58

Содержание

Лекция № 7 Общие подходы к автоматизации ХТП………………….…. 2

Лекция № 8 Автоматизация процесса перемешивания………………….6

Лекция № 9 Типовая схема процесса перемещения жидкости. Общая

характеристика тепловых процессов…………………………………..….10

Лекция № 10 Автоматизация кожухотрубных теплообменников……...14

Лекция № 11 Автоматизации испарителей…………..…………………….20

Лекция №12 Автоматизация процесса выпаривания. Движущая сила

процесса выпаривания. ……………..………………………………………..26

Лекции №13 Автоматизация процесса абсорбции. Равновесие в процессе абсорбции. ……………………………………………………………………….. 32

Лекция №14 Автоматизация процесса сушки……………………………. 38

Лекция №15 Автоматизация процесса ректификации………………….. 46

Лекция № 7 Общие подходы к автоматизации ХТП

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Химико-технологические объекты управления.

2. Классификация химико-технологических процессов и производств как технологических объектов управления (ТОУ).

3. Типовая схема технологического производства.

Химико-технологические объекты управления (ТОУ) - это совокупность совместно функционирующих технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса.

К ТОУ относят, как отдельные технологические агрегаты и установки, реализующие локальный технологический процесс, так и целые производства (участки, цехи).

Основные требования к ТОУ.

• ТОУ должен быть управляем.

• Должна быть реализована возможность воздействия на характеристики оборудования.

• Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму.

ТОУ классифицируются

1. По тоннажу продукции и структуре ассортимента:

• Крупнотоннажные ТОУ - ориентированные на продукцию конкретной фиксированной номенклатуры с объемами выпуска: сотни - десятки тысяч тонн.

• Малотоннажные ТОУ - ориентированные на выпуск продукции разнообразной и быстро меняющейся номенклатуры, с объемами выпуска: граммы - десятки тонн.

2. По характеру временного режима функционирования:

• ТОУ периодического действия - ТОУ, в которых аппараты работают в циклическом режиме, а технологические процессы (ТП) представляют собой последовательность технологических и организационных операций, имеющих конечную продолжительность. Термину «периодический процесс», принятому в химической технологии соответствует общесистемный термин « дискретный процесс».

• ТОУ непрерывного действия - ТОУ, в которых аппараты работают непрерывно, на вход аппарата непрерывно подается сырье и компоненты, на выходе аппарата непрерывно отводятся продукт, а технологический процесс ведется в установившемся режиме.

• ТОУ полунепрерывного действия - ТОУ, в которых аппараты функционируют непрерывно только в пределах интервала времени, необходимого для переработки конечной порции сырья. В этих пределах в аппараты непрерывно подается сырье и компоненты, а с выходов - непрерывно отводятся продукты. Технологические процессы ведутся в установившемся режиме. Между интервалами времени работы аппараты находятся в режиме ожидания.

3. По степени важности ТОУ в производстве.

• Основные ТОУ - ТОУ для реализации основных технологических процессов производства.

• Вспомогательные ТОУ.

4. По информационной емкости ТОУ:

Степень сложности ТОУ характеризуется информационной сложностью объекта, т.е. числом технологических параметров, участвующих в управлении.

Таблица 1

Классификация ТОУ по информационной емкости.

Информационная емкость объекта	Число параметров, участв. в управл.
Минимальная	10 - 40
Малая	41 - 160
Средняя	161 - 650
Повышенная	651 - 2500
Высокая	2500 и выше

5. По характеру параметров управления.

• ТОУ с сосредоточенными параметрами - ТОУ, в которых регулируемые параметры (в данный момент времени, в разных точках аппарата), имеют одно значение соответствующего параметра.

• ТОУ с распределенными параметрами.

6. По типу технологического процесса.

• Гидромеханические процессы - процессы, осуществляющие перенос количества движения.

• Тепловые процессы - процессы переноса энергии в форме теплоты.

• Массообменные процессы - процессы перемещения вещества в пространстве за счет разности концентраций.

• Механические процессы - процессы переработки твердых материалов под действием механических сил.

• Химические процессы - процессы, характеризующие образование новых, отличающихся от исходных по химическому составу или строению, веществ при сохранении общего числа атомов и изотопного состава.

Типовая схема технологического производства.

Решение конкретной задачи автоматического регулирования возможно лишь при условии знаний характеристик аппарата, в котором протекает данный технологический процесс.

В целом, любой технологический процесс можно представить в следующей логической цепочке состоящей из пяти элементов:

Сырье и компоненты (с конкретными характеристиками) подаются в технологический аппарат (со своими характеристиками) в этот аппарат подается при необходимости энергия (со своими характеристиками) следствием являются параметры технологического режима процесса в результате, которого появляется продукт (со своими характеристиками). Это можно назвать правилом «пяти».

Естественно если хочешь контролировать процесс, то необходимо все знать об этих пяти компонентах технологического процесса– «хочу все знать».

Для создания системы управления необходим дополнительный анализ входных факторов влияющих на основные выходные показатели технологического процесса. При этом следует учитывать необходимость стабилизировать или вести по программе основные параметры позволяющие сохранять все виды материальных и энергетических балансов, а также решать задачу максимального учета, стабилизации и компенсации действующих возмущений и выборе основных управляющих воздействий для управления основной целевой функции процесса.

Решение главного принципа управления – максимизации эффективности при заданных ресурсах и качестве продукта мы здесь в этой постановке не рассматриваем. Хотя при максимальной стабилизации, в частном случае, задача минимизации затрат энергии должна решаться автоматически.

Для анализа входных влияющих и выходных зависимых факторов, в каждом конкретном процессе необходимо рассматривать физико-химические основы исследуемого процесса. В этом нам может помочь аналитическое моделирование.

Попытаемся на примерах основных процессов показать эту возможность, причем на первом этапе, для качественного анализа нам не потребуется искать решений анализируемых уравнений.

Методика анализа ХТП как ТОУ.

1. Определение критерия эффективности ТОУ.

• Для производств - это, как правило, экономические критерии максимизации прибыли или минимизации себестоимости продукции.

• Для технологических процессов - это технологические критерии максимизации качества или максимизации выхода целевого продукта или также экономический - минимизация энергетических затрат при выпуске заданного объема продукта с заданным качеством.

2. Разработка математического описания процесса как объекта управления в статике и динамике.

3. Математическое моделирование и исследование статических режимов ТОУ.

Исследование статических характеристик ТОУ, на основании которого определяют:

• Возможные диапазоны варьирования параметров при управлении;

• Возможное число стационарных состояний процесса;

• Анализ устойчивости стационарных состояний процесса;

• Влияние основных режимных параметров на рабочие области ТОУ;

• Исследование нелинейности коэффициентов усиления и возможности линеаризации статических характеристик и т.д.

4. Построение информационной схемы ТОУ.

Информационная схема ТОУ - это схема, показывающая входные и выходные переменные ОУ и их связи. Построение информационной схемы возможно на основе мат. описания (при разработке новых технологий) или на основе информации по эксплуатации объекта (при модернизации системы управления).

5. Анализ информационной схемы.

Выполняется анализ информационной схемы на предмет классификации входных и выходных воздействий на следующие группы:

• Возмущающие воздействия.

• Возможные управляющие воздействия.

• Наиболее целесообразные управляемые переменные.

• Входные воздействия, которые возможно стабилизировать без установки дополнительного технологического оборудования.

6. Математическое описание динамики ТОУ.

• Составляется мат. описание динамики объекта по возможным каналам управления.

• Выполняется исследование динамики возможных каналов управления.

• Выполняется выбор наиболее целесообразных каналов управления .

• Составляется структурная схема системы управления.

7. Выбор параметров контроля, сигнализации и защиты.

Лекция №8 Автоматизация процесса перемешивания

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах.

2. Информационная схема объекта.

3. Типовая схема автоматизации

Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.

Цели перемешивания:

• Создание суспензий - обеспечение равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости;

• Образование эмульсий, аэрация - равномерное распределение и дробление до заданных размеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости;

• Интенсификация нагревания или охлаждения орабатываемых масс;

• Интенсификация массообмена в перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).

Рисунок 1 - Основные схемы перемешивания

Механическое - перемешивание мешалками, вращающимися в аппарате с перемешиваемой средой.

Барботажное - перемешивание путем пропускания через жидкую среду потока воздуха или газа, раздробленного на мелкие пузырьки, которые, поднимаясь в слое жидкости под действием Архимедовой силы, интенсивно перемешивают жидкость.

Циркуляционное перемешивание - перемешивание, осуществляемое путем создания многократных циркуляционных потоков в аппарате с помощью насоса.

Объект управления - емкость с мешалкой, аппарат непрерывного действия, в котором смешиваются две жидкости А (с концентрацией целевого компонента Са) и Б (с концентрацией целевого компонента Сб) для получения гомогенизированного раствора с заданной концентрацией целевого компонента Ссм.

Рисунок 2 - Схема объекта управления

Показатель эффективности процесса - концентрация целевого компонента в гомогенизированном растворе (смеси) - Ссм.

Цель управления процессом - обеспечение заданной концентрации смеси при эффективном и интенсивном перемешивании.

Эффективность перемешивания обеспечивается выбором параметров аппарата, перемешивающего устройства, числа оборотов мешалки, обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданной интенсивностью (т.е. за заданное время).

Однако в реальных условиях технологические объекты подвержены действию внешних и внутренних возмущений, которые приводят к отклонению технологических режимов работы от расчетных.

Задача разработки системы автоматизации обеспечить в условиях действия внешних и внутренних возмущений в процессе эффективное и интенсивное его функционирование с требуемыми характеристиками качества.

Материальный баланс по целевому компоненту.

Уравнение динамики:

. (1)

Уравнение статики при :

. (2)

На основании (1) и (2) можно принять:

. (3)

Материальный баланс по всему веществу.

Уравнение динамики:

. (4)

Уравнение статики при :

. (5)

На основании (4) и (5) можно принять:

. (6)

Рисунок 3 - Информационная схема объекта

• Управляемые переменные - С_см и h_см .

• Возможные контролируемые возмущения: ,

причем задано, что .

• Возможные управляющие воздействия: .

• Однако, в данном случае, G_см определяется последующим технологическим процессом и поэтому не может использоваться в качестве регулирующего воздействия.

Анализ статической характеристики объекта.

Уравнение статики на основе материального баланса по целевому компоненту:

. (7)

Из уравнения (7) выразим в явном виде:

. (8)

Анализ выражения (8) показывает, что:

• Статическая характеристика линейна по каналам: ;

• Статическая характеристика нелинейна по каналам .

Рисунок 4 - Типовая схема автоматизации процесса перемешивания

Типовое решение автоматизации.

1. Регулирование.

• Регулирование концентрации С_см по подаче реагента G_А - как показателя эффективности процесса перемешивания с целью получения гомогенизированного раствора.

• Регулирование уровня в аппарате h_см по подаче реагента G_Б - для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.

2. Контроль.

• расходы - G_А, G_Б, G_см ;

• концентрация - С_см ;

• уровень - h_см.

3. Сигнализация.

• существенные отклонения С_см и h_см от задания;

• резкое падение расходов исходных реагентов G_А или G_Б, при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи исходных реагентов G_А , G_Б и отбора смеси G_см.

Лекция №9 Типовая схема процесса перемещения жидкости. Общая

характеристика тепловых процессов

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Математическое описание статики объекта.

2. Информационная схема объекта управления.

3. Основные законы тепловых процессов

Объект управления трубопровод

Показатель эффективности процесса - расход Q.

Цель управления процессом Q=Q_зд.

Анализ типовой схемы как объекта управления:

Рисунок 1 - Схема трубопровода как объекта управления

для типовой схемы процесса перемещения жидкости

Математическое описание статики объекта.

1. Материальный баланс для трубопровода (рис.1) на основании условия неразрывности струи:

Sa*va = Sb*vb . (1)

Из (1) получим :

va = Sb*vb/ Sa . (1б)

Обозначим Sb / Sa = m . (1в)

2. Энергетический баланс - уравнение Бернулли:

. (2)

Где потери давления на сообщение потоку скорости:

,

потери давления на преодоление трения потока о стенки трубопровода:

,

где  = f(Re,l) - коэффициент трения.

Полное сопротивление:

.

Рисунок 2 - Информационная схема объекта управления

• Х_ро - возможное регулирующее воздействие;

• Р_a , h_a , P_b , h_b - возможные контролируемые возмущающие воздействия;

• Z - возможные неконтролируемые возмущающие воздействия.

Общая характеристика тепловых процессов

• Уравнение Клапейрона-Клаузиуса ,

где Р - давление;

r - молярная теплота фазового перехода;

Т - температура фазового перехода (испарения, плавления, возгонки);

∆V - изменение объема 1 моля вещества при переходе его из одной фазы в другую.

Связь основных параметров теплоносителей в газовой фазе.

• Закон Бойля:

P*V=const; при T=const .

• Закон Гей-Люссака:

,

или при Р=const:

,

можно также получить:

при Р=const ,

или при V=const .

• Закон Авогадро: в одинаковых объемах газа при одинаковых температуре и давлении содержится одно и то же количество молекул.

• 1г-мол. любого вещества в газообразном состоянии занимает 22,4л.;

• 1кг-мол. → 22,4 м³ и содержит 6,03*10²³ молекул.

Уравнение Менделеева – Клапейрона.

для 1 г-моля газа: P*V=R*T ,

для n г-молей газа: P*V = n*R*T .

Если количество газа выражается в граммах:

,

откуда: ,

или .

Тепловая нагрузка аппарата.

Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем Q₁, затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя Q₂ и на потери в окружающую среду Q_пот.:

Q₁= Q₂+ Q_пот. .

Так как Q_пот= 2-3%, то им можно пренебречь и считать:

Q₁ = Q₂ = Q ,

где Q – тепловая нагрузка аппарата.

Уравнение теплового баланса аппарата.

Q = G₁*(I_1Н-I_1К) = G₂*(I_2К-I_2Н) ,

где G₁ и G₂ - массовые расходы теплоносителей, кг/с;

I_1Н и I_2Н - начальные энтальпии теплоносителей, дж/кг;

I_1К и I_2К и - конечные энтальпии теплоносителей, дж/кг.

Энтальпии теплоносителей:

I_i=c_i*_i .

Тепловой баланс аппарата при использовании теплоносителей, не изменяющих агрегатного состояния:

Q = G₁*с₁*(_1Н-_1К) = G₂*с₂*(_2К-_2Н) ,

где с₁ и с₂ - средние удельные теплоемкости.

Основное уравнение теплопередачи.

Q = K*F*t_ср* , (1)

где

F - поверхность теплообмена;

t_ср - средний температурный напор;

 - время теплообмена;

К - коэффициент теплопередачи:

. (2)

Выражения для определения коэффициента К в зависимости от способа передачи тепла.

• При передаче тепла теплопроводностью К - это коэффициент теплопроводности , определяемый на основе закона Фурье:

(3)

• При конвективном теплообмене К - это коэффициент теплоотдачи , определяемый на основе закона Ньютона:

, (4)

• При передаче тепла путем излучения К - коэффициент взаимного излучения с_1-2 излучающих тел:

K=с_1-2 = _пр*K₀*10⁸ = , (5)

где

К₀ - константа лучеиспускания;

_пр = ₁ *₂ - приведенная степень черноты;

₁ и ₂ - степени черноты излучающих тел.

Лекция № 10 Автоматизация кожухотрубных теплообменников

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Математическое описание статики кожухотрубного теплообменника.

2. Информационная схема объекта управления.

3. Типовая схема автоматизации.

4. Схема парожидкостного теплообменника.

5. Математическое описание статики парожидкостного теплообменника.

6. Информационная схема объекта управления.

Рисунок 1 - Схема кожухотрубного теплообменника

с неизменяющимся агрегатным состоянием веществ

Технологический процесс: нагревание технологического потока G до температуры θ^вых с помощью теплоносителя G_т с неизменяющимся агрегатным состоянием.

Показатель эффективности: θ^вых.

Цель управления: поддержание θ^вых= θ_зд.

Математическое описание на основе физики процесса.

Движение теплоносителей осуществляется противотоком при заданных θ_т^вх, θ_т^вых, θ^вых, θ^вх.

Движущая сила процесса: , (1)

где .

Тепловая нагрузка аппарата: . (2)

Q(дж/с) позволяет определить G_т^эфф и G^эфф на основе тепловых балансов:

; (3а)

; (3б)

; (4а)

. (4б)

Эффективное время пребывания:

. (5)

Математическое описание на основе теплового баланса.

Уравнение динамики:

. (6)

Уравнение статики при :

. (7)

На основании (6) и (7) можно принять: . (8)

Рисунок 2 - Информационная схема объекта

• Возможные управляющие воздействия: .

• Возможные контролируемые возмущения: .

• Возможные неконтролируемые возмущения: .

• Возможная управляемая переменная: .

Анализ статической характеристики объекта.

Из уравнения статики выразим ^вых в явном виде:

. (13)

• Статическая характеристика линейна по каналам: .

• Статическая характеристика нелинейна по каналу .

Рисунок 3 - Типовая схема автоматизации кожухотрубного теплообменника

Типовое решение автоматизации.

Типовое решение автоматизации кожухотрубных теплообменников включает в себя подсистемы регулирования, контроля, сигнализации и защиты.

1. Регулирование.

• Регулирование температуры по подаче теплоносителя G_т - как показателя эффективности процесса нагревания в кожухотрубном теплообменнике.

2. Контроль.

• расходы - G_т, G;

• температуры - ;

• давление - Р_т, Р.

3. Сигнализация.

• существенные отклонения ^вых от задания;

• резкое падение расхода технологического потока G , при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключается магистраль подачи теплоносителя G_т.

Рисунок 4 - Схема парожидкостного теплообменника

(с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя)

Технологический поток (нагреваемая жидкость) G_ж подается по трубкам теплообменника. Теплоноситель с изменяющимся агрегатным состоянием (греющий пар) G_п подается по межтрубному пространству.

• Показатель эффективности: .

• Цель управления: поддержание .

Математическое описание на основе физики процесса.

Теплопередача от паровой фазы теплоносителя:

. (14)

Теплопередача от жидкой фазы теплоносителя:

, (15)

где: - количество тепла, передаваемое от паровой фазы и конденсата теплоносителя в единицу времени, дж/с;

- коэффициенты теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, дж/(м²*К^*с);

- поверхность теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, м²;

- средняя движущая сила при теплопередаче от паровой фазы к жидкому технологическому потоку и от конденсата к жидкому технологическому потоку.

• Общая тепловая нагрузка парожидкостного теплообменника:

. (16)

• Так как , то интенсивность теплопередачи от паровой фазы значительно выше, чем от конденсата.

• Поэтому на величину Q влияет величина соотношения F_п /F_к, которая зависит от уровня конденсата:

. (17)

где и . (18)

• На основании (17) общая тепловая нагрузка Q также будет зависеть от уровня конденсата h_к:

. (19)

• Q(дж/с) позволяет определить G_п^эфф и G_ж^эфф на основе тепловых балансов:

; (20)

; (21)

; (22)

, (23)

при h_к =h_эфф.

• Эффективное время пребывания:

. (24)

Тепловой баланс парожидкостного теплообменника.

Уравнение динамики:

Полагаем: пар перегретый и конденсат охлаждается :

.

Уравнение статики при :

. (25)

Материальный баланс по жидкой фазе для межтрубного пространства.

Уравнение динамики:

, (26)

Уравнение статики при :

, (27)

и предпочтительное управляющее воздействие – G_к.

Материальный баланс по паровой фазе для межтрубного пространства.

Уравнение динамики:

, (28)

где М_п - мольная масса паровой фазы теплоносителя, кг/моль;

Р_п - давление паровой фазы теплоносителя, Па;

_п - температура паровой фазы теплоносителя, К,

V_п - объем паровой фазы теплоносителя, м³ .

Уравнение статики при :

. (29)

и предпочтительное управляющее воздействие - G_п.

Рисунок 5 - Информационная схема объекта

• Возможные управляющие воздействия: .

• Возможные контролируемые возмущения: .

• Возможные неконтролируемые возмущения: .

• Возможные управляемые переменные: .

• Наиболее эффективные каналы управления:

.

Анализ статической характеристики объекта.

Из уравнения статики выразим в явном виде:

. (30)

• Статическая характеристика линейна по отношению к воздействиям по: .

• Статическая характеристика нелинейна по отношению к воздействию по G_ж.

• Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к G_ж введением стабилизации соотношения расходов: , тогда получим:

. (31)

Лекция №11 Автоматизации испарителей

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Математическое описание статики испарителя.

2. Информационная схема объекта управления.

3. Типовая схема автоматизации.

Рисунок 1 - Схема испарителя (кожухотрубного теплообменника с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя и технологического потока)

Показатель эффективности: h_ж - уровень жидкой фазы в трубках испарителя.

Цель управления: поддержание .

Математическое описание на основе физики процесса.

1. Общая тепловая нагрузка испарителя Q:

. (1)

2. На основании уравнения теплопередачи можно записать:

и . (2)

При теплопередаче от греющего пара и конденсата через трубки справедливы соотношения:

и . (3)

3. Общая поверхность теплопередачи F_т при конденсации греющего пара определится как:

F_т= F_п + F_к , (4а)

и следовательно на основании (3) и (4а) можно записать:

. (4б)

4. Определение на основании теплового баланса по греющему пару:

=G_гр *r_гр ; (5а)

= . (5б)

5. Определение на основании теплового баланса по технологическому потоку:

; (6а)

. (6б)

Выводы из математического описания физики процесса:

• Общая тепловая нагрузка, отдаваемая греющим паром зависит следующих его параметров:

. (7)

• Общая тепловая нагрузка, получаемая технологическим потоком, определяет следующие его параметры:

и ; (8)

. (9)

Математическое описание на основе теплового и материальных балансов процесса.

Тепловой баланс испарителя.

Уравнение динамики:

В развернутом виде при условии и :

, (10а)

• т.е. тепло выделяется за счет охлаждения G_гр от исходной температуры _гр до температуры насыщенного пара , конденсации пара и последующего охлаждения конденсата до _к .

• тепло расходуется на нагревание G_ж до температуры , испарение жидкости и отводится с образующейся паровой фазой.

В свернутом наиболее общем виде выражение (10а) преобразуется к виду:

. (10б)

Уравнение статики при :

. (10в)

Выводы по тепловому балансу процесса:

• В целом температура в испарителе на основании выражений (8) и (9) зависит от следующих параметров процесса:

. (10г)

• Так как температура в испарителе у поверхности раздела фаз, т.е. в зоне испарения должна быть равна температуре кипения, то можно полагать:

 = _ж = _п = _кип ,

а температура кипения зависит от давления паровой фазы в испарителе.

• Поэтому температура не может использоваться как показатель эффективности процесса испарения.

• Однако, на основании (6а, 6б) температура важна для обеспечения расчетной общей тепловой нагрузки Q в испарителе, т.е. теплового баланса в аппарате.

• Из выражения (10г) следует, что основными параметрами, характеризующими данный процесс, являются:

• уровень h_ж и давление Р_п технологического потока в испарителе;

• уровень h_к и давление Р_гр потока греющего пара в кипятильнике;

Материальный баланс по жидкой фазе в испарителе (для технологического потока)

• Уравнение динамики:

, (11)

• Уравнение статики при :

. (12)

• На основании (11) и (12) можно считать:

. (13)

• Предпочтительное управляющее воздействие G_гр.

Материальный баланс по жидкой фазе в кипятильнике (для конденсата греющего пара).

• Уравнение динамики:

, (14)

• Уравнение статики при :

. (15)

• На основании (14) и (15) можно считать:

. (16)

• Предпочтительное управляющее воздействие является отбор конденсата G_к.

Материальный баланс по паровой фазе для технологического потока в испарителе.

• Уравнение динамики:

, (17)

где

М_п - мольная масса паровой фазы технологического потока, кг/моль;

Р_п - давление паровой фазы технологического потока, Па;

_п - температура паровой фазы технологического потока, К,

V_п - объем паровой фазы технологического потока, м³ .

• Уравнение статики при :

. (18)

• На основании (17) и (18)можно считать:

, (19)

Предпочтительное управляющее воздействие G_п.

Материальный баланс по паровой фазе для кипятильника.

Уравнение динамики:

, (20)

где М_гр - мольная масса паровой фазы греющего пара, кг/моль;

Р_гр - давление паровой фазы греющего пара, Па;

_гр - температура паровой фазы греющего пара, К,

V_гр - объем паровой фазы греющего пара, м³ .

• Уравнение статики при :

. (21)

На основании (20) и (21) можно считать:

. (22)

Предпочтительное управляющее G_гр .

Рисунок 2 - Информационная схема испарителя

на основе материального баланса

• Возможные управляющие воздействия:

.

• Возможные управляемые переменные:

.

Рисунок 3 - Информационная схема испарителя

для типового решения автоматизации

• В типовом решении автоматизации испарителей объект рассматривают как односвязный для основных каналов управления рисунок 3.

• Однако, на основании схемы рисунка 3 объект можно рассматривать как многосвязный.

Рисунок 4 - Типовая схема автоматизации испарителей

Типовое решение автоматизации испарителей.

1. Регулирование.

• Регулирование уровня h_ж по подаче греющего пара G_гр - как показателя эффективности процесса нагревания в испарителе.

• Регулирование давления Р_п по отбору паровой фазы из испарителя - для обеспечения материального баланса по паровой фазе и стабилизации r_ж=f(P_п).

2. Контроль.

• расходы - G_гр, G_п , G_ж ;

• температуры - ;

• давление - Р_гр, Р_ж Р_п ;

• уровень - h_ж .

3. Сигнализация.

• существенные отклонения h_ж и Р_п от заданий;

• резкое падение расхода технологического потока G_ж , при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи греющего пара G_гр и отбора пара для технологических нужд.

Лекция №12 Автоматизация процесса выпаривания. Движущая сила процесса выпаривания

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Движущая сила процесса выпаривания.

2. Математическое описание статики процесса выпаривания.

3. Информационная схема объекта управления.

4. Типовая схема автоматизации.

• Движущей силой процесса выпаривания является полезная разность температур _полезн :

_полезн = _т - _{раствора}^кип . (1)

• Общая разность температур _общ в процессе:

_общ = _т - _{растворителя}^кип . (2)

• Общая разность температур _общ больше полезной разности температур _полезн на величину потерь :

_полезн = _общ -  . (3)

• Величина потерь  в процессе выпаривания:

 = _г + _д + _гп , (4)

где - _г потери за счет гидростатического эффекта; _д - температурная депрессия; _гп - потери температуры за счет гидравлических потерь в трубопроводе.

• На основании выражений (2) и (4) выражение (3) примет вид:

_полезн = _т - _{растворителя}^кип -( _г + _д + _гп ). (5)

Температурная депрессия.

• Определение _д на основании (1) и (5):

_д = _{раствора}^кип - _{растворителя}^кип . (6)

• Определение _д по диаграммам «Р - ».

Рисунок 1 - Диаграмма «Р - » для растворов и растворителей

• Из диаграммы следует, что при P=const _д = _р-ра^кип - _р-ля^кип

1. греющая камера; 2 - выпарной аппарат;

3 - брызгоулавливатель; 4 - циркуляционная труба

Рисунок 2 - Схема выпарной установки естественной циркуляции

с вынесенной греющей камерой

• Работа установки.

Исходный раствор подается по трубам кипятильника 1, где нагревается до температуры кипения с образованием парожидкостной смеси, которая далее поступает в выпарной аппарат (сепаратор) 2. В сепараторе 2 парожидкостная смесь разделяется на паря растворителя и концентрированный раствор. Пары растворителя проходят через брызгоулавливатель 3 и выводятся из процесса из верха сепаратора в виде парового потока G_п. Выделенная брызгоулавливателем жидкая фаза из паров растворителя возвращается в кипятильник 1 по циркуляционной трубе 4. Сконцентрированный раствор в виде потока G_к выводится из низа сепаратора.

• Показатель эффективности процесса - концентрация концентрированного раствора с_к.

• Цель управления - обеспечение с_к = с_к^зд (на максимально возможном для данной установки значении).

Материальный баланс по растворенному веществу.

Уравнение динамики:

. (1)

Уравнение статики :

. (2)

Из выражений (1) и (2) следует:

. (3)

Предпочтительное управляющее воздействие: G_р.

Тепловой баланс выпарной установки.

Уравнение динамики процесса выпаривания:

. (5)

Уравнение статики при :

. (6)

В выражениях (5) и (6) принято:

• ;

• ;

• - количество испаряемого растворителя;

• - удельные теплоемкости исходного и концентрированного растворов, которые не починяются закону аддитивности;

• ,

где q - тепловой эффект растворения, определяемый на основании закона Гесса:

,

где q_н и q_к - интегральные теплоты растворения в начале и конце процесса.

• На основании (5) и (6):

. (7)

Предпочтительные управляющие воздействия:

• для обеспечения теплового баланса процесса - расход теплоносителя G_т;

• для косвенного регулирования показателя эффективности процесса - расход исходного раствора G_р.

В типовом решении автоматизации:

• для косвенного регулирования показателя эффективности процесса выпаривания используют не температуру в аппарате, а температурную депрессию:

.

Материальный баланс по жидкой фазе (для раствора).

Уравнение динамики:

. (8)

Уравнение статики:

. (9)

На основании (8) и (9):

. (10)

Предпочтительное управляющее воздействие - G_к.

Материальный баланс по паровой фазе (для раствора).

Уравнение динамики:

, (11)

где М_п - мольная масса паровой фазы (растворителя), кг/моль;

Р_п - давление в сепараторе, Па;

_п = _к =_апп - температура в сепараторе, К,

V_п - объем паровой фазы в сепараторе, м³ .

Уравнение статики:

. (12)

На основании (11) и (12): и предпочтительное управляющее воздействие G_п.

Материальный баланс по жидкой фазе (для теплоносителя).

Уравнение динамики:

, (14)

Уравнение статики:

. (15)

На основании (14) и (15):

. (16)

Предпочтительное управляющее воздействие - G_кт.

Материальный баланс по паровой фазе (для теплоносителя).

Уравнение динамики:

, (17)

где М_п - мольная масса теплоносителя, кг/моль;

Р_т ^мтр - давление теплоносителя в межтрубном

пространстве кипятильника, Па;

_т - температура теплоносителя, К,

V_т^мтр - объем паровой фазы теплоносителя в

межтрубном пространстве кипятильника, м³ .

Уравнение статики:

. (18)

На основании (17) и (18):

. (19)

Предпочтительное управляющее воздействие G_т.

Рисунок 3 - Информационная схема процесса выпаривания

• Возможные управляющие воздействия: .

• Возможные контролируемые возмущения: .

• Возможные неконтролируемые возмущения: - удельные теплоемкости потоков с_рi и теплота испарения растворителя r_п .

• Возможные управляемые переменные: .

• На основании рис.3 выпарная установка является сложным многосвязным объектом по возможным управляющим воздействиям .

Рисунок 4 - Типовая схема автоматизации процесса выпаривания

Типовое решение автоматизации процесса выпаривания.

1. Регулирование.

• Регулирование температурной депрессии Δ_д по подаче исходного раствора G_р - как параметра, косвенно характеризующего показатель эффективности процесса выпаривания с_к .

• Регулирование давления в сепараторе Р_п^апп по отбору паров растворителя G_п - для обеспечения материального баланса по паровой фазе.

• Регулирование уровня в сепараторе h_к по отбору концентрированного раствора G_к - для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.

• Стабилизация расхода теплоносителя G_т - для обеспечения теплового баланса установки

2. Контроль.

• расходы - G_т, G_р, G_к, G_п;

• температуры - ;

• давление - Р_п ^апп, Р_т;

• уровень концентрированного раствора в аппарате - h_к;

3. Сигнализация.

• существенные отклонения от задания;

• Прекращение подачи исходного раствора G_р , при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - открывается магистраль G_п, отключается подача теплоносителя и отбор концентрированного раствора.