Лекция №12 Автоматизация процесса выпаривания. Движущая сила процесса выпаривания

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Движущая сила процесса выпаривания.

2. Математическое описание статики процесса выпаривания.

3. Информационная схема объекта управления.

4. Типовая схема автоматизации.

· Движущей силой процесса выпаривания является полезная разность температур Dq_полезн:

Dq_полезн = q_т - q_{раствора}^кип. (1)

· Общая разность температур Dq_общ в процессе:

Dq_общ = q_т - q_{растворителя}^кип. (2)

· Общая разность температур Dq_общ больше полезной разности температур Dq_полезн на величину потерь SD:

Dq_полезн = Dq_общ - SD. (3)

· Величина потерь SD в процессе выпаривания:

SD = D_г + D_д + D_гп, (4)

где - D_г потери за счет гидростатического эффекта; D_д - температурная депрессия; D_гп - потери температуры за счет гидравлических потерь в трубопроводе.

· На основании выражений (2) и (4) выражение (3) примет вид:

Dq_полезн = q_т - q_{растворителя}^кип -(D_г + D_д + D_гп). (5)

Температурная депрессия.

· Определение D_д на основании (1) и (5):

D_д = q_{раствора}^кип - q_{растворителя}^кип. (6)

· Определение D_д по диаграммам «Р - q».

Рисунок 1 - Диаграмма «Р - q» для растворов и растворителей

· Из диаграммы следует, что при P=const D_д = q_р-ра^кип - q_р-ля^кип

1- греющая камера; 2 - выпарной аппарат;

3 - брызгоулавливатель; 4 - циркуляционная труба

Рисунок 2 -Схема выпарной установки естественной циркуляции

с вынесенной греющей камерой

· 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 G_п. Выделенная брызгоулавливателем жидкая фаза из паров растворителя возвращается в кипятильник 1 по циркуляционной трубе 4. Сконцентрированный раствор в виде потока G_к выводится из низа сепаратора.

· Показатель эффективности процесса - концентрация концентрированного раствора с_к.

· Цель управления - обеспечение с_к = с_к^зд (на максимально возможном для данной установки значении).

Материальный баланс по растворенному веществу.

Уравнение динамики:

. (1)

Уравнение статики :

. (2)

Из выражений (1) и (2) следует:

. (3)

Предпочтительное управляющее воздействие: G_р.

Тепловой баланс выпарной установки.

Уравнение динамики процесса выпаривания:

. (5)

Уравнение статики при :

. (6)

В выражениях (5) и (6) принято:

· ;

· ;

· - количество испаряемого растворителя;

· - удельные теплоемкости исходного и концентрированного растворов, которые не починяются закону аддитивности;

· ,

где Dq - тепловой эффект растворения, определяемый на основании закона Гесса:

,

где q_н и q_к - интегральные теплоты растворения в начале и конце процесса.

· На основании (5) и (6):

. (7)

Предпочтительные управляющие воздействия:

· для обеспечения теплового баланса процесса - расход теплоносителя G_т;

· для косвенного регулирования показателя эффективности процесса - расход исходного раствора G_р.

В типовом решении автоматизации:

· для косвенного регулирования показателя эффективности процесса выпаривания используют не температуру в аппарате, а температурную депрессию:

.

Материальный баланс по жидкой фазе (для раствора).

Уравнение динамики:

. (8)

Уравнение статики:

. (9)

На основании (8) и (9):

. (10)

Предпочтительное управляющее воздействие - G_к.

Материальный баланс по паровой фазе (для раствора).

Уравнение динамики:

, (11)

где М_п - мольная масса паровой фазы (растворителя), кг/моль;

Р_п - давление в сепараторе, Па;

q_п = q_к =q_апп - температура в сепараторе, К,

V_п - объем паровой фазы в сепараторе, м³.

Уравнение статики:

. (12)

На основании (11) и (12):и предпочтительное управляющее воздействие G_п.

Материальный баланс по жидкой фазе (для теплоносителя).

Уравнение динамики:

, (14)

Уравнение статики:

. (15)

На основании (14) и (15):

. (16)

Предпочтительное управляющее воздействие - G_кт.

Материальный баланс по паровой фазе (для теплоносителя).

Уравнение динамики:

, (17)

где М_п - мольная масса теплоносителя, кг/моль;

Р_т ^мтр - давление теплоносителя в межтрубном

пространстве кипятильника, Па;

q_т - температура теплоносителя, К,

V_т^мтр - объем паровой фазы теплоносителя в

межтрубном пространстве кипятильника, м³.

Уравнение статики:

. (18)

На основании (17) и (18):

. (19)

Предпочтительное управляющее воздействие G_т.

Рисунок 3 - Информационная схема процесса выпаривания

· Возможные управляющие воздействия:.

· Возможные контролируемые возмущения: .

· Возможные неконтролируемые возмущения: - удельные теплоемкости потоков с_рi и теплота испарения растворителя r_п.

· Возможные управляемые переменные: .

· На основании рис.3 выпарная установка является сложным многосвязным объектом по возможным управляющим воздействиям .

Рисунок 4 - Типовая схема автоматизации процесса выпаривания

Типовое решение автоматизации процесса выпаривания.

1. Регулирование.

· Регулирование температурной депрессии Δ_д по подаче исходного раствора G_р - как параметра, косвенно характеризующего показатель эффективности процесса выпаривания с_к.

· Регулирование давления в сепараторе Р_п^апп по отбору паров растворителя G_п - для обеспечения материального баланса по паровой фазе.

· Регулирование уровня в сепараторе h_к по отбору концентрированного раствора G_к - для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.

· Стабилизация расхода теплоносителя G_т - для обеспечения теплового баланса установки

2. Контроль.

· расходы - G_т, G_р, G_к, G_п;

· температуры - ;

· давление - Р_п ^апп, Р_т;

· уровень концентрированного раствора в аппарате - h_к;

3. Сигнализация.

· существенные отклонения от задания;

· Прекращение подачи исходного раствора G_р, при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - открывается магистраль G_п, отключается подача теплоносителя и отбор концентрированного раствора.

Дата добавления: 2014-01-07