Ваулина О.С., Щипицын А.Г. Комплекс для утилизации производственных отходов: математические модели и алгоритмы синтеза системы управления

Подождите немного. Документ загружается.

4. Состав продуктов сгорания является равновесным.

Исходные данные для термодинамического расчета:

Давление в реакторе: Р

= 120 КПа.

Энтальпии горючего и окислителя: I

= – 41700 Дж/кг, I

= – 115,2 Дж/кг.

Условные формулы горючего и окислителя: С

S, O

1,64

0,38

Коэффициент избытка окислителя: α = 1,1.

Топливная пара содержит следующие основные химические элементы: C, H,

O, N, S, Ar. В равновесной системе продуктов сгорания будут находиться: CO

CO, H

O, OH, H

, H, O

, O, N

, NO, N, Ar, SO, SO

, а также (в значительно мень-

ших концентрациях): C, S, O

, NO

, N

O, H

, NH, NH

, NH

, C

, CH

, CH, CH

, C

, HCO, NCH, S

, SO

, S

O, HS, NS, CS, CS

, H

S, COS и т.д. На ход

термодинамических процессов в реакторе с заданными параметрами наиболее

существенное влияние оказывают следующие соединения: CO

, CO, H

O, OH, H

H, O

, O, N

, NO, N, SO, S. Наиболее опасными веществами являются: CO, CO

NO, NO

, SO

и SO

, поэтому необходимо определить влияние температуры реак-

тора на концентрацию именно этих соединений. Для того чтобы определить оп-

тимальный диапазон температур реактора, необходимо наложить значения пре-

дельно допустимых концентраций (табл. 4.1) данных химических веществ на гра-

фики зависимостей массовых долей вредных примесей от температуры. Тем са-

мым определяется верхняя граница диапазона температур реактора. Нижняя гра-

ница определяется температурой, при которой происходит воспламенение и пол-

ное сгорание компонентов топлива, при этом Т

= 773 К.

Таблица 4.1

Предельно допустимые концентрации веществ [38]

Формула CO CO

NO NO

ПДК, мг/м

20 30000 30 9 10 1

Для того, чтобы наложить ПДК на графики зависимостей массовых долей от

температуры необходимо сделать пересчет [38]. Исходные данные для преобразо-

вания ПДК в массовые доли представлены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Исходные данные для пересчета ПДК

∆T, К

A D

, м h, м

/кг

1 0,108 70 160 0,2 8 0,28

TVh

nmFMgÀ

ÏÄÊ

∆

⋅⋅⋅⋅⋅

Выразим массовую долю:

nmFMА

TVhПДК

⋅⋅⋅⋅

∆⋅

где

,MvV

⋅=

,)V36,4)(3,0V(3n

−−−=

где

65,0V

∆

⋅=

f3,0f1,067,0

где

D10

∆

=ω

Предельно допустимые массовые доли вредных веществ представлены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Предельно допустимые массовые доли вредных веществ

Формула CO CO

NO NO

пд

-5

1075.3 ⋅

0,056

-5

105,63⋅

-5

1069,1 ⋅

-5

1088,1 ⋅

-6

1088,1 ⋅

Термодинамический расчет проводился на программе «Термодинамика», раз-

работка Ижевского государственного технического университета (разработчик

Корепанов М.А.). Результаты расчетов приведены в табл. 4.4. На основе получен-

ных данных были построены графики зависимостей массовых долей вредных

примесей от температуры реактора.

Таблица 4.4

Результаты термодинамического расчета

Температура, К Состав продуктов сгорания в массовых долях

1073

CO 2,4652278E-010 CO2 5,5048127E-001

H2 1,8446392E-011 H2O 2,1780216E-001

NO 1,5412594E-005 NO2 1,5124655E-006

SO2 1,5594240E-002 SO3 1,3784995E-002

1093

CO 4,3893400E-010 CO2 3,9145315E-001

H2 3,0624605E-011 H2O 2,1780835E-001

NO 1,8636976E-005 NO2 1,6279754E-006

SO2 1,6858881E-002 SO3 1,2232217E-002

1113

CO 7,6544263E-010 CO2 5,5048127E-001

H2 4,9941813E-011 H2O 2,1781289E-001

NO 2,2379753E-005 NO2 1,7474080E-006

SO2 1,8016144E-002 SO3 1,0806392E-002

1133

CO 1,3088299E-009 CO2 5,5048127E-001

H2 8,0077166E-011 H2O 2,1781622E-001

NO 2,6697279E-005 NO2 1,8705680E-006

SO2 1,9060981E-002 SO3 9,5157205E-003

Продолжение табл. 4.4

Температура, К Состав продуктов сгорания в массовых долях

1153

CO 2,1966410E-009 CO2 5,5048126E-001

H2 1,2635329E-010 H2O 2,1781864E-001

NO 3,1648713E-005 NO2 1,9972799E-006

SO2 1,9993989E-002 SO3 8,3608690E-003

1173

CO 3,6220534E-009 CO2 5,5048126E-001

H2 1,9635934E-010 H2O 2,1782038E-001

NO 3,7295920E-005 NO2 2,1273884E-006

SO2 2,0819855E-002 SO3 7,3370221E-003

1193

CO 5,8729353E-009 CO2 5,5048126E-001

H2 3,0076797E-010 H2O 2,1782161E-001

NO 4,3703340E-005 NO2 2,2607568E-006

SO2 2,1545924E-002 SO3 6,4357685E-003

1213

CO 9,3716958E-009 CO2 5,5048125E-001

H2 4,5439289E-010 H2O 2,1782244E-001

NO 5,0937845E-005 NO2 2,3972645E-006

SO2 2,2181010E-002 SO3 5,6466548E-003

1233

CO 1,4729155E-008 CO2 5,5048124E-001

H2 6,7754142E-010 H2O 2,1782297E-001

NO 5,9068567E-005 NO2 2,5368032E-006

SO2 2,2734500E-002 SO3 4,9583647E-003

1253

CO 2,2816374E-008 CO2 5,5048123E-001

H2 9,9772437E-010 H2O 2,1782324E-001

NO 6,8166716E-005 NO2 2,6792744E-006

SO2 2,3215715E-002 SO3 4,3595475E-003

1273

CO 3,4859205E-008 CO2 5,5048121E-001

H2 1,4517944E-009 H2O 2,1782330E-001

NO 7,8305376E-005 NO2 2,8245861E-006

SO2 2,3633514E-002 SO3 3,8393549E-003

1293

CO 5,2561211E-008 CO2 5,5048119E-001

H2 2,0885925E-009 H2O 2,1782316E-001

NO 8,9559294E-005 NO2 2,9726509E-006

SO2 2,3996054E-002 SO3 3,3877542E-003

1313

CO 7,8261619E-008 CO2 5,5048114E-001

H2 2,9721906E-009 H2O 2,1782283E-001

NO 1,0200466E-004 NO2 3,1233842E-006

SO2 2,4310683E-002 SO3 2,9956795E-003

1333

CO 1,1513604E-007 CO2 5,5048109E-001

H2 4,1858290E-009 H2O 2,1782232E-001

NO 1,1571889E-004 NO2 3,2767028E-006

SO2 2,4583918E-002 SO3 2,6550755E-003

1353

CO 1,6744882E-007 CO2 5,5048100E-001

H2 5,8366527E-009 H2O 2,1782161E-001

Окончание табл. 4.4

Температура, К Состав продуктов сгорания в массовых долях

NO 1,3078037E-004 NO2 3,4325241E-006

SO2 2,4821466E-002 SO3 2,3588713E-003

1373

CO 2,4086718E-007 CO2 5,5048089E-001

H2 8,0613624E-009 H2O 2,1782070E-001

NO 1,4726827E-004 NO2 3,5907657E-006

SO2 2,5028289E-002 SO3 2,1009158E-003

1393

CO 3,4284844E-007 CO2 5,5048073E-001

H2 1,1032901E-008 H2O 2,1781956E-001

NO 1,6526227E-004 NO2 3,7513448E-006

SO2 2,5208668E-002 SO3 1,8758921E-003

1413

CO 4,8311302E-007 CO2 5,5048051E-001

H2 1,4968303E-008 H2O 2,1781816E-001

NO 1,8484234E-004 NO2 3,9141782E-006

SO2 2,5366287E-002 SO3 1,6792251E-003

1433

CO 6,7421719E-007 CO2 5,5048021E-001

H2 2,0137849E-008 H2O 2,1781647E-001

NO 2,0608856E-004 NO2 4,0791819E-006

SO2 2,5504300E-002 SO3 1,5069900E-003

1453

CO 9,3224074E-007 CO2 5,5047980E-001

H2 2,6875647E-008 H2O 2,1781446E-001

NO 2,2908082E-004 NO2 4,2462718E-006

SO2 2,5625410E-002 SO3 1,3558266E-003

На рис. 4.4 – 4.9 изображены графики зависимостей массовых долей от темпе-

ратуры реактора и предельно допустимые массовые доли вредных веществ.

При увеличении температуры реактора увеличиваются массовые доли СО, Н

NO, NO

и SO

, уменьшается – SO

. Массовая доля СО

при увеличении Т

оста-

ется примерно постоянной.

0,00E+00

2,00E-07

4,00E-07

6,00E-07

8,00E-07

1,00E-06

1,20E-06

1,40E-06

1073 1113 1153 1193 1233 1273 1313 1353 1393 1433 1473

Температура, К

Массовая доля

Рис. 4.4. График зависимости массовой доли СО от температуры

0,00E+00

5,00E-09

1,00E-08

1,50E-08

2,00E-08

2,50E-08

3,00E-08

3,50E-08

4,00E-08

1073 1113 1153 1193 1233 1273 1313 1353 1393 1433 1473

Температура, К

Массовая доля

Рис. 4.5. График зависимости массовой доли Н

от температуры

Графики зависимостей массовых долей от температуры реактора для СО, NO

и Н

располагаются значительно ниже границы предельно допустимых массовых

долей, т.е. данные вещества не принесут вреда окружающей среде.

Предельно допустимая массовая доля СО

значительно меньше действитель-

ной (рис. 4.6). Углекислый газ не представляет большой опасности для окружаю-

щей среды, но его большая концентрация вредна для человека, поэтому для

уменьшения концентрации СО

в воздушном бассейне предприятия целесообраз-

но сделать дымовую трубу выше.

0,00E+00

5,00E-02

1,00E-01

1,50E-01

2,00E-01

2,50E-01

3,00E-01

3,50E-01

4,00E-01

4,50E-01

1073 1133 1193 1253 1313 1373 1433

Температура, К

Массовая доля

CO2

H20

gпд(CO2)

Рис. 4.6. График зависимости массовой доли СО

и Н

О от температуры

Значение g

пд

для NO ограничивает диапазон изменения температур реактора

на значении Т

= 1200 К (рис. 4.7). При повышении температуры выше данного

значения массовая доля оксида азота превышает предельно допустимое значение.

Так как заданная температура реактора 1273 К, превышает предельное значение,

то необходимо принять меры для снижения температуры в реакторе до 1200 К.

0,00E+00

5,00E-05

1,00E-04

1,50E-04

2,00E-04

2,50E-04

3,00E-04

1073 1113 1153 1193 1233 1273 1313 1353 1393 1433 1473

Температура, К

Массовая доля

gпд(NO)

Рис. 4.7. График зависимости массовой доли NO от температуры

0,00E+00

2,00E-06

4,00E-06

6,00E-06

8,00E-06

1,00E-05

1,20E-05

1,40E-05

1,60E-05

1,80E-05

1073 1113 1153 1193 1233 1273 1313 1353 1393 1433 1473

Температура, К

Массовая доля

NO2

gпд(NO2)

Рис. 4.8. График зависимости массовой доли NO

от температуры

Массовые доли SO

и SO

в несколько раз превышают допустимые концентра-

ции (рис. 4.9). Уменьшить их концентрацию до предельно допустимой, снижая

температуру, нельзя. Для снижения концентрации необходимо применять хими-

ческие способы нейтрализации вредных веществ.

0,00E+00

5,00E-03

1,00E-02

1,50E-02

2,00E-02

2,50E-02

3,00E-02

1073 1113 1153 1193 1233 1273 1313 1353 1393 1433 1473

Температура, К

Массовая доля

SO2

SO3

gпд(SO2)

Рис. 4.9. График зависимости массовой доли SO

и SО

от температуры

В результате термодинамического расчета был определен диапазон допусти-

мых температур [12] для реактора: Т

∈ (773 ÷ 1200) К. Нанесем данные диапазон

температур на график D-разбиения по параметру Т

, тем самым можно будет вы-

делить зону оптимальных температур. Оптимальная область по температуре реак-

тора показана на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Оптимальная область по температуре в реакторе

Из рис. 4.10 видно, что область устойчивости ограничивается диапазоном до-

пустимых температур. Следовательно, если поддерживать температуру в реакторе

в данном диапазоне, то реактор будет работать не только устойчиво, но обеспечи-

вать предельно допустимые концентрации по вредным веществам, входящим в

продукты сгорания. Что значительно снижает риск появления вредных выбросов

из дымовой трубы, и нет необходимости проводить нейтрализацию на выходе из

установки таких вредных соединений как CO, CO

, NO и NO

Функциональная схема системы автоматического регулирования температуры

в реакторе представлена на рис. 4.11.

УЭ ДПТ

Реактор

вод

ос

= К

ос

Рис. 4.11. Функциональная схема системы автоматического регулирования

температуры в реакторе

В реактор помещается термопара для измерения действительной температуры

реактора. Температуру в реакторе можно задать любой с этой целью используется

блок К

⋅ Т

, с данного блока идет постоянный сигнал, который сравнивается с

сигналом U

ос

(реальная температура реактора помноженная на константу К

ос

Если требуемая температура выдержана, то с выхода измерителя рассогласо-

вания идет нулевой сигнал, при этом секундный массовый расход воды остается

постоянным. Если при сравнении сигналов наблюдается рассогласование, то в за-

висимости от знака ошибки двигатель постоянного тока вращается или по или

против часовой стрелке.

При отрицательной ошибке U

< 0, двигатель вращается против часовой стрел-

ки, раскручивая вентиль и увеличивая массовый расход воды, и температура в ре-

акторе снижается. При положительном рассогласовании обеспечивается умень-

шение массового расхода воды в реактор.

Выводы

Проведен термодинамический расчет и построены графики зависимостей мас-

совых долей вредных примесей от температуры реактора. Анализ графиков пока-

зал, что:

СО, NO

и Н

не принесут вреда окружающей среде.

Предельно допустимая массовая доля СО

значительно меньше действи-

тельной, поэтому для уменьшения концентрации СО

в воздушном бассейне

предприятия целесообразно сделать дымовую трубу выше.

Значение g

пд

для NO ограничивает диапазон изменения температур реакто-

ра на значении Т

= 1200 К. Так как заданная температура реактора 1273 К пре-

вышает предельное значение, то необходимо принять меры для снижения темпе-

ратуры в реакторе до 1200 К.

Разработана система автоматического регулирования подачи массовых

расходов горючего и окислителя для газогенератора и реактора и система автома-

тического регулирования температуры в реакторе.

Разработана система автоматического регулирования поддержание темпе-

ратуры в диапазоне Т

∈ (773 ÷ 1200) К значительно снижает риск появления

вредных выбросов из дымовой трубы, и нет необходимости проводить нейтрали-

зацию на выходе из установки таких вредных соединений как CO, CO

, NO и NO

100

Заключение

Данная работа посвящена решению актуальной экологической задачи утили-

зации жидких промышленных отходов, получаемых в процессе штрипсовой резки

кристаллов кварца. Разработана установка по утилизации 0,5 м

отходов в сутки.

При автоматизации управления этой установкой и обеспечения устойчивой ее

работы с минимальным выбросом вредных веществ в окружающую среду были

получены следующие теоретические и практические результаты:

Разработаны математические модели, которые являются новыми для данно-

го типа установок. Для построения областей устойчивости нелинейные математи-

ческие модели были линеаризованы в малой окрестности рабочего режима. Полу-

ченные линеаризованные математические модели были представлены в виде

структурных схем.

2. Созданные методики исследования процессов в элементах установки позво-

ляют оценить устойчивость их работы.

На основе анализа процессов и математических моделей построены струк-

турные схемы газогенератора, реактора и скруббера для исследования устойчиво-

сти.

Получены области устойчивости для камеры сгорания в отдельности и для

камеры сгорания в совокупности с трубопроводами, которые показали следую-

щее:

необходимо увеличивать гидравлическое сопротивление магистралей, пу-

тем изменением характерных размеров форсунок, уменьшения диаметров и уве-

личения длинны трубопроводов (при этом нужно одновременно увеличивать дав-

ление подачи для компенсации падения давления в камере сгорания);

при необходимости можно уменьшить давление в камере сгорания, однако

следует учесть изменения выходных параметров камеры сгорания (температуру и

давления на выходе через сопла). Если уменьшать Р

кс

, нужно одновременно уве-

личивать площадь критического сечения камеры сгорания, для того, чтобы массо-

вые расходы оставить постоянными, или ставить дополнительные сопротивления

в магистралях, тем самым, увеличивая ∆P

5. Проведенное исследование на устойчивости реактора показало, что:

необходимо изменить конфигурацию трубопровода по каналу воды, а имен-

но изменить место положения и геометрию дроссельной шайбы, тем самым, уве-

личив сопротивление и перепад давлений по входу воды, что значительно повы-

шает устойчивость системы; оптимальный коэффициент сопротивления на входе

воды ξ

= 7246; прямые показатели качества при скорректированных параметрах:

уст

=0,29, t

= 0,22 с, t

= 0,18 с, σ = 3,4%;

построение D-разбиений по параметрам Р

и Т

при ξ

= 7246 показало, что

заданные температура и давление в реакторе удовлетворяют условиям устойчиво-

сти, т.е. попадают в область устойчивости, следовательно, при данных параметрах

система является устойчивой;

основное влияние на устойчивость и качество процессов влияет время за-

паздывания. Для того чтобы улучшить качественные показатели системы необхо-