СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СИНТЕЗА ГЛИКОЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК C07C31/20 G05D27/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению процессом синтеза гликолей гидратацией оксида этилена и может быть использовано в химической промышленности.

Известен способ управления процессом синтеза гликолей путем некаталитической гидратации оксида этилена (Технический регламент производства окиси этилена и гликолей N 104-85 Дзержинского ПО "Капролактам", Дзержинск, 1985, хранится в отраслевой библиотеке ГОСНИИХЛОР ПРОЕКТА, Москва), заключающийся в стабилизации соотношения расходов раствора оксида этилена и обессоленной воды на смешение, что при стабильной концентрации оксида этилена в водном растворе, поступающем на смешение, обеспечивает стабильную селективность по целевому продукту.

Недостатком этого способа является отсутствие информации о концентрации оксида этилена, в потоке поступающем на смеситель и соответственно на реактор, что не позволяет точно стабилизировать уровень селективности по целевому продукту.

Наиболее близким по совокупности признаков, т. е. прототипом, является способ управления процессом синтеза гликолей гидратацией оксида этилена (авт. св. 1581716 А1 СССР, МКИ C 07 C 31/20, G G 05 D 27/00) путем регулирования расходов обессоленной воды и водного раствора оксида этилена, в котором дополнительно измеряют концентрацию моноэтиленгликоля, температуру реакционной массы на входе в реактор и температуру в трех расположенных последовательно зонах реактора зоне разгона, зоне протекания реакции и зоне стабилизации температуры, определяют оптимальное значение концентрации оксида этилена на входе в реактор, при котором значение селективности процесса по моноэтиленгликолю принимает максимальное значение, рассчитывают текущее значение концентрации оксида этилена на входе в реактор и корректируют расходы обессоленной воды и водного раствора оксида этилена в зависимости от соотношения значений оптимальной и текущей концентрации оксида этилена на входе в реактор. Кроме того, дополнительно измеряют значение температуры на выходе из реактора и регулируют температуру входной смеси в зависимости от текущих значений температуры в зоне стабилизации и температуры целевого продукта на выходе из реактора путем воздействия на расход греющего пара, подаваемого в подогреватель.

Недостатком прототипа является то, что предложенный способ управления направлен на обеспечение максимальной селективности только одного продукта -моноэтиленгликоля, в то время как целевыми продуктами могут являться и высшие гликоли или их совокупность. Кроме того, к недостаткам можно отнести необходимость многократного численного интегрирования дифференциальных уравнений, описывающих процесс, с целью идентификации математической модели, с помощью которой определяется текущая концентрация оксида этилена на входе в реактор, а затем путем итерационной поисковой процедуры устанавливаются оптимальная концентрация и оптимальная температура смеси на входе в реактор, что снижает быстродействие системы управления и соответственно качество управления.

Изобретательская задача состояла в разработке достаточно простого и быстродействующего способа управления процессом синтеза гликолей некаталитической гидратацией оксида этилена, обеспечивающего оптимальное распределение продуктов на выходе из реактора при заданных технологических ограничениях и минимум энергозатрат, а также динамическую стабилизацию объекта.

Поставленная задача достигается тем, что в способе управления процессом синтеза гликолей гидратацией оксида этилена путем регулирования расходов обессоленной воды и водного раствора оксида этилена по измеренной разности температур на выходе и входе реактора рассчитывают текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор, затем по заданному оптимальному распределению продуктов на выходе из реактора рассчитывают оптимальную концентрацию оксида этилена и рециркулирующего гликоля, с помощью материального баланса смесителя рассчитывают оптимальные расходы воды, водного раствора оксида этилена и гликоля, потом по статической модели реактора рассчитывают минимальную температуру подогрева смеси на входе в реактор и затем корректируют текущие расходы и температуру подогрева путем изменения заданий локальным регуляторам, а оптимальные значения концентраций оксида этилена и рециркулирующего гликоля поддерживают с помощью системы динамической стабилизации. Кроме того, необходимо отметить, что текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор рассчитывают по формуле
X_овх = β•ΔT₀,
где ΔT₀ разность температур на выходе и входе реактора;
X_0вх концентрация оксида этилена на входе в реактор;
β теплофизический коэффициент.

На чертеже представлена блок-схема системы управления процессом синтеза гликолей, которая состоит из смесителя 1, где смешиваются раствор оксида этилена, обессоленная вода и гликоль, подаваемый с помощью рецикла со 100%-ной концентрации после разделения для получения определенных соотношений. Реакционная смесь подогревается до определенной температуры в системе теплообменников 2 для обеспечения практически полной конверсии оксида этилена в трубчатом адиабатическом реакторе 3. На чертеже показаны также регулятор температуры смеси на входе в реактор 4, регуляторы расходов воды, раствора оксида этилена и гликоля 5-7 соответственно, получающие задания от вычислительного устройства 8. Регуляторы и вычислительное устройство получают информацию от первичных преобразователей 9-13. Контуры регулирования снабжены исполнительными устройствами 15-18.

Общий расход на реактор измеряется с помощью первичного преобразователя 12. Вся информация поступает в вычислительное устройство 8, которое работает в супервизорном режиме с локальными регуляторами.

Способ управления осуществляют следующим образом.

Приняв для трубчатого реактора синтеза гликолей модель идеального вытеснения и приняв равными тепловые эффекты всех стадий реакции:
1) Рассчитывают текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор по формуле
X_0вх = β•ΔT₀,
где ΔT₀ разность температур на выходе и входе реактора, измеряемая первичными преобразователями 13 и 14;
X_0вх концентрация оксида этилена на входе в реактор;
β теплофизический коэффициент.

2) Рассчитывают оптимальные концентрации окисла этилена X*0вх

и рециркулирующего гликоля X*0iвх по заданному оптимальному распределению продуктов на выходе реактора X*0i, используя решения кинетических уравнений
X₀ (m -1)•(1-e^-t)-m•C₀•t + X_0вх,

где X₀, Y₀, X_0i концентрации оксида этилена, воды и i-го гликоля;
Xy0i решение при нулевых граничных условиях;
C₀ 1 +
m отношение констант скоростей всех стадий реакций к константе первой стадии;
t обобщенная переменная , где, в свою очередь, k константа скорости первой стадии;
ω₀ линейная скорость потока в реакторе;
z пространственная координата реактора.

При этом учитывают практически полное превращение оксида этилена в реакторе.

3) Рассчитывают оптимальные расходы U*1

, U*2, U*3 воды, раствора оксида этилена и рециркулирующего гликоля соответственно, исходя из материального баланса смесителя

U U₁ + U₂ + U₃,
где U₁, U₂, U₃ расход воды, раствора оксида этилена и гликоля, приходящего с рециклом, на входе в смеситель соответственно;
U расходы на выходе смесителя;
X_0вх, Y_0вх, X_0iвх концентрации оксида этилена, воды и гликоля на выходе из смесителя, т. е. на входе в реактор, соответствующие обозначениям со штрихами концентрации на входе в смеситель.

4) Рассчитывают минимальную температуру подогрева реакционной смеси на входе в реактор T*0вх

, обеспечивающую полное превращение оксида этилена в реакторе, исходя из уравнения, связывающего концентрацию оксида этилена и приведенную температуру
X_0вх - X₀ = -β•(θ_0вх-θ₀)
и используя уравнения для X_o(t) и выражение для обобщенной переменной t.

5) Корректируют текущие расходы и температуру подогрева путем изменения задания локальным регуляторам 4-7 согласно полученным оптимальным значениям T*0вх

, U*1, U*2 и U*3.
6) Поддерживают оптимальные значения концентраций оксида этилена и рециркулирующего гликоля с помощью системы динамической стабилизации с обратной связью, обеспечивающей постоянную температуру на выходе реактора при постоянной температуре на входе, учитывая, что при постоянной температуре на входе в реактор T_вх Т_0вх, что обеспечивается регулятором 4, изменение температуры на выходе реактора ΔT(τ) и изменение концентрации на входе в реактор ΔX_вх(τ) связаны передаточной функцией

где соответствующие изображения;
τ_з время запаздывания, равное времени пребывания в реакторе.

При этом выходной регулируемой переменной является температура на выходе реактора, а регулирующими переменными будут расходы оксида этилена и обессоленной воды, поступающие в смеситель.

Таким образом, разработан способ оптимального управления процессом синтеза гликолей, в котором в отличие от прототипа, обеспечивается не максимальная селективность по моноэтиленгликолю, а оптимальное распределение продуктов на выходе, поскольку целевыми продуктами могут являться и высшие гликоли или их совокупность. Кроме того, предложены беспоисковая процедура определения концентрации оксида этилена на входе в реактор и определение оптимальной концентрации по заданному распределению продуктов на выходе, что значительно снижает объем вычислений и повышает быстродействие системы статической оптимизации. Кроме системы статической оптимизации, которая рассматривается в прототипе, предложена система динамической стабилизации процесса с обратной связью, которая удерживает процесс вблизи оптимального статического режима.

Использование: химическая промышленность. Сущность изобретения: путем регулирования расходов обессоленной воды и водного раствора оксида этилена по измеренной разности температур на входе и выходе реактора рассчитывают текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор, затем по заданному оптимальному распределению продуктов на выходе из реактора рассчитывают оптимальную концентрацию оксида этилена и рециркулирующего гликоля, с помощью материального баланса смесителя рассчитывают оптимальные расходы воды, водного раствора оксида этилена и гликоля, после чего по статической модели реактора рассчитывают минимальную температуру подогрева смеси на входе в реактор, а затем корректируют текущие расходы и температуру подогрева путем изменения заданий локальным регуляторам, оптимальные значения концентраций оксида этилена и рециркулирующего гликоля поддерживают с помощью системы динамической стабилизации. Текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор рассчитывают по математическому выражению. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления процессом синтеза гликолей гидратацией оксида этилена путем регулирования расходов обессоленной воды и водяного раствора оксида этилена, отличающийся тем, что по измеренной разности температур на выходе и входе реактора рассчитывают текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор, затем по заданному оптимальному распределению продуктов на выходе из реактора рассчитывают оптимальную концентрацию оксида этилена и рециркулирующего гликоля, с помощью материального баланса смесителя рассчитывают оптимальные расходы воды, водного раствора оксида этилена и гликоля, после чего по статической модели реактора рассчитывают минимальную температуру подогрева смеси на входе в реактор и затем корректируют текущие расходы и температуру подогрева путем изменения заданий локальным регуляторам, а оптимальные значения концентраций оксида этилена и рециркулирующего гликоля поддерживают с помощью системы динамической стабилизации с обратной связью, обеспечивающей постоянную температуру на выходе реактора при постоянной температуре на входе. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор рассчитывают по формуле
X_овх = β•ΔT₀,
где Х_о в х текущая концентрация оксида этилена на входе в реактор;
ΔT₀ - разность температур на выходе и входе реактора;
β - теплофизический коэффициент.