![]() |
|
|
Автоматизация технологических процессов основных химических производствQ - объемный расход, м3/с; G - массовый расход, кг/с; S - площадь сечения потока, м2. . Зависимость между массовой и линейной скоростью: [pic] (20), где ( - плотность среды. . Рекомендуемые скорости: - для жидкостей в трубах диаметром 25-57мм от (1,5-2) м/c до (0,06-0,3) м/с. - Средняя рекомендуемая скорость для маловязких жидкостей составляет 0,2- 0,3 м/с. - Для газов при атмосферном давлении допускаются массовые скорости от 15- 20 до 2-2,5 кг/(м2*с), а линейные скорости до 25м/с; - для насыщенных паров при конденсации рекомендуются до 10 м/с. Тепловая нагрузка аппарата. . Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем Q1, затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя Q2 и на потери в окружающую среду Qпот.: Q1= Q2+ Qпот. (1) . Так как Qпот= 2-3%, то им можно пренебречь и считать: Q1 = Q2 = Q (2), где Q – тепловая нагрузка аппарата. . Уравнение теплового баланса 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. . Энтальпии теплоносителей: Ii=ci*(i (4). . Тепловой баланс аппарата при использовании теплоносителей, не изменяющих агрегатного состояния: 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. . Теплоноситель – насыщенный пар, который конденсируется и конденсат не охлаждается: (т = (нп =(кт . Gт (iт – iкт ) = Gт * срт *(т - Gт * сркт *(кт = Gт *rт. . Теплоноситель – пересыщенный пар, который конденсируется и конденсат не охлаждается: (т > (нп =(кт 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 . . Теплоноситель – пересыщенный пар, который конденсируется и конденсат охлаждается: (т > (нп > (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: [pic] (2). Выражения для определения коэффициента К в зависимости от способа передачи тепла. . При передаче тепла теплопроводностью К - это коэффициент теплопроводности (, определяемый на основе закона Фурье: [pic] (3) . При конвективном теплообмене К - это коэффициент теплоотдачи (, определяемый на основе закона Ньютона: [pic] (4), . При передаче тепла путем излучения К - коэффициент взаимного излучения с1-2 излучающих тел: K=с1-2 = (пр*K0*108 = [pic] (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. [pic] Рис.1. График изменения температуры среды при прямотоке. [pic] Рис.2 . [pic] (1), . При (?tмакс/?tмин) < 2: [pic] (2). . При [pic]: [pic] (3). Движущая сила при противотоке теплоносителей. Схема противоточного движения теплоносителей. [pic] Рис.3. График изменения температур при противотоке. [pic] Рис.4. . [pic] (1). Затем используют те же соотношения (2) и (3), что и для прямотока, для определения средней движущей силы процесса. Материалы к лекции №7 Автоматизация кожухотрубных теплообменников Схема кожухотрубного теплообменника с неизменяющимся агрегатным состоянием веществ. [pic] Рис.1. . Технологический процесс: нагревание технологического потока G до температуры ?вых с помощью теплоносителя Gт с неизменяющимся агрегатным состоянием. . Показатель эффективности: ?вых. . Цель управления: поддержание ?вых= ?зд. Математическое описание на основе физики процесса. . Движение теплоносителей осуществляется противотоком при заданных ?твх, ?твых, ?вых, ?вх. . Движущая сила процесса: [pic] (1), где [pic]. . Тепловая нагрузка аппарата: [pic] (2). . Q(дж/с) позволяет определить Gтэфф и Gэфф на основе тепловых балансов: [pic] (3а); [pic] (3б); [pic] [pic] (4а); [pic] (4б). Эффективное время пребывания: [pic]. (5). Математическое описание на основе теплового баланса. Уравнение динамики: [pic] (6). Уравнение статики при [pic]: [pic] (7) На основании (6) и (7) можно принять:[pic]. (8). Информационная схема объекта. [pic] Рис.2. . Возможные управляющие воздействия:[pic]. . Возможные контролируемые возмущения: [pic]. . Возможные неконтролируемые возмущения: [pic]. . Возможная управляемая переменная: [pic]. Анализ динамических характеристик объекта. Уравнение динамики в нормализованном виде. [pic] (9). На основе этого уравнения динамики объект по каналу [pic] описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка: [pic] (10), где: [pic]; [pic]. Объект имеет транспортное запаздывание: [pic] (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: [pic] (12). Анализ статической характеристики объекта. Из уравнения статики выразим (вых в явном виде: [pic] (13). . Статическая характеристика линейна по каналам: [pic]. . Статическая характеристика нелинейна по каналу [pic]. . Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к G введением стабилизации соотношения расходов: [pic], тогда получим: [pic] (14). . Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора: [pic] (15). . Линеаризованное представление приращения выходной переменной через приращения всех возможных входных переменных: [pic] (16). Типовая схема автоматизации кожухотрубного теплообменника. [pic] Рис.3. Типовое решение автоматизации. Типовое решение автоматизации кожухотрубных теплообменников включает в себя подсистемы регулирования, контроля, сигнализации и защиты. 1. Регулирование. . Регулирование температуры[pic] по подаче теплоносителя Gт - как 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 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
|
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, сочинения, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое. |
||
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна. |