Автоматизация процесса нитрования

Процесс нитрования пиридона протекает при температуре q 1 , давлении Р и уровне жидкости h 1 . Азотная кислота является ключевым компонентом.

Расход уксусного ангидрида с пиридоном определяется производительностью предыдущего аппарата и по нему действует возмущение.

Рисунок 1 - Технологическая схема процесса нитрования пиридона . Задание на курсовой проект по АТП ОХП. Автоматизация процесса нитрования пиридона. 1. Исследование процесса нитрования пиридона как объекта автоматизации.

Объект автоматизации - химический реактор смешения для получения нитромассы.

Составить функциональную схему автоматизации реакторного процесса для приготовления смеси нитромассы с водой, обеспечив регулирование показателя эффективности процесса (С к к ). 2. Исследование технологического процесса как объекта управления концентрацией азотной кислоты (С к к ) с учетом канала возмущения « G п - С к к ». 3. Синтез и исследование одноконтурной АСР концентрации готового раствора с каналом возмущения по G п . 4. Синтез и исследование комбинированной АСР концентрации азотной кислоты (С к к ) с компенсацией возмущений по расходу уксусного ангидрида с пиридоном (G п ). Конструктивные и технологические параметры процесса. 1 Расходы (объёмные): 1.1 хладоагента G хл = 3,8 м 3 /час 1.2 кислоты G к = 0,3 м 3 /час 1.3 на выходе из реактора G вых = 1,3 м 3 /час 1.4 пиридона G п = 10 м 3 /час 2 Концентрации азотной кислоты 2.1 на входе в реактор С к н = 0,6 кмоль/м 3 2.2 на выходе из реактора С к к = 0,132 кмоль/м 3 3 Объёмы 3.1 реактора V = 6 м 3 3.2 жидкой фазы в реакторе с коэффициентом заполнения 0,8 V ж = 0,8*6 = 4,8 м 3 4 Порядок реакции n = 1 5 Энергия активации Е = 83500 Дж/моль 6 Предэкспоненциальный множитель k 0 = 1.6*10 11 1/ мин 7 Коэффициент перевода температуры из о С в К Т 0 = 273 К 8 Универсальная газовая постоянная R = 8 , 31 Дж/моль*К 2. Анализ технологического процесса как объекта автоматизации. 2.1. Критерии эффективности В качестве объекта управления при автоматизации приготовления пиридона примем реактор полного смешения (1). Показателем эффективности данного процесса является концентрация азотной кислоты в нитромассе на выходе из реактора (С к к ). 2.2 Цели управления Целью управления является поддержание постоянного равного заданному, значения концентрации готового продукта, то есть обеспечение С к к = (С к к ) зд . 2.3. Информационная схема процесса. На Рисунке 2 представлена информационная схема процесса, где показаны возможные управляемые переменные, возможные управляющие воздействия и возможные контролируемые возмущения.

Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу Циглера-Никольса, представлена на Рисунке 4. Рисунок 4 – Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу Ц-Н. Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу РЧХ, представлена на Рисунке 5. Рисунок 5 – Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу РЧХ. Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу ВТИ, представлена на Рисунке 6. Рисунок 6 – Переходная характеристика для системы с ПИ-регулятором, рассчитанным по методу ВТИ. Для дальнейшей работы выбираем регулятор, рассчитанный по методу Циглера-Никольса, т.к. переходный процесс в этом случае обладает лучшими показателями качества по сравнению с другими методами.

Теперь сравним системы с П-, ПИи ПИД-регуляторами, рассчитанными по методу Циглера-Никольса.

Переходная характеристика для системы с П-регулятором, рассчитанным по методу Циглера-Никольса, представлена на Рисунке 7. Рисунок 7 – Переходная характеристика для системы с П-регулятором, рассчитанным по методу Ц-Н . Переходная характеристика для системы с ПИД-регулятором, рассчитанным по методу Циглера-Никольса, прдставлена на Рисунке 8. Рисунок 8 – Переходная характеристика для системы с ПИД-регулятором, рассчитанным по методу Ц-Н. Показатели качества регулирования свдены в таблицу 2 Таблица 2 Показатели качества регулирования одноконтурной АСР

Комбинированная АСР - это многоконтурная система регулирования, состоящая из одноконтурной АСР и динамического компенсатора, обеспечивающая инвариантность регулируемого параметра по отношению к основному возмущению.

Комбинированные системы регулирования применяют при автоматизации объектов, подверженных действию существенных контролируемых возмущений.

Существуют два типа структур комбинированных АСР: · системы с компенсатором, подключенным на вход объекта (Рисунок 9); · системы с компенсатором, подключенным на вход регулятора (Рисунок 10). Основой расчета подобных систем являются принцип инвариантности системы по отношению к основному возмущению и условия физической реализуемости компенсатора.

Принцип инвариантности заключается в том, что при любых значениях возмущающего воздействия Xв, при равновесии системы Y(t)=0. Методика расчета компенсатора Rк, подключённого на вход объекта. Рисунок 9 – Структурная схема комбинированной АСР с динамическим компенсатором, подключенным на вход объекта.

Применим к схеме, приведённой на Рисунке 9, условие инвариантности выходной величины Y по отношению к возмущающему воздействию X в : , где W В ( P ) - передаточная функция по каналу возмущения; W ОБ ( P ) - передаточная функция объекта; R К ( P ) - передаточная функция компенсатора.

Произведя преобразование, получаем: (21) Обозначим: Тогда с учетом запаздываний в объекте по каналам возмущения и управления получим: (22) Проверяем выражение (22) на физическую реализуемость компенсатора.

Компенсатор физически реализуем, если: 1) t к ³ 0 , что возможно при t в ³ t об 2) m к n к , т.е. если порядок полинома числителя R к ( P ) меньше или равен порядку полинома знаменателя. В нашем случае: 1) t в ³ t об (6,64 > 4.26) 2) т.к. и передаточная функция по каналу возмущения и передаточная функция объекта являются апериодическими звеньями, то m к = n к = 1 Следовательно, наш компенсатор физически реализуем.

Методика расчета компенсатора R к , подключённого на вход регулятора. Рисунок 10 – Структурная схема комбинированной АСР с динамическим компенсатором, подключенным на вход регулятора.

Применим к схеме, приведённой на Рисунке 10, условие инвариантности выходной величины Y по отношению к возмущающему воздействию X в : , где W В ( P ) - передаточная функция по каналу возмущения; R к ( P ) - передаточная функция компенсатора; W об ( P ) - передаточная функция объекта. R ( P ) - передаточная функция регулятора.

Произведя преобразование, получаем: (24) Обозначим: Тогда с учетом запаздываний в объекте по каналам возмущения и управления получим: (25) Проверяем выражение (25) на физическую реализуемость компенсатора.

Компенсатор физически реализуем, если: 1) t к ³ 0 , что возможно при t в ³ t об 2) m к n к , т.е. если порядок полинома числителя R к (p) меньше или равен порядку полинома знаменателя. Для комбинированной АСР с компенсатором, подключенным на вход объекта имеем: Для комбинированной АСР с компенсатором, подключенным на вход регулятора имеем: 5.2. Исследование комбинированной АСР. Для исследования комбинированной АСР с подключением динамического компенсатора на вход объекта используем проект в среде MVW - ASRK 11. Переходные характеристики для системы без компенсатора и X в =1 представлены на Рисунке 11. Рисунок 11 – Переходные характеристики для системы без компенсатора и X в =1. Показатели качества: Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1 представлены на Рисунке 12. Рисунок 12 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1. В этом случае отклонение выходного сигнала от заданного не превышает 3,3%. · Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1, Y zd =1 представлены на Рисунке 13. Рисунок 13 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1, Y zd =1. · Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1, X 1 =1 представлены на Рисунке 14. Рисунок 14 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1, X 1 =1. Для исследования комбинированной АСР с подключением динамического компенсатора на вход регулятора используем проект в среде MVW - ASRK 12. · Переходные характеристики для системы без компенсатора и X в =1 представлены на Рисунке 15. Рисунок 15 – Переходные характеристики для системы без компенсатора и X в =1. · Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1 представлены на Рисунке 16. Рисунок 16 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1. В этом случае отклонение выходного сигнала от заданного не превышает 3,3%. · Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1, Y zd =1 представлены на Рисунке 17. Рисунок 17 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1, Y zd =1. · Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1, X 1 =1 представлены на Рисунке 18. Рисунок 18 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и X в =1, X 1 =1. 5.3 Исследование характеристик качества регулирования Все полученные характеристики качества регулирования для системы ASRK 11 сведём в таблицу 3. Таблица 3 Характеристики качества регулирования для системы ASRK 11

Составить функциональную схему автоматизации реакторного процесса нитрования пиридона, обеспечив: регулирование показателя эффективности процесса (С к к = С к к зд ) по подаче азотной кислоты G к с учётом возмущений по расходу уксусного ангидрида с пиридоном G п ; материальный баланс; тепловой баланс; стабилизацию уровня воды в сбросной ёмкости готовой смеси в стабилизаторе и нитромассы в реакторе; стабилизацию расхода готовой смеси. 6.2. Описание и обоснование функциональной схемы разработанной системы автоматизации. В процессе нитрования пиридона показателем эффективности является концентрация азотной кислоты в реакторе, и целью управления является её поддержание на заданном урорвне (С к к = С к кзд ). Рсаход пиридона на входе в реактор определяется предыдущим технологическим процессом и по нему действуют возмущения, а, следовательно, по нему нельзя регулироовать концентрацию С к к , поэтому изменяют расход азотной кислоты. Для выполнения материального баланса по жидкой фазе, определяемого уровнем нитромассы в реакторе, изменяют расход нитромассы в реаторе. Для выполнения теплового баланса регулируются температуры в реакторе и в стабилизаторе путём изменения расхода охлаждающей воды на выходе из рубашки реатора и стабилизатора. Для обеспечения соотношения перемешивания нитромассы с водой в стабилизаторе 1:2 используется регулятор соотношения расходов, использующий в качестве канала управления расход воды на входе в стабилизатор.

Уровень смеси в стабилизаторе поддерживается постоянным путём изменения расхода готовой смеси на выходе стабилизатора. При недостаточном разряжении в линии отвода окислов азота (что может быть вызвано повышением давления в реакторе или неисправностью вакуум-насоса в линии разряжения) нитромасса из реатора сбрасывается в сбросную ёмкость.

Система регулирования состоит из 4-х подсистем: · подсистема контроля контроллируются: концентрация азотной кислоты в нитромассе, температуры охлаждающей воды на выходах реактора и стабилизатора, уровни нитромассы в реакторе и смеси в стабилизаторе, соотношение расходов воды и нитромассы в стабилизаторе, давление в линии отвода окислов, · подсистема контроля регулируются: концентрация азотной кислоты в нитромассе, температуры в реакторе и в стабилизаторе, уровни нитромассы в реакторе и смеси в стабилизаторе, соотношение расходов воды и нитромассы в стабилизаторе. · подсистема сигнализации сигнализируются: отклонение концентрации азотной кислоты в нитромассе, отклонение температур в реакторе и в стабилизаторе от заданных, аварийно-опасная ситуация (повышение давления в реакторе либо отсутствие разряжения в линии отвода окислов азота) · подсистема защиты при отсутствии подачи одного из компонентов прекращается подача и второго, при возникновении опасности взрыва реатора нитромасса сбрасывается в сбросную ёмкость, при недостаточном разряжении в линии отвода окислов азота нитромасса сбрасывается в сбросную ёмкость (во избежание попадания окислов азота в цех) Контур 1 – регистрация концентрации азотной кислоты в нитромассе С к к по расходу азотной кислоты G к , сигнализация существенных отклонений; регулирование по расходу азотной кислоты компенсация возмущений по G п . Контур 2 – регулирование температуры q 1 в реакторе по подаче охлаждающей воды G хл1 и сигнализация существенных отклонений.

Контур 3 – регулирование уровня h в реакторе по отбору нитромассы.

Контур 4 – регулирование уровня воды h в в сбросной ёмкости по подаче воды G в1 . Контур 5 – регулирование концентрации готовой смеси в стабилизаторе по подаче воды G в2 . Контур 6 – регулирование и регистрация уровня в стабилизаторе h см по отбору готовой смеси G см . Контур 7 – регулирование температуры q 2 в стабилизаторе по подаче охлаждающей воды G хл2 и сигнализация существенных отклонений.

Контур 8 – защита, контроль и сигнализация разряжения в линии отвода окислов азота P . Контур 9 – контроль температуры охлаждающей воды после реактора q хл1 . Контур 10 – контроль температуры охлаждающей воды после стабилизатора q хл2 . Выводы по работе. В данном курсовом проекте был исследован реакторный процесс нитрования пиридона как объект управления концентрацией готового раствора (С к к ) с учетом канала возмущения « G п - С к к ». Был проведён синтез и исследование одноконтурной АСР концентрации без учёта возмущений по расходу G п . Чтобы учесть эти возмущения необходимо применить комбинированную АСР концентрации азотной кислоты в нитромассе с компенсацией возмущений по расходу G п . Выяснено, что компенсатор в данном случае физически реализуем и разработана упрощенная функциональная схема автоматизации процесса.

Литература. 1. Курс лекций по дисциплине: Автоматизация технологических процессов основных химических производств.