6.3 Автоматизація процесів випарювання

Процес концентрування твердих речовин із розчинів частковим випарюванням розчинника при кипінні рідини виконується у випарних апаратах. При роботі з невеликими кількостями розчинів при атмосферному тиску, а часто і під вакуумом використовують однокорпусні випарні апарати. Для економії гріючої пари та глибшого випарювання використовують багатоконтурні випарні установки.

Основним показником ефективності процесу є концентрація кубового залишку Q , а мета керування - підтримувати цю концентрацію на заданому рівні.

Розглянемо принципи автоматизації процесу випарювання на прикладі однокорпусної випарної установки 2 із виносним кип'ятильником 3, підігрівником 1 свіжого розчину та конденсатором 4 (рис. 6.12). Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування показує, що сильним збуренням буде витрата Р_п свіжого розчину. Оскільки в більшості випадків витрата і концентрація основного компонента визначаються попередніми технологічними процесами, використовувати їх як регулюючі фактори не можна. їх зміна буде сильним збуренням для процесу випарювання. Витрата Р парів розчинника визначається параметрами свіжого розчину, а також режимними параметрами в апараті: температурою, тиском, концентрацією розчину та інтенсивністю теплоперенесення.

Якщо припусти ги. що мети керування досягнуто, тобто концентрація () на виході установки стала і відповідає заданій, то між тиском і температурою в апараті дотримуватиметься відповідна залежність. Тому достатньо стабілізувати один із цих параметрів. У більшості випадків таким параметром є тиск, який можна регулювати зміною витрати пари Р_п.

Рис. 6.12 Схема одноконтурного регулювання випарною установкою

Інтенсивність теплоти, яка надходить у кип'ятильник, визначається параметрами теплоносія: витратою Р_т, температурою, тиском і ентальпією. Зміна витрати теплоносія належить до найсильніших збурюючих факторів. У разі відповідної зміни витрати теплоносія в об'єкт можуть вноситися регулюючі дії.

Концентрацію визначають за різницею між температурами кипіння розчину та розчинника (за температурною депресією), хоча її можна визначити за густиною розчину в кубовій частині, питомою електропровідністю тощо. Звичайно найефективніше було б регулювати концентрацію при можливості впливу на витрату свіжого розчину та стабільній витраті теплоносія. На рис. 6.12 показано схему одноконтурного регулювання процесом випарювання. Концентрація упареного розчину стабілізується за величиною температурної дисперсії зміною витрати свіжого розчину; температура в кубовій частині регулюється зміною витрати теплоносія, який надходить у кип’ятильник; температура свіжого розчину на вході у випарну установку – зміною витрати теплоносія, що надходить на підігрівник 1; тиск пари в апараті - зміною витрати холодоносія, що надходить у конденсатор 4. Загальний матеріальний баланс забезпечується стабілізацією рівня рідини в кубі шляхом зміни витрати упареного розчину Р_к.

Поліпшити якість регулювання можна завдяки використанню багатоконтурних АСР. Особливо ефективним є каскадний принцип регулювання, якщо сильними збурюючими параметрами є витрати свіжого розчину та теплоносія. При цьому особливу увагу звертають на стабільність температурного режиму та тиску пари в установці (рис. 6.13).

Рис. 6.13 Схема каскадного регулювання випарною установкою

Якщо сильними збурюючими факторами є одночасно витрата Н_п, концентрація свіжого розчину та витрата теплоносія, то для регулювання процесом доцільно використовувати АСР співвідношення потоків свіжого розчину та теплоносія, який надходить на кип'ятильник. Досить ефективною є каскадна АСР стабілізацією тиску в апараті, в якій допоміжна координата - витрата конденсату після конденсатора 4.

Іноді у випарних установках особливу увагу приділяють стабільності рівня кубової рідини. У цьому разі позитивний ефект дає каскадна АСР із допоміжною координатою за витратою упареного розчину. Схему АСР співвідношення основних потоків показано на рис. 6.14.

Рис. 6.14 Схема регулювання з допоміжною АСР співвідношення потоків

Основною є каскадна АСР за концентрацією Q упареного розчину з допоміжною координатою за співвідношенням потоків F_p і F_T. Крім того, у цю систему вводиться компенсуючий сигнал за концентрацією Q_p у свіжому розчині. Він надходить на регулятор R₂, створюючи тим самим каскадно-комбінований принцип регулювання. В АСР співвідношення веденим є потік свіжого розчину, а ведучим – витрати теплоносія, на який відбувається регулюючий вплив регулятора співвідношення R₁.

У разі каскадного принципу випарювання дві або більше випарних установок з’єднують послідовно. При цьому особливу увагу приділяють останній установці. Розглянемо принцип автоматизації двокорпусної випарної установки. Перша установка працює під тиском, а вторинна пара є теплоносієм для другого каскаду випарювання (рис. 6.15).

Рис. 6.15 Схема автоматизації двокорпусної випарної установки

Оскільки особливих вимог до показника ефективності першого каскаду не висувається, процес керування достатньо здійснювати побудовою АСР співвідношення витрати свіжого розчину F_p та теплоносія F_T. Щоб зменшити збурюючий вплив, зумовлений зміною концентрації Q_p, можна ввести компенсацію за цим параметром. Температуру T_p достатньо стабілізувати за допомогою одно контурної АСР.

Оскільки упарений розчин із кубової частини першого каскаду є свіжим для другого, до його витрати висуваються підвищені вимоги. Тому рівень упареного розчину стабілізують за допомогою каскадної системи регулювання, в якій допоміжною координатою є витрата F_H.

Другий каскад випарної установки має забезпечувати високий показник ефективності, тому до нього приділяють підвищену увагу щодо концентрації випареного розчину та тиску пари. Концентрація Q_H вимірюється посередньо за температурою депресії нагрітого свіжого розчину та вторинної пари і стабілізується каскадною АСР, допоміжною координатою якої є рівень упареного розчину. Стабілізувати тиск також доцільно за каскадним принципом так, як показано на рис. 6.15.

У процесі випарювання контролюють витрати розчинів на вході в установку та на виході з неї; температури розчинів; витрати та тиск теплоносія; тиск, температуру та рівень в апараті; концентрацію основного компонента у свіжому та упареному розчинах. Сигналізації підлягають відхилення концентрації Q_H від заданого значення, витрати свіжого розчину при його зменшенні та тиск при його підвищенні. Захист установки виконується за витратою розчину; якщо припиняється його подавання, система захисту має відімкнути подавання теплоносія.