УДК 681.5.011

Автоматизация производства получения сырого бензола двух сортов

Габдриев Булат Данилович – студент кафедры Систем автоматизации и управления технологическими процессами Казанского национального исследовательского технологического университета.

Научный руководитель Кузьмин Валерий Васильевич – кандидат технических наук, доцент кафедры Систем автоматизации и управления технологическими процессами Казанского национального исследовательского технологического университета.

Аннотация: В данной статье приведено описание процесса получения сырого бензола, предложена структурная схема автоматизированной системы управления данным технологическим процессом, определены параметры, подлежащие контролю, регулированию, сигнализации и защите, подобраны датчики, исполнительные устройства и контроллерное оборудование.

Ключевые слова: автоматизация, бензол, поглотительное масло, система управления, датчик, исполнительное устройство, контроллер.

Цель автоматизации технологического процесса получения сырого бензола при работе на каменноугольном масле с паровым нагревом является повышение качества и количества производимой продукции, повышение безопасности за счет снижения риска человеческой ошибки, снижение расходов сырья, а также уменьшение временных затрат.

Исходным сырьем служит масло, насыщенное бензольными углеводородами, а готовым продуктом – бензол двух сортов – легкого (бензол 1) с началом кипения 74,5 °С и отгоном 98% до 150 °С и тяжелого (бензол 2) – кипящего при температуре в пределах 139-220 °С [1].

Бензол представляет собой бесцветную жидкость со специфическим сладковатым запахом. Его применяют в промышленности в качестве растворителя при производстве лекарств, различных пластмасс, красителей, лаков и смол.

Технологическая схема процесса получения бензола представлена на рисунке 1.

1

Рисунок 1. Технологическая схема получения сырого бензола: 1- дефлегматор; 2 – дистилляционная колонна; 3 – масляный теплообменник; 4 – паровой подогреватель; 5, 8, 10, 11, 19, 20 – насосы; 7, 18, 23 – сборники; 9 – градирня; 12, 13, 17, 24 – сепараторы; 14 – разделительная колонна; 6, 15, 16 – холодильники; 21 – рефлюксный бачок; 22 – регенератор.

Его основными аппаратами являются дистилляционная колонна, дефлегматор, паровой подогреватель, регенератор поглотительного масла, разделительная колонна.

Дистилляционная колонна используется для отделения бензольных углеводородов от масла, путем высокотемпературной дистилляции масла острым паром.

Разделительная колонна применяется для получения двух фракций сырого бензола. Она состоит из двух частей: нижней – испарительной и верхней – ректификационной.

Функция парового подогревателя поглотительного масла заключается в том, чтобы довести температуру масла до уровня, необходимого для его подачи в бензольную дистилляционную колонну. В процессе нагрева масла в подогревателе происходит испарение части бензольных углеводородов, испарение всей воды, а также переход в парообразное состояние некоторой части поглотительного масла [1].

Регенератор поглотительного масла имеет форму вертикального цилиндра с диаметром 2,8 метра и оснащен выдвижными трубами в нижней части для глухого парового нагрева масла. Для сохранения качества поглотительного масла, некоторое количество масла непрерывно подается с одной из верхних тарелок дистилляционной колонны в регенератор.

Дефлегматоры предназначены для конденсации паров высококипящих компонентов, представляющих собой легкие погоны поглотительного масла, а также конденсации максимального количества паров воды. Выделяющееся при этом тепло используется для нагрева масла, насыщенного бензольными углеводородами [2].

В процессе получения двух фракций бензола имеют место следующие основные этапы:

  1. Подогрев насыщенного масла с использованием дефлегматора и масляного теплообменника.
  2. Дистилляция бензольных углеводородов из поглотительного масла в дистилляционной колонне.
  3. Охлаждение паров бензола в дефлегматоре.
  4. Разделение сырого бензола на две фракции с помощью разделительной колонны.

На рисунке 2 предложена структурная схема автоматизированной системы управления данным технологическим процессом.

2

Рисунок 2. Структурная схема АСУТП.

На 1-ом уровне АСУТП расположены датчики и исполнительные устройства. На 2-ом уровне – контроллерное оборудование. В качестве контроллера системы управления был выбран Simatic S7-400Н компании Siemens, а в качестве контроллера ПАЗ – Simatic S7-400FН. 3-ий уровень реализован на базе компьютерного оборудования, а именно АРМОТ, станция инженера СУ, станция инженера ПАЗ и сервер БД. Связь между техническими средствами полевого уровня и уровня контроллеров осуществляется посредством стандартного сигнала 4-20 мА и 24 V. А связь контроллерного уровня с верхним уровнем осуществляется сетью Ethernet. Ethernet.

Согласно требованиям технологического регламента для поддержания оптимального режима ведения данного процесса, необходимо осуществить непрерывный контроль и регулирование следующих параметров:

  1. Температуру масла после масляного теплообменника 3;
  2. Температуру бензольных углеводородов после дистилляционной колонны 2;
  3. Температуру масла после теплообменника 3;
  4. Давление в дистилляционной колонне 2;
  5. Температуру паров после разделительной колонны 14;
  6. Давление пара в разделительной колонне 14;
  7. Расход масла на вход в дефлегматор 1;
  8. Расход бензол II после холодильника 15;
  9. Расход бензол I после сборника 18;
  10. Давление на выходе насосов 5, 10, 19, 20;
  11. Уровень в рефлюксном бачке 21.
  12. Температуру насыщенного масла после дефлегматора 1;
  13. Температуру масла после парового подогревателя 4;
  14. Температуру масла дистилляционной колонне 2;
  15. Температуру масла после холодильника 6;
  16. Температуру бензольных углеводородов после дефлегматора 1;
  17. Температуру продуктов после конденсатора-холодильника 6;
  18. Температуру масла после регенератора 22;
  19. Уровень масла в дистилляционной колонне 2;
  20. Расход масла, поступающего на регенератор 22;
  21. Уровень в сборниках 7, 23, 18;
  22. Уровень воды в градирни 9;
  23. Уровень жидкости в разделительной колонне 14;
  24. Расход острого пара, подаваемого в разделительную колонну 14;
  25. Температуру бензола I после холодильника 15;
  26. Расход рефлюкса после рефлюксного бочка 21.

Для обеспечения требуемой безопасности проведения технологического процесса необходимо сигнализировать и защищать уровень в дистилляционной колонне 2 и в разделительной колонне 14.

При выборе комплекса технических средств автоматизации следует руководствоваться следующими основными требованиями, предъявляемые к средствам автоматизации:

  • высокая точность;
  • диапазон измерения;
  • тип измеряемого параметра;
  • простота технического обслуживания;
  • поддержка различных протоколов передачи данных;
  • долговечность, ремонтопригодность и безотказность работы.
  • надежность работы и минимальное количество сбоев;
  • возможность интеграции с другими системами;
  • доступность технической поддержки и обслуживания;
  • соответствие цене и качеству.

В качестве датчика температуры был выбран термометр сопротивления TR12-B, изготовителем которой является WIKA. Этот датчик имеет такие преимущества, как высокая точность измерения, надежность, выходной сигнал 4...20 мА/протокол HART, а также оборудован модулем ЖК индикатора.

Для измерения уровня в сборниках и колоннах был выбран Rosemount 5300. Данный датчик измерения уровня имеет следующие достоинства: надежная работа в самых сложных условиях, высокая точность, использование в широком диапазоне температур.

В качестве датчика давления был выбран ЭЛЕМЕР-АИР-30М с тензометрическим сенсором. Основными преимуществами данного датчика являются высокая точность измерений и стабильная работа в различных условиях, работа с высокими давлениями до 400 бар, высокая производительность и надежность, а также долгий срок службы.

Для измерения расхода был выбран вихревой расходомер-счетчик «ЭМИС-ВИХРЬ 200». Описание характеристик и преимуществ данного расходомера включает в себя широкий диапазон измеряемой температуры, который может варьироваться от минус 60 до плюс 450 °С, а также аналоговый токовый выходной сигнал 4-20 мА + HART, высокую степень защиты корпуса по стандарту IP68, сокращение времени и затрат на установку, а также стабильную работу в различных условиях.

В качестве магнитного пускателя был выбран ПМЛ 2240 производства ОАО НПО «Этал», который используется для управления работой асинхронных двигателей путем замыкания и размыкания электрической цепи.

25нж998нж от производителя САЗ-Авангард был выбран в качестве исполнительного устройства. Данный клапан имеет широкий диапазон температуры рабочей и окружающей среды, изготовлен из легированной стали.

В качестве запорной арматуры был выбран 30лс941нж от производителя САЗ-Авангард. 30лс941нж рассчитана на температурный режим до 425 °С, возможно подключить ручное управление в аварийных случаях, обладает антикоррозионными свойствами, задвижка имеет прочный диск, а также обеспечивается герметичность перекрытия потока в любом направлении.

В качестве барьеров искрозащиты был выбран КОРУНД-М5 от производителя АОЗТ "СТЭНЛИ". КОРУНД-М5 является активным барьером искрозащиты с гальванической развязкой, предназначенным для питания и обеспечения искрозащиты сигнальных цепей взрывозащищенных датчиков тепловых параметров. Он имеет унифицированный выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА, который и является выходным сигналом барьера.

В качестве частотного преобразователя был выбран INNOVERT PUMP IHD который предназначен для регулирования центробежного насоса и обеспечения значительного снижения энергопотреблении.

При выборе программируемого логического контроллера особое внимание было уделено следующим требованиям:

  • Высокая надежность;
  • Универсальная структура изделия;
  • Удобство эксплуатации и обслуживания;
  • Меньшие габариты и энергопотребление;
  • Количество входов/выходов (цифровых и аналоговых).

На основании вышеперечисленных требований был выбран контроллер ПЛК SIMATIC S7-400H от производителя Siemens, который предназначен для построения систем управления средней и высокой степени сложности. Общие технические данные:

  1. Модульная конструкция;
  2. Поддерживаемые сети, интерфейсы: Ethernet, PROFINET, PROFIBUS;
  3. Диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 70 °С;
  4. Программное обеспечение STEP 7 V14.

В качестве контроллера ПАЗ был выбран SIMATIC S7-400FH. Данный контроллер предназначен для построения систем с повышенными требованиями к безопасности их функционирования. Целью S7-400FH является управление процессами, которые могут быть немедленно возвращены в безопасное состояние. Одним из основных достоинств S7-400FH является высокий уровень надежности и функциональности благодаря использованию технологии ошибок коррекции при передаче данных и возможности горячей замены модулей во время работы системы для минимизации времени простоя. Также система обладает высокой производительностью при обработке данных в реальном времени и широкими возможностями конфигурации для адаптации к различным требованиям задач автоматизации.

На основании технико-экономических показателей капитальные вложения на создание и внедрение АСУТП составляет 23 580 600 рублей, расчётная прибыль – 18 315 000 рублей, коэффициент экономической эффективности 0,39 и срок окупаемости 2,5 года.

Список литературы

  1. Коробчанский И.Е., М.Д. Кузнецов. Расчёты аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования. Изд-во «Металлургия», 2-е изд., 1972. – 296 с.;
  2. Лазорин С.Н., Е.Я. Стеценко. Производство сырого бензола. Изд-во «Техника», 1969. – 224 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими: