Автоматизация технологических процессов основных химических производств

Министерство образования Российской федерации

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)

Кафедра автоматизации процессов химической промышленности

Г.В. Иванова

«Автоматизация технологических процессов основных химических производств»

Методические материалы по курсу лекций

(в двух частях)

Часть 1.

2003г.

УДК 66-52:66(075)

Иванова Г.В. Автоматизация технологических процессов основных химических производств: Методическое пособие. Часть 1/ СПбГТИ(ТУ).-СПб., 2003.- 70с.

Методическое пособие предназначено для курса лекций по учебной дисциплине «Автоматизация технологических процессов основных химических производств», являющейся дисциплиной специализации 210201 –
«Автоматизация технологических процессов химической промышленности» учебного плана по специальности 210200.

Пособие разработано в виде методических материалов, используемых при чтении лекций по дисциплине.

Часть 1 методического пособия включает в себя общую характеристику химико-технологических процессов (ХТП) как технологических объектов управления (ТОУ); методику анализа ХТП как ТОУ; физико-химические основы технологических процессов, технологические схемы рассматриваемых объектов управления, математические описания объектов управления, постановку задачи автоматизации, типовые схемы автоматизации, типовые решения автоматизации для гидромеханических и тепловых процессов.

Утверждено на заседании методической комиссии факультета Информатики и управления 23 июня 2003г., протокол № 6.

Материалы к лекции №1

Введение. Общие подходы к автоматизации ХТП.

Предметом изучения в данном курсе являются проблемы автоматизации основных химических производств.

Основные химические производства и составляющие их технологические процессы мы рассматриваем в данном курсе как объекты управления.

Химико-технологические объекты управления.

Определение ТОУ:
. ТОУ - это совокупность совместно функционирующих технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса.
. К ТОУ относят как отдельные технологические агрегаты и установки, реализующие локальный технологический процесс, так и целые производства

(участки, цехи). Существуют «супер-ТОУ» - установки, включающие сотни технологических аппаратов (на нефтеперерабатывающих заводах).

Требования к ТОУ.
. Оборудование ТОУ должно быть полностью механизировано и должно безотказно работать в межремонтный период.
. ТОУ должен быть управляем, т.е. разделен на определенные зоны с возможностью воздействия на технологический режим в каждой из них изменением материальных и энергетических потоков.
. Возможность воздействия на характеристики оборудования.
. Возможность доступа обслуживающего персонала к местам установки датчиков, исполнительных механизмов, регулирующих органов.
. Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму, что возможно в результате установки: ресиверов; емкостей с мешалками; теплообменников, уменьшающих амплитуду и частоту изменения таких параметров, как давление, состав, температура.

Типовая схема технологического производства химических продуктов.

. Типовая технологическая схема производства состоит из стадий подготовки сырья, химического синтеза, выделения и очистки целевых продуктов.

Классификация химико-технологических процессов и производств как ТОУ.

1. По тоннажу продукции и структуре ассортимента:

. Крупнотоннажные ТОУ - ориентированные на продукцию конкретной

,фиксированной номенклатуры с объемами выпуска: сотни - десятки тысяч тонн.

. Малотоннажные ТОУ - ориентированные на выпуск продукции разнообразной и быстро меняющейся номенклатуры, с объемами выпуска: граммы - десятки тонн.

2. По характеру временного режима функционирования:

. ТОУ периодического действия - ТОУ, в которых аппараты (ТО) работают в циклическом режиме, а технологические процессы (ТП) представляют собой последовательность технологических и организационных операций, имеющих конечную продолжительность. Термину «периодический процесс», принятому в химической технологии соответствует общесистемный термин « дискретный процесс».

. ТОУ непрерывного действия - ТОУ, в которых аппараты работают непрерывно, на вход аппарата непрерывно подаются исходные реагенты, на выходе аппарата непрерывно отводятся выходные продукты а технологический процесс ведется в установившемся режиме.

. ТОУ полунепрерывного действия - ТОУ, в которых аппараты функционируют непрерывно только в пределах интервала времени, необходимого для переработки конечной порции сырья или промежуточного продукта. В этих пределах в аппараты непрерывно подаются исходные реагенты, а с выходов - непрерывно отводятся продукты.

Технологические процессы ведутся в установившемся режиме. Между интервалами времени работы аппараты находятся в режиме ожидания.

3. По степени важности ТОУ в производстве.

. Основные ТОУ - ТОУ для реализации основных технологических процессов производства. К основным ТОУ относят процессы и оборудование для реализации стадий подготовки сырья, химического синтеза, разделения и очистки целевых продуктов.

. Вспомогательные ТОУ - к вспомогательным ТОУ относят процессы и оборудование для временного хранения исходных реагентов, промежуточных и конечных продуктов, осуществления транспортных операций.
4. По информационной емкости ТОУ:

Степень сложности ТОУ характеризуется информационной сложностью объекта, т.е. числом технологических параметров, участвующих в управлении.

Таблица 1

Классификация ТОУ по информационной емкости.

5. По характеру параметров управления.

. ТОУ с сосредоточенными параметрами - ТОУ, в которых регулируемые параметры (в данный момент времени, в разных точках аппарата), имеют одно значение соответствующего параметра.

. ТОУ с распределенными параметрами - ТОУ, в которых значения параметров неодинаковы в различных точках объекта в данный момент времени. Большинство процессов химической технологии являются объектами с распределенными параметрами.

. Пример: температура и концентрация по высоте ректификационной колонны.

6. По типу технологического процесса.

. Гидромеханические процессы - процессы, осуществляющие перенос количества движения.

. Тепловые процессы - процессы переноса энергии в форме теплоты

(теплопроводностью, конвекцией, излучением).

. Массообменные процессы - процессы перемещения вещества в пространстве за счет разности концентраций.

. Механические процессы - процессы переработки твердых материалов под действием механических сил (их измельчение и разделение по фракциям).

. Химические процессы - процессы, характеризующие образование новых, отличающихся от исходных по химическому составу или строению, веществ при сохранении общего числа атомов и изотопного состава.

Методика анализа ХТП как ТОУ.

1. Определение критерия эффективности ТОУ.

. Для производств - это, как правило, экономические критерии максимизации прибыли или минимизации себестоимости продукции.

. Для технологических процессов - это технологические критерии максимизации качества или максимизации выхода целевого продукта.

2. Разработка математического описания процесса как объекта управления в статике и динамике.

. При разработке математического описания сложных ХТП стремятся к созданию наиболее простых моделей.

. Строят не полные и исчерпывающие мат. модели, а достаточные для решения задач управления.
3. Математическое моделирование и исследование статических режимов ТОУ.

. Основные методы создания мат. описания для целей управления - аналитические; статистические (регрессионные, методы группового учета аргументов); модели на основе нечетких методов.

. Исследование статических характеристик ТОУ, на основании которого определяют:

. Возможные диапазоны варьирования параметров при управлении;

. Возможное число стационарных состояний процесса;

. Анализ устойчивости стационарных состояний процесса;

. Влияние основных режимных параметров на рабочие области ТОУ;

. Исследование нелинейности коэффициентов усиления и возможности линеаризации статических характеристик и т.д.
4. Построение информационной схемы ТОУ.

Информационная схема ТОУ - это схема, показывающая входные и выходные переменные ТОУ и их связи.

Построение информационной схемы возможно на основе мат. описания (при разработке новых технологий) или на основе информации по эксплуатации объекта (при модернизации системы управления).
5. Анализ информационной схемы.

Выполняется анализ информационной схемы на предмет классификации входных и выходных воздействий на следующие группы:

. Возможные возмущающие воздействия.

. Возможные управляющие воздействия.

. Наиболее целесообразные управляемые переменные.

Осуществляется выбор возможных каналов управления.
6. Математическое описание динамики ТОУ.

. Составляется мат. описание динамики объекта по возможным каналам управления.

. Выполняется исследование динамики возможных каналов управления.

. Выполняется выбор наиболее целесообразных каналов управления .

. Составляется структурная схема системы управления.
7. Выбор параметров контроля, сигнализации и защиты.

Материалы к лекции №2

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
(Тябин Н.В.,с.95).

Цели перемешивания o Создание суспензий - обеспечение равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости; o Образование эмульсий, аэрация - равномерное распределение и дробление до заданных размеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости; o Интенсификация нагревания или охлаждения орабатываемых масс; o Интенсификация массообмена в перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).

Основные схемы перемешивания.

Рис.1.
. 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
Ссм.

Схема объекта управления.

Рис.1.1

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

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:

Euм = f(Reм , Г)

(1), где
. модифицированный критерий Эйлера Euм :

(2),

. модифицированный критерий Рейнольдса Reм :

(3),
. геометрический симплекс Г:

Г=dм / Dапп

(4), где dм - диаметр мешалки, м; n - скорость вращения мешалки, об /с;

. - плотность жидкости, кг/м^3;

Nм - мощность, потребляемая мешалкой, вт;

( - динамическая вязкость, Па*с;

КN – критерий мощности.

Методика расчета конструктивно- технологических параметров процесса механического перемешивания.

1. Выбирают тип мешалки, ее диаметр dм, размеры аппарата Daпп и Hапп.

2. Определяют коэффициент С( в зависимости от размеров аппарата и типа перемешивающего устройства.

3. Определяют число оборотов мешалки: .

4. Рассчитывают Reм по соотношению (3).
5. По графику KN = f(Reм) находят KN.
6. Рассчитывают Nм из выражения (2):

.
7. Рассчитывают мощность Nдв, потребляемую приводом перемешивающего устройства:

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

В реальной установке непрерывного действия:

т.е. необходимо обеспечить: и .

Материальный баланс по целевому компоненту.

Уравнение динамики:
(1).
Уравнение статики при :

(2)

На основании (1) и (2) можно принять:

(3).

Материальный баланс по всему веществу.

Уравнение динамики:

(4).
Уравнение статики при :

(5).

На основании (4) и (5) можно принять:

(6).

Информационная схема объекта.

Рис.4.1.

. Управляемые переменные - Ссм и hсм .
. Возможные контролируемые возмущения: , причем задано, что .
. Возможные управляющие воздействия:.
. Однако, в данном случае, Gсм 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.

(1)

Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления GA –
Cсм :

; ;

;

Уравнение статики:

(2)

Уравнение динамики в приращениях:
(после подстановки начальных условий в выражение (1), вычитания уравнения статики (2) и приведения подобных членов):
(3).

Уравнение динамики с безразмерными переменными:
(4).

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

(7).

Уравнение динамики по каналу управления во временной области с учетом транспортного запаздывания:

(8).

Передаточная функция объекта по каналу управления :

(10), где:

;

(11), где Vтруб - объем трубопровода от Р.О. до входа в аппарат.

Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по всему веществу.

Уравнение динамики:

(1)
Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления GБ – hсм :

;

Уравнение статики:

(2).

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

(3).

Уравнение динамики с безразмерными переменными:

(4).

Нормализованное уравнение динамики объекта во временной области

(7).

Уравнение динамики по каналу управления во временной области с учетом транспортного запаздывания:

(8).

Передаточная функция объекта по каналу управления :

(10), где:

;

(11), где Vтруб - объем трубопровода от Р.О. до входа в аппарат.

Анализ статической характеристики объекта.

Уравнение статики на основе материального баланса по целевому компоненту:

(1).

Из уравнения (1) выразим в явном виде:

(2).

Анализ выражения (2) показывает, что:

. Статическая характеристика линейна по каналам: ;
. Статическая характеристика нелинейна по каналам .

Линеаризованное представление статической характеристики на основе стабилизации соотношения расходов: (или ):

(3).

Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора:

(4).

Обозначим:

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

(5).

Типовая схема автоматизации процесса перемешивания.

Рис.7.1.

Типовое решение автоматизации.

1. Регулирование.
. Регулирование концентрации Ссм по подаче реагента GА - как показателя эффективности процесса перемешивания с целью получения гомогенизированного раствора.
. Регулирование уровня в аппарате hсм по подаче реагента GБ - для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.

2. Контроль.
. расходы - GА, GБ, Gсм ;
. концентрация - Ссм ;
. уровень - hсм.

3. Сигнализация.
. существенные отклонения Ссм и hсм от задания;
. резкое падение расходов исходных реагентов GА( или GБ(, при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.
По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи исходных реагентов GА , GБ и отбора смеси Gсм.

Материалы к лекции №3

Типовая схема процесса перемещения. Трубопровод как объект управления

Типовая схема процесса перемещения жидкости.

1.Объект управления - схема, приведенная на рис.1.

Рис.1.

Из емкости 1 насосом 2 по трубопроводу 3 жидкость перекачивается в емкость 4.

2. Показатель эффективности процесса - расход Q.

3. Цель управления процессом Q=Qзд.

4. Анализ типовой схемы как объекта управления:
Основные элементы, подлежащие анализу - трубопровод 3 и насос 2.

Основные параметры трубопровода как объекта управления.

. внутренний диаметр d:

, где Q –расход, м^3/с, v - скорость потока, м/с.

. Скорость потока v = 0.5 – 2.5м/с.

. Гидравлическое сопротивление трубопровода:

(pгс = (pск + (pтр + (pмс

o потери давления на сообщение потоку скорости:

o потери давления на преодоление трения потока о стенки трубопровода:

где ( = f(Re,l) - коэффициент трения.

o потери давления на преодоление местных сопротивлений:

(pмс = ((мс*(pск,

где (мс - коэффициент местного сопротивления.

. Сопротивление, затрачиваемое на подъем жидкости на высоту h:

(pпод = (*g*h

. Дополнительное сопротивление:

(pдоп = p2 – p1

. Полное сопротивление:

. Мощность ,которую необходимо затратить на перекачивание:

N = (pобщ*Q/(10^3*(),

(= (н*(п*(д,: где (- полный к.п.д., насоса; (н - к.п.д. насоса; (п - к.п.д. передачи;

(д - к.п.д. двигателя.

Схема трубопровода как объекта управления для типовой схемы процесса перемещения жидкости.

Рис.1.

Математическое описание статики объекта.

1. Материальный баланс для трубопровода (рис.1) на основании условия неразрывности струи:

Sa*va = Sb*vb

(1)

Из (1) получим : va = Sb*vb/ Sa

(1б).
Обозначим Sb / Sa = m

(1в).

2. Энергетический баланс - уравнение Бернулли:

(2)
Подставим в (2) выражение для скорости потока в сечении «а» на основании
(1б):

(3)
Подставим в (3) вместо vb его выражение из соотношения для объемного расхода в сечении «b»:

Qb = vb*Sb; откуда vb =Qb / Sb:

(4)
Преобразуем выражение (4) с учетом (1в) к виду:

(5)
Решим выражение (5) относительно Qb:

(6)

Линеаризованные выражения мат. модели статики на основании разложения в ряд Тейлора:

1.Через приращения и частные производные:

2.Через приращения и коэффициенты усиления:

Информационная схема объекта управления.

Рис.2.

. Хро - возможное регулирующее воздействие;

. Рa , ha , Pb , hb - возможные контролируемые возмущающие воздействия;

. Z - возможные неконтролируемые возмущающие воздействия.

Математическое описание динамики объекта.

. Структурная схема объекта.

Рис.3

. Уравнение динамики:

(1).

. Уравнение статики:

(2).

. Уравнение динамики во временной области на основе метода безразмерных переменных:

(3).

. Уравнение динамики с учетом запаздывания:

(5).

. Передаточная функция для выражения (5) будет иметь вид:

(6),

где

Материалы к лекции №4

Автоматизация центробежных насосов

Основные показатели работы насосов

. Производительность, или подача, Q (м3/ceк) - объем жидкости, подаваемой насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени.

. Напор Н (м) - удельная энергия, сообщаемая насосом единице веса перекачиваемой жидкости.

(1)

где чл.1 - высота подъема жидкости в насосе; чл.2 - разность пьезометрических напоров; чл.3 - разность динамических напоров.

. Полезная мощность Nn - это мощность, затрачиваемая насосом на сообщение жидкости энергии:

(2).

. Мощность на валу насоса Ne – это отношение полезной мощности Nn к к.п.д. насоса:

(3).

. Коэффициент полезного действия насоса ?н

(4).

где ?v = Q/QТ - объемный к.п.д.;

- гидравлический к.п.д.

?мех - механический к. п. д.

. Основная цель управления насосами - обеспечить эффективную работу насоса на сеть.

. Насосы как объекты управления классифицируются по принципу действия на:

. центробежные;

. поршневые.

Схема центробежного насоса.

1. - корпус;
2. - рабочее колесо;
3. - привод насоса;
4. - линия всасывания;
5. – патрубок нагнетания.

Рис.1.

. Принцип действия центробежных насосов - основан на создании центробежных полей давления при вращении рабочего колеса в жидкости.

. Работа схемы.

- В корпусе 1 вращается рабочее колесо 2 от привода 3.

- При этом залитая в корпус жидкость также вращается и возникает центробежное поле давлений

- с максимальным давлением на периферии (давление Р5)и минимальным давлением по оси потока (давление Р4) т.е. создается Р4 tпред; давления - P < Pпред; расходы - Q < Qмин (наличие потоков масла и охлаждающей жидкости).

4. Система защиты.
По сигналам «В схему защиты» - отключается действующий насос и включается резервный.

Материалы к лекции №5

Автоматизация поршневых компрессоров

Вид теоретической индикаторной диаграммы поршневого компрессора.

Рис.3.1.

Схема Пз-регулирования подачи поршневого компрессора

Рис.5.1

Схема регулирования подачи поршневого компрессора путем изменения частоты вращения привода компрессора.

ПКУ - поршневая компрессорная установка.

Рис.5.2.

Схема регулирования подачи поршневого компрессора путем дросселирования потока на линии всасывания.

Рис.5.3.

Схема регулирования подачи поршневого компрессора путем отжима клапанов.

Рис.5.4.

Схема регулирования подачи поршневого компрессора

путем перевода компрессора на холостой ход.

Рис.5.5.

Схема регулирования подачи 2х-ступенчатого компрессора с воздействием на ИМ каждой ступени.

Рис.6.1.

Схема регулирования подачи 2х-ступенчатого компрессора с воздействием на ИМ первой ступени.

Рис.6.2.

Схема трехступенчатого компрессора.

Рис.4.1.

Теоретическая индикаторная диаграмма трехступенчатого сжатия.

Рис.4.2.

Схема регулирования подачи 4х-ступенчатого компрессора с включением технологического оборудования после 2-ой и 4-ой ступеней.

I II III IV - ступени компримирования;
V - линия промежуточного отбора среднего давления Р2 в технологическую схему;
VI - линия возврата газа из аппарата высокого давления.

Рис.6.3

Схема регулирования подачи 4х-ступенчатого компрессора с подключением технологического оборудования на входе 1-ой ступени, после 2-ой и 4-ой ступеней.

I II III IV - ступени компримирования;
V - линия промежуточного отбора среднего давления Р2 в технологическую схему;
VI - линия возврата газа из аппарата высокого давления.
VII - линия возврата газа из аппарата среднего давления.

Рис.6.4.

Структурная схема системы регулирования подачи

4-х ступенчатого компрессора для рис.6.3.

Рис. 6.3б

Структурная схема системы регулирования подачи

4-х ступенчатого компрессора для рис.6.4.

Рис.6.4б

Типовая схема автоматизации установки с двухступенчатым поршневым компрессором.

Обозначения на схеме:
1-1, 2-1 - цилиндры ступеней 1и 2; 1-2, 2-2 - масловлагоотделители;
1-3, 2-3 - холодильники.
Р - сигнализируемый и контролируемый параметр;
Р - контролируемый параметр.

Рис.7.1.

Типовое решение автоматизации установки с двухступенчатым поршневым компрессором.

. Показателем эффективности процесса является подача компрессорной установки.
. Регулирование подачи осуществляется по давлению в линии нагнетания.

1. Регулирование.

. В данной схеме используется метод регулирования подачи по давлению Р в линии нагнетания на выходе компрессорной установки путем перевода компрессора на холостой ход в результате открытия запорных клапанов РО1 и

РО2 на линиях байпаса 1 и 2 ступеней компрессора.

2. Контроль.

Контролю в любой компрессорной установке подлежат температура, давление, уровень, потребляемая мощность.
. Контроль температуры:

- ( температура газа в линии нагнетания;

- ( газа на входе и выходе каждой ступени;

- (п смазки в различных точках подшипников;

- ( воды на входе и выходе холодильников;

- (обм обмоток электропривода.
. Контроль давления:

- Р газа на входе и выходе каждой ступени;

- Р воды на входе в холодильники;

- Р масла в магистрали (система смазки на схеме не показана);
. Давление обладает меньшей инерционностью, чем температура при изменении технологических режимов, поэтому его используют для сигнализации, блокировок и защиты.
. Контроль уровня:

- Н конденсата в масловлагоотделителях;

- Н масла в масляных баках (на схеме не показаны);

- Н воды в гидрозатворах и газгольдерах (не показаны).
. Контроль мощности:

- мощность, потребляемая приводом - Nпр ;

- контроль осуществляется измерительным устройством, установленным на валу привода.

- Nпр определяет экономичность установки.

3. Сигнализация.

Сигнализации подлежат:
. существенные отклонения давления газа в линии нагнетания;
. повышение температуры и давления газа на входе и выходе каждой ступени -

( ^, Р ^;
. повышение температуры подшипников - (п ^;
. повышение температуры обмоток - (обм ^;
. понижение уровня Н ( во всех контролируемых точках;
. понижение давления воды на входе холодильников - Р (;
. понижение давления масла - Рм (;
. перегрузка привода Nпр ^ .

4. Система защиты.

. При существенном отклонении сигнализируемых параметров от заданных значений ,
. когда в результате срабатывания блокировок и вмешательства обслуживающего персонала не удается восстановить заданный технологический режим, отключается действующий привод и включается резервный.

Материалы к лекции №6

Общая характеристика тепловых процессов

Фазовое равновесие теплоносителей.

. Правило фаз:

s=k-f+2

(1), где s - число степеней свободы данной системы; f - число фаз системы; k - число компонентов системы.

. для трехфазной однокомпонентной системы: s=1-3+2=0.

. для двухфазной однокомпонентной системы: s=1-2+2=1.

. для однофазной однокомпонентной системы: s=1-1+2=2.

Фазовые переходы в однокомпонентных системах.

. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса

(2), где Р - давление; r - молярная теплота фазового перехода;

Т - температура фазового перехода (испарения, плавления, возгонки);

?V - изменение объема 1 моля вещества при переходе его из одной фазы в другую.

Фазовые переходы в многокомпонентных системах.

. Закон Генри:

(3),

где mi - молекулярная доля газа в растворе;

? - константа Генри; pi - парциальное давление газа над жидкостью.

. Закон Рауля:

(4),

где рА - парциальное давление компонента А в парах;

РА - давление паров чистого компонента А;

- молекулярная доля этого компонента в растворе.

. Закон распределения:

(5), где К - молярный коэффициент распределения; mCA - концентрация вещества С в жидкости А в г-моль/л; mCВ - концентрация вещества С в жидкости B.

Связь основных параметров теплоносителей в газовой фазе.

. Закон Бойля:

P*V=const при T=const

(1).

. Закон Гей-Люссака:

(2а), или на основании (2а) можно получить при Р=const:

(2б),

На основании (1) и (2б) можно также получить:

при Р=const

(3), или при V=const

(4).

На основании (1)и (2) получают также формулу для приведения объема газа к нормальным условиям:

(5),

. Закон Авогадро: в одинаковых объемах газа при одинаковых температуре и давлении содержится одно и то же количество молекул.

. 1г-мол. любого вещества в газообразном состоянии занимает

22,4л.;

. 1кг-мол. > 22,4 м3 и содержит 6,03*1023 молекул.

. Уравнение Менделеева – Клапейрона. для 1 г-моля газа:

P*V=R*T

(6) для n г-молей газа:

P*V = n*R*T

(7)

Если количество газа выражается в граммах:

(8) откуда:

(9) или

(10).

. Закон Дальтона:

(11).

. Следствие из законов Дальтона и Бойля:

(12), где рi - парциальное давление компонента в газовой смеси; vi /Vсм - парциальный объем компонента в единице объема газовой смеси;

Pсм - общее давление смеси.

Физические параметры и скорости движения теплоносителей.

Удельные теплоемкости.

. Размерности удельных теплоемкостей с:

; ;

.
. Зависимости удельных теплоемкостей от температуры: o для заданной температуры Т: c=a1+b1*T+c1*T2

(1), где a1, b1, c1 - коэффициенты для данного вещества. o для заданного диапазона температур:

(2), где Т1 и Т2 - заданный интервал температур.

. Молярная удельная теплоемкость твердого тела:

(3), где n - число атомов в молекуле.

. Теплоемкости газов: o cp - при p = const или cv при V=const. o

(4), где М - масса 1моля газа (кг/моль);

R - универсальная газовая постоянная, R=1,985 ккал/((кг/моль)*град). o Для воздуха : cp=1,4*cv.

Теплота испарения

. Эмпирические формулы для расчета молекулярной теплоты испарения (в ккал/кг или кал/г): rисп= 21*Tкип;

(5а) rисп= Tкип*(9,5*lgTкип-0,007*Ткип);

(5б) rисп= Tкип(8,75+4,571*lgТкип)

(5в).

. Эмпирическая формула для расчета теплоты испарения rисп2 для температуры Т2 ,:

(6), где rисп2 - искомая теплота испарения при температуре Т2; rисп1 - известная теплота испарения при температуре Т1; к - поправочный коэффициент, k=f(T1,T2,Tкрит).

. Определение теплоты испарения по энтропийным диаграммам: rисп=iжидк- iгаз

(7), где iжидк, iгаз - теплосодержание, дж/кг (или ккал/кг).

Плотности для жидких и газовых теплоносителей.

. Эмпирическая формула для определения плотности жидкости ?t при заданной температуре tср:

?t = ?0-?t*(tср-20?С)

(8), где ?0 - плотность жидкости при t0=20?С;

?t - температурная поправка на 1?С

. Для чистых жидкостей ?t можно найти по формуле:

(9), где ( - коэффициент объемного расширения жидкости, град-1;

(t=tср-t0 - разность между температурой среды и t=20(C.

. Плотность газов при 0°С и 760 мм рт ст. на основании закона Авогадро:

(10) или

(11), где М – молекулярный вес газа.

. Плотность смеси (см при заданных температуре и давлении:

(см=b1*(1+ b2*(2+… *(n

(12), где b1… bn - объемные доли компонентов;

(1 (n - плотности компонентов, кг/м3.

Коэффициенты теплопроводности.

. Коэффициент теплопроводности для жидкостей при отсутствии справочных данных:

(13), где

А=3,58*10-8 - для ассоциированных жидкостей;

А=4,22*10-8 - для неассоциированных жидкостей; с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг*град);

. - плотность жидкости, кг/м3;

М - молярная масса, кг/кмоль.

. Коэффициент теплопроводности смеси жидкостей:

(14), где а1…аn - массовые доли компонентов в смеси;

(1…(n - коэффициенты теплопроводности компонентов, вт/(м*град).

Вязкость теплоносителей.

. Зависимость вязкости газов (t от температуры:

(15), где (0 - вязкость при 0С;

Т - температура в К(;

С - константа.

. Вязкость газовых смесей (см:

(16), где Мi - молярные массы компонентов смеси, кг/кмоль;

(i - динамические вязкости компонентов, Па*с;

- объемные доли компонентов в смеси.

. Вязкость смеси неассоциированных жидкостей:

(17), где (i - вязкости компонентов смеси, Па*с; mi - молярные доли компонентов в смеси, кг/кмоль.

. Вязкость разбавленных суспензий:

(18), где (ж - вязкость чистой жидкости, Па*с;

- объемная доля твердой фазы в суспензии.

Скорости теплоносителей.

. Средние скорости движения среды:

(19), где (линср - средняя линейная скорость, м/с;

(мср - средняя массовая скорость, кг/(м2*с);

Q - объемный расход, м3/с;

G - массовый расход, кг/с;

S - площадь сечения потока, м2.

. Зависимость между массовой и линейной скоростью:

(20), где ( - плотность среды.

. Рекомендуемые скорости:

- для жидкостей в трубах диаметром 25-57мм от (1,5-2) м/c до (0,06-0,3) м/с.

- Средняя рекомендуемая скорость для маловязких жидкостей составляет 0,2-

0,3 м/с.

- Для газов при атмосферном давлении допускаются массовые скорости от 15-

20 до 2-2,5 кг/(м2*с), а линейные скорости до 25м/с;

- для насыщенных паров при конденсации рекомендуются до 10 м/с.

Тепловая нагрузка аппарата.

. Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем Q1, затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя Q2 и на потери в окружающую среду

Qпот.:

Q1= Q2+ Qпот.

(1)
. Так как Qпот= 2-3%, то им можно пренебречь и считать:

Q1 = Q2 = Q

(2), где Q – тепловая нагрузка аппарата.
. Уравнение теплового баланса аппарата.

Q = G1*(I1Н-I1К) = G2*(I2К-I2Н)

(3), где G1 и G2 - массовые расходы теплоносителей, кг/с;

I1Н и I2Н - начальные энтальпии теплоносителей, дж/кг;

I1К и I2К и - конечные энтальпии теплоносителей, дж/кг.
. Энтальпии теплоносителей:

Ii=ci*(i

(4).
. Тепловой баланс аппарата при использовании теплоносителей, не изменяющих агрегатного состояния:

Q = G1*с1*((1Н-(1К) = G2*с2*((2К-(2Н)

(6), где с1 и с2 - средние удельные теплоемкости.

Тепловые балансы теплоносителя при изменении его агрегатного состояния.

. Теплоноситель – насыщенный пар, который конденсируется и конденсат не охлаждается: (т = (нп =(кт .

Gт (iт – iкт ) = Gт * срт *(т - Gт * сркт *(кт = Gт *rт.
. Теплоноситель – пересыщенный пар, который конденсируется и конденсат не охлаждается: (т > (нп =(кт

Q=Qт –Qкт =Gт *(iт – iкт )= Gт * срт *((т - (нп)+Gт *rт =

= Gт * срт *(нп - Gт * срт *(нп + Gт * срт *(нп - Gт * сркт*(кт=

= Gт * срт *(т - Gт * сркт*(кт .
. Теплоноситель – пересыщенный пар, который конденсируется и конденсат охлаждается: (т > (нп > (кт :

Q=Qт –Qкт =Gт *(iт – iкт )=

Gт * срт *((т - (нп)+Gт *rт + Gт * сркт *((нп - (кт) =

= Gт * срт *(т - Gт * срт *(нп + Gт * срт *(нп -

- Gт * сркт*(нп + Gт * сркт*(нп - Gт * сркт*(кт=

= Gт * срт *(т - Gт * сркт*(кт .

Основное уравнение теплопередачи.

Q = K*F*(tср*(

(1), где

F - поверхность теплообмена;

(tср - средний температурный напор;

( - время теплообмена;

К - коэффициент теплопередачи:

(2).

Выражения для определения коэффициента К в зависимости от способа передачи тепла.

. При передаче тепла теплопроводностью К - это коэффициент теплопроводности (, определяемый на основе закона Фурье:

(3)

. При конвективном теплообмене К - это коэффициент теплоотдачи (, определяемый на основе закона Ньютона:

(4),

. При передаче тепла путем излучения К - коэффициент взаимного излучения с1-2 излучающих тел:

K=с1-2 = (пр*K0*108 =

(5),

где

К0 - константа лучеиспускания;

(пр = (1 *(2 - приведенная степень черноты;

(1 и (2 - степени черноты излучающих тел.

Движущая сила при прямотоке теплоносителей.

Схема прямоточного движения теплоносителей.

Рис.1.

График изменения температуры среды при прямотоке.

Рис.2
.
(1),

. При (?tмакс/?tмин) < 2:

(2).

. При :

(3).

Движущая сила при противотоке теплоносителей.

Схема противоточного движения теплоносителей.

Рис.3.

График изменения температур при противотоке.

Рис.4.

(1).
Затем используют те же соотношения (2) и (3), что и для прямотока, для определения средней движущей силы процесса.

Материалы к лекции №7

Автоматизация кожухотрубных теплообменников

Схема кожухотрубного теплообменника с неизменяющимся агрегатным состоянием веществ.

Рис.

Вернуться