Министерство образования Российской федерации
Санкт-Петербургский государственныйтехнологический институт
(технический университет)
Кафедра автоматизации процессовхимической промышленности
Г.В. Иванова
«Автоматизация технологических процессов
основных химических производств»
Методические материалы по курсу лекций
(в двух частях)
Часть 1.
2003г.
УДК 66-52:66(075)
Иванова Г.В. Автоматизациятехнологических процессов основных химических производств: Методическоепособие. Часть 1/ СПбГТИ(ТУ).-СПб., 2003.- 70с.
Методическое пособие предназначено для курса лекцийпо учебной дисциплине «Автоматизация технологических процессов основныххимических производств», являющейся дисциплиной специализации 210201 – «Автоматизациятехнологических процессов химической промышленности» учебного плана по специальности210200.
Пособие разработано в виде методических материалов,используемых при чтении лекций по дисциплине.
Часть 1 методического пособия включает в себя общуюхарактеристику химико-технологических процессов (ХТП) как технологическихобъектов управления (ТОУ); методику анализа ХТП как ТОУ; физико-химические основытехнологических процессов, технологические схемы рассматриваемых объектовуправления, математические описания объектов управления, постановку задачиавтоматизации, типовые схемы автоматизации, типовые решения автоматизации длягидромеханических и тепловых процессов.
Утверждено на заседании методической комиссиифакультета Информатики и управления 23 июня 2003г., протокол № 6.
1. Материалы к лекции №1
Введение.Общие подходы к автоматизации ХТП.
Предметом изучения в данномкурсе являются проблемы автоматизацииосновных химических производств.
Основные химические производства и составляющие ихтехнологические процессы мы рассматриваем в данном курсе как объекты управления.
Химико-технологические объекты управления.
ОпределениеТОУ:
· ТОУ – этосовокупность совместно функционирующих технологического оборудования иреализованного на нем технологического процесса.
· К ТОУ относяткак отдельныетехнологические агрегаты и установки,реализующие локальный технологический процесс, так и целые производства (участки, цехи). Существуют «супер-ТОУ» – установки, включающие сотни технологических аппаратов (на нефтеперерабатывающихзаводах).
Требования к ТОУ.
· Оборудование ТОУ должно быть полностью механизировано и должно безотказноработать в межремонтный период.
· ТОУ должен быть управляем, т.е. разделен на определенные зоны с возможностьювоздействия на технологический режим в каждой из них изменением материальных иэнергетических потоков.
· Возможность воздействия на характеристики оборудования.
· Возможность доступа обслуживающего персонала к местам установки датчиков,исполнительных механизмов, регулирующих органов.
· Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму, чтовозможно в результате установки: ресиверов; емкостей с мешалками; теплообменников, уменьшающих амплитудуи частоту изменения таких параметров, как давление, состав, температура.
Типовая схематехнологического производства
химическихпродуктов.
Подготовка
сырья
Выделение
целевых
продуктов
Химический
синтез
Сырье
Целевые продукты
·
Классификация химико-технологических
процессов и производств как ТОУ.
1. По тоннажу продукции иструктуре ассортимента:
· КрупнотоннажныеТОУ- ориентированные на продукциюконкретной, фиксированной номенклатуры с объемами выпуска: сотни – десятки тысяч тонн.
· Малотоннажные ТОУ- ориентированные на выпуск продукции разнообразной и быстро меняющейсяноменклатуры, с объемами выпуска: граммы – десятки тонн.
2. По характеру временногорежимафункционирования:
· ТОУ периодического действия – ТОУ, в которых аппараты (ТО) работают в циклическомрежиме, а технологические процессы (ТП) представляют собой последовательностьтехнологических и организационных операций, имеющих конечную продолжительность.Термину «периодический процесс», принятому в химической технологиисоответствует общесистемный термин « дискретный процесс».
· ТОУ непрерывного действия – ТОУ, в которых аппараты работают непрерывно,на вход аппарата непрерывно подаются исходные реагенты, на выходе аппаратанепрерывно отводятся выходные продукты а технологический процесс ведется в установившемсярежиме.
· ТОУ полунепрерывного действия – ТОУ, в которых аппаратыфункционируют непрерывно только в пределах интервала времени, необходимого дляпереработки конечной порции сырья или промежуточного продукта. В этих пределахв аппараты непрерывно подаются исходные реагенты, а с выходов – непрерывно отводятся продукты. Технологические процессы ведутся вустановившемся режиме. Между интервалами времени работы аппараты находятся врежиме ожидания.
3. По степени важности ТОУ впроизводстве.
· Основные ТОУ — ТОУ для реализации основных технологических процессовпроизводства. К основным ТОУ относятпроцессы и оборудование для реализации стадий подготовки сырья, химическогосинтеза, разделения и очистки целевых продуктов.
· Вспомогательные ТОУ – к вспомогательным ТОУ относят процессы иоборудование для временного хранения исходных реагентов, промежуточных иконечных продуктов, осуществления транспортных операций.
4. По информационной емкостиТОУ:
Степень сложности ТОУхарактеризуется информационной сложностью объекта, т.е. числом технологическихпараметров, участвующих в управлении.
Таблица 1
КлассификацияТОУ по информационной емкости.Информационная
емкость объекта
Число параметров, участв. в управл.
Пример ТОУ
Минимальная
10 – 40
Насосная станция
Резиносмеситель
Малая
41 – 160
Массообменная
Колонна
Средняя
161 – 650
Установка первичной перегонки нефти
Повышенная
651 – 2500
Производство
Этилена
Высокая
2500 и выше
Производство
Технического
углерода
5. По характеру параметровуправления.
· ТОУ с сосредоточенными параметрами – ТОУ,в которых регулируемые параметры (в данный момент времени, в разных точкахаппарата), имеют одно значение соответствующего параметра.
· ТОУ с распределенными параметрами – ТОУ, в которых значения параметровнеодинаковы в различных точках объекта в данный момент времени. Большинствопроцессов химической технологии являются объектами с распределенными параметрами.
· Пример: температура и концентрация по высоте ректификационной колонны.
6. По типу технологическогопроцесса.
· Гидромеханические процессы – процессы, осуществляющие перенос количества движения.
· Тепловые процессы – процессы переноса энергии в форме теплоты (теплопроводностью,конвекцией, излучением).
· Массообменные процессы – процессы перемещения вещества в пространствеза счет разности концентраций.
· Механические процессы – процессы переработки твердых материалов поддействием механических сил (их измельчение и разделение по фракциям).
· Химические процессы – процессы, характеризующие образование новых,отличающихся от исходных по химическому составу или строению, веществ при сохраненииобщего числа атомов и изотопного состава.
Методика анализа ХТП как ТОУ.
1. Определение критерияэффективности ТОУ.
· Для производств – это, как правило, экономические критериимаксимизации прибыли или минимизации себестоимости продукции.
· Для технологических процессов – это технологические критериимаксимизации качества или максимизации выхода целевого продукта.
2. Разработка математическогоописания процесса как объекта управления в статике и динамике.
· При разработке математического описания сложных ХТП стремятся к созданиюнаиболее простых моделей.
· Строят не полные и исчерпывающие мат. модели, а достаточные для решениязадач управления.
3. Математическое моделированиеи исследование статических режимов ТОУ.
· Основные методы создания мат. описаниядля целей управления – аналитические;статистические (регрессионные, методы группового учета аргументов); модели на основенечетких методов.
· Исследование статических характеристик ТОУ, на основании которого определяют:
· Возможные диапазоны варьирования параметров при управлении;
· Возможное число стационарных состояний процесса;
· Анализ устойчивости стационарных состояний процесса;
· Влияние основных режимных параметров на рабочие области ТОУ;
· Исследование нелинейности коэффициентов усиления и возможностилинеаризации статических характеристик и т.д.
4. Построение информационнойсхемы ТОУ.
Информационная схемаТОУ – это схема, показывающая входные и выходные переменные ТОУ и их связи.
Построение информационнойсхемы возможно на основе мат. описания (при разработке новых технологий) или наоснове информации по эксплуатации объекта (при модернизации системыуправления).
5. Анализ информационной схемы.
Выполняется анализинформационной схемы на предмет классификации входных и выходных воздействий на следующие группы:
· Возможные возмущающие воздействия.
· Возможные управляющие воздействия.
· Наиболее целесообразные управляемые переменные.
Осуществляется выборвозможных каналов управления.
6. Математическое описаниединамики ТОУ.
· Составляется мат. описание динамики объекта по возможным каналам управления.
· Выполняется исследование динамики возможных каналов управления.
· Выполняется выбор наиболее целесообразных каналов управления .
· Составляется структурная схема системы управления.
7. Выбор параметров контроля,сигнализации и защиты.
2. Материалы к лекции №2
Автоматизация процесса перемешивания
Общаяхарактеристика процессов перемешивания в жидких средах.
Перемешивание – гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде сцелью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса,передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа (Тябин Н.В., с.95).
Цели перемешивания
¨ Создание суспензий – обеспечение равномерногораспределения твердых частиц в объеме жидкости;
¨ Образование эмульсий,аэрация – равномерное распределение и дробление до заданныхразмеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости;
¨ Интенсификация нагреванияили охлажденияорабатываемых масс;
¨ Интенсификация массообменав перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).
Основные схемыперемешивания.
Рис.1.
§ Механическое – перемешивание мешалками,вращающимися в аппарате с перемешиваемой средой.
§ Барботажное – перемешивание путем пропускания через жидкуюсреду потока воздуха или газа,раздробленного на мелкие пузырьки, которые, поднимаясь в слое жидкости поддействием Архимедовой силы, интенсивно перемешивают жидкость.
§ Циркуляционное перемешивание – перемешивание, осуществляемое путем создания многократныхциркуляционных потоков в аппарате с помощью насоса.
Объект управления
Объект управления – емкость с мешалкой, аппаратнепрерывного действия, в котором смешиваются две жидкости А (с концентрациейцелевого компонента Са) и Б (с концентрациейцелевого компонента Сб) дляполучения гомогенизированного раствора с заданной концентрацией целевогокомпонента Ссм.
Схема объектауправления.
Рис.1.1
Показатель эффективности процесса – концентрация целевого компонента в гомогенизированном растворе(смеси) – Ссм.
Цель управления процессом – обеспечение заданной концентрации смеси при эффективном и интенсивномперемешивании.
Эффективность перемешиванияобеспечивается выборомпараметров аппарата, перемешивающего устройства, числа оборотов мешалки,обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданной интенсивностью (т.е. за заданное время).
Однако вреальных условияхтехнологические объекты подвержены действию внешних и внутренних возмущений,которые приводят к отклонению технологических режимов работы от расчетных.
Задача разработки системы автоматизацииобеспечить в условияхдействия внешних и внутренних возмущений в процессе эффективное и интенсивноеего функционирование с требуемыми характеристиками качества.
Теоретические аспекты процессамеханического перемешивания.
· При вращении лопасти мешалки в аппарате возникает вынужденное движение жидкости, которое описывается критериальнымуравнением вида:
Euм= f(Reм, Г) (1),
где
· модифицированный критерий Эйлера Euм :
(2),
· модифицированный критерий Рейнольдса Reм :
(3),
· геометрический симплекс Г:
Г=dм/ Dапп (4),
где dм – диаметр мешалки, м;
n – скорость вращения мешалки, об /с;
r – плотность жидкости, кг/м^3;
Nм – мощность, потребляемая мешалкой, вт;
m- динамическая вязкость, Па*с;
КN– критерий мощности.
Методика расчетаконструктивно- технологических параметров процесса механического перемешивания.
1. Выбирают тип мешалки, еедиаметр dм, размеры аппарата Daппи Hапп.
2. Определяют коэффициент Сtв зависимости от размеров аппарата и типаперемешивающего устройства.
3. Определяют число оборотовмешалки: .
4. Рассчитывают Reмпо соотношению (3).
5. По графику KN= f(Reм) находят KN.
6. Рассчитывают Nмиз выражения (2):
7. Рассчитывают мощность Nдв, потребляемую приводом перемешивающего устройства:
где К – поправочный коэффициент, учитывающийконструктивные особенности аппарата и перемешивающего устройства; hпер – к.п.д. передачи.
Вреальной установке непрерывного действия:
т.е. необходимо обеспечить: и
Материальный баланс по целевомукомпоненту.
Уравнение динамики:
(1).
Уравнение статики при :
(2)
На основании (1) и (2) можнопринять:
(3).
Материальныйбаланс по всему веществу.
Уравнение динамики:
(4).
Уравнение статики при :
(5).
На основании (4) и (5) можнопринять:
(6).
Информационнаясхема объекта.
Рис.4.1.
· Управляемые переменные – Ссм и hсм.
·
причем задано, что
·
· Gсм определяется последующимтехнологическим процессом и поэтому не может использоваться в качестверегулирующего воздействия.
Анализ уравнения динамики
на основематериального баланса по целевому компоненту.
Уравнениединамики в нормализованном виде.
(1)
Начальныеусловия для вывода передаточной функции по каналу управления GA– Cсм:
Уравнениестатики:
(2)
Уравнениединамики в приращениях:
(после подстановки начальных условий ввыражение (1), вычитания уравнения статики (2) и приведения подобных членов):
(3).
Уравнениединамики с безразмерными переменными:
(4).
Нормализованноеуравнение динамики объекта во временной области без учета транспортногозапаздывания:
(7).
Уравнениединамики по каналу управления во временной области сучетом транспортного запаздывания:
(8).
Передаточнаяфункция объекта по каналу управления
(10),
где:
(11),
где Vтруб – объем трубопровода от Р.О. до входа в аппарат.
Анализ уравнения динамики
на основематериального баланса по всему веществу.
Уравнение