Автоматизация процесса отстаивания

Автоматизация процесса отстаивания

• Введение
• 1. Описание технологического процесса
• 2. Выбор средств автоматизации
• 2.1 Измерение расхода
• 2.2 Измерение мутности
• 2.3 Изменение скорости
• 2.4 Измерение уровня
• 2.5 Измерение плотности
• 3. Расчетная часть
• 3.1 Расчет ротаметра
• 3.2 Расчет сопротивлений резисторов измерительной схемы автоматического потенциометра типа КСП4
• Заключение

Введение

В химической промышленности комплексной механизации и автоматизации уделяется большое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а также чувствительностью их к нарушению режима работы, вредностью условий работы, взрывои пожароопастностью перерабатываемых и получаемых веществ и т. д.

По мере осуществления механизации производства сокращается тяжелый физический труд, уменьшается численность рабочих, непосредственно занятых в производстве, увеличивается производительность труда и т. д.

Автоматизация позволяет улучшить основные показатели эффективности производства: увеличение количества, улучшение качества и снижение себестоимости выпускаемой продукции, повышение производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих, удлинение сроков межремонтного пробега оборудования.

Проведение некоторых технологических процессов возможно только при условии их полной автоматизации (например: в паровых котлах высокого давления, процесс дегидрирования, в атомных установках и т. д.). При ручном управлении такими процессами малейшее замешательство человека и несвоевременное воздействие его на процесс могут привести к серьёзным последствиям.

Внедрение специальных автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха, и водоёмов промышленными отходами.

Задачи, которые решаются при автоматизации современных химических производств, весьма сложен. От специалистов требуются знание не только устройство различных приборов, но и общих принципов составления систем автоматического управления.

Описание технологического процесса В промышленности процессы осаждения очень часто проводятся в ограниченном объеме при большой концентрации дисперсной фазы, т. е. в условиях, когда оседающие частицы могут влиять на движение друг друга.

Отстаивание — медленное расслоение жидкой дисперсной системы (суспензии, эмульсии, пены) на составляющие ее фазы: дисперсионную среду и диспергированное вещество (дисперсную фазу), происходящее под действием силы тяжести. В процессе отстаивания частицы дисперсной фазы оседают или всплывают, скапливаясь соответственно у дна сосуда или у поверхности жидкости. (Если отстаивание сочетается с декантацией, то имеет место отмучивание) Концентрированный слой из отдельных капелек у поверхности, возникший при отстаивании, называется сливками. Частицы суспензии или капли эмульсии, скопившиеся у дна, образуют осадок. Накопление осадка или сливок определяется закономерностями седиментации (оседания). Отстаивание высокодисперсных систем часто сопровождается укрупнением частиц в результате коагуляции или флокуляции. Структура осадка зависит от физических характеристик дисперсной системы и условий отстаивания. Он бывает плотным при отстаивании грубодисперсных систем. Полидисперсные суспензии тонко измельченных лиофильных продуктов дают рыхлые гелеобразные осадки.

Отстаивание — распространенный способ очистки жидкостей от грубодисперсных механических примесей. Его используют при подготовке воды для технологических и бытовых нужд, обработке канализационных стоков, обезвоживании и обессоливании сырой нефти, во многих процессах химической технологии. Оно является важным этапом в естественном самоочищении природных и искусственных водоемов. Отстаивание применяется также для выделения диспергированных в жидких средах различных продуктов промышленного производства или природного происхождения.

Отстаивание проводят в аппаратах, называемых отстойниками. В резервуаре установлена мешалка с наклонными лопастями, на которых имеются гребки для непрерывного перемещения осаждающегося материала к разгрузочному отверстию. Одновременно гребки слегка взбалтывают осадок, способствуя этим более эффективному его обезвоживанию. Мешалка делает от 0,015 до 0,5 об/мин, т. е. вращается настолько медленно, что не нарушает процесса осаждения. Исходная жидкая смесь непрерывно подается через трубу в середину резервуара. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и удаляется через штуцер. Осадок (шлам) — текучая сгущенная суспензия (с концентрацией твердой фазы не более 35 — 55%) — удаляется из резервуара при помощи диафрагмового насоса. Вал мешалки приводится во вращение от электродвигателя через редуктор.

При отстаивании неоднородных систем наблюдается постепенное увеличение концентрации диспергированных частиц в аппарате по направлению сверху вниз. Над слоем осадка образуется зона сгущенной суспензии, в которой происходит стесненное осаждение частиц, сопровождающееся трением между частицами и их взаимными столкновениями. При этом более мелкие частицы тормозят движение более крупных, а частицы больших размеров увлекают за собой мелкие частицы, ускоряя их движение. В результате наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных размеров; возникает коллективное, или солидарное, осаждение частиц с близкими скоростями в каждом сечении аппарата, но различными скоростями по его высоте. Постепенное уплотнение обусловлено уменьшением скорости частиц по мере приближения к днищу аппарата. Замедление объясняется тормозящим действием жидкости, вытесняемой осаждающимися частицами и движущейся от неподвижной перегородки (днища) в направлении, обратном движению частиц.

Отстойник заполняется суспензией, которая остается в состоянии покоя в течение определенного времени, необходимого для оседания твердых частиц на дно аппарата. После этого слой осветленной жидкости декантирует, т. е. сливают через сифонную трубку или краны, расположенные выше уровня осевшего осадка. Последний, обычно представляющий собой подвижную текучую густую жидкую массу — шлам, выгружают вручную через верх аппарата или удаляют через нижний спусковой кран.

Для отстаивания небольших количеств жидкости применяют отстойники в виде цилиндрических вертикально установленных резервуаров с коническим днищем, имеющим кран или люк для разгрузки осадка и несколько кранов для слива жидкости, установленных на корпусе на разной высоте.

2. Выбор средств автоматизации Для того чтобы получить высококачественную продукцию в результате проведения определенного технологического процесса необходимо эффективно вводить средства автоматизации, которые имеют оптимальные технические данные и возможность работать, управлять и регулировать технологический процесс с наименьшей погрешностью и как можно более длительный отрезок времени.

Для нормального (безопасного) течения процесса и для получения качественной продукции необходимо контролировать следующие технологические параметры: расход, уровень, плотность и мутность. Для контроля данных параметров необходимо подобрать приборы.

При выборе средств автоматического контроля и регулирования учитываются требования, которые определяются:

o по виду измеряемого параметра (приборы расхода, уровня и т. д.);

o по величине параметра (диапазон шкалы прибора, верхний предел); отстаивание автоматический ротаметр потенциометр

o по характеру измеряемой среды (жидкость, суспензия);

o по характеру окружающей среды — внешние воздействующие факторы (механические, электромагнитные, радиационные и т. д.);

o по месту прибора;

o по размещению объекта (расстояние от мест установки датчиков и исполнительных механизмов до щитов контроля и управления).

Процессы отстаивания проводят, как правило, с целью полного извлечения твердой фазы (ценного продукта) из жидкости, поэтому показателем эффективности процесса будем считать концентрацию твердой фазы в осветленной жидкости, а целью управления — поддержание ее на заданном (минимально возможном для данных производственных условий) значении.

В объект управления процесса разделения могут поступать многочисленные возмущающие воздействия: изменения расхода суспензии, плотностей твердой и жидкой фаз, концентрации и вязкости суспензии, дисперсности (гранулометрического состава) твердой фазы. Все эти возмущения определяются технологическим режимом предыдущего процесса, поэтому устранить их при управлении процессом отстаивания невозможно. Особенно сильными возмущениями являются изменения расхода суспензии и концентрации твердой фазы в ней.

Уровень жидкости в отстойнике поддерживается постоянным за счет свободного перелива осветленной жидкости.

В отстойнике необходимо поддерживать на постоянной высоте границу раздела зон осаждения и уплотнения. Эта высота зависит от расхода сгущенной суспензии, поэтому регулирующее воздействие вносится изменением степени открытия специальных клапанов (для высоковязких жидкостей) на линии сгущенной суспензии.

В качестве контролируемых величин принимают расходы исходной и сгущенной суспензий, осветленной жидкости, а также мутность осветленной жидкости, которая является косвенным параметром, характеризующим показатель эффективности и плотность сгущенной суспензии. Контролируется, кроме того, уровень границы раздела зон с помощью гидростатического приемника с непрерывной промывкой. Работа механической части отстойников контролируется путем непосредственного измерения момента на валу двигателя. Можно проводить контроль и по косвенному параметру мощности, потребляемой приводом электродвигателя. Перегрузка электродвигателя сигнализируется. В случае повышенных перегрузок дается сигнал в схему защиты. Сигнализации подлежит также повышение мутности осветленной жидкости.

2.1 Измерение расхода Измерение исходной суспензии поступающего в отстойник производим ультразвуковым датчиком Sono 3300 (поз. 1−1). ультразвуковой датчик подключаем ко вторичному преобразователю Sono 3000 (поз. 1−2). И далее уже унифицированный сигнал 4−20 мА поступает на вторичный прибор Диск 250 ДД (поз. 1−3). Измерение расхода осветленной жидкости (поз. 3−1, 3−2, 3−3), которая выходит из отстойника путем естественного перелива, а также расход сгущенной суспензии (поз. 6−1, 6−2, 6−3).

2.2 Измерение мутности Измерение мутности осветленной жидкости из отстойника осуществляется датчиком мутности CUS 31 (поз. 2−1), который в свою очередь работает со вторичным прибором Liquisys S CUM 2ХХ (поз. 2−2). Измеритель Liquisys S CUM 2ХХ оснащен цепями аварийной сигнализации.

2.3 Измерение скорости

Измерение скорости мешалки производится первичным преобразователем ППЭ-Д1 (поз. 4−1) и выходной сигнал поступает на тахометр ТЭ-З.

2.4 Измерение уровня

Измерение уровня в отстойнике осуществляется при помощи измерения столба жидкости в нижней части отстойника через разделительные сосуды СРС-250 (поз. 7−1, 7−2) преобразователем гидростатического давления ДГД-Э (поз. 7−3), с которого поступает стандартный, унифицированный электрический сигнал 4−20 мА на вторичный прибор Диск-250 2321(Поз. 7−4). Со вторичного прибора с ПИ регулятора осуществляется управление исполнительным механизмом МЭО-25/100−0,25Р (поз. 7−6) через пускатель ПБР — 3А (поз. 7−5).

2.5 Измерение плотности Измерение плотности сгущенной суспензии производится плотномером ДУВ-П-ЭТК-111 (поз. 5−1), который выходной токовый сигнал 0 — 20 мА подается на вторичный прибор А-100 (поз. 5−2).

3. Расчетная часть

3.1 Расчет ротаметра

1. Исходные данные Рассчитать условную шкалу ротаметра на 100 делений для измерения расхода жидкости.

1. Трубка ротаметра имеет конусность К=0.01 и длину шкалы l = 0.25 м.

2. Диаметр трубки в месте нулевого деления шкалы: D₀=0.0171 м.

3. Объем поплавка V=3.075*10^-6 м³.

4. Диаметр минделя поплавка d=0.0164 м.

Поплавок и миндель выполнены из нержавеющей стали X18719T.

5. Шкала имеет одиннадцать оцифрованных делений, расстояние от нулевого деления равны: l₀=0; l₁=0.025; l₂=0.05; l₃=0.075; l₄=0.1; l₅=0.125; l₆=0.15; l₇=0.175; l₈=0.2; l₉=0.225; l₁₀=0.25.

— вещество СО₂;

— t=50⁰C;

— Р=1кгс/см²;

— с₅₀=1,98 кг/м³;

— м₅₀=16,3*10^-6 Па*с;

G₀=0.162 кг

2 Определяем диаметр D₁₀ трубки ротаметра в месте деления шкалы для максимального расхода [Q]:

3.Определим высоту поднятия поплавка над сечением трубки, диаметр которого равен диаметру миделя поплавка:

4. Определяем расстояние от нулевого сечения диаметра D₀ до сечения диаметром d (высота нулевой отметки):

h₀=0.07+00=0.07м; h₁=0.07+0.025=0.095м;

h₂=0.07+0.025*2=0.12м; h₃=0.07+0.025*3=0.145м;

h₄=0.07+0.025*4=0.17м; h₅=0.07+0.025*5=0.195м;

h₆=0.07+0.025*6=0.22м; h₇=0.07+0.025*7=0.245м;

h₈=0.07+0.025*8=0.27м;

h₉=0.07+0.025*9=0.295м; h₁₀=0.07+0.025*10=0.32м.

Результаты расчета заносим в таблицу 1

Таблица 1. Значения высот нулевых отметок.

5. Вычисляем безразмерный параметр для оцифрованных отметок шкалы:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Данные расчета заносим в таблицу 2

Таблица 2. Значение безразмерного параметра a.

6. Определим вес поплавка в измеряемой среде

7. Определим значение безразмерной величины и значение ее десятичного логарифма

lg (8,2862*10^-10) = -9,8 164

8. Определим значение безразмерной величины

Для нахождения этой величины воспользуемся графиком, который изображен на рисунке 1.

Рисунок 1 -График для определения безразмерной величины

Для нахождения промежуточных значений а_i воспользуемся формулой нелинейной интерполяции, где ч — расстояние от искомой точки до нижней кривой; - значение нижней кривой; - значение верхней кривой; b — расстояние между верхней и нижней кривой.

Результаты расчета заносим в таблицу 3.

Таблица 3 — Определение недостающих расчетных данных

Определим значение безразмерной величины путем обратного преобразования и занесем в таблицу.

Определим значение величины Q: так как нам известно, чему равно (примем, что, Y_i -безразмерная величина).

Составим формулу:

аналогично находим и для других точек Все полученные данные переносим в таблицу 4

Таблица 4 — расчетные данные

На основании полученных результатов (таблица 4) построим градуировочный график в виде зависимости Q (л/ч)=f (l_i), который изображен на рисунке На градуировочном графике по оси X отложены оцифрованные значения шкалы принятые в процентах (диапазон шкалы от 0 до 100%).

9. Выполним в масштабе чертеж поплавка ротаметра, трубки ротаметра и чертеж в сборке, которые изображены на рисунке 2, на рисунке 3.

Рисунок 2- Чертеж трубки ротаметра Рисунок 3-Устройство ротаметра со стеклянной конусной трубкой в сборке Устройство ротаметра со стеклянной конусной трубкой 1, которая зажата в патрубках 2 и 3, снабженных сальниками. Оба патрубка между собой связаны тягами 4 с надетыми на них ребрами 5. Эта армировка придает прибору необходимую прочность. Внутри патрубка 2 имеется седло, на которое опускается поплавок 6 при нулевом расходе жидкости или газа. Верхний патрубок 3 снабжен ограничителем хода поплавка 7. Шкала наносится непосредственно на внешней поверхности стеклянной конусной трубки. Указателем у ротаметров со стеклянной трубой служит верхняя горизонтальная плоскость поплавка.

3.2 Расчет потенциометра Задано Шкала прибора от 0 до 300 ⁰С Градуировка термоэлектрического термометра ХК Расчетное значение температуры свободных концов термометра t₀ = 20⁰C

Возможное значение температуры свободных концов термометра t₀' = 40⁰C

Начальное значение шкалы Е (t_н, t₀) = 0 мВ Конечное значение шкалы Е (t_к, t₀) = 22,88 мВ Диапазон измерений Е_д = 22,88 мВ Нормированное номинальное значение реохорда R_н.р = 90 Ом Нерабочие участки реохорда (л=0,025) л = 0,05

Нормированное номинальное значение падения напряжения на резисторе R_к U_к = 1019 мВ Выходное напряжение ИПС-148П U_и.п=5 В Номинальное значение силы тока в цепи ИПС-148П I₀=5 мА Сопротивление нагрузки ИПС-148П R_и.п=1000 Ом Номинальное значение силы тока в верхней ветви измерительной схемы прибора I₁=3 мА Номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы прибора I₂=2 мА Температурный коэффициент электрического сопротивления меди б = 4,25*10^-3 К^-1

По формуле определим R_п:

где R_н.р — нормированное сопротивление реохорда;

Е_д — диапазон измерения прибора;

I₁ — номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы прибора принимаем R_п^'=8,80,05 Ом.

Определим приведенное сопротивление реохорда R_пр по формуле:

Произведем проверку правильности определения R_пр по формуле:

Определим R_к по формуле:

Принимаем значение сопротивления контрольного резистора R_к=509,50,2 Ом По формуле определим R_б:

принимаем значение сопротивления резистора R_б = 331,840,5 Ом Найдем сопротивление медного резистора по уравнению с учетом:

E (t_ср', t₀)=мВ принимаем значение сопротивления медного резистора R_м=8,870,01 Ом.

принимаем R_н=5,710,05Ом.

Определим R_I по формуле:

= 1000−207,346 = 792,654 Ом принимаем R_I=1000 Ом R'_I=7921Ом.

Определим изменение показаний потенциометра для конечного значения шкалы при изменении температуры свободных концов термометра от t₀=0⁰С до t'₀=300⁰С

Заключение

Результатом выполнения курсовой работы была разработана функциональная схема автоматизации отстойника со скербовым устройством и была подобрана спецификация средств автоматизации использованных в функциональной схеме.

Расчетная часть содержит расчет ротаметра и потенциометра.

Список использованных источников

1) КлюевА.С. «Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля», справочное пособие. М:. «Энергоатомиздат» ., 1991. Клюев А. С. «Метрологическое обеспечение АСУТП» .-М.: Энергоатомиздат., 1995.-160с.

2) Львовский Е. Н. «Статические методы построения эмпирических формул» .-М.:Высшая шк., 1988.-239с.

3) Стандарт предприятия. Система вузовской учебной документации «Требования к оформлению текстовых документов» .-К.: 2001.-45с.

4) Стандарт предприятия. Система вузовской учебной документации «Требования к оформлению графических документов» .-К.: 2001.-53с.

5) Белогорский В. В. «Проектирование, монтаж и эксплуатация автоматизированных систем». Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию ККДП, 1998 г.

6) Зингель Т. Г. «Системы управления химико-технологическими процессами. Функциональные схемы автоматизации». Учебное пособие для практических занятий, курсового и дипломного проектирования для студентов химико-технологических специальностей всех форм обучения.-Красноярск: СибГТУ, 2004.-212 с.