Введение. Автоматизация химических реакторов

АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Методические указания

Для студентов специальностей

230102, 220301

Нижнекамск, 2006

Федеральное агентство по образованию

Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения высшего

профессионального образования

Казанский государственный технологический университет

АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Методические указания

Для студентов специальностей

230102, 220301

2006

Составители: Н.И. Ларионова, М.В. Коломоец, Г.П. Сечина.

Автоматизация химических реакторов. Методические указания/ Сост. Н.И. Ларионова, М.В. Коломоец, Г.П. Сечина. Нижнекамск, 2006.-60 с.

Рассмотрены вопросы автоматизации химических реакторов, особенности автоматизации трубчатых реакторов. Приведены принципиальные схемы автоматического управления реакторами непрерывного действия.

Предназначены для лабораторного обеспечения дисциплин «Проектирование АСОИУ» по специальности 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и «Системы автоматизации и управления» по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Под редакцией профессора В.И. Елизарова

Печатается по решению методической комиссии Нижнекамского химико–технологического института по циклу дисциплин систем автоматизации, электротехники и электропривода

Рецензенты: доцент Р.М. Хусаинова

доцент Р.Н. Салахиев

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1. Общие сведения по теории химических процессов
2. Классификация химических реакторов
3. Способы обеспечения температурного режима химических процессов
4. Основные элементы схем автоматического управления реакторами непрерывного действия
5. Особенности регулирования трубчатых реакторов
6. Некоторые принципиальные схемы автоматического управления реакторами непрерывного действия
6.1. Реакция полимеризации
6.2. Технологическая схема процесса
6.3. Автоматизация процесса
6.4. Устойчивость тепловых режимов реакторов
6.5. Проблемы устойчивости
6.6.Реактор синтеза МБД в производстве бутилкаучука
6.7. Реактор полимеризации изопрена
6.8. Реактор сополимеризации изобутилена с изопреном
Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей составной частью химических производств является реакционное оборудование, предназначенное для осуществления необходимых химических процессов. Это оборудование включает в себя большое число различных реакционных аппаратов и установок, отличающихся принципом работы, типом и конкретным конструктивным исполнением, фазовым состоянием реагентов и т.д. Кроме того, химические процессы решающим образом влияют на экономику производства, поэтому существенное значение приобретает экономически обоснованный выбор эксплуатационных параметров химических реакторов. Химические реакторы отличаются разнообразием протекающих в них реакций, принципов действий и конструкций. Химический реактор является основным аппаратом в технологической схеме получения практически любого химического продукта. Работой реактора в значительной мере определяется производительность установки в целом, качество и себестоимость получаемых продуктов.

Упрощенная структурная схема реактора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема химического реактора

Скорость химической реакции определяется уравнениями кинетики и взаимодействием гидродинамических, массообменных и тепловых процессов в аппаратуре, от которых зависит концентрация реагентов и условия протекания реакции. В свою очередь, химические превращения в реакторе приводят к изменению тепловых и гидродинамических процессов в нем. Этим взаимосвязям соответствуют перекресные связи в структурной схеме реактора. Наличие таких внутренних обратных связей может приводить к возникновению неустойчивых режимов, автоколебаниям параметров процесса, изменению качества получаемого продукта и должно учитываться при построении систем автоматизации химических реакторов.

При рассмотрении реакторов как объектов управления многие их особенности не играют существенной роли. Весьма важным является разделение реакторов по режиму их работы на непрерывные и периодические. В первом случае реактор может сколько угодно долго работать при непрерывном вводе и выводе материальных потоков. Во втором случае реактор периодически останавливается для осуществления операций загрузки-выгрузки или для регенерации катализатора, сорбента. Непрерывный режим является наиболее предпочтительным для организации автоматизированного управления. Аппараты непрерывного действия обладают, как правило, высокой удельной производительностью, требуют меньшее количество обслуживающего персонала, благодаря чему широко применяются в химической промышленности. Реакторы периодического действия используются для проведения медленных химических процессов, гетерогенных каталитических процессов с частой регенерацией катализатора, а также в малотоннажных производствах. Автоматическое управления таких реакторов осуществляется с использованием различных реле времени, таймеров, дозаторов периодического действия, задатчиков с программным управлением. На современных крупных установках управление системой реакторов периодического действия, работающих параллельно, со смещенными фазами цикла производится с помощью специальных ЭВМ.

Задачи управления непрерывными и периодическими реакторами различны. Для непрерывно работающих реакторов характерны задачи стабилизации параметров на заданных значениях в стационарном режиме. Для периодически работающих реакторов – проведение процесса по заданной программе (например, изменение температуры в реакторе по определенному закону). Стационарный процесс в таком реакторе невозможен.

По фазовому состоянию реагентов различают гомогенные и гетерогенные. Реакции могут быть некаталитическими и каталитическими, иметь разный порядок, различаться типом механизма (необратимые, обратимые, последовательные, параллельные), а также условиями проведения (изотермические, неизотермические, при постоянном давлении, адиабатические и т.д.). Предполагается, что в изотермических реакторах теплообмен через стенку идеальный, а тепло, выделяемое в результате химической реакции или поглощаемое в ходе реакции, мгновенно отводится от реагирующей смеси, так что температура в реакторе не изменится. При полном отсутствии теплообмена через стенку реактора в нем протекает адиабатический процесс.

В зависимости от гидродинамики процесса различают два крайних режима работы реакторов: идеальное смешение и идеальное вытеснение. Химические реакции разделяются на экзотермические и эндотермические (с поглощением тепла). Более сложными для управления являются экзотермические процессы, когда сравнительно небольшое изменение температуры в реакторе может приводить к значительным изменениям степени конверсии. Иногда, это может вызвать неустойчивость процесса, если изменение количества выделяемого при реакции тепла не может быть скомпенсировано соответствующим изменением скорости отвода тепла. Неустойчивость процесса может приводить к взрывам и аварийной остановке реактора.

В первом разделе приведены общие сведения по теории химических процессов, даны понятия систем превращения и селективности.

Во втором разделе дана классификация химических реакторов и постановка задачи на автоматизацию.

В третьем и четвертом разделах приведены способы обеспечения температурного режима и основные элементы схем автоматического управления реакторами непрерывного действия.

В пятом разделе дана характеристика особенностей регулирования трубчатых реакторов, которые вызывают некоторую сложность при автоматизации.

В шестом разделе рассмотрен процесс полимеризации этилена под давлением и некоторые другие реакторы.

Данные методические указания будут также полезны студентам, выполняющим курсовые и дипломные проекты, в которых базовыми являются процессы, протекающие в реакторах различного вида. Приведенный анализ процесса химического превращения позволит правильно подойти к вопросу управления его режимом и выбрать наиболее рациональную схему автоматизации.

Дата добавления: 2015-07-11