Автоматизація процесу адсорбції в адсорбері неперервної дії з псевдорозрідженим шаром

Міністерство  освіти і науки України

Національний  університет ”Львівська політехніка”

                                            Кафедра АТХП

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

із дисципліни “Автоматизація неперервних технологічних процесів”

на тему:

“Автоматизація процесу адсорбції в адсорбері неперервної дії з

псевдорозрідженим шаром”

 

 

 

 

 

                                                                                                                

                 

                                                                                         

                                                                                                           Виконав:

                                                                                                              ст. гр. АВ-41

                                                                                                              Концевич О.В.

                                                                                                              Прийняв:

                                                                                                                Юсик Я. П.

 

 

 

Львів - 2010

Завдання  на курсовий проект

із дисципліни “ Автоматизація неперервних технологічних процесів”

 

1. П.І.П студента          Концевич Олександр Васильвич

2. Тема курсового проекту Автоматизація процесу адсорбції в адсорбері неперервної дії з

псевдорозрідженим шаром

 

3. Вихідні дані  до курсового проекту _____________________________________________

 

 

4. Зміст пояснювальної записки (перелік питань, що підлягають розробленню)

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

5. Перелік графічних  матеріалів _________________________________________________

 

 

 

6. Дата видачі “______” _________________ 2010 p.

 

7. Керівник роботи                            Юсик Ярослав Петрович

8. Завдання прийняв  до виконання “______” ____________________ 2010 p.

 

5. Термін захисту курсового проекту “______” _____________________ 2010 p.

 

Студент __________________________________________

(підпис)

 

Керівник __________________________________________

(підпис)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зміст

 

    Вступ                                                                                                                 4

1. Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування                           

    1.1. Загальні відомості                                                                                     6

    1.2.Характеристика адсорбентів і їх види                                                     6

    1.3. Десорбція                                                                                                  7                                                                                                

    1.4. Рівновага при адсорбції                                                                            8

    1.5. Тепловий баланс адсорбента                                                                    8

    1.6. Матеріальний баланс процесу адсорбції                                                 9

    1.7. Тонка очистка від двоокису вуглецю                                                      10

    1.8. Опис установки                                                                                          12

      1.9. Визначення й аналіз факторів, що впливають на технологічний

           процес                                                                                                         13 

    1.10. Технологічна карта процесу                                                                   13

    1.11. Структурна схема взаємозв’язку між технологічними                        14

             параметрами об’єкта

    2. Розроблення системи автоматичного керування технологічним

        процесом                                                                                    

    2.1. Обґрунтування і вибір координат вимірювання, контролю,

           сигналізації, дистанційного керування, захисту, блокування

           та регулювання                                                                                          15

    2.2. Функціональні ознаки систем автоматизації                                          15

    2.3. Вибір технічних засобів автоматизації (ТЗА)                                        16

    2.4. Опис ФСА                                                                                                  18 

    3. Розрахунок САР                                                                                          

    3.1. Функція передачі об’єкта                                                                          20

    Висновок                                                                                                            22

    Література                                                                                                          23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

    Розвиток автоматизації хімічної промисловості пов'язаний зі збільшенням інтенсивності технологічних процесів і зростанням виробництв, ускладненням технологічних схем, підвищенням якості продуктів.

    Особлива увага приділяється питанням автоматизації процесів хімічної технології у зв'язку з вибухо- і пожежонебезпечністю перероблюваних речовин, їх агресивністю та токсичністю, з необхідністю перешкодженню викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище. Вказані особливості, висока чутливість до порушення заданого режиму, наявність великої кількості точок контролю і керування процесом, а також необхідність вчасної і відповідної дії, що склалася в даний момент, на даний процес у випадку відхилення параметрів регулювання від заданих не дозволяють навіть досвідченому оператору забезпечити регулювання вручну.

    Людина  володіє скінченою швидкістю сприйняття певного об'єму інформації; їй потрібен деякий час для його обдумування, прийняття рішення та  виконання цього рішення. Оператор повинен неперервно слідкувати за процесом, із максимальною швидкістю оцінювати обстановку, що склалася, й у випадку необхідності приймати швидкі рішення з метою підтримання заданого режиму, що дуже важко, інколи неможливо. Тому в теперішній час експлуатація процесів хімічної технології без автоматизації неможлива.

    Під технологічним процесом розуміють сукупність технологічних операцій, які проводяться над вхідним продуктом в одному чи декількох апаратах, метою яких є отримання продуктів, які відповідають заданим якостям; їх можна отримати в ректифікаційних колонах, реакторах, абсорберах, адсорберах, сушках та інших апаратах. Зазвичай із метою переробки хімічних речовин та отримання кінцевих продуктів із цих апаратів компонують складні технологічні схеми.

    Технологічний процес, реалізований на відповідному технологічному обладнанні, називають технологічним об'єктом керування (ТОК). ТОК – це окремий апарат, агрегат, відділення, цех, виробництво, підприємство. Різні зовнішні збурення (зміна витрати чи складу вхідної речовини, стан і характеристики технологічного устаткування тощо) порушують роботу ТОК. Тому для підтримки його нормального функціонування, а також для необхідності зміни умов його роботи, ним можна керувати. При цьому мета керування полягає в забезпеченні оптимального значення критерію керування, під яким розуміють технологічний або техніко-економічний показник (продуктивність виробництва, якість продукції тощо), який характеризує якість ТОК в цілому і приймає числові значення в залежності від подаючих на нього керуючих дій – ціленапрямлених змін матеріальних і енергетичних потоків. Процес управління передбачає: збір інформації про стан об'єкта керування; визначення оптимального режиму функціонування об'єкта; обчислення керуючих дій; реалізацію оптимальних керуючих дій.

    У теперішній час для керування все більше застосовують автоматичні системи керування (АСК) – людино-машинні системи, які забезпечують автоматичний збір та обробку інформації, необхідні для оптимізації керування. При цьому під процесом оптимізації розуміють вибір такого варіанту керування, при якому досягається мінімальне чи максимальне значення критерію керування.

    Керування хімічними підприємствами безпосередньо АСК здійснюється по ієрархічному принципу на трьох рівнях.

    На вищому рівні забезпечується оперативне керування підприємством у цілому, яке в ряді з рішенням задач технологічного керування окремими виробництвами координує роботу цих виробництв і вирішує планово-економічні задачі, забезпечуючи ефективність роботи всього підприємства. Для оперативного керування хімічними підприємствами розробляються автоматизовані системи керування підприємствами (АСКП).

    На наступному рівні забезпечується керування технологічним процесом. Для цього застосовується автоматизована система керування технологічним процесом (АСКТП), призначена для реалізації керуючих дій на ТОК у відповідності з прийнятим критерієм керування. Задача керування полягає у пошуку оптимальних режимів спільно працюючих апаратів, розподілення навантажень між окремими агрегатами чи паралельно працюючих колами апаратів із врахуванням існуючих ресурсів речовин, енергії та інших показників. В АСКТП широко застосовується увесь арсенал існуючих засобів автоматизації.

    При керуванні технологічним процесом на рівні АСКТП інформація про його протікання передається також і на диспетчерські пункти підприємства, забезпечуючи її аналіз, оброблення та використання в АСКП при керуванні підприємством.

    На нижчому рівні задача зводиться до стабілізації необхідних режимів процесів, які протікають в окремих апаратах, шляхом підтримання заданих значень технологічних величин (витрата, температура, якісні показники отриманих продуктів та ін.). Крім цього виконується оптимізація процесів із врахуванням їх особливостей. Одночасно виконується сигналізація про порушення заданого режиму, захист і блокування устаткування, його пуск і зупинка, дистанційне керування процесом і т.д. Ці задачі вирішуються за допомогою локальних автоматичних систем, які входять в АСКТП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Аналіз  технологічного процесу як об’єкта керування

    1.1. Загальні відомості  

    Адсорбція – це процес поглинання одного чи декількох компонентів із газової суміші чи розчину твердою речовиною – адсорбентом. (Адсорбція являє собою процес поглинання газів, парів або рідин поверхнею пористих твердих тіл – адсорбентів.) Речовина, яка поглинає, називається адсорбат, чи адсорбтив.    

    Процеси адсорбції (як і інші процеси масопередачі) вибіркові й оборотні. Це означає, що кожний поглинач володіє здатністю поглинати лише певні речовини і не поглинає (чи поглинає лише в незначній мірі) інші речовини, які містяться в газовій суміші чи розчині, а поглинута речовина завжди може бути виділена з поглинача шляхом десорбції.

    Адсорбція  застосовується при невеликих  концентраціях поглинаючої речовини  у вхідній суміші, коли потрібно досягнути практично повного витягнення адсорбтиву.

    Процеси адсорбції широко застосовуються у промисловості при очистці й осушці газів, очистці й освітленні розчинів, розділенні сумішей газів і парів і т.д. Адсорбцію застосовують для очистки аміаку перед контактним окисленням, осушки природного газу, виділення й очистки мономерів у виробництвах синтетичного каучуку, смол і пластичних мас, виділення ароматичних вуглеводнів із коксового газу та для багатьох інших цілей. У багатьох випадках після адсорбції поглинені речовини виділяють (десорбують) із поглинача.

    Виділяють  фізичну та хімічну адсорбцію.  Фізична адсорбція зумовлена  взаємним притяганням молекул  адсорбата й адсорбента під  дією сил Ван-дер-Ваальса та  не супроводжується хімічною взаємодією адсорбованої речовини з поглиначем. При хімічній адсорбції (хемосорбції) у результаті хімічної реакції між молекулами поглинутої речовини та поверхневими молекулами поглинача виникає хімічний зв’язок.    

 

     1.2.Характеристика адсорбентів і їх види

    В  якості адсорбентів використовуються  пористі  тверді речовини з  великою питомою поверхнею. Характер  адсорбції залежить від розміру  пор (капілярних каналів), які  є різними по діаметру у  різних адсорбентів. 

    Адсорбенти  характеризуються своєю поглинаючою (адсорбційною) здатністю (адсорбційна здатність називається активністю адсорбента), яка визначається концентрацією адсорбтиву в одиниці маси чи об’єму адсорбента.

    Поглинаюча здатність  адсорбента по відношенню до  даної речовини залежить від температури та тиску, при яких відбувається адсорбція, та від концентрації поглинаючої речовини.

    У промисловості  в якості поглиначів застосовують  активоване вугілля та мінеральні  адсорбенти (силікагель, цеоліти й  ін.), а також синтетичні іонообмінні смоли (іоніти).

  

- 6 -

     Цеоліти. Ці адсорбенти являють собою природні та синтетичні мінерали, які являються водними алюмосилікатами катіонів елементів першої та другої груп періодичної системи Д.І.Менделєєва. В якості промислових адсорбентів застосовуються штучні (синтетичні) цеоліти.

    Цеоліти відзначаються  високою поглинаючою здатністю  стосовно води й являються  високоефективними адсорбентами  для осушки й очистки газів  і рідин. Розмір гранул цеолітів  складає 2-5 мм.

 

    1.3. Десорбція

    Видобування адсорбованої речовини з твердого поглинача (десорбція) являється необхідною складовою частиною всіх технологічних процесів адсорбції, які відбуваються в замкнутому циклі.

    Основні методи  десорбції (регенерації адсорбента):

• витіснення з адсорбента поглинутих компонентів за допомогою агентів, які володіють більш високою адсорбційною здатністю, ніж поглинуті компоненти;
• випаровування поглинутих компонентів, які володіють відносно високою летючістю, шляхом нагрівання шару адсорбента.

    Часто вказані вище способи застосовуються в комбінації один з одним.

    На практиці  процеси десорбції зазвичай здійснюють  шляхом пропускання пари чи  газу, який не містить адсорбтиву, через шар адсорбента після  завершення прямого процесу (адсорбції). Для підвищення швидкості виділення десорбцію здійснюють найчастіше при підвищених температурах, наприклад, пропускаючи через шар адсорбенту наперед нагрітий десорбуючий агент.

    В якості десорбуючих  агентів використовують гостру  насичену чи перегріту водяну  пару, пари органічних речовин, а також інертні гази. Після проведення процесу десорбції шар адсорбенту зазвичай піддають осушці й охолодженню.

    Десорбцію гострою  водяною парою найчастіше застосовують  у процесах рекуперації летучих  розчинників на активному вугіллі.  При цьому основна маса поглинутої речовини виділяється з поглинача на початку десорбції. По мірі наближення до кінця процесу швидкість його значно знижується, а витрата водяної пари на одиницю десорбуючого продукту сильно зростає. Тому з техніко-економічних міркувань адсорбуючу речовину виділяють із поглинача не повністю, залишаючи деяку її кількість в адсорбенті.       

    Частина водяної  пари, яка називається гріючою парою, витрачається при десорбції на нагрівання всієї системи, десорбцію поглинутих речовин із вугілля та компенсацію теплових втрат у навколишнє середовище. Гріюча пара повністю конденсується в адсорбері. Деяка частина пари витрачається на компенсацію від’ємної теплоти змочування вугілля водою і також повністю конденсується в адсорбері.

  

 

- 7 -

    Десорбовані з вугілля речовини видуваються з вугільного шару динамічною парою, яка не конденсуючися, виходить з адсорбера у суміші з парами десорбованих речовин.

    Регенерацію цеолітів  найчастіше здійснюють шляхом  продування через шар адсорбенту нагрітого сухого газу, причому видалення поглинутих речовин із цеолітів зазвичай тяжче, ніж з активованого вугілля...

    Частина водяної пари, яка подається на десорбцію, йде на нагрів адсорбента й апарата, на компенсацію теплоти адсорбції та від’ємної теплоти змочування. Інша, несконденсувавша частина пари виносить десорбовану речовину з апарату. З допомогою водяної пари зазвичай регенерують активоване вугілля. Силікагелі, алюмогелі та цеоліти регенерують продуванням при підвищеній температурі.    

    У  найбільш поширених методах десорбції  шар адсорбента нагрівають до  заданої температури і потім  продувають при практично постійній  температурі газом або парою.

 

    1.4. Рівновага при адсорбції   

    Кількість речовини, адсорбована одиницею маси чи об’єму даного поглинача при досягненні стану рівноваги, залежить від температури та концентрації поглинаючої речовини в паро-газовій суміші чи розчині. Залежність між рівноважними концентраціями фаз при адсорбції:

X*= f (Y, Т)

або при постійній температурі

X*=f1(Y),

де X* -  відносна концентрація адсорбтиву в адсорбенті (величина адсорбції), рівноважна з концентрацією адсорбтива в газовій або рідкій фазі, кг адсорбтиву кг адсорбенту;  Y - відносна концентрація адсорбтиву у фазі, з якої адсорбується речовина, кг адсорбтиву/кг носія газової суміші  або розчину.

    Концентрація Y поглинаючої речовини може бути замінена його парціальним тиском p в паро-газовій суміші. Тоді

X*=f (p).

 

    1.5. Тепловий баланс адсорбента

Q_ад=q_дL(X-X_п)=Lc(t-t_п)

або

q_д(X-X_п)=c(t-t_п)

де q_д – диференційна теплота розчинення газу, кДж/кмоль; L – витрата адсорбента, моль/с; c – теплоємність твердої речовини, кДж/(кмоль*К); t – температура твердої речовини в даному січенні, К; tп – початкова температура твердої речовини, К.

    Тоді

t=t_п-(q_д/c)(X-X_п)

    За допомогою останнього рівняння, задаючися рядом довільних значень X в інтервалі між заданими концентраціями Хп та Хк, визначають температури t і потім за довідковими даними знаходять відповідні значення Y і будують лінію рівноваги (у координатах X-Y, тобто X – концентрація твердої речовини, Y – концентрація газу).                                             - 8 -

    1.6. Матеріальний баланс процесу адсорбції

    А) Рівняння матеріального балансу:

G_{a min}[X^*(c_к)-X_п]=V(c_о-c_к)

де G_{a min} – витрата адсорбента, кг/с; V – об’ємна витрата суцільної фази, м³/с.

    Дійсна  витрата адсорбента:   G_a=(1,1…1,3)G_{a min}.

 

 

    Б) Якщо адсорбент рухається через апарат, адсорбція відбувається неперервно, і матеріальний баланс процесу виражається рівнянням(1), спільним для всіх процесів масопередачі.  

    Схема руху потоків у протилежно протікаючому апараті для масообміну (рис.1). В апарат надходять фази G(наприклад, газ) та L(наприклад, рідина). Нехай витрата носія у фазі G складає G кг/сек, а в фазі L рівна L кг/сек. Склад розприділяючого компонента, виражений у виді відносних вагових складів, у фазі G позначимо через Y, а в фазі L – через X.

Рис.1. Схема руху потоків у протилежно протікаючому апараті для масообміну.

    Припустимо, що розприділяючий компонент переходить із фази G у фазу L (наприклад, абсорбується з газової суміші рідиною), причому склад цього компоненту в фазі G зменшується від Y₁ (на вході в апарат) до Y₂ (на виході з апарату). Відповідно склад цього ж компоненту в фазі L збільшується від X₂ (при вході в апарат) до X₁ (на виході з апарату).

    Носії  не приймають участі в процесі  масообміну. Отже, їх кількість G та L не змінюються по довжині апарату. Тоді кількість компоненту, який перейшов із фази G, складає: 

M = GY₁ – GY₂ = G (Y₁ – Y₂ ) , кг/сек

та кількість  компоненту, який перейшов у фазу L:

M = LX₁ – LX₂ = L (X₁ – X₂ ) , кг/сек

    Обидві ці кількості рівні, тому можна написати рівняння матеріального балансу наступним чином:

M = G (Y₁ – Y₂ ) = L (X₁ – X₂ )  (1)

    Звідси знаходимо співвідношення між кількостями носія в обидвох фазах:

l = .

- 9 –

    1.7. Тонка очистка від двоокису вуглецю

    Тонка очистка газу від двоокису вуглецю необхідна в технологічних установках із глибоким охолодженням, наприклад, при промивці газу від окису вуглецю рідким азотом у виробництві аміаку, при розділенні повітря, коксового й інших газів.

    Адсорбційний метод для додаткової тонкої очистки газу можна застосовувати після видалення основної кількості СО2 одним із відомих методів, наприклад, водною промивкою.

    Експериментально  розроблений адсорбційний спосіб  тонкої очистки від СО2 при  низькій температурі газу, що  направляється на відмивку рідким  азотом. Спосіб полягає в тому, що адсорбція СО2 відбувається під тиском при температурі -40град.С…-50град.С, а десорбція – потоком інертного газу при низькій температурі та тиску, близькому до атмосферного. По схемі з промивкою газу рідким азотом в якості десорбуючого газу використовується фракція СО. Тиск процесу визначається тиском газу в умовах його подальшої переробки.

    Проведення  адсорбції при пониженій температурі  збільшує поглинаючу здатність  сорбента у декілька разів  у порівнянні з адсорбцією  при звичайній температурі. Затрати  енергії на очистку газу незначні та визначаються тільки витратою на покриття невеликих додаткових втрат холоду та тиску, пов’язаних зі встановленням агрегату очистки. При цьому відсутня постійна витрата будь-яких реагентів.        

    В  якості адсорбентів можуть застосовуватися активовані вугілля та дрібнопористий силікагель різноманітних промислових марок, а також синтетичні цеоліти (молекулярні сита).

    При  адсорбційній очистці водню в  однакових умовах силікагелі  володіють значно меншою місткістю  по СО2, ніж активовані вугілля, з яких найбільш ефективне вугілля марки СКТ. Серед синтетичних цеолітів найбільшу місткість по СО2 має цеоліт СаА.

    Синтетичні  цеоліти типу СаА можуть бути  використані для адсорбційної  очистки газу від СО2 під тиском  та при температурі 15-20град.С,  якщо вміст СО2 в газі не  перевищує декількох десятих  часток відсотка. Регенерація адсорбента  відбувається при 250-350град.С.  

    У  таблицях 1 і 2 наведені характеристики  процесу адсорбції СО2.

 

 

 

 

 

 

 

 

- 10 -

Таблиця 1. Адсорбція С0₂ різними адсорбентами при -42 град.С

в мг/г

 

Адсорбент		Парціальний тиск СО2, Па *
		1,3*103	6,6*103	0,13*105	0,26*105	0,4*105	0,53*105
Вугілля
С	29,0	59,0	68,0	88,0	103,0	114,0
АР-3	16,0	49,0	60,5	102,0	138,5	140,1
Е	20,4	67,0	98,5	140,0	162,5	172,5
КАД	33,0	71,5	104,0	143,0	166,0	174,5
СКТ	50,0	134,0	184,5	257,0	305,0	329,0
Шариковий силікагель
№ 5	12,5	35,0	54,0	76,0	95,0	110,0
№ 6	13,5	40,0	60,0	88,0	—	—

* 10⁵ Па = 9,81 кгс/см²

Таблиця 2. Адсорбция С0₂ при различных температурах         

в мг/г

 

Парціальний	Синтетині цеоліти				Вугілля	Цеоліт	Вугілля
тиск, кПа	NаА	СаА	СаХ	NaX	СКТ	СаА	СКТ
		При 20 °С				При  -42 град.С	При  -42 град.С
0,01	7,0	10,0				75,0	2,0
0,1	28,0	35,0	6,0	7,5	1,0	165,0	6,0
0,6	77,0	86,0	15,0	27,0	3,0	180,0	30,0
1,0	96,0	112,0	22,0	42,0	6,0	190,0	50,0
4,0	114,0	152,0	32,0	67,0	16,0	200,0	99,0
6,6	122,0	167,0	35,0	77,0	23,0	206,0	132,0
10.0	124,0	174,0	38,0	83,0	31,0	208,0	165,0
13,0	128,0	178,0	40,0	90,0	39,0	210,0	198,0
26,0	149,0	188,0	49,0	111,0		218,0	260,0