Тема №9 АВТОМАТИЗАЦІЯ ГІДРОМЕХАНІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

9.1 Автоматизація реакторів. Автоматизація процесу змішування рідин

9.1.1 Загальні відомості

Хімічний реактор є основним апаратом технологічної схеми одержання практично будь-якого хімічного продукту.

Задачі керування безперервними та періодичними реакторами значно відрізняються. Для перших характерні задачі стабілізації параметрів на заданих значеннях, а для других – проведення процесу за заданою програмою.

За динамічними характеристиками хімічні реактори дуже різні: в одних процеси протікають досить швидко (наприклад, синтез аміаку, полімеризація етилену під високим тиском), для яких сталі часу можуть дорівнювати від одиниць до десятків секунд; інші реактори досить інерційні, а їх сталі часу вже становлять до десятків хвилин. Істотною особливістю хімічних реакторів є значна нелінійність характеристик, що ускладнює їх автоматизацію.

Показником ефективності процесу хімічного перетворення є одержання нового продукту із заданою концентрацією. Мета керування – забезпечити цей показник на заданому рівні.

На процес реакції істотно впливають різні збурюючи фактори, які призводять до того, що швидкість, властива хімічній реакції, не завжди визначає швидкість перетворення реагуючих речовин. Такі фізичні явища, як теплообмін, перенесення маси, рух потоків і їх взаємне перемішування істотно впливають на технологічний процес. До сильних збурюючи факторів насамперед належать температура, тиск і концентрації початкових речовин.

Хімічні процеси завжди супроводжуються виділенням або поглинанням теплоти. Тепловий ефект процесу може значно змінити температуру реакційного об’єму і, як наслідок, швидкість другорядних реакцій.

Тиск відіграє значну роль для швидкості хімічних процесів, які протікають за участю газу або парів.

Температуру та тиск завжди можна стабілізувати шляхом впливу на витрату відповідно холодоносія чи газу. Концентрації реагуючих речовин стабілізувати неможливо, тому що вони створюють сильні збурення.

Крім розглянутих збурень на швидкість процесу можуть впливати також інші фактори, наприклад якість каталізатора, теплоємність, наявність вологи та ін.

9.1.2 Регулювання реакторів безперервної дії.

До них належать як газові, так і рідинні реактори. Особливість реакторів безперервної дії полягає в тому, що в них подається два або більше матеріальних потоків, між якими проходить хімічна реакція. Якщо до процесу не висувається особливих вимог, то можна використовувати одноконтурне регулювання. На рис. 9.1 показано схему рідинного ректора з двома вхідними потоками F1 і F2, які безперервно подаються в апарат 9 мішалкою.

Рис. 9.1 Схема од контурного регулювання реактором безперервної дії

Загальний матеріальний баланс реактора забезпечується стабілізацією рівня реагуючої рідини шляхом зміни витрати Fn. Для виключення сильного збурення з боку витрати F1 останній стабілізується. Концентрація Q цільової речовини регулюється зміною витрати F2 другого потоку. Температура реакції стабілізується зміною витрати Fx холодоносія, який подається в оболонку реактора, якщо реакція екзотермічні, або теплоносія, якщо реакція ендотермічна.

Сильними збурюючими факторами реактора будуть концентрації Q1, Q2 і температури T1, T2 вхідних потоків. За наявності сильних збурень і особливих вимог до якості регулювання використовують багатоконтурні АСР (рис. 9.2). Системи регулювання є каскадними. Для стабілізації концентрації Q цільової речовини допоміжна координата являє собою співвідношення витрат F1 і F2. Допоміжною координатою для каскадної АСР температурою є температура теплоносія (холодоносія) на виході з оболонки реактора.

Газовий реактор вирізняється тим, що два потоки попередньо змішуються, підігріваються до відповідної температури, а тоді під тиском сумарний газовий потік подається до реактора, в якому розміщений каталізатор. Характерним для такого реактора є забезпечення стабільності співвідношення потоків до змішувача. Тиск стабілізується за допомогою компресорної установки. У багатьох випадках температуру в реакторі не стабілізують, але в разі потреби її можна регулювати впливом на витрату ведучого газового потоку F1 (рис. 9.3).

9.1.3 Регулювання реакторів напівбезперервної дії

Від реакторів безперервної дії вони відрізняються тим, що одна або дві реагуючі між собою речовини попередньо завантажуються в реактор за об’ємом або масою M, а після цього в апарат дозується додатковий реагент або каталізатор. Розвантажується такий реактор періодично після закінчення реакції. Кінець реакції визначають або за концентрацією цільового продукту, або за часом перебування реакційної маси в апараті, або за температурою реакції. В останньому випадку реагент подається відповідними дозами.

Якщо основним параметром є температура реакції, то її, як правило, стабілізують зміною витрати допоміжного реагента Fд. У цьому разі витрату холодоносія стабілізують (рис. 9.4).

У багатьох випадках висувають жорсткі вимоги до температури реакції, а в перехідних режимах її перерегулювання не допускається. Тоді доцільно використовувати каскадний принцип її стабілізації. Допоміжною координатою, як правило, є температура холодоносія на виході з оболонки реактора (рис. 9.5). Додатковий реагент або каталізатор дозується за концентрацією найвпливовішого компонента реакційної маси.

9.1.4 Регулювання реакторів періодичної дії

Найбільшого поширення реактори періодичної дії дістали в так званій малотоннажній хімії, наприклад для виробництва барвників і напівпродуктів органічного синтезу. Необхідні реагуючі речовини M1 і M2 попередньо завантажують у реактор і нагрівають реагуючу масу для збільшення швидкості реакції. Коли процес реакції почався, то температуру в реакторі зменшують до необхідної. Таким чином, особливість регулювання полягає в тому, що температуру реакції необхідно змінювати за відповідними показниками або за програмою протягом усього циклу технологічного процесу. Кінець реакції, як правило, визначають за концентрацією продукту реакції. Після закінчення її реактор розвантажують.

При невисоких вимогах до температурного режиму можна використовувати одноконтурну АСР температурою реакції. Регулюючою величиною є витрата теплоносія, що надходить в оболонку реактора (рис. 9.6). Температурний режим змінюється за допомогою програмного задавача 1. На нього покладаються такі функції: увімкнення ліні подавання теплоносія після завантаження реактора, зміна температурного режиму в реакторі протягом усього технологічного процесу і вимкнення лінії теплоносія після закінчення реакції.

Якщо до якості регулювання температури висуваються особливі вимоги, а основним джерелом збурення є витрата теплоносія, то в таких випадках доцільно використовувати три контурну каскадну АСР, в якій допоміжними координатами будуть витрата теплоносія FT і температура конденсата на виході з реактора (рис. 9.7).

9.1.5 Регулювання трубчастими реакторами

Трубчасті реактори використовують для проведення газофазових високоекзотермічних процесів. Вони дають змогу забезпечувати вищий ступінь конверсії, ніж реактори зміщення, оскільки значна кількість теплоти, що виділяється в процесі реакції, відводиться через стінку реактора. Трубчасті реактори належать до об’єктів із сильно розподіленими параметрами. Швидкість руху газової суміші за довжиною реактора вважається сталою, а змінними параметрами є концентрація нового продукту та температура. Зміна концентрації за довжиною реактора визначається швидкістю хімічної реакції, а температура змінюється в результаті виділення теплоти хімічної реакції та внаслідок теплопередачі через стінку реактора.

Аналіз технологічного процесу показує, що незначні зміни швидкості V газового потоку, концентрації Q та температури T на вході реактора можуть призводити до істотної зміни температурного профілю за довжиною реактора. При цьому максимальна температура в реакторі може значно перевищувати гранично допустиму.

Складність регулювання трубчастим реактором полягає в тому, що необхідно керувати розподілом температури за довжиною реактора. Змінним параметром, за яким стабілізується температура в реакторі, є її максимальне значення. При цьому в систему регулювання вмикають спеціальний блок вибору максимуму або підмикають до регулятора температурний датчик, який установлюється за довжиною реактора в зоні, де має місце максимальна температура.

9.2 Автоматизація процесів переміщення рідин

9.2.1 Типове рішення автоматизації

Схема автоматизації розроблятиметься одночасно для процесів переміщення як рідин, так і газів, оскільки при швидкості газу менше швидкості звуку рух рідин і газів характеризується одними і тими ж законами.

Як об’єкт управління приймемо трубопровід 6, по якому транспортується рідина від апарату 1 до апарату 8, і відцентровий насос (компресор) 2 з приводом від асинхронного двигуна 4, що забезпечує її переміщення (рис. 9.8). Показником ефективності даного процесу служить витрата G переміщуваної рідини.

Процес переміщення в хімічній промисловості є допоміжним; його необхідно проводити таким чином, щоб забезпечувався ефективний режим основного процесу, обслуговуваного даною установкою переміщення. У зв’язку з цим витрата G повинна підтримуватися на визначеному, найчастіше постійному значенні. Тому метою управління процесом переміщення вважатимемо підтримку постійної витрати рідини в трубопроводі.

Проведемо аналіз об’єкту з метою виявлення збурень, можливості їх ліквідації і шляхів внесення дій, що управляють.

Масова витрата рідини в трубопроводі визначається по формуліbr>

де V – швидкість переміщення рідини в трубопроводі; F – поперечний перетин трубопроводу; ρ – густина рідини.

Швидкість V залежить в загальному випадку від наступних параметрів:

де ∆P – рушійна сила процесу (різниця тиску на початку Рп і в кінці Рк трубопроводу); μ – динамічна в’язкість переміщуваної рідини.

Рушійна сила ∆P залежить від характеристик насоса (числа обертів вала і кута нахилу лопаток), від тиску в апаратах куди і звідки переміщається рідина і від загального гідравлічного опору трубопроводу (опорів власне трубопроводу, поворотів, звужені і запірні арматури, разом взятих).

Насос нормального виконання з асинхронним двигуном як привід має постійні характеристики. Використовуючи спеціальне устаткування, із зміною цих показників в об’єкт можуть бути внесені регулюючі дії.

Тиск в апаратах 1 і 8 визначається технологічним режимом процесів, що протікають в них. Якщо режим передбачає зміну тиску, то по даних каналах в об’єкт управління поступатимуть збурення.

Загальний гідравлічний опір трубопроводу може мінятися з багатьох причин. Його можна стабілізувати або ж цілеспрямовано змінювати переміщенням рухомої частини дросельного органу (вентилі, клапани, заслінки), встановленого на трубопроводі (дросельне регулювання). Ефективність такої регулюючої дії видно, наприклад, з приведених нижче даних для поворотної заслінки:

α………5 10 20 30 40 45 50 60 65

£………0,24 0,52 1,54 3,91 10,8 18,7 32,6 118 715

Щонайменші зміни кута повороту заслінки α викликають значні зміни її коефіцієнта гідравлічного опору £.

В’язкість μ і густина ρ переміщуваної рідини визначаються технологічним режимом попереднього процесу, тому їх зміни є збурюючими діями, ліквідовувати які при управління даним процесом неможливо.

Аналіз об’єкту управління показав, що велику частину збурюючих дій не вдається ліквідовувати. Враховуючи це, за регульовану величину необхідно взяти безпосередньо показник ефективності – витрата G. Найбільш простим способом регулювання при цьому є зміна положення дросельного органу.

При пуску, наладці і підтримці нормального режиму процесу переміщення необхідно контролювати витрату G, а також тиск у всмоктуючій і нагнітальній лініях насоса; для правильної експлуатації установки переміщення потрібно контролювати температуру підшипників і обмоток електродвигуна насоса, температуру і тиск мастила і охолоджувальної рідини; для підрахунку техніко-економічних показників процесу слід контролювати кількість енергії, споживаної приводом.

Сигналізації підлягає тиск в лінії нагнітання, оскільки значна зміна його свідчить про серйозні порушення процесу. Крім того, слід сигналізувати температуру рідини в лінії нагнітання, тиск у всмоктуючій лінії, тиск і наявність потоку в системі змащення і охолодження, температуру підшипників і обмоток електродвигуна, масла і води. Сигналізується також положення засувок в лініях всмоктування і нагнітання, що управляє пуском і зупинкою насоса.

Якщо тиск в лінії нагнітання Рп або параметри, що характеризують стан об’єкту, продовжують змінюватися, не дивлячись на вжиті обслуговуючим персоналом заходи, то повинні спрацювати автоматичні пристрої захисту. Вони відключають діючий апарат переміщення і включають резервний (не малюнку не показаний).

Розглянемо, як зміниться приведена схема автоматизації при інших цілях управління, при використанні поршневих машин в якості апаратів переміщення, застосування спеціальних конструкції насосів, компресорів і приводів для них.

9.2.2 Регулювання при різних цілях управління

Часто установка переміщення повинна забезпечити стабілізацію якого-небудь параметра процесу, передуючого процесу переміщення або наступного за ним. Наприклад, при переміщенні газу в апарат може бути поставлене наступне завдання: зміною витрати газу підтримувати постійний тиск в цьому апараті. Часто застосовують схему, в якій зміною витрати рідини в трубопроводі стабілізується рівень в апараті.

Враховуючи різноманіття процесів хімічної технології і завдань, які ставляться перед ними, можна сказати, що як регульована величина при переміщенні потоків можуть служити будь-які параметри цих процесів: температура, концентрація, щільність, товщина плівки, час і т.д.

Якщо наперед відомо, що на установку переміщення поступатимуть збурюючі чинники, що приводять до зміни витрати і, отже, регульованої величини в наступному апараті, слід застосувати багатоконтурну систему регулювання. Основним регулятором в цій системі біде регулятор параметра, постійність якого слід забезпечити, а допоміжним – регулятор витрати. Необхідність в багатоконтурній системі регулювання виникає, наприклад, у випадку, якщо тиск в апараті буде змінним. При використанні одно контурної системи регулювання зміна тиску спричинила б за собою зміну рушійної сили процесу переміщення (∆P), а потім і витрати рідини. Це, у свою чергу, приведе до зміни рівня. При використанні двоконтурної системи регулювання допоміжний регулятор витрати наперед, до зміни рівня, відпрацьовує регулюючу дію і компенсує зміну тиску.

9.2.3 Регулювання методом дроселювання потоку в байпасному трубопроводі

При використанні поршневих насосів (компресорів) регулюючі органи не можна встановлювати на нагнітальному трубопроводі, оскільки зміна ступеня відкриття такого органу приводить лише до зміни тиску в нагнітальній лінії, витрата ж залишається постійною. Якщо ж регулюючий орган закриється повністю, це приведе до такого підвищення тиску, при якому може відбутися розрив трубопроводу або пошкодження арматури на ньому.

Регулювання в цих випадках може бути здійснено шляхом установки дросельного органу на байпасній лінії, що сполучає всмоктуючий і нагнітальний трубопроводи. Таке ж регулювання застосовується і при використанні шестерних насосів. При використанні відцентрових насосів дроселювання в байпасному трубопроводі застосовується рідко, оскільки зважаючи на циркуляцію рідини знижується ККД насоса.

Якщо з якої-небудь причини неможливо дроселювати потік в байпасному трубопроводі поршневих насосів (компресорів), рідина дроселюється в нагнітальній лінії, але при цьому в байпасному трубопроводі встановлюють запобіжний клапан. При підвищення тиску до критичного значення клапан відкривається, і частина рідини байпасується з нагнітальної лінії у всмоктуючи.

9.2.4 Регулювання зміною числа обертів валу насоса

Дросельне регулювання має істотний недолік – низьку економічність: створюваний насосом напір використовується на повністю, а втрати на регулюючому органі при дроселювання рідини зменшують ККД насоса. Економічніший метод регулювання зміною числа обертів робочого валу насоса. Як відомо, плавне регулювання частоти обертання легко здійснити при використання електродвигунів постійного струму, але через високу вартість вони не знайшли широкого застосування як приводи насосів.

При використанні асинхронних електродвигунів змінного струму можливі наступні способу зміни числа обертів валу: перемикання обмотки статора електродвигуна на різне число пар полюсів, введення реостата в коло ротора, зміна частоти живлячого струму, застосування колекторних електродвигунів. Проте реалізація будь-якого з них вимагає складного і дорогого устаткування, тому вони також не знайшли застосування в промисловості.

В даний час найбільш ефективним методом зміни числа оборотів валу насоса є використання електромагнітних і гідравлічних муфт ковзання, які дозволяють змінювати число обертів робочого валу насоса при незмінному числі обертів валу електродвигуна. Крім того, регульовані муфти ковзання забезпечують швидке і легке дистанційне зчеплення і розчеплення електродвигуна і насоса; згладжування ударів від електродвигуна до насоса, і навпаки; можливість розгону насоса з початковим моментом опору, що перевищує пусковий момент двигуна; обмеження величини передаточного обертаючого моменту.

Термін окупності додаткових капіталовкладень пр. переході від дросельного регулювання до регулювання за допомогою муфт складає менше двох років, що говорить про перспективність даного методу регулювання.

9.3 Автоматизація процесів відстоювання

9.3.1 Типове рішення автоматизації.

Основні принципи управління при автоматизації процесів відстоювання розглянемо на прикладі відстійника з скребковим пристроєм (рис. 9.9). Процеси відстоювання проводяться, як правило, з ціллю повного видалення твердої фази (цінного продукту) із рідини, тому показником ефективності будемо вважати концентрацію твердої фази у освітленій рідині, а ціллю управління – підтримання її на мінімально можливому значенні.

В об’єкт управління процесу розділення можуть поступати багаточисельні збурення: зміна витрати суспензії, щільності твердої і рідкої фаз, концентрації і в’язкості суспензії, дисперсності (гранулометричної складової) твердої фази. Всі ці збурення визначаються технологічним режимом попереднього процесу, тому усунути їх при управлінні процесом відстоювання неможливо. Особливо сильними збуреннями являються зміни витрати суспензії і концентрації твердої фази в ній.

Розглянемо, яким чином при наявності перекислених збурень можна досягти цілі керування. На тверду частину у відстійнику діють одночасно сила інерції і сила тяжіння. Тому дійсне значення швидкості V рухомої частини являється результуючим горизонтальної складової швидкості Vг і вертикальної складової Vв, а положення частини являється визначається відношенням цих швидкостей: якщо Vв>Vг, то частина осідає в бункер відстійника; якщо ж Vг > Vв, то частина виноситься у вихідний патрубок. Швидкість випадання в осад Vв частин кулеподібної форми, для висококонцентрованих суспензій може бути розрахована по формулі:

де, d – діаметр частини; g – прискорення вільного падіння; ρт, ρж – густина відповідно твердої і рідкої фаз; ε – об’ємна доля рідини в суспензії; μ – динамічна в’язкість суспензії.

Аналіз рівняння показує, що швидкість Vв являється змінною величиною, що залежить від змінних в часі параметрів: діаметра частин, концентрації твердої фази, густин фаз, динамічної в’язкості суспензії. Стабілізувати швидкість неможливо, так як всі перечислені параметри визначаються попереднім процесом. Для того, щоб при змінній швидкості випадання в осад Vв частини встигали осідати в бункер, підбирають такі значення витрати суспензії і діаметра відстійника, які забезпечують необхідну відповідність швидкостей Vв і Vг. Необхідність в безпосередньому регулювання показника ефективності процесу при цьому відпадає.

У відстійник поступає один потік – суспензія, із нього виходять два потоки – освітлена рідина і згущена суспензія. Для підтримання матеріального балансу відстійника немає необхідності в установці спеціального регулятора, оскільки конструкція апарата така, що освітлена рідина виводиться за рахунок переливу.

У відстійнику необхідно підтримувати на постійній висоті границю розділу зон осідання і згущення. Ця висота залежить від витрати згущеної суспензії, тому регулююча дія вноситься міною ступені відкриття спеціальних клапанів (для високов’язких рідин) на лінії згущеної суспензії.

В якості контрольованих величин в процесі відстоювання приймають витрати початкової і згущеної суспензії, освітленої рідини, а також мутність освітленої рідини, яка являється непрямим параметром, що характеризує показник ефективності і густину згущеної суспензії. Контролюється, крім того, рівень границі розділу зон за допомогою гідростатичного приймача з неперервною промивкою. Робота механічної частини відстійників контролюється шляхом безпосереднього вимірювання моменту на валу двигуна. Можна проводити контроль і по непрямому параметру – потужності, що споживає привід електродвигуна. Перевантаження електродвигуна сигналізується. У випадку підвищених навантажень дається сигнал в схему захисту. Сигналізації підлягає також підвищення мутності освітленої рідини.

9.3.2 Регулювання зміни витрати суспензії

В окремих випадках витрата суспензії не залежить від попереднього технологічного процесу; тоді її можна змінювати, стабілізуючи мутність освітленої рідини, тобто зменшувати при збільшенні мутності вище заданого значення і збільшувати – при її зменшенні. При відсутності датчика мутності стабілізують витрату суспензії, що приводить до ліквідації одного із самих сильних збурень.

9.3.3 Регулювання густини згущеної суспензії

В ряді відстійників проводиться процес згущення суспензії до заданого вмісту твердої фази (вологість осаду при відстоюванні може коливатись від 35 до 55%); при цьому вміст твердої фази в зливі набуває другорядне значення. В цьому випадку ідуть шляхом регулювання густини згущеної суспензії шляхом зміни її витрати з допомогою клапана пульсуючого типу, або ж включенням і відключенням насоса.

У окремих технологічних схемах при підвищених вимогах до концентрації твердої фази в згущеній суспензії використовують рециркуляцію частини згущеної суспензії із проміжної ємності. В таких випадках густину регулюють шляхом зміни коефіцієнта рециркуляції, тобто відношення витрати циркулюючої рідини до загальної витрати згущеної суспензії (рис. 9.10).

9.3.4 Регулювання подачі коагулянту

Для кращого відстоювання деяких речовин у суспензію добавляють коагулянт – речовину, що сприяє коагулюванню (збільшенню) твердої фази. Витрату коагулянту змінюють залежно від положення границі розділу між зоною освітлення рідини і зоною випадання в осад. Висоту освітленого шару контролюють з допомогою ультразвукового слідкуючого пристрою, приймач якого розміщений всередині відстійника і реагує на зміну концентрації твердої фази біля границі розділу між зонами.

9.3.5 Регулювання режиму роботи гребкового механізму

Густину осаду можна регулювати і по непрямому параметру – навантаженні гребкового пристрою, яка прямо залежить від густини згущеної суспензії в нижній частині відстійника. Регулятор навантаження в цьому випадку послідовно діє спочатку на виконавчий механізм на магістралі згущеної суспензії, а потім на привід підйому гребків. При перенавантаженні приводу відбувається підйом скребкового пристрою і навпаки.

9.3.6 Управління процесом протиточного відстоювання

У випадку, якщо один відстійник не справляється з поставленою задачею, встановлюють декілька апаратів, з’єднуючи їх по протиточній схемі. Таку схему використовують, наприклад, на калійних підприємствах. Ступінь виділення твердої фази, що забезпечується всією схемою, багато в чому визначається роботою першого відстійника, тому для управління процесом відстоювання в ньому регулюють густину згущеної суспензії і границю розділу зон освітленої рідини та випадання осаду (подачею коагулянту); контролюють витрати суспензії і щелока, мутність осаду. Вимоги до роботи інших відстійників менш жорсткі, тому на них встановлені тільки регулятори густини згущеної суспензії, а витрати коагулянту змінюються вручну.

Для підтримання матеріального балансу регулюють рівні рідин в ємностях.

9.3.7 Управління відстійником періодичної дії

В промисловості використовуються такі відстійники періодичної дії, в яких вивантаження осаду являється окремою операцією. Для автоматичного переводу відстійника з режиму відстоювання на режим вивантаження на певній висоті апарату встановлюють датчик прозорості, який дає сигнал на закриття трубопроводу суспензії і включення насоса для відкачування.

9.4 Автоматизація процесів фільтрування

9.4.1 Автоматизація процесу фільтрування рідких неоднорідних систем

Розглянемо в якості об’єкта керування барабанний (дисковий) вакуумний фільтр. При керування даним об’єктом ставиться задача отримання мінімально малої при даних умовах вологості осаду. Це і буде ціллю керування.

В реальних умовах виробництва на фільтри надходить велика кількість збурюючих впливів у вигляді зміни гранулометричного складу твердої речовини, зміна початкової концентрації твердої речовини в суспензії, в’язкість рідкої фази і т.д. Найбільш сильним збурюючим впливом є зміна подачі (витрати) суспензії. Зокрема збільшення витрати суспензії приводить до підвищення вологості осаду.

Пристрої регулювання встановлюються на даному об’єкті тільки для забезпечення визначення продуктивності по осаду.

Ця продуктивність для вибраного типу фільтру має бути виражена наступною формулою:

де K – постійний коефіцієнт, ∆P – різниця тисків до і після фільтруючої перегородки, СТС – маса твердих частинок на одиницю об’єму рідини вихідної суспензії, Сро – об’єм рідини в осаді на одиницю маси твердих частин, n – число обертів барабану (диска), η – кінематична в’язкість рідини, l – частина барабану що знаходиться в рідині, визначається рівнянням суспензії у ванні, α – середнє значення опору осаду.

Як випливає з рівняння, продуктивність VT – пропорція (∆Pln)0,5. Параметри ∆P, n не змінюються при використанні в якості привода вакуум-насоса і барабана (диска) асинхронних двигунів. Тому єдиний параметр який слід стабілізувати – це l, тобто рівень суспензії у ванні. Регулюючу дію в даному випадку будемо виносити шляхом заміни витрати суспензії.

Серйозною небезпекою при роботі вакуумних фільтрів є прорив фільтруючої перегородки, так як через отвори в якій буде втрачатись цільовий продукт. Для запобігання таких ситуацій встановлюють датчики мутності або густини фільтрату, які у випадку різного підсилення цих параметрів подають сигнал на пристрої сигналізації та захисту. Крім цього, на вакуум-фільтрі встановлюють ще один датчик сигналізації і захисту - датчик перевантаження електродвигуна барабану.

Параметри контролю:

- витрата суспензії і фільтрату;

- рівень рідини у ванні;

- розрідження у вакуум-лінії;

- перепад тиску до і після фільтруючої перегородки;

- мутність (густина) фільтрату;

- потужність електродвигуна.

9.4.2 Регулювання товщини осаду

Товщина осаду є важливим режимним параметром, зміна якого призводить до значного збільшення вологості осаду, тому його слід стабілізувати. З цією метою регулюючу дію можна встановити як зміною вакууму, так і зміною швидкості обертання барабану. Слід звернути увагу ще на те, що регулююча дія у останньому варіанті має вузький діапазон, що пов’язано із збільшенням якості осаду при значному збільшенні швидкості.

9.4.3 Управління фільтрувальними відділами

Фільтрацію великих кількостей суспензії проводять не на окремих фільтрах, а в фільтрувальних відділах. Можливі дві схеми роботи фільтрувальних відділів: без переливу і з переливом суспензії із ванн фільтрів (рис. 9.12). У першому випадку управління робочими фільтрами здійснюється звичайним методом – регулюванням рівнів шляхом зміни витрати суспензії. Рівень же в напірній ємності регулюється зміною подачі суспензії в резервний фільтр. Одночасно регулятор рівня резервного фільтра подає сигнал на зміну швидкості обертання барабану. Зокрема, при переповненні ванни резервного фільтру швидкість обертання збільшується.

У випадку роботи відділення в режимі з переливом рівень в робочих фільтрах підтримується на оптимальному значенні завдяки вільному зливу, а в резервному – аналогічно попередньому варіанту.

9.4.4 Фільтрування газових систем

Типове рішення автоматизації. Розглянемо на прикладі рукавного фільтра з імпульсною продувкою (рис. 9.13). Рукавні фільтри встановлюють, як правило, для повної очистки газу від твердих речовин, що являються цінними продуктами. Тому показником ефективності процесу будемо вважати концентрацію твердих речовин на виході із фільтру, а ціллю управління – підтримання її на заданому мінімально можливому рівні при витримці продуктивності фільтра в певному діапазоні.

Процес фільтрування газових середовищ багато в чому аналогічний процесу фільтрування рідких систем. В тому числі, аналогічні збурюючи впливи і можливості їх ліквідації. В рукавні фільтри додатково можуть поступати збурення по каналу стиснутого повітря, що подається в сопла для регенерації. Певні труднощі при автоматизації рукавних фільтрів створює відсутність в даний час надійних вимірювачів концентрації пилу. В зв’язку з цим регулюють перепад тиску ∆P в камерах забрудненого і очищеного газу, який найбільш повно відображає хід поцесу:

де ∆PT – перепад тиску, зумовлений фільтруючою тканиною і частинами пилу, що не видаляються; G – маса пилу, що осідає на одиницю площі фільтру за певний проміжок часу; μ – в’язкість газу; W – швидкість газу; K – проникність шару пилу на тканині; γ – питома вага пилу.

Із рівняння випливає, що регулювати перепад ∆P можна лише зміною маси пилу G (інші параметри зумовлені попереднім технологічним процесом). Регулювання здійснюється наступним чином. При досягненні максимального перепаду позиційний регулятор видає сигнал на електромагнітні клапани, встановлені на магістралі стиснутого повітря. Клапани відкриваються, імпульси стиснутого повітря через сопла поступають у рукави, деформують тканину, збиваючи при цьому пил. Регенерація тканини проводиться до досягнення мінімального значення перепаду.

Якісна регенерація фільтруючої тканини рукавів буде здійснюватись тільки при певному значенні тиску стиснутого повітря, що подається на продувку. Для стабілізації цього тиску встановлюють регулятор.

Контролю і сигналізації підлягають наступні параметри: температура забрудненого газу (фільтруюча тканина розрахована лише на певні температури), тиск стиснутого повітря, перепад тиску. При критичних значеннях тиску стиснутого повітря і перепаду тиску (перевищення критичного значення перепаду призводить до розриву тканини) спрацьовує пристрій захисту, що відключає робочий фільтр і включає резервний. Контролю підлягає витрата газового потоку.

9.4.5 Регулювання по чіткій часовій програмі

Вимірювання тиску газових пилових потоків зв’язано з певними труднощами, так як імпульсні трубки забиваються пилом і спотворюють покази приладів. З іншої сторони, при стабільному технологічному режимі з’являється можливість відмовитись від регулювання перепаду по перепаду ∆P і перейти на управління по чіткій програмі, в якій задається певна тривалість імпульсів стиснутого повітря і пауз між ними. Для реалізації такої програми встановлюють командний пристрій, який управляє об’єктом по часовій програмі незалежно від стану фільтра.

9.5 Автоматизація процесу центрифугування рідких систем

9.5.1 Типове рішення автоматизації

Розглянемо типову схему автоматизації процесу центрифугування на прикладі центрифуги неперервної дії (рис. 9.14).

Після проведення процесу отриманий осад, як правило, направляється на сушку, тому при керуванні центрифугами ставиться задача отримання мінімально можливої при даних умовах вологості осаду. Це і буде ціллю керування.

Збурення при центрифугуванні аналогічні процесу фільтрування. Велике значення має стабілізація витрати суспензії, так як збільшення останньої призводить до виливання частин осаду із центрифуги і підвищення його вологості. Зменшення витрати порушує рівномірність шару осаду і призводить до сильної вібрації ротора.

Виділяють поняття фактор розділу, що визначає властивості центрифуги:

r – радіус барабана центрифуги (величина стала); n – число обертів ротора; g – прискорення сили вільного падіння.

Отже регулюючу дію будемо виносити шляхом зміни числа обертів n (підбір електродвигуна з числом обертів що забезпечують потрібну продуктивність центрифуги).

Для підтримання матеріального балансу в центрифузі непотрібно встановлювати регулятори, так як рівень фугату та осаду підтримується шляхом вільного витоку з апарату.

Параметри контролю:

1. Витрата суспензії фугату;

2. Мутність фугату;

3. Кількість електроенергії (що споживає електродвигун);

4. Тиск масла в системі змазки;

5. Температура підшипників.

Параметри сигналізації:

1. Перевантаження двигуна;

2. Тиск масла в системі змазки і температура підшипників.

Параметри блокування:

При різному падінні тиску і підвищення температури повинен спрацювати пристрій захисту, який вимкне центрифугу. Вимикання повинно відбутися у випадку вібрації барабана, що є ознакою нерівномірного розподілу матеріалу у суспензії.

9.5.2 Регулювання відстійних центрифуг

Шляхом зміни тривалості відстоювання і сушки осаду у відстійних центрифугах в об’єкт можна вносити сильні регулюючі впливи. У відповідності з результатами лабораторних аналізів вологості осаду проводять зміну тривалості вказаних операцій шляхом зміни числа ходів поршня при вивантаженні осаду пульсуючим поршнем, або ж зміною числа оборотів шнека у шнекових центрифугах. Рідше регулюючі впливи вносяться зміною ступені відкриття розвантажувальних вікон.

9.5.3 Управління центрифугами періодичної дії

Центрифуги періодичної дії в зв’язку з простотою конструкції знайшли широке використання в промисловості. Регулюючі впливи в них можуть бути внесені шляхом зміни тривалості окремих операцій залежно від вологості осаду. Однак, на практиці в зв’язку з відсутністю датчиків вологості процес ведуть по чіткій часовій програмі з допомогою командного пристрою (рис. 9.15). На нього поступають сигнали від датчика загрузки 6 барабана 1 центрифуги і кінцевих вимикачів положень ножа 2, що слугує для зрізування осаду і і приводиться в дію масляним виконавчим механізмом 3. При спрацюванні датчика загрузки командний пристрій формує сигнал на закриття клапана 7; операція завантаження при цьому припиняється. Тривалість наступних операцій (підсушки і промивки) встановлюється вручну з допомогою задавачів часу командного пристрою і забезпечується спрацюванням клапана 8. На деяких центрифугах почергово здійснюється кілька операцій підсушки і промивки з різною витримкою. Задана послідовність і тривалість їх також витримується командним пристроєм. Після завершення цих операцій пристрій видає імпульс не перемикаючий пристрій 5 маслорозподілювача 4, який з допомогою виконавчого механізму 3 приводить в дію ніж 2. Починається операція вигризки твердого продукту із барабану 1. Рух ножа триває до крайнього положення, що забезпечується кінцевим вимикачем КВ1. По його команді відбувається зворотній рух ножа до спрацювання другого кінцевого вимикача – КВ2; починається нова загрузка, або ж знову відкривається магістраль промивної води для регенерації сітки барабану 1. Далі цикл повторюється.

В якості параметра, що характеризує ступінь загрузки, можна використовувати рівень суспензії в барабані. Чутливим елементом рівня являється пластинка, контактуюча з верхнім шаром рідини в ньому. При зміні положення цього шару пластинка повертається разом з валом, на якому встановлений кулачок. Положення останнього перетворюється в аналоговий або дискретний сигнал, що відповідає рівню рідини. Таким же чином можна контролювати і рівень твердого осаду; тоді в якості чутливого елемента використовується гребінка, яка чинить опір лише твердій фазі.

В промисловості для контролю завантаження використовують також ємнісні датчики, що вимірюють електричну ємність між пластинчатим датчиком і рівнем суспензії в барабані або його стінці, датчики швидкості обертання барабану і потужності приводного електродвигуна.

9.5.4 Регулювання швидкості обертання центрифуг періодичної дії

Значного покращення експлуатаційних характеристик центрифуг періодичної дії можна досягти шляхом зміни швидкості обертання ротора при здійсненні різних операцій, так як кожній із них відповідає своя оптимальна швидкість. Для цього встановлюють спеціальні електродвигуни в якості привода центрифуги і командні пристрої, що працюють по чіткій програмі.

9.6 Автоматизація процесів очистки газів

9.6.1 Мокра очистка газів

В якості об’єкта управління розглянемо форсункову трубу Вентури, в якій рідина під невеликим тиском подається через розпилювач, встановлений паралельно газовому потоку, що рухається з високою швидкістю (рис. 9.16). Показником ефективності процесу буде концентрація твердих речовин на виході, а ціллю управління – підтримання її на заданому мінімально можливому рівні.

Проведемо аналіз технологічних особливостей мокрих очищувачів повітря від пилу. Рух газового потоку в трубі Вентури можна представити як рух газу через шар капель рідини зі швидкістю, рівною відносно швидкості фаз. Із цього випливає, що кінцева концентрація пилу буде залежати, по-перше, від кількості і розміру капель, що визначають якість “фільтру”, через який рухається газ, і, по-друге, від кількості газу, що проходить через фільтр, тобто його витрати.

Рідина ділиться на каплі у трубі Вентури двічі: на великі – при виході рідини із форсунки і на більш дрібні під дією енергії газового потоку. Кінцевий розмір капель і їхня кількість залежать від обох процесів.

Середній діаметр капель після форсунки при розпилюванні певної рідини в газовий потік із мало змінними властивостями залежить від геометричних розмірів форсунки і тиску рідини. Для одного із типів форсунок отримано, наприклад, таке рівняння:

де dК – середній діаметр капель (величина постійна), м; dc – діаметр отвору сопла, м; Pж – тиск перед форсункою, МН.

Таким чином, для стабілізації діаметру dК достатньо підтримувати тиск Pж постійним. Цим же буде забезпечуватись і постійне число капель, так як витрата рідини Vж через форсунку визначається перепадом тиску ∆Pж на форсунці:

де ξр – коефіцієнт витрати (незначно змінюється); ∆Рж=Рж-Ргн; Ргн – тиск газу на початку труби, де встановлений розпилювач (мало змінюється); ρж – густина рідини (мало змінюється).

Дисперсність вторинного розпилу при контактування капель рідини після форсунки з газом залежить в основному від швидкості газового потоку Wг:

де ξс – коефіцієнт швидкості (мало змінюється); ∆Рг – перепад тиску на початку і в кінці труби Вентури (∆Рж=Ргн-Ргк; Ргк – тиск в кінці труби); ρг – густина газу (мало змінюється).

Із рівняння випливає, що для постійної швидкості Wг достатньо стабілізувати перепад тиску на трубі Вентури. Регулюючий вплив при цьому вноситься шляхом зміни поперечного перерізу горловини труби.

Перепад тиску на трубі являється рушійною силою процесу переміщення газу, тому його стабілізація забезпечує не лише якісну дисперсність розпилу, а і постійність витрати газу – другого режимного параметру процесу мокрої очистки, що визначає показник ефективності.

Отже, для ефективного використання труб Вентури необхідно регулювати тиск рідини перед форсункою і перепад тиску газу.

Мокрі очищувачі повітря від пилу схильні до забивання, тому граничне значення перепаду тиску необхідно сигналізувати. При критичному значенні перепаду ∆Р пристрій захисту включає резервний очищувач повітря від пилу і відключає робочий. Контролюються в даному процесі витрати рідини і газу.

9.6.2 Електрична очистка газів

Розглянемо на прикладі сухого електрофільтру (рис. 9.17). В зв’язку з тим, що електричні апарати очистки повітря від пилу виконують завдання, аналогічні завданням фільтрів і мокрих очищувачів, цілі управління у них співпадають.

Параметрами, від яких залежить концентрація пилу на виході електрофільтру, являється: напруга живлення U, навантаження G, температура газу t, радіус частин r, тиск газу P, вологість m, питомий електричний опір R.

Для сухих електрофільтрів отримано рівняння, що дає уявлення про залежність кінцевої концентрації Cк від цих параметрів:

де Cн – початкова концентрація пилу.

Із рівняння випливає, що найбільш сильно на концентрацію Cк впливають початкова концентрація Cн, напруга U і витрата G; параметри P, t, r впливають менше; вони визначаються попереднім технологічним процесом і з їх зміною в об’єкт будуть поступати збурюючи впливи. Те ж можна сказати і про концентрацію Cн. Витрату газу, з метою усунення збурень, необхідно стабілізувати. Напруга U для високоякісної очистки повинна підтримуватись на максимально високому рівні, близькому до критичного. Для цього встановлюють автоматичний пристрій, який періодично здійснює плавне підвищення напруги до виникнення пробою (дугового розряду) в міжелектродних проміжках. В момент виникнення пробою спрацьовують реле максимального струму і мінімальної напруги; вони дають команди автоматичному пристрою на швидке зниження напруги U до величини, що забезпечує гасіння дуг (~10%). Через деякий проміжок часу пристрій знову починає підвищувати напругу до граничного пробивного значення. Потім цикл повторюється.

При обриві коронних електродів сигнальний пристрій через 5-10 циклів пониження напруги дає імпульс в схему сигналізації і захисту.

Контролю в даному процесі підлягають витрата, температура і вологість газового потоку, напруга і сила струму, температура масла трансформаторно-випрямного блоку.

Регулювання по іскровому принципу. Типове регулювання електрофільтра по дуговому пробою має суттєвий недолік – середнє значення робочої напруги виявляється нижче оптимального внаслідок її періодичного зниження. Більш перспективним являється по числу іскрових розрядів, які передують пробою і визначають ступінь очистки (рис. ). Оптимальна частота іскрових розрядів може бути розрахована зарання (як завдання регулятору) по розрядній відстані, поєднанню електродів, властивостями газів, що очищаються та іншими параметрами процесу. Для контролю за поточним значенням частоти іскріння у вторинному колі трансформатора встановлюють спеціальний пристрій, що реагує на імпульси напруги, які викликаються стрибкоподібними змінами струму при іскрінні.

9.7 Автоматизація процесів очистки стічних вод

9.7.1 Загальні відомості

Очистка стічних вод у хімічній промисловості набула особливого значення, так як хімічні підприємства являються основними споживачами води (до 50% від всього споживання) і джерелами забруднення води. Найбільш розповсюдженими видами очистки стічних вод являються хімічна (реагентна) і біохімічна. При реагентній очистці проводиться нейтралізація кислот і лугів в стічних водах, виділення із них металів, а також коагуляція тонкодисперсних суспензій за рахунок введення реагентів, при біохімічній – очистка стоків від органічних речовин.

9.7.2 Біохімічна очистка.

Проводиться в апаратах, котрі називаються аеротенками (рис. 9.18). Вона полягає в окисленні органічних речовин розчиненим у стоках киснем в присутності ферменту (каталізатора), котрий продукується бактеріями активного мулу. Для забезпечення нормального технологічного режиму в аеротенк подають стоки ре циркулюючий мул, що містить бактерії. Для їх перемішування і насичення отриманої мулової суміші киснем в нижню частину аеротенка через багаточисельні секції подається повітря.

Показником ефективності процесу являється концентрація органічних забруднень на виході із аеротенка, а ціллю управління – підтримання цієї концентрації на значенні, що не перевищує допустиме. На цей параметр впливають: концентрація органічних забруднень в поступаючих стоках, витрата стоків, концентрація бактерій і розчиненого кисню в муловій суміші аеротенка та тривалості перебування стоків у апараті. Концентрація органічних речовин, їх витрата і, отже, час перебування стоків визначаються режимом попередніх технологічних процесів. Як правило вони змінюють в широкому діапазоні. Тому для досягнення цілі управління необхідно регулювати кінцеву концентрацію органічних сполук у стоках шляхом впливу на концентрацію бактерій і розчиненого кисню в муловій суміші. Однак автоматичних вимірювачів вмісту органічних речовин в стічних водах у наш час немає. В зв’язку з цим, процесом управляють по непрямому параметру – кількості органічних речовин у стоках, що поступають на очистку, яка розраховується по витраті стоків і зміні в них концентрації розчиненого кисню. Регулюючий вплив вноситься зміною витрат повітря і мулу, що відводиться з ділянки.