Технологический процесс производства этилового спирта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Аннотация

Введение

1. Анализ технологического процесса производства этилового спирта

1.1 Физико-химические основы процесса

1.2 Описание технологического процесса

1.3 Основное оборудование производства

1.4 Выбор параметров нормального технологического режима

2. Выбор методов и средств измерения технологических параметров

3. Описание схемы автоматического контроля технологических параметров производства этанола

4. Расчет вибрационного цилиндрического плотномера

4.1 Вывод градуировочной характеристики плотномера

4.2 Расчет частоты колебаний резонатора в анализируемой жидкости

5. Монтаж системы контроля на объекте измерения

Заключение

Список литературы

Аннотация

Целью настоящего курсового проекта является разработка системы автоматического контроля технологического процесса производства этилового спирта.

В данной работе проводится выбор одного из методов получения данного вещества, определение технологических параметров, подлежащих контролю, разработка функциональной схемы системы автоматического контроля производства спирта, выбор и настройка необходимого для реализации проекта технического оборудования.

Результатом проведения курсового проектирования явилось изучение физико-химических процессов, протекающих при данном производстве, изучение необходимых приборов и оборудования, различной научно-технической документации; приобретён навык создания технологических схем автоматического контроля.

Введение

В настоящее время этиловый спирт по объему производства занимает одно из первых мест среди продуктов органического синтеза. Он широко используется в пищевой, медицинской и парфюмерной промышленности, а также в качестве растворителя, антифриза, компонента горючего жидкостных ракетных двигателей и полупродукта основного органического синтеза при получении ацетальдегида, хлороформа, уксусной кислоты, диэтилового эфира; синтетического каучука, искусственного шелка, бездымного пороха и т.п. В последнее время резко возросло потребление этанола в микробиологической промышленности при производстве кормовых дрожжей для животноводства. Мировое производство спирта составляет около 4 млн. тонн в год. В связи с этим, производство этилового спирта относится к разряду крупнотоннажных, что следует учитывать при выборе способа производства, которое должно отвечать экологическим требованиям и быть экономически оправданным.

1. Анализ технологического процесса производства этилового спирта

Существует 2 основных способа получения этанола - микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена):

Брожение:

Известный с давних времён способ получения этанола - спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, источником получения топливного спирта также является вырабатываемый из тростника сахар-сырец. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C₆H₁₂O₆ > 2C₂H₅OH + 2CO₂.

Раствор, получаемый в результате брожения, содержит не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи нежизнеспособны. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

Для получения этанола этим способом наиболее часто используют различные штаммы дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae, в качестве питательной среды предварительно обработанные древесные опилки и/или раствор, полученный из них.

Гидратация этилена:

В промышленности, наряду с первым способом, используют гидратацию этилена. Гидратацию можно вести по двум схемам:

· прямая гидратация при температуре 300 °C, давлении 7 МПа, в качестве катализатора применяют ортофосфорную кислоту, нанесённую на силикагель, активированный уголь или асбест:

CH₂=CH₂ + H₂O > C₂H₅OH

· гидратация через стадию промежуточного эфира серной кислоты, с последующим его гидролизом (при температуре 80--90 °С и давлении 3,5 МПа):

CH₂=CH₂ + H₂SO₄ > CH₃-CH₂-OSO₂OH (этилсерная кислота)

CH₃-CH₂-OSO₂OH + H₂O > C₂H₅OH + H₂SO₄

Эта реакция осложняется образованием диэтилового эфира.

Для химической, машиностроительной, автомобильной промышленности, а также в ветеринарии и фармакопеи реализуется последний метод как наиболее экономически выгодный и позволяющий получить сырье приемлемого качества, первый же метод используется в медицинской и, в основном, в пищевой промышленности. В данной работе будет рассматриваться получение этанола из углеводсодержащих веществ брожением, так как сырье, получаемое таким образом, имеет высшее качество и органолептические характеристики, к тому же, конкретно в нашей стране этот способ является наиболее распространенным.

Материал, применяемый для получения спирта, должен ежегодно воспроизводиться в количествах, достаточных для промышленной переработки, иметь высокое содержание крахмала или сахара и хорошо сохраняться, что обеспечивает экономическую целесообразность производства. Этим условиям удовлетворяют клубни картофеля, злаки и сахарная меласса.

Главные недостатки картофеля как сырья - трудоемкость возделывания, плохая сохраняемость из-за высокого содержания влаги и подверженность заболеваниям.

Мелассой называют последний маточный раствор - оттек, получающийся при отделении кристаллов сахарозы на центрифугах. Это отходы от производства сахара из свеклы и тростника. В нашей стране сахарный тростник не произрастает, а при переработке свеклы выход мелассы всего 3-5% от первоначальной массы сырья. Этим обуславливается экономическая невыгодность данного материала.

Таким образом, наиболее удобным веществом для производства спирта являются злаковые: кукуруза, рожь, пшеница, ячмень, овес. К тому же, конкретно в нашем районе России это весьма распространенная сельскохозяйственная культура./1/

1.1 Физико-химические основы процесса

Конечным продуктом производства является этанол. Его физические свойства:

Этанол С₂Н₅ОН является бесцветной легко подвижной жидкостью с характерным запахом и жгучим вкусом, кипящей при температуре 78,39С. Физические константы для этанола приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Физические константы для этанола.

tпл = -114,65С с = 789,5 кг/мі з20D = 1,3614 с 20Р = 2,428 кДж/кг*К.	tкрит = 243,1С dкрит = 0,275 кг/мі Нпл = 4,81 кДж/моль пл = 1,17 мПа*с

Этиловый спирт смешивается во всех соотношениях с водой, спиртами, диэтиловым эфиром, глицерином, хлороформом, ацетальдегидом, бензином и др. С воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах концентраций 3-20% (об.). Образует азеотропные смеси: с водой дает азеотропную смесь, содержащую 95,6% спирта и кипящую при 78,1С (в виде такого ректификата этанол обычно употребляют в технике); с бензолом (32,4%; 68,24С); с гексаном (21%; 58,7С); с этилацетатом (30,8%; 71,8С).

Этиловый спирт горит бледно-голубым пламенем. Коэффициент растворимости паров в воде 1412 (при 40С); в крови человека 1370-1580 (при 37С). Температура воспламенения 13С, температура самовоспламенения 404С; пределы взрываемости: температурный предел 1141С, концентрационный предел 3,6 19% (об.). ПДК в атмосферном воздухе 5 мг/м 3; ПДК в воздухе рабочей зоны 1000 мг/м 3.

Общий характер воздействия на организм: наркотик, вызывающий сначала возбуждение, а затем паралич центральной нервной системы. Острое отравление парами этилового спирта в производственных помещениях (без приема внутрь) за семичасовой рабочий день практически невозможно.

Химические свойства:

Этанол - типичный одноатомный алифатический спирт. С металлами образует этилаты, например, С₂Н₅ОNa; с неорганическими и органическими кислотами, галогенангидридами - сложные эфиры. Реакция с эпоксидами приводит к раскрытию кольца и образованию гидроксиэфиров:

С₂Н₅ОН + эпоксид = С₂Н₅ОСНRСН₂ОН

Гидратация этилового спирта приводит к этилену или диэтиловому эфиру; реакция с альдегидами и кетонами RRCO - к ацеталям RRC(ОС₂Н₅)₂; с NaClO - к хлоралю; при пропускании паров этанола над сложным катализатором при 380-400С образуется 1,3 - бутадиен; при взаимодействии этилового спирта с ацетиленом - винил этиловый эфир С₂Н₅ОСН=СН₂; взаимодействие с NН₃ - к моно-, ди- и триэтиламинам.

Реакция с РОСl₃ или SO₂Cl₂ в присутствии третичных аминов приводит к образованию эфиров фосфорной или серной кислоты.

Пищевой этиловый спирт получают микробиологическими методами - кислотным или ферментативным гидролизом растительного сырья с последующей анаэробной спиртовой ферментацией (сбраживанием) образующихся моно- и олигосахаридов дрожжевыми грибами (Saccharomyces) или некоторыми видами бактерий.

Известный с давних времён способ получения этанола - спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C₆H1₂O₆ > 2C₂H₅OH + 2CO₂^

Но сначала глюкозу необходимо получить из крахмала, содержащегося в зерне. Для этого сырье измельчают, разваривают и осахаривают.

Зерно размалывается и расплющивается до размеров, не превышающих 3 мм. При разваривании паром под давлением происходит процесс набухания, который описывается уравнением:

,

где W - влажность зерна, %; б и n - коэффициенты, зависящие от культуры зерна; ф - продолжительность набухания, мин.

Необходимая подготовка крахмалсодержащего сырья к осахариванию при минимальных потерях нерастворенного крахмала и сбраживаемых углеводов достигается правильно выбранным соотношением температуры и продолжительности разваривания:

,

где t - температура разваривания, °С; б и с - коэффициенты, зависящие от состояния, вида и степени измельчения сырья; ф - продолжительность разваривания, мин.

В процессе разваривания молекулы крахмала увеличиваются в размерах, клейстеризуются, замес превращается в гель, максимальная вязкость которого является функцией концентрации крахмала:

,

где б и k - постоянные, зависящие от вида крахмала; С - концентрация крахмала в замесе.

При осахаривании разваренной массы с участием глюко-амилазы и солода протекают сложные химические реакции, в результате которых крахмал гидролизуется и превращается в легкосбраживаемую глюкозу:

(С₆Н₁₀О₅)_n+nН₂О=nС₆Н₁₂О₆

Продуктом брожения глюкозы является бражка, содержащая примерно 15% этанола. Она подвергается ректификации и дистилляции, результат - ректифицированный спирт и ряд отходов производства, таких как: сивушное масло, барда, лютерная вода, непастеризованный и сивушный спирты, которые отбираются и направляются на повторную очистку. Из всех побочных продуктов наибольшую ценность представляет барда, идущая на изготовление кормов для животных и синтез биогаза.

1.2 Описание технологического процесса

этанол сырье плотномер

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

· отделение примесей (с помощью магнитного или воздушно-ситового сепарирования, с помощью аппаратов, называемых триерами), мойка и измельчение крахмалистого сырья - зерна.

· разваривание до крахмальной массы и последующее осахаривание с применением различных ферментных препаратов.

· брожение, отгонка бражки, ректификация и получение спирта-сырца, дистилляция и выход соответствующего ГОСТу продукта.

Рассматриваемый участок процесса начинается с подачи в смеситель дробленого, очищенного от примесей зерна. Туда же подаются фильтрованная вода, раствор ферментов альфа-амилазы и фильтрат барды, подогретые сухим отработанным паром до 50°С. Полученный замес обрабатывают паром при температуре около 150°С и избыточном давлении 0,6 МПа. Масса поступает в аппарат водно-тепловой и ферментативной обработки, выдерживается там в течении 1 часа, периодически подается на контактную головку и нагревается до 140°С. Выделяющиеся газы отводятся через патрубок в крышке аппарата. Полученный крахмальный клейстер стерилизуется при 120°С, вакууме и давлении 1,5 атм 30-40 мин.

Масса перекачивается в паросепаратор, где находится при температуре 105°С и давлении 0,05 МПа в течение 15-20 мин, при этом содержащийся в ней влажный пар конденсируется, а сухой под давлением 1МПа и температуре 300°С отделяется и отводится для нагревания фильтрата барды и ферментов. В теплообменнике крахмальная масса остывает, смешивается с солодом, бактериями плесневых грибков класса Mucor и глюко-амилазой, часть идет на дрожжегенерацию, часть подается в осахариватель. Оптимальная температура для действия осахаривающих ферментов - 57-58°С, концентрация ионов водорода 4,8-5,6, время - 20-25 мин. Затем сусло охлаждается до 20°С и откачивается в бродильный чан.

1.3 Основное оборудование производства

Смеситель. Представляет собой цилиндрический сосуд с эллиптическим днищем и плоской крышкой, имеющий вертикальную рамную мешалку. Увлажненное измельченное зерно по трубопроводу поступает в приемник продукта, который выполнен в виде перфорированной камеры. Через отверстия внутренней трубы этой камеры тонкими струями подается жидкость, Зерновая крупка смешивается с жидкостью, замес выходит через переливную коробку, обеспечивающую определенный уровень замеса в смесителе. Переливная коробка снабжена патрубком, через который можно отбирать пробы.

Аппарат ВТФО. Предназначен для доваривания сырья, нагретого до температуры разваривания в контактной головке. По конструкции представляет собой цилиндрический цельносварной сосуд со съемными эллиптическими крышкой и днищем. Развариваемая масса, прогретая до необходимой температуры, поступает в нижнюю часть вертикальной трубы, установленной по центру, и поднимается по ней вверх, переливается через края трубы и движется по кольцевому пространству между корпусом и центральной трубой, затем выводится через нижний патрубок.

Паровой стерилизатор. Представляет собой цилиндрический сосуд с дренажной трубкой в верхней части и паропроводом в нижней. Поток пара проникает в верхнюю часть сосуда и вытесняет из него воздух через дренажную трубку. Давление и температура пара возрастают и достигают установленной величины. Поддерживается постоянная температура до окончания экспозиции. После этого пар выводится через дренаж из камеры.

Паросепаратор. Устройство предназначено для разделения пара, содержащегося в смеси, на капельную влагу и, собственно, сухой пар. Смесь подводится в закрытый резервуар сбоку через подающие патрубки, отделение влаги происходит на горизонтальных дырчатых листах (потолочном и погружном). отсепарированная вода вместе со смесью отводится вниз по трубопроводу, сухой пар уходит через клапан вверх и используется для подогрева.

Теплообменник. В данном процессе используется пластинчатый теплообменник - устройство, в котором осуществляется обмен теплотой между хладагентом и горячей средой через стальные, медные, графитовые или титановые гофрированные пластины, которые стянуты в пакет. При стягивании пакета пластин образуются каналы, по которым и протекают жидкости, участвующие в теплообмене. Такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных потоков и их несмешиваемость.

Осахариватель. Представляет собой цилиндрический котел со сферическим днищем, снабженный пропеллерной мешалкой. Сверху аппарат закрыт крышкой с вытяжной трубой для удаления выделяющихся паров. Равномерное поступление разваренной массы в аппарат и постоянство ее объема обеспечивается датчиком уровня. Для организованного движения массы при перемешивании внутри установлен диффузор с раструбом внизу./2/

1.4 Выбор параметров нормального технологического режима

Основные параметры, которые необходимо контролировать:

· Температура пара при разваривании зернового замеса;

· Показатель pH в осахаривателе;

· Содержание сбраживаемых сахаров в осахаренном сусле;

· Температура сусла, отправляемого на брожение.

Необходимость точно выдерживать температурный режим разваривания обусловлена строением и химическим составом зерен. Именно при 125-155°С и давлении 0,6 МПа наиболее полно происходят процессы разбухания клеток, оболочка зерна лопается, находящийся внутри жидкий крахмал выделяется в окружающую среду. Происходит клейстеризация замеса. Качество разваривания, т.е. содержание крахмала в разваренной массе, напрямую влияет на дальнейший процесс, в частности на осахаривание.

Скорость амилолиза оптимальна при строго определенной концентрации водородных ионов. Активность б-амилазы максимальна при pH=5,6, в-амилазы при pH=4,8 (по Клинкенбергу). Таким образом, в зависимости от используемых ферментов и их происхождения (грибного или бактериального, например Bac. subtilis), кислотно-щелочной баланс необходимо поддерживать в этих пределах.

Содержащийся в сусле сахар сбраживается дрожжами в спирт - его концентрация прямо пропорциональна содержание этанола в бражке. Качество осахаривания определяют в лабораторных услових с помощью йодной пробы, концентрацию сахаров - рефрактометром. Максимальная концентрация сахаров в сусле составляет 18% - этого показателя удается добиться при помощи осахаривателей с вакуумным охлаждением.

Температура "складки" - начальная температура брожения сусла - составляет 25-26°С при двухсуточном брожении и 18-20°С при трехсуточном. Эти показатели зависят от конкретного вида дрожжей, вносимых в сусло при забраживании - дрожжевые культуры живут и размножаются в ограниченных диапазонах температуры и крайне чувствительны к ее перепадам ("температурным стрессам")./11/

Таблица 2 - Технологические параметры.

Технологический параметр	Значение контролируемой величины	Отклонение параметра	Место контроля	Вид контроля
				Контроль	Регистрация	Сигнализация
1	2	3	4	5	6	7
ФОР-СМЕСИТЕЛЬ
1. Масса заправляемого дробленого зерна	500 кг	+5 кг	Трубопровод	+	-	-
СМЕСИТЕЛЬ
1. Влажность замеса на выходе	45%	+2%	Трубопровод	+	-	-
ГИДРОИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬ
1. Масса подаваемой воды	1500 кг	+10 кг	Трубопровод	+	-	-
СБОРНИК РАСТВОРОВ ФЕРМЕНТОВ
1. Плотность раствора б-амилазы на выходе	1,23 г/смі	+0,03 г/смі	Трубопровод	+	-	-
2. Масса солодового молока	150 кг	+1,5 кг	Трубопровод	+	-	-
КОНТАКТНАЯ ГОЛОВКА
1. Температура пара	150°С	+2°С	В головке	+	-	-
2. Давление пара	0,5 МПа	+0,1 МПа	В головке	+	-	-
АППАРАТ ВТФО
1. Уровень развариваемой массы	3 м	+0,2 м	В аппарате	+	-	+max
2. Плотность массы на выходе	1,03 г/см 3	+0,03 г/см 3	Трубопровод	+	-	-
СТЕРИЛИЗАТОР
1. Температура стерилизации массы	121°С	+1°С	В аппарате	+	-	-
ПАРОСЕПАРАТОР
1. Давление сухого пара на выходе	1 МПа	+0,2 МПа	Отводящий трубопровод	+	-	-
2. Расход сухого пара	125 кг/ч	+5 кг/ч	Отводящий трубопровод	+	-	-
3. Вязкость разваренной массы на выходе	20 Па*с	+2 Па*с	Трубопровод	+	-	-
ОСАХАРИВАТЕЛЬ
1. Уровень осахариваемой массы	4 м	+0,3 м	В аппарате	+	-	+max
2. Значение pH осахариваемой массы	5,2	+0,4	В аппарате	+	-	-
ТЕПЛООБМЕННИК
1. Вязкость горячего осахаренного сусла	25 Па*с	+5 Па*с	В подводящем трубопроводе	+	-	-
2. Концентрация сбраживаемых сахаров	17 %	+1 %	В трубопроводе на брожение	+	+	-
3. Температура осахаренного охлажденного сусла	20°С	+2°С	В трубопроводе на брожение	+	-	-

2. Выбор методов и средств измерения технологических параметров

Данный технологический процесс в достаточной степени поддается автоматизации. При надлежащем контроле и обслуживании всего оборудования данный участок производства работает стабильно без постоянного присутствия оператора в цехе. Все вторичные приборы и системы сигнализации возможно разместить в отдельном помещении, на расстоянии от производства.

Таким образом, нам подходят только те средства измерения параметров технологического процесса, которые располагают возможностью дистанционной передачи сигнала. Любые изменения основных показателей процесса должны мгновенно отображаться и фиксироваться, так как от этого зависит не только качество продукта на выходе, но и сохранность агрегатов и приборов. Следует выбирать точные, быстродейственные и мало инерционные методы измерения.

Для измерения температуры осахаренного сусла, перекачиваемого в бродильный чан, подходящим является термопреобразователь сопротивления - достаточно точное, экономически оправданное и надёжное устройство.

Для измерения давления сухого пара и перегретого в контактной головке используем манометр с тензорезистивным компланарным сенсором. Изгиб чувствительной мембраны вызывает изменение сопротивления в цепи моста Уинстона. Сигнал рассогласования преобразуется в цифровой для обработки микропроцессором. Имеется встроенный термометр для устранения влияния нежелательных температурных эффектов. Относительно простая и точная схема прекрасно подходит для данных условий производства./3/

При измерении расхода сухого пара, поступающего на подогрев ферментной смеси, используется кориолисов расходомер серии Micro Motion. Измерение происходит в реальном времени, не требует дополнительного оборудования, прибор прост в монтаже и экономически выгоден в обслуживании. Принцип его работы заключается в следующем: измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении друг к другу. При движении измеряемой среды через сенсор проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды в колеблющейся сенсорной трубке приводит к возникновению кориолисового ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Сила Кориолиса и, как следствие, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкости. В результате изгиба сенсорных трубок на детекторах генерируются сигналы, не совпадающие по фазе, так как сигнал с входного детектора запаздывает по отношению к сигналу с выходного детектора. Разница во времени между сигналами (ДT) измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше ДT, тем больше массовый расход.

Для измерения уровня в аппаратах осахаривания и ВТФО применяется радарный уровнемер. Его основные достоинства - это точность измерения для сред с низким коэффициентом отражения, компенсация погрешности, вызываемой образованием пара и пены, универсальность и широкий выбор зондов для различных измеряемых веществ, возможность применения для узких резервуаров. Принцип действия: технология рефлектометрии с временным разрешением (TDR = Time Domain Reflectometry). Микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении. Разница во времени между моментом передачи радарного импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела сред.

Для измерения концентрации сахаров в сусле, отправляемом на брожение, применим промышленный рефрактометр. Принцип его действия основан на измерении коэффициента преломления среды. Достоинство выбранного прибора в том, что на результат измерения не влияет наличие пузырьков воздуха, твердых частиц или цвет раствора, легко монтируется на любой трубе, прием и обработка оптической информации полностью оцифрованы, более быстродейственный и надежный, чем лабораторный.

Принципом действия выбранного промышленного pH-метра является непрерывное автоматическое преобразование измеряемого значения электродвижущей силы (ЭДС), возникающей на выводах электродной системы, помещенной в контролируемый раствор, в величину pH, характеризующую активность ионов водорода. Это наиболее простая и распространенная схема, удобная в обслуживании.

Для измерения плотности раствора б-амилазы и клейстерной массы на выходе из разварника наиболее подходящим является вибрационный плотномер. Непрерывный и точный мониторинг плотности в режиме реального времени, простота встраиваемости в трубопровод, независимость от температуры и давления среды, наличие фильтров - все это плюсы данной модели. Основным элементом плотномера является цилиндр, находящийся в трубе и совершающий вынужденные незатухающие автоколебания. При прохождении потока анализируемой жидкости через эту трубу меняется частота колебаний цилиндра. Это изменение пропорционально плотности анализируемой жидкости./4/

Таблица 3 - Методы измерения технологических параметров.

Параметр контроля	Возможные принципы измерения	Основные характеристики принципа	Технические средства, реализующие принцип	Основные характеристики
		Диапазон контроля	Погрешность метода	Возможность автоматизации		Диапазон	Погрешность
Температура	Расширения	(-35ч500)°С	1 дел	-	Жидкостные, биметаллические	(-200ч700)°С (-60ч300)°С	+1%
	Сопротивления	(-260ч1100)°С	+1°С	+	Медный	(-50ч150)°С	+0,5%
	Термоэлектрический	(-50ч2200)°С	+2,5°С	+	ТХА	(-40ч300)°С	+1%
Давление	Деформационный	(0ч103) МПа	+1%	+	Манометр	(0ч1,5)МПа	+1%
	Тензорезистивный	(0ч2,5)МПа	+1%	+	Мембранный датчик	(0ч5,5)МПа	+0,065%
Расход	Переменного перепада давления	1:20 (динамический диапазон)	+1%	+	Расходомер переменного перепада давления	1:14 (динамический диапазон)	+0,7%
	Массовый кориолисов	(0ч3265870) кг/ч	+0,05%	+	Расходомер массовый кориолисов	(0ч2720) кг/ч	+0,2%
Уровень	Поплавковый	(0ч30м)	+0,001 м	+	Поплавковый уровнемер	(0ч20) м	+1,5%
	Радарный	(0,1ч50)м	+0,03%	+	Волноводный радарный	(0,4ч6)м	+0,03%
Вязкость	Истечения	(0,001ч10)Па*с	+2%	+	Капиллярный	(1ч10)Па*с	+2%
	Вибрационный	(0,0001ч100)Па*с	+2,5%	+	Вискозиметр вибрационный низкочастотный	(0ч50)Па*с	+2,5%
Плотность	Весовой	(1ч2,5)г/см 3	±0,0015 г/см 3	+	Весовой плотномер	(100ч2000) кг/м 3	+1%
	Вибрационный	(0ч2,1) г/см 3	+0,0001г/см 3	+	Цилиндрический вибрационный	(0ч1,5) г/см 3	+0,0001г/см 3

3. Описание схемы автоматического контроля технологических параметров производства этанола

Весовые дозаторы АД-400-2БЖ и ДБД-100 расположены по месту и работают полностью автономно, отвешивая необходимую массу зерна, воды и солода. Вибрационные плотномеры Sarasota FD930 расположены в трубопроводах, измеряя плотность раствора ферментов и разваренной крахмальной массы. Они дистанционно связаны с показывающими преобразователями плотности Sarasota CM200, находящимися в операторской. Для измерения уровня в аппаратах ВТФО и осахаривателе находятся радарные уровнемеры Rosemount 5300, снабженные сигнализированием критически высокой отметки среды - это поможет своевременно выявить неполадки и обеспечит безопасность персонала и оборудования. Два Rosemount 751 используются для визуализации показаний уровнемеров, расположены так же в операторской.

Три датчика температуры расположены в наиболее важных точках производства, где температура отвечает за качество продукта на выходе. Это медный термометр сопротивления и 2 термопары градуировки ТХА "Метран-2000" в комплекте с 3 одноканальными "Метран-950ПГ", монтированными на щите в пункте управления и контроля. За анализацию влажности зернового замеса отвечает влагомер поточный МСТ 360 в связке с показывающим вторичным прибором "Технограф 160П".

Два датчика Rosemount 3051 c тензорезистивным сенсором отвечают за контроль давления пара в контактной разварочной головке и сухого отсепарированного пара. Для визуализации служат уже упоминавшиеся Rosemount 751. Расход сухого пара контролирует кориолисов расходомер Micro Motion Метран, индикатор сигнала - все тот же Rosemount 751. Вязкость крахмальной массы и осахаренного сусла измеряется вибрационным вискозиметром ВВН-8 в комплекте с электронным модулем БЭ-63.

Одни из важнейших параметров - это кислотность осахаривания и содержание сахаров в сусле, от них напрямую зависит качество сбраживания и количество бражки. В осахаривателе стоит промышленный pH-метр 4121 в комплекте с измерительным показывающим прибором для установки в операторской, концентрацию глюкозы, сахарозы и декстрозы измеряет рефрактометр ПР-3П, для оператора эти показания регистрируются и записываются прибором "Технограф 160".

Все приборы, расположенные по месту, на выходе дают унифицированный аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА, а вторичные приборы в операторской - соответственно на входе. Датчики и вторичные приборы Rosemount могут использовать беспроводной протокол связи HART. Следовательно, показания могут передаваться на большие расстояния без дополнительных преобразований.

4. Расчет вибрационного цилиндрического плотномера

4.1 Вывод градуировочной характеристики плотномера

Расчетная схема оболочкового резонатора показана на рис.1, а. Тонкая цилиндрическая оболочка толщиной , высотой и радиусом срединной поверхности удерживается в положении, при котором срединная поверхность цилиндра концентрична несущему стержню радиуса . Оболочка помещена внутри цилиндрического отрезка трубопровода с внутренней стенкой, удаленной от оси симметрии на расстояние . Участок трубопровода заполнен контролируемой жидкостью, причем торцы оболочки находятся на расстояниях и соответственно от нижнего и верхнего концов отрезка трубы. Пунктирными линиями на схеме условно показана жесткая цилиндрическая стенка, не позволяющая жидкости перетекать через торцы оболочки с одной ее поверхности на другую.

Рис.1 - Схема резонатора

Деформирование оболочек существенно отличается от деформирования пластинок, поскольку у оболочки уже до деформации имеется кривизна ее серединной поверхности, однако и в основе теории изгиба оболочек лежат гипотезы Кирхгофа-Лява. Уравнения движения оболочки записывают в виде:

где - динамические перемещения точек срединной поверхности в направлениях осей z, s, r цилиндрической системы координат; - нагрузки, включающие в себя силы инерции и давления жидкости на оболочку.

Дифференциальные операторы L при использовании уравнений технической теории тонких оболочек, в которых толщина стенки значительно меньше радиуса срединной поверхности, записываются следующими равенствами, в которых - коэффициент Пуассона:

В тонкой оболочке тангенциальные силы инерции и малы по сравнению с радиальной , и ими пренебрегают. Тогда после введения функции усилий N с учетом рассеяния энергии в материале оболочки по способу Е.С. Сорокина уравнения движения примут вид:

При выборе краевых условий, определяющихся способом закрепления торцов оболочки, уместно использовать общепринятое разделение цилиндров на короткие и длинные, для которых можно пренебречь взаимным влиянием краев. Если отношение

,

то оболочка считается длинной и влияние краевых условий носит лишь местный характер, мало сказывающийся на частоте колебаний основного тона. Для облегчения расчетов воспользуемся краевыми условиями свободного опирания торцов цилиндра, поскольку для резонаторов, применяемых в вибрационных плотномерах, приведенное выше условие выполняется. Ошибка в результате расчета частоты колебаний не играет существенной роли, поскольку всегда для построения градуировочной характеристики плотномера следует с высокой точностью экспериментально определять начальную частоту колебаний резонатора. При использовании системы (1) тангенциальные граничные условия должны быть выражены через функцию усилий N. Так, для свободно опертых торцов оболочки граничные условия можно записать в виде:



При этих условиях в случае преимущественно нормальных форм колебаний системе (1) удовлетворяет решение:

В приведенных равенствах А и В - амплитудные значения функций и , параметр равен числу полуволн формы колебаний в продольном направлении, а - числу волн в окружном направлении поверхности оболочки. Для первой основной частоты, на которой работает резонатор, (см. рис.1, б). Число узловых линий формы колебаний, параллельных образующей, равно , а в окружном направлении - 1, не считая опорных линий. Распределенная нагрузка в первом уравнении системы (1) включает в себя

где

- масса оболочки, приходящаяся на единицу площади ее поверхности; - плотность материала оболочки; - коэффициент механического демпфирования, определяющий трение в узлах закрепления резонатора; - распределенные нагрузки, действующие со стороны жидкости на наружную и внутреннюю поверхности оболочки соответственно и определяемые формулой:

;

- нормальная реакция, обусловленная начальными усилиями в срединной поверхности оболочки, представляемая формулой:

в которой - усилия, действующие в осевом и окружном направлениях срединной поверхности оболочки, связанные, в частности, с перепадом давлений на ней.

С учетом вышеизложенного запишем систему (1), введя безразмерную координату длины

и азимут

.

При этом рассмотрим вариант возбуждения колебаний оболочки сосредоточенной силой G, приложенной в точке и представляемой в виде:

для и

для

при условии, что , когда и

Распределенные нагрузки и , действующие соответственно на наружную и внутреннюю поверхность резонатора, определим на основании волнового уравнения, для чего предварительно воспользуемся уравнением Гельмгольца, записанным в цилиндрических координатах, обозначив

Решение этого уравнения методом разделения переменных позволяет получить формулу для определения значений распределенной нагрузки, в которую введены коэффициенты

где

Здесь

- бесселевы функции первого и второго рода второго порядка; - модифицированные бесселевы функции первого и второго рода второго порядка. Точками обозначены производные от бесселевых функций по радиусу r.

Подставим выражение (3) в первое уравнение системы (1) и будем искать ее решение в форме (2). Домножив обе части первого уравнения на с последующим двойным интегрированием по в пределах от 0 до 1 и по в пределах от 0 до 2, получим следующие формулы для частоты и амплитуды автоколебаний цилиндрического резонатора в жидкости:



где

- относительная толщина и длина цилиндрической оболочки; - распределенная "присоединенная масса" жидкости, увлекаемая резонатором в движение.

Статическая характеристика вибрационного плотномера с цилиндрическим резонатором может быть записана в общепринятом виде, если выразить "присоединенную массу" жидкости через относительную толщину "присоединенного слоя" снаружи и внутри резонатора

где с - плотность среды, контактирующей с обеими поверхностями резонатора; - радиус серединной поверхности цилиндра резонатора. Относительная толщина "присоединенного слоя" жидкости определяется следующим выражением:



где

а в выражении для

Окончательный вид статической характеристики плотномера представляется формулой

в которой

- начальная частота колебаний резонатора;

- постоянная резонатора.

4.2 Расчет частоты колебаний резонатора в анализируемой жидкости

Выше была выведена статическая характеристика в общем виде. Но градуировочные характеристики вибрационных плотномеров учитывают влияние множества факторов на частоту автоколебаний резонаторов. Поскольку основным параметром, подлежащим измерению, является плотность жидкости, то целесообразно упростить это выражение, отбросив факторы, учитывающие изменение условий измерения (скорость среды, растягивающие усилия, действующие на внутреннюю и внешнюю поверхность резонатора). Действие же этих факторов удобно рассмотреть отдельно, оценивая значения дополнительных погрешностей. Запишем упрощенное выражение градуировочной характеристики в виде, пригодном для описания статики вибрационного плотномера.

Поскольку более точным и быстрым является режим измерения не частоты, а периода колебаний резонатора, то запишем градуировочную характеристику относительно периода Т колебаний:

здесь

- начальный период колебаний,



- постоянная резонатора.

Параметры, используемые при расчете:

- толщина оболочки;

- плотность оболочки;

- радиус серединной поверхности;

- длина резонатора;

- плотность измеряемой жидкости;

- коэффициент оболочки;

- коэффициент Пуассона.



Рис.2 - Градуировочная характеристика

Для наглядности период колебаний можно представить в виде частоты:

Таблица 4 - Зависимость частоты колебаний цилиндрического резонатора от плотности измеряемой среды./5/

Плотность измеряемой среды с, кг/мі	Частота колебаний ѓ, Гц
400	2786,95
600	2621,17
800	2317,44
1000	2154,86
1200	2021,21
1400	1988,81
1600	1902,58
1800	1828,97
2000	1755,44
2200	1690,13

5. Монтаж системы контроля на объекте измерения

Монтаж плотномера можно производить, исходя из расхода или внутреннего диаметра, либо на основном трубопроводе в вертикальном или горизонтальном положении, либо на байпасе магистрали. В случае больших расходов можно изъять небольшое количество жидкости из основной магистрали и направить ее на байпас, где установлен плотномер. В случае, если необходимо создать разность давлений для усиления потока, используется дроссель, либо вспомогательный насос. Однако чаще всего для качественного и точного измерения достаточно того перепада давлений, который уже существует в основной магистрали. Позиция при монтаже и направление потока не играют никакой роли.

Монтаж прибора на байпасе имеет ряд преимуществ:

· доступная стоимость

· компактное решение, конструкция не зависит от внутреннего диаметра магистральной линии

· поток через плотномер можно без больших реконструкций согласовать с потоком в действующей установке

· несложная поверка плотномера, без прерывания основного процесса

· легкая замена, так же без прерывания производства.

Если необходимо, плотномер может устанавливаться с возможностью самооткачки измеряемой среды.

Заключение

В данной курсовой работе мы провели масштабное исследование технологического процесса синтеза этанола из зернового сырья, спроектировали и произвели расчет вибрационного плотномера, построили для него график нормированной статической характеристики, создали схему автоматического контроля данного производства, приобрели навыки в работе со специфическими источниками информации и соответствующими программными пакетами. Была приобретена способность к быстрому поиску нужной информации в проектно-технической документации, а также изучены нормы её создания и обработки.

Список литературы

1. В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко. Технология спирта. М: Колос-Пресс, 2002 - С. 208.

2. А.И. Иванов, Зотов В.Н. Оборудование спиртового производства. М: Пищевая промышленность, 1981 - С. 301.

3. Каталог датчиков давления Rosemount. Метран. 2012.

4. Ю.П. Жуков. Вибрационные плотномеры. М: Энергоатомиздат, 1991 - С. 141.

5. Измеритель плотности жидкости вибрационного типа / ВЦП. № Ц-7008. М., 1973. Пер. ст. С. Охата, К. Ватабэ - из журн. "Кэйсо". 1968. Т. 11. №6. С. 65.

6. Макаренко В.Г., Долгов К.В. Технические измерения и приборы: Методические указания к курсовому проектированию/Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002. - 28с.

7. ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.

8. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. - М: Машиностроение, 1983. - 462с.

9. Каталог уровнемеров Rosemount. Метран. 2012.

10. Каталог расходомеров и счетчиков Rosemount. Метран. 2012.

11. А.П. Рухлядева, В.С. Чередниченко. Справочник для работников лабораторий спиртовых заводов. М: Пищевая промышленность, 1979.

12. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980 - С.248.

13. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. / Под ред. В.Н. Челомея. Т. 1. М.: Машиностроение, 1978.

14. И.Т. Кретов, С.Т. Антипов. Инженерные расчеты технологического оборудования предприятия бродильной промышленности. М: КолосС, 2004 - С. 390.

Размещено на Allbest.ru