Способ автоматического управления многослойным контактным аппаратом с межслойными теплообменниками сернокислотного производства Советский патент 1990 года по МПК C01B17/76 G05D27/00 

фиг i

з1535820

Изобретение относится к автомати

ческому управлению каталитическим процессом в многослойном аппарате с неподвижными слоями дезактивирующего катализатора и может быть использовано в химической промышленности, в частности для управления контактным аппаратом в производстве серной кислоты.

Цель изобретения - снижение потерь диоксида серы за счет стабилизации его степени превращения.

На фиг-.1 приведена схема системы управления процессом окисления диокси да серы, реализующая предлагаемый способ; на фиг.2 - график изменения степени превращения по высоте слоя катализатора; на фиг.З - график зависимости равновесной степени превращения от температуры.

Схема системы управления (фиг„1) содержит контактный аппарат 1 с теплообменниками 2 и 3 первого (I) и второго (ll) слоя, термодатчики 4-9, дат- чик 10 концентрации диоксида серы в исходном газе, регулирующие органы 11-13 с исполнительным механизмом, регуляторы , вычислительные блоки 13-, блоки 23 и 21 сравненмя, опок /j 1 раничения ч дг -im 26 дар- гения.

Способ осуществляет гледу ш/м о разом.

В первый слой (l) контак аппарата подают исходный гзз через - епло- обменники 2 и 3. температуру гази на входе э этот слой стабилизируют регулятором , отрабатывающим, например, ПИ-закон регулирования. Для этого на

в исходном газе. В технологии серной кислоты из колчедана предусматривается мокрая очистка обжигового газа в промывных 35 башнях. После мокрой очистки содержа ние триоксида серы в исходном газе снижается до нуля, т.е. практически 0. При этом, согласно (3) на четвертом входе блоков 19 и 20 устанаа- 40 ливают нулевое значение сигнала Х.

вход регулятора подают сигнал Т, с датчика U, установленного на входе первого слоя. На другой вход регуляОднако в общем случае, когда по технологии сернокислотного производства мокрая очистка газа, содержащего диоксид и триоксид серы, перед подачей тора подают задание Т по температуре 45 в контактный аппарат отсутствует то

газа на входе первого слоя. Регулятор формирует в зависимости от значений Tf и Т3 регулирующий сигнал, который подаю на исполнительный механизм регулирующего органа 11, установленного на байпасной линии теплообменника

50

значение сигнала X , определяют по формуле (3).

Рассчитывают в вычислительном бло ке 20 равновесную степень превращени Х° диоксида серы. Для этого решают систему уравнения:

2. Задание Т3 формируется системой управления верхнего уровня, например системой оптимального управления контактным аппаратом.

Степень превращения диоксида серы на первом слое стабилизирует следующим образом.

0

с

5

0

Рассчитывают в вычислительном блоке 19 действительную степень превращения Xlj диоксида серы по формуле

+ СГ .-Т)/.(1)

Для этого на входы блока 19 подают сигналы Т° и Т4, от термодатчиков и 5, которые измеряют температуры газа на входе и выходе первого слоя. На третий вход блока 19 подают сигнал Я с выхода вычислительного блока 18. На вход блока 18 подают сигнал от датчика 10, измеряющего концентрацию диоксида серы в исходном газе. В блоке 18 рассчитывают значение 7i по формуле

Д а-С/Ср,(2)

где Ср - средняя теплоемкость исходного газа; а 2,3 - констант--.

На четверым вход блока 19 подают сигнал Х° - начальную степень щения диоксида сегы, котооуо определяют по содержанию трмоксида серы в исходном газе (данньч, лабораторного анализа) по формуле

v - -- ОС.

(3)

где С) - концентрация триоксида серы

в исходном газе; С - концентрация диоксида серы

в исходном газе. В технологии серной кислоты из колчедана предусматривается мокрая очистка обжигового газа в промывных башнях. После мокрой очистки содержание триоксида серы в исходном газе снижается до нуля, т.е. практически 0. При этом, согласно (3) на четвертом входе блоков 19 и 20 устанаа- ливают нулевое значение сигнала Х.

значение сигнала X , определяют по формуле (3).

Рассчитывают в вычислительном блоке 20 равновесную степень превращения Х° диоксида серы. Для этого решают систему уравнения:

xNkP/(kP-nJ(ioo-o,5 C.x(;)(c,-o,5c.xl,n);(I,) T -i-+i W-x ,),

где Ск 21-0,296;

С - концентрация кислорода в исходном газе;

Р - давление газа в слое;

kp - константа равновесия реакции

окисления диоксида серы. Ее значение определяют из выражения

и

1535820

катализатора (фиг.2) и график зависимости равновесной степени превращения от температуры (фиг.З).

Пусть до некоторого момента времени режим процесса окисления в пер

Изобретение относится к автоматическому управлению каталитическим процессом в многослойном аппарате с неподвижными слоями дезактивирующего катализатора и может быть использовано в химической промышленности, в частности, для управления контактным аппаратом в производстве серной кислоты. Схема системы управления содержит контактный аппарат 1 с теплообменниками 2 и 3, термодатчики 4 - 9, датчик 10 концентрации диоксида серы, регулирующие органы 11 - 13, регуляторы 14 - 17, вычислительные блоки 18 - 22, блоки 23 и 24 сравнения, блок 25 ограничителя и датчик 26 давления. Положительный эффект достигается путем последовательного вовлечения в реакционный процесс резерва активности катализатора слоев. 3 ил.

(T, +d)+g,

где b «905; ,15; ,1552 - константы.

Систему уравнений () решают численным методом, например, золотого сечения.

На входы блока 20 подают следующие сигналы: Т° - от термодатчика ; С - от датчика 10; Я- с выхода вычислительного блока 18; Р - с выхода датчика 26 давления газа в слое; Х° - по данным лабораторного анализа и константы.

вом слое характеризуется расходом G, и концентрацией С исходного газа и равновесной степенью превращения (см.

Ю т.А на фиг.2 и 3). При этом эффективная высота катализатора, которая обеспечивает степень превращения Х, равна Ьч, а температура газа на входе в слой равна Т°.

15 Произошло снижение активности катализатора, вследствие чего уменьшилась эффективная высота слоя до значения h о. Это повлекло смещение рабочей точки по адиабате (С, Т) в поло- Сигналы Х и xlj направляют на вхо- 20 жение А (см. фиг.З). В этих условиях

ды блока сравнения 23, в котором формируют логический сигнал Ц) 1, если X Хд. Сигнал Ц, с выхода блока 23 подают на вход регулятора 16. На выходе регулятора 16 формируют сигнал Yf, пропорциональный разности равновесной X и действительной Х а степеней превращения диоксида серы. Для этого входы регулятора 16 связывают с выходами блоков 20 и 19. Формируют сигнал Y по выражению

Y,(t,)Y,(tk J+k..)-,

обеспечить равновесную степень превращения можно двумя путями.

Первый путь связан с увеличением температуры газа на входе в слой, 25 например, до значения Т /Т. При этом, как следует из фиг.З, рабочая точка процесса окисления смещается в положение С, которое характеризуется ростом температур на выходе слоя Зо и уменьшением абсолютного значения равновесной степени превращения. Такой режим, естественно, неприемлем. Второй путь связан с уменьшением расхода газа через слой катализатора, например, до значения GJ . В этом случае возрастает время пребывания газа в слое, что приводит к смещению зависимости X (h) на фиг.2 влево и, как следствие, к достижению равновесной д« .степени превращения Х при значении эффективной высоты слоя, равной h. Это обстоятельство возвращает рабочую точку из положения А1 в положение А по той же адиабате (С, Т).

где Y, (tk.,),Yi (tK ) X,(tk), X (tk;

k, 0

сигналы на выходе регулятора в моменты времени tk , ntk, k i,Ј,...; равновесная и действительная степени превращения в момент времени настроечный параметр регулятора.

Сигнал Y( подают на исполнительный механизм pp. улирующего органа 13, установленного на линии подачи части исходного газа на вход второго слоя, и тем самым увеличивают подачу исходного газа на второй слой.

Работа рассмотренной части системы управления обеспечивает стабилизацию степени превращения диоксида серы на первом слое на значении, равном равновесной степени превращения, что видно, используя график изменения степени превращения по высоте слоя

вом слое характеризуется расходом G, и концентрацией С исходного газа и равновесной степенью превращения (см.

т.А на фиг.2 и 3). При этом эффективная высота катализатора, которая обеспечивает степень превращения Х, равна Ьч, а температура газа на входе в слой равна Т°.

Произошло снижение активности катализатора, вследствие чего уменьшилась эффективная высота слоя до значения h о. Это повлекло смещение рабочей точки по адиабате (С, Т) в поло- 20 жение А (см. фиг.З). В этих условиях

5

обеспечить равновесную степень превращения можно двумя путями.

Первый путь связан с увеличением температуры газа на входе в слой, 25 например, до значения Т /Т. При этом, как следует из фиг.З, рабочая точка процесса окисления смещается в положение С, которое характеризуется ростом температур на выходе слоя Зо и уменьшением абсолютного значения равновесной степени превращения. Такой режим, естественно, неприемлем. Второй путь связан с уменьшением расхода газа через слой катализатора, например, до значения GJ . В этом случае возрастает время пребывания газа в слое, что приводит к смещению зависимости X (h) на фиг.2 влево и, как следствие, к достижению равновесной « .степени превращения Х при значении эффективной высоты слоя, равной h. Это обстоятельство возвращает рабочую точку из положения А1 в положение А по той же адиабате (С, Т).

Формально возможен и третий путь, связанный с уменьшением температуры на входе первого слоя, например, до TJ Т. Однако, этот путь недопустим из-за уменьшения количества выделяемого в слое тепла, определяемого температурой Jj для рабочей точки А (см. фиг.З), необходимого для обеспечения устойчивого теплового режима контактирования в аппарате. Поэтому для стабилизации степени превращения диоксида серы на первом слое используют второй путь.

При неизменной нагрузке контактного аппарата по расходу перерабаты5

0

ваемого (исходного) газа уменьшение подачи .газа на первый слой влечет за собой увеличение нагрузки по количеству диоксида серы на последующие слои контактного аппарата, а также уменьшение температуры на входе второго слоя. Последнее обстоятельство ведет к тому, что рабочая точка, характеризующая вход второго слоя, смещается из положения D (при охлаждении газа, подаваемого на второй слой до температуры TS без подачи части исходного газа на зтот слой) в Е . (при подаче части исходного газа на второй слой). Сопоставляя (на фиг.З) рабочие точки процесса D и Е, соответствующие D1 и Е(, видно, что следствием этого является уменьшение равновесной степени превращения на втором слое. Действительно, . Устранить снижение равновесной степени превращения диоксида серы на втором слое возможно уменьшением температуры на входе второго слоя. Для этого необходимо сместить рабочую точку из положения Е1 в положение Е и тогда рабочая точка, характеризующая работу слоя, сместится из Е в D.

Для реализации этого, согласно Фиг.З, jn пень превращения ХЈ на входе втооогс

35

40

требуется уменьшить температуру газа на входе второго слоя с ТЈ до Т°.

Достижение рабочей точкой положения D в общем случае могут препятствовать два обстоятельства. Первое касается ограничения, которое накладывается на минимально допустимое значение температуры на входе второго слоя. Это значение связано с обеспечением устойчивого температурного режима окисления в слое. Второе касается активности контактной массы в слое, которая характеризуется эффективной высотой слоя. Увеличение подачи исходного газа на второй слой уменьшает величину ХЈ на входе второго слоя и влечет смещение зависимости X(h). В условиях падения активности катализатора второго слоя, и как- следствие, снижения эффективной высоты слоя равновесная степень превраще- 50

ния не достигается.

Возникновение любого из этих обстоятельств приводит к тому, что ресурса второго слоя оказывается недостаточно для компенсации возмущения, вносимого перераспределением расхода исходного газа между первым и вторым слоями. В связи с этим для

слоя по формуле

.(T°-T,)/(T,i-T,),

где

Т0

на

(6) входе

Т„ т, 45

температура газа второго слоя;

температура газа, подаваемо го на второй слой после теп лообменника 3, в котором охлаждается газ с выхода первого слоя;

температура исходного газа, подаваемого на второй слой после нагрева в теплообменнике 3.

С помощью формулы (6) пересчитыва ют (приводят) значение действительно степени превращения диоксида серы на первом слое к входным условиям второ го слоя.

По сигналу ХЈ и по заданному значению XQ степени превращения диоксида серы на выходе второго слоя при сни- жении действительной степени превращения от заданной изменяют темпера- турный ре,жим слоя уменьшением температуры Т| газа на входе второго слоя 55 Значение Х задается системой управления контактным аппаратом более высокого уровня, в частности, системой оптимального управления.

0

5

0

5

обеспечения требуемой компенсации вовлекается и третий слой катализатора. При этом изменение температурного режима работы третьего слоя осуществляют так же, как и изменение температурного режима второго слоя, описанного ниже.

Рассмотрим работу той части системы управления, которая изменяет температурный режим второго слоя путем коррекции температуры газа на входе второго слоя.

Рассчитывают в вычислительной блоке 21 действительную степень превраЛ

щения X,j диоксида серы на втором слое по формуле

X Х°4+()/Я. (5) Для этого, на входы Ьлок-э 21 подают сигналы TЈ и от термодатчиков 6 и 7, которые измеряют температуры газа на входе и выходе второго слоя. На третий вход блока 21 направляют сигнал от блока 18 и выхода блока 22.

Для расчета Х на входы блока 22 подают сигналы Т|, Т, и термодатчиков 6, 8 и §, а также сигнал Xq с выхода блока 19. Рассчитывают стесигнал X Ј с

n пень превращения ХЈ на входе втооогс

5

0

0

слоя по формуле

.(T°-T,)/(T,i-T,),

где

Т0

на

(6) входе

Т„ т, 5

температура газа второго слоя;

температура газа, подаваемого на второй слой после теплообменника 3, в котором охлаждается газ с выхода первого слоя;

температура исходного газа, подаваемого на второй слой после нагрева в теплообменнике 3.

С помощью формулы (6) пересчитывают (приводят) значение действительной степени превращения диоксида серы на первом слое к входным условиям второго слоя.

По сигналу ХЈ и по заданному значению XQ степени превращения диоксида серы на выходе второго слоя при сни- - жении действительной степени превращения от заданной изменяют темпера- - турный ре,жим слоя уменьшением температуры Т| газа на входе второго слоя. 5 Значение Х задается системой управления контактным аппаратом более высокого уровня, в частности, системой оптимального управления.

Такую корректировку режима окисления во втором слое осуществляют до тех пор, пока действительная степень превращения ХЈ не станет равной заданной X3, либо температура ТЈ не достигнет предельно допустимого минимального значения ТЈР, которую назначают из условия обеспечения устойчивого протекания режим окисления в слое. Данную корректиоовку осуществляют с помощью блока 2k сравнения, регуляторов 15 и 17, блока 5 ограничения и регулирующего органа 12 следующим образом.

Сигнал Х2 с выхода вычислительного блока 21 направляют на в оды блоков 17 и Д. Ил друой вход блоков 17 и ik подают сигнал Х:„. В блоке сиг- напы Х| и Х сравнивают и формируют на выходе сигнал Ч. г- 1, еслм X3, Х|.

Сигнал подают На третий вход регулятора 17. На выхрде регулятора 17 формируют сигнал J Ј, пропорциональный разности заданной Х и дей- ствительной Х степеней превращения диоксида серы. Формируют сигнал Т3 по формуле

T3(t,bT3(fk.()-kJxU4)-X|0;K) Ч},, где k о 0 - но1 т г/с е-.цг:и параметр ре- лятора.

Сигнал Т| подают иг оход блока 25 ограничения, на другой вход которого направ оют минимально допустимое зна- чение температуры Т 5Р па входе второго слоя. В блоке 25 сигналы Т3 и Тг/ сравниоают и в зависимости от результатов сравнения формируют выходной сигнал по следующим формулам:

, если Т| -Т4ГР;

, если ТЗ fcjJP .

Выходной сигнал Т3 используют в качестве задания регулятору 15 тем- перлтуро газа не входе второго слоя. В качестве регулируемой величины здесь используют сигнал тЈ с выхода термодатчика 6. Ча выходе регулятора 15 формируют, например, по ПИ-закону регулирующее воздействие Yg, которое направляют на исполнительный механизм регулирующего органе 12, установленного Ja баГ-пасной линии теплообменника 3.

РлссмотреН ач лсть системы управления по структуре и выполняемым

ФУНКЦИЯМ ПОСЛЕ ЛИЯ ЕгОДИТСЯ ДЛЯ ПОСЛ6ДУ

ющих слоев многослойного контактного аппаратт.

Периодичность сравнения действительного и равновесного значений степени превращения на первом слое, а также действительных значений степеней превращения с заданными для последующих слоев назначают опытным путем, принимая во внимание длительнос переходных процессов, характеризующи динамику слоев контактного аппарата.

Система управления работает следующим образом.

Пусть до момента времени tь работ контактного аппарата характеризуют следующие данные:

первый слой: Т(° 20°С; т 600°С; Па; «103 м3/ч; С 8 об.;

второй слой: Т 460 С; Х|-0.91{ .

При этом расчетные значения равны ,72; ,72; ХггО,91; . Измеренным и расчетным значениям соответствуют следующие сигналы. Сигнал ,0, Y, 0. Поэтому подача исходного газа на второй слой отсутствует. Си(- нал и Т| й60°С.

В момент времени t произошло снижение активности катализатора первого слоя и температура Т,1 уменьшилась до значения Т, (tk)595°C. В результате на выходе блока 19 сигнал Xafc) уменьшается и становится равным 0,7. Это приводит к появлению на выходе блока 23 единичного сигнала , т.е. ltA(tk ) 1 и на выходе регулятора 16 вырабатывается сигнал Yf (t)r)k, 0,02, который открывает регулирующий орган 13 и часть исходного газа, например (t(С)0,05 G, с температурой Т( ЙО°С отводится на второй слой.

В результате уменьшается расход G, (t )G t-G u(tk ) и вследствие этого возрастает время контактирования газа в первом слое и, как следствие, возрастает действительная степень превращения на первом слое, в частности, до равновесного значения ,72.

При подаче части исходного газа на второй слой температура на входе слоя уменьшается до значения Т| 59°С, а на выходе блока 22 значение Х становится равным 0,, т.е. XЈ(tk) 0,68. X|(t)0,9, что меньше ,91. Следствием этого является срабатывание блока 2 и возникновение на его выходе единичного сигнала , т.е. (t k) 1.Регулятор 17 по данному сигналу в соответствии уменьшает. температуру газа на входе во второй слой от значения Т |4бО°С до значения J(t |v) 60-kai 0,01, которое в общем случае больше значения 1ЙО°С. Данное значение TЈ(tv) обрабатывается регулятором 15 с помощью регулирующего органа 12, что обеспечивает снижение температуры газа Т(с) на входе второго слоя до зна- чения равного T|(. Это приводит к увеличению действительной степени превращения диоксида серы на втором слое до заданного значения.

Положительный эффект (снижение потерь диоксида серы за счет стабилизации степени превращения) достигается путем последовательного вовлечения в реакционный процесс резерва активности катализатора слоев. Формула изобретения

Способ автоматического управления многослойным контактным аппаратом с межслойными теплообменниками серно- кислотного производства, включающий регулирование температуры газа на входе в каждый слой изменением подачи в него холодной части газа, регулирование подачи исходного газа на каждой слой аппарата, измерение концентрации диоксида серы в исходном газе, температур газа на выходе каждого слоя и теплообменника, исходного газа, подаваемого на второй и последующие слои, отличающийся тем, мто, с целью снижения потерь диоксида серы за счет стабилизации его степени превращения, дополнительно измеряют дав

ление в аппарате на первом слое, кон40

центрацию триоксида серы в исходном газе, по измеренным значениям темпе- ратуры газа на входе и выходе первого слоя, концентрации диоксида и триоксида серы в исходном газе вычисляют текущее значение степени превращения диоксида серы на первом слое, по измеренным значениям температуры газа на входе первого слоя, концентрациям диоксида и триоксида серы в исходном

}

5

газе и давлению в аппарате на первом слое рассчитывают равновесное значение степени превращения диоксида серы на первом слое, вычисляют текущее значение степени превращения диоксида серы на втором и последующих слоях по измеренным значениям на соответствующих слоях аппарата температур исходного газа, подаваемого на слой, газа на входе и выходе слоя и газе на выходе теплообменника слоя, концентрации диоксида серы в исходном газе и вычисленному текущему значению степени превращения диоксида серы на предыдущем слое, сравнивают вычисленное текущее значение степени превращения диоксида серп на первом слое с рассчитанным р вночеечым значением степени превращение диоксида серы на первом сло и при значении вычисленной текущей степени превращения диоксида серы и первом слое ниже его равновесного значении увеличивают подачу исходного газа на второй слой пропорционально разности вычисленных равновесного и текущего значений степени превращения диоксида серы на первом слое, сравнивают вычисленное текущее значение степени превращения диоксида серы на втором и последующих слоях с заданным значением и при значении вычисленной текущей степени превращения диоксида серы на втором и последующих слоях ниже - заданного значения уменьшают температуру газа на входе соответствующего слоя пропорционально разности заданного и вычисленного текущего значения степени превращения диоксида серы на этом слое, сравнивают измеренное значение температуры газа на входе второго и последующих слоев с заданным минимальным значением и при достижении этого измеренного значения температуры газа заданного минимального значения стабилизируют температуру газа на входе второго и последующих слоев на заданном минимальном значении.