Автоматизация технологических процессов основных химических производств

. Таким образом, в целом динамика объекта по каналу управления описывается

математической моделью апериодического звена 1-го порядка с

запаздыванием:

[pic]

(20).

Анализ статической характеристики объекта.

Из уравнения статики выразим [pic] в явном виде:

[pic]

(21).

. Статическая характеристика линейна по отношению к воздействиям по: [pic].

. Статическая характеристика нелинейна по отношению к воздействию по Gж.

. Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к Gж

введением стабилизации соотношения расходов: [pic], тогда получим:

[pic]

(22).

. Линеаризованное представление статической характеристики через разложение

в ряд Тейлора:

[pic] (23).

На основании (23) можно получить:

[pic] (24).

Схема испарителя

(кожухотрубного теплообменника с изменяющимся агрегатным состоянием

теплоносителя и технологического потока).

[pic]

Рис.1.

Показатель эффективности: hж - уровень жидкой фазы в трубках

испарителя.

Цель управления: поддержание [pic].

Математическое описание на основе физики процесса.

1. Общая тепловая нагрузка испарителя Q:

[pic]

(1).

2. На основании уравнения теплопередачи можно записать:

[pic] и [pic]

(2).

При теплопередаче от греющего пара и конденсата через трубки справедливы

соотношения:

[pic] и [pic]

(3).

3. Общая поверхность теплопередачи Fт при конденсации греющего пара

определится как:

Fт = Fп + Fк

(4а),

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

[pic]

(4б).

4. Определение [pic] на основании теплового баланса по греющему пару:

[pic]=Gгр *rгр

(5а);

[pic] = [pic]

(5б).

5. Определение [pic] на основании теплового баланса по технологическому

потоку:

[pic]

[pic] [pic]

(6а);

[pic]

(6б).

Выводы из математического описания физики процесса:

. Общая тепловая нагрузка, отдаваемая греющим паром зависит следующих его

параметров:

[pic]

(7).

. Общая тепловая нагрузка, получаемая технологическим потоком, определяет

следующие его параметры:

[pic] и [pic]

(8);

[pic]

(9).

Математическое описание на основе

теплового и материальных балансов процесса.

Тепловой баланс испарителя.

Уравнение динамики:

В развернутом виде при условии [pic] и [pic]:

[pic] (10а).

. т.е. тепло выделяется за счет охлаждения Gгр от исходной температуры (гр

до температуры насыщенного пара [pic], конденсации пара и последующего

охлаждения конденсата до (к .

. тепло расходуется на нагревание Gж до температуры [pic], испарение

жидкости и отводится с образующейся паровой фазой.

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

[pic] (10б).

Уравнение статики при [pic]:

[pic] (10в)

Выводы по тепловому балансу процесса:

. В целом температура в испарителе на основании выражений (8) и (9) зависит

от следующих параметров процесса:

[pic] (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, т.е.

при Рп (((кип ( (при этом rж ().

. 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 hж и давление Рп технологического потока в испарителе;

- уровень hк и давление Ргр потока греющего пара в кипятильнике;

Материальный баланс по жидкой фазе в испарителе

(для технологического потока)

. Уравнение динамики:

[pic],

(11),

. Уравнение статики при [pic]:

[pic]

(12).

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

[pic].

(13),

. Предпочтительное управляющее воздействие Gгр.

Материальный баланс по жидкой фазе в кипятильнике

(для конденсата греющего пара).

. Уравнение динамики:

[pic],

(14),

. Уравнение статики при [pic]:

[pic]

(15).

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

[pic].

(16).

. Предпочтительное управляющее воздействие является отбор конденсата Gк.

Материальный баланс по паровой фазе

для технологического потока в испарителе.

. Уравнение динамики:

[pic]

(17),

где

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

Рп - давление паровой фазы технологического

потока, Па;

(п - температура паровой фазы технологического

потока, К,

Vп - объем паровой фазы технологического

потока, м3 .

. Уравнение статики при [pic]:

[pic]

(18).

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

[pic]

(19),

Предпочтительное управляющее воздействие Gп.

Материальный баланс по паровой фазе для кипятильника.

Уравнение динамики:

[pic]

(20),

где Мгр - мольная масса паровой фазы греющего пара,

кг/моль;

Ргр - давление паровой фазы греющего пара, Па;

(гр - температура паровой фазы греющего пара, К,

Vгр - объем паровой фазы греющего пара, м3 .

. Уравнение статики при [pic]:

[pic]

(21).

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

[pic]

(22).

Предпочтительное управляющее Gгр .

Информационная схема испарителя

на основе материального баланса.

[pic]

Рис.2.

. Возможные управляющие воздействия:

[pic].

. Возможные управляемые переменные:

[pic].

Информационная схема испарителя

для типового решения автоматизации.

[pic]

Рис.3.

. В типовом решении автоматизации испарителей объект рассматривают как

односвязный для основных каналов управления рис.3.

. Однако, на основании схемы рис.3. объект можно рассматривать как

многосвязный.

. Многосвязность объекта с позиций физики процесса можно объяснить

следующим образом:

. При [pic]; т.к. при [pic]

. При [pic]; т.к. при [pic]

Типовая схема автоматизации испарителей.

[pic]

Рис.4.

Типовое решение автоматизации испарителей.

1. Регулирование.

. Регулирование уровня hж по подаче греющего пара Gгр - как показателя

эффективности процесса нагревания в испарителе.

. Регулирование давления Рп по отбору паровой фазы из испарителя - для

обеспечения материального баланса по паровой фазе и стабилизации

rж=f(Pп).

2. Контроль.

. расходы - Gгр, Gп , Gж ;

. температуры - [pic];

. давление - Ргр, Рж Рп ;

. уровень - hж

3. Сигнализация.

. существенные отклонения hж и Рп от заданий;

. резкое падение расхода технологического потока Gж , при этом формируется

сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи греющего пара

Gгр и отбора пара для технологических нужд.

Материалы к лекции №8

Автоматизация процесса выпаривания

Движущая сила процесса выпаривания.

. Движущей силой процесса выпаривания является полезная разность температур

((полезн :

((полезн = (т - (р-ракип

(1).

. Общая разность температур ((общ в процессе:

((общ = (т - (р-лякип

(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 - (р-лякип -( (г + (д + (гп )

(5).

Температурная депрессия.

. Определение (д на основании (1) и (5):

(д = (р-ракип - (р-лякип

(6).

. Определение (д по диаграммам «Р - (».

Диаграмма «Р - (» для растворов и растворителей.

[pic]

Рис.1.

. Из диаграммы следует, что при P=const (д = (р-ракип - (р-лякип

. Расчетные соотношения для (д:

- Для концентрированных растворов недиссоциирующихся веществ:

[pic]

(7),

- Для концентрированных растворов диссоциирующихся веществ:

[pic]

(8),

где R=8,31, дж/(моль*К);

cк - концентрация растворенного вещества в концентрированном растворе,

моль/моль;

rпр-ля - теплота испарения растворителя, дж/моль;

(р-лякип - температура кипения растворителя, К;

b - константа, определяемая опытным путем.

Объект управления

Схема выпарной установки естественной циркуляции

с вынесенной греющей камерой.

[pic]

1- греющая камера;

2- - выпарной аппарат;

3- брызгоулавливатель;

4- циркуляционная труба

Рис.2.

. 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 Gп.

Выделенная брызгоулавливателем жидкая фаза из паров растворителя

возвращается в кипятильник 1 по циркуляционной трубе 4.

Сконцентрированный раствор в виде потока Gк выводится из низа сепаратора.

. Показатель эффективности процесса - концентрация концентрированного

раствора ск.

. Цель управления - обеспечение ск = скзд (на максимально возможном

для данной установки значении).

Материальный баланс по растворенному веществу.

Уравнение динамики:

[pic][pic][pic]

(1),

Уравнение статики [pic]:

[pic]

(2)

Из выражений (1) и (2) следует:

[pic]

(3),

Предпочтительное управляющее воздействие: Gр.

Тепловой баланс выпарной установки.

Уравнение динамики процесса выпаривания:

[pic] (5).

Уравнение статики при [pic]:

[pic] (6).

В выражениях (5) и (6) принято:

. [pic];

. [pic];

. [pic] - количество испаряемого растворителя;

. [pic] - удельные теплоемкости исходного и концентрированного

растворов, которые не починяются закону аддитивности;

. [pic],

где (q - тепловой эффект растворения, определяемый на основании закона

Гесса:

[pic],

где qн и qк - интегральные теплоты растворения в начале и конце

процесса.

. На основании (5) и (6):

[pic]

(7).

Предпочтительные управляющие воздействия:

. для обеспечения теплового баланса процесса - расход теплоносителя Gт;

. для косвенного регулирования показателя эффективности процесса [pic] -

расход исходного раствора Gр.

В типовом решении автоматизации:

. для косвенного регулирования показателя эффективности процесса

выпаривания используют не температуру в аппарате, а температурную

депрессию:

[pic].

Материальный баланс по жидкой фазе (для раствора).

Уравнение динамики:

[pic],

(8),

Уравнение статики:

[pic]

(9)

На основании (8) и (9):

[pic].

(10).

Предпочтительное управляющее воздействие - Gк.

Материальный баланс по паровой фазе (для раствора).

Уравнение динамики:

[pic]

(11),

где Мп - мольная масса паровой фазы (растворителя),

кг/моль;

Рп - давление в сепараторе, Па;

(п = (к =(апп - температура в сепараторе, К,

Vп - объем паровой фазы в сепараторе, м3 .

Уравнение статики:

[pic]

(12).

На основании (11) и (12):[pic] и предпочтительное управляющее воздействие

Gп.

Материальный баланс по жидкой фазе (для теплоносителя).

Уравнение динамики:

[pic],

(14),

Уравнение статики:

[pic]

(15).

На основании (14) и (15):

[pic].

(16).

Предпочтительное управляющее воздействие - Gкт.

Материальный баланс по паровой фазе (для теплоносителя).

Уравнение динамики:

[pic]

(17),

где Мп - мольная масса теплоносителя, кг/моль;

Рт мтр - давление теплоносителя в межтрубном

пространстве кипятильника, Па;

(т - температура теплоносителя, К,

Vтмтр - объем паровой фазы теплоносителя в

межтрубном пространстве кипятильника, м3 .

Уравнение статики:

[pic]

(18).

На основании (17) и (18):

[pic]

(19).

Предпочтительное управляющее воздействие Gт.

Информационная схема процесса выпаривания.

[pic]

Рис.3

. Возможные управляющие воздействия:[pic].

. Возможные контролируемые возмущения: [pic].

. Возможные неконтролируемые возмущения: [pic] - удельные теплоемкости

потоков срi и теплота испарения растворителя rп .

. Возможные управляемые переменные: [pic].

. На основании рис.3 выпарная установка является сложным многосвязным

объектом по возможным управляющим воздействиям [pic].

Типовая схема автоматизации процесса выпаривания.

[pic]

Рис.4.

Типовое решение автоматизации процесса выпаривания.

5. Регулирование.

. Регулирование температурной депрессии ?д по подаче исходного раствора Gр

- как параметра, косвенно характеризующего показатель эффективности

процесса выпаривания ск .

. Регулирование давления в сепараторе Рпапп по отбору паров растворителя Gп

- для обеспечения материального баланса по паровой фазе.

. Регулирование уровня в сепараторе hк по отбору концентрированного

раствора Gк - для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.

. Стабилизация расхода теплоносителя Gт - для обеспечения теплового

баланса установки

6. Контроль.

. расходы - Gт, Gр, Gк, Gп;

. температуры - [pic];

. давление - Рп апп, Рт;

. уровень концентрированного раствора в аппарате - hк;

7. Сигнализация.

. существенные отклонения [pic] от задания;

. Прекращение подачи исходного раствора Gр , при этом формируется сигнал «В

схему защиты».

8. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - открывается магистраль Gп, отключается

подача теплоносителя и отбор концентрированного раствора.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Материалы к лекции №1 3

2. Материалы к лекции №2 7

3. Материалы к лекции №3 15

4. Материалы к лекции №4 20

5. Материалы к лекции №5 29

6. Материалы к лекции №6 38

7. Материалы к лекции №7 46

8. Материалы к лекции №8 62

-----------------------

Подготовка

сырья

Химический

синтез

Выделение

целевых

продуктов

Сырье

Целевые продукты

Страницы: 1, 2, 3, 4