СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОЙ ЭМУЛЬСИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУТАДИЕН-СТИРОЛЬНОГО ЛАТЕКСА Российский патент 1997 года по МПК C08F2/22 G05D27/00 

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов в химической и нефтехимической промышленности и может быть использовано, в частности, в производстве синтетических каучуков и латексов.

Известен способ автоматического управления процессом приготовления углеводородной эмульсии в производстве бутадиенстирольного латекса с эмульгированием мономеров в водной фазе, заключающийся в измерении расходов углеводородной шихты, инициатора, подаваемых на смешение, стабилизации этих расходов на заданных значениях [1]
Недостатком способа является низкая точность регулирования состава углеводородной эмульсии, так как он не предусматривает формирования управляющих воздействий регуляторам расхода входных потоков, подаваемых на приготовление углеводородной эмульсии, в зависимости от концентрации компонентов в этих потоках. Способ не предусматривает также определения и контроля показателей качества углеводородной эмульсии, характеризующих состав углеводородной эмульсии.

Известен способ автоматического управления процессом приготовления углеводородной эмульсии в производстве бутадиенстирольного латекса с эмульгированием мономеров в водной фазе, заключающийся в измерении расходов углеводородной шихты, эмульсии инициатора, регулировании расхода инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, регулировании соотношения расходов водной фазы, углеводородной шихты и инициатора, подаваемого в углеводородную шихту [2]
Недостатком способа является низкая точность регулирования состава углеводородной эмульсии, так как способ не предусматривает измерения и использования при формировании управляющих воздействий концентраций входных потоков, подаваемых на приготовление углеводородной эмульсии. Способ не предусматривает также определения и контроля показателей качества углеводородной эмульсии: массовой доли воды, массовой доли сухого остатка водной фазы и массовой доли инициатора на 100 мас.ч. углеводородной шихты. Известный способ не обеспечивает также измерения и регулирования концентрации разбавленной водной фазы, без чего невозможно стабилизировать одновременно массовую долю воды и массовую долю сухого остатка водной фазы на 100 мас. ч. углеводородной шихты.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ автоматического управления процессом приготовления углеводородной эмульсии в производстве бутадиен-стирольного латекса с эмульгированием мономеров в водной фазе и подачей приготовленной углеводородной эмульсии на параллельно работающие полимеризационные батареи, заключающийся в измерении и стабилизации расходов входных потоков, подаваемых на приготовление углеводородной эмульсии, измерении расхода инициатора, подаваемого на каждую полимеризационную батарею, стабилизации соотношения расходов водной фазы, инициатора и углеводородной шихты [3]
Недостатком способа управления является недостаточная точность регулирования состава углеводородной эмульсии, что приводит к увеличению диапазона изменения конверсии мономеров, снижению среднего значения конверсии мономеров, увеличению количества незаполимеризовавшихся мономеров и соответственно к увеличению затрат по ходу (в связи с трудностями регулирования температуры в процессе полимеризации), по пару (в связи с необходимостью отгонки незаполимеризовавшихся мономеров), по промышленной и оборотной воде (в связи с недостаточно высокой концентрацией сухого вещества в латексе, подаваемом на концентрирование). Причем невысокая точность регулирования состава углеводородной эмульсии связана с тем, что известный способ не предусматривает контроля и регулирования показателей качества углеводородной эмульсии: массовой доли воды, массовой доли сухого остатка водной фазы, массовой доли инициатора на 100 мас. ч. углеводородной шихты. Контроль и регулирование этих показателей в большей степени обеспечивает необходимый состав углеводородной эмульсии, чем регулирование соотношения расходов входных потоков, подаваемых на приготовление углеводородной эмульсии. В известном способе при формировании управляющих воздействий не учитывается изменение концентрации разбавленной и концентрированной водной фазы, концентрации инициатора, концентрации воды в инициаторе. Известный способ не обеспечивает также регулирование концентрации разбавленной водной фазы, без чего невозможно стабилизировать одновременно массовую долю воды и массовую долю сухого остатка водной фазы на 100 мас. ч. углеводородной шихты.

Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу автоматического управления процессом приготовления углеводородной эмульсии в производстве бутадиен-стирольного латекса с эмульгированием мономеров в водной фазе и подачей приготовленной углеводородной эмульсии на параллельно работающие полимеризационные батареи, заключающемуся в измерении и стабилизации расходов входных потоков, подаваемых на приготовление углеводородной эмульсии, измерении расхода инициатора, подаваемого на каждую полимеризационную батарею, стабилизации соотношения расхода водной фазы, инициатора и углеводородной шихты, дополнительно измеряют концентрацию разбавленной водной фазы, определяют с помощью лабораторных анализов концентрацию инициатора, концентрацию воды в инициаторе и концентрацию концентрированной водной фазы, определяют расход разбавленной водной фазы по расходу концентрированной водной фазы и расходу умягченной воды, определяют суммарный расход инициатора на полимеризационные батареи по расходам инициатора на каждую батарею, определяют массовую долю воды на 100 мас.ч. углеводородной шихты по расходам разбавленной водной фазы, углеводородной шихты, инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, суммарному расходу инициатора на полимеризационные батареи, концентрации воды в инициаторе, определяют массовую долю сухого остатка водной фазы на 100 мас.ч. углеводородной шихты по концентрации разбавленной водной фазы, расходу разбавленной водной фазы и расходу углеводородной шихты, определяют массовую долю инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, на 100 мас.ч. углеводородной шихты по расходу углеводородной шихты, расходу инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, концентрации инициатора, определяют заданное значение концентрации разбавленной водной фазы в зависимости от заданного значения массовой доли сухого остатка водной фазы на 100 мас.ч. углеводородной шихты, заданного значения расхода углеводородной шихты, заданного значения массовой доли воды на 100 мас.ч. углеводородной шихты, суммарного расхода инициатора на полимеризационные батареи, концентрации воды в инициаторе, определяют заданное значение расхода разбавленной водной фазы в зависимости от заданного значения массовой доли сухого остатка водной фазы на 100 массовых частей углеводородной шихты, заданного значения расхода углеводородной шихты и заданного значения концентрации разбавленной водной фазы, формируют управляющее воздействие регулятору расхода инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, в зависимости от заданного значения расхода углеводородной шихты, заданного значения массовой доли инициатора на 100 мас.ч. углеводородной шихты, концентрации инициатора, формируют управляющее воздействие регулятору расхода умягченной воды в зависимости от заданного значения расхода разбавленной водной фазы, концентрации концентрированной водной фазы, концентрации разбавленной водной фазы, заданного значения концентрации разбавленной водной фазы, корректируют управляющее воздействие регулятору расхода умягченной воды в зависимости от текущего и заданного значения концентрации разбавленной водной фазы, формируют управляющее воздействие регулятору расхода концентрированной водной фазы в зависимости от заданного значения расхода разбавленной водной фазы и скорректированного значения управляющего воздействия регулятору расхода умягченной воды, определяют отклонения массовой доли воды, массовой доли сухого остатка водной фазы, массовой доли инициатора на 100 мас. ч. углеводородной шихты от их заданных значений, формируют и подают предупреждающий сигнал на устройство сигнализации, если отклонение любого из перечисленных показателей от заданного значения превышает допустимое значение.

Совокупность новых признаков в сочетании с известными придает предлагаемому способу новые свойства, позволяющие повысить точность регулирования состава углеводородной эмульсии, что положительно сказывается на процессе полимеризации мономеров. Во время экспериментальной проверки способа за счет повышения точности регулирования состава углеводородной эмульсии уменьшился диапазон изменения конверсии мономеров на выходе полимеризационных батарей с 61-80% (по экспериментальной проверки) до 68-78% (во время экспериментальной проверки).

Уменьшение диапазона изменения конверсии мономеров дало возможность повысить среднее значение конверсии с 70,5% (до экспериментальной проверки) до 73% (во время экспериментальной проверки) без увеличения расхода инициатора и т. д.). Повышение конверсии мономеров привело к снижению содержания незаполимеризовавшихся мономеров в латексе, а последнее к снижению расхода промышленной воды, оборотной воды, пара и холода, используемых в процессе дегазации незаполимеризовавшихся мономеров и в процессе концентрирования латекса, соответственно на 3 м³, 5 м³, 0,1 Гкал, 0,02 Гкал на 1 т получаемого латекса. Кроме того, за счет снижения количества незаполимеризовавшихся мономеров уменьшились их потери, что привело к снижению на 0,15% (относительных) расхода мономеров на 1 т выпускаемого латекса.

На фиг. 1 изображена система, реализующая рассматриваемый способ автоматического управления процессом приготовления углеводородной эмульсии в производстве бутадиен-стирольного латекса; на фиг. 2 блок-схема системы автоматического управления, реализующая предлагаемый способ.

Углеводородную эмульсию готовят путем смешения разбавленной водной фазы и углеводородной шихты. Для приготовления разбавленной водной фазы в поток концентрированной водной фазы непрерывно подают умягченную воду. Разбавленная водная фаза охлаждается в теплообменнике 1 захоложенной водой. Углеводородная шихта предварительно охлаждается рассолом в теплообменнике 2.

С целью повышения скорости процесса эмульсионной полимеризации и улучшения физико-химических показателей получаемого латекса, часть инициатора подают в поток углеводородной шихты, а часть в один из головных аппаратов (3-й или 4-й) каждой полимеризационной батареи.

Концентрированная водная фаза готовится периодически (партиями) и содержит следующие основные компоненты: эмульгаторы, электролиты, кислые и основные компоненты, определяющие значения pH водной фазы, водорастворимые полимеры (загустители и т.п.). Деление это условно, поскольку зачастую одно и то же вещество выполняет функции двух, трех и более компонентов одновременно. В основном в качестве компонентов водной фазы используются: умягченная воды, лейканол, хлористый калий, олеат калия, железотрилоновый комплекс, ронгалит.

Концентрация концентрированной водной фазы составляет 5-12 мас. а концентрация разбавленной водной фазы 2-4 мас. Отклонения концентрации разбавленной водной фазы от заданного значения не должны превышать ±0,15 мас.

Углеводородную эмульсию получают эмульгированием углеводородной шихты водным раствором эмульгаторов. Для этого захоложенные потоки углеводородной шихты и разбавленной водной фазы подают в линию всасывания смесительного насоса 5. Система управления, реализующая рассматриваемый способ автоматического управления процессом приготовления углеводородной эмульсии в производстве бутадиен-стирольного латекса, включает в себя управляющий вычислительный комплекс 6, датчик 7 расхода концентрированной водной фазы, датчик 8 расхода умягченной воды, датчик 9 расхода углеводородной шихты, датчик 10 расхода инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, датчик 11 расхода инициатора на первую батарею полимеризации, датчик 12 расхода инициатора на вторую батарею полимеризации, датчик 13 концентрации разбавленной водной фазы, регулятор 14 расхода концентрированной водной фазы, регулятор 15 расхода умягченной воды, регулятор 16 расхода инициатора, подаваемого в углеводородную шихту. Концентрация концентрированной водной фазы, концентрация инициатора ( в его эмульсии), концентрация воды в инициаторе определяются с помощью лабораторных анализов.

Кроме инициатора и воды в состав эмульсии инициатора входит олеат калия, поэтому лабораторным методом определяют концентрацию инициатора (в его эмульсии) и концентрацию воды в инициаторе или же концентрацию инициатора и концентрацию олеата калия в эмульсии инициатора. Во втором случае концентрацию воды в инициаторе определяют следующим образом:
C∧в.ин

= 100(C∧ин+C∧ок.ин), (1)
где
C∧ин концентрация инициатора (в его эмульсии), мас.

C∧ок.ин

концентрация олеата калия в инициаторе (его эмульсии), мас.

Для измерения разбавленной водной фазы используют плотномер или рефрактометр. При отсутствии этих приборов концентрацию разбавленной водной фазы также определяют с помощью лабораторного анализа.

Предлагаемый способ автоматического управления процессом приготовления углеводородной эмульсии в производстве бутадиен-стирольного латекса осуществляется следующим образом. На входы управляющего вычислительного комплекса 6 поступают сигналы от датчика 7 расхода концентрированной водной фазы, датчика 8 расхода умягченной воды, датчика 9 расхода углеводородной шихты, датчика 10 расхода инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, датчика 11 расхода инициатора на первую батарею полимеризации, датчика 12 расхода инициатора на вторую батарею полимеризации, датчика 13 концентрации разбавленной водной фазы. Расход концентрированной водной фазы, расход умягченной воды и расход инициатора в углеводородную шихту стабилизируются на заданных значениях соответственно с помощью регуляторов 14, 15 и 16. Заданные значения (управляющие воздействия) регуляторам 14, 15 и 16 поступают от управляющего вычислительного комплекса 6.

По измеренным значениям технологических параметров с помощью управляющего вычислительного комплекса определяют расход разбавленной водной фазы, массовую долю сухого остатка водной фазы на 100 мас.ч. углеводородной шихты, суммарное значение расхода инициатора, подаваемого на полимеризационные батареи, массовую долю воды на 100 мас.ч. углеводородной шихты, массовую долю инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, на 100 мас.ч. углеводородной шихты:
F_рф F_кф + F_в, (2)



где
F_рф расход разбавленной водной фазы, кг/ч;
F_кф расход концентрированной водной фазы, кг/ч;
F_в расход умягченной воды, кг/ч;
m_сш- массовая доля сухого остатка водной фазы на 100 мас.ч. углеводородной шихты;
C_сф концентрация разбавленной водной фазы, мас.

F_ш расход углеводородной шихты, кг/ч;
F_ин.п суммарный расход инициатора на полимеризационные батареи, кг/ч;
F_ин.σ_j расход инициатора j-ую батарею, кг/ч;
m_вш массовая доля воды на 100 мас.ч. углеводородной шихты;
F_ин.ш расход инициатора, подаваемого в углеводородную шихту кг/ч;
C∧в.ин

значение лабораторного анализа на концентрацию воды в инициаторе, мас.

m_ин.ш массовая доля инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, на 100 мас.ч. углеводородной шихты.

Для формирования управляющих воздействий, кроме приведенных выше уравнений, использованы также уравнения материального баланса для узла приготовления разбавленной водной фазы:
F_кф + f_в F_рф, (7)

где C∧кф

значение концентрации концентрированной водной фазы, полученное путем лабораторного анализа, мас.

Так как инициатор представляет собой эмульсию, содержащую воду, то при изменении расхода инициатора на батареи необходимо изменять расход воды с разбавленной водной фазой таким образом, чтобы массовая доля воды на 100 мас. ч. углеводородной шихты оставалась постоянной Изменением расхода разбавленной водной фазы этого достигнуть невозможно, так как расходом разбавленной водной фазы стабилизируют массовую долю сухого остатка водной фазы на 100 мас.ч. углеводородной шихты. Таким образом, обеспечить стабилизацию массовой доли воды на 100 мас.ч. углеводородной шихты возможно только изменением концентрации разбавленной водной фазы.

Заданное значение концентрации разбавленной водной фазы определяют из уравнений 3 и 5 в зависимости от заданного значения массовой доли сухого остатка водной фазы на 100 мас.ч. углеводородной шихты, заданного значения расхода углеводородной шихты, заданного значения массовой доли воды на 100 мас. ч. углеводородной шихты, суммарного расхода инициатора на полимеризационые батареи, концентрации воды в инициаторе:

Далее, используя формулу 1, определяют заданное значение расхода разбавленной водной фазы в зависимости от заданного значения массовой доли сухого остатка водной фазы на 100 мас.ч. углеводородной шихты, заданного значения расхода углеводородной шихты и заданного значения концентрации разбавленной водной фазы:

Формируют управляющее воздействие регулятору расхода инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, в зависимости от заданного значения расхода углеводородной шихты, заданного значения массовой доли инициатора на 100 мас. ч. углеводородной шихты, концентрации инициатора (в эмульсии инициатора):

Заданное значение расхода углеводородной шихты (F_шз), используемое при формировании управляющих воздействий, может задаваться оператором или приравниваться усредненному значению расхода углеводородной шихты. Формируют управляющее воздействие регулятору расхода умягченной воды в зависимости от заданного значения расхода разбавленной водной фазы, концентрации концентрированной водной фазы, заданного значения концентрации разбавленной водной фазы:

Далее корректируют управляющее воздействие регулятору расхода умягченной воды в зависимости от текущего и заданного значения концентрации разбавленной водной фазы:

где
K₁, K₂ настроечные параметры регулятора концентрации разбавленной водной фазы;
Δt период дискретизации (дискретность определения корректирующего воздействия), ч;
i номер шага дискретизации;
Fcвзi

скорректированное значение управляющего воздействия регулятору расхода умягченной воды, кг/ч.

Настроечные параметры K₁ и K₂ определяются экспериментальным путем при настройке системы автоматического регулирования. Если же датчик 13 концентрации разбавленной водной фазы не установлен или находится в нерабочем состоянии, то коэффициенты K₁ и K₂ обнуляют или вводятся значения лабораторных анализов.

Формируют управляющее воздействие регулятору расхода концентрированной водной фазы в зависимости от заданного значения расхода разбавления водной фазы и скорректированного значения управляющего воздействия регулятору расхода умягченной воды:
F_кфз= F_рфз-Fcвз

(15)
Определяют отклонения массовой доли воды, массовой доли сухого остатка водной фазы и массовой доли инициатора, подаваемого в углеводородную шихту 1, на 100 мас.ч. углеводородной шихты от их заданных значений:

Формируют предупреждающий сигнал, если любое из этих отклонений превышает допустимое значение:

где ε_вш.доп.,ε_сш.доп.,ε_{ин.ш.доп.} допустимые значения соответствующих отклонений.

Использование: автоматизация автоматического процесса, например, производства синтетических каучуков и латексов. Сущность изобретения заключается в управлении процессом путем измерения и стабилизации расходов входных потоков, измерении расхода инициатора на каждую полимеризационную батарею, стабилизации соотношения расходов водной фазы, инициатора и углеводородной шихты, при котором дополнительно измеряют концентрацию разбавленной водной фазы, определяют концентрацию инициатора, концентрацию воды в инициаторе, концентрацию концентрированной водной фазы, расход разбавленной водной фазы, суммарный расход инициатора на полимеризационные батареи, массовую долю воды, массовую долю сухого остатка водной фазы, массовую долю инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, заданное значение концентрации разбавленной водной фазы, заданное значение расхода разбавленной водной фазы, формируют управляющие воздействия регулятору расхода инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, регулятору расхода умягченной воды, корректируют управляющее воздействие регулятору расхода умягченной воды, формируют управляющее воздействие регулятору расхода концентрированной водной фазы, определяют отклонения массовой доли воды, массовой доли сухого остатка водной фазы, массовой доли инициатора от их заданных значений, формируют и подают предупреждающий сигнал на устройство сигнализации, если отклонение любого из перечисленных показателей от заданного значения превышает допустимое значение. 2 ил.

Способ автоматического управления процессом приготовления углеводородной эмульсии в производстве бутадиен-стирольного латекса с эмульгированием мономеров в водной фазе и подачей приготовленной углеводородной эмульсии на параллельно работающие полимеризационные батареи, заключающийся в измерении и стабилизации расходов входных потоков, подаваемых на приготовление углеводородной эмульсии, измерении расхода инициатора, подаваемого на каждую полимеризационную батарею, стабилизации соотношения расходов водной фазы, инициатора и углеводородной шихты, отличающийся тем, что дополнительно измеряют концентрацию разбавленной водной фазы, определяют путем лабораторных анализов концентрацию инициатора, концентрацию воды в инициаторе и концентрацию концентрированной водной фазы, определяют расход разбавленной водной фазы по расходу концентрированной водной фазы и расходу умягченной воды, определяют суммарный расход инициатора на полимеризационные батареи по расходам инициатора на каждую батарею, определяют массовую долю воды на 100 мас. ч. углеводородной шихты по расходам разбавленной водной фазы, углеводородной шихты, инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, суммарному расходу инициатора на полимеризационные батареи, концентрации воды в инициаторе, определяют массовую долю сухого остатка водной фазы на 100 мас. ч. углеводородной шихты по концентрации разбавленной водной фазы, расходу разбавленной водной фазы и расходу углеводородной шихты, определяют массовую долю инициатора, подавляемого в углеводородную шихту, на 100 мас. ч. углеводородной шихты по расходу углеводородной шихты, расходу инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, концентрации инициатора, определяют заданное значение концентрации разбавленной водной фазы в зависимости от заданного значения массовой доли сухого остатка водной фазы на 100 мас. ч. углеводородной шихты, заданного значения расхода углеводородной шихты, заданного значения массовой доли воды на 100 мас. ч. углеводородной шихты, суммарного расхода инициатора на полимеризационные батареи, концентрации воды в инициаторе, определяют заданное значение расхода разбавленной водной фазы в зависимости от заданного значения массовой доли сухого остатка водной фазы на 100 мас. ч. углеводородной шихты, заданного значения расхода углеводородной шихты и заданного значения концентрации разбавленной водной фазы, формируют управляющее воздействие регулятору расхода инициатора, подаваемого в углеводородную шихту, в зависимости от заданного значения расхода углеводородной шихты, заданного значения массовой доли инициатора на 100 мас. ч. углеводородной шихты, концентрации инициатора формируют управляющее воздействие регулятору расхода умягченной воды в зависимости от заданного значения расхода разбавленной водной фазы, концентрации концентрированной водной фазы, заданного значения концентрации разбавленной водной фазы, корректируют управляющее воздействие регулятору расхода умягченной воды в зависимости от текущего и заданного значений концентрации разбавленной водной фазы, формируют управляющее воздействие регулятору расхода концентрированной водной фазы в зависимости от заданного значения расхода разбавленной водной фазы и скорректированного значения управляющего воздействия ругулятору расхода умягченной воды, определяют отклонения массовой доли воды на 100 мас. ч. углеводородной шихты, массовой доли сухого остатка водной фазы на 100 мас. ч. углеводородной шихты, массовой доли инициатора на 100 мас. ч. углеводородной шихты от их заданной значений, формируют и подают предупреждающий сигнал на устройство сигнализации, если отклонение любого из перечисленных показателей от заданного значения превышает допустимое.