Способ применения нелинейной динамики для контроля работоспособности газофазного реактора, предназначенного для получения полиэтилена
В заявке описан способ определения методами нелинейной динамики непрерывности работы предназначенного для полимеризации реактора. Изобретение относится, в частности, к способу анализа системных переменных, позволяющему судить о непрерывности работы реактора в реальном масштабе времени и контролировать непрерывность его работы для постоянного поддержания реактора в рабочем состоянии. Технический результат - повышение устойчивости и эффективности работы реактора. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 14 ил.
Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу контроля неразрывности псевдоожиженного слоя и непрерывной работы газофазного реактора с псевдоожиженным слоем путем анализа комплексности (сложности) сигнала. Изобретение относится, в частности, к способу обнаружения расслоения в псевдоожиженном слое реактора и оценки комплексности сигнала и определения непрерывности работы реактора методами нелинейной динамики. Изобретение относится также к контролю непрерывной работы реактора путем обнаружения образования в нем расслоения и его устранения путем выполнения встречных мероприятий.
Уровень техники
Рециркуляционные реакторы с псевдоожиженным слоем обладают целым рядом достоинств и находят широкое применение благодаря однородности состава и равномерному распределению температуры, простоте выборочного контроля и интенсивному перемешиванию. Идеальная непрерывность работы реактора непосредственно связана с его стабильной и высокой производительностью, отсутствием расслоения (см. патенты US 5436304 и US 5405922, включенные в настоящее описание в качестве ссылки) и, как следствие этого, постоянной производительностью. Появление расслоения в реакторах с псевдоожиженным слоем требует сложной, связанной с потерями рабочего времени остановки реактора. К сожалению, в настоящее время не известны какие-либо способы устранения этих крайне нежелательных последствий, связанных с появлением в реакторе расслоения.
Работоспособность реактора определяется тремя взаимосвязанными факторами: катализатором и химическими особенностями протекающих в нем процессов, рабочей поверхностью и физико-химическими процессами и факторами, влияющими на характер протекающей в реакторе реакции. К последним относятся конструктивные особенности системы заполнения реактора катализатором, характер роста частиц, выделение и отвод тепла, морфология частиц, поведение псевдоожиженного слоя, эффекты, связанные с конденсацией и особенности контроля протекающего в реакторе процесса. Из всех этих факторов самыми сложными для понимания и поддержания непрерывной работы реактора являются проблемы, возникающие в том случае, когда скорость, с которой из реактора отводят тепло, превышает скорость, с которой это тепло выделяется в реакторе.
Эффективность теплообмена обеспечивается определенными условиями, в которых протекает реакция и которые должны обеспечивать достаточно широкий интервал устойчивого теплового режима работы реактора в макромасштабе (на уровне всей системы), в микромасштабе (внутри частиц) и в мезомасштабе (между частицами). Для полного контроля происходящих в реакторе процессов теплообмена необходимо понять несколько основных принципов. Хорошо известно, что в основе процесса теплообмена лежит либо механизм проводимости, либо механизм конвекции. Теплообмен, связанный с проводимостью или конвекцией, определяется коэффициентами теплопроводности и конвекции. Эти коэффициенты используют для определения критерия подобия Нуссельта (Nu), который характеризует интенсивность конвективного теплообмена на поверхности одиночных капель испаряющейся жидкости. Обычно предполагают, что этот же критерий подобия можно использовать и для оценки конвективного теплообмена в многофазном газотвердом потоке, пренебрегая при этом теплообменом между отдельными частицами (и от которого тепловой режим работы реактора зависит на мезомасштабном уровне). Игнорирование влияния на протекающие в реакторе процессы конвективного теплообмена между отдельными частицами предполагает, что упомянутый выше критерий подобия справедлив только для сильно разбавленных систем. Сравнительно недавно было опубликовано несколько основанных на экспериментальных и теоретических принципах работ, посвященных процессу многофазного теплообмена.
Несмотря на постоянно растущий интерес к критерию подобия Нуссельта, проведенные в последнее время исследования, основанные на использовании методов вычислительной гидродинамики (ВГД), указывают на существенное влияние взаимодействия отдельных частиц на процесс газофазной полимеризации полиэтилена. Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что между крупными и мелкими частицами существует большой перепад температуры и что разность температур между частицами в большей степени влияет на процесс теплообмена, чем разность температуры внутри самих частиц. Сказанное означает, что при физическом контакте двух приблизительно равных по размеру частиц между ними в псевдоожиженном слое образуется перегретое место. При этом, кроме того, небольшие по размерам высокоактивные частицы экранируются от потока газа, и не вступают с ним в какой-либо контакт, и в результате быстро перегреваются. При наличии в псевдоожиженном слое устойчивых к тепловому воздействию отдельных частиц реактор работает с постоянной скоростью полимеризации. В опубликованных в настоящее время работах отмечается также, что физический контакт между мелкими горячими частицами и крупными, сравнительно холодными частицами, позволяет избежать местного перегрева псевдоожиженного слоя. Отсутствие местного перегрева связано с минимальным влиянием на температуру слоя происходящих между частицами процессов теплопроводности и конвективного теплообмена.
В нормально работающем реакторе поверхность частицы постоянно меняется (обновляется) со скоростью, которая определяется главным образом временем, в течение которого частица находится в реакторе. Частица, которая находится у стенки реактора в течение короткого промежутка времени, обладает большой кинетической энергией, и адиабатическое повышение ее температуры мало. Поэтому путем измерения флуктуации теплового потока можно судить о степени перемешивания частиц или о времени нахождения частицы у стенки реактора. Существенным моментом является то, что отдельные частицы находятся в устойчивом состоянии в течение очень небольшого промежутка времени, длительность которого обычно не превышает 0,1 с. Чем меньшее время частица будет находиться у стенки реактора, тем выше будет коэффициент теплопередачи и тем ниже будет температура стенки реактора. При сращивании отдельных частиц и образовании в реакторе слоев полимера коэффициент теплопередачи падает. При увеличении температуры частицы размягчаются и плавятся и в реакторе происходит расслоение полимера. Расслоение полимера сопровождается искажением структуры псевдоожиженного слоя и перебоями в подаче катализатора, забиванием полимером системы выгрузки реактора и образованием в полученном полимере отдельных слоев из агломерированных расплавленных частиц.
Постоянное и устойчивое псевдоожижение частиц является важным фактором, от которого зависит производительность реактора. Измерения объемной плотности псевдоожиженного слоя свидетельствуют о колебаниях уровня слоя, наличии в нем отдельных пузырей газа и скоплений сплавившихся друг с другом частиц полимера. Скопления сплавившихся друг с другом частиц полимера образуются в результате коалесценции пузырей, в частности в тех зонах, где отношение газовой фазы слоя к твердой фазе достаточно велико. При падении давления находящийся в реакторе газ расширяется и из него образуются отдельные пузыри. Пузырьки газа постепенно увеличиваются в размерах, и в результате коалесценции в псевдоожиженном слое образуются газовые пробки, разделяющие содержащуюся в скоплениях сплавившихся частиц полимера эмульсионную фазу. Образование скоплений сплавившихся друг с другом частиц полимера приводит к большим изменениям массового расхода и падению давления в реакторе. Возникающие в псевдоожиженном слое волны большой амплитуды имеют скорость, меньшую скорости смеси.
В патенте US 5148405, который включен в настоящее описание в качестве ссылки, описан способ использования акустической эмиссии (звука) для измерения в протекающем по трубопроводу многофазном потоке количества содержащихся в нем скоплений сплавившихся друг с другом частиц полимера. Возникающие в протекающем по трубопроводу многофазном потоке возмущения обусловлены гравитационными силами и проявляются в образовании многослойных неустойчивых волн, возникающих на поверхности раздела между газом и жидкостью и в конечном итоге образующих в трубопроводе местные сопротивления и пробки.
Измерение акустической эмиссии (звука) обладает целым рядом достоинств, связанных, в частности, с получением информации в реальном масштабе времени и возможностью количественно и качественно контролировать происходящий процесс. Измерение акустической эмиссии, которое является бесконтактным методом измерений, предполагает активное или пассивное измерение энергии в виде волновой энергии колебаний. В принципе акустика относится к образованию, передаче и приему энергии, которая может проходить через газы, жидкости и твердые тела.
Часто состояние псевдоожиженного слоя как единой системы контролируют путем измерения давления в реакторе, изменения которого свидетельствуют о колебаниях псевдоожиженного слоя. Для измерения перепада давления обычно используют специальные штуцеры для отбора давления. Измерение перепадов давления позволяет только качественно судить о работоспособности реактора и не позволяет прогнозировать или предотвращать значительные перебои в непрерывной работе реактора. В настоящее время не известны какие-либо аналитические методы контроля работы реактора, позволяющие в оперативном режиме идентифицировать причины расслоения псевдоожиженного слоя.
Поскольку многие переменные, от которых зависит работа реактора, обладают нелинейной характеристикой, в последнее время для контроля химических процессов, связанных с нелинейными переменными, стали широко использовать нелинейные модели. Так, например, в патенте US 6263355, который включен в настоящее описание в качестве ссылки, описан быстрый фильтр шума, который, отфильтровывая шум от выходного сигнала датчика или контроллера, позволяет исключить из процесса контроля анализ ложной информации о хаотично происходящих событиях. В патенте US 6122557, который также включен в настоящее описание в качестве ссылки, предлагается способ контроля химического реактора, предпочтительно давления в реакторе, который основан на использовании подпрограммы упреждения для расчета баланса параметров, чувствительных к многомерным входным данным, и который использует все преимущества подпрограммы быстрой фильтрации шума.
В настоящем изобретении для определения начала процесса расслоения псевдоожиженного слоя и наличия в нем расслоений предлагается использовать нелинейные аналитические модели, полученные для непрерывно работающего реактора. В настоящем изобретении по существу предлагается дешевый и эффективный способ оценки работы реактора с псевдоожиженным слоем, позволяющий контролировать основные возмущения, нарушающие постоянство структуры псевдоожиженного слоя и приводящие, в частности, к его расслоению. В изобретении, в частности, предлагаются различные способы оценки, анализа и контроля неразрывности псевдоожиженного слоя и непрерывной работы реактора с псевдоожиженным слоем.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предлагается способ оценки состояния промышленного газофазного реактора с псевдоожиженным слоем измерением по меньшей мере одной из системных переменных, фильтрацией полученных данных для демодуляции временных рядов и вычислением сигнала, который свидетельствует о непрерывной работе реактора. К системным переменным относятся акустическая эмиссия (распространение звука), перепад давлений, общий вес и объем псевдоожиженного слоя, объемная плотность псевдоожиженного слоя, статическое напряжение и температура стенки реактора.
В настоящем изобретении предлагается также способ определения непрерывной работы реактора измерением передаваемого акустического сигнала, фильтрацией передаваемых данных и вычислением сигнала, который характеризует состояние псевдоожиженного слоя до его расслоения и изменение структуры псевдоожиженного слоя или его переходное состояние.
В изобретении, кроме того, предлагается способ контроля непрерывной работы газофазного реактора с псевдоожиженным слоем, заключающийся в измерении по меньшей мере одной меняющейся во времени системной переменной, фильтрации полученных данных для демодуляции временных рядов и вычислении сигнала по отфильтрованным данным. Работа реактора в непрерывном режиме определяется сравнением вычисленного сигнала, полученного на реакторе, с сигналом контрольного реактора и при необходимости регулируется путем выполнения встречных мероприятий, обеспечивающих непрерывную работу реактора, при этом такое определение непрерывной работы реактора и/или контроль эффективности принятых мер можно выполнить непосредственно на месте (локально) или дистанционно с использованием хорошо известных и эффективных средств связи и передачи данных.
Другие задачи, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже. При этом, однако, следует отметить, что подробное описание изобретения и рассмотренные в нем конкретные примеры некоторых предпочтительных вариантов возможного осуществления изобретения лишь иллюстрируют изобретение и не исключают возможности внесения в них различных очевидных для специалистов изменений и усовершенствований, не выходящих за объем формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Перечисленные ниже чертежи являются составной частью описания изобретения и включены в описание для более полной демонстрации определенных аспектов изобретения. Изобретение можно лучше понять со ссылками на один или несколько чертежей в сочетании с подробным описанием нескольких конкретных вариантов, иллюстрируемых чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - временные ряды, иллюстрирующие влияние отдельных выбросов на результаты измерений объемной плотности псевдоожиженного слоя,
на фиг.2 - отфильтрованные результаты измерений, полученные с помощью поверхностных термопар,
на фиг.3 - иллюстрация вложения задержки времени в выбранной системе координат и связь пересекающегося интервала с фазопространственной орбитой,
на фиг.4 - временные циклы, вычисленные на основе результатов измерений, полученных с помощью термопар, и свидетельствующие о расслоении псевдоожиженного слоя,
на фиг.5 - среднее отклонение и продолжительность цикла реактора в неустойчивом состоянии,
на фиг.6 - среднее отклонение и продолжительность цикла реактора в промежуточном между неустойчивым и стабильным состояниями,
на фиг.7 - среднее отклонение и продолжительность цикла реактора в стабильном состоянии,
на фиг.8 - корреляция между средним отклонением, средней продолжительностью цикла и склонностью к расслоению на различных стадиях расслоения,
на фиг.9 - график изменения во времени преобразованной шенноновской энтропии неустойчиво работающего реактора,
на фиг.10 - сигнал колмогоровской энтропии, вычисленный по отфильтрованным результатам измерений объемной плотности псевдоожиженного слоя,
на фиг.11 - связь колебаний уровня псевдоожиженного слоя и движения через него пузырей газа с сигналом, полученным при измерении объемной плотности псевдоожиженного слоя,
на фиг.12 - влияние перемешивания частиц у стенки реактора на сигнал поверхностной термопары,
на фиг.13 - трехмерный график собственных значений, построенный по множеству отфильтрованных сигналов,
на фиг.14 - график, построенный для различных катализаторов, для которых получены отфильтрованные сигналы, обработанные по главным компонентам.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Слова, которые в описании указаны в единственном числе, могут характеризовать и несколько таких же понятий или терминов. То же самое относится и к понятиям или терминам, которые упоминаются в формуле изобретения в контексте со словом "содержащий" или "включающий". Встречающийся в описании термин "другой" может означать по меньшей мере второй или другие. Термин "локальный", который используется в контексте с определением непрерывности работы реактора и выполнением встречных мероприятий, обеспечивающих его непрерывную работу, означает, что эти действия выполняются непосредственно на установке для полимеризации, содержащей и сам реактор, и расположенное за ним оборудование. "Дистанционное" определение непрерывности работы реактора и выполнение встречных мероприятий, обеспечивающих его непрерывную работу, означает, что эти действия выполняются за пределами содержащей реактор и расположенное за ним оборудование установки для полимеризации, в том числе на большом от нее удалении, например централизованно на территории США для установок, расположенных в южном полушарии.
Оптимально непрерывный режим работы является предпочтительным режимом работы газофазного реактора с псевдоожиженным слоем и предполагает его устойчивую и эффективную работу. Непрерывная работа реактора связана с совокупностью различных системных переменных, которые влияют на работу реактора, в частности с такими параметрами, как объемная плотность псевдоожиженного слоя, температура реактора и его стенок, статическое напряжение, объем псевдоожиженного слоя и давление в нем. Нарушение непрерывной работы (непрерывности) реактора отрицательно сказывается на его производительности и на качестве получаемого в нем продукта. Основным признаком нарушения непрерывной работы реактора является расслоение псевдоожиженного слоя, которое проявляется в расслоении полимера или образовании агломератов на стенке или на верхнем куполообразном днище реактора (см. патенты US 5436304 и US 5405922). Обычно расслоение псевдоожиженного слоя требует остановки и ремонта реактора. Настоящее изобретение относится к контролю, обнаружению, анализу и регулированию непрерывности работы реактора в начале реакции, в процессе роста полимера и по окончании полимеризации.
В одном из вариантов в настоящем изобретении предлагается способ определения непрерывности работы реактора, заключающийся в измерении по меньшей мере одной из системных переменных реактора в течение времени, необходимого для получения данных, фильтрации полученных данных для демодуляции временных рядов, вычислении по отфильтрованным данным сигнала и определении непрерывности работы реактора сравнением вычисленного сигнала и сигнала контрольного реактора.
В одном из конкретных вариантов осуществления изобретения период времени, в течение которого получают данные, представляет собой время, необходимое для сбора информации, характеризующей несколько точечных данных. В другом конкретном варианте осуществления изобретения в качестве системных переменных используют акустическую эмиссию (звук), перепад давления в псевдоожиженном слое, общий вес/объем псевдоожиженного слоя, объемную плотность псевдоожиженного слоя, статическое напряжение и температуру стенки реактора.
При получении данных предпочтительно получают быстро изменяющиеся данные, которые собирают с частотой более 1 Гц. Данные собирают и регистрируют в течение 1-60 мин со скоростью 10 точечных данных в секунду. Сбор данных происходит итеративно в определенном диапазоне скорости сбора данных в течение времени от нескольких минут до нескольких часов. Меняющиеся с высокой скоростью данные пропускают через фильтр нижних частот, срезающий все частоты ниже 40 Гц и ослабляющий все более высокие частоты, которые относятся к любому событию, продолжительность которого не превышает 25 мс (миллисекунд). Данные, которые регистрируются непрерывно по одной точке в секунду во всем диапазоне измерений, считаются медленно изменяющимися данными. Специалистам в данной области известно, что скорость сбора данных меняется от условий эксперимента и что указанная выше скорость сбора данных вполне достаточна для того, чтобы по ним можно было судить о непрерывной работе реактора. Специалистам в данной области известно также, что для сбора данных можно использовать различные и достаточно распространенные средства измерений (в частности средства отбора давления, которые используют для измерения давления в псевдоожиженном слое).
В одном из конкретных предпочтительных вариантов осуществления изобретения в качестве быстро изменяющихся данных используют отфильтрованные данные об объемной плотности псевдоожиженного слоя, общем перепаде давления в псевдоожиженном слое, статическом напряжении, акустической эмиссии и температуре, измеренной поверхностными термопарами. Средства измерений, которые можно использовать для получения этих данных, хорошо известны специалистам и в большом объеме выпускаются промышленностью.
В еще одном конкретном варианте осуществления изобретения вычисленный сигнал содержит информацию об энтропии, изменение или предпочтительно уменьшение которой в вычисленном сигнале свидетельствует о нарушении непрерывной работы реактора.
В другом варианте осуществления изобретения при расчете сигнала определяют продолжительность (время) цикла (период), по изменению которого, предпочтительно по его увеличению, можно судить о нарушении непрерывной работы реактора. Под "временем цикла" понимается средняя продолжительность нахождения частиц у стенки реактора, которая зависит от образования в псевдоожиженном слое пузырей и параметров разжижения. Время цикла определяют на основании данных, полученных измерением по меньшей мере одной системной переменной, характеризующей непрерывность работы реактора, такой как объемная плотность псевдоожиженного слоя или температура стенки реактора.
В еще одном конкретном варианте осуществления изобретения при вычислении сигнала определяют среднее отклонение. Термины "среднее отклонение", "среднее абсолютное отклонение" и "первый абсолютный момент" являются взаимозаменяемыми терминами. Среднее отклонение (СО) служит мерой изменения (флуктуации) амплитуды сигнала и определяется по следующему уравнению (уравнение I):
Определенное таким образом среднее отклонение СО аналогично стандартному отклонению или дисперсии, где хi означает измеренную величину с индексом i, a 
означает среднее значение измеренной величины. При этом 
означает абсолютное значение величины, а 
означает ожидаемое значение (когда величина 
усредняется по всем временным рядам).
В другом варианте осуществления изобретения при определении непрерывности работы реактора предлагаемым в изобретении способом определяют предшествующее расслоению состояние псевдоожиженного слоя, изменение режима разжижения и переходное состояние псевдоожиженного слоя.
В альтернативном варианте осуществления изобретения непрерывную работу реактора определяют сравнением времени цикла реактора со средним отклонением того же реактора и снижение непрерывности реактора и, в частности, наличие расслоения определяют по увеличению времени цикла и сопутствующему этому уменьшению среднего отклонения.
В еще одном варианте осуществления изобретения при фильтрации полученных данных используют фильтр нижних частот, такой как импульсный двоичный фильтр, фильтр Клаппа-Хивели (Clapp-Hively), или используют среднеквадратические значения. Предпочтительно с помощью фильтра демодулируют временные ряды с получением характерной информации о степени непрерывности работы реактора.
В другом варианте осуществления изобретения предлагается способ определения непрерывности работы реактора, заключающийся в том, что на стенке реактора устанавливают датчик акустической эмиссии, измеряют распространение акустической энергии с получением данных о состоянии псевдоожиженного слоя реактора, фильтруют полученные данные, демодулируя временные ряды, вычисляют сигнал для временных рядов и определяют непрерывность работы реактора сравнением вычисленного сигнала с сигналом контрольного реактора. Для специалистов в данной области очевидно, что сигнал, вычисленный для первых временных рядов, можно использовать в качестве сигнала контрольного реактора и сравнивать его с сигналом, вычисленным для вторых временных рядов того же реактора. В этом случае по разнице между сигналами, вычисленными для первых и вторых временных рядов, можно судить об изменении непрерывности работы реактора.
В одном из конкретных вариантов осуществления изобретения акустическую эмиссию измеряют в диапазоне частот от 100 до 400 кГц, предпочтительно на частоте 190 кГц. В другом конкретном варианте осуществления изобретения акустическую эмиссию измеряют пассивным акустическим датчиком, что, однако, не исключает возможности применения и активных акустических датчиков.
В другом конкретном варианте осуществления изобретения полученные данные фильтруют с помощью фильтра нижних частот, таких как фильтр Клаппа-Хивели, импульсный двоичный фильтр, или используют среднеквадратические значения.
В еще одном конкретном варианте осуществления изобретения при вычислении сигнала определяют энтропию, время цикла, среднее отклонение, степень корреляции, спектральную функцию и спектр собственных значений. Спектр собственных значений получают, в частности, анализом главных компонентов.
В еще одном конкретном варианте осуществления изобретения при определении непрерывности работы реактора определяют предшествующее расслоению состояние псевдоожиженного слоя, изменение режима сжижения и переходное состояние псевдоожиженного слоя.
В еще одном варианте осуществления изобретения предлагается способ контроля непрерывной работы газофазного реактора с псевдоожиженным слоем, который заключается в том, что измеряют по меньшей мере одну системную переменную реактора в течение времени, необходимого для получения данных, фильтруют полученные данные для демодуляции временных рядов, вычисляют по отфильтрованным данным сигнал, определяют непрерывность работы реактора сравнением вычисленного сигнала с сигналом контрольного реактора и выполняют встречные мероприятия, обеспечивающие непрерывную работу реактора.
В конкретном варианте осуществления изобретения при измерении по меньшей мере одной системной переменной реактора измеряют акустическую эмиссию, перепад давлений, общий вес и объем псевдоожиженного слоя, объемную плотность псевдоожиженного слоя, статическое напряжение или температуру стенки реактора. В еще одном конкретном варианте осуществления изобретения акустическую эмиссию (распространение звука) измеряют пассивным акустическим датчиком.
В одном из конкретных предпочтительных вариантов осуществления изобретения при получении данных получают быстро изменяющиеся данные, к которым относятся отфильтрованные данные об объемной плотности псевдоожиженного слоя, общем перепаде давления в псевдоожиженном слое, статическом напряжении, акустической эмиссии и температуре, измеренной поверхностными термопарами.
В еще одном конкретном варианте осуществления изобретения при вычислении сигнала вычисляют сигнал, который содержит информацию об энтропии, времени цикла и среднем отклонении. Предпочтительно вычислять сигнал, содержащий информацию о времени цикла, не ограничиваясь при этом получением нестационарных данных (в частности данных об объемной плотности псевдоожиженного слоя). Энтропия является показателем комплексности сигнала, поэтому уменьшение энтропии свидетельствует о снижении эффективности перемешивания, снижении непрерывности реактора и образовании избытка полимера на стенке реактора и/или рядом с ней.
В другом конкретном варианте осуществления изобретения при выполнении встречных мероприятий, обеспечивающих непрерывную работу реактора, в реактор инжектируют поглотитель, в качестве которого используют, например, монооксид углерода, диоксид углерода, кислород или воду. В другом варианте осуществления изобретения при выполнении встречных мероприятий, обеспечивающих непрерывную работу реактора, в реактор добавляют антистатические и простатические агенты (см. патенты US 4803251 и US 5391657, включенные в настоящее описание в качестве ссылки).
В еще одном конкретном варианте осуществления изобретения при выполнении встречных мероприятий, обеспечивающих непрерывную работу реактора, регулируют температуру реактора, регулируют скорость среды, добавляют в реактор поверхностный модификатор, такой как дистеарат алюминия, и импульсно добавляют газ. В последнем случае газ добавляют предпочтительно итеративно до тех пор, пока реактор не начнет работать в непрерывном и/или нормальном режиме.
В другом конкретном варианте осуществления изобретения при выполнении встречных мероприятий, обеспечивающих непрерывную работу реактора, регулируют парциальное давление мономера, уровень псевдоожиженного слоя, скорость подачи катализатора и скорость подачи этилена.
В альтернативном варианте при осуществлении предлагаемого в изобретении способа непрерывность работы реактора определяют сравнением времени цикла реактора со средним отклонением.
Температура стенки реактора является системной переменной, которая легко измеряется поверхностными термопарами. Среднее значение сигналов термопар с течением времени медленно изменяется, возможно, в связи с наличием в динамической модели реактора "холодных клеток". Несмотря на то, что такие изменения сигналов термопар и несут в себе достаточно интересную информацию, тем не менее в некоторых численных алгоритмах они создают определенные проблемы. Для снижения дрейфа термопар используют фильтр Клаппа-Хивели, импульсный двоичный фильтр или среднеквадратические значения данных. Фильтр Клаппа-Хивели при нулевом сдвиге по фазе подбирает многочлен второго порядка и демодулирует сигнал в полосе нижних и высоких частот. При этом, в частности, первая точка данных является вершиной параболы в отфильтрованных данных. Вычисляется эта точка подбором наименьших квадратов двух точек данных, предшествующих первой точке, и двух точек данных, следующих за первой точкой. Фильтр разделяет временные ряды по полосам нижних и высоких частот. Ширина полосы пропускания фильтра (количество используемых в подобранном многочлене предыдущих и последующих точек) определяет частоту излома характеристики фильтра. При симметричной полосе пропускания фильтр обладает нулевым фазовым сдвигом.
Работа фильтра при измерениях температуры поверхностными термопарами проиллюстрирована на фиг.2. В верхней части на фиг.2 показан неотфильтрованный меняющийся во времени сигнал. На неотфильтрованный сигнал наложен сигнал, изменяющийся во времени с низкой частотой, который совпадает с неотфильтрованным сигналом, а в нижней части на фиг.2 показан сигнал, который изменяется во времени с высокой частотой. В сигнале низкой частоты содержатся помехи и медленный дрейф среднего значения сигнала, а в сигнале высокой частоты содержится представляющая интерес информация о выбранной динамике процесса.
Среднее время цикла представляет собой усредненную во времени продолжительность прохождения по орбите полученной по перестроенному сигналу фазопространственной траектории. Практически для оценки этой величины используют разбиение Пуанкаре, основанное на последовательных направленных пересечениях определенной границы. На фиг.3 показан процесс вложения задержки времени в выбранной системе координат и связь интервала пересечения с фазопространственной орбитой. При "вложении" временных рядов используют несколько (в данном случае три) последовательных измерения, выполненных с задержкой времени Т. Искомую траекторию получают по изображениям в трехмерной системе координат этих (трех) точек при скользящем индексе i.
Время цикла вычисляют выбором границы (сегмента, ограниченного изображенными серыми кружками точками на периметре временных рядов) и измерением интервала между последовательными пересечениями границы (точки, изображенные открытыми кружками и сплошными кружками на временных рядах); фазопространственная орбита показана в виде сегмента на графике траектории, начинающегося и заканчивающегося в точках, изображенных кружками серого цвета. Вложение задержки времени в выбранной системе координат рассмотрено также в работе Schouten J.C., Takens F. и van den Bleek C.M. "Maximum-likelihood estimation of the entrophy of an attractor", опубликованной в Phisical Review E 49, 1994, с.126-129 и включенной в настоящее описание в качестве ссылки.
В качестве меры комплексности сигнала используют адаптацию Доу (Daw) оператора оценки Делфта (Delft) по методу максимального правдоподобия энтропии Колмогорова-Синая (см. работу Schouten J.C., Takens F. и van den Bleek C.M "Maximum-likelihood estimation of the entrophy of an attractor", опубликованную в Physical Review E 49, 1994, c.126-129 и работу Schouten J.C. и van den Bleek C.M "Monitoring the quality of fluidization using the short form predictability of pressure fluctuations", опубликованную в AlChE Journal 44, 1998, c.48-60, которые включены в настоящее описание в качестве ссылки). Критерий KML оценки по методу максимального правдоподобия позволяет количественно оценить скорость, с которой оператор оценки при измерении времени отклонения для ближайших к траектории сегментов выдает значение энтропии. Этот метод основан на использовании параметра масштаба времени, длины сегмента и параметра масштаба длины и длины разбиения. На основе этих параметров для каждого измерения временных рядов получают одно число, которые сравнивают друг с другом во всем диапазоне рабочих условий псевдоожиженного слоя для определения корреляции комплексности сигнала с возможным расслоением псевдоожиженного слоя.
Другой мерой комплексности сигнала, основанной на символизации данных, является модифицированная форма шенноновской энтропии. При символизации крупных групп данных временных рядов и "вложении" и кодировании рядов символов можно легко каталогизировать частоты динамических моделей. Такой каталог представляет собой гистограмму последовательности символов, конечный результат которой зависит от трех параметров - размера группы символов, длины последовательности и интервала между символами. Шенноновская энтропия, которая является мерой степени организации гистограмм последовательности символов, позволяет оценить, насколько хаотичными являются временные ряды при выбранных при наблюдении масштабах длины и времени. В используемой в настоящем изобретении модифицированной форме шенноновской энтропии (НSM), приведенной в указанных ниже работах, Nseq обозначает количество измеренных последовательностей с ненулевой частотой, а рi обозначает измеренную вероятность последовательности i. Для "хаотичных" данных HSM≈1, а для нехаотичных данных 0<HSM<1 (Finney C.E.A., Green J.B.Jr., Daw C.S., "Symbolic time-series analysis of engine combustion measurements", SAE Paper №980624, 1998 и Tang X.Z., Tracy E.R., "Data compression and information retrieval via symbolization". Chaos 8, 1998, c.688-696, обе публикации включены в настоящее описание в качестве ссылки).
Акустическую эмиссию используют для сравнения интерференционных картин или изменений структуры псевдоожиженного слоя реактора для оценки непрерывности работы реактора, предпочтительно путем определения расслоения псевдоожиженного слоя или предсказания его возможного расслоения. Для воздействия на стенку реактора в уязвимых или в не уязвимых к расслоению псевдоожиженного слоя местах ультразвуковой частотой используют акустический преобразователь. Для измерения ультразвукового поля, называемого также акустической эмиссией, используют активные или пассивные локационные датчики. Специалистам в данной области известно, что диапазон ультразвуковых частот охватывает частоты от 20 кГц до 1 МГц без точного определения верхней границы этого диапазона. В изобретении предлагается работать на частоте 190 кГц, хотя для любого специалиста очевидно, что можно работать и с другими ультразвуковыми частотами, позволяющими сформировать акустическое поле, по которому можно судить о непрерывной работе реактора. Так, в частности, в реакторах с псевдоожиженным слоем измеряют акустическую энергию, излучаемую частицами, которые находятся на стенке или вблизи стенки реактора, а также, но необязательно, акустическую энергию, связанную со взаимодействием частиц со стенкой ректора и взаимодействием частиц между собой.
В реакторах с псевдоожиженным слоем звуковую энергию, возникающую при ударе частиц, которые находятся на стенке реактора или вблизи нее, измеряют "прослушиванием" контакта частиц со стенкой и контакта между частицами. Определение только этих частот в ультразвуковом диапазоне измеряемой акустической эмиссии позволяет зафиксировать главным образом только то излучение, которое проходит через стенку реактора. Для увеличения отношения сигнал-шум фоновый шум, который передается по воздуху, на ультразвуковых частотах измеряться не должен.
Акустическую эмиссию (АЭ) измеряют как звуковую энергию, передаваемую в виде обычной механической вибрации через твердую, жидкую или газообразную среду. Специалистам в данной области известно, что передаваемая акустическая энергия зависит от движения отдельных молекул. Воздействие импульсом акустической энергии сопровождается колебаниями в соответствии с частотной характеристикой движения молекул. Акустический преобразователь преобразует колебания или возмущения в естественном хаотичном движении отдельных молекул в электрические импульсы. При оценке непрерывной работы реактора по акустической эмиссии сигнал переменного тока преобразуется в сигнал постоянного тока среднеквадратичным (СК) преобразованием согласно уравнению (2):
В этом уравнении n обозначает количество замеров в течение всего времени измерений, а хi обозначает значение точки данных в момент времени i. При необходимости для усиления аналогового электрического сигнала можно использовать предварительный усилитель. Использование предварительного усилителя позволяет передавать сигнал на большие расстояния. Акустический преобразователь обычно устанавливают снаружи непосредственно на стенке реактора. Для лучшей акустической связи преобразователя с металлической поверхностью стенки реактора можно использовать силиконовую консистентную смазку или другой соответствующий материал. Устойчивый, превышающий уровень шума сигнал получают при прохождении через акустическое поле пузыря газа, после чего сигнал снова уменьшается до уровня шума, создаваемого задней частью пузыря. Такой характерный след ассоциируется с турбулентной энергией различных частей пузыря. Любое событие, которое сопровождается изменением локального расхода газа или жидкости, можно зафиксировать по изменению уровня сигнала. Именно изменение уровня сигнала и говорит о том, что в реакторе произошло какое-то событие, приводящее к такого рода последствиям.
Как описано выше, нелинейный, или хаотичный, анализ позволяет определить изменения, происходящие в псевдоожиженном слое реактора, предназначенного для получения полиэтилена, зафиксировать расслоение и установить причины, которые привели к расслоению псевдоожиженного слоя. Определение физической связи между расслоением псевдоожиженного слоя и измерениями различных параметров происходящих в реакторе процессов осуществляется методом моделирования. По существу в настоящем изобретении предлагается использующий метод нелинейного анализа диагностический способ, позволяющий определить непрерывность работы реактора и, в частности, зафиксировать расслоение его псевдоожиженного слоя и уменьшить отрицательное влияние расслоения на работу реактора.
ПРИМЕРЫ
Приведенные ниже примеры иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления изобретения. Для специалистов в данной области очевидно, что описанные в этих примерах приемы, которые можно использовать при осуществлении предлагаемого в изобретении способа, ни в коей мере не ограничивают изобретение, а лишь иллюстрируют возможные и предпочтительные варианты его практической реализации. Для специалистов в данной области очевидно также, что в рассмотренные в описании и в примерах конкретные варианты можно, не выходя за объем изобретения, вносить различные изменения, позволяющие получить такой же или схожий результат. Очевидно, в частности, что вместо определенных реагентов, упомянутых в приведенных ниже примерах, можно использовать и другие родственные им химически и физиологически реагенты, позволяющие получить такие же или аналогичные результаты. Необходимо при этом отметить, что все подобные изменения и усовершенствования, очевидные для специалистов, не должны нарушать основной идеи изобретения и выходить за его объем, определяемый формулой изобретения.
Пример 1: Измеряемые данные
К меняющимся с высокой скоростью данным относятся отфильтрованные данные об объемной плотности псевдоожиженного слоя, общем перепаде давления в псевдоожиженном слое, статическом напряжении, температуре, измеренной поверхностными термопарами, и акустической эмиссии. Меняющиеся с высокой скоростью данные измеряли с частотой 200 измерений в секунду в течение 5 мин ежечасно и регистрировали полученные в ноябре 1999 г. данные в нескольких частотных диапазонах. До выборки данных и регистрации сигналы преобразователей, несущие информацию об объемной плотности и общем весе псевдоожиженного слоя, статическом напряжении и акустической эмиссии, сначала фильтровали аналоговым фильтром нижних частот с частотой среза, равной 40 Гц, ослабляя более высокие частоты, отражающие события, продолжительность которых не превышает 25 мс. Данные, полученные поверхностными термопарами, ослабляли в 10 раз и фильтровали фильтром нижних частот, используя в качестве фильтра простой резонансный контур с частотой среза, равной 5 Гц.
К данным, которые изменяются медленно, относятся сигналы поверхностных термопар, статика реактора и давление и температура псевдоожиженного слоя. Измерения параметров реактора, которые меняются медленно, регистрировали непрерывно 5 раз в секунду в течение всего времени тестирования.
Данные об акустической эмиссии получали с помощью обычного акустического преобразователя (выпускаемого фирмой Process Analysis & Automation) на частоте 190 кГц. Преобразователи устанавливали в нескольких местах на внешней стенке реактора у распределительной тарелки, в зоне реакции, в месте соединения корпуса реактора с верхним куполообразным днищем и на линии циркуляции.
Пример 2: Выбор данных для нелинейного анализа
При выборе данных для нелинейного анализа оценивали полноту регистрируемых данных, в особенности данных, которые относятся к известным событиям, связанным с расслоением псевдоожиженного слоя, и целостность данных в течение всего процесса анализа. Для анализа не использовали только те данные, которые получали при существенном расслоении псевдоожиженного слоя, требующем остановки реактора. К отдельным выбросам в полученных при измерениях сигналах, которые делают их непригодными для дальнейшего анализа, относятся видимая нестационарность (медленное изменение среднего значения), резкие изменения амплитуды и насыщение или сверхдискретизация сигнала. Кроме того, из анализа исключали данные, полученные на переходных режимах, которые могут привести к мнимой идентификации изменений сигнала, не связанных с естественным расслоением псевдоожиженного слоя. Для исключения из анализа аномальных событий регистрировали также другие отдельные специфические особенности процесса, в частности резкое изменение давления во время выгрузки из реактора полученного продукта. В полученных в конце тестирования данных измерений объемной плотности псевдоожиженного слоя (ОППС) содержались резкие выбросы, связанные с выгрузкой из реактора полученного продукта, которые не были столь явно выражены или вообще отсутствовали на более ранних стадиях тестирования. Причины такого различия неизвестны. На фиг.1 показано влияние выбросов, связанных с разгрузкой из реактора полученного продукта, на данные измерений ОППС.
Анализируемые данные охватывали широкий диапазон рабочих условий реактора, включая условия заметного расслоения псевдоожиженного слоя. Все данные разделены на три группы: "ОБРАЗЕЦ 1" (неустойчивое состояние реактора), "ОБРАЗЕЦ 2" (переходное или промежуточное состояние) и "ОБРАЗЕЦ 3" (устойчивое состояние реактора), причем все эти состояния относятся к склонности псевдоожиженного слоя к расслоению.
Результаты измерений медленно меняющихся данных поверхностными термопарами отражают длительное по времени изменение температуры (связанное, вероятно, с наличием "холодных клеток" и местных участков с низкой температурой, образование которых связано с пониженной скоростью реакции) и некоторую степень дискретизации. Поскольку эти данные вносят существенный вклад в обнаружение расслоения псевдоожиженного слоя, ни один из сигналов термопар не исключали из рассмотрения, и с целью исключения из рассмотрения длительного изменения температуры из всех этих данных исключали тренд. Поскольку бóльшая часть опытов, подлежащих анализу временных рядов, предполагает устойчивое состояние псевдоожиженного слоя, для определения пригодности данных для дальнейшего анализа на следующем этапе выполняли проверку стационарности.
Стационарность подразумевает, что определенные статистические оценки временных рядов не изменяются с течением времени. Для тестирования стационарности использовали тестирование фазопространственной стационарности по методу Кеннела (см. работу Kennel M.B. "Statistical test for dynamical nonstationarity in observed time-series data". Physical Review E 56, 1997, c.316-321, включенную в настоящее описание в качестве ссылки). Этот метод позволяет оценить, насколько в течение времени структура временных рядов остается постоянной или меняется в определенном месте временного ряда. Методика Кеннела широко использовалась им в упомянутой выше работе при анализе данных давления в псевдоожиженном слое (см. работу Kennel M.B. "Statistical test for dynamical nonstationarity in observed time-series data". Physical Review E 56, 1997, c.316-321, включенную в настоящее описание в качестве ссылки).
Пример 3: Анализ времени цикла
Данные времени цикла фильтровали, используя импульсный фильтр Добеши (Daubechies) второго порядка, позволяющий определить склонность псевдоожиженного слоя к расслоению в течение 5-12 мин со средним временем предсказания, равным 7,5 мин. Время цикла использовали для характеристики всех типов катализатора и для определения времени нахождения полимера у стенки реактора. Нахождение частиц полимера у стенки реактора в неподвижном состоянии в течение 2-5 мин сопровождалось расслоением псевдоожиженного слоя. Продолжительность нахождения частиц полимера у стенки реактора, при которой происходит расслоение псевдоожиженного слоя, согласуется с расчетами теплового убегания частиц. К действенным встречным мерам контроля работы реактора, устраняющим расслоение псевдоожиженного слоя, относятся подача в реактор Н2 короткими повторяющимися импульсами, изменение скорости среды, инжекция поглотителей, таких как CO2, CO, кислород или вода, использование антистатических и простатических реагентов, регулирование температуры реактора, изменение парциального давления мономера, изменение уровня псевдоожиженного слоя, изменение расхода катализатора и расхода подаваемого в реактор этилена.
Пример 4: Измерения объемной плотности псевдоожиженного сдоя (ОППС)
Поскольку измерения рядов ОППС обладают склонностью к нестационарности (от умеренной до сильной), вместо оценки степени сложности использовали среднее время цикла, которое, как представляется, менее подвержено влиянию нестационарности.
В трех рядах данных ("ОБРАЗЕЦ 4", совокупности данных 3, 6 и 7) среднее время цикла временных рядов ОППС, как видно из результатов измерений температуры поверхностными термопарами, существенно изменялось до или непосредственно перед появлением расслоения. На фиг.4 показано среднее время цикла (со значками 
) зафиксированное с часовыми интервалами; по оси абсцисс отложено время в часах, а по оси ординат - время в единицах, равных 5 мс (200 единиц ≈1 с). Появление расслоений в псевдоожиженном слое, идентифицированное по значительным резким отклонениям в сигналах термопар, изображено на графике красными линиями (для очень коротких пиков) или красными треугольниками (для длительных отклонений). В совокупностях данных 3 и 8 имеет место значительное уменьшение (от 20 до 60 мин) времени цикла, предшествующее расслоению псевдоожиженного слоя по показаниям поверхностных термопар. Полученные результаты подтверждают возможность определения и количественной оценки состояния псевдоожиженного слоя, предшествующего его расслоению.
Вторая группа ОППС-данных основана на результатах тестирования при получении нескольких образцов полиэтилена очень низкой плотности (ПЭОНП) с катализатором типа "ОБРАЗЕЦ 2". При тестировании было зафиксировано несколько изменений характера протекающего в реакторе процесса, которые произошли до 12:30, и некоторое снижение активности слоя TI в 13:00. В период времени от 13:23 до 18:00 комплексность сигнала ОППС, определенная по колмогоровской энтропии, стабильно увеличивалась (см. фиг.10). В пределах первого часа тестирования было зафиксировано монотонное изменение температуры (измеренной датчиком TI6204). Устойчивый рост колмогоровской энтропии совпадает с устойчивым падением времени цикла. Обнаруженная тенденция изменения ОППС-данных, полученных в конце тестирования, согласуется с результатами, полученными при предыдущем анализе ОППС-данных.
Пример 5: Энтропия, среднее отклонение и время цикла
В результате проведенных исследований была установлена существенная связь между средним отклонением и средним временем цикла и склонностью псевдоожиженного слоя к расслоению. При "неустойчивом" состоянии псевдоожиженного слоя (фиг.5) уменьшение среднего отклонения и увеличение времени цикла свидетельствует о его предшествующем расслоении. При общей тенденции к существенному расслоению псевдоожиженного слоя среднее отклонение устойчиво снижается, а время цикла увеличивается вплоть до происходящего в слое расслоения. После резкого изменения температуры колебания температуры становятся более длительными, что связано скорее всего с неравномерным перемешиванием слоя у стенки реактора.
При "промежуточном" (переходном) состоянии псевдоожиженного слоя (фиг.6) наблюдается тенденция к некоторым из описанных выше явлений. При показателе времени, равном 5000, протекающий в реакторе процесс изменяется, что приводит к снижению исходных данных в тот момент, когда реактор перестает работать в режиме конденсации. При показателе времени, близком к 6700, время цикла возрастает в соответствии с резким изменением исходных и отфильтрованных данных. Увеличение времени цикла в этом случае происходит так же, как и при "неустойчивом" состоянии реактора, а среднее отклонение, как видно из графиков, меняется иначе.
При "устойчивой" работе реактора (фиг.7) изменения среднего отклонения и времени цикла связаны только с изменениями протекающего в нем процесса. Как показано на фиг.7, при показателе времени, близком к 5800, протекающий в реакторе процесс изменяется, что проявляется в кратковременном снижении исходных данных. После изменения протекающего в реакторе процесса среднее отклонение в соответствующих отфильтрованных данных уменьшается и затем остается по существу постоянным. Одновременно незначительно снижается и время цикла. В полученных при устойчивой работе реактора данных не содержится никакой информации, свидетельствующей о расслоении псевдоожиженного слоя.
Между средним отклонением, средним временем цикла и склонностью псевдоожиженного слоя к разному по степени расслоению существует определенная связь (корреляция). Эта связь показана на фиг.8. Для характеристики каждой степени устойчивого расслоения псевдоожиженного слоя при вычислениях среднего отклонения и среднего времени цикла были использованы данные, полученные после изменения режима работы реактора и до расслоения псевдоожиженного слоя. Для каждой степени устойчивого расслоения псевдоожиженного слоя были получены две точки, соответствующие поведению псевдоожиженного слоя до и после изменения протекающего в реакторе процесса. Происходящее в реакторе заметное расслоение псевдоожиженного слоя ("ОБРАЗЕЦ 1"), проявляющееся в увеличении времени цикла и снижении среднего отклонения, связано скорее всего с перемешиванием псевдоожиженного слоя у стенки реактора.
Основанная на символизации шенноновская энтропия также обладает явно выраженной тенденцией к изменению, связанному с расслоением псевдоожиженного слоя (см. фиг.9 для "неустойчивого" состояния реактора). При устойчивой работе реактора (в интервале времени от 500 до 3000 единиц) энтропия практически не меняется. В тот момент, когда показатель времени достигает 3000 единиц и среднее отклонение и время цикла начинают меняться, энтропия начинает заметно падать, что свидетельствует о снижении комплексности сигнала. Такое снижение комплексности сигнала связано с уменьшением эффективности перемешивания частиц полимера у стенки реактора.
Пример 6: Оценка непрерывности работы реактора
Полученные при тестировании реактора данные говорят о том, что обнаруженные закономерности позволяют определить непрерывность работы реактора и, в частности, зафиксировать начало или наличие расслоения псевдоожиженного слоя реактора. При измерениях объемной плотности псевдоожиженного слоя и температуры по показаниям поверхностных термопар полученные сигналы с течением времени начинают существенно изменяться либо непосредственно перед расслоением псевдоожиженного слоя, либо при его расслоении.
При оценке состояния реактора по измерениям объемной плотности псевдоожиженного слоя предполагается, что происходящие во времени изменения комплексности сигнала связаны с изменением структуры псевдоожиженного слоя, которое происходит либо в результате его расслоения, либо в тот момент, когда в реакторе создаются условия, которые могут привести к расслоению. Колебания в измерениях ОППС непосредственно связаны с двумя происходящими в реакторе процессами: колебаниями уровня слоя и прохождением через него пузырей газа (см. фиг.11). Уменьшение среднего времени цикла или увеличение степени комплексности сигнала с высокой вероятностью свидетельствует об увеличении количества находящихся в реакторе небольших пузырей газа, причиной образования которых является либо прекращение процесса зарождения агломерированной массы, либо характер перемешивания, который впоследствии приводит к агломерации. В принципе не следует ожидать, что мера комплексности сигнала и время цикла, которые характеризуют разные свойства сигнала, должны полностью дополнять друг друга, и по существу их следует использовать с равными весовыми коэффициентами.
Можно предположить, что колебания измерений поверхностных термопар или измерений теплового потока отражают степень перемешивания частиц или время их нахождения у стенки реактора. При очень непродолжительном нахождении частиц у стенки реактора коэффициент теплопередачи у стенки имеет большую величину, и термопары измеряют высокую температуру. При сращивании слоев частиц коэффициент теплопередачи падает. При последующем расслоении коэффициент теплопередачи снова возрастает, и измеряемая термопарами температура снова становится высокой. Схематично это явление показано на фиг.12. По времени цикла тепловых сигналов можно судить о степени активности находящихся в псевдоожиженном слое частиц у стенки реактора. Полученные данные позволяют считать, что при более коротком времени цикла склонность псевдоожиженного слоя к расслоению будет меньше. Длительное нахождение частиц у стенки реактора говорит о недостаточно эффективном перемешивании псевдоожиженного слоя у стенки реактора, результатом которого является образование в слое горячих точек, являющихся причиной его расслоения.
Пример 7: Акустическая эмиссия и нелинейная динамика
Акустика относится к генерации, передаче и приему энергии в виде колебательных волн. Акустическая эмиссия псевдоожиженного слоя позволяет измерить соударения частиц на стенке реактора или возле нее, включая соударения частиц со стенкой реактора. Энергия вибраций стенки реактора называется "белым" шумом или акустическими помехами (дробовым шумом). Акустическая эмиссия непосредственно связана с температурой Т* гранулирования, которая является одним из параметров псевдоожижения. Этот параметр определяется квадратом скорости колебаний и измеряет нисходящий конвективный поток частиц у стенки реактора. Акустическая эмиссия, которую измеряют во время работы реактора с взвешенным в псевдоожиженном слое катализатором, позволяет получить характерные сигналы, отражающие перебои в непрерывной работе реактора до падения в псевдоожиженный слой частиц катализатора, образующих слои в куполообразном верхнем днище реактора. При подаче в реактор сухого катализатора были получены аналогичные данные, позволяющие предсказать расслоение псевдоожиженного слоя. Сравнение амплитуды акустической эмиссии с поверхностной скоростью газа свидетельствует о наличии между ними нелинейной связи.
Вычисление колмогоровской энтропии данных измерения перепада давления и измерения температуры поверхностными термопарами, связанных с механикой частиц, с использованием вложения временных рядов и разложения сингулярного значения показало, что переменные параметры псевдоожижения зависят от ряда факторов, таких как вид смолы, содержание в ней различных присадок, сохраняющих ее свойства, и состояние распределительной тарелки. В процессе исследований за 8 часов до оценки склонности псевдоожиженного слоя к расслоению по нескольким системным переменным были также определены состояния, предшествующие образованию расслоений в куполообразном верхнем днище реактора. Среднее абсолютное отклонение или среднее отклонение, вычисленное для работающего реактора с различными катализаторами, в обоих случаях показало явно выраженные изменения в непрерывной работе реактора и в происходящем в нем формировании псевдоожиженного слоя. Аналогичные результаты были получены и при расчете времени цикла и колмогоровской энтропии для одной и той же группы данных.
Пример 8: Переходы катализатора
Для количественной оценки исследуемых явлений использовали уравнение для нахождения собственных значений с применением соответствующего оператора или математической последовательности операторов в функции (собственной функции) системы. Вычисленная по этому уравнению величина является собственным значением системы. Путем приведения собственных значений в соответствие с собственным значением главного компонента с использованием вложений, протяженность которых равна 10, был построен многомерный график вычисленных для последовательности собственных значений (фиг.13). Главный компонент (ГК) вычисляли для каждого класса путем эффективного разделения данных процесса на многомерные огибающие. Показанные на фиг.13 собственные значения главных компонентов 2, 3 и 4, которые были приведены в соответствие с первым главным компонентом для данных, полученных для двух разных катализаторов, говорят о возможности определения распознавания перехода от одного катализатора к другому. Крупными пустыми значками на графике обозначено начало последовательности, а крупными черными значками - конец последовательности. Главный компонент 2, приведенный в соответствие с первым главным компонентом, который изображен в виде функции точек данных (№ замера) для различных катализаторов, явно указывает при использовании лежащей в основе критерия статистики "хи-квадрат" (χ2) на изменения непрерывной работы реактора (фиг.14).
Перечисленные ниже документы позволяют лучше понять существо и все отличительные особенности настоящего изобретения: патенты US 5436304, US 5405922, US 4803251, US 5391657, US 6263355, US 6122557, US 5857978, US 5743860 и US 5626145, а также McKenna, Spitz, Cokljat AlChEJ, 45, 1999; Finney C.E.A., Green J.B.Jr., Daw C.S., "Symbolic time-series analysis of engine combustion measurements", SAE Paper №980624, 1998; Kennel M.B., "Statistical test for dynamical nonstationarity in observed time-series data". Physical Review E 56, 1997, c.316-321; Packard N., Crutchfield J., Famer J.D., Shaw R., "Geometry from a time series". Physical Review Letters 45, 1980, c.712-716; Schouten J.C., Takens F., van den Bleek C.M., "Maximum-likelihood estimation of entropy of an attractor". Physical Review E 49, 1994, c.126-129; Schouten J.C., van den Bleek C.M., "Monitoring the quality of fluidization using the short-term form predictability of pressure fluctuations", AlChE Journal 44, 1998, c.48-60; Tang X.Z., Tracy E.R., "Data compression and information retrieval via symbolization". Chaos 8, 1998, c.688-696, которые включены в настоящее описание в качестве ссылки.
1. Способ определения непрерывности работы реактора, заключающийся в том, что
а) измеряют по меньшей мере одну системную переменную реактора в течение времени, необходимого для получения данных,
б) фильтруют полученные данные для демодуляции временных рядов,
в) вычисляют по отфильтрованным данным сигнал и
г) определяют непрерывность работы реактора путем сравнения вычисленного сигнала с сигналом контрольного реактора.
2. Способ по п.1, в котором вычисленный сигнал представляет собой энтропию.
3. Способ по п.1, в котором вычисленный сигнал представляет собой время цикла.
4. Способ по п.1, в котором вычисленный сигнал представляет собой среднее отклонение, по которому можно судить о нарушении режима работы реактора.
5. Способ определения непрерывности работы реактора, заключающийся в том, что
а) воздействуют акустической эмиссией на стенку реактора,
б) измеряют передачу акустической энергии с получением данных,
в) фильтруют полученные данные для демодуляции временных рядов,
г) вычисляют первый сигнал для демодулированных временных рядов и
д) определяют непрерывность работы реактора путем сравнения первого сигнала с контрольным сигналом контрольного реактора, уменьшение которого свидетельствует о наличии расслоения псевдоожиженого слоя.
6. Способ по п.5, в котором для измерения передаваемой акустический эмиссии используют пассивный акустический датчик.
7. Способ по п.1 или 5, в котором непрерывность работы реактора определяют по критерию, выбранному из группы, включающей состояние, предшествующее расслоению псевдоожиженного слоя, изменение в режиме псевдоожижения слоя и переходный режим псевдоожижения.
8. Способ контроля непрерывности работы газофазного реактора с псевдоожиженным слоем, заключающийся в том, что
а) измеряют по меньшей мере одну системную переменную реактора в течение времени, необходимого для получения данных,
б) фильтруют полученные данные для демодуляции временных рядов,
в) вычисляют по отфильрованным данным сигнал,
г) определяют непрерывность работы реактора путем сравнения вычисленного сигнала с сигналом контрольного реактора и
д) применяют встречные меры, направленные на регулирование непрерывности работы реактора.
9. Способ по п.1 или 8, в котором в качестве системной переменной используют акустическую эмиссию, перепад давления, падение давления в псевдоожиженном слое, объемную плотность псевдоожиженного слоя, статическое напряжение и температуру стенки реактора.
10. Способ по п.1 или 8, в котором акустическую эмиссию измеряют пассивным акустическим датчиком.
11. Способ по п.1 или 8, в котором измеряют быстро меняющиеся данные, которые выбирают из группы, включающей отфильтрованые данные об объемной плотности псевдоожиженного слоя, суммарном падении давления в псевдоожиженном слое, статическом напряжении, акустической эмиссии и температуре, измеренной поверхностными термопарами.
12. Способ по п.5 или 8, в котором сигнал выбирают из группы, включающей сигналы, характеризующие энтропию, время цикла, среднее отклонение и собственные значения вложенных временных рядов.
13. Способ по п.8, в котором в качестве встречного мероприятия, направленного на регулирование непрерывности работы реактора, в реактор инжектируют поглотители.
14. Способ по п.8, в котором в качестве встречного мероприятия, направленного на регулирование непрерывности работы реактора, в реактор добавляют антистатические и простатические реагенты.
15. Способ по п.8, в котором в качестве встречного мероприятия, направленного на регулирование непрерывности работы реактора, регулируют температуру реактора.
16. Способ по п.8, в котором в качестве встречного мероприятия, направленного на регулирование непрерывности работы реактора, регулируют скорость среды.
17. Способ по п.8, в котором в качестве встречного мероприятия, направленного на регулирование непрерывности работы реактора, в реактор добавляют модификатор поверхности.
18. Способ по п.8, в котором в качестве встречного мероприятия, направленного на регулирование непрерывности работы реактора, в реактор импульсно подают газ.
19. Способ по пп.1, 5 или 8, в котором непрерывность работы реактора определяют локально.
20. Способ по пп.1, 5 или 8, в котором непрерывность работы реактора определяют дистанционно.
21. Способ по п.8, в котором встречные меры, направленные на регулирование непрерывности работы реактора, принимают локально.
22. Способ по п.8, в котором встречные меры, направленные на регулирование непрерывности работы реактора, принимают дистанционно.
