Sistem DE Reglare A Debitului DE So2 DIN Sistemul DE Reflux A Instalatiei DE Separare A 15n

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 si 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 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 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 sau prin coeficientul de imbogatire =-1.

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 .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 .

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 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:

= 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* (4)

Datorita faptului ca intre produsii de reactie si substantele initiale nu exista decaxista 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:

15NO+H 14NO3 14NO+H 15NO3 (7)

Reactia notata cu (7) prezinta prezinta =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 instalației 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 1,8×1,8×0,2mm 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

25 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. Instalație productivă 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/cm² 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+2H2O3H2SO4+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 Qiv = 2.5 m³/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%) Qiv 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/m³

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

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:

(3.5)

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:

Qivnom=94,4435·10-6[m3/sec] Qi nom=δ·Qiv nom (3.14)

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

si se calculeaza cu relatia (3.11.)

δ| 4 bar(suprapresiune) =3,28·10-6 [kg/m3]

Inlocuind in relatia (3.14) se obtine:

Qi nom=0,3091·10-9[Kg/sec]

Dar Qi poate varia in plaja:[0,8…1,2] Qi nom

Qi min=0,2472·10-9[Kg/sec]

Qi max=0,3708·10-9[Kg/sec]

Iar in debite volumetrice avem:

Qivmin=75,5548·10-6[m3/sec]

Qivmax=113,3322·10-6[m3/sec]

Conducta de intrare in rezervor este de sectiune constanta:Dc=18·10-3[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 Qivmin 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:

α=47,2217*10-6;

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

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 Qev , 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/m²]

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=0.999366;

Inlocuind in relatia (3.28) se va obtine:

(3.31’)

Sistematic procesul tehnologic arata ca in figura de mai jos:

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:

Qivmin=75,5548·10-6[m3/sec]

Qivnom=94,4435·10-6[m3/sec]

Qivmax=113,3322·10-6[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(0.05…1)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 (0.067…1)

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:0…350[bar]

-semnalul de iesire:2…10[mA]

-precizia:± 0.5%

-temperatura mediului :-10…60 °C

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

-rezistenta de sarcina:0…3 [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 :2…10 mA (legare in serie a conexiunilor la cutia de borne);

-semnalul de iesire :0.2…1 bar sau 1…0.2;

-rezistenta de intrare:1000Ω la 2…10 mA;

-alimentarea cu aer instrumental :1.4±0.1 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:

ω0=0.15

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:

α=0,02498

β=0,1256

γ=0,003492

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. realizează reglarea automată a presiunii. Elementele componente ale instalației sunt:

-rezervor pentru aer comprimat

-conductele de legătură

-traductor electronic de presiune relativă AT 10-ELT 870

-regulatorul ELC 113 A

-înregistratorul electronic ELR 352

-convertorul electropneumatic ELA 104 A, împreună cu filtrul său
-reductorFR 100

-robinet se reglare

Primele două elemente ale instalației sunt descrise în partea de prezentare a instalației tehnologice (vezi capitolul II).

Celelalte elemente se vor monta în felul următor:

– regulatorul și înregistratorul de presiune relativă pe panou, iar restul aparatelor se vor monta în apropierea instalației tehnologice, în apropierea panoului.

Caracteristicile traductorului electronic de presiune relativă AT 10-ELT 370

semnalul de intrare :0.. .350 bar

natura fluidului : fluide necorozive

domenii de măsurare : O…15bar; 20; 50; 70;…350 bar

semnalul de ieșire :2..10mA

precizia : ± 0,5 %

temperatura mediului ambiant: -10…60 °C

alimentarea :220 V; 50 sau 60 Hz

rezistența la sarcină :0.. .3 kH

E.1 Punerea în funcțiune.

Verificări preliminare punerii în funcțiune:

-corectitudinea montajului privind racordurile de presiune și ce electrice

-etanșeitatea racordurilor de presiune și a robineților de izolare, care se face
introducând instalației presiunea maximă admisă și verificând pierderile de
presiune

-verificarea liniilor electrice (izolație, scurt-circuit, punerea la masă)

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

Se aplică asupra traductorului o presiune egală cu limita inferioară a domeniului de măsurat. Dacă traductorul nu este prevăzut cu șurub de deplasare a gamei, se va acționa asupra șurubului de ajustare a punctului de zero, până când se va obține la ieșire un semnal de 2 mA. Se va ajusta șurubul de zero al receptorului până se va citi valoarea zero pe cadranul receptorului.

Dacă traductorul are șurub de deplasare a gamei, se va proceda astfel: la valoarea limită inferioară a presiunii se va ajusta șurubul respectiv până când se va obține la ieșire aproximativ 2 mA, după care se ajustează șurubul de zero până când se obține valoarea exactă de 2 mA.

Se aplică asupra traductorului o presiune egală cu limita superioară a domeniului de măsurat și se ajustează șurubul de ajustare a domeniului de măsură până se obține la ieșire 10 mA.

E.2.Montarea adaptorului electronic ELT370

Adaptorul ELT370 este prevăzut cu o cutie de borne pentru conexiuni legată de carcasă, care cuprinde 9 borne radiale și una centrală.

La bornele "+" și "-" IEȘIRE se conectează sarcina exterioară, care, împreună cu rezistența conductoarelor de legătură nu trebuie să depășească 3 kn. Adaptorul se leagă în serie cu celelalte elemente din buclă. Semnalul de ieșire nu necesită cabluri ecranate (este un semnal de c.c.).

La bornele "U" și "V" se conectează rețeaua de alimentare: 220 V, 50 sau 60 Hz, cu condiția ca variația tensiunii de alimentare să nu depășească +10% și -15% din valoarea sa nominală.

Legarea la pământ se va executa în conformitate cu normativul CSCAS 1-7-62, la borna centrală marcată cu "G" sau "MASA".

Pe partea laterală a cutiei de borne sunt 3 ștuțuri pentru racordurile electrice. Racordurile electrice se vor face cu cablu sau cu conductori izolați în tuburi de protecție sau țeava. Conductorii electrici trebuie să fie din cupru și să aibă secțiunea minimă de 0,75 mm", izolația din cauciuc sau din PVC, dimensionată pentru o tensiune de lucru de minim 250 V.

Este strict interzisă alimentarea aparatului cu ieșirea în gol (se pot străpunge tranzistoarele din etajul final).

E.3.Montarea regulatorului ELC 113A

Montarea regulatorului constă în următoarele operații:

deșurubarea șurubului de fixare pe timpul transportului;

deșurubarea șurubului plăcii de montaj și înlăturarea subansamblului plăcii
de montaj;

introducerea aparatului în decuparea din panou, montarea plăcii de montaj și
strângerea șurubului de fixare a acesteia.

Pentru executarea conexiunilor exterioare se scoate capacul cutiei de borne și se introduc cablurile de legătură. Conexiunile se realizează cu conductori izolați din PVC tip TLZ 19X0,2, înfășurați între ei. Alimentarea

regulatorului se face la bornele U și V. Bornele Ci, C2 și T,, T2 se scurtcircuitează.

Verificări înaintea punerii în funcțiune:

verificarea corectitudinii legăturilor la bornele aparatului;

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

verificarea tensiunii de alimentare, care trebuie să fie între limitele 220 V ±
10%

După aplicarea tensiunii de alimentare , regulatorul începe să funcționeze imediat. Pornirea aparatului se va face cu comutatorul "AUT-MAN" pe poziția "MÂN" , se reglează curentul de ieșire, manual, la valoarea dorită, după care se trece la funcționarea automată. Nu este permis să se alimenteze regulatorul cu ieșirea în gol.

E.4.Montarea convertorului electropneumatic ELA 104A

Se va monta în poziție verticală ± 5°, în locuri ferite de vibrații, de acțiunea radiațiilor termice intense și de precipitații. Se poate monta cu acțiune directă sau inversă. Legarea la borne se face cu respectarea marcării de pe etichetă.

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

Racordurile pentru cutia de borne se fac cu țeava de cupru O 6×1.

E.5.Montarea înregistratorului 352ELR

înregistratorul se montează pe panou, într-un loc cu temperatura mediului ambiant: -10…+45 °C, umiditate relativă: 65%…20%, ferite de vibrații și radiații termice.

Se montează în decuparea din panou de dimensiuni: 158×158 și se face prinderea cu plăcile de fixare care se livrează odată cu aparatul. Pentru punerea în funcțiune se scoate ansamblul principal din carcasă; după scoaterea șurubului de blocare mecanică de pe spatele aparatului, se apucă mânerul ramei și se trage mecanismul afară până ce este oprit de pârghia de blocare. Pentru deblocarea mecanismului de identificare, se desface sfoara cu care este legat brațul indicator de placa de scală.

Montarea diafragmei:

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

-se ridică suportul peniței și se lasă ridicată

-se așează diagrama pe suportul interior

-se introduce capătul diagramei între axul de ghidare și rola de alimentare și
-se rotește roata dințată până ce capătul diagramei apare în partea de sus a
rolei

-se taie capătul diagramei în formă triunghiulară și se introduce în crestătura
rolei, după care se înfășoară odată pe roată

-se eliberează suportul peniței, astfel penița să se sprijine pe diafragmă

E.6.Umplerea cu cerneală

Se verifică conectarea tubului de siliciu la tuburile metalice ale călimării. Se fixează călimara la subansamblul suport-călimară împingând de ea, astfel ca acul de la subansamblu capac-călimară să străpungă capacul.

Pentru punerea în funcțiune se fac următoarele verificări:

– verificarea liniilor de alimentare de la sursă și a celor de transmitere a

semnalelor

verificarea instalației de punere la pământ

verificarea tensiunii rețelei

verificarea corectitudinii conexiunilor electrice

verificarea corectitudinii racordării la rețeaua de aer comprimat

F.Notiță tehnică

Sistemul de reglare automată a presiunii prezentată până acum realizat în întregime cu elemente de automatizare electronice tipizate din sistemul unificat fabricat în România (FEA) pentru procese lente.

F.1.Traductorul de presiune AT 10 ELT 370

Acest traductor de presiune este un element de balanță care măsoară presiunea relativă (față de presiunea atmosferică) și transmite ca semnal de ieșire un curent continuu de 2… l0 mA, proporțional cu presiunea relativă măsurată.

Principiul de funcționare este următorul: presiunea relativă se aplică asupra elementului sensibil de presiune (tub Bourdon), pe care îl deformează elastic, creând un moment activ care este echilibrat de momentul static rezistent produs de către bobina de reacție. Fiecare mișcare a barei de forță produce o deplasare a armăturii mobile a detectorului, ceea ce are ca efect schimbarea curentului din detectorul secundar.

Curentul este amplificat de reacție și asupra receptorului.

Forța produsă de bobina de reacție echilibrează forța produsă de elementul sensibil la presiune. Curentul de ieșire se transmite la un receptor care poate să fie un aparat de măsurat, indicator, înregistrator sau regulator.

Semnalul electric la ieșirea din traductor se transmite prin 2 conductoare normale neecranate, distanța dintre traductor și receptor putând fi de cca l 000 m.

Caracteristicile tehnice principale:

semnalul de intrare: 0…35 bar

natura fluidului: fluide necorozive

domeniu de măsurare: 0… 15 bar

semnal de ieșire: 2… 10 mA

precizia: ± 0,5 %

temperatura mediului: -10.. .+60 °C

alimentarea: 220 V; 50 sau 60 Hz

rezistența la sarcini: 0.. .3 kQ

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

Regulatorul amplifică și prelucrează operațional semnalul de eroare rezultat din compararea mărimii de reglat cu mărimea prescrisă sau cu semnalul de eroare primit direct de la alte aparate, în funcție de valoarea acestuia, regulatorul oferă la ieșire un semnal unificat.

Regulatorul este prevăzut cu un dispozitiv propriu de prescriere a mărimii de referință pentru a putea fi folosit în buclele fără aparate înregistratoare sau indicatoare, în principiu, regulatorul ELC 113 A este un amplificator operațional format dintr-un modulator magnetic, un amplificator selectiv, un demodulator sincron, un bloc oscilator, un amplificator de curent continuu în putere, un bloc de calcul PI, un bloc pentru semnalul de referință și un bloc de alimentare cu tensiune stabilizată.

Pentru extinderea domeniului de utilizare, regulatorul este prevăzut cu următoarele dispozitive:

comutator "DIR-INV" care schimbă polaritatea semnalului de intrare în
amplificatorul operațional, corespunzător cu polaritatea semnalului de
acționare a elementului de execuție.

comutator "AUT-M AN" permite trecerea fără șocuri a instalației din regimul
automat în cel manual și invers.

buton de echilibru "AUT-MAN"

comutatorul "LOCAL-EXTERN" prin care se face selectarea referinței
folosite.

buton pentru echilibrarea referință locală – referință externă.

comutator pentru multiplicarea cu 10 a indicației aparatului indicator.

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

dispozitiv de comandă normală a semnalului de ieșire

instrument indicator a semnalului de ieșire

dispozitiv de comandă normală a referinței interne

instrument indicator de deviație care indică:

diferența între valoarea măsurată și valoarea de referință

diferența dintre valoarea de referință și valoarea de referinței externe

d) diferența între curentul de ieșire în regim automat și cel în regim normal

Caracteristici tehnice principale:

-semnalul de intrare:

-măsură: 2-10 mA ce (rezistența de intrare: 220Ω)

-referință: 2-10 mA ce (rezistența de intrare: 220:Q): 0,4-2 V ce (rezistența de intrare: 80 kΩ)

-eroarea :-1,6…+1,6 V ce (80 kΩ)

-semnalul de ieșire: 2… 10 mA cc

-rezistența maximă de sarcină: 3 kΩ

-precizia de indicare a aparatului de măsură: ±2,5%

-amplificare de integrare: 200

-amplificare de derivare: 9

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

-precizia referinței interne: ±0,5%

-domeniul de indicarea instrumentului de deviație: ±15%

-alimentarea: 220 V ce ±10%;50 Hz

c-ondiții climatice necesare: temperatura mediului: -10…+45°C

F.3.Convertorul pneumatic ELA 104 A

Convertește semnalul electric de 2… l O mA ce sau 4… 20 mA cc (în funcție de felul cum se fac legăturile la cutia de borne) în semnal pneumatic unificat: 0,2…l bar sau 1…0,2 bar (în funcție de modul de acționare a

servomotorului și a robinetului de reglare).

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

continuu, și din compartimentul pneumatic format dintr-un sistem duză-clapetă, un releu pneumatic și o reacție negativă; principiul de funcționare se bazează pe fenomenul compensării forțelor. Convertorul este prevăzut cu posibilitatea reglării punctului de zero cu ajutorul unui arc al cărui element de reglare este accesibil din exterior.

Principalele caracteristici tehnice:

-semnal de intrare: 2… 10 mA (sau 4…20 mA cc)

-semnal de ieșire: 0,2…l bar (sau 1…0,2 bar)

-rezistența de intrare: l kH la 2… 10 mA cc sau 250 kΩ la 4…20 mA cc

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

-clasa de precizie: ±1%

-tipuri de protecție: cutia de borne antiexplozivă, clasa de protecție Exa 111
G4, STSA 6789-63

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

-greutate: 4 kg

F.4.Inregistratorul electronic ELR 352

Acest înregistrator are o peniță pentru semnal unificat, de gabarit mic și funcționează pe principiul compensării automate, oferind posibilitatea măsurării precise a semnalelor unificate de curent sau de tensiune continue utilizate în instalațiile de automatizare.

In afară de afișarea analogică și de înregistrarea valorilor corespunzătoare, se oferă posibilitatea realizării și a altor funcții: semnalizarea depășirii limitelor, generarea de semnale proporționale cu abterea instantanee față de o referință internă.

Caracteristicile tehnice principale sunt:

-lățimea diagramei: 120 mm

-semnal de intrare: 2… 10 mA (pe o rezistență de sarcină de kΩ )

-precizia: ±0,5%

-sensibilitatea: max ±0,1%

-scala aparatului: cu scală în arc de cerc cu lungimea de 120 mm și digramă
-rotită de 103 mm (cea 20 zile)

-scări de măsură standardizate

-timp de răspuns: max 4 sec

-alimentare: 220 V ± 10%, 50 Hz

Modelarea și simularea unui sistem de reglare aSO2

Schema bloc a sistemului de reglare a H2 este prezentată în figura de mai jos:

unde:

REG – funcția de transfer a regulatorului

CEP – funcția de transfer a convertorului electropneumatic

EEX – funcția de transfer a elementului de execuție (robinet de reglare)

PT – funcția de transfer a traductorului de măsură

p – presiunea de referință

a – abaterea

c – comanda

r – reacția

m – concentrația izotopului de H2

p – presiunea de la ieșire

Q, – perturbați a

în capitolul 4 s-a dedus că:

Hd(s)=HR(s) hcep(s) HEE(s) HPT(s)

adică, funcția de transfer în buclă deschisă este:

iar cea în buclă inchisa:

Cu ajutorul programelor prezentate în anexă, s-au determinat graficele următoare:

Raspunsul in frecventa:

Diagramele Bode:

H. Bibliografie

M. Abrudean -"Metodica separării pe coloane prin schimb izotopic, distilare
și termodifuziune a izotopilor 15N, I8O, 13C, 10B. Referat pentru doctorat"
(1976).

M. Abrudean, T. Coloși, P. Raica, I. Născu – "Preliminarii privind modelarea
și simularea unei coloane de separare a 15N", Conferința Internațională de
Automatică și Controlul Calității, 28-29 mai 1998, Cluj Napoca.

S. Dronca, M. Abrudean, T. Coloși, D. Axente, A. Bâldea – "Modelarea și
simularea separării 13C prin schimb izotopic", Conferința Internațională de
Automatică și Controlul Calității, 28-29 mai 1998, Cluj Napoca.

T. Coloși, S. Codreanu, I. Născu , S. Darie – "Numerical Modelling and
Simulation Of Dynamic Systems" Casa Cărții de Știință, Cluj Napoca, 1995.

M. Abrudean, D. Axente, A. Bâldea- "Separarea izotopilor 15N, 18O, 13C și
IOB prin schimb izotopic", Casa Cărții de Știință, Cluj Napoca, 1994.

M. Tertișor – "Automatizări în industria chimică", Editura Didactică și
Pedagogică, București 1977.

M. Hăngănuț – "Teoria Sistemelor", Notițe – Curs, 1980 – 1981.

V. Marinoiu, I.Pojdină – "Robinete de reglare",Editura Tehnică, București
1980.

T. Coloși, I. Născu , Paula Raica – "Introduction in Numerical Modelling and
Simulation of First-Order Parțial 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. Coloși, Paula Raica – "Analogical and Numerical Modelling of Parțial

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: