CC BY
1УДК 681.54 Пляц Д.С., ЦарегородцевЕ.Л.
Пляц Д.С.
магистрант
Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт (г. Смоленск, Россия)
Царегородцев Е.Л.
канд. тех. наук, доцент Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт (г. Смоленск, Россия)
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА В КОЛОННЫХ АППАРАТАХ
Аннотация: в работе построена модель автоматического регулирования концентрации озона в колонных аппаратах. Были представлены основные уравнения массопереноса и скорости реакции учитывающие параметры колонны и характеристику среды. С помощью математических преобразований определили передаточную функцию и выполнили моделирование процесса в пакете $с11аЪ ХСО$>.
Ключевые слова: автоматизация, озонирование, сточные воды.
Кинетика гетерогенных реакций регулируется теориями абсорбции газов в жидкостях, сопровождающимися химическими реакциями. Основы этих теорий необходимы для понимания явлений, развивающихся при озонировании соединений в воде. Поскольку реакции озона можно считать необратимыми, изотермическими и реакциями второго порядка или псевдопервого порядка
(реакция разложения озона), последующее обсуждение относится к этому типу реакций газ-жидкость.
Льюис и Уитмен предположили, что при контакте двух несмешивающихся фаз основное сопротивление массопереносу сосредоточено в неподвижном слое толщиной &, близком к границе раздела, называемом слоем пленки. Также предполагается, что массоперенос через пленку происходит только за счет диффузии и что профили концентрации с расстоянием до границы раздела достигаются мгновенно. Тогда это называется теорией псевдостационарного состояния [1,2].
В системе газ-жидкость существует две пленки, по одной для каждой фазы. В большинстве обычных ситуаций газ барботируется в жидкую фазу, поэтому поверхность раздела обусловлена внешней поверхностью пузырьков.
Теория пленки предполагает плоскую поверхность раздела, когда радиус пузырька намного меньше толщины пленки, ситуация, которая возникает в большинстве систем газ-жидкость.
Для моделирования процесса автоматизации концентрации озона в контактном аппарате, помимо теории пленки, мы учитывали основное кинетическое уравнение реакции процесса озонирования и основные параметры жидкости (вязкость и плотность) и контактного аппарата.
Основное уравнение динамики газожидкостного массопереноса[3]:
к-а = с- 0°°'5 - V-012 - - Б017 - д098 - е11,
В этом выражении к - а - суммарная интенсивность массопереноса, с -константа пропорциональности. Эь - коэффициент диффузии, V - коэффициент вязкости, у/р - соотношение плотностей фаз, В - диаметр колонны.
Массообмен между газовой и жидкой фазами описывается уравнением [3]:
й С о , , ч
= к-а-{С0 3-С03),
Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 12 (81) Том 2. ДЕКАБРЬ 2024 г. С03 = • Р0з - равновесная концентрация озона, где - константа
Генри.
Подставим к - а из основного уравнения динамики:
Н^ /Л!\ -0,62
= с . П°,* . „-0Д2 ™
Используя преобразование Лапласа и учитывая С0з (я) = • Р0з (5). выразим передаточную функцию:
Со (5) с • Я°,5 • р-0Д2 • (^)-0,62 • Я0Д7 • ^0,98 • е1,1 •
Ж (5) =
Р0з
5 + с - Я0,5 • V-0,12 • (") 0,62 • Я0,17 • #0,98 • е1-1
Обозначим К = - усиление системы (коэффициент
пропорциональности между давлением и концентрацией). Постоянная времени системы:
1
т =
/У\ -0,62
с - Я0,5 - V-0,12 - - Я0,17 - #0,98 - е1,1
Таким образом передаточная функция имеет вид:
К
Ж(5) =
ТЯ + 1
Примем значения параметров следующими: " -0,62
О^5 = 1,401, « 70,525, £0Д7 = 1,060, #°,98 « 9,623,
е1Д « 3,004, £я = 1,45 • 10-3.
Таким образом:
1
т=
1 - 3,162 -10-5 -1,401 - 70,525 -1,060 - 9,623 - 3,004'
W(s) =
0,00145 7,35s + 1'
Используя полученную передаточную функции составим структурную схему модели САР в среде Хооб.
Рисунок 1. Структурная схема модели САР.
В качестве начального сигнала выступает блок Random genrator, который оказывается воздействие на систему в виде случайных значений. Сигнал, проходящий через блок сумматора, попадает на блок пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора. В качестве управляющего воздействия выступает ошибка регулирования концентрации озона.
График автоматического регулирования концентрации озона представлен на рисунке 2.
Рисунок 2. График системы автоматического регулирования
процесса озонирования.
Анализируя полученный график, можно заключить, что переходный процесс монотонно возрастающий и имеет незначительные колебания. Время регулирования равно 45 секундам, а величина перерегулирования равна нулю, что незначительно увеличивает длительность переходного процесса в допустимых пределах. После того как система достигла равновесия, регулируемая величина не имеет значительных отклонений от требуемого значения, что говорит о минимальном значении статической ошибки. Таким образом полученная модель автоматического регулирования концентрации озона, имеет необходимую степень быстродействия и обеспечивает устойчивое поддержание процесса очистки сточных вод. Предложенная модель может быть использована в проектировании химических установок и систем очистки, использующих процесс озонирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией.- М.: Мир, 1981, 208 с 65;
2. Данквертс П.В. Газожидкостные реакции. - М.: Наука, 1983, 412 с;
3. Пляц Д.С. Влияние скорости потока озоносодержащего газа и ph на коэффициент массопереноса озона в водную среду // Информационные технологии, энергетика и экономика. Сб трудов XXI -ой Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - г. Смоленск, 2024. - С 54-59
Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 12 (81) Том 2. ДЕКАБРЬ 2024 г. Plyats D.S., Tsaregorodtsev E.L.
Plyats D.S.
Moscow Power Engineering Institute (Smolensk, Russia)
Tsaregorodtsev E.L.
Moscow Power Engineering Institute (Smolensk, Russia)
DEVELOPMENT OF A MODEL FOR AUTOMATIC CONTROL OF OZONE CONCENTRATION IN COLUMN APPARATUS
Abstract: a model for automatic control of ozone concentration in column apparatuses was constructed in the work. The main equations of mass transfer and reaction rate taking into account the column parameters and the characteristics of the medium were presented. Using mathematical transformations, the transfer function was determined and the process was simulated in the Scilab XCOS package.
Keywords: automation, ozonation, wastewater.
