auth_all

Industry Automation

Sergey Chekryzhov

Automation of typical processes of chemical manufactures

Kohtla-Järve

2010

Промышленная автоматизация

Чекрыжов С.Г.

Автоматизации типовых процессов химических производств

Учебное пособие

Кохтла-Ярве

2010

2

УДК 66-52:66(075)

Чекрыжов С.Г. Автоматизации типовых процессов химических производств. Учебное пособие. Кохтла-Ярве., 2010

Учебное пособие разработано для студентов специальностей «Технология топлив», «Автоматические системы» в виде методических материалов, используемых при чтении лекций по дисциплине «Промышленная автоматизация »

Учебное пособие включает в себя описание химико-технологических процессов и систем (ХТП-ХТС) как технологических объектов управления (ТОУ); методику анализа ХТП-ХТС как ТОУ; физико-химические основы технологических процессов, технологические схемы, математические описания основных процессов, типовые проектные решения автоматизации гидромеханических , тепловых, массообменных и реакторных процессов.

.

©Sergei Chekryzhov. 2010

©Virumaa kolledž TTÜ, 2010

3

Введение

Автоматизация производственных процессов сланцепереработки и сланцехимии является одним из основных направлений технического прогресса производства, темпы развития

которой в Эстонии за последние годы резко возросли.

В целом автоматизация позволяет увеличить производительность технологического оборудования и производительность труда, улучшить качество продукции, повысить безопасность труда, обеспечить решение экологических проблем, внедрить новые высокоинтенсивные процессы, а также повысить устойчивость работы предприятий.

Автоматизация качественно изменяет характер труда рабочих, неизмеримо облегчая его,

делая более содержательным.

Автоматизация, являясь качественно новой формой в совершенствовании производства,

активно вторгается в смежные области и требует перестройки технологии, аппаратуры и организации производства. В этом случае технологи, конструкторы, специалисты по организации работают в тесном контакте со специалистами по автоматизации.

Выделяют несколько этапов автоматизации.

Автоматизация контроля производства, характеризуется созданием и применением приборов, выполняющих функции наблюдения за ходом технологического процесса.

Автоматизация управления отдельными агрегатами, то есть частичная автоматизация производства. Системы частичной автоматизации, обеспечивающие автоматическое управление технологическим процессом по некоторым из его параметров.

Системы комплексной автоматизации, полностью обеспечивающие автоматическое

управление технологическим процессом всего производственного цикла в режиме

нормальной эксплуатации и частично при пуске-останове и в аварийном режиме.

Системы полной автоматизации, обеспечивающие автоматическое управление технологическим процессом в любом возможном режиме его работы.

Выбор той или иной системы управления зависит от многих причин, главные из которых — технический уровень производства, степень его механизации, изученность технологического процесса, наличие необходимых технических средств автоматизации и, прежде всего,

средств получения информации о технологических параметрах, экономическая эффективность предлагаемой системы управления.

В данном учебном пособии предметом изучения является автоматизация основных процессов и аппаратов сланцехимических производств Процессы сланцепереработки и сланцехимии, имея свои специфические особенности,

относятся к химико-технологическим процессам, которые являются общими как для химических так и нефтехимических производств.

4

Раздел 1 Общие подходы к автоматизации химико-технологических процессов

Тема 1. Химико-технологические системы как объекты автоматизации

1.1 Требования к ХТС.

ХТС должна быть структурированной, то есть в ХТС можно выделить отдельные взаимосвязанные процессы и аппараты, которые можно рассматривать независимо от других подсистем.

ХТС должна быть управляемой, то есть у ХТС, разделенной на отдельные подсистемы,

должна быть возможность воздействия на технологический процесс в каждой из них

изменением материальных и энергетических потоков.

Возможность доступа обслуживающего персонала к местам установки датчиков,

исполнительных механизмов, регулирующих органов.

Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму.

	Подготовка		Химический			Выделение
	сырья		синтез			целевых
						продуктов
	Сырье					Целевые
						продукты

Типовая технологическая схема производства состоит из стадий подготовки сырья,

химического синтеза, выделения и очистки целевых продуктов.

1.2 Классификация химико-технологических систем

1. По объему продукции и структуре ассортимента:

Крупнотоннажные ХТС - ориентированны на продукцию постоянной,

фиксированной номенклатуры с большими объемами выпуска.

Малотоннажные ХТС - ориентированные на выпуск продукции разнообразной и быстро меняющейся номенклатуры, с небольшими объемами выпуска. Такие перенастраивающиеся системы, называют гибкими.

5

2. По характеру временного режима функционирования:

ХТС периодического действия - ХТС, в которых аппараты (ТО) работают в циклическом режиме, а технологические процессы (ТП) представляют собой последовательность технологических и организационных операций, имеющих конечную продолжительность. Термину «периодический процесс», принятому в химической технологии соответствует общесистемный термин « дискретный процесс».

ХТС непрерывного действия - ХТС, в которых аппараты работают непрерывно, на вход аппарата непрерывно подаются исходные реагенты, на выходе аппарата непрерывно отводятся выходные продукты, а технологический процесс ведется в установившемся режиме.

ХТС полунепрерывного действия - ХТС, в которых аппараты функционируют непрерывно только в пределах интервала времени, необходимого для переработки конечной порции сырья или промежуточного продукта. В этих пределах в аппараты непрерывно

подаются исходные реагенты, а с выходов - непрерывно отводятся продукты.

Технологические процессы ведутся в установившемся режиме. Между интервалами времени работы аппараты находятся в режиме ожидания.

3. По степени важности ХТС в производстве.

Основные ХТС - ХТС для реализации основных технологических процессов производства. К основным ТОУ относят процессы и оборудование для реализации стадий подготовки сырья, химического синтеза, разделения и очистки целевых продуктов.

Вспомогательные ХТС - к таким ХТС относят процессы и оборудование для временного хранения исходных реагентов, промежуточных и конечных продуктов,

осуществления транспортных операций.

По информационной емкости ХТС:

Степень сложности ХТС характеризуется информационной сложностью объекта, то есть числом технологических параметров, участвующих в управлении.

6

Таблица 1

Классификация ТОУ по информационной емкости.

Информационная	Число			Пример ХТС
емкость объекта	параметров
	контроля		и
	управления
Минимальная	10	- 40		Насосная станция
Малая	41	- 160		Массообменная колонна
Средняя	161	- 650		Установка	термической
				переработки сланца
Повышенная	651	- 2500		Производство аммиака, карбамида

4. По характеру параметров управления.

ХТС с сосредоточенными параметрами - ХТС, в которых регулируемые параметры (в данный момент времени, в разных точках аппарата), имеют одно значение соответствующего параметра.

ХТС с распределенными параметрами - ХТС, в которых значения параметров неодинаковы в различных точках объекта в данный момент времени. Большинство процессов химической технологии являются объектами с распределенными параметрами.

Пример: температура и концентрация по высоте ректификационной колонны.

5. По типу технологического процесса.

Гидромеханические процессы - процессы, осуществляющие перенос количества

движения.

Тепловые процессы

-

процессы переноса энергии в форме теплоты

(теплопроводностью, конвекцией, излучением).

Массообменные процессы - процессы перемещения вещества в пространстве за счет разности концентраций (парциальных давлений).

Механические процессы - процессы переработки твердых материалов под действием механических сил (их измельчение и разделение по фракциям).

Химические процессы - процессы, характеризующие образование новых,

отличающихся от исходных по химическому составу или строению, веществ при сохранении

общего числа атомов и изотопного состава.

7

Различают следующие типы технологической структуры: последовательная, параллельная,

последовательно - параллельная, параллельно-последовательная, комбинированная,

содержащая байпасы и рециклы

1.3 Построение информационной схемы ХТС.

1.Построение информационной схемы ХТС.

Информационная схема ХТС - это схема, показывающая входные и выходные переменные

ХТС и их связи.

Построение информационной схемы возможно на основе математического описания (при разработке новых технологий) или на основе информации по эксплуатации объекта (при модернизации технологического процесса).

2.Анализ информационной схемы.

Выполняется анализ информационной схемы на предмет классификации входных и выходных воздействий на следующие группы:

Возможные возмущающие воздействия.

Возможные управляющие воздействия.

Наиболее целесообразные управляемые переменные.

Осуществляется выбор возможных каналов управления.

3.Математическое описание динамики ХТС.

Составляется математическое описание динамики объекта по возможным каналам управления и выбираются критерии эффективности.

Выполняется исследование динамики возможных каналов управления.

Выполняется выбор наиболее целесообразных каналов управления.

Составляется структурная схема системы управления.

4.Выбор параметров контроля, сигнализации и защиты.

1.4 Формы представления ХТС

Понятие «структура ХТС» означает систему связей между основными аппаратами технологического процесса по материальным или энергетическим потокам.

Различают: функциональные, технологические, структурные и операторные схемы ХТС.

Функциональная - показывает технологические связи между основными подсистемами,

каждая из которых выполняет какую либо техническую операцию.

8

Технологическая - показывает типы и способы соединения элементов, последовательность технологических операций. Для этого в схеме каждый элемент (аппарат или агрегат) имеет общепринятое изображение и связи между ними в виде стрелок.

Структурная - включает элементы в виде блоков имеющих входы и выходы. Она показывает, технологические связи между блоками, направление движения, материальных и энергетических потоков системы и может применяться как исходное при составлении математических моделей ХТС.

Операторная - включает элементы, в которых происходит качественное или количественное преобразование параметров входных материальных и энергетических потоков в физические параметры выходных материальных и энергетических потоков, являющихся результатом протекающих в каждом элементе химических процессов.

Основными являются операторы: 1) химического превращения; 2) массообменного процесса; 3) смешения потоков; 4) разделения потоков; 5) нагрева или охлаждения; 6) сжатия или расширения; 7) изменение агрегатного состояния и т.п.

Целесообразность применения тех или иных схем связана с решением конкретных задач,

возникающих на различных этапах исследования технологии, разработки проектной документации, проведения строительных и других работ, для обеспечения выпуска готового продукта.

1.5 Описание факторов ХТС

Внешние связи ХТС можно представить следующей схемой.

Рис. 1.1. Схема внешних связей системы Прямоугольник на рисунке символизирует выделенную систему.

Входы на рис. 1.1 разделены на три группы: H, X, Z.

h1, h2, ...,hm—факторы, контролируемые, но нерегулируемые. К нерегулируемым входам относят прежде всего конструктивные факторы , которые трудно регулировать (диаметр работающего аппарата) ; качественные показатели сырья –(трудно регулировать состав сырья) и т. д.

9

Х — вектор контролируемых и регулируемых входов. Это те воздействия, которые мы измеряем и целенаправленно изменяем, чтобы привести систему в нужное состояние.

Поэтому их называют управляющими воздействиями, или коротко управлениями.

Z—вектор неконтролируемых факторов. Это те воздействия на систему, которые находятся вне контроля .

Возможны три основных причины того, что тот или иной фактор оказывается неконтролируемым.

Во-первых, объект может быть плохо изучен, вследствие чего неизвестно, как данный фак-

тор влияет на поведение объекта.

Вторая причина-неумение его контролировать. Есть параметры процесса, которые невозможно контролировать по техническим или экономическим причинам.

Третья причинаэто неконтролируемое множество входных воздействий, поскольку таких воздействий так много (практически бесконечно много), что все их контролировать невозможно. При этом каждый из этих факторов влияет очень слабо, но их совокупное влияние может оказывается весьма ощутимым. Важно отметить, что это влияние носит случайный характер: не контролируя входы Z, невозможно предсказать» как они повлияют в той или иной момент. В эксперименте их влияние появляется в случайных ошибках опытов;

на производстве—в случайных возмущениях режима. В целом влияние неконтролируемых воздействий часто обозначают термином шум. Учет шума необходим в большинстве технологических задач .

Обозначения y1,...,yk относятся к воздействиям системы на окружающий мир, это— результаты функционирования системы; будем называть их выходами системы, или откликами (имеется в виду отклик системы на воздействие факторов). К их числу относятся количество произведенного продукта, его качественные показатели, себестоимость, прибыль предприятия, количество выбрасываемых в окружающую среду вредных примесей и множество других показателей .

1.6 Факторы, влияющие на технологический процесс (диаграмма Исикава)

Причинами разброса параметров качества готовых изделий или изделий на любой стадии технологического процесса являются:

1.колебания свойств исходных материалов и комплектующих изделий

2.колебания параметров оборудования и оснастки

3.влияние факторов связанных с деятельностью людей

4.особенности применяемых технологических методов изготовления и контроля При учете всех факторов система может стать сложной, т.е. практически неуправляемой

10