Способ управления экзотермическим процессом Советский патент 1980 года по МПК B01J19/00 G05D27/00 

Изобретение отнойится к области управления непрерывными процессами химической технологии и касается, в частности, способа .регулирования температуры экзотермических процессов (например хлорирование, нитрирование, сульфирование), который может применяться в химической, :фармацевтической, лакокрасочной, нефтехимической и других отраслях промышленности. Известен способ управления реакто ром путем изменения подачи реагента в зависимости от температуры реакционной массы с коррекцией по величине отношения производных количества теп ла, вьщеляющегося в реакторе, и количества тепла, выделяющегося в реакторе, по температуре 1. Мацболее близким по тех ническрй. сущности к изобретению яьляется criocT управления экзотермическим процессом в реакторе путем изменения скорости вращения мешалки в зависимости от t. суммы сигналов вязкости и уровня реакционной массы, подачи исходного ре агентов и хладагента в реакторе в за висимости от температуры реакционной массы и суммы сигналов вязкости и уровня реакционной массы, отвода жид- кого и газового продуктов 2. Недостатком известного способа является то, что в нем не учитывается тепловой эффект побочных реакций, что снижает производительность реактора при управлении процессом на границе устойчивости. Цель изобретения - обеспечить максимальную производительность реактора при оптимальном расходе реагентов эа счет.повышения точности регулированйя. /Для этого скорость вращения мешалки изменяют в зависимости от величины отнсяиения производных от количества выделившегося тепла в реакторе и количества отведенного тепла , нз реактора по температуре в реакторе, при этом количество выделившегося тепла определяют по концентрациям побочных продуктов в жидком и газовом продуктах, количество отведенного тепла вычисляют по уровню реакционной массы, скорости вращения мешалки, перепаду температур на стенке реактора, температуре и расходу газового продукта. Для химических реакторов, в которых осуществляются экзотермические процессы, наличие различных возмущений (изменение температуры и расхода хла агента, изменение количества поступа ющего реагента, а также условий протекания реак1 ии и ее температуры) мо жет вывести в неустойчивую область. Для того, чтобы процесс был устойчив необходимо выполнение следующего условия:QOTB 0выд. dT dT dOpT где - производная по температуdtре от величины теплоотвода из реактора; производная по температуре от крличества тепла, выделяющегося в реакторе Значения и определяются из следующих выражений: °8ыА Ч- р- уС„ 2: q,-V. -. Яг и с K-F-it-i О объем реактора. - тепловой эффект основной реакции, ккал х X ; тепловой эффект побочных реакций, ккал х X . коэффициент теплопере-2 . р -Y дачи, ккал м X град константы скорости, прямой и побочных реакций г- концентрация побочных продуктов, кг . моль X X концентрация целевого продукта, кг моль х Поверхность теплообмена ftt - температурный перепад по поверхности теплообмена реактора,С; отхг количество тепла, отводимрго с газовым потоком, ккал-г Запас тепловой устойчивости экзот MjivecKoro процесса определяется вели йс1й коэффициента Ь - ( . При р кзотермический процэсс устойчив, пр |i с 1 находится на границе тепловой устойчивости, при jb 1 npoqecc неус тойчив. На величину коэффициента теп лово устойчивости наряду с изменени ем расхода хладагента, его температу ры, поверхности теплообмена, расхода компстнентов, температуры реакционной массы оказывает влияние и скорость вращения мешалки. С увеличением скорости вращения мешалки соответствующ образомвозрастает и значение коэффи циента теплоотдачи со стороны реакци онной массы, что в свою очередь, ска завается на значении коэффициента теплопередачи. С увеличением скороети вращений мешалки увеличивается коэффициент теплопередачи, что ведет к увеличению коэффициента тепловой устойчивости, так как возрастает QQTB числитель коэффициента тепловой устойчивости. Таким образом, по знаку и величине коэффициента тепловой устойчивости можно управлять процессом, воздействуя на скорость вращения мешалки реактора. Максимальная производительность реактора достигается тем, что регулирующее воздействие осуществляется : изменением скорости вращения мешалки, что не нарушает материального б,аланса реактора, позволяя сохранять подачу исходных реагентов на ранее заданном оптимальном уровне, и обеспечения условия протекания процесса на границе тепловой устойчивости. Работа реактора в этом режиме достигается тем, что рассчитывается коэффициент |Ь и в соответствии с его знаком и величиной корректируется регулирующее воздействие. Сигнал коррекции направлен на такое изменение Структуры регулятора температуры, чтобы, воздействуя на скорость вращения мешалки, обеспечить стабилизацию температурного режима в реакторе на границе тепловой устойчивости. На чертеже представлена схема реализации способа управления экзотермическим непрерывным процессом. Реактор 1 с рубашкой 2 оснащен мешалкой 3 с электродвигателем 4, г трубопроводами 5 и 6 подачи исходных компонентов в реактор, перетоком 7, вытяжной системой 8 .и трубопроводом 9 подачи хладагента в рубашку. Температуру в измеряют первичным преобразователем 10 со вторичным прибором 11. Расход хладагента, поступающего в рубашку, измеряют первичным преобразователем 12 и прибором 13. Термопарами 14 и 15 и вторичным прибором 16 определяют перепад температуры на стенке реактора. Для определения поверхности теплообмена в реакторе служит уровнемер 17 со вторичным прибором 18. Расход газообразных продуктов реакции измеряют первичным преобразователем 19 и вторичным прибором 20, а температуру -термопарой 21 и прибором 22. Концентрация целевого продукта определяется первичным преобразователем 23 и прибором 24. Концентрация побочных продуктов в жидкой .и газовой фазах определяются Ъоотйетственно первичными преобразователями 25 и 26 со вторичными приборами 27 и 28. В блоке 29 определяют произведение температурного перепада на поверхность теплообмена. В блоке 30рассчитывается значение коэффициента теплопередачи, исходя из значения расхода хладагента и скорости вращения мешалки, которая измеряется приборОм 31. В блоке 32 определяют количество тепла, отводимого через рубашку реактора. В блоке 33 рассчитывают энтальцию газового потока, отводимого вытяжной системой реактора, значение которой суммируют в блоке 34 с количеством отводимого тепла из реактора. В блоке 35 дифференцируют сум марное количество отводимого тепла по температуре в реакторе. В блоке 36 : рассчитывают количество тепла, выделившегося в хойе реакцииполучения целевого продукта с учетом его концентрации и температуры реакционной массы. В блоке 37 рассчитывают количество выделившегося тепла в ходе образования побочного продукта в жидкой фазе с учетом его концентрации и температуры реакционной массы. В блоке 38 определяют, количество тепла, вы делившегося в результате образования газообразного побочного продукта с учетом его концентраций в газовой фазе и ее температуры. Общее количество тепла, выделившегося в ходе реакции, рассчитывают в блоке 39 (сумматор) , а дифференцируют его значение по температуре реакционной массы в блоке 40. Сигналы с блоков 35 и 40 поступают в блок деления 41 для определения -значения и знака коэффициента тепловой устойчивости с целью корректировки параметров регулятора 42 пере ;менной структуры. Способ осуществляется следующим образол.. По данным, о расходе хладагента, уровне реакционной массы, перепаде температур на стенке реактора, скорости вращения мешалки, а также о рас ходе и температуре газообразных продуктов, которая поступает с приборов 13,.16, 18, 20, 22 и 31, в блоке 34 формируется значение QQTB Значение Q щэ,д формируют в сумматоре 39 на основании концентраций целового продукта, побочного продукта и отходящих газов, измеряемых приборами 24, 27 и 28, а тепловые эффекты реакций рассчитываются в блоках 36, 37 и 38, В блоках дифференцирования 35 и 40 формируют производные о по температуре в реакОт блоков дифференцирования зна Зротв ОВЫА . - , чения ----и--- поступают на бло . оТ оТ деления 41, с выхода которого снимаетсй значение коэффициента ь.. йОвыд Сигнал поступает на изменение параметров регулятора 42 переменной структуры, на который также подается с прибора 11 текущее значение температуры в реакторе. Выходной сигнал регулятора 42Поступает на двигатель мешалки реактора, изменяя скорость ее вращения.. Использование предлагаемого способа управления позволяет проводить технологический процесс при максимальной производительности на границе тепловой устойчивости в условиях налтгчия всевозможных возмущений, при этом производительность реактора повышает-, ся на lQ-15%. Экономический эффект от использования данной системы управления за счет обеспечения максимальной производительности реактора р расчете на 1 т готового продукта роставляет 175 руб. ипри готовой .. программе в 200 т составит 35000 руб. Формула изобретения Способ управления экзотерМическим процессом в реакторе непрерывного действия путем изменения скорости вращения мешалки, измерения температуры н уровня реакционной массы, скорости вращения мешалки, отвода жидкого и газового продуктов, о т л: и ч а ю щ и и с я тем, что, с обеспечения максимальной производительности реактора при оптимальном расходе реагентов за счет повышения точности регулирования, скорость вращения мешалки изменяют в зависимости от величины отношения производных от количества выделякядёгося тепла в реакторе и количества отведенного тепла . из реактора по температуре в реакторе, при этом, количество выделившегося тепла определяют по концентрациям побочных продуктов в жидком и газовом продуктах, а количество отведенного тепла вычисляют по уровню реакционной массы, скорости вращения мешалки, перепаду температур на стенке реактора, температуре и расходу газового рродукта. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 525463, кл. В 01 J 1/00, 1975. 2. Авторское свидетельство СССР 465215, кл. В 01 J 1/00, 1973.

t