2.1.5 Карбонизационный агрегат фирмы Футаба Кикей Сейсакушо

и Хирано Кинзоку (Япония)

Карбонизационный агрегат изготовляют в различных вариантах с производительностью от 150 до 450 кг/ч.

В состав карбонизационного агрегата входят: автопитатель, две замачивающие ванны с отжимными валами, автопитатель, сушильно-карбонизационная машина, автопитатель, два дробильно-трепальных устройства, четыре барки для нейтрализации шерсти, сушильная машина с автопитателем.

Автопитатель имеет бункер емкостью 100 кг и служит для сбрасывания шерстяных волокон через вспомогательный валик на ленту транспортёра, подающего шерсть в замачивающие барки.

Барки для пропитки кислотой. Пропитка шерстяных волокон осуществляется в двух последовательно расположенных барках боронного типа с отжимными валами (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1

Раствор серной кислоты подготовляется в баках и подается насосами в рабочую часть барок для поддержания концентрации 4,5-5,5%. Продолжительность замачивания шерсти составляет 7-8 мин в каждой барке.

Отжимаемый раствор серной кислоты перекачивается под большим давлением и через перфорированный патрубок подается в переднюю часть барок, способствуя лучшему смачиванию шерсти.

Сушильно-карбонизационная машина (рисунок 2.2) состоит из двух частей: первая часть 1 - для подсушивания волокон шерсти и вторая 2 - для термической обработки.

Рисунок 2.2

Существенной особенностью данной машины является пневматическое разрыхляющее устройство 3, расположенное между подсушивающей и термической частями машины. Электродвигатель 4, расположенный с наружной части машины, вращает по ходу продукта металлический барабан с насаженными на него лопастями из углового железа, расположенный внутри камеры под сетчатым полотном. Второй нижний электродвигатель вращает вентилятор 5, нагнетающий в щелевую трубу горячий воздух, который затем проходит через сетчатое полотно, обтекая шерстяные волокна и приподнимая их, при этом шерстяные волокна подсушиваются во взвешенном состоянии, чем достигается интенсивное и равномерное высушивание.

Шерстяные волокна находятся в сушильно-карбонизационной машине в течение 6-20 мин.

Дробильно-трепальное устройство фирмы Футаба Кикей Сейсакушо. Секция дробильных валов состоит из шести пар горизонтально расположенных рифленых металлических цилиндров диаметром 200 мм.

После дробильных валов шерстяные волокна поступают на трепальную машину, на которой удаляются обуглившиеся растительные примеси и пыль.

Вследствие разности скоростей барабанов шерстяные волокна разрыхляются, и при ударе о колосники колосниковой решетки обугленные растительные примеси выпадают.

После механического отделения пыли и растительных примесей шерстяные волокна по пневмопроводу поступают через конденсор (сетчатый барабан) в автопитатель, сегрегированный с первой баркой для нейтрализации. Дробильно-трепальное устройство фирмы Шарпантье значительно сильнее воздействует на шерсть и больше повреждает ее, чем описанное выше устройство.

Нейтрализация шерстяных волокон после карбонизации. Нейтрализация проводится в четырех барках, конструкция которых аналогична конструкции замачивающих барок (за исключением резервуара для раствора серной кислоты).

Сушильная машина после нейтрализации по своей конструкции не отличается от сушильно-карбонизационной машины. В последней секции сушильной машины установлен аппарат для охлаждения шерсти до 25-32°С, что предохраняет ее от повреждения перед прессованием и хранением.

2.1.6 Карбонизационная установка Шарпантье

На рисунке 2.3 показана подобная карбонизационная установка непрерывного действия завода Шарпантье.

Установка состоит из следующих модулей:

Автопитатель с бункером. Автопитатель обеспечивает непрерывное и равномерное питание карбонизационной установки.

Рисунок 2.3

Барка для пропитки кислотой (две барки емкостью 4,3 м³ каждая). Под каждой баркой имеется бак для слива раствора серной кислоты при отжиге. Раствор из бака насосом слива перекачивается в барку. Шерстяные волокна в барках передвигаются механическими граблями. Рабочая ширина барки 1400 мм.

Раствор в барках меняют 1-2 раза в неделю. Кислоту добавляют в течение каждой смены по мере истощения раствора.

Пройдя пропитку и отжим, шерстяные волокна подвергаются рыхлению.

Машина для разрыхления пропитанного шерстяного волокна. Состоит из питающей решетки, которая подает шерстяные волокна и лоскут через питающие валики к барабану, представляющему собой металлический цилиндр диаметром 750 мм, к поверхности которого прикреплено восемь металлических планок.

Пройдя рыхление, сырье с помощью автопитателя поступает в карбонизационную сушильную машину.

Карбонизационная сушильная машина. Машина состоит из двух обособленных частей. Первая ее часть имеет 10 секций и служит для предварительной сушки шерстяных волокон. Вторая часть секции - карбонизационная - состоит из 4 секций. Всю машину сырье проходит за 45-52 мин.

B зоне термической обработки установлена мощная вентиляция, чтобы удалить пыль и не допустить образования на волокне смолистого осадка.

После карбонизационной сушильной машины шерстяные волокна через загрузочный бункер и автопитатель поступают в дробильную машину.

Дробильно-трепальное устройство. Дробильная машина состоит из трех секций. Каждая секция имеет по четыре пары дробильных валов. Для усиления давления верхнего вала на нижний сверху закреплены цилиндрические пружины, нажим которых на шейки валиков регулируется винтом.

При дроблении клочки волокон растягиваются, так как дробильные валы имеют возрастающую скорость. В каждой паре верхний вал имеет меньшую скорость по сравнению с нижним валом, что создает дополнительное трение при растаскивании волокон и способствует лучшему дроблению растительных примесей.

Трепальная машина. Трепальная машина разрыхляет шерстяные волокна и удаляет из них минеральные и обугленные растительные примеси.

Установка для нейтрализации кислоты. Установка состоит из пяти барок с отжимными валами.

В первой и пятой барках содержится чистая проточная вода, тогда как в остальных трех - 2%-ный раствор соды.

Сушильная машина. Машина служит для сушки шерстяных волокон после нейтрализации. Температура в машине 65-75°С, влажность после сушки 13-15%.

Барка для отбелки шерстяных волокон. Между установкой для нейтрализации кислоты и сушильной машиной в агрегате может быть барка для отбелки или обесцвечивания шерстяных волокон. В ней шерстяные волокна обрабатываются в отбеливающем растворе. Отбеленные шерстяные волокна высушиваются при наиболее низкой температуре.

Потребляемая мощность агрегата 105,2 кВт, общая длина 124,8 м. Производительность агрегата 300-500 кг/ч карбонизированного шерстяного волокна влажностью 13-15%.

Недостатком карбонизационного агрегата Шарпантье является его громоздкость и малая производительность: практически можно получить 250 кг/ч карбонизированных тонких шерстяных волокон.

Более перспективным является карбонизационный агрегат фирмы Футаба Кикей Сейсакушо и Хирано Кинзоку (Япония).

2.1.7 Карбонизационный агрегат ЛК180-Ш

На основе анализа карбонизационных агрегатов существующих конструкций ЦНИИ Шерсти разработали карбонизационный агрегат ЛК180-Ш, в который входят наиболее прогрессивные механизмы карбонизационных агрегатов:

- автопитатель по типу автопитателя агрегата фирмы Футаба Кикей Сейсакушо;

- машина для предварительного пропитывания шерстяных волокон в растворе серной кислоты по типу машины конструкции Улан-удинской фабрики.

- центрифуга непрерывного действия ЦХ-750-Ш;

- сушильно-карбонизационная ленточная машина с автопитателем фирмы Хирано Кинзоку;

- дробильно-трепальное устройство;

- две барки для нейтрализации по типу барок для нейтрализации на машине конструкции Улан-удинской фабрики;

- ленточная сушильная машина фирмы Хирано Кинзоку.

Общая длина такого агрегата 77.46 м, предлагаемый съем продукции с 1 м² площади - 2 кг/ч.

Технологическая схема линии ЛК180-Ш.

Она состоит из заправочного устройства, которое включает в себя: натяжное устройство, расправляющее устройство и тканенаправитель.

Ткань проходит через две промывочных ванны из нержавеющей стали. Между ваннами расположены пара отжимных, чугунных обрезиненных валов для более полного и равномерного пропитывания раствором кислоты. Отжимное устройство на выходе из 2-й ванны служит для удаления из ткани избытка кислоты перед сушкой. Перед сушильно-термической камерой, установлен лотковый компенсатор. Ткань поступает в сушильно-термическую камеру, которая состоит из 6-ти секций, что обеспечивает постепенную высушку ткани в первых 2-х зонах при температуре 60-90?С и выжигание целлюлозных примесей при температуре 60-120?С. При выходе из сушильно-термической камеры, ткань охлаждается на 3-х барабанах и самокладом укладывается в тележку.

Для нормального хода технологического процесса, необходимо снабдить линию автоматическими устройствами для поддержания по секциям концентрации кислоты, указанного давления в отжимных устройствах, температуру в сушильно-термических камерах.

Поэтому в выпускной квалификационной работе была разработана «автоматическая система регулирования концентрации раствора кислоты в процессе карбонизации».

2.2 Обзор и анализ методов и средств измерения концентрации

раствора

В результате анализа наиболее распространёнными и достаточно широко разработанными методами измерения концентрации являются кондуктометрические, основанные на зависимости величины электропроводимости водных растворов электролитов от их концентрации и метод электродных потенциалов.

Кондуктометрический метод основан на зависимости величины электропроводности водных растворов электролитов от их концентрации. Электропроводность растворов определяется с помощью электродной ячейки. Способность вещества проводить электрический ток характеризуется его удельной электрической проводимостью.

Проводимость растворов зависит от температуры. При изменении температуры на 1 ?С электрическая проводимость увеличивается на 2,4% для кислоты.

При построении приборов необходимо предусматривать схемы термокомпенсации или термостатирования раствора. Схемы работают на переменном токе. По методам измерения электропроводности кондуктометрические приборы делятся на два типа:

1) Бесконтактные низкочастотные с измерительной ячейкой в виде жидкостного витка и высокочастотные, с измерительными ячейками ёмкостного или индуктивного типа.

2) Контактные с двух- или четырёх электродными измерительными ячейками.

Контактные кондуктометрические приборы.

Измерительная схема прибора с 2-х электродной измерительной ячейкой представляет собой мост с автоматической балансировкой. Схема прибора представлена на рисунке 2.4.

Электроды электродной ячейки входящих в состав измерительного моста выполняют двоякую роль:

1) Служат для подведения рабочего тока.

2) Служат для отвода падения напряжения, но из-за этого невозможно полностью исключить поляризацию электродов.

На показания может влиять проводимость воды, из-за солей, растворённых в ней.

Рисунок 2.4

Ёмкость конденсатора C3, зависит от ёмкости измерительной ячейки и определяется экспериментально.

Результаты измерений зависят от температуры. Для температурной компенсации используется металлический термометр сопротивления либо емкость с эталонным раствором, имеющим тот же температурный коэффициент проводимости.

Преимущество состоит в высокой точности при больших отклонениях температуры, а недостаток в неудобности данного решения и нестабильности эталона во времени.

Для полного исключения явления поляризации в приборах используют четырёх электродную измерительную ячейку. Схема прибора представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5

Требования к измерительной схеме прибора таковы:

1) Ток протекающий через ячейку должен быть стабильным.

2) Ток не должен вызывать значительного теплового эффекта.

3) Измерительное устройство, подключаемое к электродам не должно потреблять тока.

Бесконтактные низкочастотные концентратомеры.

Для измерения концентрации выше 1% с удельной электропроводностью 1ч100 См/м используются бесконтактные низкочастотные концентратомеры.

Схема индуктивного кондуктометрического датчика с жидкостным витком представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6

В последние годы получают все большее развитие концентратомеры, основанные на бесконтактных методах измерения проводимости, При бесконтактном методе отсутствует контакт чувствительной части датчика с измеряемой средой, что исключает погрешность от загрязнения электродов. Бесконтактный метод обеспечивает возможность измерения концентрации сильно загрязненных агрессивных жидкостей, суспензий и коллоидных растворов.

Бесконтактные кондуктометры в зависимости от метода измерения проводимости подразделяются на низкочастотные индуктивные, высокочастотные индуктивные и высокочастотные емкостные.

В бесконтактных кондуктометрах с жидкостным витком, работающих на промышленной частоте 50 Гц, используются компенсационная схема измерения и температурная компенсация. Значительное число разработанных приборов охватывают диапазон измерения электрических проводимостей от 1*10^-3 до 1,0 1/Ом*см.

Метод электродных потенциалов основан на измерении разности потенциалов электродных систем избирательного действия, ЭДС которых зависит от активности концентрации ионов водорода в растворе.

В практике промышленного измерения значения рН по гальванометрическому методу наибольшее распространение получили электродные системы, состоящие из стеклянного измерительного электрода и хлорсеребряного или каломельного электрода сравнения.

Метод электродных потенциалов измерения рН основан на измерении электродвижущей силы гальванического элемента. Этот метод

измерения получил наибольшее применение в промышленности,

Гальванический элемент представляет собой систему проводников первого рода (электроды) и проводников второго рода (растворы электролитов), находящихся в контакте, В качестве электролита при измерении рН используется анализируемый раствор,

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента складывается из отдельных ЭДС, возникающих в месте контакта проводников первого и второго родов (электрод-раствор, электролита) и проводников второго рода (растворы электролитов), Последняя носит название диффузионного потенциала.

При погружении в анализируемый раствор измерительного электрода на его наружной поверхности появляется потенциал Ex, который является мерой активности ионов водорода.

Измерить значения Ex непосредственно нельзя, так как в этом случае между проводником прибора и раствором возникает ЭДС. Поэтому для снятия потенциала Ex, применяют еще один электрод, так называемый вспомогательный (электрод сравнения).

Схема работы электродной системы показана на рисунке 2.7.

Электродвижущая сила системы

E = Ek + Eвн + Eвсп + Ex

где: Ek - потенциал дополнительного (контактного) электрода в стандартном растворе, находящемся внутри шарика; Eвн - потенциал внутренней поверхности стекла в стандартном растворе; Eвсп - потенциал дополнительного вывода вспомогательного электрода в растворе, находящемся внутри вспомогательного электрода; Ex - потенциал наружной поверхности стеклянного электрода в анализируемом растворе.

Рисунок 2.7

При этом значение диффузионного потенциала между анализируемым раствором и раствором внутри вспомогательного электрода должно быть достаточно малым (допустимым), чтобы не искажать точность электродной системы при измерении рН.

Через пористую перегородку на конце вспомогательного электрода 4 осуществляется электролитический контакт дополнительного вывода вспомогательного электрода с анализируемым раствором. Этот вид контакта часто называют электролитическим ключом.

Электролитический ключ позволяет получить неполяризующийся электрод, хотя на границе раздела двух сред (как указывалось выше) возникает диффузионный потенциал, зависящий от ряда факторов, учесть которые практически очень трудно.

Пористой перегородкой электролитического ключа может служить асбестовое волокно, пористая керамика, шлиф (щель между притертыми стеклянными поверхностями), пористый эбонит и т.п. Все эти материалы создают сравнительно небольшие диффузионные потенциалы.

Кроме того, перегородка должна позволять раствору вспомогательного электрода непрерывно с определенной скоростью вытекать, что обеспечивает постоянство и неизменность физического состояния границы раздела, а следовательно, в какой-то степени определяет постоянство диффузионного потенциала, Обратное направление потока через пористую перегородку недопустимо, так как при этом искажается результат измерения и может произойти «отравление» дополнительного вывода вспомогательного электрода.

Таким образом, считая с достаточной степенью точности значения Еk, Евн и Евсп постоянными, видим прямую связь между E и Ex, т.е. ЭДС электродной системы определяет активность ионов водорода, а значит, и значения рН.

2.3 Анализ существующих методов дозирования

Для качественного ведения процессов карбонизации в текстильной и других отраслях промышленности первостепенное значение имеют вопросы автоматической регламентации расхода жидких, сыпучих и вязких сред.

Создание автоматических систем управления во многих случаях осложнено отсутствием точных и надежных дозирующих устройств, обеспечивающих высокую точность и надежность в течение длительного времени в условиях влажности и запыленности. Особые трудности возникают при необходимости дозирования агрессивных, токсичных, кристаллизующихся, содержащих взвеси и вязких сред.

Рассмотрим типы дозирующих устройств для жидкостей по основным принципам действия:

1. Системы для измерения и дозирования массы. Являются наиболее точными. Однако они сложны, дороги, имеют недостаточное быстродействие и невысокую надежность при использовании их в автоматизированном производстве.

2. Объемные мерные сосуды. Хотя и точны, но требуют большого количества запорной арматуры, которая при работе с агрессивной средой не обладает достаточной надежностью.

3. Ковшовые, черпаковые и шнековые дозирующие устройства. Просты и надежны, но точность их невелика и они неспособны создавать и передавать напор жидкости. Кроме того, в таких устройствах трудно выдерживать требования компактности и герметичности.

4. Достаточно распространенные насосы-дозаторы. Эффективны при дозировании чистых и неагрессивных сред. В реальных условиях производства при работе с содержащими твердые взвеси агрессивными жидкостями во многих случаях точность их быстро падает. Это послужило причиной разработок в последнее время большого числа специальных типов насосов-дозаторов, выполненных из высших сортов нержавеющей стали (например, насосы серии НД ВНИИ гидромаша) или из полимерных материалов.

5. Широко используемые системы автоматического регулирования с помощью регулирующих клапанов. Не всегда оправдывают себя при употреблении для дозированной подачи химических растворов и красителей, применяемых в процессах крашения и беления. Это объясняется тем, что расходы растворов и перепады давления в этих процессах малы, а это значительно снижает рабочие характеристики клапанов.

При замене системы автоматического регулирования расхода системой дозирования общая система автоматизации значительно упрощается и становится более надежной с улучшением качества управления. Системы же регулирования желательно использовать лишь тогда, когда нельзя избежать внешних возмущений.

Все это послужило причиной поисков новых видов дозаторов и, в частности, систем автоматического дозирования с минимумом подвижных механизмов, контактирующих с агрессивной средой: эрлифтов, сифонов, монжусов. Эти давно известные эрлифты, сифоны и монжусы, употреблявшиеся главным образом для перемещения жидкостей, теперь широко используют как принципиально новые технические средства для дозирования и транспортировки доз агрессивных жидкостей.

Применение эрлифтных и сифонных систем дозирования обеспечивает удобство дистанционного управления, учета протекающих объемов сред и создания вспомогательных систем контроля надежности. Кроме того, эрлифтные устройства могут создаваться унифицированными, основанными на базовом принципе. При большой надежности они полностью герметичны без применения сальников, просты в изготовлении и эксплуатации. Точность эрлифтных и сифонных устройств высока и не связана с высоким качеством обработки труб или сложностью изготовления деталей и узлов. Эрлифтный и сифонный принципы дозирования дают также возможность достаточно просто компенсировать в случае необходимости погрешности объемного метода, связанные влиянием каких-либо физических параметров, например изменением плотности раствора или его температуры.

Как указывалось ранее, установка расходует много кислоты и при ручном управлении, это приводит к резким колебаниям в кисловочной ванне, а так же к перерасходу кислоты. В современных автоматических системах регулирования концентрации, в которых используются традиционные регулирующие органы, работают ненадёжно. Поэтому в качестве регулирующих органов, предпочтительно использовать регулирующий орган (дозатор) эрлифтного типа.

2.4 Выбор и расчет новых устройств дозирования

Как уже отмечалось, основными недостатками существующих систем дозирования являются наличие большого количества запорно-регулирующей арматуры и насосов и отсутствие гибкого быстродействующего устройства для задания дозы в широком диапазоне.

Эрлифты и сифоны, применяемые в качестве дозаторов в комплекте с временным устройством, избавлены от этих недостатков и просты по своей конструкции.

Эрлифт представляет собой обыкновенную трубу, в нижнюю часть которой введено сопло для подачи воздуха или газа, а в верхней части установлен сепаратор для разделения жидкой и газообразной фаз (рисунок 2.8, а). Нижняя часть помещается в жидкость. Конструкции эрлифтов могут быть самыми разнообразными (рисунок 2.8), но для дозирования наиболее удобной является конструкция эрлифта с баком, изображенная на рисунке 2.8, в, так как она проста и легко подсоединяется к потребителю.



Рисунок 2.8

Эрлифтные дозаторы могут применяться не только для дозирования чистых растворов, но и для дозирования различных эмульсий, суспензий, взмученных растворов, содержащих твердые микрочастицы.

Принцип работы эрлифта заключается в следующем: по мере подачи в сопло сжатый воздух пробулькивает через жидкость, насыщая ее пузырьками воздуха, газожидкостная смесь (г.ж.с.) в трубе по удельному весу становится меньше, чем основная жидкость. Согласно условию H_эг_см < hг_ж и под воздействием аэрогидродинамических сил смесь из верхней части трубы вытесняется наружу.

В действительности работа эрлифта сопровождается сложными гидродинамическими явлениями, зависящими от физических свойств жидкости рабочего агента, конструкции, режимов работы и др. Все это затрудняет составление уравнений, описывающих работу эрлифта, поэтому обычно используют экспериментальные методы и методы аналогий с хорошо изученными явлениями.

До настоящего времени нет теоретических работ по применению эрлифтов в качестве дозаторов. Но появившиеся в последнее время работы позволяют производить расчеты эрлифтов для подъема жидкостей, что значительно облегчает разработку методики расчета эрлифтов, используемых в качестве дозаторов.

Остановимся подробнее на работе эрлифта (рисунок 2.8, а), приняв следующие обозначения: D - диаметр трубы; L - общая длина трубы; Н - высота подъемной части трубы от сопла до устья излива; h - рабочая высота погружения трубы от сопла; г_см, г_ж - удельный вес газожидкостной смеси, жидкости; б = h/H - коэффициент погружения трубы; P₁ - абсолютное давление на входе эрлифта в зоне сопла; Р₀ - абсолютное давление на выходе из трубы в зоне устья излива, обычно равное атмосферному давлению; h_ф - высота трубы от сопла до входа жидкости, необходимая для избегания прорыва газожидкостной смеси через основную жидкость, помимо трубы эрлифта.

Физический смысл работы эрлифта заключается в расходе энергии рабочего агента - воздуха или газа, затрачиваемой на преодоление всех сопротивлений движению образовавшейся в трубе газожидкостной смеси (г.ж.с.).

Движение г.ж.с. в эрлифте характеризует изображенная на рисунке 2.9, в кривая, на которой имеются пять точек режимов работы: начальная Н (когда расход воздуха соответствует достижению смеси устья эрлифта и характеризуется напором hг_ж), экономичная Э (когда расход воздуха на единицу поднимаемой смеси является наименьшим), максимальная М (когда изливается наибольшее количество г.ж.с. на единицу расхода газа), конечная К (соответствующая подъему г.ж.с. до устья без изливания, когда через устье проходит только газ), вытеснения В (когда труба заполнена только газом). Последняя точка на графике не показана.

Из кривой, показанной на рисунке 2.9, в, и проведенных экспериментов следует, что наиболее работоспособной является зона между точками Н и М, наиболее оптимальной для регулирования - зона в районе точки Э. На производительность эрлифта большое влияние оказывают линейные размеры трубы - Н, h, D и коэффициент погружения б = h/H.

При равенстве линейных параметров экономичного и максимального режимов работы с линейными параметрами начального режима эрлифт работать не будет, при наибольшей разнице между этими параметрами эрлифт будет работать с максимальной производительностью.



Рисунок 2.9

Производительность эрлифта увеличивается с увеличением D (диаметра трубы) при постоянстве отношения h/H (рисунок 2.9, а), с увеличением отношения h/H при постоянном D (рисунок 2.9, б). Расход рабочего агента в первом случае увеличивается, а во втором уменьшается. Наибольшая производительность при экономичном режиме достигается, если h/H = 1/2, а при максимальном - если h/H = 1. В среднем же рекомендуемая величина отношения h/H = 0,5...0,75.

Коэффициент полезного действия з также зависит от h/H и будет наибольшим для обоих режимов, когда коэффициент погружения находится в пределах 0,5-0,75.

Как следует из рисунка 2.9, a h меняется с изменением уровня жидкости, следовательно, меняется отношение h/H, а это значит, что при снижении уровня уменьшается и производительность Q эрлифта. Это обстоятельство очень важно учитывать при использовании эрлифта в качестве дозатора, так как дозирование по времени возможно лишь при постоянной производительности Q.

Таким образом, из сказанного выше можно сделать следующий вывод. Эрлифт в качестве дозатора можно использовать при условии соблюдения постоянных линейных, размеров - H, h, D, соотношения h/H, при неизменном уровне жидкости, постоянном расходе рабочего агента, постоянной разности давлений у сопла и устья P₁ - Р₀ = const, при постоянной температуре жидкости. В этом случае доза будет определяться только временем работы эрлифта, а при регулировании, т.е. при переменном дозировании, только изменением расхода рабочего агента.

В последнем случае эрлифт можно рассматривать как своеобразный исполнительный орган регулятора расхода. Такой гидропневматический исполнительный орган не имеет подвижных трущихся частей, не требует усилий для перемещения регулирующих органов и, в сущности, представляет собой идеальный принципиально новый регулирующий орган.

3. Основной раздел

3.1 Функциональная схема автоматизации

Функциональная схема автоматизации дает подробное описание принципа действия системы. На схеме, представленной на рисунке 3.1, изображается технологическое оборудование, элементы автоматики размещаются вокруг технологического оборудования, датчики и исполнительные устройства вблизи мест их установки.

Рисунок 3.1

Серная кислота (H₂SO₄) из кислотного бака (КБ) подаётся самотёком в эрлифтный сосуд (ЭС), откуда эрлифтом подаётся в смесительный бак (СБ), в который также подаётся вода.

Готовый раствор также эрлифтом подаётся в окислительную ванну (ОВ), через которую в погружённом, петлевом виде, движется ткань. Из смесительной ванны раствор, снизу ванны, т.к. менее концентрированный, самотёком сливается в смесительную ванну.

Система автоматизации обеспечивает автоматический контроль и регулирование: уровня растворов в окислительной ванне (ОВ) и смесительном баке (СБ); концентрации раствора кислоты в смесительном баке (СБ).

Исходя из методов воздействия на процесс карбонизации выделяется основная задача, регулирование концентрации раствора серной кислоты, которая выглядит следующим образом:

Сигнал с датчика концентрации, поступает на аналоговый вход управляющего устройства, которое вырабатывает управляющее воздействие и затем с импульсного выхода подаёт сигнал на исполнительное устройство.

3.2 Вывод математической модели объекта управления

Рассмотрим ванну материальной машины как объект регулирования концентрации раствора кислоты.

Все пропиточные ванны можно разделить на два основных типа:

1) ванны, в которые поступает воздушно-сухая ткань. К ним относятся ванны красильные, предназначенные для пропитки ткани отделочными растворами, и первые материальные ванны отбельных линий;

2) ванны, в которые поступает ткань, пропитанная водой или растворами из ванн, предыдущих по ходу обработки.

Рассмотрим ванну второго типа. В нее поступает ткань с влажностью m₁. В ванне ткань пропитывается рабочим раствором и через выходные валы уходит с влажностью m₂. Рассмотрим случай, когда ванна не переполняется, при этом m₂>m₁.

По-прежнему G и v - масса 1 пог. м ткани (г) и скорость ее движения (м/мин). Так как уходящая ткань забирает вещество, то для стабилизации концентрации рабочего раствора С_р (г/л) в ванну подается подкрепляющий раствор Q_п (л/с) с концентрацией С_п (г/л) и вода Q (л/с) для поддержания баланса жидкости (рисунок 3.2).



Рисунок 3.2

Рассмотрим упрощенную схему объекта без учета температурных режимов, так как нагрев осуществляется глухим паром, не оказывающим влияние на концентрацию и уровень раствора. Изменение же объема раствора в ванне при изменении температуры в рабочих пределах t = 40-60° С составляет 0,9%, что пренебрежимо мало. Пусть в ванне автоматически поддерживается постоянный уровень H₀. Баланс вещества в ванне в установившемся режиме складывается из притока питающего раствора М = Q_пС_п (г/с), уноса вещества пропитываемой тканью в количестве C_pGvm₂/с_p и дополнительного расхода К. Тогда

Q_пС_п = GvС_рm₂/с_п + K

где с_п - плотность рабочего раствора, г/л.

Для кисловочной ванны К = Gvm₁б/с_в расходуется на нейтрализацию щелочи, вносимой входящей тканью (б - количество кислоты (г), расходуемое на нейтрализацию щелочи, содержащейся в 1 л жидкости, вносимой тканью; с_в - плотность воды). В щелочной ванне К = С_рGvS/100С_р.н (S -коэффициент сорбции рабочего вещества тканью, % от массы сухой ткани; С_р.н - концентрация рабочего вещества, при котором определяется сорбция вещества тканью, г/л), в перекисной ванне К = в (в - поправочный коэффициент на разложение перекиси водорода).

Тогда для кисловочной ванны расход кислоты из ванны равен



В установившемся режиме М₀ = N₀. В неустановившемся режиме количество накопленного вещества в ванне за время Дt равно (ДM - ДN)Дt; оно приводит к изменению концентрации рабочего раствора ДС_р. При объеме ванны V можно записать

(ДM - ДN) Дt = V • ДС_р

Разделив уравнение на Дt и перейдя к пределу при Дt > 0, найдем

где М = f₁ (Q_п, С_п); N = f₂ (G, v, m₁, m₂, С_р).

Считая Q_п как регулирующее воздействие, а изменение остальных параметров как возмущение, получим:

Подставим эти выражения в уравнение



и перейдем к относительным единицам:

- относительное изменение концентрации раствора;

- относительное изменение притока подкрепляющего раствора;

f₁, f₂, f₃ и f₄ - те же относительные единицы, как и в случае объекта регулирования уровня;

- относительное изменение концентрации подкрепляющего раствора.

Тогда уравнение объекта регулирования после преобразований примет форму:

Или

Следовательно, ванна материальной машины как объект регулирования концентрации в линейном приближении является апериодическим звеном 1-го порядка c запаздыванием. По отношению к регулирующему воздействию передаточная функция такого объекта

Такую же форму имеет передаточная функция по отношению и к другим возмущениям. Поскольку подкрепляющий раствор подводится в ванну в одном месте, то распространение области повышенной концентрации, определяемое интенсивностью перемешивания жидкости, будет происходить с конечной скоростью. Оно приводит к запаздыванию , которое определяется по кривой разгона объекта, полученной опытным путем.

Далее была снята экспериментальная кривая разгона, которая представлена на рисунке 3.3.

C, г/л	1,3	3,1	5,5	7,8	9,0	9,9	10,5	10,7	11,2	11,4
t, сек	60	100	200	350	400	500	650	700	800	950

Рисунок 3.3

По экспериментальной кривой разгона, была определена постоянная времени объекта T₀=350 с. и время запаздывания = 60 с.

Коэффициент усиления объекта будет определяться как:

где C₀ - величина, равная концентрации, которая установилась при времени T₀, М_ск = 20% - кратковременное, скачкообразное возмущение в системе, приведённое к регулирующему воздействию в %:

3.3 Выбор закона регулирования

Требуемое качество регулирования в процессе эксплуатации системы автоматики с регулятором, кроме безусловного требования устойчивости, определяется следующими критериями:

· минимальное время переходного процесса;

· отсутствие перерегулирования;

· минимальная интегральная квадратичная оценка и т.д.

Выбор того или иного критерия оптимальности определяется технологическими требованиями к системе регулирования и является одной из первых задач по выбору типового регулятора.

В данном случае технологический процесс требует минимального времени регулирования, т.к. используется мембранный исполнительный механизм. Регулируемая величина устанавливается быстрее, что позволит механизму подвергаться меньшему износу, следовательно вид переходного процесса выбирается с минимальным временем регулирования.

Характерными особенностями данного процесса являются:

· минимальное время регулирования (положительно);

· максимальное динамическое отклонение (отрицательно).

Однако система, настроенная по критерию с минимальным временем регулирования, обладает наибольшим запасом по устойчивости.

Далее необходимо выбрать тип регулятора, т.е. определить закон регулирования.

Области применения следующих типов линейного регулятора:

П-регулятор применяют при любой инерционности объекта и с наибольшим запаздыванием /Т₀0.3, при небольших изменениях нагрузки. В нем регулирующее воздействие формируется пропорционально величине и знаку рассогласования.

Главной определяющей особенностью П-регулятора является то, что в равновесном режиме этот регулятор поддерживает регулируемый параметр не точно на заданном значении, а немного меньше заданного значения. Главным положительным свойством П-регулятора является то, что он имеет достаточно хорошие динамические свойства, т.е. обеспечивает быстро затухающий переходной процесс. Это свойство П-регулятор имеет за счет жесткой отрицательной обратной связи.

И-регулятор применяют в объектах как с малой, так и с большой инерционностью объекта в системах с небольшим запаздыванием /Т₀<0,1, при медленных изменениях нагрузки.

В этих регуляторах при возникновении рассогласования регулирующий орган начинает перемещаться со скоростью пропорциональной рассогласованию.

Основным достоинством данного регулятора является следующее: в равновесном режиме работы он поддерживает регулируемый параметр точно на заданном значении, т.к. обладает хорошими статическими свойствами. Но при этом обладает достаточно плохими динамические свойствами, выдавая длительный переходной процесс с большими отклонениями. Из-за плохих динамических свойств, вызванных отсутствием обратной связи, И-регулятор используется достаточно редко.

ПИ-регулятор применяют при любой инерционности объекта, больших, но медленных изменениях нагрузки и значительном запаздывании /Т₀1

Главное свойство ПИ-регулятора это то, что он объединяет положительные свойства П-регулятора, такие как хорошие динамические свойства и при этом хорошие статические свойства И-регулятора. В данных регуляторах присутствует изодромная обратная связь, которая присутствует только во время переходного процесса. Следовательно динамические свойства гораздо ниже, чем у П-регуляторов, но при этом много выше, чем у И-регуляторов. Эти свойства регулятора дают возможность широкого практическое применения.

ПИД-регулятор применяют в объектах с любой инерционностью при больших запаздываниях /Т₀1, а так же больших и резких изменениях нагрузки.

Данный регулятор имеет хорошие динамические и статические характеристики, но сложен в настройках, поэтому область его применения ограничена.

Безразмерные показатели объекта и переходного процесса:

/Т₀ = 60/350 = 0,17

Т_рег = t_{рег.зад}/ = 370/60 = 6,12

K₀ = 0,18

где t_peг.зад - заданное значение времени регулирования - длительность переходного процесса не должна превышать данное значение.

Так как значение показателя объекта /Т₀ = 0,17 > 0,1, то достижение всех качественных показателей возможно в случае применения ПИ- или ПИД-регуляторов.

В данной работе выбран ПИ-регулятор, как наиболее простой для создания имитационной модели.

Автоматическая система регулирования концентрации раствора, выбор элементов, параметры

Выберем необходимое измерительное и исполнительное оборудование, которое понадобится для построение структурной схемы.

Анализатор жидкости кондуктометрический А Ж К - 3102

АЖК-3102 предназначены для измерения и контроля удельной электрической проводимости, а так же могут применяться в системах автоматического контроля и регулирования концентрации растворов.

АЖК-3102 состоит из первичного преобразователя (ПП), измерительного прибора (ИП), микропроцессорного регулятора и ЦАП.

Первичный преобразователь представлен в виде датчика, принцип действия которого основан на измерении электрической проводимости жидкости, которая вызвана переменным электрическим полем, приложенным к электродам датчика.

Устройство первичного преобразователя и его габаритные и установочные размеры приведены на рисунке 3.4.

Корпус ПП неразборный. Электрод корпусной откручивается от корпуса ПП во время проведения работ по техническому обслуживанию. Датчик температуры установлен внутри потенциального электрода. ПП состоит из двух датчиков:

- УЭП анализируемой жидкости;

- температуры анализируемой жидкости.

ПП подключается к ИП посредством трёхпроводного кабеля.

Рисунок 3.4

Корпус ПП неразборный. Электрод корпусной откручивается от корпуса ПП во время проведения работ по техническому обслуживанию. Датчик температуры установлен внутри потенциального электрода. ПП состоит из двух датчиков:

- УЭП анализируемой жидкости;

- температуры анализируемой жидкости.

ПП подключается к ИП посредством трёхпроводного кабеля.

Измерительный преобразователь. ИП конструктивно выполнен в едином разборном корпусе. Элементы электронной схемы расположены на трёх платах: платы коммутационной, платы индикации и платы входов/выходов, соединённых между собой при помощи разъёмных соединителей.

Коммутационная плата с установленными на ней платами индикации и входов устанавливается в корпус со стороны задней панели по направляющим пазам, которые имеются на боковых стенках корпуса, и фиксируется задней панелью. На коммутационной плате расположены силовой трансформатор, элементы источника вторичного питания, преобразователь напряжение-частота, узел гальванической развязки, микропроцессорная система управления. На этой плате также находятся два исполнительных реле и преобразователь напряжение-ток.

Плата индикации содержит элементы индикации, кнопки управления и вспомогательные элементы.

Плата входов содержит элементы преобразования, коммутации и усиления входных сигналов.

На передней панели (рисунок 3.5) расположены следующие элементы:

- цифровой четырёхразрядный индикатор измеряемой величины и установленных параметров;

- светодиодный единичный индикатор срабатывания по установке температуры«t°»;

- светодиодный единичный индикатор срабатывания по установке УЭП (концентрации) «х»;

- светодиодный единичный индикатор режима программирования «ПРОГ.»;

- кнопка ввода параметра - I;

-кнопка уменьшения параметра <1;

-кнопка увеличения параметра \>.

Рисунок 3.5

На задней панели расположены разъёмы для подключения входных и выходных сигналов и напряжения питания, винт для заземления корпуса ИП.

№	Параметры	Значения
1	Верхний предел измерения УЭП анализируемой жидкости мкСм/см (мг/л)	1000(500)
2	Пределы измерения температуры, °С	0;100
3	Пределы допускаемого значения основной приведённой погрешности, %, не более	±4,0
4	Предел допускаемого значения дополнительной приведённой погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха на 10°С	±1,0
5	Пределы допускаемого значения дополнительной приведённой погрешности, вызванной изменением температуры анализируемой жидкости на ±15 °С относительно температуры приведения (при включенном режиме АТК),%, не более	±1,5
6	Диапазон температуры анализируемой жидкости, °С	5...95
7	Давление анализируемой жидкости, МПа, не более	1,6
8	Расход анализируемой жидкости (при установке в тройник), л/ч, не более	100
9	Вязкость анализируемой жидкости, Па с, не более	0,2
10	Время установления показаний анализатора при скачкообразном изменении температуры анализируемой жидкости на ±15 °С, с, не более	100
11	Наработка на отказ, ч, не менее	64000
12	Средний срок службы, лет, не менее	8

Микропроцессорный контроллер выполнен в едином корпусе с измерительным прибором на базе универсального промышленного микропроцессорного контроллера VME9300 производства Tornado Modular System.

Усилитель тиристорный типа У-101

Предназначен для применения в схемах автоматического регулирования в качестве бесконтактного устройства для реверсивного управления исполнительным механизмом, снабженным трехфазным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. Усилитель рассчитан на работу при температуре окружающей среды от 5 до 50°С, влажности воздуха от 30 до 80%, наличии внешнего магнитного поля до 400 А/м. Используется в закрытых взрывобезопасных помещениях при отсутствии агрессивных и электропроводных компонентов в окружающем воздухе.

Технические данные:

- входной дискретный сигнал напряжения постоянного тока при Rвх=500 Ом, 0±24 В;

- выходной сигнал дискретное значение трехфазного напряжения переменного тока 0; 220/380 В;

- габаритные размеры 220х326х220 мм;

- мощность, потребляемая управляемой частью усилителя до 20 В*А;

- масса до 10 кг.

Мембранный исполнительный механизм МЭО 4/25-0,63-68.

Технические данные:

- момент кручения 4 кг*см;

- время импульса 25 с;

- угол импульса 0,63 об;

3.4 Структурная схема АСР концентрации кислоты

Структурная схема АСР концентрации серной кислоты представлена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6

Это схема АСР, в которой регулятор и объект представлены в виде элементов с известными зависимостями выходных величин от входных, с указанием связи между этими элементами и точек приложения воздействий. Такая схема является наиболее удобной формой представления АСР для определения ее статистических и динамических характеристик, а также для исследования ее свойств.

На структурной схеме автоматизации представлена автоматическая система регулирования концентрации кислоты на линии ЛК180-Ш, позволяющей поддерживать концентрацию серной кислоты в рабочем растворе на уровне 12 г/л (Сзад = 12 г/л).

В данной схеме концентратомер автоматический кондуктометрический АЖК-3102, состоящий из первичного преобразователя (чувствительный элемент), электронного блока (ЭБ), микропроцессорного блока управления и ЦАП, измеряет, регистрирует концентрацию раствора кислоты, значение которого обрабатывается и поступает на микропроцессорный регулятор, формирующий закон управления.

Преобразует сигнал усилитель У-101. Сигнал поступает на вход исполнительного механизма МЭО, который изменяет подачу воздуха при помощи вентиля в эрлифтном сосуде и тем самым изменяет подачу кислоты в смесительный бак.

3.5 Алгоритмическая схема АСР концентрации кислоты

На основании структурной схемы и моделей элементов была разработана алгоритмическая схема АСР концентрации раствора кислоты, которая представлена на рисунке 3.7.

Алгоритмическая модель регулирования концентрации серной кислоты в ванне с эрлифтом представляет собой систему с объектом управления, датчиком, ПИ - регулятором, исполнительным механизмом и регулирующим органом.

Передаточная функция объекта управления была получена аналитически и имеет следующий вид:

;

где, ко = 0,18, То = 350 с, ф=60 с

Передаточная функция датчика представляет собой инерционное звено первого порядка:

;

где Кд = 0,14, Тд = 10 с.

Передаточная функция ПИ - регулятора представляет собой:

;

Рисунок 3.7

Передаточные функции исполнительного механизма и регулирующего органа принимают следующий вид:

;

где Ким =1, Тим =25 с, Кро = 0,9.

В нашем случае Тим, Трег, Тд обладают меньшей инерционностью, чем Т0 = 350 с, поэтому ими можно пренебречь.

3.6 Расчет устойчивости АСР концентрации

Рассчитаем устойчивость АСР концентрации раствора.

,

где: - передаточная функция разомкнутой системы

- передаточная функция обратной связи

Для анализа системы необходимо перевести линейные части системы в цифровые и в дальнейшем исследовать систему в целом как цифровую.

Проводим z - преобразования:

X[kTg] =z-1{x (z)}

Запаздывание в непрерывном виде: w(p)=k

Z=eTg p

Ln z=Tg p

P=1/Tg Ln z

Запаздывание в цифровом виде: w(z)=

Но при условии, что Тg= 60 с

запаздывание в цифровом виде будет равно z -1.



Алгоритмическая схема принимает следующий вид:

Рисунок 3.8

Приравниваем знаменатель к нулю:

= 0

Обозначим через К, К = 0,18*0,14*1*0,9 = 0,023

=0

Избавимся от коэффициента при z², для этого поделим обе части уравнения на , в результате получим:

По критерию Джури:

Воспользуемся критерием устойчивости Джури для цифровой системы:

Имеем характеристическое уравнение цифровой системы 2^го порядка:

Z²+Az+B=Q (z)

Переставляем коэффициенты исходного полинома в обратном порядке:

ВZ²+Az+1=Q^`(z)

Делим исходное уравнение на преобразованное:

1/В z²+z=D(z)

|B|< 1

Понижаем порядок уравнения, домножая его на z^-1:

D_o (z) =1/B z²+z

D₀ (z) =1/B z+1

Переставляем коэффициенты:

D`₀(z) =z+1/B

|B|< 1

Необходимым и достаточным условием устойчивости цифровой системы являются неравенства:



kp	tu	kp	tu
0,1	295,4	12,9	2,289922
0,5	59,08	13,3	2,221053
0,9	32,82222	13,7	2,156204
1,3	22,72308	14,1	2,095035
1,7	17,37647	14,5	2,037241
2,1	14,06667	14,9	1,98255
2,5	11,816	15,3	1,930719
2,9	10,18621	15,7	1,881529
3,3	8,951515	16,1	1,834783
3,7	7,983784	16,5	1,790303
4,1	7,204878	16,9	1,747929
4,5	6,564444	17,3	1,707514
4,9	6,028571	17,7	1,668927
5,3	5,573585	18,1	1,632044
5,7	5,182456	18,5	1,596757
6,1	4,842623	18,9	1,562963
6,5	4,544615	19,3	1,53057
6,9	4,281159	19,7	1,499492
7,3	4,046575	20,1	1,469652
7,7	3,836364	20,5	1,440976
8,1	3,646914	20,9	1,413397
8,5	3,475294	21,3	1,386854
8,9	3,319101	21,7	1,36129
9,3	3,176344	22,1	1,336652
9,7	3,045361	22,5	1,312889
10,1	2,924752	22,9	1,289956
10,5	2,813333	23,3	1,267811
10,9	2,710092	23,7	1,246414
11,3	2,614159	24,1	1,225726
11,7	2,524786	24,5	1,205714
12,1	2,441322	24,9	1,186345
12,5	2,3632	25,3	1,167589

По полученным данным построена область устойчивости, представленная на рисунке 3.9

Рисунок 3.9

3.7 Построение переходных процессов

Переходные процессы построены в программе Mat Lab, приложении Simulink.

По заданию:

Объект управления:

Коэффициент усиления к₀=0,18 ;инерционное звено Т₀= 350 с; звено запаздывания =60 с.

Регулятор:

kp =1.000 ki = 0.4750

Рисунок 3.10

По возмущению:

Коэффициент усиления к₀=0,18 ;инерционное звено Т₀= 350 с; звено запаздывания =60 с.

Регулятор:

kp =1.000 ki = 0.4750

Возмущающее воздействие F = 12%.

Рисунок 3.11

3.8 Расчёт эрлифта

Для чистых растворов в качестве дозаторов при условии соблюдения постоянного уровня в расходном баке применяют автоматизированные эрлифты (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12

Производительность эрлифта, м³/с, рассчитывают по формуле

при условии, что конец наружной трубы расположен ниже конца внутренней трубы, тогда доза G = Q_ct, диаметр трубы, мм,

скорость жидкости в трубе эрлифта, м/с,

Рассчитаем эрлифт для химикатов при высоте бака 1100 мм при запасе нижней части эрлифта h_ф = 150 мм, тогда H = 1100 - 150 = 950 мм.

Задаемся h/H = 0,750, тогда h = 0,75•950 = 712,5 мм, т.е. h?•700 мм.

Производительность для экономичного режима, м³/с, равна

Задаемся внутренним диаметром трубы D = 20 мм, тогда

Q_з = 0,865 • 0,75^0,96 • 0,95^0,17 • 0,02^2,57 = 0,000125 м³/c = 7,5 л/мин.

Такая производительность удовлетворяет процесс дозирования значит, внутренний диаметр трубы подобран правильно. По ГОСТ 9941-72 подбираем трубу: d_y = 20 мм; d_н = 25 мм; толщина стенки s_ст = 2,5 мм

Максимальный КПД эрлифта равен

з_max = 0,926•0,75•0,95^0,15•0,02^2,57 = 0,3832

Давление в зоне сопла, необходимое для соединения потока жидкости в эрлифте, составляет P₁ = P₀ + гh = 9,8•10⁴ + 0,7•9,8•10³ = 1,07 Па

Высота нижней (после сопла) части трубы эрлифта равна

т.е. ? 100 мм.

Расход рабочего агента равен

Диаметр трубы, мм, для подачи воздуха равен

где k - коэффициент, зависящий от скорости движения воздуха в эрлифте. Скорость воздуха в эрлифте не должна превышать 10 - 15 м/с. При скорости 10 м/с

При скорости 15 м/с

Пo ГОСТ 9274-72 принимаем трубу d_y = 4 мм; d_н = 6 мм; s_ст = 1,2 мм.