Число степеней свободы для системы

Автоматизация процесса абсорбции

Равновесие в процессе абсорбции.

 

• Число степеней свободы для системы бинарный газ+жидкость:

S = k – f + 2=3-2+2=3.

• Переменные для данной системы: температура q, давление Р; концентрации С.
• Равновесие такой системы при постоянных q и Р описывается законом Генри:

                                                                                                   (1),

где m  -  коэффициент распределения:

                                                                                                          (2),

где Е  -  константа Генри:

                                                                                         (3),



где q  -  дифференциальная теплота растворения; R  -  универсальная газовая постоянная; С  -  константа.

• На основании (2) и (3) коэффициент распределения m зависит от P и q следующим образом:   при Р­, m¯ ;    при q­, Е ­® . m­.
• Следовательно, растворимость газа в жидкости на основании (1), определяемая как:
  
  , увеличивается с увеличением давления Р­ и уменьшением температуры q¯.

 

Влияние Р и q на среднюю движущую силу процесса абсорбции.

(фазовые диаграммы при противотоке распределяющих веществ)



Рис.1.

1.      При Р1 и q1 , ?ср1; 2 - При Р2 > Р1 , ?ср2 ; 3 - При q3 > q1 , ?ср3

Результаты анализа диаграмм:

• ?ср =f (q, Р, сгн , сгк , сан , сак );
• ?ср2 > ?ср1 ; при Р­> ?ср ­;
• ?ср3 < ?ср1 ; при q­> ?ср¯

Влияние направления движения потоков

на средние движущие силы процесса абсорбции.



Рис.2а.

1        -  рабочая линия процесса абсорбции при противотоке распределяющих веществ;

2        - рабочая линия процесса абсорбции при прямотоке распределяющих веществ;

3        - равновесная линия процесса абсорбции.

Движение распределяющих веществ противотоком.



Рис.2б.

• Са изменяется от Саmin до Саmax1 , (
  
  ).
• Движущая сила: 
  
  .

Движение распределяющих веществ прямотоком.

Рис.2в.

• Са изменяется от Саmin до Саmax2 , (
  
  ).
• Движущая сила: 
  
  .
• Выводы по характеристикам схем противотока и прямотока:

1.     -  ;           2.  -  .

Кинетика процесса абсорбции.
 
Уравнения массопередачи в процессе абсорбции:
                                      (4а),
или
                                       (4б),
где
Мга  -  масса распределяемого компонента, переходящая из газа в абсорбент в единицу времени, кг/ч;
F  -  поверхность массопередачи м2;
 и ;
 и ;
Кг , Ка  -  коэффициенты массопередачи, ;
;        ,
где
bг  -  коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз, кг/(м2 *ч);
bа  -  коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку абсорбента, кг/(м2 *ч).
Схема насадочного абсорбера.

Рис.6.

Объект управления
Схема абсорбционной установки.
 
1, 2 – холодильники; 3 – абсорбционная насадочная колонна.

Рис.5.
Работа схемы.
Исходная газовая смесь Gг и абсорбент Gа в холодильниках 1 и 2 охлаждаются до заданных температур qг0 и qа0 и противотоком подаются в колонну 3.
В колонне 3 происходит извлечение целевого (распределяемого) компонента из исходной газовой смеси с помощью жидкого абсорбента.
В результате массообменного процесса между газовой и жидкой фазами получают:

• в низу колонны  -  насыщенный абсорбент Gна с концентрацией целевого (распределяемого) компонента сна;
• в верху колонны  -  обедненную газовую смесь Gог с концентрацией целевого (распределяемого) компонента сог .

Показатель эффективности процесса  -  концентрация распределяемого компонента в обедненной газовой смеси сог.
Цель управления  -  обеспечение сог = согзд на минимально возможном для данной установки значении.

Материальный баланс по целевому компоненту.

• Материальный баланс по целевому компоненту в газовой фазе.

Уравнение динамики:


                                             (1),
где Мгна  -  масса целевого компонента, переходящая из газовой фазы в жидкую в единицу времени, кг/ч.
Уравнение статики :
                                                                                    (2).
Из выражений (1) и (2) следует, что:                           (3),
где Мгна  -  определяется уравнением массопередачи.

• Материальный баланс по целевому компоненту в насыщенном абсорбенте.

Уравнение динамики:
                                                 (4).
Уравнение статики :
                                                                                  (5).
Из выражений (4) и (5) следует, что:                                (6),
где Mгна  -  определяется уравнением массопередачи.

• Материальный баланс по общему количеству целевого компонента в процессе абсорбции.

Уравнение динамики:
                                             (7),
Уравнение статики :
                                                                (8).
На основании (7) и (8):                                           (9).
Аналогично, можно получить:                              (10).
Материальный баланс по жидкой фазе.
Уравнение динамики:
,                                                                  (11),
Уравнение статики:
                                                                                             (12)
На основании (11) и (12):   .                                                  (13).

Материальный баланс по газовой фазе.

• Уравнение динамики:

                                                                   (14),
где Мог  -  мольная масса обедненной газовой смеси,
      кг/моль;
      Рог  -  давление в колонне, Па;
      qог  -  температура в колонне (по газовой фазе), К,
     Vог  -  объем газовой фазы в колонне, м3 .

• Уравнение статики:

                                                                                             (15).

• На основании (14) и (15) можно считать:

                                                                                 (16),

• Предпочтительное управляющее воздействие Gог.

Тепловой баланс в абсорбере.
 

• Уравнение динамики для холодильника1:

                                         (17).

• Уравнение статики при
  
  :

                                                                  (18).

• На основании (17) и (18) можно считать:

                                                                                    (19).

• Предпочтительное управляющее воздействие Gхл1.
• Уравнение динамики для холодильника 2.

                                                (20).

• На основании (20) можно считать:

                                                                                (21).

• Предпочтительное управляющее воздействие Gхл2.

Информационная схема для установки с показателем эффективности сог .

Рис.7

• Возможные управляющие воздействия:
  
  .
• Возможные контролируемые возмущения:  
  
  .
• Возможные неконтролируемые возмущения:
  
  .
• Возможные управляемые переменные: 
  
  .

Схема абсорбционной колонны как многосвязного
объекта при показателе эффективности сог.

Рис.8
Информационная схема для установки с показателем эффективности сна .

Рис.9

• Возможные управляющие воздействия, контролируемые и неконтролируемые возмущения те же, что и в системе с показателем эффективности сог.
• Возможные управляемые переменные: 
  
  .

 
Схема абсорбционной колонны как многосвязного
объекта при показателе эффективности сна.

Рис.10.

Типовая схема автоматизации процесса абсорбции.

Рис. 11.
1.      Регулирование.

• Регулирование сог по подаче абсорбента Gа  -  как показателя эффективности процесса абсорбции.
• Регулирование давления верха колонны Рв = Рог по отбору обедненной газовой смеси Gог  -  для обеспечения материального баланса по газовой фазе.
• Регулирование уровня hна по отбору насыщенного абсорбента Gна  -  для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.
• Регулирование температуры исходных материальных потоков газа qг0 и абсорбента qа0 по подаче хладоагентов Gхл1 и Gхл2 соответственно  -  для обеспечения теплового баланса установки.
• Стабилизация расхода исходной газовой смеси Gг -  для обеспечения заданной производительности установки.

2.      Контроль.

• расходы  -  Gг, Gа, Gог, Gна, Gхл1, Gхл2;
• температуры  - 
  
  ;
• давление  -  Рв, Рн, DР;
• уровень насыщенного абсорбента  -  hна;
• концентрация  -  сог .

3.      Сигнализация.

• существенные отклонения сог от согзд ;
• значительное повышение Рв­ > Рпред , при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4.      Система защиты.
По сигналу «В схему защиты»  -  открывается магистраль Gог, закрываются все остальные магистрали.

Содержание раздела

---

---