Расчет динамики процесса выпаривания в кожехотрубном аппарате

АННОТАЦИЯ

Статья посвяшена системному анализу и построения модели объекта интеллектуального управления выпариванием растворов. Компьютерная модель выпаривания раствора построена на основе объединения моделей процессов по прикладной программе МАТЛАБ кавзиаппаратов греющая камера, стенка кипятильных труб выпарного аппарата. передающего тепла, парожидкостного пространства - внутренней части кипятильных труб выпарного аппарата. Проведенные исследования динамики объекта выпаривания имеют устойчивый характер с экспонциальным изменением концентрации выходящего раствора. Компьютерная модель, введенная в микропроцессор, позволяет предложить автоматизированную систему интеллектуального управления объектом выпаривания жидких продуктов.

ABSTRACT

The article is devoted to the system analysis and construction of a model of an object for intelligent control of evaporation of solutions. A computer model of solution evaporation is built on the basis of combining process models according to the MATLAB application program for the heating chamber, the wall of the boiling tubes of the evaporator that transfers heat, the vapor-liquid space - the inner part of the boiling tubes of the evaporator. The conducted studies of the dynamics of the evaporation object have a stable character with an exponential change in the concentration of the outgoing solution. The computer model, introduced into the microprocessor, allows us to offer an automated system for intelligent control of the object of evaporation of liquid products.

Ключевые слова: объект, системное мышление, выпарные аппараты, анализ, метод, процесс, элемент, подсистема, компьютерная модель, выпаривание

Keywords: object, system thinking, evaporators, analysis, method, process, element, subsystem, computer model, evaporation

Введение.

Системное мышление в изучении текущего состояния технологической линиии процесса выпаривания, позволяет получить наиболее достоверные результаты, правильно оценить возможности повышения эффективности степени использования сырьевых ресурсов и снижения энергопотребления в производстве и предложить приемлимые системы интелектуального управления.

Из значительного количества производственных процессов выпаривание растворов протекают в нестационарных температурных режимах, разработка системы управления с физически измерением концентрации раствора представляет определённую трудность. Одним из вариантов является определение концентрации раствора интеллектуальным способом на компьютерной модели.

Построение компьютерной модели осуществлена методикой многоступенчатого системного мышления [1,6] объекта выпаривания, путем разработки четырех уровневая иерархическая структура системного анализа процесса выпарния растворов. При этом каждый уровень иерархии охватывает определенные целые элементы устройств с протекающими явлениями и под процессами, и имеющимся взаимосвязами в них.

Рассмотрена принципиальная схема [1,2] одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора на примере аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой.

Аппарат имеет нагревательной камеры и сепаратора. Теплообменное устройство - нагревательная камера состоит из квазиаппаратов: греющая камера, стенка кипятильных труб выпарного аппарата, парожидкостное пространство - внутренняя часть кипятильных труб выпарного аппарата. В свою очередь греющая камера состоит из квазиаппаратов паровой зоны и конденсата. Греющая камера обогревается обычно водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отдаёт тепло через стенки обогревательных труб и отводится снизу камеры. В камере (парожидкостное пространство - внутренняя часть кипятильных труб выпарного аппарата) выпариваемый раствор поднимаясь по обогреваемым трубам концентрируется с образованием вторичного пара.

О системном мышлении и анализе системы выпаривания

Системный подход к изучению текущего вопроса позволит получить наиболее точные результаты и правильно оценить возможности степени повышения качества концентрированного раствора и снижения энергопотребления в производстве [3-6].

Предлагаемая нами методика системного мышления [3-6], позволяет анализировать систему выпаривания без особых затруднений. По предложенной методике, первоначально определяются показатели – входные и выходные параметры объекта, в данном случае аппарат выпаривания, состоящей из системы квазиаппаратов: квазиаппарат - греющая камера, квазиаппарат - стенка кипятильных труб выпарного аппарата, квазиаппарат - парожидкостное пространство - внутренняя часть кипятильных труб выпарного аппарата и процессов, происходящих в них. Затем, в случае необходимости, рассматриваемая система (элемент) расчленяется на составляющие элементы уточняются параметры для каждого выбранного элемента и процесса в элементе. Например, расчленение элемента (системы) на последующие системы, греющая камера состоит из квазиаппарата паровой зоны и квазиаппарата конденсата.

В целом, системное мышление и многоступенчатый анализ системы и синтез устройство выпаривания выполняется в следующей последовательности:

Первый этап (системное мышление и анализ)

• предварительно в установке выпаривания выбирается объект выпарной аппарат, изучается квазиаппараты выпаривания раствора. Это квазиаппарат - греющая камера, квазиаппарат - передающая теплу через стенка кипятильных труб выпарного аппарата, квазиаппарат - парожидкостное пространство - внутренняя часть кипятильных труб выпарного аппарата. В каждой подсистеме - квазиаппарате (элементе выпарного аппарата) происходит множество процессов. Из множества процессов выбираются те процессы, которые необходимы для правильного принятия решения данной задачи; предварительно изучается исследуемый процесс в системе;
• определяются входные и выходные параметры как выпарного аппарата, так и исследуемого процесса. Определение взаимосвязи параметров, требует углубиться в исследование системы выпарного аппарата, тогда, определяются элементы – кавзиаппараты - подсистемы под объектом.

Рассматриваемая система подобъекта (элемент) расчленяется на составляющие элементы, уточняются процесс и его параметры для каждого выбранного элемента и т.д. В данной работе ограничились тем, что греющая камера состоит из квазиаппаратов паровой зоны и зоны конденсата

Второй этап (Определение взаимосвязи параметров)

Определение количественного соотношения параметров требует применения математических выражений, что приводит к составлению и обращению к математическим или компьютерным моделям.

Третий этап (Выбор оптимального решения)

Здесь уточняются и конкретизируются требования к кавзиаппаратам выпарного аппарата на основе системного мышления и анализа. Выбираются критерии оптимизации, как для первичного объекта - выпарного аппарата, так и для кавзиаппаратам - подобъектов каждой иерархической ступени. Выбирается способ поиска оптимального интеллектуального управления выпариванием растворов. Построены компьютерные модели процессов в квазиаппратах, в частности процесса в камере кипения и концентрирования

Структуру потоков смеси полупродукта в самом в камере кипения и концентрирования аппарата можно описать моделью идеального смешивание. В этом случае математическое описание процесса выпарки сырья в парожидкостном пространстве описывается дифференциальным уравнением идеального перемешивания.

                                                        (1)

где Q - количество теплоты поступающего сырья;

Q - количество теплоты выпаренного продукта в камере кипения и концентрирования;

Q_исп - количество теплоты испаренной воды;

Q_ст - количество теплоты передаваемое через нагревательную стенку аппарата;

Рассмотрена каждая составляющая уравнения в парожидкостном пространстве - камере кипения и концентрирования. Таких как количество теплоты парожидкостного пространстваа также концентрация выпаренного продукта камере кипения и концентрирования.

Объединив уравнения их в единую систему уравнений, получена математическая модель для процесса, протекающего в парожидкостном пространстве выпарного аппарата.

На основе систем уравнений математической модели для процессов, протекающего в в каждом элементе выпарного аппарата разработан алгоритм расчета и построена компьютерная модель динамики процесса выпарного аппарата в прикладной программе МАТЛАБ.

Разработан алгоритм расчета и построена компьютерная модель представления входных показателей динамики процесса выпарного аппарата.

Рисунок 1. Компьютерная модель представления входных показателей динамики процесса выпарного аппарата в прикладной программе МАТЛАБ.

Объединяя систем уравнений математических и компьютерных моделей динамики процесса, протекающего в квазиаппаратах, построена компьютерная модель (рис. 2) динамики всего процесса выпарного аппарата в прикладной программе МАТЛАБ. Компьютерная модель динамики всего процесса выпарного аппарата состоит из компьютерных моделей динамики процесса в квазиаппаратах греющая камера, стенка кипятильных труб аппарата и в парожидкостном пространстве выпарного аппарата. по ней составляется программа расчета всего процесса.

Рисунок 2. Компьютерная модель динамики всего процесса выпарного аппарата в прикладной программе МАТЛАБ

Результат расчета одного из вариантов динамики процесса выпарного аппарата в прикладной программе МАТЛАБ показан на рис.3

Рисунок 3. Результат расчета одного варианта динамики общего процесса выпарного аппарата на компьютерной модели выпарного аппарата в прикладной программе МАТЛАБ.

Как видно из рис. 3, после пуска выпарного аппарата (кривые показаны сверху вниз) температура конденсации водяного пара, температура стенки кипятильных труб аппарата, температура парожидкостного пространства выпарного аппарата увеличиваются из начального значения до установившегося значения, ориентировочно через 250 секунд. Жидкость, по концентрация выпариваемой жидкости, также переходить в более высоко концентрированную.

Благодаря компьютерной модели разрабатывается автоматизированная система управления объектом выпаривания жидких продуктов.

Заключение

Показана методика системного мышления в построении модели рачета процесса выпаривания расворов, построенная на основе объединения моделей процессов в кавзиаппаратах греющая камера, стенка кипятильных труб выпарного аппарата, парожидкостное пространство. Проведенные исследования на компьютерной модели показывают, что температура конденсации водяного пара, температура стенки кипятильных труб аппарата, температура парожидкостного пространства выпарного аппарата и концентрации выходящего раствора увеличиваются экспонциально из начального значения до установившегося. Компьютерная модель, введенная в микропроцессор, позволяет предложить автоматизированную систему управления объектом выпаривания жидких продуктов.

Список литературы:

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. — 753 с.
2. Артиков А.А. Компьютерные методы анализа и синтеза химико-технологических систем: учебник для магистрантов технологических специальностей / Министерство высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан. – Т.: «Ворис», 2012. – 160 с.
3. Артиков А.А., Джураев Х.Ф., З.А Машарипова, Баракаев Б.Н. Системное мышление, анализ и нахождение оптимальных решений (на примерах инженерной технологии). // [монография]. Изд. «Дурдона». Бухара. 2019. 185c.
4. Artikov A., Savriev Y., Narziev M., Nabiev M., Azizova Н. Analysis of oil extraction object from oil-containing materials based on system thinkinc Journal of Critical Reviews ISSN-2394-5125 Vol 7, Issue Received 19.03.2020 Revised 23.04.2020 Acceted 09.05.2020 975-978 р   
5. Артиков А., Машарипова З. А. Программа для определения равновесной температуры воды при сушке пищевых продуктов 07.02.2020. DGU07696
6. АртиковА., Машарипова З. А. Мухиддинов Д.Н., Муртазаев К.М. К вопросу компьютерной алгоритмизации процесса испарения воды // «Кимёвий технология. Назорат ва бошқарув», 2017. №3. С. 64-74.