Способ автоматического управления процессом эпоксидирования пропилена гидроперекисью этилбензола Советский патент 1993 года по МПК C07C15/46 G05D27/00 

Изобретение относится к управлению технологическими процессами и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности

Известно,, что на селективность процесса эпоксидирования влияет температура процесса и величина молярного соотношения олефина и гидроперекиси (1), и что стабильность вышеуказанных параметров на определенном уровне обеспечивает требуемую селективность.

Известен способ, сущность которого заключается в том, что соотношение расходов катализатора и .гидроперекиси корректируют по концентрации остаточной гидроперекиси на выходе реактора, соотношение расходов пропилена и гидроперекиси корректируют по содержанию окиси пропилена на входе реактора, а регулирование температуры осуществляется с учетом скорости изменения температуры.

Вышеуказанный способ не позволяет достичь высокого качества управления, так как не учитывает влияние температуры на концентрацию гидроперекиси и окиси пропилена на выходе реактора и влияние давления на процессы, происходящие в реакторе.

Отклонение температуры реактора от нормы при стабильности остальных параметров приводит к изменению концентрации гидроперекиси и окиси пропилена на выходе реактора и далее: к изменению соотношения подач реагентов, изменению тепловыделения и снова к изменению температуры. Кроме того изменение температуры вызывает изменение давления в реакторе, и, следовательно, изменение подач реагентов в реактор. Процесс приобретает

ч ю

-ч о о

4

СА

колебательный характер, что снижает качество управления, а следовательно увеличивает расходы реагентов и теплоносителя.

Целью изобретения является сокращение затрат реагентов, катализатора и хладо- агента за счет повышения качества управления.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе пересчитывают текущие значения концентраций гидроперекиси и окиси пропилена на выходе реактора в соответствии с заданной температурой и по полученным значениям корректируют соотношения расходов пропилена и гидроперекиси, катализатора и гидроперекиси, а расход пропилена корректируют по давлению в реакторе.

Предлагаемый способ по сравнению с известным имеет ряд отличительных признаков:

пересчет текущей концентрации гидроперекиси на выходе реактора на заданное значение температуры реактора;

пересчет значения текущей концентрации окиси пропилена на выходе реактора на заданное значение температуры реактора;

корректировка соотношения расходов пропилена и гидроперекиси, катализатора и гидроперекиси по пересчитанным значениям концентраций;

коррекция расхода пропилена в реактор по давлению в реакторе.

Пересчет концентрации гидроперекиси на выходе реактора на заданное значение температуры позволяет определить то значение концентрации, которое будет при температуре реактора, равной заданной.

В этом случае коррекция соотношения расходов гидроперекиси и катализатора будет иметь место, только в случае, когда причина изменения концентрации гидроперекиси на выходе реактора не связана с температурой (например падение активности катализатора и т.д.). Таким образом исключается влияние контура регулирования температуры реактора на контур регулирования соот- ношения расходов катализатора и гидроперекиси, а следовательно, улучшается качество управления.

Пересчет концентрации окиси пропилена на выходе реактора на температуру реакто ра, равную заданной, позволяет определить то значение концентрации, которое будет иметь место при температуре реактора, равной заданной,

При этом, как было указано выше, исключается влияние контура регулирования температуры реактора на контур регулиро - еания соотношения расходов пропилена и

гидроперекиси, что повышает качество управления.

При изменении температуры изменяется давление в реакторе, при изменении давленйя корректируют расходы гидроперекиси, катализатора и пропилена в реактор, что позволяет сохранить требуемые соотношения расходов вышеуказанных продуктов.

Таким образом компенсируется влияние давления на подачу реагентов, что повышает качество управления.

В результате совместного действия вышеуказанных факторов исключается влияние контуров регулирования температуры и

давления на соотношения расходов катализатора и гидроперекиси и пропилена и гидроперекиси через выходные концентрации гидроперекиси и окиси пропилена.

Улучшение качества управления повышает селективность, увеличивает конвер- сию, снижает расход реагентов и расход энергоресурсов.

На чертеже представлена принципиальная схема реализации способа.

Схема содержит реактор 1, датчик концентрации катализатора 2, регулятор расхода катализатора 3, регулирующий клапан на трубопроводе подачи катализатора 4, датчик 5 концентрации гидроперекиси на входе

в реактор, регулятор расхода гидроперекиси 6, регулирующий клапан подачи гидроперекиси 7, датчик концентрации пропилена 8, регулятор расхода пропилена 9, регулирующий клапан подачи пропилена 10, датчик

давления в реакторе 11, датчик температуры в реакторе 12, датчик концентрации гидроперекиси на выходе реактора 13, датчик концентрации окиси пропилена на выходе реактора 14, датчики 15 и 16 температуры

хладоагента на входе в реактор и выходе из реактора, регулятор расхода промышленной воды 17, регулирующий клапан подачи . промышленной воды 18, регулятор расхода антифриза (хладоагента) 19, регулирующий

клапан на линии хладоагента 20, вычислительное устройство 21, смеситель 22, теплообменник хладоагента промышленной воды 23.

Способ реализуется следующим обра- .зом. Сигналы от датчиков концентраций 2,

5, 8, 13, 14, датчиков расхода 3, 6, 9, 17, датчиков температуры 12,15, 16. поступают в вычислительное устройство 21.

В вычислительное устройство 21 вводятся следующие величины:

С.4зад. - задание на выходную концентрацию гидроперекиси;

Сбзад. - задание на выходную концентрацию окиси пропилена;

1рзад. - задание на температуру реактора;

Рзад. - задание на давление в реакторе;

KI - задание на соотношение расходов катализатора и гидроперекиси;

К2 - задание на соотношение расходов пропилена и гидроперекиси;

Frn зад. - задание на расход гидроперекиси на входе в реактор.

В вычислительной машине 21 рассчитываются следующие величины по формулам 1-8:

кзад.

К1 Frn С1 С2

где FK зад. - расход катализатора, заданная величина, т/ч;

Сг - концентрация катализатора, мас.%;

Ci - концентрация гидроперекиси в растворе. мас.%;.

Frn расход гидроперекиси.

пзад.

Fm -Ci К2 --С5--

где Рпзад. - расход пропилена (заданная величина), т/ч,

Сз - концентрация пропилена, мас.%:

Kl f (С4гп - С4зад.)

(3),

где C/jpn - концентрация гидроперекиси на выходе реактора, пересчитанная на заданную температуру реактора, мае. %.,

f - функциональная зависимость «1 от рассогласования, в качестве которой берется стандартный закон регулирования (например ПИД).

(Csn-Cs) ,

где Сбп - концентрация окиси пропилена на выходе реактора, пересчитанная на заданную температуру реактора, мас.%;

f-зависимость, реализующая стандартный закон регулирования (например ПИД).

С/1гп КЗ (Тр.зад. - tp) + С4 ;(5), . Сбрп К4 (Тр.зад. - Тр) + Си , (6),

где С4 и Cs соответственно концентрация гидроперекиси и окиси пропилена на выходе реактора, мас.%,

tp-температура реактора, °С;

Кз и КА -коэффициенты пропорциональности.

Fxa зад. f ( зад.) ,

(7)где Fxa зад. - расход хладоагента (заданная величина), т/ч;

f - зависимость расхода хладоагента от рассогласования, в качестве которого берут стандартный закон регулирования, (например ПИД -закон).

Корректируют расход гидроперекиси, расход пропилена и катализатора при изменении давления в реакторе по формулам:

Ui UPi +К5 (Р-Рзад.) :(8).

15

U2 UP2 + Кб (Р-Рзад.) ;(9). U3 UP3 + К7 (Р-Рзад.) , (Ю),

где Dpi, Up2 и Up3 - соответственно сигналы управления регулирующими клапанами расходов гидроперекиси, пропилена и катали- 20 затора регуляторами 6,9 и 3;

Kg, Кб и Ку - коэффициент пропорциональности.

Второе слагаемое формул 8.9 и 10 является корректирующим сигналом, вырабаты- 25 ваемым вычислительным устройством 21 для коррекции расходов гидроперекиси, пропилена и катализатора.

Ui, Da и Уз - соответственно скорректированные по давлению сигналы управления 30 регулирующими клапанами расходов гидроперекиси, пропилена и катализатора.

. Таким образом, при изменении давления согласно формулам 8, 9, 10 вырабатываются сигналы управления регулирующими 35 клапанами 7, 10 и 4 и при этом компенсируется изменение расхода соответствующего реагента, вызванное изменением давления. Пример. Конверсия определяется выражением 40

Х2

Xi

100 ,

(11).

где Ki - конверсия, %;

Xi - подача гидроперекиси в реактор, т/ч;

Х2 - выход гидроперекиси из реактора, т/ч.:. Разделив числитель и знаменатель вы- ражения (11) на общую массу смеси гидроперекиси, пропилена и др., получим:

Ki

F F

Xi

F

100- ,

(12),

где F - суммарная подача продуктов в реактор, т/ч.

Величины Ci -V100 и С

Х2 F

определяют.соответственно массовую концентрацию (мас.%) гидроперекиси на входе (в растворе) и выходе реактора. Пусть конверсия при температуре реактора, равной ti, определяется величиной

F F

211

F

100

(13),

xi

где - -массовая доля гидроперекиси на

выходе реактора при темлературе реактора ti. Соответственно при температуре реактора ta имеем

1

F

ХЯ

Xi F

100

(14),

И

где массовая доля гидроперекиси-на выходе реактора при температуре реактора 12. Соответственно к - К

10

15

20

,17 Сгпвх .

Заданная температура реактора 110°С. Время пребывания в реакторе 23 мин, при подаче 27 т/ч раствора гидроперекиси, содержащем 24,6 мас.% гидроперекиси и 12 т/ч пропилена и 19,8 мин при подаче 33 т/ч раствора гидроперекиси (,6 мас.%) и 15 т/ч пропилена.

Тогда имеем в первом случае 23 мин конверсию ,5 мае. % при температуре t 100°C и конверсию ,8 мас.% при температуре 114°С.

Отсюда Л С 41

I. - «l-d

14

74.5 -85.8

14

0,17 0,14

1F

JL

т.е. изменение концентрации гидроперекиси на выходе из реактора на 0,14% происходит при изменении температуры реактора на.. 1°С.

Соответственно, для второго случая Kt1 72,2 мас.% , Ki2 85,3 мас.%

ДС 42

.К -itf Xi

14

-0,16 мас.%.

Использование: химическая, нефтехимическая промышленность. Сущность способа: пересчитывают текущие значения концентраций гидроперекиси и окиси пропилена на выходе реактора в соответствии с заданной температурой в реакторе. По полученным значениям корректируют соотношения расходов пропилена и гидроперекиси, катализатора и гидроперекиси. Регулируют расход пропилена по давлению в реакторе. 1 ил.

(15).

Или разность концентраций АС гидроперекиси на выходе реактора при разной температуре реактора ( и С4П), при неизменных остальных параметрах, можно определять из выражения (15) в виде формулы

ДС4(к1-кЗ)

Доля гидроперекиси в растворе гидроперекиси и пропилена на входе в.реактор в производстве (см, (2)), равна 0,17,

5

0

5

5

0

Выходную концентрацию гидроперекиси на выходе первого реактора на производстве в Нижнекамскнефтехим держат в пределе 5 мас.%

При реальном колебании температуры реактора ±2,5°С имеем

0,35% ДС4 0,4 мас.%

т.е. имеем значительную величину. .

Рассмотрим ситуацию изменения температуры реактора при неизменных остальных параметрах. Пусть увеличится температура на 1,5°С, тогда получаем для второго случая Д ,24 мас.%, т.е. выходная концентрация увеличится на 0,24 мас.% (см. формулу (15)).

Соответственно согласно известному произойдет коррекция (понижение) соотношения катализатора и гидроперекиси, в чем нет необходимости. При восстановлении температуры до нормы скорректированное соотношение даст низкую концентрацию гидроперекиси на выходе.

Коррекция соотношения повлияет на контур регулирования температуры и начнется колебательный процесс,- как было указано выше

Если будет идти управление согласно предложенному способу, то С4рп будет определено по формуле

С4гп 0.15(110-111.5)+5,,01% ,

где 0,15 средняя величина коэффициента Кз определяемая как

,д, 0.14 +0.16

АС 41 + ДС 42

0,15,

где 0,14 и 0,16 - изменение концентрации гидроперекиси при изменении температуры реактора на 1°С при нагрузках (27 т/ч и 33 т/ч, см. расчет выше).

110°С - заданная температура, а 111,55°С - текущая температура реактора; 5,24 мас.% - текущая концентрация, 5 мас.% - заданная концентрация гидроперекиси на выходе реактора;

C4pn практически равна заданной величине.

Вследствие этого будет работать только регулятор температуры. Он восстановит температуру и срыва в колебательный процесс не произойдет.

При увеличении на 1°С текущей температуры реактора произойдет увеличение выходной концентрации окиси пропилена. При регулировании согласно известному будет скорректировано (уменьшено) соотношение расходов пропилена и гидроперекиси, что ухудшит селективность.

При изменении температуры реактора от 100°С до 114°С при времени реакции 23 мин селективность меняется от 91,5% до 89,5%.

Селективность определяется по формуле

О

С5

г -г. 100%- 06),

гпвх -4

где Св. - концентрация окиси пропилена (мае.%) на выходе реактора;

Сгпвх - концентрация гидроперекиси в растворе гидроперекиси и пропилена (мас.%) на входе в реактор;

С4 - концентрация гидроперекиси на выходе из реактора (мас.%).

Концентрация гидроперекиси на входе в реактор Сгпвх 17%. Пусть при температуре 100°С , тогда при температуре

114°С .14 -х 14°С 3,04%, где 0,14 -Ј- х 14°С - изменение выходной

концентрации гидроперекиси при изменении температуры реактора на 14°С.

Итак имеем при температуре реактора 100°С ,5%. Сгпвх 17%С4 5% соответственно из выражения 16 получим

Сб - оо ( ГП8Х С) - (17-5) Ю,98%. Аналогично, при температуре реактора

о/ .......

114°С имеем

OQ Ц

С5 -(17-3,04) 12,49%,

т.е. концентрация окиси пропилена при изменении температуры реактора на 14°С возросла на 12,49-10,,51%, т.е. на 1°С температуры концентрация пропилена на

1,51 выходе реактора увеличивается на ,. г

0-11 %/°С.

При регулиро&ании согласно предлагаемому способу при росте температуры на 1,5°С величина Csn равна

35

Csn 0,11(110-111.5)+Сб.

При температуре реактора 110°С, концентрация окиси пропилена была равна за- данной и равнялась С5зад 12%.

С ростом температуры на 1,5°С выходная концентрация окиси пропилена стала 12,165%, отсюда

,11(110-111,5)+12,,

т.е. Cgn осталось равной заданной.

Следовательно, при регулировании согласно предлагаемому способу изменения соотношения подач пропилена и гидроперекиси не произойдет и не будет ухудшена селективность.

Будет работать только регулятор температуры, не оказывая влияния на другие кон- туры регулирования.

Пусть давление изменилось на 2 кг/см2, (Р-Р зад.)1 кг/см2 .

При этом согласно формуле (8) сигнал управления регулирующим клапаном увеличится на величину К5(Р-Рэад)2(см/кг%) х 1(кг/см2)2%

КБ определяется опытным путем (Кз 2 см27кг%; К6 3,2 см2/кг%; «7 1,8см2/кг%).

При этом перемещение клапана на 2% хода скомпенсирует уменьшение расхода гидроперекиси от изменения давления.

Расход гидроперекиси при этом оста- .нется на прежнем уровне, так же как и расходы пропилена и катализатора (см. выражения 9 и 10).

Вследствие этого ход реакции и тепловыделения не изменится, воздействие давления на температуру не произойдет и соответственно не возникает колебательный процесс, вызванный взаимным влиянием давления температуры и расхода реагента. ,

Использование изобретения позволит за счет повышения качества управления сократить затраты реагентов, катализатора и хлэдоагента.1

Формула изобретения Способ автоматического управления процессом эпоксидирования пропилена гидроперекисью этилбензола, включающий

регулирование расходов гидроперекиси и катализатора подавлению в реакторе, регулирование температуры в реакторе, коррекцию соотношения расходов катализатора и гидроперекиси по концентраций гидропе0 рекиси на выходе из реактора, соотношения расходов пропилена и гидроперекиси по концентрации окиси пропилена на выходе из реактора, от л и ч а ю щийс ятем, что, с целью сокращения затрат реагентов, ката

5 лизатора и хладагента за счет повышения качества управления, пересчитывают теку щиезначения концентраций гидроперекиси и окиси пропилена на выходе реактора ц соответствии с заданной температурой в ре0 акторе и по полученным значениям корректируют соотношения расходов пропилена и гидроперекиси, катализатора и гидроперекиси, а расход пропилена корректируют по давлению в реакторе,

fffrrdyBKu