Технологические измерения на предприятиях химической промышленности

А. А. Боряев, Чжу Юйцин





            ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ


Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 53.08:681.3
ББК 35.514+32.966
     Б84


Рецензенты:
кандидат химических наук, начальник лаборатории РНЦ «Прикладная химия» Круглов Александр Сергеевич;
кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Потехина Екатерина Владиславовна

     Боряев, А. А.
Б84 Технологические измерения на предприятиях химической промышленности : учебное пособие / А. А. Боряев, Чжу Юйцин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 124 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1255-1


           Рассматриваются сведения по технологическим измерениям. Приведены основные материалы по автоматизации основных процессов химической и нефтехимической технологии.
           Для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров, магистров и аспирантов по направлению 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», а также 05.22.10 «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 978-5-9729-1255-1

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

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ........................................................4
ГЛАВА 1. Технологические измерения на предприятиях химической промышленности..................................................6
1.1. Измерение давления........................................29
1.2. Измерение расхода и количества вещества...................30
1.3. Измерение температуры.....................................52
1.4. Измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов............56
1.5. Измерение состава и физических свойств веществ............67
1.6. Методы и приборы для определения состава и показателей качества веществ........................................................84
ГЛАВА 2. Общие вопросы автоматизации управления технологическими процессами химических производств.............................114
2.1. Основные понятия управления химико-технологическими процессами....................................................114
2.2. Классификация химико-технологических процессов и производств как ТОУ.......................................................115
2.3. Методика анализа ХТП как ТОУ.............................117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................119

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 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. Технологические измерения на предприятиях химической промышленности

    Основные величины, характеризующих химико-технологические процессы это: давление, расход, температура, уровень жидких и сыпучих тел, состав и свойства веществ.
    В настоящее время измерительная техника используется весьма широко, что обусловлено осуществлением в массовом масштабе комплексной автоматизации производства и дальнейшим развитием науки.
    Автоматизация производства невозможна без объективной техники измерения. Нельзя автоматизировать процессы, показатели которых не поддаются измерению. Измерительные устройства становятся устройствами информации, обязательными в цепях систем автоматизации.
    Основы метрологии
    Метрология - наука об измерениях, методах, средствах их обеспечения и способах достижения требуемой точности.
    Основой метрологии является измерение экспериментально определяемых физических величин с использованием специальных технических средств. В процессе измерения находят числовое значение величины, т. е. узнают, во сколько раз значение данной величины больше или меньше значения принятого за единицу.
    Виды измерений. По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.
    Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.
    Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений.
    Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.
    Сходимость - это качество измерений, отражающее близость результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей.
    Воспроизводимость - это такое качество измерений, которое отражает близость результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

6

    Прямым называют измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.
    Косвенным называют измерение, результат которого определяют на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью.
    Совокупными называют одновременно проводимые измерения нескольких одноименных величин, при которых значения искомых величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях. Совместными называют одновременно производимые измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними.
    Измерения разделяют также на абсолютные и относительные.
    Абсолютным называют прямое измерение одной или нескольких основных величин с использованием значений физических констант или без их использования.
    Относительным называют измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение величины по отношению к одноименной величине, принятой за исходную. Относительным является также измерение температуры, основанное на использовании термоэлектрического эффекта, или измерение массы взвешиванием, т. е. с использованием силы тяжести, пропорциональной массе. Относительные измерения применяют там, где необходима высокая точность.
    Методы измерения. Под методом измерения понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой, совпадения.
    Метод непосредственной оценки позволяет найти значение измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.
    В случае выполнения особенно точных измерений применяют метод сравнения с мерой, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
    Метод сравнения с мерой, когда измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, которым устанавливается соотношение между этими величинами, называется методом противопоставления.
    Дифференциальный (разностный) метод характеризуется измерением разности значений измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величин.
    Нулевой метод - это метод сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.

7

    Компенсационный метод измерения является разновидностью нулевого метода. Его применяют в тех случаях, когда необходимо измерить физические явления без нарушения' условий, в которых они происходят. Характерным примером применения компенсационного метода может служить измерение ЭДС нормальных элементов в отсутствие в них тока.
    Дифференциальные и нулевые методы нашли очень широкое применение для всех видов измерений: от производственных (в цехах) до сличений эталонов, так как используемые меры (гири, нормальные элементы, катушки и магазины сопротивлений) точнее, чем соответствующие им по стоимости и степени распространения приборы.
    Метод совпадений - это метод сравнения с мерой, при котором разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
    Метод замещения основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными.
    Комбинация методов замещения и дифференциального хотя и несколько снижает точность, но позволяет применять меньшие наборы мер.
    Физические величины и их измерение
    В метрологии для всех объектов измерений установлено единое понятие -физическая величина.
    Под термином «физическая величина» понимают свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов (масса, длина, электрическое напряжение, температура и т. д.), но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Количественное содержание этого свойства в объекте является размером физической величины, а числовую оценку ее размера называют значением физической величины. Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называют единицей физической величины.
    Физические величины, выражающие одно и то же в качественном отношении свойство, называют однородными. Они выражаются в одинаковых единицах физической величины и могут сравниваться между собой.
    Физическую величину характеризует ее истинное значение, которое в качественном и количественном отношении идеально отражает свойство объекта.
    Действительным называют значение физической величины, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
    На практике часто приходится измерять различные по размеру однородные физические величины. Эти физические величины и соответствующие им 8

единицы физических величин являются основными. Основной называют физическую величину, входящую в определенную систему и условно принятую за независимую от других величин этой системы. Основными называют единицы физических величин, выбранные произвольно при построении системы единиц, например метр, секунда, ампер и т. д. Производными называют единицы, образуемые по определяющему эти единицы уравнению из других единиц данной системы, например единица скорости - метр в секунду.
    Международная система единиц (СИ)
    Основными преимуществами Международной системы единиц (СИ -Systeme International - SI) являются универсальность (она охватывает все области измерений), согласованность (все производные единицы образованы по единому правилу, исключающему появление в формулах коэффициентов, что существенно упрощает расчеты) и возможность создания новых производных единиц по мере развития науки и техники на основе существующих единиц физических величин. Достоинством системы является также четкое разделение понятий массы, веса и силы; килограмм - единица массы; ньютон - единица силы и веса. Масса в СИ выражается в граммах, миллиграммах, килограммах, мегаграммах и т. д., а вес (как и любая другая сила) - в ньютонах, килоньютонах, миллиньютонах и т. д. Понятие масса характеризует инертность тел и веществ, т. е. их способность создавать гравитационное поле, а понятие «вес» -силу, возникающую вследствие взаимодействия с гравитационным полем. Масса m не зависит от ускорения свободного падения g, а вес пропорционален этому ускорению и равен mg.
    Международная система единиц имеет семь основных единиц (табл. 1.1). Определения основных единиц были приняты в решениях генеральных конференций по мерам и весам.
    Для измерения плоского и телесного углов в Международной системе единиц приняты дополнительные единицы (табл. 1.2).


Т а б л и ц а 1.1
Основные единицы Международной системы

  Физическая величина                Единица                
наименование размерность наименование     обозначение       
                                      международное русское
   Длина          L          Метр           M       м      
   Масса          M       Килограмм        Kg       кг     
   Время          T        Секунда          S       с      

9

О к о н ч а н и е т а б л и ц ы 1.1

    Физическая величина                  Единица                
  наименование   размерность наименование     обозначение       
                                          международное русское
      Сила                                                     
 электрического       I         Ампер           A       А      
      тока                                                     
 Термодинамиче-       6        Кельвин          K       К      
ская температура                                               
   Сила света         J        Кандела         cd            кд
   Количество         N          Моль          mol      моль   
    вещества                                                   

Т а б л и ц а 1.2
Дополнительные единицы

Наименование              Единица                
 физической   наименование     обозначение       
  величины                 международное русское
Плоский угол     Радиан         rad        рад  
Телесный угол  Стерадиан        sr         ср   

    Производные единицы СИ (табл. 1.3) образуются на основании законов, устанавливающих связь между физическими величинами, или на основании определений физических величин. При образовании производных единиц сначала пишут уравнение связи между физическими величинами, а затем величины, стоящие в правой части уравнения, выражают через основные единицы.
    Погрешности измерений
    Погрешность измерения есть отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму погрешностей, каждая из которых имеет свою причину. Причины возникновения погрешностей измерений могут быть выявлены из анализа процесса измерения физической величины, в котором участвуют объект измерения, средство измерения, оператор и условия, в которых выполняют измерение.


10

Т а б л и ц а 1.3

Производные единицы (примеры)

 Физическая величина                   Единица                   
                размер-                           обозначение    
 наименование    ность       наименование       междуна- русское
                                                 родное         
    Площадь       L2        Квадратный метр            2 м2     
                                                      m2        
     Объем        L3        Кубический метр           m3 м3     
   Скорость     !.'Г        Метр в секунду        m/s      м/c  
    Угловая       Т1       Радиан в секунду      rad/s    рад/c 
   скорость                                                     
   Ускорение    IT2         Метр на секунду       m/s2   м/c2   
                              в квадрате                        
    Угловое       T2       Радиан на секунду     rad/s2  рад/c2 
   ускорение                  в квадрате                        
Волновое число    L~1     Метр в минус первой     m 1      м-1  
                                степени                         
   Плотность     L-3M          Килограмм         kg/m3    кг/м3 
                          на кубический метр                    
   Удельный     L3M- -1     Кубический метр      m3/kg    м3/кг 
     объем                   на килограмм                       
   Плотность              Ампер на квадратный                   
электрического  L-21             метр             A/m2    А/м2  
     тока                                                       
 Напряженность  L ~11        Ампер на метр        A/m      А/м  
магнитного поля                                                 
Молярная        L-3 N   Моль на кубический метр  mol/m3  моль/м3
концентрация                                                    
     Поток                  Секунда в минус                     
 ионизирующих     т-        первой степени        s-1      с-1  
    частиц                                                      
   Плотность                Секунда в минус                     
    потока      L-2 T-1  первой степени - метр  s-1/m-2  с-1/м-2
    частиц              в минус второй степени                  
    Яркость     L -2J    Кандела на квадратный   kd/m2    кд/м2 
                                 метр                           

11