Учебное пособие Кохтла-Ярве 2007 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г icon

Учебное пособие Кохтла-Ярве 2007 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г


Смотрите также:
Учебное пособие Кохтла-Ярве 20 10 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г...
Краткий конспект лекций Подготовил Сергей Чекрыжов Кохтла-Ярве 2008 Учебное пособие написано по...
Учебное пособие пенза 2007 удк 61: 316. 346. 2(075. 8)...
Учебное пособие Казань кгту 200 7 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60. 55...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Самара 2007 удк 331. 108. 4(075. 8) Ббк 33(07)...
Учебное пособие Самара 2007 удк 331. 108. 4(075. 8) Ббк 33(07)...
Учебное пособие Иваново 2001 удк 658. 01 (075)...
Учебное пособие тверь 2008 удк 519. 876 (075. 8 + 338 (075. 8) Ббк 3817я731-1 + 450. 2я731-1...
Учебное пособие удк 159. 9(075) Печатается ббк 88. 2я73 по решению Ученого Совета...



Загрузка...
страницы: 1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   15
вернуться в начало
скачать
^

Тема 6

Автоматизация перемешивания



Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах


Перемешивание - гидромеханический процесс перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде механическим устройством , струей жидкости или газа .


Цели перемешивания

  • Создание суспензий - обеспечение равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости;

  • Образование эмульсий, аэрация - равномерное распределение и дробление до заданных размеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости;

  • Интенсификация нагревания или охлаждения обрабатываемых масс;

  • Интенсификация массообмена в перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).


Основные схемы перемешивания.



Рис.6.1.

  • 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.


^ Характеристика аппарата


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.6.2

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):

.

  1. 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.6.3.


  • 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.6.4.

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.




  1. Контроль.

  • расходы - GА, GБ, Gсм ;

  • концентрация - Ссм ;

  • уровень - hсм.




  1. Сигнализация.

  • существенные отклонения Ссм и hсм от задания;

  • резкое падение расходов исходных реагентов GА или GБ, при этом формируется сигнал «В схему защиты».




  1. Система защиты.

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

Тема 7

Автоматизация тепловых процессов

7.1 Характеристика теплоносителей


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 движения теплоносителей

Удельные теплоемкости.

  • Размерности удельных теплоемкостей с:

; ;

.

  • Зависимости удельных теплоемкостей от температуры:

  • для заданной температуры Т:

c=a1+b1*T+c1*T2 (1),

где a1, b1, c1 - коэффициенты для данного вещества.

  • 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:

  • cp - при p = const или cv при V=const.

  • (4),

где М - масса 1моля газа (кг/моль);

R - универсальная газовая постоянная, R=1,985 ккал/((кг/моль)*град).

  • 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 ρt при заданной температуре tср:

ρt = ρ0t*(tср-20С) (8),

где ρ0 - плотность жидкости при t0=20С;

βt - температурная поправка на 1С


  • Для чистых жидкостей ρt можно найти по формуле:

(9),

где  - коэффициент объемного расширения жидкости, град-1;

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


  • 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;

1n - 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;

I и I - начальные энтальпии теплоносителей, дж/кг;

I и I и - конечные энтальпии теплоносителей, дж/кг.

  • Энтальпии теплоносителей:

Ii=ci*i (4).

  • Тепловой баланс аппарата при использовании теплоносителей, не изменяющих агрегатного состояния:

Q = G11*(-) = G22*(-) (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 (iтiкт ) = Gт * срт *т - Gт * сркт *кт = Gт *rт.

  • Теплоноситель – пересыщенный пар, который конденсируется и конденсат не охлаждается:т > нп =кт

Q=QтQкт =Gт *(iтiкт )= 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=QтQкт =Gт *(iтiкт )=

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.7.1.


График изменения температуры среды при прямотоке.



Рис.7.2

  • (26),

  • При (Δtмакс/Δtмин) < 2: (27).

  • При : (28).



Схема противоточного движения теплоносителей.



Рис.7.3.

График изменения температур при противотоке.



Рис.7.4.

  • (29).

Затем используют те же соотношения и , что и для прямотока, для определения средней движущей силы процесса.




Скачать 1,68 Mb.
оставить комментарий
страница9/15
Дата28.09.2011
Размер1,68 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   15
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх