CC BY
162
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.3:007:159.955
В. М. Емельянов, С. А. Понкратова, А. М. Гумеров,
А. М. Буйлин
ПОДДЕРЖАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА В ПРОЦЕССЕ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
Ключевые слова: установка полимеризации, производство каучука, полимеризационные реактора, дозирование, микропроцессорные модули, SCADA-система.
Разработан программно - аппаратный комплекс технологической линии полимеризации для оснащения технологического персонала современными средствами проведения экспериментальных исследований в области процессов полимеризации. Проведены опытные испытания по поддержанию оптимального температурного режима и давления.
Keywords: polymerization plants, the production of rubber, curing reactor, dosing, microprocessor modules, SCADA-system.
The software - hardware production line polymerization to equip staff with modern technological means for carrying out experimental research in the field of polymerization processes.Pilot testing for the maintenance of optimal temperature and pressure.
Создание крупнотоннажной промышленности синтетических каучуков, резкое повышение качества и технического уровня выпускаемых полимеров невозможно без должного инженерного обеспечения как новых, так и традиционных технологических процессов [1]. Известно, что физические факторы оказывают огромное влияние, как на количественные, так и на качественные характеристики конечных продуктов полимеризации и во многих случаях заметно изменяют определенные молекулярные характеристики каучуков. Отметим, что изменение температуры влияет на такие основные свойства полимера, как средняя молекулярная масса, молекулярно-массовое распределение, так как все кинетически константы зависят от температуры. Рекомендуемым температурным режимом является область температур 20-300С [2-4].
Объект исследования представляет собой опытный образец лабораторной непрерывной технологической линии полимеризации, представленный на рис. 1.
Исходные компоненты катализаторного комплекса или шихты объемными дозаторами в заданном количестве и определенной последовательности подаются в аппараты подготовки катализатора К1, К2 или шихты Ш1, ТТТ2. Наличие двух аппаратов позволяет совмещать периодичность процесса подготовки катализатора и шихты с непрерывным процессом полимеризации. Кроме того, это дает возможность в процессе непрерывной полимеризации варьировать соотношением исходных компонентов. Из аппаратов 1, 3 или 2,
4 с помощью насосов 10, 11 катализатор и шихта (в заданном соотношении расходов) по-
даются в блок полимеризации: реактор полимеризации П1; реактор полимеризации П2; насос перекачки полимеризата 12; накопительная емкость 7.
Рис. 1 - Принципиальная схема лабораторной технологической линии полимеризации с панелью управления
При непрерывном режиме работы процесс полимеризации ведется в двух аппаратах
5 и 6, включенных последовательно. Заданная скорость протока через блок полимеризации обеспечивается насосами 10, 11, 12.
Смесь водяного пара с парами растворителя, крошка полимера, не прореагировавшего мономера, поступает в дегазатор 8. Сюда же подается антиоксидант, горячая вода, стабилизатор. Все это интенсивно перемешивается для равномерного распределения частиц по заполненному объему аппарата. Далее пульпа насосом 13 подается в отмывочный аппарат 9. По окончании процесса отмывки пульпа сбрасывается на сито 14, где полимер отделяется от воды.
Установка изготовлена в пожаровзрывобезопасном исполнении с использованием элементов пневмоавтоматики и размещается в двух изолированных комнатах. В одной размещено технологическое оборудование (рис. 2), а в другой устройства связи с объектом
- УСО (рис. 3) и компьютерная станция.
Параметры аппаратов:
1. Подготовки катализаторного комплекса: геометрический объем - 0.2 л; давление в аппарате, не более - 2 МПа; температура - от -20 до 110°С.
2. Подготовки шихты: геометрический объем - 1 л; давление в аппарате, не более - 2 МПа; температура - от 20 до 110°С.
3. Полимеризации: геометрический объем - 1 л; давление в аппарате, не более - 2 МПа; температура - от 20 до 150°С.
4. Дегазации: геометрический объем - 8 л; давление в аппарате, не более - 0.02 МПа; температура в аппарате - от 50 до 95°С.
5. Отмывочника: геометрический объем - 8 л; давление в аппарате, не более - 0.02 МПа; температура в аппарате - от 50 до 95°C.
Аппаратная часть системы управления имеет двух уровневую иерархическую структуру и создана по модульному принципу.
Первый уровень - пользовательская часть (УСО). В качестве устройств связи используются микропроцессорные модули для распределенных систем сбора данных и управления на базе интерфейса RS-485 фирмы «Advantech» - АВЛМ-4000. Наличие встроенных микропроцессоров позволяет им осуществлять нормализацию сигналов, операции аналогового и дискретного ввода-вывода, отображение данных и их передачу (или прием) по интерфейсу RS-485, программную установку параметров, командный протокол ASC II и сторожевой таймер.
Для обеспечения правильного функционирования модулей серии ADAM-4000 определены параметры конфигурации (базовый адрес, входной диапазон(ы)) в соответствии с требованиями к создаваемой системе (табл. 1). Конфигурирование осуществля-
лось с использованием поставляемой с модулями программы, позволяющей идентифицировать каждый модуль перед его применением.
Рис. 3 - Пользовательская часть (УСО)
Рис. 2 - Основное технологическое оборудование линии полимеризации
Модуль Адрес Модуль Адрес Модуль Адрес
4050 2 (02Н) 4050 7 (07Н) 4011 10 (0АН)
4050 3 (03Н) 4050 12(0СН) 4011 11 (0ВН)
4050 4 (04Н) 4050 13(0DH) 4017 9(01Н)
4050 5 (05Н) 4050 14(0EH) 4018 8 (08Н)
4050 6 (06Н) 4018 16 (09Н)
Второй уровень - универсальный комплекс на базе персонального компьютера -рабочей станции для организации рабочего места технолога.
Для программной реализации управления процессом полимеризации выбран пакет GENIE 3.04, разработанный фирмой Advantech, который является инструментальным средством для создания программного обеспечения сбора данных и оперативного диспетчерского управления (SCADA).
Драйверы ввода/вывода, входящие в комплект поставки GENIE, обеспечивают поддержку всех аппаратных средств промышленной автоматизации фирмы Advantech, включая модули сбора данных и управления. Перечень подключенных устройств создаваемой системы (табл. 2), отображается в окне устройств ввода/вывода.
Управление соответствующими потоками осуществляется компьютерной системой автоматически с помощью пневматических клапанов различной конструкции.
Дозирование жидких компонентов в установке осуществляется с помощью плунжерных насосов, с механическим приводом, прецизионных плунжерных насосов с пневматическим приводом и компьютерной системой управления.
Разработанная система автоматического управления и сбора информации осуществляет управление всеми материальными потоками.
Управление осуществляется в ручном и автоматическом режимах. В ручном режиме задействованы только контрольно-измерительные алгоритмы и блокировки оборудования при возникновении аварийных ситуаций.
Работу на установке проводили согласно плану эксперимента, при этом необходимо было выдерживать режимные параметры - температуру и давление.
В автоматическом режиме весь процесс поддержания температуры и давления выполняется с использованием законов двухпозиционного (On/Off) и ПИД-регулирования [6]. Алгоритм двухпозиционного регулирования состоит в том, что управляемый объект переводится регулятором в одно из двух состояний (включен или выключен) в зависимости от соотношения между измеряемым значением сигнала обратной связи, уставкой и порогами включения/выключения:
[1 , ànëè In > Ust + AH Out = \ H (1)
[0 , ànëè In < Ust - AL
где Out - выходной сигнал регулятора; In - входной сигнал регулятора; Ust - уставка; Дн
- порог включения; Д|_ - порог выключения.
ЛБАМ Адрес Канал Описание
4011 10 0 Текущая температура Полимеризатор 1
1 Текущая температура Полимеризатор 2
4011 11 0 1 Сброс конденсата Азот в П1 (рубашка) Полимеризатор 1
0 Текущая температура Катализатор 1
4018 8 1 Текущая температура Катализатор 2
2 Текущая температура Шихта 1
3 Текущая температура Шихта 2
4 Текущая температура ТН+12
5 Текущая температура ТН+80
4018 16 0 Текущая температура ТН-15
0 Весы
1 Давление Полимеризатор 1
4017 9 2 Давление Полимеризатор 2
3 Давление Катализатор 1
4 Давление Отмывочник
0 Азот Катализатор 2
1 Азот Катализатор 1
2 Вода холодная Отмывочник
4050 12 3 Толуол Полимеризатор 2
5 Толуол Полимеризатор 1
6 Толуол Катализатор 2
7 Толуол Катализатор 1
ПИД-регулятор предназначен для стабилизации заданного параметра в контуре автоматического управления с пропорционально-интегрально-дифференциальным законом регулирования. При этом стабилизируемый параметр контролируется датчиком, выходной сигнал которого подается на вход обратной связи блока, а стабилизация указанного параметра вблизи предварительно заданного или динамически изменяемого значения выполняется выходным сигналом регулятора с использованием ряда его дополнительных параметров. Регулирование осуществляется путем минимизации значения рассогласования (ошибки), получаемого путем вычитания сигнала обратной связи из уставки (значения стабилизации).
Выходной сигнал регулятора определяется тремя слагаемыми:
! Не
и(() = Ке (t) + ГИ /е(т)<1 т + Тд Не-• (2)
0 Н
где К - коэффициент пропорционального звена; ТИ - коэффициент интегрирующего звена; Тд - коэффициент дифференцирующего звена;
Технологическим регламентом определены диапазоны измерения и относительная ошибка при измерении и регулировании параметров процесса: абсолютное давление в аппаратах: измерение - 0-3 МПа ± 2.5%; регулирование - 0-1.5 МПа ± 2.5%; температура в аппаратах: измерение - -20°С-150°С ± 1.5%; регулирование - -20°С-110°С ± 2.5%.
Для поддержания оптимального давления разработаны функциональные блоки на основе двухпозиционного регулятора. Текущее значение давления сравнивается с заданной Уставкой которая является динамически изменяемым значением и определяется пользователем. Если оно выше верхнего предела, то включается Выхлоп из К1, если ниже нижнего предела, то включается подача Азота в К1. Верхний предел регулирования определяется путем суммирования порога выключения и значения уставки. Нижний предел регулирования определяется путем вычитания порога выключения из значения уставки. Порог -значение, которое определяет зону нечувствительности регулятора при формировании выходного сигнала, включающего/выключающего объект управления.
Поддержание давления в других аппаратах осуществляется аналогично. Управление подачей потоков ведется в ручном или автоматическом режиме с использованием информационной панели, представленной на рис. 4.
Рис. 4 - Информационная панель управления материальными потоками
Установка работает в широком диапазоне температур от -20 до 1500С, для чего в рубашки охлаждения в любой необходимый момент могут подаваться соответствующие технологические жидкости из термостатов, либо пар.
Для поддержания оптимального температурного режима в аппаратах разработаны функциональные блоки на основе ПИД-регулятора. Аналоговый сигнал, поступающий на вход блока измерения температуры от устройства, преобразуется в линеаризованные значения температуры, выраженной в предварительно заданных единицах. Поддержание тем-
пературного режима в аппаратах осуществляется автоматически подачей теплоносителей ТН1, ТН2 и ТН3 из соответствующих термостатов.
Подготовка теплоносителей в термостатах осуществляется с применением двухпозиционного закона регулирования. Подготовка ТН1 с температурой +800С осуществляется в термостате 1 подачей пара, подготовка ТН2 с температурой +120С в термостате 2 - охлаждение подачей рассола, подготовка ТН3 с температурой -150С в термостате 3 - охлаждение подачей рассола. Уставка и порог нечувствительности определялись в ходе экспериментальных исследований.
Управление подачей теплоносителей ведется в ручном или автоматическом режиме с использованием информационной панели, представленной на рис. 5.
Рис. 5 - Информационная панель поддержания оптимального температурного режима
Для каждого аппарата выполнена предварительная настройка ПИД-регулятора по методу CHR [7-8]. Ручную настройку проводили, используя средства пакета GENIE по динамической настройке ПИД-регулятора. Коэффициенты регулятора могут быть изменены «на лету» (динамически) путем подачи их значений на соответствующие входы блока ПИД-регулирования от других функциональных блоков стратегии. Адаптивное регулирования будет выполняться только в том случае, когда присоединен и активен вход блока Активизация адаптивного регулирования.
С использованием программно-аппаратного комплекса на лабораторной установке были проведены опытные испытания по отработке оптимальных режимов. В ходе испытаний в реакторах полимеризации поддерживались следующие температуры: 20, 30, 40 и 600С. По результатам опытных испытаний сделаны следующие выводы:
- программно-аппаратный комплекс работает стабильно и позволяет отображать информацию с аналоговых и дискретных датчиков в реальном масштабе времени;
- разработаны функциональные блоки автоматического регулирования технологических параметров по различным законам регулирования;
- выбор двухпозиционного управления для блока подготовки теплоносителей оправдан и позволяет достаточно точно, в пределах допустимой точности измерения, поддерживать температуру теплоносителей;
- подобранные коэффициенты настройки ПИД-регулятора для поддержания заданной температуры в аппаратах позволили получить точный контур регулирования;
- диапазон измерения и относительной ошибки при измерении и регулировании параметров процесса соответствует техническому заданию: абсолютное давление в аппаратах: измерение - 0-3 МПа ± 2.5%; регулирование - 0-1.5 МПа ± 2.5%; температура в аппаратах: измерение - -20°C-150°C ± 1.5%; регулирование - -20°C-110°C ± 2.5%.
Литература
1. Самороков, А.В. Совершенствование организационно-экономического механизма устойчивого развития предприятий синтетического каучука: Автореф. дис. ... канд. экон.. наук / А.В. Самороков. - М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008. - 23 с.
2. Синтетический каучук / Под ред. Гарманова И.В. - Л.: Химия. 1983.
3. Башкатов, Т.В. Технология синтетических каучуков / Т.В.Башкатов, Я.Л. Жигалин. - Л.: Хи-
мия, 1987. - 360 с.
4. Аминова, Г.А. Моделирование взаимовлияющих процессов химического превращения и теплообмена при синтезе каучука СКДК: монография / Аминова Г.А., Мануйко Г.В., Дьяконов Г.С. -Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007.
5. Технологический регламент для проектирования производств 1,4-цис-полибутадиена на кобальтовом катализаторе (СКДК). ОАО «Нижнекамскнефтехим», 1997.
6. Advantech GENIE Basic Script Programmer’s Reference. Copyright © Advantech Co., Ltd.
7. Денисенко, В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием / В.В. Денисенко. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 608 с.
8. Astrom, K.J. Advanced PID control / K.J.Astrom, T.Hagglund. - ISA. Yhe Instrumentation Systems
and Automation Society, 2006. - 460 р.
© В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ, emelianov@kstu.ru; С. А. Понкратова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, kiberponk@front.ru; А. М. Гумеров - канд. техн. наук, проф. той же кафедры, gumerov_a@mail.ru; А. М. Буйлин - электронщик 1 категории той же кафедры, builin_andrey@mail.ru.
