Автоматизированный стенд для исследования массообменных и гидродинамических процессов

Введение

Выбор стратегии управления химико-технологическими процессами (ХТП) зависит от большого числа факторов. Поэтому необходимо оценивать каждый ХТП и его отдельные операции с точки зрения их устойчивости к внешним воздействиям, которые могут сущест­венно влиять на качество и количество выпускаемой продукции. В хи­мической промышленности производятся сотни различных продуктов, причём для каждого используется своё оборудование. По сравнению с другими отраслями в химической промышленности мало идентичных ХТП, несмотря на то что такие процессы, как, например, экстракция, абсорбция, ректификация и другие, являются общими для многих ХТП.

Часто измерение ключевых параметров бывает весьма трудным и даже невозможным делом. Сложность химико-технологических и особенно гидрометаллургических процессов как объектов регулирования обусловлена инерционностью массообменных и тепловых аппаратов, нелинейностью статических характеристик, наличием больших зна­чений времени запаздывания. Кро­ме того, во многих случаях механизм массопередачи и гидродинамические закономерности в аппаратах не поддаются адекватному математическому описанию, которое необходимо для построения надёжных систем управления. Несмотря на многочисленные исследования в области теоретических основ химической технологии, ещё не разработана единая теория, позволяющая проводить достоверные инженерные расчёты как массообмена, так и гидродинамики гетерогенных систем. Поэтому приходится вначале проводить экспериментальные исследования на специально созданных пилотных установках, а затем на основании опытных данных строить математическую модель процесса и отрабатывать систему его автоматического управления. Однако такой подход, как правило, экономически не выгоден.

Проблему можно решить с наимень­шими материальными и временныˆ́ми затратами, если у технологов и разработчиков АСУ ТП имеется в распоряжении установка, оснащённая многоцелевыми аппаратами и современными средствами контроля и автоматизации, позволяющими измерять основные технологические параметры и отлаживать схемы автоматического управления процессом в целом. Представленная работа посвящена именно такому решению описанной проблемы, реализуемому на основе специально разработанного автоматизированного научно-исследовательского стенда (АНИС).

Разработка новых химических технологий, как правило, начинается с изучения равновесных зависимостей и кинетики процесса. На этом этапе исследований трудно осуществить непрерывный процесс, а без него нельзя получить достоверную информацию о режимных параметрах, которые являются основополагающими для промышленных процессов. АНИС позволяет устранить эту проблему благодаря возможности проводить эксперименты в непрерывном режиме на реальных физико-химических системах.

Располагая опытом по разработке автоматизированной системы сбора и обработки экспериментальных данных [1], в 1988 году на базе информационно-вычислительного комплекса ИВК-3 в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья (ИХТРЭМС) им. И.В. Тананаева (рис. 1) Кольского научного центра РАН коллектив специалистов создал автоматизированную систему управления гидрометаллургическими процессами. Затем в 2006 году при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований перешли к разработке АНИС. 

Успешное решение поставленной задачи стало возможным благодаря появлению на российском рынке высокоточных измерительных преобразователей и соответствующих технических средств создания локальных сетей. Базой для создания АНИС служила пилотная экстракционная установка [2]. К сожалению, кризис 2008 года не позволил в полной мере реализовать планы, однако удалось сохранить материальную часть установки, благодаря чему работа продолжается.

Состав и краткая характеристика АНИС

В состав исследовательского стенда входят следующие приборы и оборудование:

• программируемый логический контроллер ADAM-5510EWK/TP с набором различных модулей серий ADAM­-5000 и ADAM-4000 фирмы Advantech;
• 4 массообменных вибрационных аппарата колонного типа (рис. 2) высотой от 1,5 до 5 м и диаметром от 55 до 150 мм (каждая колонна яв­ляет­ся многофункциональным аппаратом, что позволяет использовать один и тот же аппарат в различных химико-технологических процессах, например, в любом из них можно проводить эксперименты по абсорбции, экстракции, выщелачиванию и т.п.);
  
  
• 2 каскада экстракторов типа смеситель-отстойник для экстракционных процессов;
• оригинальные датчики и устройства для гидродинамических исследований;
• стандартные контрольно-измерительные приборы и преобразователи сигналов преимущественно отечественного производства;
• шестерённые и погружные насосы;
• насосы-дозаторы типа DLS-F и DLX-CC/M;
• регулирующие пневмо- и электроклапаны.

Все колонные аппараты изготовлены из стеклянных царг, что даёт возможность визуально наблюдать за процессом, происходящим внутри аппарата. Поскольку аппараты многофункциональны, появляется возможность создавать новые технологические схемы, в которых одновременно используются различные массообменные процессы. При этом отпадает необходимость в изготовлении новых аппаратов.

Три колонны оснащены электромеханическими виброприводами, одна – гидравлическим приводом. С помощью этих устройств подводится дополнительная энергия в аппараты с целью интенсификации процесса массопередачи. На рис. 3 показан автоматизированный гидравлический вибропривод, представляющий собой генератор низкочастотных колебаний. 

В его состав входит активный элемент – гидроцилиндр, который является высокопотенциальным устройством. Это означает, что при небольших габаритах он может функционировать как на небольших аппаратах, так и на крупнотоннажных. Благодаря этому гидравлический вибропривод становится унифицированным звеном, способным без конструктивных изменений применяться на промышленных аппаратах различного масштаба.

Цели и задачи АНИС

Автоматизированный стенд создан с целью получения исходных данных для проектирования химических произ­водств и разработки АСУ ТП на цеховом уровне. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• создание действующей физической модели технологического процесса;
• запуск и отладка всех каналов контроля и управления массообменными и гидродинамическими процессами;
• сбор и обработка данных о ходе технологического процесса в реальном времени;
• проведение научных исследований по гидродинамике и массообмену химико-технологических процессов, разрабатываемых в ИХТРЭМС;
• отработка аварийных ситуаций;
• контроль состояния исполнительных механизмов;
• разработка мнемосхем с возможнос­тью выбора отдельного аппарата и вывода его технологических параметров на экран монитора.

Необходимость проведения научных исследований по гидродинамике и массообмену на автоматизированном стенде обусловлена тем, что такие параметры, как поверхность контакта фаз, диаметр капель в системах жидкость–

жидкость, коэффициенты обратного перемешивания и массоотдачи, предельно допустимые нагрузки и ряд других, нельзя определить ни расчётным путём, ни в лабораторных условиях. При наличии действующих технологических аппаратов, программного обеспечения (ПО), технических средств контроля и регулирования можно не только достаточно быстро определить величину перечисленных параметров, но и отладить АСУ ТП для вновь создаваемого химического производства.

Аппаратные средства контроля и управления

При разработке АНИС за основу была принята трёхуровневая структура (рис. 4).

Первый уровень состоит из следующих датчиков, приборов, исполнительных механизмов и другого оборудования:

• термопары ХА, термометры сопротивления ТСМ, ТСП;
• сигнализаторы уровня МЭСУ-1ВУ2 и ротационные датчики уровня UWT Rotonivo с токовыми выходами 0–20 мА;
• ротаметры РЭВК-0,63Ж с токовым выходом 0–20 мА;
• манометры цифровые ДМ5002 с то­ковым выходом 4–20 мА;
• дифференциальный манометр ДМЭР с токовым выходом 0–5 мА;
• датчик рН магистральный ДМ-5М;
• ультразвуковой расходомер-счётчик кислоты US-800 с токовым выходом 4–20 мА;
• датчик положения границы раздела фаз (ГРФ) индукционного типа с выходным сигналом 0–10 Гн;
• измеритель диаметра капель и межфазной поверхности [3] (рис. 5);
  
  
• датчики для измерения амплитуды и частоты вибрации насадки (входят в состав гидравлического вибропривода);
• шаговые двигатели ДПУ-127 в комплекте с тахометрами;
• универсальные электродвигатели МУН-2, электродвигатели постоян­ного тока PIVT 6-25/3A в комплекте с тахометрами;
• пневматические и электромеханические регулирующие органы (клапаны);
• насосы-дозаторы DLS-F и DLX-CC/M (рис. 6);
  
  
• реле уровня РУ-3Э;
• преобразователи сигналов, такие как
  – ПА-1 для тензорезисторных датчиков (выходной сигнал ±1 В),
  – П-201 для чувствительных элементов, предназначенных для измерения рН (выходной сигнал 0–5 мА),
  – электропневматический ЭПП (входной сигнал 0–5 мА, выходной сигнал 20–100 кПа, или 0,2–1,0 кгс/см²),
  – электропневматический ЭП-Ех-Ор-3334 (входной сигнал 4–20 мА, выходной сигнал 20–100 кПа, или 0,2–1,0 кгс/см²),
  – ИР-61 в комплекте с датчиком ПРИМ-25 (входной сигнал 0–5 мА).

Второй уровень предназначен для сбора и обработки данных, выдачи сигналов управления и связи с первым и третьим уровнями. Основой второго уровня является ПЛК ADAM-5510EWK/TP с набором многоканальных модулей ввода-вывода серии ADAM-5000, осуществляющих связь с устройствами и датчиками первого уровня. В состав ПЛК входят модули шести различных типов:

• модуль ADAM-5013 (принимает сигналы по трём каналам от термометров сопротивления ТСМ-1199);
• модуль ADAM-5017 входной 8-ка­нальный (принимает токовые сигналы от преобразователей по 2 каналам и от датчиков уровня, давления и расхода по остальным 6 каналам);
• модуль ADAM-5018 (принимает сигналы от термопар ХА(К) по 7 каналам);
• два модуля ADAM-5024 (один модуль формирует на выходе три токовых сигнала 4–20 мА и сигнал 0–10 В, второй модуль – резервный);
• модули ADAM-5060 и ADAM-5068 (являются выходными релейными модулями, все каналы которых задействованы на пуск/стоп магнитных пускателей и насосов-дозаторов DLS-F и DLX-CC/M через промежуточные реле);
• модуль ADAM-5050 (является 16-канальным модулем дискретного ввода-вывода, в системе АНИС используется для контроля концевых выклю­чателей гидропривода и управления следящими исполнительными механизмами).

Третий уровень, представляющий собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора (рис. 7), включает в свой состав:

• IBM PC совместимый стандартный компьютер (Pentium 4 2,4 ГГц, 1,48 Гбайт ОЗУ, жёсткий диск 300 Гбайт) c 32-разрядной операци­он­ной системой Windows ХР;
• монитор Samsung Sync Master 795DE, принтер HP LaserJet 6L, блок питания Б5-8;
• модуль ADAM-4561 c последовательным интерфейсом RS-232/422/485, предназначенный для подсоединения ПЛК к компьютеру через интерфейс USB (для этого модуля не требуется ни­каких дополнительных IRQ или входных/выходных портов, ему не нужен внешний блок питания, так как питание берётся от порта USB, и, что весьма существенно, он управляет потоком данных для RS-485 автоматически).

Программное обеспечение

При разработке ПО решались две задачи:

1. разработка пользовательского интер­фейса для оператора АРМ, то есть для третьего (верхнего) уровня;
2. адаптация к современным устройствам связи с объектами (УСО) ранее разработанного ПО для УСО, входивших в систему КАМАК (CAMAC).

Первая задача была успешно решена за счёт использования SCADA-системы Trace Mode версии 6.02. Для решения второй задачи необходимо было не только адаптировать старые пакеты программ, которые управляли гидроприводом и устройством измерения межфазной поверхности, но и внести некоторые изменения в конструкцию этих объектов. В конечном итоге вторая задача была также успешно решена.

Теперь ПО, кроме SCADA-системы, включает следующие программные блоки:

• блок управления колоннами высотой 4 и 5 м, диаметром 55 и 110 мм;
• блок управления реактором для систем газ–твёрдое;
• блок управления гидроприводом;
• блок управления устройством для измерения поверхности массо-об­мена.

Такая структура ПО позволила разработать гибкую систему обмена данными между вторым и третьим уровнями и создать удобный пользовательский интерфейс.

Результаты и выводы

Система АНИС продолжает совершенствоваться, однако уже сегодня она позволяет проводить эксперименты и получать информацию в реальном времени. При этом исследователь может наблюдать за ходом массообмена или за гидродинамической обстановкой в наиболее важных точках технологической цепочки по анимационным картинкам, на которых видно, как работают насосы, подаётся сырьё в аппарат или движутся взаимодействующие потоки. На рис. 8 показана мнемосхема технологического модуля, состоящего из трёх колонных аппаратов, на которых контролируются 23 наиболее интересных с исследовательской точки зрения параметра. 

Если аппараты включаются в работу, в них начинают перемещаться «потоки», что создаёт для экспериментатора благоприятные условия наблюдения за объектом. Любой аппарат или его часть можно выделить в виде мнемосхемы в более крупном масштабе. За динамикой каждого контролируемого параметра можно наблюдать в реальном времени на графике. Для этого оператору достаточно указать мышью тот значок на мнемосхеме, на котором отражается интересующая его физическая величина. Вся оцифрованная информация о ходе процесса помещается в архив в виде таблично-временны́х массивов. Благодаря этому мож­­но графически сопоставлять результаты ранее проведённых экспериментов с текущими результатами.

На рис. 9 сопоставлены графики экспериментов, проведённых на реакторе при исследовании процесса аммонизации. 

Эксперименты ставились в разных условиях и в разное время, но каждый из них первоначально был зафиксирован на мониторе АРМ в реальном времени, то есть в период прохождения эксперимента, и сохранён в архиве. Оптимальными оказались условия, при которых получен график с минимальным временем достижения максимальной температуры.

Используя возможности автоматизированного стенда, в течение последних трёх лет на базе АНИС были проведены исследования экстракционного процесса получения циркония из эвдиалитового концентрата. Затем был изучен процесс твердофазной аммонизации солей алюминия с целью получения катализаторов. На основании экспериментальных исследований подготовлены исходные данные для проектирования промышленных аппаратов. В обоих процессах приходилось использовать физико-химические системы жидкость–жидкость, газ–жидкость и газ– твёрдое. Для каждой из них необходимы аппараты с определённой спецификой. АНИС в полной мере справился с этой задачей, имея на вооружении всего 4 аппарата и сравнительно недорогие средства контроля и управления. Следует отметить, что и аппараты, и автоматика оказались надёжными блоками экспериментального стенда.

Анализируя результаты проведённых исследований, можно сделать следующие выводы:

• разработана методика подготовки ис­ходных данных для проектирования промышленных массообменных аппаратов, лежащий в её основе метод базируется на определении основных гидродинамических и массообменных параметров экспериментальным путём на автоматизированном стенде;
• благодаря наличию в составе АНИС аппаратов многоцелевого применения имеется возможность проводить эксперименты на производственных растворах с различными физико-химическими системами;
• поскольку автоматика АНИС показала себя надёжной гибкой системой, легко поддающейся расширению, её можно рекомендовать в качестве АСУ ТП химических производств на цеховом уровне. ●

Литература

1. Соловьев А.В., Выгон В.Г. Автоматизи­рованный комплекс для исследований массообмена и гидродинамики в экстракторах с насадками // Тез. докл. XI Рос­сийской конф. по экстракции. – М., 1988. – С. 196.
2. Соловьев А.В. Система автоматизированного управления экстракционной стадией гидрометаллургического производства // Сб. матер. I научно-практ. конф. «Новые подходы в химической технологии и практика применения процессов экстракции и сорбции». – Апатиты : Изд. КНЦ РАН, 2009. – С. 161–166.
3. Соловьев А.В., Хомченко О.А. Опре­деление поверхности массообмена в гетерофазных системах жидкость–жидкость [Текст] // Исследования по физико-химическим основам технологии переработки минерального сырья. – Л. : Наука, 1983. – С. 123–128.

E-mail: aleks.solovjev-2013@yandex.ru