OPTYMALIZACJA I STEROWANIE PROCESAMI CHEMICZNYMI OPTYMALIZACJA PROCESU TECHNOLOGICZNEGO A PROJEKTOWANY DOBÓR APARATURY

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Chemiczny LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH OPTYMALIZACJA I STEROWANIE PROCESAMI CHEMICZNYMI OPTYMALIZACJA PROCESU TECHNOLOGICZNEGO A PROJEKTOWANY DOBÓR APARATURY Jerzy Wisialski Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

2 ISTOTA PROJEKTOWANIA Projektowanie jako sztuka optymalnych wyborów Rozwiązanie sposobu realizacji procesu lub operacji jednostkowej, Obliczenia i dobór aparatury spośród wielu możliwych wariantów Inżynieria chemiczna, Inżynieria procesowa Chemical Process Development Powiększanie skali procesu: Laboratorium, Instalacja wielkolab., ¼, ½-techniczna, Miniplant (MIM), Instalacja pilotowa Instalacja przemysłowa INWESTOR Organizacja cyklu badawczo projektowo wdrożeniowego

3 OPTYMALIZACJA Optymalizacja - metoda wyznaczania najlepszego rozwiązania z punktu widzenia określonego kryterium. Poszukiwanie ekstremum funkcji: Kryterium = f(parametru) Kryterium, np. wydajność względna procesu, koszt Parametr, np. temperatura, nadmiar stechiometryczny Optymalizacje jedno i wielokryterialne. Optymalizacja wielokryterialna wszędzie tam, gdzie optymalne decyzje muszą być podjęte w drodze kompromisów pomiędzy dwoma lub więcej sprzecznymi celami. Występuje w wielu dziedzinach: m.in. projektowaniu procesu produkcji i aparatury Przykład: maksymalizacja wydajności względnej przy minimalizacji kosztów.

4 KRYTERIA OPTYMALNEGO DOBORU APARATURY (sposobu realizacji procesu) WYMAGANE PARAMETRY PROCESOWE (temperatura, ciśnienie, wydajność, stopień rozdziału (destylacja, ekstrakcja), LPT, itp; TRWAŁOŚĆ (korozja, erozja materiały konstrukcyjne); BEZPIECZEŃSTWO (wykonanie Ex, elektr. statyczna, hermetyczność, UDT) RYZYKO technologiczne ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA MONITOROWANIE I AUTOMATYZACJA PROCESU NIEZAWODNOŚC RUCHOWA (kwalifikacje obsługi) KOSZTY inwestycyjne KOSZTY eksploatacyjne

5 RODZAJE KOSZTÓW Koszty inwestycyjne aparatura, budynki, instalacje Koszty eksploatacyjne (operacyjne, produkcyjne) surowce, energia, robocizna bezpośrednia Koszty jednostkowe odniesione do jednostki masowej produktu surowce [zł/kg]

6 OPTIMUM KOSZTÓW Koszt jednostkowy K i [zł/kg] Σ Kosztów [zł/kg] ΣK i minimum Koszty aparatury [zł/kg] Koszty eksploatacyjne (surowce, energia) Robocizna [zł/kg] P optimum Parametr optymalizowany (np. skala produkcji, wydajność reakcji, zużycie wody)

7 NAKŁADY INWESTYCYJNE A SKALA PRODUKCJI K 2 A K 1 P P 2 1 n Nakłady inwestycyjne K [mln zł] n = 0,6 (średnia skala) n = 1 (wielokrotność nitek technolog.) n = 0,3 (mała skala, półtechnika) Skala produkcji P [t/rok]

8 DECYZJE PROJEKTOWE Proces periodyczny czy ciągły Liczba nitek technologicznych (np. w procesie ciągłym) Liczba kontra pojemność reaktorów periodycznych Typ reaktora Liczba reaktorów w kaskadzie Oczyszczanie rozpuszczalnika: destylacja periodyczna czy ciągła Rodzaj destylacji: - klasyczna (kub destylacyjny), - filmowa (cienkowarstwowa), - molekularna (krótkodrożna) Odrębny filtr + suszarka czy też filtrosuszarka Wymrażanie resztkowych par rozpuszczalnika czy sprężanie Nadciśnienie czy podciśnienie (hermetyzacja, bezpieczeństwo)

9 OPTYMALIZACJA KOLUMNY REKTYFIKACYJNEJ N R O D R - powrót (reflux) O - odciek (zawrót do kolumny) D - destylat (poza kolumnę) N - liczba półek teoretycznych N minimum R minimum R Zależność liczby półek teoretycznych (N) od powrotu (R) dla kolumny rektyfikacyjnej (ciągłej)

10 OPTYMALIZACJA KOLUMNY REKTYFIKACYJNEJ K i Koszty całkowite K minimum Koszty inwestycyjne N Koszty produkcyjne E R minimum R optimum R Określenie optymalnego powrotu R

11 REAKTORY Reaktor periodyczny (zbiornikowy) Reaktor ciągły zbiornikowy z mieszaniem pojemność czas przebywania stopień konwersji, Kaskada reaktorów zbiornikowych - optimum N Reaktor ciągły rurowy (tłokowy)

12 REAKTOR POLIMERYZACJI Rem n 2 d m Ruch laminarny Re m < MOC MIESZANIA N m N m k d 3 n 2 m Ruch burzliwy rozwinięty Re m > Re m - liczba Reynoldsa dla mieszania n - prędkość obrotowa mieszadła, d m - średnica mieszadła; k N m k d 5 n 3 m - współczynnik mieszania

13 WYTŁACZARKA REAKCYJNA Napęd wytłaczarki Zasilanie materiałem Mieszanie, sprężanie, ugniatanie, odgazowanie Uformowanie wyrobu w GŁOWICY Chłodzenie i cięcie żyłki RYNNA KRAJARKA ŚLIMAKI CYLINDRY WYTŁACZARKA REAKCYJNA DWUŚLIMAKOWA WSPÓŁBIEŻNA REAKTOR RUROWY? Z cyrkulacją?

14 OPORY PRZEPŁYWU PRZEZ RUROCIĄG Równanie Darcy-Weisbacha (przepływ izotermiczny przez rurociąg) L P D 2 u 2g ΔP - spadek ciśnienia u - prędkość liniowa przepływu L - długość rurociągu D - średnica rurociągu ρ - gęstość (płynu) g - przyspieszenie ziemskie λ - współczynnik oporów przepływu f (Re)

15 PRZEPŁYW PŁYNU (gazu, cieczy) Miara burzliwości przepływu płynu Liczba Reynoldsa Re (bezwymiarowa) Re u dr u prędkość liniowa przepływu, d r - średnica (rurociągu); ρ gęstość płynu μ lepkość dynamiczna Ruch laminarny Re < Obszar przejściowy Ruch burzliwy Re > a 64 Re b Ren

16 OPTYMALIZACJA WYMIENNIKÓW CIEPŁA q k F t m [kj/h] równanie Fourier a q strumień ciepła do odebrania [kj/h] k - współczynnik przenikania ciepła [kj/m 2 h 0 C] F - powierzchnia wymiany ciepła [m 2 ] t m - średnia logarytmiczna różnica temperatur [ 0 C] T kondensacji T 1 T 2 T wody chłodniczej T m T1 T T ln 1 T 2 2

17 WYMIANA CIEPŁA, WYMIENNIKI 1 k 1 w s s 1 z Medium chłodzone T z α z Ścianka wymiennika λ s Woda chłodnicza T w α w k współczynnik przenikania ciepła α w - współczynnik wnikania ciepła (wewnętrzny) α z - współczynnik wnikania ciepła (zewnętrzny) s grubość ścianki λ s przewodnictwo cieplne materiału ścianki

18 WYMIANA CIEPŁA, WYMIENNIKI Ruch wymuszony, burzliwy Równanie bezwymiarowe Nu C Re a Pr b Liczba Nusselta Nu d w p Liczba Prandtla Pr c p α - współczynnik wnikania ciepła d w - średnica wewnętrzna rury λ p - przewodnictwo cieplne płynu ρ gęstość płynu μ lepkość dynamiczna C, a, b - współczynniki

19 OPTYMALIZACJA WYMIENNIKÓW CIEPŁA Skraplacz płaszczowo-rurkowy Stałe: Wydajność kondensacji Δ T wody chłodzącej Natężenie przepływu wody Zmienne: Prędkość linowa wody u w f w (smukłość, liczba biegów) u w Pow. wymiany F Koszt wymiennika u w Δ P Koszt eksploatacyjny Optymalna prędkość u w - Minimum Σ (K I + K W )

20 USUWANIE WODY LABORATORYJNE ŚRODKI SUSZĄCE: Sole bezwodne Na 2 SO 4, MgSO 4, CuSO 4, K 2 CO 3,, Tlenki: MgO, Al 2 O 3, Wodorki: glinowodorek litu Li(AlH 4 ), CaH 2, Reaktywne metale: Na, K, Mg Zalety: - bezpośrednio w reaktorze (wygoda w lab.), - skuteczność (nie zawsze), - brak bezpośredniego zużycia energii Wady: - dodatkowa operacja filtracji, - odpad zawierający oprócz wody produkty reakcji konieczność przemycia np. rozpuszczalnikiem, utylizacja - jeśli regeneracja to odparowanie wody ale i rozpuszczalnika, - zużycie energii (filtracja, regeneracja)

21 USUWANIE WODY SITA MOLEKULARNE Sita molekularne materiały nanoporowate, o ściśle określonym, wąskim zakresie rozmiarów porów, które posiadają zdolność selektywnego adsorbowania cząsteczek związków chemicznych. Glinokrzemiany (zwłaszcza zeolity), niektóre rodzaje silikażelu, porowate polimery, węgiel aktywny Jako środki suszące zeolity (glinokrzemiany) Zalety: Obojętne chemicznie, nietoksyczne, można stosować wielokrotnie (regeneracja), duża pojemność adsorpcyjna wody, selektywność <średnicy porów. Regeneracja: termiczna (TSA) lub zmienno ciśnieniowa (PSA) Wady: regeneracja energia, przy mieszaniu (niezalecane) kruszenie się kolumny ze złożem stałym i cyrkulacja medium reakcyjnego.

22 USUWANIE WODY DESTYLACJA AZEOTROPOWA T P = const. T P T W T AZ Obszar jednofazowy (P) Obszar jednofazowy (W) Obszar dwóch faz cieczy W X r PW X AZ X rwp X p WYKRES FAZOWY T x dla UKŁADU HETEROFAZOWEGO, składniki W + P

23 USUWANIE WODY DESTYLACJA AZEOTROPOWA y y AZ Obszar jednofazowy (W) Obszar jednofazowy (P) Obszar dwufazowy W X rpw X AZ X rwp X P RÓWNOWAGA CIECZ (x) PARA (y) dla UKŁADU HETEROFAZOWEGO W - P

24 USUWANIE WODY DESTYLACJA AZEOTROPOWA J. Wisialski

25 USUWANIE WODY - STRIPPING T P = const. Para T wb Ciecz - Para T wa Ciecz W P X D1 X Dk X X S X W Wykres fazowy T x dla układu homofazowego

26 USUWANIE WODY - STRIPPING

27 USUWANIE WODY - PERWAPORACJA Perwaporacja (proces membranowy) - technika rozdziału mieszanin ciekłych związków chemicznych, wykorzystująca przeważnie polimerowe membrany nieporowate określane potocznie jako gęste lub membrany ceramiczne o średnicy porów poniżej 5 nm. W przypadku membran polimerowych, separacja wynika z różnic w rozpuszczalności poszczególnych składników w membranie (sorpcja) oraz różnic w szybkości ich dyfuzji poprzez tę membranę. Jest to proces alternatywny do odwróconej osmozy. Często stosuje się obniżone ciśnienie po stronie permeatu w celu usprawnienia procesu. Stosowane jest również wymywanie permeatu gazem inertnym. Czynnikiem rozdzielającym jest membrana i energia - praca przeniesienia pod wpływem gradientu prężności par.

28 USUWANIE WODY - PERWAPORACJA SCHEMAT ODWADNIANIA ETANOLU METODĄ PERWAPORACJI

29 ODZYSK ROZPUSZCZALNIKA w procesie FITRACJI i SUSZENIA OSADU ZADANIE TECHNOLOGICZNE: Odfiltrować osad BDBW od toluenu ( T = 50 o C) Przemyć osad toluenem Wysuszyć mokry osad od toluenu KRYTERIA Zanieczyszczenie środowiska Bezpieczeństwo Koszt aparatury Koszty ruchowe

30 Chłodzenie Temperatura [oc] PRĘŻNOŚĆ PARY NASYCONEJ TOLUENU Obszar odparowania Sprężanie i skraplanie Temperatura zapłonu: + 4 o C Ciśnienie [mbar] -40

31 ODZYSK ROZPUSZCZALNIKA wersja 1 Zawiesina BDBW w toluenie T = 60 C Filtrat do neutralizacji Para Para T = 60 C Azot Glikol zimny T = - 5 C T < 4 C (< temp. zapłonu, < DGW) T = 50 C Toluen odzyskany BDBW suchy Pompa próżniowa membranowa

32 ODZYSK ROZPUSZCZALNIKA wersja 2 Zawiesina BDBW w toluenie T = 60 C Para Azot T < 4 C (< temp. zapłonu, < DGW) Filtrat do neutralizacji T = 50 C Para T = 60 C Glikol zimny T = - 5 C Inżektor Toluen odzyskany BDBW suchy

33 PROBLEMY ROZDZIAŁU - OCZYSZCZANIA FILTRACJA, SUSZENIE FILTROSUSZARKA Filtracja (ciśnienie, próżnia) Wygładzanie osadu Przemywanie Suszenie (temp., próżnia) Wyładunek (hermetyczny, N 2 )

34 PROBLEMY ROZDZIAŁU - OCZYSZCZANIA FILTROSUSZARKA

35 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Chemiczny LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH OPTYMALIZACJA I STEROWANIE PROCESAMI CHEMICZNYMI POMIARY I AUTOMATYKA Jerzy Wisialski Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

36 OGÓLNE POJĘCIA Z DZIEDZINY PiA Proces technologiczny charakteryzowany przez pewną liczbę wielkości fizykochemicznych decydujących o jakościowym i ilościowym wyniku końcowym. - Pomiar parametru, - Regulacja (utrzymywanie na poziomie optymalnym) - Wizualizacja, monitorowanie - Rejestracja, raportowanie (np. batch report)

37 RODZAJE REGULACJI Ręczne sterowanie procesem (np. ręczne ustawianie położenia zaworu doprowadzającego parę do płaszcza reaktora b. kłopotliwe) Sterowanie manualne zdalne położenie zaworu ustawiane przez siłownik sterowany zdalnym sygnałem przez operatora (np. pokrętło) Układ automatycznej regulacji samoczynne utrzymywanie wielkości zadanej przez operatora (pętla regulacji)

38 ELEMENTY PĘTLI REGULACJI OBIEKT REGULACJI - proces o sterowanym przebiegu, zachodzący w określonym aparacie lub jego części ELEMENT POMIAROWY (miernik), mierzący kontrolowany parametr fizykochemiczny (np. termometr, manometr, przepływomierz, itp.) REGULATOR urządzenie reagujące na odchylenia parametru od tzw. wartości zadanej i wysyłające sygnały sterujące elementem wykonawczym ELEMENT WYKONAWCZY z siłownikiem (będzie nim np. wymieniony wcześniej zawór parowy).

39 PĘTLA REGULACJI z y z e u y m R W OR M R - regulator, y z - wartość zadana, W - element wykonawczy, y m - wartość mierzona, OR - obiekt regulacji, u - sygnał sterujący, z - zakłócenie procesu e - odchylenie wartości zadanej (uchyb), M - przyrząd pomiarowy (miernik), e = y z - y m - węzeł sumacyjny (algebraiczne sumowanie sygnałów) Dodatkowe techniczne elementy: przetworniki, wzmacniacze, trasy sygnałowe, itp..

40 REGULATOR PID Regulator PID (ang. proportional-integral-derivative controller) składa się z trzech członów: proporcjonalnego, całkującego i różniczkującego. Regulator PID pracuje w pętli sprzężenia zwrotnego, oblicza wartość uchybu i działa w taki sposób, by zredukować uchyb poprzez odpowiednie dostosowanie sygnału sterującego, podawanego na wejście regulowanego obiektu. Działanie członów regulatora PID: - człon P kompensuje uchyb bieżący - człon I kompensuje akumulację uchybów z przeszłości - człon D kompensuje przewidywane uchyby w przyszłości. Ważona suma tych trzech działań stanowi podstawę sygnału podawanego na człon wykonawczy w celu regulacji procesu, np. zmiana położenia zaworu regulacyjnego.

41 REGULATOR PID Poprzez odpowiedni dobór nastaw regulatora PID, uzyskuje się regulację dostosowaną dla danego obiektu. Nastawy regulatora PID: człon proporcjonalny P - wzmocnienie k p człon całkujący I czas zdwojenia T i człon różniczkujący D - czas wyprzedzenia T d Dobór nastaw do procesu (obiektu regulacji). Regulator PID jest szeroko stosowany w przemysłowych układach regulacji (około 90% wszystkich instalacji automatyki).

42 TECHNOLOG - AUTOMATYK OBIEKT REGULACJI, KONCEPCJA PROWADZENIA PROCESU PARAMETRY PROCESOWE (lista, zakresy, wymagania) STOPIEŃ AUTOMATYZACJI (sterowanie ręczne, zdalne, sekwencyjne, procesy ciągłe) STEROWNIA SCHEMAT TECHNOLOGICZNY SCHEAMT TECHNOLOGICZNO-POMIAROWY PUNKTY POMIARÓW I AUTOMATYKI (PiA), SYMBOLE (zagregowane funkcje pomiarowo-sterujące)

43 SYMBOLE UKŁADÓW PiA Para PI 107 Układ pomiaru ciśnienia (P) pary z miejscowym wskazaniem wartości (I) Woda FIQ 102 Układ pomiaru (I) strumienia objętościowego (F) wody, ze zliczaniem ilości (Q) i odczytem w sterowni Powietrze PRC 145 Pierwsze litery symbolizują mierzony parametr. T temperatura (ang. temperature), P ciśnienie (ang. pressure), F natężenie przepływu (ang. flow rate), L poziom (ang. level), Następne litery są oznaczeniem uzupełniającym (uściślającym) wielkość mierzoną lub sterowaną oraz funkcje punktów PiA. I wskazanie, pomiar (indication) R rejestracja (registration) S przełączanie (switching) D różnica (difference) Q całkowanie lub zliczanie (quantity) C automatyczne sterowanie, regulacja (controlling) A sygnalizacja, alarmowanie (ang. alarm) w celu określenia: granicy dolnej należy dopisać literę L (low), a dla granicy górnej literę H (high). Układ automatycznej regulacji (C) ciśnienia (P) powietrza ze zdalną rejestracja (R) wartości ciśnienia

44 UKŁADY PiA NA SCHEMACIE TECHNOLOGICZNYM PI 102 E numer technologiczny Para P = 6 bar TRC 102 TI 102 wymiennika ciepła, PI manometr (P) z odczytem (I) Substrat zimny FQ 102 E 102 Substrat gorący lokalnym (brak kreski poziomej) TI termometr (T) z odczytem (I) miejscowym (brak kreski poziomej) Kondensat P = 6 bar FQ przepływomierz (F) ze zliczaniem ilości (Q) i zdalnym przekazaniem sygnału pomiarowego (kreska pozioma), TRC układ pomiaru temperatury (T) z jej zdalną rejestracją (R) i automatyczną regulacją (C)

45 SPECYFIKACJA PARAMETRÓW PROCESU dla PiA Rodzaj mierzonej wielkości oraz nazwę strumienia (medium); Wartość nominalną, tzn. przyjętą w obliczeniach dla warunków ustalonych; Granice zmienności występujące w praktyce i dopuszczalne odchylenia; Wymaganą dokładność pomiaru i czynniki na nią wpływające (np. zmienna temperatura przy pomiarze gęstości cieczy); Wymagany zakres pomiarowy przyrządu (z uwzględnieniem sytuacji nietypowych i awaryjnych); Właściwości środowiska technologicznego (korozyjne, palne i wybuchowe, stan skupienia) wpływające często na wybór metody pomiarowej oraz rozwiązania konstrukcyjne przyrządu pomiarowego; Proponowaną metodę pomiarową; Miejsce wbudowania czujnika i warunki wpływające na jego lokalizację; Sposób wykorzystania pomiaru, np. odczyt miejscowy, odczyt zdalny i rejestracja, sygnalizacja alarmowa, sterowanie ręczne, automatyczne przełączanie (dwustanowe) czy też automatyczna regulacja parametru ze wskazaniem elementów wykonawczych.

46 SYSTEM PRZEKAZYWANIA SYGNAŁÓW Wybór systemu przekazywania sygnałów pomiarowych i sterujących - ważny element projektu. W przemyśle chemicznym, głównie ze względu na częste występowanie zagrożenia wybuchem (tzw. strefy Ex, normy ATEX), pneumatyczne systemy przekazywania sygnałów przy pomocy sprężonego powietrza o znormalizowanych parametrach. Obecnie (rozwój technik komputerowych), systemy pneumatyczne są wypierane przez systemy elektroniczne. Komputerowa obsługa procesów odrębny wykład (SCADA) SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition jako rodzaj ICS - Industrial Control System

47 LOKALIZACJA Ważną sprawą jest lokalizacja poszczególnych elementów systemu PiA, zarówno przyrządów pomiarowych, elementów wykonawczych jak i lokalnych szaf sterowniczych. Istotnym elementem projektu jest decyzja dotycząca budowy i lokalizacji centralnej sterowni. Sterownia jest miejscem, gdzie koncentrują się informacje o procesie, jak i decyzje dotyczące kontroli i sterownia podejmowane przez obsługę. Decyzje te mogą dotyczyć zarówno sterowania automatycznego (np. wybór wartości zadanych poszczególnych parametrów) jak i ręcznego (np. otwarcie zawory, pobór próbki analitycznej).

48 PROJEKT TECHNOLOGICZNY PROJEKT PiA Technolog: założenia procesowe i funkcjonalne Specjalista automatyk projektowanie rozwiązań poszczególnych układów oraz systemu pomiarów, automatyzacji i monitorowania procesu, a także związanego z tym doboru zarówno środków technicznych (ang. hardware) jak i oprogramowania (ang. software). Projekt układów pomiarowych i automatyki nie może być traktowany jako uzupełnienia gotowego projektu technologicznego. Rozwiązania w branży PiA decydują często o szczegółach konstrukcyjnych aparatów technologicznych (np. króćce pomiarowe), konieczności zainstalowania dodatkowych urządzeń (np. zbiorników buforowych) o sposobie rozwiązania orurowania i armatury (np. obejścia (ang. by-pass) zaworów zdalnie sterowanych). Technologia decyduje o układach kontroli procesu produkcyjnego, te z kolei wpływają na kształt schematu technologicznego i rozwiązania aparaturowe. Kooperacji technologa i automatyka w trakcie projektowania.

49 SKUTKI WYBORU ROZWIĄZAŃ PiA Rozwiązania dotyczące układów PiA i stopnia automatyzacji mają wpływ na: Poziom zatrudnienia (i związane z tym koszty) Nakłady inwestycyjne (wysokie koszty budowy i wdrożenia systemu). Stabilna jakość produktu (wynikająca ze stabilności parametrów procesu) Optymalne zużycie surowców (koszty); Optymalne zużycie czynników energetycznych (koszty) Możliwość dokumentowania przebiegu procesu (batch report) istotne przy wymaganiach GMP czy też standardów ISO 9000 Stopień ryzyka procesowego (konieczność precyzyjnego zdefiniowania wymagań w trakcie projektowania) Stopień pewności ruchowej (awarie systemów sterowania) Bezpieczeństwo produkcji (alarmy wyprzedzające sytuacje niebezpieczne)

50 RESUME PROJEKTOWANIE JAKO SZTUKA OPTYMALNYCH WYBORÓW PROJEKTOWANIE JEST PROCESEM ITERACYJNYM VALUE ENGINEERING Analiza kosztów różnych rozwiązań projektowych celem najbardziej optymalnego wyboru, obniżanie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych oparte na doskonaleniu procesów i ich optymalizacji