автоматизация_процесса_первой_стадии_нейтрализации_фосфорной_кис. 1 Постановка задачи

• Название: 1 Постановка задачи
• Дата: 25.05.2023
• Размер: 4.09 Mb.
• Имя файла: автоматизация_процесса_первой_стадии_нейтрализации_фосфорной_кис.doc
• Тип: Реферат; #1158325
• страница: 3 из 7

1 – растворимость; 2 – плотность; 3 – вязкость; 4 – рН раствора.

Рисунок 9 - Зависимость физико-химических свойств насыщенных растворов ДАФ от мольного отношения NН₃: Н₃РО₄ при 25 ºС

Образование комплексных соединений происходит при низких значениях рН.

Поэтому, чтобы избежать образования неусвояемых солей, процесс нейтрализации фосфорной кислоты необходимо вести при рН не ниже 4.

Для стабилизации уровня pH разработаем систему автоматического регулирования расхода аммиака и фосфорной кислот.

Результатом создания автоматизированной системы является повышение эффективности функционирования технологического комплекса за счет улучшения системы регулирования и контроля подачи исходной кислоты и расхода аммиака в нейтрализаторе. Условием достижения поставленной цели является улучшение качества получаемой пульпы на выходе из САИ.
2 ОПИСАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЦЕССА ПЕРВОЙ

СТАДИИ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ. ТРЕБОВАНИЯ К АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА

2.1 Описание автоматизированного процесса первой стадии нейтрализации фосфорной кислоты
Система автоматического управления технологическим процессом первой стадии нейтрализации (рисунок 10) состоит из следующих элементов:

- микропроцессора, выполняющего функции задатчика, сравнивающего устройства, корректирующего устройства;

- пускателя бесконтактного реверсивного и частотного преобразователя, использующегося в качестве элемента управления;


l


Микропроцессор (МК), усилитель (У), электродвигатель (ЭД), регулировочный клапан (PK), частотный преобразователь (ЧП), двигатель (ДВ),

насос (Н), скоростной аммонизатор-испаритель (САИ), датчик расхода кислоты и аммиака (ДР1,Д2), датчик pH (ДрН).

Рисунок 10 - Функциональная схема системы автоматического регулирования кислотности пульпы

- измерительного органа – расходомера и рН-метра;

- насоса и электродвигателя, использующихся в качестве исполнительного механизма;

- рабочей емкости САИ;

- регулирующего клапана.

Регулирование расхода кислоты и аммиака производится следующим образом: посредством микропроцессора устанавливается требуемое значение регулируемой величины – pH пульпы.

Работает система следующим образом (рисунок 11). В микроконтроллере устанавливается требуемый уровень значения pH пульпы. Сигнал поступает на двигатель насоса. Частотным преобразователем задается количество обратов двигателя, тем самым регулируется подача жидкости. Насос начинает закачивать в циркуляционную трубу САИ фосфорную и серную кислоты.

Р
Газы на
асход кислоты контролируется расходомером, установленным на трубопроводе к САИ. Регулирование расхода осуществляется частотой оборотов двигателя насоса.


очистку

H₃PO₄

H₂SO₄


На сушку

NH₃(ж)


Рисунок 11 – Схема узла нейтрализации

Реактор САИ представляет собой стальной цилиндрический цилиндр (рисунок 12). Реакционная труба имеет штуцер для ввода аммиака, циркуляционная – штуцер для ввода фосфорной кислоты и серной кислоты. Сигнал, поступающий с микроконтроллера через пусковой бесконтактный реверс подается на электродвигатель, активирующий регулировочный клапан.



1 - реакционная камера; 2 - циркуляционная труба; 3 - сепаратор.

Рисунок 12 – Скоростной аммонизатор-испаритель (САИ)

Регулировочный клапан может, работает и в отсечном режиме.

Начинается подача аммиака. Расход аммиака контролируется расходомером, установленным на трубопроводе к САИ. Расход аммиака может регулироваться согласно заданию, по соотношению с расходом фосфорной кислоты и в зависимости от рН пульпы на выходе из САИ.

В результате многократной циркуляции пульпы в САИ происходит постепенная аммонизация до оптимального мольного отношения NН3: Н3РО4=1.35÷1.45, что предотвращает бурное кипение и потери аммиака.

На выходе из реактора САИ установлен pH метр, который измеряет рН пульпы и сравнивает со значением в микроконтроллере. В случае несоответствия заданному значению pH производится регулировка аммиака и кислоты насосом и заслонками.

Избыток парогазовой смеси направляется в систему абсорбции и в атмосферу. Таким образом, упрощенная функциональная схема САР примет вид (рисунок 13).


l


Рисунок 13 – Структурная схема системы автоматического регулирования кислотности пульпы
2.2 Требования к автоматизации процесса первой стадии нейтрализации фосфорной кислоты
2.2.1 Требования к системе. Создаваемая распределенная система управления (РСУ) должна выполнять функции управления, обеспечивая устойчивое и точное управление объектом, гарантируя безопасную работу объекта и облегчать их эксплуатацию. Модульная структура системы основывается на стандартизированных микропроцессорных модулях.

2.2.2 Требования к структуре и функционированию системы. Структура создаваемой САР должна позволять централизованное управление установкой из единой операторной. Кроме того, в состав должна входить инженерная станция. Инженерная станция должна обеспечивать подготовку, наладку в режиме реального времени без остановки.

Структура должна позволять дальнейшее поэтапное расширение системы на все производство продукта, должна соответствовать магистрально-модульному принципу построения, должна быть наращиваемой, легко адаптироваться к изменениям характеристик технологических процессов во времени.

САР с 2-х уровневой системой. То есть задачи программно и аппаратно разделяются на два уровня. Первый должен осуществлять контроль результатов измерений и непосредственное цифровое управление по датчикам, выполнение необходимых переключений по командам верхнего уровня. Второй выполняет функции отображения данных о состоянии технологического процесса. Обмен информацией между 1-м и 2-м уровнями должен осуществляться автоматически.

САР должна быть рассчитана на непрерывный режим работы.

2.2.3 Требования к надежности. Система должна быть многофункциональной должна характеризоваться показателями безотказности (наработка на отказ в тысяч часов, коэффициенты готовности и прочее) по основным категориям выполняемых функций:

• 
  централизованный контроль параметров, хранение и представление информации, сигнализация нарушений;
  
• 
  автоматизированное регулирование;
  

2.2.4. Требования безопасности. Потенциальная опасность технологических процессов в широком смысле заложена в целом в самом производстве. В связи с этим используемые в составе САР технические средства должны иметь взрывозащищенное исполнение.

2.2.5. Перечень функций РСУ и требования к качеству их выполнения. Сбор и первичная обработка технологической информации:

• 
  опрос аналоговых и дискретных датчиков КИП, нормирующих преобразователей, дискретных сигналов изменения состояния оборудования и пр.;
  
• 
  Период опроса каждого параметра система РСУ должна обеспечивать:
  

• 
  время цикла опроса аналоговых сигналов не более 1 сек.;
  
• 
  время цикла опроса дискретных сигналов не более 1 сек.;
  
• 
  время на выдачу регулирующих воздействий не более 1 сек.
  

2.2. 7. Требования к метрологическому обеспечению. Метрологическое обеспечение должно отвечать требованиям:

Точность срабатывания дискретных датчиков не хуже 2,5 % от значения параметра.

Максимальная погрешность части измерительного канала, входящего в состав АСУ ТП, не должна превышать:

Таблица 2 - Погрешность части измерительного канала

Наименование типов измерительных каналов	Относительная погрешность измерений
Измерительный канал расхода	0,2%
Измерительные каналы электрических параметров: напряжения, тока, мощности	0,2%

3 РАСЧЕТ СКОРОСТНОГО АММОНИЗАТОРА-ИСПАРИТЕЛЯ

Скоростной аммонизатор-испаритель (САИ) состоит из циркуляционного контура, включающего реак­ционную камеру и циркуляционную трубу, соединенных центробежным сепа­ратором (рисунок 12). Интенсивное перемешивание пульпы в САИ обеспечи­вается без использования механических устройств за счет энергии химической реакции. При этом за счет тепла химической реакции происходит нагрев образующейся пульпы до температуры кипения и образование зна­чительного количества паровой фазы.

За счет разности плотностей парожидкостной смеси в реакционной камере и жидкости в циркуляционной трубе в аппарате возникает интенсивная циркуляция, способствующая поглощению аммиака, выравниванию температур и концентраций по всему контуру аппа­рата. Парожидкостная смесь из реакционной камеры тангенциально посту­пает в сепаратор, где паровая и жидкая фазы разделяются. Паровая фаза удаляется через верхний штуцер и поступает на конденсацию, а жидкая по циркуляционной трубе возвращается в реакционную камеру. Избыток пульпы из аппарата через переток от­водят на дальнейшую переработку.

Исследования процесса аммонизации фос­форной кислоты в САИ показали, что оптимальный гидродинамический режим работы аппарата имеет место при соотношении

g_п/g_NH3≥1,2, (1)

где g_п и g_NH3 – удельные коли­чества пара, образующегося при аммонизации, и аммиака в реакционной камере [в кг/(м²с)].

Эти показатели определяют также и процес­сы массообмена Объемный коэффициент массопередачи (K_V) в реакционной камере САИ достигает максимума приg_п = 7,2 ÷ 7,8 кг/(м²с)и может быть определен исходя из выражения

K_V =1,07 10⁵g_п g_NH3 /(45+ g_п²) (2)

В оптимальных условиях _{ }= 7,5 кг/(м²-с), а g_NH3>6.25. Следует

K_V =1,07 10⁵ 7,5 6,5 /(45+ 7,5²)=51518,5

Кратность циркуляции пульпы в САИ, определяемая отношением коли­чества циркулирующей в контуре жидкой фазы к производительности аппа­рата, в зависимости от нагрузки изменяется в пределах от 10 до 22, а время пребывания пульпы в аппарате составляет 3,5—22,5 мин.

Скорость циркуляции жидкой фазы в САИ описывается эмпирическим уравнением

w_ж=1,3[1 – ехр(– 0,42g_п)] (3)

w_ж=1,3[1 – ехр(– 0,42 ^.7.5)]=1.244

Средняя скорость жидкой фазы на входе в сепаратор САИ (w’_ж)

w’_ж =l,3[l – exp(– 0,42g_п)]/(l – 0,41gn^0.33) (4)

w’_ж =l,3[l – exp(– 0,42g_п)]/(l – 0,41gn^0.33)=1.025

За счет интенсивного перемешивания и выравнивания концентраций по контуру аппарата степень использования аммиака в САИ достигает 99,7%, что позволяет эксплуатировать эти аппараты без системы абсорбции.

Интервал концентраций фосфорной кислоты, которая может быть проам-монизирована до мольного отношения NН₃:Н₃Р0₄≈1, составляет 18 ÷ 40% Р₂О₅.

При аммонизации в САИ кислоты концентрацией менее 18% Р₂О₅ температура пульпы не достигает температуры кипения и в аппаратуре возникают гидроудары, обусловленные кавитационным эффектом.

Применять кислоту концентрацией выше 40% Р₂О₅ нельзя из-за кристаллизации солей. Интервал концентраций кислот, аммонизируемых в САИ, может быть расши­рен за счет проведения процесса аммонизации при повышенном давле­нии.

Диаметр реакционной камеры (d_р.к в м) определяют из выражения

, (5)

где – количество воды, испаряемой в САИ, кг/ч;

– удельный расход пара в реакционной камере, кг/(м²с).

=5 ÷ 6 т/ч. При =6000 кг/ч

 =0,6

Диаметр циркуляционной трубы рекомендуется принимать равным диа­метру реакционной камеры.

Высоту реакционной камеры (H_р.к в м)

H_p.k=NV/0,785d_р.кK_V, (6)

где N – число единиц переноса;

V – удельный объем водяного пара, м³/кг;

K_V – объемный коэффициент массопередачи, ч^-1.

Значение N принимают равным 2,3, а объемный коэффициент массопере­дачи K_V определяют по формуле (2).

При V=10.5 м³/кг H_p.k=6м.

Эффективность работы сепаратора определяется соотношением тангенциальной скорости входа пара в сепаратор U и осевой скорости подъема паров w_o.

Тангенциальная скорость:

U = g_п 0,67/0.41ρ_п , (7)

где ρ_п— плотность водяного пара, кг/м³.

При ρ_п=0,1 кг/м³ U=111,46

Соотношение между тангенциальной и осевой скоростями пара в сепара­торе лежит в пределах

U/w_o=10 ÷ 20.

С учетом способности аммонизированных пульп к вспениванию и инкрустации поверхностей принимают U/w_o=20.

Диаметр сепаратора САИ (d_с,м)

d_c = (8)

d_c = =2м

Высота сепаратора (H_с) складывается из высоты парового пространства (H_п в м) и части высоты сепаратора, заполненной жидкостью (H_ж).

Высота парового пространства (H_п) определяется исходя из теплового напряжения сепаратора по чистой воде

H_п= _, (9)

где – допустимое тепловое напряжение сепаратора, кг/(м³ч);

п – коэф­фициент, учитывающий способность жидкости к вспениванию.

Для водных растворов солей = 1000.

Значение п для пульп фос­фатов аммония принимают равным 0,7.