Материал: Разработка программного обеспечения для автоматизации проектирования процесса синтеза аммиака

Разработка программного обеспечения для автоматизации проектирования процесса синтеза аммиака

Содержание

Введение

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Роль систем автоматизированного производства в проектировании

1.2 Аммиак и его свойства

.3 Получение аммиака

1.4 Потребление и способы хранения

2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Проектирование БД процесса

.2 Расчёт химических параметров реакции образования аммиака

3.4 Создание модели теплообменного аппарата

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

.1 Роль систем автоматизированного производства в проектировании

Современное производство представляет собой совокупность взаимосвязанных операционных составляющих, обеспечивающих трансформацию исходных ресурсов в готовую продукцию. Важнейшая роль в этом процессе принадлежит разработке новых изделий, поиску технологических и организационно-экономических способов практического достижения норм конкурентоспособности продукции, то есть комплексу работ, называемых научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими.

Автоматизация проектирования обеспечивает целый ряд преимуществ и выгод, но лишь некоторые из них поддаются количественной оценке. Частично эффективность САПР достигается за счет неявных факторов: улучшения качества работы, получения более содержательной и более полезной информации, совершенствования процесса управления и все эти факторы трудно выразить количественно.

Некоторые другие выгоды сами по себе поддаются количественному выражению, однако, их результат проявляется на более поздних стадиях производственного процесса и поэтому трудно бывает оценить соответствующие выгоды при проектировании. Целый ряд статей экономического эффекта от внедрения САПР можно измерить непосредственно, к их числу относятся:

− увеличение производительности труда конструктора;

− сокращение длительности циклов производства;

− уменьшение требуемого числа конструкторов-проектировщиков;

− обеспечение более быстрой реакции на запросы пользователей САПР, касающиеся использования стандартных деталей;

− минимизация числа ошибок, связанных с ручным оформлением документов;

− повышение точности проектирования;

− автоматизация процесса подготовки технической документации;

− стандартизация проектных решений;

− улучшение качества проектных разработок;

− совершенствование внесения конструкторских изменений;

− повышение удобочитаемости и информативности чертежей.

.2 Аммиак и его свойства

автоматизированный аммиак теплообменный ректификация

Аммиак NH₃ - простейшее соединение азота с водородом; бесцветный газ удушливым резким запахом и едким вкусом. Жидкий аммиак практически не проводит электрический ток, он - хороший растворитель для очень большого числа органических, а также для множества неорганических соединений. Твёрдый аммиак - бесцветные кубические кристаллы.

Аммиак был известен древним алхимикам еще со времен Гебера (VIII в. н. э.), однако широкого применения не находил. Только в 1-ой половине XIX в. начинают использовать аммиак, получаемый в качестве побочного продукта на газовых заводах, а во 2-ой половине XIX в. - в некоторых коксохимических производствах.

Аммиак - весьма реакционноспособное соединение. За счёт наличия не поделённой электронной пары у атома N особенно характерны и легко осуществимы для него реакции присоединения. Наиболее важна реакция присоединения протона к молекуле аммиака, ведущая к образованию иона аммония NH⁺, который в соединениях с анионами кислот ведёт себя подобно ионам щелочных металлов. Такие реакции происходят при растворении аммиака в воде с образованием слабого основания - аммония гидроокиси NH₄OH, а также при непосредственном взаимодействии аммиака с кислотами. Аммиак реагирует также с серой, галогенами, углем, СО₂ и др.

Также неразделенная пара электронов на гибридной орбите и значительная полярность молекул NH₃ обуславливает то, что физические свойства его имеют отличия от других соединений (PH₃, SbH_3,, AsH₃): температуры кипения и плавления относительно высоки, теплота испарения велика. Аммиак очень хорошо растворим в воде.

NH₃ с воздухом и кислородом образует взрывоопасные смеси. В жидком состоянии он при соприкосновении с кожей вызывает сильные ожоги. Особенно опасно попадание его в глаза. При высокой концентрации аммиака в воздухе он оказывает удушливое действие.

.3 Получение аммиака

Производство синтетического аммиака их природного газа состоит из следующих основных стадий:

·        Очистка природного газа от соединений серы (так как соединения серы являются катализаторными ядами;

·        Конверсия природного газа с водяным паром с образованием угарного газа и водорода;

·        Образовавшаяся газовая смесь конвертируется с водяным паром, таким образом, чтобы угарный газ превратился в углекислый;

·        Очистка газовой смеси от соединений кислорода;

·        Синтез аммиака.

В лабораторных условиях аммиак может быть получен вытеснением его сильными щелочами из аммониевых солей по схеме:

NH₄C1 + Са(ОН)₂ = 2NH₃ + СаС1₂ + + 2Н₂О.

Старейший промышленным способ получения аммиака - выделение его из отходящих газов при коксовании угля. Основной современный способ его получения - синтез из элементов - азота и водорода[4].

Наиболее распространённым и экономичным методом получения технологии, газа для синтеза аммиака является конверсия углеводородных газов. Исходным сырьём в этом процессе служит природный газ, а также попутные нефтяные газы, газы нефтепереработки, остаточные газы производства ацетилена. Сущность конверсионного метода получения азотоводородной смеси состоит в разложении при высокой температуре метана и его гомологов на водород и окись углерода с помощью окислителей - водяного пара и кислорода. К конвертированному газу при этом добавляют атмосферный воздух или воздух, обогащенный кислородом. Синтез аммиака из простых веществ протекает с выделением тепла и уменьшением объёма. Наиболее благоприятными, с точки зрения равновесия, условиями образования аммиака являются, возможно, более низкая температура и возможно более высокое давление. Без катализаторов реакция синтеза аммиака вообще не происходит. В промышленности для синтеза аммиака используют исключительно железные катализаторы, получаемые восстановлением сплавленных окислов железа Fe₃O₄ с активаторами (CaO, SiO₂, а иногда и MgO).

Важный этап процесса синтеза - очистка газовой смеси от каталитических ядов (к ним относятся вещества, содержащие S, O₂, Se, P, As, пары воды, СО и др.).

Для увеличения степени использования газа в современных системах синтеза аммиака применяют многократную циркуляцию азотоводородной смеси - круговой аммиачный цикл (см. рис.).

Рисунок 1 - Схема установки по синтезу аммиака.

Свежий газ (азотоводородная смесь) и непрореагировавшие газы поступают сначала в фильтр 1, где они очищаются от посторонних примесей, затем в межтрубное пространство конденсационной колонны 2, отдавая своё тепло газу, движущемуся по трубкам колонны. Далее газы проходят через испаритель 3, в котором происходят их дальнейшее охлаждение и конденсация аммиака, увлечённого циркуляционными газами. Охлаждённая смесь газов и сконденсировавшийся аммиак из испарителя направляются в разделительную часть (сепаратор) конденсационной колонны, где жидкий аммиак отделяется и как готовый продукт выводится по трубе в резервуар 9. Газообразный аммиак, выходящий из испарителя, проходя брызгоуловитель 4, освобождается от капель жидкого аммиака и направляется в цех переработки или в холодильную установку на сжижение.

Газы, освобождённые от аммиака, из сепаратора поступают в колонну синтеза 5. Колонна синтеза внутри имеет катализаторную коробку с трубчатой пли полочной насадкой и теплообменник. Газы, проходя через колонну синтеза, реагируют между собой: выходящая из колонны газовая смесь содержит 15 - 20% аммиака. Далее эти газы поступают в конденсатор 6, где и происходит сжижение аммиака. Жидкий NH₃ отделяется в сепараторе 7 и поступает в резервуар 9, а непрореагировавшие газы подаются циркуляционным насосом 8 в фильтр 1 для смешения со свежей азотоводородной смесью.

Производство аммиака - полностью автоматизированный процесс. Управление агрегата сосредоточено в одном центральном пункте управления с применением ЭВМ. Единая энерготехнологическая схема связывает блок синтеза аммиака с предыдущими стадиями производства.

В колонне синтеза выделяется большое количество реакционного тепла, которое используется на подогрев питательной воды, направляемой для получения пара давлением 10,3 МПа.

.4 Потребление и способы хранения

Потребление. Аммиак используется для производства азотной кислоты и азотсодержащих солей, мочевины, синильной кислоты. Также он используется при получении соды по аммиачному способу, в органическом синтезе, для приготовления водных растворов (нашатырный спирт), находящих различное применение в химической промышленности и в медицине; в холодильных машинах.

Жидкий аммиак, а также его растворы применяют в качестве жидких удобрений. Большое количество аммиака идет на аммонизацию суперфосфата и туковых смесей.

Хранение. Вопросы хранения жидкого аммиака приобрели в последние годы особую актуальность в связи с резким ростом мощностей агрегатов, увеличением потребления аммиака сельским хозяйством и расширением его экспортных поставок. Периодичность сельскохозяйственного и экспортного спроса на жидкий аммиак при непрерывном процессе его промышленного производства выдвинула проблему создания высокоэкономичных крупнотоннажных хранилищ жидкого аммиака. Кроме заводских складов в последние годы созданы крупные прирельсовые склады "Сельхозтехники", припортовые склады, раздаточные станции аммиакопровода, глубинные склады колхозов и совхозов. Аммиак хранят на складах при различном давлении [5].

Хранение при повышенном давлении. Жидкий аммиак хранят в горизонтальных (цилиндрических) и шаровых резервуарах под избыточным давлением до 2 МПа включительно, без отвода испаряющегося аммиака.

В закрытом резервуаре пространство над быстро испаряющимся жидким аммиаком всегда насыщено его парами, которые оказывают давление на стенки. Каждой температуре жидкого аммиака в состоянии равновесия соответствует определенное давление его паров. При обычной температуре (до 25 °С) давление паров жидкого аммиака достигает 1 МПа, а при 40 °С - до 1,6 МПа, что определяет необходимость тщательного контроля за температурой с целью предотвращения возникновения давлений, выше допустимых. В зависимости от климатических условий хранилища устанавливают в закрытом помещении или на открытом воздухе.

Хранение при среднем давлении. Жидкий аммиак хранят в шаровых резервуарах с теплоизоляцией под избыточным давлением от 0,3 до 1 МПа включительно. Заданное давление поддерживают конденсацией испарившегося аммиака с возвращением его в резервуар или выдачей испарившегося аммиака потребителям.

Хранение при атмосферном давлении. Жидкий аммиак хранят в вертикальных резервуарах с теплоизоляцией, при температуре около -33 °С, под давлением, близким к атмосферному. Давление поддерживают так же, как в предыдущем случае. Указанный способ хранения называется изотермическим.

2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Разработка программного обеспечения для автоматизации проектирования процесса синтеза аммиака.

В данной курсовой работе будут выполнены следующие задачи:

рассчитать параметры реакции синтеза аммиака в программной среде Mathcad;

создать чертеж теплообменника, с помощью программы “Компас 3D”;

разработать базу данных процесса синтеза аммиака в Microsoft Access.

3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

.1 Проектирование БД процесса ректификации

База данных - предоставленная в объективной форме совокупность самостоятельных материалов (статей, расчётов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%8B%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>, нормативных актов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%B0%D0%BA%D1%82>, судебных решений <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%B4%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> и иных подобных материалов), систематизированных <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F> таким образом, чтобы эти материалы могли быть найдены <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B8%D1%81%D0%BA_%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85> и обработаны с помощью электронной вычислительной машины (ЭВМ) <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80>.

Основные функции СУБД управление данными во внешней памяти <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BD%D0%B5%D1%88%D0%BD%D1%8F%D1%8F_%D0%BF%D0%B0%D0%BC%D1%8F%D1%82%D1%8C> (на дисках);

управление данными в оперативной памяти <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%B0%D0%BC%D1%8F%D1%82%D1%8C> с использованием дискового кэша <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D1%8D%D1%88>;

журнализация изменений <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B9>, резервное копирование <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5> и восстановление базы данных <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D1%81%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B1%D0%B0%D0%B7%D1%8B_%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85> после сбоев;

поддержка языков БД (язык определения данных <https://ru.wikipedia.org/wiki/DDL>, язык манипулирования данными <https://ru.wikipedia.org/wiki/DML>).

Состав СУБД: Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B9>, процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%B7%D0%B0%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BE%D0%B2_%D0%A1%D0%A3%D0%91%D0%94> на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода, подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД а также сервисные программы (внешние утилиты <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%82%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B0>), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

Классификация СУДБ по моделям базы данных

·              Иерархические <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%80%D1%85%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%A1%D0%A3%D0%91%D0%94>

·              Сетевые <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%A1%D0%A3%D0%91%D0%94>

·              Реляционные <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%A1%D0%A3%D0%91%D0%94>

·              Объектно-ориентированные <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D1%8A%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BD%D0%BE-%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%A1%D0%A3%D0%91%D0%94>

·              Объектно-реляционные <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D1%8A%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BD%D0%BE-%D1%80%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%A1%D0%A3%D0%91%D0%94>

По способу доступа к БД

В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB-%D1%81%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%B5%D1%80>. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D1%8B%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B5%D1%82%D1%8C>. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок.

Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на процессор файлового сервера.

Недостатки: потенциально высокая загрузка локальной сети; затруднённость или невозможность централизованного <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B5%D0%BD%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F> управления <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F>; затруднённость или невозможность обеспечения таких важных характеристик, как высокая надёжность <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%B4%D1%91%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>, высокая доступность <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%83%D0%BF%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> и высокая безопасность <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B1%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>. Применяются чаще всего в локальных приложениях, которые используют функции управления БД; в системах с низкой интенсивностью обработки данных и низкими пиковыми нагрузками на БД.