Автоматизація теплових процесів
Теплові процеси відіграють значну роль в хімічній технології. Хімічні реакції речовин, а також їх фізичні перетворення, як правило, супроводжуються тепловими явищами. Теплові ефекти часто становлять основу технологічних процесів. У зв'язку з цим, питання автоматизації теплообмінників, трубчастих печей, випарних апаратів та інших об'єктів хімічної технології, пов'язаних з передачею тепла, грають істотну роль.
Автоматизація трубчастих печей
Рис. VII-15. Схеми автоматизації трубчастих печей:
а - каскадна; б - каскадна з регулятором співвідношення «паливний газ - продукт»; в - з корекцією за вмістом кисню в топкових газах; г - з екстремальним регулятором, коригуючих співвідношення «паливний газ - повітря».
Прокачує через змійовик трубчастої печі продукт нагрівається за рахунок тепла, що утворюється при спалюванні паливного газу.
Мета регулювання трубчастих печей - підтримання сталості температури продукту на виході з печі. Збуреннями об'єкта є витрата і температура вихідного продукту, теплотворна здатність палива, кількість і температура повітря, що подається для спалювання палива, втрати тепла в навколишнє середовище і ряд інших. Ці збурення можна компенсувати за допомогою АСР температури продукту на виході з печі, що управляє подачею палива в піч. Однак трубчасті печі мають запізненням з передачі тепла від димових газів через стінку змійовика до проходить по ньому продукту, крім того, перехідний процес по каналу «витрата палива - температура продукту на виході» триває кілька годин. Тому при використанні одноконтурною АСР динамічна помилка і час регулювання досягають великих значень.
Разом з тим температура газів над перевальних стінкою досить швидко реагує на зміну режиму роботи печі, обумовлене зміною кількості паливного газу, що подається на спалювання. Тому істотне поліпшення якості регулювання температури продукту на виході з печі може бути досягнуто застосуванням системи каскадного регулювання (рис. VII-15, а), що складається з регулятора температури продукту на виході з печі (коригувальний регулятор), що впливає на завдання регулятора температури газів над перевальних стінкою (стабілізуючий регулятор), який управляє подачею палива в піч. Стабілізуючий регулятор починає компенсувати виникаючі обурення, що впливають на процес згоряння палива, перш ніж вони призведуть до зміни температури продукту.
При різкій зміні навантаження печі по витраті нагрівається продукту і при наявності обурення по витраті палива використовують також вищеописану систему каскадного регулювання, стабілізуючий регулятор якої впливає на регулятор співвідношення витрат продукту і палива. У цьому випадку регулятор співвідношення управляє подачею палива в піч (рис. VII-15, б).
При примусової подачі первинного повітря (рис, VII-15, в) оптимальний його витрати, при якому температура в топці приймає максимальне значення, підтримують за допомогою регулятора співвідношення «паливний газ - повітря», який забезпечить задане значення коефіцієнта надлишку повітря, що визначає інтенсивність процесу згоряння. Якщо при цьому теплотворна здатність палива істотно змінюється, то на регулятор співвідношення направляють коригувальний сигнал від регулятора стабілізації вмісту кисню в топкових газах. Це забезпечує повне згоряння палива та високу якість регулювання.
Сильним обуренням режиму роботи трубчастих печей з боку паливного газу є зміна його тиску. Це зміна компенсують введенням в АСР температури продукту на виході з печі додаткового регулятора тиску, завдання на який подають від регулятора температури у топковому просторі. Такі системи забезпечують якісне регулювання витрати паливного газу, оскільки витрата газу у великій мірі залежить від його тиску (див. рис. VII-15, в).
Так як залежність температури в топці від співвідношення «паливо - повітря» має екстремальний характер, при автоматизації трубчастих печей застосовують системи екстремального регулювання. На рис. VII-15, м екстремальний регулятор відшукує максимальне значення температури димових газів над перевальних стінкою, впливаючи на регулятор співвідношення «паливний газ - повітря», що керує подачею первинного повітря.
При регулюванні співвідношення «паливний газ - повітря» необхідно забезпечити заходи безпеки, тому що при недоліку повітря в топці може утворитися вибухонебезпечна суміш. Слід передбачити обмеження витрати палива так, щоб ця витрата ніколи не перевищував максимально допустимого значення, що відповідає поточному значенню витрати повітря. При зменшенні витрати повітря відносно певного значення потрібно обов'язково автоматично зменшувати подачу палива в топку.
Автоматизація процесу випарювання
Основні схеми автоматизації розглянемо на прикладі двухкорпусной випарної установки. Мета управління випарної установки полягає в отриманні розчину заданої концентрації QУ, а також у підтримці матеріального і теплового балансів. Концентрація упаренного розчину залежить від витрати, концентрації та температури вихідного розчину, витрати і тиску гріючої пари, тиску в випарних апаратах. У відповідності з метою управління схемою автоматизації передбачають регулювання концентрації упаренного розчину (рис. VII-16). Концентрацію QУ можна виміряти кондуктометричним методом, по щільності розчину, за показником заломлення світла або за величиною температурної депресії розчину, тобто по різниці температур кипіння ΔT розчину і розчинника. Останній метод внаслідок простоти і наявності однозначної залежності між величинами QУ і Δ Т при постійному тиску застосовують досить часто. При цьому первинний вимірювальний перетворювач температури кипіння розчину встановлюють на трубопроводі киплячого розчину після кип'ятильника, і вимірювальний перетворювач температури кипіння розчинника - на трубопроводі відведення парів розчинника.
Рис. VII-16 Схема стабілізації технологічних величин випарної установки: 1 - випарної апарат, 2 - кип'ятильник, 3 - теплообмінник, 4 - барометричний конденсатор.
Рис. VII-17 Схема багатоконтурного регулювання випарної установки.
1 - випарної апарат; 2 - кип'ятильник, 3 - теплообмінник, 4 - барометричний конденсатор.
Ці прилади комплектують передавальним перетворювачем, сигнал на виході якого пропорційний різниці температур Δ Т. Регулятор концентрації QУ впливає на клапан, встановлений на лінії відводу упаренного розчину з останнього випарного апарату. При зростанні, наприклад, поточної концентрації відносно заданого значення регулятор збільшує витрату упаренного розчину, що зменшує час перебування його в апараті і викликає зниження концентрації розчину до заданого значення.
При відведенні упаренного розчину з останнього апарату по його концентрації матеріальний баланс установки підтримують, зберігаючи рівність між кількістю розчиненого речовини, які йдуть з установки, і кількістю речовини, що надходить з вихідним розчином. Це забезпечується підтримкою сталості рівня розчину в випарних апаратах шляхом впливу на клапани, встановлені на трубопроводах подачі розчину в відповідний апарат. При зростанні витрат упаренного розчину рівень в апараті знижується, що викликає збільшення подачі розчину в апарат. В якості вимірювальних перетворювачів АСР рівня розчину в випарних апаратах 1 зазвичай використовують гідростатичні рівнеміри.
Тепловий баланс процесу випарювання при невеликих коливаннях витрати вихідного розчину забезпечують регулятором витрати на трубопроводі подачі гріючої пари в кип'ятильник 2 першого корпуса установки. Нормальний тепловий режим роботи випарної установки можливий тільки при подачі вихідного розчину з постійною температурою ТК, близької до температури кипіння розчину. Для досягнення цього встановлюють регулятор температури вихідного розчину, вихідний сигнал якого впливає на клапан, що змінює подачу пари, що гріє в теплообмінник - підігрівач вихідного розчину 3.
Якщо весь вторинний пар з попереднього корпусу направляють в кип'ятильник 2 наступного, то тиск (розрідження) стабілізують тільки в останньому корпусі, змінюючи за допомогою регулятора кількість відводяться з нього пари розчинника. Остання зазвичай досягають шляхом зміни подачі охолоджуючої води в барометричний конденсатор 4. При такій схемі регулювання в корпусах встановлюються всі менші тиску по ходу розчину і забезпечується різниця температур між вторинним паром з попереднього корпусу і розчином, киплячим в подальшому корпусі, тобто забезпечується рушійна сила процесу випарювання.
Концентрацію упаренного розчину QУ можна також регулювати зміною витрати розчину, що подається на останній корпус з попереднього. Упарена розчин з останнього корпусу в цьому випадку відводять по команді регулятора за рівнем. За таких схемах регулювання матеріального балансу випарної установки кількість надходить на неї початково-то розчину визначається умовами її роботи. Це вимагає установки додаткової технологічної ємності вихідного розчину.
Не рекомендується стабілізувати концентрацію упаренного розчину в останньому корпусі впливом на подачу свіжого розчину на установку внаслідок великого запізнювання об'єкта така схема не забезпечить високої якості регулювання.
Якщо витрата вихідного розчину залежить від роботи попередніх технологічних установок, але коливання його незначні, то концентрацію упаренного розчину можна регулювати зміною подачі гріючої пари на установку. При цьому за допомогою регуляторів рівня в випарних апаратах змінюють кількість відведеного з них розчину.
При великих коливаннях витрати вихідного розчину, а також при зміні концентрації в ньому розчиненої речовини, якісне регулювання процесу забезпечується застосуванням більш складних схем, наприклад, схеми багатоконтурного регулювання (рис. VII-17).
У цьому випадку гріючий пар подають на установку в певному співвідношенні з витратою вихідного розчину, застосовуючи регулятор співвідношення, що впливає на подачу пари. Це співвідношення коректують регулятором концентрації розчиненого речовини у вихідному розчині. Для стабілізації роботи другого випарного апарату частково упареною розчин, що направляється в нього, регулюється по каскадної схемою регулювання витрати з коригуванням за рівнем розчину у першому випарної апараті. Упарена розчин відводять за встановлення за рівнем в останньому апараті, регулятором, завдання, якому змінює регулятор концентрації розчиненого речовини в упареній розчині. Тиск у системі підтримується на заданому значенні допомогою регулювання витрати пари розчинника з корекцією по тиску в останньому випарної апараті.
Показані на цьому малюнку схеми багатоконтурного регулювання окремих технологічних величин можуть бути використані в різних поєднаннях з найпростішими одноконтурними схемами стабілізації, які наведено на рис. VII-16.
Автоматизація масообмінних процесів
Масообмінні процеси широко поширені в хімічній технології і застосовуються з метою розділення суміші речовин або отримання цільового продукту заданого складу шляхом перекладу одного або декількох компонентів з однієї фази в іншу.
Основний регульованою величиною в таких процесах є концентрація певного компоненту в одержуваному продукті або утримання в цьому продукті домішок, визначених аналізаторами якості. Причому, краще визначати вміст домішок, тому що при цьому може бути забезпечена значно більша чутливість, ніж при вимірі концентрації цільового продукту. У ряді випадків процеси масообміну успішно регулюють за непрямими величинам (щільності, показником заломлення світла та ін), що не вимагає встановлення дорогих аналізаторів.
Інтенсивність перебігу масообмінних процесів залежить від гідродинамічного режиму потоків речовин в технологічних апаратах, а також від тепло-і масообміну між цими потоками. Як правило, апарати, в яких протікають масообмінні процеси, володіють великою інерційністю і запізненням.
Автоматизація процесу абсорбції
Абсорбція - це процес поглинання певних компонентів вихідної газової «суміші при контактуванні її з рідиною (абсорбентом) з метою розділення цієї суміші або отримання розчинів компонентів.
Метою управління процесом абсорбції є підтримання сталості заданої концентрації витягується компонента в обедненном газі, а також дотримання матеріального і теплового балансів абсорбційної установки. У ряді випадків метою процесу абсорбції є отримання насиченого абсорбента заданого складу. Концентрацію витягується компонента в обедненном газі можна визначити по різниці кількостей витягується компонента, що приходить із сировиною і поглинається з неї абсорбентом в одиницю часу.
На процес абсорбції вирішальний вплив справляє рушійна сила, яка визначається відносним розташуванням робочої і рівноважної ліній процесу. Положення робочої лінії залежить від початкової і кінцевої концентрацій компонента в обох фазах, а положення рівноважної лінії - від температури і тиску в апараті. З цього випливає, що концентрація витягується компонента в збідненої суміші залежить від його початкових концентрацій у газовій та рідкій фазах, витрат надходить газової суміші, відносного витрати абсорбенту, а також від температури і тиску в абсорбері.
Зміни витрати газової суміші і початкових концентрацій витягується компонента у фазах представляють собою вихідні величини попередніх технологічних апаратів, а отже, являють собою основні обурення процесу абсорбції. Регулюючими впливами є витрати свіжого абсорбенту, збідненого газу і насиченого абсорбента.
Основним керуючим впливом, що підтримує сталість концентрації витягується компонента в обедненном газі, є зміна витрати свіжої абсорбенту, здійснюване регулятором витрати. Така схема забезпечує прийнятну якість регулювання тільки при рівномірній подачі вихідного продукту і постійних початкових концентраціях витягується компонента в газовій і рідкій фазах.
Температура в абсорбері залежить від температур, теплоємностей і витрат газової і більшою мірою рідкої фаз, а також від інтенсивності виділення тепла в процесі абсорбції і втрат тепла в навколишнє середовище. Більшість цих величин коливається в часі, що призводить до порушення теплового »балансу і зміни температури в абсорбері. Підвищення останньої уповільнює перебіг процесу. Щоб уникнути цього для інтенсифікації процесу абсорбент перед подачею його в абсорбер 1 охолоджують у холодильнику 2. Охолодження абсорбенту можна підтримувати за його температурі на виході з холодильника, при цьому регулятор впливає на клапан, що змінює витрата хладоагента.
Підвищення тиску в абсорбері сприяє вилучення цінних компонентів з вихідної газової суміші. Підтримку заданого значення тиску у верхній частині колони вимагає застосування регулятора тиску, що діє на клапан, встановлений на трубопроводі відведення збідненого газу з абсорбера.