Главная Рефераты по рекламе Рефераты по физике Рефераты по философии Рефераты по финансам Рефераты по химии Рефераты по хозяйственному праву Рефераты по цифровым устройствам Рефераты по экологическому праву Рефераты по экономико-математическому моделированию Рефераты по экономической географии Рефераты по экономической теории Рефераты по этике Рефераты по юриспруденции Рефераты по языковедению Рефераты по юридическим наукам Рефераты по истории Рефераты по компьютерным наукам Рефераты по медицинским наукам Рефераты по финансовым наукам Рефераты по управленческим наукам Психология и педагогика Промышленность производство Биология и химия Языкознание филология Издательское дело и полиграфия Рефераты по краеведению и этнографии Рефераты по религии и мифологии Рефераты по медицине Рефераты по сексологии Рефераты по информатике программированию Краткое содержание произведений |
Реферат: Автоматизация технологических процессов основных химических производствРеферат: Автоматизация технологических процессов основных химических производствМинистерство образования Российской федерации Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) Кафедра автоматизации процессов химической промышленности Г.В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» Методические материалы по курсу лекций (в двух частях) Часть 1. 2003г. УДК 66-52:66(075) Иванова Г.В. Автоматизация технологических процессов основных химических производств: Методическое пособие. Часть 1/ СПбГТИ(ТУ).-СПб., 2003.- 70с. Методическое пособие предназначено для курса лекций по учебной дисциплине «Автоматизация технологических процессов основных химических производств», являющейся дисциплиной специализации 210201 – «Автоматизация технологических процессов химической промышленности» учебного плана по специальности 210200. Пособие разработано в виде методических материалов, используемых при чтении лекций по дисциплине. Часть 1 методического пособия включает в себя общую характеристику химико-технологических процессов (ХТП) как технологических объектов управления (ТОУ); методику анализа ХТП как ТОУ; физико-химические основы технологических процессов, технологические схемы рассматриваемых объектов управления, математические описания объектов управления, постановку задачи автоматизации, типовые схемы автоматизации, типовые решения автоматизации для гидромеханических и тепловых процессов. Утверждено на заседании методической комиссии факультета Информатики и управления 23 июня 2003г., протокол № 6. Материалы к лекции №1Введение. Общие подходы к автоматизации ХТП. Предметом изучения в данном курсе являются проблемы автоматизации основных химических производств. Основные химические производства и составляющие их технологические процессы мы рассматриваем в данном курсе как объекты управления. Химико-технологические объекты управления. Определение ТОУ:
Требования к ТОУ.
Типовая схема технологического производства химических продуктов.
Классификация химико-технологических процессов и производств как ТОУ.
Степень сложности ТОУ характеризуется информационной сложностью объекта, т.е. числом технологических параметров, участвующих в управлении. Таблица 1 Классификация ТОУ по информационной емкости.
Методика анализа ХТП как ТОУ.
Информационная схема ТОУ - это схема, показывающая входные и выходные переменные ТОУ и их связи. Построение информационной схемы возможно на основе мат. описания (при разработке новых технологий) или на основе информации по эксплуатации объекта (при модернизации системы управления).
Выполняется анализ информационной схемы на предмет классификации входных и выходных воздействий на следующие группы:
Осуществляется выбор возможных каналов управления.
Материалы к лекции №2Автоматизация процесса перемешивания Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах. Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа (Тябин Н.В.,с.95). Цели перемешивания
Основные схемы перемешивания.
Рис.1.
Объект управления Объект управления - емкость с мешалкой, аппарат непрерывного действия, в котором смешиваются две жидкости А (с концентрацией целевого компонента Са) и Б (с концентрацией целевого компонента Сб) для получения гомогенизированного раствора с заданной концентрацией целевого компонента Ссм. Схема объекта управления. Рис.1.1 Показатель эффективности процесса - концентрация целевого компонента в гомогенизированном растворе (смеси) - Ссм. Цель управления процессом - обеспечение заданной концентрации смеси при эффективном и интенсивном перемешивании. Эффективность перемешивания обеспечивается выбором параметров аппарата, перемешивающего устройства, числа оборотов мешалки, обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданнойинтенсивностью (т.е. за заданное время). Однако в реальных условиях технологические объекты подвержены действию внешних и внутренних возмущений, которые приводят к отклонению технологических режимов работы от расчетных. Задача разработки системы автоматизации обеспечить в условиях действия внешних и внутренних возмущений в процессе эффективное и интенсивное его функционирование с требуемыми характеристиками качества. Теоретические аспекты процесса механического перемешивания.
Euм = f(Reм , Г) (1), где
2),
Г=dм / Dапп (4), где dм - диаметр мешалки, м; n - скорость вращения мешалки, об /с;
Nм - мощность, потребляемая мешалкой, вт; - динамическая вязкость, Па*с; КN – критерий мощности. Методика расчета конструктивно- технологических параметров процесса механического перемешивания.
.
где К - поправочный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности аппарата и перемешивающего устройства; пер - к.п.д. передачи. В реальной установке непрерывного действия:
т.е. необходимо обеспечить: и . Материальный баланс по целевому компоненту. Уравнение динамики: (1). Уравнение статики при : (2) На основании (1) и (2) можно принять: . (3). Материальный баланс по всему веществу. Уравнение динамики: (4). Уравнение статики при : (5). На основании (4) и (5) можно принять: . (6). Информационная схема объекта. Рис.4.1.
причем задано, что .
Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по целевому компоненту. Уравнение динамики в нормализованном виде. (1) Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления GA – Cсм : ; ; ;
. Уравнение статики: (2) Уравнение динамики в приращениях: (после подстановки начальных условий в выражение (1), вычитания уравнения статики (2) и приведения подобных членов): (3). Уравнение динамики с безразмерными переменными: (4). Нормализованное уравнение динамики объекта во временной области без учета транспортного запаздывания: (7). Уравнение динамики по каналу управления во временной области с учетом транспортного запаздывания: (8). Передаточная функция объекта по каналу управления : (10), где: ; (11), где Vтруб - объем трубопровода от Р.О. до входа в аппарат. Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по всему веществу. Уравнение динамики: (1) Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления GБ – hсм : ; ; ; . Уравнение статики: (2). Уравнение динамики в приращениях: (после подстановки начальных условий в выражение (1), вычитания уравнения статики (2) и приведения подобных членов): (3). Уравнение динамики с безразмерными переменными: (4). Нормализованное уравнение динамики объекта во временной области (7). Уравнение динамики по каналу управления во временной области с учетом транспортного запаздывания: (8). Передаточная функция объекта по каналу управления : (10), где: ; (11), где Vтруб - объем трубопровода от Р.О. до входа в аппарат. Анализ статической характеристики объекта. Уравнение статики на основе материального баланса по целевому компоненту: (1). Из уравнения (1) выразим в явном виде: (2). Анализ выражения (2) показывает, что:
Линеаризованное представление статической характеристики на основе стабилизации соотношения расходов: (или ): (3). Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора: (4). Обозначим: Линеаризованное представление приращения выходной переменной через приращения всех возможных входных переменных: (5). Типовая схема автоматизации процесса перемешивания. Рис.7.1. Типовое решение автоматизации.
По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи исходных реагентов GА , GБ и отбора смеси Gсм. Материалы к лекции №3Типовая схема процесса перемещения. Трубопровод как объект управления Типовая схема процесса перемещения жидкости. 1.Объект управления - схема, приведенная на рис.1.
Рис.1. Из емкости 1 насосом 2 по трубопроводу 3 жидкость перекачивается в емкость 4. 2. Показатель эффективности процесса - расход Q. 3. Цель управления процессом Q=Qзд. 4. Анализ типовой схемы как объекта управления: Основные элементы, подлежащие анализу - трубопровод 3 и насос 2. Основные параметры трубопровода как объекта управления.
, где Q –расход, м^3/с, v - скорость потока, м/с.
pгс = pск + pтр + pмс
где = f(Re,l) - коэффициент трения.
pмс = мс*pск, где мс - коэффициент местного сопротивления.
pпод = *g*h
pдоп = p2 – p1
N = pобщ*Q/(10^3*), = н*п*д,: где - полный к.п.д., насоса; н - к.п.д. насоса; п - к.п.д. передачи; д - к.п.д. двигателя. Схема трубопровода как объекта управления для типовой схемы процесса перемещения жидкости. Рис.1. Математическое описание статики объекта.
Sa*va = Sb*vb (1) Из (1) получим : va = Sb*vb/ Sa (1б). Обозначим Sb/ Sa = m (1в).
(2) Подставим в (2) выражение для скорости потока в сечении «а» на основании (1б): (3) Подставим в (3) вместо vb его выражение из соотношения для объемного расхода в сечении «b»: Qb = vb*Sb; откуда vb =Qb / Sb: (4) Преобразуем выражение (4) с учетом (1в) к виду: (5) Решим выражение (5) относительно Qb: (6) Линеаризованные выражения мат. модели статики на основании разложения в ряд Тейлора: 1.Через приращения и частные производные:
2.Через приращения и коэффициенты усиления:
Информационная схема объекта управления. Рис.2.
Математическое описание динамики объекта.
Рис.3
(1).
(2).
(3).
(5).
(6), где . Материалы к лекции №4Автоматизация центробежных насосов Основные показатели работы насосов
(1) где чл.1 - высота подъема жидкости в насосе; чл.2 - разность пьезометрических напоров; чл.3 - разность динамических напоров.
(2).
(3).
(4). где ηv = Q/QТ - объемный к.п.д.; - гидравлический к.п.д. ηмех - механический к. п. д.
Схема центробежного насоса.
Рис.1.
Основные характеристики центробежных насосов.
Рис.4.1.
Работа насосов на сеть.
Рис.5.1.
Нс =Нг + k*Q2 ; где Нг - геометрическая высота подачи; k*Q2 =hп - потери напора в сети ()А - рабочая точка, обеспечивающая максимальную производительность насоса Q1 при работе на данную сеть. Совместная работа насосов при параллельном соединении.
Рис.6.1.
Совместная работа насосов при последовательном соединении.
Рис. 6.2.
Схема регулирования на основе стабилизации Qн =Qс (метод дросселирования).
Рис.7.1
Характеристики работы на сеть при регулировании подачи насоса методом дросселирования. Рис.7.2.
.
Схема регулирования на основе стабилизации Hн =Hс (метод байпассирования).
Рис7.3.
Qб - байпасный поток; Qн - производительность насоса; Qс=Qн-Qб - производительность сети; Нс=Нн.
Характеристики работы на сеть при регулировании подачи насоса методом байпассирования. Рис.7.4.
. Система наиболее экономична, если . Схема регулирования производительности насоса на основе стабилизации н = с.
Рис.7.5.
Теоретические аспекты.
(7.1).
Характеристики работы на сеть
Рис.7.6. Исходные данные для решения задачи:
Постановка задачи:
Решение задачи Найдем частоту n1, при которой характеристика Нн=f(Q) пройдет через точку С, для чего выполним следующие построения.
На основании соотношений (7.1) можно записать: (7.2). Из (7.2) выразим Н: (7.3). Выражение (7.3) описывает параболу подобия 3 на рис.7.5, которая пересекает характеристику насоса (n) в точке А с параметрами QА и НА при условии =const.
На основании соотношений (7.1) можно записать: , откуда при известных Qс, QА и n получим n1: (7.4).
(7.5).
. Типовая схема автоматизации процесса перемещения жидкости центробежным насосом. Рис. 8.1 Типовое решение автоматизации процесса перемещения жидкости центробежным насосом.
Сигнализации подлежат все контролируемые параметры: температуры - t > tпред; давления - P < Pпред; расходы - Q < Qмин (наличие потоков масла и охлаждающей жидкости).
По сигналам «В схему защиты» - отключается действующий насос и включается резервный. Материалы к лекции №5Автоматизация поршневых компрессоров Вид теоретической индикаторной диаграммы поршневого компрессора. Рис.3.1. Схема Пз-регулирования подачи поршневого компрессора Рис.5.1 Схема регулирования подачи поршневого компрессора путем изменения частоты вращения привода компрессора.
ПКУ - поршневая компрессорная установка. Рис.5.2. Схема регулирования подачи поршневого компрессора путем дросселирования потока на линии всасывания. Рис.5.3. Схема регулирования подачи поршневого компрессора путем отжима клапанов. Рис.5.4. Схема регулирования подачи поршневого компрессора путем перевода компрессора на холостой ход. Рис.5.5. Схема регулирования подачи 2х-ступенчатого компрессора с воздействием на ИМ каждой ступени. Рис.6.1. Схема регулирования подачи 2х-ступенчатого компрессора с воздействием на ИМ первой ступени. Рис.6.2. Схема трехступенчатого компрессора. Рис.4.1. Теоретическая индикаторная диаграмма трехступенчатого сжатия. Рис.4.2. Схема регулирования подачи 4х-ступенчатого компрессора с включением технологического оборудования после 2-ой и 4-ой ступеней.I II III IV - ступени компримирования; V - линия промежуточного отбора среднего давления Р2 в технологическую схему; VI - линия возврата газа из аппарата высокого давления. Рис.6.3 Схема регулирования подачи 4х-ступенчатого компрессора с подключением технологического оборудования на входе 1-ой ступени, после 2-ой и 4-ой ступеней.I II III IV - ступени компримирования; V - линия промежуточного отбора среднего давления Р2 в технологическую схему; VI - линия возврата газа из аппарата высокого давления. VII - линия возврата газа из аппарата среднего давления. Рис.6.4. Структурная схема системы регулирования подачи 4-х ступенчатого компрессора для рис.6.3. Рис. 6.3б Структурная схема системы регулирования подачи 4-х ступенчатого компрессора для рис.6.4. Рис.6.4б Типовая схема автоматизации установки с двухступенчатым поршневым компрессором. Обозначения на схеме: 1-1, 2-1 - цилиндры ступеней 1и 2; 1-2, 2-2 - масловлагоотделители; 1-3, 2-3 - холодильники. Р - сигнализируемый и контролируемый параметр; Р - контролируемый параметр. Рис.7.1. Типовое решение автоматизации установки с двухступенчатым поршневым компрессором.
Контролю в любой компрессорной установке подлежат температура, давление, уровень, потребляемая мощность.
Сигнализации подлежат:
отключается действующий привод и включается резервный. Материалы к лекции №6Общая характеристика тепловых процессов Фазовое равновесие теплоносителей.
s=k-f+2 (1), где s - число степеней свободы данной системы; f - число фаз системы; k - число компонентов системы.
s=1-3+2=0.
s=1-2+2=1.
s=1-1+2=2. Фазовые переходы в однокомпонентных системах.
где Р - давление; r - молярная теплота фазового перехода; Т - температура фазового перехода (испарения, плавления, возгонки); ∆V - изменение объема 1 моля вещества при переходе его из одной фазы в другую. Фазовые переходы в многокомпонентных системах.
где mi - молекулярная доля газа в растворе; ψ - константа Генри; pi - парциальное давление газа над жидкостью.
где рА - парциальное давление компонента А в парах; РА - давление паров чистого компонента А; - молекулярная доля этого компонента в растворе.
где К - молярный коэффициент распределения; mCA - концентрация вещества С в жидкости А в г-моль/л; mCВ - концентрация вещества С в жидкости B. Связь основных параметров теплоносителей в газовой фазе.
P*V=const при T=const (1).
(2а), или на основании (2а) можно получить при Р=const: (2б), На основании (1) и (2б) можно также получить: при Р=const (3), или при V=const (4). На основании (1)и (2) получают также формулу для приведения объема газа к нормальным условиям: (5),
для 1 г-моля газа: P*V=R*T (6) для n г-молей газа: P*V = n*R*T (7) Если количество газа выражается в граммах: (8) откуда: (9) или (10).
(11).
(12), где рi - парциальное давление компонента в газовой смеси; vi /Vсм - парциальный объем компонента в единице объема газовой смеси; Pсм - общее давление смеси. Физические параметры и скорости движения теплоносителей. Удельные теплоемкости.
; ; .
c=a1+b1*T+c1*T2 (1), где a1, b1, c1 - коэффициенты для данного вещества.
(2), где Т1 и Т2 - заданный интервал температур.
(3), где n - число атомов в молекуле.
где М - масса 1моля газа (кг/моль); R - универсальная газовая постоянная, R=1,985 ккал/((кг/моль)*град).
Теплота испарения
rисп= 21*Tкип; (5а) rисп= Tкип*(9,5*lgTкип-0,007*Ткип); (5б) rисп= Tкип(8,75+4,571*lgТкип) (5в).
(6), где rисп2 - искомая теплота испарения при температуре Т2; rисп1 - известная теплота испарения при температуре Т1; к - поправочный коэффициент, k=f(T1,T2,Tкрит).
rисп=iжидк- iгаз (7), где iжидк, iгаз - теплосодержание, дж/кг (или ккал/кг). Плотности для жидких и газовых теплоносителей.
ρt = ρ0-βt*(tср-20○С) (8), где ρ0 - плотность жидкости при t0=20○С; βt - температурная поправка на 1○С
(9), где - коэффициент объемного расширения жидкости, град-1; t=tср-t0 - разность между температурой среды и t=20C.
(10) или (11), где М – молекулярный вес газа.
см=b1*1+ b2*2+… *n (12), где b1… bn - объемные доли компонентов; 1 n - плотности компонентов, кг/м3. Коэффициенты теплопроводности.
(13), где А=3,58*10-8 - для ассоциированных жидкостей; А=4,22*10-8 - для неассоциированных жидкостей; с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг*град);
М - молярная масса, кг/кмоль.
(14), где а1…аn - массовые доли компонентов в смеси; 1…n - коэффициенты теплопроводности компонентов, вт/(м*град). Вязкость теплоносителей.
(15), где 0 - вязкость при 0С; Т - температура в К; С - константа.
(16), где Мi - молярные массы компонентов смеси, кг/кмоль; i - динамические вязкости компонентов, Па*с; - объемные доли компонентов в смеси.
(17), где i - вязкости компонентов смеси, Па*с; mi - молярные доли компонентов в смеси, кг/кмоль.
(18), где ж - вязкость чистой жидкости, Па*с; - объемная доля твердой фазы в суспензии. Скорости теплоносителей.
(19), где линср - средняя линейная скорость, м/с; мср - средняя массовая скорость, кг/(м2*с); Q - объемный расход, м3/с; G - массовый расход, кг/с; S - площадь сечения потока, м2.
(20), где - плотность среды.
Тепловая нагрузка аппарата.
Q1= Q2+ Qпот. (1)
Q1 = Q2 = Q (2), где Q – тепловая нагрузка аппарата.
Q = G1*(I1Н-I1К) = G2*(I2К-I2Н) (3), где G1 и G2 - массовые расходы теплоносителей, кг/с; I1Н и I2Н - начальные энтальпии теплоносителей, дж/кг; I1К и I2К и - конечные энтальпии теплоносителей, дж/кг.
Ii=ci*i (4).
Q = G1*с1*(1Н-1К) = G2*с2*(2К-2Н) (6), где с1 и с2 - средние удельные теплоемкости. Тепловые балансы теплоносителя при изменении его агрегатного состояния.
Gт (iт – iкт ) = Gт * срт *т - Gт * сркт *кт = Gт *rт.
Q=Qт –Qкт =Gт *(iт – iкт )= Gт * срт *(т - нп)+Gт *rт = = Gт * срт *нп - Gт * срт *нп + Gт * срт *нп - Gт * сркт*кт= = Gт * срт *т - Gт * сркт*кт .
Q=Qт –Qкт =Gт *(iт – iкт )= 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 . Основное уравнение теплопередачи. Q = K*F*tср* (1), где F - поверхность теплообмена; tср - средний температурный напор; - время теплообмена; К - коэффициент теплопередачи: (2). Выражения для определения коэффициента К в зависимости от способа передачи тепла.
(3)
(4),
K=с1-2 = пр*K0*108 = (5), где К0 - константа лучеиспускания; пр = 1 *2 - приведенная степень черноты; 1 и 2 - степени черноты излучающих тел. Движущая сила при прямотоке теплоносителей. Схема прямоточного движения теплоносителей.
Рис.1. График изменения температуры среды при прямотоке.
Рис.2
Движущая сила при противотоке теплоносителей. Схема противоточного движения теплоносителей.
Рис.3. График изменения температур при противотоке.
Рис.4.
Затем используют те же соотношения (2) и (3), что и для прямотока, для определения средней движущей силы процесса. Материалы к лекции №7Автоматизация кожухотрубных теплообменников Схема кожухотрубного теплообменника с неизменяющимся агрегатным состоянием веществ. Рис.1.
Математическое описание на основе физики процесса.
где .
(3а); (3б); (4а); (4б). Эффективное время пребывания: . (5). Математическое описание на основе теплового баланса. Уравнение динамики: (6). Уравнение статики при : (7) На основании (6) и (7) можно принять:. (8). Информационная схема объекта. Рис.2.
Анализ динамических характеристик объекта. Уравнение динамики в нормализованном виде. (9). На основе этого уравнения динамики объект по каналу описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка: (10), где: ; . Объект имеет транспортное запаздывание: (11), где Vтруб - объем трубопровода 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: (12). Анализ статической характеристики объекта. Из уравнения статики выразим вых в явном виде: (13).
(14).
(15).
(16). Типовая схема автоматизации кожухотрубного теплообменника. Рис.3. Типовое решение автоматизации. Типовое решение автоматизации кожухотрубных теплообменников включает в себя подсистемы регулирования, контроля, сигнализации и защиты.
По сигналу «В схему защиты» - отключается магистраль подачи теплоносителя Gт. Схема парожидкостного теплообменника (с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя). Рис.1.
Математическое описание на основе физики процесса.
(1),
(2), где: - количество тепла, передаваемое от паровой фазы и конденсата теплоносителя в единицу времени, дж/с; - коэффициенты теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, дж/(м2*К*с); - поверхность теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, м2; - средняя движущая сила при теплопередаче от паровой фазы к жидкому технологическому потоку и от конденсата к жидкому технологическому потоку.
(3).
(4а). где и (4б).
(4в),
(5а); (5б); (6а); (6б), при hк =hэфф.
. (7). Тепловой баланс парожидкостного теплообменника. Уравнение динамики: Полагаем: пар перегретый и конденсат охлаждается : (8). Уравнение статики при : (9). На основании (8) и (9) а также (6а) и (4в) можно записать: . (10), где , так как при Pп кип rп . Материальный баланс по жидкой фазе для межтрубного пространства. Уравнение динамики: , (11), Уравнение статики при : (12) На основании (11) и (12) и предпочтительное управляющее воздействие – Gк. Материальный баланс по паровой фазе для межтрубного пространства. Уравнение динамики: (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 : (15). На основании (14) и (15) и предпочтительное управляющее воздействие - Gп. Информационная схема объекта. Рис.2.
. Анализ динамических характеристик парожидкостного теплообменника как объекта управления температурой.
(17)
(18), где: ; .
(19), где Vтруб - объем трубопровода подачи пара от Р.О. до входа в аппарат.
(20). Анализ статической характеристики объекта. Из уравнения статики выразим в явном виде: (21).
(22).
(23). На основании (23) можно получить: (24). Схема испарителя (кожухотрубного теплообменника с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя и технологического потока). Рис.1. Показатель эффективности: hж - уровень жидкой фазы в трубках испарителя. Цель управления: поддержание . Математическое описание на основе физики процесса.
(1).
и (2). При теплопередаче от греющего пара и конденсата через трубки справедливы соотношения: и (3).
Fт = Fп + Fк (4а), и следовательно на основании (3) и (4а) можно записать: (4б).
=Gгр *rгр (5а); = (5б).
(6а); (6б). Выводы из математического описания физики процесса:
(7).
и (8); (9). Математическое описание на основе теплового и материальных балансов процесса. Тепловой баланс испарителя. Уравнение динамики: В развернутом виде при условии и : (10а).
В свернутом наиболее общем виде выражение (10а) преобразуется к виду: (10б). Уравнение статики при : (10в) Выводы по тепловому балансу процесса:
(10г).
= ж = п = кип , а температура кипения зависит от давления паровой фазы в испарителе, т.е. при Рп кип (при этом rж ).
Материальный баланс по жидкой фазе в испарителе (для технологического потока)
, (11),
(12).
. (13),
Материальный баланс по жидкой фазе в кипятильнике (для конденсата греющего пара).
, (14),
(15).
. (16).
Материальный баланс по паровой фазе для технологического потока в испарителе.
(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 .
(18).
(19), Предпочтительное управляющее воздействие Gп. Материальный баланс по паровой фазе для кипятильника. Уравнение динамики: (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 .
(21). На основании (20) и (21) можно считать: (22). Предпочтительное управляющее Gгр . Информационная схема испарителя на основе материального баланса. Рис.2.
.
. Информационная схема испарителя для типового решения автоматизации. Рис.3.
Типовая схема автоматизации испарителей. Рис.4. Типовое решение автоматизации испарителей.
По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи греющего пара Gгр и отбора пара для технологических нужд. Материалы к лекции №8Автоматизация процесса выпаривания Движущая сила процесса выпаривания.
полезн = т - р-ракип (1).
общ = т - р-лякип (2).
полезн = общ - (3),
= г + д + гп (4), где - г потери за счет гидростатического эффекта; д - температурная депрессия; гп - потери температуры за счет гидравлических потерь в трубопроводе.
полезн = т - р-лякип -( г + д + гп ) (5). Температурная депрессия.
д = р-ракип - р-лякип (6).
Диаграмма «Р - » для растворов и растворителей. Рис.1.
(7),
(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.
Рис.2.
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.
Материальный баланс по растворенному веществу. Уравнение динамики: (1), Уравнение статики : (2) Из выражений (1) и (2) следует: (3), Предпочтительное управляющее воздействие: Gр. Тепловой баланс выпарной установки. Уравнение динамики процесса выпаривания: (5). Уравнение статики при : (6). В выражениях (5) и (6) принято:
где q - тепловой эффект растворения, определяемый на основании закона Гесса: , где qн и qк - интегральные теплоты растворения в начале и конце процесса.
(7). Предпочтительные управляющие воздействия:
В типовом решении автоматизации:
. Материальный баланс по жидкой фазе (для раствора). Уравнение динамики: , (8), Уравнение статики: (9) На основании (8) и (9): . (10). Предпочтительное управляющее воздействие - Gк. Материальный баланс по паровой фазе (для раствора). Уравнение динамики: (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: (12). На основании (11) и (12): и предпочтительное управляющее воздействие Gп. Материальный баланс по жидкой фазе (для теплоносителя). Уравнение динамики: , (14), Уравнение статики: (15). На основании (14) и (15): . (16). Предпочтительное управляющее воздействие - Gкт. Материальный баланс по паровой фазе (для теплоносителя). Уравнение динамики: (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: (18). На основании (17) и (18): (19). Предпочтительное управляющее воздействие Gт. Информационная схема процесса выпаривания. Рис.3
Типовая схема автоматизации процесса выпаривания.
Рис.4. Типовое решение автоматизации процесса выпаривания.
По сигналу «В схему защиты» - открывается магистраль Gп, отключается подача теплоносителя и отбор концентрированного раствора. СОДЕРЖАНИЕ Министерство образования Российской федерации Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) Кафедра автоматизации процессов химической промышленности Г.В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» Методические материалы по курсу лекций (в двух частях) Часть 2. 2003г. УДК 66-52:66(075) Иванова Г.В. Автоматизация технологических процессов основных химических производств: Методическое пособие. Часть 2 / СПбГТИ(ТУ).-СПб., 2003.- 70с. Методическое пособие предназначено для курса лекций по учебной дисциплине «Автоматизация технологических процессов основных химических производств», являющейся дисциплиной специализации 210201 – «Автоматизация технологических процессов химической промышленности» учебного плана по специальности 210200. Пособие разработано в виде методических материалов, используемых при чтении лекций по дисциплине. Часть 2 методического пособия включает в себя физико-химические основы технологических процессов, технологические схемы рассматриваемых объектов управления, математические описания объектов управления, постановку задачи автоматизации, типовые схемы автоматизации, типовые решения автоматизации для массообменных и реакторных процессов. Утверждено на заседании методической комиссии факультета Информатики и управления 23 июня 2003г., протокол № 6.
Общая характеристика массообменных процессов Вид диаграммы равновесия для системы с 3 степенями свободы c1* =f(c2) при θ=const и P=const; Рис.2. На диаграмме обозначено:
Вид диаграммы равновесия для системы с 2 степенями свободы c1* =f(c2) при Р=const. Рис.3.
(3).
т. е.как тангенс угла наклона касательной к линии равновесия, если она нелинейна, или как тангенс угла наклона самой линии равновесия, если она линейна. Уравнение рабочей линии процесс массопередачи при противотоке распределяющих веществ. Схема движения распределяющихся веществ противотоком: G1 c1 с1н с1к с2к с2н G2 c2 Рис.1. Материальный баланс процесса по целевому компоненту можно записать в виде: (1), или (2). Для произвольного сечения аппарата с концентрациями с1 и с2 можно записать: (3а). или (3б). Выразим из (3б) зависимость с1 = f(с2): (4).
Вид рабочей линии при противотоке распределяющих веществ. Рис.2. Уравнение рабочей линии процесса при прямотоке распределяющих веществ. Схема движения распределяющихся веществ прямотоком: G1 c1 с1н с1к с2н с2к G2 c2 Рис.3. Материальный баланс процесса по целевому компоненту можно записать в виде: (5), или (6). Для произвольного сечения аппарата с концентрациями с1 и с2 можно записать: (7а) или (7б). Выразим из (7б) зависимость с1 = f(с2): (8).
Вид рабочей линии при прямотоке распределяющих веществ. Рис.4. Диаграмма с1-с2 при расположении рабочей линии выше равновесной. Рис.1.
Диаграмма с1-с2 при расположении рабочей линии ниже равновесной. Рис.2
Средняя движущая сила процессов массопередачи.
(1).
(2). Основное уравнение массопередачи. (1), где М - масса переносимого вещества, кг/с; К - коэффициент массопередачи, ∆ср - средняя движущая сила процесса массопередачи.
(2), (3), где ∆срy и ∆срx - средние движущие силы, в фазах y и x; Ky и Kx - коэффициенты массопередачи для фаз y и x.
Автоматизация процесса кристаллизации Система с резким возрастанием растворимости. Рис.1.
А - неустойчивая, лабильная область массового образования центров кристаллизации; Б - относительно устойчивая метастабильная область образования и растворения кристаллов; В - область ненасыщенных растворов. Система с плавным изменением растворимости. Рис.2.
Система с незначительным изменением растворимости. Рис.3.
Система с незначительным изменением растворимости. Рис.3.
Кинетика процесса кристаллизации. Скорость образования центров кристаллизации: , где - число частиц, образующихся в единице объема в единицу времени; КN, КN0 - константы, , EN - энергия активации зародышеобразования, (кдж/кг); Сп и С* - концентрации пересыщенного и насыщенного растворов, (кг/м3); m=2 - 4 - кинетический коэффициент, зависящий от типа кристаллизующегося вещества. Качественная характеристика скорости роста кристаллов. Зависимости скорости кристаллизации от времени. Рис.4.
t0 - t1 - индукционный период, т.е. период подвижного равновесия зародышей с раствором. Кривая 1 - при большой степени пересыщения имеет резкий максимум скорости процесса в момент tmax. Кривая 2 - при малой степени пересыщения имеет пологий максимум в течение времени t2 - t3. Количественные оценки скорости роста кристаллов на основании диффузионной теории.
(1), где
Сп-С*=, (кг/кг); F - поверхность кристалла, (м2). Для аппаратов с мешалками коэффициент массоотдачи зависит от следующих параметров: , где а - характеристический размер кристалла; n - число оборотов мешалки, об/мин; dм - диаметр мешалки, м.
(2), где КB - константа скорости встраивания молекул в кристалл; n - эмпирическая постоянная.
(3), где К - общий коэффициент скорости процесса, определяемый из соотношения: . Учитывая, что К=f(, KB), а =f(n), в целом можно считать: . Таким образом, скорость роста кристаллов определяется поверхностью кристалла, движущей силой процесса и скоростью мешалки. Объект управления Изогидрический кристаллизатор непрерывного действия с мешалкой. Рис.5. В схеме принято: Gс=Gмр+Gкр; мр = кр = с =; Скр = 1, т.е. кристаллы чистые. Работа объекта Исходный горячий насыщенный раствор подается сверху в аппарат, где охлаждается с помощью хладоносителя, подаваемого в рубашку и становится пересыщенным. В результате пересыщения раствора и при интенсивном перемешивании происходит кристаллизация целевого компонента из раствора с образованием кристаллов (МкрGкр). При этом концентрация раствора понижается и оставшаяся жидкая фаза Gмр в смеси с Gкр в виде потока суспензии Gc выводится из процесса. Показатель эффективности процесса - диаметр кристаллов, dкр. Цель управления процессом - обеспечение dкр = dкрзд. Материальный баланс по всему веществу Уравнение динамики: (1). Уравнение статики при : (2). Материальный баланс по кристаллизуемому веществу. Уравнение динамики: (3). Уравнение статики при : (4).
(5).
(6).
(7), где - число кристаллов, которое образуется за время пр в объеме Vс; - изменение массы одного кристалла в ед. времени, кг/с.
.
. Математическое описание для размера частиц.
(9), где (10); r - радиус кристалла, м; t - время, с; К, К0 - константы, ; Сп, С* - концентрации пересыщенного и насыщенного растворов, кг/м3; Еа - энергия активации, кдж/кг;
R - универсальная газовая постоянная, кдж/кг*К.
.
Тепловой баланс процесса кристаллизации. Уравнение динамики: (11). Можно принять = мр = кр = с . Уравнение статики при : (12).
Информационная схема кристаллизатора Рис.6.
.
Типовая схема автоматизации процесса кристаллизации Рис.7.
3. Материалы к лекции №11Автоматизация процесса абсорбции Равновесие в процессе абсорбции.
S = k – f + 2=3-2+2=3.
(1), где m - коэффициент распределения: (2), где Е - константа Генри: (3), где q - дифференциальная теплота растворения; R - универсальная газовая постоянная; С - константа.
Влияние Р и на среднюю движущую силу процесса абсорбции. (фазовые диаграммы при противотоке распределяющих веществ) Рис.1.
Результаты анализа диаграмм:
Влияние направления движения потоков на средние движущие силы процесса абсорбции. Рис.2а.
Движение распределяющих веществ противотоком. Рис.2б.
Движение распределяющих веществ прямотоком. Рис.2в.
Кинетика процесса абсорбции. Уравнения массопередачи в процессе абсорбции: (4а), или (4б), где Мга - масса распределяемого компонента, переходящая из газа в абсорбент в единицу времени, кг/ч; F - поверхность массопередачи м2; и ; и ; Кг , Ка - коэффициенты массопередачи, ; ; , где г - коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз, кг/(м2 *ч); а - коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку абсорбента, кг/(м2 *ч). Схема насадочного абсорбера. Рис.6. Объект управления Схема абсорбционной установки. 1, 2 –
холодильники;
3 – абсорбционная
насадочная
колонна. Рис.5. Работа схемы. Исходная газовая смесь Gг и абсорбент Gа в холодильниках 1 и 2 охлаждаются до заданных температур г0 и а0 и противотоком подаются в колонну 3. В колонне 3 происходит извлечение целевого (распределяемого) компонента из исходной газовой смеси с помощью жидкого абсорбента. В результате массообменного процесса между газовой и жидкой фазами получают:
Показатель эффективности процесса - концентрация распределяемого компонента в обедненной газовой смеси сог. Цель управления - обеспечение сог = согзд на минимально возможном для данной установки значении. Материальный баланс по целевому компоненту.
Уравнение динамики: (1), где Мгна - масса целевого компонента, переходящая из газовой фазы в жидкую в единицу времени, кг/ч. Уравнение статики : (2). Из выражений (1) и (2) следует, что: (3), где Мгна - определяется уравнением массопередачи.
Уравнение динамики: (4). Уравнение статики : (5). Из выражений (4) и (5) следует, что: (6), где Mгна - определяется уравнением массопередачи.
Уравнение динамики: (7), Уравнение статики : (8). На основании (7) и (8): (9). Аналогично, можно получить: (10). Материальный баланс по жидкой фазе. Уравнение динамики: , (11), Уравнение статики: (12) На основании (11) и (12): . (13). Материальный баланс по газовой фазе.
(14), где Мог - мольная масса обедненной газовой смеси, кг/моль; Рог - давление в колонне, Па; ог - температура в колонне (по газовой фазе), К, Vог - объем газовой фазы в колонне, м3 .
(15).
(16),
Тепловой баланс в абсорбере.
(17).
(18).
(19).
(20).
(21).
Информационная схема для установки с показателем эффективности сог . Рис.7
Схема абсорбционной колонны как многосвязного объекта при показателе эффективности сог. Рис.8 Информационная схема для установки с показателем эффективности сна . Рис.9
Схема абсорбционной колонны как многосвязного объекта при показателе эффективности сна. Рис.10. Типовая схема автоматизации процесса абсорбции. Рис. 11.
По сигналу «В схему защиты» - открывается магистраль Gог, закрываются все остальные магистрали. 4. Материалы к лекции №12Автоматизация процесса сушки Основные параметры сушильного агента и материала, как влагоносителей. Относительная влажность сушильного агента : (1). На основании уравнения Менделеева-Клапейрона можно получить : (3). Относительная влажность материала - это отношение массы влаги Мвл к общей массе влажного материала М=Мсм + Мвл , или к массе абсолютно сухого материала Мсм:
, где М=var
, где Мсм= const . Диаграммы равновесия при сушке. Диаграмма при = *. На диаграмме принято 1* >2*>3*. Рис.1. Из диаграммы следует:
Диаграмма *= f() при =const. Рис.2.
Диаграмма - равновесной и рабочей линий процесса сушки при прямотоке Gм и Gса (при различных температурах). Рис.4.
2 - Равновесная линия =f() при 2. 3 - Рабочая линия - .
. При ср . При Кинетика процесса сушки.
(1), где
(2), где
Кривая скорости сушки. Рис.5. Возможны следующие соотношения периодов сушки:
Объект управления. Схема барабанной сушилки прямоточного действия
Рис.6. Газообразное топливо Gт подается с первичным воздухом Gпв через горелки в топку 1, где сжигается для получения сушильного агента. Формирование сушильного агента осуществляется в смесительной камере 2, куда подается вторичный воздух Gвв. Влажный материал подается с помощью автоматического дозатора 7 в сушильный барабан 3. Барабан наклонно расположен и вращается со скоростью 4-5 об/мин, так что материал перемещается вдоль барабана и высушивается к моменту попадания в бункер 4 до определенной влажности см. Сухой материал Gсм отгружается из бункера 4 автоматическим дозатором 7. Отработанный сушильный агент Gса в циклоне 5 очищается от пыли и вентилятором 6 выводится из процесса. Показатель эффективности процесса - влажность сухого материала см . Цель управления процессом - поддержание см = смзд. Структурная схема топки и смесительной камеры. Рис.7.
Уравнение динамики: (1), Уравнение статики: . (2)
Уравнение динамики: (3). Уравнение статики: (4) Информационная схема топки и смесительной камеры. Рис.8.
; . Структурная схема сушильного барабана. Рис.9. Материальный баланс по твердой фазе.
, (5), где hм - высота слоя материала в барабане; Sапп - сечение аппарата; м - плотность материала; Wмса - количество влаги, удаляемой в процессе сушки из материала в единицу времени, кг/с.
(6).
.
Материальный баланс по газовой фазе.
(7), где Мсаб - мольная масса сушильного агента в барабане, кг/моль; Рсаб - разрежение в барабане, Па; саб - температура в барабане (по газовой фазе), К, Vсаб - объем газовой фазы в барабане, м3.
(8).
.
Тепловой баланс в сушильном барабане.
(9).
(10).
; r - удельная теплота испарения влаги , дж/кг.
(11), где (12). Материальный баланс по количеству влаги в материале.
(13),
(14).
(15), где Wмса - определяется уравнением массопередачи. Материальный баланс по количеству влаги в сушильном агенте.
(16).
(17).
(18). Материальный баланс по общему количеству влаги в процессе сушки.
(19), где .
(20).
(21).
(22). Из всех возможных управляющих воздействий, перечисленных в выражениях (21) и (22), для регулирования конечной влажности материала наиболее информативным является расход топлива Gт. Информационная схема сушильного барабана. Рис.10.
.
.
.
.
Типовая схема автоматизации процесса сушки. Рис.11.
По сигналу «В схему защиты» - прекратить подачу материала и топлива в сушильный агрегат. 5. Материалы к лекции №13Автоматизация процесса ректификации (ч.1) Диаграмма равновесия «θ – x – y » при Р= const. Рис.1.
Диаграмма равновесия « x – y » при Р= const. Рис.2.
Схема колонны ректификации для математического описания рабочих линий процесса. Рис.3. Обозначения параметров процесса:
Расчет рабочего флегмового числа., где xf - заданный состав жидкой фазы потока питания; yf - соответствующий ему равновесный состав паровой фазы потока питания. Рабочее флегмовое число находят из соотношений: R=1,3*Rmin+0,3 или R=σ* Rmin, где σ=1,2-2,5 - коэффициент избытка флегмы. Уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части колонны.(1), где y, x - составы паровой и жидкой фаз верха колонны, молярные доли; xд - состав дистиллята. Обозначим: . Уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части колонны.(2), где . Обозначим: ; Построение рабочих линий процесса ректификации. Рис.4.
Диаграмма «Рабочая линия-линия равновесия» процесса ректификации. Рис.7.
; ; . Анализ диаграммы «Рабочая линия - линия равновесия».
, , что соответствует направлению массопередачи , и .
Объект управления Схема ректификационной установки.
Рис. 8. Описание установки. Объект управления - ректификационная установка для выделения из исходной жидкой смеси целевого компонента в составе дистиллята. Процесс массопередачи происходит на тарелках укрепляющей (верхней) и исчерпывающей (нижней) частей колонны в результате взаимодействия жидкой и паровой фаз, движущихся в колонне противотоком. Движущая сила - разность между равновесной и рабочей концентрациями целевого компонента в жидкой или паровой фазе: и соответственно. Работа установки. Исходная смесь Gп (Gxf) нагревается в подогревателе потока питания 2 до температуры кипения θп0 и подается в колонну 1 на тарелку питания (i=f). Исходная смесь стекает по тарелкам нижней части колонны в виде жидкостного потока Gx в куб колонны, участвуя в массообменном процессе с паровым потоком Gy. Из куба колонны выводится кубовый продукт Gкуб. Часть кубового продукта подается в кипятильник 3, где испаряется с образованием парового потока Gy0 , который подается в низ колонны. Паровой поток поднимается вверх колонны, контактируя с жидким потоком и обогащаясь целевым компонентом. Обогащенный целевым компонентом паровой поток Gyn выводится из верха колонны и подается в дефлегматор 4, где конденсируется. Конденсат собирается во флегмовой емкости 5. Из сборника флегмы отбирается два потока:
Показатель эффективности процесса сд - концентрация дистиллята. Цель управления процессом - обеспечение сд.=сдзд. 6. Материалы к лекции №14Автоматизация процесса ректификации (ч.2). Структурная схема ректификационной установки. Рис.1. Математическое описание низа колонны Структурная схема куба и кипятильника. Рис.2. Тепловой баланс низа колонны ( н = 0 ).
(5).
Gгр rгр + Gх1 Cрх1х1 = Gy0 rk + GkCpkн (6).
н = f (Gгр, Gк ).
Материальный баланс по всему веществу.
(1).
G x1 = G k + G y0 (2), где ρ k - плотность кубовой жидкости , кг/м3; S k - сечение куба колонны, м2 ; h k - уровень кубовой жидкости, м; G x1 , G k , G y0 - массовые расходы потоков в кубе колонны.
h k = f(G k ,G y0 ).
Материальный баланс по легколетучему компоненту.
(3).
G x1 C x1 = G k C к + G y0 C y0 (4)
М0 - масса жидкости в нижней части колонны, кг; r гр - удельная теплота конденсации пара, дж/кг; r k - удельная теплота испарения кубовой жидкости, дж/кг.
.
Информационная схема низа колонны. Рис.3. Информационная схема низа колонны как многосвязного объекта по hk, или hk, Ck . Рис.4 Математическое описание верха колонны. Структурная схема дефлегматора с флегмовой емкостью. Рис.5. Материальный баланс по всему веществу.
(7) где фл - плотность флегмы , кг/м3 ; Sфл - сечение флегмовой емкости , м2 ; hфл - уровень флегмы , м; Gyn, Gфл, Gдист - массовые расходы, кг/с.
Gyn = Gфл + Gдист (8).
hфл=f(Gyn, Gфл, Gд )
Материальный баланс по целевому компоненту.
(9).
Gyn Cyn = Gдист Cx n+1 + Gфл Cx n+1 (10).
Cдист=f(Gyn, Gфл, Gд )
Тепловой баланс верха колонны ( в = н ).Структурная схема n–ой тарелки Рис.6.
(11).
Gyn-1*Cpyn-1 *yn-1 + Gфл*Cрфл *фл = Gyn *Cpyn *в + Gxn *Cpxn *в (12).
Баланс по паровой фазе.Структурная схема конденсатора без флегмовой емкости. Рис.7
(13).
(14).
. (15).
Информационная схема верха колонны. Рис.8. Информационная схема верха колонны как многосвязного объекта по в и pв Рис.9а. Информационная схема верха колонны как многосвязного объекта по hфл и в Рис.9б. Информационная схема колонны как многосвязного объекта по в и н. Рис.9в. Математическое описание подогревателя потока питания. Тепловой баланс
(16).
Gт Cрт твх - Gт Cрт твых = Gп Cpп n0 - Gп Cpп n , (17)
.
Информационная схема подогревателя потока питания как объекта управления п0 Рис.10. Типовая схема автоматизации процесса ректификации. Рис.11. Типовое решение автоматизации процесса ректификации.
резкое снижение или прекращение подачи потока питания . 7. Материалы к лекции №15Автоматизация реакторных процессов (ч.1) Упрощенная структурная схема химического реактора. Рис.1.1.
Показатели эффективности реакторного процесса.
(1а), где n0 - число молей компонента в исходном потоке; n - число молей компонента в реакционной смеси.
(1б), где m0 - масса компонента в исходном потоке; m - масса компонента в реакционной смеси.
(2), где mф - масса фактически полученного продукта; mт - масса теоретически возможного количества продукта из данного исходного вещества.
θ - температура; Р - давление; Сi - состав реакционной смеси; tпр - время пребывания реакционной смеси в аппарате.
(3). где - количество молей исходного продукта, превращенных в целевой продукт; - количество молей химически превращенных исходных веществ.
(4), где - движущая сила процесса, определяемая для химических реакций как произведение концентраций компонентов в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам; К - константа скорости реакции, определяемая на основании уравнения Аррениуса.
Схема реактора непрерывного действия с мешалкой с экзотермической реакцией 1-го порядка А В. Рис.4.1.
Математическое описание реактора на основе физико-химических особенностей процесса. Стехиометрическое уравнение химической реакции.
(1а).
(1б), где i , i , , - стехиометрические коэффициенты, числа реагирующих молей компонентов процесса. Уравнение кинетики химической реакции.
(2), где - общий порядок реакции; - скорость прямой реакции; - скорость обратной реакции; ; - константы скорости, ZА и ZВ - эмпирические коэффициенты; ЕА и ЕВ - энергии активации.
(3а);
(3б). Уравнение гидродинамики процесса.
(4) где x, z - координаты потока; - ламинарная вязкость, характеризующая силы внутреннего трения; k - турбулентная вязкость; - плотность реакционной массы; V - объем реакционной массы; t - текущее время. Материальный баланс реакторного процесса по всему веществу. Уравнение динамики: (1), где Уравнение статики при : (2).
(3). Материальный баланс реакторного процесса по расходуемому веществу А. Уравнение динамики: (4), где I - изменение количества вещества А в реакторе в единицу времени; II - количество вещества А, поступающего в реактор в единицу времени; III - количество вещества А, отводимого из реактора в единицу времени; IV - количество вещества А, расходующегося в реакторе на химическую реакцию в единицу времени, где V=S*h. Уравнение статики при : (5).
(6). Тепловой баланс реакторного процесса. Уравнение динамики: (7), где
Уравнение статики при : (8).
(9). Информационная схема реактора на основе балансовой модели. Рис.6.1.
8. Материалы к лекции №16Автоматизация реакторных процессов (ч.2) Диаграмма реакторного процесса в адиабатическом режиме. Рис.1.1. Влияние изменения температуры 0 на температуру реакторного процесса .
Возможные стационарные состояния реактора.
Зависимость статической характеристики от концентрации С0 исходного реагента. Рис.1.2.
Зависимость статической характеристики от концентрации С0 исходного реагента.Рис.1.2.
Определение стационарных состояний по диаграмме «выделения – отвода тепла». Рис.2.1.
Зависимость характеристики выделения тепла от времени пребывания реакционной массы в реакторе. Рис.2.2.
Оценка устойчивости стационарных состояний по диаграмме «выделения – отвода тепла». Qр = f() - характеристика выделения тепла реакции; Qт = f() - характеристика отвода тепла. Рис.2.3. Устойчивость реактора в стационарном состоянии В:
Устойчивость реактора в стационарном состоянии D:
Устойчивость реактора в стационарном состоянии C:
стационарное состояние в ()С - неустойчивое. 9. Материалы к лекции №17Автоматизация реакторных процессов (ч.3). Схема для реакции типа А(ж) + В (г) D (г-ц.пр)+С (ж). Рис.1.1. Схема для реакции типа А(ж) + В (г) D (г)+С (ж-ц.пр). Рис.1.2. Схема автоматизации для реакции типа А(ж) + В{Всв(ж) + Врец(ж)} С(ж- ц.пр)+В(ж). 1- реактор; 2 - сепаратор; 3 - сборник; 4, 5 - насосы; А, В - исходные реагенты; С - целевой продукт; Врц - возвратный (рецикловый) поток реагента В; Всв - свежий поток реагента В. Рис.1.3. Система регулирования концентрации из двух одноконтурных АСР. Рис.1.5. Каскадная АСР концентрации со вспомогательным контуром стабилизации соотношения расходов исходных реагентов. Рис.1.6. Каскадная АСР концентрации со вспомогательным контуром стабилизации температуры исходного реагента. Рис.1.7. Каскадная АСР концентрации со вспомогательным контуром стабилизации температуры хладоагента. Рис.1.8. Одноконтурная АСР температуры в реакторе по подаче исходного реагента. Рис.2.1. Каскадная АСР температуры в реакторе со вспомогательным контуром стабилизации температуры исходного реагента. Рис.2.2. Каскадная АСР температуры в реакторе со вспомогательным контуром стабилизации температуры хладоагента. Рис.2.3. Каскадная АСР температуры в реакторе со вспомогательным контуром стабилизации давления хладоагента. Рис.2.4. 10. Рекомендуемая литератураОсновная литература 1. Дудников Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности. - М.: Химия, 1987.- 368 с. 2. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. - М.: Химия, 1982.- 295 с. 3. Автоматизация технологических процессов легкой промышленности: Учеб пособие для вузов по спец. «Автоматизация технологических процессов и производств» / Под ред. Л.Н. Плужникова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1984.- 366с. 4. Мамиконов А.Г. Проектирование АСУ.- М.: Высшая школа, 1987.- 303 с. 5. Стефани Е.П. Основы построения АСУ ТП.- М.: Энергоиздат, 1982.- 352с. 6. Пиггот С.Г. Интегрированные АСУ химических производств. - М.: Химия, 1985.- 410 с. 7. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные системы в химической промышленности: Учебник для вузов. - М.: Химия, 1990.- 320с. 8. Плютто В.П. Управление химико-технологическими процессами. Процессы массообмена: [Учеб. пособие].- М.: МХТИ, 1984.-48с. 9. Плютто В.П. и др. Автоматизированные системы управления периодическими пролцессами химической технологии. – М.: МХТИ, 1985.-48с. 10. Ицкович Э.Л., Сорокин Л.Р. Оперативное управление непрерывным производством. – М..: Наука, 1989.-155с. Дополнительная литература 11. Автоматизация технологических процессов легкой промышленности: Учеб пособие для вузов по спец. «Автоматизация технологических процессов и производств» / Под ред. Л.Н. Плужникова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1993 . 12. Уланов Г.М. и др. Методы разработки интегрированных АСУ промышленными предприятиями. - М.: Энергоатомиздат, 1983.- 320 с. 13. Практикум по автоматике и системам управления производственными процессами: Учеб. пособие для вузов / Под ред. И.М. Масленникова - М.: Химия,1986.- 336 с. 14. Плютто В.П., Путинцев В.А., Глумов В.М. Практикум по теории автоматического управления химико-технологическими процессами: Цифровые системы - М.: Химия,1989.- 168 с. 15. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. - М.: Химия, 1985.-352с. 16. Шувалов В.В. Огаджанов Г.А., Голубятников В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. - М.: Химия, 1991.-480с. 17. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов./ Н.Н. Смирнов, М.И. Курочкина, А.И. Волжинский, В.А. Плессовских. - СПб.: Химия, 1996.-400с. 18. Математическое моделирование основных процессов химических производств. Учеб. пособие для вузов. / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. - М.:Высш.шк., 1991.-399с. 19. Математическое моделирование химико-технологических систем: Учеб. пособие в 3ч./ под ред Л.С. Гордеева. - М.:РХТУ, 1999- 48с.( ч1); 47с.( ч2), 67с.( ч3) . СОДЕРЖАНИЕ 10. Рекомендуемая литература 71 |
|||||||||||||||||||
|