Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств»




НазваниеГ. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств»
страница7/8
Дата публикации07.03.2013
Размер0.58 Mb.
ТипМетодическое пособие
shkolnie.ru > Химия > Методическое пособие
1   2   3   4   5   6   7   8
^

Материалы к лекции №7


Автоматизация кожухотрубных теплообменников
Схема кожухотрубного теплообменника

с неизменяющимся агрегатным состоянием веществ.




Рис.1.



  • Технологический процесс: нагревание технологического потока G до температуры θвых с помощью теплоносителя Gт с неизменяющимся агрегатным состоянием.



  • Показатель эффективности: θвых.



  • Цель управления: поддержание θвых= θзд.

Математическое описание на основе физики процесса.


  • Движение теплоносителей осуществляется противотоком при заданных θтвх, θтвых, θвых, θвх.

  • Движущая сила процесса: (1),

где .

  • Тепловая нагрузка аппарата: (2).

  • Q(дж/с) позволяет определить Gтэфф и Gэфф на основе тепловых балансов:

(3а);

(3б);

(4а);

(4б).

Эффективное время пребывания:

. (5).
Математическое описание на основе теплового баланса.
Уравнение динамики:

(6).

Уравнение статики при :

(7)

На основании (6) и (7) можно принять:. (8).
Информационная схема объекта.


Рис.2.

  • Возможные управляющие воздействия:.

  • Возможные контролируемые возмущения: .

  • Возможные неконтролируемые возмущения: .

  • Возможная управляемая переменная: .

Анализ динамических характеристик объекта.
Уравнение динамики в нормализованном виде.

(9).

На основе этого уравнения динамики объект по каналу описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка:

(10),

где: ; .

Объект имеет транспортное запаздывание:

(11),

где Vтруб - объем трубопровода от Р.О. до входа в аппарат.

Таким образом, в целом динамика объекта по каналу управления описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка с запаздыванием:

(12).
^ Анализ статической характеристики объекта.
Из уравнения статики выразим вых в явном виде:

(13).

  • Статическая характеристика линейна по каналам: .

  • Статическая характеристика нелинейна по каналу .

  • Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к G введением стабилизации соотношения расходов: , тогда получим:

(14).

  • Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора:

(15).

  • Линеаризованное представление приращения выходной переменной через приращения всех возможных входных переменных:

(16).

Типовая схема автоматизации

кожухотрубного теплообменника.

Рис.3.

Типовое решение автоматизации.
Типовое решение автоматизации кожухотрубных теплообменников включает в себя подсистемы регулирования, контроля, сигнализации и защиты.


  1. Регулирование.

  • Регулирование температуры по подаче теплоносителя Gт - как показателя эффективности процесса нагревания в кожухотрубном теплообменнике.




  1. Контроль.

  • расходы - Gт, G;

  • температуры - ;

  • давление - Рт, Р.




  1. Сигнализация.

  • существенные отклонения вых от задания;

  • резкое падение расхода технологического потока G , при этом формируется сигнал «В схему защиты».




  1. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключается магистраль подачи теплоносителя Gт.
Схема парожидкостного теплообменника

(с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя).



Рис.1.



  • Технологический поток (нагреваемая жидкость) Gж подается по трубкам теплообменника.



  • Теплоноситель с изменяющимся агрегатным состоянием (греющий пар) Gп подается по межтрубному пространству.



  • Показатель эффективности:.



  • Цель управления: поддержание .

Математическое описание на основе физики процесса.


  • Теплопередача от паровой фазы теплоносителя:

(1),

  • Теплопередача от жидкой фазы теплоносителя:

(2),

где: - количество тепла, передаваемое от паровой фазы и конденсата теплоносителя в единицу времени, дж/с;

- коэффициенты теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, дж/(м2*с);

- поверхность теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, м2;

- средняя движущая сила при теплопередаче от паровой фазы к жидкому технологическому потоку и от конденсата к жидкому технологическому потоку.

  • Общая тепловая нагрузка парожидкостного теплообменника:

(3).

  • Так как , то интенсивность теплопередачи от паровой фазы значительно выше, чем от конденсата.

  • Поэтому на величину Q влияет величина соотношения Fп /Fк, которая зависит от уровня конденсата:

(4а).

где и (4б).

  • На основании (4а) общая тепловая нагрузка Q также будет зависеть от уровня конденсата hк:

(4в),

  • Q(дж/с) позволяет определить Gпэфф и Gжэфф на основе тепловых балансов:

(5а);

(5б);

(6а);

(6б),

при hк =hэфф.


  • Эффективное время пребывания:

. (7).

Тепловой баланс парожидкостного теплообменника.

Уравнение динамики:
Полагаем: пар перегретый и конденсат охлаждается :

(8).

^ Уравнение статики при :

(9).

На основании (8) и (9) а также (6а) и (4в) можно записать:

. (10),

где , так как при Pп кип rп .

^ Материальный баланс по жидкой фазе

для межтрубного пространства.

Уравнение динамики:

, (11),

^ Уравнение статики при :

(12)

На основании (11) и (12) и предпочтительное управляющее воздействие – Gк.

Материальный баланс по паровой фазе

для межтрубного пространства.

Уравнение динамики:

(14),

где Мп - мольная масса паровой фазы теплоносителя, кг/моль;

Рп - давление паровой фазы теплоносителя, Па;

п - температура паровой фазы теплоносителя, К,

Vп - объем паровой фазы теплоносителя, м3 .

Уравнение статики при :

(15).

На основании (14) и (15) и предпочтительное управляющее воздействие - Gп.
Информационная схема объекта.



Рис.2.


  • Возможные управляющие воздействия:.




  • Возможные контролируемые возмущения: .




  • Возможные неконтролируемые возмущения: .




  • Возможные управляемые переменные: .




  • Наиболее эффективные каналы управления:


.

Анализ динамических характеристик парожидкостного теплообменника

как объекта управления температурой.

  • Исходные условия: .

  • Уравнение динамики в нормализованном виде.

(17)

  • На основе этого уравнения динамики объект по каналу описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка:

(18),

где: ; .

  • Объект имеет транспортное запаздывание:

(19),

где Vтруб - объем трубопровода подачи пара от Р.О. до входа в аппарат.

  • Таким образом, в целом динамика объекта по каналу управления описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка с запаздыванием:

(20).

Анализ статической характеристики объекта.

Из уравнения статики выразим в явном виде:

(21).

  • Статическая характеристика линейна по отношению к воздействиям по: .

  • Статическая характеристика нелинейна по отношению к воздействию по Gж.

  • Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к Gж введением стабилизации соотношения расходов: , тогда получим:

(22).

  • Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора:

(23).

На основании (23) можно получить:

(24).
^ Схема испарителя

(кожухотрубного теплообменника с изменяющимся агрегатным состоянием

теплоносителя и технологического потока).




Рис.1.


Показатель эффективности: hж - уровень жидкой фазы в трубках испарителя.

Цель управления: поддержание .

Математическое описание на основе физики процесса.


  1. Общая тепловая нагрузка испарителя Q:

(1).

  1. На основании уравнения теплопередачи можно записать:

и (2).

При теплопередаче от греющего пара и конденсата через трубки справедливы соотношения:

и (3).

  1. Общая поверхность теплопередачи Fт при конденсации греющего пара определится как:

Fт = Fп + Fк (4а),

и следовательно на основании (3) и (4а) можно записать:

(4б).

  1. Определение на основании теплового баланса по греющему пару:

=Gгр *rгр (5а);

= (5б).

  1. Определение на основании теплового баланса по технологическому потоку:



(6а);
(6б).

^ Выводы из математического описания физики процесса:



  • Общая тепловая нагрузка, отдаваемая греющим паром зависит следующих его параметров:


(7).


  • Общая тепловая нагрузка, получаемая технологическим потоком, определяет следующие его параметры:


и (8);
(9).

Математическое описание на основе

теплового и материальных балансов процесса.
Тепловой баланс испарителя.
Уравнение динамики:

В развернутом виде при условии и :

(10а).


  • т.е. тепло выделяется за счет охлаждения Gгр от исходной температуры гр до температуры насыщенного пара , конденсации пара и последующего охлаждения конденсата до к .

  • тепло расходуется на нагревание Gж до температуры , испарение жидкости и отводится с образующейся паровой фазой.

В свернутом наиболее общем виде выражение (10а) преобразуется к виду:

(10б).

^ Уравнение статики при :

(10в)
Выводы по тепловому балансу процесса:


  • В целом температура в испарителе на основании выражений (8) и (9) зависит от следующих параметров процесса:

(10г).

  • Так как температура в испарителе у поверхности раздела фаз, т.е. в зоне испарения должна быть равна температуре кипения, то можно полагать:

= ж = п = кип ,

а температура кипения зависит от давления паровой фазы в испарителе, т.е. при Рп кип  (при этом rж ).

  • ^ Поэтому температура не может использоваться как показатель эффективности процесса испарения.

  • Однако, на основании (6а, 6б) температура важна для обеспечения расчетной общей тепловой нагрузки Q в испарителе, т.е. теплового баланса в аппарате.

  • Из выражения (10г) следует, что основными параметрами, характеризующими данный процесс, являются:

  • уровень hж и давление Рп технологического потока в испарителе;

  • уровень hк и давление Ргр потока греющего пара в кипятильнике;


Материальный баланс по жидкой фазе в испарителе

(для технологического потока)


  • Уравнение динамики:


, (11),


  • Уравнение статики при :


(12).


  • На основании (11) и (12) можно считать:


. (13),


  • Предпочтительное управляющее воздействие Gгр.

Материальный баланс по жидкой фазе в кипятильнике

(для конденсата греющего пара).


  • Уравнение динамики:

, (14),

  • Уравнение статики при :

(15).


  • На основании (14) и (15) можно считать:


. (16).


  • Предпочтительное управляющее воздействие является отбор конденсата Gк.

Материальный баланс по паровой фазе

для технологического потока в испарителе.


  • Уравнение динамики:


(17),

где

Мп - мольная масса паровой фазы технологического потока, кг/моль;

Рп - давление паровой фазы технологического

потока, Па;

п - температура паровой фазы технологического

потока, К,

Vп - объем паровой фазы технологического

потока, м3 .

  • Уравнение статики при :

(18).

  • На основании (17) и (18)можно считать:

(19),

Предпочтительное управляющее воздействие Gп.

Материальный баланс по паровой фазе для кипятильника.
^ Уравнение динамики:

(20),

где Мгр - мольная масса паровой фазы греющего пара,

кг/моль;

Ргр - давление паровой фазы греющего пара, Па;

гр - температура паровой фазы греющего пара, К,

Vгр - объем паровой фазы греющего пара, м3 .

  • Уравнение статики при :


(21).
На основании (20) и (21) можно считать:
(22).
Предпочтительное управляющее Gгр .

Информационная схема испарителя

на основе материального баланса.

Рис.2.


  • Возможные управляющие воздействия:

.

  • Возможные управляемые переменные:

.

Информационная схема испарителя

для типового решения автоматизации.

Рис.3.



  • В типовом решении автоматизации испарителей объект рассматривают как односвязный для основных каналов управления рис.3.

  • Однако, на основании схемы рис.3. объект можно рассматривать как многосвязный.

  • Многосвязность объекта с позиций физики процесса можно объяснить следующим образом:




  • При ; т.к. при




  • При ; т.к. при

Типовая схема автоматизации испарителей.


Рис.4.

Типовое решение автоматизации испарителей.

  1. Регулирование.

  • Регулирование уровня hж по подаче греющего пара Gгр - как показателя эффективности процесса нагревания в испарителе.

  • Регулирование давления Рп по отбору паровой фазы из испарителя - для обеспечения материального баланса по паровой фазе и стабилизации rж=f(Pп).




  1. Контроль.

  • расходы - Gгр, Gп , Gж ;

  • температуры - ;

  • давление - Ргр, Рж Рп ;

  • уровень - hж




  1. Сигнализация.

  • существенные отклонения hж и Рп от заданий;

  • резкое падение расхода технологического потока Gж , при этом формируется сигнал «В схему защиты».




  1. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи греющего пара Gгр и отбора пара для технологических нужд.
1   2   3   4   5   6   7   8

Похожие:

Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconГ. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств»
Методическое пособие предназначено для курса лекций по учебной дисциплине «Автоматизация технологических процессов основных химических...
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» icon) «Автоматизация технологических процессов и производств» с профилизацией...
Кафедра атпп ведет подготовку бакалавров с последующим обучением в магистратуре по направлениям
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconРабочий учебный план специальности 220301 Автоматизация технологических...
Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтепереработке и нефтехимии)
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconРабочий учебный план специальности 220301 Автоматизация технологических...
Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтяной и газовой промышленности)
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconПрограмма вступительного экзамена в аспирантуру по специальности...
А и надежность автоматизированных систем», «Технические средства автоматизации», «Автоматизация технологических процессов и производств»,...
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconРешением Ученого совета угнту
Ооп) по направлению подготовки бакалавров 220200 Автоматизация и управление (специализация «Автоматизация технологических процессов...
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconФакультет трубопроводного транспорта (фтт)
Автоматизация технологических процессов и производств в нефтяной и газовой промышленности
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconЭкзамены по данным специальностям:   Математика, Русский язык, Физика
Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)  (оксо: 220301)
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconПрограмма профессиональной переподготовки «Автоматизация технологических...
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Г. В. Иванова «Автоматизация технологических процессов основных химических производств» iconМетодические указания предназначены для студентов следующих направлений...
Методические указания предназначены для студентов следующих направлений и специальностей: 220200 «Автоматизация и управление»; 140600...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница