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

смесь продуктов, находящихся в равновесии, независимо от мате­ риального баланса установки. Поддержание постоянства материаль­ ного баланса любого процесса массообмена в случае двухфазной системы, как правило, упрощается. При этом исключается одна переменная, что уменьшает число регулирующих величин на единицу.

Основным регулируемым параметром в процессах массообмена обычно является состав получаемого продукта, что требует в каждом конкретном случае своего анализатора. Часто процессы массообмена успешно регулируют по такому параметру, как плотность продукта. Иногда, например прп .сушке материала, вообще нецелесообразно применять анализаторы, так как регулирование процесса достаточно хорошо может быть обеспечено по другим параметрам.

Абсорбция, десорбция п увлажнение

Назначение процессов абсорбции и десорбции заключается в разделении и извлечении максимального числа компонентов, содержащихся в походном газовом потоке, что наиболее эффективно

писными буквами обозначены мольные скорости основного абсорби­ руемого компонента в соответствующих потоках, а строчными — его мольная доля).

Регулированию в процессе абсорбции подлежат расходы паровой и жидкой фазы, проходящих через абсорбер. Скорость подачи сырья в паровой (газовой) фазе является нагрузкой абсорбера.

Для регулирования состава обедненного газа на выходе из абсор­ бера изменяют расход абсорбента L . Температура и давление влияют на процесс абсорбции. Для проведения процесса абсорбции с макси­ мальной скоростью абсорбент должен подаваться в абсорбер при возможно низкой температуре, а давление в абсорбере должно поддерживаться иа высоком уровне.

310

Уравнение общего материального баланса абсорбера имеет вид:

а уравнение материального баланса по абсорбируемому компоненту

Если другие компоненты, находящиеся в паровой фазе не абсорби­ руются, то можно составить еще одно уравнение материального баланса

Из трех последних уравнений найдем зависимость между рас­ ходом абсорбента L и остальными параметрами процесса абсорбции:

F (x — w) (1 — у)

По уравнению ( X I I , 4 ) можно определить расход абсорбента L , требуемый для поддержания на постоянном уровне одного из пара­ метров процесса — у или х. Уравнение ( X I I , 4 ) сходно с уравнением системы регулирования с прямой связью для ректификации бинар­ ной смеси. Для процесса абсорбции (как и для процесса ректифи­ кации) существует взаимосвязь между параметрами у и х для одной ступени контакта. Отметим, что отношение L / F представляет собой основную регулирующую величину процесса абсорбции, которая зависит от состава исходной смеси.

Абсорбция обычно не является процессом топкой очистки ве­ ществ и почти никогда не бывает последней ступенью их обработки. Следовательно, качественное регулирование состава каждого выхо­ дящего потока не обязательно и анализаторы на выходных трубо­ проводах обычно не устанавливаются. Более важно при проведении процесса абсорбции обеспечить минимальные потери (например, потери вещества Vy) или суммарные производственные затраты. Для

Десорбция. В процессе десорбции абсорбированный компонент удаляется из абсорбента. Процесс десорбции может проводиться и самостоятельно с целью выделения более легких компонентов или растворенных газов из жидкости.

Десорбциопная колонна работает подобно нижней части ректи­ фикационной колонны. Компоненты смеси испаряются в кипятиль­ нике и в паровой фазе проходят вверх по колонне, причем быстрее

311

тура не регулируется. В заключение отметим, что абсорбер работает при более высоком давлении, чем десорбер.

Увлажнение. Процессы увлажнения и обезвоживания приме­

воды, падая навстречу потоку атмосферного воздуха, частично испаряются, в результате чего температура воды понижается, а воз­ дух увлажняется до насыщенного состояния.

Существует несколько различных методов измерения влажности газа. Влажность определяют по температуре мокрого термометра, по точке росы, а также приборами с чувствительным волосяным элементом, реагирующим на изменение относительной влажности. Более надежны влагомеры, использующие явление изменения элек­ тропроводности гигроскопической соли с изменением в ней влагосодержанпя.

Рпс. ХП-З. Схема регулирования процесса абсорбции — десорбции:

1 — абсорбер; 2 — десорбер.

При выборе типа влагомера для регулирования технологического процесса необходимо учитывать особенности последнего. В част­ ности, влагосодержанпе сыпучих материалов в изотермических про­ цессах может быть определено по относительной влажности омываю­ щего их газа, а в адиабатических процессах по температуре мокрого термометра. Во всех случаях наиболее точно влагосодержанпе может быть определено путем измерения абсолютной влажности.

Регулирование процесса увлажнения воздуха в распылительной камере (рис. X I I - 4 ) обеспечивается изменением количества пода­ ваемого в камеру тепла или воздуха. При поступлении в распыли­ тельную камеру очень сухого воздуха изменяют только его расход. Тепло в камеру извне при этом не подают.

313

Сушка влажного воздуха производится путем его охлаждения. При этом воздух в зависимости от требуемой степени влажности может быть дополнительно подвергнут сжатию-.

Рпс. X I I - 4 . Схема регулирования процесса увлаж­ нения воздуха.

Выпаривание и кристаллизация

Эти процессы могут проводиться раздельно или совместно с целью выделения твердого вещества из раствора. При выпаривании полу­ чают концентрпрованный раствор, а при кристаллизации — суспен­ зию кристаллов вещества в насыщенном растворе. Эти процессы относятся к процессам массопереноса, так как в них отсутствует равновесне вещества в разных фазах па выходе из аппарата. Дей­ ствительно, пар на выходе из выпарного аппарата и кристаллы, выпадающие в кристаллизаторе, являются практически чистыми продуктами. В связи с этим регулирование рассматриваемых про­ цессов в большой степени определяется материальным балансом.

Многокорпусное выпаривание. Процесс выпаривания обычно про­ водят в двух или более ступенях с целью экономии греющего водя­ ного пара. При этом вторичные пары, уходящие из первой ступени, используются для нагрева последующих ступеней. Для со_зданпя температурного перепада на теплопередающих поверхностях во всех ступенях (корпусах) должно поддерживаться различное давление. Наибольший экономический эффект достигается в том случае, когда в качестве греющего используется водяной пар низкого давления. Это, в свою очередь, требует, чтобы в каждой ступени аппарата поддерживалось определенное разрежение. Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки приведена на рис. ХИ-5.

На рпс. X I I - 5 приведена прямоточная схема регулирования процесса выпаривания в прямоточной двухкорпусной выпарной установке (пары и растворы движутся в одном направлении). Суще­ ствуют и противоточные схемы, а также схемы с одновременной подачей походного раствора во все ступени. Наиболее часто процесс выпаривания осуществляется по прямоточной схеме.

314

Основной регулируемой величиной процесса выпаривания является концентрация конечного раствора, которая может быть определена по плотности, удельной электропроводности, показателю преломления света, а также по температуре кипения пли температуре замерзания. Обычно эта концентрация регулируется путем воздей­ ствия на расход конечного раствора. При этом регуляторы уровней в ступепях воздействуют на входные потоки, влияя в итоге иа ско­ рость подачи исходного раствора в установку. Такая схема регули­ рования учитывает взаимодействие между потоками и концентра­ циями растворов во всех ступенях. Производительность установки в этом случае можно поддерживать иа заданном уровне путем изме­ нения расхода первичного греющего пара. Последний, однако,

Рпс. X I I - 5 . Схема регулирования прямоточной двухкорпусноп выпарной установки.

представляет собой одно из основных возмущающих воздействий процесса выпаривания. Поэтому далее рассматривается возможность регулирования процесса выпарпвання по материальному балансу установки.

Регулирование выпаривания по материальному балансу. Допу­ стим, что количество выпариваемого растворителя в каждом корпусе пропорционально количеству подаваемого в него тепла, а все раство­ ренное твердое вещество, поступающее с исходным раствором, выводится из последнего корпуса с концентрированным раствором. Обозначим через Wx и хх соответственно расход исходного раствора и содержание в нем растворенного твердого вещества. Тогда массовый расход твердого вещества X, поступающего в аппарат вместе с сырьем, равен:

X=W1x1 (ХП,5)

315

Из этих уравнений определим величину У,, которую необходимо поддерживать постоянной для получения продукта с заданным содержанием растворенного в нем твердого вещества из исходного раствора определенной концентрации:

F»=^(4-S) <XI-8>

Тепло в ступени выпарного аппарата подается в виде вторичных паров (отходящих из предыдущих ступеней) или в виде свежего водяного пара. Допустим, что раствор на входе в аппарат подогрет

Рассмотрим процесс двукорпусного выпаривания, предполагая, что все предыдущие соотношения относятся ко второму корпусу. Составим уравнение материального баланса аналогично тому, как это было сделано для процесса однокорпусиого выпаривания, и найдем зависимость между производительностью двухкорпусной установки, т. е. количеством выпариваемого растворителя в обеих ступенях в единицу временп, п расходом исходного раствора, содер­ жащего растворенное твердое вещество. В результате получим:

V i + F 2 = W o ( l - - g . ) ' ( X I I . U )

"#7 +"ЖГ

Для /г-корпусного аппарата аналогичная зависимость имеет вид:

'=1

316

Энтальпия растворов, последовательно выпариваемых в ступенях примерно одинакова. Среднее значение ее обозначим через Н. Оно несколько превышает величину Н0 из-за понижения давления в каж­ дой ступени. Тогда знаменатель уравнения (X 11,13) с небольшой погрешностью можно представить. в виде отношения п/Н.

Из уравнения (XII,13) следует, что регулирование качества получаемого продукта может быть осуществлено путем изменения либо подачи тепла, либо исходного раствора. Выбор регулирующей величины зависит от конкретных условий процесса. При наличии даже кратковременных изменений давления греющего пара регу­ лирующей величиной должна быть выбрана скорость подачи исход­ ного раствора. Если же раствор поступает непосредственно из пре­ дыдущей установки, то при отсутствии промежуточной емкости в качестве регулирующей величины выбирают расход тепла.

Обычно текущие значения параметров процесса выпаривания измеряют расходомерами переменного перепада давления и датчиком плотности исходного раствора. При этом в показания расходомера водяного пара вводят поправку на изменение статического давления пара.

На удельный объем насыщенного водяного пара, кроме давления, влияет также его энтальпия. В результате массовый расход водяного пара определяется по перепаду давления h^, возникающему на сужающем устройстве, и по удельному объему Vs в соответствии со следующим равенством:

Учитывая, что зависимость отношения Щ1и3 от р в достаточно большом диапазоне изменения р линейна, представим последнее равенство следующим образом:

Аналогично массовый расход' исходного раствора может быть определен по перепаду давления hf с учетом плотности раствора р, однозначно определяющей содержание твердых растворенных ве­ ществ. Тогда

При постоянной величине хп все переменные процесса, зависящие от плотности исходного раствора, могут быть выражены такой линей­ ной зависимостью:

317

Воздействовать на скорость подачи исходного раствора при измене­ нии расхода греющего пара:

f— gP

Впоследнем уравнении коэффициенты а, в и / постоянные, а вели­ чина Н изменяется в небольших пределах.

На рис. X I I - 6 изображена схема регулирования с прямой связью, которая может быть использована для процесса многокор­ пусного выпаривания при подаче исходного раствора из промежуточ­ ной емкости. Выходной сигнал регулятора уровня жидкости в этой емкости подается как задание на регулятор расхода греющего пара.

Рис. X I I - 6 . Схема регулирования процесса выпаривания с прямыми связями, учитывающими изменение плотяостп сырья п расхода греющего пара.

Кратковременное уменьшение подачи греющего пара в рассматри­ ваемой схеме компенсируется повышением уровня в емкости до тех пор, пока подача греющего пара не восстановится до нормального значения.

В быстродействующих пленочных выпарных аппаратах с неболь­ шим количеством жидкости изменения скорости подачи исходного раствора могут лрпвести к изменению качества продукта на выходе прежде, чем начнет изменяться расход греющего пара. В этих слу­ чаях в схему регулирования следует вводить динамический компен­ сирующий элемент, создающий запаздывание, которое превышает опережение изменения качества продукта по сравнению с изменением расхода греющего пара. Из-за малого объема жидкости в аппарате запаздывание, создаваемое этим элементом, должно быть достаточно большим. Это несколько затрудняет введение корректирующего воздействия в контур регулирования величины Н по каналу обратной связи. Эффективно также небольшое изменение расхода греющего пара, подаваемого непосредственно в последнюю ступень аппарата до того, как сработает контур обратной связи3 1 . Закон регулирования этого контура должен включать пропорциональную и дифферен­ циальную составляющие.

Регулирование кристаллизаторов. Растворенное вещество выво­ дят из раствора в виде кристаллов либо путем выпаривания раство­ рителя, либо понижая температуру раствора. В первом случае

318

к аппарату необходимо подвести тепло или понизить в нем давление; возможно также одновременное воздействие этих факторов. Если выпаривание осуществляется лишь за счет понижения давления, то при этом снижается температура раствора и замедляется процесс удаления растворителя. При выпаривании раствора обычно регу­ лируется концентрация кристаллов в суспепзни на выходе из аппа­ рата. Одпако во многих случаях требуется получать кристаллы определенного размера. На практике концентрацию кристаллов в суспензии определяют по плотности последней, полагая, что рас­ пределение кристаллов в месте размещения чувствительного эле­ мента прибора однородно. Определение размера кристаллов в трубо­ проводе, к сожалению, не представляется возможным.

Рис. ХН-7. Схема регулирования процесса кристаллизации.

На рпс. X I I - 7 приведена схема регулирования кристаллизатора, работающего на принципе понижения температуры раствора. Под­ держание последней на постоянном значении обеспечивается цирку­ ляцией суспензии через холодильник, где поглощается избыток тепла исходного раствора, а также тепло, затраченное на распла­ вление кристаллов в циркулирующем потоке. Во избежание слипа­ ния кристаллов суспензия в кристаллизаторе должна находиться в подвижном состоянии. Кристаллы выделяются из маточного рас­ твора центрифугированием или фильтрацией.

Мелкие частицы получаемого твердого продукта оседают из раствора очень медленно, поэтому они скапливаются в верхней части общей массы кристаллизата. Для получения кристаллов большего размера эти мелкие частицы выводятся из кристаллиза­ тора, растворяются п снова подаются в кристаллизатор. Повышение плотности суспензии на выходе указывает на увеличение размера кристаллов, что может быть вызвано повышением уровня общей массы кристаллов относительно места отвода суспензии.

319