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.

По тоннажупродукции иструктуреассортимента:

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

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

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.

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.

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

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.

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.

ОпределениекритерияэффективностиТОУ.

Дляпроизводств - это, как правило,экономическиекритериимаксимизацииприбыли илиминимизациисебестоимостипродукции.
Длятехнологическихпроцессов - это технологическиекритериимаксимизациикачества илимаксимизациивыхода целевогопродукта.

Разработкаматематическогоописания процессакак объектауправленияв статике идинамике.

Приразработкематематическогоописания сложныхХТП стремятсяк созданиюнаиболее простыхмоделей.
Строятне полные иисчерпывающиемат. модели, адостаточныедля решениязадач управления.

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.

Построениеинформационнойсхемы ТОУ.

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

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

Анализинформационнойсхемы.

Выполняетсяанализ информационнойсхемы на предметклассификациивходных и выходныхвоздействийна следующиегруппы:

Возможныевозмущающиевоздействия.
Возможныеуправляющиевоздействия.
Наиболеецелесообразныеуправляемыепеременные.

Осуществляетсявыбор возможныхканалов управления.

Математическоеописание динамикиТОУ.

Составляетсямат. описаниединамики объектапо возможнымканалам управления.
Выполняетсяисследованиединамики возможныхканалов управления.
Выполняетсявыбор наиболеецелесообразныхканалов управления.
Составляетсяструктурнаясхема системыуправления.

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:

Eu_м= f(Re_м, Г) (1),

где

модифицированныйкритерий ЭйлераEu_м :

2),

модифицированныйкритерий РейнольдсаRe_м :





геометрическийсимплекс Г:

Г=d_м/ D_апп (4),

где dм - диаметрмешалки, м;

n - скорость вращениямешалки, об /с;

- плотностьжидкости, кг/м^3;

N_м - мощность,потребляемаямешалкой, вт;

- динамическаявязкость, Па*с;

К_N– критериймощности.

Методикарасчета конструктивно-технологическихпараметровпроцессамеханическогоперемешивания.

Выбираюттип мешалки,ее диаметр d_м,размеры аппаратаD_a_ппи H_апп.
ОпределяюткоэффициентСв зависимостиот размероваппарата итипа перемешивающегоустройства.
Определяютчисло оборотовмешалки:

.
РассчитываютRe_мпо соотношению(3).
По графикуKN= f(Re_м)находят KN.
РассчитываютN_миз выражения(2):

Рассчитываютмощность Nдв,потребляемуюприводомперемешивающегоустройства:

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

В реальнойустановкенепрерывногодействия:

т.е. необходимообеспечить:

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 - С_сми h_см.

Возможныеконтролируемыевозмущения:

,

причемзадано, что

Возможныеуправляющиевоздействия:

.

Однако,в данном случае,G_см определяетсяпоследующимтехнологическимпроцессом ипоэтому неможет использоватьсяв качестверегулирующеговоздействия.

Анализуравнениядинамики

наоснове материальногобаланса поцелевому компоненту.

Уравнениединамики внормализованномвиде.

(1)

Начальныеусловия длявывода передаточнойфункции поканалу управленияG_A– C_см:

;

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 V_труб - объем трубопроводаот Р.О. до входав аппарат.

Анализуравнениядинамики

наоснове материальногобаланса повсему веществу.

Уравнениединамики:

(1)

Начальныеусловия длявывода передаточнойфункции поканалу управленияG_Б– h_см:

;

Уравнениестатики:

(2).

Уравнениединамики вприращениях:

(3).

Уравнениединамики сбезразмернымипеременными:

(4).

Нормализованноеуравнениединамики объектаво временнойобласти

(7).

Уравнениединамики поканалу управления

во временнойобласти с учетомтранспортногозапаздывания:

(8).

Передаточнаяфункция объектапо каналу управления

(10),

где:

;

(11),

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

Анализстатическойхарактеристикиобъекта.

Уравнениестатики наоснове материальногобаланса поцелевому компоненту:

(1).

Изуравнения (1)выразим

Автоматизация технологических процессов основных химических производств

Материалык лекции №1

Информационная

Материалык лекции №2