Výměník tepla

Výměníky tepla jsou jedním ze základních zařízení v chemické i potravinářské technologii. O různých schématech jejich regulace jsme se již zmiňovali při popisu různých typů regulačních obvodů v kapitole 3.5. Pro méně náročnou regulaci se používá jednoduchého obvodu podle obr. 3.22., u výměníků s velkou zádrží kapaliny obvodu s měřením poruchy podle obr. 3.24. U výměníků vytápěných parou je vhodné používat obvodu s pomocnou regulovanou veličinou podle obr. 3.25., který eliminuje vliv výkyvů tlaku topné páry. Jestliže chceme zajistit rychlou reakci na poruchu, je vhodné použít regulačního obvodu s pomocnou akční veličinou podle obr. 3.26.

Odpařovák

Odpařovák slouží k zahušťování roztoků, a to často za sníženého tlaku, aby se dosáhlo co nejnižšího bodu varu. Bývá vytápěn parou. Na obr. 3.34. jsou zakresleny základní regulační obvody používané pro stabilizaci provozu odpařováku.

• PC 1 regulace tlaku páry v topné komoře a tím i intenzity topení,
• LC 2 doplňování nezahuštěného roztoku tak, aby hladina v odpařováku byla konstantní,
• QC 3 odběr zahuštěného roztoku podle jeho koncentrace,
• PC 4 regulace tlaku v brýdovém prostoru odpařováku ovládáním odvodu brýdové páry,
• TI 5 měření teploty v topné komoře, TI 6 měření teploty roztoku; rozdíl těchto teplot je mírou tepelného zatížení výměnné plochy a jeho růst indikuje nárůst inkrustací.

Vsádkový reaktor

Dalším obecným technologickým zařízením je vsádkový reaktor. Na obr. 3.35. je schématicky nakreslen univerzální tlakový reaktor (autokláv), který je vybaven duplikátorovým výměníkem tepla. Obsah může být podle potřeby technologie buď zahříván nebo chlazen, jako média pro přenos tepla se používá vody. Napouštění a vypouštění reakční směsi se zde provádí ručně, často ale bývá ošetřeno logickým řízením.

• PC 1 regulace tlaku uvnitř autoklávu,
• TC 2.1 regulace teploty v autoklávu; pro přesnější regulaci je použito obvodu s pomocnou regulovanou veličinou, kterou je teplota vody v duplikátoru (TC 2.2), regulace ovládá podle potřeby buď průtok páry pro ohřev vody nebo průtok chladicí vody,
• LI 3 měření hladiny v autoklávu (pro sledování napouštění a vypouštění),
• QI 4 měření složení reakční směsi pro potřeby sledování průběhu reakce.

Průtočný reaktor (fermentor)

Jako reprezentant kategorie průtočných míchaných reaktorů je na obr. 3.36. uveden bioreaktor (fermentor). Zakreslené vybavení měřicími a regulačními okruhy má opět obecný charakter. Kromě okruhů běžných pro chemický reaktor jsou tu některé okruhy specifické pro bioreaktor. Reakční směs může být buď ohřívána nebo chlazena, jako topné či chladicí médium je použita voda. Reakční směs může být také provzdušňována. Míchadlo má proměnné otáčky, protože některé mikroorganizmy (např. plísně) jsou citlivé na mechanické poškození, ke kterému by mohlo při příliš vysokých otáčkách míchadla dojít.

• TC 1 regulace teploty reakční směsi průtokem vody topným hadem,
• QC 2 regulace pH reakční směsi přídavkem kyseliny nebo zásady,
• QC 3.1 regulace obsahu kyslíku v reakční směsi řízením intenzity provzdušňování; obvod je řešen jako vlečná regulace, pomocnou regulovanou veličinou je průtok vzduchu FC 3.2,
• QI 4 měření koncentrace živin (substrátu) v reakční směsi; v některých případech může sloužit k řízení dávkování živin (SC 7),
• QI 5 měření obsahu mikroorganizmů (biomasy) v reakční směsi; slouží ke sledování stavu fermentace nebo množství produktu (je-li produktem biomasa),
• QI 6 měření obsahu některých složek v plynech odcházejících z fermentoru, např. oxidu uhličitého, etanolu, kyslíku; slouží ke sledování stavu fermentace, popřípadě k řízení přídavku živin,
• SC 7 řízení dávkování živin pomocí regulace otáček dávkovacího čerpadla,
• LA 8 sledování hladiny pěny, v případě překročení horní přípustné meze je přidán odpěňovač,
• SC 9 regulace otáček míchadla podle potřeb dané fermentace.

Rektifikační kolona

Rektifikační kolona je pro chemickou technologii typickým aparátem. Regulačních schémat bylo pro kolony vyvinuto ohromné množství, ale určité zásady jsou všem společné. Uvedeme zde pouze dvě běžně užívané varianty. Cílem regulace kolony je zajistit optimální podmínky pro dělení složek při maximálním možném výkonu. Pro sledování stavu kolony slouží tlaky, teploty a průtoky, zásahy lze provádět změnami průtoku nástřiku, velikosti zpětného toku (refluxu) a intenzity topení. První, poněkud jednodušší schéma je na obr. 3.37.

• QC 1 regulace složení destilátu odběrem destilátu z kolony; destilátu je odebíráno pouze takové množství, které zajistí udržování požadovaného složení, zbytek destilátu se vrací do kolony jako reflux (obvod LC 3),
• FC 2 regulace průtoku nástřiku do kolony; zajišťuje stálý výkon kolony,
• LC 3 regulace hladiny destilátu v zásobníku pomocí jeho průtoku zpět do kolony (refluxu),
• FC 4 regulace intenzity topení ve vařáku prostřednictvím průtoku topné páry,
• LC 5 regulace hladiny destilačního zbytku ve vařáku pomocí odběru zbytku z kolony,
• TC 6 regulace teploty destilátu za chladičem pomocí průtoku chladicí vody.

Na obr. 3.38 je nakresleno schéma regulace kolony, které je poněkud složitější tím, že používá vzájemně vázaných regulačních okruhů.

• TC 1 regulace teploty v hlavě kolony prostřednictvím průtoku refluxu; teplota v hlavě kolony odpovídá bodu varu destilátu za daných podmínek a tím i jeho složení, takže jde vlastně o regulaci složení destilátu,
• TC 2.1 regulace teploty v patě kolony pomocí průtoku nástřiku jako pomocné regulované veličiny (FC 2.2); teplota v patě kolony odpovídá bodu varu destilačního zbytku a tím i jeho složení a nástřiku se dodává jen tolik, aby se udržoval dělicí poměr kolony na požadované hodnotě,
• LC 3 regulace hladiny v zásobníku destilátu ovládáním odběru destilátu z kolony; odebírá se všechen destilát, který se nevrací jako reflux,
• PdC 4.1 regulace tlakového spádu na koloně intenzitou topení ve vařáku prostřednictvím tlaku páry v topné komoře vařáku jako pomocné regulované veličiny (PC 4.2); tlakový spád na koloně je ukazatelem optimálního zaplnění kolony,
• LC 5 regulace hladiny destilačního zbytku ve vařáku pomocí odběru zbytku z kolony,
• TC 6 regulace teploty destilátu za chladičem pomocí průtoku chladicí vody.

Dnes jsou výše uvedené regulační obvody většinou začleněny do vyššího počítačového řídicího systému, který automaticky nastavuje žádané hodnoty regulovaných veličin podle složitých algoritmů založených na využití hmotnostních a energetických bilancí, optimalizačních metodách apod. Takový systém také průběžně analyzuje stav kolony, sleduje nežádoucí výkyvy a odchylky, hlídá mezní hodnoty atd. Výkon kolony také bývá koordinován s předcházejícími a následujícími technologickými operacemi.

Související

Související témata Vzdušníky, kompresory Konstrukce, výpočty, projekce