3.Выбор элементной базы для автоматизации тп.

3.1 Выбор схемы автоматизации контроля и управления уровня в мернике щелочи NaOh

Цель: автоматизировать процесс поддержания уровня суспензии NaOH в сборнике с помощью технологического оборудования и аппаратуры контроля и автоматики.

В недавнее время контроль и управления этой технологической операции поддержании уровня суспензии NaOH в сборнике осуществлялся частично. Контроль уровня велся через смотровые окна. Контроль верхнего уровня жидкости в сборнике осуществлялся через аварийный сброс, при появлении жидкости в трубопроводе аварийного сброса аппаратник включая насосы откачки жидкости в сгуститель. Проблема состояла в том, что при ошибке связанной с опытом и навыками аппаратчика, который контролирует этот процесс, происходило снижение минимального уровня или полный сброс жидкости из сборника и , поэтому во всасывающие трубопроводы с остатками перекачиваемой жидкости поступал воздух в рабочие камеры насосов. В следствии этого производительность насосов уменьшается, происходят сбои в работе, быстрый износ, который приводит к аварии. Поэтому я предлагаю эту технологическую операцию автоматизировать с помощью так называемого попловкового реле.

Рис.1 – Схема структурная автоматизации для подачи NaOH Д – датчик, ОУ – обьект управления, Р – регулятор, ПР – попловковое реле, МП – магнитный пускатель, ЭД – электродвигатель, Н – насос, Хз – заданное значение, Хтз – текущее значение, ИМ – исполнительный механизм, РО – регулирующий орган, КС – кнопочная станция.

Принцип работы схемы автоматизации для подачи NaOh

Едкий натрий сливается в мерник щелочи 7 обьемом 5 м ³ регулирование подачи NaOH производится автоматически по уровню в мернике. Избыток суспензии из мерника откачивается насосом в реактор.

При наполнении суспензией NaOH уровень в сборнике повышается до максимального (0,25м от верха = h_MAX), срабатывает попловковое реле на магнитный пускатель . Поплавок сопровождает уровень суспензии в мернике и при достижении верхнего заданного уровня замыкает контакты попловкового реле (нажимая кнопку SB1), которые в свою очередь, замыкают контакты магнитного пускателя, а магнитный пускатель производит пуск электродвигателя насосов.. После срабатывания датчика регулирующий орган с исполнительным механизмом открывает задвижку и в мерник снова сливается едкий натрий. При достижении нижнего уровня отключает насосный агрегат, нажимая кнопку SB2.Сборник опять заполняется суспензией и процесс получается циклический.

3.1.А выбор оборудования для автоматизации, контроля и управления технологической операции откачки едкого натрия NaOh

• Производим выбор насосов для откачки едкого натрия NaOH из мерника в реактор.

Схема откачки едкого натрия представлена на рис.1

Исходные данные:

Dу = 100 мм – условный диаметр рабочего штуцера

V=5м³ – объем сборника

h_MIN = 1м – минимальный уровень суспензии сборнике

h_MAX = 0,25 м от в6ерха сборника – максимальный уровень

_NaOH = 400 г/дм³ – содержание NaOH в суспензии

_хов = 1000 кг/м³ – плотность хим. Очищенной воды

Р_атм = 98,07 кПа – атмосферное давление

Р₁ = 0,5 МПа – давление в системе откачки

Q = 19,8 м ³ /ч – подача насоса

При выборе насоса учитывается три основных технических параметра: Q_H – подача насоса, м³/час; Н_Н – напор, создаваемый насосом, м; N_Н – мощность насоса, кВт.

1. Определяем напор насоса

Напор насоса определяется по формуле:

+Z + h_сопр, м (3.1)

Р₁ = 0,5 МПа – давление на выходе трубопровода;

Р₀ = Р_атм = 98,07 кПа – давление, передаваемое насосом;

 - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³

 = _хов + _NaOH (3.2)

_NaOH = 400 г/дм³ – содержание NaOH в суспензии

_хов = 1000 кг/м³ – плотность хим. Очищенной воды

 = 1000+400 = 1400 кг/м³;

Z = 0 м – высота постановки насоса. Насос находится на одном уровне со сборником.

h_сопр – потери напора на преодоление гидросопротивления во всасывающем трубопроводе

h_сопр = h_дл + h_м, м (3.3)

где h_дл – потери напора по длине, м

h_дл = , м – формула Дарш-Вейебаха [6]. (3.4)

где f – коэффициент трения f =  = 64/Re - коэффициент Дарши (3.5)

Re – коэффициент Рейнольдса, Re = (Vd/) (3.6)

 - динамическая вязкость  = 1640 мкПа*с

V = == 4,43 м/с

Re =

f = 64/3782 = 0,017

l – длина трубопровода от сборника к насосу l = 2м

d = Dу = 0,1 м – диаметр трубопровода

h_дл = 0,017*2/0,1*4,43²/(2*9,81) = 0,3273 м

h_м – потери напора местные

h_м = V²/2g, (3.7)

 - коэффициент местных сопротивлений  = 0,131013

h_м = , м

h_сопр = 0,3273+0,127 = 0,454 м

Из выше перечисленных вычислений находим напор насоса

Н = (0,5*10⁶ – 98,07*10³)/(1400*9,81) + 0,454 = 28,7 м

Учитывая технологические, технические и экономические показатели, действительный напор выше на 1525% от расчетного, получим:

Н_g = H_p + (0,150,25)H_p (3.8)

Н_g = 28,7+0,25*28,7 = 35,875 м

Выбираем насос с напором Н = 36 м

2. Определяем мощность насоса

Полезная мощность насоса определяется по формуле

N_пол = QHg, Вт (3.9)

где Q – подача насоса, Q = 19,8 м³/час

H – напор насоса, Н = 36 м

_NaOH - плотность суспензии,  = 1400 кг/м ³

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м²/с

N_пол = Вт 2,7 кВт

Действительная мощность насоса определяется по формуле

N_д = (3.10)

где  - КПД насоса,  = 0,85

N_д^Р = 2,7/0,85  3,2 кВт

Учитывая пусковые характеристики и работу в аварийном режиме действительная мощность выше на 515% расчетной

N_Н^Д = N_д^Р + (0,050,15)N_д^Р (3.11)

N_Н^Д = 3,2+0,15*3,2 = 4 кВт

Применяем насос с мощностью N_Н = 4кВт

Вывод: Так как по условию дан насос с подачей Q = 19,8 м ³ /ч , то выбираем ближайший к этому насос. Из справочных материалов выбираем электронасосный агрегат центробежной химической марки Х 25-36-125Д с подачей – 25 м³/час; напором – 36 м; мощностью – 4кВт; частота вращения рабочего колеса около 3000 об/мин; примерными габаритами (ДхШхВ), мм – 960х420х340; массой (Н+Д), кг – 70+25. Насос этой марки относится к химическим насосам производства Свердловского и Катайского насосных заводов.

Условное обозначение насоса соответствует ГОСТ 10168.1-85 .

Насосы этого типа "Х" - центробежные, горизонтальные, консольные, одноступенчатые предназначены для перекачивания химически активных и нейтральных жидкостей плотностью не более 1850 кг/м³, содержащих твердые включения в количестве не более 0,1% по объему с размером частиц не более 0,2 мм, кинематическая вязкость до 30х10^-6м²/с

Рис.3. Схема центробежного насоса.

1. - корпус;

2. - рабочее колесо;

3. - привод насоса;

4. - линия всасывания;

5. – патрубок нагнетания.

• Производим электрический расчет силового оборудования для насоса (выбор электродвигателя)

1. Мощность привода электродвигателя выбираем по формуле:

N_эл.д. = ; кВт (3.12)

где - мощность насоса;= 4 кВт

 - общий КПД привода

 = _м*_пкⁱ , (3.13)

где _м – КПД муфты; _м = 0,98

_пк – КПД пары подшипников качения _пк = 0,990,995, принимаем _пк = 0,99

i – количество пар подшипников; i = 2

(2 пары – одна на насосе и одна электродвигателя)

 = 0,98*0,99² = 0,96

N_эл.д = 4/0,96 = 4,2 кВт

Исходя из справочных данных применяем трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель марки А42-2М4У2 (чугунной оболочкой с массой 42 кг) или АЛ42-2М4У2 (алюминиевой оболочкой с массой 30,5 кг) – защищенные , Щ2 – с двумя щитовыми подшибниками со свободным концом вала: N = 4,5 кВт, скольжение s= 4.35%,

n = 3000 об/мин, ток статора I= 9.1 A при U = 380 В, КПД  = 85,5%, cos = 0,88

К_п = ;_п = - кратность пускового момента

_min = - кратность минимального момента сопротивления

_max = - кратность максимального момента сопротивления.

Момент инерции GD ² =0.034 = 34*10 ^–3 кг м²

Выбранный электродвигатель проверяем по следующим условиям:

1. По условию пуска М_пуск  М_насоса,

где М_пуск – пусковой момент насоса, Нм, М_насоса – пусковой момент насоса, Нм

М_пуск = М_НОМ*_п*К_V, (3.14)

где М_НОМ – номинальный момент эл. Двигателя; _п = 1,8 – кратность пускового момента; К_V – коэффициент, учитывающий возможность снижения напряжения в сети К_V = 0,9

М_НОМ = N_НОМ/_НОМ = N_НОМ : (n/30) = (4,5*10³)/314 = 14,3 Нм

М_пуск = 14,3*1,8*0,9 = 23,2 Нм

М_насоса = (0,2…0,3) М_сн

М_сн – момент сопротивления насоса М_сн = N_n/_Н, где _Н – условная скорость насоса _Н=n/30=314 рад/с

М_сн = 4000/314=12,7 Нм

М_насоса = 0,2*12,7 = 2,5 Нм

М_пуск  М_насоса; 23,2  2,5

Условие выполняется

2. По перегрузочной способности

М_МАХ.дв  М_{МАХ нас} , М_МАХ.дв – максимальный момент сопротивления эл. дв.; М_{МАХ нас} – максимальный момент сопротивления насоса

М_МАХ.дв = М_ном _max К_V (3.15)

_max = 2,4; К_V = 0,9

М_МАХ.дв = 14,3*2,4*0,9 = 30,9 Нм

М_{МАХ нас} = К_МАХ М_сн , где К_МАХ – кратность максимальных моментов сопротивления насоса; К_МАХ = 1,3 (паспорт насоса)

М_{МАХ нас} = 1,3*12,7 = 16,5 Нм

М_МАХ.дв  М_{МАХ нас} ; 30,9  16,5

Условие выполняется

3. По условию минимального момента, потому что насос допустим на нагрузку в рабочем напоре

М_МIN.дв  М_МIN.нас ; М_МIN.дв = М_н _min К_V , (3.16)

_min = 1,5; К_V = 0,9

М_МIN.дв = 14,3*1,5*0,9 = 19,3 Нм

М_МIN.нас = К_МIN М_сн , (3.17)

К_МIN = 1,2; М_сн = 12,7

М_МIN.нас = 1,2*12,7 = 15,3 Нм М_МАХ.дв  М_{МАХ нас} ; 19,3  15,3

Условие выполняется

4. По климатическому исполнению. У – для умеренного климата

5. По степени защиты от соприкосновения персонала с движущимися частями оборудования и от попадания во внутреннюю оболочку твердых посторонних тел. 2 – защита от соприкосновения пальцев человека с токо- и движущих частей.

6. По категории размещения. 2 – для работы в помещениях неотапливаемых.

7. По исполнению: 8 – исполнение взрывоопасное

• Производим электрический расчет выбора аппаратуры защиты и управления электродвигателей насосов

Производим выбор аппаратуры защиты электродвигателя. Тепловое реле магнитного пускателя марки ТРН10.

Проверку производим по следующим условиям

1. По типу ТР – тепловое реле

2. По напряжению U = 380 В

3. По номинальному току I_Н  I_РЦ

I_РЦ = К I_{Н ЭД} = 1*9,1 = 9,1 А при U = 380 В, где К – коэффициент одновременной работы электродвигателя К = 1; Р = U I

I_Н = Р_ЭД/ U (3.18)

I_Н = (4.5*10³)/380 = 11,8 А; I_Н  I_РЦ ;11,8  9,1

Перегрузка допускается 1,5%. Условие выполняется

4) По току теплового расцепителя