Bepárlók szabályozása

Egy egytestes, folyamatos működésű (stacionárius üzemű) bepárló sematikus vázlatát mutatja be a 25.1. ábra. Az ábrán feltüntettük a bepárló be- és kimenő áramait, az áramok meghatározó paramétereit, a bepárló nyomását és a páratér hőmérsékletét, mint a működés jellemző paramétereit.

25.1. ábra. Egytestes bepárló sematikus vázlata Az ábrán szereplő jelölések:

1. S0 a híg oldat mennyisége, 2. b0 a híg oldat koncentrációja, 3. h0 a híg oldat entalpiája, 4. S1 a sűrű oldat mennyisége, 5. b1 a sűrű oldat koncentrációja, 6. h1 a sűrű oldat entalpiája, 7. V a pára mennyisége, 8. hV a pára entalpiája,

9. wgg_g a bepárlóba bevezetett fűtőgőz mennyisége, 10. hg a bepárlóba bevezetett fűtőgőz entalpiája, 11. p a bepárló nyomása,

12. T a bepárló páraterének hőmérséklete.

Az egytestes bepárló szabályozási struktúrájának meghatározásánál először definiálni kell a szabályozási célt. Általában a cél a sűrűoldat koncentrációjának (b1) biztosítása. A sűrűoldat koncentrációjának biztosítása mellett, fontos műveleti paraméter a nyomás és a bepárlóban, illetve a forralócsövekben lévő folyadékszint biztosítása.

Az így felvázolt irányítástechnikai igények, illetve megvalósításuk automatikusam megadja az anyagmérleg és az összetétel-szabályozási igényeket, azaz a szabályozott jellemzők a következők lesznek

1. anyagmérleg-szabályozás: nyomásszabályozás, szintszabályozás, 2. összetétel-szabályozás: sűrűoldat koncentrációjának szabályozása.

A szabályozási struktúra meghatározásának következő lépése az irányítástechnikai szabadsági fokok meghatározása. Ez azért fontos, hogy hány szabályozott paraméterünk lehet, vagyis megvalósítható lesz-e a bepárló fentebb kívánt szabályozása.

A szabadsági fokok meghatározását a 24.2. pontban már említett két módszer valamelyikével végezhetjük el. Ezek rendre:

1. a változók és egyenletek számának különbsége, 2. körüljárásos vagy mérnöki módszer.

A 24.2. pontban bemutatott példának és a gyakorlatnak a tanulsága alapján azt a módszert célszerű választani, amelyik egyszerűbben szolgáltat megbízható eredményt a szabályozási struktúra ezen lépésében. Figyelembe véve, hogy a bepárló, illetve a bepárlás már egy meglehetősen bonyolult rendszer ahhoz, hogy a változók és egyenletek számának különbsége alapján egyszerűen és gyorsan érjünk eredményt, ezért célszerű a másik módszert választani, amely lényegesen egyszerűbb és inkább áll összhangban a mérnöki szemlélettel.

Ezek alapján, ha a bepárlót úgymond „körüljárjuk” és meghatározzuk, hány helyen tudunk beavatkozni a folyamatba, akkor arra a 25.1. ábra alkalmas. A körüljárás alapján látható, hogy négy helyen tudunk beavatkozni a folyamatba:

1. páraelvezetés, V, 2. hígoldat betáplálása, S0, 3. sűrűoldat elvétele, S1, 4. fűtőgőz mennyisége, wg.

Az egytestes, folyamatos működésű bepárló esetében tehát négy beavatkozási lehetőségünk van.

Ez azt jelenti, hogy négy szabályozókört telepíthetünk a bepárlóra. Szem előtt kell azonban tartani, hogy a bepárlóba betáplálandó híg oldat mennyisége többnyire adott, egy másik berendezés, illetve folyamat által megszabott érték. Azt is meg kell gondolni, hogy a bepárló anyagmérlege

V S

S₀ ₁ , (25.1)

tehát a fenti három változót egyszerre nem módosíthatjuk, mert az ellene mond az anyagmérlegnek. A háromból az egyiket viszont szintszabályozásra használhatjuk, mert az nem visz el szabadsági fokot, és ezért megengedhető.

Figyelembe véve, hogy a hígoldat általában más berendezés által megszabott paraméter, de a bepárló működése szempontjából állandónak tekintjük, ezért a bepárló szabályozási struktúrájának tervezésekor nem vesszük figyelembe.

Így mindezek alapján, három helyen tudunk beavatkozni a bepárló működésébe, melyek az alábbiak:

1. páraelvezetés, V, 2. sűrűoldat elvétele, S1, 3. fűtőgőz mennyisége, wg.

Ez azt jelenti, hogy három szabályozókör működtetésére van lehetőség. Miután a korábbiakban három szabályozott jellemzőt állapítottunk meg, melyek a nyomás, szint és a sűrűoldat összetétele, ezért a bepárlók szabályozása egy 3 x 3-as esetnek felel meg.

25.1.1. Távadók és működésük a bepárló szabályozásában

A szabályozott jellemzőket értékét mérjük távadókkal. A bepárlás során három különböző műveleti paramétert kell mérni és figyelni. Ezeket már megállapítottuk:

 nyomás,

 folyadékszint,

 összetétel/koncentráció.

Ezek mellett, elképzelhető még a fűtőgőz és a kondenzátor hűtővízáramának áramának mérése is.

Erre akkor kerülhet sor, ha a fűtőgőz áramát, mint módosított jellemzőt, kaszkádszabályozás segédszabályozó köreként helyezzük el a szabályozási struktúrában. Hasonló gondolatmenet alapján

lehet a sűrűoldat árama is egy kaszkádszabályozás segédszabályozó köre, ha az összetétel-szabályozást a sűrűoldat elvételével oldjuk meg. A hűtővíz és persze a fűtőgőz áramát is célszerű mindig mérni, hogy a folyamat viselkedéséről, esetleges energiamérlegéről minél több információnk legyen, de a hűtővíz áramát akkor mindenképpen mérnünk kell, ha a hűtővízárammal szabályozzuk a bepárló nyomását.

Az itt felsorolt ötféle műveleti paraméter mérése közül eddig egyedül az összetétel/koncentráció mérésével nem foglalkoztunk. Így ezzel kapcsolatban említünk meg néhány szempontot.

Az összetétel-szabályozás esetén, a bepárlás során, a szabályozó feladata a leggyakoribb esetben az, hogy a sűrű oldat koncentrációját egy kijelölt érteken, illetve egy kijelölt intervallumban tartsa.

Ehhez mérni kell az oldat koncentrációját és abból képezni a szabályozó kör alapjelét. A koncentrációmérést általában nem közvetlenül végzik, hanem egy koncentrációtól függő paramétert választanak, ami jól mérhető. Ez a paraméter lehet az oldat forrási hőmérséklete, mely a koncentrációs forrpontemelkedés miatt függ a koncentrációtól. Ez esetben a hőmérsékletet nagyon pontosan kell mérni, mert az egységnyi koncentrációváltozás okozta hőmérsékletváltozás (a T b érték) meglehetősen kicsiny érték. Különösen kedvezőtlen a helyzet nagy molekulájú, nem disszociáló anyagok oldatainak bepárlásakor (például cukoroldat), amelyeknek koncentrációs forrpontemelkedése különösen kicsiny. Jól disszociáló, erős elektrolitok oldatainak forrpontemelkedése jóval nagyobb (például NaOH), ezeknél a módszer jobban alkalmazható. Nem szabad figyelmen kívül hagyni azt a körülményt sem, hogy a forráshőmérséklet a nyomásnak is függvénye. Hőmérsékletméréssel koncentrációt mérni csak szigorúan konstans nyomás esetén lehetséges.

Szellemes koncentrációmérésre ad lehetőséget az a körülmény, hogy a bepárló páraterének hőmérséklete a tiszta oldószer forrpontja. Az oldat hőmérséklete a forrpontemelkedés miatt ennél magasabb, és forralás közben az oldatból vele azonos hőmérsékletű, tehát túlhevített pára távozik el. A hőveszteség miatt azonban a pára az oldat elhagyása után, de még a bepárló páraterében elveszti túlhevítettségét a pára szenzibilis hője nagyon kicsi, a latens hőhöz képest elhanyagolható és lehűl a telítettségi hőmérsékletre, azaz a tiszta oldószer forrpontjára. Az oldat és páratér között tehát hőmérséklet-különbség van, amely hőmérséklet-különbség a koncentráció függvénye. Ez a hőmérséklet-különbség sokkal kevésbé függ a nyomástól, mint a hőmérsékletek külön-külön. A hőmérséklet-különbség elektromos úton jól mérhető, például úgy, hogy azonos ellenállás-hőmérőket teszünk a mérendő hőmérsékletekhez és azokat egy Wheatstone-hídba kötjük.

A koncentrációmérésnek más módjait is fel lehet használni a szabályozásban. Lehet mérni villamos vezetőképességet, sűrűséget, viszkozitást, törésmutatót. E paraméterek mérésekor figyelemmel kell lenni arra, hogy ezek az értékek a hőmérsékletnek is függvényei.

25.1.2. Lehetséges szabályozási struktúrák

A bepárlók nyomásának szabályozása nem csak a 25.1.1. pontban leírtak értelmében fontos, hanem akkor is rendkívül fontos, ha többtestes bepárlók esetéről van szó. Ilyenkor az egyes bepárló testekben a páratér nyomását pontosan kell tartani, különben az integrált megoldás működése veszélybe kerül. A bepárlók szabályozásáról már megállapítottuk, hogy egy 3 x 3-as esetnek felel meg. A szabályozási struktúra meghatározásánál, célszerű azt a heurisztikus elvet követni, miszerint jó dinamikai viselkedés elérése érdekében kívánatos, ha a beavatkozás, azaz a módosított jellemző és a szabályozott jellemző egymáshoz közel van. Ezért a nyomásszabályozásra a páraáram módosításával kapcsolatos lehetőségeket célszerű választani.

Ezzel összhangban vannak a 21. pontban már áttekintett és ismertetett nyomásszabályozási lehetőségek. Ezek az ott leírtak értelmében oldhatók meg. A 25.2. ábrán bemutatunk egy olyan megoldást, mely esetében direkt a kondenzátorba menő gőzáramot módosítjuk. A szabályozott folyamat a bepárló, a szabályozott jellemző a bepárló páraterének nyomása, a módosított jellemző a páraáram, zavarás például a fűtőgőz áram ingadozása, betáplálás változása.

25.2. ábra. A páratér nyomásának egy lehetséges szabályozása

Ha a páratér nyomása az előírtnál kisebb érték, a szabályozókör működése következtében a páravezetékben levő szelep zárul, áteresztőképessége csökken. A megnövekedett fojtáson csak nagyobb nyomás képes átnyomni a gőzáramot, tehát a páratér nyomása növekedni fog.

Atmoszférikus nyomású bepárló esetében egy légző elvégzi a nyomásszabályozást.

Természetesen a légzőt a bepárló leghidegebb pontjára kell elhelyezni. Vákuumban működő bepárló esetében a vákuum rontása is egy lehetséges megoldás. Erről a desztilláló oszlopok szabályozásánál írunk, de itt is hivatkozunk rá.

A sűrűoldat koncentrációjának szabályozását, mivel a páraáram a nyomásszabályozáshoz rendelhető, tulajdonképpen két módon oldhatjuk meg. Tekintve, hogy az anyagmérleg-szabályozás még egy változó, a folyadékszint szabályozását igényeli, ezért így egy 2 x 2-es alrendszerünk lesz az eredetileg 3 x 3-as rendszerben, mivel a nyomásszabályozást már a fentiek értelmében eldöntöttük. :

 a fűtőgőz áramba történő beavatkozással,

 a sűrűoldat elvételébe történő beavatkozással.

A két megoldást a 25.3. és a 25.4. ábrák koncentrációszabályozásra mutatják be.

25.3. ábra. Koncentráció szabályozás a fűtőközeg változtatásával

Ha a sűrű oldat koncentrációja kisebb, mint az előírt érték, a szabályozókör a szelep nyitásával növeli a fűtőközeg áramát (a fűtőközeg szinte kivétel nélkül mindig gőz, a szelep nyitása a fűtőtérben növeli a gőz nyomását és (hőmérsékletét) és az átadott hő mennyiségét. Ennek következtében az oldatból több pára távozik, a koncentráció növekedni fog. Ha a sűrű oldat koncentrációja nagyobb az előírt értéknél, a szabályozószelep csökkenti a fűtőközeg áramát.

Ha a fűtőközeg áramába technológiai okokból nem akarunk beavatkozni, a beavatkozás helyéül a sűrű oldat elvételét is választhatjuk. Az így kapott szabályozókör hatásvázlatát az 25.3. ábrán mutatjuk be.

25.4. ábra. Koncentrációszabályozás a sűrű oldat elvételével

A szabályozókör a következőképpen működik: ha a bepárlóban levő oldat koncentrációja kisebb, mint az előírás, akkor a szelep a sűrű oldat elvételét csökkenti. Ehhez az érzékelőt úgy kell elhelyezni, hogy az érzékelő az elvételre kerülő sűrű oldat koncentrációját mérje. Ezzel növeli az oldat tartózkodási idejét a bepárlóban. Hosszabb idő alatt az oldat nagyobb hányada párolódik be, növekszik a koncentráció. Fordított esetben a már kellően besűrített oldat elvételéről intézkedik a szabályozókör.

A szintszabályozás ugyanígy működik, de ha a gőzárammal a sűrűoldat koncentrációját szabályozzuk, akkor a szintet a sűrűoldat elvételével szabályozzuk, és fordítva.

A bepárló szabályozási struktúráját a fentiek értelmében a 25.5. és 25.6. ábrákon foglalhatjuk össze.

25.6. ábra. A bepárló egy másik lehetséges szabályozási struktúrája

A két bemutatott szabályozókör csak akkor szolgáltat megfelelően jó eredményt, ha a híg oldat betáplálásban nincsenek túl nagy ingadozások. A bepárlónak mint hőcserélőnek a jó működéséhez az szükséges ugyanis, hogy a benne levő oldatmennyiség ne túl nagy intervallumban változzék. A híg oldat lökésszerű megnövekedése vagy tartós csökkenése a bepárlóban levő oldatmennyiség kedvezőtlen változásait idézi elő.

A betáplálás állandó értéken, vagy gyakorlatilag állandó értéken tartását az itt bemutatott szabályozási struktúra tervezésekor kiindulási feltételként kikötöttük, de erre gondolni kell, ott ahol a hígoldat keletkezik, és betáplálását megoldjuk.