Производство серной кислоты обжигом колчедана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Под управлением технологическим процессом понимается совокупность операций, необходимых для осуществления таких целей, как пуск и остановка технологического процесса, поддержание какого-либо параметра процесса на заданном уровне, изменение параметра по заданной программе и т.п. Установку, машину, агрегат, в котором протекает исследуемый технологический процесс, называют объектом управления. Управление может быть ручным или автоматическим. В первом случае операции управления осуществляет человек, а во втором - управляющее устройство. Сочетание объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ).

В нефтехимической промышленности автоматизации уделяется большое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а также чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы, взрыво и пожароопасностью перерабатываемых веществ. По мере осуществления автоматического производства сокращается тяжёлый физический труд, уменьшается численность рабочих, непосредственно занятых в производстве, увеличивается производительность труда. Ограниченные возможности человеческого организма (утомляемость, недостаточная скорость реакций на изменение окружающей обстановки и на большое количество одновременно поступающей информации) является препятствием для дальнейшей интенсификации производства. Наступает новый этап производства - автоматизация, когда человек освобождается от непосредственного участия в производстве, а функции управления передаются автоматическим устройствам. Автоматизация приводит к улучшению основных показателей эффективности производства: увеличивается количество, повышается качество, снижается себестоимость выпускаемой продукции, повышается производительность труда. Внедрение специальных автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха и водоёмов отходами. Комплексная автоматизация процессов в нефтехимической технологии предполагает не только автоматическое обеспечение хода этих процессов с использованием различных автоматических устройств (контроля, регулирования, сигнализации), но и автоматическое управление пуском и остановкой установки для ремонтных работ и в критических ситуациях.

При выборе контролируемых величин обычно руководствуются тем, чтобы при минимальном их числе обеспечивалось наиболее полное представление о процессе. Контролю подлежат те параметры, которые облегчат ведение технологического процесса. Для регулируемых величин процесса выбор осуществляется таким образом, чтобы при регулирующем воздействии на объект достигалось оптимальное протекание технологического режима. Для контроля одинаковых параметров технологического процесса применяют идентичные автоматические устройства, на основе которых осуществляется контроль и управление процессом.

Серный колчедан

Основные залежи колчедана имеются в России (главным образом на Урале), в Испании, Японии, Канаде, Индии, Португалии, Италии, Норвегии. Серный колчедан FeS2 содержит 53,4% S и 46,6% Fe.

Существуют следующие сорта колчедана: рядовой, флотационный и пиритный концентрат. Рядовой колчедан добывают в рудниках в виде кусков размером 50-- 400 мм. Флотационный колчедан получается как отход при флотационном обогащении руд, содержащихся в качестве примесей к рядовому колчедану. Пиритный концентрат получают при вторичной флотации колчедана с отделением пустой породы.

Флотационный метод обогащения основан на различной смачиваемости зерен отдельных минералов водой. Частицы несмачиваемого (гидрофобного) минерала, не преодолевая сил поверхностного натяжения воды, остаются на ее поверхности. Частицы смачиваемого (гидрофильного) материала обволакиваются пленкой жидкости и увлекаются на дно аппарата. Минерал, плавающий на поверхности, снимают, отделяя от руды.

Флотацию проводят во флотационных машинах различного типа. Процесс флотации заключается в смешивании раздробленного колчедана с водой и флотореагентами -- пенообразующими веществами (деготь, хвойные масла и др.)» и продувании воздуха. Гидрофобные частицы отделяемой примеси колчедана (например, медь) прилипают к воздушным пузырькам и всплывают с ними (это концентрат), а колчедан осаждается на дно (флотационный колчедан, или флотохвосты). Вторичная флотация флотохвостов с применением другого флотореагента дает пиритный концентрат. Пиритный концентрат часто называют тоже флотационным колчеданом. Перед отправкой потребителю флотационный колчедан высушивают до содержания в нем влаги 3,8%.

Серный колчедан может содержать примеси соединений меди, цинка, свинца, мышьяка, никеля, кобальта, селена, висмута, теллура, кадмия, карбонаты и сульфаты кальция и магния, а также золото и серебро. Содержание селена составляет до 220 г/т, золота до 4 г/т, серебра до 40 г/т, мышьяка до 0,4%, фтора до 0,02%.

Серная кислота - важнейший продукт основой химической промышленности. Среди минеральных кислот она по объему производства и потребления занимает первое место, поэтому изучение свойств и методов получения серной кислоты весьма актуально. Серную кислоту применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не корродирует черные металлы, способна образовывать многочисленные устойчивые соли и является дешевым сырьем для различных производств.



1. Описание технологической схемы процесса обжига колчедана

Колчедан в виде мелких гранул из бункера Б-1 тарельчатым питателем подается в печь П-3 с кипящим слоем. Для создания кипящего слоя под распределительную решетку печи подается воздух. В кипящем слое происходит горение серного колчедана - окисление серы кислородом воздуха - с образованием сернистого ангедрида (12-14%). Реакция окисления протекает с выделением большого количества тепла, поэтому в зону реакции введены змеевики, по которым перемещается хладоноситель. Обжиговый газ при температуре 800-9000С поступает в котел - утилизатор E-4, где за счет испарения воды охлаждается примерно до 4500С. Затем он подвергается очистке от огарковой пыли в циклоне Ф-5 и электрофильтре Э-6 и подается в промывное отделение.

В промывном отделении обжиговый газ подвергается тонкой очистке от примесей (селена, фтора, мышьяка), являющихся ядами для катализатора, и от оставшейся в газе огарковой пыли.

Первоначально обжиговый газ промывается и охлаждается (за счет испарения) серной кислотой концентрацией 40-50% в промывной колонне К-7 распыливающего типа. Затем промывка осуществляется в насадочной колонне К-9 кислотой меньшей концентрации (5-20%), отбираемой из емкости E-10 и охлажденной в холодильнике Х-11. Обе абсорбционные колонны работают в замкнутом цикле по кислоте, поэтому концентрация кислоты постепенно повышается за счет испарения воды и частичного улавливания сернистого ангедрида. Для поддержания постоянной концентрации кислоты в емкости Е-8 в нее подается менее концентрированная кислота из емкости E-10, а в последнюю поступает вода. Пропорционально вновь вводимой воде из системы выводится кислота, которая после доведения ее концентрации до 93% отправляется потребителям как товарный продукт. Вместе с кислотой из промывной системы выводятся уловленные селен, фтор, мышьяк, огарковая пыль.

При охлаждении газа в колоннах К-7 и К-9 содержащейся в обжиговом газе серный ангидрид, соединение мышьяка и селена частично пере-ходят в туманообразное состояние. Появившийся туман улавливается в мокром электрофильтре Ф-12.

1.1 Автоматизация процесса обжига колчедана

Рис.1 Автоматизация процесса обжига колчедана



2. Разработка функциональной схемы автоматизации

2.1 Определение параметров для сигнализации, блокировки, контроля и регулирования с обоснованием

Выбор и обоснование параметров контроля, регулирования и сигнализации производятся по аппаратам, исходя из процесса, протекающего в нем. Вначале выбираются и обосновываются все параметры контроля, затем из числа этих параметров определяются те, которые должны подвергаться автоматическому регулированию и сигнализации. Автоматизация призвана обеспечить заданный режим процесса. Каждый технологический процесс характеризуется набором технологических параметров (расход материальных потоков, температура, давление, фракционный состав, концентрация и другие). Задача автоматизации заключается в поддержании на постоянном значении этих параметров. Основные возмущения должны быть стабилизированы. Под действием неконтролируемых возмущений регулируемый параметр отклоняется от заданного значения. Необходимо выбрать управляющие воздействия, поддерживающие регулируемые параметры на заданном значении.

Основной задачей регулирования работы печи является поддержание постоянства температуры продукта на выходе из печи. Поэтому основной регулируемой величиной является температура. Управляющим воздействием является изменение подачи топлива

Трубчатая печь является сложным объектом управления со многими входными величинами. Важнейшими из факторов, влияющих на отклонение температуры от заданного значения, являются:

- расход нагреваемого продукта;

- температура продукта на входе в печь;

- состав нагреваемого продукта;

- расход и теплотворная способность топлива;

- расход и температура воздуха;

- температура окружающей среды;

- состояние тепловой изоляции печи;

- состояние трубчатого змеевика.

Обычно регулируются следующие параметры: температура на выходе из печи; расход сырья на входе в печь. Измеряется и сигнализируется температура дымовых газов над перевальной стенкой.

Ниже приведен пример выбора и обоснования параметров контроля регулирования трубчатой нагревательной печи:

Рис 2. Схема автоматизации нагревательной трубчатой печи



2.2 Функциональная схема автоматизации с описанием

Функциональная схема автоматизации разрабатывается в соответствии с критериями подбора параметров для контроля, регулирования сигнализации и блокировки. С учетом типовых подходов решения и формирования контуров контроля регулирования была разработана данная схема автоматизации.

Мелкие частицы можно перерабатывать в кипящем (псевдоожиженном) слое, что реализовано в печах КС - кипящего слоя. Пылевидный колчедан подается через питатель в реактор. Окислитель (воздух) подается снизу через распределительную решетку со скоростью, достаточной для взвешивания твердых частиц. Их витание в слое предотвращает слипание и способствует хорошему контакту их с газом, выравнивает температурное поле по всему слою, обеспечивает подвижность твердого материала и его переток в выходной патрубок для вывода продукта из реактора. В таком слое подвижных частиц можно расположить теплообменные элементы. Коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя сравним с коэффициентом теплоотдачи от кипящей жидкости, и тем самым обеспечены эффективные теплоотвод из зоны реакции, управление его температурным режимом и использование тепла реакции. Интенсивность процесса повышается до 1000 кг/(м ч), а концентрация 802 в обжиговом газе - до 13-15%. Основной недостаток печей КС - повышенная запыленность обжигового газа из-за механической эрозии подвижных твердых частиц. Это требует более тщательной очистки газа от пыли - в циклоне и электрофильтре. Подсистема обжига колчедана представлена технологической схемой.

При формировании функциональной схемы автоматизации процесса обжига молибденитового концентрата в печи КС целесообразно предусмотреть следующие системы автоматического контроля и регулирования:

- температуры кипящего слоя в печи;

- расхода воздуха в воздухораспределительную коробку;

- разрежение под сводом печи.

Исходя из особенностей данного процесса, регулируются такие параметры как:

- температуры в различных точках печного пространства и по длине газоходного тракта;

- разрежения по всей длине газоходного тракта;

- расхода воды на кессоны;

- расходы на выходах из колонн;

- температуры воды на выходе их кессонов;

- содержания SO2 в отходящих газах;

- давления воздуха в распределительной коробке печи.

2. 3. Выбор технических средств автоматизации

3.1 Выбор контроллера для управления технологическим процессом

Рис. 1 Программируемый контроллер

PLC SIMATIC S7-1200 - это новое семейство микроконтроллеров Сименс для решения самых разных задач автоматизации малого уровня. Эти контроллеры имеют модульную конструкцию и универсальное назначение. Они способны работать в реальном масштабе времени, могут использоваться для построения относительно простых узлов локальной автоматики или узлов комплексных систем автоматического управления, поддерживающих интенсивный коммуникационный обмен данными через сети Industrial Ethernet/PROFINET, а также PtP (Point-to-Point) соединения.

Программируемые контроллеры S7-1200 имеют компактные пластиковые корпуса со степенью защиты IP20, могут монтироваться на стандартную 35 мм профильную шину DIN или на монтажную плату и работают в диапазоне температур от 0 до +50 °C. Они способны обслуживать от 10 до 284 дискретных и от 2 до 51 аналогового канала ввода-вывода. При одинаковых с S7-200 конфигурациях ввода-вывода контроллер S7-1200 занимает на 35% меньший монтажный объем. К центральному процессору (CPU) программируемого контроллера S7-1200 могут быть подключены коммуникационные модули (CM); сигнальные модули (SM) и сигнальные платы (SB) ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов. Совместно с ними используются 4-канальный коммутатор Industrial Ethernet (CSM 1277) и модуль блока питания (PM 1207).

Центральные процессоры

В S7-1200 используется 3 модели центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемами встроенной памяти, количеством и видом встроенных входов и выходов, и другими показателями. Каждая модель имеет три модификации:

- С напряжением питания =24 В, дискретными входами =24 В и дискретными выходами =24 В/0.5А на основе транзисторных ключей.

- С напряжением питания =24 В, дискретными входами =24 В и дискретными выходами с замыкающими контактами реле и нагрузочной способностью до 2 А на контакт.

- С напряжением питания ~115/230 В, дискретными входами =24 В и дискретными выходами с замыкающими контактами реле и нагрузочной способностью до 2 А на контакт.

- Каждый центральный процессор S7-1200 оснащен встроенным интерфейсом Ethernet, который используется для программирования и диагностики, обмена данными с другими системами автоматизации, устройствами и системами человеко-машинного интерфейса. Для одного процессорного модуля можно сконфигурировать 16 различных соединений для обмена данными. Для организации обмена данными могут использоваться транспортные протоколы TCP/IP, ISO на TCP и S7 функции связи (S7 сервер или S7 клиент). При необходимости в составе контроллера может использоваться простейший 4-канальный коммутатор Industrial Ethernet типа CSM 1277, выполненный в формате модулей S7-1200.

- Все центральные процессоры допускают подключение до трех коммуникационных модулей и установку одной сигнальной платы (SB) ввода-вывода. Дополнительно к CPU 1212C может подключаться до 2, к CPU 1214C - до 8 сигнальных модулей (SM). Все типы центральных процессоров оснащены двумя аналоговыми входами, набором дискретных входов и выходов, а также блоком питания датчиков с выходным напряжением =24 В. Подключение внешних цепей выполняется через съемные терминальные блоки с контактами под винт.

Функциональные особенности:

Все центральные процессоры обладают высокой производительностью и обеспечивают поддержку широкого набора функций:

Программирование на языках LAD и FBD, исчерпывающий набор команд.

- Высокое быстродействие, время выполнения логической операции не превышает 0.1 мкс.

- Встроенная загружаемая память объемом до 2 Мбайт, расширяемая картой памяти емкостью до 24 Мбайт.

- Рабочая память емкостью до 50 Кбайт.

- Энергонезависимая память емкостью 2 Кбайт для необслуживаемого сохранения данных при перебоях в питании контроллера.

- Встроенные дискретные входы универсального назначения, позволяющие вводить потенциальные или импульсные сигналы.

- Встроенные аппаратные часы реального времени с запасом хода при перебоях в питании 240 часов.

- Встроенные скоростные счетчики с частотой следования входных сигналов до 100 кГц.

- Встроенные импульсные выходы с частотой следования импульсов до 100 кГц (только в CPU с транзисторными выходами).

- Поддержка функций ПИД регулирования.

- Поддержка функций управления перемещением в соответствии с требованиями стандарта PLCopen.

- Поддержка функций обновления операционной системы.

- Парольная защита программы пользователя.

- Свободно программируемые порты для обмена данными с другими устройствами на коммуникационных модулях CM 1241.

Сигнальные модули SM

Сигнальные модули (модули расширения) позволяют адаптировать контроллер к требованиям решаемой задачи. Они позволяют увеличивать количество входов и выходов, с которыми работает центральный процессор, дополнять систему ввода-вывода дискретными и аналоговыми каналами с требуемыми параметрами входных и выходных сигналов. Сигнальные модули устанавливаются справа от центрального процессора и могут подключаться только к CPU 1212C и CPU 1214C. Подключение к внутренней шине контроллера выполняется с помощью выдвижных штекеров, вмонтированных в каждый модуль SM. Подключение внешних цепей, производится через съемные терминальные блоки с контактами под винт. В состав сигнальных модулей входят 8- и 16-канальные модули ввода и модули вывода дискретных сигналов, 16- и 32-канальные модули ввода-вывода дискретных сигналов, 4-канальные модули ввода и 2-канальные модули вывода аналоговых сигналов, а также модуль ввода-вывода аналоговых сигналов с 4 входами и 2 выходами.

Сигнальные платы SB

По своему назначению сигнальные платы аналогичны сигнальным модулям. Они устанавливаются в специальный отсек на фронтальной панели центрального процессора и не изменяют установочных размеров корпуса. Сигнальные платы могут использоваться со всеми типами центральных процессоров. Одновременно можно использовать одну сигнальную плату.

Коммуникационные модули CM 1241

Коммуникационные модули CM 1241 позволяют устанавливать PtP соединения между контроллером S7-1200 и контроллерами других производителей, принтерами, сканнерами, модемами и т.д. Модули имеют два исполнения с встроенным последовательным интерфейсом RS 232 или RS 485. Оба модуля обеспечивают поддержку протоколов ASCII и Modbus RTU (ведущее или ведомое устройство). Дополнительно модуль CM 1241 с интерфейсом RS 485 обеспечивает поддержку протокола USS. Все команды для управления обменом данными встроены в систему команд контроллера. Коммуникационные модули устанавливаются слева от центрального процессора и подключаются к его внутренней шине через встроенные в каждый модуль соединители. Они могут работать со всеми типами центральных процессоров.

Дополнительные компоненты

Кроме модулей центральных процессоров, сигнальных модулей и плат в составе программируемого контроллера S7-1200 могут использоваться:

- Блок питания PM 1207 с входным напряжением ~115/230 В, выходным напряжением =24 В и номинальным током нагрузки 2.5 А.

- Неуправляемый коммутатор Industrial Ethernet CSM 1277: 4xRJ45, 10/100 Мбит/с.

- Карты памяти SIMATIC Memory Card емкостью 2 или 24 Мбайт для расширения загружаемой памяти контроллера.

- Имитаторы с встроенными переключателями для имитации входных дискретных сигналов центрального процессора в процессе отладки программы.

Аппаратура человеко-машинного интерфейса

Для решения задач оперативного управления и мониторинга в сочетании с программируемыми контроллерами S7-1200 рекомендуется использовать базовые панели операторов SIMATIC, оснащенные встроенным интерфейсом Ethernet.

3.2 Выбор датчиков, преобразователей и исполнительных механизмов

Для контроля температуры в данном процессе используются универсальные модульные первичные преобразователи Метран 2000, которые предназначены для измерения температуры в широком спектре сред в самых разных отраслях промышленности. Имеют модульную структуру и большое разнообразие исполнений. Использование допускается в нейтральных или агрессивных средах, по отношению к которым, материалы, контактирующие с измеряемой средой, являются коррозионностойкими.

Рис.3 Датчик температуры Метран 2000

Технические характеристики:

- Тип НСХ: K (ТХА);

- Диапазон измеряемых температур: -40….1600С;

- Класс допуска: 1, 2;

- Количество чувствительных элементов: 2;

- Исполнение: общепромышленное; взрывозащищенное с видом взрывозащиты - "взрывонепроницаемая оболочка d", маркировка взрывозащиты 1ЕхdIIСТ6 Х;

- Степень защиты: по ГОСТ 14254 IP65;

- Межповерочный интервал: 4 года.

Особенности:

- 50 исполнений защитной арматуры;

- Различные виды соединительных головок;

- Возможность заказа исполнений без соединительных головок;

- Изолированные или неизолированные спаи термопары;

- Минимальный диаметр защитной арматуры 3 ммМинимальная глубина погружения 60 мм без гильзы;

- Опция повышенной виброустойчивости до 5G;

- Узел герметизации;

Для контроля избыточного давления в данном процессе используются датчик избыточного давления LMK 331.

Рис. 3 Датчик избыточного давления

Модель датчика LMK 331 (ЛМК 331) специально разработана для проведения контрольных измерений в технологических процессах. Благодаря применению керамического сенсора датчик устойчив к воздействия агрессивных сред. Штуцер выполнен из нержавеющей стали марки 1.4571, для агрессивных сред применяются пластики: PVDF или PVC. Датчик оснащен открытой мембраной, что позволяет проводить измерение давления вязких сред. В качестве уплотнительной прокладки для порта давления использован материал FKM.

Характеристики:

- Диапазоны давления: от 0…6 до 0…600 м.вод.ст;

- Основная погрешность: 1,0 / 0,5 % ДИ;

- Выходной сигнал: 4…20 мA, 4...20 мА/HART, 0…10 В, HART-протокол (опция: Ex-исполнение);

- Сенсор: керамический тензорезистивный;

- Диапазон температур измеряемой среды: -25…+135°C;

- Класс защиты: IP 65-68.

Для замера расхода был выбран турбинный металлический расходомер от компании Blancett 1100.

Рисунок 4

Достоинства и преимущества Blancett 1100:

- Прочная и надежная конструкция, рассчитанная на длительную эксплуатацию в тяжелых рабочих режимах (-101°С…+177°С, 345 бар);

- Работа с большим расходом (до ~19000 л/мин);

- Совместимость с электронными средствами обработки информации;

- Возможность замены турбины, не теряя в точности;

- Высокая точность;

- Экономичность.

Отрасли применения Blancett 1100:

- Нефтяная, нефтеперерабатывающая промышленность;

- Горнодобывающая промышленность;

- Водозаборная промышленность;

- Высокоточное измерение расхода жидких сред в продуктопроводах типоразмеров от Ѕ" до 10";

- Измерение расхода в условиях повышенного давления (до 345 бар) и широкого температурного диапазона.

Краткие технические характеристики Blancett 1100:

- Измеряемая среда: жидкость;

- Диаметр условного прохода: 1/2"…10";

- Диапазон расхода: 2,3…18927 л/мин;

- Погрешность: ±1%;

- Давление среды: До 34,47 МПа (345 бар);

- Температура измеряемой среды: -101°C …+177°C.



Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрена химико-технологическая система в производстве серной кислоты обжигом колчедана. Рассмотрена актуальность изучаемой проблемы. Описано сырье, полуфабрикаты, вспомогательные материалы, а также параметры, влияющие на процесс. Основным параметром является температура процесса, в работе представлены графики зависимости давления и концентрации печного газа. Описана технологическая схема производства и основной аппарат технологической схемы (печь КС)

автоматизация обжиг колчедан технологический



Список литературы

1. Амелин А.Г. Производство серной кислоты. - М.: Химия, 2016. - 247с.

2. Васильев Б. Т., Отвагина М. И., Технология серной кислоты. - М.: Химия, 2015. - 352с.

3. Малин К.М., Аркин И.А., Боресков Г.К., Слинько М.Г. Технология серной кислоты. - М.: Госхимиздат, 2017. -380с.

4. Соколов Р.С. Химическая технология. Учеб. пособие для вузов. Т.1. - М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2015. - 368с.

5. Производство серной кислоты: Учебник для проф.-техн. учеб. заведений. --2-е изд., перераб. и доп. -- М.: Высш. школа, 2016. -- 245 с, ил.

6. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды России/ Учебн. и справочное пособие. - М.: Финансы и статистика. - 2018. - 672с.

7. Степеновских А.С. Охрана окружающей среды/ Учебник для вузов. - М.: Юнити-Дана, 2016. - 559с.

8. Малкин И.З./ ЭКиП//Утилизация сернокислых промышленных отходов. - 2015. - №6. - с. 10-14.

Размещено на Allbest.ru