Способ управления процессом получения метил-трет-бутилового эфира

 

Изобретение относится к управлению реакционными процессами, совмещенными с процессами ректификации, в частности к управлению процессом получения метил-трет-бутилового эфира. Сущность изобретения: регулируют подачу в реакционную зону изобутиленсодержащей фракции, метанола, флегмы и пара в кипятильник, причем воздействием на подачу флегмы дополнительно регулируют температурный режим в катализаторном слое по максимальной температуре в слое катализатора, подачу метанола в реакционный узел корректируют пропорционально расходу изобутилена на реакцию с учетом состава дистиллата, а также по разнице температур между кубовой частью и третьей теоретической тарелкой, поддерживая ее на уровне 4 - 6^oС, корректируют расход пара в кипятильник с учетом этой разницы температур и заданной температуры на десятой теоретической тарелке. При использовании в качестве изобутиленсодержащего сырья углеводородной С₄ фракции температуру на десятой теоретической тарелке выдерживают в пределах 71 - 75^oС, при подаче в реакционно-ректификационный реактор катализата с предыдущих реакторов синтеза метил-трет-бутилового эфира 83 - 90^oС. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к управлению реакционными процессами, совмещенным с процессами ректификации и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности, в частности для управления процессом получения метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ).

Известны способы обеспечения качества МТБЭ за счет поддержания определенного соотношения реагентов изобутилена и метанола при подаче их в реакционную зону, которые выбираются таким образом, чтобы в дальнейшем исключить или максимально уменьшить присутствие метанола и других примесей в товарном продукте. Однако эти сведения носят информационный характер и не содержат конкретных технических решений.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является способ, согласно которому управление процессом осуществляется регулированием подачи в реакционную зону углеводородной фракции С₄ и метанола в метанольной фракции, флегмы в верхнюю часть колонны и пара в кипятильник, температуры верха катализаторного слоя воздействием на подачу флегмы, корректировкой подачи метанола в метанольной фракции пропорционально расходу изобутилена и основных компонентов в углеводородной фракции путем сравнения заданных и текущих значений концентрации изобутилена в дистилляте, при положительном результате сравнения пропорционально изменяют подачу метанола, а при отрицательном пропорционально изменяют расход рецикла кубового продукта в линию подачи метанольной фракции.

Хотя этот способ работает в определенных условиях, но не является с одной стороны универсальным, а с другой стороны не позволяет вести управление процессом достаточно оперативно и точно.

К недостаткам указанного способа следует отнести неудачный выбор точки фиксирования температуры в верху катализаторного слоя для регулирования температурного режима в реакционной зоне, что не исключает ввиду запаздывания завышения температуры в отдельных частях катализаторного слоя и может привести к повышенному образованию побочных продуктов. Как показали испытания, наибольшие колебания по температуре отмечаются в нижней части слоя катализатора, где наиболее высокая концентрация изобутилена.

Известен способ, при котором возможность подачи кубовой жидкости на верх катализаторной зоны по линии питания метанолом ограничена лишь периодом пуска, когда кубовая жидкость содержит незначительное количество МТБЭ и значительное количество метанола. При получении кубового продукта с низкой концентрацией метанола и высокой концентрацией МТБЭ его нецелесообразно подавать на катализаторный слой, так как присутствие МТБЭ продукта реакции на выходе изобутилена из реакционной зоны снизит термодинамические возможности основной реакции и, таким образом, приведет к понижению конверсии изобутилена, т. е. лишит реакционно-ректификационный процесс синтеза МТБЭ одного из его основных преимуществ.

Кроме того, корректировка подачи метанола только по расходу изобутилена и других компонентов углеводородной фракции не полностью отражает колебаний в материальном балансе по метанолу. Так, не учтены изменения в расходе метанола на диметиловый эфир, а принятые коэффициенты К₁ и К₂ не обеспечивают четкого регулирования процессом, носят частный характер и не распространяются, например, на случаи использования углеводородных фракций со средним и низким содержанием изобутилена или при ведении процесса с конверсиями изобутилена ниже 99% Например, при работе на углеводородной фракции с 20% изобутилена при конверсии 96% принятых в известном способе коэффициентах К₁ 1,02 и К₂ 0,03 и условии поддержания других оптимальных параметров состав конечного продукта не лучше следующего: МТБЭ 97,5% метанол 2,3% третичный бутиловый спирт 0,2% что не соответствует критерию качества. С дальнейшим понижением концентрации изобутилена в исходном сырье и/или понижением конверсии изобутилена при управлении по известному способу возможно дальнейшее понижение качества МТБЭ. Коэффициент К₂ не отражает колебаний в составе дистиллята по метанолу, например, в зависимости от изменения давления и др. факторов.

К недостаткам известного способа управления качеством кубового продукта также следует отнести то, что он основывается на анализах сырья, дистиллята и кубового продукта и пренебрегает управлением по температурному режиму, которое является более оперативным.

Указанные недостатки полностью устраняются предлагаемым способом управления процесса, согласно которому повышение качества конечного продукта и снижение расхода пара достигается за счет следующего: дополнительного регулирования температурного режима в катализаторном слое по максимальной температуре слоя катализатора, дополнительной корректировки подачи метанола в реакционный узел пропорционально расходу изобутилена с учетом состава дистиллята, включая диметиловый эфир, а также по разнице температур между заданной температурой кубовой жидкости и 3 теоретической тарелкой (т.т.), поддерживая ее на уровне 4-6^оС; корректировки подачи пара в кипятильник с учетом этой разницы температур и по заданию температуры на 10 теоретической тарелке (т.т.), причем если в качестве изобутиленсодержащего сырья используют С₄ углеводородную фракцию, температура на 10 т.т. поддерживается 72-75^оС, а в случае подачи в реакционно-ректификационный реактор катализата с предыдущих реакторов 83-90^оС.

Для поддержания оптимального температурного режима в реакционной зоне, обеспечивающего высокую селективность процесса, фиксируют температуру по высоте катализаторного слоя и регулируют максимальную температуру воздействием на подачу флегмы.

Для поддержания заданного соотношения реагентов корректируют подачу метанола не только пропорционально количеству подаваемого в реактор изобутилена и основных компонентов углеводородной фракции, но с учетом состава дистиллята, включая диметиловый эфир в соответствии с приведенным ниже материальным балансом по метанолу.

Для более общего случая, когда реакторный узел наряду с реакицонно-ректификационным реактором включает один или систему параллельно работающих предреакторов проточного типа материальный баланс по подаче метанола в реакционно-ректификационный реактор складывается из следующих составляющих: G^р_м G · α G^п_м^р+ G^ф_м (1) где G_iC4''^p количество изобутилена, подаваемого с сырьем в реакционно-ректификационный реактор; G_м^пр количество метанола, поступающее с предреакторов на реакционно-ректификационный реактор; G_м^ф количество свободного и связанного метанола, отбираемого верхом с реакционно-ректификационного реактора; α- степень извлечения изобутилена α (2) (2) где С_iC4''^сырье и С_iC4''^ф содержание изобутилена в сырье и дистилляте в пересчете на углеводороды С₄, причем G G C (3) G^ф_м G^ф· G^ф_м + G^ф (4) где G^ф количество отбираемой флегмы;
С_м^ф и С_ДМЭ^ф содержание в ней метанола и диметилового эфира (ДМЭ).

Кроме того, для оперативного управления качеством конечного продукта корректируют подачу метанола по разнице между заданной температурой в кубовой части и 3 т.т. поддерживая ее на уровне 4-6^оС в соответствии с данными, полученными на опытно-промышленном реакторе реакционно-ректификационного типа при использовании в качестве изобутиленсодержащего сырья как углеводородной С₄ фракции, так и продуктов, полученных с предыдущих реакторов (см. табл. 1).

Разница температур менее 4^оС свидетельствует или о необходимости уменьшения температуры на 10 т.т. выбранной в качестве контрольной для регулирования расхода пара в кипятильник реакционно-ректификационной колонны, или о недостатке метанола на реакцию. В зависимости от используемого сырья выбирается оптимальная температура на 10 т.т. В случае углеводородов С₄ эта температура 72-75^оС, лучше 72^оС, в случае продукта, полученного с предыдущих реакторов и содержащего наряду с углеводородами С₄, МТБЭ, метанол и другие высококипящие побочные продукты, эта температура должна соответствовать 83-90^оС. Если вследствие уменьшения расхода пара на 3 т.т. установится температура на 4-6^оС ниже температуры куба, то уменьшения подачи метанола не требуется. Если после уменьшения расхода пара и/или достижения оптимальной температуры на 10 т.т. разность температур не достигнет предела 4-6^оС, то подача свежего метанола должна быть увеличена.

Разница температур между кубовой частью и 3 т.т. более 6^оС приводит к увеличению содержания метанола в кубовом продукте. Для предупреждения попадания избыточного метанола в куб необходимо оперативно повысить температуру на 10 т.т. вплоть до значения ее выше оптимальной, воздействуя на расход пара, а уменьшением расхода свежего метанола на реактор достигается соотношение реагентов, необходимое для поддержания МТБЭ высокого качества. Расход пара и температуру на 10 т.т. уменьшают при установлении разницы температур между кубом и 3 т.т. 4-6^оС.

На чертеже представлена схема управления процессом для обеспечения качества конечного продукта и снижения расхода пара.

Получение МТБЭ осуществляется в парожидкостной фазе в слое ионитного катализатора 1, размещенного в средней части реакционно-ректификационного реактора 2. Тепло реакции используют для проведения процесса ректификации непосредственно в реакторе 2. Полученный МТБЭ отбирают с кубовым продуктом.

Схема управления включает регулятор 3 флегмы, подаваемой в верхнюю часть реакционно-ректификационного реактора, регулятор 4 подачи углеводородной фракции или смеси продуктов с предреакторов с датчиком 5, регулятор 6 подачи пара в кипятильник, регулятор 9 подачи метанола в реакционную зону, регулятор 11 максимальной температуры катализаторного слоя с датчиками 12i, регулятор температур на 10 т.т. с датчиком 8, датчики 15 и 16 температур на 3 т. т. и в кубе, датчики 20 и 21, и 22 состава соответственно углеводородной фракции и дистиллята и кубового продукта, а также управляющую вычислительную машину (УВМ) 23. На схеме также показаны реализуемые УВМ функциональные блоки 17, 18 и 19.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

С помощью регуляторов 3 и 6 регулируют подачу в реактор 2 соответственно флегмы и пара, причем с помощью регулятора 11 по замеру датчика 12 регулируют температурный режим в катализаторном слое воздействием на задание 3.

С помощью регулятора 9 регулируют подачу свежего метанола в реакционную зону воздействием на клапан 10. С помощью блока 17, 18 и 19, реализуемого в УВМ 23, корректируют задание регулятору 9 подачи метанола по следующему закону:
σ_м^зад σ_м^возм + σ_м^отк + σ^t, где σ_м^возм составляющая задания на подачу метанола, корректируемая по возмущению в соответствии с ранее приведенным выражением (1) с конкретизирующими его выражениями (2-4);
σ_м^откл составляющая задания на подачу метанола корректируется по возмущению в соответствии с ранее приведенным выражением (5);
σ_t составляющая задания на подачу метанола корректируется по возмущению в соответствии с Δt t_куб t_{3 т.т}. и показаниями температуры на 10 т.т.

С помощью регулятора 6 регулируют подачу пара в кипятильник воздействием на клапан 7. С помощью датчиков 8 и 13 через блок 19 корректируют задание регулятору 6.

1) Δt > 4-6 и t^{10 т} 72-75 для сырья 1.

и t^{10 т} 83-90 для сырья 2
поднимают температуру на 10 т.т. из расчета 2^оС на 1^оС Δt.

2) Δt < 4-6^оС снижают t^10т до установления Δt 4-6^оС.

Данные по качеству конечного продукта, полученного путем регулирования по известному и предлагаемому способам, представлены в табл. 2 и свидетельствуют о преимуществах последнего способа.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями от известного и рядом преимуществ.

Предлагаемое регулирование температурного режима в катализаторном слое по максимальной температуре обеспечивает стабильность его работы по всей высоте, а не только в верхней части и гарантирует наряду с другими фиксаторами высокую стабильность процесса.

Предлагаемая корректировка подачи метанола является более точной и обеспечивает стабильное более высокое качество МТБЭ поскольку наряду с фактическим расходом изобутилена на реакцию учитывает и фактическое количество метанола, отбираемого верхним продуктом в виде метанола и диметилового эфира и количество метанола, поступающего в реактор, и ведется без ухудшения термодинамических возможностей процесса, которое имеет место в известном способе при введении кубовой жидкости, содержащей конечный продукт, на верх катализаторного слоя.

Кроме того, регулирование по двум уровням оперативности: температурного по показаниям температур на 3 и 10 т.т. быстрого регулирования и по составам и подачам продуктов более точного регулирования, позволяет надежно обеспечивать высокое качество МТБЭ и приводит к уменьшению расхода пара.

Предварительные испытания предлагаемого способа были проведены в IV квартале 1990 г. на опытно-промышленной установке по получению МТБЭ на ПО НКНХ.

Испытания дали положительные результаты, подтвердив работоспособность и полезность способа.

Формула изобретения

1. Способ управления процессом получения метил-трет-бутилового эфира путем регулирования подачи в реакционную зону изобутиленсодержащей фракции, метанола, флегмы и пара в кипятильник, регулирования температурного режима в катализаторном слое воздействием на подачу флегмы, корректирования подачи метанола пропорционально расходу изобутилена и основных компонентов в углеводородной фракции, отличающийся тем, что регулирование температурного режима в катализаторном слое осуществляют по максимальной температуре в слое катализатора, дополнительно корректируют подачу метанола с учетом состава дистиллята, включая диметиловый эфир, а также по разнице температур между кубовой частью и третьей теоретической тарелкой, поддерживая ее на уровне 4
6^oС, корректируют подачу пара в кипятильник по значению этой разницы температур и заданной температуре на десятой теоретической тарелке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании в качестве изобутиленсодержащего сырья углеводородной С₄-фракции температуру на десятой теоретической тарелке поддерживают в пределах 71 75^oС.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при подаче в реакционно-ректификационный реактор катализата с предыдущих реакторов синтеза метил-трет-бутилового эфира температуру на десятой теоретической тарелке выдерживают в пределах 83 90^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3