No i stało się. Nie udało mi się dłużej utrzymać dotychczasowej maszyny – blisko czterometrowej kolumny wypełnionej zmywakami. Musiałem oddać rodzinie pomieszczenie i zdemontować potwora. W tej sytuacji należało zaopatrzyć się w nową elegancką maszynkę, którą wykonał dla mnie kol. @Akas (szacunek). Jest to standardowa kolumna nowej generacji z niskim zbiornikiem, rura o średnicy 76 mm, łączna wysokości 2,55 m., wypełnienie sprężynkowe Henitom, grzanie 3x2 K\kW, głowica UFO.
Szczegółowy opis kolumny znajduje się na końcu opracowania
Kolumna może pracować w wariancie z buforem lub bez bufora - jako rura począwszy od zbiornika.
Na pierwszy ogień testów poszedł wariant kolumny bez bufora. Bufor na razie leży w kącie i czeka na swoją kolej.
Sterowanie i doświadczenia prowadziłem w oparciu o sterownik konstrukcji własnej SPIR-MASTER w wersji.3,2 - z regulacją ciśnienia. Sterownik ten połączony jest przez USB (ewentualnie RS 485 lub internet) z komputerem (laptopem) PC, który pracował pod kontrolą systemu operacyjnego „Windows”.
Parametry procesu to jest temperatury, ciśnienie, przyłożona moc itp. rejestrowane były w programie graficznym „Spm32” - również mojego autorstwa.
Po zainstalowaniu kolumny rozpocząłem pomiary i próby celem których było osiągnięcie niezawodnego i powtarzalnego sterowania kolumną, pracującej możliwie blisko punktu zalania w pełnym zakresie stężenia wsadu – to jest dla temperatur boilera od 82 stopni do 99 stopni w warunkach normalnych.
Już pierwsze próby wykazały poważne różnice statyki i dynamiki nowej kolumny w porównaniu z maszyną dotychczasową – wypełnioną zmywakami. Konieczne było ponowne wykonanie pomiarów parametrów kolumny, obserwacja i zrozumienie statyki i dynamiki kolumny oraz opracowanie nowych sposobów regulacji. W efekcie ostatecznym - koniecznym było rozwinięcie oprogramowania regulatora,
Wnioski z przeprowadzonych doświadczeń oraz uzyskane efekty działania sterownika przedstawiam w poniższym opracowaniu.
Na początku należy wspomnieć o warunkach, wprowadzenia kolumny w stan pełnego zalania. Stan zalania określiłem jako taki stan kolumny, w którym pomimo zwiększania mocy grzania ciśnienie już nie przyrasta. Kolumna zalewa się dosyć trudno. Generalnie, nie należy się cieszyć z widoku we wzierniku płynu gromadzącego się ponad wypełnieniem, ponieważ ten fakt nie świadczy o pełnym zalaniu kolumny. Ważne jest ciśnienie. Wprowadzenie kolumny w stan zalania uzyskiwałem poprzez wielokrotne powtarzanie próby zalania kolumny osiągając coraz to wyższe ciśnienia, aż do chwili uzyskania zadanego ciśnienia towarzyszącemu pełnemu zalaniu kolumny. Podczas próby zalania bardzo ważna okazała się jest również temperatura wody chłodzącej, która powinna być możliwie wysoka. Niska temperatura wody chłodzącej przy wysokiej mocy grzania zalewanej kolumny świadczy o odprowadzaniu z kolumny znacznych ilości ciepła, co nie sprzyja procesowi zalania.
W dotychczasowej praktyce zakładano, że prowadzenie rektyfikacji blisko punktu zalania, jest znacznie bardziej uciążliwe i czasochłonne niż w przypadku prowadzenia rektyfikacji małą mocą, znacznie poniżej tego punktu.
Takim poglądom sprzyjało zachowanie kolumny po skokowym przyłożeniu mocy przekraczającej granice zalania, co powodowało zalanie kolumny bez możliwości jej stabilizacji.
Przebieg ciśnienia zarejestrowanego w takim przypadku, przy zamkniętym zaworze odbioru pokazuje rysunek 1.
Rysunek 1
W wyniku nagłego wzrostu mocy grzania od 1500W do 4200W – (kolor czerwony) następuje liniowy wzrost ciśnienia kolumny, aż do momentu pokazania się płynu we wzierniku. Uzyskane w tym momencie ciśnienie wyniosło 580 mm
Pokazanie się płynu we wzierniku nie świadczy o pełnym zalaniu, kolumny, ponieważ pełne zalanie ma miejsce przy znacznie wyższym ciśnieniu - ok. 650 mm. Sytuacja ta pokazana została na rysunku 2
Rysunek 2 – pełne zalanie kolumny Moc grzania 4200 W
Przeciwnie, dla mocy mniejszych od granicznej mocy zalania, pobudzenie kolumny skokiem mocy powoduje łagodny przyrost ciśnienia aż do ustabilizowania się na nowej wartości ciśnienia.
Rys 3,4 . odpowiedź kolumny na skok mocy 3300 W do 3550W- w pobliżu (poniżej) mocy granicznej, po przekroczeniu której kolumna dąży do stanu zalania..
Wydaje się zatem, że najlepsze warunki pracy i stabilizacji dla kolumny wypełnionej sprężynkami występują dla niskich ciśnień, zaś dla ciśnień bliskich zalaniu stabilizacja kolumny staje się niemożliwa. Tymczasem sytuacja zmienienia się diametralnie podczas odbioru destylatu.
Okazuje się, że w pewnych warunkach grzania i odbioru, kolumna bliska stanu zalania, stabilizuje się, a jej zachowanie wykazuje stabilizację ciśnienia w pewnym przedziale mocy grzania.
Kolejny przebieg dla kolumny o średnicy 63 mm wypełnionej sprężynkami i bliskiej stanu zalania pokazuje przebieg ciśnienia w odpowiedzi na skokowe zwiększenie mocy grzania podczas gdy prowadzony jest odbiór . Jak widać charakter przebiegu jest identyczny jak dla ciśnień niskich.
Rys 5. odpowiedź kolumny 60,3 mm na skok mocy dla wysokich ciśnień przy otwartym zaworze odbioru. Moc zalania 430 mm. Przebieg zarejestrował kol. @maria-n
Mamy zatem dwa sprzeczne zachowania kolumny. Przy zamkniętym zaworze odbioru zalanie i destabilizacja, a przy otwartym zaworze odbioru – stabilizacja procesu.
Tą paradoksalną sytuację można wyjaśnić poprzez analizę bilansu energetycznego kolumny bliskiej stanu zalania jak pokazano na rysunku poniżej
Objaśnienia:
Q (dost) – Strumień ciepła dostarczanego do kolumny np. przez grzałki elektryczne (moc grzania)
Q (ch) – Strumień ciepła odbieranego przez chłodnicę
Q (odb) – Strumień ciepła zawartego w odbieranym destylacie
Q (str) – Strumień ciepła strat na izolacji
E(wew) – Energia wewnętrzna zawarta w kolumnie w tym: Ep i En odpowiednio - energia potencjalna grawitacyjna i entalpia (energia potencjalna termodynamiczna) płynu zgromadzonego wewnątrz kolumny
Wskazania czujnika ciśnienia odpowiadają wielkości energii zgromadzonej wewnątrz kolumny.
Z analizy przepływu energii w kolumnie wynikają następujące wnioski:
1. Stan zalania kolumny zależny jest od ilości ciepła (energii) dostarczonego do kolumny, która jest w stanie spowodować zatrzymanie w wypełnieniu znacznej ilości płynu. Płyn ten jest nośnikiem energii wewnętrznej w postaci energii potencjalnej: grawitacyjnej i termodynamicznej.
2. Stan zalania kolumny ograniczają strumienie ciepła wyprowadzane z kolumny. Są to: strumień chłodzenia, strumień strat ciepła i strumień ciepła wyprowadzany wraz odbiorem rektyfikatu.
3. Warunkiem stabilności kolumny jest utrzymanie niezmiennej wartości ciśnienia, zatem i energii zawartej w kolumnie, przy zmieniających się parametrach procesu: wielkości odbioru, wielkości chłodzenia, strat ciepła oraz stężenia mieszaniny w kotle, poprzez skompensowanie tych parametrów strumieniem ciepła, które dostarczane jest na bieżąco do kolumny (moc grzania).
Dla punktu stabilności kolumny można określić obszar stabilności jako zbiór wszystkich wyżej wymienionych parametrów procesu, dla których obiekt pozostaje stabilny.
Obszar stabilności kolumny bliskiej punktu zalania nie jest wielki. Każde przekroczenie tego obszaru powoduje nieodwracalną destabilizację procesu. W przypadku nadmiernego odbioru następuje „rozładowanie” energii wewnętrznej, którą następnie należy odbudować, albo też w przypadku niedostatecznego odbioru kolumna przechodzi w stan zalania, skutkiem czego będzie konieczność pozbawienia kolumny nadmiaru energii w przyszłości.
Jak dowodzi praktyka, stabilizacji kolumny bliskiej zalania można łatwo dokonać nawet podczas pracy „ręcznej” - bez użycia regulatora ciśnienia - poprzez takie dobranie mocy grzania by utrzymać niezmienne ciśnienie kolumny w danych warunkach stężenia mieszaniny w kotle. Jedynym warunkiem jest posiadanie pomiaru ciśnienia różnicowego w kolumnie i w miarę dokładnego regulatora grzania.
Oczywiście, znacznie bardziej rozsądnym i precyzyjnym rozwiązaniem jest użycie regulatora który zapewni stabilizację procesu w dowolnych warunkach stężenia – aż do wyczerpania składnika mniejszościowego w kotle.
Regulator taki złożony jest z dwóch członów.
Pierwszy z nich to regulator „liniowy” który pracuje przy zamkniętym zaworze odbioru. Działanie tego regulatora opiera się na kontroli liniowego przyrostu energii wewnętrznej (ciśnienia) oraz kontroli rozładowania tej energii po przekroczeniu dopuszczalnego limitu ciśnienia.
Regulator te nie osiąga stabilnej wartości zadanej ciśnienia, lecz oscyluje wokół tej wartości Przebieg działania członu liniowego regulatora przedstawiono poniżej. Jest to przebieg sprowadzania ciśnienia od ciśnienia zalania 650 mm do punktu ciśnienia roboczego 570 mm
Rys. 7 Praca członu liniowego regulatora– kolor niebieski ciśnienie, kolor czerwony moc Wartość zadana ciśnienia = 570 mm. Czas rejestracji 10 minut
Po uzyskaniu wartości ciśnienia bliskiej wartości zadanej otwierany jest zawór odbioru i załączany jest człon „eksponencjalny”, który pracuje na zasadzie predykcji wg krzywych wykładniczych i zadaniem którego jest doregulowanie ciśnienia do wartości zadanej z precyzją plus/minus 4 mm H2O.
Rys 8. Praca członu eksponencjalnego regulatora – kolor niebieski ciśnienie 520-500 mm, kolor czerwony moc ok. 3750 W , kolor zielony temperatura boilera 89-90,5 stopnia kolor brązowy – temperatura na półce zlokalizowanej na dole wypełnienia 82 stopnie. Wszystkie temperatury przeliczone do warunków normalnych. Czas rejestracji 50 minut
W przypadku trwałego przekroczenia limitu uchybu regulacji równego plus/minus 12 mm regulator eksponencjalny jest zatrzymywany, zawór odbiorczy jest zamykany i włączany jest regulator liniowy który ponownie doprowadza ciśnienie do wartości bliskiej wartości zadanej. Regulator jest w stanie obsłużyć proces od pierwszego zalania kolumny aż do wyczerpania składnika mniejszościowego – temperatura w kotle 99 stopni.
Naprzemienna praca obydwu członów regulatora przedstawiona jest na rysunku nr 9. Oś czasu przebiegu - w minutach. W trakcie pracy obniżana jest wartość zadana ciśnienia oraz redukowany jest odbiór według zadanych współczynników refluksu
Rys. 9 – Naprzemienna praca członów liniowego i eksponencjalnego regulatora. Czas rejestracji 65 minut
Na wykresach 8 i 9 wprowadzono przebieg pomiaru temperatury dodatkowego termometru Tx umieszczonego na pierwszej półce rzeczywistej, która separuje wypełnienie od kotła. Przebieg tej temperatury odwzorowany jest kolorem brązowym. Rejestrowane temperatury sprowadzone są do warunków normalnych. Temperatura wskazywana przez ten termometr wynosi 82 stopnie, przy temperaturze 91-92 stopnie w boilerze.
Z przebiegów wynika, że wypełnienie pracuje na efektywnie na całej swej długości, począwszy od pierwszej półki.
Zakłócenie stabilności kolumny powoduje zmianę wskazań tego termometru, co jest świadectwem utraty jakości procesu. Taki właśnie zakłócony przebieg procesu pokazano na rysunku 10
Rys.10 Przebieg zakłócony– wypełnienie pomiędzy 1 a 10 półką nie pracuje w całości – kolor brązowy – wskazania termometru Tx zlokalizowanego na drugiej półce.
Aneks:
Szczegółowy opis kolumny:
Standardowa kolumna nowej generacji z niskim zbiornikiem, rura o średnicy 76 mm, łączna wysokości 2,55 m, wypełnienie sprężynkowe Henitom, grzanie 3x2 kW, głowica UFO.
Izolacja: Podwójna warstwa pianki ARMAFLEX.
Kolumnę podzieliłem na partycje przy pomocy półek rozdzielczych, odbiór boczny zrealizowałem przy pomocy półki rozdzielczo-odbiorczej. Podobnie na spodzie wypełnienia umieściłem półkę rozdzielczo – odbiorczą, która pełni funkcję izolacji od kotła oraz umożliwia odbiór pogonów w czasie procesu. Układ zasilania elektrycznego grzałek: trójfazowy wraz z licznikiem – watomierzem przeniosłem ze starej kolumny. Podobnie przeniesiony został układ pomiarowy parametrów procesu to jest :
- pięć termometrów PT1000 o rzeczywistej precyzji pomiaru 1/100 stopnia : zlokalizowanych:
1) w parach głowicy,
2) poniżej OOB
3) na wysokości umownej 10 półki,
4) na półce rozdzielczo-odbiorczej zainstalowanej na spodzie wypełnienia
Wskazania termometrów PT1000 są sprowadzane do warunków normalnych.
- dwa termometry elektroniczne umieszczone w odpływie wody chłodzącej oraz w głowicy, o precyzji pomiaru 0,1 stopnia służą do regulacji temperatury wody chłodzącej i zabezpieczenia chłodnicy przed wyrzutem par.
- czujniki ciśnienia atmosferycznego i różnicowego, który umieszczony jest na wysokości około 1/3 wysokości kolumny licząc od jej postawy
Kolumna została wyposażona w dwa zawory precyzyjne odbioru przedgonu i pogonu zlokalizowane odpowiednio na głowicy i na półce na spodzie wypełnienia.
Odbiór produktu końcowego realizowany jest przy pomocy zaworu precyzyjnego pędzonego silnikiem krokowym. Stopień otwarcia zaworu - zatem i wielkość przepływu odbioru - ustalany jest przez sterownik na podstawie stanu procesu (temperatury boilera), znamiennego dla stanu procesu współczynnika refluksu oraz aktualnego ciśnienia.
Układ chłodzenia - w obiegu zamkniętym z ciśnieniem 1,5atm stabilizowany jest przez naczynie wzbiorcze. Odprowadzenie ciepła zrealizowane przy pomocy chłodnicy wentylatorowej Volcano sterowanej pięciostopniowo.
Kontrola temperatury wody chłodzącej zrealizowana przy pomocy bypassu dławika przepływu, który to bypass otwierany jest za pomocą odcinającego zaworu elektromagnetycznego.