Автоматизация процесса получения диоксида титана

1.ВВЕДЕНИЕ

      Известно, что ввод в экслуатацию систем правления современными сложными технологическими процессами, как правило, занимают относительно много времени, требуя для своего выполнения специальных бригад квалифицированного пуско-наладочного персонала. И несмотря на это, как свидетельствует опыт, в большинстве случаев принятые в эксплуатацию системы правления оказываются настроенными далеко не оптимальным образом, что влечёт за собой соответствующие (обычно скрытые, поскольку они специально не регистрируются) экономические потери, также сократить сроки ввода систем правления в действие.

  В процессе эксплуатации водоподготовительной обессоливающей становки ХВО-2 (химводоочистка) возникает необходимость в сбросе сточных вод, образующихся в результате регенерационных циклов водород-катионитовых и анионитовых фильтров, достигающих по количеству до 50% от производительности ВПУ
(водоподготовительной становки). В результате регенераций Н-катионитовых фильтров раствором серной кислоты образуются кислые стоки с “рН” ниже 6.5, а при регенерации анионитовых фильтров раствором едкого натра образуются щелочные стоки (рН=8.5).

      По природоохранным нормам сточные воды должны довлетворять требованиям нейтральной Среды, т.е. соответствовать рН=6.5-8.5. Процесс нейтрализации сточных вод до заданных величин не простой, требующий значительных затрат. Для довлетворения таких жестких требований на ХВО-2 выполнена схема зла нейтрализации сточных вод с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП).  

2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

2.1 Описание технологического процесса

      Технологическая схема зла нейтрализации включает в себя принцип раздельного сброса кислых и щелочных стоков в дренажные коллекторы Н-катионитовых и ОН-анионитовых фильтров с последующей 3-х ступенчатой нейтрализацией. Кислые стоки напрямую с дренажного коллектора Н-катионитовых фильтров направляются на первую ступень, которая состоит из предварительной камеры смешивания кислых и щелочных стоков и 2-х перегородчатых параллельно становленных смесителей Æ 630мм. После первой ступени кислые стоки, или средненные стоки, поступают на вторую ступень нейтрализации, т.е. на вихревой смеситель. В нижней части внутри вихревого смесителя выполнены эвальвентные сопла для создания закручивающего потока, поступающего с первой ступени. Из вихревого смесителя второй ступени нейтрализации через переливную трубу поток средненных щелочных вод направляется в бак донейтрализатор V=6м³ третьей ступени и далее в канализацию.

      Щелочные стоки с дренажного коллектора ОН-анионитовых фильтров направляются в дренажный бак. Из дренажного бака щелочные стоки перекачиваются дренажными насосами в баки-накопители ЩС-1, УЩС-2 (усреднители щелочных стоков), V=400м³.

      При этом один из баков ЩС-1 или ЩС-2 служит для накопления и доведения щелочных стоков до концентрации 0.25-0.3%. Усреднение и доведение до заданной концентрации щелочных стоков  в ЩС-1 или ЩС-2 производится путем включения насосов рециркуляции НР и добавлением NaOH в баки через задвижки Д, Д от мерников NaOH зла нейтрализации.

      При наличии готовых средненных щелочных стоков в том или ином баке они подаются насосами нейтрализации НУЩ на первую ступень нейтрализации через клапан-регулятор 2-5 /см. принципиальную функциональную схему-ПФС/ и задвижку ЩС. На вторую ступень через клапан-регулятор 3-5 и задвижку ЩС. На третью ступень щелочные стоки подаются через клапан-регулятор 4-5, также с вихревого смесителя второй ступени нейтрализации.

      Один раз в смену должна быть проведена сверка показаний рН-метров с результатами химического анализа.

2.2 Технико-экономическое обоснование проектируемой схемы автоматизации.

      Автоматизация процесса нейтрализации в цехе химводоподготовки позволит решить ряд задач:

1. лучшение словий труда основных  рабочих Повышение безопасности производства.

2.. Внедрение АСУ ТП позволит перенести рабочие места операторов на центральный пульт правления и отделить от основного помещения цеха.

3. Снижение затрат на приобретение щелочи за счет рационального использования ее в процессе нейтрализации, что обеспечивает автоматизированные системы правления АСУ ТП.

2.2.1 Обоснование выбора параметров,подлежащих контролю и регулированию.

      

      В процессе функционирования системы, комплексно-технические средства обеспечивают автоматический съем, обработку и управление /регулирование/ технологическими параметрами объекта. В работоспособном состоянии АСУ ТП осуществляет прямое цифровое правление исполнительными стройствами, изменяя становки и параметры настройки локальных систем регулирования.

      В ходе процесса нейтрализации контролю подвергаются следующие технологические параметры:

Q - водородный показатель Среды (рН) в трубопроводе кислых стоков, на выходе перегородчатого смесителя, на выходе бака донейтрализатора. На точках отбора становлены датчики рН-метр автоматический промышленный с чувствительным элементом ДПГ-М-3 (позиции 2-1,

3-1, 4-1 см. ПФС), соответственно 1,2,3 ступени нейтрализации.

      На щите КИП расположены промышленные преобразователи П-215 (позиции 2-2, 3-2, 4-2). Эти преобразователи преобразуют сигнал от
электродов рН-метра в аналоговый токовый сигнал 0-5мА, который идет на многофункциональный регулирующий микропроцессорный контроллер “РЕМИКОНТ Р-130” (позиция 1-2). В ремиконте сигнал обрабатывается и преобразуется в цифровую форму. На основании этого на выходе контроллера формируется выходной сигнал, который правляет исполнительными механизмами (позиции 2-5,3-5,4-5)

L - ровень Среды в баках накопителях ЩС-1,УЩС-2. На точках отбора становлены датчики типа “САПФИР 22-Ех-М-ДИ” (позиции 5-1,6-1), работающие в комплекте с преобразователями “САПФИР БПС-2П” (позиции 5-2, 6-2). Аналоговый токовый сигнал с преобразователей снимается ремиконтом, где преобразуется в цифровую форму.

Q - концентрация щелочи NaOH в щелочных стоках, поступающих на нейтрализацию с баков накопителей. Контроль за концентрацией производят промышленные концентрометры типа КНЧ-2-8 (позиции 9-2, 10-2). Аналоговый токовый сигнал 0-5мА поступает в ремиконт, где преобразуется в цифровую форму.

      Основные функции АСУ ТП, которые необходимы для обеспечения нормальной работы процесса нейтрализации заключаются в следующем:
1. Регулирование подачи щелочных стоков в смеситель:

- осуществляется измерение значений технологических параметров, занесение их в ОЗУ, также выдача правляющих воздействий на исполнительные механизмы.

2. Управление подачи ЩС на нейтрализацию:

- производится формирование и выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

3.    правление заполнением и среднением ЩС в УЩС:

- производится измерение текущих значений технологических параметров, запись их в ОЗУ, затем осуществляется выдача правляющих воздействий на исполнительные механизмы в соответствии с алгоритмом.

4. Передача, обработка информации о ходе технологического процесса, обнаружение аварийных ситуаций, их анализ:

- функция верхнего ровня, т.е. функция реализуется по ПЭВМ.    

3.ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.

3.1 Выбор критериев оптимальности.

     

      Как было описано выше, конечным результатом процесса нейтрализации являются сточные воды, рН которых должна удовлетворять требованиям нейтральной Среды. По мере прохождения процесса рН стоков может изменяться. Это зависит от качества реагентов, вступающих в процесс перемешивания, также их расхода.

      На основе этого можно сделать вывод, что главными критериями оптимальности данного технологического процесса будут являться концентрация и расход  реагирующих компонентов (раствора едкого натра и серной кислоты).

3.2 Формализация технологического процесса.

      Получение нейтральной среды происходит в результате химической реакции:

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

      Одним из важнейших параметров, подлежащих обязательному автоматическому регулированию, является “рН” щелочных стоков на выходе бака донейтрализатора. Автоматическое регулирование процесса нейтрализации должно обеспечить поддержание в заданных пределах рН-среды. По природоохранным нормам сточные воды должны довлетворять требованиям нейтральной Среды, т.е. соответствовать рН=6.5-8.5.

Значительное превышение или наоборот занижение становленных норм влечет за собой дополнительные штрафы, которые выплачиваются предприятием как за вредные выбросы.

Для определения динамических свойств объектов воспользуемся методом экспериментального определения динамических характеристик объектов, так как, по сравнению с аналитическими методами, они наиболее достоверны и более доступны для обслуживающего персонала.

Основными причинами изменения рН сточных вод являются: изменение расхода щелочных стоков,
 подаваемых на нейтрализацию кислых стоков, также концентрация щелочных стоков. Поддержание постоянного уровня  рН осуществляется путем изменения расхода щелочи на нейтрализацию, воздействуя тем самым на регулирующий клапан.

Используя теоретические и практические знания об объекте, можно предположить как поведет себя объект в динамике.

Схема для проведения эксперимента приведена на рисунке 5.1.

Из схемы видно, что при проведении эксперимента необходимо снять следующие переходные характеристики объекта:

-по изменению рН при возмущении расходом щелочи (в дальнейшем - основной канал);

-по изменению рН при возмущении концентрацией щелочи  (в дальнейшем - канал внешнего возмущения);

-а так же характеристику «положение клапана - расход щелочи(в дальнейшем - внутренний канал).

В настоящее время для контроля изменения рН становлены промышленные рН-метры с чувствительным элементом ДПГ-М-3.

для измерения концентрации щелочи используются приборы типа КНЧ-2-8. Датчики и приборы
соединяются с микропроцессорным контроллером типа “РЕМИКОНТ Р-130”, который становлен в центральной щитовой цеха химводоподготовки. Используя программное обеспечение контроллера и становленного в цехе компьютера мы можем снимать показания в цифровом виде с экрана компьютера с необходимой дискретностью обновления показаний по времени.

5.2. Проведение эксперимента.       При определении переходного процесса по основному каналу скачок подаем перемещением клапана на  магистрали подачи средненных стоков   на 10 % (с 20 до 30 %) по шкале дистанционного казателя положения клапана (БРУ-2), предварительно отключив все регуляторы и добившись стабилизации параметров. Изменение параметра рН сточных вод будет являться выходной величиной объекта. Дискретность времени - 1 секунда. Значения времени и величины рН на выходе объекта приведены в таблице 5.2.1. Таблица 5.2.1 Время ,с. Значен. рН Время ,с. Значен. ,рН. Время ,с. Значен. ,рН. Время ,с. Значен. ,рН. 0 2.05 12 7.37 24 11.05 36 11.9 1 2.05 13 7.81 25 11.25 37 11.9 2 2.05 14 8.26 26 11.37 38 11.95 3 2.1 15 8.8 27 11.46 39 11.95 4 2.5 16 9.15 28 11.5 40 12.01 5 2.95 17 9.47 29 11.6 41 12.01 6 3.5 18 9.9 30 11.65 42 12.02 7 4.0 19 10.14 31 11.69 43 12.03 8 4.9 20 10.35 32 11.77 44 12.03 9 5.56 21 10.55 33 11.81 45 12.05 10 6.07 22 10.8 34 11.85 46 12.05 11 6.85 23 10.97 35 11.89 47 12.05   По значениям таблицы строим кривую изменения рН в объекте  вследствие возмущения расходом щелочных стоков ( рисунок 5.2.1).       Кривую разгона по внутреннему каналу снимаем аналогично описанному выше образом. Скачок подаем изменением положения клапана на 10% (с 20% до 30%). Изменение расхода щелочи будет являться выходной величиной объекта. Полученные данные сведены в таблицу 5.2.2. На рисунке 5.2.2. приведен график, построенный по данным таблицы 5.2.2. 6. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ       Определение передаточной функции объекта по основному каналу проводим по кривой разгона, полученной в разделе 5.2 проекта.       Значения точек кривой приведены в таблице 5.2.1, график функции - на рисунке 5.2.1. Так как исследуемый объект, как видно из графика переходного процесса, обладает свойством самовыравнивания, - расчёт передаточной функции будем проводить в программе Linreg . Перед вводом точек кривой переходного процесса в программу, функции необходимо привести к безразмерному виду. Это легко сделать в программе идентификации объектов правления, используя команду "нормировать". Значения нормированной кривой приведены в таблице 6.1.1, график нормированной кривой - на рисунке 6.1.1.                                                                                                            Таблица 6.1.1. Время t,c. Значен. функц. Время t,c. Значен. функц. Время t,c. Значен. функц. Время t,c. Значен. функц. 0 0 12 0,5293 24 0,904 36 0,9847 1 0 13 0,5763 25 0,9173 37 0,9867 2 0,0017 14 0,624 26 0,931 38 0,9883 3 0,0167 15 0,6687 27 0,9393 39 0,992 4 0,0467 16 0,709 28 0,947 40 0,994 5 0,0933 17 0,7457 29 0,9533 41 0,996 6 0,1433 18 0,7787 30 0,9597 42 0,9963 7 0,2083 19 0,808 31 0,9653 43 0,9967 8 0,277 20 0,8297 32 0,9707 44 0,9977 9 0,346 21 0,8517 33 0,976 45 1, 10 0,411 22 0,8723 34 0,98 46 11 0,4713 23 0,889 35 0,983 47 6.1.2. Аппроксимация переходного процесса объекта по внутреннему каналу. ппроксимацию переходного процесса по  внутреннему каналу проводим в последовательности, проведенной при аппроксимации переходного процесса по основному каналу, так как оба  объекта имеют свойство самовыравнивания.       Значения нормированной кривой приведены в таблице 6.1.2. График нормированной кривой на рисунке 6.1.2.                                      Таблица 6.1.2. Время  t,c Значение функции 0 0, 1 0.0256 2 0,0513 3 0,0798 4 0,1311 5 0,2194 6 0,3476 7 0,4786 8 0,5983 9 0,698 10 0,8006 11 0,8989 12 0,3 13 1,       После расчета передаточной функции в Linreg получаем передаточную функцию следующего вида: 6.2. Проверка аппроксимации переходных процессов.        Проверку аппроксимации переходных процессов проводим с целью определения точности аппроксимации, путём получения переходного процесса "обратным путём". То есть - по полученным в разделе 6.1 передаточным функциям получаем кривую переходного процесса и сравниваем эту кривую с исходной. В идеальном случае - обе кривые должны совпасть.       Передаточная функция объекта по основному каналу равна:       Для получения математического выражения реакции внутреннего канала на единичное воздействие воспользуемся программой Aproc.  Передаточная функция объекта по внутреннему каналу имеет вид: 6.2.3. Проверка аппроксимации переходного процесса по  каналу внешнего возмущения. Проверку аппроксимации переходного процесса   по каналу внешнего возмущения проводим в  такой же последовательности,  как и в разделах, описанных выше. Передаточная функция объекта по каналу внешнего возмущения равна: 6.3. Расчёт оптимальных настроек регулятора одноконтурной АСР.       Для расчёта настроек регулятора одноконтурной АСР вводим в основную программу Linreg  передаточную функцию объекта по основному каналу: рис.6.3.2. Кривая переходного процесса для одноконтурной АСР при возмущающем воздействии.       Для более оптимального ведения процесса нейтрализации, поддержания технологических параметров на заданном ровне (в данном дипломном проекте это величина рН сточных вод), предлагаю реализовать  каскадно-комбинированную  схему АСР с компенсацией по возмущению.       Каскадная система регулирования является схема, в которой вводится дополнительная стабилизация некоторой промежуточной величины дополнительным регулятором. Структурная схема имеет следующий вид:  6.5 Расчет настроек регулятора комбинированной АСР.             Введение добавочных контуров регулирования способствует повышению точности работы системы. Схема, предложенная на рисунке 6.5.1 называется комбинированной схемой регулирования с компенсацией по возмущению. Выход компенсирующего стройства подается на вход регулятора.