Тема №6 АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ

6.1 Автоматизація теплових процесів<

Автоматизація технологічного процесу – це сукупність АСР контролю, сигналізації та блокування, напрямлені на забезпечення мети керування – високоефективної роботи технологічного об’єкта. Ефективність роботи оцінюється показниками (критеріями), які характеризують функціонування об’єкта керування в цілому залежно від керуючих і збурюючи впливів. Показниками ефективності можуть бути мінімальний критерій якості перехідного процесу, мінімальні величини енергозатрат на одиницю готового продукту, мінімальна собівартість продукції, максимальний прибуток, максимальна продуктивність, максимальний вихід цільового продукту для масообмін них і хімічних процесів та інше.

Метою керування стабілізуючої системи є підтримання на постійному рівні з необхідною точністю того чи іншого технологічного параметра. Стабілізуючі АСР використовують, як правило, для автоматизації простих допоміжних процесів з огляду на ефективність основного процесу, наприклад, АСР стабілізації витрат, температури на виході теплообмінників, рівня рідини, тиску газів.

Досягти ефективності роботи технологічного об’єкта за всіма показниками одночасно за допомогою стабілізуючих АСР досить важко, а іноді неможливо через велику кількість факторів, які впливають на хід процесу. Тому весь процес поділяють на окремі ділянки, які характеризуються порівняно невеликою кількістю змінних параметрів. Звичайно ці ділянки збігаються із закінченими технологічними стадіями, для яких формуються свої задачі, що входять у загальну задачу керування процесом у цілому.

Задачі керування окремим стадіями звичайно напрямлені на оптимізацію технологічного параметра або критерію керування, який легко розраховувати за відомими режимними параметрами.

Оптимізуючі системи керування підтримують той або інший технологічний параметр або критерій не на попередньо заданому рівні, а на екстремальному для даної ситуації значенні при додержанні обмежуючих умов. Останні зумовлені тим, що критерій оптимальності характеризує процес лише з одного, але найважливішого боку (наприклад, продуктивність має бути не нижчою, а собівартість не вищою за задані регламентом).

Розробку систем автоматизації починають з вибору параметрів, які беруть участь у керуванні. До них належать контролюючі, регулюючі та сигналізуючі величини, в також параметри, зміною яких вносяться регулюючі впливи. Вибирають способи здійснення захисту та блокування, а потім конкретні автоматичні пристрої автоматичних систем. Істотне значення має мінімізація кількості параметрів керування.

Основними автоматичними пристроями, які визначають технологічний режим процесу, є регулятори. Тому спочатку доцільно відібрати параметри, які необхідно регулювати, та канали внесення регулюючих впливів і лише після цього починати вибір інших параметрів.

Вибрати параметри технологічного процесу, які необхідно регулювати і зміною яких доцільно вносити регулюючі впливи, можна, лише досконально вивчивши цей процес. При цьому визначають цільове призначення процесу, взаємозв'язок його з іншими процесами виробництва, вибирають показник ефективності та знаходять статичні і динамічні моделі технологічних об'єктів. Далі аналізують імовірність надходження на об'єкт збурюючих впливів і можливість їх усунення перш ніж вони вплинуть на регульований параметр. Особливу увагу слід звертати на стабілізацію вхідних параметрів, оскільки з їх зміною до об'єкта надходять найсильніші збурення.

Як правило, не всі збурюючі фактори вдається ліквідувати до надходження їх до об'єкта керування. Дуже важливо передбачити і в разі появи усунути внутрішні збурюючі фактори. Крім того, не всі вхідні координати можна стабілізувати, оскільки більшість із них визначається технологічним режимом попереднього або наступного процесу.

Вибір регулюючих і регульованих величин та каналів регулювання грунтується на використанні статичних і динамічних характеристик об'єкта. За статичними характеристиками можна оцінити ступінь впливу одних параметрів на інші. Динамічні характеристики сприяють вибору каналів, за якими регулюючий вплив є найефективнішим.

Як відомо, більшість апаратів хімічної технології є багатопов'язаними об'єктами з двома і більше взаємопов'язаними регульованими координатами. У таких об'єктах регулюючі впливи, напрямлені на усунення відхилення однієї регульованої координати, впливають на інші. У таких випадках необхідно вживати заходів для ослаблення внутрішніх зв'язків або вводити компенсуючі пристрої для усунення зовнішніх зв'язків між регуляторами.

Вибираючи контрольні параметри, необхідно керуватися тим, щоб при мінімальній їх кількості забезпечувався найповніший обсяг інформації про процес.

Контролю підлягають насамперед параметри, знати які необхідно для виконання пускових робіт, налагодження та проведення технологічного процесу. До таких параметрів належать усі регульовані параметри, нерегульовані режимні параметри та вхідні координати, у разі зміни яких до об'єкта можуть надходити збурюючі величини.

Для оперативного керування технологічним процесом необхідно контролювати найважливіші вихідні параметри процесу. Щоб одержати дані, потрібні для госпрозрахункових і техніко-економічних показників, необхідно контролювати кількість витраченої електроенергії, палива, тепло-, холодоносія та інших енергетичних і матеріальних витрат.

Параметри сигналізації починають вибирати після аналізу об'єкта щодо його вибухо- та пожежонебезпечності, а також токсичності й агресивності перероблюваних речовин.

Сигналізації підлягають всі параметри, які можуть призвести до аварії або істотно порушити технологічний режим. До основних параметрів, які підлягають сигналізації, належать концентрації вибухонебезпечної речовини в повітрі виробничого приміщення, рівень рідини, тиск, температура в апаратах та ін.

Необхідно сигналізувати головні параметри регулювання в багатоконтурних АСР, зупинення обладнання, не передбачене технологічним регламентом, граничні значення параметрів, які контролюються з метою оперативного керування.

Крім того, необхідно сигналізувати відхилення найвідповідальніших режимних параметрів і показника ефективності, а також припинення подавання продуктів, теплоносіїв тощо.

Якщо в ході проведення технологічного процесу виникають вибухо- та аварійно-небезпечні ситуації, то слід передбачити відповідний захист. Параметри такого захисту вибирають залежно від того, що може бути причиною аварії. Якщо причина аварії - концентрація вибухонебезпечної речовини, то вона буде параметром захисту. Якщо ця концентрація підвищується до небезпечного рівня, то пристрої захисту мають виконувати при цьому відповідні операції (припинення подавання того чи іншого потоку, вмикання лінії подавання інертного газу та ін.).

Небезпека вибуху або аварії може виникнути і в разі припинення подавання однієї з речовин у технологічний апарат, наприклад, припинення подавання холодоносія в реактор, в якому виділяється теплота реакції. При цьому пристрої захисту мають повністю відімкнути всі потоки від об’єкта.

Схеми та пристрої автоматичного блокування попереджають неправильні запускання та зупинення апаратів і машин, а також виключають можливість виконання наступних операцій, якщо не виконана хоча б одна із попередніх.

6.1.1 Автоматизація теплообмінників

Рівняння теплового балансу має вигляд:

Звідки можна визначити основний (вихідний) параметр регулювання:

де

витрати відповідно теплоносія і продукту, що нагрівається;

– температури теплоносія та продукту відповідно на виході та вході теплообмінника;

питомі теплоємності теплоносія та продукту.

Теплообмінники - це апарати, в яких відбувається теплообмін між гріючим і нагрівним середовищами.

У теплообмінниках можуть виконуватися різні теплові процеси: нагрівання; охолодження; випаровування; конденсація; кипіння, а також складні комбіновані процеси. Теплообмінні апарати залежно від призначення поділяють на підігрівники, випарники, конденсатори, регенератори, парогенератори, скрубери, кип'ятильники та ін.

Показником ефективності теплообмінних апаратів є температура Тп продукту на виході з теплообмінника; мета керування - підтримувати цю температуру на заданому рівні.

Проаналізуємо процес нагрівання як об'єкт керування на прикладі поверхневого кожухотрубного теплообмінника.

У теплообмінник надходять два потоки - теплоносій FT і нагріваний продукт Fп. Витрату теплоносія можна легко стабілізувати і використовувати для внесення ефективних регулюючих впливів. Витрата продукту Fп визначається іншими технологічними процесами і в більшості випадків не може бути стабілізованою. У разі зміни витрати Fп до теплообмінника надходитимуть сильні збурення. Температури потоків ТT і Тn на вході в теплообмінник, а також питомі теплоємності СТ і Сп визначаються технологічними режимами інших процесів. Тому стабілізувати їх під час протікання процесу нагрівання неможливо. До збурюючих факторів належать температура навколишнього середовища і властивості теплопередавальної стінки внаслідок відкладання солей і корозії.

Теплообмінники як ОР температури мають велике запізнення, що впливає на роботу АСР. Щоб зменшити цей вплив, вимірювальний перетворювач потрібно розмістити якомога ближче до теплообмінника, використовувати ПІД-регулятори, мембранні виконавчі механізми з позиціонерами, а також спеціальні системи регулювання.

Автоматичний контроль необхідно проводити за витратами теплоносія та продукту, температурами потоків на вході в об'єкт та виході з нього. Витрати необхідно знати для розрахунку техніко-економічних показників процесу, а витрату і температуру - для оперативного керування ним.

Сигналізації підлягають температура і витрата продукту. Оскільки різке падіння Fп може призвести до аварійної ситуації, пристрої захисту мають перекривати лінію подавання теплоносія.

6.1.2 Одноконтурне регулювання.

Регульованою величиною є температура продукту на виході з теплообмінника. Регулюючою може бути витрата теплоносія або продукту.

Регулювання температури

шляхом зміни витрати теплоносія використовують тоді, коли теплообмінник має порівняно мале запізнення, а до якості перехідного процесу не висувається жорстких вимог.

Якщо тиск теплоносія змінюється істотно або з якихось причин вплинути на зміну теплоносія неможливо (наприклад, в утилізаторах), а також при великому часі чистого запізнення теплообмінника, використовують метод байпасного перетікання продукту. Причому витрата теплоносія може підтримуватись на одному рівні за допомогою стабілізуючої АСР.

Якщо на витрату продукту Fп не накладається обмежень за його зміною, то для ефективного керування процесом доцільно стабілізувати ці витрати перед входом в теплообмінник або регулювати температуру безпосередньо зміною витрати Fп.

6.1.3 Каскадне регулювання.

Використання одноконтурного регулювання не завжди забезпечує необхідну якість перехідного процесу, особливо коли мають місце сильні збурення за основними матеріальними потоками або теплообмінник має досить великий час чистого запізнення. У таких випадках використовують двоконтурні АСР. Такі системи значно поліпшують якість регулювання, якщо допоміжною регульованою величиною є параметр, зі зміною якого відбудеться сильне збурення процесу теплообміну. Якщо сильним збуренням є витрата теплоносія, то її використовують як допоміжну координату.

Каскадна АСР за допоміжною координатою за тиском на вході в апарат або в міжтрубному просторі дає досить ефективний результат навіть тоді, коли сильним збуренням є витрата продукту Fп або його температура, оскільки тиск у міжтрубному просторі є значно меншим інерційним параметром, ніж кінцева температура продукту. Перш ніж те чи інше збурення вплине на вихідну координату, воно сприйметься по внутрішньому контуру і відповідно зміниться його регулятор R1. Залишковий вплив цього збурення буде компенсовано коректуючим контуром із регулятором R2.

Якщо теплообмінник має велике запізнення, а сильним збурюючим параметром є витрата Fп або температура Тп продукту, то доцільно використати АСР з імпульсом за похідною з його проміжної точки. За наявності відповідного збурення почне змінюватися температура в точці а, диференціатор D подасть на вхід регулятора R випереджаючий імпульс і регулятор включиться в роботу скоріше, ніж вихідна координата відхилиться від заданого значення.

6.1.4 Комбіноване регулювання.

Комбіноване регулювання використовують тоді, коли сильним збуренням є витрата або температура продукту, а запізнення по каналу

перевищує запізнення по каналу регулювання. Вибираючи динамічний компенсатор, потрібно виходити з таких міркувань. Якщо частота зміни збурення достатньо велика, то динамічним компенсатором слід обрати диференціальну ланку. Якщо частота зміни мала, то компенсатором може бути інша динамічна ланка - аперіодична, інтегро-диференціальна або немінімально-фазова. Функціональну схему комбінованої АСР показано на рис. У разі зміни витрати продукту компенсатор К подасть на вхід регулятора К сигнал, який дасть змогу йому включитися в роботу дещо скоріше, ніж збурення досягне вихідної координати.

6.2 Автоматизація печей і топок

У хімічній, нафтохімічній і нафтопереробній промисловості широко використовують трубчасті печі (риформінги), в яких продукт безперервно проходить по змійовику, нагрівається завдяки теплоті, що виділяється при спалюванні палива. Трубчаста піч є складним об'єктом керування.

Стабілізацію температури продукту на виході необхідно забезпечити при істотній зміні температури та його витрат на вході в змійовик.

Розглянемо роботу і принципи автоматизації трубчастої печі конверсії метану. Перед трубчастою піччю газова суміш, яка складається з природного газу й азотоводневої суміші, змішується з водяною парою до співвідношення (пара - газова суміш) 3,1 ...3.4. що відповідає співвідношенню пара - природний газ 3,6...4,0. Тиск газової суміші підтримується автоматично за допомогою регулятора кількості обертів турбіни компресора природного газу. Витрати газової суміші та пари стабілізуються системами регулювання, а співвідношення між ними контролюється.

Після змішування з парою парогазова суміш надходить до підігрівника, розміщеного в конвекційній камері трубчастої печі, і підігрівається завдяки теплоті димових газів до температури, що не перевищує 525 °С. Нагріта парогазова суміш розподіляється по реакційних трубах, розміщених у трубчастій печі. В останніх на нікелевих каталізаторах при температурі 810...830 °С відбувається процес конверсії природного газу.

Теплота, необхідна для процесу конверсії, створюється за рахунок спалювання паливного газу в пальниках печі. Вміст метану в газі після трубчастої печі становить 9-11% і контролюється газоаналізатором. Температура на виході реакційних труб підтримується шляхом зміни витрати паливного газу. Процес горіння в печі виконується за вмістом у димових газах кисню, який має не перевищувати 3,5%. Вміст кисню в димових газах регулюється зміною витрати повітря. Розрідження в пічному просторі регулюється автоматично шляхом зміни кількості обертів турбіни димососу.

Автоматичному контролю підлягають такі технологічні параметри:

- співвідношення потоків пара - газова суміш;

- витрати газової суміші в трубчасту .піч;

- температура газової суміші після трубчастої печі;

- тиск паливного газу, який надходить на пальники;

- витрати метано-азотоводневої суміші та пари;

- залишковий вміст метану в газовій суміші після трубчастої печі;

- температура стінок паропідігрівника;

- температура димових газів, які викидаються в атмосферу;

- концентрація кисню в димових газах;

- розрідження в печі.

Сигналізації підлягає вихід за допустимі межі таких параметрів:

- зменшення співвідношення пари та газової суміші;

- зниження витрати пари та газової суміші перед трубчастою піччю;

- підвищення температури газової суміші на виході з печі;

- зменшення тиску паливного газу, який надходить на пальники:

- підвищення температури стінок труб підігрівника;

- підвищення вмісту кисню в димових газах;

- падіння розрідження перед димососом.

Автоматичне блокування виконується перекриттям подавання паливного газу в ніч у таких випадках:

- падінні витрати газової суміші в трубчасту піч;

- максимальній температурі газу після трубчастої печі;

- падінні витрати пари перед трубчастого піччю;

- зупиненні димососів.

Функціональну схему автоматизації трубчастої печі показано на рис. 6.7.

Показником ефективності технологічного процесу є мінімум концентрації метану в газі на виході з трубчастої печі, а мета регулювання - підтримувати цей мінімум на заданому рівні. Мета регулювання досягається завдяки стабілізації таких параметрів, як температура газової суміші на виході з печі, співвідношення азотоводневої суміші та пари, а також концентрації кисню.

Для стабілізації температури газової суміші після трубчастої печі використовують каскадну АСР, внутрішнім контуром якої є система співвідношення витрат паливного газу Fпг і повітря Fп.

У риформінгах речовини не лише нагріваються, а й зазнають хімічного перетворення. Останнє може відбуватися як із поглинанням, так і з виділенням теплоти. Ця теплота визначається багатьма факторами - співвідношенням потоків, якістю каталізатора тощо.

Важливим для печі є захист від відкладання вуглецю на стінках теплообмінника. Щоб запобігти цьому, процес спалювання палива в печі необхідно виконувати в оптимальному режимі: підтримувати на заданому рівні співвідношення витрат паливо - повітря і концентрацію кисню в димових газах.

У багатьох випадках печі використовують лише для нагрівання або сушіння тієї чи іншої речовини. Такі печі мають, як правило, перевальну стінку і теплообмінник нагрівається нагрітим у печі газом. Залежно від потужності печі повітря на спалювання палива може подаватися за рахунок ежекції (втягування повітря з приміщення внаслідок розрідження в печі) або примусово, наприклад вентилятором.

Якщо особливих вимог до процесу нагрівання продукту не висувається, то печі малої потужності можуть бути автоматизовані за допомогою одноконтурних АСР (рис. 6.8). У таких печах стабілізують, як правило, лише два параметри: температуру Т нагрітого продукту на виході теплообмінника зміною витрати палива та розрідження Р завдяки впливу на положення заслінки 5.

Для регулювання розрідженням в печі, як правило, використовують Ш-регулятор, а для температури Т доцільно застосовувати ШД-регулятор, оскільки по каналу Т —> Рт спостерігається досить велике запізнення.

До найбільших збурень, які впливають на системи регулювання, належать витрати палива Рт продукту Ьп, а також його температура Тп.

У разі сильного збурення з боку витрати палива доцільно використовувати каскадне регулювання температури із внутрішнім контуром стабілізації витрати палива (рис. 6.9).

Якщо особливі вимоги висуваються до якості регулювання температури продукту після теплообмінника, а в піч надходять великі збурення з боку подавання як палива, так і продукту, то використовують каскадну систему регулювання з допоміжною координатою за температурою нагрітих газів над перевальною стінкою (рис. 6.10).

До печей великої потужності висуваються вимоги щодо якості регулювання температури нагріваного продукту, оскільки в них, як правило, повітря надходить у піч примусово. Автоматизуються такі об'єкти за допомогою складних багатоконтурних систем регулювання.

Щоб поліпшити якість регулювання та оптимізувати режим горіння в топці, використовують багатоконтурні АСР (рис. 6.11).

Процес горіння регулюють за допомогою каскадної АСР за вмістом кисню в димових газах за допомогою регулятора R5. Внутрішнім контуром є АСР співвідношення потоків витрат газу та повітря, причому веденою є витрата газу Fг, а ведучою - витрата повітря Fпв. Тиск пари стабілізується також каскадною АСР, внутрішнім контуром якої є АСР витратою газу з регулятором R4. Контур із регулятором R2 є коректуючим.

Автоматичному контролю підлягають витрати пари Fп, газу Fг, повітря Fг, та води Fе; вологість пари, її тиск, тиск газу на пальнику; температура води, яка надходить у котел з економайзера, у печі та димових газів на виході в атмосферу; рівень води в котлі та розрідження в топці.

Обов'язковій сигналізації підлягають перевищення тиску пари в котлі, зменшення витрати палива, зменшення розрідження в топці, збільшення та зменшення допустимих меж рівня води в котлі, а також збільшення вмісту кисню в димових газах.

Блокування перекриттям подавання газу відбувається при втраті полум'я, зменшенні розрідження в топці, істотному зменшенні або збільшенні рівня води в котлі. Якщо значно збільшується тиск пари, то її частина стравлюється в атмосферу.

6.3 Автоматизація процесів випарювання

Процес концентрування твердих речовин із розчинів частковим випарюванням розчинника при кипінні рідини виконується у випарних апаратах. При роботі з невеликими кількостями розчинів при атмосферному тиску, а часто і під вакуумом використовують однокорпусні випарні апарати. Для економії гріючої пари та глибшого випарювання використовують багатоконтурні випарні установки.

Основним показником ефективності процесу є концентрація кубового залишку Q , а мета керування - підтримувати цю концентрацію на заданому рівні.

Розглянемо принципи автоматизації процесу випарювання на прикладі однокорпусної випарної установки 2 із виносним кип'ятильником 3, підігрівником 1 свіжого розчину та конденсатором 4 (рис. 6.12). Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування показує, що сильним збуренням буде витрата Рп свіжого розчину. Оскільки в більшості випадків витрата і концентрація основного компонента визначаються попередніми технологічними процесами, використовувати їх як регулюючі фактори не можна. їх зміна буде сильним збуренням для процесу випарювання. Витрата Р парів розчинника визначається параметрами свіжого розчину, а також режимними параметрами в апараті: температурою, тиском, концентрацією розчину та інтенсивністю теплоперенесення.

Якщо припусти ги. що мети керування досягнуто, тобто концентрація () на виході установки стала і відповідає заданій, то між тиском і температурою в апараті дотримуватиметься відповідна залежність. Тому достатньо стабілізувати один із цих параметрів. У більшості випадків таким параметром є тиск, який можна регулювати зміною витрати пари Рп.

Інтенсивність теплоти, яка надходить у кип'ятильник, визначається параметрами теплоносія: витратою Рт, температурою, тиском і ентальпією. Зміна витрати теплоносія належить до найсильніших збурюючих факторів. У разі відповідної зміни витрати теплоносія в об'єкт можуть вноситися регулюючі дії.

Концентрацію визначають за різницею між температурами кипіння розчину та розчинника (за температурною депресією), хоча її можна визначити за густиною розчину в кубовій частині, питомою електропровідністю тощо. Звичайно найефективніше було б регулювати концентрацію при можливості впливу на витрату свіжого розчину та стабільній витраті теплоносія. На рис. 6.12 показано схему одноконтурного регулювання процесом випарювання. Концентрація упареного розчину стабілізується за величиною температурної дисперсії зміною витрати свіжого розчину; температура в кубовій частині регулюється зміною витрати теплоносія, який надходить у кип’ятильник; температура свіжого розчину на вході у випарну установку – зміною витрати теплоносія, що надходить на підігрівник 1; тиск пари в апараті - зміною витрати холодоносія, що надходить у конденсатор 4. Загальний матеріальний баланс забезпечується стабілізацією рівня рідини в кубі шляхом зміни витрати упареного розчину Рк.

Поліпшити якість регулювання можна завдяки використанню багатоконтурних АСР. Особливо ефективним є каскадний принцип регулювання, якщо сильними збурюючими параметрами є витрати свіжого розчину та теплоносія. При цьому особливу увагу звертають на стабільність температурного режиму та тиску пари в установці (рис. 6.13).

Якщо сильними збурюючими факторами є одночасно витрата Нп, концентрація свіжого розчину та витрата теплоносія, то для регулювання процесом доцільно використовувати АСР співвідношення потоків свіжого розчину та теплоносія, який надходить на кип'ятильник. Досить ефективною є каскадна АСР стабілізацією тиску в апараті, в якій допоміжна координата - витрата конденсату після конденсатора 4.

Іноді у випарних установках особливу увагу приділяють стабільності рівня кубової рідини. У цьому разі позитивний ефект дає каскадна АСР із допоміжною координатою за витратою упареного розчину. Схему АСР співвідношення основних потоків показано на рис. 6.14.

Основною є каскадна АСР за концентрацією Q упареного розчину з допоміжною координатою за співвідношенням потоків Fp і FT. Крім того, у цю систему вводиться компенсуючий сигнал за концентрацією Qp у свіжому розчині. Він надходить на регулятор R2, створюючи тим самим каскадно-комбінований принцип регулювання. В АСР співвідношення веденим є потік свіжого розчину, а ведучим – витрати теплоносія, на який відбувається регулюючий вплив регулятора співвідношення R1.

У разі каскадного принципу випарювання дві або більше випарних установок з’єднують послідовно. При цьому особливу увагу приділяють останній установці. Розглянемо принцип автоматизації двокорпусної випарної установки. Перша установка працює під тиском, а вторинна пара є теплоносієм для другого каскаду випарювання (рис. 6.15).

Оскільки особливих вимог до показника ефективності першого каскаду не висувається, процес керування достатньо здійснювати побудовою АСР співвідношення витрати свіжого розчину Fp та теплоносія FT. Щоб зменшити збурюючий вплив, зумовлений зміною концентрації Qp, можна ввести компенсацію за цим параметром. Температуру Tp достатньо стабілізувати за допомогою одно контурної АСР.

Оскільки упарений розчин із кубової частини першого каскаду є свіжим для другого, до його витрати висуваються підвищені вимоги. Тому рівень упареного розчину стабілізують за допомогою каскадної системи регулювання, в якій допоміжною координатою є витрата FH.

Другий каскад випарної установки має забезпечувати високий показник ефективності, тому до нього приділяють підвищену увагу щодо концентрації випареного розчину та тиску пари. Концентрація QH вимірюється посередньо за температурою депресії нагрітого свіжого розчину та вторинної пари і стабілізується каскадною АСР, допоміжною координатою якої є рівень упареного розчину. Стабілізувати тиск також доцільно за каскадним принципом так, як показано на рис. 6.15.

У процесі випарювання контролюють витрати розчинів на вході в установку та на виході з неї; температури розчинів; витрати та тиск теплоносія; тиск, температуру та рівень в апараті; концентрацію основного компонента у свіжому та упареному розчинах. Сигналізації підлягають відхилення концентрації QH від заданого значення, витрати свіжого розчину при його зменшенні та тиск при його підвищенні. Захист установки виконується за витратою розчину; якщо припиняється його подавання, система захисту має відімкнути подавання теплоносія.

6.4 Автоматизація процесу кристалізації

Основні принципи керування процесом кристалізації

Основні принципи керування процесом кристалізації розглянемо на прикладі кристалізатора з виносним холодильником. Показником ефективності процесу являється розмір одержаних кристалів. Для забезпечення текучості і відсутності злежування кристалічних речовин необхідно отримати кристали однакового розміру, що і являється завданням керування. Розмір кристалів залежить від умов при яких проводиться процес (температура в апараті, інтенсивність охолодження і перемішування розчину), а також від властивостей розчину, що поступає на кристалізацію (ступінь насичення твердою фазою, тобто початкова концентрація, температура, вміст домішок і т.д.).

Температура в апараті буде постійною при дотриманні теплового балансу процесу:

де Gp, Gм.р, Gc, Gx – витрати відповідно розчину, маточного розчину, суспензії, холодоносія; Gкр – кількість утворених кристалів за одиницю часу; cp, cм.р, cc, cx – питомі теплоємності відповідно розчину, маточного розчину, суспензії, холодоносія; tp, tм.р, tc – температури відповідно розчину, маточного розчину, суспензії; t´x, t´´x – відповідно початкова і кінцева температури холодоносія; rкр – теплота кристалізації.

Багато з цих параметрів (tp, t´x, cx, Gкр і ін.) змінюються з часом, тому для забезпечення постійності температури в апараті необхідні відповідні регулюючі впливи. Найбільш зручним із них є зміна витрати холодоносія Gx.

Інтенсивність охолодження розчину при постійній температурі в апараті буде визначатись швидкістю проходження розчину через апарат. Для підтримання її на постійному значенні йдуть шляхом стабілізації витрати розчину.

Інтенсивність перемішування розчину в кристалізаторі при використанні насосу з постійними характеристиками можна вважати постійною.

Початкова концентрація твердої фази в розчині, його температура і наявність домішок являються початковими параметрами процесу, що визначаються попередніми технологічними процесами. Їх зміни будуть призводить до порушення технологічного режиму кристалізації.

В зв’язку з тим, що в кристалізаторі мають місце значні збурення, в якості регульованої величини необхідно взяти розмір кристалів. Однак в наш час відсутні датчики як безпосереднього так і непрямого вимірювання розмірів кристалів, тому обмежуються стабілізацією температури в апараті (шляхом зміни витрат Gx і Gp). Для підтримки матеріального балансу кристалізатора слід стабілізувати рівень в апараті. Регулюючим впливом при цьому може бути зміна витрати суспензії. Маточний розчин виводиться з апаратів за рахунок переливу, тому його витрата не регулюється. Стабілізація всіх цих параметрів забезпечує, як правило, задані розміри кристалів.

З міркувань правильної експлуатації апаратів, отримання даних для підрахунку ТЕП (техніко-економічних параметрів) і оперативного управління слід контролювати витрати поступаю чого розчину, маточного розчину, суспензії і холодоносія, іх температури, рівень і температуру в кристалізаторі. Сигналізації підлягають значні відхилення температури в кристалізаторі. Контролюються і сигналізуються, крім того, параметри насосів і суспензії.

6.4.2 Регулювання концентрації кристалів в суспензії

В окремих випадках параметром, що характеризує процес кристалізації, являється концентрація кристалів у суспензії. Тоді необхідно керувати процесом таким чином, щоб концентрація кристалів була сталою – максимально можливою для даних умов. Концентрація кристалів у суспензії в певній мірі характеризує і їх розміри, наприклад, чим більше концентрація, тим інтенсивніший процес кристалізації і тим більші кристали. На практиці концентрацію кристалів визначають за густиною останньої. Регулюючі впливи слід вносити шляхом зміни витрати вихідної суміші; всі інші вузли регулювання залишаються тими ж. Регулюючими впливами при регулюванні концентрації можуть бути також зміни витрат маточного розчину і суспензії.

6.4.3 Регулювання кристалізатора з мішалкою

Такі апарати працюють, як правило, періодично. Переключення апарату з однієї операції на другу і забезпечення певної затримки в часі на операції забезпечуються автоматичним пристроєм по жорсткій часовій програмі, а для стабілізації температури встановлюють регулятор температури (регулюючий вплив – зміна витрати холодоносія).

6.4.4 Регулювання кристалізатора випарного типу

Кристалізація за рахунок випарювання частини розчинника проводиться в апаратах випарного типу, тому їх регулювання аналогічно регулюванню процесу випарювання.

На рис. 6.17 показана схема регулювання випарника-кристалізатора з природною циркуляцією, яка знайшла застосування при кристалізації сульфату кальцію із фосфорної кислоти. Особливістю схеми являється регулювання перепаду рівнів в верхній і нижній камерах випарного апарату.