PROIECT DIPLOMA CHIMIE - TEHNOLOGIA TOLBUTAMIDULUI - Sa se proiecteze o instalatie de obtinere in flux discontinuu a tolbutamidului de puritate 99,3% cu o capacitate de 317 t/an

TEHNOLOGIA TOLBUTAMIDULUI

Sa se proiecteze o instalatie de obtinere in flux discontinuu a tolbutamidului de puritate 99,3% cu o capacitate de 317 t/an.

INTRODUCERE

IMPORTANTA TEMEI, ISTORIC, NOMENCLATURA, STRUCTURA

Tolbutamidul este o sulfoniluree care face parte din clasa hipoglicemiantelor administrare pe cale orala. Antidiabeticele se pot clasifica in doua mari grupe:

-sulfamide antidiabetice;

-derivati de biguanidina.

In perioada 1920-1930, au existat incercari de a se face tratamentul oral al diabetului zaharat cu Syntalina A si B, la care s-a renuntat din cauza efectelor secundare grave provocate de aceasta. In 1942 se constata intamplator ca o sulfamida folosita in tratamentul febrei tifoide provoaca hipoglicemie, uneori chiar mortala. Urmatoarele cercetari experimentale realizate au demostrat actiunea antidiabetica a unor preparate medicamentoase, care se pot administra pe cale orala; din 1955 au fost introduse in practica clinica.

Problema folosirii sulfamidelor in tratamentul diabetului zaharat dateaza din 1942, cand 'Marcel Janbon' in Frata, administrand p-aminobenzen-sulfamido-izopropil in tratamentul febrei tifoide, constata ca acest preparat are o actiune hipoglicemianta.

Denumirea cea mai curenta a acestui tip de preparate antidiabetice era aceea de derivati de sulfoniluree, mai recent insa se considera ca denumirea cea mai corecta este de sulfamide antidiabetice:

-derivati de sulfatiadiazol: glibutiazol (Glipasol)

-derivati de sulfonoluree: carbutamida (Bucarban), tolbutamid (Tolbutamid), clorpropamida (Diabinese), fenbutamida, gliciclamida (Cicloral), glibenclamida (Daonil)

-derivati de sulfadiazine: glicodiazina (Redul).

Tolbutamida cu diversele ei denumiri comerciale prezinta un timp de injumatatire de 4 ore si o doza de intretinere de 0.5-2.0 g in 24 de ore.

Cele mai multe din concluziile cercetarilor experimentale asupra modului de actiune al sulfamidelor antidiabetice, efectuate de Loubatieres in 1942-1946, au ramas in general valabile pana astazi, el fiind si primul care a constatat ca efectul hipoglicemiant al sulfamidelor antidiabetice se datoreaza in primul rand actiunii simulatoare, pe care ele o exercita asupra celulelor 'beta' din pancreasul endocrin [1].

Formula structurala:

Sulfamidele reprezinta, cu exceptia antibioticelor, clasa de substante medicamentoase care a reprezentat cel mai mare success chimioterapeutic si datorita ridicatei activitati antimicrobiene si a spectrului larg care cuprinde coci gram-negativi si gram-pozitivi. De asemenea, s-a evidentiat faptul ca unele sulfamide au actiune diuretica, hipoglicemica, iar altele inhiba anhidraza carbonica. Toate aceste efecte terapeutice au revitalizat cercetarea in domeniu si au condus la cresterea productiei sulfamidelor.

Aparitia sulfamidelor poate fi considerata ca o consecinta a cercetarilor diferitilor cercetatori precum Paul Ehrlich, care a incercat sa obtina medicamente bactericide din clasa materiilor colorante. El a preparat un derivat de acridina 'acriflavina', cu actiune tripanocida si bactericida. De asemenea, Morgenroth obtine 'etacridina', tot un derivat de acridina, cu puternica actiune bactericida.

Tot in aceeasi perioada apar lucrarile lui Horlein, care demonstreaza ca dintre materiile colorante, derivatii azoici ce contin in molecula lor gruparea sulfamil -SO₂NH₂ se impregneaza mai puternic pe lana fiind rezistente la lumina si la spalare, datorita unor legaturi chimice mai puternice intre aceasta grupare si lana, care este tot o materie proteica. Consecvent ideeilor sale, Horlein prepara primul colorant, derivat azoic cu grupare sulfamil, supramina, cu actiune asupra infectiilor streptococice experimentale.

Sulfamidele nu sunt bactericide decat in concentratii mari, de obicei intre 3-18 mg %, cand sulfamidele sunt bacteriostatice, impiedicand dezvoltarea bacteriilor sau a altor microorganisme patogene.

Sulfamidele au fost folosite si pentru obtinerea unor materiale fototermografice cu buna stabilitate la depozitare si caracteristici de dezvoltare bune [1].

Sulfamidele sunt combinatii cristaline care pot fi folosite cu succes ca derivati pentru identificari analitice, dar si pentru caracterizarea acizilor sulfonici si a hidrocarburilor aromatice [1].

In urma cercetarilor efectuate s-a demonstrat ca sulfamidele au si proprietati de regulatori de crestere. Este posibil ca acesti regulatori sa actioneze asupra metabolismului plantei determinand cresterea, prin modificarea proceselor fizico-chimice ale fotosintezei, stimularea fixarii azotului, cresterea absorbtiei ionilor minerali [1].

Ca exemple de sulfonamide cu proprietati de regulatori de crestere putem aminti:

a) Tioacetatii cu proprietati de erbicide, cu putere suplimentara in actiunea de distrugere a

buruienilor, cu structura chimica:

b) Fluoroanilide-cunoscute ca erbicide netoxice pentru pesti, cu structura chimica:

c) Sulfonamidele cu efecte erbicide la germinatie si crestere pentru buruieni, cu structura chimica:

Sulfonamidele sunt substante de culoare alba, cristaline, bine caracterizate prin proprietatiile lor fizico-chimice, cu puncte de topire nete, sunt relativ putin solubile in apa, solubile in solventi organici, acetone fiind unul dintre cei mai buni [3].

Se considera in general ca sulfonamidele sunt substante stabile, insa in unele conditii, destul de blande, ele se pot descompune. Astfel, daca se trece un curent de aer timp de doua ore asupra sulfonamidelor la 37^oC si pH= 8, majoritatea acestora sufera alterari care se pot pune usor in evidenta prin cromatografie pe hartie sau in strat subtire, iar substantele izolate din cromatograme se pot determina pe cale spectrofotometrica in IR [4].

CAPITOLUL I.

MEMORIU TEHNIC

I.1. STUDIU DE LITERATURA PE TEMA IMPUSA

I.1.1.

FISA TEHNICA

Denumire tehnica: Tolbutamid

Denumire comerciala: Tolbutamid

Artosin, Diaval, Rastinon

Butamid

Tolglybutamidum

Rastinon-Hoechst

Ornase

Dolipol

Denumire stiintifica: N-p-Tolisulfonil-N'-n-butilcarbamida

Masa moleculara: M = 270 g/mol

Formula structurala:

Siguranta: 26-36/37/39.

Risc: 20/21/22-40-43.

RTECS: YS4550000

Ambalare: in pastile de 0.5 g si in flacoane de plastic 50 buc/ flacon.

Transport: rutier, maritim, feroviar, aerian.

Depozitare: in locuri uscate.

Utilizari: medicament hipoglicemiant.

I.1.2. METODE DE OBTINERE

Obtinerea tolbutamidului [1-butil-3-(p-toluensulfonil)-uree] se face prin reactia de condensare a unei sulfonamide aromatice (TSA) cu uree in mediu bazic,urmata de introducerea restului de n-butil in mediu acid. Reactiile secundare sunt putine dar, in vederea obtinerii puritatii dorite a produsului final si prin valorificarea caracterului acid al azotului din gruparea sulfonamidica, etapele intermediare prevad si operatii de purificare, fara pierderi semnificative de randament [1,6,14,15].

1. Obtinerea si purificarea p-toluensulfonamidei (TSA):

Reactii secundare

Condensarea p-toluensulfamidei (TSA) cu uree si purificarea p-toluensulfonilureei

(TSU):

Reactii secundare:

Condensarea p-toluensulfonureei (TSA) cu n-butilamina (obtinerea si purificarea

tolbutamidului (TBA):

Reactii secundare:

I.1.3. METODE SPECIFICE DE CARACTERIZARE SI ANALIZA

I.1.3.1. PROPRIETATI FARMACOLOGICE SI FIZICO-CHIMICE

PROPRIETATI FARMACOLOGICE

De remarcat ar fi ca: sulfamidele antidiabetice au rezultate bune in cazul organismelor diabetice cu greutate normala sau numai usor crescuta, in schimb derivatii de biguanidina sunt specifici diabetului obez.

Mod de actiune: actiunea hipoglicemianta se exercita in primul rand prin efectul cunoscut al derivatilor de sulfoniluree, adica cresterea secretiei, eventual a sintezei de insulina, de catre celulele 'beta' ale endopancreasului.

Metabolism: tolbutamidul este metabolizat si inactivat in ficat. Gruparea -CH₃ din pozitia para este oxidata si transformata in -COOH. Aceasta transformare are drept consecinta disparitia proprietatii hipoglicemiante iar derivatul oxidat inactiv este eliminat rapid prin rinichi, ceea ce explica timpul de injumatatire scurt de 4 ore, fapt care obliga la fractionarea dozei zilnice in 2-3 prize, pentru a se obtine un nivel plasmatic eficient de 5-9 mg%.

Mod de administare: doza initiala maxima va fi de 2-3 g in raport cu gradul tulburarii metabolismului glucidic. Doza de intretinere este de 1-2 g/zi.

Indicatii si contraindicatii: este indicat in cazul diabetului zaharat si este contraindicat a se depasi doza de 4 g/zi.

Reactii adverse: tulburari digestive, cutanate si hemoglobice.

Alte substante cu aceeasi actiune la care modul de administrare este acelasi, sunt: cloropropamide, glimepiridime, glipizide, gliburide, talozamide, repaglinide si nateglinide.

Doza letala la soarece este: DL₅₀= 1800 mg/kg corp, administrat oral si 1500 mg/kg corp administrat subcutanat [1].

PROPRIETATI FIZICO-CHIMICE

Se prezinta ca o pulbere cristalina alba, fara miros si fara gust, usor solubila in acetona, solubila in alcool si cloroform, practic insolubila in apa, se dizolva in acizi minerali diluati si in solutii de hidroxizi alcalini. Punctul de topire este de 126-129^oC.

I.1.3.2. UTILIZARILE PRODUSULUI

Tolbutamidul este folosit [4,11,14,15] in industria de medicamente si in industria organica de sinteza. Este o sulfamida de actiune hipoglicemianta care se administreaza oral, este indicata in diabetul zaharat, care necesita cantitati mici de insulina in special la unele persoane in varsta.

Se adminstreaza sub forma de comprimate de 0.5 g iar tratamentul se face sub control medical.

I.1.3.3. METODE DE ANALIZA

Datorita caracterului lor amfoter pot fi usor separate din solutii acide sau bazice cu o solutie concentrata de acetat de sodiu sau cu un amestec de acid aceti-acetat. Dizolvanti buni pentru sulfonamide sunt acetona si piridina. Sunt greu solubile sau insolubile in apa, eter, cloroform, benzen, eter de petrol, alcool etilic.

I.1.3.3.1. REACTII DE IDENTIFICARE

a) Reactii de hidroliza cu acizi minerali

Prin hidroliza cu HCl 25%, H₂SO₄ 80% sau H₃PO₄ 85%, sulfonamidele se scindeaza in acizi sulfonici corespunzatori si ammoniac sau amine.

Mod de lucru: intr-un balonas se introduc 2 ml  H₂SO₄ conc., 10 picaturi de H₂O si apoi 2 ml H₃PO₄ 85%. Se adauga 1-1.5 g sulfonamida si se incalzeste treptat la 160^oC timp de 5-10 minute, pana la dizolvare completa. Dupa racirea solutiei vascoase, i se adauga 12-15 ml H₂O si sub racire, NaOH 25-30% in mici portiuni pana la reactie alcalina.

Pentru identificare, componenta bazica-amina se extrage cu eter, se evapora eterul iar reziduul se reia cu 1 ml HCl 20% dupa care se adauga putin carbune aminal si se incalzeste la fierbere. Dupa alcalinizarea solutiei se identifica amina. Solutia ramasa dupa extractia cu eter se introduce intr-o capsula; dupa adaugarea de carbune aminal se concentreaza la un volum de 1 ml si se filtreaza fierbinte. Dupa neutralizarea filtratului se pune in evidenta acidul sulfonic cu sare de S-benzil-izotiuroniu.

Observatie: [H⁺]: HCl 25%, H₂SO₄ 80%, H₃PO₄ 85%

-identificarea grupei - SO₃^-

b) Reactia cu acid azotic, azotat de potasiu sau apa oxigenata

Se introduc 0.2 g substanta in 3 ml acid azotic, se fierb 5 minute, se dubleaza volumul solutiei prin adaugare de apa si se identifica ionul SO₄^-2.

c) Identificarea cu derivati xantilici

Xanthidrolii reactioneaza cu sulfonamidele dupa reactia:

-in cazul tolbutamidului:

Se agita energic un amestec de 10 ml acid acetic glacial, 200 ml xanthidrol si 200 mg sulfonamida timp de 2-3 minute intr-un vas bine inchis. Dupa izolare precipitatul se recristalizeaza din dioxan-apa 3:1 si se determina punctul de topire.

d) Reactia de culoare [9]

Se dizolva sulfonamida intr-o cantitate mica de acid clorhidric si se adauga o solutie de 10% p-dimetilaminobenzaldehida in HCl. Apare o coloratie portocalie si se depune un precipitat portocaliu.

e) Tolbutamidul se identifica prin diferite reactii.

Prin diazotarea functiei amine aromatice cu acid azotos, cuplarea cu β-naftol se obtine o coloratie si un precipitat rosu inchis.

O solutie alcalina de tolbutamid in prezenta de ioni de cupru formeaza un precipitat violet-cenusiu.

Prin fuziune se percepe mirosul de amoniac, anilina si hidrogen sulfurat in timp ce reziduul se coloreaza in brun-roscat.

O solutie de tolbutamid in mediu de acid clorhidric diluat, depune in prezenta unei solutii saturate de acid picric, cristale aciculare prismatice de picrat, cu p.t.= 196-198^oC.

I.1.3.3.2. METODE DE DOZARE

a) Metoda gravimetrica

Se introduc 0.2-0.3 g substanta intr-un balon cu fund plat de 500 ml si se adauga 10-15 ml H₂O₂ 30%. Dupa o slaba agitare se adauga 5 picaturi dintr-o solutie de clorura ferica si se incalzeste. Se desfasoara o reactie cu puternica degajare de gaz si formare de spuma. Sub agitare si fara o continua incalzire se asteapta terminarea reactiei, se raceste si se adauga o solutie diluata de NaOH in picaturi pana cand hidroxidul feric initial precipitat se dizolva. Se mai adauga 10 ml H₂O₂ 30% si 2-3 picaturi dintr-o solutie de clorura ferica si se incalzeste. Solutia se tulbura cu formarea de compusi bazici ai fierului. Se fierbe pana cand se distruge excesul de H₂O₂ si dupa adaugarea a 10 ml HCl 12.5% solutia se limpezeste. Se raceste, se adauga 1 g azotit de sodiu, dupa dizolvare se lasa putin la rece si apoi se fierbe usor pentru indepartarea vaporilor nitrosi. Se dilueaza cu apa, se precipita in mod curent cu clorura de bariu si se dozeaza ionul -SO₄^-2 ca BaSO₄.

b) Metoda volumetrica

Intr-un pahar Erlenmeyer de 100 ml se cantaresc 100 g sulfonamida, se adauga 10 ml de HCl 25%, 10 ml CH₃COOH 96%, 1 g KBr si 1.5 ml H₂O. Dupa dizolvare se titreaza sub agitare cu KBrO₃ 0.1N pana la coloratia galbena a bromului. La 1 ml KBrO₃ 0.1N corespund 4.305 mg sulfanilamida, 5.356 mg sulfanilacetamida, 5.831 mg sulfaniluree, 5.807 mg sulfanilguanidina, 6.958 mg sulfadimetilpirimidina, 4.255 mg sulfatiazol, 7.109 mg sulfaetiltiadiazol. Aceasta metoda nu este generala si este determinata de prezenta grupelor arilamino in molecula substantei.

c) Titrare cu metoxid de sodiu

Metoda generala de dozare a sulfonamidelor se bazeaza pe titrarea aciditatii grupei -SO₂-NH- cu CH₃O^-Na⁺ reactiv. Aproximativ 6 g Na se spala cu CH₃OH anhidru si se dizolva imediat in 100 ml alcool metilic anhidru. Solutia este protejata de CO₂ in timpul prepararii si racita in apa daca reactia este prea energica. Dupa dizolvarea sodiului se adauga 150 ml CH₃OH si 1500 ml benzen anhidru. Reactivul se pastreaza in sticle de borosilicat la adapost de actiunea CO_2. Titrul solutiei ~0.1N se stabileste fata de acid benzoic p.a., dizolvat in dimetilformamida (produs tehnic).

Mod de lucru: intr-un pahar de 50 ml se cantareste o cantitate convenabila de sulfonamida, se dizolva in 10-20 ml dimetilformamida sau butilamina (puritate tehnica). Se adauga ca indicator azoviolet (p-nitrobenzen-azorezorcina, solutie saturata in benzen anhidru), se acopera paharul cu un carton prevazut cu un orificiu prin care patrunde biureta si se titreaza cu CH₃O^-Na⁺ 0.1N.

In timpul titrarii solutia se agita cu un agitator magnetic.

Conform "Farmacopeea Romana", determinarea cantitativa se face cu o solutie de NaOH 0.1N pana la coloratie albastra a timolftaleinei.

Literatura de specialitate indica numeroase metode de analiza ca de ex.: metode colorimetrice, titrare cu azotit de sodiu, titrare argentometrica, metode cromatografice si altele.

I.2. PROCEDEE INDUSTRIALE DE OBTINERE

I.2.1.1. CHIMISMUL PROCESULUI

Obtinerea tolbutamidului [1-butil-3-(p-toluensulfonil)-uree] se face prin reactia de condensare a unei sulfonamide aromatice (TSA) cu uree, in mediu basic, urmata de introducerea restului de n-butil, in mediu acid. Reactiile secundare sunt putine dar, in vederea obtinerii puritatii dorite a produsului final si prin valorificarea caracterului acid al azotului din grupare sulfonamidica, etapele intermediare prevad si operatii de purificare, fara pierderi semnificative de randament.

1. Obtinerea si purificarea p-toluensulfonamidei (TSA)

Reactii secundare:

2. Condensarea p-toluensulfamidei (TSA) cu uree si purificarea

p-toluensulfonilureei (TSU)

Reactii secundare:

3. Condensarea p-toluensulfonilureei (TSA) cu n-butilamina (obtinerea si

purificarea tolbutamidului (TBA))

Reactii secundare:

I.2.1.2. CARACTERIZAREA MATERIILOR PRIME SI A

INTERMEDIARILOR [12]

Tab. 1. Caracteristicile materiilor prime

I.2.1.3. SCHEMA FLUXULUI TEHNOLOGIC

I.2.1.4. DESCRIEREA PROCESULUI TEHNOLOGIC

In reactorul emailat (1) prevazut cu agitator tip ancora se introduc 350 kg clorura de tosil tehnica 85% si 600 L apa din retea masurati cu rotametrul (2). Se porneste agitarea care se mentine ~20 min. Sub agitare continutul reactorului (1) se aduce pe filtrul Nutsche (3) prevazut cu o tesatura rezistenta la mediu acid. Precipitatul de pe filtru se spala cu ~100 L apa introdusi prin reactorul (1). Filtratul final trebuie sa aiba pH= 6-7. Precipitatul de clorura de tosil spalat se descarca de pe filtrul (3) si se incarca manual in reactorul (2) spalat in prealabil.

In reactorul (2) emailat, prevazut cu manta de incalzire-racire, termometru imersat in masa de reactie, se pompeaza din rezervorul (4) cu o pompa centrifuga (5) o cantitate de 208.80 kg (229L) NH₃ sol.25%, masurata in vasul de masura (6). Se porneste agitarea in reactor si admisia aburului in mantaua de incalzire mentinand temperatura de 45-50^oC timp de 4 ore. Se opreste admisia aburului si se porneste apa de racire. Se aduce masa de reactie la temperatura ambianta. Sub agitare continua suspensia de TSA bruta se trece pe filtrul Nutsche (3). Filtratul este dirijat in sistemul de canalizare chimic impura. Precipitatul de TSA brut se descarca manual si se trece inapoi in reactorul (2) in care se mai introduce o cantitate de 304 kg (247.15 L) sol.NaOH 20% din rezevorul (7) cu pompa centrifuga (8) din vasul de masura (9). Se porneste agitarea si prin admisia aburului in manta se incalzeste continutul reactorului la 30-40 ^oC pana la dizolvarea completa a produsului solid. Se introduc 2.7 kg C activ si se continua agitarea inca 10 min. Se intrerupe admisia aburului de incalzire si se raceste continutul reactorului la temperatura ambianta. Sub agitare suspensia din reactor este trecuta prin filtrul lentila (10) iar filtratul este colectat in vasul tampon (11). Din rezervorul (13) cu ajutorul pompei centrifuge (14) prin vasul de masura (15) se introduc 540 kg (540L) HCl 10%. Se porneste agitarea in reactor si se verifica pH-ul sa fie 6-7. Dupa terminarea precipitarii, suspensia de TSA este adusa sub agitare pe filtrul Nutsche (3) spalat in prealabil. Dupa caz precipitatul se mai spala pe filtru cu apa pana la pH neutru. Filtratul se trece la canalizarea chimic impura. Precipitatul se descarca manual de pe filtrul (3) si se trece in dulapul de uscare (16) prevazut cu tavi si circulatie fortata a aerului incalzit pana la 80^oC cu o baterie de calorifere cu aburi.

In reactorul (17) emailat, prevazut cu agitator tip ancora, manta de incalzire-racire si termometru imersat in masa de reactie se introduc din rezervorul (18) 514 kg (595.60 L) toluen 98% cu pompa centrifuga (19) masurat in vasul de masura (20), 240 kg TSA uscat (~6% apa) si 131 kg (90.97 L) NaOH 40% din rezervorul (21) cu pompa centrifuga (22) masurat in vasul de masura (23). Se porneste agitarea, admisia aburului de incalzire in mantaua reactorului. Amestecul din reactorul (17) este refluxat timp de o ora timp in care azeotropul toluen-apa va condensa in schimbatorul de caldura (24). Condensatul din schimbator trece in separatorul florentin (25) unde are loc separarea fazei toluenice de cea apoasa. Faza toluenica se introduce in reactorul (17) sub forma de toluen recuperat iar faza apoasa cu urme de toluen este dirijata spre sistemul de canalizare chimic impura. In final temperatura trebuie sa ajunga la ~ 111 ^oC pentru scoaterea intregii cantitati de apa sub forma de azeotrop toluen-apa. Cand s-a eliminat apa din reactorul (17) se opreste admisia aburului in manta si se da drumul apei de racire pana la temperatura de 50 ^oC fara a opri agitarea. Odata ce masa de reactie a ajuns la aceasta temperatura, se introduc manual 94.5 kg uree si regimul se va mentine ~5 h. Dupa acest timp p-toluensulfonilureea se izoleaza ca sare de sodiu la partea inferioara a reactorului (17) iar partea superioara va constitui faza toluenica. Faza apoasa (p-toluensulfonilureea) va trece in vasul tampon (26) prin robinetul de golire. Faza apoasa de p-toluensulfonilureea se va pompa cu pompa centrifuga (27) in reactorul (17), spalat in prealabil. In reactorul (17) continand faza apoasa de p-toluensulfonilureea se incarca manual, sub agitare 3 kg C activ pentru decolorare. Se porneste agitarea si amestecul decolorat se va trece in vasul tampon (26) peste filtrul lentila (28) prin robinetul de golire. Sarea de sodiu a p-toluensulfonilureei se va trece in reactorul (17) prin pompa centrifuga (27) pentru precipitarea cu 47 kg HCl sol. 10% pompati din rezervorul (29) cu pompa centriguga (30). In urma precipitarii se va actiona robinetul de golire in vederea filtrarii precipitatului pe filtrul Nutsche (32) aflat sub vid. Precipitatul de TSU se va spala cu ~500 L apa din retea pe filtrul Nutsche (32). Filtratul se trece la canalizarea chimic impura. Precipitatul se descarca manual de pe filtru si se trece in uscatorul dulap unde temperatura nu trebuie sa depaseasca 80^oC.

In reactorul emailat (34) prevazut cu agitator tip ancora, manta de incalzire-racire si termometru imersat in masa de reactie se introduc 94 kg n-butil 98% din rezervorul (35) cu pompa centrifuga (36), 250 kg (289.68 L) toluen 98% din rezervorul (38) cu pompa centrifuga (39) si 133 kg (72.30 L) H₂SO₄ 98% din rezervorul (41) cu pompa centrifuga (42). In urma formarii sulfatului de n-butilamina se incarca manual p-toluensulfonilureea si se incalzeste in continuare la temperatura de 102-105^oC prin admisia aburului in manta. Sub agitare se mentin aceeasi parametri de reactie pana la conversia totala a p-toluensulfonilureei. Dupa terminarea reactiei si racirea masei de reactie la 40-45 ^oC se separa faza toluenica cu continut de tolbutamid de cea apoasa din partea inferioara a reactorului. Dupa separarea celor 2 faze, faza toluenica este tratata cu 170 kg (186.81 L) NH₃ sol.25% di rezervorul (44) adusa in vasul de masura (46) cu ajutorul pompei centrifuge (45). Faza apoasa a sarii de TBA se colecteaza in vasul tampon (47) si cu pompa centrifuga (48) se introduce solutia apoasa a TBA sarea de amoniu in reactorul (34) pentru decolorarea acesteia cu 3.5 kg C activ. In urma decolorarii, turta de carbune epuizat se filtreaza pe filtrul lentila (49) iar solutia de TBA sare de amoniu decolorata se colecteaza in vasul tampon (47). Dupa aceasta faza se precipita TBA sare de amoniu prin incarcarea acesteia in reactorul (34) cu pompa centrifuga (48). Precipitarea se realizeaza cu 803 kg sol.HCl 10% incarcata in reactorul (34) din rezervorul (50) adusa in vasul de masura (52) cu pompa centrifuga (51). Adaugarea solutiei HCl 10% din vasul de masura (52) se realizeaza in fir subtire sub agitare la temperatura de 50-55 ^oC pana la pH= 3-4. Dupa atingerea acestui pH masa de reactie se raceste la 20-25 ^oC. Masa de reactie se filtreaza pe filtrul Nutsche (53). Precipitatul se spala pe filtru cu ~500 kg (500 L) apa. Filtratul se dirijeaza spre canalizarea chimic impura, iar precipitatul umed se trece manual in uscatorul dulap la care temperatura nu trebuie sa depaseasca 80^oC.

Tab. 2. Fazele procesului tehnologic si randamentul pe faze

I.2.1.5. BILANTUL DE MATERIALE

A. SPALARE-FILTRARE-Materiale intrate η= 87.88%

Materiale iesite

B. AMIDAREA TSCl 95%-Materiale intrate

Materiale iesite

C. PURIFICAREA TSA-Materiale intrate η= 95%

Materiale iesite

D. USCAREA TSA PUR-Materiale intrate

Materiale iesite

E. ANHIDRIZAREA MASEI DE REACTIE-Materiale intrate

Materiale iesite

F. CONDENSAREA TSA^-]Na⁺ CU UREE-Materiale intrate η= 93%

Materiale iesite

G. EXTRACTIE-Materiale intrate η= 95%

Materiale iesite

H. FILTRARE TSU^-]Na⁺ -Materiale intrate

Materiale iesite

I. PRECIPITAREA TSU^-]Na⁺ -Materiale intrate η= 99%

Materiale iesite

J. FILTRAREA TSU-Materiale intrate η= 98%

Materiale iesite

K. SPALARE FILTRARE TSU-Materiale intrate η= 99%

Materiale iesite

L. USCAREA TSU-Materiale intrate η= 100%

Materiale iesite

M. PREPARAREA SARII DE n-BuNH₃⁺]SO₃^-H -Materiale intrate η= 100%

Materiale iesite

N. CONDENSAREA TSU CU n-BuNH₃⁺]SO₃^-H -Materiale intrate

Materiale iesite

O. OBTINEREA SARII TSU-Bu^-]NH₄⁺ -Materiale intrate η= 97%

Materiale iesite

P. DECOLORARE CU C_activ -Materiale intrate η= 99%

Materiale iesite

R. PRECIPITAREA TBA-Materiale intrate

Materiale iesite

S. FILTRARE SPALARE TSU-Bu -Materiale intrate η= 98%

Materiale iesite

T. USCARE TSU (brut)-Materiale intrate η= 100%

Materiale iesite

Notatii:

TSCl- clorura de p-toluensulfonil (clorura de tosil)

TSA- p-toluensulfonamida

TSU- p-toluensulfoniluree

TSU-Bu- tolbutamid [N-(4-metilbenzensulfonil)-N^'-n-butil-uree]

I.2.1.6. DIMENSIONAREA TEHNOLOGICA A UTILAJULUI PRINCIPAL

Se va face dimensionarea tehnologica a reactorului de obtinere a p-toluensulfonamidei prin reactia clorurii de p-toluensulfonil (clorura de tosil, TsCl) cu amoniac. Aceasta presupune calcularea urmatoarelor marimi [35]:

-numarul de sarje ce se executa in 24 de ore:

unde: V- volumul de material ce se prelucreaza in 24 de ore, m³;

V_u- volumul util al aparatului, m³;

V_t- volumul total al aparatului, m³;

φ- gradul de umplere.

Volumul de materiale ce se prelucreaza in 24 de ore in acest reactor este:

V= 1.39 m³

De asemenea:

Numarul de sarje ce se executa in 24 de ore va fi:

sarje

Numarul de sarje ce se executa cu un singur aparat in 24 de ore este:

sarje

unde: τ- durata procesului, ore (8 ore)

Numarul necesar de aparate care se monteaza pentru operatie este:

unde: N- numarul de aparate care lucreaza;

N_m- numarul total de aparate care se monteaza pentru operatia respectiva;

d- rezerva de capacitate (10%).

Rezulta:

Se va monta deci un singur aparat.

Volumul unui aparat va fi:

Din catalogul IUC Fagaras se alege un reactor cu amestecator ancora de tip R Ac 500, nr. desen 1722-0 M (masa de reactie se prezinta in final sub forma unei suspensii apoase) cu urmatoarele caracteristici [41]:

Volum util, L: 500

Presiunea nominala in vas, kgf/cm²: 4

Presiunea nominala in manta, kgf/cm²: 6

Volumul vasului, L: 660

Volumul mantalei, L: 120

Suprafata de schimb caloric, m²: 2.6

Cleme de strangere: 52x M 24

Electromotor, kW; rot/min: 2.2; 1500

Reductor: RSV 1 2.8kW; 1:25

Robinet de golire: 80/50

Greutate, kg: 1431

Spatiu de manevrare, mm: 810

Calculul capacitatii instalatiei

Prin tema de proiectare este impusa productia anuala sau marimea sarjei, ori capacitatea orara a instalatiei. Timpul de elaborare a unei sarje este suma timpilor pe faze. Stiind ca timpul de functionare al utilajelor este de cca. 8000 ore/an, restul de 750 ore fiind destinat opririlor ocazionale si reviziilor periodice, numarul sarjelor pe an rezulta din raportul fondului de timp anual la timpul fazei limitative de proces.

1 sarja = 307,4 kg TBA 99% uscat.

Capacitatea/an = 1032 X 307.4 = 317316.13 kg/an = 317 t/an.

Fig. 1. Schema reactorului de tip ancora

I.2.1.7. BILANTUL TERMIC

Calculul bilantului termic se face pentru reactorul de obtinere a p-toluensulfonamidei din clorura de tosil.

Ecuatia generala a bilantului termic este redata de expresia [37] :

unde:

Q_intrate -cantitatea de caldura intrata in sistem;

Q_iesite -cantitatea de caldura iesita din sistem.

Bilantul termic pentru acest reactor se face pentru fazele reprezentate in diagrama t =f(τ), unde:

t-temperatura, (^oC)

τ-timpul, (ore)

Diagrama 1. Diagrama temperatura-timp

Etapele de calcul pentru bilantul termic conform diagramei 1,vor fi:

I- Faza de incarcare a reactorului la 20^oC (τ_I= 0.5 ore);

II- Faza de incalzire masei de reactie de la 20^oC la 50^oC ( _II= 0.5 ore);

III- Faza de reactie (amidare) (τ_III= 4 ore)

IV- Faza de racire de la 50^oC la 20^oC (τ_IV= 0.5 ore)

V- Faza de evacuare la 20^oC (τ_V= 0.5 ore).

Pentru aceste faze se calculeaza caldurile schimbate de sistem cu agentul termic.

I.2.1.7.1. Calculul caldurilor de formare si a caldurilor specifice

a) Pentru clorura de tosil se calculeaza marimile corespunzatoare, necesare calculului bilantului termic.

Entalpia de formare (kCal/mol) pentru un astfel de compus se determina din ecuatia [35]:

unde: n_i- numarul atomilor de tip i din compus;

H_c- caldura de combustie, (kCal/mol);

ΔH_f,298- entalpia de formare, (kCal/mol).

Caldura de combustie rezulta din bilantul de oxigen pentru arderea unui compus C_mH_nN_pO_qX_rS_t:

Caldura specifica se determina din relatia [37]:

unde: n_i- incidenta atomilor i;

C_i- caldura atomica (C_C= 7.5; C_H= 9.6; C_O= 16.8 kJ/mol·K);

M- masa molara (kg/kmol).

Capacitatea calorica a compusului se determina din relatia:

In mod asemanator se determina aceste marimi si pentru celelalte substante pentru care nu s-au determinat valorile experimentale.

b) p-toluensulfonamida:

c) p-toluensulfonat de amoniu:

d) Acid p-toluensulfonic:

e) Amoniac [38,39]:

f) Amoniac solutie 25% [38,39]:

g) Clorura de amoniu [39]:

h) Acid clorhidric [39]:

i) Apa [39]:

I.2.1.7.2. Calculul termenilor bilantului

1) Bilantul termic pentru faza de incarcare

Ecuatia bilantului termic pentru aceasta faza este:

unde: - energia absoluta a reactantilor la intrarea in faza (temperatura 20^oC);

- caldura de amestecare (considerata nula);

- caldura transferata de la agentul termic (zero pentru aceasta faza);

- energia absoluta a reactorului la intrarea in faza;

- energia absoluta a reactantilor la iesirea din faza;

- energia interna a reactorului la iesirea din faza;

- caldura pierduta.

Pentru avem:

Deoarece temperatura la incarcare nu se modifica (temperatura ambianta) se considera ca nu au loc pierderi de caldura si prin urmare, din ecuatia bilantului termic rezulta:

Deci in faza de incarcare nu se transfera caldura de la agentul termic.

2) Bilantul termic pentru faza de incalzire

Ecuatia bilantului termic pentru aceasta faza este:

unde: - energia absoluta a reactantilor la intrarea in faza (temperatura 20^oC);

- caldura unor procese fizice sau chimice (considerata nula);

- caldura transferata de la agentul termic;

- energia absoluta a reactorului la intrarea in faza;

- energia absoluta a reactantilor la iesirea din faza;

- energia interna a reactorului la iesirea din faza;

- caldura pierduta (5% din

Obtinem:

Caldura cedata de agentul termic va fi deci:

3) Bilantul termic pentru faza de reactie

Pentru faza de reactie ecuatia bilantului termic este:

unde: - energia absoluta a reactantilor la intrarea in faza (temperatura 50^oC);

- caldura proceselor chimice (reactie principala si reactii secundare);

- caldura transferata la/de la agentul termic;

- energia absoluta a reactorului la intrarea in faza;

- energia absoluta a produsilor la iesirea din faza;

- energia interna a reactorului la iesirea din faza;

- caldura pierduta (5% din ).

Pentru acesti termeni avem:

Caldura de reactie se calculeaza cu relatia:

unde: - caldura de reactie pentru reactia i, la 298 K;

x_i- conversia in reactia i;

- numarul initial de moli pentru reactia i.

R1) Pentru reactia principala (TsCl + 2 NH₃= TsNH₂ + NH₄Cl) caldura de reactie la 298 K este data de expresia:

Deci reactia este exoterma.

Caldura molara de reactie la 323 K se va calcula cu relatia:

Conversia TsCl in reactia R1 este de 90%, deci:

R2) Pentru reactia de hidroliza a clorurii de tosil (TsCl + H₂O= TsOH +HCl) caldura de raectie la 298 K este data de expresia:

Deci reactia R2 este exoterma.

Caldura molara de reactie la 323 K se va calcula cu relatia:

Numarul de kmoli de TsCl transformati in reactia R2 este:

R3) Pentru reactia de neutralizare a acidului clorhidric (HCl + NH₃= NH₄Cl) caldura de reactie la 298 K este data de expresia:

Deci reactia R3 este exoterma.

Caldura molara de reactie la 323 K se va calcula cu relatia:

Numarul de kmoli de HCl neutralizati in reactia R3 este:

R4) Pentru reactia de neutralizare a acidului p-toluensulfonic (TsOH + NH₃= TsONH₄) caldura de reactie la 298 K este data de expresia:

Deci si reactia R4 este exoterma.

Caldura molara de reactie la 323 K se va calcula cu relatia:

Numarul de kmoli de TsOH neutralizati in reactia R4 este:

Valorile pentru ceilalti termeni sunt:

Caldura primita de agentul termic va fi deci:

(este necesara racirea masei de reactie)

4) Bilantul termic pentru faza de racire

Pentru faza de racire ecuatia bilantului termic este urmatoarea:

unde: - energia absoluta a produsilor la intrarea in faza (temperatura 50^oC);

- caldura proceselor chimice (reactie principala si reactii secundare);

- caldura transferata la/de la agentul termic;

- energia absoluta a reactorului la intrarea in faza;

- energia absoluta a produsilor la iesirea din faza (la 20^oC);

- energia interna a reactorului la iesirea din faza;

- caldura pierduta (5% din ).

Pentru acesti termeni avem:

Caldura primita de agentul termic va fi deci:

5) Bilantul termic pentru faza de evacuare

Pentru faza de evacuare bilantul termic este exprimat prin urmatoarea ecuatie:

unde: - energia absoluta a produsilor la intrarea in faza (temperatura 20^oC);

- caldura proceselor chimice (reactie principala si reactii secundare);

- caldura transferata la/de la agentul termic;

- energia absoluta a reactorului la intrarea in faza;

- energia absoluta a produsilor la iesirea din faza (la 20^oC);

- energia interna a reactorului la iesirea din faza;

- caldura pierduta.

Termenii bilantului sunt:

Obtinem:

I.2.1.7.3. Determinarea fluxului termic maxim

Avand calculate caldurile transferate la/de la agentul termic in cele cinci faze ale procesului, se pot calcula fluxurile termice prin suprafata de transfer termic a reactorului pentru aceste faze.

Fluxul termic se poate scrie:

unde: Q- caldura transferata la/de la agentul termic (kJ);

τ- durata fazei (s).

1) Pentru faza de incarcare,cu τ^I= 0.5 ore, fluxul termic este:

2) Pentru faza de incalzire, cu τ^II= 0.5 ore, fluxul termic este:

3) Pentru faza de reactie, cu ^III= 4 ore, fluxul termic este:

4) Pentru faza de racire, cu ^IV= 0.5 ore, fluxul termic este:

5) Pentru faza de evacuare, cu ^V= 0.5 ore, fluxul termic este:

Aceste fluxuri termice se utilizeaza in dimensionarea termica a reactorului. Fluxul termic necesar dimensionarii este:

Bilantul termic pentru cele cinci faze ale procesului tehnologic se poate reprezenta si sub forma tabelara in felul urmator:

Faza de alimentare

2) Faza de incalzire

3) Faza de reactie

4) Faza de racire

5) Faza de evacuare

I.2.1.8. DIMENSIONAREA TERMICA A UTILAJULUI PRINCIPAL [11]

Dimensionarea termica a reactorului de obtinere a p-toluensulfonamidei presupune verificarea suprafetei de transfer termic a reactorului ales.

Suprafata de transfer termic a reactorului este de 2.6 m².

Suprafata de transfer termic se calculeaza din ecuatia transmiterii caldurii [37]:

unde:

Q-fluxul termic (debitul caldurii transmise), (W);

K-coeficientul total de transfer termic, (W/ m²∙K);

A-aria suprafetei de transfer termic, (m²);

Δt_med-diferenta medie de temperatura intre agentul cald si cel rece, (K).

Fluxul termic ce se utilizeaza pentru determinarea ariei de transfer termic este:

Deoarece pentru recipient avem ,pentru calculul coeficientului total de transfer termic, se utilizeaza urmatoarea relatie:

unde:

- coeficientul par­tial de transfer termic pentru masa de reactie,

- coeficientul partial de transfer termic pentru sola de racire,

- grosimea peretelui recipientului, (m);

- conductivitatea termica a otelului,

- grosimea emailului, (m);

- conductivitatea termica a emailului,

Pentru racire se foloseste sola formata dintr-un amestec etilenglicol-apa de concentratie masica 49% etilenglicol [38], cu temperatura medie de -10^oC (se considera ca se incalzeste de la -20^oC la 0^oC).

I.2.1.8.1. CALCULUL LUI

Pentru calculul coeficientului partial de transfer termic al masei de reactie se va utiliza formula de calcul pentru transmiterea caldurii la amestecarea lichidelor cu agitatoare prin convectie.

Coeficientul partial de transfer termic prin convectie in aparate cu manta se calculeaza cu relatia [37]:

unde:

Nu-criteriul Nusselt;

-coeficientul partial de transmitere a caldurii,

-diametrul paletei agitatorului, (m);

-coeficientul de conductivitate termica a lichidului, (W/ m);

-densitatea lichidului,

n-numarul de rotatii ale agitatorului pe secunda, (1/s);

-vascozitatea lichidului la temperatura lui medie, sau (Pa·s);

C_P-caldura specifica la presiune constanta, (J/ kg∙grd);

D-diametrul vasului, (m);

-vascozitatea lichidului la temperatura a peretelui mantalei sau serpentinei,

() sau (Pa·s)

Re-criteriul Reynolds;

Pr-criteriul Prandtl;

Pentru aparatele cu manta, avem:

c=0.36; m=0.67

Pentru aparatele cu manta, aceste criterii se exprima astfel [37]:

Temperatura medie in interiorul mediului de reactie este de 35^oC (media temperaturilor de intrare si de iesire din faza IV : 50^oC si 20^oC) si se calculeaza dupa cum urmeaza:

Densitatea masei de reactie la 35^oC este de 1088 kg/m³.

Turatia agitatorului este de n= 60 rot/min= 1 rot/s.

Diametrul agitatorului este : .

Vascozitatea masei de reactie la 35^oC considerata doar pentru solutie saturata de 33.5% de NH₄Cl, ceilalti compusi gasindu-se in suspensie, este :

Prin inlocuirea in relatia criteriului Reynolds , avem :

→ regim turbulent

Caldura specifica a amestecului de reactie la 35^oC este :

Conductivitatea termica a masei de reactie rezulta din relatia :

Prin inlocuirea in relatia criteriului Prandtl , avem:

Criteriul Nusselt se poate calcula dupa urmatoarele relatii:

Din egalarea celor doua relatii ale criteriului Nusselt, obtinem:

, relatie din care putem obtine relatia   de calcul a coeficientului partial de transmitere a caldurii:

Inlocuind in relatia de mai sus, obtinem:

Deoarece nu se cunoaste temperature suprafetei peretelui, nici de partea masei de reactie, nici de partea agentului de racire, se vor considera aleator cate doua temperature ale peretilor, pentru care se vor calcula valorile coeficientilor partiali de transfer termic, respective densitatile de flux termic. Din egalitatea valorilor densitatilor de flux termic in peliculele de la pereti se va putea obtine densitatea de flux termic reala, care va fi baza calculului ariei suprafetei de transfer termic necesara.

Pentru mediul de reactie se alege:

Valorile vascozitatilor dinamice pentru masa de reactie la aceste temperaturi vor fi [Pavlov]:

Prin inlocuirea in relatia finala a cu valorile corespunzatoare , vom obtine:

Deoarece densitatea de flux termic se exprima prin relatia:

unde: q- densitatea de flux termic, (W/m²);

t= (t_pelicula-t_m) diferenta de temperatura dintre pelicula de la perete si mediul de

reactie (^oC).

I.2.1.8.2. CALCULUL LUI

Pentru calculul coeficientului partial de transfer termic al solei (amestec etilenglicol/apa, 49/51 raport masic) se utilizeaza relatia:

unde: - coeficientul partial de transfer termic al solei la temperatura medie de -10^oC,

(W/m²·K);

- conductivitatea termica a peliculei de sola, (W/m·K);

l- dimensiunea geometrica determinanta pentru manta (d_ech), (m).

La temperatura de -10^oC, valorile acestor marimi sunt:

Criteriile de similitudine Reynolds si Prandtl se obtin din relatiile cunoscute:

unde: - densitatea solei la -10^oC, (kg/m³);

- diametrul echivalent, (m);

w- viteza agentului in manta (considerata 1 m/s);

- vascozitatea solei la -10^oC.

unde: - caldura specifica a solei la -10^oC, (J/kg·K);

- conductivitatea termica a solei la -10^oC, (W/m·K).

Se considera in acelasi mod ca cel de mai sus, doua temperaturi aleatoare pentru peretele din partea solei:

Valorile marimilor implicate in calculul criteriilor Reynolds si Prandtl, la -5^oC si respectiv 0^oC, sunt:

Inlocuind aceste valori in relatiile de calcul ale criteriilor Reynolds si Prandtl vom obtine:

Valoarea densitatii de flux termic reala va rezulta din intersectia dreptelor corespunzatoare pentru masa de reactie, respectiv pentru sola:

Inlocuind cele doua seturi de valori in fiecare din cele doua ecuatii, printr-un calcul matematic simplu se obtin ecuatiile:

Valorile densitatii de flux termic reala se obtine la intersectia celor doua drepte, adica:

I.2.1.8.3. CALCULUL LUI A

Aria suprafetei de transfer termic necesara realizarii incalzirii rezulta din relatia :

Prin inlocuire in relatia de calcul a lui A cu valorile lui Q si q_real, vom obtine :

Prin urmare, aria suprafetei de transfer termic necesara realizarii racirii este mai mica decat suprafata de schimb caloric a reactorului (2.6 m²), deci reactorul corespunde din punct de vedere al realizarii transferului termic.

I.2.1.9. ALEGEREA UTILAJELOR SECUNDARE [33]

Tab. 3. Caracteristicile utilajelor secundare

I.2.1.10. CONTROLUL PROCESULUI TEHNOLOGIC

Tab. 4. Controlul procesului tehnologic

I.2.2. AUTOMATIZAREA PROCESULUI [37, 38]

Tehnica actuala a industriei chimice impune ca o necesitate utilizarea aparatelor speciale de masurare, reglare si conducere a procesului de fabricatie.

Instrumentarea reprezinta dotarea instalatiei cu aparate de masurat si de control, iar automatizarea este conducerea automata a procesului tehnologic in ansamblul lui sau numai pe faze de fabricatie.

Dotarea cu aparatura de masura si control s-a impus ca o necesitate de a masura parametrii procesului tehnologic, pentru a putea conduce instalatia si pentru a o mentine in limitele exploatarii sigure.

In cazul nostru am ales automatizarea in procesul de obtinere a p-toluensulfonamidei (TSA).

Procesul are loc intr-un reactor construit din fier, prevazut cu agitator tip ancora, armaturi, manta din otel si dispozitive de reglare a temperaturii.

SCHEMA BLOC A PROCESULUI DE AUTOMATIZARE:

P- proces, EE- element de executie, EC- element calculator,

TT- traductor de temperatura, c- marimea de comanda, m- marime de executie, r- marimea de reactie, w- marime de referinta

Dispozitivul de automatizare indeplineste tre functii:

a) masurarea;

b) calculul abaterii si prelucrarea ei;

c) actiunea efectiva asupra valorii parametrului reglat.

Corespunzator acestor functii dispozitivul de automatizare cuprinde trei elemente functionale de baza:

a) elementul de masurare;

b) elementul de calcul;

c) elementul de executie.

In continuare se va studia procesul de reglare al debitului de agent de racire functie de temperatura in reactorul cu amestecator tip ancora in etapa de sinteza a p-toluensulfonamidei.

a) Elementul de masura

Este numit si traductor de masurare fiind alcatuit din elementul sensibil M₁, traductorul de baza M₂ si adaptorul pentru semnale electrice unificate A_i.

SCHEMA BLOC A ELEMENTULUI DE MASURARE:

Elementul de masurare utilizat este termocuplul; el este compus din doi electrozi confectionati din metale diferite care se sudeaza la unul din capete.

Capetele nesudate se numesc reci sau libere si au aceasi temperatura. Punctul de sudura al electrozilor se numeste capat cald.

Functionarea acestui traductor se bazeaza pe fenomenul termoelectric, efectul Leebeck care consta in aparitia unui camp electric imprimat si deci a unei tensiuni electromotoare.

b) Elementul de calcul (Regulatorul)

Este format din trei subansamble de baza:

- elementul de comparatie (Δ);

- amplificatorul operational (AO);

- amplificatorul de putere (AP).

SCHEMA BLOC A ELEMENTULUI DE CALCUL:

Elementul de prescriere EP are rolul de a introduce in SRA valoarea dorita pentru parametru reglat (marime de referinta w).

Elementul de comparatie stabileste diferenta intre marimea de referinta si marimea de reactie rezultand marimea de actionare.

In amplificatorul operational aceasta este prelucrata dupa un anumit algoritm rezultand marimea de comanda.

Deoarece reglarea temperaturii in cazul transferului de caldura se realizeaza foarte lent procesul automatizat fiind un element proportional de ordinul II, se va utiliza un regulator cu actiune P.I.D.

c) Elementul de executie

Este format din mecanismul de actionare (E₁) denumit si servomotor si organul de executie (E₂). Sub influenta variatiei marimii de comanda (c) mecanismul de actionare pune in miscare organul de executie modificand marimea de executie (m) in vederea eliminarii abaterii de iesire.

SCHEMA BLOC A DISPOZITIVULUI DE AUTOMATIZARE CU CELE

TREI SUBANSAMBLE:

Concluzii:

Reactia fiind exoterma, este necesar ca elementul regulator sa actioneze asupra ventilului de reglare astfel incat cresterea debitului agentului termic sa asigure preluarea excesului de caldura degajat.

Procesul va fi astfel controlat incat temperatura din reactor sa aiba valori cuprinse intre 48-52^oC.

I.3. IMPACTUL ASUPRA MEDIULUI

I.3.1. PROBLEME DE PROTECTIA MEDIULUI

Din procesul tehnologic rezulta un volum mare de ape reziduale acide si alcaline, iar de la unele etape si cu incarcare organica. In tabelul de mai jos sunt listati efluentii lichizi din procesul tehnologic.

Tab. 5. Efluenti lichizi din procesul tehnologic

Deoarece incarcarea organica a efluentilor nu este mare, acestia pot fi trecuti, dupa neutralizare prin amestec sau prin adaos de acidulanti sau alcalinizanti, in bazine de epurare chimica/biologica pentru reducerea incarcarii organice. Dupa aceste tratamente apele epurate se pot deversa controlat in emisari naturali.

Deseurile solide rezultate din procesul tehnologic reprezinta turte de carbune activ umed cu continut de produsi organici. Acestea pot fi trecute la halda de deseuri solide si apoi incinerate sau se pot incinera ca atare, dupa uscarea naturala.

Toluenul folosit ca solvent sau mediu de reactie in diferite etape ale tehnologiei se recupereaza in proportie de 90%.

I.3.2. NORMA DE TEHNICA SECURITATII MUNCII

Protectia muncii personalului dintr-o instalatie se asigura prin stabilirea cauzelor potentiale de pericole si luarea de masuri care sa le evite. Posibilitatile de accidentare sunt de natura mecanica, electrica, termica si abia apoi chimica. De primele trei categorii de surse posibil generatoare de accidente se ocupa normele generale de protectia muncii din intreaga economie nationala, adaptate la specificul local. Specifice raman masurile luate la fiecare loc de munca de evitare a accidentarii prin substantele cu grad inalt de periclitate si cele inflamabile.

Toate substantele din industria chimica organica sunt toxice si majoritatea inflamabile. Nu numai gazele inflamabile si lichidele volatile sunt surse potentiale de incendiu ci si pulberile solidelor cu continut avansat de carbon si hidrogen.

Protectia muncii face parte integranta din procesul de productie si are ca scop asigurarea celor mai bune conditii de munca, prevenirea incendiilor de munca si a imbolnavirilor profesionale, iar toti cei care organizeaza, controleaza si conduc procesele de munca au obligatia, potrivit legii, ca in pas cu evolutia tehnica sa urmareasca si ameliorarea permanenta a conditiilor in care oamenii muncii isi desfasoara activitatea.

Instalatiile, utilajele si aparatele vor fi reglate atat din punct de vedere tehnico-economic cat si din punct de vedere al protectiei muncii, in concordanta cu progresul tehic; nu vor fi mentinute in functiune cele care prezinta grad avansat de uzura fizica si morala si pericol de producere a accidentelor tehnice si umane.

Sunt interzise improvizatiile de orice natura, precum si functionarea instalatiilor, utilajelor, sculelor, etc. care prezinta defectiuni si care nu sunt prevazute cu toate dispozitivele de protectie.

Personalul va raporta imediat factorilor competenti din conducere orice deficienta a aparatelor de respiratie repartizate.

Aparatele de respiratie trebuie:

- sa fie sub supravegherea directa a unei persoane responsabile, competente si autorizata pentru intretinerea corespunzatoare a acestora;

- sa fie depozitate intr-un loc curat, rece si uscat, care este situat intr-un loc usor accesibil.

Acidul clorhidric concentrat are un miros intepator specific, este corosiv, producand arsuri ale pielii si membranelor mucoaselor; actioneaza secundar prin dezechilibre ionice, acidoza, tulburari circulatorii si respiratorii. Doza letala este de 10-15 g. Contactul acestuia cu pielea produce arsuri care evolueaza spre ulceratii. Contactul cu globii oculari produce leziuni corneene cu reducerea sau chiar pierderea vederii. Ingestia de solutie concentrata de acid clorhidric produce leziuni ale esofagului si stomacului, dureri violente, varsaturi, colici abdominale, etc. Ca masuri de precautie, la contactul cu pielea, zona afectata se spala imediat cu cantitati mari de apa si se indeparteaza imbracamintea contaminata. Se aplica solutie de alcool etilic 70% cu bucati de gheata.

Datorita caracterului coroziv al solutiei de acid clorhidric este obligatorie purtarea echipamentului de protectie de catre personalul de deservire, echipament alcatuit din: cizme din cauciuc antiacid, salopeta, sort antiacid.

Solutia concentrata de NaOH este foarte alcalina si caustica, puternic coroziva. Produce, prin intermediul ionului HO^-, necroza de lichefiere tipica. Leziunile au aspect translucid, sunt moi si sapunoase la pipait. Doza letala este de 12-20 g. Are si actiune secundara generala care se manifesta prin alcaloza, dezechilibru ionic, tulburari nervoase.

Contactul cu pielea si globii oculari produce arsuri severe. Se impune spalarea cu cantitati mari de apa potabila, apoi in jet a zonelor afectate si administrate de cantitati mari de apa, apoi albus de ou, ulei de masline sau lapte.

In cadrul unitatilor exista numeroase si constante preocupari privind imbunatatirea ventilatiei, reducerea zgomotului si vibratiilor, dotarea cu sisteme de protectie. Cu alte cuvinte exista preocupari privind realizarea unui ansamblu de masuri menite sa mareasca gradul de securitate si sa imbunatateasca microclimatul la locul de munca.

Pentru prevenirea accidentelor se iau urmatoarele masuri :

se asigura o ventilatie corespunzatoare a halei;

se vor purta ochelari si manusi de protectie;

se va verifica zilnic starea de functionare a instalatiei;

se vor verifica in mod deosebit conductele cu agent termic si conductele tehnologice prin care se vehiculeaza produse fierbinti. Acestea vor fi izolate termic si vopsite in culori conventionale;

caile de acces vor fi mentinute in permanenta libere;

se va evita depozitarea materialelor in plus fata de necesarul pe o zi;

vizoarele de sticla vor fi prevazute cu aparatori din plasa de sarma, pentru a evita lovirile in cazul unor explozii sau implozii;

nu se va fuma in sectie si nu se va lucra cu foc deschis.

Pentru prevenirea si stingerea incendiilor trebuie respectate urmatoarele norme:

activitatea de prevenire si stingere a incendiilor, fiind o componenta a functiunii de productie, face parte integranta din activitatea economica sau social-culturala desfasurata in unitati. La activitatea de prevenire si stingere a incendiilor este obligat sa participe intreg personalul incadrat in munca, aceasta constituind o sarcina de servici;

in toate unitatile este obligatorie organizarea si desfasurarea unei activitati permanente de P.S.I. care se realizeaza pe baza prevederilor actelor normative ce reglementeaza aceasta activitate;

raspunderea pentru organizarea si desfasurarea activitatilor de P.S.I. in unitati revine potrivit competentei ce o au, conducatorilor de unitati, conducatorilor sectoarelor de activitate si conducatorilor locurilor de munca raspund pentru respectarea normelor P.S.I. specifice activitatii pe care o desfasoara;

organizarea activitatii de prevenire si stingere a incendiilor intr-o unitate consta in principal in:

a) Constituirea, incadrarea cu personal si dotare cu material si mijloace a formatiei civile de pompieri, intocmirea programului de instruire a formatiei si stabilirea atributiilor ce revin membrilor acesteia.

b) Constituirea comisiei tehnice de P.S.I., stabilirea obligatiilor ce revin membrilor acesteia si a modului de lucru, intocmirea planului de aparare impotriva incendiilor.

c) Incadrarea cadrelor tehnice special destinate pentru indrumare si control a activitatii de P.S.I. sau in unitatile in care nu se incadreaza astfel de cadre si nu se constituie comisii tehnice, de asemenea responsabile cu P.S.I. si stabilirea atributiilor acestora.

d) Stabilirea atributiilor si raspunderilor privind P.S.I. ce revin personalului incadrat in munca serviciilor si compartimentelor functionale precum si altor organizatii constituite in unitati.

e) Organizarea activitatii de dotare a unitatii cu masini, instalatii, utilaje, aparatura, echipament de protectie si intretinere in stare de functionare a acestor mijloace

Organizarea si prevenirea stingerii incendiilor la locurile de munca si a efectuarii personalului si bunurilor in caz de incendiu.

Drept generalitati despre securitatea functionarii instalatiilor, utilajelor si aparatelor putem enumera urmatoarele:

-acelea din instalatiile,utilajele si aparatele care prezinta grad avansat de uzura fizica si morala si pericol de producere a accidentelor nu vor fi mentinute in functiune;

-fiecare din aceste instalatii, utilaje si aparate vor fi prevazute, prin proiect, cu toate dispozitivele de protectie necesare;

-la proiectarea si construirea acestor instalatii, utilaje si aparate, proiectantul trebuie sa prevada masuri pentru reducerea zgomotelor sub limitele maxime admise;

-aceste instalatii, utilaje si aparate vor fi astfel proiectate si realizate incat in timpul functionarii sa nu degaje substante inflamabile, explozive sau toxice, caustice, corozive, praf, radiatii calorice, umiditate peste limitele admise;

-se vor adopta solutii optime privind mentinerea etansarii acestor instalatii, utilaje si aparate;

-aceste instalatii, utilaje si aparate vor lucra numai la parametrii tehnici pentru care au fost proiectate, construite si avizate (presiune, vid, temperatura, etc.);

-sunt interzise improvizatiile de orice natura, precum si functionarea acestor instalatii, utilaje si aparate, care prezinta defectiuni si care nu sunt prevazute cu toate dispozitivele de protectie.

I.4. ELEMENTE DE MANAGEMENT SI MARKETING [39, 40]

Indicatori tehnico-economici de eficienta a productiei

a. Elemente de management

a.1. Pretul productiei industriale

Este indicatorul care reflecta toate cheltuielile efectuate cu ocazia realizarii productiei la care se adauga cheltuielile de desfacere si profitul brut.

Se calculeaza cu relatia :

Pp = Mp + ( - Mr ) + S + CAS + CIFU + CGS + CGJ + CD + Pr

in care :

Pp = pret de productie

Mp = costul materiilor prime si materialelor

Mr = costul materiilor recuperabile

S    = salarii

CAS = contributii asupra salariului

CIFU = cheltuieli cu intretinerea si functionarea utilajelor

CGS = cheltuieli generale sectiei

CGI = cheltuieli generale intreprindere

CD = cheltuieli de desfacere

Pr = profitul brut

CAS - in aceasta categorie intra ajutorul pentru somaj, pensii, sanatate;

CIFU - fac parte din cheltuielile fixe, necesare mentinerii capacitatii de functionare (reparatii curente, capitale, intretinere obiecte de inventar , combustibil si energie, cota parte din amortizari );

CGS - cheltuieli fixe, care nu se modifica cu volumul productiei pentru un interval de timp dat: salariile personalului indirect productiv, din birourile sectiilor, ale personalului de intretinere, iluminat , incalzit, cota parte din amortismente, etc.;

CGI - de acelasi gen ca si cele ale sectiilor , dar la nivel de unitate;

CD - cheltuieli ocazionale de pregatire a livrarii produselor;

Pr - profitul reprezinta surplusul obtinut de o societate comerciala atunci cand venitul total obtinut depaseste cheltuielile necesare fabricarii produsului.

Profitul este cota parte din pretul de productie ce asigura fondurile necesare pentru dezvoltarea productiei, pentru stimularea activitatii salariatilor. Cresterea profitului se poate realiza prin cresterea volumului productiei industriale, reducerea costurilor sau modificarea preturilor de livrare. In pretul de productie intra profitul brut.

Profitul impozabil (Pr imp) se obtine scazand din profitul brut cheltuielile de protocol, reclama si publicitate (Cprp) si cheltuieli pentru scopuri umanitare (Csu):

Pr imp = Pr brut - ( Cprp + Csu )

Impozitul pe profit ( IP ) se calculeaza ca fiind 38 % din profitul impozabil:

IP = 0,38Pr imp

Profitul net (PN) se calculeaza ca diferenta dintre profitul impozabil si impozitul pe profit :

PN = Pr imp - IP

Impozitul pe dividende (ID) este 10 % din profitul net :

ID = 0,1 PN

Dividendele firmei se calculeaza ca diferenta dintre profitul net si impozitul pe dividende :

D = PN - ID

a.2. Taxa pe valoarea adaugata ( TVA )

TVA este un impozit sau o taxa generala de 19 % asupra valorii bunurilor sau a prestarilor de servicii. In fiecare etapa a productiei, a prestatiei sau distributiei, cand se desfasoara livrari sau transporturi de bunuri mobile si se efectueaza prestari de servicii, se aplica taxa asupra valorii adaugate, adica asupra diferentei dintre valoarea bunurilor care fac obiectul operatiunii de vanzare, fata de stadiul de cumparare, in etapa actuala fata de cea anterioara

Consumatorul, in pretul platit, preia si taxa pe valoarea adaugata de 19 % , in total taxa care s-a cumulat in pret din valorile adaugate in fazele din circuitul economic al bunului respectiv:

TVA Mp

TVA = 19 % Pp - TVA

a.3. Pretul de livrare (Pl)

Se obtine adaugand TVA-ul la pretul de productie:

Pl = Pp + TVA

a.4. Cifra de afaceri (CA)

Se obtine inmultind pretul de livrare cu cantitatea de productie obtinuta pe an (Q):

CA = PlQ

a.5. Rentabilitatea ( R )

Cost complet (pret de cost) = Mp + (-Mr) + S + CAS + CIFU + CES + CGI + CD

a.6. Productivitatea muncii ( W

Este un indicator sintetic, care exprima volumul de munca cu care se realizeaza bunurile materiale, deci un indicator de eficienta a muncii. Serveste la compararea in diferite perioade a efortului uman investit in realizarea bunurilor materiale in general.

In mod uzual se exprima in 2 forme:

• productivitatea fizica

unde: Pf = productia fizica

Nmp = numarul mediu de personal

• productivitatea valorica

Unde: VPI = valoarea productiei industriale ( sau cifra de afaceri CA )

Indicatori de eficienta a investitiei

1. Investitia specifica ( i )

Se exprima sub forma unui raport intre efortul si efectul economic rezultat de pe urma acestui efort:

i =

in care: I = valoarea totala a investitiei

VPI = valoarea productiei industriale

Durata de recuperare a investitiei ( t )

Durata de recuperare (t) se calculeaza raportand valoarea totala a investitiei (I) la dividendele firmei (D):

t =

Eficienta fondurilor fixe ( E )

Eficienta folosirii fondurilor fixe fata de VPI:

;

Ff = fonduri fixe (teren, cladiri)

Eficienta folosirii fondurilor fixe raportat la profitul lor:

Analiza rentabilitatii pe baza punctului critic

Legatura dintre suma cheltuielilor de productie si cantitatea de produs ce trebuie realizata, pentru ca prin vanzarea sa, sa se acopere toate cheltuielile, se evidentiaza cu ajutorul punctului critic, numit prag de rentabilitate

b. Elemente de marketing

b.1. Prezentarea generala a firmei

• Volumul afacerilor si structura productiei ( obiect de activitate )
• Puncte tari ale firmei ( de exemplu seriozitatea si profesionalismul angajatilor, produse de calitate superioara, materii prime de buna calitate, pret corespunzator, tec )
• Puncte slabe ale firmei (de exemplu: capacitatea de productie  mica, care nu satisface integral cererea pietei ).

b.2. Piata de desfacere

Definirea si delimitarea segmentelor de piata presupune cunoasterea pietei, aceasta facandu-se cu ajutorul unor indicatori globali cum sunt: capacitatea pietei, potentialul ei si consumul aparent.

Capacitatea pietei (Cp) reprezinta posibilitatea pietei de a absorbi un produs, lucrare sau serviciu, fara a tine cont de pretul acestora:

Cp = Nci

unde : Nc = numarul de consumatori;

i = intensitatea medie de consum.

Potentialul pietei ( Ppt ) reprezinta volumul maxim al vanzarilor ce poate fi obtinut de toate firmele dintr-o industrie, de-a lungul unei perioade de timp. La un anumit nivel al efortului de marketing si in anumite conditii de mediu :

Ppt = Nc i Pcp

unde : Ppc = puterea medie de cumparare la pretul dorit de producator.

Volumul pietei include totalitatea bunurilor sau serviciilor achizitionate la un moment dat pe o anumita piata, respectiv a ofertelor acceptate la un pret determinat.

Vp = q p

unde : Vp = volumul pietei;

q = totalitatea marfurilor de un anumit tip vandut pe o piata;

p = pretul marfurilor vandute.

Gradul de saturatie al pietei (Gs) evidentiaza raportul dintre cererea si oferta manifestate pe piata si se calculeaza ca raport intre volumul pietei si potentialul acesteia:

   

c. Consumuri specifice de materii prime

Tab. 6. Consumuri specifice de materii prime

(*) Observatie: toluenul necesar in cele trei etape se recupereaza in proportie de 90% si se recircula. Consumul specific din tabelul de mai sus reprezinta doar pierderile estimate in fazele de recuperare.

CAPITOLUL II.

STUDII EXPERIMENTALE

II.1. CONSIDERATII GENERALE ASUPRA TEMEI ABORDATE

II.1.1. REGLAREA AUTOMATA A TEMPERATURII

Microprocesoarele si microcalculatoarele au facilitat dezvoltarea circuitelor de conversie prin utilizarea lor in calitate de sistem logic programat (ca o parte componenta a circuitului de conversie) sau prin utilizarea circuitelor de conversie ca dispozitive periferice ale unui sistem de calcul complet. Aceste solutii au permis obtinerea unor sisteme de achizitie si distributie a datelor, ieftine, complexe si usor de utilizat. Interfatarea sistemelor numerice de masurare cu calculatorul asigura o legare simpla si directa a sursei de date analogice cu un sistem numeric capabil sa stocheze, sa prelucreze sau sa transfere aceste date.

II.1.1.1. Utilizarea interfetelor de proces

Utilizarea calculatorului PC in automatizarea proceselor s-a impus datorita performantelor superioare, pretului de cost redus si multitudinii de posibilitati oferite in alegerea interfetelor. Cu toate ca frecvent interfata este o monoplaca, ea indeplineste doua roluri fundamentale:

-conversia analog numerica

-conversia numeric analogica

Modul de alegere al interfetei utilizate depinde de performantele dorite (metoda si viteza de conversie, precizie, numarul maxim de intrari si iesiri, fiabilitate), pretul de cost, cele doua interfete, limbajul de programare utilizat, etc.

Realizarea unui sistem de reglare automata cu ajutorul tehnicii numerice impune utilizarea unui regulator numeric sau a unui calculator prevazut cu o interfata de intrare care realizeaza conversia analog-numerica si o interfata de iesire care realizeaza conversia numeric-analogica, ca in fig. 2.

Fig. 2. Schema bloc al unui SRA numeric

Fata de sistemele analogice, sistemele numerice nu sunt sisteme continue. Conversia semnalelor are loc cu o anumita periodicitate (T) si in functie de metoda de conversie utilizata, dureaza un anumit interval de timp (). Cele doua interfete sunt reunite, de cele mai multe ori, constructiv, pe aceiasi placa, interfata de proces. Se prezinta in continuare doua interfete care utilizeaza doua metode diferite de conversie si anume:

-metoda aproximatiilor succesive-caracterizata printr-o viteza de conversie foarte buna

-metoda conversiei tensiune-frecventa-caracterizata printr-o imunitate ridicata la perturbatii.

Interfata de proces AD200 realizata de firma Real Time Devices din SUA are urmatoarea schema bloc, prezentata in fig. 3.

Fig. 3. Schema bloc a unei interfete de proces

Interfata este prevazuta cu 4 intrari analogice avand domeniul de intrare 0-5 si posibilitatea reglarii amplificarii pe fiecare canal prin intermediul modificarii rezistentei din reactie amplificare. Metoda de conversie analog numerica utilizata este cea a aproximatiilor succesive cu ciclu intern de zero (pentru eliminarea automata a offsetului) - circuitul integrat specializat AD 7582 prevazut si cu un multiplexor x4 intern, avand referinta interna de precizie ridicata. Informatia numerica obtinuta in urma conversiei este pe 12 biti deci rezolutia este de 1,22 mV (0-5 Vsemnalul de intrare), putand fi executate maximum 8.000 de conversii intr-o secunda (frecventa maxima de lucru de 8 KHz cu timpul de conversie 125 microsecunde). Timpul real al ecartului dintre conversii se poate obtine si prin utilizarea numaratorului programabil (trei circuite de divizare) prezente pe placa. Astfel, perioada de intreruperi, programata soft combinat cu alegerea corespunzatoare a unor intrerupatoare, poate ajunge la zeci de minute cu o precizie ridicata. Interfata mai este prevazuta cu un convertor numeric-analogic - circuitul integrat AD 7537, a carui polaritate de iesire poate fi selectata la unipolar (domeniul 0/5 V) sau bipolar (domeniul -5 V/5 V).

Comunicatia cu calculatorul se face prin cele trei magistrale: de adrese, control si date, iar cu sistemul extern prin intermediul unei cuple.

Interfata VF-900 produsa de firma R.T.D. utilizeaza pentru conversia analog-numerica metoda conversiei tensiune-frecventa.

Fig. 4.

La aceasta interfata exista posibilitatea programarii castigului (1,2,4,8) si a perioadei de rezolutie (12-18 biti ). Prin selectarea unor intrerupatoare se poate alege valoarea maxima si polaritatea tensiunii de intrare (este prevazuta cu un circuit de multiplexare x4 -patru canale de intrare). Rezolutia este de 4,9 mV (tensiunea interna de referinta de 5 V). Prin utilizarea numaratorului programabil (trei circuite de divizare) prezente pe placa, perioada de intreruperi programata soft combinat cu alegerea corespunzatoare a unor intrerupatoare poate ajunge la zeci de minute cu o precizie ridicata. Interfata este dotata cu un circuit de conversie numeric-analogica pe 12 biti a carui polaritate de iesire poate fi selectata la unipolar (domeniul 0/5 V) sau bipolar (domeniul -5 V/5 V). Comunicatia cu calculatorul se face prin cele trei magistrale: de adrese, control si date, iar cu sistemul extern prin intermediul unei cuple.

Avantajul celor doua interfete prezentate il reprezinta usurinta cu care acestea se pot conecta: la calculator prin simpla implementare iar la proces prin intermediul cuplei externe precum si gama larga de programe sub care pot fi utilizate.

II.1.1.2. Utilizarea calculatorului PC in automatizari

Utilizarea calculatorului PC in automatizare consta in prelucrarea informatiilor din proces prin intermediul unor interfete de achizitie de date, utilizarea unui program soft de generare de semnale de comanda si furnizarea la iesirile intrefetei a semnalelor analogice de comanda a elementelor de executie.

Schema bloc al unui sistem de reglare automata a temperaturii este redata in fig.5:

Fig. 5. Schema bloc al unui sistem de reglare automata a temperaturii

Interfata utilizata este conectata la 4 marimi de intrare si care are o iesire care comanda ca element de executie, electrovalva. Calculatorul utilizat are urmatoarea configuratie minima:

- sistemul de baza minim PC-486

- monitor SVGA

- tastatura si mouse

Determinarile experimentale au fost facute pe un SRA de temperatura a carui marime de intrare este debitul apei de racire iar marimea de iesire este reprezentata de temperatura aerului cald la iesirea din schimbator.

Pentru caracterizarea completa a procesului se masoara trei marimi suplimentare: temperatura aerului cald la intrare in schimbator, temperatura apei la iesirea din acesta si debitul apei de racire.

II.2. PROCEDURI EXPERIMENTALE REALIZATE

II.2.1. INSTALATIA EXPERIMENTALA

Instalatia experimentala utilizata este compusa din:

Fig. 6.

procesul automatizat, reprezentat de un schimbator de caldura tip ,,teava in teava" cu pereti din sticla, cu functionare in contracurent. Prin teava interioara circula aer incalzit electric cu preincalzitorul P iar in spatiul intertubular circula apa de racire cu debitul (). Debitul de aer rece se masoara cu ajutorul unei diafragme (D) conectata la un manometru diferential (M)_d; pentru a micsora pierderile spre exterior teava a fost izolata cu fir de azbest;

dispozitivul de automatizare: este compus dintr-un traductor de temperatura, (termocuplu de tip J) notat T1, regulator de temperatura OMRON tip E5CK al carui semnal de iesire este transmis calculatorului PC Pentium 4 prevazut cu softul aferent. Ca element de executie, pe traseul de alimentare cu apa a schimbatorului, este montata o electrovalva (EV) comandata de catre regulator. Prin variatia marimii de comanda se realizeaza deschiderea respectiv inchiderea progresiva a valvei astfel incat debitul de agent de racire este modificat.

termocuplu tip J

electovalva (ventil proportional)

sisteme de masurare analog-numerice, in numar de 3, conectate la un calculator Pentium 4; sistemele de masurare si inregistrare a temperaturilor apei la intrare (SM2) in schimbator si iesire din schimbator (SM3), precum si a aerului cald la intrare in schimbator (SM4), au ca elemente sensibile (termocuple de tip J), notate T2, T3, T4. Semnalele analogice sunt apoi stocate si prelucrate in programul Excel datorita softului.

In fig. 7 este prezentata schema bloc a sistemului de reglare automata a temperaturii:

Fig. 7. Schema bloc a sistemului de reglare automatǎ a temperaturii

II.2.1.1. Elemente componente ale sistemului de reglare automata

a. Regulator de proces OMRON E5CK

Fig. 8.

Este un regulator utilizat in mediul industrial. El suporta o intrare analogica de tip termocuplu sau termorezistenta (pentru intrare senzori de temperatura) cu modul de iesire analogica in tensiune 0-10 V. Reglarea se face automat printr-un algoritm de tip PID. Alimentarea regulatorului digital se face de la reteaua de 220 V ca. Marimea de iesire (comanda) este o tensiune de la 0 la 10 V ce. Este prevazut cu modul de comunicatie RS-232. Are modul de interfatare cu computerul, soft de achizitie si inregistrare date. Frecventa masurarii a fost aleasa la o secunda.

Regulatorul de proces OMRON da posibilitatea de prescriere a palierelor de temperatura si este comandat de la PC.

La intrarea analogica se poate conecta unul dintre cele 22 de tipuri disponibile de dispozitive: termorezistente, termocupluri sau semnal unificat. In cazul nostru se foloseste un termocuplu tip J conectat printr-un cablu de compensare.

Regulatorul permite controlul procesului fie printr-un algoritm de tip PID cu alegerea automata a parametrilor optimi, fie printr-un algoritm automat de tip logica Fuzzy.

Datorita numeroaselor configuratii in care se comercializeaza, E5CK reprezinta solutia ideala pentru controlul proceselor industriale.

Partea experimentala a inceput prin operatiunea de autoacordare a regulatorului, ceea ce a permis stabilirea parametrilor optimi de functionare ai acestuia, adica: banda de proportionalitate, timpul actiunii integrale si timpul actiunii derivative.

Valorile acestora sunt :

B_p = 1,2

T_i = 94 s

T_d = 14 s

b.Termocuplu tip J

In procesul de masurare, observatorul obtine informatii despre obiectul de masurat folosind un sistem de masurare. De obicei, un sistem de masurare contine un traductor si un instrument electric. Marimea fizica sau chimica ce caracterizeaza obiectul de masurat este detectata de catre traductor si este transformata intr-o cantitate electrica, care este afisata prin intermediul unui instrument electronic adecvat care transfera rezultatul observatorului.

Senzorul este un instrument care permite decelarea informatiei. Ei se utilizeaza pentru masurarea cantitativa a marimilor fizice ale unui obiect sau in detectarea fenomenelor insesizabile prin simturile umane. In sens larg, senzorul este un element capabil sa efectueze o conversie. Marimile fizice sau chimice originale sunt convertite in forme convenabile, cum sunt un potential electric sau o valoare numerica, de catre traductor. Acesta este un dispozitiv care transforma un anumit tip de semnal- sonor, electric, luminos- in semnal electric, conform unei legi determinate. Termocupla tip J are caracteristicile prezentate in tab. 7:

Tab. 7. Caracteristicile termocuplei tip J

Functionarea se bazeaza pe efectele termoelectrice care apar in conductoarele strabatute de curent electric in prezenta unui gradient de temperatura, sunt rezultatul interdependentei intre curentul electric si fluxul termic. Efectul termoelectric Seebeck consta in aparitia unei tensiuni termoelectrice (Seebeck) in conductoare de natura diferita, ale caror suduri se gasesc la temperaturi diferite. Tensiunea Seebeck depinde de natura conductoarelor si de gradientul de temperatura. Perechea de conductori se sudeaza la un capat (capat 'cald' sau 'sudat'). Celalalt capat ramas liber se numeste 'rece' si ramane la temperatura ambianta To. Capatul sudat este introdus in mediul ce trebuie testat. Intre capetele libere apare o diferenta de potential egala cu tensiunea electromotoare Seebeck.

Fig. 9. Caracteristica statica a tremocuplului

K= 0,0527 [mV/⁰C]

c. Electrovalva (ventil proportional)

Fig. 10. Electrovalva Bürkert 6023

Electrovalva folosita este una proportionala de tip Burkert 6023 (fig. 10.), cu un diametru nominal de 6 mm. Comanda se face in semnal unificat 4-20 mA, prin intermediul unui modul 1094-PMR. Diametrul orificiului este de 6 mm, debitul max. 750 L/min, presiunea 0..2 bar.

II.3. REZULTATE SI DISCUTII

II.3.1. STUDIUL COMPORTARII DINAMICE A SCHIMBATORULUI DE

CALDURA

Determinari experimentale

Instalatia experimentala are ca parte principala un ansamblu de doua schimbatoare de caldura tip 'teava in teava' cu functionare in contracurent, element automatizat a carui comportare la transfer se studiaza. In schimbatorul de caldura se urmareste racirea unui curent de aer cald (care trece prin teava interioara) cu ajutorul unui curent de apa care circula prin spatiul dintre tevi. Marimea reglata in acest caz este temperatura aerului la iesirea din schimbator, debitul apei de racire constituind marimea de executie.

Incalzirea aerului este realizata prin trecerea sa peste rezistenta unui preincalzitor electric (Ri). Debitul aerului se masoara cu ajutorul unei diafragme (D). Pentru a masura si regla puterea de incalzire a preincalzitorului, acesta este prevazut cu un voltmetru V, un ampermetru A si un comutator K de selectie putere (tensiune). Alimentarea preincalzitorului se face de la un stabilizator de tensiune, ceea ce permite compensarea fluctuatiilor de tensiune ale retelei.

Temperaturile se masoara cu ajutorul unor termocupluri de tip J: R_t4, R_t1 - instalate la intrarea si iesirea aerului, respectiv R_t2, R_t3 - instalate la intrarea si iesirea apei in instalatie. Termocuplul R_t1, care urmareste variatiile marimii de iesire, are rolul de element sensibil (ES) al sistemului de reglare automata a temperaturii si este conectat direct la un regulator de temperatura cu algoritm de reglare PID (model Omron E5CK). Semnalul astfel primit de la regulator are rolul de marime de reactie (r) si este comparat cu marimea de referinta (w) prescrisa de catre utilizator. Regulatorul prelucreaza acest rezultat si genereaza marimea de comanda (c) sub forma unui semnal electric 0 - 10 V.

Marimea de comanda este aplicata la intrarea elementului de executie (EE) (valva solenoid, Bürkert - tip 6022) aflat pe conducta de alimentare cu apa de racire a schimbatorului de caldura. Astfel, elementul de executie variaza marimea de executie (m) care este debitul de apa de racire. Debitul apei de racire (Q_apa) se masoara cu ajutorul unui debitmetru.

Regulatorul montat in sistemul de reglare automata a temperaturii este prevazut cu un soft de comunicatie si configurare (Sys-config versiunea 2.1) care permite monitorizarea parametrilor (marime de referinta - w, marime de reactie - r si marime de comanda - c) si salvarea valorilor acestora sub forma de fisiere Excel.

Temperaturile in celelalte trei puncte de masurare (R_t2, R_t3, R_t4) sunt urmarite prin intermediul unor traductoare de temperatura (model TTM-004): TT₂, TT₃, TT₄. Cu ajutorul softului de comunicatie ZEP Monitor v1.2.3, datele pot fi inregistrate sub forma de fisiere Excel.

Pentru efectuarea determinarilor experimentale se parcurg etapele:

Se conecteaza suflanta de aer.

2. Se deschide robinetul de alimentare cu apa de racire r₁.

3. Se conecteaza incalzirea (autotransformatorul si comutatorul K in pozitia corespunzatoare unei tensiuni de iesire de 210 V).

4. Se conecteaza regulatorul de temperatura si traductoarele. Se deschide si configureaza softul Sys-config versiunea 2.1. Se fixeaza o anumita valoare a marimii de referinta (w = 54⁰C). Se realizeaza o autoacordare a regulatorului.

Se asteapta instalarea regimului stationar (temperatura constanta in toate punctele de masurare). Se determina valoarea debitului de apa (cu cilindru gradat si cronometru).

6. Se micsoreaza brusc marimea de referinta w a regulatorului la valoarea de 38 ⁰C (semnal treapta).

7. Se urmareste variatia temperaturii la iesirea din schimbator inregistrata de soft. Variatia temperaturii in celelalte puncte, indicata de traductoarele de temperatura TTM-004, se urmareste prin efectuarea de citiri la intervale de 30 de secunde. Cand, spre sfarsitul regimului tranzitor, variatiile de temperatura devin din ce in ce mai mici, intervalele de citire vor fi alese corespunzator mai mari (1 min. respectiv 3 min.).

8. Se determina debitul apei de racire ca la punctul 5.

Reprezentarea grafica a variatiei temperaturii aerului la iesirea din schimbator (T₁) in functie de timp, respectiv raspunsul la semnal treapta, este prezentat in fig. 11:

Fig. 11. Raspunsul la semnal treapta

Acest grafic este utilizat pentru a studia calitatea reglarii temperaturii in schimbatorul de caldura.   

Calitatea reglarii este o proprietate care reflecta modul in care un sistem de reglare automata stabil revine la starea initiala dupa ce a incetat actiunea variabilei de perturbatie. Calitatea reglarii are un caracter complex care se apreciaza dupa comportarea statica si dinamica a sistemului de reglare automata si se exprima prin indicatori de calitate.

Se vor defini indicatori de calitate pentru un sistem aperiodic in care miscarea libera este declansata de variatia in treapta a unei variabile de perturbatie:

Durata regimului tranzitor - t_t - teoretic este infinit de lunga datorita caracterului asimptotic al variatiei variabilei reglate pe parcursul procesului de reglare. Practic exista conventia de a considera regimul tranzitor incheiat daca diferenta dintre valoarea efectiva a variabilei de iesire si valoarea stationara care se va atinge a scazut sub anumita limita procentuala (2%- 5%) din variatia maxima.

Suprareglajul - este de asemenea caracteristic unei variatii oscilante a variabilei reglate si este definit de relatia:

S=100 · %

Pentru a determina gradul de amortizare si suprareglajul, este necesar sa marim din fig.3.1. portiunea finala astfel incat sa putem analiza amplitudinea oscilatiilor. Acest lucru este reprezentat in fig. 12:

Fig. 12. Studiul calitatii reglarii

In tab. 8 se prezinta indicatorii de calitate determinati:

Tab. 8. Indicatori de calitate

Deducerea modelului analitic

Comportarea dinamica a elementelor automatizate din industria chimica depinde de caracteristicile fizico-chimice ale procesului tehnologic, de regimul de functionare si de particularitatile constructive ale instalatiei. Majoritatea elementelor automatizate din tehnologia chimica au caracteristici statice neliniare. In acest caz, constantele de timp si coeficientii de transfer nu sunt constante ci depind de incarcarea instalatiei. In asemenea conditii, ecuatiile diferentiale liniare, folosite pentru exprimarea proprietatilor dinamice, pot fi considerate cu coeficienti constanti doar in cadrul unor variatii mici ale marimilor de intrare si de iesire.

Datorita numarului mare de parametrii care influenteaza procesele fizico-chimice din instalatii si a complexitatii constructive ale acestora, deducerea ecuatiei diferentiale pe cale analitica, pornind de la datele functionale si constructive ale instalatiei este o problema dificila. In aceste situatii este de preferat studiul experimental al comportarii dinamice. Pentru aceasta se determina raspunsul elementului automatizat la un semnal de intrare standard, iar din datele experimentale obtinute se deduce un sistem ipotetic format dintr-o anumita combinatie de elemente de reglare simple, care are o comportare dinamica cat mai apropiata de cea a instalatiei industriale.

In majoritatea cazurilor se urmareste raspunsul la semnal treapta, deoarece acesta se poate determina repede si cu mijloace experimentale simple, se parcurg succesiv urmatoarele etape :

1. Determinarea raspunsului la semnal treapta a elementului automatizat

2. Gasirea sistemului de elemente de reglare simple care este adecvat pentru aproximarea comportarii la transfer a elementului automatizat

3. Determinarea parametrilor elementelor de reglare care compun sistemul ipotetic

4. Compararea intre comportarea dinamica a sistemului ipotetic determinat si cea a elementului automatizat in cauza.

Se presupune ca sistemul ipotetic considerat este alcatuit dintr-un numar de n elemente proportionale de ordinul intai cu constante de timp egale T , legate in serie.

Ecuatia diferentiala a acestui sistem este de forma :

(3.1)

Determinarea experimentala a marimilor n si T din raspunsul la semnal treapta al elementului automatizat proportional de ordin superior, este posibila prin metoda tangentei sau metoda rapoartelor indicative.

Exactitatea cu care sistemul ipotetic reflecta comportarea la transfer a schimbatorului de caldura studiat se apreciaza comparand raspunsul la semnal treapta determinat experimental cu cel calculat in baza relatiei :

(3.2)

Relatia exprima raspunsul la semnal treapta a sistemului ipotetic si se obtine prin integrarea ecuatiei (3.1) considerand i(t)= i_o.

Daca sistemul contine pe langa n elemente proportionale de ordinul I si un element de intarziere pura, relatia (3.2) se modifica (pentru t >T_m) in felul urmator :

(3.3)

Daca sistemul ipotetic obtinut rezulta de ordinul 2, cu constante de timp neegale, raspunsul la semnal treapta se calculeaza cu expresia:

(3.4)

in care: T₁= T si T₂= b T.

5. Pe baza modelului ipotetic dedus, se calculeaza valoarea marimii de iesire pentru diverse valori ale variabilei timp si se reprezinta in graficul care reda raspunsul la semnal treapta. Se calculeaza diferenta intre valoarea reala si valoarea ipotetica pentru verificarea exactitatii cu care sistemul adoptat reflecta comportarea dinamica a schimbatorului de caldura.

Deducerea modelului matematic prin metoda rapoartelor indicative

Din caracteristica de raspuns la semnal treapta se determina in felul indicat in fig. 13, timpul necesar marimii de iesire pentru a efectua 10%, 30%, 50%, 70% si 90% din variatia totala. Valorile respective ale timpului se noteaza cu t₁, t₃, t₅, t₇ si t₉.

Fig. 13. Determinarea rapoartelor indicative

Valorile numerice ale timpilor t₁, t₃, t₅, t₇ si t₉ obtinute din fig. 13 sunt:

t₁ = 19 s

t₃ = 42 s

t₅ = 70 s

t₇ = 109 s

t₉ = 178 s

Valorile rapoartelor indicative t₁/t₉, t₁/t₇, t₁/t₅, t₁/t₃, t₃/t₇ si t₃/t₅ pornind de la timpii determinati mai sus sunt:

In baza acestor rapoarte si folosind graficul din fig. 14 se determina ordinul sistemului (n). Daca raspunsul la semnal treapta a fost corect determinat, toate rapoartele trebuie sa duca aproximativ la acelasi n.

Fig. 14. Determinarea ordinului sistemului

Ordinul sistemului determinat conform procedurii descrise mai sus este:

Media valorilor obtinute pentru ordinul sistemului este n = 1,77. Daca rapoartele indicative corespund unui ordin n mai mic decat 2, elementul trebuie totusi aproximat printr-un sistem de ordinul doi, insa cu constante de timp diferite. Cele doua constante de timp se noteaza: T₁ = T si T₂ = b×T.

Pentru determinarea coeficientului b se foloseste dependenta lui de rapoartele indicative, redata in fig. 15, iar valoarea constantei de timp T se gaseste in fig. 16, in baza valorii obtinuta pentru b.

Fig. 15. Determinarea lui b

Fig. 16. Determinarea lui T

Valorile coeficientilor b si T determinate din figurile 15 si 16 sunt:

b = 5,92

T= 15,55

Aceste valori conduc la urmatoarele constate de timp:

T₁ = T = 15,55 s

T₂ = b x T = 92 s

Ecuatia modelului matematic care descrie raspunsul la semnal treapta pentru sistemul studiat are urmatoarea forma:

Reprezentand comparativ setul de date experimentale si cele obtinute pe baza modelului matematic rezulta fig. 17:

Fig. 17.

Din fig. 17 se poate observa ca modelul matematic dedus reflecta bine comportarea dinamica a schimbatorului de caldura studiat.

II.4. CONCLUZII

Sistemele de reglare a temperaturii trebuie sa fie rapide motiv pentru care actiunea de reglare aleasa trebuie sa fie de tip PID.   

Actiunea proportionala se manifesta rapid, dar imprecis, fapt ce este corectat de catre actiunea de tip integral care anuleaza abaterea.

Componenta derivativa a reglarii compenseaza inertiile datorate timpilor morti, precum si gradului de ordin 2 al sistemului studiat, accelereaza raspunsul sistemului si imbunatateste stabilitatea acestuia asigurand amortizarea rapida a oscilatiilor.

Combinand cele trei tipuri de algoritmi se obtin indicatori de calitate maximi.

Utilizarea sistemelor analog numerice prezinta o serie de avantaje ca:

posibilitiatea de stocare a informatiilor;

prelucrarea grafica si statistica a datelor cu ajutorul unor soft-uri specializate;

prelucrarea mai multor marimi de intrare.

Elaborarea modelului matematic analitic si verificarea acestuia a fost corect efectuata, fapt confirmat prin suprapunerea curbei rezultatelor experimentale cu cea analitica. Se observa o alura aproape identica a curbelor, precum si coincidenta intre noua valoare stationara a temperaturii in cele doua situatii.

Din grafic se observa ca timpul actiunii de reglare este acelasi atat in cazul prelucrarii datelor experimentale cat si in cazul modelului analitic.