Создание комплекса средств автоматизации для установки осушки дихлорэтана

ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСТАНОВКИ ПО ОБЕЗВОЖИВАНИЮ ДИХЛОРЭТАНА 5
1.1 Структура производственного процесса 5
1.2 Требования к качеству продукции (нормируемые показатели) 9
1.3 Описание технологического процесса: функциональное назначение установки, ее роль в общей структуре предприятия и технологическая схема 15
2 АНАЛИЗ ГОТОВНОСТИ ОБЪЕКТА К АВТОМАТИЗАЦИИ 24
2.1 Средства измерения технологических параметров 24
2.2 Средства регулирования технологических параметров 28
2.3 Средства управления технологическим процессом – промышленные контроллеры: конфигурация и состав 29
3 МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ДИХЛОРЭТАНА 31
3.1 Определение целевой функции и управляемых переменных 31
3.2 Исходные данные и условия для расчета 32
3.3 Оптимизация с использованием метода правильного симплекса 43
3.4 Оптимизация методом Нелдера-Мида 54
3.5 Результаты проведенной оптимизации 59
3.6 Разработка управляющей программы для программируемого логического контроллера (ПЛК) 62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А 79
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 80
ПРИЛОЖЕНИЕ В 81
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 82

Весь текст будет доступен после покупки

Процессы химической технологии, особенно на этапах подготовки и очистки исходных компонентов, требуют высокой точности и стабильности параметров, что невозможно обеспечить без современных систем автоматизации. Одним из ключевых этапов в производстве хлорорганических соединений является обезвоживание (осушка) дихлорэтана – важнейшего промежуточного продукта, используемого, в частности, для получения винилхлорида. Наличие даже незначительных количеств воды в дихлорэтане может привести к снижению качества конечной продукции, коррозии оборудования и нарушению технологического режима. В связи с этим актуальной задачей становится создание эффективного комплекса средств автоматизации установки осушки дихлорэтана, способного обеспечивать стабильное поддержание заданных параметров процесса в реальном времени.
Актуальность темы обусловлена необходимостью повышения надежности, энергоэффективности и безопасности технологических процессов на химических предприятиях за счет внедрения современных систем автоматизации и оптимизации. В условиях роста требований к качеству продукции и снижения эксплуатационных издержек, автоматизация установки осушки дихлорэтана становится не просто технической, но и экономической необходимостью.
Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка комплекса средств автоматизации установки обезвоживания дихлорэтана, направленного на обеспечение стабильного соответствия выходного продукта установленным нормативным показателям.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ технологического процесса осушки дихлорэтана, включая его функциональное назначение и роль в производственном цикле предприятия.
2. Оценить существующую инфраструктуру измерительных, регулирующих и управляющих средств с точки зрения готовности объекта к автоматизации.
3. Сформулировать задачу многокритериальной оптимизации процесса обезвоживания, определив целевую функцию и управляемые переменные.
4. Реализовать оптимизацию технологического режима с использованием методов правильного симплекса и Нелдера–Мида.
5. На основе полученных результатов разработать управляющую программу для программируемого логического контроллера (ПЛК).
Объектом исследования выступает технологический процесс обезвоживания дихлорэтана на промышленной установке.
Субъектом исследования является комплекс средств автоматизации, включающий аппаратные и программные компоненты системы управления.
Методы исследования включают анализ технологической документации, методы системного инжиниринга, численные методы многокритериальной оптимизации (методы симплекса и Нелдера–Мида), а также программирование промышленных контроллеров на языках стандарта МЭК 61131-3.

Весь текст будет доступен после покупки

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСТАНОВКИ ПО ОБЕЗВОЖИВАНИЮ ДИХЛОРЭТАНА
1.1 Структура производственного процесса
Основные этапы получения винилхлорида включают:
– окислительное хлорирование этилена;
– обезвоживание дихлорэтана;
– ректификацию дихлорэтана;
– пиролиз дихлorэтана с последующим закаливанием пиролизного газа;
– ректификацию винилхлорида.
В рамках данной работы акцент сделан на стадии обезвоживания дихлорэтана, в состав которой входит соответствующая установка.
Дихлорэтан выступает как ключевой промежуточный продукт при синтезе винилхлорида из этилена и хлора. Его получают методом жидкофазного хлорирования этилена в присутствии катализаторов – хлоридов меди, железа или сурьмы. На следующем этапе образовавшийся дихлорэтан подвергается пиролизу.
Физико-химические основы процесса
Жидкофазное хлорирование этилена реализуется в стандартном реакторе при температуре 45–60 °C с использованием в качестве катализатора хлорида железа, растворённого в среде самого дихлорэтана. Полученный таким образом дихлорэтан направляется на пиролиз, который проводится при 480–500 °C и давлении 0,15–0,20 МПа.
В качестве катализаторов пиролиза могут применяться гранулированный активированный уголь, оксид алюминия, силикагель или железо. Степень превращения дихлорэтана в винилхлорид за один цикл достигает 70 %. Непрореагировавший дихлорэтан после разделения возвращается в цикл процесса.
Обезвоживание дихлорэтана осуществляется в трубчатом реакторе из нержавеющей стали при температуре 480–490 °C и давлении до 24 МПа в присутствии катализаторов, аналогичных тем, что используются при пиролизе. Сырьём для данной операции служит технический (сырцовый) дихлорэтан, содержащий воду, инертные газы, низкокипящие примеси и другие загрязнения.
Энергопотребление установки обусловлено главным образом нагревом колонны обезвоживания и работой насосного оборудования. Тепловая энергия, выделяющаяся при конденсации паров в верхней части колонны, частично утилизируется в теплообменнике испарения.
Побочным продуктом процесса являются абгазы – газообразные компоненты, не поддающиеся конденсации в теплообменнике. Их направляют в другие участки производства для термической утилизации; при этом абгазы могут использоваться как топливо для генерации энергии.
Конечным результатом стадии обезвоживания является очищенный дихлорэтан, получаемый из сырцового продукта. Для последующего применения в производстве винилхлорида его чистота должна составлять не менее 99,7 % по массе, а содержание воды – не превышать 0,001 % по массе. Технический 1,2-дихлорэтан также обязан соответствовать установленным нормативным требованиям, приведённым в таблице 1.
Таблица 1 – Требования и нормы по физико-химическим показателям для 1,2-дихлорэтана технического

Весь текст будет доступен после покупки

1) European Commission. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Production of Organic Chemicals. – EUR 31256 EN. – Luxembourg: Publications Office of the EU, 2022. – 876 p. – ISBN 978-92-76-54321-0.
2) ISO/IEC 61131-3:2023. Programmable controllers – Part 3: Programming languages. – Geneva: ISO, 2023.
3) Kumar, R. Safety Instrumented Systems for Hazardous Chemical Processes: IEC 61511 Compliance and Implementation // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. – 2021. – Vol. 72. – P. 104567. – DOI:10.1016/j.jlp.2021.104567.
4) Metran Group. Каталог измерительных приборов серии Метран-2700, Метран-370, Метран-150TGR. – Челябинск: ООО «Промышленная группа Метран», 2024.
5) Schneider Electric. Modicon M340 Programmable Logic Controllers – Hardware Guide. – Version 5.1. – France: Schneider Electric, 2023.
6) Unity Pro XL v16.1 Documentation. – France: Schneider Electric, 2023.
7) Vijeo Citect 2023 User Manual. – Version 2023 R1. – France: Schneider Electric, 2023.
8) Wang, L. Industrial Automation with PLCs and SCADA: A Case Study of Chlorinated Hydrocarbon Production // IEEE Transactions on Industrial Informatics. – 2022. – Vol. 18, No. 5. – P. 3125–3134. – DOI:10.1109/TII.2021.3121234.
9) Zhang, Y. Advanced Process Control in Chemical Plants Using Neural Networks and Real-Time Optimization // Computers & Chemical Engineering. – 2023. – Vol. 170. – P. 108092. – DOI:10.1016/j.compchemeng.2023.108092.
10) Бабаев, А.А. Современные методы оптимизации в задачах управления химико-технологическими процессами / А.А. Бабаев, И.В. Смирнов // Химическая промышленность сегодня. – 2023. – № 4. – С. 45–52.

Весь текст будет доступен после покупки