Материал: Автоматизація процесу абсорбції природного газу

Автоматизація процесу абсорбції природного газу

Міністерство освіти і науки України

Національний університет ”Львівська політехніка”

Кафедра АТХП

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

із дисципліни “ Автоматизація технологічних процесів та виробництв ”

на тему: “Автоматизація процесу абсорбції природного газу”

Виконала: Кушнір Б.Б.

Прийняв: Юсик Я. П.

Львів - 2015

Завдання

по дисципліні : “ Автоматизація неперервних технологічних процесів”

. П. І. П. студента: Кушнір Б. Б.

. Тема курсової роботи: “Автоматизація процесу абсорбції природнього газу”

. Вихідні дані до курсової роботи: Технологічна схема процесу абсорбції в абсорбційній колоні.

. Зміст пояснювальної записки (перелік питань, що підлягають розробленню):

Þ      Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування.

Þ      Опис технологічного процесу.

Þ      Теоретичні основи технологічного процесу в окремих технологічних апаратах і машинах.

Þ      Матеріальний та тепловий баланси технологічного об’єкта.

Þ      Визначення і аналіз факторів, що впливають на технологічний процес.

Þ      Технологічна карта.

Þ      Складання структурної схеми взаємозв’язків між технологічними параметрами об’єкта.

Þ      Обґрунтування і вибір координат вимірювання, контролю, сигналізації, дистанційного керування, захисту, блокування та регулювання.

Þ      Порівняльний аналіз існуючих схем автоматизації технологічного процесу.

Þ      Вибір технічних засобів автоматизації.

Þ      Специфікація на засоби автоматизації.

Þ      Розрахунок системи автоматичного регулювання.

. Перелік графічних матеріалів: Функціональна схема автоматизації процесу очистки газу.

. Дата видачі:

. Керівник роботи: Юсик Ярослав Петрович

. Завдання прийняв до виконання:

. Термін захисту курсової роботи:

Студент: Кушнір Б. Б.

Керівник: Юсик Я. П.

Зміст

Вступ

. Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування

.1 Опис технологічного процесу

.2 Теоретичні основи технологічного процесу в окремих технологічних апаратах і машинах

.3 Матеріальний баланс технологічного об’єкта

.4 Аналіз факторів, що впливають на технологічний процес

.5 Обґрунтування номінальних значень параметрів технологічного процесу та допустимих відхилень від цих значень

.6 Технологічна карта процесу

.7 Складання структурної схеми взаємозв’язку між технологічними параметрами об’єкта

. Розроблення системи автоматичного керування технологічним процесом

.1 Аналіз структурної схеми взаємозв’язку між технологічними параметрами об’єкта

.2 Аналіз статичних та динамічних характеристик об’єкта по окремих каналах зв’язку

.3 Обґрунтування і вибір координат вимірювання, контролю, сигналізації, дистанційного керування, захисту, блокування та регулювання

.4 Функціональні ознаки систем автоматизації

.5 Порівняльний аналіз існуючих схем автоматизації технологічного процесу

.6 Синтез оптимальної спрощеної системи автоматизації для заданих умов роботи об’єкта

.7 Вибір технічних засобів автоматизації (ТЗА)

.8 Специфікація на засоби автоматизації

.9 Опис ФСА

. Розрахунок САР

.1 Розрахунок моделі об’єкту регулювання

.2 Розрахунок основних параметрів ТОК

.3 Розрахунок параметрів настроювання регулятора

Висновок

Список літератури

Вступ

Абсорбція - процес виборчого поглинання компонентів газової суміші рідким поглиначем (абсорбентом). Процес абсорбції відбувається у тому випадку, коли парціальний тиск витягуваного компоненту в газовій суміші вищий, ніж в рідкому абсорбенті, вступаючому в контакт з цим газом, тобто для протікання абсорбції необхідно, щоб газ і абсорбент не знаходилися в стані рівноваги. Відмінність в парціальному тиску витягуваного компоненту в газі і рідині є тією рушійною силою, під дією якої відбувається поглинання (абсорбція) даного компоненту рідкою фазою з газової фази. Чим більше ця рушійна сила, тим інтенсивніше переходить цей компонент з газової фази в рідку.

За своєю природою розрізняють два види абсорбції: фізичну, при якій витягання компонентів з газу відбувається завдяки їх розчинності в абсорбентах і хімічну (хемосорбцію), засновану на хімічній взаємодії витягуваних компонентів з активною частиною абсорбенту. Швидкість фізичної абсорбції визначається дифузійними процесами, швидкість хемосорбції залежить від швидкості дифузії і хімічної реакції.

Поглинання компонентів газової суміші при абсорбції супроводжується виділенням тепла, величина якого пропорційна масі і теплоті розчинення qA поглинених компонентів.

При виборі абсорбенту враховують склад газу, що розділяється, тиск і температуру процесу, продуктивність установки. Вибір абсорбенту визначається також його селективністю, поглинальною здатністю, корозійною активністю, вартістю, токсичністю і іншими чинниками.

У нафтовій і газовій промисловості процес абсорбції застосовується для розділення, осушення і очищення вуглеводневих газів. З природних і нафтових газів шляхом абсорбції витягують етан, пропан, бутан і компоненти бензину; абсорбцію застосовують для очищення природних газів від кислих компонентів - сірководню, використовуваного для виробництва сірки, діоксиду вуглецю, сіркооксиду вуглецю, сірковуглецю. Для проведення процесу абсорбції застосовують установки абсорбції, основним елементом яких є апарати абсорбції.

Апарати абсорбції класифікуються залежно від технологічного призначення, тиску і виду внутрішнього устрою, що забезпечує контакт газу (пара) і рідини.

По технологічному призначенню апарати абсорбції підрозділяються на апарати установок осушення, очищення газу, газорозподіли і так далі.

Залежно від внутрішнього устрою розрізняють тарілчасті, насадочні, розпилювальні, роторні (механічні), поверхневі і каскадні абсорбери. Найпоширеніші тарілчасті і насадочні апарати.

Залежно від вживаного тиску апарати підрозділяються на вакуумні, атмосферні і такі, що працюють під тиском вище атмосферного.

При виборі типу апарату слід враховувати технологічні вимоги до процесу і його економічні показники.

Основна складність при проектуванні абсорберів полягає в правильному виборі розрахункових закономірностей для визначення кінетичних коефіцієнтів з більшої праці різних, деколи суперечливих, залежностей, представлених в технічній літературі.

На сьогоднішній день абсорбція займає одне з почесних місць в промисловому світі.

. Аналіз технологічного процесу як об’єкта керування

.1 Опис технологічного процесу

Газ, який охолоджений в теплообміннику до 20^оС, подається в нижню частину абсорбційної колони, де рівномірно розподіляється по перерізу колони і поступає на контактні елементи (насадки). В якості насадок використовуємо кільця Рашига (рис. 1.2). В якості абсорбенту використовується моноетаноламін. Моноетаноламін (МЕА) - безбарвна в'язка гігроскопічна рідина <#"790936.files/image001.gif">

Рис. 1.1 Спрощена схема автоматизації процесу абсорбції

Рис. 1.2 Види на садок для абсорбційних колон 1-сідло Берля; 2-кільце Рашига; 3-кільце Палля; 4-розетка Теллера; 5-сідло «Інталюкс»

.2 Теоретичні основи технологічного процесу в окремих технологічних апаратах і машинах

Абсорбція - дифузний процес, в якому беруть участь дві фази: газова і рідка. Рушійною силою процесу абсорбції є різниця парціальних тисків поглинається компонента в газовій і рідкій фазах, який прагне перейти в ту фазу, де його концентрація менше, ніж це потрібно за умовою рівноваги.

Насадкові абсорбери отримали найбільше застосування у промисловості. Ці абсорбери представляють собою колони, заповнені насадкою - твердими тілами різної форми. У насадок колоні насадка укладається на опорні решітки, що мають отвори або щілини для проходження газу і стоку рідини. Яка досить рівномірно зрошує насадку за допомогою розподільника і стікає по поверхні насадок тіл у вигляді тонкої плівки вниз. У нафтовій та газовій промисловості процес абсорбції застосовується для розділення, осушення та очищення вуглеводневих газів. З природних і попутних нафтових газів шляхом абсорбції витягають етан, пропан, бутан і компоненти бензину; абсорбцію застосовують для очищення природних газів від кислих компонентів - сірководню, використовуваного для виробництва сірки, діоксиду вуглецю, сірковуглецю.

Розрахунок абсорбційної установки зводиться до визначення: об'ємної витрати погливної рідини; необхідної поверхні газової суміші з рідиною; розмірів бака абсорбера.

Об'ємну витрату погливної рідини визначають з рівняння матеріального балансу процесу абсорбції :

_п.p = Q_п (у₁ - y₂) = Q_р (x₁ - x₂)

де Q_п - об'ємна витрата очищуваного повітря, м3/с; Q_р - об'ємна витрата погливної рідини, м3/с; х1,х2 - початкова й кінцева концентрації газового компонента та погливної рідини, г/м3; у1, у2 - початкова й кінцева концентрації газоподібного компонента в очищеному газі, г/м3.

Необхідну поверхню контакту загазованого газу з погливною рідиною визначають за формулою:

^k = 10³V_п.p/(k_абΔр_сер)

де k_аб - коефіцієнт абсорбції (коефіцієнт масопередачі), кг/(м2 х год. х Па); Δр_сер - середня рушійна сила абсорбції, Па.

Коефіцієнт абсорбції характеризує швидкість розчинення газового компоненту в рідині й визначається загальним опором дифузії цього компоненту через газову і рідинну плівки. Для добре розчинних газів значення коефіцієнта абсорбції можна визначити за формулою, яка запропонована І. Л. Пейсаховим:

,

де М - молекулярна маса компоненту, який поглинається, кг; V - швидкість газу у вільному перерізі скрубера, м/с; Т - абсолютна температура газу, К; dе - еквівалентний діаметр насадки, рівний збільшеному вчетверо значенню живого перерізу насадки, поділеного на її питому поверхню, м.

Варто зазначити, що під час протитічного процесу абсорбції значення Арсер досить велике порівняно з прямотічним. Це свідчить про те, що протитічний процес є більш вигідним, оскільки для абсорбції можуть застосовуватися апарати менших розмірів.

Визначимо секундну витрату газу:= V/3600 = 41700/3600 = 11.6, м³/с

Максимальна витрата абсорбенту становить 5,8 л/с, з розрахунку абсорбенту 0,5 л/м³.

Тепловий розрахунок теплообмінного апарата, в залежності від вихідних даних, проводять за одною з двох відомих методик: проектною або перевірочною.

Перевірочний тепловий розрахунок виконується у випадку, якщо відома поверхня нагріву теплообмінного апарата і необхідно визначити температури теплоносіїв та кількість переданої теплоти. Крім того, він проводиться для того, щоб відповісти на питання про придатність даної конструкції теплообмінника для використання в конкретних умовах експлуатації. Проектний (конструктивний) тепловий розрахунок виконується при створенні нових апаратів, метою його є визначення поверхні теплообміну, яка б забезпечувала певне теплове навантаження.

На практиці методики проектного та перевірочного теплового розрахунку теплообмінного апарата, як правило, поєднують. Тобто, за вихідними даними, що характеризують технологічний процес (продуктивність установки, витрати та температури теплоносіїв тощо) розраховують теплове навантаження апарата (Q) та середньо-логарифмічну різницю температур між теплоносіями (Δt). Потім, задаючись наближеним значенням коефіцієнта теплопередачі, розраховують орієнтовне значення площі поверхні теплообміну за основним рівнянням теплопередачі:

F_op = Q /KΔt,

де К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м²К.

Необхідно звернути увагу на те, що коефіцієнт теплопередачі є функцією багатьох теплотехнічних, гідравлічних та геометричних параметрів. Одразу його обчислити неможливо, тому при наближеному розрахунку площі теплообміну орієнтовний коефіцієнт теплопередачі приймається згідно експериментальних даних. Відповідно до рекомендацій при конденсації водяної пари на зовнішній поверхні труб, в яких рухається вода або водні розчини, коефіцієнт теплопередачі приймається із діапазону К = 800…3500.

Отримане значення поверхні теплообміну F_op округлюється в більшу сторону до конкретного значення F_норм, що приведено в каталогах або нормалях для конкретного типу теплообмінника. Вибраний за каталогами теплообмінний апарат повинен забезпечувати нормальну роботу та працювати в оптимальному режимі, який відповідає поєднанню заданої продуктивності, температур теплоносіїв та інших показників технологічного процесу з мінімальною витратою теплоти та максимально-ефективно задіяною поверхнею теплообміну апарата. Вибраний теплообмінник з площею теплообміну та певними геометричними характеристиками, як було сказано вище, перевіряють на придатність до використання в заданих умовах.

Наступним кроком є проведення перевірочного розрахунку для обраного теплообмінного апарата. В основі перевірочного розрахунку покладено уточнення для заданих умов експлуатації коефіцієнта теплопередачі Кп та площі поверхні теплообміну F_р. А також, співставлення відповідних площ теплообміну F_норм та F_р, що дає змогу говорити про придатність вибраного за каталогами теплообмінного апарата.

.3 Матеріальний та тепловий баланси технологічного об’єкта

Матеріальний баланс та витрата абсорбенту

Приймемо витрати фаз по висоті апарата сталими і подамо склад газу, що поглинається, у відносних мольних концентраціях. Позначимо G - витрата інертного газу, кмоль/с; Y_п, Y_к - початкова і кінцева концентрації абсорбтива в газовій суміші, кмоль/кмоль інертного газу; L - витрата абсорбенту, кмоль/с; X_п, X_к - початкова і кінцева концентрації абсорбтива в абсорбенті, кмоль/кмоль абсорбенту. Тоді рівняння матеріального балансу матиме вигляд

.

Загальна витрата абсорбенту

,

а його питома витрата

.

Це рівняння можна переписати у такому вигляді

.

Останнє рівняння показує, що зміна концентрації в абсорбційному апараті відбувається прямолінійно і, відповідно, в координатах Y - X робоча лінія процесу абсорбції є прямою з кутом нахилу, тангенс якого дорівнює l=L/G. Між питомою витратою абсорбенту і розмірами апарата існує певний зв’язок. Принцип такого зв’язку зображено на рис. 2. Через точку В з координатами X_n ,Y_к проведемо згідно з рівняннями робочі лінії ВА, ВА₁, ВА₂, ВА₃, які відповідають різним концентраціям або питомим витратам абсорбенту.

Рис. 1.3 До визначення питомої витрати абсорбенту

При цьому точки А, А₁, А₂, А₃ лежатимуть на одній горизонтальній прямій відповідно до заданої концентрації Y_п газу в суміші.

У розчинах невеликої концентрації за будь-якого значення X та заданої величини l рушійну силу процесу виражають різницею ординат Y-Y^*, які зображені вертикальними відрізками, що з’єднують відповідні точки робочої лінії і лінії рівноваги Y^*=f(X). Для всього апарата можна прийняти середнє значення , величина якого, наприклад, для робочої лінії ВА₁, зображена на рис. 2 відрізком .