Регулирование технологических реакторов.

Химический реактор является основным аппаратом в технологической схеме получе- ния практически любого химического продукта. Работой реактора в значительной мере опре- деляется производительность установки в целом, качество и себестоимость получаемых про- дуктов.

Упрощенная структурная схема реактора представлена на рис. 7.1. Скорость химиче- ской реакции определяется уравнениями кинетики и взаимодействием гидродинамических, массообменных и тепловых процессов в аппарате, от которых зависит концентрация реагентов и условия протекания реакции. В свою очередь, химические превращения в реакторе приводят к изменению тепловых и гидродинамических процессов в нем. Этим взаимосвязям соответст- вуют перекрестные связи в структурной схеме реактора. Наличие таких внутренних обратных связей может приводить к возникновению неустойчивых режимов, автоколебаниям парамет- ров процесса, изменению качества получаемого продукта и должно учитываться при построе- нии систем автоматизации химических реакторов.

Химические реакторы отличаются разнообразием протекающих в них реакций, прин- ципов действия и конструкций. Так, по фазовому состоянию реагентов различают гомогенные реакции, протекающие в газовой, жидкой или твердой фазах, и гетерогенные, протекающие в диффузионной или кинетической областях. Реакции могут быть некаталитическими и катали- тическими, иметь разный порядок, различаться типом механизма (необратимые, обратимые, последовательные, параллельные), а также условиями проведения (изотермические, неизотер- мические, при постоянном давлении, адиабатические, не адиабатические и т. д.). Предполага- ется, что в изотермических реакторах теплообмен через стенку идеальный, и тепло, выделяе-

мое в результате химической реакции или поглощаемое в ходе реакции, мгновенно отводится от реагирующей смеси, так что температура в реакторе не изменяется. При полном отсутствии теплообмена через стенку реактора в нем протекает адиабатический процесс.

Расход и состав продуктов реакции

 

Рис. 7.1. Структурная схема химического реактора.

Весьма важным является разделение реакторов по режиму их работы на периодические и непрерывные. Если в ходе реакции в аппарат не подаются реагенты и из него не выводятся продукты реакции, процесс в нем называют периодическим. Реакторы непрерывного действия

- это аппараты, в которых осуществляются непрерывная подача реагентов, и непрерывный от- вод реакционной смеси.

Задачи управления непрерывными и периодическими реакторами существенно различ- ны. Для первых характерны задачи стабилизации параметров на заданных значениях и ста- ционарном режиме, для вторых – проведение процесса по заданной программе (например, из- менение температуры в реакторе по определенному закону). Собственно стационарный про- цесс в таком реакторе невозможен.

В зависимости от гидродинамики процесса различают два крайних режима работы ре- акторов: идеальное (полное) смешение и идеальное вытеснение (поршневой режим). В первом случае считается, что поступающая реагирующая смесь мгновенно перемешивается со всем содержимым реактора. При этом концентрации реагентов и температуры во всех точках аппа- рата в любой момент времени одинаковы и равны концентрации и температуре в выходном потоке. Диффузионный поток вещества и передача тепла внутри реактора практически отсут- ствуют, а режим идеального смешения достигается в результате интенсивного перемешивания мешалками. Реакторы с мешалкой широко распространены в химической промышленности.

В случае идеального вытеснения предполагается поршневое течение реагирующей сме- си в аппарате, когда полностью отсутствует перемешивание вдоль потока и каждый элемен- тарный слой в реакторе независим от соседних. В то же время градиенты концентраций и тем- пературы в направлении, перпендикулярном движению потока, отсутствуют. Такой режим обычно предполагается в трубчатых реакторах.

Рис. 7.2. Каскадные (двухконтурные) системы регулирования температу- ры в реакторе:

а – по температуре в рубашке; б – по давлению кипящего слоя в реакторе; – реактор; 2 – регулятор температуры в реакторе; 3 – регулятор температуры в рубашке; 4 – регули- рующий орган; 5 – регулятор давления паров хладагента; 6 – регулятор уровня хлада- гента

Химические реакции разделяются на экзотермические (с выделением тепла) и эндотер- мические (с поглощением тепла). Более сложными для управления являются экзотермические процессы, когда сравнительно небольшое изменение температуры в реакторе может приво- дить к значительным изменениям степени конверсии. В некоторых случаях это может вызвать даже неустойчивость процесса, если изменение количества выделяемого при реакции тепла не может быть скомпенсировано соответствующим изменением скорости отвода тепла. Неустой- чивость процесса может приводить к взрывам и аварийной остановке реактора.

Некоторые промышленные процессы целесообразно осуществлять в режимах, близких к неустойчивым, так как они могут соответствовать более высокой производительности про- цесса. Реализация работы реактора в неустойчивой области может быть обеспечена с помо- щью автоматической системы регулирования. В тех случаях, когда такая система не справля- ется с быстрым изменением температуры, должна срабатывать специальная система автома- тической защиты, останавливающая развитие процесса отключением подачи сырья или сбро- сом реагирующей смеси из реактора.

Контрольные вопросы по дисциплине для подготовки к экзамену

1. Основная задача системы управления.

2. Понятие ТОУ, АСУ, АСУ ТП, АТК.

3. Функции систем управления.

4. Направления автоматизации. Уровни автоматизации.

5. Типовая функциональная схема АСУ ТП. Понятие УВК, УСО, ТЭП. Общая последова- тельность построения.

6. Разработка АСУ ТП (пять стадий).

7. Иерархия систем управления химическим предприятием.

8. Общие задачи управления.

9. Анализ основных аппаратов, как объектов управления.

10. Возмущения, допускающие стабилизацию, контролируемые возмущения, неконтроли- руемые возмущения, возможные регулирующие воздействия, выходные переменные.

11. Машины для перемещения жидкостей.

12. Машины для перемещения газов.

13. Регулирование центробежных насосов. Структурная схема объектов управления. Гра- фик зависимости “расход-напор”. Схема регулирования.

14. Регулирование объемных поршневых насосов. Структурная схема объектов управле- ния. Схема регулирования.

15. Каскадная схема регулирования поршневых насосов.

16. Тепловые процессы в химической технологии.

17. Классификация в теплообменных аппаратах.

18. Регулирование теплообменников смешения.

18.1.Структурная схема объекта управления теплообменников смешения. 18.2.Схема регулирования теплообменника смешения.

19. Регулирование поверхностных теплообменников. Статические характеристики поверх- ностных теплообменников. Схема регулирования поверхностных теплообменников воздействием на расход горячего теплоносителя. Схема регулирования поверхностного теплообменника.

20. Теплообменники с агрегатным состоянием среды. Схема регулирования работы тепло- обменника путем воздействия на расход греющего пара. Каскадная схема регулирова- ния температуры продукта (регулирование давления греющего пара с коррекцией по температуре продукта). Схема регулирования температуры продукта расходом конден- сата.

21. Схема регулирования работы конденсаторов путем воздействия на расходы хладагента и конденсата.

22. Автоматизация трубчатых печей.

23. Автоматизация трубчатых печей. Структурная схема управления трубчатой печи. Кас- кадная схема автоматизации трубчатой печи.

24. Каскадная схема регулирования трубчатой печи с регулятором соотношения “топлив-

ный газ - продукт”.

25. Каскадная схема регулирования температуры продукта на выходе с регулятором соот- ношения “топливный газ - воздух” с коррекцией по содержанию кислорода в исходных газах.

26. Схема регулирования температуры продукта в печи с экстремальным регулятором, кор- ректирующим соотношение “газ - воздух”.

27. Процессы ректификации в химической технологии.

28. Описание работы ректификационной установки.

29. Структурная схема ректификационной установки как объекта автоматизации.

30. Схема стабилизации процесса ректификации.

30.1.Схема установки процесса ректификации со схемой автоматизации. 30.2.Назначение отдельных контуров регулирования процесса ректификации.

31. Схема каскадного регулирования процесса ректификации, когда целевой продукт –

дистиллят.

32. Схема регулирования процесса ректификации при колебаниях расхода исходной смеси.

33. Регулирование состава кубового остатка процесса ректификации с учетом изменения расхода исходной смеси.

34. Схема регулирования процесса ректификации при динамических изменениях состава исходной смеси.

35. Схема регулирования состава дистиллята процесса ректификации с учетом изменения состава исходной смеси.

36. Схема регулирования состава дистиллята процесса ректификации регулятором соот- ношения расходов дистиллята и исходной смеси.

37. Схема регулирования процесса ректификации при одновременном изменении расхода и состава исходной смеси.

38. Варианты схем автоматизации процесса ректификации.

39. Массообменные процессы в химической технологии.

40. Процесс абсорбции.

41. Структурная схема процесса абсорбции как объекта управления.

42. Схема стабилизации процесса абсорбции. Схема процесса, контура регулирования, взаимодействие отдельных контуров регулирования.

43. Схема процесса абсорбции - десорбции.

44. Структурная схема процесса абсорбции - десорбции как технологического объекта управления.

45. Схема автоматизации процесса абсорбции - десорбции. 45.1.Контура регулирования процесса абсорбции - десорбции.

45.2.Взаимодействие отдельных контуров регулирования процесса абсорбции - де- сорбции.

46. Процесс выпаривания. Выпарные установки.

47. Структурная схема объекта управления процесса выпаривания.

48. Схема стабилизации технологических величин выпарной установки.

49. Схема многоконтурного регулирования двухкорпусной выпарной установки.

50. Процесс экстракции.

51. Структурная схема объектов управления процесса экстракции.

52. Схема стабилизации процесса экстракции.

53. Схема регулирования состава реагента процесса экстракции с учетом изменения расхо- да и состава исходного сырья.

54. Процесс сушки. Цель управления.

55. Структурная схема барабанной сушки как объекта управления.

56. Схема стабилизации процесса сушки в барабанной сушилке.

57. Схема многоконтурного регулирования процесса сушки в барабанной сушилке.

58. Автоматизация сушилок с кипящим слоем.

58.1.Структурная схема объекта управления процесса сушки. 58.2.Схема регулирования процесса сушки.

59. Структурная схема химического реактора.

60. Особенности динамики и условия устойчивости режимов работы химических реакто- ров.

61. Регулирование реакторов с перемешивающими устройствами. Варианты построения контуров регулирования.

62. Каскадные схемы регулирования температуры в реакторах.

 

Литература

1. Автоматическое управление в химической промышленности: учебник для вузов. Под редакцией Е. Г. Дудникова. - М. Химия, 1987.

2. Е. П. Стефани, Основы построения АСУТП. - М. Энергоиздат. 1982 г.

3. Г. И. Лапшенков, Л. М. Полоцкий “Автоматизация производственных процессов в хи- мической промышленности”. Москва. Химия. 1982 г.

4. В. А. Голубятников, В. В. Шувалов “Автоматизация технологических процессов в хи- мической промышленности”. Москва. Химия. 1985 г.

5. А. С. Клюев, Монтаж средств измерений и автоматизации”. Справочник. Москва. Энергоиздат. 1988 г.

6. Справочник проектировщика автоматизированных систем управления производствен- ными процессами. Под ред. Г. Л. Смилянского. - М. Машиностроение, 1983.

7. Автоматизация технологических процессов в легкой промышленности: учебное посо- бие. Под редакцией Л. Н. Плужникова. – М. Высшая школа, 1984.

8. Клюев А. С. и др., Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

9. Вальков В. М., Вершин В. Е., Автоматизированные системы управления технологиче- скими процессами. – Л.: Политехника, 1991.

10. Лысенко Э. В., Проектирование автоматизированных систем управления технологиче- скими процессами. – М.: Радио и связь, 1987.