UNIVERSITATEA TEHNICA

CLUJ-NAPOCA

COLEGIUL UNIVERSITAR TEHNIC ECONOMIC SI DE ADMINISTRATIE

PROIECT DE DIPLOMA

SISTEM DE REGLARE A DEBITULUI DE SO2 DIN SISTEMUL DE REFLUX A INSTALATIEI DE

SEPARARE A ¹⁵N

TEMA PROIECTULUI DE DIPLOMA

1)Enuntul temei:

Sistem de reglare a debitului de SO2 din sistemul de reflux a instalatiei de separare a ¹⁵N.

2)Locul documentarii:

Universitatea Tehnica Cluj Napoca.

3)Consultanti:

Prof. Dr. Ing. Abrudean Mihail Ioan

4)Data emiterii temei:

10 ianuarie 2004

5)Termen de predare:

11 iunie 2004

A.Prezentarea procesului tehnologic

A.1.Scurt istoric:

Dupa cum multi dintre noi cunosc ,atomul este format din particule materiale si anume un nucleu incarcat electric pozitiv si mai multi electroni incarcati electric negativ ce orbiteaza in jurul acestuia.

Multa vreme s-a crezut ca atomii fiecarui element chimic sunt identici si cu toate ca in anul 1881 Butlerov a emis ipoteza ca fiecare element costa din cateva feluri de atomi ,au fost necesari aproape 30 de ani de munca pentru confirmarea acestei ipoteze.Intra-devar

pana sa se puna in evidenta faptul atat de bine cunoscut astazi,ca majoritatea elementelor din sistemul periodic constau din mai multe specii de atomi numiti izotpi ,altfel trebuid rezolvate o serie de probleme dificile,probleme de baza in fizica nucleara de astazi.

In anul 1896 Bequerel descopera radioactivitatea sarurilor de uraniu.In anii imediat urmatori Schmidt si M. Curie descopera radioactivitatea thoriului , poloniului si a radiului. In anul 1899 este pusa in evidenta amanatia radiului , radonului si a radiatiilor a si b de catre Rutherford si P. Curie.

In anul 1911 Rutherford demonstraza cantitativ ca nucleul atomic consta dintr-o sarcina electrica pozitiva de dimensiune inferioara 10^-12 cm si de masa net superioara electronului.In acest an sunt decoperite si radiatiile cosmice care oana in anul 1930 ,cand au fost puse la punct primele acceleratoare de particule ,au costituit singura sursa de radiatii de mare energie.

C.T.R. Wilson pune la punt in anul urmator camera cu ceata destinata fotografierii traictorii particulelor incarcate electric.

Experientele de difuzie efectuate in anul 1913 au permis sa se avalueze ordinul de marime al sarcinii electrice a nucleului, iar interpretarea de catre Moseley a masuratorilor spectrelor de raze X pe baza teoriei cuantice elaborate de Niels Bohr ,permite determinarea precisa a acestei sarcini.

Tot atunci s-au facut masuratori asupra maselor atomice si s-a constatat ca ele sunt apropiate de masele nucleare.

Experientele de deviere a ionilor diferitelor gaze prin campuri magnetice si electrice ,realizate de catre Soddy si Thomson ,i-au condus pe acestia la separea celor doi izotopi ai ai neonului.

Din punct de vedere istoric prima reactie nucleara artificiala a fost realizata de rutherford in anul 1919 bombardand nucleul de ¹⁵N cu particule a ceea ce a condus la aparitia unor protoni rapizi.

A urmat apoi descoperirea efectului Copton in anul 1922,elaborarea principiului de corespondenta de catre N. Bohr in anul 1923 , elaborarea mecanicii cuantice de catre Broglie ,Heisemberg,Dirac ,principiul de excuziune al lui Pauli in 1924-1926 ,relatiile de incertitudine ale lui Heisemberg ,teoria lui Neitler si London asupra fortelor de schimb cuantic ce conduce la formarea legaturilor chimice homopolare ,experientele de difractie efectuate de Davidson si Gurmer.

In anul 1930 ,cockroft si walton ,bombardand izotopul de ⁷ Li cu protonii accelerati artificial au obtinut ,in urma reactiei ,nucleul de heliu.In acelasi an Bothe si becher ,atrg atentia asupra faptului ca prin bombardare au particule a a unor elemente usoare (Be,Li,B) apare o radiatie foarte dura capabila sa treaca printr-un strat gros de plumb .Experientele repetate de Irene si Joliot Curie cu acasta radiatie l-au condus pe Chadwick la descoperirea neutronului.

Pe masura ce tehnica si-a urmat cursul ascendent ,mari oameni de stiinta au descoperit din ce in ce mai multe subtilitati ale elementelor chimice ducand la categorisiri si clasificari mult mai exacte si mai explicite ale acestora.

Izotopii reprezinta specii de elemente chimice care au acelasi numar de protoni ,dar cu numar de neutroni diferit ,au acelas numar de electroni in paturile eletronice ale atomului si ocupa acelasi loc in sistemul periodic al elementelor de unde si denumirea de izotop (isos=acelasi ,topos =loc).greutatie diferite ale izotopilor unui element se datoreaza numarului diferit de neutroni din nucleul atomului respectiv.In functie de raportul dintre numarul de protoni si numarul de neutroni ,nucleul atomic al izotopului respectiv poate fi stabil sau instabil

(radioactiv) putandu-se obtineastfel un izotop stabil ,care nu se dezintegreaza in timp ,sau unul radiactiv care este supus procesului de dezintegrare radioactiva.

Datorita faptului ca izotpii au mese diferite ,diferentele intre proprietatile fizice si chimice ale acestora vor fi cu atat mai pronuntate cu cat elementul este mai usor ,diferentele care au si dus la descoperirea lor.

Catre inceputul secolului john Dalton enunta postulatul conform caruia atomii aceluiasi element sunt identici si sunt egali in greutate ,un element fiid o substanta ale carui proprietati chimice sunt costante si care nu se poate separa in componenti prin procedee fizice si chimice.

Mai tarziu ,in anul 1815 ,Wiliam Prout afirma ca toti atomi elementelor chimice sunt agregate de atomi de hidrigen ,deci greutatile atomilor sunt numere intregi,greutatea atomica a hidrogenului fiid egala cu 1.

Odata cu trecerea timpului chimistii au observat ca ipoteza lui Proust nu este confirmata de experiente ,numeroase elemente poseda greutati atomice care nu sunt numere intregi.

Prin 1866 W. Crookes sugereaza ideea ca elememtele simple ,izolate de chimisti ,pot fi in realitate un amestec de specii chimice identice dar de greutati diferite ,specii carora le-a dat denumirea de metaelemente.

Existenta izotopilor a fost pusa in evidenta pe de-o parte de catre Soddy ca o cosecinta a transmutatiilor naturale ,iar pe de alta parte de lucrarile lui J.J. Thompson si F.W. Aston ,care au elaborat o metoda capabila sa detecteze si sa separe compusii izotopici.- Spectometria de masa.

Desi, inca din 1913 ,Hevesey si apoi Paneth au descoperit metoda trasorilor radioactivi a trebuit sa se astepte pana in 1934 ca sa se utilizeze si izotopi stabili si anume deuteriu si oxigen 16.Motivele intarzierii aplicarii izotopilor stabili fata de cei radioactivi se datoreaza faptului ca la acae vrene aparatura de detectie ,destul de simpla ,dadea rezultate foarte bune pentru masurarea izotopilor radioctivi pe cand prezenta unor diferenta destul de mici in proprietatile fizico-chimice necesita aparate de detectie de inlta sensibilitate.In plus ,in general izotopii stabili intyeresti in aplicatii se gasesc in stare naturala in concentratii foarte mici,deci pentru ai putea utiliza este nevoie de marirea concentratiei lor ,ori atat aparatura de detectare cat si metodele de separare ale izotopilor stabili au fost puse la punct numai in ultimele trei decenii si de fapt mai costitue si azi o problema destul de spinoasa.

A.2. Reactia de schimb izotopic:

In natura majoritate elementelor chimice exista sub forma unui amestec de 2 sau mai multi izotopi ,unul din acesti izotopi fiid mai abundent decat ceilalti.Astfel staniul are zece izotopi ,xeonul are opt izotopi,telurul are opt izotopi,etc, dar exista elemente care au un singur izotop stabil cum este cazul pentru beriliu ,fluor,sodiu,mangan,cobalt,iod,fosfor sialte elemente.

O masura a continutului de atomi ai unui izotop in cazul unui element dat o costitue concentratia sau abundenta relativa a acestui izotop in amestecul izotopic al elementului in care exista ,si se exprima in procente atomice.De fapt exemplul oxigenului natural are trei izotopi ¹⁶O (99,756%),¹⁷O (0,037 %),¹⁸O (0,204%) .

Diferentele care apar in proprietatile izotopilor sau a compusilor izotopici ai unui element se numesc efecte izotopice.

Procesele de separare izotopice se pot imparti in doua grupe mari:reversibile (de echilibru ) si ireversibile

In tabelul 1 sunt prezentate principalele metode de separare a izotopilor nimpartite in cele doua grupe amintite.

Procesele de separare reversibile se bazeaza pe efecte izotopice de echilibru:schimb izotopic ,ionic,echilibru lichid-vapori ,absortie desorbtie,etc.In aceste cazuri daca sunt pusi in contact daua componente chimice diferite ,se stabileste o distributie izotopica intre cele daua componente ,fara un adaus important de energie.componentii fizici in contact pot fi in aceeasi faza sau in faze diferite ,de exemplu:schimb izotopic lichid lichi,gaz-lichid,lichid-solid.

Tabelul 1

Procesele de neechilibru se bazeaza pe efecte izotopice elementare ireversibile ,repartita izotopilor facandu-se prin adaus important de energie din exterior.

Se stie ca metodele de separare izotopica rezervate amestecurilor izotopice se bazeaza pe existenta unui elementar de separare datorat diferentelor dintre masele compusilor izotopici si caracterizat numeric prin factorul elementar de separare a sau prin coeficientul de imbogatire e a

In cazul reactiilor de schimb izotopic ,factorii elementari de separare au valori putin diferite de unitate ,pentru majoritatea elementelor usoare cu exceptia hidrogenului ;prin urmare in procesul elementar de separare se obtine o separare insuficienta a celor doi izotopi ,ceea ce face necesar multiplicarea lui a .Aceasta multiplicare se realizeaza cu ajutorul coloanelor de separare cu umplutura sau cu talere in care circula un contracurent sau echilibru substantele care schimba izotopi ,de obicei una in faza lichida si alta in faza gazoasa.

In coloana de separare ,datorita unui transport transversal de izotopi intre cele doua faze ,apare o separare izotopica la capetele ei,care depinde de debitele circulare ,inaltimea coloanei si de a

Reactia de schimb izotopic reprezinta substitutia reversibila de atomi ai aceluiasi element intre doua molecule izotopice diferite.Schematic ,aceasta reactie poate fi scrisa :

AX+BX X^* AX^*+BX    (1)

unde X si X^* sunt doi izotopi ai aceluiasi element

Majoritatea reactiilor de schimb izotopic sunt spontane ,analoge shimbului de atomi sau molecule intr-o faza lichida si vaporii sai.In alte cazuri se utilizeaza catalizatori pentru ca aceste reactii sa aiba loc cu o viteza rezonabila.

Constantele de achilibru ale schimburilor izotopice la care participa izotopii elementelor usoare H,B,C,N,O sunt diferite de valoarea 1.aceasta inseamna ca in urma stabilirii echilibrului de schimb izotopic nu mai exista o repartizare statistica la fel de probabila a izotopilor unui element intre moleculele participante la schimb,izotopul cu masa mai mare se concentreaza in moleculele unui reactant ,iar izotopul cu masa mai mica in moleculele celuilalt reactant.

Aceasta separare izotopica se datoreaza efectului termodinamic si este caracterizat de factorul elementar de separare a care arata de cate ori raportul concentratiilor de echilibru intr-unul din reactanti este mai mare decat raportul corespunzator in celalalt reactant.

Constanta de echilibru Ke pentru relatia de schimb izotopic (1) se poate scrie:

Ke =[AX]*[BX^*] / [AX^*]*[BX] = ZAX /ZAX^*: ZBX/ZBX^*=Kstat*Kcuant

In care Z este functia de partitie pentru molecula binatomica.

In expresia (2) factorul Kstat care contine numerele de simetrie ale moleculelor biatomice ce participa la schimb ,nu introduce nici un efect izotopic de separare chiar daca numerele de simetrie ale moleculelor difera .

Factorul Kcuant este in masura efectul elementar de separare ,care are ca rezultat diferentele intre concentratiile izotopice ale reactantilor la stabilirea echilibrului de schimb iizotopic:

a= Kcuant (3)

Deci legatura este intre constanta de echilibru a reactiei de schimb izotopic si factorul elementar de separare este data de relatia:

Ke=Kstat*a (4)

Datorita faptului ca intre produsii de reactie si substantele initiale nu exista decat diferente de concentratie izotopica ,toate reactiile de schimb izotopic au o serie de particularitati ca:

Toate reactiile de schimb izotopic de schimb izotopic au loc cu efecte termice neinsemnate ,acestea fiind cu trei sau patru ordine de marime mai mici decat efectele reactiilor chimice obisnuite;

Scimbarea unui izotop cu altul la temperaturi joase nu duce la diferente insemnate in marirea capacitatii calorice cu exceptia izotopilor hidrogenului;

Efectul termic al orcarei reactii reversibile fiind egal cu diferenta dintre energiile de activare ale reactiei directe si inverse:

Q=Edirect-Einvers    (5)

rezulta ca in cazul reactiilor de schimb izotopic

Edirect=Einvers (6)

abaterea de la aceasta regula fiid posibila numai pentru reactii cu mecanism complex;

In orce mecanism de schimb izotopic unele caracteristici cinetice ale procesului direct si invers trebuie sa fie identice si anume transferul de masa intre cele doua faze :ecuatiile cinetice ,energiile de activare,constantele de viteza si factorii de frecventa;

Dependenta exponentiala de timp a compozitiei izotopice a moleculelor care intra in reactia de schimb izotopic.

A.3. Metodica separarii 15N

Cel mai utilizat procedeu de separare pentru separarea izotopului de ¹⁵N se bazeaza pe schimbul izotopic intre oxizi de azot si acid azotic ,studiat prima data de catre Spindel si Taylor in anul 1955:

NO+H ¹⁴NO3 NO+H ¹⁵NO3    (7)

Reactia notata cu (7) prezinta prezinta a=1,050 pentru 25 C,presiune atmosferica si acid azotic 10 M.

Procedeul de separare bazat pe reactia (7) a facut obiectul unor indelungate cercetari care au condus la punerea la punct pana in cele mai mici amanunte .

In cadrul Institutului de Izotopi stabili Cluj a fost construita si experimentata o instalatie cu o inltime totala de separare care totalizeaza 43 de metri ,fiid format din tronsoane de sticla.Scema instalatiei este prezentata in fig. 1

Se fac urmatoarele notatii:

C :coloana de separae

R1 :refluxor de oxid de azot

R2 :refluxor de acid azotic

:circuit acid azotic

:circuit oxizi de azot

Figura 1. Schema instalatiei de la laborator pentru separarea izotopului ¹⁵N

prin schimb izotopic NO , NO₂-HNO₃.

Coloana de separare este confectionata din sticla razotherm si este prevazuta cu o camasa de termostatare.umplutura utilizata in coloana de separare este de tip Helipac(spirale triunghiulare de dimensiunile 1,8x1,8x0,2mm din otel V2A).

Acidul azotic de alimentare este dozat in varful coloanei de separae cu ajutorul unor pompe dozatoare.

Conversia acidului azotic in oxizi de azot se realizeaza cu ajutorul reactiilor dintre acidul azotic ,bioxidul de sulf si apa ,ce are loc in refluxorul R.1

2HNO3 + 3SO + 2H2O 3H2SO4 + 2NO

2HNO3 + 2SO H2SO4 + 2NO2

Acidul sulfuric rezultat ca si deseu izotopic se extrage la baza refluxorului R1.

Oxizi de azot NO si NO2 urca in coloana unde intalnesc in contraconcurant acidul azotic realizand schimbul izotopic.azotul greu se imbogateste in acidul azotic astfel ca oxizii de azot se saracesc in ¹⁵N spre varful coloanei de separare .

Oxizii de azot deseu ,la iesirea din coloana de separare sunt introdusi in refluxorul R2 unde cu ajutorul oxigenului din aer si a apei (introduse de asemenea )sunt convertiti la acid azotic.

Refluxorul R1 este prevazut cu racire interioara si ina exterioara .Zona de racire de circa 5-10 cm este mentinuta prin reglarea corespunzatoare a debitului de SO2.

Principiul care sta la baza efectuarii acestei analize este absortia luminii pe lungimi de unda diferita penru NO si respectivNO2.

Pe baza experientelor efectuate in instalatiile de laborator ,s-a ajuns la concluzia ca schimbul NO-HNO3 reprezinta avantajele importante fata de celalalte metode de separare a ¹⁵N si nu numai in ce priveste factorul de separare ,ci si in privinta vitezei de transfer izotopic in coloana ceea ce face sa se obtina inaltimi de unitati de transfer redus la circa 3-6 cm pentru HNO3 10 M si la o temperatura de

C.

Acestea au facut ca acest schimb sa fie cel mai utilizat pentru producerea pe acra industriala a ¹⁵N de concentratie mergand pana la 99,8% ¹⁵N.

Din cauza timpilor de atingere a echlibrului destul de mari ,pentru instalatiile productive este necesara mentinerea constanta a tuturor parametrilorde operare pe tot timpul experimentarilor ceea ce presupune un grad ridicat de automatizare a instalatiei.

O alta metoda de separae a ¹⁵N are la baza instalatia de schimb NO-N2O3,fiind al unei instalatii bazate pe metode schimbului de NO-HNO3 care functioneaza cu un refluxor cu reducere totala de NO2 (100% NO) a gazului ce intra la baza coloanei de separare duce la obtinerea unei inaltimi de coloana de 2 ori mai mica decat in cazul introducerii unui amestec de gaze la echilibru fapt care se datoreaza unei profilari de concentratie a fazei lichide de la baza spre varful coloanei ,conditii care se apropie de profilarea ideala de debite.

In urma unei priviri de ansamblu asupra metodelor de separare a ¹⁵N prin schimb izotopic rezulta ca sistemele NO-HNO3 si NO-N2O3 sunt cele mai utilizate in practica pentru instalatii productive.

A.4. Instalatia pilot pentru separarea izotopului ¹⁵N prin schimb izotopic NO,NO2 HNO3

Principalele caracteristici de functionare ale instalatiai de laborator de la IIS Cluj-Napoca sunt da te in tabelul 2.

Tabelul 2

Alaturi de numeroase exemple de instalatii de laborator sau piloti productivi de ¹⁵N cuprinse mai sus merita amintita si solutia originala de constructie si expluatare a unei cascade formate din doua coloane ,care utilizeaza schimbul de scid azotic oxid de azot ,data de L. Gawland si colaboratorii lui au studiat un nou tip de refluxor de oxizi de azot compus din trei parti distincte (fig. 2)

Figura 2.Refluxor de oxizi de azot de tip Mahenk.

1-refluxorul propriu-zis (tip Spindel-Taylor)

2-turn pentru reducerea avansata a bioxidului de azot

3-turn pentru degazarea acidului sulfuric

Prima parte functioneaza ca un refluxor clasic Spindel-Taylor .Acidul sulfuric rezultat in urma reactiilor chimice intre acidul azotic ce curge in coloana de separare si bioxidul de sulf introdus la baza refluxorului ,este admis la varful reactorului 2 unde intalneste un contracurent debitul de oxizi de sulf care impreuna cu cel dizolvat in acidul sulfuric provoaca reducerea avansata a bioxidului de azot (95% NO,5% NO2) din amestecul de gaze ce intra la baza coloanei de separare.

Deoarece in acest refluxor nu se mai introduce apa pentru corectarea raportului NO2/NO ,acidul sulfuric atinge concentratii de peste 70 %.

Principiul care sta la baza afectuarii acestei analize este absortia luminii pe lungimi de unda diferite pentru NO respectiv NO2.

Influienta gradului de oxidare ,a gradului de reflux asupra separarii izotopice este prezentata in tabelul 3.

Tabelul 3.

Se va prezenta in continuare in figura 3,instalatia pilot productiva pentru separarea izotopului ¹⁵N prin schimb izotopic NO,NO2-HNO3 .

Figura 3. Instalatie productiva pentru separarea izotopului ^I5N prin schimb

izotopic NO , NO₂-NO₃.

1-etaj primar de separare

2-etaj final de separare

3,5-Refluxoare (tip Spindel -Taylor)

4-refluxor pentru reducerea avansata a bioxidului de azot

6-reactor de oxidare a NO

7-absorber

8-pompa dozatoare

Dimensiunile celor doua etaje de separare precum si valoarea debitelor fluidelor de lucru s-au obtinut pe baza unui calcul de optimizare.

In tabelul 4 sunt prezentate principalele caracteristici ale cascadei existente la IIS Cluj-Napoca.

Datorita reactiilor ce au loc in refluxoare ,fiind exoterme ,refluxoarele sunt prevazute cu camasi exterioare si serpentine de racire cu apa .Alimentarea cu SO2 a instalatiei se face de la o rampa cu butelii sub presiune si un vas tampon a carui presiune se regleaza in domeniul 0.9-1 kgf/cm cu ajutorul unui manometru cu contact si a unui robinet robinet electromagnetic .De la vasul tampon bioxidul de sulf trece printr-un regulator de presiune si este distribuit instalatiei cu ajutorul debitmetrelor .

Temperatura zonelor de reactie ale reactoarelor 1 si 2 din sistemul de reflux al coloanei primare si cel al coloanei finale sunt masurate cu termorezistente Pt50 Ω lagate la un registrator de temperatura .Astefel se controleaza continuu pozitia zonei de reactie si se regleaza debitele suplimentare de SO2 necesare mentinerii intr-o anumita regiune a zonei de reactie .Orce deplasare a zonei de reactie inafara limitelor rectoarelor de reflux face ca procesorul de separare sa fie conturbat.

Alimentarea instalatiei se face cu HNO3 10 M la un debit de 6 l/h .Coloana finala este alimentata cu circa 200 ml/H¹⁵NO3 extras din primul etaj.Concentratia izotopica la o extractie de 2.53 g ¹⁵N /zi la un etaj primar este in limitele 7-9 % ¹⁵N,iar la etajul final este de 99.2-99.9% ¹⁵N.

O alta reactie folosita in ultimul timp in instaltiile de separare a ¹⁵N este schimbul izotopic intre trioxidul de azot lichid si oxidul de azot gazos ,care decurge cu o viteza mai mare decat schimbul NO-HNO3 ,insa prezinta un factor inferior α=1.031 la t=-9 ˚C.

¹⁴N2O3+¹⁵NO ¹⁵N¹⁴NO3+¹⁴NO    (10)

Instalatiile pilot care folosesc aceasta reactie pentru concentrarea ¹⁵N la 99% sunt prevazute cu doua coloane termostate la 10 ˚C.

Trioxidul de azot lichid pentru alimentarea etajului final al unei astfel de instalatii se obtine dintr-un reactor prin reactia dintre trioxidul de azot lichid si oxidul de azot gazos care iese din capul coloanei de separere.Conversia de faza la baza coloanei se realizeaza intr-un refluxor cu umplutura,unde trioxidul de azot lichid este vaporizat si disociat in bioxid de azot si oxid de azot.Oxidul de azot inra direct in coloana de separare ,iar bioxidul de azot reactioneaza cu apa intr-un curent descendent de solutie de acid sulfuric si bioxid de sulf conform reactiilor:

3NO2+ H2O 2HNO3+NO (11)

2HNO3+3SO2+2H2O 3H2SO4+2NO

In continuare este prezentata instalatia automatizata de separare a izotopului ¹⁵N prin schimb izotopic NO,NO2-HNO3.Instalatia produce 0.3 g 99.8% /zi.Ea este in intregime automatizata ,dar nu apeleaza la pompe sau alte aparate electronice pentru reglarea procesului(figura 4).

B. Descrierea instalatiei tehnologice de automatizare

Fig. 5.

1.-butelie cu SO2

2.-rezervor metalic in constructie sudata ,neizolat termic ,avand volumul interior VREZ =2000 litri

3.-ventile de trecere (de tip inchis -deschis) cu actionare normala si diametru nominal Dv = 6 mm

4.-conducte metalice de diametru interior constant :Dc = 18 mm ,iar ruguzitatea aparenta :Ks=15*10^-6 metri

Instalatia este prevazuta cu posibilitatea de masurare a presiunii la iesirea din rezervor.Ea are un scop didactic ,simuland urmatorul caz in industrie:vas (tampon) care trebuie sa alimenteze cu combustibil gazos ,la presiune constanta unul sau mai multi consumatori.

Sunt furnizate de catre beneficiar urmatoarele date asupra instalatiei:

-fluidul care se depoziteaza in rezervorul 2 este bioxid de sulf sub presiune furnizat de butelia de SO2;

-se furnizeaza o presiune PBUT =4.0 bar(suprapresiune);

-la aceasta presiune debitul volumic prin conducta de intrare in rezervor este Qi^v = 2.5 m/sec; -principala perturbatie care determina abaterea presiunii din rezervor de la valoarea prescrisa o constituie variatia de debit in conducta de intrare ,variatie care se suprapune peste debitul nominal de intrare si care este estimata a se incadra in limitele (-20%+20%) Qi^v nom.

Beneficiarul instalatiei respective doreste ca instalatia automata sa satisfaca urmatoarele cerinte :

presiunea in rezervorul 2 sa se mentina riguros constanta la valoarea PREF=4 bar(suprapresiune)

revenirea presiunii la valoarea prescrisa in urma aparitiei unei perturbatii in proces sau a punerii in functiune a instalatiei sa aiba loc intr-un interval de timp ≤50 sec

abaterea maxima a presiunii de la valoarea prescisa PREF sa nu depaseasca limitele de : PREF +_ 0.2 bar.

C. Identificarea procesului tehnologic

Identificarea teoretica

Se porneste de la urmatoarele date si ipoteze simplificatoare:

a)aerul furnizat de electrocompresor este aer uscat avand:

Masa molara medie

M = 2 g/mol

Vascozitatea dinamica(in conditii normale de temp si presiune):

μ0=1.6*10^-16 poise

Vascozitatea cinematica:

v0=1.2*10^-6 m²/sec

Densitatea:

δο=0.08 Kg/m

Coeficientul adiabatic:

η = 1.2

b)vasul se considera a fi cu parametri concentrati;

c)fenomenele termice sunt neglijabile (temperatura aerului pe traseul:electrcompresor-> rezervor-> consumator este constanta si anume se mentine la valoarea de θ = 20 ˚C).

C.1. Determinarea modelului matematic in regim dinamic al rezervorului

Qe

Figura 6.

In determinarea modelului matemati se porneste de la ecuatia generala de transport a masei:

(3.1)

Unde:

δ-densitatea de masa [Kg/m³]

Def-coeficient al transportului prin difuzie [m²/sec]

v-viteza fluidului [m/sec]

β-coeficientul de transfer interfazic[m/sec]

ω-suprafata sferica de transfer[m²/ m³]

G-termenul asociat sursei (consumatorului) de masa, de suprafata[Kg/ m³ *sec]

Datorita ipotezei b) avem:

grad δ=0; β ωΔδ=0; G=0;

ecuaita de mai sus devine:

(3.2)

dar conform ipotezei b):=>

(3.3)

Din formula integrala a divergentei:

(3.4)

Atunci pe baza ipotezei c) avem:

unde cu V s-a notat volumul recipientului [m³].

Dupa aplicarea integralei de suprafata ,pentru recipientul dat se obtine:

(3.6)

Qi=debitu masic de gaz ce intra in recipient

Qe=debitul masic de gaz ce iese din recipient [kg/sec]

Folosind ecuatiile de stare a gazelor ideala:

(3.7)

unde:

p=presiunea gazului (absoluta)

V=volumul de gaz

R=constanta ideala a gazelor

T=temperatura gazului

N=numarul de moli de gaz din incinta

Avem:

M=N^.M (3.8)

Unde:

M=masa gazului

M=masa molara medie [kg/mol]

(3.9)

Din relatia (3.7), rezulta:

(3.10)

Inlocuid (3.10) in (3.9) se obtine:

(3.11)

Inlocuid relatiile (3.6) si (3.11) in (3.3) se va obtine:

(3.12)

Ecuatia (3.12) constitue modelul matematic care descrie functionarea in regim dinamic a rezervorului de gaz (fig 4)

M= 2^.10^-3 [kg/mol]

R=8.314 [J/mol K]

T=293.15 [K]

V=2 [m³]

Qi,Qe [kg/sec]

p [N/m²]

Pentru variatii mici de temperatura si presiune in vas ,se poate considera:

In continuare ,in scopul automatizarii ,se va considera rezervorul ,din punct de vedere sistemic,in felul urmator:

Pentru a gasi modelul matematic:

P=f(Qi)    (3.13)

Este necesar a se exprima debitul de iesire Qe din rezervor in functie de presiunea din vas ,conform indicatiilor primite de la beneficiarul instalatiei tehnologice ,astefel incat avem:

Qi^vnom=94,443510^-6[m³/sec] Qi nom=δQi^v nom (3.14)

δ| 4 bar(suprapresiune) = δ| 5 bar(suprapresiune)

si se calculeaza cu relatia (3.11.)

δ| 4 bar(suprapresiune) =3,2810^-6 [kg/m³]

Inlocuind in relatia (3.14) se obtine:

Qi nom=0,309110^-9[Kg/sec]

Dar Qi poate varia in plaja:[0,81,2] Qi nom

Qi min=0,247210^-9[Kg/sec]

Qi max=0,370810^-9[Kg/sec]

Iar in debite volumetrice avem:

Qi^vmin=75,554810^-6[m³/sec]

Qi^vmax=113,332210^-6[m³/sec]

Conducta de intrare in rezervor este de sectiune constanta:Dc=1810^-3[m]

unde cu wi s-a notat viteza de intrare a gazului in rezervor.

Pentru a analiza tipul curgerii fluidului prin conducta de intrare in rezervor ,calculeaza numarul lui reynolds,cu formula:

Inlocuind (3.15) in (3.16) rezulta:

Pentru Qi^vmin se obtine:

Re=5730,7949>2320

curgerea fluidului la intrare in rezervor este turbulenta (regim normal de curgere).

In regim stationar de functionare ,ecuatia (3.12) devine:

Qi=Qe (3.18)

Atunci ,analizand curgerea aerului prin conducta de iesire din rezervor (fig 7)

Se va obtine tot un regim turbulent de curgere ,deci in variatiile de debit cunoscute ,curgerea aerului prin conducta de intrare iesire din rezervor este turbulenta.

Daca se lucreaza in suprapresiune ,atunci presiunea la iesirea la consumator este:

P=0;

Iar presiunea la iesirea din rezervorul metalic este:

P=p;

Presupunem ca robinetul este inchis si fie x= distanta de-a lungul conductei ,de la iesirea din rezervor pana la consumator .De asemenea se mai noteaza:

p1=presiunea inainte de robinetul de dupa rezervor;

L1=distanta intre iesirea din rezervor pana la robinetul de dupa rezervor;

L2=distanta de la robinetul de dupa rezervor pana la consumator;

Cu aceste notatii avem:

p=p-p1 (3.19)

dar P=0 inlocuind in (3.20) si (3.21) in (3.19) se obtine:

Pentru distanta foarte mica de la rezervor la consumator ,caderea de presiune
de-a lungul conductei este foarte mica si se poate considera F1(x)=ct=α

Atunci ,in regimstationar de functionare avem:

inlocuind in relatia (3.12) se va obtine al doilea model matematic in regim dinamic al rezervorului:

Ecuatia (3.24) este o ecuatie diferentiala de ordinul I nelineara .Se considera :

Qp(t)=Qi*u(t) (3.25)

u(t) = functia de treapta unitara ,iar perturbatiile de debit sunt tot sub forma salt treapta:

Qz(t)= Qz*u(t)

C.2. identificarea conductelor de intrare iesire din rezervor

La traductorul de presiune

Avem: LAB =0,665[m]

LCD =0,15 [m]

LDE =0,475[m]

LDF =0,475[m]

Am notat cu m debitul in punctul A (debitul de iesire din robinetul de reglare),iar cu Qi debitul in punctul B.

Am considerat Qi=m.

Timpul de intarziere introdus de catre tronsonul de conducta AB se calculeaza cu relatia :

Inlocuind in (3.26) se va obtine:

TAB,MAX=1,55 [sec]

Functia de transfer a conductei este:

Functia de transfer a conductei de iesire (spre traductorul de masura ) este de forma:

Consideram ca in punctul D debitul de iesire din rezervor Qe^v , se imparte in doua parti egale:jumatate merge la consumator si jumatate merge spre traductorul de presiune relativa( o membrana).

Pornind de la aceasta ipoteza,timpi de intarziere sunt:

Rezulta TCE=0,0625+0,395=0,4575[sec]

Caderile de presiune pe conducta se calculeaza cu relatiile:

Iau (acoperitor):

δ =δ(4bar)=3,5*10^-6[kg/m³]=ct;

we=3[m/sec];

εv2=4,6(robinetul complect deschis)

Pentru: we=3[m/sec] si Ks=15*10^-6[m],λ se ia din tabele:

λ=0,051 PCD=79,14*10^-6[N/m]

we=1,5[m/sec]

εv4 =4,6;

εCOT,90 =1,1;

εRAM,T =2;

λ=0,04;

Rezulta:

PDE=293.58*10 ^-6 [N/m²]

PCE=373.90*10 ^-6 [N/m²]

Dar : PCE=PC-P

PE=PC-PCE

Rezulta: ca KCE

Inlocuind in relatia (3.28) se va obtine:

(3.31)

Sistematic procesul tehnologic arata ca in figura de mai jos:

p

Qi

m

Figura 9.

D.Reglarea presiunii in rezervorul cu SO2

Automatizarea clasica

D.1. Procesul tehnologic

Se linearizeaza ecuatia diferentiala (3.24) prin dezvoltare in serie Taylor a radicalilui ,in jurul punctului de functionare:

p0=4*10⁵[N/m²]

Retinand doar primii doi termeni din dezvoltare se obtine:

(3.32)

sau:

(3.33)

Inlocuind (3.33) in (3.24) se obtine:

Pentru variatii mici in jurul punctului de functionare se poate scrie:

p=p0+∆p

Qi=Qi0+∆QI

p0=4*10⁵[N/m²]

(3.35)

Aplicand transormata Laplace ecuatiei linearizate (3.35) se obtine:

D.2. Calculul robinetului de reglare

Se porneste de la urmatoarele date:

-fluidul care circula prin robinetul de reglare (RR) este SO2 -> mediu cu corozivitate mare care impune o etanseitate sporita a robinetului de reglare;

-traseul conductei pe care se monteaza RR este ca in figura 10;

valorile debitului (volumetric) care trece prin RR:

Qi^vmin=75,554810^-6[m³/sec]

Qi^vnom=94,443510^-6[m³/sec]

Qi^vmax=113,332210^-6[m³/sec]

Fig. 10

1)Calculul caderii de presiune a sistemului pneumatic de intrare in rezervor:

Se ia acoperitor:

(3.37)

Unde:

- caderea de presiune pe sistemul pneumatic electrocompresor conducta robineti rezervor

-caderile liniare de presiune

-caderile de presiune datorate nelinearitatilor locale

-caderile de presiune pe RR

(3.38)

(3.39)

(3.40)

DC=0.018 [m]

εv1=4.6 (robinet complect deschis);

εRR=3;

εCOT,90=1.1;

Se calculeaza:

(3.41)

Se alege λ=f(α,Re) din tabele.

2)Alegerea robinetului de reglare:

Pentru acest tip de reglare se alege un robinet de reglare cu ventil drept cu scaun ,in pozitie normala :complet deschis in pozitie normala ,cursa tijei robinetului va fi maxima (nominala):

H=H100

iar debitul prin robinet va fi maxim:

QRR=Q100

Caderea de presine pe robinet va fi minima:

PRR=PRR100

(indicele 100 se ataseaza in situatii in care robinetul este complect deschis ).

Conform indicatiilor din tabelele de proiectare ,la alegerea caracteristicii intrinsece a RR:

Kv= Kv(H)

Pentru un sistem de reglare automata a presiunii trebuie sa se cunoasca urmatoarele date:

-tipul sistemului de reglare automata a presiunii :de reducere(presiunea furnizata de catre sursa de presiune trebuie redusa la o anumita valoare descrisa de beneficiar);

-debitul la cursa maxima QRRMax=113,3322^.10^-6 [m³/sec];

-presiunea furnizata de electrocompresor :PEC=4[bar];

-presiunea trebuie redusa la PREF=4[bar];

-caderea de presiune pe conducta la debit maxim :137.012[N/m²];

Pierderea de presiune pe sistemul pneumatic de intrare in rezervor va fi:

PH=PEC-PREF=0.5[bar];

Pierdera de presiune pe RR la cursa maxima a tijei va fi:

PRRmax=PH -137.012[N/m²]=2562.988[N/m²];

Parametrul :

Pentru:

PREF=constanta,PEC=constanta,QRR=variabil(intre 5% si 100% din QRR) si ψ=1 se va alege un raport de reglare Rr cu caracteristica intrinseca logaritmica ,iar amplificarea robinetului pentru qЄ(0.051)este constanta (q= QRR / QRR100)

Caracteristica logaritmica:

(3.42)

Unde cu KVS s-a notatvaloarea prevazuta de fabricanti si cu KVO s-a notat coeficientul de debit minim reglabil.

Caracteristica intrinseca prezinta raportul de reglare:

3)Alegera tipului de robinet:

Plecand de la urmatoarele date:

-presiunea (statica,absoluta) in amonte de robinet : 5bar;

-caderea maxima de presiune pe robinet :0.5 bar;

-se impune ca in pozitia inchis debitul de scapari sa fie cat mai mic;

-temperatura maxima de lucru:θ = 24 C;

Debitul de scapari minim impune alegerea lui RR cu un ventil cu un scaun.

De asemenea caderea de presiune pe robinet, relativ mica ,justifica alegerea facuta.

Temperatura de lucru fiind mica si gazul normal,pe suprafata de etansare a ventilului se poate atasa un inel de teflon pentru a asigura o etansare buna la pozitia inchis.

4)Calculul coeficientului de debit al robinetului de reglare:

Pentru gaze, debitul prin RR se poate calcula cu urmatoarea formula:

(3.43.)

QRR-debit prn RR

P1-presiunea in amonte de robinet,absoluta [bar]

F1-factor de corectie

δ1-densitatea gazului in amonte de RR [kg/m³]

Y-factoruld de expansiune,se calculeaza cu relatia:

    (3.44)

El trebuie sa fie cuprins intre (0.0671)

k-coeficient adiabatic

Pentru H2 Fk=1

xt se alege din tabele pentru acest tip de robinet

Din (3.43) se obtine:

(3.45)

P1=5 bar;

x=1/7;

xt=0.75;

Y=0.9365;

RR trebuie ales incat pentru KVS ul sau sa fie indeplinite indicatiile de proiectare:

In consecinta se alege un RR cu un scaun si obturator profilat:

Pn=4 bar;

Dn=15 mm;

Ds=4 mm;

KVS=0.4;

Dn= Ds RR se monteaza pe conducta fara reductie Fp=1

Folosind relatia (3.45) se calculeaza:

Kvmin=0.1432

Kvnom=0.1881

Kvmax=0.2284

Se verifica daca este satisfacuta relatia:

Se obtine:

2.793<25

deci raportul de reglare este bine ales.

Se verifica tipul curgerii prin robinetul de reglare RR.

Pentru aceasta se calculeaza factorul de destindere:

unde P1 si P2 sunt presiunile in amonte respectiv in aval de RR si se verifica daca este indeplinita conditia:

unde se calculeaza cu relatia:

K coeficient adiabatic

Pentru H2

=0.528

Calculez : =0.812

Rezulta ,curgerea este subcritica astfel incat nu va fi atins regimul de curgere strangulata.

5)Calculul cursei robinetului:

Se determina cursa nominala a robinetului de reglare RR, H100 ca fiind cu 2[mm] mai mica decat diametrul sau nominal ,rezulta H100=13[mm].

Hmin=9.4[mm]

Hnom=10.9[mm]

Hmax=12.4[mm]

H s-a calculat cu relatia (3.42), deoarece la un RR pentru care caracteristica de lucru coincide cu caracteristica sa intrinseca.

Se observa ca in regim normal de functionare cursa tijei robinetului reprezinta 84.07 % din cursa nominala H100.

Curgerea prin RR nefiind insotita de regimuri speciale nu este necesar calculul nivelului de zgomot produs de RR ales.

6)Alegerea servomotorului de actionare a robinetului de reglare RR:

Pentru un RR cu ventil cu un scaun ,se recomanda folosirea unui servomotor pneumatic cu membrana cu un simplu efect reversibil.

Servomotorul trebuie sa permita obtinerea pozitiei de siguranta a RR:

Normal deschis servomotorul va fi de tipul aerul inchide.

Pentru a asigura o dependenta perfect liniara intre cursa servomotorului si semnalul de comanda (de la regulator ),acesta se va echipa cu un pozitioner,eliminandu-se astfel histerezisul caracteristicii i/e.

Trebuie sa se cunoasca:

-caderea de presiune maxima corespunzatoare debitului minim reglabil;

-domeniul semnalului de comanda;

Pa-valoarea presiunii de alimentare a pozitionerului;

P1-presiunea in amonte de robinetul de reglare;

Ds-diametrul scaunului robinetului;

Acestea fiind cunoscute ,se verifica daca sunt indeplinite conditiile:

    (3.47)

unde : Fsmax este valoarea fortei date de servomotor pentru presiunea maxima de comanda.Se va alege un servomotor pneumatic cu simplu efect de tip: P 135/20 (aerul inchide) echipat cu un pozitioner.

Avem:

Pa=1.5[bar]

P1=5[bar]

Ds=4[bar]

Pentru tipul de servomotor ales ,din catalog se ia:

Fsmax=71[daN]

Verificam inegalitatile (3.47):

0.0628[daN]<71[daN];

Acestea fiind satisfacute ,rezulta ca servomotorul a fost bine ales.

D.3.Alegerea unei scheme de reglare

Sistemul de reglare automata a presiunii (SRA-P adoptat) ,are shema de principiu ca in figura urmatoare:

Fig. 11

Alegerea si calcularea blocurilor componente pentru schema de reglare aleasa.

D.3.1 Procesul tehnologic (PT)

Modelul matematic si functia de transfer au fost determinate in capitolul D.1. si anume:

(3.48)

D.3.2. Traductorul de masura (TM)

Pentru masurarea presiunii din rezervor se va folosii un traductor de presiune cu tub Bourdon, din aparatura unificata F.E.A. ,de tip AT 10 ELT 370 cu urmatoarele date de catalog:

-semnalul de intrare:0350[bar]

-semnalul de iesire:210[mA]

-precizia: 0.5%

-temperatura mediului :-1060 C

-alimentarea :220[V] [-15%;+10%],50 sau 60[Hz]

-rezistenta de sarcina:03 [kΩ]

Caracteristica statica :intrare /iesire a traductorului de presiune este cea din urmatoarea figura.Traductorul va fi astefel comandat incat sa aiba aceasta caracteristica statica de intrare /iesire:

De pe caracteristica statica i/e se determina factorul de transfer al traductorului in regim stationar:

(traductorul ales masoara presiunea relativa)

Tot pe caracteristica i/e ,pentru semnalul de intrare p=2 bar se obtine r=5.555 mA

In general ,un astfel de element admite o functie de transfer de ordinul I:

(3.49)

Constanta de timp se estimeaza la TTP=3.5 [sec]

Rezulta:

(3.50.)

D.3.3 Convertorul electro-pneumatic:

Se adopta din aparatura F.E.A. un convertor curent-presiune de tip ELA 104 A cu urmatoarele date de catalog:

-semnalul de intrare :210 mA (legare in serie a conexiunilor la cutia de borne);

-semnalul de iesire :0.21 bar sau 10.2;

-rezistenta de intrare:1000Ω la 210 mA;

-alimentarea cu aer instrumental :1.40.1 bar;

-clasa de precizie : 1%;

Pentru reglarea presiunii de alimentare este nevoie de un filtru reductor de tip FR 100.

Caracteristica statica de i/e este prezentata in figura urmatoare:

Admite uzual o functie de transfer de forma:

(3.51)

Se determina :

iar TCEP se estimeaza la 4 secunde ,rezulta:

(3.52)

D.3.4. Elementul de executie:

Robinetul de reglare are caracteristica de lucru:

Q=f(h)

deci identica cu caracteristica intrinseca:

KV=f(h)

si amplificarea este constanta indiferent de debit (ψ=1)

Servomotorul pneumatic va fi echipat cu pozitioner deci si el va fi un element liniar.

In aceasta situatie se poate considera SMP+RR ca un singur bloc (EE) a carui functie de transfer este de forma:

(3.53)

iar caracteristica statica de i/e este liniara ca in figura urmatoare:

iar TEE se estimeaza la 6 secunde ,astfel incat:

(3.54)

D.3.5. Alegerea si acordarea regulatorului

Pentru acest tip de proces se utilizeaza uzual un regulator PI:

(3.55.)

unde ∆c si ∆a reprezinta variatii in jurul unui punct de functionare (a0,c0).

Si anume:

∆c=c-c0;

∆a=a-a0;

punctul stabil de functionare este un punct pentru care abaterea de reglare este ∆a=0.

Pentru a=a0, se va fixa raspunsul regulatorului :c=c0 la mijlocul domeniului de iesire(c0 = 6 [mA]) astfel incat cursa tijei robinetului de reglare sa se mentina la 76,15 % din valoarea sa nominala.

Legea de reglare a regulatorului va fi deci:

(3.56.)

regulatorul se va acorda cu criteriul Ziegler Nichols.

Justificarea adoptarii acestui criteriu este urmatoarea:

-sistemul de reglare are marimea de intrare constanta (este un sistem de stabilizare) si urmareste un regim tranzitoriu scurt concomitent cu o variatie accep[tabila in timpul acestui regim tranzitoriu a parametrului reglat fata de valoarea prescrisa .

folosind acest criteriu ,coeficientii regulatorului vor fi alesi astfel incat:

(3.57)

va fi minima.

Aplicarea criteriului.Determinarea lui Ki0 si Ti0

Schema bloc a sistemului de reglare este urmatoarea:

Functia de transfer a sistemului in bucla deschisa este urmatoarea:

(4.58.)

(4.59.)

Caracteristica de modul va fi:

(3.60.)

iar caracteristica de faza este:

(3.61.)

Se obtine:

(3.62)

(3.63)

Pentru frecventa sistemul ajunge la limita de stabilitate ,adica:

(3.64)

Pentru a-l determina pe ω0 se va rezolva prin incercari ecuatia:

(3.65)

Se obtine:

T0=2Π / ω0

Ti0=41,88[sec]

Cu ω0 astfel gasit se rezolva in functie de KR ecuatia:

Md(ω0)=0

Se obtine:

KR0=51,64

Conform criteriului Ziegler Nichols ,valorile optime pentru coeficientii regulatorului sunt:

(3.67)

Se va utiliza deci un regulator a carui functie de transfer este de forma:

Unde KR si Ti sunt cei determinati mai sus:

KR =KRopt

Ti= Ti opt

Astfel ,functia de transfer in bucla deschisa va fi:

iar cea in bucla inchisa:

D.4.Studiul stabilitatii sistemului automat de reglare a presiunii:

Se considera sistemul de reglare cu regulatorul calculat la punctul anterior.

Pentru a studia stabilitatea sistemului se calculeaza caracteristica de frecventa (modul si faza) a sistemului deschis:

Functia de transfer a sistemului deschis va fi:

H*d(s)= Hd(s)^. HTP(s)

Hd(s)= HR(s)^. HCEP(s) ^. HEE(s) ^. HPT(s)

sistemul este considerat cu reactie negativa:

HR(s)=1

Dar: H*d(s)= He(s)^. Hf(s)

Unde :

Hf(s)= HCEP(s)^. HEE(s) ^. HPT(s) ^. HTP(s)

Se obtine caracteristica de modul:

(3.68)

si caracteristica de faza:

(3.69)

Pentru a aprecia stabilitatea sistemului se evalueaza rezerva de atabilitate a sistemului ,prin daua marimi caracteristice :

-rezerva de stabilitate in modul:m;

-rezerva de stabilitate in faza:φ;

Aceste marimi se iau se iau in raport cu modulul 1 si unghiul de faza Π;

Astfel ,din conditia:

se va obtine pulsatia e taiere:

Din conditia :

(3.71)

Se obtine pulsatia de rezonanta:

Atunci rezerva de modul se calculeaza astfel:

(3.72)

Rezerva de faza:

) (3.73)

Se obtine:

]

Pentru sistemele stabile trebuie ca:

Rezulta deci,conform criteriului de stabilitate Bode ca sistemul este stabil.

D.5 Analiza performantelor realizate de catre sistemul automat de reglare a presiunii:

Performantele pe care beneficiarul le impune sistemului automat de reglare a presiunii:

p[PREF-0,1 bar PREF +0,1 bar];

PREF=4 bar;p=presiunea in rezervor;

-timpul de stabilizare al presiunii in urma aparitiei unei perturbatii in sistem sa fie:tr≤60 sec.

Pentru analiza performantelor realizate de SARP ,se va calcula raspunsul la perturbatii al sistemului si cu timpul de integrare al regulatorului.

Se fac urmatoarele notatii:

Hq(s)= HPT(s)^. HTP(s)

H1(s)= HREG(s)^. HCEP(s)^. HEE(s)

Se stie:

Qz=334,326^.10^-6[kg/sec]

In aceasta ipoteza:

Unde:

Facand inlocuirile se obtine:

Unde:

Sau inlocuind cu valorile cunoscute:

p1=-0,122715

p2=-0,00577

Descompunanad in factori se va obtine:

A=-B=0,58776

Efecuand transformarea inversa se va obtine:

sau:

Se observa ca raspunsul la perturbatie al sistemului automat este aperiodic:

E. Caiet de sarcini

Schema bloc din capitolul IV.3. realizeaza reglarea automata a presiunii. Elementele componente ale instalatiei sunt:

-rezervor pentru aer comprimat

-conductele de legatura

-traductor electronic de presiune relativa AT 10-ELT 870

-regulatorul ELC 113 A

-inregistratorul electronic ELR 352

-convertorul electropneumatic ELA 104 A, impreuna cu filtrul sau
-reductorFR 100

-robinet se reglare

Primele doua elemente ale instalatiei sunt descrise in partea de prezentare a instalatiei tehnologice (vezi capitolul II).

Celelalte elemente se vor monta in felul urmator:

- regulatorul si inregistratorul de presiune relativa pe panou, iar restul aparatelor se vor monta in apropierea instalatiei tehnologice, in apropierea panoului.

Caracteristicile traductorului electronic de presiune relativa AT 10-ELT

semnalul de intrare :0.. .350 bar

natura fluidului : fluide necorozive

domenii de masurare : O15bar; 20; 50; 350 bar

semnalul de iesire :2..10mA

precizia

temperatura mediului ambiant: 60 C

alimentarea :220 V; 50 sau 60 Hz

rezistenta la sarcina :0.. .3 kH

E.1 Punerea in functiune.

Verificari preliminare punerii in functiune:

-corectitudinea montajului privind racordurile de presiune si ce electrice

-etanseitatea racordurilor de presiune si a robinetilor de izolare, care se face
introducand instalatiei presiunea maxima admisa si verificand pierderile de
presiune

-verificarea liniilor electrice (izolatie, scurt-circuit, punerea la masa)

-verificarea calibrarii traductorului: pentru aceasta se realizeaza montajul de
mai jos (cu un miliampermetru de 0..20 mA)

Se aplica asupra traductorului o presiune egala cu limita inferioara a domeniului de masurat. Daca traductorul nu este prevazut cu surub de deplasare a gamei, se va actiona asupra surubului de ajustare a punctului de zero, pana cand se va obtine la iesire un semnal de 2 mA. Se va ajusta surubul de zero al receptorului pana se va citi valoarea zero pe cadranul receptorului.

Daca traductorul are surub de deplasare a gamei, se va proceda astfel: la valoarea limita inferioara a presiunii se va ajusta surubul respectiv pana cand se va obtine la iesire aproximativ 2 mA, dupa care se ajusteaza surubul de zero pana cand se obtine valoarea exacta de 2 mA.

Se aplica asupra traductorului o presiune egala cu limita superioara a domeniului de masurat si se ajusteaza surubul de ajustare a domeniului de masura pana se obtine la iesire 10 mA.

E.2.Montarea adaptorului electronic ELT370

Adaptorul ELT370 este prevazut cu o cutie de borne pentru conexiuni legata de carcasa, care cuprinde 9 borne radiale si una centrala.

La bornele '+' si '-' IESIRE se conecteaza sarcina exterioara, care, impreuna cu rezistenta conductoarelor de legatura nu trebuie sa depaseasca 3 kn. Adaptorul se leaga in serie cu celelalte elemente din bucla. Semnalul de iesire nu necesita cabluri ecranate (este un semnal de c.c.).

La bornele 'U' si 'V' se conecteaza reteaua de alimentare: 220 V, 50 sau 60 Hz, cu conditia ca variatia tensiunii de alimentare sa nu depaseasca +10% si -15% din valoarea sa nominala.

Legarea la pamant se va executa in conformitate cu normativul CSCAS 1-7-62, la borna centrala marcata cu 'G' sau 'MASA'.

Pe partea laterala a cutiei de borne sunt 3 stuturi pentru racordurile electrice. Racordurile electrice se vor face cu cablu sau cu conductori izolati in tuburi de protectie sau teava. Conductorii electrici trebuie sa fie din cupru si sa aiba sectiunea minima de 0,75 mm', izolatia din cauciuc sau din PVC, dimensionata pentru o tensiune de lucru de minim 250 V.

Este strict interzisa alimentarea aparatului cu iesirea in gol (se pot strapunge tranzistoarele din etajul final).

E.3.Montarea regulatorului ELC 113A

Montarea regulatorului consta in urmatoarele operatii:

desurubarea surubului de fixare pe timpul transportului;

desurubarea surubului placii de montaj si inlaturarea subansamblului placii
de montaj;

introducerea aparatului in decuparea din panou, montarea placii de montaj si
strangerea surubului de fixare a acesteia.

Pentru executarea conexiunilor exterioare se scoate capacul cutiei de borne si se introduc cablurile de legatura. Conexiunile se realizeaza cu conductori izolati din PVC tip TLZ 19X0,2, infasurati intre ei. Alimentarea

regulatorului se face la bornele U si V. Bornele Ci, C₂ si T,, T₂ se scurtcircuiteaza.

Verificari inaintea punerii in functiune:

verificarea corectitudinii legaturilor la bornele aparatului;

verificarea liniilor de alimentare si a celor de transmitere a semnalului;

verificarea tensiunii de alimentare, care trebuie sa fie intre limitele 220 V

Dupa aplicarea tensiunii de alimentare , regulatorul incepe sa functioneze imediat. Pornirea aparatului se va face cu comutatorul 'AUT-MAN' pe pozitia 'MAN' , se regleaza curentul de iesire, manual, la valoarea dorita, dupa care se trece la functionarea automata. Nu este permis sa se alimenteze regulatorul cu iesirea in gol.

E.4.Montarea convertorului electropneumatic ELA 104A

Se va monta in pozitie verticala 5, in locuri ferite de vibratii, de actiunea radiatiilor termice intense si de precipitatii. Se poate monta cu actiune directa sau inversa. Legarea la borne se face cu respectarea marcarii de pe eticheta.

Pentru reglarea presiunii de alimentare, este necesar un filtru reductor FR 100, care alimenteaza de la compresorul local de aer comprimat.

Racordurile pentru cutia de borne se fac cu teava de cupru O 6x1.

E.5.Montarea inregistratorului 352ELR

inregistratorul se monteaza pe panou, intr-un loc cu temperatura mediului ambiant: +45 C, umiditate relativa: 65%20%, ferite de vibratii si radiatii termice.

Se monteaza in decuparea din panou de dimensiuni: 158x158 si se face prinderea cu placile de fixare care se livreaza odata cu aparatul. Pentru punerea in functiune se scoate ansamblul principal din carcasa; dupa scoaterea surubului de blocare mecanica de pe spatele aparatului, se apuca manerul ramei si se trage mecanismul afara pana ce este oprit de parghia de blocare. Pentru deblocarea mecanismului de identificare, se desface sfoara cu care este legat bratul indicator de placa de scala.

Montarea diafragmei:

-se trage mecanismul interior in afara carcasei (aproximativ 50 mm)

-se ridica suportul penitei si se lasa ridicata

-se aseaza diagrama pe suportul interior

-se introduce capatul diagramei intre axul de ghidare si rola de alimentare si
-se roteste roata dintata pana ce capatul diagramei apare in partea de sus a
rolei

-se taie capatul diagramei in forma triunghiulara si se introduce in crestatura
rolei, dupa care se infasoara odata pe roata

-se elibereaza suportul penitei, astfel penita sa se sprijine pe diafragma

E.6.Umplerea cu cerneala

Se verifica conectarea tubului de siliciu la tuburile metalice ale calimarii. Se fixeaza calimara la subansamblul suport-calimara impingand de ea, astfel ca acul de la subansamblu capac-calimara sa strapunga capacul.

Pentru punerea in functiune se fac urmatoarele verificari:

verificarea liniilor de alimentare de la sursa si a celor de transmitere a

semnalelor

verificarea instalatiei de punere la pamant

verificarea tensiunii retelei

verificarea corectitudinii conexiunilor electrice

verificarea corectitudinii racordarii la reteaua de aer comprimat

F.Notita tehnica

Sistemul de reglare automata a presiunii prezentata pana acum realizat in intregime cu elemente de automatizare electronice tipizate din sistemul unificat fabricat in Romania (FEA) pentru procese lente.

F.1.Traductorul de presiune AT 10 ELT 370

Acest traductor de presiune este un element de balanta care masoara presiunea relativa (fata de presiunea atmosferica) si transmite ca semnal de iesire un curent continuu de l0 mA, proportional cu presiunea relativa masurata.

Principiul de functionare este urmatorul: presiunea relativa se aplica asupra elementului sensibil de presiune (tub Bourdon), pe care il deformeaza elastic, creand un moment activ care este echilibrat de momentul static rezistent produs de catre bobina de reactie. Fiecare miscare a barei de forta produce o deplasare a armaturii mobile a detectorului, ceea ce are ca efect schimbarea curentului din detectorul secundar.

Curentul este amplificat de reactie si asupra receptorului.

Forta produsa de bobina de reactie echilibreaza forta produsa de elementul sensibil la presiune. Curentul de iesire se transmite la un receptor care poate sa fie un aparat de masurat, indicator, inregistrator sau regulator.

Semnalul electric la iesirea din traductor se transmite prin 2 conductoare normale neecranate, distanta dintre traductor si receptor putand fi de cca l 000 m.

Caracteristicile tehnice principale:

semnalul de intrare: 035 bar

natura fluidului: fluide necorozive

domeniu de masurare: 0 15 bar

semnal de iesire: 10 mA

precizia: 0,5 %

temperatura mediului: -10.. .+60 C

alimentarea: 220 V; 50 sau 60 Hz

rezistenta la sarcini: 0.. .3 kQ

F.2.Regulatorul electronic ELC 113 A (PI)

Regulatorul amplifica si prelucreaza operational semnalul de eroare rezultat din compararea marimii de reglat cu marimea prescrisa sau cu semnalul de eroare primit direct de la alte aparate, in functie de valoarea acestuia, regulatorul ofera la iesire un semnal unificat.

Regulatorul este prevazut cu un dispozitiv propriu de prescriere a marimii de referinta pentru a putea fi folosit in buclele fara aparate inregistratoare sau indicatoare, in principiu, regulatorul ELC 113 A este un amplificator operational format dintr-un modulator magnetic, un amplificator selectiv, un demodulator sincron, un bloc oscilator, un amplificator de curent continuu in putere, un bloc de calcul PI, un bloc pentru semnalul de referinta si un bloc de alimentare cu tensiune stabilizata.

Pentru extinderea domeniului de utilizare, regulatorul este prevazut cu urmatoarele dispozitive:

comutator 'DIR-INV' care schimba polaritatea semnalului de intrare in
amplificatorul operational, corespunzator cu polaritatea semnalului de
actionare a elementului de executie.

comutator 'AUT-M AN' permite trecerea fara socuri a instalatiei din regimul
automat in cel manual si invers.

buton de echilibru 'AUT-MAN'

comutatorul 'LOCAL-EXTERN' prin care se face selectarea referintei
folosite.

buton pentru echilibrarea referinta locala - referinta externa.

comutator pentru multiplicarea cu 10 a indicatiei aparatului indicator.

scala rezistentei interne gradate in procente de la O la 100%

dispozitiv de comanda normala a semnalului de iesire

instrument indicator a semnalului de iesire

dispozitiv de comanda normala a referintei interne

instrument indicator de deviatie care indica:

diferenta intre valoarea masurata si valoarea de referinta

diferenta dintre valoarea de referinta si valoarea de referintei externe

d) diferenta intre curentul de iesire in regim automat si cel in regim normal

Caracteristici tehnice principale:

-semnalul de intrare:

-masura: 2-10 mA ce (rezistenta de intrare: 220Ω)

-referinta: 2-10 mA ce (rezistenta de intrare: 220:Q): 0,4-2 V ce (rezistenta de intrare: 80 k

-eroarea :-1, +1,6 V ce (80 k

-semnalul de iesire: 10 mA cc

-rezistenta maxima de sarcina: 3 kΩ

-precizia de indicare a aparatului de masura: 2,5%

-amplificare de integrare: 200

-amplificare de derivare: 9

-parametrii de reglare: BP = 0,5;4.. .400%(in 24 de trepte)T[ = l 100 sec (in 24 de trepte)

-precizia referintei interne: 0,5%

-domeniul de indicarea instrumentului de deviatie: 15%

-alimentarea: 220 V ce 10%;50 Hz

c-onditii climatice necesare: temperatura mediului: -10+45C

F.3.Convertorul pneumatic ELA 104 A

Converteste semnalul electric de l O mA ce sau 20 mA cc (in functie de felul cum se fac legaturile la cutia de borne) in semnal pneumatic unificat: 0, l bar sau bar (in functie de modul de actionare a

servomotorului si a robinetului de reglare).

Constructiv, el se compune dintr-un electromagnet polarizat, de curent

continuu, si din compartimentul pneumatic format dintr-un sistem duza-clapeta, un releu pneumatic si o reactie negativa; principiul de functionare se bazeaza pe fenomenul compensarii fortelor. Convertorul este prevazut cu posibilitatea reglarii punctului de zero cu ajutorul unui arc al carui element de reglare este accesibil din exterior.

Principalele caracteristici tehnice:

-semnal de intrare: 10 mA (sau 20 mA cc)

-semnal de iesire: 0,2l bar (sau 0,2 bar)

-rezistenta de intrare: l kH la 10 mA cc sau 250 kΩ la 20 mA cc

-alimentarea: aer instrumental la 1,4 0,1 bar

-clasa de precizie: 1%

-tipuri de protectie: cutia de borne antiexploziva, clasa de protectie Exa 111
G4, STSA 6789-63

-recorduri: cutia de borne-teava G 1/2 pentru presiune, teava de cupru Φ 6x l

-greutate: 4 kg

F.4.Inregistratorul electronic ELR 352

Acest inregistrator are o penita pentru semnal unificat, de gabarit mic si functioneaza pe principiul compensarii automate, oferind posibilitatea masurarii precise a semnalelor unificate de curent sau de tensiune continue utilizate in instalatiile de automatizare.

In afara de afisarea analogica si de inregistrarea valorilor corespunzatoare, se ofera posibilitatea realizarii si a altor functii: semnalizarea depasirii limitelor, generarea de semnale proportionale cu abterea instantanee fata de o referinta interna.

Caracteristicile tehnice principale sunt:

latimea diagramei: 120 mm

-semnal de intrare: 2 10 mA (pe o rezistenta de sarcina de kΩ )

-precizia: 0,5%

-sensibilitatea: max 0,1%

-scala aparatului: cu scala in arc de cerc cu lungimea de 120 mm si digrama
-rotita de 10³ mm (cea 20 zile)

-scari de masura standardizate

-timp de raspuns: max 4 sec

-alimentare: 220 V 10%, 50 Hz

G.              Modelarea si simularea unui sistem de reglare aSO2

Schema bloc a sistemului de reglare a H₂ este prezentata in figura de mai jos:

unde:

REG - functia de transfer a regulatorului

CEP - functia de transfer a convertorului electropneumatic

EEX - functia de transfer a elementului de executie (robinet de reglare)

PT - functia de transfer a traductorului de masura

p - presiunea de referinta

a - abaterea

c - comanda

r - reactia

m    - concentratia izotopului de H₂

p - presiunea de la iesire

Q,    - perturbati a

in capitolul 4 s-a dedus ca:

H_d(s)=H_R(s) hcep(s) H_EE(s) H_PT(s)

adica, functia de transfer in bucla deschisa este:

iar cea in bucla inchisa:

Cu ajutorul programelor prezentate in anexa, s-au determinat graficele urmatoare:

Raspunsul in frecventa:

Diagramele Bode:

H. Bibliografie

M. Abrudean -'Metodica separarii pe coloane prin schimb izotopic, distilare
si termodifuziune a izotopilor ¹⁵N, ^I8O, ¹³C, ¹⁰B. Referat pentru doctorat'

M. Abrudean, T. Colosi, P. Raica, I. Nascu - 'Preliminarii privind modelarea
si simularea unei coloane de separare a ¹⁵N', Conferinta Internationala de
Automatica si Controlul Calitatii, 28-29 mai 1998, Cluj Napoca.

S. Dronca, M. Abrudean, T. Colosi, D. Axente, A. Baldea - 'Modelarea si
simularea separarii ¹³C prin schimb izotopic', Conferinta Internationala de
Automatica si Controlul Calitatii, 28-29 mai 1998, Cluj Napoca.

T. Colosi, S. Codreanu, I. Nascu , S. Darie - 'Numerical Modelling and
Simulation Of Dynamic Systems' Casa Cartii de Stiinta, Cluj Napoca, 1995.

M. Abrudean, D. Axente, A. Baldea- 'Separarea izotopilor ¹⁵N, ¹⁸O, ¹³C si
^IOB prin schimb izotopic', Casa Cartii de Stiinta, Cluj Napoca, 1994.

M. Tertisor - 'Automatizari in industria chimica', Editura Didactica si
Pedagogica, Bucuresti 1977.

M. Hanganut - 'Teoria Sistemelor', Notite - Curs, 1980 - 1981.

V. Marinoiu, I.Pojdina - 'Robinete de reglare',Editura Tehnica, Bucuresti

T. Colosi, I. Nascu , Paula Raica - 'Introduction in Numerical Modelling and
Simulation of First-Order Partial Differential Equations Through Local
Iterative Linearization'. 'Automation, Computers Applied Mathematics
Scientific Journal T.V.', Cluj Napoca, martie 1966.

I O.K. Cohen - 'The Theory of Isotipe Separation as Applied to the Large Scale

Production of U235' New York, 1951

I1 .T. Colosi, Paula Raica - 'Analogical and Numerical Modelling of Partial

Differential Equations Vising State-Variables and Complementary Variables'. 'Automatic, Control and Testing Conference'. A'96-Theta 10', Cluj Napoca, 23-24 mai 1996.

I. ANEXE:

Raspunsul sistemului la treapta si impuls:

clf;

n=[64.85 20.15 0.45];

d=[3692.5 2675 651 57.46 1];

t=0:1:80;

y1=step(n,d,t);

y2=impulse(n,d,t);

subplot(2,1,1),plot(t,y1,'b');

xlabel('timp[sec]');

ylabel('presiunea[bar]');

grid;

title('Raspunsul sistemului la treapta');

hold on

subplot(2,1,2),plot(t,y2,'b');

xlabel('timp[sec]');

ylabel('presiunea[bar]');

grid;

title('Raspunsul sistemului la impuls');

Raspunsul in frecventa:

Diagrama Bode(faza,modul):

clf ;

nl=l.57*[22.47 1] ;

dl=conv([l 0] ,conv( [24.18 l],conv([3.5 l],conv([4 1] , [6 1]))));

w=logspace(-2,0);

[m,f]=bode(nl,dl,w);

subplot(2,1,1),semilogx(w,20*loglO(m),'b');

grid;

ylabel( '|H(s)|[dB]');

xlabel('w [log]') ;

subplot(2,1,2),semilogx(w,f,'b');

grid;

ylabel ('<H(s)[grade]');

xlabel('w[log]1);

Cuprins:

A.Prezentarea procesului tehnologic

A.1.Scurt istoric:

A.2. Reactia de schimb izotopic:   

A.3. Metodica separarii 15N

A.4. Instalatia pilot pentru separarea izotopului ¹⁵N prin schimb izotopic NO,NO2 HNO3

B. Descrierea instalatiei tehnologice de automatizare   

C. Identificarea procesului tehnologic   

C.1. Determinarea modelului matematic in regim dinamic al rezervorului

C.2. identificarea conductelor de intrare iesire din rezervor

D.Reglarea presiunii in rezervorul cu SO2   

Automatizarea clasica

D.1. Procesul tehnologic

D.2. Calculul robinetului de reglare   

1)Calculul caderii de presiune a sistemului pneumatic de intrare in rezervor:

2)Alegerea robinetului de reglare:

3)Alegera tipului de robinet:

4)Calculul coeficientului de debit al robinetului de reglare:   

5)Calculul cursei robinetului:

6)Alegerea servomotorului de actionare a robinetului de reglare RR:

D.3.Alegerea unei scheme de reglare

D.3.1 Procesul tehnologic (PT)

D.3.2. Traductorul de masura (TM)   

D.3.3 Convertorul electro-pneumatic:   

D.3.4. Elementul de executie:

Aplicarea criteriului.Determinarea lui Ki0 si Ti0   

Schema bloc a sistemului de reglare este urmatoarea:   

E. Caiet de sarcini

E.1 Punerea in functiune.   

E.2.Montarea adaptorului electronic ELT370

E.3.Montarea regulatorului ELC 113A

E.4.Montarea convertorului electropneumatic ELA 104A

E.5.Montarea inregistratorului 352ELR

E.6.Umplerea cu cerneala

F.Notita tehnica

F.1.Traductorul de presiune AT 10 ELT 370

F.2.Regulatorul electronic ELC 113 A (PI)

F.4.Inregistratorul electronic ELR 352

G. Modelarea si simularea unui sistem de reglare aSO2

H. Bibliografie

I. ANEXE:

Cuprins: