Способ автоматического управления процессом смешения растворов веществ Советский патент 1991 года по МПК B01F3/08 G05D27/00 

Изобретение относится к способам автоматического регулирования процессов смешения веществ в жидкой фазе и может быть использовано в промышленности минеральных удобрений для получения многокомпонентных удобрений с заданным соотношением компонентов

Цель изобретения - повышение качества конечного продукта путем повышения точности регулирования.

На чертеже приведена принципиальная схема реализации предлагаемого способа

Трубопроводы 1 и 2 предназначены для подачи соответственно раствора А и раствора вещества В в смеситель 3. Трубопровод 4 служит для отвода из смесителя 3

смешанного раствора веществ А и В на дальнейшую переработку На трубопроводе 1 установлены датчик 5 температуры и датчик 6 плотности раствора вещества А. На трубопроводе 2 смонтированы датчик 7 температуры и датчик 8 плотности. Трубопровод 4 снабжен датчиком 9 температуры и датчиком 10 плотности смешанного раствора веществ А и В. Вычислительное устройство 11. воспринимающее сигналы от датчиков 5-10, управляет исполнительным механизмом 12, осуществляющим тонкую регулировку расхода раствора В в байпас- ной линии 13. а следовательно, и соотношения расходов растворов веществ А и В на входе в смеситель 3. Предусмотрена и более

СЛ

со

00 00

грубая предварительная регулировка соотношения расходов растворов; при фиксированном расходе раствора вещества А в трубопроводе 1 устанавливается пропорциональный ему расход раствора вещества В в трубопроводе 2 на его отрезке, охваченном байпасной линией 13.

Способ осуществляют следующим образом.

Концентрация и температуры и, следовательно, плотности растворов А и В в трубопроводах 1 и 2 непрерывно и случайным образом колеблются в некоторых интервалах. Поэтому измеряют датчиком 5 температуру 1д и датчиком 6 плотность рл раствора вещества А, датчиком 7 температуру te и датчиком 8 плотность рв раствора вещества В, а также датчиком 9 температуру t и датчиком 10 плотность р смешанного раствора веществ А и В в трубопроводе 4. Информацию об измеренных величинах подают в вычислительное устройство 11, в котором по показаниям датчиков 5-9 рассчитывают эталонное значение плотности смешаного раствора р. Величина ро по существу является переменной. Дополнительно вычисляется разность между текущим (датчик 10) и эталонные значениями плотности смешанного раствор.) Манипулирование исполнительным механизмом 12 имеет целью поддержание равенства р-ро 0.

Допустим, что плотность рэстиора ве щества В превышает плотность раствора вещества А, т.е. рд рв- Тогда в моменты времени, когдар-ро 0, исполнительный механизм 12 обеспечивает увеличение подачи раствора вещества в в байпасной линии 13, а следовательно, и на входе в смеситель 3, причем приращение расхода пропорционально абсолютному значению разности р-рс. Наоборот, при р-ро О расход раствора В в байпасной линии 13 уменьшается, причем уменьшение расхода пропорционагоно величине |p-pol.

Для вычисления эталонного значения плотности ро смешанного раствора при условии, что значения температур и концентраций исходных растворов колеблются в достаточно узких интервалах, можно использовать линейный полином вида

РО Со + CipA + Сгрв + Сз ТА + d IB + Cs t,

О)

в котором величина постоянных коэффициентов Со. CL. C5определяется природой веществ А и В и растворителя заданным массовым соотношением веществ А и В в смешанном растворе, а также усредненными значениями (в интервале изменения) температур и концентраций исходных растворов веществ А и В.

Например, смешиваются карбамид (ве- щество А) и аммиачная селитра (вещество В) в виде их растворов причем растворителем является вода. Концентрация и температура водного раствора карбамида изменяются плавно, но случайным образом в интервалах 68-72 мас.% и 90-100°С соответственно, а водного раствора аммиачной селитры - соответственно в интервалах 79-87 мае % и 115-135°С. Температура смешанного водного раствора колеблется в интервале 105- 115°С. Необходимо выдержать в смешанном растворе отношение массы карбамида к массе аммиачной селитры, равное 0.77, В этом случае эмпирические постоянные коэффициенты С в полиноме (1) (при условии, что плотность измеряют в кг/м , а температуру о °С) равны

С0 140 Ci-0.78. C.2-036; Сз 0,49; Сл 0,242. Сб - -0.64 Подбор коэффициентов С0. Ci...Cs в формуле (1) о каждом конкретном случае осуществляют экспериментальным путем, Допустим, что концентрация и темпера- -ура раствора вещества м изменяются в интервалах СООТВеТСТВенНО Хд мин - Хд макс И

IA ми. tA мдкс а раствора вещества В - соответственно в интервалах Хв мим - Хв.макс и to мин tn макс Температура смешанного раствора колеблется в интервале 1Мин-Тмакс- Для любой комбинации из пяти значений

Хд. Хв, tA, IB. t. выбранных из указанных ин гервалов при заданном массовом соотношении q0 вещества А и В в смешанном растворе можно экспериментально определить соответствующее им значение эталонной

плотности смешанного раствора ро

Сначала экспериментально определяют плотности РА ирв растворов вещества А и В концентрацией Хд и Хв при температурах соответственно ТА и гв. Далее смешивает

между собой растворы веществ А и В в определенном массовом соотношении GA : GB. причем GA/GB ЧоХв/Хд. Полученный смешанный раствор подогревают или охлаждают до температуры t, затем измеряют его

плотность при этой температуре.Тем самым определяется эталонное значение плотности смешанного раствора рь. Таким образом, набору из пяти значений величин рд.рв. tA, IB. t ставится в соответствие экспериментально найденное эталонное значение плотности смешанного раствора рь

Для того, чтобы найти значения постоянных коэффициентов Со. Ci...Cs в уравнении (1), необходимо провести не менее 6 (а

лучше больше) экспериментальных опреде лений величины ро в соответствии с указанным выше правилом. Причем каждый раз следует выбирать новые значения величин Хд, Хв. tA. te, t из заданных интервалов их изменения. После накопления необходи мых экспериментальных данных по методу наименьших квадратов подбираются значения постоянных коэффициентов Ci в уравнении (1) при которых наилучшим образом достигается соответствие между экспериментальными и рассчитанными по уравнению (1) значениями/Зо

Если концентрации и температуры исходных растворов веществ А и В изменяются в слишком широких интервалах, линейный полином (1) является недостаточно точным для расчета /% Поэтому мо жет оказаться целесообразным введение в полином (1) / дополнительных членов, учитывающих нелинейный арлктер зависимости или перекрестное влияние плотностей и температур на величину/TO

В тех случаях, когда имеются экспериментальные данные по плотностям рд.рв растворов веществ А и В при различных концентрациях Хд и Хв и температурах (чаще всего такие данные подбираются по литературным источникам) но нет возможности провести дополнительные эксперименты с целью определения значений коэффициентов Со. Ct Cs в уравнении (1) для вычисления р0. формулу для расчета эталонной плотности смешанного раствора веществ А и В можно получить следующим образом.

На основе имеющихся экспериментальных данных по методу наименьших квадратов с помощью ЭВМ вычисляют коэффициенты ai в формуле для расчета плотности /5д раствора вещества А в зависимости от его концентрации Хд и температуры tA

РА « ai + 32 tA + (аз + 34 ТА) Хд. (2)

Точно также находят коэффициенты bi в аналогичной формуле для расчета плотности рв раствора вещества В

PB DI+ D2te + (Ьз+ Ь41в)Хв. (3)

Пусть исходные растворы смешиваются в массовом соотношении GA/GB. где GA, GB - массы или массовые расходы исходных растворов веществ А и В. Образуется смешанный раствор, в котором концентрации веществ А и В равны соответственно YA и

YB.

Массовое соотношение веществ А и В в смешанном растворе равно

q - YA/YB.

При этом величины k и q связаны соотношением

q - кХд/Хв или k - qXR/Хд (5) Концентрации Уд. Y веществ А и В в сме- шанном растворе

GA

Yt--G -XA G« . А GA 4 G GA .

Хд АА ц Хк X;

«g +

q Хв +Х

(&

Yp G. - BXB

GA 4 Go GA k M

GB

XR

X в , . qXA

q XB + XA

(7)

Для расчета плотности р при температуре t смешанного раствора можно принять принцип аддитивности (5). выражаемый при принятых обозначениях следующим образом.

/i (ai + Э2 t + (аз + 34 1)(Уд+

YB) rrYA

YA +Yfi

+ b41) (YA + YB) + bi 021 + (Ьз YR

YA + YB

(8)

В результате преобразований выражения (8) можно получить формулу для расчета р в виде функции переменных /эд, /ЭВЛА, IB. t, исходя из известного массового соотношения q веществ А и В в смешанном раство- Ре:

Уд

45

/э (ai 32 t) уд ву + (аз + 34 t) YA + YB +Yi

+ (bi + b2 t)

YB YB

YA YB YB YB

4- (b3 + b4 t) YB - (9)

-( + (в + м,).9..+ (,,вг17 + (|в+1м«)§.

55

faiq +bi

I q + 1

+sVrra

В в

(4)

+ K 3q + b3) + (a4q + b4)t T5UВ формуле (9) фигурируют переменные Хд и Хв. которые могут быть выражены в виде функции плотностей и температур исходных растворов простым преобразованием зависимостей (2) и (3)

ХА

/ЗД-(31 4-32 tA) , ЭЗ + 34 ТА

(10)

YR РВ 7 (Ь1 + Ь2 tB)м п

Хв Ьз + Ыпв ( Для вычисления эталонной плотности РО мешанного раствора, т.е. плотности смешанного раствора, полученного объединением только исходных растворов, взятых в правильном массовом соотношении (с учетом колебаний концентраций и температур исходных растворов), при котором обеспечивается заданное массовое соотношение qo веществ А и В в смешанном растворе, используется формула (9) после подстановки в нее q q0

/31 q0 4-bi 32 q0 02 , P { qo + 1qo + 1 )

+ (аз Qo + Ьз) + (at q0 + b4) t

(12)

Формула (12) в отличие от ( болое пи версальна, так как она дает удовлетворительные результаты в более широком диапазоне изменения концентраций и ., ператур исходных растворов и т- экспериментального определение плот нести смешанного раствора в зависимости от его температуры и состава.

Например, рассмотрим предыдущий случай: смешиваются карбамид (вещество А) и аммиачная селитра (вещество В) в виде их водных растворов, причем необходимо получить в смешанном растворе массовое соотношение веществ А и В, равное q0 0,77. Для выч юления РО применяют формулу (12) со следующими размерностями , ро (кг/м-3); tA, в. t (°С); ХА. Хв (мае %). При этом для к-;фициентов ai, bi приняты следующие значения:

ai 9,79319 32 -2,82692 аз 3,31451; 34 -4,74935

10Z; bi 9.21939 1(Г: Ь2 -5.99584 -10 1

Ьз 6.06715; -5,61792- 10

1-4

Коэффициенты ai, bi в уравнениях (2) и (3) были получены путем обработки на ЭВМ экспериментальных данных по плотности водных растворов карбамида и водных растворов аммиачной селитры при различных концентрациях ХА. Хв и температурах ТА тв

0

5

0

5

O

В этом случае формула (12) дает удовлетворительные результаты при колебаниях переменных величин в интервалах Хд 60-85 мае.% ТА , Хв 70- 90 мас.%, Тв 70-140°С. т 70-95°С

Применение предлагаемого способа по сравнению с известным позволяет уменьшить относительную погрешность при поддержании заданного массового соотношения веществ в смешанном рэстеоре с ±7,5% до ±3,8%. т.е. точность регулирования повышается почти в два раза. В результате улучшаются потребительские свойства удобрения.

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом смешения растворов веществ состоящий в измерении плотности смешанного раствора, определении ее заданного значения и регулировании соотношения расходов исходных растворов веществ по отклонению измеренной плотности от ее заданного значения отличающийся тем, что, с целью повышения качества конечного продукта путем повышения точности регулирования, дополнительно измеряют текущие плотности исходных растворов и Ti:K,4nj температуры исходных и смешанного растворив, а изданное значение плот- ногти /л смешанного раствора определяют т;,- измеренным величинам в соответствии со следующим выражением.

/ai q0 + bi 32 Ро+ Р° Гф-М q7+1 j

- (aj По + Ьз) + (ал q0 + b) t -

ХвХд

40

45

50

55

qoXB +Хд

где q0 - заданное отношение массы вещества А к массе вещества В в смешанном растворе;

t - текущая температура смешанного раствора;

а1,а2.аз.а4.Ь1,Ь2.Ьз.Ь4 - эмпирические константы;

ХА - текущая концентрация раствора вещества А, определяемая из формулы

РА 31 + 32 ТА - (аз + эо ТА) ХА, где ТА и р - соответственно текущая температура и текущая плотность раствора вещества А;

Хв - текущая концентрация раствора врщества В, определяемая из формулы

РВ bi 02 ТВ + (Ьз 4 Ь4 ТВ) Хв.

где IB и рв - соответственно текущая температура и текущая плотность раствора вещества В

Смешанный раствор Вещества А и В

Раствор вещсс/пвоА

/

Раствор вещество в

/

/J

У-ъ&-2 / ЧЯ

Изобретение относится к способам автоматического регулирования процессов смешивания в жидкой фазе и может быть использовано в промышленности минеральных удобрении для получения многокомпонентных удобрений с заданным соотношением компонентов Целью изобретения является повышение качества конечного продукта за счет повышения точности регулирования Способ предусмаiриваегиз- меренир змемчющчуся в -evoi jp« .oeoe лах текущих плотнпте и температур исходных растворов и температуры -мешанного раствора и расчет по этим значени ям этаоонного знамения плотности смешанного раствора Подача исходных растворов регулируется в зависимости от величины рассогласования между текущим и эталонным значениями плотностей сме шанного раствора 1 ил СЛ

А П