Автоматизация процесса нитрования пиридона

Санкт-Петербургский государственный технологический

институт

(Технический университет)

Кафедра автоматизации процессов химической промышленности.

“Автоматизация процесса нитрования пиридона”.

Пояснительная записка к курсовому проекту по учебной дисциплине

“Проектирование систем автоматизации ”.

Выполнил студент 891 гр. :

Солнцев П.В.

Руководитель:

Новичков Ю.А.

Санкт-Петербург

2004

Оглавление.

Исходные данные.____________________________________________ 3

Введение.___________________________________________________ 3

1. Описание технологического процесса.________________________ 5

2. Описание УВК.___________________________________________ 5

3. Основные решения по автоматизации.________________________ 9

4. Разработка принципиальной схемы автоматизации.____________ 10

5. Компоновка средств автоматизации на щитах.________________ 10

6. Построение электрических схем автоматизации._______________ 10

7.___________________________________ Схемы внешних проводок. 11

Список использованной литературы:___________________________ 13

Приложения.

Исходные данные для проектирования.

1 Расходы (объёмные):

1.1 хладоагента в рубашках реактора и стаб-ра G_хл = 3,8 м³ /час

1.2 кислоты на входе реактора G_к = 0,3 м³ /час

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

1.3 пиридона на входе реактора G_п = 1 м³ /час

1.4 воды на входе стабилизатора G_вод = 2,6 м³ /час

1.5 готовой смеси на выходе стабилизатора G_кон = 2,6 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 Температуры:

4.1 нитромассы на выходе реактора q₁ = 41⁰ C

4.2 смеси на выходе из стабилизатора q₂ = 20⁰ C

4.3 хладоагента на выходе из реактора q_1хл ^к = 15⁰ C

4.4 хладоагента на выходе из стабилизатора q_2хл ^к = 21⁰ C

5 Порядок реакции n = 1

5.1 нитромассы в реакторе L₁ = 1,5м

5.2 воды в сбросной ёмкости L₃ = 3м

5.3 смеси в стабилизаторе L₂ = 1,5м

6 Вакуум

6.1 в линии отвода окислов 300 гПа

Введение.

Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения производственного процесса. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации.

В данной курсовой работе разрабатывается проектная автоматизация процесса нитрования пиридона.

Целью курсового проекта является разработка функциональной схемы автоматизации, компоновка средств автоматизации на щитах и пультах, построение и оформление электрических и пневматических схем автоматизации, выполнение схем внутренних и внешних проводок.

1. Описание технологического процесса.

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 ловушкой 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- реактор полного смешения непрерывного действия; 2 – стабилизатор; 3 – сбросная ёмкость; 4 – ловушка окислов азота.

Рисунок 1 -Технологическая схема процесса нитрования пиридона.

2. Описание УВК.

В качестве управляющего вычислительного комплекса (УВК) в данном проекте выбран контроллер Matsushta FP2.

Matsushta FP2 — это компактный многоканальный многофункциональный высокопроизводительный микропроцессорный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами. Контроллер предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов малого и среднего (по числу входов-выходов) уровня сложности и широким динамическим диапазоном изменения технологических параметров, а также построения отдельных подсистем сложных АСУ ТП, обеспечивая при этом оптимальное соотношение производительность/стоимость одного управляющего или информационного канала.

В составе контроллера FP2 имеются модули выхода на сеть PROFIBUS FMS (для систем управления высокого уровня – универсальный модуль FP2-FMS/DP-M) и PROFIBUS DP (для управления распределенными полевыми устройствами от простых модулей до контроллеров FP1 и FP0 - модуль FP2-DP-M). Универсальный модуль FP2-FMS/DP-M может поддерживать работу обеих сетей одновременно. Количество станций в сети –до 125.

В кросс-платы может быть установлено до 2 модулей PROFIBUS; скорость передачи – от 9,6 кбит/с (расстояние – до 1200м без репитера и 4800м – с репитером) до 12Мбит/с (расстояние – до 100м без репитера и 400м – с репитером). Порт – 9-контактное гнездо в стандарте RS485

В состав контроллера Matsushta FP2 входят: центральный микропроцессорный блок контроллера, блок питания, от 5 до 14 плат расширения и ряд дополнительных блоков. Кросс плата предназначена для увеличения числа входов-выходов контроллера. Контроллер Matsushta FP2 является проектно - компонуемым изделием. Его состав и ряд параметров определяются потребителем и указываются в заказе. Контроллер имеет встроенную самодиагностику, средства сигнализации и идентификации неисправностей, в том числе при отказе аппаратуры, выходе сигналов за допустимые границы, сбое в ОЗУ, нарушении обмена по сети и т.п. Для дистанционной передачи информации об отказе предусмотрены специальные дискретные выходы.

Конкретный состав остальных изделий оговаривается в заказе.

МОДУЛИ ВВОДА/ВЫВОДА

1. Модули ввода дискретных сигналов постоянного тока.

Контроллер FP2 имеет в своем составе модули расширения для ввода дискретных сигналов: FP2-16XD2 (с клеммным соединителем с линиями датчиков) и FP2-64XD2 (с разъемом) – рис.4. Эти модули имеют соответственно 16 и 64 канала. Кроме того, дискретные сигналы (64 линии) могут быть поданы на специализированный модуль ЦПУ FP2-C1D. Характеристики модулей приведены в табл.1

Табл.1. Характеристики модулей дискретного ввода.

2. Модули вывода дискретных сигналов постоянного тока.

Модули вывода дискретных сигналов представлены более широко: это прежде всего модули вывода FP2-Y16T и FP2-Y16P - 16 каналов с клеммным соединителем и открытым коллектором на npn и pnp транзисторах соответственно. Аналогичные модули на 64 канала с разъемами: FP2-Y64T и FP2-Y64P. Кроме того, в комплекте модулей УСО FP2 имеются релейные модули вывода FP2-Y6R (6 каналов) и FP2-Y16R (16 каналов). Характеристики модулей приведены в табл.2

Табл.2. Характеристики модулей вывода дискретных сигналов

3. Модули ввода/вывода дискретных сигналов постоянного тока.

В составе FP2 есть комбинированные модули ввода/вывода FP2-XY64D2T и FP2-XY64D2P. Модули имеют по 32 канала на вход и выход с разъемом для соединения с внешними устройствами и характеристиками, по входам совпадающими с характеристиками модулей FP2-64XD2, а по выходам – с модулями FP2-Y64T, FP2-Y64P.

4. Модули ввода аналоговых сигналов постоянного тока.

Аналоговые сигналы в FP2 принимаются отдельным модулем УСО FP2-AD8 (8 каналов) и специализированным ЦПУ (для малых систем) FP2-C1A (4 канала на ввод и 1 на вывод). Оба модуля имеют клеммный блок для соединения с датчиками и характеристики, приведенные в табл.5. Каждый канал может быть автономно настроен на любой допустимый диапазон входного напряжения, в том числе на приме сигналов от термопар и термометров сопротивления, с помощью переключателей на задней панели модулей. Модуль ЦПУ FP2-C1A может быть установлен только на кросс-плате ЦПУ (а не на плате расширения)

Табл. 3. Характеристики модулей аналоговых вводов

3. Основные решения по автоматизации.

В процессе нитрования пиридона показателем эффективности является концентрация азотной кислоты в реакторе, и целью управления является её поддержание на заданном уровне (С_к ^к = С_к ^кзд ). Расход пиридона на входе в реактор определяется предыдущим технологическим процессом и по нему действуют возмущения, а, следовательно, по нему нельзя регулировать 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 реакторе.

Для выполнения теплового баланса регулируются температуры в реакторе и в стабилизаторе путём изменения расхода охлаждающей воды на выходе из рубашки реактора 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 реактора сбрасывается в сбросную ёмкость.

Система регулирования состоит из 4-х подсистем:

· подсистема контроля

контролируются: концентрация азотной кислоты в нитромассе, температуры охлаждающей воды на выходах реактора и стабилизатора, нитромассы и смеси в аппаратах, уровни нитромассы в реакторе, смеси в стабилизаторе и воды в сбросной ёмкости, расход нитромассы на входе стабилизатора, пиридона на входе реактора, давление в линии отвода окислов

· подсистема контроля

регулируются: концентрация азотной кислоты в нитромассе, температуры в реакторе и в стабилизаторе, уровни нитромассы в реакторе, смеси в стабилизаторе и воды в сбросной ёмкости, расход воды в стабилизатор

· 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 реактора 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)

На чертеже функциональной схемы автоматизации процесса нитрования пиридона (КП. ПСА.891.А2.01) представлена структура технологического процесса, а так же оснащение его приборами и средствами автоматизации.

Схема состоит из девяти контуров регулирования.

Контур 1

(регистрация и регулирование концентрации азотной кислоты в нитромассе С_к ^к по расходу азотной кислоты G_к , сигнализация существенных отклонений; компенсация возмущений по G_п )

Концентрация азотной кислоты в нитромассе определяется первичным преобразователем АЖК-3101 (поз. 1а), устанавливаемым на байпасе трубопровода. Унифицированный сигнал 4…20 мА с него поступает на регистратор А542М и на контроллер Matsushita FP-2. Расход пиридона с уксусным ангидридом измеряется с помощью преобразователя РЭН-1 (поз. 1б), откуда поступает на регистратор А542М и, также, на контроллер. В контроллере реализован комбинированный регулятор с подключением компенсатора на вход регулятора. Управляющий сигнал с контроллера поступает на блок ручного управления БРУ-42 (поз. SA1), с помощью которого можно выбрать режим управления: автоматическое управление с помощью МПК или ручное дистанционное с помощью переключателей “больше”, “меньше”. Далее управляющий сигнал поступает на бесконтактный пускатель ПБР-2М (поз.1ж), который с помощью этого маломощного управляющего сигнала обеспечивает коммутацию цепей управления исполнительного механизма МЭО-90 (поз. 3), который в свою очередь воздействует на регулирующий орган. Сигнализация осуществляется с помощью сигнальных ламп, расположенных на щите, и включаемых схемой сигнализации (см. КП.ПСА.891.А2.03).

Контур 2, 7

(регистрация и регулирование температуры q₁ в реакторе по подаче охлаждающей воды G_хл1 , температуры q₂ в стабилизаторе по подаче охлаждающей воды G_хл2 и сигнализация существенных отклонений)

Температуры в реакторе и стабилизаторе измеряются термопарами ТХК-104 (поз. 2а, 7а), имеющих НСХ «L»; сигнал с них поступает на самопишущие миллиамперметры А542М и на аналоговые входы контроллера. Управляющие сигналы с контроллера поступают на блоки ручного управления БРУ-42 (поз. SA2, SA7) и, далее, на бесконтактные реверсивные пускатели ПБР-2М (поз. 2в, 7в), которые с помощью этого маломощного управляющего сигнала обеспечивают коммутацию цепей управления исполнительных механизмов МЭО-90 (поз. 3, 15), которые в свою очередь воздействуют на регулирующие органы. При существенных отклонениях температур подаётся сигнал на соответствующий контактор в схеме сигнализации, вследствие чего зажигается сигнальная лампа.

Контуры 3, 4, 6

(регулирование уровня h нитромассы в реакторе по отбору нитромассы G_вых , уровня воды h_в в сбросной ёмкости по подаче воды G_в1 , регистрация уровня в стабилизаторе h_см по отбору готовой смеси G_см )

Уровень в реакторе, стабилизаторе и сбросной ёмкости определяется буйковым уровнемером LT-100 (поз. 3а, 4а, 6а) с унифицированным выходным сигналом 4…20 мА. Выходной сигнал с первичных преобразователей передаётся на самопишущие миллиамперметры А542М и на аналоговые входы МПК. Управляющие сигналы с МПК поступают на блоки ручного управления БРУ-42 (поз. SA3, SA4, SA6) и, далее, на бесконтактные пускатели ПБР-2М (поз. 2в), которые с помощью этих маломощных сигналов обеспечивают коммутацию цепей управления исполнительных механизмов МЭО-90 (поз. 7, 9, 13), который в свою очередь воздействует на регулирующие органы.

Контур 5

(регулирование концентрации готовой смеси в стабилизаторе по подаче воды G_в2 )

Задачей данного контура является обеспечение требуемого соотношения расходов воды и нитромассы на входе стабилизатора (1:2). Для этого, с помощью диафрагмы ДК16 (поз. 5а), соединённой импульсными трубками с измерительным преобразователем Сапфир-22ДД (поз. 5б), измеряется расход нитромассы на входе стабилизатора. Выходной сигнал (4…20 мА) с преобразователя поступает на регистратор А542М и, также, на контроллер. В контроллере формируется управляющий сигнал, обеспечивающий расход воды на входе стабилизатора в ДВА раза больший расхода нитромассы. Этот сигнал поступает на блок ручного управления БРУ-42 (поз. SA5) и на бесконтактный реверсивный пускатель ПБР-2М (поз. 5в)

Контур 8

(блокировка, контроль и сигнализация разряжения в линии отвода окислов азота P)

В процессе функционирования реактор требует отвода опасных для здоровья окислов азота. Для этого используется вакуумная линия отвода окислов, разрежение в которой не должно быть выше 600 гПа. Это разрежение измеряется преобразователем вакуума Метран-22ДВ, соединённым с трубопроводом (линией отвода) импульсной трубкой. Унифицированный сигнал с преобразователя поступает на самопишущий миллиамперметр А542М и на контроллер, формирующий сигналы блокировки (подаваемый на магнитный пускатель ПМЕ-121 (поз. 8в)) и сигнализации для срабатывания аварийной сирены. Магнитный пускатель, в свою очередь, коммутирует цепь управления электромагнитного клапана ЭМК (поз. 17), открывающего сбросный трубопровод, соединяющий реактор со сбросной ёмкостью.

Контур 9

(контроль температур охлаждающей воды после реактора q_хл1 и после стабилизатора q_хл2 )

Контроль температуры хладоагента на выходе охлаждаемого объекта осуществляется с целью перегрева последнего. Температуры охлаждающей воды на выходах реактора и стабилизатора измеряются термометрами сопротивления (выходной сигнал 4…20мА), подключенными к двухканальному регистратору А542М и параллельно к контроллеру.

4. Разработка принципиальной схемы автоматизации.

Принципиальные схемы автоматизации предназначены для отражения взаимосвязей между приборами, средствами автоматизации и вспомогательными элементами, входящими в состав системы автоматизации, с учетом последовательности их работы и принципа действия.

Принципиальные схемы составляются, исходя из заданных алгоритмов функционирования систем контроля, регулирования, управления, сигнализации и управления.

На принципиальной схеме в условном виде нанесены приборы, аппараты, средства связи между элементами, блоками и модулями этих устройств. Схема изображена на листе формата А2 (см. прил. КП.891.А02.01).

5. Компоновка средств автоматизации на щитах.

Щиты и пульты предназначены для размещения приборов, средств автоматизации, аппаратуры управления, сигнализации, защиты, питания, коммутации и т.п. Щиты и пульты располагаются в производственных и специальных щитовых помещениях (операторских, диспетчерских и т.п.).

Щит изображен на листе формата А2 (см. прил. КП.891.А02.03). При компоновке средств автоматизации был использован двухсекционный щит ЩШК–2–ЗП-1-1000х1000–УЧ-РОО–ОСТ 3613-76

6.Построение электрических схем автоматизации.

Принципиальные электрические схемы (ПЭС) включают:

· схему сигнализации;

· схему управления.

Схемы выполнены без соблюдения масштаба и действительного пространственного расположения элементов.

На ПЭС управления отражена схема организации регулирования соотношения расходов путём изменения подачи воды.

Технологическая сигнализация в данной работе служит для контроля безопасности рабочих цеха и выполнения технологического регламента. Схема сигнализации обеспечивает подачу световых и звукового сигнала, съем звукового сигнала, проверку исправности средств сигнализации.

ПЭС изображены в приложении на листе формата А2 (КП.891.А02.02).

7.Схемы внешних проводок.

Схема соединений внешних проводок — это комбинированная схема, на которой показаны электрические и трубные связи между приборами и средствами автомати­зации, установленными на технологическом оборудовании, вне щитов и на щитах.

Схема подключения внешних проводок выполнена на формате А2 (см. прил. КП.891.А02.04).

Список использованной литературы:

Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев; Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 464 с.

Емельянов А.И., Капник О.В. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 400 с.

Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник / В.В. Баранов, Т.Х. Беановская, В.А. Бек и др.; Под общ. ред. В.В. Черенкова. - Л.: Машиностроение, 1987. - 847 с.

Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голубятников В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. -


29-04-2015, 03:59