Спосіб управління процесом нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри

Реферат: Спосіб автоматичного управління процесом нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри включає регулювання подачі азотної кислоти в залежності від потенціалу платинового електрода відносно стандартного хлорсрібного електрода. UA 73954 U (12) UA 73954 U UA 73954 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів управління багатопараметричними технологічними об'єктами і може бути використана для оптимізації процесу нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри в хімічній промисловості. Відомий спосіб управління багатопараметричним технологічним об'єктом, який має вхідні регулюючі, вихідні регульовані та збурюючі координати, а також системи автоматичного керування вихідними технологічними координатами, які складаються з технологічного об'єкта керування, первинних вимірювальних перетворювачів вихідних технологічних координат, проміжних перетворювачів, виконавчих механізмів, регулюючих органів та регуляторів (патент на корисну модель України № 66191, F02C 9/26, 26.12.2011 «Спосіб керування багатопараметричними технологічними об'єктами»), який полягає в тому, що, для забезпечення оптимальності ведення технологічного процесу, визначається сума масових витрат вхідних матеріальних потоків і масова витрата основного вихідного матеріального потоку, за якими визначається їх різниця і розраховується критерій оптимальності, при відхиленні котрого від його оптимального значення керуючий мікропроцесор формує вихідний сигнал, який надходить на виконавчі механізми регулюючих органів для зміни масової витрати відповідного матеріального потоку або співвідношення між деякими двома вхідними витратами. Недоліком відомого способу є те, що він не враховує характер теплового балансу технологічного процесу, і, відповідно, зміну температур при відхиленні матеріальних витрат від їх нормованих значень, наприклад у процесі нейтралізації азотної кислоти у виробництві аміачної селітри. Найближчим до запропонованого способу є спосіб автоматичного управління процесом нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри в апараті використання тепла нейтралізації (ВТН) (патент України № 43404, C01N 27/48, 17.12.2001 «Спосіб автоматичного управління процесом нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри в апараті використання тепла нейтралізації»), який полягає в тому, що потенціал платинового електрода вимірюють всередині реакційної зони апарата нижче точки переливу, при цьому за стандартний електрод застосовують хлорсрібний електрод та електролітичний місток, який з'єднує хлорсрібний електрод і реакційну зону, а керуюча дія на подачу азотної кислоти обумовлюється сигналом платинового електрода з реакційної зони апарату, за рахунок чого досягається збільшення точності управління процесом, виключення збоїв у роботі, забезпечення можливості автоматичного пуску виробництва, зниження втрат та викидів кислоти і аміаку в оточуюче середовище. Недоліками описаного способу є: 1. Процес нейтралізації кислоти ведеться за потенціалом платинового електрода, який розташований всередині реакційної зони апарату нижче точки переливу. При цьому не враховується дія температурного поля на процес нейтралізації. 2. Платиновий електрод знаходиться в спеціальній електролітичній комірці, а стандартний електрод з'єднаний з реакційною зоною за допомогою електролітичного містка, що призводить до достатньо великої інерційності системи автоматичного регулювання, а також необхідності використання спеціальних перетворювачів з великим вхідним електричним опором. 3. Порівняно низька точність первинних вимірювальних перетворювачів, яка обумовлена нестабільністю потенціалу платинового електрода за рахунок зміни паразитних електричних ємностей, що призводить до появи систематичної складової вимірювального контролю, котра збільшується в часі. 4. Низька надійність системи автоматичного регулювання, за рахунок невеликого терміну напрацювання платинових електродів на відмову, яка складає не більше 5000-8000 годин, що призводить до необхідності їх частої періодичної заміни. Задачею корисної моделі є оптимізація процесу керування багатопараметричним об'єктом, до якого належить апарат нейтралізації кислоти за рахунок стабілізації температурного поля в склянці нейтралізатора кислоти. Поставлена задача вирішується тим, що у способі автоматичного управління процесом нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри, згідно з корисною моделлю, визначають різницю температури вреакційній зоні склянки апарату нейтралізації та температуру розчину аміачної селітри на виході зі склянки, за якою змінюється витрата сокової пари, яка рециклом подається в реакційну зону апарату нейтралізації. Для оптимізації управління технологічним процесом стадії нейтралізації азотної кислоти використовують, як правило, температурний режим, який є достатньо інерційним, а при наявності сильних збурюючих впливів призводить до появи коливальних нестійких або квазістійких процесів, що викликає відхилення від оптимального режиму роботи технологічного апарату (автоматичні системи керування працюють в критичних режимах, коли регулюючі 1 UA 73954 U 5 10 органи різко збільшують і зменшують вхідні та вихідні матеріальні потоки). Як показали експериментальні дослідження, вплив різниці температури в реакційній зоні і температури розчину аміачної селітри на виході зі склянки апарату нейтралізації на ефективність технологічного процесу є сильнішим, ніж зміна потенціалу платинового електрода відносно стандартного хлорсрібного електрода за рахунок того, що термопари встановлюють безпосередньо в реакційну зону (зону максимальної температури реакції) і в розчин аміачної селітри на виході зі склянки апарату нейтралізації. Як відомо [Стенцель Й.І., Целіщев О.Б., Лорія М.Г. Вимірювання в хімічній технології. Підручник. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2007. - 480 с., стор. 82], електричний потенціал вимірювального гальванічного перетворювача, який складається з платинового та хлорсрібного електродів описується наступним рівнянням: EB  RT a1H  ln F a 2H  , (1) де R - універсальна стала часу; Т - температура розчину; F - стала Фарадея a1H  a 2H  15 активність водневих іонів в аналізованому розчині; - активність водневих іонів у нормальному розчині. З формули (1) видно, що при використанні гальванічного первинного вимірювального перетворювача залежність електричного потенціалу ЕВ від зміни кислотності розчину (зміни відношення 1H  2H  є нелінійною логарифмічною функцією, що при сильних змінах азотної кислоти в апараті приводить до втрати чутливості системи регулювання. Звідси випливає, що відомий принцип управління нейтралізацією кислоти за величиною потенціалу платинового електрода відносно хлорсрібного можна використовувати тільки при невеликих відхиленнях кислотності розчину аміачної селітри від деякого її значення, яке задається розчином в електролітичній комірці, де знаходиться хлорсрібний електрод. З іншої сторони залежність електричного потенціалу ЕB від зміни температури розчину є лінійною функцією. Окрім того, електролітичні комірки є досить складними, дорогими та ненадійними засобами. Цих недоліків немає запропонований спосіб управління процесом нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри. Суть заявленого способу полягає в наступному. Експериментальними дослідженнями встановлено, що температура в склянці апарату нейтралізації є нерівномірною і змінюється за формою, показаною на фіг. 1 для різних значень співвідношення витрати азотної кислоти до аміаку: n1=6:1 (крива 1), n2=6,2:1 (крива 2), n3=6,4:1 (крива 3) і n4=6,6:1 (крива 4). Максимум температури, яка складає приблизно Т1=175°С спостерігається в реакційній зоні, де кислотність розчину є найбільшою, а в розчині аміачної селітри на виході зі склянки - зменшується до Т2=160°С, тобто на ΔТ=15°С при нормальних витратах аміаку та 60 %-ної азотної кислоти. Окрім того, експериментально встановлено, що залежність ΔТ=f(T1) у дозволеному діапазоні зміни температури T1 є практично лінійною, як показано на фіг. 2. Таким чином, технологічний процес нейтралізації можна вести за зміною температури T1 в реакційній зоні і температурою Т2 розчину аміачної селітри на виході зі склянки апарату ВТН. Запропонований спосіб реалізується тим, що автоматичне управління процесом нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри виконується за різницею температур ΔT=Т1-Т2 шляхом регулювання подачі в реакційну зону сокової пари, яка направляється за рециклом з верхньої частини апарату нейтралізації. Згідно із запропонованим способом температури T1 і Т2 вимірюють хромель-копелевими термопарами, включеними зустрічно, причому термопара, яка вимірює температуру Т1, розташовується безпосередньо з реакційній зоні (точці максимальної температури), а термопара, яка вимірює температуру Т2, розташовується на виході розчину аміачної селітри зі склянки. Запропонований спосіб пояснюється схемою, показаною на фіг. 3. На схемі показано: 1 - апарат нейтралізації ВТН; 2 - реакційна склянка; 3 - пристрій для подачі аміаку; 4 - пристрій для подачі сокової пари; 5 - пристрій для подачі азотної кислоти; 6 - термопара для вимірювання температури реакції; 7 - термопара для вимірювання температури розчину аміачної селітри; 8 - нормуючий перетворювач; 9 - мікроконтролер; a 20 25 30 35 40 45 50 55  a  2 UA 73954 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 10 - виконавчий механізм; 11 - регулюючий орган; 12 - паровий насос. У реакційну склянку 2 апарату ВТН 1 через пристрій 3 подають аміак, а через пристрій 5 азотну кислоту. У склянці 2 реагуючі компоненти вступають в хімічну реакцію, внаслідок чого створюється водний розчин аміачної селітри. Так як реакція екзотермічна з великим виділенням тепла, то в реакційній зоні температура може досягати до 175 °С, яка залежить від стехіометричного співвідношення «азотна кислота-аміак» і вмісту води в азотній кислоті. При цьому вода з розчину аміачної селітри переходить в пароподібний стан і виводиться зі склянки у вигляді сокової пари з температурою 130-140 °С. Частково звільнений від водяної пари розчин аміачної селітри виводиться зі склянки для подальшої переробки. Термопара 6 розташовується практично на рівні розміщення пристрою 5, а термопара 7 - на виході розчину аміачної селітри зі склянки 2. Сокова пара в реакційну зону подається через пристрій 4, аналогічний пристрою 3 подачі газоподібного аміаку. Сокова пара з паропроводу відбирається насосом 12 і через регулюючий орган 11 подається в реакційну зону апарату ВТН. Різниця температур з термопар 6 і 7 надходить на нормуючий перетворювач, в якому термоЕРС перетворюється в нормований струмовий сигнал 4-20 мА. Останній подається в мікроконтролер 9, який після обробки струмових сигналів формує необхідний закон регулювання і видає аналоговий сигнал на виконавчий механізм 10, котрий жорстко зв'язаний з регулюючим органом 12, змінюючи витрату сокової пари. Автоматична система управління працює наступним чином. При підвищенні температури T1 в реакційній зоні, обумовленій збільшенням витрати Fk азотної кислоти, зменшенням витрати Fa газоподібного аміаку або збільшенням концентрації Qk азотної кислоти, збільшується термоЕРС Е1 термопари 6 і Е2 термопари 7, а також їх різниця ΔЕ=Е1-Е2, яка надходить на нормуючий перетворювач 8. Цей сигнал у мікроконтролері 9 формує відповідне збільшення витрати Fc сокової пари. Остання має температуру Тс не вищу від температури Т2. При цьому витрата азотної кислоти стабілізується, а витрата газоподібного аміаку подається в апарат ВТН у певному стехіометричному співвідношенні. Це дозволяє досягти наступних результатів: 1. Підвищення ефективності роботи апарату нейтралізації за рахунок стабільності витрати азотної кислоти та співвідношення між витратами азотної кислоти й газоподібного аміаку, котре практично завжди знаходиться на рівні стехіометричного, а також за рахунок повторного використання сокової пари. 2. Відпадає необхідність в дорогих і малонадійних пристроях з електролітичними комірками, а також в електричних перетворювачах з високоомним входом для перетворення потенціалів платинового та хлорсрібного електродів, що зменшує інерційність автоматичної системи управління процесом нейтралізації кислоти. 3. Використання високоточних і високонадійних хромель-копелевих термопар підвищує надійність роботи системи автоматичного управління і точність вимірювального контролю. 4. Повторне використання сокової пари в процесі нейтралізації азотної кислоти дозволяє стабілізувати тепловий режим в реакційній склянці апарату ВТН, підвищити продуктивність апарату за рахунок збільшення витрат азотної кислоти й газоподібного аміаку, а також зменшити концентрацію азотної кислоти в соковій парі, кислотність якої наближається до нейтральної, а також зменшити концентрацію азотної кислоти в розчині аміачної селітри. Як видно з вищенаведеного, запропонований спосіб управління процесом нейтралізації кислоти в апараті ВТН за рахунок додаткового введення в реакційну зону апарату ВТН сокової пари для стабілізації теплового режиму процесу нейтралізації дозволяє отримати технічний результат. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 60 Спосіб автоматичного управління процесом нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри в апараті використання тепла нейтралізації, що включає регулювання подачі азотної кислоти в залежності від потенціалу платинового електрода відносно стандартного хлорсрібного електрода, що має електролітичний місток, з'єднуючий хлорсрібний електрод і реакційну зону, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності і точності ведення процесу нейтралізації кислоти у виробництві аміачної селітри, визначають різницю температури в реакційній зоні склянки апарата нейтралізації та температури розчину аміачної селітри на виході зі склянки, за якою змінюється витрата сокової пари, яка подається за рециклом в реакційну зону склянки апарата нейтралізації для стабілізації теплового режиму реакційного процесу. 3 UA 73954 U 4 UA 73954 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5