для стартапов
и инвесторов
Изобретение может быть использовано при получении стабильных изотопов, например изотопа О18, методом низкотемпературной дистилляции NO. Способ контроля и управления работой
дистилляционной колонны с конденсатором паровой фазы и нагревателем-испарителем жидкой фазы для получения целевого продукта включает измерение уровня жидкой фазы в сборном сосуде для жидкой фазы,
встроенном в нагреватель-испаритель жидкой фазы колонны. Параметры циркуляционного потока изменяют путем изменения тепловой мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем в зависимости от изменения
уровня жидкой фазы: при его увеличении величину мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, увеличивают, а при его уменьшении величину мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, уменьшают.
Мощность, рассеиваемую нагревателем-испарителем, изменяют по сигналам автоматического регулятора, на который поступают заданный сигнал уровня жидкой фазы и сигнал от датчика уровня жидкой фазы.
Изобретение обеспечивает эффективность и стабильность процесса изотопного обмена, 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области контроля и управления,
а именно к способам измерения циркуляционного потока и стабилизации уровня жидкого компонента в испарительной системе дистилляционной колонны, предназначенной для получения целевого продукта,
например стабильного изотопа О18, методом низкотемпературной дистилляции оксида азота NO. Известен способ контроля и управления работой дистилляционной колонны с конденсатором
паровой фазы и нагревателем-испарителем жидкой фазы для получения целевого продукта, что обеспечивается регулятором баланса потоков, состоящего из уровнемера, измеряющего уровень жидкости в испарителе,
и электронной логической части, управляющей задатчиком регулятора потока отвала (см. Мусхелишвили Г.Н. «Элементы, устройства и системы автоматического управления процессами концентрирования
стабильных изотопов в насадочных колоннах», Изд-во Тбилисского университета, г. Тбилиси, 1978, с.18-21, с.147-152). Недостатком этой системы управления гидродинамикой колонны является то,
что баланс потоков предполагается осуществлять за счет управления потоком отвала логической электронной схемой в зависимости от изменения уровня жидкой фазы, связь которого с величиной потока отвала
не известна. При фиксированной тепловой мощности нагревателя-испарителя, определяющей некоторую установившуюся величину циркуляционного потока, возмущающее воздействие по изменению тепловой мощности
нагревателя-испарителя неустранимо изменяет величину циркуляционного потока в колонне, а электронная логическая схема управления балансом потоков осуществляет релейный закон управления потоком,
создающий колебательный режим изменения циркуляционного потока в колонне, что неприемлемо, например, для процесса получения изотопа О18 (совместно с О17 и N15) методом
низкотемпературной дистилляции оксида азота. А также то, что описанная структура системы управления гидродинамикой колонны неприменима, например, для 3-секционной колонны,
предназначенной для получения изотопа кислорода О18 методом низкотемпературной дистилляции оксида азота NO, так как содержит три нагревателя-испарителя с различием тепловых мощностей
нагревателей-испарителей (соответственно циркуляционных потоков) по секциям более 30 раз, каждый из которых является источником возмущающих воздействий, в условиях, когда для обеспечения высокой
концентрации изотопов О18 (совместно с О17 и N15) в 3-секционной колонне предъявляются особые требования по точности стабилизации гидродинамического режима. Указанные действия требуют высокой квалификации обслуживающего персонала, и в силу значительной инерционности процессов и временных запаздываний реакций изменения внешних потоков на процесс
накопления/исчерпывания вещества в колонне, в ручном режиме управления совершаются неточно, с ухудшением технологических и экономических показателей эксплуатации процессов разделения изотопов, вплоть
до потери работоспособности колонны. Для безаварийной высокоэффективной работы колонны, в частности ее испарительной секции, необходим способ автоматического управления гидродинамикой
колонны, основанный на анализе внутренних показателей состояния технологического режима колонны, выявления процесса накопления/исчерпывания вещества в колонне при ее длительной эксплуатации. Задачей патентуемого изобретения является обеспечение измерения циркуляционного потока в колонне как основы обеспечения эффективного и стабильного процесса изотопного обмена для производства
изотопов азота и кислорода высокой концентрации, определение процесса захлебывания/ исчерпывания вещества в колонне. Техническим результатом является измерение и управление
циркуляционным потоком стабилизация уровня жидкого продукта в испарителе дистилляционной колонны. Указанная цель достигается тем, что в способе контроля и управления работой
дистилляционной колонной с конденсатором паровой фазы и нагревателем-испарителем жидкой фазы для получения целевого продукта, включающем оценку величины циркуляционного потока и поддержание его на
определенном значении, величина циркуляционного потока определяется посредством измерения мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем колонны, при поддержании ее величины на значении,
обеспечивающем неизменность уровня жидкой фазы в нагревателе-испарителе колонны. А также тем, что поддержание уровня жидкой фазы в нагревателе-испарителе колонны осуществляют путем
изменения тепловой мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем, в зависимости от изменения уровня жидкой фазы в нагревателе-испарителе колонны, причем при увеличении указанного уровня мощность,
рассеиваемую испарителем, увеличивают, а при уменьшении указанного уровня мощность, рассеиваемую испарителем, уменьшают. А также тем, что мощность, рассеиваемую испарителем, изменяют по
сигналам автоматического регулятора, на который поступают сигнал от датчика уровня жидкой фазы в сосуде, встроенном в нагреватель-испаритель жидкой фазы колонны, и сигнал, соответствующий заданному
значению уровня жидкой фазы. На фиг.1 представлена схема дистилляционной колонны, в частности ее испарительная система, реализующая патентуемый способ. На фиг.2
- структурная схема системы автоматической стабилизации уровня жидкого оксида азота NO в нагревателе-испарителе. В испарительной системе 1 в нагреватель-испаритель 2 встроен сосуд 3 в
виде цилиндра, в котором конденсируется часть нисходящего дистилляционного потока. В верхней части сосуда 3 располагается датчик уровня 4, который связан с регулятором 5 с интегральной составляющей в
законе регулирования, управляющим тепловой мощностью, рассеиваемой нагревателем-испарителем 2. Мощность, рассеиваемая нагревателем-испарителем 2, измеряется датчиком мощности 6. Датчик уровня 4, регулятор 5, нагреватель-испаритель 2 с сосудом 3 образуют систему автоматической стабилизации уровня жидкого продукта, например жидкого оксида азота NO, в испарительной
системе 1. Регулятор мощности 5 управляется сигналами от датчика 4 уровня Н и заданного сигнала уровня Нз. Регулятор 5 обеспечивает неизменность уровня Н жидкого оксида азота
NO в сосуде 3. Например, при величине потока жидкой фазы NO G=15 мЛж/мин нагревателем-испарителем 2 рассеивается 150 Вт, достаточных для полного испарения приходящего жидкого
NO, т.е. неизменности уровня NO в сосуде 3 нагревателя-испарителя колонны при заданной мощности N3 нагревателя-испарителя 2, при этом Н = Hз. При изменении
величины потока циркуляции G в испарительной системе 1, например при увеличении G, уровень Н жидкого оксида азота NO в сосуде 3 увеличивается, что приводит за счет работы регулятора 5 с интегральной
составляющей в законе регулирования к плавному увеличению мощности N3 на нагревателе-испарителе 2 до тех пор, пока не восстановится прежний заданный уровень Hз жидкого оксида
азота NO в сосуде 3. При этом мощность, подаваемая на нагреватель-испаритель 2, увеличится, что измеряется датчиком мощности 6, соответствующим, например, мощности 160 Вт. Если уровень
жидкого оксида азота измеряется в сосуде 3 площадью сечения А, то накопление A dH жидкого оксида азота NO за время dt связано с пришедшим количеством жидкого оксида азота NO, равным Gж(t)dt,
и испаренным количеством оксида азота NO, равным Gг(t)dt, уравнением баланса. A dH = Gж(t)dt - Gг(t)dt A dH / dt = Gж(t)
- Gг(t), откуда H = [Gж(t) - Gг(t)] t / A Следовательно, уровень жидкого NO в сосуде 3 не изменен только в случае точного полного
испарения приходящего потока жидкого Gж за счет тепловой мощности нагревателя-испарителя 2, которая измеряется датчиком мощности 6 (с точностью до тепловых потерь нагревателя-испарителя
2). При введении в испарительную секцию 1 дистилляционной колонны системы автоматической стабилизации уровня Н жидкого оксида азота NO в сосуде 3, встроенном в нагреватель-испаритель 2,
имеет место сигнал величины мощности N3, рассеиваемый нагревателем-испарителем 2 и термодинамически соответствующий возбуждению циркуляционного потока G = Gж = Gг в
колонне. При этом для определения величины циркуляционного потока не требуются дополнительные измерительные средства. Ранее было показано, что уровень Н жидкого оксида азота NO в сосуде
3 нагревателя-испарителя 2 не изменен во времени только в случае полного испарения (превращения) в поток Gг паровой фазы оксида азота NO всего приходящего жидкого Gж за счет
тепловой мощности нагревателя-испарителя 2, которая измеряется датчиком мощности 6. Иными словами, датчик 4 уровня Н жидкого оксида азота NO является интегратором с передаточной
функцией где ΔG(P) = G3ж(Р) - G3г(P), P - оператор
Лапласа. Любое нарушение равенства G3ж = G3г вызывает увеличение или уменьшение во времени уровня Н в сосуде 3. Поэтому метрологическая погрешность
датчика абсолютного значения уровня 4 (например, аддитивная) и/или изменение уставки Нз не влияет на процесс измерения циркуляционного потока G3 через мощность N3
нагревателя-испарителя 2 при работе системы автоматической стабилизации Н. Для измерения уровня Н целесообразно применять датчики уровня с высокой чувствительностью к малому изменению
измеряемого параметра (емкостного типа или высокочувствительные дифференциальные манометры, как измерители перепада давления столба жидкого оксида азота NO величиной Н). Например, в
случае применения для измерения Н уровнемера емкостного типа ДУЕ-1 (например, фирмы "Старорусприбор", г. Старая Русса, Россия), комплектованного датчиком КНД-3 с проходом через вакуумную зону и с
диапазоном измерения Н=10 см при классе точности преобразователя (0.5-1)%? реальная точность измерений Н ориентировочно равна +/-(0.5-1)мм. В случае применения высокочувствительных
дифференциальных манометров типа САПФИР для измерения уровня Н=10 см жидкого оксида азота при классе точности 0.25% типоразмера 0.25 кПа, точность измерения уровня составляет около 0.25 мм уровня
NOж. Существование зоны нечувствительности датчика приводит к определенной временной задержке выявления нарушения циркуляционного потока относительно заданного мощностью
нагрева при последующей автоматической ликвидации выявленного нарушения циркуляционного потока. Если предположить наличие у датчика зоны нечувствительности 1 мм, то при площади сечения
А=100 см2 сосуда 3 и объеме, соответствующем 1 мм высоты сосуда 3 и равном А·0.1 см=10 см3, нарушение потока циркуляции в 1 млж/мин будет выявлено за время 10
мин и далее восстанавливается системой стабилизации уровня Нз за счет увеличения тепловой мощности нагревателя-испарителя 2 до тех пор, пока уровень Н не возвратится к значению, отстоящему от заданной
величины Hз на 1 мм. Для подтверждения высказанных положений проведен анализ работы системы автоматической стабилизации уровня Н в сосуде 3 нагревателя-испарителя 2 на
основании данных о конструктивах конкретной испарительной секции. Исходные предположения: - передаточная функция датчика уровня, установленного в сосуде 3 с площадью
сечения 100 см2 при размерности Н[см], ΔG[млж/мин],
- передаточная функция нагревателя-испарителя с учетом его тепловой инерционности, коэффициента преобразования тепловой мощности в поток испаренного оксида азота NO 1[млж
/мин]/10[Вт], совместно с датчиком уровня в виде при размерности М[Вт] (см.
фиг.2). Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид где
Wp(P) - передаточная функция регулятора. Наличие датчика интегратора после точки ввода возмущающего воздействия (изменения циркуляционного потока) в систему не обеспечивает астатизм
первого порядка по уровню Н относительно возмущающих воздействий по изменению циркуляционного потока и управляющих воздействий Нз, поэтому необходимо применение в законе регулирования Wp(P)
дополнительного интегрирующего элемента. Наличие интегратора второго порядка в контуре системы управления с отрицательной обратной связью создает необходимость применения дополнительных
фазоопережающих элементов, имеющих место, в частности, в стандартном ПИД-законе регулирования. Методом синтеза последовательных корректирующих цепей в линейных системах автоматического
управления в терминах логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик и при ограничениях передаточной функции корректора возможностями стандартного ПИД-закона регулирования обеспечена
монотонность переходных процессов в системе при времени регулирования порядка 500-600 с при передаточной функции регулятора Wp(P) вида Результаты моделирования системы в среде MATLAB подтверждает, например, неизменность заданной величины H3 при возрастании
циркуляционного потока от 15 до 16 мл/мин жидкого оксида азота NO за счет увеличения измеряемой мощности нагрева от 150 до 160 Вт. Таким образом, патентуемый способ контроля и
управления колонной обеспечивает измерение основного параметра, характеризующего работу дистилляционной колонны-циркуляционного потока через измерение мощности, рассеиваемой нагревателем-испарителем в
при автоматической стабилизации уровня жидкого продукта в испарительной секции колонны.