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 G_п, q_п, С_рп) подаётся на вход реактора (1). Туда же подаётся азотная кислота (с параметрами G_к, q_к, С_к^н, С_рк). Процесс идёт при температуре q₁; съём тепла осуществляется подачей холодной воды (с параметрами G_хл, q_хл^н, С_рхл) в рубашку реактора. Из реактора нитромасса (с параметрами G_вых, q_вых, С_к^к, С_рвых) 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 G_см, q_см, С_рсм).

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

В линию разряжения

Пиридон Gп, qп, Срп

Азотная кислота Gк, qк, Скн, Срк

Вода Gхл, qхлн, Срхл

Вода G0

Нитромасса Gвых, qвых, Скк, Срвых

Вода Gхл2

Вода

На кристаллизацию Gсм, qсм, Срсм

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  (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 м³/час

1.2  кислоты                                                                      G_к = 0,3 м³/час

1.3  на выходе из реактора                                              G_вых = 1,3 м³/час

1.4  пиридона                                                                   G_п = 10 м³/час

2        Концентрации азотной кислоты

2.1  на входе в реактор                                                    С_к^н = 0,6 кмоль/м³

2.2  на выходе из реактора                                              С_к^к = 0,132 кмоль/м³

3        Объёмы

3.1  реактора                                                                     V = 6 м³

3.2  жидкой фазы в реакторе с коэффициентом заполнения 0,8

V_ж = 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 (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.

qхлн

qп

qк

Cкн

qвых

Gк

Gп

h1

Gхл

Gвых

Скк

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 G_к– С_к^к_.

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  DG_к  и  DC_к^к  на основании (5):

                              (6)

Обозначим:                           

В выражении (6) разделим обе части на [M*C_к0^к]:

                                                                                            (7)

Перейдём к представлению на основе преобразований Лапласа:

                                                                       (8)

Обозначим:                             (9)

                                    

Тогда можно записать:                                                                    (10)

Рассчитаем Т и К:

t_об = 0,2 * Т_об = 4,26 мин

Вывод передаточной функции для канала возмущения G_п – С_к^к.

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  DG_к  и  DC_к^к  на основании (15):

                                        (16)

Обозначим:                           

В выражении (16) разделим обе части на [M*C_к0^к]:

                                                                                            (17)

Перейдём к представлению на основе преобразований Лапласа:

                                                                                   (18)

Обозначим:                              (19)

                                    

Тогда можно записать:                                                          (20)

Рассчитаем Т и К:

t_в = 0,3 * Т_в = 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                                           Y_дин

время регулирования                                                                            t_рег

интегральный квадратичный критерий                                              J2

резонансная частота                                                                              w_рез

частота среза                                                                                           w_ср

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 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 ³t_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 ³t_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  - ASRK11.

• 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, X₁=1 представлены на Рисунке 14.

Рисунок 14 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и X_в=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 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, X₁=1 представлены на Рисунке 18.

Рисунок 18 – Переходные характеристики для системы с компенсатором и X_в=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  (С_к^к = С_к^кзд) 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 q₁ 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 q₂ 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. Лектор Иванова Г.В.

2.                  Проектирование систем автоматизации химических производств. Структурные схемы и схемы автоматизации: Метод. уазания. /ЛТИ имени Ленсовета. –

Л., 1989. -44с.

Министерство Образования Российской Федерации Санкт –Петербургский Государственный Технологический Институт (Технический университет) Курсовой проект «АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НИТРОВАНИЯ» Выполнил: Солнце

 

• 14:21 05 Июля 2016
  Российско-китайский медуниверситет откроет магистерскую программу по TCM
• 01:21 05 Июля 2016
  На форуме МГУ Россия и Китай обсудят научно-образовательное сотрудничество
• 11:00 04 Июля 2016
  Реморенко: "ЕГЭ-туризм" в России сходит на нет
• 10:52 04 Июля 2016
  Летняя российско-австрийская школа откроется в Москве
• 15:31 01 Июля 2016
  В СПбГУ могут воссоздать географический факультет

Заказать уникальную работу