Способ автоматического управления многослойным контактным аппаратом с межслойными теплообменниками сернокислотного производства

 

Изобретение относится к автоматическому управлению каталитическим процессом в многослойном аппарате с неподвижными слоями дезактивирующего катализатора и может быть использовано в химической промышленности, в частности, для управления контактным аппаратом в производстве серной кислоты. Схема системы управления содержит контактный аппарат 1 с теплообменниками 2 и 3, термодатчики 4 - 9, датчик 10 концентрации диоксида серы, регулирующие органы 11 - 13, регуляторы 14 - 17, вычислительные блоки 18 - 22, блоки 23 и 24 сравнения, блок 25 ограничителя и датчик 26 давления. Положительный эффект достигается путем последовательного вовлечения в реакционный процесс резерва активности катализатора слоев. 3 ил.

СОЮЗ СОНЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1

ОПИСАНИЕ ИЭОЬРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ KGMHTET

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫтинм

ПРИ ГННТ СССР (21) 4370248/31-26 (22) 25.01.88 (46) 15.0!.90. Бюл. Н 2 (7!) Уфимский нефтяной институт (72) A.И.Кобяков, Д.М.Мирзаянов, Р.Т.Усманов, Г.t3.Ìèõàéëîâ, Н.К.Буланкин ч Т.К.Болатбаев (53) 66.012-52 (088.8)

I (56) Авторское свидетельство СССР

И 631445, кл. С 01 В 17/176, 1977.

Авторское свидетельство СССР и 1265139, кл. С 01 В 17/76, 1985. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

МНОГОСЛОЙН(ЫМ КОНТАКТ!1ЫМ АППАРАТОМ

С МЕЖСЛОЙНЫМИ ТЕПЛООБМЕННИКАМИ СЕРНОКИСЛОТНОГО ПРОИЗВОДСТВА (57) Изобретение относится к автома((91 80 ц((1 53 (51) 5 С 01 В 17/16 С 05 D 27/00

2 тическому управлению каталитическим процессом о многослойном аппарате с непо !вижньми слоями дезактивирующего катализатора и может быть использова" но в хим((ческой промышленности, в частности для управления контактным аппаратом в производстве серной кислоты ° Схема системы управления содержит контактный аппарат 1 с теплообменниками 2 и 3, термодатчики 4-9, датчик

10 концентрации диоксида серы, регулирующие органы 11-13, регуляторы 14-17, вычислительные блоки 18-22, блоки 23 и 24 сравнения, блок 25 ограничения и датчик 26 давления. Положительный эффект,остигается путем последова(3 тельного вовлечения в реакционный про- З цесс резеова активности катализатора слоев. 3 ил.

1535820

Изобретение относится к автоматическому управлению каталитическим процессом в многослойном аппарате с неподвижными слоями дезактивирующего

5 катализатора и может быть использовано в химической промышленности, в частности для управления контактным аппаратом в .производстве серной кислоты.

1О

Цель изобретения - снижение потерь диоксида серы за счет стабилизации его степени превращения, На фиг.1 приведена схема системы управления процессом окисления диокси-!5 да серы, реализующая предлагаемый способ; на фиг.2 - график изменения степени превращения по высоте слоя катализа сора; на фиг.3 - график зависимости равновесной степени превращения от, температуры.

Схема системы управления (фиг.1) содержит конта«тный аппарат 1 с теплообменниками 2 и 3 первого (?) и второго (II) слоя, термодатчики 4-9, дат- 25 чик 10 концентрации диоксида серы в исходном газе, регулирующие органы

11-13 с исполнительным механизмом, регуляторы 14-17, вычислительные блоки 18--?2» Ãëîêè 23 и 2" сравнения, блок -м раничения и д;тчи« 26 даэ,ения.

Способ осуществляст следующим о разом.

В первый слой (1) конта«;наго аппарата подают исходный гаэ через -еплообменники 2 и 3. 1емнературу газа на входе в этот слой стабилизируют регулятором 14, отрабатывающим, например, 4О

ПИ-закон рвгулирования. Для этого на о вход регулятора подают сигнал Т, с датчика 4, установленного на входе первого слоя„ На другой вход регулятора подают задание Т, по температуре 45 газа на входе первого слоя. Регулятор

14 формирует в зависимости от значений Т и Т3 регулирующий сигнал> который подаю, на исполнительный механизм регулируощего органа 11, установленногo На байпасной линии теплообменника

2. Задание Тз формируется системой управления верхнего уровня, например системой оптимального управления контактным аппаратом.

Степень превращения диоксида серы на первом слое стабилизируют следующим образом»

Рассчитывают в вычислительном блоке 19 действительную степень превращения Х диоксида серы по формуле

X%=X +(Т,-Т,)/ h. (1)

Для этого на входы блока 19 подают о I сигналы Т, и Т, от термодатчиков 4 и

5, которые измеряют температуры газа на входе и выходе первого слоя. На третий вход блока 19 подают сигнал 9 с выхода вычислительного блока 18, На вход блока 18 подают сигнал от датчика 10, измеряющего концентрацию диок" сида серы в исходном газе. В блоке 18 рассчитывают значение 3 го формуле

/! = а С/СР, (2) где С p - средняя теплоемкость исходного газа; а = 42,3 — констант:-..

На четвертый вход блока 19 подают сигнал X„ начальную степень превращения диоксида cpr!H, которую определяют Ilo содержанию триоксида серы в исходном газе (данные ".абораторного анализа) по формуле

Х. .о С (3)

С+С I где CI - концентрация триоксида серы в исходном газе

С вЂ” концентрация диоксида серы в исходном газе.

В технологии серной кислоты иэ колчедана предусматривается мокрая о чистка обжигового газа в промывных башнях. После мокрой очистки содержание триоксида серы в исходном газе снижается до нуля, т.е. практически

C =О. При этом, согласно (3) на четвертом входе блоков 19 и 20 устанавливают нулевое значение сигнала X„.

Однако в общем случае, когда по техНОлогии сернОкислОтнОГО производства мокрая очистка газа, содержащего диоксид и триоксид серы, перед подачей в контактный аппарат отсутствует, то о значение сигнала Х, определяют по формуле (3).

Рассчитывают в вычислительном блоке 20 равновесную степень превращения

X I диоКсида серы. Для этого решают систему уравнения:

X =lc /(kр+lj(100"0,5 С X,)/ (Р (С„-0>5C ° X,) j) (4) т,=l;+ g (х,-х,), где Сх = 21-0,296

С - концентрация кислорода в исходном газе;

P — давление газа в слое; константа равновесия реакции окисления диоксида серы.

Ее значение определяют из выражения а

1gky =b|(т, +d)+g, где b=4905; d=273 15; g=7 1552 - константы.

Систему уравнений (4) решают численным методом, например, "золотого сечения" °

На входы блока 20 подают следующие

D сигналы: Т< - от термодатчика 4; С от датчика 10; 3 - с выхода вычислительного блока 18; Р - с выхода датчика 26 давления газа в слое; Х, по данным лабораторного анализа и константы. р

Сигналы Х, и Х направляют на входы блока сравнения 23, в котором формируют логический сигнал Ж =1, если

Х о Õ . Сигнал Ч< с выхода блока 23 подают на вход регулятора 16. На выходе регулятора 16 формируют сигнал

Yq пропорциональный разности равновесной Х и действительно" XII степеней превращения диоксида серы. Для этого входы регулятора 16 связывают с выходами блоков 20 и 19. Формируют сигнал У по выражению

Y,(t,)=, (t<,)+1, jx,(t„)-x<(t„) Щ, где У,(С1,,),7<(„ ) - сигналы на выхоае регулятора в моменты времени

1 1, < и i,, k==1„2„...;

Р

X<,(c < ), X (t < y — равновесная и действительная степени превращения в момент времени

k, ) Π— настроечный параметр регулятора.

Сигнал Yi, подают на исполнительный механизм регулирующего органа 13, установленного на линии подачи части исходного газа на вход второго слоя, и тем самым увеличивают подачу исходного газа на второй слой.

Работа рассмотренной части системы управления обеспечивает стабилизацию степени превращения диоксида серы на первом слое на значении, равном равновесной степени превращения, что видно, используя график изменения степени превращения по высоте слоя

1535820 6 катализатора (фиг ° 2) и график зависимости равновесной степени превращения от температуры (фиг.3) .

Пусть до некоторого момента времени режим процесса окисления в первом слое характеризуется расходом G 1 и концентрацией С исходного газа и равновесной степенью превращения (см. т.А на фиг.2 и 3). При этом эффективная высота катализатора, которая обеспечивает степень превращения Х, равна h, а температура газа на входе в слой равна Т, °

Произошло снижение активности ка" тализатора, вследствие чего уменьшилась эффективная высота слоя до значения h . Это повлекло смещение рабочей точки по адиабате (С, Т ) в поло20 жение А .(см. Фиг.3). В этих условиях обеспечить равновесную степень превращения можно двумя путями °

Первый путь связан с увеличением температуры газа на входе в слой, 25 напримерэ до значения Т, тт,. При этом, как следует из фиг.3, рабочая точка процесса окисления смещается в положение С, которое характеризуется ростом температур на выходе слоя

30 и уменьшением абсолютного значения равновесной степени превращения. Такой режим, естественно, неприемлем.

Второй путь связан с уменьшением расхода газа через слой катализатора, например, до значения G<. В этом случае возрастает время пребывания газа в слое, что приводит к смещению зависимости Х (h) на фиг.2 влево и, как следствие, к достижению равновесной

О,степени превращения Х< при значении

f эффективной высоты слоя, равной Ь .

Это обстоятельство возвращает рабочую точку из положения, А в положение А по той же адиабате (С, T<).

Формально возможен и третий путь, связанный с уменьшением температуры на входе первого слоя, например, до

Т, < T,. Однако, этот путь недопустим из-за уменьшения количества выделяеgp мого в слое тепла, определяемого температурой Т, для рабочей точки А" (см. Фиг.3), необходимого для обеспечения устойчивого теплового режима контактирования в аппарате. Поэтому для стабилизации степени превращения диоксида серы на первом слое используют второй путь.

При неизменной нагрузке контакт" ного аппарата по расходу перерабаты1535820 ваемого (исходного) газа уменьшение подачи газа на первый слой влечет за собой увеличение нагрузки по количеству диоксида серы на последующие слои контактного аппарата, а также

5 уменьшение температуры на входе второго слоя. Последнее обстоятельство ведет к тому, что рабочая точка, характеризующая вход второго слоя, сме- lp щается из положения D (при охлаждении газа, подаваемого на второй слой до температуры Т без подачи части исходного газа на этот слой) в Е (при подаче части исходного газа на второй слой). Сопоставляя (на фиг.3) рабочие точки процесса D и Е, соответствующие D и Е, видно, что следствием этого является уменьшение равновесной степени превращения на втором слое. Действительно, Х Х .

Устранить снижение равновесной степени превращения диоксида серы на втором слое возможно уменьшением температуры на входе второго слоя. Для этого необходимо сместить рабочую точку иэ положения Е в положение Е" и тогда рабочая точка, характеризующая работу слоя, сместится иэ E e D.

Для реализации этого, согласно Фиг.3. требуется уменьшить температуру газа на входе второго слоя с Т до Т, .

Достижение рабочей точкой погожения Р в общем случае могут препятствовать два обстоятельства. Первое касается ограничения, которое накладывается на минимально допустимое значение температуры на входе второго слоя. Это значение связано с обеспечением устойчивого температурного режима окисления в слое. Второе каса40 ется активности контактной массы в слое, которая характеризуется эффективной высотой слоя. Увеличение подачи исходного газа на второй слой уменьшает величину Х на входе второ45 го слоя и влечет смещение зависимости

X(h). В условиях падения активности катализатора второго слоя, и как. следствие, снижения эффективной высоты слоя равновесная степень превраще- >О ния не достигается.

Возникновение любого иэ этих обстоятельств приводит к тому, что ресурса второго слоя оказывается недостаточно для компенсации возмущения, вносимого перераспределением расхода исходного газа между первым и вторым слоями. В связи с этим для обеспечения требуемой компенсации вовлекается и третий слой катализатора. При этом изменение температурного режима работы третьего слоя осущест" вляют так же, как и изменение температурного режима второго слоя, описанного ниже.

Рассмотрим работу той части системы управления, которая изменяет температурный режим второго слоя путем коррекции температуры газа на входе второго слоя

Рассчитывают в вычислительной блоке 21 действительную степень превра0 щения Х Ч диоксида серы на втором слое по формуле х = x + (T,-т ) /1 ° (5)

Для этого, на входы блока 21 подают сигналы Т и Т,2 от терчодатчиков

1 /

6 и 7, которые измеряют температуры газа на входе и выходе в орого слоя.

На третий вход блока 21 направляют сигнал 9 от блока 18 и сигнал X с выхода блока 22.

Для расчета Х на входы блока 22 подают сигналы Т, Т, и Т от термодатчиков 6, 8 и 9, а также сигнал Х с выхода блока 19. Рассчитывают степень превращения Х на входе второго слон по формуле х,=x, (т -т,)!(т,-т ), (6)

rpe Т - температура газа на входе второго слоя;

Т - температура газа, подаваемо"

t-o H BTop0H cJloH после теплообменника 3, в котором охлаждается газ с выхода . первого слоя;

T — температура исходного газа, подаваемого на второй слой после нагрева в теплообменнике 3.

С помощью формулы (6) пересчитывают (приводят) значение действительной степени превращения диоксида серы на первом слое к входным условиям второ" го слоя.

По сигналу Х2 и по заданному зна»

Ч чению Х степени превращения диоксида серы на выходе второго слоя при снижении действительной степени превращения от заданной изменяют темпера"турный режим слоя уменьшением температуры Т газа на входе второго слоя.

Значение Х» задается системой управления контактным аппаратом более высокого уровня, в частности, системой оптимального управления.

1535820

Такую корректировку режима окисления во втором слое осуществляют до тех пор, пока действительная степень превращения Х не станет равной заданной Х, либо температура Т не достигнет предельно допустимого минимального значения Т", которую назначают из условия обеспечения устойчивого протекания реж >ма окисле- ия в слое. Данную корректировку осуществ" ляют с помощью блока 24 сравнения, регуляторов 15 и 17, блока ?5 ограничения и регулирующего органа 12 следующим образсм. 15

Сигнал Хз с выхода вычислительного 1 блока 21 направляют на в nqsi блоков

17 и 24. h, дру ой вход блоков 17 и

24 подают сигн=л Х-, В блоке 24 сигналы Х и Х сравнивают и формируют з на выходе сигнал% =:1 если Хз Х2 .

Сигнал Q подают на третий вход регулятора 17. На выходе регулятора

17 формируют сигнал Т", пропорциональный разности заданной Хз и дей" 25 ствительной Х2 степеней превращения диоксида серы. Формируют сигнал Тз

2 по формуле

Тз („) Тз () k . (X (C ) -Х (. „)) . g где kn - J - наст «е->мни параметр ре- -0 гулятора °

Си, нал Т под - ют на вход блока 25 ограничения, на дгугой вход которого направ -яют минимально допустьмое эна» чение температуры Т" иа входе второго слоя. B блоке 25 сигналы Т3 и Т сравнивают « в залисичости от результатов сравнения формируют выходной сигнал по следующими формулам: 40

Т =Т,З, если Т-"..Т .

7 -гР если >з = Т Р > Я

Выходной сигнал Тз используют в качестве задания регулятору 15 температуры газа на входе второго слоя. 45

В качестве регулируемой величины здесь используют сигнал Т с выхода термодатчика 6. На выходе регулятора

15 Фо -.мируют, наприм=р, по ПИ-закону регулирующее воздействие У<, которое направляют на исполнитепьный механизм регулирующего органа 12, установленного чз байпасной линии теплообменника

Рассмотренная -,ость системы управ55 ления nî с рукту :с и выполняемым функциям воспроизводится для последу» ющих слоев многосл>йного контактного аппарата.

Периодичность сравнения действительного и равновесного значений степени превращения на первом слое, а также действительных значений степеней превращения с заданными для последующих слоев назначают опытным путем, принимая во внимание длительность переходных процессов, характеризующих динамику слоев контактного аппарата.

Система управления работает следующим образом.

Пусть до момента времени t1 работу контактного аппарата характеризуют следующие данные: первый слой: Т, =420 С; Т, =600 С;

P=10 Па; G<=G„ = 128 1Оз мз/ч; С =

=8 об.В; Х„=О; второй слой: T =460 С; Т =514 С;

ХЗ =0,91) Т =440 С.

При этом расчетные значения равны:

Х>=0,72; X(=0,72; X)=0,91; Х =Х .

Измеренным и расчетйым значениям соответствуют следующие сигналы. Сигнал

5,=0, У> =О. Поэтому подача исходного газа на второй слой отсутствует. Сигнал Я =О и ТЗ=460 С.

В момент времени t < произошло снижение активности катализатора первого слоя и температура Т, уменьшилась до значения Т, (t k)=595 С. В результате на выходе блока 19 сигнал Х (<) уменьшается и становится равнь м 0,7 °

Это приводит к появлению на выходе блока 23 единичного сигнала,, т.е. Q,(t< )=1 и на выходе регулятора 16 .вырабатывается сигнал Yt(ty ) =k ° 0,02, который открывает регулирующий орган

13 и часть исходного газа, например

С (»)=0,05 С, с температурой Т> =

=440 С отводится на второй слой °

В результате уменьшастся расход

С (t» )=G,-С (t„ ) и вследствие этого возрастает время контактирования газа в первом слое и, как следствие, возрастает действительная степень превращения на первом слое, в частности, до равновесного значения Х =0,72.

У

При подаче части исходного газа на второй слой температура на входе слоя уменьшается до значения Т

=459 С, а на выходе блока 22 эйачение х становится равным 0,684, т.е.

Xq(t ») =0,684. Х (tQ) =0,9, что меньше

Хз =0,91. Следствием этого является срабатывание блока 24 и возникновение на его выходе единичного сигнала т.е. ф (е 1,)=1.Регулятор 17 по данному сигналу в соответствии умень1535820

12 шает температуру газа на входе во второй слой от значения Т =4ЬО С до значения Тз(„)=460-1 „ 0,01, которое в общем случае больше значения Т

440 C ° Данное значение Т (с ) обрабатывается регулятором 15 с помощью регулирующего органа 12, что обеспечивает снижение температуры газа

Т (t ) на входе второго слоя до значения равного Т (t «) . Это приводит к увеличению действительной степени превращения диоксида серы на втором слое до заданного значения °

Положительный эффект (снижение потерь диоксида серы эа счет стабилизации степени превращения) достигается путем последовательного вовлечения в реакционный процесс резерва активности катализатора слоев. формула изобретения

Способ автоматического управления многослойным контактным аппаратом с межслойными теплообменниками сернокислотного производства, включающий регулирование температуры газа на входе в каждый слой изменением подачи в него холодной части газа, регулирование подачи исходного газа на каждьй слой аппарата, измерение концентрации диоксида серы в исходном газе, температур газа на выходе каждого слоя и теплообменника, исходного газа, под;-.ваемого на второй и последующие слои, отличающийся тем, что, с целью снижения потерь диоксида серы за счет стабилизации его степени превращения, дополнительно измеряют давление в аппарате на первом слое, концентрацию триоксида серы в исходном гвзе, по измеренным значениям температуры газа на входе и выходе первого слоя, концентрации диоксида и триоксида серы в исходном газе вычисляют текущее значение степени превращения диоксида серы на первом слое, по измеренным значениям температуры газа на входе первого слоя, концентрациям диоксида и триоксида серы в исходном

5 !

О l5

25 0

45 газе и давлению в аппарате на первом слое рассчитывают равновесное значение степени превращения диоксида серы на первом слое, вычисляют текущее значение степени превращения диоксида серы на втором и последующих слоях по измеренным значениям на соответствующих слоях аппарата температур исходного газа, подаваемого на слой, газа на входе и выходе слоя и газа на выходе теплообменника слоя, концентрации диоксида серы в исходном газе и вычисленному текущему значению степени превращения диоксида серы на предыдущем слое, сравнивают вычисленное текущее значение степени превращения диоксида серн на первом слое с рассчитанным равно..есным значением степени преврзщениг диоксида серы на первом слое и при .Hà÷åíèè вычисленной текущей с. епени превращения диоксида серы на первом слое ниже

его равновесного значеы л увеличивают подачу исходного газа на второй слой пропорционально разности вычисленных равновесного и текущего значений степени превращения диоксида серы на первом слое, сравнивают вычисленное текущее значение степени преч ащения диоксида серы на втором и последующих слоях с заданным значением и при значении вычисленной текущей степени превращения диоксида серы на втором и последующих слоях нижезаданного значения уменьшают температуру газа на входе соответствующего слоя пропорционально разности заданного и вычисленного текущего значения степени превращения диоксида серы на этом слое, сравнивают измеренное значение температуры газа на входе второго и последующих слоев с заданным минимальным значением и при достижении этого измеренного значения температуры газа заданного минимального значения стабилизируют температуру газа на входе второго и последующих слоев на заданном минимальном значении.

Р,2

gpz

ЮЮ

gP г

П.б

Рияд

Составитель Г.Огаджанов

Редактор Н.Киштулинец Техред И.Дидык Корректор Т.Малец

Заказ 81 Тираж 412 Подписное

ВНИИПИ Госуларс венного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР !

1. 035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,101