Лекция № 11. Автоматизация процесса перемешивания

Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах.

Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.

Цели перемешивания

♦ Создание суспензий - обеспечение равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости;

♦ Образование эмульсий, аэрация - равномерное распределение и дробление до заданных размеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости;

♦ Интенсификация нагревания или охлаждения обрабатываемых масс;

♦ Интенсификация массообмена в перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).

Основные схемы перемешивания.

■ Механическое - перемешивание мешалками, вращающимися в аппарате с перемешиваемой средой.

■ Барботажное - перемешивание путем пропускания через жидкую среду потока воздуха или газа, раздробленного на мелкие пузырьки, которые, поднимаясь в слое жидкости под действием Архимедовой силы, интенсивно перемешивают жидкость.

■ Циркуляционное перемешивание - перемешивание, осуществляемое путем создания многократных циркуляционных потоков в аппарате с помощью насоса.

Объект управления

Объект управления - емкость с мешалкой, аппарат непрерывного действия, в котором смешиваются две жидкости А (с концентрацией целевого компонента Са) и Б (с концентрацией целевого компонента Сб) для получения гомогенизированного раствора с заданной концентрацией целевого компонента Сем.

Схема объекта управления.

Рис. 1.1.

Показатель эффективности процесса - концентрация целевого компонента в гомогенизированном растворе (смеси) - Сем.

Цель управления процессом - обеспечение заданной концентрации смеси при эффективном и интенсивном перемешивании.

Эффективность перемешивания обеспечивается выбором параметров аппарата, перемешивающего устройства, числа оборотов мешалки, обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданной интенсивностью (т.е. за заданное время).

Однако в реальных условиях технологические объекты подвержены действию внешних и внутренних возмущений, которые приводят к отклонению технологических режимов работы от расчетных.

Задача разработки системы автоматизации обеспечить в условиях действия внешних и внутренних возмущений в процессе эффективное и интенсивное его функционирование с требуемыми характеристиками качества.

Теоретические аспекты процесса механического перемешивания

• При вращении лопасти мешалки в аппарате возникает вынужденное движение жидкости. которое описывается критериальным уравнением вида:

где

• модифицированный критерий Эйлера EuN, :

• модифицированный критерий Рейнольдса ReM

• геометрический симплекс Г:

где ём - диаметр мешалки, м;

п - скорость вращения мешалки, об /с;

р - плотность жидкости, кг/мА3;

NM - мощность, потребляемая мешалкой, вт;

р, - динамическая вязкость, Па*с;

Kn - критерий мощности.

Методика расчета конструктивно-технологических параметров процесса механического перемешивания.

1. Выбирают тип мешалки, ее диаметр dM. Размеры аппарата DАПП и НАПП.

2. Определяют коэффициент Ст в зависимости от размеров аппарата и тина перемешивающего устройства.

3. Определяют число оборотов мешалки:

4. Рассчитывают ReM по соотношению (3).

5. По графику KN = f(ReM) находят KN

6. Рассчитывают NM из выражения (2):

7. Рассчитывают мощность Нцв, потребляемую приводом перемешивающего устройства:

где К - поправочный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности аппарата и перемешивающего устройства; rinep - к.п.д. передачи.

В реальной установке непрерывного действия :

Материальный баланс по целевому компоненту

Уравнение динамики:

Уравнение статики при

На основании (1) (2) можно принять:

Материальный баланс по всему веществу

Уравнение динамики:

Уравнение статики при

На основании (4) (5) можно принять:

Информационная схема

• Управляемые переменные - Ссм и hCM .

• Возможные контролируемые возмущения: СА,СБ, причем задано, что СЛ » СБ.

• Возможные управляющие воз действия :GA,GE,GCM.

• Однако, в данном случае, GCM определяется последующим технологическим процессом и поэтому не может использоваться в качестве регулирующего воздействия.

Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по целевому компоненту

Уравнение динамики в нормализованном виде

Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления GА-ССМ

Уравнение статики

Уравнение динамики в приращениях:

(после постановки начальных условий в выражение (1), вычитания уравнения статики(2) и приведения подобных членов):

Уравнение динамики с безразмерными переменными:

Нормализованное уравнение динамики объекта во временной области без учёта транспортного запаздывания:

Уравнение динамики по каналу управления GА-ССМ во временной области с учётом транспортного запаздывания:

Передаточная функция объекта по каналу управления GА-ССМ :

где:

где VТРУБ – объём трубопровода от Р.О. до входа в аппарат.

Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по всему веществу

Уравнение динамики:

Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления GБ-hCM:

Уравнение статики:

Уравнение динамики в приращениях:

(после подстановки начальных условий в выражение (1), вычитания уравнения статики (2) и приведения подобных членов)

Уравнение динамики с безразмерными переменными:

Нормализованное уравнение динамики объекта во временной области:

Уравнение динамики по каналу управления GБ-hCM во временной области с учётом транспортного запаздывания:

Передаточная функция объекта по каналу управления GБ-hCM:

где:

Анализ статической характеристики объекта

Уравнение статики на основе материального баланса по целевому компоненту:

Из уравнения (1) выразим в явном виде:

Анализ выражения (2) показывает, что:

• Статическая характеристика линейная по каналам: СА - Ссм; Сь - Ссм;

• Статическая характеристика нелинейная по каналам G Л - Ссм; G Б - Ссм.

Линеаризованное представление статистической характеристики на основе стабилизации соотношения расходов :

Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора:

Обозначим:

Линеаризованное представление приращения выходной переменной через приращения всех возможных входных переменных:

Типовая схема автоматизации процесса перемешивания

Типовое решение автоматизации.

1. Регулирование

• Регулирование концентрации Ссм по подаче реагента GA - как показателя эффективности процесса перемешивания с целью получения гомогенизированного раствора.

• Регулирование уровня в аппарате hCM по подаче реагента Gb - для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.

2. Контроль.

• расходы - GA, Gk, Gcm ;

• концентрация - Ссм;

• уровень - hCM-

3. Сигнализация.

• существенные отклонения Ссм и hCM от задания;

• резкое падение расходов исходных реагентов GA^ или GB^, при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи реагентов GA , GB и отбора смеси GCM.