ЗмішувачІ як об’єкт керування

Перемішування широко застосовується в хімічній промисловості для приготування суспензій, емульсій і розчинів.

Завдяки перемішуванню досягається щільне зіткнення частинок і неперервне оновлення поверхні взаємодії речовин. Внаслідок цього при перемішуванні значно прискорюються процеси масообміну, наприклад розчинення твердих речовин в рідинах, процеси теплообміну і протікання багатьох хімічних реакцій. Перемішування використовують для прискорення абсорбції, випарювання і інших основних процесів хімічної технології.

Найбільш розповсюдженим способом перемішування в рідинних середовищах є механічне перемішування за допомогою мішалок, що мають лопасті різних конструкцій. Також застосовують перемішування стиснутим повітрям. Інколи рідини перемішують багатократним перекачуванням їх насосом через апарат, тобто шляхом циркуляції в замкнутому контурі. Обидва останніх способи вимагають порівняно великої витрати енергії, а перемішування повітрям може призвести до окислення або випаровування продуктів.

Основними характеристиками любого процесу перемішування є: витрати енергії, ефективність перемішування і необхідна концентрація суміші.

В різних процесах ефективність перемішування визначається по-різному Наприклад, при утворенні суспензій, ефективність перемішування характеризується рівномірністю розподілення твердих частинок в рідині і швидкістю досягнення достатньої рівномірності. Якщо перемішування застосовується для інтенсифікації теплообміну, ефективність перемішування може визначатися зростанням коефіцієнта тепловіддачі в переміщуваному середовищі. При проведенні хімічних реакцій з речовинами різних фаз інтенсивне перемішування прискорює швидкість реакції в декілька разів. Масообмінні процеси і хімічні реакції вимагають щільного контакту і гомогенності середовища, а цього можна досягнути за рахунок інтенсивного перемішування.

Як приклад розглянемо процес керування змішуванням двох речовин (рідин).

При розробленні типового рішення автоматизації як об’єкт керування приймемо ємність з механічною мішалкою, апарат неперервної дії, в якому змішуються дві рідини: А (з концентрацією цільового компонента С_А) і Б (з концентрацією цільового компонента С_В) для отримання гомогенізованої суміші з заданою концентрацією цільового компонента С_С.

На рис.1 показано технологічну схему змішувача.

Як показник ефективності процесу перемішування приймають концентрацію певного компонента в суміші, а метою керування - отримання суміші з певною концентрацією цього компонента.

Ефективність перемішування забезпечується вибором параметрів перемішуючого пристрою та числа обертів мішалки, що забезпечують рівномірність концентрації суміші в апараті із заданою інтенсивністю (тобто за заданий час).

Однак у реальних умовах на технологічний об'єкт діють зовнішні і внутрішні збурення, які призводять до відхилення технологічних режимів роботи від розрахункових.

Завдання розроблення системи автоматизації - забезпечити в умовах дії зовнішніх і внутрішніх збурень у процесі ефективне його функціонування з необхідними характеристиками якості.

Рис 1. Технологічна схема змішувача: F_А, F_В, F_C - витрати компонентів А і В та

суміші С, відповідно; С_А, С_В, С_С - концентрації; L - рівень; n - число обертів мішалки

Залежність показника ефективності від параметрів процесу можна вивести із рівняння матеріального балансу по цільовому компоненту.

Враховуючи зміну акумульованої речовини, концентрацію якої необхідно підтримувати, можна записати рівняння динаміки змішувача відносно концентрації С_C:

, (1)

де - кількість суміші в змішувачі; V - густина та об’єм суміші; С^* - концентрація необхідного компонента в змішувачі; при необхідному перемішуванні С^*=С_С.

Рівняння статики змішувача при можна записати:

. (2)

Враховуючи, що витрата суміші F_C в усталеному режимі рівна сумі витрат F_А та F_В , концентрація суміші визначається із залежності:

. (3)

Зі зміною витрат F_А та F_В в об'єкт будуть надходити збурюючі впливи. Якщо між попередніми за технологічною схемою процесами і процесом перемішування встановити проміжні ємності, то можна цілеспрямовано змінювати одну із цих витрат з метою підтримки концентрації F_C на заданому значенні. Більш ефективно змінювати витрату тієї рідини, у якій концентрація шуканого компонента є вищою.

Концентрації C_А та C_В визначаються технологічними режимами попередніх процесів, тому стабілізувати або змінювати їх для досягнення мети керування неможливо.

Отже, на змішувач можуть діяти збурюючі впливи, тому варто регулювати безпосередньо концентрацію С_С, вносячи регулюючі впливи зміною однієї з витрат F_А або F_В.

В змішувачі, крім цього, необхідно підтримувати певний об'єм рідини. Істотна зміна об'єму рідини може призвести до переповнення апарата або його спорожнювання, при цьому процес змішування стане неможливим. Показником об'єму рідини є рівень у змішувачі, тому його необхідно стабілізувати. Рівень рідини залежить від витрат F_a, F_b, F_C. Якщо витрата F_C визначається ходом наступного процесу, то її не можна стабілізувати та використати для внесення регулюючих впливів. Одна з витрат F_A або F_B (наприклад, F_A), як уже сказано, може використовуватися для внесення регулюючих впливів при регулюванні концентрації С_С. Отже, єдиним каналом для внесення регулюючих впливів при стабілізації рівня є інша витрата (F_B). Відзначимо, що здійснюючи регулюючі впливи, регулятор рівня створює збурення для регулятора концентрації С_C.

Для успішної експлуатації змішувача, оперативного керування ним і підрахунку техніко-економічних показників варто контролювати концентрацію С_C, витрати F_A, F_B та F_C, рівень рідини в змішувачі L та кількість енергії N, споживаної приводом мішалки.

Сигналізації підлягає значне відхилення концентрації С_C і рівня L у змішувачі від заданих значень. При досягненні критичного значення рівня L система захисту повинна припинити подачу рідин.

На рис.2 показана структурна схема взаємозв’язку технологічних параметрів і факторів, що впливають на роботу змішувача.

_А

_B

_В

μ_В

R4

Рис.2. Структурна схема взаємозв’язку технологічних параметрів і факторів, що впливають на роботу змішувача: F_A, F_B, F_C - витрата рідин A, B та суміші C; n - оберти мішалки; _M - час перебування рідини в мішалці; m - маса рідини; С_A, С_B, С_C - концентрація рідин A, B та суміші С, відповідно; N - потужність приводу мішалки; L - рівень; E - ефективність перемішування; _А, _В, _С - густина рідин A, B та суміші С, відповідно; _А, _В, _С - в’язкість рідин A, B та суміші С, відповідно;  - коефіцієнт опору; d - діаметр лопасті; d_ч - діаметр твердих частинок суміші (при використанні мішалки для приготування суспензій, емульсій); D - діаметр мішалки

До основних вихідних величин мішалки необхідно віднести: концентрацію суміші ; потужність, що споживає привід мішалки N; рівень у мішалці L; ефективність перемішування E.

Основні величини, за допомогою яких можна впливати на процес перемішування є: кількість обертів мішалки n, витрати рідин A i B - i i суміші ; час перебування рідини в мішалці _M; маса рідини в мішалці m. До збурюючих величин віднесемо: концентрацію рідини A i B - і ; густини рідин А і B - i і суміші ; в’язкість рідин А і В - , і суміші . До збурюючих факторів можна віднести: коефіцієнт опору , діаметр лопасті d, діаметр мішалки D i діаметр твердих частинок . Для конкретної мішалки величини d і D постійні і при розрахунку мішалки можуть вибиратися оптимальними, що забезпечує мінімальне споживання енергії для приведення у дію лопасті.