Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системный анализ и особенности управления типовыми объектами химической технологии. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
Ю. Л. Павлов, Н. Н. Зиятдинов, И. И. Емельянов
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ОСОБЕННОСТИ
УПРАВЛЕНИЯ ТИПОВЫМИ ОБЪЕКТАМИ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2015

2
УДК 66.01
Рецензенты:
зав. каф. автоматизации технол. процессов и производств
КГЭУ, д-р техн. наук, проф. К. Х. Гильфанов
руководитель проектов АСУТП ООО «Иокогава Электрик
СНГ», канд. техн. наук М. В. Аввакумов
ISBN 978-5-7882-1790-1
©
Павлов Ю. Л, Зиятдинов Н. Н,
Емельянов И. И., 2015
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2015
ББК 35.11
Павлов Ю. Л.
Системный анализ и особенности управления типовыми объектами
химической технологии : учебное пособие / Ю. Л. Павлов, Н. Н. Зиятдинов,
И. И. Емельянов; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол.
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2015. – 84 с.
ISBN 978-5-7882-1790-1
Изложены особенности управления типовыми объектами химической
технологии (реактором, ректификационной колонной, технологической
печью) с учетом процессов, протекающих в них. Представлены операции
пуска и аварийного останова технологических установок на примере
установки экстрактивной ректификации в производстве дивинила.
Теоретический материал дополнен упражнениями на прилагаемом
программном обеспечении для компьютерных тренажеров в среде Windows,
которые моделируют объекты химической технологии и регуляторы.
Предназначено для подготовки бакалавров по направлению 27.03.03
«Системный анализ и управление», а также для слушателей курсов
повышения квалификации преподавателей и специалистов данного профиля.
Подготовлено на кафедре системотехники.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского
национального исследовательского технологического университета

3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..................................................................................................... 3
1. Особенности управления реакторами ................................................... 5
1.1. Реакторы периодического действия ........................................ 8
Задание 1.………………………………………………………….15
1.2. Реакторы непрерывного действия ......................................... 16
Задание 2…………………………………………………………..25
2. Особенности управления процессом ректификации……………… 26
Задание 3…………………………………………………………..39
3. Особенности управления технологическими печами …………..… 41
Задание 4……………………………………………………….…..58
4. Пуск и аварийный останов технологических узлов………………...59
Задание 5…………………………………………………………...75
5. Обзор интегрированной системы управления производством.…....76
Библиографический список ............................................................. ..…..82

4
ВВЕДЕНИЕ
По данным различных источников, 40–50% техногенных аварий
в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической
промышленностях приходятся на ошибки операторов. Внедрение
современных автоматизированных систем управления
технологическими процессами (АСУТП) и систем противоаварийной
защиты (ПАЗ) уменьшает число аварий и ограничивает их
последствия, но при этом оператор отстраняется от непосредственного
управления и прогнозирования опасных ситуаций. Поэтому правила
безопасности ПБ 09–540–03 предписывают необходимость допуска к
работе на объекты I и II категории взрывоопасности только лиц,
прошедших подготовку на компьютерных тренажерах.
Отсюда следует актуальность системного анализа на адекватных
математических моделях реально существующих технологических
процессов динамических свойств и особенностей управления ими как
работающими, так и будущими операторами-технологами.
Химическая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая и
смежные отрасли промышленности характеризуются большим
разнообразием технологических процессов и их аппаратурного
оформления. Среди них можно выделить типовые процессы, к числу
которых относятся реакционные процессы, протекающие в аппаратах
непрерывного и периодического действия, процессы непрерывной
ректификации, процессы нагрева жидкостей в технологических печах.
В предлагаемом пособии представлены компьютерные тренажеры
управления перечисленными процессами, построенные с
использованием методов системного анализа. В основу некоторых из
них положены адекватные эмпирические математические модели,
полученные в результате наблюдения за реально существующими
технологическими процессами.
В пособии также рассмотрены операции пуска и аварийного
останова технологических процессов на примере установки первичной
экстрактивной ректификации в производстве бутадиена.
Знания, умения и навыки управления этими процессами,
полученные в результате обучения на предлагаемых в пособии
компьютерных тренажерах, позволят перенести их и на другие
объекты химической технологии.

5
1. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРАМИ
E-5
f1
f2
f3
Gв; Tв1
Gв; Tв2
F; Tпит
F; T
Реакторы часто являются наиболее сложными объектами
регулирования. Особенно это относится к реакторам, в которых
протекает быстрая экзотермическая реакция. Незначительный рост
температуры реакции может существенно увеличить её скорость, а
значит и конверсию, т.е. производительность реактора. При этом
увеличение скорости реакции с ростом температуры может привести к
неустойчивости реактора. Это может случиться, если скорость
выделения тепла реакции превысит скорость теплоотвода, тогда рост
температуры будет продолжаться с нарастающей скоростью. В ряде
случаев таким реактором можно управлять с помощью системы
автоматического регулирования.
Рассмотрим реактор с мешалкой непрерывного действия [1],
представленный на рис. 1.
Рис. 1. Реактор непрерывного действия с мешалкой

6
В реакторе протекает необратимая экзотермическая реакция
Qотв 1
Qотв 2Qотв 3
Q вых
Температура в реакторе
Q отв с
регулированием
расхода воды
А
В
С
D
E
Ккал / ч
Т
Заданная
точка
работы
первого порядка. Скорость подачи реагентов и время пребывания в
реакторе постоянны, часть тепла реакции передаётся охлаждающей
воде в рубашке реактора, часть выходит с потоком уходящего
продукта.
При предварительном анализе возможные устойчивые и
неустойчивые равновесия реактора определяются графическим
способом, предложенным Хирденом [2]. Тепло, выделяющееся в
результате химической реакции, и тепло, отводимое через рубашку
реактора и с уходящим продуктом, изображается графически в
зависимости от температуры реакции, как это показано на рис. 2.
Кривая тепловыделения характеризует количество тепла,
выделяющегося при установившейся температуре в реакторе.
Рис. 2. Возможные состояния равновесия для реактора
с перемешивающим устройством
На начальном участке наклон кривой тепловыделения
увеличивается вследствие экспоненциального влияния температуры на
скорость реакции. На конечном участке наклон начинает убывать,
вследствие уменьшения концентрации реагентов, и кривая
тепловыделения асимптотически приближается к количеству тепла,
выделяемому при полном превращении реагентов.

7
Количество отводимого тепла линейно зависит от температуры.
На рис. 2 показаны три возможных случая работы реактора при
различных значениях температуры рубашки и общем коэффициенте
теплопередачи. В первом случае существует только одно пересечение
линии теплоотвода с кривой тепловыделения (точка А), которое и
определяет температуру реакции. Эта точка соответствует устойчивой
работе реактора, так как малое увеличение температуры в реакторе
вызывает значительно больший рост теплоотвода, чем образование
тепла. Это приводит к снижению температуры до её прежнего
значения. Во втором случае коэффициент теплопередачи тот же, что и
ранее, но температура рубашки реактора выше, и единственное
пересечение кривой тепловыделения с линией теплоотвода существует
только в точке В – точке устойчивой работы реактора при условиях,
близких к полному превращению реагентов. В третьем случае, когда
кривая тепловыделения пересекается в трёх точках с прямой
теплоотвода, точка D характеризует неустойчивый режим работы
реактора, хотя уравнение теплового баланса в ней всё же
удовлетворяется. Небольшое увеличение температуры в этом случае
увеличивает скорость выделения тепла реакции больше, чем скорость
теплоотвода, что вызовет быстрое повышение температуры до
состояния равновесия в точке Е. Уменьшение температуры реакции от
точки D приводит к снижению температуры до равновесия в точке С.
При наличии системы регулирования реактор с мешалкой может
работать в условиях, которые соответствуют области его
неустойчивых режимов. Введение системы автоматического
регулирования позволяет сделать характеристику теплоотвода более
крутой (прямая штриховая линия на рис. 2) в рабочей точке D, чем
кривая тепловыделения. Это достигается путем увеличения скорости
потока охлаждения при возрастании температуры в реакторе.
Проектирование систем управления химическим реактором
связано, в первую очередь, с изучением его температурной
устойчивости. Основные особенности анализа устойчивости
одинаковы для всех экзотермических реакций независимо от того,
происходят ли они в реакторах непрерывного или периодического
действия [3]. Для большинства реакторов с мешалкой система
автоматического регулирования должна обеспечить более быстрый
переходный процесс в неустойчивой точке. В том случае, когда
системы автоматического регулирования недостаточно, чтобы
стабилизировать быстро изменяющуюся температуру, применяется

8
система противоаварийной защиты (система ПАЗ), которая позволяет
1
tgt
GGkG
1-t
G
t
G
1-t
G
G
остановить реакцию путём подачи в рубашку аппарата захоложенной
воды и выключения подачи сырья в реактор.
Далее рассмотрены упрощенные эмпирические модели
процессов, которые использованы в данной работе.
1.1. Реакторы периодического действия
В качестве примера рассмотрим реактор получения лапрола
(полипропиленгликоль) [3], который нашел широкое применение в
производстве полиуретанов, загустителей, смазок, гидравлических
жидкостей, неионогенных поверхностно-активных веществ.
Исходным сырьем получения лапрола является окись пропилена (ОП).
Реакция экзотермическая. Процесс протекает в реакторе, снабженным
пустотелой мешалкой и рубашкой, которые используются для нагрева
и охлаждения в зависимости от стадии, в которой находится процесс в
текущий момент. После получения одной партии продукта, реактор
может быть использован для получения следующей. Процесс
протекает в жидкой фазе, при температуре 110–140°С, время процесса
составляет ориентировочно 0,5 часа в зависимости от марки
синтезируемого продукта.
Особенностью данного реактора, является то, что продукт
синтеза не удаляется из него до окончания процесса синтеза, а
накапливается в аппарате, существенно изменяя его инерционность.
Кроме того, увеличение объема продукта в аппарате увеличивает
поверхность теплообмена между реакционной массой и охлаждающей
водой, а сама смена воды является естественным источником инерции.
На рис. 3 представлена блок-схема модели реактора и его
системы управления. Подача воды в рубашку аппарата моделируется
звеном чистого запаздывания и инерционным звеном. Звено чистого
запаздывания реализуется с помощью непрерывно обновляемого
массива, а инерционное звено рассчитывается по формуле:
. (1)
Где:
– расход воды на текущем такте расчёта;
– расход воды на предыдущем такте расчёта;
– расход воды на входе;

9
g
k
– коэффициент инерции теплосъема:
руб
V
k
G
g
руб
V
чистое
запаздывание
Инерция
отвода
тепла
РЕАКТОР
и инерция
тепловыделения
Вода
Регулятор
расхода ОП
Регулятор
температуры
Окись пропилена
t
G
G
F
T
BFR
T
111 tRGttt
TGVkFQkTkTT
t
T
1t
T
1t
F
k
G
k
F
, (2)
где:
– объём рубашки реактора.
зависимостью:
Рис. 3. Блок-схема модели реактора
Эмпирическая модель реактора выражается следующей
Где:
,
– температура в реакторе в момент времени t и
,
– масштабные коэффициенты;
– расход окиси пропилена;
. (3)
;

10
Q
– тепловой эффект реакции;
B
T
R
k
R
V
F
k
R
t
t
R
FdtVV
0
0
R
V
0
V
– температура воды на входе;
– коэффициент инерции и масштабирования:
; (4)
. (5)
Где:
– объем продукта в реакторе;
– объем стартового вещества.
Панель управления реактором (рис. 4) содержит все средства,
необходимые для контроля и управления процессом. Вверху имеется
окно для выдачи сообщений.
Рис. 4. Панель управления реактором синтеза лапролов
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
