СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЛЬНОГО СООТНОШЕНИЯ "УГЛЕВОДОРОД : ОКИСЛИТЕЛЬ" ПРИ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2001 года по МПК C10G35/04 G05D27/00 

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано в процессе конверсионного получения водорода из углеводородного сырья.

Известен способ автоматического регулирования параметров процесса при конверсии углеводородов [а. с. СССР N 694080, МКИ C 10 G 35/04, приоритет 30.07.76, публ. 25.10.79, бюл. N 39], включающий раздельную подачу и смешение углеводородного сырья и реагента, подачу смеси в реакторы установки конвертирования и регистрацию текущих значений содержаний реагентов. При этом регулирование расхода реагента осуществляют в зависимости от величины соотношения реагента и углеводорода в сырьевой смеси, поступающей на вход реактора.

К недостаткам известного способа относится отсутствие возможности точного регулирования соотношения компонентов исходной смеси, влияющей на качество и состав получаемого продукта. Кроме того, в процессе реализации известного способа проблематично оперативно корректировать расход сырья в случае создания критической ситуации, приводящей к появлению твердых продуктов (углерода) взаимодействия исходных компонентов, что приводит к отказу работы установки, ввиду отсутствия контроля полного состава компонентов выходного продукта.

Известен наиболее близкий по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому способ автоматического регулирования мольного соотношения "углеводород : окислитель" при конверсии углеводородов [кн. P.P. Хабибулин "Эксплуатация установок по производству водорода и синтез газа", М.: изд. "Химия", 1990, с. 148-155].

В известном способе углеводородное сырье и окислитель смешивают в смесителе, затем полученную смесь реагентов подают в реактор установки конвертирования, которая содержит приборы, регистрирующие текущие расходы реагентов на входе в смеситель, приборы, регулирующие подачу этих реагентов в смеситель. Регулирование расхода исходных реагентов осуществляется на основе учета отклонения действительного (текущего) значения их расхода от заданного значения (ΔCiи

).
Однако в известном способе не предусмотрен контроль полного состава компонентов выходного продукта на выходе из реактора, вследствие чего становится проблематичным достижение нужного состава и качества последнего, что снижает эффективность регулирования. В известном способе также возможно неконтролируемое изменение соотношения "углеводород: окислитель" в случае появления негерметичностей трубопроводов и соединительных элементов на входе в смеситель, что снижает точность регулирования расходов компонентов сырья.

Техническая задача автора изобретения заключается в разработке способа эффективного регулирования мольного соотношения "углеводород: окислитель", обеспечивающего требуемую точность дозирования компонентов сырья и получение заданного состава выходного продукта.

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, по сравнению с прототипом заключается в повышении качества выходного продукта за счет повышения точности регулирования расхода компонентов исходного сырья и в повышении эффективности и надежности регулирования за счет расширения информативности при регистрации отклонений текущих содержаний компонентов выходного продукта от заданного значения.

Указанная техническая задача и новый технический результат обеспечены тем, что в известном способе, включающем раздельную подачу углеводорода и окислителя в качестве реагентов сырьевой смеси в смеситель, смешение реагентов в смесителе, подачу полученной смеси в установку конвертирования, содержащую реактор, приборы, регистрирующие текущие содержания реагентов на входе в смеситель, приборы, регулирующие подачу реагентов в смеситель с коррекцией по отклонению текущих расходов реагентов от заданного значения, причем подачу каждого из реагентов сырьевой смеси регулируют с коррекцией по отклонению текущих показателей выходного продукта от заданных, для чего используют дополнительно систему приборов, сначала преобразующих выходные сигналы, пропорциональные текущим концентрациям каждого из компонентов выходного продукта, в сигналы, пропорциональные содержанию атомов углерода и кислорода, или кислорода и водорода, или углерода и водорода, в продукте, в соответствии со следующими зависимостями:



где - соответственно концентрации водорода, окиси углерода, двуокиси углерода, воды, метана в выходном продукте при общем давлении Р = 101325 Па,%, а А_C, А_O, А_H - соответственно процентные содержания атомов углерода, кислорода, водорода в выходном продукте, об.%, затем передающих преобразованные сигналы в устройство, выдающее сигнал ошибки, соответствующий разнице между преобразованным сигналом и эталонным сигналом, который пропорционален заданному содержанию атомов углерода и кислорода, или кислорода и водорода, или углерода и водорода в выходном продукте, после чего сформированный сигнал ошибки передают в прибор, регулирующий подачу исходных реагентов.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующим образом. На фиг. 1 изображена блок-схема установки для конвертирования углеводородов, содержащая смеситель (СМ) 5, реактор (Р) 6, трубопроводы для подачи компонентов сырья (не показаны), приборы (Д1, Д2) 3, 4, регистрирующие текущий расход реагентов на входе в смеситель, приборы (РРГ1, РРГ2) 1, 2, регулирующие подачу реагентов в смеситель, а также приборы (ДГ) 8, регистрирующие текущие концентрации компонентов выходного продукта (система датчиков). Дополнительно установка содержит блок преобразователей I, преобразующий сигналы, пропорциональные текущим концентрациям каждого из компонентов выходного продукта, в сигналы, пропорциональные содержанию атомов углерода и кислорода, или кислорода и водорода, или углерода и водорода в выходном продукте, а затем передающие преобразованные сигналы в блок сравнения II, выдающий сигнал ошибки. В блок преобразователей входят: датчики (ДГ) 8; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, цифровой преобразователь (ЦП) 10, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11. В блок сравнения II входят дискриминатор (ДК) 12 и генератор измерительных (опорных) сигналов (ГИС) 13. Сформированный сигнал ошибки поступает на регуляторы (РРГ1) 1, (РРГ2) 2, корректирующие подачу реагентов в смеситель. Газообразные продукты конверсии, выходящие из реактора (Р) 6, подают далее к потребителю (ПТ) 7.

Процесс конвертирования состоит в преобразовании исходного углеводородного сырья в газовую смесь с высокой концентрацией водорода.

Преобразованный в установке газ содержит следующие компоненты: H₂, CO₂, CO, H₂О, CH₄. Количественный состав газовой смеси может меняться в зависимости от таких основных факторов, как температура, давление, соотношение компонентов исходного углеводорода и окислителя.

Элементный состав выходного продукта может быть представлен в виде диаграммы состояний для трех видов атомов: углерода, кислорода и водорода на диаграмме состояния, изображенной на фиг. 2 в виде треугольника, в вершинах которого расположены углерод, кислород и водород.

Каждому состоянию конечного продукта соответствует точка на диаграмме, координатами которой являются процентные содержания атомов в преобразованной газовой смеси. Установлены математические зависимости между координатами каждой из точек и содержанием газа (1, 2, 3). Область допустимых состояний для конкретных условий реализации процесса конверсии определяется объемом заранее задаваемых значений.

Заявляемый способ осуществляют первоначальной подачей очищенного углеводорода и окислителя в смеситель. Регулированием подачи с помощью регуляторов (РРГ1) 1, (РРГ2) 2 добиваются установления заданной величины расходов углеводорода и окислителя, аналогично тому, как это предусмотрено в прототипе. Смесь углеводорода и окислителя подают в реактор (Р) 6, где происходит преобразование исходной смеси в конечный продукт указанного выше состава. Определение текущих значений концентрации газов в выходном продукте производится по показаниям датчиков (ДГ) 8. На основании полученных измерений по формулам (1) - (3) вычисляются текущие содержания атомов кислорода, водорода и углерода в выходном продукте и производится сравнение текущих значений содержаний с заданными значениями для определения отклонения (ΔCiк

) от показателей, о характерных для нормальной работы.

Преобразование электрических сигналов, выдаваемых датчиками (ДГ) 8, осуществляется автоматически в системе преобразователей 1 (фиг 1). Электрические сигналы с датчиков (ДГ) 8 поступают в аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 9, где происходит их преобразование в цифровой код. Закодированные сигналы подают в цифровой преобразователь (ЦП) 10, где по заданной программе (алгоритму) происходит их преобразование в два сигнала, соответствующие процентному содержанию атомов углерода и кислорода, или атомов углерода и водорода, или атомов кислорода и водорода, в зависимости от задачи оператора, связь между которыми определяют по зависимостям (формулы 1, 2, 3).

На последующем этапе преобразованные сигналы передаются в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11, где цифровые коды преобразуются в электрические сигналы. Затем электрические сигналы поступают в дискриминатор (ДК) 12 для сравнения их величины с заданным значением, формируемым в генераторе (ГИС) 13. Сигнал на выходе каждого из двух каналов дискриминатора (ДК) 12 пропорционален разности заданного и поступившего сигналов.

Таким образом формируется сигнал ошибки (ΔCiк

), соответствующий отклонению текущего содержания каждого из атомов (соответственно атомов углерода ΔCcк, водорода ΔCнк, кислорода ΔCoк) в составе выходного продукта от заданного.

Заданный сигнал формируется в генераторе измерительных (стандартных) сигналов (ГИС) 13. Дискриминатор и генератор образуют блок сравнения II.

Передача сигнала ошибки из блока сравнения осуществляется на регуляторы подачи окислителя и углеводорода, за счет чего обеспечивается автоматическая регулировка мольного соотношения "углеводород : окислитель".

В отличие от прототипа в заявляемом способе регулирование указанного мольного соотношения осуществляется по параметрам конечного продукта (ΔCiк

) , регистрируемым на выходе из реактора. В прототипе регулирование мольного соотношения производится с учетом сигнала ошибки (ΔCiи), регистрируемого на входе в смеситель.

В известном способе не обеспечены учет и контроль возможных потерь на линиях подачи исходных реагентов в смеситель, а также иных перебоев в работе установки. Это свидетельствует о недостаточно высокой степени автоматизации процесса за счет отсутствия линии обратной связи. Все это может негативно отразиться на качестве конечного продукта, соответствии его состава требуемому из-за возникающей в этом случае погрешности в дозировании реагентов.

В заявляемом способе обеспечена широкая информативность о составе конечного продукта, что обеспечивает повышение точности дозирования исходных реагентов сырьевой смеси, за счет формирования линии обратной связи, позволяющей включить в набор регулирующих операторов фактор погрешности ΔCiк

. Регистрация количеств конечных продуктов на выходе из реактора после прохождения реакционной и транспортной зон, где возможны перебои и утечки, позволяет устранить необходимость контроля потерь. Это обеспечивает надежность и саморегулируемость способа, минимизацию влияния помех, возникающих в случае неисправностей системы, на процесс регулирования мольного соотношения.

К другим технико-экономическим преимуществам предлагаемого способа относятся простота управления процессом конверсии, снижение степени опасности возникновения твердых продуктов реакции, приводящих к отказу работы оборудования.

Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующими конкретными примерами.

Пример 1.

В установку конвертирования углеводородов, блок-схема которой изображена на фиг. 1, в качестве углеводородного сырья подают метан, в качестве окислителя - пары воды. В данном конкретном случае реакция конверсии сырьевой смеси в конечный водородообогащенный продукт имеет следующий вид:
0,203 CH₄ + 0,403 H₂O = 0,639 H₂+0,158 H₂O +0,149 CO+ + 0,048 CO₂ + 0,006 CH₄ (4).

Условия осуществления конверсии следующие: мольное соотношение "углеводород : окислитель" - 1 : 2; температура в зоне реакции 750^oC; давление в зоне реакции 101325 Па; катализатор реакции - никель на пористом носителе. Связь между количеством молей (n), парциальным давлением (Р, атм.) каждого компонента и концентрацией (С, об.%) следующая:
n•100 = Р•100 = С (5).

Установка конвертирования в условиях данного примера содержит изображенные на схеме (фиг. 1) датчики регистрации расходов реагентов (Д1) 3, (Д2) 4 на входе в смеситель (СМ) 5, регуляторы расходов (РРГ1), (РРГ2) 2, реактор (Р) 6, потребитель (ПТ) 7, датчики (ДГ) 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, цифровой преобразователь (ЦП) 10, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11, дискриминатор (ДК) 12, генератор измерительных сигналов (ГИС) 13. Приборы, входящие в установку конвертирования, имеют стандартное исполнение.

Регистрация состава выходного продукта на выходе из конвертора осуществляется в объемных процентах, а определение текущих содержаний атомов углерода, водорода и кислорода в газовой смеси осуществляется с помощью зависимостей (1), (2), (3). Далее, сравнивая текущие значения с заданными, определялись отклонения от показателей нормальной работы, которые ликвидируются путем регулирования расхода окислителя и углеводорода на входе установки. Для этого сформированный сигнал ошибки ΔCiк

по истечении времени t<1,5 с, с момента подачи смеси в конвертор подают на регулятор расхода окислителя и углеводорода для корректирования их расходов.

Пример 2.

Условия проведения, регистрации показателей выходного продукта, автоматического регулирования мольного соотношения при проведении конверсии такие же, как и в примере 1, за исключением мольного соотношения, которое было взято 1 : 3. Реакция конверсии в данном случае имеет вид:
0,168 CH₄ + 0,503 H₂О = 0,561 H₂ + 0,271 H₂O + 0,102 CO + 0,065 CO₂ + 0,001 CH₄ (6).

Статистический набор данных процесса по примерам 1, 2 заявляемого способа-прототипа представлен в таблице. В графах 8,9, 10 таблицы приведены данные для разности между заданными и текущими содержаниями атомов в газовой смеси выходного продукта (соответственно углерода, кислорода, водорода). В графах 15, 16 приведены данные для разности между заданными и текущим расходами исходных компонентов для соответственно углеводорода и окислителя.

Помехоустойчивость системы регулирования в прототипе при возникновении неисправностей низка, а следовательно, низки и надежность и точность регулирования, так как регулирующими факторами в этом случае являются сигналы, пропорциональные расходам только исходных реагентов. В предлагаемом способе помехоустойчивость выше, так как введение в систему регулирования линии обратной связи обеспечивает оперативную и точную коррекцию расхода реагентов с учетом полной информации о составе выходного продукта. На этом основаны более высокие надежность и эффективность регулирования.

Из таблицы видно, что реализация заявляемого способа в отличие от способа-прототипа с использованием регулирования расхода сырья по отклонениям содержания компонентов выходного продукта с учетом заявляемых зависимостей (1), (2), (3) позволяет повысить эффективность, точность способа на базе более полной информативности о состоянии выходного продукта, надежность, что в конечном итоге повышает качество выходного продукта.

Использование: в нефтеперерабатывающей промышленности в процессе конверсии углеводородов. Способ включает подачу сырьевой смеси в смеситель, затем в конвертор, где происходит преобразование углеводорода и окислителя в водородосодержащую смесь конечных продуктов конверсии. Регулирование расходов компонентов исходной сырьевой смеси ведут в автоматическом режиме на основе сигнала отклонения текущего расхода компонентов конечного продукта от заданного. Формирование сигнала отклонения осуществляется в блоке сравнения, а регистрация измеренных сигналов и их преобразование в управляющий сигнал - в блоке преобразования, содержащем приборы, регистрирующие концентрацию компонентов конечного продукта и приборы, преобразующие сигналы, соответствующие текущим значениям компонентов в сигналы, соответствующие содержанию атомов углерода, кислорода и водорода. Данный способ позволяет повысить точность, надежность и эффективность регулирования подачи сырья и расширить информативность. 2 ил., 1 табл.

Способ автоматического регулирования мольного соотношения "углеводород : окислитель" при конверсии углеводородов, включающий раздельную подачу углеводорода и окислителя в качестве реагентов сырьевой смеси в смеситель, смешение реагентов в смесителе, подачу полученной смеси в установку конвертирования, содержащую реактор, приборы, регистрирующие текущие содержания реагентов на входе в смеситель, приборы, регулирующие подачу реагентов в смеситель с коррекцией по отклонению текущих расходов реагентов от заданного значения, отличающийся тем, что подачу каждого из реагентов сырьевой смеси регулируют с коррекцией по отклонению текущих показателей выходного продукта от заданных, для чего используют дополнительно систему приборов, сначала преобразующих выходные сигналы, пропорциональные текущим концентрациям каждого из компонентов выходного продукта, в сигналы, пропорциональные содержанию атомов углерода и кислорода, или кислорода и водорода, или углерода и водорода, в продукте, в соответствии со следующими зависимостями:



где - соответственно концентрации водорода, окиси углерода, двуокиси углерода, воды, метана в выходном продукте при общем давлении Р=101325 Па, %;
А_С, А_О, А_Н - соответственно процентные содержания атомов углерода, кислорода, водорода в выходном продукте, об.%,
затем передающих преобразованные сигналы в устройство, выдающее сигнал ошибки, соответствующий разнице между преобразованным сигналом и эталонным сигналом, который пропорционален заданному содержанию атомов углерода и кислорода, или кислорода и водорода, или углерода и водорода в выходном продукте, после чего сформированный сигнал ошибки передают в прибор, регулирующий подачу исходных реагентов.