Проверочный расчет установки пиролиза этана

Определим наименьшую площадь  свободного сечения для прохода дымовых газов по формуле (4.76):

f_г = (b_к – n₁* d_н)* l_тр = [(n₁ - 1)* S₁  + 3*d_н – n₁* d_н]* l_тр     /6, с. 170/  (4.76)

где  n₁ = 6 – число труб в ряду

f_г = [(6 -1)*0.172 + 3*0.140 – 6*0.140)]*9.5 = 4,18 м²

Определим линейную скорость дымовых газов в самом узком  сечении трубного пучка:

ω = В*∑ ν_i* Т_ср  / (3600* f_г *273)                          /6, с. 170/                      (4.77)

где Т_ср = 0,5(Т_п + Т_ух) = 0,5(1510 + 600) = 1055 К — средняя температура дымовых газов в конвекционной камере.

Имеем:

    ω = 461,38*20,86*1055/ (6*3600*4,18*273) = 2,47 м/с

Для определения критериев  нужно вычислить для дымовых газов при Т_ср = 1055 К кинематическую вязкость, плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности.

Коэффициент динамической вязкости найдем по формуле (4.78):

М_г/μ_г = ∑(x_i’* М_i/ μ_i)                                           /6, с. 170/                        (4.78)

где М_г,μ_г —молекулярная масса и динамическая вязкость дымовых газов; 

      М_i - молекулярная масса компонентов дымовых газов;

      μ_i - динамическая вязкость компонентов дымовых газов, — определяются по номограмме /26, с. 597/;

     x_i’ - объемные (мольные) доли компонентов дымовых газов в их смеси.

Результаты расчета  приведены в таблице 4.15

Получим:

μ_г = М_г/(∑(x_i’* М_i/ μ_i))                                        /6, с. 171/                         (4.79)

μ_г = 22,8/(734,98*10³⁾ = 31,02*10^-6  Па*с

Плотность дымовых газов:

ρ_г = М_г/22,4 * Т₀ / Т_ср                                                             /6, с. 171/                         (4.80)

ρ_г = 22,8/22,4*273/1055 = 0,26 кг/м³

Кинематическая вязкость газов:

ν_г = μ_г / ρ_г                                                        /6, с. 171/                         (4.81)

ν_г = 31,02*10^-6  /0,26 = 119,3*10^-6  м²/ с

Коэффициент теплопроводности дымовых  газов найдем по формуле(4.82):

λ_г= ∑(x_i’* λ_i)                                                     /6, с. 171/                         (4.82)

где λ_i – коэффициент теплопроводности компонентов дымовых газов.

Необходимые расчеты сделаны  в таблице 4.15 где λ_г= 0,055Вт/(м*К)

Теплоемкость дымовых газов:

с_г = ∑( с_i* x_i)                                                     /6, с. 171/                         (4.83)

где с_i – теплоемкости компонентов дымовых газов;

      x_i  - массовые доли компонентов дымовых газах.

Результаты расчетов приведенены в таблице 4.15, из которой берем значение  с_г = 1,2764 кДж/(кг*К)

Находим значения критериев:

Re = ω* d_н/ ν_г =2,47*0,140/119,3*10^-6  =2898,57

Pr = ν_г*с_г*ρ_г / λ_г= 119,3*10^-6 *1,2764*0,26 *10³ /0,055 = 0,72

После постановки всех величин  в формулу для вычисления α₁ получим:

α₁ = 0,33*1*0,055/0,14*2898,57^0,6*0,72^(1/3) = 13,88 Вт/(м²*К)

Коэффициент теплоотдачи  излучением от трехатомных газов  найдем по формуле Нельсона /5, с. 479/

α_л = 0,025* Т_ср – 9,3 = 0,025*1055 – 9,3 = 17,08 Вт/(м²*К)

 

Таблица 4.15 – Характеристики компонентов дымовых газов

Компоненты дымовых  газов	Мi	mi, кг/кг топлива	xi,масс. доля	vi,(при норм. условиях), м3/кг топлива	xi’, объемн. доля	Мi * xi’	μi*103, Па*с	(xi’* Мi)/ μi*10-3	λi, Вт/(м*К)	λi* xi’, Вт/(м*К)	сi, кДж/(кг*К)	сi* xi, кДж/(кг*К)
СО2 Н2О О2 N2	44 18 32 28	1.96 4.19 0.26 18.10	0.079 0.171 0.011 0.738	0.99 5.21 0.18 14.48	0.047 0.249 0.009 0.694	2.068 4.482 0.288 0.033	0.032 0.025 0.039 0.033	64.625 179.28 7.385 483.69	0.051 0.056 0.058 0.055	0.0024 0.0139 0.0005 0.0382	1.136 2.10 1.039 1.106	0.0897 0.3591 0.0114 0.8162
Сумма		24.51	1.000	20.86	1.000	22.8		734.98		0.055		1.2764

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Суммарный коэффициент  теплопередачи будет равен:

к₁ = 1,1* (13,88 + 17,08) = 34,05 Вт/(м²*К)

В конвекционной камере проектируемой печи теплопередача от дымовых газов к сырью в трубах осуществляется при смешанно-перекрестном токе с индексом противоточности, равным единице. Поэтому средний температурный напор рассчитывается по уравнению Грасгофа:

  ΔТ_ср = (ΔТ_макс – ΔТ_мин )/(2,3* lg(ΔТ_макс /ΔТ_мин))      /6, с. 173/        (4.84)

где            

    ΔТ_макс = Т_п – Т_к                                              /6, с. 173/                   (4.85)   

       ΔТ_мин = Т_ух – Т₂                                                                     /6, с. 173/                  (4.86)

Из исходных данных и  предыдущих расчетов необходимые температуры  известны, поэтому

ΔТ_макс = 1510 – 873 = 637 К

ΔТ_мин = 600 – 483 = 117 К

ΔТ_ср = (637 – 117)/(2,3* lg(637 /117)) = 307,2 К

Таким образом, поверхность  нагрева конвекционных труб

F_k = 3,50*10⁶ / 34,05 * 307,2 = 334,6 м²  

Поверхность нагрева конвекционных  труб на 6,31% меньше по сравнению с  заводом, которая составляет 357,15 м²

Определим число труб в  конвекционной камере

N_к = F_k / π*d_н* l_тр = 334,6/ 3,14*0,14*9,5 = 80           /6, с. 173/        (4.87)

Число горизонтальных рядов:

m = N_к / n₁ = 80/6 = 13                                                   /6, с. 173/        (4.88)

 

 

 

 

 

 

5 Автоматизация и автоматические системы управления технологическим процессом

 

1.  Цель и назначение системы управления

 

Автоматизация    современного  производства    это    один   из    главных 

направлений совершенствования технологического предприятия. При автоматизации  повышается производительность труда, улучшается качество продукций, равномерно используется энергетические и сырьевые ресурсы.

Автоматизация позволяет повысить уровень условий труда, обеспечить

безопасность ведения работ, сократить  численность обслужающего персонала.

Развитие автоматизации химической промышленности характеризуется мощностью, скоростью и многообразием операции и оборудования. Управлением такими производствами важно лишь при широком использовании методов и средств автоматизации.

Развитие автоматизации химической промышленности связано с вопросами взрыво- и пожароопсности сырья, агрессивностью и токсичностью продуктов, необходимостью предотвращения вредных выбросов в окружающую среду.

Указанные особенности, высокая чувствительность к нарушению технологического режима, а также необходимостью современного и сопутствующего воздействия на процесс в случае отклонения от заданных по регламенту условии не позволяет  даже опытному оператору обеспечить качественно ведение процесса в ручную. Поэтому в настоящее время эксплуатация процессов переработки без автоматизации является немыслимо.

Основной целью автоматизации  является безопсное ведение процесса при оптимальных условиях, в связи, с чем увеличивается эффективность производства.

5.1.1 Анализ статических и динамических свойств объекта регулирования

 

Протекание процесса характеризуется  скоростью реакции и степенью превращения исходного сырья  в продукт. Цель управления заключается  в получении продукта заданного состава путем воздействия на входные параметры.

Объектом управления является печь (реактор), смесители, насосы, конденсаторы характеристики которых изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий. Входными параметрами являются материальные и энергетические потоки на входе в аппарат, расход сырья, температура, давление. Внешними возмущающими воздействиями могут быть изменение параметров окружающей среды.

Как объект регулирования температуры  реактор обладает значительной инерционностью и запаздыванием. Температура регулируется путем изменения расхода топливного газа. Благодаря радиальному вводу сырья в реактор температуры распределяются равномерно, иначе необходимо создать такие условия.

Установка является сложным нестационарным объектом управления со значительным временем запаздывания, большим количеством параметров, характеризующих процесс, многочисленными связями между ними. Трудность регулирования процесса объясняется еще частотой и амплитудой возмущения. В объекте имеют место такие возмущения как изменение свойств теплопередающих поверхностей вследствие отложения веществ на стенках и других факторов, изменения параметров исходной смеси.

 

2. Обоснование выбора средств контроля и автоматики

 

При выборе параметров для контроля и регулирования параметров надо учитывать, что:

-  прибор должен обеспечивать  необходимое измерение, должен  быть достаточно быстродействующим  и надежным в работе;

- приборы, устанавливаемые по  месту должны быть легко доступными  для наблюдения, контроля и обслуживания.

Для контроля и регулирования применяют  приборы системы «Старт». Они  просты по устройству и надежны. Элементы системы «Старт» обладают высокой  чувствительностью. В качестве первичных  приборов применяются приборы ТСГ.

Регулирование расхода.

Регулирование расхода по методу переменного перепада давления является достаточно точным, удобным, универсальным. Он применяется если всё сечение трубы заполнено измеряемым веществом, поток является стационарным. Установка для измерения расхода по методу переменного перепада давления состоит из расположенного в трубе устройства для измерения сечения потока. Чаще применяют стандартное сужающее устройство, в зависимости от диаметра трубы. На трубопроводе устанавливается камерная диафрагма, сигнал от которой поступает к дифманометру и на вторичный прибор, работающий в блоке с регулятором, который подаёт сигнал на регулирующий клапан.

Регулирование температуры.

Регулирование температуры осуществляется термоэлектрическим термометром сопротивления  ТХА-0515. Измерение температуры преобразуется в выходной электрический сигнал, соответствующий температуре в колонне или в реакторах и поступает на милливольтметр, а если необходимо регулирование, то на вход автоматического моста (первичный сигнал преобразуется в унифицированный сигнал с помощью термопреобразователя сопротивления), термопреобразователь формирует управляющее воздействие в виде пневматического сигнала и передаёт его на регулирующее устройство.

Регулирование уровня.

Уровень в аппаратах, работающих под  давлением, определяется пневматическим буйковым уровнемером, пневматический сигнал поступает на вторичный прибор, а с него на ПИ - регулятор и далее на регулирующий клапан.

Регулирование давления. Давление в колонне стабилизации регулируется при помощи пружинного манометра, в котором формируется унифицированный пневматический сигнал, передающийся на вторичный прибор, работающий в комплекте с регулятором, где формируется регулирующее пневматическое воздействие и по пневмопроводам передаётся на клапан

 

5.1.3 Автоматический контроль производства

 

В проекте применены одноконтурные системы регулирования давления, уровня, расхода и температуры. Разработанные схемы базируются на серийных отечественных приборах и регуляторах.

В проекте предусмотрен дистанционный  автоматический контроль всех регулируемых параметров. Местный контроль осуществляется с помощью технических манометров и термометров, дистанционный контроль - с помощью датчиков пневматической и электрической ветвей ГСП, преобразователей термоэлектрических.