Регулирование типовых тепловых процессов

Теплообменные аппараты классифицируются по виду теплообменной поверхности (с поверхностью из трубок, с плоской поверхностью, с поверхностью непосредственного контакта теплоносителей); по физическому процессу, происходящему с основным технологическим веществом (нагреватели, холодильники, испарители, конденсаторы); по характеру работы во времени (рекуперативные, регенеративные и т. д.) и другим признакам. Поверхностные теплообменники довольно широко используются в химической технологии, поскольку теплоносители в таких аппаратах разделены тепло-передающей поверхностью: в трубчатых теплообменниках — стенки трубок, в пластинчатых теплообменниках — плоские или рифленые листы. Распространенной конструкцией теплообменной аппаратуры трубчатого типа является кожухотрубный теплообменник. Кожу-хотрубные теплообменники делят на теплообменники с неизменяемым агрегатным состоянием веществ, например, теплообменники типа газ—газ, газ—жидкость, жидкость—жидкость, а также теплообменники с изменяющимся агрегатным состоянием веществ (например, паро-газовые, паро-жидкостные теплообменники, испарители, конденсаторы).

Особенностью теплообменников с изменяющимся агрегатным состоянием веществ, рассматриваемых как объекты регулирования, является равенство температур жидкой и паровой фаз при постоянном давлении и отсутствии переохлаждения образующегося конденсата (перегрева образующегося пара). Поскольку температура жидкой и паровой фаз одинакова, она не может служить показателем процесса испарения или конденсации. Тогда в качестве основного показателя процесса теплообмена выбирают уровень жидкой фазы.

В испарителях или конденсаторах, предназначенных для испарения или конденсации жидкости, задача регулирования сводится к поддержанию материального баланса по технологическому потоку (газу или жидкости).

В кожухотрубных паро-жидкостных теплообменниках, предназначенных для нагревания жидкости до заданной температуры за счет теплоты конденсации греющего пара, основной задачей регулирования является стабилизация температуры жидкости на выходе из теплообменника.

Теперь с учетом выявленных основных возмущающих и управляющих воздействий можно предложить несколько вариантов систем регулирования температуры жидкости на выходе из промышленных кожухотрубных паро-жидкостных теплообменников.

Первый вариант. Для регулирования выходной температуры жидкости без статической ошибки можно применить одноконтурную замкнутую САР с использованием ПИ-регулятора или ПИД-регулятора (рис. 22), изменяющего расход греющего пара. Недостатки такого регулирования: при сильных возмущающих воздействиях по каналам расхода или температуры жидкости на входе в теплообменник качество переходного процесса оказывается неудовлетворительным.

Второй вариант. Если имеют место возмущающие воздействия по каналам расхода или температуре жидкости на входе , то ограничиваются их статической компенсацией. Реализовать такой подход возможно применением каскадной САР соотношения расходов пара и жидкости с коррекцией по третьему параметру — температуре жидкости на выходе теплообменника (рис. 23).

Третий вариант. При сильных возмущающих воздействиях по каналам изменения давления или температуры греющего пара возможно применить каскадную систему регулирования температуры (или давления) в межтрубном пространстве теплообменника с коррекцией задания по (рис. 24). Температура (или давление) в межтрубном пространстве теплообменника — промежуточная координата, значительно быстрее реагирующая на указанные возмущающие воздействия, чем температура жидкости на выходе теплообменника

Рис. 22. Одноконтурная замкнутая САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидко-стном теплообменнике

Рис. 23. Каскадная САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидкостном теплообменнике (с регулятором соотношения расходов во внутреннем контуре)

Рис. 24. Каскадная САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидкостном теплообменнике (с регулятором температуры конденсата во внутреннем контуре): / — регулятор температуры жидкости на выходе из теплообменника; 2 — регулятор температуры конденсата в кожухе

Рис. 25. Регулирование жидкости в схеме кожухо-трубного паро-жидкостного теплообменника с байпасированием холодного потока: / — регулятор температуры жидкости на выходе из теплообменника; 2 — регулятор температуры жидкости после смешения

Четвертый вариант. Чтобы обеспечить высокое качество регулирования температуры, желательно иметь дополнительное управляющее воздействие. Для этого жидкость, поступающую на нагревание, перед теплообменником делят на два потока и . Часть жидкости (поток ) направляют в теплообменник и нагревают до температуры несколько выше заданной. Другая часть жидкости (поток ) минует теплообменник, оставаясь холодной. За теплообменником нагретый и холодный потоки смешиваются для получения жидкости заданной температуры. Таким образом, реализуется схема с байпасированием (рис. 25). В этом случае регулятор температуры / стабилизирует температуру после теплообменника (вспомогательная функция). Регулятор температуры 2 регулирует температуру жидкости после смешения (основная задача). При этом качество регулирования определяется динамикой основного контура, в

котором объект представляет собой безынерционное звено, поскольку постоянная времени процесса смешения нагретой и холодной жидкостей практически равна нулю.

1.3. Регулирование массообменных процессов

К массообменным процессам, получившим наибольшее распространение в химической технологии, относят абсорбцию, ректификацию, экстракцию, кристаллизацию, адсорбцию, сушку. К общим особенностям регулирования массообменных процессов можно отнести то, что в результате проявления различного рода случайных возмущающих воздействий нарушаются материальные и тепловые балансы, изменяются температура и давление, что приводит к нарушению состава и качества получаемых продуктов. Поэтому одной из основных задач регулирования массообменных процессов является задача стабилизации режимных параметров, решение которой позволяет сохранить материальные и тепловые балансы.

Аппараты, в которых осуществляется большинство массообменных процессов, как правило, — крупногабаритные аппараты колонного типа (диаметр таких аппаратов может достигать несколько метров, высота равняется нескольким десяткам метрам), поэтому вполне естественно, что постоянные времени и запаздывание таких аппаратов могут составлять десятки минут. Если для регулирования массообменных процессов использовать одноконтурные системы регулирования, то они будут характеризоваться большой длительностью переходных процессов и большой максимальной ошибкой. Чтобы повысить качество переходных процессов, для регулирования массообменных процессов используют комбинированные САР, для которых характерно введение коррекции по наиболее сильным возмущающим воздействиям, а также каскадные САР, характеризуемые применением дополнительных сигналов из промежуточных точек массообменных аппаратов.

Лекция 9