h _k - уровень кубовой жидкости, м;

G _x1 , G _k , G _y0 - массовые расходы потоков в кубе колонны.

• На основании (1) и (2) можно считать:

h _k = f(G _k ,G _y0 ).

• Предпочтительное управляющее воздействие G_k .

Материальный баланс по легколетучему компоненту.

• Уравнение динамики:

(3).

• Уравнение статики:

G _x1 C _x1 = G _k C _к + G _y0 C _y0 (4)

• Основные допущения:

• Кипятильник с полным испарением, т.е. C _y0=C _x0;

• Тепловой баланс кипятильника:

• Обозначения:

М₀ - масса жидкости в нижней части колонны, кг;

r _гр - удельная теплота конденсации пара, дж/кг;

r _k - удельная теплота испарения кубовой жидкости, дж/кг.

• На основании (3) и (4) можно записать:

.

• Предпочтительное управляющее воздействие G_гр .

Информационная схема низа колонны.

Рис.3.

Информационная схема низа колонны

как многосвязного объекта по h_k, или h_k, C_k .

Рис.4

Математическое описание верха колонны.

Структурная схема дефлегматора с флегмовой емкостью.

Рис.5.

Материальный баланс по всему веществу.

• Уравнение динамики:

(7)

где _фл - плотность флегмы , кг/м³ ;

S_фл - сечение флегмовой емкости , м² ;

h_фл - уровень флегмы , м;

G_yn, G_фл, G_дист - массовые расходы, кг/с.

• Уравнение статики:

G_yn = G_фл + G_дист (8).

• На основании (7) и (8) можно считать:

h_фл=f(G_yn, G_фл, G_д )

• Предпочтительное управляющее воздействие G_дист .

Материальный баланс по целевому компоненту.

• Уравнение динамики:

(9).

• Уравнение статики:

G_yn C_yn = G_дист C_{x n+1} + G_фл C_{x n+1} (10).

• На основании (9) и (10) можно считать:

C_дист=f(G_yn, G_фл, G_д )

• Предпочтительное управляющее воздействие G_фл .

Тепловой баланс верха колонны ( _в = _н ).

Структурная схема n–ой тарелки

Рис.6.

• Уравнение динамики:

(11).

• Уравнение статики:

G_yn-1*C_pyn-1 *_yn-1 + G_фл*C_рфл *_фл =

G_yn *C_pyn *_в + G_xn *C_pxn *_в (12).

• Обозначения:

• М_xn - масса паровой фазы наверху колонны;

• C_pyn, C_py,n-1, C_рфл, C_pxn - удельные теплоемкости паровой и жидкой фазы на n-ой тарелке;

• G_yn-1, G_yn, G_xn - расходы паровой и жидкой фазы на n-ой тарелке.

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

• Предпочтительное управляющее воздействие G_фл .

Баланс по паровой фазе.

Структурная схема конденсатора без флегмовой емкости.

Рис.7

• Уравнение динамики:

(13).

• Уравнение статики:

(14).

• Особенности:

• Решение уравнения динамики для p_в дает выражение для интегрального звена.

• Если учесть выражение G_yn = f (p_в ), то звено получается апериодическим 1 порядка.

• G_yк = f (G_хл ), можно получить на основании теплового баланса конденсатора:

. (15).

• На основании (13), (14) и (15) можно принять:P_в =f(G_хл).

Информационная схема верха колонны.

Рис.8.

Информационная схема верха колонны как многосвязного объекта по _в и p_в

Рис.9а.

Информационная схема верха колонны как многосвязного объекта по hфл и _в

Рис.9б.

Информационная схема колонны как многосвязного объекта по в и н.

Рис.9в.

Математическое описание подогревателя потока питания.

Тепловой баланс

• Уравнение динамики.

(16).

• Уравнение статики.

G_т C_рт _т^вх - G_т C_рт _т^вых = G_п C_pп _n⁰ - G_п C_pп _n , (17)

• Обозначения:

• _т ^вх ,_т ^вых , _n ⁰ ,_n – температуры потоков теплоносителя и питания на входе и выходе из теплообменника;

• V_n - объем потока питания в трубах теплообменника;

• C_pп, С_рт - удельные теплоемкости потоков питания и теплоносителя;

• G_т, G_п - массовые расходы теплоносителя и питания, кг/ч.

• На основании (16) и (17) можно считать:

.

• Предпочтительное управляющее воздействие G_т.

Информационная схема подогревателя потока питания

как объекта управления _п⁰

Рис.10.

Типовая схема автоматизации процесса ректификации.

Рис.11.

Типовое решение автоматизации

процесса ректификации.

1. Регулирование.

• Регулирование θ_в=f(c_д) по подаче флегмы - косвенное регулирование показателя эффективности процесса c_д.

• Регулирование P_в по подаче хладоагента G_хл - обеспечивает материальный баланс по паровой фазе.

• Регулирование h_фл по отбору флегмы G_фл - обеспечивает материальный баланс по жидкой фазе верха колонны.

• Регулирование h_к по отбору кубового продукта G_к - обеспечивает материальный баланс по жидкой фазе низа колонны.

• Стабилизация расхода питания G_п - обеспечивает:

• материальный баланс по всему веществу,

• снятие наиболее существенных возмущений,

• заданное положение рабочей области колонны;

• стабилизацию производительности установки.

• Стабилизация расхода греющего пара G_гр - обеспечивает:

• тепловой баланс установки;

• стабилизацию G_y0 .

• Регулирование θ_п⁰ по подаче G_т обеспечивает:

• заданное положение рабочей линии;

• эффективность процесса разделения;

• тепловой баланс

2. Контроль.

• Температуры и расходы всех исходных потоков.

• Температуры - θ_в, θ_н, θ_кв, θ_кн, θ_п0.

• Давление - Р_в, Р_н.

• Уровень - h_фл, h_к.

• Концентрации - с_д или с_к .

3. Сигнализация.

• существенные отклонения h_фл, h_к, θ_в от заданий:

• повышение ;

резкое снижение или прекращение подачи потока питания .

7. Материалы к лекции №15

Автоматизация реакторных процессов (ч.1)

Упрощенная структурная схема химического реактора.

Рис.1.1.

• Химический процесс (3) определяется:

• уравнениями кинетики

• взаимодействием гидродинамических, массообменных и тепловых процессов в аппарате,

• от которых зависят концентрации реагентов, температура  и давление Р реакторного процесса.

• Химические превращения (3) приводят к изменению тепловых (2) и гидродинамических процессов (1) в реакторе.

• Определение характера процессов, протекающих в реакторе, на основе анализа соотношения между скоростью химической реакции r и скоростью материального обмена r_обм.

1. При :

• процесс идет в кинетической области;

• скорость процесса определяет химическое взаимодействие;

• массообмен не влияет на скорость химической реакции.

2. При :

• процесс идет в диффузионной области;

• процесс характеризуется массообменом;

• определяющей стадией является транспорт реагирующих веществ.

3. При :

• процесс идет в переходной области;

• скорость процесса является сложной функцией реакционно-кинетических и диффузионных зависимостей.

Показатели эффективности реакторного процесса.

1. Степень превращения.

• Степень превращения U_n , представленная через мольные доли:

(1а),

где n₀ - число молей компонента в исходном потоке;

n - число молей компонента в реакционной смеси.

• Степень превращения U_m , представленная через массовые доли:

(1б),

где m₀ - масса компонента в исходном потоке;

m - масса компонента в реакционной смеси.

• Факторы, влияющие на степень превращения:

•  и Р - температура и давление, влияют на смещение химического равновесия в реакции;

• t_р - продолжительность химической реакции;

• С₀ - концентрации исходных веществ;

• подбор катализатора;

• величина потока рециркуляции.

2. Выход продукта.

• Определение выхода продукта Х:

(2),

где

m_ф - масса фактически полученного продукта;

m_т - масса теоретически возможного количества продукта из данного исходного вещества.

• Факторы, влияющие на выход продукта Х:

θ - температура;

Р - давление;

С_i - состав реакционной смеси;

t_пр - время пребывания реакционной смеси в аппарате.

• Выход продукта характеризует:

• степень совершенства технологического процесса: чем ближе Х  1, тем ближе расходные коэффициенты к стехиометрическим;

• экономические показатели технологического процесса: чем ближе Х  1, тем лучше экономические показатели реакторного процесса.

3. Избирательность химического процесса.

• Избирательность химического процесса Из характеризует долю исходных веществ, превращенных в целевой продукт, по отношению к общему количеству химически превращенных исходных веществ:

(3).

где

- количество молей исходного продукта, превращенных в целевой продукт;

- количество молей химически превращенных исходных веществ.

• Избирательность влияет на экономические показатели процесса.

4. Скорость химического процесса.

• Скорость химического процесса - это количество вещества, которое реагирует или образуется в единицу времени в единице объема (или на единице поверхности):

(4),

где

- движущая сила процесса,

определяемая для химических реакций как произведение концентраций компонентов в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам;

К - константа скорости реакции,

определяемая на основании уравнения Аррениуса.

• Скорость процесса характеризует производительность химического реактора.

• Основные факторы, влияющие на скорость реакции:

• С₀ - состав исходных реагентов;

• θ - температура;

• Р - давление.

Схема реактора непрерывного действия с мешалкой

с экзотермической реакцией 1-го порядка А  В.

Рис.4.1.

• Показатель эффективности реакторного процесса в общем случае - концентрация целевого продукта в реакционной смеси С^В .

• Цель управления в общем случае:

• обеспечение в реакционной смеси .

• Цель управления для данного процесса:

• обеспечение в реакционной смеси .

• Обозначения на рис.4.1:

• G₀ , G , G_хл - массовые расходы исходного реагента, реакционной смеси и хладоагента, кг/с;

• c_p0 , c_p , c_pхл - удельные теплоемкости соответствующих потоков, дж/(кг*град);

•  - плотность реакционной смеси, кг/м³ ;

• ₀ , , _хл - температуры исходного реагента, реакционной смеси и хладоагента;

• - концентрации компонента А в исходном реагенте и реакционной смеси, кг/кг;

• V - объем реакционной смеси, м³ ;

• h - уровень реакционной смеси, м;

• T_ср - среднее время пребывания реакционной массы в реакторе;

• -H - тепловой эффект экзотермической реакции, дж/кг;

• r - скорость химической реакции, кг/(м³*с).

Математическое описание реактора

на основе физико-химических особенностей процесса.

Стехиометрическое уравнение химической реакции.

• Стехиометрическое уравнение химической реакции, характеризующее ее материальный баланс:

(1а).

• Стехиометрическое уравнение для данного реактора:

(1б),

где _i , _i ,  ,  - стехиометрические коэффициенты, числа реагирующих молей компонентов процесса.

Уравнение кинетики химической реакции.

• Результирующая скорость обратимой реакции:

(2),

где

- общий порядок реакции;

- скорость прямой реакции;

- скорость обратной реакции;

; - константы скорости,

Z_А и Z_В - эмпирические коэффициенты;

Е_А и Е_В - энергии активации.

• Кинетика для реактора типа рис.4.1:

• скорость прямого процесса:

29-04-2015, 04:00