Автоматизация технологических процессов основных химических производств

Число степеней свободы для системы


Автоматизация процесса абсорбции

Равновесие в процессе абсорбции.

 

  • Число степеней свободы для системы бинарный газ+жидкость:
S = k – f + 2=3-2+2=3.

  • Переменные для данной системы: температура q, давление Р; концентрации С.
  • Равновесие такой системы при постоянных q и Р описывается законом Генри:
                                                                                                   (1),

где m  -  коэффициент распределения:

                                                                                                          (2),

где Е  -  константа Генри:

                                                                                         (3),



где q  -  дифференциальная теплота растворения; R  -  универсальная газовая постоянная; С  -  константа.

  • На основании (2) и (3) коэффициент распределения m зависит от P и q следующим образом:   при Р­, m¯ ;    при q­, Е ­® . m­.
  • Следовательно, растворимость газа в жидкости на основании (1), определяемая как:
    , увеличивается с увеличением давления Р­ и уменьшением температуры q¯.
 

Влияние Р и q на среднюю движущую силу процесса абсорбции.

(фазовые диаграммы при противотоке распределяющих веществ)



Рис.1.

1.      При Р1 и q1 , ?ср1; 2 - При Р2 > Р1 , ?ср2 ; 3 - При q3 > q1 , ?ср3

Результаты анализа диаграмм:

  • ?ср =f (q, Р, сгн , сгк , сан , сак );
  • ?ср2 > ?ср1 ; при Р­> ?ср ­;
  • ?ср3 < ?ср1 ; при q­> ?ср¯

Влияние направления движения потоков

на средние движущие силы процесса абсорбции.



Рис.2а.

1        -  рабочая линия процесса абсорбции при противотоке распределяющих веществ;

2        - рабочая линия процесса абсорбции при прямотоке распределяющих веществ;

3        - равновесная линия процесса абсорбции.

Движение распределяющих веществ противотоком.



Рис.2б.



  • Са изменяется от Саmin до Саmax1 , (
    ).
  • Движущая сила: 
    .
Движение распределяющих веществ прямотоком.

Рис.2в.
  • Са изменяется от Саmin до Саmax2 , (
    ).
  • Движущая сила: 
    .
  • Выводы по характеристикам схем противотока и прямотока:
1.     - 
;           2.  - 
.

Кинетика процесса абсорбции.
 
Уравнения массопередачи в процессе абсорбции:
                                      (4а),
или
                                       (4б),
где
Мга  -  масса распределяемого компонента, переходящая из газа в абсорбент в единицу времени, кг/ч;
F  -  поверхность массопередачи м2;
 и
;
 и
;
Кг , Ка  -  коэффициенты массопередачи,
;
;       
,
где
bг  -  коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз, кг/(м2 *ч);
bа  -  коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку абсорбента, кг/(м2 *ч).
Схема насадочного абсорбера.

Рис.6.

Объект управления
Схема абсорбционной установки.
 
1, 2 – холодильники; 3 – абсорбционная насадочная колонна.


Рис.5.
Работа схемы.
Исходная газовая смесь Gг и абсорбент Gа в холодильниках 1 и 2 охлаждаются до заданных температур qг0 и qа0 и противотоком подаются в колонну 3.
В колонне 3 происходит извлечение целевого (распределяемого) компонента из исходной газовой смеси с помощью жидкого абсорбента.
В результате массообменного процесса между газовой и жидкой фазами получают:
  • в низу колонны  -  насыщенный абсорбент Gна с концентрацией целевого (распределяемого) компонента сна;
  • в верху колонны  -  обедненную газовую смесь Gог с концентрацией целевого (распределяемого) компонента сог .
Показатель эффективности процесса  -  концентрация распределяемого компонента в обедненной газовой смеси сог.
Цель управления  -  обеспечение сог = согзд на минимально возможном для данной установки значении.

Материальный баланс по целевому компоненту.
  • Материальный баланс по целевому компоненту в газовой фазе.
Уравнение динамики:


      
                                      (1),
где Мгна  -  масса целевого компонента, переходящая из газовой фазы в жидкую в единицу времени, кг/ч.
Уравнение статики
:
                                                                                    (2).
Из выражений (1) и (2) следует, что:
                           (3),
где Мгна  -  определяется уравнением массопередачи.
  • Материальный баланс по целевому компоненту в насыщенном абсорбенте.
Уравнение динамики:
                                                 (4).
Уравнение статики
:
                                                                                  (5).
Из выражений (4) и (5) следует, что:      
                         (6),
где Mгна  -  определяется уравнением массопередачи.
  • Материальный баланс по общему количеству целевого компонента в процессе абсорбции.
Уравнение динамики:
                                             (7),
Уравнение статики
:
                                                                (8).
На основании (7) и (8):
                                          (9).
Аналогично, можно получить:   
                          (10).
Материальный баланс по жидкой фазе.
Уравнение динамики:
,                                                                  (11),
Уравнение статики:
                                                                                             (12)
На основании (11) и (12):  
.                                                  (13).

Материальный баланс по газовой фазе.
  • Уравнение динамики:
                                                                   (14),
где Мог  -  мольная масса обедненной газовой смеси,
      кг/моль;
      Рог  -  давление в колонне, Па;
      qог  -  температура в колонне (по газовой фазе), К,
     Vог  -  объем газовой фазы в колонне, м3 .
  • Уравнение статики:
                                                                                             (15).
  • На основании (14) и (15) можно считать:
                                                                                 (16),


  • Предпочтительное управляющее воздействие Gог.
Тепловой баланс в абсорбере.
 
  • Уравнение динамики для холодильника1:
                                         (17).
  • Уравнение статики при
    :
                                                                  (18).
  • На основании (17) и (18) можно считать:
                                                                                    (19).
  • Предпочтительное управляющее воздействие Gхл1.
  • Уравнение динамики для холодильника 2.
                                                (20).
  • На основании (20) можно считать:
                                                                                (21).
  • Предпочтительное управляющее воздействие Gхл2.

Информационная схема для установки с показателем эффективности сог .

Рис.7
  • Возможные управляющие воздействия:
    .
  • Возможные контролируемые возмущения:  
    .
  • Возможные неконтролируемые возмущения:
    .
  • Возможные управляемые переменные: 
    .
Схема абсорбционной колонны как многосвязного
объекта при показателе эффективности сог.

Рис.8
Информационная схема для установки с показателем эффективности сна .

Рис.9
  • Возможные управляющие воздействия, контролируемые и неконтролируемые возмущения те же, что и в системе с показателем эффективности сог.
  • Возможные управляемые переменные: 
    .
 
Схема абсорбционной колонны как многосвязного
объекта при показателе эффективности сна.

Рис.10.

Типовая схема автоматизации процесса абсорбции.

Рис. 11.
1.      Регулирование.
  • Регулирование сог по подаче абсорбента Gа  -  как показателя эффективности процесса абсорбции.
  • Регулирование давления верха колонны Рв = Рог по отбору обедненной газовой смеси Gог  -  для обеспечения материального баланса по газовой фазе.
  • Регулирование уровня hна по отбору насыщенного абсорбента Gна  -  для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.
  • Регулирование температуры исходных материальных потоков газа qг0 и абсорбента qа0 по подаче хладоагентов Gхл1 и Gхл2 соответственно  -  для обеспечения теплового баланса установки.
  • Стабилизация расхода исходной газовой смеси Gг -  для обеспечения заданной производительности установки.
2.      Контроль.
  • расходы  -  Gг, Gа, Gог, Gна, Gхл1, Gхл2;
  • температуры  - 
    ;
  • давление  -  Рв, Рн, DР;
  • уровень насыщенного абсорбента  -  hна;
  • концентрация  -  сог .
3.      Сигнализация.
  • существенные отклонения сог от согзд ;
  • значительное повышение Рв­ > Рпред , при этом формируется сигнал «В схему защиты».
4.      Система защиты.
По сигналу «В схему защиты»  -  открывается магистраль Gог, закрываются все остальные магистрали.

Содержание раздела