книги из ГПНТБ / Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов

Существуют два основных пути решения этой задачи: 1) применение охлаждающей системы, способной работать также в качестве нагре­ вающей; 2) разделение этих функций путем предварительного подо­

водяного пара высокого давления. Скорость теплопередачи в этой системе прямо пропорциональна температуре конденсата, которую и следует использовать для регулирования температуры в реакторе. Температура же кипения конденсата однозначно зависит от его давления, поэтому выход с регулятора температуры в реакторе направляется в качестве задания на регулятор давления водяного пара в рубашке реактора.

На рис. Х-11 приведена система, в которой охлаждающая жид­ кость (например, вода) с большой скоростью циркулирует, омывая поверхность, теплообмена. Температура хладоагента выбрана в ка­ честве управляющей переменной величины, так как она связана

Если используется схема без рециркуляции хладоагента, время

при изменении расхода приводит к возникновению в контуре коле-

260

баиий с ограниченным периодом (даже при использовании клапана с логарифмической характеристикой).

-Системы охлаждения могут быть использованы и для контроля степени конверсии веществ. По расходу конденсата, подаваемого к реактору (см. рис. Х-10), можно достаточно точно судить о выделе­ нии тепла в реакторе. При наличии же циркулирующего жидкого хладоагеита скорость выделения тепла в реакторе определяют как

1. Если основной регулятор вызывает увеличение отвода тепла, то температура на входе в рубашку упадет раньше, чем иа выходе из нее. Разность между этими температурами обычно составляет примерно 3 °С и может быть меньше, чем случайные изменения температуры хладоагеита на входе в рубашку. По этой причине регистрация количества выделившегося тепла проводится с большой погрешностью; такая регистрация может использоваться только при условии автоматической компенсации изменения температуры хладоагеита на входе в рубашку.

2. Наличие большого числа возмущающих воздействий, приво­ дящих к дополнительным погрешностям; основным возмущающим воздействием является изменение перепада температур между реаги­ рующими веществами и целевыми продуктами.'

Необходимо, чтобы температура хладоагеита на входе в рубашку измерялась с запаздыванием,' равным времени нахождения хладо­ агеита в рубашке. Это может быть выполнено, например, путем параллельного подключения к рубашке реактора длинной трубки, время запаздывания в которой может быть отрегулировано измене­ нием расхода протекающей по ней жидкости. Таким устройством снабжена система, приведенная на рис. Х-11.

Если реакция протекает без катализатора, то в случае необходи­ мости реагирующие вещества подогревают перед их смешиванием. Иначе реакция может начаться в подогревателе, где ее не регули­ руют. Для экономии тепла, подаваемого в подогреватель, сразу же после начала реакции реагирующие вещества подают в реактор, минуя подогреватель.

Некоторые реакторы снабжаются регенеративной системой подо­ грева, в которой тепло от продуктов реакции передается реагентам.

положительпой обратной связи, который может лишить реактор свойства самовыравнивания. Регулирование температуры на выходе из регенеративного подогревателя может быть выполнено, как показано на рис. Х-12.

Если реакция в жидкой фазе протекает при температуре, близкой к температуре кипения одного из реагентов или продуктов, то регу­ лировать температуру в реакторе можно используя теплоту паро­ образования. Если один из реагентов испаряется, он может быть

261

возвращен .обратно в реактор после конденсации; если испаряется продукт, он может быть отобран в виде пара. Такая система обла­ дает очень большим самовыравниванием. В этом случае вместо температуры более целесообразно регулировать давление, так как давление с большей чувствительностью и меньшим запаздыванием реагирует на любые возмущения. Эффективным средством поддер­ жания давления на заданном значении является дросселирование возвращаемой жидкости на выходе из конденсатора или дроссели­ рование пара, отводимого из реактора.

Ранее отмечалось, что регулирование величипы рН представляет собой трудную задачу, которая помимо трудностей, присущих всем системам регулирования состава, осложняется тем, что кривая рН имеет явную нелинейность. Последнее налагает особые требова­ ния к диапазону изменения расхода продуктов с помощью регули­ рующих клапанов и к другим параметрам системы регулирования.

На рис. Х-13 представлены типичные кривые потенциометрического титрования. Кривые титрования сильной кислоты сильным основанием вблизи точки нейтрализации имеют очень большой наклон, поэтому качественное регулирование в этом случае факти­ чески невозможно. При нейтрализации слабых кислот рН меняется не так резко, что значительно облегчает задачу регулирования процесса.

Регулирование рН успешно производится и в неорганических растворителях. При этом растворитель должен быть достаточно полярным, чтобы диссоциировать в растворе. Так как каждый растворитель имеет свое значение константы диссоциации, то нейтра­ лизация в неводной среде может произойти при значении рН, отлнч-

262

ном от 7. Не представляется возможным измерить рН в органических растворителях.

Если для регулирования химической реакции используется рН, то условия нахождения этой величины должны быть точно опреде­ лены. Например, кривая титрования продуктов реакции должна быть известна и не должна меняться. Кроме того, необходимо, чтобы требуемое отношение расхода реагирующей кислоты (или

по рЫ целевого продукта:

1 — реактор; г — датчик рН; з — насос.

регулирования с обратной связью. Схема такой системы регули­ рования приведена на рис. Х-14. Нелинейность кривой титро­ вания компенсируют применением нелинейного регулятора, описан­ ного в главе V . Для поддержания постоянства коэффициента пере­ дачи замкнутого контура во всем диапазоне изменения расходов статические характеристики датчиков расхода линеаризуют, уста­ навливая на линии их выходных сигналов устройства для извлече­ ния квадратного корня.

При такой схеме регулирования рН целевого продукта все время колеблется около заданного значения. Для окончательной нейтрали­ зации этого продукта предусматривают специальные системы. За­ дача регулирования рН на выходе таких систем значительно ослож­ няется рабочими условиями:

263

4) тип кислоты или основания может меняться (слабые, силь­ ные), что влияет на характер кривой рН.

Интервал изменения расхода реагентов зависит от изменения рН целевого продукта. Схему, приведенную на рис. Х-14, можно исполь­ зовать только при не более чем четырехкратном изменении расхода реагента, так как применяемый в ней расходомер переменного перепада давления обеспечивает точность выше 1 % лишь на участке шкалы от 25 до 10096. Линейные "регулирующие клапаны допускают 25-кратное изменение расхода, а клапаны с логарифмической харак­ теристикой применяются даже при 50-кратном его изменении.

Если требуется изменить расход в 200 и более раз, устанавли­ вают параллельно два регулирующих клапана. В этом случае для получения необходимого расхода устанавливают определенное соотношение между степенями открытия клапанов. Следует про­ водить тщательный анализ изменения коэффициента передачи этой системы. Если выбрать два линейных клапана с отношением коэффи­ циентов пропускной способности 1 : 10, то постоянство коэффициента передачи системы будет достигнуто лишь в том случае, если клапан меньшего размера полностью открыт при выходной величине регуля­ тора, равной 9% (1 : 11). Коэффициент передачи клапана с логариф­ мической характеристикой изменяется пропорционально расходу жидкости через него. Эта зависимость нарушается прп одновремен­ ном открытии обоих клапанов. Для их совместной работы требуется, чтобы меньший клапан был полностью закрыт, когда начинает открываться больший.

Разработана система регулирования рН с двумя клапанами с компенсацией -нелинейности кривой рН в большом диапазоне изменения расхода реагента (рис. Х-15). Меньший клапан с лога­ рифмической характеристикой 1 управляется П-регулятором рН 4, выходной сигнал с которого подается также иа больший клапан с линейной характеристикой 2, но через ПИ-регулятор 3, имеющий зону нечувствительности. Клапан 1 обеспечивает точную регули­ ровку, а клапан 2 вступает в действие при больших изменениях нагрузки.

Логарифмическая характеристика клапанов имеет примерно та­ кой же вид, как кривая рН. Если рН отклоняется от точки нейтра­ лизации, то коэффициент передачи кривой рН уменьшается. Откло­ нение рН приведет к открытию клапана, увеличивая его коэффи­ циент передачи и компенсируя изменение коэффициента передачи кривой рН. Полная компенсация изменения коэффициента передачи контура наблюдается при определенном соотношении между вели­ чиной рН и степенью открытия обоих клапанов. Это исключает применение интегрального воздействия в регуляторе, так как откло­ нение величины рН от точки нейтрализации уменьшается до нуля независимо от степени открытия регулирующего клапана.

264

изменяет проходное сечение со скоростью, определяемой отклоне­ нием входного сигнала регулятора от зоны нечувствительности, а также параметрами настройки пропорционального и интегрального воздействий. Когда входной сигнал регулятора снова войдет в зону нечувствительности, действие большего клапана прекращается. Боль­ ший клапан имеет линейную характеристику, так как коэффициент передачи контура регулирования без этого клапана при значитель­ ном удалении величины рН от точки нейтрализации почти не ме­ няется.

Если размер большего клапана в 20 раз превышает размер мень­ шего, то система обеспечивает изменение расхода реагента почти в 700 раз. Если и такое изменение расхода недостаточно, следует проводить нейтрализацию продукта в две или более стадий. Когда величина рН продукта изменяется в обе стороны от точки нейтра­ лизации, используется точно такая же вторая система регулирова­ ния, управляющая подачей другого реагента в тот же сосуд.

Комбинированное регулирование рН. На рис. Х-14 представлена комбинированная система регулирования величины рН по откло­ нению и по возмущеишо; при этом контур регулирования по возму­ щению работает от расхода продукта. В процессе нейтрализации изменения рН нейтрализуемого потока более часты и значительны, чем изменения его расхода. Соотношение между рН и требуемым количеством реагента меняется, поэтому для регулирования рН целесообразно применять совместно контуры регулирования по отклонению и по возмущению.

Для нахождения требуемого количества реагента расход нейтра­ лизуемого продукта умножают на содержащееся в нем количество кислоты или основания. Рассмотрим процесс нейтрализации коли­ чества F кислоты НА основанием В. Требуемый расход основания определяется по равенству:

Если реагент проходит через клапан с логарифмической харак­ теристикой, то зависимость между расходом и степенью его открытия т имеет вид:

- I n - ? — = 4 ( 1 - я г )

- " m ax

где г — заданное значение регулируемой величины; 100/Р — коэффи­ циент передачи контура регулирования по возмущению; а — величина сигнала контура обратной связи.

Вследствие логарифмической характеристики клапана коэффи­ циент передачи контура регулирования будет изменяться со степенью

265

открытия клапана (следовательно, и с расходом реагента) так же, как с изменепнем величины рН. Для того чтобы коэффициент пере­ дачи не зависел от расхода реагента, выходная величина регулятора обратной связи, обозначаемая через а, должна быть подана на то же самое устройство, что и текущее значение расхода нейтрализуемого

Реагент

Рпс. Х-16. Схема комбинированного регулирования рН.

продукта. Фактически имеем схему регулирования с обратной связью, аналогичную приведенной на рпс. Х-14, в которой для компенсации нелинейности кривой рН применяется нелинейный регулятор. При этом клапан с логарифмической характеристикой обеспечивает

Для обеспечения более точной подачи реагента на клапане с ло­ гарифмической характеристикой устанавливают позиционер. Для этой же цели реагент подают под постоянным напором. Если область изменения расхода реагента при установке одного клапана недоста­ точна, то устанавливают параллельно еще один клапан. Максималь­ ный расход меньшего клапана в этом случае должен составлять около 3% от пропускной способности большего клапана. При 5 0 % -

266

иом значении выходного сигнала регулятора больший клапан должен пропускать только 3% максимального расхода, а меньший клапан должен быть полностью открыт. Для подачи в аппарат большего количества реагента больший клапан открывается. При перемене направления изменения величины рН необходимо, чтобы клапаны изменяли направление своего движения с небольшим рассогласова­ нием во времени — во избежание возникновения колебательного режима.

На рис. Х-17 приведен график зависимости, которую необхо­ димо ввести в контур регулирования по отклонению и в контур регулирования по возмущению. На этом рисунке по оси ординат

Реакторы периодического действия

Периодический процесс обычно включает несколько операций: загрузку реактора реагирующими веществами и катализатором; нагревание этих веществ до температуры реакции; проведение реак­ ции до полного окончания; нагревание или охлаждение реактора до определенной температуры; охлаждение и опорожнение реактора. Однако в некоторых случаях могут наблюдаться отклонения от этого порядка.

Промышленные реакторы периодического действия представляют собой сосуды объемом в несколько тысяч литров, снабженные ме­ шалками и рубашками для нагрева или охлаждения. При протекании реакции первого порядка степень превращения изменяется во вре­ мени в соответствии с уравнением (Х,2).

Продифференцировав это уравнение, найдем выражение для скорости конверсии

(Х,27)

Скорость конверсии максимальна в начале реакции.

Скорость реакции второго порядка зависит от квадрата концен­

267

Далее найдем выражения для степени конверсии и скорости конверсии:

Скорость конверсии в реакторе периодического действия харак­ теризует его производительность. Если в реакторе протекает экзо­ термическая реакция, скорость конверсии пропорциональна коли­

сип макспмальпа. Качественное регулирование экзотермических

дует отводить выделяющееся тепло. Система охлаждения, наиболее

от заданного значения было невелико, диапазон пропорциональности регулятора устанавливают на значении, приблизительно равном 10%. В качестве основного регулятора температуры в реакторе исполь­ зуют ПИД-регулятор, обеспечивающий поддержание температуры реакции при протекании процесса на оптимальных уровнях, регу­ лирование температуры реакции без перерегулирования и прове­ дение реакции за минимальное время.

Если характеристики процесса теплоотдачи в реакторе периоди­ ческого действия аналогичны характеристикам устойчивого реак­ тора непрерывного действия, рассмотренного ранее, то регулирова­ ние температуры в нем значительно упрощается. Такой реактор будет довольно быстро реагировать на возмущения с периодом, равным примерно 20 мин. Эффективное демпфирование колебаний

268

температуры в нем наблюдается при установке зоны пропорциональ­ ности регулятора, равной 10% . В этом случае для качественного регулирования температуры рекомендз^ется использовать все три составляющие закона регулирования.

Для предотвращения перерегулирования параметра основной регулятор должен быть оснащен переключателем, отключающим действие интегральной составляющей регулятора при выходе па­ раметра за пределы зоны пропорциональности (см. рис. IV-6). Кор­ ректирующее воздействие, которое необходимо ввести в контур регулирования при этом отклонении, для конкретной реакции можно рассчитать. Конверсия в реакторе начинается лишь после подачи заранее известпого количества тепла, которое затем должно быть полностью отведено через теплообменную поверхность.

Для надежной и интенсивной теплоотдачи вещества, находяще­ гося в реакторе, охлаждающую жидкость подвергают циркуляции с большой скоростью в замкнутом контуре, в результате чего темпе­ ратурный перепад этого вещества и циркулирующей жидкости невелик. При этом скорость теплопередачи прямо пропорциональна разности температур вещества в реакторе и хладоагента на выходе из рубашки, измеряемых основным и вспомогательным регуля­ торами.

Выходная величина основного регулятора, подаваемая как за­ дание на вспомогательный регулятор, рассчитывается теоретически и показывает отклонение текущего значения параметра от задан­ ного, которое может быть выбрано в качестве допустимого. В главе I V было указано, что это отклонение необходимо устанавливать на несколько процентов меньше, чем рассчитанное значение, чтобы интегральная составляющая регулятора вступала в работу в момент срабатывания переключателя. При этом регулятор будет приводить параметр к заданному значению с перерегулированием, не превы­ шающим допустимое?

Если реактор периодического действия неустойчив, то период его собственных колебаний вдвое превышает период колебаний такого же устойчивого реактора. По этой причине система регули­ рования, описанная выше, будет мало эффективна. Для качествен­ ного регулирования в этом случае требуется широкая зона пропор­ циональности регулятора. Для предотвращения перерегулирования реактора периодического действия количество подаваемого тепла необходимо уменьшать раньше, чем в случае регулирования устой­ чивого реактора, иначе продолжительность процесса регулирования значительно увеличится.

Для удовлетворителвного решения этой задачи наиболее целе­ сообразно применять системы регулирования с двумя регуляторами: ПИД и двухпозиционными (см. рис. V-17). Первоначальная нагрузка оценивается так же, как и раньше, но при этом не вносится поправка на влияние интегральной составляющей, ибо оно не возникает, пока рассогласование мало. Полный обогрев может быть применен, когда регулируемая величина составляет 1—2% от заданного зна-