Введение

Введение

Производство фталевого ангидрида входит в состав цеха №48 завода «Синтез» . Производство спроектировано на по­лучение фталевого ангидрида методом парофазного каталитического окисления нефтяного ортоксилола кислородом воздуха. Фталевыи ангидрид используется для производства пластификаторов, а также измельчается (чешуируется), расфасовывается и отправляется потребителям [1].

Мощность производства по фталевому ангидриду - 36,5 т/сутки.

Число дней работы в году по проекту — 330 дня (7920 часов).

Процесс - непрерывный.

Производство фталевого ангидрида введено в эксплуатацию в 1976 году.

Основным потребителем фталевого ангидрида (ФА) является промышленность пластических масс и лакокрасочных материалов. В производстве пластических масс фталевый ангидрид применяется для изготовления пласти­фикаторов. В лакокрасочной промышленности ФА применяется в виде алкидных смол, главным образом - модифицированных глифталевых смол, исполь­зуемых в качестве плёнкообразующих материалов. Вследствие роста выпуска синтетических материалов для современной промышленности органического синтеза характерна большая потребность во ФА и непрерывный рост его произ­водства.

  1.1 Основные закономерности процесса.

Промышленное получение фталевого ангидрида каталитическим окислением нафталина воздухом было начато в двадцатых годах. В последнее время фталевый ангидрид получают преимущественно из ортоксилола в многотрубчатых реакторах с неподвижным слоем. В процессе окисления температура реак­ции составляет 350-360°С, давление несколько превышает атмосферное, время контакта составляет примерно 5 сек. В ходе реакции помимо оксидов углерода образуются небольшие количества других побочных продуктов. При окислении о-ксилола выход целевого продукта составляет около 92 %. Максимальная кон­центрация ароматических соединений в исходной реакционной смеси не может превышать определенной величины, в противном случае смесь становится взрывоопасной. Например, для о-ксилола эта величина составляет около 1 % объема.

Поскольку цены на исходное сырье и целевой продукт устанавливаются исходя из их массы, целесообразнее вести окисление о-ксилола, а не нафталина: в этом случае углерод не расходуется на образование побочных продуктов. Та­ким образом, при 100%-ном теоретическом выходе из 100 кг о-ксилола может образоваться 139,6 кг целевого продукта. Теплота реакции окисления нафтали­на существенно больше, чем о-ксилола, что значительно усложняет проблемы теплоотвода и охлаждения реактора.

Предпочтение о-ксилолу отдается также и потому, что в настоящее время он легкодоступен. Ксилолы получают каталитическим риформингом, после чего о-ксилол отделяют от его изомеров. В промышленных процессах обычно используется о-ксилол 95%-ной степени чистоты. Поскольку в обычных усло­виях о-ксилол представляет собой жидкость, его легче транспортировать и хра­нить, чем нафталин [2].

На данной установке при производстве фталевого ангидрида главным параметром, характеризующим качество готовой продукции, является определённый химический состав и чистота продукта. Это достигается окислением ксилоло-воздушной смеси (КВС) в определённых пропорциях и очистка полу­чившейся смеси на стадии дистилляции.

Для получения нужной КВС используются ортоксилол и воздух - они не должны содержать механических примесей - поэтому на линиях подачи сырья к испарителю устанавливают фильтры.

Нужное качество смешения достигается при определённой температуре и давлении. Нужного давления добиваются при помощи центробежного насоса (для ортоксилола) и компрессора (для воздуха), а температура поддерживается с помощью регулирования подачи пара в теплообменники, установленные на обеих линиях - так как наиболее важные параметры для качества конечного продук­та, их необходимо сигнализировать.

Для более тщательного смешения ортоксилол в испаритель распыляется
через четыре форсунки.        

Одним из главных параметров является соотношение ортоксилол-воздух, так как при превышении определённого значения смесь становится взрывоопасной, что может привести к пожару. Регулирование соотношения осуществляется при помощи блока соотношения - при определённом расходе воздуха забирается нужное количество ортоксилол. При достижении взрыво­опасной концентрации должна быть немедленно прекращена подача ортоксилола в испаритель.

Окисление в реакторе осуществляется при определённой температуре, а так как реакция экзотермическая (происходит большое выделение тепла), необ­ходимо постоянное охлаждение межтрубного пространства реактора. Это дости­гается постоянной циркуляцией солей через холодильник, установленный на ре­акторе; количество солей, проходящих через холодильник, зависит от сигнала с датчика температуры, установленного в реакторе. Эта температура подлежит сигнализации.

При окислении в реакторе образуется фтало-воздушная смесь (ФВС), из которой, с помощью конденсаторов, выделяется фталевый ангидрид. Так как из реактора смесь выходит с достаточно высокой температурой, а в конденсаторах происходит её охлаждение, то для более высокого эффекта на линии ФВС уста­навливают холодильник, который снижает температуру смеси порядка 50%. Конденсаторы работают по графику, значит, здесь наиболее важным параметром является температура на входе - она также подлежит сигнализации.

Наибольшее число контролируемых параметров находятся на стадиях смешения и окисления. По изменению этих параметров судят о каком-либо сбое в процессе, и при помощи средств автоматизации все отклонения должны быть в кратчайшие сроки ликвидированы.

Потребление фталевого ангидрида в России не оказывает серьезного влияния на его производство. Объемы выпуска сильно зависят от конъюнктуры внешнего рынка. В первом полугодии 2005 доля экспорта достигла 47%, при этом крупнейшим потребителем российского фталевого ангидрида является Китай.

Основные области потребления фталевого ангидрида:

производство фталатных пластификаторов; лакокрасочная промышленность; шинная промышленность.

Основные предприятия-потребители фталевого ангидрида в СНГ:

ОАО "Уралхимпласт" (Нижний Тагил, Свердловская обл., РФ); Концерн "Эмпилс" (Россия, Украина).

  1.2  Стадии технологического процесса  производства  фталевого ангидрида.

Технологический процесс производства товарного фталевого ангидрида состоит из следующих основных и вспомогательных стадий:

1  Приготовление ксилоло-воздушной смеси (КВС);

2        Каталитическое окисление ортоксилола и охлаждение полученной фтало-воздушной смеси (ФВС);

Выделение фталевого ангидрида-сырца (ФА - сырца); Каталитический дожиг отходящих газов; Пароконденсатная система; Щелочное хозяйство; Обработка ФА – сырца; Дистилляция ФА-сырца; Вакуумная система отделений обработки и дистилляции ФА-сырца;
Нагрев и циркуляция высокотемпературного органического  теплоносителя (ВОТ); Система азотного дыхания аппаратов.

В данном проекте рассмотрим стадию приготовления ксилоло-воздушной смеси (КВС).

1.3 Описание функциональной схемы процесса приготовления ксилоло-воздушной смеси (КВС).

Технологический воздух, необходимый для окисления ортоксилола во фталевый ангидрид, берется из атмосферы, очищается от механических примесей при помощи фильтровальной сетки, установленной в воздухоприемной ка­мере, в зимнее время нагревается отопительной водой в калориферах T-la-д до температуры не ниже +5 С и нагнетателем воздуха Н-3 сжимается до давления 30-70 кПа. Смазка подшипников нагнетателя осуществляется маслом Тп-22Б, циркулирующим по замкнутому контуру, при помощи пускового маслонасоса Н-17 или главного маслонасоса, встроенного в нагнетатель. При снижении дав­ления масла в системе смазки нагнетателя до 25 кПа (Р 228) и при повышении до 0,20 МПа (осевой сдвиг ротора) (Р 502) останавливается нагнетатель, при этом срабатывает блокировка по остановке отделения каталитического окисле­ния.

Сжатый технологический воздух от нагнетателя Н-3 в количестве 24720-36000 нм3/ч поступает в межтрубное пространство воздухоподогревате­ля Т-8, в котором нагревается конденсатом пара 7 кгс/см2 и, далее, в межтруб­ное пространство воздухоподогревателя Т-8 а, где нагревается до температуры не ниже 150°С паром 24 кгс/см2. Оптимальная рабочая температура воздуха по­сле Т-8а составляет 160 С. Температура воздуха на выходе из Т-8а регулиру­ется при помощи клапана-регулятора температуры (ТС 0110), установленного на трубопроводе подачи пара 24 кгс/см2 в Т-8а. При снижении температуры воздуха после Т-8а до 150°С срабатывает сигнализация (Т 0110), а при снижении температуры до 140°С - блокировка (Т 0110-1).

Нагретый воздух после воздухоподогревателя Т-8а с давлением 23-65 кПа поступает в нижнюю часть испарителя Т-9 на смешение с нагретым ортоксилолом. Избыток воздуха с выкида нагнетателя Н-3 через электрозадвижку э/з 10 и приямок шумоглушителя сбрасывается в атмосферу. Регулирование расхода воздуха, подаваемого в испаритель Т-9, осуществляется при помощи пневмо-заслонки (FC 0113) с пульта управления технологическим процессом, располо­женным в операторной объекта 1571. Управление электрозадвижкой э/з 10 мо­жет осуществляться в двух режимах: дистанционно-автоматическом и местном. При снижении расхода воздуха в Т-9 до 24720 нм3/ч срабатывает сигнализация (F 0113), а при понижении расхода до 20600 нм3/ч - блокировка (F 0112). При снижении давления воздуха перед Т-9 до 23 кПа, а также при повышении до 65 кПа срабатывает сигнализация (Р 0111-1), а при снижении давления до 20 кПа и повышении до 70 кПа - блокировка (Р 0111).

Ортоксилол из резервуаров цеха ЛВЖ принимается в ёмкости ортоксилола Е-4а, б. Количество принятого ортоксилола регистрируется массовым расходо­мером (F 304) и контролируется по показаниям уровнемеров (L 408, L 408-1 и L 409, L 409-1), установленных на каждой из ёмкостей, соответственно. В ем­костях Е-4а, б предусмотрена сигнализация уровня ортоксилола при понижении до 20% от предела измерения, и при повышении до 75% от предела измерения (L 408-1, L 409-1). На трубопроводах приема ортоксилола в ёмкости установле­ны пневмоотсекатели ПО 408 и ПО 409, которые при повышении уровня орток­силола в Е-4а, б до 80% от предела измерения закрываются. При понижении уровня ортоксилола в Е-4а, б до 15% от предела измерения (L 408, L 409) сра­батывает блокировка.

С целью исключения образования взрывоопасной смеси паров ортоксилола с воздухом в емкостях Е-4а, б данные емкости имеют систему азотного дыхания. Требуемое давление азота в емкостях Е-4а, б поддерживается при помощи клапанов-регуляторов давления (PC 208, PC 296) и должно быть не более 200 мм вод. ст.

При длительном хранении ортоксилола в резервуарах цеха ЛВЖ, в результате отстаивания, возможно накопление в их нижней части подтоварной воды и последующее попадание её в емкости Е-4а, б. Для определения наличия подто­варной воды в емкостях Е-4а, б, в их нижней части установлены сигнализаторы наличия конденсата (свободной воды) (L 408-2, L 408-3 и L 409-2, L 409-3) с выводом сигналов по месту и в операторную.

Из ёмкостей Е-4а, б ортоксилол насосом Н-5а, б с давлением не менее 0,54 МПа, через фильтр Ф-6, объемный расходомер (F 0120) подаётся в трубное пространство подогревателя ортоксилола Т-7, где нагревается до температуры не менее 145 С. Поддержание требуемой температуры ортоксилола осуществляется паром 7 кгс/см, подаваемым в межтрубное пространство подогревателя Т-7. При понижении температуры ортоксилола до 145°С - срабатывает сигна­лизация  (Т 0123).

При снижении давления ортоксилола в нагнетательном трубопроводе насоса Н-5а, б до 0,54 МПа - срабатывает сигнализация (Р 229-1, Р 230-1), а при снижении давления до 0,5 МПа (Р 229, Р 230) или при остановке насоса - срабатывает блокировка.

Из подогревателя Т-7 ортоксилол в количестве 979-2100 кг/ч через клапан-регулятор расхода (FC 0126), пневмоотсекатель ПО 0127 и ротаметры (F 0130, F 0131, F 0132, F 0133) подаётся параллельно на 4 форсунки испарителя Т-9. Для предотвращения скопления жидкого ортоксилола в испарителе Т-9 при неэффективном его распылении, в самой нижней точке испарителя установлены два сигнализатора уровня (L 0138-1, L 0138). При наличии уровня жидкости в испарителе срабатывает блокировка (L 0138-1). Для исключения конденсации ортоксилола на стенках испарителя Т-9 в наружную паровую рубашку данного аппарата предусмотрена подача пара 7 кгс/см.

В испарителе Т-9, путем смешения распыленного ортоксилола с нагретым воздухом, образуется ксилоло-воздушная смесь (КВС).

По расходу ортоксилола в испаритель Т-9 предусмотрена сигнализация при снижении до 979 кг/ч, и при повышении до 2100 кг/ч (F 0126), а при снижении до 950 кг/ч и повышении до 2300 кг/ч - блокировка (F 0125).

Концентрация о-ксилола в КВС не должна превышать 70 г/нм3 , при повышении значения до 71 г/нм3- срабатывает блокировка (FF 0125). Определение концентрации ортоксилола в КВС (FF 0125) производится системой управления автоматически, делением расхода ортоксилола (F 0125) на расход воздуха (F 0112).

Подбор требуемой концентрации о-ксилола в КВС производится при по­мощи двух контуров (F 0113 и F 0126) для регулирования количеств смешиваемых технологического воздуха и ортоксилола.

Ксилоло-воздушная смесь после Т-9 с температурой не менее 145°С и давлением 17-65 кПа поступает в контактный аппарат (реактор) Р-10. При пони­жении давления КВС до 17 кПа, а также при повышении до 65 кПа предусмот­рена сигнализация (Р 0136), а при снижении давления до 15 кПа, и при повы­шении до 74 кПа - срабатывает блокировка (Р 0136-2, Р 0136-1, соответствен­но).

В случае срабатывания блокировки в отделениях приготовления КВС и каталитического окисления ортоксилола, системой управления процессом в авто­матическом режиме выполняются следующие операции:

закрытие пневмоотсекателя ПО 0127 на линии подачи ортоксилола на
форсунки испарителя Т-9; открытие  пневмоотсекателя  ПО  0128  на  линии  подачи  ортоксилола в дренажную емкость Е-4; отключение  насоса  Н-5а, б,  после чего,  через  60 секунд открывается элекрозадвижка э/з 10 по сбросу воздуха после нагнетателя Н-3 на свечу; через  60  секунд  после  закрытия  электрозадвижки э/з 10 закрывается электрозадвижка э/з 11 по подаче воздуха от нагнетателя в подогреватель Т-8.

  1.4 Постановка задачи.

В ходе анализа функциональной схемы был выделен ряд недостатков системы управления, такие как: морально и технически устаревшие датчики и исполнительные механизмы, управление процессом ведется со щита оператора с множеством показывающих и регистрирующих приборов, устаревшие модели регуляторов. 

Учитывая недостатки существующей системы, предлагается установить на объекте двухуровневую распределенную автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) в которой:

на нижнем уровне расположены контроллеры, обеспечивающие первичную обработку информации, поступающей непосредственно с

  объектов управления, и отслеживающие нарушения технологического

  процесса;

на верхнем уровне размещается ЭВМ, выполняющая функции рабочей станции обеспечивающей хранение и анализ всей поступившей информации за любой заданный интервал времени, а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором.

Модернизация АСУ ТП позволит:

1 Организовать верхний уровень управления;

2 Создать локальную сеть для объединения в нее отдельных контроллеров, для обеспечения общего информационного пространства;

3 Обеспечить подключение к контроллеру персонального компьютера (ПК) для удобного контроля и управления технологическим процессом.

Модернизируемая АСУ ТП будет предоставлять следующие возможности:

1 автоматизированный сбор и первичную обработку технологической информации, определение значений параметров по измеренным сигналам;

2 автоматическую обработку информации, вычисление усредненных, интегральных и удельных показателей;

3 выдачу предупредительной и аварийной сигнализации при выходе технологических показателей за установленные границы и при обнаружении неисправности в работе оборудования АСУ ТП;

4 управление технологическими режимами в реальном масштабе времени, предотвращение аварийных ситуаций;

5 предоставление технологической и системной информации;

6 накопление, регистрацию и хранение поступающей информации;

7 автоматизированную передачу данных в общезаводскую сеть;

8 самодиагностику, выдачу сообщений по отказам и предотвращение их последствий.

В соответствии с ГОСТ 24.104-85 ЕСС АСУ "Автоматизированные Системы Управления. Общие требования", модернизируемая АСУ ТП будет иметь:

1 магистрально-модульную структуру с сетевой организацией обмена

  информацией между устройствами, распределенное программное обеспечение и базу данных, доступную (с заданными ограничениями) всем абонентам  промышленной сети;

2 2-х уровневую систему управления. Под 2-х уровневой системой понимается система, в которой все реализуемые задачи программно и аппаратно разделяются на 2 уровня. Нижний уровень реализует задачи непосредственного управления объектом. Верхний уровень реализует задачи интерфейса оператора. Связь между нижним и верхним уровнями должна осуществляться преимущественно кодовым способом посредством специализированных промышленных сетей большой производительности, обеспечивающих полный цикл обмена данными между компонентами в пределах одной секунды. Обмен информацией должен осуществляться автоматически;

3 систему ПАЗ построенную на автономно функционирующих средствах микропроцессорной техники и обеспечивать гарантированную реализацию аварийной сигнализации и алгоритмов защитных блокировок технологических процессов в критических ситуациях;

4 АСУТП будет обеспечивать работу объекта автоматизации в круглосуточном режиме с количеством рабочих дней не менее 360;

5 АСУТП будет ориентирована на работу в реальном времени, то есть быть предсказуемой и обеспечивать выполнение всех функций точно в срок;

6 программную и аппаратную диагностику исправности сетей, станций, модулей и блоков, входных и выходных электрических цепей;

7 возможность замены неисправных модулей и блоков системы ПАЗ в оперативном режиме.

Временный отказ технических средств или потеря электропитания не будут приводить к разрушению накопленной или усредненной во времени информации.

Оборудование системы ПАЗ будет обеспечивать возможность создания

математических моделей технологических объектов, и иметь необходимые технические и программные средства для обучения персонала современным методам управления.

Согласно пункту 6.2.1 «Общих правил взрывоопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» ПБ 09-540-03 технологический процесс будет оснащен  автоматической системой управления на базе электронных средств контроля и автоматики, включая средства вычислительной техники.

На нижнем уровне системы управления предлагается использовать  PC-контроллеры. PC-контроллеры в отличии от программируемых логических контроллеров обладают рядом преимуществ:

1 открытость, т. е. возможность применять в АСУ ТП современное оборудование сторонних производителей;

2 более высокая программная надежность вследствие использования коммерческих операционных систем и отлаженных прикладных пакетов;

3 более высокое быстродействие за счет использования современных процессоров;

4 более низкая стоимость  при одинаковых характеристиках;

5 больший объем памяти – как оперативной, так и энергонезависимой.

Вывод: система управления, построенная на основе микропроцессорной системы контроля и управления МСКУ, позволит устранить имеющиеся недостатки существующей системы управления, а именно:

организовать верхний уровень управления; объединить отдельные контроллеры в общую информационную сеть; заменить щит оператора на персональный компьютер; повысить надежность системы; уменьшить энергозатраты.