Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Однією з причин порушення режиму спалювання сірководневого газу при коливаннях його витрати є недосконалість застосовуваної системи автоматичного управління (САУ). Тому актуальним завданням стає вдосконалення існуючої САУ технологічного процесу отримання сірчистого ангідриду в схемі виробництва сірчаної кислоти методом мокрого каталізу в умовах коксохімічного підприємства в напрямку надання системі властивості «грубості» до дії зовнішніх збурень і параметричної невизначеності об'єкта управління без втрати якості продукції, що випускається при виконанні вимог технологічного регламенту.

1. Актуальність теми

Питання, пов'язані з екологічною безпекою та підвищенням якості продукції, що випускається, в теперішній час набувають все більшого значення. На коксохімічних підприємствах Донбасу для виробництва сірчаної кислоти з сірководневого газу, отриманого в результаті очищення коксового газу, використовується метод мокрого каталізу. В умовах нерівномірності завантаження коксових батарей, зміни періоду коксування і марки вугілля, спостерігаються коливання в кількості переробляється сірководневого газу, що призводить до порушення режимів роботи апаратів. Істотний вплив на якість і кількість продукції, що випускається сірчаної кислоти надає режим ведення процесу отримання сірчистого ангідриду, що полягає в забезпеченні заданої температури і складу сірчистого газу, що надходить в контактний апарат, а так само зменшення в продуктах спалювання кількості оксидів азоту, погіршують споживчі властивості сірчаної кислоти.

Магістерська робота присвячена актуальній науковій задачі розробки уніфікованого підходу до синтезу автоматів Мура, спрямованого на зменшення апаратурних витрат у результуючому пристрої та складеного з алгоритмічних, комбінаторних та схемотехнічних оптимізаційних прийомів. У якості цільового базису використовуються мікросхеми FPGA фірми Xilinx, що сполучають функціональність, програмованість, реконфігурованість і доступність широкому споживачу, а інструментальними засобами дослідження виступають САПР Xilinx ISE, Verilog HDL і Java SE.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою роботи є підвищення ефективності підтримки необхідного температурного режиму роботи котла-утилізатора,
за рахунок розробки системи автоматичного управління дозволяє знизити кількість оксидів азоту в сірчаної кислоти.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання дослідження:

  1. Дослідити особливості технологічного процесу управління котлом-утилізатором в схемі виробництва сірчаної кислоти методом мокрого каталізу
    і існуючої системи управління з точки зору величини коливань витрати сірководневого газу, якості функціонування та інтеграції в єдину систему управління підприємством.
  2. Разработатка математичну модель котла-утилізатора в схемі отримання сірчистого ангідриду і провести дослідження динамічних властивостей об'єкта по каналах управління і збурень.
  3. Розробка САУ котлом-утилізатором інваріантної до дії зовнішніх збурень в заданих діапазонах і параметричної невизначеності об'єкта управління.
  4. Розробка структури технічної реалізації САУ котлом-утилізатором на основі сучасних засобів промислової автоматизації.
  5. Втілення алгоритмів управління на базі обраного технічного забезпечення САУ температурного режиму роботи котла-утилізатора.
  6. Проведення організаційно-економічних обґрунтувань створення САУ температурного режиму роботи котла-утилізатора.
  7. Формулювання вимог до охорони і безпеки праці при монтажі та експлуатації САУ котлом-утилізатором.

Об'єкт дослідження : система автоматичного управління котлом-утилізатором при виробництві сірчаної кислоти.

Предмет дослідження : дослідження температурного режиму котла-утилізатора.

3.Основні конструктивні і технологічні характеристики процесу отримання сірчаної кислоти.

В процесі високотемпературного коксування вугільних шихт в коксової камері поряд з коксом утворюються летючі хімічні продукти, що представляють собою складну неоднорідну систему, що складається з газоподібних і пароподібні речовин, які є продуктом термічного розкладання кам'яного вугілля. Основними летючими продуктами високотемпературного коксування є: коксовий газ, пірогенетичної вода, нафталін, аміак, сірководень (і ін. Сірчисті з'єднання), ціанисті сполуки, бензольні вуглеводні (сирої бензол), високотемпературна кам'яновугільна смола і ін.

Хімічний склад продуктів коксування

Таблиця 1.1 - Хімічний склад продуктів коксування

Суміш паро- та газоподібних продуктів коксування, що виходять з коксових камер в газозбірники, утворює так званий прямий коксовий газ. Він містить наступні кількості хімічних продуктів (табл. 1.1).

3.1 Схема організації процесу і теплова система управління.

На коксохімічних підприємствах сірчану кислоту отримують з серосодержащего палива (див. Рис. 1.1). Така схема застосовується для випадків, коли серосодержащие паливо отримано в якості горючої складової суміші, наприклад рідкої сірки, сірководню або діоксиду сірки.

Функціональна схема технологічного ланцюжка отримання сірчаної кислоти з серосодержащего палива

Рисунок 1.1 - Функціональна схема технологічного ланцюжка отримання сірчаної кислоти з серосодержащего палива

Схема організації процесу і теплова система управління залежать від виду вихідного палива: отримано чи серосодержащие паливо, яке вимагає спалювання для отримання діоксиду сірки або воно вже є діоксид сірки. Вихід сірчистих сполук залежить від змісту і видів сірки в вугіллі. Основним сірчистим з'єднанням коксового газу є сірководень, так на заводах Донбасу в газі його міститься 16-26 г / м3 (до 30-45 г / м3), а на заводах Західного Сибіру 2-5 г / м3.

Склад і вихід хімічних продуктів коксування в значній мірі залежать від теплотехнічного режиму роботи коксових печей і, зокрема, від температури процесу коксування, особливо температури в підсклепінному просторі коксових камер: чим вона вища, тим глибше йде піроліз летючих продуктів коксування.

При підвищенні температури коксування відбуваються такі зміни виходу і складу хімічних продуктів:

  1. Вихід газу збільшується, вміст у ньому водню зростає, значно зменшується вміст метану, в зв'язку з цим зменшуються щільність газу і теплота його згоряння;
  2. Вихід смоли зменшується, її щільність підвищується; в складі смоли знижується вміст фенолів, збільшується вміст нафталіну і нерозчинних в толуолі речовин ( «вільного вуглецю»), зменшується вихід масел, зростає вихід пеку;
  3. Вихід сирого бензолу, відігнаного до 180 ° С, і чистого бензолу збільшується при одночасному зниженні вмісту толуолу, ксилолов, сольвентів і ненасичених сполук;
  4. Вихід аміаку з підвищенням температури збільшується і, досягнувши певного максимуму при температурі близько 700 ° С, стабілізується, а потім при подальшому підвищенні температури різко знижується, так як протікають реакції піролізу (на водень і азот). Зміст вологи в шихті уповільнює перебіг цих реакцій. Тому чим вище вологість шихти, тим більше вихід аміаку;
  5. Вихід ціаністого водню збільшується в результаті вторинних реакцій аміаку з вуглецем коксу і углеродсодержащими газами (СО, СН4 та ін.), що протікають при високих температурах;
  6. Чим більше вихід летючих речовин шихти і чим вище температура коксування, тим більше сірки переходить в газ, в смолу і в сирої бензол.

3.2 Очищення коксового газу від сірководню

Отриманий сірководневий газ використовується для виробництва сірчаної кислоти на установках мокрого каталізу. Процес отримання сірчаної кислоти з сірководневого газу методом мокрого каталізу є одним з основних методів, застосовуваних на вітчизняних коксохімічних підприємствах. Технологія отримання сірчаної кислоти полягає в послідовному виконанні стадій (рис. 1.2.).

Схема виробництва сірчаної кислоти з сірководню методом мокрого каталізу

Рисунок 1.2 - Схема виробництва сірчаної кислоти з сірководню методом мокрого каталізу

Завдання побудови математичної моделі технологічного процесу отримання сірчистого ангідриду ускладнюється тим, що апарати установки, як теплові об'єкти, описуються розподіленими теплофизическими параметрами. Для спрощення завдання пропонується використовувати модель з зосередженими параметрами. Маса і енергія в цьому випадку зосереджені в декількох матеріальних точках, а фізичні величини, що характеризують процеси, що протікають в апаратах, що не залежать від просторових координат і є лише функціями часу, тобто вважається, що параметри в системі постійні по довжині кінцевих ділянок

4. Розробка структурної схеми САУ

Апарати технологічного процесу з'єднані послідовно, тому коливання кількості надходить сірководневого газу призводить до порушення режимів роботи всіх наступних апаратів. Вихід кожного апарату є возмущающим впливом для наступного, тому для побудови системи управління технологічним процесом виробництва сірчистого ангідриду не може бути окремо застосований принцип розімкнутого керування. Оскільки ті, хто підбурює вплив можна виміряти і ввести за результатами вимірювання корективи в алгоритм управління і компенсувати відхилення регульованої змінної, тому доцільно застосувати принцип управління з обуренню.

Необхідно відзначити, що при управлінні з обуренню компенсується лише вплив тільки того обурення яке вимірюється. Решта неконтрольовані обурення (наприклад, зміна складу сірководневого газу, наявність накипу і забруднення внутрішніх поверхонь і т.п.) призводять до некомпенсованим відхилень, внаслідок чого на виході системи спостерігається помилка. Більш ефективним є комбіноване управління на підставі компенсації і зворотного зв'язку за регульованою координаті, що дозволить об'єднати переваги обох принципів: швидкість реакції на обурення і точність регулювання незалежно від природи збурень.

На підставі вище сказаного узагальнена структурна схема САУ котлом-утилізатором представлена ??на рис. 1.3.

Структурна схема САУ котла-утілізвтора

Рисунок 1.3 - Структурна схема САУ котла-утілізвтора

На вході регулятора порівнюються два впливу: задане значення регульованої величини і сигнал зворотного зв'язку, пропорційний дійсного значення цієї величини. Для регулятора температури РТ1 заданою дією є бажана температура T0п.г.1 первинних продуктів горіння, регулювання температури відбувається за рахунок зміни витрати теплоносія Gtвод системою автоматичного регулювання (САР) витрати.

На вході регулятора порівнюються два впливу: задане значення регульованої величини і сигнал зворотного зв'язку, пропорційний дійсного значення цієї величини. Для регулятора температури РТ1 заданою дією є бажана температура T0п.г.1 первинних продуктів горіння, регулювання температури відбувається за рахунок зміни витрати теплоносія Gtвод системою автоматичного регулювання (САР) витрати.

Схема технічні етап процесу синтезу передбачає використання методів побудови логічної схеми автомата Мура, спрямованих на зменшення витрат апаратури цільової мікросхеми. До таких методів належать тривіальні і багаторівневі реалізації, структури з перетворенням кодів об'єктів, схеми на лічильниках. Оскільки сучасне цифрове проектування на мікросхемах FPGA орієнтоване на використання HDLs (в основному, VHDL і Verilog), то другим кроком схемотехнічного етапу виступає розробка HDL-програми, яка описує автомат Мура і придатною для обробки відповідної САПР і занурення в мікросхему.

В структурній схемі системи управління запропоновано використовувати регулювання співвідношення витрат «первинне повітря - сірководневий газ» - через стехиометрический коефіцієнт і співвідношення «вторинне повітря - сірководневий газ» - через стехиометрический коефіцієнт. Введення регулювання співвідношення дозволить забезпечити інваріантність регульованих температур і до збурень по витраті переробляється палива.

Таким чином, завдання синтезу системи автоматичного управління котлом-утилізатором і камерою допалювання полягає в знаходженні структури і параметрів регуляторів витрати речовин, температури.

Висновки

Проведено аналіз особливості технологічного процесу отримання сірчистого ангідриду в схемі виробництва сірчаної кислоти методом мокрого каталізу на коксохімічних підприємствах.

Виходячи з аналізу технологічних особливостей процесу одержання сірчаної кислоти, обґрунтовано доцільність використання управління температурою продуктів горіння на виході котла-утилізатора на підставі зворотного зв'язку з регульованою координаті, що дозволить забезпечити швидкість реакції на завдання і точність регулювання незалежно від природи збурень.

Аналіз результатів моделювання підтверджує відповідність якісного поведінки моделі САУ основними характеристиками досліджуваного технологічного процесу.

Перелік посилань

  1. Амелін А.Г. Технологія сірчаної кислоти: [навчальний посібник] / А.Г. Амелін. - М .: Хімія, 1983. - 360 с.
  2. Бондар А.Г. Математичне моделювання в хімічній промисловості / А.Г. Бондар. - К .: Вища школа, 1973. - 280 с.
  3. Вессельман С.Г. Умови мінімального утворення окислів азоту при спалюванні сірководневого газу / С.Г. Вессельман, Ф.Т. Белліні, В.Г. Меліхов // Кокс і хімія. - 1970. - №11. - С.42-45.
  4. Втюрін В.А. Автоматизовані системи управління технологічними процесами. Основи АСУТП: [навчальний посібник для студентів спеціальності 220301 "Автоматизація технологічних процесів і виробництв"] / В.А. Втюрін. - СПб: СПбГЛТА. 2006. - 152 с.
  5. Гребенюк А.Ф. Особливості та принципи регулювання режиму спалювання сірководневого газу в установках мокрого каталізу / А.Ф. Гребенюк, М.В. Пьянков, А.В. Мілютін, А.Ф. Черниш // Вуглехімічний журнал. - 2007. - №3-4. - С. 41-44.
  6. Гребенюк А.Ф. Розробка схеми печі-котла з гнучким режимом спалювання сірководневого газу / А.Ф. Гребенюк, А.Ф. Черниш, С.А. Салімановіч // вуглехімічний журнал. - 2008. - № 3-4. - С. 55-60.
  7. Денисенко В.В. ПІД - регулятори: питання реалізації. Частина 1 / В.В. Денисенко // СТА. - 2007. - №4. - С. 86-97.
  8. Денисенко В.В. ПІД - регулятори: питання реалізації. Частина 2 / В.В. Денисенко // СТА. - 2008. - №1. - С. 86-99.
  9. Денисенко В.В. ПІД - регулятори: принципи побудови і модифікації. Частина 1 / В.В. Денисенко // СТА. - 2006. - №4. - С. 66-74.
  10. Денисенко В.В. ПІД - регулятори: принципи побудови і модифікації. Частина 2 / В.В. Денисенко // СТА. - 2007. - №1. - С. 78-88.
  11. Казанцев Є.І. Промислові печі. Довідник для розрахунку і проектування / Є.І. Казанцев. - М .: Металургія, 1975. - 368 с.
  12. Медведєв В.С. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентів / В.С. Медведєв, В.Г. Потьомкін. - М .: ДІАЛОГ-МІФІ, 1999. - 278 с.
  13. Міхєєв М.А. Основи теплопередачі / М.А. Міхєєва, І.М. Міхеєва. - М .: Енергія, 1977. - 344 с.
  14. Основні процеси і апарати хімічної технології: Посібник з проектування / [Г.С. Борисов, В.П. Бриків, Ю.І. Дитнерскій и др.]; під ред. Ю.І. Дитнерскій. - [2-ге вид., Перераб. і дополн.]. - М .: Хімія, 1991. - 496 с.
  15. Сергєєв А.П. До питання про окислах азоту в сірчаної кислоти, одержуваної методом мокрого каталізу / А.П. Сергєєв // Кокс і хімія. - 1957. - №7. - С. 41-43.
  16. Сергєєв А.П. Про схему відділень мокрого каталізу цеху вакуум - карбонатного сіркоочищення / А.П. Сергєєв // Кокс і хімія. - 1959. - №8. - С. 38-41.
  17. Ткаченко В.М. Аналіз процесу отримання сірчаної кислоти з сірководню в системі комплексної автоматизації вуглехімічний виробництв / В.Н. Ткаченко, В.І. Бессараб, М.М. Чернишов // "Практика і перспективи розвитку партнерства у вищій школі": Матеріали восьмого науково-практичного семінару г. Донецк, 17-20 квітня 2007 р 3-х томах. Том 3.- Донецьк: ДонНТУ, 2007. - №7. - С. 329-334.
  18. Ткаченко В.М. Розробка і дослідження математичної моделі технологічного процесу виробництва сірчаної кислоти / В.Н. Ткаченко, М.М. Чернишов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Сер. обчислювальна техніка та автоматизація. - Донецьк: ДонНТУ. - 2009. - Вип. 16 (148). - С. 22-29.
  19. Ткаченко В.М. Системна декомпозиція технологічного процесу виробництва сірчаної кислоти як об'єкта автоматизації / В.Н. Ткаченко, М.М. Чернишов // Матеріали XIV міжнародної конференции з автоматичного управління (Автоматика-2007), м. Севастополь, 10-14 вересня 2007 року. - Севастополь: СНУЯЄтаП, 2007. - Ч. 1. - С. 189-192.
  20. Чернишов М.М. Модель процесу отримання сірчистого ангідриду в просторі станів / М.М. Чернишов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Сер. обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 20 (182). - Донецьк: ДонНТУ. - 2011, С. 82-87.
  21. Чернишов М.М. Розподілена система автоматичного керування установкою спалювання сірководневого газу / М.М. Чернишов // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатізації №1 (23). - Луганськ: Луганське відділення Міжнародної Академії інформатізації. - 2011, С. 89-95.
  22. Чернишов М.М. Системна декомпозиція процесу виробництва сірчаної кислоти як об'єкта автоматизації. / М.М. Чернишов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Сер. обчислювальна техніка та автоматизація. - Донецьк: ДонНТУ. - 2010. - Вип. 19 (153). - С. 27-33.
  23. Шувалов В.В. Автоматизація виробничих процесів у хімічній промисловості / Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голуб'ятників В.А. - М .: Хімія, 1991. - 48