11.7: Загальні архітектури управління та модель для реакторів

Реактори є центральним фокусом багатьох хімічних заводів. Багато параметрів повинні контролюватися в реакторі для правильної роботи. Температура має велике значення, оскільки впливає на швидкість реакції та співвідношення рівноваги. Основною проблемою для контролю температури є обробка нелінійної природи температури всередині більшості реакторів. Тому важливо розробити ефективну архітектуру управління, щоб забезпечити оптимальну роботу реактора.

У цій статті розглядаються загальні архітектури управління та топології в CSTR. Архітектури управління розроблені на основі того, чи є реактор ендотермічним або екзотермічним. Ті самі поняття, введені у вікі, можуть бути застосовані і до інших реакторів. Однак для простоти будуть обговорюватися тільки CSTR.

Загальні топології

Тут ми представимо кілька найпоширеніших топологій управління, які будуть розглянуті в додатках до ендотермічних та екзотермічних КСТР нижче. Будь ласка, зверніться до конкретних вікі-сторінок для кожного типу для отримання детальної інформації.

Зворотній зв'язок та подача вперед

Зворотній зв'язок і передача вперед відносяться до напрямку, в якому інформація датчика передається клапану приводу. Контроль зворотного зв'язку диктує, що інформація про датчик «подається назад» до попередньої частини процесу. Наприклад, показання з датчика рівня наповнювального бака можна «подавати назад» на клапан, що контролює вхід в бак. Управління подачею вперед означає, що інформація датчика використовується для управління чимось нижче за течією, звідки було взято показання. Наприклад, виміряний витрата води, що йде в випарник, може використовуватися для управління нагрівальним змійовиком всередині випарника. Докладніше про ці дві топології керування див. на відповідних сторінках: Зворотній зв'язок Control Feed-Forward Control.

Контроль коефіцієнта

Ratio Control використовується, коли співвідношення між двома виміряними змінними процесу має оптимальне значення. У контексті двох вхідних потоків з оптимальним співвідношенням потоку, що йдуть в реактор, один потік позначається як контрольний потік, а один потік позначається як дикий потік. Дикий потік коливається, і клапан на контрольному потоці відкривається або закривається для підтримки співвідношення між двома потоками потоку. Докладніше про керування співвідношенням див. у статті Керування співвідношенням.

Каскадний контроль

Каскадне управління просто означає, що замість одного контуру управління, знайденого в простих топологіях управління, де вимірювання датчика безпосередньо керує клапаном приводу, використовуються кілька петель, щоб вимірювання датчиків могли контролювати задані точки для інших контролерів. Наприклад, вимірювання датчика температури технологічної рідини, що виходить з реактора, може бути використано для зміни заданої точки регулятора витрати пари, що подає нагрівальну сорочку, яка потім встановлює паровий клапан. Ця багатоконтурна система усуває деякі проблеми, спричинені подачами змінного тиску, наприклад. Докладніше про керування каскадом див. у розділі Управління каскадом.

Порушення до КСТР

Існує кілька дуже поширених порушень, яким може піддаватися CSTR. Проектуючи архітектуру керування для CSTR, ви повинні інвертувати можливість всіх цих порушень, визначити величину кожного можливого порушення та вирішити, як кожне з них буде оброблятися.

• Зміни у властивостях корму
• швидкість потоку
• склад
• температура
• Зміни ентальпії теплообмінного середовища
• Зміна властивостей теплопередачі (наприклад: обростання)

Порушення для ПФР

Реактори Plug Flow (PFRs) поводяться інакше, ніж CSTR, і матимуть різні властивості, які слід враховувати при розробці архітектури управління для них. Найбільша різниця полягає в тому, що температура, потоки та композиції будуть змінюватися вздовж реактора. Існує небезпека перевищення розрахункового обмеження температури або потоку в певних ділянках ПФР, тому контроль реактора важливий по його довжині. Для проектування архітектури управління PFR необхідно вирішити такі порушення та зміни в системі:

• Контроль температури в декількох місцях вздовж реактора (гарячі точки можуть легко виникати в ПФР)
• Контроль потоку в декількох місцях вздовж реактора
• Тиск на вході/виході
• Порушення властивостей подачі:

• швидкість потоку
• склад
• температура

• Зміни ентальпії теплообмінного середовища
• Зміна властивостей теплопередачі (наприклад: обростання)

Ендотермічні реактори

ВІДМОВА ВІД ВІДПОВІДАЛЬНОСТІ: Всі показані реактори має два контролери. Ми розуміємо, що в реальному світі реактор потребуватиме більше двох регуляторів температури, але ми стурбовані насамперед загальним розміщенням контролерів поза реактором у цій вікі. Дякуємо і продовжуємо читати.

Ендотермічні реактори, як правило, легше контролювати, ніж екзотермічні, оскільки вони набагато менш схильні до втечі. Існує два часто використовувані методи контролю ендотермічного CSTR. Ці два методи диференціюються змінними, якими вони маніпулюють. У першому способі тиск пари в сорочці реактора знаходиться в маніпульованій змінній, тоді як у другому способі витрата пари є маніпульованою змінною. У ендотермічних реакторах, а також екзотермічних, як ми пізніше побачимо, відгуки - найпоширеніший тип використовуваної системи управління. Це робиться для того, щоб зміни базувалися на тому, що насправді відбувається в реакторі, а не на тому, що передбачається. Це важливо в ендотермічному випадку, щоб забезпечити додавання належної кількості тепла в реактор для отримання бажаної конверсії. Зворотній зв'язок є більш корисним для контролю, оскільки кількість необхідного тепла може швидко змінюватися залежно від кількості або концентрації доданих реагентів. Як правило, контроль температури реактора не залежить від подачі реагенту, тому системі потрібен спосіб пристосуватися до змін у подачі реагенту, і це досягається за допомогою контролю зворотного зв'язку в потоках, які контролюють температуру (тобто потік подачі пари).

Контролюється тиском пари

Тепловий обов'язок може бути більш ефективно видалений з використанням тиску пари як маніпульованої змінної, оскільки зміни теплового режиму реактора призведуть до негайної зміни тиску пари. Використовуючи тиск пари, він також лінеаризує систему контролю температури, що не є випадком, коли витрата пари є маніпульованою змінною. Використання тиску пари як маніпульованої змінної не забезпечує прямого вимірювання теплового навантаження, кількості тепла, необхідного реактору. Якщо потрібне пряме вимірювання, можна встановити індикатор витрати пари, який дозволив би здійснювати пряме вимірювання прикладеного теплового навантаження. Додаткова перевага, яку могли помітити ті з вас, хто працював з регулятором температури в ChE 460, полягає в тому, що часто тиск пари, що надається комунальним заводом, є змінним. Використовуючи тиск пари як маніпульовану змінну, система управління автоматично підлаштовується під цей тип порушень від джерела. Якби мала відбутися велика зміна тиску пари, регулятор тиску вимірював би цю зміну, а схема управління буде приймати зміну тиску пари і перевести це на відповідну зміну в налаштуванні клапана.

Малюнок: Зображення Змінено З: Ріггз, Джеймс Б., Карім, Назмул М. Хімічний та біотехнологічний контроль. Третє видання Глава 18. Видавництво Тхора.

Як видно на малюнку вище, коли тиск пари використовується в якості маніпульованої змінної, система управління запускається в режимі зворотного зв'язку. Одна з двох речей може контролювати кількість пара, що подається в сорочку. Перший - це температура продукту, а другий - тиск пари в сорочці. Як згадувалося вище, зміна теплового режиму, необхідного реактору, швидко змінить тиск пари, тому він зазвичай використовується над витратою пари.

Зверніть увагу, що є два регулятора, які відповідають за регулювання парового клапана. Регулятор тиску чутливий до змін теплового режиму, необхідного реактору, і використовується для регулювання пари відповідно до потреб регулятора температури на потоці продукту. Це яскравий приклад каскадного управління. Температура потоку продукту видала б уставку на регулятор тиску для кількості пари, необхідної для досягнення бажаної заданої температури. Потім регулятор тиску повідомить клапану, що потрібно зробити для досягнення цієї заданої температури на основі тиску пари.

Контролюється витратою пари

Другий метод контролю ендотермічного CSTR - маніпулювання швидкістю потоку пари. Використання швидкості потоку як маніпульованої змінної робить систему управління схильною до змін теплового навантаження та змін ентальпії пари, що подається. Ці зміни вимагають безпосередньої дії системи регулювання температури. Однією з переваг використання витрати як маніпульованої змінної є те, що теплове навантаження безпосередньо вимірюється, і, таким чином, перетворення безпосередньо вимірюється.

Як видно на малюнку вище, система працює в режимі зворотного зв'язку, коли витрата пари використовується як маніпульована змінна. Температура потоку продукту є основним фактором регулювання кількості пари, що подається в систему, і тому ця система менш реагує на зміни кількості теплового навантаження, необхідного для процесу.

Відзначимо тут, що знову є два контролера, що використовуються для регулювання парового клапана. Ця настройка аналогічна попередньому випадку, але тепер регулятор потоку є «підчиненим» контролером терморегулятора. Схема управління каскадом знову в роботі!

Екзотермічні реактори

Екзотермічні реактори важче контролювати, оскільки безпека залежить від відведення тепла. Існує дві загальні архітектури управління для екзотермічного CSTR, засновані на температурі теплоносія. Перший спосіб використовує температуру на виході теплоносія в якості маніпульованої змінної, тоді як другий спосіб використовує температуру на вході теплоносія. Так само, як і ендотермічні реактори, управління зворотним зв'язком дуже часто використовується при контролі температури екзотермічних реакторів. Аргументи для контролю зворотного зв'язку в екзотермічному випадку дещо інші, але подібні до ендотермічних реакторів. В ендотермічних реакторах ми хотіли переконатися, що в наш реактор надходить належна кількість тепла, і якщо необхідна кількість змінилася; нам потрібен був спосіб відповідно регулювати нашу температуру. У екзотермічному випадку нам потрібно переконатися, що ми видаляємо належну кількість тепла не тільки для забезпечення оптимальної температури реакції, але і для запобігання реакції втечі. Тому нам потрібно знати, що насправді відбувається всередині реактора, а не прогнозувати можливі зміни температури всередині нього. Також використовується каскадне управління. При цьому температура потоку продукту видає уставку на регулятор температури незалежно від того, чи буде він розташований на виході або вході подачі теплоносія. Потім «ведений» контролер може регулювати положення клапана виходячи з температури води теплоносія.

Контролюється температурою охолоджуючої рідини на виході

На малюнку вище показана архітектура управління температурою реактора CSTR, регульованою температурою теплоносія на виході в механізмі зворотного зв'язку. Існує регулювання температури як на потоці продукту, так і на виході температури теплоносія. Обидва регулятора температури використовуються для управління клапаном на вхідному потоці теплоносія. Перевага цієї установки полягає в тому, що вона швидше реагує на забруднення на поверхнях теплопередачі, ніж установка з регулятором температури на вході. Це пов'язано з тим, що для того, щоб температура на вході регулювалася до забруднення, забруднення спочатку повинно впливати на температуру потоку продукту. Тому обростання має менший прямий вплив на контролер, але в цьому випадку обростання відразу вплине на температуру вихідної охолоджуючої води. Однак така установка має недолік - повільніше реагувати на зміни температури теплоносія на вході.

Як видно на наведеній вище схемі, ви помітите, що знову каскадне управління використовується саме в цій системі. Датчик температури на потоці продукту надає інформацію про те, чи потрібно потік охолоджувати більш-менш, і виводить уставку для регулятора температури на рециркуляційному потоці. Цей контролер може потім враховувати температуру переробленої теплоносія води і зробити регулювання кількості прісної теплоносійної води, яка додається в систему.

Контролюється температурою охолоджуючої рідини на вході

Як видно на малюнку вище, конфігурація управління температурою реактора CSTR регулюється температурою теплоносія на вході в механізм подачі. Існують регулятори температури як на потоці продукту, так і на температурі теплоносія на вході; обидва регулятори використовуються для управління клапаном на вхідному потоці теплоносія. Однією з переваг такої установки є те, що вона швидше реагує на зміни температури теплоносія на вході. Недоліком є те, що він повільніше реагує на забруднення на поверхнях теплообміну.

Детальніше про екзотермічні реактори

Як ви вирішуєте, яку архітектуру управління екзотермічним реактором використовувати? Це залежить від того, чи важливіше більш швидка реакція на забруднення на поверхнях теплообміну або більш швидка реакція на зміну температури теплоносія на вході.

Окрім стабілізації температури в екзотермічному реакторі, часто метою є максимізація швидкості виробництва. Цього можна домогтися, поставивши клапан на подає потік. Коли регулятор температури регулює клапан холодної води, положення клапана холодної води потім повідомляється живильному клапану і регулює його.

Каскадне управління знову використовується. При цьому вторинний або «підчинений» контролер знаходиться в іншому місці, що є єдиною відмінністю між двома сценаріями.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

В рамках програми громадськості, ваша компанія спонсорує будинок з привидами. Будинок з привидами будується на місці в старому, напівзруйнованому складі, розташованому на території заводу. Ви були покладені на відповідальність за проектування сцени, в якій відьма створює заварку відьми. Було запропоновано використовувати реакцію між «Відьмою Brew Deluxe», комерційною сполукою, що використовується в промисловості з привидами, сухим льодом та водою.

Сухий лід + «Відьма Brew Deluxe» + Вода —> Бульбашки + Туман

Виробник «Witch's Brew Deluxe» забезпечує оптимальні умови для імітації казана в реальному житті при температурі води 30ºC. Температури, що перевищують це, призводять до надлишку бульбашок котла та туману, які погіршують візуальний досвід. Температури нижче цього не дозволяють досягти досить великих швидкостей реакції і не виробляють жодної пари або бульбашок.

Реакція є високоендотермічною, тому подача пари була відведена від основної установки для подачі тепла в реактор. Однак через велику відстань цей пар рухається, тиск пари, що подає сильно змінюється. Непокритий CSTR з сорочкою доступний для використання в якості казана. Суміш води і «Witch's Brew Deluxe» постійно подається в реактор, а твердий сухий лід вручну подається оператором.

Яка схема управління найбільш підходить для регулювання температури і чому? Зокрема, що ви повинні використовувати як маніпульовану змінну?

Рішення

Оскільки тиск подачі пари буде сильно відрізнятися, краща архітектура регулювання тиску пари. Спостерігаючи за тиском сорочки, зміни тиску подачі пари будуть відразу спостерігатися і виправлятися.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Ви нещодавно взяли пропозицію про роботу з привидами інженерної фірми, якою керує група відьом, розташована в Салемі, штат Массачусетс. Як новий хлопець на роботі вони хотіли б, щоб ваш вхід на яку змінну вони повинні розглядати як маніпульовану змінну для регулятора температури реактора. Їх реактором є екзотермічний КСТР. Наступна реакція - це те, що відбувається в рамках цього CSTR.

3 жаб'ячі лапки + 2 коров'ячих копит —> 4 родимки чарівного еліксиру

Чарівний еліксир зазвичай використовується як засіб для видалення бородавок, але також показує обіцянку як антацид.

Головна відьма на заводі говорить вам, що значне обростання відбувається на поверхнях теплопередачі, оскільки місто дозволяє їм доступ лише до брудної води з високим вмістом мінеральних речовин, оскільки вони відьми і взагалі вважаються неякісними громадянами. Вона (головна відьма) також вказує на те, що вони недавно розробили заклинання для підтримки температури на вході і тиску їх теплоносія води.

Яка змінна повинна бути маніпульованою і чому? '

Рішення

Правильною маніпульованою змінною для регулятора температури реактора буде температура теплоносія на виході. Це дозволяє швидше реагувати на забруднені поверхні теплообміну. Оскільки головна відьма сказала вам, що температура на вході і тиск постійні, слабкість конфігурації до змін цих двох параметрів можна не помітити.

Вправа\(\PageIndex{2A}\)

Який тип РЕАКЦІЇ, як правило, набагато легше контролювати?

1. Ендотермічний
2. перегонка спирту
3. Холодний синтез
4. Екзотермічний

Відповідь

ендотермічний

Вправа\(\PageIndex{2B}\)

Використовуючи __________ як маніпульовану змінну, він лінеаризує систему регулювання температури, що не є випадком, коли витрата пари є маніпульованою змінною.

1. швидкість подачі
2. тиск пари
3. склад продукту
4. швидкість перемішування

Посилання

• Ріггз, Джеймс Б. і Карім, М.Назмул. Хімічний та біотехнологічний контроль. Глава 18: Контрольні кейси. Третє видання. Видавництво Тхора.
• Сврек, Вільям Ю., Махоні, Дональд П., і Янг, Brent R. Підхід в режимі реального часу до управління процесами. Глава 7: Загальні петлі управління. Друге видання. Джон Вілі і сини, ТОВ