СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕГЕНЕРАЦИИ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ НА УСТАНОВКЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01D1/00 G05D27/00 

Предлагаемое техническое решение относится к области управления массообменными нестационарными процессами и касается, в частности автоматизации процессов выпаривания и дистилляции на установках периодического действия (УПД) при регенерации уксусной кислоты (УК), которое может найти широкое применение во многих отраслях промышленности, где по условиям химизма процесса используется уксусный ангидрид и УК.

Необходимость регенерации УК связана с возросшими требованиями как по внедрению безотходной технологии, так и по обеспечению экологической чистоты производства, а также обусловлена высокой стоимостью исходных компонентов.

Известно большое количество способов и устройство по управлению процессами выпаривания на УПД, каждый из которых используется в зависимости от свойств упариваемых компонентов, конструкции применяемых аппаратов, принципом действия установки и достигнутым к данному моменту уровнем технического прогресса (авт. св. СССР, N 303081, опублик. 1971, Б.И. N 16; авт.св. СССР N 538719, опублик. 1976,Б.И. N 46; авт.св. СССР N 541479, опублик. 1977, Б.И. N 1; авт.св. СССР N 11624, опублик. 1978, Б.И. N 23; авт. св. СССР N 762897, опублик. 1980,Б.И. N 34; авт. св. СССР N 1230614, опублик. 1986,Б.И. N 18).

Известен (авт. св. СССР N 541479, опублик. 1975,Б.И. N 1) способ автоматического управления процессом выпаривания на УПД, содержащей расходную емкость (РЕ), испаритель, холодильник, приемник дистиллята с измерением уровня и концентрации упариваемого раствора в испарителе, расхода и температуры теплоносителя, подаваемого через рубашку испарителя, расхода и температуры хладагента, подаваемого в межтрубное пространство холодильника, и вакуума на УПД, с управляющим воздействием на подачу исходного раствора из РЕ по уровню упариваемого раствора в испарителе с учетом возмущающих воздействий со стороны контролируемых параметров и с управляющим воздействием на программное изменение скорости вращения мешалки в испарителе по концентрации упариваемого раствора.

Недостатком приведенного способа является невозможность разделения дистиллята по разным концентрациям целевого компонента.

Также известен (авт. св.СССР N 611624, опублик. 1978,Б.И. N 23) способ управления процессом выпаривания на УПД, содержащей РЕ, испаритель, холодильник и приемник дистиллята с измерением уровней в РЕ испарителе и приемнике с управляющими воздействиями по подаче исходного раствора в зависимости от уровня упариваемого раствора в испарителе с коррекцией по суммарному значению уровней в РЕ и приемнике, а также по скорости вращения мешалки в испарителе с учетом уровня дистиллята в приемнике.

Недостатком данного способа управления считается его низкая эффективность, обусловленная отсутствием контроля состава упариваемого раствора в испарителе и дистиллята в приемнике.

Кроме того, существует способ управления процессом выпаривания на установке, содержащей РЕ и испаритель, (Сахненко В.И. и др. Автоматическое управление полунепрерывным процессом выпаривания. Химическая промышленность, 1978, N 8, c. 71-73). На установке контролируют уровень в РЕ, температуру упариваемого раствора, вакуум в системе и давление теплоносителя в рубашке испарителе, а также мощность, потребляемая двигателем мешалки. Расход исходного раствора регулируют по отработке разницы сигнала между заданным значением уровня, определяемым программным задатчиком, и его текущим значением в РЕ.

Недостатками такого способа являются трудности определения моментов по переключению потока дистиллята из одного приемника в другой, так и разгрузки кубового остатка из испарителя, что ведет либо к недополучению целевого продукта, либо к опасному загустеванию кубового остатка. При наличии редуктора у двигателя мешалки и многократном увеличении момента сопротивления на валу мешалки, связанного с возрастающей концентрацией перемешиваемого упариваемого раствора, мощность, потребляемая двигателем, инвариантна к переменной нагрузке на мешалку.

В качестве прототипа принят способ управления процессом выпаривания на УПД (авт. св. СССР N 762897, опублик. 1980, Б.И.N 34). Она состоит из испарителя, холодильника и приемника с контролем величины температурной депрессии в испарителе и концентраций воды как в самом испарителе, так и в приемнике. Выработка управляющих воздействий производится вначале на включение измерителей концентраций воды при достижении нулевого значения величины температурной депрессии, а затем на разгрузку кубового остатка из испарителя и дистиллята из приемника при достижении равенства концентраций воды в обеих емкостях.

К недостаткам указанного способа управления относятся:
1. Ограниченная область применения только для водно-органических неэлектропроводных растворов.

2. Невозможность разделения дистиллята по фракционному составу, которое уменьшает область их применения.

3. Отсутствие предварительной стадии нейтрализации упариваемого раствора в испарителе, что сказывается на выходе целевого продукта и безопасности процесса.

4. Трудности определения момента разгрузки испарителя при сильно электропроводном кубовом остатке, что ведет почти к 5,0% потере целевого продукта.

Целью технического решения является расширение области применения и повышение выхода целевого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического управления процессом регенерации УК и УПД по уровням исходных компонентов в РЕ, температурной депрессии и концентрации кубового остатка в испарителе, концентрации дистиллята в приемнике дополнительно контролируют и регулируют:
а)температуру исходного раствора в аппарате подогрева (Признак 1);
б) уровни исходного раствора в аппарате подогрева, раствора щелочи в первой РЕ и воды во второй РЕ (Признак П);
в) электропроводности кубового остатка в испарителе, в первом (ППД) и втором (ВПД) приемниках дистиллята (Признак III);
г) слив исходного раствора в испаритель осуществляют по достижению его температуры с аппарата подогрева 90±5^oC (Признак IV);
д) слив щелочного раствора в испаритель для нейтрализации остаточной азотной кислоты производят по достижению 4 6 кратного повышения электропроводности слитого исходного раствора (Признак V);
е) отгонку первой фракции УК средней концентрации в ППД реализуют по достижению электропроводности дистиллята (7,5 9,0) 10^-3 см/м при Т=20±2,5^oC (Признак VI);
отгонку второй фракции УК повышенной концентрации в ВПД производят до момента спонтанного падения электропроводности кубового остатка (признак VII);
с последующей подачей воды в испаритель до спонтанного повышения электропроводности кубового остатка (Признак VIII);
после чего осуществляют разгрузку кубового остатка из испарителя и дистиллятов из своих приемников (Признак IХ).

Из вышеперечисленных отличительных признаков: I, II и IV последние, хотя и относятся к новым по отношению к прототипу, но часто встречаются в других источниках научно-технической и патентной литературы.

Признак I по контролю и регулированию температуры исходного раствора в аппарате подогрева известен (авт. св. N 735293), где он используется на пусковой стадии в управлении реактором полунепрерывного действия (РПНД) для подогрева загруженных компонентов до заданного значения.

Признак II по контролю и регулированию уровней исходного раствора в аппарате подогрева, раствора щелочи в первой РЕ и воды во второй РЕ известен из заявки N 4897040/24 c приоритетом от 28.12.90, где он используется в Автоматизированной установке непрерывного действия для процесса нейтрализации при позиционном регулировании уровней кислотного и щелочного компонентов для заполнения соответствующих РЕ.

Признак IV по сливу исходного раствора в испаритель при достижении его температуры в аппарате подогрева 90±5^oC известен (авт.св. N 1194862), где он используется в системе автоматической защиты процесса нитрования в качестве противоаварийного управляющего воздействия при сбросе содержимого реактора в случае аварийного повышения температуры реакционной массы.

Остальные отличительные признаки: III, V IХ являются абсолютно новыми и неизвестны авторам из других информационных источников научно-технической и патентной литературы.

В данном техническом решении известные признаки: I, II и IV реализуют свои непосредственные свойства, но в совокупности с остальными новыми признаками: III, V IХ они позволяют всей совокупности отличительных признаков, указанных в формуле изобретения, достичь существенного положительного эффекта расширение области применения и повышение выхода целевого продукта.

Для обоснования соответствия предлагаемого технического решения критерию изобретательский уровень приводим следующие теоретические доказательства с подтверждающими полученными экспериментально данными. Выпариванием разделяют многокомпонентные смеси и первый дистиллят содержит больше летучего компонента, чем исходный раствор и второй дистиллят. Разделение многокомпонентного раствора основано на различиях температур кипения, парциальных давлений и летучестей отдельных его составляющих.

Выпаривание на УПД представляет собой нестационарный процесс поскольку состав упариваемого раствора в испарителе и дистиллята в приемниках меняется с течением времени до тех пор, пока из испарителя отводится паровая фаза компонента. Более летучим в процессе выпаривания является компонент с более низкой температурой кипения. Поэтому вначале процесса выпаривания из-за более низкой температуры кипения (Т_к=103,2 105,2^oC) из упариваемого раствора в испарителе удаляется УК средней концентрации (69 80% УК), а затем уже происходит удаление УК более высокой концентрации (81 95% УК), как компонента с повышенной температурой кипения (Tкк

Общее интегральное уравнение процесса выпаривания представлено следующим выражением:

где: F количество исходной смеси в испарителе;
W кубовый остаток;
Х_F содержание целевого компонента в исходной смеси;
Х_W содержание целевого компонента в кубовом остатке;
y* содержание целевого компонента в паровой фазе по кривой равновесия.

Вид функции y*= f(х) определяется формой кривой равновесия и обычно не может аналитически рассчитан для каждого конкретного случая выпаривания, что затрудняет точное нахождение моментов как переключения приемника одной фракции дистиллята на другой, так и окончание самого процесса выпаривания. Поэтому единственной возможностью реализации принципов секвинциального управления потоками дистиллята и кубового остатка является контроль электропроводности продуктов выпаривания. По мере того как концентрация УК в процессе выпаривания в дистилляте возрастает от 70% до 95% его электропроводность соответствующим образом меняется при Т 20^oC: 3,78 10^-3 cм/м (70% УК), 8,28 10^-3 cм/м (80% УК), 2,22 10^-4 см/м (95% УК).

Также соответствующим образом изменяется и электропроводность кубового остатка по мере отгона дистиллята (при T 90^oC) в связи с изменением концентрации УК и солей: 1,20 10^-1 cм/м (70,8% УК), 1,23 см/м (75,5% УК), 1,25 см/м (76,5% УК), 1,35 см/м (77,5% УК), 6,26 10^-1 cм/м (82,2% УК). В последнем случае двукратное падение электропроводности обусловлено выкристаллизацией присутствующих солей в кубовом остатке в связи с достижением эффекта насыщения, хотя концентрация УК несколько повысилась. Это может быть использовано в качестве показателя остановки процесса выпаривания.

Необходимость предварительного подогрева упариваемого раствора в отдельном аппарате исключает потребность проведения этой пусковой стадии в испарителе, что сокращает длительность процесса выпаривания, так как раствор, нагретый в аппарате подогрева до 90^oC под атмосферным давлением и под вакуумом начнет бурно кипеть и интенсивно испаряться.

Для нейтрализации излишков азотной кислоты в маточном растворе, оставшейся от реакционной массы после нитрования, используют подачу 40% раствора щелочи. Это вызвано тем, что при выпаривании в условиях воздействия высокой температуры (Т 90^oC излишки азотной кислоты будут разлагать оставшиеся органические компоненты, в том числе и УК. Данный процесс может носить автокаталитический неконтролируемый характер, оканчивающийся взрывом.

При подаче же щелочи происходит нейтрализация прежде всего азотной кислоты, что обусловлено ее более высокими кислотными свойствами (pКa≅0) в сравнении с УК (рКa 4,75), о чем и свидетельствуют разные значения показателей констант их диссоциаций.

При нейтрализации азотной кислоты щелочью электропроводность упариваемого раствора сначала немного понизится, что объяснимо устранением высокоподвижных ионов водорода, образующиеся при диссоциации азотной кислоты. Однако, получающаяся в процессе нейтрализации соль в дальнейшем вызывает заметное повышение электропроводности раствора (2,4 10^-1 cм/м 1,206 см/м). Применение кондуктомера для определения момента нейтрализации раствора вызвана тем, что работа рН-метра в области высоких температур и вакуума недопустима, а также более широкими его функциональными возможностями для измерений концентраций.

Добавление воды в испаритель по окончании процесса выпаривания необходимо для растворения выкристаллизовавшихся солей. Полнота их растворения характеризуется двукратным приращением электропроводности кубового остатка: 6,2 10^-1 см/м 1,2 см/м.

Таким образом, применение электропроводности в задачах контроля и управления процессом выпаривания на УПД для регенерации УК позволяет реализовать высокоэффективный алгоритм управления процессом, обеспечивающий четкое разделение дистиллята по концентрациям УК, минимальную длительность процесса, максимально возможную регенерацию УК и безопасные условия его протекания.

Сущность предложенного технического решения поясняется функциональной схемой автоматического управления процессом выпаривания на УПД, представленной на чертеже.

УПД содержит аппарат подогрева исходного раствора (источника отработанной кислотной смеси) 1, расходную емкость (РЕ) 2 с раствором щелочи, РЕ 3 с водой, испаритель 4, холодильник 4, холодильник 5, ППД и ВПД различных фракций 6 и 7.

Аппарат подогрева 1 снабжен рубашкой 8, мешалкой 9, загрузочным патрубком 10, разгрузочным клапаном (РК) 11, запорно-регулирующим клапаном (ЗРК) 12 управляемой подачи теплоносителя в рубашку. Аппарат заполнен маточником отработанной кислоты до отметки 13.

РЕ 2 оснащена загрузочным патрубком 14, отсечным клапаном (ОК) 15, предназначенным для слива содержимого РЕ. Последняя заполняется раствором щелочи до отметки 16.

РЕ 3 снабжена заливочным патрубком 17, ОК 18, предназначенным для слива содержимого РЕ. Последняя заполняется водой до отметки 19.

Испаритель 4 снабжен рубашкой 20, мешалкой 21, РК 22, ОК 23 подачи и отсечки теплоносителя в рубашку вытяжной системой 24 для отвода вторичных паров кипящего упариваемого раствора. Испаритель 4 заполнен исходным раствором до верхней отметки 25. По окончании процесса выпаривания уровень кубового остатка понижается до отметки 26. Вытяжная система испарителя соединена с входным патрубком трубного пространства холодильника 5.

Последний, предназначенный для конденсации вторичных паров, оснащен нижним входным патрубком 27 подачи хладоагента в межтрубное пространство. Выход холодильника для слива продуктов конденсации через ОК 28 соединен с ППД 6 менее концентрированной УК (60 79%), а через ОК 29 с ВПД 7 более концентрированной УК (81 95%).

ВПД 6 снабжен вакуумной линии ОК 30, а на сливной ОК 31. Под отметкой 32 обозначен возможный уровень заполнения ППД УК средней концентрации.

ВПД 7 оснащен на вакуумной линии ОК 33, а на сливной ОК 34. Под отметкой 35 обозначен уровень возможного заполнения ВПД УК высокой концентрации.

1. На УПД контролируют:
1.1. Температуру.

1.1.1. Исходного раствора в аппарате подогрева 1 с помощью датчика температуры 36 и микропроцессорного устройства (МПУ) 37, снабженного блоками нормализации входных сигналов от датчиков и устройством отображения информации: дисплеем и принтером.

1.1.2. Упариваемого раствора в испарителе 3 посредством датчика 38 и ИПУ 37.

1.1.3. Газовой фазы в вытяжной системе 24 испарителя с помощью датчика 39 и МПУ 37.

1.2. Уровень.

1.2.1. Исходного раствора в аппарате 1 посредством пьезометрического датчика 40 и МПУ 37.

1.2.2. Раствора щелочи в РЕ 2 с помощью пьезометрического датчика 41 и МПУ 37.

1.2.3. Воды в РЕ 3 с помощью пьезометрического датчика 42 и МПУ 37.

1.3. Электропроводность.

1.3.1. Упариваемого раствора в испарителе 4 посредством датчика-кондуктомера 43 и МПУ 37.

1.3.2. Дистиллята в ППД 6 с помощью датчика-кондуктомера 44 и МПУ 37.

1.3.3. Дистиллята в ВПД 7 посредством датчика-кондуктомера 45 и МРУ 37.

1.4. Вакуум.

1.4.1. Вакуум в испарителе с помощью датчика 46 и МПУ 37.

2. На УВД регулируют:
2.1. Температуру исходного раствора по сигналу с датчика температуры 36 через МПУ 37 с воздействием через электропневматический аналоговый преобразователь (ЭАП) 47, расположенный у клапана, на привод ЗРК 12 подачи теплоносителя в рубашку аппарата.

3. На УПД управляют:
3.1. Заполнением исходным раствором аппарата 1 через загрузочный патрубок 10 воздействием по сигналу с датчика уровня 40 через МПУ на магнитный пускатель (МП) двигателя насоса подачи этого раствора из емкости-накопителя (импульсная линия у₁) до момента достижения уровня 13.

3.2. Сливом подогретого исходного раствора из аппарата 1 в испаритель 4 воздействием по сигналу с датчика температуры 36 через МПУ 37, электропневматический дискретный преобразователь (ЭПД) 48 на привод РК 11.

3.3. Заполнением раствором щелочи РЕ 2 через загрузочный патрубок 14 воздействием по сигналу с датчика уровня 41 через МПУ 37 на МП двигателя насоса подача данного раствора из емкости-хранилища (импульсная линия У₃) до момента достижения уровня 16.

3.4. Сливом раствора щелочи из РЕ 2 воздействием по сигналу с датчика электропроводности 43 через МПУ 37. ЭПД 49 на привод ОК 15.

3.5. Заполнением водой РЕ 3 через загрузочный патрубок 17 воздействием по сигналу с датчика уровня 42 через МПУ 37 по импульсной линии У₅ через ЭПД на привод ОК на линии ее подачи в РЕ (на чертеже не показаны) до момента достижения уровня 19.

3.6. Сливом воды из РЕ 3 воздействием по сигналу с датчика электропроводности 43 через МПУ 37 и ЭГД 50 на привод ОК 18.

3.7. Подачей теплоносителя в рубашку испарителя 3 воздействием по сигналу с датчика температуры 35 через МПУ 37, ЭПД 51 на привод ОК 23.

3.8. Заполнением ППД 6 и прекращением его заполнения по сигналу с датчика электропроводности 44 с воздействием через МПУ 37, ЭПД 52 на привод ОК 28, а через ЭПД 53 на привод ОК 30.

3.9. Заполнением ВПД 7 по сигналу с датчика электропроводности 44 с воздействием через МПУ 37, ЭПД 54 на привод ОК 29, а через ЭПД 55 на привод ОК 33 и прекращением его заполнения по сигналу с датчика электропроводности 43 в испарителе 4 с воздействием на приводы указанных ОК.

3.10. Сливом кубового остатка из испарителя 4 и дистиллятов из ППД 6 и ВПД 7 по сигналу с датчика электропроводности 43 с воздействием через МПУ 37, ЭПД 56 на привод РК 22, ЭПД 57 на привод ОК 31 и ЭПД 58 на привод ОК 34.

Через Х₁ Х₇ обозначены импульсные линии передачи информационных сигналов от датчиков к МПУ.

Через У₁ У₁₃ обозначены командные сигналы, подаваемые с МПУ на ЭПА, ЭПД и МП.

УПД функционирует следующим образом.

1. В режиме подготовки и пуска.

Отфильтрованный маточник отработанной кислотной смеси после процесса нитрования подается насосом из емкости-накопителя в аппарат 1 для его подогрева до достижения уровня 13. По достижении указанного его значения насоса отключается по команде с МПУ 37 и включается система подогрева. При достижении температуры 90^oС ±5^oC происходит по команде с МПУ 37 отсечка подачи теплоносителя в рубашку аппарата и слив содержимого в испаритель 4. Затем для нейтрализации остаточной азотной кислоты подается 40% раствор щелочи из РЕ 2 по сигналу с датчика электропроводности 43 и команде с МПУ 37 на открытие ОК 15 до момента 4 6 кратного повышения электропроводности упариваемого раствора.

2. В режиме выпаривания и останова.

После соединения ППД 6 с вакуумной линией через ОК 30 подается теплоноситель через ОК 23 в рубашку 20 испарителя 4. Начинается интенсивный процесс кипения. Вторичный пар через вытяжную систему 24 поступает в холодильник 5, где конденсируется и стекает через ОК 28 в ППД 6. Вначале набирается в ППД 6 УК низкой концентрации (60%), затем концентрация ее постепенно повышается и по достижении значения 75 80% [χ (7,5 9,0) 10^-3 см/м] поступает команда с МПУ 37 на отключение ППД 6 путем закрытия ОК 28 и 30 и на подключение ВПД 7 за счет открытия ОК 29 и 33. В ВПД 7 поступает более концентрированная УК (>75 80%). По мере испарения концентрация солей в кубовом остатке повышается и по достижении предела насыщения происходит их выкристаллизация на поверхностях теплосъема, в результате чего его электропроводность снижается в 2 3 раза. Это служит сигналом для прекращения процесса выпаривания и по сигналу с датчика электропроводности 43 с МПУ 37 поступает команда на отключение УПД от вакуумной линии путем закрытия ОК 33 и прикращение подачи теплоносителя в рубашку испарителя 4 путем закрытия ОК 23. Датчик электропроводности 45 дистиллята в ВПД 7 показывает какой концентрации УК в нем достигнута.

3. В режиме разгрузки.

В испаритель 4 по команде с МПУ 37 сливается вода из РЕ 3 путем открытия ОК 18 до момента резкого повышения электропроводности кубового остатка (в 2
3 раза), после чего следует команда с МПУ 37 на слив дистиллятов из ППД 6 и ВПД 7 открытием ОК 31 и 34, а также слив кубового остатка из испарителя 4 за счет открытия РК 22.

Очередной цикл процесса выпаривания на этом завершается.

Реализация предложенного технического решения может быть осуществлена на базе примененных серийных средств автоматизации промышленного назначения и микропроцессорной техники, предназначенной для решения задач автоматизации малого масштаба, в частности, ремиконта Р-130.

Использование предложенного технического решения позволит регенерировать до 50% УК, исключив появление аварийных режимов.

Использование: область управления массообменными нестационарными процессами выпаривания на установке периодического действия, которая может найти применение в химической, лакокрасочной и химико-фармацевтической промышленностях для регенерации уксусной кислоты. Сущность изобретения: используют электропроводность как показатель концентрации дистиллятов в приемниках и кубового остатка в испарителе для определения точки нейтрализации упариваемого раствора при подаче раствора щелочи, моментов переключения потоков дистиллята из одного приемника в другой, окончания процесса выпаривания, а также раскристаллизации кубового остатка за счет подачи воды для разгрузки содержимого испарителя.

Способ автоматического управления процессом регенерации уксусной кислоты на установке периодического действия по температурной депрессии и концентрации компонента кубового остатка в испарителе, концентрации компонента дистиллята в приемнике, отличающийся тем, что дополнительно контролируют и регулируют температуру исходного раствора в аппарате подогрева, контролируют и регулируют уровни исходного раствора в аппарате подогрева, раствора щелочи в первой расходной емкости и воды во второй расходной емкости, контролируют и регулируют электропроводности кубового остатка в испарителе и дистиллятов в первом и втором приемниках, слив исходного раствора в испаритель осуществляют по достижении его температуры в аппарате подогрева 90 ± 5^oС, слив щелочного раствора в испаритель для нейтрализации остаточной азотной кислоты производят по достижении 4 6-кратного повышения электропроводности слитого исходного раствора, отгонку первой фракции уксусной кислоты средней концентрации в первый приемник реализуют по достижении электропроводности дистиллята (7,5 9,0) • 10^- 3 Ом/с при Т 20 ± 5^oС, отгонку второй фракции уксусной кислоты повышенной концентрации во второй приемник производят до момента спонтанного падения электропроводности кубового остатка с последующей подачей воды в испаритель до спонтанного повышения электропроводности кубового остатка, после чего осуществляют разгрузку кубового остатка из испарителя и дистиллята из первого и второго приемников.