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
Сушилка статического кипящего (псевдоожиженного) слоя модели СКС–Б, предназначена для сушки концентрата спиртовой зерновой барды, прошедшего предварительную сепарацию и обезвоживание.
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. При этом веществе происходит перенос тепла и диффузионное перемещение влаги. Производительность процесса сушки определяется интервалом времени, необходимым для понижения влагосодержания материала от начального до конечного значения. Процесс сушки характеризуется рядом параметров: качеством и количеством сырья и готового продукта, температурой и относительной влажностью среды, временем пребывания продукта в сушилке и др.
Основным параметром, определяющим процесс сушки, является конечная влажность продукта [1,2]. Однако в настоящее время промышленных влагомеров, работающих в потоке, мало, поэтому для правильного ведения процесса сушки в качестве регулируемых используются косвенные параметры: температура сушильного агента, выходящего из сушилки, температура высушенного продукта; регулирующим воздействием является количество подводимого тепла. По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду.
В сушилках с кипящим слоем (рис.1) влажный материал подается из бункера (1) питателем (2) в сушилку (4), где он обезвоживается воздухом, нагреваемым в топке за счет сжигаемого топливного газа. Воздух отсасывается через циклон воздуходувкой, а высушенный материал выводится из сушилки
Современное развитие техники сушки материалов в значительной степени связанно с применением высоких температур, а в ряде случаев и влажностей сушильного агента или мощных лучистых потоков при радиационной сушке, так как это дает возможность интенсифицировать процесс сушки материалов. Однако эффективное управление быстропротекающими процессами сушки невозможно без применения автоматического регулирования и управления. При ручном регулировании в этих случаях невозможно осуществить точное поддержание высоких температур сушильного агента или излучающей поверхности в заданных пределах, поэтому неизбежны хотя бы кратковременные превышения заданной температуры, а это часто приводит к порче сушимого материала и сводит на нет все преимущества сушки или применения высоких параметров сушильного агента. Применение автоматизации и автоблокировки в сушильных установках необходимо и по требованиям техники безопасности, например, при сушке токами высокой частоты, при сушке взрывоопасных и ядовитых веществ и т.п.
Рисунок 1 – Одномерная сушилка с кипящем слоем
1–бункер влажного материала; 2–питатель; 3–газораспределительная решетка; 4–камера сушили; 5–смесительная камера; 6–вентилятор; 7–штуцер для разгрузки высушенного материала; 8–транспортер; 9–циклон; 10–пылеуловитель.
Автоматизация управления повышает к.п.д. сушильной установки, увеличивает ее производительность, улучшает качество сушки, повышает надежность работы, облегчает условия труда и позволяет уменьшить количество обслуживающего сушилку персонала.
Современная техника и технологии комплексной автоматизации сушильных установок, в том числе и с кипящим слоем достигли значительного совершенства, и в настоящее время применяются :
1. Автоматическое регулирование сушилок непрерывного действия, обеспечивающее постоянство заранее заданных значений одного или нескольких параметров режима сушки, например, температуры и влажности сушильного агента в различных зонах рабочей камеры сушилки.
2. Программное автоматическое регулирование сушилок периодического действия, обеспечивающее (заранее заданное) регулирование параметров режима сушки по мере протекания процесса сушки, т.е. изменение непрерывно или через определенные промежутки времени температуры и влажности сушильного агента в рабочей камере сушилки.
3. Автоматическая защита и сигнализация, предохраняющие сушильный агрегат от аварии. Обычно в таких случаях используют автоматические сигнализаторы, при их установке в нескольких сушилках делают один звуковой сигнал. В схеме предусматривается кнопка для прекращения звукового сигнала и возможности его последующего включения, если в этот же момент, когда еще не ликвидирована авария в первой камере, повысится температура в какой-либо другой камере. При автоматическом регулировании термосигнализацию в ряде случаев не устраивают.
4. Автоматическая блокировка, обеспечивающая включение и выключение группы вспомогательных механизмов и органов управления (задвижек, вентилей, заслонок и т. п.) с определенной последовательностью, требующейся по технологическому процессу. Такой блокировкой являются автоматическое выключение подачи газа к горелкам, переключение газов из топки в дымовую трубу, и остановка конвейера сушимых материалов, если произойдет аварийная остановка дутьевого вентилятора.
При разработке автоматической системы управления процессом сушки в печи кипящего слоя, важнейшим этапом синтеза системы является анализ рассматриваемого процесса, как объекта автоматизации и управления.
На рис.2 представлена схема анализа процесса сушки в печи кипящего слоя как объекта управления – приведены материальные потоки и их информационные переменные для рассматриваемого процесса сушки.
Рисунок 2 – Схема материальных потоков и их информационных переменных сушилки кипящего слоя
Характерной особенностью таких сушилок является малая тепловая инерция и связанные с этим большие скорости изменения параметров, что часто делает невозможным управление процессом вручную [2,3].
В промышленных сушилках кипящего слоя состояние равновесия теплового баланса между высушиваемым материалом и газообразным теплоносителем устанавливается на относительно небольшой высоте от газораспределительной решетки. В результате температура выходящих из кипящего слоя газов и температура высушиваемого материала практически равны между собой независимо от начальной температуры теплоносителя и интенсивности подачи теплоты в слой. Такой подход дает возможность рассматривать регулирование температуры кипящего слоя в рассматриваемых сушилках как постоянное и непрерывное поддержание равновесия между подачей теплоты с теплоносителем и его расходом на нагревание материала и испарение воды при определенных условиях сушки. Нарушение теплового баланса в данном объекте в результате возмущающих воздействий вызывает изменение выходных параметров.
Температура кипящего слоя достаточно точно, косвенно характеризует влажность материала на выходе сушилки, поэтому, регулируя требуемым образом температуру кипящего слоя, можно достичь необходимой эффективности процесса сушки.
На основании выполненного выше анализа особенностей сушилки с кипящем слоем типа СКС–Б как объекта автоматического управления получена структурная схема САУ данной технологической установкой, которая приведена на рис. 3.
Рисунок 3 – Структурная схема САУ сушилкой кипящего слоя
Для повышения качества процесса сушки и экономии энергоносителей САУ сушилкой кипящего слоя СКС–Б реализуется по двухконтурной схеме: внутренний контур регулирования температуры теплоносителя tТН и внешнего контура регулирования температуры кипящего слоя tКС.
Объектом регулирования внутреннего контура выступает топка теплогенератора WТ(p) с регулируемой переменной – температурой теплоносителя tТН. Необходимый закон изменения температуры теплоносителя реализуется регулятором температуры теплоносителя WРТтн(p), который воздействуя на исполнительный механизм WИМ(p) с регулирующим органом WРО(p) (задвижку с электроприводом на трубопроводе подачи природного газа) соответствующим образом изменяет расход природного газа FПГ, подаваемого в топку теплогенератра, что в свою очередь, требуемым образом изменяет температуру теплоносителя tТН на выходе теплогенератора. Текущая информация о значении регулируемой переменной – температуры теплоносителя tТН контролируется при помощи датчика температуры теплоносителя WДТтн(p) (рис.3).
Внешний контур регулирования температуры кипящего слоя tКС в дополнение к элементам рассмотренного внутреннего контура регулирования включает сушилку кипящего слоя WС(p), внешний регулятор температуры кипящего слоя WРТкс(p) и датчик температуры кипящего слоя WДТкс(p) (рис.3).
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Выполненный в данной статье анализ сушильной установки с кипящим слоем как объекта автоматического управления показал сложность и многосвязность происходящих в ней процессов, позволил установить основные технические особенности данной установки, с использованием которых разработана схема материальных потоков и информационных переменных.
2. Показано, что реализация требуемых функций контроля и управления данным объектом, а также достижение необходимых показателей качества возможно лишь при использовании двухконтурной структуры разрабатываемой САУ: с внутренним контуром регулирования температуры теплоносителя и внешним контуром регулирования температуры кипящего слоя.
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.