Реферати

Реферат: Автоматизація технологічних процесів основних хімічних виробництв

Соціальні гарантії військовослужбовців. Історія становлення і розвитку системи соціально-правового захисту військовослужбовців Російської Федерації, її види і гарантії. Характеристика видів (речове, житлове, пенсійне) матеріального забезпечення військовослужбовців, аспекти його правового регулювання.

Відчищання промислових і поверхневих вод. Методи відчищання промислових стічних вод: механічні, фізико-хімічні і біологічні. Тривалість проходження рідини через відстійник. Інтенсифікації процесу коагуляції. Установки ионообменной відчищання. Знезаражування поверхневих вод.

Усі про контроллинге. Класифікація основних підходів до прийняття управлінських рішень у контроллинге. Характеристика бюджетирования - процесу планування майбутніх операцій підприємства й оформлення його результатів у виді системи бюджетів. Основні етапи бюджету виробництва.

Світ билинного епосу. Кожний назве билинну "трійцю": Ілля Муромець, Добриня Никитич, Алеша Попович. Але далі кожний чи продовжить цей рахунок, розширить коло діючих облич ще на п'ять-десять імен?

PR-супровід запуску безрецептурного препарату в аптечній мережі. Аналіз ринку безрецептурних лікарських препаратів, оцінка обсягу аптечних продажів. Представлення про антигистаминних препарати: ціни, переваги, характеристики. План рекламних заходів для просування нових ліків, спрямованих на фармацевтів.

Міністерство утворення Російської федерації

Санкт-Петербургский державний технологічний інститут

(технічний університет)

Кафедра автоматизації процесів хімічної промисловості

Г. В. Іванова

"Автоматизація технологічних процесів

основних хімічних виробництв"

Методичні матеріали за курсом лекцій

(у двох частинах)

Частина 1.

2003р.

УДК 66-52:66(075)

Іванова Г. В. Автоматизація технологічних процесів основних хімічних виробництв: Методичний посібник. Частина 1/ Спбгти (ТУ).-Спб., 2003.- 70с.

Методичний посібник призначений для курсу лекцій по навчальній дисципліні "Автоматизація технологічних процесів основних хімічних виробництв", що є дисципліною спеціалізації 210201 - "Автоматизація технологічних процесів хімічної промисловості" навчального плану за фахом 210200.

Посібник розроблений у виді методичних матеріалів, використовуваних при читанні лекцій по дисципліні.

Частина 1 методичного посібника містить у собі загальну характеристику хіміко-технологічних процесів (ХТП) як технологічних об'єктів керування (ТОУ); методику аналізу ХТП як ТОУ; фізико-хімічні основи технологічних процесів, технологічні схеми розглянутих об'єктів керування, математичні описи об'єктів керування, постановку задачі автоматизації, типові схеми автоматизації, типові рішення автоматизації для гідромеханічних і теплових процесів.

Затверджено на засіданні методичної комісії факультету Інформатики і керування 23 червня 2003р., протокол № 6.

Матеріали до лекції №1

Уведення. Загальні підходи до автоматизації ХТП.

Предметом вивчення в даному курсі являютсяпроблеми автоматизації основних хімічних виробництв.

Основні хімічні виробництва і складові їхні технологічні процеси ми розглядаємо в даному курсекак об'єкти керування.

Хіміко-технологічні об'єкти керування.

Визначення ТОУ:

ТОУ- це сукупність спільно функціонуючих технологічного устаткування і реалізованого на ньому технологічного процесу.

ДО ТОУ относяткак окремого технологическиеагрегати й установки, що реалізують локальний технологічний процес, так і целиепроизводства (ділянки, цехи). Існують "супер-тоу" - установки, що включають сотні технологічних апаратів (на нафтопереробних заводах).

Вимоги до ТОУ.

Устаткування ТОУ повинне бути цілком механізоване і повинно безвідмовно працювати в міжремонтний період.

ТОУ повинний бути керуємо, тобто розділений на визначені зони з можливістю впливу на технологічний режим у кожній з них зміною матеріальних і енергетичних потоків.

Можливість впливу на характеристики устаткування.

Можливість доступу обслуговуючого персоналу до місць установки датчиків, виконавчих механізмів, регулювальних органів.

Число впливів, що обурюють, повинне бути зведене до мінімуму, що можливо в результаті установки: ресиверів; емкостей з мішалками; теплообмінників, що зменшують амплітуду і частоту зміни таких параметрів, какдавление, склад, температура.

Типова схема технологічного виробництва

хімічних продуктів.

Типова технологічна схема виробництва складається зі стадій підготовки сировини, хімічного синтезу, виділення й очищення цільових продуктів.

Класифікація хіміко-технологічних

процесів і виробництв як ТОУ.

По тоннажі продукції і структурі асортименту:

Крупнотоннажниетоу- орієнтовані на продукцію конкретної , фіксованої номенклатури з обсягами випуску: сотні - десятки тисяч тонн.

Малотоннажні ТОУ- орієнтовані на випуск продукції різноманітної і швидко мінливої номенклатури, з обсягами випуску: грами - десятки тонн.

По характері тимчасового режимафункционирования:

ТОУ періодичної дії- ТОУ, у яких апарати (ТЕ) працюють у циклічному режимі, а технологічні процеси (ТП) являють собою послідовність технологічних і організаційних операцій, що мають кінцеву тривалість. Терміну "періодичний процес", прийнятому в хімічній технології відповідає загальносистемний термін" дискретний процес".

ТОУ безупинної дії- ТОУ, у яких апарати працюють безупинно, на вхід апарата безупинно подаються вихідні реагенти, на виході апарата безупинно приділяються вихідні продукти а технологічний процес ведеться в сталому режимі.

ТОУ напівбезупинної дії - ТОУ, у яких апарати функціонують безупинно тільки в межах інтервалу часу, необхідного для переробки кінцевої порції чи сировини проміжного продукту. У цих межах в апарати безупинно подаються вихідні реагенти, а з виходів - безупинно приділяються продукти. Технологічні процеси ведуться в сталому режимі. Між інтервалами часу роботи апарати знаходяться в режимі чекання.

По ступені важливості ТОУ у виробництві.

Основні ТОУ - ТОУ для реалізації основних технологічних процесів виробництва. До основних ТОУ відносять процеси й устаткування для реалізації стадій підготовки сировини, хімічного синтезу, поділи й очищення цільових продуктів.

Допоміжні ТОУ- до допоміжних ТОУ відносять процеси й устаткування для тимчасового збереження вихідних реагентів, проміжних і кінцевих продуктів, здійснення транспортних операцій.

По інформаційній ємності ТОУ:

Ступінь складності ТОУ характеризується інформаційною складністю об'єкта, тобто числом технологічних параметрів, що беруть участь у керуванні.

Таблиця 1

Класифікація ТОУ по інформаційній ємності.

Інформаційна

ємність об'єкта

Число параметрів, участв. в управл.

Приклад ТОУ

Мінімальна

10 - 40

Насосна станція

Резиносмеситель

Мала

41 - 160

Массообменная

Колона

Середня

161 - 650

Установка первинної перегонки нафти

Підвищена

651 - 2500

Виробництво

Етилена

Висока

2500 і вище

Виробництво

Технічного

вуглецю

По характері параметрів керування.

ТОУ з зосередженими параметрами- ТОУ, у яких регульовані параметри (у даний момент часу, у різних крапках апарата), мають одне значення відповідного параметра.

ТОУ з розподіленими параметрами- ТОУ, у яких значення параметрів неоднакові в різних крапках об'єкта в даний момент часу. Більшість процесів хімічної технології є об'єктами з розподіленими параметрами.

Приклад: температура і концентрація по висоті ректифікаційної колони.

По типі технологічного процесу.

Гідромеханічні процеси - процеси, що здійснюють перенос кількості руху.

Теплові процеси- процеси переносу енергії у формі теплоти (теплопровідністю, конвекцією, випромінюванням).

Массообменние процеси- процеси переміщення речовини в просторі за рахунок різниці концентрацій.

Механічні процеси- процеси переробки твердих матеріалів під дією механічних сил (їхнє здрібнювання і поділ по фракціях).

Хімічні процеси- процеси, що характеризують утворення нових, що відрізняються від вихідних по хімічному чи складі будівлі, речовин при збереженні загального числа атомів і ізотопного складу.

Методика аналізу ХТП як ТОУ.

Визначення критерію ефективності ТОУ.

Для виробництв- це, як правило, економічні критерії максимізації чи прибутку мінімізації собівартості продукції.

Для технологічних процесів- це технологічні критерії максимізації чи якості максимізації виходу цільового продукту.

Розробка математичного опису процесу як об'єкта керування в статиці і динаміку.

При розробці математичного опису складних ХТП прагнуть до створення найбільш простих моделей.

Будують не повні і вичерпні мат. моделі, а достатні для рішення задач керування.

Математичне моделювання і дослідження статичних режимів ТОУ.

Основні методи створення мат. описаниядля цілей керування- аналітичні; статистичні (регресійні, методи групового обліку аргументів); моделі на основі нечітких методів.

Дослідження статичних характеристик ТОУ, на підставі якого визначають:

Можливі діапазони варіювання параметрів при керуванні;

Можливе число стаціонарних станів процесу;

Аналіз стійкості стаціонарних станів процесу;

Вплив основних режимних параметрів на робочі області ТОУ;

Дослідження нелінійності коефіцієнтів підсилення і можливості лінеаризації статичних характеристик і т.д.

Побудова інформаційної схеми ТОУ.

Інформаційна схема ТОУ - це схема, що показує вхідні і вихідні перемінні ТОУ і їхнього зв'язку.

Побудова інформаційної схеми можливо на основі мат. опису (при розробці нових технологій) чи на основі інформації з експлуатації об'єкта (при модернізації системи керування).

Аналіз інформаційної схеми.

Виконується аналіз інформаційної схеми на предмет класифікації вхідних і виходнихвоздействий на наступні групи:

Можливі впливи, що обурюють.

Можливі керуючі впливи.

Найбільш доцільні керовані перемінні.

Здійснюється вибір можливих каналів керування.

Математичний опис динаміки ТОУ.

Складається мат. опис динаміки об'єкта по можливих каналах керування.

Виконується дослідження динаміки можливих каналів керування.

Виконується вибір найбільш доцільних каналів керування .

Складається структурна схема системи керування.

Вибір параметрів контролю, сигналізації і захисту.

Матеріали до лекції №2

Автоматизація процесу перемішування

Загальна характеристика процесів перемішування в рідких середовищах.

Перемішування- гідромеханічний процес взаємного переміщення часток у рідкому середовищі з метою їхнього рівномірного розподілу у всьому обсязі під дією імпульсу, переданого середовищу мішалкою, струменем чи рідини газу (Тябин Н. В., с.95).

Мети перемішування

Створення суспензій - забезпечення рівномірного розподілу твердих часток в обсязі рідини;

Утворення емульсій, аерація - рівномірний розподіл і дроблення до заданих розмірів часток рідини в чи рідині газу в рідині;

Інтенсифікація чи нагрівання охлажденияорабативаемих мас;

Інтенсифікація массообменав системі, що перемішується, (розчинення, вищелачивание).

Основні схеми перемішування.

Рис.1.

Механічне- перемішування мішалками, що обертаються в апараті із середовищем, що перемішується.

Барботажное- перемішування шляхом пропущення через рідке середовище потоку чи повітря газу, роздробленого на дрібні пухирці, що, піднімаючи в шарі рідини під дією Архімедяної сили, інтенсивно перемішують рідину.

Циркуляційне перемішування- перемішування, здійснюване шляхом створення багаторазових циркуляційних потоків в апараті за допомогою насоса.

Об'єкт керування

Об'єкт керування - ємність з мішалкою, апарат безупинної дії, у якому змішуються дві рідини А (з концентрацією цільового компонентаса) і Б (з концентрацією цільового компонентасб) для одержання гомогенизированного розчину з заданою концентрацією цільового компонентассм.

Схема об'єкта керування.

Рис.1.1

Показник ефективності процесу- концентрація цільового компонента в гомогенизированном розчині (суміші) - Ссм.

Ціль керування процесом- забезпечення заданої концентрації суміші при ефективному й інтенсивному перемішуванні.

Ефективність перемешиванияобеспечивается вибором параметрів апарата, що перемішує пристрою, числа оборотів мішалки, що забезпечують рівномірність концентрації суміші в апараті сзаданнойинтенсивностью (тобто за заданий час).

Однак у реальних условияхтехнологические об'єкти піддаються действиювнешних і внутрішніх збурювань, що приводять до відхилення технологічних режимів роботи від розрахункових.

Задача розробки системи автоматизацииобеспечить в умовах дії зовнішніх і внутрішніх збурювань у процесі ефективне й інтенсивне його функціонування з необхідними характеристиками якості.

Теоретичні аспекти процесу механічного перемішування.

При обертанні лопати мішалки в апараті возникаетвинужденное движениежидкости, що описується критериальним рівнянням виду:

Еuм= f(Rем, Г) (1),

де

модифікований критерій Ейлера Еuм:

2),

модифікований критерій Рейнольдса Rем:



геометричний симплекс Г:

Г=dм/ Dапп (4),

де dм - діаметр мішалки, м;

n - швидкість обертання мішалки, про /з;

- щільність рідини, кг/м^3;

Nм- потужність, споживана мішалкою, ут;

 - динамічна в'язкість, Па*з;

КN- критерій потужності.

Методика розрахунку конструктивно- технологічних параметрів процесу механічного перемішування.

Вибирають тип мішалки, її діаметр dм, розміри апарата Dаппи Hапп.

Визначають коефіцієнт ІЗ у залежності від розмірів апарата і типу пристрою, що перемішує.

Визначають число оборотів мішалки: .

Розраховують Rемпо співвідношенню (3).

За графіком KN= f(Rем) знаходять KN.

Розраховують Nмиз вираження (2):

.

Розраховують потужність Nдв, споживану приводом пристрою, що перемішує:

де ДО - поправочний коефіцієнт, що враховує конструктивні особливості апарата і пристрою, що перемішує; пер- к. п. д. передачі.

У реальній установці безупинної дії:

т. е. необхідно забезпечити: і .

Матеріальний баланс по цільовому компоненті.

Рівняння динаміки:

(1).

Рівняння статики при:

(2)

На підставі (1) і (2) можна прийняти:

. (3).

Матеріальний баланс по всій речовині.

Рівняння динаміки:

(4).

Рівняння статики при:

(5).

На підставі (4) і (5) можна прийняти:

. (6).

Інформаційна схема об'єкта.

Рис.4.1.

Керовані перемінні - Ссми hсм.

Можливі контрольовані збурювання: ,

причому задано, що .

Можливі керуючі впливи:.

Однак, у даному випадку, Gсмопределяется наступним технологічним процесом і тому не може використовуватися як регулюючий вплив.

Аналіз рівняння динаміки

на основі матеріального балансу по цільовому компоненті.

Рівняння динаміки в нормалізованому виді.

(1)

Початкові умови для висновку передатної функції по каналі управленияGа-ссм:

; ;

;

.

Рівняння статики:

(2)

Рівняння динаміки в збільшеннях:

(після підстановки початкових умов у вираження (1), вирахування рівняння статики (2) і приведення подібних членів):

(3).

Рівняння динаміки з безрозмірними перемінними:

(4).

Нормалізоване рівняння динаміки об'єкта в тимчасовій області без обліку транспортного запізнювання:

(7).

Рівняння динаміки по каналі керування в тимчасовій області з урахуванням транспортного запізнювання:

(8).

Передатна функція об'єкта по каналі керування :

(10),

де:

;

(11),

де Vтруб- обсяг трубопроводу від Р. О. до входу в апарат.

Аналіз рівняння динаміки

на основі матеріального балансу по всій речовині.

Рівняння динаміки:

(1)

Початкові умови для висновку передатної функції по каналі управленияGб-hсм:

;

;

;

.

Рівняння статики:

(2).

Рівняння динаміки в збільшеннях:

(після підстановки початкових умов у вираження (1), вирахування рівняння статики (2) і приведення подібних членів):

(3).

Рівняння динаміки з безрозмірними перемінними:

(4).

Нормалізоване рівняння динаміки об'єкта в тимчасовій області

(7).

Рівняння динаміки по каналі керування в тимчасовій області з урахуванням транспортного запізнювання:

(8).

Передатна функція об'єкта по каналі керування :

(10),

де:

;

(11),

де Vтруб- обсяг трубопроводу від Р. О. до входу в апарат.

Аналіз статичної характеристики об'єкта.

Рівняння статики на основі матеріального балансу по цільовому компоненті:

(1).

З рівняння (1) виразимо в явному виді:

(2).

Аналіз вираження (2) показує, що:

Статична характеристика линейна по каналах: ;

Статична характеристика нелинейна по каналах .

Линеаризованное представлення статичної характеристики на основі стабілізації співвідношення витрат: (чи ):

(3).

Линеаризованное представлення статичної характеристики через розкладання в ряд Тейлора:

(4).

Позначимо:

Линеаризованное представлення збільшення вихідний переменнойчерез збільшення всіх можливих вхідних перемінних:

(5).

Типова схема автоматизації процесу перемішування.

Рис.7.1.

Типове рішення автоматизації.

Регулювання.

Регулювання концентрації Ссмпо подачі реагенту GА- як показника ефективності процесу перемішування з метою одержання гомогенизированного розчину.

Регулювання рівня в апараті hсмпо подачі реагенту GБ- для забезпечення матеріального балансу по рідкій фазі.

Контроль.

витрати - GА, GБ, Gсм;

концентрація - Ссм;

рівень - hсм.

Сигналізація.

істотні відхилення Ссми hсмот завдання;

різке падіння витрат вихідних реагентів GА чи GБ, при цьому формується сигнал "У схему захисту".

Система захисту.

По сигналі "У схему захисту" - відключаються магістралі подачі вихідних реагентів GА, Gби добору суміші Gсм.

Матеріали до лекції №3

Типова схема процесу переміщення. Трубопровід як об'єкт керування

Типова схема процесу переміщення рідини.

1. Об'єкт керування- схема, приведена на мал.1.

Рис.1.

З ємності 1 насосом 2 по трубопроводу 3 рідина перекачується в ємність 4.

2. Показник еффективностипроцесса - витрата Q.

3. Ціль управленияпроцессом Q=Qзд.

4. Аналіз типовий схемикак об'єкта керування:

Основні елементи, що підлягають аналізу - трубопровід 3 і насос 2.

Основні параметри трубопроводу як об'єкта керування.

внутрішній діаметр d:

,

де Q - витрата, м^3/з, v - швидкість потоку, м/с.

Швидкість потоку v = 0.5 - 2.5м/с.

Гідравлічний опір трубопроводу:

ргс =рск +ртр +рмс

утрати тиску на повідомлення потокускорости:

утрати тиску на преодолениетрения потокао стінки трубопроводу:

де= f(Re,l)-коефіцієнт тертя.

утрати тиску на преодолениеместних опорів:

рмс = мс*рск,

де мс - коефіцієнт місцевого опору.

Опір, затрачиваемоена підйом рідини на висотуh:

рпод =*g*h

Додатковий опір:

рдоп = p2 - p1

Повний опір:

Потужність , яку необхідно затратити на перекачування:

N =робщ*Q/(10^3*),

= н* п* д,:

де-повний к. п. д., насоса; н - к. п. д. насоса; п - к. п. д. передачі;

 д - к. п. д. двигуна.

Схема трубопроводу як об'єкта керування

для типової схеми процесу переміщення рідини.

Рис.1.

Математичний опис статики об'єкта.

Матеріальний баланс для трубопроводу (мал.1) на підставі умови нерозривності струменя:

Sa*va= Sb*vb (1)

З (1) одержимо :

va= Sb*vb/Sa (1б).

Позначимо Sb/Sa =m (1в).

Енергетичний баланс - рівняння Бернуллі:

(2)

Підставимо в (2) вираження для швидкості потоку в перетині "а" на підставі (1б):

(3)

Підставимо в (3) замість vbего вираження зі співвідношення для об'ємної витрати в перетині "b":

Qb= vb*Sb;

відкіля

vb =Qb / Sb:

(4)

Перетворимо вираження (4) з обліком (1в) до виду:

(5)

Вирішимо вираження (5) відносно Qb:

(6)

Линеаризованние вираження мат. моделі статики

на підставі розкладання в ряд Тейлора:

1. Через збільшення і частки похідні:

2. Через збільшення і коефіцієнти підсилення:

Інформаційна схема об'єкта керування.

Рис.2.

Хро- можливе регулююче вплив;

Ра, ha, Pb, hb- можливі контрольовані впливи, що обурюють;

Z - можливі неконтрольовані впливи, що обурюють.

Математичний опис динаміки об'єкта.

Структурна схема об'єкта.

Рис.3

Рівняння динаміки:

(1).

Рівняння статики:

(2).

Рівняння динаміки в тимчасовій області на основі методу безрозмірних перемінних:

(3).

Рівняння динаміки з урахуванням запізнювання:

(5).

Передатна функція для вираження (5) буде мати вид:

(6),

де

.

Матеріали до лекції №4

Автоматизація відцентрових насосів

Основні показники роботи насосів

Продуктивність, чи подача,Q(м3/сек)- обсяг рідини, подаваної насосом у нагнітальний трубопровід в одиницю часу.

Напір Н (м)- питома енергія, що повідомляється насосом одиниці ваги рідини, що перекачується.

(1)

де чл.1 - висота підйому рідини в насосі;

чл.2 - різниця пьезометрических напорів;

чл.3 - різниця динамічних напорів.

Корисна мощностьNn- це потужність, затрачувана насосом на повідомлення рідини енергії:

(2).

Потужність на валу насосаNе- це відношення корисної мощностиNnк к. п. д. насоса:

(3).

Коефіцієнт корисної дії насосаη н

(4).

деηv= Q/Qт-объемний к. п. д.;

- гідравлічний к. п. д.

η хутро- механічний к. п. д.

Основна мета управлениянасосами- забезпечити ефективну роботу насоса на мережу.

Насоси як об'єкти керування классифицируютсяпо принципу дії на:

відцентрові;

поршневі.

Схема відцентрового насоса.

- корпус;

- робоче колесо;

- привід насоса;

- лінія усмоктування;

- патрубок нагнітання.

Рис.1.

Принцип дії відцентрових насосів - заснований на створенні відцентрових полів тиску при обертанні робочого колеса в рідині.

Робота схеми.

У корпусі 1 обертається робоче колесо 2 від приводу 3.

При цьому залита в корпус рідина також обертається і виникає відцентрове поле тисків

с максимальним тиском на периферії (тиск Р5) і мінімальним тиском по осі потоку (тиск Р4) тобто створюється Р45.

Тому подача рідини здійснюється через патрубок 4, а нагнітання - через патрубок 5.

Основні характеристики

відцентрових насосів.

Рис.4.1.

Залежність напору від продуктивності - Н=f1(Q);

Залежність потужності на валу насоса від продуктивності - Nе= f2(Q);

Залежність к. п. д. насоса від продуктивності : н=f(Q).

Характеристики насоса одержують:

у ході спеціального експерименту;

на основі основного рівняння Ейлера для відцентрових машин.

Робота насосів на мережу.

Рис.5.1.

Характеристика насоса: Нн=f(Qн);

Характеристика мережі: Нс=f(Qс);

Аналітичне вираження для напору в мережі

Нс=Нг+ k*Q2;

де Нг- геометрична висота подачі;

k*Q2=hп- утрати напору в мережі

() А- робоча крапка, що забезпечує максимальну продуктивність насоса1при роботі на дану мережу.

Спільна робота насосів

при рівнобіжному з'єднанні.

Рис.6.1.

Для побудови загальної характеристики установки підсумовують продуктивності насосів.

Рівнобіжне включення насосів використовують:

для збільшення продуктивності насосної установки;

коли характеристика мережі є досить положистої;

збільшення напору при цьому незначно.

Спільна робота насосів

при послідовному з'єднанні.

Рис. 6.2.

Для побудови характеристики установки підсумовують напори насосів.

Послідовне включення насосів використовують:

для збільшення напору насосної установки;

коли характеристика мережі є досить крутий;

збільшення продуктивності при цьому незначно.

Схема регулювання на основі стабилизацииQн=Qс

(метод дроселювання).

Рис.7.1

Стабілізація подачі методом дроселювання здійснюється на лінії нагнітання.

Установка Р. О. перед насосом неприпустима, тому що це веде до зниження тиску в насосі і сприяє виникненню кавітації (коливального режиму).

Застосування системи доцільно при .

Характеристики роботи на мережу

при регулюванні подачі насоса методом дроселювання.

Рис.7.2.

К. п. д. системи при регулюванні подачі насоса методом дроселювання.

.

Система буде економичнее, якщо .

Схема регулювання на основі стабилизацииHн=Hс

(метод байпассирования).

Рис7.3.

При даному способі регулювання:

Qб- байпасний потік;

Qн- продуктивність насоса;

Qс=Qн-Qб- продуктивність мережі;

Нс=Нн.

Застосування системи доцільно при .

Характеристики роботи на мережу

при регулюванні подачі насоса методом байпассирования.

Рис.7.4.

К. п. д. системи при регулюванні подачі методом байпассирования.

.

Система найбільш економічна, якщо .

Схема регулювання продуктивності насоса

на основі стабілізації н= с.

Рис.7.5.

Регулювання подачі здійснюється шляхом зміни швидкості обертання приводу насоса.

Теоретичні аспекти.

При зміні n і збереженні подоби режимів роботи одночасно змінюються і Qни Ннв відповідності зі співвідношеннями:

(7.1).

Отже, можна змінити положення характеристики насоса, забезпечивши проходження її через задану крапку.

Характеристики роботи на мережу

Рис.7.6.

Вихідні дані для рішення задачі:

характеристика насоса 1 при частоті n;

характеристика мережі 2;

Постановка задачі:

забезпечити роботу на мережу в робочій крапці “ З” з параметрами Qс, Нси з= н.

Рішення задачі

Знайдемо частоту n1, при якій характеристика Нн=f(Q) пройде через крапку З, для чого виконаємо наступні побудови.

Побудуємо параболу подібних режимів.

На підставі співвідношень (7.1) можна записати:

(7.2).

З (7.2) виразимо Н:

(7.3).

Вираження (7.3) описує параболу подоби 3 на мал.7.5, що перетинає характеристику насоса (n) у крапці А с параметрами Qаи Напри умові=const.

Визначимо частотуn1.

На підставі співвідношень (7.1) можна записати:

,

відкіля при відомих Qс, Qаи n одержимо n1:

(7.4).

Розрахуємо по известнимQаиHак. п. д. насоса:

(7.5).

Таким чином, система забезпечує:

.

Типова схема автоматизації процесу переміщення рідини

відцентровим насосом.

Рис. 8.1

Типове рішення автоматизації процесу переміщення рідини

відцентровим насосом.

Регулювання.

Подача насоса Q - методом дроселювання.

Контроль.

температури: tобм, tподш, tохл', tохл”, tм”;

тиску: Рвс, Рн, Рохл;

витрати: Qохл”, Qм”, Q.

Сигналізація.

Сигналізації підлягають усі контрольовані параметри:

температури - t > tпред;

тиску - P

перед;

витрати - Qмин (наявність потоків олії й охолодної рідини).

Система захисту.

По сигналах "У схему захисту" - відключається діючий насос і включається резервний.

Матеріали до лекції №5

Автоматизація поршневих компресорів

Вид теоретичної індикаторної діаграми

поршневого компресора.

Рис.3.1.

Схема Пз-регулирования подачі поршневого компресора

Рис.5.1

Схема регулювання подачі поршневого компресора

шляхом зміни частоти обертання приводу компресора.

ПКУ - поршнева компресорна установка.

Рис.5.2.

Схема регулювання подачі поршневого компресора

шляхом дроселювання потоку на лінії усмоктування.

Рис.5.3.

Схема регулювання подачі поршневого компресора

шляхом отжима клапанів.

Рис.5.4.

Схема регулювання подачі поршневого компресора

шляхом перекладу компресора на неодружений хід.

Рис.5.5.

Схема регулювання подачі 2х-ступенчатого компресори

с впливом на ЇМ кожної ступіні.

Рис.6.1.

Схема регулювання подачі 2х-ступенчатого компресори

с впливом на ЇМ першої ступіні.

Рис.6.2.

Схема триступінчастого компресора.

Рис.4.1.

Теоретична індикаторна діаграма

триступінчастого стиску.

Рис.4.2.

Схема регулювання подачі 4х-ступенчатого компресори з включенням технологічного устаткування після 2-ий і 4-ої ступіней.

I II III IV - ступіні компримирования;

V - лінія проміжного добору середнього тиску Р2у технологічну схему;

VI - лінія повернення газу з апарата високого тиску.

Рис.6.3

Схема регулювання подачі 4х-ступенчатого компресори з підключенням технологічного устаткування на вході 1-ої ступіні, після 2-ий і 4-ої ступіней.

I II III IV - ступіні компримирования;

V - лінія проміжного добору середнього тиску Р2у технологічну схему;

VI - лінія повернення газу з апарата високого тиску.

VII - лінія повернення газу з апарата середнього тиску.

Рис.6.4.

Структурна схема системи регулювання подачі

4-х східчастого компресора для мал.6.3.

Рис. 6.3б

Структурна схема системи регулювання подачі

4-х східчастого компресора для мал.6.4.

Рис.6.4б

Типова схема автоматизації установки

с двоступінчастим поршневим компресором.

Позначення на схемі:

1-1, 2-1 - циліндри ступіней 1і 2; 1-2, 2-2 - масловлагоотделители;

1-3, 2-3 - холодильники.

Р - сигнализируемий і контрольований параметр;

Р - контрольований параметр.

Рис.7.1.

Типове рішення автоматизації установки

с двоступінчастим поршневим компресором.

Показником ефективності процесу є подача компресорної установки.

Регулювання подачі здійснюється по тиску в лінії нагнітання.

Регулювання.

У даній схемі використовується метод регулювання подачі по тиску Р в лінії нагнітання на виході компресорної установки шляхом перекладу компресора на неодружений хід у результаті відкриття запірних клапанів РО1 і РО2 на лініях байпаса 1 і 2 ступіней компресора.

Контроль.

Контролю в будь-якій компресорній установці підлягають температура, тиск, рівень, споживаний потужність.

Контроль температури:

 температура газу в лінії нагнітання;

 газу на вході і виході кожної ступіні;

 псмазки в різних крапках підшипників;

 води на вході і виході холодильників;

 обмобмоток електропривода.

Контроль тиску:

Р газу на вході і виході кожної ступіні;

Р води на вході в холодильники;

Р олії в магістралі (система змащення на схемі не показана);

Тиск володіє меншої инерционностью, чим температура при зміні технологічних режимів, тому його використовують для сигналізації, блокувань і захисту.

Контроль рівня:

Н конденсату в масловлагоотделителях;

Н олії в масляних баках (на схемі не показані);

Н води в гідрозатворах і газгольдерах (не показані).

Контроль потужності:

потужність, споживана приводом - Nпр;

контроль здійснюється вимірювальним пристроєм, установленим на валу приводу.

Nпропределяет економічність установки.

Сигналізація.

Сигналізації підлягають:

істотні відхилення тиску газу в лінії нагнітання;

підвищення температури і тиску газу на вході і виході кожної ступіні -↑, Р ↑;

підвищення температури підшипників - п↑;

підвищення температури обмоток - обм↑;

зниження рівня Н у всіх контрольованих крапках;

зниження тиску води на вході холодильників - Р;

зниження тиску олії - Рм;

перевантаження приводу Nпр↑ .

Система захисту.

При істотному відхиленні сигнализируемих параметрів від заданих значень ,

коли в результаті спрацьовування блокувань і втручання обслуговуючого персоналу не удається відновити заданий технологічний режим,

відключається діючий привід і включається резервний.

Матеріали до лекції №6

Загальна характеристика теплових процесів

Фазова рівновага теплоносіїв.

Правило фаз:

s=k-f+2 (1),

де s - число ступенів волі даної системи;

f - число фаз системи;

k - число компонентів системи.

для трифазної однокомпонентної системи:

s=1-3+2=0.

для двухфазной однокомпонентної системи:

s=1-2+2=1.

для однофазної однокомпонентної системи:

s=1-1+2=2.

Фазові переходи в однокомпонентних системах.

Рівняння Клапейрона-Клаузиуса (2),

де Р - тиск;

r - молярна теплота фазового переходу;

Т - температура фазового переходу (випару, плавлення, сублімації);

∆V - зміна обсягу 1 молячи речовини при переході його з однієї фази в іншу.

Фазові переходи в багатокомпонентних системах.

Закон Генрі: (3),

де mi- молекулярна частка газу в розчині;

ψ - константа Генрі;

pi- парціальний тиск газу над рідиною.

Закон Рауля: (4),

гдера- парціальний тиск компонента А в парах;

РА- тиск пар чистого компонента А;

- молекулярна частка цього компонента в розчині.

Закон розподілу:(5),

де ДО - молярний коефіцієнт розподілу;

mCA- концентрація речовини С в рідини А

у г-моль/л;

мсв- концентрація речовини С в рідини B.

Зв'язок основних параметрів

теплоносіїв у газовій фазі.

Законбойля:

P*V=const при T=const (1).

Закон Гей-Люссака:

(2а),

чи на підставі (2а) можна одержати при Р=const:

(2б),

На підставі (1) і (2б) можна також одержати:

при Р=const (3),

чи при V=const (4).

На підставі (1) і (2) одержують такжеформулу для приведення обсягу газу до нормальних умов:

(5),

Закон Авогадро: в однакових обсягах газу при однакових температурі і тиску міститься те саме кількість молекул.

1г-мол. будь-якої речовини в газоподібному стані займає 22,4л.;

1кг-мол. " 22,4 м3і містить 6,03*1023молекул.

Рівняння Менделєєва - Клапейрона.

для 1 г-молячи газу:

P*V=R*T (6)

для n г-молей газу:

P*V = n*R*T (7)

Якщо кількість газу виражається в грамах:

(8)

відкіля: (9)

чи (10).

Закон Дальтона:

(11).

Наслідок із законів Дальтона і Бойля:

(12),

де рі- парціальний тиск компонента в газовій суміші;

vi/Vсм- парціальний обсяг компонента в одиниця об'єму газової суміші;

Рсм- загальний тиск суміші.

Фізичні параметри і швидкості руху теплоносіїв.

Питомі теплоємності.

Розмірності питомих теплоемкостей з:

; ;

.

Залежності питомих теплоемкостей від температури:

для заданої температури Т:

c=a1+b1*T+c1*T2(1),

де a1, b1, c1- коефіцієнти для даної речовини.

для заданого діапазону температур:

(2),

де Т1і Т2- заданий інтервал температур.

Молярна питома теплоємність твердого тіла:

(3),

де n - число атомів у молекулі.

Теплоємності газів:

cp- при p = const чи сvпри V=const.

(4),

де М - маса 1молячи газу (кг/моль);

R - універсальна газова постійна, R=1,985 ккал/((кг/моль)*град).

Для повітря : cp=1,4*cv.

Теплота випару

Емпіричні формули для розрахунку молекулярної теплоти випару (у ккал/кг чи кал/г):

rисп= 21*Tкип; (5а)

rисп= Tкип*(9,5*lgTкип-0,007*Ткип); (5б)

rисп= Tкип (8,75+4,571*lgткип) (5в).

Емпірична формула для розрахунку теплоти випару rисп2для температури Т2,:

(6),

де rисп2- шукана теплота випару при температурі Т2;

rисп1- відома теплота випару при температурі Т1;

до - поправочний коефіцієнт, k=f(T1,T2,Tкрит).

Визначення теплоти випару по ентропийним діаграмах:

rисп=іжидк- ігаз (7),

де іжидк, ігаз- тепломісткість, дж/кг (чи ккал/кг).

Щільності для рідких і газових теплоносіїв.

Емпірична формула для визначення щільності рідини ρtпри заданій температурі tср:

ρt= ρ0-βt*(tср-20○ З) (8),

де ρ0- щільність рідини при t0=20○ З;

βt- температурне виправлення на 1○ З

Для чистих рідин ρtможно найтипо формулі:

(9),

де- коефіцієнт об'ємного розширення рідини, град-1;

t=tср-t0- різниця між температурою середовища і t=20C.

Щільність газів при 0°С и 760 мм рт ст. на підставі закону Авогадро:

(10)

чи

(11),

де М - молекулярна вага газу.

Щільність суміші смпри заданих температурі і тиску:

 див=b1*1+ b2*2+... *n(12),

де b1... bn- об'ємні частки компонентів;

1n- щільності компонентів, кг/м3.

Коефіцієнти теплопровідності.

Коефіцієнт теплопровідності для рідин при відсутності довідкових даних:

(13),

де

А=3,58*10-8- для асоційованих рідин;

А=4,22*10-8- для неасоційованих рідин;

с - питома теплоємність рідини, Дж/(кг*град);

- щільність рідини, кг/м3;

М - молярна маса, кг/кмоль.

Коефіцієнт теплопровідності суміші рідин:

(14),

де а1... аn- масові частки компонентів у суміші;

1...n- коефіцієнти теплопровідності компонентів, ут/(м*град).

В'язкість теплоносіїв.

Залежність в'язкості газівtот температури:

(15),

де0- в'язкість при 0С;

Т - температура в ДО;

С - константа.

В'язкість газових сумішей див:

(16),

де Мі- молярні маси компонентів суміші, кг/кмоль;

і- динамічні в'язкості компонентів, Па*з;

- об'ємні частки компонентів у суміші.

В'язкість суміші неасоційованих рідин:

(17),

деі- в'язкості компонентів суміші, Па*з;

mi- молярні частки компонентів у суміші, кг/кмоль.

В'язкість розведених суспензій:

(18),

де  ж- в'язкість чистої рідини, Па*з;

- об'ємна частка твердої фази в суспензії.

Швидкості теплоносіїв.

Середні швидкості руху середовища:

(19),

де линср- середня лінійна швидкість, м/с;

 мср- середня масова швидкість, кг/(м2*с);

Q - об'ємна витрата, м3/з;

G - масова витрата, кг/з;

S - площа перетину потоку, м2.

Залежність між масовою і лінійною швидкістю:

(20),

де - щільність середовища.

Швидкості, що рекомендуються:

для рідин у трубах діаметром 25-57мм від (1,5-2) м/c до (0,06-0,3) м/с.

Середня швидкість, що рекомендується, для маловязких рідин складає 0,2-0,3 м/с.

Для газів при атмосферному тиску допускаються масові швидкості від 15-20 до 2-2,5 кг/(м2*с), а лінійні швидкості до 25м/с;

для насичених пар при конденсації рекомендуються до 10 м/с.

Теплове навантаження апарата.

Тепло, що віддається більш нагрітим теплоносієм Q1, затрачається на нагрівання більш холодного теплоносія Q2і на втрати в навколишнє середовище Qпот.:

Q1= Q2+ Qпот.(1)

Тому що Qпот= 2-3%, те їм можна зневажити і вважати:

Q1= Q2= Q(2),

де Q - теплове навантаження апарата.

Рівняння теплового балансу апарата.

Q = G1*(I1Н-I1ДО) = G2*(I2ДО-I2Н)(3),

где1и2- масові витрати теплоносіїв, кг/з;

I1Ниі2Н- початкові ентальпії теплоносіїв, дж/кг;

I1Киі2Ки - кінцеві ентальпії теплоносіїв, дж/кг.

Ентальпії теплоносіїв:

Ii=ci*і(4).

Тепловий баланс апарата при використанні теплоносіїв, що не змінюють агрегатного стану:

Q = G1*з1*(1Н-1ДО) = G2*з2*(2К-2Н)(6),

де з1і з2- середні питомі теплоємності.

Теплові баланси теплоносія

при зміні його агрегатного стану.

Теплоносій - насичена пара, що конденсується і конденсат не прохолоджується:  т= нп= кт.

Gт (іт- ікт) = Gт* срт* т- Gт* сркт* кт= Gт*rт.

Теплоносій - пересичена пара, що конденсується і конденсат не прохолоджується: т >  нп= кт

Q=Qт-Qкт=Gт*(іт- ікт)= Gт* срт*( т- нп)+Gт*rт=

= Gт* срт* нп- Gт* срт* нп+ Gт* срт* нп- Gт* сркт* кт=

= Gт* срт* т- Gт* сркт* кт.

Теплоносій - пересичена пара, що конденсується і конденсат прохолоджується: т >  нп >  кт:

Q=Qт-Qкт=Gт*(іт- ікт)=

Gт* срт*( т- нп)+Gт*rт+ Gт* сркт*( нп- кт) =

= Gт* срт* т- Gт* срт* нп+ Gт* срт* нп-

- Gт* сркт* нп+ Gт* сркт* нп- Gт* сркт* кт=

= Gт* срт* т- Gт* сркт* кт.

Основне рівняння теплопередачі.

Q = K*F*tср*(1),

де

F- поверхня теплообміну;

tср- середній температурний напір;

 - час теплообміну;

К- коефіцієнт теплопередачі:

(2).

Вираження для визначення коефіцієнта ДО

у залежності від способу передачі тепла.

При передачі тепла теплопровідністю ДО - це коефіцієнт теплопровідності, обумовлений на основі закону Фур'є:

(3)

При конвективном теплообменек- це коефіцієнт тепловіддачі, обумовлений на основі закону Ньютона:

(4),

При передачі тепла шляхом излученияк- коефіцієнт взаємного излученияс1-2випромінюючих тіл:

K=з1-2= ін*K0*108= (5),

де

К0- константа випромінювання;

 ін=1*2- приведений ступінь чорності;

1і2- ступеня чорності випромінюючих тел.

Рушійна сила при прямотоке теплоносіїв.

Схема прямоточного руху теплоносіїв.

Рис.1.

Графік зміни температури середовища при прямотоке.

Рис.2

(1),

При (Δtмакс/Δtмин) (2).

При : (3).

Рушійна сила при противотоке теплоносіїв.

Схема противоточного руху теплоносіїв.

Рис.3.

Графік зміни температур при противотоке.

Рис.4.

(1).

Потім використовують ті ж співвідношення (2) і (3), що і для прямотока, для визначення середньої рушійної сили процесу.

Матеріали до лекції №7

Автоматизація кожухотрубних теплообмінників

Схема кожухотрубного теплообмінника

с агрегатним станом речовин, що незмінюється.

Рис.1.

Технологічний процес: нагрівання технологічного потоку G до температури θ вихс допомогою теплоносія Gтс агрегатним станом, що незмінюється.

Показник ефективності: θ вих.

Ціль керування: підтримка θ вих= θ зд.

Математичний опис на основі фізики процесу.

Рух теплоносіїв здійснюється противотоком при заданих θ твх, θ твих, θ вих, θ вх.

Рушійна сила процесу: (1),

де .

Теплове навантаження апарата: (2).

Q(дж/с) дозволяє визначити Gтеффи Gеффна основі теплових балансів:

(3а);

(3б);

(4а);

(4б).

Ефективний час перебування:

. (5).

Математичний опис на основі теплового балансу.

Рівняння динаміки:

(6).

Рівняння статики при :

(7)

На підставі (6) і (7) можна прийняти:. (8).

Інформаційна схема об'єкта.

Рис.2.

Можливі керуючі впливи:.

Можливі контрольовані збурювання: .

Можливі неконтрольовані збурювання: .

Можлива керована перемінна: .

Аналіз динамічних характеристик об'єкта.

Рівняння динаміки в нормалізованому виді.

(9).

На основі цього рівняння динаміки об'єкт по каналуописивается математичною моделлю аперіодичної ланки 1-го порядку:

(10),

де: ; .

Об'єкт має транспортне запізнювання:

(11),

де Vтруб- обсяг трубопроводу від Р. О. до входу в апарат.

Таким чином, у цілому динаміка об'єкта по каналі керування описується математичною моделлю аперіодичної ланки 1-го порядку з запізнюванням:

(12).

Аналіз статичної характеристики об'єкта.

З рівняння статики виразимо вихв явному виді:

(13).

Статична характеристика линейна по каналах: .

Статична характеристика нелинейна по каналі .

Статичну характеристику можна линеаризовать стосовно G уведенням стабілізації співвідношення витрат: , тоді одержимо:

(14).

Линеаризованное представлення статичної характеристики через розкладання в ряд Тейлора:

(15).

Линеаризованное представлення збільшення вихідний переменнойчерез збільшення всіх можливих вхідних перемінних:

(16).

Типова схема автоматизації

кожухотрубного теплообмінника.

Рис.3.

Типове рішення автоматизації.

Типове рішення автоматизації кожухотрубних теплообмінників містить у собі підсистеми регулювання, контролю, сигналізації і захисту.

Регулювання.

Регулювання температури по подачі теплоносія Gт- як показника ефективності процесу нагрівання в кожухотрубном теплообміннику.

Контроль.

витрати - Gт, G;

температури - ;

тиск - Рт, Р.

Сигналізація.

істотні відхилення вихот завдання;

різке падіння витрати технологічного потоку G, при цьому формується сигнал "У схему захисту".

Система захисту.

По сигналі "У схему захисту" - відключається магістраль подачі теплоносія Gт.

Схема парожидкостного теплообмінника

(с агрегатним станом теплоносія, що змінюється,).

Рис.1.

Технологічний потік ( рідина, щонагрівається,)Gжподается по трубках теплообмінника.

Теплоносій з агрегатним станом, що змінюється, (греющий пара) Gпподается по межтрубному просторі.

Показник ефективності:.

Ціль керування: підтримка .

Математичний опис на основі фізики процесу.

Теплопередача від паровий фазитеплоносителя:

(1),

Теплопередача від рідкої фазитеплоносителя:

(2),

де: - кількість тепла, передана від парової фази і конденсату теплоносія в одиницю часу, дж/з;

- коефіцієнти теплопередачі для парової фази і конденсату теплоносія, дж/(м2*ДО*с);

- поверхня теплопередачі для парової фази і конденсату теплоносія, м2;

- середня рушійна сила при теплопередачі від парової фази до рідкого технологічного потоку і від конденсату до рідкого технологічного потоку.

Загальна теплова нагрузкапарожидкостного теплообмінника:

(3).

Тому що , те інтенсивність теплопередачі від парової фази значно вище, ніж від конденсату.

Тому на величинуQвлияет величина соотношенияFп/Fк, що залежить від рівня конденсату:

(4а).

де і (4б).

На підставі (4а) загальна теплова нагрузкаQтакже буде залежати від рівня конденсатаhк:

(4в),

Q(дж/с) дозволяє определитьGпеффиGжеффна основі теплових балансів:

(5а);

(5б);

(6а);

(6б),

приhк=hефф.

Ефективний час перебування:

. (7).

Тепловий баланс парожидкостного теплообмінника.

Рівняння динаміки:

Думаємо: пара перегрітий і конденсат прохолоджується :

(8).

Рівняння статики при :

(9).

На підставі (8) і (9) а також (6а) і (4в) можна записати:

. (10),

де , тому що при Рп стосівrп.

Матеріальний баланс по рідкій фазі

для межтрубного простору.

Рівняння динаміки:

, (11),

Рівняння статики при :

(12)

На підставі (11) і (12) і краще керуюче вплив -Gк.

Матеріальний баланс по паровій фазі

для межтрубного простору.

Рівняння динаміки:

(14),

де Мп- мольна маса парової фази теплоносія, кг/моль;

Рп- тиск парової фази теплоносія, Па;

 п- температура парової фази теплоносія, ДО,

Vп- обсяг парової фази теплоносія, м3.

Рівняння статики при :

(15).

На підставі (14) і (15) і краще керуюче вплив -Gп.

Інформаційна схема об'єкта.

Рис.2.

Можливі керуючі впливи:.

Можливі контрольовані збурювання: .

Можливі неконтрольовані збурювання: .

Можливі керовані перемінні: .

Найбільш ефективні канали керування:

.

Аналіз динамічних характеристик парожидкостного теплообмінника

як об'єкта керування температурою.

Вихідні умови: .

Рівняння динаміки в нормалізованому виді.

(17)

На основі цього рівняння динаміки об'єкт по каналуописивается математичною моделлю аперіодичної ланки 1-го порядку:

(18),

де: ; .

Об'єкт має транспортне запізнювання:

(19),

де Vтруб- обсяг трубопроводу подачі пари від Р. О. до входу в апарат.

Таким чином, у цілому динаміка об'єкта по каналі керування описується математичною моделлю аперіодичної ланки 1-го порядку з запізнюванням:

(20).

Аналіз статичної характеристики об'єкта.

З рівняння статики виразимо в явному виді:

(21).

Статична характеристика линейна стосовно впливів по: .

Статична характеристика нелинейна стосовно впливу по Gж.

Статичну характеристику можна линеаризовать стосовно Gжвведением стабілізації співвідношення витрат: , тоді одержимо:

(22).

Линеаризованное представлення статичної характеристики через розкладання в ряд Тейлора:

(23).

На підставі (23) можна одержати:

(24).

Схема випарника

(кожухотрубного теплообмінника з агрегатним станом, що змінюється

теплоносія і технологічного потоку).

Рис.1.

Показник ефективності: hж- рівень рідкої фази в трубках випарника.

Ціль керування: підтримка .

Математичний опис на основі фізики процесу.

Загальне теплове навантаження випарника Q:

(1).

На підставі рівняння теплопередачі можна записати:

і (2).

При теплопередачі від пари, що гріє, і конденсату через трубки справедливі співвідношення:

і (3).

Загальна поверхня теплопередачі Fтпри конденсації пари, що гріє, визначиться як:

Fт= Fп+ Fк (4а),

і отже на підставі (3) і (4а) можна записати:

(4б).

Визначення на підставі теплового балансу по парі, що гріє:

=Gгр*rгр (5а);

= (5б).

Визначення на підставі теплового балансу по технологічному потоці:

(6а);

(6б).

Висновки з математичного опису фізики процесу:

Загальне теплове навантаження, що віддається греющим пором залежить наступних його параметрів:

(7).

Загальне теплове навантаження, одержуване технологічним потоком, визначає наступні його параметри:

і (8);

(9).

Математичний опис на основі

теплового і матеріального балансів процесу.

Тепловий баланс випарника.

Рівняння динаміки:

У розгорнутому виді за умови і :

(10а).

т. е. тепло виділяється за рахунок охолодження Gгрот вихідної температури грдо температури насиченої пари , конденсації пари і наступного охолодження конденсату до к.

тепло витрачається на нагрівання Gждо температури , випар рідини і приділяється з паровою фазою, що утвориться.

У згорнутому найбільш загальному виді вираження (10а) перетвориться до виду:

(10б).

Рівняння статики при :

(10в)

Висновки по тепловому балансі процесу:

У цілому температура у випарнику на підставі виражень (8) і (9) залежить від наступних параметрів процесу:

(10г).

Тому що температура у випарнику в поверхні роздягнула фаз, тобто в зоні випару повинна бути дорівнює температурі кипіння, то можна думати:

= ж= п= стосів,

а температура кипіння залежить від тиску парової фази у випарнику, тобто при Рп стосів(при цьому rж).

Тому температура не може використовуватися як показник ефективності процесу випару.

Однак, на підставі (6а, 6б) температура важлива для забезпечення розрахункового загального теплового навантаження Q у випарнику, тобто теплового балансу в апараті.

З вираження (10г) випливає, що основними параметрами, що характеризують даний процес, є:

рівень hжи тиск Рптехнологического потоку у випарнику;

рівень hки тиск Ргрпотока пари, що гріє, у кип'ятильнику;

Матеріальний баланс по рідкій фазі у випарнику

(для технологічного потоку)

Рівняння динаміки:

, (11),

Рівняння статики при :

(12).

На підставі (11) і (12) можна вважати:

. (13),

Краще керуюче воздействиеGгр.

Матеріальний баланс по рідкій фазі в кип'ятильнику

(для конденсату пари, що гріє,).

Рівняння динаміки:

, (14),

Рівняння статики при :

(15).

На підставі (14) і (15) можна вважати:

. (16).

Краще керуюче вплив є добір конденсатаGк.

Матеріальний баланс по паровій фазі

для технологічного потоку у випарнику.

Рівняння динаміки:

(17),

де

Мп- мольна маса парової фази технологічного потоку, кг/моль;

Рп- тиск парової фази технологічного

потоку, Па;

 п- температура парової фази технологічного

потоку, ДО,

Vп- обсяг парової фази технологічного

потоку, м3.

Рівняння статики при :

(18).

На підставі (17) і (18) можна вважати:

(19),

Краще керуюче воздействиеGп.

Матеріальний баланс по паровій фазі для кип'ятильника.

Рівняння динаміки:

(20),

де Мгр- мольна маса парової фази пари, що гріє,

кг/моль;

Ргр- тиск парової фази пари, що гріє, Па;

 гр- температура парової фази пари, що гріє, ДО,

Vгр- обсяг парової фази пари, що гріє, м3.

Рівняння статики при :

(21).

На підставі (20) і (21) можна вважати:

(22).

Краще управляющееGгр.

Інформаційна схема випарника

на основі матеріального балансу.

Рис.2.

Можливі керуючі впливи:

.

Можливі керовані перемінні:

.

Інформаційна схема випарника

для типового рішення автоматизації.

Рис.3.

У типовому рішенні автоматизації випарників об'єкт розглядають як однозв'язний для основних каналів керування мал.3.

Однак, на підставі схеми мал.3. об'єкт можна розглядати як многосвязний.

Многосвязность объектас позицій фізики процесу можна пояснити в такий спосіб:

При ; тому що при

При ; тому що при

Типова схема автоматизації випарників.

Рис.4.

Типове рішення автоматизації випарників.

Регулювання.

Регулювання рівня hжпо подачі пари, що гріє, Gгр- як показника ефективності процесу нагрівання у випарнику.

Регулювання тиску Рппо добору парової фази з випарника - для забезпечення матеріального балансу по паровій фазі і стабілізації rж=f(Рп).

Контроль.

витрати - Gгр, Gп, Gж;

температури - ;

тиск - Ргр, Ржрп;

рівень - hж

Сигналізація.

істотні відхилення hжи Рпот завдань;

різке падіння витрати технологічного потоку Gж, при цьому формується сигнал "У схему захисту".

Система захисту.

По сигналі "У схему захисту" - відключаються магістралі подачі пари, що гріє, Gгри добору пари для технологічних нестатків.

Матеріали до лекції №8

Автоматизація процесу випарювання

Рушійна сила процесу випарювання.

Рушійної силоміць процесу випарювання є корисна різниця температур полезн:

 полезн= т- р-ракип (1).

Загальна різниця температур общв процесі:

 общ= т- р-лякип (2).

Загальна різниця температур общбольше корисної різниці температур полезнна величину втрат:

 полезн= общ-(3),

Величина втрат у процесі випарювання:

 = м+ д+ гп (4),

де - гпотери за рахунок гідростатичного ефекту; д- температурна депресія; гп- утрати температури за рахунок гідравлічних втрат у трубопроводі.

На підставі виражень (2) і (4) вираження (3) прикмет вид:

 полезн= т- р-лякип-( м+ д+ гп) (5).

Температурна депресія.

Визначення  дна підставі (1) і (5):

 д= р-ракип- р-лякип (6).

Визначення  дпо діаграмам"Р -".

Діаграма "Р -" для розчинів і розчинників.

Рис.1.

З діаграми випливає, що при P=const д= р-ракип- р-лякип

Розрахункові співвідношення для д:

Для концентрованих розчинів недиссоциирующихся речовин:

(7),

Для концентрованих розчинів диссоциирующихся речовин:

(8),

де R=8,31, дж/(моль*ДО);

ск- концентрація розчиненої речовини в концентрованому розчині, моль/моль;

rпр-ля- теплота випару розчинника, дж/моль;

 р-лякип- температура кипіння розчинника, ДО;

b - константа, обумовлена досвідченим шляхом.

Об'єкт керування

Схема випарної установки природної циркуляції

с винесеною камерою, що гріє.

камера, що гріє;

- випарний апарат;

бризгоулавливатель;

циркуляційна труба

Рис.2.

Робота установки.

Вихідний розчин подається по трубах кип'ятильника 1, де нагрівається до температури кипіння з утворенням парожидкостной суміші, що далі надходить у випарний апарат (сепаратор) 2.

У сепараторі 2 парожидкостная суміш розділяється на парячи розчинника і концентрований розчин.

Пари розчинника проходять через бризгоулавливатель 3 і виводяться з процесу з верха сепаратора у виді парового потоку Gп.

Виділена бризгоулавливателем рідка фаза з пар розчинника повертається в кип'ятильник 1 по циркуляційній трубі 4.

Сконцентрований розчин у виді потоку Gквиводится з низу сепаратора.

Показник ефективності процесу- концентрація концентрованого розчину ск.

Ціль керування- забезпечення ск= скзд (на максимально можливому для даної установки значенні).

Матеріальний баланс по розчиненій речовині.

Рівняння динаміки:

(1),

Рівняння статики:

(2)

З виражень (1) і (2) випливає:

(3),

Краще керуюче вплив:Gр.

Тепловий баланс випарної установки.

Рівняння динаміки процесу випарювання:

(5).

Рівняння статики при:

(6).

У вираженнях (5) і (6) прийнято:

;

;

- кількість розчинника, що випаровується;

- питомі теплоємності вихідного і концентрованого розчинів, що не лагодяться закону аддитивности;

,

деq - тепловий ефект розчинення, обумовлений на підставі закону Гесса:

,

де qни qк- інтегральні теплоти розчинення на початку і кінці процесу.

На підставі (5) і (6):

(7).

Кращі керуючі впливи:

для забезпечення теплового балансу процесу - витрата теплоносія Gт;

для непрямого регулювання показника ефективності процесу - витрата вихідного розчину Gр.

У типовому рішенні автоматизації:

для непрямого регулювання показника ефективності процесу випарювання використовують не температуру в апараті, а температурну депресію:

.

Матеріальний баланс по рідкій фазі (для розчину).

Рівняння динаміки:

, (8),

Рівняння статики:

(9)

На підставі (8) і (9):

. (10).

Краще керуюче вплив -Gк.

Матеріальний баланс по паровій фазі (для розчину).

Рівняння динаміки:

(11),

де Мп- мольна маса парової фази (розчинника),

кг/моль;

Рп- тиск у сепараторі, Па;

 п=  до= апп- температура в сепараторі, ДО,

Vп- обсяг парової фази в сепараторі, м3.

Рівняння статики:

(12).

На підставі (11) і (12): ипредпочтительное керуюче воздействиеGп.

Матеріальний баланс по рідкій фазі (для теплоносія).

Рівняння динаміки:

, (14),

Рівняння статики:

(15).

На підставі (14) і (15):

. (16).

Краще керуюче вплив -Gкт.

Матеріальний баланс по паровій фазі (для теплоносія).

Рівняння динаміки:

(17),

де Мп- мольна маса теплоносія, кг/моль;

Ртмтр- тиск теплоносія в межтрубном

просторі кип'ятильника, Па;

 т- температура теплоносія, ДО,

Vтмтр- обсяг парової фази теплоносія в

межтрубном просторі кип'ятильника, м3.

Рівняння статики:

(18).

На підставі (17) і (18):

(19).

Краще керуюче воздействиеGт.

Інформаційна схема процесу випарювання.

Рис.3

Можливі керуючі впливи:.

Можливі контрольовані збурювання: .

Можливі неконтрольовані збурювання: - питомі теплоємності потоків сріи теплота випару розчинника rп.

Можливі керовані перемінні: .

На підставі мал.3 випарна установка є складним многосвязним об'єктом по можливим керуючим впливам .

Типова схема автоматизації процесу випарювання.

Рис.4.

Типове рішення автоматизації процесу випарювання.

Регулювання.

Регулювання температурної депресії Δ дпо подачі вихідного розчину Gр- як параметра, що побічно характеризує показник ефективності процесу випарювання ск.

Регулювання тиску в сепараторі Рпапппо добору пар розчинника Gп- для забезпечення матеріального балансу по паровій фазі.

Регулювання рівня в сепараторі hкпо добору концентрованого розчину Gк- для забезпечення матеріального балансу по рідкій фазі.

Стабілізація витрати теплоносія Gт- для забезпечення теплового балансу установки

Контроль.

витрати - Gт, Gр, Gк, Gп;

температури - ;

тиск - Рпапп, Рт;

рівень концентрованого розчину в апараті - hк;

Сигналізація.

істотні відхилення від завдання;

Припинення подачі вихідного розчину Gр, при цьому формується сигнал "У схему захисту".

Система захисту.

По сигналі "У схему захисту" - відкривається магістраль Gп, відключається подача теплоносія і добір концентрованого розчину.

ЗМІСТ

Матеріали до лекції №1 5

Матеріали до лекції №2 12

Матеріали до лекції №3 21

Матеріали до лекції №4 26

Матеріали до лекції №5 35

Матеріали до лекції №6 44

Матеріали до лекції №7 54

Матеріали до лекції №8 70

Міністерство утворення Російської федерації

Санкт-Петербургский державний технологічний інститут

(технічний університет)

Кафедра автоматизації процесів хімічної промисловості

Г. В. Іванова

"Автоматизація технологічних процесів

основних хімічних виробництв"

Методичні матеріали за курсом лекцій

(у двох частинах)

Частина 2.

2003р.

УДК 66-52:66(075)

Іванова Г. В. Автоматизація технологічних процесів основних хімічних виробництв: Методичний посібник. Частина 2 / Спбгти (ТУ).-Спб., 2003.- 70с.

Методичний посібник призначений для курсу лекцій по навчальній дисципліні "Автоматизація технологічних процесів основних хімічних виробництв", що є дисципліною спеціалізації 210201 - "Автоматизація технологічних процесів хімічної промисловості" навчального плану за фахом 210200.

Посібник розроблений у виді методичних матеріалів, використовуваних при читанні лекцій по дисципліні.

Частина 2 методичні посібники містить у собі фізико-хімічні основи технологічних процесів, технологічні схеми розглянутих об'єктів керування, математичні описи об'єктів керування, постановку задачі автоматизації, типові схеми автоматизації, типові рішення автоматизації для массообменних і реакторних процесів.

Затверджено на засіданні методичної комісії факультету Інформатики і керування 23 червня 2003р., протокол № 6.

Матеріали до лекції №9

Загальна характеристика массообменних процесів

Вид діаграми рівноваги

для системи з 3 ступенями волі

c1*=f(c2) приθ=соnstир=const;

Рис.2.

На діаграмі позначено:

c1- концентрація компонента в газовій фазі, cy.

c2- концентрація компонента в рідкій фазі, сх.

при сх=c2, рівноважне значення концентрації в газовій фазі буде cy*= c1*.

Вид діаграми рівноваги

для системи з 2 ступенями волі

c1*=f(c2) прир=const.

Рис.3.

Кожна крапка кривої мал.3 відповідає рівноважному стану при різних температурах.

Відношення концентрацій фаз при рівновазі називаюткоеффициентом розподілу:

(3).

Графічно m можна визначити:,

т. е. як тангенс кута нахилу дотичної до лінії рівноваги, якщо вона нелинейна,

чи як тангенс кута нахилу самої лінії рівноваги, якщо вона линейна.

Рівняння робочої лінії процес массопередачи

при противотоке речовин, що розподіляють.

Схема руху речовин, що розподіляються

противотоком:

G1c1

с1нс1до

с2кс2н

G2c2

Рис.1.

Матеріальний баланс процесу по цільовому компоненті можна записати у виді:

(1),

чи

(2).

Для довільного перетину апарата з концентраціями з1і з2можна записати:

(3а).

чи

(3б).

Виразимо з (3б) залежність з1= f(з2):

(4).

Вираження (4) - рівняння робочої лінії (робітників концентрацій) массопередачи.

Це рівняння прямої с.

Робоча лінія всього апарата обмежена крапками з координатами з1н, з1до, з2н, з2н.

Вид робочої лінії

при противотоке речовин, що розподіляють.

Рис.2.

Рівняння робочої лінії процесу при прямотоке

речовин, що розподіляють.

Схема руху речовин, що розподіляються

прямотоком:

G1c1

с1нс1до

с2нс2до

G2c2

Рис.3.

Матеріальний баланс процесу по цільовому компоненті можна записати у виді:

(5),

чи

(6).

Для довільного перетину апарата з концентраціями з1і з2можна записати:

(7а)

чи

(7б).

Виразимо з (7б) залежність з1= f(з2):

(8).

Вираження (8) - рівняння робочої лінії (робітників концентрацій массопередачи) при прямотоке речовин, що розподіляють.

Це рівняння прямої с.

Робоча лінія всього апарата обмежена крапками з координатами з1н, з1до, з2н, з2н.

Вид робочої лінії

при прямотоке речовин, що розподіляють.

Рис.4.

Діаграма з1-з2при розташуванні робочої лінії

вище рівноважної.

Рис.1.

З діаграми мал.1 випливає:

Це означає, що цільовий компонент буде переходити з фази G1у фазу G2.

Діаграма з1-з2при розташуванні робочої лінії

нижче рівноважної.

Рис.2

З діаграми мал.2. випливає:

Це означає, що цільовий компонент буде переходити з фази G2у фазу G1.

Середня рушійна сила процесів массопередачи.

при :

(1).

при :

(2).

Основне рівняння массопередачи.

(1),

де М - маса стерпної речовини, кг/з;

К - коефіцієнт массопередачи,

∆ порівн- середня рушійна сила процесу массопередачи.

Визначення рушійної сили по кожній з фаз:

(2),

(3),

де

∆ сруи ∆ срх- середні рушійні сили, у фазахуих;

Куи Kx- коефіцієнти массопередачи для фазуих.

Матеріали до лекції №10

Автоматизація процесу кристалізації

Система з різким зростанням розчинності.

Рис.1.

- c*=f() - крива розчинності, що характеризує рівновагу концентрованого розчину при зміні.

- сп= f() - лінія умовної границі метастабільної області.

А- хитлива, лабільна область масового утворення центрів кристалізації;

Б- відносно стійка метастабільна область утворення і розчинення кристалів;

В- область ненасичених розчинів.

Система з плавною зміною розчинності.

Рис.2.

Перехід в область пересичених розчинів відбувається тільки при значному охолодженні.

При цьому виділяється незначна кількість твердої фази.

Спосіб кристалізації, що рекомендується- одержання спудалением частини розчинника з розчину.

Метод кристалізації, що рекомендується- вакуум-кристалізація.

Система з незначною зміною

розчинності.

Рис.3.

Спосіб кристалізації, що рекомендується- одержання сппутем випарювання розчинника з розчину.

Метод кристалізації, що рекомендується- ізотермічна кристалізація.

Ізотермічна кристалізація- це кристалізація з видаленням частини розчинника чи випаром виморожуванів.

Система з незначною зміною

розчинності.

Рис.3.

Спосіб кристалізації, що рекомендується- одержання сппутем випарювання розчинника з розчину.

Метод кристалізації, що рекомендується- ізотермічна кристалізація.

Ізотермічна кристалізація- це кристалізація з видаленням частини розчинника чи випаром виморожуванів.

Кінетика процесу кристалізації.

Швидкість утворення центрів кристалізації:

,

де

- число часток, що утворяться в одиниця об'єму в одиницю часу;

КN, КN0- константи, ,

EN- енергія активації зародишеобразования, (кдж/кг);

Спи З*- концентрації пересиченого і насиченого розчинів, (кг/м3);

m=2 - 4 - кінетичний коефіцієнт, що залежить від типу речовини, що кристалізується.

Якісна характеристика швидкості росту кристалів.

Залежності швидкості кристалізації від часу.

Рис.4.

- ;

- ; .

t0- t1- індукційний період, тобто період рухливої рівноваги зародків з розчином.

Крива 1- при великому ступені пересищения має різкий максимум швидкості процесу в момент tmax.

Крива 2- при малому ступені пересищения має положистий максимум протягом часу t2- t3.

Кількісні оцінки швидкості росту кристалів на підставі дифузійної теорії.

Процессвстраиваниямолекул у кристали йде з великою швидкістю і кінетика процесу визначається швидкістю підведення речовини до поверхні кристала:

(1),

де

- коефіцієнт массоотдачи, кг/м2*з;

Сп-С*=, (кг/кг);

F - поверхня кристала, (м2).

Для апаратів з мішалками коефіцієнт массоотдачи залежить від наступних параметрів:

,

де

а - характеристичний розмір кристала;

n - число оборотів мішалки, про/хв;

dм- діаметр мішалки, м.

Процессподводавещества до поверхні кристала йде з великою швидкістю. Кінетика процесу визначається швидкістю вбудовування молекул у кристал:

(2),

де

КВ- константа швидкості вбудовування молекул у кристал;

n - емпірична постійна.

Обидва процеси протікають з порівнянними швидкостями:

(3),

де

К - загальний коефіцієнт швидкості процесу, обумовлений зі співвідношення:

.

З огляду на, що ДО=f(, KB), а=f(n), у цілому можна вважати:

.

Таким чином, швидкість росту кристалів визначається поверхнею кристала, рушійною силою процесу і швидкістю мішалки.

Об'єкт керування

Изогидрический кристаллизатор безупинної дії з мішалкою.

Рис.5.

У схемі прийнято:

Gс=Gмр+Gкр; мр= кр= з=;

Скр= 1, тобто кристали чисті.

Робота об'єкта

Вихідний гарячий насичений розчин подається зверху в апарат, де прохолоджується за допомогою холодоносія, подаваного в сорочку і стає пересиченим.

У результаті пересищения розчину і при інтенсивному перемішуванні відбувається кристалізація цільового компонента з розчину з утворенням кристалів (МкрGкр).

При цьому концентрація розчину знижується і рідка фаза, що залишилася, Gмрв суміші з Gкрв виді потоку суспензії Gсвиводится з процесу.

Показник ефективності процесу- діаметр кристалів,dкр.

Ціль управленияпроцессом- обеспечениеdкр= dкрзд.

Матеріальний баланс по всій речовині

Рівняння динаміки:

(1).

Рівняння статики при:

(2).

Матеріальний баланс по кристаллизуемому речовині.

Рівняння динаміки:

(3).

Рівняння статики при:

(4).

У рівняння (4) підставимо вираження з (2) і думаємо Скр=1:

(5).

З (5) виразимо Gкрв явному виді:

(6).

Вираження (6) представляє Gкрна основі матеріального балансу процесу кристалізації.

Але , що визначається на основі фізики процесу массопередачи:

(7),

де

- число кристалів, що утвориться

за час прв обсязі Vс;

- зміна маси одного кристала в ед. часу, кг/с.

Тому що і , а також , те на основі фізики массопередачи можна вважати:

.

У цілому, на підставі (6) і (7) можна записати:

.

Математичний опис для розміру часток.

На підставі дифузійної теорії і правила Мак-Бена швидкість росту кристалів можна представити через радіус часток:

(9),

де

(10);

r - радіус кристала, м; t - час, з;

ДО, ДО0- константи, ;

Сп, З*- концентрації пересиченого і насиченого розчинів, кг/м3;

Еа- енергія активації, кдж/кг;

- температура, ДО;

R - універсальна газова постійна, кдж/кг*К.

На підставі (9) і (10) - діаметр кристала можна представити:

.

Якщо процес кристалізації вести при= const = зди забезпечити Сн= const, то Спи З*будуть визначені, тому що система має 2 ступеня волі (s=2).

Таким чином, dкр=dкрздможно забезпечити стабілізацією за умови Сн= const.

Тепловий баланс процесу кристалізації.

Рівняння динаміки:

(11).

Можна прийняти= мр= кр= с.

Рівняння статики при:

(12).

На підставі (11) і (12) можна вважати:

Краще керуюче вплив Gхл.

Інформаційна схема кристаллизатора

Рис.6.

Основні регульовані перемінні: ;

Можливі регулюючі впливи:

Можливі контрольовані збурювання:

Можливі неконтрольовані збурювання:

.

У цілому, кристаллизатор є складним многосвязним об'єктом.

Типова схема автоматизації процесу кристалізації

Рис.7.

Регулювання.

Регулювання в апараті по подачі хладоагента Gхл- забезпечує непряме регулювання показника ефективності процесу:= f (dкр).

Регулированиеhпо добору маткового розчину Gмр- для забезпечення матеріального балансу по рідкій фазі.

Стабілізація расходаисходного раствораGр- для забезпечення заданої продуктивності установки.

Контроль.

Витрати: .

Температури: .

Рівень: h.

Сигналізація.

Значні відхилення температури від завдання.

3. Матеріали до лекції №11

Автоматизація процесу абсорбції

Рівновага в процесі абсорбції.

Число ступенів волі для системи бінарний газ+рідина:

S = k - f + 2=3-2+2=3.

Перемінні для даної системи: температура, тиск Р; концентрації С.

Рівновага такої системи при постійних і Р описується законом Генрі:

(1),

де m - коефіцієнт розподілу:

(2),

де Е - константа Генрі:

(3),

де q - диференціальна теплота розчинення; R - універсальна газова постійна; З - константа.

На підставі (2) і (3) коефіцієнт розподілу m залежить від P і у такий спосіб: прир, m; при, Е. m.

Отже, розчинність газу в рідині на підставі (1), обумовлена як: , збільшується зі збільшенням тиску Р і зменшенням температури.

Влияниер і на середню рушійну силу процесу абсорбції.

(фазові діаграми при противотоке речовин, що розподіляють,)

Рис.1.

При Р1і1, Δ порівн1; 2 - При Р2 > Р1, Δ порівн2; 3 - При3 > 1, Δ порівн3

Результати аналізу діаграм:

Δ порівн=f (, Р, сгн, сгк, сан, сак);

Δ порівн2 > Δ порівн1; при Р" Δ порівн;

Δ порівн3< Δ порівн1; при" Δ порівн

Вплив напрямку руху потоків

на середні рушійні сили процесу абсорбції.

Рис.2а.

- робоча лінія процесу абсорбції при противотоке речовин, що розподіляють;

- робоча лінія процесу абсорбції при прямотоке речовин, що розподіляють;

- рівноважна лінія процесу абсорбції.

Рух речовин, що розподіляють, противотоком.

Рис.2б.

Саизменяется від Саміnдо Самах1, ().

Рушійна сила: .

Рух речовин, що розподіляють, прямотоком.

Рис.2в.

Саизменяется від Саміnдо Самах2, ().

Рушійна сила: .

Висновки по характеристиках схем противотока і прямотока:

- ; 2. - .

Кінетика процесу абсорбції.

Рівняння массопередачи в процесі абсорбції:

(4а),

чи

(4б),

де

Мга- маса компонента, що розподіляється, перехідна з газу в абсорбент в одиницю часу, кг/год;

F - поверхня массопередачи м2;

і ;

і ;

Кг, Ка- коефіцієнти массопередачи, ;

; ,

де

 г- коефіцієнт массоотдачи від потоку газу до поверхні контакту фаз, кг/(м2*ч);

 а- коефіцієнт массоотдачи від поверхні контакту фаз до потоку абсорбенту, кг/(м2*ч).

Схема насадочного абсорбера.

Рис.6.

Об'єкт керування

Схема абсорбційної установки.

1, 2 - холодильники; 3 - абсорбційна насадочная колона.

Рис.5.

Робота схеми.

Вихідна газова суміш Gги абсорбент Gав холодильниках 1 і 2 прохолоджуються до заданих температур м0і а0і противотоком подаються в колону 3.

У колоні 3 відбувається витяг цільового ( щорозподіляється) компонента з вихідної газової суміші за допомогою рідкого абсорбенту.

У результаті массообменного процесу між газовою і рідкою фазами одержують:

у низі колони - насичений абсорбент Gнас концентрацією цільового ( щорозподіляється) компонента сну;

у верху колони - збіднену газову суміш Gогс концентрацією цільового ( щорозподіляється) компонента сог.

Показник ефективності процесу- концентрація компонента, що розподіляється, у збідненій газовій суміші сог.

Ціль керування- забезпечення сог= согздна мінімально можливому для даної установки значенні.

Матеріальний баланс по цільовому компоненті.

Матеріальний баланс по цільовому компоненті в газовій фазі.

Рівняння динаміки:

(1),

де Мгна- маса цільового компонента, що переходить з газової фази в рідку в одиницю часу, кг/ч.

Рівняння статики:

(2).

З виражень (1) і (2) випливає, що: (3),

де Мгна- визначається рівнянням массопередачи.

Матеріальний баланс по цільовому компоненті в насиченому абсорбенті.

Рівняння динаміки:

(4).

Рівняння статики:

(5).

З виражень (4) і (5) випливає, що: (6),

де Мгна- визначається рівнянням массопередачи.

Матеріальний баланс по загальній кількості цільового компонента в процесі абсорбції.

Рівняння динаміки:

(7),

Рівняння статики:

(8).

На підставі (7) і (8): (9).

Аналогічно, можна одержати: (10).

Матеріальний баланс по рідкій фазі.

Рівняння динаміки:

, (11),

Рівняння статики:

(12)

На підставі (11) і (12): . (13).

Матеріальний баланс по газовій фазі.

Рівняння динаміки:

(14),

де Міг- мольна масса збідненої газової суміші,

кг/моль;

Ріг- тиск у колоні, Па;

 ог- температура в колоні (по газовій фазі), ДО,

Vог- обсяг газової фази в колоні, м3.

Рівняння статики:

(15).

На підставі (14) і (15) можна вважати:

(16),

Краще керуюче воздействиеGог.

Тепловий баланс в абсорбері.

Рівняння динаміки для холодильника1:

(17).

Рівняння статики при:

(18).

На підставі (17) і (18) можна вважати:

(19).

Краще керуюче воздействиеGхл1.

Рівняння динаміки для холодильника 2.

(20).

На підставі (20) можна вважати:

(21).

Краще керуюче воздействиеGхл2.

Інформаційна схема для установки з показником ефективності сог.

Рис.7

Можливі керуючі впливи:.

Можливі контрольовані збурювання: .

Можливі неконтрольовані збурювання: .

Можливі керовані перемінні: .

Схема абсорбційної колони як многосвязного

об'єкта при показнику ефективності сог.

Рис.8

Інформаційна схема для установки з показником ефективності сну.

Рис.9

Можливі керуючі впливи, контрольовані і неконтрольовані збурювання ті ж, що й у системі з показником ефективності сог.

Можливі керовані перемінні: .

Схема абсорбційної колони як многосвязного

об'єкта при показнику ефективності сну.

Рис.10.

Типова схема автоматизації процесу абсорбції.

Рис. 11.

Регулювання.

Регулювання согпо подачі абсорбенту Gа- як показника ефективності процесу абсорбції.

Регулювання тиску верха колони Рв= Рогпо добору збідненої газової суміші Gог- для забезпечення матеріального балансу по газовій фазі.

Регулювання рівня hнапо добору насиченого абсорбенту Gна- для забезпечення матеріального балансу по рідкій фазі.

Регулювання температури вихідних матеріальних потоків газу м0і абсорбенту а0по подачі хладоагентов Gхл1і Gхл2відповідно - для забезпечення теплового балансу установки.

Стабілізація витрати вихідної газової суміші Gг- для забезпечення заданої продуктивності установки.

Контроль.

витрати - Gг, Gа, Gог, Gна, Gхл1, Gхл2;

температури - ;

тиск - Рв, Рн, Р;

рівень насиченого абсорбенту - hна;

концентрація - сог.

Сигналізація.

істотні відхилення согот согзд;

значне підвищення Рв > Рпред, при цьому формується сигнал "У схему захисту".

Система захисту.

По сигналі "У схему захисту" - відкривається магістраль Gог, закриваються всі інші магістралі.

4. Матеріали до лекції №12

Автоматизація процесу сушіння

Основні параметри сушильного агента і матеріалу, як влагоносителей.

Відносна вологість сушильного агента:

(1).

На підставі рівняння Менделеева-Клапейрона можна одержати :

(3).

Відносна вологість матеріалу-це

відношення маси вологи Мвлк загальній масі вологого матеріалу М=Мсм+ Мвл, чи до маси абсолютно сухого матеріалу Мсм:

Вологість, віднесена до всієї речовини:

, де М=var

Вологість, віднесена до маси абсолютно сухого матеріалу:

, де Мсм= const .

Діаграми рівноваги при сушінні.

Діаграма при=*.

На діаграмі прийняте1* > 2* > 3*.

Рис.1.

З діаграми випливає:

При*- ефективність сушіння підвищується;

При*- ефективність сушіння підвищується.

Діаграма*=f() при=const.

Рис.2.

На мал.2. приведені: 1 - діаграма при1; 2- діаграма при2;

- діаграма при3.

За умови, що123

З діаграми випливає: При . При

Діаграма- рівноважної і робочої ліній

процесу сушіння при прямотокеGмиGса

(при різних температурах).

Рис.4.

На діаграмі представлена: 1 - Рівноважна лінія=f() при1;

2 - Рівноважна лінія=f() при2.3 - Робоча лінія-.

На діаграмі прийнято:2 > 1.

З діаграми мал.4 випливає:

. При порівн. При

Кінетика процесу сушіння.

Рівняння массопередачи 1-го періоду сушіння з постійною швидкістю (Т1):

(1),

де

ДО= са- коефіцієнт массоотдачи від поверхні контакту в газову фазу;

- середня рушійна сила процесу по сушильному агенті, де .

Перший період сушіння відповідає зміні вологості матеріалу від .

При настає 2-ий період сушіння.

Рівняння массопередачи 2-го періоду сушіння зі зменшуваною швидкістю (Т2):

(2),

де

К - коефіцієнт массопередачи від матеріалу до поверхні контакту фаз;

; .

Другий період сушіння відповідає зміні вологості матеріалу від .

Крива швидкості сушіння.

Рис.5.

Можливі наступні співвідношення періодів сушіння:

Тсушки= Т1

Тсушки= Т2

Тсушки= Т1+ Т2.

При аналізі рівноваги ми розглянули процес сушіння, що характеризується першим періодом і рівнянням массопередачи (1).

Об'єкт керування.

Схема барабанної сушарки прямоточної дії

- топка; 2 - змішувальна камера; 3 - сушильний барабан;

- циклон; 6 - вентилятор

Рис.6.

Газоподібне паливо Gтподается з первинним повітрям Gпвчерез пальника в топку 1, де спалюється для одержання сушильного агента.

Формування сушильного агента здійснюється в змішувальній камері 2, куди подається вторинне повітря Gвв.

Вологий матеріал подається за допомогою автоматичного дозатора 7 у сушильний барабан 3. Барабан похило розташований і обертається зі швидкістю 4-5 про/хв, так що матеріал переміщається уздовж барабана і висушується до моменту влучення в бункер 4 до визначеної вологості див.

Сухий матеріал Gсмотгружается з бункера 4 автоматичним дозатором 7.

Відпрацьований сушильний агент Gсав циклоні 5 очищається від пилу і вентилятором 6 виводиться з процесу.

Показник ефективності процесу- вологість сухого матеріалу див.

Ціль керування процесом- підтримка див= смзд.

Структурна схема топки і змішувальної камери.

Рис.7.

Матеріальний баланс по газовій фазі.

Рівняння динаміки:

(1),

Рівняння статики:

. (2)

Тепловий баланс.

Рівняння динаміки:

(3).

Рівняння статики:

(4)

Інформаційна схема топки

і змішувальної камери.

Рис.8.

- можливі неконтрольовані збурювання;

- можливі контрольовані збурювання;

- можливі керуючі впливи.

Висновки по аналізі топки і змішувальної камери як об'єкта керування:

;

.

Структурна схема сушильного барабана.

Рис.9.

Матеріальний баланс по твердій фазі.

Рівняння динаміки:

, (5),

де hм- висота шаруючи матеріалу в барабані;

Sапп- перетин апарата;

 м- щільність матеріалу;

Wмса- кількість вологи, що видаляється в процесі сушіння з матеріалу в одиницю часу, кг/с.

Рівняння статики:

(6).

На підставі (5) і (6) можна прийняти:

.

У типовій схемі автоматизациистабилизируют Gвми Gсм, що забезпечує також стабілізацію hм

Матеріальний баланс по газовій фазі.

Рівняння динаміки:

(7),

де

Мсаб- мольна маса сушильного агента в барабані,

кг/моль;

Рсаб- розрідження в барабані, Па;

 саб- температура в барабані (по газовій фазі), ДО,

Vсаб- обсяг газової фази в барабані, м3.

Рівняння статики:

(8).

На підставі (7) і (8) можна вважати:

.

Кращим керуючим впливом є Gсавих.

Тепловий баланс у сушильному барабані.

Рівняння динаміки:

(9).

Рівняння статики при:

(10).

У вираженнях (9) і (10) приймаємо:

;

r - питома теплота випару вологи , дж/кг.

На підставі (9) і (10) можна прийняти:

(11),

де

(12).

Матеріальний баланс по кількості вологи в матеріалі.

Рівняння динаміки:

(13),

Рівняння статики:

(14).

З виражень (13) і (14) випливає, що:

(15),

де Wмса- визначається рівнянням массопередачи.

Матеріальний баланс по кількості вологи в сушильному агенті.

Рівняння динаміки:

(16).

Рівняння статики:

(17).

З виражень (16) і (17) випливає, що:

(18).

Матеріальний баланс по загальній кількості вологи в процесі сушіння.

Рівняння динаміки:

(19),

де .

Рівняння статики:

(20).

На підставі виражень (19) і (20) можна вважати:

(21).

При аналізі топки ми одержали:

(22).

З усіх можливих керуючих впливів, перерахованих у вираженнях (21) і (22), для регулювання кінцевої вологості матеріалу найбільш інформативним є витрата топливаGт.

Інформаційна схема сушильного барабана.

Рис.10.

Можливі керуючі впливи:

.

Можливі контрольовані збурювання:

.

Можливі неконтрольовані збурювання:

.

Можливі керовані перемінні:

.

Сушильний барабан є складним многосвязним об'єктом.

Типова схема автоматизації процесу сушіння.

Рис.11.

Регулювання.

Регулювання смпо подачі палива Gт- як показника ефективності процесу сушіння.

Регулювання співвідношення витрат палива Gти первинного повітря Gпвпо подачі первинного повітря - для забезпечення ефективності згоряння палива.

Регулювання температури сушильного агента на вході в барабан савхпо подачі вторинного повітря Gвв.

Регулювання розрідження в барабані Рсабпо добору відпрацьованого сушильного агента Gсавих- для для забезпечення матеріального балансу по газовій фазі.

Стабілізація витрат вологого і сухого матеріалу Gвми Gсмавтоматическими дозаторами - для забезпечення матеріального балансу по твердій фазі.

Контроль.

витрати - Gт, Gпв, Gвв, Gвм, Gсм;

температури - ;

розрідження - Рб;

вологість - див ( к).

Сигналізація.

істотні відхилення смот зд;

значне підвищення савх;

Незаплановане відключення приводу, при цьому формується сигнал "У схему захисту".

Система захисту.

По сигналі "У схему захисту" - припинити подачу матеріалу і палива в сушильний агрегат.

5. Матеріали до лекції №13

Автоматизація процесу ректифікації (ч.1)

Діаграма рівноваги "θ-x-y" прир=const.

Рис.1.

Суміш двухкомпонентная: компонент А - низкокипящий; компонент У - висококипящий.

Діаграма дозволяє визначати:

θхи θy- для будь-якого стану суміші при заданому Р;

x і y - для будь-якої температури суміші.

За даними діаграми"θ - x - y "може бути побудована діаграма рівноваги" x - y "прир=const.

Діаграма рівноваги "x-y" при Р=const.

Рис.2.

На осях y і x відкладають значення уаи хасоответствующие 100% змісту компонента А в паровій і рідкій фазах відповідно;

Діагональ ОА відповідає складам суміші уа= ха.

Розташування рівноважної лінії вище діагоналі означає, що пари збагачені низкокипящим компонентом.

Чим ближче лінія рівноваги до діагоналі, тим менше різниця складів рідкої і парової фаз і тем сутужніше розділяється суміш при ректифікації.

Схема колони ректифікації для математичного

опису робочих ліній процесу.

Рис.3.

Позначення параметрів процесу:

Gf, Gфл, Gд, Gк- витрати харчування, флегми, дистиляту, куба;

xf, хд, хк- молярні склади відповідних потоків;

R=Gфл/Gд- флегмовое число.

Розрахунок робітника флегмового числа.

,

де xf- заданий склад рідкої фази потоку харчування;

yf- відповідний йому рівноважний склад парової фази потоку харчування.

Робоче флегмовое число знаходять зі співвідношень:

R=1,3*Rmin+0,3

чи

R=σ* Rmin,

де σ=1,2-2,5 - коефіцієнт надлишку флегми.

Рівняння робочої лінії верхньої (зміцнювальної) частини колони.

(1),

де y, x - склади парової і рідкої фаз верха колони, молярні частки; хд- склад дистиляту.

Позначимо: .

Рівняння робочої лінії нижньої (вичерпної) частини колони.

(2),

де .

Позначимо: ;

Побудова робочих ліній процесу ректифікації.

Рис.4.

1 - Рівноважна лінія процесу ректифікації;

2 - Лінія рівних концентрацій парової і рідкої фаз компонента А в колоні.

Склади парової і рідкої фаз у верхній і нижній частинах колони рівні, т. е відповідають лінії 2.

По хднаходят крапку С.

По хкнаходят крапку А.

По хfпроводят вертикаль.

По осі y відкладають величину зі співвідношення (1) і одержують крапку D.

Одержують крапку М на перетинанні СD з вертикаллю від xf.

Одержують СМ - робочу лінію верха колони.

Проводять МА - робочу лінію низу колони.

Діаграма "Робоча лінія-лінія рівноваги"

процесу ректифікації.

Рис.7.

1 - рівноважна лінія процесу бінарної ректифікації;

2 - Лінія рівних концентрацій у паровій і рідкій фазах

Лінія СМ - робоча лінія верха колони з параметрами: ;

Лінія МА - робоча лінія низу колони з параметрами:

; ; .

Аналіз діаграми "Робоча лінія - лінія рівноваги".

По діаграмі визначають наступні параметри:

Число ступіней поділу, число теоретичних тарілок nти число реальних тарілок , де η - к. п. д. тарілки.

Рушійну силу процесу в будь-яких крапках колони:

, , що відповідає напрямку массопередачи , і .

Рушійні сили залежать:

від режимних параметрів процесу, що визначають положення рівноважної кривої (Р и θ);

від xf, хд, хк- визначальних положення робочої лінії процесу;

від R=Gфл/Gди , тобто від Gфл, Gд, Gf;

від теплових параметрів Gf.

Необхідну рушійну силу процесу ректифікації можна забезпечити:

стабілізацією режимних параметрів Р чи θ;

стабілізацією параметрів потоку харчування Gfи θf;

чи стабілізацією зміною флегмового числа R=Gфл/Gд.

Об'єкт керування

Схема ректифікаційної установки.

- ректифікаційна колона; 2 - підігрівник потоку харчування;

- кип'ятильник; 4 - конденсатор (дефлегматор); 5 - флегмовая ємність.

Рис. 8.

Опис установки.

Об'єкт керування- ректифікаційна установка для виділення з вихідної рідкої суміші цільового компонента в складі дистиляту.

Процес массопередачипроисходит на тарілках зміцнювальної (верхньої) і вичерпної (нижньої) частин колони в результаті взаємодії рідкої і парової фаз, що рухаються в колоні противотоком.

Рушійна сила- різниця між рівноважною і робочою концентраціями цільового компонента в рідкій чи паровій фазі: і відповідно.

Робота установки.

Вихідна смесьGп (Gxf) нагреваетсяв підігрівнику потоку харчування 2 до температури кипіння θ п0і подається в колону 1 на тарілку харчування (і=f).

Вихідна суміш стекаетпо тарілкам нижньої частини колони у виді рідинного потоку Gхв куб колони, беручи участь у массообменном процесі з паровим потоком Gy.

З куба колони виводитсякубовий продукт Gкуб. Частина кубового продукту подається в кип'ятильник 3, де випаровується з утворенням парового потоку Gy0, що подається в низ колони.

Паровий потокподнимается нагору колони, контактуючи з рідким потоком і збагачуючи цільовим компонентом.

Збагачений цільовим компонентом паровий потокGуnвиводится з верха колони і подається в дефлегматор 4, де конденсується.

Конденсат збирається у флегмовой ємності 5. Зі збірника флегми відбирається два потоки:

потік дистиляту Gд- цільовий продукт;

потік флегми Gфл- рідка фаза, використовувана для зрошення верха колони.

Показник ефективності процессасд- концентрація дистиляту.

Ціль керування процесом- обеспечениесд.=сдзд.

6. Матеріали до лекції №14

Автоматизація процесу ректифікації (ч.2).

Структурна схема ректифікаційної установки.

Рис.1.

Математичний опис низу колони

Структурна схема куба і кип'ятильника.

Рис.2.

Тепловий баланс низу колони ( н=0).

Рівняння динаміки:

(5).

Рівняння статики:

Gгрrгр+ Gх1Срх1 х1= Gy0rk+ GkCpk н (6).

На підставі (5) і (6) можна вважати:

 н= f (Gгр, Gк).

Краще керуюче вплив Gгр.

Матеріальний баланс по всій речовині.

Рівняння динаміки:

(1).

Рівняння статики:

Gx1= Gk+ Gy0(2),

де ρk- щільність кубової рідини , кг/м3;

Sk- перетин куба колони, м2;

hk- рівень кубової рідини, м;

Gx1, Gk, Gy0- масові витрати потоків у кубі колони.

На підставі (1) і (2) можна вважати:

hk= f(Gk,Gy0).

Краще керуюче вплив Gk.

Матеріальний баланс по легколетучему компоненті.

Рівняння динаміки:

(3).

Рівняння статики:

Gx1Cx1= Gкск+ Gy0Cy0(4)

Основні допущення:

Кип'ятильник з повним випаром, тобто Cy0=Cx0;

Тепловий баланс кип'ятильника:

Позначення:

М0- маса рідини в нижній частині колони, кг;

rгр- питома теплота конденсації пари, дж/кг;

rk- питома теплота випару кубової рідини, дж/кг.

На підставі (3) і (4) можна записати:

.

Краще керуюче вплив Gгр.

Інформаційна схема низу колони.

Рис.3.

Інформаційна схема низу колони

як многосвязного об'єкта поhк, илиhк, Ck.

Рис.4

Математичний опис верха колони.

Структурна схема дефлегматора з флегмовой ємністю.

Рис.5.

Матеріальний баланс по всій речовині.

Рівняння динаміки:

(7)

де фл- щільність флегми , кг/м3;

Sфл- перетин флегмовой ємності , м2;

hфл- рівень флегми , м;

Gyn, Gфл, Gдист- масові витрати, кг/с.

Рівняння статики:

Gyn= Gфл+ Gдист (8).

На підставі (7) і (8) можна вважати:

hфл=f(Gyn, Gфл, Gд)

Краще керуюче вплив Gдист.

Матеріальний баланс по цільовому компоненті.

Рівняння динаміки:

(9).

Рівняння статики:

GynCyn= Gдистсх n+1+ Gфлсх n+1(10).

На підставі (9) і (10) можна вважати:

Сдист=f(Gyn, Gфл, Gд)

Краще керуюче вплив Gфл.

Тепловий баланс верха колони ( у= н).

Структурна схемаn-ої тарілки

Рис.6.

Рівняння динаміки:

(11).

Рівняння статики:

Gyn-1*Cpyn-1*yn-1+ Gфл*Срфл* фл=

Gyn*Cpyn* у+ Gxn*Cpxn* у (12).

Позначення:

Мхn- маса парової фази нагорі колони;

Cpyn, Cpy,n-1, Срфл, Cpxn- питомі теплоємності парової і рідкої фази на n-ої тарілці;

Gyn-1, Gyn, Gxn- витрати парової і рідкої фази на n-ої тарілці.

На підставі (11) і (12) можна вважати:

Краще керуюче вплив Gфл.

Баланс по паровій фазі.

Структурна схема конденсатора без флегмовой ємності.

Рис.7

Рівняння динаміки:

(13).

Рівняння статики:

(14).

Особливості:

Рішення рівняння динаміки для рвдает вираження для інтегральної ланки.

Якщо врахувати вираження Gyn= f (рв), то ланка виходить аперіодичним 1 порядку.

Gук= f (Gхл), можна одержати на підставі теплового балансу конденсатора:

. (15).

На підставі (13), (14) і (15) можна прийняти:Рв=f(Gхл).

Інформаційна схема верха колони.

Рис.8.

Інформаційна схема верха колони як многосвязного об'єкта по ви рв

Рис.9а.

Інформаційна схема верха колони як многосвязного об'єкта по hфл і у

Рис.9б.

Інформаційна схема колони як многосвязного об'єкта по в і н.

Рис.9в.

Математичний опис підігрівника потоку харчування.

Тепловий баланс

Рівняння динаміки.

(16).

Рівняння статики.

Gтсрт твх- Gтсрт твих= Gпсрпn0- Gпсрпn, (17)

Позначення:

 твх, твих,n0,n- температури потоків теплоносія і харчування на вході і виході з теплообмінника;

Vn- обсяг потоку харчування в трубах теплообмінника;

Срп, Срт- питомі теплоємності потоків харчування і теплоносія;

Gт, Gп- масові витрати теплоносія і харчування, кг/ч.

На підставі (16) і (17) можна вважати:

.

Краще керуюче вплив Gт.

Інформаційна схема підігрівника потоку харчування

як об'єкта керування п0

Рис.10.

Типова схема автоматизації процесу ректифікації.

Рис.11.

Типове рішення автоматизації

процесу ректифікації.

Регулювання.

Регулюванняθ у=f(сд) по подачі флегми - непряме регулювання показника ефективності процессасд.

Регулированиервпо подачі хладоагентаGхл- забезпечує матеріальний баланс по паровій фазі.

Регулированиеhфлпо добору флегмиGфл- забезпечує матеріальний баланс по рідкій фазі верха колони.

Регулированиеhкпо добору кубового продуктаGк- забезпечує матеріальний баланс по рідкій фазі низу колони.

Стабілізація витрати питанияGп- забезпечує:

матеріальний баланс по всій речовині,

зняття найбільш істотних збурювань,

задане положення робочої області колони;

стабілізацію продуктивності установки.

Стабілізація витрати що гріє параGгр- забезпечує:

тепловий баланс установки;

стабилизациюGу0.

Регулювання θ п0по подачі Gтобеспечивает:

задане положення робочої лінії;

ефективність процесу поділу;

тепловий баланс

Контроль.

Температури і витрати усіх вихідних потоків.

Температури -θ у, θ н, θ кв, θ кн, θ п0.

Тиск - Рв, Рн.

Рівень -hфл, hк.

Концентрації- сдилиск.

Сигналізація.

істотні отклоненияhфл, hк, θ от завдань:

підвищення ;

різке чи зниження припинення подачі потоку харчування .

7. Матеріали до лекції №15

Автоматизація реакторних процесів (ч.1)

Спрощена структурна схема хімічного реактора.

Рис.1.1.

Хімічний процес (3) визначається:

рівняннями кінетики

взаємодією гідродинамічних, массообменних і теплових процесів в апараті,

від який залежать концентрації реагентів, температура і тиск Р реакторного процесу.

Хімічні перетворення (3) приводять до зміни теплових (2) і гідродинамічних процесів (1) у реакторі.

Визначення характеру процесів, що протікають у реакторі, на основі аналізу співвідношення між швидкістю хімічної реакції r і швидкістю матеріального обміну rобм.

При :

процес йде в кінетичній області;

швидкість процесу визначає хімічна взаємодія;

массообмен не впливає на швидкість хімічної реакції.

При :

процес йде в дифузійній області;

процес характеризується массообменом;

визначальною стадією є транспорт реагуючих речовин.

При :

процес йде в перехідній області;

швидкість процесу є складною функцією реакційно-кінетичних і дифузійних залежностей.

Показники ефективності реакторного процесу.

Ступінь перетворення.

Ступінь превращенияUn, представлена через мольні частки:

(1а),

де n0- число молів компонента у вихідному потоці;

n - число молів компонента в реакційній суміші.

Ступінь превращенияUм, представлена через масові частки:

(1б),

де m0- маса компонента у вихідному потоці;

m - маса компонента в реакційній суміші.

Фактори, що впливають на ступінь перетворення:

 і Р - температура і тиск, впливають на зсув хімічної рівноваги в реакції;

tр- тривалість хімічної реакції;

С0- концентрації вихідних речовин;

підбор каталізатора;

величина потоку рециркуляції.

Вихід продукту.

Визначення виходу продукту Х:

(2),

де

мф- маса фактично отриманого продукту;

мт- маса теоретично можливої кількості продукту з даної вихідної речовини.

Фактори, що впливають на вихід продукту Х:

θ - температура;

Р - тиск;

Сі- склад реакційної суміші;

tпр- час перебування реакційної суміші в апараті.

Вихід продукту характеризує:

ступінь совершенстватехнологического процесу: чим ближче Х1, тим ближче видаткові коефіцієнти до стехиометрическим;

економічні показателитехнологического процесу: чим ближче Х1, тим краще економічні показники реакторного процесу.

Вибірковість хімічного процесу.

Вибірковість хімічного процессаизхарактеризует частку вихідних речовин, перетворених у цільовий продукт, стосовно загальної кількості хімічно перетворених вихідних речовин:

(3).

де

- кількість молів вихідного продукту, перетворених у цільовий продукт;

- кількість молів хімічно перетворених вихідних речовин.

Вибірковість впливає на економічні показники процесу.

Швидкість хімічного процесу.

Швидкість хімічного процесу - це кількість речовини, що чи реагує утвориться в одиницю часу в одиниця об'єму (чи на одиниці поверхні):

(4),

де

- рушійна сила процесу,

обумовлена для хімічних реакцій як добуток концентрацій компонентів у ступенях, рівних їх стехиометрическим коефіцієнтам;

К - константа швидкості реакції,

обумовлена на підставі рівняння Аррениуса.

Швидкість процесу характеризує продуктивність хімічного реактора.

Основні фактори, що впливають на швидкість реакції:

С0- склад вихідних реагентів;

θ - температура;

Р - тиск.

Схема реактора безупинної дії з мішалкою

с екзотермічною реакцією 1-го порядку А В.

Рис.4.1.

Показник ефективності реакторного процессав загальному випадку - концентрація цільового продукту в реакційної смесисв.

Ціль управленияв загальному випадку:

забезпечення в реакційній суміші .

Ціль керування для даного процесу:

забезпечення в реакційній суміші .

Позначення на мал.4.1:

G0, G , Gхл- масові витрати вихідного реагенту, реакційної суміші і хладоагента, кг/з;

cp0, cp, срхл- питомі теплоємності відповідних потоків, дж/(кг*град);

 - щільність реакційної суміші, кг/м3;

0,, хл- температури вихідного реагенту, реакційної суміші і хладоагента;

- концентрації компонента А в вихідному реагенті і реакційній суміші, кг/кг;

V - обсяг реакційної суміші, м3;

h - рівень реакційної суміші, м;

Tср- середній час перебування реакційної маси в реакторі;

- H - тепловий ефект екзотермічної реакції, дж/кг;

r - швидкість хімічної реакції, кг/(м3*с).

Математичний опис реактора

на основі фізико-хімічних особливостей процесу.

Стехиометрическое рівняння хімічної реакції.

Стехиометрическое рівняння хімічної реакції, що характеризує її матеріальний баланс:

(1а).

Стехиометрическое рівняння для даного реактора:

(1б),

деі,і,,- стехиометрические коефіцієнти, числа реагуючих молів компонентів процесу.

Рівняння кінетики хімічної реакції.

Результуюча швидкість оборотної реакції:

(2),

де

- загальний порядок реакції;

- швидкість прямої реакції;

- швидкість зворотної реакції;

; - константи швидкості,

Zаи ZВ- емпіричні коефіцієнти;

Еаи ЕВ- енергії активації.

Кінетика для реактора типу мал.4.1:

швидкість прямого процесу:

(3а);

швидкість зворотного процесу:

(3б).

Рівняння гідродинаміки процесу.

Рівняння гідродинаміки процесу характеризує тиск у потоці як складну функцію:

(4)

де

x, z - координати потоку;

 - ламінарна в'язкість, що характеризує сили внутрішнього тертя;

k - турбулентна в'язкість;

 - щільність реакційної маси;

V - обсяг реакційної маси;

t - поточне час.

Матеріальний баланс реакторного процесу

по всій речовині.

Рівняння динаміки:

(1),

де

Рівняння статики при:

(2).

На основі (1) і (2):

(3).

Матеріальний баланс реакторного процесу

по речовині, що витрачається, А.

Рівняння динаміки:

(4),

де

I - зміна кількості речовини А в реакторі в одиницю часу;

II - кількість речовини А, що надходить у реактор в одиницю часу;

III - кількість речовини А, що відводиться з реактора в одиницю часу;

IV - кількість речовини А, що витрачається в реакторі на хімічну реакцію в одиницю часу, де V=S*h.

Рівняння статики при:

(5).

На основі (4) і (5):

(6).

Тепловий баланс реакторного процесу.

Рівняння динаміки:

(7),

де

I - зміна кількості тепла в реакторі в одиницю часу;

II - кількість тепла, що надходить у реактор з вихідним реагентом в одиницю часу;

III - кількість тепла, що відводиться з реактора з реакційною масою в одиницю часу;

IV - кількість тепла, що виділяється в реакторі в результаті хімічної реакції в одиницю часу;

V - кількість тепла, що відводиться з реактора з хладоагентом в одиницю часу.

Рівняння статики при:

(8).

На підставі (7) і (8):

(9).

Інформаційна схема реактора на основі балансової моделі.

Рис.6.1.

Можливі керовані перемінні: .

Можливі керуючі впливи: .

Можливі контрольовані збурювання: .

Можливі неконтрольовані збурювання: .

8. Матеріали до лекції №16

Автоматизація реакторних процесів (ч.2)

Діаграма

реакторного процесу в адіабатичному режимі.

Рис.1.1.

Вплив зміни температури0на температуру реакторного процесу.

При зміні вхідної температури0у межах від02до04робота реактора здійснюється по петлі гистерезиса D-A-B-C-D.

Ділянка статичної характеристики З - шляхом зміни вхідної температури не реалізується.

Можливі стаціонарні стани реактора.

При01- один стійкий стан у ()1, але температура в реакторі низька і реакція йде слабко.

При02- два стаціонарних стани в ()D і () З:

()D - стійкий стан, але при низькій температурі;

() З - хитливий стан з поверненням у ()D при зменшенні початкової температури.

При03-три стаціонарні стани в ()2, ()3, ()4:

()2 - стійкий стан, але з низькою швидкістю реакції;

()4 - стійкий стан, майже повне перетворення реагентів, але реакція йде з високою температурою - поза робочим діапазоном;

()3 - зміною початкової температури не реалізується.

При04- два стаціонарних стани в () А и () У:

() А - хитливий стан, із проскакуванням у () У при збільшенні початкової температури;

() У - стійкий стан, майже повне перетворення реагентів, але реакція йде з високою температурою - поза робочим діапазоном.

При05- один стійкий стан у ()5, але температура в реакторі поза робочим діапазоном.

Залежність статичної характеристики

від концентрації З0вихідного реагенту.

Рис.1.2.

При великих значеннях З0(З01) - статична характеристика неоднозначна навіть при низьких температурах.

Одиничність стаціонарного стану можлива тільки при високих значеннях0.

Область негативних значень0практичного змісту не має, тому показана пунктиром.

Зменшення вхідних концентрацій (З02і З03) викликає зсув неоднозначності статичної характеристики в область більш високих температур.

Залежність статичної характеристики від концентрації З0вихідного реагенту.

Рис.1.2.

При великих значеннях З0(З01) - статична характеристика неоднозначна навіть при низьких температурах.

Одиничність стаціонарного стану можлива тільки при високих значеннях0.

Область негативних значень0практичного змісту не має, тому показана пунктиром.

Зменшення вхідних концентрацій (З02і З03) викликає зсув неоднозначності статичної характеристики в область більш високих температур.

Визначення стаціонарних станів

по діаграмі "виділення - відводу тепла".

Рис.2.1.

1, 2, 3 - криві відводу тепла Q при зміні температури в реакторіc різними значеннями коефіцієнта теплопередачі:1=3і21,3.

4 - крива виділення тепла .

Система 1-4:

один стаціонарний стан у () А;

дуже низька температура в реакторі1;

низька швидкість реакції.

Система 3-4:

один стаціонарний стан у () Е;

практично повне перетворення реагенту;

дуже висока температура5, що може бути поза робочою зоною реактора.

Система 2-4:

три стаціонарних стани в () У, З, D;

() У - дуже низька температура в реакторі2; низька швидкість реакції; стаціонарний стан стійке;

()D - практично повне перетворення реагенту; але дуже висока температура4, що може бути поза робочою зоною реактора; стаціонарний стан стійке;

() З - температура в робочій зоні реактора3; але стаціонарний стан - хитливе.

Залежність характеристики виділення тепла

від часу перебування реакційної маси в реакторі.

Рис.2.2.

1, 2, 3 - характеристики виділення тепла при Тср1 > Тср2 > Тср3.

4 - характеристика відводу тепла.

Середній час перебування визначається по співвідношенню: , де Vрми Qрм- обсяг і об'ємна витрата реакційної маси.

При збільшенні часу перебування характеристика виділення тепла зміщається вліво.

Система 1-4:

один стійкий стаціонарний стан у () Е;

практично повне перетворення реагенту;

але дуже висока температура, що може бути поза робочою зоною реактора;

Система 3-4.

один стійкий стаціонарний стан у () А;

дуже низька температура в реакторі;

низька швидкість реакції.

Система 2-4.

три стаціонарних стани в () У , D і З;

() У - дуже низька температура в реакторі; низька швидкість реакції, стаціонарний стан стійке;

()D - практично повне перетворення реагенту; але дуже висока температура, що може бути поза робочою зоною реактора; стаціонарний стан стійке;

() З - температура в робочій зоні реактора; але стаціонарний стан - хитливе.

Оцінка стійкості стаціонарних станів

по діаграмі "виділення - відводу тепла".

Qр= f() - характеристика виділення тепла реакції;

Qт= f() - характеристика відводу тепла.

Рис.2.3.

Стійкість реактора в стаціонарному стані В:

при ;

при ;

стаціонарний стан у () У - стійке.

Стійкість реактора в стаціонарному состоянії:

при ;

при ;

стаціонарний стан у ()D - стійке.

Стійкість реактора в стаціонарному состояниис:

при перехід у ()D;

при перехід у () У;

стаціонарний стан у () З - хитливе.

9. Матеріали до лекції №17

Автоматизація реакторних процесів (ч.3).

Схема для реакції типу А (ж) + У (г)D(г-ц. ін)+З (ж).

Рис.1.1.

Схема для реакції типу А (ж) + У (г)D(г)+З (ж-ц. ін).

Рис.1.2.

Схема автоматизації для реакції типу

А (ж) + У{Всв (ж) + Врец (ж)} З (ж- ц. пр)+У (ж).

1- реактор; 2 - сепаратор; 3 - збірник; 4, 5 - насоси;

А, У - вихідні реагенти; З - цільовий продукт; Врц- поворотний (рецикловий) потік реагенту В; Всв- свіжий потік реагенту В.

Рис.1.3.

Система регулювання концентрації

з двох одноконтурних АСР.

Рис.1.5.

Каскадна АСР концентрації з допоміжним контуром

стабілізації співвідношення витрат вихідних реагентів.

Рис.1.6.

Каскадна АСР концентрації з допоміжним контуром

стабілізації температури вихідного реагенту.

Рис.1.7.

Каскадна АСР концентрації з допоміжним контуром

стабілізації температури хладоагента.

Рис.1.8.

Одноконтурна АСР температури в реакторі

по подачі вихідного реагенту.

Рис.2.1.

Каскадна АСР температури в реакторі з допоміжним контуром

стабілізації температури вихідного реагенту.

Рис.2.2.

Каскадна АСР температури в реакторі з допоміжним контуром

стабілізації температури хладоагента.

Рис.2.3.

Каскадна АСР температури в реакторі з допоміжним контуром

стабілізації тиску хладоагента.

Рис.2.4.

10. Література, що рекомендується,

Основна література

1. Дудників Е. Г. Автоматичне керування в хімічній промисловості. - М.: Хімія, 1987.- 368 с.

2. Полоцкий Л. М., Лапшенков Г. И. Автоматизація хімічних виробництв. - М.: Хімія, 1982.- 295 с.

3. Автоматизація технологічних процесів легкої промисловості: Учеб посібник для вузів по спец. "Автоматизація технологічних процесів і виробництв" / Під ред. Л. Н. Плужникова. - 2-і изд., перераб. і доп. - М.: Легпромбитиздат, 1984.- 366с.

4. Мамиконов А. Г. Проектування АСУ.- М.: Вища школа, 1987.- 303 с.

5. Стефани Е. П. Основи побудови АСУ ТП.- М.: Енергоиздат, 1982.- 352с.

6. Пиггот С. Г. Інтегровані АСУ хімічних виробництв. - М.: Хімія, 1985.- 410 с.

7. Кафаров В. В., Макаров В. В. Гнучкі автоматизовані системи в хімічній промисловості: Підручник для вузів. - М.: Хімія, 1990.- 320с.

8. Плютто В. П. Керування хіміко-технологічними процесами. Процеси массообмена: [Учеб. посібник].- М.: МХТИ, 1984.-48с.

9. Плютто В. П. і ін. Автоматизовані системи керування періодичними пролцессами хімічної технології. - М.: МХТИ, 1985.-48с.

10. Ицкович Е. Л., Сорокін Л. Р. Оперативне керування безупинним виробництвом. - М..: Наука, 1989.-155с.

Додаткова література

11. Автоматизація технологічних процесів легкої промисловості: Учеб посібник для вузів по спец. "Автоматизація технологічних процесів і виробництв" / Під ред. Л. Н. Плужникова. - 2-і изд., перераб. і доп. - М.: Легпромбитиздат, 1993 .

12. Уланів Г. М. і ін. Методи розробки інтегрованих АСУ промисловими підприємствами. - М.: Енергоатомиздат, 1983.- 320 с.

13. Практикум по автоматиці і системам керування виробничими процесами: Учеб. посібник для вузів / Під ред. И. М. Масленникова - М.: Хімія,1986.- 336 с.

14. Плютто В. П., Путинцев В. А., Глумів В. М. Практикум по теорії автоматичного керування хіміко-технологічними процесами: Цифрові системи - М.: Хімія,1989.- 168 с.

15. Голуб'ятників В. А., Шувалов В. В. Автоматизація виробничих процесів у хімічній промисловості. - М.: Хімія, 1985.-352с.

16. Шувалов В. В. Огаджанов Г. А., Голуб'ятників В. А. Автоматизація виробничих процесів у хімічній промисловості. - М.: Хімія, 1991.-480с.

17. Процеси й апарати хімічної технології. Підручник для вузів./ Н. Н. Смирнов, М. И. Курочкина, А. И. Волжинский, В. А. Плессовских. - Спб.: Хімія, 1996.-400с.

18. Математичне моделювання основних процесів хімічних виробництв. Учеб. посібник для вузів. / В. В. Кафаров, М. Б. Глєбов. - М.: Висш. шк., 1991.-399с.

19. Математичне моделювання хіміко-технологічних систем: Учеб. посібник у 3ч./ під ред Л. С. Гордєєва. - М.: РХТУ, 1999- 48с. (год1); 47с. (год2), 67с. (год3)

.

ЗМІСТ

1. Матеріали до лекції №9 3

2. Матеріали до лекції №10 8

3. Матеріали до лекції №11 17

4. Матеріали до лекції №12 25

5. Матеріали до лекції №13 34

6. Матеріали до лекції №14 41

7. Матеріали до лекції №15 51

8. Матеріали до лекції №16 59

9. Матеріали до лекції №17 65

10. Література, що рекомендується, 71