Введение. Как определить актуальность и поставить цели курсовой работы
В современной промышленности очистка газовых выбросов является не просто технологической необходимостью, а ключевым элементом экологической безопасности и экономической эффективности. Ежедневно промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу тонны загрязняющих веществ, что требует разработки и внедрения все более совершенных систем фильтрации. Актуальность этой темы продиктована ужесточением экологических норм и прямым влиянием эффективности очистки на рентабельность производства. Поэтому грамотно выполненная курсовая работа в этой области демонстрирует глубокое понимание как инженерных, так и глобальных задач.
Ключевая цель курсовой работы по данной теме — это изучение технологического процесса фильтрации газов, анализ функциональной схемы конкретной установки и обоснованный выбор технических средств ее автоматизации. Для достижения этой цели необходимо решить ряд последовательных задач:
- Изучить теоретические основы и физические принципы процесса фильтрации.
- Проанализировать существующие виды промышленных фильтров, выделив наиболее эффективные.
- Разработать и описать систему автоматизации для конкретной фильтрационной установки.
После того как цели и задачи определены, необходимо погрузиться в теоретическую базу, которая станет фундаментом для их решения.
Глава 1. Теоретический фундамент исследования систем фильтрации
1.1. Физические принципы процесса фильтрации газов
В основе процесса очистки газов лежит метод фильтрации — пропускание газового потока, содержащего взвешенные твердые частицы, через специальную пористую перегородку. Эта перегородка обладает ключевым свойством: она свободно пропускает молекулы газа, но задерживает на своей поверхности твердые загрязняющие частицы. Движущей силой всего процесса выступает разность давлений по обе стороны фильтрующей поверхности, которая заставляет газ проходить через поры материала.
Механизм задержания частиц многогранен. По мере прохождения запыленного газа через фильтр, твердые частицы оседают на его поверхности, формируя первичный осадочный слой. Этот слой, в свою очередь, сам становится частью фильтрующей системы, повышая общую эффективность очистки за счет уменьшения размера проходных пор. Таким образом, эффективность фильтрации со временем даже возрастает, однако это приводит к увеличению гидравлического сопротивления, что требует периодической очистки (регенерации) фильтра.
Следует четко разграничивать понятия «фильтрация» и «осаждение». В то время как осаждение (например, в циклонах) эффективно для улавливания крупных частиц под действием гравитационных или инерционных сил, фильтрование применяется для гораздо более тонкой очистки, позволяя улавливать мелкодисперсную пыль.
Поняв общие принципы, логично перейти к рассмотрению конкретных инструментов, которые реализуют этот процесс на практике.
1.2. Классификация и анализ фильтров с фокусом на тканевых системах
Промышленные фильтры классифицируются по множеству признаков: материалу перегородки (тканевые, керамические, металлические), принципу действия (механические, электростатические) и конструктивному исполнению. Однако наибольшее распространение в промышленности для тонкой очистки газов получили именно тканевые фильтры, чаще всего реализуемые в виде рукавных конструкций.
Рукавный фильтр представляет собой систему из одного или множества тканевых «рукавов», натянутых на металлические каркасы и размещенных в общем корпусе. Запыленный газ поступает внутрь корпуса, проходит через ткань рукавов, оставляя частицы пыли на их внешней или внутренней поверхности, а очищенный газ выводится из установки. Ключевое преимущество таких систем — чрезвычайно высокая эффективность. При правильном подборе материала и грамотной эксплуатации степень очистки газа в них достигает 98-99%, что позволяет соответствовать самым строгим экологическим стандартам.
Выбор материала для фильтровальных рукавов зависит от условий эксплуатации:
- Температура: используются как натуральные, так и синтетические волокна, способные выдерживать различные температурные режимы.
- Химический состав газа: материал должен быть устойчив к агрессивным компонентам в газовой смеси.
- Размер частиц пыли: плотность ткани подбирается для оптимального улавливания конкретного вида загрязнения.
Вооружившись теоретическими знаниями о принципах и видах фильтров, мы готовы перейти к практической части работы — применению этих знаний для решения конкретной инженерной задачи.
Глава 2. Проектная часть. Выбор средств автоматизации для установки фильтрации
2.1. Описание объекта исследования и постановка задачи
В качестве объекта исследования для проектной части рассмотрим установку очистки отходящих газов от печи обжига клинкера на цементном заводе. Эта система характеризуется следующими параметрами:
- Состав газа: отходящие газы с высоким содержанием цементной пыли.
- Концентрация пыли: высокая, требует эффективного улавливания.
- Температура: повышенная, что накладывает требования на материал фильтров и датчиков.
- Объемные расходы: значительные и могут быть неравномерными.
В данных условиях использование рукавного фильтра является технологически обоснованным решением. Однако для его стабильной и эффективной работы необходима надежная система автоматизации, которая будет поддерживать оптимальные параметры процесса и своевременно выполнять регенерацию фильтрующих элементов.
Таким образом, инженерная задача курсового проекта формулируется следующим образом: выбрать и технически обосновать комплекс средств автоматизации для управления установкой рукавного фильтра на цементном производстве. Система должна обеспечивать контроль ключевых технологических параметров и автоматически запускать циклы регенерации для поддержания производительности на заданном уровне. Теперь, когда у нас есть четкое описание установки и поставленная задача, мы можем приступить к ее решению — подбору конкретного оборудования.
2.2. Расчет и обоснование выбора технических средств
Процесс выбора комплекса средств автоматизации для рукавного фильтра можно разбить на несколько логических этапов, каждый из которых решает свою подзадачу.
- Выбор датчиков (средств контроля). Для мониторинга состояния установки необходимы:
- Датчик перепада давления: Это ключевой прибор в системе. Он измеряет разность давлений до и после фильтра. Рост этого показателя свидетельствует о загрязнении рукавов и является сигналом для начала цикла регенерации.
- Датчик температуры: Контролирует температуру входящего газа для предотвращения повреждения фильтровальной ткани и сигнализации о нештатных режимах работы печи.
- Датчик расхода газа: Позволяет отслеживать производительность установки и оптимизировать ее работу.
- Выбор исполнительных механизмов. Главный исполнительный механизм — система регенерации. Для импульсной продувки сжатым воздухом (наиболее распространенный метод) необходимо выбрать:
- Электромагнитные клапаны: Они должны обладать высоким быстродействием для создания короткого и мощного импульса сжатого воздуха, который эффективно стряхивает пыль с рукавов.
- Выбор управляющего контроллера. В качестве «мозга» системы оптимально использовать программируемый логический контроллер (ПЛК). Он позволяет гибко настраивать логику работы, обрабатывать сигналы с датчиков и управлять исполнительными механизмами. Выбор конкретной модели ПЛК зависит от количества входов/выходов и требуемой вычислительной мощности.
- Разработка алгоритма работы. Логика, закладываемая в ПЛК, должна быть простой и надежной. Основной алгоритм выглядит так: система непрерывно опрашивает датчик перепада давления. Когда значение достигает верхнего порогового уровня (заданного технологом), ПЛК запускает цикл регенерации — последовательно открывает электромагнитные клапаны, продувая ряды рукавов. После того как перепад давления снижается до нижнего порогового значения, цикл завершается.
После детальной проработки теоретических и практических аспектов необходимо подвести итоги и сформулировать выводы по проделанной работе.
Заключение. Формулируем выводы и результаты работы
В ходе выполнения курсовой работы была достигнута основная цель — изучен технологический процесс фильтрации газов и предложен комплекс средств автоматизации для его управления. Для этого были последовательно решены все задачи, поставленные во введении.
Основные выводы по работе можно сформулировать следующим образом:
- В теоретической части были изучены физические основы процесса фильтрации, основанные на разности давлений, и проанализированы его ключевые механизмы.
- В аналитической части была рассмотрена классификация промышленных фильтров и обоснован выбор тканевых рукавных фильтров как наиболее эффективного решения для тонкой очистки газов, обеспечивающего степень очистки до 99%.
- В проектной части был предложен и обоснован комплекс технических средств автоматизации для установки фильтрации на примере цементного производства. Выбраны ключевые датчики (перепада давления, температуры), исполнительные механизмы (электромагнитные клапаны) и управляющее устройство (ПЛК).
Таким образом, предложенное решение позволяет создать полностью автоматизированную, надежную и эффективную систему очистки промышленных газов, отвечающую современным технологическим и экологическим требованиям. Дальнейшее исследование темы может быть направлено на разработку адаптивных алгоритмов управления, учитывающих изменяющиеся свойства пыли и газового потока.
Список использованной литературы
- Голубятников В. А., Шувалов В. В., Автоматизация производственных процессов. 2-е изд. М.: Химия, 2009.
- Буртоликова З. Л., Александров И. А., Автоматика, автоматизация и АСУТП, Альбом структурно-логических схем к рабочей программе. М: ВЗПИ, 2010, Часть 2.
- Полоцкий Л. М., Лапшенков Г. И., Автоматизация химических производств. М.: Химия, 2012
- Шувалов В. В. и др. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. М: Химия, 2012
- Под ред. Дудникова Е. Г. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов. М.; Химия, 2014.