновой 15 47 160 0,60 Конец 0,50 кислоты 70 1.1 0 456 28,57 0,45 Нитрова- Началоние нафталин 1,3 Середина5-трисульфокислоты Конец 150 90 5,63 0,47 80 200 25 1,62 0,50 В начале процесса, когда коэффи- . циент передачи объекта по каналу: расход компонента-температура реак ционной массы ( 6 - Т), имеет наибольшее значение, поскольку концентрация регулирующих компонентов в реакторе и величина статического напора жидкости в расходной емкости максимальна, а поверхность теплообмена минимальна, устанавливают регулирующий клапан малой пропускной способности, При использовании клапана большей пропускной способности происходят недопустимые аварийные выбеги температуры. Основными возмущениями в начале процесса являются возд 2 Я Н-соей ф Ф где 3 - диаметр клапана.667 4Это условие хорошо соблюдается, если выбираются клапаны разной пропускной способности и разных расходных характеристик в зависимости от степени заполнения реактора. Значение параметров. передаточной функции по каналу: расход компонента-температура реакционной массы, в зависимос- . ти от степени заполнения реактора(стадии процесса) представлены втаблице. мущения по регулирующему каналу и в этом случае предпочтительным считается применение клапана с экспоненциальной расходной характеристикой, при которой минимальное изменение расхода уже приводит к отклонЕнию температуры реакционной массы.По мере слива компонента из рас-ходной емкости и увеличения объема реакционной массы в реакторе коэффициент передачи объекта по каналу 6 Тпадает, при этом возрастает поверхность теплообмена, снижается концентрация исходного компонента в реакторе, уменьшается уровень дозируемого компонента в расходной ем40 45 50 5 г кости. Это указывает на возможность увеличения расхода дозируемого компонента без опасности появления не допустимых отклонений температуры, для чего его подачу осуществляют через регулирующий клапан большей пропускной способности, В это время основными возмущениями становятся внешние со стороны колебаний параметров хладагента (его температуры и расхода), уровень дозируемого компонента понижен в расходной емкости, что предопределяет использование на этой стадии клапана с линейной расходной характеристикой.К концу процесса дозирования, ког.да коэффициент передачи объекта по каналу 6 - Т рпринимает минимальное значение, можно увеличить расход оставшегося компонента до максимма, для чего используют регулирующий клапан большей пропускной способности. При минимальных значениях уровня компонента в расходной емкости и коэффициента передачи объекта на завершающей стадии целесообразно использовать клапан с лога.- рифмической расходной характеристикой, при которой изменение расхода приводит к изменению коэффициента передачи регулирующего органа, а сам диапазон изменения расхода существенно расширен при одной и той же величине управляющего сигнала на клапан,При использовании клапанов одного проходного сечения и с одинаковой расходной характеристикой к концу процесса происходит понижение температуры реакционной массы. Чтобы этого не наблюдалось, обычно уменьшают расход хладагента через теплообменнь 1 е устройства реактора, но при этом неоправданно удлиняется время процесса дозирования.Основное функциональное назначение регулирующего клапана - по полученному сигналу производить регулиру. ющее воздействие на расход вещества с целью преднамеренного изменения регулируемой величины объекта управления в желательном направлении.Известно, что расходные характеристики и пропускную способность клапанов проектируют, Исходя иэ условий их работы в турбулентном режиме, когда изменение коэффициента гидравлического сопротивления регулирующего органа практически не зависит от числа Рейнольдса. 30667 6 Однако в технологических процессах, осуществляемых в РПНД, при регулируемой подаче дозируемого компонента из расходной емкости в реакторимеется режим течения жидкости, характеризующейся малым значением числа Рейнольдса, когда К с 2000, иэто обстоятельство следует учитыватьпри выборе профиля и размера регули 1 б рующего клапана. Движение дозируемойжидкости при этом является неустановившимся, так как величина статического напора изменяется с течениемвремени, а следовательно, меняется 15 со временем и расход вытекающей жидкости из расходной емкости. Следовательно, регулирующие клапаны со стандартными расходными характеристикамии пропускной способностью не в сосб тоянии обеспечить удовлетворительноекачество регулирования, в таком случае приходится комбинировать сочетание регулирующих клапанов с разнымихарактеристиками и пропускной способр 5 ностью путем их параллельного соединения и последовательности срабатыванияУчитывая, что работа регулирующихклапанов лучше всего протекает в области, соответствующей 0,7-0,9 степени его открытия, применение трехклапанов, параллельно соединенных ипоследовательно включаемых (последующих) и отключаемых (предыдущих) вконтур регулирования температуры помере слива дозируемого компонента израсходной. емкости, обладающих разнымипропусхными способностями и расходными характеристиками, позволяет обеспечить более точное регулированиетемпературы реакционной массы, повышая ее точность и способствуя болеебыстрому регулируемому сливу дозируемого компонента из расходной емкости, существенно сокращая длительность процесса дозирования. При этом исключено ступенчатое двухпоцизионное регулирование типа "включено-выключено", так как оно редко удовлетворяет предъявленным требованиям,не позволяя достичь стационарного режима в системе регулирования и вызывая быстрый износ штока и седла клапана из-за его частых срабатываний. Кроме того, значение критерия Рейнольдса становится еще меньшим.Пропускная способность регулирующего клапана определяется площадью проходного сечения седла при полнос1230 билизации температурного режима реакционной массы минимальный расход дозируемого компонента.Кривая 2 характеризует диапазон изменения расхода для клапана средней пропускной способности с линейной расходной, характеристикой (точки 4-8 и 5-9). В данном случае прежний диапазон изменения величины управляющего сигнала ЬР вызывает более существенный диапазон изменения расхода дозируемого компонента ь 6 с (точки 8и 9), что существенно для среднейстадии процесса дозирования, когда коэффициент передачи объекта по каналу управления значительно снижен.Кривая 3 характеризует диапазон изменения расхода для клапана максимальной пропускной способности с локой (точки 4-10 и 5-11),Здесь прежний диапазон изменения величины управляющего сигнала ьР вызываетболее широкий диапазон варьированиярасходом дозируемого компонента ь ч(точки 10 и 11), Это позволяет значительно увеличить подачу дозируемого компонента для стабилизации температурного режима, когда коэффици 25 ент передачи объекта по данному кана- З лу управления приобретает самое минимальное значение. Таким образом,диапазон изменения расхода доэируемого компонента обусловлен не только величиной пропускной способности регулирующего клапана ( О = 0,235 для клапана с Р, = 6, ( = 0,46 для клапана с 35 =10 и О= 0,68 для Р = 15), но и его расходной характеристикой (экспоненциальной для клапана с 3 = 6, линейной для клапана с 2 = 10, логарифмической для клапана с Р = 15).Графики (фиг. 3) динамик регулирования температуры реакционной мас 45 сы приведены для трех стадий: на начальной стадии процесса дозирования (фиг. 3.1), в середине процесса дозирования (фиг, 3.3), при использовании регулирующих клапанов разной пропускной способности и разных рас 50 ходных характеристик.На начальной стадии процесса дозирования регулирующие клапаны средней (.З10) и максимальной (35=15) пропускной способности не обеспечивают требуемой точности стабилизации температурного режима ЬТ ьТд Т . Лишь регулирующий клапан гарифмической расходной характеристи 667 10 с минимальной пропускной способностью (З = 6) обеспечивает необходимую точность регулирования ЬТз с ь ТВ середине процесса дозирования регулирующий клапан со средней пропускной способностью ( П = 10) обес. печивает необходимую точность стабилизации температурного режима ьТс с ь Т . Для клапана максимальной пропускной способности (Э = 15) имеют место недопустимые выбеги температуры ьТ 4 7 ь Т . Для клапана минимальной пропускйой способности (2= 6) точность регулирования заниженная Ь Тб с ь Т с ьТ, т.е. его рабо та приближается к насыщению, когда он, будучи полностью открыт, перестает воздействовать на поток дозируемой жидкости. На конечной стадии процесса дозирования регулирующий клапан с максимальной пропускной способностью (Р 5 = 15) позволяет регулировать температуру реакционной массы с требуемой точностью ЬТ с с дТ. Клапан со средней пропускной способностью ( Юу = 10) обеспечивает заниженную точность регулирования д Тз с ьТ с дТэ. Клапан с минимальной пропускной способностью (2= 6) перестает воздействовать на поток и температура реакционной массы начинает снижаться. На основании проведенного анализа качества регулирования температуры на всех трех стадиях процесса дозирования с использованием клапанов разной пропускной способ ности можно сделать следующий вывод: для обеспечения требуемой точности регулирования температуры необходимо на начальной стадии процесса доэирования применять клапан минимальной пропускной способности (3= 6), в середине процесса - средней пропускной способности (05 = 10), а к концу процесса - максимальной пропускной способности (3= 15).График (фиг. 4) длительности слива компонента из расходной емкости представлен при использовании трех разных клацанов, где 7 н - исходный (начальный) объем компонента в расходной емкости: Ч и Ч значение объемов, при которых происходит переключение клапанов,Время ь, соответствует среднему значению расхода через клапан на 175 = 6, время с - через клапан на Р = 10, время- через клапан наэ7 8та и длительности полного его сливаиз расходной емкости.от пропускнойспособности клапана и величины управляющего сигнала на клапан, на фиг.6 -график изменения параметров РПНД взависимости от степени его заполнения;Устройство (фиг. 1) содержит реактор 1 с рубашкой 2, змеевиком 3, мешалкой 4, двигателем 5 мешалки, клапаном 6 выгрузки, штуцерами 7 н 8 подачи хладагента .в рубашку и вывода хладагента из змеевика соотмассы в реакторе, датчик 13 температуры реакционной массы в реакторе,вторичный прибор 14, регулятор 15,датчик 16 уровня доэируемого комповторой и третий элементы 19-21 И,запорно-регулирующие клапаны 22-24 соной способностью и экспоненциальной расходной характеристикой, со средЭО теристикой. Из приведенных данных (фиг. 2) изменения относительного расхода до зируемого компонентадля разныхпропускных способностей и расходныххарактеристик клапанов в зависимостиот величины управляющего сигнала Р.,подаваемого в мембранные пневматичес 1кие исполнительные механизмы клапа- .нов, видно, что диапазон изменениярегулируемого расхода дозируемого от его расходных характеристик, Криния расхода для клапана минимальнойпропускной способности с экспоненциальной (быстродействующей) расходной Один и тот же диапазон измененияуправляющего пневматического сигнала дР (точки 4 и 5) вызывает незначительный (самый минимальный) диапазон колебания расхода дозируемогокомпонента дч (точки 6 и 7), чтоважно для начальной стадии процессадоэирования, когда требуется для ста 7 123066тью поднятом наконечнике штока. Расходная характеристика клапана зависит от профиля наконечника штока.Поскольку все три клапана обладают свойствами запорных (отсечных),то расход компонента при полностьюзакрытом клапане отсутствует.Значение коэффициентов пропорциональности К, К , К, исходя из разных значений пропускной способностиклапанов и их расходных характеристик на разных стадиях дозировки,соответствуют следующим условиям неравенства: КК с К. При значи- ветственно, патрубок 9 вывода газотельных диапазонах изменения парамет образных продуктов, расходную емров, столь характерных для РПНД, и кость 10 с гоэируемым компонентом,использовании регуляторов перемен- указатели 11 н 12 уровня реакционнойной структуры (РПС) длительность переходных процессов может изменятьсяв несколько раз. Если показатели качества регулирования должны выдерживаться в жестких пределах, то нужно нента в расходной емкости, вторичныйустранить произвольное смещение по- прибор 17, блок 18 уставок, первый,верхности скольжения, т.е. в процессе изменений параметров объекта поверхность скольжения должна возвра- ответственно с минимальной пропускщаться в исходное состояние. Такойспособ адаптации легко достичь, используя клапаны разной пропускной ней пропускной способностью и линейспособности и разных расходных ха- ной расходной характеристикой, срактеристик, подключая их и отклю- максимальной пропускной способностьючая последовательно в контур регули- и логарифмической расходной харакрования на основе информации об изменяющихся параметрах объекта управления, легко определяемой по количеству сдозированного компонента израсходной емкости. Здесь достигается- высокая эффективность адаптации припростом конструктивном и функциональном исполнении самой системы. При использовании регулятора с переменными10параметрами настроек каждый клапанпришлось бы снабжать своим индивидуальным регулятором. На подготовитель- компонента зависит не только от проных операциях, связанных с промывкой пускной способности клапана, но ирасходной емкости и реактора перед45началом процесса или по его заверше- вая 1 характеризует диапазон изменению, выгодно использовать также клапан максимальной пропускной способности, что сокращает длительностьэтих вспомогательных операций. характеристикой (точки 4-6 и 5-7).На фиг. 1 приведена функциональнаясхема устройства; на фиг. 2 - расходные характеристики регулирующих клапанов на фиг. 3 - динамика регулирования температуры реакционной массы,на фиг 4 - длительность слива дози-руемого компонента; на фиг. 5 - зависимость расхода дозируемого компонен11 12306 не 1 чу значению расхода через три клапана различной пропускной способности. В точке 1 (объем компонента в расходной емкости 11 с , время ) происходит переключение клапанов с Р = = 6 на П = 10 при сливе 1/3 объема сдозированного компонента. В точке 2 (объем Ус, время с ) с Э = 10 на 35 = 15 при сливе следующей порции 1/3 объема сдозированного компонента. 1 О Из графика видно, что время дозировки значительно сокращается при использовании трех параллельно установленных и последовательно подключаемых клапанов по сравнению с использо ванием клапана только Э = 6 или 2910, но меньше, чем при использовании клапана на 3 = 15 ( с с 2 с О а)Графики (фиг. 5) изменения расхо да дозируемого компонента ( Ц) и длительности его слива Т из расходсной емкости приведены в зависимости от пропускной способности клапанов Я = 6, 10 15 мм) и величины управ ляющего сигнала (Р ) на клапан. Чем меньше величина управляющего сигнала и пропускная способность клапана, тем меньше величина расхода дозируемого компонента и большая длительность слива.Следовательно, чтобы обеспечить работу клапана в области, соответствующей оптимальной степени его откры. тия, необходимо постепенно по мере слива компонента переходить от рабо 35 ты с клапаном минимальной пропускной способности на 3 = 6 к клапану на 210, а затем на Р = 15. Зависимости изменения параметров реактора40 (фиг. 6): коэффициента теплопередачи (К), объема реакционной массы ( 7 ц) и поверхности теплообмена (Г), а также параметров реакционной массы: плотностии электропроводности45 (Ж), уровня дозируемого компонента в расходной емкости (Н ), приведены в зависимости от степени заполнения реактора (ч ). Увеличение поверхности теплообмена позволяет соответст 50 вующим образом увеличить подачу доэируемого компонента, но сопровожда 67 12ющееся уменьшение его уровня в расходной емкости препятствует этому. Среднее значение расхода уменьшается с 1,24 м/с, когда уровень дозифуемо го компонента в расходной емкости максимальный, до 0,32 м /с, когда уровень минимальный.Устройство работает следующим образом,В начале процесса, когда уровень в расходной емкости и коэффициент пе. редачи объекта максимальны, регулятор 15 переменной структуры по команде с блока 18 уставок (Н) через логический элемент И 19 воздействует на клапан 22 подачи компонента, обладающий минимальной пропускной способностью с экспоненциальной расходной характеристикой. При достижении уровнем дозируемого компонента отмет ки, соответствующей уменьшению его объема в расходной емкости (Н) на 1/3, блок 18 уставок выдает команду через логический элемент 19 И на отк лючение клапана 22 минимальной пропускной способности с экспоненциальной расходной характеристикой и подключение по команде с логического элемента 20 И в контур регулятора клапана 3 средней пропускной способ. ности с линейной расходной характеристикой; Когда из расходной емкости сдозируется еще 1/3 объема компонента, с блока 18 уставок через логический элемент 20 И поступает команда на "Отключение" из контура регулятора клапана 23 и "Подключение" в контур клапана 24 максимальной пропускной способности с логарифмической расходной характеристикой.Использование предлагаемого устройства позволяет в 3-4 раза уменьшить динамическую ошибку и сократить длительность процесса дозирования При получении в РПНД мускуса амбрового использование. данного устройства позволяет за счет сокращения длительности дозировки на 1/3 увеличить выработку этого вещества за счет стабилизации температурного режима.