Автоматизация процесса нитрования
Министерство Образования Российской Федерации
Санкт –Петербургский Государственный Технологический Институт
(Технический университет)
Курсовой проект
«АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НИТРОВАНИЯ»
Выполнил: Солнцев П.
группа 891
Руководитель: Капустина Н.В.
Санкт-Петербург
2004
Содержание.
1. Описание технологического процесса приготовления раствора гипохлорита натрия.
Исходные данные для проектирования.................................................................................. 3
2. Анализ технологического процесса как объекта автоматизации........................................ 6
2.1 Критерии эффективности............................................................................................. 6
2.2 Цели управления........................................................................................................... 6
2.3 Информационная схема процесса................................................................................ 6
3. Исследование технологического процесса как объекта управления.................................. 7
3.1 Идентификация объекта по возможным каналам управления................................. 7
4. Синтез и исследование одноконтурной АСР с каналом возмущения по Gа.................. 11
4.1 Структурная схема системы....................................................................................... 11
4.2 Расчёт настроек регуляторов методами Циглера-Никольса, РЧХ и ВТИ............. 11
4.3 Построение переходных характеристик для объекта управления
и исследование характеристик качества регулирования.............................................. 12
5. Синтез и анализ комбинированной АСР концентрации готового продукта (Ссм) с компенсацией возмущений по расходу (Gа).............................................................................................................. 15
5.1 Теоретические основы синтеза системы................................................................... 15
5.2 Построение переходных характеристик................................................................... 18
5.3 Исследование характеристик качества регулирования........................................... 22
6. Разработка упрощённой функциональной схемы автоматизации процесса.................... 22
6.1. Описание постановки задачи автоматизации процесса......................................... 23
6.2. Описание функциональной схемы разработанной системы автоматизации процесса 23
Выводы по работе....................................................................................................................... 24
Литература................................................................................................................................... 25
1. Описание технологического процесса нитрования пиридона.
В качестве объекта автоматизации рассматривается реактор полного смешения непрерывного действия с рубашкой и мешалкой (рис 1).
Смесь пиридона с уксусным ангидридом (с параметрами Gп, qп, Срп) подаётся на вход реактора (1). Туда же подаётся азотная кислота (с параметрами Gк, qк, Скн, Срк). Процесс идёт при температуре q1; съём тепла осуществляется подачей холодной воды (с параметрами Gхл, qхлн, Срхл) в рубашку реактора. Из реактора нитромасса (с параметрами Gвых, qвых, Скк, Срвых) поступает в стабилизатор (2), где охлаждается холодной водой до температуры q2 и разбавляется водой в соотношении 1:2, после чего идёт на стадию кристаллизации (с параметрами Gсм, qсм, Срсм).
На случай аварии предусмотрена сбросная ёмкость (3), заполненная водой. Все аппараты, содержащие азотную кислоту, соединены с лоыушкой окислов азота (4) и линией разряжения.
Процесс нитрования пиридона протекает при температуре q1, давлении Р и уровне жидкости h1. Азотная кислота является ключевым компонентом. Расход уксусного ангидрида с пиридоном определяется производительностью предыдущего аппарата и по нему действует возмущение.
|
1 |
|
3 |
|
2 |
|
4 |
|
М |
|
М |
|
М |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1- реактор полного смешения непрерывного действия; 2 – стабилизатор; 3 – сбросная ёмкость; 4 – ловушка окислов азота.
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 (Скк).
2. Исследование технологического процесса как объекта управления концентрацией азотной кислоты (Скк) с учетом канала возмущения «Gп - Скк».
3. Синтез и исследование одноконтурной АСР концентрации готового раствора с каналом возмущения по Gп.
4. Синтез и исследование комбинированной АСР концентрации азотной кислоты (Скк) с компенсацией возмущений по расходу уксусного ангидрида с пиридоном (Gп).
Конструктивные и технологические параметры процесса.
1 Расходы (объёмные):
1.1 хладоагента Gхл = 3,8 м3/час
1.2 кислоты Gк = 0,3 м3/час
1.3 на выходе из реактора Gвых = 1,3 м3/час
1.4 пиридона Gп = 10 м3/час
2 Концентрации азотной кислоты
2.1 на входе в реактор Скн = 0,6 кмоль/м3
2.2 на выходе из реактора Скк = 0,132 кмоль/м3
3 Объёмы
3.1 реактора V = 6 м3
3.2 жидкой фазы в реакторе с коэффициентом заполнения 0,8
Vж = 0,8*6 = 4,8 м3
4 Порядок реакции n = 1
5 Энергия активации Е = 83500 Дж/моль
6 Предэкспоненциальный множитель k0 = 1.6*1011 1/мин
7 Коэффициент перевода температуры из оС в К Т0 = 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 (Скк).
2.2 Цели управления
Целью управления является поддержание постоянного равного заданному, значения концентрации готового продукта, то есть обеспечение Скк = (Скк)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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 2 – Информационная схема процесса.
3. Исследование технологического процесса как объекта
управления.
3.1. Идентификация объекта по возможным каналам управления.
Вывод передаточной функции для канала управления Gк– Скк.
Уравнение динамики:
(1)
Заменим:
Уравнение статики: (2)
Введём обозначения: (3)
Подставим (3) в уравнение (1):
(1а)
Вычтем из уравнения (1а) уравнение статики (2) и получим уравнение динамики в приращениях:
(4)
Введём безразмерные переменные: (5)
Подставим в (4) выражения для DGк и DCкк на основании (5):
(6)
Обозначим:
В выражении (6) разделим обе части на [M*Cк0к]:
(7)
Перейдём к представлению на основе преобразований Лапласа:
(8)
Обозначим: (9)
Тогда можно записать: (10)
Рассчитаем Т и К:
tоб = 0,2 * Тоб = 4,26 мин
Вывод передаточной функции для канала возмущения Gп – Скк.
Уравнение динамики:
(11)
Заменим:
Уравнение статики: (12)
Введём обозначения: (13)
Подставим (13) в уравнение (11):
(11а)
Вычтем из уравнения (11а) уравнение статики (12) и получим уравнение динамики в приращениях:
(14)
Введём безразмерные переменные: (15)
Подставим в (14) выражения для DGк и DCкк на основании (15):
(16)
Обозначим:
В выражении (16) разделим обе части на [M*Cк0к]:
(17)
Перейдём к представлению на основе преобразований Лапласа:
(18)
Обозначим: (19)
Тогда можно записать: (20)
Рассчитаем Т и К:
tв = 0,3 * Тв = 6,64 мин
4. Синтез и исследование одноконтурной АСР.
4.1. Структурная схема одноконтурной АСР.
Структурная схема одноконтурной АСР представлена на Рисунке 3.
Рисунок 3 – Структурная схема одноконтурной АСР.
4.2. Расчет настроек регуляторов методами Циглера-Никольса, РЧХ и ВТИ.
Расчёт настроек регуляторов производится в программном пакете SINTEZ.
Все полученные настройки представим в виде таблицы 1.
Таблица 1
Настройки регуляторов, полученные методами Ц.-Н., РЧХ, ВТИ
|
Методика расчёта |
П |
ПИ |
ПИД |
|||
|
S1 |
S0 |
S1 |
S0 |
S1 |
S2 |
|
|
Ц-Н |
5,474 |
0,359 |
4,927 |
0,802 |
6,569 |
13,522 |
|
РЧХ |
6,958 |
0,647 |
5,967 |
0,647 |
5,967 |
0 |
|
ВТИ |
0,65 |
0,049 |
0,65 |
0,049 |
0,765 |
1,993 |
4.3. Построение переходных характеристик для объекта управления и исследование характеристик качества регулирования.
- 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-, ПИ- и 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
|
метод |
Регулятор |
wрез |
wср |
Yдин |
tрег |
J2 |
|
Ц-Н |
ПИ |
0,204 |
1,05 |
0,196 |
24,9 |
2,793 |
|
РЧХ |
0,305 |
1,05 |
0,187 |
41,4 |
2,967 |
|
|
ВТИ |
0,102 |
1,05 |
0,386 |
100 |
21,426 |
|
|
Ц-Н |
П |
0,305 |
1,05 |
0,124 |
45 |
99999 |
|
Ц-Н |
ПИД |
0,305 |
1,05 |
0,2 |
85 |
4,232 |
максимальное динамическое отклонение Yдин
время регулирования tрег
интегральный квадратичный критерий J2
резонансная частота wрез
частота среза wср
Таким образом, выбираем ПИ-регулятор, расчитанный по методу Циглера-Никольса, т.к. переходный процесс в такой системе обладает наилучшими показателями качества.
5. Анализ комбинированной АСР концентрации готового
раствора (Ссм) с компенсацией возмущений по расходу едкого натра (Gа).
5.1. Теоретические основы синтеза системы.
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 Xв:
,
где WВ(P) - передаточная функция по каналу возмущения;
WОБ(P) - передаточная функция объекта;
RК(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) tк ³ 0, что возможно при tв ³tоб
2) mк £ nк, т.е. если порядок полинома числителя Rк(P) меньше или равен порядку полинома знаменателя. В нашем случае:
1) tв ³ tоб (6,64 > 4.26)
2) т.к. и передаточная функция по каналу возмущения и передаточная функция объекта являются апериодическими звеньями, то mк = nк = 1
Следовательно, наш компенсатор физически реализуем.
Методика расчета компенсатора Rк, 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 Xв:
,
где WВ(P) - передаточная функция по каналу возмущения;
Rк(P) - передаточная функция компенсатора;
Wоб(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) tк ³ 0, что возможно при tв ³tоб
2) mк £ nк, т.е. если порядок полинома числителя Rк(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 - ASRK11.
- Переходные характеристики для системы без компенсатора и Xв=1 представлены на Рисунке 11.
Рисунок 11 – Переходные характеристики для системы без компенсатора и Xв=1.
Показатели качества:
- Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1 представлены на Рисунке 12.
Рисунок 12 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1.
В этом случае отклонение выходного сигнала от заданного не превышает 3,3%.
· Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1, Yzd=1 представлены на Рисунке 13.
Рисунок 13 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1, Yzd=1.
· Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1, X1=1 представлены на Рисунке 14.
Рисунок 14 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1, X1=1.
Для исследования комбинированной АСР с подключением динамического компенсатора на вход регулятора используем проект в среде MVW - ASRK12.
· Переходные характеристики для системы без компенсатора и Xв=1 представлены на Рисунке 15.
Рисунок 15 – Переходные характеристики для системы без компенсатора и Xв=1.
· Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1 представлены на Рисунке 16.
Рисунок 16 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1.
В этом случае отклонение выходного сигнала от заданного не превышает 3,3%.
· Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1, Yzd=1 представлены на Рисунке 17.
Рисунок 17 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1, Yzd=1.
· Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1, X1=1 представлены на Рисунке 18.
Рисунок 18 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и Xв=1, X1=1.
5.3 Исследование характеристик качества регулирования
Все полученные характеристики качества регулирования для системы ASRK11 сведём в таблицу 3.
Таблица 3
Характеристики качества регулирования для системы ASRK11
|
KOMP выкл XB=1 |
KOMP вкл XB=1 |
KOMP вкл XB=1 Yзд=1 |
KOMP вкл XB=1 X0=1 |
|
|
Yдин |
0,19 |
0,033 |
0,459 |
0,225 |
|
tр |
21,44 |
0 |
31,84 |
20,16 |
|
I2 |
88,14 |
4,35 |
1015 |
10,51 |
Все полученные характеристики качества регулирования для системы ASRK12 сведём в таблицу 4.
Таблица 4
Характеристики качества регулирования для системы ASRK12
|
KOMP выкл XB=1 |
KOMP вкл XB=1 |
KOMP вкл XB=1 Yзд=1 |
KOMP вкл XB=1 X0=1 |
|
|
Yдин |
0,19 |
0,033 |
0,396 |
0,223 |
|
tр |
21,44 |
0 |
25,8 |
20,3 |
|
I2 |
88,14 |
4,35 |
1198 |
10,5 |
Сравнивая эти характеристики качества, видим, что комбинированная система с подключением динамического компенсатора на вход регулятора лучше отрабатывает возмущения, поэтому для регулирования критерия эффективности процесса нитрования пиридона выбераем именно её.
6. Разработка упрощенной функциональной схемы
автоматизации процесса.
6.1. Постановка задачи автоматизации процесса.
Составить функциональную схему автоматизации реакторного процесса нитрования пиридона, обеспечив: регулирование показателя эффективности процесса (Скк = Сккзд) по подаче азотной кислоты Gк с учётом возмущений по расходу уксусного ангидрида с пиридоном Gп; 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 (Скк = Сккзд). Рсаход пиридона на входе в реактор определяется предыдущим технологическим процессом и по нему действуют возмущения, а, следовательно, по нему нельзя регулироовать концентрацию Скк, 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 Скк по расходу азотной кислоты Gк, сигнализация существенных отклонений; регулирование по расходу азотной кислоты компенсация возмущений по Gп.
Контур 2 – регулирование температуры q1 в реакторе по подаче охлаждающей воды Gхл1 и сигнализация существенных отклонений.
Контур 3 – регулирование уровня h в реакторе по отбору нитромассы.
Контур 4 – регулирование уровня воды hв в сбросной ёмкости по подаче воды Gв1.
Контур 5 – регулирование концентрации готовой смеси в стабилизаторе по подаче воды Gв2.
Контур 6 – регулирование и регистрация уровня в стабилизаторе hсм по отбору готовой смеси Gсм.
Контур 7 – регулирование температуры q2 в стабилизаторе по подаче охлаждающей воды Gхл2 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 qхл1.
Контур 10 – контроль температуры охлаждающей воды после стабилизатора qхл2.
Выводы по работе.
В данном курсовом проекте был исследован реакторный процесс нитрования пиридона как объект управления концентрацией готового раствора (Скк) с учетом канала возмущения «Gп - Скк».
Был проведён синтез и исследование одноконтурной АСР концентрации без учёта возмущений по расходу Gп. Чтобы учесть эти возмущения необходимо применить комбинированную АСР концентрации азотной кислоты в нитромассе с компенсацией возмущений по расходу Gп. 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. Лектор Иванова Г.В.
2. Проектирование систем автоматизации химических производств. Структурные схемы и схемы автоматизации: Метод. уазания. /ЛТИ имени Ленсовета. –
Л., 1989. -44с.