Способ автоматического управления процессом дегидрирования этилбензола

 

Использование: химическая, нефтехимическая промышленность. Сущность: измеряют температуру продуктов реакции и расход пара в теплообменные аппараты, при этом измеряют температуру верха реактора, корректируют расход пара в пароперегреватель в зависимости от расхода пара, в теплообменные аппараты - в зависимости от температуры продуктов реакции, а расход топливного газа - в зависимости от расхода пара в пароперегреватель и температуры верха реактора. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к автоматизации производственных процессов и может быть использован в химической и нефтехимической промышленности, в частности, при автоматизации процесса дегидрирования этилбензола в стирол.

Известен способ управления двухступенчатым реактором дегидрирования углеводородного сырья [1] Устройство управления функционирует следующим образом: расход сырья в реакторе измеряется датчиком и регулируется в I ступени с помощью регулятора и клапана. Расход пара в печи регулируется регулятором. Пар перегревается в печах. Температура перегретого пара в печи измеряется датчиком и регулируется регулятором, а температура перегретого пара в печи измеряется датчиком и регулируется регуляторами. Температура реакционной смеси на входе I ступени реактора измеряется датчиком и регулируется регулятором, а состав контактного газа после I ступени реактора - датчиком и регулируется регулятором. Температура на выходе II ступени реактора после межступенчатого перегревателя измеряется и регулируется соответствующим датчиком и регулятором, а состав контактного газа после ступени реакторе - датчиком и регулятором.

Давление топливного газа, подаваемого в печь измеряется датчиком и регулируется клапаном, а печь соответственно датчиком и клапаном. Расход пара в печи измеряется датчиком и регулируется клапаном. В вычислительном блоке осуществляется расчет энергозатрат количества получаемых и побочных продуктов, а в блоке производится оптимизация и выдача управляющих воздействий.

Расход и состав углеводородного конденсата измеряются датчиками, расходы неконденсированного газа и свежего сырья датчиками. Состав газа на входе I ступени реактора измеряется датчиком. Расход топливного газа в печи, воды и этиленгликоля на стадии разделения измеряется датчиком, соответственно. Разделение продуктов реакции дегидрирования осуществляется в аппарате.

Недостатком этого способа является то, что данный способ требует значительного количества энергозатрат, так как происходит обогрев водяного пара и этилбензола за счет обратного потока продуктов реакции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ автоматического управления процессом дегидрирования этилбензола [2] Система управления функционирует следующим образом: в реактор поступает сырье, которое на входе в реактор смешивается с паром, подогреваемым в пароперегревателе. Состав сырья и продуктов реакции, расход сырья и пара, давление и температура в реакторе измеряются соответственно датчиками. Регулирование расхода перегретого пара в реактор и расход топливного газа в пароперегреватель осуществляются с помощью исполнительных механизмов. В системе используется также вычислительный блок.

Недостатком этого способа является то, что в нем не производится оптимальный расчет режимов управления с учетом снижений энергозатрат.

Целью изобретения является снижение энергозатрат и повышение выхода целевого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу автоматического управления процессом дегидрирования этилбензола путем регулирования расхода топливного газа в пароперегреватель в зависимости от расхода сырья, состава сырья и продуктов реакции и температуры в реакторе, дополнительно измеряют расход пара, подаваемого в пароперегреватель, измеряют температуру продуктов реакции и расход пара в теплообменные аппараты, при этом измеряют температуру верха реактора, корректируют расход пара в пароперегреватель в зависимости от расхода пара в теплообменные аппараты, а расход пара в теплообменные аппараты корректируются в зависимости от температуры продуктов реакции на выходе из реактора. Кроме того, расход топливного газа также корректируются в зависимости от расхода пара в пароперегреватель и температуры верха реактора.

На чертеже представлена принципиальная схема реализации способа автоматического управления процессом дегидрирования этилбензола в стирол. На вход реактора 1 поступающий часть пара (около 70% общего пара, подаваемого в реактор) перегревается в пароперегревательной печи 2, а другая часть и весь этилбензол перегревается в теплообменных аппаратах 3, 4, 5. Расход пара в пароперегревательной печи измеряется датчиком 6, регулируется регулятором 7 и клапаном 8, а расход топливного газа измеряется датчиком 9, регулируется регулятором 10 и клапаном 11. Температура верха реактора измеряется датчиком 12 и через регулятор 13 изменяют задании регуляторов 7 расхода пара в пароперегревательной печи и 10 расхода топливного газа. Расход топливного газа также регулируется в зависимости от расхода пара в пароперегревательной печи.

Расход пара, поступающий в теплообменный аппарат 4, измеряется датчиком 14, регулируется регулятором 15 и клапаном 16, а расход пара поступающий в теплообменный аппарат 5 измеряется датчиком 17, регулируется регулятором 18 и клапаном 19. Расход этилбензола измеряется датчиком 20, регулируется регулятором 21 и клапаном 22. Анализ состава сырья и продуктов реакции производится соответственно хроматографами 23 и 24. Температура продуктов реакции на выходе из реактора измеряется датчиком 25 и через регулятор 26 изменяют задании регуляторов 15 и 18 соответственно расхода пара в теплообменные аппараты 4 и 5. Расход пара в теплообменные аппараты также корректируют задании регулятора 7 расхода пара в пароперегревательной печи. Все измеренные величины поступают на вход вычислительного блока 27, где проверяется адекватность математической модели процесса, решается задача оптимизации и осуществляется расчет оптимального распределения паров, подаваемых в реактор и теплообменные аппараты.

Способ осуществляется следующим образом. При оптимальном управлении нестационарным процессом, обусловленным вследствиe изменения свойства катализатора и характеристик сырья во времени, возникает необходимость периодически корректировать коэффициенты стационарной модели по действительным значениям выходных параметров, получаемых с установки при различных режимах работы с помощью хроматографического анализа. Для этого данные, полученные от датчика 24 (С^э) о составе продуктов реакции сравнивают со значениями (С^p), полученные от модели, т.е. вычисляется функция где c^э_i, c^р_i соответственно концентрации продуктов реакции, полученные от датчика и от модели, α весовой коэффициент.

При совпадении значений этих параметров с заданной точностью (D), модель считается адекватной процессу. После чего в вычислительном блоке 27 решается задача оптимизации и определяется оптимальное распределение пара. Если значение рассогласование (F) больше заданной точности (D), то производится корректировка математической модели методом перебора, где определяются новые значения коэффициентов управляющей модели-констант скоростей, удовлетворяющие адекватность математической модели. Решение задачи оптимизации осуществляется градиентным методом. Управляющая модель процесса дегидрирования этилбензола в стирол составлена в виде систем дифференциальных уравнений и имеет вид: где C₁, C₂, C₃, C₄ концентрации этилбензола, стирола, бензола, толуола соответственно, Т температура реакционной зоны; K_i константы скоростей соответствующих реакций;
τ = V_к/V_ос условное время контактирования; V_к объем катализатора;
V_oc объемная скорость пароэтилбензольной смеси; С_p средняя теплоемкость реагентов в реакторе; ρ- плотность смеси.

Начальными условиями при решении математической модели принимаются данные, полученные из датчиков 12 и 23.

При оптимизации критерием был принят выход стирола на разложенное сырье при заданной производительности:
S = C₂/(C₀₁- C₁) __→ max при П = const,
где C₀₁ начальная концентрация этилбензола и стирола;
C₁, C₂ текущее значение концентрации этилбензола и стирола;
П производительность установки.

При этом варьируемыми параметрами являются: температура верха реактора (Т_в) и соотношение этилбензола к водяному пару.

C_i= F(τ,T) где τ = f(i)
На управляемые переменные величины накладываются следующие ограничения:
T_max ≅ T_дон, τ_min ≅ τ_i
Температура в реакторе не должна превышать максимально допустимого значения, а время контактирования этилбензольной смеси в реакторе не может быть меньше максимального времени контактирования определяемого мощностью насосов и конструкций системы конденсации.

В результате оптимизации были найдены оптимальные значения температуры верха реактора, соотношения этилбензола к водяному пару и соответственно вычисляется расход паров в теплообменные аппараты.

Общее количество подаваемого пара вычисляется по следующей формуле:
G_{п общ} = G_эбi
Зная общее количество подаваемого пара были определены оптимальное распределение пара на пароперегревательную печь 2, теплообменные аппараты 4 и 5. Оптимальное количество пара, подаваемое через теплообменный аппарат 5 будет:
G_п5 = α₁V_осT_п
Количество пара, подаваемое через теплообменный аппарат 4, вычисляется следующим образом:
G_п4 = α₂V_осT_п
Количество пара, подаваемое через пароперегревательную печь:
G_п2 G_{п общ} (G_п4 G_п5)
Расход топливного газа был определен по формуле:
G_тг = α₃T_вG_п2
где V_oc объемная скорость пароэтилбензольной смеси, Т_в - температура верха реактора, Т_п температура продуктов реакции, G_{п общ} общее количество расхода пара в системе, G_п2 расход водяного пара в пароперегревательной печи; G_п5, G_п4 расход водяного пара в теплообменном аппарате 4 и 5 соответственно; G_тг расход топливного газа; G_эб расход этилбензола; α₁, α₂, α₃ коэффициенты.

Пример. Эффективность способа автоматического управления процессом дегидрирования этилбензола в стирол подтверждается результатами промышленного внедрения. Анализ результатов промышленного испытания показал, что по сравнению с достигнутыми средними выходами предложенный способ управления дает значительные снижения энергозатраты и повышение выхода целевого продукта.

В таблице представлены усредненные данные по результатам промышленных испытаний до и после внедрения способа автоматического управления.

Таким образом, в результате предлагаемый способ позволяет увеличить выход целевого продукта на разложенное сырье при заданной производительности в среднем на 1,5 и значительно снижает энергозатраты.

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом дегидрирования этилбензола, включающий регулирование расхода топливного газа в пароперегреватель в зависимости от расхода сырья, состава сырья и продуктов реакции и температуры в реакторе, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат и повышения выхода целевого продукта, измеряют расход пара, подаваемого в пароперегреватель, температуру продуктов реакции и расход пара в теплообменные аппараты, при этом измеряют температуру верха реактора, корректируют расход пара в пароперегреватель в зависимости от температуры продуктов реакции, а расход топливного газа в зависимости от расхода пара в пароперегреватель и температуры верха реактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2