Поддержка принятия решений в управлении конденсатором аппарата вакуумной сепарации губчатого титана Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

дев, В.А. Маспобоев, Р.П. Серикова и др. // Бюл. Изобретений. - 1993. - № 20. - С. 53.

5. Серебренников В.В., Алексеенко А.Л. Курс химии редкоземельных элементов. - Томск: изд-

во Томского университета, 1986. - 181 с.

6. Яхонтова Е.Л., Петропавловский И.А. Кислотные методы переработки фосфатного сырья. -М.: Химия, 1988. - 288 с.

УДК 669.295.681.5

Кирин Юрий Петрович

кандидат технических наук, доцент Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Березниковский филиал, г. Березники [email protected]

Краев Сергей Львович

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Березниковский филиал, г. Березники [email protected]

ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В УПРАВЛЕНИИ КОНДЕНСАТОРОМ АППАРАТА ВАКУУМНОЙ СЕПАРАЦИИ ГУБЧАТОГО ТИТАНА

Проанализированы известные способы управления охлаждением конденсатора аппарата вакуумной сепарации губчатого титана. Рассмотрены особенности автоматизированного контроля стадий процесса сепарации. Предложен алгоритм поддержки принятия решений в управлении охлаждением конденсатора, учитывающий изменение тепловой нагрузки конденсатора на разных стадиях процесса сепарации.

Ключевые слова: губчатый титан, конденсатор, конденсат магния и хлорида магния, стадия процесса сепарации, водяное и воздушное охлаждение.

Процессы восстановления тетрахлорида титана магнием и последующей вакуум ной сепарации составляют основу промышленного производства губчатого титана. Процессы проводят в аппаратах восстановления и сепарации периодического действия. Экзотермическая реакция химического превращения:

ТіС14 + 2Mg = Ті + 2MgCl2 + 519 кДж .

После восстановления в реакторе остается спекшийся блок реакционной массы в виде титановой губки, пропитанной магнием и хлоридом магния. Вакуумная сепарация является основным промышленным способом очистки титановой губки от примесей магния и хлорида магния. Процесс основан на значительной разнице равновесного давления паров магния, хлорида магния и титана [1].

Очистку губчатого титана от примесей магния и хлорида магния проводят в аппарате сепарации, состоящем из герметично состыкованных друг с другом реактора и конденсатора. В аппарате создают вакуум и нагревают реактор с реакционной массой в шахтной электропечи. При этом примеси испаряются из реакционной массы, отгоняются из реактора в конденсатор и конденсируются на его внутренних стенках. В результате образуется конденсат, состоящий из магния и хлорида магния. Конденсат увлажняется и часто самовозгорается в контакте с воздухом при демонтаже аппарата сепарации. Скорость увлажнения и вероятность возгорания возрастают с увеличением удельной поверхности и содержания дисперсного магния. Поскольку конденсат является оборотным и используется в последующем цикле восстановления, то кисло-

род, содержащийся в продуктах увлажнения и горения, попадает в титановую губку и снижает ее качество. Одним из основных факторов, определяющих условия конденсации и структуру конденсата, является тепловой режим конденсатора, зависящий от скорости отгонки магния и хлорида магния и режима охлаждения поверхности конденсатора. В производстве губчатого титана применяют водяное и воздушное охлаждение, интенсивность которого задается на основании практического опыта технологом - лицом, принимающим решения (ЛПР) и не изменяется в ходе процесса сепарации. Это приводит к тому, что в конденсаторе во второй половине процесса возникают условия, благоприятствующие протеканию объемной конденсации и образованию тонкодисперсного конденсата, который легко увлажняется и воспламеняется в контакте с воздухом. На основании расчетных и экспериментальных данных установлено, что для получения плотного невозгораемого конденсата необходимо изменять интенсивность теплосъема с конденсатора на разных стадиях процесса. При этом интенсивность теплосъема определяется температурой конденсатора с помощью специально разработанной схемы расположения термопар на его внутренней и внешней поверхности. В начальной стадии процесса, в период интенсивной возгонки паров магния и хлорида магния, температура конденсатора повышается во всех точках измерения до 500600 0С. На этой стадии интенсивный теплосъем обеспечивается охлаждением поверхности конденсатора водой. Во второй половине процесса, когда количество поступающих в конденсатор паров

© Кирин Ю.П., Краев С.Л., 2013

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 1, 2013

29

Начало

Контроль наличия напряжения на нагревателях

Измерение регулирующих воздействий в зонах нагрева реактора

нет Регулирующие воздействия достигли

установившихся

значений?

да I

—► Измерение Ттек

нет Ттек _ Тзад

Отключение напряжения с нагревателей реактора

Конец

Рис. 1. Алгоритм управления продолжительностью вакуумной сепарации

уменьшается, температура конденсатора в точках измерения снижается до 200-250 0С. Интенсивность теплосъема на этой стадии процесса снижают переходом с водяного на воздушное охлаждение конденсатора. В результате проведенных исследований рекомендован к промышленному внедрению режим охлаждения, учитывающий изменение тепловой нагрузки конденсатора на разных стадиях процесса и снижающий вероятность объемной конденсации паров магния и хлорида магния [2].

Однако в промышленных условиях не удалось реализовать такой режим охлаждения из-за сложности измерения температуры поверхности конденсатора [3].

Практическая реализация предложенного режима охлаждения конденсатора возможна путем поддержки принимаемых ЛПР управленческих решений в автоматизированной системе управления продолжительностью вакуумной сепарации, функционирование которой основано на информации о продолжительности отдельных стадий процесса [4]. Необходимость управления продолжительностью вакуумной сепарации обусловлена следующими обстоятельствами.

Эффективность вакуумной сепарации оценивают по остаточному содержанию хлора в губчатом титане, которое по окончании процесса не должно превышать 0,08-0,12%. На ход процесса сепарации в промышленном производстве оказывает влияние большое число факторов. Из-за нестабильности технологических режимов процессов восстановления на сепарацию поступают блоки реакционной массы различного состава, структуры, конфигурации. Изменчивы и условия проведения процессов сепарации. Влияют исходная температура блоков реакционной массы, начальная температура печей сепарации, параметры процесса конденсации магния и хлорида магния, вакуумный режим сепарации, мощность нагревателей аппаратов. Эти факторы не поддаются учету и измерению и по-разному влияют на протекание каждого отдельного процесса. Из-за отсутствия точных и надежных методов контроля окончания сепарации продолжительность каждого процесса устанавливают одинаковой с момента достижения стенкой аппарата рабочей температуры. Это приводит к снижению производительности сепарации и повышению энергозатрат на проведение процессов. Необходим критерий окончания процессов сепарации, который позволил бы установить такую минимально возможную продолжительность каждого индивидуального процесса, при которой содержание хлора в губчатом титане не превышает заданных техническими условиями значений [3].

В производстве губчатого титана используется автоматизированная система управления, в которой для более точного определения момента окончания процесс сепарации разделяют на две основные стадии [5]:

- отгонка из титановой губки в конденсатор основного количества магния и хлорида магния;

- прогрев титановой губки до температуры 940960 0С с отгонкой в конденсатор незначительного количества оставшихся примесей (около 2% от общего их количества).

Автоматизированное управление продолжительностью вакуумной сепарации осуществляется следующим образом (рис. 1).

Реактор имеет три или более зон нагрева. В ходе процесса сепарации температура в зонах нагрева реактора поддерживается на заданных уровнях автоматическими регуляторами. Начало процесса

Рис. 2. Алгоритм поддержки принятия решений в управлении охлаждением конденсатора аппарата сепарации

контролируют по моменту подачи напряжения на нагреватели зон реактора. Особенность контроля продолжительности первой стадии состоит в том, что и процессе отгонки из титановой губки в конденсатор магния и хлорида магния изменяются регулирующие воздействия регулятора температуры в зонах нагрева реактора. По окончании отгонки основной массы примесей регулирующие воздействия в зонах нагрева достигают установившихся значений и остаются практически постоянными до конца процесса сепарации. Так, например, в двухпозиционных регуляторах температуры в качестве регулирующих воздействий используется

время включения и выключения нагревателей зон реактора, в импульсных позиционных регуляторах - скважность включения нагревателей зон реактора [5]. Измерение и анализ регулирующих воздействий позволяют определить продолжительность и момент окончания стадии отгонки из титановой губки в конденсатор основного количества примесей.

Продолжительность второй стадии определяют расчетным или экспериментальным методами и устанавливают постоянной для аппаратов данной цикловой производительности. Продолжительность этой стадии контролируют по времени в соответ-

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 1, 2013

31

ствии с условием Т = Т , где Т - текущее вре-

^ тек зад тек ^ А

мя сепарации, Тзад - заданная (расчетная) продолжительность стадии прогрева. При выполнении этого условия процесс сепарации заканчивают путем отключения напряжения с нагревателей зон реактора.

В работе [6] установлено, что момент окончания отгонки из титановой губки основной массы примесей соответствует периоду конденсации их паров при температуре конденсатора 200-250 0С.

Тогда с учетом имеющейся в автоматизированной системе информации о стадиях процесса алгоритм управления охлаждением конденсатора может быть представлен в следующем виде (рис. 2). Информационная поддержка принимаемых ЛПР управленческих решений состоит в выдаче сообщений о включении водяного охлаждения конденсатора в начале сепарации и о переходе с водяного на воздушное охлаждение конденсатора по окончании отгонки из титановой губки основной массы примесей.

Предложенный алгоритм поддержки принятия решений может быть реализован в действующем АРМ оператора участка сепарации и использован для совершенствования режима охлаждения конденсатора аппарата сепарации.

Библиографический список

1. ТарасовА.В. Металлургия титана. - М.: ИКЦ «Академкнига». 2003. - 328 с.

2. Мальшин В.М., Черепанова Е.А., Андреев А.Е. и др. О тепловом режиме при вакуумной сепарации магниетермической реакционной массы // Цветные металлы. - 1981. - № 7. - С. 60-62.

3. Кирин Ю.П., Беккер В.Ф., Затонский А.В. Совместное проектирование технологии и системы управления вакуумной сепарацией губчатого титана. - Пермь: ПГТУ, 2008. - 124 с.

4. Кирин Ю.П. Информационная поддержка управления технологическими процессами производства губчатого титана // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2009. -№ 11 - С. 7-10.

5. Кирин Ю.П., Затонский А.В., Беккер В.Ф., Бильфельд Н.В. Критерий окончания процесса вакуумной сепарации губчатого титана // Автоматизация и современные технологии. - 2008 - № 6. -С. 6-9.

6. А.с. 1231894 СССР. Система автоматического управления процессом вакуумной сепарации губчатого титана / Ю.П. Кирин, Ю.А. Протасов, С.В. Мушков и др. - Опубл. в БИ, 2000. - № 19.