Автоматизація виробництва полівінілацетату безперервним способом

Фізико-хімічні особливості процесу виробництва полівінілацетату у двоступеневому реакторі-полімеризаторі. Принципова електрична схема дистанційного керування електродвигунами у виробництві. Якість перехідних процесів в аналоговій та дискретній системі.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ВСТУП

Полівінілацетат - дуже важлива речовина, яка сьогодні активно використовується у вигляді лаків та клеїв. Існують уже розроблені системи автоматизації виробництва полівінілацетату безперервним способом, але в даному курсовому проекті автоматизація процесу зроблена з націленістю на використання новітніх технічних засобів автоматизації, зокрема цифрових мікропроцесорних приладів фірми МІКРОЛ.

Курсовий проект висвітлює такі питання автоматизації виробництва полівінілацетату безперервним способом, як розробка функціональної схеми автоматизації, принципової електричної схеми дистанційного керування електродвигунами, аварійного захисту і технологічних блокувань, схеми зовнішніх з'єднань та трубних проводок, а також креслення загального виду щита керування.

Також в курсовому проекті розробляється система автоматичного управління двоступеневим реактором-полімеризатором, який безпосередньо використовується у виробництві. З цією метою проводиться розрахунок настройки контуру управління, підбір параметрів ПІ-регулятора і аналізується якість перехідних процесів у аналоговій та дискретній системах.

Пріоритетною метою даного проекту являється виконання графічної та текстової документації.



1. ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ЯК ОБ'ЄКТА АВТОМАТИЗАЦІЇ

1.1 Опис технологічної схеми виробництва полівінілацетату безперервним способом

Полівінілацетат отримують шляхом радикальної полімеризації вінілацетату. Полімеризацію проводять в розчині, емульсії, суспензії чи в масі. Найбільше розповсюдження отримала полімеризація вінілацетату в розчині.

В якості розчинника зазвичай застосовують метанол, який, приймаючи участь в реакції передачі ланцюга, дозволяє регулювати молекулярну масу і зменшувати степінь розгалуженості полівінілацетату. Крім того, в присутності метанолу полегшується підтримка необхідного температурного режиму і наступне лужне омилення полівінілацетату. Ініціаторами полімеризації служать перекис бензолу чи динітрил азо-біс-ізомасляної кислоти. В залежності від призначення отримуваного полівінілацетату степінь конверсії мономеру в полімер знаходиться в межах 60-98 %. При степені конверсії 60-70 % макромолекули полівінілацетату мають лінійну будову. Зі збільшенням степені конверсії розгалуженість полівінілацетату зростає.

В промисловості полімеризацію вінілацетату в розчині проводять періодичним і безперервним методами. Технологічний процес виробництва полівінілацетату безперервним методом складається з наступних стадій: приготування розчину ініціатора, полімеризація вінілацетату, відгін вінілацетату що не прореагував.

Вінілацетат через підігрівач безперервно поступає в полімеризатор 1 (див. рис. 1.1), в який подається також розчин ініціатора в метанолі. Полімеризацію проводять при температурі 65-68 °С до степені конверсії мономеру, рівної 35 %. Тривалість полімеризації в апараті 1 складає 4 год. Потім реакційна суміш поступає у другий полімеризатор 2, куди безперервно подається метанол і розчин ініціатора в метанолі. Вміст метанолу в полімеризаті доводять до 25-30 об'ємн. %, а ініціатора до 0,065-0,075 об'ємн. %. Полімеризацію проводять при 68-70 °С до степені конверсії мономеру 60-65%. Тривалість процесу в полімеризаторі 2 складає 4-5 год.

Рисунок. 1.1 - Схема процесу виробництва полівінілацетату безперервним способом: 1, 2 - полімеризатори; 3, 6, 8 - теплообмінники; 4 - насоси; 5 - ректифікаційна колонна; 7 - випаровував

Полімеризатори являють собою апарати колонного типу (об'єм першого біля 5 м3, другого - 8 м3) із нержавіючої сталі, оснащені рамними мішалками, сорочками для обігріву і охолодження, зворотними холодильниками для повернення випаруваного мономеру і розчинника.

Розчин полівінілацетату в метанолі, що містить вінілацетат що не прореагував, із полімеризатора 2 за допомогою насосів 4 направляють в ректифікаційну колону 5 для відгону вінілацетату. Відгін здійснюють парами метанолу, який подається із випаровувача 7 в нижню частину колони. Пари вінілацетату, метанолу і ацетальдегіду через конденсатор 8 відводять на регенерацію. Розчин полівінілацетату в метанолі (лак), що містить 25 % полімеру, передають у відділення отримання полівінілового спирту.



1.2 Фізико-хімічні особливості технологічного процесу у двоступеневому реакторі-полімеризаторі

Полімер - природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великого числа повторюваних однакових або різних за будовою атомних групувань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками в довгі лінійні або розгалужені ланцюги. Структурні одиниці, з яких складаються полімери називаються мономерами.

Полімеризація - утворення високомолекулярних сполук (полімерів) з низькомолекулярних сполук (мономерів). Утворений полімер має такий же елементний склад, як і вихідна речовина (мономер).

Основним процесом який використовується у виробництві полівінілацетату є полімеризація вінілацетату. Полімеризація проводиться у реакторах полімеризаторах. Тому об'єктом управляння в дипломному проекті виступає двоступеневий реактор-полімеризатор колонного типу об'ємом 8 м3 із нержавіючої сталі, оснащений рамними мішалками, сорочками для охолодження і зворотними холодильниками для повернення випаруваного мономеру і розчинника.

Внутрішня будова реактора-полімеризатора зображена на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2 - Внутрішня будова реактора полімеризатора



Реактор-полімеризатор використовується разом із зовнішнім теплообмінником.

В реакторі проводиться радикальна полімеризація вінілацетату в розчині. Ця реакція протікає з великим виділенням теплоти по наступному механізму:

nCH2=CH-O-COCH3 >+ 89,2 кДж/моль (21,3 ккал/моль)

Елементарні ланки в ланцюзі з'єднуються в основному по типу б,в-приєднання, тобто «голова до хвоста». Однак в склад макромолекул полівінілацетату входить 1 - 2 % ланок, з'єднаних по типу «голова до голови» (б,б-приєднання).

При полімеризації вінілацетату наряду з лінійним може утворитися розгалужений полімер, переважно по місцю відриву водню від метильних груп при протіканні побічної реакції передачі ланцюга на полімер.

В розчиннику (метанол) розчиняються вихідний мономер (вінілацетат) і утворений полімер (полівінілацетат). Отримуваний розчин полівінілацетату в розчині - «лак» - використовують як товарний продукт чи виділяють з нього полімер.

Внаслідок протікання реакцій передачі зростаючого ланцюга на розчинник утворюються макромолекули з більш низькими значеннями молекулярних мас, більш однорідні по молекулярній масі і менш розгалужені полімери в порівнянні з полімерами, отримуваними в масі чи іншими методами.

При отриманні полівінілацетату в розчині полегшується відвід теплоти реакції полімеризації, що дозволяє легко здійсняти управління технологічним процесом.

Двоступеневий реактор-полімеризатор поділяється на першу та другу ступені, які відрізняються рівнем температури. Перша ступінь знаходиться вище, і в ній полімеризація проводиться за температури 345 °К, яка підтримується відводом теплоти реакції поверхневим теплообмінником. Аналогічним чином в другій ступені підтримується температура 342 °К.

В зв'язку з тим, що підчас полімеризації в реакторі утворюються пари вінілацетату та метанолу, то він оснащений додатковим зовнішнім теплообмінником (холодильником) для їх повернення (конденсування).

1.3 Постановка задачі автоматизації

В даному курсовому проекті потрібно виконати такі задачі автоматизації:

Розробити функціональну схему автоматизації.

Розробити принципову електричну схему дистанційного керування електродвигунами, аварійного захисту і технологічних блокувань.

Розробити схему зовнішніх з'єднань та трубних проводок.

Розробити креслення загального виду щита керування.

Провести розрахунок настройки контуру управління, підбір параметрів ПІ-регулятора.

Проаналізувати якість перехідних процесів у аналоговій та дискретній системах.

Написати замовну специфікацію на прилади і засоби автоматизації.



2. АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИРОБНИЦТВА ПОЛІВІНІЛАЦЕТАТУ БЕЗПЕРЕРВНИМ СПОСОБОМ

2.1 Схема автоматизації технологічного процесу виробництва полівінілацетату

Для процесу виробництва полівінілацетату безперервним способом розроблена функціональна схема автоматизації - дивись схему № КР.ЛА6219.00.001.

Для проведення процесу полімеризації необхідно контролювати та регулювати витрати вінілацетату, метанолу та ініціатора на вході в перший полімеризатор. Позиція 1-1, 2-1, 3-1 - електоромагнітні вимірювачі витрати. Позиція 1-2, 2-2, 3-2 - вторинні перетворювачі що мають уніфікований сигнал на виході. Позиція 1-3, 2-3, 3-3 - технологічні індикатори. Позиція 1-4, 2-4, 3-4 - мікропроцесорні регулятори, які подають керуючі сигнали на пневматичні клапани (поз. 1-5, 2-5, 3-5).

Потрібно проводити контроль та регулювати температуру конденсату парів вінілацетату та метанолу на виході з винесеного теплообмінника. Позиція 4-1 - термоперетворювач опору з уніфікованим вих...