МинистерствообразованияРоссийскойфедерации
Санкт-Петербургскийгосударственныйтехнологическийинститут
(техническийуниверситет)
Кафедраавтоматизациипроцессовхимическойпромышленности
Г.В.Иванова
«Автоматизациятехнологическихпроцессов
основныххимическихпроизводств»
Методическиематериалы покурсу лекций
(в двухчастях)
Часть1.
2003г.
УДК 66-52:66(075)
ИвановаГ.В. Автоматизациятехнологическихпроцессовосновных химическихпроизводств:Методическоепособие. Часть1/ СПбГТИ(ТУ).-СПб.,2003.- 70с.
Методическоепособие предназначенодля курса лекцийпо учебнойдисциплине«Автоматизациятехнологическихпроцессовосновных химическихпроизводств»,являющейсядисциплинойспециализации210201 – «Автоматизациятехнологическихпроцессовхимическойпромышленности»учебного планапо специальности210200.
Пособиеразработанов виде методическихматериалов,используемыхпри чтениилекций по дисциплине.
Часть 1 методическогопособия включаетв себя общуюхарактеристикухимико-технологическихпроцессов (ХТП)как технологическихобъектов управления(ТОУ); методикуанализа ХТПкак ТОУ; физико-химическиеосновы технологическихпроцессов,технологическиесхемы рассматриваемыхобъектов управления,математическиеописания объектовуправления,постановкузадачи автоматизации,типовые схемыавтоматизации,типовые решенияавтоматизациидля гидромеханическихи тепловыхпроцессов.
Утвержденона заседанииметодическойкомиссии факультетаИнформатикии управления23 июня 2003г., протокол№ 6.
Введение.Общие подходык автоматизацииХТП.
Предметомизучения вданном курсеявляются проблемыавтоматизацииосновных химическихпроизводств.
Основныехимическиепроизводстваи составляющиеих технологическиепроцессы мырассматриваемв данном курсекакобъекты управления.
Химико-технологическиеобъекты управления.
ОпределениеТОУ:
ТОУ - это совокупностьсовместнофункционирующихтехнологическогооборудованияи реализованногона нем технологическогопроцесса.
К ТОУ относяткак отдельныетехнологическиеагрегатыи установки,реализующиелокальныйтехнологическийпроцесс, таки целые производства(участки, цехи).Существуют«супер-ТОУ» - установки,включающиесотни технологическихаппаратов (нанефтеперерабатывающихзаводах).
Требованияк ТОУ.
ОборудованиеТОУ должнобыть полностьюмеханизированои должно безотказноработать вмежремонтныйпериод.
ТОУ долженбыть управляем,т.е. разделенна определенныезоны с возможностьювоздействияна технологическийрежим в каждойиз них изменениемматериальныхи энергетическихпотоков.
Возможностьвоздействияна характеристикиоборудования.
Возможностьдоступа обслуживающегоперсонала кместам установкидатчиков,исполнительныхмеханизмов,регулирующихорганов.
Число возмущающихвоздействийдолжно бытьсведено к минимуму,что возможнов результатеустановки: ресиверов;емкостей смешалками;теплообменников,уменьшающихамплитуду ичастоту изменениятаких параметров,как давление,состав, температура.
Типоваясхема технологическогопроизводства
химическихпродуктов.
Типоваятехнологическаясхема производствасостоит изстадий подготовкисырья, химическогосинтеза, выделенияи очистки целевыхпродуктов.
Классификацияхимико-технологических
процессови производствкак ТОУ.
КрупнотоннажныеТОУ- ориентированныена продукциюконкретной,фиксированнойноменклатурыс объемамивыпуска: сотни - десятки тысячтонн.
МалотоннажныеТОУ - ориентированныена выпуск продукцииразнообразнойи быстро меняющейсяноменклатуры,с объемамивыпуска: граммы - десятки тонн.
ТОУ периодическогодействия - ТОУ, в которыхаппараты (ТО)работают вциклическомрежиме, а технологическиепроцессы (ТП)представляютсобой последовательностьтехнологическихи организационныхопераций, имеющихконечнуюпродолжительность.Термину «периодическийпроцесс»,принятому вхимическойтехнологиисоответствуетобщесистемныйтермин «дискретныйпроцесс».
ТОУ непрерывногодействия - ТОУ, в которыхаппараты работаютнепрерывно,на вход аппаратанепрерывноподаются исходныереагенты, навыходе аппаратанепрерывноотводятсявыходные продуктыа технологическийпроцесс ведетсяв установившемсярежиме.
ТОУ полунепрерывногодействия - ТОУ,в которых аппаратыфункционируютнепрерывнотолько в пределахинтервалавремени, необходимогодля переработкиконечной порциисырья илипромежуточногопродукта. Вэтих пределахв аппаратынепрерывноподаются исходныереагенты, а свыходов - непрерывноотводятсяпродукты.Технологическиепроцессы ведутсяв установившемсярежиме. Междуинтерваламивремени работыаппараты находятсяв режиме ожидания.
ОсновныеТОУ - ТОУдля реализацииосновныхтехнологическихпроцессовпроизводства.К основнымТОУ относятпроцессы иоборудованиедля реализациистадий подготовкисырья, химическогосинтеза, разделенияи очистки целевыхпродуктов.
ВспомогательныеТОУ - квспомогательнымТОУ относятпроцессы иоборудованиедля временногохранения исходныхреагентов,промежуточныхи конечныхпродуктов,осуществлениятранспортныхопераций.
Степеньсложности ТОУхарактеризуетсяинформационнойсложностьюобъекта, т.е.числом технологическихпараметров,участвующихв управлении.
Таблица1
КлассификацияТОУ по информационнойемкости.
Информационнаяемкостьобъекта | Числопараметров,участв. в управл. | ПримерТОУ |
Минимальная | 10 - 40 | Насоснаястанция Резиносмеситель |
Малая | 41 - 160 | Массообменная Колонна |
Средняя | 161 - 650 | Установкапервичнойперегонкинефти |
Повышенная | 651 - 2500 | Производство Этилена |
Высокая | 2500и выше | Производство Технического углерода |
ТОУ с сосредоточеннымипараметрами - ТОУ, в которыхрегулируемыепараметры (вданный моментвремени, в разныхточках аппарата),имеют однозначениесоответствующегопараметра.
ТОУ с распределеннымипараметрами - ТОУ, в которыхзначения параметровнеодинаковыв различныхточках объектав данный моментвремени. Большинствопроцессовхимическойтехнологииявляются объектамис распределеннымипараметрами.
Пример:температураи концентрацияпо высотеректификационнойколонны.
Гидромеханическиепроцессы - процессы,осуществляющиепереносколичествадвижения.
Тепловыепроцессы - процессыпереноса энергиив форме теплоты(теплопроводностью,конвекцией,излучением).
Массообменныепроцессы - процессыперемещениявещества впространствеза счет разностиконцентраций.
Механическиепроцессы - процессыпереработкитвердых материаловпод действиеммеханическихсил (их измельчениеи разделениепо фракциям).
Химическиепроцессы - процессы,характеризующиеобразованиеновых, отличающихсяот исходныхпо химическомусоставу илистроению, веществпри сохраненииобщего числаатомов и изотопногосостава.
Методикаанализа ХТПкак ТОУ.
Дляпроизводств - это, как правило,экономическиекритериимаксимизацииприбыли илиминимизациисебестоимостипродукции.
Длятехнологическихпроцессов - это технологическиекритериимаксимизациикачества илимаксимизациивыхода целевогопродукта.
Приразработкематематическогоописания сложныхХТП стремятсяк созданиюнаиболее простыхмоделей.
Строятне полные иисчерпывающиемат. модели, адостаточныедля решениязадач управления.
Основныеметоды созданиямат. описаниядляцелей управления - аналитические;статистические(регрессионные,методы групповогоучета аргументов);модели на основенечетких методов.
ИсследованиестатическиххарактеристикТОУ,на основаниикоторого определяют:
Возможныедиапазоныварьированияпараметровпри управлении;
Возможноечисло стационарныхсостоянийпроцесса;
Анализустойчивостистационарныхсостоянийпроцесса;
Влияниеосновных режимныхпараметровна рабочиеобласти ТОУ;
Исследованиенелинейностикоэффициентовусиления ивозможностилинеаризациистатическиххарактеристики т.д.
Информационнаясхема ТОУ - этосхема, показывающаявходные и выходныепеременныеТОУ и их связи.
Построениеинформационнойсхемы возможнона основе мат.описания (приразработкеновых технологий)или на основеинформациипо эксплуатацииобъекта (примодернизациисистемы управления).
Выполняетсяанализ информационнойсхемы на предметклассификациивходных и выходныхвоздействийна следующиегруппы:
Возможныевозмущающиевоздействия.
Возможныеуправляющиевоздействия.
Наиболеецелесообразныеуправляемыепеременные.
Осуществляетсявыбор возможныхканалов управления.
Составляетсямат. описаниединамики объектапо возможнымканалам управления.
Выполняетсяисследованиединамики возможныхканалов управления.
Выполняетсявыбор наиболеецелесообразныхканалов управления.
Составляетсяструктурнаясхема системыуправления.
Выборпараметровконтроля,сигнализациии защиты.
Автоматизацияпроцессаперемешивания
Общаяхарактеристикапроцессовперемешиванияв жидких средах.
Перемешивание - гидромеханическийпроцесс взаимногоперемещениячастиц в жидкойсреде с цельюих равномерногораспределенияво всем объемепод действиемимпульса,передаваемогосреде мешалкой,струей жидкостиили газа (ТябинН.В.,с.95).
Целиперемешивания
Созданиесуспензий - обеспечениеравномерногораспределениятвердых частицв объеме жидкости;
Образованиеэмульсий, аэрация - равномерноераспределениеи дроблениедо заданныхразмеров частицжидкости вжидкости илигаза в жидкости;
Интенсификациянагреванияили охлажденияорабатываемыхмасс;
Интенсификациямассообменав перемешиваемойсистеме (растворение,выщелачивание).
Основныесхемы перемешивания.
Рис.1.
Механическое - перемешиваниемешалками,вращающимисяв аппарате сперемешиваемойсредой.
Барботажное - перемешиваниепутем пропусканиячерез жидкуюсреду потокавоздуха илигаза, раздробленногона мелкие пузырьки,которые, поднимаясьв слое жидкостипод действиемАрхимедовойсилы, интенсивноперемешиваютжидкость.
Циркуляционноеперемешивание - перемешивание,осуществляемоепутем созданиямногократныхциркуляционныхпотоков в аппаратес помощью насоса.
Объектуправления
Объектуправления - емкостьс мешалкой,аппарат непрерывногодействия, вкотором смешиваютсядве жидкостиА (с концентрациейцелевого компонентаСа) иБ (с концентрациейцелевого компонентаСб) дляполучениягомогенизированногораствора сзаданнойконцентрациейцелевого компонентаСсм.
Схемаобъекта управления.
Рис.1.1
Показательэффективностипроцесса - концентрацияцелевого компонентав гомогенизированномрастворе (смеси) - Ссм.
Цель управленияпроцессом - обеспечениезаданной концентрациисмеси при эффективноми интенсивномперемешивании.
Эффективностьперемешиванияобеспечиваетсявыбором параметроваппарата,перемешивающегоустройства,числа оборотовмешалки, обеспечивающихравномерностьконцентрациисмеси в аппаратес заданнойинтенсивностью(т.е. за заданноевремя).
Однако вреальных условияхтехнологическиеобъекты подверженыдействию внешнихи внутреннихвозмущений,которые приводятк отклонениютехнологическихрежимов работыот расчетных.
Задачаразработкисистемы автоматизацииобеспечитьв условияхдействия внешнихи внутреннихвозмущенийв процессеэффективноеи интенсивноеего функционированиес требуемымихарактеристикамикачества.
Теоретическиеаспекты процессамеханическогоперемешивания.
При вращениилопасти мешалкив аппаратевозникаетвынужденноедвижениежидкости, котороеописываетсякритериальнымуравнениемвида:
Euм= f(Reм, Г) (1),
где
модифицированныйкритерий ЭйлераEuм :
модифицированныйкритерий РейнольдсаReм :
геометрическийсимплекс Г:
Г=dм/ Dапп (4),
где dм - диаметрмешалки, м;
n - скорость вращениямешалки, об /с;
- плотностьжидкости, кг/м^3;
Nм - мощность,потребляемаямешалкой, вт;
- динамическаявязкость, Па*с;
КN– критериймощности.
Методикарасчета конструктивно-технологическихпараметровпроцессамеханическогоперемешивания.
Выбираюттип мешалки,ее диаметр dм,размеры аппаратаDaппи Hапп.
ОпределяюткоэффициентСв зависимостиот размероваппарата итипа перемешивающегоустройства.
Определяютчисло оборотовмешалки:
РассчитываютReмпо соотношению(3).
По графикуKN= f(Reм)находят KN.
РассчитываютNмиз выражения(2):
Рассчитываютмощность Nдв,потребляемуюприводомперемешивающегоустройства:
гдеК - поправочныйкоэффициент,учитывающийконструктивныеособенностиаппарата иперемешивающегоустройства;пер - к.п.д. передачи.
В реальнойустановкенепрерывногодействия:
т.е. необходимообеспечить:
Материальныйбаланс по целевомукомпоненту.
Уравнениединамики:
Уравнениестатики при :
Наосновании (1) и(2) можно принять:
Материальныйбаланс по всемувеществу.
Уравнениединамики:
Уравнениестатики при :
Наосновании (4) и(5) можно принять:
Информационнаясхема объекта.
Рис.4.1.
Управляемыепеременные - Ссми hсм.
Возможныеконтролируемыевозмущения:
причемзадано, что
Возможныеуправляющиевоздействия:
Однако,в данном случае,Gсм определяетсяпоследующимтехнологическимпроцессом ипоэтому неможет использоватьсяв качестверегулирующеговоздействия.
Анализуравнениядинамики
наоснове материальногобаланса поцелевому компоненту.
Уравнениединамики внормализованномвиде.
Начальныеусловия длявывода передаточнойфункции поканалу управленияGA– Cсм:
Уравнениестатики:
Уравнениединамики вприращениях:
(послеподстановкиначальныхусловий в выражение(1), вычитанияуравнениястатики (2) иприведенияподобных членов):
Уравнениединамики сбезразмернымипеременными:
Нормализованноеуравнениединамики объектаво временнойобласти безучета транспортногозапаздывания:
Уравнениединамики поканалу управления во временнойобласти с учетомтранспортногозапаздывания:
Передаточнаяфункция объектапо каналу управления :
где:
где Vтруб - объем трубопроводаот Р.О. до входав аппарат.
Анализуравнениядинамики
наоснове материальногобаланса повсему веществу.
Уравнениединамики:
Начальныеусловия длявывода передаточнойфункции поканалу управленияGБ– hсм:
Уравнениестатики:
Уравнениединамики вприращениях:
(послеподстановкиначальныхусловий в выражение(1), вычитанияуравнениястатики (2) иприведенияподобных членов):
Уравнениединамики сбезразмернымипеременными:
Нормализованноеуравнениединамики объектаво временнойобласти
Уравнениединамики поканалу управления во временнойобласти с учетомтранспортногозапаздывания:
Передаточнаяфункция объектапо каналу управления :
где:
где Vтруб - объем трубопроводаот Р.О. до входав аппарат.
Анализстатическойхарактеристикиобъекта.
Уравнениестатики наоснове материальногобаланса поцелевому компоненту:
Изуравнения (1)выразим