1- аппарат с кипящем слоем; 2 - регулятор уровня;

3 - регулирующий орган

Лекция №7. Регулирование давления

Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабилизируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (рис. 3.12) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В остальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое определяется из условий материального и теплового балансов с учётом гидравлического сопротивления технологической линии.

В тех случаях, когда давление существенно влияет на кинетику процесса, предусматривается система стабилизации давления в отдельных аппаратах. Примером может служить процесс ректификации, для которого кривая фазового равновесия существенно зависит от давления. Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют её температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении. Поэтому в продуктовых ректификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации давления (рис. 3.13).

Рис. 3.12. Регулирование разрежения в многокорпусной выпарной установке: 1,2 - выпарные аппараты; 3 - барометрический конденсатор; 4 - регулятор разрежения; 5 - регулирующий клапан.

Рис. 3.13. АСР давления в ректификационной колонне:

1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - флегмовая ёмкость;

4 - регулятор давления; 5 - регулирующий клапан.

Уравнение материального баланса аппарата по газовой фазе записывается в виде:

, (3.12)

где V- объём аппарата; GВХ и GВЫХ - расход газа, соответственно подаваемого в аппарат и отводимого из него; GОБ - масса газа, образующегося (или расходуемого) в аппарате в единицу времени.

Как видно из сравнения уравнений (3.11) и (3.12), способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. В рассмотренных выше примерах АСР давления регулирующими воздействиями выбраны расход несконденсировавшихся газов, отводимых из верхней части колонны (т.е. GВЫХ, рис. 3.13) и расход охлаждающей воды в барометрический конденсатор, который влияет на скорость конденсации вторичного пара (т.е. на GОБ, рис. 3.12).

Особое место среди АСР давления занимают системы регулирования перепада давления в аппарате, характеризующего гидродинамический режим, который существенно влияет на протекание процесса. Примерами таких аппаратов могут служить насадочные колонны (рис. 3.14,а), аппараты с кипящим слоем (рис. 3.14,б) и др.

Рис. 3.14. Схема регулирования перепада давления:

а - в колонном аппарате с насадкой; б - в аппарате с кипщим

слоем; 1 - аппарат; 2 - регулятор перепада давления;

3 - регулирующий клапан.

Лекция № 8. Регулирование рН

Системы регулирования рН можно подразделить на два типа в зависимости от требуемой точности регулирования. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы её колебаний достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования, поддерживающие рН в заданных пределах: рННрНрНВ. Ко второму типу относятся системы, обеспечивающие регулирование процессов, в которых требуется точное поддержание рН на заданном значении (например, в процессах нейтрализации). Для их регулирования используют непрерывные ПИ-или ПИД-регуляторы.

Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов. На рис. 3.15 показана кривая титрования, характеризующая зависимость рН от расхода кислоты G1. Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относящиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.

Рис. 3.15. Зависимость величины рН от расхода реагента

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчёте линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями первого порядка с запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора, и запаздывание в импульсных линиях.

Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. На рис. 3.16, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами. Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора [хРН, хРВ] (рис.2.16,б, кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что при хр=хр0+Д он полностью открыт, а при хр=хр0-Д - полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном отклонении рН от рН0, когда хр0-Дхрхр0+Д, степень открытия клапана 1 практически не изменяется, и регулирование ведётся клапаном 2. Если |хр-хр0|Д , клапан 2 остаётся в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном 1.

Рис. 3.16. Пример системы регулирования рН:

а - функциональная схема; б - статические характеристики клапанов; 1,2 - регулирующий клапан; 3 - регулятор рН.

Лекция № 9. Регулирование параметров состава и качества

В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержание качественных параметров продуктов (состава газовой смеси, концентрации того или иного вещества в потоке и т.п.). Эти параметры характеризуются сложностью измерения. В ряде случаев для измерения состава используют хроматографический метод. При этом результат измерения бывает известен в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на продолжительность цикла работы хроматографа. Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда единственным способом измерения качества продукции является в той или иной степени механизированный анализ проб.

Дискретность измерения может привести к значительным дополнительным запаздываниям и снижению динамической точности регулирования. Чтобы уменьшить нежелательное влияние задержки измерения, используют модель связи качества продукта с переменными, которые измеряют непрерывно. Эта модель может быть достаточно простой; коэффициенты модели уточняют, сравнивая рассчитанное по ней и найденное в результате очередного анализа значение качественного параметра. Таким образом, одним из рациональных способов регулирования качества является регулирование по косвенному вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчёта по данным прямых анализов. В промежутках между измерениями показатель качества продукта может быть рассчитан экстраполяцией ранее измеренных значений. Блок-схема системы регулирования параметра качества продукта показана на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Блок-схема АСР параметра качества продукта:

1 - объект; 2- анализатор качества;

3 - вычислительное устройство; 4 - регулятор.

Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку показателя качества по формуле

(3.13)

в которой первое слагаемое отражает зависимость от непрерывно измеряемых переменных процесса или величин, динамически с ними связанных, например производных, а второе - от выхода экстраполирующего фильтра.

Для повышения точности регулирования состава и качества применяют приборы с устройством автоматической калибровки. В этом случае система управления производит периодическую калибровку анализаторов состава, корректируя их характеристики.

Лекция № 10. Регулирование тепловых процессов

Передача тепловой энергии является неотъемлемой частью большинства химико-технологических процессов. Для создания необходимого температурного режима в химических аппаратах используют передачу энергии в результате смешения двух и более веществ с разными теплосодержаниями.

Во многих задачах регулирования состава или температуры в резервуаре с мешалкой при определении передаточных функций принимают перемешивание идеальным. Тогда объект описывается дифференциальным уравнением первого порядка с постоянной времени, равной времени пребывания в резервуаре. Однако на практике отмечается запаздывание, по истечении которого изменение концентрации или температуры питания происходит на выходе из резервуара. Это запаздывание (называемое запаздыванием смешения) зависит от размеров резервуара, вязкости жидкости, конструкции и скорости вращения мешалки, определяющих интенсивность перемешивания.

Рассмотрим для примера аппарат непрерывного типа, в котором смешиваются два потока с расходами G1 и G2, температурами 1 и 2 и удельными теплоёмкостями сР1 и сР2 (рис. 2.19,а).

Рис.3.19. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы теплообменника смешения.

Пусть задача регулирования состоит в поддержании заданного значения 0 температуры выходного потока путём изменения расхода G1 при условии, что основными источниками возмущений являются расход и температура второго потока G2 и 2, а температура 1 и удельные теплоёмкости веществ постоянны и равны 01, сР1 и сР2. Найдём статические характеристики объекта по каналу регулирования G1- и каналам возмущения G2- и 2- (рис.3.19,б). Для этого запишем уравнение теплового баланса:

G110cР1+G22cР2=(G1+G2)cР, (3.31)

где cР=(G1cР1+G2cР2)/(G1+G2).

Отсюда

. (3.32)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7