Выбор технических средств автоматизации для процесса ректификации бинарной смеси бензол-толуол

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

 БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Факультет ХТиТ

Кафедра автоматизации  производственных процессов и электротехники

Специальность АТПиП

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту  на тему:

ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ автоматизации для ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ БИНАРНОЙ

СМЕСИ БЕНЗОЛ-ТОЛУОЛ

 

 

 

 

Выполнил: студент 4 курса, 4 группы Н.А. Бакаев

Руководитель В.Я. Максимов

Заведующий кафедрой И.Ф.Кузьмицкий

Курсовой проект защищён  с оценкой__________________

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Реферат…………………………………………………………………………..4

Введение…………………………………………………………………………5

1. Описание технологического процесса…….……………..…………………6

1.1. Общие сведения о процессе  ректификация…………………………….…6

1.2.  Типовое аппаратурное оформление……...……………………………….7

2.  Разработка функциональной  схемы автоматизации и ее описание……..14

3.  Выбор технических средств  автоматизации………………………………22

4.  Разработка принципиальной  электрической схемы системы  регулирования            температуры исходной смеси………………………………………………….28

Заключение…………………………………………………………………...…32

Список использованных источников……………………………….…………33

 

 

РЕФЕРАТ

Данный курсовой проект содержит 33 листа, 12 рисунков, 4 литературных источника, функциональная и принципиальная схемы приведены на форматах А1.

РЕКТИФИКАЦИЯ, ТАРЕЛЬЧАТАЯ КОЛОННА, ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ЗАДАТЧИК, ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, ДЕМПФИРОВАНИЕ.

Объектом проектирования является выбор технических средств для  ректификационной установки для  непрерывного разделения бинарной смеси  бензол-толуол.

     Цель работы –  автоматизация ректификационной  установки.

     В курсовой работе  приведено описание технологического  процесса, рассказано о конструкциях  и принципах действия аппаратов,  используемых для ректификации. Приведено описание и обоснование функциональной схемы автоматизации; осуществлен выбор технических средств автоматизации с учетом протекания процесса. В качестве описываемого контура был выбран контур регулирования исходной смеси, подаваемой в колонну. Для него была разработана принципиальная электрическая схема.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Развитие автоматизации химической промышленности связано с возрастающей интенсификацией технологических  процессов и ростом производств, использованием агрегатов большой  мощности, усложнением технологических  схем, предъявлением повышенных требований к получаемым продуктам.

Особое значение придается  вопросам автоматизации процессов  химической технологии в связи  с  взрыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ, их агрессивностью и токсичностью, с необходимостью предотвращения вредных выбросов в окружающую среду. Указанные особенности, высокая чувствительность к нарушению заданного режима, наличие большого числа точек контроля и управления процессом, а также необходимостью своевременного и соответствующего сложившейся в данный момент обстановке воздействия на процесс в случае отклонения от заданных по регламенту условий протекания не позволяют даже опытному оператору обеспечить качественное ведение процесса вручную.

Человек обладает конечной скоростью восприятия ограниченного объема информации; ему требуется некоторое время на ее обдумывание, принятие решения и выполнение соответствующих мероприятий. Действие человека отличается субъективностью. Оператор должен непрерывно следить за процессом, с максимальной быстротой оценивать текущую обстановку и в случае необходимости принимать решения с целью поддержания заданного режима, что чрезвычайно сложно, а иногда и невозможно. Поэтому в настоящее время эксплуатация процессов химической технологии без автоматизации практически немыслима.

Автоматизация приводит к улучшению основных показателей  эффективности производства: увеличению качества, снижению себестоимости  выпускаемой продукции, повышению  производительности труда.

 

1. ОПИАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

 

1. Общие сведения о процессе ректификация

 

Ректификация – это  массообменный процесс, который  осуществляется в большинстве случаев  в противоточных колонных аппаратах  с контактными элементами (насадки, тарелки). Процесс ректификации предназначен для разделения жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции, различающиеся температурой кипения. Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК, которым обогащаются пары, а из паровой фазы конденсируется преимущественно ВК, переходящий в жидкость. Обмен компонентами между фазами позволяет получить в конечном счете пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары, выходящие из верхней части колонны, после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят, или ректификат (верхний продукт) и флегму — жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися по колонне парами. Снизу колонны удаляется жидкость, представляющая собой почти чистый ВК,— остаток (нижний продукт). Часть остатка испаряют в нижней части колонны для получения восходящего потока пара.

Различают смеси из двух компонентов (бинарные), многокомпонентные  и сложные (непрерывные). К сложным  смесям относятся нефть и её фракции. Бинарных смеси в зависимости от взаимной растворимости компонентов бывают:

1) с неограниченной  взаимной растворимостью;

2) взаимно нерастворимых;

3) ограниченно растворимых  друг в друге. 

Смеси с неограниченной взаимной растворимостью компонентов в свою очередь делятся на идеальные и реальные (неидеальные) смеси.

Физическая сущность процесса ректификации заключается  в двустороннем массообмене и  теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой  турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогощается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами. При определённом числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость – из высококипящих компонентов.

На практике ректификация, как и всякий диффузионный процесс, осуществляется в противотоке пара и жидкости, что обеспечивает различие температур и неравновесность составов встречных потоков.

 

 

 

 

 

Жидкое орошение при  ректификации паров создаётся путём  конденсации части парового потока в верхней части колонны, а паровое орошение при ректификации жидкости – путём испарения части жидкости в нижней части колонны.

 

2.2 Типовое  аппаратурное оформление

 

Процесс ректификации осуществляется в аппаратах, технологическая схема которых зависит от назначения аппарата и давления в нём, а конструкция – от способа организации контакта фаз. Наиболее простое конструктивное оформление ректификационных аппаратов применяется при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести. В этом случае контактные устройства (тарелки) располагаются одно над другим и разделительный аппарат выполняется в виде вертикальной колонны. В промышленной практике известны также разделительные аппараты, выполненные в виде горизонтальной ёмкости. Подачу жидкости от одной ступени контакта к другой и отделение жидкости от пара или газа после контакта в этих аппаратах осуществляют при помощи вращающихся деталей, приводимых в движение от двигателя.

При ступенчатом осуществлении  процесса ректификации в колонных аппаратах контакт пара и жидкости может происходить в противотоке (например, в тарелках провального типа), в перекрёстном токе (например, на колпачковых тарелках) и в прямотоке (например, на струйных тарелках). Если процесс ректификации осуществляется непрерывно во всём объёме колонного аппарата, то контакт пара и жидкости при движении обеих фаз может происходить только в противотоке (например, в слое насадки).

Современные ректификационные аппараты можно классифицировать в  зависимости от технологического назначения, давления и внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью.

По технологическому назначению ректификационные аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных  установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, а также на колонны для ректификации газов, стабилизации лёгких нефтяных фракций и т. д.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением.

В зависимости от внутреннего  устройства различают аппараты тарельчатые, насадочные, плёночные и роторные (с вращающимися деталями). В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленностях  в настоящее время наиболее широко распространены тарельчатые  и насадочные колонны. К современным ректификационным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая разделительная способность и производительность, достаточная надёжность и гибкость в работе, низкие эксплуатационные расходы, небольшой вес и, наконец, простота и технологичность конструкции. Последние требования не менее важны, чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на величину эксплуатационных расходов, обеспечивают лёгкость и удобство изготовления аппарата, монтажа и демонтажа, ремонта, контроля, испытания, а также безопасность эксплуатации. Кроме перечисленных выше требований ректификационные аппараты должны отвечать также требованиям государственных стандартов.

Технологическая схема  аппарата зависит от состава разделяемой смеси, требований к качеству получаемых продуктов, от возможностей уменьшения энергетических затрат, назначения аппарата и от других факторов. Выбор технологической схемы зачастую производится интуитивно или на основе опыта промышленной эксплуатации. Однако в большинстве случаев при выборе технологической схемы аппарата определяющими являются перечисленные выше факторы.

Рассмотрим основные типы ректификационных аппаратов и  особенности их технологических  схем.

Для заданного разделения любой исходной смеси на две части применяется схема полной ректификационной колонны (простая колонна) смотри (рис.1, а).

 

Рис.1

а – полная колонна; б  – укрепляющая колонна; в –  отгонная колонна; 1 – колонна; 2 –  конденсатор-холодильник; 3 – ёмкость орошения; 4 – кипятильник; l – сырьё; ll- дистиллят;     lll – остаток.

 

В таком аппарате сырьё  подаётся в середину колонны, дистиллят, обогащённый низкокипящими компонентами или фракциями, отбирается сверху, а  остаток, обогащённый высококипящими компонентами или фракциями, – снизу колонны. Для создания жидкостного и парового орошения колонна имеет конденсатор вверху, а кипятильник внизу. Секция колонны, расположенная выше ввода сырья, называется концентрационной, или укрепляющей; секция, расположенная ниже ввода сырья, – отгонной, или исчерпывающей. Верхняя тарелка отгонной секции колонны, на которую поступает жидкая часть сырья называется тарелкой питания.

Для выделения небольшого количества высококипящих или легкокипящих компонентов  или фракций применяют неполные ректификационные колонны, укрепляющие и отгонные (рис.1, б, в).

 В укрепляющую колонну  сырьё подаётся в паровой фазе  под нижнюю тарелку, в отгонную  – в жидкой фазе на верхнюю  тарелку колонны.

В полных ректификационных колоннах или в отпарных колоннах на ряду с подогревом или вместо него в низ колонны подаётся водяной пар или инертный газ. В вакуумных и отпарных колоннах (рис.2, а, в) водяной пар снижает парциальное давление паров продукта и способствует отпарке легких фракций без значительного повышения температуры.

 

Рис.2

а- вакуумная колонна; б – колонна под давлением; в- отпарная колонна; 1 – колонна;                   2 – конденсатор-холодильник; 3 –  ёмкость орошения; 4 –подогреватель; 5 – отстойник;                l – сырьё; ll- дистиллят; lll – остаток; lV – водяной пар; V – вода.

 

В полных колоннах, работающих под атмосферным и повешенным давлением, водяной пар применяется  для снижения температуры низа колонны  или увеличения производительности подогревателя за счёт повышения  средней разности температур потоков (рис.2, а, б).

При разделении многокомпонентных  и сложных смесей на три и более  фракций применяют несколько  последовательно работающих колонн, одну сложную колонну либо сочетание  простых и сложных колонн. Сложная  колонна – это колонна с несколькими вводами питания или боковыми отборами продуктов по высоте.

При многоколонной схеме  сырьём каждой последующей колонны  могут служить как дистиллят, так и остаток предыдущей колонны. На рис.3 в качестве примера показана схема разделения исходной смеси на четыре фракции тремя простыми колоннами; более тяжелые компоненты или фракции отбираются сверху последующей колонны.

 

Рис.3

1 – колонна; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – ёмкость орошения; 4 –подогреватель; l –сырьё;  ll – первая фракция; lll – вторая фракция; lV – третья фракция; V – четвёртая фракция (остаток).