Контроль та керування біотехнологічних процесів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний Авіаційний Університет

Інститут екологічної безпеки

Кафедра біотехнології

Модульна контрольна робота

з дисципліни

"Контроль та керування біотехнологічних процесів"

Київ 2015

План

1. Проаналізувати процес випаровування в однокорпусній випарній установці з метою виробу параметрів управління. Виконати функціональну схему автоматизації на базі мікроконтролера. Вибрати датчик концентрації випарного розчину і внести в специфікацію

2. Скласти функціональну схему автоматизації для процесу подрібнення

1. Проаналізувати процес випаровування в однокорпусній випарній установці з метою виробу параметрів управління. Виконати функціональну схему автоматизації на базі мікроконтролера. Вибрати датчик концентрації випарного розчину і внести в специфікацію

Фізична сутність процесу випарювання є перетворення частини розчинника, або усього розчинника в пару, якщо випарюють однокомпонентну систему. Випарювання відбувається із усієї маси рідини при температурі кипіння і відповідному тиску. Випаровування відбувається з поверхні рідини при будь-якій температурі. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії при випарюванні та випаровуванні має місце видалення частини молекул, які знаходяться в стані теплового руху із простору, що займає рідина. Молекули, які виділяються із рідини, заповнюють паровий простір і утворюють насичену пару. Частина цих молекул знову повертається в рідину, а частина залишається в паровому просторі і таким чином встановлюється динамічна рівновага, в результаті чого кількість молекул над рідиною і тиск насиченої пари досягають визначеної величини при даній температурі. Коли температура кипіння змінюється, рівновага порушується, що призводить до зміни густини і тиску пари. 13 Під час кипіння рідини пара виділяється не тільки з поверхні, а й з парових бульбашок, які утворюються в самій рідині і цей процес стає основним, оскільки утворені бульбашки становляться центрами пароутворення. Бульбашки пари за мірою пароутворення збільшуються в розмірах, їх піднімальна сила збільшується, і переборюючи опір рідини, вони випливають на поверхню рідини і лопаються. Таке переміщення бульбашок із нижніх шарів рідини на поверхню забезпечує безперервне перенесення утвореної всередині рідини пари в паровий простір. Парові бульбашки зароджуються на поверхні теплообміну, їх утворенню сприяють також гази, які знаходяться в рідині. При нагріванні гази починають виділятися з рідини, утворюючи велику кількість бульбашок, в які випаровується рідина. Умовами утворення парових бульбашок є рівність тисків всередині бульбашки та зовнішнього тиску рідини, що її оточує. Щоб здійснити процес випарювання до рідини необхідно передати тепло від теплоносія, що можливо тільки при наявності температурного перепаду між ними. У випарній установці існує так званий загальний і корисний температурний напір, що відрізняються один від одного на величину температурних втрат (депресій), між якими існує наступний зв'язок. Загальний температурний напір (загальна різниця температур) - це різниця між температурою гріючої пари, яка подається в випарний апарат і температурою конденсації вторинної пари в конденсаторі

де--Dtзаг - загальна різниця температур, К;

Тг.п. - температура гріючої пари,0С;

Тк - температура конденсації вторинної пари в конденсаторі,0С.

Корисний температурний напір (корисна різниця температур) в окремому випарному апараті визначається як різниця температури конденсації гріючої пари і киплячого розчину, визначається за формулою.

Загальний корисний температурний напір (корисна різниця температур) в випарній установці в загальному плані - це загальна різниця температур з вирахуванням температурних втрат, визначається за формулою.

де вт -суматемпературних втрат:

Температурна депресія. Як відомо, що при одній і тій же температурі тиск пари над чистим розчинником набуває більшого значення, ніж тиск пари над розчином, і відповідно при одному і тому ж тиску температура кипіння чистого розчинника менша температури кипіння розчину. Різницю між 14 температурами кипіння розчину і чистого розчинника називають температурною, або фізико-хімічною депресією.

Крім фізико-хімічної, або температурної депресії існують ще гідростатична і гідродинамічна депресія. Всі ці депресії знижують корисний температурний напір у випарному апараті. Гідростатична депресія. Температура tкип.- це середня температура кипіння розчину в трубах:

де - гідростатична депресія, або підвищення температури кипіння розчину внаслідок гідростатичного тиску стовпа рідини в апараті (гідростатичний ефект); tкін. температура кипіння розчину в сепараторі, при якій випарений (кінцевий) розчин виводиться з апарата.

На температуру кипіння впливає висота стовпа рідини. Якщо рідина кипить всередині вертикальної кип'ятильної трубки, то температура кипіння в верхній частині трубки буде нижча, ніж внизу, де до зовнішнього тиску додається гідростатичний тиск. Гідростатична депресія - це різниця температури кипіння розчину в нижній частині кип'ятильних трубок, що знаходиться під тиском гідростатичного стовпа рідини Н в апараті, і температури кипіння на поверхні верхньої трубної решітки гріючої камери (tкін. в сепараторі). Наявність цієї депресії пов'язана з тим, що для утворення сферичних парових бульбашок у товщі рідини необхідно забезпечити у середині їх тиск, рівний тискові, утвореному висотою стовпа рідини.

Гідродинамічна депресія виникає внаслідок втрати тиску (і температури) на подолання гідравлічних опорів у трубах - тертя та місцевих опорів в паропроводі при переході вторинної пари із корпусу в корпус установки і сполучних трактах апаратів. Особливо істотна гідродинамічна депресія у випарних апаратах зі спадаючою плівкою рідини, що працюють при невеликих температурних напорах. Величину гідродинамічної депресії приймають за практичними даними в межах 0,5 - 1,50С. Важливим питанням при розрахунку випарних апаратів є визначення температури пари над киплячим розчином. Її можна прийняти рівною температурі насичення при тиску в апараті, або ж рівною температурі рідини, згідно з результатами експериментальних досліджень.

Вибір та обгрунтування схеми установки

Обгрунтування прийнятої до проектування технологічної схеми установки виконується на основі аналізу випарних установок за ознаками кратності використання тепла гріючої пари, тиску вторинної пари в останньому корпусі, їх переваг та недоліків.

В хімічній промисловості використовують наступні основні схеми випарювання:

- просте випарювання - випарювання, яке здійснюють під атмосферним тиском, а іноді і під вакуумом, здійснюють в одиночних випарних апаратах (однокорпусних випарних установках), як безперервним, так і періодичним методом, характеризується великою витратою теплової енергії, і застосовується переважно, коли економія тепла не має великого значення;

- багаторазове випарювання - випарювання, яке здійснюють в багатокорпусній випарній установці; установка складається із послідовно сполучених між собою випарних апаратів безперервної дії, так званих корпусів, що дає можливість багаторазово використовувати тепло первинної пари за рахунок того, що вторинна пара, яка утворюється в попередніх корпусах, використовується в наступних як гріюча, або як екстра-пара;

- випарювання з тепловим насосом - випарювання здійснюється безперервно в однокорпусних випарних установках, в яких вторинна пара на виході з апарата стикується за допомогою теплового насоса до тиску, який відповідає температурі гріючої пари, після чого знову повертається в апарат як гріюча. Випарні установки складаються з основних елементів - випарних апаратів (випарників) і допоміжного устаткування - конденсаторів, теплообмінників, насосів і ін. Згідно завдання продуктивність установки досить висока і складає 5,4 т/годину, або 1,5 кг/с, то доцільно вибрати установку безперервної дії. З урахуванням наведеного вище, для даного процесу вибираємо однокорпусну прямоточну випарну установку безперервної дії, із випарним апаратом з природною циркуляцією, та винесеною гріючою камерою, яка обігрівається водяною насиченою парою. 2.4. Принципова схема однокорпусної випарної установки і опис її роботи Принципова схема однокорпусної випарної установки показана на рис.2.1. Початковий розбавлений розчин із ємності 4 насосом 6 подається в підігрівач 2, в якому підігрівається до температури близької до температури кипіння. Далі підігрітий розчин надходить в випарний апарат 1, де випарюється до кінцевої концентрації. Для підігрівання розчину в підігрівачі 2 використовується тепло вторинної пари, яка утворюється при випарюванні розчину в випарному апараті 1. Випарений концентрований розчин виходить із сепаратора і збирається в ємність випареного розчину 5. В випарному апараті випарювання здійснюється за рахунок тепла первинної гріючої пари, яка подається в нагрівальну камеру випарного апарата. Вторинна пара, що утворилася в випарному апараті, виходить із сепаратора і надходить частково на нагрівання початкового розчину в підігрівач 2 як гріюча, а частково у барометричний конденсатор 3, де конденсується за рахунок охолодження її водою.

Принципова схема однокорпусної випарної установки і опис її роботи

Принципова схема однокорпусної випарної установки показана на рис. 1.1. Початковий розбавлений розчин із ємності 4 насосом 6 подається в підігрівач 2, в якому підігрівається до температури близької до температури кипіння. Далі підігрітий розчин надходить в випарний апарат 1, де випарюється до кінцевої концентрації. Для підігрівання розчину в підігрівачі 2 використовується тепло вторинної пари, яка утворюється при випарюванні розчину в випарному апараті 1. Випарений концентрований розчин виходить із сепаратора і збирається в ємність випареного розчину 5. В випарному апараті випарювання здійснюється за рахунок тепла первинної гріючої пари, яка подається в нагрівальну камеру випарного апарата. Вторинна пара, що утворилася в випарному апараті, виходить із сепаратора і надходить частково на нагрівання початкового розчину в підігрівач 2 як гріюча, а частково у барометричний конденсатор 3, де конденсується за рахунок охолодження її водою.

Принципова схема випарної установки

рис. 1.1.

1 - випарний апарат; 2 - підігрівач розбавленого розчину; 3 - барометричний конденсатор; 4 - ємність розбавленого розчину; 5 - ємність випареного розчину; 6 - насос; 7 - конденсатовідвідник

Автоматизація процесу випарювання

Схема одноконтурного регулювання випарною установкою

Рис 1.2.

Автоматизація процесу випарювання для однокорпусної випарної установки 2 із виносним кип'ятильником 3, підігрівником 1 свіжого розчину та конденсатором 4 (рис.1.2). 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 QH 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. Інтенсивність теплоти, яка надходить у кип'ятильник, визначається параметрами теплоносія: витратою Рт, 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. 1.2 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 Рис.1.2 Схема одноконтурного регулювання випарною установкою 7 забезпечується стабілізацією рівня рідини в кубі шляхом зміни витрати упареного розчину Рк.

2. Скласти функціональну схему автоматизації для процесу подрібнення

Розробка схем автоматизації процесів подрібнення повинна відповідати вимогам технології, які в основному полягають у стабілізації необхідного гранулометричного складу продукту подрібнення і забезпеченні максимальної продуктивності процесу.

У зв'язку з відсутністю надійно діючих автоматичних гранулометрів перша вимога реалізовується непрямо - шляхом стабілізації густини зливу класифікатора або гідроциклона.

Враховуючи, що на діючих фабриках подальше за подрібненням обладнання не особливо пристосоване до змінного навантаження, друга вимога замінюється на стабілізацію потоку готового продукту.

У завдання автоматичного регулювання багатостадіального подрібнення входить також розподіл навантаження між стадіями.

Рис. 2. Схема автоматизації подрібнення одностадійного.

1 - бункер; 2 - конвеєр; 3 - шаровий млин; 4 - спіральний класифікатор.

На рис. 2 показано варіант схеми автоматизації, що відповідає поставленим вимогам. Схема включає: САР завантаження млина (система 2), густину пульпи в млині (система 3) і гранулометричний склад зливу класифікатора (система 4). випаровування подрібнення мікроконтролер

У САР завантаження млина блок (2-4) служить для підсумовування сигналів, пропорційних витраті руди (датчик 2-1) і циркулюючого навантаження (датчик 2-3).

З урахуванням завдання (Н) і підсумовуваного сигналу регулюючий блок (2-4) управляє продуктивністю живильника (2-5), що змінює навантаження на млин.

Регулювання витрати води в млині здійснюється також з урахуванням завантаження млина рудою, пісками і поточною витратою води (блок 3-2).

Регулювання гранулометричного складу зливу класифікатора здійснюється шляхом стабілізації густини зливу. (система 4).

Размещено на Allbest.ru