Автоматизация процесса получения алюмината натрия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ХЕРСОНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ТК Автоматизация процесса получения алюмината натрия.

Курсовой проект

по дисциплине: «Технические средства автоматизации» за специальностью 7.92 501 — автоматизированое управление технологическими процессами.

Пояснительная записка

Выполнил

студент группы 4А1 Д.В. Бегма

Херсон 2005

Реферат

1. Пояснительная записка: 39 стр., 11 рис, 14 литературных источников, графическая часть состоит из 1 листа формата А2 и 1 листа формата А3 и 1 листа формата А1.

1. Пояснительная записка состоит из трех разделов. В введении описывается назначение и цели курсового проектирования. В организационно-технологической части дается характеристика технологического процесса получения алюмината натрия и описание установки его получения. В технической части произведено краткое описание работы данной установки. Так же в этом разделе подбираются элементы контроля и управления технологической операции.

В расчетной части рассчитывается надежность, вероятность отказов системы автоматики и контроля технологической операции.

1. Описание ТП получения алюмината натрия

2. Выбор элементной базы для автоматизации ТП

2.1 Выбор схемы автоматизации контроля и управления уровня в мернике щелочи NaOH

2.1а Выбор оборудования для автоматизации, контроля и управления технологической операции откачки едкого натрия NaOH

2.2 Выбор схемы автоматизации откачки алюмината натрия NaAlO₂ из реактора

2.2а Выбор оборудования для автоматизации, контроля и управления технологической операции откачки NaAlO₂.

3. Расчет надежности

Заключение

Автоматизация — одна из ведущих отраслей науки и техники, развивается особенно динамично, проникает во все сферы человеческой деятельности. Она качественно изменяет характер труда рабочих. В цехах с автоматизированным производством главной фигурой становится специалист новой формации — оператор, программист, рабочие др. ранее не существовавших профессий. Автоматизация ТП является одним из решающих факторов повышения производительности и повышением условий труда. Современными проектами производств в нефтепереработки, химии и нефтехимии, объектах производства минеральных удобрений и др., предусматривается комплексная автоматизация ТП.

В ходе автоматизации производственных процессов сокращается тяжелый труд, увеличивается производительность труда: наступает новый этап машинного труда — автоматизация, когда человек освобождается от непосредственного участия в производстве. Функции контроля и управления ТП передаются автоматическим установкам. Это приводит к улучшению основных показателей эффективности производства и снижению себестоимости продукта.

В течение ряда десятилетий под автоматикой понималось выполнение некоторых действий без участия человека, связывающих причину и следствие.

Сущность современного этапа развития автоматизации можно было бы кратко охарактеризовать как переход от автоматизации «действий» к автоматизации «принятия решений». Т. е. переход от так называемой цикловой автоматики к автоматической стабилизации технологических режимов к использованию средств, обеспечивающих оптимизацию процессов, к осуществлению органической связи основного производственного оборудования с автоматикой.

В каждом ПП наряду с «вещественными потоками», существуют совершенно другие потоки, которые можно назвать «информационными». Они представляют собой некоторую первичную информацию о ходе ПП и необходимы для контроля и управления. Эта информация передается на соответствующие пункты управления, где производится обработка и используется для принятия решений при управлении процессом.

Автоматическое регулирование ТП на различных предприятиях позволяет получить высокую производительность при производительных наименьших затратах и высоком качестве продуктов. Однако системы автоматического регулирования оказываются не достаточно эффективными, если они спроектированы только на основе общих положений теорем автоматического регулирования. Для их наиболее эффективной работы, необходимо проектировать с учетом особенностей ТП, для которых они предназначены.

Довольно часто системы автоматики, разработанные непосредственно на предприятиях, работают вполне удовлетворительно. Это с одной стороны указывает на то, что заводские инженеры в состоянии справится с решением таких задач, а с другой, что успешное проектирование без применения очень сложного математического аппарата. Такое положение объясняется наличием простых правил установки и наладки автоматических регуляторов.

В настоящее время рядом ученых в различных лабораториях созданы более прогрессивные принципы проектирования систем автоматического регулирования. Однако предлагаемые ими методы обычно не реализуются полностью, если в разработке не участвуют люди, которые должны их эксплуатировать. Проблемы, связанные с автоматическим регулированием, как правило, возникают на заводе, поэтому должны решаться на самом предприятии. До тех пор, пока проектировщики систем автоматического регулирования и эксплуатационники не будут связаны между собой, их общие проблемы остаются нерешенными. Несмотря на то, что решение автоматических задач возможно математическими методами, эти же задачи могут быть приближенно решены путем довольно не сложных приемов. Т.о. управление высокого порядка и быстродействующие выч. машины целесообразно применять там, где более простыми методами решить задачи не удается.

Системы автоматического регулирования должны учитывать свойства ТП с целью обеспечения оптимального протекания процесса.

Без глубокого знания ТП, система регулирования не может быть спроектирована квалифицированно. Для автоматического регулирования необходимо максимально знать требования, представляемые к химико-технологическим процессам.

1. Описание ТП получения алюмината натрия

Алюминат натрия образуется при взаимодействии гидрата окиси алюминия с едким нитратом по реакции:

N_аOH + Al (OH)₃ >NaAlO₂ + 2H₂O

Для предотвращения самопроизвольного гидролиза растворов алюмината натрия во время их хранения синтез алюмината натрия ведется с (55 -65)% - ным избытком едкого натра.

Процесс получения алюмината натрия состоит из следующих операций:

· Приготовление суспензии гидрата окиси алюминия в едком натре;

· Синтез алюмината натрия;

· Отстаивание раствора.

Все операции осуществляются в реакторе. Он представляет собой цилиндрический аппарат со сферическим днищем и крышкой, снабжен паровой рубашкой, паровым барботером и мешалкой.

В реактор заливается химочищенная вода в количестве (2−3) м³. Едкий натр закачивается в реактор со склада кислот и щелочей из мерника щелочи после чего из бункера ленточным конвейером загружается гидрат окиси алюминия. Все компоненты загружаются в расчете на 20 м³ раствора. Загрузка гидрата окиси алюминия производится при непрерывно работающей мешалке, при подаче «острого» и «глухого» пара.

При достижении температуры раствора (80−85)^оС, подача «острого» пара уменьшается до минимальной, замеряется объем суспензии и отбирается проба для проведения анализа на массовое содержание Al₂O₃ и NaOH. Массовое содержание Al₂O₃ в суспензии должно составлять (290−320) г/дм^3, содержание NaOH — (370−400) г/дм³. При отклонении от этих значений производится корректировка суспензии необходимыми компонентами по расчету, после чего отбирается проба суспензии для проведения анализа и при получении удовлетворительных результатов, суспензия доводится до кипения с подачей острого пара и кипятка в течение (1,5−2) часов при температуре (115−118) ^оС. После этого закрывается подача пара, объем раствора доводится водой до первоначального объема (19,5−20) м³, перемешивается в течение (15−20) мин. И отбирается проба на анализ и определение содержания Al₂O₃ и NaOH. При получении удовлетворительных результатов анализа в раствор добавляется (0,4−0,8) м³ воды на упаривание, затем раствор перемешивается в течение 30 мин. После перемешивания раствора, останавливают мешалку и раствор отстаивается не менее 20 часов.

При получении неудовлетворительных результатов анализа проводится корректировка раствора алюмината натрия необходимыми компонентами: в случае корректировки гидроокисью алюминия в раствор догружается расчетное количество гидроокиси алюминия и 0,7−10 м³ воды и полученная суспензия, кипятится путем подачи «острого» пара в течение 1 часа.

В случае корректировки едким натром или водой в раствор добавляется расчетное количество щелочи или воды, и раствор перемешивается мешалкой в течение 30−40 мин. Во всех случаях корректировки алюмината после кипячения или перемешивания отбирается проба готового раствора. При получении удовлетворительных результатов, в емкость закачивается необходимое количество воды (0,4−0,8) м³ на упаривание. После этого раствор перемешивается мешалкой в течение 10−15 мин., мешалку останавливают и раствор отстаивают в течение 20 часов. Осветленный раствор при температуре 60−90 ^оС перекачивается насосом в емкость. После перекачки линия продувается сжатым воздухом с целью удаления оставшегося раствора.

Вывод: анализируя существующую систему автоматизации необходимо контролировать температуру хим. реакции подачей горячего пара. Необходимо заменить старые приборы, современными приборами автоматизации. Что в дальнейшем позволит заменить приборы и значительно улучшить качество автоматизации данного ТП.

В отличие от сульфата алюминия алюминат натрия — щелочной реагент, его использование дает возможность получить воду с показателем стабильности, близким к единице. Применение алюмината натрия вследствие его довольно высокой стоимости ограничивается случаями низких значений рН обрабатываемой воды (обычно кислые сточные воды).

автоматизация алюминат натрий

2. Выбор элементной базы для автоматизации ТП

2.1 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 поплавкового реле.

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 (0,25 м 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.

2.1а Выбор оборудования для автоматизации, контроля и управления технологической операции откачки едкого натрия NaOH

Ш 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. (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 = 2 м

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 = 0,131 013

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 1525% от расчетного, получим:

Н_g = H_p + (0,150,25)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 = QHg, 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 515% расчетной

N_Н^Д = N_д^Р + (0,050,15)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 — 960×420×340; массой (Н+Д), кг — 70+25. Насос этой марки относится к химическим насосам производства Свердловского и Катайского насосных заводов.

Условное обозначение насоса соответствует ГОСТ 10 168.1−85 .

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 30×10^-6м²/с

Рис. 3. Схема центробежного насоса.

— корпус;

— рабочее колесо;

— привод насоса;

— линия всасывания;

— патрубок нагнетания.

Ш 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 = 0,990,995, 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 НмМ_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 токои движущих частей.

6) По категории размещения. 2 — для работы в помещениях неотапливаемых.

7) По исполнению: 8 — исполнение взрывоопасное Ш 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

I_ТР I_РЦ

I_ТР — ток теплового расцепителя; I_ТР = 10 А; 10 9,1 Условие выполняется

5) По току отсечки электромагнитного расцепителя

I_{ОТС.ЭМР} I_ОТС.СТ

где I_ОТС.СТ — стандартное значение тока отсечки; I_{ОТС.ЭМР} — расчетное значение тока отсечки электродвигателя

I_ОТС.СТ = 100А

I_{ОТС.ЭМР} = (1,5…1,8) I_ПДВ (3.19)

I_ПДВ — пусковой ток электродвигателя.

I_ПДВ = I_НДВ К_n, (3.20)

К_n — кратность пускового тока; К_n = 6

I_ПДВ = 9,1*7 = 63,7 А;

I_{ОТС.ЭМР} = 1,5*63,7 = 95,6 А

95,6 100А; Условие выполняется Ш Производим выбор магнитного пускателя (аппаратура управления) Пускатель магнитный марки ПМЕ100

Выбор производим по следующим условиям [11]

1) По типу ПМЕ — пускатель магнитный электрический

2) По напряжению U_Н.МП U_С (380В)

3) По номинальному току I_Н.МП I_Н.ДВ

I_Н.МП = 10А; I_Н.ДВ = 9,1А 10А 9,1А. Условие выполняется

4) По номинальному напряжению катушки U_Н.К

U_Н.К U_С.Ф

U_Н.К = 220 В, f = 50 Гц

U_С.Ф — напряжение сети фазное

U_С.Ф = U_Л/= 219,3 В;220 219,3 В, условие выполняется Основными элементами контактора магнитного пускателя являются электромагнитная система 5 и 6, главные контакты 2 и 3, блок-контакты и дугогасительная камера 8. Электромагнитная система представляет собой разъемный магнитопровод, на среднем керне которого размещена катушка. Для уменьшения нагрева, вызываемого вихревыми токами, магнитопровод набран из отдельных, изолированных друг от друга пластин электротехнической стали. Неподвижную часть магнитопровода 5 называют сердечником, подвижную часть 6 — якорем. Якорь механически соединен с контактами 2. При включении электрический ток проходит по катушке, создает магнитное поле, которое притягивает якорь к сердечнику 5 и тем самым замыкает контакты 2—3 пускателя, при отключении якорь под действием возвратных пружин 7 (а в некоторых типах магнитных пускателей под действием собственного веса) отходит от сердечника и кон-такты размыкаются.

Рис. 5. Схема теплового реле:

1- нагреватель, 2- биметалическая пластина, 3- регулировочный винт, 4- защелка, 5- рычаг, 6- пружина, 7- кнопка возврата, 8- подвижный контакт, 9- неподвижный контакт, 10- вывод нагревателя.

Ш Выбор управления магнитным пускателем в аварийных ситуациях.

Для принудительного включения и включения катушки магнитного пускателя необходима кнопочная станция. Кнопочная станция дистанционна, независимо от схемы работы автоматики может включить или выключить электродвигатели насосов при их аварии, при регулировке и пусконаладочных работах.

Принимаем пусковые выключатели марки КУ131 на U = 380 В для токов до 100 А.

Ш Выбор уровнемера для технологической операции.

Для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов используют следующие уровнемеры:

— механические, в которые входят поплавковые, мембранные, буйковые;

— гидростатические;

— электрические;

— емкостные и кондуктометрические;

— радиоизотопные;

— ультразвуковые;

— фотоэлектрические.

* Гидростатические уровнемеры предназначены для измерения уровня спокойных уравновешенных жидкостей, таковой не является суспензия в сборнике.

* Электрические, емкостные и кондуктометрические в основном предназначены для измерения уровня сыпучих веществ, а если жидкости, то происходит большое влияние диэлектрической проницаемости на погрешность приборов, работающих с этими уровнемерами.

* Кондуктометрические сигнализаторы уровня не могут быть использованы в вязких и кристаллизирующих средах, дающие твердые осадки. Таковой является суспензия в сборнике.

* Радиоизотопные и акустические уровнемеры являются дорогостоящими приборами.

* Фотоэлектрические приборы применяют для контроля уровня волокнистых материалов.

* Поплавковые и буйковые уровнемеры предназначены для контроля уровня жидкостей разных плотностей, при большом диапазоне температур измеряемой среды.

Поплавковые имеют большие габариты механической части, ограничены диапазоном измерения по высоте трудности в настройке, наладке, регулировке и обслуживании.

Для измерения уровня суспензии в сборнике принимаем уровнемер буйкового типа, так как он имеет следующие достоинства, подходящие к условиям технологической операции:

1) имеет небольшие габариты;

2) может работать с химически активными жидкостями;

3) работает в любом диапазоне температур контролируемой жидкости;

4) работает в вязких к кристаллизирующих средах;

5) может производить измерения уровня в емкостях с большой высоты;

6) имеет относительно невысокую стоимость;

7) простота конструкции;

8) легок в наладке, настройке, регулировке и обслуживании.

Недостаток: большая длина буйка. Но так как мерник имеет высокую высоту это преобразуется в достоинство, и он занимает минимальное место в мернике, не мешая другим элементам.

При автоматизации управления подачи суспензии в мерник используют различные датчики уровня, простейший из которых поплавковое реле (рис.8). Поплавок сопровождает уровень суспензии в мернике и при достижении нижнего заданного уровня включает насосный агрегат, нажимая кнопку SBС1; а при достижении верхнего уровня отключает насосный агрегат, нажимая кнопку SBТ1.

Рис. 7. Автоматическая схема управления подачи суспензии в мерник

QF — автоматический выключатель; SBT — кнопка выключена;SBC — кнопка включена;КМ — магнитный пускатель и самоблокирующий контакт МП;КК — реле тепловое; М — двигатель, ПУ — поплавковое устройство, П — перемычка .

Ш Выбор и расчет дросельного регулирующего органа.

Изменение расхода жидкости или газа за счёт дросселирования является основным управляющим воздействием в системах автоматического регулирования. Дроссель, используемый для регулирования технологических параметров, — «регулирующий орган».

Основной статической характеристикой регулирующего органа является зависимость расхода через него от степени открытия:

q=f (h), (1)

где q=Q/Q_max — относительный расход

h=H/H_max — относительный ход затвора регулирующего органа Эта зависимостть называется расходной характеристикой регулирующего органа. Т.к. регулирующий орган является частью трубопроводной сети, включающей в себя участки трубопровода, вентили, повороты и изгибы труб, восходящие и нисходящие участки, его расходная характеристика отражает фактически поведение гидравлической системы «регулирующий орган + трубопроводная сеть». Поэтому расходные характеристики двух одинаковых регулирующих органов, установленных на трубопроводах разной длины, будут существенно различаться между собой.

Характеристика регулирующего органа, не зависящая от его внешних соединений — «пропускная характеристика». Этот зависимость относительной прорпускной способности регулирующего органа s от его относительного открытия h, т. е.

s=f (h) (2)

где: s=K_v/K_vy — относительная пропускная способность Другими показателями, служащими для выбора регулирующего органа являются: диаметр его присоединительных фланцев Ду, максимально допустимое давление Ру, температура Т и свойства вещества. Индекс «у» указывает на условное значение показателей, что объясняется невозможностью обеспечить их точное соблюдение для серийных регулирующих органов. Поскольку расходная характеристика регулирующего органа зависит от гидравлического сопротивления трубопроводной сети, в которой он установлен, необходимо иметь возможность корректировать эту характеристику. Регулирующие органы, допускающие возможность такой корректировки, — «регулирующие клапаны». Они имеют сплошные или пустотелые цилиндрические плунжеры, допускающие изменение профиля для получения требуемой расходной характеристики. Для облегчения корректировки расходной характеристики выпускают клапана с различными видами пропускной характеристики: линейной и равнопроцентной.

У клапанов с линейной характеристикой увеличение пропускной способности пропорционально ходу плунжера, т. е.

ds=a*dh (3)

где: а — коэффициент пропорциональности.

У клапанов с равнопроцентной пропускной характеристикой увеличение пропускной способности пропорционально ходу плунжера и текущему значению пропускной способности, т. е.

ds=a*K_v*dh (4)

Различие между пропускной и расходной харктеристиками тем больше, чем больше гидравлическое сопротивление трубопроводной сети. Отношение пропускной способности клапана к пропускной способности сети — гидравлический модуль системы:

n=K_vy/K_vT (5)

При значениях n>1.5 клапана с линейной пропускной характеристикой становятся непригодными из-за непостоянства коэффициента пропорциональности a на протяжении всего хода. Для регулирующих клапанов с равнопроцентной пропускной характеристикой расходная характеристика близка к линейной при значениях n от 1,5 до 6. Поскольку диаметр технологического трубопровода Дт обычно выбирается с запасом, может оказаться, что регулирующий клапан с таким же или близким диаметром условного прохода Ду имеет избыточную пропускную способность и, соответственно, гидравлический модуль. Для уменьшения пропускной способности клапана без изменения его присоединительных размеров заводы-изготовители выпускают клапаны, отличающиеся только диаметром седла Дс.

Ш Производим расчет регулирующего клапана.

Определение числа Рейнольдса

где — скорость потока при максимальном расходе

r=400кг/м³ (для едкого натрия)

m=164*10^-6 Па*с

Re> 10 000, следовательно, режим течения турбулентный.

Определение потери давления в трубопроводной сети при максимальной скорости потока на прямых участках:

P_пр = л*Ртр*LV²/ 2D = 1.1MПа, где

— перепада давлений на регулирующем клапане при максимальной скорости потока

3. Определение потери давления в местных сопротивлениях трубопровода :

общая потеря давления в линии:

?Рл= ?Рпр+ ?Рм= 0,024+ 1,1= 1,1 МПа

4. Определение расчётного значения условной пропускной способности регулирующего клапана:

где h=1.25- коэффициент запаса

5. Определение пропускной способности трубопроводной сети

6. Определение гидравлического модуля системы

<1.5,

следовательно выбираем регулирующий клапан с линейной пропускной характеристикой (ds=a*dh)

Коэффициент, показывающий степень уменьшения площади проходного сечения седла клапана относительно площади проходного сечения фланцев К=0,6 [табл. ]

7. Выбор регулирующего клапана с ближайшей большей пропускной способностью K_Vy (по K_Vз и Ду):

выбираем двухседельный чугунный регулирующий клапан 25с48/50нж с МИМ

Клапан этой марки (исполнен с многооборотным исполнительным механизмом) относится к производству ЗАО «Комплект-Сервис» Россия 443 045 г. Самара ул.Гагарина 82А

условное давление 1,6 Мпа условный проход 100 мм условная пропускная способность 40 м3/ч пропускная характеристика линейная, равнопроцентная вид действия, НО материал углеродистая сталь температура регулируемой среды от -15 до +220

рабочая среда Ж-Г Вывод: выбранное оборудование автоматизации контроля и управления уровнем в мернике представлена на рис. 3.

2.2 Выбор схемы автоматизации откачки алюмината натрия NaAlO₂ из реактора Принцип работы схемы автоматизации для откачки NaAlO₂

После того как все компоненты раствора поместили в реактор 15 объемом V= 20 м ³, он перемешивается мешалкой в течении 10−15 мин., мешалку останавливают и раствор отстаивают в течении 20 часов. Осветленный раствор NaAlO2 при температуре 60−90 ^оС перекачивается насосом в емкость 912. Перекачка раствора алюмината натрия NaAlO2 контролируется датчиком давления. После перекачки линия продувается сжатым воздухом с целью удаления оставшегося раствора.

2.2а Выбор оборудования для автоматизации, контроля и управления технологической операции откачки NaAlO₂

Ш Производим выбор насосов для откачки алюмината натрия NaAlO₂ из реактора в емкость.

Схема откачки алюмината натрия NaAlO₂ на рис.9

Исходные данные:

Dу = 100 мм — условный диаметр рабочего штуцера

V=20м³ — объем сборника

h_MIN = 1м — минимальный уровень суспензии сборнике

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

_NaAlO2 = 720 г/дм³ — содержание NaAlO2 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)

_NaAlO2 = 720 г/дм³ — содержание NaAlO2 в суспензии

_хов = 1000 кг/м³ — плотность хим. Очищенной воды

= 1000+720 = 1720 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. (3.4)

где f — коэффициент трения

f = = 64/Re — коэффициент Дарши (3.5)

Re — коэффициент Рейнольдса, Re = (Vd/) (3.6)

— динамическая вязкость = 1800 мкПа*с

V = = = 4,43 м/с

Re =

f = 64/4233 = 0,015

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

d = Dу = 0,1 м — диаметр трубопровода

h_дл = 0,015*2/0,1*4,43²/(2*9,81) = 0,3 м

h_м — потери напора местные

h_м = V²/2g, (3.7)

— коэффициент местных сопротивлений = 0,131 013

h_м =, м

h_сопр = 0,3+0,127 = 0,427 м Из выше перечисленных вычислений находим напор насоса Н = (0,5*10⁶ — 98,07*10³)/(1720*9,81) + 0,427 = 24,3 м Учитывая технологические, технические и экономические показатели, действительный напор выше на 1525% от расчетного, получим:

Н_g = H_p + (0,150,25)H_p (3.8)

Н_g = 24,3+0,25*24,3 = 30,375 м Выбираем насос с напором Н = 31 м

3. Определяем мощность насоса Полезная мощность насоса определяется по формуле

N_пол = QHg, Вт (3.9)

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

H — напор насоса, Н = 31 м

_NaAlO2 — плотность суспензии, = 1720 кг/м ³

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

N_пол = Вт 2,9 кВт Действительная мощность насоса определяется по формуле

N_д = (3.10)

где — КПД насоса, = 0,85

N_д^Р = 2,9/0,85 3,4 кВт Учитывая пусковые характеристики и работу в аварийном режиме действительная мощность выше на 515% расчетной

N_Н^Д = N_д^Р + (0,050,15)N_д^Р (3.11)

N_Н^Д = 3,4+0,15*3,4= 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 25−32−160Д с подачей — 25 м³/час; напором — 32 м; мощностью — 4кВт; частота вращения рабочего колеса около 3000 об/мин; примерными габаритами (ДхШхВ), мм — 960×420×340; массой (Н+Д), кг — 70+25. Насос этой марки относится к химическим насосам производства Свердловского и Катайского насосных заводов.

Условное обозначение насоса соответствует ГОСТ 10 168.1−85 .

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 30×10^-6м²/с

Ш Производим электрический расчет силового оборудования для насоса (выбор электродвигателя) Исходя из того что мощности и частота вращения рабочих колес обоих насосов совпадают то относительно справочных данных применяем для второго насоса такой же трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель марки А42−2М4У2 (чугунной оболочкой) или АЛ42−2М4У2 (алюминиевой оболочкой) — 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.

Для двигателя второго насоса выбираем ту же элементную базу.

Выбор контроля давления

Применение: Датчик давления используется для измерения давления газов или жидкостей. Измеряемые величины преобразуются в стандартные аналоговые сигналы 0…10 В или 4…20 мА. Мембрана из нержавеющей стали, обеспечивает герметичность. Датчик может устанавливаться как в гидравлических, так и в пневматических системах.

Вывод: На основании того что давление в системе откачки P= 0.5 MПа применяем датчик давления марки SHD-U 6 (SHD-I 6) рассчитанный на диапазон измерения от 0 до 0,6 Мпа. Является производством 2004;2005 ООО «НУМЕРИКС» — Россия. Москва. Данный датчик служит для контроля давления в трубопроводе.

Вывод: выбранное оборудование автоматизации контроля откачки алюмината натрия из реактора представлена на рис. 11.

3. Понятие надежности. Анализ и расчет основных показателей надежности Количественные прогнозы надежности становятся все более необходимы в связи с возросшей ролью надежности промышленной продукции. В большинстве случаев усилия в области прогноза надежности концентрируются главным образом на предсказании вероятности возникновения системы или схемы из-за постепенного ухудшения параметров подсистем или элементов интересуются, как показывает практика, только во вторую очередь. Во многих случаях такой подход оправдан, но возникают ситуации, когда изменение параметров элементов нужно соответствующим образом учитывать.

К современной радиоэлектронной аппаратуре предъявляются многогранные технические требования. Поэтому для реализации приборов необходимо применять различные элементы. Сложность аппаратуры отрицательно сказывается на ее надежности, в то время как характер выполняемых современной аппаратурой функций требует именно высокой надежности. Исследования по теории надежности подчинены одной цели — разработке действенных методов повышения и сохранения надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации. В процессе проектирования одно из основных условий принятия решений — системный подход при рассмотрении характеристик, включая и показатели надежности. Теория надежности изучает работу систем и устройств с учетом влияний внешних и внутренних воздействий с целью определения характеристик надежности и выработки методов расчета и способов обеспечения нормального функционирования.

Надежность — это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Таким образом, надежность можно характеризовать, как способность изделия работать безотказно в заданных условиях эксплуатации.

Все технические системы можно свести, в смысле критерия надежности, к простым и сложным системам. В первом случае отказ любого элемента приводит к отказу всей системы, во втором ухудшается качество управления, но полный отказ не наступает. При изучении функционирования технических систем, как и при изучении любых явлений, будь то физические, экономические или социальные, прибегают к моделированию. Можно выделить три типа моделей технических систем:

1. модель идеального функционирования, изучающая преобразования, которые совершает система над входными сигналами, без учета вопросов работоспособности;

2. модель работоспособности, анализирующая надежность системы;

3. общая модель, учитывающая функциональную надежность работы системы.

Теория надежности использует модели работоспособности, являющиеся абстракцией определенного уровня. Законы теории надежности, полученные на этих моделях, подтверждаются практическими испытаниями реальных систем на надежность. Результаты испытаний обрабатывают методами математической статистики. Широкое применение математических средств не может считаться специфической особенностью теории надежности. Математизация знаний происходит буквально во всех отраслях науки и практической деятельности, и это единственный путь научно-технического прогресса.

Основными вопросами теории надежности являются: математический аппарат теории надежности; количественные критерии (параметры) надежности элементов и систем; методы инженерного расчета надежности аппаратуры; обоснование требований к надежности; анализ факторов, влияющих на надежность, и причины появления отказов; пути повышения надежности аппаратуры; научные методы эксплуатации аппаратуры с учетом ее надежности (обоснование режимов профилактических работ, норм запасных элементов, методов отыскания неисправностей, сбора и анализа статистических данных об отказах).

Исходные данные, которыми располагает проектировщик систем, весьма ограничена. Обычно это результаты кратковременных испытаний новых узлов в лабораторных условиях, а также статистические данные о надежности подобных устройств в условиях эксплуатации, часто отличающихся от тех, для которых предназначается разрабатываемая система.

Следует подчеркнуть необходимость задания количественных требований по надежности, так как без этого невозможно проведение обоснованного проектирования сложной технической системы. Вопросы о рациональном введении резерва, использования облегченных режимов нагрузки элементов, частоте и глубине профилактических мероприятий не могут быть решены без применения математических методов, а следовательно, и без задания количественных характеристик.

Одним из самых сложных вопросов в теории надежности является целесообразных или хотя бы оправданных количественных требований по надежности на аппаратуру и системы различного направления. Норму надежности можно считать обоснованной, если она целесообразна или оптимальна в некотором смысле. Повышение надежности, как и прочих характеристик, связано тем или иным образом с увеличением затрат на производство, поэтому обоснованное задание требований по надежности подразумевает рациональное распределение затрат между компонентами системы. На современном этапе развития пользуются эвристическими оценками функции цели, отражающими целесообразность распределения затрат между подсистемами. На практике надежностные характеристики задают достаточно целесообразно, а их наличие — прогрессивное явление. Таким образом, необходим выбор оптимальной системы путем последовательного сравнения различных вариантов.

Основная задача теории надежности на этапе технического проектирования — помочь разработчику принять обоснованные решения, касающиеся выбора структуры системы, необходимости использования вводимой избыточности, построения оптимальной системы контроля и др. Более строго теория надежности призвана решить следующую двойственную задачу: при заданных характеристиках системы создать систему с минимальной «стоимостью», при чем характеристика «надежность» включена в прочие характеристики; при заданной стоимости добиться максимальной надежности системы.

Для произведения расчетов параметров надежности спроектированного прибора необходимо знать интенсивности отказа элементов, составляющих устройство.

Расчет основных показателей надежности Определяем опасность отказов всех блоков технологического процесса.

Исходя из данных работы этих блоков за 10 000 часов из восьми приборов отказало два.

Решение

1. Определяем среднее число исправно работающих блоков питания по формуле (4.1):

N_СР =, (4.1)

где N_Н — число исправно работающих элементов в начале времени t; N_Н = 12

N_К — число исправно работающих элементов в конце t; N_К = 10

N_СР = (12+10)/2 =11

2. Определяем опасность отказов по формуле (3.2):

(t) =, (4.2)

где N — число элементов, отказывающих за время t; N = 2

t — время работы t = 1 год = 10 000 часов 1/ч

(t) = 2/(11*10 000) = 0,18*10^-6 1/ч

3. Определяем среднее время исправной работы блоков питания по формуле (4.3):

t_СР =, (4.3)

t_СР = 10⁶/0,18 = 5 555 555часов

4. Определяем вероятную надежность блоков питания

Р (t) = е ^-2t, (4.4)

Р (t) = е ^{-0,18*10(-6)*10 000} = 1/е^0,02 = 0,9803

Вероятность исправной работы может иметь значение 0 Р (t) 1

5. Определяем вероятность отказов (ненадежность)

Q = 1- Р (t), (4.5)

Q = 1- 0,9803 = 0,0197

6. Определяем коэффициент готовности системы автоматики уровнемеров по формуле (3.6):

k_Г =, (4.6)

где t_И — время исправной работы, час;

t_П — время простоя За 10 000 часов попловковое реле простаивает примерно 1000 часов, тогда

t_И = 10 000−1000 = 9000 часов

k_Г = 9000/(9000+1000) = 0,9

7. Определяем коэффициент вынужденного простоя

k_П =, (4.7)

k_П = 1000/(1000+9000) = 0,1

Проверка, должно выполняется условие k_Г + k_П = 1

0,9 + 0,1 = 1 Условие выполняется Вывод: Вероятность надежности блоков данного технологического процесса на протяжении 10.000 часов равна 0,9803.