Автоматизация процессов химических производств

А. А. Боряев, С. А. Боряев





            АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ


Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 53.08:681.3
ББК 35.514+32.966
     Б84


Рецензенты:
к. х. н., начальник лаборатории АО «РНЦ «Прикладная химия (ГИПХ)» Круглов Александр Сергеевич;
к. т. н., доцент Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого
Потехина Екатерина Владиславовна

     Боряев, А. А.
Б84 Автоматизация процессов химических производств : учебное пособие / А. А. Боряев, С. А. Боряев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 160 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1266-7

           Приведены основные материалы по автоматизации основных процессов химической и нефтехимической технологии и сведения по правовому регулированию безопасности химико-технологических процессов.
           Для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров, магистров и аспирантов по направлению «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», а также «Эксплуатация автомобильного транспорта». Может быть полезно аспирантам, инженерам и специалистам, работающим в областях автоматизации, управления и изучения процессов химических и нефтехимических технологий и производства топлив.


УДК 53.08:681.3
ББК 35.514+32.966












ISBN 978-5-9729-1266-7

    © Боряев А. А., Боряев С. А., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение...........................................................4
Глава 1. Автоматизация типовых процессов химических производств....6
1.1. Управление процессами перемешивания...........................6
1.2. Управление тепловыми процессами..............................35
1.3. Управление массообменными процессами.........................66
Глава 2. Правовое регулирование безопасности автоматизированных химико-технологических процессов.................................131
2.1. Регулирование промышленной безопасности за рубежом..........131
2.2. Регулирование промышленной безопасности в РФ................137
2.3. Актуальные вопросы регулирования промышленной безопасности..149
Библиографический список.........................................153

3

ВВЕДЕНИЕ


    В химической промышленности автоматизации уделяется большое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а также чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы, взрыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ и т. д.
    С увеличением нагрузок аппаратов, мощностей машин, сложности и масштабов производства, с повышением давлений, температур и скоростей химических реакций автоматизация производственного процесса становится единственно возможным путем повышения эффективности и безаварийности производства. Внедрение автоматических устройств обеспечивает улучшение основных показателей эффективности производства: высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих, удлинение сроков межремонтного пробега оборудования и т. д.
    Проведение некоторых современных технологических процессов возможно только при условии их полной автоматизации (например, процессы, осуществляемые на атомных установках и в паровых котлах высокого давления, процессы дегидрирования и др.). При ручном управлении такими процессами малейшее замешательство человека и несвоевременное воздействие его на процесс могут привести к серьезным последствиям.
    Внедрение специальных автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха и водоемов промышленными отходами.
    В автоматизированном производстве человек переключается на анализ результатов управления, составление заданий и программ для автоматических приборов, наладку сложных автоматических устройств и т. д. Для обслуживания агрегатов, оснащенных сложными системами автоматизации, требуются специалисты с высоким уровнем знаний.
    Назначением и целью того или иного производственного процесса химической технологии является переработка сырья в соответствующую продукцию заданного качества и в требуемом количестве. Чтобы судить о качестве и количестве целевого продукта, необходимо характеризовать его определенными показателями, измеряя их. К таким показателям могут относиться, например, плотность, вязкость, химический или фракционный состав, содержание нежелательных примесей, концентрация целевого продукта, температура процесса и др.
    Производственные процессы протекают при тех или иных технологических режимах, которые, в свою очередь, определяются соответствующими по-4

казателями или параметрами. Оценивая количественно параметры, можно судить, в каком направлении протекает процесс. Отклонение температуры и давления от некоторых значений приводит обычно к изменению количества и качества целевых продуктов. Таким образом, оценивая количественно в ходе производственного процесса те или иные показатели, мы осуществляем контроль, т. е. проверяем соответствие числовых значений показателей другим величинам этих же показателей, рассматриваемых как эталоны, как желаемые или как требуемые.
    Контроль в производственных процессах необходим для управления ими. На самом деле, если мы не знаем, в каком направлении протекает процесс, контроль изменения параметров технологического режима позволяет предвидеть отклонения в ходе процесса, а следовательно, и отклонения в качестве и количестве получаемых продуктов. Обычно для каждого производственного процесса существует определенная совокупность значений параметров, называемая нормальным технологическим режимом, при котором количество и качество получаемых продуктов из соответствующего количества сырья почти неизменны.
    Отклонения параметров от их значений при нормальном технологическом режиме приводят к ухудшению результатов производственного процесса. Чтобы тем или иным способом привести его к нормальному технологическому режиму, необходимо ручное или автоматическое воздействие на органы управления. Соответствие режима процесса нормальному технологическому режиму определяется контролем. Для контроля хода процесса применяют автоматические приборы. При этом сам контроль называется автоматическим. Автоматический контроль производства является составной частью автоматизации производственных процессов.
    Для выполнения функций контроля служат системы автоматического контроля, представляющие собой совокупность различных приборов и устройств.
    Информация, помещенная в данном учебном пособии, не является исчерпывающей. Существует большое количество литературных источников, как периодических, так и фундаментальных, где более подробно излагается тематика первых учебного пособия и другие связанные вопросы. Однако данное пособие, на наш взгляд, содержит необходимый объем информации достаточный для того, чтобы студенты могли бы, дополнив свои знания, с успехом и пользой выполнить предусмотренные учебными планами научно-исследовательские работы.

5

Глава 1. Автоматизация типовых процессов химических производств


    Ниже приведены физико-химические основы технологических процессов, технологические схемы рассматриваемых объектов управления, математические описания объектов управления, постановку задачи автоматизации, типовые схемы автоматизации, типовые решения автоматизации для массообменных и реакторных процессов.


1.1. Управление процессами перемешивания


    Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах
    Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.
    Цели перемешивания
     -       Создание суспензий - обеспечение равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости.
     -       Образование эмульсий, аэрация - равномерное распределение и дробление до заданных размеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости.
     -       Интенсификация нагревания или охлаждения обрабатываемых масс.
     -       Интенсификация массообмена в перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).

Рис. 1. Основные схемы перемешивания

6

    На рис. 1 представлены основные схемы перемешивания.
    Механическое - перемешивание мешалками, вращающимися в аппарате с перемешиваемой средой.
    Барботажное - перемешивание путем пропускания через жидкую среду потока воздуха или газа, раздробленного на мелкие пузырьки, которые, поднимаясь в слое жидкости под действием Архимедовой силы, интенсивно перемешивают жидкость.
    Циркуляционное перемешивание - перемешивание, осуществляемое путем создания многократных циркуляционных потоков в аппарате с помощью насоса.
    Объект управления
    Объект управления (рис. 2) - емкость с мешалкой, аппарат непрерывного действия, в котором смешиваются две жидкости А (с концентрацией целевого компонента Са) и Б (с концентрацией целевого компонента Сб) для получения гомогенизированного раствора с заданной концентрацией целевого компонента Ссм.

Рис. 2. Схема объекта управления

    Показатель эффективности процесса - концентрация целевого компонента в гомогенизированном растворе (смеси) - Ссм.
    Цель управления процессом - обеспечение заданной концентрации смеси при эффективном и интенсивном перемешивании.
    Эффективность перемешивания обеспечивается выбором параметров аппарата, перемешивающего устройства, числа оборотов мешалки, обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданной интенсивностью (т. е. за заданное время).
    Однако в реальных условиях технологические объекты подвержены действию внешних и внутренних возмущений, которые приводят к отклонению технологических режимов работы от расчетных.


7

    Задача разработки системы автоматизации обеспечить в условиях действия внешних и внутренних возмущений в процессе эффективное и интенсивное его функционирование с требуемыми характеристиками качества.
    Теоретические аспекты процесса механического перемешивания
    При вращении лопасти мешалки в аппарате возникает вынужденное движение жидкости, которое описывается критериальным уравнением вида:

                          Eu м = f (Кем, Г), где модифицированный критерий Эйлера Еим:

N
Еим -     - Kn ,
Pⁿ dм

модифицированный критерий Рейнольдса Кем:
Re.. - Pnd², м pi ,


геометрический симплекс Г:


Г - -d-Япп

(1)

(2)

(3)

(4)

где dм - диаметр мешалки, м;
n - скорость вращения мешалки, об/с;
р - плотность жидкости, кг/м³;
Nм - мощность, потребляемая мешалкой, вт;
р - динамическая вязкость, Па с;
Kn - критерий мощности.
    Методика расчета конструктивно-технологических параметров процесса механического перемешивания
    Выбирают тип мешалки, ее диаметр dм, размеры аппарата D апп и Hапп.
    Определяют коэффициент С* в зависимости от размеров аппарата и типа перемешивающего устройства.

                                        С
    Определяют число оборотов мешалки: n - —^~
                                        *м
    Рассчитывают Кем по соотношению (3).
    По графику Kn = f (Кем) находят Kn.
    Рассчитывают Nм из выражения:


nₘ - KNd ³ n³ р
м N м г ■

8

    Рассчитывают мощность N₅В, потребляемую приводом перемешивающего устройства:

K KNM
N =------м
дв / '/пер

где K - поправочный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности аппарата и перемешивающего устройства; /пер - КПД передачи.
      В реальной установке непрерывного действия:
т = т = РУсм = PSh ф L м L пер G эфф G эфф ,
^~см     см

т. е. необходимо обеспечить: Gсм < G^ и hсм > h₁Э₁фф.
    Материальный баланс по целевому компоненту
    Уравнение динамики:
dC™ = о.                            (5)
dt
    Уравнение статики при:
                         Gсм C см = Gд CА ₊ GБ C Б.                (6)
    На основании (5) и (6) можно принять:
                          C см = f (GА, GБ, Ссм).                  (7)
    Материальный баланс по всему веществу
    Уравнение динамики:

                       РсмSсм    = GА + GБ - Gсм.                  (8)
                              dt
                          dh см „
    Уравнение статики при dt “ :
GCM = GА + GБ.                        (9)
    На основании (8) и (9) можно принять:
                          h см = f (GА, GБ, Gсм).                  (10)

9

    Информационная схема объекта изображена на рис. 3.


Рис. 3. Информационная схема объекта

    Управляемые переменные - Ссм и h см.
    Возможные контролируемые возмущения: Сa, Cб, причем задано, что СA >> C Б.
    Возможные управляющие воздействия: Ga, Gб, Gсм.
    Однако в данном случае G см определяется последующим технологическим процессом и поэтому не может использоваться в качестве регулирующего воздействия.
    Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по целевому компоненту
    Уравнение динамики в нормализованном виде.

Рсм V   / + Gcм Cсм = GA CA + GБ Cб .             (11)
                           dt
    Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления Ga - Cсм:
GA = GA + Д Ga; Gб = Gб⁰;
C см = С0м +Д Ссм;
са = с0; Сб = СБ;
^м = GА + GБ = GА ₊ GБ ₊ Д GА = GОм + Д GА.
    Уравнение статики:
                         /-’О х-»О х-’О 0уО ./"’О z-тО              /1 <)\
Gсм C см = GА С А ⁺ GБ С Б .               ⁽¹²⁾
    Уравнение динамики в приращениях (после подстановки начальных условий и вычитания уравнения статики (12) и приведения подобных членов):

10

                 Рсм V м , + G0м ACCM - (CA - C..) AGA.                     (13)
                            dt
     Уравнение динамики c безразмерными переменными:
            ° V       dCсм⁽t⁾j-('7° G' !"'" — °Г'⁰    \rj° С7б tr'i         ('U’i
            рсм ‘см C см -T ⁺ Чм C см C см ⁽t) - I C A ⁻ C см I GA GA ⁽t) • ⁽¹⁴⁾
                        dt
     Нормализованное уравнение динамики объекта во временной области без учета транспортного запаздывания:
Тобd    t + Cсбм(t) - Ксм • GA(t).               (15)
                             dt
     Уравнение динамики по каналу управления GА - Cсм во временной обла

сти с учетом транспортного запаздывания:
Тоб \t + C сбм (t) - К об GA (t - Т).
                           dt
     Передаточная функция объекта по каналу управленияGА - Cсм :

K , w (Р) - —°s-7 e Тоб Р +¹

- Рт

где

Т ₋ Рсм Км . К ₋ (C A - Cс°м ) GА T об ^0          ; К об       ^0 х-,0
^~см                  ^~см '-'см
Р A Vтруб
Тоб ⁻ "Z , GA

(16)

(17)

(18)

где Vтруб - объем трубопровода от P.O. до входа в аппарат.
    Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по всему ве

ществу
    Уравнение динамики:
~ dh ___
                   Рсм Sапп  - GА + GБ - Gсм .           (19)
                           dt
    Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления Gб - h см:



Gᵣ - G0 + A Gᵣ ; Б Б Б

hсм - hс⁰м + Ahсм;

Ga -GА;

                               G =G⁰
Gсм  Gсм .

11