Автоматизация технологических процессов основных химических производств
Линия МА – рабочая линия низа колонны с параметрами:
;
;
.
Анализ диаграммы «Рабочая линия - линия равновесия».
По диаграмме определяют следующие параметры:
Число ступеней разделения, число теоретических тарелок nт и число реальных тарелок
,
где η - к.п.д. тарелки.
Движущую силу процесса в любых точках колонны:
,
,
что соответствует
направлению
массопередачи
,
и
.
Движущие силы
зависят:
от режимных параметров процесса, определяющих положение равновесной кривой (Р и θ);
от xf , xд, xк - определяющих положение рабочей линии процесса;
от R=Gфл/Gд и
,
т.е. от Gфл,
Gд, Gf;от тепловых параметров Gf.
Требуемую движущую силу процесса ректификации можно обеспечить:
стабилизацией режимных параметров Р или θ;
стабилизацией параметров потока питания Gf и θ f;
стабилизацией или изменением флегмового числа R=G фл /Gд .
Объект управления
Схема ректификационной установки.
- ректификационная колонна; 2 - подогреватель потока питания;
- кипятильник; 4 - конденсатор (дефлегматор); 5 - флегмовая емкость.
Рис. 8.
Описание установки.
Объект управления - ректификационная установка для выделения из исходной жидкой смеси целевого компонента в составе дистиллята.
Процесс массопередачи происходит на тарелках укрепляющей (верхней) и исчерпывающей (нижней) частей колонны в результате взаимодействия жидкой и паровой фаз, движущихся в колонне противотоком.
Движущая
сила - разность
между равновесной
и рабочей
концентрациями
целевого компонента
в жидкой или
паровой фазе:
и
соответственно.
Работа установки.
Исходная смесь Gп (Gxf) нагревается в подогревателе потока питания 2 до температуры кипения θп0 и подается в колонну 1 на тарелку питания (i=f).
Исходная смесь стекает по тарелкам нижней части колонны в виде жидкостного потока Gx в куб колонны, участвуя в массообменном процессе с паровым потоком Gy.
Из куба колонны выводится кубовый продукт Gкуб. Часть кубового продукта подается в кипятильник 3, где испаряется с образованием парового потока Gy0 , который подается в низ колонны.
Паровой поток поднимается вверх колонны, контактируя с жидким потоком и обогащаясь целевым компонентом.
Обогащенный целевым компонентом паровой поток Gyn выводится из верха колонны и подается в дефлегматор 4, где конденсируется.
Конденсат собирается во флегмовой емкости 5. Из сборника флегмы отбирается два потока:
поток дистиллята Gд - целевой продукт;
поток флегмы Gфл - жидкая фаза, используемая для орошения верха колонны.
Показатель эффективности процесса сд - концентрация дистиллята.
Цель управления процессом - обеспечение сд.=сдзд.
6. Материалы к лекции №14
Автоматизация процесса ректификации (ч.2).
Структурная схема ректификационной установки.
Рис.1.
Математическое описание низа колонны
Структурная схема куба и кипятильника.
Рис.2.
Тепловой баланс низа колонны ( н = 0 ).
Уравнение динамики:
(5).
Уравнение статики:
Gгр rгр + Gх1 Cрх1х1 = Gy0 rk + GkCpkн (6).
На основании (5) и (6) можно считать:
н = f (Gгр, Gк ).
Предпочтительное управляющее воздействие Gгр .
Материальный баланс по всему веществу.
Уравнение динамики :
(1).
Уравнение статики :
G x1 = G k + G y0 (2),
где ρ k - плотность кубовой жидкости , кг/м3;
S k - сечение куба колонны, м2 ;
h k - уровень кубовой жидкости, м;
G x1 , G k , G y0 - массовые расходы потоков в кубе колонны.
На основании (1) и (2) можно считать:
h k = f(G k ,G y0 ).
Предпочтительное управляющее воздействие Gk .
Материальный баланс по легколетучему компоненту.
Уравнение динамики:
(3).
Уравнение статики:
G x1 C x1 = G k C к + G y0 C y0 (4)
Основные допущения:
Кипятильник с полным испарением, т.е. C y0=C x0;
Тепловой баланс кипятильника:
Обозначения:
М0 - масса жидкости в нижней части колонны, кг;
r гр - удельная теплота конденсации пара, дж/кг;
r k - удельная теплота испарения кубовой жидкости, дж/кг.
На основании (3) и (4) можно записать:
.
Предпочтительное управляющее воздействие Gгр .
Информационная схема низа колонны.
Рис.3.
Информационная схема низа колонны
как
многосвязного
объекта по hk,
или hk,
Ck
.
Рис.4
Математическое описание верха колонны.
Структурная схема дефлегматора с флегмовой емкостью.
Рис.5.
Материальный баланс по всему веществу.
Уравнение динамики:
(7)
где фл - плотность флегмы , кг/м3 ;
Sфл - сечение флегмовой емкости , м2 ;
hфл - уровень флегмы , м;
Gyn, Gфл, Gдист - массовые расходы, кг/с.
Уравнение статики:
Gyn = Gфл + Gдист (8).
На основании (7) и (8) можно считать:
hфл=f(Gyn, Gфл, Gд )
Предпочтительное управляющее воздействие Gдист .
Материальный баланс по целевому компоненту.
Уравнение динамики:
(9).
Уравнение статики:
Gyn Cyn = Gдист Cx n+1 + Gфл Cx n+1 (10).
На основании (9) и (10) можно считать:
Cдист=f(Gyn, Gфл, Gд )
Предпочтительное управляющее воздействие Gфл .
Тепловой баланс верха колонны ( в = н ).
Структурная схема n–ой тарелки
Рис.6.
Уравнение динамики:
(11).
Уравнение статики:
Gyn-1*Cpyn-1 *yn-1 + Gфл*Cрфл *фл =
Gyn *Cpyn *в + Gxn *Cpxn *в (12).
Обозначения:
Мxn - масса паровой фазы наверху колонны;
Cpyn, Cpy,n-1, Cрфл, Cpxn - удельные теплоемкости паровой и жидкой фазы на n-ой тарелке;
Gyn-1, Gyn, Gxn - расходы паровой и жидкой фазы на n-ой тарелке.
На основании (11) и (12) можно считать:
Предпочтительное управляющее воздействие Gфл .
Баланс по паровой фазе.
Структурная схема конденсатора без флегмовой емкости.
Рис.7
Уравнение динамики:
(13).
Уравнение статики:
(14).
Особенности:
Решение уравнения динамики для pв дает выражение для интегрального звена.
Если учесть выражение Gyn = f (pв ), то звено получается апериодическим 1 порядка.
Gyк = f (Gхл ), можно получить на основании теплового баланса конденсатора:
.
(15).
На основании (13), (14) и (15) можно принять:Pв =f(Gхл).
Информационная схема верха колонны.
Рис.8.
Информационная схема верха колонны как многосвязного объекта по в и pв
Рис.9а.
Информационная схема верха колонны как многосвязного объекта по hфл и в
Рис.9б.
Информационная схема колонны как многосвязного объекта по в и н.
Рис.9в.
Математическое описание подогревателя потока питания.
Тепловой баланс
Уравнение динамики.
(16).
Уравнение статики.
Gт Cрт твх - Gт Cрт твых = Gп Cpп n0 - Gп Cpп n , (17)
Обозначения:
т вх ,т вых , n 0 ,n – температуры потоков теплоносителя и питания на входе и выходе из теплообменника;
Vn - объем потока питания в трубах теплообменника;
Cpп, Срт - удельные теплоемкости потоков питания и теплоносителя;
Gт, Gп - массовые расходы теплоносителя и питания, кг/ч.
На основании (16) и (17) можно считать:
.
Предпочтительное управляющее воздействие Gт.
Информационная схема подогревателя потока питания
как объекта управления п0
Рис.10.
Типовая схема автоматизации процесса ректификации.
Рис.11.
Типовое решение автоматизации
процесса ректификации.
- Регулирование.
Регулирование θв=f(cд) по подаче флегмы - косвенное регулирование показателя эффективности процесса cд.
Регулирование Pв по подаче хладоагента Gхл - обеспечивает материальный баланс по паровой фазе.
Регулирование hфл по отбору флегмы Gфл - обеспечивает материальный баланс по жидкой фазе верха колонны.
Регулирование hк по отбору кубового продукта Gк - обеспечивает материальный баланс по жидкой фазе низа колонны.
Стабилизация расхода питания Gп - обеспечивает:
материальный баланс по всему веществу,
Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.Нужна помощь в написании работы?Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.