Способ автоматического управления процессом получения винилацетата на основе этилена Советский патент 1990 года по МПК C07C69/15 G05D27/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению химико-технологическими процессами и может быть использовано в химической нефтехимической промышленности для управления процессом синтеза винилацетата.

Цель изобретения - увеличение производительности установки по целевому продукту.

На фиг. 1 изображена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - полученные экспериментально сравнительные графики стабилизации концентрации кислорода на выходе из узла подготовки смеси(фиг. 2а), молярного соотношения этилена к уксусной кислоте (фиг. 26) и сьема

винилацетата (фиг. 2в) при управлении процессом получения винилацетата с помощью известного способа (графики 1, 3 и 5) и с помощью предполагаемого изобретения (графики 2, 4 и 6).

Схема реализации предлагаемого способа (фиг. 1) включает в себя узлы 1-5 соответственно подготовки парогазовой смеси, ее подогрева до необходимой температуры, синтеза и выделения винилацетата, компри- мирования и очистки от диоксида углерода циркуляционного газа. Расход кислорода в узел 1 подготовки парогазовой смеси измеряется датчиком 6 расхода и регулируется регулятором 7, связанным с клапаном 8. Расход уксусной кислоты в узел 1 измеряетО

о

tb.

00

ся датчиком 9 и регулируется регулятором 10 и регулирующим клапаном 11. Температура смеси на входе в узел 3 измеряется датчиком 12 и регулируется регулятором 13, связанным с клапаном 14. Содержание кислорода на выходе узла 1 измеряется анализатором 15. Расход винилацетата-сырца и узла 3 его синтеза и выделения измеряется датчиком 16 расхода. Состав потока винилацетата-сырца на выходе узла 3 измеряется датчиком 17 или задается с помощью ручного задатчика 18 по результатам лабораторного анализа. Переключение осуществляется с помощью переключателя 19. Расход смеси этилена и диоксида углерода на факел из узла 5 очистки циркуляционного газа измеряется датчиком 20, содержание диоксида углерода в смеси -датчиком 21, а расход СОа на факел из узла 5 - датчиком 22.;

Расход циркуляционного газа, подпитанного этиленом, в узел 1 измеряется датчиком 23, а состав - датчиком 24. Информация от датчиков 6, 9,16, 20,22 и 23, расхода датчиков 15 и 17 или 18, 21, 24 и 12, поступает на входы блока 25 расчета задания. Рассчитанные блоком 25 значения управляющих воздействий по температуре парогазовой смеси, расходу кислорода и уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси поступают с выхода 25 блока в камеры задания соответственно регуляторов температуры 13, расхода кислорода 7 и расхода уксусной кислоты 10.

Управление по предлагаемому способу осуществляют следующим образом. Блок 25 рассчитывает задание регулятора 13 температуры парогазовой смеси по формуле

TN -TN-1 + Ki(SE - -SE )4+ К2 (SE - SE ) -f Кз (2 SE -SE

N-2

с.- NN

ЬЕ j,

(1)

где TN-I - значение уставки регулятору 13 на прошлом N-1 шаге, °С (на первом шаге управления () величина TN-I принимается равной измеренному датчиком 12 значению температуры смеси);

TN-1 Ты-Л SE - COOT- ветственно рассчитанные на N-2, N-1, N шагах значения съема винилацетата, г/л ч;

SE -заданное значение съема, г/л ч;

KI, Ка, Кз - коэффициенты настройки дискретного ПИД-регулятора величины съема винилацетата.

Съем винилацетата определяется на каждом шаге по формуле

10 р i

ЬЕ -т -СзвА VK

СВА , г/л ч, (2)

где i - шаг измерения и управления, равный N-2, N-1, N;

VK - объем катализатора, равный 24000 л;

GBA - расход винилацетата-сырца на

выходе из узла 3, измеряемый датчиком 16 на i-шаге, кг/ч;

Сел - содержание винилацетата в потоке винилацетата-сырца, измеряемое датчиком 17 или задаваемое задатчиком 18 по результатам лабораторного анализа на 1-м шаге измерения, мас.%.

Рассчитанное значение задания регулятору 13 температуры проверяется затем на

величину максимального шага АТмакс. Если

ITN - TN-I I ДТмакс, то TN TN-I +

+ .АТмакс,

(3) где АТмаск 0,5-1,0°С.

Затем величина TN проверяется на максимально и минимально возможные

значения и Т

мин.

Если TN Тмин, то TN Тмин. (4) Если TN Т макс, то TN Тмакс, (5)

где Тмин 145°С, Тмакс 200°С.

Расчет уставки регулятору 10 расхода уксусной кислоты осуществляется блоком 25 по формуле

FyKN FyKN-1 + K4() +

+ Кб (; - 7) ,(6) .

где - значение задания регулятору 10 расхода на прошлом N-1 шаге, кг/ч (на пер- вом шаге () РукМ-1 равно измеренному датчиком 9 значению расхода Сук ;

N - 1 ,0;,ярное соотношение этилена и уксусной кислоты, определенное соответственно на текущем N и на прошлом N-1 шаге, моль/моль;

К4, KS - параметры настройки дискретного ПИ-регулятора молярного соотношения;

/ - заданное молярное соотношение,

моль/моль.

Молярное соотношение этилена к уксусной кислоте tf на i-м шаге определяется по формуле

. Сцг СС2Н4

(7)

100% -22,4 -Сук где I - шаг измерения и управления, равный

N-1,N;

Сцг - расход циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси, измеряемый на i-M шаге датчиком 23, нм /ч;

Сс2Н4 содержание этилена в циркуляционном газе, измеряемое датчиком 24 на i-M шаге, об.%;

//ук - вес 1 моль уксусной кислоты, равный 60 кг/моль;

Сук - расход уксусной кислоты в узел 1, измеряемый датчиком 9 на 1-м шаге измерения, кг/ч;5

22,4 - объем, занимаемый 1 моль газа при нормальных условиях, нм /мопь.

Рассчитанное по формуле (6) значение РукМ проверяется далее на ограничения .ЕслиРукЫ FyK,ToFyKN 10 принимается равным . Если FVKN

г- макс -

А Fo2N - прир тываемое по одной

а) если 1Свх

А Fo2N

зцг

N

Fx

.11 . C. F02N Кб (Са.х

FyK . 28500 Kr/H. 23000 кг/ч.

Селективность катализатора синтеза 15 винилацетата по этилену рассчитывается блоком 25 на основании информации, поступающей от датчиков 16, 20, 22 и 17 или 18 и 21. Расчет ведется по Формуле 20

Gcoz ; ВАa-f4co2 /

- весИ моль винилацетата, равный 86 кг/моль;

Gco2 расход диоксида углерода, изме- .25 ренный датчиком 22 на N-м шаге, кг/ч.;

//СО2 - вес 1 моль диоксида углерода, равный 44 кг/моль;

Gr - расход смеси этилена и диоксида глерода, измеренный датчиком 20 на N-м аге, кг/ч;

Г N

ССО2 -содержание диоксида углерода смеси, измеренное датчиком 21 на N-м аге, мас.%;25

а - стехиометрический коэффициент, тражающий тот фактор, что из одной моле-, улы этилена образуется две молекулы диксида углерода, а 2.

В зависимости от рассчитанной на N 40 аге селективности катализатора опредеяется величина Fo2N по формуле; Fo2N У1 (6774,16 - 58,57 S), (9)

де Fo2N - максимальное значение ус- 45 авки регулятору 7 расхода кислорода на -M шаге, м /ч;

У - безразмерный коэффициент, опрееляемый экспериментально в пределах ,7-0,95.50

Расчет уставки регулятору 7 расхода ислорода осуществляется блоком 25 по ормуле

б)если Свх

К7 (Свых - Свых ) -Свых - Свых

где Свх , Свх - с циркуляционном га меренное датчиком N-M и (N-1)-M шагах

Свых - заданн концентрации кис смеси на выходе узл

Fo2 - измерен ком 6 значение расх подготовки смеси, м

о N-2 х , Свых

кислорода в парога угла 1, измеренное венно на (N-2)-M, (N

- предельное ции, равное 0,05-0,2

Кб, К, KS - коэ ПИД-регулятора сод выходе узла 1.

Рассчитанное бл значение уставки ре лорода проверяется

F02N и F02

то значение уставки

F02N F02 . Ес

ТО значение уставки Fo2N Fo2N . Р значения уставок рег ры, регулятора 10 рас и регулятора 7 расхо ют с выхода блока 25 регуляторов. Реализа блока 25 осущест средств вычислительн микро-ЭВМ.

Предлагаемый сп управления позволяе зировать на заданны рацию кислорода на молярное соотношен кислоты, от которых в зависит производите также величину съем

F02N F02N-1 +ЛРо2Ы , (10)

где FO2N-1 -значениеуставки регулятору 7 на прошлом N-1 шаге, (на первом шаге () Fo2N-i равно измеренному датчиком 6 значению расхода кислорода Ро2

А Fo2N - приращение уставки, рассчитываемое по одной из следующих формул:

, то

а) если 1Свх -Свх

зцг

N

(Св

-С

вх

NN - -F02

(11)

2N Кб (Са.х

б)если .

) +

N-1

8ЫХ

15 20

.25

25

40

45

50

N-1

К7 (Свых - Свых ) + Ка (2 Свых -Свых - Свых ), (12)

где Свх , Свх - содержание кислорода в циркуляционном газе на входе в узел 1, измеренное датчиком 24 соответственно на N-M и (N-1)-M шагах, об.%;

Свых - заданное значение объемной концентрации кислорода в парогазовой смеси на выходе узла 1, об.%:

Fo2 - измеренное на N-M шаге датчиком 6 значение расхода кислорода в узел 1 подготовки смеси,

о N-2 х N1 f N

-вых , Свых , Свых - содержание

5

кислорода в парогазовой смеси на выходе угла 1, измеренное датчиком 15 соответственно на (N-2)-M, (N-1)-M, N-м шагах, об.%;

- предельное отклонение концентрации, равное 0,05-0,22 об. %:

Кб, К, KS - коэффициенты постройки ПИД-регулятора содержания кислорода на выходе узла 1.

Рассчитанное блоком 25 по формуле (10) значение уставки регулятору 7 расхода кислорода проверяется затем на ограничения

F02N и F02 Если F02N F02 .

то значение уставки принимается равным

F02N F02 . Если F02N F02N ,

ТО значение уставки принимается равным Fo2N Fo2N . Рассчитанные блоком 25 значения уставок регулятора 13 температуры, регулятора 10 расхода уксусной кислоты и регулятора 7 расхода кислорода поступают с выхода блока 25 в камеры задания этих регуляторов. Реализация функционального блока 25 осуществляется с помощью средств вычислительной техники-, например микро-ЭВМ.

Предлагаемый способ автоматического управления позволяет надежно застабили- зировать на заданных значениях концентрацию кислорода на входе в узел синтеза, молярное соотношение этилена и уксусной кислоты, от которых в наибольшей степени зависит производительность установки, а также величину съема винилацетата, что

подтверждается экспериментальными данными, приведенными на фиг. 2. Это позволяет проводить процесс синтеза винилацетата при значениях технологических параметров, более близких к граничным, при которых срабатывает система кислородной защиты. А за счет этого повышается производительность установки по винилацетату.

П р и м е р. В таблице приведены экспериментально полученные данные при управлении процессом получения винилацетата по предлагаемому способу. Коэффициенты настройки дискретных регуляторов сьема винилац етата, молярного соотношения этилена и уксусной кислоты концентрации кислорода на выходе узла подготовки смеси выбраны следующими:

Ki 0,25, К2 0,56, Кз 0,12, K/i 55,

К5 42, Кб 23, К 58, KB 19.

Величины yi и е выбраны равными: У1 0,9; е 0,22.

Значение уставки регулятору 13 температуры на N-M шаге, рассчитанное блоком 25 по формуле (1), равно TN 160,4 С. Так как это значение удовлетворяет условию (3), а также граничным значением, равным Тмин 145°С, Тмакс 200°С, то окончательное, значение уставки Ты 160,.

Значение уставки регулятору 10 расхода уксусной кислоты, рассчитанное по формуле (6), равно: FyKN 26015,2 кг/ч. Так как это значение удовлетворяет граничными значениями 28500 кг/ч. Рук 23000 кг/ч, то окончательное значение уставки Рукм 26015,2 кг/ч.

В зависимости от рассчитанной на N-M шаге селективности катализатора блок 25 определяет Ро2М по формуле (9): 1320,9 . Значение уставки регулятору расхода кислорода на N-M шаге рассчитывается блоком 25 на основании формул (10) и (12) и равно Po2N 1106,11 .

Рассчитанное значение Po2N

1106,11 м /ч меньше Po2N

макс

1320,9

о..-

м /ч, поэтому окончательное значение уставки Po2N равно 1106,11 , так как

P02N 1106,11 Ро2 1000 ,

Экспериментальная проверка предлагаемого способа автоматического управления процессом получения винилацетата на основе этилена показала его высокую эффективность и работоспособность. Экономический эффект получается за счет интенсификации процесса получения винилацетата путем его проведения при значениях технологических параметров более близких, ч ем в известном способе, к граничным, при которых срабатывает система кис- 5 лородной защиты. Это позволяет увеличить средний съем винилацетата с 262 до 270 г/л -ч.

Форму л а и 3 о бретени я Способ автоматического управления

0 процессом получения винилацетата на основе этилена, включающий регулирование расходов кислорода и уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, температуры парогазовой смеси на входе в узел

5 синтеза и измерение расхода винилацетата- сырца на выходе из узла синтеза и выделения и его состава расхода и состава циркуляционного газа, подаваемого в узел подготовки парогазовой смеси, и расходов

0 диоксида углерода и смеси диоксида углерода с зтиленом на выходе из узла очистки циркуляционного газа, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности установки по целевому продукту,

5 дополнительно измеряют содержание кислорода на выходе узла подготовки парогазовой смеси и содержание диоксида углерода в смеси диоксида углерода с этиленом, по измеренным значениям расхода винилаце0 тата-сырца и содержания винилацетата в нем вычисляют съем винилацетата, по измеренным значениям расходов циркуляционного газа и уксусной кислоты и содержанию этилена в циркуляционном газе вычисляют

5 молярное отношение этилена к уксусной кислоте, по измеренным значениям расходов винилацетата-сырца, диоксида углерода и смеси диоксида углерода с этиленом, содержания винилацетата в винилацетате0 сырце и содержания диоксида углерода в смеси диоксида углерода с этиленом вычисляют селективность катализатора синтеза винилацетата по этилену, по вычисленному значению селективности катализатора син5 теза винилацетата по этилену вычисляют максимальное значение расхода кислорода в узел подготовки парогазовой смеси, регулируют температуру парогазовой смеси на входе в узел синтеза в зависимости от вы0 численного значения съема винилацетата и

заданных максимального и минимального

значений этой температуры, регулируют

подачу уксусной кислоты в узел подготовки

парогазовой смеси в зависимости от вычис5 ленного значения молярного отношения этилена к уксусной кислоте и заданных максимального и минимального значений этого расхода, вычисляют абсолютное значение разности текущего и измеренного на предыдущем шаге управления значений концентрации

кислорода в циркуляционном газе и при вычисленном абсолютном значении этой разности, большем заданного значения, расход кислорода в узел подготовки парогазовой смеси изменяют в зависимости от расхода циркуляционного газа, концентрации кислорода в нем и вычисленного максимального и заданного минимального значений

этого расхода, а при вычисленном абсолютном значении этой разности, меньшем или равном заданному значению, расход кислорода изменяют в зависимости от измеренного значения содержания кислорода на выходе узла подготовки парогазовой смеси и вычисленного максимального и заданного минимального значений этого расхода.

Ф11г.1

В А-Сbiре Ц

,7 6 г--

ig Q о-| 18

На (ракел А

iO-if

Bfffljl f V

и)

Изобретение относится к области автоматизации технологических процессов, может быть использовано для управления синтезом винилацетата в химической, нефтехимической и др. отраслях промышленности и позволяет увеличить производительность установки по целевому продукту. Способ автоматического управления заключается в регулировании расхода кислорода и уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, в регулировании температуры парогазовой смеси на входе в узел синтеза. В способе управления задание регулятору температуры парогазовой смеси определяют по формуле дискретного ПИД-регулятора съема винилацетата, задание регулятору расхода уксусной кислоты определяют по формуле дискретного ПИ-регулятора, задание регулятору расхода кислорода определяют с учетом селективности катализатора по этилену в зависимости от двух последних дискретных значений концентрации кислорода в циркуляционном газе или на основании материального баланса по кислороду или по формуле дискретного ПИД-регулятора концентрации кислорода на выходе узла подготовки парогазовой смеси. 2 ил., 1 табл.

yoffa

.

)

фиг 2.