Регулирование химических реакторов

3.2.3.1. Реакторы непрерывного действия как объекты регулирования.

Реакторы непрерывного действия работают с постоянной скоростью подачи исходных материалов и отвода целевого продукта, а также при непрерывном подводе или отводе тепла.

Реакторы можно разделить на: 1) однопроходные (без рециркуляции); 2) с рециркуляцией реагирующих веществ или инертной среды или целевого продукта.

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

Когда 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 которой оно используется, способом регулирования материального баланса реактора. На рис. 3.9 – 3.10 приведены схемы регулирования реактора без рециркуляции.

Когда в аппарат идёт процесс выпаривания или адсорбции, тогда по регистрации расхода (FTRI) можно судить о средней скорости процесса и расходе побочного продукта. Побочный продукт выводят из аппарата непрерывно или периодически. Реактор необходимо очищать также от инертных загрязняющих примесей.

Рис. 3.9. Схема регулирования реактора с целевым газовым продуктом

 

При выполнении реакции до конца в одной фазе за один проход необходимо обеспечить точное регулирование соотношений расходов реагирующих веществ. Излишек одного из реагентов приводит к излишним затратам и может вызывать нежелательные побочные реакции.

Когда регулирование соотношений расходов реагирующих веществ осуществляется по принципу обратной связи, то можно для этой цели пользоваться анализаторами, например pH-метром. При рециркуляции одного из реагирующих веществ регулировать его расход необязательно, поскольку оно всегда находится в излишке.

Рис. 3.10. Схема регулирования реактора без рециркуляции

с жидким целевым продуктом

 

При выходе из аппарата излишек этого вещества полностью отделяют от целевых продуктов. Свежее вещество вводят в систему в количестве, необходимом для поддержания материального баланса.

На рис. 3.11 приведена схема, в которой реагирующее вещество в жидкой фазе добавляют к рециркулируемому течению для компенсации части его, которая тратится на поддержание реакции. Способом изменения расхода рециркулируемого течения устанавливают желаемую концентрацию реагента A и время его нахождения в реакторе.

Рис. 3.11. Схема регулирования реактора с рециркуляцией одного из реагентов:

1 – реактор; 2 – сепаратор; 3 – рецикловая ёмкость

Иногда используют рециркуляцию готового продукта. Когда одновременно с этим не осуществлять рециркуляцию реагирующего вещества, то при регулировании соотношений входных течений существуют жёсткие требования к системам регулирования.

3.2.3.4. Регулирование температуры в реакторах непрерывного действия.

Эндотермические реакторы имеют особенность самовыравнивания, что позволяет довольно простыми средствами осуществлять регулирование их температуры. В экзотермических реакторах регулирование температуры является достаточно сложной задачей. Эти объекты имеют особенность отказа самовыравниванию.

Скорость экзотермической реакции увеличивается с температурой, что требует сначала подводить тепло, а потом по мере развития реакции его отводить. В результате система теплопередачи реактора должна обеспечивать движение тепла в двух противоположных направлениях.

Существуют два способа решения этой задачи. Первый связан с использованием охлаждения системы, которая способна работать в качестве нагревательной. Второй – это разделение этих функций методом предварительного подогрева реагентов в одном аппарате и дальнейшее охлаждение их в реакторе.

На рис. 3.12 приведена система регулирования температуры, в которой в качестве холодного агента – конденсат, а для возникновения реакции используется тепло от внешнего водяного пара высокого давления. Скорость теплопередачи в этой системе прямо пропорциональна температуре конденсата, которую и нужно использовать для регулирования температуры в реакторе. Температура кипения конденсата однозначно зависит от его давления, поэтому выход с регулятора температуры реактора направляется в качестве задания на регулятор давления водяного пара в реакторе.

Рис. 3.12. Схема регулирования температуры экзотермического реактора

На рис. 3.13 приведена система, в которой охлаждающая жидкость (например, вода) с большой скоростью циркулирует и омывает поверхность теплообменника. Температура холодного агента выбрана в качестве управляемой изменяемой, поскольку она связана линейной зависимостью со скоростью теплопередачи и температуры в реакторе.

Высокая скорость циркуляции воды позволяет повысить скорость теплопередачи и уменьшить период запоздания. Когда выполняется схема без циркуляции холодного агента, время запоздания в дополнительном температурном контуре зависит от расхода холодного агента. Нелинейность изменения температуры при изменении расхода приведёт к возникновению в контуре колебаний с ограниченным периодом.

Системы охлаждения могут быть использованы и для контроля степени преобразования веществ. По расходу конденсата, который подаётся к реактору, можно довольно точно судить о выделении тепла в реакторе.

При использовании циркулирующего жидкого холодного агента скорость выделения тепла в реакторе определяют способом перемножения расхода холодного агента на перепад его температур на входе и выходе.

Некоторые реакторы укомплектовывают регенерационной системой подогревания, в которой тепло от продуктов реакции передаётся реагентам. Это экономически выгодно. Но когда температура реагентов на выходе из подогревателя не регулируется, тогда создаётся контур дополнительном обратной связи, который может избавить реактор от особенности самовыравнивания.

Рис. 3.13. Схема охлаждающей системы реактора с циркуляцией холодного агента: 1 – реактор; 2 – нагреватель; 3 – помпа; 4 – элемент запоздания

Когда реакция в жидкой фазе идёт при температуре, близкой к температуре кипения одного из реагентов или продуктов, то регулировать температуру в реакторе можно с использованием теплоты преобразования. Когда один из реагентов испаряется, тогда он может быть возвращён назад в реактор после конденсации. Когда испаряется продукт, то он может быть отобран в виде пара. В этом случае вместо температуры более целесообразно регулировать давление. Давление с большей чувствительностью и меньшей задержкой реагирует на возмущения.

Регулирование температуры на выходе из регенерационного подогревателя может быть выполнено по схеме, приведенной на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Схема подогревания реагентов теплом от продуктов реакции:

1 – реактор; 2 – регенерационный подогреватель

Эффективным средством поддержания давления на заданном значении является дросселирование жидкости на выходе из конденсатора или пара, который отводится от реактора.

3.2.4.3. Регулирование величины pH в реакторе непрерывного действия.

При регулировании химических процессов чаще других параметров используют величину pH.

Регулирование величины pH представляет собой сложную задачу. В значительной мере эта задача усложняется из-за явно нелинейного характера изменения pH. Поэтому условие накладывает определённые требования к диапазону изменения расхода продуктов с помощью регулируемых клапанов и к другим параметрам системы автоматического управления.

Кривая цитрования сильной кислоты сильным основанием рядом с местом нейтрализации имеет очень большой наклон, поэтому качественное регулирование в этом случае практически невозможно.

При нейтрализации слабых кислот pH меняется не так значительно, что облегчает задачу регулирования процесса. Регулирование pH успешно осуществляется в неорганических растворителях. При этом растворитель должен быть полярным, чтобы диссоциировать в растворе. Каждый растворитель имеет своё значение константы диссоциации, поэтому нейтрализация в безводной среде может произойти при значении pH, которое отличается от 7.

Измерить рН в органических растворителях невозможно.

Рис. 3.15. Схема регулирования отношения расходов выгодного продукта и реагента с коррекцией главного продукта на рН:

1 – реактор; 2 – датчик рН; 3 – помпа

 

Когда для регулирования химической реакции используется рН, то условие нахождении этой величины должна быть дополнительно определено. Например, необходимо, чтобы кривая титрования продуктов реакции была определена и не изменялась. Кроме того, необходимо, чтобы относительно реактивной кислоты (или основания) до расхода главного продукта или другого реактивного вещества изменилось незначительно. Соотношение расходов этих веществ необходимо регулировать в зависимости от рН при помощи контура регулирования с обратной связью. Схема такой системы регулирования приведена на рис 3.15.

3.2.4.4 Реакторы периодического действия как объектов регулирования.

Периодический процесс обычно включает несколько операций: загрузка реактора реактивными веществами и катализаторами; проведение реакции до полного завершения; нагревание или охлаждение реактора до необходимой температуры; охлаждение и опорожнение реактора. В некоторых случаях возможно отклонение от этого порядка. Промышленные реакторы периодического действия имеют емкость в несколько тысяч литров, мешалки и оболочки для теплообмена.

Скорость превращения в реакторы периодического действия характеризует его продуктивность. Когда в реакторе идет экзотермическая реакция, скорость превращения пропорциональна количеству тепла, которое выделяется.

Для реакции более высокого порядка скорость превращения изменяется во времени меньше, чем для реакции меньшего порядка, особенно при малых значениях концентрации продуктов.

Регулирование температуры в реакторе периодического действия наиболее важна в начале реакции, поскольку в этот момент скорость превращения максимальна. Также существуют сложности качественного регулирования температуры при экзотермических реакциях. Система охлаждения, которая наиболее часто используется в таких случаях, была приведена на рис 3.13.

Для надежной и интенсивной теплоотдачи вещества, которое находится в реакторе, охладительную жидкость заставляют циркулировать с огромной скоростью в замкнутом контуре, в выводе чего температурный перепад этого вещества и циркулирования жидкости невелики. При этом скорость теплоотдачи прямо пропорционально разности температур веществ в реакторе и хладагента на выходе из оболочки реактора.

 

4. Распространение принципиальных схем автоматизации.

Принципиальная схема выделяет состав элементов и связи между ними, дает детальное представление о принципиальной работе устройства в целом. Элемент – это составная часть схемы, которая выполняет функцию в устройстве и не может быть разделена на части, которые не имеют самостоятельной функции назначения.

Принципиальные схемы (ПС) складывают на основании функциональных схем автоматизации. По назначению ПС рассматривают на схеме управления, сигнализации и питания. На месте размещения органов управления отличают схемы местного и дистанционного управления, по способу автоматизации – схемы автоматического, автоматизированного и ручного управления. Схемы сигнализации в зависимости от выполняемых функций подразделяют на следующие виды:

– схемы технологической сигнализации, предназначенные для оповещения о состоянии величины, которые характеризуют технологический процесс;

– схемы производственной сигнализации, которые служат для оповещения о состоянии рабочих органов оборудования;

– схемы командной сигнализации, которая выполняет организационные функции управления;

– схемы пожарной и охранной сигнализации, которые служат для оповещения о местном возникновении пожара и охраны помещения.

Для систем управления электропроводами производственных механизмом в схеме необходимо предусмотреть ручное управление, которое может быть местным и дистанционным. В схеме управления технологическими линиями необходимо предусмотреть автоматически последовательный пуск технологичных модулей в направлении, противоположному потоку веществ. В случае остановки какого-нибудь из модулей автоматично последовательно останавливаются все предыдущие на потоке веществ механизмы, что отклонение создает завалы.

Выбор напряжения питания электрических схем выделяется требованием техники безопасности, условиями окружающей среды, квалифицированное обслуживание персонала, существующими источниками питания и другими факторами. Наиболее распространёнными являются применение напряжения 220 В переменного тока, напряжения 60 В и ниже (48, 24, 12 В) постоянного тока. Питание цепочек сигнализации необходимо осуществлять от разделительно трансформатора с изолированной от земли вторичной обмоткой и устройствами контроля изоляции на землю.

Выбор устройства управления и сигнализации выполняют с расчетом образования тока, номинального напряжения, мощности, параметров окружающей среды, установочных размеров и выполнения

Электрические цепи на схеме можно рассматривать следующим образом: главные цепи питания, через которые проходит основной поток энергии; цепи управления, через которые осуществляется подача команд до коммутационного устройства; цепи сигнализации, через которые передают оператору информацию о состоянии главных цепочек, цепочек правления и значение параметров объекта управления. Принципиальные электрические схемы (ПЭС) могут содержать диаграммы и таблицы работы контактов многопозиционных аппаратов, программных устройств, датчиков технических параметров; циклограммы работы технологического обслуживания; перечисление элементов в форме таблицы; нумерация нажиманий приборов и аппаратов; описание работы схемы.

ПЭС выполняют в многолинейном образе. При этом каждая цепь показывается особенной линией, а элементы, которые существуют в этих цепях,– особенными условными графическими обозначениями. Коммутативные устройства (контакторы, реле, кнопочные выключатели и др.) на схемах показывают в состоянии, когда во всех цепях схемы отсутствует ток.

Графические обозначения элементов ПЭС должно удовлетворять требованиям ДАСТ 2.721–74 «Обозначение условные в графических схемах. Обозначение общего применения» и ДАСТ 2.755–74 «Обозначение условные в графических схемах. Приспособления коммутативные и контактные соединения».

Размеры, в которых условные обозначения элементов ПЭС, не влияют на их смысл. Размеры графических обозначений должны соответствовать стандартам, но допускаются при необходимости все обозначения пропорционально уменьшать или увеличивать.

Линии электрических связей отражают, как правило, линиями в диапазоне 0,18–1,4 мм в зависимости от размера форматов и условных графических отражений.

Для защиты измерительных цепочек от побочного влияния широкого использование экранирования. Экран обозначают тонкой штриховой линией вдоль цепи с двух боков. Линии должны пересекаться под прямым углом. Электрическое соединение линии обозначают зачерненной кнопкой диаметром 1-2 мм. Линии связи, которые пересекают главную часть схемы, допускается обрывать. Обрывы линии заканчивают стрелками, где указывают пункты подключения.

Все графические обозначения элементов ПЭС приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Элемент	Обозначение
Род машины
Трехфазный асинхронный двигатель с коротким замкнутым ротором
Трансформатор напряжения
Предохранитель
Общее обозначение лампы накаливания
Сигнальная лампа
Электрический звонок
Сирена электрическая
Звонок
Постоянный резистор
Переменный резистор
Конденсатор постоянного объёма
Электрический конденсатор
Общее обозначение диода
Теристор с управлением на аноде
Теристор с управлением на катоде
Фоторезистор
Фотодиод
Светодиод
Диод атрон
Общее обозначение обмотки (катушки) электромеханического устройства (реле, кондуктора, магнитного пускателя)
Катушка электромагнитная
Воспринимаемая часть электротеплового реле
Замыкающий контакт электромеханического устройства
Размыкающий контакт
Переключающиеся контакты
Замыкающий и размыкающий контакты в цепях с мощным током
Замыкающий и размыкающий контакты во вторичных устройствах
Замыкающий и размыкающий контакты с выдержкой времени при воздействии
Замыкающий и размыкающий контакты с задержкой при обращении
Замыкающий и размыкающий контакты с задержкой при воздействии и обращении
Контакт автоматического выключателя с отключением при перегрузке
Контакт конечного выключателя
Контакт кнопочных выключателей нажимного действия
Трехполосный автоматический выключатель

 

Все элементы ПЭС должны иметь позиционное обозначение в соответствии с ГОСТ 2.710-75 «Обозначение условных буквенно-цифровых, которые используют в электрических схемах». Позиционное обозначение в общем случае складывается из трех самостоятельных частей, которые записывают без разделительных знаков и пробелов. В первой части позиционного обозначения указывают вид элементов и устройства. Она должна иметь одну или две буквы латинского алфавита. В первой части одной или двумя латинскими буквами обозначают вид элемента, например: В – преобразователь неэлектрических величин в электрические и наоборот; С – конденсатор; F – предохранитель, разрядник, устройство защиты; М – переключатель; R – резистор; ВК – термопара, тепловой датчик; ВР – датчик давления; EL – лампочка освещения; EK – нагревательный элемент; НА – прибор звуковой сигнализации; KM – кондуктор, магнитный включатель; SB – выключатель кнопочный; SL и SP – выключатели, которые срабатывают от удельного уровня и давления соответственно; YA – электромагнит.

В другой части позиционного обозначения указывают порядковый номер элемента в границах элементов данного вида, начинают с единицы. Например: R12 – первая часть обозначения вид элемента, R – резистор, другая – порядковый номер – 12. При отражении элемента или устройства разнесенным способом допускается до порядкового номера добавляет условный номер каждой части элемента, которые отражают на ПЭС, разделят их кнопкой, например, КМ3.1 – магнитный включатель КМ3, 1 – его первый контакт. Нумерация элементов на ПЭС возрастает в направлении сверху вниз и слева направо. Пересчет кодов приведены в табл. 4.2

 

Таблица 4.2