Способ автоматического управления непрерывным процессом полимеризации этилена

 

Использование: в автоклавных реакторах по методу высокого давления в присутствии инициатора радикального типа путем стабилизации температурного режима при заданном давлении этилена для автоматизации процессов управления. Сущность изобретения: при выходе на стационарный режиме устанавливают программный по времени расход инициатора раствора органического пероксида. По достижении заданного максимального расхода пероксида и установлении заданной температуры процесса осуществляют плавную программную, по времени увеличивающуюся подачу дополнительного инициатора - кислорода до заданного максимального значения с одновременным плавным снижением расхода раствора пероксида до 50 - 70 об.% от заданного максимального расхода. Поддерживают установившийся стационарный температурный режим автоматическим изменением расхода раствора пероксида в зависимости от величины отклонения температуры от заданной, сохраняя неизменный заданный максимальный расход кислорода. При этом обеспечиваются повышение точности регулирования температурного режима в автоклавных реакторах, уменьшение количества используемых дорогостоящих инициаторов - пероксидов, а также уменьшение количества экстрагируемых веществ в полимере. 1 ил.

Изобретение относится к автоматизации процессов полимеризации, в частности к способу управления процессом полимеризации этилена по методу высокого давления в присутствии инициаторов радикального типа. Обычно в указанных процессах для инициирования полимеризации используются органические пероксиды или кислород, или и органические пероксиды и кислород одновременно (смешанное инициирование). Процесс полимеризации по методу высокого давления очень чувствителен к колебаниям температуры, давления и концентрации инициатора, так как изменения могут привести к взрывному разложению этилена.

Известен способ автоматического регулирования процесса полимеризации или сополимеризации этилена по методу высокого давления путем кратковременных периодических снижений давления в реакторе на 5-28% от номинального значения, а также путем стабилизации давления в реакторе и стабилизации максимальной температуры в середине реактора воздействием на расход инициатора в реактора [1] Положение точки максимальной температуры по длине реактора регулируют одновременным изменением перепада снижения давления в реакторе и величины снижения давления. Периодическое кратковременное снижение давления на 5-25% от номинального позволяет удалить с внутренних стенок реактора налипший полимер, что улучшает теплообмен. Снижение давления в реакторе увеличивает скорость движения реакционной смеси, что способствует также понижению температуры по всей длине реактора. Способ используется для управления процессом полимеризации или сополимеризации этилена в трубчатом реакторе. Способ позволяет регулировать положение точки максимальной температуры в реакторе без изменения общего уровня температур. В случае использования в качестве инициатора кислорода при периодическом снижении давления учитывается транспортное запаздывание кислорода.

Недостатками способа: недостаточная точность регулирования температурного режима в связи с необходимостью периодических сбросов давления, при которых процесс выходит из стационарного (стабильного) режима работы; нежелательные сильные механические нагрузки на компрессора, связанные с пульсацией давления. Кроме того, способ пригоден для управления процессом только в трубчатых реакторах. В автоклавных реакторах снабженных мешалками, обычно не требуется пульсационного снижения давления, так как отложение полимера на стенках крайне незначительно. Ввиду наличия перемешивания также не требуется фиксирования максимальной температуры в середине реакционной зоны.

Известен способ управления процессом полимеризации этилена по методу высокого давления, заключающийся в стабилизации температурного режима и давления воздействием на расход инициатора в реактор и охлаждением реакционной массы перед подачей в следующую реакционную зону и перед выходом из реактора так, чтобы температура и давление в любой точке реакционной зоны регулировалась согласно уравнению У=Р_G + 2T_G≥ 1850, где РG давление, кг/см²; ТG температура, ^оС; У фактор отсутствия пульсаций, при условии, что 4000 ≥ Р_G ≥ 1000 и 400 ≥ Т_G ≥ 150 [2] Способ используется для управления процессом в трубчатом реакторе. В первую зону в качестве инициатора подается, например, кислород, а во вторую зону органический пероксид, или в первую и во вторую зоны подается пероксид. При регулировании процесса согласно приведенному выше уравнению не требуется периодического сброса давления, процесс стабилен, не наблюдается увеличения разности давлений на входе и выходе реактора.

Недостатки способа: сложность регулирования процесса, связанная с необходимостью промежуточного охлаждения реакционной массы (от максимальной температуры 300^оС до 260^оС), при котором нарушается стабильность температурного режима и поддержание температуры и давления в пределах соответственно приведенной выше формулы пульсаций становится затруднительным; значительный расход дорогостоящих пероксидов при использовании в качестве инициатора только пероксидов. При использовании в качестве инициатора и кислорода (в одной из зон) и пероксида возникают дополнительные трудности с регулированием температуры, связанные с транспортным запаздыванием при изменении дозирования кислорода. Кроме того, этот способ не пригоден для управления процессов в реакторах автоклавного типа при смешанном инициировании кислородом и пероксидом.

В промышленности в реакторах автоклавного типа кислород для инициирования полимеризации не применяется, что объясняется трудностями регулирования температуры в реакторе из-за запаздывания при дозировании кислорода [3] Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ автоматического управления непрерывным процессом полимеризации этилена в автоклавных реакторах по методу высокого давления в присутствии инициатора радикального типа путем стабилизации температурного режима при заданном давлении этилена, который осуществляют путем периодических колебаний давления в реакторе воздействием на расход смеси на выходе из реактора и изменения периода колебаний давления [4] Измеряют расход этилена, температуру и давление в реакторе, определяют за период колебаний усредненные значения и корректируют период колебаний давления в зависимости от отклонения расхода этилена и усредненных значений температуры и давления в реакторе. Колебания давления обеспечивают стабилизацию температуры в реакторе 170^оС, что соответствует неустойчивому режиму работы в реакторе. Способ позволяет осуществлять управление процессом полимеризации этилена по методу высокого давления в автоклавном реакторе в окрестности заданного неустойчивого режима. За счет обеспечения работы в окрестности заданного неустойчивого оптимального режима повышается производительность реактора на 1-2% Однако способ не обеспечивает достаточной точности регулирования температурного режима в связи с периодическими значительными колебаниями давления в реакторе, при которых процесс выходит из стационарного режима. Кроме того, при указанном способе регулирования расход дорогостоящих инициаторов пероксидов очень значителен (43 кг на 1 т полимера). Производства полиэтилена обычно являются крупнотоннажными. Более дешевый инициатор кислород в автоклавных реакторах не используется ввиду трудности регулирования температурного режима.

Цель изобретения повышение точности регулирования температурного режима в автоклавных реакторах и уменьшение количества используемых дорогостоящих инициаторов пероксидов, а также снижение количества экстрагируемых веществ в полимере.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического управления непрерывным процессом полимеризации этилена в автоклавном реакторе по методу высокого давления в присутствии инициатора радикального типа путем стабилизации температурного режима при заданном давлении этилена согласно изобретению при выходе на стационарный режим устанавливают программный по времени расход инициатора раствора органического пероксида. По достижении заданного максимального расхода раствора пероксида и установлении заданной температуры процесса осуществляют плавную программную, по времени увеличивающуюся подачу дополнительного инициатора кислорода до заданного максимального значения с одновременным плавным снижением расхода пероксида до 50-70 об. от заданного максимального расхода. Установившийся стационарный температурный режим поддерживают автоматическим изменением расхода раствора пероксида в зависимости от величины отклонения температуры от заданной, сохраняя неизменным заданный максимальный расход кислорода.

На чертеже показана блок-схема системы управления автоклавным реактором полимеризации этилена.

Система автоматического регулирования процесса полимеризации этилена в автоклавном реакторе 1 состоит из расходомера 2 газообразного кислорода, клапана 3, регулирующего расход кислорода, расходомеров 4 и 5 пероксида, регуляторов 6 и 7 расхода пероксида, расходомера 8 этилена, датчика 9 давления в реакторе 1, датчиков 10 и 11 температуры в реакторе 1, клапана 12, регулирующего сброс давления в реакторе, электронного регулятора 13 соотношения потоков этилена и кислорода, электронного многофункционального прибора 14, а сигнал от расходомера 8 на электронный регулятор 13 соотношения потоков этилена и кислорода. Прибор 14 отслеживает расход раствора пероксида и по достижении программно-заданного времени подачи пероксида устанавливает нижнюю границу расхода раствора пероксида, переход которой вызывает запрет подачи кислорода. Датчики 10 и 11 температуры фиксируют температуру в зонах реактора и подают сигналы на электронные регуляторы 15 и 16 температуры, с которых сигналы поступают на регуляторы 6 и 7 расхода раствора пероксида, изменяющие производительность насосов, подающих раствор пероксида в поток этилена. Давление в реакторе 1 измеряется датчиком 9 давления и поддерживается постоянным с помощью регулятора 17 давления, воздействующего на клапан 12 сброса давления. По достижении максимально заданного расхода раствора пероксида и установлении в реакторе 1 заданных температуры и давления процесса на приборе 14 автоматически включается программ плавной подачи газообразного кислорода и снижения расхода пероксида. Сигнал от расходомера 2 газообразного кислорода поступает на выход прибора 14. Прибор 14 осуществляет регулирование расхода кислорода в функции времени (программную по времени подачу кислорода) и ограничивает нижний предел расхода пероксида. В приборе 14 величина расхода кислорода корректируется в соответствии с заданной программой и эта величина расхода подается через электронный регулятор 13 соотношения потоков свежего этилена и кислорода на клапан 3, регулирующий расход кислорода. Подача свежего этилена с кислородом в реактор 1 вызывает незначительный подъем температуры в реакторе, что регистрирует датчиками 10 и 11, сигналы от которых поступают на электронные регуляторы 15 и 16 температуры определяющие величину снижения расхода пероксида. Управляющие сигналы с регуляторов 15 и 16 поступают на регуляторы, 6 и 7 расхода пероксида. По достижении заданного максимального значения расхода кислорода и снижении расхода раствора пероксида до 50-70 об. от заданного максимального расхода в реакторе 1 устанавливают стационарный температурный режим. При этом режиме система управления поддерживает неизменным заданный максимальный расход кислорода (в соотношении со свежим этиленом). При отклонении температуры в реакторе 1 от заданной изменяют расход раствора пероксида в реакторе с помощью регуляторов 15 и 16. Давление в реакторе 1 поддерживают постоянным с помощью регулятора 17 давления, как описано выше.

П р и м е р. Непрерывный процесс полимеризации этилена проводят в автоклавном реакторе объемом 250 л, снабженном рубашкой и трехшпоночной мешалкой. Реактор снабжен системой автоматического регулирования процесса, а также системой аварийной защиты. Смесь свежего и возвратного этилена подают тремя потоками на вход в нижнюю, среднюю и верхнюю зоны реактора. Пероксидтретбутилпербензоат подают в виде раствора в углеводородном масле (массовое соотношение масло:пероксид равно 10:1) в поток этилена на входе в реактор в нижнюю и верхнюю зоны. Газообразный кислород подается в линию подачи свежего этилена.

Выход на стационарный режим. Пуск реактора осуществляют при подаче только раствора пероксида. В автоклавный реактор подают двумя потоками смесь этилена с раствором пероксида, сжатую до 1410 кгс/см² и нагретую до 50^оС. Расход этилена (свежего и возвратного) составляет 17,5 т/ч, расход раствора пероксида постепенно увеличивают в соответствии с заданной программой от 0 до 14,5 л/ч. Сигналы от расходомеров раствора пероксида 4 и 5 поступают на вход многофункционального прибора 14, который отслеживает расход раствора пероксида и по достижении программно заданного времени подачи раствора пероксида устанавливает нижнюю границу расхода раствора пероксида.

В автоклавном реакторе устанавливается следующий режим: температура верхней зоны 238^оС; температура средней зоны 249^оС; температура нижней зоны 246^оС; давление 1410 кгс/см².

Датчики 10 и 11 температуры фиксируют температуру в зонах реактора и подают сигналы на электронные регуляторы 15 и 16 температуры, которые через регуляторы 16 и 7 расхода изменяют производительность насосов, подающих раствор пероксида в поток этилена. Давление в реакторе измеряется датчиком 9 давления и поддерживается постоянным с помощью регулятора 17 давления, воздействующего на клапан 12 сброса давления. После выдержки реактора при указанном режиме в течение 1 ч начинают подачу газообразного кислорода, одновременно уменьшая подачу раствора пероксида по заданной программе. Начало подачи кислорода на "всас" первого каскада компрессоров автоматически включает на многофункциональном приборе 14 заданный минимальный предел подачи раствора пероксида. Прибор 14 осуществляет регулирование расхода кислорода во времени с помощью регулятора 13 соотношения потоков свежего этилена и кислорода и регулирующего клапана 3. Подачу кислорода плавно увеличивают с учетом транспортного запаздывания. В течение 40 мин расход кислорода увеличивают от 0 до 40 г/ч. Одновременно подачу раствора пероксида плавно снижают до 9,7 л/ч. Контроль за содержанием кислорода в этилене (в свежем и возвратном) осуществляют с помощью газоанализаторов с пределом измерения 0-50 ррm и 0-10 ррm кислорода в этилене. Максимальная амплитуда отклонения от заданных значений температур в зонах реактора 3^оС. Давление в реакторе изменялось в пределах 1410 ± 10 кгс/см².

Работа в стационарном режиме. После установления заданного максимального расхода киcлорода 40 г/ч и раcхода раcтвора перокcида 9,7 л/ч. что cоcтавляет 6,7% от заданного макcимального раcхода раствора пероксида, в реакторе устанавливается режим: температура верхней зоны 238^оС; температура средней зоны 249^оС; температура нижней зоны 246^оС; давление 1410 кгс/см². Далее процесс проводят при расходе этилена 2,7 т/ч, расходе раствора пероксида 9,7 л/ч и расходе кислорода 40 г/ч, поддерживая в реакторе указанный выше режим. Стационарный температурный режим поддерживают изменением расхода раствора пероксида в зависимости от величины температуры от заданной с помощью электронных регуляторов 15 и 16, сохраняя неизменным заданный максимальный расход кислорода. Давление в реакторе 1 поддерживается постоянным с помощью регулятора 17 давления. Процесс идет стабильно без колебаний температуры и давления. Отклонение температуры от заданной составляет 2^оС, отклонение давления от заданного 10 кгс/см². Производительность процесса 2,5 т/ч. Свойства полиэтилена: показатель текучести расплава 2,0; содержание экстрагируемых веществ в полимере 0,9% Данный способ позволяет осуществлять управление процессом полимеризации этилена по методу высокого давления в автоклавном реакторе при смешанном инициировании кислородом и пероксидом, что невозможно при использовании известных способов управления. Общепринято считалось, что использовать кислород для инициирования полимеризации этилена в автоклавных реакторах в промышленности невозможно из-за трудностей в регулировании температуры. Данный способ управления дает возможность заменить до 30-60% инициатора пероксида на кислород, что при промышленном крупнотоннажном производстве полиэтилена дает значительный экономический эффект. Стационарный температурный режим в автоклавном реакторе, управляемом заявленным способом, поддерживается без каких-либо пульсаций реакционной массы (без сброса давления), что повышает точность регулирования температуры в реакторе. Каких-либо специальных приемов для поддержания давления в реакторе постоянным не требуется.

Кроме того, данный способ позволяет значительно снизить количество экстрагируемых веществ в полимере за счет снижения количества масла, вводимого вместе с пероксидом.

Формула изобретения

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫМ ПРОЦЕССОМ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЭТИЛЕНА в автоклавных реакторах по методу высокого давления в присутствии инициатора радикального типа путем стабилизации температурного режима при заданном давлении этилена, отличающийся тем, что при выходе на стационарный режим устанавливают программный по времени расход иниициатора - раствора органического пероксида, по достижении заданного максимального расхода раствора пероксида и установлении заданной температуры процесса осуществляют плавную программную по времени увеличивающуюся подачу дополнительного инициатора - кислорода до заданного максимального значения с одновременным плавным снижением расхода раствора пероксида до 50 - 70 об.% от заданного максимального расхода и поддерживают установившийся стационарный температурный режим автоматическим изменением расхода раствора пероксида в зависимости от величины отклонения температуры от заданной, сохраняя неизменным заданный максимальный расход кислорода.

РИСУНКИ

Рисунок 1