Автоматизация отделения получения серной кислоты по методу мокрого катализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПО КОНТУРАМ

3. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССА

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

4.1 Расчет автоматической системы регулирования

4.2 Выбор закона регулирования и расчет оптимальных параметров настройки регулятора

4.3 Расчет и построение переходного процесса

5. ОХРАНА ТРУДА

5.1 Общие вопросы охраны труда и окружающей среды

5.2 Промышленная санитария

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПЛК - программируемый логический контроллер;

САПР - система автоматизированного проектирования;

СУ - система управления.

ВВЕДЕНИЕ

Коксохимическое производство - одна из смежных отраслей металлургической и химической промышленности. Путем коксования производят химическую переработку каменных углей, в результате которой наряду с коксом получают высококалорийный коксовый газ, содержащий разнообразные химические продукты, являющиеся основным сырьем для многих химических производств и особенно для продуктов органического синтеза.

В коксовом газе сера содержится в основном в виде сероводорода, на долю которого приходится 95 % всех содержащихся в газе сернистых соединений. Остальные 5% составляют органические соединения: сероуглерод (CS2), сороокись углерода (СОS), меркаптанты (RSH), тиофен и его гомологи и др.

Очистка коксового газа от сероводорода повышает качество газа, улучшает атмосферные условия промышленного района его использования и позволяет получить значительное количество товарной серы или серной кислоты.

В зависимости от агрегатного состояния применяемых поглотителей современные методы очистки горючих газов от сероводорода делят на сухие и мокрые. Сухая очистка коксового газа от сероводорода нашла весьма ограниченное применение из-за громоздкости и неэкономичности этого метода. Большая экономичность мокрых методов очистки газов от сероводорода обусловлена непрерывностью и автоматичностью этих процессов, компактностью установок, малым сопротивлением улавливающей аппаратуры проходу газа, легкостью утилизации регенерированной серы и одновременной очистки газа от циана.

Целью данного проекта является разработка системы автоматизации отделения получения серной кислоты по методу мокрого катализа.

1 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Процесс получения серной кислоты из сероводорода коксового газа по методу мокрого катализа осуществлен в отечественной и зарубежной промышленности на ряде установок различной производительности - от одной до ста тонн моногидрата в сутки. Аппаратура этих установок различна, но в основе процесса лежит одна и та же принципиальная технологическая схема, общая для всех установок. Эта схема включает следующие основные операции:

а) сжигание сероводородного газа в сернистый газ;

б) охлаждение сернистого газа (обычно в котле-утилизаторе);

в) окисление сернистого газа в серный ангидрид в контактном аппарате;

г) конденсация серного ангидрида и паров воды с образованием серной кислоты;

д) охлаждение серной кислоты;

е) очистка хвостовых газов от сернокислотного тумана.

Производство кислоты методом мокрого катализа сводится к сжиганию сероводорода в сернистый ангидрид и последующему окислению его в серный в присутствии ванадиевого катализатора.

Затем смесь газообразного серного ангидрида и паров воды охлаждается и конденсируется в серную кислоту:

Концентрированный сероводородный газ нагнетается вакуум - насосом в котлы для сжигания сероводородного газа. Необходимый для сжигания сероводорода воздух подается в котлы вентилятором. Для предотвращения образования при этом окислов азота, процесс горения ведется с недостатком воздуха и в котлы подается 95% воздуха от необходимого по реакции. Цианистый водород, входящий в состав сероводородного газа, сгорает до элементарного азота .

Температура газовой смеси понижается экраном котла и оставшийся сероводород, при более низкой температуре, дожигается в камере дожига, куда подается необходимое количество воздуха.

Съем тепла от газовой смеси производится экраном котла с образованием пара, который используется для нужд завода.

Питание котлов осуществляется химочищенной деаэрированной водой из водоподготовки ТЭЦ.

Для предотвращения отложения солей жесткости в барабане и трубах котла - непрерывно и периодически продувают котел питательной водой, стекающей в продувочный бак, где она охлаждается технической водой и потом отводится в канализацию.

При сгорании оставшегося количества сероводорода температура газовой смеси после камеры дожига повышается.

Для понижения температуры газовой смеси до рабочей ее величины 440оС, производится вдувание холодного воздуха в камеры смешения.

Охлажденный до 440оС сернистый газ поступает в четырехслойные контактные аппараты, где происходит контактное окисление сернистого ангидрида в серный.

Окисление сернистого ангидрида сопровождается выделением значительного количества тепла и разогревом газа. При повышении температуры снижается равновесная степень окисления сернистого ангидрида.

Для ведения процесса в диапазоне оптимальных температур (440-450оС) газ, после первого, второго и третьего слоев контактной массы, охлаждается в трубчатых теплообменниках, встроенных в контактные аппараты, циркулирующим нагретым (до 230оС) воздухом, подаваемым в трубки теплообменников дымососами.

Серный газ с температурой 440-450оС поступает в скрубберы для улавливания серной кислоты. В скруббере газ охлаждается циркулирующей серной кислотой. При этом происходит охлаждение газов и образование серной кислоты в парообразном состоянии, за счет реакции соединения серного ангидрида с парами воды, а затем конденсация паров серной кислоты.

Сконденсировавшаяся кислота вместе с циркулирующей кислотой отводится в оросительные холодильники серной кислоты, где охлаждается технической водой, а затем стекает в циркуляционный сборник.

Избыток кислоты, образовавшейся в скрубберах за счет конденсации паров, постоянно отводится от линии подачи серной кислоты на орошение скрубберов в продукционный сборник, а из него насосами периодически откачивается в склады реактивов цехов улавливания батарей № 7-10 и № 1- 6

Хвостовые газы, выходящие из скрубберов, содержат большое количество брызг и тумана серной кислоты. Для их удаления хвостовые газы проходят электрофильтры, а затем отводятся в атмосферу. Уловленная в электрофильтрах кислота стекает в специальный сборник для кислоты.

Нагретая техническая вода, стекающая из оросительного холодильника, перетекает в резервуар нагретой технической воды, а из него насосами подается на градирню.

В случае течи серной кислоты в оросительных холодильниках предусмотрен автоматический сброс закисленной технической воды из соответствующей группы секций, в резервуар закисленной воды. В резервуаре закисленная вода нейтрализуется содовым раствором, а затем отводится в канализацию.

2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПО КОНТУРАМ

Для автоматизации применен микроконтроллер SIMATIC S7-400, позволяющий вести сбор информации от датчиков, обработку и вычисление полученных в соответствии с алгоритмами управления, а также выдача управляющих воздействий непосредственно на исполнительные механизмы и регулирующие органы. Функциональной схемой автоматизации приведенной на чертеже СУЗ41С.6.091401.06А1.1 предусматривается:

Контур регулирования расхода: Датчиками расхода является бескамерные диафрагмы ДБС 0,6-300 (поз.1.1, 5-1, 18-1, 23-1); диафрагмы камерные ДКС 0,6-100 (поз. 10-1). Сигнал с диафрагм в виде перепада давления подается на датчик разности давлений МЕТРАН 100 ДД (поз.1-2, 5-2, 18-2, 23-2, 10-2). Унифицированный сигнал с преобразователя подается на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400, в котором измеренное значение параметра сравнивается с предельными значениями и при их несоответствии контроллер сигнализирует об этом. Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображена мнемосхема объекта, где в точках установки датчика показаны измеренное и предельные значения параметра, сигнализация об отклонении, а также, ЭВМ записывает полученные данные в базу данных. Выход с контролера подается на электропневматический преобразователь (поз.1.3, 5-3, 18-3, 23-3, 10-3). Затем на регулирующий клапан с пневматическим мембранным приводом (поз.1.4, 5-4, 18-4, 23-4, 10-4).

Контур контроля расхода: Датчиками расхода является бескамерные диафрагмы ДБС 0,6-300 (поз.28-1); диафрагмы камерные ДКС 0,6-100 (поз. 16-1, 56-1). Сигнал с диафрагм в виде перепада давления подается на датчик разности давлений МЕТРАН 100 ДД (поз.16-2, 28-2, 56-2). Унифицированный сигнал с преобразователя подается на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400, в котором измеренное значение параметра сравнивается с предельными значениями и при их несоответствии контроллер сигнализирует об этом. Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображена мнемосхема объекта, где в точках установки датчика показаны измеренное и предельные значения параметра, сигнализация об отклонении, а также, ЭВМ записывает полученные данные в базу данных.

Контур контроля температуры: Датчиками температуры являются термопреобразователи сопротивления ТСМУ 205Ех с унифицированным выходным сигналом 4…20мА (поз.4-1, 15-1, 21-1, 39-1, 43-1,48-1, 52-1, 53-1, 54-1, 55-1); термопреобразователи сопротивления ТСПУ 205Ех (поз. 14-1); преобразователи термоэлектрические ТХАУ 205Ех (поз. 8-1). Сигнал с датчика подается на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400, в котором измеренное значение параметра сравнивается с предельными значениями и при их несоответствии контроллер сигнализирует об этом. Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображена мнемосхема объекта, где в точках установки датчика показаны измеренное и предельные значения параметра, сигнализация об отклонении, а также, ЭВМ записывает полученные данные в базу данных.

Контур регулирования температуры: Датчиками температуры являются термопреобразователи сопротивления ТСМУ 205Ех с унифицированным выходным сигналом 4…20мА (поз.25-1); преобразователи термоэлектрические ТХАУ 205Ех (поз. 30-1, 32-1, 34-1). Сигнал с датчика подается на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400, в котором измеренное значение параметра сравнивается с предельными значениями и при их несоответствии контроллер сигнализирует об этом. Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображена мнемосхема объекта, где в точках установки датчика показаны измеренное и предельные значения параметра, сигнализация об отклонении, а также, ЭВМ записывает полученные данные в базу данных. Выход с контролера подается на электропневматический преобразователь (поз.25-2, 30-2, 32-2, 34-2). Затем на регулирующий клапан с пневматическим мембранным приводом (поз.25-3, 30-3, 32-3, 34-3).

Контур контроля давления: Датчиками давления являются датчики избыточного давления Метран-100-ДИ (поз.3-1, 7-1, 9-1, 17-1, 20-1, 22-1, 27-1, 29-1, 36-1, 38-1, 40-1, 44-1, 57-1, 58-1). Сигнал с датчика подается на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400, в котором измеренное значение параметра сравнивается с предельными значениями и при их несоответствии контроллер сигнализирует об этом. Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображена мнемосхема объекта, где в точках установки датчика показаны измеренное и предельные значения параметра, сигнализация об отклонении, а также, ЭВМ записывает полученные данные в базу данных.

Контур регулирования давления: Датчиками давления являются датчики избыточного давления Метран-100-ДИ (поз.12-1, 41-1). Сигнал с датчика подается на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400. Управляющий сигнал (4-20 мА) с дискретного выхода контроллера поступает на электропневматический преобразователь ЭП3211 (12-2, 41-2). Затем на регулирующий клапан с пневматическим мембранным приводом (поз.12-3, 41-3). Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображена мнемосхема объекта, где в месте установки датчика показаны измеренное и предельные значения параметра, а также место установки регулирующего органа и его положение (в %). Также, ЭВМ записывает полученные данные в базу данных.

Контур регулирования уровня в сборнике: Датчиком является измерительный буйковый преобразователь Сапфир22-ДУ (поз.46-1). Сигнал с датчика подается на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400. Управляющий сигнал (4-20 мА) с дискретного выхода контроллера поступает на электропневматический преобразователь ЭП3211 (46-3). Затем на регулирующий клапан с пневматическим мембранным приводом (поз.46-4). Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображена мнемосхема объекта, где в месте установки датчика показаны измеренное и предельные значения параметра, а также место установки регулирующего органа и его положение (в %). Также, ЭВМ записывает полученные данные в базу данных.

Контур контроля уровня в сборнике: Датчиком является измерительный буйковый преобразователь Сапфир22-ДУ (поз.49-1). Сигнал с датчика подается на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400. Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображена мнемосхема объекта, где в месте установки датчика показаны измеренное и предельные значения параметра.

Контур измерения рН охлажденной кислоты: Датчиком является Чувствительный элемент с проточным вспомогательным электродом ДМ-5М-4 (поз.50-1, 51-1). Для измерения величины рН используется электродная система со стеклянным измерительным вспомогательным электродом. При погружении электродной системы в контролируемый раствор между поверхностью стеклянного шарика (электрода) и раствором происходит обмен ионами, в результате между шариком электрода и раствором возникает э.д.с., пропорциональная активности водородных ионов. Изменение температуры раствора влияет на э.д.с. электродной системы, изменяя крутизну характеристики измерительного электрода. Сигнал с датчика подается на промышленный указывающий преобразователь повышенной точности в комплекте с температурным компенсатором рН-261 (поз. 50-2, 51-2). С преобразователя сигнал поступает на аналоговый вход блока контроллера SIMATIC S7-400. Через блок шлюза контроллера осуществляется связь с ЭВМ, на экране дисплея которой изображен объект, где в месте установки датчика показаны измеренное и предельные значения.

3. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССА

Часовой расход поглотительного раствора (блок батарей 7 - 10):

м3/час,

где 163700 - расчетное количество коксового газа, нм3/час;

3,8 - удельный расход содового раствора, л/нм3;

Учитывая установленную мощность оборудования отделения регенерации, 50% насыщенного раствора, т.е. 240 м3/час, передается на регенерацию в цех сероочистки батарей 7 - 10. Таким образом, общее количество поглотительного раствора, подвергающееся регенерации в цехе:

м3/час.

Количество уловленных в серных скрубберах компонентов коксового газа:

сероводорода - кг/час;

углекислоты - кг/час;

цианистого водорода - кг/час.

Где 21; 47; 1 - соответственно содержание сероводорода, углекислоты и цианистого водорода в коксовом газе, г/нм3.

Таблица 3.1. Общее количество компонентов коксового газа, уловленных в цехе сероочистки батарей 7 - 10

Наименование	кг/час	нм3/час
Сероводород	2930	1930
Углекислота	772	394
Цианистый водород	140	116
Итого	3842	2440

Расход соды: кг/час или

т/год,

где 0,04 - расход соды на 1 кг уловленного сероводорода, кг.

Выбор оборудования.

Котел для сжигания сероводородного газа.

Таблица 3.2. Общее количество и состав сероводородного газа, поступающего в котел для сжигания сероводорода

Наименование	кг/час	нм3/час
Сероводород	3964	2610
Углекислота	1066	544
Цианистый водород	145	120
Воздух	210	164
Водяные пары	105	132
Итого	5490	3570

Давление абсолютное - 860 мм рт.ст. Температура - 30оС.

Котел для сжигания сероводорода представляет собой стальной вертикальный цилиндрический аппарат, экранированный внутри трубами и футерованный огнеупорным шамотным кирпичом, на верху котла расположен барабан. Внизу котла расположены горелки для подвода сероводородного газа, коксового газа и воздуха. Разогрев котла производится коксовым газом. Режим работы котла:

Температура газов после котла - 7950С

Недожег сероводорода в котле - 5%

Теплопотери в котле - 5%

Расход воздуха на котлы:

а) на сжигание сероводорода: нм3/час;

б) на сжигание цианистого водорода: нм3/час;

в) общий расход воздуха на сжигание сероводорода и цианистого водорода: нм3/час, где 0,21 - % содержания кислорода в воздухе; 1,5 и 1,25 - потребное количество кислорода по реакциям горения H2S и HCN;

г) с учетом подсоса воздуха в вакуумной системе отделения регенерации, количества потребного воздуха на горение сероводорода и цианистого водорода составит: нм3/час.

Количество и состав продуктов горения на выходе из котла:

- получается SO2: нм3/час;

- остается сероводорода: нм3/час;

- получается СО2: приходит с сероводородным газом - 544 нм3/час, от сгорания цианистого водорода - 120 нм3/час, итого - 664 нм3/час;

- получается азота: из воздуха нм3/час, от сгорания цианистого водорода нм3/час, итого - 14660 нм3/час;

- получается водяных паров: приходит с сероводородным газом - 132 нм3/час, от сгорания сероводорода - 2480 нм3/час, от сгорания цианистого водорода нм3/час, приходит с воздухом нм3/час, итого - 2847 нм3/час.

Общее количество продуктов горения:

нм3/час.

Процентное содержание SO2 в продуктах горения котла:

Скорость газов в котле, отнесенная к полному сечению котла и нормальному газу, составит:

м/с.

Допустимая скорость в котле составляет 0,3 м/с.

На два потока устанавливается три котла (один из них резервный), производительностью по сероводороду 1980 кг/час 1000% сероводорода. Внутренний диаметр котла 3980 мм, высота 14000 мм.

Тепловой баланс котла

Приход тепла

а) тепло, вносимое сероводородным газом : ккал/ч, где 300 - температура сероводородных газов,0С;

средняя теплоемкость газов, поступающих в котел - с=0,367 кал/м3 0С;

б) тепло, вносимое воздухом: ккал/ч, где 0,312 - теплоемкость воздухо при 250С, кал/м3 0С;

в) тепло горения сероводорода: ккал/ч, где 5600 - низшая теплотворная способность сероводорода, ккал/м3;

г) тепло горения цианистого сероводорода: ккал/ч, где 6900 - низшая теплотворная способность цианистого водорода, ккал/м3;

Итого приход тепла:

ккал/час.

Расход тепла

а) тепло с продуктами горения: ккал/ч, где 795 - температура газов, уходящих из котла, 0С, 0,37 - ср. теплоемкость газов, выходящих из котла, кал/м3 0С;

б) теплоемкость в котле: ккал/ч, где 0,05 - теплопотери в котле - 5%;

сумма тепла с уходящими продуктами горения и теплопотерями: 6882000 ккал/час;

в) Количество тепла, идущего на паросъем: ккал/час;

г) выработка пара составит: кг/ч, где 665 - теплосодержание пара, ккал/кг при давлении 12 ат.

Продувку котловой воды принимаем 10% от выработки пара: кг/час;

д) потери тепла с продувочной водой: ккал/ч;

е) действительная выработка пара составит: кг/ч

Для каждого потока выработка пара составит: кг/час.

Камера дожига

Расход воздуха на дожиг сероводорода: нм3/ч.

Количество и состав газов после камеры дожига:

- SO2 : нм3/час;

- азота: приходит с газом из котла - 14660 нм3/час, с воздухом - 1100 нм3/час, итого 15760 нм3/час;

- водяных паров: с газом из котла - 2847 нм3/час, от сгорания сероводорода - 130 нм3/час, приходит с воздухом 23 нм3/час, итого 3000 нм3/час;

- кислорода: приходит с воздухом нм3/час;

- количество углекислоты: приходит с газом из котла - 664 нм3/час.

Общее количество газов после камеры дожига:

нм3/час

Процентное содержание SO2 в газах на выходе из камеры дожига:

Тепловой баланс камеры дожига

Приход тепла

- из котла - 6100000 ккал/ч;

- тепло горения сероводорода: ккал/ч;

- Тепло, вносимое воздухом: ккал/ч.

Итого приход тепла: 6839100 ккал/ч.

Расход тепла

- теплопотери в окружающую среду принимаем 2% от прихода тепла: ккал/ч;

- тепло уходящих газов: ккал/ч;

- температура газов после камеры дожига: 0С

Повышение температуры в камере дожига составляет: 0С.

Таблица 3.3. Общее количество газов после камеры смешения

Наименование	кг/час	нм3/час	% состав по объему
Сернистый ангидрид	7483	2610	6,4
Углекислота	1200	654	1,4
Азот	37800	30260	74,5
Кислород	565	3955	9,65
Водяные пары	2642	3293	8,5
Итого	49690	40782	100

Контактный аппарат.

Расчетная производительность отделения по серной кислоте:

кг/час,

где 3964 - количество сероводорода, поступающего в сернокислотное отделение, кг/час;

97,5 - степень контактирования, %;

0,98 - коэффициент потерь сероводорода в сернокислотном отделении.

При загрузке контактной массы в контактные аппараты со встроенными теплообменниками 0,195 т на тонну моногидрата в сутки, общее количество контактной массы составляет:

т

На два потока установлено три контактных аппарата, в том числе один резервный. Д=6000 мм, Н=19585мм.

Для уменьшения потерь продукции при остановках, связанных с пересевом и замены контактной массы и возможности нормальной работы отделения на двух контактных аппаратах, в каждый контактный аппарат загружается 25 т кольцеобразной контактной массы. Общее количество загружаемой контактной массы составляет 50 т.

Конструкцией аппарата предусмотрена возможность подсыпки контактной массы до требуемого по расчету количества, т.е. до 55,0 т.

Режим контактирования

Таблица 3.4. Режим контактирования по слоям

№ слоя	Температура газа, 0С	Степень контактирования
	На выходе в слой	На выходе из слоя
1	440	585	0,783
2	481	505	0,91
3	459	465	0,94
4	436	440	0,975

Количество тепла, выделяемое при реакции окисления SO2 в SO3, определяется по формуле: Т кал/г моль, где Т - средняя температура газа, 0К.

Первый слой

0К

Теплота реакции: ккал/кг моль, или 1003 ккал/м3.

Количество тепла, выделяемое на первом слое:

ккал/час.

При конверсии SO2 в SO3 происходит уменьшение объема газа по реакции: , т.е. нм3/час.

Повышение температуры газа на первом слое:

0

где 0,356 - теплоемкость газа, ккал/м3 0С;

40782 - количество газа, поступающего в контактный аппарат, м3/час.

Температура газа на выходе из первого слоя: 440 + 145 = 5850С.

Охлаждение газа между слоями контактной массы производится нагретым (до 230 - 2500С) воздухом, циркулирующим в трубках теплообменников, встроенных в контактный аппарат после 1, 2, 3 слоев контактной массы.

Количество тепла, которое необходимо отнять циркулирующим воздухом после первого слоя контактного аппарата:

ккал/час.

Потребное количество циркулирующего воздуха для охлаждения газа:

нм3/час.

где 412 - температура воздуха, уходящего из теплообменника.

Фактический расход циркулирующего воздуха:

нм3/час.

Определяем среднюю разность температур:

355 69

0C

Необходимая поверхность теплообменника после первого слоя контактной массы при работе двух контактных аппаратов:

м2.

где 11 - коэффициент теплопередачи, ккал/м2 час 0С.

Для одного контактного аппарата поверхность теплообменника составит: м2.

В проекте предусмотрен контактный аппарат с теплообменником после первого слоя поверхностью - 650 м2.

Второй слой

Средняя температура 0С.

Теплота реакции: кал/г моль,

Количество тепла, выделяемое на втором слое:

ккал/час.

Уменьшение объема газа по реакции:

нм3/час.

Повышение температуры газа на втором слое:

0

Температура газа на выходе из второго слоя: 481 + 24 = 5050С.

Количество тепла, которое необходимо отнять циркулирующим воздухом после второго слоя контактного аппарата:

ккал/час.

Потребное количество циркулирующего воздуха для охлаждения газа:

нм3/час.

Фактический расход циркулирующего воздуха:

м3/час.

Определяем среднюю разность температур:

0C

Необходимая поверхность теплообменника после второго слоя контактной массы при работе двух контактных аппаратов:

м2.

где 11 - коэффициент теплопередачи, ккал/м2 час 0С.

Для одного контактного аппарата поверхность теплообменника составит: м2.

Устанавливается контактный аппарат с теплообменником после второго слоя поверхностью - 370 м2.

Третий слой

Средняя температура 0С.

Теплота реакции: кал/г моль,

Количество тепла, выделяемое на третьем слое:

ккал/час.

Уменьшение объема газа по реакции:

нм3/час.

Повышение температуры газа на третьем слое:

0

Температура газа на выходе из третьего слоя: 459 + 6 = 4650С.

Количество тепла, которое необходимо отнять циркулирующим воздухом после второго слоя контактного аппарата:

ккал/час.

Потребное количество циркулирующего воздуха для охлаждения газа:

нм3/час.

Фактический расход циркулирующего воздуха:

3/час.

Определяем среднюю разность температур:

235 21

0C

Необходимая поверхность теплообменника после третьего слоя контактной массы при работе двух контактных аппаратов:

м2.

где 11 - коэффициент теплопередачи, ккал/м2 час 0С.

Для одного контактного аппарата поверхность теплообменника составит: м2.

Устанавливается контактный аппарат с теплообменником после третьего слоя поверхностью - 224 м2.

Общий расход циркулирующего воздуха на контактные аппараты составит:

нм3/час.

Температура смеси воздуха на выходе из теплообменников контактных аппаратов:

0С

Объем сбрасываемого (подсасываемого) воздуха при общем количестве тепла, отводимого воздухом:

ккал/час.

нм3/час

или

м3/час.

Объем циркулирующего воздуха после сброса части его:

м3/час

или

нм3/час.

Температура воздуха после подсоса холодного воздуха

0С.

Четвертый слой

Средняя температура 0K.

Теплота реакции: кал/г моль,

Количество тепла, выделяемое на четвертом слое:

ккал/час.

Уменьшение объема газа по реакции:

нм3/час.

Повышение температуры газа на четвертом слое:

0C

Температура газа на выходе из четвертого слоя: 436 + 6,6 = 442,6 0С.

Количество и состав газа на выходе из четвертого слоя контактной массы:

получается SO3 - нм3/час;

остается SO2 - нм3/час.

Количество кислорода, расходуемого на реакцию конверсии SO2 в SO3:

нм3/час.

Количество кислорода остающегося в газе: нм3/час.

серный кислота регулятор автоматизация контур

Таблица 3.5. Количество и состав газа на выходе из контактного аппарата

Наименование	кг/час	нм3/час	% состав по объему
Серный ангидрид	9089	2545	6,450
Сернистый ангидрид	192	65	0,18
Углекислота	1200	664	1,68
Азот	37800	30260	76,7
Кислород	3820	2672	6,75
Водяные пары	2642	3293	8,32
Итого	54743	39504	100

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

4.1 Расчет автоматической системы регулирования

В качестве объекта регулирования, для которого проводятся расчеты оптимальных настроек регулятора, в проекте выбран трубчатый теплообменник после первого слоя катализатора по каналу регулирования «расход воздуха - температура газа на входе в 4-й слой катализатора».

Трубчатый теплообменник относится к двух емкостным объектам и его передаточная функция имеет вид:

(4.1)

где - коэффициент усиления объекта; Т- постоянные времени.

Была получена экспериментальная кривая разгона полученная, при ступенчатом изменении расхода воздуха относительно номинального значения на 10%.

Экспериментальные данные сглажены по методу «трех точек» и представлены в таблице 4.1, а график на рисунке 4.1.

Постоянные времени объекта были определены аппроксимацией последовательностью одинаковых апериодических звеньев.

Расчет осуществлён с помощью ЭВМ. Исходными данными для расчета является экспериментальная переходная характеристика объекта, заданная в виде равноудаленных по времени ординат, и величина входного сигнала.

Таблица 4.1 Сглаживание переходной характеристики

Исходные данные	Сглаженные данные
t, мин	T,C	T,C
0	412	412
3	412	412
4	412	412
4.5	412	412.1667
5	412.5	412.3333
5.5	412.5	412.5
6	412.5	412.8333
6.5	413.5	413
7	413	413.5
7.5	414	413.8333
8	414.5	414.8333
11	416.0	415.5
12	416.0	416.3333
13	417.0	416.8333
14	417.5	417.5
15	418.0	417.8333
16	418.0	418.3333
17	419.0	418.8333
18	419.0	419.1667
19	418.5	419.3333
20	420.0	419.8333
21	419.5	420
22	420.0	420.1667
23	420.5	420.3333
24	420.0	420.3333
25	420.5	420.6667
26	420.5	420.6667
29	421	420.9167



Рисунок 4.1. Сглаживание переходной характеристики

Сумма всех постоянных времени и времени запаздывания передаточной функции вида

(4.2)

есть площадь между нормируемой переходной характеристикой и линией установившегося значения.

(4.3)

Величина S вычисляется методом трапеций и сообщается пользователю.

Пользователь сам выбирает количество и значения постоянных времени. Можно ввести несколько вариантов значений этих параметров.

Программа методом Эйлера вычисляет нормирование переходных характеристик для каждого варианта.

Точность аппроксимации характеризуется критерием І, который вычисляется по формуле:

(4.4)

Значение экспериментальной и расчетной характеристик выводятся в текстовый файл, на основании которого на экран выводятся их график.

Анализируя вид графиков, и значения критерия І, пользователь оценивает результаты аппроксимации и принимает решения о продолжении работы либо о печати значений параметров для выбранного варианта.

Таблица 4.2. Аппроксимация кривой разгона последовательностью одинаковых апериодических звеньев

Т, сек	Исходная	Аппр-щая
0	0	0
60	0	0.004267
120	0.068181	0.041581
180	0.151515	0.129951
240	0.227272	0.257344
300	0.340909	0.400079
360	0.454545	0.537502
420	0.606060	0.657087
480	0.727272	0.753904
540	0.833333	0.828160
600	0.909090	0.882766
660	0.954545	0.921595
720	1	0.948457



Рисунок 4.2. Аппроксимация кривой разгона

В результате проведения аппроксимации получена передаточная функция теплообменника

4.2 Выбор закона регулирования и расчет оптимальных параметров настройки регулятора

Существует три основных типа закона регулирования: П - пропорциональный закон регулирования; И - интегральный закон регулирования и Д - дифференциальный закон регулирования, однако, отдельно он не используется, а только как составная часть ПИД -закона регулирования.

Пропорциональный закон отличается высоким быстродействием, но у него большая статистическая ошибка регулирования.

Интегральный закон регулирования имеет малую статическую ошибку, но по сравнению с П законом регулирования, у него меньшее быстродействие (чувствительность).

ПИ - закон регулирования совмещает в себе достоинства как пропорционального, так и интегрального закона регулирования, то есть этот закон регулирования при сравнительно малой статистической ошибке быстродействующий.

Для данного случая наиболее предпочтителен ПИ - закон регулирования.

Настроечные параметры ПИ - регулятора С0 и С1, они зависят от: коэффициента усиления К, постоянных времени Т1 и Т2; и времени запаздывания.

(4.5)

(4.6)

Для получения уравнений, по которым можно определить численные значения С0 и С1, необходимо выполнить несколько преобразований.

Передаточная функция выбранного ПИ - регулятора:

(4.7)

В замкнутой системе регулирования при отсутствии внешних возмущений передаточные функции объекта (3.15) и регулятора связаны соотношением:

(4.8)

Оптимальные параметры настройки регулятора определяют по обратной расширенной амплитудно-фазовой характеристике (АФХ), используя систему уравнений

(4.9)

(4.10)

- мнимая часть обратной расширенной амплитудно-фазовой характеристики объекта;

- ее вещественная часть.

Чтобы определить и в обратной передаточной функции объекта , оператор р заменяют на (і-m), исключают мнимую часть в знаменателе и после преобразований получаем уравнение для объекта второго порядка

(4.11)

(4.12)

Полученные выражения и подставляют в уравнение для определения С1 и С0 и изменяют значения частоты колебаний от нуля до тех пор, пока С0 не станет меньше нуля, затем строят График линии равной степени затухания С0 = F(С1). Оптимальные параметры настройки регулятора выбирают правее максимума кривой линии равной степени затухания.

Расчет оптимальных параметров настроек регулятора проводился с использованием компьютерной программы.

По результатам расчетов С0 и С1 построена линия равной степени затухания представленная на рис.4.3.

Таблица 4.3 Линия равной степени затухания.

С1	С0
-0,893	0
-0,717	0,013
-0,483	0,049
-0,196	0,103
0,142	0,171
0,527	0,246
0,956	0,323
1,425	0,396
1,93	0,457
2,469	0,5
3,037	0,518
3,631	0,501
4,247	0,444
4,881	0,337
5,531	0,172
6,191	-0,06



Рисунок 4.3 Линия равной степени затухания

n объекта = 2, k0 = 0,214

Т1 = 200 с, Т2 = 360 c

tзапазд = 95 c, m = 0,221

Кп = 3,2, Ти = 1,92 мин =115,2 с

Внутри области устойчивости, ограниченной кривой и осью абсцисс, каждой точке на плоскости соответствуют определенные значения настроечных параметров С0 и С1, при которых будет обеспечена устойчивость переходных процессов в системе автоматического регулирования

При всех значениях настроечных параметров, лежащих вне ограниченной области, степень затухания будет меньше заданной. Значение настроечных параметров, лежащих на пересечении полученной кривой с осью абсцисс (С0 = 0) соответствуют ПИ - регулятору с жесткой обратной связью и процесс затухания характеризуется остаточной неравномерностью. Многолетний опыт настройки регуляторов показал, что значения оптимальных параметров С0 и С1 следует выбирать несколько правее максимальной точки на кривой равной степени затухания.

4.3 Расчет и построение переходного процесса

После определения значений настроечных параметров автоматического регулятора. необходимо получить непосредственно график переходного процесса. В основном интерес представляет характер процесса, который происходит при возмущающем воздействии в форме скачка. Это более тяжело переносится системой автоматического регулирования, чем плавно изменяющееся воздействие

Основными требованиями, которым должен удовлетворять оптимальный процесс регулирования являются:

1. Интенсивное затухание переходного процесса.

2. Максимальное отклонение регулируемой величины должно быть наименьшим

З .Минимальная продолжительность переходного процесса.

Основными показателями качества являются время регулирования.

время регулирования;

перерегулирование;

колебательность;

установившаяся ошибка.

Косвенными оценками качества регулирования являются

степень устойчивости, которая равна вещественной части корня ближайшего к мнимой оси;

степень затухания, равная отношению разности двух соседних амплитуд одного знака кривой переходного процесса к большей из них.

Увеличение степени затухания может привести к завышенному отклонению регулируемой величины. Если динамические свойства объекта в процессе эксплуатации изменяются, то следует ориентироваться на повышенную степень затухания, чтобы избежать появления незатухающих и слабозатухающих процессов В некоторых случаях важно уменьшение времени регулирования, в других накладывается ограничение на

перерегулирование. Достижение этих целей возможно с помощью изменения степени затухания Оптимальная степень затухания лежит в интервале = 0,75...0,9, что соответствует колебательности m = 0,221...0,336. Для построения переходного процесса системы необходимо получить ее дифференциальное уравнение.

Передаточная функция замкнутой системы регулирования имеет вид:

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

Отсюда дифференциальное уравнение системы будет иметь вид:

(4.17)

При построении переходного процесса замкнутой системы автоматического регулирования использовался персональный компьютер. Решение последнего уравнения проводилось численным методом. Полученный переходной процесс представлен на рисунке 4.4.

Таблица 4.4 Переходной процесс

t, мин	Т, С
0,00	0,00
2,400	0,073
4,800	0,217
7,200	0,253
9,600	0,161
12,000	0,037
14,400	- 0,026
16,800	- 0,012
19,200	0,031
21,600	0,051
24,000	0,036
26,400	0,007
28,800	- 0,010
31,200	- 0,008
33,600	0,003
36,000	0,010
38,400	0,009
40,800	0,002
43,200	- 0,003
45,600	- 0,003
48,000	0,00
50,400	0,002
52,800	0,002
55,200	0,001
57,600	- 0,001
60,000	- 0,001



Рисунок 4.4 Переходная характеристика

Объект 2-го порядка, ПИ регулятор

kО = 0,214, Т1 = 200 c, Т2 = 360 c, = 95 с

Кп = 3,2, Ти =115,2 c

5. ОХРАНА ТРУДА

5.1 Общие вопросы охраны труда и окружающей среды

Охрана труда - система правовых, социально-экономических, организационно-технических, санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мер и средств, направленных на сохранение здоровья и трудоспособности человека в процессе труда. Необходимость охраны труда и окружающей среды в настоящее время наиболее актуальны, поскольку с ростом производства увеличивается загрязнение последней, что неблагоприятно сказывается на здоровье человека.

В Украине 25. 11. 1992 был принят закон «Об охране труда» [6]. Настоящий закон определяет основные положения по реализации конституционного права граждан на охрану их жизни и здоровья в процессе трудовой деятельности. В 2000 году создан департамент надзора по охране труда, разрабатывается новый закон об охране труда, в связи с тем, что в настоящий момент изменились отношения между работодателями и работающими.

Закон определяет положения по реализации конституционного права граждан на охрану их жизни и здоровья в процессе трудовой деятельности и регулирует отношения между владельцами учреждения, предприятия, организации и работником по вопросам безопасности, гигиены труда и производственной среды. Действие закона распределяется на все предприятия, учреждения, организации независимо от форм собственности.

На производстве азотной кислоты имеют место опасные и вредные производственные факторы согласно ГОСТ 12.0.003-74 [7].

Физические опасные и вредные производственные факторы:

- повышенный уровень давления в оборудовании и трубопроводах (>0.07 Мпа);

- повышенный уровень напряжения в электрической сети, 380В. (электродвигатели).

Химические опасные и вредные производственные факторы:

H2, CO,CO2,SO2,CH4;

5.2 Промышленная санитария

Природный газ - физически инертный газ. В больших концентрациях оказывает наркотическое действие, вызывает удушье.

Водород - физически инертен, при высоких концентрациях вызывает удушье. Наркотическое действие проявляется при высоких давлениях. Допустимая концентрация = 700 мг/м3

Двуокись углерода (СО) - наркотическое и удушающее действие (вытесняет О2 из зоны дыхания), в малых дозах возбуждает, в больших - угнетает дыхательный центр.

Окись углерода (СО2) - отравляющее вещество, вызывает кислородное голодание. Допустимая концентрация = 20 мг/м3.

Аммиак - вызывает острое раздражение слизистой оболочки, слезотечение, ожоги слизистых оболочек, удушье. ПДК = 20 мг/м3

Согласно ГОСТ 12.1.005-88.ССБТ [8] и ДСН 3.36.042-99 [9] предельно допустимые концентрации следующие: водород ПДК=700 мг/м3, окись углерода ПДК=20 мг/м3 , Аммиак ПДК= 20 мг/л.

Для устранения опасного влияния вредных веществ в помещениях предусмотрены следующие мероприятия: герметизация оборудования, вентиляция помещения, применение СИЗ. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 [8] микроклимат нормируется в зависимости от времени года и тяжести выполняемых работ по энергозатратам. Щитовая КИПиА расположена в отапливаемом помещении закрытого типа. Допустимые нормы микроклимата указаны в таблице 5.1. Микроклимат в помещении щитовой соответствует допустимым нормам.

Таблица 5.1 Допустимые нормы микроклимата в щитовой

Период года	Категория работ	Температура, 0С	Относительная влажность, %, не более	Скорость движения воздуха, м/с, не более
Холодный Теплый	Легкая I Легкая I	19…25 20…25	75 75	0.2 0.1

В соответствии с СНиП 2.04.05-92[10] в помещении щитовой предусмотрена общеобменная вентиляция для обеспечения требуемых метеорологических условий и чистоты воздуха. В лабораторных помещениях помимо общей приточно-вытяжной вентиляции должны быть оборудованы вентиляционные устройства для отсоса воздуха из вытяжных шкафов.

В помещении щитовой уровни шума и вибрации соответствуют допустимым нормам, согласно ГОСТ 12.1.003-89 [11] и ГОСТ 12.1.012-90 [12]. В светлое время суток в помещении предусмотрено естественное освещение - боковое одностороннее. В темное время суток применяется искусственное освещение - светильниками ЛСПО-01. Освещенность в помещении соответствует СНиП-II-4-79 [13]. Нормируемым параметром искусственного освещения является освещенность (люкс), для IV разряда зрительных работ освещенность Еmin=200 лк. Нормируемым параметром естественного освещения является КЕО (ен) - коэффициент естественной освещенности.

Нормируемое значение КЕО для зданий, расположенных в IV поясе светового климата определяется по формуле:

(5.1)

где еIII - значение КЕО для третьего светового пояса при боковом освещении, средней точности, IV разряда зрительных работ eIII =1.5%; m - коэффициент светового климата, m=0.9; с - коэффициент солнечности климата, с=0.8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения проекта ознакомились с технологией производства кокса и его применением. Особое внимание уделили очистке коксового газа в сернокислотном отделении. Изучили параметры, по которым ведется регулирование и контроль технологического режима и процесса. Была разработана функциональная схема автоматизации. Схема автоматизации процесса включает применение самой последней и передовой техники, а именно контроллер SIMATIC S7-400. В связи с этим изучили все его технологические характеристики и его состав. Ознакомились со всеми приборами и средствами автоматизации.

В результате расчета автоматической системы регулирования определены оптимальные параметры настройки ПИ-регулятора и получен переходной процесс, который удовлетворяет заданному критерию оптимальности. По переходному процессу были определены параметры качества: динамическая ошибка, статическая ошибка и время регулирования.

Также рассмотрены вопросы охраны труда.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Амелин А.Г. Технология серной кислоты. Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. - М., Химия,1983.

2. Бернштейн ИМ, Васильев Б.Т. и др. Автоматизация управления сернокислотным производством. - М., Химия, 1975.

3. Голодец Г.И. Гетерогеннно - каталитические реакции с участием молекулярного кислорода. -Киев, Наукова думка, 1977.

4. Справочник сернокислотчика. Под ред. Малина К.М.-М,Химия,1971.

5. Закон Украины “Об охране труда”. г. Киев, 11 ноября 1992 г.

6. ГОСТ 12.0.003-74. ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. - Введ. 01.01.76.

7. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. - Введ. 01.01.89.

8. ДСН. 3.36.042-99. Санитарные нормы микроклимата производственных помещений. Киев, 1990.

Размещено на Allbest.ru