Скачать

Оглавление

Введение. 3

1) Описание технологического процесса. 4

2) Обоснование выбора ТСА.. 10

3) Расчет настройки ПИ-регулятора. 17

Заключение. 21

Список литературы.. 22

Введение

Автоматизация производственных процессов является одним из решающих направлений технического прогресса основным средством повышения производительности труда, качества выпускаемой продукции.

Автоматизация даёт возможность не только повысить производительность труда, но и обеспечить увеличение КПД агрегата, снизить удельные расходы топлива, сырья, повысить безопасность труда, увеличить межремонтный период, период работы оборудования в результате более строгого соблюдения режима и недопущения аварийных состояний агрегата или процесса.

Эффективное функционирование технологических процессов во многом определяется тем, насколько правильно поставлены задачи их автоматизации, выбраны стабилизируемые параметры и управляющие воздействия, а также алгоритмы управления, контроля и представления информации технологическому персоналу.

Цель – систематизация, закрепление и расширение теоретических знаний, получение практических навыков проектирования конкретных задач автоматизации производства на современном уровне достижений науки и техники.

1) Описание технологического процесса

Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) представляет собой высокооктановый кислородосодержащий компонент, который используется как добавка в бензины для улучшения ряда их эксплуатационных свойств, в том числе экологических (значительное снижение оксида углерода, углеводородов и ароматических соединений в выхлопных газах автомобилей). Благодаря добавлению этого компонента, происходит компаундирование базовых бензинов и обеспечивается значительное повышение детонационных свойств моторных топлив.

Сырьем для производства МТБЭ является метанол и изобутилен содержащая фракция (ИИФ – изобутан-изобутиленовая фракция, БИФ – бутан-изобутиленовая фракция и прочие).

Синтез МТБЭ протекает в жидкой фазе в мягких условиях в присутствии твердого кислотного катализатора. Катализатором обычно выступает сульфированная ионообменная смола. В качестве катализаторов используют выпускаемые в промышленности ионообменные смолы типа "Пьюролайт", "Амберлист", "Леватит", КУ-2ФП и др. Температура реакции поддерживается на низком уровне и регулируется в довольно широких пределах.

Основная реакция процесса:

Реакция экзотермическая и обратимая. Тепловой эффект реакции – Q реакции = 11,73 ккал/моль (в жидкой фазе, при 70° С).

Формула эмпирическая С₅Н₁₂О

Формула структурная

Наряду с основной реакцией наблюдается ряд побочных:

а) гидратация изобутилена с образованием триметилкарбинола (ТМК):

б) образование диметилового эфира (ДМЭ):

в) димеризация изобутилена с образованием изомеров диизобутилена выделением большого количества тепла:

Все побочные реакции поддерживаются на минимально допустимом уровне. Конверсия изобутилена может достигать 95-99%, конверсия метанола более 90%, и при этом выход МТБЭ на превращенный изобутилен составляет от 98 до 99,5% мол., а на превращенный метанол – более 99% мол.

Действующие производства МТБЭ в РФ однотипны, технологические схемы различаются в небольших деталях, отдельных конструктивных узлах. Однако, можно выделить технологии без использования реакционно-ректификационных колонн (РРК) для синтеза МТБЭ и технологии, в которых присутствует данный узел. Использование РРК позволяет обеспечивать высокую степень конверсии изобутилена, и его количества в возвратном изобутане достигает показателя менее 0,3-0,5% масс.

Рассмотрим технологический процесс синтеза МТБЭ с использованием РРК. На рисунке 1.1 представлена принципиальная технологическая схема производства МТБЭ с использованием РРК.

Метанол по трубопроводу поступает в емкость Е-1, откуда с изобутан-изобутиленовой фракцией (ИИФ) подается в предварительные реакторы Р-9/1, Р-9/2 и в реактор Р-30.

Приготовленная шихта поступает в нижнюю часть реактора Р-9/1,2, представляющего собой адиабатический реактор с насадкой из катализатора. С верхней части реактора Р-9/1,2 реакционная смесь через холодильник поступает в верхнюю часть трубного пространства изотермического реактора Р-10/1,2. Проходя по трубкам, заполненным катализатором, компоненты смеси вступают в реакцию синтеза. Тепло экзотермической реакции снимается циркулирующим по межтрубному пространству реактора конденсатом с температурой 40-90 °С. С нижней части реактора Р-10/1,2 реакционная смесь направляется в колонну Кт-20.

Рисунок 1.1 Принципиальная технологическая схема производства МТБЭ с использованием РРК

Ректификационная колонна Кт-20 является отдельно стоящей нижней частью реакционно-ректификационного агрегата Кт-20/Р-30/Кт-40 и предназначена для отгонки углеводородов С и метанола от метилтретбутилового эфира. Для снижения объемной доли метанола в кубовом продукте колонны Кт-20 производится боковой вывод части продукта, который после охлаждения подается на нижний или средний слои катализатора Р-30 или на вход в реактор Р-9/2 или в реактор Р-10/2.

Кубовая жидкость колонны Кт-20 – товарный метилтретбутиловый эфир с температурой до 140 °С через теплообменники Т-11, Т-16, охлаждаясь до температуры 40 °С, отводится на склад.

С верха колонны Кт-20 газообразная фракция углеводородов С, содержащая метанол, направляется в нижнюю часть аппарата Р-30 под слой катализатора. Реакционно-ректификационный аппарат Р-30 является средней частью агрегата Кт-20/Р-30/Кт-40 и представляет собой отдельно стоящий аппарат колонного типа, состоящий из нижней реакционной и верхней ректификационной частей.

Верхняя, ректификационная часть аппарата Р-30 служит для отгонки азеотропа "углеводороды С-метанол" от метилтретбутилового эфира и метанола.

На 2 тарелку ректификационной части аппарата Р-30 подается метанол в мольном соотношении метанол:изобутилен 1,4:1. Избыток метанола необходим для снижения реакции димеризации изобутилена.

Кубовый продукт реактора Р-30 подается на верхнюю тарелку колонны Кт-20. С верхней части аппарата Р-30 пары направляются под первую тарелку ректификационной колонны Кт-40. Кубовая жидкость колонны Кт-40 откачивается на верхнюю тарелку аппарата Р-30. С верхней части колонны Кт-40 пары очищенной от МТБЭ изобутановой фракции подаются частично в качестве флегмы, а балансовый избыток жидкости поступает в колонну Кт-50 для отмывки от метанола.

С верхней части колонны Кт-50 отмытая изобутановая фракция направляется на склад. Экстракт колонны Кт-50 – метанольная вода с нижней части колонны направляется в качестве питания в колонну Кт-60 для регенерации метанола из метанольной воды, получаемой при промывке изобутановой фракции.

Пары метанола с верха колонны Кт-60 после конденсации подаются в линию свежего метанола.

2) Обоснование выбора ТСА

Рассмотрим методы измерения регулируемых параметров и выбор средств автоматизации.

Для измерения температуры выберем термометр сопротивления с унифицированным выходным сигналом – ДТС015Л производства ОВЕН.

Термопреобразователь предназначен для непрерывного измерения температуры различных рабочих сред (например, пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т.п.), неагрессивных к материалу корпуса датчика.

Модели датчиков с резьбовым креплением выпускаются в стандартном исполнении с метрической резьбой.

Принцип действия термосопротивления основан на свойстве проводника изменять электрическое сопротивление с изменением температуры окружающей среды.

Для измерения уровня целесообразно используем поплавковый уровнемер ПДУ-И2, производства ОВЕН.

Магнитный поплавковый уровнемер конструктивно состоит из измерительного стержня и магнитного поплавка, перемещающегося вдоль стержня. Внутри стержня установлены герконы с шагом 1 геркон на 10 мм длины. При изменении вертикального положения поплавка вдоль чувствительного стержня в результате подъема или спада уровня жидкости изменяется выходное сопротивление датчика, которое обрабатывается измерительной схемой и преобразуется в аналоговый токовый сигнал 4…20 мА. Таким образом, выходной сигнал аналогового уровнемера прямо пропорционален уровню жидкости. В качестве чувствительного элемента в датчиках используются магниточувствительные герконы в герметичных пластиковых корпусах.

Для измерения давления используем датчик давления ОВЕН ПД100. ОВЕН ПД100 – линейка микропроцессорных датчиков давления, предназначенных для непрерывного преобразования давления измеряемой среды (избыточного, избыточного-вакуумметрического, гидростатического, вакуумметрического) в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА.

Датчики рекомендуются для применения в системах автоматического регулирования и управления технологическими процессами в различных областях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства.

Рекомендуемая рабочая среда для датчиков – различные жидкости (в том числе агрессивные), пар, газы (в том числе метан), парогазовые и газовые смеси, не агрессивные к материалу измерительной мембраны и уплотнения сенсора, при давлении, не превышающем верхний предел измерения датчика.

Линейка ПД100 имеет специализированные исполнения химической промышленности.

Для измерения расхода в ректификационной колонне используем кориолисовый счетчик-расходомер массовый МИР. Он предназначен для прямого измерения массового расхода, плотности, температуры и вычисления объемного расхода, различных по составу жидкостей, их вязкости, взвесей и эмульсий.

Кориолисовы расходомеры – приборы, использующие эффект Кориолиса для измерения массового расхода жидкостей, газов. Принцип действия основан на изменениях фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется среда. Сдвиг фаз пропорционален величине массового расхода. Поток с определенной массой, движущийся через входные ветви расходомерных трубок, создает кориолисову силу, которая сопротивляется колебаниям расходомерных трубок. Наглядно это сопротивление чувствуется, когда гибкий шланг извивается под напором прокачиваемой через него воды.

Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (сенсора) и преобразователя. Сенсор напрямую измеряет расход, плотность и температуру. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы.

Преимущества измерения кориолисовым расходомером:

• высокая точность измерений параметров;
• работают вне зависимости от направления потока;
• не требуются прямолинейные участки трубопровода до и после расходомера;
• надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды (только если расходомер установлен на резиновые подставки-прокладки);
• длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей;
• измеряют расход сред с высокой вязкостью;

Для измерения концентрации применим датчик концентрации Metso Concentration 3300. Он вычисляет концентрацию процессового щелока на основе измерений по 4-х электродной схеме. Имеет выход 4…20 мА.

Анализатор концентрации снабжен выбираемыми рецептами в определенном диапазоне характеристик. Эти рецепты рассчитывают концентрацию, основываясь на зависимости проводимости от концентрации и температуры. Для исключения влияния любых посторонних химикатов, содержащихся в щелоке, на зависимость проводимость-концентрация имеется калибровка по двум точкам.

В качестве регулирующего органа выберем задвижку под электропривод 30с941нж:

• Рабочая среда – вода, пар, масло, нефть, природный газ, жидкие неагрессивные нефтепродукты, неагрессивные жидкие и газообразные среды;
• Температура рабочей среды, ⁰С – -40…+450;
• Условия эксплуатации – У1.

Составные части задвижки 30с941нж приведены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Составные части задвижки 30с941нж

1. Корпус: сталь 25Л, 35Л; 2. Крышка: сталь 25Л, 35; 3. Клин (диски): сталь 25Л,35Л с наплавкой, 20Х13; 4. Шпиндель: 20Х13; 5. Гайка шпинделя: сталь 35, 40Х; 6. Гайка: углеродистая сталь ГОСТ 1050-88 класс прочности не ниже 5 по ГОСТ 1759.5-87; 7. Шпилька, болт: углеродистая сталь ГОСТ 1050-88 класс прочности не ниже 5.6 по ГОСТ 1759.5-87; 8. Болт откидной: сталь 35; 9. Уплотнение между корпусом и крышкой (прокладка, кольцо): паронит, ТРГ; 10. Набивка сальника: АГИ, ТРГ; 13. Подшипник: шариковый упорный; 14. Наплавка на кольце в корпусе: 07Х25Н13; 15. Наплавка на клине: 13Х25Т.

В качестве исполнительного механизма выберем многооборотный привод SAR 07.2 AUMA NORM.

Многооборотный привод – это электропривод, который приводит в действие арматуру, создавая для нее крутящий момент, по крайней мере, на один оборот. Многооборотный привод может выдерживать осевую нагрузку.

Многооборотные приводы компании AUMA работают от электродвигателей.

Описание конструкции

[1] Электродвигатель. Привод оснащен надежным трехфазным асинхронным двигателем. Двигатель подсоединяется к внешним клеммам посредством внутреннего штепсельного разъема. Это позволяет быстро заменить двигатель, например, для изменения скорости на выходе привода.

[2] Блок управления. В блок управления входят две системы контроля (концевые выключатели и выключатели по крутящему моменту). Они измеряют, соответственно, величину перемещения арматуры и крутящий момент на выходном валу.

Рисунок 2.2 Составные части привода

[3] Редуктор. Для понижения частоты вращения двигателя до требуемой скорости вращения на выходе используется хорошо зарекомендовавшая себя червячная передача. Скользящий червяк установлен на червячном валу между двумя пакетами пружин. Червяк перемещается по оси в зависимости от крутящего момента. Это осевое смещение, как мера крутящего момента, передается на блок управления посредством рычага и шестеренчатых колес.

[4] Монтажные фланцы. Монтажные фланцы для установки на арматуру выполнены в соответствии с ISO 5210 (DIN 3210). Существует не-сколько типов выходных валов для установки привода на различные типы арматуры.

[5] Ручное управление. При настройке или в экстренной ситуации возможно управление многооборотным приводом посредством ручного маховика. С помощью красного рычага – переключателя привод отсоединяется от электродвигателя и включается сцепление с ручным приводом. Возможно легкое переключение на ручной режим даже в том случае, если привод работает при максимальном крутящем моменте. При пуске двигателя ручной привод автоматически отсоединяется. Во время работы привода от двигателя ручной маховик не вращается.

[6] Электрическое подключение. Электрическое подключение осуществляется посредством штепсельного разъема, вне зависимости от того, оснащен ли привод средствами управления. Что касается технического ухода, привод можно легко отключить от источника электропитания и контрольных кабелей и легко подключить вновь.

[7] Встроенные средства управления. Приводы AUMA со встроенными средствами управления AUMA MATIC [7a] и AUMATIC [7b] готовы к работе сразу после подключения силового напряжения. Приводом можно легко управлять непосредственно по месту с помощью встроенных кнопок. Встроенные средства управления выполняют все необходимые операции по переключению двигателя незамедлительно и в автоматическом режиме, используя такие встроенные элементы как, например, реверсивные пускатели или тиристоры. Электрическое подключение встроенных средств управления к приводу осуществляется с помощью штепсельного разъема.

Регулирующая арматура предназначена для установки заданного положения, которое постоянно контролируется и может быть исправлено за короткий промежуток времени. Управление осуществляется через параллельный интерфейс с напряжением 24 V DC, через параллельный интерфейс аналоговым сигналом 4 – 20 мА. Время движения от одного крайнего положения до другого составляет секунды. Такой режим работы называется режимом регулирования.

Блок управления двигателем получает уставку от распределенной системы управления (РСУ) в виде, сигнала 4 – 20 мА. Встроенный позиционер сравнивает полученное значение с текущим положением арматуры и приводит привод в заданное положение. Сигнал о достижении конечного положения передается на РСУ.

Управление (клавиатурой), настройка и индикация может осуществляться непосредственно на месте.

Для защиты от короткого замыкания и для отключения электропривода от сети необходимо на месте эксплуатации предусмотреть прерыватель нагрузки и защиту предохранителями.

При настройке и вводе в эксплуатацию, а также в случае неисправности двигателя и потери питания, привод может управляться вручную. Ручное управление включается с помощью механики переключения.

Местное управление приводом осуществляется с помощью кнопок панели местного управления.

3) Расчет настройки ПИ-регулятора

Автоматическое регулирование следует рассматривать как частный случай автоматического управления, при котором желаемое течение процесса поддерживается с требуемой точностью при изменяющихся внешних условиях в определенном промежутке времени или изменяется в соответствии с заданным режимом. Задача на автоматическое регулирование решается установлением регулируемых величин.

Регулируемой величиной является температура. Регулирование достигается за счет установки регулирующих задвижек на линии подачи технологической среды.

Функциональная схема САУ температуры показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Функциональная схема автоматического регулирования

На рисунке 3.1 через ТТ (поз. 1) обозначен измерительный преобразователь температуры, через ТC (поз. 2) – регулятор температуры. Позиции 3 соответствует исполнительное устройство – электрофицированная задвижка.

Основным принципом регулирования является принцип регулирования по отклонению: выходной сигнал предыдущего устройства подается на вход последующего – выход датчика подается на вход элемента сравнения, выход элемента сравнения подключается к входу усилителя и т.д.

Алгоритмическая схема цифровой CAУ представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 Алгоритмическая схема автоматического регулирования

Передаточная функция по каналу: степень открытия клапана на трубопроводе – температура технологической среды

Передаточную функцию датчика температуры примем равной единице.

Передаточную функцию исполнительного механизма примем в виде звена интегрирования с постоянной времени Т_им = 10 сек и отрицательной обратной связью (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 Структура ИМ

Передаточная функция ИМ будет иметь следующий вид:

Общую расходную характеристику насоса и регулирующего органа (РО) примем линейной. Рассчитаем коэффициент передачи РО.

Температура технологической среды при стационарном режиме работы 130 °С. Максимальная рабочая температура 200 °С, положим равно 1.

Рассчитаем коэффициент передачи РО.

Тогда передаточная функция исполнительного механизма:

Рассчитаем параметры ПИ-регулятора по задающему воздействию для синтезированной локальной САУ, рисунок 3.4.

Рисунок 3.4 Схема в Simulink с ПИ-регулятором

Для расчета ПИ-регулятора воспользуемся средствами пакета Matlab, а именно блоком NCD.

Результат расчета:

kp = 1,04

ki = 0,09

Промоделируем систему с рассчитанными параметрами ПИ-регулятора. Схема для моделировании системы в Simulink приведена на рисунке 3.4, результат моделирования на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 Результаты моделирования системы с ПИ-регулятором

Определим качественные характеристики переходного процесса по рисунку 3.5.

1. Время регулирования (t_р) – время, через которое отклонение регулируемого параметра от установившегося значения не превышает 5% – 700 с;

2. Перерегулирование (σ) – показывает, насколько сильно регулируемая величина в процессе регулирования отклоняется от установившегося значения σ = А₁/ y_уст = 0/1 = 0 – нет;

3. Статическая ошибка (e) – показывает, на сколько отличается задание и установившееся в результате регулирования значение e = x – y_уст = 0 – нет.

4. Степень затухания (y) – показывает, насколько сильно затухают колебания y = 1 – А₃/А₁ = 1 – 0/0.

Заключение

Систематизированы, закреплены и расширены теоретические знания, получены практические навыки проектирования конкретных задач на примере разработки автоматизированной схемы управления блока синтеза МБТЭ на современном уровне достижений науки и техники.

Первым этапом выполнения работы стало описание технологического процесса. Следующим – выбор технических средств автоматизации. Произведен расчет ПИ-регулятора.

На основании этого разработана функциональная схема автоматизации.

Разработаны следующие чертежи:

- схема автоматизации функциональная;

- результаты расчетов.

Даны пояснения к графической части.

Список литературы

• ИТС 18-2016. Производство основных органических химических веществ. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям производство основных органических химических веществ. Production of basic organic chemicals. Дата введения 2017-07-01.
• Шувалов, В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности / В.В. Шувалов, Г.А. Огаджанов, В.А. Голубятников. – М.: Химия, 1991. – 480 с.
• Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Теория, расчёт и проектирование систем автоматизации. – М.: Химия, 1982. – (серия «Автоматизация химических производств») 296 с., ил.
• Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев; Под ред. А.С. Клюева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 464 с.: ил.