Автоматизировать однокорпусную вакуумную выпарную установку

Вопрос. Автоматизировать кожухотрубный теплообменник

Схема кожухотрубного теплообменника

С неизменяющимся агрегатным состоянием веществ.

Рис.1.

· Технологический процесс: нагревание технологического потока G до температуры θ^вых с помощью теплоносителя G_т с неизменяющимся агрегатным состоянием.

· Показатель эффективности: θ^вых.

· Цель управления: поддержание θ^вых= θ_зд.

Математическое описание на основе физики процесса.

· Движение теплоносителей осуществляется противотоком при заданных θ_т^вх, θ_т^вых, θ^вых, θ^вх.

· Движущая сила процесса: (1),

где .

· Тепловая нагрузка аппарата: (2).

· Q(дж/с) позволяет определить G_т^эфф и G^эфф на основе тепловых балансов:

(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.

· Возможные управляющие воздействия: .

· Возможные контролируемые возмущения: .

· Возможные неконтролируемые возмущения: .

· Возможная управляемая переменная: .

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 V_труб - 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 q^вых в явном виде:

(13).

· Статическая характеристика линейна по каналам: .

· Статическая характеристика нелинейна по каналу .

· Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к G введением стабилизации соотношения расходов: , тогда получим:

(14).

· Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора:

(15).

· Линеаризованное представление приращения выходной переменной через приращения всех возможных входных переменных:

(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.

Регулирование.

· Регулирование температуры по подаче теплоносителя G_т - как показателя эффективности процесса нагревания в кожухотрубном теплообменнике.

Контроль.

· расходы - G_т, G;

· температуры - ;

· давление - Р_т, Р.

Сигнализация.

· существенные отклонения q^вых от задания;

· резкое падение расхода технологического потока G¯ , при этом формируется сигнал «В схему защиты».

Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключается магистраль подачи теплоносителя G_т.

Процесса ректификации.

1. Регулирование.

· Регулирование θ_в=f(c_д) по подаче флегмы - косвенное регулирование показателя эффективности процесса c_д.

· РегулированиеP_впо подаче хладоагента G_хл - обеспечивает материальный баланс по паровой фазе.

· Регулирование h_фл по отбору флегмы G_фл - обеспечивает материальный баланс по жидкой фазе верха колонны.

· Регулирование h_кпо отбору кубового продукта G_к - обеспечивает материальный баланс по жидкой фазе низа колонны.

· Стабилизация расхода питания G_п - обеспечивает:

- материальный баланс по всему веществу,

- снятие наиболее существенных возмущений,

- заданное положение рабочей области колонны;

- стабилизацию производительности установки.

· Стабилизация расхода греющего пара G_гр- обеспечивает:

- тепловой баланс установки;

- стабилизацию G_y0 .

· Регулирование θ_п⁰ по подаче G_т обеспечивает:

- заданное положение рабочей линии;

- эффективность процесса разделения;

- тепловой баланс

Контроль.

· Температуры и расходы всех исходных потоков.

· Температуры - θ_в, θ_н, θ_кв, θ_кн, θ_п0.

· Давление - Р_в, Р_н.

· Уровень - h_фл, h_к.

· Концентрации - с_д или с_к .

Сигнализация.

· существенные отклонения h_фл, h_к, θ_в от заданий:

· повышение ;

резкое снижение или прекращение подачи потока питания .

Автоматизировать однокорпусную вакуумную выпарную установку

Процесс выпаривания. Широко применяется в технологии пищевых и неорганических продуктов. Основные принципы управления процессом выпаривания рассмотрим на примере однокорпусной выпарной установки естественной циркуляции с выносным кипятильником (см. рисунок 8.22). Цель управления - поддержание определенного значения концентрации вещества в упаренном растворе.

Рисунок 8.22 – Автоматизация процесса выпаривания

Основные возмущающие воздействия: изменение концентрации свежего раствора, колебания расхода раствора, изменение расхода теплоносителя. Анализ объекта регулирования показывает , что цель управления может быть достигнута путем регулирования расхода свежего раствора в зависимости от концентрации упаренного раствора. Причем концентрация упаренного раствора измеряется по разности между температурами кипения раствора и растворителя (температурной депрессии). (Регулятор ТС).

Дополнительно следует регулировать давление паров растворителя, уровень упаренного раствора и расход теплоносителя. При этом давление однозначно связано с температурой паров растворителя. Стабилизация уровня позволяет выполнить требование поддержания материального баланса. Возмущающее воздействие со стороны расхода теплоносителя компенсируются стабилизацией его (контур FC).

1.1 Краткое описание технологического процесса

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара.

Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Греющий пар из теплообменника подается в межтрубное пространство греющей камеры. Конденсат отводится снизу камеры. Выпариваемый раствор, предварительно нагретый до температуры кипения в выносном теплообменнике, поступает в пространство над трубками и опускается по циркуляционной трубе вниз. Затем раствор вскипает. Очищенный вторичный пар удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор удаляется из нижней части аппарата.

При однокорпусном выпаривании раствор выпаривается от исходной до конечной концентрации в одном и том же аппарате. Однокорпусное выпаривание применяют либо в небольших по масштабу производствах, либо при агрессивных растворах, требующих для изготовления аппарата дефицитных материалов, либо если экономия пара не имеет существенного значения.

Показателем эффективности процесса является концентрация упаренного раствора. Цель управления выпарной установки состоит в получении раствора заданной концентрации, а также в поддержании материального и теплового балансов.

Расход свежего раствора можно стабилизировать или изменять для достижения цели управления процессом выпаривания, так как этот процесс в большинстве случаев является основным на производствах.

Концентрация свежего раствора определяется предшествующими технологическими процессами; её изменения будут сильными возмущениями для процесса выпаривания. Расход паров растворителя определяется параметрами исходного раствора, а также режимными параметрами в аппарате: температурой давлением, концентрацией раствора, интенсивностью подвода тепла.

Если предположить, что цель управления достигнута, т.е. концентрация упаренного раствора на выходе из аппарата постоянна и соответствует заданной, то между температурой и давлением в аппарате будет соблюдаться определенная зависимость. Поэтому достаточно стабилизировать только один из этих параметров. В большинстве случаев это- давление в аппарате, которое можно регулировать изменением отбора пара из аппарата. Интенсивность подвода тепла к кипятильнику определяется параметрами теплоносителя: расходом, температурой, давлением и энтальпией.

Концентрация упаренного раствора зависит от расхода, концентрации и температуры исходного раствора, расхода и давления греющего пара, давления в выпарном аппарате. В соответствии с целью управления схемой автоматизации предусматривают регулирование концентрации упаренного раствора. Концентрацию можно измерить кондуктометрическим методом, по плотности раствора, по показателю преломления света или по величине температурной депрессии раствора, т.е. по разности температур кипения раствора и растворителя. Последний метод вследствие простоты и наличия однозначной зависимости между концентрацией и температурной депрессией при постоянном давлении применяют довольно часто.

Концентрацию упаренного раствора можно регулировать изменением расхода раствора. При таких схемах регулирования количество поступающего исходного раствора определяется условиями работы выпарной установки. Не рекомендуется стабилизировать концентрацию упаренного раствора воздействием на подачу свежего раствора на установку. Вследствие большого запаздывания такая схема не обеспечит высокого качества регулирования

К наиболее сильным возмущающим воздействиям относятся изменения расхода теплоносителя. Эти возмущения компенсируют установкой стабилизирующего регулятора расхода. При целенаправленном изменении расхода теплоносителя в объект могут вноситься и регулирующие воздействия. Однако при этом может возникнуть «пленочное кипение», что неэкономично.

С изменением других параметров теплоносителя в объекте будут иметь место другие возмущения.

Анализ возмущающих воздействий в объекте управления показал, что часть параметров, определяющих концентрацию упаренного раствора, будет изменяться.

Чтобы при наличии возмущающих воздействий цель управления была достигнута, следует в качестве главной регулируемой величины брать концентрацию упаренного раствора, а регулирующее воздействие вносить изменением расхода свежего раствора.

1.3 Параметры автоматического контроля, сигнализации и защиты

Концентрацию упаренного раствора (Су.р.) определяют по разности между температурами кипения раствора и растворителя (по температурной депрессии). Температурная депрессия - разность между температурами кипения раствора и растворителя. О концентрации упаренного раствора можно судить и по плотности.

Итак, для достижения цели управления процессом следует регулировать температурную депрессию (изменением расхода свежего раствора); давление в аппарате (изменением расхода паров растворителя) и расход теплоносителя.

Для поддержания материального баланса в аппарате необходимо регулировать уровень раствора изменением расхода упаренного раствора.

В процессе выпаривания контролируют расходы свежего раствора, упаренного раствора, пары теплоносителя; температуру, давление и расход теплоносителя; давление и уровень в аппарате; температурную депрессию. Сигнализации подлежат отклонение концентрации Су.р. от заданного значения и прекращение подачи раствора. В последнем случае устройство защиты должно отключить линию теплоносителя для предотвращения порчи продукта и аварии.

1.4 Краткое описание заданного комплекса технических средств (КТС)

Регулирующий микропроцессорный контроллер Ремиконт заменяет пользователю набор из 64 одновременно работающих приборов.

В ремиконте могут быть задействованы до 64 алгоблоков, работающих независимо друг от друга либо образующих многосвязную систему. Каждый алгоритм настраивается на решение конкретной задачи с помощью коэффициентов (время интегрирования, уровень ограничения и т. п.).

Для автоматического управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, требующих многоканального, многосвязного, каскадного, супервизорного, программного управления, а также управления с переменной структурой в целях автоматизации нестационарных процессов, предназначен ремиконт типа.

Все управление ремиконтом ведется с помощью клавишей. Для представления информации оператору используются цифровые индикаторы и сигнализаторы на светодиодах.