Технологические процессы с изменением влажности вещества
Регулирование влажности различных веществ в процессе их производства вызывается необходимостью либо уменьшения воды в веществе, либо ее увеличения. В первом случае процесс обычно называют сушкой или обезвоживанием, во втором — увлажнением.
Следует заметить, что более широкое распространение имеет сушка. Она может осуществляться различными способами.
Механическая сушильная камера
Способы сушки
1. Сушка воздухом
При этом вещество различными способами контактирует с горячим воздухом. Последний увеличивает свое влагосодержание, а вещество уменьшает. Такой процесс обычно называют сушкой.
2. Сушка при испарении посредством нагрева
Вещество нагревают до температуры испарения воды и последняя удаляется тем или иным способом из зоны процесса. Такой процесс обезвоживания жидких веществ называется выпаркой. Сушка испарением иногда выполняется под вакуумом.
3. Сушка сублимационная
При этом способе сушки вода, находящаяся в замороженном веществе в виде льда, удаляется возгонкой, минуя промежуточную стадию плавления льда. Процесс сублимационной сушки происходит под вакуумом.
4. Сушка механическая (обезвоживание)
Вода удаляется из вещества механическими средствами — отстоем, прессованием, отжимом, и центрифугированием.
При сушке воздухом, наиболее распространенном способе удаления влаги из твердых и сыпучих веществ, процесс протекает следующим образом: холодный воздух подогревается любым способом до нужной температуры и далее горячий воздух приводится в соприкосновение с обрабатываемым веществом.
Это может осуществляться в сушилках различных типов: барабанных, ленточных, коридорных, канальных, шахтных, туннельных, распылительных, аэрофонтанных и, наконец, в сушилках со взвешенным слоем.
В течение времени контакта воздух повышает свое влагосодержание, отнимая эту влагу от высушиваемого вещества. При этом температура воздуха снижается.
В зависимости от реальных условий процесса — недостатка горячего воздуха или избытка его температура и влагосодержание отходящего воздуха может отклоняться от расчетных.
При установившемся режиме сушки, при постоянных параметрах подводимого воздуха и вещества температура отходящего воздуха в некоторой степени характеризует завершенность процесса и, следовательно, влажность высушенного вещества.
В свою очередь при сушке твердых сыпучих веществ испарением при нагреве завершенность процесса может характеризоваться повышением температуры высушиваемого вещества.
Однако как в том, так и в другом случае изменение температуры отходящего воздуха или вещества, подвергаемого сушке, не может дать надежного представления о действительной влажности вещества и заменить ее непосредственное измерение влажности.
Сушильная камера для сушки древесины
Хотя при организации технологического процесса параметры оборудования выбираются, исходя из заданного режима процесса, в предположении установившегося режима работы, в реальных производственных условиях постоянно имеют место отклонения от него. Эти отклонения вызываются внешними, не связанными с объектом регулирования, условиями, которые называют возмущениями.
Для поддержания качественного показателя процесса на заданном уровне при возможных возмущениях, могут быть приняты два способа регулирования:
1. По возмущению, когда задачей регулирования является исключение последствий, возникающих в системе возмущений, путем контроля и поддержания количественного параметра на постоянном уровне.
Это достигается установкой регуляторов подачи энергоносителя (пар, горячий воздух) и вещества на входе в объект. Такая система регулирования обладает тем положительным свойством, что воздействие на регулирующий орган осуществляется здесь практически без всякого запаздывания по отношению к моменту возмущения, т. е. еще до того, как успеет существенно измениться значение регулируемой величины — качественного показателя.
Недостатком такой системы является то, что неизбежные неточности в работе регуляторов, а также результаты внутренних возмущений (например образование термической пленки на теплопередающей поверхности выпарного аппарата), будут вызывать отклонения регулируемой величины, накапливающиеся со временем. Поэтому в конце концов отклонение неизбежно выйдет за допустимые пределы.
2. По отклонению, когда поддержание постоянства качественного показателя влажности при его отклонении достигается соответственным изменением количественного показателя с помощью установки рабочего органа регулятора на линии подачи энергоносителя или вещества.
Преобразователь регулятора устанавливается на линии выхода сухого вещества и в соответствии с происходящими отклонениями величины влажности от заданной управляет подачей энергоносителя или вещества в объект.
При таком способе регулирования исключается неограниченное накопление отклонения качественного параметра, так как регулирующее воздействие здесь непосредственно связано с действительным значением регулируемой величины и возрастает с увеличением отклонения ее от заданного значения.
Недостатком такой системы является запаздывание регулирующего воздействия относительно возмущений, вызывающее либо некоторое остаточное отклонение качественного параметра, либо удлинение периода регулирования.
Выбор типа регулятора
Основным оборудованием в технологических процессах, в которых оказывается необходимым поддерживать заданное значение влажности, являются:
- при обезвоживании — сушилки, выпарные аппараты, сепараторы, центрифуги, отстойники-декантаторы и прочее,
- при увлажнении — смесители, растворители и прочее.
С позиций регулирования эти виды оборудования обладают достаточным самовыравниванием и довольно большим запаздыванием.
Автоматические устройства для поддержания заданного значения влажности в указанных объектах могут быть простыми или сложными, в зависимости от свойств объектов регулирования.
Наиболее простым типом регуляторов являются двухпозиционные регуляторы. Однако в связи с автоколебательным режимом регулирования при их использовании возникает постоянное отклонение параметра от номинального значения. При этом обычно допускаемые небольшие значения установившихся отклонений могут иметь место только при относительно небольших значениях возмущения или при относительно небольших значениях запаздывания.
Пульты управления сушильными камерами
Статические регуляторы могут применяться для регулирования только статических объектов, т. е. объектов, в которых имеется самовыравнивание и только в тех случаях, когда допускается относительно большое время регулирования и относительно большое остаточное отклонение, зависящее от зоны нечувствительности регулятора.
Статические регуляторы имеют более широкую область применения, но они дают остаточную неравномерность регулирования, которая тем больше, чем больше возмущение. Хорошие результаты получаются при регулировании объектов с относительно небольшим запаздыванием.
Изодромные регуляторы (автоматические регуляторы с гибкой обратной связью) являются наиболее сложными и могут применяться при любых требованиях к величине установившегося отклонения и любом диапазоне изменения возмущения, если не предъявляются слишком высокие требования ко времени регулирования.
Для того чтобы при регулировании не нарушить технологических требований к проведению процесса, обычно определяемых величиной и длительностью отклонения технологического параметра (в данном случае влажности) от его номинального значения, необходимо знать некоторые параметры, характеризующие свойства объектов регулирования (сепараторов, сушилок, смесителей и т. п.).
Эти параметры можно получить из дифференциальных уравнений, описывающих свойства объекта регулирования или из эксперимента. Последний способ значительно проще и надежнее.
Для этой цели у объекта экспериментально снимаются кривые переходного периода, так называемые кривые разгона.
В месте предполагаемой установки преобразователя регулятора монтируется однотипный преобразователь регистрирующего прибора.
Объект приводится в состояние установившегося режима работы при соответствующей нагрузке. Затем объекту наносят резкое возмущение путем быстрого закрытия или открытия рабочего органа, на который предполагается в последующем воздействовать регулятором.
Возмущение должно быть в пределах 5—20% от максимальной нагрузки. Изменение определяющего параметра во времени будет записано регистрирующим прибором в виде кривой разгона.
По кривой разгона можно установить время полного или "чистого" запаздывания, относительное возмущение и постоянную времени объекта.
Рассмотренные примеры решения задачи регулирования влажности в различных технологических процессах безусловно не исчерпывают возможных вариантов, однако дают необходимое представление о принципах решения поставленной задачи.