Способ автоматического регулирования процесса синтеза аммиака

 

Изобретение относится к автоматизации производства аммиака и может быть использовано в промышленности по производству минеральных удобрений, химической и нефтехимической промышленности. Целью изобретения является повышение производительности процесса за счет повышения точности поддержания заданной концентрации инертов в циркуляционном газе на входе в колонну синтеза. Способ позволяет на основании информации о расходе и составе свежего газа, расходе, составе и давлении циркуляционного газа на входе колонны синтеза, концентрации аммиака в циркуляционном газе на выходе колонны синтеза, температурах первичной и вторичной конденсации аммиака, расходах жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака и концентрации аммиака в циркуляционном газе на выходе аппаратов первичной конденсации аммиака рассчитывать и устанавливать требуемый расход продувочного газа и в зависимости от состояния процесса автоматически определять моменты перехода с режима управления по инертам на режим управления по давлению циркуляционного газа и наоборот. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„15О246

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTQPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО Н305! EТЕНИЯЧ И ОТНРЬП ИЯМ

ПРИ ГННТ CCCP

1 (2 ) 4219Т53/?3-26 (22) 01 ° 04.87 (- 6) 23.08.8Э. Вюл. !! - 31 (72) В,В. Лымарев, Г.З. Грмоленко и H.А. Нчлченко (53) 66.012.52(088.8} (56) Авторе«ое свидетельство СССР

У 874622, кл. С 01 С 1/04, 1980.

Автопское свидетельство СССР

Ф 1002241, кл. С 01 С 1/04, 1981. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКИ:ОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА СННТЕ3А АММИАКА (57) Изобретение относится к автоматизации производства аммиака и может быть использовано в промышленности по производству минеральных удобрений, химической и нефтехимической промьппленности. Целью изобретения является повншение производительности процесса за счет повышения точности поддержания эаИзобретен-.te относится к автоматизации производства аммиака и может быть использовано в промышленности по производству минеральных удобрений, химической и нефтехимической промьпплепности.

Целью изобретения является повышение производительности процесса за счет псльппения точности поддержания заданной концентрации инертов в циркуляционном газе на входе колонны синтеза.

На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа. (5!) 1 С 01 С 1/04 G 05 D .27/00 данной концентрации ипертол в циркуляционном газе на входе колонну синтеза. Способ позволяет на основании информации о расходе и составе свежего газа, расходе, составе и дap енин циркуляционного газа на входе колонны синтеза, концентрации аммиака в циркуляционном газе на выходе колонны синтеза, температурах первичной и вторичной конденсации аммиака, расходах жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака и концентрации аммиака в циркуляционном газе на выходе àïïap ртов первичной конденсации аммиака рассчитывать и устанавливать требуемый расход продувочного rasa и в sa.висимости от состояния процесса автоматически определять моменты перехода с режима управления по инертам на режим управления по давлению циркуляционного газа и наоборот. 1 ил.

Схема содержит поток 1 свежего газа, поток 2 рециркуляционного газа, поток 3 циркуляционного газа, аппараты 4 вторичной конденсации аммиака, поток 5 жидкого аммиака, колонну 6 синтеза аммиака, аппараты 7 первичной конденсации амм«ака, поток 8 жидкого аммиака, поток 9 продувочного газа, датчик !О расхода свежего газа, датчик !1 расхода циркуляционного газа, датчик !2 расхода продувочного газа, датчик 13 ра хода жидкого аммиака из аппаратов перви;ной конденсации аммиака, лат3 1502466 чик 14 расхода жидкого аммиака из аппаратов вторичной конденсации аммиака, датчики 15-18 состава соотнетственно свежего газа, циркуляционного газа на выходе из аппаратов вторичной конденсации, аммиака, на выходе из колонны синтеза, на выходе иэ аппаратов первичной конденсации аммиака, датчик 19 давления циркуляционного газа, датчики 20 и 21 температуры циркуляционного газа соответственно после ;...аратон вторичной конденсации амми;зк . и после аппаратон первичной конденсации аммиака, 15 регулятор 22 расхода продувочного газа, вычислительное устройство 23.

Схема работает следующим образом.

Свежий ra;. 1 смешивается с рециркуляционным газом 2 и образует цирку- 20 ляционный газ 3. Циркуляционный газ

3 поступает н аппараты 4 вторичной конденсации аммиака, где происходит отделение сконцентрированного аммиака 5. Далее циркуляционный газ поступает в колонну 6 синтеза аммиака.

Циркуляционный газ, выходящий из колонны синтеза, поступает в аппараты

7 первичной конденсации аммиака, где происходит отделение сконденсирован- 30 ного аммиака 8, оставшийся циркуля- ционный газ 2 рециркулируют снова на вход аппарата 4 вторичной конденсации аммиака. Для предотвращения накопления в системе инертных при- 35 месей часть циркуляционного газа отводится в виде продувочного газа 9.

Сигналы датчиков 10-14 соответственно расходов свежего газа, циркуляционного газа на входе в колонну 40 синтеза, продувочного газа, жидкого аммиака иэ аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака, с датчика 19 давления циркуляционного rasa с датчиков 20 и 21 температуры 45 циркуляционного газа после вторичной и первичной конденсации аммиака поступают в вычислительное устройство 23. Концентрацию метана и аргоь на в свежем газе замеряют датчиком

15, концентрацию метана, аргона, аммиака н циркуляционном газе на входе в колонну синтеза — датчиком 16, концентрацию аммиака в газе на выходе колонны синтеза — датчиком 17, концентрацию аммиака в газе на выходе аппаратов первичной конденсации аммиака — датчиком 18. Сигналы с датчиков 15-18 поступают в вычислительное устройство 23. Расход продувочного газа регулируется регулятором 22.

Вычислительное устройство 23 рассчитывает необходимый расход продувочного газа и выдает сигнал на регулятор 22 расхода продувочного газа в виде задания, который устанавливает требуемый расход продувочного газа.

Способ осуществляется следующим образом.

В вычислительном устройстве 23 по расходам свежего, продувочного и циркуляционного газов (Я нм /ч) жидкого аммиака из айпаратон первичной и вторичной конденсации аммиака (С,, С,, т/ч), температурам первичной и вторичной конден-сации аммиака (t,, tz„, С), дав к э лению циркуляционного rasa (Р„,, ати), концентрациям метана и аргона в свежем газе (М,, А, X об, ), концентрациям аммиака н циркуляционном газе после колонны синтеза, аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака (Х, Х,, Х, об.Ж), вычисляют коно центрации инертов (метана, аргона) н циркуляционном газе на входе в колонну синтеза f (t), f„(t), f (t), об.Ж, на основании статической модели материального баланса процесса синтеза по инертам: о() fi(t)+f2(t) (1 свР К Р зк 1 Р Рка2. Р 1к Р г к Р 11св сн Р

). (1)

На многих действующих агрегатах аммиака отсутствует автоматическое измерение концентрации аммиака в технологическом газе. В способе предусмотрен расчет концентраций аммиака

Х „ Х, Хо н случае отсутствия измерения (Р 4, 65ь+5 9&8 1Рц -18-(09Р 5/(tð„+g (31) ()

Ч -02 1О 4 1656 5988l ur {079 5 < гк+273)) (2 (4)

Х,=Х,+11 где 1, 2, и О, 2 — коэффициенты коррекции, учитывающие содержание инертов в циркуляционном газе об.Ж;

18 — перепад давления на колонне, ати;

1502466! ак мка а к (:ка! +!,ка ) 1 (5) (1 <ак1 к i1 ак (<+0!:ка2) (6) где Ц„„ — расход сконденсированного аммиака, Определяемый по расходам свежего и продувочнОГО газов (Q гб и Q а ) °

Во втором случае расходы жидкого аммиака определяют следующим образом

О 1 л 100-Х с

1 ок ак

1 акi

Ц + (1 ) Х, .100 — Q„ X2 . 100; а (7) изменение объема циркуляционного газа в колонне, расход газа на выходе из колонны, нмз /ч; где о

I 1

Оак 3 к!ок2

Н (ак т к ок2

Концентрация инертов (метана, аргона) в циркуляц овном газе на входе а4 CН ац Рг ед.об., определяют решением системы уравнений материального баланса процесса синтеза по инертам сб сб 1 np !!p сн 1 ак1с ск! (цг ) !!р, cH q ак2 cH< 2 ur L!r сн+

+ (P — 18)а + Я сс P а; .(12) 1 сб11сб/1< + аср СН ((к сб + Qa!2) Q„ >r CP+ () Цсб сб /100 = Qnp np Ar + Цак ° б ф„, (Рцг 18)B np Ar+ Qa!2a" Arz ír ац, А„, (14) к

А«/100 + anp Ar (Q g Qce+ Qav<) Q„a+r A>

11 — разность аммиака н газе на входе и выходе из колонны, об.X.

Расходы жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака (0.Д, 0а нм /ч) корректируются или по расходам жидкого аммиака с объекта (G „G„а2), или по концентрациям аммиака (Х,, Х ):

R =(100+Xz): (100 X ); Qî, „ b Qа.к„, расходы жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации, рассчитанные разными способами, 30 им3 /ч

Растворимость метана и аргона в жидком аммиаке первичной и вторичной

I нм /ч конденсации аммиака, — — з,--,--рй-, рас35 считывают по следующим уравнениям: где а „р „, а„ „ — концентрация мета1 на и аргона в продувочном газе— два неизвестных иэ четырех в системе уравнений.

При отсутствии автоматического измерения концентрации аргона в свежем

55 газе (А ) эта концентрация, а также сб степень растворимости инертов в жидком аммиаке (К ) корректируется по концентрации метана и аргона в цирсн =(0,185+0,0035 „)t 10 K (8)

=(0,085+0,0014 к)t 10 К ; (9) н =(p,185+0,00352„)t 10 K (10)

=(p,085+0,0014 2к) 1О К, (11) где К вЂ” степень растворимости инертов в жидком аммиаке, в начальный момент времени К 1. куляционном газе (М „ и А„,). Коррекция происходит не чаще 1 раза в

8 ч путем решения системы ypanêекия (12-15) относительно К„, А,, а„,.H а „ „ при исходных данных ь,г СН цг

При отсутствии автоматического измерения концентрации аргона в циркуляционном газе (А ц,) эта концентрация вводится в вычислительное устройство по лабораторным анализам.

1502466

Тогда концентрации f.,(t), f,((), f (t) определяются следующим образом:

, (t) =а,.сна 100; f т(t) =ац„„„ 100;

f,(t) = f „(t) + g, (t) (16)

Див = уб(а) (21) jO,02,52,87145,149, 16, 17,8, 18, 1, 21, 21, 21).

Прогнозируют первую величину изменения концентрации инертов (AU >) (17) 30 (23) (24) 35

40 ентыу где t — текущий момент времени.

Определяют разность концентрации инертов в текущем и предыдущем моментах времени Д Г,, d h,, д f,:

Af, =f (t) f((t-T); Д f f,(t);

Дf =f (t) — f,(t T), где Т = 15 мин — цикл расчета. t5

Разность Д1„ характеризует изменение всех возмущающих и управляющих воздействий, пересчитанных на выход объекта управления по каналу инертов. 20

Изменение возмующающих воздействий в пересчете на инерты характеризуется уравнением е = Д „— y(t — T), (18) где y(t-T) — управляющий сигнал в предыдущем моменте времени t-T. .Определяют составляющую управляющего сигнала по возмущению Y (t) Y (t) = -4f y(t-Т) — Д f (19)

Расчет прогноза концентрации инертов ведется по динамической характеристике объекта управления по каналу инертов на основании величин изменения управляющих и воэмующающих воздействий и инертов на интервале времени предыдущих 3 ч — времени переходного процесса объекта управления при ступенчатом возмущении. Динамическая характеристика объекта управления является переходной функцией объекта управления по кана- 45 лу: возмущаняцее воздействие (расход продувочного газа) в пересчете на выход — инерты в циркуляционном газе

W(t+jT) =ДМ(!Т):ДМ(12Т), j=O,! 2, (20) где 12 — количество интервалов времени по 15 мин, соответствующее 3,0 ч — времени переходного процесса объекта управления при ступенчатом возмущении;

М вЂ” экспериментальные коэффици

Величина d U характеризует прогноз изменения инертов в зависимости от составляющей управляющего сигнала по возмущению.

По вычисленным концентрациям инертов в предыдущих моментах времени

fд(t-kT), f (t-kT), k = 0,12 прогнозируют вторую величину изменения концентрации инертов (ДБ„), характеризующую прогноз изменения метана и аргона в зависимости от поступивших ранее управляющих и возмущающих воздействии:

ДЦ(, = (М(t+12T)+A(t+12T)) -(М(t)+Л(t)), (22) где M(t+jT) и

A(t+j Т) — прогноз изменения концентраций метана и аргона в моменте времени t+jТ, j =0,1, 2,... в зависимости от поступивших ранее управляющих и возмущающих воздействий,Х, М(с+оТ) =Мп(с+3Т)+ДЕ,W(t+j T), j = 0,1,2...

A(t+jT) =A (t+jT)+Af W(t+jТ), где М,(t+jT) и A„(t+jT) — прогнозы изм енения

- концентраций метана и аргона в моменты времени t-jT, эти прогнозы рассчитаны в пр едьщущий моме нт времени t-T в зависимости от поступивших до этого момента времени управляющих и возмущающих воздействий.

Прогнозируют третью величину изменения концентрации инертов (pU>)

Д () = -(у (t-2Т)+у (-Т)), (2Д) () где у (t-jT) — составляющая управляюо щего сигнала по отклонению, рассчитанная в моменты времени (t-jT), 1,2.

9 150246

Величина 611 характеризует прогноз изменения инертов в зависимости от будущего (через время Т и 2Т) снятия избыточного управляющего воздействия ,по отклонению. Знак — в уравнении !! !!

5 (25) означает, что сигнал по отклонению подают в 2 раза больше расчетного и через 30 мин возвращают на расчетное значение с целью более бы- 10 строго возвращения инертов на задание.

Прогнозируют значение концентрации инертов (Ц„,„) как сумму концентрации инертов U (t) = И„г + Л„ и трех прогнозных величин изменения концент- 15 рации инертов (28) (2б) 20

30! I — О + «h!Q а + а

Q Ip = ° IIp -" Q„pI ° ацггн a+r pr auriII a!„r ar (29) онного газа по ПИ40 (30) (31), 45 где Р3alp "цг °

I!P

P P

К„ и ʄ—

По предлагаемому способу с точностью +2об.7. поддерживается концентрация инертов на входе в колонну синтеза. прогн "! (+ 9+ " + и °

При отсутствии автоматического измерения концентрации аргона в циркуляционном газе (A ) эта концентрация определяется по вычисленным статическим оценкам концентрации инертов в предыдущих моментах времени f,(t — kT), f (t-kT), k = О, 12 и концентрации метана М г на основании динамической модели объекта и прогнозирования, Вычисляют составляющую управляющего сигнала по отклонению

Определяется второй корректирующии Сигнал (6 О IIp ) заданное и измеренное значение давления циркуляционного газа в текущий и пре- 50 дыдущий моменты времени; коэффициенты настройки, т.е. величина

О прх ЯВЛЯетсЯ We- 55 буемым изменением расхода продувочного газа для управления давлением циркуляци!

0 где U p — заданное значение концентрации инертов.

Вычисляют величину управляющего сигнала в текущем моменте времени

v(t) y(t)=y (t)+2y (t) ó (t-2T) Коэффициент 2 говорит о том, что составляющую управляюп1его сигнала по отклонению подают в 2 раза больше, с целью более быстрого возвращения инертов на задание и через

30 мин возвращают на расчетное значение.

Вычисляют первый корректирующий сигнал (AQ „p,) обратно пропорционально величине управляющего сигнала у(t). Величина 6Q Äp, является требуемым изменением расхода продувочного газа для управления инертами, величина y(t) является требуемьпч изменением управляющего воздействия в пересчете на выход объекта управления, т.е. инертов.

Величина h,О „р, определяется решением системы уравнений материального баланса процесса синтеза (12-15) !

I относительно О „, ацг с н, а „,, ! а„ггн, а„pr при исходных данных закону регулирования

Сравнивают первый и второй корректирующие сигналы (60„, и и изменяют расход продувочного газа на максимальную величину этих сигналов.

Qz =Q„+max(5Q „,, Ь Q Äp ) °

Таким образом, осуществляется автоматический переход с режима управления продувкой по инертам на режим управления по давлению и обратно в зависимости от состояния процесса, которое отражается в расчетной величине корректирующих сигналов b,Q, Qnpz

11 150246

Ожидаемый экономический эффект от использования изобретения получается в основном за счет увеличения выработки аммиака благодаря увеличению точности поддержания за5 данной концентрации инертов на

1,8 об.Х (с 2 до 0,2 об.Ж). Увеличение точности стабилизации концентрации инертов на 1,8 об.7 позволяет сократить расход продувочного газа на 600-1000 нм /ч или увеличивать. выработку аммиака на 0,2 т/ч.

Формула изобретения

Способ автоматического регулирования процесса синтеза аммиака, включающий регулирование расхода продувочного газа в зависимости от расхода и состава свежего газа, расхода, сос- 20 тава и давления циркуляционного газа на входе колонны синтеза концентра1 ции аммиака в циркуляционном газе на вьпсоде колонны синтеза, температур первичной и вторичной конденса- 25 ции аммиака, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повьппения производительности процесса за счет повьппения точности поддержания заданной концентрации инертов в. циркуляционном 30 газе на входе колонны синтеза, дополнительно измеряют расходы жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака, концентРацию аммиака B циркуляционном газе 35 на выходе аппаратов первичной конденсации аммиака, вычисляют концентрацию инертов в циркуляционном газе на входе колонны синтеза аммиака по расходам свежего, продувочного и цир- 40 куляционного газов жидкого аммиака из аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака, температурам первичной и вторичной конденсации аммиака, давлению циркуляционного 45

rasa., концентрациям метана и аргона в свежем газе, аммиака в циркуля6 12 ционном газе после колонны синтеза и аппаратов первичной и вторичной конденсации аммиака, определяют составляющую управляющего сигнала по возмущению как разность между величиной управляющего сигнала в предыдущем моменте времени и вычисленной разностью концентрации инертов в текущем и предыдущем моментах времени, по составляющей управляющего сигнала по возмущению прогнозируют первую величину изменения концентрации инертов, по вычисленным концентрациям инертов в предыдущих моментах времени прогнозируют вторую величину изменения концентрации инертов, по составляющей управляющего сигнала .по отклонению в предыдущие моменты времени прогнозируют третью величину изменения концентрации инертов, прогнозируют значение концентрации инертов как сумму вычисленной концентрации инертов и трех прогнозных величин изменения концентрации инертов, вычисляют составляющую управляющего сигнала по отклонению пропорционально отклонению прогнозного значения концентрации инертов от заданного значения, по составляющим управляющего сигнала по возмущению и отклонению в текущем и предыдущих моментах времени вычисляют величину управляющего сигнала в текущем моменте времени, вычисляют первый корректирующий сигнал, обратно пропорциональный величине управляющего сигнала в текущем моменте времени, вычисляют второй корректирующий сигнал по разности между заданным и измеренным значениями давления циркуляционного газа в текущем и предыдущем моментах времени, сравнивают первый и второй корректирующий сигналы и изменяют расход продувочного газа пропорционально максимальной величине из этих сигналов.

1502466

Составитель Г. Огаджанов

Техред Л. Олийнык Корректор Л. Бескид

Редактор Г. Волкова

Заказ 5030/27 Тираж 435 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101