Автоматизация процесса выпаривания веществ

Фрагмент.frw

1111.cdw

Настроювання ПД-регулятора:
Динамічні характеристики автоматичного регулювання
процесу випаровування
час регулювання: 10с;
усталена похибка: 0;
перерегулювання: 0 %.
Оптимальні настроювання ПД-регулятора:
Аналіз і регулювання
Автоматизація процесу випаровування
Перехідна характеристика системи за каналом завдання:
Структурна схема проектованої АСР побудована в середовищі MatLab:
Показники якості перехідного процесу:
час регулювання: 15 с;
Структурна схема оптимізованої АСР побудована в середовищі MatLab:
Показники якості оптимізованого перехідного процесу:

Курсова.doc

Міністерство освіти і науки України
Український державний університет водного господарства
та природокористування
Кафедра автоматизації електротехнічних та компютерно-інтегрованих
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
До курсового проекту з дисципліни:
“Автоматизація технологічних процесів”
” Автоматизація процесу випаровування речовин ”
ст. 4-го курсу НН АКОТ
Завдання на курсовий проект
по дисципліні “Автоматизація неперервних технологічних процесів”
П..П студента Кузьмич Сергій Миколайович
Тема курсового проекту: Автоматизація процесу випаровування речовин ”
Зміст пояснювальної записки (перелік питань що підлягають
Керівник проекту Филипчук Л.В.
Студент Кузьмич С.М.
Керівник Филипчук Л.В.
Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування
1. Опис технологічного
2. Теоретичні основи технологічного
3. Визначення і аналіз факторів що впливають на технологічний
4. Складання структурної схеми взаємозв’язку між технологічними
параметрами об’єкта 16
Розробка системи автоматичного керування технологічним процесом
1. Аналіз структурної схеми взаємозв’язку між технологічними параметрами
2. Обрунтування і вибір координат вимірювання контролю сигналізації
дистанційного керування захисту блокування та
3. Вибір технічних засобів
4. Специфікація на засоби
5. Опис технологычного процнсу
6. Опис схеми автоматизації технологічного процесу випаровування розчину
сірчаної кислоти .. .23
Розрахунок системи автоматичного регулювання
1. Складання математичної моделі об’єкта
2. Розрахунок основних параметрів
3. Вибір параметрів перехідного процесу контура регулювання та типу
перехідного процесу 25
4. Визначення закону
5. Розрахунок оптимальних настроювальних параметрів
6. Побудова перехідного процесу розрахованої
7. Оптимізація перехідного
8. Розрахунок показників надійності розрахованого контура
Автоматизація -це застосування комплексу засобів що дозволяють
здійснювати виробничі процеси без особистої участі людини але під її
контролем . Автоматизація виробничих процесів приводить до збільшення
випуску зниженню собівартості і поліпшенню якості продукції зменшує
чисельність обслуговуючого персоналу підвищує надійність і довговічність
машин дає економію матеріалів поліпшує умови праці і техніки безпеки.
Автоматизація звільняє людину від необхідності безпосереднього
керування механізмами. В автоматизованому процесі виробництва роль людини
зводиться до налагодження регулювання обслуговування засобів
автоматизації і спостереженню за їхньою дією. Якщо механізація полегшує
фізичну працю людини то автоматизація має мету полегшити так само і
розумову працю. Експлуатація засобів автоматизації звільняє від
обслуговуючого персоналу високої технічної кваліфікації.
Автоматизація параметрів дає значні переваги:
забезпечує зменшення чисельності робочого персоналу тобто підвищення
продуктивності його праці; приводить до зміни характеру праці
обслуговуючого персоналу; збільшує точність підтримки параметрів виробленої
пари; підвищує безпеку праці і надійність роботи устаткування; збільшує
економічність роботи випарного апарату.
Автоматизація випарних апаратів містить у собі автоматичне
регулювання дистанційне керування технологічний захист теплотехнічний
контроль технологічні блокування і сигналізацію.
Автоматичне регулювання забезпечує хід безупинно протікаючих процесів
у випарному апараті. Дистанційне керування дозволяє черговому персоналу
пускати і зупиняти випарну установку а так само переключати і регулювати
її механізми на відстані з пульта де зосереджені пристрої керування.
Теплотехнічний контроль за роботою випарного апарату й устаткуванням
здійснюється за допомогою показуючи і самописних приладів що діють
автоматично. Прилади здійснюють безупинний контроль процесів що протікають
у випарній установці чи ж підключаються до об'єкта виміру обслуговуючим
персоналом або електронно-обчислювальною машиною. Прилади теплотехнічного
контролю розміщають на панелях щитах керування по можливості зручно для
спостереження й обслуговування.
Пристрої технологічної сигналізації інформують черговий персонал про
стан устаткування попереджають про наближення параметра до небезпечного
значення повідомляють про виникнення аварійного стану апарату і його
устаткування. Застосовуються звукова і світлова сигналізація.
Для випарної установки повинні бути складені посадові і технологічні
інструкції з обслуговування устаткування ремонту техніці безпеки
попередженню і ліквідації аварій і т.п. Повинні бути складені технічні
паспорти на устаткування виконавчі оперативні і технологічні схеми
трубопроводів різного призначення. Знання інструкцій режимних карт роботи
парогенератора і зазначених матеріалів є обов'язковим для персоналу. Знання
обслуговуючого персоналу повинні систематично перевірятися.
Аналіз технологічного проекту як об’єкта керування.
1. Опис технологічного процесу.
Випаровування – це процес концентрації розчинів твердих нелетких
речовин шляхом часткового випаровування розчинника при кипінні рідини.
Випаровування застосовують для концентрації розчинів нелетких речовин
виділення з розчинів чистого розчинника (дистиляція) і кристалізації
розчинених речовин тобто нелетких речовин в твердому вигляді.
Як приклад випаровування з виділенням чистого розчинника з розчину
можна привести опріснення морської води коли водяну пару що утворюється
конденсують і отриману воду використовують для різних цілей.
Для нагрівання випаровуваних розчинів до кипіння використовують
топкові гази електрообігрів і високотемпературні теплоносії але найбільше
застосування знаходить водяна пара що характеризується високою питомою
теплотою конденсації і високим коефіцієнтом тепловіддачі.
Процес випаровування проводиться у випарних апаратах. За принципом
роботи випарні апарати розділяються на періодичні і такі що безперервно
Періодичне випаровування застосовується при малій продуктивності
установки або для отримання високих концентрацій. При цьому розчин що
подається в апарат випаровується до необхідної концентрації зливається і
апарат завантажується новою порцією початкового розчину.
У установках безперервної дії початковий розчин безперервно подається
в апарат а упарений розчин безперервно виводиться з нього. У хімічній
промисловості в основному застосовують безперервно діючі випарні установки
з високою продуктивністю за рахунок великої поверхні нагріву (до 2500 м2 в
одиничному апараті).
Найбільше застосування в хімічній технології знайшли випарні апарати
поверхневого типу особливо вертикальні трубчасті випарні апарати з паровим
обігрівом безперервної дії.
Залежно від режиму руху киплячої рідини у випарних апаратах їх
розділяють на апарати з вільною природною і примусовою циркуляцією
плівкові випарні апарати до яких відносяться і апарати роторного типу.
У даному проекті використовується апарат з природною циркуляцією з
винесеною гріючою камерою і трубою скипання. У цьому апараті циркуляція
розчину здійснюється за рахунок відмінності щільності в окремих точках
апарату. Випаровуваний розчин піднімаючись по трубах нагрівається і у
міру підйому скипає. Суміш що утворилася прямує в сепаратора де
відбувається розділення рідкої і парової фаз.
Висота парового простору повинна забезпечувати сепарацію з пари
крапельок рідини що викидаються з кип'ятильних труб. Вторинна пара
проходячи сепаратора і краплерозділювача звільняється від крапель а
розчин повертається по циркуляційній трубі в гріючу камеру.
У таких апаратах полегшується очищення поверхні від відкладень
оскільки доступ до труб легко здійснюється при відкритій верхній кришці
Оскільки циркуляційна труба не обігрівається створюються умови для
інтенсивної циркуляції розчину. При цьому щільність розчину у виносній
циркуляційній трубі більша ніж в циркуляційних трубах розміщених в
гріючих камерах що забезпечує порівняно високу швидкість циркуляції
розчину і перешкоджає утворенню відкладень на поверхні нагріву.
Різноманітні конструкції випарних апаратів вживаних в промисловості
можна класифікувати за типом поверхні нагріву (парові сорочки змійовики
трубчатки різних видів) по її розташуванню в просторі (апарати з
горизонтальною вертикальною іноді з похилою нагрівальною камерою) по
роду теплоносія (водяна пара високотемпературні теплоносії електричний
струм і ін.) а також залежно від того чи рухається теплоносій зовні або
усередині труб нагрівальної камери. Проте істотнішою ознакою класифікації
випарних апаратів що характеризує інтенсивність їх дії слід рахувати
вигляд і кратність циркуляції розчину.
Розрізняють випарні апарати з неорганізованою або вільною направленою
природною і примусовою циркуляцією.
Випарні апарати ділять також на апарати прямоточные в яких
випаровування розчину відбувається за один його прохід через апарат без
циркуляції розчину і апарати що працюють з багатократною циркуляцією
Залежно від організації процесу розрізняють періодично і безперервно
Нижче детально розглянуті лише найбільш поширені головним чином
типові конструкції апаратів.
Вертикальні апарати з направленою природною циркуляцією.
Апарати з внутрішньою нагрівальною камерою і центральною
циркуляційною трубою.
Апарати з виносними циркуляційними трубами
Апарати з виносною нагрівальною камерою.
Апарати з винесеною зоною кипіння.
У випарних установках вторинна пара на виході з апарату стискається за
допомогою теплового насоса (наприклад термокомпресора) до тиску
відповідного температурі первинної пари після чого він знов повертається в
апарат для випаровування розчину.
1. Однокорпусна випарна установка
Однокорпусна випарна установка включає лише один випарний апарат
Принципова схема одиночного випарного апарату з природною циркуляцією
розчину з внутрішньою центральною циркуляційною трубою зображена на мал. 1.
Апарат складається з теплообмінного пристрою — нагрівальної (що
гріє) камери 1 і сепаратора 2. Камера і сепаратор можуть бути об'єднані в
одному апараті (мал. 1) або камера може бути винесена і сполучена з
сепаратором трубами. Камера обігрівається зазвичай водяною насиченою парою
що поступає в її між трубний простір. Конденсат відводять знизу камери.
Піднімаючись по трубах 3 випаровуваний розчин нагрівається і кипить
з утворенням вторинної пари. Відділення пари від рідини відбувається в
сепараторові 2. Звільнена від бризок і крапель вторинна пара віддаляється з
верхньої частини сепаратора.
Частина рідини опускається по циркуляційній трубі 2 під нижні трубні
грати гріючої камери. Унаслідок різниці щільності розчину в трубі 4 і паро
рідинної емульсії в трубах 3 рідина циркулює по замкнутому контуру
упарений розчин віддаляється через штуцер в днищі апарату.
Теоретичні основи технологічного процесу.
Математичний опис на основі фізики процесу.
Загальне теплове навантаження випарника Q:
На підставі рівняння теплопередачі можна записати:
При теплопередачі від гріючої пари і конденсату через трубки справедливі
Загальна поверхня теплопередачі Fт при конденсації гріючої пари
і отже на підставі (3) і (4а) можна записати:
Визначення [pic] на підставі теплового балансу по гріючій парі:
Визначення [pic] на підставі теплового балансу по технологічному потоку:
Висновки з математичного опису фізики процесу:
Загальне теплове навантаження що віддається гріючою парою залежить
наступних його параметрів:
Загальне теплове навантаження що отримується технологічним потоком
визначає наступні його параметри:
Математичний опис на основі
теплового і матеріальних балансів процесу.
Тепловий баланс випарника.
У розгорненому вигляді за умови [pic] і [pic]:
тобто тепло виділяється за рахунок охолоджування Gгр від початкової
температури гр до температури насиченої пари конденсації пари і
подальшого охолоджування конденсату до до .
тепло витрачається на нагрівання Gж до температури випаровування рідини і
відводиться з паровою фазою що утворюється.
У згорнутому найбільш загальному вигляді вираз (10а) перетвориться до
Рівняння статики при [pic]:
Висновки по тепловому балансу процесу:
В цілому температура у випарнику на підставі виразів (8) і (9) залежить
від наступних параметрів процесу:
Оскільки температура у випарнику у поверхні розділу фаз тобто в зоні
випаровування повинна бути рівна температурі кипіння то можна вважати:
а температура кипіння залежить від тиску парової фази у випарнику тобто
при Рп (((кіп ( (при цьому rж ().
Тому температура не може використовуватися як показник ефективності
процесу випаровування.
Проте на підставі (6а 6б) температура важлива для забезпечення
розрахункового загального теплового навантаження Q у випарнику тобто
теплового балансу в апараті.
З виразу (10г) виходить що основними параметрами що характеризують
- рівень hж і тиск Рп технологічного потоку у випарнику;
- рівень hк і тиск Ргр потоку гріючої пари в кип'ятильнику;
Матеріальний баланс по рідкій фазі у випарнику
(для технологічного потоку)
На підставі (11) і (12) можна вважати:
Переважна дія Gгр що управляє.
Матеріальний баланс по рідкій фазі в кип'ятильнику
(для конденсату гріючої пари).
На підставі (14) і (15) можна вважати:
Переважна дія що управляє є відбір конденсату Gк.
Матеріальний баланс по паровій фазі
для технологічного потоку у випарнику.
Мп - молярна маса парової фази технологічного потоку кгмоль;
Рп - тиск парової фази технологічного
(п - температура парової фази технологічного
Vп - об'єм парової фази технологічного
На підставі (17) і (18) можна вважати:
Переважна дія Gп що управляє.
Матеріальний баланс по паровій фазі для кип'ятильника.
де Мгр - молярна маса парової фази гріючої пари
Ргр - тиск парової фази гріючої пари Па;
(гр - температура парової фази гріючої пари До
Vгр - об'єм парової фази гріючої пари м3 .
На підставі (20) і (21) можна вважати:
Переважне Gгр що управляє .
нформаційна схема випарника
на основі матеріального балансу.
Можливі дії що управляють:
Можливі керовані змінні:
для типового вирішення автоматизації.
У типовому рішенні автоматизації випарників об'єкт розглядають як
однозв'язний для основних каналів управління рис.3.
Проте на підставі схеми рис.3. об'єкт можна розглядати як
Багатозв'язковість об'єкту з позицій фізики процесу можна пояснити таким
← При [p оскільки при [pic]
Типова схема автоматизації випарників.
Типове вирішення автоматизації випарників.
Регулювання рівня hж по подачі гріючої пари Gгр - як показника
ефективності процесу нагрівання у випарнику.
Регулювання тиску Рп по відбору парової фази з випарника - для
забезпечення матеріального балансу по паровій фазі і стабілізації
витрати - Gгр Gп Gж ;
істотні відхилення hж і Рп від завдань;
різке падіння витрати технологічного потоку Gж при цьому формується
сигнал «В схему захисту».
По сигналу «В схему захисту» - відключаються магістралі подачі гріючої
пари Gгр і відбору пари для технологічних потреб
Автоматизація процесу випаровування
Рушійна сила процесу випаровування.
Рушійною силою процесу випаровування є корисна різниця температур
((полезн = (т - (р-ракип
Загальна різниця температур ((общ общ в процесі:
((общ = (т - (р-лякип
Загальна різниця температур ((общ общ більше корисної різниці температур
((общ полезн на величину втрат ((:
((полезн = ((общ - ((
Величина втрат (( в процесі випаровування:
(( = (г + (д + (гп (4)
де - (г втрати за рахунок гідростатичного ефекту; (д - температурна
депресія; (гп - втрати температури за рахунок гідравлічних втрат в
На підставі виразів (2) і (4) вираження (3) набере вигляду:
((полезн = (т - (р-лякип -( (г + (д + (гп )
Температурна депресія.
Визначення (дна підставі (1) і (5):
(д = (р-ракип - (р-лякип
Визначення (д по діаграмах «Р - (».
Діаграма «Р - (» для розчинів і розчинників.
З діаграми виходить що при P=const (д = (р-ракип - (р-лякип
Розрахункові співвідношення для (д:
- Для концентрованих розчинів речовин що не диссоціюються:
- Для концентрованих розчинів речовин що диссоціюються:
де R=831 Дж(моль*К);
cк - концентрація розчиненої речовини в концентрованому розчині
rпр-ля - теплота випару розчинника Джмоль;
(р-лякип - температура кипіння розчинника К ;
b - константа визначувана дослідною дорогою.
Визначення і аналіз факторів що впливають на технологічний процес.
Виходячи з наведених вище залежностей на яких базується процес
випаровування можна визначити такі величини що впливають на хід
технологічного процесу: вторинний пар Gп гріючий пар Gгр упаренний розчин
Gж конденсат Gк температур теплообмінника (гр і (к (ж тиск в сепараторі
Рп нагрівній камері Ргр концентрація гріючого пару Fгр і конденсату Fк
питомі теплоємності пару Сргр і продукту Срк а також геометричні розміри
теплообмінника температура навколишнього середовища зміна властивостей
теплопередавальних стінок внаслідок корозії тощо. Концентрацію випарного
розчину можна змінити кондуктометричним методом по густині розчину.
Концентрація продукту в більшості випадків визначається іншими
технологічними параметрами а тому її відхилення повинні бути досить
Мал.2. Параметри вхідних і вихідних потоків.
Технологічна карта процесу
№ пп Назва параметру Одиниці вимірюванняНомінальне значення
Витрата початкового розчину кгс 3056
Витрата випаровуваної води кгс 369
Концентрація результатного % 94
Температура розчину кінцева °C 9367
Температура пару початкова °C 8961
Тиск гріючого пару кПа 8
Тиск у випарному апараті кПа 3
Висота рідини у випарному м 1
Питома теплоємність води Дж(кг·К) 422
Орієнтовний коефіцієнт Вт(м2К) 1400
Продуктивність по випаровуваній кгс 1601
Швидкість парів мс 20
Температура барометричного °C 8596
4. Складання технологічної схеми взаємозв’язку між технологічного
Структурна схема взаємозв’язку між технологічними параметрами об’єкта
складається на основі наступних розрахунків:
Матеріальний баланс по розчиненій речовині.
З виразів (1) і (2) виходить:
Переважна дія що управляє: Gр.
Тепловий баланс випарної установки.
Рівняння динаміки процесу випаровування:
Рівняння статики при :
У виразах (5) і (6) прийнято:
[pic] - питомі теплоємності вихідного і концентрованого розчинів
які не лагодяться закону аддитивності;
де (q - тепловий ефект розчинення визначуваного на підставі закону
де qн і qк - інтегральні теплоти розчинення на початку і кінці
На підставі (5) і (6):
Переважні дії що управляють:
для забезпечення теплового балансу процесу - витрата теплоносія Gт;
для непрямого регулювання показника ефективності процесу - витрата
вихідного розчину Gр.
У типовому вирішенні автоматизації:
для непрямого регулювання показника ефективності процесу випаровування
використовують не температуру в апараті а температурну депресію:
Материальный баланс по рідкій фазі (для розчину).
На підставі (8) і (9):
Переважна дія що управляє - Gк.
Матеріальний баланс по паровій фазі (для розчину).
де Мп - молярна маса парової фази (розчинника)
Рп - тиск в сепараторові Па;
(п = (к =(апп - температура в сепараторові К
Vп - об'єм парової фази в сепараторові м3 .
На підставі (11) і (12): і переважна дія Gп що управляє.
Матеріальний баланс по рідкій фазі (для теплоносія).
На підставі (14) і (15):
Переважна дія що управляє - Gкт.
Матеріальний баланс по паровій фазі (для теплоносія).
де Мп - молярна маса теплоносія кгмоль;
Рт мтр - тиск теплоносія в міжтрубному
просторі кип'ятильника Па;
(т - температура теплоносія К
Vтмтр - об'єм парової фази теплоносія в
міжтрубному просторі кип'ятильника м3 .
На підставі (17) і (18):
Переважна дія Gт що управляє.
нформаційна схема процесу випаровування.
Мал.3. Структурна схема взаємозв’язку між технологічними параметрами
Можливі дії що управляють:[pic].
Можливі контрольовані обурення: [pic].
Можливі неконтрольовані обурення: [pic] - питомі теплоємності потоків
срi і теплота випару розчинника rп .
Можливі керовані змінні: [pic] .
На підставі рис.3 випарна установка є складним багатозв'язковим об'єктом
по можливих діях що управляють [pic].
Аналіз структурної схеми взаємозв’язку між технологічними
параметрами об’єкта.
Зі структурної схеми об’єкта наведеної на мал. 3 та п. 1.3 і 1.4
бачимо що на процес впливає багато параметрів. Однак при розробці системи
регулювання процесом можна деякі параметри опустити. Проаналізуємо систему
детально виходячи із забезпечення матеріальних і теплових балансів.
Геометричні розміри сепаратора і теплообмінника вибираються на етапі його
проектування виходячи з бажаної продуктивності апарату та енергозатрат.
Ці величини є постійними і ними не можна керувати тому при розробленні
системи автоматизації їх не враховуємо. Зміни питомих теплоємностей
теплоносія срт і продукту ср є збурюючими факторами але для води
відхилення питомих теплоємностей в залежності від температури становить
менше 1% тому при розробці системи автоматичного регулювання їх не
враховуємо. Зміни температури витрат потоків теплоносія та продукту чинять
значний вплив на процес. Вони входять в основні залежності що описують
рівновагу процесу теплові баланси тощо. Отже дані параметри підлягають
врахування при розробці системи автоматичного регулювання. За координату
що підлягає регулюванню слід брати температуру на виході з теплообмінника
вих оскільки саме ця величина визначає ефективність процесу. В якості
керуючого впливу доцільно вибрати масові витрату Gп Gк Gгр.
2. Обрунтування і вибір координати вимірювання контролю
сигналізації дистанційного керування захисту блокування та регулювання.
Виходячи з наведеного вище виберемо величини що підлягають
регулюванню контролю сигналізації системі захисту.
Регулювання температурної депресії Дд по подачі початкового розчину Gр -
як параметра що побічно характеризує показник ефективності процесу
Регулювання тиску в сепараторові Рпапп по відбору пари розчинника Gп -
для забезпечення матеріального балансу по паровій фазі.
Регулювання рівня в сепараторові hк по відбору концентрованого розчину Gк
- для забезпечення матеріального балансу по рідкій фазі.
Стабілізація витрати теплоносія Gт - для забезпечення теплового балансу
витрати - Gт Gр Gк Gп;
рівень концентрованого розчину в апараті - hк;
істотні відхилення [p
Припинення подачі початкового розчину Gр при цьому формується сигнал «В
По сигналу «В схему захисту» - відкривається магістраль Gп
відключається подача теплоносія і відбір концентрованого розчину
Функціональні ознаки системи автоматизації
№ пп Обсяг автоматизації Показ Реєстрація
Тиск пари в трубопроводі – 8 кПа
розрідження в апараті № 2 – 3 кПа
Перетворювач тиску в уніфікований 22ДИВ-2330
струмовий сигнал межі вимірювання –
5 125 кПа вихідний сигнал 0 5 мА.
б 2б Одноточковий показуючий і реєструючий Диск-250-4221 4
б 4б прилад із записом інформації на
дисковій діаграмі в полярних
координатах. Вихідний сигнал 0 5 мА.
в 2в Регулятор аналоговий. Вхідний сигнал Р17.01 4
г 2г Блок управління (автоматич. – руч.). БУ 12 4
г 4г Вихідний аналоговий сигнал 0 5 мА.
д 2д Перетворювач електропневматичний ЭПП-М 4
д 4д аналогового сигналу постійного струму в
уніфікований пропорційний пневмосигнал
100 кПа. Вхідний сигнал 0 5 мА.
е 2е Регулюючий пневматичний клапан. 25нж32нж 4
Рівень в аппараті № 2 – 1 м.
а Перетворюючий вимірювач рівня - Сапфир-22ДУ-ВН 1
буйковий. Діапазон вимірювання 0 01
м. Вихідний сигнал 0 5 мА.
Концентрація готового розчину – 94 %
а Концентратомір безконтактний КНЧ-1М-2 1
низькочастотний. Вихідний сигнал 0 5
мА. Межі вимірювання 93 – 96 %.
Опис технологічного процесу випаровування
Випаровування – типовий процес хімічної технології. Його суть полягає у
випаровуванні частини розчинника і збільшенні завдяки цьому концентрації
упарюваного розчину. Завдання управління випарною установкою заключаєтся в
підтримці матеріального і теплового балансу установки і отриманні упареного
розчину заданої концентрації з технічною підтримкою системи автоматики
контролю і управління.
Мал.4. Принципова схема автоматизації випарної установки.
Основні елементи випарної установки – теплообмінник I в якому
початковий розчин нагрівається до температури кипіння випарний апарат II і
барометричний конденсатор III.
Матеріальний баланс установки підтримується шляхом збереження рівності
між кількістю розчиненої речовини що поступає з початковим розчином і
його кількістю що виводиться з розчином що відходить. Зазвичай у випарних
апаратах матеріальний баланс підтримується регулятором рівня 2 що впливає
на витрату розчину що поступає в апарат. Така схема дозволяє стабілізувати
рівень в кожному з послідовно працюючих апаратів.
При невеликих збуреннях по витраті як регулятор рівня можна
використовувати П-регулятори що налаштовані на малу межу пропорційності і
володіють вельми великою статичною погрішністю. Якщо можливі великі
обурення то для регулювання рівня слід застосовувати П-регулятор.
Найбільш складним є завдання регулювання концентрації упареного
розчину. Зазвичай регулятор концентрації 4 впливає на клапан який змінює
витрату упареного розчину на виході з апарату (або на виході з останнього
випарного апарату батареї). Якщо концентрація зменшується в порівнянні із
заданим значенням то клапан зменшує витрата готового розчину. При цьому
зростає час перебування розчину в апараті і отже концентрація його
збільшується. Якщо концентрація перевищує задану величину то відбуваються
Як об'єкт регулювання концентрації випарна установка володіє великою
інерцією і запізнюванням. Тому як регулятори концентрації доцільно
використовувати П-регулятори і ПД-регулятори.
Для стабілізації процесу випаровування необхідно підтримувати
постійний тиск в лінії гріючої пари що поступає в теплообмінник I і гріючу
камеру випарного апарату що здійснюється регулятором тиску 1. Крім того
необхідно підтримувати задане розрідження в апараті що досягається
регулюванням витрати охолоджуючої води що поступає в барометричний
конденсатор III за допомогою регулятора 3.
Технологічний процес випаровування розчину сірчаної кислоти показаний
на функціональній схемі автоматизації зображеної на кресленні ФСА.
Функціональна схема автоматизації ФСА є проектним технічним
документом що визначає структуру і функціональні зв'язки між технологічним
процесом і засобами контролю і управління процесом.
Функціональна схема автоматизації виконується без масштабу при
допомозі умовних позначень приладів і засобів контролю не містить
конструктивних подробиць а технологічне устаткування зображається спрощено
при нагоді відповідно своїй конфігурації. На схемі показується технологічне
устаткування послідовно розподілене відповідно до технічного процесу
технологічні комунікації органи управління засоби контролю і
автоматизації і взаємні зв'язки між ними. Не показуються на функціональній
схемі автоматизації допоміжні пристрої: блоки живлення перетворювачі
запобіжники вимикачі і т.п. Всі прилади і засоби автоматизації показуються
умовними позначеннями по ГОСТ 21405–85. Умовні позначення трубопроводів
показуються відповідно до ГОСТ 2784–96.
У трубопроводі підтримується заданий тиск гріючої пари 8 кПа за
допомогою перетворювача тиску Сапфір-22ДИВ-2150 поз. 1а одноточкового
показуючого і реєструючого приладу Диск-250-4221 поз. 1б регулятора
аналогового Р17.01 поз. 1в блоку управління БУ12 поз. 1г перетворювача
електропневматичного ЭПП-м поз. 1д і регулюючого пневматичного клапана
У випарному апараті підтримується задане розрідження –3кПа з по-
потужністю перетворювача тиску Сапфір-22ДИВ-2330 поз. 3а одно точкового
показуючого і реєструючого приладу Диск-250-4221 поз. 3б регулятора
аналогового Р17.01 поз. 3в блоку управління БУ12 поз. 3г перетворювача
електропневматичного ЭПП-м поз. 3д і пневматичного клапана 25нж32нж поз.
е регулюючого витрату охолоджуючої води що поступає в барометричний
У випарному апараті підтримується постійний рівень 1 м за допомогою
перетворювача рівня Сапфір-22ДУ-ВН поз. 2а одноточкового показуючого і
реєструючого приладу Диск-250-4221 поз. 2б регулятора аналогового Р17.01
поз. 2в блоку управління БУ12 поз. 2г перетворювача електропневматичного
ЭПП-м поз. 2д і пневматичного клапана 25нж32нж поз. 2е регулюючого витрату
розчину сірчаної кислоти що поступає у випарний апарат 2 з теплообмінника
У трубопроводі підтримується задана концентрація готового розчину 94 %
за допомогою концентратоміра безконтактного низькочастотного КНЧ-1М-2 поз.
а одноточкового показуючого і реєструючого приладу Диск-250-4221 поз. 4б
регулятора аналогового Р17.01 поз. 4в блоку управління БУ12 поз. 4г
перетворювача електропневматичного ЭПП-м поз. 4д і пневматичного клапана
нж32нж поз. 4е регулюючого витрату готового розчину.
1. Складання математичної моделі об’єкта регулювання
Для виведення математичної моделі об’єкта керування скористаємося
теоретичними основами процесу наведеними в п. 1.2.
Рівняння динаміки на основі теплового балансу.
[pic]відповідно температура теплоносія і продукту на виході і вході.
Аналіз динамічних характеристик об'єкту.
Рівняння динаміки в нормалізованому вигляді.
На основі цього рівняння динаміки об'єкт по каналу [pic] описується
математичною моделлю аперіодичної ланки 1-го порядку:
Об'єкт має транспортне запізнювання:
де Vтруб - об'єм трубопроводу від Р.О. до входу в апарат.
Таким чином в цілому динаміка об'єкту по каналу управління описується
математичною моделлю аперіодичної ланки 1-го порядку із запізнюванням:
2. Розрахунок основних параметрів ТОК
Розрахунок параметрів об’єкта керування за формулами (14) (15) (16).
Для цього необхідно наступні дані:
- питома теплоємність води: [pic]
- базові витрати продукту і теплоносія: [pic] [pic]
- температури продукту і теплоносія: [pic][pic]
Параметри теплообмінника:
- діаметр кожуха: D=325 мм;
- внутрішній діаметр труб: d=16 мм;
- число труб: n=90 шт;
Довжина трубопроводу від регулюючого органу до входу в апарат:
[pic]діаметер трубопроводу [pic].
Об’єм трубного простору теплообмінника:
Об’єм трубпроводу від реагуючого органу до входу в апарат:
Стала часу об’єкта буде рівна:
Кефіцієнт передачі об’єкта:
Показником ефективності процесу нагрівання води в кожухотрубному
теплообміннику є температура продукту на виході з теплообмінника отже
метою керування є підтримка цієї температури на заданому рівні. При цьому
час регулювання повинен бути якомога меншим. Відхилення регульованої
величини від заданого значення повинне також бути короткочасним. Виходячи з
цих міркувань вибираємо типовий перехідний процес з 20% перерегулюванням
який хоч має малий час регулювання і забезпечує достатню для даного
процесу точність регулювання.
4. Визначення закону регулювання
Для визначення закону регулювання знайдемо відношення величини
запізнення до сталої часу об’єкта:
Це відношення більше за 02 тому потрібно вибирати неперервний закон
При виборі закону регулювання необхідно врахувати те що не повинно
допускатись відхилень температури від заданого значення в усталеному
режимі тому не можна використовувати П-регулятор.
Для забезпечення як найменшого часу регулювання і достатньої точності
регулювання в даній системі виберемо ПД-закон регулювання. Крім того в
системі можуть находити збурення у вигляді відхилень втрат вхідного
продукту і його температури. Регулятор повинен реагувати на ці збурення і
кращим буде використання ПД-закону регулювання.
5. Розрахунок оптимальних параметрів регультора
Розрахунок оптимальних параметрів ПД-регультора провидемо за
відомими залежностями для перехідного процесу з 20 % перерегулюванням і
обє’кта без самовирівнювання.
Виходячи із залежностей (18) – (20) та числових значень часу
запізнення і сталої часу об’єкта [pic] знайдемо коефіцієнти при
пропорційній інтегральній та диференціальній складових регулятора:
6. Побудова перехідного процесу розрахованої САР
Для побудови перехідного процесу розрахованої САР скористаємось
програмним середовищем Мatlab. Структурна схема цієї системи показана на
Мал.5. Структурна схема досліджуваної САР в серидовищі Matlab
Мал.6. Перехідна характеристика досліджуваної САР
7. Оптимізація перехідного процесу
Проведемо оптимізацію перехідного процесу для проектованої САР в
середовищі Matlab. Для цього використаємо блок NCD Outport. В результаті
оптимізації отримаємо перехідну характеристику зображену на мал.7.
Параметри настроювань ПД-регулятора для оптимізованої системи:
Отже при даних настроюваннях регулятора забезпечується перехідний
процес без коливань і перерегулювання час регулювання становить [pic]=8 с.
Мал.7. Прехідна характеристика оптимізованої САР
8. Розрахунок показників надійності розрахованого контура регулювання
Під надійністю системи автоматичного регулювання розуміють її
властивість зберігати роботоздатний стан впродовж заданого проміжку часу
або заданого напрацювання. Проведемо розрахунок контура регулювання
температури продукту. При цьому припускаємо що робота контура підкоряється
експоненціальному закону розподілу бо саме цим законом описується
більшість технічних систем. Експоненціальний розподіл також застосовується
для відновлюваних об’єктів з постійним потоком відмов. Цей розподіл також
широко використовується для попередньої оцінки безвідмовності технічної
системи яка розробляється.
З довідкової літератури вибираємо інтенсивність відмов λ для кожного
регулятора λ2=38·10-5 год[p n2=1 для виконавчого механізму λ3=114·10-
год-1; n3=1 для регулюючого клапана λ4=285·10-6 год[p n4=1 .
Загальна інтенсивність відмов для контуру визначається за залежністю:
де k=4 – число елементів у системі.
λ[pic]=57·10-5·1+38·10-5·1+114·10-5·1+285·10-6=109·10-4 год[pic]
Середній час наробітку до відмови:
Т[pic]=1λ[pic]= 9153 год.
Розрахуємо ймовірність безвідмовної роботи контура регулювання на у
проміжку часу 1000 год. Для експоненціального закону розподілу слід
скористатися залежністю:
де t – заданий проміжок часу t=10000 год.
Р=е-0000109·10000=0897.
Тобто ймовірність безвідмовної роботи системи регулювання температури
протягом 10000 годин рівна 897%.
У даному курсовому проекті на основі технологічного процесу
разработана система автоматизованого контролю і управління технологічних
параметров процесу випаровування розчину сірчаної кислоти розроблена
функциональная схема автоматизації процесу випаровування на основі сучасних
вітчизняних і зарубіжних засобів автоматизації при цьому розроблена схема
зовнішніх з'єднань і створена специфікація на використовувані прилади і
засоби автоматизації.
При моделюванні і оптимізації системи використовували програму
Matlab. Проектована система забезпечує оптимальний режим технологічного
процесу високу точність регулювання і малий час регулювання.
Стенцель Й.. Автоматизація технологічних процесів хімічних
виробництв: Навч.посібник –К.: СДО.1995.-360с.
Иванова Г. В. Автоматизация технологических процессов основных
химических производств: Метод. пособие –2003.-142с.
Атоматическое управление в химической промышленности. Учебник для
вузов (Под ред Дудникова)-М.: Химия 1987-368 с.
Бояринов А.Н. Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической
технологии.-М.: Химия 1971.
Полоцкий Л.М. Лапшинков Г.И. Автоматизация химических производств
–М.: Высшая школа. 1982.
Ястребецкий М.А. Солянин В.Л. Определение надежности аппаратуры
промышленной автоматики в условиях эксплуатации.- М.: Энергия. 1968.
Справочник. Промышленные приборы и средства автоматизации.- М.:
Машиностроение. 1987.-847 с.
Чистяков В.С. Краткий Справочник по техническим измерениям.-М.:
Энергоатомиздат. 1990 – 320 с.
ГОСТ 21.404-85. Автоматизация технологических процессов. Обозначения
условных приборов и средств автоматизации в схемах. –М.:
ГОСТ 2.785-70. ОУГС Элементы трубопроводов. –М.: Стандартиздат.1982.
ГОСТ 2.793-79. Элементы и устройства машин и аппаратов химических
производств. –М.: Стандартиздат.1979.
Комисарчик В.Ф. Автоматическое регулирование технологических
процессов. Тверь. 2001.

ФСА1111.cdw

Дискретне управління
Барометричний конденсатор
В систему водоочистки