Система контроля и автоматического измерения, управления и регулирования технологических параметров для производства разбавленной азотной кислоты

Автоматизация процесса производства азотной кислоты

Система контроля и автоматического измерения, управления и регулирования технологических параметров для данного производства разбавленной азотной кислоты и химического производства является одной из основных составляющих системы управления.

Автоматизация производственного процесса производства азотной кислоты позволяет увеличить производительность, поскольку автоматизация и механизация данного производства повышает темп работы в целом.

Так же автоматизация производственного процесса производства азотной кислоты позволяет обезопасить труд человека, поскольку данное производство высоко токсично и опасно, а так же значительно повысить качество продукции, поскольку автоматизация и механизация исключает в значительной части человеческий фактор и уменьшить издержки производства в целом.

1. Исследование технологического процесса производства серной кислоты как объекта управления

1.1 Физико-химические основы получения продукта

Серная кислота может существовать /1/ как самостоятельное химическое соединение H2SO4, а также в виде соединений с водой

H2SO4*2H2O, H2SO4*H2O, H2SO4 *4H2O и с триоксидом серы H2SO4 *SO3 , H2SO4*2SO3.

В технике серной кислотой называют и безводную H2SO4 и ее водные растворы (по сути дела, это смесь H2O, H2SO4 и соединений H2SO4*nH2O), и растворы триоксида серы в безводной H2SO4 – олеум (смесь H2SO4 и соединений H2SO4*nSO3)

Безводная серная кислота – тяжелая маслянистая бесцветная жидкость, смешивающаяся с водой и триоксидом серы в любом соотношении. Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависят от ее состава.

Безводная 100%-ная серная кислота имеет сравнительно высокую температуру кристаллизации 10,7ºC. Чтобы уменьшить возможность замерзания товарного продукта при перевозке и хранении, концентрацию технической серной кислоты выбирают такой, чтобы она имела достаточно низкую температуру кристаллизации. Промышленность выпускает три вида товарной серной кислоты (башенная кислота, контактная кислота и олеум).

Зависимость температуры кипения серной кислоты от состава при атмосферном давлении. Нижняя кривая этой диаграммы фазового равновесия отвечает составу жидкой фазы, верхняя – составу паровой фазы, находящейся в равновесии с кипящей жидкой. Из диаграммы следует, что серная кислота и вода образуют азеотропную смесь состава 98,3% H2SO4 и 1,7% H2O с максимальной температурой кипения (336,5˚С). Состав находящихся в равновесии жидкой и паровой фаз для кислоты азеотропной концентрации одинаков; у более разбавленных растворов кислоты в паровой фазе преобладают пары воды, в паровой фазе над олеумом высока равновесная концентрация SO3.

Рассмотренные свойства серной кислоты необходимо учитывать как при выборе технологического режима процесса, так и при проектировании отдельных аппаратов, трубопроводов и т. д. Например, при размещении цеха на открытой площадке необходимо предусмотреть теплоизоляцию трубопроводов, по которым циркулируют растворы серной кислоты, имеющие достаточно высокие температуры кристаллизации. Учет диаграммы фазового равновесия паров и жидкости позволяет правильно выбрать условия проведения стадии абсорбции триоксида серы, обеспечивающие высокую степень абсорбции и предупреждающие побочные явления, такие, например, как образование сернокислотного тумана.

1.2 Описание схемы производства

Процесс производства серной кислоты /2/ можно описать следующим образом.

Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырья (необходимость в этой стадии отпадает при использовании в качестве сырья отходящих газов, так как в этом случае обжиг сульфидов является одной из стадий других технологических процессов).

Обжиговый газ 350-400оС поступает в полую промывную башню где охлаждается до 80оС орошающую башню 60-70% серной кислотой.

Получение обжигово газа. Для стабилизации процесса обжига в кипящем слое автоматически регулируется: концентрация SO2 в газе, количество воздуха, поступающего в печь, высота кипящего слоя и разрежение в печи. Постоянство объема сернистого газа и концентрации в нем SO2 на выходе из печи поддерживается путем автоматического регулирования подачи воздуха и колчедана в печи в зависимости от температуры отходящего газа. Количество воздуха, подаваемого в печь, регулируется при помощи регулятора, воздействующего на положение дроссельной заслонки в патрубке воздуходувки. Стабильность концентрации SO2 в газе перед электрофильтром обеспечивается автоматическим регулятором путем изменения оборотов питателя подающего колчедан в печь. Высота кипящего слоя в печи регулируется скоростью удаления огарка путем изменения регулятором скорости вращения разгрузочного шнека или степени открытия секторного затворена выгрузке огарка. Постоянное разрежение в верхней части печи поддерживается регулятором, который соответственно изменяет положение дроссельной заслонки перед вентилятором.

Обжиговый газ 350-400оС поступает в полую промывную башню где охлаждается до 80оС орошающую башню 60-70% серной кислотой.

Из полой промывной башни газ поступает на вторую промывную башню с насадкой где орошается 30% серной кислотой и охлаждается до 30 оС.

        В промывных башнях газ освобождается от остатков пыли в каплях серной кислоты растворяются оксиды мышьяка и селена, которые присутствуют в обжиговом газе и являются ядом для катализатора в контактном аппарате. Туман серной кислоты с растворенными в нем оксидами мышьяка и серы осаждается в мокрых электрофильтрах.

Окончательная осушка обжигового газа после электрофильтра осуществляется в абсорбционном колоне с насадкой

концентрированной серной кислотой (93-95%).

Отчищенный сухой газ SO2 подается в теплообменник. где подогревается горячими газами из контактного аппарата.

Газ поступает в контактный аппарат и окисляется до SO3. Катализатором является пентооксид ванадия.

Горячий газ SO3 (450-480оС), выходящий из контактного аппарата поступает в теплообменник, отдает тепло свежему газу, далее поступает в холодильник и затем направляется на абсорбцию.

Абсорбция SO3 происходит в двух последовательно расположенных башнях. Первая походу башня орошается олеумом. Содержащем 18-20% SO3 (своб.) Вторая башня орошается концентрированной серной кислотой. Таким образом, в процессе производства образуется два продукта: олеум и концентрированная серная кислота.

Отработанные газы, содержащее остатки SO2 пропускают через щелочные абсорберы, которые орошаются аммиачной водой и в результате сульфит аммония.

1.3 Основное основного технологического оборудования

В процессе производства серной кислоты используют следующее технологическое оборудование:

1. Промывная башня.

2. Промывная башня с насадкой.

3. Мокрый фильтр.

4. Сушильная башня.

5. Турбокомпрессор.

6. Трубчатый теплообменник.

7. Контактный аппарат.

8. Трубчатый холодильник газа.

9. Абсорбционная башня.

10. Холодильник кислоты.

11. Сборник кислоты.

12. Центробежный насос.

13. Печь кипящего слоя.

14. Топка.

        Основной фазой процесса производства серной кислоты является окисление двуокиси серы в контактном аппарате.

Описание конструкции основных узлов контактного аппарата /11/.

Рисунок 1 - Схема контактного отделения с двойным контактированием

На рисунке 1 представлена схема контактного отделения с двойным контактированием. Газ проходит теплообменники 1 и 2 и поступает на первый, а затем на второй и третий слой контактной массы аппарата 3. После третьего слоя газ подается в промежуточный абсорбер 8, из него – в теплообменники 5 и 4, а затем – в четвертый слой контактной массы. Охлажденный в теплообменнике 5 газ проходит абсорбер 6 и из него выводится в атмосферу. На рисунке 2 представлен современный контактный аппарат в пересчете на H2SO4 в зависимости от их размеров составляет от 50 до 1000 т/сут H2SO4. В аппарат загружают 200-300 л контактнй массы на 1т суточной выработки. Трубочные контактные аппараты применяются для окисления SO2 реже, чем полочные.

Рисунок 2 - Схема контактного аппарат с выносным теплообменником

Для окисления двуокиси серы повышенной концентрации рационально применять контактные аппараты с кипящими слоями катализатора. Для уменьшения содержания SO2 в отходящих газах широко применяется способ двойного контактирвания, сущность которого состоит в том, что окисление SO2 на катализаторе осуществляется в два этапа. На первом этапе степень превращения составляет около 0,90. Перед вторым этапом контактирования из газа выделяют трех-окись серы; в результате в оставшейся газовой смеси увеличивается соотношение O2:SO2, а это повышает равновесную степень превращения (хр). В результате в одном или двух слоях контактной массы второго этапа контактирования достигают степени превращения оставшейся двуокиси серы 0,995-0,997, а содержание SO2 в отходящих газах снижается до 0,003%. При двойном контактировании газа нагревается от 50 до 420-440оС два раза - перед первой и перед второй стадией контактирования, поэтому начинается концентрация двуокиси серы должна быть выше, чем при однократном контактировании в соответствии с уровнем адиабаты.

1.4 Параметры нормального технологического режима

В технологическом процессе производства серной кислоты имеются величины, характеризующие этот процесс, так называемые параметры процесса.

Совокупность значений всех параметров процесса называют /12/ технологическим режимом, а совокупность значений параметров, обеспечивающих решение целевой задачи – нормальным технологическим режимом.

Определены основные технологические параметры, подлежащие контролю с обоснованием их влияния на качество выпускаемого продукта и безопасность ведения процесса.

Контролю подлежат /2/ следующие параметры:

1. Температура обжигово газа, подаваемого в первую промывную башню. При отклонении температуры от заданного диапазона: в меньшую сторону - реакция концентрации SO2 будет замедляться, отклонении в большую сторону – приведет к неоправданному расходу теплоты.
2. Температура в 1, 2, 3, 4, 5 сборнике кислоты. При отклонении температуры от заданного диапазона: в меньшую сторону – концентрация SO2 будет замедляться, отклонении в большую сторону – приведет к неоправданному расходу теплоты.
3. Температура обжигово газа при выходе из трубчатого теплообменника. При отклонении температуры от заданного диапазона: в меньшую сторону – концентрация SO2 до SO3 будет замедляться, отклонении в большую сторону – приведет к неоправданному расходу теплоты.
4. Температура SO3 в холодильнике. После выхода из контактного аппарата SO3 должен охладится для продолжения реакции в абсорбционной башне.
5. Давление газа, подаваемого в печь КС. Контроль давления природного газа необходим для правильного и эффективного ведения процесса горения. Колебания давления в газовой сети могут сделать процесс горения неустойчивым и привести к неполному сгоранию топлива, и как следствие произойдет неоправданный перерасход газового топлива. Полное сжигание газа важно не только для достижения высокого КПД печи, но и для получения безвредной смеси отходящих газов, не влияющих на здоровье людей.
6. Давление воздуха, подаваемого в турбокомпрессор. Контроль давления воздуха необходим для правильного и эффективной работы компрессора. Отклонение давления воздуха от заданного диапазона приведет к малой эффективности его работы.
7. Давление воздуха, подаваемого в холодильник. Контроль давления воздуха необходим для максимальной производительности холодильника.
8. Расход воздуха, подаваемого в топку. Контроль расхода воздуха необходим для правильного и эффективного ведения процесса горения. При малых избытках воздуха в топочном пространстве будет происходить неполное сгорание топлива, и как следствие произойдет неоправданный перерасход газового топлива. Полное сжигание газа важно не только для достижения высокого КПД печи, но и для получения безвредной смеси отходящих газов, не влияющих на здоровье людей.
9. Расход обжигово газа выходящего из печи КС. Количество обжигово газа должно быть постоянным так как отклонение от нормы может навредить производству в целом.
10. Расход колчедана в топочную печь. При недостатке продукта - приведет к неоправданному расходу теплоты
11. Уровень на 1, 2, 3, 4, 5 сборнике кислоты нужен для получения необходимого количества кислоты и дальнейшей ее концентрации. При недостатке или избытке кислоты не будет достигнута нужная концентрация.
12. Концентрация на первой промывной башне. Кислота поступающая на орошение первой промывной башни должна быть нужной концентрации (75% серная кислота) в противном случаи реакция в целом будет проходить не правильно.
13. Концентрация на второй промывной башне. Кислота поступающая на орошение второй промывной башни должна быть нужной концентрации (30% серная кислота) в противном случаи реакция в целом будет проходить не правильно.
14. Концентрация в сушильной башне. Кислота поступающая на орошение сушильной башни должна быть нужной концентрации (98% серная кислота) в противном случаи реакция в целом будет проходить не правильно.

Таблица 1 - Технологические параметры, подлежащие контролю

серная кислота производство

2. Выбор и основание параметров контроля и управления

2.1 Выбор и основных параметров и средств контроля

2.1.1 Контроль температуры

Необходимо производить контроль температуры в промывной башне. В контактном аппарате необходимо контролировать температуру в 450ºС, так как /2/ только лишь при данной температуре происходит выгорание серы из колчедана. Так же при повышении данной температуры возможен выход из строя аппаратуры и приборов

2.1.2 Контроль расхода

Контроль топочного газа необходим так как его количество влияет на сгорание серы в печи КС. Для того чтобы процесс протекал правильно мы ставим датчик контроля расхода в трубопровод перед входом обжигового газа в печь КС так как именно он контролирует степень выгорания серы в печи.

2.1.3 Контроль концентрации

Необходим постоянный контроль концентрации серы в сборнике кислоты.

Необходимый уровень концентрации серы равен 30% от общей массы смеси.

Понижение или увеличение данного параметра приведёт к браку продукции уже на начальном её этапе производства.

Так же необходим контроль концентрации серной кислоты в промывной башне с насадкой равной, 75%, а так же концентрация сушильной башне, равной 92%.

2.1.4 Контроль уровня

Контроль уровня необходим в контейнере для сбора кислоты, если кислоты будет много она может вытечь наружу и тем самым навредить оборудованию и людям находящимся неподалеку.

2.2 Выбор и обоснование параметров управления и каналов воздействия

2.2.1 Управление температурой в ПКЦ

Необходимо регулировать температуру в ПКС, которая должна быть равна 450ºС. Повышение данной температуры ведёт к неполному выгоранию серной кислоты, а из-за недостаточно низкой температуры происходит брак продукции. Регулирование температуры на данном участке технологического процесса осуществляется посредством управления подачи топочного газа в ПКС – с помощью исполнительного механизма.

2.2.2 Управление концентрации в промывной башне

Необходим постоянный контроль концентрации серы в сборнике кислоты, которая должна быть равна 92%. Понижение или увеличение данного параметра приведёт к неправильному протекание реакции, что нарушит весь технологический процесс. Регулирование концентрации на данном участке технологического процесса осуществляется посредством управления подачи воды в сборник кислоты – с помощью исполнительного механизма.

2.2.3        Управление давлением в ПКС

Необходим постоянный контроль давления в ПКС, которое должно быть равным 250 кПа. Понижение или увеличение данного параметра приведёт к браку продукции уже на начальном её этапе производства. Регулирование давления на данном участке технологического процесса осуществляется посредством управления подачи атмосферного воздуха – с помощью исполнительного механизма.

2.2.4        Управление уровня в сборнике кислоты

Необходимо постоянно контролировать уровень в сборнике кислоты который не должен превышать 75 см. Понижение или увеличение этого параметра может не вредит технологическому процессу.

3. Описание АСР и технических средств автоматизации, выбор и обоснование законов регулирования

3.1 АСР температуры обжигового газа после – ПКС

Основными параметрами влияющими на процесс в ПКС являются: Fк- расход колчедана, Т- теплопотери, Тп- температура греющего пара, Тк- температура колчедана, Тв- температура воздуха, Рп- давление греющего пара.

Рисунок 1 - Структурная схема печи кипящего слоя как объекта управления

Температура обжигового газа на выходе из ПКС является основным контролируемым параметром. Для достижения необходимой температуры, в соответствии с нормальным технологическим режимом, регулируется расход топочного газа, используется при этом регулирование по отклонению, как самый эффективный способ в данном случае.

Рисунок 2 - Принципиальная схема регулирования температуры обжигово газа

Рисунок 3 - Структурная схема регулирования температуры обжигово газа

3.2 АСР концентрации в промывной башне

Основными параметрами влияющими на процесс в промывной башне:

Fоб.г- расход обжигового газа, Fк- расход кислоты, Qк- концентрация кислоты, Fв- расход воды, Q- концентрация примесей, Q SO2- концентрация SO2

Рисунок 4 - Структурная схема промывной башни

Концентрация серной кислоты подаваемая на орошение промывной башни является основным контролируемым параметром. Для достижения необходимой концентрации, в соответствии с нормальным технологическим режимом, регулируется подача воды в сборник кислоты.

Рисунок 5 - Принципиальная схема регулирования концентрации серной кислоты

Рисунок 6 - Структурная схема регулирования концентрации серной кислоты

3.3 АСР давления в ПКС

Основными параметрами влияющими на процесс в ПКС, являются:

Fк- расход колчедана, Т- температура в ПКЦ, Fв- температура воздуха, Fк- температура колчедана.

Рисунок 7 - Структурная схема ПКЦ

Расход воздуха подаваемого в ПКС является основным контролируемым параметром. Для достижения необходимого давления, в соответствии с нормальным технологическим режимом, регулируется расход воздуха, используется при этом регулирование по отклонению, как самый эффективный способ в данном случае.

Рисунок 8 - Принципиальная схема регулирования давления

Рисунок 9 - Структурная схема регулирования давления в ПКЦ

3.4 АСР уровня в сборнике кислоты

Основными параметрами влияющими на процесс в сборнике кислоты являются: Fк- расход колчедана, Т- температура в ПКЦ, Fв- температура воздуха, Fк- температура колчедана.

Рисунок 10 - Структурная схема сборника уровня

Расход воды подаваемой в сборник кислоты является основным контролируемым параметром. Для достижения необходимого уровня, в соответствии с нормальным технологическим режимом, регулируется расход воды, используется при этом регулирование по отклонению, как самый эффективный способ в данном случае.

Рисунок 11 - Принципиальная схема регулирования уровня

Рисунок 12 - Структурная схема регулирования уровня