Acasa » tehnologie » tehnica mecanica
STRUCTURI TEHNOLOGICE IN INDUSTRIA CHIMICA

STRUCTURI TEHNOLOGICE IN INDUSTRIA CHIMICA

- Utilizarea eficienta a energiilor de reactie si de fabricatie. Astfel energia de reactie eliberata prin oxidarea amoniacului este utilizata pentru producerea aburului supraincalzit, pentru preincalzirea apei de intrare in cazan in vederea cresterii productiei acestuia si pentru incalzirea gazelor reziduale ce se destind in turbina de antrenare a compresorului de aer, reducand consumul exterior de energie. Energia de reactie din coloana 25 si convertorul de NO (21) este utilizata prin intermediul gazelor reziduale la antrenarea compresorului 14.

Caracteristicile acestui proces de fabricatie a acidului azotic sunt tipice tuturor proceselor de functionare continua intalnite mai ales in industria chimica si petrochimica. Se precizeaza in principal urmatoarele:

- Procesele componente sunt puternic legate prin fluxuri de energie si de masa si de aceea sunt dificil de controlat in regim dinamic;

- Procesele componente nu pot fi comandate independent unul de altul;

- Fluxurile de fabricatie intre diverse instalatii consecutive trebuie strict corelate pentru evitarea unor depozite intermediare ( scumpe si periculoase);

- Liniile de transport a fluidelor intre diverse instalatii introduc timpi morti variabili ce influenteaza parametrii calitativi ai sistemului in ansamblu.

Aceste caracteristici impun anumite cerinte sistemelor de conducere automata:

- Functiunile cele mai importante ale sistemului de conducere sunt:

- reglarea automata a parametrilor tehnologici,

- semnalizarea,

- protectia;

- Fiabilitatea deosebita asigurata atat prin echipamente cat si prin structura sistemului de conducere deoarece opririle si pornirile sunt scumpe si de lunga durata;

- Controlabilitatea dinamica dificila si variatia caracteristicilor statice si dinamice cu variatia incarcarii ( productiei) utilajelor impune utilizarea unor algoritmi de identificare si reglare cat mai performanti;

- Optimizarea intregului proces de conducere pentru asigurarea parametrilor calitativi ai ansamblului si a cerintelor de ordin economic.

b) Procese cu desfasurare discontinua. Procesele discontinue sau in sarje se caracterizeaza prin intreruperi normale ale fluxurilor de fabricatie, cerute de incarcarea, dozarea, aducerea la parametri nominali, desfasurarea propriu-zisa a procesului si apoi descarcarea si curatarea utilajelor. In cazul proceselor discontinue aceste intervale de timp pentru intreruperi sunt comparabile cu timpul cat se desfasoara procesul propriu-zis.

In figura 1.3. este prezentata schema tehnologica a unui asemenea proces. In reactoarele R si R se produc in acelasi timp reactii specifice pentru produsele intermediare P1 si P2, in timp ce in R are loc o noua reactie intre produsele P si P si o prelucrare ulterioara a produsului final.

O sarja de fabricatie necesita urmatoarele etape:

1. Incarcarea si dozarea reactantilor in reactoarele R si R si umplerea reactorului R cu produsele P si P

2. Amestecarea si aducerea amestecului la temperatura si presiunea ceruta de initierea procesului.

3. Desfasurarea procesului de reactie in reactoarele R , R si R pe perioada caruia se regleaza temperatura si presiunea.

4. Oprirea reactiei la atingerea calitatii produselor P si P , golirea reactoarelor R R si R

In prima etapa au loc o serie de operatii de dozare a reactantilor conform retetelor de fabricatie si consta din o serie de pasi reprezentand deschiderea ventilelor V V si V intr-o anumita ordine si pe anumite durate de timp, sesizarea incarcarii maxime (LM) si amestecarea continua prin comanda motorului agitatorului M.

In etapa a doua se incalzeste amestecul cu un anumit gradient de temperatura impus de sistemul de incalzire sau de proces, eventual asigurarea presiunilor de lucru.

V₁ V₂ V₃

.

LM

T T T

R₁ R₂ R₃

Lm

V₄ V₅ V₆

P₁ P₂

Fig. 1.3. Proces discontinuu.

In etapa a treia (in general de durata cea mai mare) are loc reactia propriu-zisa asigurandu-se evacuarea sau introducerea caldurii produsa sau ceruta in reactie. In aceasta faza apar in general probleme de conducere similare cu cele de la procesele continue. In etapa a patra au loc operatii de descarcare a reactoarelor prin comanda ventilelor V V si V

Durata unei sarje corespunde maximului timpilor t + t + t + t sau t t + t + t deoarece t si t pot diferi de t₂₂ respectiv t (unde t_i reprezinta timpul necesar desfasurarii etapei i).

Problemele de conducere constau in alegerea succesiunii operatiilor in functie de reteta de fabricatie dorita, asigurarea conditiilor de desfasurare a proceselor, optimizarea timpilor de stationare, incarcare si descarcare, corelarea functionarii celor trei reactoare. Problemele de reglare automata a parametrilor sunt in general simple. Procesele discontinue au in general urmatoarele proprietati:

- procesele componente sunt independente din punct de vedere al actionarii;

- conducerea se caracterizeaza in general prin comenzi discrete dar de o complexitate sporita datorita unei flexibilitati ceruta de corelarea functionarii diverselor instalatii componente.

c) Procese mixte. Exista o a treia categorie de procese in care o parte din faze sau operatii se efectueaza continuu iar alte faze discontinuu, fazele succedandu-se in timp sau in spatiu. Aceste procese sunt denumite procese mixte.

Un proces mixt in timp il constituie un reactor de producere a fermentilor utilizati la fabricarea solutiilor de cultura bazate pe o anumita substanta activa.

Etapele procesului de fermentare sunt:

1) umplerea reactorului cu reactanti respectandu-se o anumita reteta de fabricatie;

2) incalzirea si sterilizarea amestecului urmarind un anumit gradient de temperatura si evitarea formarii unor produsi secundari. In aceasta faza se actioneaza asupra a circa 50 de marimi de comanda, prelucrandu-se informatia analogica (traductoare) sau numerica (contacte) de la circa 100 senzori;

3) fermentatia care poate dura intre 30 si 400 de ore este un proces continuu in care apar probleme de reglare automata. Se regleaza concentratia de oxigen prin debitul de aer de incubatie, presiunea din interior prin comanda debitului de aer de evacuare, pH-ul acestui amestec, temperatura interna prin debitul apei de racire, debitul de substante nutritive, etc. .

4) recoltarea si evaporarea sunt iarasi operatii discontinue. Toate cele patru faze se desfasoara succesiv in timp in aceeasi instalatie tehnologica, procesele continue si discontinue se succed in timp.

Exista si instalatii in care o parte din utilaje lucreaza in mod continuu, altele in mod discontinuu, rezultand un proces mixt in spatiu. In figura 1. 4. este prezentata schema unui proces mixt precizandu-se functiunile sistemului de conducere automata in fiecare faza.

1. 1. 2. Organizarea intreprinderilor chimice

Uzinele sau combinatele chimice sunt organizate dupa scheme complexe, structura lor permitand ca produsele sau subprodusele unei sectii sau fabrici sa fie utilizate drept materii prime pentru alte sectii sau ca produs final

Organizarea si cooperarea intre sectiile unui combinat se pot realiza prin:

- prelucrarea complexa a unei anumite materii prime in faze succesive, paralele sau combinate pentru obtinerea mai multor produse (fig. 1.5. a.);

- prelucrarea mai multor materii prime in fluxuri consecutive si/sau paralele pentru obtinerea de produse complexe (fig. 1.5.b.);

- prelucrarea subproduselor in special in industria petrochimica;

Diversitatea produselor chimice finite ce se pot obtine pornind de la un numar mic de materii prime este ilustrata in schema tehnologica prezentata in figura 1.6.

H₂ Aer

Aer

Fig. 1.6. Scheme paralele cu numar mic de materii prime

In prezent in combinatele chimice se fac eforturi pentru conducerea optimala la toate nivelele ( prelucrare, aprovizionare, desfacere, servicii anexe) pentru reducerea consumurilor de materie prima si energie urmarindu-se cresterea gradelor de conversie, de eficientizare a utilajelor si recuperarea caldurilor dezvoltate in procesele de fabricatie. In aceste conditii structura sistemelor de conducere devine din ce in ce mai complexa eliminandu-se aproape complet interventia manuala a operatorului.

Dupa aceasta trecere in revista a structurii unor procese industriale, a organizarii procesului de fabricatie pentru asigurarea unui grad eficient de utilizare a materiilor prime si a energiei, rezulta clar necesitatea introducerii unui grad adecvat de automatizare. Aceasta se impune datorita complexitatii proceselor tehnologice si deci imposibilitatea conducerii manuale si pe de alta parte asigurarea corelarii exacte a diverselor faze de fabricatie astfel incat sa se evite stagnari sau suprapuneri ale procesului.

Sistemul de conducere in ansamblu trebuie sa asigure patru conditii principale de functionare:

1) conducerea in timp real a proceselor tehnologice, deci prelucrarea informatiilor culese, alegerea strategiei de conducere, elaborarea deciziilor si comenzilor sa se efectueze intr-un timp mai scurt decat evolutia normala a procesului controlat;

2) asigurarea sigurantei in functionare a procesului (evitarea avariilor, eliminarea opririlor accidentale, etc.);

3) asigurarea unei conduceri economice in scopul minimizarii costurilor de fabricatie si a consumurilor de energie cu respectarea insa a cantitatii si a calitatii productiei;

4) evitarea poluarii mediului, prin procese nepoluante, prin conducere evoluata care sa elimine fazele poluante si prin neutralizarea reziduurilor, atat prin procese secundare de productie cat si/sau prin procese speciale de neutralizare si epurare chimica si biologica.

Un grad minim de automatizare pentru orice proces tehnologic presupune implementarea urmatoarelor sisteme si echipamente automate:

a) sistemul de achizitie si prelucrarea datelor asigura supravegherea automata a proceselor tehnologice;

b) sistemul de reglare automata a parametrilor tehnologici principali (temperaturi, presiuni, debite, nivele de lichid, etc.) asigura mentinerea constanta sau modificarea dupa un anumit program a parametrilor procesului tehnologic;

c) sistemul de protectie, semnalizare si interblocare ce asigura siguranta in functionare.

Sistemele b) si c) se bazeaza obligatoriu pe sistemul a) .

Introducerea automatizarii chiar si numai la acest nivel de baza nu se face explicit. Nici chiar 'copierea' sistemului de la o uzina la alta considerate identice nu da decat rezultate satisfacatoare. O automatizare reala, care sa satisfaca pe deplin cerintele, nu se poate face decat pe baza unei analize sistematice a procesului condus de catre un colectiv mixt calificat. Sistemul de automatizare, indiferent ca este vorba de reglarea automata sau conducere complexa cu retele de calculatoare de proces, trebuie sa fie aservit procesului. Nu trebuie sa se adopte idea unui sistem universal care sa fie adaptat la diverse tipuri de procese.

Pentru a se intelege mai bine acest aspect se vor analiza in continuare cateva procese tehnologice din industria chimica si energetica stabilindu-se conditiile si cerintele procesului din care rezulta structura sistemelor de reglare si conducere automata.

1.1.3. Analiza fluxului tehnologic si cerinte de automatizare la producerea amoniacului.

a). Consideratii generale:  Cel mai raspandit procedeu de fabricatie a amoniacului consta din sinteza directa, din elementele componente: N₂ si H₂. La noi in tara au fost asimilate instalatiile de producere omologate de firma Kellog. Fazele principale ale procesului tehnologic sunt:

- Reformarea ca­talitica primara a gazului metan cu ajutorul vaporilor de apa;

- Reformarea secundara a metanului nereactionat cu aer si vapori de apa;

- Conversia catalitica a oxidului de carbon (CO) in bioxid de carbon ( CO₂) in doua trepte: la inalta si respectiv joasa temperatura;

- Eliminarea bioxidului de carbon prin procedeul Carsol ( absorbtie in so­lutie fierbinte de carbonat de sodiu plus un aditiv organic si un inhibitor de coroziune);

- Eliminarea oxidului de carbon neconvertit prin conversie in metan (metanare catalitica)

- Comprimarea gazelor de sinteza si corectia raportului azot/hidrogen;

- Sinteza catalitica a amoniacului anhidru;

-Separarea amoniacului format de gazele de sinteza nereactionate pentru reintroducerea lor in circuitul de sinteza;

- Depozitarea amoniacului.

Acest procedeu prezinta urmatoarele avantaje:

- Consum specific redus de energie electrica;

- Recuperarea aproape integrala a caldurilor reziduale producand abur, utilizat pentru antrenarea compresoarelor si a altor utilaje dinamice, fiind complet autonoma din punct de ve­de­re tehnologic;

- Este posibila automatizarea completa, avand un grad ridicat de siguranta;

Bioxidul de carbon recuperat (produs secundar al procesului) are o puri­tate ridicata si este folosit la fabrica de uree si la fabrica de ingrasaminte complexe N.P.K.

In fig. 1.7. este prezentata schema de producere a amoniacului si chimismul procesului de fabricatie.

[1]

[2]

[3]

[4]

Fig. 1.7. Producerea amoniacului

b). Descrierea procesului tehnologic: Gazul metan comprimat intr-un compresor pana la 42,5 atm. si desulfurat catalitic, este amestecat cu abur si este reformat catalitic in reformerul primar. Urmeaza o a doua treapta de reformare si ardere in reformerul secundar unde continutul de metan este redus pana la 0,4% vol prin introducerea unei cantitati de aer ce asigura simultan si necesarul de azot pentru sinteza propriu-zisa. Gazul brut rezultat este supus procesului de conversie a oxidului de carbon la inalta si apoi la joasa temperatura. In continuare se elimina bioxidul de carbon rezultat prin absorbtie in solutie de carbonat de sodiu. Urmele de oxid de carbon ramase in gazele de sinteza se inlatura prin metanare (conversie in metan), oxidul de carbon fiind toxic pentru catalizatorul utilizat la sinteza. Dupa eliminarea apei si comprimarea gazului pana la o presiune de 154 atm gazul este supus procesului de sinteza in coloana de sinteza. Urmeaza separarea prin condensare a amoniacului format si trimiterea lui la depozit. Gazele de sinteza nereactionate, separate de amoniac se reintroduc in coloana de sinteza pentru cresterea gradului de conversie global. Se vor analiza pe rand in continuare fluxurile tehnologice pentru instalatiile cele mai importante care necesita si un grad inalt de automatizare.

c). Producerea gazelor de sinteza: In fig. 1.8. este prezentata schema simplificata a unei instalatii de producere a gazelor de sinteza prin conversie catalitica a gazului metan in prezenta vaporilor de apa. Se va analiza pe baza acestei scheme fluxul tehnologic principal precizandu-se conditiile de lucru optime, din care rezulta si structura sistemului de reglare minimal necesar.

Procesul de obtinere a hidrogenului se desfasoara in tuburile de conversie 4 umplute cu catalizator de nichel pe suport din material refractar si se desfasoara conform reactiilor chimice:

CH₄ + 2 H₂O CO₂ + 4 H₂ - 39,1 Kcal

1°. Pregatirea reactantilor: Gazul metan preluat de la conducta magistrala (uzual 6 atm si 15°C), dupa inlaturarea apei, este comprimat pana la 42 atm si preincalzit pana la 390°C in preincalzitoarele 11, intra in desulfuratoarele 2 in care se inlatura sulful cu ajutorul unui catalizator pe baza de cobalt-molibden ce converteste sulful organic in hidrogen sulfurat ce este absorbit apoi in al doilea strat de catalizator pe baza de oxid de zinc. Pentru cresterea eficientei desulfurarii, inaintea preincalzirii, gazul metan se amesteca cu gaz recirculat de la sectia de sinteza (125 moli de hidrogen/mol de gaz), hidrogenul asigura hidrogenarea distructiva a com­binatii­lor organice cu sulf.

Gazul metan se amesteca cu vaporii de apa, preincalziti in preincalzitoarele 10 (temperatura 390 °C), in amestecatorul 3 astfel incat raportul apa/metan sa fie mentinut intre 1,7 si 2 Kg abur/Nm³ metan (sau un raport abur / carbon de 3,5/1). Valori mai mici ale acestui raport conduc la formarea carbonului prin reactii secundare, iar valori mai mari conduc la inrautatirea bilantului termic al reformerului fara sa asigure cresterea esentiala a gradului de conversie. Amestecul este incalzit in schimbatorul montat in partea de convectie a cuptorului reformerului primar pana la temperatura de 524 °C.

Conditiile tehnologice specificate impun urmatoarele activitati de control si reglare automata:

- Masurarea si inregistrarea debitelor, presiunilor si temperaturilor in diversele puncte ale instalatiei (specificate prin simbolurile adecvate si valorile precizate in fig.1.2)

- Reglarea raportului abur/metan (metanul se alege ca debit condus) asigurata cu bucla de reglare a raportului Y₂ - Y₃ .

2°. Asigurarea conditiilor de reactie: Reactiile fiind endoterme caldura necesara se asigura prin arderea gazului metan preluat de la conducta magistrala, in cuptorul 5 al reformerului primar. In aceasta faza se impune reglarea temperaturii in cuptorul 5 prin comanda debitului de gaz metan (bucla de reglare Y₄) si reglarea debitului de aer de ardere.

Presiunea de lucru in tuburile catalitice 4 se asigura prin dimensionarea tehnologica a circuitelor de abur si gaz metan si prin reglarea presiunilor la intrarea in instalatie (se iau in calcul pierderile de presiune de la intrare pana in tuburile de conversie pentru valori nominale ale debitelor). Aceasta varianta prezinta dezavantajul ca apar variatii de presiune la functionarea sub sau peste sarcina nominala. Daca se va lucra intr-un asemenea regim se va introduce o reglare de presiune pe debitul de abur. Nu este posibila introducerea unei reglari de presiune pe conducta de gaz metan deoarece exista pe aceasta conducta ventilul de reglare in bucla de reglare a raportului.

3°. Reformarea primara: Amestecul metan - vapori de apa in raportul precizat si la temperatura de 524°C strabate tuburile de conversie umplute cu catalizator de nichel avand loc reactiile de cracare precizate mai sus. La iesirea din tuburile de conversie gazul cracat mai conti­ne 10,1% vol de metan nereactionat, au o temperatura in jur de 790°C si o presiune de 32,6 atm. Gazul trece apoi prin serpentinele situate in zona de radiatie si se incalzesc pana la 852°C.

4°. Reformarea secundara. Gazul reformat partial in reformerul primar patrunde in reformerul secundar 6 la temperatura de 830°C impreuna cu aerul de proces incalzit la 454°C in a doua serpentina situata in traseul de gaze al cuptorului reformerului primar.

Oxigenul din aer se combina cu o parte din hidrogenul adus de gazul cracat producand caldura necesara ridicarii temperaturii amestecului de reactie la 996°C.

La aceasta temperatura are loc conversia secundara a gazului metan cu vapori de apa reducand continutul de gaz metan la aproximativ 0.35 % volum in raport cu gazul inert.

Reactiile stoichiometrice ce au loc in reformerul secundar au forma:

R.1. H₂ + ½ O₂ = H₂O T produce caldura necesara

R.2. CH₄ + H₂O = CO + 3 H₂ T conversie

R.3. CO + H₂O = CO₂ + H₂ T conversie

R.4. CH₄ + ½ O₂ = CO + 2H₂ T reactie secundara

In fig.1.9. este prezentata schema componentilor rezultati in procesul de reformare primara si secundara.

Fig. 1.9. Componenta gazelor

5°. Eliminarea oxidului si bioxidului de carbon

Compusii secundari rezultati (CO si CO₂) trebuie eliminati deoarece otravesc catalizatorul de la coloana de sinteza si in acelasi timp formeaza o parte din materia prima de la fabrica de uree. Oxidul de carbon este convertit in doua etape (inalta si joasa temperatura, coloanele 9 si 12) conform reactiei chimice:

R.5. CO + H₂O = CO₂ + H₂ + 9.8 Kcal/mol

Pentru asigurarea conditiilor optime de desfasurare a reactiilor, gazele de conversie se stropesc cu apa in camera de stropire 7 (se asigura necesarul de apa si racirea gazelor prin vaporizarea apei introduse, raport 2 m³ vapori de apa/Nm³ CO si temperatura de 390 °C) si apoi se racesc in cazanul recuperator 8 pana la temperatura de 390 - 400 °C. Deoarece cresterea temperaturii in coloana 9 (reactie exoterma) conduce la scaderea gradului de conversie, coloana este prevazuta cu un sistem de racire si reglare a temperaturii prin injectie de abur mai rece intre straturile de catalizator (bucla de reglare Y8). Coloana de conversie la joasa temperatura 12 este si ea prevazuta cu un sistem de reglare a temperaturii (bucla de reglare Y9) prin stropire cu apa pentru racirea completa a gazelor si elimi­narea vaporilor de apa ce condenseaza si se extrag pe la baza coloanei ( temperatura de circa 30°C). Din coloana 12 gazele, continand hidrogen, azot, bioxid de carbon si oxid de car­bon (in concentratie foarte mica, sub 0,5% vol.), sunt trimise la un gazometru de unde se preiau pentru prelu­crare in sectia de purificare.

6°.Eliminarea bioxidului de carbon: Eliminarea bioxidului de carbon se realizeaza prin absorbtie intr-o coloana cu umplutura in solutie de carbonat de potasiu, cu un aditiv organic dietanolamina cu rol de activator si inhibitor de coroziune. Regenerarea solutiei se realizeaza prin stripare cu abur, eliminandu-se bioxidul de carbon ce se utilizeaza ca materie prima la fabricarea de uree.

7°. Metanarea: Gazul de proces purificat in faza anterioara de bioxidul de carbon este preincalzit pana la 316 °C si se introduce in reactorul de metanare unde, in prezenta catalizatorului de nichel are loc reactia dintre oxidul si bioxidul de carbon si hidrogen cu formarea de me­tan. Reactia este exoterma si temperatura gazelor creste la 364°C. In urma procesului de meta­nare concentratiile de CO si CO₂ (0,5 % vol CO si 0,1 % vol CO₂) se reduc sub 10 ppm.

8°. Sinteza amoniacului: Gazele de sinteza, continand hidrogen, azot (in raportul de 2,7/1) si argon (1,4 % vol) sunt comprimate pana la 154 atm intr-un compresor centrifugal antrenat de o turbina de abur. In continuare gazul de sinteza este racit in mai multe trepte cu apa si amoniac lichid pana la -23 °C pentru eliminarea completa a apei si a restului de oxid de carbon pentru evitarea otravirii catalizatorului de sinteza. Acest gaz se foloseste ca agent de racire pentru gazul de sinteza recirculat de la coloana de sinteza. Fluxul tehnologic simplificat al sectiei de sinteza este prezentat in fig.1.10. Gazul de sinteza este preincalzit in schimbatoarele 8 si 10 pana la 144°C, fiind pregatit astfel pentru a putea fi folosit in diversele puncte ale coloanei.

Coloana de sinteza a amoniacului este formata din doua parti:

- sectiunea de cataliza montata in interiorul corpului de presiune contine patru straturi de catalizator avand posibilitatea introducerii de gaz de sinteza intre straturi la temperatura de 144°C in scopul reglarii profilului de temperatura de a lungul coloanei pentru cresterea randamentului.

- schimbatorul de caldura 6, montat in partea superioara, este utilizat pentru preincalzirea debitului principal de gaze de sinteza pana la 410°C, utilizandu-se ca agent termic gazele rezultate din reactie ( se recupereaza astfel o parte din caldura de reactie degajata in coloana). In straturile de catalizator de fier are loc reactia dintre hidrogen si azot ce se desfasoara la o temperatura variind de la 410°C la 480°C si o presiune cuprinsa intre 151 si 142 atm, con­ducand la o concentratie de 12% amoniac la iesirea din ultimul strat de catalizator (limita maxima tehnica ce se poate obtine la echili­bru). Cresterea temperaturii conduce la descompunerea amoniacului (reactie reversibila) si de aceea este necesara injectarea de gaz de sinteza rece intre straturile de catalizator reducandu-se temperatura si marindu-se volumul total de gaze (deci scade concentratia de amoniac la intrarea in stratul urmator).

Fig. 1.10. Sectia de sinteza

Daca se conduce coloana cu un calculator de proces atunci pe baza unor calcule de optimizare specifice se poate asigura realizarea unei cantitati maxime de amoniac pentru un debit impus la intrare. Amestecul de gaze, continand amoniac, azot si hidrogen nereactionat si gaze inerte, la iesirea din ultimul strat de catalizator se reintoarce prin tubul central ce strabate straturile de catalizator, preluand caldura degajata, in partea superioara, strabate succesiv: schimbatorul de caldura 6 schimbatorul de caldura 8, spatiul dintre sectiunea de cataliza si corpul exterior al coloanei, schimbatoarele de caldura 12 si 13 si ajunge cu o temperatura de 30°C la separatorul gaz-lichid 9, unde se separa mare parte din amoniacul format. In acest circuit gazele joaca un rol multiplu, incalzindu-se, pentru a prelua caldurile de reactie dezvoltate in coloana, sau racindu-se preincalzind gazele de sinteza. In schema tehnologica se precizeaza temperaturile in diverse puncte ale circuitului de gaz. De la iesirea din separator gazele sunt preluate cu compresorul de gaz si se reintroduc in circuit pentru reutilizarea hidrogenului si azotului nereactionat. Dupa cum se observa, procesul in an­samblu, este un proces de reactie cu recirculare, specific reactiilor cu grad de conversie scazut, in scopul cresterii randamentului global al instalatiei.

9°. Aspecte privind recuperarea caldurilor de reactie: Procesul tehnologic pentru producerea amoniacului este in general un proces consumator de energie, in special energie termica datorita faptului ca reactiile sunt endoterme si se desfasoara la temperaturi ridicate iar cele exoterme necesita preincalzirea reactantilor pentru scurtarea timpului de reactie si deci marirea productiei si cresterea randamentului si duratei de viata a catalizatorului utilizat. De asemenea gazele de sinteza parasesc anumite instalatii cu un continut ridicat de energie termica si trebuie racite pentru asigurarea conditiilor cerute de procesele din fazele urmatoare.

Printr-o alegere adecvata a fluxului tehnologic si a utilajelor necesare se pot folosi aceste energii interne ale gazelor de sinteza sau a gazelor de ardere de la reformerul primar in cadrul fabricii sau pentru producerea de abur pentru alte fabrici.

Pentru reducerea consumurilor de energie, fluxul tehnologic a fost gandit astfel incat sa se recupereze o mare parte din continutul caloric al gazelor pe parcursul prelucrarii lor. Se vor prezenta in continuare cateva posibilitati de recuperare aplicate in aceasta sectie:

a) Recuperarea caldurii gazelor de ardere evacuate din cuptorul reformerului primar se realizeaza prin serpentinele montate in cuptor astfel:

- Un schimbator de caldura pentru preincalzirea amestecului gaz natural-abur pana la 524° C inainte de a intra in tuburile de conversie.

- Un preincalzitor al aerului de proces (454° C) necesar la reformerul secundar.

- Un supraincalzitor de abur pentru cazanul recuperator montat in cuptorul reformerului (se asigura abur la 460° C si 106 atm) .

- O serpentina pentru preincalzirea apei de alimentare a cazanului de abur.

- O serpentina pentru gazul de combustie ars in cuptorul reformerului primar.

b) Recuperarea caldurii gazelor de sinteza ce parasesc reformerul secundar se asigura prin procesul de vaporizare al cazanului de abur (8) realizandu-se simultan si racirea gazelor.

c) Recuperarea caldurii gazelor de sinteza la iesirea din convertorul 9 ce se utilizeaza pentru preincalzirea reactantilor inaintea introducerii aburului si gazului metan in reformerul primar.

d) Recuperarea caldurii produsa in metanator prin preincalzirea apei pentru cazanul recuperator al reformerului primar.

e) Recuperarea caldurii gazelor ce parasesc coloana de sinteza utilizata pentru preincalzirea reactantilor.

Prin aceste recuperari de caldura apar urmatoarele aspecte functionale cu implicatii direct asupra structurii si complexitatii sistemului de conducere automata:

- Pe parcursul fluxului tehnologic principal al fabricii apar o serie de utilaje suplimentare care cer la randul lor o conducere automata foarte precisa. Se pune deci problema unui studiu de eficienta privind costurile utilajelor si a echipamentelor de automatizare si energia recuperata.

- Introducerea unor utilaje suplimentare modifica pierderile de presiune si trebuie efectuat un control riguros al presiunii in diverse puncte, acesta fiind un parametru impus de conditiile de reactie si asigura transferul de masa intre diversele puncte ale instalatiei;

- Aparitia unor rezistente fluidice suplimentare si cresterea lungimii parcursului poate conduce la cresterea timpilor morti in structura sistemelor de reglare ceea ce aduce sistemul global de conducere la instabilitate;

- Utilizarea fluxului principal de gaze ca agent termic in diverse puncte face dificila reglarea temperaturii sau a profilurilor de temperatura in anumite utilaje si de asemenea din punct de vedere sistemic pot apare reactii pozitive in structura sistemului automatizat fapt ce complica structurile de reglare si de conducere automata.

Rezulta din aceasta analiza necesitatea introducerii unei automatizarii complexe cu o structura ierarhizata care sa asigure cerintele de exploatare ale instalatiei.

1.1.4. Analiza fluxului tehnologic si cerintele de automatizare la fabricarea

acidului azotic.

a). Consideratii generale: Procedeul industrial de obtinere a acidului azotic diluat se bazeaza pe absorbtia bioxidului de azot, (obtinut prin oxidarea amoniacului), in apa, in instalatii de tip coloana cu talere sau umplutura.

Chimismul procesului si fluxul tehnologic a fost prezentat in subcapitolul 1.1.1. Din analiza conditiilor impuse de functionarea optima a instalatiei rezulta structura sistemului de reglare automata prezentata in fig. 1.2.

Cele mai importante probleme ce urmeaza a fi rezolvate sunt:

- chimismul procesului impune un anumit raport amoniac - aer, asigurat cu buclele de reglare Y1 si Y2;

- reactia exoterma are o desfasurare optima in conditiile normale la C (bucla Y3);

- recuperarea caldurii de reactie si a conditiilor optime pentru cazanul recuperator de abur (bucla de reglare Y4);

- condensarea vaporilor de apa inainte de compresorul 19 se asigura prin reglarea temperaturii in coloana 16 (bucla Y16);

- asigurarea cantitatii de oxigen necesara oxidarii monooxidului de azot atat in oxidatorul 21 cat si in coloana 25 se realizeaza prin comanda aerului secundar astfel incat la iesirea din coloana 25 sa existe urme de oxigen <2% (bucla Y7 si Y8);

- asigurarea temperaturilor in coloana de absorbtie (buclele de reglare Y10 si Y11);

- reglarea concentratiei acidului azotic la iesire (buclele de reglare Y12, Y13);

- reglarea nivelelor de lichid la baza coloanelor 25 si 26 (buclele de reglare Y14, Y15);

1.1.5. Structura sistemelor de conducere ierarhizata.

In paragrafele anterioare s-au prezentat cateva structuri de organizare a uzinelor chimice in vederea prelucrarii complexe a materiilor prime si a produselor intermediare secundare. S-au analizat cateva procese tehnologice specifice precizandu-se cerintele impuse de proces si structura de conducere. In vederea asigurarii tuturor cerintelor impuse de exploatarea uzinelor chimice este necesara implementarea unor sisteme automate de conducere ierarhizata pe nivele. Cerintele unui astfel de sistem si functiunile acestuia sunt prezentate in figura 1.11.

Sistemul de conducere al unei uzine chimice este format din mai multe subsisteme, fiecare avand sarcini bine precizate.

a) Subsistemul de masurare a parametrilor instalatiilor si aparatelor tehnologice. Este format din traductoare pentru masurarea parametrilor tehnologici, (temperaturi, presiuni, debite, nivele, concentratii, etc.) si sesizoare de pozitii privind starea unor aparate. Aceste aparate de masurare si sesizare sunt montate in camp, direct pe instalatiile tehnologice sau in vecinatatea acestora fiind astfel construite incat sa reziste conditiilor de mediu. Semnalele furnizate de aceste aparate pot fi analogice, numerice sau logice.

b) Subsistemul de actionare asupra instalatiilor tehnologice. Permite comanda locala sau de la distanta a marimilor de intrare ale utilajelor si constau din ventile de reglare si servomotoare de comanda continua, electroventile sau ventile pneumatice cu comanda logica, motoare electrice sau pneumatice pentru comanda de la distanta. Echipamentele sunt montate in camp.

c) Subsistemul de protectie, semnalizare si interblocare. Este montat in tabloul local sau central de comanda, este realizat cu circuite logice (relee electromagnetice, relee electronice cu comutatie statica) sau circuite integrate si asigura semnalizarea depasirii valorilor normale ale parametrilor tehnologici si oprirea totala sau partiala a instalatiei in caz de avarie probabila.

d) Subsistemul de reglare a parametrilor tehnologici. Este realizat cu aparatura de reglare analogica sau numerica, se bazeaza pe informatiile primite de la subsistemul de masurare si actioneaza automat asupra instalatiilor tehnologice prin sistemul de actionare. Asigura totodata functiuni de indicare, inregistrare si memorare a valorilor instantanee a parametrilor.

Aceste patru subsisteme sunt absolut obligatorii pentru conducerea automata a instalatiilor tehnologice din industria chimica. Restul subsistemelor ce apartin unor nivele ierarhice superioare prezentate mai jos, pot fi suplinite prin actiunile operatorilor umani cu ajutorul unor aparate de calcul sau de prelucrare adecvate.

e) Subsistemul de optimizare a fluxurilor tehnologice la nivel de sectii, fabrici, uzina sau combinat. Este realizat cu minicalculatoare specializate, este cuplat direct cu sistemul de reglare si asigura comanda automata a marimilor prescrise ale regulatoarelor sau modificarea legilor sau structurilor de reglare in cazul conducerii adaptive pe baza prelucrarii unor indicatori de optimizare si adaptare specifici. Poate asigura functiuni suplimentare de estimare si identificare, de masurare indirecta a unor parametri tehnologici de verificare a corectitudinii functionarii aparatelor de automatizare, functiuni de bilanturi de materiale si energie, etc. Aceste subsisteme pot fi realizate, impreuna cu sistemul de reglare, cu microcalculatoare specializate sau retele de calculatoare de proces.

f) Subsistemul de planificare, prognoza si intretinere. Este realizat cu calculatoare de mare capacitate, este cuplat direct cu subsistemele ierarhice inferioare si superioare si poate prelua o parte din functiunile de la subsistemul e).

Toate aceste subsisteme sunt organizate pe nivele de conducere ca in figura 1.11., intre nivele exista in permanenta un schimb de informatii de jos in sus si de comenzi de sus in jos. Aceasta organizare structurala cu echipamente independente corespunzatoare fiecarui nivel asigura o fiabilitate maxima a subsistemului si o specializare a aparaturii asigurand cresterea vitezei de prelucrare a informatiei prin hardware si software.

Privind aparatura tehnica din fiecare nivel se precizeaza urmatoarele:

- senzori si elementele de actionare se afla in nivelul de camp, aparatura fiind produsa de producatori diferiti. Acest lucru nu are importanta pentru ca in interiorul nivelului de camp nu exista un schimb de informatii intre aparate, ci numai cu nivelul de conducere al procesului ce se realizeaza prin interfete standardizate in tehnica analogica ( 2.. 10 mA sau 4.. 20 mA, 0.2.. 1 bar) pentru marimi continue si 0.. 24 V pentru marimi logice.

- incepand cu nivelul de conducere pana la nivelele superioare este necesara o comunicare la nivel sau intre nivele. Acest lucru se realizeaza simplu prin standardizarea semnalelor analogice sau numerice. Tehnica numerica cu echipamente programabile simplifica problemele de schimb de informatii.

1.1.6. Deficiente ale automatizarii proceselor.

Pentru rezolvarea cerintelor complexe ale proceselor chimice actuale este necesara cercetarea si realizarea aparaturii si programelor adecvate pentru trei probleme importante:

a) Supravegherea inteligenta:

- supravegherea erorilor aparaturii de masurare si reglare;

- supravegherea modificarilor tehnologice in timpul desfasurarii proceselor (epuizarea catalizatorilor, obturarea filtrelor, etc.);

- supravegherea modificarilor chimice (aparitia de reactii secundare, reactii exoterme nedorite);

- detectia si localizarea defectelor si conducerea instalatiei in regim de avarie

Pentru supravegherea inteligenta se pot folosi chiar marimile informative ale buclelor de reglare pe baza unor metode orientate pe semnal, pe baza de model sau pe cunostinte de exploatare sau metode combinate.

b) Rezolvarea problemei de conducere in mod unitar si general.

In cadrul acestor etape se urmareste:

- o rezolvare generala care sa cuprinda toate fazele incepand cu stabilirea scopului conducerii si terminand cu utilizarea sistemului de conducere.

- o rezolvare unitara in sensul ca pentru toate fazele se pot folosi aceleasi mijloace de descriere sau derivate unele din altele.

- o rezolvare clara, usor abordabila mai ales pentru beneficiar.

c) Gandirea in cadrul sistemului general.

O problema majora pentru invatamant o constituie pregatirea specialistilor pentru rezolvarea unor probleme complexe avand puternice reactiuni cu mediul industrial, apeland la notiuni multidisciplinare. Dintre cerintele ce se cer rezolvate se enumera:

- modernizari tehnologice pentru evitarea unor zone de sensibilitate pentru traductoare si elemente de executie;

- protectia mediului pentru reziduurile evacuate;

- tehnica sigurantei pentru protectia la explozii sau toxicitate;

- algoritmi complecsi adaptivi de reglare pentru maximizarea profitului;

- tehnica comenzilor inlantuite in timp si in spatiu;

- tehnici de calcul si programarea calculatoarelor pentru configurarea sistemelor de conducere evoluate si a dispozitivelor de comanda programabile;

- asigurarea calitatii produselor si a prescriptiilor standard.

1.1.7. Concluzii privind analiza proceselor din industria chimica.

Nu este posibila analiza tuturor instalatiilor din industria chimica. Pentru inginerul automatist fiecare instalatie reprezinta un sistem chimico-tehnologic complex, deci o totalitate de fluxuri tehnologice ce interactioneaza realizandu-se o serie de operatii paralele si consecutive in vederea realizarii unui anumit scop. La cercetarea si analiza sistemelor chimico-tehnologice, proprietatile interne intereseaza numai in masura in care influenteaza asupra sistemului in sine.

Cercetarea sistemelor chimico-tehnologice este simplificata prin descompunerea acestora in elemente simple, stabilindu-se marimile si dependentele ce caracterizeaza starea dinamica sau stationara. Aceste elemente constituie fie instalatii, fie procese tipice in cadrul ansamblului. Apare necesitatea studierii sistemelor de conducere pentru aceste procese tipice si extinderea acestora la intreaga instalatie.

Rezolvarea problemelor de conducere presupune doua etape importante:

- Analiza sistemului chimico-tehnologic, cercetarea proprietatilor acestuia si structura legaturilor tehnologice intre obiecte si subsisteme, precum si valorile parametrilor constructivi si functionali ce caracterizeaza regimul tehnologic;

- Sinteza sistemului de conducere automata in vederea asigurarii regimurilor optime de functionare.

Din analiza multitudinii de procese chimico-tehnologice rezulta ca in fabricarea oricarui produs au loc trei faze:

- faza de pregatire a reactantilor in vederea participarii la reactie (preincalzire schimbarea starii de agregare, aducerea la o anumita presiune, purificare);

- faza de reactie ce se desfasoara in anumite conditii de presiune, temperatura, agitare;

- faza de separare a produsului principal de produsele secundare si reactantii nereactionati pentru reintroducerea in circuitul de fabricatie (presupune procese de incalzire, vaporizare condensare, extractie).

Ca instalatii tipice intalnite in sistemele chimico-tehnologice se enumera:

- schimbatoare de caldura;

- reactoare chimice;

- coloane de absorbtie;

Din punct de vedere al parametrilor tehnologici si al variatiei acestora instalatiile chimico-tehnologice se impart in doua categorii:

- instalatii cu parametri concentrati sau reductibile la acestea in care parametrii tehnologici nu depind de coordonatele spatiale si deci vor fi descrise prin ecuatii cu derivate ordinare;

- instalatii cu parametri distribuiti in care parametrii tehnologici depind de coordonatele spatiale si deci vor fi descrise prin ecuatii cu derivate partiale.

.