Выбор комплекса технических средств автоматизации процесса выпаривания

Учреждение  образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Факультет  ХТиТ

Кафедра  АППиЭ

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОГО ПРОЕКТА

по дисциплине: «Технические устройства автоматизации  »

 

Тема:  «Выбор комплекса технических средств  автоматизации процесса выпаривания»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель

студент 5 курса группы     _______, _________    C.Н. Волосевич

Руководитель    ________,                                         М. В. Сырец

 

 

Курсовой проект защищен  с оценкой  _________

Руководитель ___________                                        М. В. Сырец

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2012

 

Реферат

Данный курсовой проект состоит  из 51 страниц, 40 рисунков, 5 литературных источников. Графический материал включает 1 лист формата А1, 1 лист формата А2, 1 листа формата А3.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ВЫПАРИВАНИЕ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА, СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ, ПИД-РЕГУЛЯТОР.

 

Целью данного курсового проекта  является создание системы автоматического  управления технологическим процессом  выпарки и построение принципиальной электрической схемы контура  регулирования.

 

 

Содержание

 

Реферат 2

Введение 3

1 Описание технологического процесса 5

1.1 Теоретические сведения о процессе выпаривания 5

1.2 Двухкорпусные выпарные установки 7

2 Разработка функциональной схемы автоматизации 10

3 Выбор технических средств автоматизации 15

3.1 Выбор датчиков 18

3.2.1  Датчики температуры 18

3.2.2   Датчики давления 21

3.2.3   Расходомер 24

3.2.4   Уровнемер 27

3.2.5  Датчик концетрации 30

3.2 Выбор дополнительного оборудования 34

3.3.1 Разветвитель сигналов 34

3.3.2  Выбор регистратора 36

3.3.3   Выбор блоков  питания 37

3.3.4   Выбор автоматического выключателя 38

3.3 Выбор рабочих органов 41

4 Расчет системы автоматического регулирования 43

5 Разработка принципиальной электрической схемы 47

Заключение 50

Список использованных источников 51

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В настоящее  время резко возросла роль автоматизации  и механизации промышленности. Это  объясняется сложностью и высокой  скоростью протекания технологических процессов, а также чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы, взрыво- и пожаро-опасностью перерабатываемых веществ и т.д.

По мере осуществления  механизации производства сокращается тяжелый физический труд, уменьшается численность рабочих , непосредственно занятых в производстве , увеличивается производительность труда и т.д.

В механизированном технологическом процессе человек продолжает принимать непосредственное участие, но его физическая работа сводится лишь к нажатию кнопок, повороту рычагов и контролю. Здесь на человека возложены функции управления механизацией и машинами .

Ограниченные  возможности человеческого организма (уставаемость, недостаточная скорость реакции на изменение окружающей обстановки и на большое количество одновременно поступающей информации ,субъективность в оценке сложившейся для дальнейшей интенсификации производства .

Наступает новый этап машинно-автоматизации, когда человек освобождается от непосредственного участия в производстве, а функции управления технологическими процессами, механизмами, машинами передаются автоматическим устройством .

Автоматизация приводит к улучшению основных показателей  эффективности производства: увеличению качества, снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда .

Проведение некоторых современных технологических процессов возможно только при условии их полной автоматизации (атомные реакторы , паровые котлы высокого давления и др. ).

 

1. Описание технологического процесса

1. Теоретические сведения о процессе выпаривания

 

Выпариванием  называется концентрирование растворов  практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также  высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания  весьма малым давлением пара, —  некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также  для выделения растворителя в  чистом виде: при опреснении морской  воды выпариванием образующийся из нее  водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических  целей.

При выпаривании  обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально  отличается от испарения, которое, как  известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Получение высококонцентрированных  растворов, практически сухих и  кристаллических продуктов облегчает  и удешевляет их перевозку и хранение.

Тепло для  выпаривания можно подводить  любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем  большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании  используют водяной пар, который  называют греющим или первичным.

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло, необходимое  для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых  производствах концентрирование растворов  осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Процессы выпаривания  проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор  давления, связан со свойствами выпариваемого  раствора и возможностью использования  тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определённые преимущества перед выпариванием при  атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота 

 

 

 

испарения раствора несколько возрастает с  понижением: давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании  под вакуумом становится возможным  проводить процесс при более  низких температурах, что важно в  случае концентрирования растворов  веществ, склонных к разложению при  повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим  агентом и раствором, что позволяет  уменьшить поверхность нагрева  аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под  вакуумом можно использовать греющий  агент более низких pa6очих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для  концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

Применение  вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме  первичного пара, вторичный пар самой  выпарной установки, что снижает  расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума  удорожается выпарная установка, поскольку  требуются дополнительные затраты  на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании  под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный  пар, как для выпаривания, так  и для других нужд, не связанных  с процессом выпаривания.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстрапаром. Отбор экстрапара при выпаривании  под избыточным давлением позволяет  лучше использовать тепло, чем при  выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением  сопряжено с повышением температуры  кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания  термически стойких веществ. Кроме  того, для выпаривания под давлением  необходимы греющие агенты с более  высокой температурой.

При выпаривании  под атмосферным давлением вторичный  пар не используется и обычно удаляется  в атмосферу. Такой способ выпаривания  является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а  иногда и выпаривание, под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в  которых вторичный пар каждого  предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий  корпус. При этом давление в последовательно  соединенных (по ходу выпариваемого  раствора) корпусах снижается таким  образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром  из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т.е. создать, необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным  паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по равнению с однокорпусными установками той же производительности.

Экономия  первичного пара (и соответственно топлива) может быть достигнута также  в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового  насоса (например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температуре  первичного пара, после чего он вновь  возвращается в аппарат для выпаривания  раствора.

В химической промышленности применяются в основном непрерывно действующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а также при выпаривании растворов  до высоких конечных концентраций иногда используют выпарные аппараты периодического действия.

Концентрация  раствора в таком аппарате приближается к конечной лишь в конечный период процесса. Поэтому средний коэффициент  теплопередачи здесь может быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, где концентрация раствора ближе к конечной в течение  всего процесса выпаривания.

Современные выпарные установки имеют очень  большие поверхности нагрева (иногда превышающие 2000 м² в каждом корпусе) и являются крупными потребителями тепла.

2. Двухкорпусные выпарные установки

 

Концентрация  упаренного раствора зависит от расхода, концентрации и температуры 

исходного раствора, расхода и давления греющего пара, давления в выпарных аппаратах. В соответствии  с  целью  управления  схемой  автоматизации  предусматривают  регулирование концентрации упаренного раствора.

 

Основной  регулирующий параметр концентрация упаренного раствора. 

Рисунок 1 Структурная схема процесса выпаривания.

 

Концентрацию Qy легко измерить кондуктометрическим  методом, по плотности раствора, по показанию преломления света  или по величине температурной депрессии  раствора, т. е. по разности температур кипения ΔT  раствора и растворителя.

Этот  метод вследствие простоты и наличия  однозначной зависимости между  величинами Qy и  ΔT  при постоянном давлении применяют довольно часто. При этом (рис. 2 – схема стабилизации технологических величин выпарной установки) первичный измерительный  преобразователь температуры кипения  раствора устанавливают на трубопроводе кипящего раствора после кипятильника, и измерительный преобразователь  температуры кипения растворителя – на трубопроводе отвода паров  растворителя. Эти приборы комплектуют  предающими преобразователями, сигнал на выходе, которого, пропорционален разности температур ΔT . Регулятор концентрации воздействует на клапан, установленный  на линии отвода упаренного раствора из последнего выпарного аппарата. При возрастании, например, текущей  концентрации относительно заданного  значения регулятор увеличивает  расход упаренного раствора, что уменьшает  время пребывания его в аппарате и вызывает понижение концентрации раствора до заданного значения.

При отводе упаренного раствора из последнего аппарата по его концентрации материальный баланс установки поддерживают сохраняя равенство между количеством  растворенного вещества, уходящим из установки, и количеством вещества, поступающим с исходным раствором. Это обеспечивается поддержанием постоянства  уровня в выпарных аппаратах путем  воздействия на клапаны, установленные  на трубопроводах подачи раствора в  соответствующий аппарат. При возрастании  расхода упаренного раствора, уровень  в аппарате понижается, что вызывает увеличение подачи раствора в аппарат. В качестве измерительных преобразователей АСР уровня раствора в выпарных аппаратах 1 обычно используют гидростатические уровнемеры.

Тепловой  баланс выпаривания при небольших  колебаниях расхода исходного раствора обеспечивают регулятором расхода  на трубопроводе подачи греющего пара в кипятильник 2первого корпуса  установки. Нормальный тепловой режим  работы выпарной установки возможен только при подаче исходного раствора с постоянной температурой Тн близкой  к температуре кипения раствора. Для достижения этого устанавливают  регулятор температуры исходного  раствора, выходной сигнал которого воздействует на клапан изменяющий подачу греющего пара в теплообменник-подогреватель  исходного раствора 3. Если весь вторичный  пар из предыдущего корпуса направляется в кипятильник 2 последующего, то давление (разрежение) стабилизируют только в последнем корпусе, изменяя  с помощью регулятора количество отводимых из него паров растворителя.

Этого обычно достигают путем изменением подачи охлаждающей воды в барабанный конденсатор 4. При такой схеме  регулирования в корпусах устанавливаются  все меньшие давления по ходу раствора, и обеспечивается разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в последующем корпусе, т. е. обеспечивается движущая сила процесса выпаривания.

Концентрацию  упаренного раствора Qу можно также  регулировать изменением расхода раствора, подаваемого на последний корпус из предыдущего. Упаренный раствор  из последнего корпуса, в этом случае, отводят по команде регулятора по уровню. При таких схемах регулирования  материального  баланса  выпарной  установки  количество  поступающего  на  нее исходного раствора определяется условиями ее работы. Это требует  установки дополнительной технологической  емкости исходного раствора.

Не  рекомендуется  стабилизировать  концентрацию  упаренного  раствора  в  последнем корпусе воздействием на подачу свежего раствора на установку. Вследствие большого запаздывания объекта  такая схема не обеспечит высокого качества регулирования.

Если  расход исходного раствора зависит  от работы предшествующих технологических  установок, но колебания его незначительно, то концентрацию упаренного раствора можно регулировать изменением подачи греющего пара на установку. При этом с помощью регуляторов уровня в выпарных аппаратах изменяют количество отводимого из них раствора. 

 

2. Разработка функциональной схемы автоматизации

 

Функциональные  схемы автоматизации являются основным техническим документом, определяющим функционально-блочную структуру  отдельных узлов автоматического  контроля, управления и регулирования  технологического процесса и оснащение  объекта управления приборами и  средствами автоматизации.

При разработке функциональных схем автоматизации  технологических процессов необходимо решать следующее:

-получение  первичной информации о состоянии  технологического процесса и  оборудования;

-непосредственное  воздействие на технологический  процесс для управления им;

-стабилизация  технологических параметров процесса;

-контроль  и регистрация технологических  параметров процесса и состояния  технологического оборудования.

Функциональные  задачи автоматизации, как правило, реализуются с помощью технических  средств, включающих в себя: отборные устройства, средства получения первичной  информации, средства представления  и выдачи информации обслуживающему персоналу, комбинированные, комплектные  и вспомогательные устройства.

Результатом составления функциональных схем являются:

-выбор методов  измерения технологических параметров;

-выбор основных  технологических средств автоматизации,  наиболее полно отвечающих предъявленным  требованиям и условиям работы  автоматизируемого объекта;

-определение  приводов исполнительных механизмов  регулирующих и запорных органов  технологического оборудования, управляемого  автоматически или дистанционно;

-размещение  средств автоматизации на щитах,  пультах, технологическом оборудовании  и трубопроводах и т. п. и  определение способов представления  информации о состоянии технологического  процесса и оборудования.

Базируясь на опыте проектирования систем управления и автоматизации, можно сформировать некоторые общие принципы, которыми следует руководствоваться при разработке функциональных схем автоматизации:

-уровень  автоматизации технологического  процесса в каждый период времени  должен определяться не только  целесообразностью внедрения определённого  комплекса технологических средств  и достигнутым уровнем 

 

 

 

 

 

научно-технических  разработок, но и перспективой модернизации и развития технологических процессов. Должна сохранятся возможность наращивания функций управления;

-при разработке  функциональных схем автоматизации  и выборе технических средств  должны учитываться: вид и характер  технологического процесса, условия  пожаро- и взрывоопасности, агрессивность  и токсичность окружающей среды  и т. д.; параметры и физико- химические свойства измеряемой  среды; расстояние от мест установки  датчиков, вспомогательных устройств,  исполнительных механизмов, приводов  машин и запорных органов до  пунктов управления и контроля; требуемая точность и быстродействие  средств автоматизации;

-система  автоматизации технологических  процессов должна строится, как  правило, на базе серийно выпускаемых  средств автоматизации и вычислительной  техники. Необходимо стремиться  к применению однотипных средств  автоматизации и предпочтительно  унифицированных систем, характеризуемых  простотой сочетания, взаимозаменяемостью  и удобством компоновки на  щитах управления. Использование  однотипной аппаратуры даёт значительные  преимущества при монтаже, наладке,  эксплуатации, обеспечении запасными  частями и т. п.

-в качестве  локальных средств сбора и  накопления первичной информации (автоматических датчиков), вторичных  приборов, регулирующих и исполнительных  устройств следует использовать  преимущественно приборы и средства  автоматизации Государственной  системы промышленных приборов;

-в случаях,  когда функциональные схемы автоматизации  не могут быть построены на  базе только серийной аппаратуры, в процессе проектирования выдаются  соответствующие технические задания  на разработку новых средств  автоматизации;

-выбор средств  автоматизации, использующих вспомогательную  энергию (электрическую, пневматическую  и гидравлическую), определяется  условиями пожаро- и взрывоопасности  автоматизируемого объекта, агрессивности  окружающей среды, требованиями  к быстродействию, дальности передачи  сигналов информации и управления  и т. д.;

-количество  приборов, аппаратуры управления  и сигнализации, устанавливаемой  на оперативных щитах и пультах,  должно быть ограничено. Избыток  аппаратуры усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание обслуживающего  персонала от наблюдения за  основными приборами, определяющими  ход технологического процесса, увеличивает стоимость установки  и сроки монтажных и наладочных  работ. Приборы и средства автоматизации  вспомогательного назначения целесообразнее  размещать на отдельных щитах,  располагаемых в производственных  помещениях вблизи технологического  оборудования.

Целью процесса выпаривания является получение  определённой концентрации упаренного раствора, а целью управления –  поддержание определённого значения этой концентрации.

Для построения чёткой схемы управления, необходимо иметь данные о возмущающих и  управляющих воздействиях.

В данном технологическом  процессе расход свежего раствора можно  стабилизировать или изменять для  достижения цели управления. Его уменьшение приводит к снижению скорости движения раствора по аппарату и, следовательно, к увеличению концентрации. То же можно  отнести и к расходу упаренного раствора.

Концентрации  свежего раствора определяется предшествующими  технологическими процессами. Её изменения  будут сильными возмущениями для  процесса выпаривания. Расход паров  растворителя определяется параметрами  исходного раствора, а также режимными  параметрами в аппарате: температурой, давлением, концентрацией раствора и интенсивностью подвода тепла.

Интенсивность подвода тепла к кипятильнику определяется параметрами теплоносителя: расходом, температурой, давлением  и энтальпией.

К наиболее сильным возмущающим воздействиям относятся изменения расхода  теплоносителя. Эти возмущения компенсируют установкой стабилизирующего регулятора расхода. При целенаправленном изменении  расхода теплоносителя в объект могут вноситься регулирующие воздействия. Однако при этом может возникнуть « плёночное кипение», что неэкономично. С изменением других параметров теплоносителей в объекте появляются другие возмущения.

После анализа  объекта управления можно сделать  вывод о том, что часть параметров, определяющих концентрацию, будет изменяться. Сильным возмущающим воздействием является и “засоление” греющей  камеры теплообменника. Чтобы при  наличии возмущающих воздействий  цель управления была достигнута, следует  в качестве главной регулируемой величины брать концентрацию, а регулирующее воздействие вносить изменением расхода свежего раствора. Можно  также в качестве регулирующего  воздействия использовать и изменение  расхода упаренного раствора, а также  расхода теплоносителя.

Концентрация  упаренного раствора определяют по разности между температурами кипения  раствора и растворителя т.е. по температурной  депрессии. О её значениях можно  судить и по другим косвенным параметрам: плотности, удельной электропроводности, показателю преломления света или  температуре замерзания упаренного раствора.

Таким образом, для достижения цели управления процессом  следует регулировать температурную  депрессию, расход свежего раствора и расход теплоносителя. Для достижения материального баланса необходимо  регулировать уровень раствора, изменением расхода упаренного раствора.

 

Рисунок 2.1 Функциональная схема автоматизации

 

В соответствии с рассмотренной схемой необходимо провести выбор датчиков, вторичных  приборов, регуляторов и регулирующих органов.

Целью процесса выпаривания является получение  определённой концентрации упаренного раствора, а целью управления –  поддержание определённого значения этой концентрации.

Для построения чёткой схемы управления, необходимо иметь данные о возмущающих и  управляющих воздействиях.

В данном технологическом  процессе расход свежего раствора можно  стабилизировать или изменять для  достижения цели управления. Его уменьшение приводит к снижению скорости движения раствора по аппарату и, следовательно, к увеличению концентрации. То же можно  отнести и к расходу упаренного раствора.

Концентрации  свежего раствора определяется предшествующими  технологическими процессами. Её изменения  будут сильными возмущениями для  процесса выпаривания. Расход паров  растворителя определяется параметрами  исходного раствора, а также режимными  параметрами в аппарате: температурой, давлением, концентрацией раствора и интенсивностью подвода тепла.

Интенсивность подвода тепла к кипятильнику определяется параметрами теплоносителя: расходом, температурой, давлением  и энтальпией.

К наиболее сильным возмущающим воздействиям относятся изменения расхода  теплоносителя. Эти возмущения компенсируют установкой стабилизирующего регулятора расхода. При целенаправленном изменении  расхода теплоносителя в объект могут вноситься регулирующие воздействия. Однако при этом может возникнуть « плёночное кипение», что неэкономично. С изменением других параметров теплоносителей в объекте появляются другие возмущения.

После анализа  объекта управления можно сделать  вывод о том, что часть параметров, определяющих концентрацию, будет изменяться. Сильным возмущающим воздействием является и “засоление” греющей  камеры теплообменника. Чтобы при  наличии возмущающих воздействий  цель управления была достигнута, следует  в качестве главной регулируемой величины брать концентрацию, а регулирующее воздействие вносить изменением расхода свежего раствора. Можно  также в качестве регулирующего  воздействия использовать и изменение  расхода упаренного раствора, а также  расхода теплоносителя.

Концентрация  упаренного раствора определяют по разности между температурами кипения  раствора и растворителя т.е. по температурной  депрессии. О её значениях можно  судить и по другим косвенным параметрам: плотности, удельной электропроводности, показателю преломления света или  температуре замерзания упаренного раствора.

Таким образом, для достижения цели управления процессом  следует регулировать температурную  депрессию, давление в аппарате и  расход теплоносителя. Для достижения материального баланса необходимо  регулировать уровень раствора, изменением расхода упаренного раствора.