Автоматизация процесса нитрования пиридона
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. хладоагента в рубашках реактора и стаб-ра Gхл = 3,8 м3/час
1.2 кислоты на входе реактора Gк = 0,3 м3/час
2. нитромассы на выходе из реактора Gвых = 1,3 м3/час
3. пиридона на входе реактора Gп = 1 м3/час
4. воды на входе стабилизатора Gвод = 2,6 м3/час
5. готовой смеси на выходе стабилизатора Gкон = 2,6 м3/час
1. Концентрации азотной кислоты
1. на входе в реактор Скн = 0,6 кмоль/м3
2. на выходе из реактора Скк = 0,132 кмоль/м3
2. Объёмы
1. реактора V = 6 м3
2. жидкой фазы в реакторе с коэффициентом заполнения 0,8
Vж = 0,8*6 = 4,8 м3
3. Температуры:
4.1 нитромассы на выходе реактора ?1 ’ 410C
4.2 смеси на выходе из стабилизатора ?2 ’ 200C
4.3 хладоагента на выходе из реактора ?1хлк ’ 150C
4.4 хладоагента на выходе из стабилизатора ?2хлк ’ 210C
4. 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
5. 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 Gп, ?п, Срп)
подаётся на вход реактора (1). Туда же подаётся азотная кислота (с
параметрами Gк, ?к, Скн, Срк). Процесс идёт при температуре ?1; съём тепла
осуществляется подачей холодной воды (с параметрами Gхл, ?хлн, Срхл) в
рубашку реактора. Из реактора нитромасса (с параметрами Gвых, ?вых, Скк,
Срвых) поступает в стабилизатор (2), где охлаждается холодной водой до
температуры ?2 и разбавляется водой в соотношении 1:2, после чего идёт на
стадию кристаллизации (с параметрами Gсм, ?см, Срсм).
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 ?1, 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.
|Характеристика |Модуль FP2-16XD2 |Модуль FP2-64XD2; |
| | |ЦПУ FP2-C1D |
|Число каналов |16 |64 (2 группы по 32) |
|Гальваническая развязка |Оптронная |Оптронная |
|Номинальное Uвх, В |12 - 24 |24 |
|Максимальный Iвх, мА |10 |5 |
|Потребляемый модулем ток от | | |
|источника питания контроллера, |80 |100 |
|мА | | |
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
|Характеристика |Модули |Модули |Модули |Модули |
| |FP2-Y16T, |FP2-Y64T, |FP2-Y6R*) |FP2-Y16R*) |
| |FP2-Y16P |FP2-Y64P | | |
|Число каналов |16 (2x8) |64 (2x32) |6 (3x2) |16 (2x8) |
|Гальваническая развязка |Оптронная |Оптронная |Оптронная |Оптронная |
|Напряжение нагрузки | | |250 (AC), |250 (AC), |
|(внешнего источника), В |5 - 24 |5 - 24 |30 (DC) |30 (DC) |
|Максимальный ток нагрузки,|0,6 |0,1 |5 |2 |
|А | | | | |
|Ток потребления от | | | | |
|источника питания |100 |250 |70 |120 |
|контроллера, мА | | | | |
|*) Внимание. Для питания реле эти модули требуют дополнительного источника |
|напряжения 24В DC (см. рис.6Б) |
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
|Характеристики |FP2-AD8 |FP2-C1A |
|Количество каналов | | |
|(автономная настройка каждого |8 |4 |
|канала) | | |
| |Напряжение |(10В; 2 – 5В; (100мВ |
| | | |
|Входной | | |
|сигнал | | |
| |Ток |(20мА; 4 – 20мА |
| |Термопара |S (0-15000C); L (-200+7000C); K |
| | |(-200+10000C); |
| | |T (-200+2500C); R (0-15000C) |
| |Термосопротивление |Pt100 (-100+5000C); Pt1000 (-100+100 0C) |
|Погрешность |1%; 16 бит |
|Гальваническая развязка |Между входами и внутренней схемой (между |
| |каналами нет) |
|Потребляемый модулем ток от | | |
|источника питания, мА |500 |1060 |
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 (Скк = Сккзд). Расход пиридона на входе в
реактор определяется предыдущим технологическим процессом и по нему
действуют возмущения, а, следовательно, по нему нельзя регулировать
концентрацию Скк, 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
Скк по расходу азотной кислоты Gк, сигнализация существенных отклонений;
компенсация возмущений по Gп)
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 ?1 в реакторе по подаче
охлаждающей воды Gхл1, температуры ?2 в стабилизаторе по подаче охлаждающей
воды Gхл2 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
Gвых, уровня воды hв в сбросной ёмкости по подаче воды Gв1, регистрация
уровня в стабилизаторе hсм по отбору готовой смеси Gсм)
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 Gв2)
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 ?хл1 и после
стабилизатора ?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. - М.: Химия, 1991.
- 480 с.
Методические указания №№ 450, 387, 397, 571.
-----------------------
Пиридон
Gп, ?п, Срп
4
В линию
разряжения
М
На кристаллизацию
Gсм, ?см, Срсм
3
Вода
2
Вода
Gхл2
Нитромасса
Gвых, ?вых, Скк, Срвых
М
М
Вода
G0
Вода
Gхл, ?хлн, Срхл
1
Азотная кислота
Gк, ?к, Скн, Срк
4 |
