Міністерство освіти і науки України
Національний університет «Львівська політехніка»
Кафедра АВКТ
Пояснювальна записка
до курсового проекту з дисципліни:
“Автоматизація та оптимізація хіміко – технологчних процесів”
на тему:
“Автоматизація технологічного процесу виробництва соляної кислоти”
Виконав:
студент групи АВАУ-11
Войтович О.Ю.
Прийняв:
Фединець В. О.
Львів 2020
ЗМІСТ
| Вступ…………………………………………………………………………....3 Розділ 1. Технологічна частина……………………………………………..5 |
| 1.1. Опис технологічного процесу………………………………………….....5 |
| 1.2. Теоретичні основи технологічного процесу в окремих технологічних апаратах і машинах…………………………………………………………………..7 |
| 1.3. Матеріальний та тепловий баланси процесу………………….………..13 |
| Розділ 2. Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування………17 |
| 2.1. Визначення і аналіз факторів, що впливають на технологічний процес…………………………………………………………………………..…...17 |
| 2.2. Обґрунтування номінальних значень параметрів технологічного процесу та допустимих відхилень від цих значень……………………………...20 |
| 2.3. Технологічна карта процесу…………………………………………….21 |
| 2.4. Структурна схема взаємозв'язку між технологічними параметрами процесу……………………………………………………………………………...22 |
| Розділ 3. Техніко-економічне обґрунтування вибору функціональної схеми автоматизації……………………………………………………………....24 |
| 3.1. Обґрунтування і вибір, координат вимірювання, контролю, сигналізації, дистанційного керування, захисту, блокування та регулювання..............................................................................................................24 |
| 3.2. Визначення функціональних ознак системи автоматизації…………..26 |
| 3.3. Порівняльний аналіз існуючих схем автоматизації технологічного процесу...……………………………………………………………………………28 |
| 3.4. Синтез оптимальної спрощеної системи автоматизації……………….29 |
| Розділ 4. Обґрунтування вибору технічних засобів……………………..31 |
| 4.1. Вибір мікропроцесорного засобу автоматизації……………………….31 |
| Розділ 5. Опис схем автоматизації………………………………………...35 |
| Розділ 6. Специфікація засобів автоматизації………………………...…39 |
| Висновки………………………………………………………………………42 |
| Список літератури………………………………………………………...…..43 |
ВСТУП
Хлоридна кислота, також: соляна кислота, хлороводнева кислота — розчин хлороводню (HCl) у воді. Соляна кислота є типовою кислотою. За своєю хімічною активністю вона належить до найсильніших кислот. Подібно до інших сильних кислот вона активно розчиняє більшість металів з виділенням водню, взаємодіє з оксидами металів тощо.
Концентрована соляна кислота містить 37% HCl і має густину 1,19 г/см3. Вона має різкий запах і «димить» на повітрі внаслідок виділення газоподібного хлороводню. Технічна кислота має жовтий колір, який обумовлюється домішками головним чином солей заліза.
Соляна кислота широко використовується у народному господарстві. Найбільше застосовується вона у хімічній промисловості для добування різних солей: хлориду цинку, хлориду барію та ін., а також для виробництва барвників, лікувальних речовин тощо. Багато хлоридної кислоти споживає також металургійна промисловість для виділення кольорових і рідкісних металів з їх природних сумішей. У хімічних лабораторіях хлоридна кислота належить до найуживаніших реактивів. У невеликих кількостях з неї також одержують водень і хлор.[1] https://uk.wikipedia.org/wiki/Хлоридна_кислота
Ця кислота по об’єму виробництва серед кислот займає третє місце – після сірчаної та азотної.
Хлороводнева кислота HCl – розчин хлороводню у воді, сильна одноосновна кислота із гострим запахом хлороводню.
Фізичні властивості. Максимальна концентрація при 20ºС рівна 38% за масою, густина такого розчину 1,19 г/см2, в'язкість 2,1 мПа·с, температура кипіння 48ºС, температура плавлення –26ºС.
Хімічні властивості:
Взаємодіє з металами, що стоять в електрохімічному ряду металів до водню з утворенням солі і виділенням водню;
Взаємодіє з оксидами металів з утворенням розчинної солі і води;
Взаємодіє з гідроксидами металів з утворенням розчинної солі і води (реакція нейтралізації);
Взаємодіє з солями металів, що утворені більш слабкими кислотами;
Взаємодіє із сильними окисниками (перманганат калію, діоксид марганцю) з виділенням газоподібного хлору.
Отримання
Існує ряд методів отримання соляної кислоти. Однак у всіх випадках технологічний процес, що здійснюється різними методами, можна розділити на дві стадії: а) отримання хлороводню, б) абсорбція хлороводню водою.
Хлороводень може бути отриманий декількома методами:
Сульфатним, заснованим на взаємодії хлориду натрію з концентрованою сірчаною кислотою ;
Синтетичним, в основі якого лежить реакція горіння
Отримання соляної кислоти з абгазних газів.
Застосування. В хімічній промисловості соляна кислота застосовується у виробництві органічних фарбників, різних хлористих солей, активного вугілля, синтетичного каучуку та ін. В легкій та текстильній промисловості вона використовується при обробці текстилю, обробці шерсті, гідролізі деревини, у виробництві цукру, клею, глюкози. В металообробній промисловості соляна кислота застосовується для очистки металів перед гальванізацією, в гідрометалургії кольорових та благородних металів – для розчинення руд. Застосовується вона і в сільському господарстві для консервації кормів.
Особливості використання.Соляна кислота – їдка речовина, при потраплянні на шкіру викликає тяжкі опіки. Особливо небезпечне потрапляння в очі. При відкриванні посуди з кислотою, утворюється туман і пари хлороводню, що подразнюють слизові оболонки і дихальні шляхи. Реагуючи з такими речовинами як хлорне вапно, діоксид марганцю або перманганат калію, утворює токсичний газоподібний хлор.
РОЗДІЛ 1
ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА
1.1. Опис технологічного процесу
Виробництво соляної кислоти. В промисловості НСl отримують наступними способами: сульфатним, синтетичним і з абгазов (побічних газів) ряду процесів. Перші два методи втрачають своє значення.
Виробництво соляної кислоти (реактивної, отриманої сульфатним способом, синтетичним, абгазной) полягає в отриманні НСl з подальшою абсорбцією водою. У залежності від способу відведення теплоти абсорбції (досягає 72,8 кДж/моль) процеси розділяються на ізотермічний, адіабатичний і комбінованого.
Основний метод отримання (синтетичний)
Виробництво синтетичної соляної кислоти включає дві послідовних стадії: синтез хлористого водня з хлора і водня і абсорбцію хлористого водня водою.
Уперше виробництво синтетичної соляної кислоти з електролітичного хлора і водня було створене в період війни на заводі в Грісгейме.
У виробництві синтетичної соляної кислоти одним з основних апаратів є піч синтезу хлористого водня.
У виробництві синтетичної соляної кислоти ніяких відходів не утвориться, оскільки її отримують поглинанням хлористого водня водою.
Характеристика основної і допоміжної сировини
Сировиною для виробництва синтетичної соляної кислоти служать водень, хлор і вода. Водень отримують у виробництві каустичної соди і хлора диафрагменним, ртутним і мембранним методами. Вміст водня в технічному продукті не менше за 98 об.%. Зміст кисня регламентується на рівні 0,3-0,5%. При використанні водня, отриманого ртутним методом електролізу хлорида натрію, зміст ртуті повинен бути не більше за 0,01 мг/м3.
Автоматизація процесу отримання соляної кислоти.
Технологічна схема процесу і система автоматичного регулювання приведені на рис. 1.
Рис. 1. Схема автоматичного регулювання і контролю процесу отримання соляної кислоти:
1-піч синтезу; 2-колона абсорбції; 3-насос; 4-холодильник; 5-збірник; 6-хвостова колона; 7-регулятор витрати; 8-регулятор співвідношення витрат; 9-аналізатор; 10,12-регулятори температури; 11-регулятор тиску; 13-давач температури; 14-давач рівня; 15-pH-метр; 16-20-регулюючі клапани.
1.2. Теоретичні основи технологічного процесу в окремих технологічних апаратах і машинах
Початковими продуктами для виробництва соляної кислоти є хлор і водень, що поступає в піч синтезу 1, де здійснюється синтез хлорида водня по рівнянню:
Після печі синтезу 1 газоподібний хлорид водня поступає в нижню частину колони абсорбції 2; у верхню її частину в якості зрошування подає воду насосом 3. Отримана соляна кислота з низу колони абсорбції 2, охолоджена водою в холодильнику 4, поступає далі в збірник 5. Гази з верху абсорбера направляють в хвостову колону 7, де вони зрошуються водою для скріплення хлорида водня, що залишився.
Статичні характеристики печі синтезу дають залежність зміни параметрів хлористоводородного газу від зміни параметрів вхідних потоків.
Найбільш вірогідними обурюючими впливами є коливання витрати концентрації HCl від співвідношення витрат водню і хлору носить екстремальний характер (рис. 2).
Рис. 2. Залежність концентрацій HClв хлористоводневому газі (СHCl) від співвідношення витрат водню та хлору (α) при різних значеннях концентрації хлору в початковому хлор газі (СCl2) : 1 - CCl2 = 0.92; 2 -0.96; 3 – 0.98
Процес синтезу ведуть зaлишком водня ( "водневий режим"), щоб уникнути проскока хлора з хлоридом водня; концентрація водня коливається від 2 до 10%.
Таким чином, основна задача автоматичного регулювання роботи печей синтезу - підтримка такого співвідношення витрат хлора і водня на вході в піч, яке необхідне для отримання хлорида водня заданої концентрації. Витрату хлора стабілізують за допомогою регулятора 7. Співвідношення витрат хлора і водня підтримують регулятором співвідношень 8, на який також поступає сигнал від аналізатора 9, що визначає зміст водня або хлорида водня в газі на виході печі синтезу. Цей сигнал є таким, що коректує, що автоматично змінює задане співвідношення витрат хлора і водня.
Схема автоматичного контролю і регулювання процесу отримання соляної кислоти включає також наступні контури:
стабілізації температури в колоні абсорбції регулятором 10, що змінює подачу води на зрошування колони; стабілізації тиску зрошуючої води регулятором 11, що впливає на клапан 19, встановлений на лінії перепуска води з виходу насоса 3 на його вхід; стабілізації температури соляної кислоти на виході холодильника 4 регулятором 12, що змінює подачу води в холодильник 4; контроль температури газу на виході печі синтезу 1 датчиком 13; контроль рівня соляної кислоти в збірнику 5 датчиком 14; контроль проскока HClна виході хвостової колони 6 за допомогою pH-метра 15.
1.3. Матеріальний та тепловий баланси технологічного об’єкта
Матеріальний баланс
Розрахунок матеріального балансу виробництва синтетичної соляної кислоти.
Розрахунок маси чистого хлороводню, що міститься в потоці соляної кислоти з абсорбера:
Розрахунок маси води, необхідної для абсорбції хлороводню, що надходить з печі:
Розрахунок маси води з урахуванням надлишку (випаровувана вода):
Розрахунок маси хлору, що надходить в піч:
Розрахунок теоретичної маси хлору (без урахування процентного вмісту хлору у вихідному потоці)
Розрахунок практичної маси хлору (з урахуванням процентного вмісту хлору у вихідному потоці)
Розрахунок маси домішок в потоці хлору
Розрахунок обсягу Cl2 в потоці хлору
Розрахунок маси водню, що надходить в піч :
Розрахунок теоретичної маси водню (без урахування поданого надлишку)
Розрахунок практичної маси водню (з урахуванням поданого надлишку)
Розрахунок маси надлишку водню
Тепловий баланс
Розрахунок теплового балансу (стадії абсорбції хлороводню в абсорбері, після спалювання в печі вихідних газів)
Рівняння теплового балансу процесу абсорбції хлороводню в абсорбері
Складові рівняння теплового балансу абсорбції
Рівняння теплового балансу в кінцевому вигляді:
Як видно, в останньому рівнянні невідомою величиною є mводи - маса води, яка випаровується в процесі абсорбції. Знайдемо її:
