Система управления процессом каталитической сополимеризации

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ. СВМДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 031079 (21) 2828169/18-24 (51)М. КЛ. с присоединением заявки HP— (23) Приоритет—

G 05 8 11/58

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий

Опубликовано 300981. Бюллетень Но 36 (53) УДК 621.525 (088. 8) Дата опубликования описания 3009.81

3.М.Джафаров, М.М. Файяэов и Ф. С.Абдуллаев (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (5 4 ) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КАТАЛИТИЧЕСКОЯ

СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Изобретение относится к системам автоматической оптимизации и регулирования стационарных режимов процесса каталитической сополимери5 зации производства бутилкаучука и может найти применение в управлении каталитическими процессами сополимеризации в нефтяной, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленнос- 1( ти.

Известна система автоматического регулирования. используемая при производстве бутилкаучука, в которой скорость подачи катализатора в полимеризатор регулируют изменением пнев- 15 матического управляющего сигнала, зависящего от изменения входных сигналов, поступающих от отходящих газообразных углеводородов (конверсия), температуры полимериэатора и от за- 2О данной величины вязкости бутилкаучука $1 ).

Однако известная система не учитывает возмущений, наносимых изменением активности катализатора (концентрация катализатора) и расхода паров этилена, которые не позволяют точно регулировать температуру каталитической сополимеризации при производ;тве бутилкаучука и, тем самим, сни- ЗО жает качество регулирования процес-"а, так как изменение концентрации катализатора существенно влияет на скорость реакции сополимериэации.

При увеличении концентрации каталиэаторного раствора увеличивается выделение тепла (реакция экэотермическая), при уменьшении концентрации каталиэаторного раствора уменьшается выделение тепла.

Известна также система автоматического регулирования температуры каталитической сополимериэации в полимериэаторе, содержащая регуляторы расхода шихты, уровня этилена в рубашке полимеризатора, регулятор температуры полимериэатора, который состоит иэ пропорционально-интегрального блока, последовательно соединенных блоков формирования ошибки и предварения, при этом входы регуляторов подключены к соответствующим датчикам расхода шихты, уровня этилена, температуры и их задания, а выходы - к соответствующим исполнительным механизмам, управляющую вычислительную машину, входы которой подключены через преобразователи к датчикам состава, расхода и температуры шихты, уровня и температуры этилена, температуры

868704 полимеризатора, состава, расхода и температуры катализаторного раствора, конверсии и вязкости бутилкаучука, а выход соединен через преобразователи с заданием регулятора расхода шихты и температуры (2), Однако указанная система также не учитывает возмущений, наносимых . изменением активности катализатора (концентрация катализатора) и изменением расхода паров этилена, что не позволяет точно регулировать темпера о туру процесса. Кроме того, в ней не учитывается конверсия и вязкость бутилкаучука, что, в свою очередь, не позволяет получить бутилкаучук с заданными свойствами, а также не 15 обеспечивает постоянство конверсии.

Недостатком известных систем является также то, что в них стационар- ный температурный режим не определяется в зависимости от технологических 2О параметров, а устанавливается заведомо жестко.. В действительности стационарный режим температуры должен изменяться.

Цель изобретения — расширение области применения и улучшение.качест25 ва регулирования температуры процесса каталитической сополимериэации при производстве бутилкаучука.

Поставленная цель достигается тем, что в системе управления процес- ЗО сом каталитической сополимеризации, содержащей регуляторы расхода шихты, уровня этилена в рубашке полимеризатора, регулятор температуры.полимеризатора,.каждый из которых состоит ЗЗ из последовательно соединенных блока формирования ошибки и блока предварения, подключенных к выходу и входу пропорционально-ингегрального блока, и выходного сумматора, причем входы gO параметров регуляторов расхода шихты, уровня этилена в рубашке полимеризатора и температуры полимеризатора подключены, соответственно, к датчикам расхода шихты, уровня этилена и температуры полимеризатора, выходы регуляторов подключены к соответствующим исполнительным механизмам, а вход задания регулятора температуры полимеризатора соединен с выходом вычислительного блока, входы которого подключены к датчикам состава, расхо-, да и теь.. ературы шихты, температуры этилена, расхода и температуры катализаторного раствора, конвенсии и вязкости бутилкаучука, установлены M первый.и второй сумматоры, кбмпенсаторы концентрации катализаторного раствора и расхода паров этилена, причем выход датчика концентрации катализаторного раствора через ком- щ пенсатор концентрации катализаторного раствора подключен к плюсовой камере первого сумматора, другая плюсовая камера которого соединена с выходом регулятора температуры полимеризато- ра, выход датчика расхода паров этилена подключен через компенсатор расхода паров этилена к одной из плюсовых камер второго сумматора, другая плюсовая камера которого соединена с выходом первого сумматора, а выход второго сумматора подключен к исполнительному механизму, установленному на линии катализаторного раствора.

На чертеже изображена принципиаль ная схема предлагаемой системы.

Система содержит датчик 1 расхода шихты, установленный на линии подачи ее в полимеризатор, вторичный прибор

2, регулятор 3 расхода шихты, исполнительный механизм 4, установленный на линии подачи шихты в полимеризатор, преобразователь 5 пневматнческого сигнала в электрический, датчик 6 уровня этилена в полимеризаторе, установленный в полимеризаторе, вторичный прибор 7, регулятор

8 уровня этилена, исполнительный механизм 9, установленный на линии подачи его в рубашку полимеризатора, датчик 10 температуры шихты, установленный на линии подачи ее в полимериэатор, преобразователь 11, датчик 12 температуры этилена, установленный в рубашке полимеризатора, преобразователь 13, датчик 14 состава шихты, установленный на линии подачи ее в полимеризатор, преобразователь 15, датчик 16 температуры полимеризатора, установленный в полимеризаторе, вторичный прибор 17, датчик 18 температуры катализаторного раствора, установленный на линии подачи его в полимеризатор, преобразователь 19, датчик 20 расхода паров этилена, вторичный прибор 21, датчик

22 концентрации катализаторного раствора, установленный на линии подачи его в полимеризатор, преобразователь 23, датчик 24 расхода катализаторного раствора, установленный на линии подачи катализаторного раствора в полимеризатор, вторичный прибор

25, преобразователь 26, датчик 27 состава отходящих газов (конверсии), установленный на линии отхода газов из дегезатора, преобразователь 28, датчик 29 вязкости бутилкаучука, установленный на линии выхода бутилкаучука из дегезатора, преобразователь 30, вычислительный блок 31.

Каждый регулятор состоит из интегрального узла, содержащего элемент

32 сравнения, реле 33, переменные дроссели 34 и 35, емкость .36; пропорционального узла, содержащего элемент 37 сравнения, реле 38, переменные дроссели 39 и 40, элемент 41 умножения на постоянный коэффициент.

Интегральный и пропорциональный узлы составляют пропорционально-интегральный блок. Регулятор включает также блок формирования ошибки, содержащий

868704 элемент 42 сравнения, элемент ИЛИ 43; — тепло выделяемс мешалкои м

t блок предварения, содержащий пере- в полимеризатор, ккал/ч, менный дроссель 44, емкость 45, эле- R — универсальная газовая помент 46 сравнения, задатчик 47; вы- стоянная, й1, 98 кал/моль ходной сумматор . 48. »гра, КРоме того, система содержит 5 - з 1 41 ° 10 ч — предзк о ч — предзкспоненциалькомпенсатор концентрации катализатор- ный множитель. ного раствора, включающий повторитель Изменение скорости циркуляции нз49 и делитель, состоящий из постоян- за изменения толщины льда вызывает ного дросселя 50 и переменного дрос- соответствующие изменения с(но е л В селя 51, первый сумматор 52, компен- 1О благодаря большому среднему уровнюс л сатор расхода паров этилена содер зто мало сказывается на тепловом бажащий звено предварения, состоящее лаисе и поэтому можно принять о л из элемента 53 сравнения, переменно- =const что упрощает анализ устойго дросселя 54, емкости 55, повтори- чивости в стационарном режиме тель 56, делитель, состоящий из постоянного дросселя 57 и переменного l5 е0

I3T cIN

--=0 дросселя- 58; второй сумматор 59; усис3 Г литель 60 мощности; исполнительный откуда c учетом уравнений (1 ) имеем механизм 61, установленный на ли- Я ля% К К )С,О„М+Ф ГТэ % С Я Т нии катализаторного раствора.

Динамические свойства полимери- Щ Р затора каталитической сополимериза- В этой формуле Q Ы F К К Н щу Лч ч яч 3ФЬ ч ции как объекта управления могут,р и С вЂ” константы а М W W Т и ш I Шч ц ° щч быть описаны следующей системой Т9.и С вЂ” переменные которые о обыкновенных нелинейных дифференци- преобразователи 5.11, 13, 19. 26, 28 альных уравнений, отражающих матери 25 и 30 непрерывно и альный и тепловой балансы процесса: Зная а состав шихты,, вычислительный блок рассчитывает раса о k o ход изобутилена W Величины Ячч,с( л

8Тп К, К,аН,,О„, Сд вручную вводятся в чс ч "=чч с р (т-т о+ зо что при различных режимах блок 31 не+ < g- 1 (n- з)- прерывно вычисляет Т и передает коК1

;(. к (-ЦЯ )

2. т) i манды на устройство температуры для

; С -e — С д МчК= — =АЕ у ! и н к о и К настройки контрольных точек.

Ъ. Ъ 35 лок 31, получая информацию, где С вЂ” концентрация катализатора вычисляет, какой будет новая темперав реакторе, тура полимериэатора при ограничениЕ -; ях,0 с» p,О р С,

М - концентрация изобутилена в . Здесь блок 31 решает задачу статиполимериз аторе у ческой оптимизации температуры проM - концентрация изобутилена 40 цессе каталитической сополимеризации в шихте, с целью получения бутилкаучука с

Т„ - температура в полимериза- заданными свойствами при заданных торе, К; ограничениях.

Т„, — температура в шихте на Сигнал от датчика 1 расхода шихты входе в полимериэатор., К; 45 через вторичный прибор 2 поступает

Т вЂ” температура охлаждающего в регулятор 3 расхода шихты. Регуляэтилеиа, K„ тор 3 расхода шихты при помощи ис0 — постоянная времени реакто- полнительного механизма 4 изменяет ра, Ч-" р расход шихты. ВЫход вторичного арик — константа роста цепи сопо- я0 бора 2 через преобразователь 5 соелимеризации, л/г-моль с, динен с блоком 31.

K — константа обрыва цени Реак- Сигнал,с датчика 6 уровня, через ции сополимеризации,c вторичный прибор 7 поступает s регуИш — расход шихты; лятор 8 уровня этилена, а последний, V - объем полимериэатора, мЗ, в свою очередь, при помощи исполниС „ - удельная теплоемкость ших- тельного механизма 9 поддерживает

55 ты, ккал/кг К требуемый уровень этилена в рубашке

9Ш - плотность шихты, кг/м полимериэ атора. дН - тепловой эффект реакции Сигнал от датчиков 14 состава полимеризации, икал/кг; шихты, 1 расхода шихты, 12 темпера,Ои - молекулярный ве изобутиле- g) туры этилена, 18 температуры каталин а, г/моль, эаторного раствора, 22 концентрации F - поверхность теплопередачи, катализаторного раствора, 27 состар(, - коэффициент теплоотдачи ва отходящих газов (конверсия), 29 от полимеризатора к метал- вязкости бутилкаучука через соответЯ лической стенке, ккал/ч <-ô5 ствуюшие преобразователи 13, 5, 11, 868704

19, 26, 28 и 30 поступают в блок 31, рует температуры. Когда не удовлетво- 25 ряется ограничение этого диапазона1 то рассчитываются новые условия процесса, которые приводят к возврату величины, чтобы получить правильную величину Муни. Когда вычислены новые условия для полимеризатора, блск 31 оценивает, какие изменения могут быть выполнены для достижения этих величин.

Если нужно изменить температуру, то блок 31 осуществляет настройку температуры процесса так, чтобы ограничения по конверсии („ « С Ск . удовлетворялись. к .

Блок 31 связан с процессом через преобразователи 5, 11, 13, 19, 26, 28 и 30, которые проводят сигналы

40 аналоговых измерений из датчиков процесса в дискретную форму и передает команды на устройство температуры для настройки контрольных точек.

1

Блок 31, получая информацию (дан- ные) о переменных процессах, вычисляет, какой будет новая температура, полимеризатора при ограничениях

0 «p<, C„, Ñ ñÑê в Для ус- 1 тановления этой температуры блок 31 корректи..ует задания регулятору температуры (32-60), а он, в свою очередь, так изменяет расход катализаторного раствора, чтобы получилась заданная температура при ограничениях на вязкости бутилкаучукаО„«ð д конверсии С „С С

Чтобы быстро перейти в заданный режим и стабилизировать заданную 40 температуру, в системе учитываются основные возмущения концентрации катализаторного раствора и расхода паров этилена. Эти возмущающие воздействия действуют на температуру про- 65

В него вводятся также данные о константах. Выход блока 31 как задающий сигнал поступает на вход регулятора температуры полимеризатора (32-60), который, в свою очередь, изменяет расход катализаторного раствора при помощи исполнительного механизма

61, тем самым регулируется температура в полимеризаторе. Сигнал от датчика 22 концентрации катализатор- р ного раствора через преобразователь

23 компенсатор кЬнцентрации катализаторного раствора (49-51) поступает на первый сумматор 52.

Сигнал от датчика расхода паров ,этилена через вторичный прибор 21, компенсатор расхода паров этилена (53-58) поступает ко входу второго сумматора 59.

Блок 31, получая информацию (дан.ьл ные о процессе, осуществляет вычисления вязкости по Муни, сравнивает эту величину со стандартной величиной; если р< «,0,0 < находятся впределах ограничения, он стабилизи— управляющие воздейст- вия;

Р„ - сигнал рассогласоваХ пт зт

Р— компенсирующее ком Вмх,к,к,р. воздействие компенсатора концентрации катализаторного рас-, твора;

P — компенсирующее ком. Вь к, п.,п.е

"ом в и р и э воздействие компенсатора расхода паров этиленар

К вЂ” коэффициент усиления устройства по каналу температуры К4У К );

ВИХ, S 9 постоянная времени интегрирования по каналу температуры (Tg м Тц ) командное давление для переключения параметров регулятора по каналу температуры, постоянная времени блока формирования функции переключения", коэффициент усиления устройства по каналу концентрации катализаторного раствора; коэффицйент усиления устройства по каналу расхода паров этилена постоянная времени звена предварения по каналу расхода паров этилена. цесса. Причем расход паров этилена дает информацию о скорости реакции сополимеризации. Изменение расхода паров этилена и скорость реакции сополимеризации прямо пропорционально.

Принцип действия системы состоит в следующем.

На входы регулятора температуры подаютСя Сигналы в соответствии заданным Р, текущим Тя >, значениями температуры полимерйзатора, пропорциональные текущему значению

Рп < к „концентрации катализаторного раствора и текущему зчачению

P„ð „ расхода паров этилена. Устройство обрабатывает следующий алгоритм управления: вьи,бу " 1 т J õ юи вмх.к.кр+ м.. И ам ВЮ,Р.М., где K= К при Р ро,, jT„< при Р<>0; (К при Р„<0 4 3Т< при Р„<0; д /рк/ . к вьв .4ь =8 Я " > — д -

=с(Р

КОМ Ьых к,к.р tlK 4 .р .

868704

15 формула изобретения

Сигнал от температурного дат .ика 16, преобразуясь в пневматический сигнал с помощью вторичного прибора

17, поступает ко входу пропорционально-интегрального регулятора с переме н ной структурой т емпе рат уры (3 2 -4 9;

Этот регулятор работает следующим образом. На входы регулятора подаются сигналы, пропорциональные заданному Р от блока 31 соответствующие оптимальные значения температуры для данного состояния процесса)и текущему Рв значениям температуры полимеризатора. Регулятор отрабатывает следующий алгоритм управле ия:

К при У О, Т при Б т0„ к при Рк <О, и тд при Pê<0 20

Параметры регулятора К и Т выби раются в зависимости от состояния регулирования. Теперь рассмотрим работу регулятора по элементным цепочкам 25

Выходной сигнал элемента 37 сравнениЯ Рвых,т (Ро-РИ1 Рзт ), пР дя через проточные камеры реле 38, переменные дроссели 39 и 40 поступает в минусовую камеру элемента 41 ум-ЗО ножения, на выходе которого отрабатйвается регулирующее воздейс-..вие вида

РВых,44 К (Рит Psò + где К получает одно из двух знач ний

К4,К в зависимости от уровня сигнала, формируемого при помощи блока формирования функции переключения

Мрх/

P = sign Т

BbtX.46 J t

При этом с помощью блока Формирования4О модуля ошибки (42-43), вычисляется модуль ошибки

ВьЗХ4 / ит Ът t Рo

Интегральный узел, состоящий из элементов 32-36, реализует следующий алгоритм:

Рвь,„4 — т- (Р -Р ) -

РВьн.4 поступает к плюсовой камере 50 выходного сумматора 48, к минусовой камере которого поступает опорное давление Р, а к другой плюсовой камере поступает сигнал Р@ь х,44 . На выходе выходного сумматора отрабатывается регулирующее воздействие

1 цыХ.49 ВЬ!х.H О Bbt х.44 T (I (- »а+-,++К(Р.,- »)+,=K(p»-e„)a.

+ — f(» ) «

И

Лалее этот сигнал поступает к плюсовой камере первого сумматора 52, к другой плюсовой камере которого поступает сигнал компенсирующего воз-65 действия компенсатора концентрации катализаторного раствора Р

Х ПИ.KP = Ъых.54

На выходе первого сумматора получается

+сИ g.х.р, Р „,„поступает к плюсовой камере второго сумматора 59, к другой плюсовой камере которого поступает сиг" нал компенсирующего. воздействия расхода паров этилена Рксм.вых р.и.9.

Р.илиэ.

И.Р.и.э. 1

На выходе второго сумматора отрабатйвается регулирующее воздействие м

+(p +P(T -- +P ) . < p i < gq вр.пл.

Таким образом, применение такого, регулирования позволяет компенсиро вать возмущения по контурам расхода паров этилена и концентрации катализаторного раствора.

Применение компенсирующих воздейI ствий по контуру концентрации каталиэаторного раствора (22,23,49-51) и по контуру расхода паров этилена (20, 21, S3-58) полностью исключает возмущения, связанные с изменением концентрации катализаторного раствора и расхода паров этилена, которые могли бь. в противном случае вызвать нежелательные изменения температуры. Переходные процессы при изменениях концент1ации катализаторного раствора и расхода паров этилена при таком регулировании существенно улучшаются. .предлагаемая система управления процессом повышает его экономическую эффективность при одновременнсм обеспечении максимальной надежности безаварийной работы и максимальной вероятности выпуска бутилкаучука соответствующего ограничения ,О.,И,И

Автоматическое нахождение стационарного температурного режима и его качественная стабилизация позволяют повысить качество управления процессом полимеризации. Качественное регулирование и уменьшение амплитуды колебаний температуры около заданного значения (квазискользящий режим) обеспечивает получение полимера с заданными свойствами (однородный по качеству), а также приводит к увеличению продолжительности цикла работы полимеризаторов.

Система управления процессом каталитической сгополимеризации, содержа 868704 щая регуляторы расхода шихты, уровня этилена в рубашке полимеризатора, регулятор температуры полимеризатора, каждый из которых состоит из последовательно соединенных блока Формирования ошибки и блока предварения, подключенных K выходу и входу пропорционально-интегрального блока, и . выходного сумматора, причем входы параметров регуляторов расхода шихты, уровня этилена в рубашке полимеризатора и температуры полимеризатора подключены, соответственно, к датчикам расхода шихты,уровня .этилена в полимеризаторе и температуры полиме" ризатора,выходы регуляторов подключе- i ны к соответствуюцим исполнительйым З механизмам,а вход задания регулятора температуры полимеризатора соединен с выходом вычислительного блока, входы которого подключены к датчикам состава, расхода и температуры шихты, Щ температуры этилена, расхода и температуры катализаторного раствора, конверсии и вязкости бутилкаучука,о т..— личающаяся тем,что,сцельЮ расширения области применения системы и улучшения качества регули.!рования, в ней установлены первый и второй сумматоры,.компенсаторы концентрации катализаторного раствора и расхода паров этилена, причем выход датчика концентрации катализаторного раствора через компенсатор концентрации катализаторного раствора подключен к плюсовой камере первого суьв атора, другая плюсовая камера которого соединена с выходом регулятора температуры полимернэатора, выход датчика расхода паров этилена подключен через компенсатор расхода паров этилена к одной из плюсовых камер второго сумматора, другая плюсовая камера которого соединена с выходом первого сумматора, а выход второго сумматора подключен к исполнительному механизму, установленному на линии катализаторного раствора.

Источники информации, принятые во вниманче при экспертизе

1. Патент Ctt9, 9 3427138, кл. 23-260, опублик.1970.

2. Джафаров Э.М. и др. Промышленное внедрение систем автоматического регулирования с переменной структурой в производстве бутилкаучука."Промыал*нность синтетического каучука", И., 1977, 9 7, с.12 (прототип).