Министерство ОбразованияРоссийской Федерации
Санкт –ПетербургскийГосударственный Технологический Институт
(Технический университет)Курсовой проект
«АВТОМАТИЗАЦИЯПРОЦЕССА НИТРОВАНИЯ»
Выполнил: Солнцев П.
группа 891
Руководитель: Капустина Н.В.
Санкт-Петербург
2004
Содержание.
1.Описание технологического процесса приготовления раствора гипохлорита натрия.
Исходные данные для проектирования… 3
2.Анализ технологического процесса как объекта автоматизации… 6
2.1Критерии эффективности… 6
2.2Цели управления… 6
2.3Информационная схема процесса… 6
3.Исследование технологического процесса как объекта управления… 7
3.1Идентификация объекта по возможным каналам управления… 7
4.Синтез и исследование одноконтурной АСР с каналом возмущения по Gа… 11
4.1Структурная схема системы… 11
4.2Расчёт настроек регуляторов методами Циглера-Никольса, РЧХ и ВТИ… 11
4.3Построение переходных характеристик для объекта управления
иисследование характеристик качества регулирования… 12
5.Синтез и анализ комбинированной АСР концентрации готового продукта (Ссм) скомпенсацией возмущений по расходу (Gа)… 15
5.1Теоретические основы синтеза системы… 15
5.2Построение переходных характеристик… 18
5.3 Исследованиехарактеристик качества регулирования… 22
6.Разработка упрощённой функциональной схемы автоматизации процесса… 22
6.1.Описание постановки задачи автоматизации процесса… 23
6.2.Описание функциональной схемы разработанной системы автоматизации процесса 23
Выводыпо работе… 24
Литература… 25
1. Описание технологического процесса нитрования пиридона.
Вкачестве объекта автоматизации рассматривается реактор полного смешениянепрерывного действия с рубашкой и мешалкой (рис 1).
Смесьпиридона с уксусным ангидридом (с параметрами Gп, qп, Срп)подаётся на вход реактора (1). Туда же подаётся азотнаякислота (с параметрами Gк, qк, Скн, Срк).Процесс идёт при температуре q1; съёмтепла осуществляется подачей холодной воды (с параметрами Gхл, qхлн, Срхл)в рубашку реактора. Из реактора нитромасса (с параметрами Gвых, qвых, Скк,Срвых) поступает в стабилизатор (2), где охлаждается холодной водойдо температуры q2иразбавляется водой в соотношении 1:2, после чего идёт на стадию кристаллизации(с параметрами Gсм, qсм, Срсм).
Наслучай аварии предусмотрена сбросная ёмкость (3), заполненная водой. Всеаппараты, содержащие азотную кислоту, соединены с лоыушкой окислов азота (4) илинией разряжения.
Процесснитрования пиридона протекает при температуре q1, давленииР и уровне жидкости h1. Азотнаякислота является ключевым компонентом. Расход уксусного ангидрида с пиридономопределяется производительностью предыдущего аппарата и по нему действуетвозмущение.
1
3
2
4
М
М
М
4
В линию
разряжения
Пиридон
Gп, qп, Срп
Азотная кислота
Gк, qк, Скн, Срк
Вода
Gхл, qхлн, Срхл
Вода
G0
Нитромасса
Gвых, qвых, Скк, Срвых
Вода
Gхл2
Вода
На кристаллизацию
Gсм, qсм, Срсм
1- реакторполного смешения непрерывного действия; 2 – стабилизатор; 3 – сбросная ёмкость;4 – ловушка окислов азота.
Рисунок 1 — Технологическая схема процесса нитрования пиридона.
Заданиена курсовой проект по АТП ОХП.
Автоматизацияпроцесса нитрования пиридона.
1.Исследование процесса нитрования пиридона как объекта автоматизации.
Объектавтоматизации – химический реактор смешения для получениянитромассы. Составить функциональную схему автоматизации реакторногопроцесса для приготовления смеси нитромассы с водой, обеспечиврегулирование показателя эффективности процесса (Скк).
2.Исследование технологического процесса как объекта управления концентрациейазотной кислоты (Скк) с учетом канала возмущения «Gп — Скк».
3. Синтез иисследование одноконтурной АСР концентрации готового раствора с каналом возмущенияпо Gп.
4. Синтез иисследование комбинированной АСР концентрации азотной кислоты (Скк)с компенсацией возмущений по расходууксусного ангидрида с пиридоном (Gп).
Конструктивные и технологические параметры процесса.
1 Расходы (объёмные):
1.1 хладоагента Gхл= 3,8 м3/час
1.2 кислоты Gк= 0,3 м3/час
1.3 на выходе из реактора Gвых= 1,3 м3/час
1.4 пиридона Gп= 10 м3/час
2 Концентрации азотной кислоты
2.1 на входе в реактор Скн= 0,6 кмоль/м3
2.2 на выходе из реактора Скк= 0,132 кмоль/м3
3 Объёмы
3.1 реактора V = 6 м3
3.2 жидкой фазы в реакторе скоэффициентом заполнения 0,8
Vж= 0,8*6 = 4,8 м3
4 Порядок реакции n = 1
5 Энергия активации Е = 83500 Дж/моль
6 Предэкспоненциальный множитель k0= 1.6*1011 1/мин
7 Коэффициент перевода температуры из оС в К Т0= 273 К
8 Универсальная газовая постоянная R = 8,31 Дж/моль*К
2.Анализтехнологического процесса как объекта
автоматизации.
2.1. Критерии эффективности
В качестве объекта управления при автоматизацииприготовления пиридона примем реактор полного смешения (1).
Показателем эффективности данного процесса являетсяконцентрация азотной кислоты в нитромассе на выходе из реактора (Скк).
2.2 Цели управления
Целью управления является поддержание постоянногоравного заданному, значения концентрации готового продукта, то есть обеспечениеСкк= (Скк)зд . 2.3. Информационнаясхема процесса.
На Рисунке 2 представлена информационная схемапроцесса, где показаны возможные управляемыепеременные, возможные управляющие воздействия и возможные контролируемыевозмущения.
qхлн
qп
qк
Cкн
qвых
Gк
Gп
h1
Gхл
Gвых
Скк
Рисунок 2– Информационная схема процесса.
3. Исследованиетехнологического процесса как объекта
управления.3.1. Идентификацияобъекта по возможным каналам управления.
Вывод передаточной функциидля канала управления Gк– Скк.
Уравнениединамики:
(1)
Заменим:
Уравнениестатики: (2)
Введёмобозначения: (3)
Подставим(3) в уравнение (1):
(1а)
Вычтемиз уравнения (1а) уравнение статики (2) и получим уравнение динамикив приращениях:
(4)
Введёмбезразмерные переменные: (5)
Подставимв (4) выражения для DGк и DCкк на основании (5):
(6)
Обозначим:
Ввыражении (6) разделим обе части на [M*Cк0к]:
(7)
Перейдёмк представлению на основе преобразований Лапласа:
(8)
Обозначим: (9)
Тогдаможно записать: (10)
РассчитаемТ и К:
tоб =0,2 * Тоб= 4,26 мин
Вывод передаточной функциидля канала возмущения Gп– Скк.
Уравнениединамики:
(11)
Заменим:
Уравнениестатики: (12)
Введёмобозначения: (13)
Подставим(13) в уравнение (11):
(11а)
Вычтемиз уравнения (11а) уравнение статики (12)и получимуравнение динамики в приращениях:
(14)
Введёмбезразмерные переменные: (15)
Подставимв (14) выражения для DGк и DCкк на основании (15):
(16)
Обозначим:
Ввыражении (16) разделим обе части на [M*Cк0к]:
(17)
Перейдёмк представлению на основе преобразований Лапласа:
(18)
Обозначим: (19)
Тогдаможно записать: (20)
РассчитаемТ и К:
tв =0,3 * Тв= 6,64 мин
4. Синтез и исследование одноконтурной АСР.
4.1. Структурная схема одноконтурной АСР.
Структурная схемаодноконтурной АСР представлена на Рисунке 3.
Рисунок3–Структурная схемаодноконтурной АСР.
4.2. Расчет настроек регуляторов методамиЦиглера-Никольса, РЧХ и ВТИ.
Расчёт настроек регуляторовпроизводится в программном пакете SINTEZ.
Все полученные настройкипредставим в виде таблицы 1.
Таблица 1
Настройкирегуляторов, полученные методами Ц.-Н., РЧХ, ВТИ
Методика расчёта
П
ПИ
ПИД
S1
S0
S1
S0
S1
S2
Ц-Н
5,474
0,359
4,927
0,802
6,569
13,522
РЧХ
6,958
0,647
5,967
0,647
5,967
0
ВТИ
0,65
0,049
0,65
0,049
0,765
1,993
4.3. Построение переходныххарактеристик для объекта управления и исследование характеристик качестварегулирования.
Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу Циглера-Никольса, представлена на Рисунке 4.
Рисунок 4–Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным пометоду Ц-Н.
Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу РЧХ, представлена на Рисунке 5.
Рисунок5–Переходная характеристика длясистемы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу РЧХ.
Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу ВТИ, представлена на Рисунке 6.
Рисунок6 –Переходная характеристика длясистемы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу ВТИ.
Для дальнейшей работывыбираем регулятор, рассчитанный по методу Циглера-Никольса, т.к. переходныйпроцесс в этом случае обладает лучшими показателями качества по сравнению с другимиметодами.
Теперь сравним системы с П-,ПИ- и ПИД-регуляторами, рассчитанными по методу Циглера-Никольса.Переходная характеристика для системы с П-регулятором, рассчитанным по методу Циглера-Никольса, представлена на Рисунке 7.
Рисунок7 –Переходная характеристика длясистемы с П-регулятором, рассчитанным по методу Ц-Н.
Переходная характеристика для системы с ПИД-регулятором, рассчитанным по методу Циглера-Никольса, прдставлена на Рисунке 8.
Рисунок8 –Переходная характеристика длясистемы с ПИД-регулятором, рассчитанным по методу Ц-Н.
Показатели качестварегулирования свдены в таблицу 2
Таблица 2
Показатели качества регулирования одноконтурной АСР
метод
Регулятор
wрез
wср
Yдин
tрег
J2
Ц-Н
ПИ
0,204
1,05
0,196
24,9
2,793
РЧХ
0,305
1,05
0,187
41,4
2,967
ВТИ
0,102
1,05
0,386
100
21,426
Ц-Н
П
0,305
1,05
0,124
45
99999
Ц-Н
ПИД
0,305
1,05
0,2
85
4,232
максимальное динамическоеотклонение Yдин
время регулирования tрег
интегральный квадратичныйкритерий J2
резонансная частота wрез
частота среза wср
Таким образом, выбираемПИ-регулятор, расчитанный по методу Циглера-Никольса, т.к. переходный процесс втакой системе обладает наилучшими показателями качества.
5. Анализ комбинированной АСРконцентрации готового
раствора (Ссм) с компенсацией возмущений по расходу едкого натра (Gа).
5.1. Теоретические основы синтеза системы.
Комбинированная АСР — этомногоконтурная система регулирования,состоящая из одноконтурной АСР и динамическогокомпенсатора, обеспечивающая инвариа