Смекни!
smekni.com

Автоматизация технологических процессов основных химических производств

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.

Материалык лекции №1

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.


  1. По тоннажупродукции иструктуреассортимента:

  • КрупнотоннажныеТОУ- ориентированныена продукциюконкретной,фиксированнойноменклатурыс объемамивыпуска: сотни - десятки тысячтонн.


  • МалотоннажныеТОУ - ориентированныена выпуск продукцииразнообразнойи быстро меняющейсяноменклатуры,с объемамивыпуска: граммы - десятки тонн.


  1. По характерувременногорежимафункционирования:

  • 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.


  1. По степениважности ТОУв производстве.
  • ОсновныеТОУ - ТОУдля реализацииосновныхтехнологическихпроцессовпроизводства.К основнымТОУ относятпроцессы иоборудованиедля реализациистадий подготовкисырья, химическогосинтеза, разделенияи очистки целевыхпродуктов.


  • ВспомогательныеТОУ - квспомогательнымТОУ относятпроцессы иоборудованиедля временногохранения исходныхреагентов,промежуточныхи конечныхпродуктов,осуществлениятранспортныхопераций.

  1. По информационнойемкости ТОУ:

Степеньсложности ТОУхарактеризуетсяинформационнойсложностьюобъекта, т.е.числом технологическихпараметров,участвующихв управлении.

Таблица1

КлассификацияТОУ по информационнойемкости.


Информационная

емкостьобъекта

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


  1. Похарактерупараметровуправления.
  • 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.


  1. Потипу технологическогопроцесса.
  • 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.


  1. ОпределениекритерияэффективностиТОУ.
  • Дляпроизводств - это, как правило,экономическиекритериимаксимизацииприбыли илиминимизациисебестоимостипродукции.

  • Длятехнологическихпроцессов - это технологическиекритериимаксимизациикачества илимаксимизациивыхода целевогопродукта.

  1. Разработкаматематическогоописания процессакак объектауправленияв статике идинамике.
  • Приразработкематематическогоописания сложныхХТП стремятсяк созданиюнаиболее простыхмоделей.

  • Строятне полные иисчерпывающиемат. модели, адостаточныедля решениязадач управления.

  1. Математическоемоделированиеи исследованиестатическихрежимов ТОУ.
  • 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.

  1. Построениеинформационнойсхемы ТОУ.

Информационнаясхема ТОУ - этосхема, показывающаявходные и выходныепеременныеТОУ и их связи.

Построениеинформационнойсхемы возможнона основе мат.описания (приразработкеновых технологий)или на основеинформациипо эксплуатацииобъекта (примодернизациисистемы управления).

  1. Анализинформационнойсхемы.

Выполняетсяанализ информационнойсхемы на предметклассификациивходных и выходныхвоздействийна следующиегруппы:

  • Возможныевозмущающиевоздействия.

  • Возможныеуправляющиевоздействия.

  • Наиболеецелесообразныеуправляемыепеременные.

Осуществляетсявыбор возможныхканалов управления.

  1. Математическоеописание динамикиТОУ.
  • Составляетсямат. описаниединамики объектапо возможнымканалам управления.

  • Выполняетсяисследованиединамики возможныхканалов управления.

  • Выполняетсявыбор наиболеецелесообразныхканалов управления.

  • Составляетсяструктурнаясхема системыуправления.

  1. Выборпараметровконтроля,сигнализациии защиты.

Материалык лекции №2

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 :

2),
  • 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.


  1. Выбираюттип мешалки,ее диаметр dм,размеры аппаратаDaппи Hапп.

  2. ОпределяюткоэффициентСв зависимостиот размероваппарата итипа перемешивающегоустройства.

  3. Определяютчисло оборотовмешалки:

    .
  4. РассчитываютReмпо соотношению(3).

  5. По графикуKN= f(Reм)находят KN.

  6. РассчитываютNмиз выражения(2):

.
  1. Рассчитываютмощность Nдв,потребляемуюприводомперемешивающегоустройства:

гдеК - поправочныйкоэффициент,учитывающийконструктивныеособенностиаппарата иперемешивающегоустройства;пер - к.п.д. передачи.


В реальнойустановкенепрерывногодействия:

т.е. необходимообеспечить:

и
.

Материальныйбаланс по целевомукомпоненту.


Уравнениединамики:

(1).

Уравнениестатики при

:

(2)

Наосновании (1) и(2) можно принять:


. (3).

Материальныйбаланс по всемувеществу.


Уравнениединамики:

(4).

Уравнениестатики при

:

(5).

Наосновании (4) и(5) можно принять:


. (6).

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.

(1)

Начальныеусловия длявывода передаточнойфункции поканалу управленияGACсм:

;
;

;

.

Уравнениестатики:

(2)

Уравнениединамики вприращениях:

(послеподстановкиначальныхусловий в выражение(1), вычитанияуравнениястатики (2) иприведенияподобных членов):

(3).

Уравнениединамики сбезразмернымипеременными:

(4).

Нормализованноеуравнениединамики объектаво временнойобласти безучета транспортногозапаздывания:

(7).

Уравнениединамики поканалу управления

во временнойобласти с учетомтранспортногозапаздывания:

(8).

Передаточнаяфункция объектапо каналу управления

:

(10),

где:

;

(11),

где Vтруб - объем трубопроводаот Р.О. до входав аппарат.

Анализуравнениядинамики

наоснове материальногобаланса повсему веществу.


Уравнениединамики:

(1)

Начальныеусловия длявывода передаточнойфункции поканалу управленияGБhсм:


;

;

;

.

Уравнениестатики:

(2).

Уравнениединамики вприращениях:

(послеподстановкиначальныхусловий в выражение(1), вычитанияуравнениястатики (2) иприведенияподобных членов):

(3).

Уравнениединамики сбезразмернымипеременными:

(4).

Нормализованноеуравнениединамики объектаво временнойобласти

(7).

Уравнениединамики поканалу управления

во временнойобласти с учетомтранспортногозапаздывания:

(8).

Передаточнаяфункция объектапо каналу управления

:

(10),

где:

;

(11),

где Vтруб - объем трубопроводаот Р.О. до входав аппарат.

Анализстатическойхарактеристикиобъекта.


Уравнениестатики наоснове материальногобаланса поцелевому компоненту:


(1).

Изуравнения (1)выразим