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

Подождите немного. Документ загружается.

Серьезной опасностью при работе вакуум-фильтров являет-

ся прорыв фильтровальной ткани, так как через отверстия в ней

будет теряться целевой продукт. Для предотвращения таких

ситуаций устанавливают датчики мутности фильтрата, а также

устройства сигнализации и защиты. Кроме того, на вакуум-

фильтре устанавливают еще один датчик сигнализации и защи-

ты— датчик перегрузки электродвигателя барабана.

Контролю подлежат расходы суспензии и фильтрата, уро-

вень жидкости в ванне, разрежение в вакуум-линии, перепаддав-

ления до и после фильтровальной ткани, мутность фильтрата,

мощность электродвигателя.

Регулирование толщины осадка. Толщина осадка является

важнейшим режимным параметром. Увеличение толщины при-

водит к значительному повышению влажности осадка, поэтому

целесообразна стабилизация данного параметра. С этой целью

регулирующие воздействия могут быть внесены как изменением

вакуума, так и изменением скорости вращения барабана. Необ-

ходимо отметить узкий диапазон возможных регулирующих воз-

действий в последнем варианте, что связано с увеличением

влажности осадка при значительном повышении скорости вра-

щения.

Фильтрование газовых систем

Типовое решение автоматизации рассматривается на примере

рукавного фильтра с импульсной продувкой (рис. 4.13). Рукав-

ные фильтры устанавливают, как правило, для полной очистки

Рис. 4.13. Типовая схема автоматизации процесса фильтрования газовых си-

стем:

i — корпус фильтра; 2 — рукава; 3 — сопла импульсной продувки; 4 — шнек.

.149

газа от твердых веществ, являющихся ценным продуктом. По-

этому показателем эффективности процесса будем считать кон-

центрацию твердого вещества в газе на выходе из фильтра,,

а целью управления — поддержание его на заданном (минималь-

но возможном для данных условий) значении.

Процесс фильтрования газовых сред во многом аналогичен

процессу фильтрования жидких систем. В частности, аналогич-

ны возмущающие воздействия и возможности их ликвидации..

В рукавные фильтры дополнительно могут поступать возмуще-

ния по каналу сжатого воздуха, подаваемого в сопла для реге-

нерации. Определенные сложности при автоматизации рукавных

фильтров создает отсутствие в настоящее время надежных кон-

центратомеров пыли. В связи с этим .регулируют перепад дав-

ления АР в камерах загрязненного и очищенного газа, который

наиболее полно отражает ход процесса:

АР = А р

+ GyiW/(Kpg)

где АР

— перепад давления, обусловленный фильтрующей тканью и неуда-

ляемыми частицами пыли; G — масса пыли, осевшей на единице площади

фильтра за определенный промежуток времени; р,— вязкость газа; W — ско-

рость газа; К — проницаемость слоя пыли на ткани; р — плотность пыли;

g — ускорение свободного падения.

Из уравнения следует, что регулировать перепад АР можно

лишь изменением массы пыли G, так как остальные параметры

обусловлены ходом предыдущего технологического процесса. Ре-

гулирование осуществляется следующим образом. При достиже-

нии максимального перепада позиционный регулятор выдает

сигнал на электромагнитные клапаны, установленные на магист-

рали сжатого воздуха. Клапаны открываются, импульсы сжа-

того воздуха через сопла поступают в рукава и деформируют

ткань, сбивая при этом пыль. Регенерация ткани происходит до

достижения минимального перепада давления.

Качественная регенерация фильтрующей ткани рукавов бу-

дет осуществляться только при определенном значении давления

сжатого воздуха, подаваемого на продувку. Для стабилизации

этого давления устанавливают регулятор.

Контролю и сигнализации подлежат следующие параметры:

температура загрязненного газа (фильтровальная ткань рас-

считана только на определенные температуры), давление сжа-

того воздуха, перепад давления. При критических значениях

давления сжатого воздуха и перепада давления (превышение

критического значения перепада приводит к разрыву ткани)

срабатывает устройство защиты, отключающее рабочий фильтр

и включающее резервный. Контролю подлежит расход газово-

го потока.

Регулирование по жесткой временной программе. Измере-

ние давления газовых пылевых потоков связано с определенны-

ми трудностями, так как импульсные трубки забиваются пылью

и искажают показания приборов. С другой стороны, при ста-

.150

бильном технологическом режиме появляется возможность от-

казаться от регулирования по перепаду АР и перейти на управ-

ление по жесткой программе, в которой задается определенная

длительность импульсов сжатого воздуха и пауз между ними.

Для реализации такой лрограммы устанавливают командный

прибор, который управляет объектом по временной программе

независимо от состояния фильтра.

Мокрая очистка газов

Типовое решение автоматизации. В качестве объекта управле-

ния рассмотрим форсуночную трубу Вентури, в которой жид-

кость под небольшим давлением подается через распылитель,

установленный параллельно газовому потоку, движущемуся с

большой скоростью (рис. 4.14). Цель управления данным про-

цессом аналогична цели управления процессом фильтрования

.газовых систем.

Проведем анализ технологических особенностей мокрых пы-

леочистителей. Движение газового потока в трубе Вентури мож-

но представить как движение газа через слой капель жидкости

со скоростью, равной относительной скорости фаз. Из этого

следует, что конечная концентрация пыли будет зависеть, во-

первых, от числа и размера капель, определяющих качество

«фильтра», и, во-вторых, от количества газа, движущегося че-

рез «фильтр», т. е. от расхода газа.

Жидкость дробится на капли в трубе Вентури дважды: на

крупные — при истечении жидкости из форсунки и на более

мелкие — под действием энергии газового потока. Конечный

размер капель и их число определяются обоими процессами.

Средний диаметр капель после форсунки при распыливании

определенной жидкости в газовый поток с малоизменяющими-

ся свойствами зависит от геометрических размеров форсунки и

.151

давления жидкости. Для одного из типов форсунок получено,

например, следующее уравнение:

= k (0,307 + l7,6d

) Р

-°'

где dк — средний диаметр капель; d

— диаметр соплового отверстия; P

—

давление перед форсункой; k — постоянный коэффициент.

Таким образом, для стабилизации диаметра d

достаточно

поддерживать давление г

постоянным. Этим же будет обеспе-

чиваться и постоянное число капель, так как расход жидкости

через форсунку определяется в основном перепадом давле-

ния АР

на форсунке:

1/ _

Jtd

/ 2АР

Уж

1р

4 V р

где — коэффициент расхода (изменяется незначительно);

ДРж

= Рж—Рг.

;

Рг.н — давление газа в начале трубы, где установлен распылитель (мало из-

меняется); р

—плотность жидкости (мало изменяется).

Дисперсность вторичного распыла — при контактировании

капель жидкости после форсунки с газом — зависит в основном

от скорости газового потока W

= l

V2AP

где — коэффициент скорости (мало изменяется); АР

— перепад давления

в начале и в конце трубы Вентури (АР

= Р

.н—Рг.к), Рг.к— давление в кон-

це трубы; р

— плотность газа (мало изменяется).

Из уравнения следует, что для постоянства скорости W

до-

статочно стабилизировать перепад давления на трубе Вентури.

Регулирующее воздействие при этом вносится изменением попе-

речного сечения горловины трубы.

Перепад давления на трубе является движущей силой про-

цесса перемещения газа, поэтому его стабилизация обеспечива-

ет не только качественную дисперсность распыла, но и постоян-

ство расхода газа — второго режимного параметра процесса

мокрой очистки, определяющего показатель эффективности.

Итак, для эффективного применения труб Вентури необходи-

мо регулировать давление жидкости перед форсункой и перепад

давления газа.

Мокрые пылеочистители склонны к забиванию, поэтому о

достижении предельного значения перепада давления следует,

кроме того, сигнализировать. При критическом значении пере-

пада ДР устройство защиты включает резервный пылеочисти-

тель и отключает рабочий. Контролю в данном процессе под-

лежат расходы жидкости и газа.

Электрическая очистка газов

Типовое решение автоматизации рассмотрим на примере сухого

электрофильтра (рис. 4.15). В связи с тем что электрические

аппараты пылеочистки решают задачи, аналогичные задачам

.152

Рис. 4.15. Типовая схема авто-

матизации электрической очи-

стки газа:

1 — трансформатор; 2 — высоко-

вольтный выпрямитель; 3 — электро-

фильтр; 4 — коронирующий элект-

род; 5 — реле максимального тока;

6 — реле минимального напряжения;

7 — автоматическое устройство уп-

равления; 8 — исполнительный ме-

ханизм.

схему

защиты

Очищен-

ный

газ

Пыль

для фильтров и мокрых пылеочистителей, цели управления у

них совпадают.

Параметрами, от которых зависит концентрация пыли на вы-

ходе из электрофильтра, являются: напряжение питания U, на-

грузка G, температура газа t, радиус частиц г, давление газа Я,

влажность т, удельное электрическое сопротивление R.

Для сухих электрофильтров получено уравнение, дающее

представление о зависимости конечной концентрации С

от ука-

занных параметров:

= С

(—0,74!£/ -{- 0.599G —

0,21

Р + 0,025/ — 0,226г)

где С

— начальная концентрация пыли.

Из уравнения следует, что наиболее сильно на концентрацию

влияют начальная концентрация С

, напряжение U и рас-

ход G; параметры Р, t, г влияют меньше, они определяются хо-

дом предыдущего технологического процесса, и с их изменением

в объект будут поступать возмущающие воздействия. То же

можно сказать и о концентрации С

. Расход газа с целью уст-

ранения возмущений нужно и можно стабилизировать. Напря-

жение U для высококачественной очистки должно поддержи-

ваться на максимально высоком уровне, близком к критическо-

му. Для этого устанавливают автоматическое устройство, кото-

рое периодически осуществляет плавное повышение напряжения

до возникновения пробоя (дугового разряда) в межэлектродных

промежутках. В момент возникновения пробоя срабатывают ре-

ле максимального тока и минимального напряжения; они дают

команды автоматическому устройству на быстрое снижение на-

пряжения U до значения, обеспечивающего гашение дуг

(«10%). Через некоторый промежуток времени устройство

вновь начинает повышать напряжение до предельного пробив-

ного значения. Затем цикл повторяется.

При обрыве коронирующих электродов сигнальное устройст-

во через 5—10 циклов понижения напряжения дает импульс в

схему сигнализации и защиты.

.153

J],%

Рис. 4.16. Зависимость эффективно-

сти очистки от числа искровых раз-

рядов.

О 50 п

вт

100 150 200

}

искр/мин

Контролю в данном процессе подлежат расход, температура

и влажность газового потока, напряжение и сила тока, темпе-

ратура масла трансформаторно-выпрямительного блока.

Регулирование по искровому принципу. Типовое регулирова-

ние электрофильтра по дуговому пробою имеет существенный

недостаток — среднее значение рабочего напряжения оказыва-

ется ниже оптимального вследствие его периодического сниже-

ния. Более перспективным является регулирование по числу ис-

кровых разрядов, которые предшествуют пробою и определяют

степень очистки (рис. 4.16). Оптимальная частота искровых раз-

рядов может быть рассчитана заранее (как задание регулято-

ру) по разрядному расстоянию, сочетанию электродов, свойст-

вам очищаемых газов и другим параметрам процесса. Для

контроля за текущим значением частоты искрений во вторичной

цепи трансформатора устанавливают специальное устройство,

реагирующее на импульсы напряжения, которые вызываются

скачкообразными изменениями тока при искрении.

2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Нагревание и охлаждение жидкостей

Типовое решение автоматизации процесса нагревания. Основ-

ные принципы управления процессом нагревания рассмотрим

на примере поверхностного кожухотрубчатого теплообменника

(рис. 4.17), в который подают нагреваемый продукт и теплоно-

ситель. Показателем эффективности данного процесса является

температура t

" продукта на выходе из теплообменника, а це-

лью управления — поддержание этой температуры на опреде-

ленном уровне.

Зависимость температуры /

" от параметров процесса может

быть найдена из уравнения теплового баланса:

где G

, G

расходы соответственно продукта и горячего теплоносителя; с

ст — удельные теплоемкости продукта и горячего теплоносителя; t

', W —

температуры продукта и горячего теплоносителя на входе в теплообменник;

W — температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменника.

Решая данное уравнение относительно t

", получим: j

n (tn

— ^п') — G

' —

in = (G^/GnCn) (V - //) + /,

.154

Рис. 4.17. Типовая схема автомати-

зации процесса нагревания.

Расход теплоносителя G

можно легко стабилизировать

или использовать для внесе-

ния эффективных регулирую-

щих воздействий. Расход про-

дукта G

определяется други-

ми технологическими процес-

сами, а не процессом нагрева-

ния, поэтому он не может быть

ни стабилизирован, ни исполь-

зован для внесения регулиру-

ющих воздействий; при изменении G

в теплообменник будут

поступать сильные возмущения. Температуры ¥

и t\, а также

удельные теплоемкости с

и с

определяются технологическими

режимами других процессов, поэтому стабилизировать их при

ведении процесса нагревания невозможно. К неликвидируемым

возмущениям относятся также изменение, температуры окружа-

ющей среды и свойств теплопередающей стенки вследствие от-

ложения солей, а также коррозии.

Анализ объекта управления показал, что большую часть

возмущающих воздействий невозможно устранить. В связи с

этим следует в качестве регулируемой величины брать темпе-

ратуру t

", а регулирующее воздействие осуществлять путем из-

менения расхода G

Теплообменники как объекты регулирования температуры

обладают большими запаздываниями, поэтому следует уделять

особое внимание выбору места установки датчика и закону ре-

гулирования. Для уменьшения транспортных запаздываний

датчик температуры необходимо помещать как можно ближе к

теплообменнику. Для устранения запаздывания значительный

эффект может дать применение регуляторов с предварением и

исполнительных механизмов с позиционерами.

В качестве контролируемых величин следует принимать рас-

ходы теплоносителей, их конечные и начальные температуры,

давления. Знание текущих значений этих параметров необходи-

мо для нормального пуска, наладки и эксплуатации процесса.

Расход G

требуется знать также для подсчета технико-эконо-

мических показателей процесса, а расход G

и температуру

" — для оперативного управления процессом.

Сигнализации подлежат температура t

" и расход продукта.

В связи с тем что резкое падение расхода G

может послужить

причиной выхода из строя теплообменника, устройство защиты

в этом случае должно перекрывать линию горячего теплоноси-

теля.

.155

a ff а

Рис. 4.18. Двухкоитурные системы регулирования процесса нагревания с ис-

пользованием в качестве вспомогательной регулируемой величины расхода

теплоносителя (а), давления пара (б) и давления в межтрубном простран-

стве (б).

Все рассуждения в отношении процесса нагревания справед-

ливы и для процесса охлаждения. Объектом управления в этом

случае будет являться кожухотрубный теплообменник, в кото-

рый подается холодоноситель и охлаждаемый продукт; показа-

телем эффективности — конечная температура продукта, а

целью управления — поддержание этой температуры на задан-

ном значении. Основным узлом управления будет регулятор

конечной температуры охлаждаемого продукта, регулирование

же будет осуществляться путем изменения расхода холодоно-

сителя.

Каскадно-связанное регулирование. Использование двухкон-

турных САР значительно улучшает качество регулирования ко-

нечной температуры продукта (основная регулируемая вели-

чина), если вспомогательной величиной выбрать параметр, из-

менение которого будет сильным возмущением для процесса

теплообмена. Часто в качестве вспомогательного параметра вы-

бирают расход теплоносителя (рис. 4.18, а); если теплоносите-

лем служит пар с переменным давлением, то предпочтительнее

брать давление теплоносителя (рис. 4.18,6) или давление в

межтрубном пространстве (рис. 4.18, в). Последний вариант

схемы следует использовать при переменных расходе и темпе-

ратуре нагреваемого продукта, так как давление в межтрубном

пространстве является гораздо менее инерционным параметром,

чем конечная температура продукта.

Регулирование процесса байпасированием продукта. Для

регулирования систем, в которых изменение расхода теплоноси-

теля недопустимо, используют метод байпасирования. Регули-

рующее воздействие в этих случаях осуществляется изменением

расхода байпасируемого продукта (рис. 4.19, а).

Поскольку перемещение регулирующего органа на байпас-

ной линии все же приводит к некоторому изменению расхода

.156

Тепло-

Нагретый

продукт

НО

Теплоноси

Нагретый

продукт

Нагретый

продукт

постель

тель

лЩ •

HU \ZR-I_

Продукт

Теплоноси

тель

Продукт

Рис. 4.19. Схема регулирования температуры изменением расхода продукта в

байпасном трубопроводе:

а — с помощью одного клапана; б —с помощью двух клапанов; в —с помощью треххо-

дового клапана.

продукта, при высоких требованиях к постоянству этого расхо-

да устанавливают два мембранных исполнительных механизма

разных типов (НО и НЗ, рис. 4.19,6). Аналогичный эффект до-

стигается при установке трехходового смесительного клапана

(рис. 4.19,в).

Регулирование методом байпасирования улучшает динами-

ческую характеристику системы, так как при этом из цепи ре-

гулирования исключается теплообменник.

Регулирование процесса изменением расхода конденсата гре-

ющего пара. Если теплообменник работает при частичном зали-

ве конденсата, регулирующие воздействия можно вносить изме-

нением расхода конденсата. Это влечет за собой изменение

уровня конденсата в теплообменнике. При этом перераспреде-

ляются поверхности теплообмена между конденсирующимся

паром и продуктом, с одной стороны, и конденсатом и продук-

том — с другой. Интенсивность теплообмена, а затем и темпера-

тура продукта на выходе теплообменника меняются. Такая си-

стема позволяет повысить эффективность работы теплообменни-

ка на 6—7% благодаря полному использованию тепла пара и

конденсата. Однако вследствие больших запаздываний эта си-

стема может быть рекомендована лишь при условии отсутствия

резких возмущающих воздействий.

Регулирование процесса изменением температуры горячего

теплоносителя. Если насос теплоносителя установлен после теп-

лообменника, то стабилизировать конечную температуру про-

дукта можно путем изменения начальной температуры горяче-

го теплоносителя за счет рециркуляции части отработанного

теплоносителя. Достоинством данного метода является посто-

янство расхода и скорости теплоносителя в теплообменнике,

что обеспечивает высокие и стабильные значения коэффициен-

та теплоотдачи.

.157

Рис. 4.20. Схемы регулирования процесса нагревания:

а — со стабилизацией расхода продукта; б — с изменением расхода продукта в зависи-

мости от конечной температуры продукта.

Регулирование процесса изменением расхода продукта. Если

для качественного управления процессом теплообмена допусти-

мо изменение или стабилизация расхода продукта, то в зави-

симости от возможных возмущающих воздействий может быть

принят один из вариантов схем регулирования, показанных на

рис. 4.20. Стабилизирующие регуляторы расхода теплоносите-

ля и расхода продукта ликвидируют возмущения до поступле-

ния их в систему.

Регулирование процесса в теплообменниках смешения. Ма-

лейшие изменения параметров теплоносителя при непосредст-

венном смешении двух и более жидкостей приводят к значи-

тельным и быстрым изменениям конечной температуры продук-

та, поэтому при управлении теплообменников смешения часто

применяют связанное регулирование и регулирование соотноше-

ния расхода теплоносителя и продукта с коррекцией по темпе-

ратуре продукта.

Регулирование работы трубчатых печей. В нефтеперераба-

тывающей и нефтехимической промышленности широкое при-

менение находят трубчатые печи, в которых продукт, непрерыв-

но прокачиваемый через змеевик, нагревается за счет тепла,

выделяющегося при сжигании топлива. Трубчатая печь являет-

ся сложным объектом регулирования; стабилизацию конечной

температуры продукта в ней необходимо обеспечить при значи-

тельно изменяющихся температуре и расходе продукта. Посто-

янно изменяется также состояние змеевика и тепловой изоля-

ции.

Компенсация всех воздействий осуществляется изменением

количества подаваемого в печь топлива.

.158