Автоматизация технологических процессов основных химических производств
показателя эффективности процесса нагревания в кожухотрубном
теплообменнике.
2. Контроль.
. расходы - Gт, G;
. температуры - [pic];
. давление - Рт, Р.
3. Сигнализация.
. существенные отклонения (вых от задания;
. резкое падение расхода технологического потока G( , при этом формируется
сигнал «В схему защиты».
4. Система защиты.
По сигналу «В схему защиты» - отключается магистраль подачи теплоносителя
Gт.
Схема парожидкостного теплообменника
(с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя).
[pic]
Рис.1.
. Технологический поток (нагреваемая жидкость) Gж подается по трубкам
теплообменника.
. Теплоноситель с изменяющимся агрегатным состоянием (греющий пар) Gп
подается по межтрубному пространству.
. Показатель эффективности:[pic].
. Цель управления: поддержание [pic].
Математическое описание на основе физики процесса.
. Теплопередача от паровой фазы теплоносителя:
[pic]
(1),
. Теплопередача от жидкой фазы теплоносителя:
[pic]
(2),
где:[pic] - количество тепла, передаваемое от паровой фазы и конденсата
теплоносителя в единицу времени, дж/с;
[pic] - коэффициенты теплопередачи для паровой фазы и конденсата
теплоносителя, дж/(м2*К(*с);
[pic] - поверхность теплопередачи для паровой фазы и конденсата
теплоносителя, м2;
[pic] - средняя движущая сила при теплопередаче от паровой фазы к жидкому
технологическому потоку и от конденсата к жидкому технологическому потоку.
. Общая тепловая нагрузка парожидкостного теплообменника:
[pic]
(3).
. Так как [pic], то интенсивность теплопередачи от паровой фазы значительно
выше, чем от конденсата.
. Поэтому на величину Q влияет величина соотношения Fп /Fк, которая зависит
от уровня конденсата:
[pic]
(4а).
где [pic] и [pic]
(4б).
. На основании (4а) общая тепловая нагрузка Q также будет зависеть от
уровня конденсата hк:
[pic]
(4в),
. Q(дж/с) позволяет определить Gпэфф и Gжэфф на основе тепловых балансов:
[pic]
(5а);
[pic]
(5б);
[pic] [pic]
(6а);
[pic]
(6б),
при hк =hэфф.
. Эффективное время пребывания:
[pic].
(7).
Тепловой баланс парожидкостного теплообменника.
Уравнение динамики:
Полагаем: пар перегретый и конденсат охлаждается [pic]:
[pic] (8).
Уравнение статики при [pic]:
[pic] (9).
На основании (8) и (9) а также (6а) и (4в) можно записать:
[pic].
(10),
где [pic], так как при Pп ((кип ((rп (.
Материальный баланс по жидкой фазе
для межтрубного пространства.
Уравнение динамики:
[pic],
(11),
Уравнение статики при [pic]:
[pic]
(12)
На основании (11) и (12) [pic] и предпочтительное управляющее воздействие –
Gк.
Материальный баланс по паровой фазе
для межтрубного пространства.
Уравнение динамики:
[pic]
(14),
где Мп - мольная масса паровой фазы теплоносителя, кг/моль;
Рп - давление паровой фазы теплоносителя, Па;
(п - температура паровой фазы теплоносителя, К,
Vп - объем паровой фазы теплоносителя, м3 .
Уравнение статики при [pic]:
[pic]
(15).
На основании (14) и (15) [pic] и предпочтительное управляющее воздействие
- Gп.
Информационная схема объекта.
[pic]
Рис.2.
. Возможные управляющие воздействия:[pic].
. Возможные контролируемые возмущения: [pic].
. Возможные неконтролируемые возмущения: [pic].
. Возможные управляемые переменные: [pic].
. Наиболее эффективные каналы управления:
[pic].
Анализ динамических характеристик парожидкостного теплообменника
как объекта управления температурой.
. Исходные условия: [pic].
. Уравнение динамики в нормализованном виде.
[pic] (17)
. На основе этого уравнения динамики объект по каналу [pic] описывается
математической моделью апериодического звена 1-го порядка:
[pic]
(18),
где: [pic]; [pic].
. Объект имеет транспортное запаздывание:
[pic]
(19),
где Vтруб - объем трубопровода подачи пара от Р.О. до входа в аппарат.
. Таким образом, в целом динамика объекта по каналу управления описывается
математической моделью апериодического звена 1-го порядка с
запаздыванием:
[pic]
(20).
Анализ статической характеристики объекта.
Из уравнения статики выразим [pic] в явном виде:
[pic]
(21).
. Статическая характеристика линейна по отношению к воздействиям по: [pic].
. Статическая характеристика нелинейна по отношению к воздействию по Gж.
. Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к Gж
введением стабилизации соотношения расходов: [pic], тогда получим:
[pic]
(22).
. Линеаризованное представление статической характеристики через разложение
в ряд Тейлора:
[pic] (23).
На основании (23) можно получить:
[pic] (24).
Схема испарителя
(кожухотрубного теплообменника с изменяющимся агрегатным состоянием
теплоносителя и технологического потока).
[pic]
Рис.1.
Показатель эффективности: hж - уровень жидкой фазы в трубках
испарителя.
Цель управления: поддержание [pic].
Математическое описание на основе физики процесса.
1. Общая тепловая нагрузка испарителя Q:
[pic]
(1).
2. На основании уравнения теплопередачи можно записать:
[pic] и [pic]
(2).
При теплопередаче от греющего пара и конденсата через трубки справедливы
соотношения:
[pic] и [pic]
(3).
3. Общая поверхность теплопередачи Fт при конденсации греющего пара
определится как:
Fт = Fп + Fк
(4а),
и следовательно на основании (3) и (4а) можно записать:
[pic]
(4б).
4. Определение [pic] на основании теплового баланса по греющему пару:
[pic]=Gгр *rгр
(5а);
[pic] = [pic]
(5б).
5. Определение [pic] на основании теплового баланса по технологическому
потоку:
[pic]
[pic] [pic]
(6а);
[pic]
(6б).
Выводы из математического описания физики процесса:
. Общая тепловая нагрузка, отдаваемая греющим паром зависит следующих его
параметров:
[pic]
(7).
. Общая тепловая нагрузка, получаемая технологическим потоком, определяет
следующие его параметры:
[pic] и [pic]
(8);
[pic]
(9).
Математическое описание на основе
теплового и материальных балансов процесса.
Тепловой баланс испарителя.
Уравнение динамики:
В развернутом виде при условии [pic] и [pic]:
[pic] (10а).
. т.е. тепло выделяется за счет охлаждения Gгр от исходной температуры (гр
до температуры насыщенного пара [pic], конденсации пара и последующего
охлаждения конденсата до (к .
. тепло расходуется на нагревание Gж до температуры [pic], испарение
жидкости и отводится с образующейся паровой фазой.
В свернутом наиболее общем виде выражение (10а) преобразуется к виду:
[pic] (10б).
Уравнение статики при [pic]:
[pic] (10в)
Выводы по тепловому балансу процесса:
. В целом температура в испарителе на основании выражений (8) и (9) зависит
от следующих параметров процесса:
[pic] (10г).
. Так как температура в испарителе у поверхности раздела фаз, т.е. в зоне
испарения должна быть равна температуре кипения, то можно полагать:
( = (ж = (п = (кип ,
а температура кипения зависит от давления паровой фазы в испарителе, т.е.
при Рп (((кип ( (при этом rж ().
. Поэтому температура не может использоваться как показатель эффективности
процесса испарения.
. Однако, на основании (6а, 6б) температура важна для обеспечения расчетной
общей тепловой нагрузки Q в испарителе, т.е. теплового баланса в
аппарате.
. Из выражения (10г) следует, что основными параметрами, характеризующими
данный процесс, являются:
- уровень hж и давление Рп технологического потока в испарителе;
- уровень hк и давление Ргр потока греющего пара в кипятильнике;
Материальный баланс по жидкой фазе в испарителе
(для технологического потока)
. Уравнение динамики:
[pic],
(11),
. Уравнение статики при [pic]:
[pic]
(12).
. На основании (11) и (12) можно считать:
[pic].
(13),
. Предпочтительное управляющее воздействие Gгр.
Материальный баланс по жидкой фазе в кипятильнике
(для конденсата греющего пара).
. Уравнение динамики:
[pic],
(14),
. Уравнение статики при [pic]:
[pic]
(15).
. На основании (14) и (15) можно считать:
[pic].
(16).
. Предпочтительное управляющее воздействие является отбор конденсата Gк.
Материальный баланс по паровой фазе
для технологического потока в испарителе.
. Уравнение динамики:
[pic]
(17),
где
Мп - мольная масса паровой фазы технологического потока, кг/моль;
Рп - давление паровой фазы технологического
потока, Па;
(п - температура паровой фазы технологического
потока, К,
Vп - объем паровой фазы технологического
потока, м3 .
. Уравнение статики при [pic]:
[pic]
(18).
. На основании (17) и (18)можно считать:
[pic]
(19),
Предпочтительное управляющее воздействие Gп.
Материальный баланс по паровой фазе для кипятильника.
Уравнение динамики:
[pic]
(20),
где Мгр - мольная масса паровой фазы греющего пара,
кг/моль;
Ргр - давление паровой фазы греющего пара, Па;
(гр - температура паровой фазы греющего пара, К,
Vгр - объем паровой фазы греющего пара, м3 .
. Уравнение статики при [pic]:
[pic]
(21).
На основании (20) и (21) можно считать:
[pic]
(22).
Предпочтительное управляющее Gгр .
Информационная схема испарителя
на основе материального баланса.
[pic]
Рис.2.
. Возможные управляющие воздействия:
[pic].
. Возможные управляемые переменные:
[pic].
Информационная схема испарителя
для типового решения автоматизации.
[pic]
Рис.3.
. В типовом решении автоматизации испарителей объект рассматривают как
односвязный для основных каналов управления рис.3.
. Однако, на основании схемы рис.3. объект можно рассматривать как
многосвязный.
. Многосвязность объекта с позиций физики процесса можно объяснить
следующим образом:
. При [pic]; т.к. при [pic]
. При [pic]; т.к. при [pic]
Типовая схема автоматизации испарителей.
[pic]
Рис.4.
Типовое решение автоматизации испарителей.
1. Регулирование.
. Регулирование уровня hж по подаче греющего пара Gгр - как показателя
эффективности процесса нагревания в испарителе.
. Регулирование давления Рп по отбору паровой фазы из испарителя - для
обеспечения материального баланса по паровой фазе и стабилизации
rж=f(Pп).
2. Контроль.
. расходы - Gгр, Gп , Gж ;
. температуры - [pic];
. давление - Ргр, Рж Рп ;
. уровень - hж
3. Сигнализация.
. существенные отклонения hж и Рп от заданий;
. резкое падение расхода технологического потока Gж , при этом формируется
сигнал «В схему защиты».
4. Система защиты.
По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи греющего пара
Gгр и отбора пара для технологических нужд.
Материалы к лекции №8
Автоматизация процесса выпаривания
Движущая сила процесса выпаривания.
. Движущей силой процесса выпаривания является полезная разность температур
((полезн :
((полезн = (т - (р-ракип
(1).
. Общая разность температур ((общ в процессе:
((общ = (т - (р-лякип
(2).
. Общая разность температур ((общ больше полезной разности температур
((полезн на величину потерь ((:
((полезн = ((общ - ((
(3),
. Величина потерь (( в процессе выпаривания:
(( = (г + (д + (гп
(4),
где - (г потери за счет гидростатического эффекта; (д - температурная
депрессия; (гп - потери температуры за счет гидравлических потерь в
трубопроводе.
. На основании выражений (2) и (4) выражение (3) примет вид:
((полезн = (т - (р-лякип -( (г + (д + (гп )
(5).
Температурная депрессия.
. Определение (д на основании (1) и (5):
(д = (р-ракип - (р-лякип
(6).
. Определение (д по диаграммам «Р - (».
Диаграмма «Р - (» для растворов и растворителей.
[pic]
Рис.1.
. Из диаграммы следует, что при P=const (д = (р-ракип - (р-лякип
. Расчетные соотношения для (д:
- Для концентрированных растворов недиссоциирующихся веществ:
[pic]
(7),
- Для концентрированных растворов диссоциирующихся веществ:
[pic]
(8),
где R=8,31, дж/(моль*К);
cк - концентрация растворенного вещества в концентрированном растворе,
моль/моль;
rпр-ля - теплота испарения растворителя, дж/моль;
(р-лякип - температура кипения растворителя, К;
b - константа, определяемая опытным путем.
Объект управления
Схема выпарной установки естественной циркуляции
с вынесенной греющей камерой.
[pic]
1- греющая камера;
2- - выпарной аппарат;
3- брызгоулавливатель;
4- циркуляционная труба
Рис.2.
. Работа установки.
Исходный раствор подается по трубам кипятильника 1, где нагревается до
температуры кипения с образованием парожидкостной смеси, которая далее
поступает в выпарной аппарат (сепаратор) 2.
В сепараторе 2 парожидкостная смесь разделяется на паря растворителя и
концентрированный раствор.
Пары растворителя проходят через брызгоулавливатель 3 и выводятся из
процесса из верха сепаратора в виде парового потока Gп.
Выделенная брызгоулавливателем жидкая фаза из паров растворителя
возвращается в кипятильник 1 по циркуляционной трубе 4.
Сконцентрированный раствор в виде потока Gк выводится из низа сепаратора.
. Показатель эффективности процесса - концентрация концентрированного
раствора ск.
. Цель управления - обеспечение ск = скзд (на максимально возможном
для данной установки значении).
Материальный баланс по растворенному веществу.
Уравнение динамики:
[pic][pic][pic]
(1),
Уравнение статики [pic]:
[pic]
(2)
Из выражений (1) и (2) следует:
[pic]
(3),
Предпочтительное управляющее воздействие: Gр.
Тепловой баланс выпарной установки.
Уравнение динамики процесса выпаривания:
[pic] (5).
Уравнение статики при [pic]:
[pic] (6).
В выражениях (5) и (6) принято:
. [pic];
. [pic];
. [pic] - количество испаряемого растворителя;
. [pic] - удельные теплоемкости исходного и концентрированного
растворов, которые не починяются закону аддитивности;
. [pic],
где (q - тепловой эффект растворения, определяемый на основании закона
Гесса:
[pic],
где qн и qк - интегральные теплоты растворения в начале и конце
процесса.
. На основании (5) и (6):
[pic]
(7).
Предпочтительные управляющие воздействия:
. для обеспечения теплового баланса процесса - расход теплоносителя Gт;
. для косвенного регулирования показателя эффективности процесса [pic] -
расход исходного раствора Gр.
В типовом решении автоматизации:
. для косвенного регулирования показателя эффективности процесса
выпаривания используют не температуру в аппарате, а температурную
депрессию:
[pic].
Материальный баланс по жидкой фазе (для раствора).
Уравнение динамики:
[pic],
(8),
Уравнение статики:
[pic]
(9)
На основании (8) и (9):
[pic].
(10).
Предпочтительное управляющее воздействие - Gк.
Материальный баланс по паровой фазе (для раствора).
Уравнение динамики:
[pic]
(11),
где Мп - мольная масса паровой фазы (растворителя),
кг/моль;
Рп - давление в сепараторе, Па;
(п = (к =(апп - температура в сепараторе, К,
Vп - объем паровой фазы в сепараторе, м3 .
Уравнение статики:
[pic]
(12).
На основании (11) и (12):[pic] и предпочтительное управляющее воздействие
Gп.
Материальный баланс по жидкой фазе (для теплоносителя).
Уравнение динамики:
[pic],
(14),
Уравнение статики:
[pic]
(15).
На основании (14) и (15):
[pic].
(16).
Предпочтительное управляющее воздействие - Gкт.
Материальный баланс по паровой фазе (для теплоносителя).
Уравнение динамики:
[pic]
(17),
где Мп - мольная масса теплоносителя, кг/моль;
Рт мтр - давление теплоносителя в межтрубном
пространстве кипятильника, Па;
(т - температура теплоносителя, К,
Vтмтр - объем паровой фазы теплоносителя в
межтрубном пространстве кипятильника, м3 .
Уравнение статики:
[pic]
(18).
На основании (17) и (18):
[pic]
(19).
Предпочтительное управляющее воздействие Gт.
Информационная схема процесса выпаривания.
[pic]
Рис.3
. Возможные управляющие воздействия:[pic].
. Возможные контролируемые возмущения: [pic].
. Возможные неконтролируемые возмущения: [pic] - удельные теплоемкости
потоков срi и теплота испарения растворителя rп .
. Возможные управляемые переменные: [pic].
. На основании рис.3 выпарная установка является сложным многосвязным
объектом по возможным управляющим воздействиям [pic].
Типовая схема автоматизации процесса выпаривания.
[pic]
Рис.4.
Типовое решение автоматизации процесса выпаривания.
5. Регулирование.
. Регулирование температурной депрессии ?д по подаче исходного раствора Gр
- как параметра, косвенно характеризующего показатель эффективности
процесса выпаривания ск .
. Регулирование давления в сепараторе Рпапп по отбору паров растворителя Gп
- для обеспечения материального баланса по паровой фазе.
. Регулирование уровня в сепараторе hк по отбору концентрированного
раствора Gк - для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.
. Стабилизация расхода теплоносителя Gт - для обеспечения теплового
баланса установки
6. Контроль.
. расходы - Gт, Gр, Gк, Gп;
. температуры - [pic];
. давление - Рп апп, Рт;
. уровень концентрированного раствора в аппарате - hк;
7. Сигнализация.
. существенные отклонения [pic] от задания;
. Прекращение подачи исходного раствора Gр , при этом формируется сигнал «В
схему защиты».
8. Система защиты.
По сигналу «В схему защиты» - открывается магистраль Gп, отключается
подача теплоносителя и отбор концентрированного раствора.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Материалы к лекции №1 3
2. Материалы к лекции №2 7
3. Материалы к лекции №3 15
4. Материалы к лекции №4 20
5. Материалы к лекции №5 29
6. Материалы к лекции №6 38
7. Материалы к лекции №7 46
8. Материалы к лекции №8 62
-----------------------
Подготовка
сырья
Химический
синтез
Выделение
целевых
продуктов
Сырье
Целевые продукты
Страницы: 1, 2, 3, 4
|