СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ САЖЕВОГО РЕАКТОРА Российский патент 2003 года по МПК C09C1/54 

Изобретение относится к автоматизации сажевых производств и может быть использовано для автоматического контроля производительности реакторов по получаемому продукту.

Процесс получения сажи в реакторе состоит из ряда последовательно протекающих стадий: полное горение топлива в условиях избытка кислорода, диспергирование в потоке газов горения жидкого углеводородного сырья, его испарение и неполное горение в условиях недостатка кислорода, остающегося после сгорания топлива, нагрев паров сырья до температуры его разложения и образование дисперсного углерода (сажи). Таким образом, углерод сырья не полностью превращается в дисперсный углеродный продукт (сажу), а часть его подвергается неполному горению (до СО) и уходит с реакционными газами. Для целей управления процессом и своевременной корректировки технологического режима важна оперативная информация о производительности реактора по продукту при текущем расходе сырья (или выходу продукта на пропущенное сырье, что равноценно). Естественно, что оптимальным является технологический режим, обеспечивающий максимальный выход в условиях действия ограничений по качественным показателям продукта. Поскольку до настоящего времени не существует инструментальных методов контроля, то производительность сажевых реакторов определяют расчетными методами по различным измеренным параметрам процесса.

Известен способ контроля производительности реактора (выхода сажи), основанный на измерении состава отходящего газа и данных по входным параметрам процесса. Выход сажи определяется по уравнению баланса углерода как разность между приходом углерода с топливом и сырьем и расходом углерода с уходящими углеродосодержащими газами [1]. Однако данный способ не является оперативным, так как отбор и анализ пробы отходящего газа занимает значительный промежуток времени. Кроме того, даже незначительные погрешности в определении состава газа приводят к существенному искажению конечного результата.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ по [2], который мы выбрали в качестве прототипа. В указанном способе производительность сажевого реактора определяют с помощью вычислительного устройства по измеренным значениям расходов сырья, газа, воздуха, удельной поверхности сажи и периодически вводимыми значениями содержания углерода в сырье и топливе.

Основными недостатками данного способа являются низкая точность и недостаточная оперативность определения производительности реактора. Низкая точность связана с тем, что экспериментальное выражение для определения функции состава отходящего газа по удельной поверхности сажи сохраняется только для узкого диапазона ее значений и строго постоянного качества сырья. При изменении этих параметров, что неизбежно в промышленных условиях, точность определения производительности реактора становится неудовлетворительной. Кроме того, в настоящее время нет надежных датчиков контроля удельной поверхности сажи в потоке. Измерение же данного показателя путем отбора и анализа пробы сажи приводит к потере оперативности. Другой причиной низкой оперативности контроля является необходимость нахождения новых коэффициентов для определения функции состава отходящего газа при переходе на производство другой марки сажи или при изменении состава сырья. Низкая точность и невозможность непрерывного определения производительности приводят к неэффективности использования способа для управления сажевым реактором.

Целью изобретения является обеспечение непрерывности и повышение точности контроля производительности реактора.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля производительности сажевого реактора, включающем измерения расходов сырья, воздуха, топлива, дополнительно измеряют плотность сырья, вводят стехиометрические коэффициенты полного горения топлива и неполного горения углерода сырья, с использованием которых и определяют производительность реактора по выражению

где Q_р - производительность реактора, кг/ч;
G_с - расход сырья, кг/ч;
0,21 - содержание кислорода в воздухе, в долях;
ρ₂₀ - плотность сырья при 20^oС, г/см³;
G_в - расход воздуха, нм³/ч;
G_т - расход топлива, нм³/ч (кг/ч для жидкого топлива);
f_т - стехиометрический коэффициент полного горения топлива, нм³ воздуха/нм³ (кг) топлива;
f_с - стехиометрический коэффициент неполного горения углерода, нм³ кислорода/кг углерода;
А, В - экспериментально определяемые коэффициенты.

Сущность способа заключается в следующем.

Производительность реактора определяется как разность между количеством углерода, поступающего в реактор с сырьем, и количеством углерода, перешедшего в газовую фазу в результате неполного горения сырья (до СО)
Q_P = G_Cα_C-QCГC

Авторами найдено, что количество сгораемого углерода может быть определено не по данным состава реакционных газов, а на основе использования стехиометрических коэффициентов полного горения топлива и неполного горения углерода.

где G_в - расход воздуха, нм³/ч;
G_т - расход топлива, нм³/ч;
f_т - стехиометрический коэффициент полного горения топлива, нм³ воздуха/нм³ природного газа (или на кг жидкого топлива);
0,21 - содержание кислорода в воздухе, в долях;
f_с - стехиометрический коэффициент неполного горения углерода, нм³ кислорода/кг углерода.

Произведение f_тG_т является количеством использованного в процессе воздуха на полное горение топлива, а в целом числитель формулы (2) определяет количество свободного кислорода, остающегося после полного горения топлива. Частное же от деления количества свободного кислорода на величину кислорода, необходимого для неполного горения одного кг углерода (f_с), дает общее количество сгораемого в процессе углерода.

Объединяя формулы (1) и (2) получаем выражение для определения производительности реактора

Известно [3] , что плотность сырья взаимосвязана с содержанием в нем углерода. Обработкой известных литературных данных по свойствам и составу различных типов используемого для производства сажи углеводородного сырья [4] и своих данных авторами методами корреляционного анализа найдено экспериментальное выражение
α_C = 0,46+0,40ρ₂₀, (4)
где 0,46 - свободный член уравнения, в долях;
0,40 - коэффициент, см³/г;
ρ₂₀ - плотность сырья при 20^oС, г/см³.

С учетом (4) получаем окончательно

В данном выражении расходы сырья, воздуха, топлива и плотность сырья - непрерывно измеряемые параметры процесса, коэффициенты f_т и f_с - постоянные величины для любых условий процесса.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает непрерывное измерение производительности реактора.

В производственной практике для целей оперативного управления реакторами используется и такой показатель, как выход сажи на пропущенное сырье в процентах
B = Q_p/G_c • 100, (6)
где В - выход сажи, %.

Предлагаемый способ позволяет определить выход сажи - В параллельно с производительностью реактора - Q_р, т.к. используется одна и та же входная информация.

На чертеже представлена принципиальная схема, реализующая данный способ контроля.

Устройство содержит вычислительный блок 1, датчики 2 - 4 топлива, воздуха и сырья соответственно, датчик 5 плотности сырья. Сигналы с датчиков 2 - 5 непрерывно поступают на вход вычислительного устройства 1, а также вводятся значения стехиометрических коэффициентов полного горения топлива f_т и неполного горения углерода сырья f_с, которые постоянны и в дальнейшем не корректируются. Вычислительный блок по уравнению (5) рассчитывает производительность реактора.

Пример.

Способ контроля испытывался в промышленных условиях ОАО "Ярославский технический углерод" в составе автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Плотность сырья измерялась массовым расходомером - плотномером "КРОНЕ", установленным на общей линии подачи сырья в производство. В качестве вычислительного устройства использовался регулирующий контроллер "Ремиконт 130", связанный сетью с промышленным компьютером, на мониторе которого информация о производительности и выходе отображалась в виде чисел и непрерывных графиков. Величина стехиометрического коэффициента неполного горения углерода принята по [5] и равняется 0,93 нм³ кислорода на кг углерода. Величина стехиометрического коэффициента полного горения природного газа, который используется в качестве топлива, составляет 9,52 нм³ воздуха/нм³ природного газа. Значения коэффициентов приняты 0,46 и 0,40 соответственно, как и определены ранее.

С целью определения точности способа проводились специальные балансовые испытания путем накопления сажи в бункере готовой продукции за фиксированный промежуток времени с дальнейшей выгрузкой и взвешиванием. За этот же промежуток времени фиксировался суммарный расход сырья. Это истинное значение производительности реактора и выхода продукта из сырья. Результаты сведены в таблицу.

Как видно по результатам испытаний относительная погрешность расчета не превышает 1,5%, что вполне приемлемо для целей оперативного управления. Использование данного способа обеспечивает непрерывный контроль производительности реактора в темпе с протеканием процесса, что позволяет оперативно корректировать технологический режим и, в конечном итоге, повысить эффективность работы реактора и стабильность качества продукта.

Литература:
1. Производство и свойства углеродных саж. Труды ВНИИСП, Омск, Зап.-Сиб. кн. изд., 1972, с.223 и 224 - аналог.

2. Авторское свидетельство СССР 899609, кл. С 09 С 1/52, 1982 - прототип.

3. Остин О. Производство сажи. В сб. Усиление эластомеров. Под редакцией Крауса Д. - М.: Химия, 1968, с.249.

4. Гюльмисарян Т.Г., Гилязетдинов Л.П. Сырье для производства углеродных печных саж. - М.: Химия, 1975, 160 с.

5. Зуев В.П., Михайлов В.В. Производство сажи. - М., 1970, с.22.

Изобретение предназначено для химической промышленности. Измеряют расходы сырья, воздуха и топлива. Подают эти сигналы на вход вычислительного устройства. Плотность сырья измеряют массовым расходомером-плотномером и подают сигнал на вход вычислительного устройства. Дополнительно на вход вычислительного устройства вводят стехиометрические коэффициенты полного горения топлива и неполного горения углерода. Производительность реактора определяют по формуле где Q_р - производительность реактора, кг/ч; G_с, G_в, G_т - расходы сырья, кг/ч; воздуха, нм³/ч; топлива, нм³/ч или кг/ч для жидкого топлива; f_Т, f_С - стехиометрические коэффициенты полного горения топлива, нм³ воздуха/нм³ природного газа или на 1 кг жидкого топлива; и неполного горения углерода, нм³ кислорода/кг углерода; 0,46 и 0,40 см³/г - коэффициенты; ρ₂₀ - плотность сырья при 20^oС, г/см³; 0,21 - содержание кислорода в воздухе. Изобретение позволяет оперативно управлять технологическим режимом, повысить эффективность работы реактора и обеспечить стабильность качества продукта. 1 табл., 1 ил.

Способ контроля производительности сажевого реактора, включающий измерение расходов сырья, воздуха, топлива, отличающийся тем, что дополнительно измеряют плотность сырья, вводят стехиометрические коэффициенты полного горения топлива и неполного горения углерода сырья, с использованием которых и определяют производительность реактора по выражению

где Q_Р - производительность реактора, кг/ч;
G_с - расход сырья, кг/ч;
ρ₂₀ - плотность сырья при 20^oС, г/см³;
G_В - расход воздуха, нм³/ч;
G_Т - расход топлива, нм³/ч (кг/ч для жидкого топлива);
f_Т - стехиометрический коэффициент полного горения топлива, нм³ воздуха/нм³ природного газа (или на 1 кг жидкого топлива);
f_С - стехиометрический коэффициент неполного горения углерода, нм³ кислорода/кг углерода.