1 4. Устойчивость реакторов. Qt-диаграмма.

Рис. 15. Возможные состояния равновесия для реактора с перемешивающим устройством.

Кривая тепловыделений характеризует количество тепла, выделяющегося при соответствующей установившейся температуре в реакторе.

На начальном участке наклон кривой тепловыделения увеличивается вследствие экспоненциального влияния температуры на скорость реакции.

На конечном участке кривой наклон начинает убывать вследствие уменьшения концентрации реагентов, и кривая тепловыделения асимптотически приближается к количеству тепла, выделяемому при полном превращении реагентов.

Количество отводимого тепла линейно зависит от температуры, если коэффициент теплопередачи, температура рубашки и теплоемкость продукта постоянны.

На рис. 15 показаны три возможные случая работы реактора при различных значениях температуры рубашки и общем коэффициенте теплопередачи. В первом случае существует только одно пересечение линии теплоотвода с кривой тепловыделения (т. А), которое и определяет температуру реакции. Эта точка соответствует устойчивой работе реактора, т.к. малое увеличение температуры в реакторе вызывает значительно больший рост теплоотвода, чем образование тепла. Это приводит к снижению температуры до ее прежнего состояния. Во втором случае коэффициент теплопередачи тот же, что и ранее, то температура рубашки реактора выше, и единственное пересечение кривой тепловыделений с линией топлоотвода существует только в точке В – точке устойчивой работы реактора при условиях, близких к почти к полному превращению реагентов. В третьем случае, когда кривая тепловыделений пересекается в трех точках с прямой теплоотвода, точка Д характеризует неустойчивый режим работы реактора, хотя уравнение теплового баланса в ней все же удовлетворяется. Небольшое увеличение температуры в этом случае увеличивает скорость выделения тепла реакции сильнее, чем скорость теплоотвода, что вызывает быстрое повышение значение температуры, соответствующего состоянию равновесия в точке Е. Уменьшение температуры от значения, соответствующего точке Д, приводит к ее снижению до величины, соответствующей точке С.

Характеристики, приведенные на рис. 15, соответствуют равновесным скоростям выделения и отвода тепла и определяют необходимое, но не достаточное условие устойчивости реактора, которое заключается в том, чтобы наклон линии отвода тепла в точке пересечения характеристик был больше, чем наклон кривой выделения тепла.

Если температура в т. Е допустима по условиям технологии, то работать следует при ней, т.к. в этом случае скорость реакции и степень превращения будут максимальны. Однако в некоторых случаях эта температура является недопустимо высокой: например, потому, что при ней начинают идти побочные процессы.

Работать при температуре, соответствующей т. С нецелесообразно, т.к. скорость реакции слишком мала, а при температуре в т. Д – режим неустойчив. Что делать?

1 – Построить систему автоматического регулирования, стабилизирующую неустойчивый режим.

2 – Сделать теплоотвод столь интенсивным, чтобы линия отвода тепла была всюду круче линии его выделения.

Рис. 16. Температурные зависимости выделения (1) и отвода (2) тепла для процесса устойчивого во всем интервале Т.

Повышать устойчивость можно, увеличивая либо коэффициент теплопередачи, либо поверхность теплопередачи (отно шение ).

Диаграмма выделения - отвода тепла в реакторе позволяет оценить устойчивость его стационарных состояний. На рис. 18 представлен случай, когда в реакторе возможно три стационар­ных состояния (точки b, с, d). Пусть режиму работы реактора соответствует стационарное состояние в точке b. Если по каким-либо причинам температура в реакторе станет выше, чем у_2b, например, , то количество выделяемого тепла будет , а отводимого — , причем .

Поскольку теперь отводится тепла больше, чем выделяется, температура в реакторе будет снижаться и возвращаться к зна­чению y_2b, При снижении температуры по сравнению с у₂ь, т. е. при г/₂ь—Аг/г, количество выделяемого тепла Q_t (у_2Ь—Ау₂) бу­дет больше, чем отводимого Qi (учъ—Ау₂), и, следовательно, тем­пература в реакторе будет расти до точки Ь, где Qi = Q₂. Таким образом, стационарное состояние реактора в точке Ь является устойчивым.

Аналогичный анализ для точек d и с показывает, что точ­ка d соответствует устойчивому, а точка с — неустойчивому ста­ционарному состоянию реактора, так как в последнем случае даже при незначительном отклонении от состояния равновесия температура в реакторе будет либо увеличиваться до точки d (при отклонении у_2с + Ау₂), либо уменьшаться до точки b (при отклонении у_2с—Ау₂).

для устойчивости стационарного состояния необходимо, что­бы наклон линии тепловыделения в точке стационарного со­стояния был меньше, чем наклон линии теплоотвода, т. е. при изменении температуры скорость тепловыделений была меньше, чем скорость теплоотвода

15. Регулирование температуры. Объекты (канала) регулирования температуры (одно- и многоконтурные) и их техническая реализация. Примеры применения АСР температуры при автоматизации технологических процессов отрасли.

Здесь главным регулятором является регулятор температуры продукта на выходе из теплообменника (поз. 2-5). Вспомогательный регулятор – регулятор расхода пара в теплообменник (поз., 1-4). Здесь может быть реализована каскадная АСР с П-ПИ, ПИ-ПИ или ПИ-ПИД законами регулирования.

В этой схеме вспомогательный регулятор расхода локализует возмущения, идущие со стороны регулирующего органа поз. 1-5 по давлению и расходу. Контур вспомогательного регулятора является более быстродействующим по сравнению с контуром главного регулятора температуры.

Рис. 5 Каскадная АСР температуры в теплообменнике

Рис. 6 Каскадная АСР температуры трубчатой печи

В этом случае (см. рисунок 6) главным регулятором является регулятор температуры продукта на выходе из печи (поз. 2-5). Вспомогательным – регулятор температуры перевала печи (поз. 1-5).

Вспомогательный регулятор локализует все возмущения, идущие со стороны регулирующего клапана 1-6.

Стабилизация температуры в кубе ректификационной колонны (рис.8) осуществляется регулятором температуры (поз. 2-5) путем изменения расхода пара в кипятильник Т. Для повышения качества регулирования в системе предусмотрена автоматическая коррекция задания регулятору (поз. 2-3) в зависимости от одного из основных возмущений процесса – расхода разделяемой смеси. Корректирующий импульс на изменение задания регулятору формируется динамическим компенсатором FC (поз. 1-4).

При поступлении в объект возмущения динамический компенсатор формирует управляющее воздействие и посылает его на вход (задание) регулятору температуры (поз. 2-4, 2-5). Регулирующий орган (поз. 2-6) при этом начинает перемещаться по закону и на величину, определяемыми алгоритмом действия динамического компенсатора и его настроечными параметрами.

За счет изменения расхода пара осуществляется компенсация вредного влияния возмущения по расходу питания еще до того, как под его влиянием начнет изменяться регулируемая величина – температура в кубе ректификационной колонны.

Рис. 8. Комбинированная АСР температуры в кубе ректификационной колонны (возмущение по расходу питания).

Рис. 9. Комбинированная АСР температуры в химическом реакторе (возмущение по расходу реакционной смеси).

Рис.10. Функциональная схема САР "по отклонению"

а) локальный контур регулирования температуры;

б) контур регулирования температуры с применением РСУ

Рис.11. Функциональная схема комбинированной САР

а) комбинированный локальный контур регулирования;

б) комбинированный контур регулирования с применением РСУ

.

Рис. 13. Схема регулирования теплообменника смешения

Рис.16.Схема регулирования поверхностных теплообменников воздей­ствием на расход горячего теплоносителя (а) и байпасированием холодного теплоносителя (б).

Рис. 17. Схемы регулирования работы теплообменников путем воздейст­вия на расход греющего пара (а) и конденсата (б).

а б

Рис.18. Схемы регулирования работы конденсаторов путем воздействия на расходы хладагента (а) и конденсата (б)