Контролю подлежат:
· Массы исходных веществ в ёмкостях для реагентов (1) и (2);
· Массы исходных веществ в загрузочных бункерах (3) и (4);
· Уровень (верхний и нижний) шихты в шнековом смесителе (7);
· Температура в двухшнековом реакторе (8) (по всей длине);
· Масса фторированного продукта в приёмной ёмкости (9);
· Давление газов перед лабиринтным фильтром (10);
· Уровень (верхний и нижний) пыли в ёмкости для пыли (11);
· Давление газов перед скруббером Вентури (12) и после него;
· Концентрация аммиака после скруббера Вентури (12);
· Расход воды на орошение перед питающей ёмкостью (13),
· Уровень (верхний и нижние) в питающей ёмкости (13);
· Концентрация пыли после питающей ёмкости (13).
Регулированию подлежат:
· Частота оборотов валов шнековых питателей (5) и (6);
· Частота оборотов вала шнекового смесителя (7);
· Частота оборотов валов двухшнекового реактора (8);
· Температура в двухшнековом реакторе (8) (по всей длине);
· Концентрация пыли после питающей ёмкости (13).
Контроль и регулирование параметров позволяют облегчить проведение химико-технологического процесса, снизить нагрузку на работников. В промышленности используют системы централизованного контроля, цифровой регистрации, сигнализации и регулирования (МЦКР), что позволяет уменьшить размеры щитов и пультов управления. Их можно использовать для управления большим числом однотипных простых процессов, обегающее устройство которых последовательно собирает информацию от датчиков объектов управления [3]. В данном случае температура в нескольких точках в печи показывается с помощью обегания.
Сигнализации подлежат:
· Уровень (верхний и нижний) шихты в шнековом смесителе (7);
· Уровень (верхний и нижний) пыли в ёмкости для пыли (11);
· Концентрация аммиака после скруббера Вентури (12);
· Уровень (верхний и нижние) в питающей ёмкости (13).
Правильно установленная сигнализация способствует предотвращению аварий и несчастных случаев. При этом должна быть обеспечена одновременная подача звукового и светового сигналов, возможность отключения звукового сигнала, возможность повторного срабатывания в случае вторичного отклонения параметра, возможность проверки исполнительных устройств от одного кнопочного выключателя [3].
Блокировка:
· Блокировка на включение шнеков (5) и (6) при срабатывании сигнализатора по верхнему уровню шнекового смесителя (7).
· Блокировка на остановку насоса при срабатывании сигнализатора по нижнему уровню слева питающей ёмкости (13).
· Блокировка на открытие клапана подачи воды при срабатывании сигнализатора по верхнему значению уровня питающей ёмкости (13).
Блокировка используется для тех же целей, что и сигнализация, однако блокировка является активной защитой. Процесс или его часть останавливается, в случае невыполнения какого-либо условия.
Часто такие схемы применяют для блокировки электродвигателей, если не запущен другой двигатель, или клапанов и других объектов [3].
Выбор датчиков
Измерение массы (Позиции 1,2,3,4,19):
Максимально возможная измеряемая масса должна быть около 30 т, т.к. расход фторирующего агента 3871,89 кг/ч, оптимально менять ёмкости 1 раз в смену. Высокой точности не требуется.
Таблица 1 – Характеристика датчиков веса
| Название | Параметры |
| Тензодатчик LPA-33t (датчик шайба) | Области применения: бункерные весы и дозаторы, платформенные весы. Наибольший предел измерения 33 т. Класс точности С1. Баланс нуля 1%. Класс защиты IP68. Материал легированная сталь. Цена: 20320 руб [4]. |
| ZSFY- D30Т датчик цифровой (колонный) | Применяются для производства или модернизации весов, весовых дозаторов и других весовых устройств. Наибольший предел измерения 30 т. Класс точности С3. Баланс нуля 1%. Класс защиты IP68. Материал легированная сталь. Цена: 15000 руб [5]. |
| Тензодатчик компрессионный ASC | Применение: весы автомобильные, весы вагонные, весы платформенные, установка бункеров, установка цистерн. Наибольший предел измерения 30 т. Класс точности С3. Класс защиты IP68. Материал: нержавеющая сталь. Цена: 21500 руб [6]. |
Исходя из экономических соображений, оптимальным датчиком является ZSFY- D30Т, а также он подходит под условия эксплуатации.
Сигнализаторы уровня для сыпучих материалов (позиции 11, 12, 21, 22) и жидких сред (позиции 28,29,30):
Уровнемеры могут применяться для определения для твёрдых и жидких сред, по способу измерения могут быть контактными и бесконтактными, общепромышленными или взрывобезопасными.
Выбор следует осуществлять, исходя из критериев обеспечения оптимального измерения и невысокой стоимости. В данном процессе не требуется взрывобезопасного исполнения.
Однако для измерения уровня сыпучих материалов желательно использовать датчики, защищённые от коррозии, т.к. измеряется уровень смеси веществ, содержащей фтораммонийные комплексы при повышенной температуре среды до 70 ⁰С.
Для измерения уровня жидкости специальных условий не требуется, т.к. измеряется уровень воды, при температуре около 10 ⁰С, но нельзя использовать датчики, которые не могут измерять уровень суспензий.
Таблица 2 – Характеристика сигнализаторов уровня для сыпучих материалов и жидких сред
| Название | Параметры |
| Датчик уровня ЗОНД-10-ГД-1212 микропроцессорный (гидростатический) | Предназначен для измерения гидростатического давления (уровня) загрязненных, вязких, коксующихся и кристаллизующихся жидких сред. Рабочее давление до 200 м водного столба (около 2 МПа). Класс точности: 0,25-1%. Температура окружающей среды: от -10 до 50 ⁰С, температура рабочей среды от -30 до 70 ⁰C. Гарантийный срок 3 года. Цена: 5590 руб [7]. |
| ПСУ-1 сигнализатор уровня для КНС и сточных вод (поплавковый) | Предназначен для управления наполнением/опорожнением резервуаров с водой и другими неагрессивными к материалу ПСУ жидкостями, в том числе содержащими твердые включения. Рабочее давление 0,4 МПа, температура рабочей среды от 0 до 70 ⁰С. Плотность 950-1050 кг/м3. Степень защиты IP 68. Цена: 4140 руб [8]. |
| САУ-М7Е регулятор уровня жидкости или сыпучих сред (кондуктометрический) +ДУ3 кондуктометрический датчик уровня | Обеспечивает контроль уровня жидких или сыпучих материалов в резервуаре. Максимальная рабочая температура 85 ⁰С. Материал электродов датчиков – сталь нерж. 12Х18Н10Т. Цена: 3828 + 456 = 4284 руб [9]. |
Исходя из представленной информации, оптимальным датчиком является ДУ 3, т.к. с помощью данного него можно измерять уровень жидких и твёрдых веществ при температуре до 85 ⁰С, также преимуществом является невысокая цена. Кроме того, если использовать металлическую ёмкость, то корпус выступает в качестве общего электрода и, в таком случае контакт сигнального электрода со средой необязателен (важно с точки зрения коррозионных свойств).
Рисунок 3 – Принцип действия кондуктометрических датчиков
Измерение температуры (15,16,17):
Температура процесса должна находиться в пределах от 130 до 230 ⁰С, рабочая температура в печи 200 ⁰С. Среда расплавленного гидродифторида аммония является очень агрессивной, поэтому предпочтительно использовать бесконтактные методы, коррозионностойкие материалы в случае контакта со средой или измерять температуру без контакта со средой, что может снизить точность измерения.
Таблица 3 – Характеристика датчиков температуры
| Название | Параметры |
| Термопара BP5/BP20 вольфрам-рений | Являются наиболее точными из измерителей при эксплуатации в агрессивной среде. Рабочие температуры от 0 до 2100⁰С Номинальное значение термоэдс 23,31мВ. Отклонение термоэдс от номинального 98мкВ. Цена 980 р/м (диаметр 0,2 мм) [10]. |
| ТПК094-00. 60/1,5к (ТХА) | Для непрерывного измерения температуры жидких, паро- и газообразных сред, сыпучих материалов и твердых тел, не агрессивных к материалу защитной арматуры термометра. Диаметр термоэлектрода 0,5 мм. Степень защиты IP 54. Защитная арматура 12X18H10T. Рабочие температуры от -40 до 400⁰С. Цена: 538 руб [11]. |
| ДТС 035 (ТСП) | Рабочие температуры от -50 до 500⁰С. Защитная арматура 12X18H10T. Диаметр 8 мм. Сопротивление изоляции не менее 100 Мом. Цена: 900 руб [12]. |
Хромель-вольфрамовая термопара способна выдержать сильную коррозию и её можно применять внутри рабочей среды, но диапазон измерений слишком велик, следовательно, точность измерений будет низкой.
Наиболее подходящим датчиком является ТПК094-00 исходя из того, что измеряемая температура попадает в оптимальный диапазон измерения, что обеспечивает хорошую точность, но его невозможно применять, непосредственно опуская в рабочую среду.
Измерение давления(20,23,25):
Для перемещения газо-пылевой смеси устанавливаются центробежные вентиляторы высокого давления (избыточное давление от 3 до 12 кПа).
Таблица 4 – Характеристика датчиков давления
| Название | Параметры |
| АИР-10U с цифровым сигналом по протоколу MVU ASCII и АИР-10Р с выходным сигналом по напряжению | Предназначены для непрерывного преобразования абсолютного давления, избыточного давления, избыточного давления-разряжения, дифференциального давления в унифицированный выходной сигнал. Верхние пределы измерений: абсолютное давление (ДА) 40 кПа…2,5 МПа, избыточное давление (ДИ) 4 кПа…100 МПа. Погрешность от 0,15%. Пылевлагозащита IP65. Материалы мембран: нерж. сталь 316L, керамика Al2O3, титановый сплав, хастеллой-С. Перегрузочная способность от 300 до 500% от ВПИ. Цена: 10800 руб [13]. |
| АИР-10H датчики давления микропроцессорные | Для непрерывного преобразования абсолютного давления, избыточного давления, избыточного давления-разряжения, дифференциального давления в унифицированный сигнал. Диапазон измерений: ДА 4кПа-2,5МПа, ДИ 0,4кПа-60МПа. Основная погрешность до 2%. Мембрана: нерж. сталь 316L, Титановый сплав, Al2O3, Хастеллой-С. Штуцер: сталь 12Х18Н10Т. Хастеллой-С. Степень защиты IP65. Цена: 14850 руб [14]. |
| Сапфир-22ЕМ | Предназначен для использования в атомной промышленности, может работать, в том числе с агрессивными средами. ДА 4кПа-16МПа, ДИ 0,16кПа-60МПа. Погрешность не выше 0,5%.Сейсмостойкий. Цена: 35100 руб [15]. |
Исходя из условий процесса и экономических соображений, выбираем датчик АИР-10U, поскольку повышенная точность не требуется, измеряемое давление близко к атмосферному давлению.
Измерение расхода (Позиция 27):
Расход воды на орошение пыли и газа в скрубберах Вентури составляет не более 10 м3/ч.
Таблица 5 – Характеристика расходомеров для жидких сред
| Название | Параметры |
| ВСХН-50 счётчик холодной воды (турбинный) | Предназначен для измерения объема сетевой и питьевой воды в системах холодного водоснабжения со средним и большим потреблением. Номинальный диаметр 50 мм. Температура воды от 5 до 50 ⁰С. Наименьшая цена деления 0,0005. Максимальное рабочее давление 1,6 МПа. Диапазон расхода 0,45 до 90 м3/ч. Цена 12461 руб [16]. |
| ИПРЭ-7 (электромагнитный) | Для измерения объемного расхода и объема невзрывоопасных жидкостей. Диапазон измеряемых расходов 0,014 — 900 м3/ч. Относительный диапазон расходов Qmin/Qmax 1: 200. Температура измеряемой среды от 1 до 150 °С. Максимальное давление измеряемой среды 1,6 МПа Цена 38527 руб [17]. |
| Расходомер ВЭПС-ПБ (вихревой) | При преобразовании расхода жидкости не использует амплитудные параметры измеряемого сигнала, что в положительно сказывается на стабильности его характеристик при эксплуатации. Диапазон измеряемых расходов от 1 до 32 м3/ч. Диапазон температур от 5 до 150 ⁰С. Рабочее избыточное давление не более 1,6 МПа. Погрешность 1%. Динамический диапазон расходов 1:50. Защита IP65. Цена 18200 руб [18]. |
Из экономических соображений и условий эксплуатации выбираем ВСХН-50 счётчик холодной воды.
Измерение концентрации взвесей (Позиция 31):
Количество улавливаемой пыли составляет 39,38 кг/ч. Однако, фтораммонийные соединения титана 19,17 кг/ч хорошо растворимы (25 г в 100 г воды). С учётом этого взвесей в воде содержится не больше 20 кг/ч, расход воды 10 м3/ч. Следовательно, содержание взвешенных частиц не выше 2 г/м3. Единственным мутномером, способным обеспечить работу в загрязнённом растворе такой концентрации, является ПОТОК-СМН (О). ПОТОК-СМН (О) применяется для непрерывного технологического контроля мутности. Мутность от 0 до 3500 ЕМФ (2 г/л). Время отклика 5 секунд. Цена: 1662? (138993 руб) [19].
Измерение концентрации аммиака (Позиция 25):
ПДК (предельно допустимая концентрация) аммиака в воздухе производственных помещений составляет 20 мг/м3.
Таблица 6 – Характеристика датчиков концентрации аммиака
| Название | Параметры |
| ADT-33-1120-x датчик паров аммиака | Цифровой датчик. Диапазон измерения концентраций от 0 до 300 ppm (около 0,3 г/м3). Цена 28957 руб [20]. |
| Астра-Д датчик серии ИГС-98, в пластиковом корпусе | Аналоговый датчик. Диапазон концентраций от 0,1 до 200 мг/м3. Порог срабатывания 1 - 20 мг/м3, порог 2 - 60 мг/м3. Относительная погрешность 15%. Цена: 19200 руб [21]. |
| XT-21-1126-ENO-001 | Аммиак, 0-1000 ppm (около 1г/м3), сенсор El-chem. Цена: 151908 руб [22]. |
Исходя из технологических параметров и стоимости, предпочтительнее использовать датчик Астра-Д.
Заключение
В ходе курсового проектирования был рассмотрен процесс гидрофторирования ильменита в двухшнековом реакторе, в качестве первой стадии получения диоксида титана.
Составлена технологическая схема и схема автоматизации данного процесса, обозначены параметры, которые подлежат контролю, сигнализации или/и регулированию. Были описаны некоторые из существующих датчиков, подходящих для данного процесса и были выбраны оптимальные на основе соответствия технологическим параметрам и минимальной цены.
Благодаря автоматизации процесса гидрофторирования ильменита можно упростить процесс, снизить затраты на заработную плату персоналу; повышается безопасность процесса за счёт контроля за выбросами; снижаются затраты за счёт возможности зацикливания воды, подаваемой в скруббер.
Список литературы
1. Клюев А.С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие/ А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев; Под ред. А.С. Клюева. – 2-е изд., перераб и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 464с.: ил.
2. Дьяченко А.Н. Диоксид титана / А.Н. Дьяченко, Р.И. Крайденко – М.: Томский политехнический университет, 2017. – 121 с.
3. Голубятников В.А. Автоматизация производcтвенных процеccов и АCУП в химичеcкой промышленноcти: учебник / В. А. Голубятников, В. В. Шувалов. – М.: Химия, 1978. – 375 c.
4 Тензодатчик LPA [Электронный ресурс] / Токвес. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://tokves.ru/datchik-shayba/tenzodatchik-lpa.html, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 30.04.2020 г.
5 ZSFY-D30T Датчик цифровой LPA [Электронный ресурс] / Мидл. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.middle.ru/goods/zsfy-d30t-datchik-tsifrovoy, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 30.04.2020 г.
6 Тензодатчик компрессионный ASC [Электронный ресурс] / Мера. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.mera-device.ru/products/tenzodatchiki/tenzodatchiki-tsilindricheskie-na-szhatie/tenzodatchik-kompressionnyy-asc/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 30.04.2020 г.
7 Преобразователь давления (датчик уровня) ЗОНД-10-ГД-1212 микропроцессорный [Электронный ресурс] / Теплоприбор.рф. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://xn--90ahjlpcccjdm.xn--p1ai/catalog/zond-10-gd-1212/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 30.04.2020 г.
8 ПСУ-1 сигнализатор уровня для КНС и сточных вод [Электронный ресурс] / Овен. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://owen.ru/product/psu_1, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 30.04.2020 г.
9 Овен САУ-М7Е регулятор уровня жидкости или сыпучих сред [Электронный ресурс] / Энергопромавтоматика. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://kipia.ru/catalog/izmeritelnye-pribory/izmerenie-urovnya/konduktometricheskie-urovnemery/sau-m7e-regulator/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 30.04.2020 г.
10 Продукция из медно-никелевого сплава копель [Электронный ресурс] / Копель.рф. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://xn--e1ajekf4f.xn--p1ai/%d0%bf%d1%80%d0%be%d0%b4%d1%83%d0%ba%d1%86%d0%b8%d1%8f/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 1.05.2020 г.
11 Датчики температуры без резьбы с кабелем ТПL014 и ТПL094 с температурой до 400 °C [Электронный ресурс] / КИП-Сервис. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://kipservis.ru/datchiki_temperatury/tp_kabel_bez_rezbi_400.htm, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 1.05.2020 г.
12 Термосопротивление ДТС 035 [Электронный ресурс] / Термоника. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.termonika.ru/inf/dts035.shtml, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 1.05.2020 г.
13 АИР-10U с цифровым сигналом по протоколу MVU ASCII и АИР-10Р с выходным сигналом по напряжению [Электронный ресурс] / Элемер. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.elemer.ru/production/pressure/air_10u_p.php, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 1.05.2020 г.
14 АИР-10H датчики давления микропроцессорные [Электронный ресурс] / Orleks.ru. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.orleks.ru/datchiki-davleniya-s-unificirovannym-vyhodnym-signalom/air-10h-datchiki-davleniya-mikroprocessornye/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 1.05.2020 г.
15 Сапфир-22ЕМ преобразователь (датчик) давления [Электронный ресурс] / Теплоприобор.рф. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://xn--90ahjlpcccjdm.xn--p1ai/catalog/sapfir-22em/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 1.05.2020 г.
16 ВСХН-50 счётчик холодной воды (Польша) [Электронный ресурс] / Тепловодомер. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.teplovodomer.ru/catalog/schetchiki-vody/turbinnye/dn-50/vshn-50-schetchik-kholodnoy-vody/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 2.05.2020 г.
17 ИПРЭ-7 расходомер электромагнитный [Электронный ресурс] / Авимед.рф. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://xn--80aegdoy.xn--p1ai/p414223450-ipre-rashodomer-elektromagnitnyj.html/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 2.05.2020 г.
18 Расходомер ВЭПС-ПБ [Электронный ресурс] / Теплоком. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.teplocom.msk.ru/catalog/rashodomer/veps-pb/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 2.05.2020 г.
19 Мутномер-турбидиметр проточный индустриальный «Поток-СМТ(Н)». Мутномер «На пиво» [Электронный ресурс] / HYDROoptics Ltd. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://ecodevice.com.ru/ecodevice-catalogue/turbidimeter-industrial-potok, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 3.05.2020 г.
20 ADT-33-1120-x-000021001 Цифровой датчик µGard MD + PolyGard ADT, аммиак, 0-300 ppm, сенсор Semiconductor, RS 485 ModBus выход [Электронный ресурс] / Smarthof.ru. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.smarthof.ru/catalog/product/msr-adt-33-1120-x-000021001/211250/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 3.05.2020 г.
21 Выносной датчик Астра-Д серии ИГС-98 на аммиак [Электронный ресурс] / КИПКомплект. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.kipkomplekt.ru/text/astra_d.php, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 3.05.2020 г.
22 XT-21-1126-ENO-001 Датчик PolyXeta ATEX Zone 2, аммиак, 0-1000 ppm, сенсор El-chem [Электронный ресурс] / Smarthof.ru. – Электрон. дан.– Общедоступный универсальный интернет-сайт со свободным контентом, URL: https://www.smarthof.ru/catalog/product/msr-xt-21-1126-eno-001/210331/, свободный. – Загл. с экрана. – Язык. рус. Дата обращения: 3.05.2020 г.