VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

19

Автоматизация технологического процесса получения водорода электролитическим методом

Автор курсового проекта: Удовенко В.А.

Научный руководитель работы: доцент, к.т.н., Макаренко В.Г.

ВВЕДЕНИЕ

Водород как технический продукт широко используют во многих отраслях экономики — в технологических процессах переработки нефти, производства аммиака, метанола, в металлургической промышленности, во многих отраслях науки и техники. В последнее время водород рассматривают как универсальный теплоноситель и как аккумулятор энергии.

Водород можно очень эффективно использовать в качестве вторичного энергоносителя, т.к. его теплота сгорания (в пересчете на массу) в три раза превышает аналогичные показатели у углеводородного топлива.

Следует учитывать и то, что водород является экологически чистым видом топлива. Для экономики высокоразвитых стран данный параметр является одним из важнейших.

Единственным недостатком данного энергоносителя является относительная дороговизна, по сравнению с углеводородным сырьем. Но развитие технологий производства, в том числе и автоматизации – могут позволить решить эту проблему в ближайшем будущем.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 1.1 Физико-химические основы получения продукта

Если создать в водном растворе электролита, куда погружены два электрода, постоянное электрическое напряжение, которое превышает напряжение разложения воды, то в цепи появится ток и на аноде начнет выделяться кислород, а на катоде — водород, в объемном отношении 1/2. При этом будут происходить следующие /1/ реакции (в щелочной среде):

2H₂O+2e^- → H₂+2OH^- (катодная реакция)

2OH^- → 1/2O₂+H₂O+2e^- (анодная реакция)

H₂O → H₂+1/2O₂ (суммарная реакция)

Удельная электропроводность очищенной воды незначительна: при 18°С она составляет (2 - 6) • 10-6 Ом•м^-1. Поэтому электролизу подвергают водные растворы сильных кислот или щелочей. Другие электролиты обычно не используют, поскольку они сами разлагаются при электролизе и дают нежелательные побочные продукты. Ввиду существенных коррозионных проблем, возникающих при электролизе кислот, в настоящее время почти все электролизеры используют водные растворы гидроксидов калия и натрия концентрацией 350—400 г/л.

Растворы КОН имеют преимущества перед NаОН в силу большей проводимости К⁺ против иона Na⁺. Равновесный состав пара над водным раствором КОН ниже, а это означает, что в конечных продуктах электролиза Н₂ и O₂ содержится меньше водяного пара. Концентрация КОН соответствует оптимальным значениям плотностей тока. Небольшие примеси КОН не являются препятствием к его использованию.

Указанные выше катодная и анодная реакции являются стадийными, причем их механизм зависит от материала электрода, состава раствора, а также величины перенапряжения, температуры и других факторов.

Один из вероятных механизмов катодного выделения водорода из щелочных растворов состоит в следующем. На первой стадии происходит разряд молекул воды с образованием адсорбированных на электроде атомов водорода:

H₂O+e^- → H_адс+OH^-

Далее происходит реакция т.н. электрохимической десорбции (реакция Гейровского):

H_адс+ H₂O+e^- ↔ H₂+OH^-

В сумме эти два процесса дают катодную реакцию выделения водорода. На аноде вероятной первой стадией является разряд гидроксид-ионов с образованием радикалов OH:

2OH^- → 2OH + 2e^-

Затем происходит цепочка процессов:

2OH + 2OH^- → 2O^- + 2H₂O; 2O^- → 2O + 2e^-; 2O → O₂;

Предложены и другие схемы суммарного процесса, например с участием металла электрода. Наиболее употребительным электролитом в современных промышленных электролизерах является 25—30 %-ный КОН.

Кислые электролиты дают хороший выход по H₂, однако они приводят к серьезным проблемам в выборе материалов, противостоящих коррозии в серной кислоте. Электроды в настоящее время изготавливают чаще всего из углеродистой стали; аноды при этом покрывают никелем, а катоды активируют путем нанесения на их поверхность либо серосодержащего никеля, либо металла группы платины.

Содержащаяся в растворе щелочь, как видно из приведенных уравнений, не участвует в разряде, а служит только для переноса ионов. Ее расход (2—3 г на 1 м³ водорода при нормальных условиях) обусловлен уносом с продуктами электролиза. В электролит вводят дополнительно К₂Cr₂О₇ (2—3 г/дм³); это позволяет уменьшить коррозию стальных деталей электролизера.

Суммарный процесс разложения воды электролизом является процессом, обратным процессу горения водорода. Поэтому теоретическая величина энергии, которая требуется на единицу количества производимого водорода, равна теплоте сгорания водорода. Каждая молекула образуется при присоединении двух электронов к двум ионам водорода, так что существует прямая связь между проходящим током и скоростью производства водорода.

1.1.1 Термодинамика процесса разложения воды в процессе электролиза

Количество электричества, переносимое при получении одного моля вещества, равно nF, где n — количество электронов, участвующих в электродной реакции, F— число Фарадея (96 487 Кл/моль) /1/. Если это количество электричества переносится при разности потенциалов E_обр, то произведенная работа равна nFE_обр. Для изменения свободной энергии Гиббса:

∆G = -nFE_обр

Подставляя известную величину ∆G₂₉₈ = 237190 кДж/моль для образования воды, получаем для стандартных условий (давление 0,1 МПа и температура 25 °С)

E_обр=1,23В

Общую термодинамику процесса можно изложить следующим образом. Для изобарно-изотермического процесса

∆G=T∆S=∆H-∆G

Иначе ячейка будет охлаждаться. Тепловая эффективность электролиза определяется как отношение напряжения ячейки, соответствующего нейтральному процессу (1,4В при 25^oC и 0,1МПа), к фактически действующему напряжению. Это соответствует отношению высшей теплоты сгорания получаемого водорода к величине подводимой электроэнергии.

Тепловая эффективность электролиза определяется как отношение напряжении ячейки, соответствующего термонейтральному процессу (1,4 В при 25°С и 0,1 МПа), к фактически действующему напряжению. Это соответствует отношению высшей теплоты сгорания получаемого водорода к величине подводимой электрической энергии.

1.1.2 Расход электроэнергии и воды при электролизе

Расход электроэнергии определяется произведением количества затраченного электричества на напряжение, приложенное к шинам электролизера:

Wb=Eq

где Wb – расход электроэнергии, Вт*ч; E – напряжение, В; q – количество электричества, Кл;

На получение 1 м³ H₂ и 0,5 м³ О₂ при нормальных условиях при теоретическом разложении воды 1,23В расход электроэнергии составит

WT=1,232*26,80,0224=2,95 кВт*ч,

где 26,8 – число Фарадея, выраженное в ампер-часах на моль; 2 – число Фарадей, затраченных на выделение 1 моль H₂; 0,0224 – объем 1 моль водорода при нормальных условиях.

При термонейтральном напряжении 1,48 В потребляется 3,54 кВт*ч на 1 м³ водорода. Реальный расход электроэнергии на современных электролизерах составляет 4,0-4,5 и до 5,5кВт*ч на 1 м³ H₂. Для получения 1 м³ H₂ и 0,5 м³ O₂ при нормальных условиях необходимо затратить теоретически 805г воды. Практически расход воды составляет 820-850г.

1.1.3 Влияние материала электродов, диафрагм и катализаторов на процесс электролиза воды

С целью повышения реальной эффективности процесса электролиза, ускорения электрохимических реакции действующие потенциалы могут быть понижены для данного тока использованием /2/ электродов, несущих каталитически активные металлы или подвергнутых обработке, повышающей их пористость. Основной целью подобной обработки электродов, структуры их поверхности является увеличение реальной поверхности электрода без увеличения общего размера ячейки.

Следует подчеркнуть, что структура поверхностей электродов зависит не только от состава каталитических добавок, но и от методов их приготовления и нанесения на поверхность, а также от методов предварительной обработки и активации самой поверхности электродов. Только при правильном выборе этих методов, четком соблюдении условий подготовки электродов и нанесения добавок можно рассчитывать на существенное ускорение электродных реакций, что в конечном итоге приведет к снижению потенциала разложения воды.

Для разделения полученных в процессе электролиза газообразных продуктов электролит и газовое пространство электролизера разделяют газонепроницаемой диафрагмой на анодное и катодное пространство. Это простое по конструкции устройство обеспечивает одно из наиболее важных преимуществ электролиза. Диафрагмы проницаемы для ионов Н⁺ и ОН^- и в малой степени влияют на внутреннее сопротивление ячейки. Коррозионная и температурная стойкость, малый размер пор — требования, предъявляемые к материалам для изготовления диафрагм (мембран). Современные диафрагмы изготовляют из асбеста, однако их выполняют и на основе пластических масс.

1.2 Описание схемы производства

Электрический ток подводится к крайним монополярным электродам. Из основных частей электролизера никелируются /2/: а) рамы с припаренными трубками, газовыми и питательным каналами; б) основные электроды с анодной стороны; в) выносные электроды с двух сторон; г) концевая анодная плита (со стороны выносного электрода)

Выходящие /2,3/ из электролизеров поз. 1 газы (водород и кислород вместе с парами электролита) прежде всего направляются разделительные колонки 2,3,где происходит предварительно разделение электролита и газа. Для охлаждения электролита разделительные колонки снабжены змеевиковыми холодильниками. Охлажденный электролит из разделительных колонок самотеком возвращается в электролизер.

Рисунок 1 - Ячейки электролизера ЭФ-12 в собранном виде

Изразделительных колонок газы поступают в промыватели поз. 6,7, где происходит барботирование через слои жидкости, освобождаются от остатков электролита. Промыватели также оборудованы змеевиковыми холодильниками, служащими для охлаждения газа. В качестве жидкости для промывки газов применяется дистиллированная вода, которая после улавливания электролита может быть использована в процессе.

Промыватели соединены с регуляторами давления (уравнительными баками)поз. 8, служащими для выравнивания давления в обоих газовых пространствах электролизера. Предусмотрен специальный технологический режим заполнения системы (уравнительных баков и промывателей) дистиллированной водой. Для этого подается питание на электролизеры (пробный пуск) и часть водорода поступает в уравнительные баки. Одновременно с этим баки заполняют дистиллированной водой, до того как по сигналу с радарного уровнемера она не будет перекрыта. Водород выпускается в атмосферу через расширитель поз. 12. В данном процессе необходимо добиться, чтобы давление в регуляторах водорода и кислорода было приблизительно равно. После окончания заполнения баков – клапан после расширителя закрывают и система переходит в нормальный технологический режим. В нормальном технологическом режиме колебания давления невелики и устраняются за счет поддержания уровня дистиллированной воды в уравнительных баках в пределах от 0,5 до 0,7 метра. Водород при этом в небольших количествах выпускается в атмосферу. В случае неполадок, переполнения (опустошения) уравнительных баков – предусмотрен ручной сброс жидкости из них в водяной бак поз. 15. После этого необходимо снова произвести заполнение системы водой и выровнять давление в регуляторах-промывателях.

Пройдя промыватели, газы отводятся: водород, с содержанием объемной доли кислорода не более 1%, в отделение очистки на осушку и очистку от примеси кислорода, а кислород, с содержанием объемной доли водорода не более 2% - на осушку.

Предусмотрен также специальный режим продувки оборудования азотом, который обычно используется при запуске, а также при неполадках. Как правило этот режим используется при падении чистоты водорода на выходе или при превышении допустимых значений давления в электролизере и в промывателях. Также продувка азотом используется при пневатических испытаниях системы. В таком случае необходимо отключить сетевое питание электролизера, сбросить дистиллят из уравнительных баков и промывателей и произвести продувку оборудования азотом. Водород выпускается в атмосферу через огнепреградитель поз. 11. Для продувки аппаратов ЭУ азотом служит рампа поз. 4, к которой присоединяются азотные баллоны.

1.3 Описание основного технологического оборудования

Электролизер /3/ предназначен для электрохимического разложения воды на водород и кислород. Электролизер - горизонтальный сборный аппарат фильтр-прессного типа, работающий под давлением до 10 атм. Он состоит из двух монополярных электродов, расположенных на изолированных от земли концевых плитах, и 25-50 (в зависимости от типа электролизера) биполярных электродов, сжатых между концевыми плитами и отделенных один от другого уплотняющими и изолирующими прокладками, и диафрагменными рамами.

Биполярные электроды при прохождении через электролизер постоянного тока выделяют на одной стороне (катоде) водород и на другой (аноде) - кислород.

Выделяющиеся на электродах газы разделены асбестовой диафрагмой, прикрепленной к диафрагменным рамам. Электролизер имеет три коллектора: верхние предназначены для отвода газов и электролита, нижний - для возврата в ячейки охлаждающего электролита. Все элементы электролизера соединены в общий пакет и стянуты четырьмя стяжными болтами.

Для компенсации температурных удлинений аппарата на концах болтов установлены тарельчатые пружины.

Технические данные используемого в данной схеме электролизера приведены в таблице 1.

Параметр
Количество ячеек, шт.	30
Ток. А:
номинальный	165
максимальный	330
Напряжение на электролизере, В	220-230
Напряжение на одной ячейке электролизера, В	5,0-5,4
Плотность тока, А/м2	1250-2500
Рабочее давление, МПа	1,0
Рабочая температура электролита, °С	85
Чистота газов, %:
водорода	99
кислорода	98
Производительность, м3/ч:
по водороду	2-4
по кислороду	1-2
вместимость электролизера, м3	0,16
габаритные размеры, мм:
длина	1700
ширина	610
высота	830
Масса электролизера, кг	1289

Таблица 1 - Техническая характеристика электролизера типа ЭУ-4М

Разделительные колонки предназначены для отделения газов от электролита и охлаждения. Разделительные колонки снабжены змеевиками.

Регуляторы давления (промыватели) предназначены для поддержания равенства давлений водорода и кислорода в аппаратах ЭУ независимо от того, при каком давлении используется каждый газ. Регуляторы давления снабжены поплавками и регулирующими клапанами. Поплавки могут перемещаться по вертикали, закрывая и открывая клапаны для выпуска газов. Регуляторы давления предназначены также для промывки водорода и кислорода от щелочного тумана и для охлаждения газов. Снабжены предохранительными клапанами поз. 13 для сброса газа в атмосферу при превышении допустимых значений давления.

Уравнительные баки служат для хранения дистиллированной воды и также соединены с регуляторами давления и вместе обеспечивают относительное равенство давления в обоих газовых пространствах.

Гидрозатвор - аппарат, предназначенный для выпуска кислорода (водорода) в атмосферу и предотвращения попадания воздуха в систему ЭУ.

Огнепреградитель - аппарат, заполненный гравием, устанавливаемый на трубопроводах выпуска водорода в атмосферу. Огнепреградитель предназначен для предотвращения "проскока" пламени в систему ЭУ при воспламенении водорода на выходе.

Накопительный нагреватель – служит для предварительного нагрева электролита, поступающего из системы подготовки. Снабжен термореле, позволяющим поддерживать постоянную температуру жидкости. Равномерный нагрев обеспечивается за счет естественной рециркуляции. Характеристики используемого нагревателя в таблице 2.

Таблица 2 – Характеристика нагревателя типа VM 100 D400-2-BC

Тип нагревателя	Накопительный
Объем бака, л	200
Мощность нагревательного элеммента, Вт	6000
Тип нагревательного элемента	Сухой ТЭН
Рабочая температура жидкости, 0С	80
Рабочее давление, атм	7
Способ управления температурой	Термореле

1.4. Параметры нормального технологического режима

В таблицу 3 запишем значения оптимальных параметров технологического режима, установленные экспериментально. Также отметим место измерения каждого параметра и необходимость контроля/регистрации/регулирования. При соблюдении данных параметров система работает стабильно, выход продукта соответствует заданным нормам, а коррозионное воздействие на оборудование минимально.

	Технологический параметр	Значение контролируемой величины	Место контроля параметра	Метод контроля параметра	Вид контроля и управления
					Кон-троль	Регист-рация	Регулирование	Сигнализация
1	2	3	4	5	6	7	8	9
	ЭЛЕКТРОЛИЗЕР
1	Температура электролита, поступающего из системы подготовки	8020С	трубопровод		+	-	-	-
2	Температура электролита внутри электролизера	8550С	корпус электролизера		+	+	+	-
3	Давление	102 атм	корпус электролизера		+	-	-	макс. 13 атм
4	Плотность электролита	123050 кг/м3	корпус электролизера		+	+	-	-
5	Напряжение на ячейке	200-230 В	корпус электролизера		+	-	+	мин. 180 В макс. 260 В
6	Уровень электролита	1,50,1 м	корпус электролизера		+	+	+	мин. 1,3 м макс. 1,7 м
8	Температура электроита в системе рециркуляции (на входе в электролизер)	65  5 0С	на входе в электролизер		+	-	-	-
	РЕГУЛЯТОР-ПРОМЫВАТЕЛЬ ВОДОРОДА
1	Давление	62 атм	корпус промывателя		+	-	-	мин. 3 атм макс. 8 атм
	РЕГУЛЯТОР-ПРОМЫВАТЕЛЬ КИСЛОРОДА
1	Давление	62 атм	корпус промывателя		+	-	-	мин. 3 атм макс. 8 атм
	УРАВНИТЕЛЬНЫЕ БАКИ
1	Уровень дистиллята	0,50,1 м	уравнительные баки		+	+	+	мин. 0,3 м макс. 0.7 м
	ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЬ
1	Концентрация водорода	0±2%	трубопровод		+	-	+	макс. 1%
	ГИДРОЗАТВОР
1	Концентрация кислорода	98±0,1%	трубопровод		+	-	+	мин. 95%
2	Расход кислорода	1,5±0,2 м3/ч	трубопровод		+	+	-	-
	РАСШИРИТЕЛЬ
1	Концентрация водорода	0±2%	трубопровод		+	-	+	макс. 1%
	ХОЛОДИЛЬНИК
1	Концентрация водорода	99±0,1%	трубопровод		+	-	+	мин. 95%
2	Расход водорода	3±0,2 м3/ч	трубопровод		+	+	-	-
	НАКОПИТЕЛЬНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ
	Температура электролита на входе в нагреватель	20±50С	трубопровод		+	-	-	-
	Температура элктролита на выходе из нагревателя	8020С	трубопровод		+	-	-	-
	Уровень жидкости в нагревателе	10,1м	корпус нагревателя		+	+	+	-

Таблица 3 – Параметры нормального технологического режима

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ 2.1 Выбор и обоснование параметров контроля

Для достижения наилучшего качества продукции, обеспечения эффективности и безопасности производства следует контролировать следующие основные технологические параметры:

• напряжение на ячейке электролизера

• уровень электролита в электролизере

• давление и температура в электролизере

• концентрация водорода на выходе из системы

• концентрация кислорода на выходе из системы

2.1.1 Контроль температуры

В процессе электролиза раствора электролита происходит его нагрев. В данном случае контроль температуры необходим прежде всего для предотвращения закипания электролита в процессе работы, а также для предупреждения разрушения аппаратуры под действием коррозии. Кроме того, следует контролировать температуру электролита, который поступает из системы подготовки. Он должен иметь температуру, близкую к рабочей температуре электролита в электролизере поз.1. В противном случае – либо эффективность процесса упадет, либо возникнет риск закипания электролита и превышения допустимых значений давления. Для измерения температуры электролита в данном технологическом процессе можно использовать термоэлектрический метод, позволяющий передавать информацию на достаточно большое расстояние.

2.1.2 Контроль давления

Контроль давления в электролизере поз.1 в данном технологическом процессе необходим, т.к. эффективность процесса электролиза сильно зависит от давления, под которым он происходит. Кроме того, контроль давления позволяет выявить на ранних стадиях неполадки в системе, такие как разгерметизация, засор и т.д. В данном случае наиболее предпочтительным является тензорезистивный метод /5/, т.к. чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. В данном случае можно также передавать сигнал на требуемое расстояние, а необходимая точность обеспечивается, несмотря на гистерезисные явления.

2.1.3 Контроль расхода

Контроль расхода необходим в данном технологическом процессе для определения количества полученных продуктов. Т.к. мы имеем дело с газами, то используется метод переменного перепада давления.

2.1.4 Контроль плотности

Контроль плотности в данном случае используется для определения плотности электролита, как основного показателя его качества. По плотности можно судить, например, о концентрации ионов H⁺ в растворе. В данном процессе целесообразно использование вибрационного плотномера, т.к. он нейтрален к электрическим свойствам среды, работоспособен при высоких и низких температурах, (от минус 70 до 200 °C) и больших статических давлениях (до 20МПа).

2.2 Выбор и обоснование параметров управления и каналов воздействия 2.2.1 Управление температурой и уровнем электролита в электролизере

Для поддержания оптимального режима работы электролизера необходимо каким-то образом управлять температурой электролита, так как она является наиболее точным показателем, демонстрирующим качество работы установки. По температуре электролита можно судить о количестве образовавшегося водорода на катоде и т.д.

Рисунок 2 – Анализ электролизера как объекта управления. Перечеркнутыми стрелками показаны параметры, влияние на которые крайне затруднено или невозможно

На рисунке 2: P – давление в аппарате, T – температура, E_пит – напряжение, питающее электролизер, L – уровень электролита, D – плотность электролита, K_t – коэффициент теплопроводности материалов корпуса.

В литературе часто предлагается регулировать температуру электролита по каналу воздействия: питающее напряжение электролизера – температура электролита (давление в электролизере). Однако, в силу очень большой инерционности системы данный метод не является эффективным. В таком случае можно решить проблему следующим образом – сделать систему непрерывной подачи электролита в электролизер из системы подготовки, который будет заранее нагрет до температуры близкой к рабочей. В процессе электролиза происходит непрерывная рециркуляция раствора электролита между электролизером поз. 1 и разделительной колонкой поз. 2, при этом часть электролита расходуется. Тем не менее, необходимо поддерживать уровень электролита в электролизере равным примерно 1,5 м, т.к. в данном случае система работает стабильно, а выход продукта достаточно велик. Тогда по сигналу с уровнемера можно формировать управляющее воздействие, с помощью которого регулируется количество электролита, поступающего в электролизер из системы подготовки. Колебания уровня в процессе будут достаточно малы и допустимы. Тем самым можно не только стабилизировать уровень электролита в электролизере, но также и его температуру.

2.2.2 Управление уровнем жидкости в уравнительных баках

Рисунок 3 – Анализ уравнительного бака как объекта управления. Перечеркнутыми стрелками показаны параметры, влияние на которые крайне затруднено или невозможно

На рисунке 3: P – давление в баке, T – температура жидкости, D – плотность жидкости.

Во время запуска и эксплуатации системы необходимо выравнивать и поддерживать на примерно одинаковом уровне давление в обоих газовых пространствах электролизера. Для этого используются уравнительные баки поз. 8 куда в процессе запуска системы заливается дистиллированная вода до определенного уровня. В процессе эксплуатации установки в ней могут возникнуть колебания давления, которые устраняются с помощью изменения уровня жидкости в уравнительных баках. В данном случае также используются радарные уровнемеры, сигнал с которых используется для формирования управляющих воздействий. В данном случае можно регулировать количество дистиллированной воды, которая поступает в уравнительные баки. В системе также предусмотрен ручной сброс жидкости из уравнительных баков в водяной бак поз.15.

По другим каналам воздействия управление невозможно, так как баки участвуют в системе выравнивания давления. Следовательно, воздействовать на температуру или давление в них крайне нежелательно. Кроме того, управление по расходу жидкости является наиболее удобным и простым способом поддержания в них заданного уровня.

2.2.3 Концентрация водорода и кислорода при различных технологических режимах

В случае нормального технологического режима концентрация водорода на выходе из системы (трубопровод после холодильника) равна приблизительно 99%. Электролитический метод получения водорода подразумевает очень высокую чистоту продукта, поэтому если концентрация водорода упала более чем на 2-3%, то это говорит о серьезных неполадках в работе системы, утечках, попадании посторонних веществ и т.д. Тогда необходимо произвести продувку системы азотом и выпустить газ через огнепреградитель. Аналогична ситуация и с кислородом. Также существует специальный режим заполнения уравнительных баков, когда содержащийся в них водород сбрасывается в атмосферу через расширитель.

2.2.4 Управление температурой жидкости в накопительном нагревателе

В накопительный нагреватель поступает электролит из системы подготовки. В процессе работы электролизеров он расходуется, однако необходимо поддерживать его уровень в допустимых пределах. Насос поз. 17 создает в трубопроводе давление, достаточное для попадания электролита в электролизеры при открывании клапанов поз. 18в, 19в. На выходе в верхней части нагревателя температура электролита должна быть постоянно равна 80⁰C (близко к рабочей температуре электролита в электролизере).

Рисунок 4 – Анализ накопительного нагревателя электролита как объекта управления. Перечеркнутыми стрелками показаны параметры, влияние на которые крайне затруднено или невозможно

В данном случае количество жидкости (использованной в процессе электролиза), которая покинула нагреватель должно примерно соответствовать количеству жидкости, которое будет поступать из системы подготовки в нагреватель. Этого можно добиться путем поддержания определенного уровня в накопительном нагревателе, регулируя подачу холодного электролита из системы подготовки. Конструкция и мощность нагревателя позволяют ему достаточно быстро нагревать поступивший электролит, который после этого попадает в верхнюю часть нагревателя за счет разности плотностей. Если регулирование уровня электролита в электролизере не происходит (клапаны поз. 18в, 19в закрыты), то в нагреватель автоматически будет поддерживать постоянную температуру находящегося в нем электролита, включая/отключая нагревательный элемент с помощью термореле.

3 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ АСР 3.1 АСР уровня электролита в электролизере

По мере расхода электролита во время технологического процесса уровень его будет снижаться. Нам необходимо поддерживать его значение, примерно равное 1,5 м. Колебания в пределах 10-20 см являются допустимыми. Для этого используется радарный уровнемер поз. 18а по сигналу которого регулятор поз. 18б создает управляющий сигнал. Этот сигнал одновременно подается на регулирующий клапан поз. 18в. По поступившей команде клапан открывается, обеспечивая подачу подогретого электролита в электролизер. Тем самым поддерживается необходимый уровень жидкости в электролизере.

3.2 АСР уровня жидкости в уравнительных баках

Уравнительные баки служат для выравнивания давления в газовых пространствах системы. Экспериментально установлено, что стабильный режим работы обеспечивается при значении уровня в уравнительных баках, если оно равно примерно 0,5м. Колебания в пределах 10-15 см являются также допустимыми. К уравнительным бакам подводится источник дистиллированной воды. Уровень в баках измеряется радарными уровнемерами поз. 20а, 21а. По сигналу с уровнемеров формируется управляющее воздействие и подается на клапаны поз. 20в, 21в, которые открывают/закрывают подачу дистиллированной воды в баки. В системе также предусмотрен ручной сброс жидкости из системы выравнивания давления, для этого используются клапаны с дистанционным управлением поз. 34б, 33б.

3.3 АСР уровня электролита в накопительном нагревателе

По сигналу с радарного уровнемера формируется управляющие воздействие поз. 15б, по которому происходит управление клапаном 15в. За счет этого регулируется подача электролита в емкость, как следствие – ее уровень. Кроме того, данный накопительный нагреватель снабжен термореле, которое поддерживает заданную температуру электролита и не допускает его перегрев. Если насос поз. 17 не работает, то накопительный уровень жидкости в накопительном нагревателе остается постоянным, следовательно клапан 15в будет перекрыт и подача электролита в это время не производится. В таком случае термореле, установленное в верхней части нагревателя будет производить включение/выключение нагревательного элемента (ТЭН), тем самым поддерживая постоянную температуру.

3.3 Автоматическая система переключения между технологическими режимами

В случае падения концентрации водорода на термокондуктометрическом газоанализаторе поз. 23а формируется управляющий сигнал, который закрывает соответствующий клапан поз. 23в. Тогда газ поступает на газоанализатор поз. 22а и одновременно формируется управляющее воздействие, открывающее клапан поз. 22в перед огнепреградителем. Таким образом происходит сброс газов и переключение в режим продувки. Аналогичным образом происходит блокировка подачи кислорода.

4 ОПИСАНИЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТП ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

При разработке схемы автоматизации производства водорода решались следующие задачи:

• получение первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования;

• стабилизация технологических параметров процесса;

• контроль и регистрация технологических параметров процесса и состояния технологического оборудования.

Процесс получения водорода начинается в электролизере поз. 1, он заполняется электролитом заранее и по ходу работы подпитывается электролитом из накопительного нагревателя поз. 16. На данном этапе контролируется температура электролита, его плотность и уровень, а также давление в электролизере. Управление процессом происходит по каналу уровень электролита – подача электролита из системы подготовки. Также электролизеры снабжены термореле, которые не позволяют электролиту закипеть или перегреться, отключая при достижении критического значения температуры подачу напряжения на ячейку. Все приборы в взрывозащищенном исполнении, управляющие воздействия (напр. регулирование уровня электролита и его подачи в электролизер) /7/ формируются с помощью технологических измерителей-регуляторов типа Метран-961. В качестве измерителей температуры используются термоэлектрические преобразователи типа ТХК Метран–252 (рис. 4) поз. 1а, 2а, 3а, 4а, 5а, 6а, 7а, 8а с естественным выходным сигналом. Вторичный прибор – Метран-901, он также используется для индикации всех параметров, не требующих регулирования.

Для измерения давления используются датчики типа Метран-75, в взрывозащищенном исполнении и с унифицированным сигналом поз. 9а, 10а, 11а, 12а, 13а, 14а, 15а.

Для измерения и регистрации расхода газов на выходе из системы используются расходомеры переменного перепада давления типа Rosemount 3051SFC (поз. 16а, 17а), представленные на рисунке 5.

Для измерения и регулирования уровня в электролизерах, накопительном нагревателе и уравнительных баках используются волновые радарные уровнемеры типа Rosemount 5300 (поз. 15а, 18а, 19а, 20а), которые работают в связке с технологическим измерителем-регулятором Метран-961 (поз. 15б, 18б, 19б, 20б) и универсальным регулирующим клапаном типа Samson 3214 c встроенным преобразователем токового сигнала и электроприводом, представленным на рисунке 6. (поз 15в,г; 18в,г; 19в,г; 20в,г; 21в,г)

Для контроля чистоты газов, а также для системы аварийной защиты используются термокондуктометрические датчики водорода поз. 22а, 23а и термомагнитные кислорода поз. 26а. Данные датчики имеют невысокую точность и реагируют лишь на появление газа в трубопроводе, обеспечивая последующее перекрывание/открытие в процессе переключения между технологическими режимами. Кроме того, используются два полноценных газоанализатора – термокондуктометрический для водорода (GE XMTC) и термомагнитный для кислорода (GE XMO2) поз. 24а и 25а соответственно. Датчики обеспечивают дистанционную передачу сигнала на регуляторы Метран-961 (поз. 24б и 25б) и здесь также возможен сигнал блокировки/разблокировки на клапаны поз. 24в, 25в, в случае падения концентрации измеряемых веществ.

Для измерения плотности электролита используются вибрационные плотномеры типа ВП 804 поз. 27а, 28а, с унифицированным выходным сигналом.

Для измерения напряжения на электролитической ячейке используются вольтметры типа М42301 постоянного тока (поз. 29б, 30б), а для измерения напряжения питания накопительного нагревателя – вольтметр переменного тока типа Е311-1 (поз. 31б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе мы провели масштабное исследование технологического процесса, приобрели навыки в работе с специфическими источниками информации, а также овладели методами проектирования систем автоматического контроля и регулирования с использованием современных достижений науки и техники. Кроме того, были структурированы знания, накопленные в процессе изучения специальных дисциплин направления АТПП.

В ходе выполнения курсового проекта в соответствии с поставленным заданием была создана многофункциональная автоматизированная система регулирования, обеспечивающая безопасную эксплуатацию оборудования и протекание технологического процесса производства водорода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Справочник /Д. Ю. Гамбург, В. П. Семенов, Н. Ф. Дубовкин, Л. Н. Смирнова; Под ред. Д. Ю. Гамбург, Н. Ф. Дубовкин. – М.: Химия, 1989. – 672 с.

2. Якименко Л. М., Модылевская И. Д., Ткачек З. А. Электролиз воды. – М.: Химия, 1970. – 264 с.

3. Иоффе В. Б. Основы производства водорода. – Л.: ГОСТОПТЕХИЗДАТ, 1960. – 430 с.

4. Серебрянский Ф. З. Электролизеры для производства водорода и кислорода. Химическое и нефтеперерабатывающее машиностроение. – М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1969. – 49 с.

5. Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1974. – 464 с.

6. Макаренко В. Г. Схемы автоматизации. Учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию. ЮРГТУ (НПИ) – Новочеркасск, 1999. – 48 с.

7. Каталоги компании «МЕТРАН».

8. Фарзане Н. Г., Илясов Л. В., Азим-заде А. Ю. Технологические измерения и приборы. - М.: Высшая школа, 1989. – 465 с.

Код для цитирования: Скопировать