РМ 19-20 Ш=Ш/2

16 РМ 19-20 Ш=Ш/2

11 ХН

да

17 ШТ

18 Остановка

1. Вводная часть.

Опытно-промышленная установка расположена в отделении хлорирования цеха № 32 ОАО “АВИСМА”.

Метод производства диоксида титана - хлоридный способ производства высокотемпературным парофазным гидролизом тетрахлорида титана.

Организации разработчики технологического процесса - АО Российский научно-исследовательский и проектный институт титана и магния ( АО РИТМ) и ОАО “АВИСМА” - титано-магниевый комбинат.

Организация-разработчик проекта опытно-промышленной установки - проектно-конструкторский отдел ОАО “АВИСМА”.

2. Введение.

Среди неорганических пигментов наибольшим спросом пользуются белые пигменты. В основном использовались свинцовые и цинковые белила, но они оказывают вредное воздействие на организм человека.

В настоящее время наряду с использованием свинцовых и цинковых белил широкое применение получили титановые белила. До 70 % выпускаемого диоксида титана (титановые белила) находит применение в лакокрасочной промышленности. Этот фактор объясняется не только высокими пигментными свойствами титановых белил (большая интенсивность и кроющая способность, высокая маслостойкость по сравнению с другими белыми белилами), но и их технико-экономическими преимуществами, а также большими запасами исходного сырья.

Диоксид титана используется в лакокрасочной промышленности для производства материалов на основе различных пленкообразующих: эпоксидных, алкидных, феноло- и мочевиноформальдегидных смол, а также применяют в производстве пластмасс, резиновых изделий, бумаги, линолеума, искусственных волокон и немного в парфюмерии.

Цель дипломного проекта - автоматизация технологического процесса получения диоксида титана.

3. Технология производства. 3.1 Описание технологического процесса.

Очищенный в отделении ректификации тетрахлорид титана (ОТТ) насосом подается в две расходные емкости (поз. 1), откуда через регулирующее устройство направляется в куб-испаритель (поз. 2), оборудованный погружными электронагревателями мощностью 120 кВт. Из куба-испарителя (поз. 2) пары ОТТ при температуре 136...140С поступают в перегреватель (поз. 3), выполненный из полутруб, приваренных к кожуху реактора парофазного гидролиза, где нагреваются до температуры 200...250С и направляются в центральную трубу коаксиальной форсунки (поз. 25) реактора (поз. 4).

Азот из газопровода поступает в подогреватель (поз. 24), представляющий газоохлаждаемую рубашку свода реактора, где нагревается до температуры 100...250С и направляется в наружную трубу коаксиальной форсунки (поз. 25) реактора (поз. 4) для предотвращения зарастания сопла форсунки продуктами гидролиза тетрахлорида титана.

Воздух газодувкой из помещения цеха нагнетается в подогреватель (поз. 6), представляющий воздухоохлаждаемую рубашку приваренную к кожуху реактора (поз. 4) парофазного гидролиза (ПФГ), где нагреваются до температуры 100...250С и затем направляется в горелку (поз. 26) печи (поз. 5).

Природный газ из газопровода подается в горелку печи под давлением 10...200 (1...20) мм вод. ст.( МПа).

В печи (поз. 5) осуществляется сжигание смеси природного газа и воздуха. При этом протекают реакции горения углеводородов природного газа:

CH₄ + 2 O₂ = CO₂ +2 H₂O + 892 кДж

2 C₂H₆ +7 O₂ = 4 CO₂ + 6 H₂O + 3123 кДж

C₃H₈ + 5 O₂ = 3 CO₂ +4 H₂O + Q

Водяной пар из магистрального паропровода поступает в перегреватель, откуда с температурой 150...250С подается в камеру горения печи (поз. 5), где смешивается с продуктами сгорания природного газа.

Парогазовая смесь (ПГС) из печи (поз. 5) с температурой 1300...1450С направляется в реактор парофазного гидролиза (поз. 4).

В реакторе тетрахлорид титана при температуре 1100...1200С взаимодействует с водой по реакции:

TiCl₄ (пар) + 2 H₂O (пар) = TiO₂ (тв.) +4 HCl (газ) + Q

Пылепарогазовая смесь (ППГС) из реактора направляется в камеру предварительного охлаждения (поз. 7), где охлаждается до 600...800С при смешивании с потоком вторичного воздуха, нагнетаемого газодувкой из помещения цеха. Дальнейшее охлаждение ППГС до 250...350С происходит в двухтрубной пылеосадительной камере ПК-1 (поз. 8), стенки которой охлаждаются снаружи водой.

Выделение из ППГС основного количества диоксида титана происходит в циклонах (поз. 9), откуда диоксид титана через шлюзовые затворы (поз. 18_2,3) поступает в бункер (поз. 17). Для предотвращения комкования “сырца”, коррозии и забивки аппаратов-пылеуловителей абгазы после рукавного фильтра (поз. 10) должны иметь температуру выше 150°С. Отходящие газы после циклонов через рукавный фильтр (поз. 10) направляются в санскруббер (поз. 12), где промываются водой (степень очистки достигает 99% и затем поступают на газоочистку № 2. Разряжение в системе создается вентиляторами (поз. 11,13). Кислые стоки санскруббера (поз. 12) сливаются в кислотную канализацию. Уловленный в рукавном фильтре (поз. 10) продукт через шлюзовой затвор (поз. 18₄) направляется в бункер (поз. 17).

Диоксид титана из камеры предварительного охлаждения (поз. 7) выгружается шнеком (поз. 14), затем инжектором (поз. 15₁) через циклон-пылеуловитель (поз. 16) направляется в бункер (поз. 17). Диоксид титана из пылеосадительной камеры ПК-1 (поз. 8) через шлюзовой затвор (поз. 18₁) инжектором (поз. 15₁) через циклон-пылеуловитель (поз. 16) направляется в бункер (поз. 17).

Из бункера (поз. 17) через шлюзовой затвор (поз. 18₅) диоксид титана (рН водной суспензии 1...3,5) поступает в струйный насос-инжектор (поз. 15₃) и посредством потока нагретой водовоздушной смеси направляется в десорбер (поз. 19), представляющий собой печь “кипящего слоя”. Десорбция хлористого водорода осуществляется в токе паровоздушной смеси при температуре 500...700°С.

Частично десорбированный материал через переливную трубу десорбера поступает в трубное пространство сборников (поз. 20_1,2), выполненных в виде кожухотрубных теплообменников. Охлаждение материала осуществляется воздухом, нагнетаемым газодувкой (поз. 22) в межтрубное пространство сборника-теплообменника. Охлаждаемый материал периодически выгружается в тару (поз. 21_1,2). Запыленный кислый газ из десорбера “КС” (поз. 19) и воздух из сборников (поз. 20_1,2) поступают на вход рукавного фильтра (поз. 10).

В процессе десорбции из обрабатываемого материала в нижней части десорбера “КС” отделяются крупные частицы продукта последние периодически выгружаются в кюбель (поз. 23) и направляются на переработку в хлораторы совместно с титановой шихтой.

3.2. Режимные параметры технологического процесса.

таб. 3.2

№	Наименование параметра	Единицы измерения	Норма
1	2	3	4
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25.	Расход тетрахлорида титана Уровень в емкостях тетрахлорида титана Температура TiCl4 в испарителе Температура пара TiCl4 на входе в реактор Расход азота (осушенного воздуха) в реактор Расход водяного пара в реактор Температура водяного пара на входе в печь Расход природного газа в горелку Давление природного газа на входе в горелку Расход первичного воздуха (дутьевого) Давление воздуха на входе в горелку Температура ПГС на входе в реактор Температура ППГС на выходе из реактора Расход вторичного воздуха Температура ППГС после камеры предварительного охлаждения Температура ППГС после пылеосадительной камеры Температура ППГС на выходе из рукавного фильтра Температура в десорбере Расход воздуха в десорбер Расход воды(пара) в десорбер рН водной суспензии после десорбции Разряжение ППГС на выходе из второго циклона Разряжение на выходе из рукавного фильтра рН водной суспензии диоксида титана “сырца” Содержание рутила в диоксиде титана	кг/ч % °С °С м3/ч м3/ч °С м3/ч мм вод. ст. МПа м3/ч мм вод. ст. МПа °С °С мм вод. ст. МПа °С °С °С °С м3/ч м3/ч единицы мм вод. ст. мм вод. ст. единицы масс.%	800...1200 не более 80 объема 136...140 200...250 8...12 100...300 150...250 30...100 10...200 1...20 300...1500 9...180 0,9...18 1300...1450 1000...1200 500...1500 50...150 600...800 250...350 150...200 500...700 200...400 50...100 3...5 400...500 480...580 1...3,5 0...95

3.3. Характеристика основного технологического оборудования.

В качестве основного технологического оборудования используются:

1). Куб-испаритель.

Куб-испаритель предназначен для нагрева и испарения TiCl₄, подаваемого через перегреватель в реактор парофазного гидролиза.

Техническая характеристика:

емкость - 1,5 м³;

рабочая среда - тетрахлорид титана (жидкость и пар);

температура рабочей среды - 136...140°С;

рабочее давление - 13,3...46,5 (100...350) кПа( мм рт.ст.);

мощность нагревателей - 120 кВт;

число фаз - 3;

количество крышек с нагревателями - 1;

диаметр - 1208 мм;

длина - 1508 мм;

высота - 1780 мм.

Куб-испаритель состоит из корпуса, крышек для крепления нагревателей, нагревательных элементов, уровнемерной колонки.

Корпус куба выполнен из стали 1Х18Н10Т, с наружной стороны поверхность теплоизолирована диатомовым кирпичом, асбоцементной замазкой и стеклотканью. Для вывода и подаче паров в перегреватель аппарат снабжен паровым патрубком.

Нагреватели куба погружные, открытого исполнения из проволоки Х20Н80 диаметром 7,5...8 мм, крепятся на раме крышки нагревателя. Крышки нагревателей герметично устанавливаются на патрубках, вывод токоведущих частей нагревателей осуществлен через проводники с уплотнительными кольцами.

Для контроля уровня куб оборудован штуцерами для уровнемерного стекла и уровнемерной колонки.

Приборы контроля потребляемой мощности, ее регулирования и отключения расположены на щите управления.

2). Печь.

Печь предназначена для получения нагретой до температуры 1300...1450°С парогазовой смеси, состоящей, в основном, из азота, углекислого газа и паров воды, продуктов сжигания смеси природного газа с воздухом. В камеру сгорания печи подается также водяной пар.

Техническая характеристика:

рабочая среда - парогазовая смесь, содержащая Н₂О, СО₂, N₂;

температура рабочей среды - 1300...1450°С;

рабочее разряжение - 1...2 (0,1...0,2) мм вод.ст.(МПа);

тип горелки - ГГВ-МГП-75;

количество горелок - 1;

внутренний диаметр камеры сгорания - 0,72 м;

длина камеры сгорания - 2 м.

Печь состоит из камеры сгорания и горелки природного газа. Стальной кожух камеры сгорания футерован листовым асбестом, слоем шамота- легковеса, толщиной 114 мм и слоем шамота класса А, толщиной 230 мм. С наружной стороны печи к крышке прикреплена горелочная плита, на которую устанавливается горелка ГГВ-МГП-75. Печь снабжена патрубками для ввода воды и вывода ПГС. Для контроля давления (разряжения) и температуры печь снабжена патрубками для установки отборных устройств и термопар.

Горелка состоит из корпуса, сопла, наконечника сопла и носика горелки. Воздух подается по патрубку на корпусе горелки, природный газ подается через патрубок сопла в центре горелки.

3). Реактор.

Реактор предназначен для парофазного гидролиза тетрахлорида титана взаимодействием с парами воды с получением диоксида титана и хлористого водорода.

Техническая характеристика:

рабочая среда - пылепаровая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO₂, H₂O, азот и др.;

температура рабочей среды - 200...1450°С;

рабочее разряжение - 5-10 (0,5...1) мм вод.ст.(МПа);

внутренний диаметр реактора - 0,796 м;

длина реактора - 7,1 м.

Реактор состоит из стального кожуха, футерованного листовым асбестом, шамотом класса А, толщиной 114 мм. Реактор снабжен в верхней части патрубком для ввода ПГС из печи, снизу - патрубком для ввода ППГС в камеру предварительного охлаждения и двухтрубной коаксиальной форсункой подачи паров TiCl₄ (по центральной трубе) и азота (по наружной трубе), установленной на своде.

На своде реактора смонтирована газоохлаждаемая стальная рубашка, в которой подогревается азот, для ввода и вывода азота рубашка снабжена патрубками.

В верхней части реактор оборудован перегревателем тетрахлорида титана, выполненным из приваренных к кожуху полутруб. Перегреватель TiCl₄ снабжен патрубками для входа и выхода перегретых паров.

В средней части реактор оборудован подогревателем воздуха, выполненным в виде приваренной к кожуху стальной рубашки. Подогреватель воздухаснабжен патрубками для входа и выхода.

4). Камера предварительного охлаждения.

Камера предварительного охлаждения предназначена для частичного выделения диоксида титана и охлаждения пылепарогазовой смеси методом смешения с нагнетаемым воздуходувкой воздухом (используется реконструированный титановый хлоратор).

Техническая характеристика:

рабочая среда - пылепарогазовая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO₂, H₂O, азот, и др.;

температура рабочей среды - 200...1450С;

рабочее давление - 2,9 (300) кПа (мм вод. ст.);

высота - 10,98 м;

диаметр - 5,375 м .

Стальной кожух камера предварительного охлаждения футерован шамотом класса А, толщина футеровки верхней внутренней цилиндрической части 345 мм, нижней 1035 мм. Подина камеры предварительного охлаждения коническая, снабжена патрубками для выгрузки диоксида титана посредством шнекового устройства. Камера предварительного охлаждения снабжена патрубками для ввода (внизу) и вывода (вверху) пылепарогазовой смеси и пятью патрубками для нагнетания воздуха.

5). Пылеосадительная камера.

Пылеосадительная камера предназначена для охлаждения пылепарогазовой смеси и частичного выделения (осаждения) диоксида титана.

Техническая характеристика:

рабочая среда - пылепарогазовая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO₂, H₂O, азот, и др.;

температура рабочей среды - 200...800С;

рабочее давление - 2,9 (300) кПа (мм вод. ст.);

диаметр стояка - 204 м;

высота - 7,35 м;

высота конической части - 3,95 м;

ширина конической части - 4,52 м.

Пылеосадительная камера состоит из двух полых цилиндрических вертикальных стояков, объединенных в нижней части общим конусом, снабжен двумя патрубками для входа и выхода ППГС и патрубком выгрузки уловленного диоксида титана. Стальной корпус футерован внутри термо-кислотоупорной керамической плиткой, снаружи охлаждается водой.

6). Циклоны.

Циклоны предназначены для выделения из ППГС диоксида титана.

Техническая характеристика:

рабочая среда - пылепарогазовая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO₂, H₂O, азот, и др.;

температура рабочей среды - 120...300С;

рабочее давление - 5 (500) кПа (мм вод. ст.);

высота - 2,9 м;

диаметр - 0,63 м .

Циклонная установка состоит из двух соединенных последовательно аппаратов, выполненных из сплава ВТ-1. Циклоны теплоизолированы снаружи шлаковой изоляцией и покрыты кожухом из листового алюминия. Аппараты снабжены патрубками входа и выхода ППГС, патрубок выгрузки диоксида титана оборудован шлюзовым затвором, патрубок выхода второго циклона соединен с рукавным фильтром.

Для исключения комкования диоксида титана, забивания и коррозии циклонов не допускается снижение температуры внутренней поверхности ниже 150С.

7). Рукавный фильтр.

Рукавный фильтр предназначен для тонкой очистки ППГС после циклонов, десорбера и сборников диоксида титана.

Техническая характеристика:

тип - РФ-120;

рабочая среда - пылепарогазовая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO₂, H₂O, азот, и др.;

температура рабочей среды - 150...200С;

разряжение - 4,8...5,8 (480...580) кПа (мм вод. ст.);

площадь поверхности рукавов - 120 м²;

регенерация - посекционная обратной отдувкой и встряхиванием.

Рукавный фильтр выполнен из стали марки 10Х18Н9Т, обогревается электронагревателями или топочными газами, теплоизолирован снаружи шлаковой изоляцией и покрыт кожухом из листового алюминия. Аппарат снабжен патрубками ввода и вывода ППГС. Изнутри аппарат покрыт асбестовой тканью на жидком стекле с добавкой диоксида титана. Фильтрующий материал рукавов - сетка металлическая. Патрубок выгрузки диоксида титана оборудован шлюзовым затвором, для исключения комкования диоксида титана, забивания и коррозии аппарата не допускается снижение температуры внутренней поверхности ниже 150С.

8). Десорбер.

Десорбер предназначен для удаления НCl, адсорбированного частицами диоксида титана - “сырца”, при взаимодействии с увлажненным воздухом в условиях кипящего слоя.

Техническая характеристика:

рабочая среда - кислый (рН=3,5) диоксид титана “сырец”, увлажненный воздух или топочные газы от сжигания природного газа.

температура рабочей среды - 600...700С.

9). Скруббер санитарный.

( см. раздел “Охрана труда”)

10). Сборник.

Сборник предназначен для приема, охлаждения воздухом и хранения диоксида титана перед загрузкой в тару.

Техническая характеристика:

рабочая среда - кислый диоксид титана, рН водной суспензии по ГОСТ 9808-84 составляет 1...3,5;

температура рабочей среды - 20...700С;

расход воздуха - 12000 м³/ч;

площадь поверхности теплообмена - 202 м²;

режим работы - периодический;

диаметр - 3660 м;

высота - 8700 м.

Сборник выполнен из сплава ВТ-1 в виде кожухотрубного теплообменника с воздухоохлаждаемой рубашкой на кожухе. В трубное пространство загружается охлаждаемый материал, в межтрубное пространство подается охлаждающий воздух. Сборник оборудован патрубками загрузки и выгрузки материала, входа и выхода воздуха в рубашку и межтрубное пространство.

3.4. Характеристика товарной продукции.

Марка товарного продукта в зависимости от содержания диоксида титана и контролируемых показателей определяется при испытаниях и согласовывается с потребителем.

Диоксид титана представляет собой белый порошок. Химическая формула - TiO₂. Насыпная масса - 100...500 кг/м³. Плотность диоксида титана в зависимости от модификации составляет:

анатаз - 3840 кг/м³;

рутил - 4260 кг/м³.

Диоксид титана инертен и практически устойчив к взаимодействию реагентов - разбавленных минеральных кислот, сероводорода, сернистого газа, органических кислот. Заметно растворяется в расплавленной буре и фосфатах.

При производстве диоксида титана обычно получают продукт анатазной или рутильной структуры. Обе эти модификации обладают одинаковой кристаллографической структурой, но имеют разные параметры кристаллической решетки, что и обуславливает различие их свойств.

Структурное изменение диоксида титана при нагреве имеет исключительно важное значение для ее практического использования. Температурный интервал и скорость превращения зависит от способа получения продукта и от содержания в нем примесей.

По физико-химическим свойствам диоксид титана должен соответствовать следующим требованиям:

Наименование показателей	Нормы для марки ДТР-1 ДТР-2 ДТР-3 ДТР-4	Метод испытания
1.Массовая доля диоксида титана, % не менее 2. Массовая доля рутильной формы, % не менее 3. Разбеливающая способность, усл. ед, не менее 4. Укрывистость г/м2, не более 5. Белизна, усл. ед. не менее 6. Массовая доля хлор-иона % не более	95 93 97 95 95 не нормируется 1500 - 1100 1000 40 40 40 40 94 91 96 94 0,5 1,0 0,5 1,0	По ГОСТ 9808-84 п.5.2 По ГОСТ 9808-84 п.5.3 По ГОСТ 9808-84 п.5.7 ГОСТ 9529-80 р.2 По ГОСТ 9808-84 п.5.8 ГОСТ 8784-75 По ГОСТ 9808-84 п.5.11

4. Основные решения по автоматизации. 4.1. Обоснование выбора системы приборов.

Устойчивое и эффективное функционирование систем управления невозможно без точной первичной информации о состоянии параметров объекта регулирования. Проблема заключается в жестких условиях эксплуатации средств автоматизации непосредственно контактирующих с сырьем и продуктами его переработки. Эти средства испытывают влияние агрессивной и абразивных сред, вибрационные нагрузки, подвергаются отложению твердых нерастворимых остатков, а также подвержены воздействию температуры и влажности окружающей среды.

Переход к оптимизации производства, созданию и внедрению автоматизированных систем управления с использованием вычислительной техники предъявляют повышенные требования к применяемым средствам автоматизации. Применение автоматизированных систем управления невозможно без развитой базы контрольно-измерительных приборов, первичных преобразователей, осуществляющих связь этих систем с объектами управления, а также без надежных исполнительных механизмов, реализующих управляющее воздействие. Таким образом внедрение автоматизированных систем управления должно сопровождаться созданием совершенных и надежных средств автоматизации.

Отличительная особенность эксплуатации аппаратуры автоматизации в металлургической промышленности является высокая агрессивность технологической среды. Надежность работы аппаратуры автоматизации снижает склонность среды к зашламлению, а также загрязненность технологических аппаратов и трубопроводов. Присутствие твердой фазы в жидких средах приводит к коррозии чувствительных элементов первичных преобразователей и проточной части регулирующих органов. Повышенная влажность воздуха, наличие в воздухе паров агрессивных сред и пыли приводят к ухудшению электрических характеристик изоляционных материалов и способствуют усилению коррозии приборов.

Для измерения текущих параметров технологического процесса и преобразования их в унифицированные сигналы выбраны электрические контрольно-измерительные приборы системы ГСП.

В качестве первичных преобразователей для измерения температуры выбраны термопары ТПП (1400°С), ТХА (600°С) с различной длиной монтажной части. В качестве средств для измерения расхода применяются приборы “Сапфир-22М” с различными пределами измерений. Данный выбор основан на том, что по своим техническим и эксплуатационным характеристикам эти приборы являются современными средствами измерения, основанными на совершенно новом принципе действия. Это положительно сказывается на повышении точности измерения разности давлений и преобразования в унифицированный сигнал.

Преобразование измеренных значений текущих параметров процесса в унифицированные сигналы необходимо для согласования приборов с контроллером. Кроме того электрические контрольно-измерительные приборы имеют более высокую чувствительность, быстродействие и надежнее в эксплуатации.

4.2. Выбор средств управления.

Каждый технологический процесс требует таких приборов, которые бы в лучшей мере выполняли возлагаемые на них функции. Этот фактор обуславливает широкий спектр автоматических регулирующих устройств.

Все регуляторы классифицируются по различным признакам. Этими признаками могут быть: вид используемой энергии (электрический ток, сжатый воздух, жидкость), закон регулирования, характер связи между входной и выходной величиной, исполнение (приборное, аппаратное, агрегатное).

Для реализации данной автоматизированной системы управления среди наиболее известных типов автоматических регуляторов подходит микропроцессорный контроллер “Ремиконт Р-130”.

Ремиконт Р-130 (далее Ремиконт) - это компактный, малоканальный, многофункциональный, микропроцессорный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами.

Предназначен для применения в различных отраслях промышленности.

Ремиконт эффективно решает как сравнительно простые, так и сложные задачи управления. Благодаря малоканальности он позволяет, с одной стороны, экономично управлять небольшим агрегатом и, с другой - обеспечить высокую живучесть крупных систем управления.

Ремиконт имеет три модели - регулирующее, логическую и непрерывно-дискретную. Регулирующая предназначена для решения задач автоматического регулирования, логическая - для реализации логических программ шагового управления, непрерывно-дискретная - для решения смешанных задач регулирования и логики.

Регулирующая модель позволяет вести локальное, каскадное, программное, супервизорное, многосвязное регулирование. В этой модели возможно вручную или автоматически включать, отключать, переключать и реконфигурировать контуры регулирования, причем все эти задачи решаются независимо от сложности структуры управления. В сочетании с обработкой дискретных сигналов эта модель позволяет выполнять также логические преобразования сигналов и вырабатывать не только аналоговые или импульсные, но и дискретные команды управления.

Логическая модель формирует логическую программу шагового управления с анализом условий выполнения каждого шага, заданием контрольного времени на каждом шаге и условным или безусловным переходом программы к заданному шагу. В сочетании с обработкой аналоговых сигналов эта модель позволяет также выполнять разнообразные функциональные преобразования аналоговых сигналов и вырабатывать не только дискретные, но и аналоговые управляющие сигналы.

Непрерывно-дискретная модель позволяет выполнять разнообразные преобразования как аналоговых, так и дискретных сигналов.

Все модели Ремиконта содержат средства оперативного управления, расположенные на лицевой панели контроллера, позволяющие вручную изменять режимы работы, устанавливать задание, управлять ходом выполнения программы, вручную управлять исполнительными устройствами, контролировать сигналы и индицировать ошибки.

Стандартные аналоговые и дискретные датчики и исполнительные устройства подключаются к Ремиконту с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

Ремиконты могут объединятся в локальную управляющую сеть “Транзит” кольцевой конфигурации, не требующие дополнительных устройств. В одну сеть может включаться как одинаковые, так и различные модели контроллеров.

Ремиконт прост в работе. Для работы с ним не нужно быть программистом. Процесс программирования прост и заключается в извлечения из памяти контроллера нужных алгоритмов, объединения их в систему заданной конфигурации и установления требуемых настроечных параметров.

Ремиконт представляет собой комплекс технических средств, в состав которого входит центральный микропроцессорный блок контроллера и ряд дополнительных блоков. Центральный блок преобразует аналоговую и дискретную информацию в цифровую форму, ведет обработку ее и вырабатывает управляющие воздействия. Дополнительные блоки используются для предварительного усиления сигналов термопар и термометров сопротивления, формирования дискретных выходных сигналов на напряжение 220 В, организации внешних соединений и блокировок.

5. Экспериментальная часть. 5.1. Планирование эксперимента.

При исследовании объекта регулирования особое внимание уделяют определению динамических и статических характеристик. Методы определения характеристик бывают активные, пассивные и аналитические.

Для проведения эксперимента выбирают основные параметры технологического процесса

Одними из основных параметров, подлежащих автоматическому регулированию, являются уровень TiCl₄ в кубе-испарителе и количество испаренного TiCl₄, отводимого из куба-испарителя.

Автоматическое регулирование питания куба-испарителя должно обеспечивать поддержание уровня TiCl₄ в заданных пределах, а также сохранению соотношения количества подаваемого TiCl₄ к испаренному TiCl₄ .

Так как куб-испаритель является герметизированной емкостью для простоты расчетов и удобства вычислений считаем, что количество испаренного TiCl₄ при поддержании уровня в заданных условиях находится в прямопропорциональной зависимости от подаваемого TiCl₄. Или другими словами, по расходу подаваемого TiCl₄ можно судить о количестве испаренного TiCl₄ .

Исследуя объект регулирования мы приходим к выводу, что это объект со связным регулированием.

Схема связного регулирования показана на рисунке 5.1.

n W_1.1 Qж

W_1.2

N W_2.2 Нк

Рисунок 5.1. Схема исследуемого объекта.

Qж - расход подаваемого TiCl₄

Qг - расход испаренного TiCl₄

N - мощность нагревателей

Нк - уровень TiCl₄ в кубе-испарителе

5.2 Проведение эксперимента.

Для получения кривой разгона по каналу “положение регулирующего клапана - расход TiCl₄” применим активный эксперимент.

Схема эксперимента изображена на рисунке 5.2.1.

TiCl ₄

FE FE

40б 40а

NS

40в

куб -испаритель

Ремиконт Р-130

Рисунок 5.2.1. Схема проведения эксперимента по каналу “положение

регулирующего клапана - расход TiCl₄”

Установленное оборудование состоит из :

прибора для измерения расхода РВК (поз.40а) ;

клапана регулирующего 1-7НЗ с мембранным пневмоприводом МИМ ППХ-250-25-05 В-П (поз.40в) ;

Ремиконта Р-130 соединенного с ПЭВМ.

С панели управления Ремиконта подаем 10 % скачок по расходу TiCl₄ путем совместного нажатия кнопок “РУ” и ““. На экране монитора получим динамическую характеристику. Зафиксируем значения этой характеристики.

В итоге получаем кривую разгона по каналу “положение регулирующего клапана - расход TiCl₄”. Замерим время переходного процесса в разомкнутой системе, оно составило 10 сек. с дискретностью 0,5 сек. Значения времени и величины расхода приведены в таблице 5.2.1.

По значениям таблицы строим кривую разгона по каналу “положение регулирующего клапана - расход подаваемого TiCl₄”.

График кривой разгона изображена на рисунке 5.2.2.

Таблица 5.2.1. Значения кривой разгона по каналу “положение регулирующего клапана - расход подаваемого TiCl₄”.

Время t,с	Расход TiCl4 м3/ч	Время t,с	Расход TiCl4 м3/ч
0,0	500	5,5	585
0,5	505	6,0	590
1,0	514	6,5	592
1,5	521	7,0	594
2,0	535	7,5	595
2,5	545	8,0	596
3,0	555	8,5	597
3,5	565	9,0	598
4,0	570	9,5	599
4,5	575	10,0	600
5,0	580

рис. 5.2.2. График кривой разгона по каналу “положение регулирующего клапана - расход TiCl₄”.

Две другие кривые разгона вычисляем аналитически, зная математические зависимости между исходными данными.

Для этого схему объекта исследования, изображенную на рисунке 5.1 рассмотрим более детально. Схема изображена на рисунке 5.2.3.

X₁ Q_ж Q_ж

W₁

X₂ Q_исп.  Н_к

ИМ W₂ W₃

Рисунок 5.2.3. Схема объекта исследования.

где:

Х₁ - положение регулирующего клапана ;

Х₂ - мощность электронагревателей ;

Q_ж - количество подводимого TiCl₄ ;

Q_исп. - количество испаренного TiCl₄ ;

Н_к - уровень в кубе-испарителе.

Как видно из схемы необходимо рассчитать кривую разгона по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄” и кривую по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе”.

Рассчитываем кривую разгона по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄”(Х₂ - Q_исп.).

Запишем уравнение теплового баланса в дифференциальной форме, в которое входят необходимые переменные.

mcdT + K(Tk. - Тo.c.)dt = Ndt

Поделим обе части уравнения на Кdt. Получим следующее:

(1)

где:

m - масса подаваемогоTiCl₄ (кг);

с - теплоемкость TiCl₄ (Дж/Кс) ;

Тk - температура в кубе-испарителе (К) ;

То.с. - температура окружающей среды (К) ;

N - мощность электронагревателей (кВт) ;

К - коэффициент теплоотдачи (Дж/Кс) .

Зная конструктивные размеры куба-испарителя производим необходимые расчеты:

V_к = 1,5 м³ m =V_к   = 1730  1,5 = 2595 (кг) ,

где :

V_к - объем куба-испарителя ;

 - плотность TiCl₄ .

К=96923,25 Дж/Кс с = 747 Дж/Кс

Полученные данные подставим в уравнение (1).

Получим дифференциальное уравнение вида :

Решением данного дифференциального уравнения является функция:

, где Т = 20,14  20 с .

Подставляя время получаем кривую разгона по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄”.

Полученные данные приведены в таблице 5.2.2. По данным из таблицы 5.2.2. строим график кривой разгона по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄”,приведенный на рисунке 5.2..4.

Таблица 5.2.2. Значения кривой разгона по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄”.

Время t,с	Значения функции	Время t,с	Значения функции
0	0,00	35	0,83
5	0,22	40	0,86
10	0,39	45	0,89
15	0,53	50	0,92
20	0.63	55	0,94
25	0,71	60	0,95
30	0,78	65	0,96

Рисунок 5.2.4. График кривой разгона по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄”.

Рассчитываем кривую разгона по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе”.

Запишем уравнение изменения уровня в кубе-испарителе в дифференциальной форме :

F = Q_ж - Q_исп. ,

где :

F - площадь зеркала испарения (м²) ;

- скорость изменения уровня (м/с).

Площадь зеркала испарения F рассчитываем математически, зная конструктивные размеры куба-испарителя. Расчет ведется при заданном уровне 90 мм.

Длина куба-испарителя - 1,508 м. Ширину зеркала испарения при заданном уровне 90 мм рассчитываем геометрически. Схема расчета приведена на рисунке 5.2.5.

б

Н_к _куба

Рисунок 5.2.5. Схема расчета ширины площади зеркала испарения.

Из расчета получается, что она равна 0,86 м. Следовательно площадь зеркала испарения равна :

F = l  б = 1,508  0,86 = 1,75 м².

Подставляем полученные данные в дифференциальное уравнение изменения уровня, при этом берем изменение количества TiCl₄ равным 100 м³/ч.

1,75  = 100

Получаем дифференциальное уравнение вида = 57,14.

Решением данного дифференциального уравнения является функция вида :

Н = 57,14  t .

Подставляя время получаем кривую разгона по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе”.

Полученные данные приведены в таблице 5.2.3. По данным из таблицы 5.2.3. строим график кривой разгона по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе”, приведенный на рисунке 5.2.6.

Таблица 5.2.3. Значения кривой разгона по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе”.

Время t,с	Значения функции	Время t,с	Значения функции
0,00	0,00	1,25	71,42
0,25	14,29	1,50	85,71
0,50	28,57	1,75	100,00
0,75	42,86	2,00	114,28
1,00	57,14	2,10	119,90

Рисунок 5.2.6. График кривой разгона по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе”.

6. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 6.1. Аппроксимация переходных процессов. 6.1.1. Аппроксимация кривой переходного процесса объекта по каналу “положение регулирующего органа - расход TiCl₄”

Определение передаточной функции объекта по основному каналу проводим по кривой разгона, полученной в разделе 5.2 проекта.

Значения точек кривой приведены в таблице 5.2.1, а график функции - на рисунке 5.2.2 .

Из графика переходного процесса видно, что этот объект обладает свойством самовыравнивания, потому расчёт передаточной функции будем проводить в программе Linreg .

Перед вводом точек кривой переходного процесса в программу, функции необходимо привести к безразмерному виду.

Это легко сделать в программе идентификации объектов управления, используя команду "нормировать".

Значения нормированной кривой приведены в таблице 6.1.1,

График нормированной кривой - на рисунке 6.1.1.

Таблица 6.1.1. Значения нормированной кривой по каналу “положение регулирующего органа - расход TiCl₄”

Время t,с	Значение функции	Время t,с	Значение функции
0,0	0,0000	5,5	0,8477
0,5	0,0695	6,0	0,8874
1,0	0,1490	6,5	0,9161
1,5	0,2395	7,0	0,9360
2,0	0,3444	7,5	0,9492
2,5	0,4492	8,0	0,9603
3,0	0,5475	8,5	0,9702
3,5	0,6302	9,0	0,9801
4,0	0,6965	9,5	0,9901
4,5	0,7515	10,0	1,0000
5,0	0,8013

рис. 6.1.1. График нормированной кривой по каналу каналу “положение регулирующего клапана - расход TiCl₄”.

После расчёта передаточной функции в Linreg получаем:

Коэффициент передачи объекта по каналу каналу “положение регулирующего органа - расход TiCl₄” составляет:

К_пер. = (Х_max. - Х₀ )/ w ,

где :

Х_max.- максимальное значение выходной величины, расход TiCl₄ ;

Х₀- начальное значение выходной величины, расход TiCl₄ ;

w - величина внешнего возмущения, w = 10 %.

К_пер. = (600 - 500) / 10 = 10

6.1.2. Аппроксимация переходного процесса объекта по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄”. .

Аппроксимацию переходного процесса по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄” проводим в той же последовательности, проведенной при аппроксимации переходного процесса по каналу “положение регулирующего органа - расход TiCl₄”. Это связано с тем, что данный объект как и предыдущий имеет свойство самовыравнивания.

Значения нормированной кривой приведены в таблице 6.1.2.

График нормированной кривой изображен на рисунке 6.1.2.

Таблица 6.1.2. Значения нормированной кривой по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄”.

Время t,с	Значения функции	Время t,с	Значения функции
0	0,0000	35	0,8564
5	0,2049	40	0,8949
10	0,3905	45	0,9264
15	0,5342	50	0,9545
20	0,6462	55	0,9755
25	0,7338	60	0,9895
30	0,8039	65	1,0000

рис. 6.1.2 График нормированной кривой по каналу каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄”.

Передаточная функция кривой разгона изображенной на рисунке 6.1.2. имеет вид :

Коэффициент передачи объекта по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄” составляет:

К_пер. = ( Х_max - X₀ )/ w

К_пер. = (0,96 - 0)/ 10 = 0.096

6.1.3. Аппроксимация переходного процесса по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе”.

Аппроксимацию переходного процесса по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе” проводить нет необходимости, так как кривая разгона по каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе” представляет собой интегральную прямую (рисунок 5.2.6. раздела 5.2.).

6.2. Проверка аппроксимации переходных процессов. 6.2.1. Проверка аппроксимации переходного процесса по каналу “положение регулирующего органа - расход TiCl₄”.

Проверку аппроксимации переходных процессов проводим с целью определения точности аппроксимации, путём получения переходного процесса "обратным путём". То есть - по полученным в разделе 6.1 передаточным функциям получаем кривую переходного процесса и сравниваем эту кривую с исходной. В идеальном случае - обе кривые должны совпасть.

Передаточная функция объекта по каналу “положение регулирующего органа - расход TiCl₄”равна:

Для определения переходного процесса воспользуемся программой Aproc - нахождение уравнения реакции системы на ступенчатое возмущение методом Карсона-Хевисайда. После ввода в программу коэффициентов передаточной функции, получим следующее математическое выражение реакции системы на единичное ступенчатое воздействие y(t):

y(t) = 1 + 3,39  cos(4,46 - 0,15  t)  e ^{-0,59 t}

Оформляем таблицу 6.2.1, в которой :

1 столбец - значения времени, с;

2 столбец - значения исходной кривой разгона, приведенной к безразмерной форме ;

Х_норм. - значения точек нормированной кривой, приведенных в таблице 6.1.1 ;

3 столбец - значения функции y(t) ;

4 столбец - абсолютная погрешность А, вычисленная по формуле:

А = Х_норм.(t) - y(t);

5 столбец - абсолютное значение разности квадратов Х_норм.(t) и y(t).

На рисунке 6.2.1 изображены исходная кривая переходного процесса и кривая, полученная преобразованием передаточной функции объекта (по данным столбцов 1 - 3 таблицы 6.2.1).

В 6 столбец записываем среднеквадратичное отклонение для двух функций, СКО = 0,007. Максимальная абсолютная погрешность составляет 3,16 %.

Таблица 6.2.1.

Время t,c	Хнормир. (t)	Y(t)	Абс.погреш- ность А	Разность квадратов Х2норм.-Y2(t)	СКО
0,0	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	-0,0502
0,5	0,0695	0,0379	0,0316	0,0183
1,0	0,1490	0,1253	0,0255	0,0065
1,5	0,2395	0,2344	0,0051	0,0024
2,0	0,3444	0,3479	-0,0035	-0,0024
2,5	0,4492	0,4560	-0,0068	-0,0062
3,0	0,5475	0,5537	-0,0062	-0,0068
3,5	0,6302	0,6389	-0,0087	-0,0110
4,0	0,6965	0,7112	-0,0147	-0,0207
4,5	0,7517	0,7713	-0,0196	-0,0299
5,0	0,8013	0,8206	-0,0193	-0,0313
5,5	0,8477	0,8603	-0,0126	-0,0215
6,0	0,8874	0,8921	-0,0047	-0,0084
6,5	0,9161	0,9172	-0,0011	-0,0020
7,0	0,9360	0,9369	-0,0009	-0,0017
7,5	0,9492	0,9522	-0,0030	-0,0057
8,0	0,9603	0,9640	-0,0037	-0,0071
8,5	0,9702	0,9731	-0,0029	-0,0056
9,0	0,9801	0,9800	0,0001	-0,9410
9,5	0,9901	0,9852	0,0049	0,0195
10,0	1,0000	0,9881	0,0119	0,02370

рис 6.2.1. Проверка аппроксимации переходного процесса по каналу “положение регулирующего органа - расход TiCl₄”.

6.2.2. Проверка аппроксимации кривых переходного процесса по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄” и каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе”.

Проверку аппроксимации кривых переходного процесса по каналу “мощность электронагревателей - количество испаренного TiCl₄” и каналу “разность количеств подаваемого и испаренного TiCl₄ - уровень в кубе-испарителе” не производим, так как они были получены аналитически из математических зависимостей.

9. Построение математической модели и оптимизация технологического процесса. Выбор критерия оптимальности.

Частной задачей вопроса автоматизации является оптимизация работы куба-испарителя, поэтому в задаче

6. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 6.1. Аппроксимация переходных процессов. 6.1.1. Аппроксимация кривой переходного процесса объекта по основному каналу.

Определение передаточной функции объекта по основному каналу проводим по кривой разгона, полученной в разделе 5.2 проекта.

Значения точек кривой приведены в таблице 5.2.1, а график функции - на рисунке 5.2.1.

Так как исследуемый объект, как видно из графика переходного процесса, обладает свойством самовыравнивания, - расчёт передаточной функции будем проводить в программе Linreg . Перед вводом точек кривой переходного процесса в программу, функции необходимо привести к безразмерному виду. Это легко сделать в программе идентификации объектов управления , используя команду "нормировать". Значения нормированной кривой приведены в таблице 6.1.1, график нормированной кривой - на рисунке 6.1.1.

Таблица 6.1.1.

Время t,c.	Значен. функц.	Время t,c.	Значен. функц.	Время t,c.	Значен. функц.	Время t,c.	Значен. функц.
0	0	12	0,5293	24	0,904	36	0,9847
1	0	13	0,5763	25	0,9173	37	0,9867
2	0,0017	14	0,624	26	0,931	38	0,9883
3	0,0167	15	0,6687	27	0,9393	39	0,992
4	0,0467	16	0,709	28	0,947	40	0,994
5	0,0933	17	0,7457	29	0,9533	41	0,996
6	0,1433	18	0,7787	30	0,9597	42	0,9963
7	0,2083	19	0,808	31	0,9653	43	0,9967
8	0,277	20	0,8297	32	0,9707	44	0,9977
9	0,346	21	0,8517	33	0,976	45	1,000
10	0,411	22	0,8723	34	0,98	46
11	0,4713	23	0,889	35	0,983	47

рис. 6.1.1. График нормированной кривой по основному каналу

После расчёта передаточной функции в Linreg получаем:

Коэффициент передачи объекта по основному каналу составляет:

К_в.к. = (Х_max. - Х₀ )/ w , где

Х_max.- максимальное значение выходной величины, рН;

Х₀- начальное значение выходной величины, рН;

w - величина внешнего возмущения, w = 10 %.

К_в.к. = (12.05 - 2.05) / 10 = 1,0

6.1.2. Аппроксимация переходного процесса объекта по внутреннему каналу .

Аппроксимацию переходного процесса по внутреннему каналу проводим в последовательности, проведенной при аппроксимации переходного процесса по основному каналу, так как оба объекта имеют свойство самовыравнивания.

Значения нормированной кривой приведены в таблице 6.1.2. График нормированной кривой на рисунке 6.1.2.

Таблица 6.1.2.

Время t,c	Значение функции
0	0,000
1	0.0256
2	0,0513
3	0,0798
4	0,1311
5	0,2194
6	0,3476
7	0,4786
8	0,5983
9	0,698
10	0,8006
11	0,8989
12	0,9993
13	1,000

После расчета передаточной функции в Linreg получаем передаточную функцию следующего вида:

Коэффициент передачи по внутреннему каналу составляет:

К_пер. = ( Х_max - X₀ )/ w

К_пер. = ( 3.9 - 2.05 )/ 10 = 0.145

рис. 6.1.2 График нормированной кривой по внутреннему каналу