Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

В останній час на сучасному промисловому виробництві дуже широко використовують автоматизовані системи керування технологічними процесами (АСКТП). Це пояснюється тим, що технологічні процеси характеризуються складністю і високою швидкістю протікання, а також чутливістю їх до порушень режиму, шкідливих умов роботи, вибухо - та пожежонебезпечності сполук, які переробляються. Автоматизація дозволяє покращити головні показники ефективності виробництва і збільшення кількості. При цьому підвищується якість та зменшується собівартість продукції, що випускається, зростає продуктивність праці.

За допомогою автоматизації хімічного процесу відбувається чіткий контроль за фізико-хімічними показниками сировини, допоміжних матеріалів та готової продукції, що значно зменшує вірогідність відхилення від стандартів та норм. Таким чином, автоматизація в хімічній промисловості відіграє значну роль, адже завдяки їй людство зробило великий крок вперед у всіх сферах життя. Аналізуючи тенденції розвитку промисловості можна виділити перспективні напрямки розвитку підгалузі:

1) повне технічне переустаткування, реконструювання діючих виробництв;

2) розвиток хімічного машинобудування, що випереджає, для створення
нового обладнання із широким використанням ЕОМ, робототехніки;

3) освоєння нових, високоефективних технологічних процесів, які б
забезпечували комплексне й ощадливе використання сировини та зниження (або повну відсутність) забруднення навколишнього середовища. Створення безвідхідних, економічно чистих технологій;

4) розробка та впровадження автоматизованих технологічних ліній, автоматичних систем керування, комплексна механізація виробничого процесу;

5) широке використання ЕОМ для проектування устаткування.

1. Розробка системи автоматичного контролю технологічного процесу

1.1 Коротка характеристика технологічного процесу

Всі промислові способи отримання азотної кислоти засновані на контактному окисленні аміаку киснем повітря з подальшою переробкою оксидів азоту в кислоту шляхом поглинання їх водою. Сировиною для виробництва азотної кислоти служать аміак, повітря і вода. Допоміжними матеріальними і енергетичними ресурсами є каталізатори окислення аміаку і очищення вихлопних газів, природний газ, пара і електроенергія.

Технологічна схема агрегату. Вона включає наступні стадії: фільтрацію повітря від пилу, стиснення його до 0,412 МПа; випаровування рідкого аміаку під тиском 0,588 МПа; фільтрацію газоподібного аміаку; змішення газоподібного аміаку з повітрям; фільтрацію аміачно повітряної суміші; окислення (конверсію) аміаку киснем повітря; охолоджування нітрозних газів з одночасною промивкою їх від нітрат-нітриту амонію і отриманням конденсату азотної кислоти концентрацією 40-45% HNO₃; стиснення нітрозних газів до 1,079 МПа і охолоджування їх; абсорбцію оксидів азоту з освітою 60%-й азотної кислоти; підігрів вихлопних газів до 480-500°С; каталітичне очищення їх від оксидів азоту і одночасним підігрівом до 750-770°С; розширення вихлопних газів в газовій турбіні від 0,932-0,981 до 0,103 МПа і охолоджування їх до 200°С. Розглянемо автоматизацію одної з основних стадій виробництва неконцентрованої азотної кислоти - окислення аміаку.

Технологічна схема процесу окислення аміаку. Атмосферне повітря після очищення від механічних домішок на фільтрах грубого і тонкого очищення засмоктується осьовим повітряним компресором. Стисле повітря розділяється на два потоки, один з яких (основний) прямує в апарат окислення аміаку, а другий (10-14% від загальної витрати повітря на технологію) проходить підігрівач газоподібного аміаку і далі поступає на змішення з нітрозними газами.

Рідкий аміак поступає в ресивер, а потім у випарник, де випаровується за рахунок тепла циркулюючої води. Вологий газоподібний аміак очищається у фільтрі від механічних домішок і пари масла, нагрівається в підігрівачі стислим повітрям. Гарячий газоподібний аміак змішується з повітрям в змішувачі, вбудованому у верхню частину апарату окислення аміаку. Гарячі нітрозні гази охолоджуються далі в казані-утилізаторі, розташованому під каталізаторними сітками апарату окислення аміаку, і поступають на подальшу обробку. Окислення аміаку здійснюється на каталізаторних сітках з платино-родиєво-паладієвого сплаву.

Стадія конверсії аміаку багато в чому визначає показники всього виробництва азотної кислоти. Від умов і якості її проведення залежать витратні коефіцієнти по аміаку, втрати каталізаторів і енергетичні можливості схеми.

Каталітичне окислення аміаку - дуже складний процес. Протікаючі реакції в загальному вигляді описуються наступними рівняннями:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6Н₂O + 904,0 кДж; (1)

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂O+ 6Н₂O + 1104,4 кДж; (2)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6Н₂O+ 1268,8 кДж. (3)

Залежно від умов окислення аміаку, окрім цих основних реакцій можуть протікати і побічні, що приводять до утворення молекулярного азоту. Хоча платиноїдні каталізатори володіють високою активністю до реакції окислення аміаку, вихід NO на одному і тому ж каталізаторі може сильно відрізнятися, залежно від вибраних технологічних умов.

Автоматизація процесу. Параметром, що робить найзначніший вплив на вихід NO, є температура. При підвищенні температури контакту збільшується ступінь конверсії і відповідно знижується витратний коефіцієнт по аміаку. З другого боку, при підвищенні температури збільшується витратний коефіцієнт по платиноїдному каталізатору. Тому існує оптимальне значення температури контакту, що задовольняє вказаним конкуруючим умовам.

Значний вплив на процес окислення надає вміст кисню в газі, що поступає на конверсію. Для повного перетворення NH₃ в NO відповідно до реакції (1) достатньо мати співвідношення n = O₂:NH₃= 1,25. Проте на практиці при такому співвідношенні вихід NO не перевищує 60 - 80%. Ступінь конверсії зростає при збільшенні співвідношення приблизно до n=1,7, що відповідає змісту 11,5% NH₃ в аміачноповітряній суміші (АВС). Мінімальне необхідне співвідношення n складає 1,7 при 600°С, 1,35 при 1000°С і 1,3 - при 1200°С.

Збільшення концентрації кисню в АВС при постійному змісті аміаку дозволяє отримати рівний вихід NО при більш низьких температурах; а зберігаючи оптимальне співвідношення n ? 1,7 можна підвищувати концентрацію аміаку аж до 13,5%, не знижуючи при цьому виходу оксиду азоту.

При автоматизації процесу окислення аміаку основними є вузли регулювання співвідношення повітря: аміак і стабілізації температури контактного окислення аміаку на платиноїдних сітках.

Для регулювання співвідношення застосована компенсаційна схема. Діафрагму, за допомогою якої виміряють витрату газоподібного аміаку, встановлюють за клапаном, регулюючим витрату при за стабілізованому тиску, що забезпечує рівність умов вимірювання на даній діафрагмі і на діафрагмі, що виміряє витрату повітря. Для підвищення якості регулювання співвідношення повітря: аміак необхідно знати точні витрати повітря і аміаку, що поступає в контактний апарат. Дійсне значення витрати газоподібної речовини визначають по формулі

Q_д = Q_вим [P_дT_р/(P_рT_д)]^1/2

де Q_д і Q_вим - дійсне і виміряне значення витрати; Р_д і Р_р - дійсне і розрахункове значення тиску перед вимірювальною діафрагмою; T_д і T_р - дійсне і розрахункове значення температури.

Для реалізації схеми корекції по приведеній формулі потрібне велике число функціональних перетворювачів, тому використовують перерахунок по формулі розкладання в ряд Тейлора в точці робочого розрахункового режиму:

Q_д = Q_вим (К₀+К₁ Р_д+К₂ T_д)

де К₀, К₁, К₂ - постійні коефіцієнти.

Схема корекції по витраті аміаку на основі цієї спрощеної формули містить: датчики вимірювання відповідно температури, витрати і тиску рідкого аміаку.

Схема корекції по витраті повітря містить аналогічні елементи: датчики вимірювання відповідно температури, витрати і тиску повітря.

При використовуванні схем корекції по витратах аміаку і повітря погрішність корекції по витраті аміаку не перевищує 0,54%, а по витраті повітря - 1,7%.

Температуру сіток контактного апарату стабілізують за допомогою регулятора температури. Крім того, системою автоматичного регулювання процесу передбачено автоматичне регулювання температури газоподібного аміаку за допомогою регулятора температури, а також регулювання рівня рідкого аміаку в ресивері за допомогою регулятора рівня.

Регламентні номінальні значення технологічних параметрів доцільно звести до таблиці (табл. 1).

Табл. 1 Норми технологічного режиму

№ п/п	Назва технологічного параметру	Номінальне значення параметра	Граничне відхилення
1	Температура нітрозних газів після підігрівача П	500°С	±14 єС
	Температура повітря на вході фільтра Ф-1	20°С	±0,5 єС
	Температура повітря, що направляється в апарат окиснення аміаку АОА	20 єС
	Температура нітроз них газів на каталізаторних сітках апарату окиснення аміаку АОА	800 єС	±20єС
2	Тиск повітря на вході фільтра Ф-1	0,101МПа	±0,005МПа
	Тиск нітрозних газів після підігрівача П	0,716МПа	±0,02МПа
	Тиск повітря, що напрямляється в апарат окиснення аміаку АОА	0,412МПа
3	Витрати рідкого аміаку	300 мі/год	±8 мі/год
	Витрати повітря	1000 мі/год	±30 мі/год
4	Рівень рідкого аміаку в ресивері Р	0,6 м	±0,02 м

1.2 Вибір і обґрунтування методів автоматичного контролю технологічних параметрів

Метою вибору технічних засобів є визначення найбільш ефективного методу вимірювання для кожного технологічного параметру. Обраний метод вимірювання повинен задовольняти характеру середовища, бути найбільш точним і входити до системи ДСП.

Вибір того чи іншого методу вимірювання обумовлено наступними факторами:

діапазоном вимірювання технологічного параметру;

чутливістю методу вимірювання;

лінійністю градуіровочної характеристики;

похибкою вимірювання.

В хімічній технології контролю підлягають наступні основні параметри:

Температура, витрата матеріальних потоків, тиск, рівень рідини і концентрації, різних речовин. Діапазон вимірюваних температур коливається в широких межах, що обумовлює використання різноманітних методів вимірювання для однієї і тієї ж фізичної величини.

Методи вимірювання температури поділяються на наступні:

манометричний, оснований на використанні однозначної залежності між температурою і тиском термодинамічної речовини, що знаходиться в герметично замкнутій манометричній термосистемі. Манометричні термометри застосовуються для виміру, запису і регулювання температури газів, пари та рідини у діапазоні -150…1000 єС. термометри випускаються з класами точності 1; 1,5; 2,5 при заповненні термосистеми газами і рідинами;

терморезисторний метод заснований на температурній залежності електричного опору. Платинові термометри застосовуються для виміру температур від -260 до 1100 єС. мідні термометри використовуються для виміру температури від -50 до 200 єС;

термоелектричний метод заснований на ефекті виникнення в провідних середовищах електрорушійних сил і електричних струмів під впливом теплових потоків (ефект Зеєбека). Термоелектричні термометри дозволяють вимірювати температуру в діапазоні 2…3000 К. Термопара мідь-константан (МК) застосовується для виміру температури в діапазоні -200…100°С (МК-М) і -270…400°С (МК-Т); хромель-копель (ХК) -200…800°С (ХК-L) і -270…1000°С (ХК-І); хромель-алюмель (ХА) від -270 до 1300°С (ХА-К); платинородій-платина від 0 до 1700°С (ПП-S), від -50 до 1760°С (ПП - R), від 0 до 1800°С (ПР-В);

пірометричний метод заснований на зв'язку між щільністю випромінювання, довжиною хвилі випромінювання і температурою випромінювача (закон Планка.). Він розділяється на радіаційну пірометрію (закон Стефана-Больцмана), яскравісну пірометрію (закон Вина) і колірну пірометрію. Метод використовується для виміру порівняно високих температур у діапазоні 800…10000°С.

В процесі підігріву газоподібного аміаку можливе відхилення його температури в межах 500 ±14 єС. Допустиме відхилення складає:

д =(ДT/T)•100% =(14/500) •100%=2,8%

Температура повітря до і після очищення коливається в межах 20±0,5 єС. Допустиме відхилення складає:

д =(ДT/T)•100% =(0,5/20) •100%=2,5%

Пристрій для вимірювання цієї температури повинен володіти похибкою в 3-5 разів меншою, ніж допустиме відхилення температури д, тобто д_П < 1%.

Температура газоподібного аміаку під час окиснення на каналізаційних сітках коливається в межах 800 ±20 єС. Допустиме відхилення складає:

д =(ДT/T)•100% =(20/800) •100%=2,5%

автоматичний контроль технологічний схема

Пристрій для вимірювання цієї температури повинен володіти похибкою в 3-5 разів меншою, ніж допустиме відхилення температури д, тобто д_П < 1%. Такої точності вимірювання можливо досягти шляхом застосування терморезисторного методу забезпечую чого похибку 0,5%.

Для вимірювання температури в такому діапазоні необхідно використати датчик температур з уніфікованим виходом 4-20 мА типу ТХАУ. Використання уніфікованого сигналу дає можливість побудови АСУТП без застосування додаткових нормуючих перетворювачів.

До основних методів виміру витрати рідин, газу і пари відносяться наступні:

метод перемінного перепаду тиску, заснований на використанні енергетичних закономірностей, що визначають залежність кінетичної енергії потоку, а отже, його швидкості від фізичного стану середовища (закон Бернуллі). Вимірювальними перетворювачами служать: діафрагми, сопла і трубки Вен турі;

метод постійного перепаду тиску заснований на вимірі вертикального переміщення чуттєвого елемента (поплавця), що залежить від витрати середовища і приводить до зміни площі прохідного отвору витратоміра таким чином, що різниця тисків на чуттєвий елемент залишається постійною;

електромагнітний метод застосовується для автоматичного виміру витрати невибухонебезпечних рідких середовищ з питомою електричною провідністю від 10^-3 до 10 См/м і температурою від -40 до 180°С.

При вимірюванні витрати повітря допустиме відхилення складатиме:

д =(ДF/F)•100% =(30/1000) •100%=3%

Пристрій для вимірювання витрати повинен володіти похибкою у 3-5 разів меншою, ніж допустиме відхилення д, тобто д_П=1%.

При вимірюванні витрати газоподібного аміаку допустиме відхилення складає:

д =(ДF/F)•100% =(8/300) •100%=2,7%

Пристрій для вимірювання витрати повинен володіти похибкою у 3-5 разів меншою, ніж допустиме відхилення д, тобто д_П=1%. Цій умові задовольняє багато параметричний масовий витратомір Multivariable™ моделі 3095 MV™.

Методи виміру тиску розділяється на рідинні, вантажопоршневі, деформаційні, резисторний і іонізаційний. Рідинний метод використовується для виміру малих надлишкових тисків і розріджень, як правило від -0,101 до +0,1 МПа. Вантажопоршневпй метод застосовується, в основному, у лабораторній практиці. У рідинних перетворювачах вимірюваний тиск врівноважується масою стовпа рідини. По цьому принципі працюють U-образні скляні і чашкові манометри, мікроманометри, кільцеві і поплавкові манометри і дифманометри. У деформаційних перетворювачах вимірюваний тиск врівноважується силами пружної деформації чуттєвого елемента мембрани, чи сильфоної пружини.

Допустиме відхилення тиску повітря до і після очищення складає:

д =(ДP/P)•100% =(0,005/0,101) •100%=4,9%

Допустиме відхилення тиску повітря після стиснення у повітряному компресорі складає:

д =(ДP/P)•100% =(0,02/0,412) •100%=4,8%

Пристрій для вимірювання цього тиску повинен володіти похибкою в 3-5 разів меншою, ніж допустиме відхилення д, тобто д_П < 0,5%.

Допустиме відхилення тиску газоподібного аміаку складає:

д =(ДP/P)•100% =(0,02/0,716) •100%=2,8%

Пристрій для вимірювання цього тиску повинен володіти похибкою в 3-5 разів меншою, ніж допустиме відхилення д, тобто д_П < 0,5%.

Цю умову задовольняє перетворювач тиску САПФІР-22 моделі 2450 (різниці тиску). Принцип дії перетворювачів оснований на дії тиску (різниці тиску), що виміряється, на мембрани вимірювального блоку, що викликає деформацію пружного чутливого елемента і зміну опору тензорезисторів тензоперетворювача. Ця зміна перетвориться в електричний сигнал, який передається від тензоперетворювача з вимірювального блоку в електронний перетворювач, і далі у вигляді стандартного струмового уніфікованого сигналу [(0-5), (0-20), (4-20), (5-0), (20-0) або (20-4)] мА.

Методи виміру рівня підрозділяються на наступні: механічні (поплавкові, буйкові, засновані на законі Архімеда), гідростатичний (заснований на залежності між рівнем і гідростатичним тиском), п'єзометричні (визначають рівень по зміні тиску стиснутого повітря, що продувається через шар рідини), ультразвукові (засновані на відображенні ультразвукових коливань від границі роздягнула двох середовищ), електричні (по зміні електричної провідності).

При вимірюванні рівня в ресивері допустиме відхилення складає:

д =(ДL/L)•100% =(0,02/0,6) •100%=3,3%

Потребуєму точність вимірювання підтримує радарний рівнемір ВМ 700.

1.3 Розробка структурних схем ІВК і вибір комплексу технічних засобів

Розробка структурних схем ІВК

Метою даного розділу є розробка структурних схем каналів автоматичного контролю і регулювання по кожному технологічному параметру.

На структурній схемі відображаються в загальному виді основні рішення розроблювальної системи керування по каналах контролю і регулювання і показуються:

точки контролю або відбору на технологічному устаткуванні;

порядок передачі вимірювальної і командної інформації;

технічні засоби передачі інформації,

спосіб реєстрації інформації і її оперативне відображення.

Обґрунтовування і вибір технічних засобів входять до складу каналів контролю і регулювання проводиться згідно структурної схеми по кожному технологічному параметру, а також згідно номінальних значень параметрів, що виміряються.

Обґрунтовування і вибір технічних засобів включає:

вибір первинного вимірювального перетворювача (датчика):

Вибраний первинний вимірювальний перетворювач (датчик) повинен задовольняти наступні вимогам.

діапазон вимірювання повинен відповідати діапазону зміни параметра, що виміряється;

умови вимірювання по технічному паспарту повинні відповідати умовам вимірювання на технологічному об'єкті;

похибка вимірювань не повинні перевищувати значень, заданих технологічним регламентом.

Технічні засоби передачі вимірювальної і командної інформації повинні бути, як правило, серійними і належати системі ДСП.

На структурних схемах у загальному вигляді відображені головні технічні рішення розроблюваної системи керування за каналами контролю та регулювання. При цьому використовують такі спрощення:

ПВПШ - первинний вимірювальний перетворювач зі шкалою;

Структурна схема каналів вимірювання температури, тиску, витрат і рівня зображена на рис. 1.

технол. вивід

парам. інформ.

Рис. 1 Структурна схема каналів вимірювання технологічних параметрів

Вибір технічних засобів ІВК

ІВК контролю температури.

При вимірюванні температур в діапазоні -40 - 1000°С в якості ПВПШ використовується датчик температур з уніфікованим виходом 4-20 мА типу ТХАУ.

ІВК контролю тиску.

Для вимірювання тиску в діапазоні до 2 МПа використовуємо перетворювач тиску САПФІР-22 моделі 2450 (різниці тиску).

ІВК контролю витрат.

В якості ПВПШ слугує багато параметричний масовий витратомір Multivariable™ моделі 3095 MV™.

ІВК контролю рівня.

ПВПШ слугує радарний рівнемір ВМ 700.

2. Опис прийнятої схеми АСУ ТП

2.1 Призначення, мета і функції АСКТП синтезу азоту

АСКТП призначена для автоматизованого керування процесу контактного окиснення аміаку.

Мета розробки - створення системи, побудованої на сучасних технічних засобах, що дозволяють усунути недоліки діючої системи керування, знизити собівартість продукції, знизити рівень ручної праці, домогтися показників відповідно до вимог технологічного регламенту.

Для досягнення вище вказаних цілей АСКТП повинне забезпечити наступні функції:

збір і первинна обробка інформації;

контроль стану роботи технологічного устаткування;

визначення оперативних техніко-економічних показників;

оперативний контроль стану технологічного процесу, виявлення відхилень поточних значень параметрів від заданих, а також від мінімально і максимально припустимих відхилень;

регулювання параметрів.

Кожна з позначених функцій являє собою комплекс функціональних задач. Кожна функція реалізується відповідними функціональними підсистемами.

2.2 Опис функціональної схеми АСКТП

Функціональна схема автоматизації технологічного процесу контактного окиснення аміаку представлена на аркуші графічної частини. Схема розроблена у відповідності до ГОСТу 21.408-93 за правилами, викладеними у [3]. Обрані технічні засоби автоматизації згруповані на полі креслення за призначенням та метою функціонування. Контури контролю та керування побудовані так, щоб реалізувати задачі АСКТП, наведені у підрозділі 2.2.

В якості первинного вимірювального перетворювача зі шкалою для вимірювання температури гарячого газоподібного аміаку на виході з підігрівача, температури повітря до очищення у фільтрі і після стиснення в компресорі, а також температуру нітроз них газів на каталізаторних сітках із платино-родієво-паладієвого сплаву апарату окиснення аміаку, використовується датчик температур з уніфікованим виходом 4-20 мА типу ТХАУ (поз. 2-1…5-1).

Тиск повітря до очищення у фільтрі і після стиснення в компресорі, а також тиск газоподібного аміаку на виході з підігрівача контролюється перетворювачем тиску САПФІР-22 моделі 2450 (різниці тиску) у вибухобезпечному виконанні (поз. 6-1…8-1). Уніфікований струмовий сигнал 4-20 мА з виходів перетворювачів надходить на контролер для подальшої обробки.

Вимірювання витрати повітря і газоподібного аміаку відбувається за допомогою багато параметричного масового витратоміру Multivariable™ моделі 3095 MV™(поз. 9-1,10-1). Струмовий сигнал надходить на контролер для індикації та реєстрації параметрів.

Для вимірювання рівня рідкого аміаку у ресивері застосовується радарний рівнемір ВМ 700 (поз. 1-1).

Висновок

В цій курсовій роботі була розроблена система автоматизації процесу контактного окиснення аміаку, вивчені фізичні основи, теорія, методи розрахунку і проектування основних вимірювальних перетворювачів; була опанована методика розробки структурних і функціональних схем автоматичного контролю технологічних параметрів, виконано необхідні розрахунки і теоретичні дослідження метрологічних параметрів і характеристик.

Отримана інформація може бути надалі використана для формування регулюючої дії виконавчим механізмом.

Література

1. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник / под ред. Черенкова В.В. - Л.: Машиностроение, 1987. - 368 с.

2. Промислові засоби автоматизації. Ч. 1 вимірювальні пристрої/ Навч. посібник за заг. ред. Бабіченка А.К. - Харків: НТУ «НТІ», 2000. - 470 с.

3. ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах. - М.: Изд-во стандартов, 1985.

4. ГОСТ 24.210-82. Схема функциональной структури. Состав и
содержание автоматизированных функций. - М.: Изд-во стандартов,
1981.

5. Методичні вказівки до виконання розділу «Автоматичні системи
керування технологічними процесами» дипломного проекту для
студентів V-VI курсів технологічних спеціальностей / Укл. Паровий
Є. І. - Дніпропетровськ: УДХТУ, 2005. - 14 с.

6. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных
процессов в химической промышленности: Учебник для техникумов. -
2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1985. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru