Системы управления химико-технологическими процессами

Министерство  образования и науки Российской Федерации 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 

      Кафедра автоматизации технологических процессов      . 

наименование  кафедры

                                                                 Допускаю к защите

                                                        Руководитель                      В.Г. Хапусов  .  

                                                                                                                 И.О. Фамилия 
 

Автоматизация установки гидроочистки масел.

наименование  темы

Курсовая  работа

по дисциплине 

Системы управления химико-технологическими процессами  

____________________       ___1.000.00.00 ПЗ_________________________

обозначение документа

Выполнил студент  группы  XTTз – 06 - 1      ________            М.А.Чернюгов        

                                                                шифр                     подпись                          И.О. Фамилия

Нормоконтроллер:                                           ____________     _В.Г. Хапусов

                                                                                          подпись                             И.О. Фамилия

Курсовой проект защищен с оценкой _______________________________

Иркутск 2012 г. 

Содержание

1 Введение…………………………………………………………………3

2 Технологическая  часть……………………………………………….…5

   2.1 Физико-химические основы гидроочистки………………………..5

   2.2 Физико-химические основы стабилизации………………………..6

   2.3 Физико-химические основы очистки циркулирующего   водородсодержащего газа от сероводорода……………………………..7

   2.4 Основные факторы процесса……………………………………….8

   2.5 Описание технологического процесса…………………………….10

3 Инженерный  анализ технологического процесса  как объекта автоматизации…………………………………………………………….12

4 Анализ тепловых  и материальных балансов………………………….13

5 Обоснование  выбора технических средств и  разработка       функциональной схемы автоматизации…………………………………18

6  Заказная  спецификация на технические  средства автоматизации…..20

7 Заключение………………………………………………………………23

8 Список литературы…………………………………………………...…24

9 Приложение А «Технологическая схема»……………………………..25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

  Технический уровень химической промышленности на современном этапе ее развития во многом определяется уровнем управления. Без наличия необходимых средств автоматической диагностики химико-технологического процесса и автоматического управления им в принципе невозможен технический прогресс в химической промышленности. Современное химическое или нефтехимическое производство является высокоавтоматизированным производством. Автоматическое управление химическим производством позволяет значительно увеличить производительность труда и, что имеет особое значение для химической промышленности, повышает социальную эффективность труда, т. е. облегчается труд обслуживающего персонала, улучшаются санитарно-гигиенические условия их работы, повышается культурный и профессиональный уровень специалистов. На химических предприятиях появились работники, владеющие компьютерами, специалисты по информационным технологиям. Автоматическое управление химическим производством позволяет не только улучшить качество производимой продукции, снижая ее себестоимость, но и уменьшить отрицательное воздействие химического предприятия на окружающую среду.

   Вопросам  управления в химической технологии придается особое значение. Это, в первую очередь, связано со следующими особенностями ХТП:

1. сложность и высокая скорость протекания ХТП;
2. агрессивность и токсичность перерабатываемых веществ;
3. взрыво- и пожароопасность перерабатываемых веществ;
4. высокие (или низкие) температуры; высокие (сверхвысокие) давления или глубокий вакуум;
5. высокая чувствительность ряда ХТП к нарушениям технологического режима и т. д.

  Таким образом, понятия технический прогресс и уровень автоматического управления в химической промышленности неотделимы.

  Возможности автоматического управления (с использованием микропроцессорной техники) в химической технологии:

• автоматический пуск и останов химического производства;
• автоматический контроль технологических параметров;

  • автоматическое прогнозирование ведения технологического процесса;

• поддержание заданных (оптимальных) технологических режимов;
• повышение качества производимой продукции;
• повышение производительности технологического оборудования и увеличение объема производимой продукции;
• снижение затрат сырья, материалов и энергии на производство единицы продукции;
• безопасное ведение химико-технологического процесса (уменьшение вероятности нарушения технологического режима, приводящее к нанесению вреда обслуживающему персоналу, оборудованию, окружающей среде);
• увеличение надежности химико-технологических процессов и в целом химико-технологической системы (сокращение простоев оборудования из-за неполадок и увеличение межремонтных сроков работы технологического оборудования);
• предупреждение загрязнения окружающей среды промышленными отходами и стоками.

2 Технологическая часть

       Технологический процесс гидроочистки масляного  сырья на установке осуществляется по следующим стадиям:

• стадия гидроочистки
• стадия стабилизации
• стадия очистки ВСГ

2.1 Физико-химические основы гидроочистки

       Под процессом гидроочистки понимают процесс  гидрогенизационной очистки масел в среде водорода на катализаторах ГО-38А и СГК-5 при повышенных давлениях и температуре.

       Реакция гидрирования непредельных углеводородов  протекает с выделением тепла. Тепловой эффект процесса гидрирования непредельных углеводородов составляет 15 – 40 ккал на 1 кг сырья в зависимости от глубины процесса и химического  состава сырья. В зависимости  от характера строения сероорганических, азотистых и других соединений в процессе гидрогенизационной очистки на катализаторе протекают следующие реакции:

       Примеры реакций гидрирования сернистых  соединений:

       а) меркаптаны

       RSH+H₂→RH+H₂S

       б) сульфиды

       RSR’+H₂→RH+H₂S

       в) дисульфиды

       RSSR’+H₂→RH+R’H+H₂S

       г) тиофены

       д) тиофаны

       Азотистые соединения представлены в основном хинолинами. При гидроочистке азотистые  соединения превращаются следующим  образом:

       хинолины

       B результате очистки значительно улучшаются качество масляных компонентов, а именно:

       повышается  индекс вязкости: на 2 пункта

       улучшается  цвет: на 1-3 марки

       снижается содержание серы: на 25-30 %

       снижается коксуемость: дистилятных масел на 60-65 % и остаточных на 30 %.

2.2 Физико-химические основы стабилизации

       В результате реакций, протекающих в  процессе гидрирования непредельных углеводородов  масляного сырья, образуется некоторое  количество легких углеводородов, которые  имеют низкую температуру вспышки. Отделение легких углеводородов  от гидрогенизата с целью повышения температуры вспышки гидрогенизата происходит на стадии стабилизации в сепараторах и отпарных колоннах.

       Процесс физической стабилизации предусмотрен для удаления не только низкокипящих компонентов состава С₁-С₅ и воды, но и главным образом сероводорода, поскольку в продукте нормируется его отсутствие.

       Сущность  процесса стабилизации заключается  в том, что компоненты жидких смесей при одинаковом давлении имеют различные  температуры кипения.

       Благодаря этому в процессе испарения жидкой смеси ее компоненты проявляют различное  стремление к переходу в парообразное состояние, т.е. обладают различной  летучестью. Наиболее летучими являются компоненты с наиболее низкой температурой кипения. Это позволяет разделить  исходную смесь путем ректификации. Для понижения рабочей температуры  ректификации процесс осуществляют в потоке водяного пара, снижая тем  самым парциальное давление отгоняемого  компонента и соответственно температуру  кипения.

       Стабилизация  гидрогенизата осуществляется в две ступени:

       I ступень - отпарные колонны, где происходит отпарка лёгких углеводородов с помощью перегретого водяного пара;

       II ступень - колонны вакуумной сушки,  где происходит испарение влаги  из масляных фракций.

       После стабилизации гидроочищенные масляные фракции поступают на фильтры, где происходит их фильтрация от механических примесей и катализаторной пыли.

2.3 Физико-химические основы очистки циркулирующего водородсодержащего газа от сероводорода

       Очистка водородсодержащего газа от сероводорода производится путем абсорбции его 15%-ым раствором моноэтаноламина (МЭА). МЭА с сероводородом образуют легкоразлагающийся при нагревании комплекс (сульфиды и дисульфиды):

       2HOC₂H₄-NH₂ + H₂S ®(HOC₂H₄-NH₃)₂S

       2(HOC₂H₄-NH₃)SH ® (HOC₂H₄-NH₂)₂S + H₂S

       Процесс реакции сероводорода с МЭА осуществляется абсорбере. Очищенный водородсодержащий  газ возвращается на гидроочистку масляных компонентов.

       Насыщенный  раствор МЭА с образовавшимися  сульфидами и дисульфидами подается на регенерацию в десорбер. В десорбере образующиеся сульфиды и дисульфиды при нагревании диссоциируют с выделением сероводорода:

       (HOC₂H₄-NH₃)₂S ® 2HOC₂H₄-NH₂ + H₂S

       2(HOC₂H₄-NH₃)SH ® (HOC₂H₂-NH₂)₂S + H₂S

       Сероводород выводится с установки, регенерированный раствор МЭА снова поступает в абсорбер.

2.4 Основные факторы процесса

       Управляемыми  параметрами гидроочистки являются температура, давление и кратность  циркуляции водородсодержащего газа.

       Температура

       При температурах ниже 300-320ºС обессеривание обычно протекает слабо. С повышением температуры от 320-400ºС степень обессеривания возрастает. Реакция гидрирования сернистых, азотистых и кислородсодержащих соединений протекают при определенных температурах. Выбор температуры зависит от состава и качества сырья, а так же от заданного качества продукции. С повышением температуры избирательность процесса снижается, увеличивается выход легких продуктов и соответственно уменьшается выход целевых продуктов, вместе с тем увеличивается отложение кокса на катализаторе, что сокращает срок службы катализатора. При гидроочистке промышленных видов сырья с течением времени содержание кокса на катализаторе увеличивается, и активность его постепенно уменьшается. Для сохранения постоянной глубины процесса гидрообессеривания температуру в реакторе приходится повышать. В концу рабочего пробега средняя температура в реакторе может превышать первоначальную - на 20-60ºС.

       Давление

       Степень обессеривания увеличивается с возрастанием общего давления в реакторе или, точнее, парциального давления водорода. При этом замедляется реакции дегидрирования нафтеновых углеводородов, уменьшается закоксование катализатора, ускоряются реакции насыщения водородом непредельных углеводородов и гидрогенизация ароматических углеводородов. Общий расход водорода с ростом давления увеличивается.

       Объемная  скорость подачи сырья

       Уменьшение  длительности контакта катализатора в  результате повышения объемной скорости подачи сырья (отношение объема жидкости сырья, поступающего в один час, к  объему катализатора, считая по насыпной плотности) снижает глубину обессеривания. В результате уменьшается расход водорода и степень закоксования катализатора.

       С увеличением объемной скорости уменьшается  время пребывания сырья в реакционной  зоне, т.е. время контакта его с  катализатором, что приводит к снижению степени гидроочистки. При увеличении объемной скорости увеличивается время  контакта сырья с катализатором, возрастает глубина очистки, однако производительность установки уменьшается  и значительно повышается степень  закоксования катализатора.

       Меркаптаны  и дисульфиды как наиболее легкогидрируемые соединения в значительной мере удаляются при высоких значениях объемной скорости. Сульфиды, наоборот плохо подвергаются конверсии, при обычных условиях гидрообессеривания и поэтому при повышенной концентрации их в сырье, приходится вести процесс с относительно низкой объемной скоростью. 
 

       Кратность циркуляции водородсодержащего газа

       В промышленной практике процессы гидроочистки осуществляют с избыточным количеством  водорода, учитывая, что с ростом его парциального давления скорости реакции повышаются.

       Существует  оптимальная кратность циркуляции ВСГ. Низкая степень обессеривания сырья при малой кратности циркуляции объясняется недостаточной подачей в реактор молекулярного водорода. Снижение степени обессеривания при расходе газа выше оптимального, но с прежней пропускной способностью реактора по сырью, связано с уменьшением длительности контакта его с катализатором. Кратность циркуляции газа для различных условий составляет 200-250 м³/м³ жидкого сырья.

       При низкой концентрации водорода (менее 75 % объемных) происходит коксование катализатора, что влияет на качество масла по цвету за счет образования смолистых  веществ в масле и соответственно на срок службы катализатора.

  2.5 Описание технологического процесса

       В курсовой работе рассматривается установка гидроочистки масел, предназначенная для окончательной очистки дистиллятных и остаточных масляных фракций с целью улучшения их цвета, стабильности, повышения индекса вязкости и снижения содержания серы.

       Процесс очистки масел проводят в среде  водорода на катализаторе при повышенном давлении и температуре.

       Сырье депарафинизированная масляная фракция с температурой 25ºС из парка 42, поступает на приемник насоса Н-1  и подается на смешение в тройник смешения с очищенным ВСГ. Расход сырья должен контролироваться диафрагмой, установленной в трубопроводе и регулироваться клапаном отсечным. Расход ВСГ в тройник смешения должен контролироваться диафрагмой, установленной в трубопроводе и регулироваться клапаном регулирующим.

       После смесь проходит межтрубное пространство теплообменника   Т-1, где нагревается  за счет тепла продуктов реакции  поступающих из реактора Р-1.

       Окончательный нагрев смеси до 350ºС осуществляется в трубчатой печи   П-1, с горелками беспламенного горения. Температура в печи должна измеряться  преобразователями термоэлектрическими. Температура сырья на выходе из печи должна измеряться,  преобразователем термоэлектрическим и регулироваться клапаном регулирующим, установленным на линии подачи топливного газа к форсункам печи.

         Нагретая в печи П-1 газосырьевая смесь поступает в верхнюю часть реактора Р-1, где протекает процесс гидроочистки масляных компонентов. Давление входа и выхода реактора должно измеряться  преобразователями избыточного давления верхний предел 6МПа.

       Также в трубопроводе на входе и выходе реактора должны быть установлены манометры  технические общего назначения.

       Температура в реакторе должна измеряться многозонной  термопарой, она имеет 10 точек по всей высоте аппарата  и должна устанавливаться  внутри реактора.

       Продукты  реакции из реактора Р-1 поступают  в трубное пространство теплообменника Т-1, где отдают тепло газосырьевой смеси и далее идут на блок стабилизации  и фильтрации гидроочищенного масла.

3 Инженерный анализ  технологического  процесса как объекта автоматизации

     Задачи  анализа связаны с изучением  свойств и эффективности функционирования производственного процесса в зависимости от структуры технологических связей, значений конструкционных и технологических параметров.

  Цель  анализа — из всей совокупности входных воздействий, влияющих на ход  процесса и   выходных переменных, характеризующих протекание процесса, выбираются те величины, которые будут  изменяться при решение задачи управления. К этим величинам относятся управляющие воздействие, которые являются целенаправленно изменяемыми в процессе управления входными воздействиями, и управляемые переменные относящиеся к тем выходным переменным, информация об изменении которых используется для   формирования   управляющих   воздействий.   Остальные   входные воздействия возмущающим, а выходные переменные - к неуправляемым. Возмущающие воздействия могут быть контролируемыми (наблюдаемыми) и неконтролируемыми (ненаблюдаемыми). Возможно и другое деление возмущений: связанные с состоянием технологического оборудования, и внешние, связанные с подачей сырья, энергии, состоянием окружающее среды.

4 Анализ тепловых и материальных балансов

       Общее выражение для любого баланса  в аналитическом виде записывается как 

       где Х_ВХ – входные составляющие баланса

             Y_ВЫХ – выходные составляющие баланса

               - член, характеризующий накопление вещества или энергии.

       Равенство баланса нулю наблюдается только в статическом режиме работы объекта.

       Материальный  баланс установки:

                           F_ГСС - F_ГСС=К₁(dF/dt),

       где F_ГСС – расход газо-сырьевой смеси, кг/ч;

               F_ГСС - расход газо-сырьевой смеси, кг/ч;

               dt – изменение времени, ч;

              dF – изменение расхода, кг/ч(регулируемый параметр);

               К₁ – коэффициент пропорциональности.

      Структурную схему контроля и регулирования приведем на рис 1.                                                                  

                                                                   F_ГСС

                              F_з                  F_ГСС                                  F

       Рис 1 - Структурная схема контроля и регулирования расхода ГСС

    В   системе   регулирования   материального   баланса,   регулируемым параметром является изменение расхода, dF.

Регулирующим  воздействием на баланс будет  F_ГСС  расход газо-сырьевой смеси. В качестве возмущений будут выступать F_ГСС расход газо-сырьевой смеси. 

       F_ВСГ-F_ВСГ=К₂(dF/dt),

       где F_ВСГ – расход водород содержащего газа, кг/ч;

              F_ВСГ – расход водород содержащего газа, кг/ч;

              dt – изменение времени, ч;

             dF – изменение расхода, кг/ч(регулируемый параметр);

             К₂ – коэффициент пропорциональности.

       Структурную схему контроля и регулирования приведем на рис 2.

                                                                   F_ВСГ

                              F_з                  F_ВСГ                                  F

       Рис 2 - Структурная схема контроля и регулирования расхода ВСГ

    В   системе   регулирования   материального   баланса,   регулируемым параметром является изменение расхода, dF.

Регулирующим  воздействием на баланс будет  F_ВСГ  расход водород содержащего газа. В качестве возмущений будут выступать F_ВСГ расход водород содержащего газа. 
 
 

       Тепловой  баланс реактора Р-1:

       Q_ГСС +Q_Х.Р. -Q_ГПС –Q_О.С.=К₂(dT/dt),

       где Q_ГСС – количество тепла приносимое потоком ГСС, кДж/ч;

       Q_Х.Р. - количество тепла выделяемое при протекании химической реакции гидрирования кДж/ч;

       Q_ГПС - количество тепла отводимое потоком ГПС, кДж/ч;

       Q_О.С. - количество тепловых потерь в окружающею среду, кДж/ч;

       dT/dt – градиент температуры в реакторе (регулируемый параметр);

       dT - изменение температуры в колонне;

       К₂ – коэффициент пропорциональности, кДж/ч.

       Структурную схему контроля и регулирования приведем на рис 3. 

                                                        Q_ГПС    Q_Х.Р. Q_О.С.

                               Т_з             Q_ГСС                                    T