Способ управления процессом получения гидропероксида этилбензола жидкофазным окислением этилбензола кислородом воздуха

 

Использование в химической промышленности. Сущность: способ осуществляется в каскаде из четырех реакторов. Определяют верхний и нижний допустимые пределы температур в реакторах в зависимости от расхода шихты, стабилизируют температуры в первом и четвертом реакторах на верхнем и нижнем их допустимых пределах. Определяют температуры во втором и третьем реакторах в зависимости от верхнего допустимого предела и частных производных селективности процесса образования гидроперекиси этилбензола по ее концентрации в оксидате во втором и третьем реакторах. Корректируют температуры во втором или третьем реакторе в зависимости от величины и знака отклонения концентрации гидроперекиси этилбензола в оксидате на выходе из четвертого реактора. 3 ил.

Изобретение относится к способам управления процессами получения гидроперекиси этилбензола (ГПЭБ) жидкофазным окислением этилбензола кислородом воздуха, проводимым в каскаде реакторов, и может быть использовано в химической промышленности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ управления процессом получения гидроперекиси этилбензола жидкофазным окислением этилбензола кислородом воздуха, проводимым в каскаде из 3-5 реакторов, путем дифференцированного регулирования температурного профиля по реакторам окисления. Температуру в первом реакторе регулируют в пределах 135-152^оС, во втором реакторе на 3-10^оС выше, чем в первом реакторе, а во всех последующих реакторах после второго температуру в каждом последующем по сравнению с предыдущим снижают на 2-4^оС до температуры 141-151^оС.

Недостатком известного способа является недостаточно высокая селективность образования ГПЭБ, т.к. дифференцированный температурный профиль по каскаду реакторов с завышением температуры во втором реакторе относительно температур в других реакторах не является достаточным условием ведения процесса окисления этилбензола, обеспечивающим образование ГПЭБ с максимальной селективностью. В способе также не учитывается изменение селективности образования ГПЭБ относительно концентрации ГПЭБ по ходу реакторов.

Цель изобретения повышение селективности образования гидроперекиси этилбензола.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления процессом получения гидроперекиси этилбензола жидкофазным окислением этилбензола кислородом воздуха, приводимом в каскаде из четырех реакторов, путем регулирования температур в реакторах окисления при ограничении их допустимыми пределами, стабилизации расхода шихты и концентрации гидроперекиси этилбензола в оксидате на выходе из последнего реактора. Определяют верхний и нижний допустимые пределы температур в реакторах в зависимости от расхода шихты, стабилизируют температуры в первом и четвертом реакторах соответственно на верхнем и нижнем их допустимых пределах. Определяют температуры во втором и третьем реакторах в зависимости от верхнего допустимого предела и частных производных селективности процесса образования гидроперекиси этилбензола по ее концентрации в оксидате соответственно во втором и третьем реакторах. Затем корректируют температуры во втором или третьем реакторах в зависимости от величины и знака отклонения концентрации гидроперекиси этилбензола в оксидате на выходе из четвертого реактора.

Если абсолютная величина указанного отклонения меньше его допустимого значения, то температуру во втором и третьем реакторах оставляют без изменения, а если больше его допустимого значения, то при положительном знаке указанного отклонения уменьшают температуру в третьем реакторе и оставляют без изменения температуру во втором реакторе, а при отрицательном знаке отклонения увеличивают температуру во втором реакторе и оставляют без изменения температуру в третьем реакторе.

Совокупность новых признаков в сочетании с известными сообщают предложенному способу управления процессом получения гидроперекиси этилбензола новые свойства, позволяющие осуществлять дифференцированный выбор температур по реакторам окисления в зависимости от величины и знака отклонения концентрации гидроперекиси этилбензола в оксидате, что обеспечивает повышение селективности образования ГПЭБ и позволяет признать предложенное техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 представлена схема реализации способа управления; на фиг.2 экспериментальная зависимость изменения селективности образования ГПЭБ по реакторам; на фиг.3 характеристика изменения частной производной селективности по концентрации ГПЭБ с увеличением числа реакторов.

На фиг.1 показаны первый реактор 1, четвертый реактор 2, датчик 3 расхода шихты, клапан 4 контура регулирования расхода шихты, датчик 5 температуры в первом реакторе, клапан 6 контура регулирования температуры в первом реакторе, датчик 7 температуры в четвертом реакторе, клапан 8 контура регулирования температуры в четвертом реакторе, датчик 9 концентрации гидроперекиси этилбензола в оксидате и управляющая вычислительная машина (УВМ) 10.

Селективность (фиг.2) в процессе окисления этилбензола в первых двух реакторах возрастает, а в последних понижается, что обусловливается тем, что в процессе реакции окисления происходит накопление побочных продуктов реакции, которые незначительны в первых двух реакторах и заметно проявляют себя в последних реакторах.

Из представленных зависимостей следует, что для максимизации селективности необходимо температуру в первом реакторе стабилизировать на верхнем допустимом пределе, в последнем реакторе на нижнем допустимом пределе, а температуру во втором и третьем реакторах регулировать в зависимости от знака отклонения концентрации гидроперекиси этилбензола в оксидате на выходе из последнего реактора от ее заданного значения: при отклонении концентрации в большую сторону уменьшать температуру в третьем реакторе, а при отклонении в меньшую сторону увеличивать температуру во втором реакторе. Это обусловлено тем, что уменьшение концентрации ГПЭБ за счет изменения температуры в третьем реакторе вызывает ответное увеличение селективности, которое значительно будет больше, чем увеличение селективности при этом же изменении температуры во втором реакторе (частные производные соответственно: П₃ -1,5, П₂ -0,7).

При увеличении концентрации ГПЭБ за счет изменения температуры во втором реакторе влечет за собой уменьшение селективности, но оно будет примерно в два раза меньше, чем уменьшение селективности вызванное аналогичным изменением температуры в третьем реакторе.

Начально заданные значения температур во втором и третьем реакторах выбирают обратно пропорционально перепадам соответственно между частными производными первого и второго реакторов и между частными производными первого и третьего реакторов, т.к. эти перепады частных производных характеризуют падение селективности в указанных реакторах относительно максимального ее значения достигнутые в первом реакторе.

Шихту, представляющую собой смесь свежего (10 мас.) этилбензола, подают в первый реактор 1. Окисление этилбензола осуществляют кислородом воздуха, который подают в реакторы 1,2 и промежуточные между ними (на схеме не показаны) через барбатеры. Для разгона реакции окисления в змеевик первого реактора 1 и второго реактора подают в качестве теплоносителя водяной пар, а в третий и четвертый реактор 2 подают паровой конденсат для съема выделившегося во время реакции тепла. Оксидат, представляющий смесь образовавшейся гидроперекиси этилбензола и непрореагировавшей шихты, направляют из первого реактора 1 в следующие реакторы каскада, а из четвертого реактора 2 выводят оксидат с содержанием гидроперекиси этилбензола 10-11 мас. Кроме гидроперекиси этилбензола оксидат содержит побочные продукты реакции окисления этилбензола и термораспада гидроперекиси, концентрация которых зависит от количества прореагировавшего кислорода относительно количества этилбензола и от температурного режима. Избыток или недостаток прореагировавшего кислорода, а также завышение температур реакции, особенно в последних реакторах каскада, увеличивают содержание побочных продуктов в оксидате и, следовательно, снижают селективность процесса получения гидроперекиси этилбензола.

Через верх реакторов 1, 2 и промежуточных между ними отводят на конденсацию отходящие газы, состоящие из этилбензола и отработанного воздуха.

Управление процессом получения гидроперекиси этилбензола осуществляют следующим образом.

Информацию от датчиков 3,5,7,9 вводят в УВМ 10.

Стабилизируют расход шихты, для чего по информации с датчика 3 формируют управляющее воздействие U_ш на клапан 4, например по закону ПИ регулирования: U_ш= U^o_ш+KF^з_ш^ад-F+K F^з_ш^ад-Fdt (1) где: U_ш^o- начальное управляющее воздействие на клапан (при пуске системы); F_ш, F_ш^зад текущее (измеренное датчиком 3) и заданное значение расхода шихты; K_п1, K_п1- соответственно пропорциональная и интегральная настройка регулятора расхода шихты; t текущее время.

Определяют по информации с датчика 3 расхода шихты верхний допустимый предел Тв температур реакции: Т_b=а₁F_ш³+а₂F_ш²+a₃F_ш+a_о (2) где: а₀, а₁, а₂, а₃ коэффициенты уравнения регрессии (а₀ 168; а₁ -0,314˙10^-5; а₂ 0,199˙10^-2; а₃ 0,348) Определяют по информации с датчика 3 расхода шихты перепад ΔТ между верхним и нижним допустимым пределами температур реакции по уравнению регрессии: ΔТ b₁F_ш² + b₂F_ш + b_o (3) где: b₀, b₁, b₂ коэффициенты уравнения регрессии
Определяют нижний допустимый предел температур реакции Т_н Т_b Δ Т. (4)
Определяют заданной температуры во втором T₂^зад и третьем T₃^задреакторах по формулам: T₂^зад=T_b-κ₂ΔT (5) T₃^зад=T_b-κ₃ΔT (6) где κ ₂,κ ₃ постоянные коэффициенты, определяемые в зависимости от перепадов частных производных селективности по концентрации гидроперекиси этилбензола соответственно между первым и вторым реакторами и между первым и третьим реакторами по экспериментальной зависимости, приведенной на чертеже фиг.2:
κ₂ 0,7
κ₃ 0,92
Определяют по информации с датчика концентрации гидроперекиси этилбензола в оксидате отклонение ΔС указанной концентрации С от ее заданного значения С^зад.

ΔC C-C^зад (7)
Проверяют соответствие абсолютной величины найденного отклонения концентрации гидроперекиси этилбензола ее допустимому значению ΔС_доп:
C ≥ ΔC_доп (8)
Если условие выполняется, что означает, что концентрация гидроперекиси стабилизируется с удовлетворительной точностью, то температуры во втором и третьем реакторах оставляют без измерения: T_2j^зад=T (9) T_3j^зад= T (10) где: j и j-1 соответственно текущий и предыдущий шаг формирования управляющих воздействий.

Если условие не выполняется, то анализируют знак отклонения концентрации гидроперекиси этилбензола от ее заданного значения: ΔС > 0 (11)
Если это условие не выполняется, что означает отклонение концентрации относительно заданной величины в меньшую сторону (т.е. С < C^зад), то корректируют (увеличивают) заданную температуру во втором реакторе, а температуру в третьем реакторе оставляют без изменения: T_2j^зад=T+K_п2(ΔC_j-ΔC_j-1) (12) T_3j^зад=T_3j-1^зад (13)
Если условие выполняется, что означает отклонение концентрации гидроперекиси этилбензола относительно заданной величины в большую сторону (т.е. С > C^зад), то корректируют (уменьшают) заданную температуру в третьем реакторе, температуру во втором реакторе оставляют без изменения: T_3j^зад= T+K(ΔC_j-ΔC_j-1) (14) T_2j^зад=T_2j-1^зад. (15)
Формируют управляющие воздействия на клапаны 6, 8 контуров регулирования в первом реакторе 1, четвертом реакторе 2, а также в промежуточных между ними втором и третьем реакторах, например по закону ПИ-регулирования. U= U+KT^з_i^ад-T+K T^з_i^ад-Tdt (16) где U_Ti- управляющее воздействие на клапан, регулирующий температуру в i-том реакторе (i 1,2,3,4);
U _Ti^o- начальное управляющее воздействие на i-тый регулирующий клапан (при пуске системы управления);
T_i, T_i^зад соответственно измеренное и заданное значение температур в i-том реакторе;
К_птi, К_итi- пропорциональная и интегральная настройки i-того регулятора температуры.

Таким образом, предлагаемый способ осуществляет дифференцированный выбор температур по реакторам окисления в зависимости от величины и знака отклонения концентрации гидроперекиси этилбензола в оксидате, что обеспечивает повышение селективности образования гидроперекиси этилбензола.

Численный пример. Исходные данные:
F_ш^зад 201,0 Т/2 F_ш 200,0 Т/2
K_п1=0,02 K_и1=0 U_ш^o 0,6 кгс/см²
С_зад 10,5% С 10%
T_2j-1^зад 151^оС T_3j-1^зад 150^оС
K_п2 1,0 K_п3 0,5 ΔС_j-1 -0,6%
U_т1^o=U_т2^o=U_т3^o=U_т4^o 0,6 кгс/см²
К_пт1=К_пт2=К_пт3=К_пт4 0,1
K_ит1=K_ит2=K_ит3=K_ит4 0
Определяют по уравнению (1) управляющее воздействие на клапан 4 контура регулирования расхода шихты.

U_ш 0,6 + 0,02 (201-200) 0,62 кгс/см²
Определяют верхний допустимый предел температур реакции:
Т_в -0,313˙10^-5 ˙200³ + 0,199 ˙10^-2 ˙200² 0,348 ˙200 + 168 153,1^оС.

Определяют по уравнению (3) перепад между верхним и нижним допустимыми пределами температур: ΔТ 0,245 ˙10^-3 ˙200² 0,1347 ˙200 +
+18,954 2,8^оС.

Определяют нижний допустимый предел температур реакции:
Т_н 153,1 2,8 150,3^оС.

Определяют заданные температуры во втором и третьим реакторах по уравнениям (5) и (6):
T₂^зад 153,1 0,7 ˙2,8 151,15^оС
T₃^зад 153,1 92 ˙2,8 150,5^оС.

Определяют по формуле (7) отклонение концентрации гидроперекиси этилбензола от ее заданного значения:
ΔC 10,0 10,5 -0,5.

Проверяют соответствие абсолютной величины C отклонения концентрации ее допустимому значению ΔС_доп.

Допустим, что ΔС_доп 0,6
Условие (8) не выполняется, т.к.C 0,5 < 0,6
В этом случае согласно формул (9) и (10) приравнивают текущие заданные температуры во втором и третьем реакторах достигнутым на предыдущем шаге значениям этих температур:
T_2j^зад=151,0^oCT_3j^зад=150^oC.

Если допустим, что ΔС_доп 0,4, то условие (8) выполняется
c > ΔС_доп.

В этом случае анализируют знак отклонения ΔС.

ΔС -0,5 знак отрицательный, т.е. С< <C.

В этом случае корректируют заданную температуру во втором реакторе по формуле (12)
T_2j^зад 151,0 + 1,0˙ [-0,5-(-0,6)] 151,1^оС; а заданную температуру в третьем реакторе приравнивают значению ее на предыдущем шаге согласно формулы (13):
T_3j^зад= 150^оС.

Если допустим, что отклонение концентрации получилось с положительным знаком, например, при C^зад 10,5% С 11,0% ΔС_доп 0,4%
тогда ΔС 11,0-10,5 0,5
ΔС> ΔC_доп
В этом случае по формуле (14) корректируют заданную температуру в третьем реакторе:
T_3j^зад 150,0 + 0,5 ˙[0,5-(-0,6)] 150,55^оС, а заданную температуру во втором реакторе приравнивают предыдущему значению (по формуле 15):
T_2j^зад 151^оС.

Формируют по формуле (16) управляющие воздействия на клапаны контуров регулирования температур в реакторах, например, третьем, реакторе:
И_тз 0,6 + 0,1 (150,55 150,0) 0,655 кгс/см².

Аналогично формируются управляющие воздействия на клапаны регулирующие температуры в первом, втором и четвертом реакторах.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет при выдерживании одной и той же концентрации гидроперекиси этилбензола (10,7%) на выходе из последнего реактора повысить селективность образования ГПЭБ на 0,1% с 80,7 до 80,8%
Селективность рассчитывалась по формуле:
S где: С_гп, С_поб соответственно концентрации ГПЭБ и побочных продуктов в оксидате.

При селективности 80,7% на 1 т НПЭБ получается следующее количество побочных продуктов
C= 0,2392 т/т, а при селективности 80,8%
C= 0,2376 т/ч
Cледовательно, снижение расходной нормы этилбензола на получение 1 т ГПЭБ составляет:
G_эб 0,2392-0,2376 0,0016 т/т.

Гидроперекись является сырьем для производства окиси пропилена.

Для годового выпуска окиси-пропилена в 50000 т/год необходимо получение следующего количества гидроперекиси этилбензола:
A_гп 660000 т/г, где: 0,075 расходная норма ГПЭБ на 1 т окиси пропилена.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОПЕРОКСИДА ЭТИЛБЕНЗОЛА ЖИДКОФАЗНЫМ ОКИСЛЕНИЕМ ЭТИЛБЕНЗОЛА КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА, проводимым в каскаде из четырех реакторов, путем регулирования температур в реакторах окисления и стабилизации концентрации гидропероксида этилбензола в оксидате на выходе из последнего реактора, отличающийся тем, что стабилизируют расход шихты на входе в первый реактор, определяют верхний и нижний допустимые пределы температур для всех реакторов каскада в зависимости от расхода шихты, стабилизируют температуры в первом и четвертом реакторах соответственно на верхнем и нижнем их допустимых пределах, определяют температуры во втором и третьем реакторах в зависимости от верхнего допустимого предела температур в реакторах каскада и частных производных селективности процесса образования гидропероксида этилбензола по ее концентрации в оксидате соответственно во втором и третьем реакторах, корректируют температуры во втором и третьем реакторах в зависимости от величины и знака отклонения концентрации гидропероксида этилбензола в оксидате на выходе из четвертого реактора от его заданного значения, при этом, если абсолютная величина указанного отклонения меньше его допустимого значения, то температуры во втором и третьем реакторах оставляют без изменения, а если больше то при положительном знаке отклонения снижают температуру в третьем реакторе и оставляют без изменения температуру во втором реакторе, а при отрицательном знаке отклонения повышают температуру во втором реакторе и оставляют без изменения температуру в третьем реакторе, причем регулирование температуры во втором и третьем реакторах осуществляют в зависимости от величины отклонения концентрации гидропероксида этилбензола в оксидате на выходе из четвертого реактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3