Способ управления непрерывным экзотермическим процессом

 

Изобретение относится к области управления непрерывными экзотермичесf кими процессами, осуществляемыми в каскаде последовательно установленных реакторов, и может быть использовано в химической, нефтехимической и других смежных отраслях промьшшенности . Схема реализации содержит датчики (Д) 4 и 5 расходов пропилена и триэтилалюминия, регулятор (Р) 6 соотношения, исполнительный механизм (ИМ) 7, Д 8 температуры, Р 9, ИМ 10, Д 12 состава пропилена, Д 13 температуры , Р 14, ИМ 15 и ЭВМ 19. ЭВМ 19 рассчитывает концентрацию целевого продукта и температуру на выходе последнего реактора. Регулируют концентрацию целевого продукта изменением температуры, измеряемой Д 8, и при увеличении температуры на выходе последнего реактора против заданного значения уменьшают температуру, измеряемую Д 13. 1 3.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил. i (Л со q

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ÄÄSUÄÄ 437086

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСЙОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2 1) 4112864/23-26 (22) 18.06.86 (46) 15. 11.88. Бюл. Р 42 (71) Научно-исследовательский и проектный институт по комплексной автоматизации в нефтяной и химической промьппленности .(?2) А.З.Таиров, В.Л.Левин, П.С.Наги-заде, P.Ñ.Джавад-заде, P.Ì.Àëèåâ и Т.10.Гамидов (53) 66.012-52(088.8) (56) Корсаков-Богатков С.М. Химические реакторы как объекты математического моделирования. М.: Химия, 1967, с.. 69.

Патент Великобритании Ф 1073573, кл. В 1 Х, 1964. (54) СПОСОБ= УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫМ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ (57) Изобретение относится к области управления непрерывными зкзотермичес S (51)4 В 01 J 19/00, G 05 0 27/00 кими процессами, осуществляемыми в каскаде последовательно установленных реакторов, и может быть использовано в химической, нефтехимической и других смежных отраслях промышленности. Схема реализации содержит дат чики (Д) 4 и 5 расходов пропилена и триэтилалюмнния, регулятор (P) 6 соотношения, исполнительный механизм (ИМ) 7, Д 8 температуры, Р 9, ИМ 10, Д 12 состава пропилена, Д 13 температуры, P 14, ИМ 15 и ЭВМ 19. ЭВИ 19 рассчитывает концентрацию целевого продукта и температуру на выходе последнего реактора. Регулируют концентрацию целевого продукта изменением температуры, измеряемой Д 8, и при увеличении температуры на выходе последнего реактора против заданного значения уменьыают температуру, измеряемую Д 13. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., ил.

1437086

М = . "С,.М,.;

1=

N (= С;Ь; с= 1

dCe

Дл

dCg

Ь аГ

Л и

"з ь

dC .Ъ ф (1 д а также скоростью л изменения тем5 пературы Т реакции вдоль каскада

dT л

ДЛ„ с начальными условиями для всей системы дифференциальных уравнений: при i = 0- Т " T ; С = С(0), где л „ — скорость реакции

Al(C Н5) + С Н,. (С Н„)А1(С.Н ), 7 - скорость реакции

Al(C Н5) +С Н . (С Н1) Al (С Н5) + (2) 3100

o,i z- „

Изобретение относится к управлению непрерывными экзотермическими процессами, осуществляемыми в каскаде последовательно установленных реакторов, и может быть использовано в

5 химической, нефте имической и других смежных.-.отраслях промышленности.

На чертеже представлена схема реализации предложенного способа. 10

Процесс осуществляется в каскаде ( из пяти последовательно установленных реакторов Р -P>.

Исходные продукты — пропилеи и триэтилалюминий (ТЭА), поступающие соответственно по линиям 1 и 2, сме- шиваются на входе в печь 3, где подогрео ваются до 160-200 С. Расходы пропилена и ТЭА измеряются датчиками 4 и 5, а соотношение их расходов регулируется с помощью регулятора 6 и исполнительного механизма ?. Температура реакционной смеси на входе в каскад измеряется датчиком 8 и регулируется с помощью регулятора 9 и исполнитель- 25 ного механизма 10, установленного на линии 11 подачи топливного газа в печь. Состав реакционной смеси (пропилена) измеряется датчиком 12, в качестве которого может. быть использован серийно выпускаемый хроматограф. При изменении концентрации

ТЭА может осуществляться вручную коррекция соотношения расхоцов ТЭА и пропилена по данным лабораторных анализов.

Температура в головном реакторе каскада измеряется датчиком 13 и регулируется с помощью регулятора 14 и исполнительного механизма 15, уста- 4О новленного на линии 16 подачи хладагента в рубашку реактора Р„. Реакционная смесь по линиям 17 перемещается из одного реактора в другой, продукт реакции по линии 18 посту 4 пает на вторую стадию процесса. Для реализации способа управления используется .ЭВМ 19.

Информация о составе сырья поступает с датчика 12 в ЭВМ 19, которая рассчитывает плотность у, теплоем50 кость 6Р и молекулярную массу М сырья как аддитивные функции от плотностей, теплоемкостей и молекулярных масс компонентов: где С; — доля i-ro компонента в сырье;

М .. — молекулярная масса i-го

1 компонента;

N — - число компонентов;

Ь, — теплоемкость i-ro компонента.

Информацию о всех значениях констант, используемых при расчетах по данному способу, вводят в ЭВМ в виде массива справочных данных.

Процесс содимериэации кинетически описывается системой дифференциальных. уравнений для четырех основных протекающих в каскаде реакций: ЙС1 л л л йС5 — ь е — u 1 1

Дл 1 1 э л 1 Д У

ЙСз dCq л

dс Ф аг2 4%

g,4e5

41оо моо (1) т 5;36 --и— ь =* е х С „С5- е т хС

1437086

4 са, В нашем пр мсре уравнения материального и теплового баланса для ре(С,Н„)А1(С,Н,)„актора д ало сш ею вид:

7 — ",.êðîñòü реакции (С Н )А1(С Н )2+С Н «

3 х С

5 7оо L,435— е

Р т х С

С,-С,(0)= 4 (;,;г, 7.„)., (6) (3) (7) 10 (8) (9) 7200

4,f49 д

"1 ф

4-OO о,811 е т х С с

1 +б3

Т-Т о (10) 15 (4) сз >

С =С,(0)-(С,+C-, +2С );

С

С

1 (12) 25

С т

Т концентрация этилена; температура реакции; время контакта;

3D скорость реакции

А1 (С Н )з +С Н4 - Al (C

С = 2.*" -Д ДНА м ((т -Т )3 (5)

Зб

R — - газовая постоянная;

dH — теплота j-A реакции; — параметр теплоотвода;

Т вЂ” температура хладагента;

Т вЂ” температура сырьевой смеси о на входе в головной реактор.

Решение системы уравнений (1)-(4) дает возможность определить оптимальные значения соотношения 0 компонентов на входе, времени контакта и температуры реакции Т, обеспечивающие достижение максимальной концентрации целевого продукта. В приводимом примере максимальная концентрация С целевого продукта — изоамилового радикала, равная 0,56, может быть достигнута при 6"= 3:1; " = 30 мин;

Т = 160 С.

Однако для .Решения задачи в Ре" альных условиях промышленного объекта поиск оптимальных управляющих воздействий необходимо вести с учетом его материального и теплового баланС С5(0) С (0)+(+С4 С (11) С С„(0)-(С +С + С + С4) (13) где С;(О) — концентрация i-го кампо" нента на входе в реактор. Критерием оптимизации процесса в рассматриваемом случае также является максимизация концентрации С .

Задаваясь различными значениями

8 в окресностях 8", температуры То и считая время контакта в каждом из реакторов равным 6 мин, решают совместно уравнения (6)-(13).

Результаты решения по интересующей концентрации целевого компонента С при различных 8 приведены в табл. 1-3. В левой части таблиц приводятся данные просчета процесса ,по модели при условии. поддержания во всех реакторах каскада одинаковых температур (160, 170, 180, 190 С) при различных соотношениях ТЭА и пропилена на входе процесса (8 =

3:1; 8= 4:1; 8= 2:1), строки таблицы соответствуют расположению реакторов в каскаде. . Из приведенных данных видно, что поддержание в реакторах одинаковой температуры требует значительного теплосъема.

Так, при 8 = 3:1 и температуре во всех реакторах 160 С требуется ото вод из каскада 2673 Икал тепла а о

7 при 190 С вЂ” 3546 Кал/ч (при производительности 11 т/ч).

В правой части таблиц приведены данные просчета модели по предлагаемому варианту.

Как видно из таблиц, концентрация

Со при управлении по предлагаемому

1437086

10 ного.

Формула способу практически не уменьшается, в то время как теплосъема с реакторов вообще не требуется (за исключением случая В = 4:1).

Для каждого соотношения В (при заданной нагрузке на батарею и пос,тоянном объеме реакторов) может быть выбрано заданное значение С .

Согласно способу расчетное значе.ние С сравнивают с заданием. При

:,уменьшении расчетного значения С ,по сравнению с заданным ЭВИ 19 выда,ет задание регулятору 9, с помощью которого повышается температура на, выходе в каскад, Такой случай имеет место при В = 2:1 (температура на входе в каскад устанавливается Т;

165 C) .

Для рассматриваемого процесса

:предельная температура на выходе кас када составляет 200 С, поскольку при о

:более высоких температурах происхо,дит быстрое разложение катализаторов.

Как видно из табл. 3. расчетная температура на выходе из каскада при

В = 2:1 составляет 195,3 С, т.е. находится в пределах нормы.

При соотношении 6 = 4:1, в случае отсутствия теплосъема в головном реакторе каскада, температура на его выходе может превысить предельное значение. Поэтому, как видно из табл. 2, в головном реакторе каскада необходимо осуществлять теплосъем в количестве 400 Икал/ч, Таким образом, согласно предлагаемому способу при увеличении рассчетной температуры на выходе касо када заданного значения (200 С) уменьшают температуру в головном реакторе каскада. Для этого сигнал из 3ВМ 19 поступает в виде задания

g регулятор 14, воздействующий с помощью клапана 15 на расход хладагента, В результате реализации способа обеспечивается значительная экономия энергоресурсов, так как во всех реакторах каскада, за исключением первого (а в некоторых случаях и в первом реакторе), теплосъем полностью прекращают, причем, как показывает расчет, незначительные потери в выходе

55 целевого продукта многократно перекрываются экономией энергоресурсов.

Как видно из табл. 1 при поддержании во всех реакторах одинаковой температуры максимальная концентрация целевого продукта составляет 0,537 (при температуре 170 С), а в предлагаемом решении — 0,527.

Однако выигрыш тепла при этом составляет 2943 Икал/ч.

Таким образом, предлагаемый способ значительно экономичнее извести з о б р е т е н и я

1. Способ управления непрерывным экзотермическим процессом в каскаде последовательно установленных реакторов, включающий регулирование соотношения расходов сырья и исходных компонентов на входе первого реактора, температуры реакционной смеси на выходе первого реактора изменением подачи теплоносителя в подогреватель реакционной смеси и температуры в первом реакторе изменением подачи хладагента в рубашку реактора, отличающийся тем, что, с целью снижения энергетических затрат., дополнительно измеряют состав исходного сырья, по измеренным значениям расходов сырья и исходных компонентов, составу исходного сырья и температуре реакционной смеси на входе первого реактора рассчитывают концентрацию целевого продукта и температуру на выходе последнего реактора, сравнивают рассчитанную температуру с заданным значением, регулируют расчетное значение концентрации целевого продукта на выходе последнего реактора на заданном значении изменением температуры реакционной смеси на входе первого реактора и при увеличении расчетной температуры на выходе последнего реактора против заданного значения уменьшают температуру в первом реакторе.

2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что во всех реакторах, кроме первого, поддерживают адиабатический режим. л

СЧ

СЪ

Ф о

° О фС» ф ь"

Ю о

СО

° б о

СЧ о

»О

Ф

СЪ

С»Ъ л

ЪР

СЪ

»О

° D

С Ъ

CJ ь ь.

O0

СЪ ОЪ

О O СЧ

«Е, »СЪ»СЪ

Ф б»»Ь о-î о. и

CI о

Оъ л

СЧ

СЧ О . »СЪ СЧ Ol Ф

° » Ф»l о о.о

D М m

СЧ С»Ъ

В . Ф б» о о о н о

Э

Е»» б о

В

»а\

«»

СЭ

»СЪ

° Ь

Г . 4

«»

И

t4 н»»» о

»О

Ф

Ch

»О б

И т (»

0 ь.

О» н о

9 й

1431086 о

»СЪ

° » о

ОЪ СЧ

»О 00

СЧ CO

Е л

»СЪ В

СЧ С»Ъ

Ф В о о

»СЪ СЧ

Ф4 ОЪ л

° »

O В о о

»О

° »бЪ.ь »СЪ

O б о

С Ъ»О ь

СЪ»»Ъ

° » В

О О

g. л

СЪ СЧ

В В о о

СЧ С»Ъ

О» С»1

° Е»СЪ

O »» о ь

1437086 о о 1

О ь 1с а о

° » Е»

00 СЧ 00

С Ъ СЧ Ф

r иъ сп О F»

О О

° n О О. л л л о о о О СЧ. 00

СФЪ 4 » л о

iСЪ O

О 00 00 ф Ф

О1 1О 1 С Ъ

Ю цЪ т

Ч0 а л,л о

С Ъ CO

° С Ъ

О О

° л о о

00 ее

О СЪ ф ЮЪ

СЧ CO Ф л л о о сч

° сф

ЧЭ О л л о о

° .ФЪ

Ф ЮЪ о Оъ

00 Ю л л о О

-с а

CV

0Ъ л л о о

С м

СЧ л о

an

Ch

СЧ

° Ъ о

С 1

РЪ

СЧ .

СЧ

СЧ л о о

00 о

CO.D л о О

РЪ

О Ъ л о

ЦЪ Ф е о

1О иЪ л ь

СЧ ь

ФЪ .Ф

СЧ

МЪ

С Ъ

Е2

Ю

Ф Ъ

Ю

0 о

Ю в м о

Р» о

I а фч

»0

0 О л ь ф О

С4 л о м

МЪ л о

И .ю

М

Ф Ъ

»

М о о о л м РФ

Ю

Ф о.

Ю в

В о м е в о

Ф Ъ ю л о о м о

»««

4 Ъ

О

0 о ф

Ю о

О

РЪ

СЧ

ФМ ф в

» е

CJ о

C».

° «« Ю е д л а о о, м м ч о м Ф л л о о о, v е м л

Cl ф

В

Рт н о

l» (h л сЧ

Р

+ фч и ч»

Ю ф

»

f7

М

Р

° Ф л м

И фе о

lO (Ч

° \

» с

1437086. Ч»»»Ъ ом Ж

© C»

1 ч в а в ал в

ev м м «в ,В л . 1 л о c» c» о