Способ автоматического управления реактором синтеза суспензионной полимеризации стирола

Изобретение относится к области систем автоматического управления. Оно может быть использовано при автоматизации работы полимеризационных реакторов, имеющих один или нескольких контуров управления. Технический результат - улучшение качества управления технологическим объектом за счет выбора коррекции динамически эффективных каналов управления и включения их в работу в зависимости от состояния объекта управления, описываемого реальной динамической моделью. Разработанная динамическая модель процесса суспензионной полимеризации стирола состоит из кинетических уравнений и уравнения теплового баланса. Система управления процессом полимеризации с использованием коррекции параметров управления состоит из двух контуров. Первый контур обеспечивает заданную скорость вращения мешалки с помощью регулятора. Второй контур обеспечивает стабилизацию температуры реакционной смеси внутри реактора с помощью регулятора. Контур управления скоростью вращения мешалки реактора имеет коррекцию заданной скорости вращения в зависимости от нескольких величин. Первая величина, получаемая с объекта управления, является управляющим воздействием регулятора температуры, вторая величина рассчитывается в математической модели на основании общих кинетических, тепловых и гидродинамических зависимостей процесса суспензионной полимеризации стирола (СПС). Их разница поступает в блок коррекции, который вырабатывает корректирующее воздействие, которое поступает на сумматор, где оказывает воздействие на величину задания скорости вращения мешалкой. 1 ил.

 

Изобретение относится к области систем автоматического управления. Оно может быть использовано при автоматизации работы полимеризационных реакторов, имеющих один или несколько контуров управления, подключаемых в зависимости от динамических характеристик объекта и особенностей возмущающего воздействия.

В полимеризационных реакторах особенно важной является динамика изменения тепловых потоков в реакционном объеме. Теплообмен в таких аппаратах затруднен, так как вязкость реагирующих сред является переменной величиной в ходе полимеризации и по мере накопления продуктов реакции достигает высоких значений (до 10⁴ Па×с), вследствие чего меняется инерционность процесса. Современные реакторы объемом от 10 м³ обладают высокой инерционностью, поэтому достичь необходимого качества управления температурой не всегда возможно.

Известен способ автоматического управления процессом суспензионной полимеризации путем регулирования температурного режима в зоне реакции в зависимости от величины отклонения значения измеренной температуры от заданного значения подачей теплоносителя и хладагента в рубашку реактора (RU №93012620 А от 20.09.96 г.). При данном способе управления процессом отсутствует возможность воздействия на температуру с помощью изменения гидродинамического режима внутри реактора. Учитывать это воздействие необходимо, так как при применении аппаратов с мешалками увеличение их оборотов при значительной вязкости реакционных сред приводит как к значительному росту мощности, потребляемой мешалкой, так и к опасности локального перегрева самой реакционной массы за счет трения слоев вязкой среды, что снижает качество получаемого продукта.

В связи с изложенным предлагается ввести дополнительный контур стабилизации скорости вращения мешалки реактора, который будет поддерживать необходимую скорость вращения и в нужный момент изменять ее. При этом будет меняться и величина энергии диссипации, что позволит лучше стабилизировать температуру внутри реактора и улучшить качество управления процессом и, как следствие, качество получаемого продукта.

Цель предлагаемого изобретения - улучшение качества управления технологическим объектом за счет выбора коррекции динамически эффективных каналов управления и включения их в работу в зависимости от состояния объекта управления, описываемого реальной динамической моделью. Разработанная динамическая модель процесса суспензионной полимеризации стирола состоит из кинетических уравнений и уравнения теплового баланса.

Система управления процессом полимеризации с использованием коррекции параметров системы управления изображена в виде блок-схемы на фигуре 1. Система состоит из двух контуров управления. Первый контур обеспечивает заданную скорость вращения мешалки N_з с помощью регулятора 3 (R_N). Второй контур обеспечивает стабилизацию температуры реакционной смеси внутри реактора T_p с помощью регулятора 9 (R_T).

В первом контуре управления задание скорости вращения мешалки реактора N_з (при N^k=0; Nз=Nз^k) сравнивается с текущим значением N в сумматоре 2. Ошибка рассогласования e_N=(N_з ^k-N) поступает на вход регулятора 3, стабилизирующего скорость вращения мешалки реактора N. Регулятор 3 вырабатывает управляющее воздействие u_N, которое подается на технологический объект управления (ТОУ) 7 в виде мощности, необходимой для вращения мешалки реактора. Текущее значение скорости вращения N в виде обратной связи поступает в сумматор 2, тем самым замыкая первый контур управления.

Во втором контуре управления системой заданная температура в реакторе Т_з сравнивается с текущим значением температуры Т_р в сумматоре 8. Ошибка рассогласования е_T=(Т_з-Т_р) поступает на вход регулятора 9, стабилизирующего температуру реакционной смеси внутри реактора Т_р. Регулятор 9 вырабатывает управляющее воздействие u_Tp, которое подается на ТОУ в виде мощности необходимой для поддержания заданной температуры внутри реактора Т_з. Текущее значение температуры внутри реактора Т_р в виде обратной связи поступает в сумматор 8, тем самым замыкая второй контур управления.

На фигуре 1 показано также, что контур управления скоростью вращения мешалки реактора имеет коррекцию заданной скорости вращения N_з в зависимости от нескольких величин. Первая величина, получаемая с объекта управления, является управляющим воздействием регулятора температуры u_Тр, вторая величина $$u_{T_M}$$ рассчитывается в математической модели 4 на основании общих кинетических, тепловых и гидродинамических зависимостей процесса суспензионной полимеризации стирола (СПС). Обе величины поступают на сумматор 5, где они вычитаются. Их разница Δu_T поступает в блок коррекции 6, который вырабатывает корректирующее воздействие N^k, которое поступает на сумматор 1, где оказывает воздействие на величину задания скорости вращения мешалкой N_з.

Это воздействие оказывается в момент, когда изменяется вязкость среды и имеет два направления. Первое направление работает в период увеличения вязкости. Свидетельством этого является уменьшение подаваемой мощности для поддержания температуры u_Тр вследствие увеличения диссипации механической энергии перемешивания. В этом случае корректирующий параметр N^k воздействует на задание скорости вращения в сторону уменьшения. Второе направление работает в период уменьшения вязкости. Свидетельством этого является увеличение подаваемой мощности для поддержания температуры u_Тр вследствие уменьшения диссипации механической энергии перемешивания. В этот период процесса корректирующий параметр N^k воздействует на задание скорости вращения в сторону увеличения.

Отличительной особенностью данного способа управления является отслеживание моделированных параметров процесса и на их основании выработка корректирующего воздействия на параметры системы, что позволяет улучшить качество управления технологическим объектом и, как следствие, качество получаемого продукта.

Способ управления процессом суспензионной полимеризации путем регулирования температурного режима в зоне реакции с помощью изменения подачи теплоносителя и/или хладагента в рубашку реактора, отличающийся тем, что используется дополнительное воздействие на температуру смеси путем изменения гидродинамического режима внутри реактора за счет изменения заданной скорости вращения мешалки реактора в дополнительном канале управления, которая корректируется в зависимости от рассчитанных по модели свойств реакционной среды.