Автоматизация химико-технологических процессов и производств

Общая «технологическая» формулировка цели автоматизации:
получение продукта заданного качества (температуры, концентрации) при ограничениях на материальные и тепловые потоки (соблюдение материального и теплового балансов).
Материальный баланс в технологической схеме осуществляется стабилизацией уровня в емкостях.
8.2. Схемы автоматизации
8.2.1. Автоматизация гидромеханических процессов
К гидромеханическим относят процессы перемещения жидкостей и газов, а также разделения и очистки неоднородных систем.

Рис. 8.3. Схема стабилизации
производительности
центробежного насоса
Рис. 8.4. Схемы регулирования производительности поршневых насосов с паровым приводом: 1 – паровая машина; 2 – поршневой насос

Производительность поршневого насоса с паровым приводом регулируется изменением подачи пара в цилиндр привода. Для этого на паропроводе (рис. 8.4, а) устанавливают клапан, при открытии проходного сечения которого к приводу насоса будет подаваться различное количество пара, определяющее число ходов поршня насоса и тем самым его производительность. Управляющее воздействие на клапан подают от регулятора расхода, а чувствительный элемент системы устанавливают на нагнетательной линии насоса (рис. 8.4, а). По сравнению с дросселированием это более рациональный метод. При часто и резко изменяющемся давлении пара применяют каскадную систему регулирования давления пара с корректировкой по расходу нагнетаемого продукта (рис. 8.4, б).

Рис 8.5. Схема
регулирования
производительности
поршневого насоса
с электроприводом
Рис 8.6. Схема
регулирования
производительности
центробежного
компрессора
(газодувки) с
противопомпажной
защитой

Регулирование производительности поршневых насосов с приводом от электродвигателя осуществляют путем перепуска части жидкости с нагнетательной линии на всасывающую (рис. 8.5). Таким же образом регулируют производительность шестеренчатых и лопастных насосов.
Производительность центробежных компрессоров (газодувок) стабилизируется системами с клапаном, установленным на всасывающей линии (рис. 8.6). Такие компрессоры неустойчиво работают в области помпажа, характеризующейся наличием больших давлений и малых расходов, при работе в этой области уменьшение потребления газа приводит к кратковременному изменению направления потока газа. При этом возникают большие колебания давления газа, которые могут вызвать поломку компрессора.

Однако коэффициент полезного действия компрессора имеет наибольшее значение вблизи области помпажа. Для обеспечения работы компрессора в этих условиях необходимо иметь противопомпажную автоматическую защиту.
В качестве такой защиты может использоваться система сброса части сжатого газа в ресивер при уменьшении его расхода в линии к потребителю (рис. 8.6). При приближении к области помпажа регулятор расхода откроет клапан, установленный на линии к ресиверу. Это обусловит увеличение производительности компрессора, снижение давления в нагнетательной линии и повышение давления во всасывающей линии, что предотвратит помпаж компрессора.

8.2.2. Автоматизация тепловых процессов
Тепловые процессы играют значительную роль в химической технологии. Химические реакции веществ, а также их физические превращения, как правило, сопровождаются тепловыми явлениями. Тепловые эффекты часто составляют основу технологических процессов. В связи с этим, вопросы автоматизации теплообменников, трубчатых печей, выпарных аппаратов и других объектов химической технологии, связанных с передачей тепла, играют существенную роль.

8.2.2.1. Автоматизация теплообменников и конденсаторов
Рис. 8.7. Схемы регулирования поверхностных теплообменников воздействием на расход горячего теплоносителя (а) и байпасированием холодного теплоносителя (б)

Рис. 8.8. Схемы регулирования работы теплообменников путем воздействия на расход греющего пара (а) и конденсата (б) – эффективнее на 5-7%

Рис. 8.9. Схемы регулирования работы конденсаторов путем воздействие на расходы хладоагента (а) и конденсата (б)

8.2.2.2. Автоматизация трубчатых печей
На рис. 8.10 «Схемы автоматизации трубчатых печей»:
а – каскадная; б – каскадная с регулятором соотношения «топливный газ – продукт»; в – с коррекцией по содержанию кислорода в топочных газах; г – с экстремальным регулятором, корректирующим соотношение «топливный газ – воздух».
Цель регулирования трубчатых печей – поддержание постоянства температуры продукта на выходе из печи. Возмущения: расход и температура исходного продукта, теплотворная способность топлива, количество и температура воздуха, подаваемого для сжигания топлива, потери тепла в окружающую среду и ряд других. Управление - подача топлива в печь (САУ температурой продукта на выходе из печи).

Рис. 8.10. Схемы автоматизации трубчатых печей

Зависимость температуры в топке от соотношения «топливо – воздух» имеет экстремальный характер, поэтому при автоматизации трубчатых печей применяют системы экстремального управления (регулирования). На рис. 8.10, г экстремальное УУ отыскивает максимальное значение температуры дымовых газов над перевальной стенкой, воздействуя на УУ соотношением «топливный газ – воздух», управляющее подачей первичного воздуха.
8.2.2.3. Автоматизация процесса выпаривания
Цель управления выпарной установки состоит в получении раствора заданной концентрации QУ , а также в поддержании материального и теплового балансов.

Рис. 8.11. Схема автоматизации двухкорпусной выпарной установки

Возмущения: расход, концентрация и температура исходного раствора, расход и давление греющего пара, давления в выпарных аппаратах. Управление – подача греющего пара (рис. 8.11).
8.2.3. Автоматизация массообменных процессов
Массообменные процессы широко распространены в химической технологии и применяются с целью разделения смеси веществ или получения целевого продукта заданного состава путем перевода одного или нескольких компонентов из одной фазы в другую.
Основной регулируемой величиной в таких процессах является концентрация определенного компонента в получаемом продукте или содержание в этом продукте примесей, определяемых анализаторами качества.

Причем, предпочтительнее определять содержание примесей: может быть обеспечена значительно большая чувствительность, чем при измерении концентрации целевого продукта. В ряде случаев процессы массообмена успешно регулируют по косвенным величинам (плотности, показателю преломления света и др.), что не требует установки дорогостоящих анализаторов.
Интенсивность протекания массообменных процессов зависит от гидродинамического режима потоков веществ в технологических аппаратах, а также от тепло- и массообмена между этими потоками. Как правило, аппараты, в которых протекают массообменные процессы, обладают большой инерционностью и запаздыванием.

Возмущения: расходы, концентрации, температуры входных потоков, расходы выходных потоков, изменения условий (параметров) работы аппаратов.
Управления – расходы управляющих потоков.

8.2.3.1. Автоматизация процесса абсорбции
Абсорбция — это процесс поглощения определенных компонентов исходной газовой смеси при контактировании ее с жидкостью (абсорбентом) с целью разделения этой смеси или получения растворов компонентов.
Целью управления процессом абсорбции является поддержание постоянства заданной концентрации извлекаемого компонента в обедненном газе, а также соблюдение материального и теплового балансов абсорбционной установки. В ряде случаев целью процесса абсорбции является получение насыщенного абсорбента заданного состава.

На процесс абсорбции решающее влияние оказывает движущая сила, которая определяется относительным расположением рабочей и равновесной линий процесса. Положение рабочей линии зависит от начальной и конечной концентраций компонента в обеих фазах, а положение равновесной линии — от температуры и давления в аппарате. Из этого следует, что кон-центрация извлекаемого компонента в обедненной смеси зависит от его назальных концентраций в газовой и жидкой фазах, расхода поступающей газовой смеси, относительного расхода абсорбента, а также от температуры и давления в абсорбере. Далее приведены различные схемы автоматизации. Основное управляющее воздействие – изменение расхода свежего абсорбента.

Рис. 8.12. Схема
многоконтурного
управления
процессом
абсорбции

Рис. 8.13. Схема автоматизации абсорбционной установки (целевой продукт - насыщенный абсорбент)

Рис. 8.14. Схема автоматизации абсорбционной установки (целевой продукт – обедненный газ)