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

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 89

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

иом значении выходного сигнала регулятора больший клапан должен пропускать только 3% максимального расхода, а меньший клапан должен быть полностью открыт. Для подачи в аппарат большего количества реагента больший клапан открывается. При перемене направления изменения величины рН необходимо, чтобы клапаны изменяли направление своего движения с небольшим рассогласова­ нием во времени — во избежание возникновения колебательного режима.

На рис. Х-17 приведен график зависимости, которую необхо­ димо ввести в контур регулирования по отклонению и в контур регулирования по возмущению. На этом рисунке по оси ординат

отложена

величина 1 + lg aF. Сформировать такую зависимость

не очень

т р у д н о 9 , 2 1 .

Реакторы периодического действия

Периодический процесс обычно включает несколько операций: загрузку реактора реагирующими веществами и катализатором; нагревание этих веществ до температуры реакции; проведение реак­ ции до полного окончания; нагревание или охлаждение реактора до определенной температуры; охлаждение и опорожнение реактора. Однако в некоторых случаях могут наблюдаться отклонения от этого порядка.

Промышленные реакторы периодического действия представляют собой сосуды объемом в несколько тысяч литров, снабженные ме­ шалками и рубашками для нагрева или охлаждения. При протекании реакции первого порядка степень превращения изменяется во вре­ мени в соответствии с уравнением (Х,2).

Продифференцировав это уравнение, найдем выражение для скорости конверсии

(Х,27)

Скорость конверсии максимальна в начале реакции.

Скорость реакции второго порядка зависит от квадрата концен­

трации реагирующего

вещества:

 

(Х,28)

Разделив обе части

этого равенства на —хг и проинтегрировав

их, получим:

 

 

X

 

1

 

х

267


Далее найдем выражения для степени конверсии и скорости конверсии:

у=

1

ktXQ

(X,29)

i + i/ktx0

l + ktxu

 

dt/

кх0

(X.30)

 

 

 

Скорость конверсии в реакторе периодического действия харак­ теризует его производительность. Если в реакторе протекает экзо­ термическая реакция, скорость конверсии пропорциональна коли­

честву

выделяющегося тепла. Зависимости скорости конверсии от

 

 

времени

для реакций

первого

 

 

п второго

порядков приведены

 

 

на рпс. Х-18. Из рисунка вид­

 

 

но, что для реакций более вы­

 

 

сокого

 

порядка скорость

кон­

 

 

версии

 

изменяется во

времени

 

 

меньше,

особенно

при

малых

 

 

значениях

концентрации

про­

 

 

дукта.

 

 

 

 

 

 

 

 

Регулирование

температуры

Рис. Х-18. Изменение скорости конвер­

в реакторе

периодического

дей­

ствия

наиболее важно

в самом

сии во

времени для реакции перво­

начале

 

реакции,

поскольку

го

(i) и второго (2) порядков.

 

 

 

в этот

момент скорость коивер-

сип макспмальпа. Качественное регулирование экзотермических

реакций

представляет

собой большую проблему, так как

сна­

чала

для

возникновения

реакции

необходимо подать извне

неко­

торое

количество тепла, а затем,

когда реакция начнется,

сле­

дует отводить выделяющееся тепло. Система охлаждения, наиболее

часто используемая в подобных

случаях,

была приведена ранее

на рис. Х-11.

 

 

Для регулирования температуры хладоагента на выходе обычно

применяют П-регулятор. Чтобы

остаточное

отклонение параметра

от заданного значения было невелико, диапазон пропорциональности регулятора устанавливают на значении, приблизительно равном 10%. В качестве основного регулятора температуры в реакторе исполь­ зуют ПИД-регулятор, обеспечивающий поддержание температуры реакции при протекании процесса на оптимальных уровнях, регу­ лирование температуры реакции без перерегулирования и прове­ дение реакции за минимальное время.

Если характеристики процесса теплоотдачи в реакторе периоди­ ческого действия аналогичны характеристикам устойчивого реак­ тора непрерывного действия, рассмотренного ранее, то регулирова­ ние температуры в нем значительно упрощается. Такой реактор будет довольно быстро реагировать на возмущения с периодом, равным примерно 20 мин. Эффективное демпфирование колебаний

268


температуры в нем наблюдается при установке зоны пропорциональ­ ности регулятора, равной 10% . В этом случае для качественного регулирования температуры рекомендз^ется использовать все три составляющие закона регулирования.

Для предотвращения перерегулирования параметра основной регулятор должен быть оснащен переключателем, отключающим действие интегральной составляющей регулятора при выходе па­ раметра за пределы зоны пропорциональности (см. рис. IV-6). Кор­ ректирующее воздействие, которое необходимо ввести в контур регулирования при этом отклонении, для конкретной реакции можно рассчитать. Конверсия в реакторе начинается лишь после подачи заранее известпого количества тепла, которое затем должно быть полностью отведено через теплообменную поверхность.

Для надежной и интенсивной теплоотдачи вещества, находяще­ гося в реакторе, охлаждающую жидкость подвергают циркуляции с большой скоростью в замкнутом контуре, в результате чего темпе­ ратурный перепад этого вещества и циркулирующей жидкости невелик. При этом скорость теплопередачи прямо пропорциональна разности температур вещества в реакторе и хладоагента на выходе из рубашки, измеряемых основным и вспомогательным регуля­ торами.

Выходная величина основного регулятора, подаваемая как за­ дание на вспомогательный регулятор, рассчитывается теоретически и показывает отклонение текущего значения параметра от задан­ ного, которое может быть выбрано в качестве допустимого. В главе I V было указано, что это отклонение необходимо устанавливать на несколько процентов меньше, чем рассчитанное значение, чтобы интегральная составляющая регулятора вступала в работу в момент срабатывания переключателя. При этом регулятор будет приводить параметр к заданному значению с перерегулированием, не превы­ шающим допустимое?

Если реактор периодического действия неустойчив, то период его собственных колебаний вдвое превышает период колебаний такого же устойчивого реактора. По этой причине система регули­ рования, описанная выше, будет мало эффективна. Для качествен­ ного регулирования в этом случае требуется широкая зона пропор­ циональности регулятора. Для предотвращения перерегулирования реактора периодического действия количество подаваемого тепла необходимо уменьшать раньше, чем в случае регулирования устой­ чивого реактора, иначе продолжительность процесса регулирования значительно увеличится.

Для удовлетворителвного решения этой задачи наиболее целе­ сообразно применять системы регулирования с двумя регуляторами: ПИД и двухпозиционными (см. рис. V-17). Первоначальная нагрузка оценивается так же, как и раньше, но при этом не вносится поправка на влияние интегральной составляющей, ибо оно не возникает, пока рассогласование мало. Полный обогрев может быть применен, когда регулируемая величина составляет 1—2% от заданного зна-

т

269



чения. Полное охлаждение следует применять только в течение времени запаздывания, равного примерно одной минуте. За это время необходимо отвести тепло из рубашки реактора. Как показано на рпс. V-18, параметры переключения определяются легко, прп этом допускается (в разумных пределах) их неточная уста­ новка.

На рис. Х-19 показано одновременное изменение температуры в реакторе п в рубашке, а также изменеппе выходной величины регулятора с двумя составляющими закона регулирования для типичного реактора. Если настройка регулятора выполнена пра­ вильно, то температура в рубашке в течение времени запаздывания будет падать до тех пор, пока не достигнет заданного значения.

Рпс. Х-19. Изменение температуры в реак­

торе периодического действия (

), в ру­

башке реактора (—

) п выходной вели­

чины регулятора

(

).

Из графика видно, как по мере окончания конверсии скорость теплопередачи па­ дает до нуля.

Постоянная времени ре­ актора непрерывного дей­ ствия может быть найдена по уравнению (Х,19). По­ мимо прочих величии, она зависит от концентрации реагента и от степени превра­ щения. В реакторах перио­ дического действия оба эти параметра с течением вре­ мени изменяются, что накла­ дывает ограничение на время

протекания реакции. Настройка системы регулирования реактора должна быть проведена исходя нз наиболее тяжелых условий его работы.

В некоторых реакторах непрерывного действия один из реагентов вводится непрерывно; в то время как остальные загружаются сразу. Скорость, с которой первый реагент поступает в реактор, обычно ограничена скоростью выделения тепла. Чтобы провести реакцию за минимальное время, реактор должен быть нагрет до температуры реакции как можно быстрее, после чего производят максимальное охлаждение. Регулятор температуры должен управлять подачей реагента в реактор через линейную каскадную систему регулиро­ вания расхода. Должна быть предусмотрена блокировка, прекра­ щающая приток реагента в реактор. Блокировка действует до тех пор, пока в реакторе не установится заданная температура реакции. В противном случае в реакторе может случайно накопиться излишек реагента, что приведет к такому бурному выделению тепла, с ко­ торым система охлаждения не сможет справиться.

Регулирование процесса при окончании реакции. По мере при­ ближения реакции к концу выделение тепла в реакторе падает, что приводит к появлению на выходе регулятора температуры снг-

270