Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация технических процессов в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

рис. 4.60. Типовая схема автоматизации

процесса дозирования:

I — бункер; 2 — заслонка; 3 — транспортер; 4 — ва-

риатор.

ального оборудования могут осу-

ществляться регулирующие воздей-

ствия.

Возмущения могут поступать в

объект не только с изменением раз-

меров частиц, но и при изменении

насыпной плотности р'. Она опреде-

ляется в основном предшествую-

щим технологическим процессом, но

может меняться также в зависимо-

сти от метеорологических условий и

влажности окружающей среды. Ко-

лебания влажности приводят и к

внутреннего трения

схепу

защиты ш

блокировка

изменению коэффициента;

что является сильным возмущением.

Таким образом, в объект будут поступать возмущения, для

компенсации которых следует оказывать регулирующие воз-

действия изменением степени открытия заслонки или скорости

перемещения материала. Регулируемой величиной будет слу-

жить расход дозируемого материала.

Контролировать следует расход материала и его количество,

а сигнализировать — значительные отклонения расхода от за-

данного значения и состояние привода дозатора («Включен»,

«Выключен»). В случае полного прекращения поступления ма-

териала на ленту транспортера устройства защиты должны ав-

томатически прекратить работу дозатора и других механизмов.

Регулирование дозатора с ленточным питателем регулятора-

ми прямого действия (рис. 4.61). Регуляторы прямого действия

в виде системы рычагов нашли широкое распространение для.

1 Материал

\ ^

(0 А

h ^Z Материал

~7_

5 В

Рис. 4.61. Схема прямого р;егулирования дозатора с ленточным питателем:

/ — бункер; 2 — заслонка; 3 — коромысло; 4 — лента; 5 — подвижный груз (задатчик); 6 —

рычаги; 7 — заслонка ручного управления.

16—581

209"

Рис. 4.62. Схема регулирования

дозатора с разделением потока

дозируемого материала:

/ — бункер; 2 — ручные заслонки; 3 —

ленточный транспортер; 4 — вариатор;

5, 6 — шнековые питатели.

управления ленточными пи-

тателями благодаря просто-

те и надежности конструк-

ции. Рама питателя, слу-

жащая датчиком расхода,

в этих случаях связана че-

рез систему рычагов с за-

слонкой, изменяющей сече-

ние проходного отверстия

при изменении массы материала на ленте. Описанное устройст-

во относится к П-регуляторам.

Регулирование дозаторов с разделением потока дозируемого

материала (рис. 4.62). Поток дозируемого материала делится

на нерегулируемый (80—90% всего материала) и регулируе-

мый. Нерегулируемый поток поступает на транспортер, рама

которого воздействует на преобразователь регулятора и в за-

висимости от массы поступившего материала изменяет расход

регулируемого потока таким образом, чтобы суммарный рас-

ход был равен заданному.

Способы внесения регулирующих воздействий при использо-

вании питателей различных типов. Большое разнообразие дози-

руемых материалов привело к созданию питателей различных

типов (рис. 4.63). Рассмотрим их характеристики с целью вы-

явления возможных регулирующих воздействий.

Вибропитатель применяют для дозирования различных мате-

риалов. Движение материала по наклонному лотку обеспечи-

вается благодаря возвратно-поступательным движениям лотка,

создаваемым электромагнитным виброприводом, Характеристи-

ка вибропитателя имеет следующий вид:

G = KAfb (h — d

3KB

/2,3) р

где К — коэффициент; K=f(а); а — угол наклона лотка; А — амплитуда ко-

лебаний; / — частота колебаний; b — ширина лотка (постоянная величина);

h — высота подъема заслонки.

Из уравнения следует, что регулировать производительность

можно путем изменения амплитуды и частоты колебаний пи-

тателя, угла наклона лотка и степени открытия заслонки. Ши-

рокое распространение получило регулирование путем измене-

ния амплитуды колебаний. Объясняется это простотой способа

изменения амплитуды: она находится в прямой зависимости от

подводимого к обмоткам электромагнитов напряжения, а между

напряжением и расходом материала существует пропорциональ-

Материал

.210

Материал Материал Материал

< )

2 3 S

Рис. 4.63. Типы питателей:

а — вибрационный; б — тарельчатый; в — шнековый; г — секторный; д — гравитационный;

е — аэрационный; 1 — вибропривод; 2 — автоматическая заслонка; 3 — манжета; 4 — нож^

5 — вариатор; б —тарелка; 7 — пористая перегородка; 8 — шланговый клапан.

ная зависимость, что дает возможность устойчивого и плавного

регулирования расхода дозируемого материала в широких пре-

делах. Этот способ отличается еще одним существенным досто-

инством — быстротой протекания переходных процессов: новое

значение амплитуды устанавливается через 0,04—0,05 с после

изменения напряжения.

Воздействовать на скорость прохождения материала можно

также путем изменения угла наклона лотка а, при этом произ-

водительность питателя изменяется в значительных пределах.

Реже используется метод регулирования производительности

путем изменения высоты подъема заслонки 2.

Тарельчатый питатель предназначен для дозирования мелко-

зернистых и мелкокусковых материалов. Он представляет собой

круглую тарелку, устанавливаемую под бункером и вращаемую

приводом. Между бункером и тарелкой помещаются манжета и

нож. Характеристика питателя выражается следующим уравне-

нием:

где D — диаметр манжеты; п — частота вращения (число оборотов) тарелки;

— угол естественного откоса материала на тарелке, h — высота щели.

.211

Анализ уравнения показывает, что регулировать производи-

тельность тарельчатого питателя можно изменением частоты

вращения (числа оборотов) или высоты щели h. Наибольший

интерес представляет второй метод. Высоту щели h изменяют

перемещением манжеты 3. Однако таким образом можно до-

биться только грубого регулирования. Более точное регулиро-

вание достигается изменением положения ножа 4, вследствие

чего меняется толщина срезаемого слоя материала.

Установив регулируемый электропривод или вариатор 5

с реверсивным двигателем, можно регулировать расход G изме-

нением числа оборотов п.

Шчековый питатель применяют для выдачи порошкообраз-

ных и мелкозернистых материалов. Характеристика питателя

имеет вид:

g = (л£

/4) inp'

где D — диаметр желоба питателя; I — расстояние между лопастями; п — ча-

стота вращения вала питателя.

Как видно из уравнения, единственным регулирующим воз-

действием является изменение числа оборотов п. Для этого

устанавливают регулируемые электроприводы или вариаторы с

реверсивным двигателем.

Секторный питатель используют для дозирования порошко-

образных и мелкозернистых материалов. Такой питатель имеет

вращающийся барабан, разделенный радиальными стенками на

несколько отсеков. Его характеристика имеет вид:

G = kVnp'

где k — число секторов; V — емкость одного сектора; п — частота вращения

вала питателя.

Регулирующие воздействия могут вноситься изменением

•числа оборотов вала питателя и емкости сектора. Последний

способ не нашел широкого применения ввиду его сложности.

Регулирование путем изменения скорости вращения тоже име-

ет недостаток — ограничение по предельному верхнему значе-

нию скорости, так как при большой скорости сектора заполня-

ются лишь частично.

Гравитационный питатель. Уравнение зависимости между

расходом дозируемого материала и другими параметрами про-

цесса имеет вид:

g=b(h-d

J2,3)p' /2Jh

где b — ширина отверстия в нижней части бункера; h — длина отверстия;

Н — высота установки питателя.

Из уравнения следует, что регулировать производительность

питателя такого типа можно лишь изменением длины отверстия

с помощью автоматической заслонки.

Аэропитатель нашел применение для дозирования пылевид-

ных материалов. Материал в таких питателях приводится в

псевдоожиженное состояние подачей воздуха через пористую

.212

рцс. 4.64. Типовая схема автома-

тизации процессов измельчения:

< ленточный питатель; 2 — барабан;

£ — амплитуда шума.

перегородку и движется за

чет силы тяжести по трубе

к потребителю. Изменение

расхода дозируемого мате-

риала легко осуществляет-

ся с помощью стандартных

регулирующих органов. Для поддержания нормального режи-

ма псевдоожижения целесообразно регулировать давление воз-

духа.

Автоматизация дозаторов дискретного действия. Такие до-

заторы должны обеспечить подачу равных порций сыпучего

материала. Как правило, они представляют собой саморазгру-

жающийся ковш, который устанавливается под бункером мате-

риала. Бункер заканчивается гравитационным питателем с

быстродействующей автоматической заслонкой.

Системы автоматического управления такими дозаторами

выполняются на электрических или механических элементах.

В последнем случае они представляют собой систему рычагов с

грузом, месторасположение которого соответствует заданной

порции. Они выполняют следующие операции: открытие заслон-

ки; наполнение ковша до заданного значения массы; закрытие

заслонки; опорожнение ковша; возвращение ковша в исходное

положение. Сигнал на опорожнение ковша может подаваться

как по достижении нужной массы, так и по прошествии задан-

ного времени.

При повышенных требованиях к точности работы под ков-

шом устанавливают два гравитационных питателя, причем один

из них работает в режиме грубого дозирования, а другой —

в режиме точного. Система управления осуществляет в этом

случае следующие операции: одновременное открытие двух за-

слонок; наполнение ковша до определенного значения массы

несколько меньшего, чем заданное; закрытие большой заслонки;

досыпку материала через меньший питатель до точного значе-

ния заданной массы; закрытие малой заслонки; опорожнение

ковша, возвращение механизмов в исходное положение.

С помощью автоматических устройств точность взвешивания

дозаторов дискретного действия может быть доведена до

0,5-1%.

Другие цели управления процессом дозирования. Часто до-

зирование из соображений наилучшего хода последующего про-

цесса ведется с целью не стабилизации расхода, а поддержа-

ния постоянного значения какого-либо параметра этого процес-

са. Например, для поддержания материального баланса много-

численных бункеров корректировку режима работы дозаторов

.213

осуществляют по уровню сыпучего материала в них; для опти-

мального ведения процесса сушки интенсивность подачи мате-

риала в сушилку определяют в зависимости от начальной

влажности материала; для поддержания определенной степе-

ни загрузки шаровых мельниц расход материала, подаваемого

в мельницу, изменяют в зависимости от величины загрузки

материала; дозирование мелкокускового топлива, подаваемого

в топку паровых котлов, должно соответствовать одному из вы-

ходных параметров получаемого в котле пара.

Измельчение твердых материалов

Типовое решение автоматизации (рис. 4.64). В качестве объек-

та управления при автоматизации процесса измельчения при-

мем барабанную мельницу сухого помола. Показателем эф-

фективности при управлении данным процессом является раз-

мер кусков измельченного материала (тонина помола), а целью

управления — поддержание определенного конечного грануло-

метрического состава материала.

Гранулометрический состав определяется, с одной стороны,

свойствами измельчаемого материала (твердостью, влажностью,

насыпной плотностью, размерами) и количеством его в бараба-

не, а с другой, — кинетической энергией, с которой шары воз-

действуют на материал.

На участок дробления, как правило, подается разнородный

материал, поэтому в объект управления будут поступать воз-

мущающие воздействия. Стабилизировать свойства материала,

подаваемого в мельницу, невозможно. Единственной возмож-

ностью уменьшить частоту и силу возмущений является пере-

мешивание различных партий сырья с целью усреднения их

характеристик. Количество материала М в барабане будет оп-

ределяться расходом сырья и конечного продукта. Зависимость

между ними выражается уравнением

М= KG

где К — коэффициент, учитывающий влияние свойств материала, частоты вра-

щения барабана, степени заполнения барабана мелющими телами и других

параметров; G — расход сырья или конечного продукта.

Зависимость коэффициента К от частоты вращения бара-

бана при постоянном расходе сырья показана на рис. 4.65, а.

Остальные параметры, влияющие на объем материала в мель-

нице, либо являются постоянными величинами, либо их невоз-

можно стабилизировать.

Таким образом, количество материала в барабане может

быть стабилизировано путем изменения расхода сырья или ко-

нечного продукта, а также частоты вращения барабана.

Кинетическая энергия, с которой шары воздействуют на ма-

териал, зависит от высоты падения отдельного шара и числа

ударов шаров в единицу времени. Естественно, что с увеличени-

.214

Рис. 4.65. Зависимость коэффициента К (а) и числа падений шара г)

(б) от

частоты вращения барабана п.

ем этих параметров интенсивность измельчения возрастает. Вы-

сота падения шара зависит от частоты вращения барабана

мельницы; с увеличением частоты вращения до определенного

предела она возрастает, при более высокой скорости — начина-

ет уменьшаться.

Число ударов шаров можно определить по формуле

где т]п — число падений шара за один оборот барабана; п — частота враще-

ния барабана; N — число шаров в мельнице (величина постоянная).

Число т]п зависит также от частоты вращения п, что под-

тверждает график, представленный на рис. 4.65, б; с уменьше-

нием п значение т]п возрастает.

Высоту падения и число ударов шаров можно стабилизиро-

вать, поддерживая постоянное число оборотов п\ изменением

этого параметра можно осуществлять регулирующие воздейст-

вия. Практика показала, что для поддержания заданных разме-

ров кусков измельченного материала изменение п не должно

превышать 20—30% от номинального значения.

В связи с наличием неустранимых возмущений по каналу

исходного материала в качестве основной регулируемой вели-

чины следовало бы принять гранулометрический состав конеч-

ного продукта, а регулирующие воздействия осуществлять из-

менением частоты вращения барабана. Расход материала при

этом следует стабилизировать, что обеспечит устранение воз-

мущений по этому каналу и постоянную производительность

дробилки.

В настоящее время в промышленности нет качественных,

непрерывнодействующих датчиков размеров твердых частиц,

поэтому стабилизируют количество материала в барабане. Оно

реагирует практически на все параметры, определяющие раз-

меры частиц. Необходимо учитывать и тот факт, что если мгно-

венное значение количества материала в барабане станет

т = г]

.215

Рис. 4.66. Схема регулирования работы

классификатора:

1 — мельница; 2 — классификатор.

меньше объема пустот между ша-

рами, то большая часть кинетиче-

ской энергии шаров будет расходо-

ваться не на измельчение материа-

ла, а на нагрев и взаимное раска-

лывание шаров и футеровки мель-

ницы. Поэтому объем материала

должен быть всегда больше объема

пустот или равен ему. С экономи-

ческой точки зрения такой режим тоже более выгоден по сле-

дующей причине: центр тяжести внутримельничной загрузки

приближается к вертикальной оси мельницы, в 'результате ста-

тический момент внутримельничной загрузки уменьшается, что

снижает расход мощности на единицу объема материала.

Объем материала М не поддается непосредственному изме-

рению. На практике эта регулируемая величина определяется

косвенными методами: по силе тока электродвигателя мельни-

цы, по вибрации барабана или опоры мельницы, по амплитуде

шума, создаваемого мельницей. Наибольшее распространение

нашел последний метод.

Контролю в данном процессе подлежат расход материала;

амплитуда шума, создаваемого мельницей; количество потреб-

ляемой энергии. Сигнализируется состояние барабана, т. е.

включен он или выключен. Устанавливаются устройства пуска

и остановки двигателей дробилки.

Регулирование барабанных мельниц мокрого помола. Авто-

матизировать эти машины сложнее, чем мельницы сухого по-

мола, вследствие появления дополнительного жидкостного по-

тока. Расход воды, подаваемой в мельницу, следует стабилизи-

ровать или изменять в зависимости от количества материала

в мельнице. В качестве регулируемой величины можно выбрать

и плотность суспензии, которая довольно точно характеризует

тонину помола.

Регулирование объема материала изменением расхода сырья.

Если для следующего за процессом перемещения технологиче-

ского процесса не требуется постоянный расход измельченного

вещества, то регулирующие воздействия при стабилизации ко-

личества материала М можно осуществлять изменением рас-

хода сырья. Режим работы дозирующих устройств при этом

должен соответствовать заданному объему материала в бара-

бане мельницы, а все остальные параметры процесса следует

поддерживать постоянными.

При использовании мельниц мокрого помола можно стаби-

лизировать объем материала М изменением не только расхода

.216

сырья, но и расхода суспензии. Для этого устанавливают ре-

гулятор, закрывающий или открывающий сливное отверстие

мельницы.

Регулирование мельниц, работающих по замкнутому циклу

(рис. 4.66). При работе мельницы в замкнутом цикле измель-

ченный материал или суспензия поступает в спиральный гид-

равлический классификатор, в котором производится сортиров-

ка зерен материала. Для классификации зерен туда подают во-

ду. Мелкие зерна материала удаляют из классификатора в

слив, а крупные (пески) возвращают в мельницу в качестве ре-

цикла.

Для поддержания нормального технологического режима

классификатора необходимо установить регулятор, обеспечива-

ющий возврат крупных зерен материала в мельницу. Косвенное

представление о крупности зерен после классификатора можно

получить по значению плотности суспензии.

Регулирующие воздействия при стабилизации плотности

суспензии можно вносить несколькими способами. Наиболее

простым и распространенным является изменение расхода во-

ды, подаваемой в классификатор. Этот способ требует плавно-

го и медленного, изменения скорости подачи воды, в противном

случае нарушается нормальный технологический режим класси-

фикатора. После резкого изменения расхода воды режим вос-

станавливается не раньше чем через 10 мин.

Можно регулировать плотность суспензии путем изменения

скорости вращения или величины подъема спирали классифика-

тора. Более эффективен последний метод; он позволяет изме-

нять расход рецикла от 0 при полном подъеме спиралей до

100% при нижнем их положении. Этот метод легко осуществить

на классификаторах современных конструкций.

Регулирование щековых дробилок. При измельчении мате-

риала в щековых дробилках следует обеспечить прежде всего

их равномерную загрузку. Это достигается узлом корректиров-

ки работы питателей в зависимости от потребляемой мощности

привода дробилки. Выбор регулируемой величины обусловли-

вается наличием зависимости между производительностью дро-

билки и мощностью (током) ее электропривода.

ГЛАВА 5

АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Производство серной кислоты

Технологическая схема производства. Колчедан в виде мелких гранул из бун-

кера 1 (рис. 5.1) тарельчатым питателем 2 подается в печь с кипящим сло-

ем 3. Для создания кипящего слоя под распределительную решетку печи по-

дается воздух. В кипящем слое происходит горение серного колчедана —

окисление серы кислородом воздуха — с образованием сернистого ангидрида

(12—14%). Реакция окисления протекает с выделением большого количест-

ва тепла, поэтому в зону реакции введены змеевики, по которым перемеща-

ется хладоноситель. Обжиговый газ при температуре 800—900 °С поступает

в котел-утилизатор 4, где за счет испарения воды охлаждается примерно до

450 °С. Затем он подвергается очистке от огарковой пыли в циклоне 5 и

электрофильтре 6 и подается в промывное отделение.

В промывном отделении обжиговый газ подвергается тонкой очистке от

примесей (селена, фтора, мышьяка), являющихся ядами для катализатора,

и от оставшейся в газе огарковой пыли.

Первоначально обжиговый газ промывается и охлаждается (за счет ис-

парения) серной кислотой концентрацией 40—50% в промывной колонне 7

распыливающего типа. Затем промывка осуществляется в насадочной ко-

лонне 9 кислотой меньшей концентрации (5—20%), отбираемой из емко-

сти 10 и охлажденной в холодильнике 11. Обе абсорбционные колонны ра-

ботают в замкнутом цикле по кислоте, поэтому концентрация кислоты по-

степенно повышается за счет испарения части воды и частичного улавлива-

ния сернистого ангидрида. Для поддержания постоянной концентрации кис-

лоты в емкости 8 в нее подается менее концентрированная кислота из емко-

сти 10, а в последнюю поступает вода. Пропорционально вновь вводимой во-

де из системы выводится кислота, которая после доведения ее концентрации

до 93% отправляется потребителям как товарный продукт. Вместе с кисло-

той из промывной системы выводятся уловленные селен, фтор, мышьяк, огар-

ковая пыль.

При охлаждении газа в колоннах 7 и 9 содержащийся в обжиговом га-

зе серный ангидрид, соединения мышьяка и селена частично переходят в ту-

манообразное состояние. Появившийся туман улавливается в мокром электро-

фильтре 12.

Пары воды, содержащиеся в газе, улавливаются в сушильной насадоч-

ной башне 13, орошаемой циркулирующей концентрированной серной кисло-

той (93—95%). Кислота отбирается из емкости 14, охлаждается в холодиль-

нике 15 и распыливается в верхней части колонны. Из куба колонны кис-

лота, разбавленная поглощенными парами воды, возвращается в емкость 14.

Для поддержания постоянства концентрации часть разбавленной кислоты за-

меняется более концентрированной, отбираемой из емкости 25; материаль-

ный баланс при этом поддерживается путем пропорционального отбора кис-

лоты с участка в виде конечного продукта. В верхней части сушильной ко-

лонны устанавливается брызгоуловитель 16 для сепарации капель жидкости,

унесенных газовым потоком.

Из сушильной колонны газ, разбавленный до определенной концентрации

сернистого ангидрида (7,5±0,2%) в отдувочной колонне 17, отбирается га-

зодувкой 18 и подается на участок окисления сернистого ангидрида в сер-

ный. Окисление проводится на пяти слоях катализатора в контактном аппа-

рате 21 при различных температурах слоев (430—440 °С—1-й слой; 460—

480 °С — 2-й слой; 450—460 — 3-й; 430—435 —4-й; 425—430 — 5-й слой).

.218