Автоматизация процесса получения диоксида титана
В процессе десорбции из обрабатываемого материала в нижней части десорбера “КС” отделяются крупные частицы продукта последние периодически выгружаются в кюбель (поз. 23) и направляются на переработку в хлораторы совместно с титановой шихтой.
3.2. Режимные параметры технологического процесса.
таб. 3.2
| № | Наименование параметра | Единицы измерения | Норма |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. |
Расход тетрахлорида титана Уровень в емкостях тетрахлорида титана Температура TiCl4 в испарителе Температура пара TiCl4 на входе в реактор Расход азота (осушенного воздуха) в реактор Расход водяного пара в реактор Температура водяного пара на входе в печь Расход природного газа в горелку Давление природного газа на входе в горелку Расход первичного воздуха (дутьевого) Давление воздуха на входе в горелку Температура ПГС на входе в реактор Температура ППГС на выходе из реактора Расход вторичного воздуха Температура ППГС после камеры предварительного охлаждения Температура ППГС после пылеосадительной камеры Температура ППГС на выходе из рукавного фильтра Температура в десорбере Расход воздуха в десорбер Расход воды(пара) в десорбер рН водной суспензии после десорбции Разряжение ППГС на выходе из второго циклона Разряжение на выходе из рукавного фильтра рН водной суспензии диоксида титана “сырца” Содержание рутила в диоксиде титана |
кг/ч % °С °С м3/ч м3/ч °С м3/ч мм вод. ст. МПа м3/ч мм вод. ст. МПа °С °С мм вод. ст. МПа °С °С °С °С м3/ч м3/ч единицы мм вод. ст. мм вод. ст. единицы масс.% |
800...1200 не более 80 объема 136...140 200...250 8...12 100...300 150...250 30...100 10...200 1...20 300...1500 9...180 0,9...18 1300...1450 1000...1200 500...1500 50...150 600...800 250...350 150...200 500...700 200...400 50...100 3...5 400...500 480...580 1...3,5 0...95 |
3.3. Характеристика основного технологического оборудования.
В качестве основного технологического оборудования используются:
1). Куб-испаритель.
Куб-испаритель предназначен для нагрева и испарения TiCl4, подаваемого через перегреватель в реактор парофазного гидролиза.
Техническая характеристика:
емкость - 1,5 м3;
рабочая среда - тетрахлорид титана (жидкость и пар);
температура рабочей среды - 136...140°С;
рабочее давление - 13,3...46,5 (100...350) кПа( мм рт.ст.);
мощность нагревателей - 120 кВт;
число фаз - 3;
количество крышек с нагревателями - 1;
диаметр - 1208 мм;
длина - 1508 мм;
высота - 1780 мм.
Куб-испаритель состоит из корпуса, крышек для крепления нагревателей, нагревательных элементов, уровнемерной колонки.
Корпус куба выполнен из стали 1Х18Н10Т, с наружной стороны поверхность теплоизолирована диатомовым кирпичом, асбоцементной замазкой и стеклотканью. Для вывода и подаче паров в перегреватель аппарат снабжен паровым патрубком.
Нагреватели куба погружные, открытого исполнения из проволоки Х20Н80 диаметром 7,5...8 мм, крепятся на раме крышки нагревателя. Крышки нагревателей герметично устанавливаются на патрубках, вывод токоведущих частей нагревателей осуществлен через проводники с уплотнительными кольцами.
Для контроля уровня куб оборудован штуцерами для уровнемерного стекла и уровнемерной колонки.
Приборы контроля потребляемой мощности, ее регулирования и отключения расположены на щите управления.
2). Печь.
Печь предназначена для получения нагретой до температуры 1300...1450°С парогазовой смеси, состоящей, в основном, из азота, углекислого газа и паров воды, продуктов сжигания смеси природного газа с воздухом. В камеру сгорания печи подается также водяной пар.
Техническая характеристика:
рабочая среда - парогазовая смесь, содержащая Н2О, СО2, N2;
температура рабочей среды - 1300...1450°С;
рабочее разряжение - 1...2 (0,1...0,2) мм вод.ст.(МПа);
тип горелки - ГГВ-МГП-75;
количество горелок - 1;
внутренний диаметр камеры сгорания - 0,72 м;
длина камеры сгорания - 2 м.
Печь состоит из камеры сгорания и горелки природного газа. Стальной кожух камеры сгорания футерован листовым асбестом, слоем шамота- легковеса, толщиной 114 мм и слоем шамота класса А, толщиной 230 мм. С наружной стороны печи к крышке прикреплена горелочная плита, на которую устанавливается горелка ГГВ-МГП-75. Печь снабжена патрубками для ввода воды и вывода ПГС. Для контроля давления (разряжения) и температуры печь снабжена патрубками для установки отборных устройств и термопар.
Горелка состоит из корпуса, сопла, наконечника сопла и носика горелки. Воздух подается по патрубку на корпусе горелки, природный газ подается через патрубок сопла в центре горелки.
3). Реактор.
Реактор предназначен для парофазного гидролиза тетрахлорида титана взаимодействием с парами воды с получением диоксида титана и хлористого водорода.
Техническая характеристика:
рабочая среда - пылепаровая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO2, H2O, азот и др.;
температура рабочей среды - 200...1450°С;
рабочее разряжение - 5-10 (0,5...1) мм вод.ст.(МПа);
внутренний диаметр реактора - 0,796 м;
длина реактора - 7,1 м.
Реактор состоит из стального кожуха, футерованного листовым асбестом, шамотом класса А, толщиной 114 мм. Реактор снабжен в верхней части патрубком для ввода ПГС из печи, снизу - патрубком для ввода ППГС в камеру предварительного охлаждения и двухтрубной коаксиальной форсункой подачи паров TiCl4 (по центральной трубе) и азота (по наружной трубе), установленной на своде.
На своде реактора смонтирована газоохлаждаемая стальная рубашка, в которой подогревается азот, для ввода и вывода азота рубашка снабжена патрубками.
В верхней части реактор оборудован перегревателем тетрахлорида титана, выполненным из приваренных к кожуху полутруб. Перегреватель TiCl4 снабжен патрубками для входа и выхода перегретых паров.
В средней части реактор оборудован подогревателем воздуха, выполненным в виде приваренной к кожуху стальной рубашки. Подогреватель воздуха снабжен патрубками для входа и выхода.
4). Камера предварительного охлаждения.
Камера предварительного охлаждения предназначена для частичного выделения диоксида титана и охлаждения пылепарогазовой смеси методом смешения с нагнетаемым воздуходувкой воздухом (используется реконструированный титановый хлоратор).
Техническая характеристика:
рабочая среда - пылепарогазовая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO2, H2O, азот, и др.;
температура рабочей среды - 200...1450С;
рабочее давление - 2,9 (300) кПа (мм вод. ст.);
высота - 10,98 м;
диаметр - 5,375 м .
Стальной кожух камера предварительного охлаждения футерован шамотом класса А, толщина футеровки верхней внутренней цилиндрической части 345 мм, нижней 1035 мм. Подина камеры предварительного охлаждения коническая, снабжена патрубками для выгрузки диоксида титана посредством шнекового устройства. Камера предварительного охлаждения снабжена патрубками для ввода (внизу) и вывода (вверху) пылепарогазовой смеси и пятью патрубками для нагнетания воздуха.
5). Пылеосадительная камера.
Пылеосадительная камера предназначена для охлаждения пылепарогазовой смеси и частичного выделения (осаждения) диоксида титана.
Техническая характеристика:
рабочая среда - пылепарогазовая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO2, H2O, азот, и др.;
температура рабочей среды - 200...800С;
рабочее давление - 2,9 (300) кПа (мм вод. ст.);
диаметр стояка - 204 м;
высота - 7,35 м;
высота конической части - 3,95 м;
ширина конической части - 4,52 м.
Пылеосадительная камера состоит из двух полых цилиндрических вертикальных стояков, объединенных в нижней части общим конусом, снабжен двумя патрубками для входа и выхода ППГС и патрубком выгрузки уловленного диоксида титана. Стальной корпус футерован внутри термо-кислотоупорной керамической плиткой, снаружи охлаждается водой.
6). Циклоны.
Циклоны предназначены для выделения из ППГС диоксида титана.
Техническая характеристика:
рабочая среда - пылепарогазовая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO2, H2O, азот, и др.;
температура рабочей среды - 120...300С;
рабочее давление - 5 (500) кПа (мм вод. ст.);
высота - 2,9 м;
диаметр - 0,63 м .
Циклонная установка состоит из двух соединенных последовательно аппаратов, выполненных из сплава ВТ-1. Циклоны теплоизолированы снаружи шлаковой изоляцией и покрыты кожухом из листового алюминия. Аппараты снабжены патрубками входа и выхода ППГС, патрубок выгрузки диоксида титана оборудован шлюзовым затвором, патрубок выхода второго циклона соединен с рукавным фильтром.
Для исключения комкования диоксида титана, забивания и коррозии циклонов не допускается снижение температуры внутренней поверхности ниже 150С.
7). Рукавный фильтр.
Рукавный фильтр предназначен для тонкой очистки ППГС после циклонов, десорбера и сборников диоксида титана.
Техническая характеристика:
тип - РФ-120;
рабочая среда - пылепарогазовая смесь, содержащая диоксид титана, HCl, CO2, H2O, азот, и др.;
температура рабочей среды - 150...200С;
разряжение - 4,8...5,8 (480...580) кПа (мм вод. ст.);
площадь поверхности рукавов - 120 м2;
регенерация - посекционная обратной отдувкой и встряхиванием.
Рукавный фильтр выполнен из стали марки 10Х18Н9Т, обогревается электронагревателями или топочными газами, теплоизолирован снаружи шлаковой изоляцией и покрыт кожухом из листового алюминия. Аппарат снабжен патрубками ввода и вывода ППГС. Изнутри аппарат покрыт асбестовой тканью на жидком стекле с добавкой диоксида титана. Фильтрующий материал рукавов - сетка металлическая. Патрубок выгрузки диоксида титана оборудован шлюзовым затвором, для исключения комкования диоксида титана, забивания и коррозии аппарата не допускается снижение температуры внутренней поверхности ниже 150С.
8). Десорбер.
Десорбер предназначен для удаления НCl, адсорбированного частицами диоксида титана - “сырца”, при взаимодействии с увлажненным воздухом в условиях кипящего слоя.
Техническая характеристика:
рабочая среда - кислый (рН=3,5) диоксид титана “сырец”, увлажненный воздух или топочные газы от сжигания природного газа.
температура рабочей среды - 600...700С.
9). Скруббер санитарный.
( см. раздел “Охрана труда”)
10). Сборник.
Сборник предназначен для приема, охлаждения воздухом и хранения диоксида титана перед загрузкой в тару.
Техническая характеристика:
рабочая среда - кислый диоксид титана, рН водной суспензии по ГОСТ 9808-84 составляет 1...3,5;
температура рабочей среды - 20...700С;
расход воздуха - 12000 м3/ч;
площадь поверхности теплообмена - 202 м2;
режим работы - периодический;
диаметр - 3660 м;
высота - 8700 м.
Сборник выполнен из сплава ВТ-1 в виде кожухотрубного теплообменника с воздухоохлаждаемой рубашкой на кожухе. В трубное пространство загружается охлаждаемый материал, в межтрубное пространство подается охлаждающий воздух. Сборник оборудован патрубками загрузки и выгрузки материала, входа и выхода воздуха в рубашку и межтрубное пространство.
3.4. Характеристика товарной продукции.
Марка товарного продукта в зависимости от содержания диоксида титана и контролируемых показателей определяется при испытаниях и согласовывается с потребителем.
Диоксид титана представляет собой белый порошок. Химическая формула - TiO2. Насыпная масса - 100...500 кг/м3. Плотность диоксида титана в зависимости от модификации составляет:
анатаз - 3840 кг/м3;
рутил - 4260 кг/м3.
Диоксид титана инертен и практически устойчив к взаимодействию реагентов - разбавленных минеральных кислот, сероводорода, сернистого газа, органических кислот. Заметно растворяется в расплавленной буре и фосфатах.
При производстве диоксида титана обычно получают продукт анатазной или рутильной структуры. Обе эти модификации обладают одинаковой кристаллографической структурой, но имеют разные параметры кристаллической решетки, что и обуславливает различие их свойств.
Структурное изменение диоксида титана при нагреве имеет исключительно важное значение для ее практического использования. Температурный интервал и скорость превращения зависит от способа получения продукта и от содержания в нем примесей.
По физико-химическим свойствам диоксид титана должен соответствовать следующим требованиям:
| Наименование показателей |
Нормы для марки ДТР-1 ДТР-2 ДТР-3 ДТР-4 |
Метод испытания |
|
1.Массовая доля диоксида титана, % не менее 2. Массовая доля рутильной формы, % не менее 3. Разбеливающая способность, усл. ед, не менее 4. Укрывистость г/м2, не более 5. Белизна, усл. ед. не менее 6. Массовая доля хлор-иона % не более |
95 93 97 95 95 не нормируется 1500 - 1100 1000 40 40 40 40 94 91 96 94 0,5 1,0 0,5 1,0 |
По ГОСТ 9808-84 п.5.2 По ГОСТ 9808-84 п.5.3 По ГОСТ 9808-84 п.5.7 ГОСТ 9529-80 р.2 По ГОСТ 9808-84 п.5.8 ГОСТ 8784-75 По ГОСТ 9808-84 п.5.11 |
4. Основные решения по автоматизации.
4.1. Обоснование выбора системы приборов.
Устойчивое и эффективное функционирование систем управления невозможно без точной первичной информации о состоянии параметров объекта регулирования. Проблема заключается в жестких условиях эксплуатации средств автоматизации непосредственно контактирующих с сырьем и продуктами его переработки. Эти средства испытывают влияние агрессивной и абразивных сред, вибрационные нагрузки, подвергаются отложению твердых нерастворимых остатков, а также подвержены воздействию температуры и влажности окружающей среды.
Переход к оптимизации производства, созданию и внедрению автоматизированных систем управления с использованием вычислительной техники предъявляют повышенные требования к применяемым средствам автоматизации. Применение автоматизированных систем управления невозможно без развитой базы контрольно-измерительных приборов, первичных преобразователей, осуществляющих связь этих систем с объектами управления, а также без надежных исполнительных механизмов, реализующих управляющее воздействие. Таким образом внедрение автоматизированных систем управления должно сопровождаться созданием совершенных и надежных средств автоматизации.
Отличительная особенность эксплуатации аппаратуры автоматизации в металлургической промышленности является высокая агрессивность технологической среды. Надежность работы аппаратуры автоматизации снижает склонность среды к зашламлению, а также загрязненность технологических аппаратов и трубопроводов. Присутствие твердой фазы в жидких средах приводит к коррозии чувствительных элементов первичных преобразователей и проточной части регулирующих органов. Повышенная влажность воздуха, наличие в воздухе паров агрессивных сред и пыли приводят к ухудшению электрических характеристик изоляционных материалов и способствуют усилению коррозии приборов.
Для измерения текущих параметров технологического процесса и преобразования их в унифицированные сигналы выбраны электрические контрольно-измерительные приборы системы ГСП.
В качестве первичных преобразователей для измерения температуры выбраны термопары ТПП (1400°С), ТХА (600°С) с различной длиной монтажной части. В качестве средств для измерения расхода применяются приборы “Сапфир-22М” с различными пределами измерений. Данный выбор основан на том, что по своим техническим и эксплуатационным характеристикам эти приборы являются современными средствами измерения, основанными на совершенно новом принципе действия. Это положительно сказывается на повышении точности измерения разности давлений и преобразования в унифицированный сигнал.
Преобразование измеренных значений текущих параметров процесса в унифицированные сигналы необходимо для согласования приборов с контроллером. Кроме того электрические контрольно-измерительные приборы имеют более высокую чувствительность, быстродействие и надежнее в эксплуатации.
4.2. Выбор средств управления.
Каждый технологический процесс требует таких приборов, которые бы в лучшей мере выполняли возлагаемые на них функции. Этот фактор обуславливает широкий спектр автоматических регулирующих устройств.
Все регуляторы классифицируются по различным признакам. Этими признаками могут быть: вид используемой энергии (электрический ток, сжатый воздух, жидкость), закон регулирования, характер связи между входной и выходной величиной, исполнение (приборное, аппаратное, агрегатное).
Для реализации данной автоматизированной системы управления среди наиболее известных типов автоматических регуляторов подходит микропроцессорный контроллер “Ремиконт Р-130”.
Ремиконт Р-130 (далее Ремиконт) - это компактный, малоканальный, многофункциональный, микропроцессорный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами.
Предназначен для применения в различных отраслях промышленности.
Ремиконт эффективно решает как сравнительно простые, так и сложные задачи управления. Благодаря малоканальности он позволяет, с одной стороны, экономично управлять небольшим агрегатом и, с другой - обеспечить высокую живучесть крупных систем управления.
Ремиконт имеет три модели - регулирующее, логическую и непрерывно-дискретную. Регулирующая предназначена для решения задач автоматического регулирования, логическая - для реализации логических программ шагового управления, непрерывно-дискретная - для решения смешанных задач регулирования и логики.
Регулирующая модель позволяет вести локальное, каскадное, программное, супервизорное, многосвязное регулирование. В этой модели возможно вручную или автоматически включать, отключать, переключать и реконфигурировать контуры регулирования, причем все эти задачи решаются независимо от сложности структуры управления. В сочетании с обработкой дискретных сигналов эта модель позволяет выполнять также логические преобразования сигналов и вырабатывать не только аналоговые или импульсные, но и дискретные команды управления.
Логическая модель формирует логическую программу шагового управления с анализом условий выполнения каждого шага, заданием контрольного времени на каждом шаге и условным или безусловным переходом программы к заданному шагу. В сочетании с обработкой аналоговых сигналов эта модель позволяет также выполнять разнообразные функциональные преобразования аналоговых сигналов и вырабатывать не только дискретные, но и аналоговые управляющие сигналы.
Непрерывно-дискретная модель позволяет выполнять разнообразные преобразования как аналоговых, так и дискретных сигналов.
Все модели Ремиконта содержат средства оперативного управления, расположенные на лицевой панели контроллера, позволяющие вручную изменять режимы работы, устанавливать задание, управлять ходом выполнения программы, вручную управлять исполнительными устройствами, контролировать сигналы и индицировать ошибки.
Стандартные аналоговые и дискретные датчики и исполнительные устройства подключаются к Ремиконту с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.
Ремиконты могут объединятся в локальную управляющую сеть “Транзит” кольцевой конфигурации, не требующие дополнительных устройств. В одну сеть может включаться как одинаковые, так и различные модели контроллеров.
Ремиконт прост в работе. Для работы с ним не нужно быть программистом. Процесс программирования прост и заключается в извлечения из памяти контроллера нужных алгоритмов, объединения их в систему заданной конфигурации и установления требуемых настроечных параметров.
Ремиконт представляет собой комплекс технических средств, в состав которого входит центральный микропроцессорный блок контроллера и ряд дополнительных блоков. Центральный блок преобразует аналоговую и дискретную информацию в цифровую форму, ведет обработку ее и вырабатывает управляющие воздействия. Дополнительные блоки используются для предварительного усиления сигналов термопар и термометров сопротивления, формирования дискретных выходных сигналов на напряжение 220 В, организации внешних соединений и блокировок.
5. Экспериментальная часть.
5.1. Планирование эксперимента.
При исследовании объекта регулирования особое внимание уделяют определению динамических и статических характеристик. Методы определения характеристик бывают активные, пассивные и аналитические.
Для проведения эксперимента выбирают основные параметры технологического процесса
Одними из основных параметров, подлежащих автоматическому регулированию, являются уровень TiCl4 в кубе-испарителе и количество испаренного TiCl4, отводимого из куба-испарителя.
Автоматическое регулирование питания куба-испарителя должно обеспечивать поддержание уровня TiCl4 в заданных пределах, а также сохранению соотношения количества подаваемого TiCl4 к испаренному TiCl4 .
Так как куб-испаритель является герметизированной емкостью для простоты расчетов и удобства вычислений считаем, что количество испаренного TiCl4 при поддержании уровня в заданных условиях находится в прямопропорциональной зависимости от подаваемого TiCl4. Или другими словами, по расходу подаваемого TiCl4 можно судить о количестве испаренного TiCl4 .
Исследуя объект регулирования мы приходим к выводу, что это объект со связным регулированием.
Схема связного регулирования показана на рисунке 5.1.
n
W1.1
Qж
W1.2
N W2.2 Нк
Рисунок 5.1. Схема исследуемого объекта.
Qж - расход подаваемого TiCl4
Qг - расход испаренного TiCl4
N - мощность нагревателей
Нк - уровень TiCl4 в кубе-испарителе
5.2 Проведение эксперимента.
Для получения кривой разгона по каналу “положение регулирующего клапана - расход TiCl4” применим активный эксперимент.
Схема эксперимента изображена на рисунке 5.2.1.
TiCl 4
FE
FE
