Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация технических процессов в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

потребителю

рис. 4.5. Схема регулирования центробежного компрессора путем перепуска

газа по байпасной линии.

Рис. 4.6. Типовая схема автоматизации процесса смешения жидкостей:

1 — емкость; 2 — механическая мешалка.

держивать расход газа выше критического независимо от по-

требления.

В том случае, если сжимаемый газ ядовит или дорог и регу-

лирование данным методом неприемлемо, используют методы

дросселирования газа по байпасному трубопроводу или отклю-

чения компрессора от сети. Последний метод можно применять

только при наличии нескольких компрессоров, работающих па-

раллельно, или ресивера большой емкости, установленного на

нагнетательной линии.

Регулирование работы дозировочных насосов. Дозировочные

насосы находят широкое применение в промышленности для до-

зирования и смешения небольших количеств растворов, суспен-

зий и сжиженных газов. Производительность таких насосов

можно регулировать изменением числа ходов поршня (штока$

или длины хода поршня.

Смешение жидкостей

Типовое решение автоматизации. При разработке типового реше-

ния под объектом управления будем понимать емкость с механи-

ческой мешалкой, в которой смешиваются две жидкости

(рис. 4.6). В качестве показателя эффективности процесса пере-

мешивания примем концентрацию какого-либо компонента в

смеси, а целью управления будет получение смеси с определен-

ной концентрацией этого компонента.

Зависимость показателя эффективности от параметров про-

цесса можно вывести из уравнения материального баланса по

искомому компоненту:

gcmc

= g

+ g

где G

, GA, Gб—расходы соответственно смеси, жидкости А и жидко-

сти Б; С см — концентрация искомого компонента в смеси; Са, Сб — концент-

рация искомого компонента соответственно в жидкостях А и Б.

.139

Учитывая, что расход G

в установившемся режиме равен

сумме расходов G

и GБ, И решая это уравнение относительно

концентрации С

см

, получим:

aCA +

Ссм

+ GB

С изменением расходов G

и СБ В объект будут поступать

возмущающие воздействия. Если между предыдущими процес-

сами и процессом смешения установить емкости, то можно целе-

направленно изменять один из этих расходов с целью поддержа-

ния концентрации С

см

на заданном значении. Более эффективно

изменять расход той жидкости, в которой концентрация искомо-

го компонента выше.

Концентрации С

и С Б определяются технологическими ре-

жимами предыдущих процессов, поэтому стабилизировать или

изменять их для достижения цели управления невозможно.

Итак, в смеситель могут поступать возмущающие воздейст-

вия, поэтому следует регулировать непосредственно концентра-

цию С см, внося регулирующие воздействия изменением одного из

расходов G

ИЛИ G

В смесителе необходимо иметь определенный объем жидко-

сти. Существенное изменение объема жидкости может привести

к переполнению аппарата или его опорожнению, при этом про-

цесс смешения становится невозможным. Показателем объема-

жидкости является уровень в аппарате, поэтому его необходимо

стабилизировать. Уровень жидкости зависит от расходов G

, G б

©см. Если расход G

определяется ходом последующего процес-

са, то его нельзя ни стабилизировать, ни использовать для внесе-

ния регулирующих воздействий. Один из расходов д

или GБ

(например, G

), как уже сказано, будет использоваться для вне-

сения регулирующих воздействий при регулировании концентра-

ции С см- Следовательно, единственным каналом для внесения

регулирующих воздействий при стабилизации уровня является

другой расход (G

). Отметим, что осуществляя регулирующие

воздействия, регулятор уровня создает возмущения для регуля-

тора концентрации С

см

Для успешной эксплуатации смесителя, оперативного управ-

ления им и подсчета технико-экономических показателей следует

контролировать концентрацию С

СМ

, расходы G

, GБ И G

, уро-

вень жидкости в смесителе и количество энергии, потребляемой

приводом мешалки. При значительном отклонении концентра-

ции С

см

и уровня в смесителе от заданных значений должен

быть подан сигнал. При достижении критического значения

уровня подача жидкости должна быть прекращена.

Регулирование уровня путем изменения расхода смеси. Если

расход смеси не обусловлен ходом последующего технологиче-

ского процесса, то его нужно использовать для регулирования

уровня в смесителе; изменением расхода одной жидкости под-

МО

Жидкость А Жидкость Б

Рис. 4.7. Схема регулирования процесса смешения при значительных измене-

ниях расхода одной из жидкостей.

держивать постоянной концентрацию С

СШ

, а расход другой ста-

билизировать.

Регулирование с помощью регулятора соотношения. Если

расход одной жидкости сильно изменяется, то для улучшения

качества регулирования следует использовать регулятор соотно-

шения расходов жидкостей с коррекцией по концентрации смеси

С см (рис. 4.7). Регулирование соотношения расходов жидкости

компенсирует возмущения по расходу жидкости Б путем измене-

ния расхода жидкости А до того, как изменится концентрация

см

. Если по каким-либо причинам концентрация С

см

все же из-

менится, например при изменении концентрации искомого ком-

понента в жидкостях А и Б, то изменится задание регулятору

соотношения.

При постоянных концентрациях компонента в жидкостях А

и Б возможно регулирование соотношения расходов без автома-

тической коррекции величины соотношения.

Регулирование барботажных смесителей. Перемешивание

жидкости в барботажных смесителях осуществляется с помощью

сжатого воздуха. Для нормальной работы таких смесителей не-

обходимо дополнительно к рассмотренным выше регуляторам

установить регулятор давления воздуха, подаваемого в барбо-

тер. При постоянном давлении воздуха обеспечивается равно-

мерное распределение одной жидкости в другой.

Отстаивание жидких систем

Типовые решения автоматизации. Основные принципы управле-

ния при автоматизации процессов отстаивания рассмотрим на

примере отстойника со скребковым устройством (рис. 4.8). Про-

цессы отстаивания проводятся, как правило, с целью полного

извлечения твердой фазы (ценного продукта) из жидкости, по-

этому показателем эффективности процесса будем считать кон-

центрацию твердой фазы в осветленной жидкости, а целью уп-

.141

Исходная суспензия

Зона

осаждения-

Граница

{

аздела

схему

защиты

Рис. 4.8. Типовая схема автоматизации процесса отстаивания:

/ — отстойник; 2 — переливное устройство; 3— мешалка; Б — момент на валу электро-

двигателя; в — мутность жидкости.

равления — поддержание ее на заданном (минимально возмож-

ном для данных производственных условий) значении.

В объект управления процесса разделения могут поступать

многочисленные возмущающие воздействия: изменение расхода

суспензии, плотностей твердой и жидкой фаз, концентрации и

вязкости суспензии, дисперсности (гранулометрического соста-

ва) твердой фазы. Все эти возмущения определяются технологи-

ческим режимом предыдущего процесса, поэтому устранить их

при управлении процессом отстаивания невозможно. Особенно

сильными возмущениями являются изменения расхода суспензии

и концентрации твердой фазы в ней.

Рассмотрим, каким образом при наличии перечисленных воз<

мущений можно достичь цели управления. На твердую частицу

суспензии в отстойнике действуют одновременно сила инерции

и силы тяжести. Поэтому истинное значение скорости V движу-

щейся частицы является результирующей горизонтальной состав-

ляющей скорости V

и вертикальной составляющей V

, а поло-

жение частицы определяется отношением этих скоростей: если

Vb<^V

, то частица оседает в бункер отстойника; если же

V^Vb, то частица уносится в выходной патрубок. Скорость

осаждения V

частиц, имеющих шарообразную форму, для высо-

коконцентрированных суспензий может быть рассчитана по урав-

нению

У-в

= 0,07

dg (рт— Рж) £

(А

(1-8)

где d — диаметр частицы; g — ускорение свободного падения; рт, рж — плот-

ность соответственно твердой и жидкой фаз;

— объемная доля жидкости в

суспензии; |х — динамическая вязкость суспензии.

Анализ уравнения показывает, что скорость У

является пере-

менной величиной, зависящей от изменяющихся во времени па~

.142

раметров: диаметра частиц, концентрации твердой фазы, плот-

ностей фаз, динамической вязкости суспензии. Стабилизировать

скорость невозможно, так как все перечисленные параметры

определяются предшествующим процессом. Для того чтобы при

изменяющейся скорости осаждения V

частицы успевали оседать

в бункер, подбирают такие значения расхода суспензии и диа-

метра отстойника, которые обеспечивают нужное соответствие

скоростей V

И V

. Необходимость в непосредственном регулиро-

вании показателя эффективности процесса при этом отпадает.

Уровень жидкости в отстойнике поддерживается постоянным

за счет свободного перелива осветленной жидкости.

В отстойнике необходимо поддерживать на постоянной высо-

те границу раздела зон осаждения и уплотнения. Эта высота

зависит от расхода сгущенной суспензии, поэтому регулирую-

щее воздействие вносится изменением степени открытия специ-

альных клапанов (для высоковязких жидкостей) на линии сгу-

щенной суспензии.

В качестве контролируемых величин принимают расходы ис-

ходной и сгущенной суспензий, осветленной жидкости, а также

мутность осветленной жидкости, которая является косвенным

параметром, характеризующим показатель эффективности и

плотность сгущенной суспензии. Контролируется, кроме того,

уровень границы раздела зон при помощи гидростатического

приемника с непрерывной промывкой. Работа механической ча-

сти отстойников контролируется путем непосредственного изме-

рения момента на валу двигателя. Можно проводить контроль

и по косвенному параметру — мощности, потребляемой приводом

электродвигателя. Перегрузка электродвигателя сигнализирует-

ся. В случае повышенных перегрузок дается сигнал в схему за-

щиты. Сигнализации подлежит также повышение мутности ос-

ветленной жидкости.

Регулирование изменения расхода суспензии. В отдельных

случаях расход исходной суспензии не зависит от предшествую-

щего технологического процесса; тогда его можно изменять, ста-

билизируя мутность осветленной жидкости, т. е. уменьшать при

увеличении мутности выше заданного значения и увеличивать

при ее уменьшении. При отсутствии датчика мутности расход

суспензии стабилизируют, что приводит к ликвидации одного из

самых сильных возмущений.

Регулирование плотности сгущенной суспензии. В ряде от*

стойников проводится процесс сгущения суспензии до заданного

содержания твердой фазы (влажность осадка при отстаивании

может колебаться от 35 до 55%); при этом содержание твер-

дой фазы в сливе приобретает второстепенное значение. В этом

случае идут по пути регулирования плотности сгущенной сус-

пензии изменением ее расхода.

В отдельных технологических схемах при повышенных требо-

ваниях к концентрации твердой фазы в сгущенной суспензии

применяют рециркуляцию части сгущенной суспензии из проме-

.143

Суспензия

Осветленная

Рис. 4.9. Схемы регулиро-

вания плотности сгущенной

суспензии с рециркуляцией:

1 — отстойник; 2 — промежуточ-

ная емкость; 3 — регулирующее

устройство перераспределения

расходов.

жидкость

Сгущенная

.суспензия

жуточной емкости. В этих случаях плотность регулируют путем

изменения коэффициента рециркуляции, т. е. отношения расхода

циркулирующей жидкости к общему расходу сгущенной суспен-

зии (рис. 4.9).

Регулирование подачи коагулянта. Для лучшего отстаивания

некоторых веществ в суспензию добавляют коагулянт — вещест-

во, способствующее коагулированию (укрупнению) твердой

фазы. Расход коагулянта изменяют в зависимости от высоты

границы раздела между зонами уплотнения и осаждения или в

зависимости от расхода исходной суспензии.

Регулирование режима работы гребкового механизма. Плот-

ность осадка можно регулировать и по косвенному параметру —

нагрузке на валу гребкового устройства, которая связана пря-

мой зависимостью с плотностью сгущенной суспензии в нижней

части отстойника. Регулятор нагрузки в этом случае последова-

тельно воздействует сначала на исполнительный механизм на

магистрали сгущенной суспензии, а затем на привод подъема

гребков. При перегрузке привода происходит подъем скребково-

го устройства, и наоборот.

Управление процессом противоточного отстаивания. В случае

если один отстойник не справляется с поставленной задачей,

устанавливают несколько аппаратов, соединяя их по противо-

точной схеме. Такую схему применяют, например, на калийных

предприятиях. Степень извлечения твердой фазы, обеспечивае-

мая всей схемой, во многом определяется работой первого от-

стойника, поэтому для управления процессом отстаивания в нем

регулируют плотность сгущенной суспензии и высоту раздела

зон (подачей коагулянта); контролируют расход суспензии и

щелоков, мутность осадка. Требования к работе следующих от-

стойников менее жесткие, поэтому на них установлены только

регуляторы плотности сгущенной суспензии, а расход коагулян-

та изменяется вручную.

Управление отстойником периодического действия. В про-

мышленности находят применение отстойники периодического

действия, в которых выгрузка осадка является отдельной опера-

цией. Для автоматического перевода отстойника с режима от-

стаивания на режим выгрузки на определенной высоте аппарата

устанавливают датчик прозрачности, который дает сигнал на за-

крытие трубопровода исходной суспензии и включение откачи-

вающего насоса.

.144

Центрифугирование жидких систем

Типовое решение автоматизации. В качестве объекта управле-

ния при автоматизации процесса центрифугирования рассмотрим,

центрифугу непрерывного действия (рис. 4.10). Полученный в

результате центрифугирования осадок в дальнейшем, как пра-

вило, поступает в сушилку, энергетические затраты которой оп-

ределяются в основном влажностью осадка, поэтому при уп-

равлении центрифугами ставится задача получения заданной

(минимально возможной при данных условиях) влажности осад-

ка (она может колебаться, например, при отстойном центрифу-

гировании от 10 до 30%). Это и будет являться целью управ-

ления.

В реальных условиях производства в центрифугу поступают

многочисленные возмущения в виде изменения гранулометриче-

ского состава твердого вещества, начальной концентрации его

в суспензии, вязкости жидкой фазы и т. д. Наиболее сильным

возмущающим воздействием является изменение подачи суспен-

зии. В частности, увеличение расхода суспензии ведет к вымы-

ванию части осадка из центрифуги и повышению его влажности,

а уменьшение расхода нарушает равномерность слоя осадка и

приводит к сильной вибрации ротора.

Для того чтобы при наличии многочисленных возмущений

достигалась цель управления, устанавливают центрифуги с вы-

сокой разделяющей способностью. Разделяющая способность оп-

ределяется фактором разделения Ф:

где

— радиус барабана центрифуги (постоянная величина); п — частота

вращения ротора (число оборотов в единицу времени); g— ускорение сво-

бодного падения.

Анализ формулы показывает, что изменением числа оборо-

тов п в объект можно вносить сильные регулирующие воздейст-

вия. Однако в современных центрифугах в качестве привода ис-

пользуют, как правило, асинхронные электродвигатели с посто-

янным числом оборотов вала. К тому же в настоящее время от-

ф = n

rn?/900g

Рис. 4.10. Типовая схема

автоматизации процесса

центрифугирования:

/ — барабан центрифуги; Б —

момент на валу электродвигате*

ля; z — уровень вибрации.

Сус

схемд

.защиты

10-581

145

-сутствуют высококачественные датчики влажности конечного

продукта. В связи с этим выбирают электродвигатель с таким

числом оборотов п, при котором даже при значительных возму-

щающих воздействиях центрифуга обеспечивала бы заданную

влажность осадка.

Для компенсации сильных возмущений, вызванных измене-

нием расхода суспензии, предусматривается узел стабилизации

этого параметра. Для поддержания материального баланса в

центрифуге не требуется установка регуляторов, так как уро-

вень фугата и осадка поддерживается путем их свободного уда-

ления из аппарата. Стабилизация расхода суспензии и соблюде-

ние баланса обеспечивают постоянную производительность цент-

рифуги.

В связи с высокими скоростями вращения центрифуг, боль-

шим потреблением энергии, а также возможностью неравномер-

ного распределения материала в барабане центрифуги особое

внимание уделяется контролю, сигнализации и защите парамет-

ров центрифугирования. Контролируются расходы суспензии и

фугата, мутность фугата, количество потребляемой электродви-

гателем энергии. При перегрузке электродвигателя срабатывает

сигнализация. Контролю и сигнализации подлежат также давле-

ние масла в системе смазки и температура подшипников, при-

чем при резком падении давления и повышении температуры

должны сработать устройства защиты, отключающие центрифу-

гу. Отключение должно производиться и в случае вибрации ба-

рабана, являющейся признаком неравномерного распределения

материала в центрифуге.

Регулирование отстойных центрифуг. Изменяя продолжи-

тельность отстаивания и осушки осадка в отстойных центрифу-

гах, в объект можно вносить сильные регулирующие воздейст-

вия. В соответствии с результатами лабораторных анализов

влажности осадка производят изменение длительности указан-

ных операций путем изменения числа ходов поршня при выгруз-

ке осадка пульсирующим поршнем или же изменения числа обо-

ротов шнека в шнековых центрифугах. Реже регулирующие воз-

действия вносятся изменением степени открытия разгрузочных

окон.

Управление центрифугами периодического действия. Центри-

фуги периодического действия в связи с простотой конструкции

находят широкое применение в промышленности. Регулирующие

воздействия в них могут быть внесены путем изменения про-

должительности отдельных операций в зависимости от влажно-

сти осадка. Однако на практике ввиду отсутствия датчиков

влажности процесс ведут по жесткой временной программе

с помощью командного прибора (рис. 4.11). На него поступают

сигналы от датчика загрузки 6 барабана 1 центрифуги и конеч-

ных выключателей положений ножа 2, служащего для срезания

осадка и приводимого в движение масляным исполнительным

механизмом 3. При срабатывании датчика загрузки командный

.146

рис. 4.11. Система управления пе-

риодической центрифугой:

1 — барабан; 2 — нож; 3 — пополнительный

механизм; 4 — маслораспределитель; 5 —

переключающее устройство; 6—датчик за-

грузки; 7, 8 — запорные клапаны.

прибор формирует сигнал «а

закрытие клапана 7; операция

загрузки при этом прекраща-

ется. Длительность следующих

операций (подсушки и про-

мывки) устанавливается вруч-

ную с помощью задатчиков времени командного прибора и обес-

печивается срабатыванием клапана 8. На некоторых центрифу-

гах поочередно осуществляется несколько операций подсушки

и промывки с различной'выдержкой. Заданные последователь-

ность и длительность их также выдерживается командным при-

бором. По завершении этих операций прибор выдает импульс

на переключающее устройство 5 маслораспределителя 4, кото-

рый с помощью исполнительного механизма 3 приводит в дви-

жение нож 2. Начинается операция выгрузки твердого продукта

из барабана 1. Движение ножа продолжается до крайнего по-

ложения, что обеспечивается конечным выключателем КВ1. По

его команде происходит обратное движение ножа до срабаты-

вания второго конечного выключателя — КВ2; начинается но-

вая загрузка или же вновь открывается магистраль промывной

воды для регенерации сетки барабана 1. Далее цикл повторя-

ется.

В качестве параметра, характеризующего степень загрузки,

может использоваться уровень суспензии в барабане. Чувстви-

тельным элементом уровня является пластинка, контактирующая

с верхним слоем жидкости в нем. При изменении положения

этого слоя пластинка поворачивается вместе с валом, на кото-

ром установлен кулачок. Положение последнего преобразуется

в аналоговый или дискретный сигнал, соответствующий уровню

жидкости. Таким же способом можно контролировать и уровень

твердого осадка; тогда в качестве чувствительного элемента ис-

пользуется гребенка, представляющая собой сопротивление

только для твердой фазы.

В промышленности для контроля загрузки используют так-

же емкостные датчики, измеряющие электрическую емкость

между датчиком и уровнем суспензии в барабане или его стен-

кой, датчики скорости вращения барабана и мощности привод-

ного электродвигателя.

Регулирование скорости вращения центрифуг периодического

действия. Значительного улучшения эксплуатационных характе-

ристик центрифуг периодического действия можно добиться

путем изменения скорости вращения ротора при осуществлении

различных операций, так как каждой из них соответствует своя

10*

147

Суспензия

Фильтрат

Рис. 4.12. Типовая схе-

ма автоматизации про-

цесса фильтрования жид-

ких систем:

/ — барабан (диск); 2 — ван-

на; Б — момент на валу

вакуум- электродвигателя.

т>/7 иния

защиты

оптимальная скорость. Для этой цели в качестве привода цент-

рифуги применяют специальные электродвигатели и командные

устройства, работающие по жесткой программе.

Фильтрование жидких систем

Типовое решение автоматизации. При исследовании процесса

фильтрования жидких неоднородных систем рассмотрим в ка-

честве объекта управления барабанный (дисковый) вакуум-

фильтр (рис. 4.12). Фильтровальные аппараты устанавливают,

как правило, с той же целью, что и центрифуги, поэтому и цели

управления в обоих случаях совпадают. То же можно сказать

и о возмущающих воздействиях, а также о выборе таких техно-

логических и конструктивных параметров установки, которые

обеспечили бы минимально возможную (для конкретных усло-

вий) влажность осадка. Устройства регулирования устанавлива-

ют на данном объекте только для обеспечения определенной про-

изводительности по осадку. Эта производительность для вы-

бранного типа фильтра может быть выражена следующим об-

разом:

где К — постоянный коэффициент; АР — разность давлений до и после фильт-

ровальной ткани; С

. с — масса твердых частиц на единицу объема жидкости

исходной суспензии; С

. о — объем жидкости в осадке на единицу массы

твердых частиц; п — частота вращения барабана (диска); I — часть барабана

(диска), погруженная в жидкость (определяется уровнем суспензии в ван-

не); т) — кинематическая вязкость жидкости; а — среднее удельное сопротив-

ление осадка.

Как следует из уравнения, производительность 1/

пропорцио-

нальна (АРя/)

. Параметры АР и п не изменяются при исполь-

зовании асинхронных двигателей в качестве привода вакуум-на-

соса и барабана (диска). Поэтому единственным параметром,

который следует стабилизировать, будет /, т. е. уровень суспен-

зии в ванне. Регулирующим воздействием в данном случае слу-

жит изменение расхода суспензии. i

т с

о)] nl

.148