Автоматизация колонн получения биоэтанола

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УГНТУ»

Кафедра автоматизации химико-технологических процессов

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу «Системы управления химико-технологическими процессами»

на тему

«Проектирование системы управления колонн установки получения биоэтанола»

Выполнил ст.гр. ТБ-04-01

Позолотина Н.В.

Проверил Пручай В.С.

Уфа 2008

Исходные данные

 

1.   Промышленная микробиология: Учеб. пособие для вузов по спец. «Микробиология» и «Биология» / З. А. Аркадьева, А. М. Безбородов, И. Н. Блохина и др. Под ред. Н.С. Егорова.- М.: Высш. шк., 1989.- С. 426-430

2.   Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств / Ю.И. Холькин.– М.: Лесная пром-сть, 1989. –496 с.

3.   Маринченко В. А. Технология спирта / В.А. Маринченко– М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. – 416 с. ГОСТ 21.404 – 85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации.

4.   Автоматизация технологических процессов: методические указания к курсовому и дипломному проектированию / Составитель: Л.Г.Дадаян. – Уфа: Изд.УНИ, 1985.-22с.

5.   Приборы и средства автоматизации. Каталог. 7 томов. 2004.

6.   Номенклатурный каталог продукции промышленной группы Метран.2005.

7.   Курс лекций по СУХТП.

8.   Интернет

Содержание

Введение

1. Общая характеристика технологического процесса и задачи его автоматизации

2. Описание схемы процесса

3. Анализ процесса как объекта управления

3.1 Выбор параметров контроля

3.1.1 Расход

3.1.2 Качество

3.2 Выбор и обоснование параметров контроля и регулирования

3.2.1 Температура

3.2.2 Расход

3.2.3 Уровень

3.3 Выбор сигнализируемых параметров и ПАЗ

3.3.1 Давление

3.3.2 Уровень

3.4 Выбор параметров защиты и блокировки

4. Выбор технических средств автоматизации

4.1 Датчики температуры

4.2 Датчики давления

4.3 Датчики уровня

4.4 Датчики расхода

4.5 Датчики качества

4.6 Регуляторы

4.7 Дисплейная станция

4.8 Вспомогательные преобразователи

4.9 Исполнительные механизмы

5. Описание схем автоматизации

5.1 Описание схем контроля

5.1.1 Контроль расхода

5.1.2 Контроль качества

5.2 Описание схем контроля и регулирования

5.2.1 Контроль и регулирование расхода

5.2.2 Контроль и регулирование температуры

5.2.3 Контроль и регулирование уровня

5.3 Описание схем контроля, регулирования и сигнализации

5.3.1 Контроль, регулирование и сигнализация уровня

5.3.2 Контроль и сигнализация давления

5.4 Описание подсистемы противоаварийной защиты (ПАЗ)

5.4.1 Контроль и блокировка по температуре электродвигателя насоса

6. Спецификация на средства автоматизации

Заключение

Список используемых источников

Введение

Для обеспечения наиболее устойчивой и производительной работы предприятия необходимо точное соблюдение режима ведения процесса.

Задачи автоматизации производства сводятся к разработке алгоритма управления и реализации его техническими средствами автоматики, обеспечивающими оптимальность показателей технико-экономической эффективности.

По мере осуществления автоматизации производства сокращается тяжёлый физический труд, уменьшается численность рабочих, непосредственно занятых в производстве, увеличивается производительность труда. К тому же, внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции. Автоматизация производства обеспечивает также сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение капитальных затрат на строительство зданий, удлинение срока межремонтного пробега оборудования.

В автоматизированном производстве роль человека сводится к составлению режимов и программ протекания технологических процессов, к контролю за работой приборов.

В данной работе проектируется система автоматизации колонн К-2 и К-3 установки по производству биоэтанола. Для этого используются современные средства автоматизации, которые обеспечивают требуемое качество продуктов, соблюдение норм техники безопасности, исключают ручной труд.

Наличие легколетучих взрывопожароопасных сред предъявляет повышенные требования к строгому соблюдению всех параметров ведения технологического процесса проектируемой установки. Во избежание возникновения аварийных ситуаций в системе автоматизации по возможности применяются приборы с взрывозащитой.

1. Общая характеристика технологического процесса и задачи его автоматизации

В эпоху промышленного прогресса спирт широко применяют как растворитель, экстрактант, антифриз и химическое сырье для производства синтетического каучука. В настоящее время в нашей стране в нашей стране большая часть этилового спирта используется на технические нужды, остальная – в медицине и для других целей.

Истощение запасов нефти и газа поставило перед наукой важнейшую задачу – разработать способы получения новых видов топлива, в первую очередь восполнить нехватку бензина. Недостаток в нем особенно остро ощущается в странах Америки и Западной Европы. Изыскание новых энергетических ресурсов – одна из наиболее актуальных проблем современности. Этиловый спирт – горючее, которым частично можно заменить бензин, его можно добавлять к бензину (10% и больше). Смесь спирта и бензина (газойль) используется как топливо для автомобильного транспорта. Полагают, что при этом уменьшается загрязнение окружающей среды выхлопными газами, происходящее при неполном сгорании бензина, так как спирт полностью окисляется до СО₂ и Н₂О. По-видимому, производство моторного этанола путем брожения займет значительное место в странах, имеющих предпосылки для получения дешевого растительного сырья: почвенно-климатические условия, благоприятные для высоких урожаев сельскохозяйственных культур, а также быстрорастущих древесных пород.

В процессе спиртового брожения наряду с основным продуктом брожения – этанолом образуются побочные продукты: глицерин, высшие спирты, сивушные масла, альдегиды, органические кислоты, эфиры, углекислый газ. Большинство из них находит практическое использование. Сивушное масло и эфиро-альдегидную фракцию выделяют при ректификации этилового спирта и выпускают в виде технических продуктов. Углекислый газ улавливают, очищают от сопутствующих примесей и превращают в жидкую углекислоту. Ее используют в разных целях, в том числе для газирования воды, пива и безалкогольных напитков; применяют при сварочных работах как защитный агент против окисления швов, а также в литейном и других производствах. Сухой лед, получаемый из сжиженного углекислого газа, применяют в качестве хладоагента в пищевой промышленности, медицине, машиностроении и энергетике. Выделенная после брожения биомасса дрожжей утилизируется в хлебопечении, а на барде после отгонки спирта выращивают кормовые дрожжи.

Сырьем для производства спирта служат разнообразные растительные материалы, содержащие в достаточном количестве сбраживаемые сахара или другие углеводы, которые можно осахарить. Наиболее широко используются крахмалосодержащие материалы – зерно (рожь, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, просо) и картофель, сахаросодержащие материалы – меласса (отход сахарного и крахмало-паточного производства), дефектная сахарная свекла, а также древесина и отходы сельскохозяйственных растений. Дальнейшее увеличение производство спирта будет идти в основном по пути увеличения мощностей предприятий, использующих непищевое сырье.

Сырьем для получения технического спирта могут служить гидролизаты древесины и других растительных отходов. Древесина хвойных и лиственных пород содержит от 40 до 75% полисахаридов. Различают легко- и трудногидролизуемые полисахариды. Легкогидролизуемые полисахариды состоят из гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Трудногидролизуемые полисахариды содержат целлюлозу с небольшой примесью гемицеллюлоз.

Растительное сырье под давлением подвергают кислотному гидролизу. Полученный гидролизат содержит 3,2 – 3,5% редуцирующих сахаров, преимущественно глюкозу, в небольших количествах галактозу и маннозу, а также пентозы – ксилозу, арабинозу, рамнозу.

Для сбраживания древесных гидролизатов используют ряд рас Sacch. cerevisiae и Schizosaccharomyces. Последние более полно сбраживают галактозу, чем сахаромицеты, и поэтому дают более высокий выход спирта. Брожение проводят по непрерывно-поточному способу при высокой концентрации биомассы (17-25 г/л).

Присутствующие в гидролизате вредные примеси играют роль антисептиков – подавляют развитие посторонних микроорганизмов. Поэтому на гидролизных спиртовых заводах отсутствуют установки для размножения чистых и производственных культур дрожжей, а одни и те же дрожжи используют на протяжении многих месяцев.

Зрелая бражка, полученная в результате брожения, содержит 1,0-1,5% этанола и побочные продукты брожения, несброженные сахара и другие органические вещества. При перегонке бражки и ректификации гидролизного спирта не удается полностью избавиться от этих примесей; гидролизный спирт (ректификат) содержит до 0,05-0,1% метанола и несколько большее количество кислот, сложных эфиров и альдегидов, чем ректификат из пищевого сырья.

При традиционном способе получения этанола из гидролизатов древесины и отходов сельскохозяйственных растений значительная часть моносахаридов, в основном ксилозы, остается неиспользованной. Выявлены дрожжи Pachysolen tannophilus, Candida shehatae (син. Pichia stipitis) и другие, способные сбраживать ксилозу с образованием этанола.

Процесс выделения спирта является пожаро- и взрывоопасным, поскольку промежуточные и конечные продукты его – легколетучие и легковоспламеняющиеся.

Основными задачами системы автоматизации установки являются:

1) сбор информации об измеряемых технологических параметрах (температуре, давлении, уровне, расходе, качестве продуктов);

2) выработка управляющих воздействий на процесс с целью поддержания их на заданном значении;

3) сигнализация по выходе особо значимых параметров за заданные пределы;

4) обеспечение противоаварийной защиты процесса по факту аварийных событий.

2. Описание схемы процесса

Технология производства этилового спирта из растительного сырья (отходы древесины хвойных и лиственных пород и сельского хозяйства) основана на кислотном способе гидролиза.

Предварительно подготовленное сырье (опилки, солома и т.д.) подаются шнековым транспортером (Тр) в верхнюю горловину гидролизаппарата (Га). Для повышения плотности загрузки сырья и его пропитки одновременно с сырьем подается нагретый до 80-90 ^оС 0,5-0,8%-ный раствор H₂SO₄. Давление в гидролизаппарате составляет 1,6 МПа.

Концентрированную кислоту из мерника (М) плунжерным насосом (Н-1) через обратный клапан подают в смеситель на верхнем конусе гидролизаппарата, где она разбавляется горячей водой до нужной концентрации. Применяемые смесители с фторопластовыми кольцами и шайбами должны обеспечивать хорошее перемешивание воды и кислоты. Хранение концентрированной серной кислоты проводится в стальных вертикальных резервуарах вместимостью 300 м³.

Нагрев воды, направляемой на гидролиз, осуществляют в водогрейной колонке (Вк).

Гидролизат, отбираемый из гидролизаппарата, имеет температуру в пределах 150-185 ^оС. Перед поступлением в нейтрализационное отделение его необходимо охладить примерно до 100 ^оС, пропуская через испаритель (И), в котором давление снижается до атмосферного, в результате чего температура тоже понижается. Часть гидролизата при этом превращается в пары, с которыми уходит значительная часть летучих продуктов. В пары самоиспарения переходят до 50% фурфурола, метанол, скипидар и другие вещества [2].

Охлажденный гидролизат поступает в нейтрализатор (Нр), куда насосами (Н-2, Н-3, Н-4, Н-5) подаются сульфат аммония, диаммоний фосфат, хлористый калий, аммиачная вода соответственно. Нейтрализат подается насосом (Н-6) в отстойник (От), откуда осветленное нейтрализованное сусло собирают в сборник (Сб) и насосом (Н-7) подают в теплообменник (Т-1) и далее при температуре 22-24°С в бродильное отделение.

Для приготовления производственных дрожжей 8 % сусла подают в дрожжанки (Др-1 и Др-2), сюда же подают засевные дрожжи в количестве 8-12% по объёму сусла и оставляют на брожение, поддерживая температуру 26-28°С. Продолжительность брожения, составляет 18-24 часа.

Дрожжи считают готовыми, когда концентрация сухих веществ в сбраживаемой среде составляет 1/3 от исходного содержания, и при этом соблюдают чистоту брожения, нарастание кислотности в производственных дрожжах не допускают. Отбродившие дрожжи передают во взбраживатель (Вз), куда одновременно набирают охлаждённое сусло и оставляют на брожение. Время брожения 12 часов. После взбраживателя содержимое поступает в бродильные чаны (Бр).

Спиртовое брожение проводится в анаэробных условиях при температуре 32-34°С в течении 5-7 часов и концентрации дрожжей в культуральной жидкости 20-30 г/л. Сбраживание сусла осуществляют циклическим способом в батарее, состоящей из бродильных чанов. В результате брожения образуется спиртовая бражка, содержащая 1 - 2% этанола и диоксид углерода. Диоксид углерода (СО₂), выделяющийся при брожении, поступает в спиртоловушку (Сп), из которой спиртоводную жидкость отводят в сборник бражки (Е-5) [3].

Выделение спирта из бражки и последующая очистка спирта-сырца производится в брагоректификационной установке непрерывного действия, состоящей из трех колонн: ректификационной (К-1), дегидратационной (К-2), спиртовой (К-3).

Готовая бражка насосом (Н-10) подаётся в дефлегматор (Т-2), где нагревается теплом конденсации водно-спиртовых паров сырцовой ректификационной колонны (К-1) до температуры 75-85 ^оС.

Нагретая бражка поступает на тарелку питания колонны (К-1).

Нижняя часть колонны (бражная или отгонная) служит для извлечения спирта из бражки. Она обычно имеет 18-20 тарелок, по которым бражка стекает сверху вниз. Извлечение спирта и летучих примесей осуществляется встречным потоком пара, вводимым через барботёр в нижнюю часть бражной колонны. Бражка, освобожденная от спирта, именуемая бардой, непрерывно выводится из колонны.

В верхней части колонны (спиртовой или укрепляющей) обычно устанавливают 10 ситчатых или многоколпачковых тарелок, на которых флегма, стекая из дефлегматора, вступает в контакт с поднимающимся из бражной части колонны водно-спиртовым паром. В результате извлечения спирта из флегмы происходит укрепление его в поднимающемся по колонне паре.

Спиртовой пар крепостью около 88 об. % из колонны поступает в дефлегматор (Т-2), где конденсируется, отдавая тепло бражке, образуя флегму.

Сконденсировавшиеся водно-спиртовые пары с сопутствующими примесями спирта образуют спирт-сырец, который поступает в установку для абсолютирования спирта [3].

Для абсолютирования спирта пользуются методом тройных нераздельнокипящих (азеотропных) смесей. Суть метода заключается в следующем: к спирту прибавляют бензол. Тройная смесь этанол-вода-бензол образует азеотропную смесь, которая имеет температуру кипения при атмосферном давлении 64,8 ^оС, в состав смеси входит 18,5% (по массе) этанола, 7,4% воды и 74,1% бензола.

В азеотропную (или дегидратационную) колонну (К-2) подают спирт-сырец крепостью 88% (по объему) и бензол из декантатора (Д). Из верхней части колонны отгоняется азеотроп этанол-вода-бензол; из кубовой части колонны отводится абсолютный этанол. Обогрев колонны осуществляется глухим паром. Число многоколпачковых тарелок 60-65, в том числе в укрепляющей части 10 тарелок. После конденсации и охлаждения в дефлегматоре (Т-3) азеотропная смесь поступает в декантатор, где расслаивается на верхний слой, состоящий в основном из бензола (при 15 ^оС содержит 85% бензола, 13,3% этанола и 1,7% воды) и нижний слой, состоящий из смеси этанола и воды (при 15 ^оС содержит 49,7% этанола, 41,3% воды и 9% бензола). Верхний слой возвращается в дегидратационную колонну, а нижний поступает в спиртовую колонну. В спиртовой (отгонной) колонне (К-3) этанол укрепляется и вместе с бензолом возвращается в колонну (К-2). Из кубовой части колонны (К-3) отбирается лютерная вода. Число многоколпачковых тарелок в спиртовой колонне 60-65, в том числе 40-43 в концентрационной части [2].

Потери бензола в системе периодически восполняются путем его подачи в декантатор. Расход бензола составляет 0,01 кг на 1 дал абсолютного этанола, пара 35-40 кг/дал. Потери этанола при абсолютировании около 1% от исходного количества.

3. Анализ процесса как объекта управления 3.1 Выбор параметров контроля

В колоннах К-2 и К-3 необходимо осуществлять контроль следующих основных технологических параметров:

- расход потоков, теплоносителей и хладагентов;

- качество этанола;

- давление в колоннах.

3.1.1 Расход

Необходимо контролировать расход входящих и выходящих из колонны продуктов, а также расход смеси этанол+бензол из колонны К-3, расход бензола, подаваемого в качестве холодного орошения колонны К-2. Кроме того, следует контролировать расход хладогента в теплообменниках Т-3 и Т-4 и пара для обогрева колонн.

3.1.2 Качество

Необходимо контролировать качество этанола, выходящего из колонны К-2, на содержание в нем бензола.