Аннотация
Коваленко М.В., Федюн Р.В. Объектом рассмотрения является автоматизированный комплекс механического обезвоживания спиртовой зерновой барды и последующей сушки полученного концентрата, выполненный на базе статических аппаратов с кипящим слоем.
Общая постановка проблемы
Сушка является зачастую заключительным этапом производства и характеризуется значительной энергоемкостью. В современных условиях возрастающего потребления энергии, с одной стороны, и дефицита энергетических ресурсов с другой, все более остро ставятся вопросы энергосбережения. Несмотря на сформировавшиеся принципы энергосбережения в технологии, нет однозначного решения их реализации, поэтому проблема экономии энергии является актуальной.
Сушка является зачастую заключительным этапом производства и характеризуется значительной энергоемкостью. В современных условиях возрастающего потребления энергии, с одной стороны, и дефицита энергетических ресурсов с другой, все более остро ставятся вопросы энергосбережения. Несмотря на сформировавшиеся принципы энергосбережения в технологии, нет однозначного решения их реализации, поэтому проблема экономии энергии является актуальной.
Сушка – тепловой процесс обезвоживания твёрдых материалов путем испарения влаги и отвода образовавшихся паров. В промышленности наиболее распространена конвективная сушка, которая производится в барабанных сушильных установках и сушильных установках с кипящим слоем. Сушильные установки со взвешенным (кипящим) слоем являются наиболее прогрессивными среди установок для сушки мелкодисперсных и сыпучих материалов. Процесс во взвешенном слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить продолжительность сушки. Наибольшее распространение получила однокамерная сушильная установка непрерывного действия, технологическая схема которой приведена на рис.1
Рисунок 1 – Одномерная сушилка с кипящем слоем
Высушиваемый материал подается из бункера 5 питателем 6 в слой материала, «кипящего» на газораспределительной решетке в камере сушки 1. Сушильный агент – горячий воздух или топочные газы, разбавленные воздухом, который подается в смесительную камеру 2 вентилятором 3, – проходит с заданной скоростью через отверстия решетки и удаляется через верхний патрубок сушильной камеры. Далее отработанные газы очищаются от унесенной пыли в циклоне 12 и батарейном пылеуловителе 13, после чего выбрасываются в атмосферу
При повышении скорости движения сушильного агента динамическое давление потока газа возрастает, приближаясь по значению к давлению слоя материала. Частицы материала при этом начинают перемещаться в пределах слоя. Объем, занимаемый материалом, увеличивается, а слой становится псевдоожиженным или кипящим. При дальнейшем увеличении скорости сушильного агента сначала отдельные, наиболее легкие, частицы материала начинают взлетать над поверхностью слоя, затем наступает «кипение» всего слоя. Частицы материала практически теряют контакт друг с другом и свободно перемещаются под давлением потока газа в пределах слоя.
Продолжая увеличивать скорость газа, достигают критической скорости (скорости витания), при которой весь материал находится во взвешенном состоянии, удерживаясь в объеме установки силами динамического давления потока газа. При этом частицы материала, потерявшие влагу, становятся легче, захватываются потоком газа и уносятся, причем расстояние транспортирования зависит от размеров частицы.
Сжигая топливо в топке, получают сушильный агент (теплоноситель), подаваемый вентилятором под решетку с материалом. Газы, проходя через решетку и слой материала, захватывают высушенные мелкие фракции и транспортируют их в пылеосадительные камеры и циклоны, в которых фракции, обеспыливаются, а газы охлажденными выбрасываются в атмосферу. Материал из загрузочного бункера подают в сушилку, перемещают по решетке и выгружают на шнековый транспортер. Таким же образом выгружают материал из пылеосадительных камер и циклонов.
Анализ установившегося процесса сушки материала выполнен, когда известны температура процесса и количество теплоносителя, влагосодержание материала и нагрузка по влажному материалу. При изменении хотя бы одного из вышеперечисленных параметров произойдет дисбаланс прихода и расхода тепла и одновременное изменение температуры слоя и уходящих газов. Если увеличить количество загружаемого продукта, либо повысить его влажность (или же изменить оба параметра), то вследствие этого увеличится расходная составляющая баланса при постоянном приходе тепла и понизится температура слоя. И наоборот. При повышении температуры теплоносителя или увеличении его количества при прежней загрузке температура слоя будет повышаться. Получается, что температура слоя является своего рода индикатором изменения переменных и параметров, которые характеризуют процесс сушки.
Известно, что при сушке продукции в кипящем слое ее конечная влажность зависит от температуры слоя. Благодаря этому качество сушки может регулироваться очень простым способом - необходимо постоянно поддерживать температуру слоя на уровне, заданном для конкретного материала. Когда это условие нарушается (температура слоя понижается), то увеличивается конечная влажность продукта, а это иногда может ухудшить условия псевдоожижения и стать причиной аварийного состояния установки. Вместе с уменьшением температуры слоя понижается и температура отходящих газов. Это опасно тем, что в узле пылеулавливания может произойти конденсация паров.
Когда температура слоя увеличивается, то происходит снижение тепловой эффективности установки и производительности хвостового дымососа. Последнее становится причиной уменьшения объема теплоносителя и производительности всей установки.
Из всего вышеизложенного следует, что наилучший способ управления температурой кипящего слоя – это стабилизация ее на заданном уровне. На производстве не удается избежать возмущающих факторов, которые обусловлены колебанием влажности сырого материала, поступающего на сушку, или его количества (расхода). В связи с этим следует, что задача управления температурой кипящего слоя сводится к компенсации возникающих изменений так, чтобы колебания температуры не выходили за определенные рамки.
Кроме стабилизации температуры кипящего слоя, система автоматизации процесса сушки должна также и стабилизировать сопротивление слоя – уровень кипящего слоя. Последнее тоже крайне важно, ведь существенные колебания количества продукта в слое и его сопротивления могут способствовать аварийному состоянию, изменению гранулометрического состава материала и гидродинамического режима процесса. Как правило, постоянство высоты кипящего слоя поддерживается за счет изменения количества выгружаемого сухого материала из сушилки, и таким образом осуществляется поддержание постоянства сопротивления слоя. Это регулирование сопротивления слоя достигается за счет изменения производительности устройства выгрузки, на котором предусматривается регулируемый привод. Выгрузка сухого материала (продукта) осуществляется на уровне решетки установки.
Чтобы через загрузочную течку запыленные газы из установки не могли попасть в помещение, необходимо в верхней части сушильной установки поддерживать разрежение в интервале 5-10 мм. вод. ст.
Таким образом, рассмотренные выше особенности технологии сушки в кипящем слое и анализ ее технической реализации в рассматриваемой сушильной установке с кипящим слоем позволили сформировать схему материальных потоков (рис.2) сушилки с кипящим слоем и их информационных переменных (рис.3).
Рисунок 2 – Схема материальных потоков сушилки с кипящим слоем
Основное назначение любой сушильной установки, в том числе и с кипящим слоем – получение на выходе сухого материала с требуемой влажностью (?СМ) и с необходимой производительностью (FCМ) (рис.2, рис.3). Для осуществления этого сушильная установка с кипящим слоем характеризуется следующими материальными потоками (рис.2): входные материальные потоки – исходный (влажный) материал (FВМ, ?ВМ); топливо – природный газ (FПГ); первичный воздух (FПВ); вторичный воздух (FВВ); выходные материальные потоки – сухой материал (FСМ, ?СМ); отходящие газы (FОГ).
Основными управляемыми переменными, которые оказывают существенное влияние и максимально характеризуют процесс сушки в рассматриваемой сушильной установке с кипящим слоем являются (рис.3): температура кипящего слоя, tКС; уровень кипящего слоя, hКС; разряжение верхней части сушильной установки, РСУ.
Для достижения и поддержания требуемых значений управляемых переменных в разрабатываемой САУ сушильной установкой с кипящим слоем согласно рис.3 используются следующие управляющие воздействия: для управления температурой кипящего слоя tКС – расход природного газа FПГ, расход первичного воздуха FПВ, расход вторичного воздуха FВВ; для управления уровнем кипящего слоя hКС – расход сухого материала на выходе сушилки кипящего слоя FСМ; для управления разряжением в верхней части сушильной установки РСУ – расход отходящих газов FОГ.
Рисунок 3–Информационные переменные сушилки с кипящим слоем
Основными возмущающими воздействиями, которые оказывают влияние на все приведенные выше управляемые переменные являются (рис.3): расход влажного (исходного) материала FВМ, исходная влажность, поступающего на сушку, материала ?ВМ. Изменение расхода влажного (исходного) материала FВМ оказывает влияние на все управляемые переменные – температуру кипящего слоя tКС; уровень кипящего слоя hКС; разряжение верхней части сушильной установки РСУ. Изменение влажности влажного (исходного) материала ?ВМ оказывает заметное влияние на температуру кипящего слоя tКС и уровень кипящего слоя hКС. Кроме того, для уровня кипящего слоя hКС дополнительными возмущениями можно считать управляющие воздействия других контуров – расход вторичного воздуха FВВ и расход отходящих газов FОГ. Для разряжения в верхней части сушильной установки РСУ дополнительным возмущением является расход вторичного воздуха FВВ.
Выполненный выше анализ особенностей процесса сушки в кипящем слое как объекта автоматического управления позволил разработать схему концепции построения САУ сушильной установкой с кипящим слоем.
При реализации САУ сушильной установкой с кипящим слоем (рис.4) используется каскадная структура построения контуров управления по всем управляемым переменным – температуре кипящего слоя tКС, уровню кипящего слоя hКС и разряжению в верхней части сушильной установки РСУ.
Как было указано в предыдущем разделе, основным параметром, определяющим качество процесса сушки и влияющим на все его параметры и характеристики является температура кипящего слоя tКС. Изменять температуру кипящего слоя tКС можно за счет изменения температуры теплоносителя tТН, которая, в свою очередь, определяется и зависит от расхода природного газа FПГ и соответствующего ему расхода первичного воздуха FПВ, подаваемых в топку сушильной установки (рис.4). Таким образом, при управлении температурой кипящего слоя tКС используется каскадная трехконтурная структура САУ, с внутренними контурами управления расходом природного газа FПГ и расходом первичного воздуха FПВ; промежуточным контуром управления температурой теплоносителя tТН и внешним контуром управления температурой кипящего слоя tКС (рис.4). Алгоритм управления в рассматриваемом контуре управления температурой кипящего слоя tКС реализуется внутренними регуляторами расхода природного газа РПГ и расхода первичного воздуха РПВ, промежуточным регулятором температуры теплоносителя РТтн и внешним регулятором температуры кипящего слоя РТкс.
Рисунок 3 – Схема концепции построения САУ сушильной установкой с кипящим слоем
При управлении уровнем кипящего слоя hКС применяется каскадная двухконтурная САУ с внутренним контуром управления расходом сухого материала FСМ и внешним контуром управления уровнем кипящего слоя hКС (рис.4). Алгоритм управления в данном контуре управления уровнем кипящего слоя hКС реализуется внутренним регулятором расхода сухого материала РСМ и внешним регулятором уровня кипящего слоя РУ.
Таким образом, предложена концепции построения САУ сушильной установкой, которая позволяет полностью реализовать сформулированные функции контроля и управления данным объектом, а также осуществить разработку необходимых математических моделей и выполнить теоретический синтез необходимых алгоритмов управления.
Список использованной литературы
1.Рашковская, Н.Б. Сушка в химической промышленности./ Н.Б.Рашковская – М.: Химия, 1977. – 80 с.
2. Лыков, М.В. Сушка в химической промышленности. / М.В.Лыков – М.: Химия, 1970. – 432 с.
3. Федюн, Р.В. Система автоматического управления сушильной установкой с кипящим слоем в условиях ПАО “Концерн Стирол” / Р.В. Федюн, В.С. Мишакина. – Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов ХVI научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 25–26 мая 2016 г. – Донецк, ДонНТУ, 2016. – С. 267–271.