Файл: Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов.pdf

довольно сложной задачей) необходимо использовать любые возмож­ ности, для того чтобы реактор был устойчивым, например:

1)применять каскадное регулирование, при котором выходной сигнал от регулятора температуры в реакторе направляется как задание на регулятор температуры хладоагента с целью получения более быстрой ответной реакции в контуре регулирования;

2)поддерживать расход хладоагента на максимально возможном уровне с целью уменьшения времени чистого запаздывания реактора;

3)примепять в качестве основного регулятор с невзаимодей­ ствующими составляющими закона регулирования.

Последнее может быть осуществлено путем соединения выходных сигналов ПД- и ПИ-регуляторов или ПД - и И-регуляторов, как это показано на рис. IV - 8, б.

Реакторы непрерывного действия

Реакторы непрерывного действия работают с постоянными скоро­ стями подачи исходного сырья и отвода целевого продукта, а также при непрерывном подводе или отводе тепла. Если система автомати­ ческого регулирования реактора спроектирована хорошо, то эти параметры почти не меняются, т. е. в каждой точке объема реактора состав реакционной смеси и ее температура с течением времени практически постоянны. В процессе работы реактора активность катализатора обычно понижается, коэффициент теплопередачи умень­ шается. Однако изменение этих величин во времени происходит медленно и полностью компенсируется системой регулирования. Система автоматического регулирования реактора предназначена для поддержания заданных условий проведения процесса при одно­ временном» уменьшении потерь исходных реагирующих веществ и целевого продукта реакции.

Химические реакции очень разнообразны и проводятся в различных реакторах, рассмотреть которые не представляется возможным. Ре­ акции с высокой степенью превращения проводятся до полного их за­ вершения за один проход (без циркуляции), реакции же с малой сте­ пенью превращения, обусловленной низкими скоростями реакции, обратимостью реакции или наличием побочных реакций осуще­ ствляются принудительно. Для получения в последнем случае высокой степени конверсии реагирующее вещество (вещества) под­ вергают рециркуляции. Некоторые реакции проводятся в инертной среде (например, в растворителе), которая также может рециркулировать. Наконец, реакции иногда замедляют, смешивая реаги­ рующие вещества с целевым продуктом реакции, для чего послед­ ний подвергают рециркуляции.

Таким образом, реакторы можно разделить на: 1) однопроход­ ные (без рециркуляции) и 2) с рециркуляцией реагирующего веще­ ства (веществ), инертной среды и целевого продукта.

Регулирование материального и теплового балансов каждой группы реакторов должно проводиться по соответствующей схеме.

256

Перераспределение потоков реагирующих веществ. Если фазовое состояние одного из реагирующих веществ отличается от фазового состояния целевого продукта или другого реагирующего вещества, то это вещество можно автоматически добавлять в реактор с, такой же скоростью, с какой оно потребляется, путем регулирования мате­ риального баланса реактора. На рис. Х-7 приведены две схемы регулирования реактора без рециркуляции.

Если в аппарате протекает процесс выпаривания или абсорбции, то по регистраторам расхода, показанным на рис. Х-7, можно судить о средней скорости процесса и расходе побочного продукта. Послед­ ний выводят из аппарата непрерывно или периодически. Реактор необходимо очищать также от инертных загрязняющих примесей.

Рпс. Х-7. Схемы регулирования реакторов без рециркуляции.

Например, азот, следы которого присутствуют в свежем водороде, довольно быстро накапливается и замедляет реакцию, поэтому он должен непрерывно или периодически выводиться из аппарата. Смазочные масла от насосов и компрессоров тоже могут попадать в реактор и, если их не удалять, будут накапливаться в застойных зонах.

При проведении реакции до конца в одной фазе за один проход необходимо обеспечить точное регулирование соотношения расходов реагирующих веществ. Избыток любого из реагентов в этом случае приводит к излишним затратам и может вызвать нежелательные побочные реакции. Если регулирование заданного соотношения расходов реагирующих веществ осуществить по принципу обратной связи, то можно применить любой одноточечный анализатор, напри­ мер рН-метр. При непрерывном изменении состава одного из потоков обеспечить вручную качественное регулирование заданного соотно­ шения входных потоков, как правило, не удается.

При рециркуляции одного из реагирующих веществ регулиро­ вать его расход не обязательно, так как оно всегда находится в из­ бытке. По выходе из аппарата избыток этого вещества полностью отделяют от целевых продуктов. Свежее вещество вводят в систему

в количестве, необходимом для поддержания материального баланса. На рис. Х-8 приведена схема, в которой реагирующее вещество в жидкой фазе добавляется к рециркулирующему потоку для ком­ пенсации части его, затрачиваемой на поддержание реакции. Путем изменения расхода рециркулпрующего потока устанавливают тре­ буемую концентрацию в нем реагента А и время его пребывания в реакторе.

Иногда применяют рециркуляцию готового продукта. Если одновременно с этим не осуществляется рециркуляция реагиру­ ющего вещества, то при регулировании соотношения входных потоков к системе регулирования предъявляются такие же строгие требова­ ния, как и в случае регулирования реактора без рециркуляции.

Рпс. Х-8. Схема регулирования реактора с рецир­

вещества (растворителя), что в некоторых случаях облегчает регули­ рование. Схема процесса с рециркуляцией растворителя приведена на рис. Х-9.

Если реакция проводится без рециркуляции, то избыток любого из реагирующих веществ выводится из реакционного объема. В слу­ чае же рециркуляции растворителя и при отсутствии замкнутого контура регулирования по концентрации реагирующего вещества избыток его будет постепенно накапливаться. На схеме, показанной

258

Существуют два основных пути решения этой задачи: 1) применение охлаждающей системы, способной работать также в качестве нагре­ вающей; 2) разделение этих функций путем предварительного подо­

водяного пара высокого давления. Скорость теплопередачи в этой системе прямо пропорциональна температуре конденсата, которую и следует использовать для регулирования температуры в реакторе. Температура же кипения конденсата однозначно зависит от его давления, поэтому выход с регулятора температуры в реакторе направляется в качестве задания на регулятор давления водяного пара в рубашке реактора.

На рис. Х-11 приведена система, в которой охлаждающая жид­ кость (например, вода) с большой скоростью циркулирует, омывая поверхность, теплообмена. Температура хладоагента выбрана в ка­ честве управляющей переменной величины, так как она связана

Если используется схема без рециркуляции хладоагента, время

при изменении расхода приводит к возникновению в контуре коле-

260

баиий с ограниченным периодом (даже при использовании клапана с логарифмической характеристикой).

-Системы охлаждения могут быть использованы и для контроля степени конверсии веществ. По расходу конденсата, подаваемого к реактору (см. рис. Х-10), можно достаточно точно судить о выделе­ нии тепла в реакторе. При наличии же циркулирующего жидкого хладоагеита скорость выделения тепла в реакторе определяют как

1. Если основной регулятор вызывает увеличение отвода тепла, то температура на входе в рубашку упадет раньше, чем иа выходе из нее. Разность между этими температурами обычно составляет примерно 3 °С и может быть меньше, чем случайные изменения температуры хладоагеита на входе в рубашку. По этой причине регистрация количества выделившегося тепла проводится с большой погрешностью; такая регистрация может использоваться только при условии автоматической компенсации изменения температуры хладоагеита на входе в рубашку.

2. Наличие большого числа возмущающих воздействий, приво­ дящих к дополнительным погрешностям; основным возмущающим воздействием является изменение перепада температур между реаги­ рующими веществами и целевыми продуктами.'

Необходимо, чтобы температура хладоагеита на входе в рубашку измерялась с запаздыванием,' равным времени нахождения хладо­ агеита в рубашке. Это может быть выполнено, например, путем параллельного подключения к рубашке реактора длинной трубки, время запаздывания в которой может быть отрегулировано измене­ нием расхода протекающей по ней жидкости. Таким устройством снабжена система, приведенная на рис. Х-11.

Если реакция протекает без катализатора, то в случае необходи­ мости реагирующие вещества подогревают перед их смешиванием. Иначе реакция может начаться в подогревателе, где ее не регули­ руют. Для экономии тепла, подаваемого в подогреватель, сразу же после начала реакции реагирующие вещества подают в реактор, минуя подогреватель.

Некоторые реакторы снабжаются регенеративной системой подо­ грева, в которой тепло от продуктов реакции передается реагентам.

положительпой обратной связи, который может лишить реактор свойства самовыравнивания. Регулирование температуры на выходе из регенеративного подогревателя может быть выполнено, как показано на рис. Х-12.

Если реакция в жидкой фазе протекает при температуре, близкой к температуре кипения одного из реагентов или продуктов, то регу­ лировать температуру в реакторе можно используя теплоту паро­ образования. Если один из реагентов испаряется, он может быть

261