СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СИНТЕЗА ПЕНТАКАРБОНИЛА ЖЕЛЕЗА Российский патент 1997 года по МПК C10G49/16 G05D27/00 

Изобретение относится к способам управления химическими процессами в реакторах периодического действия и может быть использовано в химической, нефтехимической и смежных областях промышленности.

Известен способ автоматического управления процессом синтеза пентакарбонила железа (ПКЖ), включающий регулирование сброса циркуляционного газа из системы, регулирование давления в системе изменения подачи реакционного газа на подпитку и регулирование температуры в зоне реакции изменением подачи теплоносителя в подогреватель окиси углерода [1]
Недостатком известного способа являются нестабильность и невысокая интенсивность ведения процесса синтеза. Нестабильный выход целевого продукта в течение операции приводит к увеличению ее продолжительности во времени и, соответственно, к снижению мощности установки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ автоматического регулирования процесса получения ПКЖ, заключающийся в регулировании давления в системе синтеза в зависимости от расхода окиси углерода на подпитку и в корректировке температуры в зоне реакции в зависимости от скорости изменения давления [2]
Данный способ позволяет повысить интенсивность процесса и сократить время операции синтеза.

Однако он не обеспечивает все же достаточно высокую скорость процесса карбонилирования и степень извлечения железа из железосодержащего сырья.

Недостаточная скорость карбонилирования и степень извлечения железа из железосодержащего сырья объясняются тем, что состав и, следовательно, реакционная способность применяемого для синтеза реакционного газа могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от его природы. Так, например, реакционный газ, получаемый газификацией кокса, содержит в своем составе 6 - 7% азота, до 1% двуокиси углерода, до 0,2% кислорода. При этом в результате расхода окиси на карбонилирование, содержание инертов в циркуляционном газе возрастает, что вызывает необходимость периодической отдувки его из цикла с целью корректировки состава. Во время же резкого снижения давления реакция синтеза сдвигается в сторону диссоциации карбонила и некоторое его количество разлагается на металл и окись углерода. Кроме того, по мере выработки железосодержащего сырья возникает необходимость повышения содержания окиси углерода в реакционном газе.

Недостатком способа по прототипу является и то обстоятельство, что корректировка температуры в зоне реакции в зависимости от скорости изменения давления не обеспечивает поддержание оптимального значения ее, а при достижении величиной давления в системе синтеза предельно допустимого значения повышение температуры, с целью обеспечения максимальной выработки железосодержащего сырья, осуществляется программно, без учета фактической скорости карбонилирования.

Целью предлагаемого изобретения является повышение скорости процесса карбонилирования и степени извлечения железа из железосодержащего сырья.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно измеряют состав циркуляционного газа и содержание окиси углерода в реакционном газе, рассчитывают по измеренным значениям расхода реакционного газа и содержания окиси углерода в нем расход окиси углерода, рассчитывают по измеренным значениям давления в системе и составу циркуляционного газа парциальное давление окиси углерода в системе, вычисляют разность между измеренным значением давления в системе и рассчитанным значением парциального давления окиси углерода в системе и поддерживают эту вычисленную разность на заданном значении регулированием сброса циркуляционного газа из системы, стабилизируя при этом расчетное парциальное давление окиси углерода на прежнем значении, осуществляют увеличение подачи реакционного газа на подпитку с заданной скоростью и регулирование температуры в зоне реакции в зависимости от рассчитанного парциального давления окиси углерода, при достижении подачи реакционного газа максимального значения стабилизируют его на этом значении и регулируют температуру в зоне реакции путем минимизации скорости изменения рассчитанного парциального давления окиси углерода, а при достижении давлением газа в системе предельно допустимого значения регулирование температуры в зоне реакции осуществляют в зависимости от степени снижения подачи реакционного газа.

На фиг. 1, 2 представлена блок-схема реализации предлагаемого способа.

Схема включает в себя реактор 1, фильтр 2, конденсатор карбонила 3, отделитель 4, циркуляционный компрессор 5, подогреватель циркуляционного газа 6, датчики расхода реакционного газа на подпитку и содержание окиси углерода 7, 8, датчики давления и состава циркуляционного газа 9, 10, датчик температуры в зоне реакции 11, регулятор температуры 12, регулирующий клапан на линии подачи теплоносителя в подогреватель циркуляционного газа 13, регулятор парциального давления окиси углерода 14, регулирующий клапан на линии подачи окиси углерода в систему 15, регулятор уровня в отделителе 16, клапан на линии сброса циркуляционного газа из системы 17, вычислительное устройство 18, включающее блоки 19.36, образованные, например, из алгоритмических модулей умножения (УМН), деления (ДЕЛ), суммирования (СУМ), интегрирования (ИНТ), дифференцирования (ДИФ), переключения (ПЕР), ПИ-регулирования стандартного (РАС), программного задатчика (ПРЗ), выделения экстремума (ВЭК), избирательного отключения (ИЗО), широтно-импульсного модулятора (ШИМ), универсальной логики (УЛО).

Способ осуществляют следующим образом.

Железосодержащее сырье загружают в реактор 1, после чего через подогреватель 6 посредством цикруляционного компрессора 5 осуществляют непрерывный поток циркуляционного газа через слой железосодержащего сырья. При этом происходит синтез ПКЖ по уравнению:
Fe+5CO ⇄ Fe(CO)₅ (1)
По мере расходования окиси углерода на синтез производится подача в систему свежего реакционного газа. Образующиеся пары ПКЖ вместе с непрореагированной окисью углерода очищаются от пыли в фильтре 2 и поступают в холодильник-конденсатор 3, где циркуляционный газ охлаждается и конденсируется карбонил. Отделение жидкого ПКЖ от циркуляционного газа происходит в отделителе 4, после которого газ поступает на всас циркуляционного компрессора 5.

Протекание процесса синтеза во времени характеризуется довольно выраженными участками, а именно:
а) выхода на режим;
б) начальным, характеризующимся максимальной активностью железосодержащего сырья и максимальной скоростью реакции;
в) промежуточным, характеризующимся постепенным снижением активности сырья по мере его выработки;
г) доизвлечения железа из сырья.

Параметры, характеризующие процесс синтеза ПКЖ на том или ином участке при управлении процессом по предлагаемому способу, представлены на графиках изменения давления, температуры и расхода окиси углерода (фиг. 3).

Давление и температура в системе синтеза измеряются соответственно датчиками 9 и 10, выходные сигналы которых В4 и В5 поступают на вход вычислительного устройства 18. Одновременно на его аналоговый вход поступают сигналы с датчиков расхода технической окиси углерода В1, содержания окиси углерода В2 и состава циркуляционного газа В3.

Исходные значения давления окиси углерода PCOO

(например, P=50 кгс/см²) и температуры T_o (например, 135^oC), установленные задатчиками алгоритмических модулей 27, 32 по дискретной команде "А", поступают соответственно на выход вычислительного устройства в качестве уставок на входы регуляторов 14 и 12 (сигналы В02 и В03), причем сигнал, пропорциональный PCOO, поступает через алгоритмический модуль 28, работающий в режиме слежения.

В течение периода t₁ (например 1,0 -1,5 ч) происходит разогрев реактора, сопровождающийся вовлечением окиси углерода на карбонилирование, при этом блоком 19 рассчитывается текущее значение расхода окиси углерода на карбонилирование по формуле:

где расход технической окиси углерода на подпитку, м³/ч;
объемная доля окиси в подпитывающем газе,
Одновременно блоком 23 рассчитывается значение парциального давления окиси углерода по формуле:

где P_i давление в системе синтеза, кгс/см²;
объемная доля окиси углерода, азота, двуокиси углерода и кислорода соответственно в циркуляционном газе,
коэффициенты сжимаемости соответственно для окиси углерода, азота, двуокиси углерода и кислорода.

Рассчитанное значение поступает на измерительный вход регулятора 14 в виде сигнала В01.

По истечении времени t₁ с помощью модуля 27 осуществляют программное увеличение уставки по давлению с заданной скоростью, определяемой временем t₂ достижения заданием величины, соответствующей предельно допустимому значению давления окиси углерода в системе синтеза P_пред.

Одновременно по дискретной команде "Б" с выхода модуля 27 блок переключения 32 подключает к своему выходу блок 33, рассчитывающий уставку регулятора температуры по формуле:
T a + b(PCOi

)² (4)
где a и b величины, устанавливаемые экспериментально (например, a=134, b=0,0004).

Увеличение уставок регулятора давления и температуры сопровождается увеличением расхода окиси углерода, вовлекаемой в процесс карбонилирования до некоторого своего максимального значения, обусловленного концентрационным и температурным торможением (FCOmax

) Максимально достижимое значение расхода окиси углерода FCOmax определяется модулем выделения экстремума 20, который начинает работать по команде "Б" и вырабатывает дискретный сигнал "В" при выделении экстремального значения FCOi по которому происходит запоминание значения FCOmax алгоритмическим модулем 21, запоминание значения давления PCOi = PCOH соответствующего максимальной скорости реакции, модулем 24 и перевод модуля 28 на режим автоматического поддержания максимальной скорости карбонилирования.

В качестве переменной на вход модуля 28 поступает расчетное значение FCOi

с модуля 19, а в качестве задания запомненное значение FCOmax с модуля 21. Выходной сигнал модуля 28 поступает на выход вычислительного устройства (В02) и в камеру задания регулятора давления. По мере выработки железосодержащего сырья происходит снижение скорости карбонилирования, что в конечном счете приводит к снижению расхода окиси углерода на подпитку. При этом на аналоговом выходе модуля 28 формируется сигнал В02, направленный на увеличение задания регулятору парциального давления окиси углерода 14, и за счет повышения скорости карбонилирования с увеличением давления расход окиси углерода на подпитку возрастает до исходного уровня. Таким образом, по мере снижения активности железосодержащего сырья парциальное давление окиси углерода в системе постоянно возрастает и, тем самым, обеспечивается максимально достижимая скорость карбонилирования в течение преобладающего отрезка времени из общей продолжительности процесса синтеза.

Но при снижении активности процесса синтеза и повышении парциального давления окиси углерода наблюдается дрейф в сторону повышения значения температуры в зоне реакции, максимизирующей скорость реакции. Это объясняется тем, что с повышением давления скорость карбонилирования увеличивается, однако для температуры наблюдается некоторое максимальное значение, которое нельзя превышать, т.к. с ее ростом увеличивается скорость обратной реакции, в результате чего суммарная наблюдаемая скорость снижается. С повышением давления скорость прямой реакции увеличивается, а обратной замедляется, что приводит к перемещению максимума скорости в сторону больших температур. При автоматическом поддержании максимально достижимой скорости процесса путем повышения парциального давления окиси углерода реакцией системы на приближение значения температуры к уровню, максимизирующему скорость реакции, будет понижение скорости изменения давления.

При реализации поиска оптимальной температуры организуется поиск минимального значения производной от величины парциального давления окиси углерода следующим образом:
1) Разбивается весь диапазон изменения давления на ряд дискретных интервалов PCO1

-PCO2,PCO2-PCO3 с дискретностью, равной ΔP^CO (например, 10 кгс/см²).

2) При достижении границы интервала (например, PCO1

) осуществляется изменение уставки регулятора температуры 12 на дискретный шаг ΔT в сторону повышения (например, 1^oC). При этом, если значение после воздействия на объект регулятора температуры через шаг квантования по времени Δt уменьшится, дается разрешение на изменение уставки по температуре на такую же величину. Если же это значение остается на прежнем уровне или увеличивается, то организуется запрет на дальнейшее повышение уставки.

3) Следующее изменение уставки может быть произведено при достижении парциальным давлением окиси углерода следующего интервала (например, P2). Блок 34 поиска оптимального значения температуры в зоне реакции путем минимизации скорости изменения давления окиси углерода в системе синтеза начинает работать и подключается к задающему входу регулятора температуры по команде "Г", выработанной модулем 26, при достижении величиной давления окиси углерода значения
PCO1

= P_H+ΔP^CO (5)
рассчитанного модулем 25.

Таким образом, блок поиска оптимального значения температуры работает на участке синтеза, характеризующемся постепенным снижением активности сырья по мере выработки железа, и обеспечивает при оптимально выбранных интервалах давления, шаге квантования по времени и дискретном шаге изменения уставки регулятору температуры поддержание температуры синтеза, близкой к максимизирующей скорости карбонилирования. Кроме того, предложенный способ позволяет уточнять на объекте приведенную известную зависимость (4) в связи с изменением факторов, влияющих на ход технологического процесса, таких, например, как физические свойства исходного сырья, наличие каталитических добавок в реакционном газе и т.д.

Исчерпывание окиси углерода в процессе синтеза приводит к снижению ее давления в циркуляционном газе относительно общего. На протяжении всей операции синтеза модулем 29 производится расчет разности между давлением газа в системе и парциальным давлением окиси углерода по формуле
ΔP = P_i-PCOi

(6)
При ΔP ≥ ΔP_max (например, 40 кгс/см²) на выходе модуля 30 формируется дискретный сигнал В04. По этому сигналу открывается отсечной клапан 17 на линии отдувки циркуляционного газа и одновременно "замораживается" значение задания регулятору 14 с выхода модуля 28, а так как подпитывающий газ богаче по содержанию окиси углерода, чем циркуляционный, то разность давлений между общим в системе и парциальным окиси углерода уменьшается при неизменной величине последнего, поддерживаемой в процессе отдувки регулятором 14. При достижении ΔP ≅ ΔP_min (например, 20 кгс/см²) отдувка прекращается.

На фиг. 4 приведена графическая зависимость содержания окиси углерода в циркуляционном газе от давления в системе при ΔP40 кгс/см² (кривая 1) и при ΔP20 кгс/см² (кривая 2). Как видно из графика, при постоянной разности между общим давлением циркуляционного газа и парциальным окиси углерода в нем более высокому общему давлению соответствует более высокое содержание окиси углерода.

Таким образом, предлагаемый способ корректировки состава циркуляционного газа позволяет на начальной стадии операции синтеза, характеризующейся наибольшей активностью сырья, проводить его при низком начальном содержании окиси углерода и при более глубоком исчерпывании. И, наоборот, увеличивать содержание окиси углерода в циркуляционном газе на заключительной стадии процесса по мере повышения давления в системе в связи с исчерпыванием железосодержащего сырья, что улучшает условия протекания реакции.

Отличительной особенностью предлагаемого способа корректировки состава циркуляционного газа является то, что она осуществляется без снижения парциального давления окиси углерода, что повышает эффективность управления, так как при снижении парциального давления без снижения температуры реакция синтеза сдвигается в сторону диссоциации ПКЖ. При этом образуется пылевидное железо, которое выносится из реакционной зоны и задерживается на фильтре 2. Таким образом, осуществление способа позволяет повысить степень превращения железа в карбонил. При достижении величиной давления газа в системе синтеза своего предельно допустимого значения P_пред запоминается значение температуры в зоне реакции модулем 35 по команде "Д", выработанной модулем 31, и на задающий вход регулятора температуры через переключатель 32 подключается блок 36, осуществляющий расчет заданного значения температуры в зависимости от степени снижения расхода окиси углерода на карбонилирование по зависимости:

где T_пр предельно допустимое значение температуры;
T_опт найденное значение температуры, максимизирующее скорость карбонилирования при предельно допустимом давлении.

Таким образом, на заключительной стадии процесса снижение расхода окиси углерода сопровождается повышением температуры в зоне реакции, что способствует более полному извлечению железа из сырья. При падении расхода окиси углерода до величины, близкой к нулю, и подъеме температуры синтеза до предельно допустимого значения (например, 200^oC) по команде "E", выработанной блоком 22, процесс прекращается.

Использование: химическая и нефтехимическая промышленность. Сущность: синтез пентакарбонила железа осуществляют в системе, состоящей из колонны синтеза 1, фильтра 2, конденсатора карбонила 3, отделителя 4, циркуляционного компрессора 5, подогревателя 6, датчиков расхода свежего газа на подпитку и содержания окиси углерода в нем 7, 8, датчиков давления и состава циркуляционного газа 9, 10, контура регулирования парциального давления окиси углерода 14, 15, контура регулирования температуры 11, 12, 13, регулятора уровня в отделителе 16, клапана на сбросе циркуляционного газа 17 и вычислительного устройства (ВУ) 18 (фиг. 1). С помощью ВУ рассчитывают расход окиси углерода на подпитку по показаниям датчиков 7, 8, парциальное давление окиси углерода в циркуляционном газе по показаниям датчиков 9, 10 и разность между общим давлением циркуляционного газа и парциальным - окиси углерода в нем и поддерживают заданную разность путем сброса части циркуляционного газа через клапан 17. Контуром регулирования 14, 15 по заданию ВУ осуществляют повышение расхода окиси углерода на карбонилирование, регулируя температуру в зоне реакции контуром 11, 12, 13 в зависимости от парциального давления окиси углерода, а при достижении максимального значения подачи окиси углерода на карбонилирование стабилизируют его на этом значении. При этом ВУ осуществляет поиск оптимального значения уставки регулирующему контуру 11, 12, 13, которая соответствует минимальному значению скорости изменения парциального давления окиси углерода на дискретном интервале изменения этого давления, а при достижении давлением в системе своего предельного значения уставка контуру регулирования температуры рассчитывается в зависимости от степени снижения подачи реакционного газа. 4 ил.

Способ автоматического управления процессом синтеза пентакарбонила железа, включающий регулирование давления в системе изменением подачи реакционного газа на подпитку и регулирование температуры в зоне реакции изменением подачи теплоносителя в подогреватель окиси углерода в зависимости от скорости изменения давления газа в системе, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости карбонилирования и степени извлечения железа из железосодержащего сырья, регулируют сброс циркуляционного газа из системы, измеряют состав циркуляционного газа и содержание окиси углерода в реакционном газе, рассчитывают по измеренным значениям расхода реакционного газа и содержания окиси углерода в нем расход окиси углерода, рассчитывают по измеренным значениям давления в системе и составу циркуляционного газа парциальное давление окиси углерода в системе, вычисляют разность между измеренным значением давления в системе и рассчитанным значением парциального давления окиси углерода в системе и поддерживают эту вычисленную разность на заданном значении путем регулирования сброса циркуляционного газа из системы, стабилизируя при этом расчетное парциальное давление окиси углерода на прежнем значении, осуществляют увеличение подачи реакционного газа на подпитку с заданной скоростью и регулирование температуры в зоне реакции в зависимости от рассчитанного парциального давления окиси углерода, при достижении подачи реакционного газа максимального значения стабилизируют его на этом значении и регулируют температуру в зоне реакции путем минимизации скорости изменения рассчитанного парциального давления окиси углерода, а при достижении давления газа в системе предельно допустимого значения регулирование температуры в зоне реакций осуществляют в зависимости от степени снижения подачи реакционного газа.