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

Пример I I I - 3 . Резервуар и измерительная камера имеют следующие пара­ метры:

объем резервуара V = 400 л; диаметр L = 0,6 м; поминальный уровень ЖИДКОСТИ в резервуаре L X = 1 м; максимальный расход ЖИДКОСТИ 200 л/мип; L.Z = 1,4 м (см. рис. Ш-5).

Найдем период колебаний уровня жидкости в системе:

Тогда дппамичеекий коэффициент передачи объекта составит

2nV/F . (6,28) (400/200)

Для регулирования этого объекта необходимо установить диапазоны пропор­ циональности регулятора 200G = 0 , 6 % .

Резервуары гидравлических объектов обычно имеют размеры от 0,6 до 60 м, поэтому период колебаний уровня жидкости в них будет составлять от 1 до 10 с. Следовательно, необходимо обращать особое внимание на обеспечение устойчивости систем регулирования уровня в резервуарах с постоянной времени меньше 1 мин.

Влияние случайных возмущений на процесс регулирования уровня жидкости. Уровень жидкости обычно подвержен случайным возму­ щениям, обусловленным турбулентностью потока жидкости, посту­ пающей в объект, и ее разбрызгиванием. Мы уже видели, что при случайных возмущениях в колебательных контурах возникают колебания с периодом, равным периоду собственных колебаний контура. В промышленных аппаратах уровень жидкости, как пра­ вило, колеблется с амплитудой, достигающей в некоторых слу­ чаях 20 — 30% номинального значения уровня. Это наблюдается, например, в резервуарах с кипящими жидкостями.

Для обеспечения устойчивости контура регулирования уровня жидкости достаточно установить небольшой диапазон пропорцио­ нальности регулятора. Однако при наличии даже небольших случай­ ных возмущений плунжер.регулирующего клапана может достигнуть предельного положения, что недопустимо. Иногда по уровню жидкости в резервуаре регулируют расход ее в другой части объекта. Однако если расход колеблется значительно, то регулирование неосуще­ ствимо. В таких случаях используют ПИ-регуляторы, устанавливая широкий диапазон пропорциональности. При этом интегральная составляющая регулятора обеспечивает постепенное выведение регу­ лируемого параметра иа заданное значение.

РГногда применяют специальные регуляторы, у которых диапазон пропорциональности уменьшается при отклонении параметра от заданного значения. Такие регуляторы в случае приближения ре­ гулируемого уровня жидкости к поминальному перемещают регули­ рующий орган на небольшую величину и незначительно воздей­ ствуют на поток. Если же параметр сильно отклоняется в любую сторону от заданного значения, то регуляторы резко изменяют поток жидкости. Более подробно этот вопрос рассматривается в главе V .

8U

Регулирование уровня кипящих жидкостей и паро-жидкостных смесей при конденсации пара. При регулировании уровня кипящей жидкости или паро-жидкостной смеси с конденсирующимися парами обычно наблюдаются явления, присущие тепловым объектам. Проис­ ходящие при этом процессы тепло- и массообмена чрезвычайно затрудняют регулирование.

Вопросы регулирования уровня в паровых котлах и ректифика­ ционных колоннах довольно сложны. Их рассмотрению посвящены главы V I I I , I X и X I .

Регулирование температуры

Среди объектов, в которых протекают процессы теплопередачи, встречаются объекты с сосредоточенными и распределенными пара­ метрами. Для простоты рассмотрим объект с сосредоточенными

даваемой в рубашку, при этом соответственно меняется количество тепла, выделяющегося в результате реакции. Рассматриваемый объект характеризуется тепловыми емкостями: вещества в реакторе; стенок реактора; жидкости, подаваемой в рубашку; термобаллона измерительной системы регулятора; а также запаздыванием, свя­ занным с циркуляцией охлаждающей жидкости.

Так как тепло, выделяющееся в реакторе, отводится через его стенки охлаяедающей водой, то реагирующие вещества, стенки

реактора и охлаждающая вода с точки зрения их емкостных свойств влияют друг на друга.

Определение постоянных времени. Постоянные времени объекта регулирования можно найти из уравнений теплового баланса системы в неустановившемся режиме для каждой поверхности теплообмена. Составим уравнение теплового баланса для внутренней поверхности стенки реактора, предполагая/что скорость выделения тепла в реак­ торе постоянна (случай с переменной скоростью будет рассмотрен ниже). Тепло, выделяющееся в результате реакции, расходуется на нагревание поверхности стенки реактора и на повышение темпе­ ратуры вещества.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

Q =kiA {T-T1) + W1Cl (Ш,12)

где Q — количество выделившегося тепла; кг — коэффициент тепло­ отдачи от вещества к стенке реактора; А — поверхность тепло­ обмена; Т — температура реагирующих веществ в реакторе; Тг — температура внутренней стенки реактора; W± — масса реагирующих веществ; Сх — удельная теплоемкость реагирующих веществ.

Приведя это уравнение к нормальному виду, получим

Коэффициент при первой производпой в уравиепии (111,13) представляет собой постоянную времени

Таким образом, передача тепла от реагирующих веществ к вну­ тренней поверхности стенки реактора происходит с постоянной времени хх и коэффициентом передачи в установившемся режиме, равном единице. Если величина кхА неизвестна, то ее можно заме­ нить выражением Q/(T — Тх). Тогда %г можно определить из ра­ венства

Передача тепла от внутренней поверхности стенки реактора к на­ ружной происходит с постоянной времени

где W2 — масса стенок реактора; С2 — удельная теплоемкость материала стенки; к2 — коэффициент теплопроводности материала стенки; I — толщина стенки; Т2 — температура наружной поверх­ ности стенки. -

82

время предварения, равное. 35/2п., или 5,6 мни, уменьшило бы период колебаний контура регулирования приблизительно до 20 мни, а необходимый дпаназоп пропорциональности примерно до 20%.

2)наличие элементов с распределенными параметрами усложняет расчет контура регулирования;

3)тепловые объекты имеют минимум одну иелипейность; свойства этих объектов следует определять в каждом конкретном случае.

Если в последнем примере учесть влияние температуры в реак­ торе на скорость выделения тепла, как это происходит в действитель­ ности, то это приведет к еще одной нелинейности. Следует также учитывать и другие особенности конкретного объекта, в котором происходит процесс теплопередачи. Хотя некоторые характеристики тепловых объектов являются общимп, нельзя дать определение типового контура регулирования температуры.

Регулирование состава продукта

Регулирование технологических процессов целесообразно осу­ ществлять по составу продукта, обычно зависящему от расхода реагирующих веществ. Следовательно, контур регулирования по составу всегда обладает некоторым временем запаздывания. Кроме того, трудности, связанные с отбором проб, наличие неидеального смешения, а также периодический анализ проб приводят к тому, что результаты определения состава продукта являются несколько приближенными. Последнее ставит под сомнение необходимость проведения точного расчета настроечных параметров регулятора. Следует также иметь в виду, что состав продукта зависит ещё и от условий эксплуатации технологического оборудования.

Как и при регулировании температуры, объект в контуре регу­ лирования состава продукта может быть очень сложным. Как пра­ вило, при регулировании процессов массообмена требуется несколько контуров регулирования, число которых зависит от числа перемен­ ных, влияющих на качество продукта.

Рассмотрим свойства контура регулирования состава продукта на примере простой системы смешения компонентов.

Процесс смешения компонентов. Схема регулирования состава смеси двух продуктов, приведенная на рис. Ш - 8 , предназначена для поддержания постоянного состава раствора на выходе из ап­ парата путем изменения расхода концентрата, подаваемого в ап­ парат. При отсутствии химической реакции раствор заданного состава получается в результате смешения двух жидкостей в резер­ вуаре. Этот резервуар был бы одноемкостным объектом, если бы его содержимое было идеально перемешано, что практически неосу­ ществимо. Следовательно, имеется некоторое запаздывание, обусло­ вленное конечной скоростью переноса частиц жидкости в смесителе

86

от впускного отверстия к выпускному. Наличие запаздывания в объекте может привести к колебательному процессу в замкнутом

и нагнетающего ее в верхнюю часть. При этом циркулирующий

Полноту смешения жидкостей оценивают отношением циркули­ рующего восходящего потока жидкости к нисходящему потоку в резервуаре F J ( F a + F ) . Тогда под постоянной времени резервуара можно понимать часть емкости, в которой масса полностью пере­ мешана:

Время запаздывания

S7

Некоторые анализаторы являются устройствами периодического действия. С и х помощью производится только один анализ за опре­ деленный промежуток времени. При работе с такими анализаторами контур регулирования периодически отключается. К этой группе устройств относятся в основном хроматографы. В главе I V будет подробно рассмотрен такой контур регулирования, а также приве­ дены методы, позволяющие учесть периодичность его работы.

В ряде анализаторов наряду с транспортным имеет место и допол­ нительное запаздывание. Обычно это не оказывает влияния на работу контура регулирования, кроме случая, когда объектом является лишь небольшой участок трубопровода, постоянная времени кото­ рого меньше постоянной времени анализатора. Необходимо также учесть, что при сравнительно быстрых измерениях состава вещества имеют место дополнительные погрешности. Например, определение электропроводности или величины рН может быть выполнено бы­ стрее, чем произойдет полное смешение раствора и, следовательног при анализе будут определены параметры лишь частично смешанной фазы, что может привести к перерегулированию.

Время запаздывания в импульсных линиях анализаторов обычно постоянно, а в технологическом трубопроводе зависит от расхода жидкости в нем. Время запаздывания резервуара с мешалкой незна­ чительно (в пределах F]Fa) и зависит от расхода жидкости; в боль­ шинстве систем эти колебания невелики. Следовательно, период собственных колебаний контура регулирования состава продукта практически постоянен. При этом его динамический коэффициент передачи (кроме систем с объектами, в которых преобладает запазды­ вание, связанное с технологическими трубопроводами) также является постоянной величиной.

Статические характеристики большинства анализаторов близки к линейным, что не приводит к иская^ению коэффициента передачи контура регулирования. Исключение составляют приборы для анализа величины рН, особенности которого были рассмотрены выше. Анализаторы состава смеси обычно обладают высокой чувствитель­ ностью в связи с необходимостью получения продукта высокого качества. Поэтому коэффициент передачи контура регулирования состава смеси неизменно оказывается большим. Например, чистота продуктов разделения газовых смесей должна определяться с точ­ ностью 1,0 ± 0,2%.

В настоящее время даже расход вещества не представляется возможным регулировать с точностью ± 1 % при нестационарном процессе. Однако к системам регулирования состава продукта предъявляются более высокие требования. Этим, вероятно, объяс­ няется сложность регулирования состава продуктов. Так как состав вещества можно определять с точностью до 0 , 1 % , то полагают, что регулирование состава вещества должно осуществляться с той же точностью.

Коэффициент передачи объекта. Размерный коэффициент пере­ дачи объекта, изображенного на рис. Ш - 8 , представляет собой

89