Система автоматического поддержания температурного профиля в реакторе

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к автоматическим системам регулирования, и может быть использовано для поддержания температуры реакционной смеси химических реакторов. Система автоматического поддержания температурного профиля в реакторе с распределенными параметрами в производстве малеинового ангидрида содержит две системы регулирования: каскадную автоматическую систему регулирования (АСР) температуры хладагента в реакторе и АСР соотношения бензоло-воздушной смеси, подаваемой в реактор, с введением сигнала коррекции по температуре реакционной смеси. В качестве сигнала коррекции используют сигнал, формируемый как сумма сигналов о температуре реакционной смеси в точках измерения температуры по высоте реактора, домноженных на весовые коэффициенты, определяемые интуитивно или в результате решения оптимизационной задачи, и сравниваемый затем с сигналом задания на функциональном преобразователе, выполняющего функцию алгебраического сумматора. Изобретение позволяет повысить точность поддержания температурного профиля в реакторе при производстве малеинового ангидрида. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к системе автоматического высокоточного подержания температуры в реакторе по той или иной его координате (например, высоте или длине), т.е. к системе автоматического высокоточного подержания его температурного профиля (поля). Такие объекты принято называть объектами с распределенными параметрами (ОРП).

При этом от точности подержания температурного профиля как в статике, так и в динамке зависит качество получаемого в реакторе продукта или полупродукта со всеми вытекающими из этого экономическими следствиями.

Известны реакторы, в которых температуру реакционной смеси поддерживают на заданном значении посредством одноконтурных АСР.

Например, в реакторе полунепрерывного действия в производстве ВТС-60 (Воронеж-Тамбов стабилизатор) это сделано путем стабилизации температуры в реакторе изменением подачи сжигаемого природного газа в печи, в которой находится реактор, т.е. путем изменения количества теплоносителя, обогревающего реактор (см. регламент производства ВТС-60 Новомосковского ОАО "Комбинат органического синтеза" (КОС)).

В непрерывном реакторе в производстве щавелевой кислоты из этиленгликоля (см. регламент производства щавелевой кислоты того же комбината - КОС) это сделано путем стабилизации температуры в реакторе изменением подачи хладагента в рубашку ("баню") реактора.

И в первом, и во втором случаях температура в реакторе измеряется лишь в одной его точке. При этом считается, что благодаря перемешиванию реакционной смеси температура во всех точках реактора будет одинаковой и равна температуре в измеряемой, т.е. реактор в этом случае принимается за объект с сосредоточенными параметрами.

Аналогичные схемы поддержания температуры в реакторе, т.е. ее подержание путем создания одноконтурных АСР, можно найти, например, в монографиях:

1. Автоматическое управление в химической промышленности. /Под ред. Е.Г.Дудникова. - М.: Химия, 1987. С.125-132.

2. Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов. - М.: Химия, 1974. С.81.

При малых объемах реакционной смеси и при достаточно интенсивном перемешивании одинаковость параметров внутри реактора неплохо выполняется, т.е. действительно, в этих случаях реактор можно принять за объект с сосредоточенными параметрами и применять для поддержания температуры внутри реактора одноконтурную АСР.

При невыполнении условий, обеспечивающих одинаковость параметров внутри реактора, значения температур при одноконтурном регулировании в разных точках реактора оказываются разными, что может приводить к ухудшению качества получаемой продукции. При этом стараются найти такую точку установки датчика температуры в реакторе, которая бы максимальным образом позволяла обеспечить лучшее ведение процесса по этой точке.

Недостаточное качество регулирования, даже при выполнении условия о сосредоточенности параметров реактора, возможно, и, например, из-за больших инерционностей измерения температуры. В этом случае для улучшения качества прибегают к созданию сложных систем регулирования, например каскадных АСР, путем введения дополнительного внутреннего контура регулирования температуры в "бане" реактора и введения в него корректирующего сигнала по температуре внешнего контура - температуре внутри реактора, или комбинированных систем, или систем с автоматическим изменением настройки параметров (см., например, системы регулирования температурного режима в монографиях:

1. Манусов Е.Б. Контроль и регулирование технологических процессов лакокрасочных производств. М.: Химия, 1977. С.50-57.

2. Автоматическое управление в химической промышленности. /Под ред. Е.Г.Дудникова. - М.: Химия, 1987. С.132-133).

В то же время существуют реакторы с явно выраженной рассосредоточенностью параметров, например, по высоте реактора. Их следует явно отнести к объектам с распределенными параметрами (ОРП). К таким объектам относится, например, реактор в производстве малеинового ангидрида (МА) ОАО "Комбинат органического синтеза" (КОС) в г.Новомосковске, для которого и предлагается новая система автоматического поддержания температурного профиля.

Производство МА на Новомосковском ОАО КОС основано на непрерывном парофазном каталитическом окислении бензола кислородом воздуха в реакторе (контактном аппарате) на стационарном катализаторе (см. Молдавский Б.В., Кернос Ю.Д. Малеиновый ангидрид и малеиновая кислота. Л.: Химия, 1976. - 88 с.). На выходе из реактора получают малеино-воздушную смесь (МВС) с определенным содержанием малеинового ангидрида, который затем выделяют десублимацией, дистилляцией и последующей кристаллизацией.

Основная реакция каталитического окисления бензола в МА происходит с большим выделением тепла:

Схемы реактора и существующих систем регулирования показаны на фиг.1, где обозначено: 1 - реактор (контактный аппарат); 2 - парогенератор; 3 - мешалка; 4, 5 - соответственно, регуляторы расхода бензола и конденсата; 6 - регулятор соотношения бензол-воздух; 7 - регулятор температуры; 8 - измеритель температуры - термопара; 9 - приборы контроля температуры солей (6 шт.); 10 - приборы контроля температуры бензоло-воздушной смеси (10 шт.). Буквенные обозначения приборов 4-10 взяты в соответствии с ГОСТ 21.404-85 "Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах".

Для отвода тепла реакции в межтрубном пространстве циркулирует расплав солей, отвод тепла от которых, в свою очередь, осуществляется за счет полного испарения конденсата в парогенераторе 2, встроенном в центральной части контактного аппарата и образующих совместно "баню" реактора.

Температура в бане изменяется в пределах от 280 до 325°С и контролируется не менее чем в 3-6 точках по высоте контактного аппарата. В центральной части аппарата поток солей направлен снизу вверх, что обеспечивается пропеллерной мешалкой 3, окруженной вышеназванным парогенератором, а во внешней части - сверху вниз за счет самотека (см. фиг.1).

Сверху реактора 1 в трубное пространство, заполненное катализатором, подается бензоло-воздушная смесь (БВС). Таким образом, внутренняя часть реактора представляет из себя прямоточный кожухотрубный теплообменник с 9142 трубками диаметром 30×1.8 мм и длиной 3500 мм. В слое катализатора высотой до 3150 мм температура реакционной смеси изменяется от 200 до 480°С. Последняя измеряется 10-ю термопарами, установленными по спирали на глубине от 100 до 3000 мм. При эксплуатации положение термопар корректируется так, чтобы наиболее полно контролировать распределение температуры в слое катализатора, причем не менее двух термопар установлено в зоне "горячей точки".

Требуемый температурный профиль, от точности поддержания которого зависит выход продукта реакции, обеспечивается регулированием соотношения бензол-воздух в БВС и температуры "бани" путем изменения подачи конденсата в парогенератор.

В настоящее время (см. регламент производства малеинового ангидрида КОС, г.Новомосковск, 1987 г.) поддержание температурного профиля в реакторе ведут по температуре "горячей точки", т.е. точке с наибольшей температурой реакционной смеси по высоте реактора, составляющей порядка 480°С. Во всех остальных точках по высоте реактора температура контролируется, а ее значения по 10 точкам составляют порядка: 200°С при высоте 100 мм; 300°С - при 265 мм; 400°С - при 430 мм; 460°С - при 600 мм; 400°С - при 800 мм; 370°С - при 1000 мм; 350°С - при 1400 мм; 340°С - при 1800 мм; 325°С - при 2300 мм и 310°С - при 2900 мм. Таким образом, "горячая точка" находится где-то между 3-й и 4-й точками измерения температуры, а регулирование профиля ведется по 4-й точке путем построения АСР соотношения бензоло-воздушной смеси (БВС), подаваемой в реактор, изменением количества подаваемого воздуха - регулятор 6 (FFC) (см. фиг.1) при заданном "ведущем" расходе по бензолу (регулятор расхода бензола 4 (FC)) и заданием самого соотношения в зависимости от температуры "горячей точки" (пунктирная линия к регулятору 6 (FFC) от 4-й точки температурного профиля МВС).

Для поддержания профиля используют также вторую систему - систему каскадного регулирования температуры "бани". В ней в качестве хладагента используются соли (в реактор их загружают заданное количество (массу)), отдающие, в свою очередь, тепло реакции конденсату парогенератора, расположенного по осевой линии (в середине) реактора, превращая его в пар. При этом температура солей по высоте реактора остается относительно постоянной (изменяясь от 250°С на входе до приблизительно 325°С на выходе). Это и позволяет использовать для поддержания профиля солей каскадную АСР по 3-й температурной точке профиля (всего температурный профиль хладагента измеряется приборами 9 в 6-и точках: 1-я - на высоте - 100 мм; 2-я - 430 мм; 3-я - 800 мм; 4-я - 1400 мм; 5-я - 2300 мм и 6-я - 2910 мм), используя информацию от термопары 8 для регулятора 7 (ТС) внешнего контура АСР. В качестве внутреннего контура каскадной АСР температуры солей используется контур регулирования расхода конденсат (см. фиг.1) посредством регулятора 5 (FC).

В процессе эксплуатации выявилось, что при использовании этих двух стандартных систем регулирования качество ведения процесса (из-за сложности химических реакций и сложности ведения процесса) низкое и даже хуже, чем то, которое может быть обеспечено посредством ручного управления по интуиции аппаратчиков. Кроме того, при этом поддерживаемое вручную соотношение БВС составляет порядка 1:35÷1:40 (1 часть бензола, остальное - воздух), что далеко от возможного нижнего предела 1:28 и ниже (вплоть до предела взрываемости, составляющего 1:24), при котором имеет место максимальное содержание МА (порядка 74%) в МВС.

Таким образом, применение известных систем, описанных выше, т.е. создание одноконтурной АСР соотношения БВС с коррекцией по температуре "горячей точки" в реакторе (прототип) совместно с каскадной АСР температуры хладагента в "бане" не дают желаемого эффекта. Более того, низкое качество получаемого продукта (малеино-воздушной смеси (МВС) заданной концентрации и заданного качества на выходе из реактора) приводит к отказу от одноконтурной АСР температуры по "горячей точке" и ручному ведению процесса путем поддержания соотношения БВС (поэтому линия задания соотношения регулятору 6 (FFC) по температуре 4-й точки профиля МВС на фиг.1 показана пунктиром) по интуиции аппаратчика.

Цель данного изобретения - создание автоматической системы управления, обеспечивающей получение МВС заданной концентрации и ее заданной стабильности в автоматическом режиме, т.е. системы, позволяющей обеспечить заданный температурный профиль по высоте реактора как в статике, так и в динамике.

Для этого предлагается вместо одноконтурной АСР соотношения БВС с коррекцией по температуре «горячей точки» в реакторе ввести в эту одноконтурную АСР соотношения коррекцию по сигналу от системы оптимального сбора измерительной информации о температуре профиля по высоте реактора.

Сигнал последней формируется следующим образом (см. фиг.2). На фиг.2 приняты те же обозначения, что и на фиг.1, с дополнительными обозначениями: 11, 12, 13 - функциональные преобразователи сигналов температур, смысл преобразования которых поясняется в надписи над преобразователем. Поясняющий коэффициент K_i функциональных преобразователей 11 (10 шт.) показывает, что сигнал о температуре с приборов контроля температуры 10 (TI) домножается на этот коэффициент, а обозначение Σ - что сигналы, входящие в соответствующий преобразователь 12, 13, алгебраически суммируются в них, давая результирующий сигнал I, для преобразователя 12 или ΔI для - 13. Последний и является сигналом коррекции для регулятора соотношения 5 (FFC) БВС. В свою очередь, он формируется на преобразователе 13 (TY), выполняющего роль элемента сравнения, т.е. путем сравнения сигнала I, вводимого с преобразователя 12 (TY), с сигналом задания и получения результирующего сигнала . В свою очередь, сигнал I представляет из себя сигнал, равный:

где Т_i - сигнал, пропорциональный значению температуры в i-й точке измерения температуры по высоте реактора, выдаваемый приборами контроля температуры 10 (TI), k_i - домножающий коэффициент i-го преобразователя 11 (0≤k_i≤1), причем их значение определяется таким образом, чтобы придавать максимум значению сигнала I, т.е. исходя из решения оптимизационной задачи:

где → читается как «следует», / - «при условии», Ω - ограничения, наложенные на решение задачи (пределы изменения сигналов Т_i, пределы изменения параметров передаточных функций W_i, пределы изменения значений K_i и др.). Получаемые в результате решения этой оптимизационной задачи весовые коэффициенты К_i учитывают и динамику изменения температуры, поскольку критерии оптимизации I значения Т_i будут зависеть от параметров передаточных функций W_i, по соответствующим температурным каналам (i) в зависимости от управляющих воздействий (U) по соотношению БВС (U_C) и ее количества (U_Q), что и отражено в (1) показом зависимости Т_i как функции от и , т.е. Т_i (, ). В результате решения оптимизационной задачи (1) получаем оптимальные значения весовых коэффициентов K_i, которые обычно обозначают звездочкой, т.е. К_i*, делающей систему сбора измерительной информации о температуре оптимальной.

В ряде случаев вместо нахождения оптимальных значений К_i* путем решения оптимизационной задачи (1) их значения выбираются интуитивным путем, что превращает систему оптимального сбора измерительной информации в интуитивную, а саму систему управления - в интуитивную систему управления (см. Косяков Ю.Б. Мой мозг. - М.: Синтег, 2001. - 164 с.).

Отметим также, что в частном случае сигнал задания может быть нулевым. Тогда в качестве корректирующего сигнала используется не сигнал ΔI, а сам сигнал I.

Система поддержания температурного профиля путем введения коррекции в АСР соотношения БВС по сигналу системы оптимального сбора измерительной информации о температурном профиле реакционной смеси по высоте реактора, показанная на фиг.2, была промоделирована на ЭВМ посредством пакета MATLAB в системе SIMULINK.

Моделирование показало стабильность поддержания температурного профиля как в статике, так и в динамике в сравнении с его поддержанием путем существующей системы - системы изменения соотношения БВС по температуре "горячей точки" (см. фиг.1). Это позволяет говорить о возможности снижения соотношения БВС в сторону нижнего предела, т.е. к возможности его поддержания на уровне 1:28, что, в свою очередь, позволит существенно увеличить содержание МА на выходе МВС из реактора.

В настоящее время авторы занимаются вопросом внедрения предлагаемой системы на реакторе в производстве малеинового ангидрида КОС на базе модулей ЛОМИКОНТ-ТМ и многоканального прибора МИП-Ш711.

1. Система автоматического поддержания температурного профиля в реакторе с распределенными параметрами в производстве малеинового ангидрида путем создания двух систем регулирования - каскадной автоматической системы регулирования (АСР) температуры хладагента в реакторе и АСР соотношения бензоло-воздушной смеси, подаваемой в реактор, с введением сигнала коррекции по температуре реакционной смеси, отличающаяся тем, что в качестве сигнала коррекции используют сигнал, формируемый как сумма сигналов о температуре реакционной смеси в точках измерения температуры по высоте реактора, домноженных на весовые коэффициенты, определяемые интуитивно или в результате решения оптимизационной задачи, и сравниваемый затем с сигналом задания на функциональном преобразователе, выполняющего функцию алгебраического сумматора.

2. Система автоматического поддержания температурного профиля в реакторе с распределенными параметрами в производстве малеинового ангидрида по п.1, отличающаяся тем, что в частном случае сигнал задания на функциональном преобразователе может быть нулевым.