Анализ и синтез на базе комплекса технических средств гипотетической микропроцессорной системы оптимального управления технологическим процессом и оборудованием технического объекта (Кристаллизатор), страница 2

После выбора растворителя следует определить пересыщение, при котором кристалл растет достаточно быстро, но так, чтобы одновременно исключить спонтанное зарождение.

Очень важно в процессе кристаллизации поддерживать раствор чистым, так как влияние примесей — одно из наименее изученных и малоуправляемых явлений. Свойства раствора играют определяющую роль в процессе кристаллизации, имеют гораздо более важное значение, чем конструкция установки.

Перед выбором метода выращивания и типа установки необходимо оценить значения следующих параметров процесса: 1) степень пересыщения; 2) эффективность перемешивания; 3) интервал температур.

Пересыщение. Скорость роста кристаллов тем больше, чем выше пересыщение. Для поддержания пересыщения при кристаллизации из растворов обычно применяются следующие методы:

1) метод испарений;

2) метод понижения температур;

3) метод циркуляции.

Метод циркуляции эффективен при кристаллизации в больших объемах. В этом методе вспомогательная емкость для раствора, температура которого несколько выше температуры в собственно кристаллизационной камере, обеспечивает поступление нового материала для кристаллизации. Преимущества системы: постоянство температуры, точность регулирования и возможность использования для веществ практически с любой характеристикой растворимости. Источник раствора не истощается.

Перемешивание. В большинстве методов выращивания кристаллов скорость роста непосредственно зависит от эффективности перемешивания до тех условий, при которых скорость процесса перестает лимитироваться скоростью поступления вещества. Перемешивание непрерывно восстанавливает пересыщение раствора у поверхности растущего кристалла. В противном случае это восстановление происходит в результате обычной диффузии и осуществляется гораздо медленнее. Перемешивание можно использовать для изменения естественной огранки кристалла,

Температура. Критическая скорость роста кристаллов обычно заметно увеличивается при повышении температуры. Опыты показывают, что опасность спонтанной кристаллизации при высоких температурах невелика. Однако при высоких температурах возникает ряд трудностей, одна из которых обусловлена повышенной чувствительностью крупных кри­сталлов к тепловым ударам. Так, из-за высокой анизотропии термического расширения кристаллы размером 25—50 мм растрескиваются уже в том случае, если до них дотрагиваются руками или переносят из одной комнаты в другую, где температура отличается на несколько градусов. Эта проблема создает затруднения, когда дело доходит до извлечения кристаллов из горячего раствора.

Другими недостатками использования нагретых растворов являются повышенная упругость пара и большая интенсивность испарения.

Поддерживать пересыщение раствора становится трудно, а вблизи точки кипения практически невозможно. Кроме того, при высоких температурах случайные перерывы в энергопитании оказываются неизменно роковыми, так как, пока их удается ликвидировать, температура раствора понижается настолько, что это вызывает появление дефектов. Поэтому процессы кристаллизации обычно ведут при температурах растворов, лишь на несколько градусов превышающих комнатную. Регулирование температуры представляет собой наиболее серьезную проблему в кристаллизационной установке.

На стенде представлен наиболее распространенный тип кристаллизатора — кристаллизатор с мешалкой и циркуляцией раствора.

рис.1. Кристаллизатор

В камеру кристаллизатора непрерывно подастся раствор (его расход x₁) с концентрацией x₂. Оптимальная температура в камере у₃ поддерживается за счет регулирования расхода теплоносителя U₂, движущегося по змеевику.

Показателями эффективности процесса являются выход основного продукта у₁ иразмер кристаллов у₂, которые зависят от расхода x₁ и концентрации x₂ поступающего раствора, температуры в камере у₃ и интенсивности перемешивания U₁.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Предварительное обследование ТОУ, сбор исходных данных.

Для получения общего представления о технологическом процессе кристаллизатора составим параметрическую, технологическую, структурную, операторную и функциональную схему.

Y1

Параметрическая схема объекта

	X1

U1

U2

 

Рис.2.Параметрическая схема объекта

где X1, X2 – контролируемые, но неуправляемые переменные; U1, U2 – контролируемые и управляемые переменные; Y1, Y2, Y3 – регулируемые переменные

X1- расход раствора;

X2- концентрация раствора;

U1- интенсивность перемешивания;

U2- расход теплоносителя;

Y1- уровень раствора;

Y2- размер кристалла;

Y3- температура в котле;

Технологическая схема

 

Операторная схема

 

Функциональная схема

 

Общее исследование

В дальнейшем необходимо ответить на следующие вопросы:

1)  Объект односвязный – многосвязный?

2)  Объект линейный – нелинейный?

3)  Объект стационарный – нестационарный?

4)  Характер изменения контролируемых, но неуправляемых в режиме нормальной эксплуатации возмущений, детерминированный – случайный?

5)  Выявить связи выходных и входных переменных, составить блок-схему комплекса

6)  Определить знаки влияния входных переменных на выходные

Выявление зависимостей входных и выходных переменных

Для выявления зависимостей выходных переменных от входных ставиться эксперимент. Алгоритм эксперимента:

1)  Выбираем исследуемый фактор (например, X1), все остальные факторы фиксируют.

2)  Варьируем выбранный фактор в пределах, заданных факторным пространством рабочего процесса.