Міністерство освіти та науки України

Національний Університет

“Львівська Політехніка”

Кафедра АТХП

КОНТРОЛЬНА РОБОТА №1

«Розробка комплекту конструкторської документації на систему автоматизації процесу ректифікації циклогексанону

у виробництві адипінової кислоти»

з дисципліни “Проектування систем автоматизації ”

Виконав: студент групи АТПс-11з

Савка Юрій Михайлович

Перевірив: ст.викл.

Николин Григорій Андрійович

Львів – 2013

ВСТУП

Сучасні хіміко-технологічні процеси є дуже складними з точки зору керованості, шкідливості умов роботи, вибухо- та пожежобезпеки. В екстремальних умовах навіть досвідчений працівник не може своєчасно вплинути на процес у разі відхилення його від норми, а це може призвести до втрати якості готової продукції, псування сировини, допоміжних речовин, а також до аварійних ситуацій, включаючи пожежі, вибухи, викиди шкідливих речовин у навколишнє середовище. Деякі технологічні процеси можна виконувати лише при їх повній автоматизації.

Автоматизація – застосування комплексу засобів, що дозволяють здійснювати виробничі процеси без особистої участі людини, але під її контролем. Автоматизація виробничих процесів приводить до зростання обсягів випуску продукції, зниження собівартості і поліпшення якості продукції, зменшує чисельність обслуговуючого персоналу, підвищує надійність і довговічність машин, дає економію матеріалів, поліпшує умови праці і техніки безпеки.

За рівнем автоматизації хімічне виробництво займає одне з ведучих місць серед інших галузей промисловості. Хімічні установки характеризуються безперервністю процесів, що протікають у них. Майже всі операції на хімічних установках механізовані, а перехідні процеси в них розвиваються порівняно швидко.

В даному курсовому проекті розглядається технологічний процес очищення циклогексанону в процесі виробництва адипінової кислоти.

Очищення (ректифікація) циклогексанону є складовою частиною виробництва адипінової кислоти. Адипінова кислота – HOOC-(CH)₂-COOH – відноситься до дикарбонових. Має вигляд кристалів без кольору з температурою плавлення 152 С, які розчиняються у воді. Дану сполуку широко використовують у народному господарстві у виробництві нейлону, інсектицидів, змазок, пластифікаторів.

Основним об'єктом дослідження є ректифікаційна колона, в якій проходить відгонка спиртової фракції з циклогексанону. Також для побудови системи автоматизації необхідно вивчити процеси, які протікають в агрегатах та визначити основні параметри контролю та регулювання.

1 Опис технологічного процесу

За допомогою технологічної схеми опишемо як саме відбувається процес ректифікації

рис.1.1. Технологічна схема очищення циклогексанону-сирцю.

1-ректифікаційна колона тарільчастого типу; 2,4-теплообмінник (підігрівач); 3-випарник; 5- конденсатор; 6-Флегмова ємність.

Основним завданням технологічного процесу є очистка циклогексанону-сирцю від спиртової фракції. Наведемо стислий опис процесу за існуючими технологічними схемами.

Відгонка спиртів (аліловий, бутиловий і інші), які є легколетючою фракцією в циклогексаноні-сирці, здійснюється в колоні поз. 1.

Циклогексанон–сирець із попереднього технологічного процесу поступає в колону поз. 1.

В колону поз. 1 може також подаватись некондиційний циклогексанон (анон) ;

Перед подачею в колону початкова суміш проходить трубний простір підігрівача поз. 2, де підігрівається до температури не більше 153С.

Процес ректифікації в колоні поз. 1 здійснюється на 65-ти тарілках з капсульними ковпачками.

Живлення в колону поз. 1 подається на 45 тарілку (основний вхід). Можлива подача живлення на 49 і 53 тарілки.

Необхідне для ректифікації тепло вводиться в колону через виносний випарник поз. 3 .

Парова фаза колони поз. 1 (спирти, вода, анон) потрапляє в конденсатор поз. 5, що охолоджується оборотною водою, в якому здійснюється конденсація парів.

Сконденсований продукт із конденсатора поз. 5 збирається в перший відсік ємності поз. 6, де проходить розділення водного і органічного шарів.

Органічний шар (спиртова фракція) через вертикальну перегородку переливається в другий відсік.

Частина спиртової фракції із ємності поз. 6 подається в колону поз. 1 в якості флегми. Перед подачею в колону спиртова фракція проходить трубний простір підігрівача поз. 4, де нагрівається до температури не більше 140С.

Залишок спиртової фракції з ємності поз. 6 подається на наступний технологічний процес для відгонки циклогексанона із дистиляту колони поз. 1.

Циклогексанон–ректифікат з кубу колони поз. 1 по рівню виводиться на подальше оброблення.

Ректифікація – розділення рідких сумішей на практично чисті компоненти або фракції, що відрізняються температурами кипіння. Для ректифікації найчастіше використовують колонні апарати в яких проводять багаторазові контакти між потоками рідкої та парової фаз. Рушійна сила ректифікації – різниця між фактичними та рівноважними концентраціями компонентів в паровій фазі, яка відповідає даному складу рідкої фази. Паро-рідинна система прагне до досягнення рівноваги; в результаті цього пара при контакті із рідиною збагачується легколетючими компонентами, а рідина – важкокиплячими. Так як рідина і пара рухаються назустріч один одному, то при достатній висоті колони в її верхній частині отримують майже чистий легколетючий компонент.

Сутність процесів, з яких складається ректифікація, і отримані при цьому результати можна прослідкувати за допомогою t  x  y – діаграми (рис. 1.2).

Нагрівши вихідну суміш складу х₁ до температури кипіння, отримаємо рідку пару, що знаходиться в рівновазі (точка b ). Відбір і конденсація цієї пари дають рідину складу х₂ збагачену НК ( х₂  х₁ ). Нагрівши цю суміш до температури кипіння t₂ ми отримаємо пару (точка d), конденсація якої дає рідину з більшим вмістом НК, яка має склад х₃ і так далі. Проводячи таким чином послідовно ряд процесів випаровування рідини і конденсації парів, можна отримати рідину (дистилят), яка представляє собою чистий НК.

t₁

t t₂

t₃

x₁ x₂ x₃

x , y

Рис. 1.1. Зображення процесу розділення бінарної суміші шляхом ректифікації tx y.

Аналогічно виходячи з парової фази, яка відповідає складу рідини х₁, шляхом проведення ряду послідовних процесів конденсації і випаровування можна отримати рідину (залишок), що складається майже з чистих ВК.

В простішому випадку процес багатократного випаровування можна проводити в багатоступінчастій установці, в першій ступені якої випаровується вихідна суміш. На другу ступінь поступає на випаровування рідина, яка залишилася після відділення парів в першій ступені, в третій ступені випаровується рідина, яка поступає з другого ступеня (після відбору з останньої парів), і так далі. Аналогічно може бути організований процес багатократної конденсації, при цьому на кожну наступну ступінь поступають на конденсацію пари, які залишилися після відділення від них рідини (конденсату) в попередній ступені.

При достатньо великому числі ступеней таким чином можна отримати рідину або парову фазу з достатньо високою концентрацією компоненту, яким вона збагачена. Але вихід цієї фази буде малий по відношенню до її кількості в вихідній суміші. Крім того, описані установки відрізняються великими втратами тепла в навколишнє середовище.

Значно більш економічне, повне і чітке розділення сумішей на компоненти досягається в процесах ректифікації, які проводяться звичайно в компактних апаратах  ректифікаційних колонах.

Процес ректифікації здійснюється шляхом багатократного контакту між нерівноважними рідиною і паровою фазою, які рухаються відносно один одного.

При взаємодії фаз між ними проходить масо- і теплообмін, обумовлений прагненням системи до стану рівноваги. В результаті кожного контакту компоненти розподіляються між фазами : пара збагачує НК, а рідина  ВК. Багатократний контакт призводить до практично повного розділення вихідної суміші.

Таким чином, відсутність рівноваги (і відповідно, наявність різниці температур фаз) при руху фаз з визначеною відносною швидкістю і багатократному контакту є необхідними умовами проведення ректифікації.

Процеси ректифікації здійснюються періодично або неперервно при різних тисках: при атмосферному тиску, під вакуумом (для розділення сумішей висококиплячих речовин), а також під тиском більше атмосферного (для розділення сумішей, які являються газоподібними при нормальних температурах).

Звичайна ректифікаційна колона складається з куба колони, колони, яка містить n тарілок, і конденсатора ( рис. 1.3 ).

V_n j = n+1

Q_G

G D,x_{ i}

v_j j = n

L_j

F, Z_i j = f+1

j = f

q(t_F)

j = 1

j = 0

Q_W

W,x_0i

Рис. 1.3. Схема тарілчастої ректифікаційної колони.

Основним рівнянням математичного опису процесу ректифікації є рівняння матеріального і теплових балансів, фазового рівняння і кінетики процесу масопередачі.

Рівняння матеріального балансу основані на законні збереження маси:

Рівняння теплових балансів відображають зв’язок між змінами внутрішньої енергії системи і кількістю тепла, що підводиться:

Рівновага між компонентами в парі і рідині має вигляд:

причому

Для ідеальних рівноважних систем приймаємо залежність виду:

Кінетика процесу масопередачі найбільш часто виражається через коефіцієнти масопередачі або висоти одиниць переносу. Рушійною силою процесу являється різниця робочої та рівноважної концентрацій компонентів в фазах, які приймають участь в масопередачі. При вираженні рухаючої сили в одиницях концентрації компоненту в газовій фазі основне рівняння масопередачі має вид:

де М  кількість речовини, що розподіляється між фазами.

Коефіцієнт масопередачі К_0y виражає швидкість масообміну і визначається властивостями компонентів, що розподіляються і параметрами режиму. Об’ємний коефіцієнт масопередачі може бути представлений як функція часткових коефіцієнтів масовіддачі

причому

Ефективність процесу масопередачі пов’язана з рухом потоків на тарілці.

Характер концентраційних полів на ступені розділення може бути відображений в одній з гідродинамічних моделей: повного витіснення, повного перемішування або проміжного типу.

При побудові математичного опису звичайної ректифікаційної колони з одним вводом живлення без проміжних відборів продукту звичайно приймають наступні допущення: флегма подається при температурі кипіння; тиск в колоні постійний на висоті; має місце повне перемішування рідини на тарілці і повне витіснення пару, який рухається в шарі рідини на тарілці; живлення поступає в колону у вигляді рівноважної парорідинної суміші киплячої рідини або насиченого пару; виніс рідини з тарілок відсутній; теплота змішування потоків пару і рідини рівна нулю; рідка і газова фази розглядаються як ідеальні; рідка фаза в колоні знаходиться при температурі кипіння, а парапри температурі насичення; склад флегми рівний складу дистиляту.

Інформаційні змінні, які входять в математичний опис ректифікаційної колони, можна згрупувати наступним чином:

а) Змінні, що характеризують режим: кількість живлення F; склад живильної суміші z_i; доля пару в живленні q або температура живлення t_F; теплове навантаження на дефлегматор Q_d; теплове навантаження на кип’ятильник Q_w^*; тиск в колоні Р (незалежні вхідні змінні); концентрація компоненту в паровій і рідких фазах на тарілках x ( y_i,j, x_i,j ); температура на тарілках t_j (залежні вихідні змінні).

б) Константи, що характеризують фізичні властивості речовини: відносна летючість компонентів або константи фазової рівноваги а_і, к_і; густини компонентів в паровій та рідких фазах _yi , _xi; коефіцієнти дифузії в паровій та рідких фазах Д_yi , Д_xi; ентальпії компонентів в парі та рідині h_i, H_i і так далі.

в) Параметри обладнання: число тарілок n; номер тарілки живлення f; площа перерізу колони S; ефективна площа тарілки S_еф; висота переливу h_n і так далі.

г) Відношення для розрахунку кінетичних характеристик процесу  коефіцієнтів масопередачі k_xi i k_yi^**.

Число незалежних змінних N системи рівнянь, відповідає математичному опису процесу ректифікації, рівне: N=c+7 і, відповідно, залежить від числа компонентів живлення.

В теперішній час відсутня загальноприйнята модель масообміну, що описує достатньо повно явище масопередачі при розділенні багатокомпонентних сумішей. Можна вказати два напрямки розрахунку коефіцієнтів масопередачі і ефективності тарілок в багатокомпонентній ректифікації:

а) Моделі, що враховують такі особливості масопередачі при в багатокомпонентній ректифікації, як наявності дифузійної взаємодії компонентів суміші і різну ефективність для компонентів суміші на одній тарілці. В такому випадку коефіцієнти масопередачі для багатокомпонентної системи представляються через бінарні коефіцієнти масопередачі між всеможливими парами компонентів або вичисляють виходячи з загальнотеоретичних уявлень про дифузійні процеси в газах і рідинах.

Для розрахунку пару, що виходить з тарілки, можна використати рівняння:

(1)

(2)

,(3)

де D  узагальнений коефіцієнт масопередачі, віднесений до ефективної площі контактного ступеня;   фактор взаємодії компонентів; k _{j, i-r}  часткові коефіцієнти масопередачі на ступені j між компонентами i, r, причому i=1,...c, ir.

З (33) і (43) випливає, що

(4)

Рівняння (43)  (45) отриманні як приблизний розв’язок рівнянь масопередачі багатокомпонентної ректифікації при допущенні про опір масопередачі тільки в паровій фазі.

Допущення про рівність опорів масопередачі для всіх компонентів в межах одної контактної ступені, звідки витікає рівність ефективностей розподілу ступені по кожному з компонентів:

Для оцінки значень _j,i може бути використана методика розгляду суміші як псевдобінарної.

Обмеження на потоки і концентрації, що входять в математичний опис випливають з умов фізичної реалізації параметрів. Обмеження накладаються тільки на значення _j,i , щоб запобігти появі від’ємних величин витрат.

Для виконання умов матеріального балансу на тарілці необхідно, щоб відношення v_j,i/d_i в закріплюючій секції було більше одиниці. Умова _j,i =1 дає величину співвідношення v_j,i /d_i більше одиниці. Мінімальне значення _j,i визначається так:

(5)

Величина v_j,i/w_i може бути більша або менша одиниці, як випливає з рівняння матеріального балансу (7). Тому на значення v_j,i /w_i для вичерпуючої секції обмеження не накладаються.