Способ автоматического регулирования температурного режима колонны синтеза аммиака

 

Изобретение относится к автоматизации производства аммиака и метанола, может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности и по2 зволяет увеличить выработку аммиака и срок службы катализатора за счет улучшения качества регулирования температур Т в слоях катализатора путем формирования управляющих сигналов (УС) на изменение подачи циркуляционного газа через клапаны основного хода и холодных байпасов. Каждый УС формируют по расходу, давлению , температуре, составу газа на входе колонны синтеза, давлению газообразного аммиака в испарителе жидкого аммиака, заданным и измеренным Т в текущем и предыдущих моментах времени, величинам УС в. предыдущем моменте времени, предельным значениями УС и Т. При достижении каким-либо УС своего предельного значение автоматически перераспределяют подачу газа по оставшимся в работе холодным байпасам и основному ходу с целью минимального отклонения Т от своих заданий. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4819296/26 (22) 24.04.90 (46) 30,05.92. Бюл. f4 20 (71) Северодонецкое бпытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственного объединения "Химавтоматика" (72) В.В.Лымарев, Н,А.Нидченко, Г.З.Ермоленко, B.Ñ.Áåëûõ и А.П.Онучин (53) 66.012-52(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1270114, кл. C 01 С 1/04, 1986.

Авторское свидетельство СССР

O 1212945, кл. С 01 С 1/04, 1986. (54) СПОСОБ АТОМАТИЧ ЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА

КОЛОННЫ СИНТЕЗА АММИАКА (57) Изобретение относится к автоматизации производства аммиака и метанола, может быть использовано в.химической и нефтехимической промышленности и поИзобретение относится к автоматизации производства аммиака, метанола и может быть использовано в химической, нефтехимической промышленности и промышленности по производству минеральн.ых удобрений.

Целью изобретения является повышение производительности процесса синтеза аммиака и увеличение срока службы катализатора путем повышения точности поддер жания заданных температур в слоях катализатора колонны синтеза аммиака.

На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа. („5U(, 1736928 А1 (я)5 С 01 С 1/04, G 05 О 27/00 зволяет увеличить выработку аммиака и срок службы катализатора за счет улучшения качества регулирования температур Т в слоях катализатора путем формирования управляющих сигналов {УС) на изменение подачи циркуляционного газа через клапаны основного хода и холодных байпасов.

Каждый УС формируют по расходу, давлеwe, температуре, составу газа на входе колонны синтеза, давлению таэообразного аммиака в испарителе жидкого аммиака, заданным и измеренным Т в текущем и пред-.

ыдущих моментах времени, величинам УС в. предыдущем моменте времени, предельным значениями УС и Т. При достижении каким-либо УС своего предельного значение автоматически перераспределяют подачу газа по оставшимся в работе холодным байпасам и основному ходу с целью минимального отклонения Т от своих заданий. 2 з.п.ф-лы, 1 ил. (л)

Схема содержит поток азотоводород-. ; 0 ной смеси (ABC). компрессор 1, колонну 2 . о конденсации, поток: рециркуляционного га- ) за (РЦГ), поток циркуляционного газа (ЦГ), выносной теплообменник 3, основной поток

{0ll) циркуляционного газа, байпасные потоки {БП) циркуляционного газа, встроенный теплообменник 4, колонну 5 синтеза, подогреватель 6 питательной воды высокого давления, сепаратор 7, испаритель 8 жидкого аммиака вторичной конденсации, датчик

9 расхода, датчик 10 давления, датчик 11 температуры, датчик12 состава циркуляционного газа на входе колонны синтеза. датчик

1736928 сируются потери давления в системе. Далее

Рцг подается на вторичную конденсационную систему, состоящую из конденсацион- 40

S0

13 давления и датчик 14 температуры газообразного аммиака в испарителе жидкого аммиака вторичной конденсации, датчики

15 — 18 температур в слоях катализатора, регулятор 19 степени открытия клапана в линии ОП, регуляторы 20-23 степени открытия клапанов в линиях БП, вычислительное устройство 24.

Схема работает следующим образом.

Азотоводородная смесь (АВС) после сжатия в четвертой ступени компрессора 1 поступает в колонну 2 конденсации, где барботирует через слой жидкого аммиака и смешивается с рециркуляционным газом (Рцг).

Иэ колонны 2 конденсации циркуляционный газ (ЦГ) направляется в выносной теплообменник 3, после которого нагретый ЦГ разветвляется на основной (ОП) и байпасные потоки (БП). ОП газа проходит встроенный теплообменник 4, нагревается там до температуры реакции теплом прореагировавшего газа и последовательно сверху вниз проходит полки (Н /) катализатора колонны 5 синтеза. Перед каждой полкой ОП смешивается с холодным байпасным газом.

На катализаторе колонны 5 синтеза протекает экэотермическая реакция образования аммиака. Прореагированный газ выходит иэ колонны 5, поднимаясь по центральной трубе и нагревая во встроенном теплобменнике 4 входящий реакционный поток. После колонны 5 газовая смесь проходит через подогреватель 6 питательной воды высокого давления, выносной теплообменник 3„ сепаратор 7 и возвращается на циркуляционную ступень компрессора 1. где компенной колонны 2 и испарителя 8 жидкого аммиака вторичной конденсации, где отделяется жидкий аммиак, а Рцг смешивается с АВС.

Сигналы датчиков 9-12 соответственно расхода, давления, температуры, состава циркуляционного газа на входе колонны синтеза с датчика 13 давления,и датчика 14 температуры газообразного аммиака в испарителе жидкого аммиака вторичной конденсации, температур в слоях катализатора . с датчиков 15-18 поступают в вычислительное устройство 24.

Положения (степени открытия) клапанов в линиях ОП и БП регулируются регуляторами 19 и 20-23 соответственно.

Вычислительное устройство 24 рассчитывает необходимые положения клапанов и в виде управляющих сигналов выдает на регуляторы 20-23.

Расчеты производят на основании математической модели обьекта управления

AT K AF+ K8T ЛВ, (1) где Л Т вЂ” изменения температур в слоях катализатора при изменении положений клапанов в линиях подачи циркуляционного газа в колонну синтеза (Л F) и параметров возмущений (Л В);

AТ={ЛТ }, AF.={ЛГ }, AВ ={ЛВ }— матрицы-столбцы, i =1ïò, j =1np, m =1,пв; где пт — количество регулируемых температур в слоях катализатора;

nF - количество регулирующих клапанов в линиях подачи циркуляционного газа в колонну синтеза. Если nF = пт, то пг — количество холодных байпасов подачи газа. Если пр = пт+ 1, то nr- — количество всех линий подачи газа как по холодным байпасам, так и по основному ходу; пв — количество параметров возмущений;

К = (Кл) — матрица коэффициентов модели объекта по каналам положения клапанов — температуры — корректируется по методу регрессионного кошагового анализа;

Ка = {Кат} — матрица-столбец коэффициентов модели по каналам возмущения — температур;

Ка — матрица, транспортированная с матрицей Ка, Для управления указанную модель преобразовывают в следующий вид:

К(Р - F) = Кп{(Тзад(1) - Т()) - (Тзад(— Л 1)- Т(1 - Л g))} + Ки(Тзад(1) - Т(1)) - Ка (В(1)- В(с- «)) (2) где t — текущий момент времени;

Л1 — цикл управления;

Кп, Ки — коэффициенты настройки;

F — управляющие сигналы или расчетные значения положений клапанов в текущий момент времени;

F — положение клапанов в линиях подачи циркуляционного газа в колонну синтеза, T»„— задания температур в слоях катализатора;

Т вЂ” температура в слоях катализатора;"

 — параметры возмущений;

F = {F j} Тзад и {Таад i}, Т а {Т }, В «{bm}— матрицы-столбцы.

В вычислительном устройстве вычисляют составляющие(ЛТа) управляющих сигналов по возмущению по каждому холодному

5 1736928 6

10

15. тельным управляющим сигналом (F ) пре20

Е (t) - Таад(1) - T(t); (5) 40

$1=ДТо- ДТв, (8) 50

6аАпасу в зависимости от температуры (Т -1} в предыдущем по ходу газа слое катализатора, обратно пропорционально давлению (P) газообразного аммиака в испарителе жидкого аммиака вторичной конденсации, температуре (Тгк) вторичной конденсации и составу (С) газа на входе колонны синтеза, прямо пропорционально расходу (0), давлению (Рцг) и температуре (Так.) циркуляционного газа не-входе колонны синтеза:

В - (Ти, Р, Тга, С, Q. Рцг, Tax); (3) .

ДТа = Ка (B(t) - В(1 - Л t)) . (4) Вычисляют разности (е) между заданными (Т»д.) и измеренными Щ значениями температур в соответствующих слоях катализатора в текущем и предыдущих моментах времени: е (t - Д t) = Т »„(t - Дл) .- T(t - Д t), (6) где T» . = (Таад.i) — матрица-столбец заданий температур в слоях катализатора;

Т зад, = (Т задф) — матрица-столбец скорректированных заданий температур; е = (@) —. матрица-столбец.

Вычисляют составляющие управляющих сигналов по отношению (b, То) пропорционально вычисленн ым разностям температур в соответствующих слоях катализатора (е) в текущем и предыдущих моментах времени.

Д То = Kn(е (т) е- (t - Д т)) + КиЕ (t), (7) где ДТо = (Tai) — матрица-столбец.

По составляющей управляющих сигналов по возмущению (Д Т ) и соответствующим составляющим управляющих сигналов по отклонению (Ь То) определяют первые корректирующие сигналы ($ >): где S t (S ti} — матрица-столбец.

Вычисляют вторые корректирующие сигналы ($г) пропорционально вычисленным первым корректирующим сигналам (М

$г=К" », где К вЂ” матрица, обратная матрице К,.

$г - ($г1} — матрица-столбец.

Корректирующие сигналы $г вычисляют только в том случае. если не разрешено из25

35 менение подачи газа по основному ходу, а разрешено только по байпасам,.т.е. пр = n .

Вычисляют управляющие сигналы (F ) как сумму положений клапанов соответствующих холодных байпасов (F) и вычисленных вторых корректирующих сигналов ($г):

Г = F+ $г (10)

Если управляющие сигналы (0 ) находятся в своих допустимых границах, то значениям скорректированных заданий (Т зад) присваиваются значения исходных заданий (Тзад):

Т зад Тзад. (1 1)

При достижении каким-либо вычислидельного значения положения клапана соответствующего холодного байпаса (Fmin ), или (Fm»1) задания температур в слоях катализатора (Т зад) и управляющие сигналы (F ) рассчитывают в зависимости от исходных заданий температур (Таад.), положений клапанов холодных байпасов (F), вычисленных первых корректирующих сигналов ($1) — предельных значений положений клапанов (Fmin, Fmax) и температур в слоях катализатора (Tmin, Тва ), в соответствии с критерием минимального отклонения температур {Т) от своих исходных заданий

{Тзад.).

Расчет сводится к решению задачи нелинейного программирования относительно 0 иТзад.

Минимизируется нелинейная целевая функция:

Ф1 = max (Т зад -. Таад t - т) и (12)

Ограничения равенства:

К(0 - 0) = Кп((Т эад(1) - Т(т)) - (Таад(т - и)

-T(t - Дт))) + Ки(Т эад(т) - Т(т})- Ка (8(t)- B(t — Д t)) (13)

Ограничения неравенства:

Fmin F Fmax (14)

Tmin «=Т эад -Твах (15)

Где Fmin -=(Fmin1}: Рвах = (Fmaxj): Тв!и «(Tmini) Tmax = (Tmaxi} — матрицы.-столбцы.

В случае, если разрешено изменение подачи газа по основному ходу, т,е. и - nr+ 1, то задания. температур в слоях катализатора (Т"зад) и управляющие сигналы (F ) по основному ходу и каждому холодному байпасу рассчитывают в зависимости от: исходных заданий температур.(Таад.), положений (F) клапанов основного хода и холодных байпасов, вычисленных первых корректирующих сигналов (»). предельных значений положений клапанов (0вь; Fmax) и температур (Tmin.

Tmax) в соответствии с критерием минимального отклонения положения клапана основ1736928 ного хода (Рпг) от максимального значения (Fmax,nF).

В этом случае расчет F и Т зад. сводится к решению задачи нелинейного программирования (12)-(15), в. который добавляется критерий линеариэации второй целевой функции:

Ф2 = Fmax,nF - F nF n, (16) где пг - n + 1 — номер по порядку линии подачи rasa, соответствующей основному ходу.

Необходимые положения клапанов холодных байпасов и в отдельных случаях клапэна основного хода устанавливают равным соответствующим вычисленным управляющим сигналам (F ), По предлагаемому способу с точностью

1 — 2 С поддерживается температура в слоях катализатора колонны синтеза.

При использовании предлагаемого способа увеличивается выработка аммиака на

0,1 т/ч благодаря повышению точности поддержания заданных температур в слоях катализатора, увеличения срока службы катализатора.

Формула изобретения

1. Способ автоматического регулирования температурного режима колонны синтеза аммиака путем изменения подачи циркуляционного газа по основному ходу и холодным байпасам колонны синтеза аммиака в зависимости от температур в соответствующих слоях катализатора колонны синтеза, положений клапанов соответствующих холодных байпасов, температуры и состава газа на входе колонны синтеза и температуры вторичной конденсации аммиака, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности колонны синтеза аммиака и увеличения срока службы катализатора путем повышения качества регулирования температурного режима колонны синтеза, дополнительно измеряют давление газообразного аммиака в испарителе жидкого аммиака вторичной конденсации, расход и давление циркуляционного газа на входе колонны синтеза, вычисляют составляющие управляющих сигналов по возмущению по каждому холодному байпасу в зависимости от температуры в предыдущем по ходу газа слое катализатора, обратно пропорционально давлению газообразного аммиака в испарителе жидкого аммиака вторичной конденсацйи, темперапервым корректирующим сигналам, рассчи20 тывают управляющие сигналы по каждому холодному байпасу как сумму величин поло30 ному ходу и каждому холодному байпасу

45 -рассчитывают в зависимости от исходных

50 клапанов и температур в слоях катализатора и регулируют подачу циркуляционного газа по основному ходу и каждому холодно. му байпасу прямо пропорционально рассчи-

40 туре вторичной конденсации и составу газа на входе колонны синтеза, прямо пропорционально расходу, давлению и температуре циркуляционного газа на входе колонны синтеза, вычисляют разности заданных и измеренных значений температур в соответствующих слоях катализатора в текущем и предыдущем моментах времени, вычисляют составляющие управляющих сигналов по отклонению по каждому байпасу пропорционально вычисленным разностям температур, рассчитывают первые корректирующие сигналы по каждому холодному байпасу в зависимости от вычисленных составляющих управляющих си-нэлов по возмущению и отклонению, рассчитывают вторые корректирующие сигналы по каждому холодному байпасу пропорционально рассчитанным жений клапанов соответствующих холод-. ных байпасов и вторых корректирующих сигналов и регулируют подачу циркуляционного rasa по каждому холодному байпасу прямо пропорционально рассчитанным соответствующим управляющим сигналам, 2, Способ по и. I, отличающийся тем, что при достижении каким-либо клапаном своего предельного значения, задания температур в слоях катализатора и управляющие сигналы по каждому холодному байпасу рассчитывает в зависимости от исходных заданий температур, положений клапанов холодных байпасов, вычисленных первых корректирующих сйгналов, предельных значений положений клапанов и температур в слоях катализатора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при достижении каким-либо клапаном холодного байпаса своего предельного значения, задания температур в слоях каталиэатора и управляющие сигналы по основзаданий температур, положений клапанов основного хода и холодных байпасов, вычисленных первых корректирующих сигналов, предельных значений положений танным соответствующим управляющим сигналам.

1736928

Составитель В. Лымарев

Редактор.Т. Лазоренко Теехред M,Mîðãåíòàë Корректор Э. Лончакова

Заказ 1866 Тираж ПоДписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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